KR101547160B1 - 진동형 마이크로기계 각속도 센서 - Google Patents

진동형 마이크로기계 각속도 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각속도 측정에 사용되는 측정 장치들, 특히, 진동형 마이크로기계 각속도 센서들에 관한 것이다. 본 발명에 따른 각속도 센서에서, 스프링(1, 2, 3, 4, 22, 24)에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 스프링들 또는 그 지지부의 비틀림에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄 또는 완화시키는 방식으로 비대칭적 스프링 구조체(1, 2, 3, 4, 22, 24)에 의해 센서 구성요소의 프레임에 질량체가 지지된다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 구조는 특히, 각속도 센서들을 위한 소형 진동형 마이크로기계 해법들에서 양호한 성능으로 신뢰성있는 측정을 가능하게 한다.

Description

진동형 마이크로기계 각속도 센서 {VIBRATING MICROMECHANICAL SENSOR OF ANGULAR VELOCITY}
본 발명은 각속도 측정에 사용되는 측정 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 진동형 마이크로기계 각속도 센서에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 특히, 각속도 센서를 위한 작은 크기의 진동형 마이크로기계적 해법으로 양호한 성능으로 신뢰성 있는 측정이 가능한 개선된 센서 구조를 제공하는 것이다.
각속도 측정시, 진동형 각속도 센서에 기초한 측정 방법의 원리가 간단하고 신뢰성 있는 것으로 증명되었다. 진동형 각속도 센서에서, 센서 내에 특정의 알려진 1차 운동이 유도되고 유지된다. 그후, 센서에 의해 측정되기를 원하는 운동이 1차 운동의 편차로서 검출된다.
센서에 작용하는 공진기의 운동 방향에 수직인 방향에서 외부적 각속도는 그 운동 방향에 수직인 방향으로 진동 질량체(seismic mass)에 코리올리 힘(Coriolis force)을 유도한다. 각속도에 비례하는 코리올리 힘은 예를 들어, 진동 질량체의 진동시에 용량적으로 검출된다.
마이크로기계 진동형 각속도 센서의 가장 중요한 문제점들 중 하나는 구조체의 불량한 치수 정밀도에 의해 유발되는 소위 구적 신호(quadrature signal)이다. 마이크로기계적 수단을 사용하여 제조된 공진기에서, 운동 방향에 수직으로 공차 에러가 발견될 수 있으며, 이는 각속도 센서의 검출시 최악의 경우에 출력 스케일의 최대값에 대응하는 각속도 신호보다 수 백배 큰 크기의 구적 신호라 지칭되는 신호를 유발한다.
질량체의 속도에 비례하는 측정될 각속도 신호는 다행히 구적 신호에 대하여 90도 위상 이동되고, 그에 의해, 이상적 복조시 구적 신호는 사라진다. 그러나, 측정 대상 신호 보다 현저히 더 크면, 신호의 동역학(dynamics)을 규제하게 된다. 구적 신호의 다른 큰 단점은 보상되지 않은 상태로 남아 있으면, 예를 들면 온도 변화에 따라 전자 신호의 위상 이동으로 인해 센서의 제로점의 안정성을 크게 열화시킨다는 것이다.
센서에서, 구적 신호는 전기적 힘을 사용하여 보상될 수 있다. 공지된 기술 중 하나는 특히, 검출된 1차 운동에 의해 변조된 힘이 구적 신호에 반대되는 위상으로 검출 공진기에 공급되는 피드 포워드 보상(feed-forward compensation)이다. 전기적 보상의 대안적 방식은 예를 들면, 정적 전기적 힘에 의한 또는 운동에 의해 변조된 정적 엔티티(static entity)에 의해 발생된 힘에 의한, 운동 방향의 직선화를 포함하며, 상기 힘은 잔류 탄성력에 의해 유발되는 구적 신호를 보상한다.
