粘接剂对摆部件影响分析

（天津航海仪器研究所，天津300131）

0 引言

石英加速度计的核心元件是石英摆部件，它包括石英摆片和两个力矩器线圈，力矩器线圈通过粘接剂粘接到石英摆片上、下两个表面。石英摆片为高品质的熔融石英玻璃经过多序加工而成，其热膨胀系数为5.4×10-7／℃。力矩器线圈由线圈骨架和线圈组成，线圈骨架的壁厚仅有0.2mm，结构形式为杯型圆周开槽，目前常用材质为2A12铝合金，其热膨胀系数为22×10-6／℃。如何实现两种热膨胀系数差近两个数量级，材料特性迥异、结构特殊的零件间可靠粘接，除了对粘接剂有一定的粘接强度和耐高低温、冲击、振动等常规要求外，还要重点关注粘接剂的粘接特性、粘接剂对摆部件应力的影响。本文重点从粘接剂的粘接特性和粘接剂对摆部件应力的影响两方面，对粘接剂进行测试、分析，为后续各型摆部件的科研生产提供参考。

1 摆组件组成及工作原理

摆部件结构如图1所示，由一个石英摆片和两个力矩器线圈组成，两个力矩器线圈对称地粘接到石英摆片上下表面，共同组成了敏感质量。石英摆片结构如图2所示，摆舌通过挠性梁连接到外安装环上。摆舌上、下表面镀有电容电极金膜，敏感摆舌受加速度产生的位移。外安装环设置正反各3个凸台，形成电容间隙。工作时，摆部件可以将加速度转换为与之相对应的电流，通过测量该电流就可测得加速度［1-5］。

图1 摆部件结构Fig.1 Structure of proof unit

图2 石英摆片结构Fig.2 Structure of the quartz proof

式中，kt为力矩器力矩系数，I为力矩器线圈通电电流，m为敏感质量，l为敏感质量质心至挠性梁的距离，α为加速度。

差动电容敏感器电容变化：

式中，ε为介电常数，AC为电容极板面积，b为摆舌最远端至挠性梁的距离，d0为电容极板间隙，k为静电力常数，Δα为摆偏离位移相对石英安装环中心平面。

对石英加速度计而言，在受温度变化及其他干扰作用的情况下，希望其结构及电气参数是稳定的。 针对摆部件， 式 （1）、 式 （2）的参数 l、 b、d0、AC希望是稳定的。由于力矩器线圈与摆片表面使用粘接剂粘接，粘接剂会对摆部件的应力产生影响，从而影响其结构的稳定性。

2 粘接剂综合性能的分析

2.1 粘接特性分析

从粘接剂本质上看，其膨胀系数、弹性模量温度系数要远远大于石英玻璃和2A12铝合金，石英摆部件受温度的最大影响也来源于此。将从粘接剂的膨胀系数和玻璃化温度点、弹性模量及其温度系数几项粘接特性指标，对目前常用的几种粘接剂进行评价。

（1）粘接特性的检测

粘接剂的种类比较多，目前使用和试验的粘接剂有4种：1）72312单组份环氧树脂胶；2）6101环氧树脂胶加氧化铝粉添加剂；3）9026双组份环氧树脂胶；4）992双组份光学结构胶。对上述各型粘接剂的热膨胀系数、玻璃化温度点和弹性模量进行检测［6-7］，具体数据如表1～表3所示。

依据表3检测数据绘制曲线，如图3所示。

由图3可计算出弹性模量温度系数。72312粘接剂在80℃时，相对前面变化大些，不计入温度系数计算。9026、992粘接剂在60℃～80℃时，相对前面变化大些，不计入温度系数计算，由此弹性模量温度系数计算结果如表4所示。

表1 各型粘接剂的热膨胀系数Table 1 Thermal expansion coefficient of each type colloid （unit：10-6／℃）

表2 各型粘接剂的玻璃化温度点Table 2 Glass temperature point of each type colloid

表3 各型粘接剂的弹性模量Table 3 Elastic modulus of each type colloid（unit： MPa）

图3 各型粘接剂的弹性模量随温度变化曲线Fig.3 Temperature change curve of elastic modulus

表4 各型粘接剂弹性模量温度系数Table 4 Elastic modulus temperature coefficient of each type colloid

（2）粘接特性评价

综合以上各项测试数据，针对各型粘接剂的粘接特性，可以得出以下结论：

1）各型粘接剂的热膨胀系数从小到大为：6101→72312→992→9026，6101型粘接剂的热膨胀系数相对最小。

2）各型粘接剂的玻璃化温度点从小到大为：9026→992→6101→72312，因此，72312粘接剂指标最佳。

3）各型粘接剂的弹性模量从小到大为：9026→992→72312→6101。弹性模量越大抵抗应力产生应变的能力就越低，结构尺寸越稳定，因此，6101粘接剂指标最佳。

4）各型粘接剂的弹性模量温度系数从小到大为（绝对值）： 6101→992→72312→9026。 弹性模量温度系数越小，受温度影响结构变形就越小，有利尺寸稳定，因此，6101粘接剂指标最佳。

