KR20100109456A - Ｍｅｍｓ 자이로스코프 자기 감도 감소 - Google Patents

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KR20100109456A
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electrically conductive
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버지스 알. 존슨
바라트 팬트
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

자기장 경사에 민감하지 않은 튜닝 포크 자이로스코프가 제공된다. 튜닝 포크 자이로스코프는 전기 전도 서스펜션을 통해 하나 이상의 기판에 부착된 앵커에 연결된 제1 전기 전도 검사 질량체 및 제2 전기 전도 검사 질량체와, 제1 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부와 제2 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부에 전기적으로 연결된 전기 저항 중심점을 포함한다. 튜닝 포크 자이로스코프는 감지 전하 증폭기에 입력을 제공한다. 감지 전하 증폭기는 상기 튜닝 포크 자이로스코프의 회전을 나타내는 출력 신호를 생성한다. 출력 신호는 자기장 경사에 독립적이다.

Description

ＭＥＭＳ 자이로스코프 자기 감도 감소{MEMS GYROSCOPE MAGNETIC SENSITIVITY REDUCTION}
본 발명은 그 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 2009년 3월 30일 출원된 미국 가출원 No. 61/164,662호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 자기장 경사에 민감하지 않은 튜닝 포크(tuning fork) 자이로스코프에 관한 것이다.
튜닝 포크 진동 마이크로 전기 기계 시스템(micro-electrical-mechancal system, MEMS)은 자기장 경사(gradient)에서 검사 질량체(proof mass)의 모터 운동에 의해 유도되는 기전력(electromotive force, emf) 때문에 자기장 경사에 대하여 민감할 수 있다. 회전 속도의 측정에 있어서의 오차를 최소화하기 위하여 MEMS 자이로스코프는 자기장에 둔감한 것이 바람직하며, 따라서, 투과성(permeable) 자기 재료가 MEMS 자이로스코프를 패키징하는데 사용될 수 있다.
튜닝 포크 자이로스코프는 전기 전도 서스펜션을 통해 하나 이상의 기판에 부착된 앵커에 연결된 제1 전기 전도 검사 질량체 및 제2 전기 전도 검사 질량체와, 제1 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부와 제2 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부에 전기적으로 연결된 전기 저항 중심점을 포함한다. 튜닝 포크 자이로스코프는 감지 전하 증폭기에 입력을 제공한다. 감지 전하 증폭기는 상기 튜닝 포크 자이로스코프의 회전을 나타내는 출력 신호를 생성한다. 출력 신호는 자기장 경사에 독립적이다.
도 1a는 유도 자기장과 인가된 외부 자기장에서의 예시적인 투과성 자기 재료를 도시한다;
도 1b는 X축에서의 위치에 대한 함수로서 Z 방향에서의 도 1a의 전체 자기장의 경사를 도시한다;
도 1c는 본 발명에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 일 실시예에 대한 블록도이다;
도 2는 감지 전하 증폭기에 대한 연결을 개념적으로 예시하는 도 1c의 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 단면도이다;
도 3은 예시적인 자기장 경사에서의 검사 질량체의 일 실시예에 대한 측면도이다;
도 4는 도 1c의 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 총괄적인 회로의 일 실시예이다;
도 5는 본 발명에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 총괄적인 회로의 일 실시예이다;
도 6은 도 5의 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 실시예에 대한 블록도이다;
도 7은 본 발명에 따른 전기 저항 중심점을 갖는 평면외(out-of-plane) 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 일 실시예에 대한 블록도이다;
도 8은 종래 기술에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 블록도이다;
도 9는 본 발명에 따른 자기 경사계의 일 실시예에 대한 블록도이다;
도 10은 본 발명에 따른 자기 경사계의 일 실시예에 대한 불록도이다; 그리고,
도 11은 본 발명에 따른 자기장 경사에서의 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 출력에서 바이어스를 감소 또는 제거하기 위한 방법에 대한 일 실시예의 흐름도이다.
다양한 도면에서 유사한 도면 부호와 표시는 유사한 구성요소를 나타낸다.
종래 사용 가능한 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프는 자기장 경사에 민감하다. 투과성 자기 재료가 자이로스코프 센서 근처 또는 자이로스코프 패키지 내에 있다면, 균일하게 인가된 자기장은 투과성 재료를 자화시키고, 이에 따라 자이로스코프 센서에서 자기장 경사(dBz/dx)를 생성할 수 있다. 도 1a는 유도된 자기장 B(곡선 형태의 화살표 B로 표시됨) 및 인가된 외부 자기장(Bext)(평행한 화살표들로 표시됨)내에서의 예시적인 투과성 자기 재료(15)를 도시한다. 도 1b는 X축에서의 위치에 대한 함수로서 Z 방향에서의 도 1a의 전체 자기장(Bz)의 경사를 도시한다. 자기장 경사(dBz/dx)에 대한 자이로스코프 센서의 감도는 튜닝 포크 진동 마이크로-전기-기계 시스템(micro-electrical-mechancal system, MEMS) 자이로스코프와 같은 더 작은 자이로스코프에서 악화된다.
