KR102452565B1 - Design method of multi-axis MEMS gyro sensor with low cross-axis sensitivity - Google Patents
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Abstract
제안기술은 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로 센서의 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 구조를 갖는 다축 MEMS 자이로 센서의 교차축 감도를 감소시키기 위한 설계 방법에 관한 발명이다.The proposed technology relates to a design method for a multi-axis MEMS gyro sensor having low rudder sensitivity, and more particularly, to a design method for reducing cross-axis sensitivity of a multi-axis MEMS gyro sensor having a single structure.
Description
제안기술은 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 구조를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 교차축 감도를 감소시키기 위한 설계 방법에 관한 발명이다.The proposed technology relates to a design method for a multi-axis MEMS gyro sensor having low rudder-axis sensitivity, and more particularly, to a design method for reducing cross-axis sensitivity of a multi-axis MEMS gyro sensor having a single structure.
일반적으로 MEMS(Micro electro mechanical system)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 대표적인 예가 각속도를 측정하는 멤스 자이로스코프이다. In general, a micro electro mechanical system (MEMS) is a technology for implementing mechanical and electrical components using a semiconductor process, and a representative example of a device using the MEMS technology is a MEMS gyroscope that measures angular velocity.
자이로스코프는 소정의 속도로 이동하는 물체에 회전각속도가 가해질 경우에 발생하는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 감지하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리 힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다.The gyroscope measures the angular velocity by sensing a Coriolis force generated when a rotational angular velocity is applied to an object moving at a predetermined velocity. At this time, the Coriolis force is proportional to the cross product of the movement speed and the rotational angular velocity due to an external force.
또한, 상기 발생된 코리올리 힘을 감지하기 위해, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다. 통상적으로, 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향을 가진 방향이라 하고, 자이로스코프에 회전 각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리 힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다. 상기 가진 방향과 입력 방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. In addition, in order to sense the generated Coriolis force, the gyroscope has a mass that vibrates therein. Typically, the direction in which the mass in the gyroscope is driven is referred to as the direction in which the rotational angular velocity is input to the gyroscope is referred to as the input direction, and the direction in which the Coriolis force generated in the mass is sensed is referred to as the sensing direction. The excitation direction, the input direction, and the sensing direction are set to be orthogonal to each other in space.
통상적으로, 멤스 기술을 이용한 자이로스코프에서는, 바닥 웨이퍼 기판이 이루는 평면에 평행하며 상호 직교하는 두 방향(수평 방향 또는 x-y 방향)과 기판의 판면에 수직인 한 방향(수직방향 또는 z 방향이라 한다)으로 구성된 세 방향으로 좌표축을 설정한다.In general, in a gyroscope using the MEMS technology, two directions (horizontal direction or x-y direction) that are parallel and orthogonal to the plane formed by the bottom wafer substrate and one direction perpendicular to the plate surface of the substrate (referred to as vertical or z direction) Set the coordinate axes 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. 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, and the y-axis gyroscope detects displacement on a plane based on an axis in the vertical direction to the x-axis gyroscope, but in principle, it is substantially the same as the x-axis gyroscope. do.
이러한 x축 자이로스코프를 이용하여 수평방향으로 가해지는 각속도를 측정하기 위해서는, 가진 방향 또는 감지방향 중 어느 하나는 수직방향으로 설정되어야 한다. In order to measure the angular velocity applied in the horizontal direction using the x-axis gyroscope, either the excitation direction or the sensing direction should be set to the vertical direction.
한편, 단일 구조의 다축 MEMS 자이로스코프에서 교차축감도(Cross-axis sensitivity, CAS)는 중요한 문제 중 하나이다.Meanwhile, in a multi-axis MEMS gyroscope having a single structure, cross-axis sensitivity (CAS) is one of the important issues.
