[发明专利]一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法

说明书

本发明公开了一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法，系统包括：飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。所述飞秒激光器配合光路模块可实现对微型器件的高精度加工；所述多轴运动平台可承载样品与激光焦点作相对运动，实现复杂轮廓形状的三维加工；所述微调装置可实现微型回转式谐振结构在两个水平方向的距离微调，配合视觉成像模块可实现样品精准定位。本发明也公开了一种微型回转式谐振结构的高精度加工方法，在上述系统的基础上，通过将机器视觉高倍成像模块与图像处理技术应用于飞秒激光加工系统，实现样品与飞秒激光焦点的精准定位，结合自动控制程序为微型回转式谐振结构的高精度加工提供方法，保证了谐振结构加工后的高度三维对称性，具有操作简单，自动化程度高等特点。

技术领域

本发明涉及微机械加工制造领域，尤其涉及一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统中的核心传感器之一，适用于海陆空天等诸多领域，可在卫星拒止情况下为运载体测量角速度或姿态角，配合加速计等器件和子系统使用可提供高精度定位和导航信息。微机械振动陀螺作为陀螺仪的一个重要分支，随着惯性传感技术和微加工技术的进步，其也得到极大的发展，主要由微机械谐振结构和测控电路组成，相较于其它类型的陀螺具有精度高、结构简单、体积小、功耗小、制造成本低，且便于集成化和批量化等特点，在实际场景中已有广泛的应用基础。

微机械振动陀螺的工作原理是基于微谐振结构的科里奥利效应。现有的高性能陀螺采用的材料多为熔融石英、多晶硅、多晶金刚石等各项同性材料，且多为回转式谐振结构，具有高度的物理参数和几何结构的对称性，其对称精度直接决定陀螺的性能上限。微型回转式的谐振结构的加工制造的相关研究受到国内外科研机构的重点关注，常见的结构为圆盘式环状结构、微半球式结构等等。由于微谐振结构尺寸小、结构复杂、材料多为硬脆性透明介质，传统的机械加工方式大多并不适用，对其实现高精度的加工制造具有一定的难度。

针对圆盘式环状结构的硅谐振陀螺，如嵌套环式MEMS陀螺，采用的加工工艺为深反应离子刻蚀技术，然而该技术需要使用掩膜，对样品加工深度有一定的限制，且随着硅片厚度的增加，加工样品的深宽比不能保证，严重影响加工精度，不利于陀螺性能的提升；针对性能较高的微半球式石英谐振陀螺，其具有灵敏度放大结构，多呈现在边缘部分的圆周阵列的若干小结构，如T型块、矩形块等等，故对于初步整体成形后的谐振结构需要进一步加工，现有研究多采用加工精度高的飞秒激光技术，可实现“冷加工”。而为了按照预设轮廓形状对谐振结构进行切割释放，较多方案是将飞秒激光器与振镜系统配合使用来实现对微机械陀螺进行切割，但该系统成本较高，且常见的是实现二维加工，样品厚度方向的加工质量较难保证。且现有加工系统和方法采用的飞秒激光多为不可见光，对于确定激光焦点位置，以及对回转式的微谐振结构的装夹、定位精度并不能严格保证，会大大降低微谐振结构在加工后的三维结构对称性。若将视觉传感器、高倍物镜、高精度运动平台等功能模块，结合飞秒激光器应用于微谐振结构的加工系统中，利用飞秒激光焦点具有高空间分辨率，激光通量可控等特点，并通过机器视觉技术对激光焦点、微谐振结构精准定位，基于编写的程序控制运动平台相对激光焦点按照预设轨迹进行运动，可实现对样品的高精度加工，并保证加工质量的一致性和加工工艺的可重复性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法。本发明针对现有利用飞秒激光对微型回转式谐振结构的加工过程中，激光焦点不易确定，较难保证样品的装夹、定位精度和高度三维对称性等问题，基于多轴运动平台等硬件装置，提出将机器视觉高倍成像模块与图像处理技术应用于飞秒激光加工系统，为实现微型回转谐振结构的高精度装夹、定位和加工提供方法。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：