KR101641066B1 - 진동 마이크로-기계식 각속도 센서 - Google Patents

진동 마이크로-기계식 각속도 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR101641066B1
KR101641066B1 KR1020107025612A KR20107025612A KR101641066B1 KR 101641066 B1 KR101641066 B1 KR 101641066B1 KR 1020107025612 A KR1020107025612 A KR 1020107025612A KR 20107025612 A KR20107025612 A KR 20107025612A KR 101641066 B1 KR101641066 B1 KR 101641066B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
angular velocity
velocity sensor
micro
sensor
masses
Prior art date
Application number
KR1020107025612A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110011625A (ko
Inventor
앤씨 블룸퀴비스트
Original Assignee
무라타 일렉트로닉스 오와이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 무라타 일렉트로닉스 오와이 filed Critical 무라타 일렉트로닉스 오와이
Publication of KR20110011625A publication Critical patent/KR20110011625A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101641066B1 publication Critical patent/KR101641066B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G01C19/5762—Structural details or topology the devices having a single sensing mass the sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

본 발명은 각속도를 측정하는데 사용된 측정 디바이스에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 각속도 센서는 2개 또는 3개의 축에 대한 각속도를 측정하도록 구성되고, 각속도 센서의 적어도 2개의 진동 질량체(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)는 공통 모드에 의해 1차 운동 진동으로 활성화되도록 구성된다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 구조체는 특히 소형 크기의 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서 양호한 성능을 갖는 신뢰적인 측정을 가능하게 한다.

