KR20090107932A - Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane mems device - Google Patents

Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane mems device Download PDF

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KR20090107932A
KR20090107932A KR1020090028120A KR20090028120A KR20090107932A KR 20090107932 A KR20090107932 A KR 20090107932A KR 1020090028120 A KR1020090028120 A KR 1020090028120A KR 20090028120 A KR20090028120 A KR 20090028120A KR 20090107932 A KR20090107932 A KR 20090107932A
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linear acceleration
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KR1020090028120A
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로버트 디. 호닝
라이언 수피노
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values

Abstract

PURPOSE: A system and a method for determination of in-plane and out-of-plane acceleration and rotation using a MEMS sensor are provided to implement an inertial measuring unit using two inertia sensors, each of which senses the linear acceleration and rotation of two axes. CONSTITUTION: A method for determination of in-plane and out-of-plane acceleration and rotation using a MEMS sensor comprises a step of sensing out-of-plane linear acceleration of the MEMS sensor using a pair of first out-of-plane electrodes(106,108) and a pair of second out-of-plane electrodes(114,116), a step of sensing in-plane rotation of the MEMS sensor using the first out-of-plane electrodes and the second out-of-plane electrodes, a step of sensing in-plane linear acceleration of the MEMS sensor using first and second in-plane sensing computers, and a step of sensing out-of-plane rotation of the MEMS sensor is sensed the first and second in-plane sensing computers.

Description

평면내 및 평면외 MEMS 장치로부터 가속 및 회전 판단을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN IN-PLANE AND OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE}SYSTEM AND METHOD FOR ACCELERATION AND ROTATION DETERMINATION IN IN-PLAN AND OUT- PLANE MEMS DEVICES {SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN IN-PLANE AND OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE}

본 발명의 일 실시예는 MEMS 관성 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평면내 및 평면외 방향으로 가속 및 회전을 판단하는 MEMS 관성 센서에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a MEMS inertial sensor, and more particularly, to a MEMS inertial sensor for determining acceleration and rotation in an in-plane and out-of-plane direction.

본 출원은 2008년 4월 10일 출원되고 "Systems And Methods For Acceleration And Rotational Determination From An In-plane And Out-of-plane MEMS Device"의 명칭을 가지며 그 내용의 전체가 본 명세서에서 편입되는 출원계속중인 미국 가특허 출원 제61/043,974호로부터의 우선권을 주장한다.This application is filed April 10, 2008 and is entitled "Systems And Methods For Acceleration And Rotational Determination From An In-plane And Out-of-plane MEMS Device," and is hereby incorporated by reference in its entirety. Claim priority from US Provisional Patent Application 61 / 043,974.

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 측정 유닛은 자세(attitude)와 가속도에서의 변화를 검출하기 위하여 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계를 포함한다. 일반적으로, 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계는 각각 자신의 제어 및 판독 전자 장치 세트를 가지면서 개별 직교축 상에 장착된다. 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 정밀하게 설치되어야만 한다는 관점에서, 상대적으로 큰 처리 용량이 6개의 개별 유닛으로부터의 정보를 처리하는데 필요하다는 관점에서, 그리고 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계에 전력을 공급하기 위한 전원 필요사항의 관점에서 MEMS 관성 측정 유닛의 조립에는 본질적인 비용이 있다는 것이 이해되어야 한다. 많은 애플리케이션이 크기, 계산 필요사항, 전력 필요사항 및 MEMS 관성 측정 유닛의 비용에 있어서의 절감을 필요로 한다. 이러한 제한 사항의 관점에서, MEMS 관성 측정 유닛에서 감지 장치의 개수를 줄이는 것이 유익할 것이다.The Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) inertial measurement unit includes three gyroscopes and three accelerometers to detect changes in attitude and acceleration. Typically, three gyroscopes and three accelerometers are mounted on separate orthogonal axes, each with its own set of control and readout electronics. In view of the fact that three gyroscopes and three accelerometers must be installed precisely, power is supplied to three gyroscopes and three accelerometers in terms of the relatively large processing capacity required to process information from six individual units. It is to be understood that there is an inherent cost in the assembly of MEMS inertial measurement units in terms of power requirements for supply. Many applications require savings in size, computational requirements, power requirements, and the cost of MEMS inertial measurement units. In view of these limitations, it would be beneficial to reduce the number of sensing devices in the MEMS inertial measurement unit.

종래의 MEMS 자이로스코프는 공진하는 관성 질량체(proof mass)에 가해진 코리올리의 힘(전향력)을 측정함으로써 각회전을 판단하는데 사용될 수 있다. 종래의 MEMS 자이로스코프는 하나 또는 그 이상의 실리콘 굴곡부를 이용하여 일반적으로 유리인 기판에 기계적으로 연결되어 있고 기판으로부터 현수된 2개의 실리콘 관성 질량체를 포함한다. 기판으로 에칭된 다수의 리세스는 실리콘 구조의 선택적인 부분이 장치의 내부 내에서 자유롭게 앞뒤로 운동하게 한다. 소정의 설계에서, 기판은 2개의 기판 사이에서 관성 질량체가 끼워지게 하기 위하여 실리콘 기판 위 및 아래에 제공될 수 있다. 기판(들) 상에 형성된 금속 트레이스의 패턴은 장치로 다양한 전기적 바이어스 전압과 신호 출력을 전달하는데 사용될 수 있다.Conventional MEMS gyroscopes can be used to determine angular rotation by measuring the force (turning force) of Coriolis applied to the resonant proof mass. Conventional MEMS gyroscopes include two silicon inertial masses suspended mechanically from a substrate that are mechanically connected to a generally glass substrate using one or more silicon bends. Multiple recesses etched into the substrate allow optional portions of the silicon structure to move back and forth freely within the interior of the device. In certain designs, a substrate may be provided above and below the silicon substrate to allow an inertial mass to fit between the two substrates. Patterns of metal traces formed on the substrate (s) can be used to deliver various electrical bias voltages and signal outputs to the device.

많은 MEMS 자이로스코프의 구동 시스템은 일반적으로 관성 질량체가 전향력이 감지되는 방향에 수직인 구동축을 따라 앞뒤로 진동하도록 하는 다수의 구동 요소를 포함한다. 소정의 설계에서, 예를 들어, 구동 요소는 정전기 액추에이션(electrostatic actuation)을 이용하여 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 다수의 깍지끼워진(interdigitated) 수직 콤 핑거(comb finger) 또는 빗살(tine)을 포함할 수 있다. 이러한 구동 요소는 본 명세서에서 전체가 참조로서 편입되는 탕(Tang) 등에 허여되고 "LATERALLY DRIVEN RESONANT MICROSTRUCTURES"의 명칭을 가진 미국 등록 특허 제5,025,346호 및 존슨(Johnson) 등에 허여되고 "MEMS GYROSCOPE WITH HORIZONTALLY ORIENTED DRIVE ELECTRODES"의 명칭을 갖는 미국 등록 특허 제7,036,373호에서 설명된다. 그러나, 이러한 MEMS 장치는 가속도 및 회전 (자이로) 응답이 서로 결합되고 서로 의존하는 개방 루프 모드에서 동작된다.Many MEMS gyroscope drive systems generally include a number of drive elements that cause the inertial mass to oscillate back and forth along a drive axis perpendicular to the direction in which the forward force is sensed. In certain designs, for example, the drive element may comprise a plurality of interdigitated vertical comb fingers or tines that convert electrical energy into mechanical energy using electrostatic actuation. It may include. Such drive elements are hereby incorporated by reference in Tang et al., Incorporated herein by reference in their entirety and in US Pat. Nos. 5,025,346 and Johnson et al., Entitled " LATERALLY DRIVEN RESONANT MICROSTRUCTURES. DRIVE ELECTRODES ", US Patent No. 7,036,373. However, these MEMS devices operate in an open loop mode where acceleration and rotation (gyro) responses are coupled to and dependent on each other.

본 명세서에서 전체가 참조로서 편입되며 "MEMS TUNING FORK GYRO SENSITIVE TO RATE OF ROTATION ABOUT TWO AXES"의 명칭을 가지고 2007년 5월 11일 출원된 마이클 S. 서튼(Michael S. Sutton)의 미국 특허 출원 제11/747,629호는 구동축에 직교하는 2개의 상이한 축에 대한 회전을 감지도록 사용가능한 MEMS 장치를 개시한다. 본 명세서에서 전체가 참조로서 편입되며 "SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE"의 명칭을 가지고 2008년 3월 28일 출원된 수피노(Supino) 등의 미국 특허 출원 제12/057,695호는 선형 가속도 및 회전을 감지하도록 사용가능한 MEMS 장치를 개시한다.US Patent Application of Michael S. Sutton, filed May 11, 2007, entitled "MEMS TUNING FORK GYRO SENSITIVE TO RATE OF ROTATION ABOUT TWO AXES", incorporated herein by reference in its entirety. 11 / 747,629 discloses a MEMS device that can be used to sense rotation about two different axes orthogonal to the drive shaft. United States Patent Application of Supino et al., Filed Mar. 28, 2008, entitled "SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE", incorporated herein by reference in its entirety. 12 / 057,695 discloses a MEMS device usable to sense linear acceleration and rotation.

본 발명의 일 실시예의 목적은 평면내 및 평면외 방향으로 가속 및 회전을 판단하는 MEMS 관성 센서를 제공하는 것이다.It is an object of one embodiment of the present invention to provide a MEMS inertial sensor for determining acceleration and rotation in in-plane and out-of-plane directions.

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 센서를 이용하여 평면내 선형 가속, 평면내 회전, 평면외 선형 가속, 및 평면외 회전을 판단하고 그리고/또는 감지하는 시스템 및 방법이 개시된다. 예시적인 실시예는 평면내 축에 정렬된 제1 관성 질량체와 제2 관성 질량체, 상기 제1 관성 질량체가 사이에 배치된 제1 평면외 전극쌍, 상기 제2 관성 질량체가 사이에 배치된 제2 평면외 전극쌍, 대향하는 제1 관성 질량체 콤 핑거와 인터리브된 복수의 콤 핑커를 갖는 제1 평면내 감지 콤, 및 대향하는 제2 관성 질량체 콤 핑거와 인터리브된 복수의 콤 핑커를 갖는 제2 평면내 감지 콤을 구비한다. 상기 MEMS 센서의 평면외 선형 가속은 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 감지될 수 있다. 상기 MEMS 센서의 평면내 회전은 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 감지될 수 있다. 상기 MEMS 센서의 평면내 선형 가속은 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 감지될 수 있다. 상기 MEMS 센서의 평면외 회전은 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 감지될 수 있다.Systems and methods are disclosed for determining and / or sensing in-plane linear acceleration, in-plane rotation, out-of-plane linear acceleration, and out-of-plane rotation using Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) inertial sensors. Exemplary embodiments include a first inertial mass and a second inertial mass aligned with an in-plane axis, a first out-of-plane electrode pair with the first inertial mass interposed therebetween, and a second with the second inertial mass interposed therebetween. A first in-plane sensing comb with a plurality of comb fingers interleaved with the out-of-plane electrode pair, opposing first inertial mass comb fingers, and a second plane with a plurality of comb interleaves with the opposing second inertial mass comb fingers It is equipped with a sense comb. The out-of-plane linear acceleration of the MEMS sensor may be sensed using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair. In-plane rotation of the MEMS sensor may be sensed using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair. In-plane linear acceleration of the MEMS sensor may be sensed using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb. The out-of-plane rotation of the MEMS sensor may be sensed using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb.