전기적 힘에 의한 보상은 센서의 전자장치에 과제를 부여한다. 정확한 위상 제어 또는 가능하게는 센서 내의 큰 전압과 별개의 구조체가 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 구적 신호에 대한 보상이 전기적 힘없이 기계적 디자인에 의해 직접적으로 구현되는 진동형 각속도 센서의 구조를 제공하는 것이다.
종래 기술을 참조하면, 핀란드 특허 공보 FI-116543 B1은 종래 기술에 따른 각속도 센서를 개시하며, 여기서 진동 질량체는 스프링 및/또는 강성적 보조 구조체에 의해 지지 영역에 연결되고, 이는 그들이 형성하는 디스크의 평면에 수직인 회전축에 관한, 그리고 디스크의 평면 방향으로 연장하는 적어도 하나의 회전축에 관해 자유도를 질량체에 제공한다.
또한, 종래 기술을 참조하면, 핀란드 특허 공보 FI-116544 B1은 종래 기술에 따른 각속도 센서를 개시하며, 여기서, 적어도 한 쌍의 전극이 진동 질량체의 에지와 연계하여 형성되고, 이 전극 쌍은 질량체의 표면과 두 개의 커패시턴스를 형성하여 질량체의 1차 운동의 회전각의 함수로서 전극 쌍 중 하나의 커패시턴스는 증가하고, 전극 쌍 중 다른 커패시턴스는 감소한다.
본 발명의 목적은 특히, 작은 진동형 각속도 센서를 사용한 해법으로 양호한 성능으로 신뢰성 있는 측정을 가능하게 하는 이런 개선된 진동형 각속도 센서를 제공하는 것이며, 여기서, 구적 신호를 위한 보상은 전기적 보상 없이 기계적 디자인에 의해 또는 대안적으로 상술한 전기적 보상 방법과 조합하여 구현된다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 진동형 마이크로기계 각속도 센서가 제공되며, 이 각속도 센서는 적어도 하나의 진동 질량체 및 연계된 이동 전극을 포함하고, 진동 질량체는 활성화되는 1차 운동을 소유하고, 1차 운동에 더하여, 본질적으로 1차 운동에 수직인 검출 축 또는 검출 축들에 관해 적어도 1 자유도를 소유하며, 진동 질량체 또는 진동 질량체들은 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 스프링 또는 그 지지부의 비틀림에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄 또는 완화시키도록 스프링 구조체가 비대칭적이 되게 스프링 구조체에 의해 센서 구성요소의 프레임에 지지된다.
스프링 구조체의 하나의 코너가 에칭 제거되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 하나 이상의 보상 홈이 스프링 구조체에서 에칭된다. 또한, 대안적으로, 하나 이상의 보상 공동이 스프링 구조체에서 에칭된다. 또한, 대안적으로, 하나 이상의 보상 홈 또는 보상 공동이 스프링 구조체를 위한 적어도 하나의 부착점에서 에칭된다. 또한, 바람직하게는 보상 홈들 또는 보상 공동들은 비틀린(skewed) 스프링의 단부 부분을 효과적으로 직선화하도록 적절히 치수설정된다.
대안적으로, 스프링 구조체의 하나의 에지는 톱니형이다. 대안적으로, 스프링 구조체의 양 에지들은 톱니형이다. 또한, 바람직하게는 톱니는 톱니가 스프링의 굴곡 축을 비틀도록 하나의 측면에 존재하거나 비대칭적이 되도록 적절히 치수설정된다.
스프링 구조체는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 디스크에 수직한 면에 대해 DRIE 에칭 프로세스의 홈의 경사에 기인한 비이상성에 의해 유발된 커플링을 상쇄 또는 완화시키도록 비대칭적으로 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 마이크로기계 디스크 구조들에 의해 진동형 마이크로기계 각속도 센서를 제조하는 방법이 제공되며, 이 각속도 센서는 적어도 하나의 진동 질량체 및 연계된 이동 전극을 포함하고, 진동 질량체는 활성화되는 1차 운동을 소유하고, 1차 운동에 더하여, 본질적으로 1차 운동에 수직인 검출 축 또는 검출 축들에 관해 적어도 1 자유도를 소유하며, 진동 질량체 또는 진동 질량체들은 각속도 센서의 스프링 구조체가 에칭에 의해 비대칭적으로 형성되도록 스프링 구조체에 의해 센서 구성요소의 프레임에 지지된다.
