KR100408509B1 - 마이크로자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 특성 및 응답의 선형성이 향상된 새로운 튜닝 구조물을 이용한 마이크로자이로스코프에 관한 것이다. 본 발명에 따른 새로운 튜닝 구조의 마이크로자이로스코프는 관성 질량체을 지지하는 지지빔을 일자형의 단일빔 형태로 제작함으로써, 관성 질량체의 제작 오차가 발생하더라도 진동 모드가 변하지 않는 새로운 튜닝 구조를 이룬다. 따라서, 자이로스코프의 성능이 제작오차 등에 영향을 받지 않을 뿐 만 아니라 제작 오차에 의해서 생긴 에러를 보정하기 위하여 가진 및 감지회로가 복잡해지는 것을 막을수 있다. 또한 관성 질량체의 감지 진동이 감지 전극에 평행하므로 각속도 측정시 비선형성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

마이크로자이로스코프{A microgyro scope}

본 발명은 마이크로자이로스코프에 관한 것으로, 상세하게는 주파수 특성 및 응답의 선형성이 향상된 새로운 튜닝 구조물을 이용한 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자이로스코프는 1990년대 이전까지 그 크기가 크고, 고가여서 항공기의 항법 장치등 주로 군수 분야에서 특수한 용도로 만 사용되어 왔다. 그러나 1990년대 이후 압전 재료를 이용한 소형 자이로스코프가 개발되면서 가전 제품(캠코더, 청소기), 자동차(ABS, Nevigatinon), 멀티미디어 주변기(VR Header ,3D Mouse) 등으로 그 용도 범위가 매우 넓어졌다.

최근에는 마이크로머시닝 기술(micro-machining technology)을 이용하여, 초저형, 초저가의 마이크로자이로스코프를 개발하여 위의 용도 뿐 만 아니라 의료용 기기(내시경, Catheter등 )와 공장(Plant) 보수 로봇 등에 이용하려는 연구가 활발이 진행되고 있다.

1990년US Bekeley 의 W.C Tang 과 R.T Howe 에 의해서 처음으로 측방 구동 빗형 공진기(Laterally driven comb type resonator; US 2,025,346)가 발명된 이래이러한 공진기(Resonator)를 이용하여 필터, 광통신용 액츄에이터 등의 소자(Device)를 만들려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 1992년에 CSDL(Charles Stark Draper Laboratory)는 이러한 공진기(Resontor)를 이용하여 자이로스코프를 구성하는 방법(US5,349,859)에 대해서 특허 출원을 하였다.

CSDL에서 발명한 지이로스코프의 전체 형상은 도 1에 도시된 바와 같다. 가진 전극(101)에 교류 전압를 인가함으로써 빗(comb) 구조물(102)에서 정전기력이 발생한다. 정전기력은 인력(引力)만이 존재하므로 관성 질량체(103)은 x방향에서 서로 반대 방향으로 가진된다. 외부에서 각속도(Ω)가 입력되면 2×m×Ω×v의 코리올리스 힘(coliolis force)이 z방향으로 작용하여 관성 질량체(103)은 z방향에서 서로 반대 방향으로 진동한다. 이 때 기판(104)에 형성된 감지 전극(105)과 관성 질량체(103) 사이의 캐패시턴스는 관성 질량체(103)과 감지 전극(105) 사이의 거리에 반비례한다. 따라서 두 관성질량(103)과 감지전극(105) 사이의 캐패시턴스 변화를 측정함으로서 코리올리스 힘을 측정할 수 있고, 이를 통해 각속도 Ω를 구할 수 있다.

여기서 관성 질량체(103)을 두 개로 하는 것은 선가속도, 각가속도, 온도변화 등에 의해서 발생하는 출력의 변화나 두 개의 관성 질량체(103)에서 똑같이 발생한 노이즈의 영향을 감소시키기 위한 것이다. 즉, 두 관성 질량체(103)에서 나오는 출력을 서로 뺌으로서, 상기와 같은 노이즈는 서로 상쇄되고 감지 신호는 두배가 된다. 이와 같은 이유에서 두 개의 관성 질량체을 구비하는 것은 자이로에서 필수적이다.

