基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具及方法

技术领域

本发明涉及振动陀螺技术领域，尤其涉及一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具及方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种测量角速率或者姿态角的惯性传感器，具有结构简单、精度高、寿命长、可靠性高等突出优点，被广泛应用于诸如深空探测、卫星测姿以及舰艇导航等多种高端应用场景。而借助MEMS工艺加工的微半球谐振陀螺具有成本低、体积小、精度高的独特优势，是目前惯性器件的研究热点之一。微半球谐振子是微半球谐振陀螺的核心部件，其性能决定了陀螺的最终性能。为保证半球谐振陀螺具有较高的性能，谐振子应具有高品质因数和小频率裂解等特性，而这些特性受微半球谐振子的形状对称性影响较大，因此如何制造结构对称性更好的微半球谐振子是研制高精度微半球谐振陀螺的关键。

现有技术中，有两种制造微半球谐振子的主流方案：(1)如图5所示，美国加州大学欧文分校采用自由膨胀的方式完成微半球谐振子的加工，具体地，先将基板玻璃刻蚀一个空腔并与另一片用于成型微半球谐振子的玻璃片键合，形成一个带一定气压的密闭腔室，然后加热至高温使玻璃软化并降低外部气压，在密闭腔室气压的作用下玻璃进行自由膨胀，形成一个全对称的酒杯状结构微半球谐振子；(2)如图6所示，美国密歇根大学采用半模具约束的方式完成微半球谐振子的加工，具体地，将一片玻璃片放置在圆柱形模具上，加热至高温使玻璃软化并控制玻璃片上下表面的压力差，使得玻璃向下自由膨胀成型，模具起到约束微半球谐振子锚点及边缘的作用，但不能约束成型的微半球谐振子形状。

这两种主流的方案都是基于自由膨胀成型完成对微半球谐振子的加工，成型的结构对称性受温度场均匀性影响较大，很难同时实现高成品率和高结构对称性。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具及方法，其采用精密加工的成型球在成型过程中对微半球谐振子的形状进行约束，能够进一步提高微半球谐振子成型的结构对称性和实现对微半球谐振子的形状参数进行控制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具，包括：

主体，所述主体上具有自其顶面向下凹陷的型腔，所述型腔内具有若干与所述主体外部连通的气孔，所述型腔底部具有定位孔；

成型球，所述成型球通过所述定位孔放置于所述型腔内，所述成型球的形状参数与微半球谐振子内腔的形状参数相匹配。

优选的，所述主体顶面具有固定部，所述固定部用于固定键合片。

优选的，所述固定部为设置于所述主体顶面四周边缘的四个凸起部，四个所述凸起部两两对称间隔分布。

优选的，还包括顶盖，所述顶盖用于对放置于所述主体顶面的键合片进行压紧固定。

优选的，若干所述气孔绕所述定位孔周向均匀设置且位置紧邻所述成型球。

优选的，所述定位孔呈倒圆台形。

优选的，所述成型球顶端与所述主体顶面齐平。

第二方面，本发明提供一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型方法，通过如上述第一方面中所述的基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具进行微半球谐振子的成型，包括以下步骤：

根据微半球谐振子的尺寸选择相应尺寸的基底并在所述基底上加工空腔，所述基底为耐高温材质；

将用于成型的基片与所述基底进行键合形成键合片，所述基片与所述空腔配合形成一具有气压的密闭腔；

在所述基片上形成脱模层，以便于成型后进行脱模；

将成型球放置于型腔内，并将所述键合片安装于主体顶面上，使所述基片朝向成型球；

将安装好成型球和键合片的主体置于热成型炉中加热至所述基片的热成型温度，以使基片软化；

在所述基片的热成型温度下对所述热成型炉进行抽真空以降低所述密闭腔的内外气压差，所述基片在所述密闭腔的内外气压差作用下逐步贴合于所述成型球外表面，成型为微半球谐振子；

