KR101939982B1 - MEMS gyroscope with 1 DOF drive-mode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로, 가진모드에서 제1 축 방향을 가진방향으로 하여 1자유도로 가진되고, 제2 축을 중심으로 선대칭 형태로 배치되어 서로 반대방향으로 가진되는 2개의 질량체 유닛으로 구성된 센서질량체; 상기 센서질량체와 연결되는 프레임; 및 상기 프레임 또는 상기 센서질량체 중 적어도 하나의 변위를 1자유도로 감지하는 제1 감지전극을 포함하되, 상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 제2 축을 중심으로 한 외부의 각속도가 입력됨으로써 야기되는 코리올리힘에 의해, 상기 제2 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 진동하고, 상기 프레임 또는 상기 센서질량체 중 적어도 하나의 진동을 1자유도로 감지하는 제1 감지모드를 가진다. 또한 상기 제3 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘에 의한 상기 센서질량체가 포함하는 내질량체의 진동을 감지하는 제2 감지모드를 더 가질 수 있고, 상기 제1축을 중심으로 한 외부 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘에 의한 중앙질량체의 진동을 감지하는 제3 감지모드를 더 가질 수 있다.The present invention relates to a MEMS gyroscope, and more particularly, to a MEMS gyroscope comprising two mass unit units excited in mutually opposite directions arranged in a line-symmetrical manner about a second axis, Sensor mass; A frame connected to the sensor mass; And a first sensing electrode for sensing a displacement of at least one of the frame or the sensor mass at one degree of freedom, wherein the two mass body units are arranged so that a Coriolis force caused by inputting an external angular velocity about the second axis And a first sensing mode for sensing a vibration of at least one of the frame or the sensor mass by one degree of freedom by vibrating in opposite directions about the second axis. And a second sensing mode for sensing the vibration of the inner mass included in the sensor mass due to a Coriolis force caused by an external angular velocity around the third axis, And a third sensing mode for sensing the vibration of the center mass due to the Coriolis force caused by the angular velocity.
Figure R1020170049974

Description

1자유도 가진모드를 가지는 멤스 자이로스코프{MEMS gyroscope with 1 DOF drive-mode}MEMS gyroscope with 1 DOF drive-mode < RTI ID = 0.0 >
본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 방향으로 가진되는 질량체에 외부의 회전이 입력될 때 발생하는 코리올리힘에 따라 상기 질량체의 움직임을 감지하는 원리를 이용하는 멤스 자이로스코프에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS gyroscope, and more particularly, to a MEMS gyroscope that uses a principle of sensing movement of a mass body in response to a Coriolis force generated when an external rotation is input to a mass that is excited in a first direction will be.
MEMS(Micro electro mechanical systems)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 대표적인 예가 각속도를 측정하는 멤스 자이로스코프와 가속도를 측정하는 멤스 가속도 센서다. Microelectromechanical systems (MEMS) is a technology that implements mechanical and electrical components using a semiconductor process. A typical example of a device using MEMS technology is a MEMS gyroscope that measures angular velocity and a MEMS acceleration sensor that measures acceleration.
자이로스코프는 소정의 속도로 이동하는 물체에 회전각속도가 가해질 경우에 발생하는 코리올리힘(Coriolis Force)을 측정하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다. The gyroscope measures the angular velocity by measuring the Coriolis force generated when a rotational angular velocity is applied to an object moving at a predetermined speed. At this time, the Coriolis force is proportional to the cross product of the rotational velocity and the rotational angular velocity due to the external force.
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 입력 방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스기술을 이용한 자이로스코프는 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.Further, in order to sense the generated Coriolis force, the gyroscope has a mass which oscillates inside thereof. Generally, a direction in which a mass in a gyroscope is driven is referred to as a direction in which a mass is driven, a direction in which a rotational angular velocity is input to a gyroscope is referred to as an input direction, and a direction in which a coriolis force generated in a mass is sensed is referred to as a sensing direction. The excitation direction, the input direction, and the sensing direction are set in directions orthogonal to each other in space. Typically, a gyroscope using MEMS technology has two directions (horizontal direction or xy direction) parallel to the plane formed by the bottom wafer substrate and perpendicular to the plate surface of the substrate (perpendicular direction or z direction) The coordinate axes are set in three directions.
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 각속도 입력과 수직 방향으로 설정되어야 한다. 따라서, x형 자이로스코프는, 질량체를 수평 또는 수직으로 구동하는 가진 전극과 센서질량체의 수직 또는 수평 변위를 감지하기 위한 감지 전극을 구비하여야 한다.Accordingly, the gyroscope is divided into an x-axis (or y-axis) gyroscope and a z-axis gyroscope. The x-axis gyroscope is a gyroscope whose input direction is the horizontal direction. The y-axis gyroscope senses the displacement on the plane with respect to the axis perpendicular to the x-axis gyroscope, but in principle is substantially the same as the x- Do. In order to measure the angular velocity applied in the horizontal direction using such an x-axis gyroscope, either the excitation direction or the sensing direction must be set in a direction perpendicular to the angular velocity input. Therefore, the x-type gyroscope should have an excitation electrode for driving the mass horizontally or vertically and a sensing electrode for sensing the vertical or horizontal displacement of the sensor mass.
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 수직 감지 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, 센서질량체(ms)는 스프링(ksy 또는 ksz) 및 감쇠기(csy 또는 csz)에 의해 센서(4)에 연결된 것으로 볼 수 있다.Fig. 1 shows a z-axis MEMS gyroscope with a DOF (Degree Of Freedom) horizontal excitation and a 1-DOF horizontal sensing function. Fig. 2 shows an x-axis (Or y-axis) MEMS gyroscope, respectively. Here, the gyro wafer is provided with a frame 2 and a sensor 4. The sensor 4 is connected to the frame 2 by a spring (k dx ) and an attenuator (c dx ), and a sensor mass m s ) is the spring (k sy or k sz ) and the attenuator (c sy Or c sz ) connected to the sensor 4.
이와 같은 멤스 자이로스코프 내부에는 진동하는 센서질량체(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 ms 은 센서질량체의 질량이고, Ω는 외부 각속도이며, ω(=2πf)는 센서질량체에 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 크게하거나, 또는 가진진폭 A을 크게 해야 한다. In the MEMS gyroscope, there is a vibrating sensor mass (m s ), and when the angular velocity is applied around an axis (z or y) perpendicular to the direction (x) externally excited, (Fc = 2 m? X? Asin? T) acts in a third direction (y or z) perpendicular to the plane formed by the vertical axis (z or y) of the sensor mass and the magnitude of the motion of the sensor mass fluctuating by the Coriolis force Detection. Where m s is the mass of the sensor mass, Ω is the external angular velocity, ω (= 2πf) is the excitation frequency for the sensor mass, A is the driving amplitude for the sensor and t is the time. Since the performance sensitivity of the MEMS gyroscope is defined as Coriolis force (Fc / Ω = 2πmfA) relative to the unit angular velocity, it is necessary to increase the mass m of the sensor at the design stage or increase the excitation frequency f to the sensor, Should be large.
이와 같이 멤스 자이로스코프를 설계할 수 있으나, 유닛 마다 가진방향과 감지 방향이 정해져있어 축 별로 별도의 자이로스코프 유닛을 구비해야 모든 축에 대한 회전 성분을 표시할 수 있다는 문제가 있었다.The MEMS gyroscope can be designed as described above. However, since the direction of magnetization and the sensing direction are determined for each unit, it is necessary to provide a separate gyroscope unit for each axis to display the rotation component for all the axes.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 한국 등록특허 제10-1577155호에서는 안내 질량 시스템을 포함하는 자이로스코프가 개시되었다.In order to overcome this problem, Korean Patent No. 10-1577155 discloses a gyroscope including a guidance mass system.
종래 기술의 자이로스코프에서는, 구동기가 검증 질량을 회전 중심축 방향과 평행한 x축 방향으로 가진시킴으로써 각 축을 중심으로 하는 외부 각속도에 대응하는 코리올리힘이 검증 질량에 작용되고, 이로 인해 발생하는 변위를 변환기를 이용해 측정할 수 있는 안내 질량 시스템이 제안되었다. 이를 이용해 하나의 구동기에 의한 가진으로 3개의 축을 중심으로 한 각속도의 측정이 가능했다.In the gyroscope of the prior art, when the actuator has the verification mass in the x-axis direction parallel to the rotation center axis direction, Coriolis force corresponding to the external angular velocity around each axis is applied to the verification mass and the resulting displacement A guide mass system capable of measuring with a transducer has been proposed. Using this, it was possible to measure the angular velocity around three axes by the excitation by one actuator.
종래 기술의 일 실시예에 따르면, 가진 방향에 수직인 y축을 중심으로 입력된 외부 각속도에 의해서 검증 질량에는 기재에 수직인 z축 방향으로 코리올리힘이 작용하고, 검증 질량은 x축과 평행한 축을 중심으로 회전하게 된다. x축 방향으로 배치된 복수의 피치 검증 질량이 외부 각속도 입력 방향인 y축 방향 양측에 위치하기 때문이다.According to one embodiment of the prior art, Coriolis force is applied to the verification mass in the z-axis direction perpendicular to the substrate by the external angular velocity inputted about the y-axis perpendicular to the excitation direction, and the verification mass has an axis parallel to the x- And is rotated about the center. because a plurality of pitch verification masses arranged in the x-axis direction are located on both sides in the y-axis direction as the external angular velocity input direction.
한국 등록특허 제10-1577155호 (2014.06.02. 공개)Korean Patent No. 10-1577155 (published on June 2, 2014)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 일 방향의 가진으로 다양한 방향의 회전을 감지할 수 있는 멤스 자이로스코프를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a MEMS gyroscope capable of sensing rotation in various directions with an excitation in one direction.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 멤스 자이로스코프는, 가진모드에서 바닥 웨이퍼기판과 평행한 제1 축 방향을 가진방향으로 하여 상기 가진방향을 따라 1자유도로 가진되고, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행하고 상기 가진방향에 수직인 제2 축을 중심으로 선대칭 형태로 배치되어 서로 반대방향으로 가진되는 2개의 질량체 유닛으로 구성된 센서질량체; 제1 지지 스프링에 의해 상기 센서질량체와 연결되고, 상기 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임; 및 상기 프레임 또는 상기 센서질량체 중 적어도 하나의 변위를 1자유도로 감지하는 제1 감지전극을 포함하되, 상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 제2 축을 중심으로 한 외부의 각속도가 입력됨으로써 상기 바닥 웨이퍼기판에 직교하는 제3축과 나란한 방향으로 야기되는 코리올리힘에 의해, 상기 제2 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 진동하고, 상기 2개의 질량체 유닛의 진동에 의한 상기 프레임 또는 센서질량체 중 적어도 하나의 진동을 1자유도로 감지하는 제1 감지모드를 가질 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a MEMS gyroscope, which has a first axis direction parallel to a bottom wafer substrate in an excitation mode, A sensor mass constituted by two mass unit units arranged in a line-symmetrical manner about a second axis parallel to the substrate and perpendicular to the excitation direction and excited in opposite directions; A frame connected to the sensor mass by a first support spring and disposed parallel to the bottom wafer substrate; And a first sensing electrode for sensing a displacement of at least one of the frame or the sensor mass at one freedom, wherein the two mass unit units are arranged such that an external angular velocity about the second axis is inputted, Vibrates in opposite directions about the second axis by a Coriolis force generated in a direction parallel to a third axis orthogonal to the first axis and vibrates at least one of the frame or the sensor mass due to the vibration of the two mass units And may have a first sensing mode that senses one degree of freedom.
상기 제1 지지 스프링은 상기 센서질량체와 상기 프레임을 서로 반대쪽에서 연결하는 적어도 2개의 스프링을 포함할 수 있다.The first support spring may include at least two springs connecting the sensor mass and the frame on opposite sides.
실시예에 따른 멤스 자이로스코프는, 상기 센서질량체를 가진시키는 센서 구동부를 더 포함할 수 있다.The MEMS gyroscope according to the embodiment may further include a sensor driving unit for exciting the sensor mass.
실시예에 따른 멤스 자이로스코프는, 상기 센서 구동부에 의한 가진을 감지하는 센서 구동 감지부를 더 포함할 수 있다.The MEMS gyroscope according to the embodiment may further include a sensor drive sensing unit for sensing an excitation by the sensor driving unit.
상기 센서 구동부 또는 상기 센서 구동 감지부는 콤 전극으로 구성될 수 있다.The sensor driving unit or the sensor driving sensing unit may be a comb electrode.
상기 프레임은, 상기 제2 축을 중심으로 시소 운동할 수 있다.The frame can perform seesaw motion about the second axis.
상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행하고, 상기 제3축과 나란한 방향을 따라 진동할 수 있다. The two mass unit units may be parallel to the bottom wafer substrate and vibrate along a direction parallel to the third axis.
상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 프레임의 중앙에서 역위상 링크 기구와 각각 연결되고, 상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 역위상 링크 기구에 의해 상기 각 질량체 유닛의 가진방향으로 서로 간에 역위상의 움직임이 보장될 수 있다.The two mass unit units are respectively connected to an anti-phase link mechanism at the center of the frame, and the two mass unit units are moved in the reverse phase relationship with each other in the excitation direction of the respective mass units by the anti- Can be guaranteed.
상기 역위상 링크 기구는 움직임을 갖지 않는 앵커에 의해 고정되고, 일단이 상기 앵커에 연결되는 2개의 링크 암의 타단에서 상기 2개의 질량체 유닛과 연결될 수 있다.The anti-phase link mechanism may be fixed by an anchor having no motion, and may be connected to the two mass unit units at the other end of two link arms, one end of which is connected to the anchor.
실시예에 따른 멤스 자이로스코프는, 상기 프레임 중앙에 위치하여 상기 프레임의 회전 복원력을 제공하는 비틀림 스프링과, 상기 프레임 양쪽 끝 가장자리를 각각 지지하며 상기 프레임의 회전 복원력을 제공하는 좌우대칭 이중링크 형태의 더미 스프링 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.A MEMS gyroscope according to an embodiment of the present invention includes a torsion spring positioned at the center of the frame to provide rotation restoring force of the frame and a pair of right and left symmetrical double link type supporting members supporting both ends of the frame, And a dummy spring.
