KR19990042067A - 평면 진동형 마이크로 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동형 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로, 종래의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 고정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며, 충격과 진동에 쉽게 손상되는 등의 많은 단점을 갖고 있다. 이에 본 발명은 정전력(electrostatic force)을 이용해 구조체를 공진시키며, 이때 공진 구조체를 지지하는 스프링을 상하 좌우 대칭으로 배열하여 구동 방향에 수직인 검출 방향으로도 항상 공진이 발생할 수 있도록 설계하므로써 기존의 진동형 자이로스코프에 비해 공진 모드 주파수의 조율이 필요없이 감도가 우수한 것을 특징으로 한다.

Description

평면 진동형 마이크로 자이로스코프

본 발명은 미세 가공 기술을 이용하여 제작되는 실리콘 마이크로 자이로스코프에 관한 것이다.

일반적으로, 자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정 장치로 잘 알려져 있다. 그런데 종래의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 고정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며, 충격과 진동에 쉽게 손상되는 등의 많은 단점을 갖고 있다. 또한 광섬유, 레이저등을 이용한 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 가격이 비싸고 제작이 힘들며 부피가 크다는 단점을 극복하지 못하였다.

그러므로 자이로스코프도 고감도, 저가격, 소형화가 요구되고 있으며, 이를 해결할 수 있는 각속도 측정 소자의 요구로 인해 새로운 형태의 구동 원리를 갖는 센서가 개발되어 왔다. 미국의 Systron사에서는 압전 특성을 갖는 석영(quartz)을 소리 굽쇠(tuning fork) 형태로 가공하고 코리올리 힘에 의한 변형량을 검출하는 진동형 자이로스코프를 생산하고 있다. 또한 US 특허 4,655,081 ( 4/1987 J.S.Burdess et al.) 에서는 실린더 형태의 구조체를 압전 소자로 공진시키면서 회전 각속도에 비례하여 공진의 모드 형태가 변하는 양을 측정하는 각속도계를 소개하였다.

더욱 소형화된 센서를 구현하기 위해 실리콘 미세 가공을 이용한 진동형 각속도 소자에 관한 연구가 수행되었고 그에 따른 여러가지 형태의 고안 및 발명이 이루어 졌다. 그중 US 특허 5,349,855 (9/1994 J.Bernstein et al.), 5,488,863 (2/1996 Y.Mochida et al.), 5,496,436 (3/1996 J.Bernstein et al.), 5,505,084 (4/1996 P.Greiff et al.) 등은 소리 굽쇠의 진동 원리를 응용한 마이크로 자이로스코프에 관한 발명들이고, US 특허 5,535,902 (7/1996 P. Greiff et al.)은 짐볼(gimbals)형 원판에 회전 진동을 가해서 외부의 회전 속도를 측정하는 자이로스코프에 관한 발명이다. 또한 US 특허 5,450,751 (9/1995 M.Putty et al.)는 상기 US 특허 4,655,081를 미세 가공 기술로 구현한 발명이다.

상술한 언급한 발명들은 미세 가공 기술로 제작 가능한 자이로스코프로서 구조물이 놓여서 진동하는 평면에 수직한 방향으로 코리올리 힘이 발생하여 구조물을 진동시키는 형태의 원리를 갖는 것이 대부분인데, 이 원리를 이용한 발명이 실리콘 진동형 마이크로 자이로스코프의 주류를 이루고 있다.

상술한 기존의 마이크로 자이로스코프는 저가와 소형화의 요구를 만족하지만, 고감도화를 위해서는 해결해야할 문제점이 몇가지 있다. 첫째, 공기 감쇠 효과를 줄이기 위해 진공 패키징 공정이 요구되고, 둘째 검출 신호를 증가시키기 위해 서로 수직하게 위치한 구동과 검출의 공진 모드 주파수를 가능한 정확히 조율(tuning)하는 작업이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기판에 평행한 방향으로 검출 모드가 형성되는 센서의 구조를 가지므로 기존의 기판에 수직한 방향의 검출 모드를 갖는 자이로스코프에 비해 하부 검출 전극이 필요하지 않아서 공정이 간단해지고, 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일하도록 고안된 구조를 가지므로 기존의 진동형 자이로스코프에서 요구되는 주파수 조율이 필요 없는 저가의 고감도 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 본 발명에 의한 평면 진동형 자이로스코프의 일 실시예 구성도.

도 2 는 검출 전극으로부터 정전 용량의 변화를 측정하는 원리를 설명하기 위한 개략도.

도 3 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 본 발명에 의한 평면 진동형 자이로스코프의 다른 실시예 구성도.

