KR100373484B1

KR100373484B1 - 진동형 마이크로자이로스코프

Info

Publication number: KR100373484B1
Application number: KR10-2000-0033928A
Authority: KR
Inventors: 김용권; 임형택; 임재욱
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2003-02-25
Also published as: WO2001055674A2; JP2003531359A; KR20010077832A; DE10195200T1; AU3062401A; US20030084722A1; WO2001055674A3; DE10195200B4

Abstract

본 발명은 진동형 마이크로자이로스코프이다.

본 발명에 따르면 평면 김블 구조의 내부 구동 김블; 및 평면 김블 구조의 외부 검출 김블을 포함하며, 정전력 구동 및 정전 용량 변화 검출형의 방식을 갖는다.

그 결과, 정전력 구동 및 정전 용량 변화 검출형의 방식을 갖는 김블 구조의 각속도계 센서를 설계하므로써 전기 및 기계적 응답이 유기적으로 연결된 마이크로자이로스코프의 성능을 극대화시킬 수 있다.

Description

진동형 마이크로자이로스코프{vibrating micromachined gyroscope}

본 발명은 진동형 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평면 김블 구조의 진동형 마이크로자이로스코프에 관한 것이다.

관성체의 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서 장치는 이미 오래 전부터 미사일이나 선박, 항공기, 위성 등에서 항법 장치용 핵심 부품으로 사용되고 왔고, 현재는 자동차의 항법 장치나 고배율 비디오 카메라의 손떨림을 검출하여 이를 보정하는 장치에 적용되는 등 군사용 및 민수용으로 사용 영역이 확대되고 있는 실정이다.

통상적으로 각속도 센서, 즉 자이로스코프의 원리는 제1 축 방향으로 일정하게 진동하거나 회전하는 관성체가 상기 제1 축 방향에 대하여 직각인 제2 축 방향에서의 회전에 의한 각속도의 입력을 받을 때, 상기 두 개의 축에 대하여 직교하는 제3 축 방향으로 발생하는 코리올리의 힘을 검출함으로써 회전 각속도를 검출하는 것이다. 이때 관성체에 가해지는 힘을 평형시키면 각속도 검출의 정확성이 높아진다. 특히 신호의 선형성과 대역폭을 넓히려는 힘의 평형 방법을 이용한 구조가 바람직하다.

최근의 진동형 마이크로자이로스코프는 점차적으로 기계적으로 분리된 김블 구조를 가지려는 경향으로 가고 있다. 종래의 진동형 자이로스코프는 구동부와 검출부가 기계적으로 간섭을 갖는 스프링 시스템으로 구성되어 있다. 이런 경우 구동과 검출의 기계적인 간섭 오차가 각속도 신호 수준에 비해 매우 크고, 자이로스코프의 동작에도 악영향을 주며, 또한 부유 측정 오차가 심하고, 구동과 공진 모드의 강제적 배치가 힘들다는 단점이 있다.

최근의 진동형 김블형 구조의 자이로스코프는 두개의 공진 모드가 기계적으로 분리되어 있으므로 위의 오차를 급격히 감소시킬 수 있다. 하지만 센서 설계에 있어서 김블 구조가 센서 영역에서 차지하는 비율이 매우 크고 이는 결과적으로 센서의 크기를 매우 크게 한다. 좋은 감도를 얻기 위해 센서의 크기가 커질 경우, 구조물을 형성하는 구조층의 내부 잔류 응력 때문에 센서의 크기가 제약을 받게 된다. 즉, 표면 마이크로머시닝에 의한 공정이 어려워지기 때문에 SOI나 Si 몸체 가공기술을 이용해야 하며, 센서 설계에 많은 제약을 받게 된다.

