组装式半球形谐振器陀螺仪的连续环形离子束平衡技术，实现了0.063 mHz的超低频分裂

《IEEE Sensors Journal》：Continuous Annular Ion Beam Balancing of Assembled Hemispherical Resonator Gyroscopes Achieving 0.063 mHz Ultralow Frequency Split

　　

摘要：

频率分裂是决定半球形谐振器陀螺仪（HRGs）性能的关键因素。离子束刻蚀是HRGs质量平衡的主要技术，但其平衡效率本身较低。对于组装好的HRGs来说，由于存在损坏电极薄膜的风险，使用斜入射的离子束是不切实际的。此外，传统的离散四位置刻蚀路径无法匹配四次谐波质量缺陷的余弦分布，这会导致非均匀质量的更高阶误差。为了解决这些限制，本文提出了一种基于连续环形（CA）刻蚀路径的高效离子束平衡方法。建立了非理想谐振器的动态模型，并开发了一种利用力-再平衡（FTR）模式中的正交控制力的频率分裂测量方法。通过有限元仿真优化了刻蚀路径、位置和区域，结果表明，在谐振器唇部附近的刻蚀位置虽然溅射产量较低，但可以获得更高的平衡效率。对三个组装好的HRGs进行的实验结果表明，所提出的CA刻蚀路径在水平离子束入射下的平衡效率达到了10.38 mHz/min，比现有技术提高了三倍。实验中获得了低至0.063 mHz的残余频率分裂，且正交控制力减少了三个数量级。

引言

半球形谐振器陀螺仪（HRGs）被广泛认为是高精度的惯性传感器，具有许多显著优势，包括长寿命、高可靠性、低功耗和出色的抗冲击性[1]、[2]、[3]。它们已广泛应用于高端领域，如航空航天导航[4]、深空探索[5]和精准制导武器系统。作为HRGs的核心敏感组件，熔融石英半球形谐振器直接决定了陀螺仪的精度。频率分裂是由质量不均匀性和刚度不对称性引起的。它被认为是降低谐振器振动性能和驻波稳定性的主要误差来源之一[6]、[7]。较大的频率分裂需要更强的正交控制力，这会引入额外的噪声和漂移。这种效应进一步限制了陀螺仪精度的提高。除了制造过程中产生的频率分裂外，后处理阶段也会引入额外的频率分裂。涂层的不均匀性和组装不对准也会导致频率分裂。因此，组装好的陀螺仪的平衡是HRGs制造过程中的一个不可或缺的步骤。