에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크의 표면에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계되는 것이 바람직하다. DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 에칭 기술이 제조에 사용되는 것이 바람직하다. 제조시, ARDE(Aspect Ratio Dependent Etch rate) 효과 같은 DRIE 에칭 프로세스의 비이상성들이 활용되는 것이 바람직하다. 2 단계 DRIE 에칭 프로세스가 제조에 사용되고, 이에 의해, 에칭된 홈 또는 공동의 깊이가 적절히 치수설정될 수 있는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명 및 그 양호한 실시예들을 첨부 도면을 예시로서 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는데 사용되는 스프링 구조체의 단면을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는데 사용되는 스프링 구조체의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 대안적 스프링 구조체의 단면을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 대안적 스프링 구조체의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제2 대안적 스프링 구조체의 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제3 대안적 스프링 구조체의 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제4 대안적 스프링 구조체의 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 구조체의 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 2축을 갖는 진동형 각속도 센서의 구조체의 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제5 대안적 스프링 구조체의 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제6 대안적 스프링 구조체의 사시도.
본 발명에 따른 진동형 각속도 센서에서, 활성화되는 1차 운동은 적어도 하나의 진동 질량체(seismic mass) 및 연계된 이동 전극의 진동이다. 1차 운동에 더하여, 진동 질량체는 본질적으로 1차 운동에 수직인 검출 축에 관하여 다른 자유도를 소유한다.
또한, 본 발명에 따른 각속도 센서는 진동 질량체와 연계된 이동 전극을 포함하며, 진동 질량체는 스프링 구조체에 의해 센서 구성요소의 프레임에 지지된다.
본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 1차 운동 모드에서 이동 전극은 진동 상태로 활성화된다. 따라서, 코리올리 힘(Coriolis force)에 의해 유발된 커플링이 검출 운동 모드를 활성화시킨다. 1차 운동 모드와 검출 운동 모드 또는 검출 운동 모드들의 운동 축들은 본질적으로 서로 수직이다. 알려진 비이상성(non-ideality)으로 인해, 각속도 활성화가 부재상태인 상기 모드들 사이에 커플링이 존재할 것이다.
본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 일 구조체에서, 활성화될 1차 운동은 적어도 하나의 진동 질량체 및 연계된 이동 전극의 진동이다. 대응적으로, 검출 운동 모드의 운동은 예를 들어, 본질적으로 디스크의 평면에서 발생할 수 있다. 대안적으로, 검출 운동 모드의 운동은 본질적으로 디스크의 평면에 수직으로 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 진동형 각속도 센서는 디스크 구조체들에 의해 제조되는 것이 통상적이다. 통상적으로, 다수의 각속도 센서들의 구조체들은 예를 들면 에칭 기술들에 의해 중앙 디스크 상에서 제조되고, 그후, 중앙 디스크는 예를 들면, 상부 및 하부에서 디스크들에 의해 밀봉된다. 각속도 센서들은 최종 디스크 패키지 구조체로 잘려진다.
DRIE(Deep Reaction Ion Eching) 에칭 기술에 의해 제조되고, 운동의 한가지 모드가 디스크의 평면 내에 존재하고, 나머지 모드가 디스크의 평면에 수직인, 진동형 각속도 센서들의 구조체를 갖는 센서들에서, 구적 신호(quadrature signal)는 디스크에 대한 법선에 관해 DRIE 홈의 경사에 의해 유발된다. 이 현상은 양호하게 반복될 수 있으며, 디스크에 걸친 그 분포가 알려져 있다.
