KR101075515B1 - Ｍｅｍｓ 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수평방향에서 타원형으로 진동하는 모드를 이용하는 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬방법에 관한 것으로, 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프는, 링과, 링의 중심에 위치하는 앵커 및 링을 상기 앵커에 탄성적으로 지지하는 탄성연결부가 일체형으로 형성된 진동 구조체; 진동 구조체의 주위에 형성되는 복수의 전극; 및 진동 구조체의 최대변위 발생위치에 형성되는 질량결함부를 포함한다. 인위적으로 고정된 값의 질량결함부를 형성시키는 것이므로, 전기적인 방법의 축정렬에 비하여 매우 단순하며 그 축정렬의 효과가 사용온도와 무관하게 지속적으로 유지되는 장점이 있다.
자이로스코프, 링자이로, MEMS

Description

ＭＥＭＳ 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬 방법{MEMS RING GYROSCOPE AND METHOD FOR ALIGNING VIBRATION AXIS THEREOF}
본 발명은 수평방향에서 타원형으로 진동하는 모드를 이용하는 MEMS(Microelectromechanical Systems) 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬방법에 관한 것이다.
MEMS 링 자이로스코프는 진동하는 질량에 회전이 가해졌을 때 회전속도에 비례하여 발생하는 코리올리 운동을 감지하여 회전속도 즉, 각속도를 측정하는 원리를 가지고 있다. 각속도에 대한 코리올리 운동을 극대화하여 감지 민감도를 증가시키기 위하여 구조물의 공진현상을 이용하는데, 링 자이로의 경우 두 방향의 진동 모드를 이용한다.
도 1은 링 자이로스코프에서 사용하는 두 개의 진동모드 형상을 보인 개념도이다. 도 1에서 링(101)은 타원 형상의 진동모드(102, 104)를 가지며 진동 모드에서 최대변위가 발생하는 방향을 진동축(103, 105)으로 정의한다. 진동축의 방향은 링의 경우 두 개의 모드가 정확히 45도를 이룬다. 이론적으로 링이 중심을 기준으로 대칭을 이루고 있으면 진동축의 방향은 결정되지 않은 상태가 되고 두 진동축의 방향만 45도를 이루게 된다. 그러나, 실제로는 링자이로 제작시 수반되는 미미한 양의 비대칭에 의하여 진동축의 방향이 결정되고 그 방향은 임의로 발생한다. 따라서, 진동모드를 전극의 위치에 맞도록 정렬하기 위하여 제작된 링자이로를 진동시켜 진동특성을 보고 내부전극에 일정전압을 가하여 조정하는 작업을 수행한다.
도 2는 종래의 기술에 의한 링 자이로스코프의 축정렬과 주파수 튜닝의 과정을 보이기 위한 것으로, 축정렬 과정에서 사용되는 진동특성 그래프이다. 도 2에 의하면, 링자이로의 같은 진동모드 상의 전극에서 측정한 전달함수(201)와 45도 방향의 전극에서의 전달함수(202)를 보면서 축정렬과 주파수 매칭을 하는 과정이 도시되어 있다. 도 2(a)와 같이, 초기의 전달 함수를 보면 같은 방향의 전달함수(201)과 45도 방향의 전달함수(202)에 공통적으로 2개의 공진주파수가 발생함을 볼 수 있다. 내부 전극에 적절한 전압을 인가하여 축정렬을 완료하면 같은 방향의 전달함수(201')에 공진주파수가 하나만 발견된다(도 2(b)). 이 상태에서 다시 외부전극에 적절한 전압을 인가하여 주파수 매칭을 수행한다. 주파수 매칭에 완료되면, 도 2(c)와 같이, 같은 방향의 전달함수(201")와 45도 방향의 전달함수(202")에 공통적으로 공진주파수가 하나만 발견된다. 이와 같은 과정은 보통 상온에서 이루어지지만, 실제 자이로를 사용하는 환경에서 주변의 온도가 변하면 열팽창에 의하여 링(101)과 전극(108, 109)의 사이의 간격이 변하므로, 상온에서의 특성과 차이가 발생한다. 결과적으로 축정렬과 주파수 매칭의 틀어짐이 발생하여 자이로스코프의 특성을 열화시킨다. 따라서, 사용하는 전온도구간에서 축정렬과 주파수매칭을 유지하는 별도의 방법을 마련해야 하는 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로, MEMS 링 자이로스코프에서 축정렬과 주파수 매칭이 사용온도에 따라 변화하는 문제를 근본적으로 해결할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 이를 위한 구조의 단순화를 통하여 제조가 용이하고 신뢰성이 우수한 MEMS 링 자이로스코프 및 그의 축정렬 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프는, 링과, 상기 링의 중심에 위치하는 앵커 및 상기 링을 상기 앵커에 탄성적으로 지지하는 탄성연결부가 일체형으로 형성된 진동 구조체; 상기 진동 구조체의 주위에 형성되는 복수의 전극; 및 상기 진동 구조체의 최대변위 발생위치에 형성되는 질량결함부를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 질량결함부는 90도 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 질량결함부는 상기 링을 관통하는 관통홀 형태로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 질량결함부는 2~10㎛의 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 질량결함부는 상기 최대변위 발생위치에 서의 질량의 증가를 수반할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 질량결함부는 실리콘, 금속 또는 금속박막에 의해 구현될 수 있다.