상기 센서질량체는, 외질량체 및 상기 외질량체와 제2 지지 스프링에 의해 연결되고 상기 외질량체에 의해 둘러싸인 내질량체를 포함하고, 상기 제3 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 상기 제2 축과 나란한 방향으로 야기되는 코리올리힘에 의한 상기 내질량체의 진동을 1자유도로 감지하는 제2 감지모드를 더 가지고, 상기 1자유도로 감지되는 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 제2 감지전극을 더 포함할 수 있다. Wherein the sensor mass comprises an outer mass and an inner mass surrounded by the outer mass and connected by a second support spring to the outer mass and having an outer angular velocity about the third axis, And a second sensing mode for sensing the vibration of the inner mass due to the Coriolis force generated in the first direction and the second sensing mode for sensing the displacement of the sensor mass detected in the first degree have.
상기 제1 감지모드의 진동의 방향과 상기 제2 감지모드의 진동의 방향은 직교할 수 있다.The direction of the vibration of the first sensing mode and the direction of the vibration of the second sensing mode may be orthogonal.
상기 제1 감지모드의 진동의 방향과 상기 제2 감지모드의 진동의 방향은 각각 상기 가진방향과 직교할 수 있다.The direction of the vibration of the first sensing mode and the direction of the vibration of the second sensing mode may be orthogonal to the excitation direction, respectively.
상기 2개의 질량체 유닛은 각각, 적어도 하나의 상기 내질량체와 적어도 하나의 상기 외질량체를 포함할 수 있다.The two mass unit units may each include at least one inner mass and at least one outer mass.
상기 센서질량체는 상기 프레임의 중앙에서 제3 지지 스프링에 의해 상기 2개의 질량체 유닛을 각각 연결하는 중앙질량체를 더 포함하고, 상기 중앙질량체는 가진모드에서, 상기 2개의 질량체유닛이 상기 제1 축 방향을 따라 가진됨으로써 상기 제2 축 방향을 따라 가진되고, 상기 제1 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘에 의한 상기 중앙질량체의 진동을 감지하는 제3 감지모드를 더 가지고, 상기 제3 감지모드로 감지되는 상기 중앙질량체의 변위를 감지하는 제3 감지전극을 더 포함할 수 있다.Wherein the sensor mass further comprises a central mass connecting each of the two mass unit units by a third support spring at the center of the frame, wherein the central mass is in an excitation mode, And a third sensing mode for sensing the vibration of the center mass due to a Coriolis force caused by an external angular velocity around the first axis, the third sensing mode being excited along the second axis direction, And a third sensing electrode sensing a displacement of the center mass detected in a third sensing mode.
상기 중앙질량체는 상기 제2 축 방향으로 좌우 또는 상하 양 단에서 각각 상기 제3 지지 스프링과 연결될 수 있다.The center mass may be connected to the third support springs at left and right or both upper and lower ends in the second axial direction.
상기 제3 감지전극은 상기 중앙질량체와 평행하게 형성될 수 있다. The third sensing electrode may be formed parallel to the central mass.
상기 중앙질량체는, 상기 제2 축을 중심으로 양 단이 서로 반대 방향으로 진동할 수 있고, 특히 시소운동 할 수 있다.Both ends of the center mass can vibrate in opposite directions to each other with respect to the second axis, and particularly can perform a seesaw motion.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.The embodiments of the present invention have at least the following effects.
일 방향 가진만으로도 세 방향의 회전을 측정할 수 있다.Rotation in three directions can be measured with one direction only.
센서질량체의 굽힘 또는 비틀림 현상이 일어나지 않아 보다 정확한 측정이 가능하다. The sensor mass does not bend or twist, allowing more accurate measurement.
또한 외질량체가 내질량체를 둘러싸는 구조로, 공간을 절약함과 동시에 일방향으로 긴 센서질량체의 길이를 확보해 보다 정확한 정전용량의 변화를 측정할 수 있다.In addition, since the outer mass surrounds the inner mass, space can be saved, and at the same time, the length of the long sensor mass can be secured in one direction, and the change in the capacitance can be measured more accurately.
복수의 센서질량체에 동일한 크기의 가진력이 동일한 작용점에 반대 방향으로 작용하여 상쇄되고 짝힘(coupling of force) 이 일어나지 않는다. 따라서 커플링으로부터 안전한 구조를 가지므로, 보다 정확한 회전 각속도의 측정이 가능하다.A plurality of sensor masses are excited by the same magnitude of excitation force acting in the opposite direction to the same point of action and no coupling of force occurs. Therefore, it is possible to measure the rotational angular velocity more accurately since it has a structure that is safe from coupling.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다. 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects according to the present invention are not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the specification. Other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
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 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 수학적 모델을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프를 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 센서질량체의 시소 운동을 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프를 변경한 형태를 측면에서 나타낸 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프에서 1자유도 수평 감지 모드를 가지는 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프에서 1자유도 수평 감지 모드를 가지는 z축 자이로스코프의 수학적 모델이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프에서 2자유도 수평 감지 모드를 가지는 z축 자이로스코프의 센서질량체 배치를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프에서 2자유도 수평 감지 모드를 가지는 z축 자이로스코프의 내질량체의 y축 방향 움직임을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프의 평면도이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프에서 중앙질량체의 감지 모드에 대한 수학적 모델이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프를 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프에서 중앙질량체의 시소 운동을 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a conventional z-axis MEMS gyroscope with DOF (Degree OF Freedom) horizontal excitation and one degree of freedom horizontal sensing function.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a conventional x-axis (or y-axis) MEMS gyroscope having a 1 DOF horizontal excitation and a 1 DOF vertical sensing function.
3 is a plan view of a y-axis gyroscope having a 1 DOF horizontal excitation mode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view illustrating the operation principle of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a mathematical model of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode in an xz plane according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the seesaw motion of a sensor mass of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to a first embodiment of the present invention, viewed from the xz plane.
8 is a side cross-sectional view showing a modified version of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode of the present invention.
9 is a plan view of a yz axis gyroscope having a 1 DOF horizontal excitation mode according to a second embodiment of the present invention.
10 is a schematic view showing the operation principle of a z-axis gyroscope having a 1-degree-of-freedom horizontal sensing mode in a yz-axis gyroscope having a 1-DOF horizontal excitation mode according to a second embodiment of the present invention.
11 is a mathematical model of a z-axis gyroscope having a 1-degree-of-freedom horizontal sensing mode in a yz-axis gyroscope with a 1-DOF horizontal excitation mode according to a second embodiment of the present invention.
12 is a view schematically showing a sensor mass arrangement of a z-axis gyroscope having a two-degree-of-freedom horizontal sensing mode in a yz axis gyroscope according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a view schematically illustrating movement of an inner mass of a z-axis gyroscope having a two-degree-of-freedom horizontal sensing mode in the y-axis direction in the yz-axis gyroscope according to the second embodiment of the present invention.
14 is a plan view of an xyz-axis gyroscope according to a third embodiment of the present invention.
15 is a mathematical model of the detection mode of the center mass in the xyz axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention.
16 is a cross-sectional view schematically showing an xyz-axis gyroscope according to a third embodiment of the present invention viewed from the xz plane.
17 is a cross-sectional view schematically showing the seesaw motion of the central mass in the xz plane in the xyz-axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms " comprises "and / or" comprising "used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the stated element.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Further, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or schematic drawings that are ideal illustrations of the present invention. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. In addition, in the drawings of the present invention, each component may be somewhat enlarged or reduced in view of convenience of explanation. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification and "and / or" include each and every combination of one or more of the mentioned items.
공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다Spatially relative terms should be understood in terms of the directions shown in the drawings, including the different directions of components at the time of use or operation. The components can also be oriented in different directions, so that spatially relative terms can be interpreted according to orientation
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 명세서에서 x축은 바닥 웨이퍼기판(100)에 평행한 하나의 축이고, y축은 바닥 웨이퍼기판(100)에 평행하되 x축에 직교하는 다른 하나의 축이고, z축은 바닥 웨이퍼기판(100)에 직교하는 축을 지칭한다. 그러나 x축, y축 및 z축은 이해를 돕기 위해서 지칭한 것에 불과하고, 예컨대 각각 제1 축, 제2 축 및 제3 축으로 표현할 수도 있다. 또한 y축 자이로스코프, y-z축 자이로스코프 및 x-y-z축 자이로스코프는 본 발명이 개시하는 멤스 자이로스코프의의 대표적인 실시예이다.In this specification, the x-axis is one axis parallel to the bottom wafer substrate 100, the y-axis is another axis parallel to the bottom wafer substrate 100 but orthogonal to the x-axis, and the z-axis is perpendicular to the bottom wafer substrate 100 Axis. However, the x-axis, the y-axis, and the z-axis are merely referred to for the sake of understanding, and may be represented by, for example, the first axis, the second axis, and the third axis, respectively. Also, the y-axis gyroscope, the y-z axis gyroscope, and the x-y-z axis gyroscope are representative examples of the MEMS gyroscope disclosed by the present invention.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 평면도이다.3 is a plan view of a y-axis gyroscope having a 1 DOF horizontal excitation mode according to a first embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프는 프레임(11)과 센서질량체(30)로 구성되어 있음을 확인할 수 있고, 센서질량체(30)는 프레임(11)의 중심에 위치하는 y축 방향으로 연장된 비틀림 스프링(21)을 중심으로 선대칭 형태로 2개의 질량체 유닛이 배치되어 구성될 수 있음을 확인할 수 있다.3 shows that the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention is composed of the frame 11 and the sensor mass 30, It can be seen that two mass unit units can be arranged in a line-symmetrical manner about a torsion spring 21 extending in the y-axis direction located at the center.
프레임(11)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프의 외곽 경계가 되는 구성요소로, 센서질량체(30)를 둘러싸도록 구성되며, 센서질량체(30)를 바라보는 프레임(11) 내측면이 제1 지지 스프링(23)에 의해 센서질량체(30)의 외측면과 연결된다. 제1 지지 스프링(23)은 적어도 2개가 구비되어 x축 방향에서 센서질량체(30)의 양 단과 각각 하나씩 반대편에서 연결되어 프레임(11)과 연결됨으로써 센서질량체(30)를 지지할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서는 각 질량체 유닛의 네 귀퉁이에서 제1 지지 스프링(23)에 의해 센서질량체(30)와 프레임(11)이 연결되는 것으로 도시하였으나, 제1 지지 스프링(23)이 연결되는 위치는 이에 제한되지 않는다.The frame 11 is an outer boundary of the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention. The frame 11 is configured to surround the sensor mass 30 and includes a frame 11 for viewing the sensor mass 30, The inner side surface is connected to the outer surface of the sensor mass 30 by the first support spring 23. At least two first support springs 23 are provided and are connected to the frame 11 at opposite ends of the sensor mass 30 in the x-axis direction, respectively, so as to support the sensor mass 30. The sensor masses 30 and the frame 11 are connected by the first support springs 23 at the four corners of the respective mass units. However, the first support springs 23 may be connected Is not limited thereto.
프레임(11)은 바닥 웨이퍼기판(100)에 형성되어 고정되는 시소 앵커(13) 및 비틀림 앵커(12)와 연결된다. 프레임(11)은 후술할 바와 같이 각 축 방향으로 힘을 받거나 회전 운동을 한다. 따라서 프레임(11)이 정해진 자리에서 벗어나게 될 위험이 존재하는바 바닥 웨이퍼기판(100)에 고정된 앵커(12, 13)들을 이용하여 정해진 자리로부터 프레임(11)이 완전히 이탈하는 것을 막는다. 바닥 웨이퍼기판(100)의 가진방향 양 단에 인접한 영역에 위치하는 시소 앵커(13)와 프레임(11)은 프레임 지지 스프링(25)을 통해 연결되고, 바닥 웨이퍼기판(100)의 x축 방향 중심과 y축 방향 양 단에 인접한 영역에 위치하는 비틀림 앵커(12)와 프레임(11)은 비틀림 스프링(21) 및 더미 스프링(22)에 의해서 연결된다.The frame 11 is connected to the seesaw anchor 13 and the torsion anchor 12, which are formed and fixed on the bottom wafer substrate 100. The frame 11 receives a force or rotational motion in each axial direction as will be described later. Therefore, there is a risk that the frame 11 will be displaced from the predetermined position, thereby preventing the frame 11 from completely disengaging from the predetermined position using the anchors 12 and 13 fixed to the floor wafer substrate 100. The seesaw anchor 13 and the frame 11 located in the regions adjacent to both ends of the bottom wafer substrate 100 in the excitation direction are connected to each other through the frame support springs 25, And the torsional anchor 12 and the frame 11 located in the regions adjacent to both ends in the y-axis direction are connected by the torsion spring 21 and the dummy spring 22. [
시소 앵커(13)는 바닥 웨이퍼기판(100)의 가진방향 양 단에 인접한 영역에 배치되며, 프레임 지지 스프링(25)을 통해 프레임(11)과 연결된다. 시소 앵커(13)는 바닥 웨이퍼기판(100)에 고정되어 있으며 프레임(11)의 가진방향 양 단에 연결되어 있으므로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프에서 일어나는 프레임(11)의 z축 방향 움직임에 대해 프레임 지지 스프링(25)을 통해 탄성력을 제공해 반대 방향으로 힘을 작용하여 진동하도록 한다. 또한 프레임(11)의 가진방향 양 단이 바닥 웨이퍼기판(100) 또는 커버 기판(101)에 닿을 만큼 크게 회동하는 것을 막아 파손의 위험을 제거한다.The seesaw anchor 13 is disposed in an area adjacent to both ends of the bottom wafer substrate 100 in the direction of the excitation thereof and is connected to the frame 11 through a frame support spring 25. [ Since the seesaw anchor 13 is fixed to the bottom wafer substrate 100 and is connected to both ends of the frame 11 in the excitation direction, and provides an elastic force to the z-axis movement through the frame support spring 25 to act in the opposite direction to oscillate. Further, both ends of the frame 11 in the vibrating direction are prevented from rotating so as to touch the bottom wafer substrate 100 or the cover substrate 101, thereby eliminating the risk of breakage.