디스크에 걸친 분포가 알려져 있기 때문에, 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서들의 구조체들의 보상은 마스크(mask)를 제조하는 것에 의해 이행될 수 있으며, 각속도 센서들의 구조체들의 개별적인 기계적 조율에 대한 필요는 없다.
본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 구조체 내에서 구적 신호를 유발하는 현상은 예를 들면, 디스크에 대한 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 유발되는 구적 신호 같이 알려진 것이며, 따라서, 디스크에 걸친 구적 신호 분포도 알려져있고 반복가능하다.
본 발명에 따른 해법에서, 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 스프링들을 비대칭적으로 설계함으로써 구적 신호가 보상된다.
이 해법의 특정 경우로서, 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 구조체 내의 비대칭 스프링은 DRIE 에칭 프로세스의 다른 비이상성들을 사용함으로써 생성될 수 있다. 이러한 DRIE 에칭 프로세스의 비이상성들의 예들로서, ARDE(Aspect Ratio Dependent Etch rate) 효과 및 프로파일의 웨지형 특성을 언급할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 보상은 어떠한 추가적 프로세스 단계들 없이 달성된다.
도 1 내지 도 11은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 구조체의 스프링 구조체들의 예들을 도시하며, 이러한 스프링 구조체들에 의해 구적 신호가 보상될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 스프링 구조체의 단면을 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 스프링 구조체는 참조번호 1로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 스프링 구조체(1)의 코너는 에칭 제거된다. 본 발명에 따른 스프링 구조체는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 2는 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 스프링 구조체는 참조번호 1로 표시되어 있다. 본 발명에 따른 스프링 구조체(1)의 코너는 에칭 제거된다.
도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 스프링 구조체의 제조시, 에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계된다. 이들 비이상성들 중 하나는 예를 들면, 디스크의 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 의해 유발되는 비이상성이다. 따라서, 본 발명에 따른 스프링 구조체(1)의 절단 제거된 코너의 크기는 디스크에 걸쳐 변한다.
도 3은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 대안적 스프링 구조체의 단면을 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 대안적 스프링 구조체는 참조번호 2로 도시되어 있다. 하나 이상의 보상 홈들이 본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2) 내에 에칭되어 있다. 본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2)는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 4는 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 대안적 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 대안적 스프링 구조체는 참조번호 2로 도시되어 있다. 하나 이상의 보상 홈들이 본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2) 내에 에칭되어 있다.
도 3 내지 도 4에 도시된 본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2)의 제조시, 에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계될 수 있다. 이들 비이상성들 중 하나는 예를 들면, 디스크의 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 의해 유발되는 비이상성이다. 따라서, 본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2)의 보상 홈의 치수는 디스크에 걸쳐 변한다.
본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2)의 보상 홈은 다른 구조체들과 동일한 DRIE 에칭으로 에칭될 수 있다. 본 발명에 따른 대안적 스프링 구조체(2)의 제조시, ARDE 효과에 기인하여, 보상 홈은 디스크 전체를 통해 에칭되지 않으며, 대신에 홈의 깊이는 적절히 치수설정될 수 있다. 대안적으로, 적절한 깊이의 홈은 예를 들면, 2 단계 에칭 프로세스에 의해 에칭될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제2 대안적 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 제2 대안적 스프링 구조체는 참조번호 3으로 도시되어 있다. 하나 이상의 보상 공동들이 본 발명에 따른 제2 대안적 스프링 구조체(3) 내에 에칭되어 있다. 본 발명에 따른 제2 대안적 스프링 구조체(3)는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 5에 도시된 본 발명에 따른 제2 대안적 스프링 구조체(3)의 제조시, 에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계될 수 있다. 이들 비이상성들 중 하나는 예를 들면, 디스크의 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 의해 유발되는 비이상성이다. 따라서, 본 발명에 따른 제2 대안적 스프링 구조체(3)의 보상 공동들의 치수는 디스크에 걸쳐 변한다.
