KR101754634B1 - 2자유도 감지 모드를 갖는 멤스 자이로스코프 - Google Patents

2자유도 감지 모드를 갖는 멤스 자이로스코프 Download PDF

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Abstract

미세제조 공정오차, 진공패키지 공정오차 및 온도변동과 같은 외부 환경변화에 강인한 멤스 자이로스코프가 제공된다. 이러한 멤스 자이로스코프는 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임; 가진모드에서, 1자유도로 가진되고, 감지모드에서, 상기 프레임에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해 2자유도로 변위가 감지되는 센서질량체; 상기 2자유도로 감지되는 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 적어도 2개의 감지전극을 포함하되, 상기 센서 질량체는 내질량체와 상기 내질량체를 둘러싸는 외질량체를 포함하고, 상기 외질량체와 상기 프레임은 제1 지지 스프링에 의해 연결되며, 상기 외질량체와 상기 내질량체 사이는 제2 지지 스프링에 의해 연결된다.

Description

2자유도 감지 모드를 갖는 멤스 자이로스코프{MEMS gyroscope with 2 DOF sense-mode}
본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 방향으로 회전하는 질량체를 제2 방향으로 가진함에 의해 발생하는 코리올리 힘에 따라 상기 질량체의 움직임을 감지하는 원리를 이용하는, 미세제조 공정오차, 진공패키지 공정오차 및 온도변동과 같은 외부 환경변화에 강인한 멤스 자이로스코프에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical system)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 감지하여 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 회전 각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다.
상기 가진 방향과 입력 방향 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 평면 상에서 상기 x축 자이로스코프와 수직 방향의 축을 기준으로 변위를 감지하지만 원리면에서는 x축 자이로스코프와 실질적으로 동일하다. 이러한 x축 자이로스코프를 이용하여 수평방향으로 가해지는 각속도를 측정하기 위해서는, 가진 방향 또는 감지방향 중 어느 하나는 수직방향으로 설정되어야 한다. 따라서, x형 자이로스코프는, 질량체를 수직으로 구동하는 가진 전극과 센서 질량체의 수평 변위를 감지하기 위한 감지 전극을 구비하여야 한다.
도 1은 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평 가진 및 1자유도 수평 감지 기능을 갖는 z축 멤스 자이로스코프를, 도 2는 1자유도 수평 가진 및 1자유도 수직감지 기능을 갖는 x축(또는 y축) 멤스 자이로스코프를 각각 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 또는 ksz) 및 감쇠기(csy 또는 csz)에 의해 센서(4)에 연결된 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 멤스 자이로스코프 내부에는 진동하는 센서 질량체(ms)가 있으며, 외부에서 가진방향(x)에 수직인 축(z 또는 y)을 중심으로 각속도가 인가되면, 센서질량체에는 가진방향(x)과 그 수직축(z 또는 y)이 이루는 평면에 수직인 제3의 방향(y 또는 z)으로 코리올리힘(Fc=2mΩ×ωAsinωt)이 작용하고, 코리올리힘에 의하여 변동하는 센서질량체의 동작의 크기를 감지한다. 여기서 ms은 센서 질량체의 질량이고, Ω는 외부 각속도이며, ω(=2πf)는 센서 질량체에 대한 가진주파수이며, A는 센서에 대한 가진진폭(driving amplitude)이고 t는 시간이다. 멤스 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 자이로스코프 또는 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프에서 센서의 최대 가진진폭 A는, 도 3 과 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. 그러나, 가진 전압에 의해 유발되는 기생정전용량 성분을 센서 출력신호로부터 전기적으로 분리해 내기 위해서는 fd가 fs에 완전히 일치해서는 안 된다.
또한, 센서 가진진폭 Ad는, 도 3 에서 보듯이 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 시스템은 진공 중 밀폐포장 후에 동작시킨다.
한편 코리올리힘에 의해 생긴 센서질량체의 움직임의 크기는 센서질량체와 고정감지전극 사이의 전기적 정전용량 C(Capacitance)의 변동을 측정하여 산출한다. 고정감지전극에서 출력되는 감지신호에는, 감지신호에 비하여 상대적으로 큰 가진전압에 의해 발생하는 기생정전용량이 잡음으로 포함되는 것을 피할 수 없다. 따라서, 도 1(z축 자이로스코프) 및 도 2(x-y축 자이로스코프)와 같이 가진 및 감지 시스템이 각각 1자유도를 가지는 자이로스코프 센서에서 전체적인 감도는, 도 3 에서 보듯이, 센서질량체에 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 자이로스코프 구조물에 대한 미세가공 공정오차, 또는 온도변동과 같은 외부 환경변화 때문에 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd 의 차이, 즉 △f(=fs-fd) 가 민감하게 변동하는 문제를 일으킨다. 이는 결국 제조과정에서 웨이퍼 내 개별적인 칩에 대한 감지진폭 As의 편차를 크게 하여 생산 수율을 크게 떨어뜨리거나, 또는 외부 환경변화에 대한 제품의 신뢰성을 저하하는 요인이 된다.
이와 관련하여 US 7, 284, 430에서 Cenk Acar는, 이러한 멤스 구조물에 대한 미세가공 단계에서 발생하는 공정오차가 불가피한 것으로 보고, 도 4와 같이, z축 자이로스코프에 대하여, x-y평면에서 하나의 센서를 제1질량체(m1)와 제2질량체(m2)로 분리하는 방식을 제시하였다. 따라서, 기존의 공진 주파수가 1개인 1자유도 감지모드를 감지 공진주파수(fs)가 2개인 2자유도 감지모드로 바꿈으로써, 비록 공정오차가 발생하여 가진 공진주파수 또는 감지 공진주파수가 미세하게 달라지더라도 그 평평한 영역에서 크게 벗어나지 않도록 하였다.
