KR101679592B1 - 대칭형 z축 멤스 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

새로운 대칭형 z축 멤스 자이로스코프가 제공된다. 이러한 멤스 자이로스코프는, 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 센서 프레임; 상기 센서 프레임에 대해 상대적인 움직임을 가지며, 가진모드에서 1자유도로 가진되는 센서 질량체; 및 상기 센서 질량체에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해, 감지모드에서 1자유도로 상기 센서 질량체의 변위를 감지하는 적어도 1개의 감지 전극을 포함하되, 상기 센서 질량체는 2개의 질량체 유닛으로 이루어지고, 상기 2개의 질량체 유닛은 서로간에 선대칭 형태로 배치되며, 상기 2개의 질량체 유닛 사이에 직접적 또는 간접적으로 연결된 역위상 링크 기구에 의해 상기 2개의 질량체 유닛의 역위상 움직임이 유지된다.

Description

대칭형 z축 멤스 자이로스코프{Symmetrical z-axis MEMS gyroscopes}
본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 방향으로 회전하는 센서 질량체를 제2 방향으로 가진함에 의해 발생하는 코리올리 힘에 따라, 상기 센서 질량체의 움직임을 감지하는 원리를 이용한, 대칭형 z축 멤스 자이로스코프에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical systems)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 대표적인 예가 각속도를 측정하는 멤스 자이로스코프이다. 자이로스코프는 소정의 속도로 이동하는 물체에 회전각속도가 가해질 경우에 발생하는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 측정하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다.
또한, 상기 발생된 코리올리힘을 감지하기 위해, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다. 통상적으로, 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향을 가진 방향이라 하고, 자이로스코프에 회전각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다.
*상기 가진 방향과 입력방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스기술을 이용한 자이로스코프에서는, 바닥 웨이퍼 기판이 이루는 평면에 평행하며 상호 직교하는 두 방향(수평 방향 또는 x, y 방향)과 기판의 판면에 수직인 한 방향(수직방향 또는 z 방향이라 한다)으로 구성된 세 방향으로 좌표축을 설정한다.
이에 따라, 자이로스코프는 x축(또는 y축) 자이로스코프와 z축 자이로스코프로 나뉜다. x축 자이로스코프는 입력방향이 상기 수평 방향인 자이로스코프이며, y축 자이로스코프는 상기 x축 자이로스코프와 평면 상에서 수직 방향의 축을 기준으로 하지만 원리면에서는 실질적으로 동일하다. 따라서, x축 및 y축 자이로스코프는 통칭하여 x-y축 자이로스코프라고 불린다. 한편, z형 자이로스코프를 이용하여 수직 방향으로 가해지는 각속도를 측정하기 위해서는, 가진은 평면 상의 일축 방향으로 이루어지고, 감지는 상기 상기 평면 상에서 상기 일축에 수직인 방향으로 이루어져야 한다. 따라서 가진 전극과 감지 전극이 모두 동일한 바닥 웨이퍼에 위치한다.
도 1은 종래의 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평 가진 및 1자유도 수평 감지 기능을 갖는 z축 멤스 자이로스코프를 보여주는 모식도이다. 여기서, 자이로 웨이퍼 내에는 프레임(2)과 센서(4)가 구비되어 있으며, 센서(4)는 프레임(2)과 스프링(kdx) 및 감쇠기(cdx)에 의해 연결되고, 센서 질량체(ms)는 스프링(ksy) 및 감쇠기(csy)에 의해 센서(4)에 연결된 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 멤스 기반의 자이로스코프 내부에는 진동하는 센서 질량체(ms)가 있으며, 외부에서 가진방향(x)에 수직인 z축을 중심으로 각속도가 인가되면, 센서 질량체에는 가진방향(x)과 그 수직축(z)이 이루는 평면에 수직인 제3의 방향(y)으로 코리올리힘(Fc=2mΩ×ωAsinωt)이 작용하고, 코리올리힘에 의하여 변동하는 센서 질량체(ms)의 변위의 크기를 감지한다. 여기서 ms은 센서 질량체의 질량이고, Ω는 외부 각속도이며, ω(=2πf)는 센서 질량체에 대한 가진주파수이며, A는 센서에 대한 가진진폭(driving amplitude)이며, t는 시간이다. 멤스 기반의 자이로스코프의 성능 감도는 단위각속도 대비 코리올리힘(Fc/Ω=2πmfA)으로 정의되므로, 설계단계에서 센서의 질량 m을 크게 하거나, 또는 센서에 대한 가진주파수 f를 크게 하거나, 또는 가진진폭 A을 크게 해야 한다.