본 발명에 따른 제2 대안적 스프링 구조체(3)의 보상 공동들은 다른 구조체들과 동일한 DRIE 에칭으로 에칭될 수 있다. 본 발명에 따른 제2 대안적 스프링 구조체(3)의 제조시, ARDE 효과로 인해, 보상 공동들은 디스크 전체를 통해 에칭되지 않으며, 대신에 공동들의 깊이는 적절히 치수설정될 수 있다. 대안적으로, 적절한 깊이의 홈은 예를 들면, 2 단계 에칭 프로세스에 의해 에칭될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제3 대안적 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 제3 스프링 구조체는 참조번호 4로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 제3 대안적 스프링 구조체는 부착점(5, 6)을 포함한다. 하나 이상의 보상 홈 또는 보상 공동이 스프링 구조체(4)의 적어도 하나의 부착점(5, 6)에 에칭되어 있다. 본 발명에 따른 제3 대안적 스프링 구조체(4)는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 7은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제4 대안적 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 제4 대안적 스프링 구조체는 참조번호 7로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 제4 대안적 스프링 구조체(7)는 부착점(8, 9)을 포함한다. 하나 이상의 보상 홈 또는 보상 공동이 스프링 구조체(7)의 양 부착점(8, 9)에 에칭되어 있다. 본 발명에 따른 제4 대안적 스프링 구조체(7)는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 6 및 도 7에 도시된 제안된 스프링 구조체들(4, 7)의 제조시, 에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계될 수 있다. 이들 비이상성들 중 하나는 예를 들면, 디스크의 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 의해 유발되는 비이상성이다. 따라서, 제시된 스프링 구조체들(4, 7)의 보상 홈들 또는 보상 공동들의 치수는 디스크에 걸쳐 변한다.
도 6 및 도 7에 도시된 스프링 구조체들(4, 7)의 보상 홈들 또는 보상 공동들은 다른 구조체들과 동일한 DRIE 에칭으로 에칭될 수 있다. 제시된 스프링 구조체(4, 7)의 제조시, ARDE 효과로 인해, 보상 홈들 또는 보상 공동들은 디스크 전체를 통해 에칭되지 않으며, 대신에 홈들 또는 공동들의 깊이는 적절히 치수설정될 수 있다. 대안적으로, 적절한 깊이의 홈은 예를 들면, 2 단계 에칭 프로세스에 의해 에칭될 수 있다. 제시된 스프링 구조체들(4, 7)에서, 적절히 치수설정된 보상 홈들 또는 보상 공동들은 기울어진 스프링의 단부 부분을 효과적으로 직선화한다.
도 8은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 진동 질량체들은 참조번호 10 및 11로 도시되어 있다. 각속도 센서의 진동 질량체들(10, 11)은 스프링 구조체들에 의해 그 부착점들(12, 13)에서 지지된다. 각속도 센서의 스프링 구조체의 부착점(12)의 질량체 측면에 있는 대향 단부(14)에서, 또는, 대안적으로, 스프링 구조체의 부착점(13) 측면에 있는 단부(15)에서, 하나 이상의 보상 홈들 또는 보상 공동들(14, 15)이 에칭된다. 본 발명의 스프링 구조체는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 9는 본 발명에 따른 2 축들을 구비한 진동형 각속도 센서의 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 2 축들을 구비한 각속도 센서의 진동 질량체는 참조번호 16으로 도시되어 있다. 2 축들을 구비한 각속도 센서의 진동 질량체(16)는 스프링 구조체들에 의해 그 부착점(17)에서 지지된다. 부착점(17)에 대향한, 2 축들을 갖는 각속도 센서의 스프링 구조체의 단부들(18, 20)에서 또는 대안적으로, 스프링 구조체의 부착점(17) 측면의 단부들(19, 21)에서, 하나 또는 두 개의 보상 홈들 또는 보상 공동들(18-21)이 에칭된다. 본 발명의 스프링 구조체는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 10은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제5 대안적 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 제5 대안적 스프링 구조체는 참조 번호 22로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 제5 대안적 스프링 구조체(22)의 일 에지는 톱니형(23)이다. 본 발명에 따른 제5 대안적 스프링 구조체(22)는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 10에 도시된 본 발명에 따른 제5 대안적 스프링 구조체(22)의 제조시, 에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계될 수 있다. 이들 비이상성들 중 하나는 예를 들면, 디스크의 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 의해 유발되는 비이상성이다. 따라서, 본 발명에 따른 제5 대안적 스프링 구조체(22)의 톱니(23)의 치수는 디스크에 걸쳐 변한다. 본 발명에 따른 제5 대안적 스프링 구조체(22)의 톱니(23)는 다른 구조체들과 동일한 DRIE 에칭으로 에칭된다.
