KR20070092738A - 발진 마이크로-기계 각속도 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각속도를 측정하는데 사용되는 측정 장치들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서들에 관한 것이다. 본 발명에 따른 각속도 센서들에서, 적어도 한 쌍의 전극들이 지진 매스(1,9,10,20,30,31)의 에지와 연관하여 제공되고, 매스(1,9,10,20,30,31)의 표면과 함께 한 쌍의 전극들은 두 개의 캐패시터들을 형성하고, 매스(1,9,10,20,30,31)의 기본적인 모션에서 회전각의 함수로서 한 쌍의 전극들의 캐패시터들 중 하나는 증가하고, 한 쌍의 전극들의 캐패시터들 중 다른 하나는 감소한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 구조는, 콤팩트한 발진 마이크로 기계 각속도 센서들을 위한 솔루션들에서 특별히 신뢰할 수 있고 효과적인 측정을 가능하게 한다.
발진 마이크로 기계 각속도 센서, 토션 공진기, 자유도, 구적 신호, 벤딩 스프링

Description

발진 마이크로-기계 각속도 센서{Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity}
본 발명은 각속도를 측정하는데 이용하기 위한 측정 장치들에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서들(oscillating micro-mechanical sensors of angular velocity)에 관한 것이다. 본 발명은 신뢰할 수 있고 효과적인 측정을 가능하게 하는 개선된 센서 구조를 제공하고, 특히 콤팩트한 발진 마이크로 기계 각속도 센서 솔루션들을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발진 각속도 센서에 기초한 측정은, 단순한 원리를 가지며 각속도를 측정하는 신뢰할 수 있는 방식을 제공한다는 것을 증명하였다. 임의의 공지된 기본적인 모션(primary motion)은 발진 각속도 센서에서 생성 및 유지된다. 센서가 측정하도록 디자인된 움직임(movement)은 기본적인 모션의 편차(deviation)로서 검출된다.
공진기들의 모션의 방향에 수직인 방향에서 센서에 영향을 미치는 외부 각속도는 모션의 방향에 수직인 지진 매스(seismic mass) 상에 코리올리 힘(Coriolis force)을 유도한다. 각속도에 비례하는 코리올리 힘은 예를 들어 용량성 방식(capacitive manner)으로 매스의 발진으로부터 검출된다.
각속도 마이크로 기계 발진 센서들과 관련된 가장 큰 문제점은, 구조들의 열 악한 치수 정확성에 의해 야기되는 소위 구적 신호(quadrature signal)이다. 마이크로 기계공학의 방법으로 제조되는 공진기들은 신호, 소위 구적 신호를 발생시키며, 아무리 나빠도 각속도 신호의 풀 스케일 표시 세기의 수백 배인, 모션의 방향들의 직교성(orthogonality)에서의 부적절한 허용오차(tolerance)를 가질 수 있다.
매스의 속도에 비례하는 측정될 각속도 신호는 다행히 구적 신호에 대하여 90도 위상 시프트(shift)되어 있고, 따라서 구적 신호는 이상적인 복조로 사라질 것이다. 이것이 측정될 신호보다 훨씬 크기 때문에, 신호의 활력을 제한한다. 또한, 구적 신호의 가장 큰 손해는 전기 신호들의 위상 시프트들로 인해, 보상되지 않는다면, 센서의 널 포인트(null point)의 안정성을 손상시킨다는 사실이다.
종래기술에 따른 각속도 센서들 또한 구적 신호를 보상하도록 만들어졌다. 종래기술에 따른 각속도 센서를 위한 이러한 구적 신호 보상 솔루션은 소위 피드 포워드 보상(feed-forward compensation)이고, 여기서 검출된 기본적인 모션에 의해 변조된 힘은 구적 신호에 대하여 대향 위상으로 검출 공진기에 공급된다. 이러한 보상 방식은 변조에서 보상 블록으로 전자공학의 강제적인 위상 안정성 요구사항들(stringent phase stability requirements)을 단순히 시프트하기 때문에 매우 유용하지 못하다.
