KR101433590B1 - Parametric amplification of a mems gyroscope by capacitance modulation - Google Patents

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Abstract

MEMS 자이로스코프의 출력의 파라미터 증폭은 감지 커패시턴스 또는 인가된 DC 전압을 갖는 보조 커패시턴스를 변조함으로써 얻어진다. 커패시턴스 변조는 자이로스코프 메카니즘의 구동 운동에 의해 생성되어, 파라미터 증폭기의 펌프 신호는 전자 장치의 위상 오차에 노출되지 않는다. 커패시턴스 변조는 센서의 전기적 이득(센서 메카니즘 변위로부터 출력 전기 신호로의 전달 함수)뿐만 아니라 센서의 기계적 이득(입력된 힘으로부터 센서 메카니즘 변위로의 전달 함수)에 영향을 미친다. 센서의 기계적 이득 및 전기적 이득은 위상에 종속으로 되어, 원하지 않는 직교위상 신호가 감쇄하는 반면, 코리올리 속도 신호는 증폭된다.

Figure R1020080099846

MEMS, 자이로스코프, 커패시턴스 변조, 파라미터 증폭

The parameter amplification of the output of the MEMS gyroscope is obtained by modulating the auxiliary capacitance with the sense capacitance or the applied DC voltage. The capacitance modulation is generated by the driving motion of the gyroscope mechanism so that the pump signal of the parameter amplifier is not exposed to the phase error of the electronic device. The capacitance modulation affects the mechanical gain of the sensor as well as the electrical gain of the sensor (the transfer function from the sensor mechanism displacement to the output electrical signal) (the transfer function from the input force to the sensor mechanism displacement). The mechanical and electrical gains of the sensors are phase dependent, so that the undesired quadrature signal is attenuated while the Coriolis velocity signal is amplified.

Figure R1020080099846

MEMS, gyroscope, capacitance modulation, parametric amplification

Description

커패시턴스 변조에 의한 ＭＥＭＳ 자이로스코프의 파라미터 증폭{PARAMETRIC AMPLIFICATION OF A MEMS GYROSCOPE BY CAPACITANCE MODULATION}[0001] PARAMETRIC AMPLIFICATION OF A MEMS GYROSCOPE BY CAPACITANCE MODULATION [0002]

[우선권 주장][Priority claim]

본 특허 출원은 2007년 12월 12일 출원되고 본 명세서에서 그 전문이 원용되는 "커패시턴스 변조에 의한 ＭＥＭＳ 자이로스코프의 파라미터 증폭{PARAMETRIC AMPLIFICATION OF A MEMS GYROSCOPE BY CAPACITANCE MODULATION}"의 명칭을 갖는 미국 가특허 출원 제61/013,041호의 우선권을 주장한다.This patent application is a continuation-in-part of US patent application, entitled " PARAMETRIC AMPLIFICATION OF A MEMS GYROSCOPE BY CAPACITANCE MODULATION, " filed December 12, 2007, 61 / 013,041.

[정부의 권리][Government Rights]

본 발명은 미국 육군에 의해 재정된 계약 번호 W15P7T-05-C-P609 및/또는 W15P7T-07-C-P609 하에서 미국 정부로부터의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대하여 소정의 권리를 가질 수 있다.The present invention was made with support from the US government under Contract No. W15P7T-05-C-P609 and / or W15P7T-07-C-P609, as financed by the US Army. The US government may have certain rights to the invention.

MEMS(Micro-ELectro-Mechanical System) 자이로스코프 센서는 가요성 현수 부재에 의해 서로 연결되거나 또는 기판에 연결되는 하나 이상의 가동(movable) 관성 질량체(proof mass)로 이루어진다. 일반적으로 관성 질량체 및 현수 부재는 강하게 도핑된 실리콘을 에칭함으로써 제조되며, 이 실리콘은 하나 또는 그 이상의 상부 및/또는 하부의 유리 또는 실리콘 기판에 접합된다.A MEMS (Micro-ELectro-Mechanical System) gyroscope sensor consists of one or more movable inert mass masses connected to each other by a flexible suspending member or connected to a substrate. In general, inertial mass and suspending members are fabricated by etching strongly doped silicon, which is bonded to one or more upper and / or lower glass or silicon substrates.

관성 질량체는 "모터(motor)" 모드의 공진 주파수에서 정전기적으로 구동된다. 센서가 회전을 겪게 될 때, 모터 모드 운동의 속도는 관성 질량체가 모터 속도 및 회전 축에 수직인 코리올리의 힘을 받는다. 코리올리의 힘에 의해 발생되는 관성 질량체의 운동은 감지 전극에 의해 용량성으로(capacitively) 감지되어 전기 출력 신호를 생성한다.The inertial mass is electrostatically driven at the resonant frequency of the "motor" mode. When the sensor is subjected to rotation, the speed of the motor-mode motion is subjected to the Coriolis force whose inertia mass is perpendicular to the motor speed and rotation axis. The motion of the inertial mass caused by the Coriolis force is capacitively sensed by the sensing electrode to produce an electrical output signal.

다양한 MEMS 자이로스코프에서, 모터 모드는 기판에 평행하게 동일하거나 반대 방향의 속도로 움직이는 2개의 관성 질량체로 이루어지며, 이 경우 상기 2개의 관성 질량체는 상기 2개의 관성 질량체의 중심을 연결하는 선을 따라 움직인다. 모터 모드 공진 주파수는 10 내지 20 kHz의 범위에 있을 수 있다. MEMS 자이로스코프 센서는 기판에 평행한 회전 또는 수직인 회전 중 하나를 감지하도록 설계될 수 있다. 코리올리의 힘은 회전축이 기판에 수직인지 또는 평행한지에 따라 기판에 평행 또는 수직으로 반대 방향으로 움직이는 2개의 관성 질량체로 이루어져 있는 실리콘 메카니즘의 "감지(sense)" 공진 모드를 구동한다. 기판에 평행한 축 주위로의 회전을 감지하도록 설계된 센서는 IPG(in-plane gyroscope)로 칭해지며, 기판에 수직인 축 주위로의 회전을 감지하도록 설계된 센서는 z-축 자이로스코프 또는 OPG(out-of-plane gyroscope)로 칭해진다.In various MEMS gyroscopes, the motor mode consists of two inertial masses moving at the same or opposite speed parallel to the substrate, with the two inertial masses along a line connecting the centers of the two inertial masses It moves. The motor mode resonance frequency may be in the range of 10 to 20 kHz. The MEMS gyroscope sensor may be designed to sense either a rotation parallel to the substrate or a rotation perpendicular to the substrate. The Coriolis force drives a "sense" resonance mode of the silicon mechanism consisting of two inertial masses moving in parallel or vertically opposite directions to the substrate as the axis of rotation is perpendicular or parallel to the substrate. A sensor designed to sense rotation about an axis parallel to the substrate is called an in-plane gyroscope (IPG), and a sensor designed to sense rotation about an axis perpendicular to the substrate may be a z-axis gyroscope or an OPG -of-plane gyroscope.

MEMS 자이로스코프에서, 감지 모드의 공진주파수는 일반적으로 모터 모드의 공진 주파수보다 5% 내지 10% 이하에 있어서, 코리올리의 힘은 센서 모드를 공진에서 벗어나게 구동한다. 다른 MEMS 자이로스코프는 스케일 팩터(scale factor)를 최 대화하기 위하여 모터 공진 주파수와 가능한 한 가까운 감지 공진 주파수로 동작할 수 있다. 그러나, 이러한 센서의 대역폭은 매우 제한되며, 안전성 문제를 가질 수 있다.In a MEMS gyroscope, the resonance frequency of the sensing mode is typically 5% to 10% or less of the resonance frequency of the motor mode, so that the Coriolis force drives the sensor mode out of resonance. Other MEMS gyroscopes can operate with a sense resonance frequency as close as possible to the motor resonance frequency to maximize the scale factor. However, the bandwidth of such a sensor is very limited and can have safety problems.

다른 MEMS 자이로스코프는 전술한 2개의 관성 질량체 구성과는 전혀 상이할 수 있다. 그러나, 이것들 모도는 자신의 공진 주파수에서 구동되는 모터 모드를 가질 수 있으며, 회전하는 동안 코리올리의 힘을 받으며, 코리올리의 힘은 운동이 용량성으로 검출되는 감지 모드를 구동한다.Other MEMS gyroscopes may be quite different from the two inertial mass configurations described above. However, these moments can have a motor mode driven at their resonant frequency, receive the force of the Coriolis during rotation, and the Coriolis force drives the sense mode in which the motion is capacitively detected.

MEMS 자이로스코프에서의 센서 출력 신호는 모터 공진 주파수에서 AC 신호이다. 일반적인 MEMS 자이로스코프는 코리올리의 힘에 의해 생성된 출력 신호와 90도 벗어난 위상인 "직각 위상(quadrature)"를 의미하는 큰 출력 오차 신호를 갖는다. 위상에 민감한 검출은 매우 더 큰 직각 위상 신호가 있을 때 코리올리 속도 신호가 검출되게 한다. 그러나, 전자 장치 및 센서에서의 위상 시프트는 직각 위상 신호가 코리올리-위상 신호에서 오차를 생성하게 한다.The sensor output signal at the MEMS gyroscope is an AC signal at the motor resonant frequency. A typical MEMS gyroscope has a large output error signal, meaning "quadrature", which is 90 degrees out of phase with the output signal generated by the Coriolis force. Phase sensitive detection allows the Coriolis velocity signal to be detected when there is a much larger quadrature signal. However, phase shifting in electronic devices and sensors causes quadrature signals to produce errors in Coriolis-phase signals.

감지 전극에 인가된 AC 전압으로 이루어진 펌프 신호를 이용한 MEMS 자이로스코프에서 파라미터 증폭은 본 명세서에서 그 전문이 원용되는 미국 등록 특허 제6,715,353호(Burgess R. Johnson, 2004. 4. 6.)에서 이전에 설명되었다. AC 펌프 전압은 센서의 전기적 이득(센서 기계적 변위로부터 출력 전기 신호로의 전달 함수)뿐만 아니라 센서의 기계적 이득(입력된 힘으로부터 센서 메카니즘 변위로의 전달 함수)을 증가시킬 수 있다. 또한, 센서의 기계적 및 전기적 이득은 위상에 종속적이게 되며, 이에 따라, 코리올리 속도 신호는 원하지 않는 직각 위상 신호가 감 쇄되는 동안 증폭될 수 있다.Parameter amplification in a MEMS gyroscope using a pump signal consisting of an AC voltage applied to a sensing electrode has been previously described in US Pat. No. 6,715,353 (Burgess R. Johnson, Apr. 6, 2004) . The AC pump voltage can increase the mechanical gain (the transfer function from the input force to the sensor mechanism displacement) of the sensor, as well as the electrical gain of the sensor (the transfer function from sensor mechanical displacement to the output electrical signal). In addition, the mechanical and electrical gain of the sensor is phase-dependent, so that the Coriolis velocity signal can be amplified while the undesired quadrature signal is attenuated.

Oropeza-Ramos 등은 MEM 자이로스코프의 구동 모드의 특성을 수정하기 위하여 파라미터 공진을 이용하는 것을 설명하며("Parametric Resonance Amplification in a MEM Gyroscope," L.A. Oropeza-Ramos와 K. L. Turner, Proceedings of the 2005 IEEE Sensors Conference, 660 내지 663페이지, 2005. 10. 31 - 11. 3, 캘리포니아 어빈), 본 명세서에서 그 전문이 원용된다.Oropeza-Ramos et al. Describe the use of parameter resonance to modify the characteristics of the driving mode of a MEM gyroscope (see "Parametric Resonance Amplification in a MEM Gyroscope," LA Oropeza-Ramos and KL Turner, Proceedings of the 2005 IEEE Sensors Conference , Pages 660-663, October 31 - November 3, 2005, California Irvine), the disclosure of which is incorporated herein by reference.

