CN116690199A - 一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法及装置，本发明的加工方法包括在谐振结构上利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列；将谐振结构在腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将裙齿的结构完全释放出来；本发明的装置包括激光加工单元和用于固定谐振结构的治具组件，包括用于对谐振结构激光加工的贴片工装以及用于腐蚀作业的腐蚀夹具。本发明能够有效避免传统激光直接切割产生的微裂纹等表面损伤问题，改善微半球陀螺仪Q值、阻尼均匀性；具有整体结构加工对称性更好、可批量加工处理的优点，可有效解决激光切割垂直加工较难问题，实现垂直成型加工，可进一步缩小加工间隙，增大器件工作电容面积，提高微半球陀螺仪灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微半球陀螺仪的加工技术领域，具体涉及一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法及装置。
背景技术
微半球陀螺仪是一种基于科里奥利效应的振动陀螺，主要利用氢氧或丙烷燃烧，采用熔融石英材料在负压环境下高温高速旋转吹制而成，其结构具有结构对称性高、品质因数高、成本低、可批量加工等优点；在小型制导武器应用领域具有明显优势。带裙齿的谐振结构的微半球陀螺仪，可利用裙齿增大电容面积和模态质量，同时可通过后端加工技术添减裙齿来实现谐振结构刚度调整。传统的裙齿加工采用飞秒激光直接切割的方式加工，但该加工方式是利用激光高密度能量作用于材料表面，经过升温、熔化、汽化、溅射、重凝等过程完成切割，容易在结构加工区域形成微缺陷，在振动或过载冲击环境下，会造成二次损伤，加大谐振结构损伤程度，甚至崩边与断裂，引起产品性能下降或失效。另外，激光切割加工受限聚焦定位准确性，不能实现垂直加工，所以需要沿着厚度方向多次切割，裙齿的侧面是多次加工形成的，加工完成后裙齿端面呈倒梯形，造成加工误差增大，引起谐振结构对称性偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法及装置，本发明能够有效避免传统激光直接切割产生的微裂纹等表面损伤问题，裙齿的侧面为一次加工成型使得裙齿的侧面加工质量好，具有整体结构加工对称性更好、可批量加工处理的优点，同时该加工方式可有效解决激光切割垂直加工较难问题，实现垂直成型加工，可进一步缩小加工间隙，增大器件工作电容面积。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，包括：
S101，在谐振结构上利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列，所述按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列是指沿着裙齿的轮廓线按照给定间距加工轮廓点，且加工每一个轮廓点时为采用焦点长度超过谐振结构厚度的飞秒激光一次性贯穿，相邻的轮廓点之间间隙布置无重叠，使得轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间通过相邻轮廓点之间的连接部相连；
S102，将谐振结构在腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来。
可选地，步骤S101中的给定间距为μm级别。
可选地，步骤S101中利用激光按照给定的间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列时，包括将激光的焦点拉长至百μm级别以实现高景深的垂直加工。
可选地，步骤S101中利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列时，采用的激光波长为1030nm，且激光工艺参数包括：脉宽为290fs、重复频率为100kHz、单脉冲能量为60uJ，离焦距离为-280um。
可选地，步骤S102中进行超声化学刻蚀时，超声功率为百瓦级别，且采用10%质量浓度的氢氟酸。
一种用于应用所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法的加工装置，包括激光加工单元和用于固定谐振结构的治具组件，所述激光加工单元包括：
激光器，用于产生激光；
第一波片和偏振片，用于组合调整激光的功率大小；
光闸，用于作为光路开关；
扩束镜，用于将光束的束径扩大；
第二波片，用于调整激光的偏振方向以实现不同的加工效果，且经过第二波片（16）透射出的光束形成高斯光束；
锥透镜，用于将高斯光束形成环形光束；
平凸透镜，用于将环形光束形成贝塞尔光束；
聚焦透镜，用于聚焦缩小光斑以在被加工的谐振结构上形成锥形光束；
所述第一波片、偏振片、光闸、扩束镜、第二波片、锥透镜、平凸透镜以及聚焦透镜依次布置在激光器输出的光路上。
