KR100258173B1 - 공진형 마이크로 자이로스코프 및 그 제조 방법과 이를 이용한 각속도 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 공진형 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로, 특히 미세 가공 기술로 제작 가능한 마이크로 브리지의 정상파를 이용하는 자이로스코프 및 그 제조 방법과 이를 이용한 각속도 측정 방법에 관한 것이다.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프는 미세 가공 기술로 제작된 브리지 형태의 구조체를 압전소자를 이용해 공진시켜 휨 변형을 일으키고, 외부의 회전 속도에 의한 코리올리 힘이 발생할 때 이로 인한 공진 모드의 변화를 압전 소자를 이용해서 검출하는 방법을 이용한다. 그러므로 기존의 진동형 자이로스코프에 비해 고진공 내에서의 작동과 공진 모드 주파수의 조율 등의 문제가 심각히 요구되지 않는다.
3. 발명의 해결 방법의 요지
본 발명에 의한 자이로스코프는 브리지형 양단의 구속 보가 낮은 공진 모드로 휨에 의한 진동을 하도록 가진 전극을 보 위의 세 지점에 위치 시키고, 보의 공진 모드의 곡선 중 변곡점으로 작용하는 부분, 즉 휨 모멘트가 작용하지 않아 휨에 의한 응력이 공진중 항상 0이 되는 지점에 검출 전극을 위치시킨다. 보의 길이 방향에 수직하고 동시에 진동 변위에 수직한 방향으로 외부 각속도가 가해지면 코리올리의 힘이 보의 길이 방향으로 가해지게 되므로 공진의 모드를 변형시켜 검출 전극이 위치한 지점에서 0이 아닌 휨 응력이 발생하게 된다. 이 응력에 의한 변형의 크기는 외부의 회전 각속도에 비례하므로 이 변형의 크기를 압전 소자를 이용하여 측정하므로 각속도 검출의 기능을 수행하게 된다.
Description
본 발명은 공진형 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로, 특히, 미세 가공 기술(micromachining)로 제작 가능한 마이크로 브리지의 정상파를 이용한 자이로스코프 및 그 제조 방법과 이를 이용한 각속도 측정 방법에 관한 것이다.
자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차 등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정장치로 잘 알려져 있다. 그러나 기존의 회전형 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 가격이 비싸고 제작이 힘들며 부피가 크다는 단점을 극복하지 못하였다. 이에 따라 고감도, 저가격, 소형화에의 요구를 해결할 수 있는 각속도 측정 소자의 요구로 인해 새로운 형태의 구동 원리를 갖는 센서가 개발되고 있다. 종래의 기술에서는 압전 특성을 갖는 석영(quartz)을 음차형(tuning fork type) 보의 형태로 가공하고 코리올리 힘에 의한 변형량을 검출하는 진동형 자이로스코프를 생산하고 있다. 또한 실리콘 미세 가공을 이용하여 더욱 소형화를 이룬 진동형 각속도 측정 소자 및 압전 효과를 이용하여 디스크나 실린더 형태의 구조체를 공진 시키면서 회전 각속도에 비례하여 공진의 모드 형태가 변하는 양을 측정하는 각속도계가 발표되고 있다. 이러한 미세 가공 기술을 이용하여 제작 가능한 자이로스코프는 저가와 소형화의 요구를 만족 할 수 있다. 그런데 표면 미세 가공 기술을 이용해 제작되는 종래의 진동형 실리콘 마이크로 자이로스코프는 구조물이 놓여서 진동하는 평면에 수직한 방향으로 코리올리 힘이 발생하여 구조물을 진동시키는 형태의 원리를 갖는 것이 많다. 이 경우에는 공기 감쇠의 효과를 줄여 감도를 높이기 위하여 진공 패키징 공정이 요구되고, 가진(excitation)과 검출의 진동 모드가 서로 수직하게 위치하므로 감도 향상을 위해서는 두 모드의 주파수를 가능한 정확히 조율(tuning)해야 하는 등의 복잡한 문제점을 안고 있다.