상기 교차축감도는 조립 및 테스트 설정 오류의 문제로 발생하는 것으로, 교차축감도를 최소한으로 줄이기 위한 방법이 요구되고 있다. The cross-axis sensitivity is caused by a problem of assembly and test setting errors, and a method for reducing the cross-axis sensitivity to a minimum is required.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 단일 구조를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 교차축 감도를 감소시킬 수 있는 설계 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention was invented to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a design method capable of reducing the cross-axis sensitivity of a multi-axis MEMS gyro sensor having a single structure.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법에 있어서,In the design method of the multi-axis MEMS gyro sensor having low rudder sensitivity of the present invention for achieving the above object,
구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()이 서로 다르고, The driving displacement amplitude of the driving mass moving along the X axis ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y axis ( ) are different,
수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이() 와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()가 서로 다른 경우, The difference ( ) and the difference between the detection frequency of torsional behavior around the Y-axis ( ) are different,
, ,
, ,
(여기서, : 구동 변위 진폭 비율, : 감지 주파수 차이 비율)(here, : drive displacement amplitude ratio, : detection frequency difference ratio)
수식을 만족시키는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it satisfies the formula.
커플링부는 중앙 일부가 분리되고 이격된 Z형의 형상을 가지며 간격을 형성하는 두 개의 구동 질량부를 연결하는 스프링 빔을 포함하는 것을 특징으로 한다.The coupling portion has a Z-shaped shape with a central portion separated and spaced apart and includes a spring beam connecting two driving masses forming a gap.
구동 질량부는, The driving mass is
서로 마주보도록 배치되며, X축에 따라 위치되고, Y축으로 이동하는 제1구동 질량부 및 제3구동 질량부와,a first driving mass part and a third driving mass part disposed to face each other, positioned along the X-axis, and moving along the Y-axis;
서로 마주보도록 배치되며, Y축에 따라 위치되고, X축으로 이동하는 제2구동 질량부 및 제4구동 질량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is disposed to face each other, is positioned along the Y-axis, and characterized in that it includes a second driving mass part and a fourth driving mass part moving along the X-axis.
본 발명에 따르면, 단일 구조를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 교차축 감도를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to reduce the cross-axis sensitivity of the multi-axis MEMS gyroscope having a single structure.
도 1은 본 발명에 따른 단일 구조의 MEMS 자이로센서의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 구동 변위 진폭이 동일하지 않은 경우, 단일 구조의 MEMS 자이로센서의 개념도.
도 3은 2의 주파수 배열 개념도.
도 4는 도 2의 초기 설계 공진 주파수.
도 5는 도 4의 교차축감도 결과표.
도 6은 도 2에 본 발명의 설계 방법이 적용된 공진 주파수.
도 7은 도 6의 교차축감도 결과표.
도 8은 도 2에서의 커플링부 스프링의 위치 변화 개념도.
도 9는 도 8의 위치 변화에 따른 교차축감도 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 구동 변위 진폭이 동일한 경우, 단일 구조의 MEMS 자이로센서의 개념도.
도 11은 도 10의 주파수 배열 개념도.
도 12(a)는 도 2에 적용된 커플링부의 개념도, 도 12(b)는 도 10에 적용된 커플링부의 개념도.
도 13은 본 발명의 수식에서 사용되는 기호 테이블.1 is a conceptual diagram of a single structure MEMS gyro sensor according to the present invention.
2 is a conceptual diagram of a MEMS gyro sensor having a single structure when driving displacement amplitudes are not the same according to the present invention.
3 is a conceptual diagram of a frequency arrangement of 2;
4 is an initial design resonant frequency of FIG. 2;
5 is a cross-axis sensitivity result table of FIG.
6 is a resonant frequency to which the design method of the present invention is applied in FIG.
7 is a cross-axis sensitivity result table of FIG.
8 is a conceptual view of a change in the position of the coupling part spring in FIG. 2 .
9 is a graph of cross-axis sensitivity according to a change in position of FIG. 8;
10 is a conceptual diagram of a MEMS gyro sensor having a single structure when the driving displacement amplitude is the same according to the present invention.
11 is a conceptual diagram of the frequency arrangement of FIG. 10;
Figure 12 (a) is a conceptual view of the coupling part applied to Figure 2, Figure 12 (b) is a conceptual view of the coupling part applied to Figure 10.
13 is a symbol table used in the formula of the present invention.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.The features and effects of the present invention described above will become more apparent through the following detailed description in relation to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention. will be able Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terms used in the present application are only for describing specific embodiments, and are not intended to limit the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 구조를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 교차축 감도를 감소시키기 위한 설계 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a design method of a multi-axis MEMS gyro sensor having low rudder sensitivity, and more particularly, to a design method for reducing cross-axis sensitivity of a multi-axis MEMS gyro sensor having a single structure.
