KR101459797B1

KR101459797B1 - Rotation type of gyroscope

Info

Publication number: KR101459797B1
Application number: KR1020090118900A
Authority: KR
Inventors: 이희원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2014-11-07
Also published as: KR20110062240A

Abstract

본 발명은 정전력을 이용하여 진동구조체를 공진시키고, 진동구조체의 내부에 구조체 앵커를 중심으로 감겨있는 스프링을 통해 지지되며 각속도 인가 시 코리올리의 힘에 의하여 감지운동이 발생하는 감지전극을 포함하고, 진동구조체가 대기압에서 작동가능하고 회전에 의한 공진과 동시에 감지운동을 수행하므로 구조가 간단하고 감도가 우수한 회전형 자이로스코프 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention includes a sensing electrode that resonates with a vibrating structure using an electrostatic force, is supported through a spring wrapped around a structure anchor in a vibrating structure, and sensing motion is generated by the force of a Coriolis force when an angular velocity is applied, The present invention provides a rotary gyroscope with a simple structure and excellent sensitivity, and a manufacturing method thereof, because the vibration structure can operate at atmospheric pressure and perform sensing motion simultaneously with resonance due to rotation.

정전력, 진동구조체, 구조체 앵커, 스프링, 코리올리의 힘, 감지전극, 자이로스코프 Static electricity, vibration structure, structure anchor, spring, Coriolis force, sensing electrode, gyroscope

Description

Rotation type of gyroscope < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 회전형 자이로스코프 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판에 수평한 축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정하는 회전형 자이로스코프 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a rotary gyroscope and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a rotary gyroscope for measuring an angular velocity of a substrate rotated about a horizontal axis.

자이로스코프는 이미 오래전부터 선박이나 항공기 등에서 항법장치나 관성유도장치의 중요부품으로 사용되어 왔으나, 종래의 기계식 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 충격이나 진동에 약하고 정밀도를 유지하기가 쉽지 않은 문제가 있다. Gyroscopes have long been used as crucial components of navigation and inertial guidance systems in ships and aircraft, but conventional mechanical rotary gyroscopes are bulky, vulnerable to shocks and vibrations, and difficult to maintain precision. .

그 외에 광섬유나 레이저를 응용한 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 가격이 비싸고 부피가 크며 제작이 쉽지 않다는 단점을 극복하지 못하고 있다. In addition, gyroscopes employing optical fibers and lasers are excellent in sensitivity but do not overcome the drawbacks of being expensive, bulky, and not easy to produce.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 자이로스코프를 마이크로 머시닝을 통하여 제작하는 방법들이 제시되었다. In order to solve these problems, a method of manufacturing a gyroscope through micromachining has been proposed.

실리콘을 기반으로 하는 마이크로머시닝으로 제작된 자이로스코프는 저가로 대량생산이 가능하며 기존의 반도체와 집적화가 가능하다는 측면에서 그 사용의 범 위를 넓히는데 성공하였다. Gyroscopes fabricated with silicon-based micromachining succeeded in widening the range of use of gyroscopes in terms of mass production at low cost and integration with existing semiconductors.

또한, 실리콘의 안정적인 기계적 특성에 의하여 상용화가 가속되어 현재는 MEMS 타입의 자이로스코프가 자동차나 고배율 비디오 카메라 등에 적극적으로 활용되고 있다. In addition, due to the stable mechanical properties of silicon, commercialization has accelerated and now MEMS-type gyroscopes are actively utilized in automobiles and high magnification video cameras.

일반적으로 각속도를 검지하기 위하여 사용되는 코리올리의 힘은 일정한 방향으로 진동하거나 회전하는 질량체가 움직이는 방향에 직각인 방향에서 일정 각속도로 회전하려는 힘을 받을 때 이 두 축에 대하여 직교하는 방향으로 작용하는 힘을 일컫는다. Generally, the Coriolis force used to detect the angular velocity is a force that acts in a direction orthogonal to the two axes when it receives a force to rotate at a constant angular velocity in a direction perpendicular to the direction in which the mass moves or vibrates in a certain direction .

이러한 원리를 이용하는 여러 방법들이 제시되어 왔는데 구동방법과 검지방법에 따라 분류할 수 있다. Several methods have been proposed to utilize this principle, which can be classified according to the driving method and the detection method.

최근에는 주로 질량체의 변위를 통한 정전용량(Capacitance)의 변화로 변환하여 각속도를 검출하는 방법을 사용한다. In recent years, a method of detecting the angular velocity is mainly used by converting the capacitance into a change in capacitance through the displacement of the mass.

그러나, 이러한 형태의 자이로스코프는 물체의 요우(yaw)각을 측정하는 방향으로 적용되므로 물체의 다른 움직임 즉, 롤(roll) 방향이나 피치(pitch)방향의 각속도를 측정하기 위해서는 만들어진 칩 형태를 회전축에 맞도록 수직으로 세워서 설치하여 운용하는 방법을 사용하게 된다. However, since this type of gyroscope is applied in a direction to measure the yaw angle of an object, in order to measure the angular velocity in the other direction of the object, that is, the roll direction or the pitch direction, A method of vertically standing up and operating is used.