도 4 는 본 발명에 의한 평면 진동형 자이로스코프의 입체적 구조 및 제조 공정에 대한 이해를 돕기위한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 구조체 앵커 2 : 평면 진동 구조체

3 : 꺾어진 보 스프링 4a, 4b : 좌우측 빗살 구동 전극

5a, 5b : 좌우측 구동 전극 앵커 6a, 6b : 상하부 검출 전극 앵커

7a, 7b : 상하부 검출 전극 8 : 고정 검출 전극

9 : 이동 검출 전극 10 : 좁은 검출 간격

11 : 넓은 검출 간격 12 : 구동 진동의 방향

13 : 검출 진동의 방향 14 : 직류 전압

15a, 15b : 좌우측 구동 전극 16 : 산화막

17 : 기판

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 평면 진동형 마이크로 자이로스코프는 전체 구조물의 중앙에 형성된 구조체 앵커(1)와; 상기 구조체 앵커(1)의 외부에 구비되어 상하와 좌우 방향의 2축에 대해 모두 대칭인 모양을 갖는 꺾인 보 스프링(3)과; 상기 꺾인 보 스프링(3)으로 구조체 앵커(1)에 연결되어 기판(17)으로 부터 떠있는 평면 진동 구조체(2)와; 상기 평면 진동 구조체(2)가 상기 구조체 앵커(1)에 대하여 좌우 방향으로 진동함과 동시에 회전 각속도가 가해질 경우 상하 방향으로 진동하도록 상기 평면 진동 구조체(2)의 좌우 양측에 구비되어 진동 구조체에 좌우 방향 정전력을 제공하는 빗살 구동 전극(4a,4b)과; 상기 빗살 구동 전극(4a,4b)에 구동 신호를 가하여 진동을 발생시키도록 금속 전극이 구비된 구동 전극 앵커(5a,5b)와; 평면 진동 구조체(2)가 외부 각속도에 의한 코리올리 힘을 받을 때 생기는 진동을 정전 용량 법으로 검출하도록 상기 평면 진동 구조체(2)의 상하 양단에 구비된 검출 전극(7a,7b)과; 상기 검출 전극(7a,7b)으로 부터의 정전 용량 변화를 검출 신호로 받기위해 금속 전극이 구비된 검출 전극 앵커(6a,6b)로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 진동형 자이로스코프의 일 실시예 구성도이고, 도 2 는 검출 전극으로부터 정전 용량의 변화를 측정하는 원리를 설명하기 위한 개략도이고, 도 3 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능하면서 구동과 검출의 공진 모드 주파수가 동일한 진동형 자이로스코프의 다른 실시예 구성도이며, 도 4 는 평면 진동형 자이로스코프의 입체적 구조 및 제조 공정에 대한 이해를 돕기위한 단면도이다.

본 발명의 평면 진동형 마이크로 자이로스코프는 기판에 평행한 방향으로 검출 모드가 형성되는 센서의 구조를 제안하고 있으며, 또한 구동과 검출 모드의 주파수 조율이 불필요하도록 두 모드의 공진 주파수가 동일하게 고안된 상하 좌우 대칭의 꺾인 보 스프링의 구조를 제안하고 있다. 먼저 구동 및 검출의 진동이 모두 구조체가 놓인 평면에 평행하게 일어나고 두 모드 주파수가 동일하도록 고안된 본 발명의 마이크로 자이로스코프에 대한 구조및 원리를 살펴보면 다음과 같다.

도 1 은 SOI 웨이퍼를 이용해 제작 가능한 평면 진동형 자이로스코프 구조체의 전체적인 형상을 보여준다.

원의 형태로 전체 구조체의 중앙에 구조체 앵커(1)가 형성되어 있고, 상기 구조체 앵커(1)의 외부에 원형으로 구멍이 뚫린 형태의 평면 진동 구조체(2)가 구비된다. 상기 구조체 앵커(1)와 평면 진동 구조체(2)는 꺾인 보 스프링(3)으로 연결되어 상기 평면 진동 구조체(2)는 기판으로 부터 떠서 지지된다. 상기 평면 진동 구조체(2)의 좌우 양측에 형성된 빗살 구동 전극(4a, 4b)은 좌우측 구동 전극 앵커(5a, 5b)로 부터 신호를 받아 상기 평면 진동 구조체(2)를 도 1 의 좌우 방향으로 가진다. 이때 외부에서 상기 평면 진동 구조체(2)가 놓인 평면에 수직하게 회전축을 갖는 각속도가 가해지면 도 1 의 상하 방향으로 코리올리의 힘이 발생하여 상기 평면 진동 구조체(2)를 상하 방향으로 진동시킨다. 상기 평면 진동 구조체(2)가 상하 방향 진동을 할 경우에 민감한 정전 용량 변화를 보이는 상하부 검출 전극(7a, 7b)이 상기 평면 진동 구조체(2)의 상하 양단에 구비되고, 상하부 검출 전극 앵커(6a, 6b)가 상기 상하부 검출 전극(7a, 7b)으로부터 외부 각속도에 비례하는 정전 용량 변화의 신호를 받는다.