종래의 도 1 과 같은 z축 자이로스코프에서 센서의 최대 가진진폭 A는, 도 2와 같은 주파수응답곡선의 가진 공진주파수에서 나타나므로 센서에 대한 가진주파수 f를 센서의 가진 공진주파수 fd와 일치시킬 필요가 있다. 또한, 센서의 감지진폭 As는, 센서에 대한 가진 공진주파수 fd를 센서의 감지 공진주파수 fs에 얼마나 가깝게 접근시켰는지, 즉 주파수매칭의 정도에 의해 결정된다. 또한, 센서 가진진폭 Ad는, 기계적 가진시스템의 정적변형에 대한 최대진폭비 Qd(Quality factor)에 비례하여 커지고, 센서 감지진폭 As는, 기계적 감지시스템의 정적변형에 대한 최대진폭비 Qs(Quality factor)에 비례하여 또한 커진다. 따라서, 이러한 Qd 또는 Qs를 동시에 크게 하기 위하여 프레임과 센서 등 기계적 가진/감지 시스템에 대한 진공 중 밀폐포장 후에 동작시키는 것이 일반적이다.
한편, 코리올리힘에 의해 생긴 센서 질량체의 움직임의 크기는 센서 질량체와 고정감지 전극 사이의 전기적 정전용량 C(Capacitance)의 변동을 측정하여 산출한다. 고정 감지 전극에서 출력되는 감지신호에는, 감지신호에 비하여 상대적으로 큰 가진전압에 의해 발생하는 기생정전용량이 잡음으로 포함되는 것을 피할 수 없다. 따라서, 도 1의 z축 자이로스코프와 같이 가진 및 감지 시스템이 각각 1자유도를 가지는 자이로스코프 센서에서 전체적인 감도는, 도 2 에서 보듯이, 센서 질량체에 대한 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd와의 주파수매칭의 정도(fs와 fd의 차이), 둘째, 가진 감지 시스템 각각에 대한 최대진폭비 Q, 그리고 센서의 출력신호와 기생정전용량에 의한 잡음 사이의 비, 즉 신호대잡음비에 의해 결정된다.
결론적으로 센서의 가진 공진주파수 fd를 감지 공진주파수 fs에 가깝게 일치시킬수록, 각속도에 대한 전체 감도를 극대화할 수 있다. 그러나 fd를 fs 근처에 접근시켜 가능한 최대의 감지진폭 As를 얻으려는 시도는, 멤스 기반의 자이로스코프 구조물에 대한 미세가공 공정오차 때문에 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd가 각각 민감하게 변하는 문제로 인해, 제조과정에서 웨이퍼 내 개별적인 칩에 대한 감지진폭 As의 편차가 커지는 결과로 나타나고, 이는 결국 생산 수율을 크게 떨어뜨리는 요인이 된다.
한편, 멤스 자이로스코프와 같은 초소형 정밀 기기는 외부 노이즈나 제조 공정 오차에 민감하기 때문에 시스템의 강인성 내지 안정성은 매우 중요한 고려 요소이다. 그러나, z축 자이로스코프에 있어서 도 1과 같이 하나의 질량체를 사용한다면, 이러한 강인하고 안정된 구조를 가지기 어렵다. 이러한 문제의 해결책으로서 y축 방향(감지 방향)으로 동일한 2개의 질량체를 서로 간에 선대칭 구조로 배치하고(역방향 배치), 감지 모드에서의 움직임도 서로 역위상을 갖는(역위상 진동) z축 멤스 자이로스코프가 알려져 있다. 만약, 상기 2개의 질량체가 감지 모드에서 완전한 역위상이 보장된다면, 제조 공정의 오차나 외부의 노이즈로 인한 오류가 그 대칭성으로 인해 상쇄됨으로써 멤스 자이로스코프의 정확성이 제고될 것이다.
그러나, 전술한 바와 같이, 멤스 자이로스코프가 완전한 역위상 구조 및 역위상 진동을 갖는 것을 목표로 설계되더라도, 실제로는 가진 전극의 가진이 완전한 역위상을 갖지 않거나, 설령 완전한 역위상으로 가진한다고 하더라도 여러가지 제조 공정의 오차나 외부 노이즈 등으로 인해 감지 모드에서 완전한 역위상 움직임을 보장하기는 쉽지 않다.