본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 관성 센서가 2개의 축의 선형 가속과 2개의 축의 회전을 감지하기 때문에 종래의 관성 측정 유닛에서 사용된 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 아니라 2개의 관성 센서가 하나의 관성 측정 유닛을 구축하는데 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since one inertial sensor detects linear acceleration of two axes and rotation of two axes, two inertial sensors are used instead of three gyroscopes and three accelerometers used in conventional inertial measurement units. It can be used to build one inertial measurement unit.

관성 센서(100)의 실시예들은 회전과 가속이 독립적으로 판단가능하도록 가속 감지와 회전 감지를 분리한다. 도 1은 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 블록도이다. 관성 센서(100)의 예시적인 부분은 선형 가속 또는 회전 중 하나를 감지하는데 사용가능하다. 회전을 감지하는 관성 센서(100)의 다른 부분이 아래에서 설명되고 예시된다.Embodiments of the inertial sensor 100 separate acceleration sensing and rotation sensing so that rotation and acceleration can be independently determined. 1 is a block diagram of a portion of one embodiment of an inertial sensor 100. An exemplary portion of the inertial sensor 100 can be used to sense either linear acceleration or rotation. Another portion of the inertial sensor 100 that senses rotation is described and illustrated below.

관성 센서(100)의 도시된 부분은 제1 관성 질량체(102)(좌측 관성 질량체(102)로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다) 및 제2 관성 질량체(104)(우측 관성 질량체(104)로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다)를 포함한다. 좌측 관성 질량체(102)는 제1 상부 좌측 감지(upper left sense, ULS) 전극(106)과 제1 하부 좌측 감지(lower left sense, LLS) 전극(108)의 사이에 있다. 또한, 좌측 관성 질량체(102)는 제2 ULS 전극(110)과 제2 LLS 전극(112)의 사이에 있다. 우측 관성 질량체(104)는 상부 우측 감지(upper right sense, URS) 전극(110) 및 하부 우측 감지(lower right sense, LRS) 전극(112)의 사이에 있다. 또한, 우측 관성 질량체(104)는 제2 URS 전극(118) 및 제2 LRS 전극(120)의 사이에 있다. 상부 및 하부 감지 전극은 관성 센서(100)의 평면외(out-of-plane) 운동을 감지하도록 사용가능 하다. 감지 전극(106, 108), 감지 전극(110, 112), 감지 전극(114, 116) 및 감지 전극(118, 120)은 해당하는 관성 질량체(102, 104)의 평면외 운동을 감지하도록 사용가능한 전극쌍을 형성한다.The illustrated portion of the inertial sensor 100 is interchanged with the first inertial mass 102 (also referred to as the left inertial mass 102) and the second inertial mass 104 (the right inertial mass 104). Can be). The left inertial mass 102 is between the first upper left sense (ULS) electrode 106 and the first lower left sense (LLS) electrode 108. In addition, the left inertial mass 102 is between the second ULS electrode 110 and the second LLS electrode 112. The right inertial mass 104 is between the upper right sense (URS) electrode 110 and the lower right sense (RLS) electrode 112. Also, the right inertial mass 104 is between the second URS electrode 118 and the second LRS electrode 120. The upper and lower sensing electrodes can be used to sense out-of-plane motion of the inertial sensor 100. Sense electrodes 106, 108, sense electrodes 110, 112, sense electrodes 114, 116 and sense electrodes 118, 120 are usable to sense out-of-plane motion of the corresponding inertial masses 102, 104. Form an electrode pair.

좌측 관성 질량체(102)는 좌측 관성 질량체(102)와 ULS 전극(106, 110) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GULS)만큼 ULS 전극(106, 110)으로부터 분리된다. 유사하게, 좌측 관성 질량체(102)는 좌측 관성 질량체(102)와 LLS 전극(108, 112) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GLLS)만큼 LLS 전극(108, 112)으로부터 분리된다. 평면외 선형 가속 또는 평면내(in-plane) 회전에 의해 발생되는 간극(GULS, GLLS)과 관련된 커패시턴스에서의 변동은 검출가능하다.The left inertial mass 102 is separated from the ULS electrodes 106 and 110 by a gap G ULS that defines capacitance dependent on the separation interval between the left inertial mass 102 and the ULS electrodes 106 and 110. Similarly, the left inertial mass 102 is separated from the LLS electrodes 108 and 112 by a gap G LLS that defines a capacitance that depends on the separation gap between the left inertial mass 102 and the LLS electrodes 108 and 112. do. The variation in capacitance associated with the gaps G ULS , G LLS caused by out-of-plane linear acceleration or in-plane rotation is detectable.

우측 관성 질량체(104)는 우측 관성 질량체(104)와 URS 전극(114, 118) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GURS)만큼 URS 전극(114, 118)으로부터 분리된다. 유사하게, 우측 관성 질량체(104)는 우측 관성 질량체(104)와 LRS 전극(116, 120) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GLRS)만큼 LRS 전극(116, 120)으로부터 분리된다. 평면외 선형 가속 또는 평면내 회전 운동에 의해 발생되는 간극(GURS 및 GLRS)과 관련된 커패시턴스에서의 변동은 검출가능하다.The right inertial mass 104 is separated from the URS electrodes 114, 118 by a gap G URS that defines a capacitance that depends on the separation interval between the right inertial mass 104 and the URS electrodes 114, 118. Similarly, the right inertial mass 104 is separated from the LRS electrodes 116, 120 by a gap G LRS that defines a capacitance that depends on the separation interval between the right inertial mass 104 and the LRS electrodes 116, 120. do. The variation in capacitance associated with the gaps G URS and G LRS caused by out-of-plane linear acceleration or in-plane rotational motion is detectable.

관성 질량체(120, 104)는 교류(AC) 전압이 구동 전극에 인가됨에 따라 관성 질량체(102, 104)에 "앞뒤(back-and-forth)"의 운동을 부여하는 구동 전극(도 1에서는 미도시)에 용량성으로 연결된다. 구동 전극은 관성 질량체(102, 104)가 구동축(도시된 X 축)을 따라 앞뒤로 공진하면서 진동하게 한다. 구동축과 Y 축은 관성 질량체(102, 104)의 평면내(in-plane) 운동을 정의한다. 공진 운동의 반주기 동안, 방향 벡터 122a에 의해 표시된 바와 같은 좌측 관성 질량체(102)의 운동의 상대적인 방향은 방향 벡터 122b에 의해 표시된 바와 같은 우측 관성 질량체(104)의 운동의 방향과 반대이다. 따라서, 관성 질량체(102, 104)는 도 1에서 서로 멀어지는 것으로 도시된다. 공진 운동의 다음 반주기 동안, 관성 질량체(102, 104)는 서로를 향하여 운동한다. 관성 질량체(102, 104)는 서로 180° 위상을 벗어난 대향하는 운동을 가지면서 공진한다. 관성 센서(100)의 실시예들은 다양한 구성의 구동 전극을 갖는 MEMS 기반의 장치 내에 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.The inertial masses 120 and 104 are drive electrodes (not shown in FIG. 1) that impart "back-and-forth" motion to the inertial masses 102 and 104 as an alternating current (AC) voltage is applied to the drive electrodes. Is connected capacitively). The drive electrode causes the inertial masses 102 and 104 to vibrate while resonating back and forth along the drive axis (X axis shown). The drive axis and the Y axis define the in-plane motion of the inertial masses 102 and 104. During the half period of the resonant motion, the relative direction of motion of the left inertial mass 102 as indicated by the direction vector 122a is opposite to the direction of motion of the right inertial mass 104 as indicated by the direction vector 122b. Thus, the inertial masses 102, 104 are shown as being far from each other in FIG. 1. During the next half period of the resonant motion, the inertial masses 102, 104 move towards each other. The inertial masses 102 and 104 resonate with opposite motions out of phase by 180 degrees. It will be appreciated that embodiments of the inertial sensor 100 may be implemented in a MEMS based device having drive electrodes of various configurations.

관성 센서(100)는 관성 질량체(102)에 용량성으로 연결된 적어도 하나의 평면내 감지 전극(124)을 포함하여 관성 질량체(102)의 평면내 운동을 감지한다. 적어도 하나의 평면내 감지 전극(126)은 관성 질량체(104)에 용량성으로 연결되어 관성 질량체(104)의 평면내 운동을 감지한다. 본 명세서에서 평면내 감지 콤으로 서로 바꾸어서 불릴 수 있는 평면내 감지 전극(124, 126)은 Y 축 방향으로의 관성 질량체(102, 104)의 운동을 감지하도록 사용가능한 콤 핑거 쌍(128)을 포함한다. 서로 인터리브된 평면내 감지 전극(124)의 콤 핑거와 관성 질량체(102)의 콤 핑거를 갖는 콤 핑거 쌍(128)가 도시된다. Y 축을 따른 운동은 콤 핑거의 커패시턴스가 검출가능한 방식으로 변동하도록 콤 핑거 사이의 간극(GCLS)에서의 변동을 발생시킨다. 유사하게, 평면내 감지 전극(126)과 관성 질량체(104)의 인터리브된 콤 핑거(미도시)는 간극(GCRS)에서의 변동에 대응하는 Y 축을 따른 운동을 감지한다.The inertial sensor 100 includes at least one in-plane sensing electrode 124 capacitively coupled to the inertial mass 102 to sense in-plane motion of the inertial mass 102. At least one in-plane sensing electrode 126 is capacitively coupled to the inertial mass 104 to sense in-plane motion of the inertial mass 104. In-plane sensing electrodes 124, 126, which may be interchangeably referred to herein as in-plane sensing combs, comprise a pair of comb fingers 128 usable to sense movement of inertial masses 102, 104 in the Y-axis direction. do. A comb finger pair 128 is shown having a comb finger of the in-plane sensing electrode 124 interleaved with each other and a comb finger of the inertial mass 102. Movement along the Y axis causes a variation in the gap G CLS between the comb fingers such that the capacitance of the comb finger varies in a detectable manner. Similarly, interleaved comb fingers (not shown) of in-plane sensing electrode 126 and inertial mass 104 sense motion along the Y axis corresponding to variations in gap G CRS .