Description

진동 마이크로-기계식 각속도 센서{VIBRATING MICRO-MECHANICAL SENSOR OF ANGULAR VELOCITY}
본 발명은 각속도를 측정하는데 사용되는 측정 디바이스에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 특히 각속도 센서용 소형 진동 마이크로-기계식 해결책에서 2 또는 3 자유도 및 양호한 성능을 갖고 신뢰적인 측정을 가능하게 하는 향상된 센서 구조체를 제공하는 것이다.
진동 각속도 센서에 기초하는 측정은 간단한 개념을 갖고 신뢰적인 각속도 측정 방법인 것으로 판명되었다. 가장 빈번히 사용되는 진동 각속도 센서의 작동 원리는 소위 음차(tuning fork) 원리이다.
진동 각속도 센서에서, 특정의 알려진 1차 운동이 발생되고 이는 센서 내에 유지된다. 센서에 의해 측정될 운동은 이어서 1차 운동의 편차로서 검출된다. 음차 원리에서, 1차 운동은 반대 위상에서 진동하는 2개의 선형 공진기의 진동이다.
공진기의 운동 방향에 수직인 방향에서 센서에 영향을 미치는 외부 각속도는 반대 방향으로 질량체에 영향을 미치는 코리올리 힘(Coriolis force)을 발생시킨다. 각속도에 비례하는 코리올리 힘은 질량체로부터 직접 검출되거나 질량체가 동일한 회전축 상에 연결되고, 이에 의해 검출 운동은 각속도 축의 방향으로의 각도 진동이다.
각속도 센서에 요구되는 주요 특징은 동요(shaking) 및 충격에 대한 저항이다. 특히, 예를 들어 자동차 산업에서의 구동 제어 시스템과 같은 수요 용례에서, 이들 요건은 극히 엄격하다. 심지어 예를 들어 돌덩이에 의해 발생되는 외부 충격과 같은 강력한 타격 또는 카 스테레오에 의해 발생하는 진동이 각속도 센서의 출력에 영향을 미치지 않아야 한다.
종래 기술이 첨부 도면을 예로서 참조하여 이하에 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서의 예시적인 용량성 구현예의 다이어그램을 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다.
도 1은 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 도시된 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서는 스프링(4, 5)에 의해 여기 프레임(2)에 X축 방향으로 지지된 질량체(1)를 포함한다. 상기 여기 프레임(2)은 스프링(6, 7)에 의해 지지 구조체(3)에 Y축 방향으로 또한 지지된다.
종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서에서, 중심에서의 질량체(1) 및 이를 둘러싸는 여기 프레임(2)은 지지 구조체(3)에 지지된 스프링(6, 7)에 의해 발생하는 Y방향에서의 1차 운동으로 활성화된다. 여기 프레임(2)에 질량체(1)를 지지하는 서스펜션(4, 5)에 의해 형성된 X축 방향의 검출 축은 1차 운동에 수직이다.
1차 운동시에 진동하는 구조체가 표면 평면에 수직인 Z축에 대해 회전할 때, 1차 운동시에 이동하는 질량체(1)는 그 운동 방향에 수직인 X축 방향으로 코리올리 힘을 경험한다. 다음에, 또한 검출 스프링(4, 5)은 감쇄에 추가하여, 발생된 검출 운동의 진동의 진폭 및 위상을 결정한다.
도 2는 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서의 예시적인 용량성 구현예의 다이어그램을 도시한다. 도시된 Z 각속도 센서에서, 질량체(1) 및 여기 프레임(2)의 공통의 1차 운동은 활성화 빗살 구조체(8)에 의해 정전기식으로 활성화되고, 검출 빗살 구조체(9)에 의해 검출된다. 한편, 코리올리 힘에 의해 발생된 2차 운동은 용량성 빗살 구조체(10, 11)에 의해 차동적으로 검출된다. 이러한 센서는 전술된 것과 같이 2개의 구조체를 서로 결합함으로써 종종 차동적으로 제조되고, 이에 의해 외부 기계적 간섭에 상당히 더 불감성인 구조체가 성취된다. 종래 기술에 따른 하나의 이러한 센서 해결책은 미국 특허 제 6,752,017호에 설명되어 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 종래 기술에 따른 이러한 센서 해결책의 원리는 미국 특허 제 5,377,544호에 설명되어 있다. 종래 기술에 따른 도시된 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서는 서스펜션(14, 15)에 의해 지지 구조체(13)에 중심에서 지지되어 있는 회전 질량체(12)를 포함한다. 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서는 회전 질량체(12) 상부 또는 하부에 제공된 용량성 전극(18)을 추가로 포함한다.
종래 기술에 따른 설명된 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서에서, 중심에서의 회전 질량체(12)는 정전 여기 빗살 구조체(16) 및 1차 운동 검출 빗살 구조체(17)에 의해 Z축 주위의 표면 평면에서 회전 이동으로서 1차 운동으로 활성화된다. 지지체(13) 및 서스펜션(14, 15)에 의해 형성된 X/Y 평면의 방향에서의 검출은 1차 운동의 회전축에 수직이다.
종래 기술에 따른 도시된 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서가 X축에 대해 회전할 때, 코리올리 힘은 Y축에 대한 그 속도, 비틀림 모멘트를 갖는 위상에서 회전 질량체(12)에 발생하고, 이 비틀림 모멘트는 스프링(14)에 의해 회전 질량체(12)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 이에 대응하여, X/Y 각속도 센서가 Y축에 대해 회전할 때, 코리올리 힘은 X축에 대한 그 속도, 비틀림 모멘트를 갖는 위상에서 회전 질량체(12)에 발생하고, 이 비틀림 모멘트는 스프링(15)에 의해 회전 질량체(12)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 발생된 진동은 전극(18)에 의해 용량적으로 검출될 수 있다.
소비자 전자 기기의 다수의 용례에서, 극히 소형 크기 및 비용 효율의 각속도 센서가 요구된다. 종종 하나 초과의 자유도의 활성화 및 검출이 요구되기 때문에, 다수의 자유도의 측정이 각속도 센서에서 과제이다. 특히, 표면 평면에서의 축에 대한 및 평면에 수직인 축에 대한 각속도를 측정하기 위한 일 구성 요소에서의 비용 효율적인 구현이 과제인 것으로 판명되었다.
특허 공보 WO 2006070059 A1호는 내용에 지시된 2개의 유사 질량체들의 항-위상 평면내 각 진동을 공개하고 있다.
각속도 센서의 비용 효율성은 표면적에 추가하여, 또한 요소에 요구되는 전자 기기의 복잡성에 의해 결정된다. 상이한 축에 대한 측정 공진기에서의 다수의 자유도에서 발생하는 활성화 운동은 전자 기기의 복잡성 및 표면적을 증가시키는 최대 단일 팩터일 것이다.
본 발명의 목적은 이에 의해 공통 활성화 운동을 이용하여 2개 이상의 자유도에서 각속도가 측정될 수 있는 소형 크기에 적합한 진동 각속도 센서의 구조를 성취하는 것이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 해결책에 비교하여 현저하게 비용 효율적이고, 동시에 외부 기계적 간섭의 결합에 불감성이도록 설계될 수 있는, 특히 소형 진동 각속도 센서의 해결책에서 2 또는 3 자유도에서 양호한 성능을 갖는 신뢰적인 측정을 가능하게 하는 이러한 향상된 진동 각속도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 지지 구조체 및/또는 스프링 구조체에 의해 현수된 적어도 2개의 진동 질량체 및 상기 질량체들을 서로 결합하는 스프링 구조체를 포함하고,
- 각속도 센서는 상기 질량체들의 전극 및/또는 상기 질량체들과 연계하여 결합된 검출 빗살 구조체에 의해 2개 또는 3개의 축에 대한 각속도를 측정하도록 구성되고,
- 각속도 센서의 적어도 2개의 진동 질량체는 공통 모드에 의해 1차 운동 진동으로 활성화되도록 구성되는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서가 제공된다.
바람직하게는, 상기 적어도 2개의 진동 질량체는 적어도 하나의 회전 질량체를 포함한다. 가장 바람직하게는, 상기 적어도 2개의 진동 질량체는 적어도 하나의 선형 질량체를 포함한다. 바람직하게는, 각속도 센서는 적어도 하나의 여기 프레임 구조체를 추가로 포함한다. 또한, 바람직하게는, 상기 적어도 2개의 진동 질량체는 스프링에 의해 여기 프레임 구조체에 지지된다. 또한, 바람직하게는, 각속도 센서는 여기 빗살 구조체를 추가로 포함하고, 이 여기 빗살 구조체는 공통 모드 신호에 의해 1차 운동으로 상기 적어도 2개의 진동 질량체를 활성화하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 검출 빗살 구조체는 1차 운동을 차동적으로 검출하도록 구성된다. 또한, 바람직하게는, 회전 질량체는 z축 주위의 표면 평면에서의 1차 운동시에 여기 프레임 구조체에 의해 동기화되어 진동하도록 구성된다. 또한, 바람직하게는, 회전 질량체는 여기 프레임 구조체의 운동들을 반대 위상에서 서로 결합하도록 구성된다. 또한, 바람직하게는, 선형 질량체 내부에는, 지지 구조체에 연결된 스프링 구조체가 존재하고, 이 스프링 구조체는 z 방향에서의 각속도를 검출하는 검출 빗살 구조체의 1차 모드에서의 운동을 방지한다.
바람직하게는, 전극은 x축에 대해 각속도 센서를 회전시킴으로써 발생된 진동을 측정하도록 구성된다. 바람직하게는, 전극은 y축에 대해 각속도 센서를 회전시킴으로써 발생된 진동을 측정하도록 구성된다. 바람직하게는, 검출 빗살 구조체는 z축에 대해 각속도 센서를 회전시킴으로써 발생된 진동을 측정하도록 구성된다. 바람직하게는, 각속도 센서는 SOI형(SOI, 실리콘 온 절연체)의 웨이퍼 재료로부터 구현된다. 바람직하게는, 각속도 센서의 구조체는 기판 및/또는 커버에 지지 구조체에서 지지된다. 바람직하게는, 센서 부품의 프레임은 각속도 센서의 구조체 상의 가스 공간 밀봉 커버 및 기판의 모두에 부착된다.
이하에, 본 발명 및 그 바람직한 실시예가 첨부 도면을 예시적으로 참조하여 상세히 설명된다.
본 발명에 따르면, 종래 기술의 해결책에 비교하여 현저하게 비용 효율적이고, 동시에 외부 기계적 간섭의 결합에 불감성이도록 설계될 수 있는, 특히 소형 진동 각속도 센서의 해결책에서 2 또는 3 자유도에서 양호한 성능을 갖는 신뢰적인 측정을 가능하게 하는 이러한 향상된 진동 각속도 센서가 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 2는 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 Z 각속도 센서의 예시적인 용량성 구현예의 다이어그램.