따라서, 2개의 질량체를 갖는 대칭형 z축 멤스 자이로스코프에 있어서, 제조가 용이할 뿐만 아니라, 가진 모드 또는 감지 모드에서 완전한 역위상을 보장할 수 있는 구조를 고안할 필요성이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가진 모드 또는 감지 모드에서 완전한 역위상을 보장할 수 있는 대칭형 z축 멤스 자이로스코프를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조가 용이하면서도 외부 노이즈에 강인한 대칭형 z축 멤스 자이로스코프를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 z축 멤스 자이로스코프는, 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 센서 프레임; 상기 센서 프레임에 대해 상대적인 움직임을 가지며, 가진모드에서 1자유도로 가진되는 센서 질량체; 및 상기 센서 질량체에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해, 감지모드에서 1자유도로 상기 센서 질량체의 변위를 감지하는 적어도 1개의 감지 전극을 포함하되, 상기 센서 질량체는 2개의 질량체 유닛으로 이루어지고, 상기 2개의 질량체 유닛은 서로간에 선대칭 형태로 배치되며, 상기 2개의 질량체 유닛 사이에 직접적 또는 간접적으로 연결된 역위상 링크 기구에 의해 상기 2개의 질량체 유닛의 역위상 움직임이 유지된다.
본 발명에 따른 대칭형 z축 멤스 자이로스코프에 의하면, 가진 모드 또는 감지 모드에서 완전한 역위상이 보장되기 때문에 미세 공정 오차나 외부 노이즈에 대해 어느 정도 강인한 성능을 부여할 수 있다.
이러한 강인성의 제공은 통합된 자이로 웨이퍼 가공 공정으로 제조될 수 있는 간단한 멤스 구조물을 통해 구현되므로, 특별한 추가 공정이나 비용이 발생되지 않는다는 장점이 있다.
도 1은 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평 가진 및 1자유도 수평 감지 기능을 갖는 z축 멤스 자이로스코프를 보여주는 모식도이다.
도 2는, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수평가진 및 수평감지 되는 z축 자이로스코프의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 z축 멤스 자이로스코프의 A-A'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는, 도 7의 실시예에 따른 z축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼와 연결되는 다수의 앵커들, 바닥 웨이퍼의 실리콘 관통전극 및 밀폐벽을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 10은, 도 9의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 x-y평면상에서 수평가진 및 수평감지 되는 z축 자이로스코프의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 사시도, 단면도, 측면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3을 참조하면, 자이로 웨이퍼 상에 z축 방향의 회전이 가해지는 조건에서, y방향으로 센서 질량체(10a, 10b) 및 센서 프레임(20a, 20b)이 가진되면 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(10a, 10b)는 x축 방향으로 움직임이 발생한다. 여기서, 센서 질량체(10a, 10b)는 제1 센서 질량체 유닛(10a)과 제2 센서 질량체 유닛(10b)을 포함하고, 센서 프레임(20a, 20b)는 제1 센서 프레임 유닛(20a)과 제2 센서 프레임 유닛(20b)을 포함하여 구성될 수 있다. 센서 질량체(10a, 10b)는 각각 수평 방향으로 배치된 지지 스프링(12a, 13a, 12b, 13b)에 의해 센서 프레임(20a, 20b)에 연결되어 있다. 따라서, 센서 질량체(10a, 10b)는 센서 프레임(20a, 20b)에 대해 x방향으로 상대적 변위를 가질 수 있다.
또한, 센서 질량체(10a, 10b) 및 센서 프레임(20a, 20b)의 y방향 움직임을 지지하기 위한 지지 스프링(14a, 14b, 15a, 15b)이 앵커(50a, 50b)와 센서 프레임(20a, 20b) 사이에 y방향으로 연결되어 있다. 그리고, 2개의 센서 프레임(20a, 20b) 사이에는, 가진 모드에서 센서 프레임(20a, 20b)의 y방향 움직임에 대한 완전한 역위상을 보장하기 위해 적어도 하나 이상의 역위상 링크 기구(40a, 40b)가 연결되어 있다. 도 3에서는 이러한 역위상 링크 기구(40a, 40b) 2개가 한 쌍으로 배치되어 있지만 그 수는 이에 한정되지 않는다. 다만, 역위상 링크 기구 배치의 불균형 효과를 제거한다는 측면에서 복수의 역위상 링크 기구를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 중심을 기준으로 좌우 방향으로 선대칭이 되도록 복수의 역위상 링크 기구를 배치할 필요가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 감지 모드시 제1 센서 질량체 유닛(10a)과 제2 센서 질량체 유닛(10b)이 x축 기준으로 서로 반대 방향으로 움직이도록 가이드하기 위해 적어도 2개의 수평 시소(seesaw) 링크 구조(30a, 32a, 34a, 36a 또는 30b, 32b, 34b, 36b)가 사용될 수 있다. 이 때, 수평 시소 링크 구조는 시소 몸체(30a, 30b)과, 시소 몸체(30a, 30b)의 양단을 센서 질량체(10a, 10b)와 각각 연결하는 회전 링크(32a, 32b, 34a, 34b)와, 시소 몸체(30a, 30b)의 중앙을 고정 앵커(50a, 50b)와 연결하는 피봇 링크(36a, 36b)를 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 양의 x축 방향(우측 방향)으로 이동한다면, 상측의 회전 링크(32a, 32b)도 양의 x축 방향으로 이동하면서 시소 몸체(30a, 30b)가 시계 방향으로 회동하는 움직임을 제공한다. 이 때, 중앙의 피봇 링크(36a, 36b)로 인해 시소 몸체(30a, 30b)의 하단은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이기 때문에 하측의 회전 링크(34a, 34b)는 좌측으로 움직인다. 결국, 제2 센서 질량체 유닛(10b)는, 제1 센서 질량체 유닛(10a)과는 반대 방향인 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 그 움직임이 가이드된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 역위상 링크 기구(40a)를 보여주는 도면이다. 제2 역위상 링크 기구(40b)는 제1 역위상 링크 기구(40a)와 좌우 대칭형인 것 이외에 구조는 동일하다.