미국 등록 특허 제6,715,353호에서 설명되는 바와 같이, 파라미터 증폭을 제공하기 위하여 AC 펌프 전압을 이용하는데 있어서의 난점은 펌프 전압의 위상이 센서 메카니즘의 구동 운동의 위상과 정밀하게 동기화되어야만 한다는 것이다. 만약 그렇지 않다면, 파라미터 증폭은 센서에서의 입력 힘의 위상에 대하여 센서 출력 신호의 위상 시프트를 발생시킨다. 그 결과, 센서 메카니즘에 상대적으로 큰 직각 위상 힘이 코리올리 속도 위상에서 센서 출력을 생성할 수 있으며, 이에 따라 0-속도(zero-rate) 바이어스 오차를 야기한다.As described in U.S. Patent No. 6,715,353, the difficulty in using the AC pump voltage to provide parameter amplification is that the phase of the pump voltage must be precisely synchronized with the phase of the drive motion of the sensor mechanism. If not, the parameter amplification causes a phase shift of the sensor output signal relative to the phase of the input force at the sensor. As a result, a relatively large quadrature force with respect to the sensor mechanism can produce a sensor output at the Coriolis velocity phase, resulting in a zero-rate bias error.

따라서, 본 발명의 실시예는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 것을 일 목적으로 한다.Therefore, it is an object of the present invention to solve the problems of the prior art described above.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MEMS 자이로스코프의 출력의 파라미터 증폭은 감지 커패시턴스 또는 인가된 DC 전압을 갖는 보조 커패시턴스를 변조함으로써 얻어진다.According to one embodiment of the present invention, parameter amplification of the output of the MEMS gyroscope is obtained by modulating an auxiliary capacitance having a sense capacitance or an applied DC voltage.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 커패시턴스 변조는 자이로스코프 메카니즘의 구동 운동에 의해 생성되어, 파라미터 증폭기의 펌프 신호는 전자 장치의 위상 오차에 노출되지 않는다.According to one embodiment of the present invention, the capacitance modulation is generated by the driving motion of the gyroscope mechanism so that the pump signal of the parameter amplifier is not exposed to the phase error of the electronic device.

도 1은 예시적인 MEMS(Micro-ELectro-Mechanical System) 커패시턴스 변조 장치(100)를 도시한다. MEMS 커패시턴스 변조 장치(100)의 예시적인 실시예는 제1 진동 질량체(102), 제2 진동 질량체(104), 하나 이상의 좌측 모터(106), 상부 중심 모터 픽오프(108), 하부 중심 모터 픽오프(109), 하나 이상의 우측 모터(110), 좌측 콤(comb) 구조체(112), 제1 중심 콤 구조체(114), 제2 중심 콤 구조체(116), 우측 콤 구조체(118), 좌측 감지 전극(120), 우측 감지 전극(122) 및 하나 또는 그 이상의 앵커부(126)에 연결된 출력 전극(124)을 포함한다.FIG. 1 illustrates an exemplary Micro-ELectro-Mechanical System (MEMS) capacitance modulation device 100. An exemplary embodiment of the MEMS capacitance modulation device 100 includes a first vibrating mass 102, a second vibrating mass 104, one or more left motors 106, an upper center motor pick-off 108, The left center comb structure 114, the right center comb structure 116, the right comb structure 118, the left center comb structure 114, the left center comb structure 112, Includes an electrode (120), a right sensing electrode (122) and an output electrode (124) connected to one or more anchors (126).

좌측 모터(106)는 좌측 콤 구조체(112)를 통해 제1 진동 질량체(102)와 용량성으로 결합된다. 우측 모터(110)는 우측 콤 구조체(118)를 통해 제2 진동 질량체(104)와 용략성으로 결합된다. 중심 모터 픽오프(108, 109)는 제1 중심 콤 구조체(114)를 통해 제1 진동 질량체(102)에 용량성으로 결합된다. 중심 모터 픽오프(108, 109)는 제2 중심 콤 구조체(116)를 통해 제2 진동 질량체(104)에 용량성으로 결된한다. 좌측 모터(106) 및 우측 모터(110)는 제1 진동 질량체(102) 및 제2 진동 질량체(104)에 대한, 이하, 모터 주파수를 말하는, 알려진 주파수로 진동 운동을 주기 위한 신호로 구동된다. 중심 모터 픽오프(108, 109)는 DC 전압으로 바이어스되어, x-축을 따른 관성 질량체의 운동은 모터 콤에 인가된 신호를 제어하는 전자 장치에 입력되는 AC 전류를 생성한다.The left motor 106 is capacitively coupled to the first vibrating mass 102 via the left comb structure 112. [ The right motor 110 is coupled with the second vibrating mass 104 through the right comb structure 118 in an abstraction. The center motor pick-offs 108 and 109 are capacitively coupled to the first vibrating mass 102 via the first central comb structure 114. The center motor pick-offs 108 and 109 are capacitively coupled to the second vibrating mass 104 via the second central comb structure 116. The left motor 106 and the right motor 110 are driven with a signal to give a vibration motion to the first vibrating mass 102 and the second vibrating mass 104 at a known frequency hereinafter referred to as the motor frequency. The center motor pick-off 108, 109 is biased to a DC voltage so that the motion of the inertial mass along the x-axis produces an AC current input to the electronic device that controls the signal applied to the motor comb.

감지 전극(120, 122)은 복수의 콤 핑거 쌍(128)에 의해 제1 및 제2 진동 질량체(102, 104)에 용량성으로 결합된다. 각 콤 핑거 쌍(128)은 진동 질량체에 부착된 하나의 콤 핑거와 감지 전극에 부착된 다른 콤 핑거를 구비한다. 감지 전극(120, 122)은 앵커(130)에 연결된다. 예시적인 실시예에서, 콤 핑거 쌍(128)은 기설정된 거리 만큼 다른 콤 핑거 쌍으로부터 이격된다. 또한, 감지 전극(120, 122)의 일부 실시예에서, 콤 핑거 쌍들은 2개의 쌍이 도 1에 도시된 모터 축에 대하여 거울 대칭을 갖도록 각 쌍이 대응하는 쌍을 가진다. 콤 구조체에 대한 다른 구성이 MEMS 커패시턴스 변조 장치(100)의 다른 실시예에서 이용될 수 있다.The sensing electrodes 120 and 122 are capacitively coupled to the first and second vibrating masses 102 and 104 by a plurality of comb finger pairs 128. Each comb finger pair 128 has one comb finger attached to the vibrating mass and another comb finger attached to the sense electrode. The sensing electrodes 120 and 122 are connected to the anchor 130. In an exemplary embodiment, the comb finger pairs 128 are spaced from other comb finger pairs by a predetermined distance. Further, in some embodiments of the sensing electrodes 120, 122, the pairs of comb fingers have a corresponding pair such that the two pairs have a mirror symmetry with respect to the motor axis shown in Fig. Other configurations for the comb structure may be used in other embodiments of the MEMS capacitance modulation device 100.

MEMS 커패시턴스 변조 장치(100)의 실시예는 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 콤 핑거 쌍(128)의 구조에서 다양한 구성을 채용한다. 콤 핑거 쌍의 구조는 콤 핑거 쌍(128)의 커패시턴스가 모터 축을 따라서 진동 질량체의 변위에 따라 가변할 수 있게 한다.The embodiment of the MEMS capacitance modulation device 100 employs various configurations in the structure of the comb finger pair 128 as described in more detail below. The structure of the comb finger pair allows the capacitance of the comb finger pair 128 to vary along the motor axis along with the displacement of the vibrating mass.

MEMS 커패시턴스 변조 장치(100)의 실시예는 센서 메카니즘의 모터 운동의 위상과 정밀하게 동기화된 펌프 힘의 위상으로 파라미터 증폭을 생성한다. 일부 실시예에서, 이것은 모터 운동이 모터 주파수의 2배에서 감지 커패시턴스의 변조를 생성하여 감지 모드 상의 정전기력의 변조 때문에 모터 주파수의 2배에서의 파라미터 펌프 힘을 가져다주도록 감지 전극(120, 122)을 설계함으로써 달성될 수 있다. 파라미터 펌프 힘이 관성 질량체의 모터 운동에 의해 생성되기 때문에, 파라미터 펌프 힘은 관성 질량체의 모터 운동과 정밀하게 동기화된다.The embodiment of the MEMS capacitance modulation device 100 generates parameter amplification with the phase of the pump force precisely synchronized with the phase of the motor motion of the sensor mechanism. In some embodiments, this allows the motor motion to generate a modulation of the sensing capacitance at twice the motor frequency, thereby causing the sensing electrodes 120, 122 to be brought to bring the parameter pump force at twice the motor frequency due to the modulation of the electrostatic force in the sensing mode. Design can be achieved. Since the parameter pump force is generated by the motor motion of the inertia mass, the parameter pump force is precisely synchronized with the motor motion of the inertia mass.

시간 및 y-축 변위(즉, 감지 모드 변위)의 함수인 커패시턴스 C에 의해 생성된 y축을 따른 시간 종속 정전기력 Fy는 다음의 수학식 1로 주어진다.The time-dependent electrostatic force F y along the y-axis generated by the capacitance C, which is a function of time and y-axis displacement (i.e., sensing mode displacement), is given by:

Figure 112008070906903-pat00001
Figure 112008070906903-pat00001

여기에서, Vbias는 커패시터 전극의 전압이며, dC/dy는 y에 대한 C의 도함수이다. 모터 주파수의 2배로 dC/dy를 변조하는 것은 Vbias가 DC 전압일 때 힘 Fy가 모터 주파수의 2배로 변조되게 한다. 따라서, Fy(t)는 입력 힘(예를 들어, 코리올리의 힘)에 대한 관성 질량체의 기계적 응답의 파라미터 증폭을 제공한다. 이 대신에, 또는 추가하여, Fy(t)는 직각 위상 힘에 대한 응답의 억제를 제공하는 펌프 힘일 수 있다. 증폭된 기계적 응답은 본 발명의 펌프 힘이 감지 커패시턴스의 변조에 의해 생성된다는 점을 제외하면 미국 등록 특허 제6,715,353호에 설명된 것와 유사한 방법으로 생성된다. 미국 등록 특허 제6,715,353호에 설명된 펌프 힘은 감지 커패시턴스에 AC 전압을 인가함으로써 생성되어, 시간에 독립적인 dC/dy로 Vbias 2이 모터 주파수의 2배로 변조되었다.Here, Vbias is the voltage of the capacitor electrode, and dC / dy is a derivative of C with respect to y. Modulating dC / dy at twice the motor frequency causes the force F y to be modulated to twice the motor frequency when V bias is a DC voltage. Thus, F y (t) provides parameter amplification of the mechanical response of the inertial mass to an input force (e.g., Coriolis force). Alternatively, or in addition, F y (t) may be a pump force that provides suppression of the response to a quadrature force. The amplified mechanical response is generated in a manner similar to that described in U.S. Patent No. 6,715,353, except that the pump force of the present invention is generated by modulation of the sensing capacitance. The pump force described in U.S. Patent No. 6,715,353 was generated by applying an AC voltage to the sense capacitance, and V bias 2 was modulated to twice the motor frequency with a time independent dC / dy.

