KR101828771B1 - 개선된 직교 보상을 갖는 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프 - Google Patents

개선된 직교 보상을 갖는 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프 Download PDF

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Abstract

마이크로전기기계 자이로스코프 구조체는 진동 질량, 본체 소자, 및 진동 질량을 본체 소자에 매다는 스프링 구조체를 포함한다. 1차 진동에서, 진동 질량의 적어도 일부는 평면외 방향으로 진동한다. 제 1 전도체는 진동 질량과 함께 이동하도록 배열되고, 제 2 전도체는 본체 소자에 부착된다. 전도체들은 제 1 방향과 제 3 방향으로 연장하는 인접 표면들을 포함한다. 전압 소자는 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 전위 차를 생성하도록 배열되고, 그에 의해 제 2 방향으로 정전기력을 유발하고 진동 질량의 1차 진동에 의해 변조된다.

Description

개선된 직교 보상을 갖는 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프{GYROSCOPE STRUCTURE AND GYROSCOPE WITH IMPROVED QUADRATURE COMPENSATION}
본 발명은 마이크로전기기계 디바이스들에 관한 것이고 특히 독립 청구항들의 전제부들에 규정된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프에 관한 것이다.
마이크로-전기-기계 시스템들, 즉 MEMS는 적어도 일부의 소자들이 기계적 기능성을 갖춘 소형화된 기계 및 전기-기계 시스템들로서 규정될 수 있다. MEMS 디바이스들이 집적 회로들을 만드는데 사용된 동일한 툴들로 만들어지기 때문에, 마이크로기계들 및 마이크로전자제품들이 동일 조각의 실리콘 상에 제조될 수 있어 지능을 갖는 기계들을 가능하게 한다.
MEMS 구조체들은 물리적 특성들의 매우 작은 변화들을 신속하고 정확하게 검출하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 마이크로전기기계 자이로스코프는 매우 작은 각도 변위들을 신속하고 정확하게 검출하기 위해 적용될 수 있다. 운동은 6개의 자유도들을 가진다: 3개의 직교 방향들의 병진운동들 및 3개의 직교 축들 둘레의 회전들. 후자의 3개는, 또한 자이로스코프로도 알려져 있는 각 속도 센서에 의해 측정될 수 있다. MEMS 자이로스코프들은 코리올리 효과(Coriolis Effect)를 이용하여 각 속도를 측정한다. 질량이 한 방향으로 이동중이고 회전 각 속도가 인가될 때, 질량은 코리올리력의 결과로서 직교 방향의 힘을 겪는다. 코리올리력에 의해 유발되는 결과로서 생긴 물리적 변위는 예를 들면 용량적으로, 압전적으로 또는 압전 저항적으로 감지하는 구조체로부터 판독될 수 있다.
MEMS 자이로들에서, 1차 운동은 전형적으로 적절한 베어링들의 부족으로 인해 종래의 것들에서와 같은 연속 회전이 아니다. 대신에 기계적인 진동이 1차 운동으로 사용될 수 있다. 진동 자이로스코프가 1차 운동의 방향에 직교하는 각 운동을 겪을 때, 파상의 코리올리력이 초래된다. 이것은 1차 운동에 및 각 운동의 축에 직교하고, 1차 진동의 주파수의 2차 진동을 생성한다. 이러한 결합된 진동의 진폭은 각 속도의 측정으로 사용될 수 있다.
자이로스코프들은 매우 복잡한 관성 MEMS 센서들이다. 자이로스코프 설계들에서의 기본적인 도전과제는 코리올리력이 매우 작고 따라서 생성된 신호들이 자이로스코프에 존재하는 다른 전기 신호들에 비해 극소해지는(minuscule) 경향이 있다는 것이다. 진동에 대한 민감성 및 스퓨리어스 응답들(Spurious responses)은 많은 MEMS 자이로 설계들에 있어서 성가시다.
자이로스코프 설계에서의 하나의 도전과제는 직교 에러 운동이다. 이상적인 자이로스코프 구조체에서, 1차 진동과 2차 진동은 정확하게 직교한다. 그러나, 실제 디바이스들에서, 결함들이 발생하여 진동성 질량의 1차 모드 변위의 자이로스코프의 2차 모드로의 직접 결합을 야기한다. 이러한 직접 결합은 직교 오류로 불린다. 각 운동 신호와 직교 신호 사이의 위상 차이가 90도이고, 이것은 기본적으로 직교 오류가 위상 감응 복조로 제거될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 직교 신호는 각 운동 신호와 비교하여 매우 클 수 있고, 그러므로 위상 복조의 판독(readout) 전자장치들 또는 위상 정확성을 위해 비합리적인 동적 범위 필요조건들을 야기할 수 있다.
이러한 오류원을 처리하는 알려진 하나의 방법은, 직교 신호가 생성되기 전에, 센서 구조체에서 오류 신호를 제거하는, 정전식 직교 소거이다. 이를 위해, 정확하게, 1차 진동과 동-동상이고, 2차 진동에 대해 평행한 정전기력이 진동 질량에 적용될 수 있다. 도 1은 US 특허 공보 제 5,992,233에 도입된, 정전식 직교 억제를 위한 종래 기술 구성을 도시한다. 도 1은 진동 시험 질량의 대향 측들로부터 돌출하는 두 개의 핑거들(finger)을 갖는 진동 시험 질량을 도시한다. 돌출된 핑거들의 각각은 고정 전극의 오른쪽 및 왼쪽 핑거들로 둘러싸이고, 작은 전압 차이는 핑거들의 각 쌍의 오른쪽과 왼쪽 사이에 적용된다. 반대 전압 전위는 오른쪽과 상응하는 왼쪽 사이에 적용될 수 있어서, 이러한 전압 차이는 직교 오류를 상쇄하기 위한 균형잡는 힘을 생성한다.
그러나, 이러한 원리는 진동 질량의 1차 모드 진동이 평면 외 방향인 자이로스코프 구조체들에 적용되지 않는다. MEMS 디바이스들은, 자이로스코프 구조체가 아래에 놓이거나 또는 덮는 본체 소자에 매달리는 전형적인 적층 구조체들이다. 종래 기술의 둘러싸는 온도에 강력한 방식으로 필요한 보상 전압 차이를 제공하기 위하여, 고정 전극 구성의 제작이 어려울 것이고, 심지어 불가능할 것이라는 것이 쉽게 이해된다.
본 발명의 목적은 평면외 방향으로 여기된(excited) 하나 이상의 평면 질량들을 갖는 자이로스코프 구조체들을 위한 효율적인 직교 보상을 허용하는 자이로스코프 구조체를 설계하는 것이다. 본 발명의 목적들은 독립 청구항들의 특징부들에 따른 자이로스코프 구조체로 달성된다.
