KR100211025B1 - 진동형 마이크로 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

진동형 마이크로 자이로스코프

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

본 발명은 압저항체을 이용하여 휨(bending) 변형으로부터 감지(sensing) 방향의 진동 크기를 측정하고, 이를 이용해 감지 방향의 변형이 상대적으로 크게 생기도록 구조체를 설계하여 우수한 감도를 가지는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 상하부에 지지부가 형성되며, 상하방향으로 진동하는 외부구조물; 상기 외부구조물의 내부 중앙부에 구비되며, 가로방향으로 진동하여 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전 각속도가 가해짐에 따라 회전속도에 비례하는 코리올리 힘을 수직방향으로 전달하는 진동질량; 상기 질량의 양측에 구비되며, 그에 가로방향 정전력을 제공하는 빗살전극; 및 상기 외부구조물의 상측 지지부 양단에 연결되며, 각기 다른 가진신호를 출력하여 진동을 발생시키도록 각각 전극이 구비된 제1 및 제2 앵커를 포함하는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

가진축과 수직한 방향으로 회전 각속도에 비례하는 진동의 크기는 압저항체를 이용하여 측정하는 것임.

Description

진동형 마이크로 자이로스코프

본 발명은 진동형 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로서, 특히 미세 가공 기술(micromachining)을 이용하여 제작되는 실리콘 마이크로 자이로스코프 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정 장치로 잘 알려져 있다.

이중 종래의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 고정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며, 충격과 진동에 쉽게 손상되는 등의 많은 단점을 갖고 있다.

또한, 광섬유, 레이저등을 이용한 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 가격이 비싸고, 제작이 힘들며, 부피가 크다는 단점을 극복하지 못하였다.

한편, 자이로스코프도 고감도, 저가격, 소형화가 요구되고 있으며, 이를 해결할 수 있는 각속도 측정 소자의 요구로 인해 다른 형태의 구동 원리를 갖는 센서가 개발되고 있다. 미국의 시스트론(Systron)사에서는 압전 특성을 갖는 석영(quartz)을 음차형(tuning fork type) 보의 형태로 가공하고 코리올리 힘에 의한 변형량을 검출하는 제품을 생산하고 있다. 또한 실리콘 미세 가공을 이용하여 더욱 소형화를 이룬 각속도 소자에 관한 연구가 1993년 IEEE MEMS학회에 발표되었다(J.Bernstein et al., Digest IEEE/ASME Miroco Electro Mechanical Systems(MEMS) Workshop,1993, pp.143).

미세 가공 기술을 이용하여 제작 가능한 자이로스코프는 저가와 소형화의 요구를 만족할 수 있다. 이와 같은 표면 미세 가공 기술을 이용해 제작되는 종래의 실리콘 마이크로 자이로스코프는 구조물이 놓인 평면에 수직한 방향으로 코리올리 힘이 발생하여 구조물을 진동시키는 형태의 원리를 갖는 것이 많다. 이 경우에는 공기 감쇠의 효과와 기하학적 형태의 영향 등으로 변위가 매우 작아 감도를 떨어 뜨리는 결과를 가져오기도 하고 구조물 표면의 조도(roughness)가 정전 용량(capacitance)을 감지하는 전극에 잡음(noise)으로 작용하기도 한다. 또한, 빗살 전극으로 구동되는 기존의 마이크로 자이로스코프(각속도 센서)에서는 기계 구조물에 2자유도의 운동이 가능하도록 하여 수직 방향에 대한 정전 용량의 변화를 감지하는 원리를 이용하고 있다. 그러나 정전 용량의 변화가 10^-15패러드(farad)로 너무 작아 기생 용량이나 잡음의 영향이 큰 문제점을 여전히 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압저항체을 이용하여 휨(bending) 변형으로부터 감지(sensing) 방향의 진동 크기를 측정하고, 이를 이용해 감지 방향의 변형이 상대적으로 크게 생기도록 구조체를 설계하여 우수한 감도를 가지는 진동형 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 평면 2자유도 진동 구조물에 압저항 센서(piezoresistive sensor)를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 일실시예 구성도.

제2도는 빗살 전극 사이에 불안정성이 야기되는 원리를 설명하기 위한 개략도.

제3도는 휘어진 보(beam)형태의 스프링에 압저항 센서를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 다른 실시예 구성도.

제4a도는 질화막의 취성(brittleness)이나 접합 형상에 기인해 인장력(tension)에 약한 특성을 나타낸 접합구조체의 상세도.

