KR20030090634A - 튜닝 가속계를 이용한 미세가공된 실리콘 자이로 - Google Patents

튜닝 가속계를 이용한 미세가공된 실리콘 자이로 Download PDF

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Abstract

미세가공된 실리콘 튜닝 가속계 자이로가 미세가공에 의해 실리콘 웨이퍼로부터 형성된다. 드라이버, 포서, 튜닝 및 보호 고리 요소를 포함하는 상부 및 하부 커버가 SOI 웨이퍼 상에 어레이로 미세가공된다. 상부 및 하부간 중심(드라이버 및 감지) 요소는 4인치 직경의 실리콘 웨이퍼의 배열로 미세가공된다. 드라이버 및 감지 구조물은 평행사변형 디더 서스펜션(parallelogram dither suspension)에 의해 매달리는 진동 구조물에 플렉서 조인트에 의해 부착되는 튜닝 진자이다. 이 진자는 진자의 자연 주파수를 진동 구조물의 자연 주파수에 일치시키도록 직류 신호의 크기를 조절함으로서 튜닝된다. 진동 구조물의 디더 서스펜션 플렉서는 독자적으로 규정되며, 쉽게 가공된다. 그러나, 어떤 조화 왜곡없이 진동면 내에서 진동 구조물을 제약하는 디더 서스펜션을 여전히 제공한다.