청구항들은 진동 질량, 적어도 하나의 본체 소자, 및 진동 질량을 본체 소자에 매다는 스프링 구조체를 포함하는 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 규정한다. 1차 진동에서, 진동 질량의 적어도 일부는 제 1 방향으로 진동하고, 2차 진동에서, 진동 질량의 적어도 일부는 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 이동한다. 진동 질량은 제 2 방향과 제 3 방향으로 평면적으로(planarly) 연장하는 표면 평면을 포함한다. 제 1 전도체는 진동 질량과 함께 이동하도록 배열되고, 제 1 전도체는 제 1 방향 및 제 3 방향으로 진동 질량 상에서 연장하는 제 1 표면을 포함하고, 여기서 제 3 방향은 제 1 방향과 제 2 방향에 수직이다. 제 2 전도체는 본체 소자에 부착되고 제 1 방향 및 제 3 방향으로 연장하는 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 2 표면은 제 1 표면과 인접하다. 전압 소자는 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 전위 차를 생성하도록 배열되고 이에 의해 제 2 방향이고, 진동 질량의 1차 진동에 의해 변조되는 정전기력을 유발한다.
청구항들은 또한 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 포함하는 자이로스코프를 규정한다. 본 발명의 양호한 실시예들은 종속 청구항들에 개시된다.
본 발명은 진동하는 진동성 질량(oscillating seismic mass)과 나란히 평면 표면을 배열하고, 정적 전극과 나란히 상응하는 평행 표면을 배열하고, 이러한 표면들을 서로 인접하게 위치시키는 것에 기초한다. 정전기력은 이후, 판들 사이에서 생성되어, 1차 운동 동안 두 개의 표면들의 중첩 영역이 변하고, 그 변화에 따라 정전기력이 변조되게 된다. 정전기력은 1차 진동 동안 원치 않은 평면 내 운동을 제거하고, 진동 질량의 진동은 원하는 평면 외 운동에 정확하게 배열된다.
본 발명의 다른 이점들은 다음의 실시예들과 함께 더욱 상세히 논의된다.
다음에서 본 발명은 양호한 실시예들에 관련하여, 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 기술될 것이다.
도 1은 정전 직교 억압을 위한 종래 기술 구성을 도시한 도면;
도 2a 및 도 2b는 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체들을 예시적으로 도시한 도면;
도 3a 및 도 3b는 사용 중에 도 2b의 구조체와 함께 사용 도중에 전기력 변조를 도시한 도면;
도 4는 예시적인 직교 보상 소자에 대한 상부도;
도 5a 및 도 5b는 상이한 빗살 구조체들의 두 개의 예시들을 도시한 도면;
도 6은 자이로스코프 구조체를 위한 다른 빗살 구성을 도시한 도면;
도 7은 도 4의 보상 소자의 측면 사시도;
도 8은 자이로스코프 구조체가 두 개의 진동 질량들을 갖는 일 실시예를 도시한 도면.
다음의 실시예들은 예시적이다. 명세서가 "하나의", 또는 "일부" 실시예(들)를 참조할 수 있지만, 이것은 반드시 각각의 이러한 참조가 동일 실시예(들)에 대한 것이거나, 또는 특징부가 단일 실시예에만 적용되는 것을 의미하는 것은 아니다. 상이한 실시예들의 단일 특징부들은 다른 실시예들을 제공하기 위해 조합될 수 있다.
다음에서, 본 발명의 특징부들은 본 발명의 다양한 실시예들이 구현될 수 있는 디바이스 아키텍처의 간단한 예와 함께 기술될 것이다. 실시예들을 예시하는데 관련된 요소들만 상세히 기술된다. 당업자에게 일반적으로 알려진 자이로스코프 구조체들의 다양한 구현들은 본 명세서에 구체적으로 기술되지 않을 수 있다.
본 발명은 평면외 1차 운동을 겪도록 구성된 적어도 하나의 진동 질량을 포함하는 임의의 자이로스코프 구조체에 적용가능하다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 설명에서 적용된 기초 개념들과 방향들을 도시한다. 도 2a 및 도 2b는 진동 질량(200)과 본체 소자(202)를 포함하는 예시적인 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체들을 도시한다. 용어 진동 질량은 본 명세서에서 진동질량에 작용하는 힘들에 응답하여 관성 운동을 제공하기 위해 다른 구조체에 매달릴 수 있는 질량체를 나타낸다. 자이로스코프 구조체는 또한 진동 질량(200)을 자이로스코프의 본체 소자(202)에 매달기 위한 스프링 구조체(204)를 포함한다. 본체 소자는 예를 들어, 자이로스코프 다이의 아래에 놓이는 핸들 웨이퍼, 또는 커버링 캡 웨이퍼(covering cap wafer)에 의해 제공될 수 있다. 구조체 웨이퍼, 핸들 웨이퍼 및 캡 웨이퍼에 대한 구분들이 개념적임을 유념한다. 당업자에게는, 예를 들면, 핸들 웨이퍼 및 구조체 웨이퍼가 개별적으로 또는 적층된 실리콘-절연체-실리콘 기판으로부터 조합하여 패터닝될 수 있다는 것이 명백하다. 진동 질량은 하나 이상의 본체 소자들에 매달릴 수 있다.
스프링 구조체(204)는 진동 질량으로 하여금 진동 질량(200)의 적어도 일부가 본체 소자로부터 멀어지는 제 1 방향(1)으로 이동하는 평면외 1차 진동을 겪는 것을 허용하는 방식으로 진동 질량(200)을 매달도록 구성된다. 평면외 이동은, 평면 진동 질량의 대향 단부들이 본체부로부터 멀어지고, 그것을 향하는 시소형 이동으로 뒤틀리는 진동 진량의 회전 진동을 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 평면외 이동은, 평면 진동 질량이 본체부로부터 멀어지고, 그것을 향하는 선형적으로 진동하는 진동 질량의 선형 진동을 포함할 수 있다. 평면외 이동은 또한, 평행 축들 사이의 진동 질량의 가장 가까운 부분이 다른 방향으로 이동하는 동안, 진동 질량의 말단들이 한 방향으로 이동하도록, 평면 진동 질량이 두 평행 축들 사이에서 구부러지는 진동 질량의 버클링 진동을 포함할 수 있다.
진동 질량의 평면외 진동에서, 진동 질량의 적어도 일부는 본체부의 매다는 평면(206)으로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 본체 소자(202)의 층은 매다는 평면(206)으로 여겨질 수 있고, 1차 진동에서, 진동 질량의 적어도 일부의 속도 v(밑줄은 벡터 개념으로서 텍스트에 사용된다)는 매다는 평면(206)과 수직인 요소를 가진다. 도 2a는 스프링 구조체가 진동 질량을 매다는 평면(206)에 수직인 선형 평면외 진동으로 매다는 구성을 도시한다. 이러한 경우, 진동 질량의 임의의 부분의 속도 v는 업압 평면(206)에 수직인 요소를 가진다. 도 2b는 스프링 구조체가 진동 질량을 매다는 평면(206)에 평행인 회전 축(208) 둘레의 회전 평면외 진동에 매다는 구성을 도시한다. 이러한 경우, 회전축(208)에 부합하는 진동 질량의 한 점의 속도 v는 0이지만, 1차 운동에서의 진동 질량의 임의의 다른 부분의 속도는 매다는 평면(206)에 수직인 요소 v1 를 가진다. 진동 질량의 일부가 매다는 평면에 수직인 구성요소를 가지는 평면외 운동의 다른 형태들이 또한 적용될 수 있다.
