[发明专利]一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法

说明书

本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体是一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法；所述方法包括将制备完成的谐振结构放入支架下层中；将玻璃结构紧贴所述谐振结构后盖上支架上层，并合拢上下层支架；将合拢后的支架放入真空加热炉中，软化所述玻璃结构；待炉体温度冷却至室温时，取出支架，得到与谐振结构相适应的球面电极结构；本发明球面电极结构的成型精度仅依赖于谐振结构本身，不受微半球陀螺其他工艺条件限制；在精确控制温度场的条件下，由于谐振结构曲面边缘本身存在温度梯度，使得球面结构的成型具有自适应性，即球面结构的曲率半径与谐振结构的结构尺寸相匹配，能够满足球面电极与谐振结构的一致性要求。

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体是一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件之一，其作用是测量载体在惯性空间的角运动。微半球陀螺是一种新型陀螺仪，基于传统半球陀螺高精度工作原理，采用微加工工艺进行研制，具有精度高、体积小、成本低等优点，可以广泛应用在航空、航天、车辆、工业机器人导航仪、无人装置姿态性能检测仪和姿态实时校准仪、稳定平台、机场安防等诸多领域。

微半球陀螺的核心元件是微半球谐振子和电极，如图1所示，微半球谐振子1是一种伞形三维曲面结构，其曲面边缘形成有微半球谐振子唇沿11，其内表面设置有固定锚点12。所述微半球谐振子1可以由如图2所示的玻璃结构4受热变形得到如图3所示的微半球的谐振结构5，通过结构释放技术，去除多余的玻璃，即可得到微半球谐振子1。

微半球陀螺常用的电极有平面电极和球面电极两种形式，在平面电极形式中，如图4所示，微半球谐振子1通过锚点12与平面电极2固定；平面电极2的作用是与微半球谐振子唇沿11形成平板电容，实现微半球陀螺振动信息的检测和控制。在球面电极形式中，如图5所示，微半球谐振子1通过锚点12与球面电极3固定，微半球谐振子1内表面与球面电极3的外表面形成电容。其中，球面电极3一般是由球面结构金属化后，采用半导体或激光技术对其进行电极分割后得到。

与平面电极形式相比，由于电容面积增大，球面电极具有更高的激励、检测效率，但对电极的制造精度提出了很高的要求。球面电极3除了需具备高对称度，还需与微半球谐振子1的曲率变化相匹配，方能与微半球谐振子1形成均匀的电容间隙，而电容间隙的均匀性对微半球陀螺的性能有重要影响。

为制造高精度球面电极，美国密歇根大学提出了一种模具制造的方法，即采用两个尺寸不同的石墨模具，通过精确控制火焰产生的温度场，使玻璃软化成型，得到两个形状相匹配的玻璃半球形结构，将其中一个作为微半球谐振子，另一个作为球面电极使用。由于每个谐振子的尺寸完全由模具的精度及温度场的一致性决定，因此常规技术难以达到石墨模具的精度、火焰温场的均匀性及一致性要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种微半球陀螺球面电极成型装置及方法，该方案操作简单，具有自适应成型效果，让球面电极的形状能够完全与放入的谐振结构匹配；并且本发明对模具的精度及温度场的一致性要求较低。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种微半球陀螺球面电极成型装置，所述装置包括支架，所述支架包括支架上层和支架下层，所述支架上层和所述支架下层的中心都设置有正对的空腔结构；所述支架上层或/和所述支架下层的空腔结构上设置有限位微半球的谐振结构和玻璃结构的凸起；所述谐振结构放入所述支架下层的空腔结构中，所述玻璃结构放入所述支架上层的空腔结构中。

进一步的，所述支架上层或/和所述支架下层采用耐高温的导热材料制成。

进一步的，所述空腔结构在上下层支架闭合时为封闭的导热腔体。

在本发明的第二方面，本发明还提供了一种微半球陀螺球面电极成型方法，所述方法包括：

将制备完成的谐振结构放入支架下层中；

将玻璃结构紧贴所述谐振结构后盖上支架上层，并合拢上下层支架；