발진 구조는 또한 정적 힘들(static forces)에 의해 굽어질 수 있고, 전자공학의 위상 안정선 요구사항이 본질적으로 감소된다. 무엇보다도, 미국특허 제6,370,937호는 종래기술에 따른 각속도 센서를 위한 이러한 솔루션을 개시한다. 상기 미국특허에 개시된 각속도 센서를 위한 솔루션에서, 정전기적인 토션 공진 기(torsion resonator)의 기울기는 전정기력에 의해 조정될 수 있다.
각속도 센서의 구적 신호를 보상하기 위한 이전 것보다 그럴싸한 종래기술에 따른 또 다른 방법은 정적 량(static quantity)에 의해, 스프링 힘에서의 잔여물에 의해 야기된 구적 신호를 보상하는 모션에 의해 변조된 힘을 생성하는 단계를 포함한다. 이와 같은 보상 방법은 그것이 상당히 높은 경직성(stiffness)의 기계적인 구조들을 가능하게 하므로, 구조를 꼬이게 한다. 이러한 솔루션에서 보상 힘이 모션과 동위상이므로, 그것은 전자공학의 위상 제어에 대해 부가적으로 요구하지 않는다.
미국특허 제5,866,816호는 종래기술에 따른 각속도 센서를 위한 솔루션을 개시한다. 상기 미국특허에 개시된 각속도 센서를 위한 솔루션에서, 모션의 전기장 압전기적 바 공진기(piezoelectric bar resonator)는 정적 바이어스 전압을 사용하여 압전기적 힘에 의해 보상될 수 있다. 또한, 압전기적 힘은 전기장, 모션 방향에 비대칭인 전기장이 제공될 수 있으면, 개시된 방식으로 작용할 수 있다.
구적 신호의 전정기적 보상은 종래기술에서 선형으로 발진하는 콤 공진기들(comb resonators)과 접속하여 고려될 수 있다. 미국특허 제5,992,233호는 각속도 센서를 위한 종래 솔루션을 개시한다. 상기 미국특허에 개시된 각속도 센서를 위한 솔루션에서, 모션 방향에 평행한 전극 콤들은 콤 구조에 대하여 공진기 측면(미국특허에서 방향 Y)의 모션이 직교 방향에서 선형 진폭 의존성 힘을 생성하는 콤 구조의 캐패시터 판들의 면적을 변경시키는 방식으로 바이어스된다.
정전기적 구적 보상의 가장 큰 장점들 중 하나는, 전자공학에 의해, 적응될 수 있다는 것이다. 미국특허 제5,672,949호는 종래 기술에 따른 각속도 센서를 위한 솔루션을 개시한다. 상기 미국특허에서, 기계적인 꼬임, 노후화, 또는 다양한 온도 의존성들에 의해 야기된 구적 신호의 변경들이 센서의 검출 신호에 기초하여 연속으로 보상될 수 있다.
하지만, 상술한 종래 기술에 따른 구조들은 기본적인 모션이 회전 발진의 모션인 각속도 센서들에 응용하기에 적합하지 않다. 이러한 종류의 구조는 진동 및 충격에 대해 양호한 저항성을 필요로 하는 솔루션들에서 특히 적합하다.