Cenk Acar의 발명은, 수평가진 되는 센서 내외부에 이중으로 복수의 수평감지 비연성결합스프링을 배치하여 z축 자이로스코프의 형태로 구현할 수는 있지만, 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프에 대해서는 센서 내외부에 이중으로 복수의 수직감지 비연성 결합 스프링을 구현하기 어렵다는 문제점을 가진다. 또한, 종래의 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프는, 가진진폭 A를 크게 유지하기 위하여 프레임을 x축 방향으로 수평가진 하고, 코리올리힘이 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직방향(z)으로 작용하면 바닥 웨이퍼 표면을 감지전극으로 사용하여 센서질량체의 변동을 수직감지 한다. 이러한 감지 방법은 바닥 웨이퍼기판 표면과 센서질량체 사이에 일정한 거리를 두고 떨어져 있는 전극을 균일하게 형성하기가 매우 어려울 뿐 아니라, 바닥 웨이퍼기판 위 감지전극과 바닥웨이퍼기판 사이에 기생정전용량이 존재하여 신호대잡음비가 작아져 자이로스코프의 성능 감도를 떨어뜨리게 된다.
결국, 제조가 용이할 뿐만 아니라, 어느 정도의 공정오차에도 불구하고 감지 진폭의 균일성이 유지되는, 멤스 자이로스코프를 고안할 필요성이 있다.
미국특허 제7,284,430호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 미세가공 공정오차, 진공패키지 공정오차 및 온도변동과 같은 외부 환경변화에 강인한 멤스 자이로스코프를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 2개의 센서 질량체를 이용하여 2자유도의 감지모드를 제공하는 멤스 자이로스코프에 있어서, 제조가 용이하고 어느 정도의 공정오차에도 불구하고 감지 진폭의 균일성을 유지하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 멤스 자이로스코프의 감지 모드에서 2개 센서 질량체 유닛간에 완전한 역위상을 보장하기 위한 링크 구조를 제공하는 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 멤스 자이로스코프는 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임; 가진모드에서, 1자유도로 가진되고, 감지모드에서, 상기 프레임에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해 2자유도로 변위가 감지되는 센서질량체; 상기 2자유도로 감지되는 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 적어도 1개 이상의 감지전극을 포함하되, 상기 센서 질량체는 내질량체와 상기 내질량체를 둘러싸는 외질량체를 포함하고, 상기 외질량체와 상기 프레임은 제1 지지 스프링에 의해 연결되며, 상기 외질량체와 상기 내질량체 사이는 제2 지지 스프링에 의해 연결되며, 상기 외질량체의 코리올리 힘에 의한 진동의 변위와 상기 내질량체의 코리올리 힘에 의한 진동의 변위는 나란하게 형성된다.
본 발명에 따른 멤스 자이로스코프에 따르면, 가진 공진주파수를 2개의 감지 공진주파수 사이의 주파수 대역에 있도록 설계하여, 자이로 구조물에 대한 미세가공 공정오차 발생에도 불구하고, 하나의 웨이퍼 내에서 각 센서 질량체의 감지진폭을 실질적으로 일정한 진폭 범위 안쪽으로 균일하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 온도의 변동에 따른 구조물의 수축과 팽창시에도 또는 패키지 내부의 진공 압력변화에도 센서 질량체의 감지진폭을 일정한 진폭 범위 안쪽으로 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 수직 시소 기구를 통해 2개의 센서 질량체 유닛에 대해 역방향으로 가진함과 더불어, 2개의 센서 질량체 유닛 사이에 구비된 역위상 링크 기구로 인해 감지 모드에서도 완전한 역위상 움직임을 보장할 수 있다.
또한, 2개의 질량체를 단순히 직렬로 연결하는 종래의 멤스 자이로스코프에 비해, 2개의 질량체를 임베디드 형태(embedded type)로 배치함으로써, 제조가 용이하면서도 어느 정도의 공정오차에도 감지 진폭의 균일성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평 가진 및 1자유도 수평 감지 기능을 갖는 z축 멤스 자이로스코프를 보여주는 모식도이다.
도 2는 종래의 1자유도 수평 가진 및 1자유도 수직감지 기능을 갖는 x축(또는 y축) 멤스 자이로스코프를 각각 보여주는 모식도 이다.
도 3 은, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프 또는 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수직감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 예시한 도면이다.
도 4 는, 종래의 1자유도 수평가진 2자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 1자유도 수평가진 2자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 6 은, 본 발명의 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 7 은, 도 6 과 같은, 본 발명의 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 직렬형 질량체 배치 구조로 된 자이로스코프의 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 임베디드 질량체 배치 구조로 된 자이로스코프의 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 수직으로 가진되는 자이로 프레임과 비틀림 지지스프링에 대한 1자유도 수학적 모델이다.
도 11은 본 발명의 자이로스코프 프레임 내에 x방향 선대칭으로 2개의 질량체 유닛이 배치된 튜닝포크(Tuning Fork) 방식의 멤스 자이로스코프의 구조를 보여주는 도면이다.
도 12는 x방향 선대칭으로 2개의 질량체 유닛 배치를 가능하게 하는 본 발명의 자이로스코프 프레임과, 프레임을 앵커에 연결하는 지지스프링을 나타내는 멤스 자이로스코프의 구조를 보여주는 도면이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수직가진 및 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 x-y축 자이로스코프의 A-A'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16 은, 도 13에서 바닥 전극에 의해 수직 가진이 발생하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 13의 x-y축 자이로스코프에서 두개의 질량체 유닛이 역위상 감지모드 동작을 가능하게 하는 링크 기구를 배치할수 있게 하는 프레임을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 18은, 도 17의 실시예에 따른 x-y평면상에서 역위상 링크 기구가 배치된 수직가진 및 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 구조를 나타내는 도면이다.
