СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАРЦЕВОГО МАЯТНИКОВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА КОМПЕНСАЦИОННОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА Российский патент 2003 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении приборов для измерения ускорения, применяющихся в системах навигации и ориентации. Целью изобретения является обеспечение воспроизводимости электромеханических свойств чувствительного элемента из кварцевого стекла, определяющих рабочие параметры маятникового акселерометра.

Известны маятниковые компенсационные акселерометры с упругим подвесом, предназначенные для измерения ускорений (например, а. с. СССР N 901915, кл. G 01 P 15/13, 1982 г.). Такой акселерометр содержит маятниковый П-образный чувствительный элемент, связанный струнными торсионами с основанием, причем для повышения точности и уменьшения габаритов акселерометра в него введена дополнительная П-образная рамка, жестко связанная с чувствительным элементом и лежащая в его плоскости симметрично относительно струнных торсионов, развернутых внутрь контура чувствительного элемента.

Обладая вышеуказанными преимуществами, чувствительный элемент такой конструкции более сложен в изготовлении, чем традиционный П-образный. К тому же в этом приборе содержится массивная корпусная деталь из кварцевого стекла цилиндрической формы, где расположены осветитель и фотоприемник, что также усложняет конструкцию и ее изготовление.

Улучшения характеристик чувствительного элемента маятникового компенсационного акселерометра добиваются разными способами. Один из них (а. с. СССР N 1697011, кл. G 01 P 15/00, 1991 г.) состоит в том, что точность и стабильность механических характеристик акселерометра повышают, предварительно отклоняя рамку-маятник от вертикального положения на угол, определяемый соотношением механических характеристик маятника и подвеса, и наносят металлическую пленку на первый торсион. После этого рамку-маятник отклоняют на тот же угол в другую сторону и наносят металлическую пленку на второй торсион.

Такой способ изготовления способствует повышению стабильности нулевого сигнала акселерометра. Но он может быть оптимально реализован лишь при условии равенства диаметров обоих торсионов, чего в реальных условиях, как правило, не бывает. Торсионы, изготавливаемые индивидуальной вытяжкой кварцевого стержня в пламени газовой горелки, обычно отличаются по диаметрам не менее чем на 15-20%. То же самое имеет место и с торсионами, получаемыми химическим растворением кварцевого стекла в заданном месте маятника. Это вынуждает отклонять рамку-маятник при нанесении металлической пленки на разные углы с целью обеспечения равенства касательных напряжений в пленке при двухстадийном осаждении пленки, что приводит к появлению других не учитываемых напряжений произвольной величины в самой металлической пленке ввиду неоднородности ее состава по всей толщине. Это, в свою очередь, обусловливает недостаточное уменьшение гистерезиса упругой характеристики торсионного подвеса и приводит к снижению стабильности нулевого сигнала акселерометра.

Перечисленные недостатки устраняются в заявленном изобретении. Указанная цель изобретения достигается тем, что при изготовлении кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационного акселерометра, заключающемся в вытяжке двух торсионов из кварцевого стержня, сварке их с двух сторон с кварцевой рамкой-маятником и с кварцевым основанием и последующей металлизацией, заготовку торсиона нагревают до температуры размягчения в электрической дуге, производят вдоль ее оси вытяжку торсиона при одновременном перемещении электродов дуги вдоль этой оси и в перпендикулярном к ней направлении и наносят пленку, состоящую из нескольких слоев разных металлов, а многослойную металлизацию чувствительного элемента осуществляют так, что к кварцевой поверхности чувствительного элемента примыкает слой металла с наименьшим коэффициентом линейного термического расширения относительно остальных слоев, за которым следуют слои с большей по сравнению с первым слоем электропроводностью, последний из которых осаждают электрохимическим методом. Кроме того, приваривание торсионов к основанию и рамке-маятнику осуществляют с использованием электрической дуги, электроды которой не создают осадка в местах сварки.

Изготовление кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационного акселерометра в заявленном способе происходит следующим образом. При изготовлении торсиона производится разогрев кварцевого стержня в электрической дуге с последующей его вытяжкой. Преимущество нагрева заготовки торсиона в электрической дуге в сравнении с газопламенным нагревом состоит в систематической воспроизводимости температурного поля в растягиваемом объеме стержня исходной кварцевой заготовки и в формировании высокотемпературной области этого поля в минимальном объеме, что обеспечивает определенную степень нагрева и его локализацию в кварцевой заготовке, а в последующей операции вытяжки - формирование оптимальной геометрической формы торсиона. При наиболее распространенных значениях диаметров торсиона, составляющих величины от нескольких единиц до двух-трех десятков микрометров, его рабочая длина ограничена, как правило, величиной в несколько миллиметров. Поэтому при вытяжке торсиона с использованием традиционного факела газовой горелки с сечением высокотемпературной зоны в несколько квадратных миллиметров, заданную совокупность размеров торсиона не удается реализовать с достаточной воспроизводимостью, поскольку, в зависимости от диаметра исходного кварцевого стержня, его расходуемая на вытяжку длина лежит обычно в интервале от десятых долей до одного-двух миллиметров.