소정의 경우에, 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프는 패키징에서 투과성 자기 재료를 포함한다. 예를 들어, 코바(Kovar)는 유익한 낮은 열팽창 및 강력한 기계적 특성을 갖는 투과성 자기 재료이다. 따라서, 코바는 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프, 관련된 전자장치 및 유리-금속 실(seal)을 위한 패키지 내에 사용된다. 투과성 자기 재료(예를 들어, 코바)를 포함하는 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프 패키지는, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 균일하게 인가된 자기장이 있을 때 튜닝 포크 센서메카니즘에서 자기장 경사(dBz/dx)를 생성하기 쉽다.
도 8은 종래 기술에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(5)의 블록도이다. 종래 기술에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(5)에 대하여, 자기장 경사(dBz/dx)는 전도성 검사 질량체가 자기장 경사(dBz/dx)에서 움직임에 따라 감지 전하 증폭기(30)에서 출력 신호(Vout)를 생성한다. 출력 신호(Vout)는 종래 기술에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(5)의 자기 환경(magnetic environment)에 따라 가변할 수 있는 바람직하지 않은 바이어스 시프트를 야기한다. 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프 패키지 내 또는 근처에서 투과성 자기 재료의 자화에 히스테리시스가 있다면, 바이어스 시프트는 재생불가능한 방식으로 가변할 수 있다. 감지 전하 증폭기(30)에서의 자기장 경사로 유도된 바이어스는 종래 기술에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(5)에서 잘못되고 그리고/또는 일관성이 없는 출력을 야기한다.
튜닝 포크 자이로스코프는 하나 이상의 절연 기판에 부착된 앵커에 전기 전도 서스펜션을 통해 연결된 제1 전기 전도 검사 질량체 및 제2 전기 전도 검사 질량체를 포함한다. 제1 전기 전도 검사 질량체 및 제2 전기 전도 검사 질량체는 유도된 emf에 기인하는 전위차를 획득한다. 여기에서 설명된 실시예에서, 자기장 경사(dBz/dx)에 대한 튜닝 포크 자이로스코프의 감도는 제1 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부와 제2 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부에 전기 저항 중심점을 전기적으로 연결함으로써 실질적으로 감소되거나 제거될 수 있다. 여기에서 정의된 바와 같이, 전기 저항 중심점은 제1 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부로부터의 연결부의 전기 저항이 서로 동일하고, 제2 전기 전도 검사 질량체의 대항하는 단부로부터의 연결부의 전기 저항이 서로 동일한 점이다. 일 실시예에서, 전기 저항 중심점은 튜닝 포크 자이로스코프 검사 질량체의 두 단부에서 앵커 사이의 낮은 저항의 고정 전기 연결부 상의 지점에 제공된다.
도 1c는 본 발명에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(100)의 일 실시예에 대한 블록도이다. 도 2는 감지 전하 증폭기(130)로의 연결을 개념적으로 예시하는 도 1c의 튜닝 포크 자이로스코프(100)의 단면도이다. 도 2의 단면이 취해지는 평면은 도 1c에서 구분선 2-2에 의해 표시된다. 본 실시예의 일 구현례에서, 튜닝 포크 자이로스코프(100)는 튜닝 포크 마이크로-전기-기계 시스템(micro-electrical-mechancal system, MEMS) 자이로스코프(100)이다. 또한, 튜닝 포크 자이로스코프(100)는 여기에서 "자이로스코프(100)" 및 "MEMS 자이로스코프(100)"로도 지칭된다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 튜닝 포크 자이로스코프(100)는 도 1a 및 1b에 도시된 예시적인 자기장 경사(dBz/dx) 내에 배치된다. 자기장의 Z 성분(B1)은 제1 전기 전도 검사 질량체(110)에 입사하는 것으로 도시된다. 자기장의 Z 성분(B2)은 제2 전기 전도 검사 질량체(120)에 입사하는 것으로 도시된다.
튜닝 포크 자이로스코프(100)는 제1 전기 전도 검사 질량체(110)와 제2 전기 전도 검사 질량체(120)를 포함한다. 도 1c에서의 전기 저항 중심점(171)은 제1 전기 전도 검사 질량체(110)의 단부(112)로부터의 연결부의 전기 저항이 제1 전기 전도 검사 질량체(110)의 단부(111)로부터의 연결부의 전기 저항과 동일하며, 제2 전기 전도 검사 질량체(120)의 단부(122)로부터의 연결부의 전기 저항과 동일하고, 제2 전기 전도 검사 질량체(120)의 단부(121)로부터의 연결부의 전기 저항과 동일한 지점이다.
튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)의 제1 및 제2 전기 전도 검사 질량체(110, 120)는 모터 모드(튜팅 포크 공진 모드)에서 반대 속도(+vx 및 -vx)로 X 축을 따라 움직인다. 전술한 바와 같이, 투과성 자기 재료가 MEMS 자이로스코프(100) 근처에 또는 자이로스코프 내에 있을 때, 균일하게 인가된 자기장(Bext)은 투과성 재료(15)를 자화할 수 있으며(도 1a), 그 다음, MEMS 자이로스코프 센서(100)에서 자기장 경사(dBz/dx)를 생성한다. 또한, 투과성 재료에서의 잔여 자화도 MEMS 자이로스코프 센서(100)에서 자기장 경사를 생성할 수 있다. 자기장 경사(dBz/dx)에 대한 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)의 자기 감도는 유도된 emf에 기인하는 전위차를 얻는 검사 질량체(110, 120)의 제2 단부(112, 122)와 제1 단부(111, 121) 사이에 전기 저항 중심점(171)을 제공함으로써 실질적으로 감소되거나 제거된다.