Description

튜닝 가속계를 이용한 미세가공된 실리콘 자이로{MICROMACHINED SILICON GYRO USING TUNED ACCELEROMETER}
자이로스코프와 가속계는 움직이는 차량의 위치, 방향, 속도를 결정하기 위해 각속도 및 가속도를 감지하는 용도로 잘 알려져 있다.
소형화 및 성능 향상이라는 두가지 목적은 가속계의 실제 구조에서 거의 불가능한 정확성을 요구한다.
본 발명은 관성 기구에 관한 것으로서, 특히, 움직이는 동체의 회전 속도 및 선형 가속을 측정하기 위한 다중-센서로 사용되는 단일 축 진동 가속계에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가속계의 구동 및 감지 요소의 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 가속계에 대한 드라이버, 포서(forcer), 그리고 튜닝 전극을 포함하는 상부 및 하부 커버의 평면도.
도 3은 조립 이전에 본 발명의 튜닝 가속계의 세가지 요소를 도시하는 측면도.
본 발명은 실리콘 웨이퍼로부터 세 부분으로 미세가공되는 튜닝-가속계 자이로를 제공한다. 감지 및 드라이버 요소는 진동 구조물에 플렉서 힌지에 의해 상부에 부착되는 튜닝 실리콘 진자를 포함하고, 진동 구조물 역시 이동면에 대한 진동 구조물의 움직임을 제한하는 네 개의 디더 서스펜션 플렉서(dither suspension flexure)에 의해 프레임에 부착된다. 진자는 진동 움직임의 평면으로부터 힌지에 관해 스윙한다. 네 개의 디더 서스펜션 플렉서는 진자의 상부와 하부에 가깝게, 진자의 양쪽 측부에 쌍으로 위치한다.
본 발명의 실리콘 가속계-자이로는 각속도를 측정하기 위한 수단으로, 회전이 일어나는 진동 가속계에 작용하는 코리올리스(Coriolis) 유도 가속을 감지 및 측정하는 것을 바탕으로 한다. 가속계는 도 1의 구동 및 감지 요소, 도 2에서 드라이버, 포서(forcer), 튜닝 전극을 가진 상부 커버, 그리고 도 3에서 드라이버, 포서(forcer), 그리고 튜닝 전극을 가진 하부 커버의 세가지 요소로 구성된다.
각각의 구동 및 감지 요소(30)는 직경이 4인치 이상이고 두께가 500 미크론 이상인 실리콘 웨이퍼 상의 어레이로 미세가공된다. 구동 및 감지 요소(30)는 네 개의 디더 서스펜션 플렉서(dither suspension flexure)(39, 40, 42, 44)를 포함하는 진동 구동 구조물(32)에 조여지는 진자 플렉서 힌지(pendulum flexure hinge)(41)에 의해 지지되는 튜닝-진자 또는 프루프 매스(tuned pendulum or proof mass)(43)로 구성된다. 구동 및 피크오프 요소(37)는 구조물(32) 상에서 미세가공된다. 튜닝 진자 또는 프루프 매스(43)는 도 4의 종이 평면에 수직인 방향으로 플렉서 힌지(41)에 관하여 휜다. 진자(43)의 둘레는 진동 구동 구조물(32)로부터 잘려나가는 오픈 채널(35) 내에 위치한다.
진동 구동 구조물(32)은 OA 축(23)을 따라 도 4의 종이 면에서 진동하도록 프레임(31) 내에서 지지된다. 진동 구동 구조물은 구조물(32)과 프레임(31) 사이의 절단 공간(33)에 의해 독자적으로 규정되어, 네 개의 디더 서스펜션 플렉서(dither suspension flexure)(39, 40, 42, 44)를 생성한다. 이 플렉서들은 진동 구동 구조물(32)과 진자(43)에 대한 고도의 선형 디더 서스펜션을 제공한다.
폐루프 동작에서, 플렉서 힌지(41)에 관한 간단한 회전에 대한 진자(43)의 자연 주파수는 네 개의 디더 서스펜션 플렉서(39, 40, 42, 44)에 의해 매달리는 전체 진동 구동 구조물(32)과 진자(43)의 자연 주파수보다 1~2% 높도록 설계된다.
진자(43)를 포함하는 진동 구조물(32)은 정전력 및 요소(37)를 이용하여 그 자연 주파수 및 지정 진폭에서 발진하게 된다. 포싱(forcing) 및 픽오프(pick off) 요소의 상세한 설계는 디더 구동(dither drive)용으로 선택된 특정 전자 회로 설계에 따라 좌우된다. 이 종류의 회로 및 설계는 당 분야에 잘 알려져 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
드라이버, 포서(forcer), 그리고 그 위에 장착되는 튜닝 전극을 포함하는 상부 커버 및 하부 커버가 직경 4인치 이상의 SOI(Silicon-on-insulator) 웨이퍼 상에 어레이로 미세가공된다. SOI 웨이퍼는 사이에 끼는 이산화규소 유전층과 함께 융해 결합되는 소자 웨이퍼(device wafer)와 핸들 웨이퍼(handle wafer)로 구성된다.