도 19는, 도 18에서 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 20은, 도 18의 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼 전면의 n 또는 p 전극, 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드 및 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극 및 밀폐벽을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 21은, 도 20 의 x-y축 자이로스코프에서 B-B'단면을 개략적으로 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 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 5를 참조하면, 자이로 웨이퍼 상의 프레임(10)에 z축 방향의 회전(Ω)이 가해지는 조건에서, x축 방향으로 센서(20)가 가진되면 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(30, 40)는 y축 방향으로 진폭이 감지된다. 여기서, 센서 질량체(30, 40)는 외질량체(30)와 상기 외질량체(30)에 의해 완전히 둘러 싸여진 내질량체(40)로 이루어진다. 두 질량체(30, 40) 사이는 y방향으로 배치된 스프링(k2y, k3y)과 감쇠기(c2y, c3y)에 의해 연결되고, 센서(20)와 외질량체(30)는 y방향으로 배치된 다른 스프링(k1y, k4y)과 감쇠기(c1y, c4y)에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다. 또한, 프레임(10)과 센서(20)는 x방향으로 배치된 스프링(kdx)과 감쇠기(cdx)에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 수직가진 수평감지 형태의 x-y축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 6을 참조하면, 바닥 웨이퍼(50) 및 프레임(60)에 y축 방향의 회전(Ω)이 가해지는 조건에서, z축 방향으로 센서 질량체(30, 40)가 가진되면 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(30, 40)는 x축 방향으로 진폭이 감지된다. 여기서, 센서 질량체(30, 40)는 외질량체(30)와 상기 외질량체(30)에 의해 완전히 둘러 싸여진 내질량체(40)로 이루어진다. 두 질량체(30, 40) 사이는 x방향으로 배치된 스프링(k2x, k3x)과 감쇠기(c2x, c3x)에 의해 연결되고, 프레임(60)과 외질량체(30)는 x방향으로 배치된 다른 스프링(k1x, k4x)과 감쇠기(c1x, c4x)에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다. 또한, 바닥 웨이퍼(50)와 센서 프레임(60)은 z방향으로 배치된 스프링(kdz)과 감쇠기(cdz)에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다.
도 7은, 도 6 과 같은 1자유도 수직 가진모드와 2자유도 수평 감지모드를 갖는 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 보여주고 있다. 도 6에서 외력이 없는 평형위치를 기준으로 외질량체(30)의 x축 변위를 x1이라고 하고, 내질량체(40)의 x축 변위를 x2라고 하면, 전체 센서 질량체(30, 40)는 독립된 두 파라미터 x1, x2에 따라 2자유도를 갖게 된다. 이 때 두 파라미터 x1, x2는 동일한 피크 공진주파수(fs1, fs2)를 가지게 된다. 만일, 도 6 의 센서 질량체(30, 40)를 최대가진진폭 Ad와 가진주파수 fd로 수직 가진하면, 외질량체(30)와 내질량체(40)는 각각 x방향의 코리올리힘 Fc에 의하여 최대진폭 Am1과 최대진폭 Am2를 갖는 직선 진동의 움직임을 갖는다. 따라서, 이와 같이 2개의 질량체(30, 40)의 진폭 응답은 어느 것이나 2개의 피크 공진주파수 사이에서 비교적 완만한 기울기를 가진다. 그렇기 때문에, 설령 가진 주파수의 위치가 다소 달라지거나, 멤스 자이로의 제조 공정으로 인한 오차, 예를 들어 피크 공진주파수의 설계 오차가 발생한다고 하더라도 각각의 질량체(30, 40)의 감지 진폭은 안정적인 범위 내에 속하게 되는 것이다.
도 7과 대비하여, 1자유도의 감지 모드를 갖는 도 3의 진폭 응답을 살펴보면, 가진 모드뿐만 아니라 감지 모드의 진폭 응답도 가파른 기울기를 갖는다. 따라서, 약간의 설계 오차조차도 감지 진폭의 큰 변화를 초래하게 된다. 따라서, 도 5 및 도 6의 실시예와 같이 2개의 질량체에 의해 2자유도 감지 모드를 갖게 함으로써 제조 공정 오차에 대해 보다 강인한(robust) 멤스 자이로스코프를 제공할 수 있게 된다.
한편, 2자유도의 감지 모드를 통해 제조 공정 오차에 강인한 특성을 부여하는 측면에서는 도 4와 같은 종래 기술도 마찬가지의 장점을 제공할 수 있다. 그러나, z축 자이로에 있어서 두 질량체를 단순 직렬로 연결하는 도 4의 기술에 비해, 본 발명의 실시예(도 5, 6)는 z축 자이로 및 x-y축 자이로에서 두 질량체를 임베디드(embedded) 형태로 배치하고 있는데, 이러한 두 질량체의 임베디드 형태의 배치는 종래의 단순 직렬 연결형에 비해 몇가지 면에서 장점을 갖는다.
첫째, 임베디드 형태로 배치된 두 질량체에 대한 운동 미분방정식은 직렬 연결형에 비해서 상대적으로 간단하다. 이는 단순 직렬형 배치를 도식화한 도 8과, 임베디드 형태의 배치를 도식화한 도 9를 비교하면 알 수 있다.
