一种一体式全石英质量摆的制作方法

1.本发明属于石英挠性加速度计技术领域，提供了一种用于石英挠性加速度计的一体式全石英质量摆。


背景技术：

2.石英挠性加速度计是一种测量加速度的高精度传感器。英挠性加速度计包括两大部分，分别是表头部分和伺服线路部分。表头部分一般包括一个质量摆、一个上导磁环部件、一个下导磁环部件、一个连接环、一个隔离环和一个外壳体。其结构形式为：上、下导磁环部件通过预紧力把质量摆夹在中间，然后用连接环以胶接或激光焊接的方式进行固定，形成稳固的三明治结构，这个稳固的三明治结构一般称作表芯。最后，把表芯装入外壳体，并以隔离环做绝缘，通过胶接方式加以固定，形成石英挠性加速度计表头。
3.质量摆一般包括一个石英摆片、两个力矩线圈。石英摆片由熔融石英玻璃经过切片、研磨、抛光、激光或超声刻蚀、化学湿法刻蚀、真空镀膜等工艺形成。力矩线圈是用漆包线在一个金属骨架上绕制而成，然后通过胶接的方式粘接到摆片上，高精度的加速度计都是在摆片上采用正反成对粘接的结构方式，这样的结构形式可以提高加速度计的测量精度。其基本结构如图1所示。漆包线2绕制在骨架3上面形成力矩线圈，绕制圈数根据设计计算得出，两个力矩线圈的首尾出线通过摆片1上的焊点连接形成串联工作模式，力矩线圈的另外两端通过摆片1上的焊点引出，并最终连接到伺服线路。摆片1的基本结构如图2所示，其由一片石英玻璃加工而成，摆舌107部分经由两个挠性梁103和摆片的外环102连接，形成挠性摆。在外环上，每一侧有三个安装平面101高出外环102微小距离，起到定位面和形成电容极板间隙的作用。图中阴影部分为镀金膜层，一般厚度＜1μm，金膜104的作用是形成电容极板，金膜105、108的作用是提供漆包线2的焊点并引出到相应位置，摆片的金膜正反对称设计，并在金膜106处正反导通，中心孔109的作用是降低空气阻尼。最后，摆片1和绕好漆包线的骨架3通过胶接的方式固定，形成质量摆
4.目前国内外的石英挠性加速度计的质量摆，均是上述的分体式结构形式。如专利cn205809101u、cn205193094u、us4182187、us4250757、us4394405、us4399700、us4400979、us4441366、us4555944、us4555945、us4592234、us4620442、us4697455、us4726228、us4932258、us4944184、us5024089、us5085079、us5090243、us5097172、us5111694、us5182949、us5203210、us5212984、us5220831、us5557044。
5.目前的分体式质量摆在高精度应用中，由于其固有的设计缺陷，存在以下问题：
6.1)两个力矩线圈(骨架和漆包线)通过粘接方式固定到摆片上，任何的粘接剂都不可避免的存在蠕变特性，这对加速度计长期性能不利；
7.2)骨架和摆片异种材料粘接，随着环境温度变化，不可避免产生热应力从而导致摆片变形，影响位移检测精度；
8.3)粘接剂自身的固化应力和高温下性能衰减加速特性，制约加速度计的精度潜力和使用寿命；
9.4)胶层在使用过程中，特别是高温时产生放气，进而影响加速度计内部稳定状态，不利于长期稳定性；
10.5)漆包线绕制在骨架上，需要浸漆或点胶固定，也会存在后续放气的问题；
11.6)多层漆包线绕制，导致缝隙间的气体分子或污染物不容易排出，随质量摆装配到加速度计密闭空间后，在可靠性方面留有隐患；
12.7)线圈绕制后存在个体差异，难以严格保证质量摆的对称性。


