楚建寧，朱蓓蓓，秦 琳，劉 青，蘭 潔，陳 肖，許劍鋒

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院·武漢·430074；2.上海航天控制技術研究所·上海·201109)

0 引 言

隨著航天、航空工業(yè)的發(fā)展(特別是在深空探測等領域)，我國對壽命長、精度高、功耗低、質量輕的慣性儀表的需求日益增加。半球諧振陀螺是一種利用半球殼唇緣的徑向駐波進動效應來感測基座旋轉的新型固體振動陀螺儀，由高品質因數(shù)的熔融石英玻璃材料加工而成。其具有體積小、精度高、功耗低、可靠性高、抗核輻射、啟動時間短、工作溫度范圍大、對線性過載不敏感、工作壽命長達15年以上等優(yōu)點，越來越成為未來飛行器所需的長壽命、高精度慣性導航的首選。

半球諧振陀螺的核心部件主要由激勵罩、半球諧振子、檢測基座組成。為了控制振子振動并獲得精確的振動信號，需要對絕緣的半球諧振子的表面進行金屬化薄膜沉積，使其具有良好的導電性。金屬化薄膜沉積工藝應盡量保持振子高Q值和低頻差的特性，而薄膜應力直接關系到半球諧振子的成品率、穩(wěn)定性和可靠性。因此，必須控制薄膜的殘余應力，以降低半球諧振子Q值的衰減。

本文首先介紹了半球諧振子品質因數(shù)的基本概念，并通過有限元仿真實驗分析了薄膜殘余應力的不均性對半球諧振子Q值的影響規(guī)律，然后通過實驗的方法在半球諧振子表面進行了金屬化鍍膜，并在真空環(huán)境下對半球諧振子Q值進行了測量，并將測量結果與仿真結果進行了對比，最后對實驗進行了總結。

1 薄膜性能對半球諧振子的影響

半球諧振子是半球諧振陀螺的主要敏感元件，也是半球諧振陀螺儀的核心部件。品質因數(shù)作為其主要的性能參數(shù)之一，直接決定了半球諧振陀螺導航系統(tǒng)的精度。品質因數(shù)也稱Q值，是用來表征振動系統(tǒng)能量損耗特征的物理量，特指振動系統(tǒng)的總能量與一個周期內損耗能量的比值。其定義為

(1)

其中，

E

指振動系統(tǒng)中的總能量；Δ

E

代表單個振動周期內系統(tǒng)損失的能量。

為了使諧振子獲得良好的導電性，需要在加工過程中對以石英為基底的諧振子進行表面金屬化薄膜制備。在諧振子振動工作時，帶有內部缺陷的金屬薄膜的內耗會嚴重影響諧振子的Q值，而薄膜殘余應力會給諧振子Q值帶來極大損耗。因此，本文主要討論了薄膜殘余應力在鍍膜過程中對Q值的作用關系，并討論了在薄膜沉積過程中嚴格控制工藝參數(shù)、提高諧振子工作性能的方法。

2 諧振子金屬薄膜殘余應力對Q值的影響仿真研究

薄膜殘余應力是一種內應力。由于原子濺射沉積在異性硬基底上，幾乎所有薄膜內部都存在著較大的內應力，薄膜應力會直接影響半球諧振子的品質因數(shù)。薄膜內部張應力過大會導致薄膜邊緣翹曲，壓應力過大將導致薄膜起皺或脫落。

2.1 均勻殘余應力對Q值影響的仿真研究

在材料受到循環(huán)應力作用時，應力將引起材料形變，材料在壓應力作用下受熱，在拉應力作用下冷卻，產生的熱通量將使材料的能量發(fā)生損耗。本文采用COMSOL軟件進行殘余應力對Q值影響情況的仿真，仿真軟件通過全耦合的熱方程和結構力學方程來模擬材料中的能量損耗，輸出量質量因子即為所關心的Q值。如圖1所示，在厚度為500nm的殼上施加外部均勻應力以模擬薄膜內應力，殼與諧振子實體采用多物理場共享邊界進行連接，增加穩(wěn)態(tài)求解器。在外部應力與內部應力達到穩(wěn)態(tài)后，再對其進行模態(tài)仿真，觀測殘余應力對于Q值的影響情況。