타축 감도가 낮다는 것은 원래 감지해야 할 입력축이 아닌 이에 직교하는 다른 축에 대한 민감도가 낮다는 것을 의미한다. 센서의 선택성 측면에서 타축 감도는 낮은 수록 유리하다.The low sensitivity of the rudder axis means that the sensitivity to the other axis orthogonal to the input axis to be detected is low. In terms of selectivity of the sensor, the lower the rudder sensitivity, the more advantageous.
상기 기준이 되는 값은 여러 필요성에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어 특정 복수의 센서들에서 측정한 민감도의 평균값이 될 수도 있다.The reference value may be determined according to various needs, and may be, for example, an average value of sensitivities measured by a plurality of specific sensors.
도 1에는 본 발명에 따른 단일 구조의 MEMS 자이로센서의 개념도가 도시되어 있다.1 is a conceptual diagram of a MEMS gyro sensor having a single structure according to the present invention.
도 1에 도시된 본 발명의 자이로센서는, 서로 수직인 세 개 방향의 축 중 어느 하나에 대하여 운동하는 다수 개의 구동 질량부와, 서로 소정의 간격으로 이격된 상기 다수 개의 구동 질량부 사이에 위치하며 상기 다수 개의 구동 질량부를 선택적으로 연결하는 커플링부를 포함하여 구성된다.The gyro sensor of the present invention shown in FIG. 1 is positioned between a plurality of driving masses moving about one of three axes perpendicular to each other, and the plurality of driving masses spaced apart from each other by a predetermined distance. and a coupling part selectively connecting the plurality of driving mass parts.
상기 다수 개의 구동 질량부는 모두 관성력 또는 코리올리 힘에 의해 변위가 발생하는 것으로, 정지된 상태에서는 X축 및 Y 축으로 구성된 평면에 위치된다.The plurality of driving masses are all displaced by an inertial force or a Coriolis force, and are positioned on a plane composed of the X-axis and the Y-axis in a stationary state.
상기 구동 질량부는 서로 대칭이며, X축에 따라 위치되고, X축으로 이동하는 제1구동 질량부 및 제3구동 질량부와, 서로 대칭이며, Y축에 따라 위치되고, Y축으로 이동하는 제2구동 질량부 및 제4구동 질량부를 포함하여 구성된다.The driving mass portion is symmetrical to each other, positioned along the X axis, and has a first and a third driving mass portion moving along the X axis, and a second driving mass portion symmetrical to each other, positioned along the Y axis, and moving along the Y axis. It is configured to include a second driving mass part and a fourth driving mass part.
또한, X축과 Y축의 교차점에 Z축 및 중앙부가 위치되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the Z-axis and the central portion are positioned at the intersection of the X-axis and the Y-axis.
상기 다수 개의 구동 질량부는 상기 중앙부와 연결되며, 상기 중앙부는 다수 개의 구동 질량부가 정지된 상태인 경우 상기 다수 개의 구동 질량부와 동일한 평면에 위치되는 것이 바람직하다.Preferably, the plurality of driving masses are connected to the central part, and the central part is positioned on the same plane as the plurality of driving masses when the plurality of driving masses are in a stationary state.
이때, 상기 제1구동 질량부 내지 제4구동 질량부는 상기 중앙부를 둘러싸는 형태로 가요성 재질로 구성된 연결 수단으로 중앙부에 연결되어 다수 개의 구동 질량부가 미리 정해진 범위 내에서 운동할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.At this time, the first to fourth driving mass parts are connected to the central part by a connecting means made of a flexible material in a form surrounding the central part so that a plurality of driving mass parts can move within a predetermined range. desirable.
다수 개의 구동 질량부는 서로에 대하여 모두 수직인 세 개의 방향의 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 하나에 대해 운동할 수 있다. The plurality of driving masses may move about at least one of an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis in three directions that are all perpendicular to each other.
본 발명에서 자이로센서의 교차축감도를 감소시키기 위한 방법은 두 가지 경우에 대해 각각 설명하도록 한다.In the present invention, the method for reducing the cross-axis sensitivity of the gyro sensor will be described for two cases, respectively.
