KR100231715B1 - Planer vibratory microgyroscope - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진동형 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로, 종래의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 고정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며, 충격과 진동에 쉽게 손상되는 등의 많은 단점을 갖고 있다. 이에 본 발명은 정전력(electrostatic force)을 이용해 구조체를 공진시키며, 이때 공진 구조체를 지지하는 스프링을 상하 좌우 대칭으로 배열하여 구동 방향에 수직인 검출 방향으로도 항상 공진이 발생할 수 있도록 설계하므로써 기존의 진동형 자이로스코프에 비해 공진 모드 주파수의 조율이 필요없이 감도가 우수한 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration type micro gyroscope, and a conventional rotary gyroscope has many disadvantages such as being bulky and expensive to maintain high precision, and being easily damaged by shock and vibration. Accordingly, the present invention resonates the structure by using electrostatic force, and in this case, the springs supporting the resonant structure are arranged in a vertically and horizontally symmetrical manner so that resonance can always occur even in a detection direction perpendicular to the driving direction. Compared to the vibratory gyroscope, it is characterized by excellent sensitivity without the need for tuning the resonance mode frequency.
Description
본 발명은 미세 가공 기술을 이용하여 제작되는 실리콘 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.The present invention relates to silicon micro gyroscopes fabricated using micromachining techniques.
일반적으로, 자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정 장치로 잘 알려져 있다. 그런데 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.In general, gyroscopes are well known as angular velocity measuring devices used in navigational devices and inertial guidance devices such as aircraft, ships and automobiles. However, the conventional rotary gyroscope has a number of disadvantages such as being bulky and expensive to maintain high precision, and being easily damaged by shock and vibration. In addition, gyroscopes using fiber optics and lasers have excellent sensitivity, but have not overcome the disadvantages of being expensive, difficult to manufacture and bulky.
그러므로 자이로스코프도 고감도, 저가격, 소형화가 요구되고 있으며, 이를 해결할 수 있는 각속도 측정 소자의 요구로 인해 새로운 형태의 구동 원리를 갖는 센서가 개발되어 왔다. 미국의 Systron사에서는 압전 특성을 갖는 석영(quartz)을 소리 굽쇠(tuning fork) 형태로 가공하고 코리올리 힘에 의한 변형량을 검출하는 진동형 자이로스코프를 생산하고 있다. 또한 US 특허 4,655,081 ( 4/1987 J.S.Burdess et al.) 에서는 실린더 형태의 구조체를 압전 소자로 공진시키면서 회전 각속도에 비례하여 공진의 모드 형태가 변하는 양을 측정하는 각속도계를 소개하였다.Therefore, a gyroscope is required to have high sensitivity, low cost, and miniaturization, and a sensor having a new driving principle has been developed due to the demand of an angular velocity measuring device capable of solving this problem. Systron of the United States manufactures a vibratory gyroscope that processes quartz with piezoelectric properties in the form of a tuning fork and detects strain due to Coriolis forces. In addition, US Patent 4,655,081 (4/1987 J.S.Burdess et al.) Introduced an angular velocity meter that measures the amount of resonance mode change in proportion to the rotational angular velocity while resonating the cylindrical structure with a piezoelectric element.
더욱 소형화된 센서를 구현하기 위해 실리콘 미세 가공을 이용한 진동형 각속도 소자에 관한 연구가 수행되었고 그에 따른 여러가지 형태의 고안 및 발명이 이루어 졌다. 그중 US 특허 5,349,855 (9/1994 J.Bernstein et al.), 5,488,863 (2/1996 Y.Mochida et al.), 5,496,436 (3/1996 J.Bernstein et al.), 5,505,084 (4/1996 P.Greiff et al.) 등은 소리 굽쇠의 진동 원리를 응용한 마이크로 자이로스코프에 관한 발명들이고, US 특허 5,535,902 (7/1996 P. Greiff et al.)은 짐볼(gimbals)형 원판에 회전 진동을 가해서 외부의 회전 속도를 측정하는 자이로스코프에 관한 발명이다. 또한 US 특허 5,450,751 (9/1995 M.Putty et al.)는 상기 US 특허 4,655,081를 미세 가공 기술로 구현한 발명이다.In order to realize a more miniaturized sensor, a study on a vibratory angular velocity device using silicon micromachining has been carried out, and various forms of design and invention have been made. Among them, US Patents 5,349,855 (9/1994 J. Bernstein et al.), 5,488,863 (2/1996 Y. Mochida et al.), 5,496,436 (3/1996 J.Bernstein et al.), 5,505,084 (4/1996 P.Greiff et al.) and the like are inventions related to micro gyroscopes that apply the vibration principle of the tuning fork, and US Pat. No. 5,535,902 (7/1996 P. Greiff et al.) applies rotational vibration to gimbals discs to The invention relates to a gyroscope for measuring the rotational speed. In addition, US Patent 5,450,751 (9/1995 M. Putty et al.) Is an invention that implements the US Patent 4,655,081 by a fine processing technology.