圖1 COMSOL仿真過程Fig.1 The process of COMSOL simulation

分別考慮半球諧振子徑向與周向殘余應力不均性對Q值的影響，將半球諧振陀螺表面薄膜沿半球軸的周向與圓周方向進行切分。在軟件中將薄膜沿不同緯度進行切分，將唇緣到球底各部分分別編號1-7，如圖2(a)所示。周向以諧振子旋轉對稱軸線為旋轉軸，以間隔為20°的經線將半球殼外表面等分為18份，如圖2(b)所示。

對每個部分施加均勻殘余應力并進行仿真，應力參數(shù)及仿真結果如表1所示。

(a)軸向切分

(b)周向切分

表1 應力對Q值的影響

從表1可以看到，當殘余應力均勻分布時，無論大小，殘余應力并未對Q值產生較大影響，因此需考慮殘余應力非均勻分布對Q值的影響。

2.2 不均勻殘余應力對Q值影響的仿真研究

本文研究了諧振子膜層表面殘余應力不均勻分布對Q值的影響情況。采用圖2的劃分方式，對每個分割面施加了不同的應力，添加了預應力研究，進行網格劃分，然后通過計算比較得出了每組壓力分布對應的仿真結果。其應力設置與結果如表2、表3所示。圖3為表3中第六組應力分布對應的諧振子實體和殼上的應力分布云圖。

表2 軸向壓力參數(shù)分布及結果分析

表3 周向壓力參數(shù)分布及結果分析

(a)實體應力分布

(b)膜層應力分布圖3 第六組實體應力及膜層應力分布云圖Fig.3 The stress distribution of solid and film of simulation

從仿真結果可以看出，隨著殘余壓力沿軸向與周向不均勻度的逐漸增大，諧振子Q值逐漸減小，這表明殘余應力的非均勻分布對諧振子Q值衰減具有一定影響。同時，殘余應力對薄膜的穩(wěn)定性和附著牢固性也有較大影響。因此，在諧振子表面鍍膜過程中應嚴格控制殘余應力及其分布，將Q值衰減控制在一定范圍內。

3 半球諧振陀螺表面金屬化鍍膜工藝實驗

3.1 諧振子金屬薄膜制備

在薄膜制備過程中，影響殘余應力的主要因素包括：薄膜沉積的均勻性及基底加熱的均勻性?；诎肭蛑C振子金屬薄膜殘余應力對Q值影響情況的仿真結果，通過控制半球諧振子表面金屬薄膜的均勻性以及確?；拙鶆蚴軣幔捎行Э刂茪堄鄳Υ笮〖皻堄鄳鶆蚍植?，進而避免諧振子Q值在鍍膜后出現(xiàn)較大衰減。

現(xiàn)有磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的運動方式為工件以電機傳動軸為中心進行公轉運動。在此轉動狀態(tài)下，如果被鍍工件表面形狀復雜，則無法保證膜層具備良好的均勻性。利用工件只能進行公轉運動的電子束蒸發(fā)鍍膜設備進行了針對半球面內外表面從球頂?shù)酱窖氐哪ず竦难芯浚瑢嶒灲Y果如圖4所示。從圖4可以看出，從球頂?shù)酱窖啬ず裰饾u降低，需要優(yōu)化工藝，精確控制膜層厚度，穩(wěn)定控制蒸發(fā)速率。在此基礎上改進工件的轉動方式，將使復雜形狀表面的膜層性能具備較大的提升空間。

(a)外球面

(b)內球面圖4 半球表面薄膜厚度分布圖[12]Fig.4 The film thickness distribution of hemispherical resonator

