KR20060052448A - Rotation sensing apparatus and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR20060052448A
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카이쳉 창
웬 유안 류
롱 데르 첸
차 젠 유
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인더스트리얼 테크놀로지 리서치 인스티튜트
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Abstract

본 발명은 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 개시하고 있다. 회전 감지 장치는 적어도 한 쌍의 진동기와, 감지 전극을 포함한다. 한 쌍의 진동기는 기판 상에 대칭적으로 배치되고, 각각의 진동기는 정전기 진동체, 지지 요소, 및 탄성 요소를 포함한다. 지지 요소는 기판에 연결된다. 탄성 요소는 정전기 진동체와 연결되고, 정전기 진동체가 상기 기판으로부터 소정 높이로 부유되도록 지지 요소에 견고하게 연결된다. 상기 기판 상에 배치되는 감지 전극은 적어도 한 쌍의 진동기에 대응한다. 진동기는 정전기력에 의해 수평으로 진동할 수 있고, 회전이 발생하는 경우 코리올리력에 의해 기판에 수직하게 동요할 것이다. 회전은 정전기 진동체와 감지 전극 사이의 커패시턴스의 변화를 검출함으로써 측정될 수 있다. 한편, 회전 감지 장치를 제조하는 방법은 제조시 다중 광학 마스크로 인한 오정렬에 의해 야기된 비대칭적인 구조를 피할 수 있도록, 진동 구조체를 제조하기 위한 광학 마스크를 채택한다.The present invention discloses a rotation sensing device and a method of manufacturing the same. The rotation sensing device includes at least one pair of vibrators and a sensing electrode. The pair of vibrators are disposed symmetrically on the substrate, each vibrator comprising an electrostatic vibrator, a support element, and an elastic element. The support element is connected to the substrate. The elastic element is connected with the electrostatic vibrator and is firmly connected to the support element such that the electrostatic vibrator floats from the substrate to a predetermined height. The sensing electrodes disposed on the substrate correspond to at least one pair of vibrators. The vibrator may vibrate horizontally by electrostatic force, and if rotation occurs, will vibrate perpendicularly to the substrate by Coriolis force. Rotation can be measured by detecting a change in capacitance between the electrostatic vibrator and the sensing electrode. On the other hand, the method of manufacturing the rotation sensing device adopts an optical mask for manufacturing the vibration structure, so as to avoid the asymmetrical structure caused by the misalignment caused by the multiple optical masks in the manufacturing.

회전 감지 장치, 진동기, 감지 전극, 기판, 정전기 진동체, 지지 요소, 탄성 요소, 광학 마스크 Rotary sensing device, vibrator, sensing electrode, substrate, electrostatic vibrator, support element, elastic element, optical mask

Description

회전 감지 장치 및 그 제조 방법{ROTATION SENSING APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}ROTATION SENSING APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도1은 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 바람직한 실시예를 도시한 개략도.1 is a schematic view showing a preferred embodiment of a rotation sensing device according to the present invention.

도2는 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 바람직한 실시예의 진동기의 구조도.2 is a structural diagram of a vibrator of a preferred embodiment of a rotation sensing device according to the present invention.

도3a 내지 도3h는 전기 전도성 판이 없는 회전 감지 장치를 제조하기 위한 방법의 양호한 실시예를 도시하는 흐름도.3A-3H are flow diagrams illustrating a preferred embodiment of a method for manufacturing a rotation sensing device without an electrically conductive plate.

도4a 내지 도4i는 본 발명의 회전 감지 장치를 제조하기 위한 방법의 양호한 실시예를 도시하는 흐름도.4A-4I are flowcharts showing a preferred embodiment of a method for manufacturing the rotation sensing device of the present invention.

도5a는 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 양호한 실시예의 작동을 도시하는 개략도.Fig. 5A is a schematic diagram showing the operation of the preferred embodiment of the rotation sensing device according to the present invention.

도5b는 x축을 중심으로 회전하는 동안, 양호한 실시예에 따른 한 쌍의 제1 진동기의 코리올리력 분포 선도.5B is a Coriolis force distribution diagram of a pair of first vibrators in accordance with a preferred embodiment while rotating about the x-axis.

도6은 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 다른 양호한 실시예를 도시하는 개략도.Figure 6 is a schematic diagram showing another preferred embodiment of the rotation sensing device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

2 : 회전 감지 장치2: rotation detection device

20 : 기판20: substrate

21a, 21b : 제1 진동기21a, 21b: first vibrator

22a, 22b : 제2 진동기22a, 22b: second vibrator

23 : 감지 전극23: sensing electrode

211 : 정전기 진동체211: electrostatic vibrating body

212 : 지지 요소212 support element

213 : 탄성 요소213: Elastic Element

[문헌 1] 미국 특허 제4,381,672호 공보[Document 1] US Patent No. 4,381,672

[문헌 2] 미국 특허 제5,445,025호 공보[Document 2] United States Patent No. 5,445,025

[문헌 3] 미국 특허 제6,201,341호 공보[Document 3] United States Patent No. 6,201,341

본 발명은 회전 감지 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 단지 하나의 광학 마스크 스탭만이 제조될 필요가 있는 대칭적인 진동 구조체를 갖는 회전 감지 장치에 관한 것이다. 안정된 질량 중심을 갖는 회전 감지 장치는 구동 진동을 발생시키도록 구동된다. 코리올리력의 원리에 따라, 회전 감지 장치는 회전이 측정될 수 있는 경우, 회전축 및 구동 진동의 축에 수직하게 진동을 발생시킬 수 있다.The present invention relates to a rotation sensing device and a method of manufacturing the same. In particular, it relates to a rotation sensing device having a symmetrical vibration structure in which only one optical mask staff needs to be manufactured. The rotation sensing device having a stable center of mass is driven to generate driving vibrations. According to the principle of Coriolis force, the rotation sensing device can generate vibration perpendicular to the axis of rotation and the drive vibration when the rotation can be measured.