자이로스코프로서의 좋은 성능을 얻기위해서는 두 개의 관성 질량체는 동일한 공진 주파수로 공진되어야 한다. 만약 두 개의 관성 질량체을 갖는 자이로스코프에서 제작 오차나 기타 이유에서 두 관성 질량체의 공진 주파수가 달라진다면 성능이 나빠지거나 두 주파수로 각각의 관성질량를 가진하고 감지해야 하므로 가진 및 감지 회로가 매우 복잡해진다. 이와같은 이유에서 일반적으로 자이로스코프를 설계할 때는 두 개의 관성 질량체이 서로 튜닝되도록 설계된다.

CSDL의 마이크로자이로스코프에서도 이러한 튜닝 구조가 사용되고 있다. 이러한 튜닝 구조의 튜닝 효과는 지지빔(106)의 폭이 가늘수록 확실하게 나타난다. 도 2a 및 도 2b는 CSDL의 마이크로자이로스코프의 가진 진동 모드를 나타내고 있다. 그러나, 지지빔(106)폭이 지나치게 가늘면 가진시에도, 도 2b에 도시된 바와 같이, 지지빔(106) 자체가 휘어져서 구조적 처짐(structure damping)이 커질 뿐 만 아니라 자이로스코프의 안정성도 매우 나빠진다. 이러한 구조적 처짐을 감소시키기 위해서 지지빔(106)의 폭을 늘리면 두 개의 관성 질량체(103)은 독립된 구조물이 되어 조그마한 제작 오차에 의해서도 서로 다른 공진 주파수를 갖게 된다.

또한, 도 3a 및 도 3b에는 CSDL의 자이로스코프의 감지 진동 모드를 도시한 것이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 지지빔(106)의 폭에 따라 관성 질량체(103)은 기판(104) 평면에 대해서 경사지게 진동하기도 한다. 따라서 관성질량(103)과 감지 전극(105) 사이의 캐패시턴스 변화는 2차의 비선형성을 갖게된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 두 개의 관성질량체의 제작 오차에 의해 영향을 받지 않으며, 제작 오차에 의해 가진 및 감지 회로가 복잡해 지는 것을 방지하며, 관성 질량체와 감지 전극 사이의 캐패시턴스가 선형적으로 변화되는 마이크로자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 마이크로자이로스코프의 개략적 사시도,

도 2a 및 도 2b는 도 1의 마이크로자이로스코프의 가진 진동 모드를 나타내는 도면으로,

도 2a는 정면도, 도 2b는 평면도,

도 3a 및 도 3b는 도 1의 마이크로자이로스코프의 감지 진동 모드를 나타내는 도면으로,

도 3a는 정면도, 도 3b는 평면도,

도 4는 본발명에 따른 마이크로자이로스코프의 제1실시예의 개략적 구성을 나타내는 도면,

도 5a 및 도 5b는 도 4의 마이크로자이로스코프의 가진 진동 모드를 나타내는 도면으로,

도 5a는 정면도, 도 5b는 평면도,

도 6a 및 도 6b는 도 4의 마이크로자이로스코프의 감지 진동 모드를 나타내는 도면으로,

도 6a는 정면도, 도 6b는 평면도,

도 7은 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프의 제2실시예의 개략적 구성을나타내는 도면,

도 8a 및 도 8b는 도 7의 마이크로자이로스코프의 가진 진동 모드를 나타내는 도면,

도 8a는 정면도, 도 8b는 평면도,

도 9a 및 도 9b는 도 7의 마이크로자이로스코프의 감지 진동 모드를 나타내는 도면으로,

도 9a는 정면도, 도 9b는 평면도,

도 10은 도 4의 제1실시예의 구체적 평면도 및 단면도,

도 11은 도 7의 제2실시예의 구체적 평면도 및 단면도,

그리고 도 12 내지 도 23은 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프의 제조 단계별 공정 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101. 가진 전극 102. 빗(comb) 구조물

