基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法

微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通过飞秒激光去除质量调节模态频率是一种高效率、高精度的修调方法,但当谐振结构频差处于较小值(约100 mHz)时,观测到线性微质量去除难以进一步降低频差.本文重点针对该过程中的质量-刚度耦合现象开展研究,首先建立了微质量扰动下的质量-刚度耦合变化模型,然后通过有限元模型仿真分析了质量-刚度耦合对修调精度的影响,得到了不同直径与深度修调孔下的微量频差变化,结果揭示了修调孔直径对结构局部刚度的影响规律,以及修调孔深度对局部质量的影响规律.进一步的分析表明,当修调深度超过阈值时能够实现对质量-刚度影响的解耦,因此文中提出了基于质量-刚度解耦的高精度修调方法.最后,对该方法进行了实验验证,将微半球谐振陀螺的频差降低至7 mHz,有效提升了微半球谐振陀螺的机械修调精度.

一种微半球谐振陀螺的制造方法与测试

针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺装配。针对微半球谐振陀螺存在的初始频率裂解,提出了一种精密机械修调方法,可实现0.1 Hz内精度频率匹配修调。在此基础上,基于速率积分控制原理设计制造了陀螺的数字化测控电路。真空封装后陀螺工作频率约为6602 Hz,频率裂解为49 mHz,品质因数高于90万,衰减时间常数可达40 s。首次系统性测试了速率积分模式微半球谐振陀螺的综合性能,测试结果表明,陀螺零偏不稳定性(Allan方差)为0.235°/h,角度随机游走为0.0066°/h1/2,量程可高达±3000°/s,标度因数非线性优于8 ppm,标度因数对称性优于5 ppm,标度因数重复性优于1 ppm。