Это обстоятельство обусловливает непостоянство значений и длины, и диаметра торсионов, изготовленных в определенном количестве путем единовременной вытяжки из кварцевых заготовок одинакового размера газопламенным методом. Причина этого состоит в трудности поддержания температурного поля, создаваемого газопламенным методом, на постоянном уровне в разогреваемой зоне каждой заготовки и в недостаточной его локализации в процессе вытяжки. Для обеспечения нормальной работы компенсационного акселерометра с кварцевым чувствительным элементом П-образной конструкции два торсиона, используемые в нем, не должны отличаться друг от друга по механическим свойствам. Если, например, в чувствительном элементе окажутся установленными два торсиона с диаметрами, отличающимися на 15-20%, что случается на практике, то это повлечет за собой более чем трехкратное отличие их жесткостных свойств.

Описанные недостатки газопламенного способа нагрева кварцевого стержня при вытяжке торсиона устраняются управляемым и локализованным в минимальном объеме разогревом его в электрической дуге. При этом стабильность температурного поля и его протяженность в пространстве обеспечиваются параметрами электронной схемы управления дугой и конструкцией электродов дуги.

Следующей важной частью предлагаемого способа изготовления кварцевого чувствительного элемента является операция вытяжки торсиона из разогретого электрической дугой участка кварцевой заготовки при контролируемых скоростях перемещения электродов дуги и конца заготовки в осевом направлении при одновременном перемещении электродов дуги в перпендикулярном к оси заготовки направлении. При этом величина скорости осевого перемещения конца заготовки определяет диаметр торсиона, а величина скорости осевого перемещения электродов дуги обусловливает длину вытягиваемого торсиона. Перемещение электродов дуги в перпендикулярном к оси заготовки направлении, обеспечивающее постоянство температурного режима в зоне вытягивания торсиона, в совокупности с перечисленными осевыми перемещениями и электрическими параметрами дуги позволяет вытягивать торсионы требуемых размеров с отклонением их от средних значений для партии изделий в 10 штук не более 10%.

Для работы электрической части компенсационного акселерометра с кварцевым маятниковым чувствительным элементом его маятник должен обладать определенной электропроводностью, которую обеспечивает металлическое покрытие, нанесенное на маятник. Однако, при осаждении покрытия на его качественные показатели действуют противоположным образом такие параметры, как адгезия металлической пленки к кварцевому стеклу и ее электропроводность. Среди множества металлов те, что наиболее электропроводны, имеют плохую адгезию к кварцевому стеклу, а те, что при осаждении на это стекло имеют прочную адгезию, недостаточно электропроводны и увеличение толщины пленки, частично улучшая электропроводность, ухудшает механические характеристики маятника. Сказанное относится, главным образом, к пленке, осаждаемой на торсионы маятника, поскольку на более массивных частях маятника роль названных параметров в части их влияния на показатели работы маятника несущественна. Решение этой проблемы в предложенном способе обеспечивается нанесением на кварцевую поверхность маятника неоднородной по составу металлической пленки, состоящей из нескольких слоев разных металлов.

Первый из наносимых слоев на поверхность кварцевого маятника обеспечивает всему покрытию необходимую адгезию. Последующие слои придают ему электропроводность, достаточную для реализации эксплуатационных параметров акселерометра с чувствительным элементом, изготовленным по заявленному способу. При этом, независимо от числа слоев покрытия, осажденных на первый слой, предпочтительным методом нанесения последнего слоя является электрохимическое осаждение.

Одной из важных технологических операций предложенного способа изготовления кварцевого чувствительного элемента является сварка вытянутых торсионов с кварцевым основанием маятника и с концами кварцевого маятника П-образной формы. Свариваемые места соединяемых элементов разогреваются до более высокой температуры, чем при вытяжке торсионов. При этом, в зависимости от конкретных размеров свариваемых элементов, в ближайшей окрестности места сварки могут оседать отдельные компоненты материалов электродов сварочной дуги, если они металлические, обычно, в виде окислов или иных металлокерамических фаз. Подобное загрязнение поверхности кварцевого стекла маятника не удаляется промывкой и отрицательно влияет на адгезию осаждаемой впоследствии металлической пленки. Поэтому исключение нежелательных загрязнений мест дуговой сварки маятника является одной из особенностей предлагаемого способа. Это обеспечивается использованием в качестве электродов дуги материалов, которые не создают условий для образования твердых осадков на поверхностях мест сварки и вблизи них.

