振动环结构的制作方法
【专利摘要】描述了一种调谐振动环结构的方法，其包括确定位于所述振动环结构(10)的中性轴上或附近的基本上相同大小的一对微调孔(16)的角间距，选择角偏移来将目标正交模态与相对于所述目标正交模态角偏移的另一正交模态之间的频率分裂减小至可接受水平，和按所确定角间距在所述振动环结构(10)中形成微调孔(16)对。还公开了以此方式予以调谐或平衡的环结构，例如陀螺仪。
【专利说明】振动环结构
[0001]本发明涉及一种增强平衡的振动环结构且涉及一种平衡这样一种振动环结构的方法。本发明还涉及一种包括这样一种振动环结构的陀螺仪。
[0002]已知其中通过主驱动构件使环在主弯曲模态中振动的振动环陀螺仪。陀螺仪围绕环轴的旋转导致主弯曲模态科氏(Cor1lis)耦合至次弯曲模态中。次模态中的振动通过次拾取构件检测并且与陀螺仪的旋转相关。已知其中闭合回路控制用于维持主模态的特定振幅及取消次模态两者的配置。
[0003]cos2 Θ平面内弯曲模态通常用于振动环陀螺仪中，其中次模态处于与主模态的45°角偏移。由完全各向同性材料组成的几何完美环将具有主cos2 Θ模态和次cos2 0模态，其在频率上完全匹配且cos2 0模态因此可在任何任意取向上被激发。但是，实际上，环结构并非几何完美的且其材料可能并不是各向同性的。
[0004]陀螺仪可例如在与[111]晶体平面(其中平面硅是各向同性的)具有小角偏移下形成于硅中，由此导致围绕环的杨氏模量的COS4 0变化。用于形成这样一种硅陀螺仪的蚀刻过程可经历跨装置的变化，得到可变沟槽宽度、侧壁轮廓或凹口。环结构与其所附接的其他组件之间的微分热膨胀可能导致施加至环结构的各向异性应力。这些缺陷导致整个环内的质量和/或刚度分布的变化。这些缺陷将导致固定为特定角度的正交平面内cos2 Θ模态，和另一正交平面内cos2 Θ模态，其与正交模态成45°角且具有较高固有频率。
[0005]上文描述的缺陷难以控制，且因此难以确保环的正交cos2 Θ模态与主驱动和次驱动以及拾取构件的对准重合。虽然由通过主驱动激发环导致的振动是环的固有模态的叠加响应，但是所得振动易为正交模态之一的紧密近似。
[0006]下文中提及主响应模态和次响应模态指的是由分别通过主驱动构件或次驱动构件激发环产生的振动。
[0007]主驱动构件及次驱动构件与主响应模态及次响应模态之间的这种未对准导致正交偏置误差，其可能接着导致速率偏置误差。这种偏置误差是陀螺仪性能中的关键性能限制。虽然偏置误差随温度变化，但是确定偏置误差的主导因素是正交模态的初始频率匹配和对准。此外，主模态与次模态之间的科氏耦合在其间的频率分裂为小时得以改进。因此需要一种调谐振动环结构以匹配主模态频率和次模态频率并且将正交模态与主驱动和次驱动以及传感构件对准的方法。
[0008]已提出用于调谐振动环结构的若干方法。在EP1775551中，公开了一种振动环陀螺仪，其中电容传感器用于调谐环的模态。US5739410和GB2460935公开了通过移除或添加材料至环的中性轴，由此仅修改有效质量而调谐振动环结构的方法。类似地，“Multimodal Tuning of a Vibrating Ring using Laser Ablat1n，，;Proceeding of theInstitut1n of Mechanical Engineers Part C, Journal of Mechanical EngineeringScience2003-01-01, Gallacher等人描述用于调谐振动环结构的激光烧蚀技术。
[0009]需要实施简单且能够在匹配主模态频率和次模态频率时实现高准确度的调谐振动环结构的实用方法。
[0010]根据本发明，提供一种调谐振动环结构的方法，其包括确定位于振动环结构的中性轴上或附近的基本上相同大小的一对微调孔的角间距，选择角偏移来将目标正交模态与相对于目标正交模态角偏移的另一正交模态之间的频率分裂减小至可接受水平，及按所确定的角间距在振动环结构中形成微调孔对。
[0011]这样一种配置有利于其通过简单及方便的方式实现更高准确度的环结构平衡。