자이로스코프는 관성 감지 요소로, 주로 관성 법칙에 의해 회전 각속도를 측정한다. 전형적인 자이로스코프는 각 모멘텀 보존 법칙을 이용하고, 군사, 항공 및 항해 분야의 내비게이션에 적용된다. 그러나, 전형적인 자이로스코프는 구조가 복잡하고, 빨리 마모되고 파열되어, 수명이 짧고, 고가이며, 무겁다.The gyroscope is an inertial sensing element that measures the rotational angular velocity mainly by the law of inertia. A typical gyroscope uses the laws of conservation of momentum and is applied to navigation in the military, aviation and navigation fields. However, typical gyroscopes are complex in structure, quickly worn and ruptured, short in life, expensive and heavy.

소비 산업의 발달에 의해, 가볍고 저렴하며 수명이 긴 자이로스코프에 대한 요구가 관성 내비게이션, 자동차, 로봇, 의학 공학, 소비 전자 기기 및 전자 엔터테인먼트 분야에서 증가되고 있다. 최근 반도체 기술의 진보로 인해, 반도체 기술, 기계 및 전자 기술과 결합한 마이크로전자기계시스템(MEMS) 프로세스 기술이 더욱 더 발전되고 있다. 따라서, MEMS 기술에 의해, 가볍고 저렴한 마이크로 자이로스코프를 제조할 수 있다.With the development of the consumer industry, the demand for light, low cost and long life gyroscopes is increasing in the fields of inertial navigation, automotive, robotics, medical engineering, consumer electronics and electronic entertainment. Due to recent advances in semiconductor technology, microelectromechanical system (MEMS) process technology combined with semiconductor technology, mechanical and electronic technology has been further developed. Thus, by MEMS technology, a light and inexpensive micro gyroscope can be manufactured.

자이로스코프 센서에서는, 회전을 감지하기 위한 진동 센서가 주류로서, 수많은 종래 기술에서 개시되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제4,381,672호에 개시되어 있는 기술은 단일 캔틸레버 비임 구조체를 사용하여, 회전을 감지한다. 그러나, 캔틸레버 구조체의 질량 중심이 캔틸레버 비임의 진동으로 인해 연속적으로 변화하고, 노이즈가 발생하여 측정 결과를 교란시킨다. 이에 따라, 미국 특허 제5,445,025호 및 제6,201,341호는 질량 중심이 변하는 단점을 극복하기 위해 대칭적인 진동 구조체를 이용하고 있다. 그러나, 상기 언급된 두 개의 특허에 개시된 구조체는, 비대칭적인 구조로 인해 질량 중심이 변하는 문제점을 해결할 수 있더라도, MEMS 프로세스 기술에 의해 소형화가 어렵다.In gyroscope sensors, vibration sensors for sensing rotation are the mainstream, and have been disclosed in a number of prior arts. For example, the technique disclosed in US Pat. No. 4,381,672 uses a single cantilever beam structure to sense rotation. However, the center of mass of the cantilever structure changes continuously due to the vibration of the cantilever beam, and noise occurs to disturb the measurement result. Accordingly, US Pat. Nos. 5,445,025 and 6,201,341 use symmetrical vibration structures to overcome the disadvantage of changing the center of mass. However, the structure disclosed in the above-mentioned two patents is difficult to miniaturize by the MEMS process technology, although the problem of changing the center of mass due to the asymmetrical structure can be solved.

상기 언급된 문제점의 관점에서, 향상된 회전 감지 장치 및 그 제조 방법이 종래 기술의 결점을 해결하기 위해 요구되고 있다.In view of the above-mentioned problems, an improved rotation sensing device and its manufacturing method are required to solve the drawbacks of the prior art.

본 발명의 주 목적은, 안정된 질량 중심을 가지며 구동 진동을 발생시키도록 구동되는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 코리올리력의 원리에 따라, 회전이 발생하는 경우 회전을 측정하기 위해, 회전 감지 장치는 회전축 및 구동 진동의 축에 수직하게 진동을 발생시킨다.It is a main object of the present invention to provide a rotation sensing device and a method of manufacturing the same, which have a stable center of mass and are driven to generate driving vibrations. According to the principle of Coriolis force, in order to measure rotation when rotation occurs, the rotation sensing device generates vibration perpendicular to the axis of rotation and the drive vibration.

본 발명의 부 목적은 MEMS 프로세스 기술에 의해 제조 가능한, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 요소의 전력 소비를 감소시키고 정전기 구동 전압을 감소시키기 위해 공명 효과를 발생시키도록 대칭적인 구조 결합체를 이용한다.It is a second object of the present invention to provide a rotation sensing device and a method of manufacturing the same, which can be manufactured by MEMS process technology. The present invention utilizes a symmetrical structural combination to generate a resonance effect to reduce the power consumption of the element and to reduce the electrostatic drive voltage.

본 발명의 또 다른 목적은, 노이즈 교란을 감소시키기 위해, 장치 구동시 장치의 질량 중심이 변하지 않는 구조 설계가 이용되는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a rotation sensing device and a method of manufacturing the same, in which a structural design in which the center of mass of the device does not change when the device is driven is used to reduce noise disturbance.

본 발명의 추가의 목적은, 대칭적인 감지 구조체를 제조하기 위한 광학 마스크를 통해, 안정된 프로세스, 저비용 및 정밀한 구조의 목적이 달성될 수 있는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a rotation sensing device and a method for manufacturing the same, through which an object of a stable process, low cost and precise structure can be achieved, through an optical mask for manufacturing a symmetric sensing structure.