도 8에 대한 운동 미분방정식은 2개의 질량체와 더불어 프레임과의 연결을 위해 필수적으로 3개의 연결 요소(k1 내지 k3, c1 내지 c3)가 포함된다. 이에 비해, 도 9에 대한 운동 미분방정식은 외형적으로는 4개의 연결 요소(k1 내지 k4, c1 내지 c4)가 포함된 것으로 보이지만, 스프링 강성 k1 및 k4는 병합하여 하나의 ka로, k2 및 k3는 병합하여 하나의 kb로 볼 수 있으며, 마찬가지로 감쇠 계수 c1 및 c4는 병합하여 하나의 ca로, c2 및 c3는 병합하여 하나의 cb로 볼 수 있다. 따라서, 도 8에 대한 운동 미분방정식은 2개의 질량체와 2개의 연결 요소(ka와 kb, ca와 cb)에 의해 표현될 수 있다. 이와 같은 운동 미분방정식의 간소화는 멤스 자이로스코프의 목표 주파수 및 진폭 등의 설계를 용이하게 해주며 이는 멤스 자이로스코프의 제조 공정 오차의 감소로 이어질 수 있다.
둘째, 도 8과 같은 단순 직렬형 배치는 제2 진동 모드, 즉 두 질량체의 위상차가 180도로서 서로 반대방향으로 움직이는 모드에서, 설계 타겟이 완전한 위상 시프트를 이루기 때문에 멤스 자이로스코프의 설계를 쉽지 않게 만든다. 이에 비해 도 9와 같은 임베디드 배치는 두 질량체가 서로 반대방향으로 움직인다고 하더라도 내질량체가 외질량체의 내부에 포함되어 있기 때문에 이러한 문제가 상쇄되거나 적어도 저감된다는 장점이 있다.
마지막으로, 다른 조건이 같고 두 질량체의 질량의 합이 같다고 가정할 때, 두 질량체에서 감지되는 변위는 두 질량체의 질량이 차이가 클수록 커진다. 즉, 2개의 질량체의 질량 차이를 크게 함에 의해, 작은 질량체의 변위를 보다 크게 할 수 있으므로 감지 감도를 높일 수 있다. 그러나 두 질량체의 질량차를 증가시키려면, 크기의 차이를 증가시킬 수 밖에 없는데, 도 8과 같은 단순 직렬형 배치에서 이러한 크기의 차이는 구조적 대칭성(특히, x 방향의 대칭성)을 해치므로 기구적 안정성을 저해할 수 있다. 이에 비해, 도 9와 같은 임베디드 형태는 외질량체(30)에 비해 내질량체(40)를 충분히 작게 하더라도 임베디드 형태의 특성상 구조적 대칭성을 해하지 않는다. 이러한 구조적 대칭성은 여러가지 노이즈나 감지 오차에 강인한 특성을 제공할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서는 두 질량체(30, 40)를 수직 방향으로 가진하고 수평으로 감지한다. 이와 같은 방식은, 도 2의 종래 기술과 같이 질량체를 수평 방향으로 가진하고 수평으로 감지할 경우에 발생하는 전극 배치의 난제를 해소할 수 있게 해준다. 일 실시예로서, 본 발명에서는 바닥 웨이퍼와 멤스 웨이퍼(프레임) 간의 좁은 간격 내에서 수직 방향으로 가진을 용이하게 하기 위해 시소(seesaw) 타입의 가진 방식을 사용한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 수직으로 가진되는 자이로 프레임(60)과 비틀림 지지스프링(12, 14, 16)에 대한 1자유도 수학적 모델을 나타낸 도면이다. 도 10에서, 프레임(60)은 프레임 중앙 위치(비틀림 지지 스프링(12)의 위치)를 중심으로 할 때 수직방향의 역위상 진동성분을 갖도록 바닥 전극(21, 23)에 의해 시소 타입으로 가진된다. 따라서, 프레임(60)의 중심에서 우측으로 L1만큼 떨어진 지점에서 가진력이 +Fes(t)라고 하면, 프레임(60)의 중심에서 좌측으로 L1만큼 떨어진 지점에서의 가진력은 -Fes(t)가 된다. 이러한 좌우로 상반된 가진력으로 인해, y축 방향의 외부 회전 운동에 따른 코리올리 힘도 좌우로 역위상을 갖는다.
도 10에서 프레임(60)의 진동방정식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112015045449039-pat00001
여기서, Jd는 센서질량체(70, 70')를 포함한 프레임(60) 전체에 대한 관성 모멘트이고, kt1 과 kt2는 각각 지지스프링(12, 14)에 대한 빔의 비틀림강성이다. 수학식 1의 우측항인 2L1Fes(t)은 프레임(60)과 바닥전극(21, 23) 사이의 정전력 Fes(t)에 의해 야기되는 토오크이고, Φ(t)는 프레임(60)에 대한 y축 중심의 회전각도를 의미한다.
상기 프레임(60) 진동방정식에서 계산된 프레임(60)의 공진주파수는 수학식 2와 같다.
Figure 112015045449039-pat00002
한편, 도 10과 같은 가진 모드는 1자유도의 운동 미분방정식을 가짐에 비해, 도 9와 같은 센서 질량체(30, 40)의 감지 모드는 2자유도의 운동 미분방정식을 갖는다. 여기서, 감쇠 계수(c)의 효과를 무시하면 운동 미분 방정식은 다음과 같다.
