KR20090010034A - 용량성 체적 탄성파 디스크 자이로스코프 - Google Patents

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KR20090010034A
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파로크 아야지
호우를 조하리
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조지아 테크 리서치 코포레이션
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Abstract

(100) 및 (111) 실리콘 기판들 상에서 구현된 용량성 체적 탄성파 x, y 및 z 축의 자이로스코프들이 개시된다. 예시적인 자이로스코프들은 핸들 기판(handle substrate), 상기 핸들 기판에 의해 지지되는 체적 탄성파 공진기 소자, 및 공진기 소자를 둘러싸고 매우 작은 용량성 갭들에 의해 상기 공진기 소자로부터 분리되는 복수의 전극들을 포함한다. 전극들은 공진기에서 적어도 두 개의 축퇴 체적 탄성파 공진 모드를 여기할 수 있고 검출할 수 있다. 감소된 크기; 노이즈를 개선하는 더 높은 Q, 바이어스 안정도가 더 높은 대역폭 및 개선된 충격 저항성이 장점에 포함된다. 게다가, 높은 Q는 대기압에서 또는 거의 대기압에서 유지되어 자이로스코프의 웨이퍼 스케일(wafer-scale) 패키징의 비용 및 복잡성을 감소시킨다.
Figure 112008074107663-PCT00003
자이로스코프, 품질 계수, 용량성 갭, 회전 레이트 및 회전각, 체적 탄성 공진기 소자

Description

용량성 체적 탄성파 디스크 자이로스코프{CAPACITIVE BULK ACOUSTIC WAVE DISK GYROSCOPES}
자이로스코프는 회전 레이트 또는 회전각을 측정하는 센서이다. 마이크로 기계식 자이로스코프(micromachined gyroscope)들은 마이크로 센서 시장의 가장 빠르게 성장하는 부분 중의 하나를 구성한다. 이들 디바이스들의 어플리케이션 영역은 자동차 어플리케이션에서 항공 우주 어플리케이션, 소비자 어플리케이션들 및 개인 항법 시스템들로 빠르게 확장하고 있다. 다수의 어플리케이션은 단거리 항법(navigation), 미끄럼 방지(anti-skid) 및 안전 시스템, 전복(roll-over) 검출, 차세대 에어백 및 ABS 브레이크(anti-lock brake system)들을 포함하는 자동차 부문에 존재한다. 가전 제품 어플리케이션들은 디지털 카메라들에서의 손떨림 보정 기능(image stabilization), 핸드헬드, 게임 및 관성 포인팅 디바이스들에서의 똑똑한(smart) 사용자 인터페이스들을 포함한다. 소정의 어플리케이션들은 단축 자이로스코프(Z축)을 필요로하고 소정의 어플리케이션들은 (X와 Y 및/또는 Z 축들에 대한) 다중 축 회전 감지를 필요로 한다.
소형 자이로스코프들은 항법(navigation)을 위해 사용될 수 있다. 관성 항법은 몸체 상에 설치된 가속계들 및 자이로스코프들에 의해 제공된 측정들을 이용함으로써 공간에서 몸체의 위치를 결정하는 과정이다. 단거리 항법을 위한 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit; IMU)는 항공기, 무인 항공체(unmanned aerial vehicles), GPS 확장 항법(GPS augmented navigation) 및 개인 방위 기준(personal heading reference)들에서 극히 중대한 구성요소들이다. 통상 IMU는 3개의 가속계 및 그들의 개별적인 직교 감지축(orthogonal sensitive axis)들을 따라 배치된 3개의 자이로스코프를 사용하여 객체의 방향 및 방위에 대한 정보를 모은다. 그 결과 가속 및 회전 레이트 성분들이 해석되어 공간에서 객체의 정확한 위치를 산출할 수 있다. IMU는 자립형(self-contained)이며, GPS(global positioning system)의 도움을 받는 관성 항법이 없을 때 탈것(craft)/물체의 단기 항법을 정확하게 수행할 수 있다.
본 기술 분야의 현재 상태의 마이크로 기계식 진동 자이로스코프들은 낮은 주파수들(ω0=3-30㎑)에서 동작하고 증가된 질량(M) 및 여기 진폭(qdrive)에 의존하여 잡음 플로어(noise floor)를 감소시키고 바이어스 안정성(bias stability)을 개선한다. 만약 1-10 mTorr 진공에서 동작된다면, 그러한 디바이스들은 주로 그들의 만곡(flexural)들에서의 열탄성 진동 감쇠(thermoelastic damping)에 의해 제한되는 50,000 정도의 품질 계수(quality factor; Q) 값들을 달성할 수 있다. 진동 자이로(vibratory gyro)의 기본적인 기계적 브라운 잡음(Brownian noise)이
Figure 112008074107663-PCT00001
로써 주어진다는 것이 알려져 있으며, 여기서 qdrive는 구동 진폭; ω0, M 및 Qeffect- sense 는 각각 감지 모드에서의 고유 주파수(natural frequency), 질량 및 유효 품질 계수; kB는 볼츠만 상수이고 T는 절대온도이다.
