KR20130035427A - 멤스 공진형 가속도계 - Google Patents

멤스 공진형 가속도계 Download PDF

Info

Publication number
KR20130035427A
KR20130035427A KR1020110099723A KR20110099723A KR20130035427A KR 20130035427 A KR20130035427 A KR 20130035427A KR 1020110099723 A KR1020110099723 A KR 1020110099723A KR 20110099723 A KR20110099723 A KR 20110099723A KR 20130035427 A KR20130035427 A KR 20130035427A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
elastic body
inertial mass
tuning fork
inertial
thermal expansion
Prior art date
Application number
KR1020110099723A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101328642B1 (ko
Inventor
정형균
송진우
Original Assignee
(주)마이크로인피니티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)마이크로인피니티 filed Critical (주)마이크로인피니티
Priority to US14/348,702 priority Critical patent/US9470708B2/en
Priority to PCT/KR2011/007284 priority patent/WO2013047933A1/ko
Priority to EP11872941.7A priority patent/EP2762893B1/en
Priority to KR1020110099723A priority patent/KR101328642B1/ko
Publication of KR20130035427A publication Critical patent/KR20130035427A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101328642B1 publication Critical patent/KR101328642B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring 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
    • G01P15/0802—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring 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
    • G01P15/097—Measuring 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 by vibratory elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02—Details
    • G01C9/04—Transmission means between sensing element and final indicator for giving an enlarged reading
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring 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
    • G01P15/125—Measuring 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 by capacitive pick-up

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

초소형 공진형 가속도계가 제공된다. 본 발명에 따른 초소형 공진형 가속도계는, 제1 관성질량체; 상기 제1 관성질량체와 제1 축 상에서 소정 간격으로 이격된 제2 관성질량체; 상기 제1 및 제2 관성질량체 사이에 구비되어 탄성력을 부여하는 탄성체; 및 상기 탄성체와 연결되고 가속도에 따른 주파수 변화를 측정하기 위한 튜닝포크를 포함하되, 상기 튜닝포크의 길이방향이 상기 제1 축과 수직한 제2 축과 평행하고, 상기 탄성체는 원형에서 일부가 제거된 개방부를 가지고, 상기 튜닝포크의 일단은 상기 개방부를 관통하여 상기 탄성체의 내측면과 연결된다.

