KR20030067791A - 회전형 비연성 멤스 자이로스코프 - Google Patents

회전형 비연성 멤스 자이로스코프 Download PDF

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Abstract

회전형 비연성 멤스 자이로스코프가 개시된다. 자이로스코프는, X축을 중심으로 요동가능한 구동질량체, Z축을 중심으로 요동가능한 감지질량체, 및 X축을 중심으로 구동질량체와 함께 요동하고 Z축을 중심으로 감지질량체와 함께 요동하는 매개질량체를 구비한다. 구동질량체는 X축을 중심으로 비틀림변형되는 제1비틀림스프링에 의해 기판에 고정되고, 매개질량체는 Z축을 중심으로 굽힘변형되는 제1굽힘스프링에 의해 구동질량체에 연결된다. 감지질량체는 X축을 중심으로 비틀림변형되는 제2비틀림스프링에 의해 매개질량체에 연결되며, 또한 Z축을 중심으로 굽힘변형되는 제2굽힘스프링에 의해 기판에 고정된다. 구동질량체가 구동전극에 의해 X축을 중심으로 소정의 범위에서 진동하는 동안 외부에서 Y축에 대해 각속도가 인가되면, 코리올리힘에 의해 감지질량체가 Z축을 중심으로 회전하고 감지전극은 이를 감지한다. 구동전극은 구동운동만을 하고 감지전극은 감지운동만을 하므로, 자이로스코프의 성능이 향상된다.

Description

회전형 비연성 멤스 자이로스코프 {Rotation type MEMS gyroscpoe of a decoupled structure}
본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구동질량체의 운동과 감지질량체의 운동이 상호 독립적으로 이루어지는 회전형 비연성 멤스 자이로스코프에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical systems)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 일 예가 각속도를측정하는 자이로스코프이다. 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. 자이로스코프가 코리올리힘을 발생시키고 또한 이를 감지하기 위해서는, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다.
도 1은 멤스 자이로스코프를 개략적으로 도시한 도면으로서, 특히 회전형 자이로스코프를 도시한 도면이다.
구동방향(A)과 입력방향(Ω) 및 감지방향(S)은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스기술을 이용한 자이로스코프에서는, 기판의 판면에 평행하며 상호 직교하는 두 방향(이하에서는 이를 'X축방향' 및 'Y축방향'이라 한다.)과 기판의 판면에 수직인 한 방향(이하에서는 이를 'Z축방향'이라 한다.)으로 구성된 좌표축을 설정한다. 도 1에서 구동방향(A)은 X축방향으로 설정되어 있고, 입력방향(Ω)은 Y축방향으로 설정되어 있으며, 감지방향(S)은 Z축방향으로 설정되어 있다.
질량체는 X축을 중심으로 회전가능하게 설치되며, 구동전극(도시되지 않음)에 의해 X축을 중심으로 요동하도록 구동된다. 질량체가 요동하는 동안에 외부에서 Y축을 중심으로 회전하는 방향의 각속도가 인가되면, 질량체에는 Z축을 중심으로 회전하는 방향의 코리올리힘이 가해진다. 이 힘에 의해 질량체가 Z축방향으로 회전이동되면 이때 회전이동된 변위를 감지전극(도시되지 않음)이 측정하고, 이에따라 상기한 각속도의 크기를 산출할 수 있게 된다.
도 1에는, 설명상의 편의를 위하여, 하나의 질량체가 구동전극에 의해 구동되는 구동질량체의 기능과 코리올리힘에 의해 이동되어 감지전극에 의해 감지되는 감지질량체의 기능을 모두 수행하는 예가 도시되어 있다. 그러나, 최근에는 구동질량체와 감지질량체가 분리되어 제작되고 있으며, 이러한 형태의 자이로스코프를 비연성(decoupled) 자이로스코프라 한다. 이러한 비연성 자이로스코프는, 구동질량체를 공진을 이용하여 구동시킴과 동시에 감지질량체의 움직임도 구동질량체의 공진주파수에 근접시켜야 하는 문제점을 가지지 않는다는 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 비연성 자이로스코프는 구동질량체와 감지질량체가 완전히 분리되어 있지 않고, 구동질량체만 비연성구조로 되어 있거나(예컨데, US6067858, US6240780 등) 감지질량체만 비연성구조로 되어 있다(예컨데, US6122961, WO 01/20259).
구동질량체만 비연성구조로 되어 있는 경우에는, 구동질량체는 구동되는 운동만 하게 되고 감지질량체는 구동되는 운동과 센싱되는 운동을 모두 하게 된다. 따라서, 감지질량체의 센싱되는 운동이 구동되는 운동과 함께 나타나게 된다는 문제점이 있다.