이는 진동이나 충격에 약한 결과를 야기하고 다른 축을 센싱하기 위한 칩들간의 통합을 어렵게 하는 조건으로 작용하여 가격적으로도 좋지 못한 영향을 끼치게 된다. This results in weak effects on vibration or impact and acts as a condition that makes it difficult to integrate between chips for sensing the other axis, which has a bad influence on the price.

이를 해결하기 위하여 기판에 수평한 축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정 하기 위한 여러 가지 센서의 형태가 제시되었다. In order to solve this problem, several types of sensors have been proposed to measure angular velocity of a substrate about a horizontal axis.

이러한 형태의 자이로스코프의 경우에는 검지운동이 수직방향으로 이루어지기 때문에 보통 감도의 향상을 위하여 MEMS 구조물의 하부에 검지전극을 설치하고 그 정전용량 변화를 검출하는 방법을 주로 사용하게 된다. In the case of this type of gyroscope, since the sensing motion is performed in the vertical direction, a sensing electrode is provided on the lower part of the MEMS structure to improve the sensitivity, and a method of detecting the capacitance change is mainly used.

그러나, MEMS 구조물의 하부에 검지전극을 설치하게 되면 가공공정이 추가되어서 전체적인 생산비용이 증가하는 문제점이 있다. However, if a sensing electrode is provided at the bottom of the MEMS structure, a manufacturing process is added to increase the overall production cost.

가격 경쟁력있는 센서소자는 소자의 소형화와 패키지 공정의 최소화를 통하여 구현될 수 있다. 효율적인 소자의 크기와 전기적인 부분보다 상대적으로 기계적인 동작부분을 크게하여 높은 감도를 갖도록 유도하여서 진공패키지가 필요 없을 정도의 감도를 구현하는 것이 유리하다. Cost-competitive sensor devices can be realized through miniaturization of devices and minimization of package process. It is advantageous to achieve a sensitivity that does not require a vacuum package by inducing a high sensitivity by increasing the size of the effective element and the relatively mechanical operating portion relative to the electrical portion.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 감지전극과 고정감지전극간의 수직운동에 따른 정전용량의 변화를 측정함으로써, 제조공정을 간단하게 하여 제조원가를 절감할 수 있는 회전형 자이로스코프 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a rotary type gyroscope which can reduce a manufacturing cost by simplifying a manufacturing process by measuring a change in capacitance due to a vertical movement between a sensing electrode and a fixed sensing electrode, And a manufacturing method thereof.

본 발명은 자이로스코프의 제조공정을 간단하게 하고 제조원가를 절감하기 위해,In order to simplify the manufacturing process of the gyroscope and to reduce the manufacturing cost,

진동구조체가 구조체 앵커를 중심으로 스프링에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 진동구조체의 구동전극이 구조체 앵커에 대하여 전후방향으로 진동함과 동시에 외부의 각속도 인가시 코리올리의 힘에 의하여 진동구조체의 감지전극이 고정감지전극에 대하여 상하방향으로 진동이 발생함으로써, 이 고정감지전극이 상하방향의 진동을 정전용량법으로 검출하여 측정하고자 하는 각속도를 계산할 수 있는 회전형 자이로스코프를 제공한다.The vibrating structure is rotatably supported by a spring about the structure anchor, and the driving electrode of the vibrating structure vibrates in the front-rear direction with respect to the structure anchor, and at the time of external angular velocity, The present invention provides a rotary gyroscope capable of calculating an angular velocity to be measured by detecting a vibration in a vertical direction of a fixed sensing electrode by a capacitance method by generating a vibration in a vertical direction with respect to the fixed sensing electrode.

본 발명에 따른 회전형 자이로스코프 및 그 제조방법에 의하면, 대기압의 환경에서 작동이 가능하고, 기판에 수평인 축을 기준으로 회전하는 각속도를 평면상 에서 측정함으로써, 유리기판과의 접합과 몸체 가공기술을 통해서 신뢰성 있고 제조공정이 간단하고, 전체적인 센서의 크기를 줄여 감도를 향상시킬 수 있다.According to the rotatable gyroscope and the method of manufacturing the same according to the present invention, it is possible to operate in an atmospheric environment and to measure the angular velocity rotating on the axis horizontally on the substrate, , The manufacturing process is simple, and the overall sensor size can be reduced to improve the sensitivity.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 자이로스코프의 평면도이고, 도 2는 도 1의 사시도이고, 도 3은 도 2에서 일부 확대사시도이고, 도 4는 도 2의 단면도이고, 도 5는 도 2에서 구동전극의 진동방향과 감지전극의 진동방향을 나타내는 사시도이다. FIG. 2 is a perspective view of FIG. 1, FIG. 3 is a partially enlarged perspective view of FIG. 2, FIG. 4 is a sectional view of FIG. 2, 5 is a perspective view showing a vibration direction of the driving electrode and a vibration direction of the sensing electrode in FIG.

