石英摆片性能及其影响因素的研究

【摘要】石英摆片是挠性加速度计的核心元件，其下摆量决定加速度计的量程和分辨率，下摆量和振动频率的稳定性影响加速度计的偏值和标度因数重复性。本文主要分析挠性梁厚度和表面缺陷对摆片性能的影响，为制作高稳定性石英摆片的选材和加工提供依据。挠性梁的尺寸精度通过激光切割和酸刻蚀控制，将激光切割参数设置为功率5KHz，焦距64mm，切割速度2mm/s，吹气压强0.2MPa，可使挠性梁的宽度精度从0.4mm提高到0.02mm。采用二步法刻蚀挠性梁，不仅缩短摆片加工时间，并且消除了由于橡胶掩膜酸溶引起的边缘毛刺现象。建立下摆量、自振频率和挠性梁厚度的关系，可根据下摆量要求值，设计挠性梁厚度。挠性梁表面缺陷增大下摆量，厚度一致性差增大扭振频率，因此对酸蚀后的多种表面缺陷进行分类和来源界定，通过机械搅拌和酸液中加入活性剂，挠性梁厚度差从11.3um降低到1.7um，实现光洁挠性梁加工。研究Ⅲ、Ⅳ类石英玻璃由于力学性质的差异对摆片性能的影响，Ⅳ类石英玻璃由于结构更致密，弹性模量高，相同挠性梁尺寸时，比Ⅲ类摆片下摆量小0.08mm。测得Ⅳ类石英玻璃Ⅲ类假想温度高，使得Ⅳ类玻璃的显微硬度比Ⅲ类高0.05GPa，酸蚀速率快0.1um/min（25℃，HF：CH3COOH=9：4）。通过上述研究，明确了挠性梁厚度是摆片下摆量、振动频率的决定因素，不同石英玻璃材料和表面缺陷不同程度地影响摆片性能，玻璃假想温度是摆片时间稳定性的主要因素。最终制定了合理的摆片加工工艺，并提出摆片基材的选取要求：Ⅳ类石英玻璃，先均化再掏取中心材料，然后热处理降低假想温度到1000℃以下。
【作者】杜秀蓉；
【导师】顾真安；宋学富；
【作者基本信息】中国建筑材料科学研究总院，材料学，2014，硕士
【关键词】石英玻璃；摆片稳定性；挠性梁；尺寸精度；表面缺陷；

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