KR100360479B1 - 진동구조물의고유진동수조정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진동 구조물의 고유 진동수 조정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 정전력이 가해지는 제 1 축 방향에 길이 방향이 일치하는 스프링 부재(3), 상기 제 1 축 방향에 평면상 직교하는 제 2 축 방향에 길이 방향이 일치하며 상기 스프링 부재(3)의 폭보다 좁은 폭을 지니는 제 2 축 방향의 스프링 부재(2, 4) 및, 질량체(5)를 구비하는 진동구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법에 있어서, 상기 진동 구조물(24)의 제 1 축 및 이에 수직으로 직교하는 제 3 축 방향에 대한 고유 진동수를 측정하는 측정 단계, 상기 제 1 축 방향의 고유 진동수를 고정시킨 상태에서 상기 제 3 축 방향의 고유 진동수를 조정할 수 있도록, 상기 제 1 축 방향의 스프링 부재(3)의 두께를 변화시키는 두께 증감 단계 및, 상기 측정 단계에서 측정된 제 1 축 및 제 3 축 방향의 고유 진동수가 허용 오차 범위내에 들어올때까지 상기의 측정 단계 및 두께 증감 단계를 반복하는 반복 단계를 포함하는 진동 구조물 (24)의 고유 진동수 조정방법이 제공된다. 본 발명에 따른 2 축 진동 구조물의 고유 진동수 조정방법은 진동 구조물의 고유 진동수를 설계치에 일치되게 조정할 수 있도록 함으로써 센서의 감도 향상, 직선성 향상, 작동 대역 폭의 증가를 가져오는 효과가 있다.

Description

진동 구조물의 고유 진동수 조정 방법
본 발명은 진동 구조물의 고유 진동수 조정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진동 구조물의 일부의 두께를 증감시킬 수 있도록 증착 또는 에칭 작업을 통해 진동 구조물의 고유 진동수를 조정하는 방법에 관한 것이다.
진동 구조물이 특정의 고유 진동수로 진동할 수 있도록 보정하는 것은 매우 중요한 기술이며, 가습기등에 사용되는 크리스탈 진동자, SAW(surface acoustics wave) 필터 등에 많이 이용된다. 그런데 수정진동자나 SAW 필터 등은 단일의 진동 모드로 진동하므로 종래 기술에 따른 주파수 조정 방법을 이용하여 비교적 용이하게 조정할 수 있다. 그러나 2 가지 진동 모드로 진동하는 2 축 진동 구조물은 기존의 주파수 조정 방법으로는 조정이 용이하지 않으므로 새로운 주파수 조정 방법이 필요하다.
한편, 2 축 진동 구조물은 최근에 들어 그 용도가 대우 다양해졌다. 진동 구조물이 사용되는 제품으로 대표적인 것으로는 자이로스코프를 예로 들 수 있다. 자이로스코프는 관성체의 각속도나 가속도를 검출하기 위한 센서의 역할을 할 수 있는데, 이미 오래전부터 미사일이나 선박, 항공기 등에서 항법 장치의 핵심 부품으로 사용되어 왔다. 그러나, 종래 군사용 또는 항공기용으로 사용되는 자이로스코프는 수만개의 부품이 정밀 가공 및 조립 공정 등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을 수 있지만, 제작 비용이 많이 들고 부피가 큰 대형의 구조를 지니게 되므로 일반 산업용이나 민생용 가전 제품에 적용되기에는 적합하지 못한 것이었다. 민수용으로 사용되는 자이로스코프는 자동차의 가속도 및 각속도를 검출하는 항법 장치나 고배율 캠코더의 손떨림을 검출하여 이를 보정하는 장치에 적용될 수 있다. 또한 의료 장비나 산업용 계측기등에도 2 축 진동 구조물을 내장한 센서가 이용된다.