Figure 112015045449039-pat00003
여기서, m1, m2는 각각 외질량체(30)와 내질량체(40)의 질량이고, x1, x2는 각각 외질량체(30)와 내질량체(40)의 x방향 변위이다. ka는 도 9에서 k1과 k4의 합이고, kb는 k2와 k3의 합이다. 또한, v는 z방향 가진 속도이고 Ω는 외부로부터 전달되는 y축 방향의 회전 각속도이다. 위의 2개의 운동 미분방정식으로부터 x1 또는 x2에 대한 2개의 감지 공진주파수(도 7에서의 fs1, fs2)를 얻을 수 있다.
한편, 멤스 자이로스코프와 같은 초소형 정밀 기기는 외부 노이즈나 제조 공정 오차에 보다 강인하고 안정된 구조를 가지는 것이 필요하다. 하지만, 하나의 외질량체(30)와 내질량체(40)로 이루어진 하나의 질량체 유닛을 사용한다면 이러한 강인하고 안정된 구조를 가지기 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예로서, x축 방향으로 2개의 질량체 유닛을 배치하되 이 2개의 질량체 유닛 간에 완전한 역위상을 갖도록 한다. 이와 같은 역위상은 기본적으로 도 10과 같은 시소 메커니즘에 따른 수직방향의 역위상 가진에 의해 제공된다.
도 11은 자이로 프레임(60) 내에 x방향 선대칭으로 2개의 질량체 유닛이 배치된 멤스 자이로스코프의 구조를 보여준다. 이러한 멤스 자이로스코프에 y축 방향의 외부 회전이 가해지면, 좌측의 질량체 유닛(70)과 우측의 질량체 유닛(70')는 서로 간에 역위상의 변위를 갖게 된다. 이와 같이, 멤스 자이로스코프의 구조적 대칭성에 더하여, 센서 질량체의 움직임도 대칭성을 갖게 되면, 제조 공정의 오차나 외부의 노이즈로 인한 오류가 그 대칭성으로 인해 상쇄됨으로써 멤스 자이로스코프의 정확성이 제고되는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 자이로스코프의 구체적인 구현 방법에 대해 설명한다. 도 12는 x-y축 자이로스코프에서 프레임(60)과, 프레임(60)을 앵커(25, 26)에 연결하는 지지스프링(12, 14, 16)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 일 실시예에서, 프레임(60)은 2개의 앵커(26)에 측벽에 부착된 2개의 지지스프링(12)에 의해 y축을 중심으로 비틀림 회전하도록 허용된다. x-y 평면에서 지지스프링(14)은 복원토크를 일으켜 프레임(60)의 x방향 양쪽 끝 가장자리가 프레임(60)의 비틀림변형 후 정상위치로 복원되는 것을 돕는다.
지지스프링(16)은 프레임(60) 가장자리와 지지스프링(14)을 연결해주는 링크 또는 회전베어링 역할을 한다. 또한, 평판 링크(15)는 지지 스프링(14)과 지지스프링(16)을 기구적으로 연결해주는 일종의 링크이다. 그리고, 좌우상하 대칭의 이중폴드 형 태의 더미빔스프링(18)은 프레임(60) 양쪽 앵커(26)에 부착되어 지지스프링(12, 14)에 의한 프레임(60)의 코리올리 힘 방향(x) 굽힘변형과 수직축(z)에 대한 프레임(60)의 회전운동을 동시에 억제한다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수직가진 및 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 구조를 나타낸다. 일 실시예에서, 센서 질량체 유닛(70, 70')은 코리올리힘(x) 방향으로 직선진동을 지지하기 위해, 센서질량체 유닛(70, 70') 중심에서 y축에 대하여 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에서 각각 2쌍의 지지스프링(36a, 36b, 38a, 38b)에 의해 x축 방향으로 프레임(60)과 연결되어 있다. 이러한 센서 질량체 유닛(70, 70')은 외질량체(30, 30')와 상기 외질량체(30, 30')에 의해 둘러싸인 내질량체(40, 40')를 포함한다. 외질량체(30, 30')와 내질량체(40, 40') 간에도, y축에 대해 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에서 각각 2쌍의 지지스프링(32a, 32b, 34a, 34b)이 x축 방향으로 연결되어 있다. 따라서, 외질량체(30, 30')와 프레임(60) 사이, 그리고 내질량체(40, 40')와 외질량체(30, 30') 사이에는 x축 방향으로 상대적인 변위가 발생할 수 있다.
센서질량체 유닛(70, 70')의 코리올리힘 방향(x) 동작은 각 센서 질량체(70, 70')와 각 감지전극(42, 44) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량변화로 감지할 수 있다. 특히, 감지전극(42)는 센서질량체 유닛(70, 70') 중 내질량체(40, 40')의 x방향 진동을 감지하기 위해 구비되고, 감지전극(44)은 센서질량체 유닛(70, 70') 중 외질량체(30, 30')의 x방향 진동을 감지하기 위해 구비된다. 각 감지전극(42, 44)은 콤 전극(comb electrode) 또는 평판 전극(plate electrode)으로 구현될 수 있다. 감지 전극(42, 44)은 각각 웨이퍼 기판에 고정된 앵커(41, 43)의 측면에 부착될 수 있다.
실제로 외부의 y방향 각속도(Ω)를 계산하기 위해서는 두 개의 감지전극(42, 44)이 모두 필요한 것은 아니다. 전술한 수학식 3에 기재된 2개의 운동 미분 방정식에서 변수는 x1, x2, Ω의 3개이므로, x1만을 감지 전극에 의해 파악하거나, x2만을 감지 전극에 의해 파악하더라도 외부 각속도(Ω)를 얻을 수 있다. 다만, 오차를 보상하기 위한 목적으로 x1, x2를 모두 감지하여 Ω 값을 보다 정확히 계산할 수도 있을 것이다.