도 11은 본 발명에 따른 진동형 각속도 센서의 진동 질량체를 지지하는 데 사용되는 제6 대안적 스프링 구조체의 사시도를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 제6 대안적 스프링 구조체는 참조 번호 24로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 제6 대안적 스프링 구조체(24)의 양 에지들은 톱니형이다(25, 26). 본 발명에 따른 제6 대안적 스프링 구조체(24)는 스프링에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링이 구적 신호에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄시키거나 크게 완화시키도록 비대칭적이다.
도 11에 도시된 본 발명에 따른 제6 대안적 스프링 구조체(24)의 제조시, 에칭 마스크는 제조 프로세스에 의해 유발되는 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계될 수 있다. 이들 비이상성들 중 하나는 예를 들면, 디스크의 법선에 관해 DRIE 에칭 프로세스 홈의 경사에 의해 유발되는 비이상성이다. 따라서, 본 발명에 따른 제6 대안적 스프링 구조체(24)의 톱니들(25, 26)의 치수는 디스크에 걸쳐 변한다. 본 발명에 따른 제6 대안적 스프링 구조체(24)의 톱니들(25, 26)은 다른 구조체들과 동일한 DRIE 에칭으로 에칭될 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 스프링 구조체들(22, 24)에서의 DRIE 에칭 프로파일은 실제로, 경사에 추가하여, 미소하게 쐐기 형상, 즉, 깊이 방향으로 넓어지는 홈이며, 이에 의해서 톱니 패턴들은 스프링의 상부면과 하부면 사이에서 다르다. 본 발명에 따른 해법에서, 톱니(23, 25, 26)는 일측면에만 존재하거나 비대칭적이도록 적절히 치수설정될 수 있으며, 이에 의해서 톱니(23, 25, 26)는 스프링(22, 24)의 굴곡 축을 비틀어지게 한다.
본 발명에 따른 해법은 1차 운동이 적어도 하나의 진동 질량체 및 연계된 이동 전극의 진동이며, 1차 운동에 부가하여 진동 질량체가 본질적으로 1차 운동에 수직인 검출 축 또는 검출 축들에 관해 제2 자유도를 소유하는 모든 이런 각속도 센서들의 구적 신호를 보상하기 위해 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 진동 질량체(seismic mass)(10, 11) 및 디스크 상에 에칭된 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)인 연계된 이동 전극을 포함하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서로서, 상기 진동 질량체는 이 진동 질량체가 활성화되는 1차 운동과, 상기 1차 운동에 더하여, 상기 1차 운동에 수직인 검출 축 또는 검출 축들에 관해 적어도 1 자유도를 소유하고, 상기 진동 질량체 또는 진동 질량체들은 하나 이상의 스프링 및 부착점(8, 9, 12, 13)을 포함하는 스프링 구조체(1, 2, 3, 4, 22, 24)에 의해 상기 센서의 프레임에 지지되며, 상기 부착점은 상기 스프링을 상기 프레임 또는 진동 질량체에 부착하는, 진동형 마이크로기계 각속도 센서에 있어서,
    상기 스프링 구조체(1, 2, 3, 4, 22, 24)는 비대칭적이고 상기 디스크 상에서 상기 센서의 위치에 따라 치수설정되는 하나 이상의 에칭된 보상 홈 또는 보상 공동(14, 15)을 포함하므로, 상기 스프링 구조체에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링은 상기 하나 이상의 스프링 또는 그 지지부 내의 알려진 비틀림에 기인한 비이상성(non-ideality)에 의해 유발되는 커플링을 상쇄 또는 완화시키며, 상기 비틀림은 상기 디스크에 대한 법선에 관해 상기 DRIE 프로세스의 홈들의 경사에 의해 유발되고, 상기 디스크에 걸친 상기 