KR100408507B1 - 정전력튜닝포크마이크로자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관성체의 가진력과 각속도의 곱으로 얻어지는 코리올리스의 힘(Coriolis force)을 이용하여 각속도를 검출하는데 있어 힘의 평형이 이루어지는 정전력 튜닝 포크 마이크로자이로스코프에 관한 것이다. 본 발명에 따른 빗살 구동 튜닝 포크 자이로스코프는 가진판이 각각 감지 전극와 소정의 간격 만큼 이격되어 있으므로, 가진판에 관성 질량판을 가진시키기 위한 구동 전압을 인가함과 동시에 y방향의 회전력에 의해 z방향의 코리올리스 힘을 감지할 때에, 가진판을 가진시키는 구동력(정전력)이 감지하고자 하는 가속도의 전압 신호에 포함되어 정확한 가속도의 측정을 방해하는 기생 캐패시턴스로 작용할 우려는 없다. 즉, 악성 기생 캐패시턴스의 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

정전력 튜닝 포크 마이크로자이로스코프{An electrostatically tuning fork microgygroscope}

본 발명은 정전력 튜닝 포크형 마이크로자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관성체의 가진력과 각속도의 곱으로 얻어지는 코리올리스의 힘(Coriolis force)을 이용하여 각속도를 검출하는데 있어 힘의 평형이 이루어지는 정전력 튜닝 포크 마이크로자이로스코프에 관한 것이다.

도 1은 종래의 자이로스코프의 개략적 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 라인을 따라 절개한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 자이로스코프는 두 개의 관성 질량판(1a, 1b), 이 관성 질량판(1a, 1b)의 하부에 배치된 두 개의 감지 전극(2a, 2b), 관성 질량판(1a, 1b)을 지지하는 지지빔(3), 지지빔(3)을 떠받쳐주는 앵커(4), 정전기력에 의해 관성 질량판을 가진시키는 가진판(5a,5b,5c), 가진판에 전압을 인가하기 위한 가진 전극 패드(5) 및 감지 전극의 전압을 감지하기 위한 감지 전극 패드(6)를 구비하고 있다.

이와 같은 구성의 정전력에 의한 빗살 구동 튜닝 포크 자이로스코프에 있어서, 관성 질량판(1a, 1b)이 x방향으로 진동하고 동시에 y방향의 회전에 의해 발생되는 코리올리스의 힘을 받으면, 관성 질량판(1a, 1b)은 z 방향으로 진동하게 된다. 이 때 관성 질량판(1a, 1b)의 바닥면에 설치된 감지 전극(2a, 2b)에 정전압을 인가하여 관성 질량판(1a, 1b)와 감지 전극(2a, 2b) 사이의 간격이 변함에 따라 유발되는 축전량의 차를 전압의 형태로 측정하여 구함으로써, y방향의 회전에 대한 각속도를 얻게되는데 이 신호는 극히 미세하므로 노이즈에 민감하다. 여기서 노이즈는 전기적인 노이즈 및 기계적인 노이즈 등을 모두 포함한다. 전기적인 노이즈는 전자 회로의 1/f 노이즈(flicker noise라고도 함)가 있는데, 이 것은 전자 회로 구성에 의해 노이즈 감쇠시킬 수 있으며, 기계적인 노이즈로는 브라운 운동(Brownian Motion)이 있는데 관성 질량판(proof mass)의 운동(진동)과 관계가 있다.

또한, 관성 질량판(1a, 1b) 및 감지 전극(2a, 2b) 모두가 실리콘으로 이루어져 있어서, 도 2에 표시된 바와 같이, 가진판과 관성 질량판 사이의 캐패시턴스(Cs), 관성 질량판의 z방향으로의 변위에 의한 캐패시턴스(Cz) 및 기판과 감지 전극 간의 캐패시턴스(Cpt) 외에도 기생 캐패시턴스(Cp; parasitic capacitance)가 필연적으로 존재하게 된다. 이 기생 캐패시턴스(Cp)는 실제적인 각속도를 알려주는 신호 전압에 내포된 노이즈로서, 정확한 각속도의 측정을 방해하는 가장 큰 요인이다. 도 3은 각 판 간에 생성되는 캐패시턴스와 이를 검출하기 위한 등가 회로의 등가적 흐름을 나타내는 블록도이다. 여기서, 두 관성 질량판의 z방향의 변위에 의한 캐패시턴스(Cz)는 각각 볼티지 팔로워(voltage follower; 100a, 100b)를 거쳐 차동 증폭기(200)에서 그 신호 전압의 차가 두배로 되며, 반면에 거의 일정한 두 감지 전극과 기판 간의 기생 캐패시턴스(Cpt)는 서로 상쇄되어나타나지 않는다. 이 두배로된 z방향의 전압 신호는 복조기(300)에서 복조되고, 로우패스필터(400)를 거쳐 출력된다. 그러나 이 때, 가진판과 감지 전극 간에 발생하는 기생 캐패시턴스(Cp)는 일정하지 않기 때문에 차동 증폭기에서 상쇄되지 않고 감지 신호 전압과 함께 섞여서 출력되므로 정확한 가속도의 측정에 악영향을 미치게 된다.