2개의 전기 전도 검사 질량체(110, 120)는 전기 전도 서스펜션(150-155, 113, 114, 123, 124), 제1 서스펜션 바(133), 및 제2 서스펜션 바(134)를 통해, 하나 이상의 절연 기판(129)에 부착된 전기 전도 앵커(140-145)에 연결된다. "전기 전도 제1 및 제2 검사 질량체(110, 120)"는 여기에서 "제1 및 제2 전기 전도 검사 질량체(110, 120)"로도 지칭된다.
앵커(145)는 제1 중심점 고정 앵커(145)이다. 앵커(144)는 제2 중심점 고정 앵커(144)이다. 고정 전기 연결부(170)는 제1 중심점 고정 앵커(145) 및 제2 중심점 고정 앵커(144) 사이에 형성된다. 도 1c의 실시예에서, 제1 중심점 고정 앵커(145)와 제2 중심점 고정 앵커(144)는 2개의 전기 전도 검사 질량체(110, 120)사이의 중간 지점에 위치한 평면에 배치된다.
전기 전도 서스펜션(150-155, 113, 114, 123, 124)은 전기 전도 앵커 서스펜션(150-155)과 전기 전도 검사 질량체 서스펜션(113, 114, 123, 124)을 포함한다. 각 앵커 서스펜션(150-155)은 한 단부에서 해당하는 앵커(140-145)에 기계적으로 부착된다. 제1 부분의 앵커 서스펜션(152, 153, 155)은 다른 단부에서 제1 서스펜션 바(133)에 기계적으로 부착된다. 제2 부분의 앵커 서스펜션(150, 151, 154)은 다른 단부에서 제2 서스펜션 바(134)에 부착된다. 앵커 서스펜션(155)은 여기에서 제1 중심점 서스펜션(155)이라 한다. 앵커 서스펜션(154)은 여기에서 제2 중심점 서스펜션(154)이라 한다. 여기에서 설명된 기계적 부착은 기계적으로 부착된 구성요소 사이의 전기적 연결점을 제공한다.
제1 검사 질량체 서스펜션(113)은 제1 검사 질량체(110)의 제1 단부(111)를 제1 서스펜션 바(133)에 기계적 전기적으로 연결한다. 제2 검사 질량체 서스펜션(123)은 제2 검사 질량체(120)의 제1 단부(121)를 제1 서스펜션 바(133)에 기계적 전기적으로 연결한다. 제3 검사 질량체 서스펜션(114)은 제1 검사 질량체(110)의 제2 단부(112)를 제2 서스펜션 바(134)에 기계적 전기적으로 연결한다. 제4 검사 질량체 서스펜션(124)은 제2 검사 질량체(120)의 제2 단부(122)를 제2 서스펜션 바(134)에 기계적 전기적으로 연결한다.
제1 중심점 서스펜션(155)은 제1 중심점 고정 앵커(145)를 제1 서스펜션 바(133)에 기계적 전기적으로 연결한다. 제1 중심점 고정 앵커(145)는 고정 전기 연결부(170)에 전기적으로 연결되어, 고정 전기 연결부(170)는 제1 검사 질량체(110)의 제1 단부(111)와 제2 검사 질량체(120)의 제1 단부(121) 모두에 전기적으로 연결된다.
제2 중심점 서스펜션(154)은 제2 중심점 고정 앵커(144)를 제2 서스펜션 바(134)에 기계적 전기적으로 연결한다. 제2 중심점 고정 앵커(144)는 고정 전기 연결부(170)에 전기적으로 연결되어, 고정 전기 연결부(170)는 제1 검사 질량체(110)의 제2 단부(112)와 제2 검사 질량체(120)의 제2 단부(122) 모두에 전기적으로 연결된다.
제1 전도 검사 질량체(110) 및 제2 전도 검사 질량체(120)는 검사 질량체 서스펜션(113, 114, 123, 124)에 의해, 제1 서스펜션 바(133)에 의해, 제2 서스펜션 바(134)에 의해, 그리고 앵커 서스펜션(150-155)에 의해 절연 기판(129) 위로 서스펜션된다. 2개의 전도성 검사 질량체(110, 120)와, 검사 질량체 서스펜션(113, 114, 123, 124), 서스펜션 바(133, 134), 앵커 서스펜션(150, 151, 152, 153, 154, 155) 및 2개의 전도성 검사 질량체(110, 120) 아래에 있는 절연 기판(129)은 여기에서 집합적으로 자이로스코프 센서 메카니즘(160)이라 하며, 튜닝 포크 공진 모드의 주파수에서 모터 축(X)을 따라 움직이도록 구동된다.