본 발명은 또한, 진동 구조체의 최대변위를 형성시키고자 하는 부위를 포함하여 전극을 배치시키는 단계; 및 상기 진동 구조체의 최대변위가 발생되는 부위에 질량결함부를 형성시키는 단계를 포함하는 MEMS 링 자이로스코프의 진동축 정렬방법을 개시한다.
상기한 바와 같이, 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬방법에 의하면, 인위적으로 고정된 값의 질량결함부를 형성시키는 것이므로 전기적인 방법의 축정렬에 비하여 매우 단순하며 그 축정렬의 효과가 사용온도와 무관하게 지속적으로 유지되는 장점을 가진다.
이러한 질량결함부에 의한 진동 구조체의 안정적인 진동 모드 유지는 자이로스코프의 바이어스 안정도와 반복도, 환산계수 안정도와 반복도 등과 같이 항법용 자이로스코프의 성능 구현에 유리하다.
이하, 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬방법을 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프의 개략적인 평면도이다. 도 3에 의하면, MEMS 링 자이로스코프(100)는 진동 구조체(110), 복수의 전 극(108,109) 및 질량결함부(120)를 포함하고 있다.
진동 구조체(110)는 링(111)과, 링(111)의 중심에 위치하는 앵커(112) 및 링(111)을 앵커(112)에 탄성적으로 지지시키는 탄성연결부(113)가 일체형으로 형성된 구조로 되어 있다. 이러한 진동 구조체(110)는 실리콘 웨이퍼의 가공을 통하여 얻어질 수 있다.
탄성연결부(113)는 링(111)의 공진주파수를 결정할 수 있게 형성된다. 도 3에 의하면 탄성연결부(113)는 앵커(112)로부터 방사상으로 8개가 형성되어 있으며, 각각은 앵커(112)로부터 반경방향으로 직선적으로 연장되다가 여러 차례 구부러진 후 링(111)에 연결되고 있다. 구현된 진동 구조체(110)의 링(111)은 실리콘 재질로 형성된 것으로서, 직경이 4㎜, 링(111)의 폭이 40㎛, 탄성연결부(113)의 폭이 20㎛, 전체 진동 구조체(110)의 두께 100㎛를 사용하였다. 다만, 탄성연결부(113)의 형상이나 크기는 임의적으로 조절이 가능하다.
전극(108,109)은 링(111)을 공진시키고 운동을 감지하는 복수의 외부전극(108)과, 진동축의 방향을 조절하는 내부전극(109)으로 구성된다. 외부전극(108)과 내부전극(109)은 고정된 위치에 형성된다.
질량결함부(120)는 진동 구조체(110)의 최대변위 발생위치에 형성되는 것으로, 그 위치에서 질량의 결손 또는 추가를 통하여 인위적으로 진동축을 고정시킨다. 도 4에 의하면, 질량 결함부(120a)는 링(111)을 관통하는 관통홀 형태로 되어 있다. 이외에도 질량 결함부(120b)는 도 5와 같이 링(111)의 표면으로부터 수㎛의 깊이로 형성된 홈 형상으로 될 수 있으며, 도 6과 같이 반대로 링(111)의 표면으로 부터 질량의 증가를 수반하도록 부착된 형태로도 될 수 있다. 질량결함부(120)는 실리콘, 금속 또는 금속박막에 의해 구현될 수 있다.