역위상 링크 기구(40a)는, 자이로 웨이퍼에 대해 움직임을 갖지 않는 중앙 앵커(45a)에 연결되는 2개의 앵커 연결부(43a, 44a)와, 상기 역위상 링크 기구(40a)의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭으로, 2개의 센서 프레임(20a, 20b)에 각각 연결되는 2개의 링크 아암(41a, 42a)로 구성된다. 또한, 상기 역위상 링크 기구(40a)에 비틀림 강성을 부여하고, 2개의 앵커 연결부(43a, 44a)와 2개의 링크 아암(41a, 42a)이 각각 만나는 지점을 적어도 통과하는 폐곡선으로 형성되는 비틀림 강성 지지부(47a)를 포함한다. 이러한 비틀림 강성 지지부(47a)는 비틀림 강성 지지 기능과 더불어, 제1 앵커 연결부(43a) 및 제1 링크 아암(41a)을 포함한 제1 구조와, 제2 앵커 연결부(44a) 및 제2 링크 아암(42a)을 포함한 제2 구조를 기하적으로 연결하는 기능을 동시에 갖는다.
도 4에서, 제1 링크 아암(41a)의 말단에 +F가 가해진다면 역위상 링크 기구(40a)가 갖는 180도 회전 대칭의 구조에 의해 제2 링크 아암(42a)의 말단에는 정확히 ?F의 반력이 생긴다. 마찬가지로, 제1 링크 아암(41a)의 말단에 -F가 가해진다면 제2 링크 아암(42a)의 말단에는 정확히 +F의 반력이 생긴다. 따라서, 다양한 설계 오차로 인해 가진 전극에 의한 가진 방법이 제1 센서 질량체 유닛(10a)과 제2 센서 질량체 유닛(10b)을 완전한 역위상으로 가진하지 못한다고 하더라도, 이와 같은 역위상 링크 기구의 구조적 특성 때문에 2개의 센서 질량체 유닛(10a, 10b)은 서로 완전한 역위상으로 가진될 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구(140a)를 보여주는 도면이다. 본 실시예에서 역위상 링크 기구(140a)는 도 4의 역위상 링크 기구와 비교할 때, 2개의 링크 아암(141a, 142a)이나 비틀림 강성 지지부(147a)는 마찬가지의 구조를 갖는다. 대신, 본 실시예에서는 중앙의 앵커(145a) 4개를 사용하고 있다. 또한, 비틀림 강성 지지부(147a)와 4개의 중앙 앵커(145a)와의 연결 방식은 실질적으로 'I 빔' 형상을 갖는다. 구체적으로, 비틀림 강성 지지부(147a)는 이를 가로지르는 가로 링크(144a)에 의해 연결되고, 가로 링크(144a)의 중심은 4개의 중앙 앵커(145a)와 연결된 I 빔 링크(143a)와 다시 연결된다. 이러한 4개의 중앙 앵커(145a)와 I 빔 형상으로 연결되는 구조로 인하여, 역위상 링크 기구(140a)는 비틀림 외력에 대해 상대적으로 큰 강성을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구(150a)를 보여주는 도면이다. 본 실시예는 도 5와 비교할 때, 2개의 링크 아암(151a, 152b)에 스프링부(153a, 154a)가 추가적으로 형성되어 있는 점에서만 차이가 있다. 이러한 링크 아암(151a, 152b)에 형성된 스프링부(153a, 154a)는 외력(+F, 또는 ?F)이 링크 아암(151a, 152b)의 단부에 작용할 때 링크 아암(151a, 152b)의 강성도 어느 정도 증가시킴과 더불어, 2개의 링크 아암(151a, 152b)의 구조적 안정성을 제공한다. 따라서, 스프링부(153a, 154a)가 없는 경우에 비해, 보다 정확한 역위상을 보장하는 데에 기여할 수 있다.
