KR101500307B1 - 각속도 측정 방법 및 각속도의 진동 마이크로기계적 센서 - Google Patents

각속도 측정 방법 및 각속도의 진동 마이크로기계적 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각속도를 측정하는데 사용되는 측정 디바이스, 보다 정확하게는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서들에 관한 것이다. 본 발명에 따른 각속도의 센서에 대한 해결책에서, 매스는 비-직교적인 제 1 및 제 2 축들을 갖는 스프링 구조들에 의해 지탱되어, 제 1 움직임과 동위상의 시험 활성화가 검출 공진기에서 유도되고, 측정되는 각속도는 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임간의 위상차로부터 상기 위상 검출기에 의해 검출된다. 본 발명에 따른 각속도의 센서의 구조는 좋은 성능을 갖고, 구체적으로 각속도의 센서에 대해 소규모 진동 마이크로기계적 해결책들로 신뢰성 있는 측정을 가능하게 한다.
각속도의 센서, 진동 마이크로기계적 센서, 위상 검출기, 위상 이동기, 스프링 서스펜션

Description

각속도 측정 방법 및 각속도의 진동 마이크로기계적 센서{A method for measuring angular velocity and a vibrating micromechanical sensor of angular velocity}
본 발명은 각속도를 측정하는데 사용되는 측정 디바이스들에 관한 것으로서, 보다 정확하게는 각속도의 진동 마이크로기계적 센서들에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 좋은 성능을 갖고, 구체적으로 각속도의 센서에 대해 소규모 진동 마이크로기계적 해결책들로 신뢰성있는 측정을 가능하게 하는 개선된 센서 구조를 제공하는 것이다.
각속도의 진동 센서에 기초한 측정은 각속도의 측정에 있어서 단순한 동작 원리를 갖는 신뢰성있는 방법이라고 판명되었다. 각속도의 진동 센서에서, 일정한 알려진 제 1 움직임이 센서에서 유도 및 유지된다. 그러면 센서에 의해 측정되는 소정의 움직임은 제 1 움직임으로부터 벗어남(deviation)으로서 검출된다.
공진기의 움직임 방향에 수직인 방향으로 센서에 영향을 미치는 외부의 각속도는 진동 매스(seismic mass)에서 그 움직임 방향에 수직인 방향으로 코리올리의 힘을 초래할 것이다. 각속도에 비례하는 코리올리의 힘은 예를 들어, 매스의 진동으로부터 용량성으로 검출된다.
구체적으로, 소비자 전자기기 시장에서, 지극히 가격이 낮고, 소형의 각속도 센서들에 대한 큰 수요가 존재한다. 이러한 애플리케이션들에서, 제로 포인트 안정성(zero point stability) 또는 진동 민감도와 같은 센서의 성능은 크게 중요하지 않다.
시장의 현재의 실리콘 마이크로기계적 각속도 센서들은 이러한 애플리케이션에 대해 크기가 너무 크고, 복잡하며 고가이다. 카메라들의 광학 화상 안정화용으로 의도된 작고 저렴한 세라믹들 또는 석영의 각속도 센서들은 이 애플리케이션들에서 요구되는 가격 레벨 또는 크기 목적들에 상당히 근접하다.
그러나, 상술된 기술을 이용하면, 컴포넌트의 제동 없이 딱딱한 표면상에 컴포넌트를 낙하(drop)시키는 것을 허용하는 충분한 내충격성을 달성하기가 지극히 어렵다.
이하, 도 1은 종래 기술에 따른 각속도의 진동 마이크로기계적 센서의 기능적인 구조의 다이어그램을 도시하는 도면이고,
도 2는 종래 기술에 따른 각속도의 통상적인 센서의 아날로그 시스템 전자기기들의 블록도를 도시하는 도면인 첨부 도면들을 예시적으로 참조하여 종래 기술이 기술된다.
도 1은 종래 기술에 따른 각속도의 진동 마이크로기계적 센서의 기능적인 구조의 다이어그램을 도시한다. 도시된 종래 기술에 따른 각속도의 진동 마이크로기계적 센서는 스프링들(4, 5)에 의해 X-축 방향으로 활성화 프레임(2)에서 지지되는 매스(1)를 포함한다. 상기 활성화 프레임(2)은 또한 스프링들(6,7)에 의해 Y-축의 방향으로 지지 구조(3)에서 지지된다.
도시된 종래 기술에 따른 각속도의 진동 마이크로기계적 센서에서, 중앙의 매스(1) 및 이를 둘러싼 활성화 중심(2)은 바디(3)에서 지지되는 스프링들(6,7)에 의해 가능하게 되는 Y-축 방향의 제 1 움직임으로 활성화된다. 활성화 프레임(2)에 대해 매스(1)의 스프링 서스펜션(4, 5)에 의해 X-축 방향으로 형성된 검출 축은 제 1 움직임에 수직이다.
제 1 움직임의 진동하는 구조가 xy-평면에 수직인 Z-축에 관해 터닝되면, 제 1 움직임의 매스(1)는 그 움직임 방향에 수직인 X-축 방향에서 코리올리의 힘을 경험한다. 따라서, 검출 스프링들(4, 5)은 제동 이외에, 추가로 유도된 검출 움직임의 진동의 진폭 및 위상을 규정한다.