상기 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 기판 상에 대칭적으로 배치되는 한 쌍의 제1 진동기와, 기판 상에 배치되고 한 쌍의 제1 전극에 대응하는 감지 전극을 포함하는 회전 감지 장치를 제공한다. 진동기는 정전기 진동체, 지지 요소, 및 탄 성 요소를 추가로 포함하고, 지지 요소는 기판에 연결되고, 탄성 요소는 정전기 진동체와 연결되고 정전기 진동체가 기판으로부터 소정 높이로 부유하는 상태로 만들도록 지지 요소에 견고하게 연결된다.In order to achieve the above objects, the present invention provides a rotation sensing device comprising a pair of first vibrators disposed symmetrically on a substrate, and a sensing electrode disposed on the substrate and corresponding to the pair of first electrodes. do. The vibrator further includes an electrostatic vibrator, a support element, and an elastic element, the support element is connected to the substrate, the elastic element is connected with the electrostatic vibrator, and causes the electrostatic vibrator to float to a predetermined height from the substrate. It is firmly connected to the support element.

바람직하게는, 정전기 진동체는 정전기 진동체의 관성을 증가시키도록 정전기 진동체 상에 서로 분리되어 배치되는 복수의 질량체를 추가로 포함한다. Preferably, the electrostatic vibrator further includes a plurality of masses disposed separately from each other on the electrostatic vibrator to increase the inertia of the electrostatic vibrator.

바람직하게는, 회전 감지 장치는 기판과 감지 전극 사이에 배치되고 정전기 진동체와 연결되는 전기 전도성 판을 추가로 포함한다.Preferably, the rotation sensing device further comprises an electrically conductive plate disposed between the substrate and the sensing electrode and connected with the electrostatic vibrating body.

바람직하게는, 한 쌍의 제1 진동체의 정전기 진동체는 서로 연결된다.Preferably, the electrostatic vibrating bodies of the pair of first vibrating bodies are connected to each other.

바람직하게는, 회전 감지 장치는 기판 상에 한 쌍의 제1 진동기에 직교하여 배치되는 한 쌍의 제2 진동기를 추가로 포함하고, 제1 및 제2 진동기 쌍은 감지 전극에 대응한다. 제1 및 제2 진동기 쌍의 정전기 본체는 각각 서로 전기적으로 연결된다. 한 쌍의 제1 진동기의 적어도 일 측부와, 한 쌍의 제2 진동기의 그 인접한 측부는 상호 교축되는 빗형 전극 구조를 갖는다.Preferably, the rotation sensing device further comprises a pair of second vibrators disposed orthogonally to the pair of first vibrators, the first and second vibrator pairs corresponding to the sensing electrodes. The electrostatic bodies of the first and second vibrator pairs are each electrically connected to each other. At least one side of the pair of first vibrators and its adjacent side of the pair of second vibrators have a comb-like electrode structure that is reciprocated with each other.

상기 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은, 기판 상에 제1 전도층을 형성하는 단계와, 제1 전도층 상에 절연층을 형성하는 단계와, 홈을 형성하도록 절연층의 일부를 제거하는 단계와, 절연층 상에 희생층을 형성하고, 홈을 채우는 단계와, 접촉 구멍을 형성하도록 홈에 채워진 희생층을 제거하는 단계와, 희생층 상에 제2 전도층을 형성하고, 접촉 구멍을 채우는 단계와, 적어도 한 쌍의 정전기 진동 구조체를 형성하도록 제2 전도층의 일부를 에칭하는 단계와, 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 회전 감지 장치 제조 방법을 추가로 제공한다.To achieve the above objects, the present invention provides a method of forming a first conductive layer on a substrate, forming an insulating layer on the first conductive layer, and removing a portion of the insulating layer to form a groove. Forming a sacrificial layer on the insulating layer, filling the groove, removing the sacrificial layer filled in the groove to form the contact hole, forming a second conductive layer on the sacrificial layer, and filling the contact hole. A method of manufacturing a rotation sensing device further comprising the steps of: etching a portion of the second conductive layer to form at least a pair of electrostatic vibrating structures, and removing the sacrificial layer.

바람직하게는, 본 방법은 한 쌍의 정전기 진동 구조체 상에 적어도 관성 어레이 층을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.Preferably, the method further comprises forming at least an inertial array layer on the pair of electrostatic vibrating structures.

바람직하게는, 본 방법은 기판과 제1 전도층 사이에 배치되고, 정전기 진동 구조체와 연결되는 제3 전도층을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.Preferably, the method further comprises forming a third conductive layer disposed between the substrate and the first conductive layer and in communication with the electrostatic vibrating structure.

본 발명의 다른 태양 및 이점들은, 본 발명의 원리를 예시적으로 도시하는, 첨부 도면과 연관하여 취해진, 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrating by way of example the principles of the invention.

도1은 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 양호한 실시예를 도시하는 개략도이다. 회전 감지 장치(2)는 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b), 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b), 및 감지 전극(23)을 포함한다. 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)의 구조는 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b) 중 하나의 구조와 동일하다. 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b) 및 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)는 기판 상에 대칭적으로 배치되고, 적절한 고도로 기판으로부터 이격되어 있다(도시되지 않음). 한 쌍의 제1 진동기 (21a, 21b)는 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)에 직교한다.1 is a schematic diagram showing a preferred embodiment of a rotation sensing device according to the present invention. The rotation sensing device 2 includes a pair of first vibrators 21a and 21b, a pair of second vibrators 22a and 22b, and a sensing electrode 23. The structure of the pair of first vibrators 21a and 21b is the same as that of one of the pair of second vibrators 22a and 22b. The pair of first vibrators 21a and 21b and the pair of second vibrators 22a and 22b are disposed symmetrically on the substrate and spaced apart from the substrate at an appropriate height (not shown). The pair of first vibrators 21a and 21b are orthogonal to the pair of second vibrators 22a and 22b.