본 발명의 목적은 사실, 구적 신호의 정전기적 보상이 종래 기술의 솔루션에 비하여 각속도 마이크로 기계 회전 발진 센서들용으로 특히 적합하도록 구현되는 발진 각속도 센서의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 특히 각속도 센서들을 위한 콤팩트한 발진 솔루션들에서 신뢰할 수 있고 효과적인 측정을 가능하게 하고, 정전기적 구적 신호 보상이 구현되며, 종래기술의 솔루션들에 비하여 각속도 마이크로 기계 회전 발진 센서들에 특히 적합한 개선된 발진 각속도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 발진 마이크로 기계 각속도 센서가 제공되며, 이것은 지지 영역들에 센서부 본체에 부착된 연관된 적어도 하나의 지진 매스 및 움직임 가능한 전극을 포함하며,
- 각속도 센서에서, 생성되어야 하는 기본적인 모션은 웨이퍼의 평면에 수직인 축에 대한 적어도 하나의 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극의 각발진(angular oscillation)이고,
- 지진 매스는 기본적인 모션에 수직인 방향 축에 대하여 기본 모션에 부가하여 제 2 자유도(degree of freedom)를 가지며,
- 적어도 지진 매스의 한 에지에서, 적어도 한 쌍의 전극들이 제공되고, 매스의 표면과 함께 한 쌍의 전극들 중 한 캐패시턴스(capacitance)가 매스의 기본적인 모션의 회전각의 함수로서 증가하고, 한 쌍의 전극들의 제 2 캐패시턴스가 감소하는 방식으로 두 개의 캐패시턴스들을 형성한다.
바람직하게는, 한 쌍의 전극들은 검출 축의 양 측면들 상에 등거리로 위치된다. 바람직하게는, 한 쌍의 전극들 중 두 개의 전극들은 매스의 전위에 대하여 같은 크기의 전압에 접속된다.
바람직하게는, 각속도 센서는,
- 부착 스폿(attachment spot)에 의해 센서부의 본체에 부착된 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극,
- 기본적인 모션에 대해, 주변의 경직된 보조 구조(stiff auxiliary structure)에 부착 스폿을 접속시키고, 웨이퍼의 평면에 수직인 축에 대해 각발진으로 매스의 기본적인 모션을 본질적으로 제한하는 벤딩 스프링들(bending springs), 및
- 검출 모션에 대해, 기본적인 모션을 지진 매스에 전달하고, 동시에 기본적인 모션의 축에 수직인 검출 축에 대해 회전 발진을 구성하는 검출 모션에 대한 제 2 자유도를 매스에 제공하는 토션 스프링들을 포함한다.
또한, 각속도 센서는,
- 두 개의 부착 스폿들에 의해 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들,
- 기본적인 모션에 대해, 주변의 경직된 보조 구조들에 또는 지진 매스들에 직접 부착 스폿들을 접속시키는 벤딩 스프링,
- 검출 모션을 위한 토션 스프링들, 및
- 지진 매스들을 서로 접속시키는 벤딩 스프링으로서, 상기 공진기들은 매스들의 기본적인 모션과 검출 모션이 두 개의 움직임 가능한 전극들의 대향 위상들로 모션을 구성하는 방식으로 접속되는, 상기 벤딩 스프링을 포함한다.
바람직하게는, 외부 각속도에 의해 야기된 발진은 매스들의 위 또는 아래에 위치된 전극들에 의해 용량성 방식으로 검출된다. 또한, 바람직하게는, 전극들은 센서 구조를 밀폐하는 웨이퍼의 내부 표면 상에서 성장된다.
바람직하게는, 각속도 센서는 두 개의 축들에 대해 각속도를 측정하는 각속도 센서이고,
상기 센서는,
- 부착 스폿에 의해 센서부 본체에 부착되는 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극,
- 기본적인 모션에 대해 주변의 경직된 보조 구조에 부착 스폿을 접속시키고, 웨이퍼의 평면에 수직인 축에 대한 각발진으로 매스의 기본적인 모션을 본질적으로 제한하는 벤딩 스프링들,
- 제 1 방향에서의 검출 모션에 대한 토션 스프링들로서, 지진 매스에 기본적인 모션을 전달하고, 동시에 제 1 방향에서 검출 모션에 대한 자유도를 매스에 제공하며, 검출 모션이 기본적인 모션의 축에 본질적으로 수직인 제 1 검출 축에 대해 회전 발진을 구성하는, 상기 토션 스프링들, 및
- 제 2 방향에서의 검출 모션에 대한 토션 스프링들로서, 지진 매스에 기본적인 모션을 전달하고, 동시에 제 2 방향에서 검출 모션에 대한 자유도를 매스에 제공하며, 검출 모션이 기본적인 모션의 축 및 제 1 검출 축에 본질적으로 수직인 제 2 검출 축에 대해 회전 발진을 구성하는, 상기 토션 스프링들을 포함한다.
