專利名稱：一種減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法
一種減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法技術領域
本發(fā)明主要涉及到微機電系統(tǒng)中的加工技術領域，特指一種用于硅微機械陀螺制作的可減少硅微陀螺振動結構加工誤差引起的模態(tài)耦合誤差的激光修形方法。
背景技術：
振動式硅微機械陀螺儀具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、易于和電路集成等優(yōu)勢，已廣泛應用于通訊設備、汽車安全與導航、機器人及航空航天、游戲機等領域。振動式硅微機械陀螺儀通常以薄片單晶硅為材料，采用濕法刻蝕、干法刻蝕等半導體加工工藝制作而成，其結構尺寸可以小到亞微米級。
由于振動式硅微機械陀螺儀的制作基本上是采用一次成型的方式，所以在加工過程中，掩膜、光刻、刻蝕等工藝產生的加工誤差均會累積到振動式硅微機械陀螺儀的結構中去，使得微陀螺在無角速度輸入的情況下，其驅動模態(tài)的振動能量也會耦合到檢測模態(tài)，從而產生模態(tài)耦合誤差，進而嚴重影響到微陀螺的性能。已有研究表明，在模態(tài)耦合誤差中正交耦合誤差是最主要的成分，所以減 正交誤差也就成了降低模態(tài)耦合誤差的主要手段。 為了消除模態(tài)耦合誤差對微陀螺性能的影響，目前主要有兩種途徑一是通過設計解耦的振動結構來消除模態(tài)耦合誤差。但設計解耦的微陀螺會增加結構復雜程度，同時微結構制作過程中存在無法避免的加工誤差，所以該途徑也只能部分減少模態(tài)耦合誤差。二是通過同步解調的方法消除正交誤差以減少模態(tài)耦合誤差的影響。但同步解調的前提是參考信號必須與哥氏力信號同頻同相，而在實際工作系統(tǒng)中，很難保證參考信號與哥氏力信號完全同相，所以經同步解調后在角速度信號中會疊加一個誤差信號，該誤差信號構成了微陀螺零偏的一部分，而嚴重制約微陀螺性能的提高。發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題就在于針對現有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、操作簡便、能減少模態(tài)耦合誤差、提高硅微陀螺工作性能的減少振動式硅微陀螺模態(tài)稱合誤差的激光修形方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案一種減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其步驟為(1)信號測試對于實際加工的娃微陀螺芯片，測試娃微陀螺芯片的驅動信號匕和模態(tài)耦合誤差信號b并確定兩信號的峰峰值大小及兩信號之間的相位關系；(2)確定激光修形的類型在完成步驟(I)的信號測試后，如果模態(tài)耦合誤差信號Vm的峰峰值大于預設值a，則在硅微陀螺芯片的支撐梁上進行粗修形；若模態(tài)耦合誤差信號Va 的峰峰值大于預設值b且小于預設值a，則在質量塊上進行精確修形；若驅動信號K,的峰峰值小于預設值△，則不需進行修形；(3)確定修形的位置在完成步驟(I)的信號測試后，當為非完全對稱式結構時，如果模態(tài)稱合誤差信號匕的相位超前驅動信號匕的相位85° 95° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線左側進行激光修形；若模態(tài)耦合誤差信號匕的相位滯后驅動信號Vd的相位85° 95° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線右側進行激光修形；當為完全對稱式結構時，如果模態(tài)耦合誤差信號Va的相位與驅動信號Vd的相位超前-5° 5°，則選擇硅微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線左側進行激光修形；如果模態(tài)稱合誤差信號Va的相位與驅動信號Vd的相位滯后-5° 5° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線右側進行激光修形；(4)根據步驟(2)和步驟(3)得到的類型和位置進行激光修形。