도 2는 평면외로 짝지어진 감지 전극(106, 108), 감지 전극(110, 112), 감지 전극(114, 116), 감지 전극(118, 120) 및 감지 전극(124, 126)의 상부 전극을 나타내는 관성 센서(100)의 예시적인 실시예의 상면도이다. 예시적인 본 실시예에서, 전술한 평면내 감지 전극(124)에 대응하는 4개의 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136)이 도시된다. 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136)은 복수의 콤 핑거쌍(128)을 형성하기 위하여 관성 질량체(102)의 대응하는 콤 핑거와 인터리버되는 콤 핑거를 갖는다. 또한, 전술한 평면내 감지 전극(126)에 대응하는 4개의 평면내 감지 전극(138, 140, 142, 144)이 도시된다. 또한, 평면내 감지 전극(138, 140, 142, 144)은 복수의 콤 핑거쌍(128)을 형성하기 위하여 관성 질량체(104)의 대응하는 콤 핑거와 인터리버되는 콤 핑거를 갖는다.2 illustrates sensing electrodes 106 and 108, sensing electrodes 110 and 112, sensing electrodes 114 and 116, sensing electrodes 118 and 120, and upper electrodes of sensing electrodes 124 and 126 mated out of plane. Top view of an exemplary embodiment of an inertial sensor 100 that is shown. In this exemplary embodiment, four in-plane sense electrodes 130, 132, 134, 136 corresponding to the in-plane sense electrode 124 described above are shown. In-plane sensing electrodes 130, 132, 134, 136 have comb fingers interleaved with corresponding comb fingers of inertial mass 102 to form a plurality of comb finger pairs 128. Also shown are four in-plane sensing electrodes 138, 140, 142, 144 corresponding to the in-plane sensing electrode 126 described above. The in-plane sensing electrodes 138, 140, 142, 144 also have a comb finger interleaved with the corresponding comb finger of the inertial mass 104 to form a plurality of comb finger pairs 128.

도시된 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은 4개의 핑거 쌍(128)만을 개념적으로 도시한다. 실제 구성에서는, 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은 더 많은 콤 핑거 쌍(128)을 가질 수 있다. 또한, 개념적인 도시를 위하여, 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은 상대적으로 큰 전극으로서 도시된다. 다양한 실시예들은 관성 질량체(102)에 용량성으로 결합된 도시된 4개의 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136) 및 관성 질량체(104)에 용량성으로 결합된 도시된 4개의 평면내 감지 전극(138, 140, 142, 144)보다 더 많거나 또는 더 적게 가질 수 있다. 또한, 제조된 다양한 모든 평면내 전극은 도시된 것보다 상대적으로 더 작을 수 있다.The in-plane sensing electrodes 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144 shown conceptually show only four finger pairs 128. In a practical configuration, the in-plane sensing electrodes 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144 may have more comb finger pairs 128. Also, for conceptual illustration, in-plane sensing electrodes 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144 are shown as relatively large electrodes. Various embodiments include four illustrated in-plane sensing electrodes 130, 132, 134, and 136 capacitively coupled to an inertial mass 102 and four illustrated in-plane capacitively coupled to an inertial mass 104. It may have more or fewer than the sensing electrodes 138, 140, 142, 144. In addition, all of the various in-plane electrodes produced may be relatively smaller than those shown.

또한, 관성 센서(100)의 실시예들은 간결함을 위하여 도면에서는 도시되지 않은 다른 감지 전극들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽오프(pick-off) 감지 전극이 관성 질량체(102, 104)에 유도된 모터 운동(motor motion)을 감지하기 위하여 포함될 수 있다.In addition, embodiments of the inertial sensor 100 may include other sensing electrodes not shown in the drawings for the sake of brevity. For example, pick-off sensing electrodes can be included to sense motor motion induced in the inertial masses 102 and 104.

도 3은 관성 질량체(102)의 콤과 인터리브되고 용량성으로 결합된 구동 전극(146)을 도시하는 관성(100) 센서의 예시적인 실시예에 대한 상면도이다. 구동 전극(146)은 관성 질량체(102, 104)의 전술한 모터 운동을 유도한다.3 is a top view of an exemplary embodiment of an inertial 100 sensor showing drive electrode 146 interleaved and capacitively coupled to a comb of inertial mass 102. The drive electrode 146 induces the above-described motor movement of the inertial masses 102 and 104.

도 4는 2개의 관성 질량체(102, 104), 각각 상부 전극과 하부 전극을 갖는 4개의 평면외 전극쌍(감지 전극(106, 108), 감지 전극(110, 112), 감지 전극(114, 116), 감지 전극(118, 120)), 평면내 감지 전극(130, 134, 138, 142)을 도시하는 관성 센서(100)의 예시적인 실시에의 측면도이다. 또한, 관성 질량체(102, 104)의 내부에 있는 구동 전극(146)이 도시된다.4 shows four out-of-plane electrode pairs (sensing electrodes 106 and 108, sensing electrodes 110 and 112, sensing electrodes 114 and 116) having two inertial masses 102 and 104, respectively, an upper electrode and a lower electrode. , Sensing electrodes 118, 120), and in-plane sensing electrodes 130, 134, 138, 142 are side views of an exemplary embodiment of the inertial sensor 100. Also shown are drive electrodes 146 inside the inertial masses 102 and 104.

도 5는 평면내 자이로 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 회전(Y 축에 대한, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 페이지를 기준으로 안으로 그리고 그 바깥으로의(Z 축, 도 1 참조) 운동을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 복수의 평면외 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 회전을 감지한다.5 is a conceptual diagram illustrating in-plane gyro detection. Rotation as shown (relative to FIG. 1, relative to the Y axis) induces movement in and out of the inertial mass 102, 104 relative to the page (Z axis, see FIG. 1). As described below, the plurality of out-of-plane sensing electrode pairs sense the shown rotation of the inertial sensor 100.

도 6은 평면외 자이로 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 회전(Z 축에 대한, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 운동(Y 축을 따라, 도 1 참조)을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 복수의 평면외 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 회전을 감지한다.6 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane gyro detection. Rotation as shown (relative to FIG. 1, relative to the Z axis) induces motion (along FIG. 1, along the Y axis) in the inertial masses 102, 104. As described below, the plurality of out-of-plane sensing electrode pairs sense the shown rotation of the inertial sensor 100.

도 7은 평면외 선형 가속 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 선형 가속(Z 축을 따라, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 반대 방향으로의 운동(역시 Z 축을 따라, 도 1 참조)을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 하나 또는 그 이상의 평면내 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 회전을 감지한다.7 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane linear acceleration sensing. Linear acceleration as shown (see FIG. 1 along the Z axis) induces movement in the opposite direction in the inertial masses 102 and 104 (also along FIG. 1 along the Z axis). One or more in-plane sensing electrode pairs sense the shown rotation of the inertial sensor 100 as described below.

도 8은 평면내 선형 가속 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 선형 가속(Y 축을 따라, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 관성 센서(100)의 운동에 비하여 반대 방향으로 더 작은 크기를 갖는 운동(역시 Y축을 따라, 도 1 참조)을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 하나 또는 그 이상의 평면내 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 가속을 감지한다.8 is a conceptual diagram illustrating in-plane linear acceleration sensing. Linear acceleration (shown along the Y axis, see FIG. 1) as shown is a motion with a smaller magnitude in the opposite direction relative to the motion of the inertial sensor 100 on the inertial masses 102, 104 (also along the Y axis, FIG. 1). Induction). One or more in-plane sensing electrode pairs sense the illustrated acceleration of the inertial sensor 100 as described below.

도 9 및 10은 2개의 직교하는 축에 대한 회전 속도를 측정하는 관성 센서(100)의 다른 실시예의 일부에 대한 예를 도시한다. 관성 센서(100)의 실시예의 일부는 2개의 튜닝 포크(tuning fork) 관성 질량체(24, 26), 모터 전하 증폭기(44), 감지 전하 증폭기(50), 처리 장치(54), 및 출력 장치(56)를 포함한다. 관성 질량체(24, 26)는 평면외 관성 질량체 운동에 민감한 평면외 전향력 감지 전극(40, 42)을 포함하는 기판의 상부에 배치된다. 또한, 센서(20)는 평면내 관성 질량체 운동에 민감한 복수의 인터리브된 콤 핑거를 포함하는 2개의 평면내 전향력 감지 전극(63)을 포함한다. 모터 드라이버 요소(60)는 구동 콤(62)에 전기적으로 연결된다. 모터 전하 증폭기(44)는 복수의 감지 콤(64)에 전기적으로 연결된다.9 and 10 show examples of some of other embodiments of inertial sensors 100 that measure the rotational speed about two orthogonal axes. Some of the embodiments of inertial sensor 100 include two tuning fork inertial masses 24 and 26, a motor charge amplifier 44, a sense charge amplifier 50, a processing device 54, and an output device ( 56). Inertial masses 24 and 26 are disposed on top of the substrate that includes out-of-plane turning force sensing electrodes 40 and 42 that are sensitive to out-of-plane inertial mass motion. The sensor 20 also includes two in-plane anti-force sensing electrodes 63 comprising a plurality of interleaved comb fingers sensitive to in-plane inertial mass motion. The motor driver element 60 is electrically connected to the drive comb 62. The motor charge amplifier 44 is electrically connected to the plurality of sense combs 64.

관성 질량체(24, 26)는 X 축 방향으로 공진하여 진동하도록 구동된다. 관성 질량체(24, 26)는 모터 드라이버 요소(60)에 의해 위상을 벗어나면서 진동하도록 구동된다. 관성 질량체(24, 26)의 마주보는 측에는 구동 감지 콤(64)의 핑거와 인터리브되는 핑거(빗살)가 있다. 모터 전하 증폭기(44)는 관성 질량체(24, 26)가 기계적 공진 주파수에서 구동되는 것을 보장하기 위하여 모터 드라이버 요소(60)를 통해 모터 구동 콤(62)에 전송되는 모터 드라이버 신호를 생성하는 처리 장치(54)로 모터 신호를 출력한다.The inertial masses 24 and 26 are driven to resonate and oscillate in the X axis direction. The inertial masses 24, 26 are driven to vibrate out of phase by the motor driver element 60. On opposite sides of the inertial masses 24, 26 are fingers (combs) interleaved with the fingers of the drive sensing comb 64. The motor charge amplifier 44 is a processing device that generates a motor driver signal transmitted to the motor drive comb 62 through the motor driver element 60 to ensure that the inertial masses 24, 26 are driven at a mechanical resonant frequency. The motor signal is output to 54.

Z 축(모터 운동에 대하여 직각인 방향)에 대한 회전에 의해 유도되는 Y 축 방향에서의 관성 질량체(24, 26)의 평면내 운동에 대한 커패시턴스의 변동 검출을 허용하기 위하여, 평면내 전향력 감지 전극(63)은 관성 질량체(24)의 모터 구동 콤(62) 및 구동 감지 콤(64)으로부터 비대칭이다.In-plane anti-force sensing electrode to allow detection of fluctuations in capacitance with respect to in-plane motion of the inertial masses 24, 26 in the Y-axis direction induced by rotation about the Z axis (direction perpendicular to the motor motion). 63 is asymmetrical from the motor drive comb 62 and drive sense comb 64 of the inertial mass 24.