또한, 각속도 센서는 두 개의 축들에 대한 각속도를 측정하는 각속도 센서이고,
상기 각속도 센서는,
- 두 개의 부착 스폿들에 의해 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들,
- 주변의 경직된 보조 구조들에 부착 스폿들을 접속시키는 기본적인 모션을 위한 벤딩 스프링들,
- 제 1 방향에서 검출 모션에 대한 토션 스프링들로서, 지진 매스에 기본적인 모션을 전달하고, 동시에 제 1 방향에서 검출 모션에 대해 자유도를 매스에 제공하는, 토션 스프링들,
- 제 2 방향에서 검출 모션에 대한 토션 스프링들로서, 지진 매스에 기본적인 모션을 전달하고, 동시에 제 2 방향에서 검출 모션에 대해 자유도를 갖는 매스에 제공하는, 토션 스프링들, 및
- 지진 매스들을 서로 접속시키는 벤딩 스프링을 포함한다.
바람직하게는, 부착 스폿들은 센서 구조들을 밀폐하는 웨이퍼에 애노딕 방식(anodic manner)으로 결합된다. 대안으로, 부착 스폿들은 센서 구조를 밀폐하는 웨이퍼에 융합 조인트에 의해 결합된다.
아래에서, 본 발명 및 바람직한 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 예로서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 발진 각속도 센서의 움직임 가능한 전극 및 지진 매스의 구조를 도시하는 투시도.
도 2는 본 발명에 따른 발진 각속도 센서의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들의 대안의 구조를 도시하는 투시도.
도 3은 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서의 지진 매스의 구조 및 연관된 움직임 가능한 전극들을 도시하는 투시도.
도 4는 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들을 도시하는 투시도.
도 5는 본 발명에 따른 보상 원리를 도시하는 도면.
본 발명에 따른 발진 각속도 센서에서, 생성되어야 하는 기본적인 모션은 웨이퍼 평면에 수직인 축에 대해 적어도 하나의 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극의 회전 발진이다. 기본적인 모션에 부가하여, 지진 매스는 기본적인 모션에 수직인 검출 축에 대하여 제 2 자유도를 갖는다.
적어도 한 쌍의 전극들이 지진 매스의 적어도 한 에지 아래 또는 위에 제공되고, 매스의 표면과 함께 한 쌍의 전극들은 두 개의 캐패시턴스들을 형성한다. 이들 캐패시턴스들은 긍정적으로는 전극들 중 하나에서, 부정적으로는 다른 하나에서, 기본적인 모션에서의 회전각의 함수로서 변한다. 한 쌍의 전극들은 검출 축의 각 측 상에 등거리로 위치될 수 있다. 매스의 전위에 대하여 같은 크기의 전압이 한 쌍의 전극들에 인가될 수 있고, 기본적인 모션과 동위상으로 변하는 네트 모멘트(net moment)를 달성하는 반면에, 정적 모멘트(static moment)는 제거된다.
도 1은 본 발명에 따른 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극의 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 구조는 부착 스폿(2)에서 센서부의 본체에 부착된 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극(1)을 포함한다. 움직임 가능한 전극(1)은 예컨대, 매스의 도전 표면일 수 있고 또는 그 위에 성장된 도체일 수 있다. 본 발명에 따른 각속도 센서는 기본적인 모션을 위한 벤딩 스프링들(3-6) 및 검출 모션을 위한 토션 스프링들(7-8)을 더 포함한다. 도면에서, 각속도에 대한 감지 축은 Ω으로 표시된다.