본 발명에 따른 회전 감지 장치의 양호한 실시예의 진동기의 구조도인 도2를 참조하기로 하자. 이하에서, 진동기(21a)는 상세한 구조를 설명하기 위한 예로서 취해진다. 진동기(21a)는 정전기 진동체(211), 지지 요소(212), 및 탄성 요소(213)를 포함한다. 정전기 진동체(211)는 전기 전도성 재료이다. 지지 요소(212)는 정전기 진동체(211)의 질량 중심 위치에 배치되고, 기판(20)에 연결된다. 탄성 요소(213)는 정전기 진동체(211)와 연결되고, 정전기 진동체(211)가 기판(20)으로부터 소정 높이로 부유하는 상태로 만들도록 지지 요소(212)에 견고하게 연결된다. 탄성 요소(213)의 목적은 정전기 진동체(211)가 제1 방향(6)을 따라 전후로 진동할 수 있게 만들고, 진동기(21a)가 기동되는 동안 정전기 진동체(211)가 제2 방향(9)을 따라 진동하는 것을 방지하는 것이다.Reference is made to Figure 2, which is a structural diagram of a vibrator of a preferred embodiment of a rotation sensing device according to the present invention. In the following, the vibrator 21a is taken as an example for explaining the detailed structure. The vibrator 21a includes an electrostatic vibrator 211, a support element 212, and an elastic element 213. The electrostatic vibrator 211 is an electrically conductive material. The support element 212 is disposed at the center of mass of the electrostatic vibrator 211 and is connected to the substrate 20. The elastic element 213 is connected to the electrostatic vibrator 211, and is firmly connected to the support element 212 to cause the electrostatic vibrator 211 to float to a predetermined height from the substrate 20. The purpose of the elastic element 213 is to allow the electrostatic vibrator 211 to vibrate back and forth along the first direction 6, and the electrostatic vibrator 211 moves in the second direction 9 while the vibrator 21a is activated. ) To prevent it from vibrating.

진동 방향을 제한하고 정전기 진동체(211)의 충분한 부유 강도를 제공하는 것을 고려하기 위해, 이 실시예에서는, 탄성 요소(213)가 연결 바아(2130) 및 4개의 로드(2131 내지 2134)를 갖도록 설계되는데, 이에 제한되지는 않는다. 4개의 로드(2131 내지 2134)의 단부의 동일측은 연결 바아(2130)에 연결되고, 외측의 2개의 로드(2131, 2132)는 정전기 진동체(211)에 견고하게 연결되고, 외측의 2개의 로드(2131, 2132) 사이의 2개의 로드(2133, 2134)는 지지 요소(212)에 견고하게 연결된다. 4개의 로드(2131 내지 2134)의 높은 종횡비로 인해, 정전기 탄성체(211)가 제1 방향(6)을 따라 진동하도록 제어하고 더 큰 부유 강도를 제공하는 것이 효과적이고 용이하게 될 것이다. 이 실시예에서, 정전기 진동체(211)는 탄성 요소(213)와 지지 요소(212)의 연결 위치를 통과하는 대칭적인 중심선을 갖는다.In order to limit the direction of vibration and to provide sufficient floating strength of the electrostatic vibrating body 211, in this embodiment, the elastic element 213 has a connecting bar 2130 and four rods 2131 to 2134. It is designed, but not limited to. The same side of the end of the four rods 2131 to 2134 is connected to the connection bar 2130, the two outer rods 2131 and 2132 are firmly connected to the electrostatic vibrating body 211, the two outer rods Two rods 2133 and 2134 between 2131 and 2132 are firmly connected to the support element 212. Due to the high aspect ratio of the four rods 2131-2134, it will be effective and easy to control the electrostatic elastomer 211 to vibrate along the first direction 6 and to provide greater floating strength. In this embodiment, the electrostatic vibrator 211 has a symmetrical centerline through the connecting position of the elastic element 213 and the support element 212.

정전기 진동체(211)는 정전기 진동체(211)의 관성을 증가시키도록 정전기 진동체(211) 상에 서로 분리되어 배치되는 복수의 질량체(214)를 추가로 포함한다. 질량체(214)는 도체 재료 또는 반도체 재료로 제조된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 금(Au)은 복수의 질량체(214)의 재료로서 사용된다. 피드백 빗형 드라이브(215)는 정전기 진동체(211)의 일측 상에 배치된다.The electrostatic vibrator 211 further includes a plurality of masses 214 disposed separately from each other on the electrostatic vibrator 211 to increase the inertia of the electrostatic vibrator 211. The mass 214 is made of a conductor material or a semiconductor material. In a preferred embodiment of the present invention, gold (Au) is used as the material of the plurality of masses 214. The feedback comb drive 215 is disposed on one side of the electrostatic vibrating body 211.

다시 도1을 참조하면, 진동 효과를 증가시키도록 정전기력을 향상시키기 위해, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)의 적어도 일 측부와, 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)의 그 인접한 측부는 상호 교축되는 빗형 전극 구조체(26)를 갖는다. 감지 전극(23)은 기판(20) 상에 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)와 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)에 대응하는 위치에 배치된다. 정전기 진동체(211, 211', 221, 221')가 진동하는 동안 폐쇄 루프 제어에 이용되는 피드백 전극부(24)는, 빗형 전극 구조체(241)를 포함하고, 여기서 빗형 전극 구조체(241)는 피드백 빗형 드라이브(215, 215', 225, 225')와 상호 교축된다.Referring again to FIG. 1, at least one side of the pair of first vibrators 21a and 21b and its adjacent pair of second vibrators 22a and 22b, in order to enhance the electrostatic force to increase the vibration effect. The side has a comb-like electrode structure 26 interchanged with each other. The sensing electrodes 23 are disposed on the substrate 20 at positions corresponding to the pair of first vibrators 21a and 21b and the pair of second vibrators 22a and 22b. The feedback electrode portion 24 used for the closed loop control while the electrostatic vibrators 211, 211 ′, 221, and 221 ′ vibrate includes a comb electrode structure 241, where the comb electrode structure 241 is It interlocks with feedback comb drives 215, 215 ', 225, 225'.