[0012]微调孔对被方便地放置为与目标正交模态的的径向波腹相差基本上相同角偏移。例如，其可围绕目标正交模态的径向波腹基本上对称形成。微调孔之间的角偏移优选地小于45度。
[0013]所述方法方便地结合粗调或平衡程序使用。例如，所述方法可包括形成至少一个粗调孔。粗调孔优选地与微调孔基本上大小相同。因此，相同设备可用于形成粗调孔和微调孔。调谐孔方便地通过激光烧蚀形成。
[0014]所述方法方便地用于实现cos2 Θ模态的平衡。
[0015]本发明还涉及使用上文定义的方法调谐的振动环结构。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供一种包括环主体的振动环结构，其通过位于环主体的中性轴上或附近的基本上相同大小的一对微调孔的形成而调谐，微调孔定位为相对于彼此角偏移，其被选择来将环主体的目标正交模态与另一正交模态之间的频率分裂减小至可接收水平，另一正交模态相对于目标正交模态角偏移。
[0017]振动环结构可形成陀螺仪的部分。
[0018]将进一步举例来说参考附图描述本发明，其中:
[0019]图1是图示已应用已知平衡技术的环结构的图；
[0020]图2是示出装置样本的温度范围内的正交偏置的变化的曲线图；
[0021]图3图示根据本发明的实施方案的平衡技术应用于图1的环结构；
[0022]图4a和图4b图示从环结构上的不同位置移除材料；和
[0023]图5是图示从不同位置移除材料的效应的曲线图。
[0024]用于匹配或减小振动环结构的cos2 Θ模态之间的频率分裂的现有激光调谐或平衡过程包括在具有较低频率的正交模态的径向波腹上或附近将材料从环的中性轴移除或烧蚀。环结构包括四个这种径向波腹，角间距为90度。由于主响应模态和次响应模态的取向和固有频率近似环结构的正交模态，所以两个正交模态的取向和频率可通过分别使用主驱动构件和从驱动构件激发环结构而确定。
[0025]可使用针对各激光“束”或其施加移除特定、固定量的材料的脉冲激光。使用恒定激光条件有利于制作，因为其确保一致的孔轮廓且因此在每个“束”中移除的材料量子是稳定且可重复的。举例来说，激光可以每“束”改变频率分裂达大约0.4Hz的这样一种方式设置。
[0026]应了解，中性轴上或附近的材料不促进任一正交模态的有效刚度。在目标模态的径向波腹上移除质量因此将减小有效质量，增大目标模态的固有频率，而不显著影响另一个模态(其在这个位置上具有径向节波腹)。以此方式移除的每个材料量子调整环的正交模态之间的分裂达特定量且易于用其相关驱动和拾取构件改进主响应模态和次响应模态的对准。这个调谐过程的量化性质将模态可匹配的程度限制为频率分裂被调整的量子的一半的最差频率分裂。例如，如果每个调谐孔减小频率分裂达大约0.4Hz，那么调谐后的最差频率分裂将为0.2Hz。
[0027]参考图1，在实践中，用于采用这种技术平衡环结构10的方法涉及使用主驱动构件和次驱动构件(未展示)以分别测量主响应模态和次响应模态的固有频率和取向而激发环结构10，确定目标模态的径向波腹12的位置，计算激光平衡孔14的所需数量，使用激光以通过形成所计算数量的平衡孔14而移除目标模态的径向波腹上(或附近)的质量，再测量响应模态频率和取向以验证平衡准确度及在频率分裂仍高于预定阈值的情况下重复所述过程。
[0028]激光平衡过程可使用完全自动化设备在晶圆级上执行。举例来说，制作工艺可制作具有匹配至±5Hz内且因此需要多达12个孔14的模态，各调整分裂达0.4Hz以调谐或平衡正交模态。
[0029]为了在激光加工过程中实现一致性，重要的是避免孔14的重叠且其因此可具有预定的最小角距。举例来说，邻近孔14之间的最小角距可为1°。
[0030]由于仅存在目标模态的四个径向波腹12，所以为了调谐具有大于1.6Hz的频率分裂的装置，多个调谐孔14必须被放置在至少一个波腹12的附近。至少一些孔14因此未与目标模态的径向波腹精确对准而是与其分隔达小角度。这种孔14的调谐效应将小于由在径向波腹12上精确提供调谐孔14得到的预定调谐量子。这是因为目标模态的有效质量通过在具有减小的模态径向位移量值的位置上移除质量而改变较小，且因为非目标模态的有效质量通过未与目标径向波腹12对准的孔14减小。除非调谐过程将这考虑在内，否则这种变化可能导致调谐误差。