비틀림 앵커(12)는 바닥 웨이퍼기판(100)의 y축 방향 양 단에 인접한 영역에 배치되며, 더미 스프링(22) 및 비틀림 스프링(21)을 통해 프레임(11)과 연결된다. 비틀림 앵커(12)는 바닥 웨이퍼기판(100)에 고정되어 있으며 비틀림 스프링(21)을 통해 프레임(11)의 x축 방향 중심에서 y축 방향으로 연결되므로, 비틀림 스프링(21)이 전체 프레임(11)의 y축을 중심으로 한 회전의 축이 된다. The torsional anchor 12 is disposed in an area adjacent to both ends in the y-axis direction of the bottom wafer substrate 100 and is connected to the frame 11 through a dummy spring 22 and a torsion spring 21. [ The torsion spring 12 is fixed to the bottom wafer substrate 100 and is connected in the y axis direction at the center in the x axis direction of the frame 11 via the torsion spring 21, The axis of rotation about the y-axis of the y-axis.
비틀림 스프링(21)은 프레임(11)이 비틀림 스프링(21)을 중심으로 회전할 때, 프레임(11)에 대해 회전의 반대 방향으로 회전 복원력인 탄성력을 가하여 진동하도록 한다. 또한 더미 스프링(22)은 비틀림 스프링(21)이 비틀림 앵커(12)에 연결된 방향의 반대 방향에서 비틀림 앵커(12)와 연결될 수 있고, 프레임(11)의 y축 방향 양 단의 가장자리와 연결되어 프레임(11)의 x축 방향 직선 진동 및 z축 중심의 회전 진동을 억제할 수 있다. The torsion spring 21 causes the frame 11 to vibrate with respect to the frame 11 by applying a resilient force to the frame 11 in a direction opposite to the rotation thereof when the frame 11 rotates about the torsion spring 21. The dummy spring 22 can be connected to the torsional anchor 12 in the direction opposite to the direction in which the torsion spring 21 is connected to the torsion anchor 12 and is connected to the edge of both ends in the y- The linear vibration in the x-axis direction of the frame 11 and the rotational vibration in the center of the z-axis can be suppressed.
센서질량체(30)에 대해 x축 방향으로 가진이 이루어지므로, 센서질량체(30)의 x축 방향 움직임이 보장되어야 한다. 따라서 센서질량체(30)에는 x축 방향으로 제1 지지 스프링(23)이 연결되어 프레임(11)과 연결될 수 있다.Since the sensor mass 30 is excited in the x-axis direction, movement of the sensor mass 30 in the x-axis direction must be ensured. Therefore, the first support spring 23 can be connected to the sensor mass 30 in the x-axis direction and connected to the frame 11.
센서 구동부(41)는 센서질량체(30)를 가진시키는 역할을 하는 구성요소이다. 센서 구동부(41)는 센서질량체(30)에 설치된 전극과 대향하여 배치되어, 정전기력을 이용해 센서질량체(30)가 가진되도록 한다. 이를 위해 센서 구동부(41)는 바닥 웨이퍼기판(100)에 설치되어 고정된 센서 구동부 앵커(15)와 연결됨으로써 프레임(11) 및 센서질량체(30)에 대해 상대적인 움직임을 가지고 바닥 웨이퍼기판(100)과 동일하게 움직일 수 있다.The sensor driving unit 41 is a component that serves to excite the sensor mass 30. The sensor driving unit 41 is arranged to face the electrode provided on the sensor mass 30 so that the sensor mass 30 is excited by the electrostatic force. The sensor driving unit 41 is connected to the fixed sensor driving unit anchor 15 installed on the bottom wafer substrate 100 to move the bottom wafer substrate 100 relative to the frame 11 and the sensor mass 30, . ≪ / RTI >
센서 구동부(41)는 전극으로 구성될 수 있는데, 특히 콤 전극(comb electrode)으로 구성될 수 있다. 그러나 센서 구동부(41)에 사용되는 전극은 이에 제한되지 않고 평판 전극(plate electrode) 또는 기타 다른 전극이 사용될 수도 있다.The sensor driving unit 41 may be an electrode, and may be a comb electrode. However, the electrode used for the sensor driving unit 41 is not limited thereto, and a plate electrode or other electrode may be used.
센서 구동부(41)는 센서질량체(30)를 x축 방향으로 가진시킨다. 본 발명의 제1 실시예에서는 대칭된 질량체 유닛이 y축 자이로스코프에서 시소(seesaw) 운동을 하도록 하였으므로, 각 질량체 유닛이 x축 상에서 서로 반대 방향으로 가진되도록 하였다. 또한 x축 방향으로 센서질량체(30)가 효율적으로 가진 되도록 하기 위해, 센서 구동부(41)는 y축 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. x축 방향으로 정전기력을 작용하는, 센서 구동부(41)의 면적이 최대화 될 수 있기 때문이다.The sensor driving unit 41 excites the sensor mass 30 in the x-axis direction. In the first embodiment of the present invention, since the symmetrical mass unit is configured to perform a seesaw motion in the y-axis gyroscope, each mass unit is excited in opposite directions on the x-axis. Also, in order to efficiently excite the sensor mass 30 in the x-axis direction, the sensor driving unit 41 may extend in the y-axis direction. This is because the area of the sensor driving unit 41, which acts as an electrostatic force in the x-axis direction, can be maximized.
센서 구동부(41)는 하나가 배치되는 것으로 도 3에서 도시하였으나, 복수 개 배치되어 적은 전력으로 센서질량체(30)를 효과적으로 가진 시킬 수 있다. Although one sensor driving unit 41 is shown in FIG. 3, a plurality of sensor driving units 41 may be arranged to effectively excite the sensor mass 30 with a small power.
센서 구동 감지부(42)는 가진된 센서질량체(30)의 가진방향 움직임을 감지하는 구성요소이다. 센서 구동 감지부(42)는 센서 구동부(41)에 의해 가진된 센서질량체(30)의 가진방향 움직임에 따라 생기는 정전용량의 변화로 센서질량체(30)의 변위를 측정한다. 본 발명의 제1 실시예에서는 센서 구동부(41)가 x축 방향으로 센서질량체(30)를 가진시키므로, 센서 구동 감지부(42) 역시 센서질량체(30)의 x축 방향 변위를 감지한다. 따라서 센서질량체(30)의 움직임을 감지해야 하는 구성요소이므로, 센서질량체(30)와 함께 움직이지 않고 상대적인 움직임을 가지도록 바닥 웨이퍼기판(100)에 설치된 구동 감지부 앵커(16)에 연결될 수 있다. The sensor drive sensing portion 42 is a component that senses an excited motion of the excited sensor mass 30. [ The sensor drive sensing unit 42 measures the displacement of the sensor mass 30 by the change in capacitance caused by the movement of the sensor mass 30 in the direction of the excitation by the sensor drive unit 41. [ In the first embodiment of the present invention, since the sensor driving unit 41 includes the sensor mass 30 in the x-axis direction, the sensor driving sensing unit 42 also senses the displacement of the sensor mass 30 in the x-axis direction. Therefore, it can be connected to the driving sensing part anchor 16 provided on the bottom wafer substrate 100 so as to have relative motion without moving together with the sensor mass 30, since it is a component to sense the movement of the sensor mass 30 .
센서 구동 감지부(42)는 센서 구동부(41)와 같이 콤 전극으로 구성될 수 있으나 센서 구동 감지부(42)로 사용될 수 있는 전극은 이에 제한되지 않는다.The sensor drive sensing unit 42 may be a comb electrode as in the sensor drive unit 41, but the electrodes that can be used as the sensor drive sensing unit 42 are not limited thereto.
센서 구동 감지부(42)가 측정한 센서질량체(30)의 가진방향 변위는 본 발명의 자이로스코프의 회전 변위 검출에 사용되는 직접적인 정보는 아니다. 그러나 센서 구동부(41)는 단독으로 존재할 경우 센서질량체(30)를 가진시키는 정도를 정확하게 알고 센서질량체(30)를 가진 시킬 수 없다. 센서 구동부(41)가 센서질량체(30)를 어느 정도로 가진시키는지를 알고 이를 피드백으로 주어 센서 구동부(41)가 본래 의도한 정도로 센서질량체(30)를 가진시키도록 할 필요가 있다. 센서 구동 감지부(42)가 센서질량체(30)의 가진방향 변위를 측정함으로써 피드백 제어 시스템이 완성되는 것이다.The displacement direction of the sensor mass 30 measured by the sensor drive sensing unit 42 is not direct information used for detecting the rotational displacement of the gyroscope of the present invention. However, when the sensor driving unit 41 is present alone, it can not accurately recognize the extent to which the sensor mass 30 is excited, and can not bring the sensor mass 30 into engagement. It is necessary to know how much the sensor driving unit 41 vibrates the sensor mass 30 and give feedback to the sensor driving unit 41 to cause the sensor driving unit 41 to excite the sensor mass 30 to the extent that it is originally intended. And the sensor drive sensing unit 42 measures the displacement in the direction of the sensor mass 30 to complete the feedback control system.
센서 구동 감지부(42)는 센서 구동부(41)와 대향되게 배치될 수 있고, 센서 구동부(41)와 유사하게 센서질량체(30)의 가진방향 변위를 잘 측정해야 할 필요가 있으므로 가진방향에 수직한 방향으로 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 가진방향으로 센서질량체(30)의 변위를 측정하는, 센서 구동 감지부(42)의 면적이 최대가 될 수 있기 때문이다. 본 발명의 제1 실시예에서는 센서 구동부(41)가 y축 방향으로 연장되어 형성되었으므로, 센서 구동 감지부(42)도 y축 방향으로 연장되어 형성된 것으로 도시하였다.Since the sensor drive sensing unit 42 can be arranged to face the sensor drive unit 41 and it is necessary to measure the excitation displacement of the sensor mass 30 similarly to the sensor drive unit 41, Or may extend in one direction. This is because the area of the sensor drive sensing portion 42, which measures the displacement of the sensor mass 30 in the direction of the excitation, can be maximized. In the first embodiment of the present invention, since the sensor driving unit 41 is formed extending in the y-axis direction, the sensor driving sensing unit 42 is also shown extending in the y-axis direction.
본 발명의 제1 실시예와 같이 두 개의 질량체 유닛을 대칭되게 배치하는 경우, 가진방향 중심에서 역위상 링크 기구(50)를 통해 서로 연결될 수 있다. 역위상 링크 기구(50)의 일단은 일 질량체 유닛에, 타단은 타 질량체 유닛에 연결되어 두 질량체 유닛이 서로 완전한 역위상의 움직임을 갖도록 한다. 이와 같은 역위상은 기본적으로 센서 구동부(41)에 의한 가진방향의 역위상 가진에 의해 제공된다. 이와 같이, 자이로스코프의 구조적 대칭성과 함께, 질량체 유닛의 움직임도 대칭성을 갖게 되면, 다양한 이유로 발생되는 노이즈 성분이 상기 대칭성으로 인해 상쇄되는 장점이 있으므로, 질량체 유닛의 완전한 역위상(perfect anti-phase) 움직임은 본 발명의 y축 자이로스코프의 제조에 있어서 추구하여야 할 목표 중 하나이다. When the two mass unit units are symmetrically disposed as in the first embodiment of the present invention, they can be connected to each other through the anti-phase link mechanism 50 at the center of the direction of the excitation. One end of the anti-phase link mechanism 50 is connected to the one mass unit and the other end is connected to the other mass unit so that the two mass units have a complete reverse phase movement with respect to each other. Such a reverse phase is basically provided by a reverse phase excitation in the excitation direction by the sensor driving unit 41. [ In this way, with the structural symmetry of the gyroscope, when the motion of the mass unit has symmetry, the perfect anti-phase of the mass unit is advantageous because the noise components generated for various reasons are offset by the symmetry. Motion is one of the goals to be pursued in the manufacture of the y-axis gyroscope of the present invention.
역위상 링크 기구(50)는 그 구조적 특성(회전 대칭 구조)에 의해, 두 개의 링크 암(54) 중 하나의 암에 어떠한 방향으로 힘이 가해지면 다른 암에는 상기 가해진 힘과 정확히 반대 방향, 즉 역위상의 힘이 작용한다.The reverse phase link mechanism 50 is configured such that, when its force is applied in one direction to one of the two link arms 54 by its structural characteristic (rotationally symmetrical structure), the other arm is rotated in a direction exactly opposite to the applied force, A force of opposite phase is applied.
역위상 링크 기구(50)는 바닥 웨이퍼기판(100)에 고정되어 움직임을 갖지 않는 링크 앵커(51)와, 일단이 각 질량체 유닛에 연결되고 타단이 링크 앵커(51)에 연결되는 2개의 링크 암(54)으로 구성된다. 2개의 링크 암(54)은 두 링크 암(54)을 전부 지나는 폐곡선으로 형성되는 비틀림 강성 지지부(53)를 포함하고, 비틀림 강성 지지부(53)와 링크 앵커(51)는 굽힘 변형과 비틀림 변형이 동시에 가능한 굽힘-비틀림 스프링(52)으로 연결되므로, 이를 통해 기하학적으로 두 링크 암(54)이 서로 연결된다. 따라서 각 링크 암(54) 간에 역위상 힘이 발생하게 된다. 따라서 이 역위상 힘에 의해 두 질량체 유닛에 다소 차이가 나는 움직임이 발생하더라도 서로 각자의 가진방향으로 역위상의 움직임을 보장할 수 있게 되어 노이즈 감소의 효과를 얻을 수 있다.The inverse phase link mechanism 50 includes a link anchor 51 fixed to the bottom wafer substrate 100 and having no movement and two link arms 51 having one end connected to each mass unit and the other end connected to the link anchor 51. [ (54). The two link arms 54 include a torsional rigid support portion 53 formed by a closed curve that passes all of the two link arms 54 and the torsional rigid support portion 53 and the link anchor 51 have bending deformation and torsional deformation Torsion spring 52 so that the two link arms 54 are geometrically connected to each other. Therefore, a reverse phase force is generated between the link arms 54. Therefore, even if there is a slight difference in motion between the two mass units due to the reverse phase force, it is possible to ensure the anti-phase movement in the mutual direction of excitation, so that the noise reduction effect can be obtained.