作為本發(fā)明的進一步改進所述步驟(4)的具體流程為(4. I)激光器參數的調節(jié)所述步驟(2)中若確定為粗修，則需要增大激光器的功率; 若確定為精確修形則降低激光器的功率；(4.2)激光修形的實施設定好激光器的工作參數后，按照所述步驟(3)確定的修形位置在硅微陀螺振動結構上進行材料的去除；(4. 3)完成一次激光修形后，重復上述步驟(I) (3)，直至模態(tài)耦合誤差信號Vm的峰峰值小于預設值6時，則結束本硅微陀螺樣機的修形，進行下一個硅微陀螺芯片的修形。
所述步驟(I)的具體流程為結合測試電路，在零角速率輸入的情況下通過示波器觀察娃微陀螺芯片的驅動信號和模態(tài)稱合誤差信號。
所述步驟(3)中，預設值a、b的大小根據硅微陀螺生產水平以及對硅微陀螺性能的要求確定。
所述預設值a、b間的關系為a=5b IOb。
與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，原理簡單、操作簡便，可以有效地彌補設計解耦結構以及同步解調減少模態(tài)耦合誤差存在的不足。采用本發(fā)明的方法后，激光修形位置和激光修形量可以根據調節(jié)激光器的相關參數進行精確控制。由于激光修形方法的本質是在微陀螺振動結構上進行材料去除，因此本發(fā)明的整個操作簡單可靠。激光修形中應去除的材料量根據存在的模態(tài)耦合誤差值來確定，因而可以將模態(tài)耦合誤差降至很小甚至為零。本發(fā)明設計合理，對加工條件要求不高，有利于硅微陀螺工業(yè)化生產，可以有效的減少微陀螺結構加工誤差引起的正交耦合誤差以提高陀螺的工作性能，對于提高微陀螺的成品率很有幫助。


圖I是采用本發(fā)明方法后進行激光修形的流程示意圖。
圖2是本發(fā)明在具體應用實例中硅微陀螺振動結構的示意圖。
圖3是本發(fā)明在具體應用實例中的激光修形原理示意圖。
圖例說明I、第一錨點；2、第一質量塊；3、第二錨點；4、質量塊擺動中心線；5、支撐梁；6、第二質量塊；M1、M2、B1、B2、進行激光修形的位置。
具體實施方式
以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
如圖2所不，以一個具體應用實例中的娃微陀螺芯片為例，該娃微陀螺芯片包括支撐梁5和若干個質量塊，支撐梁5的兩端分別通過第一錨點I和第二錨點3固定，第一質量塊2與第二質量塊6為一組并呈對稱狀布置于支撐梁5的兩端(本實例中為左右兩對)， 兩兩對應布置，在工作時形成兩對質量塊之間的質量塊擺動中心線4。
在理想情況下，硅微陀螺振動結構不存在加工誤差，此時微陀螺的模態(tài)耦合誤差為零。當實際的硅微陀螺振動結構存在加工誤差時，引起振動結構的彈性不對稱，從而產生較大的正交耦合誤差。對于振動式硅微陀螺，支撐梁5上的加工誤差相對于其它位置上的加工誤差對陀螺性能影響更大，且同一位置處，模態(tài)耦合誤差與加工誤差 大小正相關。
通過對微陀螺振動結構加工誤差進行仿真分析，發(fā)現質量塊擺動中心線4兩側的加工誤差對模態(tài)耦合誤差的影響呈反相位關系。因此，在振動結構上通過激光去除一定材料產生與已有模態(tài)耦合誤差反相的模態(tài)耦合誤差則可以減少甚至消除微陀螺的模態(tài)耦合誤差，從而本發(fā)明的激光修形原理為首先測試硅微陀螺芯片的模態(tài)耦合誤差信號K的峰值以及模態(tài)耦合誤差信號匕與驅動信號K,的相位關系。接下來，根據誤差信號的大小及信號間的相位關系確定激光修形的位置并調節(jié)激光器的工作參數；最后，使用高精度紫外激光器在微陀螺振動結構上合適位置去除一定的材料，部分或全部抵消已存在的模態(tài)稱合誤差，并且修形與信號測試交替進行。通過激光修形減少模態(tài)耦合誤差是一個收斂的過程，本發(fā)明可以提高修形的效率及精度。