제 1 도는 2 축 진동 구조물을 이용한 자이로스코프를 개략적으로 도시한 것이다. 자이로스코프의 원리는 제 1 축 방향으로 일정하게 진동하거나 회전하는 관성체가 상기 제 1 축 방향에 대하여 직각인 제 2 축 방향에서 회전 각속도의 입력을 받을때, 상기 두개의 축에 대하여 직교하는 제 3 축 방향으로 발생하는 코리올리 힘(Coriolis force)을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다. 자이로스코프는 실리콘 웨이퍼 기판(25)의 상부에 배치된 2 축 구조물(24)을 구비한다. 구조물(24)은 도전성을 지니는 재료이면 어떠한 것이라도 이용할 수 있다. 구조물(24)은 다른 부분보다 다소 두텁게 형성된 지지부(1)에 의해 실리콘 기판(25)상에 지지되어 있으며, 지지부(1)이외의 부분은 얇게 형성되어 Z 축 방향으로 이격되어 있는 상태이다. 구조물(24)에는 스프링(2, 3, 4) 부분과 질량체(5) 부분이 구비된다. 구조물(24)의 양측면에는 구조물(24)을 X 방향으로 진동시키기 위한 구동부(11)가 배치되어 있다. 구동부(11)도 도전성 재료로 형성되며 일종의 전극으로서 구동부(11)에 전류가 인가되면 구동부(11)의 핑거(12)에 정전력이 발생되어, 구조물(24)의 핑거(7)로부터 진동 운동이 야기된다. 구조물(24)의 하부에는 구조물의 Z 방향 변위를 검지할 수 있는 표면센서 전극(도시되지 않음)이 배치되어 있다. 구조물(24)의 Z 방향변위는 표면 센서 전극에 발생되는 캐패시턴스의 변화로부터 측정될 수 있다. Y 축 방향으로 입력되는 회전 관성체의 각속도를 구하려면, 구조물(24)에 대하여 상기 핑거(12)의 정전력으로 X축 방향으로 진동을 일으키면서, 진동 구조물(24)의 중심부에 위치한 중심 센서 전극(13)으로부터 X 방향의 진동수를 측정하고, 구조물(24)이 코리올리의 힘에 의해 Z 축 방향으로 진동하는 것을 구조물(24)의 하부에 배치된 표면 센서 전극으로부터 Z 방향의 진동수를 측정하여 데이타를 처리하게 된다.
위에서 설명한 바와 같이 자이로스코프는 실리콘 기판(25) 위에 고정된 지지부(1)에 여러개의 스프링(2,3,4)이 연결되어 질량체(5)를 X 방향 및 Z 방향의 2 축으로 진동 운동시키게 된다. 따라서 자이로스코프(20)는 2 축에 대하여 고유 진동수를 지닌다. 이때 자이로스코프의 성능을 보장하기 위해서는 구조물(24)의 2 축 진동에 대한 고유 진동수가 정해진 오차내에 있어야 한다. 그러나 종래 기술에 따른 반도체 제조 공정을 이용하여 구조물(24)을 제작하면 에칭 공정이나 화학적 증기 중착 등의 제조 공정에서 보통 0.1 내지 1 마이크로미터의 가공 오차가 나타난다. 이러한 제조 공정의 오차로 인하여 구조물(24)의 스프링 계수와 질량체(5)의 질량이 설계치에서 크게 벗어나게 되어 실제로 2축 방향의 고유 진동수가 원하는 값과 달라지게 된다. 따라서 자이로스코프의 성능이 저하될 수 밖에 없다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 구조물(24)에 있는 스프링(2,3,4)의 스프링 계수를 적절히 조정할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 2 축 진동 구조물의 주파수를 조정할 수 있는 신규의 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면, 정전력이 가해지는 제 1 축 방향에 길이 방향이 일치하는 스프링 부재, 상기 제 1 축 방향에 평면상 직교하는 제 2 축 방향에 길이 방향이 일치하며 상기 스프링 부재의 폭보다 좁은 폭을 지니는 제 2 축 방향의 스프링 부재 및, 질량체를 구비하는 진동 구조물의 고유 진동수 조정 방법에 있어서, 상기 진동 구조물의 제 1 축 및 이에 수직으로 직교하는 제 3 축 방향에 대한 고유 진동수를 측정하는 측정 단계, 상기 제 1 축 방향의 고유 진동수를 고정시킨 상태에서 상기 제 3 축 방향의 고유 진동수를 조정할 수 있도록, 상기 제 1 축 방향의 스프링 부재의 두께를 변화시키는 두께증감 단계 및, 상기 측정 단계에서 측정된 제 1 축 및 제 3 축 방향의 고유 진동수가 허용 오차 범위내에 들어올때까지 상기의 측정 단계 및 두께 증감 단계를 반복하는 반복 단계를 포함하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 두께 증감 단계는, 상기 구조물의 제 3 축 방향 고유 진동수가 제 1 축 방향 고유 진동수보다 높을 경우 스프링 부재의 두께를 감소시키는 두께 감소 단계가 포함된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 두께 증감 단계는, 상기 구조물의 제 3 축 방향 고유 진동수가 제 1 축 방향 고유 진동수보다 낮을 경우 스프링 부재의 두께를 증가시키는 두께 증가 단계가 포함된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 두께 감소 단계는 반응 이온 에칭, 플라즈마 에칭 또는 스퍼터링에 의해 수행된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 두께 증가 단계는 스퍼터증착, 이온 비임 스퍼터 증착, ECR 스퍼터링 증착, 이온 플레이팅, 분자 비임 에피탁시, 화학적 증기 증착 또는 MOCVD에 의해 수행된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 두께 증감 단계는 상기 스프링부재에서두께 증감이 행해질 부분에 대응하는 구멍을 구비하는 마스크를 이용하여 이루어진다.