현대의 각속도 센서의 측정 전자기기들은 꽤 복잡하다. 아날로그 전자기기들의 통상적인 구현에서, 가장 단순화된 경우에서조차도 10개 이상의 상이한 블록들이 요구된다.
도 2는 종래 기술에 따른 각속도의 통상적인 센서의 아날로그 시스템 전자기기들의 블록도를 도시한다.
현재 각속도의 센서들에서, 코리올리 신호의 검출은 코리올리 신호와 동위상으로 검출 공진기의 신호를 복조함으로써 위상-민감성 진폭 검출로서 구현된다.
종래 기술에 따른 각속도의 일 센서는 특허 공보 US 6,946,695에 기술된다. 상기 특허 공보에서, 기술된 각속도의 센서의 매스는 박막에 의해 기판에 대해 대칭적으로 스프링으로 지탱된다. 스프링으로서 역할하는 막에서, 피에조 일렉트 릭(piezo-electrice) 소자들은 매스가 선형의 제 1 움직임으로 활성화되고, 상기 제 1 움직임이 또한 검출될 수 있는 피에조 일렉트릭 박막 외부에 형성된다. 또한, 막에서, 적절한 배치에 의해, 제 3 피에조 일렉트릭 소자들이 형성되고, 그 신호 위상은 코리올리의 힘으로 인해, 제 1 움직임 방향 및 외부 각속도의 방향에 수직인 방향으로 제 1 움직임을 바꾸어 놓는 각속도의 함수로서 변경될 것이다.
종래 기술의 특허 공보는 위상 이동을 이용하여, 피에조 일렉트릭 센서들에 의해 각속도를 측정하는 원리를 기술한다. 기술된 구조 및 방법은 피에조 일렉트릭 소자들의 배치에 기초하고, 각속도를 검출하는 제 3 소자들은 각속도에 의해 초래되는 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 합을 검출하며, 그 위상은 측정되는 각속도에 비례한다.
그러나, 상술된 종래 기술에 따른 구조들은 진동들 및 충격에 양호한 내성을 필요로 하는 각속도의 센서들에 사용하는데 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 각속도의 진동 센서의 측정 전자기기들의 대부분이 종래 기술에 따른 해결책들에 비해 보다 간단한 방식으로 구현되는 각속도의 진동 센서용 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 특히 각속도의 진동 센서용 소규모 해결책들에서 좋은 성능을 갖는 신뢰성있는 측정을 가능하게 하고, 각속도의 진동 센서의 측정 전자기기의 대부분이 종래 기술에 따른 선행 해결책들에 비해 보다 간단한 방식으로 구현되는 이러한 개선된 각속도의 진동 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따라, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서에 의해 각속도를 측정하는 방법이 제공되는데, 여기서 각속도의 센서는 적어도 하나의 진동 매스(seismic mass) 및 상기 매스와 연관된 이동 전극을 포함하고, 매스는 활성화되는 제 1 움직임 및 상기 제 1 움직임 외에, 상기 제 1 움직임에 거의 수직인 검출 축에 관해 제 2 자유도를 소유하고, 매스는 스프링 구조에 의해 상기 센서 컴포넌트의 프레임에서 지지되며, 상기 매스는, 제 1 움직임과 동위상 위상인 시험 활성화가 검출 공진기에서 유도되고, 측정되는 각속도는 제 1 움직임 및 제 2 움직임간의 위상차로부터 위상 검출기에 의해 위상-민감성 방식으로 검출되는, 비-직교적인 제 1 및 제 2 축들을 갖는 스프링 서스펜션(spring suspension)에 의해 지탱된다.
바람직하게는, 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들 중 하나는 90도만큼 위상-이동된다. 바람직하게는, 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들 중 적어도 하나가 증폭된다.
바람직하게는, 위상-민감성 검출은, 스팁-에지 펄스파들(steep-edged pulse waves)이 비교기에 의해 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들로 만들어지며, 스팁-에지 펄스파들은 XOR 회로에 전달되는 방식으로, XOR 게이트에 의해 구현된다. 또한, 바람직하게는, 위상-민감성 검출의 출력으로서,신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스 폭 변조 신호가 얻어진다. 또한, 바람직하게는, 아날로그 출력 신호는 위상-민감성 검출의 출력으로서 얻어지고 신호들간의 상기 위상 이동에 비례하는 펄스폭 변조 신호 외에서 저역-통과 필터링에 의해 만들어진다. 바람직하게는, 제 1 움직임은 레지스티브 결합에 의해 직접 검출된다.
본 발명의 제 2 특징에 따라, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서에 의해 각속도를 측정하는 장치가 제공되는데, 여기서 각속도의 센서는 적어도 하나의 진동 매스 및 상기 매스와 연관된 이동 전극을 포함하고, 매스는 활성화되는 제 1 움직임 및 제 1 움직임 외에, 제 1 움직임에 거의 수직인 검출 축에 관해 제 2 자유도를 소유하고, 매스는 스프링 구조에 의해 상기 센서 컴포넌트의 프레임에서 지지되며, 상기 장치는 위상 검출기를 포함하여, 상기 장치에서, 제 1 움직임과 동위상의 시험 활성화가 검출 공진기에서 유도되고, 측정되는 상기 각속도는 상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임간의 위상차로부터 상기 위상 검출기에 의해 위상-민감성으로 검출되는 방식으로, 상기 매스는 비-직교적인 제 1 및 제 2 축들을 갖는 스프링 서스펜션에 의해 지탱된다.