본 기술 분야의 현재 상태의 마이크로 기계식 자이로스코프들은 그들의 만곡 모드들에서 상대적으로 낮은 주파수(5-30㎑)에서 동작하고 고진공에서 50,000 미만의 Q를 가져 제한된 질량에서 높은 잡음 플로어를 초래한다. 질량 및 구동 진폭을 증가시킬 필요 없이 진동 자이로들의 잡음 플로어를 감소시키는 것이 바람직할 것이지만, 이것은 낮은 전력 및 작은 크기에서는 달성하기 어렵다. 본 명세서에서 개시될 것과 같이, 용량성 체적 탄성파 자이로스코프는 이 과제를 (1) 공진 주파수를 (2-8㎒로) 2 내지 3차수만큼 크기를 증가시키고, (2) 만곡 모드들에 비하여 상당히 적은 열탄성 진동 감쇠를 경험하는 벌크 음향 모드들을 이용하여 Q를 상당히 증가시킴으로써 달성할 수 있다. 벌크 음향 모드들의 매우 높은 Q는 이들 자이로들에서 뛰어난 바이어스 안정성을 의미한다. 높은 주파수들에서의 동작은 자이로스코프의 주파수 대역을 몇 차수 크기(orders of magnitude)만큼 증가시킬 수 있고, 이것은 센서들의 응답 시간을 감소시키고 모드 매칭 요건들을 완화한다. 자이로의 공진 주파수를 증가시키는 것의 또다른 장점은 몇 차수 크기만큼 디바이스의 강성(stiffness)을 증가시키는 것에 있으며, 이것은 디바이스에 있어서 훨씬 높은 충격 저항성(shock resistance)(100kG 허용한계(tolerance))을 의미한다. 게다가, 디바이스의 큰 강성은 공기 제동(air damping)되는 것이 덜 쉬워지도록 하고, 그것은 고진공 캡슐화(encapsulation)에 대한 필요를 제거함으로써 패키징을 간단하게 하고 제조 비용을 감소시킨다.
자이로스코프들에 관련된 미국 특허들은, Putty 등에게 허여되고 발명의 명칭이 "Microstructure for vibratory gyroscope"인 미국 특허번호 5,450,751호; Jiang에게 허여되고 발명의 명칭이 "Spring for a resonance ring of an angular rate sensor"인 미국 특허번호 6,128,954호; Lynch에게 허여되고 발명의 명칭이 "Hemispherical Resonator Gyroscope"인 미국 특허번호 3,719,074호; Koning에게 허여되고 발명의 명칭이 "Vibrating cylinder gyroscope and method"인 미국 특허번호 4,793,195호; Geen에게 허여되고 발명의 명칭이 "Six degree of freedom micromachined microsensors"인 미국 특허번호 6,848,304호; 및 Geen에게 허여되고 발명의 명칭이 "Micro-machined multi sensor providing 1-axis of acceleration sensing and 2-axes of angular rate sensing"인 미국 특허번호 6,837,108호를 포함한다.
본 발명의 다양한 특징들 및 장점들은 비슷한 참조번호들이 유사한 구조적 요소들을 나타내는 첨부도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여 더욱 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 예시적인 체적 탄성파 자이로스코프를 도시한다
도 2a 및 2b는 예시적인 체적 탄성파 자이로스코프의 2차 및 1차 탄성 모드를 도시하는 ANSYS 시뮬레이션 데이터를 나타낸다.
도 3은 예시적인 800㎛ 직경 체적 탄성파 자이로스코프의 일부의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope; SEM) 뷰이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 800㎛ 직경 체적 탄성파 자이로스코프의 매칭되지 않은 및 매칭된 2차 탄성 모드들의 주파수 응답을 도시한다.
도 5는 (100) 실리콘 기판에서 800㎛ 직경 체적 탄성파 자이로스코프를 실시하기 위해 예시적으로 감소된 측정된 감도 결과들을 도시하는 그래프이다.
도 6은 (111) 실리콘 기판에서 1200㎛ 직경 체적 탄성파 자이로스코프를 실시하기 위해 예시적으로 감소된 1차 탄성 모드들의 주파수 응답을 나타낸다.