감도뿐만이 아니라, 기계적 응답과 외란에 대한 강도를 고려하여 두께도 두꺼워져야 하며, 이는 결국 센서의 동적 응답에 있어서 Q를 감소시키게 되어 센서의 성능을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

본 발명의 기술과 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전기 및 기계적 응답이 유기적으로 연결된 마이크로자이로스코프의 성능을 극대화하기 위하여 정전력 구동 및 정전 용량 변화 검출 방식의 김블 구조의 각속도계 센서를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로자이로스코프의 사시도이고,

도 2는 도 1의 마이크로자이로스코프의 평면도이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로자이로스코프의 구동 원리를 나타내는 개념도이고,

도 4는 도 1의 마이크로 자이로스코프의 판스프링(3, 4)의 사시도이고,

도 5a는 평행판 축전기의 사시도이고,

도 5b는 본 발명의 실시예에서 적용한 트랜스버스 콤형 축전기의 사시도이고,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 축전기를 이용한 검출 회로도이고,

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 각속도 측정 회로도이고,

도 7b는 도 7a의 회로를 통해 각속도가 검출되어 나오는 각 과정을 나타내는 그래프이고,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 출력 파형도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프에 각속도 인가시 검출되는 전압 파형도이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 진동형 마이크로자이로스코프는,

평면 김블 구조의 내부 구동 김블 및 평면 김블 구조의 외부 검출 김블을 포함하며, 정전력 구동 및 정전 용량 변화 검출형의 방식을 갖는다.

또는 제1 방향으로 전체 김블 구조를 진동시키는 구동 김블, 각속도 인가시 제1 방향과 수직을 이루는 제2 방향으로 변위되는 검출 김블, 구동 김블을 고정축과 연결하며 제1 방향으로의 유동이 가능한 구동 판스프링, 구동 김블과 검출 김블을 연결하며 제2 방향으로의 유동이 가능한 검출 판스프링을 가지는 구조로 형성된다.

이러한 진동형 마이크로자이로스코프에 의하면, 정전력 구동 및 정전 용량 변화 검출형의 방식을 갖는 김블 구조의 각속도계 센서를 설계함으로써 전기 및 기계적 응답이 유기적으로 연결된 마이크로자이로스코프의 성능을 극대화시킬 수 있다.

그러면, 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 관해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로자이로스코프의 사시도이고, 도 2는 도 1의 마이크로자이로스코프의 평면도이다.

본 발명에 따른 마이크로자이로스코프는 외부 검출 김블(1), 내부 구동 김블(2), 김블의 고정축(11), 내부 구동 김블(2)을 고정축(11)과 연결하는 구동 판스프링(3), 내부 구동 김블(2)과 외부 검출 김블(1)을 연결하는 검출 판스프링(4), 김블의 진동을 유발하는 구동 전극(5), 외부 검출 김블(1)의 각속도에 따른 변위를검출하는 양의 검출 전극(7)과 음의 검출 전극(8), 각속도에 따른 외부 검출 김블의 제2 방향 변위량을 조절하는 튜닝(tuning) 전극(6) 및 외부 검출 김블의 진동을 억제하는 리밸런싱(rebalancing) 전극(9)으로 이루어져 있다.

내부 구동 김블(2)은 C형 프레임이 양측에 있고, 이 양측 프레임을 연결하는 중앙 부분에는 빗살 모양의 부분이 형성되어 있어서 머리빗 형의 구동 전극(5)과 깎지낀 모양으로 형성되어 있다. C형 프레임의 내부에는 X축 방향으로 유동할 수 있는 구동 판스프링(3)이 Y축 방향으로 뻗어 있고, 내부 구동 김블(2)과 고정축(11) 사이에서 스프링에 가해지는 축 방향(Y방향) 힘을 완화시키고 큰 구동 변위를 가능하게 하기 위해 완충부(10)를 둔다. 구동 판스프링(3)은 먼저 내부 구동 김블(2)과 완충부(10)를 연결하고, 다시 완충부(10)와 고정축(11)을 연결한다. 외부 검출 김블(1)은 내부 구동 김블(2)을 둘러싸는 H형 프레임과 프레임으로부터 외부로 뻗어나간 검출 빗살부를 가진다. 외부 검출 김블(1)은 Y축 방향으로 유동이 가능한 검출 판스프링(4)에 의하여 내부 구동 김블(2)과 연결되어 있다. 외부 검출 김블(1)의 검출 빗살부 각각의 양측에는 양의 검출 전극(7)과 음의 검출 전극(8)이 검출 빗살부와 일정한 거리를 두고 나란히 배치되어 있고, 검출 전극(7, 8)과 같은 모양으로 튜닝 전극(6)이 형성되어 있다. 이상에서 검출 전극(7, 8)과 튜닝 전극(6) 및 구동 전극(5)의 수는 필요에 따라 변동될 수 있다. 외부 검출 김블(1)의 프레임 양측에는 리벨런싱 전극(9)이 형성되어 있다. 여기서 김블(1, 2)은 고정축(11)을 지지축으로 하여 공중에 부양되어 있어서 변위가 가능하다.