도 3과 같은 z축 멤스 자이로스코프는, y축 방향으로 1자유도로 가진될 경우, z축 기준으로 외부의 회전 각속도(Ω)가 주어진 조건에서 코리올리 힘에 의해 x축 방향으로 진동이 발생한다. 여기서, 감쇠 계수의 효과를 무시하면 가진시의 운동 미분 방정식은 수학식 1과 같이 표현될 수 있고, 감지시 운동 미분 방정식은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015045451302-pat00001
Figure 112015045451302-pat00002
여기서, x는 센서 질량체(10a, 10b)의 x방향 변위, y는 센서 질량체(10a, 10b)의 y방향 변위이며, ms는 센서 질량체(10a, 10b)의 질량이고, mf는 센서 프레임(20a, 20b)의 질량이다. 또한, ka는 세로 방향으로 배치된 스프링의 강성(도 3에서는 스프링(14a 또는 14b)의 강성과 스프링(15a 또는 15b)의 강성의 합임), kb는 가로 방향으로 배치된 스프링의 강성(도 3에서는 스프링(12a 또는 12b)의 강성과 스프링(13a 또는 13b)의 강성의 합임)을 나타낸다. 그리고, Ω는 외부의 회전 각속도이며, Fd(t)는 센서 질량체(10a, 10b)와 센서 프레임(20a, 20b)에 가해지는 가진력이다.
따라서, 가진 모드에서는 센서 질량체(10a, 10b)와 센서 프레임(20a, 20b)이 y방향으로 함께 진동하지만, 감지 모드에서는 센서 질량체(10a, 10b)가 센서 프레임(20a, 20b)에 대해 x방향으로 진동하며 센서 프레임(20a, 20b)은 x방향으로는 실질적으로 움직이지 않는다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수평 가진 및 수평감지 되는 z축 자이로스코프의 구조를 나타낸다. 여기서는 예시적으로 도 6의 역위상 링크 기구(150a, 150b)의 1쌍이 배치되어 있다.
자이로 웨이퍼 상에 z축 방향의 회전 각속도(Ω)가 가해지는 조건에서, 센서 질량체(10a, 10b) 및 센서 프레임(20a, 20b)은 가진 전극(62, 64, 66, 68)에 의해 함께 y방향으로 가진된다. 이러한 가진 전극(62, 64, 66, 68)은 콤전극(comb electrode), 평판전극(plate electrode) 또는 기타 다른 방식으로 구현될 수 있다. 상기 가진 전극(62, 64, 66, 68)은 각각 웨이퍼기판에 고정된 앵커(61, 63, 65, 67)의 측면에 부착되어 고정된다. 도 7의 실시예에서는 가진 전극 4개를 사용하는 경우를 예로 든 것이지만, 이에 한하지 않고 이보다 적거나 많은 가진 전극을 사용할 수도 있음은 물론이다.
상기 가진 모드에서는 센서 질량체(10a, 10b)와 센서 프레임(20a, 20b) 은 y방향으로는 실질적으로 상대적 변위가 발생되지 않으며, 수직 방향(y 방향)으로 배치된 지지 스프링(14a, 14b, 15a, 15b)에 의해 상기 가진에 따른 진동이 지지된다. 이 때, 2개의 센서 프레임(20a, 20b)은 2개의 역위상 링크 기구(150a, 150b)에 의해 y방향으로 연결되어 있다.
상기 2개의 역위상 링크 기구(150a, 150b)는 서로 간에 x축 방향으로 대칭인 형태(선대칭)로 배치된다. 역위상 링크 기구(150a, 150b)에 있어서, 링크 아암의 단부에 작용하는 힘은 역위상 링크 기구(150a, 150b)의 회전 대칭 구조로 인해 다른 링크 아암의 단부에서는 완전히 상반된 위상의 반력으로 변환된다. 따라서, 제1 센서 프레임 유닛(20a)이 아래로 움직일 경우, 역위상 링크 기구 (150a, 150b)의 아래쪽 링크 아암은 제2 센서 프레임 유닛(20b)을 위로 당기게 된다. 반대로, 제1 센서 프레임 유닛(20a)이 위로 움직일 경우, 역위상 링크 기구(150a, 150b)의 아래쪽 링크 아암은 제2 센서 프레임 유닛(20b)을 아래로 밀게 된다. 따라서 가진 전극(62, 64, 66, 68)에 의해 상부의 제1 센서 질량체 유닛(10a) 및 제1 센서 프레임 유닛(20a)에 가해지는 가진력과, 하부의 제2 센서 질량체 유닛(10b) 및 제2 센서 프레임 유닛(20b)에 가해지는 가진력이 완전한 역위상을 갖지 않더라도, 실제로 센서 질량체(10a, 10b) 및 센서 프레임(20a, 20b)의 진동에는 역위상 링크 기구(150a, 150b)에 의한 완전한 역위상이 보장될 수 있는 것이다.
