本發(fā)明涉及微機(jī)電，具體是一種微半球諧振陀螺超薄導(dǎo)電層設(shè)計(jì)與制備方法。

背景技術(shù)：

1、陀螺儀，作為精準(zhǔn)測(cè)量角度變化與角速度的關(guān)鍵傳感器，構(gòu)成了姿態(tài)感知、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等高科技領(lǐng)域的核心基石。其在航空航天技術(shù)的飛躍以及高端裝備制造領(lǐng)域的精密控制中，均扮演著不可或缺的角色。諧振陀螺，作為新一代陀螺儀的代表之一，巧妙地利用諧振結(jié)構(gòu)的固有物理特性——哥氏效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角速度變化的高靈敏度、高精度檢測(cè)。微半球諧振陀螺是目前諧振式陀螺的研究熱點(diǎn)之一，其顯著特點(diǎn)在于集成了簡(jiǎn)便的加工流程、緊湊的幾何尺寸以及輕量化設(shè)計(jì)，成為了該領(lǐng)域研究的重要突破。它的核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，不僅完整地繼承了傳統(tǒng)半球諧振陀螺在角速度測(cè)量與姿態(tài)感知方面的高性能潛力，還通過(guò)創(chuàng)新性的微吹玻璃法，有效規(guī)避了傳統(tǒng)加工過(guò)程中復(fù)雜且耗時(shí)的諧振子制備工序。

2、在微半球諧振陀螺儀的精密制造流程中，于微半球諧振子表面均勻沉積金屬薄膜是一項(xiàng)重要的步驟。鑒于微吹玻璃工藝所塑造的復(fù)雜微殼結(jié)構(gòu)，主要特征是錨點(diǎn)的內(nèi)凹，傳統(tǒng)磁控濺射薄膜技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)薄膜在微半球表面各區(qū)域的厚度一致性。為確保微半球諧振陀螺達(dá)到其高效運(yùn)行所必需的電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)，沉積的金屬薄膜必須滿(mǎn)足一個(gè)最小厚度要求。然而，薄膜厚度的不均勻性往往導(dǎo)致諧振子表面某些區(qū)域的薄膜厚度遠(yuǎn)超這一最低標(biāo)準(zhǔn)，這不僅是對(duì)材料的浪費(fèi)，更關(guān)鍵的是，它會(huì)直接削弱陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)。因此，探索并優(yōu)化微半球薄膜結(jié)構(gòu)及其沉積方法，成為了提升微半球諧振陀螺儀性能的關(guān)鍵研究方向。

3、目前的現(xiàn)有技術(shù)中，公開(kāi)號(hào)為cn112281133a的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)一種諧振子膜層厚度分布及均勻程度修正方法，描述了一種通過(guò)監(jiān)測(cè)薄膜厚度后對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控達(dá)到薄膜均勻性的方法，主要針對(duì)濺射鍍膜中的磁場(chǎng)分布、靶基距、濺射功率、濺射角度等進(jìn)行調(diào)整。但這種方法有實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，且是在比微半球諧振結(jié)構(gòu)尺寸更大的傳統(tǒng)半球諧振結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，對(duì)于微半球諧振子這種復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)薄膜不均勻性調(diào)整效果不佳的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在微半球諧振子上沉積金屬薄膜是為了能夠?qū)щ?，從而?shí)現(xiàn)陀螺儀的激勵(lì)、檢測(cè)和控制。同時(shí)薄膜帶來(lái)的阻尼降低了陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)，為了通過(guò)沉積高質(zhì)量金屬薄膜來(lái)減小微半球諧振陀螺的品質(zhì)因數(shù)的下降，降低其漂移、提升其輸出精度，本發(fā)明提供一種微半球諧振陀螺超薄導(dǎo)電層設(shè)計(jì)與制備方法，在保證金屬薄膜電導(dǎo)率的前提下，減小微半球諧振子變形能占比更大的區(qū)域的薄膜厚度，進(jìn)而達(dá)到提升性能的目的。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種微半球諧振陀螺超薄導(dǎo)電層設(shè)計(jì)與制備方法，包括如下步驟：

3、步驟1，基于數(shù)值仿真得到在不同工藝參數(shù)下微半球諧振子內(nèi)表面的薄膜厚度分布數(shù)據(jù)；

4、步驟2，基于薄膜的材質(zhì)得到電阻率與薄膜厚度的關(guān)系曲線，并得到所述關(guān)系曲線中電阻率的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的薄膜厚度r；

5、步驟3，計(jì)算微半球諧振子各區(qū)域變形能的大小，將微半球諧振子上變形能與整體占比小于第一閾值的區(qū)域設(shè)定為區(qū)域a，其它區(qū)域設(shè)定為區(qū)域b；

6、步驟4，令所述區(qū)域a的薄膜厚度為ra=a·r，令所述區(qū)域b的薄膜厚度rb=b·r，其中，a為所述薄膜厚度分布數(shù)據(jù)中微半球諧振子上的平面區(qū)域與區(qū)域a薄膜厚度比的最大值，b為所述薄膜厚度分布數(shù)據(jù)中微半球諧振子上的平面區(qū)域與區(qū)域b薄膜厚度比的最大值；