제1 실시예에서, 관성 질량체(24, 26) 모두는 전압 신호를 처리 장치(54)로 출력하기 위하여 전하 증폭기(50)에 전기적으로 연결된다. 출력된 전압 신호는 처리 장치(54)에 의해 수신된다. 평면내 전향력 전극(63)에 인가된 전압 신호는 제1 주파수로 변조되며, 평면외 전향력 전극(40, 42)에 인가된 전압 신호는 제1 주파수와 다른 제2 주파수로 변조된다. 처리 장치(54)는 변조된 주파수 모두를 복조하는 복조기를 포함한다. 변조 주파수는 센서(20)의 기계적 공진으로부터 멀리 제거될 수 있다. 처리 장치(54)가 제1 주파수에 따라 수신된 신호를 복조한 후에, 처리 장치(54)는 회전 속도가 Z 축에 대하여 발생하였는지를 판단하기 위하여 복조된 신호를 분석한다. 다음으로, 처리 장치(54)는 Y 축에 대한 회전 속도를 판단하기 위하여 변조된 제2 주파수에서 수신된 신호를 복조한다. 판단된 회전 속도값은 출력 장치(56)를 통해 출력된다.In the first embodiment, both inertial masses 24 and 26 are electrically connected to the charge amplifier 50 for outputting a voltage signal to the processing device 54. The output voltage signal is received by the processing device 54. The voltage signal applied to the in-plane turning force electrode 63 is modulated at a first frequency, and the voltage signal applied to the out-of-plane turning force electrodes 40 and 42 is modulated at a second frequency different from the first frequency. Processing device 54 includes a demodulator that demodulates all modulated frequencies. The modulation frequency can be removed far from the mechanical resonance of the sensor 20. After the processing device 54 demodulates the received signal according to the first frequency, the processing device 54 analyzes the demodulated signal to determine if a rotational speed has occurred about the Z axis. Processing device 54 then demodulates the received signal at the modulated second frequency to determine the rotational speed about the Y axis. The determined rotation speed value is output through the output device 56.

도 11은 2개의 개별 축에 대한 회전 속도를 감지하는 다른 예시적인 시스템(70)을 도시한다. 시스템(70)은 도 9와 동일한 모터 드라이버 요소(60), 관성 질량체(24, 26), 전극(40a, 42a) 및 콤(62, 64)를 포함한다. 시스템(70)은 전극(40a, 42a)으로부터 그리고 평면내 감지 콤(63)으로부터 신호를 수신하는 처리 장치(54)를 포함한다. 본 예에서, 관성 질량체(24, 26)는 접지와같은 미리 정의된 전압에 바이어스된다. 일 실시예에서, 분리된 처리 장치(54)는 각 회전축에 대한 회전 속도값을 판단하기 위한 2개의 분리된 장치이다. 판단된 회전 속도값은 출력 장치(56)를 통해 출력된다.11 shows another example system 70 for sensing the rotational speed about two separate axes. The system 70 includes the same motor driver element 60, inertial masses 24 and 26, electrodes 40a and 42a and combs 62 and 64 as in FIG. System 70 includes a processing device 54 that receives signals from electrodes 40a and 42a and from in-plane sensing comb 63. In this example, inertial masses 24 and 26 are biased to a predefined voltage, such as ground. In one embodiment, the separate processing devices 54 are two separate devices for determining the rotation speed value for each rotation axis. The determined rotation speed value is output through the output device 56.

도 12는 관성 센서(100)의 일 실시예에 대한 개념적인 측면도이다. 여기에서, 관성 질량체(102, 104)는 X 축을 따라 서로에 대하여 정렬된 것으로 도시된다. 굴곡부(302)는 간극(GULS, GLLS) 사이에서 좌측 관성 질량체(102)를 지지한다. 굴곡부(304)는 간극(GURS, GLRS) 사이에서 우측 관성 질량체(104)를 지지한다. 굴곡부(302, 304)는 앵커(306)에 부착된다. 다른 실시예에서 앵커(306)가 상부 기판(310)에 부착되거나 양 기판(308, 310)에 부착될 수 있지만, 예시적인 본 실시예 에서 앵커(306)는 하부 기판(308)에 부착된다. 굴곡부(302, 304)는 관성 질량체(102, 104)가 구동 전극(미도시)에 의해 구동될 때 관성 질량체(102, 104)가 공진하도록 스프링과 유사한 특성을 갖는 가요성 부재이다.12 is a conceptual side view of one embodiment of an inertial sensor 100. Here, the inertial masses 102, 104 are shown aligned with respect to each other along the X axis. The bend 302 supports the left inertial mass 102 between the gaps G ULS , G LLS . The bend 304 supports the right inertial mass 104 between the gaps G URS , G LRS . Flexures 302 and 304 are attached to anchor 306. In other embodiments anchor 306 may be attached to upper substrate 310 or attached to both substrates 308, 310, but anchor 306 is attached to lower substrate 308 in this exemplary embodiment. The bends 302, 304 are flexible members having properties similar to springs such that the inertial masses 102, 104 resonate when the inertial masses 102, 104 are driven by drive electrodes (not shown).

다른 실시예에서, 앵커(306)는 상부 기판(310)에 부착될 수 있다. 일부 실시예는 MEMS 장치에서 다양한 앵커 지점으로 관성 질량체(102, 104)를 연결시키기 위하여 복수의 굴곡부를 채용할 수 있다. 일부 실시예에서, 굴곡부(302, 304)는 서로 다른 앵커에 연결될 수 있다.In other embodiments, anchor 306 may be attached to upper substrate 310. Some embodiments may employ a plurality of bends to connect the inertial masses 102, 104 to the various anchor points in the MEMS device. In some embodiments, the bends 302 and 304 may be connected to different anchors.

관성 센서(100)의 예시적인 실시예에서, 관성 질량체(102, 104)는 간극(GULS, GLLS) 및 간극(GURS, GLRS)이 서로 동일하도록 현수될 수 있다. 따라서, 관성 질량체(102, 104) 및 도시된 평면외 전극과 관련된 상부 및 하부 커패시턴스는 실질적으로 (서로에 대하여) 동일하다. 예를 들어, 전극(206, 214, 228 및 236)의 표면적 및 다른 특성이 실질적으로 동일하다고 가정하면, 전극(206)과 좌측 관성 질량체(102) 사이의 커패시턴스, 전극(214)과 좌측 관성 질량체(102) 사이의 커패시턴스, 전극(228)과 우측 관성 질량체(104) 사이의 커패시턴스, 및 전극(236)과 우측 관성 질량체(104) 사이의 커패시턴스는 실질적으로 동일하다. 다른 실시예에서, 커패시턴스는 서로 상이할 수 있다.In an exemplary embodiment of the inertial sensor 100, the inertial masses 102, 104 may be suspended such that the gaps G ULS , G LLS and the gaps G URS , G LRS are equal to each other. Thus, the upper and lower capacitances associated with the inertial masses 102 and 104 and the out-of-plane electrodes shown are substantially the same (relative to each other). For example, assuming that the surface area and other properties of the electrodes 206, 214, 228, and 236 are substantially the same, the capacitance between the electrode 206 and the left inertial mass 102, the electrode 214 and the left inertial mass The capacitance between 102, the capacitance between the electrode 228 and the right inertial mass 104, and the capacitance between the electrode 236 and the right inertial mass 104 are substantially the same. In other embodiments, the capacitances may be different from one another.

도시된 Z 축을 따르는 방향에서의 선형 가속은 관성 질량체(102, 104)가 동일한 방향으로 실질적으로 동일한 속도 및/또는 거리로 운동하게 한다. 이 운동은 본 명세서에서 "공통 모드(common mode)"에서의 운동이라 한다. 관성 질량체(102, 104)의 공통 모드 운동은 간극(GULS, GURS)을 가로지르는 평면외 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동 및 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 평면외 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동을 발생시킨다. 즉, 상부 및 하부 간극(GURS, GLRS, GULS, GLLS)이 동일하다고 가정하면(즉, 평형을 이룬다면), 간극(GULS, GURS)을 가로지르는 평면외 전극쌍의 변동된 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 평면외 전극쌍의 변동된 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다. 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)이 평형을 이루지 않는다 하더라도, 결과적으로 커패시턴스의 변동을 제공하는 관성 질량체(102, 104)를 운동시키는 힘이 실질적으로 동일하기 때문에 상부 커패시턴스는 실질적으로 동일한 양만큼 변동하며, 하부 커패시턴스는 실질적으로 동일한 양만큼 변동한다. 선형 가속은 커패시턴스에서의 감지된 공통 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.Linear acceleration in the direction along the Z axis shown causes the inertial masses 102, 104 to move at substantially the same speed and / or distance in the same direction. This movement is referred to herein as the movement in the "common mode". The common mode motion of the inertial masses 102, 104 traverses substantially the same fluctuations and gaps G LLS , G LRS in the electrode-inertial mass capacitance of the out-of-plane electrode pair across the gap G ULS , G URS . The same variation occurs in the electrode-inertial mass capacitance of the out-of-plane electrode pair. That is, if the upper and lower gaps (G URS , G LRS , G ULS , G LLS ) are assumed to be the same (ie, equilibrium), the variation of the out-of-plane electrode pair across the gaps G ULS , G URS The magnitude of the capacitance and the variation of the capacitance of the out-of-plane electrode pair across the gaps G LLS and G LRS are substantially the same. Although the gaps G ULS , G LLS , G URS , G LRS are not equilibrium, the upper capacitance is substantially the same since the forces for moving the inertial masses 102, 104 that provide a variation in capacitance are substantially the same. And the lower capacitance fluctuates substantially the same amount. Linear acceleration can be determined from the sensed common mode variation in capacitance.

또한, 도시된 Y 축 주위의 방향에서의 회전은 관성 질량체(102, 104)가 반대 방향으로 Z 방향에서 실질적으로 동일한 속도 및/또는 거리로 운동하게 한다. 이러한 운동은 본 명세서에서 "차동 모드(differential mode)"에서의 운동이라고 한다. 관성 질량체(102, 104)의 차동 모드 운동은 전향력에 의해 발생된다. 관성 질량체(102, 104)의 차동 모드 운동(반대 방향에서의)은 간극(GULS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 실질적으로 동일한 크기의 변동, 및 간극(GLLS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 실질 적으로 동일한 크기의변동을 발생시킨다. 회전은 커패시턴스에서의 감지된 차동 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.Also, rotation in the direction around the Y axis shown causes the inertial masses 102, 104 to move at substantially the same speed and / or distance in the Z direction in the opposite direction. This movement is referred to herein as the movement in a " differential mode. &Quot; The differential mode motion of the inertial masses 102 and 104 is generated by the turning force. The differential mode motion (in the opposite direction) of the inertial masses 102, 104 is a substantially equal magnitude of variation in the electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gap G ULS , G LRS , and the gap G LLS , G LLS ) produces substantially the same magnitude of variation in the electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair. Rotation can be determined from the sensed differential mode variation in capacitance.