Description

초소형 공진형 가속도계{MEMS RESONATING ACCELEROMETER}
본 발명은 초소형 공진형 가속도계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도민감도가 개선된 초소형 공진형 가속도계에 관한 것이다.
최근의 가속도 센서는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 응용한 미세 가공 기술의 발전에 의해, 소형화와 고성능화 및 저가격화를 실현하는 것이 가능하게 되었다. MEMS 기술 개발이 시작된 초창기에는 반도체 공정에서의 실리콘 미세 가공 기술을 바탕으로 실리콘의 압저항 특성을 이용한 압저항 가속도계가 일반적이었으나, 최근에는 정전용량 변화형 가속도계가 High G 검출이 필요한 특정 분야를 제외하고는 압저항 가속도계 시장을 잠식해가는 추세이다.
초소형 가속도계 개발에 있어서 MEMS 기술을 통해 얻을 수 있는 효과는 우선 소형화를 뽑을 수 있다. 소형화에 더해 저가격화를 목적으로 하는 MEMS 관성센서의 응용분야는 카 내비게이션, 차량 탑재 에어백 제어, 카메라나 비디오의 손떨림 방지, 휴대 전화, 로봇의 자세 제어, 게임용 제스처 입력 인식, HDD의 회전?충격 검지 등이 있으며, 인가된 가속도에 의해 가속도계 내 관성 질량의 변위가 변화되고 이를 전압 등으로 변환해서 인가된 가속도를 측정하는 변위형 가속도계(압저항 가속도계, 정전용량 변화형 변위형 가속도계 등)가 사용되는 것이 일반적이다.
소형화에 더해 기존의 기계식 가속도계에 버금가는 성능을 얻는 것이 목적인 초소형 가속도계의 경우는 대부분 항법장치에 적용되어 기존의 기계식 가속도계를 대체하는 것이 목적이며, 항법급 가속도계의 경우 공진형 가속도계가 사용되는 것이 일반적이다.
공진형 가속도계는 외부 가속도계에 의해 변위가 발생하는 관성 질량부, 관성 질량을 지지하는 동시에 한 방향으로만 움직일 수 있도록 운동 방향을 제한하는 역할을 하는 스프링부와 인장력 혹은 압축력을 받으면 주파수가 변화하는 공진자부로 이루어져 있다. 외부에서 가속도가 인가되었을 경우 관성에 의해 관성 질량이 움직이게 되고 관성 질량과 연결된 공진자는 인가된 가속도의 방향에 따라 압축력 혹은 인장력을 받게 된다. 압축력 혹은 인장력을 받는 공진자는 공진주파수가 감소 혹은 증가하게 되며 이때 변화된 공진주파수로부터 외부 가속도를 계산하게 된다.
공진형 가속도계는 공진주파수 변화를 통해 외부 가속도를 측정하는 방식이기 때문에 공진자의 공진주파수를 변화시키는 오차 요인을 최소화하는 것이 필요하다. 이는 외부 인가 가속도가 아닌 다른 오차 요인에 의해서 공진주파수가 변화했다고 해도 외부 인가 가속도가 변화한 것으로 판단할 수 밖에 없기 때문이다. 즉, 오차 요인에 의해서 가속도계의 성능이 결정이 된다.
공진자의 공진주파수에 영향을 미치는 오차 요인으로는 재질의 영률 변화, 재료의 열팽창에 의한 스트레스 변화, 사용된 이종 재료의 열팽창 계수 차이에 의한 스트레스, 외부 환경에 의한 소음/진동 등이 있다. 이 중 재료의 열팽창에 의한 스트레스 변화는 구조물의 형상에 따라 결정되는 것으로 형상 설계 결과에 의해 그 값이 결정된다. 열팽창에 의해 공진자에 압축력 혹은 인장력이 작용할 경우 외부 가속도가 인가된 것처럼 가속도계의 출력이 변화하게 되고, 이러한 열팽창에 의한 출력변화는 외부 가속도에 의한 출력변화와 분리되기 어려우며, 이로 인해 실제 가속도가 인가되지 않은 상황에서도 가속도계의 출력에 변화가 발생하여 오차의 원인이 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 문제점들을 해결할 수 있도록 온도 민감도가 최소화된 DETF(Double-ended Tuning Fork) 구조를 갖는 공진형 가속도계를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 온도 변화에 의한 열팽창으로 인해 발생하는 오차값을 구조적으로 상쇄할 수 있는 초소형 공진형 가속도계를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 공진형 가속도계는, 제1 관성질량체; 상기 제1 관성질량체와 제1 축 상에서 소정 간격으로 이격된 제2 관성질량체; 상기 제1 및 제2 관성질량체 사이에 구비되어 탄성력을 부여하는 탄성체; 및 상기 탄성체와 연결되고 가속도에 따른 주파수 변화를 측정하기 위한 튜닝포크를 포함하되, 상기 튜닝포크의 길이방향이 상기 제1 축과 수직한 제2 축과 평행하고, 상기 탄성체는 원형에서 일부가 제거된 개방부를 가지고, 상기 튜닝포크의 일단은 상기 개방부를 관통하여 상기 탄성체의 내측면과 연결된다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 온도 민감도가 최소화된 DETF(Double-ended Tuning Fork) 구조를 갖는 공진형 가속도계를 제공할 수 있다.