技术实现要素：

13.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种可提高加速度计长期稳定性和可靠性的一体式全石英质量摆。
14.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
15.一种一体式全石英质量摆，其特征在于：包括摆片和骨架，骨架设置于摆片的一侧或在摆片的两侧对称设置骨架，所述骨架与摆片呈同轴心设置，所述摆片和骨架均采用熔融石英玻璃，并且两者为一体加工而成。
16.在骨架的外环面上涂覆有金属膜层，构成力矩线圈。
17.进一步的：所述骨架呈等径圆筒型。
18.进一步的：所述金属膜层通过真空溅射方法成型于骨架外环面上。
19.进一步的：金属膜层为纯金，镀膜厚度0.2-0.6微米，为提高金膜和石英玻璃结合力，在金膜和玻璃间镀覆铬或钛层，厚度0.03-0.08微米。
20.本发明具有的优点和积极效果：
21.1、本发明克服了传统石英挠性加速度计质量摆需要粘接形成的缺点，用一体式质量摆设计代替分体式设计方案，从根本上消除了由于胶层导致的应力和蠕变等误差因素，使得石英挠性加速度计的精度大幅提升成为可能，另外也提高了加速度计长期稳定性。
22.2、本发明利用金属镀膜方式代替了漆包线绕制，简化了繁琐的绕制工艺，降低了生产成本，另外，避免了采用绕制漆包线存在的后续排气、因未排出气体或污染物导致可靠性低及质量摆对称性差的问题。
23.3、本发明简化了石英挠性加速度计的装配工艺，减少了零件数量，有利于进一步提高产品的可靠性。
附图说明
24.图1是现有分体式质量摆结构示意图；
25.图2是现有分体式质量摆的摆片结构示意图
26.图3是图1的局部具体结构示意图；
27.图4是本发明一体式全石英质量摆的结构示意图；
28.图5是图4的局部结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
30.图1是分体式质量摆的结构示意图，其中粘接剂是各个零件连接的桥梁，作为惯性元件常用的装配材料，其机械性能直接影响了元件整体的时间和温度稳定性。根据国内外资料调研及生产工艺过程，影响加速度计偏值和标度因数稳定性、重复性的变化因素之一为粘接应力变化以及粘接剂性能变化。石英摆片1、线圈骨架3以及粘接剂4的机械性能(例如线膨胀系数、弹性模量、硬度等)均不同，由于粘接剂固化条件与工作环境条件不同，以及材料的蠕变等因素，随着时间或温度变化，三者的变形量不同，发生相对位移趋势，就会在摆片1和粘接剂胶层4中产生拉应力或压应力，令线圈骨架3和摆片1产生形变和相对位移，导致摆长改变、电零位偏移、力矩器系数改变，偏值k0和标度因数k1会随之变化。因此，会导致石英加速度计的长期稳定性变差。
31.这一点可以从图2中得到进一步说明，当粘接剂4产生的应力发生变化时，势必向四周传导到摆片1上，一般来说粘接区域环绕中心孔109，由于应力作用摆片1上的金膜104区域形貌也将发生变化，从而影响检测电容的间隙，进一步导致检测电容变化和加速度计输出的变化。另外，摆片1的挠性梁103在胶层传递过来的应力影响下，其弹性恢复角也将发生变化，根据加速度计的误差公式可以知道，这也会导致加速度计输出变化。虽然从理论上来说，摆片1正反两面粘接可以抵消部分应力，但是由于材料自身属性差异以及加工、装配不可避免的公差带，这种由粘接剂产生的应力无法彻底避免，这对于高精度应用来说是较大的误差源。因此，从质量摆的工作机理上分析，对所用粘接剂有三方面的要求：
32.①
作为缓冲层，弹性模量要小、线胀系数要小；
33.②
为降低蠕变性能，弹性模量要大；
34.③
为降低加速度计参数温度残差，粘接剂温度滞回要小。
35.石英挠性加速度计质量摆的粘接剂，对弹性模量的需求存在矛盾，蠕变性能和温度滞回特性是固有性质，无法避免。
36.本发明从这一根本矛盾出发，提出一体式全石英质量摆如图4所示。摆片5和骨架7为同种材料，采用熔融石英玻璃，并且两者为一体加工而成，这样避免了中间的粘接层，从而避免了上述论述中的各种误差源。一体式全石英质量摆，可采用单力矩器形式，即只在摆片的一侧形成一体式骨架结构；也可采用双力矩器形式，即在摆片的两侧一体连接呈对称设置的骨架，该双力矩器形式，保证质量摆的结构对称性。中心孔8起到调整气膜阻尼的作用。摆片5的平面部分结构同图2所示一样，其原有设计方案同样适用，在本发明中不做改变。
37.原分体式质量摆结构中漆包线的绕制如图3所示，根据需要漆包线2按照一定的圈数要求绕制在骨架3上，经固化、清洗、烘干后配对使用(需保证质量的对称性)。本发明通过真空镀膜的工艺，可以简化这一工艺过程并可以很好的保证对称性，称重配对过程不再需要。图5示出了镀膜的一种结构形式，金属膜层6可以通过真空溅射等工艺方法成型于骨架7上，当然成型的方法不局限于此，在骨架上镀覆金属层来替代漆包线的绕制，形成力矩线圈。金属膜层为纯金，镀膜厚度0.2-0.6微米，在金膜和玻璃间镀覆铬或钛层，厚度0.03-0.08微米，可提高金膜和石英玻璃结合力。
38.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。