도 3은 종래 기술에 따른 진동 마이크로-기계식 X/Y 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 4는 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 5는 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 6은 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 7은 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 8은 본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램.
도 1 내지 도 3은 상기에 제시되었다. 이하, 본 발명 및 그 바람직한 실시예가 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명된다.
도 4는 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 본 발명에 따른 도시된 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(28, 29)에 의해 지지 구조체(19)에 중심에서 지지되고 스프링(30, 31)에 의해 여기 프레임 구조체(32, 33)에 X축 방향에서 지지된 회전 질량체(34)를 포함한다. 회전 질량체(34)는 전극(37 내지 40)을 추가로 포함한다. 추가적으로, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(45, 46)에 의해 여기 프레임 구조체(32, 33)에 X축 방향에서 지지된 선형 질량체(35, 36)를 포함한다. 상기 여기 프레임 구조체(32, 33)는 굽힘 스프링(24 내지 27)에 의해 센서의 에지 주위에서 프레임 구조체(23)에 Y축 방향에서 지지된다. 추가적으로, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(41, 42)에 의해 여기 프레임 구조체(32, 33)에 지지된 용량성 빗살 구조체(47, 48), 여기 프레임 구조체(32, 33)에 연결된 여기 빗살 구조체(43), 검출 프레임 구조체(44), 본체에 부착된 지지 스프링(49) 및 지지 구조체(20 내지 22)를 포함한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 특히 SOI형 웨이퍼 재료(SOI, 실리콘 온 절연체)로부터 구현되는데 적합하다. SOI 웨이퍼에서, 지지 구조체(19 내지 22)는 산화물과 같은 절연막과 기판층을 부착할 수 있고, 동시에 이동 구조체가 이들 영역으로부터 산화물을 선택적으로 에칭함으로써 기판으로부터 자유롭게 될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 구조체는 지지 구조체(19 내지 22)에서 웨이퍼의 기판층에 및/또는 구조체 상의 가스 공간을 밀봉하는 커버 웨이퍼에 지지되고, 추가로 또한 구조체를 둘러싸는 프레임 구조체(23)가 기판층 및 커버의 모두에 부착된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 결합된 구조체의 1차 운동은 선형 이동 여기 프레임 구조체(32)의 굽힘 스프링(24 내지 27), 회전 질량체(34)의 스프링(28, 29) 및 질량체들을 서로 결합하는 스프링(30, 31)에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 선형 질량체(35, 36) 내부에는, 검출 빗살 구조체(47, 48)에 부착되어 z 방향에서 각속도를 검출하는 검출 빗살 구조체(47, 48)의 1차 모드에서의 운동을 방지하는 스프링 구조체(41, 42)와, 추가로 본체에 부착되어 검출된 제 2 운동의 방향에서 검출 빗살 구조체(47, 48)에 자유도를 제공하는 지지 스프링(49)이 또한 존재할 수 있다. 따라서, 또한 스프링(41, 42)이 1차 운동에 참여한다. 그러나, 본 발명에 따른 해결책에서, 도면에 따라 z 방향에서의 고정된 검출 빗살 구조체(47, 48)는 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 1차 운동은 공통 모드 신호에 의해 대향 배치된 여기 빗살 구조체(43)에 의해 정전기식으로 활성화되고, 이는 검출 빗살 구조체(44)에 의해 차동적으로 검출된다. 중심 회전 질량체(34)는 z축 주위의 표면 평면에서 여기 프레임 구조체(32, 33)에 의해 동기화되어 진동하고, 동시에 서로에 대해 반대 위상에서 여기 프레임 구조체(32, 33)의 이동을 결합한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 3개의 질량체(34 내지 36)로 구성된 결합된 진동기가 x축에 대해 회전될 때, y축에 대한 회전 이동이 질량체(34 내지 36)에 영향을 미치는 코리올리 힘에 의해 그 각속도를 갖는 위상에서 중심 회전 질량체(34) 내에 발생되고, 이는 회전 질량체(34)의 비틀림 진동을 발생시킨다. 회전 질량체(34)의 진동의 크기 및 위상은 부분적으로는 검출 자유도를 제공하는 스프링(28, 30, 31)에 의해 부분적으로 검출되고, 이 스프링은 이 모드에 대해 적합하게 연성으로 치수 설정되어 모드 공진이 질량체(34 내지 36)의 공통 1차 운동보다 통상적으로 약간 높은 적합한 주파수에 있게 된다. 발생된 진동은 회전 질량체(34)의 상부에서 전극(39, 40)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다. 이들 전극(37 내지 40)은 예를 들어 커버 웨이퍼의 내부면 상의 금속 박막으로서 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 3개의 질량체(34 내지 36)로 구성된 결합된 진동기가 y축에 대해 회전될 때, 그 회전시에 회전 질량체(34)는 속도를 갖는 위상에서 x축에 대해 모멘트를 경험하고, 이 모멘트는 동일한 x축에 대해 2차 진동을 발생시킨다. 이 운동에서, 스프링(29 내지 31)은 그 부분 상에서 진동의 진폭 및 위상을 결정하는 그 부분에 대해 비틀림 모드로 비틀린다. 발생된 진동은 회전 질량체(34)의 상부에 위치된 전극(37, 38)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다.
1차 운동 시에 진동하는, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서의 3개의 질량체(34 내지 36)로 구성된 결합된 진동기가 표면 평면에 수직인 z축에 대해 회전될 때, 반대 방향으로 이동하는 선형 질량체(35, 36)는 x축 방향에서 반대 방향의 코리올리 힘을 경험한다. 이 운동에서, 그 부분 상에서의 z축 방향에서의 검출 스프링(45, 46, 49)은 발생된 진동의 진폭 및 위상을 결정한다. z 방향에서의 이 검출 진동은 질량체 내부의 용량성 빗살 구조체(47, 48)에 의해 차동적으로 검출된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서에서, z 방향에서의 이중 차동 검출은 특히 기계적 간섭에 불감성인데, 이는 타격 및 동요에 의해 발생되는 선형 가속도 및 각가속도가 차동 검출에서 상쇄되기 때문이다.
도 5는 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 도시된 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는, 스프링(28, 29)에 의해 지지 구조체(19)에 중심에서 지지되고 스프링(30, 31)에 의해 여기 프레임 구조체(50, 51)에 X축 방향에서 지지된 회전 질량체(34)를 포함한다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는, 스프링에 의해 여기 프레임 구조체(50, 51)에 X축 방향에서 지지된 선형 질량체(52, 53)를 추가로 포함한다. 상기 여기 프레임 구조체(50, 51)는 굽힘 스프링(24 내지 27)에 의해 센서를 둘러싸는 프레임 구조체(23)에 Y축 방향에서 지지된다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 지지 구조체(21)에 지지된 용량성 z 방향 검출 빗살 구조체(54, 55), 여기 프레임 구조체(50, 51)에 연결된 여기 빗살 구조체, 및 검출 빗살 구조체를 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 특히 SOI형 웨이퍼 재료(SOI, 실리콘 온 절연체)로부터 구현되는데 적합하다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 구조체는 웨이퍼 및/또는 커버 웨이퍼의 기판층에 지지 구조체(19, 21)에서 지지되고, 추가로 구조체를 둘러싸는 프레임 구조체(23)가 구조체 상의 가스 공간을 밀봉하는 커버 웨이퍼 및 기판층의 모두에 연결된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 결합된 구조체의 1차 운동은 선형 이동 여기 프레임 구조체(50, 51)의 굽힘 스프링(24 내지 27), 회전 질량체(34)의 스프링(28, 29) 및 질량체들을 서로 결합하는 스프링(30, 31)에 의해 결정된다. 회전 질량체(34)는 중심에서 z축 주위의 표면 평면에서 여기 프레임 구조체(50, 51)에 의해 동기화되어 진동하고, 동시에 서로에 대해 반대 위상에서 여기 프레임 구조체(50, 51)의 이동을 결합한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 3개의 질량체(34, 52, 53)로 구성된 설명된 결합된 진동기가 x축에 대해 회전될 때, y축에 대한 회전 모멘트가 그 속도를 갖는 위상에서 중심 회전 질량체(34) 내로 질량체(34, 52, 53)에 영향을 미치는 코리올리 힘에 의해 발생되고, 이 모멘트는 회전 질량체(34)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 회전 질량체(34)의 진동의 크기 및 위상은 그 부분에 대해 검출 자유도를 제공하는 스프링(28, 30, 31)에 의해 결정되고, 이 스프링은 이 모드에서 적합하게 연성으로 치수 설정되어 모드 공진이 질량체(34)의 1차 운동보다 통상적으로 약간 높은 적합한 주파수에 있게 된다. 발생된 진동은 회전 질량체(34)의 전극에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 3개의 질량체(34, 52, 53)로 구성된 설명된 결합된 진동기가 y축에 대해 회전될 때, 회전 질량체(34)는 그 회전시에 x축에 대한 속도를 갖는 위상에서 모멘트를 경험하고, 이 모멘트는 동일한 x축에 대해 2차 진동을 발생시킨다. 이 이동에서, 스프링(29 내지 31)은 그 회전시에 그 부분에 대해 진동의 크기 및 위상을 결정하는 비틀림 모드에서 비틀린다. 발생된 진동은 회전 질량체(34)의 전극에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 마이크로-기계식 각속도 센서의 1차 운동시에 진동하는 3개의 질량체(34, 52, 53)로 구성된 설명된 결합된 진동기가 표면 평면에 수직인 z축에 대해 회전될 때, 반대 방향으로 이동하는 선형 질량체(52, 53)는 x축 방향에서 반대 코리올리 힘을 경험한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 대안적인 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 질량체 내부의 z 방향의 용량성 검출 빗살 구조체(54, 55)는 1차 운동 방향에서 질량체와 함께 이동하도록 허용된다. 3개의 축을 갖는 대안적인 마이크로-기계식 각속도 센서에서, z 방향에서 발생된 검출 진동은 용량성 빗살 구조체(54, 55)에 의해 차동적으로 검출된다. 검출 빗살의 1차 운동으로부터 발생된 구적 신호(quadrature signal)는 차동 청취에서 상쇄된다. 설명된 대안적인 구조체는 덜 공간 소모적이고, 동일한 구조체 크기에서 더 큰 신호를 가능하게 한다.