또한, 온도 변화에 의한 열팽창으로 인해 발생하는 오차값을 구조적으로 상쇄할 수 있는 초소형 공진형 가속도계를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기 내용에 한정되지 않으며, 이하 실시예 부분에서 구체적으로 기술된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 공진형 가속도계의 개략적인 도면이다.
도 2 및 도 3은 외력에 의한 원형 탄성체의 변형 원리를 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 열팽창에 의해 도 1의 탄성체(30)가 변형되는 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초소형 공진형 가속도계의 개략적인 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 공진형 가속도계 (이하, MEMS 공진형 가속도계)에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진형 가속도계의 개략적인 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진형 가속도계 (100)는, 제1 관성질량체(10), 제2 관성질량체(20), 탄성체(30), 및 튜닝포크(40)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 관성질량체(10, 20)는 사각틀 형상을 가지며, 기판(미도시) 상에서 요동 가능하도록 부상되어 있다.
제1 관성질량체(10)는 제1 앵커부(12a) 및 제2 앵커부(12b)에 의해 기판 상에 고정되어 있다. 제1 관성질량체(10)와 제1 및 제2 앵커부(12a, 12b) 사이에는 탄력성을 가지는 연결부재(14a, 14b)로 연결되어 요동 가능하게 연결될 수 있다. 연결부재(14a, 14b)는 예를 들어 판스프링 형태일 수 있다.
제2 관성질량체(20)는 제3 앵커부(22a) 및 제4 앵커부(22b)에 의해 제1 관성질량체(10)와 동일하게 기판(미도시) 상에 고정되어 있다. 제2 관성질량체(20)와 제3 및 제4 앵커부(22a, 22b) 사이에는 탄력성을 가지는 연결부재(24a, 24b)로 연결되어 요동 가능하게 연결될 수 있다. 연결부재(24a, 24b)는 예를 들어 판스프링 형태일 수 있다.
제1 관성질량체(10)와 제2 관성질량체(20)는 소정의 축(도 1 상에서 상하방향의 축) 상에서 소정 간격으로 이격되어 있되, 동일한 방향으로 진동할 수 있도록 탄성체(30)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1 관성질량체(10)와 제2 관성질량체(20)는 서로 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 서로 다른 물질로 제조되는 경우 서로 동일한 열팽창 계수를 가지는 물질로 구성될 수도 있다.
본 실시예에 따른 MEMS 공진형 가속도계는 서로 직교하는 3축 중 1축의 가속도를 감지하는 가속도계를 구성할 수 있으며, 도 1의 MEMS 공진형 가속도계는 도면상의 좌우 방향의 가속도를 감지할 수 있다.
예를 들어, 도 1의 우측으로 가속도가 가해지면, 각 앵커부(12a, 12b, 22a, 22b)에 연결된 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)가 도 1의 좌측으로 외력을 받게 되어 연결부재(14a, 14b, 24a, 24b)의 탄성범위 내에서 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)가 좌측으로 소정의 변위만큼 이동할 수 있다.
탄성체(30)는 제1 관성질량체(10)와 제2 관성질량체(20) 사이에 구비되어, 제1 관성질량체(10)와 제2 관성질량체(20)를 연결시켜서 서로 동일하게 병진 운동하도록 하되, 가속도 이외의 외력에 의해 가해지는 힘 예를 들어 온도변화에 의한 열팽창에 의해 가해지는 힘을 상쇄시켜서 본 실시예에 따른 MEMS 공진형 가속도계의 온도민감도를 낮출 수 있으며 이로 인해 발생할 수 있는 오차를 감소시킬 수 있다. 탄성체(30)로 인한 열팽창 방지 구조에 대한 설명은 상세히 후술한다.