바람직하게는, 상기 장치는 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들 중 하나를 90도만큼 이동시키는 위상-이동기를 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 장치는 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들 중 적어도 하나를 증폭하는 증폭기를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는 XOR 게이트 및 비교기를 더 포함하고, 위상-민감성 검출은 XOR 게이트에 의해 구현되어, 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들은 비교기에 의해 스팁-에지 펄스파들로 만들어지며, 스팁-에지 펄스파들은 XOR 게이트에 전달된다. 또한, 바람직하게는, 상기 장치는 위상-민감성 검출의 출력으로서, 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스 폭 변조 신호를 전달하는 수단을 더 포함한다. 또한, 바람직하게는, 상기 장치는 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스폭 변조 신호의 저역-통과 필터링 및 위상-민감성 검출로부터의 출력으로서 아날로그 출력 신호를 전달하는 수단을 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 장치는 레지스티브 결합에 의해 직접 제 1 움직임을 검출하는 수단을 더 포함한다.
본 발명의 제 3 특징에 따라, 적어도 하나의 진동 매스 및 매스와 연관된 이동 전극을 포함하는 각속도의 진동 마이크로기계적 센서가 제공되는데, 여기서 매스는 활성화되는 제 1 움직임 및 제 1 움직임 외에, 제 1 움직임에 거의 수직인 검출 축에 관해 제 2 자유도를 소유하고, 매스는 스프링 구조에 의해 상기 센서 컴포넌트의 프레임에서 지지되고, 상기 매스는 상기 제 1 움직임과 동위상의 시험 활성화가 검출 공진기에서 유도되고, 각속도의 센서에서 측정되는 각속도는 상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임간의 위상차로부터 위상 검출기에 의해 위상-민감성으로 검출되는 방식으로, 비-직교적인 제 1 및 제 2 축들을 갖는 스프링 서스펜션에 의해 지탱된다.
바람직하게는, 각속도의 센서는 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들 중 하나를 90도만큼 위상-이동시키는 수단을 포함한다. 바람직하게는, 각속도의 센서는 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들 중 적어도 하나를 증폭하는 수단을 포함한다.
바람직하게는, 각속도의 센서는 XOR 게이트 및 비교기를 더 포함하여, 위상-민감성 검출은, 제 1 움직임 및 제 2 움직임의 신호들이 비교기에 의해 스팁-에지 펄스파들로 만들어지며, 스팁-에지 펄스파들은 XOR 게이트에 전달되는 방식으로, XOR 게이트에 의해 구현된다. 또한, 바람직하게는, 각속도의 센서는 위상-민감성 검출의 출력으로서, 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스 폭 변조 신호를 전달하는 수단을 더 포함한다. 또한, 바람직하게는, 각속도의 센서는 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스폭 변조 신호의 저역-통과 필터링 및 위상-민감성 검출의 출력으로서 아날로그 출력 신호를 전달하는 수단을 더 포함한다. 바람직하게는, 각속도의 센서는 레지스티브 결합에 의해 직접 상기 제 1 움직임을 검출하는 수단을 포함한다.
이하, 본 발명 및 그 바람직한 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세히 기술된다.
도 1은 종래 기술에 따른 각속도의 진동 마이크로기계 센서의 기능적인 구조의 다이어그램.
도 2는 종래 기술에 따른 각속도의 센서의 통상적인 아날로그 시스템 전자장치들의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 각속도를 측정의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 각속도의 진동 마이크로기계 센서의 기능적인 구조의 다이어그램.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 구조를 도시하는 도면
도 6은 본 발명에 따른 각속도의 센서의 구조를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명에 따라 2개의 축들을 가진 각속도의 센서의 구조를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따라 각속도의 진동 센서의 진동 매스를 지지하는데 사용되는 스프링 구조를 통과하는 섹션을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명에 따라 각속도의 진동 센서의 진동 매스를 지지하는데 사용되는 스프링 구조의 투시도.
도 10은 본 발명에 따른 각속도의 센서의 대안적인 구조를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 각속도의 센서의 측정 시스템의 블록도.
도 12는 각속도에 관한 위상 이동의 의존도의 다이어그램.
도 13은 본 발명에 따른 각속도의 센서의 측정 시스템의 신호 다이어그램.
도 14는 본 발명에 따른 각속도의 센서의 대안적인 측정 시스템의 신호 다이어그램.
도 15는 본 발명에 따른 각속도의 센서의 제 2 대안적인 측정 시스템의 신호 다이어그램.
도 16은 본 발명에 따른 각속도의 센서의 제 3 대안적인 측정 시스템의 신호 다이어드램.
도 1 내지 2는 앞에서 제시되었다. 이하, 본 발명 및 그 양호한 실시예들이 도 3 내지 도 16을 참조하여 기술될 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 각속도의 측정의 블록도를 도시한다. 본 발명에 따라 예시된 각속도 측정은 검출 신호(8)를 포함하고, 이는 증폭(10)을 통해 위상 검 출기(11)에 전달된다. 본 발명에 따른 측정은 또한 제 1 검출 신호(9)를 포함하고, 이는 증폭(12)을 통해 90도 위상-이동 모듈(13) 및 위상 검출기(11)에 전달된다. 본 발명에 따른 측정의 결과로서, 위상 검출기(11)로부터의 출력 신호(14)가 얻어지고 위상-이동 모듈(13)로부터 위상-이동된 제 1 구동 신호(15)가 또한 얻어진다.