상기 꺾인 보 스프링(3)의 형태는 원의 모양의 상기 구조체 앵커(1)의 중심으로 부터 상하 좌우의 2축에 대해 대칭의 형태를 이룬다. 그러므로 상하 방향과 좌우 방향의 스프링 상수가 동일하고, 이는 곧 상하 방향과 좌우 방향의 모드 주파수가 동일함을 뜻한다. 그러므로 외부로 부터 회전 각속도가 존재할 때 상기 좌우측 빗살 구동 전극(4a, 4b)에서 기본 모드 주파수의 구동 신호가 가해지면, 상기 평면 진동 구조체(2)는 좌우 방향으로 공진함과 동시에 코리올리 힘에 의한 상하 방향으로도 공진을 한다. 상기 꺾인 보 스프링(3)으로 인해 구동과 검출 방향의 모드 주파수가 자동적으로 완전 조율되어 센서의 고감도화를 실현할 수 있다.

도 1 의 구조체는 SOI 웨이퍼의 이방성 식각으로 패턴을 형성하고 단결정 실리콘 밑에 묻혀있던 산화막(16)을 습식 식각한다. 이때 기판에 고착되어야 할 상기 모든 앵커(1, 5a, 5b, 6a, 6b)는 패턴을 넓게하여 습식 식각이 끝난 후에도 산화막(16)이 남아 있도록 하고, 기판(17)으로부터 떠 있어야할 상기 평면 진동 구조체(2)는 많은 식각 구멍을 갖는 격자형의 구조로 만든다. SOI 웨이퍼의 미세 가공을 이용한 구조체는 단결정 실리콘이므로 기계적, 전기적 성질이 우수하고, 단면비가 높지만 하부 전극의 형성이 불가능하다. 그러므로 검출 전극의 형태를 세심히 고려해야 한다.

도 2 는 상기 상부 검출 전극(7a)의 일부를 간략화하여 보여준다.

상기 상부 검출 전극(7a)의 한 부분으로 상기 상부 검출 전극 앵커(6a)에 연결되어 있는 고정 검출 전극(8)은 고정되어 있고, 상기 상부 검출 전극(7a)의 한 부분으로 상기 상부 평면 진동 구조체(2)에 연결되어 있는 이동 검출 전극(9)은 상기 평면 진동 구조체(2)와 같이 구동 진동의 방향(12)과 검출 진동의 방향(13)으로 움직인다. 진동이 없는 초기의 평형 위치에서 상기 고정 검출 전극(8)과 이동 검출 전극(9)은 서로 좁은 검출 간격(10)과 넓은 검출 간격(11)을 갖도록 배치되어 있다.

상기 이동 검출 전극(9)과 상기 고정 검출 전극(8)간에는 직류 전압(14)이 인가되어 상기 이동 검출 전극(9)이 이동할 경우 발생하는 정전 용량의 변화를 상기 고정 검출 전극(8)으로 검출한다. 상기 이동 검출 전극(9)이 상기 구동 진동의 방향(12)으로 움직일 경우에는 상기 고정 검출 전극(8)의 양측면에서 정전 용량의 증가와 감소가 동시에 발생하므로 서로 상쇠되어 그 변화량이 매우 적다. 상기 이동 검출 전극(9)이 상기 검출 진동의 방향(13)으로 움직일 경우에도 좁은 상기 검출 간격(10)과 상기 넓은 검출 간격(11)에서 서로 반대되는 정전 용량의 변화가 발생하지만, 상기 넓은 검출 간격(11)에서 발생하는 정전 용량의 변화는 상기 좁은 검출 간격(10)에서 발생하는 정전 용량의 변화에 비해 매우 작으므로 상기 좁은 검출 간격(10)에서의 변화가 지배적인 정전 용량의 변화를 보인다. 그러므로 상기 상하부 검출 전극(7a, 7b)은 좌우 방향의 구동 진동에는 둔감하게 정전 용량이 변화해 그 양을 무시할 수 있고 상하 방향의 진동에 대해서는 민감하게 정전 용량의 변화하여 진동에 비례하는 신호를 얻을 수 있다.

도 3 은 상기 도 1 의 실시예에서 발생할 수 있는 불안정성의 요인을 예방하는 형태의 좌우측 구동 전극(15a, 15b)을 갖는 다른 실시예를 보인다.