도 6은 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 도시된 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는, 스프링(65, 66)에 의해 지지 구조체(56)에 중심에서 지지되고 스프링(67, 68)에 의해 여기 프레임 구조체(69, 70)에 X축 방향에서 지지된 중심 질량체(71)를 포함한다. 중심 질량체(71)는 전극(76, 77)을 추가로 포함한다. 3개의 축을 갖는 도시된 각속도 센서는 스프링에 의해 여기 프레임 구조체(69, 70)에 지지된 측방향 질량체(72, 73)를 추가로 또한 포함한다. 측방향 질량체(72, 73)는 전극(78, 79)을 추가로 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(84, 85)에 의해 여기 프레임 구조체(69, 70)에 X축 방향으로 지지된 선형 질량체(74, 75)를 포함한다. 상기 여기 프레임 구조체(69, 70)는 굽힘 스프링(61 내지 64)에 의해 프레임 구조체(60)에 Y축 방향에서 지지된다. 또한, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(80, 81)에 의해 여기 프레임 구조체(69, 70)에 지지된 용량성 빗살 구조체(86, 87), 여기 프레임 구조체(69, 70)에 부착된 여기 빗살 구조체(82), 검출 빗살 구조체(83), 지지 스프링 및 지지 구조체(57 내지 59)를 포함한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 SOI형 웨이퍼 재료(SOI, 실리콘 온 절연체)로부터 구현되는데 특히 적합하다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 구조체는 커버 웨이퍼 및/또는 웨이퍼의 기판층에 지지 구조체(56 내지 59)에서 지지되고, 추가로 구조체를 둘러싸는 프레임 구조체(60)는 또한 기판층과 가스 공간을 밀봉하는 구조체 상의 커버 웨이퍼의 모두에 연결된다.
본 발명에 다른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 결합된 구조체의 1차 운동은 선형 이동 여기 프레임 구조체(69, 70)의 굽힘 스프링(61 내지 64), 중심 질량체(71)의 스프링(65, 66) 및 질량체들을 서로 결합하는 스프링(67, 68)에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 선형 질량체(74, 75) 내부에는, 지지 구조체(58)에 부착된 스프링 구조체(80, 81)가 또한 존재할 수 있고, 이 스프링 구조체는 z 방향에서의 각속도를 검출하는 검출 빗살 구조체(86, 87)의 1차 모드 운동을 방지한다. 따라서, 이들 스프링(80, 81)은 또한 1차 운동에 참여한다. 그러나, 본 발명에 따른 해결책에서, 도면에 따른 z 방향에 대한 고정된 검출 빗살 구조체(86, 87)는 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 1차 운동은 대향 여기 빗살 구조체(82)에 의해 공통 모드 신호에 의해 정전기식으로 활성화되고, 이는 검출 빗살 구조체(83)에 의해 차동적으로 검출된다. 각속도 센서의 중심 질량체(71)는 z축 주위의 표면 평면에서 여기 프레임 구조체(69, 70)에 의해 동기화되어 진동하고, 동시에 여기 프레임 구조체(69, 70)의 운동을 반대 위상에서 서로에 대해 결합한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 5개의 결합된 질량체(71 내지 75)로 구성된 진동기가 y축에 대해 회전될 때, 질량체(71 내지 75)에 영향을 미치는 코리올리 힘은 x축에 대해 그 속도를 갖는 위상에서 중심 질량체(71)에 회전 모멘트를 발생시키고, 이 회전 모멘트는 중심 질량체(71)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 중심 질량체(71)의 진동의 크기 및 위상은 스프링(66, 67, 68)에 의해 결정되고, 이 스프링들은 검출 자유도를 제공하고 이 모드에 대해 적합하게 연성으로 치수 설정되어 모드의 진동이 1차 운동보다 통상적으로 약간 높은 적합한 주파수에 있게 된다. 발생된 진동은 회전 질량체(71)의 상부의 전극(76, 77)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다. 이들 전극(76, 77)은 통상적으로 커버 웨이퍼의 하부면 상에 적층된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 5개의 결합된 질량체(71 내지 75)로 구성된 진동기가 x축에 대해 회전될 때, 비틀림 스프링 현수된 측방향 질량체(72, 73)는 그 회전시에 그 속도를 갖는 위상에서 z축 방향에서 코리올리 힘을 경험하고, 이 힘은 반대 위상의 y축에 대해 이들에 비틀림 진동을 발생시킨다. 발생된 진동은 측방향 질량체(72, 73)의 상부의 전극(78 내지 79)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 5개의 결합된 질량체(71 내지 75)로 구성된 진동기가 표면 평면에 수직인 z축에 대해 회전될 때, 반대 방향으로 이동하는 선형 질량체(74, 75)는 x축 방향에서 반대 방향으로 코리올리 힘을 경험한다. 이 운동에서, 그 부분 상에서 그 부분에 대한 z 방향에 대한 검출 스프링(84, 85)은 발생된 진동의 진폭 및 위상을 결정한다. 이 z 방향 검출 진동은 질량체 내부의 용량성 빗살 구조체(86, 87)에 의해 차동적으로 검출된다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 2 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서 내의 z 방향에서의 이중 차동 검출은, 타격 및 진동으로부터 발생된 선형 가속도 및 각가속도가 차동 검출에서 상쇄되기 때문에 기계적 간섭에 특히 불감성이다. 설명된 제 2 대안적인 구조체의 장점은 공간의 더 효율적인 사용 및 질량체의 더 양호한 모드의 분리이다.
도 7은 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 도시된 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는, 스프링(28, 29)에 의해 지지 구조체(19)에 중심에서 지지되고 스프링(30)에 의해 여기 프레임 구조체(32)에 X축 방향에서 지지된 회전 질량체(34)를 포함한다. 회전 질량체(34)는 전극(37 내지 40)을 추가로 포함한다. 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(45, 46)에 의해 여기 프레임 구조체(32)에 X축 방향에서 지지된 선형 질량체(35)를 추가로 포함한다. 상기 여기 프레임 구조체(32)는 굽힘 스프링(24, 25)에 의해 센서의 에지를 형성하는 프레임 구조체(23)에 Y축 방향으로 지지된다. 또한, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(41, 42)에 의해 여기 프레임 구조체(32)에 지지된 용량성 빗살 구조체(47, 48), 여기 프레임 구조체(32)에 부착된 여기 빗살 구조체(43), 검출 빗살 구조체(44), 본체에 부착된 지지 스프링(49) 및 지지 구조체(20 내지 22)를 포함한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 SOI형 웨이퍼 재료(SOI, 실리콘 온 절연체)로부터 구현되는데 특히 적합하다. SOI 웨이퍼에서, 지지 구조체(19 내지 22)는 예를 들어 산화물과 같은 절연층에 의해 기판층에 부착될 수 있고, 동시에 이동 구조체는 이들 영역으로부터 산화물을 선택적으로 에칭함으로써 기판으로부터 자유롭게 될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 구조체는 구조체 상의 가스 공간을 밀봉하는 커버 웨이퍼 및/또는 웨이퍼의 기판층에 지지 구조체(19 내지 22)에서 지지되고, 이에 추가하여 구조체를 둘러싸는 프레임 구조체(23)는 기판층 및 커버의 모두에 부착된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 결합된 구조체의 1차 운동은 선형 이동 여기 프레임 구조체(32)의 굽힘 스프링(24, 25), 회전 질량체(34)의 스프링(28, 29), 및 질량체들을 서로 결합하는 스프링(30)에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 선형 질량체(35) 내부에는, 검출 빗살 구조체(47, 48)에 부착되어 z 방향에서 각속도를 검출하는 검출 빗살 구조체(47, 48)의 1차 모드 운동을 방지하는 스프링 구조체(41, 42)와, 추가로 본체에 부착되어 그 부분 상에서 검출될 2차 운동의 방향에서 검출 빗살 구조체(47, 48)에 자유도를 제공하는 지지 스프링(49)이 또한 존재할 수 있다. 따라서, 또한 스프링(41, 42)은 1차 운동에 참여한다. 