한편, z축 방향의 회전 각속도(Ω)와, y축 방향의 가진이 동시에 작용하는 경우, 수학식 2의 우측항과 같은 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(10a, 10b)는 x방향으로 진동하게 된다. 여기서, 센서 질량체(10a, 10b)는 각각 수평 방향으로 배치된 지지 스프링(12a, 13a, 12b, 13b)에 의해 센서 프레임(20a, 20b)에 연결되어 있다. 이러한 지지 스프링(12a, 13a, 12b, 13b)도 역시 선형적 변형이 가능한 폴딩 형태의 멤스 빔 스프링으로 구현될 수 있다. 따라서, 감지 모드에서, 센서 프레임(20a, 20b)은 실질적으로 x방향 움직임을 가지지 않으며, 센서 질량체(10a, 10b)는 센서 프레임(20a, 20b)에 대해 x방향 움직임을 가질 수 있다.
한편, 2개 센서 질량체(10a, 10b)는 가진시 역위상 링크 기구(150a, 150b)에 의해 그 가진 방향이 y축에 대해 완전한 역위상이 보장이되므로, 2개의 센서 질량체(10a, 10b)에 작용하는 코리올리 힘도 완전한 반대가 된다. 따라서, 감지 모드에서 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이면, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은 양의 x축 방향(우측 방향)으로 움직인다. 또한, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 양의 x축 방향(우측 방향)으로 움직이면, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이게 된다. 이러한 감지 모드에서의 센서 질량체(10a, 10b)의 상반된 움직임은, 수평 시소 링크 구조(30a, 32a, 34a, 36a 또는 30b, 32b, 34b, 36b)에 의해 자연스럽게 가이드된다. 상기 수평 시소 링크 구조는 시소 몸체(30a, 30b)과, 시소 몸체(30a, 30b)의 양단을 센서 질량체(10a, 10b)와 각각 연결하는 회전 링크(32a, 32b, 34a, 34b)와, 시소 몸체(30a, 30b)의 중앙을 고정 앵커(50a, 50b)와 연결하는 피봇 링크(36a, 36b)로 이루어져 있다. 따라서, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 x축 방향(우측 방향)으로 이동한다면, 상측의 회전 링크(32a, 3b)도 x축 방향으로 이동하면서 상부의 시소 몸체(30a, 30b)은 시계 방향으로 회동하는 움직임을 제공한다. 이 때, 중앙의 피봇 링크(36a, 36b)로 인해 시소 몸체(30a, 30b)의 하단은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직임에 의해 하측의 회전 링크(34a, 34b)는 좌측으로 움직인다. 결국, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은, 제1 센서 질량체 유닛(10a)과는 반대 방향인 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직임이 가이드되는 것이다.
센서 질량체(10a, 10b)의 코리올리 힘 방향(x방향)의 움직임은 각 센서 질량체(10a, 10b)와 각 감지 전극(52, 54, 56, 58) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량 변화로 감지할 수 있다. 이러한 감지 전극(52, 54, 56, 58)도 콤전극 또는 평판전극으로 구현될 수 있으며, 각각 웨이퍼기판에 고정된 앵커(51, 53, 55, 57)의 측면에 부착될 수 있다. 도 7의 실시예에서는 감지 전극 4개를 사용하는 경우를 예로 든 것이지만, 이에 한하지 않고 이보다 적거나 많은 감지 전극을 사용할 수도 있음은 물론이다.
도 8은 도 7의 z축 멤스 자이로스코프의 A-A'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8에서, 도 7의 z축 멤스 자이로스코프는, 자이로 웨이퍼(90)의 밀폐벽(72, 74, 76)으로 둘러싸인 바닥 웨이퍼(110)와 캡 웨이퍼 (100) 사이의 내부 공간에 있다. 지지스프링(15a, 15b)은 앵커(50b)와 센서 프레임(20a, 20b)을 연결하고 있으며, 센서 프레임(20a, 20b)이 y축 방향으로 가진될 때 지지 역할을 한다.
센서 질량체(10a, 10b)의 내부에는 감지 전극을 고정하기 위한 앵커(53, 57)가 위치하며, 센서 프레임(20a, 20b)과 센서 질량체(10a, 10b) 아래, 즉 자이로 웨이퍼(90)의 아래에는, 바닥 웨이퍼(110)가 일정 간격을 두고 이격 배치된다. 이때, 앵커들(50b, 53, 57)은 자이로 웨이퍼(90)로부터 바닥 웨이퍼(110)까지 맞닿을 수 있도록 연장되어 있다(50b', 53', 57'). 따라서, 자이로 웨이퍼(90) 내의 센서 프레임(20a, 20b)이나 센서 질량체(10a, 10b)가 진동하는 경우에도, 앵커들(50b, 53, 57)은 움직임이 없이 고정되어 있다.