이하, 도 4 내지 도 7를 참조하여 도 3에서 설명된 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프가 어떻게 작동하는지를 살펴본다.Hereinafter, how the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention described with reference to FIG. 3 operates will be described with reference to FIGS.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 모식도이다.FIG. 4 is a schematic view illustrating the operation principle of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to a first embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 평행한 하나의 축인 y축 방향으로 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 회전(Ω)이 가해지는 조건에서, 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 평행한 다른 축인 x축 방향으로 센서질량체(30)가 가진되면 코리올리힘이 z축 방향으로 센서질량체(30) 및 프레임(11)에 작용한다. 따라서 z축 방향으로 진폭이 감지된다. 즉, 1자유도로 센서질량체(30)가 가진되고 1자유도로 z축 방향 변위가 측정되는 것이다. 여기서 1자유도로 변위를 측정하는 감지모드를 제1 감지모드로 칭한다. x축은 바닥 웨이퍼기판(100)에 평행한 축이므로, x축을 가로로 하고 z축을 세로로 하는 평면에서 수평방향에 해당할 것이다.4, under the condition that a rotation (?) Is applied to the bottom wafer substrate 100 and the frame 11 in the y-axis direction which is one axis parallel to the bottom wafer substrate 100 and the frame 11, The Coriolis force acts on the sensor mass 30 and the frame 11 in the z-axis direction when the sensor mass 30 is excited in the x-axis direction which is another axis parallel to the wafer substrate 100 and the frame 11. [ Therefore, the amplitude is detected in the z-axis direction. That is, the sensor mass 30 is excited by one degree of freedom and the z-axis displacement is measured at one degree of freedom. Here, the sensing mode for measuring the displacement of one degree of freedom is referred to as a first sensing mode. Since the x axis is an axis parallel to the bottom wafer substrate 100, the x axis corresponds to the horizontal direction in a plane that is transverse to the x axis and the z axis is vertical.
여기서 센서질량체(30)는 프레임(11)과 서로 x축 방향으로 배치된 스프링(k1x, k2x)과 감쇠기(c1x, c2x)에 의해 연결된 것으로 모델링 할 수 있다. 또한, 바닥 웨이퍼기판(100)과 프레임(11)은 z방향으로 배치된 스프링(k1z) 과 감쇠기(c1z) 에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다.Here, the sensor mass 30 can be modeled as being connected to the frame 11 by the springs (k1x, k2x) arranged in the x-axis direction and the attenuators (c1x, c2x). Further, the bottom wafer substrate 100 and the frame 11 are connected to each other by a spring (k1z) And connected by an attenuator (c1z).
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 수학적 모델을 나타낸 것이다.FIG. 5 shows a mathematical model of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to the first embodiment of the present invention.
도 5에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 가진 모드의 y축 자이로스코프가 프레임(11), 비틀림 지지스프링(21)을 포함하도록 하여 수학적 모델을 구성했음을 알 수 있다. 도 5에서 y축 자이로스코프는 x축 방향으로 프레임(11) 중심을 기준으로 선대칭인 방향으로 가진 된다. 가진력은 도 5에서 Fes(t)로 표현되고, 프레임(11) 중심에서 오른쪽으로 L만큼 떨어진 지점에서는 +Fes(t), 왼쪽으로 L만큼 떨어진 지점에서는 -Fes(t)로 작용해, 좌우로 서로 상반되게 작용한다. 이와 같은 가진이 일어나는 상황에서 y축을 따라 외부의 각속도가 입력되는 경우, 코리올리힘은 프레임(11)에 직교하는 z축을 따라 작용한다. 상술한 바와 같이 프레임(11) 중심을 기준으로 x축을 따라 우측과 좌측에 서로 상반된 방향의 가진력이 작용하고 있으므로, 우측과 좌측에 작용하는 코리올리힘 역시 서로 상반된 방향으로 작용한다. 코리올리힘은 도 5에서 우측은 +Fc(t), 좌측은 -Fc(t)로 나타내었다. 5, it can be seen that the y-axis gyroscope of the one-degree-of-freedom mode according to the first embodiment of the present invention includes the frame 11 and the torsion support spring 21, thereby forming a mathematical model. 5, the y-axis gyroscope is excited in the direction of the line-symmetry with respect to the center of the frame 11 in the x-axis direction. The excitation force is represented by Fes (t) in FIG. 5, and serves as + Fes (t) at a point L to the right from the center of the frame 11 and -Fes (t) at a point L to the left, They act in opposition to each other. When an external angular velocity is input along the y-axis in the situation where such excitation occurs, the Coriolis force acts along the z-axis orthogonal to the frame 11. [ As described above, since the right and left excitation forces act on the right and left sides along the x axis with respect to the center of the frame 11, the Coriolis forces acting on the right and left sides also act in directions opposite to each other. Coriolis force is represented by + Fc (t) on the right side and -Fc (t) on the left side in FIG.
도 5에서 프레임(11)의 진동방정식은 다음의 수학식 1과 같다.5, the vibration equation of the frame 11 is expressed by the following equation (1).
Figure 112017037995926-pat00001
Figure 112017037995926-pat00001
여기서, J1은 센서질량체(30)를 포함한 프레임(11) 전체에 대한 회전 관성 모멘트이고, kt1과 kt2는 각각 지지스프링에 대한 빔의 비틀림 강성이다. L1은 x축방향으로 회전중심(21)에서 코리올리힘 Fc(t) 작용점까지의 길이이고, 수학식 1의 우측항인 2L1Fc(t)는 코리올리힘 Fc(t)에 의해 야기되는 토오크이고, φ(t)는 프레임(11)에 대한 y축 중심의 회전각도를 의미한다.Here, J 1 is the rotational inertia moment of the frame 11 including the sensor mass 30, and kt 1 and kt 2 are the torsional stiffness of the beam with respect to the support springs, respectively. L 1 is the length from the rotation center 21 in the x-axis direction to the point of application of the Coriolis force Fc (t), and 2L 1 Fc (t), which is the right side of the equation ( 1 ), is the torque caused by the Coriolis force Fc (T) denotes a rotation angle of the frame 11 about the y-axis.
J1, kt1, kt2 및 L1은 주어진 값이고, 감지전극에 의해 정전용량의 변화를 측정하여 회전각도 및 그 가속도 역시 알 수 있다. 따라서 주어지거나 측정한 값을 전부 대입하여 코리올리힘을 측정할 수 있다. 코리올리힘 Fc(t)는 다음 수학식 2와 같이 주어진다.J 1, kt 1 , kt 2 And L 1 are given values, and the rotation angle and the acceleration thereof can also be determined by measuring the change in capacitance by the sensing electrode. Therefore, the Coriolis force can be measured by substituting all the values given or measured. The Coriolis force Fc (t) is given by Equation 2 below.
Figure 112017037995926-pat00002
Figure 112017037995926-pat00002
여기서 M1은 센서질량체(30)의 질량, v는 x방향 가진 속도, Ω1은 y방향 외부 각속도이다. 코리올리힘 Fc(t)을 수학식 1로부터 구할 수 있으며, 프레임(11)의 질량 M1 및 x방향 가진 속도 v 도 알 수 있으므로, 수학식 2에 대입하여 y방향 외부 각속도가 얼마인지를 구할 수 있다. 이와 같은 방식으로 y축 자이로스코프가 작동하는 것이다.Where M 1 is the mass of the sensor mass 30, v is the velocity in the x direction and Ω 1 is the y direction external angular velocity. Since the Coriolis force Fc (t) can be obtained from the equation (1), and the mass M 1 of the frame 11 and the velocity v in the x direction can also be known, it can be substituted into the equation (2) have. This is how the y-axis gyroscope works.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프를 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode in an xz plane according to a first embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 자이로스코프의 외관은 바닥 웨이퍼기판(100), 바닥 웨이퍼기판(100)에 평행하고 일정 유격을 두어 형성되는 커버 기판(101) 및 바닥 웨이퍼기판(100)과 커버 기판(101) 사이의 영역에 바닥 웨이퍼기판(100)과 수직하게 형성되는 밀폐벽(102, 103, 104)으로 형성된다. 바닥 웨이퍼기판(100)과 커버 기판(101)이 밀폐벽(102, 103, 104)을 통해 이어져 프레임(11) 및 센서질량체(30)가 움직일 수 있는 내부 공간을 형성하는 것이다. 바닥 웨이퍼기판(100), 밀폐벽(102, 103, 104) 및 커버 기판(101)의 외관이 형성됨으로써 프레임(11) 및 센서질량체(30)에 작용할 수 있는 외란을 차단한다.6, the outer appearance of the MEMS gyroscope according to the first embodiment of the present invention includes a bottom wafer substrate 100, a cover substrate 101 formed parallel to and spaced apart from the bottom wafer substrate 100, 103 and 104 which are formed perpendicular to the bottom wafer substrate 100 in the region between the wafer substrate 100 and the cover substrate 101. [ The bottom wafer substrate 100 and the cover substrate 101 are connected to each other through the sealing walls 102, 103 and 104 to form an internal space through which the frame 11 and the sensor mass 30 can move. The outer surfaces of the bottom wafer substrate 100, the sealing walls 102, 103 and 104 and the cover substrate 101 are formed to block disturbances that may act on the frame 11 and the sensor mass 30. [
제1 감지전극(44)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프에서 y축을 중심으로 한 프레임(11) 또는 센서질량체(30) 중 적어도 하나의 z축 방향 움직임으로부터 정전용량의 변화를 통해 프레임(11) 또는 센서질량체(30)중 적어도 하나의 z축 방향 변위를 측정하는 감지전극이다.The first sensing electrode 44 can be used to sense the change in capacitance from the z-axis movement of at least one of the frame 11 or the sensor mass 30 about the y-axis in the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention. Axis direction displacement of at least one of the frame 11 and the sensor mass 30 via the first and second electrodes.
제1 감지전극(44)은 프레임(11) 및 센서질량체(30)의 x축 방향 말단에 위치한 y축 감지부(111)의 z축 방향 하단의 바닥 웨이퍼기판(100) 상에 위치한다. 따라서 프레임(11) 및 센서질량체(30)가 가진 및 y축을 중심으로 한 외부 각속도의 입력으로 z축 방향 코리올리힘을 받아 시소 운동 할 때, 프레임(11) 및 센서질량체(30)의 y축 감지부(111)의 움직임에 따른 제1 감지전극(44)의 정전용량 변화를 측정해 y축 감지부(111)의 z축 방향 변위를 얻을 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 자이로스코프에서는 y축 감지부(111)를 가진방향 양 단에 인접한 영역에 각각 1개씩 형성하였으므로, 제1 감지전극(44) 역시 가진방향 양 단에 인접한 영역에 존재하는 바닥 웨이퍼기판(100) 상에 각각 1개씩 총 2개가 형성되도록 하였다.The first sensing electrode 44 is located on the bottom wafer substrate 100 at the lower end of the y-axis sensing unit 111 located at the end of the frame 11 and the sensor mass 30 in the x-axis direction. Therefore, when the frame 11 and the sensor mass 30 are seesawed by the z-axis Coriolis force applied to the input of the external angular velocity around the y-axis and the z-axis of the sensor mass 30, The z-axis displacement of the y-axis sensing unit 111 can be obtained by measuring the electrostatic capacitance change of the first sensing electrode 44 according to the movement of the unit 111. In the MEMS gyroscope according to the first embodiment of the present invention, since the first sensing electrode 44 is formed in a region adjacent to both ends in the direction having the y-axis sensing unit 111, A total of two on the bottom wafer substrate 100 are formed.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 센서질량체의 시소 운동을 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the seesaw motion of a sensor mass of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to a first embodiment of the present invention, viewed from the xz plane.
도 7을 참조하면, y축을 중심으로 한 외부 각속도가 입력된 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프의 프레임(11)이 z축 방향의 코리올리힘을 받아 시소 운동 하는 상황을 확인할 수 있다. 도 7에서는 y축을 중심으로 시계 반대방향의 외부 각속도가 입력된 경우, 우측의 질량체 유닛에는 우측 방향의 가진이, 좌측의 질량체 유닛에는 좌측 방향의 가진이 입력된 상황을 도시하였다. 우측 질량체 유닛에는 z축 상방으로 코리올리힘이 작용하고, 좌측 질량체 유닛에는 z축 상 하방으로 역위상의 코리올리힘이 작용하여 서로 반대방향으로 동작함으로써 프레임(11)이 시소 운동 한다. Referring to FIG. 7, when the external angular velocity about the y-axis is inputted, the frame 11 of the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention receives a Coriolis force in the z-axis direction . In FIG. 7, when the external angular velocity in the counterclockwise direction around the y-axis is inputted, the right side excitation is inputted to the right mass body unit and the right side excitation is inputted to the left mass body unit. Coriolis force acts on the right mass body unit in the z-axis direction, and Coriolis force in opposite phase acts on the left mass body unit in the downward direction on the z-axis, so that the frame 11 performs seesaw motion.