도 7은 (111) 실리콘 기판에서 1200㎛ 직경 체적 탄성파 자이로스코프를 실시하기 위해 예시적으로 감소된 측정된 감도 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 8은 (111) 실리콘 기판에서 1200㎛ 직경 체적 탄성파 디스크 자이로스코프를 실시하기 위하여 예시적으로 감소된 1차 탄성 모드들의 루트 알란 분산 플롯(root Allan variance plot)을 도시하는 그래프이다.
도 9a 및 9b는 예시적인 800㎛ 직경 단결정 실리콘 디스크 자이로스코프의 면외 축퇴 모드(out of plane degenerative mode)들에 대한 ANSYS 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 10-17은 예시적인 체적 탄성파 자이로스코프의 제조를 예시한다.
높은 주파수(㎒ 범위) Z축 및 XY 축 코리올리 기반의 용량성 체적 탄성파 자이로스코프 장치(10) 또는 자이로스코프들(10)이 도면들을 참조하여 본 명세서에서 개시된다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 자이로스코프들(10)은 SOI(silicon-on-insulator) 기판(11)일 수 있는 핸들 기판(11)을 포함한다. 공진기 소자(12)(공진 디스크(12) 또는 공진 디스크 구조(12))는 핸들 기판(11)의 절연(매립 산화물)층(11b)에 의해 지지되고 있다. 복수의 전극들(13)은 공진기 소자(12)를 둘러싸고 매우 작은 용량성 갭들(14)에 의해 공진기 소자(12)로부터 분리된다. 전극(13)은 공진기 소자(12)에서 적어도 두 개의 축퇴 체적 탄성파 공진 모드들을 여기 및 검출할 수 있다. 공진기 소자(12)는 일반적으로 디스크형(disk-like)의 원 또는 다각형일 수 있는 공진기 소자(12)이다. 공진기 소자(12)는 속이 꽉 찬(solid) 또는 구멍이 난 것일 수 있다. 공진기 소자(12)는 압전 재료로 만들어질 필요는 없다. 사실, 양호한 선택은 단결정 또는 다결정 실리콘과 같은 비압전 재료이다. 실리콘 카바이드(silicon carbide), 다이아몬드, 나노결정립(nano-crystalline) 다이아몬드, 갈륨 니트라이드(gallium nitride), 알루미늄 니트라이드(aluminum nitride) 또는 석영과 같은 다른 반도전성, 압전 또는 금속성 재료들이 공진기 소자를 만들기 위해 사용될 수 있다. 도 3은 구멍난 공진기 소자(12)를 갖는 예시적인 800㎛ 직경 용량성 체적 탄성파 자이로스코프(10)의 일부의 주사 전자 현미경(SEM) 뷰이다. 복수의 전극들(13)은 일반적으로 구동 전극들(13a), 감지 전극들(13b) 및 정전기 튜닝 전극들(13c)을 포함한다. 나머지 전극들(13)은 축퇴 벌크 음향 모드들을 전극들의 중심(즉, 구적법 오차들을 상쇄하기 위해)에 정렬하기 위해 이용될 수 있다.
더욱 구체적으로, 예시적인 800㎛ 및 1200㎛ 직경의 중심이 지지되는 SCS(single crystal silicon) 구멍난 디스크 자이로스코프(10)가 개시된다. 예시적인 800㎛ 직경 디스크 자이로스코프(10)가 50㎛ 두께의 (100) SCS 기판 상에 구현되었고 고차의 탄성 모드들에서 동작하도록 구성되었다. 1200㎛ 직경 디스크 자이로스코프(10)는 35㎛ 두께의 (111) SCS 기판 상에 제조되었고 1차 탄성 모드들에서 동작하도록 구성되었다. 두 경우 모두, (100) SCS 및 (111) SCS 기판들은 SOI 기판(11)의 최상층(디바이스층)이다. 용량성 갭들(14)을 포함하는 높은 애스펙트 비(aspect ratio)의 트랜치들(14)이 본 기술 분야에서 HARPSS라고 알려진 결합된 폴리실리콘 및 단결정 실리콘 마이크로 기계식 공정을 이용하여 실현되어, 매우 작은 용량성 갭들(14)(180-250㎚)을 갖는 두꺼운 SOI 기판들(11)(30-50㎛) 상의 용량성 디스크 자이로스코프들(10)을 구현한다. 프로토타입(prototype) 체적 탄성파 자이로스코프들(10)은 100,000을 초과하는 초고도의 품질계수를 나타낸다.