단순성을 위해, 도 2의 예시에서, 본체 소자(202)는 아래에 놓이는 기판으로서 도시되고, 매다는 평면은 기판의 평면 외부 표면과 배열되는 것으로 간주된다는 것이 유념된다. 이러한 구성들은 제조하기에 용이하지만, 본 발명의 견해에서, 본체부는 평면일 필요가 없고, 매다는 평면은 기판의 외부 표면일 필요가 없다. 진동 질량의 평면 내의, 또는 아래에 놓이거나 덮는 본체부 내의 임의의 평면 또는 텍스쳐 층으로서, 이 층에 수직으로 1차 진동이 발생할 수 있, 이러한 층은 매다는 평면(206)으로서 적용가능하다.
진동 질량이 제 1 방향에서 평면외 1차 진동으로 여기(excited)될 때, 제 1 방향에 수직인 축 둘레에서 진동 질량의 각 운동은, 제 1 방향과 각 운동 축에 수직인 방향으로 진동 질량을 변위시키는 코리올리력을 야기한다. 도 2a 및 도 2b의 예시적인 구성에서, 코리올리력으로 인한 변위들은 제 2 방향(2)으로 발생한다. 도 2a에서, 코리올리력은 진동 질량으로 하여금 제 2 방향(2)으로 선형으로 진동하도록 한다. 도 2b에서, 코리올리력은 진동 질량으로 하여금 제 1 방향(1)으로 회전축(210) 둘레에서 진동하도록 하여, 진동 질량의 적어도 일부 속도가 제 2 방향(2)의 요소를 가지도록 한다. 각 운동은 그러므로, 제 2 방향(2)에서 진동 질량의 운동을 감지함으로써 측정될 수 있다.
자이로스코프 구조체는 전형적으로 진동 질량(200)으로 하여금 평면외 1차 운동을 하도록 구성된 여기 수단(도시되지 않음)을 포함한다. 여기 수단은 전도체와 질량 전극을 포함할 수 있고, 질량 전극은 진동 질량(200)과 함께 이동하여, 본체 소자(202)에 부착되는 고정 전극 또는 전극들과 전기적으로 상호작용 하도록 구성된다. 조절된 전기적 상호작용의 결과로서, 여기 수단은 진동 질량(200)을 본체 소자(202)에 대해 평면외 진동으로 유도할 수 있다. 진동 질량에 대한 특정 평면외 방향의 전기 여기력을 생성할 수 있는 다양한 여기 구조체들이 범위 내에서 적용될 수 있음을 이해된다. 예를 들면, 여기 수단은, 진동 질량의 표면 상에 패터닝된 전극 층 영역을 포함할 수 있다. 대안으로, 진동 질량은 그 자체가 도전 재료로 형성될 수 있다. 또한, 압전 여기는, 예를 들어 진동 질량을 매다는 스프링들을 형성하는 층의 상부에 증착된 압전막에 의해 적용될 수 있다.
1차 진동에서 의도하지않은 편차들에 의해 야기된 오류를 줄이거나 제거하기 위해서, 변조된 전기력이 적어도 두 개의 전도체들에 의해 진동 질량으로 유도될 수 있다. 제 1 전도체는 진동 질량의 운동들을 따라 이동하도록 배열되고, 제 2 전도체는 본체 소자에 관한, 그리고 제 1 전도체에 인접하여 고정되도록 배열된다. 전위 차는 제 1 전도체와 제 2 전도체 사이에 제공될 수 있고, 이에 의해 전기장은 전도체들 사이에서 발생하고, 제 2 방향으로 진동 질량의 이동들에 대항하는 균형 잡는 힘을 생성한다.
균형잡는 힘은 진동 질량의 감지된 운동을 방해하면 안 되고, 따라서 보상된 편차들과 정확하게 동시여야 하고, 그것들에 오직 비례하여야 한다. 평면외 1차 운동을 갖는 구조체에서 이러한 것을 달성하기 위하여, 전도체들의 표면들은 제 1 방향으로 및 제 3 방향으로 평면적으로 연장하고, 서로에게 인접도록 배열될 수 있지만, 영이 아닌 거리만큼 서로 분리된다. 전위 차가 표면들 사이에서 생성된다면, 표면들은 두 개의 대전된 표면들 사이의 정전기력은 표면들 사이의 중첩 영역에 비례하는 커패시터를 생성한다. 표면들의 위치는 중첩 영역의 정도가 진동 질량의 평면외 1차 운동을 따라 변화하는 것을 허용하고, 종래 기술의 대향 전도체 쌍 없이, 균형 잡는 힘을 진동 질량의 위 및 아래로 정확히 향하게 하는 것을 허용한다. 이러한 소자 구성이 매우 어렵거나, 또는 적어도 이러한 1차 및 2차 진동 모드들로 제조하는게 비용이 들고, 그들의 작동은 온도 변화들에 매우 취약할 것이 쉽게 이해된다.
도면들 3a 및 3b는 1차 운동이 평면외 회전 진동들인 도 2b의 구조체와 함께 사용 중에 정전기력 변조를 도시한다. 이러한 예에서, 진동 질량은 제 2 및 제 3 방향을 따라 두 개의 표면들(상하면) 사이에 평면적으로 및 직선으로 연장하고, 제 1 및 제 3 방향을 따라 평면적으로 연장하는 측면을 가진다. 제 1 표면(300)은 진동 질량의 측면, 즉 제 1 및 제 3 방향을 따라 평면적으로 연장한 진동 질량의 표면 상에 위치한 전극 층 영역으로 형성될 수 있다. 반면에, 진동 질량의 측면 전체가 제 1 표면으로 작용하도록, 진동 질량은 그 자체가 도전 재료로 형성될 수 있거나, 또는 진동 질량은 도전 재료의 층으로 덮힐 수 있다. 제 2 전도체는 본체 소자, 본 명세서의 아래에 놓이는 기판에 포함되거나 고정하여 부착될 수 있고, 제 1 표면에 인접하여 연장하는 제 2 표면을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 1차 진동의 이러한 스테이지 내의 제 1 표면(300)과 제 2 표면(302)의 위치들을 도시한다. 도 3a는 중첩이 최대일 때, 1차 진동의 제로 포인트에서 도 2b의 자이로스코프 구조체의 측면도이고, 도 3b는 1차 진동의 일부 다른 스테이지 동안 동일한 표면들을 도시한다.
도 3a에서 도시된 바와 같이, 제로 포인트에서, 제 1 표면(300)과 제 2 표면(302)은 서로 완전히 대향하고, 표면들의 중첩 영역(304)은 더 작은 표면, 본 명세서에서 제 2 표면(302)의 영역과 동일하다. 이후에 논의될 바와 같이, 제 1 표면(300)의 영역은 제 2 표면(302)의 영역보다 작거나, 크거나, 또는 동일할 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 진동 질량이 평면외 방향으로 이동할 때, 제 1 표면(300)과 제 2 표면 사이의 중첩 영역(304)은 줄어들고, 그들 사이의 균형 잡는 정전기력을 변조한다. 표면들 사이의 전압 차이는 교정에 의해 적용가능한 수준으로 조정될 수 있다. 교정 방법들은 당업자에게 잘 알려져있으며, 본 명세서에서 보다 상세하게 논의하지 않을 것이다.