본 발명의 일실시예에 따른 회전형 자이로스코프는 기판에 수직한 방향(두께방향)으로 검출모드가 형성되며, 구조체 앵커(140), 스프링(130), 진동구조체(100), 고정구동앵커(110) 및 고정감지앵커(120)를 포함한다.The rotation type gyroscope according to an embodiment of the present invention includes a structure anchor 140, a spring 130, a vibration structure 100, a fixed drive anchor (not shown) 110 and a fixed sensing anchor 120.

상기 구조체 앵커(140)는 원형으로 기판 위에 배치된 전체 구조물의 중앙에 형성되어 스프링(130) 및 진동구조제를 지지한다.The structure anchor 140 is formed at the center of the entire structure disposed on the substrate in a circular shape to support the spring 130 and the vibration structure.

상기 스프링(130)은 구조체 앵커(140)의 둘레면 일측과 진동구조체(100)의 중심링부(101)의 일측을 연결하는 제1평판스프링(131)과, 구조체 앵커(140)의 둘레면 타측과 진동구조체(100)의 중심링부(101)의 타측을 연결하는 제2평판스프링(132)으로 구성되어 있다.The spring 130 includes a first flat plate spring 131 connecting one side of the circumferential surface of the structure anchor 140 and one side of the center ring portion 101 of the oscillating structure 100 and a second flat spring 131 connecting the other side of the circumferential surface of the structure anchor 140 And a second flat plate spring 132 connecting the other side of the center ring portion 101 of the vibration structure 100.

이때, 상기 스프링(130)의 강성을 조절하여 전체적인 자이로스코프의 감도 및 성능을 조절할 수 있다.At this time, the sensitivity and performance of the entire gyroscope can be controlled by adjusting the rigidity of the spring 130.

상기 제1평판스프링(131)는 구조체 앵커(140)의 앞쪽에 연결되고 구조체 앵커(140)의 앞쪽에서 반경방향으로 형성된 제1반경부(131a)와, 상기 제1반경부(131a)에서 접선방향으로 형성된 제1접선부(131b)와, 상기 제1접선부(131b)에서 다시 반경방향으로 형성된 제2반경부(131c)와, 상기 제2반경부(131c)의 끝에서 구조체 앵커(140)의 둘레를 따라 반원형으로 형성된 제1원형부(131d)와, 제1원형부(131d)의 끝에서 반경방향으로 형성된 제3반경부(131e)와, 제3반경부(131e)의 끝에서 다시 구조체 앵커(140)의 둘레를 따라 반원형으로 형성된 제2원형부(131f)와, 상기 제2원형부(131f)의 끝에서 반경방향으로 형성된 제4반경부(131g)와, 상기 제4반경부(131g)에서 접선방향으로 형성된 제2접선부(131h)와, 상기 제2접선부(131h)에서 반경방향으로 형성되어 진동구조체(100)의 중심링부(101)의 일측에 연결된 제5반경부(131i)로 구성되어 있다.The first flat plate spring 131 has a first radius 131a connected to the front side of the structure anchor 140 and formed in the radial direction from the front side of the structure anchor 140, A second radius 131c formed in the first tangential line 131b in the radial direction and a second tangential line 131b formed at the end of the second radius 131c at the end of the structure anchor 140 A third radius 131e formed in the radius direction at the end of the first circular portion 131d and a third radius 131e formed at the end of the third radius 131e A second circular portion 131f formed in the shape of a semicircle along the periphery of the structure anchor 140, a fourth semi-cylindrical portion 131g formed in the radial direction at the end of the second circular portion 131f, A second tangential line portion 131h formed in the tangential direction at the neck portion 131g and a second tangential line portion 131h formed at the second tangential line portion 131h in the radial direction and formed on one side of the center ring portion 101 of the vibration structure 100 Claim 5 is composed of the radius (131i) is connected.

이때, 상기 제1원형부(131d) 및 제2원형부(131f)는 구조체 앵커(140)를 중심으로 동심원 상에 형성되고, 제1원형부(131d)가 제2원형부(131f)의 직경보다 작게 형성되고, 제1반경부(131a)와 제1접선부(131b) 및 제2반경부(131c)가 구조체 앵커(140)와 제1원형부(131d)를 연결한다.The first circular portion 131d and the second circular portion 131f are concentrically formed around the structural anchor 140 and the first circular portion 131d is formed to have a diameter of the second circular portion 131f And the first radius portion 131a and the first tangential portion 131b and the second radius portion 131c connect the structure anchor 140 and the first circular portion 131d.

그리고, 제3반경부(131e)는 제1원형부(131d)와 제2원형부(131f)를 연결하고, 제4반경부(131g), 제2접선부(131h) 및 제5반경부(131i)는 제2원형부(131f)와 진동구조체(100)의 중심링부(101)의 일측을 연결한다.The third radius section 131e connects the first circular section 131d and the second circular section 131f and connects the fourth radius 131g, the second tangential section 131h, 131i connect the second circular portion 131f and one side of the center ring portion 101 of the vibration structure 100. [

상기 제2평판스프링(132)은 제1평판스프링(131)과 동일한 구성으로 이루어지고, 제2평판스프링(132)의 위치가 제1평판스프링(131)과 서로 대칭되게 형성되어 있다.The second flat plate spring 132 has the same configuration as the first flat plate spring 131 and the second flat plate spring 132 is formed to be symmetrical with the first flat plate spring 131.