축(Z)에 대하여 발진하는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 구조가 축(Y)에 대해 턴(turn)될 때, 매스의 기본적인 모션의 일부는 모멘텀(momentum)의 모멘트의 보존으로 인해, 검출 축(X)에 대한 회전 발진에 링크된다. 이 발진의 진폭은 턴하는 각속도 Ω에 정비례한다.
각속도 센서의 움직임 부들(1,3-8)은 실리콘 웨이퍼에 패터닝될 수 있고, 센서 구조는 그 상부 또는 하부 측에 부착된 웨이퍼에 의해 밀폐된다. 센서 구조의 중앙 영역에 부착 스폿(2)이 존재하고, 스폿은 상부 또는 하부 측 상의 웨이퍼에 고정된다.
부착 스폿(2)은 두개 이상의 벤딩 스프링들(3-6)에 의해 상기 스폿을 둘러싸는 경직된 보조 구조에 접속되고, 스프링들은 웨이퍼 표면에 수직인 축에 대해 본질적으로 각발진으로 기본적인 모션을 제한한다. 두 개의 토션 스프링들(7-8)은 기본적인 모션을 지진 매스(1)에 전달하고, 동시에 축(X)에 대한 회전 발진인 검출 모션에 대해 제 2 자유도를 매스에 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 발진 각속도 센서의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들의 대안의 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 각속도 센서의 대안의 구조는 두 개의 부착 스폿들(11,12)에서 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들(9,10)을 포함한다. 매스들(9,10)의 중앙에서 부착 스폿들(11,12)은 예컨대 애노딕 방식으로 또는 융합 결합에 의해 센서 구조를 밀폐하는 웨이퍼에 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 각속도 센서는 기본적인 모션을 위한 벤딩 스프링들(13,14), 검출 모션을 위한 토션 스프링들(15-18), 및 두 개의 지진 매스들(9,10)을 서로 접속시키는 벤딩 스프링(19)을 포함한다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 대안의 각속도 센서의 동작 원리는 공진기들의 결합으로 인해 기본적인 모션 및 검출 모션이 두 개의 움직임 가능한 전극들(9,10)의 대향 위상 모션들이라는 점에서 위에서 상술한 것과는 다르다.
도 3은 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서의 지진 매스의 구조 및 연관된 움직임 가능한 전극을 도시한다. 본 발명에 따른 두 개의 축들을 갖는 각속도 센서의 구조는 부착 스폿(21)에서 센서부의 본체에 부착된 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극(20)을 포함한다. 본 발명에 따른 각속도 센서는 기본적인 모션을 위한 벤딩 스프링들(22-25), 제 1 방향에서 검출 모션을 위한 토션 스프링들(26-27), 및 제 2 방향에서 검출 모션을 위한 토션 스프링들(28-29)을 더 포함한다.
도 4는 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들의 대안의 구조를 도시한다. 본 발명에 따라 두 개의 축들에 대해 각속도를 측정하는 각속도 센서의 구조는 두 개의 부착 스폿들(32,33)에서 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들(30,31)을 포함한다. 본 발명에 따른 각속도 센서는 기본적인 모션을 위한 벤딩 스프링들(22-25), 제 1 방향에서 검출 모션을 위한 토션 스프링들(26-27), 및 제 2 방향에서 검출 모션을 위한 토션 스프링들(28-29)을 더 포함한다.
도 4는 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들의 대안의 구조를 도시한다. 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 각속도 센서는 두 개의 부착 스폿들(32,33)에서 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들(30,31)을 포함한다. 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서는 기본적인 모션을 위한 벤딩 스프링들(34,35), 제 1 방향에서 검출 모션을 위한 토션 스프링들(36-39), 제 2 방향에서 검출 모션을 위한 토션 스프링들(40-43), 및 지진 매스들(30,31)을 서로 접속시키는 벤딩 스프링(44)을 더 포함한다.