동작시, 서스펜션된 검사 질량체(110, 120)는 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)에서의 구동력에 대한 응답으로 튜닝 포크 공진 모드의 주파수에서 모터 축(X)을 따라 움직인다. 검사 질량체(110, 120)의 움직임은 통신가능하게 커플링된 감지 전하 증폭기(130)로 전하가 흐르게 한다. 이 AC 경로에 대한 복귀 경로는 검사 질량체(110, 120)를 AC 접지에 커플링하는 예를 들어 감지 커패시턴스, 구동 커패시턴스, 기생 커패시턴스 등인 도 2에서 Cpm으로 도시된 커패시턴스에 의해 제공된다. 여기에서, "AC 접지"는 튜닝 포크 공진 모드의 주파수에서 무시할만한 임피던스를 갖는 접지에 대한 전기적 연결을 말한다. 도 1c에서의 점선(115, 125)은 해당하는 검사 질량체(110, 120)를 AC 접지에 커플링하는 커패시턴스(Cpm)을 나타낸다. Cpm으로 표현되는 커패시턴스는 기판 상의 평탄한 평판 또는 검사 질량체에 인접한 깍지끼워진 콤 핑거와 같은 다양한 기하학적 형상의 전극을 포함한다.
감지 전하 증폭기(130)는 고정 전기 연결부(170) 상의 점인 전기 저항 중심점(171)으로부터 제공된 입력을 수신하도록 구성된다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 고정 전기 연결부(170)의 전기 저항 중심점(171)은 해당하는 제1 및 제2 검사 질량체(110, 120)의 제1 단부(111, 121)와 제2 단부(112, 122) 사이의 중심점이다. 감지 전하 증폭기(130)는 튜닝 포크 공진 모드를 나타내는 출력 신호(Vout)를 생성한다. 감지 전하 증폭기(130)는 그 입력(156)에서 가상 접지를 제공한다. 따라서, 가상 접지는 제1 중심점 고정 앵커(145)와 제2 중심점 고정 앵커(144)를 연결하는 고정 전기 연결부(170)의 전기 저항 중심점(171)에 제공된다.
제1 검사 질량체(110)와 제2 검사 질량체(120)가 모터 축(X)을 따라 자기장 경사(dBz/dx)가 있을 때 모터 축(X)을 따라 반대 속도(예를 들어, -Vx 및 +Vx)를 가지면서 진동 운동으로 운동할 때, 자기장 경사(dBz/dx)에 응답하는 전압이 고정 전기 연결부(170)의 전기 저항 중심점(171)에서 생성되지 않는다. 출력 신호(Vout)은 자기장 경사(dBz/dx)에 독립적이다.
움직이는 검사 질량체(110, 120)에서 자유 전하에 대한 로렌쯔의 힘은 각 검사 질량체(110)에서 전하 분리(charge separation)를 생성한다. 전하 캐리어에 대한 로렌쯔의 힘에 의한 검사 질량체(110)의 전하 분리는 도 2에 도시된다. 도 1c에서 B1 및 B2로 도시된 자기장(Bz)에서의 검사 질량체(110, 120)의 진동 속도에 의해, 전하 분리는 부호에서 진동한다. 감지 전하 증폭기(130)는 그 입력에서 가상 접지를 제공하여, 검사 질량체(110)의 연결된 단부(111, 112)와 검사 질량체(120)의 연결된 단부(121, 122)는 거의 가상 접지 상태에 있다. 감지 전하 증폭기(130)와 검사 질량체(110, 120) 사이의 연결부(156)에는 저항(R1, R2, R3)가 있지만(도 2), 저항값이 작아, 가상 접지로부터 무시할만한 차이를 일반적으로 생성한다. R2와 R3는 실질적으로 동일하며, 따라서, 자기장 경사(dBz/dx)에 의해 생성되는 전압(Vout)은 무시할만 하다.
검사 질량체의 한 단부만이 가상 접지에 연결되면(도 8에 도시된 종래 기술에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(5)와 같이), 검사 질량체의 길이(Ly)(도 1c 및 8)로 평균한 접지에 대한 AC 전압은 0이 아닐 것이다. 종래 기술에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(5)에서, 이 AC 전압은 검사 질량체(10, 20)와 AC 접지 사이의 커패시턴스(Cpm)에서 순전류를 생성한다. 이 전류는 감지 전하 증폭기(30)로 흘러, 출력 신호(Vout)를 생성한다. Z 축을 따라 자기장이 있을 때 X 축을 따르는 검사 질량체(10)의 운동에 의해 생성된 한 검사 질량체(10)의 Y 축 길이(Ly)에 걸린 emf는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 1]
Vemf = vxBzLy,
여기에서, vx는 검사 질량체(10)의 X 축 속도이고, Bz는 검사 질량체(10)가 받는 Z축 자기장이며, Ly는 검사 질량체(10)의 Y 축 길이이다. 2개의 검사 질량체(10, 20)가 반대 방향으로 움직이기 때문에, 균일한 자기장은 (적어도 이러한 단순 모델에서는) 감지 전하 증폭기(30)에서 순전류를 생성하지 않는다.
