CN112444240A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
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。
所述第一个步骤正交耦合调零，在环形陀螺的两个驱动电极对环形陀螺进行驱动模态闭环驱动。所述驱动模态闭环驱动，指的是环形陀螺在受迫振动后，振动位移由两个驱动检测电极拾得，根据振动位移信号与驱动信号的相位差完成对驱动模态的锁相环。在驱动模态闭环后，读取两个敏感检测电极的信号，与之同时调节八个正交调零电极的电压，当两个敏感检测电极的信号达到最小时，我们认为正交耦合已经调零，并记录此时的正交调零电压。
所述第二个步骤模态频率匹配，在上一步正交耦合调零的基础上，完成驱动模态闭环后，读取两个敏感检测电极的信号，与之同时调节四个频率匹配电极的电压，当两个敏感检测电极的信号达到最大时，我们认为已经实现模态频率匹配，并记录此时的频率匹配电压。
所述第三个步骤刚性主轴定位，利用正交调零电压和频率匹配电压，计算出环形陀螺刚性主轴的位置。
所述第四个步骤激光平衡匹配，使用高功率激光器，去除谐振环内侧上的小质量块使得环形陀螺达到两个模态完全匹配的状态。所述去除小质量块的位置，在谐振环的刚性主轴所对应的谐振环内侧，一般而言，为了保证激光修调的线性，去除的质量块的宽度不超过谐振环宽度的1/10，长度不超过谐振环周长的1/20，厚度与陀螺仪的谐振环厚度相等。所述两个模态完全匹配的状态的标志为，环形陀螺工作在驱动闭环情况下，令所有正交耦合调零电极与频率匹配电极接地，开始进行步进的激光修调，当两个敏感检测电极的信号达到最小时，认为此时硅微环形陀螺达到了机械角度本征的模态匹配状态。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、整个过程基于程序设定，可以全自动的完成硅微陀螺的平衡匹配2、基于激光修调的平衡匹配方法，从机械结构角度抑制了正交耦合，完成了模态匹配，简化了电路设计和控制器设计，更易于完成高精度，高稳定性的角速度检测。
附图说明
图1硅微环形谐振陀螺的刚性主轴示意图
图2硅微环形谐振陀螺求解刚性主轴位置时的电极配置
图3硅微环形谐振陀螺刚性主轴定位和激光平衡算法框图
图4硅微环形谐振陀螺刚性主轴定位和激光平衡实例
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1～3所示，一种用于硅微环形谐振陀螺启动时静电平衡的系统，其特征在于：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，如图1所示，环形陀螺102的两个工作模态中ωd和ωs，频率较高的ωd为驱动模态的谐振频率，它与水平方向所成的角度为θ。
所述第一个步骤正交耦合调零，如图2所示，在环形陀螺的两个驱动电极201和205对环形陀螺进行驱动，驱动电压为交流信号2Vd，环形陀螺在受迫下振动，振动位移由两个驱动检测电极209和213拾得为2Vds，根据振动位移信号Vds的相位完成驱动模态的锁相环，即驱动模态闭环。在驱动模态闭环后，读取两个敏感检测电极211和215的信号2Vss，与之同时调节八个正交调零电极202、206、210、214的电压Vtc和204、208、212、206的电压-Vtc，当两个敏感检测电极211和215的信号2Vss达到最小时，我们认为正交耦合已经调零，并记录此时的正交调零电压Vtc。
所述第二个步骤模态频率匹配，指的是，在上一步正交耦合调零的基础上，完成驱动模态闭环后，读取两个敏感检测电极211和215的信号2Vss，与之同时调节四个频率匹配电极 201、205的电压Vtf和203、207的电压-Vtf，当两个敏感检测电极211和215的信号2Vss达到最大时，我们认为已经实现模态频率匹配，并记录此时的频率匹配电压Vtf。
所述第三个步骤刚性主轴定位，利用是正交调零电压和频率匹配电压，计算出环形陀螺刚性主轴的位置，本实例的计算过程如下：
图2中16个电极的电势分别为：
V1＝V5＝Vtf
V3＝V7＝-Vtf
V2＝V6＝V10＝V14＝Vtc
V4＝V8＝V12＝V16＝-Vtc
V9＝V11＝V13＝V15＝GND
记电容间隙为d0，电极的电容为C0，i为每个电极的编号，2α为电极的弧度，
Figure BSA0000189133660000031
为这个电极的所在位置，规定水平向左为零轴方向，逆时针为正，则单个电极电压对环形陀螺陀螺的刚度矩阵的影响为，：
Figure BSA0000189133660000032
为了简化计算，我们记：
Figure BSA0000189133660000033
Figure BSA0000189133660000034
Figure BSA0000189133660000035
C＝2α＝(A+B)/2
Figure BSA0000189133660000036
带入每个电极的位置，可以得到每个电极对环形陀螺刚度的贡献：
Figure BSA0000189133660000037