반대로, 감지질량체만 비연성구조로 되어 있는 경우에는, 구동질량체는 구동되는 운동과 센싱되는 운동을 모두 하게 되고 감지질량체는 센싱되는 운동만 하게 된다. 따라서, 구동질량체의 구동되는 운동이 코리올리힘이 작용하는 방향에 영향을 줄 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 상기한 바와 같은 US6067858, US6122961, 및 US6240780에 개시된 바와 같은 자이로스코프는 기판에 수직인 Z축 방향을 중심으로 입력되는 각속도만을 측정할 수 있으므로, 한 평면상에 2축의 각속도를 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서, 다축 각속도를 감지할 수 있는 자이로스코프를 제작하고자 하는 경우, 수직으로 소자를 배치하는 조립공정이 추가로 필요하게 된다.
수평방향의 축(X축 또는 Y축)에 대한 입력각속도를 측정하기 위해서는, 질량체를 수직으로 구동하는 구동전극을 구비하거나 혹은 질량체의 수직 변위를 감지하기 위한 감지전극을 구비하여야 한다. 상기와 같은 수직방향의 구동전극 또는 감지전극을 제작하기 위해서는, 종래에는 기판상에 고정된 고정전극과 고정전극의 상부에 이격되어 있는 이동전극을 제작하였다. 이러한 전극이 구동전극으로 사용되는 경우에는 이동전극과 고정전극 사이에 가변되는 전압을 인가하여 이동전극을 구동하고, 감지전극으로 사용되는 경우에는 고정전극과 이동전극간의 거리에 따라 변화되는 정전력을 감지하여 각속도를 측정한다.
그런데, 이와 같은 구조를 갖는 전극은, 이동전극이 고정전극의 상부에 적층된 구조를 가지고 있으므로, 그 제작이 매우 어렵다는 단점이 있다. 즉, 상기와 같은 전극을 제작하기 위해서는, 먼저 기판상에 고정전극을 형성하는 공정을 수행한 후, 고정전극 위에 희생층(Sacrificial Layer)을 증착시킨다. 그리고 나서, 희생층 위에 이동전극을 형성하고 희생층을 제거한다. 이와 같이, 이동전극의 상부에 부상된 고정전극을 형성하기 위해 많은 수의 공정이 수행되어야 한다.
또한, 이동전극의 수직방향상의 변위를 정밀하게 측정하기 위해서는 이동전극과 고정전극 사이의 간격이 좁아야 하므로, 이동전극과 고정전극간의 점착 현상이 발생할 수 있다는 문제점도 가지고 있다.
한편, WO 01/20259에는, 전술한 도 1에 도시된 바와 같이, 기판의 평면상에 존재하는 임의의 한 축에 작용하는 각속도를 감지하는 자이로스코프가 제안되어 있다. 여기에서는, 부양력(levitation force)을 이용하여 구동질량체를 기판상의 임의의 한 축(예컨데 X축)에 대해 요동시킴으로써 기판의 평면에 수직한 축(Z축)을 중심으로 회전되는 감지운동이 발생하도록 하였다.
그러나, 이러한 자이로스코프는, 링타입의 구조물 및 회전운동을 위한 원형상의 전극배치로 인해 공간소모가 커진다는 문제점이 있다. 따라서, 하나의 웨이퍼 상에 다수의 자이로스코프를 제작하는 경우에, 자이로스코프를 구성하는 부품이 배치되지 않고 낭비되는 공간이 생기게 되어 단위 면적의 웨이퍼 내에 제작되는 자이로스코프의 개수가 줄어들게 된다.
또한 이와 같은 자이로스코프는, 감지질량체의 회전을 감지하는 감지전극이 감지질량체의 반경방향을 따라 배치되는 구조를 가지므로, 감지전극 내의 구동전극과 이동전극 사이의 간격이 반경방향에 따라 커진다는 문제점이 있다. 감지전극 내의 이동전극과 고정전극은 정확한 감지를 위해서는 그 간격이 좁아야 하고 또한 균일해야 하므로, 이동전극과 고정전극 사이의 간격의 증가는 감지성능의 저하를 야기하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의목적은, 구동질량체와 감지질량체가 모두 비연성 구조를 가지도록 함으로써 각속도 감지 성능이 향상될 수 있는 회전형 멤스 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 수직방향의 구동이 용이하고 제작공정이 단순하며 공간소모가 적은 회전형 멤스 자이로스코프를 제공하는 것이다.