도 2에는 본 발명에 따른 구동 변위 진폭이 동일하지 않은 경우, 단일 구조의 MEMS 자이로센서의 개념도가 도시되어 있고, 도 3에는 2의 주파수 배열 개념도가 도시되어 있다.FIG. 2 shows a conceptual diagram of a MEMS gyro sensor having a single structure when the driving displacement amplitudes are not the same according to the present invention, and FIG. 3 shows a conceptual diagram of the frequency arrangement of 2 .
도 2에서 상기 커플링부는 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 중앙 일부가 분리되고 이격된 Z형의 형상을 가지며 상기 간격을 형성하는 두 개의 상기 구동 질량부 각각에서 연결되는 스프링 빔과, 상기 간격과 수직인 방향으로 두 개의 상기 구동 질량부에 각각 형성되는 홈과, 상기 스프링 빔을 연결하는 스프링 구조체를 포함하여 구성된다.In FIG. 2, as shown in FIG. 12(a), the coupling part has a Z-shaped shape in which a central part is separated and spaced apart, and a spring beam connected from each of the two driving masses forming the gap; and a groove formed in each of the two driving masses in a direction perpendicular to the gap, and a spring structure connecting the spring beam.
상기와 같이 구성되는 자이로센서에서 상기 구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()이 서로 다르고, 수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()가 서로 다른 경우, 교차축감도(Cross Axis Sensitivity)를 최소화하기 위해서는 하기 수학식 1을 만족시켜야 한다.In the gyro sensor configured as described above, the driving displacement amplitude ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y axis ( ) are different, and the difference between the driving frequency in the horizontal direction and the detection frequency that is torsional about the X-axis ( ) and the difference ( ) are different from each other,
상기 수학식 1에서 은 구동 변위 진폭 비율, 은 감지 주파수 차이 비율을 의미한다.In
교차축감도는 직교 축의 주요 감도에 직접적으로 의존하는 것으로, 높은 X축 주 감도()는 Y축에서 높은 교차축감도()를 유발하며, 낮은 Y축 주 감도()는 X축에서 낮은 교차축감도()를 유발한다.Cross-axis sensitivity is directly dependent on the principal sensitivity of the orthogonal axis, with high X-axis principal sensitivity ( ) is the high cross-axis sensitivity ( ), and low y-axis main sensitivity ( ) is the low cross-axis sensitivity ( ) causes
따라서, 교차축감도를 줄이려면 먼저 주 감도(Main Sensitivity)를 정규화해야 한다. Therefore, to reduce the cross-axis sensitivity, the main sensitivity should be normalized first.
감지 주파수와 구동 변위 방식은 하기의 식(1, 2)을 따라 설계된다.The sensing frequency and the driving displacement method are designed according to the following equations (1, 2).
식(1) (X-Axis Sensitivity)Formula (1) (X-Axis Sensitivity)
식(2) (Y-Axis Sensitivity)Equation (2) (Y-Axis Sensitivity)
상기 주 감도를 정규화하기 위해서는 X축과 Y축의 구동 변위 진폭 비율이 1에 근접해야 하며, X축과 Y축의 감지 주파수 차이의 비율 또한 1에 근접해야 한다.In order to normalize the main sensitivity, the ratio of the driving displacement amplitudes of the X-axis and the Y-axis should be close to 1, and the ratio of the detection frequency difference between the X-axis and the Y-axis should also be close to 1.
따라서, 낮은 교차축감도를 위해 상기 구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()의 비인 와, 수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()의 비인 는 상기 [수학식 1]인 를 만족해야 한다.Therefore, for low cross-axis sensitivity, the driving displacement amplitude ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y axis ( ) of and the difference between the driving frequency in the horizontal direction and the detection frequency that is torsional about the X-axis ( ) and the difference ( ) of is [Equation 1] must be satisfied
상기 [수학식 1]을 만족하는 경우, 와 를 만족하게 되어 상기 교차축감도가 최소화된다.When the above [Equation 1] is satisfied, Wow , so that the cross-axis sensitivity is minimized.
상기의 수식은 상기 스프링 빔의 위치 변화에 대한 교차축감도 분석을 통해 검증된다.The above equation is verified through cross-axis sensitivity analysis with respect to the change in the position of the spring beam.
