专利名称：一种减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法
一种减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法技术领域
本发明主要涉及到微机电系统中的加工技术领域，特指一种用于硅微机械陀螺制作的可减少硅微陀螺振动结构加工误差引起的模态耦合误差的激光修形方法。
背景技术：
振动式硅微机械陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、易于和电路集成等优势，已广泛应用于通讯设备、汽车安全与导航、机器人及航空航天、游戏机等领域。振动式硅微机械陀螺仪通常以薄片单晶硅为材料，采用湿法刻蚀、干法刻蚀等半导体加工工艺制作而成，其结构尺寸可以小到亚微米级。
由于振动式硅微机械陀螺仪的制作基本上是采用一次成型的方式，所以在加工过程中，掩膜、光刻、刻蚀等工艺产生的加工误差均会累积到振动式硅微机械陀螺仪的结构中去，使得微陀螺在无角速度输入的情况下，其驱动模态的振动能量也会耦合到检测模态，从而产生模态耦合误差，进而严重影响到微陀螺的性能。已有研究表明，在模态耦合误差中正交耦合误差是最主要的成分，所以减 正交误差也就成了降低模态耦合误差的主要手段。 为了消除模态耦合误差对微陀螺性能的影响，目前主要有两种途径一是通过设计解耦的振动结构来消除模态耦合误差。但设计解耦的微陀螺会增加结构复杂程度，同时微结构制作过程中存在无法避免的加工误差，所以该途径也只能部分减少模态耦合误差。二是通过同步解调的方法消除正交误差以减少模态耦合误差的影响。但同步解调的前提是参考信号必须与哥氏力信号同频同相，而在实际工作系统中，很难保证参考信号与哥氏力信号完全同相，所以经同步解调后在角速度信号中会叠加一个误差信号，该误差信号构成了微陀螺零偏的一部分，而严重制约微陀螺性能的提高。发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、能减少模态耦合误差、提高硅微陀螺工作性能的减少振动式硅微陀螺模态稱合误差的激光修形方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其步骤为(1)信号测试对于实际加工的娃微陀螺芯片，测试娃微陀螺芯片的驱动信号匕和模态耦合误差信号b并确定两信号的峰峰值大小及两信号之间的相位关系；(2)确定激光修形的类型在完成步骤(I)的信号测试后，如果模态耦合误差信号Vm的峰峰值大于预设值a，则在硅微陀螺芯片的支撑梁上进行粗修形；若模态耦合误差信号Va 的峰峰值大于预设值b且小于预设值a，则在质量块上进行精确修形；若驱动信号K,的峰峰值小于预设值△，则不需进行修形；(3)确定修形的位置在完成步骤(I)的信号测试后，当为非完全对称式结构时，如果模态稱合误差信号匕的相位超前驱动信号匕的相位85° 95° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线左侧进行激光修形；若模态耦合误差信号匕的相位滞后驱动信号Vd的相位85° 95° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线右侧进行激光修形；当为完全对称式结构时，如果模态耦合误差信号Va的相位与驱动信号Vd的相位超前-5° 5°，则选择硅微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线左侧进行激光修形；如果模态稱合误差信号Va的相位与驱动信号Vd的相位滞后-5° 5° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线右侧进行激光修形；(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到的类型和位置进行激光修形。
作为本发明的进一步改进所述步骤(4)的具体流程为(4. I)激光器参数的调节所述步骤(2)中若确定为粗修，则需要增大激光器的功率; 若确定为精确修形则降低激光器的功率；(4.2)激光修形的实施设定好激光器的工作参数后，按照所述步骤(3)确定的修形位置在硅微陀螺振动结构上进行材料的去除；(4. 3)完成一次激光修形后，重复上述步骤(I) (3)，直至模态耦合误差信号Vm的峰峰值小于预设值6时，则结束本硅微陀螺样机的修形，进行下一个硅微陀螺芯片的修形。
所述步骤(I)的具体流程为结合测试电路，在零角速率输入的情况下通过示波器观察娃微陀螺芯片的驱动信号和模态稱合误差信号。
所述步骤(3)中，预设值a、b的大小根据硅微陀螺生产水平以及对硅微陀螺性能的要求确定。
所述预设值a、b间的关系为a=5b IOb。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，原理简单、操作简便，可以有效地弥补设计解耦结构以及同步解调减少模态耦合误差存在的不足。采用本发明的方法后，激光修形位置和激光修形量可以根据调节激光器的相关参数进行精确控制。由于激光修形方法的本质是在微陀螺振动结构上进行材料去除，因此本发明的整个操作简单可靠。激光修形中应去除的材料量根据存在的模态耦合误差值来确定，因而可以将模态耦合误差降至很小甚至为零。本发明设计合理，对加工条件要求不高，有利于硅微陀螺工业化生产，可以有效的减少微陀螺结构加工误差引起的正交耦合误差以提高陀螺的工作性能，对于提高微陀螺的成品率很有帮助。