여기서, 내부 구동 김블(2)의 끝에 접혀진(folded) 스프링 구조[완충부(10)를 통한 연결]는 Z축 방향의 회전 외란에 강인한 구조가 된다. 또한 구조물의 두께를 어느 정도 이상으로 크게 함으로써 Z축 방향의 가속도 및 힘 인가에 대해 강인한 특성을 지니게 된다. 또, H형 폐곡선으로 구성된 외부 검출 김블(1)은 기계적으로 매우 튼튼하다.

튜닝 전극(6)은 외부 감지 김블의 일부인 감지 빗살부의 양측에 각각 배치되어 외부 감지 김블의 Y축 방향 변위량을 조절한다. 즉, 측정할 수 있는 각속도의 범위를 확장하기 위한 것으로 매우 큰 각속도가 주어지는 경우에는 튜닝 전극(6)으로 하여금 외부 감지 김블의 변위를 억제토록 하여 외부 감지 김블의 변위량에 대한 각속도의 비를 증가시키는 것이다.

리밸런싱 전극(9)은 외부 감지 김블의 Y축 방향 진동을 빠른 시간 내에 정지시켜 연속적으로 이루어지는 각속도 측정의 정확성을 향상시키기 위한 것이다.

일반적으로 마이크로자이로스코프가 높은 감도를 얻기 위해서는 큰 구동 변위와 정전 용량의 변화를 요구한다. 기계적으로 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 구동부는 스프링의 치수에 비해 상대적으로 큰 구동변위를 요구하므로 발생력에 대해 비선형 및 포화되는 구동 변위특성을 보인다. 이는 마이크로자이로스코프의 선형 운동량을 왜곡시키게 되고 검출 신호의 일그러짐을 유발시킨다. 이는 스프링에 발생되는 축 방향 힘 때문이며, 이를 상쇄시키고 큰 구동변위를 위해 폴디드(folded) 스프링 구조를 채택하였다. 구동 변위는 최대 45㎛로 설계되었으며, 구동부의 스프링과 김블 구조 그리고 검출부의 정전 용량을 최대화하기 위해 도 1과 같이 마이크로자이로스코프가 설계되었다.

본 발명에 따른 마이크로자이로스코프는 내부에 구동 김블, 외부에 검출 김블을 배치함으로써 1.1×1㎟ 센서 구조 내에 큰 구동 변위와 3.655pF의 큰 검출용량을 갖도록 설계한다. 또한 위의 구동 및 검출부 배치로 기생 및 부유 정전용량을 감소시켜 센서의 성능 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 평면 김블형의 마이크로자이로스코프는 공정 오차가 있더라도 센서의 성능 저하가 없으며, 진공 분위기에서의 동작 특성이 높은 Q를 가지므로 높은 감도를 제공한다.

마이크로자이로스코프는 1.828㎊/㎛의 전기-기계 응답 민감도를 갖도록 설계되었으며 이는 종래의 마이크로자이로스코프들과 비교하여 작게는 수배에서 수십 배에 해당하는 값이다.

높은 감도와 더불어 대역폭을 개선하기 위해 구동과 검출부의 공진 주파수는 대략 2% 정도 이격되었다.

그러면 이러한 구조의 마이크로자이로스코프의 구동 원리를 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로자이로스코프의 구동 원리를 나타내는 개념도이다.

구동 전극(5) 특정 주파수의 전압을 가함으로써 전체 김블(1, 2)을x축 방향으로 진동시킨다(Driven mode). 여기서 구동 전극(5)은 내부 구동 김블(2)의 구동 빗살부에 힘을 가하나 검출 판스프링(4)이x축 방향으로는 유동성이 없으므로 외부 검출 김블(1)도 함께 진동한다.

김블(1, 2)이 진동하는 상태에서 회전 운동에 의한 각속도()가 주어지면 코리올리(Coriolis)의 힘에 의하여 외부 검출 김블(1)이y축 방향으로 변위를 일으키게 된다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같이 벡터곱으로 나타낼 수 있다.