질량결함부(120)는 진동 구조체(110)의 최대변위 발생위치 또는 비 노드점(anti-nodal point)에 적어도 하나 형성되는 것이 가능하다. 그러한 경우로서, 1개 또는 상호 반대되는 위치에 각각 1개씩 형성되거나, 도 3과 같이 90도 간격으로 4개가 형성될 수도 있다.
도 3에서 개시된 MEMS 링 자이로스코프의 질량 결함부(120)의 직경은 약 5㎛을 사용하였으며, 이 경우, 공진주파수는 14,500㎐이고, 주파수의 이격은 평균 12㎐로 나타났다. 이외에도 질량 결함부(120)의 직경은 수 ㎛ 정도 내에서 설정될 수 있으며, 보다 구체적으로는 2~10㎛일 수 있다.
주파수 이격 12Hz는 후에 충분히 주파수 매칭이 가능한 값이며, 제작된 링자이로의 전달함수를 측정하였을 때 초기에 별도의 축정렬을 하지 않은 상태에서도 같은 방향의 전달함수에서 공진주파수가 하나만 발견된다. 특별히 온도 챔버를 이용하여 온도를 자이로스코프의 사용온도 구간에서 변화시키면서 같은 방향의 전달함수를 측정하였을 때도 전 온도구간에서 공진주파수가 하나만 발견된다. 결과적으로 인위적인 질량 결함에 의한 진동축 정렬은 주변의 온도 변화와 무관하게 변화하지 않음이 확인된다.
상기와 같이 설명된 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 당업자에 의하여 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 실시예들의 전 부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
도 1은 링 자이로스코프에서 사용하는 두 개의 진동모드 형상을 보인 개념도(schematic diagram)
도 2는 종래의 기술에 의한 링 자이로스코프의 축정렬과 주파수 튜닝의 과정을 보이기 위한 것으로, 축정렬 과정에서 사용되는 진동특성 그래프
도 3은 본 발명과 관련된 MEMS 링 자이로스코프의 개략적인 평면도
도 4는 본 발명과 관련된 질량결함부를 보이기 위한 링의 단면도
도 5 및 도 6은 발명과 관련된 질량결함부의 다른 예를 보이기 위한 링의 단면도들
※도면중 주요부분에 대한 부호의 설명
108: 외부전극 109: 내부전극
110: 링 구조체 111: 링
112: 앵커 113: 탄성연결부
120,120a,120b,120c: 질량결함부
201 : 같은 방향에서의 진동 전달함수
202 : 45도 방향에서의 진동 전달함수

Claims (13)

  1. 링과, 상기 링의 중심에 위치하는 앵커 및 상기 링을 상기 앵커에 탄성적으로 지지하는 탄성연결부가 일체형으로 형성된 진동 구조체;
    상기 진동 구조체의 주위에 형성되는 복수의 전극; 및
    상기 진동 구조체의 최대변위 발생위치에 형성되는 질량결함부를 포함하고,
    상기 질량결함부는 상기 링 상에 90도 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질량결함부는 상기 링을 관통하는 관통홀 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 질량결함부는 2~10㎛의 직경을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질량결함부는 상기 최대변위 발생위치에서의 질량의 증가를 수반하는 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 질량결함부는 실리콘, 금속 또는 금속박막에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프.
  7. 진동 구조체의 최대변위를 형성시키고자 하는 부위를 포함하여 전극을 배치시키는 단계; 및
    상기 진동 구조체의 최대변위가 발생되는 부위에 질량결함부를 형성시키는 단계를 포함하되,
    상기 진동 구조체는,
    링과, 상기 링의 중심에 위치하는 앵커 및 상기 링을 상기 앵커에 탄성적으로 지지하는 탄성연결부를 포함하고, 상기 질량결함부는 상기 링 상에 90도 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프의 진동축 정렬방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 질량결함부는 상기 링을 관통하는 관통홀 형태로 형성시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프의 진동축 정렬방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 질량결함부는 2~10㎛의 직경을 갖도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프의 진동축 정렬방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 질량결함부는 상기 최대변위 발생위치에서의 질량의 증가를 수반시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프의 진동축 정렬방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 질량결함부는 실리콘, 금속 또는 금속박막에 의해 구현시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 링 자이로스코프의 진동축 정렬방법.
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