본 발명이 또 다른 목적은, 감지전극 내의 이동전극과 고정전극간의 간격이 균일하고 이에 따라 감지전극의 감지성능이 향상된 회전형 멤스 자이로스코프를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 회전형 멤스 자이로스코프의 일 예를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 회전형 멤스 자이로스코프의 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 3은 도 2의 측단면도,
도 4는 도 2에서 기판상에 부상된 부분을 도시한 도면,
도 5는 도 2의 비틀림스프링의 확대사시도,
도 6A 및 도 6B는 도 2의 제1굽힘스프링을 도시한 도면,
도 7A 및 도 7B는 도 2의 제2굽힘스프링을 도시한 도면,
도 8A는 도 2의 구동전극의 구조를 도시한 도면,
도 8B는 도 8A의 A-A선에 따른 단면을 도시한 도 8A의 부분도,
도 9A 내지 도 9C는 도 2의 수평감지전극의 구조를 도시한 도면,
도 10은 도 2에 도시된 회전형 멤스 자이로스코프에 전압이 가해진 상태를 도시한 도면,
도 11은 구동질량체가 구동된 상태를 보여주는 도 2의 개략적 부분 측면도,그리고
도 12는 도 4의 멤스 자이로스코프가 코리올리힘에 의해 변형된 상태를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 구동질량체12, 32 : 고정부
20 : 매개질량체30 : 감지질량체
51 : 제1비틀림스프링52 : 제2비틀림스프링
61 : 제1굽힘스프링62 : 제2굽힘스프링
100 : 기판110 : 구동전극
115 : 구동단자120 : 구동감지전극
125 : 구동감지단자130 : 회전감지전극
135 : 회전감지단자
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤스 자이로스코프는, 기판상에 상기 기판의 판면방향에 평행한 회전축선인 X축을 중심으로 요동가능하게 설치된 구동질량체; 상기 기판상에 상기 판면방향에 수직한 회전축선인 Z축을 중심으로 요동가능하게 설치된 감지질량체; 상기 기판상에 설치되며, 상기 X축을 중심으로 상기 구동질량체와 함께 요동하고, 상기 Z축을 중심으로 상기 감지질량체와 함께 요동하는 매개질량체; 상기 구동질량체가 상기 X축을 중심으로 소정의 범위에서 진동하도록 상기 구동질량체를 구동하는 구동전극; 및 상기 구동전극에 의해 상기 구동질량체가 진동하는 동안 각속도의 인가에 의해 발생한 코리올리힘에 의해 상기 Z축을 중심으로 회전하는 상기 감지질량체의 변위를 측정하는 감지전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구동질량체는 제1비틀림스프링에 의해 기판에 고정되며, 이에 따라 상기 구동질량체는 상기 기판에 대해 상기 X축을 중심으로 상대회전 가능하게 된다.상기 매개질량체는 제1굽힘스프링에 의해 상기 구동질량체에 고정되며, 이에 따라 상기 매개질량체는 상기 구동질량체에 대해 상기 Z축을 중심으로 상대회전 가능하게 된다. 상기 매개질량체는 제2비틀림스프링에 의해 상기 감지질량체에 고정되며, 이에 따라, 상기 매개질량체는 상기 감지질량체에 대해 상기 X축을 중심으로 상대회전 가능하게 된다. 상기 감지질량체는 제2굽힘스프링에 의해 상기 기판상에 고정되며, 이에 따라 상기 감지질량체는 상기 기판에 대해 상기 Z축을 중심으로 상대회전 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, 구동질량체가 요동하는 동안 매개질량체는 요동하나 감지질량체는 정지된 상태를 유지하며, 코리올리힘이 발생될 때 매개질량체가 회전하면 감지질량체가 회전한다. 따라서, 구동질량체와 감지질량체가 모두 비연성 구조를 가지게 되며, 자이로스코프의 각속도 감지 성능이 향상된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는, 전술한 종래 기술에 대한 설명과 마찬가지로, 기판의 판면방향에 수직인 방향을 'Z축방향'이라 하고, 판면방향에 평행한 방향 중 도면상의 좌우방향을 'X축방향'이라 하며, 판면방향에 평행한 방향 중 도면상의 상하방향을 'Y축방향'이라 한다.
도 2는 본 발명에 따른 멤스 자이로스코프의 바람직한 실시예를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 측단면도이며, 도 4는 도 2의 일부분을 도시한 도면으로서 주로 기판상에 부상되어 있는 부분을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 회전형 멤스 자이로스코프는, 기판(100)상에 배치되는 구동질량체(10), 구동질량체(10)를 구동하기 위한 구동전극(110), 구동질량체(10)의 구동상태를 감지하는 구동감지전극(120), 구동질량체(10)의 내측에 배치된 매개질량체(20), 매개질량체(20)의 내측에 배치된 감지질량체(30), 및 감지질량체(30)의 변위를 감지하는 회전감지전극(130)을 가지고 있다. 기판(100)상에는 절연층(100a)이 형성되어 있으며, 구동질량체(10), 매개질량체(20) 및 감지질량체(30)는 이 절연층(100a)의 상부에 부상된 상태로 형성된다.
이들 질량체(10, 20, 30)를 절연층(100a)의 상부에 부상된 상태로 형성하기 위해서는, 먼저 절연층(100a)의 상부에 희생층을 형성하고 희생층의 상부에 질량체(10, 20, 30)를 형성할 층을 형성한 후에 희생층을 식각을 통해 제거한다. 이때, 질량체(10, 20, 30) 하부의 희생층이 식각액에 의해 효과적으로 제거되어 질량체(10, 20, 30)가 절연층(100a)의 상부에 부상되도록 하기 위해서, 질량체(10, 20, 30)에는 다수의 식각홀(40)이 형성되어 있다.
