[0001] 本发明提供一种平面螺旋线圈绕制工艺，它涉及一套绕制线圈的组装夹具和相应的工艺流程，属于加工工艺领域。

[0002] 应用场合的不同对电感器结构和电感值的要求也不尽相同，为了满足电路对电感值的要求和节省芯片面积，平面螺旋线圈广泛应用于各类集成电路，用作变压器、磁能转换器、敏感测量元件等等。此外，位移传感器广泛应用于各个生产控制领域，根据不同的敏感原理可分为电容式、电阻式、电感式、光电式等等，其中平面螺旋线圈便是电感式位移传感器中核心敏感元件。一般的平面线圈有3种实现方式，即：四边形、八边形和圆形，一般场合使用的平面螺旋线圈匝数只有数匝，制作工艺有材料基底沉积、激光切割等。平面螺旋线圈的制造主存在以下技术难点：1)线圈的飞线端与走线端由于需要出线引起线圈变形；2)单独的小尺寸平面线圈极易因外界受力而变形，很难进行拆卸与二次安装；3)制作多匝数的平面螺旋线圈还没有一个通用可行且成本较低的工艺。

[0003] 19世纪80年代以来，国内外关于超导重力梯度仪的研究迅速发展，超导重力梯度仪本质上便是一种以平面螺旋线圈为敏感头的高精度位移传感器，该仪器中的平面螺旋线圈具有几何上高度中心对称、匝数多(超过100匝)、高平面度、单匝线径小(0.1mm～0.15mm)、相邻匝间距小等特点，因此相对一般的平面螺旋线圈具有更大的工艺难度。国内对超导重力梯度仪的研究起步较晚，同时超导重力梯度仪是一种国家战略性科学技术，所以相关公开的资料较少，国内外关于应用于超导重力梯度仪的平面螺旋线圈如何制作的参考资料更是非常稀少，其中，美国斯坦福大学Hansen实验室采用溅射和显影的方法将铌镀在玻璃基底上制作了单匝的平面线圈；韩国的Sang Woo Lee等组成的团队制作并测试93匝的平面螺旋线圈，但没有给出具体的线圈制作工艺；近年来，我国华中科技大学物理学院引力中心关于超导重力梯度仪的研制取得重大进展，其设计了一整套利用工业级绕线机机械绕制、低温胶固定、机械压制的平面螺旋线圈制作工艺流程。本发明为一种制作平面螺旋线圈的手动制作方法，设计了一套简易的线圈绕制夹具，相对华中科技大学过程更加简化，可操作性更强，可用于平面螺旋线圈的相关研究与实验。

[0004] 本发明的目的为提供一种简易的手动绕制平面螺旋线圈的工艺。一般平面螺旋线圈匝数少，相邻匝之间间距大，主要应用于电子集成电路中，这类平面螺旋线圈电感小，产生的磁场弱。应用于超导重力梯度仪中的平面螺旋线圈一方面需要产生强磁场，再通过超导体的迈斯纳效应对悬浮质量块产生克服重力的悬浮力，要求在一定的径向尺寸限制下平面螺旋线圈的匝数达到100匝甚至更多，另一方面由于精密测量的需求，平面螺旋线圈需要极高的平面度，因而不能用常规制作工艺制作应用于超导重力梯度仪的平面螺旋线圈。

[0005] 本发明可以看作由两部分组成，第一部分为简易的、可手动操作的绕制平面螺旋线圈的组装夹具，第二部分为相应的线圈绕制操作流程。针对平面螺旋线圈易受外力变形的特点，选用了TDE80∶固化剂1688＝3∶1的混合环氧树脂胶水，绕制前在金属细丝上刷上胶水，绕制完成后放在烘干箱中静置干燥，可实现平面螺旋线圈的固定成形，且具有一定的强度；针对飞线端设置不当会引起线圈变形、影响后续螺旋绕线的问题，设计了一种具有特定结构的固定线圈的陶瓷，并给出了相应的飞线端进线、成型与定位的操作方式；针对磨具装配余量引起平面线圈的平面度变化的现象，设计了双面可用、易分离、可实现绕制与压制两种功能的纯铝材夹具。附图说明

[0006] 图1是夹具结构爆炸图

[0007] 图2是夹具组装完成的外部示意图

[0008] 图3是夹具组装完成的剖面示意图

[0009] 图4是平面螺旋线圈的起绕示意图

[0010] 图5是铝材双面夹具剖面示意图

[0011] 图6是低温陶瓷表面结构示意图

[0012] 图1中产品代号说明如下：

[0013] a、夹具锁紧螺栓   b、铝材双面夹具   c、低温陶瓷         d、铝材中心轴[0014] e、轴承           f、轴承夹具       g、轴承锁紧螺栓     h、操作台具体实施方式