그러나, 본 발명에 따른 해결책에서, 도면에 따른 z 방향에 대한 고정된 검출 빗살 구조체(47, 48)는 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 1차 운동은 여기 빗살 구조체(43)에 의해 정전기식으로 활성화되고, 이는 검출 빗살 구조체(44)에 의해 검출된다. 회전 질량체(34)는 z축 주위에서 표면 평면에서 여기 프레임 구조체(32)에 의해 동기화되어 진동한다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 마이크로-기계식 센서의 표면 평면에서 진동하는 2개의 질량체들(34,35)로 구성되는 도시된 결합 진동체들이 x축에 대해 회전될 때, 질량체(34, 35)에 영향을 미치는 코리올리 힘은 y축에 대해 그 속도를 갖는 위상에서 회전 질량체(34)에 회전 모멘트를 발생시키고, 이 모멘트는 회전 질량체(34)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 회전 질량체(34)의 진동의 크기 및 위상은 그 부분 상에서 검출 자유도를 제공하는 스프링(28, 30)에 의해 결정되고, 이 스프링은 이 모드에 대해 적합하게 연성으로 치수 설정되어 모드 공진이 질량체(34, 35)의 공통의 1차 운동보다 통상적으로 약간 높은 적합한 주파수에 있게 된다. 발생된 진동은 회전 질량체(34)의 상부의 전극(39, 40)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다. 이들 전극(37 내지 40)은 예를 들어 커버 웨이퍼의 내부면 상의 금속 박막으로서 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 마이크로-기계식 센서의 표면 평면에서 진동하는 2개의 질량체(34, 35)로 구성된 도시된 결합된 진동기가 y축에 대해 회전될 때, 질량체(34)는 그 부분 상에서 그 속도를 갖는 위상에서 x축에 대해 모멘트를 경험하고, 이 모멘트는 동일한 x축에 대해 2차 진동을 발생시킨다. 이 운동에서, 스프링(29, 30)은 그 부분 상에서, 그 부분에 대해 진동의 크기 및 위상을 결정하는 비틀림 모드에서 비틀린다. 발생된 진동은 회전 질량체(34) 상의 전극(37, 38)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 마이크로-기계식 센서의 1차 운동시에 진동하는 2개의 질량체(34, 35)로 구성된 결합된 진동기가 표면 평면에 수직인 z축에 대해 회전될 때, 선형 이동 질량체(35)는 x축 방향에서 속도를 갖는 위상에서 진동하는 코리올리 힘을 경험한다. 발생된 운동에서, 발생된 진동의 크기 및 위상은 그 부분에 대해 z 방향 검출 스프링(45, 46, 49)에 의해 결정된다. 이 z 방향 검출 진동은 질량체 내부에 위치된 용량성 빗살 구조체(47, 48)에 의해 차동적으로 검출된다.
본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 제 3 대안적인 마이크로-기계식 센서에서, z 방향에서의 단일의 단부 검출은, 심지어 타격 및 진동에 의해 발생된 선형 가속도가 질량체(35)를 변위시킬 수 있기 때문에 기계적 간섭에 특히 민감하다. 이 구현예의 최대 장점은 이에 따라 극히 소형 크기 및 간단한 즉시 구현되는 구조체이다.
설명된 예시적인 구조체에 추가하여, 본 발명에 따른 3개의 축을 갖는 각속도 센서의 다수의 수정예가 본 발명의 범주 내에서 제시될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 기능 구조의 다이어그램을 도시한다. 본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 도시된 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는, 스프링(28, 29)에 의해 지지 구조체(19)에 중심에서 지지되고 스프링(30)에 의해 여기 프레임 구조체(32)에 X축 방향에서 지지된 회전 질량체(71)를 포함한다. 회전 질량체(71)는 추가로 전극(76, 77)을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(45, 46)에 의해 여기 프레임 구조체(32)에 X축 방향에서 지지된 선형 질량체(35)를 포함한다. 상기 여기 프레임 구조체(32)는 굽힘 스프링(24, 25)에 의해 센서의 에지를 형성하는 프레임 구조체(23)에 Y축 방향에서 지지된다. 또한, 본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 스프링(41, 42)에 의해 여기 프레임 구조체(32)에 지지된 용량성 빗살 구조체(47, 48), 여기 프레임 구조체(32)에 연결된 여기 빗살 구조체(43), 검출 빗살 구조체(44), 본체에 부착된 지지 스프링(49), 및 지지 구조체(20 내지 22)를 포함한다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서는 특히 SOI형 웨이퍼 재료(SOI, 실리콘 온 절연체)로부터 구현되는데 적합하다. SOI 웨이퍼에서, 지지 구조체(19 내지 22)는 예를 들어 산화물과 같은 절연막을 갖는 기판층에 부착될 수 있고, 동시에 이동 구조체는 이들 영역으로부터 산화물을 선택적으로 에칭함으로써 기판으로부터 자유롭게 될 수 있다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서의 구조체는 구조체 상의 가스 공간을 밀봉하는 커버 웨이퍼 및/또는 웨이퍼의 기판층에 지지 구조체(19 내지 22)에서 지지되고, 이에 추가하여 또한 구조체를 둘러싸는 프레임 구조체(23)가 기판층 및 커버의 모두에 부착된다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 결합된 구조체의 1차 운동은 선형 이동 여기 프레임 구조체(32)의 굽힘 스프링(24, 25), 회전 질량체(71)의 스프링(28, 29), 및 질량체들을 서로 결합하는 스프링(30)에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 선형 질량체(35) 내부의 검출 빗살 구조체(47, 48)에 부착되어 z 방향에서의 각속도를 검출하는 검출 빗살 구조체(47, 48)의 1차 모드에서의 운동을 방지하는 스프링 구조체(41, 42)와, 또한 본체에 부착되어 그 부분에 대해 검출될 2차 운동의 검출시에 검출 빗살 구조체(47, 48)에 자유도를 제공하는 지지 스프링(49)이 또한 존재할 수 있다. 따라서, 또한 스프링(41, 42)은 1차 운동에 참여한다. 그러나, 본 발명에 따른 해결책에서, 도면에 따른 z 방향에서의 고정된 검출 빗살 구조체(47, 48)는 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 1차 운동은 여기 빗살 구조체(43)에 의해 정전기식으로 활성화되고, 이는 검출 빗살 구조체(44)에 의해 검출된다. 회전 질량체(71)는 x축 주위의 표면 평면에서 여기 프레임 구조체(32)에 의해 동기화되어 진동한다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서의 표면 평면에서 진동하는 2개의 질량체(35, 71)로 구성된 도시된 결합된 진동기가 y축에 대해 회전될 때, 질량체(35, 71)에 영향을 미치는 코리올리 힘은 그 속도를 갖는 위상에서 회전 질량체(71)에 x축에 대한 회전 모멘트를 발생시키고, 이 모멘트는 회전 질량체(71)에 비틀림 진동을 발생시킨다. 회전 질량체(71)의 진동의 크기 및 위상은 그 부분에 대해 검출 자유도를 제공하는 스프링(29, 30)에 의해 결정되고, 이 스프링은 이 모드에 대해 적합하게 연성으로 치수 설정되어 모드의 공진이 질량체(35, 71)의 공통의 1차 운동보다 통상적으로 약간 높은 적합한 주파수에 있게 된다. 발생된 진동은 회전 질량체(71)의 상부에서 전극(76, 77)에 의해 용량적으로 차동적으로 검출될 수 있다. 이들 전극은 예를 들어 커버 웨이퍼의 내부면 상의 금속 박막으로서 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서의 1차 운동에서 진동하는 2개의 질량체(35, 71)로 구성된 도시된 결합된 진동기가 표면 평면에 수직인 z축에 대해 회전될 때, 선형으로 이동하는 질량체(35)는 x축 방향에서 속도를 갖는 위상으로 진동하는 코리올리 힘을 경험한다. 발생된 운동에서, 이들의 부분을 위한 검출 스프링(45, 46, 49)은 발생된 진동의 진폭 및 위상을 결정한다. z 방향에서의 이 검출 진동은 질량체의 내부에 위치된 용량성 빗살 구조체(47, 48)에 의해 차동적으로 검출된다.
본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 심지어 타격 및 진동으로부터 발생하는 선형 가속도가 질량체(35)를 변위시킬 수 있기 때문에, z 방향에서의 단일 단부 검출은 특히 기계적 간섭에 민감하다. 이 구현예의 최대 장점은 따라서 용이하게 구현되는 극히 소형 크기 및 간단한 구조이다.
설명된 예시적인 구조체에 추가하여, 본 발명에 따른 2개의 축을 갖는 각속도 센서의 다수의 수정예가 본 발명의 범주 내에서 제시될 수 있다.
본 발명에 따른 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에서, 종래 기술에 따른 센서 구조체와 비교하여 가장 중요한 장점은 결합된 질량체의 다수의 자유도를 갖는 1차 운동에 기인하는 현저하게 비용 효율적인 구조이다. 동시에, 차동 검출에 기인하여, 센서는 외부 기계적 간섭으로의 결합에 불감성이도록 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 진동 각속도 센서는 또한 운동의 정확하게 고려된 방향에 의해 극히 큰 신호 레벨을 가능하게 한다. 예를 들어, 회전 질량체의 대형 크기 및 관성 모멘트는 질량체의 하부 또는 상부에 위치된 대형 전극에 의해 효율적으로 이용될 수 있다.
19: 지지 구조체 20 내지 22: 지지 구조체
24 내지 27: 굽힘 스프링 28, 29: 스프링
30, 31: 스프링 32, 33: 여기 프레임 구조체
34: 회전 질량체 35, 36: 선형 질량체
37 내지 40: 전극 41, 42: 스프링 구조체
43: 여기 빗살 구조체 44: 검출 프레임 구조체
45, 46: 스프링 47, 48: 용량성 빗살 구조체
49: 지지 스프링 50, 51: 여기 프레임 구조체
52, 53: 선형 질량체 54, 55: z 방향 검출 빗살 구조체
56: 지지 구조체 60: 프레임 구조체
65, 66: 스프링 67, 68: 스프링
69, 70: 여기 프레임 구조체 71: 중심 질량체
72, 73: 측방향 질량체 74, 75: 선형 질량체
76, 77: 전극 80, 81: 스프링
82: 여기 빗살 구조체 83: 검출 빗살 구조체