도 4는 본 발명에 따라 각속도의 진동 마이크로기계 센서의 기능적인 구조의 다이어그램을 도시한다. 본 발명에 따른 각속도의 측정에 있어서, 중심의 매스(mass)는 X-축의 방향의 제 1 움직임으로 활성화된다. 지지부 및 스프링 서스펜션에 의해 형성된 검출 축은 제 1 움직임에 관해 수직인 각도에서 적절하다.
본 발명에 따른 각속도의 예시된 진동 마이크로기계적 센서는 X-축의 방향으로 비스듬한 활성화 프레임(17)에서 스프링들(19, 20)에 의해 지지되는 매스(16)를 포함한다. 상기 활성화 프레임(17)은 또한 Y-축 방향에서, 스프링들(21, 22)에 의한 지지 구조(18)에 비스듬한 방식으로 지지된다.
본 발명에 따른 각속도의 예시된 진동 마이크로기계적 센서의 중심의 매스(16) 및 매스를 둘러싼 활성화 프레임(17)은 스프링들(21, 22)에 의해 Y-축으로부터 벗어나는 방향에서 제 1 움직임으로 활성화되고, 이는 비스듬한 방식으로 바디(18)에서 지지된다. 비스듬한 활성화 프레임(17)에서 지지되는 매스(16)의 스프링 서스펜션(19,20)에 의해 형성된 X-축 방향의 검출 축은 제 1 움직임에 대해 수직으로부터 벗어나는 각도에서 적절하다.
제 1 움직임으로 진동하는 구조가 평면과 수직인 Z-축에 관해 터닝될 때, 제 1 움직임으로 이동하는 매스(16)는 그 움직임 방향에 수직인 X-축 방향의 코리올리의 힘(Coriolis force)을 경험한다. 따라서, 제동 이외에, 추가로 검출 스프링들(19, 20)은 생성된 검출 움직임의 진폭 및 위상을 규정한다.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 스프링 구조에 있어서, 스프링 축은 평면에서 활성화되는 각속도의 센서의 구조에 대해 터닝된다. 본 발명에 따른 스프링 구조(23)는 부착 포인트들(24, 25)을 포함한다. 하나 이상의 보정 홈들 또는 보정 함몰부들이 스프링 구조(23)의 부착 포인트들(24, 25) 중 적어도 하나에 에칭된다. 본 발명에 따른 스프링 구조(23)는 비대칭적이어서, 움직임의 한 모드로부터 다른 모드로 스프링에 의해 전달되는 결합(coupling)은 취소되거나, 직각 위상차 신호(quadrature signal)에 의해 초래된 비-이상성(non-ideality)에 의해 생성되는 결합을 상당히 감소시킨다.
도 6은 본 발명에 따라 각속도의 센서의 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 스프링 구조에서, 스프링 축은 평면에서 활성화되는 각속도의 센서의 구조에 대해 터닝된다. 본 발명에 따른 각속도의 센서의 진동 매스들은 번호들(26 및 27)로 표시된다. 각속도의 센서의 매스들(26 및 27)은 그 부착 포인트들(28, 29)에서 스프링 구조들에 의해 지지된다. 부착 포인트(28)에 대향하는 각속도의 센서의 스프링 구조의 매스 엔드(30)에서, 또는 대안적으로, 스프링 구조의 부착 포인트(29) 엔드(31)에서, 하나 이상의 보정 홈들 또는 보정 함몰부들(30, 31)이 에칭된다. 본 발명에 따른 스프링 구조는 비대칭적이어서, 움직임의 한 모드로부터 다른 모드로 스프링에 의해 전달되는 결합은 취소되거나, 직각 위상차 신호에 의해 초래된 비- 이상성에 의해 생성되는 결합을 상당히 감소시킨다.
도 7은 본 발명에 따라 2개의 축들을 가진 각속도의 센서의 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 스프링 구조에서, 스프링 축은 평면에서 활성화되는 2개의 축들을 가진 각속도의 센서의 구조에 대해 터닝된다. 본 발명에 따른 2개의 축들을 가진 각속도의 센서의 진동 매스는 번호(32)에 의해 표시된다. 2개의 축들을 가진 각속도의 센서의 매스(32)는 그 부착 포인트(33)에서 스프링 구조에 의해 지지된다. 2개의 축들을 가진 각속도의 센서의 스프링 구조의 부착 포인트(33)에 대향하는 엔드들(34, 36)에서 또는 대안적으로 스프링 구조의 부착 포인트(33) 엔드들(35, 37)에서, 하나 이상의 보정 홈들 또는 보정 함몰부들(34 내지 37)이 에칭된다. 본 발명의 스프링 구조는 비대칭적이어서, 움직임의 한 모드로부터 다른 모드로 스프링에 의해 전달되는 결합은 취소되거나, 직각 위상차 신호에 의해 초래된 비-이상성에 의해 생성되는 결합을 상당히 감소시킨다.