외부 각속도(Ω)를 얻기 위한 두 가지 변수 x1, x2 중 하나만을 감지하고자 한다면, 즉 두 개의 질량체 중에서 하나에 대해서만 감지 전극을 배치하고자 한다면 상대적으로 질량이 작은 쪽, 즉 감지 진폭이 큰 쪽을 선택하는 것이 유리하다. 감지 진폭이 크다는 것은 그만큼 멤스 자이로스코프의 감지 성능이 우수하다는 것을 의미한다. 본 발명과 같은 임베디드 센서 질량체 구조에서는 외질량체의 질량에 대한 내질량체의 질량의 비(이하, 질량비라고 함)를 적정한 수준으로 감소시킴에 의해 내질량체에서 감지되는 진폭을 크게 할 수 있다. 멤스 자이로스코프에서 실용적으로 가용한 범위를 고려하면, 상기 질량비는 1/2배 내지 1/10배 사이 정도라고 볼 수 있으며, 시뮬레이션 결과 질량비는 대략 1/3배 정도에서 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있었다.
도 14는 도 13의 x-y축 자이로스코프의 A-A'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 14에서, 도 8 의 x-y축 자이로스코프는, 자이로 웨이퍼(90)의 밀폐벽(72, 74, 76)으로 둘러싸인 바닥 웨이퍼(110)와 캡 웨이퍼(100) 사이의 내부 공간에 있다. 지지스프링(12)은 프레임(60)을 y축 중심으로 회전진동을 가능하게 하며, 지지스프링(14)은 프레임(60)의 끝 가장자리에 대한 수직방향 복원력을 강화하는 역할을 한다. 또한, 지지스프링(16)은 y축 중심의 비틀림변형과 x축 방향으로의 굽힘변형이 동시에 일어나도록 하나의 회전베어링 역할을 한다. 그리고 지지스프링(14)과 평판 링크(15)와 지지스프링(16)은 프레임 끝 가장자리와 앵커(25)를 기구적으로 연결해주는 이중링크 장치의 기본 요소이다. 프레임(60)과 센서질량체(70, 70') 아래의 바닥 웨이퍼(110) 상에는 프레임(60)의 수직가진을 위한 바닥전극(21, 23)이 각각 있으며, 프레임(60)의 수직방향 변위에 따른 정전용량 변화를 감지하기 위한 바닥전극(22, 24)이 각각 존재한다.
도 15 및 도 16 은, 도 13에서 바닥 전극에 의해 수직 가진이 발생하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 15에서, 바닥전극(21)에 의해 z축 +방향의 정전력 +Fes(t)가 발생하고, 바닥전극(23)에 의해 z축 음의 방향의 정전력 -Fes(t)가 발생한다. 그러면 프레임(60)은 시계방향으로 회전 모멘트를 받게 되며, 센서질량체 유닛(70)는 x축 -방향으로 코리올리힘 -Fc(t)를 받아 음의 x축으로 움직이고, 센서질량체 유닛(70')은 x축 방향으로 코리올리힘 +Fc(t)를 받아 +x축으로 움직인다. 도 16에서는, 바닥전극(21)에 의해 음의 z축 방향의 정전력 -Fes(t)가 발생하고, 바닥전극(23)에 의해 양의 z축 방향의 정전력 +Fes(t)가 발생한다. 이때 프레임(60)은 반시계 방향의 회전 모멘트를 받게 되며, 센서질량체(30)은 x축 방향으로 코리올리힘 +Fc(t)를 받아 양의 x축으로 움직이고, 센서 질량체 유닛(70')는 음의 x축 방향의 코리올리힘 -Fc(t)를 받아 음의 x축으로 움직인다.
도 17는 본 발명의 다른 실시예에 따른, x-y축 자이로스코프에서 프레임(160)과, 프레임(160)을 앵커(25, 26)에 연결하는 지지스프링(12, 14, 16)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 12의 실시예에서는 프레임(60) 내에서 2개의 센서 질량체 유닛(70, 70')을 수용하기 위한 수용 공간이 좌우로 분리되어 있었으나, 본 실시예에서는 프레임(160) 내의 수용 공간이 일체로 되어 있다는 점에서 차이가 있다.
도 18은, 도 17의 실시예에 따른 x-y평면상에서 수직가진 및 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 구조를 나타낸다. 본 실시예에서, 센서 질량체 유닛(170, 170')은 코리올리힘(x) 방향으로 직선 진동을 지지하기 위해, 센서질량체 유닛(170, 170') 중심에서 y축에 대하여 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에서 각각 2쌍의 지지스프링(36a, 36b, 38a, 38b)에 의해 x축 방향으로 프레임(160)과 연결되어 있다. 이러한 센서 질량체 유닛(170, 170')은 외질량체(130, 130')와 상기 외질량체(130, 130')에 의해 둘러싸인 내질량체(140, 140')를 포함한다. 외질량체(130, 130')와 내질량체(140, 140') 간에도, y축에 대해 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에서 각각 2쌍의 지지스프링(32a, 32b, 34a, 34b)이 x축 방향으로 연결되어 있다. 따라서, 외질량체(130, 130')와 프레임(160) 사이, 그리고 내질량체(140, 140')와 외질량체(130, 130') 사이에는 x축 방향으로 상대적인 변위가 발생할 수 있다.