Практическая реализация предлагаемого способа металлизации маятника осуществляется так, что на его кварцевую поверхность вначале наносят тонкий слой одного из металлов с меньшим коэффициентом линейного термического расширения относительно последующих слоев, а затем один или более слоев металлов, обладающих большей, чем первый слой, электропроводностью. При этом, если таких слоев не менее двух, лучшие результаты дает вариант осаждения слоев, когда в них последовательно возрастает коэффициент линейного термического расширения, даже при минимальных отличиях в коэффициентах линейного расширения этих слоев.

Существенной особенностью предлагаемого способа является использование электрохимического метода осаждения последнего слоя металла на маятник из кварцевого стекла. Другие методы, как, например, распыление в вакууме или химическое осаждение, имеют те или иные ограничения - и технического, и экономического характера. Так, при вакуумном распылении качество покрытия прямо зависит от вакуума в установке, то есть более качественные покрытия получаются на более дорогостоящем высоковакуумном оборудовании. Экономически неоправданным может оказаться и вакуумное распыление металлов, относящихся к классу драгоценных. Кроме того, при вакуумном распылении трудно устраняемым дефектом является неравномерное распределение напыляемого покрытия на поверхности детали, обусловленное конструктивными особенностями метода. В то же время широко распространенный метод химического осаждения не дает покрытий, обеспечивающих требования, предъявляемые к маятниковому чувствительному элементу акселерометра в отношении жесткостных свойств торсионов, ресурса работы и стабильности сигнала чувствительного элемента - прежде всего из-за недостаточной адгезии покрытий к подложке и их пористости. Поэтому наружный, т. е. последний, основной рабочий слой металлического покрытия маятника наносят в заявленном способе методом электрохимического осаждения, обеспечивающим осаждение беспористых металлических слоев равномерной по сечению изделия толщины и плотности с хорошей адгезией к подложке.

Иллюстрацией заявленного способа служат приведенные примеры его практической реализации.

Пример 1. В установке, обеспечивающей контролируемый электродуговой разогрев заготовок, была вытянута партия торсионов из кварцевого стержня диаметром 0,50 мм в количестве 10 шт. При скоростях перемещения (мм/с) конца стержня 0,25-0,51 и электродов дуги 0,17-0,45 - вдоль оси стержня, электродов дуги в направлении, перпендикулярном оси стержня 0,12-0,22, были получены торсионы одинаковой длины с диаметрами, среднее значение которых для всей партии составляло 19,8±1,8 мкм. После этого, с использованием этой же установки, к П-образным заготовкам из кварцевого стекла и к кварцевому основанию маятника были приварены по два торсиона из этой партии. При этом в качестве электродов дуги использованы электроды из графита (марок ЭУТ или ЭУН), обеспечившие получение пяти кварцевых заготовок заданной формы. Далее в установке для вакуумного напыления типа УВН-4 на эти пять кварцевых заготовок чувствительных элементов была нанесена пленка ванадия, толщина которой лежала в пределах 0,02-0,05 мкм. Затем эти заготовки были покрыты пленкой никеля методом химического восстановления ионов никеля в растворе гипофосфита, содержащим также ионы фосфора. Толщина осажденной пленки никеля (с примесью фосфора) на всех пяти заготовках составляла 0,10-0,41 мкм. Далее на эти заготовки чувствительных элементов была нанесена пленка золота (с добавкой никеля) электрохимическим осаждением из цианистого основного электролита. Толщина пленки на всех пяти элементах находилась в пределах 0,2-1,5 мкм.

Изготовленные кварцевые чувствительные элементы с таким неоднородным по составу металлическим покрытием были подвергнуты испытаниям и показали соответствие требуемым эксплутационным характеристикам.