103. 관성 질량체 104. 기판

105. 감지 전극

201a, 201b. 관성 질량체 202a, 202b, 202c.지지빔

203. 앵커

205.빗 구조물 206. 기판

207. 감지 전극 208. 감지 전극

301a, 301b, 301c. 관성 질량체 302a, 302b, 302c, 302d..지지빔

302a, 302b, 302c, 302d.지지빔 304. 가진 전극

305. 빗(comb)구조물

302. 지지빔 307. 감지 전극

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프는, 기판; 상기 기판 위에 떠 있는 상태에서 상기 기판과 평행한 방향 및 수직인 방향으로 진동하는 복수개의 관성 질량체; 상기 관성 질량체의 양쪽으로 배치되어 상기 관성 질량체이 떠 있도록 지지하여 주는 한 쌍의 지지빔 및 상기 지지빔을 각각 받쳐주는 앵커들; 정전기력을 발생시켜 상기 복수개의 관성 질량체을 상기 기판에 평행하되 상기 지지빔에 수직하게 진동시키는 가진 수단; 및 입력되는 각속도를 감지하는 감지 수단;을 구비하되, 상기 복수개의 관성 질량체의 진동이 서로 튜닝되게 상기 한 쌍씩의 지지빔들은 각각 일자형으로 배열된 단일빔 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 가진 수단은 각각 두 개의 전극을 빗살형의 상기 관성 질량체에 교류 혹은 직류전압을 가해 상기 관성 질량체의 고유 진동수에 맞추어서 가진하고, 외부에서 각속도가 입력되면, 상기 복수개의 관성 질량체는 상기 지지빔 및 상기 기판에 수직하게 서로 이웃하는 관성 질량체 끼리 서로 반대 방향으로 진동하며, 상기 감지 수단은 상기 기판과 상기 관성 질량체 사이의 캐패시턴스 변화로 감지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 관성 질량체는 수직과 수평 방향의 고유 진동주파수가 같도록 맞춰진 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프를 설명한다.

도 4는 본발명에 따른 마이크로자이로스코프의 제1실시예의 개략적 구성을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)은 각각 그 양쪽에 한 쌍의 지지빔(202a, 202b, 202c)이 일자형으로 배치된 단일빔 형태에 의해 지지된다. 즉, 제1관성 질량체(201a)은 그 양쪽에 각각 위치한 한 쌍의 지지빔(202a, 202b)에 의해 지지되고, 제2관성 질량체(201b)은 그 양쪽에 각각 위치한 한 쌍의 지지빔(202b, 202c)들에 의해 지지된다. 이들 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)은 가진시, 도 5b에 도시된 바와 같이, y방향에서 서로 반대 방향으로 가진된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1관성 질량체(201a)이 y방향으로 가진되면, 제2관성 질량체(201b)은 -y방향으로 가진된다. 또한, 각속도 입력에 의한 코리올리스 힘으로 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)은, 도 6a에 도시된 바와 같이, z방향에서 서로 반대 방향으로 진동한다. 이 진동을 측정하여 입력 각속도를 구할 수 있다. 이러한 관성 질량체는 전체적으로 단일빔에 의해 지지되고 있으므로, 제작 오차에 의해 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)에 비대칭성이 존재하더라도, 그 진동 모드는 빔의 고유 진동 모드를 따르게 된다. 따라서 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)이 y방향으로 두 개의 공진 주파수를 가지면서 독립적으로 진동할 수는 없다. 이러한 가진 진동 모드는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같다. 이러한 튜닝 효과는 지지빔(202a, 202b, 202c)의 폭이 클수록 크게 나타난다.

도 6a 및 도 6b는 도 4의 마이크로자이로스코프의 감지 방향 진동 모드를 나타낸다. 도 6a는 정면도이고, 도 6b는 평면도이다. 도시된 바와 같이, 구조물의 중앙을 절점(node)으로 설정함으로서 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)은 z방향으로 기울지지 않고 기판에 대해서 평행해게 진동한다. 따라서, 감지 캐패시턴스의 선형성이 좋아진다.

도 7은 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프의 제2실시예의 개략적 구성을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 제2실시예는 3개의 관성 질량체(301a, 301b, 301c)과 이 들 관성 질량체(301a, 301b, 301c)의 양쪽에는 각각 한 쌍의 지지빔(302a, 302b, 302c, 302d)들이 구비된다. 여기서, 3개의 관성 질량체(301a, 301b, 301c)은 그 양쪽에 각각 한 쌍의 지지빔(302a, 302b, 302c, 302d)들이 각각 일자형으로 배치된 단일빔의 형태로 동일 축선상에 있게 된다. 그리고 이들 지지빔(302a, 302b, 302c, 302d)을 받쳐주는 앵커(203)들 역시 각각의 지지빔에 대응하는 개수 만큼 구비된다. 제2실시예에서도 3개의 관성 질량체(205)이 단일빔(302a, 302b, 302c, 302d)에 의해 지지되고 있으므로, 제작 오차에 의해 관성 질량체(301a, 301b, 301c) 간에 비대칭성이 존재하더라도 그 진동 모드는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 단일빔의 진동 모드를 따른다. 또한, 절점(node)를 각 관성 질량체(301a, 301b, 301c)에 대해 대칭적으로 잡음으로써, 도 9a에 도시된 바와 같이, 관성 질량체(301a, 301b, 301c)이 z방향에서 진동할 때 수평을 유지하면서 서로 z방향으로 교차하면서 진동할 수 있게 된다. 제2실시예의 감지 진동 모드는 도 9a 및 도 9b에 잘 도시되어 있다.