이와 같이, 종래의 빗살 구동 튜닝 포크 자이로스코프는 가진판(5a, 5b, 5c; 가동부)과 감지 전극(2a, 2b)이 분리되어 있지 않아서, 가진판(5a, 5b, 5c)이 구동됨과 동시에 y방향의 회전력에 의해 z방향의 코리올리스 힘을 감지할 때에, 가진판(5a, 5b, 5c)을 가진시키는 구동력(이 것도 정전력이므로)이 감지하고자 하는 가속도의 전압 신호의 정확한 측정을 방해하는 기생 캐패시턴스로 작용할 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 관성 질량판의 구동력이되는 가진판의 전압 신호가 가속도 감지 신호의 노이즈로 작용하지 않는 정전력 튜닝 포크 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 자이로스코프의 개략적 평면도,

도 2는 도 1의 자이로스코프의 A-A' 라인을 따라 절개한 단면도,

도 3은 도 1의 자이로스코프의 등가 회로의 블럭도,

도 4는 본 발명에 따른 자이로스코프의 개략적 평면도,

도 5는 도 4의 자이로스코프의 B-B' 라인을 따라 절개한 단면도,

그리고 도 6은 도 4의 자이로스코프의 등가 회로의 블럭도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1a, 1b. 관성 질량판2a, 2b. 감지 전극

3. 지지빔4. 앵커

5. 가진 전극 패드5a,5b,5c. 가진판

6. 감지 전극 패드

11a, 11b. 관성 질량판11a', 11b', 11a", 11b". 판부재

12a, 12b. 감지 전극13. 지지빔

14. 앵커 15. 가진 전극 패드15a,15b,15c. 가진판

16. 감지 전극 패드

100a,100b. 볼티지 팔로워200. 차동 증폭기

300. 복조기400. 로우패스필터

110a,110b. 볼티지 팔로워210. 차동 증폭기

310. 복조기410. 로우패스필터

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 정전력 튜닝 포크 자이로스코프는, 상호 소정 간격으로 이격되는 복수개의 관성 질량판; 상기 관성 질량판의 바로 하부에 배치되어 상기 관성 질량판과 이격 거리에 따라 충전량을 달리하는 캐패시터를 이루는 감지 전극; 상기 관성 질량판을 각각 지지하는 지지빔; 상기지지빔을 각각 떠받치는 앵커; 및 상기 관성 질량판을 가진시키기 위한 인력을 각각 제공하는 가진판;을 구비하는 정전 튜닝 포크 마이크로자이로스코프에 있어서, 상기 가진판과 상기 감지 전극이 서로 이격되어 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 관성 질량판은 상기 관성 질량판 자체에서 연장되어 한몸체를 이루고 그 빗살 구조가 상기 가진판의 빗살 구조와 맞물려 상기 관성 질량판 자체를 가진시키는 판부재를 구비하고, 상기 가진판은 상기 가진판에 대응하도록 상기 각 관성 질량판의 양쪽에 배치된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 정전력 튜닝포크 자이로스코프를 상세하게 설명한다.

도4는 본 발명에 따른 가진판과 감지 전극이 분리된 정전력 튜닝 포크 자이로스코프의 개략적 평면도이며, 도 5는 도 4의 B-B' 라인을 따라 절개한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정전압 튜닝 포크 마이크로자이로스코프는 두 개의 관성 질량판(11a, 11b), 이 관성 질량판(11a, 11b)의 하부에 배치된 두 개의 감지 전극(12a, 12b), 두 관성 질량판 각각의 양쪽에 연장되어 그 양쪽에 빗살형 구조를 갖는 판부재(11a', 11b', 11a", 11b"), 관성 질량판(11a, 11b)을 지지하는 지지빔(13), 지지빔(13)을 떠받쳐주는 앵커(14), 상기 판부재의 빗살 구조와 그 빗살 구조가 맞물리도록 배치되어 관성 질량판과 소정의 간격으로 이격되며 정전기력에 의해 상기 판부재들을 가진시킴으로써 상기 관성 질량판을 가진시키는 가진판(15a,15b,15c,15a',15b',15c')들, 각 가진판에 전압을 인가하기 위한 가진 전극 패드(15) 및 감지 전극의 전압을 감지하기 위한 감지 전극 패드(16)를 구비한다. 여기서, 그물상으로 해칭된 영역은 앵커(표면 코넥터)를, 좌측으로 해칭된 영역은 전극과 구조물이 전기적으로 접속된 상태를 나타낸다. 본 발명에 따른 정전형 튜닝 포크 마이크로자이로스코프는 상호 소정 간격으로 이격되는 두 개의 관성 질량판(11a, 11b)과 이 관성 질량판과 각각 한 몸으로 이루어져 있고 관성 질량판을 진동시키는 수단으로 각 관성 질량??의 양쪽에 판부재(11a', 11b', 11a", 11b")가 마련되어 있으며, 상기 두 양쪽 판부재(11a', 11b', 11a", 11b")를 가진시킴으로 상기 두 관성 질량판(11a, 11b)을 각각 가진시키는 구동 수단으로서 가진판(15a, 15b, 15c, 15a', 15b', 15c')이 분할되어 배치된 점에 특징이 있다.

