表面金屬化對(duì)微半球陀螺品質(zhì)因數(shù)影響研究*

王振軍， 何漢輝， 李 微， 盧 坤， 石 巖， 肖定邦

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

隨著微加工工藝的發(fā)展和微陀螺技術(shù)研究不斷深入，微半球諧振陀螺已成為最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦臀⑼勇葜籟1]。對(duì)于微半球陀螺來說，高品質(zhì)因數(shù)能夠減少激振電路功耗，增加陀螺的衰減時(shí)間，提高陀螺的機(jī)械靈敏度，從而直接提高陀螺的精度。熔融石英微半球諧振結(jié)構(gòu)是微半球諧振陀螺的核心部件，決定了微半球陀螺的整體性能。熔融石英導(dǎo)電性很差，為滿足諧振結(jié)構(gòu)靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)需求，對(duì)加工出的熔融石英諧振結(jié)構(gòu)需進(jìn)行表面金屬化處理。

實(shí)驗(yàn)仿真過程重點(diǎn)從熱彈性損耗和表面殘余應(yīng)力兩個(gè)方面對(duì)表面金屬化工藝對(duì)品質(zhì)因數(shù)造成的影響進(jìn)行研究。基于COMSOL熱—固耦合模塊對(duì)熱彈性損耗進(jìn)行了分析和仿真并通過實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了不同金屬膜厚以及釋放表面殘余應(yīng)力對(duì)諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的影響。

1 微半球諧振陀螺介紹

微半球諧振陀螺是一種基于哥氏效應(yīng)原理的諧振陀螺，采用的是面外驅(qū)動(dòng)，面外檢測(cè)的方式。微半球諧振陀螺工作在n=2模態(tài)，諧振結(jié)構(gòu)在交變靜電力的驅(qū)動(dòng)下，激勵(lì)出圖1(a)所示諧振結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)，當(dāng)有外界角速度輸入，由于哥氏力的作用，激發(fā)出敏感模態(tài)，如圖1(b)所示，敏感模態(tài)的振動(dòng)導(dǎo)致敏感電極和諧振結(jié)構(gòu)間的電容間隙發(fā)生變化，通過電容檢測(cè)可以檢測(cè)到敏感模態(tài)的振型，從而反解出外界角速度的大小[2]。

圖1 微半球諧振陀螺工作模態(tài)

圖2 微半球諧振結(jié)構(gòu)示意

1.1 微半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)組成

微半球諧振結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其邊緣電極位置均布有16個(gè)T形質(zhì)量塊，用來增大諧振結(jié)構(gòu)的機(jī)械靈敏度。諧振結(jié)構(gòu)通過中心支撐錨點(diǎn)固定在玻璃基底上，玻璃基板與諧振結(jié)構(gòu)邊緣間有微小的間隙，邊緣的T形質(zhì)量塊與下方的基底電極之間形成平行板電容，作為驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電極，錨點(diǎn)與電極公共端連接[3]。

1.2 微半球諧振結(jié)構(gòu)加工工藝

熔融石英(fused silica，F(xiàn)S)具有熱膨脹率低、各向同性優(yōu)，具有良好的機(jī)械和熱學(xué)特性，是制作高品質(zhì)因數(shù)諧振結(jié)構(gòu)的理想材料，因此,微半球諧振結(jié)構(gòu)采用熔融石英作為加工材料。

如圖3所示，微半球諧振結(jié)構(gòu)的加工工藝主要分成3個(gè)部分：回轉(zhuǎn)吹制成型、激光劃片釋放以及表面金屬化。

微半球諧振結(jié)構(gòu)表面金屬化工藝材料采用的是目前比較成熟、性能較好的金屬薄膜Cr/Au層組合，沉積方式采用磁控濺射，其中,Au為導(dǎo)電層，Cr為中間層，用于增強(qiáng)熔融石英與Au之間的粘附性。

2 表面金屬化對(duì)品質(zhì)因數(shù)影響分析

對(duì)于微半球諧振結(jié)構(gòu)，其厚度方向尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他方向的尺度，因此,厚度方向的溫度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方向。表面金屬化金屬膜層覆蓋在諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于金屬和熔融石英熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率等材料特性相差較大，表面金屬層會(huì)改變諧振結(jié)構(gòu)厚度方向上溫度梯度分布，對(duì)諧振結(jié)構(gòu)熱彈性損耗(thermoelastic dissipation,TED)造成影響。磁控濺射金屬層表面存在一定的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)帶入新的不確定因素。因此,主要從熱彈性和表面應(yīng)力兩個(gè)方面研究表面金屬化工藝對(duì)微半球諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的影響。

圖3 微半球諧振結(jié)構(gòu)加工工藝

2.1 表面金屬化熱彈性損耗仿真分析

由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)，在中性面兩端分別產(chǎn)生交替的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生溫度梯度，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生不可逆的熱流，這種損耗為熱彈性損耗[4,5]。