图I是采用本发明方法后进行激光修形的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中硅微陀螺振动结构的示意图。
图3是本发明在具体应用实例中的激光修形原理示意图。
图例说明I、第一锚点；2、第一质量块；3、第二锚点；4、质量块摆动中心线；5、支撑梁；6、第二质量块；M1、M2、B1、B2、进行激光修形的位置。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2所不，以一个具体应用实例中的娃微陀螺芯片为例，该娃微陀螺芯片包括支撑梁5和若干个质量块，支撑梁5的两端分别通过第一锚点I和第二锚点3固定，第一质量块2与第二质量块6为一组并呈对称状布置于支撑梁5的两端(本实例中为左右两对)， 两两对应布置，在工作时形成两对质量块之间的质量块摆动中心线4。
在理想情况下，硅微陀螺振动结构不存在加工误差，此时微陀螺的模态耦合误差为零。当实际的硅微陀螺振动结构存在加工误差时，引起振动结构的弹性不对称，从而产生较大的正交耦合误差。对于振动式硅微陀螺，支撑梁5上的加工误差相对于其它位置上的加工误差对陀螺性能影响更大，且同一位置处，模态耦合误差与加工误差 大小正相关。
通过对微陀螺振动结构加工误差进行仿真分析，发现质量块摆动中心线4两侧的加工误差对模态耦合误差的影响呈反相位关系。因此，在振动结构上通过激光去除一定材料产生与已有模态耦合误差反相的模态耦合误差则可以减少甚至消除微陀螺的模态耦合误差，从而本发明的激光修形原理为首先测试硅微陀螺芯片的模态耦合误差信号K的峰值以及模态耦合误差信号匕与驱动信号K,的相位关系。接下来，根据误差信号的大小及信号间的相位关系确定激光修形的位置并调节激光器的工作参数；最后，使用高精度紫外激光器在微陀螺振动结构上合适位置去除一定的材料，部分或全部抵消已存在的模态稱合误差，并且修形与信号测试交替进行。通过激光修形减少模态耦合误差是一个收敛的过程，本发明可以提高修形的效率及精度。
如图1和图3所示，本发明的减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法， 其具体步骤为I、信号测试对于实际加工的硅微陀螺芯片，结合测试电路，在零角速率输入的情况下通过示波器观察其驱动信号和模态耦合误差信号，分别以Kn匕表示驱动信号和模态耦合误差信号，并确定两信号的峰峰值大小及两信号之间的相位关系。
2、确定激光修形的类型在完成步骤I的信号测试后，如果模态耦合误差信号K 的峰峰值大于预设值a，则在硅微陀螺芯片的支撑梁5上进行粗修形；若模态耦合误差信号匕的峰峰值大于预设值b且小于预设值<3，则在质量块上进行精确修形；若驱动信号匕的峰峰值小于预设值△，则不需进行修形。
在该步骤中，预设值a、b的大小需根据硅微陀螺生产水平以及对硅微陀螺性能的要求确定。在较佳的实施例中，预设值<3、b间的关系可取3=5 IOb。
3、确定修形的位置在完成步骤(I)的信号测试后，当为非完全对称式结构时，如果模态稱合误差信号匕的相位超前驱动信号匕的相位85° 95° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线左侧进行激光修形；若模态耦合误差信号匕的相位滞后驱动信号匕的相位85° 95° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线右侧进行激光修形；当为完全对称式结构时，如果模态耦合误差信号K的相位与驱动信号Vd的相位超前-5° 5。，则选择硅微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线左侧进行激光修形； 如果模态稱合误差信号匕的相位与驱动信号匕的相位滞后-5° 5° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线右侧进行激光修形。
在图2所示的实例中，在完成步骤I的信号测试后，如果模态耦合误差信号Va的相位超前驱动信号匕的相位90°，则选择硅微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线4左侧进行激光修形(例如本实例图中的BI或Ml处);若模态耦合误差信号Vm的相位滞后驱动信号匕的相位90°，则选择硅微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线4右侧进行激光修形(例如本实例图中的B2或M2处)。
由于正交误差远大于偏移误差，所以模态I禹合误差的相位基本与正交误差一致。 根据娃微陀螺的哥氏力效应工作原理，对于非全对称结构，驱动信号与哥氏力信号平行，从而驱动信号与模态稱合误差信号垂直；对于全对称结构，驱动信号与哥氏力信号垂直，从而驱动信号与模态耦合误差信号平行。所以，对于不同类型结构的微陀螺及其所用的测试电路，还应在具体实施过程中先通过实验来确定模态耦合误差信号-驱动电压信号间的相位关系与在质量块摆动中心线左侧或右侧修形的对应关系。