이 때, 구동 판스프링(3)은 y축 방향으로는 유동성이 없으므로 내부 구동 김블(2)은y축 방향으로 변위되지 않는다. 이와 같이 김블(1, 2) 구동시(x축 방향) 외부 검출 김블은 구동 방향에 대하여 수직 방향(y축 방향)으로 유동하며 구동 방향으로는 경직되어 있는 판스프링 구조로 내부 구동 김블(2)과 외부 검출 김블(1)이 연결되어 있으므로 구동과 검출의 변위 응답에 대해 서로 간섭이 없다.

외부 검출 김블(1)이y축 방향으로 변위되면 검출 빗살부와 검출 전극(7, 8) 사이의 거리가 변화하게 되어 양의 검출 전극(7)과 검출 빗살부 사이에서 형성되는 제1 정전 용량은 증가하고 음의 검출 전극(8)과 검출 빗살부 사이에서 형성되는 제2 정전 용량은 감소한다. 물론 외부 검출 김블(1)의 변위 방향이 반대이면 정전 용량의 변화는 반대로 될 것이다. 이러한 정전 용량의 변화를 검출하여 각속도를 측정하게 된다.

본 발명에 따른 마이크로자이로스코프는 구동 전극(5), 검출 전극(7, 8) 내부 구동 김블(2) 및 외부 검출 김블(1)과 구동 및 검출 판스프링(3, 4)을 동일한 재료와 두께로 1개 층으로 형성하여 동일한 평면상에 배치한다.

이러한 평면 진동형 자이로스코프의 장점은 공진주파수가 두께에 무관하기 때문에 설계에 의해 공진주파수를 정확히 결정할 수 있고, 판스프링(3, 4)의 폭 오차에 대해서 구동 판스프링(3)(이하 "구동부"라 한다)과 검출 판스프링(4)(이하 "검출부"라 한다)의 공진주파수의 비가 무관하게 일정하다는 것이다

그러면 이러한 장점을 수학적으로 증명한다.

도 4는 도 1의 마이크로 자이로스코프의 판스프링(3, 4)의 사시도이다.

판스프링(3, 4)은 직육면체로써 그 두께를h, 길이를l, 폭을t로 나타낸다. 기타의 설계 변수는 표 1에 나타나 있다.

구분	설계변수
Young's modulus	E
구동부	길이폭높이	l _kx t _kx h _kx
검출부	길이폭높이	l _ky t _ky h _ky
높이	h

구동 판스프링(3)의 스프링 상수는 다음과 같이 결정된다. 여기서,는 구동 판스프링(3) 한쪽 부분의 스프링 상수이고,는 구동 판스프링(3) 전체의 스프링 상수이다.

검출 판스프링(4)의 스프링 상수는 다음과 같이 결정된다. 여기서,는 검출 판스프링(4) 한쪽 부분의 스프링 상수이고,는 검출 판스프링 전체의 스프링상수이다.

그러면 공진주파수를 계산해 본다. 공진주파수 계산을 위한 설계 변수는 표 2에 나타나 있다.

구분	설계변수
질량 밀도	ρ
구동부	구동부 질량공진주파수내부김블면적	M _x ω _x0 S _d
검출부	검출부 질량공진주파수외부김블면적	M _y ω _y0 S _s
높이	h

본 발명에 따른 마이크로자이로스코프의 구동에 있어서 구동 질량은 내부 구동 김블(2)과 외부 검출 김블(1)의 질량을 모두 합한 것이므로 아래와 같이 표현된다.

검출 질량은 외부 검출 김블(1)만의 질량이므로 다음과 같이 표현할 수 있다.

구동부와 검출부의 공진주파수는 다음과 같이 표현된다.

마이크로자이로스코프를 제작하는데 있어서, 여러 가지 공정 오차에 의해 구조물의 형상 변화가 발생하게 된다. 여러 공정 오차 중에서 두께(h) 오차가 설계된 자이로스코프의 공진주파수에 끼치는 영향을 다음과 같이 고려한다. 두께에 대한 공진주파수의 민감도는 공진주파수를 두께로 편미분함으로써 다음과 같이 얻을 수 있다.