본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프에서 시소 앵커(13)는 프레임(11)의 x축 방향 양 단에 인접한 영역에 위치하지만 양 단에 비해서 중심에 더 가까운 위치에 배치되고, 양 단에 더 인접한 영역에는 y축 감지부(111)가 위치하므로, 도 7에 도시된 바와 같이 중심에 보다 가까운 영역에 연결된 프레임 지지 스프링(25)에 의해 프레임(11)의 양 단이 지지되는 형태가 된다. 또한 프레임(11)의 x축 방향 중심에 연결되는 비틀림 스프링(21)이 비틀림 앵커(12)와 연결되어 프레임(11)의 시소 운동을 지지한다. 코리올리힘에 의해 시소 운동을 하는 프레임(11)은 프레임 지지 스프링(25)과 비틀림 스프링(21)에 작용하는 탄성 복원력에 의해 진동하게 된다. 다만 시소 앵커(13)의 위치는 이에 제한되지 않는다.In the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention, the seesaw anchor 13 is located in a region adjacent to both ends in the x-axis direction of the frame 11, but closer to the center than both ends, Since the y-axis sensing unit 111 is located in a region closer to the stage, the frame support springs 25 connected to the region closer to the center as shown in Fig. 7 support both ends of the frame 11 . Further, a torsion spring 21 connected to the center of the frame 11 in the x-axis direction is connected to the torsion anchor 12 to support the seesaw motion of the frame 11. The frame 11 performing the seesaw motion by the Coriolis force is vibrated by the elastic restoring force acting on the frame support spring 25 and the torsion spring 21. [ However, the position of the seesaw anchor 13 is not limited thereto.
도 3 내지 도 7을 참조하여 확인할 수 있듯이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프의 가진 방향은 x축 방향이고, 이를 통해 y축을 중심으로 한 외부 각속도에 대해 z축 방향으로 코리올리 힘을 받아 y축을 중심으로 센서질량체(30)와 프레임(11)이 회전하도록 한다. 따라서 y축을 중심으로 한 외부 각속도 입력에 대해 프레임(11)이 회전하는 중심축이 가진 방향과 직교한다. 그러나 종래기술의 경우 가진 방향에 수직이고 바닥 기재에 평행한 하나의 축을 중심으로 한 외부 각속도 입력에 대해 검증 질량이 회전하는 중심축은 직교하여, 결과적으로 가진방향과 검증 질량의 회전 중심축이 나란하게 된다. 3 to 7, the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention has an x-axis direction and an external angular velocity about the y- So that the sensor mass 30 and the frame 11 are rotated about the y-axis. Therefore, the external angular velocity input about the y-axis is orthogonal to the direction of the central axis about which the frame 11 rotates. However, in the case of the prior art, for the input of an external angular velocity about an axis perpendicular to the direction of the excitation and parallel to the base substrate, the central axis on which the verification mass rotates is orthogonal so that the excitation direction and the rotation center axes of the verification mass are parallel do.
자세히 살펴보면, 종래기술인 한국 등록특허 제10-1577155호의 y축 자이로스코프와 관련된 일 실시예에서는, 본 발명의 센서질량체(30)에 대응되는 검증 질량에 x축과 나란한 방향으로 가진이 이루어지면 z축 방향으로 코리올리힘이 작용하여 최종적으로 검증 질량이 x축과 나란한 축을 중심으로 회전하도록 자이로스코프가 설계되었다. 즉 가진방향과 검증 질량의 회전축이 x축과 일치한다.In one embodiment related to the y-axis gyroscope of the prior art Korean Patent No. 10-1577155, when the verification mass corresponding to the sensor mass 30 of the present invention is excited in the direction parallel to the x axis, And finally the gyroscope is designed so that the verification mass rotates about an axis parallel to the x-axis. That is, the direction of the excitation and the axis of rotation of the verification mass coincide with the x axis.
이와 같은 구조로 인해 종래기술의 y축 자이로스코프에서는, y축을 기준으로 대칭되게 배치된 복수의 검증 질량이 y축 방향으로 서로 반대 방향으로 가진 됨에 따라 z축을 중심으로 한 비틀림 및 회전력이 발생하게 된다. 종래기술에는 이러한 변형 및 움직임을 보상할 수 있는 구조가 존재하지 않아 각 축을 중심으로 하는 외부 각속도의 측정을 위한 자이로스코프 간의 센서 신호에 대한 커플링(coupling)이 일어나기 쉬워져 정확한 회전 측정에 어려움이 발생한다.Due to such a structure, in the y-axis gyroscope of the prior art, as a plurality of verification masses arranged symmetrically with respect to the y-axis are excited in mutually opposite directions in the y-axis direction, twisting and rotational force about the z- . In the prior art, there is no structure capable of compensating for such deformation and motion, so that coupling to a sensor signal between gyroscopes for measuring an external angular velocity about each axis is apt to occur, Occurs.
반면 본 발명의 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 자이로스코프에서는, x축과 나란한 방향으로 센서질량체(30)에 가진이 일어나고, 상기 가진 방향과 직교하는 z축과 나란한 방향으로 코리올리힘이 발생하여 y축을 중심으로 한 센서질량체(30) 및 프레임(11)의 시소 운동이 일어난다. 즉, 가진 방향과 프레임(11)의 회전축이 각각 x축과 y축으로, 바닥 웨이퍼 기판(100)과 나란하되 서로 직교하게 된다.On the other hand, in the gyroscope having the one-degree-of-freedom horizontal excitation mode of the present invention, excitation occurs in the sensor mass 30 in the direction parallel to the x axis, and a Coriolis force is generated in a direction parallel to the z axis orthogonal to the excitation direction, Seesaw motion of the sensor mass 30 and the frame 11 about the axis occurs. That is, the excitation direction and the rotation axis of the frame 11 are aligned with the bottom wafer substrate 100 in the x-axis and the y-axis, respectively, but are orthogonal to each other.
이러한 본 발명의 구조를 따르면, 가진 방향을 따라 나란히 배치되고 역위상 링크(50)를 통해 연결된 복수의 센서질량체(30)가 서로 반대 방향으로 가진됨에 따라, 동일한 크기의 가진력이 역위상 링크(50)라는 동일한 작용점에 작용하여 상쇄되고 비틀림이 일어나지 않는다. 따라서 종래기술과 비교하여 본 발명의 자이로스코프는 커플링으로부터 안전한 구조를 가지므로, 보다 정확한 회전의 측정이 가능하다.According to this structure of the present invention, as a plurality of sensor masses 30 arranged side by side along the excitation direction and connected through the reverse phase link 50 are excited in opposite directions to each other, ), So that it is canceled and does not twist. Therefore, the gyroscope of the present invention has a structure that is safe from coupling as compared with the prior art, so that more accurate rotation measurement is possible.
도 8은 본 발명의 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프를 변경한 형태를 측면에서 나타낸 단면도이다.FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modified version of a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프는, 양 질량체 유닛이 y축을 중심으로 대칭되게 형성됨과 동시에 서로 분리되어 구성된다. 따라서 제1 실시예와 같이 비틀림 앵커(12)를 중심으로 전체 센서질량체가 z축과 나란한 방향의 코리올리힘에 의해 시소 운동하는 것이 아니라, 각자의 질량체 유닛이 z축과 나란한 방향으로 바닥 웨이퍼 기판(100)과 평행한 상태에서 승하강할 수 있도록 구성된다. 따라서 도 8에서 확인할 수 있듯이, 좌측의 질량체 유닛과 우측의 질량체 유닛이 각각의 질량체 유닛에 작용하는 서로 반대된 코리올리힘에 의해 하강 또는 승강을 하게 된다.Referring to FIG. 8, a y-axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to the present invention is formed such that both mass body units are formed symmetrically about the y axis and are separated from each other. Therefore, instead of seesaw motion by the Coriolis force in the direction parallel to the z axis, the entire mass of the mass about the torsional anchor 12 as in the first embodiment is moved in the direction parallel to the z axis, 100 in parallel with each other. Therefore, as shown in Fig. 8, the left mass body unit and the right mass body unit are lowered or elevated by opposing Coriolis forces acting on the respective mass body units.
이와 같은 구조로 y축 자이로스코프가 구성됨에 따라, 프레임 전체가 시소 운동 하는 제1 실시예와 달리 질량체 유닛이 z축 방향으로 더 큰 변위를 가지게 된다. 또한 질량체 유닛이 바닥 웨이퍼 기판(100)과 평행하게 이동하므로 보다 넓은 면적을 감지 면적으로 사용할 수 있어, 더 넓은 제1 감지전극(44)이 바닥에 형성될 수 있다. 따라서 이러한 설계변경에 따라 보다 섬세하게 z축 방향 변화의 감지가 가능한 y축 자이로스코프를 얻을 수 있다. As the y-axis gyroscope is structured in this manner, unlike the first embodiment in which the entire frame seesaw motion, the mass unit has a larger displacement in the z-axis direction. Also, since the mass unit moves parallel to the bottom wafer substrate 100, a wider area can be used as the sensing area, so that a wider first sensing electrode 44 can be formed on the bottom. Therefore, it is possible to obtain a y-axis gyroscope capable of more precisely detecting the change in the z-axis direction according to such a design change.
도 8에서는 이해를 돕기 위해 프레임을 도시하지 않았으나, 프레임은 단지 생략된 것으로 질량체 유닛에 연결되어 센서질량체와 같이 z축 방향 변위를 가지며 운동할 수 있다. Although the frame is not shown in FIG. 8 for the sake of clarity, the frame is only omitted, and can be connected to the mass unit and move with z-axis displacement like the sensor mass.
이상과 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y축 자이로스코프의 다양한 구성 및 동작에 대해서 설명하였다. Various constructions and operations of the y-axis gyroscope having the one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to the first embodiment of the present invention have been described.
또한 동일한 구조를 가지는 자이로스코프를 다른 방향으로 더 배치함으로써, y축을 중심으로 한 외부 각속도가 아닌 다른 축을 중심으로 한 각속도 역시 측정이 가능하다. 그러나 바닥 웨이퍼 기판(100)에 직교하는 축인 z축을 중심으로 하는 외부 각속도를 측정하기 위해서는 동일한 구조의 자이로스코프를 서로 직교하도록 배치시켜야 한다. 따라서 전체 센서의 부피가 늘어난다는 문제가 발생한다. By arranging the gyroscope having the same structure in the other direction, it is also possible to measure the angular velocity around an axis other than the external angular velocity about the y axis. However, in order to measure the external angular velocity around the z-axis, which is an axis orthogonal to the bottom wafer substrate 100, gyroscopes having the same structure should be arranged to be orthogonal to each other. Therefore, there arises a problem that the volume of the entire sensor is increased.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, x축 방향의 1자유도 수평 가진 모드를 통해 y축 및 z축을 각각 회전 중심으로 하는 외부 각속도를 측정 가능한 y-z축 자이로스코프가 제안된다.To overcome this problem, a y-z axis gyroscope is proposed which can measure the external angular velocity with the y-axis and the z-axis as rotation centers through a 1-DOF horizontal excitation mode in the x-axis direction.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프의 평면도이다.9 is a plan view of a y-z axis gyroscope having a 1 DOF horizontal excitation mode according to a second embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프는 기본적으로 도 3을 참조하여 설명한 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프와 유사한 형태를 가진다. 그러나 센서질량체(30)가 적어도 하나의 내질량체(32) 및 적어도 하나의 외질량체(31)를 포함하도록 구성된다는 점에서 단일 센서질량체(30)로 구성된 y축 자이로스코프와 차이가 있다. 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프와 중복되는 구성요소는 상술한 바와 동일한 작용을 하여 y축 자이로스코프로써 동일하게 사용될 수 있다.Referring to FIG. 9, the y-z axis gyroscope according to the second embodiment of the present invention is basically similar to the y axis gyroscope according to the first embodiment described with reference to FIG. However, there is a difference from the y-axis gyroscope constructed of a single sensor mass 30 in that the sensor mass 30 is configured to include at least one internal mass 32 and at least one external mass 31. The elements overlapping with the y-axis gyroscope according to the first embodiment have the same functions as those described above and can be equally used as a y-axis gyroscope.
외질량체(31)는 내질량체(32)를 둘러싸도록 형성되며, 내질량체(32)와 서로 제2 지지 스프링(24)을 통해 연결된다. 내질량체(32)와 외질량체(31)는 기본적으로 제1 실시예의 센서질량체(30)의 역할을 수행해야 하므로, 각각 x축 방향 움직임이 보장되어야 한다. 따라서 외질량체(31)는 x축 방향으로 제1 지지 스프링(23)과 연결되어 프레임(11)과 연결될 수 있다.The outer mass body 31 is formed so as to surround the inner mass body 32 and is connected to the inner mass body 32 via the second support springs 24. The inner mass 32 and the outer mass 31 are basically required to perform the role of the sensor mass 30 of the first embodiment, so that the movement in the x-axis direction must be ensured, respectively. Accordingly, the outer mass body 31 can be connected to the frame 11 by being connected to the first support spring 23 in the x-axis direction.
z축을 중심으로 한 외부 각속도의 측정에는 내질량체(32)만이 사용된다. 도 10 내지 도 13에 대한 설명에서 후술할 것이나, x축 방향으로 가진되는 상황에서 z축을 중심으로 한 외부 각속도가 가해지는 경우, 내질량체(32)에는 y축 방향으로 코리올리힘이 작용하므로, 내질량체(32)에는 y축 방향 움직임이 보장되어야 한다. 따라서 내질량체(32)에는 y축 방향을 따라 제2 지지 스프링(24)의 일단이 연결되고, 제2 지지 스프링(24)의 타단은 외질량체(31)에 연결된다.only the inner mass 32 is used for measurement of the external angular velocity around the z-axis. As will be described later with reference to FIGS. 10 to 13, when an external angular velocity about the z axis is applied in a state of being excited in the x-axis direction, since the Coriolis force acts on the inner mass 32 in the y- The movement of the mass 32 in the y-axis direction must be ensured. One end of the second support spring 24 is connected to the inner mass body 32 along the y axis direction and the other end of the second support spring 24 is connected to the outer mass body 31. [
내질량체(32)는 다리(322)와 상기 다리의 장방향 양 단에 형성된 z축 감지부(321)로 구성된다. z축 감지부(321)는 후술할 제2 감지전극(43)과 인접한 위치에서 y축 방향으로 상대적인 움직임을 가짐으로써, 제2 감지전극(43)이 정전용량의 변화를 측정하여 z축을 중심으로 하는 외부 각속도를 측정하도록 하는 구성요소이다. 도 9에서는 제2 감지전극(43)을 z축 감지부(321)가 둘러싸도록 도시하였으나, 제2 감지전극(43)과 z축 감지부의 위치관계는 이에 제한되지 않는다. 다리(322)는 이러한 z축 감지부(321)를 서로 잇는 역할을 한다. The inner mass 32 is composed of a leg 322 and a z-axis sensing portion 321 formed at both longitudinal ends of the leg. The z-axis sensing unit 321 has a relative movement in the y-axis direction at a position adjacent to the second sensing electrode 43 to be described later, so that the second sensing electrode 43 measures a change in capacitance To measure the external angular velocity. 9, the z-axis sensing unit 321 surrounds the second sensing electrode 43. However, the positional relationship between the second sensing electrode 43 and the z-axis sensing unit is not limited thereto. The legs 322 serve to connect the z-axis sensing units 321 to each other.