상술한 언급한 발명들은 미세 가공 기술로 제작 가능한 자이로스코프로서 구조물이 놓여서 진동하는 평면에 수직한 방향으로 코리올리 힘이 발생하여 구조물을 진동시키는 형태의 원리를 갖는 것이 대부분인데, 이 원리를 이용한 발명이 실리콘 진동형 마이크로 자이로스코프의 주류를 이루고 있다.The above-mentioned inventions are gyroscopes that can be manufactured by a microfabrication technique, and most of them have a principle of vibrating the structure by generating a Coriolis force in a direction perpendicular to the plane in which the structure is placed and vibrating. It is the mainstream of silicon vibrating micro gyroscopes.
상술한 기존의 마이크로 자이로스코프는 저가와 소형화의 요구를 만족하지만, 고감도화를 위해서는 해결해야할 문제점이 몇가지 있다. 첫째, 공기 감쇠 효과를 줄이기 위해 진공 패키징 공정이 요구되고, 둘째 검출 신호를 증가시키기 위해 서로 수직하게 위치한 구동과 검출의 공진 모드 주파수를 가능한 정확히 조율(tuning)하는 작업이 필요하다.The conventional micro gyroscopes described above satisfy the requirements of low cost and miniaturization, but there are some problems to be solved for high sensitivity. First, a vacuum packaging process is required to reduce the air attenuation effect, and second, an operation of tuning the resonance mode frequencies of the driving and the detection which are located perpendicular to each other in order to increase the detection signal is required as accurately as possible.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기판에 평행한 방향으로 검출 모드가 형성되는 센서의 구조를 가지므로 기존의 기판에 수직한 방향의 검출 모드를 갖는 자이로스코프에 비해 하부 검출 전극이 필요하지 않아서 공정이 간단해지고, 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일하도록 고안된 구조를 가지므로 기존의 진동형 자이로스코프에서 요구되는 주파수 조율이 필요 없는 저가의 고감도 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and has a structure of a sensor in which a detection mode is formed in a direction parallel to the substrate, compared to a gyroscope having a detection mode in a direction perpendicular to a conventional substrate. Since the lower detection electrode is not required, the process is simplified and the structure designed to have the same resonance mode frequency of driving and detection provides a low-cost, high-sensitivity micro gyroscope that does not require the frequency tuning required by the conventional vibratory gyroscope. There is a purpose.
도 1은 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 본 발명에 의한 평면 진동형 자이로스코프의 일 실시예 구성도.1 is a configuration diagram of an embodiment of a planar vibrating gyroscope according to the present invention, which can be fabricated using a silicon on insulator (SOI) wafer and has the same resonance mode frequency of driving and detection.
도 2는 검출 전극으로부터 정전 용량의 변화를 측정하는 원리를 설명하기 위한 개략도.2 is a schematic diagram for explaining the principle of measuring a change in capacitance from a detection electrode.
도 3은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 본 발명에 의한 평면 진동형 자이로스코프의 다른 실시예 구성도.3 is another embodiment configuration diagram of a planar vibrating gyroscope according to the present invention that can be fabricated using an SOI wafer and has the same resonance mode frequency of driving and detection.