종래 기술에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(5)(도 8)는 전기 저항 중심점(171)을 포함하지 않고, 감지 전하 증폭기(30)의 입력은 앵커(45)에 연결되기 때문에, 자기장(Bz)에서의 X축 경사는 출력 신호를 생성한다. 종래 기술에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(5)에 대하여, 감지 전하 증폭기(30)에서의 전압 출력(도 2의 회로에서 총괄적인 파라미터 근사를 가정하면)은 다음과 같이 주어준다.
[수학식 2]
Figure pat00001

여기에서, ωmot는 검사 질량체 운동의 모터 주파수이고, x0은 검사 질량체의 모터 이동의 진폭이고, dBz/dx는 자기장의 경사이며, Δx는 자이로의 중심과 한 검사 질량체의 중심 사이의 거리이며, Ly는 y 방향에서의 검사 질량체의 길이이며, Cpm은 한 검사 질량체에서 AC 접지의 커패시턴스이며, Cf는 감지 전하 증폭기에서의 피드백 커패시턴스이다.
그러나, 도 1c의 감지 전하 증폭기(130)가 고정 전기 연결부(170)의 전기 저항 중심점으로부터 제공된 입력을 수신하도록 구성되기 때문에, 그리고, R2 ~ R3이기 때문에, 감지 전하 증폭기(130)의 입력에서의 전류는 검사 질량체(110 또는 120)의 각 측으로부터 대략 동일하고 반대 부호의 기여분으로 이루어진다. 따라서, 감지 전하 증폭기(130)의 입력에서의 전류는 실질적으로 0이고, 자기장 경사(dBz/dx)는 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)에서 출력 신호(Vout)를 생성하지 않는다.
도 3은 예시적인 자기장 경사(dBz/dx)에서의 검사 질량체(110, 120)의 일 실시예에 대한 측면도이다. 자기장의 Z 성분은 X의 함수로 가변한다. 따라서, 자기장은 예시적인 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)에서 검사 질량체(110, 120)의 모터 축(X 축)을 따라 경사를 갖는다. 자기장(Bz)의 크기는 도 1c 및 3에서 B1(음의 Z 방향으로 검사 질량체(110)에 대략 중심이 있다)과 B2(음의 Z 방향으로 검사 질량체(120)에 대략 중심이 있다)로서 도시된다. 예시적인 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)는 제1 검사 질량체(110)에 대한 Bz의 적분값이 제2 검사 질량체(120)에 대한 Bz의 적분값과 동일하고 반대인 임의의 공간적으로 가변하는 자기장에 민감하지 않다.
도 4는 도 1c의 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)의 총괄적인 회로의 실시예이다. 도 4는 2개의 검사 질량체(110, 120)와 감지 전하 증폭기(130)에 대한 등가 회로를 도시한다. 도 1 및 2에 도시된 각 검사 질량체(110, 120) 각각에 대한 분배된 커패시턴스 및 emf(전하 분리)는 도 4에서 총괄적인 커패시턴스와 2개의 총괄적인 전원으로 대체된다.
감지 전하 증폭기(130)는 제1 중심점 고정 앵커(145)와 제2 중심점 고정 앵커(144) 사이에 형성된 고정 전기 연결부(170) 상의 한 지점인 전기 저항 중심점(171)에 연결되어, 제1 전기 저항 중심점(171)과 검사 질량체(110, 120)의 제2 단부(112, 122) 및 제1 단부(111, 121) 사이의 동일한 전기 저항이 있다. 이 연결부(171)에서, 자이로스코프 센서 메카니즘(160)의 대칭성에 의해, 유도 emf에 의해 생성된 전압은 0이다. 고정 전기 연결부(170)는 저항에 있어서 유한하지만, 감지 전하 증폭기 출력(Vout)에서 실질적인 노이즈의 양에 기여하지 않는다. 자이로스코프 센서 메카니즘(160)으로부터의 원하는 회전 속도 신호는, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 검사 질량체(110, 120)의 제2 단부(112, 122) 및 제1 단부(111, 121) 모두에 감지 전하 증폭기(130)를 연결하는 것에 의해 영향을 받지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)의 총괄적인 회로에 대한 실시예이다. 도 6은 도 5의 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)의 실시예에 대한 블록도이다. 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)(도 5)는, 감지 전하 증폭기(130)가 해당하는 검사 질량체(110, 120)가 아닌 감지 커패시턴스 전극(115, 125)에 연결되고 고정 전기 연결부(170)의 전기 저항 중심점(171)이 AC 접지에 연결된다는 점을 제외하고는, 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)(도 4)에 유사하다. 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)는 해당 커패시턴스(CS1, CS2)에 인가된 바이어스 전압(+VSB, -VSB)을 포함한다. 감지 커패시턴스(CS1, CS2)는 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100)에 대하여 도 2에 도시된 커패시턴스(Cpm)의 일부를 형성한다.