구동질량체(10)는 대략 사각틀의 형상을 가진다. 기판(100)상에는 구동질량체(10)를 고정시키기 위한 한 쌍의 고정부(12)가 구동질량체(10)의 외측방에 형성되어 있다. 구동질량체(10)는 한 쌍의 제1비틀림스프링(51)에 의해 각 고정부(12)에 고정되어 있다.
제1비틀림스프링(51)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상호 평행하게 배치되는 한 쌍의 빔(51a, 51b)을 가지고 있다. 빔(51a, 51b)은 기판(100)상에 수직으로 배치된 판의 형상을 갖는다. 빔(51a, 51b)은 복수의 연결부(51c)에 의해 상호 연결되어 있다. 따라서, 제1비틀림스프링(51)은 실질적으로 수직방향으로 천공된 블록의 형상을 갖는다. 이러한 구조에 의해 제1비틀림스프링(51)은 비틀림 방향으로는 용이하게 변형되나, 각 빔(51a, 51b)의 판면방향의 굽힘은 용이하지 않게 된다. 따라서, 단순한 빔형상으로 제작되는 경우에 비해 비틀림강성에 대한 굽힘강성의 비율이 증가된다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기와 같은 구조의 제1비틀림스프링(51)은 X축 방향상으로 배치되어 있다. 따라서, 구동질량체(10)는 X축을 중심으로 요동가능하도록 기판(100)에 대해 고정되며, Z축을 중심으로 회전하는 방향으로는 기판(100)에 대해 고정된다.
매개질량체(20)는 대략 사각틀의 형상을 가지며, 구동질량체(10)의 내측 공간에 배치되어 있다. 구동질량체(10)와 매개질량체(20)는 한 쌍의 제1굽힙스프링(61)에 의해 상호 고정되어 있다.
제1굽힘스프링(61)은, 도 6A 및 도 6B에 도시된 바와 같이, 일 부위가 상호 고정된 세 개의 판상의 빔(61a, 61b, 61c)이 형성되어 있다. 빔들(61a, 61b, 61c) 중 중앙의 빔(61c)은 구동질량체(10)에 고정되고 외측의 두 빔(61a, 61b)은 매개질량체(20)에 고정된다. 이 빔들(61a, 61b, 61c)은 기판(100)상에서 기립된 상태로 배치된다. 이러한 구조에 의해 빔(61a, 61b, 61c)은 Z축을 중심으로한 회전방향으로 가해지는 외력에 의해서 굽힘변형된다. 따라서, 제1굽힘스프링(61)에 의해, 매개질량체(20)는 Z축을 중심으로 구동질량체(10)에 대해 상대적으로 회전가능하며, 구동질량체(10)가 X축을 중심으로 회전할 때는 매개질량체(20)는 구동질량체(10)와 함께 회전하게 된다.
감지질량체(30)는 링 형상을 가진다. 기판(100)의 중앙부위에는 감지질량체(30)를 고정시키기 위한 원형의 고정부(32)가 형성되어 있으며, 감지질량체(30)는 고정부(32)의 외측에 고정부를 둘러싸도록 배치된다. 고정부(32)의 외주면은 제2굽힘스프링(62)이 설치되는 공간이 형성되도록 함몰되어 있다. 제2굽힘스프링(62)은 고정부(32)와 감지질량체(30)를 연결하는 기능을 한다.
제2굽힘스프링(62)은 제1굽힘스프링(61)과 유사한 구조를 가진다. 즉, 도 7A 및 도 7B에 도시된 바와 같이, 제2굽힘스프링(62)은 일 부위가 상호 고정된 세 개의 판상의 빔(62a, 62b, 62c)을 가지고 있으며, 중앙의 빔(62c)은 감지질량체(30)에, 그리고 외측의 빔(62a, 62b)은 고정부(32)에 고정되어 있다. 이때, 도 6A 및 도 6B와는 달리, 외측의 빔(62a, 62b)은 상호 평행하지 않고 소정의 각도를 가지도록 배치되어 대략 원호상을 이루고 있다. 이러한 구조는, 감지질량체(30)의 회전이동을 고려한 것이다. 빔(62a, 62b, 62c)은 기판(100)상에서 기립된 상태로 배치된다. 이러한 구조에 의해 빔(62a, 62b, 62c)은 Z축을 중심으로한 회전방향으로 가해지는 외력에 의해서 굽힘변형된다. 따라서, 제2굽힘스프링(62)에 의해, 감지질량체(30)는 Z축을 중심으로 고정부(32)에 대해 상대적으로 회전가능하게 된다.