제4b도는 인장에 약한 기계적 성질을 개선한 절연 접합부의 상세도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 외부구조물 2 : 제1 스프링

3 : 빗살 전극 4 : 제2 스프링

5, 6, 7 : 제1, 제2, 제3 앵커 8 : 절연접합체

9 : 압저항체 10 : 접지전극

11, 12 : 센서전극 13 : 절연층

14 : 금속전선 15 : 진동질량

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부구조물과, 상기 외부구조물의 내부에 구비된 진동질량과, 상기 외부구조물과 진동질량을 연결하는 제1 스프링; 상기 외부구조물을 지지하는 제2 스프링; 상기 제2 스프링과 연결된 두개의 앵커로 이루어진 지지부; 상기 지지부에 연결되어 상기 진동질량에 구동력을 제공하는 가진전극으로 이루어진 가진부; 상기 제2 스프링위에 형성되어 진동질량의 상하방향의 진동크기를 검출하는 검출부; 및 상기 외부구조물과 상기 지지부의 연결부위에 장착되어 전기적으로 절연시키고 기계저긍로 결합하는 절연 접합부를 포함한다.

또한, 본 발명은 상하부에 지지부가 형성되며, 상하방향으로 진동하는 외부구조물; 상기 외부구조물의 내부 중앙부에 구비되며, 가로방향으로 진동하여 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전 각속도가 가해짐에 따라 회전속도에 비례하는 코리올리 힘을 수직방향으로 전달하는 진동질량; 상기 질량의 상하방향의 진동크기를 검출하는 검출부; 상기 질량의 양측에 구비되며, 그에 가로방향 정전력을 제공하는 빗살 전극; 및 상기 외부구조물의 상측 지지부 양단에 연결되며, 각기 다른 가진신호를 출력하여 진동을 발생시키도록 각각 전극이 구비된 제1 및 제2 앵커를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제1도은 평면 2자유도 진동 구조물에 압저항 센서(piezoresistive sensor)를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 일실시예 구성도이다. 제2도는 빗살 전극 사이에 불안정성이 야기되는 원리를 설명하기 위한 개략도이다. 제3도은 휘어진 보(beam)형태의 스프링에 압저항 센서를 적용한 본 발명의 진동 자이로스코프의 다른 실시예 구성도이다. 제4a도는 질화막의 취성(brittleness)이나 접합 형상에 기인해 인장력(tension)에 약한 특성을 나타낸 접합구조체의 상세도이다. 제4b도는 인장에 약한 기계적 성질을 개선한 절연 접합부의 상세도이다.

도면에서 1은 외부구조물, 1a는 지지부, 2는 제1 스프링, 3은 빗살 전극, 4는 제2 스프링, 5, 6, 7은 제1, 제2, 제3 앵커, 8은 절연접합체, 9는 압저항체, 10은 접지전극, 11, 12는 센서전극, 13은 절연층, 14는 금속전선, 15는 진동질량을 각각 나타낸 것이다.

본 발명의 진동형 마이크로 자이로스코프는 기존 정전 용량 측정법의 단점을 극복하기 위해 압저항 물질을 이용한 측정 방법을 제안하여 감지 방향의 진동을 보의 휨 변형으로 변환하고 이를 압저항 물질을 이용해 측정할 수 있도록 하며, 또한 평면내에서 2자유도 운동이 가능한 구조를 제안하고 있으며, 이를 위해 필요한 절연접합체가 우수한 기계적 성질을 갖고 있어 외부로부터의 진동 환경에서도 견딜 수 있도록 구현한 것으로, 먼저 가진(excitation) 및 감지(sensing)의 운동이 구조물이 놓인 평면 내에 모두 존재하도록 고안된 본 발명의 마이크로 자이로스코프의 구조 및 원리를 살펴보면 다음과 같다.

제1도은 평면 2자유도 구조체의 구동 원리와 함께 압저항 감지의 방법을 보여준다.

사각틀 형상으로 상하부에 지지부(1a)가 형성된 외부구조물(1)의 중앙부에 사각형 구조물을 질량(15)이 구비된다. 또한, 상기 외부구조믈(1)의 상하 지지부(1a)에는 제1 내지 제3 앵커(anchor)(5, 6, 7)가 연결되며, 이 부분을 제외한 외부구조물의 모든 부분은 기판으로 부터 떠있는 상태로 되어 있다. 제1 스프링(2)는 질량(15)과 외부 구조물(1)을 연결하고 있고, 상기 제1 스프링(2)에 연장하는 제2 스프링(4)은 외부 구조물(1)과 앵커(5, 6, 7)를 연결하며 전체 구조물을 지지하고 있다. 상기 질량(1)은 그의 양측에 형성된 빗살 전극(3)으로 부터 정전력을 받아 x방향으로 진동한다.