도 2는 종래 기술에 따른 MEMS 자이로스코프의 일부인 감지 콤 핑거의 2개의 쌍을 포함하는 조립체(200)를 도시하며, 각 쌍의 한 부재는 진동하는 관성 질량체(202)에 부착된다. 2개의 콤 핑거 쌍의 전체 커패시턴스는 x-축을 따른 진동 질량체(202)의 변위 거리에 독립적이다. 조립체(200)는 관성 질량체(202), 좌측 감지 전극 콤 핑거(204), 및 우측 감지 전극 콤 핑거(206)를 구비한다. 좌측 감지 전극 콤 핑거(204)와 우측 감지 전극 콤 핑거(206)은 해당하는 감지 전극(208)에 부착된다. 감지 전극(208)은 기판(미도시)에 부착된 앵커에 고정된다. 또한, 좌측 감지 전극 콤 핑거(204) 및 우측 감지 전극 콤 핑거(206)은 각각 관성 질량체(202)의 콤 핑거(210, 212)에 용량성으로 결합된다. x-축을 따라 관성 질량체(202)로 유도된 모터 운동은 감지 전극 콤 핑거(204, 206)와 관성 질량체의 콤 핑거(210, 212) 사이에서 커패시턴스 변동을 일으키지 않는다.Figure 2 shows an assembly 200 comprising two pairs of sensing comb fingers that are part of a MEMS gyroscope according to the prior art, with one member of each pair being attached to a vibrating inertial mass 202. The total capacitance of the two comb finger pairs is independent of the displacement distance of the vibrating mass 202 along the x-axis. The assembly 200 includes an inertial mass 202, a left sensing electrode comb finger 204, and a right sensing electrode comb finger 206. The left sensing electrode comb fingers 204 and the right sensing electrode comb fingers 206 are attached to the corresponding sensing electrodes 208. The sensing electrode 208 is fixed to an anchor attached to a substrate (not shown). The left sensing electrode comb fingers 204 and the right sensing electrode comb fingers 206 are capacitively coupled to the comb fingers 210 and 212 of the inertial mass 202, respectively. The motor motion induced in the inertial mass 202 along the x-axis does not cause capacitance fluctuations between the sensing electrode comb fingers 204, 206 and the comb fingers 210, 212 of the inertial mass.

도 3은 종래 기술에 따른 조립체(200)의 모터 변위 거리(δx)의 함수로서 커패시턴스를 도시한다. 관성 질량체 모터 운동을 x-축을 따른다. 모터 운동은 감지 전극 콤 핑거(204, 206)와 콤 핑거(210, 212)의 좌측 및 우측 커패시턴스에서 동일 하고 반대의 변동을 생성한다. 따라서, 전체 커패시턴스는 모터 운동에 독립적이다.3 shows the capacitance as a function of the motor displacement distance delta x of the assembly 200 according to the prior art. The inertia-mass motor motions follow the x-axis. Motor motion produces the same and opposite variations in the left and right capacitances of the sensing electrode comb fingers 204, 206 and the comb fingers 210, 212. Thus, the total capacitance is independent of motor motion.

도 4는 감지 커패시턴스의 변조를 제공하는 감지 콤 핑거 쌍(128)의 예시적인 실시예의 2가지 경우를 포함하는 조립체(400)를 도시한다. 조립체(400)는 MEMS 자이로스코프의 일부일 수 있다. 조립체(400)는 관성 질량체(402), 좌측 감지 전극 콤 핑거(404) 및 우측 감지 전극 콤 핑거(406)를 구비한다. 관성 질량체(402)는 간격(410)에서 대응하는 감지 전극 콤 핑거(404)와의 용량성 결합을 제공하는 좌측 관성 질량체 콤 전극(408)을 구비한다. 관성 질량체(402)는 간격(414)에서 대응하는 감지 전극 콤 핑거(406)와의 용량성 결합을 제공하는 우측 관성 질량체 콤 전극(412)을 구비한다. 감지 전극 콤 핑거(404, 406)은 해당 감지 전극(416)에 부착된다. 감지 전극(416)은 기판(미도시)에 부착된 앵커에 고정된다. FIG. 4 illustrates an assembly 400 that includes two instances of an exemplary embodiment of a sensing comb finger pair 128 that provides modulation of sensing capacitance. Assembly 400 may be part of a MEMS gyroscope. The assembly 400 includes an inertial mass 402, a left sensing electrode comb finger 404 and a right sensing electrode comb finger 406. The inertial mass 402 has a left inertial mass comb electrode 408 that provides capacitive coupling with the corresponding sense electrode comb fingers 404 in the interval 410. The inertial mass 402 has a right inertial mass comb electrode 412 that provides capacitive coupling with the corresponding sensing electrode comb fingers 406 at an interval 414. The right inertial mass comb electrode 412 has a capacitance The sensing electrode comb fingers 404 and 406 are attached to the sensing electrode 416. The sensing electrode 416 is fixed to an anchor attached to a substrate (not shown).

감지 전극 콤 핑거(404, 406)는 단부(418) 및 해당하는 감지 전극(416)으로 고정시키는 부착부(420)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(408, 412)는 단부(422) 및 관성 질량체 콤 핑거(408, 412)를 관성 질량체 본체(426)에 고정시키는 부착부(424)에 의해 정의된다.The sensing electrode comb fingers 404 and 406 are defined by an end portion 418 and an attachment portion 420 that fixes to the corresponding sensing electrode 416. Inertial mass comb fingers 408 and 412 are defined by an attachment portion 424 that secures end 422 and inertial mass comb fingers 408 and 412 to inertial mass body 426.

관성 질량체 콤 핑거(408, 412) 및 감지 전극 콤 핑거(404, 406) 사이의 분리부는 간격(410, 414)을 정의한다. 간격(410, 414)은 감지 전극 콤 핑거(404, 406) 및 관성 질량체 콤 핑거(408, 412) 사이의 용량성 결합(커패시턴스)을 정의한다.The separation between the inertial mass comb fingers 408, 412 and the sensing electrode comb fingers 404, 406 defines an interval 410, 414. The spacing 410 and 414 define the capacitive coupling (capacitance) between the sensing electrode comb fingers 404 and 406 and the inertial mass comb fingers 408 and 412.

도 4에서, 콤 핑거 단부(418)는 콤 핑거 부착부(420)의 폭보다 더 큰 폭을 갖는다. 선택적으로는, 관성 질량체 콤 핑거(408, 412)는 관성 질량체(402)의 본체(426)에 부착된 부분(424)보다 더 넓다. (다른 실시예에서, 콤 핑거 부분(418, 420)은 동일한 폭을 가지며, 반면, 콤 핑거 단부 부분(422)는 콤 핑거 부분(424)보다 더 넓다.) 콤 핑거 부분(418, 420) 및/또는 콤 핑거 부분(422, 424)의 폭에서의 차이는 모터 운동이 관성 질량체(402)에 유도될 때 간격(410, 414)에서의 변동을 유발한다. 예시적인 실시예에서, 감지 전극 콤 핑거(404, 406)는 모터 주파수의 2배로 변조된다.In Figure 4, the comb finger end 418 has a width that is greater than the width of the comb finger attaching portion 420. Alternatively, the inertial mass comb fingers 408 and 412 are wider than the portion 424 attached to the body 426 of the inertial mass 402. (In other embodiments, the comb finger portions 418,420 have the same width, while the comb finger portion 422 is wider than the comb finger portions 424.) / Or the difference in width of the comb finger portions 422 and 424 causes a variation in the spacing 410 and 414 when the motor movement is induced in the inertial mass 402. In an exemplary embodiment, the sensing electrode comb fingers 404 and 406 are modulated at twice the motor frequency.

도시된 x-축을 따른 모터 변위 거리(δx)를 가져다 주는 관성 질량체(402)에 유도된 모터 운동은 간격(410, 414)이 변함에 따라 감지 전극(416) 및 관성 질량체(402) 사이의 커패시턴스에서의 검출가능한 변동을 유발한다. 도시된 y-축을 따른 변위에 대한 상기 커패시턴스의 도함수도 모터 변위(δx)에 따라 변동한다. 그 결과, DC 바이어스 전압이 감지 전극(416)과 관성 질량체(402) 사이에 인가될 때, 수학식 1로 주어지는 도시된 y-축을 따른 정전기력은 관성 질량체의 x-축 변위에 따라 가변한다. 도 5에 따르면, 커패시턴스는 양과 음의 모터 변위 거리(δx)에 따라 감소하도록 구성된다. 양의 δx에 대하여, 콤 핑거(406, 412) 사이의 평균 간격 분리는 δx = 0에 비하여 감소하며, 콤 핑거(404, 408) 사이의 평균 간격 분리는 일정하다. 따라서, 전체 커패시턴스는 δx = 0일 때의 값에 비하여 감소한다. 조립체(400)의 거울 대칭 때문에, δx의 음의 값은 커패시턴스에서 감소를 발생시킨다.The motor movement induced in the inertial mass 402 leading to the motor displacement distance delta x along the x-axis shown is dependent on the capacitance between the sensing electrode 416 and the inertial mass 402 as the spacing 410, Lt; / RTI > The derivative of the capacitance with respect to the displacement along the y-axis also varies according to the motor displacement? X. As a result, when a DC bias voltage is applied between the sensing electrode 416 and the inertial mass 402, the electrostatic force along the y-axis given by equation (1) varies with the x-axis displacement of the inertial mass. According to Fig. 5, the capacitance is configured to decrease in accordance with the positive and negative motor displacement distances? X. For positive delta x, the average spacing separation between the comb fingers 406 and 412 is reduced relative to delta x = 0, and the average spacing separation between the comb fingers 404 and 408 is constant. Therefore, the total capacitance decreases as compared to the value when? X = 0. Because of the mirror symmetry of assembly 400, the negative value of delta x causes a decrease in capacitance.

도 6은 감지 커패시턴스의 변조를 제공하는 감지 콤 핑거 쌍(128)의 예시적인 실시예에 대한 2가지 경우를 갖는 조립체(600)를 도시한다. 조립체(600)는 MEMS 자이로스코프의 일부일 수 있다. 조립체(600)는 관성 질량체(602), 좌측 감지 전극 콤 핑거(604) 및 우측 감지 전극 콤 핑거(606)를 구비한다. 관성 질량체(602)는 간격(610)에서 좌측 감지 전극 콤 핑거(604)와의 용량성 결합을 제공하는 좌측 관성 질량체 콤 전극(608)을 구비한다. 관성 질량체(602)는 간격(614)에서 우측 감지 전극 콤 핑거(606)와의 용량성 결합을 제공하는 우측 관성 질량체 콤 전극(612)을 구비한다. 감지 전극 콤 핑거(604, 606)은 해당 감지 전극(616)에 부착된다. 감지 전극(616)은 기판(미도시)에 부착된 앵커에 고정된다. FIG. 6 shows an assembly 600 having two cases for an exemplary embodiment of a sensing comb finger pair 128 that provides modulation of the sensing capacitance. Assembly 600 may be part of a MEMS gyroscope. The assembly 600 includes an inertial mass 602, a left sensing electrode comb finger 604 and a right sensing electrode comb finger 606. The inertial mass 602 has a left inertial mass comb electrode 608 that provides capacitive coupling with the left sensing electrode comb fingers 604 at an interval 610. The inertial mass 602 has a right inertial mass comb electrode 612 that provides capacitive coupling with the right sensing electrode comb fingers 606 at an interval 614. [ The sensing electrode comb fingers 604 and 606 are attached to the sensing electrode 616. The sensing electrode 616 is fixed to an anchor attached to a substrate (not shown).