한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)와, 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)가 기동된 후에, 회전 감지 장치(2)는, 기판(20)에 수직한 방향으로, 진동으로 인한 코리올리력 보다는 진동기(21a, 21b, 22a, 22b)와 기판(20) 사이의 기생 효과에 의해 야기되는 진동을 발생시킬 것이고, 여기서 기생 효과는 리드와 기판(20) 사이의 의사 변화에 의해 유도된다. 감지 결과가 기생 효과에 의해 영향을 받는 것을 방지하기 위해, 기판(20)으로부터 정전기 진동체(211, 211', 221, 221')를 절연시키도록, 정전기 진동체(211, 211', 221, 221')에 연결되는 전기 전도성 판이 기판(20)과 감지 전극(23) 사이에 배치된다. 도2에서는, 정전기 진동체(211)와 전기 전도성 판(25) 사이의 관계를 설명하기 위한 예로서 진동기(21a)를 취하는데, 한편 전기 전도성 판(25)의 도시된 영역은 설명을 위한 개략적인 예일 뿐, 도2에 도시된 전기 전도성 판의 형태에 제한되지는 않을 것이다.After the pair of first vibrators 21a and 21b and the pair of second vibrators 22a and 22b are activated, the rotation sensing device 2 is caused by vibration in a direction perpendicular to the substrate 20. Rather than the Coriolis force, it will generate vibrations caused by parasitic effects between the vibrators 21a, 21b, 22a, 22b and the substrate 20, where the parasitic effects are induced by the pseudo change between the lead and the substrate 20. . In order to prevent the sensing result from being affected by the parasitic effect, the electrostatic vibrators 211, 211 ′, 221, An electrically conductive plate connected to 221 ′ is disposed between the substrate 20 and the sensing electrode 23. In Fig. 2, the vibrator 21a is taken as an example for explaining the relationship between the electrostatic vibrator 211 and the electrically conductive plate 25, while the illustrated region of the electrically conductive plate 25 is a schematic for explanation. This is just an example, and will not be limited to the form of the electrically conductive plate shown in FIG.

이하, 회전 감지 장치 제조 방법이, 전기 전도성 판이 없는 회전 감지 장치를 제조하기 위한 방법의 양호한 실시예를 도시하는 흐름도인, 도3a 내지 도3h에 도시될 것이다. 먼저, 제1 전도층(312)이 기판(311) 상에 형성되고, 이는 도3a에 도시된다. 다음에, 절연층(321)이 제1 전도층(312) 상에 부착되고, 절연층(321)의 일부는 홈(331)을 형성하도록 제거되고, 이는 도3b에 도시된다. 이어서, 절연층(321) 상에 희생층(341)을 형성하고, 홈(331)을 채우는 단계가 도3c에 도시된다. 그 후, 도3d에 도시된 바와 같이, 홈(331)에 채워진 희생층(341)은 접촉 구멍(351)을 형성하도록 제거된다.The method of manufacturing a rotation sensing device will now be shown in FIGS. 3A-3H, which are flowcharts showing a preferred embodiment of a method for manufacturing a rotation sensing device without an electrically conductive plate. First, a first conductive layer 312 is formed on the substrate 311, which is shown in FIG. 3A. Next, an insulating layer 321 is attached on the first conductive layer 312, and a portion of the insulating layer 321 is removed to form the groove 331, which is shown in FIG. 3B. Subsequently, forming a sacrificial layer 341 on the insulating layer 321 and filling the groove 331 is shown in FIG. 3C. Thereafter, as shown in FIG. 3D, the sacrificial layer 341 filled in the groove 331 is removed to form the contact hole 351.

그 뒤, 희생층(341) 상에 제1 전도층(361)을 형성하고 접촉 구멍(351)을 채우는 단계가 도3e에 도시된다. 이어서, 도3f를 참조하면, 적어도 한 쌍의 정전기 진동 구조체(371)를 형성하도록, 제2 전도층(361)의 일부를 에칭하는 단계가 도시된다. 그 후, 한 쌍의 정전기 진동 구조체(371) 상에 적어도 관성 어레이 층(381)을 형성하는 단계가 도3g에 도시된다. 최종적으로, 도3h는 회전 감지 장치를 형성하도록 희생층(341)을 제거하는 단계를 도시한다.Thereafter, forming the first conductive layer 361 on the sacrificial layer 341 and filling the contact hole 351 is shown in FIG. 3E. Referring next to FIG. 3F, etching a portion of the second conductive layer 361 is shown to form at least a pair of electrostatic vibrating structures 371. Thereafter, forming at least an inertial array layer 381 on the pair of electrostatic vibrating structures 371 is shown in FIG. 3G. Finally, FIG. 3H illustrates removing the sacrificial layer 341 to form a rotation sensing device.

이하, 전기 전도성 판을 포함하는 회전 감지 장치의 다른 제조 흐름이 도4a 내지 도4i에 도시된다. 먼저, 제3 전도층(41)이 기판(40) 상에 형성되고, 절연층(42)이 제3 전도층(41) 상에 부착되고, 이는 도4a에 도시된다. 이어서, 제1 전도층(43)이 절연층(42) 상에 형성되고, 이는 도4b에 도시된다. 다음에, 절연층(44)이 제1 전도층(43) 상에 부착되고, 절연층(44)의 일부는 홈(441)을 형성하도록 제거되고, 이는 도4c에 도시된다. 그 후, 절연층(44) 상에 희생층(45)을 형성하고, 홈(441)을 채우는 단계가 도4d에 도시된다. 그 후, 도4e에 도시된 바와 같이, 홈(441)에 채워진 희생층(45)이 제3 전도층(41)의 일부를 노출시키고 접촉 구멍(451)을 형성하도록 제거된다.Hereinafter, another manufacturing flow of the rotation sensing device including the electrically conductive plate is shown in Figs. 4A to 4I. First, a third conductive layer 41 is formed on the substrate 40, and an insulating layer 42 is attached on the third conductive layer 41, which is shown in Fig. 4A. A first conductive layer 43 is then formed on the insulating layer 42, which is shown in FIG. 4B. Next, an insulating layer 44 is attached on the first conductive layer 43, and a portion of the insulating layer 44 is removed to form the grooves 441, which is shown in FIG. 4C. Thereafter, forming the sacrificial layer 45 on the insulating layer 44 and filling the groove 441 is shown in FIG. 4D. Thereafter, as shown in FIG. 4E, the sacrificial layer 45 filled in the groove 441 is removed to expose a portion of the third conductive layer 41 and form the contact hole 451.