도 4에는 도 2의 초기 설계 공진 주파수가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 교차축감도 결과표가 도시되어 있다.4 shows the initial design resonance frequency of FIG. 2 , and FIG. 5 shows the cross-axis sensitivity result table of FIG. 4 .
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 교차축감도는 비교적 높은 값인 0.301%로 계산된다.4 to 5 , the cross-axis sensitivity is calculated to be 0.301%, which is a relatively high value.
도 6에는 도 2에 본 발명의 설계 방법이 적용된 공진 주파수가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 교차축감도 결과표가 도시되어 있다.6 shows the resonance frequency to which the design method of the present invention is applied in FIG. 2 , and FIG. 7 shows the cross-axis sensitivity result table of FIG. 6 .
도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 교차축감도는 비교적 낮은 값인 0.045%로 계산되며, 도 5와 비교하여 85.1% 감소한 것을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 6 to 7 , the cross-axis sensitivity is calculated as a relatively low value of 0.045%, and it can be seen that the cross-axis sensitivity is reduced by 85.1% compared to FIG. 5 .
도 8에는 도 2에서의 스프링 빔의 위치 변화 개념도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 위치 변화에 따른 교차축감도 그래프가 도시되어 있다.8 is a conceptual diagram of a change in the position of the spring beam in FIG. 2 , and FIG. 9 shows a graph of cross-axis sensitivity according to the change in position of FIG. 8 .
상기 [수학식 1]을 검증하기 위해 상기 스프링 빔을 서로 다른 세 지점에 배치하여 교차축감도 분석을 수행했다.In order to verify [Equation 1], cross-axis sensitivity analysis was performed by placing the spring beam at three different points.
도 9에 도시된 바와 같이, 을 만족할 때 교차축감도가 최소임을 확인할 수 있다.As shown in Figure 9, When , it can be confirmed that the cross-axis sensitivity is minimal.
또한, 상기 스프링 빔이 도 8(b)와 같이 중앙에 배치된 경우가 도 8(a)와 같이 안쪽에 배치된 경우 및 도 8(c)와 같이 바깥쪽에 배치된 경우보다 교차축감도가 낮은 것을 확인할 수 있다.In addition, when the spring beam is disposed in the center as shown in FIG. 8(b), the cross-axis sensitivity is lower than when the spring beam is disposed inside as shown in FIG. 8(a) and outside as shown in FIG. 8(c). that can be checked
도 10에는 본 발명에 따른 구동 변위 진폭이 동일한 경우, 단일 구조의 MEMS 자이로센서의 개념도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 주파수 배열 개념도가 도시되어 있다.10 is a conceptual diagram of a MEMS gyro sensor having a single structure when the driving displacement amplitude is the same according to the present invention, and FIG. 11 is a conceptual diagram of the frequency arrangement of FIG. 10 .
도 10에서 상기 커플링부는 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 단순 접힘(simple folded) 형상을 가지며, 상기 간격을 형성하는 두 개의 상기 구동 질량부를 연결하는 스프링 빔과, 상기 간격과 수직인 방향으로 두 개의 상기 구동 질량부에 각각 형성되는 홈과, 상기 스프링 빔을 연결하는 스프링 구조체를 포함하여 구성된다.In Fig. 10, the coupling portion has a simple folded shape, as shown in Fig. 12(b), a spring beam connecting the two driving masses forming the gap, and perpendicular to the gap. and a groove formed in each of the two driving masses in the direction, and a spring structure connecting the spring beam.
상기와 같이 구성되는 자이로센서에서 상기 구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()이 서로 동일하고, 수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이() 와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()가 서로 동일한 경우, 교차축감도(Cross Axis Sensitivity)를 최소화하기 위해서는 하기 수학식 2를 만족시켜야 한다.In the gyro sensor configured as described above, the driving displacement amplitude ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y axis ( ) is equal to each other, and the difference between the driving frequency in the horizontal direction and the detection frequency for torsional behavior around the X axis ) and the difference between the detection frequency of torsional behavior around the Y-axis ( ) are equal to each other, in order to minimize Cross Axis Sensitivity,
상기 수학식 2에서 은 구동 변위 진폭 비율, 은 감지 주파수 차이 비율을 의미한다.In
먼저, 구동 주파수와 동일한 주파수 차이를 얻기 위해서는 도 11에 도시된 바와 같은 감지 주파수가 배열되어야 한다.First, in order to obtain the same frequency difference as the driving frequency, the sensing frequency as shown in FIG. 11 should be arranged.