본 발명의 튜닝-가속계 자이로의 상부(44)를 도시하는 도 2에서는, SOI 웨이퍼의 핸들 웨이퍼 부분이 커버(45)를 형성한다. SOI 웨이퍼의 소자층은 보호 고리(47), 튜닝 및 포싱 전극(tuning and forcing electrodes)(51, 53), 그리고 드라이버 및 픽오프 전극(49)을 형성하도록 미세가공된다. 소자층(47)은 사이에 끼는 이산화규소 유전층(도시되지 않음)에 의해 핸들 웨이퍼나 커버(45)로부터 유전적으로 고립된다. 관통 구멍들은 커버(45)에서 이산화규소 고립층을 통해 미세가공되어, 접점으로부터 커버의 소자층의 전극까지 금속화를 야기한다. 다시 말해서, 튜닝 및 포싱 전극과 드라이버 및 픽오프 전극까지 금속화를 일으킨다. 도 2는 상부 커버뿐 아니라, 본 발명의 가속계 자이로의 구동 및 감지 요소에 대한 하부 커버도 도시한다.
이산화규소 유전층은 구동 및 감지 요소(30)의 프레임(31)의 양쪽에서 열적으로 성장하고 패턴처리된다. 또다른 이산화규소 유전층이 상부 및 하부 커버 드라이버, 포서(forcer), 그리고 튜닝 요소 웨이퍼에 대한 보호 고리(guard ring)(47) 상에서 열적으로 성장되고 패턴처리된다.
이산화규소층들은 상부 및 하부 커버의 보호 고리(guard ring) 상에 하나, 구동 및 감지 요소의 프레임 상에 하나가 위치하여, 진자(43)와 포서 및 튜닝 전극(51, 53) 사이에 간격(gap)을 형성하고, 세 개의 웨이퍼가 결합될 때 구동 및 피크오프 전극(49)과 드라이버 및 픽오프 전극 사이에도 간격을 형성한다.
도 3에 따르면, 상부(44), 구동 및 감지 요소(30), 그리고 하부(55)가 본 발명에 따른 완전한 가속계 자이로를 구성하는 것으로 도시된다. 이 세 요소들은 앞서 설명한 바와 같이, 직접식 웨이퍼 융해 결합을 이용하여 함께 결합된다.
동작시에, 실리콘 튜닝 가속계 자이로는 그 구동 및 서버 전기장치와 일체형으로 구성되며, 이는 폐루프일 수도 있고 개루프일 수도 있다. 폐루프 동작에서, 구동 전기장치는 진동 구조물의 위치를 감지하고 구동 전극에 신호를 공급하여, 정전식으로 진동 구조물이 자연 주파수에서 지정 진폭으로 발진하게 한다. 서버 전기장치는 진자의 위치를 감지하고 포서(forcer), 픽오프, 그리고 튜닝 전극에 신호를 공급하여, 진자 위치를 그 공진 주파수 및 플렉서에서 0으로 한다. 직류 신호가 튜닝 전극에 제공되어, 진자에 음의 정전 탄성력을 도입시킨다. 직류 신호의 크기는 진동 구조물의 자연 주파수와 부합하도록 진자 및 플렉서의 자연 주파수를 감소시키는 데 요구되는 음의 탄성 크기에 의해 결정된다. 서버 전기장치의 출력은 감지되는 코리올리스 가속도의 크기에 비례하는 직류 신호이며, 이는 역시 측정되는 회전 각속도에 비례한다.
지금까지 설명한 실리콘 튜닝 가속계 자이로에 대한 구조는 단일축, 비-평형 폐루프 자이로에 대한 것이다. 두 실리콘 튜닝 가속계 자이로 칩을 선형으로 정렬되는 충돌의 가속계 중심과 조합함으로서, 선형 및 각진동 및 음향 잡음에 대하여 공통 모드 거절이 이루어지며, 균형추의 측정치가 도입된다.
이러한 두 실리콘 튜닝 가속계 자이로가 선형으로 정렬되는 충돌 중심과 조합되는 설정에서, 각도 진동에 대한 감도가 실질적으로 제거된다. 선형 진동의 공통 모드 거절은, 자이로 스케일 요소가 동일하게 되고 각속도 신호의 두배가 될 때, 선형 진동 신호를 소거시키는 두 자이로의 출력을 식별함으로서 이루어진다.
앞서 설명한 실리콘 튜닝 가속계 자이로는 성능 감소를 댓가로 비용을 감소시키면서 개루프로 동작할 수 있다. 개루프 설정에서, 진동 구조물 및 진자의 자연 주파수는 요구되는 대역보다 큰 차이만큼 분리된다. 이 주파수 차이는 감도 및 응용환경에 요구되는 대역폭간의 거래이다.
앞서 설명한 튜닝-가속계 자이로는 동등한 크기의 칩이나 더 작은 칩에 대해 높은 신호-잡음비를 나타내며, 따라서, 동일한 신호 잡음비에 대해 웨이퍼당 더 많은 칩을 얻을 수 있고 저렴한 칩 비용을 얻을 수 있다. 이 장점은 공지 기술 실리콘 자이로에서처럼 각도에 따라 발진하는 감지 요소의 중심에서 디더 속도(dither velocity)를 0으로 감소시키는 것보다 완전한 디더 속도를 상기 전체 감지 요소(진자)가 가진다는 사실에 기인한다. 추가적으로, 신호 대 잡음비는 디더 모션의 높은 진폭으로 인해 잠재적으로 더 높다. 이는 디더 서스펜션 플렉서에서의 낮은 응력때문이다.
실리콘 튜닝-가속계 자이로는 진동 구조물의 디더 드라이브 위치 및 속도의 덜 조화로운 왜곡을 또한 나타낸다. 진동 구조물의 디더 위치 및 속도에 대한 정확한 복조 및 재복조는 어떤 자이로의 성능에 있어서도 중요하다. 조화 왜곡 감소는 공지 기술 실리콘 자이로 디더 장치에 내재된 하드 스프링(hard spring) 제거에 원인이 있다. 이 하드 스프링 특성은 각도 변위와 함께 디더 드라이브 플렉서의 당겨짐(tension)으로부터 생긴다. 실리콘 튜닝 가속계 자이로의 진동 구조물을 지지하는 플렉서는 선형 변위에 의해 당겨지지 않는다.