구동전극(110)은 구동질량체(10)의 Y방향상의 측방에 각각 설치되며, 기판(100)상에서 구동질량체(10)와 동일 평면에 배치된다. 구동전극(110)은 콤(Comb)구조에 의해 상호 결합된 고정전극(110a)과 이동전극(110b)으로 구성되어 있다. 기판(100)상에는 구동전극(110)에 전압을 인가하기 위한 구동단자(115)가형성되어 있다.
고정전극(110a)은, 도 8A 및 도 8B에 도시된 바와 같이, 기판(100)상에 고정된 다수의 판상의 고정벽을 가지고 있다. 고정벽은 기판(100)상에 기립되도록 배치되며, 또한 상호 평행하게 배치된다. 이동전극(110b)은 구동질량체(10)에 고정된 판상의 이동벽을 가지고 있다. 각각의 이동벽은 각각의 고정벽들 사이의 공간에 배치된다.
이동벽의 높이는 고정벽의 기판(100)으로부터의 높이에 비해 작으며, 이동벽의 하단부는 기판(100)으로부터 소정의 높이로 이격되어 있다. 이에 따라 이동전극(110b)은 기판(100)상에서 수직방향으로 요동가능하게 된다. 도 8A에 도시된 바와 같이, 이동전극(110b)에는 수직방향으로 식각홀이 형성되어 있다. 또한, 이동전극(110b)과 고정전극(110a)의 사이의 공간도 식각홀의 기능을 한다. 이동전극(110b)에 형성된 식각홀의 폭(d1)은 이동전극(110b)과 고정전극(110a) 사이의 폭(d2)보다 작다. 이러한 폭의 차이에 의해 식각홀을 통해 공급되는 식각액의 차이가 발생하게 되어 이동전극(110b)이 기판(100)상에서 상하방향으로 이동가능하도록 부상된 도 8A 및 도 8B에 도시된 바와 같은 구조가 형성된다.
구동감지전극(120)은 구동질량체(10)의 X방향상의 측방에 각각 설치된다. 구동감지전극(120)은 고정전극(120a)과 이동전극(120b)으로 구성되어 있다. 고정전극(120a)은 기판(100)상에 고정되며, 이동전극(120b)은 구동질량체(10)에 고정된다. 구동질량체(10)가 X축을 중심으로 회전이동되면 이동전극(120b)과고정전극(120a)의 간격이 변화된다. 기판(100)상에는 이러한 간격의 변화에 따라 변화되는 정전력을 감지하는 장치가 연결되기 위한 구동감지단자(125)가 형성되어 있다.
구동전극(110)과 구동감지전극(120)은 사각틀 형상의 구동질량체(10)의 외측면의 거의 전 구간에 걸쳐 배치되며, 또한 구동단자(115)와 구동감지단자(125)는 구동전극(110)과 구동감지전극(120)의 외측에 배치되어 자이로스코프는 전체적으로 직사각형 형상을 가지게 된다. 따라서, 웨이퍼상에 복수의 자이로스코프를 제작할 경우 낭비되는 공간 없이 많은 수의 자이로스코프를 제작할 수 있게 된다.
회전감지전극(130)은 매개질량체(20)의 내측 공간에 설치되어 있다. 회전감지전극(130)은, 구동전극(110)과 마찬가지로 콤구조에 의해 상호 결합된 고정전극(130a)과 이동전극(130b)을 가지고 있다. 고정전극(130a)은 기판(100)상에 고정되며, 이동전극(130b)은 감지질량체(30)에 고정된다. 기판(100)의 중앙부인 매개질량체(20)의 내측공간에는 회전감지전극(130)의 변위에 따라 변화되는 정전력을 감지하는 장치가 연결되기 위한 회전감지단자(135)가 형성되어 있다.
감지질량체(30)는 기판(100)상에서 Y축방향으로 연장된 수직빔(30a)과, 수직빔(30a)으로부터 X축방향으로 연장된 다수의 수평빔(30b)을 가지고 있으며, 이동전극(130b)은 이 수평빔(30b)에 형성된다. 이러한 수평빔(30b)의 배치에 의해 감지질량체(30)는 사각틀 형상의 매개질량체(20)의 내측 공간의 거의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있고, 이에 따라 기판(100)상에서 낭비되는 공간 없이 기판(100)의 전 영역이 효과적으로 활용된다.
고정전극(130a)은 대략 지그재그 형상의 측면을 가지며, 이동전극(130b)은 고정전극(130a)의 지그재그형 측면에 대응되는 형상을 갖는다. 이러한 지그재그 형상의 상호 결합구조는 감지질량체(30)가 회전할 때 감지질량체(30)의 중심으로부터 반경방향으로 멀어질수록 이동전극(130b)과 고정전극(130a)간의 거리가 커지는 것을 방지하는 기능을 한다.