도 9는, 도 7의 실시예에 따른 z축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼(110)와 연결되는 여러 앵커들(50a, 50b, 51, 53, 55, 57, 61, 63, 65, 67, 145a, 145b), 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘 관통전극(50a', 50b', 52b, 54b, 56b, 58b, 62a, 64b, 66b, 68b) 및 밀폐벽(92)을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 그리고, 도 10은, 도 9의 x-y축 자이로스코프에서 B-B'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10에 있어서, 밀폐벽(72, 74, 76)은 z축 자이로스코프 구조를 보호하기 위해 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘 관통 전극(50b')은 센서 프레임(20a, 20b)과 센서 질량체(10a, 10b)에 전원을 공급하는 배선접속을 의미하고, 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘 관통전극(54b, 58b)은 센서 감지 전극(54, 58)에서 감지된 신호를 외부로 출력하는 배선이다. 또한, 캡 웨이퍼(100)와 자이로웨이퍼(90) 사이에는 기둥(78, 79)이 구비되어 자이로 웨이퍼(90)의 가진 진동에너지를 바닥 웨이퍼(110)와 캡 웨이퍼(100)로 각각 나누어 분산시킬 수 있다.
지금까지 도 7에 기재된 실시예와 관련하여 y축 방향으로 가진을 하고 x축 방향으로 감지를 하는 z축 멤스 자이로스코프에 대해 설명하였다. 도 11에는 이와 다른 실시예로서 x축 방향으로 가진을 하고 y축 방향으로 감지하는 z축 멤스 자이로스코프가 도시된다. 이러한 z축 자이로스코프에서는 외부 회전이 z축으로 가해지고 가진 방향과 감지 방향이 자이로 웨이퍼 평면 내에서 이루어지므로, 도 7과 동일한 구조에서 가진 방향과 감지 방향을 바꾸어 동작시킬 수 있는 것이다.
도 11을 참조하면 z축 자이로스코프의 전체적인 구조는 도 7과 유사하지만, 가진 방향과 감지 방향이 서로 반대로 된다. 따라서, 도 7의 가진 전극(62, 64, 66, 68)과 감지 전극(52, 54, 56, 58)은, 도 11에서는 각각 감지 전극(162, 164, 166, 168)과 가진 전극(152, 154, 156, 158)로 바뀌어 사용된다.
구체적으로, 가진 전극(152, 154, 156, 158)에 의해, 센서 질량체(10a, 10b)는 x축 방향으로 가진된다. 이 때, 제1 센서 질량체 유닛(10a)과, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은 서로 역방향으로 가진된다. 이러한 역방향 가진은 수평 시소 링크 구조(30a, 32a, 34a, 36a 또는 30b, 32b, 34b, 36b)에 의해 가이드 될 수 있다.
예를 들어, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 양의 x축 방향(우측 방향)으로 가진된다면, 상측의 회전 링크(32a, 32b)도 x축 방향으로 이동하면서 시소 몸체(30a, 30b)가 시계 방향으로 회동하는 움직임을 제공한다. 이 때, 중앙의 피봇 링크(36a, 36b)로 인해 시소 몸체(30a, 30b)의 하단은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이기 때문에 하측의 회전 링크(34a, 34b)는 좌측으로 움직인다. 결국, 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 가진되는 제2 센서 질량체 유닛(10b)은, 제1 센서 질량체 유닛(10a)과는 반대 방향인 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직임이 가이드된다. 물론, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 가진된다면, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은 x축 방향(우측 방향)으로 움직임이 가이드될 것이다.
이러한 센서 질량체(10a, 10b)들의 x방향 가진은 외부 회전 각속도(Ω)하에서는 코리올리 힘에 의해 y방향 움직임을 유발한다. 여기서, 각각의 센서 질량체(10a, 10b)의 가진 방향이 서로 간에 역방향이므로, 각각의 센서 질량체(10a, 10b)에 작용하는 코리올리 힘도 반대가 된다. 즉, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 양의 y방향으로 움직일 때, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은 음의 y방향으로 움직이고, 제1 센서 질량체 유닛(10a)이 음의 y방향으로 움직일 때, 제2 센서 질량체 유닛(10b)은 양의 y방향으로 움직인다. 이 때, 센서 질량체(10a, 10b)는 센서 프레임(20a, 20b)과 일체로 동일한 감지 방향(양의 y방향 또는 음의 y방향)으로 움직이며, 그 움직임은 감지 전극(162, 164, 166, 168)에 의해 감지된다.