전술한 바와 같이, 관성 센서(100)의 실시예는 회전 및 가속이 독립적으로 감지되고 판단되도록 가속 감지와 회전 감지 사이의 분리를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 전향력으로부터 90도 벗어난 위상인 직교력(quadrature force)도 가속도 및 전향력으로부터 분리된다. 따라서, 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)을 가로지르는 해당하는 전극쌍과 관련된 커패시턴스가 실질적으로 매칭되도록 관성 질량체(102, 104)의 위치를 고정 위치에서 유지시키기 위하여 선형 가속도, 전향력 및/또는 직교력에 대한 재평형력이 전극쌍에 개별적으로 인가된다. 따라서, 관성 질량체(102, 104)의 위치 사이의 불평형(간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 변동으로부터 검출가능한)이 발생하면, 재평형력이 관성 질량체(102, 104)를 스스로 중심에 오도록 동작한다.As mentioned above, embodiments of the inertial sensor 100 provide a separation between acceleration sensing and rotation sensing such that rotation and acceleration are independently sensed and determined. In a preferred embodiment, the quadrature force, which is a phase 90 degrees away from the turning force, is also separated from the acceleration and turning force. Thus, linear acceleration, in order to maintain the position of the inertial masses 102, 104 in a fixed position such that the capacitance associated with the corresponding electrode pair across the gaps G ULS , G LLS , G URS , G LRS is substantially matched The rebalance force for the turning force and / or the orthogonal force is applied separately to the electrode pair. Thus, if an unbalance between the positions of the inertial masses 102, 104 occurs (detectable from variations in the electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gaps G ULS , G LLS , G URS , G LRS ) The rebalancing forces the masses of inertial masses 102 and 104 to center themselves.

전향력 재평형력은 선택된 전극쌍에 의해 관성 질량체(102)에 인가된다. 전향력 재평형력은 다른 선택된 전극쌍에 의해 관성 질량체(104)에도 인가된다. 인가된 전향력 재평형력은 관성 센서(100)의 회전 동안에 관성 질량체(102, 104)를 스스로 중심에 오도록 한다. 필요한 전향력 재평형력의 크기는 회전량에 대응한다. 유사하게, 인가된 선형 가속도 재평형력은 관성 센서(100)의 선형 가속 동안에 관성 질량체(102, 104)를 스스로 중심에 오도록 한다. 필요한 선형 가속도 재평형력의 크기는 선형 가속량에 대응한다. 선형 가속도 재평형력이 선택된 전극쌍 에 인가된 직류(DC) 전압에 의해 제공되기 때문에, 선형 가속도 재평형력은 전향력 재평형력과 구분될 수 있다. 즉, 선형 가속(Z 축에서 시변 가속력을 유도하는)은 회전(관성 질량체(102, 104)의 구동 주파수에서 변조된 힘을 유도하는)과 상이하기 때문에, 선형 가속도 재평형력과 전향력 재평형력은 개별적으로 판단될 수 있다.The forward rebalance force is applied to the inertial mass 102 by the selected electrode pair. The forward force rebalance force is also applied to the inertial mass 104 by another selected electrode pair. The applied forward force rebalancing forces the inertial masses 102 and 104 to center themselves during the rotation of the inertial sensor 100. The amount of forward rebalance that is required corresponds to the amount of rotation. Similarly, the applied linear acceleration rebalance forces center the inertial masses 102 and 104 themselves during the linear acceleration of the inertial sensor 100. The magnitude of the linear acceleration rebalance force required corresponds to the linear acceleration amount. Since the linear acceleration rebalance force is provided by the direct current (DC) voltage applied to the selected electrode pair, the linear acceleration rebalance force can be distinguished from the forward rebalance force. That is, since linear acceleration (inducing time-varying acceleration in the Z axis) is different from rotation (inducing a modulated force at the drive frequencies of the inertial masses 102, 104), linear acceleration rebalance and forward rebalance Can be determined individually.

도 13은 벡터(402)로서 도시된 인가된 초기화 재평형력(402)을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예에 대한 개념적인 측면도이다. 선택된 평면외 전극은 해당하는 관성 질량체(102, 104)에 초기화 재평형력을 인가하도록 동작될 수 있다. 따라서, 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)은 서로 동일하게 설정되거나 원하는 값으로 설정될 수 있다.13 is a conceptual side view of one embodiment of an inertial sensor 100 having an applied initialization rebalance force 402 shown as a vector 402. The selected out-of-plane electrode can be operated to apply an initial rebalancing force to the corresponding inertial masses 102, 104. Therefore, the gaps G ULS , G LLS , G URS , and G LRS may be set equal to each other or to a desired value.

예를 들어, 도 13에서 개념적으로 도시된 바와 같이, 관성 센서(100)를 제조하는 동안, 좌측 관성 질량체(102)는 평면외 전극 사이에서 자신의 설계된 이상적 위치(404)(본 명세서에서 미리 정해진 위치(404)로 서로 바꾸어 부를 수 있다)에 있지 않을 수 있다. 여기에서, 좌측 관성 질량체(102)는 간극(GULS, GLLS)이 실질적으로 동일하지 않도록 비이상적 위치(406)에 있는 것으로 도시된다. 좌측 관성 질량체(102)의 비이상적 위치(406)는 제조의 관점으로부터 허용가능할 수 있지만 설계 및/또는 제조 허용 오차의 결과로서의 이상적인 위치(404)와는 충분히 상이할 수 있어 선형 가속 및/또는 회전 운동의 검출에 있어서 부정확성을 제공할 수 있다. 좌측 관성 질량체(102)를 설계된 이상적 위치(404)로 또는 이에 매우 가깝게 재배치하기 위하여 하나 또는 그 이상의 선택된 평면외 전극에 의해 벡터(402)로서 도시된 초기화 재평형력이 인가된다. 초기화 재평형력은 관성 질량체를 이상적 위치로 배치하는데 필요한 초기화 재평형의 양에 따라 동일하거나 또는 다를 수 있다. 바람직하게는, 초기화 재평형력은 선택된 전극에 인가된 DC 바이어스로부터 발생된다. 초기화 재평형력은 제조 후의 벤치 테스트에 의하는 것과 같이 관성 센서(100)의 사용 전에 판단될 수 있다.For example, as conceptually shown in FIG. 13, while manufacturing the inertial sensor 100, the left inertial mass 102 has its own designed ideal location 404 (predetermined herein) between the out-of-plane electrodes. May be interchanged with location 404). Here, the left inertial mass 102 is shown in the non-ideal position 406 such that the gaps G ULS , G LLS are not substantially equal. The non-ideal position 406 of the left inertial mass 102 may be acceptable from a manufacturing point of view but may be sufficiently different from the ideal position 404 as a result of design and / or manufacturing tolerances such that linear acceleration and / or rotational motion Inaccuracy can be provided in the detection of. An initial rebalancing force, shown as a vector 402, is applied by one or more selected out-of-plane electrodes to reposition the left inertial mass 102 to or very close to the designed ideal position 404. The initial rebalance force may be the same or different depending on the amount of initial rebalance required to place the inertial mass in an ideal position. Preferably, the initial rebalance force is generated from the DC bias applied to the selected electrode. The initial rebalance force may be determined before use of the inertial sensor 100, such as by post-fabrication bench testing.

도 14는 (음의 Z 축 방향으로의 운동에 대응하는) 가속도 벡터(502)에 의해 표시되는 인가된 선형 가속을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 개념적인 측면도이다. 관성력(벡터(504)로 도시된)이 관성 질량체(102, 104)에 가해진다. 따라서, 관성 질량체(102, 104)는 가속 구간 동안 상부 기판(310)을 향하여 운동된다. 굴곡부(302, 304)는 가속이 중지할 때 관성 질량체(102, 104)를 그 초기 위치(도 12 참조)로 복귀시키도록 동작할 것이다.14 is a conceptual side view of one embodiment of an inertial sensor 100 having an applied linear acceleration represented by an acceleration vector 502 (corresponding to movement in the negative Z axis direction). Inertial forces (shown as vectors 504) are applied to the inertial masses 102, 104. Thus, the inertial masses 102 and 104 are moved toward the upper substrate 310 during the acceleration period. The bends 302, 304 will operate to return the inertial masses 102, 104 to their initial position (see FIG. 12) when acceleration stops.

관성 질량체(102, 104)의 전술한 공통 모드 운동은 간극(GULS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍 및 간극(GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동을 각각 발생시킨다. 즉, 간극(GULS, GURS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다. 관성 질량체(102, 104)의 운동에 응답하여, 선형 가속도 재평형력이 관성 질량체(102, 104)를 자신의 원래의 또는 미리 정해진 위치로 다시 재배치하기 위하여 선택된 전극쌍을 통해 인가될 수 있다. 선형 가속은 인가된 선형 가속도 재평 형력의 양으로부터 그리고/또는 커패시턴스에서의 감지된 공통 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.The aforementioned common mode motion of the inertial masses 102, 104 is substantially at the electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gap G ULS , G LLS and the pair of electrodes across the gap G URS , G LRS . Each produces the same variation. That is, the magnitude of the changed electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gaps G ULS , G URS and the magnitude of the varied electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gaps G LLS , G LRS Substantially the same. In response to the motion of the inertial masses 102 and 104, a linear acceleration rebalance force may be applied through the selected electrode pair to reposition the inertial masses 102 and 104 back to their original or predetermined positions. Linear acceleration can be determined from the amount of applied linear acceleration rebalance force and / or from the sensed common mode variation in capacitance.

도 15는 (Y 축 주위로의 회전 운동에 대응하는) 회전 벡터(602)에 의해 표시되는 인가된 회전을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 개념적인 측면도이다. 관성 질량체(102, 104)가 바깥쪽(벡터(114, 116) 참조)으로 이동할 때, 벡터(604, 606)로 도시된 관성력이 관성 질량체(102, 104)에 각각 가해진다. 따라서, 모터 구동 사이클의 이 부분 동안, 관성 질량체(102)는 회전 구간 동안 상부 기판(310)을 향하여 운동되고, 관성 질량체(104)는 회전 구간 동안 하부 기판(308)을 향하여 운동된다. 모터 구동 사이클의 다음 부분 동안, 관성 질량체(102, 104)가 안쪽으로 운동할 때, 관성 질량체(102, 104)에 인가된 전술한 관성력은 반전한다(방향을 바꾼다). 굴곡부(302, 304)는 회전이 중지할 때 관성 질량체(102, 104)를 그 초기 위치(도 12 참조)로 복귀시키도록 동작할 것이다.15 is a conceptual side view of one embodiment of an inertial sensor 100 having an applied rotation represented by a rotation vector 602 (corresponding to a rotational motion about the Y axis). When the inertial masses 102, 104 move outwards (see vectors 114, 116), an inertial force, shown as vectors 604, 606, is applied to the inertial masses 102, 104, respectively. Thus, during this portion of the motor drive cycle, the inertial mass 102 is moved towards the upper substrate 310 during the rotational period, and the inertial mass 104 is moved towards the lower substrate 308 during the rotational period. During the next portion of the motor drive cycle, when the inertial masses 102 and 104 move inward, the aforementioned inertial forces applied to the inertial masses 102 and 104 reverse (or change direction). The bends 302, 304 will operate to return the inertial masses 102, 104 to their initial position (see FIG. 12) when rotation stops.