이상 설명한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예의 원리에 따라 실제 제작된자이로스코프가 도 10 및 도 11에 각각 도시되어 있다.

도 10은 제1실시예의 원리에 따라 제작된 마이크로자이로스코프의 평면도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이, 관성 질량체(201a, 201b)는 지지빔(202a, 202b, 202c)과 앵커(anchor; 203)를 통하여 기판(206) 위에 떠있는 상태로 지지되어 있다. 관성 질량체(201a, 201b)의 가진은 기판(206)에 고정된 가진 전극(204)에 가진 진동 모드의 공진 주파수와 동일한 주파수의 교류 전압을 인가하여 빗(Comb) 구조물(205)에서 정전기력을 발생시킨다. 교류 전압의 펄스에 의해 생성된 정전기력(인력)은 두 개의 관성 질량체(201a, 201b)을 각각 x방향에서 서로 반대 방향으로 진동시킨다. 외부에서 각속도(Ω)가 입력되면 코리올리스 힘이 발생하여 관성 질량체(201a, 201b)과 기판(206) 위에 형성된 감지 전극(207) 사이의 캐패시턴스 변화를 측정하여 코리올리스 힘을 측정하고, 이를 통해 입력 각속도를 측정한다. 기판(206) 위에 고정된 감지 전극(208)은 가진 방향의 주파수 및 변위를 측정하여 향상 가진 방향의 진동이 공진점에서 이루어지도록 제어할 때 사용된다. 또한 관성 질량체(201a, 201b)에는 사각 홀들을 다수 만들어 스퀴즈 댐핑(Squeeze damping)을 줄이고 희생층 식각 용액의 침투가 용이하도록 한다.

도 11은 제2실시예의 원리에 따라 제작된 마이크로자이로스코프의 평면도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이, 중앙의 관성 질량체(301b)과 양쪽의 관성 질량체(301a, 301c)은 가진 전극(304)를 통해 앞에서 설명한 가진 진동 모드로 진동한다. 이 때의 가진력은 빗(comb)구조물(305)에서 발생하는 정전기력이다. 외부에서 각속도가 입력되면 제1실시예와 동일한 원리에 의해서 각속도를 측정할 수 있다. 여기서 언급되지 않은 부재번호 302 및 307은 각각 지지빔 및 감지 전극이다.

한편, 이상과 같은 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프를 제작하는 공정은 도 12 내지 도23에 도시된 바와 같다.