이어서, 도4f는 희생층(45) 상에 제2 전도층(46)을 형성하고, 제2 전도층(46)이 제3 전도층(41)과 접촉하게 만들도록 접촉 구멍(451)을 채우는 단계를 도시한다. 그 뒤, 도4g를 참조하면, 적어도 한 쌍의 정전기 진동 구조체(48)를 형성하도록 제2 전도층(46)의 일부를 에칭하는 단계가 도시된다. 그 후, 한 쌍의 정전기 진동 구조체(48) 상에 적어도 관성 어레이 층(47)을 형성하는 단계가 도4h에 도시된다. 최종적으로, 도4i는 회전 감지 장치를 형성하도록 희생층(46)을 제거하는 단계를 도시한다.4F then forms a second conductive layer 46 on the sacrificial layer 45 and fills the contact hole 451 to bring the second conductive layer 46 into contact with the third conductive layer 41. Shows the steps. 4G, a step of etching a portion of the second conductive layer 46 to form at least a pair of electrostatic vibrating structures 48 is shown. Thereafter, forming at least an inertial array layer 47 on the pair of electrostatic vibrating structures 48 is shown in FIG. 4H. Finally, FIG. 4I illustrates removing the sacrificial layer 46 to form a rotation sensing device.

도3a 내지 도3h 및 도4a 내지 도4i의 실시예에서, SiO2는 희생층(341, 45)의 재료로 사용되고, Si3N4는 절연층(321, 42, 44)의 재료로 사용된다. 관성 어레이 층(381, 47)은 도체 재료 또는 반도체 재료로 제조되고, 본 실시예에서는, 금(Au)으로 된 도체 재료가 선택된다.3A-3H and 4A-4I, SiO 2 is used as the material of the sacrificial layers 341 and 45, and Si 3 N 4 is used as the material of the insulating layers 321, 42 and 44. . The inertial array layers 381 and 47 are made of a conductor material or a semiconductor material, and in this embodiment, a conductor material of gold (Au) is selected.

본 발명의 구조 및 제조 방법을 이해한 후, 본 발명의 상세한 작동이 설명될 것이다. 도5a는 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 양호한 실시예의 작동을 도시하는 개략도이다. 회전 감지 장치(2)는, 본 실시예에서 x축의 Ωx 및 y축의 Ωy인 2개의 축을 중심으로 회전을 측정할 있다. 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)가 양전하를 갖고, 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)가 음전하를 갖는 경우, 진동기(21a, 22a) 사이 및 진동기(21b, 22b) 사이에 발생되는 정전기적 인력이 존재할 것이다. 이에 반해서, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)가 음전하를 갖고, 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)가 양전하를 갖는 경우, 진동기(21a, 22a) 사이 및 진동기(21b, 22b) 사이에 발생되는 정전기적 척력이 존재할 것이다.After understanding the structure and manufacturing method of the present invention, the detailed operation of the present invention will be described. Fig. 5A is a schematic diagram showing the operation of the preferred embodiment of the rotation sensing device according to the present invention. The rotation sensing device 2 can measure rotation about two axes, which is Ω x on the x axis and Ω y on the y axis in this embodiment. When the pair of first vibrators 21a and 21b have positive charges and the pair of second vibrators 22a and 22b have negative charges, they occur between the vibrators 21a and 22a and between the vibrators 21b and 22b. There will be electrostatic attraction. In contrast, when the pair of first vibrators 21a and 21b have negative charges and the pair of second vibrators 22a and 22b have positive charges, between the vibrators 21a and 22a and between the vibrators 21b and 22b. There will be an electrostatic repulsion occurring between them.

진동을 만드는 상기 언급된 원리에 의해, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)와 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b) 사이에 정전기적 인력과 척력이 발생될 수 있도록, 구동 회로(27)가 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)에 AC 전기장을 제공하고, 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)에 DC 전기장을 제공하기 위해 채택된다. 정전기적 인력과 척력은 X축과 Y축 성분으로 나눠질 수 있다. 탄성 요소(213)의 높은 종횡비 구조로 인해, 정전기 진동체(211, 211', 221, 221')는 기판에 평행한 방향을 따라 진동하도록 제한된다(도시되지 않음). 우수한 공명 효과를 생성하도록 진동 주파수를 제어하기 위해, 본 발명은 피드백 전극부(24)와 연결하는 폐쇄 루프 제어 회로(8)를 이용한다. 따라서, 제어는, 정전기 진동체(211, 211')의 피드백 전극부(24)에 의해 감지되는, 진동 모드로 폐쇄 루프 제어 회로(8)를 피드백함으로써 달성된다. 진동기의 구조가 서로 동일하기 때문에, 진동기의 구조는 정전기력을 구동시킬 전력을 감소시키는 공명 효과를 발생시키도록 동일한 진동 모드를 갖는다. 게다가, 정전기 진동체의 질량 중심은, 복조 프로세스를 보다 더 안정하게 만들기 위해 노이즈 교란이 감소될 수 있도록, 진동시 변하지 않을 것이다.By the above-mentioned principle of generating vibration, the drive circuit 27 so that electrostatic attraction and repulsive force can be generated between the pair of first vibrators 21a and 21b and the pair of second vibrators 22a and 22b. ) Is employed to provide an AC electric field to the pair of first vibrators 21a, 21b and a DC electric field to the pair of second vibrators 22a, 22b. Electrostatic attraction and repulsive force can be divided into X- and Y-axis components. Due to the high aspect ratio structure of the elastic element 213, the electrostatic vibrating bodies 211, 211 ', 221, 221' are limited to vibrate in a direction parallel to the substrate (not shown). In order to control the oscillation frequency to produce a good resonance effect, the present invention utilizes a closed loop control circuit 8 in connection with the feedback electrode portion 24. Therefore, control is achieved by feeding back the closed loop control circuit 8 in the vibration mode, which is sensed by the feedback electrode portion 24 of the electrostatic vibrators 211, 211 ′. Since the structures of the vibrators are identical to each other, the structures of the vibrators have the same vibration mode to generate a resonance effect that reduces the power to drive the electrostatic force. In addition, the center of mass of the electrostatic vibrator will not change during vibration so that noise disturbances can be reduced to make the demodulation process more stable.