如圖1和圖3所示，本發(fā)明的減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法， 其具體步驟為I、信號測試對于實際加工的硅微陀螺芯片，結合測試電路，在零角速率輸入的情況下通過示波器觀察其驅動信號和模態(tài)耦合誤差信號，分別以Kn匕表示驅動信號和模態(tài)耦合誤差信號，并確定兩信號的峰峰值大小及兩信號之間的相位關系。
2、確定激光修形的類型在完成步驟I的信號測試后，如果模態(tài)耦合誤差信號K 的峰峰值大于預設值a，則在硅微陀螺芯片的支撐梁5上進行粗修形；若模態(tài)耦合誤差信號匕的峰峰值大于預設值b且小于預設值<3，則在質量塊上進行精確修形；若驅動信號匕的峰峰值小于預設值△，則不需進行修形。
在該步驟中，預設值a、b的大小需根據硅微陀螺生產水平以及對硅微陀螺性能的要求確定。在較佳的實施例中，預設值<3、b間的關系可取3=5 IOb。
3、確定修形的位置在完成步驟(I)的信號測試后，當為非完全對稱式結構時，如果模態(tài)稱合誤差信號匕的相位超前驅動信號匕的相位85° 95° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線左側進行激光修形；若模態(tài)耦合誤差信號匕的相位滯后驅動信號匕的相位85° 95° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線右側進行激光修形；當為完全對稱式結構時，如果模態(tài)耦合誤差信號K的相位與驅動信號Vd的相位超前-5° 5。，則選擇硅微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線左側進行激光修形； 如果模態(tài)稱合誤差信號匕的相位與驅動信號匕的相位滯后-5° 5° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線右側進行激光修形。
在圖2所示的實例中，在完成步驟I的信號測試后，如果模態(tài)耦合誤差信號Va的相位超前驅動信號匕的相位90°，則選擇硅微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線4左側進行激光修形(例如本實例圖中的BI或Ml處);若模態(tài)耦合誤差信號Vm的相位滯后驅動信號匕的相位90°，則選擇硅微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線4右側進行激光修形(例如本實例圖中的B2或M2處)。
由于正交誤差遠大于偏移誤差，所以模態(tài)I禹合誤差的相位基本與正交誤差一致。 根據娃微陀螺的哥氏力效應工作原理，對于非全對稱結構，驅動信號與哥氏力信號平行，從而驅動信號與模態(tài)稱合誤差信號垂直；對于全對稱結構，驅動信號與哥氏力信號垂直，從而驅動信號與模態(tài)耦合誤差信號平行。所以，對于不同類型結構的微陀螺及其所用的測試電路，還應在具體實施過程中先通過實驗來確定模態(tài)耦合誤差信號-驅動電壓信號間的相位關系與在質量塊擺動中心線左側或右側修形的對應關系。
4、激光器參數的調節(jié)上述步驟2中若確定為粗修，則需要適當增大激光器的功率；若確定為精確修形則適當降低激光器的功率。具體功率的選定則需根據所用激光器的性能參數而定。
5、激光修形的實施設定好高精度紫外激光器的工作參數后按照上述步驟3確定的修形位置在硅微陀螺振動結構上進行材料的去除。
6、完成一次激光修形后，重復上述步驟I 5，直至模態(tài)耦合誤差信號Vm的峰峰值小于預設值6時，則結束本硅微陀螺樣機的修形，進行下一個硅微陀螺芯片的修形，并按照上述同樣的修形步驟進行。整個過程中，信號測試與激光修形交叉進行，直至硅微陀螺的模態(tài)耦合誤差值滿足規(guī)定要求。
可以理解，在其他的具體應用實例中，對于其它結構的硅微陀螺只需調整其對應的參數即可。由于硅微陀螺工作原理以及模態(tài)耦合誤差形成機理的相似性，本發(fā)明激光修形方法的使用范圍并不限定于某種特定結構的硅微陀螺。
