[发明专利]一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法，包括激光器、扩束镜、反射系统、振镜系统、聚焦透镜、电极座和圆柱谐振子，激光器用于发出激光光束，反射系统用于将激光光束反射进入振镜系统，振镜系统用于实现激光的动态聚焦，聚焦透镜用于使激光聚焦在电极座上，电极座包括电极盘，电极盘上设有装配孔，装配孔上围绕装配孔的外侧均匀布置有多个电极齿，圆柱谐振子包括底盘，设于底盘上的多个底盘孔，设于底盘中部的支撑柱，底盘的四周向支撑柱的一侧延伸形成导振环，导振环上设有谐振环，谐振环的外径大于导振环的外径，谐振环的上端为谐振子唇沿。本发明具有装配效率高、可靠性强和工艺简单等优点。

技术领域

本发明涉及振动陀螺技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法。

背景技术

圆柱谐振陀螺是一种全固态波动陀螺仪，利用圆柱谐振子振动驻波沿环向的进动来敏感外界的角速率。圆柱谐振陀螺主要有圆柱谐振子、电极座、真空腔体等主要部件组成。圆柱谐振子和电极座一般都采用低损耗的熔融石英材料加工而成。

在圆柱谐振陀螺制造过程中，需要将谐振子与电极座可靠的固连在一起。目前，一般采用直接键合、阳极键合、共晶键合、铟焊等方式来实现谐振子与电极座的装配。直接键合是一种不需要外加电压的热键合方式。直接键合利用贴合界面的分子间作用力实现连接，并在600-1200℃的温度下进行退火以提高键合强度。直接键合要求键合对象的表面极其平整并且光滑，键合表面的平整度通常要优于0.1微米、粗糙度优于1纳米，这对谐振子和电极座加工的要求极高，导致加工的时间成本、人力成本、加工的不合格率都大幅增加。同时，直接键合过程中需要对键合环境严格控制，保证键合界面不受到微粒的污染，否则在键合界面就会产生空隙、气泡等键合缺陷，严重影响键合的强度和可靠性。因此，直接键合的装配方式在谐振陀螺装配领域没有得到广泛使用。

阳极键合广泛应用晶圆封装中的硅-玻璃连接，将键合对象置于450-900℃的温度下，对硅和碱金属玻璃分别施加200-1500V的直流高压，碱金属玻璃中的离子在高压电场的作用下会发生定向迁移，硅与玻璃之间发生反应形成化学键使两种材料连接在一起。阳极键合可以产生稳定的连接，并且对材料表面的平整度和粗糙度要求低于直接键合。谐振子与电极座的固连也可以采用阳极键合的方式，通过在电极座的局部区域沉积一层多晶硅或者氮化硅作为中间层，在约700V的电压下，升温到400℃，可使得谐振子与电极座连接在一起。为避免谐振子膜层氧化，键合通常需要在高真空环境进行，并且温度需要快速升温到键合温度，以减少膜层的受热时间。阳极键合虽然降低了谐振子和电极座的加工要求，但是键合所需的高压系统和真空系统使得阳极键合工艺仍旧较为复杂。同时，膜层在高温下存在发生改性的风险，影响膜层的性能。

共晶键合是指两种金属焊料在较低的温度下发生共晶熔合的过程。两种不同的金属在共晶温度下按照一定比例共熔形成共晶合金，共晶合金直接从固态变为液态，再快速降温就可形成可靠的连接。不同的金属键合时的共晶温度不同，通过选取合适的金属组分可以在较低温度下实现共晶键合。对于谐振子和电极座的装配，可以分别在谐振子和电极座上沉积特定比例的金属，然后进行键合连接。共晶键合的方式相较于阳极键合具有系统简单，键合温度低的优点。但是共晶键合对于金属的比例控制要求极为严格，不合适的金属比例在升温过程中会存在固液混合状态，严重影响共晶键合的强度和气密性。

在谐振陀螺装配方面，铟焊是较为常用的一种连接方式，具有低成本、低温固连、无需外加电压等优点。铟焊要求铟与焊接表面形成良好的浸润，但是熔融石英与铟的浸润性较差。因此，实际会在石英表面镀制一层金属薄膜来提高浸润性。铟焊过程中，焊接表面的杂质会降低铟融化后的流动性，并产生气孔，从而影响焊接强度。同时，铟焊过程中的真空度和加热温度也会影响铟的流动性。以上这些因素存在导致铟焊的可靠性和重复性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：