센서질량체 유닛(170, 170')의 코리올리힘 방향(x) 동작은 각 센서 질량체(170, 170')와 각 감지전극(42, 44) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량의 변화에 의해 감지할 수 있다. 특히, 감지전극(42)는 센서질량체 유닛(170, 170') 중 내질량체(140, 140')의 x방향 진동을 감지하기 위해 구비되고, 감지전극(43)은 센서질량체 유닛(170, 170') 중 외질량체(130, 130')의 x방향 진동을 감지하기 위해 구비된다. 각 감지전극(42, 44)은 콤 전극 또는 평판 전극으로 구현될 수 있으며, 각각 웨이퍼 기판에 고정된 앵커(41, 43)의 측면에 부착될 수 있다.
특히, 도 18의 실시예에서 두 개의 질량체 유닛은, 일단이 앵커(85)에 고정된 역위상 링크 기구(80)의 타단과 연결되어 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 x축 방향으로 2개의 질량체 유닛을 배치하되 이 2개의 질량체 유닛 간에 역위상을 갖도록 한다. 이와 같은 역위상은 기본적으로 도 10과 같은 시소 메커니즘에 따른 수직방향의 역위상 가진에 의해 제공된다. 이와 같이, 멤스 자이로스코프의 구조적 대칭성과 함께, 센서 질량체의 움직임도 대칭성을 갖게 되면, 다양한 이유로 발생되는 노이즈 성분이 상기 대칭성으로 인해 상쇄되는 장점이 있으므로, 센서 질량체 유닛의 완전한 역위상(perfect anti-phase) 움직임은 멤스 자이로스코프의 제조에 있어서 추구하여야 할 목표 중 하나이다.
따라서, 두 개의 센서 질량체(170, 170')가 감지 모드에서 완전한 역위상 움직임을 갖도록 보장하기 위해, 도 18의 실시예에서 두 센서 질량체(170, 170')는 프레임(160)의 중앙 부근에 배치된 역위상 링크 기구(80)와 연결된다. 역위상 링크 기구(80)는 그 구조적 특성(회전 대칭 구조)에 의해, 두 개의 링크 아암 중 하나의 아암에 어떠한 방향으로 힘이 가해지면 다른 아암에는 상기 가해진 힘과 정확히 반대 방향, 즉 역위상의 힘이 작용한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구(mechanism)를 보여주는 도면이다. 역위상 링크 기구(80)는 프레임(160)에 대해 움직임을 갖지 않는 중앙 앵커(85)에 연결되는 2개의 앵커 연결부(83, 84)와, 상기 2개의 앵커 연결부(83, 84)와 연결되며 상기 역위상 링크 기구(80)의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭인 형태로 상기 2개의 질량체 유닛에 각각 연결되는 2개의 링크 아암(81, 82)으로 구성된다. 또한, 상기 역위상 링크 기구(80)에 비틀림 강성을 부여하고, 2개의 앵커 연결부(83, 84)와 2개의 링크 아암(81, 82)이 각각 만나는 지점을 적어도 통과하는 폐곡선으로 형성되는 비틀림 강성 지지부(87)를 포함한다. 이러한 비틀림 강성 지지부(87)는 비틀림 강성 지지부와 더불어, 제1 앵커 연결부(83) 및 제1 링크 아암(81)을 포함한 제1 구조와, 제2 앵커 연결부(84) 및 제2 링크 아암(82)를 포함한 제2 구조를 기하적으로 연결하는 기능도 갖는다. 만약, 이러한 비틀림 강성 지지부(87)가 없으면 상기 제1 구조와 상기 제2 구조는 연결점이 없이 중앙 앵커(85)에만 연결되므로 역위상 힘이 발생하지 않게 될 것이다.
도 19에서, 제1 링크 아암(81)의 말단에 +F가 가해진다면 역위상 링크 기구(80)가 갖는 180도 회전 대칭의 구조에 의해 제2 링크 아암(82)의 말단에는 정확히 ?F의 반력이 생긴다. 마찬가지로, 제1 링크 아암(81)의 말단에 -F가 가해진다면 제2 링크 아암(82)의 말단에는 정확히 +F의 반력이 생긴다. 도 10과 같은 역위상 가진만으로는 2개의 센서 질량체 유닛의 움직임에 완전한 역위상이 보장되지 않는 경우라도, 이와 같은 역위상 링크 기구의 구조적 특성으로 인하여 2개의 센서 질량체 유닛은 완전한 역위상의 움직임을 가지기 때문에, 감지 전극에서 발생할 수 있는 노이즈 성분을 상쇄하여 제거할 수 있는 잇점을 누릴 수 있다.
도 20은, 도 18의 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼 전면의 n 또는 p 전극(21, 22, 23, 24), 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드(21a, 22a, 23a, 24a) 및 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극(21b, 22b, 23b, 24b, 41b, 43b) 및 밀폐벽(72)을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 그리고 도 21은, 도 20 의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 20, 및 도 21 에 있어서, 밀폐벽(72, 74, 76)은 x-y축 자이로스코프에 대한 진공밀폐를 위하여 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 바닥전극(21, 23)은 웨이퍼기판에서 붕소 또는 인이 도핑된, 프레임(60,160)의 수직가진을 목적으로 하는 n 또는 p 도핑 전극이고, 바닥전극(22, 24)은 프레임(60,160)의 수직방향 간격 변동을 측정하기 위한 n 또는 p 도핑전극이다. 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘관통전극(26b)은 프레임(60,160)과 센서질량체(170,170')에 전원을 공급하는 배선접속을 의미하고, 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘 관통전극(41b, 43b)은 센서 감지전극(41a, 43a)에서 감지된 신호를 외부로 출력하는 배선이다. 또한, 바닥 웨이퍼의 실리콘 관통전극(21b, 23b)은 바닥전극(21,23)에 전원을 공급하는 배선이며, 실리콘 관통전극(22b, 24b)은 바닥전극(22,24)의 신호를 감지하는 배선이다.