본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 발진 각속도 센서의 구조에서, 위에서 상술한 하나의 축을 갖는 구조에 비하여, 축(Y)의 방향으로 연장하는 한 쌍의 토션 스프링들(40-43)에 의해 매스들(30,31)에 대하여 서스펜션(suspension)을 갖는 부가적인 경직된 보조 구조들이 존재한다. 본 발명에 따라 두 개의 축들을 갖는 각속도 센서의 구조는 기본적인 모션에 수직으로 제 2 자유도를 지진 매스들(30,31)에 제공이며, 이것은 센서로 하여금 동일한 두 개의 기본적인 모션을 이용하여 두 개의 축들을 갖는 각속도 센서로서 동작하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 각속도 센서의 구적 신호(quadrature signal)를 정전기적으로 보상하기 위한 솔루션은 예컨대, 상술한 타입들의 구조 모두에서 구적 신호를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 또한, 기본적인 모션이 웨이퍼 평면에 수직인 축에 대해 회전 발진을 구성하는, 각속도 센서들의 다른 구조들에서 구적 신호들을 보상하는데 사용될 수도 있다.
도 5에 도시된, 도 5는 본 발명에 따른 보상 원리를 도시한다. 본 발명에 따른 구조는 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극(45,46), 및 움직임 가능한 전극들(45,46) 위 또는 아래에 설치된 고정 전극들(47-50)을 포함한다.
본 발명에 따른 솔루션에서, 고정 전극들(47-50)과 같은, 각속도를 검출하기 위한 전극들은 두 개의 회전 자유도, 즉 기본적인 모션 방향에서의 제 1 자유도(z)와 검출 모션 방향에서의 제 2 자유도(x)를 포함하는 매스(45,46)의 영역에 위치된 다.
본 발명에 따른 솔루션에서, 움직임 가능한 전극들은 예컨대, 매스(45,46)의 에지 및 상기 에지를 넘어 연장하는 고정 전극들에 의해 구현될 수 있다. 그러므로, 매스의 동일한 에지는 전극들(47,48,49,50)의 두 개의 쌍들의 고정 전극들을 나눈다.
매스(45,46)가 회전함에 따라, 고정 전극들에 대하여 기본적인 모션의 회전 각(θ)은 도 5에 나타내진 바와 같이, 평평한 캐패시터들의 평면들의 영역을 변경시킨다. 양의 회전각에서, 왼쪽 에지에서의 전극(47)의 영역은 증가하는 반면에, 동일한 에지에서의 전극(48)의 영역은 회전각(θ)에 비례하여 감소한다.
보상시에, 도 5의 왼쪽의 전극들(47,48)은 오른쪽 전극들(49,50) 및 동일한 전위로 접속된 매스(45,46)에 대하여 정상 전압(Ucomp)으로 바이어스된다. 그러므로, 회전각으로 인한 캐패시터 평판에서의 변경은 접지 전위에 접속되는 매스(45,46) 및 바이어스된 전극들(47,48) 사이의 정전기적 힘에서의 변화에 비례한다.
두 개의 전극들에 대해, 정전기적 힘에서의 변경은 회전각(θ)에 비례하지만, 이것은 전극(47)에 대해 양이고, 전극(48)에 대해서는 음이다. 대향 방향인 이러한 힘의 변경들은 검출 축(X)에 대하여 모멘텀에 동일한 방향들에서의 변경을 생성한다. 하지만, 전압(Ucomp)에 의해 유도된 정적 모멘텀은 선형 모션에서 구적 보상의 정전기적 원리와는 반대로 제거된다.
기본적인 모션의 회전각(θ)에 선형적으로 의존하는 모멘텀은 정확한 극성 및 크기를 갖는 보상 전압(Ucomp)의 자승에 비례하는 변경을 일으키고, 구적 신호를 보상한다.