내질량체(32)는 도 9에 도시된 바와 같이 외질량체(31)의 내부에서 'H'자 형으로 형성될 수 있다. y축 방향 움직임을 측정하기 위해 질량체 유닛의 일 방향 영역에만 내질량체(32)가 위치할 수도 있으나, 안정적인 측정을 위해 대칭성이 필요하기 때문에 각 질량체 유닛의 y축 방향 양 단에 인접한 영역에 내질량체(32)의 z축 감지부(321)가 위치하도록 할 수 있다. 또한 질량체 유닛의 y축 방향 양 단에 인접한 영역에 위치한 내질량체(32)의 z축 감지부(321) 각각이 별도로 움직여서 상반된 측정 결과를 얻게 되는 것을 방지하고자, 두 z축 감지부(321)를 y축 방향으로 연장된 다리(322)로 이어 하나의 완성된 'H'자 형의 내질량체(32)를 구성할 수 있다. 두 z축 감지부(321)를 하나의 내질량체(32)로 만듬으로써 서로 동일한 위상의 움직임이 보장된다.The inner mass 32 may be formed in the inner mass of the outer mass 31 as shown in FIG. the mass 32 may be positioned only in one direction of the mass unit in order to measure the y-axis movement. However, since symmetry is required for stable measurement, The z-axis sensing unit 321 of the sensor 32 may be positioned. Further, in order to prevent each of the z-axis sensing portions 321 of the inner masses 32 located in the region adjacent to both ends of the mass unit in the y-axis direction from being separately moved to obtain conflicting measurement results, the two z-axis sensing portions 321 and a leg 322 extending in the y-axis direction can constitute one complete " H " -shaped inner mass 32. By making the two z-axis sensing portions 321 into one internal mass 32, movement in the same phase is ensured.
제2 감지전극(43)은 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프에서 내질량체(32)의 y축 방향 움직임으로부터 정전용량의 변화를 통해 내질량체(32)의 y축 방향 변위를 측정하여 z축을 중심으로 한 외부 각속도의 크기를 산출하는 감지전극이다. 따라서 제2 감지전극(43)은 내질량체(32)와 인접한 위치에 배치되고, 내질량체(32)의 상대적 움직임을 감지해야 하므로 바닥 웨이퍼기판(100)에 고정된 제2 감지전극 앵커(17)에 연결될 수 있다.The second sensing electrode 43 can detect the displacement of the inner mass 32 in the y-axis direction through the change in capacitance from the movement of the inner mass 32 in the y-axis direction in the yz axis gyroscope according to the second embodiment of the present invention And measuring the magnitude of the external angular velocity about the z axis. The second sensing electrode 43 is disposed at a position adjacent to the inner mass 32 and the second sensing electrode anchor 17 fixed to the bottom wafer substrate 100 is required to sense the relative movement of the inner mass 32, Lt; / RTI >
제2 감지전극(43)은 평판전극일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 제2 감지전극(43)은 복수의 평판 전극을 조밀하게 배치하여 그 사이에 배치되는 내질량체(32)의 콤 핑거(Comb Finger) 가지에 대해 움직임을 감지할 수 있다.The second sensing electrode 43 may be a flat electrode, but is not limited thereto. The second sensing electrode 43 can densely arrange a plurality of flat plate electrodes and sense motion with respect to a comb finger branch of the inner mass body 32 disposed therebetween.
또한 제2 감지전극(43)은 내질량체(32)의 z축 감지부(321)의 개수와 동일한 개수로 구성될 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서는 내질량체(32)의 z축 감지부(321)를 내질량체(32)의 y축 방향 양 단에 2개씩 배치한 바 있으므로, 제2 감지전극(43) 역시 2개씩 z축 감지부(321)에 인접하여 배치된다. The second sensing electrode 43 may have the same number as the z-axis sensing units 321 of the inner mass 32. In the first embodiment of the present invention, since the z-axis sensing portions 321 of the inner mass body 32 are disposed at both ends in the y-axis direction of the inner mass 32, Axis detection unit 321. The z-axis detection unit 321 is disposed adjacent to the z-
이하, 도 10내지 도 13를 참조하여 도 9에서 설명된 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프가 어떻게 작동하는지를 살펴본다.Hereinafter, how the y-z axis gyroscope according to the second embodiment of the present invention described in Fig. 9 operates will be described with reference to Figs. 10 to 13.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 모식도이다.10 is a schematic diagram showing the operation principle of a y-z axis gyroscope having a one-degree-of-freedom horizontal excitation mode according to a second embodiment of the present invention.
센서질량체(30)는 외질량체(31)와 상기 외질량체(31)에 의해 완전히 둘러 싸여진 내질량체(32)로 이루어진다. 내질량체(32)와 외질량체(31)는 서로 y축 방향으로 배치된 스프링(k1y, k2y)과 감쇠기(c1y, c2y)에 의해 연결되는 것으로 모델링 할 수 있다. The sensor mass 30 is composed of an outer mass body 31 and an inner mass body 32 completely enclosed by the outer mass body 31. The mass body 32 and the outer mass body 31 can be modeled as being connected to each other by the springs k1y and k2y arranged in the y axis direction and the attenuators c1y and c2y.
도 10을 참조하면, 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 직교하는 축인 z축 방향으로 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 회전(Ω)이 가해지는 조건에서, 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 평행한 하나의 축인 x축 방향으로 센서질량체(30)가 가진되면 코리올리힘이 바닥 웨이퍼기판(100) 및 프레임(11)에 평행한 다른 축인 y축 방향으로 센서질량체(30)에 작용한다. 따라서 y축 방향으로 내질량체(32)의 진폭이 감지된다. 즉, 1자유도로 센서질량체(30)가 가진되고 1자유도로 y축 방향 변위가 측정되는 것이다. 여기서 1자유도로 y축 방향 변위를 측정하는 감지모드를 제2 감지모드로 칭한다. 제1 감지모드와 제2 감지모드는 각각 z축 방향 진동과 y축 방향 진동을 감지하는 것이므로, 그 진동 방향이 서로 직교하게 되며, 가진방향이 x축 방향이므로 가진방향과도 서로 직교하게 된다.10, under the condition that a rotation (?) Is applied to the bottom wafer substrate 100 and the frame 11 in the z-axis direction which is an axis orthogonal to the bottom wafer substrate 100 and the frame 11, Axis direction in which the coriolis force is applied to the bottom wafer substrate 100 and the frame 11 in the y-axis direction when the sensor mass 30 is excited in the x-axis direction which is one axis parallel to the frame 100 and the frame 11, And acts on the mass body 30. Thus, the amplitude of the inner mass 32 in the y-axis direction is sensed. That is, the sensor mass 30 is excited by one degree of freedom and the y-axis displacement is measured in one degree of freedom. Here, the sensing mode for measuring the displacement in the y-axis direction in one degree of freedom is referred to as a second sensing mode. Since the first sensing mode and the second sensing mode sense the z-axis direction vibration and the y-axis direction vibration, respectively, the vibration directions are orthogonal to each other, and the excitation direction is orthogonal to the excitation direction as the excitation direction is the x-axis direction.
이하, 1자유도 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프의 수학적 모델을 이용해 구체적인 z축 중심의 외부 각속도 연산 방법을 알아본다.Hereinafter, a specific method of calculating the external angular velocity around the z axis will be described using a mathematical model of a y-z axis gyroscope having a mode having one degree of freedom.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 감지 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프의 수학적 모델이다.11 is a mathematical model of a y-z axis gyroscope having a one degree of freedom horizontal excitation mode according to a second embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프의 센서질량체(30)는 외질량체(31)와 내질량체(32)로 구성되어있고, 제2 지지 스프링(24)에 의해 외질량체(31)와 내질량체(32)가 서로 연결된다. 11, the sensor mass 30 of the yz-axis gyroscope according to the second embodiment of the present invention is composed of the outer mass 31 and the inner mass 32, And the mass body 31 and the mass body 32 are connected to each other.
도 11에서 내질량체(32)의 진동방정식은 다음의 수학식 3과 같다.11, the vibration equation of the mass body 32 is expressed by the following equation (3).
Figure 112017037995926-pat00003
Figure 112017037995926-pat00003
여기서, m3는 내질량체(32)의 질량이고, k1y와 k2y는 각각 제2 지지스프링의 강성이다. 수학식 3의 중간항은 코리올리힘 Fc(t)이고, 다시 가장 우측항으로 변환될 수 있다. y는 내질량체(32)의 y축방향 변위를 의미하고, v는 x축방향 가진 속도, Ω2는 z방향 외부 각속도이다. z방향 외부 각속도를 제외하고 모든 값을 알고 있거나 감지전극에 의해 정전용량 변화 감지로 측정할 수 있으므로, z방향 외부 각속도를 구할 수 있다. 이와 같은 방식으로 내질량체(32)의 y축 방향 변위로부터 z축을 중심으로 한 외부 각속도를 산출한다. Here, m3 is the mass of the inner mass 32, and k1y and k2y are the rigidity of the second support spring, respectively. The middle term in equation (3) is the Coriolis force Fc (t) and can be converted back to the rightmost term. y denotes displacement in the y-axis direction of the mass 32, v denotes an angular velocity in the x-axis direction, and? 2 denotes an angular velocity in the z-direction. Since all values except the z-direction external angular velocity are known or can be measured by sensing the capacitance change by the sensing electrode, the external angular velocity in the z direction can be obtained. In this manner, the external angular velocity about the z axis is calculated from the displacement of the mass 32 in the y axis direction.
도 12은 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프의 센서질량체 배치를 간략하게 나타낸 도면이다.12 is a simplified view of sensor mass arrangement of a y-z axis gyroscope according to a second embodiment of the present invention.
도 12는 z축을 중심으로 한 각속도가 y-z축 자이로스코프에 가해지지 않았을 경우, 내질량체(32)가 외질량체(31) 및 제2 감지전극(43)에 대해서 상대적으로 위치하는 초기 배치를 나타낸 것이다. 12 shows an initial arrangement in which the inner mass 32 is positioned relative to the outer mass 31 and the second sensing electrode 43 when the angular velocity about the z axis is not applied to the yz axis gyroscope .
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프의 내질량체의 y축 방향 움직임을 간략하게 나타낸 도면이다.13 is a view schematically showing movement of the mass of the y-axis in the y-z axis gyroscope according to the second embodiment of the present invention.
만일 도 12의 y-z축 자이로스코프에 x축 방향의 가진이 이루어지고, z축을 중심으로 한 외부 각속도가 인가되는 경우, 내질량체(32)는 코리올리 힘을 y축 방향으로 받게 된다. 따라서 제2 감지전극 앵커(17)에 의해 고정된 제2 감지전극(43)과 달리, 내질량체(32)는 y축 방향으로 이동한다.If an excitation in the x-axis direction is applied to the y-z axis gyroscope in Fig. 12, and an external angular velocity around the z axis is applied, the inner mass 32 receives the Coriolis force in the y-axis direction. Therefore, unlike the second sensing electrode 43 fixed by the second sensing electrode anchor 17, the inner mass 32 moves in the y-axis direction.
이 때, 상술한 바와 같이 양 질량체 유닛이 반대 방향으로 가진되므로, 동일한 z축 중심의 외부 각속도에 대해 서로 반대되는 방향의 코리올리 힘을 각 내질량체(32)가 받게 된다. 따라서 도 13에 표현된 좌측의 내질량체는 하방으로, 우측의 내질량체는 상방으로 이동해 있음을 확인할 수 있다. At this time, since the two mass body units are excited in opposite directions as described above, the inner masses 32 receive the Coriolis force in directions opposite to each other with respect to the external angular velocity about the same z axis. Therefore, it can be seen that the inner mass on the left side shown in FIG. 13 moves downward and the inner mass on the right side moves upward.
이상과 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 1자유도 수평 가진 모드를 가지는 y-z축 자이로스코프의 구성 및 동작에 대해서 설명하였다. 동일한 구조를 가지는 자이로스코프를 다른 방향으로 하나 더 배치함으로써, y-z축을 중심으로 한 외부 각속도가 아닌 x축을 중심으로 한 각속도 역시 측정이 가능하다.The configuration and operation of the y-z axis gyroscope having the one-degree of freedom horizontal excitation mode according to the second embodiment of the present invention have been described above. By placing one gyroscope with the same structure in another direction, it is also possible to measure the angular velocity around the x-axis instead of the external angular velocity around the y-z axis.