또한 본 발명에 따르면, 정전력이 가해지는 방향과 일치하는 제 1 축 방향의 스프링 부재, 상기 제 1 축 방향에 직교하며 상기 스프링부재의 폭보다 좁은 폭을 지니는 제 2 축 방향의 스프링 부재 및 질량체를 구비하는 진동 구조물이 설치된 진동형 자이로스코프의 고유 진동수 조정 방법에 있어서, 상기 진동 구조물의 제 1 축 및 이에 직교하는 제 3 축 방향에 대한 고유 진동수를 측정하는 측정 단계, 상기 제 l축 방향의 고유 진동수를 고정시킨 상태에서 상기 제 3축 방향의 고유 진동수를 조정할 수 있도록, 상기 제 1 축 방향의 스프링 부재의 두께를 변화시키는 두께 증감 단계 및, 상기 측정 단계에서 측정된 제 1 축 및 제 3 축 방향의 고유 진동수가 허용 오차 범위내에 들어올때까지 상기의 측정 단계 및 두께 증감 단계를 반복하는 반복 단계를 포함하는 진동형 자이로스코프의 고유 진동수 조정 방법이 제공된다.
이하 본 발명을 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조로 보다 상세히 설명하기로 한다.
제 2 도는 제 1 도에 도시된 자이로스코프의 2 축 진동 구조물(24)의 주파수 응답의 일례를 그린 것이다. 이것은 X 방향 주파수 응답 곡선(32)과 Z 방향 주파수 응답 곡선(34)의 두가지 응답 곡선을 가지는데, 진동 구조물의 고유 진동수는 X 방향에 대해서는 fx(31) 이며, Z 방향에 대해서는 fz(33) 이다. 고유 진동수를 스프링의 탄성 계수 및 질량체의 질량에 대한 식으로 나타내면 다음과 같다.
여기서 kx는 스프링(2,3,4)의 X 축 방향 등가 스프링 계수이고. kz는 스프링(2,3,4)의 Z 축 방향 등가 스프링 계수이며, m 은 질량체(5)의 절량을 나타낸다. (이때 질량체(5)는 각 방향의 스프링(2,3,4)과 일체로 구성되어 있으나 질량체(5)의 질량에 비해 스프링(2,3,4)의 질량은 무시할 수 있는 정도이므로 고유 진동수의 계산시에 고려하는 질량(m)은 질량체(5)의 질량만으로 한정한다.)