도 8은 본 발명에 따라 각속도의 진동 센서의 진동 매스를 지지하는데 사용되는 스프링 구조를 통과하는 섹션을 도시한다. 본 발명에 따른 각속도의 센서의 스프링 구조는 번호(38)에 의해 표시된다. 하나 이상의 보정 홈들이 본 발명에 따라 스프링 구조(38)에 에칭된다. 본 발명에 따른 스프링 구조(38)는 비대칭적이어서, 움직임의 한 모드로부터 다른 모드로 스프링에 의해 전달되는 결합은 취소되거나, 직각 위상차 신호에 의해 초래된 비-이상성에 의해 생성되는 결합을 상당히 감소시킨다.
도 9는 본 발명에 따라 각속도의 진동 센서의 진동 매스를 지지하는데 사용 되는 스프링 구조의 투시뷰를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도의 센서의 스프링 구조는 번호(38)에 의해 표시된다. 하나 이상의 보정 홈들이 본 발명에 따라 스프링 구조(38)에 에칭된다.
도 8 내지 9에 도시된 본 발명에 따른 스프링 구조들(38)의 제조에서, 제조 프로세스에 의해 초래되는 웨이퍼상의 비-이상성들을 보상하도록 에칭 마스크가 설계될 수 있다. 이러한 비-이상성들은 예를 들어, DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 에칭 프로세서의 홈의 경사에서 웨이퍼의 수직으로부터의 벗어남에 의해 초래되는 비-이상성이다. 따라서, 본 발명에 따른 스프링 구조(38)의 보정 홈의 치수는 웨이퍼에 따라 다양하다.
본 발명에 따른 스프링 구조(38)의 보정 홈은 다른 구조들과 동일한 DRIE 메칭으로 에칭될 수 있다. 본 발명에 따른 스프링 구조(38)의 제조에서, ADRE(Aspect Ratio Dependent Etch rate) 현상으로 인해, 보정 홈이 웨이퍼를 통한 그 진로(way)를 에칭하지 않을 것이고; 오히려 홈은 적절한 깊이를 갖도록 치수가 정해질 수 있다. 대안적으로 적절한 깊이의 홈은 예를 들어, 2-단 에칭 프로세스에 의해 에칭될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라 각속도의 센서의 대안적인 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도의 센서의 대안적인 구조에서, 스프링축들은 고의로 약간 비-직교되게 설계된다. 본 발명에 따른 각속도의 측정에서, 중심의 매스는 Y-축의 방향에서 제 1 움직임으로 활성화된다. 지지부 및 스프링 서스펜션에 의해 형성된 검출축은 제 1 움직임에 대해 직교로부터 적절하게 벗어난다.
본 발명에 따른 각속도의 예시된 대안적인 진동 마이크로기계 센서는 Y-축 방향에서 스프링들(42, 43)에 의해 활성화 프레임(40)에 대해 지지되는 매스(39)를 포함한다. 상기 활성화 프레임(40)은 편심적으로(excentrically) X-축 방향에서 스프링들(44, 45)에 의해 서포트 구조(41)에 대해서 또한 지지된다.
본 발명에 따른 각속도의 예시된 대안적인 진동 마이크로기계 센서에서, 중심의 매스(39), 및 매스를 둘러싼 활성화 프레임(40)은 바디(41)에서 편심적으로 지지되는 스프링들(44, 45)에 의해 X-축 방향으로부터 벗어나는 제 1 움직임으로 활성화된다. 활성화 프레임(40)에서 지지되는 매스(39)의 스프링 서스펜션(42, 43)에 의해 Y축 방향으로 형성된 검출 축은 제 1 움직임에 관해 수직으로부터 벗어나는 각도에서 적절하다.
제 1 움직임의 진동의 구조가 평면에 수직인 Z-축에 관해 터닝되기 때문에, 제 1 움직임으로 움직이는 매스(39)는 그 움직임 방향에 수직인 Y-축의 방향에서 코리올리의 힘을 경험한다. 또한, 그 후 검출 스프링들(42, 43)은 제동 이외에, 발생된 검출 움직임 진동의 진폭 및 위상을 규정한다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 각속도의 위상-민감성 검출은 직각 위상차 신호를 활용하여 구현될 수 있다. 코리올리의 힘은 검출 공진기의 진동의 위상을 변경하는데, 그 이유는 직각 위상차 신호의 크기가 변경되지 않은 채로 머무르고, 신호들의 결과적인 위상은 수식들 (1) 내지 (2)에 따라 코리올리의 신호의 진폭에 관해 거의 선형으로 변경되기 때문이다.
Figure 112009074751399-pct00001
(1)
Figure 112009074751399-pct00002
Figure 112009074751399-pct00003
(2)
본 발명에 따른 방법에서, 각속도는 활성화 움직임 및 검출 움직임 간의 위상 차이로부터 검출될 수 있다. 위상 차는 신호들로부터 형성된 "스팁-에지 펄스파들(steep-edged pulse waves)"상에서 논리 함수 XOR를 이용하여 명확하게 검출될 수 있다. XOR 게이트의 출력에서, PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 신호들간의 위상차에 비례하여 나타난다. 위상 이동의 부호 및 그에 따른 각속도의 부호는 신호들 중 하나가 90°만큼 위상이동되었을 때 획득된다.