그러나 동일한 구조를 가지는 자이로스코프를 배향만 달리 하여 측정하고자 하는 각속도의 중심 축 개수만큼 배치할 경우, 여전히 큰 공간을 차지하게 된다는 문제가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, x축 방향의 1자유도 수평 가진 모드를 통해 x-y-z축을 중심으로 하는 외부 각속도를 측정 가능한 x-y-z축 자이로스코프가 제안된다.However, when the gyroscope having the same structure is arranged by the number of central axes of the angular velocity to be measured with different orientations, there is a problem that the gyroscope still occupies a large space. In order to overcome this problem, an xyz axis gyroscope is proposed which can measure the external angular velocity about the xyz axis through the 1 degree of freedom horizontal excitation mode in the x axis direction.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프의 평면도이다.14 is a plan view of an xyz axis gyroscope according to a third embodiment of the present invention.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프는 도 9에서 도시한 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프와 상당부분 유사하나, 역위상 링크 기구 주변에 중앙질량체(33) 및 중앙질량체(33)와 양 질량체 유닛(30)을 연결하는 제3 지지 스프링(26)을 더 포함하는 것을 확인할 수 있다. 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프와 중복되는 구성요소는 상술한 바와 동일한 작용을 하여 y-z축 자이로스코프로써 동일하게 사용될 수 있다.Referring to FIG. 14, the xyz axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention is substantially similar to the yz axis gyroscope according to the second embodiment shown in FIG. 9, except that the center mass 33 and a third support spring 26 connecting the center mass 33 and the mass body unit 30. The elements overlapping with the y-z axis gyroscope according to the second embodiment have the same operation as described above and can be equally used as a y-axis axis gyroscope.
도 14에서 중앙질량체(33)는 프레임(11)의 중앙에 위치하는 질량체로, 센서질량체(30)에 포함된다. 중앙질량체(33)는 x축방향으로 배치된 2개의 질량체 유닛과 유사하게 y축을 중심으로 대칭되게 형성된다. In Fig. 14, the center mass 33 is a mass located at the center of the frame 11, and is included in the sensor mass 30. Fig. The central mass 33 is symmetrically formed about the y-axis similarly to the two mass unit units arranged in the x-axis direction.
도 14의 중앙질량체(33)는 내부는 굽힘 변형과 비틀림 변형이 동시에 가능한 굽힘-비틀림 스프링(52)으로 링크 앵커(51)와 연결되며 외부는 제3 지지 스프링(26)으로 2개의 링크 암(54)과 연결되므로, 두 질량체 유닛(30)과 중앙질량체(33) 양 단이 서로 완전한 역위상 움직임을 갖도록 z축 중심으로 회전할 수 있으며, 중앙질량체(33) 양 단이 y 축 중심으로 회전하게 할 수도 있다.14 is connected to the link anchor 51 by a bending-torsion spring 52 capable of simultaneously bending deformation and torsional deformation, and the outside is connected to the second link arm So that both ends of the mass body 30 and the center mass 33 can rotate about the z axis so that both ends of the mass body 30 and the center mass 33 have a complete opposite phase movement with each other. .
중앙질량체(33)는 역위상 링크 기구(51,52)를 둘러쌈과 동시에 2개의 링크 암(54) 에 의해 x축 방향으로 연결된다. 따라서 y축을 중심으로 양측에 대칭되게 배치되는 중앙질량체(33)의 양 방향 역위상 움직임이 보장된다.The central mass 33 is connected in the x-axis direction by two link arms 54 simultaneously with surrounding the anti-phase link mechanisms 51 and 52. [ Therefore, bi-directional anti-phase movement of the center mass 33 symmetrically disposed on both sides about the y-axis is assured.
중앙질량체(33)는 제3 지지 스프링(26)에 의해서 양 질량체 유닛과 연결된다. 제3 지지 스프링(26)은 중앙질량체의 y축 방향 양 단에 위치하고, x축 방향으로 중앙질량체(33)에 일단이 연결되고 타단이 외질량체(31)에 연결된다. 따라서 외질량체(31)의 x축 방향 가진이 일어날 경우 중앙질량체(33) 역시 제3 지지 스프링(26)을 통해 x축 방향으로 힘을 받는다.The central mass 33 is connected to the two mass body units by a third support spring 26. The third support spring 26 is located at both ends in the y-axis direction of the center mass, one end connected to the center mass 33 in the x-axis direction, and the other end connected to the outer mass 31. Accordingly, when the outer mass 31 is excited in the x-axis direction, the center mass 33 is also subjected to the force in the x-axis direction through the third support springs 26.
본 발명의 제3 실시예에서는 중앙질량체(33)의 상단이 중앙질량체(33) 상단에 위치한 제3 지지 스프링(26)을 통해 우측 질량체 유닛(31)과 연결되고, 중앙질량체(33)의 하단이 중앙질량체(33) 하단에 위치한 제3 지지 스프링(26)을 통해 좌측 질량체 유닛(31)과 연결되는 것으로 표현하였다. 그러나 중앙질량체(33)와 외질량체(31)가 연결되는 위치는 이에 제한되지 않는다.In the third embodiment of the present invention, the upper end of the central mass body 33 is connected to the right mass body unit 31 through a third support spring 26 located at the upper end of the central mass body 33, Is connected to the left mass unit (31) through a third support spring (26) located at the lower end of the central mass (33). However, the position where the central mass 33 and the outer mass 31 are connected is not limited thereto.
중앙질량체(33)는 복수의 외질량체(31) 사이에 배치되어 일정 간격만큼 이격되므로 외질량체(31)와 직접 접촉하지 않으며 움직임을 가질 수 있다. The central mass 33 is disposed between the plurality of outer masses 31 It is not in direct contact with the outer mass body 31 and can have a motion.
이하, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프의 동작에 대해서 설명한다.Hereinafter, the operation of the xyz axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 through 17. FIG.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 중앙질량체의 감지 모드에 대한 수학적 모델이다.15 is a mathematical model of the sensing mode of the center mass according to the third embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 m4의 질량을 가지는 중앙질량체(33)는 제3 지지 스프링(26)에 의해 외력 Fes(t)를 받는다. 이 외력 +Fes(t) 또는 -Fes(t)는 각 질량체 유닛의 외질량체(31)가 센서 구동부(41)의 작용에 의해 서로 x축 상에서 +Fes(t) 또는 -Fes(t)의 힘을 받아 역위상 움직임을 갖도록 가진됨에 따라, 각 질량체 유닛의 외질량체(31)와 연결된 제3 지지 스프링(26)이 중앙질량체(33)에 전달하는 힘이다. x축 양 방향에서 반대 방향으로 동시에 밀거나 또는 당기는 힘에 의해 중앙질량체(33)는 회전(ΩC)하게 되고, 따라서 중앙질량체(33)의 양 측이 y축 방향으로 서로 반대되는 움직임을 가진다. 따라서 결과적으로 중앙질량체(33)의 양 단이 y축을 따라 서로 반대되는 방향으로 가진되는 효과를 얻는다.Referring to Fig. 15, the center mass 33 having a mass of m4 according to the third embodiment of the present invention receives the external force Fes (t) by the third support spring 26. Fig. The external force + Fes (t) or -Fes (t) is a value obtained by multiplying the external masses 31 of the respective mass units by a force of + Fes (t) or -Fes And the third support spring 26 connected to the outer mass member 31 of each mass unit transmits the force to the central mass member 33 as it is excited to have the opposite phase movement. the center mass 33 is rotated (? C ) by the simultaneous pushing or pulling force in both directions from the x-axis to the opposite direction, so that both sides of the central mass 33 have a movement opposite to each other in the y-axis direction . As a result, the effect that both ends of the central mass 33 are excited in opposite directions along the y-axis is obtained.
이 경우 x축을 중심으로 외부 각속도(Ω3)가 입력되면, 가진에 의해 역위상의 외력을 받는 중앙질량체(33)의 x축 방향 양 단이 서로 반대되는 방향의 코리올리힘 +Fc(t) 또는 +Fc(t)를 z축 방향으로 받게 된다. 이 때, 중앙질량체(33)의 x축 방향 양 측이 서로 반대되는 방향으로 y축을 따라 가진되므로, 동일한 x축 중심의 외부 각속도(Ω3)에 대해서 양 단이 서로 반대되는 방향으로 z축을 따라 코리올리힘을 받게 된다.In this case, when the external angular velocity (? 3 ) is inputted around the x-axis, the Coriolis force + Fc (t) in the direction in which both ends of the central mass (33) + Fc (t) in the z-axis direction. At this time, since both sides in the x-axis direction of the central mass body 33 are excited along the y-axis in directions opposite to each other, for the external angular velocity OM 3 at the center of the same x-axis, Coriolis will receive the power.
이 때 중앙질량체(33) 내부에는 z축 중심의 회전 및 y축 중심의 회전을 동시에 가능하게 하는 2축 회전 링크 기구(51,52)가 배치되어, 중앙질량체(33)에 y축 또는 z축을 중심으로 한 회전만이 일어나도록 중앙질량체(33)를 지지한다. At this time, the two-axis rotating link mechanisms 51 and 52 for simultaneously rotating the center of the z axis and the center of the y axis are disposed in the central mass body 33, and the y axis or z axis The center mass 33 is supported so that only the center rotation is generated.
따라서 중앙질량체(33)의 양 단이 y축을 중심으로 서로 반대되는 방향으로 진동하므로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프와 유사한 시소 운동을 하게 된다. y축을 중심으로
Figure 112017037995926-pat00004
의 변위를 가지며 시소 운동을 하는 중앙질량체(33)의 z방향 변위를 제3 감지전극(45)이 정전용량의 변화를 통해 감지하게 되고, 그 값을 이용하여 외부 각속도 Ω3을 계산할 수 있다. 구체적인 수학식 및 계산 과정은 본 발명의 제1 실시예에 따른 y축 자이로스코프의 수학식 1 및 계산 과정과 유사하므로 이에 갈음한다.
Therefore, since both ends of the center mass 33 vibrate in directions opposite to each other about the y-axis, seesaw motion similar to the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention is performed. centered on the y-axis
Figure 112017037995926-pat00004
Direction displacement of the central mass 33 having a displacement of the third sensing electrode 45 is detected through the change in capacitance of the third sensing electrode 45 and the external angular velocity? 3 can be calculated using the value. The concrete mathematical expressions and calculation procedures are similar to those of Equation 1 and calculation of the y-axis gyroscope according to the first embodiment of the present invention.
즉, 중앙질량체(33)는 1자유도로 가진되고, 가진과 외부 각속도 입력에 따른 중앙질량체(33)의 z축 방향 변위를 감지전극이 측정할 수 있다. 여기서 감지전극이 1자유도로 z축 방향 변위를 측정하는 감지모드를 제3 감지모드로 칭한다. That is, the central mass 33 is one degree of freedom, and the sensing electrode can measure the z-axis displacement of the center mass 33 according to the input of the excitation and the external angular velocity. Here, the sensing mode in which the sensing electrode measures the z-axis displacement in one degree of freedom is referred to as a third sensing mode.
살펴본 바와 같이 y축 또는 z축을 중심으로 한 외부 각속도를 측정 가능한제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프에 중앙질량체(33)를 도입함으로써, 본 발명의 x-y-z축 자이로스코프는 x축을 중심으로 한 외부 각속도를 더 측정할 수 있다. 따라서 본 발명의 x-y-z축 자이로스코프는 1자유도 가진(x축)을 이용해 3자유도 감지모드를 가진다. x, y, z축 모두에 대한 외부 각속도 측정이 하나의 x-y-z축 자이로스코프 안에서 제1 감지모드, 제2 감지모드 및 제3 감지모드를 이용하여 가능한 것이다.As can be seen, by introducing the center mass 33 in the yz axis gyroscope according to the second embodiment, which can measure the external angular velocity about the y axis or the z axis, the xyz axis gyroscope of the present invention is capable of measuring an external angular velocity The angular velocity can be further measured. Thus, the xyz axis gyroscope of the present invention has a three degree of freedom sensing mode with one degree of freedom (x axis). External angular velocity measurements for both the x, y, and z axes are possible using the first, second, and third sensing modes within an x-y-z axis gyroscope.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프를 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.16 is a cross-sectional view schematically showing the xyz plane gyroscope according to the third embodiment of the present invention viewed from the xz plane.
도 16을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프는 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프와 상당부분 유사한 구성요소를 포함하나, 제3 감지전극(45), 중앙질량체(33) 및 중앙질량체(33)와 양 질량체 유닛이 포함하는 외질량체(31)를 연결하는 제3 지지 스프링(26)을 더 포함하는 것을 확인할 수 있다. 제2 실시예에 따른 y-z축 자이로스코프와 중복되는 구성요소는 상술한 바와 동일한 작용을 하여 y-z축 자이로스코프로 동일하게 사용될 수 있다. Referring to FIG. 16, the xyz axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention includes components substantially similar to the yz axis gyroscope according to the second embodiment. However, the third sensing electrode 45, And a third support spring 26 connecting the center mass 33 and the outer mass body 31 included in the mass body unit. The elements overlapping with the y-z axis gyroscope according to the second embodiment have the same operation as described above and can be equally used as the y-z axis gyroscope.
제3 감지전극(45)은 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프에서, y축을 중심으로 한 회전을 통해 발생하는 중앙질량체(33)의 z축 방향 움직임으로부터 정전용량의 변화를 통해 중앙질량체(33)의 z축 방향 변위를 측정하는 감지전극이다. 도 10에는 제3 감지전극(45)이 도시되지 않았으나, 그 위치는 도 12에 표현되어있으며 도 10에서는 중앙질량체(33)의 후방에 위치하여 가려져있다.In the xyz axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention, the third sensing electrode 45 is connected to the third sensing electrode 45 through a change in capacitance from the z-axis movement of the center mass 33 generated through rotation about the y- And is a sensing electrode for measuring the displacement in the z-axis direction of the central mass 33. Although the third sensing electrode 45 is not shown in FIG. 10, its position is illustrated in FIG. 12 and is hidden behind the center mass 33 in FIG.