利用有限元軟件COMSOL熱—固耦合模塊計(jì)算微半球諧振結(jié)構(gòu)的熱彈性損耗，其具體步驟為：

1) 建立參數(shù)化模型；

2) 按表1中的參數(shù)設(shè)置材料屬性；

3) 設(shè)置邊界條件，設(shè)置錨點(diǎn)平面為固定支撐，零溫度偏差，其余表面均為熱絕緣；

4) 劃分回轉(zhuǎn)對(duì)稱的網(wǎng)格；

5) 設(shè)置頻率范圍等計(jì)算參數(shù)，開始計(jì)算。

表1 材料屬性

所用的幾種表面金屬材料及其熱力學(xué)性能如表1所示。仿真模型中，金屬層與熔融石英之間為直接接觸形式，即假設(shè)不存在殘余應(yīng)力。

由于諧振結(jié)構(gòu)尺寸與金屬層厚度之間存在巨大的差異，導(dǎo)致有限元模型網(wǎng)格劃分和計(jì)算困難，在金屬層厚度降低到50 nm以下時(shí)，無法劃出正確的網(wǎng)格，因此,有限元仿真中計(jì)算了金屬層厚度在50～400 nm的諧振結(jié)構(gòu)模型，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱彈性品質(zhì)因數(shù)與金屬層厚度關(guān)系

由仿真結(jié)構(gòu)可以看出:隨著表面金屬層厚度的增加，諧振結(jié)構(gòu)的熱彈性損耗顯著上升。同時(shí)，不同金屬之間熱彈性Q值降低幅度基本相同。但由于鍍膜厚度過低時(shí)導(dǎo)電性能變差，并且由于鍍膜表面存在缺陷，甚至出現(xiàn)不導(dǎo)電現(xiàn)象。因此,在滿足導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上表面金屬層盡可能低。目前表面Cr/Au厚度為5 nm/45 nm滿足諧振結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性能的需求，因此,微半球表面金屬化工藝采用厚度5 nm/45 nm。

2.2 表面應(yīng)力釋放實(shí)驗(yàn)過程

表面金屬化后，熔融石英表面和金屬層之間存在一定的殘余應(yīng)力，其對(duì)諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性會(huì)有明顯的影響。由于沒有較好的應(yīng)力仿真方法，研究過程中通過實(shí)驗(yàn)對(duì)表面金屬層殘余應(yīng)力對(duì)諧振結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

表面金屬化產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因薄膜中存在的空位、空隙等缺陷，這些缺陷通過升溫退火處理，原子在表面擴(kuò)散時(shí)將消除這些缺陷，從而釋放表面殘余應(yīng)力[6]。因此,表面薄膜應(yīng)力釋放多采用退火工藝進(jìn)行釋放。

通過退火工藝實(shí)現(xiàn)表面金屬化后殘余應(yīng)力的釋放，采用退后前后即應(yīng)力釋放前后對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表面殘余應(yīng)力對(duì)品質(zhì)因數(shù)是否存在影響，實(shí)驗(yàn)過程如下：

1)對(duì)同一批次諧振結(jié)構(gòu)編號(hào)并進(jìn)行表面金屬化處理，表面金屬層厚度選擇為5 nm/45 nm;

2)將表面金屬化后微半球諧振結(jié)構(gòu)與電極裝配，在真空環(huán)境下對(duì)諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)掃頻，計(jì)算各諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù);

3)將諧振結(jié)構(gòu)在300 ℃，高真空環(huán)境下進(jìn)行3.5 h退火處理，實(shí)現(xiàn)金屬化后表面應(yīng)力釋放;

4)對(duì)退火后的諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)掃頻，計(jì)算各諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用退火工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振結(jié)構(gòu)表面金屬化后殘余應(yīng)力的釋放，過程如2.2節(jié)所述。

諧振結(jié)構(gòu)退火前后掃頻曲線如圖5所示，退火后增益升高，該諧振結(jié)構(gòu)退火前品質(zhì)因數(shù)為29 618，退火后品質(zhì)因數(shù)為34 500。退火后品質(zhì)因數(shù)提升明顯。

圖5 退火前后掃頻曲線對(duì)比

實(shí)驗(yàn)分別記錄同一諧振結(jié)構(gòu)退火前以及退火后的掃頻數(shù)據(jù)，計(jì)算各諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)如表2所示。

從圖5和表2可以看出：應(yīng)力釋放后品質(zhì)因數(shù)Q值最低提升12.79 %，最高提升112.63 %，提升量存在較大個(gè)體差異，但均有不同程度的提升。因此，表面金屬化后殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)造成影響，從提升品質(zhì)因數(shù)角度，諧振結(jié)構(gòu)表面金屬化工藝應(yīng)添加退火工藝，去除表面殘余應(yīng)力對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響。但實(shí)驗(yàn)中的一些問題還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，如退火后品質(zhì)因數(shù)提升幅度差異較大，以及退火后諧振結(jié)構(gòu)增益升高的原因，退火溫度時(shí)間等最優(yōu)參數(shù)等等。

表2 退火前后Q值對(duì)照

4 結(jié)束語(yǔ)

微半球諧振結(jié)構(gòu)加工工藝研究是高精度微半球諧振陀螺研制過程中最基礎(chǔ)也是最復(fù)雜的部分。表面金屬化工藝是諧振結(jié)構(gòu)制造關(guān)鍵工藝技術(shù)，要制作高精度微半球諧振陀螺，在高回轉(zhuǎn)對(duì)稱諧振結(jié)構(gòu)制作的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)行高質(zhì)量的表面金屬化工藝。關(guān)于表面金屬化的研究遠(yuǎn)不止于本文所述，比如表面殘余應(yīng)力對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響機(jī)理，如何通過控制退火溫度時(shí)間參數(shù)更好地控制應(yīng)力釋放的過程，應(yīng)力釋放對(duì)諧振結(jié)構(gòu)頻率裂解等其他性能造成的不確定性等等問題對(duì)于提升微半球陀螺表面金屬化工藝水平都具有很高的研究?jī)r(jià)值[7]。