成型完成后，继续在热成型炉中以所述基片的热成型温度保温一段时间，以使得基片充分成型；

待热成型炉的温度降至室温后，将主体从热成型炉取出并将成型有微半球谐振子的所述键合片从主体上脱模取出；

去除微半球谐振子四周边缘多于的材料，以将微半球谐振子从所述键合片上分离出来，得到最终的成品。

优选的，所述基底上的所述空腔通过干法刻蚀加工。

优选的，所述基片为熔融石英材质。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过精密加工的成型球在成型过程中对微半球谐振子的形状进行约束，成型基片在成型过程中会与成型球充分贴合，这能够进一步提高微半球谐振子成型的结构对称性，有助于生产出更高精度的微半球谐振陀螺，在惯性导航领域具有广泛的应用前景；

(2)本发明可通过控制成型球形状参数实现对微半球谐振子形状参数进行控制；

(3)由于具有固定约束，本发明在实际生产微半球谐振子时能够进一步提高成品率，且具有工艺流程简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。需要说明的是，在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例中所述基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具的整体结构剖视图；

图2为本发明实施例中所述基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具的主体整体结构剖视图；

图3为本发明实施例中所述基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具的主体整体结构俯视图；

图4为本发明实施例中所述基于模具全约束的微半球谐振子热成型方法的成型过程示意图；

图5为现有技术中一种微半球谐振子成型方法的过程示意图；

图6为现有技术中另一种微半球谐振子成型方法的过程示意图。

图中：

1、主体；11、型腔；12、气孔；13、定位孔；14、固定部；2、成型球；3、顶盖；4、基底；41、空腔；5、基片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

微半球谐振子是微半球谐振陀螺的核心部件，其性能决定了陀螺的最终性能。为保证半球谐振陀螺具有较高的性能，谐振子应具有高品质因数和小频率裂解等特性，而这些特性受微半球谐振子的形状对称性影响较大。然而，现有技术中普遍基于自由膨胀成型完成对微半球谐振子的成型，其成型的结构对称性受温度场均匀性影响较大，很难同时实现高成品率和高结构对称性。因此，本发明提供一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具及方法，其采用精密加工的成型球在成型过程中对微半球谐振子的形状进行约束，能够进一步提高微半球谐振子成型的结构对称性和实现对微半球谐振子的形状参数进行控制。

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具，包括：

主体1，主体1上具有自其顶面向下凹陷的型腔11，型腔11内具有若干与主体1外部连通的气孔12，型腔11底部具有定位孔13；

成型球2，成型球2通过定位孔13放置于型腔11内，成型球2根据微半球谐振子内腔的形状参数采用精密加工的方式成型，其形状参数与微半球谐振子内腔的形状参数相匹配。

本发明实施例在主体1上的型腔11内设置形状参数与微半球内腔形状参数相匹配的成型球2，成型时可将带有密闭腔的键合片放置于主体1顶面，然后通过加热方式将基片5软化和抽真空方式改变密闭腔内外侧的气压差，使得软化后的基片5逐步贴合于成型表面完成成型。成型球2在基片5的成型过程中对微半球谐振子的形状参数起到全约束的作用，能够进一步提高微半球谐振子成型的结构对称性，从而能够进一步提高微半球谐振子成型的高成品率。同时，本发明实施例还可以通过控制成型球2的形状参数实现对微半球谐振子的形状参数进行控制。

进一步的，主体1顶面具有固定部14。固定部14可在成型的过程中对键合片进行固定，防止键合片在成型过程中因为气压变化等出现移动，这能够进一步提升本实施例微半球谐振子成型的成品率。

优选的，固定部14为设置于主体1顶面四周边缘的四个凸起部，四个凸起部两两对称间隔分布在主体1顶面围合形成键合片放置区。

可以理解的是，固定部14并不仅限于上述结构形式，在本发明的其它一些实施例中，还可设置其它结构形式的定位部。例如，在一些具体实施例中，可以在主体1顶面沿其四周边缘设置整圈凸起作为固定部14。