예를 들면, 제1평판스프링(131)의 제1반경부(131a), 제1접선부(131b), 제2반경부(131c), 제4반경부(131g), 제2접선부(131h) 및 제5반경부(131i)가 구조체 앵커(140)의 앞쪽에 위치한다면, 제2평판스프링(132)의 제1반경부, 제1접선부, 제2반경부, 제4반경부, 제2접선부 및 제5반경부가 구조체 앵커(140)의 뒤쪽에 위치하고, 제1평판스프링(131)의 제3반경부(131e)가 구조체 앵커(140)의 뒤쪽에 위치한다면, 제2평판스프링(132)의 제3반경부가 앞쪽에 위치한다.For example, the first radius portion 131a, the first tangential portion 131b, the second radius portion 131c, the fourth radius portion 131g, the second tangential portion 131h of the first flat plate spring 131, The second tapered portion, the second tapered portion, the fourth tapered portion, and the third tapered portion 131e of the second flat spring 132, If the second tangential portion and the fifth radius portion are located on the rear side of the structural anchor 140 and the third radius portion 131e of the first flat spring 131 is located on the rear side of the structure anchor 140, 132 are positioned on the front side.

그리고, 제1평판스프링(131)의 제1원형부(131d)가 왼쪽에 위치한다면 제2평판스프링(132)의 제1원형부가 오른쪽에 위치하고, 제1평판스프링(131)의 제2원형부(131f)가 오른쪽에 위치한다면 제2평판스프링(132)의 제2원형부가 왼쪽에 위치한다.When the first circular portion 131d of the first flat plate spring 131 is located on the left side, the first circular portion of the second flat plate spring 132 is positioned on the right side, The second circular portion of the second flat plate spring 132 is located on the left side.

상기 진동구조체(100)는 기판과 일정한 간격을 두고 수직상방향으로 부상되어 지지되고, 스프링(130)을 통해 구조체 앵커(140)와 연결된 중심링부(101)와, 중심링부(101)의 양측에 반경방향으로 형성된 몸체부(102)와, 상기 몸체부(102)에서 반경방향으로 돌출형성된 날개부(103)로 구성되어 있다.The vibrating structure 100 includes a central ring portion 101 connected to the structure anchor 140 via a spring 130 and supported by the vibrating structure 100 in a vertically upward direction with a predetermined gap therebetween, A body portion 102 formed in a radial direction and a wing portion 103 protruding in a radial direction from the body portion 102.

상기 진동구조체(100)의 오른쪽(전체 구조물의 길이방향 기준) 날개부(103)는 앞쪽(전체 구조물의 폭방향을 기준으로 아래쪽)부터 반경방향으로 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4날개부(103a~d)로 구성되어 있고, 각 날개부(103) 사이에 제1 내지 제3수용홈이 형성되어 있다.The wing portion 103 on the right side (based on the longitudinal direction of the entire structure) of the vibration structure 100 is divided into first, second, third, and fourth And first to third receiving grooves are formed between the wing portions 103. The first to third receiving grooves 103a to 103d are formed in the first to third receiving grooves 103a to 103d.

상기 제1날개부(103a)의 앞쪽면에는 구동전극(104)이 일정한 간격을 두고 요 철형태(빗살형태)로 형성되어 있고, 상기 제2날개부(103b)의 뒤쪽면에는 감지전극(105)이 일정한 간격을 두고 요철형태(빗살형태)로 형성되어 있다.A driving electrode 104 is formed on the front surface of the first wing portion 103a in a form of a prismatic shape with a predetermined interval and a sensing electrode 105 ) Are formed in a concave-convex shape (comb-like shape) at regular intervals.

상기 제2날개부(103b)의 앞쪽면과 뒤쪽면, 제3날개부(103c)의 앞쪽면과 뒤쪽면, 그리고, 제4날개부(103d)의 앞쪽면에 감지전극(105)이 일정한 간격을 두고 요철형태로 형성되어 있고, 제4날개부(103d)의 앞쪽면에 구동전극(104)이 형성되어 있다.The sensing electrodes 105 are formed on the front surface and the rear surface of the second wing portion 103b, the front surface and the rear surface of the third wing portion 103c and the front surface of the fourth wing portion 103d, And a driving electrode 104 is formed on the front surface of the fourth wing portion 103d.