이러한 표면 배향들에 의해 생성된 균형 잡는 힘이 종래 기술 평면내 진동 구성들보다 더 작을 수 있다는 것이 쉽게 이해된다. 그러나, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체들에서 적용된 치수들에 대해, 적용 가능한 직교 신호 보상이 훨씬 더 쉽게 제조되고 온도 강성인 이러한 구성을 통해 달성될 수 있음이 주지된다.
도 4는 도 2b의 자이로스코프 구조체에서 적용가능한 예시적인 직교 보상 소자에 대한 상부도를 제공한다. 직교 보상 소자는 진동 질량과 함께 이동하도록 배열된 제 1 전도체(400)를 포함한다. 제 1 전도체(400)는 제 1 진동 질량 상에 증착된 물질의 전기 전도 층으로 구현될 수 있고, 제 1 진동 질량, 또는 그것의 관련 부분은 전극처럼 작용하기에 충분히 높은 전도성을 가질 수 있다. 이러한 예에서, 제 1 전도체(400)는 진동 질량으로부터 돌출하는 빔-형성된 소자이다.
직교 보상은 또한 하부 본체 소자에 부착될 수 있는 제 2 전도체(402)를 포함하여 제 1 진동 질량의 1차 운동 동안 안정한 대로 있을 수 있다. 제 2 전도체(402)는 또한 빔-형성된 구조체를 가질 수 있다. 제 2 방향(2)으로 방향성 정전기력을 적절하게 생성하기 위하여, 제 1 전도체(400)는 제 1 표면(404)을 포함하고, 제 2 전도체는 제 2 표면(406)을 포함하고, 표면들(404, 406)은 근접 위치로 배열된다. 용어 근접은 본 명세서에서 즉, 제 1 진동 질량이 오직 본체 소자에 매달릴 때(1차 또는 2차 운동이 아닌), 제 1 전도체(400)와 제 2 전도체(402)의 초기 상호적 위치를 지칭한다. 전압 차이가 제 1 전도체(400)와 제 2 전도체(402) 사이에 존재할 때, 제 2 방향(2) 내의 전기장은 표면들(404, 406) 사이에 형성된다.
직교 보상 소자는 또한 적어도 제 2 전도체(402)에 연결된 직류 바이어스 전압원(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제 1 전도체(400), 제 2 전도체(402), 및 직류 바이어스 전압원은 그러므로, 2차 진동의 방향과 평행하고, 진동 질량의 1차 진동에 의해 변조된 정전기력을 결합하여 생성하기 위해 연결될 수 있다. 제 1 전도체(400)의 제 1 표면(404)과 제 2 전도체(402)의 제 2 표면(406)은 전기장들과 연관된 커패시턴스를 구축하는 평행 판들을 형성하는 것으로 여겨질 수 있다.
최소한으로, 자이로스코프 구조체는 하나가 평면외 방향으로 연장하는 표면을 안에 제공하기 위해 진동 질량에 고정되고, 및 또 하나가 근접한 평행 표면을 안에 제공하게 위해 본체 소자에 고정된, 한 쌍의 전도체들로 구성될 수 있다. 균형 잡는 힘은, 그러나, 연장형 빔-형성된 소자의 맞물린 빗살형(comb)의 핑거형 주기적인 패턴으로 배열된 두 개 이상의 전극 쌍들을 적용함으로써 증가될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 상이한 빗살 구조체들의 두 개의 예시들을 도시한다. 진동 질량(500)은 진동 질량으로부터에 의해 지지되고, 거기서부터 제 3 방향(3)으로 연장하는 제 1 복수의 연장형 빔들(504)을 포함할 수 있다. 이러한 구조체는 또한 본체 소자, 예로서 기판 또는 캡 층에 고정된 제 2 전극(502)을 포함할 수 있다. 제 2 전극(502)은 진동 질량의 제 1 복수의 연장형 빔들(504)에 평행하도록 제작된 제 2 복수의 연장형 빔들(506)을 포함할 수 있다. 작동 중에, 공통의 전압 전위는 제 1 복수의 연장형 빔들(504)과 제 2 복수의 연장형 빔들(506) 사이에 생성될 수 있다. 이는 최소한의 공간 내의 구성에서 이용가능한 균형 잡는 힘을 배가시킨다. 이것은 또한 진동 질량 또는 제 2 전도체의 연장형 빔들의 형태로 잠재적인 제작 부정확성들을 평균한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 자이로스코프 구조체는 진동 질량의 제 1 복수의 연장형 빔들(504)에 평행하도록 제작되고, 그러나 진동 질량의 제 1 복수의 연장형 빔들(504)과 제 2 복수의 연장형 빔들(506) 사이에서 생성된 정전기력에 반대인 정전기력을 생성하도록 배열된, 제 3 복수의 연장형 빔들(512)을 포함할 수 있는 추가 제 2 전극(510)을 포함할 수 있다.
도 5a와 도 5b의 빗살 구조체들이 도 2b의 자이로스코프 구조체와 연결하여 개시된다 할지라도, 그들은 1차 운동이 선형 평면외 진동인 2a의 자이로스코프 구조체들에 상응하게 적용가능하다.
도 6은 자이로스코프 구조체를 위한 추가 빗살 구성을 도시한다. 도 6은 도 5a와 도 5b에서 도입된 제 1 전도체(600), 제 2 전도체(602), 제 1 전도체의 복수의 연장형 빔들(604), 및 제 2 전도체의 복수의 연장형 빔들(606)을 도시한다. 마이크로전기기계 구조체들은 전형적으로, 폐쇄 갭 빗살들(평행판 커패시터) 또는 선형 빗살들(세로 커패시터)를 적용한다. 폐쇄 갭 빗살들(도 5a와 도 5b 비교)에서, 빗살 핑거들의 평면내 커패시턴스 거동은 변하는 핑거 갭과 일정한 영역을 갖는 평행 판 커패시터에 의해 근사적으로 모델링될 수 있다. 선형 빗살들(도 6)에서, 빗살 핑거들은 서로 평행한 평면내에서 이동을 하고, 커패시턴스 거동은 변하는 영역과 일정한 핑거 갭을 갖는 평행판 커패시터에 의해 모델링될 수 있다. 용량성 병진운동기 시스템에서, 평행판 커패시터의 강성은 시스템이 평행점 주위에서 거동하고 시스템을 위한 효율적인 스프링 상수를 제공하는 방식을 특징짓는다. 전압 바이어스된 평행판 커패시터는 복원 스프링 힘을 효율적으로 줄임으로써 시스템 강성을 줄일 수 있다. 선형 빗살에서, 커패시터 상에 작용하는 힘이 변위에 의존하지 않도록 커패시턴스는 변위에 의해 선형적으로 변화하고, 빗살은 커패시턴스가 스프링 힘들을 도입하지 않도록 한다. 도 6의 선형 빗살 구성으로, 정전 스프링 효과는 직교 보상 소자로부터 효율적으로 제거될 수 있다.
