[发明专利]一种硅陀螺增加质量式调谐方法

说明书

本发明公开了一种硅陀螺增加质量式调谐方法，该方法首先将硅陀螺放置于合适压强的气体氛围中，并利用硅陀螺的频率裂解测试结果确定其增加的质量和增加质量的位置。然后通过视觉系统和运动平台将硅陀螺移动到合适的加工区域。最后利用超快激光诱导硅陀螺目标位置与气体元素反应，实现硅陀螺局部的质量增加，降低其频率裂解。通过改变气体浓度、激光诱导位置、激光功率和激光诱导时间等，可精密控制增加的质量，实现硅陀螺的精密调谐。增加质量式调谐在降低硅陀螺频率裂解的同时最大程度地保持了谐振子的连续性。该方法具有调谐精密、损伤小、增加质量可控和加工对象广的特点，可用于硅陀螺的精密调谐，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及振动陀螺调谐技术领域，具体地涉及一种硅陀螺增加质量式调谐方法。

背景技术

陀螺仪作为一种惯性传感器，主要用于测量物体相对于惯性空间运动时的角速度或角位移，是惯性导航系统与组合导航系统中必不可少的一部分。按照工作原理的不同，常见的陀螺仪包括光学陀螺仪、机械陀螺仪和固体波动陀螺仪等类型，其中固体波动陀螺仪由于具有可靠性高、体积小、抗冲击等诸多优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、电子产品等多种领域。

固体波动陀螺中的硅陀螺是MEMS技术和固体波动陀螺技术结合的产物，伴随着MEMS生产工艺的改进和半导体材料技术的发展，硅陀螺适宜批量化生产和大规模商业化的优势逐渐显现出来。一方面继承了传统固体波动陀螺的优势，另一方面融合了MEMS器件体积小、重量轻、低功耗、易于集成等优势，因而硅陀螺在战术武器领域及民用领域的发展前景十分广阔。硅陀螺的结构尺寸较小，很容易受材料不均匀性以及制造过程中微小的加工误差、残余热应力和封装应力等因素影响，产生频率裂解，进而影响陀螺的灵敏度和零偏稳定性等性能。因此需要对制造封装后的硅陀螺进行调谐，以弥补缺陷带来的不利影响，确保陀螺达到预期的工作性能。

目前陀螺的调谐技术主要有化学刻蚀、机械研磨、超声微加工、离子束加工和激光加工等类型。其中，化学刻蚀的调谐方法具有较高精度，但其技术较复杂，调谐过程耗时长；机械研磨、超声加工的极限加工尺寸较大，对于尺寸极小、结构脆弱的陀螺并不适用；离子束加工方法具有高精度、适用范围广、调谐耗时短等优点，但无法穿透陀螺的封装壳体；激光加工具有与离子束加工方法类似的优点，并且激光具有可透过透明介质加工的特点，对于玻璃封装的陀螺来说，具有突出优势。硅陀螺尺寸小，壁厚薄，对调谐过程中产生的扰动极其敏感，调谐工作比较困难，特别是去除式调谐要求去除量很微小，并且会极大影响陀螺的品质因数甚至导致陀螺破坏，难以满足硅陀螺高精度调谐需求。

发明内容

本发明目的是解决目前硅陀螺去除质量调谐时，对陀螺损伤大，容易产生过调谐的问题，提供一种激光诱导增加质量的调谐方法，该调谐方法调谐精度高且调谐区域便于控制，并能够保证陀螺谐振结构的连续性。

为了实现上述目的，本发明提供一种硅陀螺增加质量式调谐方法，该调谐方法包括以下步骤：

(1)将硅陀螺固定于激光诱导系统的真空腔内，抽真空。

(2)向真空状态的真空腔通入高纯度含待诱导元素的气体，让谐振子处于含待诱导元素的气体氛围中，再抽到低压强状态。

(3)利用激光多普勒测振仪测量硅陀螺的频率裂解。

(4)运用视觉系统和运动平台精确定位谐振子的目标加工位置和激光焦点位置。

(5)利用超快激光诱导气体元素与硅发生反应，实现该元素在谐振子局部附着，增加局部质量，实现精密调谐。

优选地，含待诱导元素的气体纯度不低于99.9％。

优选地，硅陀螺第一步抽真空后，封装内部的压强不高于10^-2Pa。

优选地，硅陀螺在氮气氛围中抽到低压状态后，封装内部的压强不高于5Pa，但不低于0.1Pa。