즉, 평면 진동형의 자이로스코프는 공진주파수가 두께(h)에 무관하다.

공정 오차 중에서 두께(h) 편차와 더불어 스프링의 폭(t)이 공진 주파수에 주도적으로 영향을 미친다. 이는 스프링의 폭(t)이 스프링 상수에 3제곱 항으로 들어가기 때문이다. 스프링의 폭(t) 변화에 따른 공진 주파수의 변동은 다음과 같이 유도할 수 있다.

마이크로자이로스코프 설계 시 고려해야 할 중요한 사항 중에는 공진주파수 값 및 구동부와 검출부의 공진주파수의 비가 있다. 이는 위의 두 요소가 자이로스코프의 감도와 대역폭을 결정하는 인자가 되기 때문이다. 위의 수식에서 알 수 있듯이 실제 공정에 의해 발생되는 공정 오차에 의해 공진주파수가 변화할 수 있으나 두께(h)의 공정 오차에 의하여는 평면 진동형으로 설계된 본 발명의 자이로스코프는 공진주파수가 변화하지 않는다.

본 발명의 자이로스코프의 탄성 요소는 길이(l)에 비해 폭(t)이 매우 얇으며 공정 오차가 이에 끼치는 영향은 심각하다. 하지만 위와 같은 프레임 구조를 가진 평면 진동형의 자이로스코프는 구동 및 검출부의 스프링의 폭(t)은 동일하게 설계하고 길이(l)만을 조정하여 공진 주파수를 원하는 값에 배치할 수 있으며 그렇게 설계할 경우 두 공진 주파수의 비는 공정 오차에 대해서 항상 일정한 비율을 유지하게 된다. 즉, 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.

즉 폭(t) 오차에 대해서 두 공진 주파수가 변화하는 비는 두 공진주파수에 대하여 동일하므로 폭(t) 오차가 발생하여도 변화된 두 공진주파수의 비는 항상 일정하게 유지된다.

도 5a는 평행판 축전기의 사시도이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에서 적용한 트랜스버스 콤(transverse comb)형 축전기의 사시도이다.

본 발명의 마이크로자이로스코프는 구동력에 의한 진동과 외부 각속도 인가에 의한 코리올리의 힘에 의하여 외부 검출 김블(1)의 변위가 발행하며 이 미소 변위는 외부 검출 김블(1)과 검출 전극(7, 8) 사이에서 형성되는 정전 용량에 변화를 가져오고 이를 검출한다. 그런데 이처럼 변위를 정전 용량으로 변환하여 이를 검출할 수 있는 구조에는 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 평판형 정전 용량 검출 구조와 트랜스버스 콤형 정전 용량 검출 구조가 있다. 그러나 전극 구조의 적절한 설계와 구조물 두께를 증가시킬 경우 트랜스버스 콤형 전극 구조가 평판형 전극 구조의 정전 용량보다 큰 정전 용량을 지닐 수 있다.

평판형 전극 구조의 정전 용량은 다음과 같다. 여기서, g는 평판 사이의 간극이다.

또 트랜스버스 콤형 전극 구조의 정전 용량은 다음과 같다. 여기서, g는 전극 사이의 간극이다.

여기서 기판에서 차지하는 면적당 장전 용량을 비교하면 다음과 같다. 일반적으로 사용하는 트랜스버스 콤의 형상 중 전극의 폭(t)을 5㎛, 간극(g)을 2㎛라 가정하고 두 정전 용량을 비교한다. 먼저 두 개의 정전 용량이 기판상에서 차지하는 면적은 각각 다음과 같다.

이 때, 두 면적이 같다고 가정하면b=21㎛가 되고, 그 때의 정전 용량의 비는 다음과 같이 된다.

즉 검출을 위한 정전 용량을 설계할 경우 두께를 10.5㎛ 이상으로 설계하여 제작하면 단위 면적당 발생하는 트랜스버스 콤형의 정전 용량이 평판형의 정전 용량보다 크게 되므로 자이로스코프의 감도면에서 이득을 볼 수 있고, 그 크기도 감소되므로 기계적으로 더 강한 구조가 된다. 또한 트랜스버스 콤형의 전극 구조는 프린지 필드(fringe field)에 의한 잉여분의 정전 용량이 증가하는데 그 양이 10~40%에 이르므로 실제로는 설계 용량보다 큰 정전 용량을 얻을 수 있으며 해석을 통하여 실제 정전 용량을 예상하였다. 본 발명의 실시예에서는 두께를 10.3㎛로하였다.