可选地，所述激光器输出的光路上还设有一个或多个用于将光束转向的反光镜。
可选地，所述治具组件包括用于对谐振结构激光加工的贴片工装，所述贴片工装包括层叠布置的正面板和背面板，所述正面板的表面上设有多个用于放置谐振结构的安装凹槽，所述安装凹槽的中部设有用于固定谐振结构的第一中心定位柱，所述安装凹槽的底部设有贯穿的真空吸附孔，所述正面板和背面板之间设有与各个安装凹槽的真空吸附孔连通的气槽空腔，所述背面板上设有与气槽空腔连通的抽气通道。
可选地，所述治具组件还包括腐蚀夹具，所述腐蚀夹具包括活动连接的底座和盖板，所述底座上设有多个用于放置谐振结构的盛放凹槽，所述盛放凹槽的中部设有用于固定谐振结构的第二中心定位柱，所述盛放凹槽的底部设有多个贯穿的下通孔，所述盖板上位于盛放凹槽对应的位置设有多个贯穿的上通孔，所述底座上设有转轴，所述盖板套设于转轴上。
一种所述的加工装置的应用方法，包括：
S201，采用双面抛光磨平的熔融石英片，利用高温吹制成型加工的方法将谐振结构初成型；
S202，采用石蜡在热板上将贴片工装的正面板和背面板粘接在一起，内部形成气槽空腔，并将贴片工装的背面板的抽气通道通过气管和接头与真空泵相连；
S203，利用镊子，夹持初成型的微半球陀螺敏感结构安装至贴片工装的正面板的安装凹槽的中部并利用第一中心定位柱定位；
S203，打开真空泵，将初成型的微半球陀螺敏感结构和贴片工装转移至激光加工单元；
S204，通过激光加工单元的光学镜头，在微半球陀螺敏感结构球壳与裙齿的交接圆上随机选取三点拟合裙齿加工的圆中心点；加载加工图纸，设置飞秒激光的工艺参数，利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列；
S205，关闭真空泵，用镊子将谐振结构拾取下来，放置在腐蚀夹具中，一起置放于腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来；
S206，将腐蚀好的谐振结构与腐蚀夹具一起，采用超纯水清洗干净，并用氮***将水分吹扫干净，再将腐蚀夹具中取出得到加工好的谐振结构。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
1、本发明的加工方法包括在谐振结构上利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列，按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列是指沿着裙齿的轮廓线按照给定间距加工轮廓点，且加工每一个轮廓点时为采用焦点长度超过谐振结构厚度的飞秒激光一次性贯穿，相邻的轮廓点之间间隙布置无重叠，使得轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间通过相邻轮廓点之间的连接部相连；将谐振结构在腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来，本发明能够有效避免传统激光直接切割产生的微裂纹等表面损伤问题，裙齿的侧面为一次加工成型使得裙齿的侧面加工质量好，具有整体结构加工对称性更好、可批量加工处理的优点，可有效解决激光切割垂直加工较难问题，实现垂直成型加工，可进一步缩小加工间隙，增大器件工作电容面积。
附图说明
图1为现有技术中带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构的立体结构示意图。
图2为现有技术中裙齿及间隙分布的截面结构示意图。
图3为本发明实施例中加工方法的流程示意图。
图4为本发明实施例中激光加工单元的结构示意图。
图5为本发明实施例中激光加工单元的光学原理示意图。
图6为本发明实施例中贴片工装的立体分解结构示意图。
图7为本发明实施例中正面板的正面侧立体结构示意图。
图8为本发明实施例中正面板的反面侧立体结构示意图。
图9为本发明实施例中腐蚀夹具的立体结构示意图。
图10为本发明实施例中腐蚀夹具的盖板的立体结构示意图。
图例说明：11、激光器；12、第一波片；13、偏振片；14、光闸；15、扩束镜；16、第二波片；17、锥透镜；18、平凸透镜；19、透镜；21、正面板； 211、安装凹槽；212、第一中心定位柱；213、真空吸附孔；214、气槽空腔；22、背面板；221、抽气通道；31、底座；32、盖板；311、盛放凹槽；312、第二中心定位柱；313、下通孔；321、上通孔；33、转轴。
具体实施方式
如图1和图2所示，带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构（谐振子）为三维立体结构，主要由支撑柱A、球壳B和裙齿C组成，其中支撑柱A、球壳B和裙齿C之间两两全中心对称分布。带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构采用熔融石英材质材料，利用高温吹制一体成型方法加工而成，其支撑柱A底部与裙齿C表面在同一水平面，裙齿C的加工端面为垂直端面，通过调整裙齿间的间隙D大小，可调整谐振结构的裙齿C的尺寸大小和数量。
