高温封装工艺对半球谐振陀螺动态参数稳定性的影响及优化研究

《Micromachines》：Effect of High Temperature During Packaging Process on the Dynamic Parameter Stability of Hemispherical Resonator Gyroscope

　　

在半球谐振陀螺（HRG）封装过程中，局部高温引起非均匀热分布并降低关键动态参数的稳定性。为减小这些温度效应，采用COMSOL Multiphysics对HRG热场进行了耦合仿真分析。首先，分析了局部高温的产生机制。其次，对吸气剂激活（getter activation）和气密封焊（hermetic welding）进行了热仿真并提出了优化策略。第三，研究了壳体材料（housing materials）和结构尺寸对温度效应的影响以进一步优化。最后，开展了动态参数稳定性实验以评估优化效果。与原封装工艺相比，优化方案显著降低了高温对关键动态参数的扰动效应。在整个封装过程中，最大品质因数（Q factor）达到1.775 × 10⁷，频率裂解（Δf）保持在1 mHz以下，品质因数不均匀性（ΔQ）保持在3.7%以下，表明陀螺的动态参数得到了良好保持。同时，测得漏率保持在1 × 10^?12 Pa·m³/s以下。这些结果表明，优化方案有效缓解了封装诱导的热扰动，在保持优异气密性的同时提高了动态参数稳定性。这为HRG的高性能运行提供了可靠的动态参数基础。

研究背景：精确导航、定位与姿态控制技术已成为多个行业的基础性支撑要素。半球谐振陀螺（HRG）作为一种高精度惯性传感器，在航空航天、国防、地质勘探、智能交通等领域发挥着关键作用。其核心原理利用机械振动驻波检测外部角速度，从而实现运动状态的精确测量。然而，HRG性能对环境扰动高度敏感，其中温度尤为重要。温度变化可引起陀螺关键参数的变化，包括品质因数（Q factor）、频率裂解（Δf）和品质因数不均匀性（ΔQ）。即使这些参数的微小变化也可能在运行过程中产生附加误差，从而降低HRG的测量精度和稳定性。热效应可产生于两个不同阶段：封装后的服役运行阶段和封装过程本身。以往研究大多关注封装后运行阶段的热效应，如Zhao提出了恒温控制方案的高可靠性HRG以缓解环境温度变化的影响，Zeng开发了基于模态反转的自校准控制算法以改善大温度变化下的HRG性能，Xu建立了热应力半球壳谐振器（TM-HSR）的热弹性模型并研究了热变形对HRG输出的影响。相比之下，封装过程中产生的热效应受到的关注要少得多。封装过程中两个主要步骤涉及强烈的局部加热：吸气剂激活和盖板激光焊接。吸气剂需加热至约800 °C并保持20 min，而激光焊接在焊缝区域产生更高的局部温度。这些局部热源产生的热量传递至壳体、玻璃-金属封接件和谐振器，导致非均匀温度分布。由于HRG组件的温度耐受能力有限，过度的热载荷可能损害气密封接结构并改变谐振器的热状态，从而可能影响HRG封装过程中极低的漏率和最佳动态参数稳定性。这些封装诱导的热效应需要进一步研究和针对性优化。除封装条件外，HRG的热响应还受其材料属性和结构尺寸的影响，这些因素决定了热传递路径和温度分布。因此，封装工艺、材料选择和结构参数应协同优化。研究人员系统研究了HRG在吸气剂激活和激光焊接过程中的热行为，采用COMSOL Multiphysics 6.2仿真评估温度场并识别封装过程中的热风险，随后对吸气剂激活策略、壳体材料、结构尺寸和激光焊接参数进行了优化，并研究了不同材料和尺寸对HRG温度场的影响以指导结构设计。最后，对优化后的HRG进行了气密性和动态参数稳定性的实验评估。获得了漏率低于1 × 10^?12 Pa·m³/s、Δf值低于1 mHz、最大Q factor为1.775 × 10⁷、ΔQ值低于3.7%的结果，证实了所提出的优化方案有效抑制了封装诱导的热效应，同时保持了HRG的气密性和动态参数稳定性。这项工作的意义在于建立了HRG真空封装的热优化系统框架，通过整合封装工艺控制、材料选择和结构参数优化，为高性能HRG的进一步发展提供了高水平的陀螺动态参数。