검사 질량체(110, 120)는 실질적으로 동일한 저항(R2, R3) 사이의 노드에서 AC 접지에 연결된다. 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)에서 검사 질량체(110, 120)를 AC 접지에 연결함으로써, 검사 질량체(110, 120)가 자기장 경사를 통해 움직일 때 제로(0) 전류가 감지 커패시턴스(CS1, CS2)에 생성된다. 따라서, 자기장 경사는 감지 전하 증폭기 입력에서 제로(0) 전류를 생성한다.
도 5에 도시된 바이어스(±VSB)로, 자이로스코프 센서 메카니즘(160)의 회전에 의해 생성된 검사 질량체(110, 120)의 차동 감지 축 진동 운동은 감지 전하 증폭기(130)에 대한 입력에서 0이 아닌 AC 전류를 생성한다.
튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)는 자기장 경사(dBz/dx)가 있을 때에 반대 속도 +vx 및 -vx를 가지고 X 축을 따라 모터 모드에서 움직이는 검사 질량체(110, 120)를 나타낸다(도 6). 투과성 자기 재료가 MEM 자이로스코프(101) 근처에 또는 자이로스코프 패키지 내에 있다면, 전술한 바와 같이, 균일하게 인가된 자기장은 투과성 재료를 자화할 수 있고, 그 다음, 투과성 재료는 MEMS 자이로스코프 센서(101)에서 자기장 경사를 생성한다. 이 대신에, 투과성 재료에서의 잔류 자화는 MEMS 자이로스코프 센서(101)에서 자기장 경사를 생성할 수 있다. 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(101)는 자기장 경사(dBz/dx)에 민감하지 않다.
튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100, 101)는 하나 이상의 절연 기판(129)의 평면에 평행한 축에 대한 회전을 측정하는 평면내(in-plane) 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100, 101)이다. 도 7은 하나 이상의 절연 기판(129)의 평면에 수직인 축에 대한 회전을 측정하는 평면외(out-of-plane) 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(102)의 일 실시예에 대한 블록도이다. 평면외 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(102)는 본 발명에 따른 전기 저항 중심점(171)을 갖는다. 평면외 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(102)에서의 검사 질량체(110, 120)는 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(100, 101)에서의 검사 질량체(110, 120)와 형상에서 차이가 있다. 평면외 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(102)에서의 커패시턴스 전극(115, 125)은 하나 이상의 기판(129)에 있고, 도 7에서는 도시되지 않은 DC 접지에 연결된다. 감지 커패시턴스 전극(117, 127)은 검사 질량체(110, 12)와 동일한 전도 재료로 형성된 깍지끼워진 콤 핑거이고, 도 7에는 도시되지 않은 감지 바이어스 전압(+VSB, -VSB)을 통해 AC 접지에 연결된다. 본 실시예의 일 구현례에서, 평면외 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프(102)는 AC 접지에 연결된 전기 저항 중심점(171)을 가지면서 구성되고, 감지 전하 증폭기(130)의 입력은 도 5에 도시된 연결부와 유사한 방법으로 감지 커패시턴스 전극(117, 127)에 연결된다.
도 9는 본 발명에 따른 자기 경사계(magnetic gradiometer, 104)의 일 실시예에 대한 블록도이다. 자기 경사계(104)는 제1 전기 전도 검사 질량체(10), 제2 전기 전도 검사 질량체(20) 및 감지 전하 증폭기(30)를 포함한다. 제1 전기 전도 검사 질량체(10)는 전기 전도 서스펜션(13, 14, 33, 34)을 통해 하나 이상의 절연 기판(29)에 부착된 앵커(40-45)에 연결된다. 제2 전기 전도 검사 질량체는 전기 전도 서스펜션(23, 24, 33, 34)을 통해 하나 이상의 절연 기판(29)에 부착된 앵커(40-45)에 연결된다. 2개의 검사 질량체(10, 20), 검사 질량체 서스펜션(13, 14, 23, 24), 서스펜션 바(133, 134), 앵커 서스펜션(150, 151, 152, 153, 54, 55) 및 2개의 전도 검사 질량체(10, 20) 아래의 절연 기판(29)은 여기에서 집합적으로 자기 경사계 센서 메카니즘(6)이라 하며, 튜닝 포크 공진 모드(모터 모드)의 주파수에서 모터 축(X)을 따라 움직이도록 구동된다.
제1 및 제2 검사 질량체(10, 20)는 DC 접지에 용량성으로 커플링된다. 감지 전하 증폭기(30)는 하나의 앵커(예를 들어, 앵커(45))로부터 제1 입력을 수신하고 DC 접지로부터 제2 입력을 수신하도록 구성된다. 제1 전기 전도 검사 질량체 및 제2 전기 전도 검사 질량체는 자기장 경사에 노출되면, 감지 전하 증폭기(30)는 자기장 경사를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 제1 전기 전도 검사 질량체와 제2 전기 전도 검사 질량체가 가속도 또는 회전을 받게 되면, 감지 전하 증폭기(30)는 가속도 또는 회전을 나타내는 출력 신호를 생성하지 않는다.