여기서, 상기 구동전극(104)은 날개부(103)의 외측에, 즉 제1날개부(103a)의 앞쪽면과 제4날개부(103d)의 뒤쪽면에 각각 형성되어 있고, 감지전극(105)은 날개부(103)의 내측에, 즉 제1날개부(103a)의 뒤쪽면, 제2 및 제3날개부(103b,103c)의 앞뒤면, 제4날개부(103d)의 앞쪽면에 각각 형성되어 있다.Here, the driving electrode 104 is formed on the outside of the wing portion 103, that is, on the front surface of the first wing portion 103a and the rear surface of the fourth wing portion 103d, and the sensing electrode 105 Are disposed on the inner side of the wing portion 103, that is, on the rear surface of the first wing portion 103a, the front and rear surfaces of the second and third wing portions 103b and 103c, and the front surface of the fourth wing portion 103d Respectively.

다시말하면, 상기 구동전극(104)은 오른쪽 날개부(103)에서 날개부(103)의 외측에 2개면에 형성되어 진동구조체(100)의 폭방향으로 진동되고, 상기 감지전극(105)은 오른쪽 날개부(103)에서 날개부(103)의 내측에 6개면에 각각 형성되어 진동구조체(100)의 두께방향으로 진동된다.In other words, the driving electrode 104 is formed on two sides of the right wing portion 103 on the outer side of the wing portion 103 and is oscillated in the width direction of the vibration structure 100, Are formed on six sides of the wing portion (103) on the inner side of the wing portion (103) and are vibrated in the thickness direction of the vibration structure (100).

상기 진동구조체(100)의 왼쪽 날개부(103)도 오른쪽 날개부(103)와 동일한 구성으로 대칭되게 형성되어 있다.The left wing portion 103 of the vibration structure 100 is also formed symmetrically with the right wing portion 103 in the same configuration.

상기 진동구조체(100)의 앞쪽과 뒤쪽에 고정구동앵커(110)가 고정되어 있고, 상기 고정구동앵커(110)의 경사면(내측면)에 구동전극(104)과 서로 엇갈리게 고정구동전극(111)이 요철형태로 형성되어 있다.A fixed driving anchor 110 is fixed on the front and rear sides of the vibration structure 100 and a driving electrode 104 and a fixed driving electrode 111 are staggered from each other on an inclined surface of the fixed driving anchor 110, As shown in Fig.

또한, 상기 진동구조체(100)의 오른쪽과 왼쪽에 고정감지앵커(120)가 각각 고정되어 있고, 상기 고정감지앵커(120)에서 돌기부(121)가 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 반경방향으로 돌출형성되어 제1 내지 제3수용홈에 삽입되어 있다.The fixed sensing anchors 120 are fixed to the right and left sides of the vibration structure 100 and the protrusions 121 protrude in the radial direction at regular intervals along the circumferential direction And inserted into the first to third receiving grooves.

상기 돌기부(121)의 앞쪽면과 뒤쪽면에는 고정감지전극(122)이 진동구조체(100)의 감지전극(105)과 서로 엇갈리게 요철형태로 형성되어 있다.On the front surface and the rear surface of the protrusion 121, fixed sensing electrodes 122 are formed in a concavo-convex shape staggered from the sensing electrodes 105 of the oscillating structure 100.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 자이로스코프의 구동 및 감지원리를 설명하면 다음과 같다.The driving and sensing principle of the rotary gyroscope according to an embodiment of the present invention will now be described.

고정구동앵커(110)에 전압이 인가되면, 상기 고정구동앵커(110)에 연결된 고정구동전극(111)은 진동구조체(100)의 구동전극(104)을 전체 구조물의 폭방향을 기준으로 전후방향으로 회전시킨다.When a voltage is applied to the fixed driving anchor 110, the fixed driving electrode 111 connected to the fixed driving anchor 110 moves the driving electrode 104 of the vibration structure 100 in the forward and backward directions with respect to the width direction of the entire structure .

이때, 외부에서 진동구조체(100)가 놓인 평면에 평행하게 회전축을 갖는 각속도가 입력되면 구조체 앵커(140)의 두께방향, 즉 상하방향으로 코리올리의 힘이 발생하여 진동구조체(100)가 스프링(130)에 의하여 두께방향으로 상하 진동된다.When an angular velocity having a rotation axis parallel to the plane on which the vibration structure 100 is placed is inputted from outside, a force of Coriolis is generated in the thickness direction of the structure anchor 140, that is, the vertical direction, In the thickness direction.

상기 진동구조체(100)가 스프링(130)에 의해 상하 진동을 할 경우에 진동구조체(100)의 날개부(103)에 연결된 감지전극(105)과 고정감지앵커(120)에 연결된 고정감지전극(122) 간에 정전용량의 변화가 발생하고, 고정감지앵커(120)는 고정감지전극(122)으로부터 외부 각속도에 비례하는 정전용량 변화의 신호를 받아 측정하고자 하는 각속도를 계산한다.The sensing electrode 105 connected to the wing portion 103 of the vibrating structure 100 and the fixed sensing electrode connected to the fixed sensing anchor 120 when the vibrating structure 100 vibrates up and down by the spring 130 122, and the fixed sensing anchor 120 receives the signal of the capacitance change proportional to the external angular velocity from the fixed sensing electrode 122, and calculates the angular velocity to be measured.