예시적인 체적 탄성파 자이로스코프들(10)은 단결정 실리콘 디스크 구조 상에 구현될 수 있다. 디스크 구조는 속이 꽉 찬 또는 구멍난 구성을 가질 수 있다(도 3). 만약 구멍난 디스크(12)가 사용된다면, (도 3에서 도시된) 대칭적인 릴리즈 홀들(15)이 (100) SCS 기판에서 매 30˚마다 그리고 (111) SCS 기판에서 매 45˚마다 반복되어 두 개의 축퇴 모드들 사이의 공진 주파수 분리를 최소화한다. 속이 꽉 찬 체적 탄성파 디스크 자이로스코프(10)는 상부로부터의 서스펜디드 폴리실리콘 트레이스들(16)을 사용하여 그것의 중심에서 지지된다. 구멍난 체적 탄성파 디스크 자이로스코프는 바닥의 SOI 기판(11)의 매립 산화물(11b)을 사용하여 지지될 수 있다. 또한, 디스크 표면 상의 서스펜디드 폴리실리콘 트레이스(16)는 디스크(12)에 DC 바이어스를 제공한다. 고차의 면외(out-of-plane) 탄성 모드들을 용량적으로 여기하고 균형잡기 위해, 12개의 폴리실리콘 전극들(13)이 예를 들면, 30˚의 간격들로 디스크(12)의 상부 위에서 연장된다. 연장된 폴리실리콘 전극들(13)과 공진 디스크(12) 사이의 용량성 갭들(14)의 크기는 수직 용량성 갭들과 동일하다(통상 200㎚).
두 개의 면외 축퇴 모드들은 SCS 디스크 구조들에서 동일한 공진 주파수로 이용가능하다. 이들 두 개의 면외 축퇴 모드들은 디스크(12)의 중심에 대하여 대칭이지만 면내의 원주 방향으로(circumferentially) 30˚만큼 벗어난다. 상부 전극들(13)은 면내에 매 30˚ 마다 배치되어 면외 축퇴 모드들을 검출 및 감지한다. 도 9a의 면외 축퇴 모드들 중 하나가 그 배(anti-node)가 롤 축(X축)에 대하여 정렬되도록 구동될 때, 롤 회전(roll rotation)(X축에 대한 회전)의 적용시 에너지가 이 제1 면외 축퇴 모드(도 9a)에서 제2 면외 축퇴 모드(도 9b)로 전달될 것이다. 따라서, 롤 회전으로 인한 출력 신호가 제2 축퇴 모드의 배(anti-node)들(예를 들면, 도 9b, D 라인)에 위치된 전극들(13)에서 측정될 수 있다. 제1 축퇴 모드(도 9a, B 라인)는 피치 회전축을 따라 그것의 제로 변위(마디점)에 있기 때문에, 피치 회전(Y축에 대한 회전)으로 인한, 제1 면외 축퇴 모드(도 9a)에서 제2 면외 축퇴 모드들(도 9b)로의 에너지의 전달은 없을 것이다. 결국, 피치 및 롤 회전 양자가 동시에 적용된다면, 프로토타입 기술은 피치 회전으로부터 롤 회전을 분리하기 위한 솔루션을 제공할 수 있다. 이러한 절차는 면외 축퇴 모드(도 9b) 중 하나의 배가, 피치 축(y축)에 대해 정렬되도록 구동될 때 피치 회전을 측정하기 위해 사용될 수 있으며, 다른 면외 축퇴 모드(도 9)는 출력 신호를 측정하기 위해 사용된다.
30 내지 50㎛ 두께의 SOI 웨이퍼들(11) 상의 중심 지지형 SCS 디스크 자이로스코프(10)를 제조하기 위해 HARPSS의 버전이 사용될 수 있다. 체적 탄성파 모드들을 사용하는 자이로스코프들(10)에 대해, 보통 전기 잡음에 의해 제한되는 최소의 검출 가능한 회전 레이트는, 체적 탄성파 모드들이 현재 이용가능한 진동 마이크로 자이로스코프들을 통하여 몇 차수 크기만큼 개선될 수 있다.