如图3所示，本实施例提供一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，包括：
S101，在谐振结构上利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列，按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列是指沿着裙齿的轮廓线按照给定间距加工轮廓点，且加工每一个轮廓点时为采用焦点长度超过谐振结构厚度的飞秒激光一次性贯穿，相邻的轮廓点之间间隙布置无重叠，使得轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间通过相邻轮廓点之间的连接部相连；
S102，将谐振结构在腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来。
该技术处理避免了飞秒激光直接切割造成的结构损伤，加工结构无崩边与断裂问题，有效改善产品的抗振动与冲击特性，极大程度提高了产品的可靠性与使用寿命；同时可实现垂直加工，进一步提高微半球谐振结构对称性，提高产品综合性能，同时该方案可批量处理，有效提高加工效率和降低生产成本。
本实施例中，步骤S101中的给定间距为μm级别，具体地本实施例中为3μm。
本实施例中，步骤S101中利用激光按照给定的间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列时，包括将激光的焦点拉长至百μm级别以实现高景深的垂直加工，使得针对每一个轮廓点的加工通过一个焦点参数即可完成加工，不需要加工过程中多次更改焦点，能够提升每一个轮廓点的加工效率，尤其是这样可以使得轮廓点的加工面更加平整。例如作为一种可选的实施方式，本实施例中将激光的焦点拉长至500um。
本实施例中，步骤S101中利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列时，采用的激光波长为1030nm，且激光工艺参数包括：脉宽为290fs、重复频率为100kHz、单脉冲能量为60uJ，离焦距离为-280um。
本实施例中，步骤S102中进行超声化学刻蚀时，超声功率为百瓦级别，且采用10%质量浓度的氢氟酸，利用飞秒激光加工出裙齿结构轮廓，再将微半球谐振结构专用腐蚀工装与定制腐蚀槽中，采用10%氢氟酸，结合300w超声功率，完成裙齿结构垂直方向湿法腐蚀释放加工，形成带垂直端面裙齿的微半球陀螺敏感结构。
本实施例还提供一种用于应用所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法的加工装置，包括激光加工单元和用于固定谐振结构的治具组件，如图4所示，激光加工单元包括：
激光器11，用于产生激光；
第一波片12和偏振片13，用于组合调整激光的功率大小；
光闸14，用于作为光路开关；
扩束镜15，用于将光束的束径扩大；
第二波片16，用于调整激光的偏振方向以实现不同的加工效果，且经过第二波片16透射出的光束形成高斯光束；
锥透镜17，用于将高斯光束形成环形光束；
平凸透镜18，用于将环形光束形成贝塞尔光束；
聚焦透镜19，用于聚焦缩小光斑以在被加工的谐振结构上形成锥形光束；
第一波片12、偏振片13、光闸14、扩束镜15、第二波片16、锥透镜17、平凸透镜18以及聚焦透镜19依次布置在激光器11输出的光路上。聚焦透镜19可根据需要采用所需的镜片类型，包括但不限于平凸透镜、锥透镜和物镜，只要能够聚焦缩小光斑即可。
本实施例中，激光器11采用立陶宛LC激光器，通过光路转换，将高斯光束短焦点转换成菱形长焦点，实现500um内厚度熔融石英单脉冲改性加工。通过调整激光加工单元中光学元件的距离，可控制改性激光焦点长度。
本实施例中，激光器11输出的光路上还设有一个或多个用于将光束转向的反光镜以用于节约空间，反光镜的数量可以根据需要布置，例如作为一种可选的实施方式，如图4中的a所示，本实施例中包含3个反光镜。
如图5所示，通过锥透镜17将高斯光束调整为环形光束，实现光焦点的拉长（Zmax），从而实现深孔尺度垂直加工；通过平凸透镜18和聚焦透镜19组合将该拉长焦点等比例缩小，光斑越小可实现更小尺寸的精细加工，可将损伤降至更低，可提高改善微半球陀螺仪Q值、阻尼均匀性等；同时可以通过调整平凸透镜18和聚焦透镜19组合之间的距离（f1和f2）可实现拉长焦点的长度（Zmax'）调整，将激光的焦点拉长至百μm级别以实现高景深的垂直加工，使得针对每一个轮廓点的加工通过一个焦点参数即可完成加工，不需要加工过程中多次更改焦点，能够提升每一个轮廓点的加工效率，尤其是这样可以使得轮廓点的加工面更加平整。