도 11은 본 발명에 따라 각속도의 센서의 측정 시스템의 블록도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도의 센서의 측정 시스템에서, 제 1 움직임의 검출에 앞서, 스팁-에지 펄스파들이 비교기들(48, 50)에 의해 신호들(46, 47)로 만들어지고, 신호들은 XOR 게이트(49)에 전달된다. 회로의 출력(51, 52)에서, 위상-이동된 제 1 구동 신호(52) 및 각속도에 관한 PWM-변조된 정보(51)가 보여지며, 이는 예를 들어, 마이크로제어기에 의해 직접 판독될 수 있다. 본 발명에 따라, 각속도의 센서의 측정 시스템에서, 저역-통과 필터링에 의해 PWM-신호(51) 아날로그를 만드는 것이 또한 용이하다.
본 발명에 따라, 각속도의 센서의 측정 시스템에서, 어떠한 실제 진폭 조절 기도 제 1 움직임을 활성화하는데 요구되지 않는다 또한, 제 1 움직임을 검출하는 가장 쉬운 방식은 직접 레지스티브 결합(direct resistive coupling)에 의한 것이며, 이에 의해, 어떠한 별도의 90°위상 이동기도 활성화 또는 변조를 위해 요구되지 않는다.
도 12는 각속도에 관한 위상 이동의 의존도의 다이어그램을 도시한다. 다이어그램에서, 직각 위상차 신호의 10 FS가 존재하고, 함수는 지극히 선형적이다. 구체적으로, 직각 위상차 신호의 2 FS 부근에서, 비 선형성은 < 3%이다. 보다 큰 직각위상차 신호의 단점은 민감도 및 또한 신호 대 잡음비가 자연스럽게 감소하는 것이다. 본 발명에 따른 시스템을 위한 적절한 직각 위상차 신호의 크기는 아마도 약 2…10 FS일 수 있다.
도 13은 본 발명에 따라 각속도의 센서의 측정 시스템의 신호 다이어그램을 도시한다. 도시된 신호 다이어그램에서, 직각 위상차 신호의 크기는 2 FS이고, 각속도는 존재하지 않는다.
도 14는 본 발명에 따라 각속도의 센서의 대안적인 측정 시스템의 신호 다이어그램을 도시한다. 도시된 신호 다이어그램에서, 직각 위상차 신호의 크기는 10 FS이고 각속도는 1 FS이다.
도 15는 본 발명에 따라 각속도의 센서의 제 2 대안적인 측정 시스템으로부터의 신호 다이어그램을 도시한다. 도시된 신호 다이어그램에서, 직각 위상차 신호의 크기는 2 FS이고 각속도는 -1 FS이다.
도 16은 본 발명에 따라 각속도의 센서의 제 3 대안적인 측정 시스템의 신호 다이어그램을 도시한다. 도시된 신호 다이어그램에서, 직각 위상차 신호의 크기는 2 FS이고 각속도는 1 FS이다.
도 13 내지 도 16에서, 상부 다이어그램은 시간의 함수로서 활성화 움직임(Prim) 및 검출 움직임(Sec)을 도시하며, 그 비교된 디지털 신호들은 정확한 척도로 도시된다. 한편, 도 13 내지 도 16의 하부는 XOR 게이트의 출력 및 이로부터 계산된 시간을 통한 평균을 도시한다.
본 발명에 따른 해결책에서, 본 발명에 따른 시스템의 민감도 제어는 필요하다면, 정전압에 의해 또는 신호들을 믹싱함으로써, 행해질 수 있는 직각 위상차 신호를 보상하는 것이 아닌 다른 방식들로 구현하는 것은 어렵다. 실제로, 가장 단순한 구현에서, 센서는 MCU의 프로그램에 의해 조정될 수 있다.
또한, 제 1 움직임의 활성화는 또한 비교기에 대한 입력에서 너무 많은 오프-셋이 존재하는 경우 문제가 드러날 수 있다. 그러면, 비교기가 상태를 전환하게 만들어질 수 있도록 임의의 종류의 초기 킥(initial kick)이 사용된다. 가장 적절하게, 전력을 공급함으로써 초래되는 초기 과도현상은 킥으로서 충분할 수 있다.
본 발명에 의해, 각속도의 센서는 주문 제작형(tailor-made) SMD 센서 소자, 약 10개의 수동 컴포넌트들, 하나의 듀얼 비교기 및 하나의 XOR 논리 게이트로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 해결책은 경쟁 해결책들에 비해 상당히 우월한 개념이며, 이들 중 대부분에서, 심지어는 가장 저렴한 것에서, 패키지된 컴포넌트 레벨 제품외에 몇개의 수동 컴포넌트들이 필요로 된다.
본 발명에 의해, 프론트-엔드들(front-ends), 비교기들 및 XOR은 소비자에 의해 사용되는 마이크로제어기에 연관되어 집적될 수 있고, 이에 의해 각속도의 측정에 의해 초래되는 비용 및 공간 요건들이 최소화된다.
집적된 비교기 입력들, 회로의 외부에서 액세스가능 한 출력들을 갖는 상업적인 마이크로제어기들이 시장에 나와 있다. 따라서, 본 발명에 따른 각속도의 센서는, XOR 함수가 자연히 소프트웨어에 의해 구현될 수 있기 때문에 단순히 수동 컴포넌트들만을 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 각속도의 센서를 위한 해결책에서, 센서 전자기기들은 충분히 단순하고 저렴해지도록 감소될 수 있다. 또한, 웨이퍼 면을 밀봉하게 감싸는 밀봉 방법은 센서 소자들이 소비자의 회로 보드에 직접 납땜(solder)되는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 일부 애플리케이션들에서, 센서 소자가 결합되게 생산할 수 있다.