높은 주파수 체적 탄성파 자이로스코프(10)의 장점은 공진 주파수를 2 내지 3차수만큼 크기를 증가시킴(2-10㎒로)으로 인한 기계적(브라운) 잡음 플로어의 감소(3 내지 4 차수 크기) 및 만곡 모드들에 비교하여 더 적은 열탄성 진동 감쇠들을 경험하는 벌크 음향 모드들을 이용함으로써 Q에 있어서의 상당한 증가에 있다. 높은 주파수 벌크 음향 자이로스코프들(10)의 추가적인 장점들은 그들이 감소된 크기; 노이즈 성능 및 바이어스 안정성을 개선하는 더 높은 Q; 더 큰 대역폭(BW=f/Q > 25㎐), 및 개선된 충격 저항성을 갖는다는 것이다. 게다가, 높은 Q는 대기압 또는 거의 대기압하에서 유지되어, 자이로스코프들(10)의 패키징을 간단하게 하고 제조 비용을 감소시킨다. 자이로스코프들(10)은 면외 축퇴 모드들과 공진 주파수에서 상이한 면내 고차 축퇴 공진 모드들에서 동작될 수 있다. 결국, 자이로스코프들(10)은 상이한 동작 공진 주파수들에서 피치 회전 및 롤 회전 뿐만 아니라 요 회전(yaw rotation)을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 마지막으로, 설계는 체적 탄성파 디스크 자이로스코프(10)의 두께에서의 변동에 민감하지 않고 차례로 제조가능성(manufacturability)의 면에서 이점들을 갖는다. 용량성 체적 탄성파 디스크 자이로스코프들(12)에서의 매우 고유한 특성은 그들의 매우 작은 용량성 갭들(~ 200㎚)에 기인하여 진동 진폭들이 20㎚ 미만이기 때문에 그들이 종래의 진동 자이로스코프들에 비하여 움직이지 않는 디바이스들이라는 것이다.
용량성 체적 탄성파 디스크 자이로스코프들(10)은 ㎒ 주파수 범위에서 동작하고 진동 진폭들이 20㎚ 미만인 정적인 디바이스들이며, 알맞은 진공(및 심지어 대기압)에서 매우 높은 품질 계수들(Q)을 달성하여 그들의 웨이퍼 레벨 패키징을 상당히 간단하게 한다. 게다가, 그들의 훨씬 낮은 동작 DC 전압들(Vp < 5V) 및 AC 액추에이션 전압들(160mV)은 표준 CMOS 공정을 사용하는 인터페이스 회로 설계 및 구현을 간단하게 한다. 또한, 진동 자이로스코프들(10)을 높은 주파수들에서 동작시키는 것은 낮은 주파수 모드 매칭된(low frequency mode-matched) 디바이스들에 비하여 몇 차수 크기들 만큼 주파수 대역폭을 증가시켜서, 센서들의 응답 시간을 감소시키고 모드 매칭 요건들을 완화한다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 예시적인 코리올리 기반 체적 탄성파 자이로스코프(10)는 용량적으로 결합된 드라이브(13a), 센서(13b) 및 제어 전극들(13c)을 구비한 중심이 지지되는 디스크 구조(12)(공진 소자(12))를 포함한다. 용량성 SCS 체적 탄성파 디스크 자이로스코프(10)는 1차 또는 2차 축퇴 탄성 모드들에서 동작하도록 설계된다.
도 2a 및 2b는 예시적인 체적 탄성파 자이로스코프(10)의 탄성 모드들의 ANSYS 시뮬레이션들을 도시한다. (100) 단결정 실리콘의 이방적 특성(anisotropic nature)으로 인해, 공간적으로 30˚떨어진 (100) SCS 디스크의 2차 탄성 모드들만이 동일 주파수들을 갖는다(도 2a). (111) SCS 디스크 자이로스코프들(10)에서, (공간적으로 45˚ 떨어진) 디스크 공진기(12)의 1차 탄성 모드들은 동일한 주파수들을 갖는다(도 2b). 결국, 전극들(13)은 디스크 공진기(12)의 주위에 원주 방향으로 (100) SCS에 대하여 매 30˚마다 또는 (111) SCS에 대하여 매 45˚마다 배치되어 변환들을 감지 및 구동하는 것을 최대화한다. 디스크 자이로스코프(10)를 전면으로부터 릴리즈(release)하기 위하여, 릴리즈 홀(release hole)들이 디스크 구조에 부가된다. 릴리즈 홀들(15)은 (100) 실리콘 디스크에서 매 30˚마다 (또는 (111) 실리콘 디스크에서 매 45˚)에 대칭적으로 반복되어 두 개의 축퇴 탄성 모드들 사이에서 임의의 가능한 주파수 분할(frequency split)을 최소화한다.