전극들(47,48)을 매스(45,46)의 전위에 그리고 대응적으로 전압(Ucomp)에 대한 전극들(49,50)에 접속시킴으로써, 보상 모멘트의 방향은 반전될 수 있다.
본 발명에 따른 솔루션은 이러한 모든 각속도 센서들에서 구적 신호를 보상하는데 사용될 수 있고, 기본적인 모션이 축(Z)에 대하여 각발진이고, 전극들이 적합한 캡(gap)의 거리에서 매스 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 전극들은 예컨대, 센서 구조를 밀폐하는 웨이퍼의 내부 표면 상에서 성장 및 패턴화될 수 있다.

Claims (11)

  1. 발진 마이크로 기계 각속도 센서(Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity)에 있어서,
    지지 영역들에서 센서부의 본체에 부착된 적어도 하나의 지진 매스(seismic mass: 1,9,10,20,30,31,45,46) 및 연관된 움직임 가능한 전극을 포함하고,
    - 상기 각속도 센서에서, 생성되어야 하는 기본적인 모션(primary motion)은 웨이퍼 평면에 수직인 축에 관한 상기 적어도 하나의 지진 매스(1,9,10,20,30,31,45,46) 및 상기 연관된 움직임 가능한 전극의 각발진(angular oscillation)이고,
    - 상기 기본적인 모션에 부가하여, 상기 지진 매스(1,9,10,20,30,31,45,46)는 상기 기본적인 모션에 수직인 검출 축에 대해 제 2 자유도(degree of freedom)를 가지며,
    - 상기 지진 매스(1,9,10,20,30,31,45,46)의 적어도 한 에지(edge)와 연관하여, 적어도 한 쌍의 전극들이 제공되고, 상기 매스(1,9,10,20,30,31,45,46)의 표면과 함께 상기 한 쌍의 전극들은 두 개의 캐패시턴스들(capacitances)을 형성하여 상기 매스(1,9,10,20,30,31,45,46)의 상기 기본적인 모션의 회전각의 함수로서 한 쌍의 전극들의 캐패시턴스는 증가하고 다른 한 쌍의 전극들의 캐패시턴스는 감소하는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들의 쌍들 중 전극들은 상기 검출 축의 양쪽에 등거리로 위치되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 매스(1,9,10,20,30,31,45,46)의 전위에 대하여 동일한 크기의 전압이 상기 전극들의 쌍 중 두 전극들에 접속되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 부착 스폿(2)에서 상기 센서부의 본체에 부착된 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극(1),
    - 상기 기본적인 모션에 대해, 상기 부착 스폿(2)을 주변의 경직된 보조 구조(stiff auxiliary structure)에 접속시키고, 상기 매스(1)의 기본적인 모션을 본질적으로 상기 웨이퍼 평면에 수직인 축에 대한 각발진으로 제한하는 벤딩 스프링들(bending springs:3-6), 및
    - 상기 검출 모션에 대해, 상기 기본적인 모션을 상기 지진 매스(1)에 전달하고, 동시에 상기 검출 모션에 대해 제 2 자유도를 상기 매스(1)에 제공하는, 토션 스프링들(torsion springs:7,8)로서, 상기 검출 모션은 상기 기본적인 모션의 축에 수직인 검출 축에 관한 회전 발진(rotary oscillation)인, 상기 토션 스프링 들(7,8)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 두 개의 부착 스폿들(11,12)에서 상기 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들(9,10) 및 연관된 움직임 가능한 전극들(9,10),
    - 상기 기본적인 모션에 대해, 상기 부착 스폿들(11,12)을 주변의 경직된 보조 구조들에 접속시키거나 또는 상기 지진 매스들(9,10)에 직접 접속시키는 벤딩 스프링들(13,14),
    - 상기 검출 모션을 위한 토션 스프링들(15-18), 및