도 4는 본 발명에 의한 평면 진동형 자이로스코프의 입체적 구조 및 제조 공정에 대한 이해를 돕기위한 단면도.Figure 4 is a cross-sectional view to help understand the three-dimensional structure and manufacturing process of the planar vibrating gyroscope according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1 : 구조체 앵커 2 : 평면 진동 구조체1: Structure Anchor 2: Plane Vibration Structure
3 : 꺾어진 보 스프링 4a,4b : 좌우측 빗살 구동 전극3:
5a,5b : 좌우측 구동 전극 앵커 6a,6b : 상하부 검출 전극 앵커5a, 5b: left and right
7a,7b : 상하부 검출 전극 8 : 고정 검출 전극7a, 7b: Upper and lower detection electrodes 8: Fixed detection electrodes
9 : 이동 검출 전극 10 : 좁은 검출 간격9: moving detection electrode 10: narrow detection interval
11 : 넓은 검출 간격 12 : 구동 진동의 방향11: wide detection interval 12: direction of driving vibration
13 : 검출 진동의 방향 14 : 직류 전압13: direction of detection vibration 14: DC voltage
15a,15b : 좌우측 구동 전극 16 : 산화막15a, 15b: left and right driving electrodes 16: oxide film
17 : 기판17: substrate
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 평면 진동형 마이크로 자이로스코프는 전체 구조물의 중앙에 형성된 구조체 앵커(1)와; 상기 구조체 앵커(1)의 외부에 구비되어 상하와 좌우 방향의 2축에 대해 모두 대칭인 모양을 갖는 꺾인 보 스프링(3)과; 상기 꺾인 보 스프링(3)으로 구조체 앵커(1)에 연결되어 기판(17)으로 부터 떠있는 평면 진동 구조체(2)와; 상기 평면 진동 구조체(2)가 상기 구조체 앵커(1)에 대하여 좌우 방향으로 진동함과 동시에 회전 각속도가 가해질 경우 상하 방향으로 진동하도록 상기 평면 진동 구조체(2)의 좌우 양측에 구비되어 진동 구조체에 좌우 방향 정전력을 제공하는 빗살 구동 전극(4a,4b)과; 상기 빗살 구동 전극(4a,4b)에 구동 신호를 가하여 진동을 발생시키도록 금속 전극이 구비된 구동 전극 앵커(5a,5b)와; 평면 진동 구조체(2)가 외부 각속도에 의한 코리올리 힘을 받을 때 생기는 진동을 정전 용량 법으로 검출하도록 상기 평면 진동 구조체(2)의 상하 양단에 구비된 검출 전극(7a,7b)과; 상기 검출 전극(7a,7b)으로 부터의 정전 용량 변화를 검출 신호로 받기위해 금속 전극이 구비된 검출 전극 앵커(6a,6b)로 구성된 것을 특징으로 한다.The planar vibrating micro gyroscope according to the present invention for achieving the above object is a structure anchor (1) formed in the center of the entire structure; A curved beam spring (3) provided on the outside of the structure anchor (1) and having a symmetrical shape with respect to two axes in the vertical and horizontal directions; A planar vibrating structure (2) connected to the structure anchor (1) by the bent spring (3) and floating from the substrate (17); The planar vibrating
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도 1 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 진동형 자이로스코프의 일 실시예 구성도이고, 도 2 는 검출 전극으로부터 정전 용량의 변화를 측정하는 원리를 설명하기 위한 개략도이고, 도 3 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 진동형 자이로스코프의 다른 실시예 구성도이며, 도 4 는 평면 진동형 자이로스코프의 입체적 구조 및 제조 공정에 대한 이해를 돕기위한 단면도이다.1 is a configuration diagram of an oscillating gyroscope capable of fabricating using an SOI wafer and having the same resonant mode frequencies of driving and detection, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a principle of measuring a change in capacitance from a detection electrode. 3 is another embodiment configuration diagram of a vibrating gyroscope capable of fabricating using an SOI wafer and having the same resonant mode frequencies of driving and detection, and FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a three-dimensional structure and manufacturing process of a planar vibrating gyroscope. It is a cross section.
본 발명의 평면 진동형 마이크로 자이로스코프는 기판에 평행한 방향으로 검출 모드가 형성되는 센서의 구조를 제안하고 있으며, 또한 구동과 검출 모드의 주파수 조율이 불필요하도록 두 모드의 공진 주파수가 동일하게 고안된 상하 좌우 대칭의 꺾인 보 스프링의 구조를 제안하고 있다. 먼저 구동 및 검출의 진동이 모두 구조체가 놓인 평면에 평행하게 일어나고 두 모드 주파수가 동일하도록 고안된 본 발명의 마이크로 자이로스코프에 대한 구조및 원리를 살펴보면 다음과 같다.The planar vibration type micro gyroscope of the present invention proposes a structure of a sensor in which a detection mode is formed in a direction parallel to the substrate, and also includes a vertical resonant frequency in which the resonant frequencies of the two modes are designed so that the frequency tuning of the driving and detection modes is unnecessary. We propose the structure of symmetrical folded beam spring. First, the structure and principle of the micro gyroscope of the present invention, in which both the driving and the detection vibration occur in parallel to the plane in which the structure is placed and the two mode frequencies are the same, are as follows.
도 1 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능한 평면 진동형 자이로스코프 구조체의 전체적인 형상을 보여준다.1 shows the overall shape of a planar vibrating gyroscope structure that can be fabricated using an SOI wafer.