이와 같은 구성의 정전력에 의한 빗살 구동 튜닝 포크 마이크로자이로스코프는 다음과 같이 동작한다.

관성 질량판(11a, 11b)이 x방향으로 진동하고 동시에 y방향의 회전에 의해 발생되는 코리올리스의 힘을 받으면, 관성 질량판(11a, 11b)은 z 방향으로 진동하게 된다. 이 때 관성 질량판(11a, 11b)의 바닥면에 설치된 감지 전극(12a, 12b)에 정전압을 인가하여 관성 질량판(11a, 11b)와 감지 전극(12a, 12b) 사이의 간격이 변함에 따라 유발되는 축전량의 차를 전압의 형태로 측정한다. 이 전압 신호를 통하여 y방향의 회전에 대한 각속도를 얻게된다. 그런데 이 신호는 극히 미세하므로 노이즈에 민감하다. 그러나 본 발명의 튜닝 포크 마이크로자이로스코프는 가진판과 감지 전극을 구조적으로 이격되게 함으로써, 앞에서 설명한 바와 같이 관성 질량판(11a, 11b) 및 감지 전극(12a, 12b) 모두가 실리콘으로 이루어져 있어서 필연적으로 생기는 기판과 감지 전극 간의 기생 캐패시턴스(Cpt) 및 기생캐패시턴스(Cp; parasitic capacitance) 중 두 쪽의 값이 일정하지 않은 가진판과 감지 전극 사이의 기생 캐패시턴스(Cp)가 생기지 않도록 하고 있다. 따라서, 그 만큼 정확한 각속도의 측정이 가능하게 된다.

도 6은 각 판 간에 생성되는 캐패시턴스와 이를 검출하기 위한 등가 회로의 등가적 흐름을 나타내는 블록도이다. 여기서, 두 관성 질량판의 z방향의 변위에 의한 캐패시턴스(Cz)는 각각 볼티지 팔로워(voltage follower; 110a, 110b)를 거쳐 차동 증폭기(210)에서 그 신호 전압의 차가 두배로 되며, 반면에 두 감지 전극과 기판 간의 기생 캐패시턴스(Cpt)는 두 값이 거의 유사하여 서로 상쇄되어 나타나지 않는다. 이 두배로된 z방향의 전압 신호는 복조기(310)에서 복조되고, 로우패스필터(410)를 거쳐 출력된다. 따라서, 출력되는 전압 신호에서 기생 캐패시턴스에 의한 성분은 모두 제거되기 때문에 정확한 가속도의 측정이 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 빗살 구동 튜닝 포크 자이로스코프는 가진판(15a, 15b, 15c) (15a', 15b', 15c')이 각각 감지 전극(12a, 12b)와 소정의 간격 만큼 이격되어 있으므로, 가진판(15a, 15b, 15c) (15a', 15b', 15c')에 관성 질량판을 가진시키기 위한 구동 전압을 인가함과 동시에 y방향의 회전력에 의해 z방향의 코리올리스 힘을 감지할 때에, 가진판(15a, 15b, 15c) (15a', 15b', 15c')을 가진시키는 구동력(이 것도 정전력이므로)이 감지하고자 하는 가속도의 전압 신호에 포함되어 정확한 가속도의 측정을 방해하는 기생 캐패시턴스로 작용할 우려는 없다. 즉, 악성 기생 캐패시턴스의 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 상호 소정 간격으로 이격되는 복수개의 관성 질량판;

   상기 관성 질량판의 바로 하부에 배치되어 상기 관성 질량판과 이격 거리에 따라 충전량을 달리하는 캐패시터를 이루는 감지 전극;

   상기 관성 질량판의 양쪽에서 서로 반대되는 방향으로 연장되며 그 측면에 빗살구조가 형성된 판부재;

   상기 판부재의 빗살구조에 맞물린 빗살구조를 가지며, 상기 관성질량판을 가진시키기 위한 인력을 각각 제공하는 가진판;

   상기 판부재를 각각 지지하는 지지빔; 및

   상기 지지빔을 각각 떠받치는 앵커;를 구비하는 것을 특징으로 하는 정전 튜닝 포크 마이크로자이로스코프.