그러면 본 발명의 실시예에 따른 마이크로자이로스코프에서 외부 검출 김블의 변위를 정전 용량의 변화로써 검출하는 원리를 설명한다.

각속도 인가에 따라 외부 검출 김블(4)이 변위하면 검출 빗살부(이하 "감지 전극"이라 한다)와 검출 전극(7, 8) 사이의 간극이 변화하고, 이 간극 변화는 감지 전극과 검출 전극쌍 사이의 정전 용량을 변화시킨다. 정전 용량의 변화는 외부 회로와의 연결을 통해 다른 물리량으로 감지된다. 본 발명에서와 같이 감지 전극과 검출 전극(7, 8)을 집약적으로 다수개 형성하면 기생 및 부유 정전 용량을 감소시키고 큰 검출 정전 용량을 얻을 수 있다. 또한 좁은 간극으로 구성된 감지 전극과 검출 전극의 배열은 전극 단면 모서리에서 발생되는 프린지 필드에 의해 이론적인 정전 용량보다도 큰 정전 용량을 유발한다. 또, 이러한 정전 용량 검출형의 센서는 특징적으로 온도 변화에 둔감하고, 정전 용량 감지를 위한 구조 설계가 간단하며, 다른 방식의 감지 방법에 비해 검출을 위한 특별한 장치를 필요로 하지 않는다. 또, 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프는 차분 감지 방식을 선택하여 그 비선형성을 개선하였다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 축전기를 이용한 검출 회로도이다.

감지 전극을 OP 앰프의 음의 입력단에 연결하고, 두 검출 전극(7, 8)은 각각 펄스 전압 발생기에 연결하여 서로 180°의 위상차가 나는 정현(sine)파를 인가한다. OP 앰프의 양의 입력단은 접지하였으며, 음의 입력단과 출력단 사이에는 축전기(C _int )가 연결되어 있다. 이러한 회로는 두 검출 전극(7, 8)과 감지 전극 사이의 정전 용량의 차분에 다른 전류의 변화를 전압으로 나타내는 적분기이다.

다음은 감지 정전 용량 산출을 위한 식과 변수 및 상수의 정의이다.

표 3은 감지부 정전 용량 설계를 위한 설계 변수를 나타낸다.

구분	설계변수	값
유전율	ε ₀	8.85E-12
감지 전극 갯수	N _s	60, 20
감지 전극 쇄교 길이	L _s	300, 232㎛
검출 전극과의 간극	g _s0	2㎛
감지 전극의 높이	h	10.3㎛
검출 정전 용량 at y=0	C ₀	1.032pF
검출 정전 용량 in y+	C ₀₊
검출 정전 용량 in y-	C _0-

,y=0

따라서, 미소 변위에 대한 총 정전 용량의 변화를 차분의 형태로 나타내면 다음과 같다.

이상과 같이 차분 감지 방식을 취하여 외부 검출 김블의 y방향 변위에 대하여 선형적인 정전 용량 변화분을 얻을 수 있다.

본 발명과 같은 진동형 각속도계에서 감도는 외부 검출 김블, 즉 감지 전극의 변위량에 크게 의존하는데 감지 전극의 변위량은 구동 공진 변위가 클수록 커진다. 본 발명의 실시예에서는 이를 40㎛ 이상으로 설계하였다. 이 정도의 설계 값은 기존의 MEMS 공정을 기반으로하여 제작된 각속도계의 구동 공진 변위가 수 ㎛임을 감안하여 볼 때 대략 10배 이상의 값이며, 따라서 본 발명의 각속도계는 그 감도가 종래의 각속도계에 비하여 10배 이상 향상되었다고 할 수 있다.

