分析了微半球振動陀螺的裝配誤差形成機(jī)理,對裝配精度要求進(jìn)行了計算。在微半球結(jié)構(gòu)錨點直徑為1 mm的情況下,要保證裝配間隙均勻度小于10%,錨點面的高度偏差需要小于0.1μm。通過數(shù)值計算和有限元模型,分別研究了裝配誤差對電極驅(qū)動能力、靜態(tài)檢測電容、靜電剛度調(diào)節(jié)能力,以及1階模態(tài)振型的影響。計算結(jié)果表明,電極間隙不均勻?qū)z測、驅(qū)動和靜電剛度修調(diào)能力的影響分別呈1、2、3次方關(guān)系,同時會引起微幅的結(jié)構(gòu)偏擺。為提升電極裝配間隙均勻性,設(shè)計了一種基于柔性縮小單元的微位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用螺旋調(diào)節(jié)旋鈕和柔性墊塊,使石英玻璃基底產(chǎn)生2自由度微幅擺動,從而實現(xiàn)較高精度的裝配。測試結(jié)果表明,微半球振動陀螺裝配后平均電容誤差約為30%～40%,但引入了較大的寄生電容,消除該影響后,電容平均誤差為12%。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報. 2020,56(13)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

微半球振動陀螺表頭示意圖

根據(jù)陀螺電路對輸入輸出信號的要求，通常需要將電極間隙均勻控制在10μm左右，誤差不超過10%，因此微半球振動陀螺的高精度裝配至關(guān)重要。目前微半球振動陀螺基本裝配過程如圖2所示。(1)采用高溫熔融和激光釋放方式制造微半球結(jié)構(gòu)，通過膠粘方式連接在下夾具；(2)通過MEMS刻蝕工藝制作帶有中心凸臺和圖樣化平面電極的石英玻璃基底；(3)在上夾具中平放石英玻璃基底，通過上下夾具保證微半球結(jié)構(gòu)中心與石英玻璃基底凸臺對準(zhǔn)，并用高強(qiáng)度導(dǎo)電膠粘接。然后放置一定重量壓塊，將整體結(jié)構(gòu)與夾具放入在烘箱中進(jìn)行導(dǎo)電膠固化處理；(4)固化完成后撤去夾具，完成裝配。采用上述流程能夠初步實現(xiàn)微半球振動陀螺裝配。但由于實際操作過程中微半球結(jié)構(gòu)壁厚十分小、剛度低，并且結(jié)構(gòu)本身存在幾何誤差等問題，往往導(dǎo)致較大的電極間隙不均勻，極大地影響了陀螺性能，需要對其誤差機(jī)理進(jìn)行分析并優(yōu)化裝配工藝。

微半球振動陀螺的裝配接觸面為錨點平面和石英玻璃基底中心凸臺，因此錨點平面與基底的配合對整體裝配精度有著重要影響。但實際上，該配合無法達(dá)到理想情況，原因在于：(1)錨點平面本身存在幾何形貌誤差，微半球結(jié)構(gòu)由高溫吹制成形，由于石英玻璃在熔融狀態(tài)下的流動拉伸性，實際錨點平面會存在亞微米級非規(guī)則凸起。利用白光干涉儀對某一樣本的錨點平面形進(jìn)行觀測，可以發(fā)現(xiàn)錨點凸起高度約為0.2μm(圖3);(2)膠層厚度不均勻，錨點平面與石英玻璃基底通過導(dǎo)電膠牢固連接，但由于裝配擠壓應(yīng)力的影響，實際膠層厚度在10～50μm之間變化，極易產(chǎn)生微米級的厚度偏差，從而破壞裝配精度。綜合考慮上述誤差，建立微半球振動陀螺的裝配誤差模型，如圖3所示，圖中微半球結(jié)構(gòu)半徑為R，錨點半徑為r。由于裝配面不平整，錨點邊緣與石英玻璃基底中心凸臺的發(fā)生位移大小為l的高度偏差，在該誤差下，導(dǎo)致微半球結(jié)構(gòu)外沿電極偏離水平基準(zhǔn)面高度為△l。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3018376