정전기 장을 위한 정확한 변조 주파수를 가능하게 하기 위하여, 제 1 및 제 2 표면들의 영역들의 정도는 서로 다를 수 있다. 도 7은 도 4의 보상 소자의 측면 사시도를 도시한다. 제 1 표면(404)은 제 1 방향(1)의 제 1 높이(h1)로 연장하도록 구성될 수 있는 것을 알 수 있다. 상응하게, 제 2 표면(406)은 제 1 방향(1)의 제 2 높이(h2)로 연장하도록 구성될 수 있다. 유리하게, 표면들 중 어느 것이 다른 하나보다 높도록, 높이들(h1 및 h2)은 상이하다(차이는 영이 아니다). 도 7의 예시적인 구성에서, 제 1 전도체(400)는 제 2 전도체(402)보다 상당히 낮도록 다운-에칭(down-etched) 되었다.
자이로스코프 구조체에서, 스프링 구조체들은, 질량들의 평면에 수직인 방향으로 진동 질량의 1차 진동을 위한 특정 최대 진폭 이하로 1차 진동의 정도를 제한하도록 구성된다. 유리하게, 한 방향으로 균형 잡는 힘을 제공하는 제 1 및 제 2 전도체들은 평면외 운동의 진폭이 최소일 때, 표면들의 중첩 영역이 최대가 되고, 평면외 운동의 진폭이 최대일 때, 표면들의 중첩 영역이 최소가 되도록 구성된다. 제 1 전도체 및 제 2 전도체가 동일한 평면으로부터 제 1 방향으로 연장하고, 제 1 높이(h1)와 제 2 높이(h2)사이의 차이가 동일하거나 설계된 최대 진폭보다 크도록, 이러한 고성은 도 7의 구성으로 달성된다. 이것은, 작동 중에, 제 1 표면(404)의 가장자리(700)가 제 2 표면(406)의 가장자리(702)를 넘지 않는다는 것을 보장한다. 진동 질량의 주기 1차 운동 동안, 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 중첩 영역은 주기의 반에서만 오로지 변화하고, 오직 균형 잡는 힘을 1차 운동을 통해 적절한 위상으로 변조한다. 진동 질량의 1차 운동의 주파수에 따라서, 제 1 전도체와 제 2 전도체 사이의 전위 차를 전기적으로 반전시킴으로써, 원하는 위상을 달성하는 것이 대안적으로 가능하지만, 도 7에서 도시된 기계적 구성은 훨씬 더 견고하고 실시하기에 단순하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 표면(404)이 제 2 표면(406)보다 낮을 때, 정전기력은 1차 운동의 반-주기에서 변조된다. 제 1 표면(404)이 제 2 표면(406)보다 높도록, 제 2 전도체(406)를 다운-에칭하는 것이 또한 가능하다. 이러한 경우, 정전기력은 1차 운동의 다른 반-주기에서 변조된다.
자이로스코프 구조체는 본 명세서에서 개시된 적어도 하나의 직교 보상 소자를 포함할 수 있다. 유리하게, 진동 질량의 1차 운동이 회전 축 둘레의 회전 진동인 자이로스코프 구조체에서, 적어도 하나의 직교 보상 소자는 회전 축의 측면 중 하나로 배열될 수 있다. 회전 축의 대향 측면들에서의 직교 보상 소자들은 쌍으로 적용될 수 있고, 그 중 하나는 1차 운동의 반-주기 동안 양의 제 2 방향으로 정전기력을 변조하고, 그 중 다른 하나는 1차 운동의 다른 반-주기 동안 음의 제 2 방향으로 정전기력을 변조한다. 대향 직교 보상 소자들은 1차 운동의 전체 주기 동안 변조된 평면내 보상을 제공하는 회전 정전기력들을 결합하여 생성하기 위해 사용될 수 있다.
원리는 둘 이상의 진동 질량들을 포함하는 자이로스코프 구조체에서 또한 유리하다. 도 8은 자이로스코프 구조체가 제 1 진동 질량(800)과 제 2 진동 질량(802)을 포함하는 일 실시예를 도시한다. 자이로스코프 구조체는 또한 제 1 진동 질량(800)과 제 2 진동 질량(802)을 자이로스코프의 본체 소자에 매달기 위한 제 1 스프링 구조체(804)를 포함한다. 제 1 스프링 구조체(804)는, 제 1 진동 질량(800)의 평면과 제 2 진동 질량(802)의 평면이 질량들의 매달기 평면(806, 뒤에: 질량들의 평면)을 형성하도록, 제 1 진동 질량(800)과 제 2 진동 질량(802)을 평행 위치로 매달도록 구성될 수 있다. 질량들의 평면(806)은, 그들에 작용하는 추가 외부 힘들이 없을 때, 그들의 초기 설계된 위치에서 매달린 진동 질량들(800, 802)에 의해 형성된 기준 평면이다. 변하는 조건들 하에서, 자이로스코프의 작동 동안, 이를 테면 진동 질량들이 개별 이동하고 질량들의 평면(806)으로부터 변형되는 것이 이해된다.
도 8에서 도시된 바와 같이, 제 1 스프링 구조체(804)의 소자들은 유리하게 제 1 진동 질량(800)과 제 2 진동 질량(802)의 평면 형태들 내에 위치한다. 제 1 스프링 구조체(804)는 제 1 진동 질량(800)의 평면 내에 제 1 고정점(808)을 포함할 수 있다. 제 1 고정점(808)은 제 1 진동 질량(800)을 자이로스코프의 다른 본체 소자에, 예를 들면, 하부 기판에 및/또는 커버링 캡에 부착하기에 적합한 소자를 나타낸다. 제 1 고정점(808)은 예를 들면, 영역의 외주에서 진동 질량의 재료를 제거함으로써 제 1 진동 질량(800)의 부피 평면에 패터닝된 영역이 될 수 있다. 제 1 스프링 구조체(804)는 또한 제 1 고정점(808) 및 제 1 진동 질량(800)에 부착되는 제 1 스프링 조립체(810)를 포함할 수 있다. 제 1 스프링 조립체(810)는 질량들의 평면(806)에 있는 제 1 여기 축(812) 둘레의 제 1 진동 질량(800)의 회전 진동을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 제 1 스프링 조립체(810)는 예를 들면, 제 1 고정점(808)과 제 1 진동 질량(800) 사이에서 연장하도록 제 1 진동 질량(800)의 평면에 패터닝되는 제 1 빔-형성된 스프링을 포함할 수 있다. 제 1 진동 질량(800)이 동작 동안 제 1 여기 축(812) 둘레에서 진동할 때, 빔-형성된 스프링은 제 1 고정점(808)과 제 1 진동 질량(800) 사이에서 비틀리게 꼬일 수 있다.