7、步驟5，基于當(dāng)前區(qū)域a、區(qū)域b的薄膜厚度ra、rb在微半球諧振子內(nèi)表面鍍膜，對(duì)鍍膜后的微半球諧振子進(jìn)行性能檢測(cè)，并對(duì)rb進(jìn)行迭代直至通過(guò)性能檢測(cè)。

8、在其中一個(gè)實(shí)施例，步驟1具體為：

9、將微半球諧振子內(nèi)表面薄膜厚度分布的均勻性拆分為周向均勻性和徑向均勻性；

10、所述周向均勻性通過(guò)濺射鍍膜過(guò)程中的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，具體為：

11、；

12、其中， x( t)、 y( t)為 t時(shí)刻的濺射鍍膜位置， r為鍍膜設(shè)備行星輪公轉(zhuǎn)的半徑， r為鍍膜設(shè)備是樣品自轉(zhuǎn)的半徑， ω1為行星輪公轉(zhuǎn)速度， ω2為行星輪公轉(zhuǎn)速度，為樣品公轉(zhuǎn)時(shí)的相位角，為樣品自轉(zhuǎn)時(shí)的相位角；

13、所述徑向均勻性表征為薄膜沉積速率，具體為：

14、；

15、其中，d mz為在徑向位置 z處的薄膜沉積速率， θz為在徑向位置 z處薄膜沉積時(shí)局部表面法線與濺射原子方向之間的夾角， ηz為在徑向位置 z處薄膜沉積時(shí)的斜濺射角度， lz為在徑向位置 z處薄膜沉積時(shí)濺射源至沉積表面的距離，d s為在徑向位置 z處薄膜沉積時(shí)沉積表面的面積。

16、在其中一個(gè)實(shí)施例，步驟3中，所述計(jì)算微半球諧振子各區(qū)域變形能的大小具體為：

17、微半球諧振子受力并不均勻，各應(yīng)力和應(yīng)變都是位置參數(shù)的函數(shù)，需要對(duì)微半球諧振子進(jìn)行積分，為：

18、；

19、其中， v為應(yīng)力 σ、應(yīng)變 ε以及剪應(yīng)力 γ、剪應(yīng)變 τ等變量參數(shù)計(jì)算的變形能， σx 、σy 、σz、 εx 、εy 、εz、 γyz 、γzx 、γxy、 τyz 、τzx 、τxy為變分量；

20、具體地：

21、；

22、其中， e為材料的彈性模量， μ為泊松比， θ為體應(yīng)變能；

23、采用應(yīng)變 ε和剪應(yīng)變 γ表示后積分可得微半球諧振子的變形能，為：

24、；

25、其中， v為變形能；

26、使用comsol?multiphysics仿真軟件得到微半球諧振子在工作模態(tài)的應(yīng)變和剪應(yīng)變，并對(duì)其積分可得微半球諧振子的變形能的百分比分布。

27、在其中一個(gè)實(shí)施例，步驟5中，所述性能檢測(cè)為微半球諧振陀螺儀電路噪聲測(cè)試。

28、在其中一個(gè)實(shí)施例，所述對(duì)rb進(jìn)行迭代直至通過(guò)性能檢測(cè)具體為：

29、步驟501，判斷當(dāng)前rb下的微半球諧振陀螺儀的電路噪聲是否滿(mǎn)足陀螺儀的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則：

30、若是，則令rb=rb- δ·r后再次進(jìn)行步驟501，其中， δ為迭代參數(shù)，且0< δ<1；

31、否則，進(jìn)行步驟502；

32、步驟502，令rb=rb+ δ·r后，輸出當(dāng)前的ra、rb作為設(shè)計(jì)結(jié)果。

33、在其中一個(gè)實(shí)施例，步驟5中，采用磁控濺射的方式在微半球諧振子內(nèi)表面鍍膜。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：

35、1.本發(fā)明通過(guò)數(shù)值仿真得到了微半球諧振子各位置的品質(zhì)因數(shù)影響占比，結(jié)合薄膜均勻性分布，設(shè)計(jì)了區(qū)域厚度分布的薄膜結(jié)構(gòu)，在保證金屬薄膜電導(dǎo)率的前提下，減小微半球諧振子變形能占比更大的區(qū)域的薄膜厚度，進(jìn)而達(dá)到提升性能的目的；

36、2.本發(fā)明創(chuàng)新性的把微半球諧振器薄膜的均勻性分為周向均勻性和縱向均勻性，采用行星輪高速旋轉(zhuǎn)可以保證周向均勻性的前提下，對(duì)縱向均勻性采用相對(duì)均勻的方法，簡(jiǎn)而言之就是在對(duì)電阻率影響大但是品質(zhì)因數(shù)不下降的區(qū)域多鍍膜，在對(duì)電阻率影響小且品質(zhì)因數(shù)占比大的區(qū)域鍍超薄膜的方法實(shí)現(xiàn)，可以快速實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)、低電阻率的微半球諧振器的制造，這將大大提升微半球諧振器的制造效率。也為其他高精度器件的鍍膜打開(kāi)了新的思路方法。