[0015] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

[0016] 如图1和图2所示，整个平面螺旋线圈的绕制结构是一个轴向嵌套的组装结构，整个结构组装完成后通过夹具锁紧螺栓实现轴向的锁紧。平面螺旋线圈绕制所用的金属丝的直径在0.12mm左右，若用工业上常见的绕线机绕制，主要存在两个问题：1)铝制夹具b与陶瓷间隙0.15mm左右，金属丝进线时，位置波动得精确固定在0.01mm左右，否则金属丝外绕在间隙外部，绕线机难以达到该精度；2)平面螺旋线圈的相邻匝之间紧密挨着，绕制时得维持一定的张紧力，同样绕线机难以实现。本发明中，在使用组装夹具的基础上，使用手动绕制，一方面使用了轴承，能够保证绕制的效率，另一方面边绕制边观察，能够保证成功率。

[0017] 通过机械手段绕制平面螺旋线圈主要存在以下技术难点：(1)利用机械手段绕制平面螺旋线圈必然要使用到夹具，夹具需要给走线留出空间，造成线圈的平面度波动；(2)线圈绕制完成后在没有额外处理的情况下，脱离夹具，由于线圈内部张紧力线圈会散开。针对难点(1)，本发明中设计了铝制双面夹具，如图5，绕制线圈时铝制双面夹具的A面和陶瓷表面配合安装，陶瓷表面有一个高0.15mm的圆形凸台，压紧时陶瓷与铝制双面夹具有一个0.15mm的间隙，线圈放置其中，绕制完成后卸下铝制双面夹具，将铝制双面夹具的B面和陶瓷表面配合安装，铝制双面夹具的B面有一环形凹槽，此时陶瓷的凸台进入凹槽，铝制双面夹具的B面与平面线圈紧密挨着，尽可能拧紧夹具锁紧螺栓，静置数小时，这个过程称为压平，可实现较高平面度的平面螺旋线圈。针对难点(2)，本发明中使用了低温环氧树脂胶水，在用金属丝绕制时，先在金属丝上刷上胶水，当胶水处于半凝固的黏性状态时，卸下铝制双面夹具，此时由于胶水的黏性，线圈不会散开，再进行压平，等待胶水完全凝固后，此时铝制双面夹具和平面螺旋线圈粘在一起，将低温陶瓷、平面线圈和铝制双面夹具一起放置于液氮中，由于巨大的温度变化，各材料都会发生收缩，铝相对于其它金属元素有着较大的收缩系数，同时低温陶瓷和平面线圈有着接近的收缩系数，这样在低温液氮中平面线圈和铝制双面夹具便分离开来，且平面螺旋线圈的结构没有收到任何的破坏。

[0018] 整个平面螺旋线圈的绕制(含夹具的组装)操作流程如下：

[0019] 1)将轴承夹具固定在操作台上，将轴承安装在轴承夹具中，拧紧轴承锁紧螺栓；

[0020] 2)将铝材中心轴的长端套在轴承中，另一端套上低温陶瓷，低温陶瓷有环形凸台的一面露在外侧；

[0021] 3)从线轴上剪下3m左右用于绕制线圈的金属丝，在金属丝表面均匀抹上已调配好的低温环氧树脂胶水；

[0022] 4)进行如图4所示的线圈起绕操作，对折金属丝的起绕端，另外从线轴上剪一小段金属丝作为辅助线，将辅助线穿过对折的金属丝并对折，将金属丝和辅助线都张紧，贴着低温陶瓷的走线槽，连接端紧挨低温陶瓷的凸台，盖上铝材双面夹具，夹具A面和陶瓷接触，夹具表面的走线槽和陶瓷表面的走线槽正对着，第二人辅助将铝材双面夹具与陶瓷之间压紧，绕制第一圈使金属丝定形；

[0023] 5)用小剪刀剪断辅助线，将辅助线沿着走线槽缓慢抽出，拧上夹具锁紧螺栓并锁紧；

[0024] 6)以上夹具组装及线圈起绕已完成，继续绕制到达目标匝数，将金属丝引出缠绕在陶瓷侧面走线槽上进行固定，将夹具和陶瓷一起静置于烘干箱中2小时左右；

[0025] 7)静置数小时后，低温树脂胶处于半凝固的黏性状态，拧下夹具锁紧螺栓，缓慢旋转铝材双面夹具，当夹具和平面线圈基本没有粘连时，取下铝材双面夹具并反转，将铝材双面夹具B面与平面线圈接触，再拧上夹具锁紧螺栓并尽量拧紧，陶瓷和夹具静置于烘干箱中3小时左右，此时低温树脂胶水已完全干燥；

[0026] 8)将陶瓷和夹具从烘干箱中取出，拧下夹具锁紧螺栓，将陶瓷和夹具放置于液氮中，等待一段时间至液氮中无气泡冒出；

[0027] 9)将陶瓷和夹具从液氮中取出，此时陶瓷和铝材双面夹具已分离，或者有轻微粘连，轻轻敲击夹具便可分离，将陶瓷从铝材中心轴上取下，此时平面螺旋线圈固定在陶瓷表面。