도 1 의 실시예에서 상기 빗살 구동 전극(4a, 4b)은 상기 평면 진동 구조체(2)가 좌우 방향으로만 진동할 경우에 정상 작동이 유지되고 상항 방향으로 진동할 경우 불안정성이 발생할 요인을 갖고 있다. 도 3 의 실시예에서 상기 좌우측 구동 전극(15a, 15b)은 상기 상하부 검출 전극(7a, 7b)과 비슷한 형태의 구조를 가지면서 구동 행정이 길도록 설계되었다. 그러므로 상기 평면 진동 구조체(2)가 상하 방향의 진동을 하더라도 좌우측 구동 전극(15a, 15b)은 매우 작은 정전력을 받으므로 불안정성 발생의 가능성을 줄일 수 있다.

도 4 는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프의 입체적인 구조 및 제조 공정의 이해를 돕기 위해 도1의 실시예에 대한 중앙부 단면을 보인다.

도 1 과 도 2 및 도 3 은 SOI웨이퍼의 미세 가공 기술을 이용한 자이로스코프 제작의 실시예를 보인다. 그러나 본 발명의 자이로스코프는 다결정 실리콘의 표면 미세 가공이나 금속의 도금을 이용해서도 동일한 구조체의 제작이 가능하다. 특히 다결정 실리콘의 표면 미세 가공을 이용한 자이로스코프 제작의 경우 다층 구조를 이용해 구조체 하부로 입체적인 배선을 할 수 있으므로 검출 전극의 형태 변경이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 자이로스코프 구조체의 구동과 검출 방향의 진동이 한 평면위에 놓이고, 그 진동의 모드가 동일하도록 구조체를 지지하는 스프링의 형태를 좌우 및 상하 축에 대칭되게 설계하여 주파수 조율이 필요 없이 자이로스코프의 고감도화를 이룰 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (5)

1. 전체 구조물의 중앙에 형성된 구조체 앵커와;

   상기 구조체 앵커의 외부에 구비되어 상하 방향과 좌우 방향의 2축에 대해 모두 대칭인 모양을 갖는 꺾인 보 스프링과;

   상기 꺾인 보 스프링으로 구조체 앵커에 연결되어 기판으로 부터 떠있는 평면 진동 구조체와;

   상기 평면 진동 구조체가 상기 구조체 앵커에 대하여 좌우 방향으로 진동함과 동시에 회전 각속도가 가해질 경우 상하 방향으로 진동하도록 상기 평면 진동 구조체의 좌우 양측에 구비되어 진동 구조체에 좌우 방향 정전력을 제공하는 빗살 구동 전극과;

   상기 빗살 구동 전극에 구동 신호를 가하여 진동을 발생시키도록 금속 전극이 구비된 구동 전극 앵커와;

   상기 평면 진동 구조체가 외부 각속도에 의한 코리올리 힘을 받을 때 생기는 진동을 정전 용량 법으로 검출하도록 상기 평면 진동 구조체의 상하 양단에 구비된 검출 전극과;

   상기 검출 전극으로 부터의 정전 용량 변화를 검출 신호로 받기위해 금속 전극이 구비된 검출 전극 앵커로 구성된 것을 특징으로 하는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 꺽인 보 스프링은,

   상하 및 좌우 방향의 진동 모드을 동일하게 하고, 주파수 조율이 필요 없이 고감도로 센싱하도록 상기 구조체의 상하 및 좌우의 두 축에 대해 대칭으로 배치하여 구성된 것을 특징으로 하는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은,

   상기 평면 진동 구조체의 하부로 어떤 전극이나 배선의 박막 형성도 필요 없도록 SOI 웨이퍼의 기판 미세 가공을 이용해 제작된 것을 특징으로하는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 검출전극은,

   서로 좁은 검출 간격과 넓은 검출 간격의 배열을 이루며 배치되어, 좌우 방향의 구동 진동에 대해서는 둔감하고 상하 방향의 검출 진동의 방향에 대해서는 민감한 정전용량의 변화를 상하부 검출 전극이 검출하도록 상기 검출 전극 앵커에 붙어 있는 고정 검출 전극과 상기 평면 진동 구조체에 붙어 있는 이동 검출 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프.
5. 제 1 항에 있어서,

   검출 방향의 진동이 존재할 경우 상기 빗살 구동 전극에서 발생할 수 있는 불안정성을 예방하도록 상기 빗살 구동 전극 대신 상기 검출 전극과 형태가 비슷하며 구동 신호에 따른 진동의 행정을 키울 수 있게 하는 구동 전극이 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프.