도 9A 내지 도 9C에는 상기와 같은 감지전극의 지그재그 형상의 다양한 예들이 도시되어 있다.
이동전극(130b)은 고정전극(130a)과 일정한 간격을 유지하도록 배치된다. 이때, 이동전극(130b)이 고정전극(130a)에 대해 접근 또는 이격되도록 이동시 이 간격은 좁아지거나 넓어지며, 이때 고정전극(130a)과 이동전극(130b)간의 간격은 상호 접촉 및 이격되는 측면의 전 범위에 걸쳐 실질적으로 균일한 상태를 유지하면서 좁아지거나 넓어진다. 이를 위하여, 고정전극(130a)과 이동전극(130b)의 상호 접촉하는 측면은, 회전감지전극(130)의 반경방향에 대해 소정의 곡률로 이격되어 있는 곡선을 따라 배치된다.
고정전극(130a)과 이동전극(130b)이 접하는 일 부위에서의 접선각을 θ라 할때,
로 구해진다.
여기서, r은 회전감지전극(130)의 회전중심으로부터 접선각(θ)이 산출되는위치까지의 거리이고,
g는 고정전극(130a)과 이동전극(130b)간의 제작가능한 최소간격이고,
ψ는 고정전극(130a)과 이동전극(130b)의 사이각이다.
또한, ri를 회전감지전극(130)의 회전중심으로부터 고정전극(130a)과 이동전극(130b)의 최내측까지의 반경이라 하고,
r을 회전감지전극(130)의 회전중심으로부터 접선각(θ)이 산출되는 위치까지의 전극위치반경이라 할 때,
회전중심으로부터 ri방향으로의 직선과 회전중심으로부터 r방향으로의 직선이 이루는 각도인 전극위치각 φ는,
로 구해진다.
한편, 도면에서 r0는 회전감지전극(130)의 회전중심으로부터 고정전극(130a)과 이동전극(130b)의 최외측까지의 반경이다.
상기와 같은 접선각(θ)을 갖도록 이동전극(130b)과 고정전극(130a)의 상호 대향하는 측면을 형성함으로써, 이동전극(130b)이 고정전극(130a)에 대해 접근 및 이격시 이동전극(130b)과 고정전극(130a)간의 거리가 균일하게 유지된다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 멤스 자이로스코프의 동작을 설명한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 구동전극(110)에는 구동단자(115)에 연결된 구동전압 공급장치(215)로부터 시간에 따라 변화되는 전압이 인가된다. 구동전극(110)에 인가되는 전압의 주파수는 구동질량체(10)의 구동력을 최대화하여 구동 효율을 증가시키기 위해 구동질량체(10)의 고유진동수와 일치시키는 것이 바람직하다. 또한, 감지질량체(30)는 그의 감지운동이 구동질량체(10)의 고유진동수와 유사한 주파수에서 발생되도록 설계하는 것이 바람직하다.
제작시의 공차를 고려할 때, 구동질량체(10)의 고유진동수 근처의 값에서 감지질량체(30)가 감지운동을 하도록 하기 위해서는, 회전감지전극(130)의 고정전극(130a)과 이동전극(130b) 사이에 튜닝전압(tuning voltage)을 가하여 감지운동의 주파수를 감소시켜 조절하는 것이 바라직하다. 이와 동시에, 튜닝전압은 감지질량체(30)의 감지운동시의 회전감지전극(130)의 정전용량의 변화를 측정하는 전압으로도 동시에 사용되도록 하는 것이 바람직하다.
구동감지전극(120)의 구동감지단자(125)와 회전감지전극(130)의 회전감지단자(135)에는 각각 구동감지장치(225)와 회전감지장치(235)가 연결되어 있고, 구동감지장치(225)와 회전감지장치(235)는 각각의 고정전극(120a, 130a)과 이동전극(120b, 130b)간의 정전력의 변화를 감지한다.
구동감지전극(120)의 고정전극(120a), 회전감지전극(130)의 고정전극(130a), 제1비틀림스프링(51), 제1굽힘스프링(61), 및 고정부(12)는 공통의 전극패드로 연결이 되며 전기적으로 접지된다.
구동전극(110)에 전압이 인가되면, 구동전극(110)에 의해 발생되는 정전력에의해 도 11에 도시된 바와 같이 구동질량체(10)가 X축방향을 중심으로 회전이동한다. 구동질량체(10)의 회전방향은 구동전극(110)에 인가되는 전압의 극성변화에 따라 변화되며, 이에 따라 구동질량체(10)는 X축을 중심으로 요동하게 된다. 이때, 구동질량체(10)가 제1비틀림스프링(51)에 의해 고정부(12)에 고정되어 있으므로 구동질량체(10)는 X축을 중심으로 요동가능하다. 또한, 매개질량체(20)가 제1굽힘스프링(61)에 의해 Z방향으로 구동질량체(10)에 대해 상대고정되어 있으므로, 매개질량체(20)는 구동질량체(10)와 함께 X축을 중심으로 요동한다.
