[发明专利]一种硅微环形谐振陀螺的刚性主轴定位与激光平衡匹配算法

说明书

本发明提供一种用于硅微环形谐振陀螺的刚性主轴的定位与激光平衡匹配算法，包括正交耦合调零、模态频率匹配，刚性主轴定位、激光平衡匹配，四个步骤。加工不完美的环形陀螺存在一个刚度较大的刚性主轴，可以利用电学方法，求解得到刚性主轴的位置，并在谐振环的内侧的相应位置通过激光修调的方法去除小质量块，改变陀螺驱动轴和检测轴刚度失配的情况。这个算法可以从根本上消除硅微环形陀螺加工后的不对称和不完美，平衡匹配后的环形谐振陀螺的正交耦合误差将被彻底抑制，陀螺将工作在驱动模态和检测模态频率相等的匹配状态，可以实现的高精度、高稳定性的角速度检测。

技术领域：

本发明涉及一种用于硅微环形陀螺仪的刚性主轴定位和激光平衡算法，硅微环形陀螺工作在模态匹配状态，即陀螺的驱动模态频率和检测模态频率相等状态，然而由于加工材料和加工工艺的非理想特性，两个模态的频率往往并不相等，此时可以通过找到陀螺的刚性主轴后用激光去除小质量块的方法，改变陀螺的模态频率，实现平衡匹配。

背景技术：

硅微机械陀螺仪是一可以检测物体转动时角速度的传感器，相比于传统的陀螺仪，它通过微电子工艺在硅片上批量制造后并进行晶圆级封装，前者为它带来了低成本、小体积、低功耗等优势，后者为它带来抗环境干扰能力强，可靠性高等优点。在消费级领域，如智能手机，智能手表/手环，硅微陀螺仪已成为标配；在工业级领域，在机械臂的定位，汽车的翻滚检测等方面，硅微陀螺仪发挥着不可替代的作用；在一些要求更高的场景，如各类稳定平台，远程制导设备上，硅微机械陀螺仪也拥有出色的表现。硅微机械陀螺的原理是，利用一个频率稳定的不停振动的机械结构(一般称为谐振子)，去感应科里奥利力。以谐振环为谐振子的环形谐振陀螺，受益于其旋转对称式的结构和质量均匀分布的机械特性，拥有机械灵敏度高，温度特性稳定和对冲击振动不敏感等天然优势，被视为未来硅微机械陀螺的重要发展技术方向。

硅微环形谐振陀螺需要工作在模态匹配条件下，即驱动模态频率与检测模态频率相等和近似相等，这也是硅微环形谐振陀螺取得优异表现的重要前提。然而，加工过程中的任何不完美和加工材料在机械表征上的不对称，都会使得加工后的陀螺存在一个不可忽略的模态间频率差。通过激光对单晶硅进行刻蚀，去掉多余和不对称的小质量块，是解决上述问题的一种技术路径。加州大学伯克利分校，曾经在发表的论文“Location-dependentfrequency tuning of vibrating micromechanical resonators via laser trimming”中，提出使用激光对谐振器修调，来改变谐振器的频率，后来美国JPL实验室，中国的国防科技大学也均曾使用激光对苜蓿叶式陀螺和蝶形陀螺进行正交耦合抑制。在本文中，针对环形陀螺不匹配不平衡的问题，我们的解决方法是，利用电学方法寻找到陀螺工作模态的刚性主轴，即驱动模态和检测模态中频率较高的一个所对应的谐振方向，然后通过激光去除谐振环在刚性主轴方向上的小质量块，修调刚性主轴的刚度，直到两个模态频率相等，实现平衡匹配。本发明的意义在于提出一种用于硅微环形陀螺刚性主轴定位与激光平衡匹配算法，可以从根本上消除环形陀螺的正交耦合并完成模态匹配，从而为高灵敏度的角速度检测提供机械层面的保障。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于硅微环形谐振陀螺的刚性主轴的定位与激光平衡匹配算法，它被用于从根本上消除硅微环形陀螺加工后的不对称和不完美，平衡匹配后的环形谐振陀螺的正交耦合将被彻底抑制，同时将工作在驱动模态和检测模态频率相等的状态，可以实现陀螺的高精度、高稳定性检测。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于硅微环形谐振陀螺的刚性主轴的定位与激光平衡匹配算法，其特征在于：它包括四个步骤，正交耦合调零、模态频率匹配，刚性主轴定位和激光平衡匹配。

所述刚性主轴，指的是在环形陀螺的两个工作模态中，谐振频率较高的那个模态的谐振方向。