Пример 2. С использованием установки с контролируемым электродуговым разогревом заготовок были изготовлены из кварцевого стержня диаметром 0,33 мм путем вытягивания торсионы партией в 10 штук. При одинаковой длине полученных торсионов их среднее значение диаметров для всей партии составило 13,1±1,2 мкм. Скорости (мм/с) при вытяжке лежали в пределах: вдоль оси стержня 0,21-0,48 - конец стержня, 0,16-0,43 - электроды дуги; в перпендикулярном к оси стержня направлении 0,11-0,19 - электроды дуги. Затем на этой же установке, но с электродами из осветительных углей простой дуги, используемых в дуговых лампах или в спектральном анализе (марок С-2 или С-3), были приварены к П-образным заготовкам из кварцевого стекла и к кварцевому основанию маятника по два торсиона из этой партии. Затем в установке типа УВН-4 для вакуумного напыления на пяти полученных кварцевых заготовок чувствительных элементов была нанесена пленка хрома, толщина которой лежала в пределах 0,03-0,08 мкм. После этого на чувствительные элементы со слоем хрома была осаждена из химического основного раствора с тартрат-ионом и формальдегидом в качестве восстановителя пленка меди (с добавкой никеля), толщина которой на всех пяти элементах была в пределах 0,07-0,32 мкм. Затем был осажден электрохимическим методом слой золота (с добавкой никеля) из цианистого основного электролита. Толщина ее на всех пяти элементах составляла 0,3-2,2 мкм. Изготовленные кварцевые чувствительные элементы с таким неоднородным по составу металлическим покрытием были подвергнуты испытаниям и показали соответствие эксплутационным характеристикам.

Пример 3. В установке, обеспечивающей контролируемый электродуговой разогрев заготовок, была вытянута партия торсионов из кварцевого стержня диаметром 0,25 мм в количестве 10 шт. При скоростях перемещения (мм/с) конца стержня 0,11-0,25 и электродов дуги 0,07-0,22 - вдоль оси стержня, электродов дуги в направлении, перпендикулярном оси стержня 0,05-0,10, были получены торсионы одинаковой длины с диаметрами, среднее значение которых для всей партии составляло 6,3±0,6 мкм. Далее на этой же установке с использованием электродов дуги из углерод-углеродного композиционного материала (с содержанием примесей менее 0,3% по массе) к П-образным заготовкам из кварцевого стекла и к кварцевому основанию маятника были приварены по два торсиона из этой партии. Далее в установке типа УВН-4 для вакуумного напыления на эти пять кварцевых заготовок чувствительных элементов была нанесена пленка хрома, толщина которой составила 0,04-0,10 мкм. Затем в этой же установке на них был напылен слой меди, толщина которого составляла для всех пяти элементов в пределах 0,05-0,19 мкм. После этого чувствительные элементы были покрыты пленкой золота электроосаждением из цианистого основного электролита и толщина ее лежала для разных элементов в пределах 0,5-3,0 мкм. Изготовленные кварцевые чувствительные элементы с таким неоднородным по составу металлическим покрытием были подвергнуты испытаниям и показали соответствие требуемым эксплутационным характеристикам.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления кварцевого маятникового чувствительного элемента обладает описанными преимуществами и обеспечивает воспроизводимость электромеханических свойств чувствительного элемента компенсационного акселерометра.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении приборов для измерения ускорения, применяющихся в системах навигации и ориентации. Заготовку торсиона нагревают до температуры размягчения в электрической дуге и производят вдоль ее оси вытяжку торсиона при одновременном перемещении электродов дуги вдоль этой оси и в перпендикулярном к ней направлении и наносят пленку, состоящую из нескольких слоев разных металлов. Многослойную металлизацию чувствительного элемента осуществляют так, что к кварцевой поверхности чувствительного элемента примыкает слой металла с наименьшим коэффициентом линейного термического расширения относительно остальных слоев, за которым следуют слои с большей по сравнению с первым слоем электропроводностью, последний из которых осаждают электрохимическим методом. Кроме того, приваривание торсионов к основанию и рамке-маятнику осуществляют с использованием электрической дуги, электроды которой не создают осадка в местах сварки. Техническим результатом является обеспечение воспроизводимости электромеханических свойств чувствительного элемента из кварцевого стекла, определяющих рабочие параметры маятникового акселерометра. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ изготовления кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационного акселерометра, заключающийся в вытяжке двух торсионов из кварцевого стержня, сварке их с двух сторон с кварцевой рамкой-маятником и с кварцевым основанием и их последующей металлизации, отличающийся тем, что заготовку торсиона нагревают до температуры размягчения в электрической дуге и производят вдоль ее оси вытяжку торсиона при одновременном перемещении электродов дуги вдоль этой оси и в перпендикулярном к ней направлении и наносят пленку, состоящую из нескольких слоев разных металлов, а многослойную металлизацию чувствительного элемента осуществляют так, что к кварцевой поверхности чувствительного элемента примыкает слой металла с наименьшим коэффициентом линейного термического расширения относительно остальных слоев, за которым следуют слои с большей по сравнению с первым слоем электропроводностью, последний из которых осаждают электрохимическим методом.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приваривание торсионов к основанию и рамке-маятнику осуществляют с использованием электрической дуги, электроды которой не создают осадка в местах сварки.