Claims (16)

  1. 지지 구조체들(19 내지 22, 56 내지 59) 및/또는 스프링 구조체들(24 내지 29, 49, 61 내지 66)에 의해 현수된(suspended) 적어도 2개의 진동 질량체들(seismic masses; 34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)과, 상기 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)을 서로 결합하는 스프링 구조체들(30 내지 31, 67 내지 68)을 포함하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서에 있어서,
    상기 각속도 센서는 상기 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)의 전극들(37 내지 40, 76 내지 79) 및/또는 상기 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)과 연계하여 부착된 검출 빗살 구조체들(detection comb structures; 44, 47 내지 48, 54 내지 55, 83, 86 내지 87)에 의해 2개 또는 3개의 축들에 대한 각속도를 측정하도록 구성되고,
    상기 각속도 센서의 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)은 공통 모드에 의해 1차 운동 진동(primary motion vibration)으로 활성화되도록 구성되고,
    상기 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)은 적어도 하나의 선형 질량체(35 내지 36, 52 내지 53, 72 내지 75)와 적어도 하나의 회전 질량체(34, 71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 각속도 센서는 적어도 하나의 여기(excitation) 프레임 구조체(32 내지 33, 50 내지 51, 69 내지 70)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)는 스프링들(30 내지 31, 45 내지 46, 67 내지 68, 84 내지 85)에 의해 여기 프레임 구조체들(32 내지 33, 50 내지 51, 69 내지 70)에 지지되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 각속도 센서는 여기 빗살 구조체들(excitation comb structures; 43, 82)를 추가로 포함하고, 상기 여기 빗살 구조체들(43, 82)은 공통 모드 신호에 의해 상기 적어도 2개의 진동 질량체들(34 내지 36, 52 내지 53, 71 내지 75)을 1차 운동으로 활성화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  7. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 검출 빗살 구조체들(44, 47 내지 48, 54 내지 55, 83, 86 내지 87)는 상기 1차 운동을 차동적으로(differentially) 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 회전 질량체(34, 71)는 상기 여기 프레임 구조체들(32 내지 33, 50 내지 51, 69 내지 70)에 의해 동기화되고 z축 주위의 표면 평면 내의 1차 운동시에 진동하도록(oscillate) 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  9. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 회전 질량체(34, 71)는 상기 여기 프레임 구조체들(32 내지 33, 50 내지 51, 69 내지 70)의 운동들을 반대 위상에서 서로 결합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  10. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 선형 질량체들(35 내지 36, 52 내지 53, 72 내지 75) 내부에는, 지지 구조체들(21, 58)에 부착된 스프링 구조체들(41 내지 42, 80 내지 81)이 존재하고, 이 스프링 구조체들은 z 방향에서의 각속도를 검출하는 상기 검출 빗살 구조체들(47 내지 48, 86 내지 87)의 1차 모드에서의 운동을 방지하는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  11. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전극들(37 내지 40, 76 내지 79)은 x축에 대해 상기 각속도 센서를 회전시킴(turning)으로써 발생된 진동을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  12. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전극들(37 내지 40, 76 내지 79)은 y축에 대해 상기 각속도 센서를 회전시킴(turning)으로써 발생된 진동을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  13. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 검출 빗살 구조체들(47 내지 48, 54 내지 55, 86 내지 87)은 z축에 대해 상기 각속도 센서를 회전시킴(turning)으로써 발생된 진동을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  14. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각속도 센서는 SOI 타입(SOI, 실리콘 온 절연체(Silicon on Insulator))의 웨이퍼 재료로부터 구현되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  15. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각속도 센서의 구조체는 지지 구조체들(19 내지 22, 56 내지 59)에서 기판, 또는 커버, 또는 기판 및 커버에 지지되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 센서의 프레임 구조체(23, 60)는 상기 각속도 센서의 구조체 위에 가스 공간 밀봉 커버 및 기판 모두에 부착되는 것을 특징으로 하는 진동 마이크로-기계식 각속도 센서.
KR1020107025612A 2008-04-16 2009-04-08 진동 마이크로-기계식 각속도 센서 KR101641066B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20085314A FI122397B (fi) 2008-04-16 2008-04-16 Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
FI20085314 2008-04-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110011625A KR20110011625A (ko) 2011-02-08
KR101641066B1 true KR101641066B1 (ko) 2016-07-21