관성 질량체(102, 104)의 전술한 차동 모드 운동은 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 검출가능한 변동을 발생시킨다. 간극(GULS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GURS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다(간극(GURS, GLRS, GULS, GLLS)의 초기 평형을 가정). 관성 질량체(102, 104)의 운동에 응답하여, 전향력 재평형력이 관성 질량 체(102, 104)를 자신의 원래의 또는 미리 정해진 위치로 다시 재배치하기 위하여 선택된 전극쌍을 통해 인가될 수 있다. 회전은 인가된 전향력 재평형력으로부터 그리고/또는 커패시턴스에서의 감지된 차동 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.The aforementioned differential mode motion of inertial masses 102 and 104 results in a detectable variation in the electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gaps G ULS , G LLS , G URS , G LRS . The magnitude of the varied electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gap G ULS , G LRS and the magnitude of the varied electrode-inertial mass capacitance of the electrode pair across the gap G LLS , G URS The same (assuming initial equilibrium of gaps G URS , G LRS , G ULS , G LLS ). In response to the movement of the inertial masses 102 and 104, a forward force rebalance force may be applied through the selected electrode pair to relocate the inertial masses 102 and 104 to their original or predetermined positions. Rotation can be determined from the applied forward force rebalance force and / or from the sensed differential mode variation in capacitance.

도 16은 도 1에 도시된 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다. 전극쌍(106, 108)에 의해 인가된 전압(VULS, VLLS)과 전극쌍(110, 112)에 의해 인가된 전압(VURS, VLRS)은 선형 가속도 재평형력에 부분적으로 대응한다.FIG. 16 shows applied and sensed voltages for some of the embodiments of the inertial sensor 100 shown in FIG. 1. The voltages V ULS , V LLS applied by the electrode pairs 106, 108 and the voltages V URS , V LRS applied by the electrode pairs 110, 112 partially correspond to linear acceleration rebalance forces. .

인가된 전압은 3개의 기능, 즉, 선형 가속도 재평형력, 회전 감지 바이어스, 및 가속도 감지 픽오프를 제공하는 3개의 성분을 갖는다. 인가된 상부 좌측 감지 플레이트 전압(VULS)은 다음의 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.The applied voltage has three components that provide three functions: linear acceleration rebalance, rotation sense bias, and acceleration sense pickoff. The applied upper left sense plate voltage V ULS may be defined by Equation 1 below.

Figure 112009019717367-PAT00001
Figure 112009019717367-PAT00001

여기에서, VSB는 회전 감지를 위하여 인가된 감지 바이어스 전압(DC 바이어스 전압)이다. VA는 인가된 선형 가속도 재평형력 전압이다. Vp는 가속 감지를 위한 인가된 AC 픽오프 전압이다. 그리고, ωp는 인가된 AC 픽오프 전압(Vp)의 주파수이다. 전류 iSPO는 관성 질량체(102, 104)의 위치에서의 불평형으로부터 발생된다.Here, V SB is a sense bias voltage (DC bias voltage) applied for rotation sensing. V A is the linear acceleration rebalance force voltage applied. V p is the applied AC pickoff voltage for acceleration sensing. And ω p is the frequency of the applied AC pickoff voltage V p . The current i SPO arises from an unbalance at the position of the inertial masses 102, 104.

인가된 하부 좌측 감지 플레이트 전압(VLLS), 인가된 상부 우측 감지 플레이트 전압(VURS), 및 인가된 하부 우측 감지 플레이트 전압(VLRS)은 각각 다음의 수학식 2, 3 및 4에 의해 정의될 수 있다.The applied lower left sense plate voltage (V LLS ), the applied upper right sense plate voltage (V URS ), and the applied lower right sense plate voltage (V LRS ) are defined by the following equations (2), (3) and (4), respectively. Can be.

Figure 112009019717367-PAT00002
Figure 112009019717367-PAT00002

Figure 112009019717367-PAT00003
Figure 112009019717367-PAT00003

Figure 112009019717367-PAT00004
Figure 112009019717367-PAT00004

증폭기 시스템(702)은 관성 질량체(102, 104)로부터의 전압 및/또는 전류를 검출하기 위하여 통신가능하게 연결된다. 증폭기 시스템(702)의 출력은 감지된 픽오프 전압(VSPO)에 대응한다. VSPO는 다음의 수학식 5에 의해 정의될 수 있다.Amplifier system 702 is communicatively coupled to detect voltage and / or current from inertial masses 102 and 104. The output of the amplifier system 702 corresponds to the sensed pickoff voltage V SPO . V SPO may be defined by Equation 5 below.

Figure 112009019717367-PAT00005
Figure 112009019717367-PAT00005

여기에서 VΩ는 회전 운동에 비례하는 VSPO 부분이고, VQ는 VΩ의 직교 성분이고, VCM은 (선형 가속에 의해 발생되는) 공통 모드 운동에 비례하는 VSPO 부분이고, ωpm은 인가된 모터 주파수이다.Where V Ω is the V SPO portion proportional to the rotational motion, V Q is the orthogonal component of V Ω , V CM is the V SPO portion proportional to the common mode motion (generated by linear acceleration), and ω pm is The motor frequency applied.

도 17은 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다. 전극(208, 216)에 의해 관성 질량체(102)에 그리고 전극(226, 234)에 의해 관성 질량체(104)에 인가된 선형 가속도 재평형력에 대응하는 전술한 인가 전압(VULS, VLLS, VURS, VLRS)이 포함된다. 다른 실시예들은 상이하게 선택된 전극을 이용하여 선형 가속도 재평형력을 인가할 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(208, 216, 226, 234)이 관성 질량체(102, 104)의 감지 공통 모드 운동 및/또는 차동 모드 운동에 대하여 사용되는 전류(또는 전압)를 주입하는데 사용될 수 있다.17 shows the applied voltage and sense voltage for some of one embodiment of inertial sensor 100. The aforementioned applied voltages V ULS , V LLS , corresponding to the linear acceleration rebalance forces applied to the inertial mass 102 by the electrodes 208, 216 and to the inertial mass 104 by the electrodes 226, 234. V URS , V LRS ). Other embodiments may apply a linear acceleration rebalance force using differently selected electrodes. In some embodiments, electrodes 208, 216, 226, 234 can be used to inject a current (or voltage) used for sensed common mode motion and / or differential mode motion of inertial masses 102, 104.

전극쌍(210, 218)은 관성 질량체(102)로 전향력 재평형력을 제공한다. 유사하게, 전극쌍(224, 232)은 전향력 재평형력을 관성 질량체(104)에 제공한다. 바람직하게는, 관성 질량체(102)에 인가된 전향력 재평형력은 관성 질량체(104)에 인가된 전향력 재평형력과 반대방향으로 동일한 크기를 갖는다. 다른 실시예들은 상이하게 선택된 전극을 이용하여 전향력 재평형력을 인가할 수 있다.Electrode pairs 210 and 218 provide a forward force rebalance force to inertial mass 102. Similarly, electrode pairs 224, 232 provide a forward force rebalance force to inertial mass 104. Preferably, the forward force rebalance force applied to the inertial mass 102 has the same magnitude in the opposite direction as the forward force rebalance force applied to the inertial mass 104. Other embodiments may apply a forward force rebalancing force using differently selected electrodes.

전극(210)에 의해 인가된 VCUL에 대응하는 전향력 재평형력은 다음의 수학식 6에 의해 정의될 수 있다.The forward force rebalance force corresponding to V CUL applied by the electrode 210 may be defined by Equation 6 below.

Figure 112009019717367-PAT00006
Figure 112009019717367-PAT00006

여기에서, VCOR은 전향력 전압이고, ωmt/2는 관성 질량체(102, 104)의 모터 주파수의 반주파수이다.Where V COR is the forward voltage and ω m t / 2 is the half frequency of the motor frequency of the inertial masses 102 and 104.

전극(218)에 의해 인가된 VCLL에 대응하는 전향력 재평형력, 전극(224)에 의해 인가된 VCUR에 대응하는 전향력 재평형력, 및 전극(232)에 의해 인가된 VCLR에 대응하는 전향력 재평형력은 각각 다음의 수학식 7, 8 및 9에 의해 정의될 수 있다.A forward force rebalance force corresponding to V CLL applied by electrode 218, a forward force rebalance force corresponding to V CUR applied by electrode 224, and a V CLR applied by electrode 232. The forward rebalance can be defined by Equations 7, 8 and 9, respectively.

Figure 112009019717367-PAT00007
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Figure 112009019717367-PAT00008
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Figure 112009019717367-PAT00009
Figure 112009019717367-PAT00009

일부 실시예는 선택적인 전극(206, 214, 218, 236)을 통해 선택적인 직교 재평형력을 인가할 수 있다. 직교 재평형력은 관성 질량체(102, 104)의 유도된 모터 운동에 비례한다. 도 12 내지 17에 도시된 예시적인 실시예에서, 직교 재평형력의 인가를 위해 사용되는 4개의 전극이 도시된다(관성 질량체(102, 104)의 각 단부에서). 다른 실시예에서, 관성 질량체(102, 104) 각각에 대하여 하나의 전극쌍이 직교 재평형력을 인가하기 위하여 이용될 수 있다. 한 쌍의 직교 재평형 전극이 관성 질량체(102, 104)에 대하여 적합한 위치에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 직교 재평형 전극은 선택 사항이거나 또는 사용되지 않는다.Some embodiments may apply an optional orthogonal rebalance force through the optional electrodes 206, 214, 218, and 236. The orthogonal rebalance force is proportional to the induced motor motion of the inertial masses 102 and 104. In the exemplary embodiment shown in Figures 12-17, four electrodes are shown (at each end of inertial masses 102, 104) used for the application of the orthogonal rebalance force. In another embodiment, one electrode pair may be used to apply an orthogonal rebalance force for each of the inertial masses 102 and 104. A pair of orthogonal rebalance electrodes can be disposed in a suitable position with respect to the inertial masses 102, 104. In other embodiments, the orthogonal rebalance electrode is optional or not used.