이때, 감지질량체(30)는 제2비틀림스프링(52)에 의해 X축을 중심으로 매개질량체(20)에 대해 상대회전 가능하게 연결되어 있고, 또한 감지질량체(30)는 제2굽힘스프링(62)에 의해 Z축을 중심으로 회전하는 방향의 운동만 가능하므로, 매개질량체(20)가 구동질량체(10)와 함께 요동하는 동안에 감지질량체(30)는 정지된 상태를 유지한다.
구동감지전극(120)에 연결된 구동감지장치(225)는 구동질량체(10)의 X축을 중심으로 한 회전 변위를 측정하며, 측정된 값은 도시되지 않은 제어기에 제공된다. 제어기는 구동감지장치(225)의 측정치를 토대로 구동질량체(10)가 X축을 중심으로 효과적으로 진동할 수 있도록 구동전극(110)에 공급되는 전계를 제어한다.
구동질량체(10)와 매개질량체(20)가 진동하는 동안 자이로스코프에 Y축을 중심으로 회전하는 방향의 각속도가 인가되면, 구동질량체(10)와 매개질량체(20)에는 Z축방향을 중심으로 회전하는 방향으로 코이올리힘(Coriolis Force)이 가해진다. 구동질량체(10)는 제1비틀림스프링(51)에 의해 Z축을 중심으로 회전하는 방향상으로 기판(100)상에 고정되어 있으나, 매개질량체(20)는 제1굽힘스프링(61)에 의해 Z축을 중심으로 구동질량체(10)에 대해 상대회전 가능하다. 따라서, 코리올리힘이 가해지면 매개질량체(20)는 도 12에 도시된 바와 같이 Z축을 중심으로 회전하게 된다.
매개질량체(20)가 회전하면, 매개질량체(20)와 감지질량체(30)는 비틀림방향으로 변형되는 제2비틀림스프링(52)에 의해 연결되어 있으므로, 감지질량체(30)도 도 12에 도시된 바와 같이 매개질량체(20)와 함께 회전한다. 이때, 회전감지전극(130) 내의 고정전극과 이동전극간의 거리가 변화되며, 이와 같은 거리의 변화에 따라 회전감지전극(130)의 정전용량의 변화가 발생한다. 회전감지장치(235)는 이 정전용량의 변화를 측정하며, 도시되지 않은 제어기는 이러한 회전감지전극(130)의 정전용량의 변화를 이용하여 Y축을 중심으로 회전하는 방향으로 입력되는 외력에 의한 각속도를 산출한다.
본 발명에 따르면, 구동질량체(10)가 요동하는 동안 매개질량체(20)는 요동하나 감지질량체(30)는 정지된 상태를 유지하며, 코리올리힘이 발생될 때 매개질량체(20)가 회전하면 감지질량체(30)가 회전한다. 즉, 구동질량체(10)는 구동방향으로만 운동하고 감지질량체(30)는 감지방향으로만 운동하며, 이에 따라 구동질량체(10)와 감지질량체(30)가 모두 비연성 구조를 가지게 된다. 따라서, 자이로스코프의 각속도 감지 성능이 향상된다.
또한, 구동질량체(10)의 X축을 중심으로한 요동이 구동질량체(10)와 동일한평면상에 형성된 고정전극(110a)과 이동전극(110b)을 갖는 구동전극(110)에 의해 제어된다. 따라서, 구동전극(110)이 자이로스코프 내의 타 부분의 제작 공정 수행시 동일한 공정 내에서 함께 제작될 수 있으므로 제작 공정이 단순하게 된다.
또한, 회전감지전극(130) 내의 이동전극(130b)과 고정전극(130a)간의 간격이 이동전극(130b)이 이동하는 동안 균일하게 유지되므로 회전감지전극(130)의 감지성능이 향상된다.
또한, 본 발명에 따르면, 구동질량체(10)와 매개질량체(20) 등이 사각틀 형상으로 배치되어 있고, 또한 각 전극이 구동질량체(10)의 외측에 배치되어 자이로스코프의 전체적인 형상이 직사각형을 이루게 된다. 따라서, 웨이퍼상에 다수의 자이로스코프 제작시 자이로스코프들의 사이에 불필요한 공간이 없게 되어 웨이퍼의 공간 효율이 증가된다.