원의 형태로 전체 구조체의 중앙에 구조체 앵커(1)가 형성되어 있고, 상기 구조체 앵커(1)의 외부에 원형으로 구멍이 뚫린 형태의 평면 진동 구조체(2)가 구비된다. 상기 구조체 앵커(1)와 평면 진동 구조체(2)는 꺾인 보 스프링(3)으로 연결되어 상기 평면 진동 구조체(2)는 기판으로 부터 떠서 지지된다. 상기 평면 진동 구조체(2)의 좌우 양측에 형성된 빗살 구동 전극(4a, 4b)은 좌우측 구동 전극 앵커(5a, 5b)로 부터 신호를 받아 상기 평면 진동 구조체(2)를 도 1의 좌우 방향으로 가진다. 이때 외부에서 상기 평면 진동 구조체(2)가 놓인 평면에 수직하게 회전축을 갖는 각속도가 가해지면 도 1 의 상하 방향으로 코리올리의 힘이 발생하여 상기 평면 진동 구조체(2)를 상하 방향으로 진동시킨다. 상기 평면 진동 구조체(2)가 상하 방향 진동을 할 경우에 민감한 정전 용량 변화를 보이는 상하부 검출 전극(7a, 7b)이 상기 평면 진동 구조체(2)의 상하 양단에 구비되고, 상하부 검출 전극 앵커(6a, 6b)가 상기 상하부 검출 전극(7a, 7b)으로부터 외부 각속도에 비례하는 정전 용량 변화의 신호를 받는다.A structural anchor 1 is formed in the center of the entire structure in the form of a circle, and a planar
상기 꺾인 보 스프링(3)의 형태는 원의 모양의 상기 구조체 앵커(1)의 중심으로 부터 상하 좌우의 2축에 대해 대칭의 형태를 이룬다. 그러므로 상하 방향과 좌우 방향의 스프링 상수가 동일하고, 이는 곧 상하 방향과 좌우 방향의 모드 주파수가 동일함을 뜻한다. 그러므로 외부로 부터 회전 각속도가 존재할 때 상기 좌우측 빗살 구동 전극(4a, 4b)에서 기본 모드 주파수의 구동 신호가 가해지면, 상기 평면 진동 구조체(2)는 좌우 방향으로 공진함과 동시에 코리올리 힘에 의한 상하 방향으로도 공진을 한다. 상기 꺾인 보 스프링(3)으로 인해 구동과 검출 방향의 모드 주파수가 자동적으로 완전 조율되어 센서의 고감도화를 실현할 수 있다.The shape of the
도 1 의 구조체는 SOI 웨이퍼의 이방성 식각으로 패턴을 형성하고 단결정 실리콘 밑에 묻혀있던 산화막(16)을 습식 식각한다. 이때 기판에 고착되어야 할 상기 모든 앵커(1, 5a, 5b, 6a, 6b)는 패턴을 넓게하여 습식 식각이 끝난 후에도 산화막(16)이 남아 있도록 하고, 기판(17)으로부터 떠 있어야할 상기 평면 진동 구조체(2)는 많은 식각 구멍을 갖는 격자형의 구조로 만든다. SOI 웨이퍼의 미세 가공을 이용한 구조체는 단결정 실리콘이므로 기계적, 전기적 성질이 우수하고, 단면비가 높지만 하부 전극의 형성이 불가능하다. 그러므로 검출 전극의 형태를 세심히 고려해야 한다.The structure of FIG. 1 forms a pattern by anisotropic etching of an SOI wafer and wet etches the
도 2 는 상기 상부 검출 전극(7a)의 일부를 간략화하여 보여준다.2 simplifies and shows a part of the
상기 상부 검출 전극(7a)의 한 부분으로 상기 상부 검출 전극 앵커(6a)에 연결되어 있는 고정 검출 전극(8)은 고정되어 있고, 상기 상부 검출 전극(7a)의 한 부분으로 상기 상부 평면 진동 구조체(2)에 연결되어 있는 이동 검출 전극(9)은 상기 평면 진동 구조체(2)와 같이 구동 진동의 방향(12)과 검출 진동의 방향(13)으로 움직인다. 진동이 없는 초기의 평형 위치에서 상기 고정 검출 전극(8)과 이동 검출 전극(9)은 서로 좁은 검출 간격(10)과 넓은 검출 간격(11)을 갖도록 배치되어 있다.The
상기 이동 검출 전극(9)과 상기 고정 검출 전극(8)간에는 직류 전압(14)이 인가되어 상기 이동 검출 전극(9)이 이동할 경우 발생하는 정전 용량의 변화를 상기 고정 검출 전극(8)으로 검출한다. 상기 이동 검출 전극(9)이 상기 구동 진동의 방향(12)으로 움직일 경우에는 상기 고정 검출 전극(8)의 양측면에서 정전 용량의 증가와 감소가 동시에 발생하므로 서로 상쇠되어 그 변화량이 매우 적다. 상기 이동 검출 전극(9)이 상기 검출 진동의 방향(13)으로 움직일 경우에도 좁은 상기 검출 간격(10)과 상기 넓은 검출 간격(11)에서 서로 반대되는 정전 용량의 변화가 발생하지만, 상기 넓은 검출 간격(11)에서 발생하는 정전 용량의 변화는 상기 좁은 검출 간격(10)에서 발생하는 정전 용량의 변화에 비해 매우 작으므로 상기 좁은 검출 간격(10)에서의 변화가 지배적인 정전 용량의 변화를 보인다. 그러므로 상기 상하부 검출 전극(7a, 7b)은 좌우 방향의 구동 진동에는 둔감하게 정전 용량이 변화해 그 양을 무시할 수 있고 상하 방향의 진동에 대해서는 민감하게 정전 용량의 변화하여 진동에 비례하는 신호를 얻을 수 있다.The