자기 경사계(104)의 앵커 및 서스펜션은 종래 기술에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(5)(도 8)의 앵커 및 서스펜션과 구성상 유사하다. 자기 경사계(104)에서 검사 질량체(10) 및 검사 질량체(20)가 감지 커패시턴스 전극(15, 25)을 통해 DC 접지에 용량성으로 커플링되기 때문에, 종래 기술에 따른 튜닝 포크 자이로스코프(5)가 회전력을 감지하게 하는 바이어스 전압은 제거된다. 수학식 2에서 dBz/dx에 곱하는 값
Figure pat00002
을 증가시킴으로써, 감지 전하 증폭기로부터의 출력(Vout)은 증가한다. 자기 경사계(104)에서의 검사 질량체(10, 20)의 기하학적 형상은 Ly를 증가시키도록 조정될 수 있으며, 이에 의해, 곱하는 값을 증가시킨다. DC 접지에 대한 커패시턴스(Cpm)가 증가함에 따라, 자기 경사계(104)의 감도는 증가한다. 각 검사 질량체의 중심과 자기 경사계(60)의 중심 사이의 거리 Δx가 증가함에 따라, 자기 경사계(104)의 감도는 증가한다. 검사 질량체의 모터 이동의 진폭인 x0가 증가함에 따라, 자기 경사계(104)의 감도는 증가한다. 검사 질량체의 운동의 모터 주파수인 ωmot가 증가함에 따라, 자기 경사계(104)의 감도는 증가한다. 자기 경사계(104)는 자기장 경사(dBz/dx)를 검출하기 위하여 인가된 바이어스 전류가 흐르게 하는 것을 필요로 하지 않는다.
도 10은 본 발명에 따른 자기 경사계(108)의 일 실시예에 대한 블록도이다. 자기 경사계(108)는 제1 전기 전도 검사 질량체(10), 제2 전기 전도 검사 질량체(20) 및 리드아웃(readout) 증폭기(85)를 포함한다. 제1 전기 전도 검사 질량체(10)는 전기 전도 서스펜션(13, 14, 33, 34)을 통해 하나 이상의 절연 기판(29)에 부착된 앵커(40-45)에 연결된다. 제2 전기 전도 검사 질량체는 전기 전도 서스펜션(23, 24, 33, 34)을 통해 하나 이상의 절연 기판(29)에 부착된 앵커(40-45)에 연결된다. 2개의 검사 질량체(10, 20), 검사 질량체 서스펜션(13, 14, 23, 24), 서스펜션 바(133, 134), 앵커 서스펜션(150, 151, 152, 153, 54, 55) 및 2개의 전도 검사 질량체(10, 20) 아래의 절연 기판(29)은 여기에서 집합적으로 자기 경사계 센서 메카니즘(60)이라 하며, 튜닝 포크 공진 모드(모터 모드)의 주파수에서 모터 축(X)을 따라 움직이도록 구동된다. 자기 경사계(108)와 같은 MEMS 튜닝 포크 공진 센서에 일반적으로 조우되는 용량성 커플링의 값 때문에, 검사 질량체 및 접지 사이의 용량성 커플링은 자기 경사계(108)의 동작에 무시할만한 영향을 미친다.
리드아웃 증폭기(85)는 제1 중심점 고정 앵커(45)로부터 제1 입력을 수신하고, 제2 중심점 고정 앵커(44)로부터 제2 입력을 수신하도록 구성된다. 따라서, 리드아웃 증폭기(85)는 제1 중심점 고정 앵커(45)와 제2 중심점 고정 앵커(44) 사이의 전압 차이를 판독한다. 이러한 방법으로, 출력 전압(Vout)은 전도성 검사 질량체(10)의 제1 단부(11) 및 제2 단부(12) 사이에서 유도된 emf를 직접 측정한다. 유사하게, 출력 전압(Vout)은 전도성 검사 질량체(20)의 제1 단부(21) 및 제2 단부(22) 사이에서 유도된 emf를 직접 측정한다. 커패시턴스는 전류를 위한 복귀 경로를 제공하지 않는다. 이 자기 경사계(108)는 자기 경사계(104)보다 더 높은 자기장 경사에 대한 감도를 제공한다.
제1 전기 전도 검사 질량체(10) 및 제2 전기 전도 검사 질량체(20)가 자기장 경사에 노출되면, 리드아웃 증폭기(85)는 자기장 경사를 나타내는 출력 신호(Vout)를 생성한다. 제1 전기 전도 검사 질량체(10) 및 제2 전기 전도 검사 질량체(20)가 가속도 또는 회전을 받게 되면, 리드아웃 증폭기(85)는 가속도 또는 회전을 나타내는 출력 신호를 생성하지 않는다.
자기 경사계(108)의 앵커 및 서스펜션은 자기 경사계(104)(도 9)의 앵커 및 서스펜션과 구성상 유사하다. 자기 경사계(108)는 자기 경사계(104)에 대하여 전술한 바와 같이 감도를 최대화하도록 구성될 수 있다. 자기 경사계(108)는 자기장 경사(dBz/dx)를 검출하기 위하여 인가된 바이어스 전류가 흐르게 하는 것을 필요로 하지 않는다.