감지 전극 콤 핑거(604, 606)는 단부(618) 및 해당하는 감지 전극(616)으로 감지 전극 콤 핑거(604, 606)을 고정시키는 부착부(620)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(608, 612)는 단부(622) 및 관성 질량체 콤 핑거(608, 612)를 관성 질량체 본체(626)에 고정시키는 부착부(624)에 의해 정의된다.The sensing electrode comb fingers 604 and 606 are defined by an attachment portion 620 that fixes the sensing electrode comb fingers 604 and 606 to the end portion 618 and the corresponding sensing electrode 616. The inertial mass comb fingers 608 and 612 are defined by an attachment portion 624 that secures the end portion 622 and the inertial mass comb fingers 608 and 612 to the inertial mass body 626.

관성 질량체 콤 핑거(608, 612) 및 감지 전극 콤 핑거(604, 606) 사이의 분리부는 간격(610, 614)을 정의한다. 간격(610, 614)은 감지 전극 콤 핑거(604, 606) 및 관성 질량체 콤 핑거(608, 612) 사이의 용량성 결합(커패시턴스)을 정의한다.The separation between the inertial mass comb fingers 608, 612 and the sensing electrode comb fingers 604, 606 defines an interval 610, 614. The spacing 610 and 614 define the capacitive coupling (capacitance) between the sensing electrode comb fingers 604 and 606 and the inertial mass comb fingers 608 and 612.

도 6에서, 콤 핑거 단부(618)의 폭은 부분(620)의 폭보다 더 작다. 선택적으로는, 관성 질량체 콤 핑거(608, 612)는 관성 질량체(602)의 본체(626)에 부착된 부분(624)의 폭보다 작은 폭을 갖는 단부(622)를 갖는다. (다른 실시예에서, 부분(618, 620)은 동일한 폭을 가지며, 반면, 단부 부분(622)는 부분(624)보다 더 좁은 폭을 갖는다.) 부분(618, 620) 및/또는 부분(622, 624)의 폭에서의 차이는 모터 운동이 관성 질량체(602)에 유도될 때 간격(610, 614)의 커패시턴스에서의 변동을 유발한다. 예시적인 실시예에서, 콤 핑거(604, 606)는 모터 주파수의 2배로 변조된다. 따라서, 커패시턴스는 도 7에서 모터 변위의 함수로서 도시된다.In Figure 6, the width of the comb finger end 618 is smaller than the width of the portion 620. The inertial mass comb fingers 608 and 612 have ends 622 that are less than the width of the portion 624 attached to the body 626 of the inertial mass 602. [ (In other embodiments, portions 618 and 620 have the same width, while end portion 622 has a width that is narrower than portion 624.) Portions 618 and 620 and / or portion 622 , 624 causes a variation in the capacitance of the spacing 610, 614 when the motor movement is induced in the inertial mass 602. In the exemplary embodiment, the comb fingers 604 and 606 are modulated at twice the motor frequency. Thus, the capacitance is shown as a function of motor displacement in FIG.

도시된 x-축을 따른 모터 변위 거리(δx)를 가져다 주는 관성 질량체(602)에 유도된 모터 운동은 간격(610, 614)이 변함에 따라 감지 전극(616) 및 관성 질량체(602) 사이의 커패시턴스에서의 검출가능한 변동을 유발한다. 도시된 y-축을 따른 변위에 대한 상기 커패시턴스의 도함수도 모터 변위(δx)에 따라 변동한다. 그 결과, DC 바이어스 전압이 감지 전극(616)과 관성 질량체(602) 사이에 인가될 때, 수학식 1로 주어지는 도시된 y-축을 따른 정전기력은 관성 질량체의 x-축 변위에 따라 가변한다. 도 7에 따르면, 커패시턴스는 양과 음의 모터 변위 거리(δx)에 따라 증가하도록 구성된다. 양의 δx에 대하여, 콤 핑거(606, 612) 사이의 평균 간격 분리는 δx = 0에 비하여 감소하며, 콤 핑거(604, 608) 사이의 평균 간격 분리는 일정하다. 따라서, 전체 커패시턴스는 δx = 0일 때의 값에 비하여 증가한다. 조립체(600)의 거울 대칭 때문에, δx의 음의 값은 커패시턴스에서 증가를 발생시킨다.The motor movement induced in the inertial mass 602 which yields the motor displacement distance delta x along the x-axis shown is dependent on the capacitance between the sensing electrode 616 and the inertial mass 602 as the intervals 610 and 614 change, Lt; / RTI > The derivative of the capacitance with respect to the displacement along the y-axis also varies according to the motor displacement? X. As a result, when a DC bias voltage is applied between the sensing electrode 616 and the inertial mass 602, the electrostatic force along the y-axis given by equation (1) varies with the x-axis displacement of the inertial mass. According to Fig. 7, the capacitance is configured to increase in accordance with the positive and negative motor displacement distances? X. For positive delta x, the average spacing separation between the comb fingers 606 and 612 is reduced relative to delta x = 0, and the average spacing separation between the comb fingers 604 and 608 is constant. Therefore, the total capacitance increases with respect to the value when? X = 0. Because of the mirror symmetry of assembly 600, the negative value of delta x causes an increase in capacitance.

도 8은 감지 커패시턴스의 변조를 제공하는 감지 콤 핑거 쌍(128)의 예시적인 실시예에 대한 2가지 경우를 갖는 조립체(800)를 도시한다. 조립체(800)는 MEMS 자이로스코프의 일부일 수 있다. 조립체(800)는 관성 질량체(802), 좌측 감지 전극 콤 핑거(804) 및 우측 감지 전극 콤 핑거(806)를 구비한다. 관성 질량체(802)는 간격(810)에서 좌측 감지 전극 콤 핑거(804)와의 용량성 결합을 제공하는 좌측 관성 질량체 콤 전극(808)을 구비한다. 관성 질량체(802)는 간격(814)에서 우측 감지 전 극 콤 핑거(806)와의 용량성 결합을 제공하는 우측 관성 질량체 콤 전극(812)을 구비한다. 감지 전극 콤 핑거(804, 806)은 해당 감지 전극(816)에 부착된다. 감지 전극(816)은 기판(미도시)에 부착된 앵커에 고정된다. FIG. 8 illustrates an assembly 800 having two cases for an exemplary embodiment of a sensing comb finger pair 128 that provides modulation of the sensing capacitance. Assembly 800 may be part of a MEMS gyroscope. Assembly 800 includes inertial mass 802, left sensing electrode comb finger 804 and right sensing electrode comb finger 806. The inertial mass 802 has a left inertial mass comb electrode 808 that provides capacitive coupling with the left sensing electrode comb fingers 804 at interval 810. The inertial mass 802 has a right inertial mass comb electrode 812 that provides capacitive coupling with the right sensing cathodic finger 806 in the interval 814. The sensing electrode comb fingers 804 and 806 are attached to the sensing electrode 816. The sensing electrode 816 is fixed to an anchor attached to a substrate (not shown).

감지 전극 콤 핑거(804, 806)는 단부(818) 및 해당하는 감지 전극(816)으로 감지 전극 콤 핑거(804, 806)을 고정시키는 부착부(820)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(808, 812)는 단부(822) 및 관성 질량체 콤 핑거(808, 812)를 관성 질량체 본체(826)에 고정시키는 부착부(824)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(808, 812) 및 콤 핑거(804, 806) 사이의 분리부는 간격(810, 814)을 정의한다. 간격(810, 814)은 감지 전극 콤 핑거(804, 806) 및 관성 질량체 콤 핑거(808, 812) 사이의 용량성 결합(커패시턴스)을 정의한다.The sensing electrode comb fingers 804 and 806 are defined by an attachment portion 820 that secures the sensing electrode comb fingers 804 and 806 to the end portion 818 and the corresponding sensing electrode 816. Inertial mass comb fingers 808 and 812 are defined by an attachment portion 824 that secures end 822 and inertial mass comb fingers 808 and 812 to inertial mass body 826. The separation between the inertial mass comb fingers 808, 812 and the comb fingers 804, 806 define the intervals 810, 814. Spacing 810 and 814 define capacitive coupling (capacitance) between sensing electrode comb fingers 804 and 806 and inertial mass comb fingers 808 and 812.

도 8에서 감지 전극 콤 핑거(804, 806)은 주름진 단부(818)와 주름지지 않은 단부(820)를 갖는다. 선택적으로, 관성 질량체 콤 핑거(808, 812)는 주름진 단부(822)와 주름지지 않은 부착부(824)를 포함한다. (다른 실시예에서, 단부(822)는 주름지며, 반면, 부분(818)은 주름지지 않는다.) 부분(818) 및/또는 부분(822)의 주름은 모터 운동이 관성 질량체(802)에 유도될 때 간격(810, 814)의 커패시턴스에서의 변동을 유발한다. 예시적인 실시예에서, 감지 전극(816)은 모터 주파수의 2배로 변조된 커패시턴스를 갖는다. 따라서, 모터 변위에 따라 커패시턴스가 증가한다. 커패시턴스는 도 9에서 모터 변위의 함수로서 도시된다.8, sensing electrode comb fingers 804 and 806 have a corrugated end 818 and a non-corrugated end 820. Alternatively, the inertial mass comb fingers 808, 812 include a corrugated end 822 and a non-corrugated attachment portion 824. The corrugation of the portion 818 and / or portion 822 may cause the motor motion to induce the inertial mass 802. In other words, Resulting in variations in the capacitance of the spacing 810, 814. In an exemplary embodiment, the sensing electrode 816 has a capacitance modulated twice the motor frequency. Therefore, the capacitance increases with the motor displacement. The capacitance is shown as a function of the motor displacement in FIG.

도시된 방향(x-축)을 따른 모터 변위 거리(δx)를 가져다 주는 관성 질량체(802)에 유도된 모터 운동은 간격(810, 814)이 변함에 따라 감지 전극(816) 및 관성 질량체(802) 사이의 커패시턴스에서의 검출가능한 변동을 유발한다. 도시된 y-축을 따른 변위에 대한 상기 커패시턴스의 도함수도 모터 변위(δx)에 따라 변동한다. 그 결과, DC 바이어스 전압이 감지 전극(816)과 관성 질량체(802) 사이에 인가될 때, 수학식 1로 주어지는 도시된 y-축을 따른 정전기력은 관성 질량체의 x-축 변위에 따라 가변한다. 도 9에 따르면, 커패시턴스는 양과 음의 모터 변위 거리(δx)에 따라 증가하도록 구성된다. 양과 음의 δx에 대하여, 간격(810, 814)에서의 간격 분리의 역수의 평균은 δx = 0에 비하여 증가한다. 따라서, 전체 커패시턴스는 δx = 0일 때의 값에 비하여 증가한다. 조립체(800)의 거울 대칭 때문에, δx의 음의 값은 커패시턴스에서 증가를 발생시킨다.Motor motions induced in the inertial mass 802 that yield a motor displacement distance delta x along the depicted direction (x-axis) are determined by sensing electrodes 816 and inertial masses 802 Lt; RTI ID = 0.0 > capacitance. ≪ / RTI > The derivative of the capacitance with respect to the displacement along the y-axis also varies according to the motor displacement? X. As a result, when a DC bias voltage is applied between the sensing electrode 816 and the inertial mass 802, the electrostatic force along the y-axis given by equation (1) varies with the x-axis displacement of the inertial mass. According to Fig. 9, the capacitance is configured to increase in accordance with the positive and negative motor displacement distances? X. For positive and negative delta x, the average of the inverse of the interval separations in intervals 810 and 814 increases relative to delta x = 0. Therefore, the total capacitance increases with respect to the value when? X = 0. Because of the mirror symmetry of assembly 800, the negative value of delta x causes an increase in capacitance.