이러한 센서 질량체(10a, 10b) 및 센서 프레임(20a, 20b)의 감지 방향 움직임에 대해, 역위상 링크 기구(150a, 150b)는 링크 아암의 단부에서 완전히 상반된 위상의 반력을 제공한다. 따라서, 제1 센서 프레임 유닛(20a)이 아래로 움직일 경우, 역위상 링크 기구(150a, 150b)의 아래쪽 링크 아암은 제2 센서 프레임 유닛(20b)을 위로 당긴다. 반대로, 제1 센서 프레임 유닛(20a)이 위로 움직일 경우, 역위상 링크 기구(150a, 150b)의 아래쪽 링크 아암은 제2 센서 프레임 유닛(20b)을 아래로 밀게 된다. 따라서 센서 질량체(10a, 10b) 및 센서 프레임(20a, 20b)의 감지 방향의 움직임에는 완전한 역위상이 보장될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
10a, 10b: 센서 질량체
12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b: 지지 스프링
20a, 20b: 센서 프레임
30a, 30b: 시소 몸체
32a, 32b, 34a, 34b: 회전 링크
36a, 36b: 피봇 링크
40a, 40b, 140a, 140b, 150a, 150b: 역위상 링크 기구
41a, 42a: 링크 아암
43a, 44a, 143a, 144a: 앵커 연결부
47a, 147a: 비틀림 강성 지지부
45a, 45b, 50a, 50b, 145a, 145b, 51, 53, 55, 57, 61, 63, 65, 67: 앵커
50b', 54b, 58b: 실리콘 관통전극
52, 54, 56, 58, 162, 164, 166, 168: 감지 전극
62, 64, 66, 68, 152, 154, 156, 158: 가진 전극
72, 74, 76: 밀폐벽
90: 자이로 웨이퍼
100: 캡 웨이퍼
110: 바닥 웨이퍼

Claims (12)

  1. 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 센서 프레임;
    상기 센서 프레임에 대해 상대적인 움직임을 가지며, 가진모드에서 1자유도로 가진되는 센서 질량체; 및
    상기 센서 질량체에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해, 감지모드에서 1자유도로 상기 센서 질량체의 변위를 감지하는 적어도 1개의 감지 전극을 포함하되,
    상기 센서 질량체는 2개의 질량체 유닛으로 이루어지고, 상기 2개의 질량체 유닛은 서로간에 선대칭 형태로 배치되며, 상기 2개의 질량체 유닛 사이에 직접적 또는 간접적으로 연결된 역위상 링크 기구에 의해 상기 2개의 질량체 유닛의 역위상 움직임이 유지되는 멤스 기반의 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 질량체와 상기 프레임을 일 방향으로 연결하고 상기 센서 질량체의 가진 방향으로의 움직임을 지지하는 제1 스프링과, 상기 센서 질량체와 상기 센서 프레임을 상기 일 방향에 수직인 방향으로 연결하고 상기 센서 질량체의 감지 방향으로의 움직임을 지지하는 제2 스프링을 더 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스프링과 상기 제2 스프링은 각각 선형적 변형이 가능한 빔 형태인 멤스 기반의 자이로스코프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 역위상 링크 기구는 상기 센서 질량체의 가진 방향을 향해 선대칭으로 배치되는 2개의 링크 요소를 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2개의 링크 요소는 각각, 움직임을 갖지 않는 앵커에 의해 고정되고, 2개의 링크 아암에서 상기 2개의 센서 질량체 유닛과 연결되는 멤스 기반의 자이로스코프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 링크 아암은 상기 역위상 링크 기구의 중심을 기준으로 서로간에 180도 회전 대칭인 멤스 기반의 자이로스코프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 센서 질량체 유닛은, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 수평 전극에 의한 정전력에 의하여 상기 바닥 웨이퍼기판에 대해 수평 진동함에 의해 1자유도로 가진되고, 상기 역위상 링크 기구에 의해 상기 2개의 센서 질량체 유닛의 역위상의 움직임이 보장되는 멤스 기반의 자이로스코프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘에 의해, 상기 센서 질량체는 1자유도 감지모드로 진동하는 멤스 기반의 자이로스코프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 1자유도 감지모드에서, 상기 제2개의 센서 질량체 유닛은 서로 역위상을 갖는 평면상 시소 움직임을 나타내는 멤스 기반의 자이로스코프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 평면상 시소 움직임을 나타내기 위해 평면상의 비틀림 운동을 지지하는 2개의 수평 시소 링크 기구를 더 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 센서 프레임은, 상기 가진 모드에서 상기 2개의 센서 질량체 유닛과 함께 가진 방향으로 움직일 수 있지만, 상기 감지 모드에서는 실질적으로 움직임을 갖지 않는, 상기 2개의 센서 질량체 유닛과 각각 결합된 2개의 센서 프레임 유닛을 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 역위상 링크 기구는 상기 2개의 센서 프레임 유닛을 상호 연결함으로써, 상기 2개의 센서 질량체 유닛의 역위상의 움직임이 유지되는 멤스 기반의 자이로스코프.
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