由于微半球陀螺仪谐振结构为半球三维结构，不好夹持加工，为了实现对裙齿C的平面精确加工，如图6、图7和图8所示，本实施例中的治具组件包括用于对谐振结构激光加工的贴片工装，贴片工装包括层叠布置的正面板21和背面板22，正面板21的表面上设有多个用于放置谐振结构的安装凹槽211，安装凹槽211的中部设有用于固定谐振结构的第一中心定位柱212，安装凹槽211的底部设有贯穿的真空吸附孔213，正面板21和背面板22之间设有与各个安装凹槽211的真空吸附孔213连通的气槽空腔214，背面板22上设有与气槽空腔214连通的抽气通道221。本实施例中，气槽空腔214分别由正面板21和背面板22上的圆形气槽组成。加工过程中通过贴片工装来装贴三维立体的微半球陀螺仪谐振结构，实现三维立体结构向平面表面加工转换，使加工更方便，同时可批量处理，加工一致性也较好，通过飞秒激光改性加工出裙齿结构轮廓，再采用10%氢氟酸，在300w超声功率下完成裙齿结构湿法腐蚀加工。
本实施例中的治具组件还包括腐蚀夹具，腐蚀夹具采用耐腐蚀材料制成，例如本实施例中采用聚四氟乙烯制成，可耐氢氟酸的腐蚀。如图9和图10所示，腐蚀夹具包括活动连接的底座31和盖板32，底座31上设有多个用于放置谐振结构的盛放凹槽311，盛放凹槽311的中部设有用于固定谐振结构的第二中心定位柱312，盛放凹槽311的底部设有多个贯穿的下通孔313（用于氢氟酸流通），盖板32上位于盛放凹槽311对应的位置设有多个贯穿的上通孔321（用于氢氟酸流通），底座31上设有转轴33，盖板32套设于转轴33上，从而一次可以实现对批量的谐振结构的腐蚀，防止谐振结构在腐蚀过程中掉落。
本实施例还提供一种前述加工装置的应用方法，包括：
S201，采用双面抛光磨平的熔融石英片（可根据需要采用所需的规格，例如本实施例中规格为直径18mm、厚度350um的圆形熔融石英片），利用高温吹制成型加工的方法将谐振结构初成型；S202，采用石蜡在热板（用于加热石蜡）上将贴片工装的正面板21和背面板22粘接在一起，内部形成气槽空腔214，并将贴片工装的背面板22的抽气通道221通过气管和接头与真空泵相连；
S203，利用镊子（采用耐腐蚀材料制成，例如本实施例中采用聚四氟乙烯制成），夹持初成型的微半球陀螺敏感结构安装至贴片工装的正面板21的安装凹槽211的中部并利用第一中心定位柱212定位；
S203，打开真空泵，将初成型的微半球陀螺敏感结构和贴片工装转移至激光加工单元；S204，通过激光加工单元的光学镜头，在微半球陀螺敏感结构球壳与裙齿的交接圆上随机选取三点拟合裙齿加工的圆中心点；加载加工图纸，设置飞秒激光的工艺参数，利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列；
S205，关闭真空泵，用镊子（采用耐腐蚀材料制成，例如本实施例中采用聚四氟乙烯制成）将谐振结构拾取下来，放置在腐蚀夹具中，一起置放于腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来；
S206，将腐蚀好的谐振结构与腐蚀夹具一起，采用超纯水清洗干净，并用氮***将水分吹扫干净，再将腐蚀夹具中取出得到加工好的谐振结构。
本实施例方法避免了飞秒激光直接切割造成的结构损伤，加工结构无崩边与断裂问题，有效改善产品的抗振动与冲击特性，极大程度提高了产品的可靠性与使用寿命；同时可实现垂直加工，进一步提高微半球谐振结构对称性，提高产品综合性能，同时该方案可批量处理，有效提高加工效率和降低生产成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，其特征在于，包括：
S101，在谐振结构上利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列，所述按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列是指沿着裙齿的轮廓线按照给定间距加工轮廓点，且加工每一个轮廓点时为采用焦点长度超过谐振结构厚度的飞秒激光一次性贯穿，相邻的轮廓点之间间隙布置无重叠，使得轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间通过相邻轮廓点之间的连接部相连；
S102，将谐振结构在腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来。
2.根据权利要求1所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，其特征在于，步骤S101中的给定间距为μm级别。
3.根据权利要求1所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，其特征在于，步骤S101中利用激光按照给定的间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列时，包括将激光的焦点拉长至百μm级别以实现高景深的垂直加工。
4.根据权利要求3所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，其特征在于，步骤S101中利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列时，采用的激光波长为1030nm，且激光工艺参数包括：脉宽为290fs、重复频率为100kHz、单脉冲能量为60uJ，离焦距离为-280um。