[0031]图2示出已使用上文描述的方法在从-40至+85°C的温度范围内调谐的振动环结构10的样本的正交偏置的变化。可见在这个温度范围内的正交偏置变化通常为大约20° /
S。相比之下，调谐后的初始正交偏置的变化高达80° /s，其说明典型装置的正交偏置由设定初始正交偏置的模态调谐的精度和准确度(或缺少精度和准确度)主导。
[0032]对具有改进性能的这种类型的陀螺仪的需要驱动对调谐过程改进的相应要求。一种方法将使用可变大小的最终调谐孔以由此实现小于正常调谐量子的调谐分辨率。这将需要调整激光功率，其出于以下数个原因是不切实际的:
[0033]现有设备可能无法动态调整激光功率；
[0034]激光光斑大小可能无法在现有设备中调整；
[0035]激光可能需要时间以稳定至给定操作条件；
[0036]质量移除不会随激光功率线性变化；和
[0037]对频率分裂的小调整(例如，< 0.1Hz)可能难以准确实现。
[0038]可使用现有设备实现高准确度调谐的过程是高度优选的。
[0039]根据本发明，如图3中所示，位于径向波腹12上或附近的调谐孔14(下文被称作粗调孔14)可如上文描述用于将频率分裂减小至相对较低水平且此外，将一对微调孔16放置为与目标模态的径向波腹12相差预定角偏移，选择角偏移来使固有模态的频率分裂最小化。微调孔16对与相关径向波腹12方便地基本上等距间隔。在两个孔16与相同径向波腹12相关联的情况下，应了解孔16方便地围绕所述波腹12基本上对称配置。但是，孔16若需要可与不同波腹12相关联。
[0040]如上所述，已知在调谐孔未精确位于径向波腹12位置上的情况下，这些孔的调谐效应减小。如果一对孔20a、20b都形成在各自波腹12上且两个孔对频率分裂具有0.4Hz效应(如图4a中示意所示)，那么孔的净效应将是频率分裂的0.8Hz变化。另一方面，如果一个孔20a形成在波腹12上且第二孔20b形成在从波腹12偏移达45°的位置上(如图4b中示意所示)，那么由两个孔的存在产生的频率分裂变化将相等且相反，因此孔20a、20b将对频率分裂无净效应。因此，应了解，按适当选择的角间隔提供一对微调孔16可用于以高准确度协助环结构的平衡。图5示出通过按角度间隔范围提供一对微调孔而实现频率分裂的偏移。
[0041]重新参考图3，因此，可见一系列粗调孔14形成在波腹12上或附近。粗调孔14用于将频率分裂减小至0.8Hz或更小的值。在图3中所示的实例中，假设环结构10的初始频率分裂是1.65Hz。在本实例中提供三个粗调孔14以将频率分裂减小至大约0.45Hz。但是，应了解，这只是一个实例且所提供的孔14的数量将取决于平衡过程开始之前环结构的频率分裂。由于在这个实例中只需要三个粗调孔14，所以其可各精确位于各自波腹位置12上。如果需要超过四个这种孔14，那么结合上述方法，一些孔14将需与各自波腹位置12稍微隔开。
[0042]一旦已通过形成粗调孔14将频率分裂减小至这个相对较低水平，那么一对微调孔16形成以实现环结构10的最终平衡。
[0043]由具有角距ε 2的一对微调孔16形成得到的频率分裂的变化由以下等式给出:
[0044]Δ F分裂=2 Δ F孔.cos (2 ε 2) (I)
[0045]其中Λ Fa是频率分裂的公称变化，其将通过在波腹12上形成一个孔而实现。
[0046]重新参考图3，一旦已形成三个粗调孔14，响应模态频率和取向即被再测量以确定其余频率分裂。使用等式(I)，微调孔16对的所需角距可被确定来基本上移除频率分裂，或将其减小至可接受水平。如上所述，需要0.45Hz的频率分裂校正以实现环结构的平衡。为了实现0.45Hz的频率分裂偏移，微调孔16需按约28°的角距形成(如从图5中可见)且因此需要微调孔，其围绕波腹12之一对称，从其偏移大约14°。一旦所需角距已被确定，微调孔16对即形成在所需位置上以平衡环结构10。
[0047]为了防止由不对称调谐导致的次效应的可能性，需要微调孔16围绕目标模态的波腹12之一对称。但是，情况不一定总是如此且其可能与不同波腹12相关。