본 발명에 의해, 각속도의 진동 센서의 측정 전자기기들의 큰 부분은 지극히 단순한 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 시스템의 출력은 디지털 또는 아날로그 형태로 직접 판독될 수 있다.
본 발명은 그 가장 일반적인 레벨에서, 제 1 움직임이 움직임과 동위상의 검출 축으로 활성화 힘(force)을 초래하도록 스프링 서스펜션을 설계함으로써 검출 축에 관해 약간 비-직교적인 제 1 움직임 축을 생성하는 것으로 보여질 수 있다.
통상적인 센서 해결책들에서, 특히 적절한 직교로부터의 벗어남은 약 0.01°…0.5°이다. 평면에서 움직이고 평면에 수직인 축에 관해 측정하는 각속도의 센서들에서, 이러한 벗어남은 예를 들어, 스프링들을 형성하는 마스크들을 직접 설계 함으로써 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 해결책의 특별한 이점은, 사실상 제 2 공진기의 공명 현상이 합산된 신호들의 위상을 이동시키는 코리올리 활성과 정확히 동일한 방식으로 스프링 서스펜션에 의해 생성된 시험 활성에 영향을 미친다는 것이다. 따라서, 기계적인 장애 대한 또는 위상 비교 이전에 발생하는 전자기기 잡음에 대한 센서의 민감도는 종래 기술의 각속도 센서들에 비해 실질적으로 감소된다.
본 발명에 따른 해결책은 부가적인 이점들이 존재한다. 본 발명은 활성화 움직임의 진폭에 대해 둔감하다. 센서의 민감도는 단지 코리올리 신호에 대한 직교 위상차 신호의 비(ratio)에만 의존하는데, 이는 진폭에 관계없이 일정하다. 그러나, 활성화 움직임의 진폭은 자연히 센서의 잡음 레벨에 영향을 주고, 이에 따라 출력은 디바이스가 스위치 온 됨에 따라 짧은 기간 동안 지극히 잡음이 있을 것이다.
보통의 각속도 센서 시스템보다 양호한 직교차 신호 인내성(tolerance)도 본 발명의 이점으로서 간주될 수 있다. 이와 같은 기능은 직교차 신호에 기초하고, 이에 따라 적당한 직교차 신호는 민감도의 감소를 제외하면 널 포인트의 변형(creeping)을 초래하지 않는다. 그러나, 직교차 신호는 민감도 면에서 상당히 클 수 있다. 또한, 큰 스프레드(spread)는 넓은 민감도 제어 영역을 필요로 한다.
본 발명은 피에조 일렉트릭(piezo-electric), 피에조 저항성(piezo-resistive) 및 용량성 원리들과 같이 각속도 센서에서 모든 종류의 측정 원리들에 대해 적합할 수 있다.

Claims (21)

  1. 각속도의 진동 마이크로기계적 센서에 의해 각속도를 측정하는 방법으로서, 각속도의 센서는 바디(18), 검출 공진기(16, 17, 19, 20, 21, 22) 및 위상 검출기를 포함하고, 상기 검출 공진기는 활성화되는 제 1 움직임을 갖는 적어도 하나의 진동 매스(seismic mass)(16), 상기 진동 매스(16)와 연관되는 이동 전극, 및 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)을 포함하는, 상기 각속도를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)에 의해 상기 각속도의 센서의 상기 바디(18)에 상기 진동 매스(16)를 지지하는 단계로서, 상기 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)은 제 1 움직임 축 및 제 2 움직임 축을 갖고, 각각은 직교 관계에서 벗어나 있고, 상기 제 1 움직임 축 방향으로의 상기 진동 매스(16)의 제 1 움직임이 상기 제 2 움직임 축 방향으로의 활성화되는 힘을 상기 검출 공진기에서 유도할 수 있도록, 상기 진동 매스(16)는 상기 제 1 움직임 축 및 상기 제 2 움직임 축의 방향으로 자유도를 갖는, 상기 진동 매스(16)를 지지하는 단계;
    상기 진동 매스(16)를 상기 제 1 움직임으로 활성화하는 단계;
    상기 제 2 움직임 축의 방향으로의 상기 진동 매스(16)의 이동으로서 상기 제 2 움직임을 검출하는 단계; 및
    상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임 간의 위상차로부터 상기 각속도의 센서의 상기 바디의 각속도를, 위상 검출기에 의해, 위상-민감성으로(phase-sensitively) 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 움직임으로부터 제 1 움직임 신호를 생성하고, 상기 제 2 움직임으로부터 제 2 움직임 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들 중 하나의 위상을 90도만큼 위상-이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들 중 적어도 하나는 증폭되는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 위상-민감성 검출은 XOR 게이트(49)에 의해 구현되어, 스팁-에지 펄스파들(steep-edged pulse waves)이 비교기(48, 50)에 의해 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들로 만들어지며, 상기 스팁-에지 펄스파들은 상기 XOR 게이트(49)에 전달되는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상-민감성 검출의 출력으로서, 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스 폭 변조 신호가 얻어지는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위상-민감성 검출의 출력으로서 얻어진 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들간의 상기 위상 이동에 비례하는 상기 펄스 폭 변조 신호의 저역-통과 필터링에 의해 아날로그 출력 신호가 만들어지는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 움직임은 레지스티브 결합에 의해, 상기 비교기(50)에서, 직접 검출되는 것을 특징으로 하는, 각속도 측정 방법.