Family

ID=39385942

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107025612A KR101641066B1 (ko) 2008-04-16 2009-04-08 진동 마이크로-기계식 각속도 센서

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8176779B2 (ko)
EP (1) EP2269001B1 (ko)
JP (1) JP5620903B2 (ko)
KR (1) KR101641066B1 (ko)
CN (1) CN102066874B (ko)
FI (1) FI122397B (ko)
HK (1) HK1158304A1 (ko)
WO (1) WO2009127782A1 (ko)

Families Citing this family (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI119895B (fi) * 2007-10-05 2009-04-30 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
DE102007054505B4 (de) 2007-11-15 2016-12-22 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor
DE102008002748A1 (de) * 2008-06-27 2009-12-31 Sensordynamics Ag Mikro-Gyroskop
DE102008043256A1 (de) * 2008-10-29 2010-05-06 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung und Sensoranordnung
JP2010190706A (ja) * 2009-02-18 2010-09-02 Panasonic Corp 慣性力センサ
DE102009001244A1 (de) * 2009-02-27 2010-09-02 Sensordynamics Ag Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse
FR2945621B1 (fr) * 2009-05-15 2011-08-26 Commissariat Energie Atomique Structure de couplage pour gyrometre resonnant
US8534127B2 (en) * 2009-09-11 2013-09-17 Invensense, Inc. Extension-mode angular velocity sensor
US9097524B2 (en) * 2009-09-11 2015-08-04 Invensense, Inc. MEMS device with improved spring system
DE102009045431A1 (de) * 2009-10-07 2011-04-14 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Struktur und Verfahren zum Betrieb einer mikromechanischen Struktur
FI124020B (fi) * 2011-03-04 2014-02-14 Murata Electronics Oy Jousirakenne, resonaattori, resonaattorimatriisi ja anturi
CN102306583B (zh) * 2011-08-31 2013-08-07 上海交通大学 三维多方向敏感的微型压力开关
US10914584B2 (en) 2011-09-16 2021-02-09 Invensense, Inc. Drive and sense balanced, semi-coupled 3-axis gyroscope
US9714842B2 (en) 2011-09-16 2017-07-25 Invensense, Inc. Gyroscope self test by applying rotation on coriolis sense mass
US8833162B2 (en) 2011-09-16 2014-09-16 Invensense, Inc. Micromachined gyroscope including a guided mass system
US9863769B2 (en) 2011-09-16 2018-01-09 Invensense, Inc. MEMS sensor with decoupled drive system
US9170107B2 (en) 2011-09-16 2015-10-27 Invensense, Inc. Micromachined gyroscope including a guided mass system
FR2985029B1 (fr) 2011-12-22 2014-10-24 Commissariat Energie Atomique Dispositif micro/nano capteur inertiel multiaxial de mouvements
CN107102170B (zh) * 2012-01-12 2019-10-15 村田电子有限公司 传感器结构矩阵、加速度传感器以及传感器单元
CN104204815B (zh) 2012-01-12 2017-05-17 村田电子有限公司 耐振动的加速度传感器结构
CN103424110B (zh) * 2012-05-15 2015-08-05 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 微型角速度传感器
US9310202B2 (en) * 2012-07-09 2016-04-12 Freescale Semiconductor, Inc. Angular rate sensor with quadrature error compensation
KR101420534B1 (ko) * 2012-12-13 2014-07-16 삼성전기주식회사 각속도 센서
CN104236536B (zh) * 2013-06-07 2016-12-28 上海矽睿科技有限公司 一种微机械三轴角速度传感器
FI126199B (en) 2013-06-28 2016-08-15 Murata Manufacturing Co CAPACITIVE MICROMECHANICAL SENSOR STRUCTURE AND MICROMECHANICAL ACCELEROMETER
FI125696B (en) * 2013-09-11 2016-01-15 Murata Manufacturing Co Gyroscope structure and gyroscope with improved quadrature compensation
FI125695B (en) * 2013-09-11 2016-01-15 Murata Manufacturing Co Improved gyroscope construction and gyroscope
EP2884229B1 (en) * 2013-09-30 2018-09-19 InvenSense, Inc. Micromachined gyroscope including a guided mass system
US9958271B2 (en) 2014-01-21 2018-05-01 Invensense, Inc. Configuration to reduce non-linear motion
FI126071B (en) * 2014-01-28 2016-06-15 Murata Manufacturing Co Improved gyroscope structure and gyroscope
CN105371834B (zh) * 2014-08-21 2018-08-31 上海矽睿科技有限公司 检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪
JP6448793B2 (ja) * 2014-11-27 2019-01-09 ゴルテック．インク ３軸ｍｅｍｓジャイロ
FI127203B (en) 2015-05-15 2018-01-31 Murata Manufacturing Co Vibrating micromechanical sensor for angular velocity
DE102015213450A1 (de) * 2015-07-17 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh MEMS Drehratensensor mit kombiniertem Antrieb und Detektion
EP3368922A1 (en) 2015-10-30 2018-09-05 ION Geophysical Corporation Ocean bottom seismic systems
DE102016213870A1 (de) * 2015-11-20 2017-05-24 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Drehratensensor und Verfahren zu dessen Herstellung
KR101673362B1 (ko) * 2015-12-14 2016-11-07 현대자동차 주식회사 가속도 센서 및 그 제조 방법
US10254134B2 (en) * 2016-08-04 2019-04-09 Apple Inc. Interference-insensitive capacitive displacement sensing
BR112021003892A2 (pt) 2018-09-13 2021-05-18 Ion Geophysical Corporation medidor de aceleração de massa, único e multidirecional
JP7188311B2 (ja) 2019-07-31 2022-12-13 セイコーエプソン株式会社 ジャイロセンサー、電子機器、及び移動体
TWI770605B (zh) * 2019-09-10 2022-07-11 昇佳電子股份有限公司 微機電陀螺儀