5.根据权利要求1所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法，其特征在于，步骤S102中进行超声化学刻蚀时，超声功率为百瓦级别，且采用10%质量浓度的氢氟酸。
6.一种用于应用权利要求1～5中任意一项所述的带裙齿的微半球陀螺仪谐振结构加工方法的加工装置，其特征在于，包括激光加工单元和用于固定谐振结构的治具组件，所述激光加工单元包括：
激光器（11），用于产生激光；
第一波片（12）和偏振片（13），用于组合调整激光的功率大小；
光闸（14），用于作为光路开关；
扩束镜（15），用于将光束的束径扩大；
第二波片（16），用于调整激光的偏振方向以实现不同的加工效果，且经过第二波片（16）透射出的光束形成高斯光束；
锥透镜（17），用于将高斯光束形成环形光束；
平凸透镜（18），用于将环形光束形成贝塞尔光束；
聚焦透镜（19），用于聚焦缩小光斑以在被加工的谐振结构上形成锥形光束；
所述第一波片（12）、偏振片（13）、光闸（14）、扩束镜（15）、第二波片（16）、锥透镜（17）、平凸透镜（18）以及聚焦透镜（19）依次布置在激光器（11）输出的光路上。
7.根据权利要求6所述的加工装置，其特征在于，所述激光器（11）输出的光路上还设有一个或多个用于将光束转向的反光镜。
8.根据权利要求6所述的加工装置，其特征在于，所述治具组件包括用于对谐振结构激光加工的贴片工装，所述贴片工装包括层叠布置的正面板（21）和背面板（22），所述正面板（21）的表面上设有多个用于放置谐振结构的安装凹槽（211），所述安装凹槽（211）的中部设有用于固定谐振结构的第一中心定位柱（212），所述安装凹槽（211）的底部设有贯穿的真空吸附孔（213），所述正面板（21）和背面板（22）之间设有与各个安装凹槽（211）的真空吸附孔（213）连通的气槽空腔（214），所述背面板（22）上设有与气槽空腔（214）连通的抽气通道（221）。
9.根据权利要求8所述的加工装置，其特征在于，所述治具组件还包括腐蚀夹具，所述腐蚀夹具包括活动连接的底座（31）和盖板（32），所述底座（31）上设有多个用于放置谐振结构的盛放凹槽（311），所述盛放凹槽（311）的中部设有用于固定谐振结构的第二中心定位柱（312），所述盛放凹槽（311）的底部设有多个贯穿的下通孔（313），所述盖板（32）上位于盛放凹槽（311）对应的位置设有多个贯穿的上通孔（321），所述底座（31）上设有转轴（33），所述盖板（32）套设于转轴（33）上。
10.一种权利要求9所述的加工装置的应用方法，其特征在于，包括：
S201，采用双面抛光磨平的熔融石英片，利用高温吹制成型加工的方法将谐振结构初成型；
S202，采用石蜡在热板上将贴片工装的正面板（21）和背面板（22）粘接在一起，内部形成气槽空腔（214），并将贴片工装的背面板（22）的抽气通道（221）通过气管和接头与真空泵相连；
S203，利用镊子，夹持初成型的微半球陀螺敏感结构安装至贴片工装的正面板（21）的安装凹槽（211）的中部并利用第一中心定位柱（212）定位；
S203，打开真空泵，将初成型的微半球陀螺敏感结构和贴片工装转移至激光加工单元；
S204，通过激光加工单元的光学镜头，在微半球陀螺敏感结构球壳与裙齿的交接圆上随机选取三点拟合裙齿加工的圆中心点；加载加工图纸，设置飞秒激光的工艺参数，利用飞秒激光按照给定间距点击加工出裙齿的轮廓点阵列；
S205，关闭真空泵，用镊子将谐振结构拾取下来，放置在腐蚀夹具中，一起置放于腐蚀槽中进行超声化学刻蚀将轮廓线内侧的谐振结构和轮廓线外侧的多余部分之间的连接部去除以使得谐振结构及其裙齿的结构完全释放出来；
S206，将腐蚀好的谐振结构与腐蚀夹具一起，采用超纯水清洗干净，并用氮***将水分吹扫干净，再将腐蚀夹具中取出得到加工好的谐振结构。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050282319A1 (en) * | 2004-06-18 | 2005-12-22 | Bruland Kelly J | Semiconductor structure processing using multiple laser beam spots overlapping lengthwise on a structure |
| JP2007130768A (ja) * | 2005-11-08 | 2007-05-31 | Seiko Epson Corp | 水晶基板の切断方法 |
| JP2010042424A (ja) * | 2008-08-11 | 2010-02-25 | Omron Corp | レーザ加工方法、レーザ加工装置、光学素子の製造方法、および光学素子 |
| JP2021141100A (ja) * | 2020-03-02 | 2021-09-16 | 株式会社東京精密 | エッチング処理後シリコンウェハの表面改質の方法 |