상기 자이로스코프는 실리콘기판(11)과 유리 기판을 양극접합하는 제1단계, 상기 실리콘기판(11)을 식각 및 연마하여 원하는 두께로 만드는 제2단계, 상기 실리콘기판(11) 위에 금속막을 형성시키는 3단계, 상기 금속막과 실리콘기판(11)을 사진 공정을 통하여 원하는 자이로스코프 패턴을 가지는 구조체를 형성하는 제4단계, 상기 유리기판(10)을 식각하여 상기 실리콘 구조체 중 고정축을 제외한 나머지 부분을 유리기판(10)으로부터 분리하여 자이로스코프 구조체를 부상시키는 제5단계, 상기 자이로스코프 구조체를 플립 칩 본딩하여 외부회로와 연결하는 제6단계를 포함하여 제작된다. The gyroscope includes a first step of anodic bonding the silicon substrate 11 and the glass substrate, a second step of etching and polishing the silicon substrate 11 to a desired thickness, a step of forming a metal film on the silicon substrate 11 A third step of forming a structure having a desired gyroscopic pattern through the metal film and the silicon substrate 11 through photolithography; etching the glass substrate 10 to remove the remaining portion of the silicon structure excluding the fixed axis A fifth step of separating the gyroscope structure from the glass substrate 10, and a sixth step of flip-chip bonding the gyroscope structure and connecting the gyroscope structure to an external circuit.

도 6a 내지 도 6i 까지는 본 발명의 실시예에 따라 자이로스코프를 제조하는 과정을 순서대로 나타낸 그림이다. FIGS. 6A through 6I illustrate a process of manufacturing a gyroscope according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이 실리콘기판(11)과 유리 기판(Pyrex 등)을 양극접합(anodic bonding) 한 후, 도 6b에 도시한 바와 같이 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정을 통하여 실리콘기판(11)의 표면을 경면으로 만든다. 6A, the silicon substrate 11 and the glass substrate (Pyrex or the like) are anodic bonded. Then, as shown in FIG. 6B, the silicon substrate 11 and the glass substrate 11) is mirror-finished.

계속해서, 도 6c에 도시한 바와 같이 크롬(12)(Cr)과 백금(13)(Au)를 각각 소정 두께로 증착하여 금속전극(16)(Cr/Au)층(금속막)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 6C, a metal electrode 16 (Cr / Au) layer (metal film) is formed by depositing Cr (12) (Cr) and platinum (Au) .

그 다음, 도 6d에 도시한 바와 같이 금속전극(16)층 위에 산화막(14)을 증착한 후, 도 6e에 도시한 바와 같이 산화막(14) 위에 희생층(15)을 도포하고, 도 6f에 도시한 바와 같이 사진공정을 진행하여 실리콘 구조체 패턴을 정의하기 위한 희생층(15) 패턴을 형성한다. 6D, an oxide film 14 is deposited on the metal electrode layer 16, and then the sacrifice layer 15 is coated on the oxide film 14 as shown in FIG. 6E. Then, as shown in FIG. As shown in the figure, a photolithography process is performed to form a sacrificial layer pattern 15 for defining a silicon structure pattern.

이때 희생층(15)의 패턴에는 유리기판(10)을 식각하여 실리콘 구조체를 띄우기 위하여 필요한 구멍들(에치홀)을 포함하고 있다. At this time, the pattern of the sacrificial layer 15 includes holes (etch holes) necessary for etching the glass substrate 10 to float the silicon structure.

다음, 도 6g에 도시한 바와 같이 희생층(15) 패턴 및 산화막(14)을 마스크로 하여 금속전극(16)층에 패턴을 형성하고, 도 6h에 도시한 바와 같이 금속전극(16) 층을 마스크로 하여 반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching)을 진행하여 실리콘 구조체에 패턴을 형성한다. 6G, a pattern is formed on the metal electrode 16 layer using the sacrifice layer 15 pattern and the oxide film 14 as a mask to form a pattern of the metal electrode 16 as shown in Fig. Reactive ion etching (RIE) is performed as a mask to form a pattern on the silicon structure.

계속해서 도 6i에 도시한 바와 같이, 실리콘 구조체를 유리 기판에서 분리하기 위하여 불산 계열의 용액으로 유리 기판을 식각한다. 앞서 설명한 바와 같이 고정 앵커 부분을 제외하고는 불산 용액이 들어가서 유리 기판을 식각할 수 있도록 에치홀이 생성되어 있다. Subsequently, as shown in FIG. 6I, the glass substrate is etched with a solution of hydrofluoric acid series in order to separate the silicon structure from the glass substrate. As described above, except for the fixed anchor portion, etch holes are formed so that the hydrofluoric acid solution can enter and etch the glass substrate.

상기 불산 용액을 통해 유리기판(10)이 식각되면 에치홀간의 간격이 등방성으로 식각되면서 바닥 면에서 일정 높이로 떠 있는 구조물을 만들 수 있다. When the glass substrate 10 is etched through the hydrofluoric acid solution, the spacing between the etch holes is isotropically etched to form a structure floating at a predetermined height from the bottom surface.