在一些可选的实施例中，为了提高对不同尺寸键合片兼容性，还可以在主体1顶面设置若干位置可以调整的固定件作为固定部14，使用时可根据不同尺寸的键合片对固定件的位置进行调整以固定键合片。

进一步的，还包括顶盖3，顶盖3用于对放置于主体1顶面的键合片进行压紧固定。顶盖3能够防止键合片在抽真空过程中因型腔11内外气压变化而出现上下窜动，避免微半球谐振子成型因键合片移动而受到影响。

进一步的，若干气孔12沿定位孔13周向均匀设置且位置紧邻成型球2。

本实施例将若干气孔12沿定位孔13周向均匀设置于型腔11底部，使得型腔11内的气压在抽真空过程中沿成型球2表面均匀减小，这使得基片5能够在成型过程中更好地贴合于成型球2表面，气孔12的位置紧邻成型球2有助于在基片5上成型出完整的半球谐振子，进一步提高本实施例的成品率。

优选的，定位孔13呈倒圆台形。倒圆台形的定位孔13能够在一定范围适应不同直径的成型球2的定位，这能够进一步提升本实施例的灵活性。

优选的，成型球2顶端与主体1顶面平齐。通过上述配置，本实施例的基片5在成型之初即抵接于成型球2上，这能够进一步提升成型球2对基片5的约束效果，确保基片5沿其与成型球2抵接处两侧对此逐步贴合于成型球2表面进行成型，从而可进一步提升本实施例成型的微半球谐振子的结构对称性。

实施例二

本实施例基于实施例一中提供的基于模具全约束的微半球谐振子热成型模具，提供一种基于模具全约束的微半球谐振子热成型方法，包括以下步骤：

S100.根据微半球谐振子的尺寸选择相应尺寸的基底4并在基底4上加工空腔41，基底4为如碳化硅片等耐高温材质；

S200.将用于成型的基片5与基底4进行键合形成键合片，基片5与空腔41配合形成一具有气压的密闭腔；

S300.通过涂覆在基片5上形成脱模层，以便于成型后进行脱模，脱模层的材料可以选用如铬、金等材料；

S400.将成型球2放置于型腔11内，并将键合片安装于主体1顶面上，使基片5朝向成型球2；

S500.将安装好成型球2和键合片的主体1置于热成型炉中加热至基片5的热成型温度，以使基片5软化；

S600.在基片5的热成型温度下对热成型炉进行抽真空以降低密闭腔的内外气压差，如图4所示，主体1的型腔11内在抽真空的过程会经气孔12排出型腔11外，型腔11内的气压随着其内部的气体的排出逐渐减小，密闭腔内外侧的气压差随着型腔11内的气压减小而逐渐增大，键合于基底4上的基片5在密闭腔的内外气压差作用下逐步贴合于成型球2外表面，成型为微半球谐振子；

S700.成型完成后，继续在热成型炉中以基片5的热成型温度保温一段时间，以使得基片5充分成型；

S800.待热成型炉的温度降至室温后，将主体1从热成型炉取出并将成型有微半球谐振子的键合片从主体1上脱模取出；

S900.通过激光切割或者化学机械抛光等方法去除微半球谐振子四周边缘多余的材料以将微半球谐振子从键合片上分离出来，得到最终的成品。

进一步的，本实施例的基底4上的空腔41通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法加工。

进一步的，本实施例的基片5为玻璃材质。

本实施例提供的微半球谐振子热成型方法通过形状参数与微半球谐振子内腔形状参数相匹配的成型球2在微半球谐振子的形状进行全约束，能够实现更高结构对称性的微半球谐振子的加工，具有微半球谐振子形状参数可控、成品率高、工艺流程简单等优点，有助于生产出更高精度的微半球谐振陀螺，在惯性导航领域具有广泛的应用前景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。