통상적으로 2 축 진동 구조물은 제 1 도 및 제 3 도에 도시된 바와 같이 구동 전극에 의해 정전력이 가해지는 X 축 방향에서는 폭이 넓은 스프링 부분(3)을 지니며, 반면에 그에 직교하는 Y 축 방향에서는 폭이 좁은 스프링 부분(2,4)으로 구성된다. 스프링 부분(2,3,4)의 두께가 변하면 상기의 X 축 및 Z 축에 대한 스프링 계수도 변한다. 2 축 진동 구조물(24)의 성능을 보장하려면, 제 2 도에 있어서, X 방향의 고유진동수(31)를 고정시키고 Z 방향의 고유 진동수(33)를 변화시킴으로써 조정이 이루어져야 한다. 그런데 제 1 도 및 제 3 도에 도시된 구조물(24)과 같이 폭이 넓은 X 축 방향의 스프링(3)과 폭이 좁은 Y 축 방향의 스프링(2, 4)의 형상을 고려할때, 폭이 넓은 스프링 부분(3)의 두께를 변화시키면 X 축 방향의 스프링 계수(kx)는 거의 변화하지 않으면서 Z 축 방향의 스프링 계수( kz)만을 변화시킬 수 있다. 반면에, 폭이 좁은 스프링 부분(2 또는 4)의 두께를 변화시키면 양쪽 방향의 스프링 계수가 함께 변화한다는 문제점이 있다. 이러한 점에 착안하여, 본 발명에 따르면, 폭이 넓은 스프링 부분(3)의 두께를 변화시킴으로써 X축 방향의 고유 진동수(fx) 는 고정시킨 상태에서 Z 축 방향의 고유진동수( fz)를 조정한다.
제 3 도에는 본 발명에 따라서 2 축 진동 구조물(24)의 고유 진동수를 조정하는 방법이 도시되어 있다. 폭이 넓은 스프링(3)의 두께를 변화시키는 것은 마스크(51)를 이용하여 소정 부위(53)에 다른 물질을 증착시키거나 에칭시킴으로써 수행된다. 증착 방법으로 많이 사용되는 방법은 스퍼터 증착, 이온 비임 증착, ECR 스퍼터링 증착, 이온 플레이팅 증착, 분자 비임 에픽탁시, CVD(화학 증기 증착) 및 MOCVD 등이 사용될 수 있다. 에칭을 하는 경우, 반도체 공정에서 많이 사용되는 RIE(반응이온 에칭)을 이용하여 스프링의 일부를 제거할 수 있다. 예를 들면 1/100 내지 1/10 토르 정도에서 CF4가스를 이용하면 0.05 내지 1 ㎛/min의 속도로 에칭할 수 있다. 이외에도 프라즈마 에칭, 스퍼터링의 에칭을 이용하여 스프링(3)의 두께를 변화시킬 수 있다. 마스크(51)에는 구멍(52)이 형성되어 있는데 이것은 스프링 (3)의 두께를 변환시켜야 할 부분(53)에 대응되도록 형성된다. 제 4 (가) 도 및 (나) 도는 A-A 선을 따라서 도시한 단면을 도시한 것인데, (가)도의 경우는 에칭에 의해서 스프링의 일부(53A)가 제거된 것이고 (나)도의 경우는 일부(53A)가 증착된 것이다.
스프링(3)의 두께를 변화시켜서 고유 진동수를 조정하는 것은 반복적인 시행 착오법으로 진행된다. 일단 구조물(24)이 제작된 이후에 각각의 축 방향에 대한 고유 진동수를 측정한다. X 축 방향에 대한 고유 진동수 측정은 구조물의 중심부에위치한 중심 센서 전극(13)을 이용하여 행하며, Z 축 방향에 대한 고유 진동수 측정은 기판(25)에 배치된 센서 전극(도시되지 아니함)을 이용하여 행할 수 있다. 측정된 고유 진동수를 비교하여 fz(33) 가 fx(31) 보다 높을 경우에는 제 4 (가) 도와 같이 에칭 작업을 함으로써 kz를 감소시켜서 fz를 감소시킬 수 있다. 그 반대인 경우에는 제 4(나) 도와 같이 종착 작업을 하여 fz를 증가시킬 수 있다. 에칭이나 종착 작업이 종료되면 각각의 축 방향에 대한 고유 진동수가 일정한 오차 범위내에 들어오는가를 측정한 이후, 다시 위와 같은 작업을 행한다.
본 발명에 따른 2 축 진동 구조물의 고유 진동수 고정 방법은 진동 구조물의 고유 진동수를 설계치에 일치되게 조정할 수 있도록 함으로써 센서의 감도 향상, 직선성 향상, 작동 대역 폭의 증가를 가져오는 효과가 있다. 또한 진동 구조물의 주파수 오차를 조정할 수 있도록 함으로써 진동 구조물을 이용하는 자이로스코프, 각속도 센서 및 가속도 센서 등의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
제 1 도는 종래 기술에 따른 자이로스코프의 개략적인 사시도.