Figure BSA0000189133660000038
Figure BSA0000189133660000039
Figure BSA00001891336600000310
Figure BSA00001891336600000311
Figure BSA00001891336600000312
Figure BSA00001891336600000313
记环形陀螺的刚性主轴位置为θ，则对于环形的本征刚度矩阵可以得到：
Figure BSA0000189133660000041
正交耦合调零和模态频率匹配意味着：
Figure BSA0000189133660000042
于是对应正交耦合调零电压Vtc和模态频率匹配电压Vtf满足：
cos(θ)sin(θ)(k1-k2)＝-16βVpVtcD
sin(2θ)(k1-k2)＝-16βVpVtcD
cos2(θ)k1+sin2(θ)k2-4βVpVtf(B-A)＝sin2(θ)k1+cos2(θ)k2-4βVpVtf(A-B)
(cos2(θ)-sin2(θ))(k1-k2)＝-8βVpVtf(A-B)
cos(2θ)(k1-k2)＝-8βVpVtf(A-B)
所以可以反算得到刚性轴的位置为：
Figure BSA0000189133660000043
所述第四个步骤激光平衡匹配，使用高功率激光器，去除硅微环形陀螺上的小质量块使得环形陀螺达到两个模态完全匹配的状态。所述去除小质量块的位置，即谐振环的刚性主轴位置，为了保证激光修调的线性，去除的质量块的宽度不超过谐振环宽度的1/10，长度不超过谐振环周长的1/20，厚度与陀螺仪谐振环厚度相等。所述两个模态完全匹配的状态的标志为，环形陀螺工作在驱动闭环情况下，令所有正交耦合调零电极与频率匹配电极接地，开始进行步进的激光修调，当两个敏感检测电极的信号达到最小时，我们认为此时硅微环形陀螺达到了机械角度本征的模态匹配状态。
在如图4所示的例子中，一个半径为2500μm，厚度为120μm，谐振环宽度为40μm的环形陀螺，上电后它的驱动模态和检测模态频率分别为12477Hz和12483Hz，它的初始频率误差为6Hz。经过Vtc＝-0.25V和Vtf＝3.85V调节，环形陀螺达到匹配状态，两个模态频率均为12480Hz，于是经过解算其刚性主轴位置角为-1.87°。接下来，在谐振环内侧的角度为 -1.87°+90°n(n＝0～3)这四个位置处，分别除了一个宽度为4μm，长度为65μm，厚度为120μm的小质量块后，激光平衡匹配结束。再次上电，得到修调后的环形陀螺的驱动模态和检测模态频率均为12460Hz。

Claims (5)

1.一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：这个算法包括四个步骤，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。
2.根据权利要求1所述的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：所述算法的第一个步骤正交耦合调零，在环形陀螺的两个驱动电极对环形陀螺进行驱动模态闭环驱动。所述驱动模态闭环驱动，指的是环形陀螺在受迫振动后，振动位移由两个驱动检测电极拾得，根据振动位移信号与驱动信号的相位差完成对驱动模态的锁相环。在驱动模态闭环后，读取两个敏感检测电极的信号，与之同时调节八个正交调零电极的电压，当两个敏感检测电极的信号达到最小时，记录此时的正交耦合调零电压，正交耦合调零完成。
3.根据权利要求1所述的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：所述算法的第二个步骤模态频率匹配，在上一步正交耦合调零的基础上，进行驱动模态闭环，并读取两个敏感检测电极的信号，与之同时调节四个频率匹配电极的电压，当两个敏感检测电极的信号达到最大时，记录此时的频率匹配电压，模态频率匹配完成。
4.根据权利要求1所述的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：所述算法的第三个步骤刚性主轴定位，利用正交耦合调零完成时记录的电压和频率匹配完成时记录的电压，计算出环形陀螺刚性主轴的位置。
5.据权利要求1所述的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：所述算法的第四个步骤激光平衡匹配，使用激光器，去除谐振环内侧上的小质量块使得环形陀螺达到两个模态完全匹配的状态。所述去除小质量块的位置，在谐振环的刚性主轴方向上对应的谐振环内侧。所述两个模态完全平衡匹配的状态的标志为，环形陀螺工作在驱动闭环情况下，令所有正交耦合调零电极与频率匹配电极直流量接地，与之同时开始进行步进的激光修调，当两个敏感检测电极的信号达到最小时，停止修调，激光平衡匹配完成，此时的硅微环形陀螺达到了机械结构上的本征的模态匹配状态。
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