| CN113547223A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-26 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种平面化圆片级熔融石英mems陀螺仪的制作方法 |
| CN114985942A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-09-02 | 北京理工大学 | 空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法 |
| CN114985908A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-09-02 | 中南大学 | 一种微型回转式谐振结构的高精度加工***和方法 |
| CN115178892A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-14 | 中南大学 | 一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法 |
| CN116117331A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-05-16 | 华中科技大学 | 一种用于半球谐振子的激光抛光方法 |
| CN116160121A (zh) * | 2022-11-01 | 2023-05-26 | 北京理工大学 | 一种基于倍频贝塞尔激光选择性刻蚀的石英振梁加工方法 |
-
2023
- 2023-08-07 CN CN202310980037.4A patent/CN116690199B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050282319A1 (en) * | 2004-06-18 | 2005-12-22 | Bruland Kelly J | Semiconductor structure processing using multiple laser beam spots overlapping lengthwise on a structure |
| JP2007130768A (ja) * | 2005-11-08 | 2007-05-31 | Seiko Epson Corp | 水晶基板の切断方法 |
| JP2010042424A (ja) * | 2008-08-11 | 2010-02-25 | Omron Corp | レーザ加工方法、レーザ加工装置、光学素子の製造方法、および光学素子 |
| JP2021141100A (ja) * | 2020-03-02 | 2021-09-16 | 株式会社東京精密 | エッチング処理後シリコンウェハの表面改質の方法 |
| CN113547223A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-26 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种平面化圆片级熔融石英mems陀螺仪的制作方法 |
| CN114985942A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-09-02 | 北京理工大学 | 空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法 |
| CN114985908A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-09-02 | 中南大学 | 一种微型回转式谐振结构的高精度加工***和方法 |
| CN115178892A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-14 | 中南大学 | 一种毫米厚度石英玻璃的高质量切割方法 |
| CN116160121A (zh) * | 2022-11-01 | 2023-05-26 | 北京理工大学 | 一种基于倍频贝塞尔激光选择性刻蚀的石英振梁加工方法 |
| CN116117331A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-05-16 | 华中科技大学 | 一种用于半球谐振子的激光抛光方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 汪红兵;林丙涛;梅松;江黎;蒋春桥;: "微半球谐振陀螺技术研究进展", 微纳电子技术, no. 11, pages 47 - 55 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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