먼저, 도 12에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 SiO₂를 성장시켜 절연층(2)을 형성한다. 다음에, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 SiO₂절연층(2) 상에 Si₃N₄을 증착시켜 질화물층(3)을 형성한다. 다음에, 도 14에 도시된 바와 같이, Si₃N₄질화물층(3) 상에 폴리 실리콘층(4a)을 형성한다. 다음에, 도 15에 도시된 바와 같이, 폴리 실리콘층(4a)을 패터닝하여 전극 패턴(4b)을 형성한다. 다음에, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 전극 패턴(4b)를 완전히 덮도록 PSG(phosphorus silicated glass)을 증착하여 희생층(5a)을 형성한다. 다음에, 도 17에 도시된 바와 같이, PSG 희생층(5a)을 식각하여 PSG 희생 패턴(5b)을 형성한다. 다음에, 도 18에 도시된 바와 같이, PSG 희생 패턴(5b) 상에 폴리 실리콘을 증착하여 폴리 실리콘 구조물층(6a)을 형성한다. 다음에, 도 19에 도시된 바와 같이, 폴리 실리콘 구조물층(6a) 상에 PSG를 증착하여 식각 차단막(7a)을 형성한다. 다음에, 도 20에 도시된 바와 같이, 증착 결과물을 어닐링(annealing)한다. 다음에 어닐링된 PSG 식각 차단막(7a)을 식각하여, 도 21에 도시된 바와 같이, PSG 식각 차단 패턴(7b)을 형성한다. 다음에 PSG 차단 패턴(7b)을 이용하여 폴리 실리콘 구조물층(6a)을 식각하여, 도 22에 도시된 바와 같이, 폴리 실리콘 구조물(6b)을 형성한다. 다음에, PSG 식각 차단 패턴(7b) 및 PSG 희생 패턴(5b)을 완전히 식각하여 제거함으로써,도 23에 도시된 바와 같이, 소자를 완성한다. 여기서, 폴리 실리콘 구조물(6b)은 빗(comb)형 관성 질량체에 해당된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 새로운 튜닝 구조의 마이크로자이로스코프는 관성 질량체을 지지하는 지지빔을 단일빔 형태로 제작함으로써, 관성 질량체의 제작 오차가 발생하더라도 진동 모드가 변하지 않는 새로운 튜닝 구조를 이룬다. 따라서, 자이로스코프의 성능이 제작오차 등에 영향을 받지 않을 뿐 만 아니라 제작 오차에 의해서 생긴 에러를 보정하기 위하여 가진 및 감지회로가 복잡해지는 것을 막을수 있다. 또한 관성 질량체의 감지 진동이 감지 전극에 평행하므로 각속도 측정시 비선형성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 기판;

   상기 기판 위에 떠 있는 상태에서 상기 기판과 평행한 방향 및 수직인 방향으로 진동하는 복수개의 관성 질량체;

   상기 관성 질량체의 양쪽으로연장되어 상기 관성 질량체가 떠 있도록 지지하여 주는 한 쌍의 지지빔 및 상기 지지빔을 각각 받쳐주는 앵커들;

   정전기력을 발생시켜 상기 복수개의 관성 질량체를 상기 기판에 평행하되 상기 지지빔의 연장방향에 수직방향으로진동시키는 가진 수단; 및

   입력되는 각속도를 감지하는 감지 수단;을 구비하되,

   상기 복수개의 관성 질량체의 진동이 서로 튜닝되게 상기 한 쌍씩의 지지빔들은 각각 일자형으로 배열된 단일빔 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가진 수단은, 마이크로자이로스코프.

   상기 관성질량체에서 상기 지지빔 연장방향과 수직 방향으로 형성된 빗전극들; 및

   상기 관성질량체의 빗전극들과 대응되게 형성된 빗전극들이 상기 관성질량체를 마주보는 면에 형성된 가진전극;을 구비하며,

   상기 가진전극에교류 혹은 직류전압을 가해 상기 관성 질량체의 고유 진동수에 맞추어서 가진하는 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
3. 제1항에 있어서,

   외부에서 각속도가 입력되면, 상기 복수개의 관성 질량체는 상기 지지빔 및 상기 기판에 수직하게 서로 이웃하는 관성 질량체 끼리 서로 반대 방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 감지 수단은 상기 기판과 상기 관성 질량체 사이의 캐패시턴스 변화로감지하는 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
5. 제1항에 있어서,

   상기 관성 질량체는 수직과 수평 방향의 고유 진동 주파수가 같도록 맞춰진 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
6. 제1항에 있어서,

   상기 관성 질량체는 두 개가 구비되고, 상기 지지빔은 상기 관성 질량체의 양쪽에 각각 한 쌍씩 구비되며, 상기 지지빔들은 일자로 배열되어 단일빔 형태를 가지며, 상기 각 관성 질량체는 서로 반대 방향으로 가진되도록 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
7. 제6항에 있어서,

   상기 관성 질량체는 수직과 수평 방향의 고유 진동 주파수가 같도록 맞춰진 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
8. 제1항에 있어서,

   상기 관성 질량체는 세 개가 구비되고, 상기 지지빔은 상기 관성 질량체의 양쪽에 각각 한 쌍씩 구비되며, 상기 지비빔들은 일자로 배열되어 단일빔 형태를 가지며, 상기 각 관성 질량체는 서로 이웃하는 관성 질량체 끼리 서로 반대 방향으로 가진되도록 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.
9. 제8항에 있어서,

   상기 관성 질량체는 수직과 수평 방향의 고유 진동 주파수가 같도록 맞춰진 것을 특징으로 하는 마이크로자이로스코프.