半球谐振子金属化镀膜残余应力与膜厚均匀性研究

发布时间：2020-04-28 19:43

【摘要】：作为一种高精度、长寿命、低功耗的惯导器件,半球谐振陀螺(HRG)在各种航空航天等战略性武器当中具有广阔的应用前景。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,以其高Q值、低频差的优良特性保证了半球谐振陀螺的工作精度。对谐振子表面金属化镀膜是半球谐振子制造的重要工艺环节。薄膜残余应力和膜厚均匀性对谐振子的Q值和频差具有重要影响。本文对半球谐振子表面金属化镀膜后薄膜残余应力和膜厚均匀性对谐振子Q值和频差的影响进行了理论研究,发现不均匀的薄膜会引发谐振子固有频率的改变从而增大频差,薄膜内的残余应力使谐振子产生内耗从而降低其Q值;研究了薄膜残余应力分类及各类残余应力的产生机制,对Au与Cr构成的双层薄膜系统的热应力进行了理论建模,根据模型得知各层膜的热应力值与其他膜层无关,且此双层膜系统的中性轴位于基底距下端自由面2/3基底厚度的位置;模拟了不同基底温度下的薄膜热应力并确定了基底温度的最佳理论值,模拟结果显示残余应力中的本征应力远大于热应力;针对超薄薄膜残余应力的非接触式测量,分别以曲率基片法、X射线常规法和X射线掠入射法进行了实验研究,发现Au和Cr材料的延展性使得曲率基片法测得的残余应力值小于其真实值,X射线常规法对本课题的薄膜残余应力只能进行定性分析,X射线掠入射虽然适合超薄膜的残余应力测试,但其在测量过程中自由度受限导致接收到的薄膜材料衍射峰不完整。本文提出了利用贴片法测量球面膜厚均匀性的工艺,分别利用磁控溅射和电子束蒸发进行了球面金属化镀膜实验,发现电子束蒸发镀膜可获得均匀性较好的球面金属薄膜;根据朗伯定律,利用ZEMAX模拟了谐振子球面膜厚分布和均匀性,模拟结果与膜厚均匀性测试结果基本一致;分析了谐振子半球在镀膜过程中的运动方式对膜厚分布和均匀性的影响。
【图文】：

陀螺（HRG）被广泛应用于航空航天等战略性武器装备中星飞行器惯性测量、惯性导航制导和姿态稳定控制等单球谐振陀螺这个概念来源于 19 世纪末，人们通过记录敲出，直到 20 世纪中期才利用这一规律研制出了惯导器件统要求的提高，这种具有优良特性的半球谐振陀螺便应运值卫星和其他航天器的首选传感器[5]。螺仪相比，半球谐振陀螺无运动部件，，其基座旋转情况的径向驻波进动效应。由于其没有运动部件和高速转子场不敏感，因此半球谐振陀螺具有可靠性高、体积小、间短、工作温度范围大、对线性过载不敏感等优点[6]。速的工作特性使其在武器装备、通信卫星、惯船舶等领

谐振子壳体移动，进而以此来感测壳体转动的角度或角速度，如图 1-2 所示。 图 1-2 半球谐振陀螺哥式效应当 HRG 以这种模式振动时，它会在壳体振动的一个周期内作出图 1-3 所示的有规律的响应：首先在第一个四分之一周期内由球形变为椭球形，接着在第二个四分之一周期回到球形，又在第三个四分之一周期变形为椭球形，但椭圆（在谐振子球壳边缘处）的半长半短轴会发生互换，最后在第四个四分之一周期恢复到原来的球形[8]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V241;TJ03;TG174.4

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本文编号：2643805