본 발명의 공진형 마이크로 자이로스코프는 기존 정전 용량 측정법의 단점을 극복하기 위해 검출 전극의 형성이 쉽고 감도가 우수한 압전 소자를 이용한 검출을 제안 하였다. 또한 휨 모멘트에 의한 변형을 받지 않는 공진 모드의 변곡점을 검출점으로 지정하여 외부 회전 각속도에 의한 코리올리의 힘으로 인해 이 검출점이 받는 변형의 양을 측정함으로써 가진과 동일한 방향으로 검출을 할 수 있는 방법을 제안 하고 있다.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 센서의 구조가 실리콘과 압전 박막 및 금속 전극의 적층형으로 구성되어 기존의 디스크 형이나 실린더 형의 공진 자이로스코프에 비해 더 쉽게 반도체 제조 공정으로 구현이 가능하고, 압전 소자를 이용하여 가진과 검출을 수행할 수 있고, 특히 검출이 가진과 동일 방향에서 이루어지도록 구조를 고안하여 종래의 진동형 자이로스코프에서와 같은 주파수 조율이 필요없는 저가의 고감도 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공진형 마이크로 자이로스코프는, 공진형 마이크로 자이로스코프를 이용한 각속도 측정 방법에 있어서, 브리지형 보가 다수의 가진 전극에 의해 그 길이에 수직한 방향으로 휨 변형 공진을 일으키도록 한 상태에서, 상기 보의 공진 모드 크기가 변화 되도록 하는 단계와, 상기 보의 공진 모드 변곡점에 형성된 다수의 검출 전극으로 부터 공진 모드의 크기를 측정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
공진형 마이크로 자이로스코프에 있어서, 양단이 앵커에 의해 지지되는 브릿지형 보와, 상기 보 표면에 순차적으로 증착되는 금속 전극 박막 및 압전 박막과, 상기 압전 박막 상에 증착되어 상기 보를 그 길이의 방향과 수직한 방향으로 휨 변형 공진시키는 다수의 가진 전극과, 상기 압전 박막 상에 증착되어 휨 변형 공진을 하는 상기 보의 공진 모드 크기를 측정하는 다수의 검출 전극으로 이루어져, 상기 가진 전극에 의한 보의 휨 변형 공진시 상기 보의 측 방향에서 가해지는 힘에 의한 상기 보의 회전 각속도가 상기 검출 전극에 의해 검출되도록 하는 것을 특징으로 한다.
공진형 마이크로 자이로스코프의 제조 방법에 있어서, 양단 구속 보의 상부에 금속 전극 박막 및 압전 박막을 순차적으로 증착시키는 단계와, 상기 압전 박막 상부에 상기 보의 중앙부 및 양 단부에 각각 대응하는 다수의 가진 전극을 증착하는 단계와, 상기 보의 휨 변형 공진 모드 변곡점에 다수의 검출 전극을 각각 증착하는 단계와, 상기 전극들을 상기 앵커 상부에 위치한 다수의 패드에 각각 접속시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1(a)는 본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프를 설명하기 위해 도시한 구성도.
도 1(b)는 휨에 의한 제 1 차 공진모드를 설명하기 위해 도시한 도 1(a)의 정면도.
도 2(a)는 본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 평면도.
도 2(b)는 도 2(a)의 정면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11 및 21 : 실리콘 보 12 및 22 : 제 1 가진 전극
13 및 23 : 제 1 검출 전극 14 및 24 : 제 2 검출 전극
15 및 25 : 제 2 가진 전극 16 및 26 : 제 3 가진 전극
17 및 27 : 앵커 28 : 압전 박막
29 :금속 전극 박막 30 : 제 1 가진 전극의 패드
31 : 제 1 검출 전극의 패드 32 : 제 2 가딘 전극의 패드
33 : 제 2 검출 전극의 패드 34 : 제 3 가진 전극의 패드
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1(a)는 본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프를 설명하기 위해 도시한 구성도이고 도 1(b)는 휨에 의한 제 1 차 공진모드를 설명하기 위해 도시한 도 1(a)의 정면도이다. 본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프는 실리콘 보(11)의 양 끝단에 보를 고정시키는 앵커(17)로 구성되어 있고, 실리콘 보(11)의 상부 중앙에 제 1 가진 전극(12), 실리콘 보의 양 끝단에 제 2 및 제 3 가진 전극(15 및 16)이 위치하며 실리콘 보(11)의 휨에 의한 1차 진동 모드의 변곡점에 위치한 제 1 및 제 2 검출 전극(13 및 14)으로 구성된다. 실리콘 보(11)가 세 개의 가진 전극에 의해 실리콘 보(11)가 이루는 평면에 수직한 방향(A)으로 휨 변형 공진을 하고, 실리콘 보(11)의 길이 방향과 진동 방향(A)에 수직한 회전 각속도(B)로 인해 발생하는 코리올리 힘(C)에 의해 공진 모드가 변형되면 그 변형의 크기를 공진 모드의 변곡점에 위치한 두 개의 검출 전극(13 및 14)에서 측정한다.
본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프의 제조 방법을 통해 그 작용을 상세히 설명한다.
도 2(a)는 본 발명에 의한 공진형 마이크로 자이로스코프의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 평면도이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 정면도이다. 양단 구속 실리콘 보(21)의 상부에 금속 전극 박막(29) 및 압전 박막(28)을 순차적으로 증착시키고, 실리콘 보(21)의 중앙에 위치하도록 압전 박막(28)의 상부에 제 1 가진 전극(22)을 증착 시킨다. 또한 실리콘 보(21)의 양 끝단에 위치하도록 압전 박막(28)의 상부에 제 2 및 제 3 가진 전극(26 및 26)을 각각 증착 시킨다. 실리콘 보(21)의 휨에 의한 1차 진동모드의 변곡점에 위치하도록 압전 박막의 상부에 제 1 및 제 2 검출 전극(23 및 24)을 각각 증착하고 각각의 모든 전극은 패드(30, 31, 32, 33 및 34)에 접속 시킨다. 실리콘 보(21)의 양 끝단에는 보를 고정시키는 앵커(27) 구조물이 구성되고 각각의 패드는 앵커(27) 상부에 위치하도록 한다.