상응하게, 제 1 스프링 구조체(804)는 제 2 진동 질량(802)의 평면 내에 제 2 고정점(814)을 포함할 수 있다. 제 2 고정점(814)은 제 2 진동 질량(802)을 다른 본체 소자에, 예를 들면 하부 기판에 및/또는 커버링 캡에 부착하기에 적합한 소자를 나타낸다. 제 2 고정점(814)은 또한 예를 들면, 영역의 외주에서 진동 질량의 재료를 제거함으로써 제 2 진동 질량(802)의 부피 평면에 패터닝된 영역이 될 수 있다. 제 1 스프링 구조체(804)는 또한 제 2 고정점(814) 및 제 2 진동 질량(802)에 부착되는 제 2 스프링 조립체(816)를 포함할 수 있다. 제 2 스프링 조립체(816)는 질량들의 평면(806)에 있는 제 2 여기 축(818) 둘레에서 제 2 진동 질량(802)의 회전 진동을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 제 2 스프링 조립체(816)는 예를 들면, 제 2 고정점(814)과 제 2 진동 질량(802) 사이에서 연장하기 위해 제 2 진동 질량(802)의 평면에 패터닝되는 제 2 빔-형성된 스프링을 포함할 수 있다. 제 2 진동 질량(802)이 동작 동안 제 2 여기 축(818) 둘레에서 진동할 때, 빔-형성된 스프링은 제 2 고정점(814)과 제 2 진동 질량(802) 사이에서 비틀리게 꼬일 수 있다. 빔-형성된 스프링은 제 1 및 제 2 스프링 조립체들에 대한 예시적인 구조체일 뿐임을 유념한다. 다른 형태들이 범위 내에서 적용될 수 있다. 예를 들면, 각각의 고정점을 둘러싸는 원주 스프링 구조체가 마찬가지로 목적에 맞게 적용될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 여기 축(812) 및 제 2 여기 축(818)은 공통의 제 1 축(820)을 형성하도록 배열된다. 공통의 제 1 축(820)은 1차 이동이 공통의 제 1 축(820)에 관해 진동 질량들의 대향 단부들의 시소형 이동을 포함하도록 제 1 고정점(808) 및 제 2 고정점(814)을 가로지를 수 있다.
제 1 스프링 구조체(804)에서, 제 1 스프링 조립체(810)는 또한, 제 1 진동 질량(800)의 평면을 가로지르고 질량들의 평면(806)에 수직인 제 1 검출 축(822) 주위의 제 1 진동 질량(800)의 회전 진동을 가능하게 한다. 상응하게, 제 2 스프링 조립체(816)는 또한 질량들의 평면(806)에 수직인 제 2 검출 축(824) 주위의 제 2 진동 질량(802)의 회전 진동을 가능하게 한다. 빔-형성된 스프링들의 예시적인 경우에, 빔 스프링은 평면내 휘어짐을 겪을 수 있고 그에 의해 각각의 진동 질량의 평면내 회전 진동을 용이하게 한다. 제 1 검출 축(822) 및 제 2 검출 축(824)은 영이 아닌 거리만큼 서로 분리된다. 유리하게 검출 축들(822, 824)은 진동 질량들(800, 802) 사이의 중심선(826)에 대해 대칭적으로 위치된다.
센서 구조체는 또한, 제 1 진동 질량(800) 및 제 2 진동 질량(802)이 공통의 제 1 축(820) 주위에서 진동하게 구동하도록 구성되는 여기 수단들을 포함한다. 제 1 여기 수단은 제 1 진동 질량(800)과 함께 이동하도록 구성되는 제 1 질량 전극(830), 및 제 2 진동 질량(802)과 함께 이동하도록 구성되는 제 2 질량 전극(832)을 포함할 수 있다. 전극들(830, 832)은 캡 또는 기판 내의 전극 또는 전극들과 전기적으로 상호작용할 수 있고, 이 전기적 상호작용의 결과로서, 그들 각각의 진동 질량들(800, 802)을 공통의 제 1 축(820) 주위의 회전 진동으로 유도한다.
도 1에서, 예시적인 제 1 여기 수단에서, 진동 질량은 그 자체가 도전 재료로 형성되고, 캡 내부의 고정자 전극들(830,832)(도 8에서 도시된 전도체들의 돌출)부들과 상호작용한다. 진동 질량에 대한 특정 평면외 방향으로 지향된 여기력을 생성할 수 있는 다른 위치들 및 다른 여기 구조체들이 범위 내에서 적용될 수 있음을 이해된다. 예를 들어, 제 1 질량 전극은 제 1 진동 질량(800)과 함께 이동하도록 구성될 수 있고, 제 2 질량 전극은 제 2 진동 질량(802)과 함께 이동하도록 구성될 수 있다. 전극들은 캡 또는 기판에 부착되는 전극 또는 전극들과 전기적으로 상호작용하도록 구성될 수 있고, 이 전기적 상호작용의 결과로서, 그들 각각의 진동 질량들(800,802)을 공통의 제 1 축(820) 주위의 회전 진동으로 유도하도록 구성될 수 있다. 또한, 압전 여기가 적용될 수 있다. 다른 대응 구조체들은 당업자에게 잘 알려져있고, 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다.
이중 차동 검출을 가능하게 하기 위해, 제 1 진동 질량(800)의 회전 진동 및 제 2 진동 질량(802)의 회전 진동은 반대-위상 운동으로 결합될 수 있다. 반대-위상 운동은 본 명세서에서 2개의 진동 질량들의 진동 운동을 나타내고, 여기서 진동 질량들은 주파수가 동일하지만 다른 위상으로 진동한다. 유리하게, 진동 질량들은 반대 위상들로 진동한다. 진동 질량들(800,802)은 결합 스프링(880)에 의해 서로 연결될 수 있다. 유리하게, 결합 스프링(880)은 1차 운동에서 진동 질량들(800,802)의 회전 진동들 하에 공통의 제 1 축(820)을 따라 꼬이고, 2차 운동에서 진동 질량들(800,802)의 회전 진동들 하에 질량들(806)의 평면에서 휘어지도록 구성될 수 있다. 결합 스프링(880)은 그에 의해 진동 질량들의 검출된 운동들을, 외부 각도 충격들에 의해 유발되는 질량들의 공통-모드 편향을 거부하는 반대-위상의 차동 모드로 결합한다. 그러므로, 결합은 기계적으로 가혹한 환경들에서도 특별히 안정한 동작을 보장한다.
초기에 논의된 바와 같이, 검출된 각 운동에 대응하는 2차 운동은 제 2 방향, 즉 질량들의 평면(806)의 방향에서 발생한다. 이러한 방향에서의 운동의 검출은, 본질적으로 매우 안정적이고 패키지 유도 응력들로 인한 기계적 변형들에 대처하기 위한 다양한 방법들을 제공하는 빗살 구조체들로 구현될 수 있다. 자이로스코프 구조체는 제 1 검출 축(812) 둘레의 제 1 진동 질량(800)의 회전 진동 및 제 2 검출 축(818) 둘레의 제 2 진동 질량(802)의 회전 진동을 검출하도록 구성된 검출 수단(870,871,872,873)을 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 자이로스코프 구조체는 도 1 내지 도 7에 대해 상술된 하나 이상의 직교 보상 소자들(890)을 포함할 수 있다. 도 8의 예시적인 자이로스코프 구조체에서, 진동 질량들(800,802)의 각각은 질량들의 평면의 방향으로 직선으로 연장하는 평면 형태를 가지고, 1차 진동은 공통의 제 1 축(820) 둘레의 진동 질량의 회전 진동이다. 공통의 제 1 축(820)은 진동 질량들(800,802)의 각각의 두 개의 대향 측면들에 평행하고, 질량들의 평면을 두 개의 부분들로 나눈다. 진동 질량(800,802)에 대한 보상하는 힘을 최대화하기 위해, 보상 소자(890)는 진동 질량(800,802)의 단부에 배열될 수 있다. 진동 질량들의 단부에서, 제 1 축에 대한 거리는 가장 크고, 이는 1차 운동의 최대 진폭에 상응하여 야기되고, 그에 의해 보상 힘의 최대 조절을 야기한다. 평면외 1차 운동이 회전 진동이 아닐 때, 보상 소자의 위치는 이러한 양상에 관련되지 않는다.