구동부 공진 변위와 더블어 고감도를 위해 고려해야 할 사항은 감지부의 구동 주파수에 대한 응답 특성이다. 이것은 각속도계의 감도에 결정적으로 영향을 끼칠 뿐만 아니라 대역폭에도 영향을 끼치므로 까다로운 설계 사항이다. 본 발명에 따른 각속도계는 4차 시스템으로서 구동과 검출의 두 개의 2차 시스템의 조합으로 구성되어 있다. 따라서 주파수 응답에 있어서 두 개의 공진 최고점을 가지며이 두 개의 공진주파수 사이에서 각속도계를 구동시켜 외부 인가 각속도에 따른 검출부의 응답을 감지한다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 각속도 측정 회로도이고, 도 7b는 도 7a의 회로를 통해 각속도가 검출되어 나오는 각 과정을 나타내는 그래프이다.

도 7a를 보면, 마이크로자이로스코프의 구동 전극(5)에 구동 회로(100)가 연결되어 있고, 검출 전극(7 ,8)에는 40kHz의 정현파 전원(200)이 연결되어 있다. 이 때, 양의 검출 전극(7)과 음의 검출 전극(8)에는 서로 180°의 위상차를 갖는 정현파 전압이 인가된다. 고정축(11)에는 검출선이 연결되어 있고, 검출선은 검출 신호가 증폭기(300)와 고역 통과 필터(HPF)(400), 제1 복조기(500), 대역 통과 필터(BPF)(600), 제2 복조기(700) 및 저역 통과 필터(800)를 통하여 출력될 수 있도록 배선되어 있다.

마이크로자이로스코프의 구동조건은 DC 4V에 400mV의 정현파를 인가하였으며, 그때의 주파수는 2.294kHz이다.

검출부는 캐리어 전하의 차분 검출를 이용한 전하 증폭기(charge amplifier)로 구성하여, 정전 용량의 변화를 전류 변화로 바꿔 적분하여 전압으로 검출한다.

이러한 방식은 외부와 내부의 잡음 특성이 좋으며, 마이크로자이로스코프 내부의 드리프트 전압이 없는 장점이 있다.

마이크로자이로스코프 용량 검출를 위한 캐리어 주파수는 40kHz이며, 이렇게 변조된 각속도 신호는, 도 7b에 나타내 바와 같이, 다시 캐리어 신호와 구동신호와의 복조를 거치며 필터링 및 위상 천이를 거쳐 원래의 각속도 신호로 검파된다.

자이로스코프 회로는 각속도 인가 시험을 위해 정밀 제어 레이트 테이블 위에 설치된 진공 챔버 안에 장착되었다. 진공 분위기에 따른 Q의 변화 방지를 위해 챔버 안의 진공도는 5mTorr로 유지되었으며, 각속도 인가에 따른 정특성 및 동특성을 도 8 및 도 9에 나타내었다.

도 8는 본 발명에 따른 자이로스코프의 출력 파형도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 각속도 신호를 1deg/sec로 5Hz로 정현적으로 인가하였을 때의 출력 파형이며, 이때의 노이즈 평균 밀도(noise equivalent density)는 0.002deg/sec/√Hz로 측정됨을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 각속도 인가 대 검출 전압 파형도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, ±50deg/sec 범위의 각속도 신호를 인가하였을 경우 출력 전압이며 ±150deg/sec 까지 측정 시험이 수행되었으며 출력 선형성은 0.5744%의 오차를 보였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 마이크로 자이로스코프의 응답 성능에 영향을 주는 공진 주파수의 결정 및 배치 그리고 높은 감도와 간섭 잡은 제거를 위한 김블의 설계를 통해 INS 급 마이크로자이로스코프를 제작하였으며 그 성능은 하기하는 표 4와 같다.

TECHNICAL DATA	PERFORMANCE
Equivalent noise rate[σ]	0.007deg/sec
Equivalent noise density	0.002deg/sec/√㎐
Dynamic range	±150deg/sec
Sensitivity	114.7mV/deg/sec
Linearity	<0.5744%FSO

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 정전력 구동 및 정전 용량 변화 검출형의 방식을 갖는 김블 구조의 각속도계 센서를 제공하므로써 전기 및 기계적 응답이 유기적으로 연결된 각속도계의 성능을 극대화할 수 있다.