각기 다른 가진 신호가 제1 및 제2 앵커(5, 6)의 전극 (13, 14)에서 각각 출력되어 가진 전극으로 가해져 진동을 일으키는데, 이때, 상기 질량(1)은 제3 앵커(7)에 연결되어 접지 상태로 된다. 여기서, 절연접합체(8)은 제1 스프링(2)과 제2 스프링(4) 사이에 구비되어 가진 전극(13, 14)과 접지 상태의 질량(15)을 전기적으로 절연시키고, 기계적으로 결합시키는 역할을 한다. 외부로부터 평면에 수직한 회전축을 가지는 회전 각속도가 가해지면 x방향으로 가진(加振)되고 있는 질량(15)은 회전 속도에 비례하는 코리올리의 힘을 y방향으로 받는다. 이때 제1 스프링(2)은 질량(15)의 y방향 운동을 구속하고 외부 구조물에 힘을 전달한다. 힘을 받은 외부 구조물은 제2 스프링(4)의 안내에 의해 y방향으로 진동하게 된다.

이 y방향의 진동량을 압저항 방법으로 측정하여 각속도에 비례하는 신호를 얻는다.

진동량 측정을 위한 압저항체(9)는 제3 앵커(7)와의 연결부위인 폴리실리콘으로 제작된 제2 스프링(4)에 보론(B)을 도핑하므로써 그 특성을 갖는다. 상기 압저항체(9)는 제3 앵커(7)와 연결되어 접지 상태에 있는 스프링(4)에서 휨 변형이 가장 큰 부분에 위치한다.

제1도의 확대도에 도시한 바와 같이 상기 압저항체(9)의 위치와 함께 절연막(13) 위에 있는 금속 전선(14)의 연결 및 전극의 배치를 보여준다. 상기 제2 스프링(4)에 도핑된 압저항체(9)는 가능한 제3 앵커(7)에 근접되게 위치되도록 제2 스프링(4) 폭의 가장자리에 위치하여 최대의 변형율을 측정할 수 있도록 한다.

또한, 상기 제2 스프링(4)의 폭의 치수는 압저항체(9)와 금속 전선(14)의 선폭을 고려해 적정값이 되도록 한다. 감도의 개선을 위해 휨 변형을 받는 제2 스프링(4)의 양쪽 폭 가장자리에 대칭이 되도록 압저항체 센서(11, 12)를 배치하는 것도 가능하다. 구조체의 접지 전극(10)과 센서전극(11, 12)은 각각 제3 앵커(7)에 일렬로 위치되는데, 상기 센서 전극(11, 12)과 금속 전선(14)은 질화막위에 놓여 도핑된 폴리실리콘 구조체와 절연되어 있다.

이와 같이 본 발명의 자이로스코프는 보(beam)의 휨(bending)에 의해 얻은 큰 변형율을 압저항체(9)를 이용해 측정하므로써 센서의 감도를 개선시킬 수 있다.

제1도에서 보여준 자이로스코프는 y방향으로의 잡음에 영향을 받을 수 있지만, 가진 신호의 변조 주파수(modulation frequency)가 감지 신호의 대역보다 훨씬 높으므로 이 영향을 무시할 수 있다.

제2도는 빗살 전극에서 발생할 수 있는 불안정성의 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 간격이 d인 두 빗살 전극(3a, 3b) 사이에 전압차 V가 인가되면 위치에너지 U는 다음 수학식 1과 같다.

이 된다. 이때는 유전율(permittivity)이고, t는 빗살 전극의 두께, l은 중첩된 빗살의 길이, n은 이동 전극(3b)의 빗살 갯수이다. 만약 d가 일정하다고 가정하면, 전극(3b)가 받는 y방향의 정전력 fy 는 빗살의 쌍에 의해 상쇄되어 0이 되고 x방향의 정전력 fx 는 다음 수학식 2와 같다.

즉, 전극(3b)가 y방향으로 Δd만큼 약간 이동했다고 가정하면 x방향의 정전력은 다음 수학식 3와 같다.

즉, x 방향의 정전력은 상기 [수학식 3]과 같이 되어 상기 [수학식 2]와 거의 차이가 나지 않지만, y방향의 정전력은 다음 수학식 4와 같이 되어 더욱 Δd를 증가시키는 방향으로 힘을 가하게 된다.

즉, Δd가 발생하면, 두 전극(3a, 3b) 사이에 불안정성이 생겨 최악의 경우 두 전극이 붙게 된다.

제1도의 진동 질량(15)은 x방향과 y방향으로 모두 진동하지만, 빗살 전극(3)사이의 간격을 항상 일정하게 유지할 수 있으므로 상기 빗살 전극(3)에서의 불안정성은 야기되지 않는다.