도 18은 관성 센서(100)의 다른 실시예에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다. 전극(208, 216, 226, 234)은 해당하는 전극에서 전압을 감지 또는 픽오프하기 위하여 각각 픽오프 증폭기 시스템(902, 904, 906, 908)에 연결된다. 본 실시예는 바람직하지 않은 인가 기생력(parasitic force)을 발생시킬 수 있는 관성 질량체(102, 104)에 주입된 기생 신호의 보상을 허용한다. 즉, 기생 항의 주파수가 (ωpm/2)보다 더 높기 때문에 회전력과 선형 가속력 사이의 기생 커플링 효과가 줄어들 수 있다.18 shows applied and sensed voltages for another embodiment of inertial sensor 100. Electrodes 208, 216, 226, 234 are connected to pickoff amplifier systems 902, 904, 906, 908, respectively, to sense or pick off voltage at the corresponding electrode. This embodiment allows compensation of parasitic signals injected into the inertial masses 102 and 104, which can generate undesirable applied parasitic forces. That is, since the frequency of the parasitic term is higher than (ω p + ω m / 2), the parasitic coupling effect between the rotational force and the linear acceleration force may be reduced.

증폭기 시스템(902)은 신호 VULSP를 출력한다. 증폭기 시스템(904, 906, 908)은 각각 신호 VLLSP, VURSP 및 VLRSP를 출력한다. 회전 출력 VRATE는 다음의 수학식 10에 따라 증폭기 시스템(902, 904, 906, 908)의 출력으로부터 유도될 수 있다.Amplifier system 902 outputs signal V ULSP . Amplifier systems 904, 906 and 908 output signals V LLSP , V URSP and V LRSP , respectively. The rotational output V RATE can be derived from the output of the amplifier system 902, 904, 906, 908 according to Equation 10 below.

Figure 112009019717367-PAT00010
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도 19는 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 연결된 처리 시스템(1002)의 예시적인 구현예를 나타내는 블록도이다. 예시적인 실시예에서, 처리 시스템은 디지털 신호 처리(digital signal processing, DSP) 전자 시스템이다. 처리 시스템(1002)은 특정 애플리케이션에 따라 아날로그 시스템으로서, 디지털 시스템으로서 또는 그 조합으로써 구현될 수 있으며, 그리고, 소프트웨어, 하드웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.19 is a block diagram illustrating an example implementation of a processing system 1002 coupled to a portion of one embodiment of an inertial sensor 100. In an exemplary embodiment, the processing system is a digital signal processing (DSP) electronic system. Processing system 1002 may be implemented as an analog system, as a digital system, or as a combination thereof, depending on the particular application, and may be implemented as software, hardware or a combination of hardware and software.

증폭기 시스템(702)은 감지된 픽오프 전압(VSPO)을 처리 시스템(1002)에 제공한다. 복조기(1004, 1006, 1008)은 VSPO의 AC 부분을 스트립 오프(strip off)함으로써 VSPO를 복조한다. 복조기(1004)에 인가된 90도 클록과 복조기(1006)에 인가된 0도 클록은 서로 다른 위상(각각 90도 위상 및 0도 위상)에서 곱해진 모터 신호에 대응한다.Amplifier system 702 provides the sensed pickoff voltage V SPO to processing system 1002. Demodulators 1004, 1006, 1008 demodulate V SPO by stripping off the AC portion of V SPO . The 90 degree clock applied to the demodulator 1004 and the 0 degree clock applied to the demodulator 1006 correspond to motor signals multiplied in different phases (90 degree phase and 0 degree phase, respectively).

로우 패스 필터(1010)는 복조기(1004)의 출력을 처리하고 PID(proportional-integral-derivative) 제어기(1012)로 전향력 출력 신호를 출력한다. 로우 패스 필터(1014)와 PID 제어기(1016)는 복조기(1006)의 출력을 처리하고 직교 출력 신호를 출력한다. 로우 패스 필터(1018)와 PID 제어기(1020)는 복조기(1008)의 출력을 처리하고 커패시턴스에서의 공통 모드 불평형에 대응하는 가속도 출력 신호를 출력한다. 출력 신호는 전술한 선형 가속도 재평형력에 대응하는 출력(VULS, VLLS, VURS, VLRS)을 생성하는데 사용되고, 전술된 전향력 재평형력에 대응하는 출력(VCUL, VCLL, VCUR, VCLR)을 생성하는데 사용된다.The low pass filter 1010 processes the output of the demodulator 1004 and outputs a forward force output signal to a proportional-integral-derivative (PID) controller 1012. The low pass filter 1014 and the PID controller 1016 process the output of the demodulator 1006 and output an orthogonal output signal. The low pass filter 1018 and the PID controller 1020 process the output of the demodulator 1008 and output an acceleration output signal corresponding to the common mode unbalance in capacitance. The output signal is used to generate the outputs V ULS , V LLS , V URS , V LRS corresponding to the aforementioned linear acceleration rebalance forces, and the outputs V CUL , V CLL , V corresponding to the aforementioned deflection rebalance forces. CUR , V CLR ).

선형 가속 및 회전을 감지하고 판단하기 위하여 사용 가능한 관성 센서(100)의 실시예들은 관성 측정 유닛으로 포함될 수 있다. 하나의 관성 센서(100)가 2개의 축의 선형 가속과 2개의 축의 회전을 감지하기 때문에, 적절히 배향된다면, 종래의 관성 측정 유닛에서 사용된 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 아니라 2개의 관성 센서(100)가 하나의 관성 측정 유닛을 구축하는데 사용될 수 있다.Embodiments of the inertial sensor 100 that can be used to detect and determine linear acceleration and rotation can be included as an inertial measurement unit. Since one inertial sensor 100 senses linear acceleration in two axes and rotation in two axes, if properly oriented, two inertial sensors (not three gyroscopes and three accelerometers used in conventional inertial measurement units) 100) can be used to build one inertial measurement unit.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 많은 변경이 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 바람직한 실시예에 대한 개시 내용에 의해 한정되지 않는다. 그 대신에, 본 발명은 다음과 같은 특허청구범위를 참조하여 전체적으로 판단되어야만 한다.As described above, although the preferred embodiment of the present invention has been illustrated and described, many changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention is not limited by the disclosure of the preferred embodiment. Instead, the invention should be determined entirely with reference to the following claims.

바람직한 실시예 및 다른 실시예가 다음의 도면을 참조하여 상술되었다:Preferred and other embodiments have been described above with reference to the following drawings:

도 1은 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 전극 및 관성 질량체의 개념적인 사시도이다;1 is a conceptual perspective view of an electrode and an inertial mass for a portion of one embodiment of an inertial sensor;

도 2는 관성 센서의 예시적인 일 실시예에 대한 상면도이다;2 is a top view of one exemplary embodiment of an inertial sensor;

도 3은 2개의 관성 질량체와 인터리브된 콤을 갖는 구동 전극을 예시하는 관성 센서의 예시적 실시예에 대한 상면도이다.3 is a top view of an exemplary embodiment of an inertial sensor illustrating a drive electrode having a comb interleaved with two inertial masses.

도 4는 관성 센서의 예시적인 실시예의 측면도이다;4 is a side view of an exemplary embodiment of an inertial sensor;

도 5는 평면내 자이로 감지를 예시하는 개념도이다;5 is a conceptual diagram illustrating in-plane gyro sensing;

도 6은 평면외 자이로 감지를 예시하는 개념도이다;6 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane gyro sensing;

도 7은 평면외 선형 가속도 감지를 예시하는 개념도이다;7 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane linear acceleration sensing;

도 8은 평면내 선형 가속도 감지를 예시하는 개념도이다;8 is a conceptual diagram illustrating in-plane linear acceleration sensing;

도 9는 관성 센서의 실시예의 일부에 대한 상면도를 도시한다;9 shows a top view of a portion of an embodiment of an inertial sensor;

도 10은 도 9의 시스템의 부분 단면도를 도시한다;10 shows a partial cross-sectional view of the system of FIG. 9;

도 11은 2개의 분리된 축에 대한 회전 속도를 감지하기 위한 다른 예시적인 시스템(70)을 도시한다;11 shows another exemplary system 70 for sensing the rotational speed about two separate axes;

도 12는 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;12 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an inertial sensor;

도 13은 인가된 초기화 재평형력을 갖는 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;FIG. 13 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an inertial sensor with applied reset rebalance force; FIG.

도 14는 인가된 선형 가속도를 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;14 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an inertial sensor 100 with applied linear acceleration;

도 15는 인가된 회전을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;15 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an inertial sensor 100 with applied rotation;

도 16은 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다; 16 shows applied and sensed voltages for some of one embodiment of an inertial sensor;

도 17 및 18은 관성 센서의 실시예들에 대한 인가 전ㅇ바 및 감지 전압을 도시한다; 그리고,17 and 18 show the sensing voltage and sensing voltage before embodiments of the inertial sensor; And,

도 19는 관성 센서의 일 실시예에 연결된 디지털 신호 처리 시스템의 예시적인 구현예를 도시하는 블록도이다.19 is a block diagram illustrating an example implementation of a digital signal processing system coupled to one embodiment of an inertial sensor.

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

100: 관성 센서100: inertial sensor

102: 좌측 관성 질량체102: left inertial mass

104: 우측 관성 질량체104: right inertia mass

106, 108, 114, 116: 전극106, 108, 114, 116: electrode

702: 증폭기 시스템702: amplifier system

1002: 처리 시스템1002: processing system

1010, 1014, 1018: 로우 패스 필터1010, 1014, 1018: low pass filter

1012, 1016, 1020: PID 제어기1012, 1016, 1020: PID controller

Claims (10)