속도 V는 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)와 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b) 사이의 정전기력으로 인한 진동에 의해 제공되고, 코리올리력은 감지 장치가 측정될 회전의 각속도 Ω에 의해 영향을 받는 경우 발생할 것이고, 여기서 코리올리력

Figure 112005063400732-PAT00001
이다. 도5b를 참조하면, x축의 회전이 발생하는 동안, 본 발명 의 회전 감지 장치의 한 쌍의 제1 진동기에 영향을 미치는 코리올리력을 도시하는 측면도이다. 진동이, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)와 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b) 사이의 정전기력에 의해 구동되는 조건에서, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)는, 회전 감지 장치가 x축의 회전의 각속도에 의해 영향을 받는 경우, 코리올리력에 의해 기판에 수직으로 요동될 것이다. 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)의 요동이 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)에서 감지 전극(23)으로의 수직 거리를 변화시켜, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)와 감지 전극(23) 사이의 커패시턴스가 변화될 것이다. 커패시턴스 변화량 ΔC1 및 ΔC2가 감지 전극(26)에 의해 검출될 수 있고, 회전의 크기가 전기 신호를 통해 반영될 것이다.The speed V is provided by vibration due to electrostatic force between the pair of first vibrators 21a and 21b and the pair of second vibrators 22a and 22b, and the Coriolis force is applied to the angular velocity Ω of the rotation at which the sensing device is to be measured. Will occur if affected by Coriolis
Figure 112005063400732-PAT00001
to be. 5B is a side view showing the Coriolis force affecting the pair of first vibrators of the rotation sensing device of the present invention while the rotation of the x-axis occurs. The pair of first vibrators 21a and 21b rotates under the condition that the vibration is driven by an electrostatic force between the pair of first vibrators 21a and 21b and the pair of second vibrators 22a and 22b. If the sensing device is affected by the angular velocity of rotation of the x-axis, it will oscillate perpendicular to the substrate by the Coriolis force. The fluctuations of the pair of first vibrators 21a and 21b change the vertical distance from the pair of first vibrators 21a and 21b to the sensing electrode 23, so that the pair of first vibrators 21a and 21b. And the capacitance between the sensing electrode 23 will change. The capacitance change amounts ΔC1 and ΔC2 can be detected by the sensing electrode 26, and the magnitude of the rotation will be reflected through the electrical signal.

도6은 예를 들어 한 쌍의 제1 진동기와 같은 단지 한 쌍의 진동기만을 채택한, 본 발명에 따른 회전 감지 장치의 다른 양호한 실시예를 도시하는 개략도이다. 한 쌍의 진동기(21a, 21b)는 하나의 축을 중심으로 하는 회전을 측정하는데 이용될 수 있다. 이 예에서, 기판 상에 배치되는 (도시되지 않음) 한 쌍의 고정식 전극(1)은 진동기(21a, 21b)의 빗형 전극 구조(216)와 상호 교축되어, 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)가 진동을 발생시키도록 구동될 수 있다. 진동기(21a)는 진동기(21b)에 전기적으로 연결되고, 고정식 전극(1)은 서로 연결된다. 따라서, 제1 방향(6)을 따르는, 한 쌍의 제1 진동기와 고정식 전극 사이의 정전기적 인력과 척력은, AC 전기장이 한 쌍의 제1 진동기(21a, 21b)에 제공되고, DC 전기장이 한 쌍의 제2 진동기(22a, 22b)에 제공된다면, 축을 중심으로 하는 회전을 검출하도록 발생될 수 있다.Figure 6 is a schematic diagram showing another preferred embodiment of the rotation sensing device according to the present invention, which employs only one pair of vibrators, for example a pair of first vibrators. A pair of vibrators 21a and 21b can be used to measure rotation about one axis. In this example, the pair of stationary electrodes 1 (not shown) disposed on the substrate are interlocked with the comb-shaped electrode structures 216 of the vibrators 21a and 21b, so that the pair of first vibrators 21a, 21b) can be driven to generate vibrations. The vibrator 21a is electrically connected to the vibrator 21b, and the stationary electrodes 1 are connected to each other. Thus, the electrostatic attraction and repulsive force between the pair of first vibrators and the stationary electrode along the first direction 6 are such that an AC electric field is provided to the pair of first vibrators 21a, 21b, and the DC electric field is If provided to a pair of second vibrators 22a, 22b, it can be generated to detect rotation about an axis.