제 2 도는 진동 구조물의 X 축 및 Z 축의 고유 진동수를 나타내는 그래프.
제 3 도는 본 발명에 따라 진동 구조물의 고유 진동수를 조정하는 방법을 도시하는 개략적인 사시도.
제 4 도는 제 3 도의 A-A 선을 따라 도시한 단면도.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
2. 3, 4, 스프링 5. 질량체
6. 7, 12. 14. 핑거 11. 구동 전극
13. 중심 센서 전극 24. 2 축 진동 구조물
51. 마스크 52. 구멍
53. 두께 증감 부분 53A. 두께 감소 부분
53B. 두께 증가 부분

Claims (7)

  1. 정전력이 가해지는 제 1 축 방향에 길이 방향이 일치하는 스프링 부재(3), 상기 제 1 축 방향에 평면상 직교하는 제 2 축 방향에 길이방향이 일치하며 상기 스프링 부재(3)의 폭보다 좁은 폭을 지니는 제 2 축 방향의 스프링 부재(2, 4) 및, 질량체(5)를 구비하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법에 있어서,
    상기 진동 구조물(24)의 제 1 축 및 이에 수직으로. 직교하는 제 3 축 방향에 대한 고유 진동수를 측정하는 측정 단계,
    상기 제 1 축 방향의 고유 진동수를 고정시킨 상태에서 상기 제 3 축 방향의 고유 진동수를 조정할 수 있도록, 상기 제 1 축 방향의 스프링 부재(3)의 두께를 변화시키는 두께 증감 단계 및,
    상기 측정 단계에서 측정된 제 1 축 및 제 3 축 방향의 고유진동수가 허용 오차 범위내에 들어올때까지 상기의 측정 단계 및 두께증감 단계를 반복하는 반복 단계를 포함하는 진동 구조물(24)의 고유진동수 조정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 두께 증감 단계는, 상기 구조물(24)의 제 3 축 방향 고유 진동수가 제 1 축 방향 고유 진동수보다 높을 경우 스프링 부재(3)의 두께를 감소시키는 두께 감소 단계를 특징으로 하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 두께 증감 단계는, 상기 구조물(24)의 제 3 축 방향 고유 진동수가 제 1 축 방향 고유 진동수보다 낮을 경우 스프링 부재(3)의 두께를 증가시키는 두께 증가 단계를 특징으로 하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 두께 감소 단계는 반응 이온 에칭, 플라즈마 에칭 또는 스퍼터링에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 두께 증가 단계는 스퍼터 종착, 이온 비임 스퍼터 증착, ECR 스퍼터링 증착, 이온 플레이팅, 분자 비임 에피탁시, 화학적 증기 증착 또는 MOCVD에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 두께 증감 단계는 상기 스프링부재(3)에서 두께 증감이 행해질 부분(53)에 대응하는 구멍(52)을 구비하는 마스크(51)를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동 구조물(24)의 고유 진동수 조정 방법.
  7. 정전력이 가해지는 방향과 일치하는 제 1 축 방향의 스프링부재(3), 상기 제 1 축 방향에 직교하며 상기 스프링 부재(3)의 폭보다 좁은 폭을 지니는 제 2 축 방향의 스프링 부재(2, 4) 및 질량체(5)를 구비하는 진동 구조물(24)이 설치된 진동형 자이로스코프(20)의 고유진동수 조정 방법에 있어서,
    상기 진동 구조물(24)의 제 1 축 및 이에 직교하는 제 3 축 방향에 대한 고유 진동수를 측정하는 측정 단계,
    상기 제 l축 방향의 고유 진동수를 고정시킨 상태에서 상기 제 3 축 방향의 고유 진동수를 조정할 수 있도록, 상기 제 1 축 방향의 스프링부재(3)의 두께를 변화시키는 두께 증감 단계 및,
    상기 측정 단계에서 측정된 제 1 축 및 제 3 축 방향의 고유진동수가 허용 오차 범위내에 들어올때까지 상기의 측정 단계 및 두께 증감 단계를 반복하는 반복 단계를 포함하는 진동형 자이로스코프의 고유 진동수 조정 방법.
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