경사의 분포는 알려지는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 보상 홈 또는 보상 공동(14, 15, 18-21)은 상기 스프링 구조체(4)의 적어도 하나의 부착점(5, 6)에 에칭되는 DRIE인 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 홈들 또는 보상 공동들(14, 15, 18-21)은 비틀린 스프링 구조체(4)의 단부 부분을 직선화하도록 치수설정되는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 구조체(22)의 에지들 중 하나는 톱니(23)인 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 구조체(24)의 양 에지는 톱니들(25, 26)인 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 톱니(23) 또는 상기 톱니들(25, 26)은 상기 톱니(23) 또는 상기 톱니들(25, 26)이 상기 스프링 구조체(22, 24)의 굴곡 축을 비틀도록 일 측면에 위치되거나 또는 비대칭적으로 치수설정되는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서.
  7. 마이크로기계 디스크 구조체들에 의해 진동형 마이크로기계 각속도 센서의 제조 방법으로서, 상기 센서는 적어도 하나의 진동 질량체(10, 11) 및 디스크 상에 에칭된 DRIE인 연계된 이동 전극을 포함하고, 상기 진동 질량체는 이 진동 질량체가 활성화되는 1차 운동과, 상기 1차 운동에 더하여, 상기 1차 운동에 수직인 검출 축 또는 검출 축들에 관해 적어도 1 자유도를 소유하고, 상기 진동 질량체 또는 진동 질량체들은 하나 이상의 스프링 및 부착점(8, 9, 12, 13)을 포함하는 스프링 구조체(1, 2, 3, 4, 22, 24)에 의해 상기 센서의 프레임에 지지되며, 상기 부착점은 상기 스프링을 상기 프레임 또는 진동 질량체에 부착하는, 진동형 마이크로기계 각속도 센서의 제조 방법에 있어서,
    상기 각속도 센서의 스프링 구조체(2, 3, 4, 22, 24)는 상기 디스크 상에서 상기 센서의 위치에 따라 치수설정되는 하나 이상의 보상 홈 또는 보상 공동(14, 15)을 상기 스프링 구조체에 에칭함으로서 비대칭적이도록 제조되므로, 상기 스프링 구조체에 의해 전달되는 하나의 운동 모드로부터 다른 운동 모드로의 커플링은 상기 하나 이상의 스프링 또는 그 지지부 내의 알려진 비틀림에 기인한 비이상성에 의해 유발되는 커플링을 상쇄 또는 완화시키도록 구성되며, 상기 비틀림은 상기 디스크에 대한 법선에 관해 상기 DRIE 프로세스의 홈들의 경사에 의해 유발되고, 상기 디스크에 걸친 상기 경사의 분포는 알려지는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 각속도 센서는 에칭 마스크(etching mask)에 의해 디스크 상에서 제조되는 마이크로기계 디스크 구조체들 중 하나이며;
    상기 에칭 마스크는 상기 제조 프로세스에 의해 유발되는 상기 디스크에 걸쳐 발생하는 비이상성들을 보상하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 제조시, ARDE(Aspect Ratio Dependent Etch rate) 효과 같은 상기 DRIE 에칭 프로세스의 비이상성들이 활용되는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서의 제조 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 제조시, 2 단계(two-stage) DRIE 에칭 프로세스가 사용되고, 이 프로세스에 의해, 에칭될 공동 또는 홈의 깊이가 치수설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 진동형 마이크로기계 각속도 센서의 제조 방법.
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