以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其特征在干，步驟為 (O信號測試對于實際加工的娃微陀螺芯片，測試娃微陀螺芯片的驅動信號匕和模態(tài)耦合誤差信號匕，并確定兩信號的峰峰值大小及兩信號之間的相位關系； (2)確定激光修形的類型在完成步驟(I)的信號測試后，如果模態(tài)耦合誤差信號Vm的峰峰值大于預設值ぁ則在硅微陀螺芯片的支撐梁上進行粗修形；若模態(tài)耦合誤差信號Va的峰峰值大于預設值b且小于預設值<3，則在質量塊上進行精確修形；若驅動信號匕的峰峰值小于預設值ん則不需進行修形； (3)確定修形的位置在完成步驟(I)的信號測試后，當為非完全對稱式結構時，如果模態(tài)I禹合誤差信號匕的相位超前驅動信號匕的相位85° 95° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線左側進行激光修形；若模態(tài)耦合誤差信號匕的相位滯后驅動信號Vd的相位85° 95° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線右側進行激光修形；當為完全對稱式結構時，如果模態(tài)耦合誤差信號Va的相位與驅動信號Vd的相位超前-5° 5°，則選擇硅微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線左側進行激光修形；如果模態(tài)I禹合誤差信號Va的相位與驅動信號Vd的相位滯后-5° 5° ,則選擇娃微陀螺芯片振動結構中質量塊擺動中心線右側進行激光修形； (4)根據步驟(2)和步驟(3)得到的類型和位置進行激光修形。
2.根據權利要求I所述的減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其特征在于，所述步驟(4)的具體流程為 (4. I)激光器參數的調節(jié)所述步驟(2)中若確定為粗修，則需要增大激光器的功率；若確定為精確修形則降低激光器的功率； (4. 2)激光修形的實施設定好激光器的工作參數后，按照所述步驟(3)確定的修形位置在硅微陀螺振動結構上進行材料的去除； (4.3)完成一次激光修形后，重復上述步驟(I) (3)，直至模態(tài)耦合誤差信號Vm的峰峰值小于預設值6吋，則結束本硅微陀螺樣機的修形，進行下一個硅微陀螺芯片的修形。
3.根據權利要求I或2所述的減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其特征在于，所述步驟(I)的具體流程為結合測試電路，在零角速率輸入的情況下通過示波器觀察娃微陀螺芯片的驅動信號和模態(tài)稱合誤差信號。
4.根據權利要求I或2所述的減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其特征在于，所述步驟(3 )中，預設值a、b的大小根據硅微陀螺生產水平以及對硅微陀螺性能的要求確定。
5.根據權利要求4所述的減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其特征在于，所述預設值a、b間的關系為a=5b IOb。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減少振動式硅微陀螺模態(tài)耦合誤差的激光修形方法，其步驟為(1)信號測試測試硅微陀螺芯片的驅動信號Vd和模態(tài)耦合誤差信號Vm，并確定兩信號的峰峰值大小及相位關系；(2)確定激光修形的類型根據步驟(1)的信號確定激光修形的類型；(3)確定修形的位置根據步驟(1)的信號確定激光修形的確切位置；(4)根據上述步驟得到的類型和位置進行激光修形。本發(fā)明原理簡單、操作簡便、能減少模態(tài)耦合誤差、提高硅微陀螺工作性能。
文檔編號B23K26/42GK102980591SQ201210432839
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月3日 優(yōu)先權日2012年11月3日
發(fā)明者吳學忠, 肖定邦, 陳志華, 賀琨, 侯占強, 胡松奇, 王興華, 劉學 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學