또한, 본 발명에 의한 자이로스코프를 Z축을 중심으로 90도 회전하여 배치하면 X축을 중심으로 회전하는 방향으로의 입력각속도를 측정할 수 있으므로, 동일한 방식에 의한 2축 자이로스코프를 동일 기판(100)에 동일 마스크를 사용하여 제작할 수 있게 되고, 동일한 감도, 동일한 신호처리부, 및 동일 칩(Chip) 크기를 가지는 등의 장점을 지닌 2축 자이로스코프를 제작할 수 있게 된다. 또한, 이러한 자이로스코프를 수직방향에 대한 입력각속도를 감지하는 자이로스코프와 함께 제작할 경우 3축 자이로스코프를 제작할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (12)

  1. 기판상에 상기 기판의 판면방향에 평행한 회전축선인 X축을 중심으로 요동가능하게 설치된 구동질량체;
    상기 기판상에 상기 판면방향에 수직한 회전축선인 Z축을 중심으로 요동가능하게 설치된 감지질량체;
    상기 기판상에 설치되며, 상기 X축을 중심으로 상기 구동질량체와 함께 요동하고, 상기 Z축을 중심으로 상기 감지질량체와 함께 요동하는 매개질량체;
    상기 구동질량체가 상기 X축을 중심으로 소정의 범위에서 진동하도록 상기 구동질량체를 구동하는 구동전극; 및
    상기 구동전극에 의해 상기 구동질량체가 진동하는 동안 각속도의 인가에 의해 발생한 코리올리힘에 의해 상기 Z축을 중심으로 회전하는 상기 감지질량체의 변위를 측정하는 감지전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동질량체를 상기 기판상에 고정시키며, 상기 구동질량체가 상기 기판에 대해 상기 X축을 중심으로 상대회전 가능하도록 비틀림변형되는 제1비틀림스프링;
    상기 매개질량체를 상기 구동질량체에 고정시키며, 상기 매개질량체가 상기 구동질량체에 대해 상기 Z축을 중심으로 상대회전 가능하도록 굽힘변형되는 제1굽힘스프링;
    상기 매개질량체를 상기 감지질량체에 고정시키며, 상기 매개질량체가 상기 감지질량체에 대해 상기 X축을 중심으로 상대회전 가능하도록 비틀림변형되는 제2비틀림스프링; 및
    상기 감지질량체를 상기 기판상에 고정시키며, 상기 감지질량체가 상기 기판에 대해 상기 Z축을 중심으로 상대회전 가능하도록 굽힘변형되는 제2굽힘스프링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1비틀림스프링 및 상기 제2비틀림스프링 중 적어도 하나는,
    상호 평행하게 배치되는 판상의 한 쌍의 빔; 및
    상기 빔을 상호 연결하는 복수의 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1굽힘스프링 및 상기 제2굽힘스프링 중 적어도 하나는,
    일 부위가 상호 고정되어 있는 복수의 판상의 빔;을 포함하는 것을 특징으로하는 멤스 자이로스코프.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구동전극은 콤구조를 갖는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 구동전극은,
    상기 기판상에 기립되며 상호 평행하게 형성된 복수의 고정벽을 구비하며, 상기 기판상에 고정된 고정전극; 및
    각각의 상기 고정벽들 사이에 각각 배치되며 상기 고정벽의 상기 기판으로부터의 높이에 비해 작은 높이를 갖는 복수의 이동벽을 구비하며, 상기 구동질량체에 고정된 이동전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 감지전극은,
    상기 기판상에 고정되며 대략 지그재그 형상의 측면을 갖는 고정전극; 및
    상기 감지질량체에 고정되며, 상기 고정전극의 상기 측면에 대응되는 형상을 갖는 이동전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 고정전극과 상기 이동전극은, 상호 접근 및 이격시 상호간의 거리가 상기 측면의 전 범위에 걸쳐 실질적으로 균일하도록, 상호 접촉 및 이격되는 면의 형상이 다음과 같은 식에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프:
    (여기서, θ는 상기 고정전극과 상기 이동전극이 접하는 일 부위에서의 접선각,
    r은 상기 감지전극의 회전중심으로부터 싱기 접선각(θ)이 산출되는 위치까지의 거리,
    g는 상기 고정전극과 상기 이동전극간의 제작가능한 최소간격,
    ψ는 상기 고정전극과 상기 이동전극의 사이각,
    ri는 상기 감지전극의 회전중심으로부터 상기 고정전극과 상기 이동전극의 최내측까지의 반경,
    r는 상기 감지전극의 회전중심으로부터 상기 접선각(θ)이 산출되는 위치까지의 전극위치반경, 그리고
    φ는 상기 감지전극의 회전중심으로부터 ri방향으로의 직선과 상기 감지전극의 회전중심으로부터 r방향으로의 직선이 이루는 각도인 전극위치각이다.)
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 구동질량체와 상기 매개질량체는 실질적으로 사각틀 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 매개질량체는 상기 구동질량체의 내측공간에 배치되며, 상기 감지질량체는 상기 매개질량체의 내측공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 구동질량체, 상기 매개질량체, 및 상기 감지질량체에는 복수의 식각홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 감지전극의 고정전극, 상기 제1비틀림스프링 및 상기 제1굽힘스프링은 공통의 전극패드로 연결이 되어 전기적으로 접지되는 것을 특징으로 하는 멤스 자이로스코프.
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