제3도은 휘어진 제2 스프링(4)에 압저항체(9)의 특성을 가지게 한 후 제2 스프링(4)의 변형율을 측정하는 원리를 가지는 다른 실시예시도를 보여준다. 제3도에 보인 바와 같이 제2 스프링(4)은 휘어진 보의 형태를 하고 있어 y방향의 코리올리 힘이 휨으로 작용해 큰 변형율이 얻어지므로 센서의 감도를 개선할 수 있다. 제1도과 비교하여 볼 때, 제3도의 구조는 변형율을 크게 하는 데는 한계가 있으나, 압저항체의 도핑과 금속 전선을 입히는 공정에서 치수의 제약을 받지 않는다는 장점이 있다.

제4도는 제1도과 제3도의 마이크로 자이로스코프에 대한 절연접합체(8)를 확대해서 보여주고 있으며, 이때 실리콘 구조체의 불연속 지점에 증착한 절연 재질로는 희생층 산화막의 식각 용액과 반응성이 없는 질화막을 선택한다. 절연접합체(8)의 구조가 제4a도와 같을 경우에는 질화막의 취성(brittleness)이나 접합 형상에 기인해 인장력(tension)에 약한 특성을 나타낸다. 본 실시예에서는 제4a도와 같은 재질과 공정을 사용하고도 위에서 설명한 약점을 보완한 구조를 제안한다. 즉, 제4b도에 보인 바와 같이, 고리형의 구조는 질화막에 의한 접합 면적이 넓어서 큰 접합력을 갖고, 보가 인장을 받을 경우에도 일부 접합부는 압축을 받게 설계되어 있으므로 인장에 약한 질화막의 기계적 성질을 극복할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 휨을 받는 보의 변형을 압저항으로 측정하고, 절연 접합 방식을 이용한 구조적 설계로 감지 방향의 변형을 증가시키는 방법을 통해 미세 가공 기술을 이용한 마이크로 자이로스코프의 고감도화를 이룰 수 있는 효과를 가진다.

Claims (7)

1. 외부구조물; 상기 외부구조물의 내부에 구비된 진동질량; 상기 외부구조물과 상기 진동질량을 연결하는 제1 스프링; 상기 외부구조물을 지지하는 제2 스프링; 상기 제2 스프링과 연결된 두 개의 앵커로 이루어진 지지부; 상기 지지부에 연결되어 상기 진동질량에 구동력을 제공하는 가진전극으로 이루어진 가진부; 상기 제2 스프링위에 형성되어 진동질량의 상하방향의 진동크기를 검출하는 검출부; 및 상기 외부구조물과 상기 지지부의 연결부위에 장착되어 전기적으로 절연시키고 기계저긍로 결합하는 절연 접합부를 포함하여 이루어진 진동형 마이크로 자이로스코프.
2. 상하부에 지지부가 형성되며, 상하방향으로 진동하는 외부구조물; 상기 외부구조물의 내부 중앙부에 구비되며, 가로방향으로 진동하여 외부로부터 평면에 수직한 축을 갖는 회전 각속도가 가해짐에 따라 회전속도에 비례하는 코리올리 힘을 수직방향으로 전달하는 진동질량; 상기 진동질량의 상하방향의 진동크기를 검출하는 검출부; 상기 질량의 양측에 구비되며, 그에 가로방향 정전력을 제공하는 빗살 전극; 및 상기 외부구조물의 상측 지지부 양단에 연결되며, 각기 다른 가진신호를 출력하여 진동을 발생시키도록 전극이 각각 구비된 제1 및 제2 앵커를 포함하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
3. 제2항에 있어서, 상기 외부구조물의 지지부와 진동질량을 연결하며, 상기 진동질량의 세로방향 운동을 구속하고 외부구조물에 힘을 전달하는 제1 스프링과, 상기 외부구조물과 제1 및 제2 앵커를 연결하며, 힘을 받은 상기 외부구조물이 세로방향으로 진동하도록 안내하는 제2 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
4. 제2항에 있어서, 상기 외부구조물의 상측 지지부와 제1 및 제2 앵커의 연결부위에 장착되어 전기적으로 절연시키고, 기계적으로 결합하는 절연접합수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
5. 제4항에 있어서, 상기 절연접합수단은, 인장에 약한 기계적 성질을 개선시키기 위한 평면적인 고리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
6. 제3항에 있어서, 상기 검출부는, 상기 제2 스프링위에 형성되어 상기 진동질량의 상하방향의 진동크기를 측정하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
7. 제2항에 있어서, 상기 외부 구조물의 지지부와, 제3 앵커를 연결하도록 좌우 방향으로 배치된 보스프링을 더 포함하여, 상기 보스프링의 소정 위치를 압저항 물질을 도포하여 각속도에 비례하는 외부구조물의 상하 방향 진동 크기를 보의 휨 변형으로 측정하는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.