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006034706A1 (de) 2004-09-27 2006-04-06 Conti Temic Microelectronic Gmbh Drehratensensor

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5377544A (en) * 1991-12-19 1995-01-03 Motorola, Inc. Rotational vibration gyroscope
JP3039364B2 (ja) * 1996-03-11 2000-05-08 株式会社村田製作所 角速度センサ
JPH09318649A (ja) * 1996-05-30 1997-12-12 Texas Instr Japan Ltd 複合センサ
DE19641284C1 (de) * 1996-10-07 1998-05-20 Inst Mikro Und Informationstec Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen
JP3753209B2 (ja) * 1997-08-27 2006-03-08 アイシン精機株式会社 角速度センサ
JP2001520385A (ja) * 1997-10-14 2001-10-30 アービン・センサーズ・コーポレイション 複数要素のマイクロジャイロ
JP3399336B2 (ja) * 1997-12-22 2003-04-21 株式会社豊田中央研究所 検出器
DE19844686A1 (de) * 1998-09-29 2000-04-06 Fraunhofer Ges Forschung Mikromechanischer Drehratensensor und Verfahren zur Herstellung
JP4126833B2 (ja) * 1999-03-12 2008-07-30 株式会社デンソー 角速度センサ装置
JP3659160B2 (ja) * 2000-02-18 2005-06-15 株式会社デンソー 角速度センサ
DE10108198A1 (de) * 2001-02-21 2002-09-12 Bosch Gmbh Robert Drehratensensor
DE10108196A1 (de) * 2001-02-21 2002-10-24 Bosch Gmbh Robert Drehratensensor
JP2002296038A (ja) * 2001-03-30 2002-10-09 Mitsubishi Electric Corp 角速度センサ
US6722197B2 (en) * 2001-06-19 2004-04-20 Honeywell International Inc. Coupled micromachined structure
DE10360963B4 (de) * 2003-12-23 2007-05-16 Litef Gmbh Verfahren zur Messung von Drehraten/Beschleunigungen unter Verwendung eines Drehraten-Corioliskreisels sowie dafür geeigneter Corioliskreisel
US7377167B2 (en) * 2004-02-27 2008-05-27 The Regents Of The University Of California Nonresonant micromachined gyroscopes with structural mode-decoupling
TWI245110B (en) * 2004-11-12 2005-12-11 Ind Tech Res Inst Apparatus of micro angular motion detector and fabrication method thereof
FI116543B (fi) * 2004-12-31 2005-12-15 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
FR2888318B1 (fr) * 2005-07-05 2007-09-14 Thales Sa Capteur gyrometrique micro-usine realisant une mesure differentielle du mouvement des masses vibrantes
US20070220973A1 (en) * 2005-08-12 2007-09-27 Cenk Acar Multi-axis micromachined accelerometer and rate sensor
JP4887034B2 (ja) * 2005-12-05 2012-02-29 日立オートモティブシステムズ株式会社 慣性センサ
JP4631992B2 (ja) * 2008-01-07 2011-02-16 株式会社村田製作所 角速度センサ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006034706A1 (de) 2004-09-27 2006-04-06 Conti Temic Microelectronic Gmbh Drehratensensor

Also Published As

Publication number Publication date
EP2269001A1 (en) 2011-01-05
KR20110011625A (ko) 2011-02-08
US20090260437A1 (en) 2009-10-22
EP2269001A4 (en) 2014-04-09
HK1158304A1 (en) 2012-07-13
JP5620903B2 (ja) 2014-11-05
US8176779B2 (en) 2012-05-15
FI20085314A (fi) 2009-10-17
FI20085314A0 (fi) 2008-04-16
CN102066874B (zh) 2014-08-27
EP2269001B1 (en) 2016-11-30
FI122397B (fi) 2011-12-30
CN102066874A (zh) 2011-05-18
WO2009127782A1 (en) 2009-10-22
JP2011517781A (ja) 2011-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101641066B1 (ko) 진동 마이크로-기계식 각속도 센서
US7454971B2 (en) Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity
KR101673887B1 (ko) 진동형 마이크로-기계식 각속도 센서
US6860151B2 (en) Methods and systems for controlling movement within MEMS structures
US6561029B2 (en) Rotational rate gyroscope with decoupled orthogonal primary and secondary oscillations
FI126071B (en) Improved gyroscope structure and gyroscope
US8342023B2 (en) Coriolis gyro
US7520169B2 (en) Angular rate sensor featuring mechanically decoupled oscillation modes
EP2646773B1 (en) Apparatus and method for anchoring electrodes in mems devices
US8631700B2 (en) Resonating sensor with mechanical constraints
JP4719751B2 (ja) 角速度のための振動マイクロ−メカニカルセンサー
JP2006053152A (ja) 振動数検出を用いたマイクロジャイロメーター
JP2012519295A5 (ko)
JP2008180511A (ja) 角速度センサ
JP4291158B2 (ja) マイクロメカニカル回転速度センサ
JP2000074673A (ja) 複合運動センサ
JPH0854242A (ja) 振動ジャイロ
JPH10267663A (ja) 角速度センサ
KR101306877B1 (ko) 내부감지전극을 갖는 튜닝포크형 자이로스코프
KR100319920B1 (ko) 비대칭 내부 비틀림 짐벌을 가진 측면 구동 방식의 짐벌형 자이로스코프
JP2000310534A (ja) 角速度センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190710

Year of fee payment: 4