임의의 진동 자이로스코프를 설계하는 데 있어서 중요한 설계 파라미터들 중 하나는 각도 이득(angular gain)이다. 각도 이득은 회전 각에 대한 진동 패턴 각도에서의 지연의 비율로서 정의되고 공진 모드 동작 뿐만 아니라 센서 구조에도 의존한다. 각도 이득은 속이 꽉 찬 디스크 구조들로부터 유도되고 디스크 자이로스코프들(10)에서 2차 탄성 모드들(0.24)보다 1차 탄성 모드들(0.45)에 대하여 1.8배 크다. (111) 실리콘 디스크 자이로스코프(10)의 감도가 (100) 실리콘 디스크의 유사한 디바이스보다 더 큰 각도 이득에 기인하여 더 높음에도 불구하고, (100) 실리콘 기판들(11)은 (111) 단결정 실리콘에 비하여 CMOS 호환성(compatibility) 및 공급 이용가능성의 면에서 이점들을 가진다.
두꺼운 SOI 웨이퍼들(11) 또는 기판(11)(30-50㎛ 두께) 상에, HARPSS 공정을 이용하여 프로토타입 자이로스코프들(10)이 제조되었다. 예시적인 제조 공정 흐름이 도 10 - 도 17에서 도시된다. 도 10에서, SOI 기판(11)(바닥층(11a), 절연(매립 산화물) 층(11b), 디바이스층(11c)) 상에 2㎛ 두께의 희생 산화물 마스크(sacrificial oxide mask)(21)가 패터닝된다. 깊은 트랜치들(22)이 디바이스층(11c)을 관통하여 에칭되어(도 11) 공진 SCS 구조들을 규정한다. 도 12에서, 희생 LPCVD 산화물(23)의 얇은 층이 퇴적되어 용량성 갭들(14)을 형성하고, 이어서 LPCVD 폴리실리콘(24)으로 트랜치들(22)이 충전된다. 다음으로, LPCVD 폴리실리콘(24)은 표면 상에서 에칭되고 희생 산화물(23)이 기판 상에서 패터닝되고(도 13), LPCVD 폴리실리콘층(24)이 퇴적되고, 도핑되며 어닐링된다(도 14). 표면 상의 폴리실리콘을 패터닝(도 15)하여 패드들을 규정한 후에, 트랜치들(22) 내의 폴리실리콘 및 디바이스층(11c)의 부분들은 제거되어(도 16) 전극들(13)을 규정한다. 그 후 디바이스는 플루오르화 수소(hydrogen fluoride; HF)를 릴리즈한다. SOI 기판(11)의 매립 산화물층(11b)은 바닥의 디스크 공진기(12)를 지지하는 데 사용될 수 있고, 그것은 HF 릴리즈의 주의 깊은 타이밍을 필요로 한다. 표면 상의 폴리실리콘 트레이스(16)(도 3)는 디스크 공진기에 DC 바이어스를 제공하는 데 사용된다. 또한, 각각의 폴리실리콘 전극(13)은 부분적으로 디스크 구조(12) 상에서 외부로 연장하여 면외 쇽스탑(shock stop)을 제공한다. 게다가, 연장된 폴리실리콘 전극들(13)은 X-Y 축 자이로스코프들(10)에서 면내 전극들로서 사용되어 면외 축퇴 모드들을 여기 및 감지할 수 있다. 매우 높은 성능이 소망될 경우, 도 17에서 도시되는 바와 같이, PECVD 산화물(27)이 퇴적되고 패터닝되며 전도성 재료(28)(예를 들면, 알루미늄)가 자이로스코프(10)를 진공 밀봉(vacuum seal)하기 위해 퇴적된다. 이 공정은 Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop, "Evolution of Integrated Inertial MEMS Technology", Hilton Head Island, South Carolina, 2004년 6월, 27-32쪽에서 M. W. Judy에 의해 논의된 아날로그 디바이스의 SOIMEMS 공정과 양립가능하며, 소정의 CMOS 사전- 및 후- 제조 단계들을 부가함으로써 CMOS 일렉트로닉스와 통합될 수 있다.
예시적인 (100) 실리콘 및 (111) 실리콘 디스크 자이로스코프들(10)이 테스트된다. 사인 모양의 구동 신호가 구동 전극(13a)에 인가되고 출력 신호가 감지 전극(13)에서 모니터링된다. 감지 전극(13)은 구동 전극(13)으로부터 원주 방향으로 (100) 실리콘에 대하여 30˚ 및 (111) 실리콘 디스크 자이로스코프(10)에 대하여 45˚만큼 벗어나서 위치된다. 예시적인 (100) 실리콘 디스크 자이로스코프(10)의 측정 결과가 이제 논의될 것이다. 예시적인 800㎛ 직경 (100) 디스크 자이로스코프(10)의 고차 탄성 모드들이 5.9㎒에서 300㎐의 주파수 분할과 함께 관찰된다. 도 4는 이 디바이스에 대하여 1mTorr 진공에서 고차 탄성 모드들의 125,000 및 100,000의 측정된 Q를 도시한다. 이 디바이스에 대하여 10Torr에서 대응하는 Q 값들은 여전히 매우 높았다(100,000 및 74,000).