도 10은 감지 커패시턴스의 변조를 제공하는 감지 콤 핑거 쌍(128)의 예시적인 실시예에 대한 2가지 경우를 갖는 조립체(1000)를 도시한다. 조립체(1000)는 MEMS 자이로스코프의 일부일 수 있다. 조립체(1000)는 관성 질량체(1002), 좌측 감지 전극 콤 핑거(1004) 및 우측 감지 전극 콤 핑거(1006)를 구비한다. 관성 질량체(1002)는 간격(1010)에서 좌측 감지 전극 콤 핑거(1004)와의 용량성 결합을 제공하는 좌측 관성 질량체 콤 전극(1008)을 구비한다. 관성 질량체(1002)는 간격(1014)에서 우측 감지 전극 콤 핑거(1006)와의 용량성 결합을 제공하는 우측 관성 질량체 콤 전극(1012)을 구비한다. 감지 전극 콤 핑거(1004, 1006)은 해당 감지 전극(1016)에 부착된다. 감지 전극(1016)은 기판(미도시)에 부착된 앵커에 고정된다. 10 illustrates an assembly 1000 having two cases for an exemplary embodiment of a sense comb finger pair 128 that provides modulation of the sense capacitance. Assembly 1000 may be part of a MEMS gyroscope. The assembly 1000 includes an inertial mass 1002, a left sensing electrode comb finger 1004 and a right sensing electrode comb finger 1006. The inertial mass 1002 has a left inertial mass comb electrode 1008 that provides capacitive coupling with the left sensing electrode comb fingers 1004 in the interval 1010. The inertial mass 1002 has a right inertial mass comb electrode 1012 that provides capacitive coupling with the right sensing electrode comb fingers 1006 in the interval 1014. The sensing electrode comb fingers 1004 and 1006 are attached to the sensing electrode 1016. The sensing electrode 1016 is fixed to an anchor attached to a substrate (not shown).

감지 전극 콤 핑거(1004, 1006)는 단부(1018) 및 해당하는 감지 전극(1016) 으로 감지 전극 콤 핑거(1004, 1006)을 고정시키는 부착부(1020)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(1008, 1012)는 단부(1022) 및 관성 질량체 콤 핑거(1008, 1012)를 관성 질량체 본체(1026)에 고정시키는 부착부(1024)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(1008, 1012) 및 콤 핑거(1004, 1006) 사이의 분리부는 간격(1010, 1014)을 정의한다. 간격(1010, 1014)은 감지 전극 콤 핑거(1004, 1006) 및 관성 질량체 콤 핑거(1008, 1012) 사이의 용량성 결합(커패시턴스)을 정의한다.The sensing electrode comb fingers 1004 and 1006 are defined by an attachment portion 1020 that fixes the sensing electrode comb fingers 1004 and 1006 to the end portion 1018 and the corresponding sensing electrode 1016. The inertial mass comb fingers 1008 and 1012 are defined by an attachment portion 1024 that secures the end portion 1022 and the inertial mass comb fingers 1008 and 1012 to the inertial mass body 1026. The separation between the inertial mass comb fingers 1008, 1012 and the comb fingers 1004, 1006 defines an interval 1010, 1014. The spacing 1010 and 1014 define the capacitive coupling (capacitance) between the sensing electrode comb fingers 1004 and 1006 and the inertial mass comb fingers 1008 and 1012.

도 10에서 감지 전극 콤 핑거(1004, 1006)은 주름진 단부(1018)와 주름지지 않은 단부(1020)를 갖는다. 이 실시예에서, 콤 핑거(1004)의 주름진 부분은 콤 핑거(1008)의 주름진 부분을 마주보며, 콤 핑거(1006)의 주름진 부분은 콤 핑거(1012)의 주름진 부분을 마주본다.10, the sensing electrode comb fingers 1004 and 1006 have a corrugated end portion 1018 and a non-corrugated end portion 1020. In this embodiment, the corrugated portion of the comb finger 1004 faces the corrugated portion of the comb finger 1008, and the corrugated portion of the comb finger 1006 faces the corrugated portion of the comb finger 1012.

부분(1018) 및/또는 부분(1022)의 주름은 모터 운동이 관성 질량체(1002)에 유도될 때 간격(1010, 1014)에서 커패시턴스에서의 변동을 유발한다. 예시적인 실시예에서, 감지 전극(1016)은 모터 주파수의 2배로 변조된 커패시턴스를 갖는다. 따라서, 모터 변위에 따라 커패시턴스가 감소한다. 커패시턴스는 도 11에서 모터 변위의 함수로서 도시된다.The corrugation of portion 1018 and / or portion 1022 causes a variation in capacitance at intervals 1010 and 1014 when motor motion is induced in inertial mass 1002. In an exemplary embodiment, sensing electrode 1016 has a capacitance modulated twice the motor frequency. Thus, the capacitance decreases with the motor displacement. The capacitance is shown as a function of motor displacement in FIG.

도시된 방향(x-축)을 따른 모터 변위 거리(δx)를 가져다 주는 관성 질량체(1002)에 유도된 모터 운동은 간격(1010, 1014)이 변함에 따라 감지 전극(1016) 및 관성 질량체(1002) 사이의 커패시턴스에서의 검출가능한 변동을 유발한다. 도시된 y-축을 따른 변위에 대한 상기 커패시턴스의 도함수도 모터 변위(δx)에 따라 변동한다. 그 결과, DC 바이어스 전압이 감지 전극(1016)과 관성 질량체(1002) 사 이에 인가될 때, 수학식 1로 주어지는 도시된 y-축을 따른 정전기력은 관성 질량체의 x-축 변위에 따라 가변한다. 도 11에 따르면, 커패시턴스는 양과 음의 모터 변위 거리(δx)에 따라 감소하도록 구성된다. 양과 음의 δx에 대하여, 간격(1010, 1014)에서의 간격 분리의 역수의 평균은 δx = 0에 비하여 감소한다. 따라서, 전체 커패시턴스는 δx = 0일 때의 값에 비하여 감소한다. 조립체(1000)의 거울 대칭 때문에, δx의 음의 값은 커패시턴스에서 감소를 발생시킨다.Motor motions induced in the inertial mass 1002 that yield a motor displacement distance delta x along the direction (x-axis) shown are dependent on the sensing electrode 1016 and the inertial mass 1002 Lt; RTI ID = 0.0 > capacitance. ≪ / RTI > The derivative of the capacitance with respect to the displacement along the y-axis also varies according to the motor displacement? X. As a result, when a DC bias voltage is applied between the sensing electrode 1016 and the inertial mass 1002, the electrostatic force along the y-axis given by equation (1) varies with the x-axis displacement of the inertial mass. According to Fig. 11, the capacitance is configured to decrease in accordance with the positive and negative motor displacement distances? X. For positive and negative delta x, the mean of the reciprocal of the interval separations at intervals 1010 and 1014 decreases relative to delta x = 0. Therefore, the total capacitance decreases as compared to the value when? X = 0. Because of the mirror symmetry of assembly 1000, the negative value of delta x causes a decrease in capacitance.

도 12는 감지 커패시턴스의 변조를 제공하는 감지 콤 핑거 쌍(128)의 예시적인 실시예에 대한 2가지 경우를 갖는 조립체(1200)를 도시한다. 조립체(1200)는 MEMS 자이로스코프의 일부일 수 있다. 조립체(1200)는 관성 질량체(1202), 좌측 감지 전극 콤 핑거(1204) 및 우측 감지 전극 콤 핑거(1206)를 구비한다. 관성 질량체(1202)는 간격(1210)에서 좌측 감지 전극 콤 핑거(1204)와의 용량성 결합을 제공하는 좌측 관성 질량체 콤 전극(1208)을 구비한다. 관성 질량체(1202)는 간격(1214)에서 우측 감지 전극 콤 핑거(1206)와의 용량성 결합을 제공하는 우측 관성 질량체 콤 전극(1212)을 구비한다. 감지 전극 콤 핑거(1204, 1206)은 해당 감지 전극(1216)에 부착된다. 감지 전극(1216)은 기판(미도시)에 부착된 앵커에 고정된다. 12 illustrates an assembly 1200 having two cases for an exemplary embodiment of a sense comb finger pair 128 that provides modulation of the sense capacitance. Assembly 1200 may be part of a MEMS gyroscope. Assembly 1200 includes an inertial mass 1202, a left sensing electrode comb finger 1204 and a right sensing electrode comb finger 1206. The inertial mass 1202 has a left inertial mass comb electrode 1208 that provides capacitive coupling with the left sensing electrode comb fingers 1204 in the interval 1210. The inertial mass 1202 has a right inertial mass comb electrode 1212 that provides capacitive coupling with the right sensing electrode comb fingers 1206 at an interval 1214. The sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 are attached to the sensing electrode 1216. The sensing electrode 1216 is fixed to an anchor attached to a substrate (not shown).

감지 전극 콤 핑거(1204, 1206)는 단부(1218) 및 해당하는 감지 전극(1216)으로 감지 전극 콤 핑거(1204, 1206)을 고정시키는 부착부(1220)에 의해 정의된다. 관성 질량체 콤 핑거(1208, 1212)는 단부(1222) 및 관성 질량체 콤 핑거(1208, 1212)를 관성 질량체 본체(1226)에 고정시키는 부착부(1224)에 의해 정의된다.The sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 are defined by an attachment portion 1220 that fixes the sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 to the end portion 1218 and the corresponding sensing electrode 1216. Inertial mass comb fingers 1208 and 1212 are defined by an attachment portion 1224 that secures end 1222 and inertial mass comb fingers 1208 and 1212 to inertial mass body 1226. [

관성 질량체 콤 핑거(1208, 1212) 및 감지 전극 콤 핑거(1204, 1206) 사이의 분리부는 간격(1210, 1214)을 정의한다. 간격(1210, 1214)은 감지 전극 콤 핑거(1204, 1206) 및 관성 질량체 콤 핑거(1208, 1212) 사이의 용량성 결합(커패시턴스)을 정의한다.The separation between the inertial mass comb fingers 1208 and 1212 and the sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 defines the intervals 1210 and 1214. Intervals 1210 and 1214 define the capacitive coupling (capacitance) between sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 and inertial mass comb fingers 1208 and 1212.

도 12는 감지 전극 콤 핑거(1204, 1206)의 x-축 운동이 간격(1210, 1214)의 커패시턴스 변조를 제공하는 것을 도시다. 감지 전극 콤 핑거(1204, 1206) 및 관성 질량체 콤 핑거(1208, 1212)는 x-축에 대하여 얕은 각도로 경사져서, x-축을 따른 관성 질량체(1202)의 모터 운동이 커패시턴스 간격(1210, 1214)을 비선형적인 방식으로 관성 질량체(1202)의 일측 상으로 증가시키고 타측 상으로 감소시킨다. 커패시턴스가 간격에 반비례하므로, 전체 커패시턴스는 x-축 변위만큼 증가한다. 예시적인 실시예에서, 간격(1210, 1214)에 대한 커패시턴스의 비선형적 종속성은 도 11에서 도시된 바와 같이 경사진 감지 전극이 모터 변위에 대한 커패시턴스의 근사적인 포물선에 대한 종속성을 갖는 커패시턴스 변조를 제공하게 한다.Figure 12 shows that x-axis movement of sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 provides capacitance modulation of spacing 1210 and 1214. [ The sensing electrode comb fingers 1204 and 1206 and the inertial mass comb fingers 1208 and 1212 are tilted at a shallow angle relative to the x-axis so that motor movement of the inertial mass 1202 along the x-axis results in capacitance spacings 1210 and 1214 In a nonlinear manner on one side of the inertial mass 1202 and on the other side. Since the capacitance is inversely proportional to the spacing, the total capacitance increases by the x-axis displacement. In an exemplary embodiment, the non-linear dependence of the capacitance on the spacing 1210, 1214 provides a capacitance modulation in which the sloping sensing electrode has a dependence on the approximate parabola of the capacitance to the motor displacement, .