제3 감지전극(45)은 중앙질량체(33) 하단의 바닥 웨이퍼기판(100) 상에 중앙질량체(33)와 평행하게 위치할 수 있다. 따라서 중앙질량체(33)가 y축 방향으로 가진 및 x축을 중심으로 한 외부 각속도의 입력으로 z축 방향 코리올리힘을 받아 시소 운동 할 때, 중앙질량체(33)의 움직임에 따른 제3 감지전극(45)의 정전용량 변화를 측정해 중앙질량체(33)의 z축 방향 변위를 얻을 수 있다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프에서는, 제3 감지전극(45)을 중앙질량체(33)의 x축 방향 양 측에 대응되는 위치이자 바닥 웨이퍼기판(100) 상의 위치에 각각 1개씩 총 2개가 형성되도록 하였다.The third sensing electrode 45 may be positioned parallel to the central mass 33 on the bottom wafer substrate 100 at the lower end of the central mass 33. Accordingly, when the central mass 33 sees on the z-axis Coriolis force as an input of an external angular velocity about the x-axis and is excited in the y-axis direction, the third sensing electrode 45 ) To measure the displacement of the center mass 33 in the z-axis direction. In the xyz-axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention, the third sensing electrode 45 is positioned at a position corresponding to both sides in the x-axis direction of the central mass body 33, And the total number of teeth was 2.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 x-y-z축 자이로스코프의 중앙질량체의 시소 운동을 xz 평면에서 본 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.17 is a cross-sectional view schematically showing the seesaw motion of the center mass of the x-y-z axis gyroscope according to the third embodiment of the present invention viewed from the xz plane.
도 17을 참조하면, x축을 중심으로 한 외부 각속도가 입력된 경우 중앙질량체(33)가 시소 운동을 하는 모습을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 17, when the external angular velocity around the x-axis is inputted, it can be seen that the center mass 33 performs a seesaw motion.
각 질량체 유닛이 포함하는 외질량체(31)가 x축 방향으로 서로 역위상을 갖도록 가진되면 제3 지지 스프링(26)이 중앙질량체(33)에 그 역위상의 힘을 전달한다. 상기 역위상의 힘에 의해 중앙질량체(33)가 회전하게 되므로, 중앙질량체(33)는 y축 방향으로 가진되는 효과를 가진다. x축을 중심으로 하는 외부 각속도가 입력되는 경우 코리올리힘은 z축 방향으로 중앙질량체(33)에 작용하고, 중앙질량체(33)가 시소 운동 및 진동하게 된다.When the outer mass bodies 31 included in the respective mass units are excited so as to have mutually opposite phases in the x axis direction, the third support springs 26 transmit the opposite phase force to the central mass body 33. Since the center mass 33 is rotated by the force of the opposite phase, the center mass 33 has the effect of being excited in the y-axis direction. When an external angular velocity about the x-axis is input, the Coriolis force acts on the center mass 33 in the z-axis direction, and the center mass 33 sees and vibrates.
중앙질량체(33)가 z축 방향으로 움직임에 따라 바닥 웨이퍼기판(100)에 설치된 제3 감지전극(45)은 정전용량 변화로부터 중앙질량체(33)의 z축 방향 변위를 측정할 수 있다.The third sensing electrode 45 provided on the bottom wafer substrate 100 can measure the z-axis displacement of the central mass 33 from the capacitance change as the central mass 33 moves in the z-axis direction.
본 발명이 속하는 기술분야의 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 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications and variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that the appended claims cover all such modifications and variations as fall within the true spirit of the invention.
2 : 종래기술의 프레임 4 : 종래기술의 센서
11 : 프레임 12 : 비틀림 앵커
13 : 시소 앵커 15 : 센서 구동부 앵커
16 : 구동 감지부 앵커 17 : 제2 감지전극 앵커
21 : 비틀림 스프링 22 : 더미 스프링
23 : 제1 지지 스프링 24 : 제2 지지 스프링
25 : 프레임 지지 스프링 26 : 제3 지지 스프링
30 : 센서질량체 31 : 외질량체
32 : 내질량체 33 : 중앙질량체
41 : 센서 구동부 42 : 센서 구동 감지부
43 : 제2 감지전극 44 : 제1 감지전극
45 : 제3 감지전극 50 : 역위상 링크 기구
51 : 링크 앵커 52 : 굽힘-비틀림 스프링
53 : 비틀림 강성 지지부 54 : 링크 암
100 : 바닥 웨이퍼기판 101 : 커버 기판
102, 103, 104 : 밀폐벽 111 : y축 감지부
321 : z축 감지부 322 : 다리
2: Frame 4 of the prior art: sensor of the prior art
11: Frame 12: Torsional anchor
13: Seesaw anchor 15: Sensor drive anchor
16: drive sensing portion anchor 17: second sensing electrode anchor
21: torsion spring 22: dummy spring
23: first support spring 24: second support spring
25: frame support spring 26: third support spring
30: sensor mass 31: external mass
32: inner mass 33: middle mass
41: sensor driving unit 42: sensor driving sensing unit
43: second sensing electrode 44: first sensing electrode
45: third sensing electrode 50: reverse phase link mechanism
51: link anchor 52: bending-torsion spring
53: torsional rigidity support portion 54: link arm
100: bottom wafer substrate 101: cover substrate
102, 103, 104: sealing wall 111: y-axis sensing part
321: z-axis sensing unit 322: leg

Claims (20)

  1. 가진모드에서 바닥 웨이퍼기판과 평행한 제1 축 방향을 가진방향으로 하여 상기 가진방향을 따라 1자유도로 가진되고, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행하고 상기 가진방향에 수직인 제2 축을 중심으로 선대칭 형태로 배치되어 서로 반대방향으로 가진되는 2개의 질량체 유닛으로 구성된 센서질량체;
    제1 지지 스프링에 의해 상기 센서질량체와 연결되고, 상기 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임; 및
    상기 프레임 또는 상기 센서질량체 중 적어도 하나의 변위를 1자유도로 감지하는 제1 감지전극을 포함하되,
    상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 제2 축을 중심으로 한 외부의 각속도가 입력됨으로써 상기 바닥 웨이퍼기판에 직교하는 제3 축과 나란한 방향으로 야기되는 코리올리힘에 의해, 상기 제2 축을 중심으로 서로 반대 방향으로 진동하고,
    상기 2개의 질량체 유닛의 진동에 의한 상기 프레임 또는 상기 센서질량체 중 적어도 하나의 진동을 1자유도로 감지하는 제1 감지모드를 가지고,
    상기 센서질량체는, 상기 프레임의 중앙에서 제3 지지 스프링에 의해 상기 2개의 질량체 유닛을 각각 연결하는 중앙질량체를 더 포함하고,
    상기 중앙질량체는 가진모드에서, 상기 2개의 질량체유닛이 상기 제1 축 방향을 따라 가진됨으로써 상기 제2 축 방향을 따라 가진되고,
    상기 제1 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘에 의한 상기 중앙질량체의 진동을 감지하는 제3 감지모드를 더 가지고,
    상기 제3 감지모드로 감지되는 상기 중앙질량체의 변위를 감지하는 제3 감지전극을 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
    And a second axis parallel to the bottom wafer substrate and perpendicular to the direction of the excitation, and having a first axis direction parallel to the bottom wafer substrate in the excitation mode, A sensor mass constituted by two mass unit units arranged and excited in directions opposite to each other;
    A frame connected to the sensor mass by a first support spring and disposed parallel to the bottom wafer substrate; And
    And a first sensing electrode sensing a displacement of at least one of the frame or the sensor mass at one freedom,
    Wherein the two mass unit units are arranged in a direction opposite to each other with respect to the second axis by a Coriolis force caused in a direction parallel to a third axis orthogonal to the bottom wafer substrate by inputting an external angular velocity about the second axis Lt; / RTI >
    And a first sensing mode for sensing a vibration of at least one of the frame or the sensor mass due to the vibration of the two mass body units at one freedom,
    Wherein the sensor mass further comprises a central mass connecting the two mass unit units by a third support spring at the center of the frame,
    The central mass is excited along the second axial direction by being excited along the first axial direction in the excitation mode,
    And a third sensing mode for sensing a vibration of the center mass due to a Coriolis force caused by an external angular velocity about the first axis,
    And a third sensing electrode sensing a displacement of the central mass sensed in the third sensing mode.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지 스프링은 상기 센서질량체와 상기 프레임을 서로 반대쪽에서 연결하는 적어도 2개의 스프링을 포함하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    Wherein the first support spring comprises at least two springs connecting the sensor mass and the frame opposite from each other.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서질량체를 가진시키는 센서 구동부를 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    And a sensor driver for causing the sensor mass to be excited.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서 구동부에 의한 가진을 감지하는 센서 구동 감지부를 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
    The method of claim 3,
    And a sensor drive sensing unit for sensing an excitation by the sensor driving unit.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서 구동부 또는 상기 센서 구동 감지부는 콤 전극으로 구성되는 멤스 자이로스코프.
    5. The method of claim 4,
    Wherein the sensor driving unit or the sensor driving sensing unit is composed of comb electrodes.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은, 상기 제2 축을 중심으로 시소 운동하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    Wherein the frame seesaws around the second axis.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행하고, 상기 제3축과 나란한 방향을 따라 진동하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    Wherein the two mass unit units are parallel to the bottom wafer substrate and vibrate along a direction parallel to the third axis.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 프레임의 중앙에서 역위상 링크 기구와 각각 연결되고,
    상기 2개의 질량체 유닛은, 상기 역위상 링크 기구에 의해 상기 각 질량체 유닛의 가진방향으로 서로 간에 역위상의 움직임이 보장되는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    The two mass unit units are respectively connected to an anti-phase link mechanism at the center of the frame,
    Wherein the two mass unit units are ensured to move in opposite phases to each other in the direction of attraction of the respective mass units by the anti-phase link mechanism.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 역위상 링크 기구는 움직임을 갖지 않는 앵커에 의해 고정되고, 일단이 상기 앵커에 연결되는 2개의 링크 암의 타 단에서 상기 2개의 질량체 유닛과 연결되는 멤스 자이로스코프.
    9. The method of claim 8,
    Wherein the anti-phase link mechanism is fixed by an anchor having no motion, and one end is connected to the two mass unit units at the other end of two link arms connected to the anchor.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 중앙에 위치하여 상기 프레임의 회전 복원력을 제공하는 비틀림 스프링과, 상기 프레임 양쪽 끝 가장자리를 각각 지지하며 상기 프레임의 회전 복원력을 제공하는 좌우대칭 이중링크 형태의 더미 스프링 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    Further comprising at least one of a torsion spring located at the center of the frame and providing a rotation restoring force of the frame and a dummy spring supporting a frame both ends of the frame and providing a rotational restoring force of the frame, MEMS gyroscope.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 센서질량체는, 외질량체 및 상기 외질량체와 제2 지지 스프링에 의해 연결되고 상기 외질량체에 의해 둘러싸인 내질량체를 포함하고,
    상기 제3 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 상기 제2 축과 나란한 방향으로 야기되는 코리올리힘에 의한 상기 내질량체의 진동을 1자유도로 감지하는 제2 감지모드를 더 가지고,
    상기 1자유도로 감지되는 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 제2 감지전극을 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    Wherein the sensor mass includes an outer mass and an inner mass connected to the outer mass by a second support spring and surrounded by the outer mass,
    And a second sensing mode for sensing a vibration of the inner mass due to a Coriolis force generated in a direction parallel to the second axis by an external angular velocity about the third axis,
    And a second sensing electrode for sensing a displacement of the sensor mass detected by the one-degree of freedom.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 감지모드의 진동의 방향과 상기 제2 감지모드의 진동의 방향은 직교하는 멤스 자이로스코프.
    12. The method of claim 11,
    Wherein the direction of the vibration of the first sensing mode and the direction of the vibration of the second sensing mode are orthogonal.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 감지모드의 진동의 방향과 상기 제2 감지모드의 진동의 방향은 각각 상기 가진방향과 직교하는 멤스 자이로스코프.
    13. The method of claim 12,
    Wherein a direction of the vibration of the first sensing mode and a direction of the vibration of the second sensing mode are orthogonal to the excitation direction, respectively.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 2개의 질량체 유닛은 각각, 적어도 하나의 상기 내질량체와 적어도 하나의 상기 외질량체를 포함하는 멤스 자이로스코프.
    12. The method of claim 11,
    Wherein the two mass unit units each include at least one inner mass and at least one outer mass.
  15. 삭제delete
  16. 제1항에 있어서,
    상기 중앙질량체는 상기 제2 축 방향의 양 단에서 상기 제3 지지 스프링과 연결되는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    And the central mass is connected to the third support spring at both ends in the second axial direction.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제3 감지전극은 상기 중앙질량체와 평행하게 형성되는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    And the third sensing electrode is formed parallel to the central mass.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 중앙질량체는, 상기 제2 축을 중심으로 양 단이 서로 반대 방향으로 진동하는 멤스 자이로스코프.
    The method according to claim 1,
    Wherein the central mass oscillates in opposite directions with respect to each other about the second axis.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 중앙질량체는, 상기 제2 축을 중심으로 시소 운동하는 멤스 자이로스코프.
    19. The method of claim 18,
    Wherein the central mass seesaws about the second axis.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 센서질량체는, 상기 프레임의 중앙에서 제3 지지 스프링에 의해 상기 2개의 질량체 유닛을 각각 연결하는 중앙질량체를 더 포함하고,
    상기 중앙질량체는 가진모드에서, 상기 2개의 질량체유닛이 상기 제1 축 방향을 따라 가진됨으로써, 상기 제2 축 방향을 따라 가진되고,
    상기 제1 축을 중심으로 한 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘에 의한 상기 중앙질량체의 진동을 감지하는 제3 감지모드를 더 가지고,
    상기 제3 감지모드로 감지되는 상기 중앙질량체의 변위를 감지하는 제3 감지전극을 더 포함하는 멤스 자이로스코프.
    12. The method of claim 11,
    Wherein the sensor mass further comprises a central mass connecting the two mass unit units by a third support spring at the center of the frame,
    Wherein the central mass is excited along the second axial direction by exciting the two mass unit units along the first axial direction in an excitation mode,
    And a third sensing mode for sensing a vibration of the center mass due to a Coriolis force caused by an external angular velocity about the first axis,
    And a third sensing electrode sensing a displacement of the central mass sensed in the third sensing mode.
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