一种硅陀螺增加质量式调谐方法技术

本发明专利技术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。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种硅陀螺增加质量式调谐方法


[0001]本专利技术涉及振动陀螺调谐
，具体地涉及一种硅陀螺增加质量式调谐方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术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：
[0007](1)将硅陀螺固定于激光诱导系统的真空腔内，抽真空。
[0008](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。
[0009](3)利用激光多普勒测振仪测量硅陀螺的频率裂解。
[0010](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。
[0011](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。
[0012]优选地，含待诱导元素的气体纯度不低于99.9％。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]优选地，激光脉宽小于20ps，单脉冲能量小于1mJ，激光重复频率小于1MHz。
[0016]优选地，激光诱导反应时间为10
‑
1000ms。
[0017]本专利技术提供的硅陀螺增加质量式调谐方法，其核心是利用脉冲激光诱导含待诱导元素的气体与硅发生反应，实现该元素在硅陀螺谐振子局部附着，增加调谐处质量，实现精密调谐。
[0018]本专利技术的上述技术方案具有如下优点：
[0019](1)本专利技术采用脉冲激光诱导氮气与硅发生反应，通过局部质量的增加实现硅陀螺的调谐。加工区域连续性好，质量增加量可控，提高了调谐精度。
[0020](2)本专利技术可以允许硅陀螺的真空封装壳体中存留有一定的待诱导元素气体，降低了陀螺封装时对真空度的要求。
[0021](3)本专利技术可以通过消耗陀螺封装内的气体，进一步降低陀螺内部的气体阻尼，有利于陀螺品质因数的提高。
附图说明
[0022]附图是用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术实施例，但并不构成对本专利技术实施例的限制。在附图中：
[0023]图1为本专利技术方法流程示意图，图中二向色镜可以实现多普勒测振头激光的高反射以及超快激光和部分可见光的高透；
[0024]图2为本专利技术实施例中飞秒激光诱导系统示意图；
[0025]图3和图4分别为本专利技术实施例中陀螺谐振频率和频率裂解随氮元素增加量变化的仿真结果。
具体实施方式
[0026]以下结合附图对本专利技术实施例的具体实施方式进行详细说明，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]一种硅基微半球陀螺(后简称“硅陀螺”)的飞秒激光诱导氮气反应增加质量的调谐方法和实施流程如图1所示，主要包括硅陀螺氮气氛围下抽真空、测量硅陀螺频率裂解值和激光诱导氮气与硅反应，具体步骤下：
[0028]S1、如图1所示，将硅陀螺置于真空腔内用真空泵加分子泵抽真空至10
‑3Pa。
[0029]S2、向腔体中注入纯度为99.99％的氮气，直至氮气充满真空腔，用真空泵抽真空，使腔体内部压强降至1Pa左右。
[0030]S3、利用激光多普勒测振仪测量陀螺驱动模态和检测模态的固有频率，计算频率裂解值，并判定陀螺的诱导加工位置和需要的工艺参数。
[0031]S4、利用图2所示的飞秒激光诱导系统，通过CCD辅助观测和六维运动系统，保证激光焦点位于陀螺调谐的目标点。
[0032]S5、调节衰减片，激光功率小于100mw，诱导时间设定为100
‑
1000ms，激光诱导氮气与陀螺局部的硅原子发生反应，这期间运动平台可以微动进而扩大反应范围。
[0033]S6、重复步骤S3
‑
S5，直至陀螺的频率裂解下降至目标值为止。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅陀螺增加质量式调谐方法，其特征在于，所述方法是利用超快激光诱导硅陀螺谐振子目标位置和含待诱导元素的气体反应，实现局部质量的增加。2.根据权利要求1所述的增加质量式调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将硅陀螺固定于超快激光诱导系统的真空腔内，并让硅陀螺谐振子处于合适压强的高纯度含待诱导元素气体氛围中。(2)测量硅陀螺的频率裂解。(3)运用视觉系统和运动平台精确定位谐振子的激光焦点和目标加工位置。(4)利用超快激光诱导气体中的元素与硅晶体发生反应，实现该元素在谐振子局部的附着，增加局部质量。3.根据权利要求1和2所述的硅陀螺谐振子，其特征在于，所述的谐振子为直径在5mm以下、壁厚200μm以下的微型谐振子，材料为固态的单晶硅或多晶硅，形状为半球形、钟形、圆柱形和盘形中的一种。4.根据权利要求1和2所述的硅陀螺，其特征在于，所述的硅陀螺需要真空封装，在调谐前允许有低压强的高纯度待诱导元素气体。5.根据权利要求1和2...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡友旺，郑皓宁，孙小燕，李靖轩，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：