본 발명의 양호한 실시예가 개시를 목적으로 설명되었지만, 본 발명의 개시된 실시예에 대한 변형 뿐만 아니라 다른 실시예가, 본 기술 분야의 숙련자에 의해 이루어질 수도 있다. 따라서, 후속의 청구범위는 본 발명의 기술사상 및 범주로부터 일탈하지 않은 모든 실시예들을 포함하고 있다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described for purposes of disclosure, other embodiments, as well as variations to the disclosed embodiments of the present invention, may be made by those skilled in the art. Accordingly, the following claims are intended to cover all embodiments without departing from the spirit and scope of the invention.

본 발명에 따르면, 안정된 질량 중심을 갖는 회전 감지 장치가 구동 진동을 발생시키도록 구동되는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 장치가 MEMS 프로세스 기술에 의해 제조될 수 있는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 아울러, 본 발명에 따르면, 노이즈 교란의 감소가 달성되도록 장치가 구동되는 경우, 장치의 질량 중심이 변하지 않는 구조 설계가 이용되는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따르면, 대칭적인 감지 구조체를 제조하기 위한 광학 마스크를 통해, 안정된 프로세스, 저비용 및 정밀한 구조의 목적이 달성될 수 있는, 회전 감지 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a rotation sensing device and a manufacturing method thereof, in which a rotation sensing device having a stable center of mass is driven to generate driving vibrations. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a rotation sensing device and a method for manufacturing the same, in which the device can be manufactured by MEMS process technology. Furthermore, according to the present invention, when the apparatus is driven so that the reduction of noise disturbance is achieved, it is possible to provide a rotation sensing apparatus and a manufacturing method thereof, in which a structural design in which the center of mass of the apparatus does not change is used. Furthermore, according to the present invention, through the optical mask for manufacturing the symmetrical sensing structure, it is possible to provide a rotation sensing device and a method of manufacturing the same, in which the purpose of a stable process, low cost and precise structure can be achieved.

Claims (8)

기판 상에 대칭적으로 배치되며, 각각 정전기 진동체, 상기 기판에 연결되는 지지 요소, 및 상기 정전기 진동체가 상기 기판으로부터 소정 높이 부유 되도록 상기 지지 요소에 견고하게 연결되는 탄성 요소를 포함하는, 한 쌍의 제1 진동기; 및A pair disposed symmetrically on a substrate, each comprising an electrostatic vibrator, a support element connected to the substrate, and an elastic element rigidly connected to the support element such that the electrostatic vibrator floats a predetermined height away from the substrate. A first vibrator; And 상기 기판에 배치되며, 상기 한 쌍의 제1 진동기에 대응하는 감지 전극;을 포함하는 회전 감지 장치.And a sensing electrode disposed on the substrate and corresponding to the pair of first vibrators. 제1항에 있어서, 상기 정전기 진동체는, 상기 정전기 진동체 상에 서로 분리 배치되어 상기 정전기 진동체의 관성을 증가시키는 복수의 질량체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지 장치.The rotation sensing apparatus according to claim 1, wherein the electrostatic vibrator further comprises a plurality of mass bodies disposed separately from each other on the electrostatic vibrator to increase the inertia of the electrostatic vibrator. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 감지 전극 사이에 배치되며, 상기 정전기 진동체와 연결되는 전기 전도성 판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지 장치.The rotation sensing device of claim 1, further comprising an electrically conductive plate disposed between the substrate and the sensing electrode and connected to the electrostatic vibrating body. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 한 쌍의 제1 진동기에 직교하여 배치되는 한 쌍의 제2 진동기를 추가로 포함하고, 상기 제1 및 제2 진동기 쌍은 상기 감지 전극에 대응하는 것을 특징으로 하는 회전 감지 장치.The method of claim 1, further comprising a pair of second vibrators disposed orthogonally to the pair of first vibrators on the substrate, wherein the first and second vibrator pairs correspond to the sensing electrodes. Rotation sensing device. 제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 제1 진동기의 적어도 일 측부와, 상기 한 쌍의 제2 진동기의 그 인접한 측부는 각각 상호 교착된 빗형 전극 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 감지 장치.5. The rotational sensing device of claim 4, wherein at least one side of the pair of first vibrators and adjacent sides of the pair of second vibrators each have a comb-like electrode structure interlaced with each other. 기판 상에 제1 전도층을 형성하는 단계;Forming a first conductive layer on the substrate; 상기 제1 전도층 상에 절연층을 형성하는 단계;Forming an insulating layer on the first conductive layer; 상기 절연층의 일부를 제거하여 홈을 형성하는 단계;Removing a portion of the insulating layer to form a groove; 상기 절연층 상에 희생층을 형성하여 상기 홈을 메우는 단계;Forming a sacrificial layer on the insulating layer to fill the grooves; 상기 홈에 채워진 상기 희생층을 제거하여 접촉 구멍을 형성하는 단계;Removing the sacrificial layer filled in the groove to form a contact hole; 상기 희생층 상에 제2 전도층을 형성하여 상기 접촉 구멍을 메우는 단계;Forming a second conductive layer on the sacrificial layer to fill the contact hole; 적어도 한 쌍의 정전기 진동 구조체를 형성하도록 상기 제2 전도층의 일부를 에칭하는 단계; 및Etching a portion of the second conductive layer to form at least a pair of electrostatic vibrating structures; And 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 회전 감지 장치 제조방법.Removing the sacrificial layer. 제6항에 있어서, 상기 한 쌍의 정전기 진동 구조체 상에 적어도 관성 어레이 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지 장치 제조방법.7. The method of claim 6, further comprising forming at least an inertial array layer on the pair of electrostatic vibrating structures. 제6항에 있어서, 상기 기판과 상기 제1 전도층 사이에 배치되며, 상기 정전기 진동 구조체와 연결되는 제3 전도층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지 장치 제조방법.The method of claim 6, further comprising forming a third conductive layer disposed between the substrate and the first conductive layer and connected to the electrostatic vibrating structure.
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