본 발명의 실시예들은 또한 청구된 자이로스코프 구조체를 포함하는 마이크로전기기계 자이로스코프를 포함한다. 도 9는 제 1 구성요소(900)와 제 2 구성요소(902)를 포함하는 자이로스코프의 소자들을 도시한다. 제 1 구성요소(900)는 도 1 내지 도 8 중 임의의 자이로스코프 구조체를 포함할 수 있고, 제 2 구성요소(902)는 자이로스코프 구조체와 전기신호들(s1, s2, s3, s4)을 교환하기 위해 연결된 전기 회로(902)를 포함할 수 있다.
기술 진보들로, 본 발명의 기본 개념이 다양한 방식들로 구현될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 본 발명 및 그 실시예들은 상기 예들에 제한되는 것이 아니라, 청구항들의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (19)

  1. 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체에 있어서:
    진동 질량;
    본체 소자;
    상기 진동 질량을 상기 본체 소자에 매달아, 상기 진동 질량의 적어도 일부가 여기되어 제 1 방향으로 진동하는 1차 진동, 및 상기 진동 질량의 적어도 일부가 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 이동하는 2차 진동을 허용하는 스프링 구조체로서, 상기 진동 질량은 상기 제 2 방향과 제 3 방향으로 평면적으로 연장하는 표면 평면을 포함하고, 상기 제 3 방향은 상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향에 수직인, 상기 스프링 구조체;
    상기 진동 질량과 함께 이동하도록 배열된 제 1 전도체로서, 상기 제 1 방향 및 상기 제 3 방향으로 상기 진동 질량 상에서 연장하는 제 1 표면을 포함하는, 상기 제 1 전도체;
    상기 본체 소자에 부착되는 제 2 전도체로서, 상기 제 1 방향 및 상기 제 3 방향으로 연장하고, 상기 제 1 표면에 인접한, 제 2 표면을 포함하는, 상기 제 2 전도체;
    상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면 사이에서 전위 차를 생성하도록 배열된 전압 소자로서, 이에 의해 상기 제 2 방향의 정전기력을 유발하고, 상기 정전기력은 상기 진동 질량의 상기 1차 진동에 의해 변조되는, 상기 전압 소자를 포함하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 상기 제 1 방향의 제 1 높이로 평면적으로 연장하고;
    상기 제 2 표면은 상기 제 1 방향의 제 2 높이로 평면적으로 연장하고;
    상기 제 1 높이와 상기 제 2 높이는 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전압 소자는 상기 제 2 전도체에 연결된 직류 바이어스 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스프링 구조체는 상기 제 1 방향으로 상기 진동 질량의 상기 1차 진동을 위한 최대 진폭을 허용하도록 구성되고;
    상기 제 1 높이와 상기 제 2 높이 사이에 차이는 상기 최대 진폭과 동일하거나 더 큰 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면보다 높은 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 상기 제 2 표면보다 높은 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 진동은 상기 표면 평면에 평행인 축 둘레의 상기 진동 질량의 회전 진동인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 진동은, 상기 진동 질량의 본체 부분으로부터 멀어지고, 상기 본체 부분을 향하는, 선형 진동인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 진동은 두 평행 축들 사이에서 상기 진동 질량의 버클링 진동(buckling oscillation)인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표면 평면은 상기 제 2 방향 및 상기 제 3 방향으로 직선으로 연장하고;
    상기 진동 질량은 상기 제 1 방향 및 상기 제 3 방향으로 평면적으로 연장하는 두 개의 제 1 표면들을 포함하고;
    상기 진동 질량은 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향으로 평면적으로 연장하는 두 개의 제 2 표면들을 포함하고;
    상기 1차 진동은 상기 제 2 표면들에 평행하고, 상기 진동 질량을 두 부분들로 나누는 회전 축 둘레의 상기 진동 질량의 회전 진동이고;
    상기 제 2 전도체는 상기 제 1 표면에 인접하고, 상기 제 2 전도체로부터 상기 회전축으로의 거리는 상기 진동 질량의 동일한 부분의 상기 제 1 표면으로의 거리보다 큰 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 전도체는 적어도 하나의 연장형 빔을 포함하고, 상기 제 2 전도체의 상기 연장형 빔의 표면은 상기 진동 질량의 상기 제 1 전도체의 상기 제 1 표면과 배열되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전도체는 적어도 하나의 연장형 빔을 포함하고, 상기 제 2 전도체는 적어도 하나의 연장형 빔을 포함하고, 상기 제 1 전도체의 상기 연장형 빔의 표면은 상기 제 2 전도체의 상기 연장형 빔의 표면과 배열되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 전도체는 서로 배열되고 서로로부터의 일정 거리에 부착된 두 개의 연장형 빔들을 포함하여, 그들 사이에 상기 제 1 전도체의 상기 연장형 빔을 수용하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전도체와 상기 제 2 전도체는 복수의 연장형 빔들을 포함하고;
    상기 제 1 전도체의 연장형 빔들은 제 1 빗살 구조체를 형성하도록 서로에게 배열되고, 상기 제 2 전도체의 연장형 빔들은 제 2 빗살 구조체를 형성하기 위해 서로에게 배열되고;
    상기 제 1 빗살 구조체와 상기 제 2 빗살 구조체는 평행한 평면내 전극들의 주기적인 패턴을 형성하도록 결합되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 빗살 구조체와 상기 제 2 빗살 구조체의 상기 연장형 빔들은 상기 제 3 방향과 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 빗살 구조체와 상기 제 2 빗살 구조체의 상기 연장형 빔들은 상기 제 2 방향과 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체는
    제 1 진동 질량 및 제 2 진동 질량을 포함하고;
    상기 스프링 구조체는 상기 진동 질량들을 상기 본체 소자에 매달아, 상기 제 2 방향에 평행인 공통 1차 축 둘레의 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량의 회전 진동을 허용하고;
    상기 스프링 구조체는 또한 상기 제 1 방향에 평행인 제 1 검출 축 둘레의 상기 제 1 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 하고;
    상기 제 2 스프링 조립체는 또한 상기 제 1 방향에 평행인 제 2 검출 축 둘레의 상기 제 2 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 하고;
    상기 제 1 검출 축과 상기 제 2 검출 축은 영이 아닌 거리로 분리되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 질량과 상기 제 2 진동 질량의 각각은 제 1 전도체, 제 2 전도체, 및 조절 소자로 이루어진 적어도 하나의 보상 소자를 제공받는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항의 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 포함하는 자이로스코프.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI127287B (en) * 2013-11-01 2018-03-15 Murata Manufacturing Co Microelectromechanical sensor device with improved quadrature compensation
US9612254B2 (en) * 2014-06-27 2017-04-04 Nxp Usa, Inc. Microelectromechanical systems devices with improved lateral sensitivity
DE102014215038A1 (de) * 2014-07-31 2016-02-04 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Sensor und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors
FI127042B (en) 2015-09-09 2017-10-13 Murata Manufacturing Co Electrode of a microelectromechanical device
CN106500732A (zh) * 2016-12-22 2017-03-15 四川纳杰微电子技术有限公司 一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构
US10466067B2 (en) 2017-01-19 2019-11-05 The Boeing Company System and method for gyro rate computation for a Coriolis Vibrating Gyroscope
FR3065800B1 (fr) * 2017-04-27 2019-08-02 Safran Resonateur configure pour etre integre a un capteur angulaire inertiel