Claims

제 1방향으로만 탄성운동이 가능한 제1김블과;

상기 제1김블이 상기 제1방향으로 탄성운동을 할 때에는 상기 제1김블과 함께 제1방향으로 탄성운동을 하며, 상기 제1김블과는 독립적으로 상기 제1방향과 수직을 이루는 제2방향으로의 탄성운동이 가능하도록 상기 제1김블에 연결설치된 제2김블을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
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제1 방향으로 전체 김블 구조를 진동시키는 구동 김블과,

각속도 인가시 상기 제1 방향과 수직을 이루는 제2 방향으로 변위되는 검출 김블과,

상기 구동 김블을 고정축과 연결하며 제1 방향으로의 유동이 가능한 구동 판스프링과,

상기 구동 김블과 상기 검출 김블을 연결하며 제2 방향으로의 유동이 가능한 검출 판스프링과,

상기 검출 김블의 제2 방향으로의 변위에 따라 상기 검출 김블과의 사이에서 형성되는 정전 용량이 변화하도록 설계된 검출 전극을 포함하며,

상기 검출 전극은 제1 검출 전극과 제2 검출 전극을 포함하며, 상기 제1 검출 전극과 상기 검출 김블과의 사이에서 형성되는 제1 정전 용량이 증가하면 상기 제2 검출 전극과 상기 검출 김블과의 사이에서 형성되는 제2 정전 용량은 감소하고, 반대로 상기 제1 정전 용량이 감소하면 상기 제2 정전 용량은 증가하는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 5항에 있어서,

상기 제1 및 제2 검출 전극은 상기 검출 김블의 일부인 검출 빗살부의 양측에 각각 배치되어 있는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 5항에 있어서,

상기 제1 정전 용량과 상기 제2 정전 용량 사이의 차분에 따른 전류 변화를 전압으로 출력하는 적분기를 더 포함하는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 5항에 있어서,

상기 전체 김블 구조의 제1 방향 진동을 유발하는 구동 전극을 포함하는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 8항에 있어서,

상기 구동 전극은 상기 구동 김블의 일부인 구동 빗살부와 깎지낀 모양으로 형성되어 있는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 5항에 있어서,

각속도에 따른 상기 검출 김블의 제2 방향 변위량을 조절하는 튜닝 전극을 추가적으로 포함하는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 11항에 있어서,

상기 튜닝 전극은 제1 및 제2 튜닝 전극으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 튜닝 전극은 상기 검출 김블의 일부인 검출 빗살부의 양측에 각각 배치되어 있는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 5항에 있어서,

상기 검출 김블의 제2 방향 진동을 억제할 수 있는 리밸런싱 전극을 추가적으로 포함하는 진동형 마이크로자이로스코프.
제 5항에 있어서,

상기 구동 김블과 상기 구동 판스프링을 통하여 직접 연결되어 있고 상기 고정축과 또다른 상기 구동 판스프링을 통하여 직접 연결되어 있는 완충부를 추가적으로 포함하는 진동형 마이크로자이로스코프.
한 쌍의 고정축과;

상기 고정축과는 수직을 이루는 제 1방향으로만 탄성변형이 가능한 제1탄성부재에 의하여 상기 고정축과 각각 연결되는 한 쌍의 완충부재와;

상기 제1방향으로만 탄성변형이 가능한 제2탄성부재에 의하여 상기 각각의 완충부재와 연결되는 제1김블과;

상기 고정축 및 제1방향과 수직을 이루는 제2방향으로만 탄성변형이 가능한 제3탄성부재에 의하여 연결되는 제2김블을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
제 14항에 있어서,

상기 제1, 2 및 제3 탄성부재는 판형스프링인 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
제 14항에 있어서,

상기 제1김블은 상기 제2및 제3탄성부재와 연결되는 한 쌍의 제1프래임과;

상기 제1프래임을 연결하는 제2프래임을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
제 16항에 있어서,

상기 제2프래임은 상기 제1김블이 구동전극에 의하여 제1방향으로 진동하도록 상기 구동전극과 깍지낀 형태로 배치되는 빗살부가 상기 제1방향으로 연장형성되는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
제 14항에 있어서,

상기 제2김블의 양측에는 상기 제1방향으로 하나 이상의 검출빗살부가 연장형성되고, 상기 검출빗살부와 맞물려 상기 제2김블의 움직임을 검출하기 위한 다수개의 검출전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로 자이로스코프.
제 14항에 있어서,

상기 제2김블의 진동을 억제하기 위한 리밸런싱 전극을 추가적로 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로자이로스코프.