도 13 에서 커패시턴스가 도 12의 조립체에 대하여 모터 변위의 함수로서 도시되었다. 커패시턴스는 도시된 x-축을 따라 모터 변위 거리(δx)의 비선형적 함수이다. 도시된 y-축을 따른 변위에 대한 상기 커패시턴스의 도함수도 모터 변위(δx)에 따라 변동한다. 그 결과, DC 바이어스 전압이 감지 전극(1216)과 관성 질량체(1202) 사이에 인가될 때, 수학식 1로 주어지는 도시된 y-축을 따른 정전기력은 관성 질량체의 x-축 변위에 따라 가변한다.In Figure 13, the capacitance is shown as a function of motor displacement for the assembly of Figure 12. The capacitance is a nonlinear function of the motor displacement distance delta x along the x-axis shown. The derivative of the capacitance with respect to the displacement along the y-axis also varies according to the motor displacement? X. As a result, when a DC bias voltage is applied between the sensing electrode 1216 and the inertial mass 1202, the electrostatic force along the y-axis given by equation (1) varies with the x-axis displacement of the inertial mass.

모터 주파수의 2배로의 커패시턴스 변조의 주파수 성분이 커패시턴스가 진동 하는 모터 변위의 동일한 진폭에 대하여 모터 변위의 절대값에 비례할 때보다, 모터 변위의 근사적인 포물선 함수일 때 더 크기 때문에, 조립체(1200)에서 관성 질량체(1202)의 x-축 변위의 함수로서의 비선형 커패시턴스는 도 4, 6, 및/또는 8에 도시된 조립체의 전극보다 더 효율적인 파라미터 증폭을 제공할 수 있다. 그러나, 도 12에 도시된 경사진 전극이 콤 핑거가 매우 길 때 제조하기 어렵거나 그리고/또는 비실용적일 수 있기 때문에, 도 4, 6, 및/또는 8의 구성은 소정의 상황에 대하여 바람직할 수 있다.The assembly 1200 can be configured to have a frequency response that is greater than that of the motor displacement when the frequency component of the capacitance modulation at twice the motor frequency is greater than when the capacitance is proportional to the absolute value of the motor displacement for the same amplitude of the motor displacement, The nonlinear capacitance as a function of the x-axis displacement of the inertial mass 1202 can provide more efficient parameter amplification than the electrodes of the assembly shown in Figures 4, 6, and / or 8. However, since the inclined electrode shown in Fig. 12 may be difficult and / or impractical to manufacture when the comb finger is very long, the configuration of Figs. 4, 6, and / or 8 may be desirable for a given situation have.

또한, 도 4, 6, 8, 10 및/또는 12에 도시된 콤 핑거 쌍(128)의 짝지어진 콤 핑거에 의해 생성된 커패시턴스의 변조는 y-축을 따른 변위에 대한 커패시턴스의 1차 및 2차 도함수의 변조를 생성한다. 이러한 도함수의 변조는 다양한 실시예의 주제인 파라미터 증폭 효과의 원천이다.Also, the modulation of the capacitance produced by the matched comb fingers of the comb finger pair 128 shown in Figures 4, 6, 8, 10, and / or 12 is due to the first and second order of the capacitance for the displacement along the y- Generates the modulation of the derivative. The modulation of these derivatives is a source of parametric amplification that is the subject of various embodiments.

감지 커패시턴스를 변조하는 것은 MEMS 자이로 센서의 전기적 이득(관성 질량체 변위와 전기 출력 신호 사이의 전달 함수)뿐만 아니라 센서의 기계적 이득(입력 힘과 관성 질량체 변의 사이의 전달 함수)에 영향을 미칠 수 있다. 기계적 이득에 대한 효과는 아래에서 설명된다.Modulating the sensing capacitance can affect the mechanical gain of the sensor (the transfer function between input and inertial mass sides) as well as the electrical gain (transfer function between inertial mass displacement and electrical output signal) of the MEMS gyro sensor. The effect on the mechanical gain is described below.

도 14a, 14b 및 14c는 예시적인 실시예에서 모터 주파수의 2배로 변조될 수 있는 4개의 감지 커패시턴스 C+1(x,y1), C-1(x,y1), C+2(x,y2) 및 C-2(x,y2)를 갖는 MEMS 자이로스코프(1400)의 다양한 실시예들을 도시한다. 명료하게 하기 위하여, 도 14a, 14b 및 14c는 변조에 필요한 상세한 커패시턴스 형상은 도시하지 않는다. 도 14a, 14b 및 14c는 MEMS 자이로스코프(1400)에 감지 바이어스 전압을 인가하기 위한 3가지 방법 및 회전 속도에 비례하는 출력 전압을 생성하기 위한 전하 증폭기를 연결하는 대응하는 방법을 도시한다.Figure 14a, 14b and 14c are exemplary four sensing capacitance that can be modulated at twice the motor frequency in the example C +1 (x, y 1) , C -1 (x, y 1), C +2 (x , y 2 ), and C -2 (x, y 2 ). For clarity, Figures 14a, 14b and 14c do not show the detailed capacitance shapes required for modulation. 14A, 14B, and 14C illustrate three methods for applying a sense bias voltage to the MEMS gyroscope 1400 and corresponding methods for coupling a charge amplifier for generating an output voltage proportional to the rotational speed.

도 14a는 감지 플레이트 상의 감지 바이어스 전압의 2가지 극성과 입력이 감지 플레이트에 AC 결합된 단일 단자 증폭기(single-eneded amplifier)를 도시한다. 감지 커패시턴스는 일부 실시예에서 동일한 크기와 반대 극성을 가질 수 있는 DC 바이어스 전압 V+(양) 및 V-(음)으로 바이어스된다. 도 14b는 관성 질량체(1404, 1406) 상에 감지 바이어스 전압, Vbias,의 단일 극성과 입력이 감지 플레이트에 DC 결합된 차분 전하 증폭기(1408)를 도시한다. 차분 전하 증폭기(1408)는 일반적으로 입력이 가상 접지에 유지되도록 구축된다. 그 결과, 감지 플레이트 상의 전압은 가상 접지에서 유지된다. 도 14c는 감지 플레이트 상의 감지 바이어스 전압의 2개의 극성과, 입력이 관성 질량체에 DC 결합된 단일 단자 증폭기를 도시한다. 감지 커패시턴스는 일부 실시예에서 동일한 크기와 반대 극성을 가질 수 있는 DC 바이어스 전압 V+(양) 및 V-(음)으로 바이어스된다.14A shows two polarities of the sense bias voltage on the sense plate and a single-eneded amplifier whose input is AC coupled to the sense plate. The sensing capacitance is biased at DC bias voltages V + (positive) and V - (negative) which may have the same magnitude and opposite polarity in some embodiments. Figure 14B shows differential charge amplifier 1408 with DC bias coupled to the sensing plate with a single polarity of sense bias voltage, V bias , on inertial masses 1404, 1406. Differential charge amplifier 1408 is typically configured so that the input is held at virtual ground. As a result, the voltage on the sensing plate is maintained at virtual ground. Figure 14c shows the two polarities of the sense bias voltage on the sensing plate and the single terminal amplifier with the input DC coupled to the inertial mass. The sensing capacitance is biased at DC bias voltages V + (positive) and V - (negative) which may have the same magnitude and opposite polarity in some embodiments.

2개의 관성 질량체(1404, 1406)의 x-축 변위는 동일한 크기(도 14a, 14b 및 14c에서 "x"로 표시된)를 갖지만 반대 방향이다. 모터 축(x 축) 및 감지 축(y 축)에 직교하는 축에 대한 회전은 감지 축을 따라 관성 질량체 상에 코리올리의 힘을 생성한다. 결과에 따른 관성 질량체의 변위는 4개의 감지 커패시턴스를 변하게 한여, 도 14a, 14b 및 14c에 도시된 전하 증폭기에 대한 입력인 감지 커패시턴스 상 의 시변(time-varying) 전하 q+(t)와 q-(t)를 생성한다.The x-axis displacements of the two inertial masses 1404 and 1406 have the same magnitude (denoted as "x" in Figures 14A, 14B and 14C) but in the opposite direction. Rotation about an axis orthogonal to the motor axis (x axis) and the sensing axis (y axis) creates Coriolis forces on the inertial mass along the sensing axis. The displacement of the inertial mass as a result of the four detected change the capacitance hanyeo, Fig. 14a, 14b and 14c of the time-varying (time-varying) of the sensing capacitance input to the charge amplifier shown in charges q + (t) and q - (t).

도 14a, 14b 및 14c에 도시된 센서/전하 증폭기가 결합된 시스템의 출력은 코리올리의 힘에 의해 생성된 차분 감지축 운동에만 민감하도록 설계된다. 수학식 2는 차분 운동을 설명한다.The output of the system incorporating the sensor / charge amplifier shown in Figs. 14A, 14B, and 14C is designed to be sensitive only to the differential sense axis motion generated by the Coriolis force. Equation (2) describes the differential motion.

Figure 112008070906903-pat00002
Figure 112008070906903-pat00002

여기서, 감지 모드 운동으로 칭해지는 관성 질량체(1404, 1406)의 감지 축 차분 운동인 yS(t)는 수학식 3에 의해 정의된다.Here, y S (t), which is a sense axis differential motion of inertia masses 1404 and 1406, referred to as sense mode motions, is defined by Equation (3).

Figure 112008070906903-pat00003
Figure 112008070906903-pat00003

yS(t)의 제1 및 제2 시간 도함수는

Figure 112008070906903-pat00004
및
Figure 112008070906903-pat00005
이며, 차분 코리올리-위상 및 직각 위상 힘은 수학식 4에 의해 정의된다.The first and second time derivatives of y S (t)
Figure 112008070906903-pat00004
And
Figure 112008070906903-pat00005
, And the differential Coriolis-phase and quadrature phase forces are defined by Equation (4).

Figure 112008070906903-pat00006
Figure 112008070906903-pat00006

여기에서, ω는 x-축을 따른 모터 운동의 구동 주파수이며, ψ는 위상 인자 이다. 구동 모터 운동의 위상은 수학식 5에 의해 정의된다.Where [omega] is the drive frequency of motor motion along the x-axis, and [psi] is the phase factor. The phase of the drive motor motion is defined by equation (5).

Figure 112008070906903-pat00007
Figure 112008070906903-pat00007

수학식 2에서의 다른 변수들은 다음과 같이 정의된다.The other variables in equation (2) are defined as follows.

m은 각 관성 질량체의 질량이며,m is the mass of each inertial mass,

γ는 감지 모드에 대한 제동(damping) 파라미터이며,is a damping parameter for the sensing mode,

ωSM은 감지 모드의 기계적 공진 주파수(전압이 인가되지 않는 경우의 공진 주파수)이며, 그리고,ω SM is the mechanical resonance frequency of the sensing mode (resonance frequency when no voltage is applied)

V는 도 14a 및 14c의 실시예에서의 V+ 및 V-의 크기(크기는 동일하다고 가정한다)이거나 도 14b의 실시예에서의 Vbias의 크기이다.Is the magnitude of the V bias to the embodiment of the size or (size is assumed to be the same) Figure 14b example - V is Figures 14a and 14c in Example V and + V in the.