그 높이는 공기의 감쇄효과를 가늠하는 중요한 변수로서 공기의 감쇄효과를 최소화하여야 대기압에서 사용이 가능한 자이로스코프를 제작하는 것이 가능하다.The height is an important parameter for determining the damping effect of the air, and it is possible to fabricate a gyroscope that can be used at atmospheric pressure by minimizing the attenuation effect of the air.

계산에 의하면 아래의 기판과 50㎛ 정도의 거리를 띄우게 되면 감쇄의 영향이 일정하게 되어 그 높이를 확보할 수 있다. According to the calculation, when the distance between the lower substrate and the lower substrate is increased, the influence of the attenuation becomes constant, so that the height can be secured.

이와 같은 방법에 따른 본 발명의 자이로스코프는 매우 단순한 공정을 바탕으로 제작이 가능하도록 설계되어있다. The gyroscope according to the present invention is designed to be manufactured on the basis of a very simple process.

본 발명의 자이로스코프는 단 하나의 구조물 층으로 이루어져 있으며, 단 한 개의 마스크를 사용하여 역시 한 번의 사진공정을 통하여 자이로스코프의 구조물을 제작하고 있다. The gyroscope of the present invention is composed of only one structure layer, and the structure of the gyroscope is also manufactured through a single photolithography process using only one mask.

이렇게 간단하고 일반적인 공정은 생산가격을 낮추는데 유리하고 대기중의 조건에서 조립되는 이점을 통하여 패키지 단가도 낮출 수 있다. This simple and generic process is advantageous in lowering the production cost and lowering the package cost through the advantage of being assembled in atmospheric conditions.

본 발명에 따른 회전형 자이로스코프는 기판에 평행한 축을 기준으로 회전하 는 각속도를 검지하기 위한 평면형 구조를 갖는다. The rotary gyroscope according to the present invention has a planar structure for detecting the angular velocity of rotation about an axis parallel to the substrate.

따라서 코리올리의 힘이 기판에 수직인 방향으로 발생하고 감지 모드의 운동방향이 기판-칩에 수직방향으로 형성되게 된다. Therefore, the force of the Coriolis is generated in a direction perpendicular to the substrate, and the direction of motion of the sensing mode is formed in a direction perpendicular to the substrate-chip.

본 발명에서는 고정감지전극(122)과 감지전극(105)간의 수직운동에 따른 정전용량의 변화를 측정하는 방법을 따른다. In the present invention, a method of measuring the capacitance change due to the vertical movement between the fixed sensing electrode 122 and the sensing electrode 105 is followed.

또한 감도를 높이기 위하여 주어진 자이로스코프의 영역에 최대한 많은 수의 감지전극(105) 구조물을 집적하였으며, 중앙에 있는 스프링(130) 구조에 의하여 구동방향의 움직임이 잘 일어나도록 하고 있다. In order to increase the sensitivity, as many sensing electrode structures as possible are integrated in a given gyroscope region, and the movement of the driving electrode in the driving direction is performed by the structure of the spring 130 at the center.

또 구조를 방사상의 구조로 하여 낭비되는 질량이 존재하지 않으면서 최소한의 면적으로 최대한 많은 수의 감지전극(105)에 큰 움직임을 유도할 수 있다. In addition, since the structure has a radial structure, a large amount of motion can be induced to the maximum number of the sensing electrodes 105 with a minimum area without waste of mass.

구조물의 구동 및 검지 운동에 관한 주파수는 외부 잡음의 영향을 배제하기 위하여 5kHz 이상으로 설계되었고, 시뮬레이션 결과 평면에 수직인 방향으로의 구동모드의 주파수는 5.24kHz, 검지 운동 방향으로의 모드의 주파수는 5.9kHz로 나타났다. The frequency of the driving and sensing motion of the structure was designed to be 5kHz or more to exclude the influence of external noise. Simulation results show that the frequency of the driving mode in the direction perpendicular to the plane is 5.24kHz, 5.9 kHz.

위와 같은 설계에서 감도를 구하기 위하여 감쇄계수(damping factor)를 계산하여야 하고, 일반적으로 알려진 감쇄의 세가지 모드인 쿠에테 모드, 스톡스 모드, 스퀴즈 모드의 세가지의 감쇄 계수를 계산하고 구조물의 강성과 질량을 고려하여 구동부의 감도(Q factor)를 구하면 4330으로 계산된다. In order to obtain the sensitivity in this design, the damping factor should be calculated and three attenuation factors of the commonly known attenuation modes (queete mode, Stokes mode and squeeze mode) are calculated and the stiffness and mass of the structure The Q factor of the driving unit is calculated to be 4330. [

또 같은 방법으로 검출부의 감도를 계산한 결과는 4520과 같다. 이를 바탕으로 단위 각속도 입력에 의하여 변하는 기계적인 감도와 전기적인 감도를 계산하면 0.0032[㎛/deg/sec], 0.701[fF/deg/sec]와 같다. Also, the sensitivity of the detector is calculated by the same method as that of 4520. Based on this, the mechanical sensitivity and the electrical sensitivity which are changed by the unit angular velocity input are calculated as 0.0032 [㎛ / deg / sec] and 0.701 [fF / deg / sec].