도 3 은 상기 도 1 의 실시예에서 발생할 수 있는 불안정성의 요인을 예방하는 형태의 좌우측 구동 전극(15a, 15b)을 갖는 다른 실시예를 보인다.FIG. 3 shows another embodiment having left and right driving
도 1 의 실시예에서 상기 빗살 구동 전극(4a, 4b)은 상기 평면 진동 구조체(2)가 좌우 방향으로만 진동할 경우에 정상 작동이 유지되고 상항 방향으로 진동할 경우 불안정성이 발생할 요인을 갖고 있다. 도 3 의 실시예에서 상기 좌우측 구동 전극(15a, 15b)은 상기 상하부 검출 전극(7a, 7b)과 비슷한 형태의 구조를 가지면서 구동 행정이 길도록 설계되었다. 그러므로 상기 평면 진동 구조체(2)가 상하 방향의 진동을 하더라도 좌우측 구동 전극(15a, 15b)은 매우 작은 정전력을 받으므로 불안정성 발생의 가능성을 줄일 수 있다.In the embodiment of FIG. 1, the comb
도 4 는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프의 입체적인 구조 및 제조 공정의 이해를 돕기 위해 도1의 실시예에 대한 중앙부 단면을 보인다.FIG. 4 shows a central section of the embodiment of FIG. 1 to aid in understanding the three-dimensional structure and manufacturing process of a planar vibrating microgyroscope.
도 1 과 도 2 및 도 3 은 SOI웨이퍼의 미세 가공 기술을 이용한 자이로스코프 제작의 실시예를 보인다. 그러나 본 발명의 자이로스코프는 다결정 실리콘의 표면 미세 가공이나 금속의 도금을 이용해서도 동일한 구조체의 제작이 가능하다. 특히 다결정 실리콘의 표면 미세 가공을 이용한 자이로스코프 제작의 경우 다층 구조를 이용해 구조체 하부로 입체적인 배선을 할 수 있으므로 검출 전극의 형태 변경이 가능하다.1, 2 and 3 show an embodiment of the gyroscope fabrication using the microfabrication technology of the SOI wafer. However, the gyroscope of the present invention can produce the same structure even by using surface micromachining of polycrystalline silicon or plating of metal. In particular, in the case of manufacturing a gyroscope using the surface microfabrication of polycrystalline silicon, since the three-dimensional wiring can be performed under the structure using a multilayer structure, the shape of the detection electrode can be changed.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those who have
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 자이로스코프 구조체의 구동과 검출 방향의 진동이 한 평면위에 놓이고, 그 진동의 모드가 동일하도록 구조체를 지지하는 스프링의 형태를 좌우 및 상하 축에 대칭되게 설계하여 주파수 조율이 필요 없이 자이로스코프의 고감도화를 이룰 수 있는 효과를 제공한다.As described above, according to the present invention, the vibration of the gyroscope structure and the direction of detection lies on one plane, and the shape of the spring supporting the structure is symmetrically on the left and right and up and down axes so that the modes of vibration are the same. It provides the effect of achieving high sensitivity of the gyroscope without the need for frequency tuning.
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-
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