평면내 축에 정렬된 제1 관성 질량체(102)와 제2 관성 질량체(104), 상기 제1 관성 질량체가 사이에 배치된 제1 평면외 전극쌍(106, 108), 상기 제2 관성 질량체가 사이에 배치된 제2 평면외 전극쌍(114, 116), 대향하는 제1 관성 질량체 콤 핑거와 인터리브된 복수의 콤 핑커(128)를 갖는 제1 평면내 감지 콤(124), 및 대향하는 제2 관성 질량체 콤 핑거와 인터리브된 복수의 콤 핑커(128)를 갖는 제2 평면내 감지 콤(126)을 구비한 MEMS 센서(100)의 선형 가속 및 회전을 감지하는 방법에 있어서,The first inertial mass 102 and the second inertial mass 104 aligned with the in-plane axis, the first out-of-plane electrode pairs 106 and 108 with the first inertial mass interposed therebetween, and the second inertial mass A first in-plane sensing comb 124 having a second out-of-plane electrode pair 114, 116 disposed therebetween, a plurality of comb fingers 128 interleaved with opposing first inertial mass comb fingers, and opposing first A method of sensing linear acceleration and rotation of a MEMS sensor 100 having a second in-plane sensing comb 126 having a plurality of comb fingers 128 interleaved with a two inertial mass comb finger, 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면외 선형 가속을 감지하는 단계;Sensing out-of-plane linear acceleration of the MEMS sensor using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair; 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면내 회전을 감지하는 단계;Detecting in-plane rotation of the MEMS sensor using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair; 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면내 선형 가속을 감지하는 단계; 및Sensing in-plane linear acceleration of the MEMS sensor using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb; And 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면외 회전을 감지하는 단계;Sensing out-of-plane rotation of the MEMS sensor using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb; 를 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 관성 질량체의 공통 모드 운동으로부터 상기 평면외 선형 가속과 상기 평면내 선형 가속을 감지하는 단계; 및Detecting the out-of-plane linear acceleration and the in-plane linear acceleration from the common mode motion of the first and second inertial masses; And 상기 제1 및 제2 관성 질량체의 차동 모드 운동으로부터 상기 평면외 회전 가속과 상기 평면내 회전을 감지하는 단계;Sensing the out-of-plane rotational acceleration and the in-plane rotation from the differential mode motion of the first and second inertial masses; 를 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면외 선형 가속을 감지하는 단계는,Detecting the out-of-plane linear acceleration of the MEMS sensor by using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair, 상기 제1 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 제1 관성 질량체의 평면외 선형 가속을 감지하는 단계; 및Sensing out-of-plane linear acceleration of the first inertial mass using the first out-of-plane electrode pair; And 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 제2 관성 질량체의 평면외 선형 가속을 감지하는 단계;Sensing out-of-plane linear acceleration of the second inertial mass using the second out-of-plane electrode pair; 를 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 MEMS 센 서의 평면내 회전을 감지하는 단계는,Detecting in-plane rotation of the MEMS sensor using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair, 상기 제1 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 제1 관성 질량체의 평면내 회전을 감지하는 단계; 및Sensing in-plane rotation of the first inertial mass using the first out-of-plane electrode pair; And 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 제2 관성 질량체의 평면내 회전을 감지하는 단계;Sensing in-plane rotation of the second inertial mass using the second out-of-plane electrode pair; 를 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면내 선형 가속을 감지하는 단계는,Detecting in-plane linear acceleration of the MEMS sensor using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb, 상기 제1 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 제1 관성 질량체의 평면내 선형 가속을 감지하는 단계; 및Sensing in-plane linear acceleration of the first inertial mass using the first in-plane sensing comb; And 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 제2 관성 질량체의 평면내 선형 가속을 감지하는 단계;Sensing in-plane linear acceleration of the second inertial mass using the second in-plane sensing comb; 를 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 MEMS 센서의 평면외 회전을 감지하는 단계는,Detecting the out-of-plane rotation of the MEMS sensor using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb, 상기 제1 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 제1 관성 질량체의 평면외 회전을 감지하는 단계; 및Sensing out-of-plane rotation of the first inertial mass using the first in-plane sensing comb; And 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 상기 제2 관성 질량체의 평면외 회전을 감지하는 단계;Sensing out-of-plane rotation of the second inertial mass using the second in-plane sensing comb; 를 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 제3 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 제1 관성 질량체에 제1 직교 재평형력을 인가하는 단계; 및Applying a first orthogonal rebalance force to the first inertial mass using a third out-of-plane electrode pair; And 제4 평면외 전극쌍을 이용하여 상기 제2 관성 질량체에 제2 직교 재평형력을 인가하는 단계;Applying a second orthogonal rebalance force to the second inertial mass using a fourth out-of-plane electrode pair; 를 더 포함하는 선형 가속 및 회전 감지 방법.Linear acceleration and rotation detection method further comprising. 복수의 평면내 콤 핑거(128)와 제1 구동 콤(146)을 갖는 제1 관성 질량체(102) - 상기 제1 구동 콤은 상기 제1 관성 질량체를 평면내 축을 따른 진동 운동으로 구동하도록 구성됨 -;A first inertial mass 102 having a plurality of in-plane comb fingers 128 and a first drive comb 146, the first drive comb configured to drive the first inertial mass in an oscillating motion along an in-plane axis ; 상기 평면내 축을 따라 상기 제1 관성 질량체와 정렬되고, 복수의 평면내 콤 핑거(128)와 제2 구동 콤(146)을 갖는 제2 관성 질량체(104) - 상기 제2 구동 콤은 상기 제2 관성 질량체를 상기 평면내 축을 따라 상기 제1 관성 질량체의 진동 운동으로부터 실질적으로 180도 위상이 벗어난 반대 진동 운동으로 구동하도록 구성됨 -;A second inertial mass 104 aligned with the first inertial mass along the in-plane axis, the second inertial mass 104 having a plurality of in-plane comb fingers 128 and a second drive comb 146-the second drive comb being the second; Configured to drive an inertial mass along an in-plane axis in an opposite oscillating movement substantially 180 degrees out of phase from the oscillating movement of the first inertial mass; 상기 제1 관성 질량체가 사이에 배치되고, 상기 MEMS 센서의 평면내 회전에 대응하는 상기 제1 관성 질량체의 제1 평면외 운동을 감지하도록 구성되고, 상기 MEMS 센서의 평면외 선형 가속에 대응하는 상기 제1 관성 질량체의 제2 평면외 운동을 감지하도록 구성된 제1 평면외 전극쌍(106, 108);The first inertial mass disposed between and configured to sense a first out-of-plane motion of the first inertial mass corresponding to an in-plane rotation of the MEMS sensor and corresponding to an out-of-plane linear acceleration of the MEMS sensor First out-of-plane electrode pairs 106 and 108 configured to sense a second out-of-plane motion of the first inertial mass; 상기 제2 관성 질량체가 사이에 배치되고, 상기 MEMS 센서의 평면내 회전에 대응하는 상기 제2 관성 질량체의 상기 제1 평면외 운동을 감지하도록 구성되고, 상기 MEMS 센서의 제2 평면외 선형 가속에 대응하는 상기 제2 관성 질량체의 상기 제2 평면외 운동을 감지하도록 구성된 제2 평면외 전극쌍(114, 116);The second inertial mass disposed between and configured to sense the first out-of-plane motion of the second inertial mass corresponding to in-plane rotation of the MEMS sensor, A second out-of-plane electrode pair (114, 116) configured to sense the second out-of-plane motion of the corresponding second inertial mass; 대향하는 상기 제1 관성 질량체의 콤 핑거와 인터리브되는 복수의 콤 핑거를 구비하며, 상기 제1 관성 질량체의 평면외 회전에 대응하는 상기 제1 관성 질량체의 평면내 운동을 감지하도록 구성되고, 상기 제1 관성 질량체의 평면내 선형 가속에 대응하는 상기 제1 관성 질량체의 평면내 운동을 감지하도록 구성된 제1 평면내 감지 콤(124); 및And a plurality of comb fingers interleaved with opposing comb fingers of said first inertial mass, and configured to sense in-plane motion of said first inertial mass corresponding to out-of-plane rotation of said first inertial mass; A first in-plane sensing comb (124) configured to sense in-plane motion of the first inertial mass corresponding to in-plane linear acceleration of the first inertial mass; And 대향하는 상기 제2 관성 질량체의 콤 핑거와 인터리브되는 복수의 콤 핑거를 구비하며, 상기 제2 관성 질량체의 평면외 회전을 감지하도록 구성되고, 상기 제2 관성 질량체의 평면내 선형 가속을 감지하도록 구성된 제2 평면내 감지 콤(126);A plurality of comb fingers interleaved with the opposing comb fingers of the second inertial mass, configured to sense out-of-plane rotation of the second inertial mass, and configured to sense in-plane linear acceleration of the second inertial mass Second in-plane sensing comb 126; 을 포함하는 선형 가속 및 회전을 판단하기 위한 MEMS 센서(100).MEMS sensor 100 for determining the linear acceleration and rotation comprising a. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 및 제2 평면외 전극쌍의 적어도 하나에 연결되고, 상기 평면외 전극쌍 중 상부에 있는 것 사이에서 제1 커패시턴스를 판단하도록 구성되며, 상기 평면외 전극쌍 중 하부에 있는 것 사이에서 제2 커패시턴스를 판단하도록 구성되며, 상기 제1 관성 질량체에 인가되는 초기화 재평형력을 결정하도록 구성된 처리 장치(1002);Coupled to at least one of the first and second out-of-plane electrode pairs, and configured to determine a first capacitance between the top of the out-of-plane electrode pairs and between the bottom of the out-of-plane electrode pairs. A processing device (1002) configured to determine a second capacitance and configured to determine an initialization rebalance force applied to the first inertial mass; 를 더 포함하는 선형 가속 및 회전을 판단하기 위한 MEMS 센서.MEMS sensor for determining the linear acceleration and rotation further comprising. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 관성 질량체와 상기 제2 관성 질량체에 연결되고, 픽오프 전압 신호를 생성하도록 구성된 증폭기 시스템(702);An amplifier system (702) coupled to the first inertial mass and the second inertial mass and configured to generate a pickoff voltage signal; 상기 증폭기 시스템에 연결되고 상기 픽오프 전압 신호의 제1 부분을 통과시키도록 구성된 제1 로우 패스 필터(1010);A first low pass filter (1010) coupled to the amplifier system and configured to pass a first portion of the pickoff voltage signal; 상기 제1 로우 패스 필터에 연결되고 상기 픽오프 전압 신호의 상기 제1 부분에 따라 전향력 재평형 신호를 출력하도록 구성된 제1 PID(proportional-integral-derivative) 제어기(1012);A first proportional-integral-derivative (PID) controller (1012) coupled to the first low pass filter and configured to output a forward force rebalance signal in accordance with the first portion of the pickoff voltage signal; 상기 증폭기 시스템에 연결되고 상기 픽오프 전압 신호의 제2 부분을 통과시키도록 구성된 제2 로우 패스 필터(1014);A second low pass filter (1014) coupled to the amplifier system and configured to pass a second portion of the pickoff voltage signal; 상기 제2 로우 패스 필터에 연결되고 상기 픽오프 전압 신호의 상기 제2 부분에 따라 직교 재평형 신호를 출력하도록 구성된 제2 PID 제어기(1016);A second PID controller (1016) coupled to the second low pass filter and configured to output an orthogonal rebalance signal in accordance with the second portion of the pickoff voltage signal; 상기 증폭기 시스템에 연결되고 상기 픽오프 전압 신호의 제3 부분을 통과시키도록 구성된 제3 로우 패스 필터(1014); 및A third low pass filter (1014) coupled to the amplifier system and configured to pass a third portion of the pickoff voltage signal; And 상기 제2 로우 패스 필터에 연결되고 상기 픽오프 전압 신호의 상기 제3 부분에 따라 가속도 재평형 신호를 출력하도록 구성된 제3 PID 제어기(1020);A third PID controller (1020) coupled to the second low pass filter and configured to output an acceleration rebalance signal in accordance with the third portion of the pickoff voltage signal; 를 더 포함하는 선형 가속 및 회전을 판단하기 위한 MEMS 센서.MEMS sensor for determining the linear acceleration and rotation further comprising.
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KR101482378B1 (en) * 2013-02-26 2015-01-13 삼성전기주식회사 Micro Electro Mechanical Systems device

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