Claims (18)

  1. 평면 모놀리식 물질로부터 형성되는 감지 요소를 가지는 각운동 및 선형 가속을 감지하기 위한 가속계 자이로로서, 상기 가속계 자이로 감지 요소는,
    - 프레임 부,
    - 상기 프레임 부 내에 배치되는 상부, 하부, 측부를 가지며, 상기 하부에서 두 플렉서에 의해, 그리고 상부에서 두 플렉서에 의해 상기 프레임 부에 연결되는 진동 구조물, 그리고
    - 상기 진동 구조물 내에 배치되어 플렉서 조인트에 의해 상기 진동 구조물에 연결되는 진자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 구조물은 자연 진동 주파수를 가지며, 그리고
    상기 진자 및 그 플렉서는 진동 구조물의 자연 발진 주파수보다 큰 자연 진동 주파수를 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 진자의 자연 발진 주파수가 진동 구조물의 자연 주파수보다 2%까지 높은 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 진동 구조물 및 진자가 500 미크론이상의 두께에서실리콘 웨이퍼로부터 미세가공되는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  5. 제 1 항에 있어서, 진동 구조물의 모든 네 개의 플렉서 각각이 긴 축과 짧은 축을 가지며, 진자 측부와 평행하게 이어지는 각 플렉서의 긴 축과 같은 크기 및 같은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  6. 제 1 항에 있어서, 웨이퍼 사이의 이산화규소 유전층과 함께 융해 결합된 소자 웨이퍼와 핸들 웨이퍼를 가지는 SOI(Silicon-On Insulator) 웨이퍼로부터 만들어지는 프레임 부에 대한 상부 및 하부 커버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 커버는 드라이버, 포싱 및 튜닝 전극, 그리고 소자 웨이퍼에 형성된 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상부, 하부, 프레임이 결합될 때 진자와 상기 포서 및 튜닝 전극간 간격을 규정하기 위해 층의 두께가 선택되도록, 상/하부 커버의 둘레 주위로 프레임의 양측부 상의 이산화규소층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 진동 구조물은 자연 진동 주파수를 가지며, 그리고
    상기 진자 및 그 플렉서는 진동 구조물의 자연 진동 주파수보다 높은 자연 발진 주파수를 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  10. 제 8 항에 있어서, 진자의 자연 발진 주파수는 진동 구조물의 자연 주파수보다 2%까지 높은 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 진동 구조물 및 진자는 500 미크론 이상 두께의 실리콘 웨이퍼로부터 미세가공되는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  12. 제 2 항에 있어서, 진동 구조물의 자연 주파수까지 진자 및 그 플렉서의 자연 주파수를 감소시키도록 지정 진폭의 직류 신호를 공급하기 위한 신호 발생기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  13. 제 12 항에 있어서, 진자의 자연 발진 주파수가 진동 구조물의 자연 진동 주파수보다 2%까지 높은 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  14. 제 13 항에 있어서, 진동 구조물 및 진자가 500 미크론 이상 두께의 실리콘 웨이퍼로부터 미세가공되는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  15. 제 14 항에 있어서, 진동 구조물의 네 개의 플렉서가 각각 긴축과 짧은 축을가지며, 이들은 진자 측부와 평행하게 이어지는 각각의 플렉서의 긴 축과 같은 크기 및 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  16. 제 15 항에 있어서, 웨이퍼 사이의 이산화규소층과 함께 융해결합된 소자 웨이퍼 및 핸들 웨이퍼를 가지는 SOI(Silicon-On Insulator) 웨이퍼로부터 만들어지는 프레임 부에 대한 상부 및 하부 커버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 커버는 드라이버, 포싱 및 튜닝 전극, 그리고 소자 웨이퍼 내에 형성된 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
  18. 제 17 항에 있어서, 상부, 하부, 프레임이 결합될 때 상기 진자와 상기 포서 및 튜닝전극간 간격을 규정하기 위해 상기 층 두께가 선택되도록, 상부 및 하부 커버의 둘레 주위로 프레임 양 측부 상에 이산화규소층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가속계 자이로.
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