  8. 각속도를 측정하기 위한 각속도의 센서로서, 상기 각속도의 센서는 바디(18), 검출 공진기(16, 17, 19, 20, 21, 22) 및 위상 검출기(49)를 포함하고, 상기 검출 공진기는 활성화되는 제 1 움직임을 갖는 적어도 하나의 진동 매스(16), 상기 진동 매스(16)와 연관되는 이동 전극, 및 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)을 포함하는, 상기 각속도의 센서에 있어서,
    상기 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)은 제 1 움직임 축 및 제 2 움직임 축을 갖고, 각각은 직교 관계에서 벗어나 있고, 상기 제 1 움직임 축 방향으로의 상기 진동 매스(16)의 상기 제 1 움직임이 상기 제 2 움직임 축 방향으로의 활성화되는 힘을 상기 검출 공진기에서 유도할 수 있도록, 상기 진동 매스(16)는 상기 제 1 움직임 축 및 상기 제 2 움직임 축의 방향으로 자유도를 갖고;
    상기 위상 검출기(49)는 상기 제 2 움직임 축의 방향으로의 상기 진동 매스(16)의 이동으로서 상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임을 검출하도록 구성되고;
    상기 위상 검출기(49)는 상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임 간의 위상차로부터 상기 각속도의 센서의 상기 바디의 각속도를 위상-민감성으로 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 각속도의 센서는:
    상기 제 1 움직임으로부터 제 1 움직임 신호를 생성하고, 상기 제 2 움직임으로부터 제 2 움직임 신호를 생성하는 수단; 및
    상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들 중 하나의 위상을 90도만큼 이동시키는 위상-이동기(13, 50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들 중 적어도 하나를 증폭하는 증폭기(10, 12, 48, 50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 XOR 게이트(49) 및 비교기(48, 50)를 더 포함하고, 상기 위상-민감성 검출은 XOR 게이트(49)에 의해 구현되고, 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들은 상기 비교기(48, 50)에 의해 스팁-에지 펄스파들로 만들어지며, 상기 스팁-에지 펄스파들은 상기 XOR 게이트(49)에 전달되는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 위상-민감성 검출의 출력으로서, 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스 폭 변조 신호를 전달하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들간의 상기 위상 이동에 비례하는 상기 펄스 폭 변조 신호의 저역-통과 필터링 및 상기 위상-민감성 검출의 출력으로서 아날로그 출력 신호를 전달하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 비교기에서 레지스티브 결합에 의해 직접 상기 제 1 움직임을 검출하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 센서.
  15. 각속도의 진동 마이크로기계적 센서로서, 바디(18), 검출 공진기(16, 17, 19, 20, 21, 22) 및 위상 검출기(48, 49, 50)를 포함하고, 상기 검출 공진기는 활성화되는 제 1 움직임을 갖는 적어도 하나의 진동 매스(16), 상기 진동 매스(16)와 연관되는 이동 전극, 및 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)을 포함하는, 상기 각속도의 진동 마이크로기계적 센서에 있어서,
    상기 스프링 구조 서스펜션(17, 19, 20, 21, 22)은 제 1 움직임 축 및 제 2 움직임 축을 갖고, 각각은 직교 관계에서 벗어나 있고, 상기 제 1 움직임 축 방향으로의 상기 진동 매스(16)의 상기 제 1 움직임이 상기 제 2 움직임 축 방향으로의 활성화되는 힘을 상기 검출 공진기에서 유도할 수 있도록, 상기 진동 매스(16)는 상기 제 1 움직임 축 및 상기 제 2 움직임 축의 방향으로 자유도를 갖고;
    상기 위상 검출기(48, 49, 50)는 상기 제 2 움직임 축의 방향으로의 상기 진동 매스(16)의 이동으로서 상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임을 검출하도록 구성되고;
    상기 위상 검출기(48, 49, 50)는 상기 제 1 움직임 및 상기 제 2 움직임 간의 위상차로부터 상기 각속도의 센서의 상기 바디의 각속도를 위상-민감성으로 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 각속도의 센서는:
    상기 제 1 움직임으로부터 제 1 움직임 신호를 생성하고, 상기 제 2 움직임으로부터 제 2 움직임 신호를 생성하는 수단; 및
    상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들 중 하나를 90도만큼 위상-이동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들 중 적어도 하나를 증폭하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 XOR 게이트(49) 및 비교기(48, 50)를 더 포함하여, 상기 위상-민감성 검출은 상기 XOR 게이트(49)에 의해 구현되어, 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들로부터 상기 비교기(48, 50)에 의해 스팁-에지 펄스파들로 만들어지며, 상기 스팁-에지 펄스파들은 상기 XOR 게이트(49)에 전달되는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는, 상기 위상-민감성 검출의 출력으로서, 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들간의 위상 이동에 비례하는 펄스 폭 변조 신호를 전달하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 제 1 움직임 및 제 2 움직임 신호들간의 상기 위상 이동에 비례하는 상기 펄스 폭 변조 신호를 저역-통과 필터링하고 상기 위상-민감성 검출의 출력으로서 아날로그 출력 신호를 전달하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 각속도의 센서는 상기 비교기에서 레지스티브 결합에 의해 직접 상기 제 1 움직임을 검출하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 각속도의 진동 마이크로기계적 센서.
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