수학식 2의 우변의 첫번째 항은 감지 커패시턴스에 의해 생성된 차분 정전기력이다. 변위 y1(t) 및 y2(t)는 일반적으로 작다. 따라서, y1(t) 및 y2(t)에서 테일러 급수로 커패시턴스를 전개하고 2차 이상의 항들을 무시하는 것이 유용하다. x, y1 및 y2가 0일 때 4개의 모든 감지 커패시턴스가 동일하다고 가정하면, 수학식 2는 수학식 6과 같이 된다.The first term on the right side of equation (2) is the differential electrostatic force generated by the sensing capacitance. The displacements y 1 (t) and y 2 (t) are generally small. Thus, it is useful to develop the capacitance in the Taylor series at y 1 (t) and y 2 (t) and ignore the second order term or higher. x, y 1 and y 2 are assumed to be the same as if all four sense capacitances at 0, equation (2) is as shown in equation (6).

Figure 112008070906903-pat00008
Figure 112008070906903-pat00008

여기서, C"+ 1(x,0)는 y1에 대한 C"+1(x,y1)의 도함수로서, y1 = 0일 때 계산된 것이다.Here, C is calculated as a derivative of "+ 1 (x, 0), C for the y 1" +1 (x, y 1), y 1 = time zero.

모터 운동은 C"+1(x,0)을 시간의 함수로서 변조한다. 변조는 수학식 7에 의해 정의되는 바와 같이, 모터 주파수 ω의 2배의 고조파들로 이루어진다.The motor motion modulates C " + 1 (x, 0) as a function of time. The modulation consists of harmonics twice the motor frequency omega, as defined by equation (7).

Figure 112008070906903-pat00009
Figure 112008070906903-pat00009

여기서, α0" 및 αn"는 시간에 독립적인 계수이다. x-축을 따른 감지 커패시터의 반사 대칭(도 4, 6, 8, 10 및 12에 도시된 바와 같이)은 모터 주파수의 홀수 고조파가 0이 되게 하며, 또한, 감지 커패시턴스의 푸리에 급수에서 sin(2nωt)의 계수가 0이 되는 것을 요구한다.Here,? 0 "and? N " are time-independent coefficients. The reflection symmetry of the sense capacitors along the x-axis (as shown in FIGS. 4, 6, 8, 10 and 12) causes the odd harmonics of the motor frequency to be zero and also sin (2nωt) in the Fourier series of sense capacitances. Quot; 0 "

n=1 보다 더 높은 수학식 7에서의 항들은 yS(t)에 상당한 효과를 가지지 않으며, 이에 따라, 선택적으로는 무시될 수 있다. 수학식 7을 수학식 6에 대입하면 수학식 8을 얻는다.The terms in equation (7) higher than n = 1 do not have a significant effect on y s (t) and can therefore optionally be ignored. Substituting Equation (7) into Equation (6), Equation (8) is obtained.

Figure 112008070906903-pat00010
Figure 112008070906903-pat00010

여기서, 정전기적으로 연화(softened) 감지 주파수ωS는 수학식 9에 의해 정 의된다.Here, the electrostatically softened detection frequency? S is defined by Equation (9).

Figure 112008070906903-pat00011
Figure 112008070906903-pat00011

수학식 8은 널리 알려진 마티외(Mathieu) 방정식의 형태를 갖는다. 관성 질량체의 모터 운동에 의한 C"+1(x,0)의 변조 때문에, 감지 공진 주파수는 모터 주파수의 2배로 변조된다. 감지 주파수의 이러한 변조는 실시예에서 파라미터 증폭을 제공한다.Equation (8) has the form of the well-known Mathieu equation. Because of modulation of C " + (x, 0) by motor motion of the inertial mass, the sense resonance frequency is modulated to twice the motor frequency. This modulation of the sense frequency provides parameter amplification in the embodiment.

구동력 F(t)가 기계적 응답이 큰 감지 공진 주파수 ωS에 가까운 주파수 ω에 있기 때문에, 수학식 8을 풀이하여 주어지는 감지 모드 응답 yS(t)는 모터 주파수 ω에 주로 있다. 다른 주파수에서의 항들은 감지 공진 주파수와는 거리가 멀며, 따라서, yS(t)에 대한 큰 기여를 제공하지 않는다. 또한, 이것은 수학식 8이 2ω보다 더 큰 주파수를 갖는 C"+1(x,0)에서의 항들을 배재하는 이유이다.Since the driving force F (t) is at a frequency? That is close to the sensing resonance frequency? S with a large mechanical response, the sensing mode response y S (t) given by solving equation (8) is mainly at the motor frequency?. The terms at other frequencies are far from the sense resonance frequency and therefore do not provide a large contribution to y S (t). This is also the reason why (8) excludes terms at C " + 1 (x, 0) with a frequency greater than 2?.

수학식 8에 대한 해가 수학식 10의 형식이라고 가정하고 제동 항을 무시하면, 해는 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.Assuming that the solution to equation (8) is of the form of equation (10) and ignoring the brake term, the solution can be expressed as equation (11).

Figure 112008070906903-pat00012
Figure 112008070906903-pat00012

Figure 112008070906903-pat00013
Figure 112008070906903-pat00013

여기서, 위상 θ는 힘 F(t)의 위상 ψ과 동일하다. 수학식 11의 분모의 부호는 ψ=0(코리올리)에 대하여 음이고, ψ=π/2(직각 위상)에 대하여 양이다. 수학식 11은 α1"의 부호가 ωS 2-ω2의 부호와 동일하다면, 코리올리-위상 힘에 대한 yS(t)의 응답(ψ=0)의 진폭이 커패시턴스 변조에 의해 증가되며, 직각 위상 힘에 대한 응답은 진폭에서 감소한다는 것을 보여준다.Here, the phase? Is the same as the phase? Of the force F (t). The sign of the denominator in equation (11) is negative for? = 0 (Coriolis) and positive for? =? / 2 (quadrature). Equation 11 shows that if the sign of? 1 "is equal to the sign of? S 2 -ω 2 , then the amplitude of the response (? = 0) of y S (t) to the Coriolis- phase force is increased by the capacitance modulation, The response to the quadrature phase force shows a decrease in amplitude.

관성 질량체 감지축 변위로부터 전기적 출력으로의 전달 함수인 센서의 전기적 게인에 대한 표현이 이 부분에서 유도된다. 커패시턴스 변조와 관성 질량체의 감지 모드 변위 사이의 비선형 혼합은 전기적 이득을 위상에 종속적으로 만들며, 이에 따라, 코리올리-위상 신호에 대한 전기적 신호는 직각위상 신호의 경우보다 더 클 수 있다.The representation of the electrical gain of the sensor, which is a transfer function from the inertial mass sensing axis displacement to the electrical output, is derived here. The nonlinear mixing between the capacitance modulation and the sensing mode displacement of the inertial mass makes the electrical gain dependent on the phase so that the electrical signal for the Coriolis-phase signal can be larger than for the quadrature signal.

감지 커패시턴스 상의 전하 q+ 및 q-는 수학식 12에 의해 정의된다.Charges q + and q - on the sensing capacitance are defined by equation (12).

Figure 112008070906903-pat00014
Figure 112008070906903-pat00014

여기서, V±는 도 14a 및 14c에서 정의된 바와 같은 양 또는 음의 극성의 감 지 커패시턴스 상의 바이어스 전압이거나, 도 14b에서의 관성 질량체(1404, 1406)에 인가된 바이어스 전압(Vbias)이다.Here, V ± may be a bias voltage on the sense of whether the capacitance of the polarity of the positive or negative as defined in Figures 14a and 14c, is a bias voltage (V bias) applied to the inertial mass (1404, 1406) in Figure 14b.

y1 및 y2에서 테일러 급수로 커패시턴스를 전개하고 x, y1 및 y2가 0일 때 4개의 모든 감지 커패시턴스가 동일하다고 가정하면, 수학식 13에 의해 정의된 바와 같이 수학식 12는 작은 y1 및 y2에 대하여 근사화될 수 있다.y 1 and deploy the capacitance as a Taylor series in y 2, and x, y 1 and y 2 are Assuming all four sense capacitances are to be the same as zero, equation (12) as defined by equation (13) is smaller y 1 and may be approximated with respect to y 2.

Figure 112008070906903-pat00015
Figure 112008070906903-pat00015

커패시턴스 C+1(x,0) 및 y1에 대한 1차 도함수인 C'+ 1(x,0)는 C"+1(x,0)에 대한 수학식 7과 유사한 방법으로 수학식 14 및 15에 의해 정의된 바와 같이 푸리에 급수로 표현될 수 있다.The first derivative C ' + 1 (x, 0) for the capacitance C +1 (x, 0) and y 1 is calculated using Equation 14 and Equation 12 in a similar manner to Equation 7 for C " +1 Lt; RTI ID = 0.0 > Fourier < / RTI >

Figure 112008070906903-pat00016
Figure 112008070906903-pat00016

Figure 112008070906903-pat00017
Figure 112008070906903-pat00017

여기서, α0, α0', αn 및 αn'는 시간에 독립적인 변수이다. 수학식 14와 15를 수학식 13에 대입하고, 수학식 10에 의해 주어진 yS(t)에 대한 형식을 가정하 며, 아래의 수학식 16이 나온다.Here, α 0 , α 0 ', α n and α n ' are time-independent variables. Equations (14) and (15) are substituted into Equation (13), and the form for yS (t) given by Equation (10) is assumed.

Figure 112008070906903-pat00018
Figure 112008070906903-pat00018

수학식 16에서, 2ω보더 더 높은 주파수를 갖는 항은 무시된다. MEMS 자이로스코프의 판독 전자 장치는 원하는 모터 주파수 ω가 아닌 주파수에 있는 신호를 거부하기 위하여 위상에 민감한 검출을 이용하며, 따라서, 센서 출력의 모터 주파수 성분만이 관심 대상이다. 또한, 도 14a, 14b 및 14c의 실시예에서 단일 단자 또는 차분 전하 증폭기의 선택과 결합된 바이어스 전압의 구성이 전하 증폭기 출력에서의 이러한 항들의 기여를 무효화시키기 때문에 수학식 16의 우변의 처음의 3항은 자이로스코프 출력에 기여하지 않는다.In equation (16), the term having a frequency higher than 2? Is ignored. The reading electronics of MEMS gyroscopes use phase sensitive detection to reject signals at frequencies other than the desired motor frequency ω, so that only the motor frequency component of the sensor output is of interest. In addition, since the configuration of the bias voltage combined with the selection of a single terminal or differential charge amplifier in the embodiment of Figs. 14A, 14B and 14C invalidates the contribution of these terms at the charge amplifier output, The term does not contribute to the gyroscope output.

코리올리-위상(θ=0) 및 직각 위상(θ=π/2) 감지 모드 변위에 대하여 수학식 16을 계산하고 우변의 처음 3항을 무시하면, 감지 커패시턴스 상의 전하는 수학식 17 및 18에 의해 정의된다.Calculating Equation 16 for the Coriolis-phase (θ = 0) and quadrature (θ = π / 2) sense mode displacements and ignoring the first three terms of the right side, the charge on the sense capacitance is defined by equations 17 and 18 do.