综合上述结论，在加速度计0℃～80℃的工作温度范围内，6101型粘接剂的各项粘接特性最佳。

2.2 粘接剂对石英摆部件应力影响分析

通常粘接剂薄，粘接强度低，应力、变形就小；反之，应力、变形就大。本文以摆部件为对象，对各型粘接剂进行仿真分析，分析包括敏感检测质量质心的变化（3个轴方向）、力矩器线圈部件轴向长度变化和电容极板变形3个方面。装配中，粘接剂的厚度一般控制在0.02mm～0.05mm，为了方便分析，粘接剂的厚度统一设定为0.05mm。温度在0℃～80℃变化，对敏感质量质心、力矩器线圈部件位置、应力、变形进行分析。

（1）摆部件敏感质量质心变化情况

如表5和图4所示，敏感检测质量质心的变化（3个轴方向）， 这会影响式 （1）、 式 （2）中的 l和b。

表5 敏感质量质心变化Table 5 Changes in the center mass of the proof mass（unit： mm）

图4 石英摆部件质心随温度变化曲线Fig.4 Temperature change curve of the centre mass of the quartz proof unit

（2）力矩器线圈轴向变化情况

应用ANSYS进行力矩器轴向位置变化的仿真分析，如表6和图5所示。

表6 力矩器线圈轴向位置变化Table 6 Axial position changes of torquer coil（unit： mm）

图5 力矩器线圈部件轴向位置随温度变化曲线Fig.5 Temperature change curve of axial position

（3）挠性梁、粘接剂处应力变化情况

粘接剂处的应力不包含粘接应力，只是由不同材料热胀冷缩产生的变形应力，此应力也是导致挠性梁处产生应力的原因。粘接剂处的应力会影响电容极板的平面度，挠性梁处的应力会使挠性梁发生变形，因此这两处应力越小越好，并且应该重点关注挠性梁处的应力。挠性梁、粘接剂处最大应力及变化曲线如表7和图6所示。

表7 挠性梁、粘接剂处最大应力Table 7 Maximum stress of flexible beam and adhesive （unit： MPa）

图6 挠性梁、粘接剂处应力随温度变化曲线Fig.6 Temperature change curve of stress in flexible beam and adhesive

（4）电容极板平面度变化情况

电容极板平面度是通过计算摆舌平面的最大位移值与最小位移值之间的差值得出的。因此，粘接剂处的摆舌位移总是参与电容极板平面度的计算。石英摆片电容极板平面度变化及曲线如表8和图7所示。

表8 石英摆片电容极板平面度变化Table 8 Changes in the capacitor plate flatness of quartz swing plate （unit： mm）

图7 石英摆片电容极板平面度随温度变化曲线Fig.7 Temperature change curve of the capacitance plate flatness

（5）粘接剂对摆部件应力影响评价

综合本节的各项仿真数据，可以得出以下结论：

1）各型粘接剂对摆部件质心位置的影响随温度变化均表现出各自发散性；

2）各型粘接剂的对力矩器线圈部件轴向位置的影响随温度变化趋势非常接近，没有明显差异；

3）各型粘接剂对摆片挠性梁处应力的影响随温度变化程度小于粘接剂处的应力变化，综合比较，6101型粘接剂对摆片挠性梁和粘接剂处产生的应力都最小，效果最佳；

4）各型粘接剂对摆片平面度的影响随温度变化，在40℃后的差异明显变大，综合比较，6101型粘接剂对摆片平面度的影响最小。

3 结论

经过对4种粘接剂的各项粘接特性测试和对摆部件应力影响的仿真分析，在0℃～80℃的加速度计工作温度范围内，6101型粘接剂各项粘接特性最佳，对石英摆部件的应力影响也最小。

［1］王春爱，蔡体菁.挠性加速度计石英摆片的力学分析［J］. 舰船电子工程， 2009， 29 （3）： 56-60.WANG Chun-ai，CAI Ti-jing.Mechanical analysis of flex accelerometers quartz chip［J］.Ship Electronic Engineering， 2009， 29 （3）： 56-60.

［2］宋开臣，梁萌.基于平面线圈的石英挠性加速度计的初步设计［J］.仪表技术与传感器， 2008（3）： 12-13.SONG Kai-chen，LIANG Meng.Preliminary design of Silicon flexural accelerometer based on plane helix［J］.Instrument Technique and Sensor， 2008 （3）： 12-13.

［3］Lemkin M， Boser B E.A three axis micro machined accelerometer with a CMOS position sense inter face and digital offset trim electronics ［J］.IEEE Journal of Solid State Circuits， 1999， 34 （4）： 456-468.

［4］O'Keefe G J， Lee J B， Turner R J， et al.Gravity gradiometer accelerometers［P］.US Patent： 6575029， 2003-06-10.

［5］ Albert W C.Monolithic quartz structure vibrating beam accelerometer［C］.Proceedings of the Annual IEEE International Frequency Control Symposium，1994： 415-420.

［6］吴晓乐，马林，张桂才，等.环圈固化胶热机械性能对光纤陀螺标度因数的影响［C］.惯性技术发展动态发展方向研讨会文集，2016：109-114.WU Xiao-le， MA Lin， ZHANG Gui-cai， et al.The effect of ring curing adhesive thermal mechanical properties on the scale factor of fiber optic gyroscope［C］.Proceedings of the Symposium on the Development of Inertial Technology，2016：109-114.

［7］陈军，王巍，李晶，等.光纤线圈固化胶体对光纤陀螺性能的影响［J］.中国惯性技术学报， 2012，20（6）：709-714.CHEN Jun， WANG Wei， LI Jing， et al.Effect caused by potted adhesive on FOG performance［J］.Journal of Chinese Inertial Technology， 2012， 20 （6）： 709-714.