因此，本研究在磁控濺射鍍膜機中利用自主搭建的多自由度轉動機構來控制半球諧振子在表面金屬化過程中膜層厚度的均勻性。圖5(a)為多自由度轉動機構示意圖，圖5(b)、圖5(c)分別代表其擺角的最小狀態(tài)及最大狀態(tài)。該機構在鍍膜過程中可使被鍍工件在真空室內進行自轉、公轉，以及沿公轉徑向的擺動運動,實現(xiàn)了工件多種轉動方式的獨立運動與聯(lián)動，很好地滿足了曲面鍍膜項目的技術要求，對被鍍工件表面形狀復雜、較難精確控制膜層厚度等難題提出了很好的解決方向，可適用于對多種曲面的鍍膜厚度均勻性進行研究。

(a) 轉動機構示意圖

(b) 擺角最小狀態(tài)圖

(c) 擺角最大狀態(tài)圖圖5 多自由度轉動機構Fig.5 The multi-DOF rotating mechanism

此外，結合自轉工裝優(yōu)化熱源布置可確保在鍍膜過程中諧振子的表面溫度場受熱均勻。圖6為半球諧振子在鍍膜過程中的夾具形狀及其運動裝置，以及薄膜沉積過程中熱源的分布情況，即熱源分布于半球諧振子的一側。只有曲面板兩端會有小部分重疊，而熱源對半球面的整體單位時間輻射度

R

基本無變化。在加熱過程中，半球面勻速旋轉，即可得到較均勻的內外表面溫度分布。工件表面吸收的輻射度

R

與向外發(fā)射的輻射度

R

相等時，工件達到穩(wěn)態(tài)。唇沿處溫度沿半圓周的變化如圖7所示，即呈正弦變化。若加熱過程中工件勻速自轉，采用此加熱方式可在半球內外表面沿周向得到較均勻的溫度。

在鍍膜過程中，設置磁控濺射鍍膜機的直流電源為150W，將氬氣壓力設置為0.5Pa，將基體表面加熱至120℃，通過步進電機控制自由度運動工作臺的自轉速度、公轉速度、擺動速度分別為7r/min、12r/min、15(°)/s，將濺射時間設置為26min，將膜層沉積厚度設置為100nm左右。半球諧振子表面沉積金屬薄膜的實物圖如圖8所示。

(a) 夾具形狀

(b)熱源分布圖6 半球諧振子鍍膜夾具形狀及薄膜沉積過程中的熱源分布情況Fig.6 The coating fixture and heating distribution of hemispherical resonator

(a)外圓面邊沿

(b)內圓面邊沿圖7 內外球面邊沿溫度周向分布Fig.7 The temperature distribution of the inner and outer edge of hemispherical resonator

圖8 半球諧振子金屬化薄膜沉積后的實物圖Fig.8 The hemispherical resonator after film deposition

3.2 諧振子關鍵特性檢測

采用激光測振儀在真空狀態(tài)下對沉積金屬薄膜的諧振子進行關鍵特性檢測，如圖9所示。圖10為半球諧振子Q值的檢測結果，圖10(a)為鍍膜前半球諧振子Q值的檢測結果，圖10(b)為鍍膜后半球諧振子Q值的檢測結果。

圖9 半球諧振子Q值檢測Fig.9 The Q factor test of hemispherical resonator

(a) 鍍膜前Q值檢測結果

(b) 鍍膜后Q值檢測結果圖10 半球諧振子Q值檢測結果Fig.10 The result of Q factor test of hemispherical resonator

鍍膜前，Q值為1.6×10；鍍膜后，Q值為1.39×10。對比鍍膜前后Q值的變化，其衰減量為13.13%，符合衰減量不大于30%的要求。檢測結果表明，采用多自由度轉動機構的磁控濺射及熱源均勻加熱方法，可嚴格控制殘余應力均勻分布，確保Q值衰減量在要求范圍內。

4 結 論

半球諧振子在薄膜沉積后的仿真分析，表明了諧振子金屬薄膜表面殘余應力的均勻分布可有效降低Q值的衰減。通過控制薄膜制備的均勻性及基底加熱的均勻性可有效控制薄膜的殘余應力及其分布。工藝試驗表明，采用多自由度的磁控濺射鍍膜及熱源均勻加熱方法，在沉積厚度為100nm的金屬薄膜后，檢測得到的Q值衰減量為13.13%，滿足應用需求。