关键技术方法：研究人员采用COMSOL Multiphysics 6.2进行耦合热仿真，使用固体传热接口和表面-表面辐射接口模拟真空环境下的热传递（忽略对流传热）；吸气剂激活采用电加热方式，设置800 °C保持20 min的激活温度历程；激光焊接采用移动高斯边界热通量模拟环形焊接过程（激光功率1000 W、光斑半径0.75 mm、扫描角速度0.65 rad/s、焊接时长10 s）；壳体材料对比了4J36、4J29、4J32和3J53四种合金；结构尺寸优化了壳体壁长（37 mm起始）和引脚长度（7 mm起始）；Q factor采用电学衰荡法测量，通过拟合振幅衰减包络A(t) = A₀ exp(?t/τ_A)并按Q = πf₀τ_A计算；气密性采用氦质谱检漏仪（Agilent HLD PD03）以喷氦法检测漏率。实验所用HRG原型来自同一生产批次。

研究结果：

2. HRG热仿真理论分析：HRG采用两片式结构，主要由谐振器和电极板组成，两者均由熔融石英制造。谐振器组件封装在金属壳体中形成密闭腔体，通过中心抽气口抽真空，残余气体由两个非蒸散型吸气剂吸附以维持运行所需的高真空环境。吸气剂对称布置在封装内部并通过引脚与附近封接件电气连接，建立了从吸气剂到玻璃-金属封接件的主要热传递路径。吸气剂激活时加热至约800 °C并保持20 min，玻璃-金属封接件的温度耐受极限取200 °C。盖板激光焊接时环形焊缝区域需达到Kovar合金熔点约1450 °C，热量通过盖板径向传导至外围玻璃-金属封接件。仿真中采用固体传热接口和表面-表面辐射接口，仅考虑HRG腔体内部各表面间的相互辐射。

3. 吸气剂激活过程热仿真：非蒸散型吸气剂需在真空环境中加热激活以去除表面钝化层。对比了单吸气剂激活和双吸气剂同时激活两种模式。单吸气剂激活时，与激活吸气剂直接通过引脚连接的封接件（B组）以热传导为主，局部最高温度约257 °C，超过200 °C耐受极限；对侧封接件（A组）以热辐射为主，温度仅略高于40 °C。在约12.5 min时壳体温度达到60 °C后施加恒温边界条件模拟冷却过程，B组平均温度快速下降并稳定在200 °C以下，但引脚附近仍存在小范围超温区域。双吸气剂同时激活时，两个吸气剂对称布置，四个封接件热条件等效，代表性封接件平均温度峰值约169.2 °C，冷却后降至约88 °C，局部超温区域与单吸气剂激活时相当。双吸气剂激活使谐振器温度分布更加对称，温度质心更接近几何中心，有助于减小非对称热应力和频率裂解变化，同时缩短整体激活过程。

4. 焊接过程热仿真：盖板焊接采用激光环形焊接，通过边界热源特征施加移动高斯热通量。仿真总时长10 s，时间步长0.01 s。焊接初期高温区域局限于环形焊缝区，约2.5 s后热前沿开始向封接件扩展，5 s时封接件开始明显升温。封接件截面按热流方向分为面向焊缝的Zone 1和远离焊缝的Zone 2，Zone 1升温更快。10 s时Zone 1、整体封接件和Zone 2的平均温度分别约400、370和340 °C，均超过200 °C耐受极限。Zone 1平均温度在约6 s时接近200 °C。跟踪5至8.5 s的超温区域演变发现，5 s时仅焊缝侧面出现极小超温区，8至8.5 s时大部分封接件超过200 °C。因此将焊接时长限制为5 s，通过提高激光扫描角速度在5 s内完成整周焊接并略微重叠以确保焊缝连续性，使超温区域局限于小范围局部区域。