Figure 112008070906903-pat00019
Figure 112008070906903-pat00019

Figure 112008070906903-pat00020
Figure 112008070906903-pat00020

수학식 17 및 18은 감지 커패시턴스 전하의 크기가 감지 모드 변위 yS(t)의 위상에 종속적이라는 것을 보여준다. 따라서, 센서의 전기적 이득은 위상에 종속적이며, 이에 따라 코리올리-위상 신호에 대한 전기적 이득은 직각 위상 신호의 경우보다 더 클 수 있다.Equations 17 and 18 show that the magnitude of the sensed capacitance charge is dependent on the phase of the sense mode displacement y S (t). Thus, the electrical gain of the sensor is phase dependent, so that the electrical gain for the Coriolis-phase signal can be greater than for a quadrature signal.

감지 커패시턴스를 변조하는 다른 방법은 커패시턴스가 모터 운동에 의해 변조된 보조 전극의 세트를 제공하는 것이다. DC 바이어스 전압이 이러한 보조 전극에 인가되고, 감지 축 변위에 대한 커패시턴스의 2차 도함수가 모터 운동에 의해 변조된다면, 이러한 전극들은 감지 주파수를 변조하고 파라미터 증폭을 생성할 수 있다. 파라미터 증폭은 수학식 11에 의해 표현된 바와 같이 센서의 기계적 이득을 수정함으로써 생성된다. 전기적 이득이 센서 전극에 의해 결정되기 때문에, 센서의 전기적 이득은 수정되지 않는다. 따라서, 보조 전극을 사용하는 것은 센서의 전기적 이득 및 기계적 이득을 독립적으로 설계하는데 있어서 더 큰 유연성을 제공할 수 있다.Another way to modulate the sensing capacitance is to provide a set of auxiliary electrodes whose capacitance is modulated by motor motion. If a DC bias voltage is applied to such an auxiliary electrode and the second derivative of the capacitance with respect to the sensing axis displacement is modulated by the motor motion, then these electrodes can modulate the sensing frequency and generate parameter amplification. The parameter amplification is generated by modifying the mechanical gain of the sensor as expressed by Equation (11). Since the electrical gain is determined by the sensor electrode, the electrical gain of the sensor is not modified. Thus, the use of an auxiliary electrode can provide greater flexibility in designing the electrical and mechanical gains of the sensor independently.

콤 핑거 쌍에 대한 상술한 실시예는 MEMS OPG와 연계하여 설명되었다. 실시예들은 감지된 커패시턴스를 생성하도록 동작되는 콤 쌍을 채용하는 MEMS IPG, MEMS 가속도계, 또는 다른 MEMS 장치에도 구현될 수 있다. 또한, MEMS 커패시턴스 변조 장치(100)에 대한 대체적인 실시예는 감지 전극, 관성 질량체, 및/또는 상이하게 배치된 해당 콤 핑거를 구비하거나 또는 본 명세서에 앞에서 설명되거나 그리고/또는 예시된 실시예보다 더 많이 또는 더 적게 포함할 수 있다.The above-described embodiments of the comb finger pairs have been described in connection with the MEMS OPG. Embodiments may also be implemented in a MEMS IPG, MEMS accelerometer, or other MEMS device employing a comb pair that is operated to produce a sensed capacitance. Alternative embodiments for the MEMS capacitance modulation device 100 may also include sensing electrodes, inertial masses, and / or differently arranged corresponding comb fingers, or may be provided with a sensing electrode, an inertial mass, and / More or less.

본 발명의 바람직한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 전술한 바와 같이, 많은 변경이 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 바람직한 실시예의 개시에 의해 제한되지 않는다. 그 대신에, 본 발명은 다음의 특허청구범위에 대한 참조에 의해서만 완전하게 결정되어야 한다.While the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described, many modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention, as set forth above. Therefore, the scope of the present invention is not limited by the disclosure of the preferred embodiments. Instead, the invention should be determined entirely only by reference to the following claims.

배타적 권리 또는 특권이 요구되는 본 발명의 실시예는 다음과 같이 정의된다.An embodiment of the invention in which an exclusive right or privilege is required is defined as follows.

본 발명의 바람직하고 대체가능한 실시예들은 다음의 도면을 참조하여 앞에서 설명되었다.Preferred and alternative embodiments of the present invention have been described above with reference to the following drawings.

도 1은 MEMS(Micro-ELectro-Mechanical System) 커패시턴스 변조 장치의 실시예를 도시한다.1 shows an embodiment of a MEMS (Micro-ELectro-Mechanical System) capacitance modulation apparatus.

도 2는 시간에 독립적인 감지 커패시턴스를 갖는 종래의 MEMS 자이로스코프의 감지 전극을 도시한다.Figure 2 shows a sensing electrode of a conventional MEMS gyroscope with a time-independent sensing capacitance.

도 3은 도 2의 종래 기술에 따른 MEMS 자이로스코프의 모터 변위 거리(δx)의 함수로서 커패시턴스를 도시한다.Figure 3 shows the capacitance as a function of the motor displacement distance [delta] x of the MEMS gyroscope according to the prior art of Fig.

도 4, 6, 8, 10 및 12는 모터 변위에 따라 가변하는 전극 사이의 간격을 도시한다.Figures 4, 6, 8, 10 and 12 show the spacing between the electrodes which varies with motor displacement.

도 5, 7, 9, 11 및 13은 각각 도 4, 6, 8, 10 및 12에 도시된 실시에의 모터 변위 거리(δx)의 함수로서 커패시턴스를 도시한다; 그리고,Figures 5, 7, 9, 11 and 13 show the capacitance as a function of the motor displacement distance delta x in the embodiment shown in Figures 4, 6, 8, 10 and 12, respectively; And,

도 14a, 14b 및 14c는 4개의 감지 커패시턴스를 갖는 MEMS 자이로스코프 센서를 도시한다.Figures 14A, 14B and 14C illustrate a MEMS gyroscope sensor with four sensing capacitances.

Claims (10)

적어도 하나의 관성 질량체 콤 핑거(408, 608, 808, 1008, 1208)를 갖는 관성 질량체(426, 626, 826, 1026, 1226);Inertial masses (426, 626, 826, 1026, 1226) having at least one inertial mass comb finger (408, 608, 808, 1008, 1208); 간격(410, 610, 810, 1010, 1210) 만큼 상기 관성 질량체 콤 핑거로부터 이격된 적어도 하나의 감지 전극 콤 핑거(404, 604, 804, 1004, 1204)를 갖는 감지 전극; 및A sensing electrode having at least one sensing electrode comb finger 404, 604, 804, 1004, 1204 spaced from the inertial mass comb finger by an interval 410, 610, 810, 1010, 1210; And 시변 전기 출력을 출력하도록 동작하는 전기 출력부;An electrical output section operative to output a time-varying electrical output; 를 포함하며,/ RTI > 상기 관성 질량체 콤 핑거(408, 608, 808, 1008, 1208)는,The inertial mass comb fingers 408, 608, 808, 1008, 관성 질량체 콤 핑거 단부(422, 622, 822, 1022, 1222); 및Inertial mass comb finger tips 422, 622, 822, 1022, 1222; And 상기 관성 질량체 콤 핑거 단부를 상기 관성 질량체에 결합하는 관성 질량체 핑거 부착부;An inertial mass finger attachment portion coupling the inertial mass comb finger end to the inertial mass; 를 포함하고,Lt; / RTI > 상기 간격은, 관성 질량체 콤 핑거와 상기 감지 전극 콤 핑거 사이에 가변 용량성 결합을 정의하며,The gap defines a variable capacitive coupling between the inertial mass comb finger and the sensing electrode comb finger, 상기 감지 전극 콤 핑거는,The sensing electrode comb finger may include: 감지 전극 콤 핑거 단부(418, 618, 818, 1018, 1218); 및Sensing electrode comb finger ends 418, 618, 818, 1018, 1218; And 상기 감지 전극 콤 핑거 단부(418, 618, 818, 1018, 1218)를 앵커(416, 616, 816, 1016, 1216)에 결합하는 감지 전극 콤 핑거 부착부(420, 620, 820, 1020, 1220);Sensing electrode comb finger attachments 420, 620, 820, 1020, 1220 that couple the sensing electrode comb finger ends 418, 618, 818, 1018, 1218 to the anchors 416, 616, 816, 1016, ; 를 포함하며,/ RTI > 상기 시변 전기 출력은 유도된 상기 관성 질량체의 모터 운동 및 상기 감지 전극의 형상에 의해 생성된 상기 가변 용량성 결합의 변동에 의해 증폭되고, 상기 감지 전극의 형상은 감지 커패시턴스에서의 변동을 생성하는 형상으로, 상기 시변 전기 출력은 상기 감지 커패시턴스에서의 변동에 의해 증폭되는,Wherein the time-varying electrical output is amplified by a variation of the variable capacitive coupling generated by the motor movement of the inertial mass and the shape of the sensing electrode, and the shape of the sensing electrode is a shape Wherein the time-varying electrical output is amplified by a variation in the sensing capacitance, MEMS 센서.MEMS sensors. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관성 질량체 콤 핑거 단부 및 감지 전극 콤 핑거 단부 중 적어도 하나는 상기 간격이 상기 모터 운동의 방향을 따른 변위의 함수로 증가하도록 자신의 해당하는 부착부보다 넓으며,Wherein at least one of the inertial mass comb finger end and the sensing electrode comb finger end is wider than its corresponding attachment portion such that the spacing increases as a function of displacement along the direction of the motor movement, 상기 가변 용량성 결합은 상기 간격이 증가함에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는,Characterized in that the variable capacitive coupling decreases as the gap increases. ≪ RTI ID = 0.0 > MEMS 센서.MEMS sensors. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 관성 질량체 콤 핑거 단부(422, 622, 822, 1022, 1222) 및 상기 감지 전극 콤 핑거 단부(418, 618, 818, 1018, 1218) 중 적어도 하나는 상기 가변 용량성 결합이 상기 모터 운동의 방향을 따른 변위의 함수로 증가하도록 주름진 것을 특징으로 하는,Wherein at least one of the inertial mass comb finger ends (422, 622, 822, 1022, 1222) and the sensing electrode comb finger ends (418, 618, 818, 1018, 1218) As a function of the displacement along the circumferential direction. ≪ RTI ID = 0.0 > MEMS 센서.MEMS sensors. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6257059B1 (en) * 1999-09-24 2001-07-10 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Microfabricated tuning fork gyroscope and associated three-axis inertial measurement system to sense out-of-plane rotation
US6611168B1 (en) * 2001-12-19 2003-08-26 Analog Devices, Inc. Differential parametric amplifier with physically-coupled electrically-isolated micromachined structures
JP2004170260A (en) 2002-11-20 2004-06-17 Denso Corp Capacity type acceleration sensor
KR20070026860A (en) * 2004-06-29 2007-03-08 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드 Mems gyroscope with horizontally oriented drive electrodes

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6257059B1 (en) * 1999-09-24 2001-07-10 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Microfabricated tuning fork gyroscope and associated three-axis inertial measurement system to sense out-of-plane rotation
US6611168B1 (en) * 2001-12-19 2003-08-26 Analog Devices, Inc. Differential parametric amplifier with physically-coupled electrically-isolated micromachined structures
JP2004170260A (en) 2002-11-20 2004-06-17 Denso Corp Capacity type acceleration sensor
KR20070026860A (en) * 2004-06-29 2007-03-08 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드 Mems gyroscope with horizontally oriented drive electrodes

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