더미금속패드(21a, 22a, 23a, 24a)는 밀폐벽 밖으로 연결된 도핑전극(21,22,23,24) 위에 도체금속으로 증착된 하나의 금속패드로서 실리콘 관통전극(21b, 22b, 23b, 24b)과 도핑전극(21, 22, 23, 24)간을 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 또한, 캡 웨이퍼(100)와 자이로 웨이퍼(90) 사이에는 기둥(78, 79)이 구비되어 프레임(60, 160)의 가진 진동에너지를 바닥 웨이퍼(110)와 캡웨이퍼(100)로 각각 나누어 분산시킬 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.
12, 14, 16: 비틀림 지지 스프링
21, 22, 23, 24: 바닥 전극
21a, 22a, 23a, 24a: 더미 금속 패드
25, 26, 41, 43: 앵커
30, 30': 외질량체
32a, 32b, 34a, 34b: 내질량체 지지 스프링
36a, 36b, 38a, 38b: 외질량체 지지 스프링
40, 40': 내질량체
41a, 43a: 센서 감지 전극
41b, 43b: 실리콘 관통 전극
42, 44: 감지 전극
60, 160: 프레임
70, 70': 센서 질량체 유닛
72, 74, 76: 밀폐벽
80: 역위상 링크 기구
81, 82: 링크 아암
83, 84: 앵커 연결부
85: 중앙 앵커
87: 비틀림 강성 지지부
90: 자이로 웨이퍼
100: 캡 웨이퍼
110: 바닥 웨이퍼

Claims (15)

  1. 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임;
    가진모드에서, 1자유도로 가진되고, 감지모드에서, 상기 프레임에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해 2자유도로 변위가 감지되는 센서질량체;
    상기 2자유도로 감지되는 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 적어도 1개 이상의 감지전극을 포함하되,
    상기 센서 질량체는 내질량체와 상기 내질량체를 둘러싸는 외질량체를 포함하고, 상기 외질량체와 상기 프레임 사이는 제1 지지 스프링에 의해 연결되며, 상기 외질량체와 상기 내질량체 사이는 제2 지지 스프링에 의해 연결되며,
    상기 외질량체의 코리올리 힘에 의한 진동의 변위와 상기 내질량체의 코리올리 힘에 의한 진동의 변위는 나란하게 형성되는 멤스 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판에 배치된 적어도 하나 이상의 바닥전극에 의한 정전력에 의하여 상기 바닥 웨이퍼기판에 대해 수직 진동하거나 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 회전진동함에 의해 1자유도로 가진되는 멤스 자이로스코프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 야기되는, 상기 내질량체의 코리올리힘에 의한 진동과 상기 외질량체의 코리올리힘에 의한 진동을 포함한 2자유도 감지모드를 가지는 멤스 자이로스코프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외질량체에 대한 상기 내질량체의 질량비는 1/2 내지 1/10 범위 이내인 멤스 자이로스코프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지 스프링은 상기 외질량체와 상기 프레임을 서로 반대쪽에서 연결하는 적어도 2개의 스프링을 포함하고,
    상기 제2 지지 스프링은 상기 외질량체와 상기 내질량체를 서로 반대쪽에서 연결하는 적어도 2개의 스프링을 포함하는 멤스 자이로스코프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 지지 스프링에 포함되는 2개의 스프링과 상기 제2 지지 스프링에 포함되는 2개의 스프링은 각각 선형적 변형이 가능한 빔 형태인 멤스 자이로스코프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지 스프링의 연결 방향과 상기 제2 지지 스프링의 연결 방향은 동일한 멤스 자이로스코프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서질량체는 2개의 질량체 유닛으로 이루어지고, 상기 2개의 질량체 유닛은 상기 프레임에 대해 선대칭 형태로 배치되는 멤스 자이로스코프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 2개의 질량체 유닛은 각각, 적어도 하나의 상기 내질량체와 적어도 하나의 상기 외질량체를 포함하는 멤스 자이로스코프.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 2개의 질량체 유닛은 상기 프레임의 중앙에서 평면 역위상 링크 기구와 각각 연결되고, 상기 2개의 질량체 유닛은 상기 평면 역위상 링크 기구에 의해, 상기 변위가 감지되는 방향으로, 서로 간에 역위상의 움직임이 보장되는 멤스 자이로스코프.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 평면 역위상 링크 기구는 움직임을 갖지 않는 앵커에 의해 고정되고, 2개의 링크 아암에서 상기 2개의 질량체 유닛과 연결되는 멤스 자이로스코프.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 2개의 링크 아암은 상기 평면 역위상 링크 기구의 중심을 기준으로 서로간에 180도 회전 대칭인 멤스 자이로스코프.
  13. 제8항에 있어서,
    2개의 바닥전극이 상기 웨이퍼기판에 일정 간격으로 분리 배치되고, 상기 2개의 바닥전극이 제공하는 역위상 수직방향 정전력에 의해, 상기 프레임이 역위상 수직방향 속도성분을 갖게 되는 멤스 자이로스코프.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축을 중심으로 한 외부의 각속도가 입력될 때, 상기 2개의 질량체 유닛이 상기 각속도 입력 축에 수직인 다른 축 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 동작하는 멤스 자이로스코프.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프레임 중앙에 위치하여 상기 프레임의 회전 복원력을 제공하는 비틀림스프링과, 상기 프레임 양쪽 끝 가장자리를 각각 지지하며 상기 프레임의 회전 복원력을 제공하는 좌우대칭 이중링크 형태의 비틀림스프링 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
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