구동 변위 진폭 비율이 을 만족할 때, 상기 구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()이 서로 동일해진다.drive displacement amplitude ratio When , the driving displacement amplitude ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y axis ( ) are equal to each other.
또한, 감지 주파수 차이 비율이 을 만족할 때, 수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()가 서로 동일해 진다.In addition, the detection frequency difference ratio When , the difference between the driving frequency in the horizontal direction and the detection frequency ) and the difference ( ) are equal to each other.
따라서, 낮은 교차축감도를 위해 을 만족해야 한다.Therefore, for low cross-axis sensitivity should be satisfied with
상기 [수학식 2]를 만족하는 경우, 와 를 만족하게 되어 상기 교차축감도가 최소화된다.If the above [Equation 2] is satisfied, Wow , so that the cross-axis sensitivity is minimized.
상술한 ‘낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법’의 세부 단계들은 컴퓨터에 의해 수행되는 컴퓨터 프로그램의 형태로 진행될 수 있다. 구체적으로, 상기 센서 설계 방법의 시뮬레이션은 COMSOL에서 수행되는 컴퓨터 프로그램(스크립트)의 형태로 구현될 수 있다.The detailed steps of the above-described 'design method of a multi-axis MEMS gyro sensor with low rudder sensitivity' may be performed in the form of a computer program executed by a computer. Specifically, the simulation of the sensor design method may be implemented in the form of a computer program (script) executed in COMSOL.
상기 센서 설계 방법은 결과적으로 컴퓨터 프로그램의 형태로 제공될 수 있고, 상기 방법과 세부 단계들은 프로세서에 의해 수행되며, 기록 가능한 다양한 저장매체에 저장될 수 있다.As a result, the sensor design method may be provided in the form of a computer program, the method and detailed steps may be performed by a processor, and may be stored in various recordable storage media.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the detailed description of the present invention described above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field will be described later in the claims of the present invention And it will be understood that various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the technical scope.
2 : 제1구동 질량부
4 : 제2구동 질량부
6 : 제3구동 질량부
8 : 제4구동 질량부
10 : 중앙부
12 : 커플링부
14 : Z 형상의 스프링 빔
16 : 단순 접힘(simple folded) 형상의 스프링 빔2: first drive mass part
4: second drive mass part
6: Third drive mass part
8: fourth driving mass part
10: central part
12: coupling part
14: Z-shaped spring beam
16: spring beam of simple folded shape
Claims (6)
서로 소정의 간격으로 이격된 상기 다수 개의 구동 질량부 사이에 위치하며 상기 다수 개의 구동 질량부를 선택적으로 연결하는 커플링부;를 포함하는 자이로센서의 교차축감도를 최소화하기 위한 설계 방법에 있어서,
상기 구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()이 서로 다르고,
수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이() 와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()가 서로 다른 경우,
,
,
(여기서, : 구동 변위 진폭 비율, : 감지 주파수 차이 비율)
수식을 만족시키는 것
을 특징으로 하는 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법.a plurality of driving masses moving about one of three axes perpendicular to each other; and
In a design method for minimizing cross-axis sensitivity of a gyro sensor, comprising: a coupling part positioned between the plurality of driving mass parts spaced apart from each other by a predetermined distance and selectively connecting the plurality of driving mass parts;
The driving displacement amplitude ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y axis ( ) are different,
The difference ( ) and the difference between the detection frequency of torsional behavior around the Y-axis ( ) are different,
,
,
(here, : drive displacement amplitude ratio, : detection frequency difference ratio)
satisfying the formula
A method of designing a multi-axis MEMS gyro sensor with low rudder sensitivity, characterized in that
상기 커플링부는 중앙 일부가 분리되고 이격된 Z형의 형상을 가지며 상기 간격을 형성하는 두 개의 상기 구동 질량부를 연결하는 스프링 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법.According to claim 1,
The coupling part has a Z-shaped shape with a central part separated and spaced apart, and includes a spring beam connecting the two driving masses forming the gap. Design of a multi-axis MEMS gyro sensor with low rudder sensitivity Way.