실리콘 보(21) 상부에 증착된 금속 전극 박막(29)은 구동중 접지 상태에 놓이게 되고 압전 박막(28) 상부의 세 개의 가진 전극(22, 25 및 26)이 신호를 받게되면 압전박막(28)은 변형을 일으켜 진동이 일어난다. 이 때 제 1 가진 전극(22)과 제 2 및 제 3 가진 전극(25 및 26)은 서로 극성이 다른 신호, 즉 180 도의 위상차를 갖는 삼각 함수 신호를 받는다. 그러므로 실리콘 보(21)는 제 1 차 공진 모드로 가진 되는데 이 때의 모드 형상을 도 1(b)에 보이고 있다.
실리콘 보(21)가 위와 같은 제 1 차 공진 모드로 인해 곡선을 가질 때, 항상 변곡점이 되는 점은 곡선 내에 존재하는 된다. 이 지점의 곡률은 무한대가 되므로 휨 모멘트가 0이 되어 휨에 대한 응력이 존재하지 않는 지점, 즉 변형이 최소가 되는 지점이 된다. 그러나 외부에서 보의 길이 방향 및 가진 방향(A)에 동시에 수직한 방향(B)으로 회전 각속도가 존재하게 되면 코리올리의 힘이 보의 길이 방향(C)으로 존재하여 실리콘 보(21)의 절점(nodal point)의 위치가 길이 방향(17)으로 변화되는 효과를 가져온다. 따라서 모드 곡선의 변곡점이 되는 지점이 코리올리 힘에 따라 좌우로 진동하는 효과가 나타나므로 원래의 지점으로부터 변형이 발생한다. 바로 이 지점에 제 1 및 제 2 검출 전극을 위치시키고 각각의 전극으로부터의 신호 차를 얻으면 코리올리 힘에 의한 변형의 크기를 구할 수 있다. 두 검출 전극(23 및 24)은 실리콘 보(21)의 중앙에 대해 서로 대칭으로 배치되므로 두 검출 전극(23 및 24)의 차를 출력 신호로 사용하면 코리올리 힘에 의한 실리콘 보(21)의 비대칭 모드 변형의 신호를 얻으면서 가진에 의해 발생되는 잡음의 영향까지도 최소화 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 공진형 마이크로 자이로스코프의 구조가 실리콘, 금속 전극 및 압전 박막의 적층형으로 구성되어 반도체 제조 공정으로 구현이 가능하고, 가진 및 검출의 방향을 동일하게 하여 휨을 받는 보의 변형을 압전 박막으로 주파수 조율 없이 측정하므로 저가 및 고감도화를 이룰 수 있는 효과를 가진다.
Claims (6)
- 공진형 마이크로 자이로스코프에 있어서,양단이 앵커에 의해 지지되는 브릿지형 보와,압전박막의 상하에 증착된 다수의 전극을 이용하여 상기 보를 그 길이 방향과 수직한 방향으로 휨 변형의 공진을 발생시키는 수단과,진동의 절점에 위치한 전극을 이용하여 회전각도를 검출하는 검출 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 공진형 마이크로 자이로스코프.
- 제 1 항에 있어서,상기 보는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공진형 마이크로 자이로스코프.
- 제 1 항에 있어서,상기 가진 수단은 상기 보의 중앙부 및 상기 보의 양 단부에 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 공진형 마이크로 자이로스코프.
- 제 1 항에 있어서,상기 검출 수단은 상기 보의 중앙부를 기준으로 대칭적으로 배치된 것을 특징으로 하는 공진형 마이크로 자이로스코프.
- 제 3 항에 있어서,상기 보의 중앙부에 형성된 가진 전극과 상기 보의 양 단부에 각각 형성된 가진 전극 각각에는 서로 반전된 신호가 공급되는 것을 특징으로 하는 공진형 마이크로 자이로스코프.
- 공진형 마이크로 자이로스코프의 제조 방법에 있어서,양단 구속 보의 상부에 금속 전극 박막 및 압전 박막을 순차적으로 증착시키는 단계와,상기 압전 박막 상부에 상기 보의 중앙부 및 양 단부에 각각 대응하는 다수의 가진 전극을 증착하는 단계와,상기 보의 휨 변형 공진 모드 변곡점에 다수의 검출 전극을 각각 증착하는 단계와,상기 전극들을 상기 앵커 상부에 위치한 다수의 패드에 각각 접속시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공진형 마이크로 자이로스코프의 제조 방법.
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