    - 상기 지진 매스들(9,10)을 서로 접속시키는 벤딩 스프링(19)을 포함하고,
    상기 매스들(9,10)의 상기 기본적인 모션 및 상기 검출 모션 둘 모두가 상기 두 개의 움직임 가능한 전극들(9,10)의 대향 위상 모션들(opposite phase motions)인 방식으로 상기 공진기들(resonators)이 접속되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    외부 각속도에 의해 야기된 발진이 상기 매스들(1,9,10) 위 또는 아래에 위치된 전극들에 의해 용량성으로(capacitively) 검출되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극들은 상기 센서 구조를 밀폐하는 웨이퍼의 내부 표면 상에서 성장되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각속도 센서는 두 개의 축들에 대하여 각속도를 측정하는 각속도 센서이고,
    상기 각속도 센서는,
    - 부착 스폿(21)에서 상기 센서부의 본체에 부착된 지진 매스 및 연관된 움직임 가능한 전극(20),
    - 상기 기본적인 모션에 대해, 상기 부착 스폿(21)을 주변의 경직된 보조 구조에 접속시키고, 상기 매스(20)의 상기 기본적인 모션을 본질적으로 상기 웨이퍼의 평면에 수직인 축에 관한 각발진으로 제한하는 벤딩 스프링들(22-25),
    - 제 1 방향에서의 상기 검출 모션에 대해, 상기 기본적인 모션을 상기 지진 매스(20)에 전달하고, 동시에 상기 제 1 방향에서의 상기 검출 모션에 대한 자유도를 상기 매스(20)에 제공하는 토션 스프링들(26,27)로서, 상기 검출 모션은 본질적으로 상기 기본적인 모션의 축에 수직인 제 1 검출 축에 관한 회전 발진인, 상기 토션 스프링들(26,27), 및
    - 제 2 방향에서의 상기 검출 모션에 대해, 상기 기본적인 모션을 상기 지진 매스(20)에 전달하고, 동시에 상기 제 2 방향에서의 상기 검출 모션 대한 자유도를 상기 매스(20)에 제공하는 토션 스프링들(28,29)로서, 상기 검출 모션은 본질적으로 상기 기본적인 모션의 축 및 상기 제 1 검출 축에 수직인 제 2 검출 축에 대한 회전 발진인, 상기 토션 스프링들(28,29)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각속도 센서는 두 개의 축들에 대하여 각속도를 측정하는 각속도 센서이고,
    상기 각속도 센서는,
    - 두 개의 부착 스폿들(32,33)에서 상기 센서부의 본체에 부착된 두 개의 지진 매스들 및 연관된 움직임 가능한 전극들(30,31),
    - 상기 기본적인 모션에 대해 상기 부착 스폿들(32,33)을 주변의 경직된 보조 구조들에 접속시키는 벤딩 스프링들(34,35),
    - 제 1 방향에서의 상기 검출 모션에 대해, 상기 기본적인 모션을 상기 지진 매스(30,31)에 전달하고, 동시에 상기 제 1 방향에서의 상기 검출 모션에 대한 자유도를 상기 매스(30,31)에 제공하는 토션 스프링들(36,39),
    - 제 2 방향에서의 상기 검출 모션에 대해, 상기 기본적인 모션을 상기 지진 매스(30,31)에 전달하고, 동시에 상기 제 2 방향에서의 상기 검출 모션에 대한 자유도를 상기 매스(30,31)에 제공하는 토션 스프링들(40-43), 및
    - 상기 지진 매스들(30,31)을 서로 접속시키는 벤딩 스프링(44)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부착 스폿들(2,11,12,21,32,33)은 상기 센서 구조를 밀폐하는 상기 웨이퍼에 애노딕 방식(anodic manner)으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
  11. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부착 스폿들(2,11,12,21,32,33)은 융합 조인트(fusion joint)에 의해 상기 센서 구조를 밀폐하는 상기 웨이퍼에 결합되는 것을 특징으로 하는, 발진 마이크로 기계 각속도 센서.
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