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 자이로스코프의 평면도1 is a plan view of a rotary gyroscope according to an embodiment of the present invention;

도 2는 도 1의 사시도Fig. 2 is a perspective view of Fig.

도 3은 도 2에서 일부 확대사시도Fig. 3 is a partially enlarged perspective view of Fig.

도 4는 도 2의 단면도4 is a cross-

도 5는 도 2에서 구동전극의 진동방향과 감지전극의 진동방향을 나타내는 사시도FIG. 5 is a perspective view showing the vibration direction of the driving electrode and the vibration direction of the sensing electrode in FIG.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 자이로스코프의 제조방법을 나타내는 개략도6 is a schematic view showing a method of manufacturing a rotary gyroscope according to an embodiment of the present invention

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art

10 : 유리기판 11 : 실리콘기판10: glass substrate 11: silicon substrate

12 : 크롬 13 : 백금12: chromium 13: platinum

14 : 산화막 15 : 희생층14: oxide film 15: sacrificial layer

100 : 진동구조체 101 : 중심링부100: Vibrating structure 101: Center ring part

102 : 몸체부 103 : 날개부102: body portion 103: wing portion

103a : 제1날개부 103b : 제2날개부103a: first wing portion 103b: second wing portion

103c : 제3날개부 103d : 제4날개부103c: third wing portion 103d: fourth wing portion

104 : 구동전극 105 : 감지전극104: driving electrode 105: sensing electrode

110 : 고정구동앵커 111 : 고정구동전극110: Fixed drive anchor 111: Fixed drive electrode

120 : 고정감지앵커 121 : 돌기부120: fixed detection anchor 121: protrusion

122 : 고정감지전극 130 : 스프링122: fixed sensing electrode 130: spring

131 : 제1평판스프링 132 : 제2평판스프링131: first flat plate spring 132: second flat plate spring

Claims

A structure anchor 140 formed at the center of the entire structure;

A spring 130 connected to the structure anchor 140 to surround the periphery of the structure anchor 140;

A vibration structure 100 which is connected to the structure anchor 140 by the spring 130 and floated from the substrate;

A fixed driving anchor 110 provided on both front and rear sides of the structure anchor 140 for generating longitudinal vibration in the vibration structure 100;

A fixed driving electrode 111 formed on the fixed driving anchor 110 and receiving a driving signal from the fixed driving anchor 110 to provide forward and backward electrostatic force to the driving electrode 104 of the oscillating structure 100;

A fixed sensing electrode 122 for sensing the up-down vibration of the sensing electrode 105 formed on the vibrating structure 100 by a capacitive method when the vibrating structure 100 receives a force of Coriolis by an external angular velocity; And

And a fixed sensing anchor (120) formed with the fixed sensing electrode (122) and receiving a detection signal of capacitance change from the fixed sensing electrode (122).

The vibration structure according to claim 1, wherein the vibration structure (100) comprises: a center ring portion (101) surrounding a circumference of a structural anchor (140); a body portion (102) formed in a radial direction of the center ring portion The first to fourth wing portions 103a to 103d formed radially along the circumferential direction of the first wing portion 103a and the first to fourth wing portions 103a to 103d fixed to the rear surface of the fourth wing portion 103d, A driving electrode 104 formed to be offset from the driving electrode 111 and a driving electrode 104 formed on the rear surface of the first wing portion 103a and the front and back surfaces of the second and third wing portions 103b and 103c, And a sensing electrode (105) formed on the front side of the fixed sensing electrode (122) and the fixed sensing electrode (122), respectively.

The spring 130 may include a first flat spring member 130 that surrounds the periphery of the structure anchor 140 and connects the front side of the structure anchor 140 and the front side of the center ring portion 101 of the vibration structure 100, And a second flat plate spring 132 which surrounds the circumference of the structure anchor 140 and connects the rear of the structure anchor 140 and the rear of the center ring 101 of the oscillating structure 100 And the gyroscope is rotated.

The fixed sensing anchor according to claim 1, wherein the fixed sensing anchor (120) comprises: a protrusion (121) formed to be offset from the first to fourth wings (103a to 103d) of the vibration structure (100) in a radial direction; And a stationary sensing electrode (122) staggered with the sensing electrode (105) of the vibrating structure (100) on the surface of the rotating gyroscope.

Anodic bonding the silicon substrate (11) and the glass substrate (10);

Etching the silicon substrate 11 to a predetermined thickness through a CMP process;

Forming a metal electrode (16) on the silicon substrate (11);

Forming a structure having a gyroscopic pattern on the metal electrode (16) and the silicon substrate (11) through photolithography;

Etching the glass substrate (10) to separate the silicon structure from the glass substrate (10) except for the fixed axis, thereby floating the gyroscope structure; And

And connecting the gyroscope structure to an external circuit by flip-chip bonding the gyroscope structure.