微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计

发布时间：2021-02-04 13:19

　　分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%～40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(13)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

微半球振动陀螺表头示意图

根据陀螺电路对输入输出信号的要求，通常需要将电极间隙均匀控制在10μm左右，误差不超过10%，因此微半球振动陀螺的高精度装配至关重要。目前微半球振动陀螺基本装配过程如图2所示。(1)采用高温熔融和激光释放方式制造微半球结构，通过胶粘方式连接在下夹具；(2)通过MEMS刻蚀工艺制作带有中心凸台和图样化平面电极的石英玻璃基底；(3)在上夹具中平放石英玻璃基底，通过上下夹具保证微半球结构中心与石英玻璃基底凸台对准，并用高强度导电胶粘接。然后放置一定重量压块，将整体结构与夹具放入在烘箱中进行导电胶固化处理；(4)固化完成后撤去夹具，完成装配。采用上述流程能够初步实现微半球振动陀螺装配。但由于实际操作过程中微半球结构壁厚十分小、刚度低，并且结构本身存在几何误差等问题，往往导致较大的电极间隙不均匀，极大地影响了陀螺性能，需要对其误差机理进行分析并优化装配工艺。

微半球振动陀螺的装配接触面为锚点平面和石英玻璃基底中心凸台，因此锚点平面与基底的配合对整体装配精度有着重要影响。但实际上，该配合无法达到理想情况，原因在于：(1)锚点平面本身存在几何形貌误差，微半球结构由高温吹制成形，由于石英玻璃在熔融状态下的流动拉伸性，实际锚点平面会存在亚微米级非规则凸起。利用白光干涉仪对某一样本的锚点平面形进行观测，可以发现锚点凸起高度约为0.2μm(图3);(2)胶层厚度不均匀，锚点平面与石英玻璃基底通过导电胶牢固连接，但由于装配挤压应力的影响，实际胶层厚度在10～50μm之间变化，极易产生微米级的厚度偏差，从而破坏装配精度。综合考虑上述误差，建立微半球振动陀螺的装配误差模型，如图3所示，图中微半球结构半径为R，锚点半径为r。由于装配面不平整，锚点边缘与石英玻璃基底中心凸台的发生位移大小为l的高度偏差，在该误差下，导致微半球结构外沿电极偏离水平基准面高度为△l。

【参考文献】：
期刊论文
[1]微半球谐振陀螺技术研究进展[J]. 汪红兵,林丙涛,梅松,江黎,蒋春桥.  微纳电子技术. 2017(11)
[2]平板类微小零件装配控制策略与软件架构研究[J]. 郝永平,王永杰,董福禄,路超.  机械工程学报. 2015(04)
[3]面向微装配的显微视觉伺服[J]. 陈国良,黄心汉,王敏.  机械工程学报. 2008(02)



本文编号：3018376