4、激光器参数的调节上述步骤2中若确定为粗修，则需要适当增大激光器的功率；若确定为精确修形则适当降低激光器的功率。具体功率的选定则需根据所用激光器的性能参数而定。
5、激光修形的实施设定好高精度紫外激光器的工作参数后按照上述步骤3确定的修形位置在硅微陀螺振动结构上进行材料的去除。
6、完成一次激光修形后，重复上述步骤I 5，直至模态耦合误差信号Vm的峰峰值小于预设值6时，则结束本硅微陀螺样机的修形，进行下一个硅微陀螺芯片的修形，并按照上述同样的修形步骤进行。整个过程中，信号测试与激光修形交叉进行，直至硅微陀螺的模态耦合误差值满足规定要求。
可以理解，在其他的具体应用实例中，对于其它结构的硅微陀螺只需调整其对应的参数即可。由于硅微陀螺工作原理以及模态耦合误差形成机理的相似性，本发明激光修形方法的使用范围并不限定于某种特定结构的硅微陀螺。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其特征在干，步骤为 (O信号测试对于实际加工的娃微陀螺芯片，测试娃微陀螺芯片的驱动信号匕和模态耦合误差信号匕，并确定两信号的峰峰值大小及两信号之间的相位关系； (2)确定激光修形的类型在完成步骤(I)的信号测试后，如果模态耦合误差信号Vm的峰峰值大于预设值ぁ则在硅微陀螺芯片的支撑梁上进行粗修形；若模态耦合误差信号Va的峰峰值大于预设值b且小于预设值<3，则在质量块上进行精确修形；若驱动信号匕的峰峰值小于预设值ん则不需进行修形； (3)确定修形的位置在完成步骤(I)的信号测试后，当为非完全对称式结构时，如果模态I禹合误差信号匕的相位超前驱动信号匕的相位85° 95° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线左侧进行激光修形；若模态耦合误差信号匕的相位滞后驱动信号Vd的相位85° 95° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线右侧进行激光修形；当为完全对称式结构时，如果模态耦合误差信号Va的相位与驱动信号Vd的相位超前-5° 5°，则选择硅微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线左侧进行激光修形；如果模态I禹合误差信号Va的相位与驱动信号Vd的相位滞后-5° 5° ,则选择娃微陀螺芯片振动结构中质量块摆动中心线右侧进行激光修形； (4)根据步骤(2)和步骤(3)得到的类型和位置进行激光修形。
2.根据权利要求I所述的减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体流程为 (4. I)激光器參数的调节所述步骤(2)中若确定为粗修，则需要增大激光器的功率；若确定为精确修形则降低激光器的功率； (4. 2)激光修形的实施设定好激光器的工作參数后，按照所述步骤(3)确定的修形位置在硅微陀螺振动结构上进行材料的去除； (4.3)完成一次激光修形后，重复上述步骤(I) (3)，直至模态耦合误差信号Vm的峰峰值小于预设值6吋，则结束本硅微陀螺样机的修形，进行下一个硅微陀螺芯片的修形。
3.根据权利要求I或2所述的减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其特征在于，所述步骤(I)的具体流程为结合测试电路，在零角速率输入的情况下通过示波器观察娃微陀螺芯片的驱动信号和模态稱合误差信号。
4.根据权利要求I或2所述的减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其特征在于，所述步骤(3 )中，预设值a、b的大小根据硅微陀螺生产水平以及对硅微陀螺性能的要求确定。
5.根据权利要求4所述的减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其特征在于，所述预设值a、b间的关系为a=5b IOb。
全文摘要
本发明公开了一种减少振动式硅微陀螺模态耦合误差的激光修形方法，其步骤为(1)信号测试测试硅微陀螺芯片的驱动信号Vd和模态耦合误差信号Vm，并确定两信号的峰峰值大小及相位关系；(2)确定激光修形的类型根据步骤(1)的信号确定激光修形的类型；(3)确定修形的位置根据步骤(1)的信号确定激光修形的确切位置；(4)根据上述步骤得到的类型和位置进行激光修形。本发明原理简单、操作简便、能减少模态耦合误差、提高硅微陀螺工作性能。
文档编号B23K26/42GK102980591SQ201210432839
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月3日 优先权日2012年11月3日
发明者吴学忠, 肖定邦, 陈志华, 贺琨, 侯占强, 胡松奇, 王兴华, 刘学 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学