이 구멍난 디바이스의 구동 모드와 감지 모드들 사이의 290㎐의 작은 초기 주파수 분리는 적절한 튜닝 전압을 디스크 자이로스코프(10) 주위의 튜닝 전극들(13c)에 인가함으로써 매칭될 수 있다. 디바이스의 매칭된 모드 품질 계수는 12,000일 것으로 기록되었다. 모드 매칭은 10V DC의 튜닝 전압을 인가하여 달성되었다. ~490㎐의 큰 대역폭(BW)은 낮은 주파수 모드 매칭된 자이로스코프들보다 100배 더 큰 5.88㎒의 주파수에서 체적 탄성파 디스크 자이로스코프(10)에 대해 측정되었다.
예시적인 자이로스코프(10)로부터의 출력 전압은 상이한 각속도에서 측정된다. 측정된 레이트 감도는 도 5에서 도시된 바와 같이, 800㎛ 직경 (100) SCS 디스크 자이로스코프(10)가 0.19mV/˚/초이고, 이것은 Proceedings IEEE Conference on MEMS, "The Resonating Star Gyroscope", 2005년 1월 355-358쪽에서 M.F.Zaman 등에 의해 보고된 낮은 주파수의 폴리실리콘 별(star) 자이로스코프보다 17배 높은 것이다.
(111) 실리콘 디스크 자이로스코프(10)의 측정 결과들이 이제 논의된다. 1200㎛ 직경 디스크 자이로스코프(10)의 1차 탄성 모드들은 임의의 튜닝 전압들을 인가하지 않고 100㎐ 보다 적게 떨어진 것으로 관찰된다. (111) 디스크 자이로스코프들의 Qeffect-sense는 1mTorr 및 1Torr 진공에서 각각 66,000 및 58,000이었다(도 6).
예시적인 1200㎛ 직경(111) SCS 디스크의 레이트 감도 응답은 도 7에 나타나있다. 분리된 일렉트로닉스를 갖는 1200㎛ 직경(111) 체적 탄성파 디스크 자이로스코프(10)의 측정된 레이트 감도는 (100) 디스크(0.20 ㎷/˚/초)에 비해서 더 높은 레이트 감도를 보이는 0.94㎷/˚/초 이다. 이것은 (111) 디스크(12)에서의 더 큰 각도 이득 및 두 개의 탄성 모드의 더 작은 주파수 분리로 인해 예상된다.
바이어스 드리프트 추정이 이제 논의될 것이다. 자이로 스케일 팩터 안정성 및 바이어스 드리프트는 자이로스코프에서 본질적인 성능 파라미터들이다. 스케일 팩터 안정성은 시간에 걸쳐서(over time) Qeffect-sense의 안정성에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 측정된 Qeffect-sense가 고정된 실온 및 압력에서 24시간의 기간 동안 일정하게 남아있는 것이 관찰된다. 디바이스의 ZRO(zero rate output)이 샘플링된다. 수집된 ZRO 데이터를 이용하여 알란 분산 분석이 수행되고, 그리하여 분리된 일렉트로닉스와 인터페이싱된 매칭된 모드 디바이스의 장기적 안정성을 특성화한다. 예시적인 1200㎛ 직경(111) 실리콘 디스크 자이로스코프(10)의 루트 알란 분산 플롯(root Allan variance plot)이 도 8에 도시된다. 자이로스코프(10)의 측정된 바이어스 불안정성은 5.4˚/시 이다(100㎐ 미만의 모드 분리를 가짐). 원한다면, 두 개의 공진 모드는 작은 DC 전압들( <10V)을 디스크 주위의 튜닝 전극들(13)에 인가함으로써 튜닝되고 정렬될 수 있고, 이것은, 디바이스들에 대해 더 높은 감도 및 개선된 디바이스 안정성을 의미한다.
예시적인 1200㎛ 직경 (111) 진동 체적 탄성파 (111) 실리콘 자이로스코프(10)에 대한 설계 사양이 표 1에서 요약된다. 프로토타입 설계들에서, 최소의 검출가능한 회전 레이트는 주로 높은 동작 주파수로 인한 전자적 잡음(electronic noise)에 의해 제한된다. 이러한 문제는 갭 애스팩트 비를 더 증가시킴으로써(AR >250) 그리고 매우 낮은 잡음의 증폭기들(Vn <100nV/√Hz)를 사용함으로써 해결될 수 있다.