[0048]调谐孔被放置在环上的角分辨率可能受限。例如，用于形成孔的设备可能仅允许孔按1°角形成。在使用这种设备的情况下，则应了解精确平衡可能并非总是可行的。但是，与仅使用上文参考图1描述的技术相比，环结构10可平衡的程度显著提高。为了进一步提供实现平衡的准确度，微调孔16围绕目标模态径向波腹12的精确对称要求可放松，例如以允许至波腹12 —侧的微调孔16被放置为与至波腹12相对侧的微调孔16的定位具有1°变化的角度，例如以允许微调孔可分别被放置为+21°和-22° (或反之亦然)。
[0049]虽然已描述其中最终孔是微调孔的过程，但是应了解重要的是调谐孔的净效应而非其形成的顺序，且在一些实施方案中，微调孔可在其他孔之前形成。此外，取决于环结构10的初始平衡，可能无需形成任意粗调孔14且因此可能仅存在微调孔16对。
[0050]上文描述的孔不一定是通孔且可能是相对较浅的烧蚀坑。
[0051]虽然已参考COS2 0振动模态描述本方法，但是应了解方法还可应用于其他环弯曲模态，诸如cos3 0模态。可对上文描述的配置进行一系列修改和变更而不脱离本发明的范围。
【权利要求】
1.一种调谐振动环结构的方法，其包括确定位于所述振动环结构的中性轴上或附近的基本上相同大小的一对微调孔的角间距，选择角偏移来将目标正交模态与相对于所述目标正交模态角偏移的另一正交模态之间的频率分裂减小至可接受水平，和按所确定的角间距在所述振动环结构中形成所述微调孔对。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微调孔对被放置为与所述目标正交模态的径向波腹基本上相等角偏移。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述微调孔对围绕所述目标正交模态的径向波腹基本上对称形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述微调孔之间的所述角偏移小于45度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括至少一个粗调孔的形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述粗调孔与所述微调孔基本上大小相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述调谐孔通过激光烧蚀形成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述微调孔被定位来实现COS20模态的平衡。
9.一种使用前述权利要求中任一项所述的方法调谐的振动环结构。
10.一种包括环主体的振动环结构，其通过位于所述环主体的中性轴上或附近的基本上相同大小的一对微调孔的形成而调谐，所述微调孔定位为相对于彼此角偏移，其被选择来将所述环主体的目标正交模态与另一正交模态之间的频率分裂减小至可接受水平，所述另一正交模态相对于所述目标正交模态角偏移。
11.根据权利要求10所述的结构，其中所述微调孔对被放置为与所述目标正交模态的径向波腹基本上相同角偏移。
12.根据权利要求11所述的结构，其中所述微调孔对围绕所述目标正交模态的径向波腹基本上对称形成。
13.根据权利要求10至12所述的结构，其进一步包括至少一个粗调孔。
14.根据权利要求13所述的结构，其中所述粗调孔与所述微调孔基本上大小相同。
15.根据权利要求10至14中任意项所述的结构，其中所述微调孔被定位来实现所述cos2 Θ模态的平衡。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的结构，其中所述环主体形成陀螺仪的部分。
【文档编号】G01C19/5684GK104185774SQ201380013879
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月13日
【发明者】C.P.费尔 申请人:大西洋惯性系统有限公司