상기 구동 질량부는,
서로 대칭이며, X축에 따라 위치되고, X축으로 이동하는 제1구동 질량부 및 제3구동 질량부와,
서로 대칭이며, Y축에 따라 위치되고, Y축으로 이동하는 제2구동 질량부 및 제4구동 질량부를 포함하는 것
을 특징으로 하는 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법.According to claim 1,
The driving mass part,
a first and a third driving mass symmetrical to each other, positioned along the X-axis, and moving along the X-axis;
symmetrical to each other, positioned along the Y axis, and comprising a second driving mass and a fourth driving mass moving along the Y axis.
A method of designing a multi-axis MEMS gyro sensor with low rudder sensitivity, characterized in that
서로 소정의 간격으로 이격된 상기 다수 개의 구동 질량부 사이에 위치하며 사익 다수 개의 구동 질량부를 선택적으로 연결하는 커플링부;를 포함하는 자이로센서의 교차축감도를 최소화하기 위한 설계 방법에 있어서,
상기 구동 질량부 중 X축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()과 Y축으로 이동하는 구동 질량부의 구동 변위 진폭()이 서로 동일하고,
수평 방향의 구동 주파수와 X축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()와 Y축을 중심으로 비틀림 거동하는 감지 주파수와의 차이()가 서로 동일한 경우,
(여기서, : 구동 변위 진폭 비율, : 감지 주파수 차이 비율)
상기 수식을 만족시키는 것
을 특징으로 하는 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법.a plurality of driving masses moving about one of three axes perpendicular to each other; and
In a design method for minimizing the cross-axis sensitivity of a gyro sensor comprising a; a coupling part located between the plurality of driving mass parts spaced apart from each other by a predetermined distance and selectively connecting the plurality of driving mass parts with each other.
The driving displacement amplitude ( ) and the driving displacement amplitude of the driving mass moving along the Y-axis ( ) are equal to each other,
The difference ( ) and the difference ( ) are equal to each other,
(here, : drive displacement amplitude ratio, : detection frequency difference ratio)
satisfying the above formula
A method of designing a multi-axis MEMS gyro sensor with low rudder sensitivity, characterized in that
상기 커플링부는 단순 접힘(simple folded) 형상을 가지며, 상기 간격을 형성하는 두 개의 상기 구동 질량부를 연결하는 스프링 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법.5. The method of claim 4,
wherein the coupling portion has a simple folded shape and includes a spring beam connecting the two drive masses forming the gap.
상기 구동 질량부는,
서로 대칭이며, X축에 따라 위치되고, X축으로 이동하는 제1구동 질량부 및 제3구동 질량부와,
서로 대칭이며, Y축에 따라 위치되고, Y축으로 이동하는 제2구동 질량부 및 제4구동 질량부를 포함하는 것
을 특징으로 하는 낮은 타축 감도를 갖는 다축 MEMS 자이로센서의 설계 방법.5. The method of claim 4,
The driving mass part,
a first and a third driving mass symmetrical to each other, positioned along the X-axis, and moving along the X-axis;
symmetrical to each other, positioned along the Y axis, and comprising a second driving mass and a fourth driving mass moving along the Y axis.
A method of designing a multi-axis MEMS gyro sensor with low rudder sensitivity, characterized in that
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JP2001194157A (en) | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Murata Mfg Co Ltd | Angular velocity sensor |
KR101717877B1 (en) | 2016-01-22 | 2017-03-17 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | Single structure three axis MEMS Gyroscope with Z-shaped coupling spring |
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WO2017068711A1 (en) * | 2015-10-23 | 2017-04-27 | 株式会社日立製作所 | Mems device |
KR101984078B1 (en) | 2018-08-27 | 2019-05-31 | 주식회사 신성씨앤티 | 3-axis MEMS gyroscope |
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- 2021-02-16 KR KR1020210020399A patent/KR102452565B1/en active IP Right Grant
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KR101717877B1 (en) | 2016-01-22 | 2017-03-17 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | Single structure three axis MEMS Gyroscope with Z-shaped coupling spring |
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