도 11은 본 발명에 따라 자기장 경사가 있을 때에 튜닝 포크 자이로스코프의 출력에서 바이어스를 감소시키거나 제거하는 방법(1100)의 일 실시예에 대한 흐름도이다. 튜닝 포크 자이로스코프는 도 1, 6 또는 7의 튜닝 포크 자이로스코프(100, 101, 102)일 수 있다.
블록(1102)에서, 2개의 전기 전도 검사 질량체는 적어도 하나의 절연 기판 위로 서스펜드된다. 블록(1104)에서, 전기 저항 중심점은 2개의 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부에 전기적으로 연결된다. 2개의 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부로부터의 연결부의 전기 저항은 전기 저항 중심점에서 동일하다. 튜닝 포크 자이로스코프에 연결된 감지 전하 증폭기(130)는 튜닝 포크 자이로스코프의 회전을 나타내는 출력 신호를 생성한다. 튜닝 포크 자이로스코프의 출력에서 생성되는 출력 신호는 튜닝 포크 자이로스코프가 겪는 자기장 경사에 독립적이다. 이러한 방법으로, 자기장 경사(dBz/dx)에 대한 튜닝 포크 MEMS 자이로스코프의 자기 감도는 실질적으로 감소되거나 제거된다.
방법(1100)이 도 1c 또는 7의 튜닝 포크 자이로스코프(100 또는 102)에 적용되면, 전기 저항 중심점(171)은 감지 전하 증폭기(130)의 입력에 연결되고, 감지 전하 증폭기의 제2 입력은 AC 접지에 연결되며, 2개의 전기 전도 검사 질량체(110, 120)는 AC 접지에 용량성으로 커플링된다.
방법(1100)이 도 6의 튜닝 포크 자이로스코프(101)에 적용되면, 전기 저항 중심점(171)은 AC 접지에 연결되고, 2개의 전기 전도 검사 질량체(110, 120)는 바이어스 전압을 갖는 하나 이상의 감지 커패시턴스 전극(115, 125)에 용량성으로 커플링되고, 감지 전하 증폭기(130)의 입력은 하나 이상의 감지 커패시턴스 전극(115, 125)에 연결된다.
본 실시예의 일 구현례에서, 고정 전기 연결부(170)는 MEMS 자이로스코프(100)의 기판(129)상의 리소그라피로 패터닝된 금속이다. 본 실시예의 다른 구현례에서, 고정 전기 연결부(170)는 검사 질량체(110, 120)와 동일한 전도 재료로 형성된다. 본 실시예의 또 다른 구현례에서, 고정 전기 연결부(170)는 자이로스코프 감지 메카니즘(160) 외부의 연결부이다. 본 실시예의 또 다른 실시예에서, 검사 질량체(110, 120)는 도핑된 실리콘으로 형성된다. 본 실시예의 일 구현례에서, 고정 전기 연결부(170)는 기판(129) 상에 형성된다. 본 실시예의 다른 구현례에서, 제2 절연 기판이 제1 및 제2 검사 질량체(110, 120) 위에 배치된다. 이 후자의 실시예에서, 하나 이상의 앵커는 제2 절연 기판 상에 있다. 본 실시예의 또 다른 구현례에서, 전기 저항 중심점(171)은 제1 전기 전도 검사 질량체(110) 및 제2 전기 전도 검사 질량체(120)와 동일한 전도 재료로 형성된다.
다음의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명에 대한 다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도, 설명된 실시예에 대한 다양한 수정이 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들도 다음의 특허청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (3)

  1. 자기장 경사(dBz/dx)에 민감하지 않은 튜닝 포크 자이로스코프(100)에 있어서,
    전기 전도 서스펜션(134)을 통해 하나 이상의 기판(129)에 부착된 앵커(144)에 연결된 제1 전기 전도 검사 질량체(110) 및 제2 전기 전도 검사 질량체(120); 및
    상기 제1 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부(111)와 상기 제2 전기 전도 검사 질량체의 대향하는 단부(121)에 전기적으로 연결된 전기 저항 중심점(171)
    을 포함하고,
    상기 튜닝 포크 자이로스코프는 감지 전하 증폭기(130)에 입력을 제공하고,
    상기 감지 전하 증폭기는 상기 튜닝 포크 자이로스코프의 회전을 나타내는 출력 신호(Vout)를 생성하고,
    상기 출력 신호는 자기장 경사(dBz/dx)에 독립적인,
    튜닝 포크 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기 전도 검사 질량체(110) 및 상기 제2 전기 전도 검사 질량체(120)는 AC 접지에 용량성으로 커플링되고,
    상기 전기 저항 중심점(171)은 상기 감지 전하 증폭기(130)의 입력에 전기적으로 연결되는,
    튜닝 포크 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기 전도 검사 질량체(110) 및 상기 제2 전기 전도 검사 질량체(120)는 바이어스 전압(VSB)을 갖는 하나 이상의 감지 커패시턴스 전극(115)에 용량성으로 커플링되고,
    상기 감지 전하 증폭기(130)의 입력은 바이어스 전압을 갖는 하나 이상의 감지 커패시턴스 전극에 연결되고,
    상기 전기 저항 중심점(171)은 AC 접지에 연결되는,
    튜닝 포크 자이로스코프.
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