Figure 112008074107663-PCT00002
그리하여, 체적 탄성파 자이로스코프들이 개시되었다. 전술된 실시예들은 전술된 원리들의 어플리케이션들을 나타내는 소정의 다수의 특정 실시예들의 단지 예시적이라는 것이 이해되어야 한다. 명백히, 다수의 및 다른 구성들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 통상의 기술자들에 의하여 용이하게 고안될 수 있다.

Claims (26)

  1. 체적 탄성 공진기 소자(bulk acoustic resonator element); 및
    복수의 전극들 - 상기 전극들은 상기 체적 탄성 공진기 소자에서 적어도 두 개의 축퇴 체적 탄성파 공진 모드(degenerate bulk acoustic wave resonant mode)들을 여기(excite) 및 검출할 수 있음 -
    을 포함하는 자이로스코프 장치(gyroscope apparatus).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 체적 탄성 공진기 소자를 지지하는 핸들 기판(handle substrate)을 더 포함하는 자이로스코프 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 체적 탄성 공진기는 1㎒의 이상 정도의 공진 주파수를 갖는 디스크형 구조(disk-like structure)인 자이로스코프 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 면에 수직인 축에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 면에 있는 적어도 하나의 축에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공진기 소자는 비압전(non-piezoelectric) 재료로 만들어지는 자이로스코프 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 체적 탄성 공진기 소자들, 하나 이상의 복수의 전극들이 단일 기판 상에 통합되어 3개의 직교축(orthogonal axis)들에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  8. 체적 탄성 공진기 소자; 및
    상기 공진기 소자를 둘러싸고 매우 작은 용량성 갭들에 의해 상기 공진기 소자로부터 분리되는 복수의 전극들 - 상기 전극들은 상기 공진기에서 적어도 두 개의 축퇴 체적 탄성파 공진 모드들을 여기 및 검출할 수 있음 -
    을 포함하는 자이로스코프 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 체적 탄성 공진기 소자를 지지하는 핸들 기판을 더 포함하는 자이로스코프 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 용량성 갭들은 200㎚ 이하 정도인 자이로스코프 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 기판의 면에 수직인 축에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 기판의 면에 있는 적어도 하나의 축에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 장치의 여기 및 튜닝(tuning)을 위한 직류 및 교류 전압원들을 더 포함하는 자이로스코프 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 공진기 소자는 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘으로 만들어진 디스크형 구조인 자이로스코프 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 공진기는 적어도 1㎒인 체적 탄성파 공진 주파수를 갖는 자이로스코프 장치.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 공진기 소자의 여기, 판독 및 튜닝에 대한 지원 일렉트로닉스(support electronics)를 더 포함하는 자이로스코프 장치.
  17. 제8항에 있어서,
    하나 이상의 체적 탄성 공진기 소자들, 하나 이상의 복수의 전극들이 단일 기판 상에 통합되어 3개의 직교축들에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  18. 핸들 기판;
    상기 핸들 기판에 의해 지지되는 디스크 공진기 소자;
    상기 디스크 공진기 소자를 둘러싸고 매우 작은 용량성 갭들에 의해 상기 디스크 공진기 소자로부터 분리되는 복수의 전극들 - 상기 전극들은 상기 디스크 공진기에서 적어도 두 개의 축퇴 체적 탄성파 공진 모드들을 여기 및 검출할 수 있음 - ; 및
    상기 디스크 공진기의 여기, 판독 및 튜닝을 위한 지원 일렉트로닉스
    를 포함하는 자이로스코프 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 용량성 갭들은 200㎚ 이하 정도인 자이로스코프 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 디스크 공진기는 적어도 1㎒인 체적 탄성파 공진 주파수를 갖는 자이로스코프 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 디스크 공진기는 그 중심에서 상기 핸들 기판에 의해 지지되는 자이로스코프 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 디스크 공진기는 그 중심에서 상기 지지 소자와 자기정렬되는(self-aligned) 자이로스코프 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 디스크 공진기는 구멍이 난(perforated) 자이로스코프 장치.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 기판의 면에 수직인 수직축에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 기판의 면에 있는 적어도 하나의 축에 대한 회전 레이트 또는 회전각을 감지하는 자이로스코프 장치.
  26. 제18항에 있어서,
    하나 이상의 공진기 소자들, 하나 이상의 복수의 전극들 및 지지 일렉트로닉스가 단일 기판 상에 통합되어 통합형 관성 측정 장치(integrated inertial measurement unit)를 형성하는 자이로스코프 장치.
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