5. 陀螺结构优化：壳体材料方面，对比了4J36（原始设计）、4J29、4J32和3J53四种合金。4J32具有最低的谐振器最低、最高和平均温度（分别为50.06、56.17和50.43 °C），温度范围最小（6.11 °C）。与原始4J36相比，4J32使谐振器平均温度从51.95降至50.43 °C，最高温度从58.57降至56.17 °C，温度范围从7.04降至6.11 °C（降低约13.2%），温度均匀性改善。结构尺寸方面，壳体壁长从37 mm起始，平均谐振器温度随壁长增加而降低，但超过约38.5 mm后降幅减小，综合考虑封装尺寸、质量和制造复杂度选择38.5 mm。引脚长度从6.5至8.5 mm变化，最大封接件温度随引脚长度增加单调降低，考虑封装尺寸和轻量化约束选择8.5 mm。最终优化结构为4J32壳体、壳体壁长38.5 mm、引脚长度8.5 mm。

6. 实验验证：基于仿真分析建立了优化封装方案，包括4J32 Kovar壳体、壳体壁长38.5 mm、引脚长度8.5 mm、盖板激光焊接时长5 s、双吸气剂800 °C激活20 min。吸气剂激活策略对比实验表明，单吸气剂激活的HRG Δf变化率为11.11%和15.00%，双吸气剂激活仅为3.23%和4.42%；单吸气剂激活的ΔQ相对变化为31.19%和49.55%，双吸气剂激活仅为2.82%和5.83%，双吸气剂激活对关键动态参数的扰动更小。气密性验证采用氦质谱检漏仪（Agilent HLD PD03）以喷氦法检测，三只HRG原型在10、30和60 s喷氦时间下漏率均低于1 × 10^?12 Pa·m³/s，达到主流商用检漏仪的最低检测范围。动态参数稳定性方面，原始工艺HRG在盖板焊接阶段的Δf变化率为5.62%、130.53%和44.58%，ΔQ变化率为135.25%、25.35%和40.77%；吸气剂激活阶段Δf变化率为131.91%、0.91%和118.33%，ΔQ变化率为61.34%、135.43%和1529.77%，封装后Δf为2.18–2.62 mHz，ΔQ为30.37–35.04%。优化工艺HRG在盖板焊接阶段Δf变化率不超过6.06%，ΔQ变化率不超过14.17%；吸气剂激活阶段Δf和ΔQ最大变化仅为3.39%和10.16%；谐振频率相对变化低于0.08%；Δf全程保持在1 mHz以下，ΔQ保持在1.38–3.67%范围内，激活后Q factor均超过1400万，最大Q factor达1.775 × 10⁷。

讨论与结论：研究人员针对HRG真空封装中吸气剂激活和盖板激光焊接产生的局部热载荷进行了分析，采用耦合热模型识别了主要热传递路径和最易过热的部位，并据此优化了激活策略、焊接时长、壳体材料和关键结构尺寸。主要发现如下：（1）双吸气剂同时激活显著改善了谐振器热对称性，封接件平均温度峰值保持在169.2 °C，冷却后局部T > 200 °C区域保持较小；（2）盖板焊接时面向环形焊缝的封接件半侧升温最快，将焊接时长限制为5 s可使超温区域局部化；（3）4J32壳体、38.5 mm壳体壁长和8.5 mm引脚长度在所研究设计范围内提供了最佳热折衷。实验验证进一步证实了优化方案的有效性：与原始封装工艺下显著的阶段间参数变化相比，优化后HRG在焊接和吸气剂激活过程中的Δf和ΔQ变化大幅减小；所有测试HRG漏率均低于1 × 10^?12 Pa·m³/s；在装配、焊接和吸气剂激活全过程中，Δf保持在1 mHz以下，ΔQ保持在1.38%至3.67%之间，最大测得Q factor为1.775 × 10⁷。这些结果表明优化后的高温封装工艺在保持封装气密性的同时有效维持了关键动态参数的稳定性。该工作通过整合封装工艺控制、材料选择和结构参数优化，建立了HRG真空封装的系统热优化框架，优化后的封装工艺为进一步开发高性能HRG提供了高水平的陀螺动态参数。未来工作将聚焦于建立全耦合热-力学模型以定量评估高温封装过程中整个HRG结构的残余应力分布，从而进一步阐明封装诱导热载荷、结构响应与动态参数稳定性之间的关系。