CN107082405B (zh) * 2017-05-26 2023-08-18 深迪半导体(绍兴)有限公司 一种mems器件结构
DE102017213815A1 (de) * 2017-08-08 2019-02-14 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor mit einem Substrat, Herstellungsverfahren für einen Drehratensensor
JP7225817B2 (ja) * 2019-01-17 2023-02-21 セイコーエプソン株式会社 角速度センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体
US11377346B2 (en) 2019-09-11 2022-07-05 Murata Manufacturing Co., Ltd. Low-noise multi axis MEMS accelerometer
EP3792637B1 (en) * 2019-09-11 2023-05-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Low-noise multi-axis mems accelerometer
CN114397696B (zh) * 2022-03-23 2022-06-21 中国科学院地质与地球物理研究所 基于低功耗mems传感器的地震采集系统和传感器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130019680A1 (en) * 2010-04-16 2013-01-24 Sensonor As Mems structure for an angular rate sensor

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5600065A (en) * 1995-10-25 1997-02-04 Motorola, Inc. Angular velocity sensor
JP3039364B2 (ja) * 1996-03-11 2000-05-08 株式会社村田製作所 角速度センサ
US6250156B1 (en) * 1996-05-31 2001-06-26 The Regents Of The University Of California Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope
US5992233A (en) * 1996-05-31 1999-11-30 The Regents Of The University Of California Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope
JP3525862B2 (ja) * 2000-05-22 2004-05-10 トヨタ自動車株式会社 センサ素子及びセンサ装置
JP2001336936A (ja) * 2000-05-29 2001-12-07 Alps Electric Co Ltd ジャイロスコープおよび入力装置
JP3649090B2 (ja) * 2000-06-16 2005-05-18 株式会社村田製作所 振動ジャイロ用振動子及びそれを用いた振動ジャイロ及びそれを用いた電子装置
US6742389B2 (en) * 2001-01-24 2004-06-01 The Regents Of The University Of Michigan Filter-based method and system for measuring angular speed of an object
EP1253399B1 (en) * 2001-04-27 2006-06-21 STMicroelectronics S.r.l. Integrated gyroscope of semiconductor material
AU2002308545A1 (en) * 2001-05-02 2002-11-11 The Regents Of The University Of California Non-resonant four degrees-of-freedom micromachined gyroscope
US20030033850A1 (en) * 2001-08-09 2003-02-20 Challoner A. Dorian Cloverleaf microgyroscope with electrostatic alignment and tuning
US6611168B1 (en) * 2001-12-19 2003-08-26 Analog Devices, Inc. Differential parametric amplifier with physically-coupled electrically-isolated micromachined structures
FR2846740B1 (fr) * 2002-11-05 2005-02-04 Thales Sa Capteur gyrometrique micro-usine, a detection dans le plan de la plaque usinee
DE10320725A1 (de) * 2003-05-08 2004-11-25 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Bewegungssensor
US7036372B2 (en) * 2003-09-25 2006-05-02 Kionix, Inc. Z-axis angular rate sensor
US7043985B2 (en) * 2004-01-13 2006-05-16 Georgia Tech Research Corporation High-resolution in-plane tuning fork gyroscope and methods of fabrication
JP4512636B2 (ja) * 2004-04-14 2010-07-28 アナログ デバイシス， インコーポレイテッド 直線的にアレイされたセンサエレメントを有する慣性センサ
KR100652952B1 (ko) * 2004-07-19 2006-12-06 삼성전자주식회사 커플링 스프링을 구비한 멤스 자이로스코프
EP1624286B1 (en) * 2004-08-03 2017-10-04 STMicroelectronics Srl Micro-electro-mechanical sensor with force feedback loop
FI116544B (fi) 2004-12-31 2005-12-15 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
US7213458B2 (en) * 2005-03-22 2007-05-08 Honeywell International Inc. Quadrature reduction in MEMS gyro devices using quad steering voltages
US7240552B2 (en) * 2005-06-06 2007-07-10 Bei Technologies, Inc. Torsional rate sensor with momentum balance and mode decoupling
US7461552B2 (en) * 2006-10-23 2008-12-09 Custom Sensors & Technologies, Inc. Dual axis rate sensor
US7958781B2 (en) * 2006-12-15 2011-06-14 Atlantic Inertial Systems Limited Vibrating structure gyroscope
US8047075B2 (en) * 2007-06-21 2011-11-01 Invensense, Inc. Vertically integrated 3-axis MEMS accelerometer with electronics
US8141424B2 (en) * 2008-09-12 2012-03-27 Invensense, Inc. Low inertia frame for detecting coriolis acceleration
US7950281B2 (en) * 2007-02-28 2011-05-31 Infineon Technologies Ag Sensor and method for sensing linear acceleration and angular velocity
GB0720412D0 (en) 2007-10-18 2007-11-28 Melexis Nv Combined mems accelerometer and gyroscope
FI122397B (fi) * 2008-04-16 2011-12-30 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
DE102008043796B4 (de) * 2008-11-17 2023-12-21 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor
ITTO20091042A1 (it) * 2009-12-24 2011-06-25 St Microelectronics Srl Giroscopio integrato microelettromeccanico con migliorata struttura di azionamento
TWI411766B (zh) * 2010-04-27 2013-10-11 Univ Nat Chiao Tung Uniaxial Control Input Gyroscope System with Flaw Compensation.
JP2013108929A (ja) * 2011-11-24 2013-06-06 Mitsubishi Precision Co Ltd 高精度化された振動型ジャイロ
DE102011056971A1 (de) * 2011-12-23 2013-06-27 Maxim Integrated Products, Inc. Mikromechanischer Coriolis-Drehratensensor
US20140144232A1 (en) * 2012-11-28 2014-05-29 Yizhen Lin Spring for microelectromechanical systems (mems) device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130019680A1 (en) * 2010-04-16 2013-01-24 Sensonor As Mems structure for an angular rate sensor

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Publication number Publication date
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