본 명세서에서, 열팽창은 온도 변화에 의해 물체가 수축 또는 팽창하는 경우를 모두 포함할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)는 외부온도가 상승함으로써 열팽창이 이루어질 수 있으며, 외부온도가 하강함으로써 열수축이 이루어질 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 별도로 열수축이라는 단어를 사용하지 않으며, 열팽창의 범주 내에 열에 의해 표면적이 변화되는 모든 경우를 포함시켜 설명한다.
탄성체(30)는 원형의 일부가 제거된 개방부를 가질 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 반원 형태를 가질 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 탄성체(30)의 재질에는 제한이 없으며, 제1 관성질량체(10), 제2 관성질량체(20) 및 튜닝포크(40)에서 발생할 수 있는 열팽창을 상쇄할 수 있도록 탄성을 가지는 물질이면 제한없이 탄성체(30)를 구성할 수 있다.
튜닝포크(40)는 탄성체(30)와 연결되며 본 실시예에 따른 MEMS 공진형 가속도계에 가해지는 가속도에 따른 주파수 변화를 측정할 수 있다. 본 명세서에서 튜닝포크(40)는 열팽창에 의해 스트레스 변화가 발생되는 DETF(Double-Ended Turning Fork)를 의미할 수 있다.
튜닝포크(40)는 제1 관성질량체(10) 및/또는 제2 관성질량체(20)와 동일한 재질로 제작될 수 있으며, 서로 다른 물질로 제조되는 경우에도 제1 관성질량체(10) 및/또는 제2 관성질량체(20)를 이루는 물질과 동일한 열팽창 계수를 가지는 물질로 구성될 수 있다.
튜닝포크(40)의 일단은 탄성체(30)의 개방부(31)를 관통하여 탄성체(30)의 내측면과 연결될 수 있으며, 구체적으로 튜닝포크(40)의 일단은 탄성체(30)의 원의 중심을 통과하면서 탄성체(30)의 내측면과 연결될 수 있다. 튜닝포크(40)의 일단은 탄성체(30)의 내측면 중앙부에 맞닿아 연결될 수 있다.
튜닝포크(40)의 내부에는 기판상에서 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)와 동일 평면에 배치되며, 콤(Comb) 구조에 의해 상호 결합된 고정전극 및 이동전극(미도시)을 포함할 수 있다. 고정전극과 이동전극은 전극쌍을 형성할 수 있으며, 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)와 전극쌍의 각 전극 사이의 간극은 전압이 인가될 때 검출가능한 커패시턴스를 발생시킬 수 있다. 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)가 운동할 때, 전술한 커패시턴스는 변동할 수 있다. 예를 들어, 커패시턴스의 용량값은 고정전극과 이동전극의 거리에 따라 변화될 수 있다. 커패시턴스 변동은 고정전극 및/또는 이동전극에 연결된 증폭기(미도시)로부터 전류 변동을 감지함으로써 판단될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 튜닝포크(40)는 소정의 방향으로 진동하는 진동판(미도시) 및 이를 구동시키기 위한 구동전극(미도시)을 포함할 수 있다. 구동전극에 의해 튜닝포크(40)의 빔이 규칙적으로 진동할 수 있으며, 예를 들어 도 1의 상하방향으로 진동판이 진동하는 구조를 가질 수 있다. 진동판이 도 1의 상하 방향으로 진동하고 있는 경우 외력이 도 1의 좌우방향으로 가해질 경우 외력은 관성 질량체에 관성으로 작용하여 인가 가속도의 반대 방향으로 움직이게 되고 관성 질량과 연결된 탄성체를 통해 튜닝포크에 압축력 혹은 인장력이 인가된다. 이 때, 공진하고 있는 튜닝포크는 압축력 혹은 인장력에 의해 빔의 유효강성이 변화되어 공진주파수가 변화되게 된다. 이는 아래의 식 1 및 식 2로 표시될 수 있다.
Figure pat00001
상기 식 1에서 K는 beam stiffness, m은 beam equivalent mass, α는 상수, M은 suspended mass, f0은 zero load frequency, fn은 beam natural frequency, a는 input acceleration, C는 Euler buckling load 이다.
Figure pat00002
상기 식 2에서 Aid는 Indicated Acceleration으로 인가 가속도를 의미할 수 있다.
튜닝포크(40)에서 감지하는 신호의 주파수는 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)가 외력을 받지 않는 상태에서 일정하게 유지된다. 이 신호의 주파수는 외력을 받을 때는 달라지게 되며 성능 평가를 통해 측정된 환산계수(식 2의 K1, K1: linear scale factor, 단위 Hz/g)와 공진 주파수 차이로터 외부에서 인가된 가속도의 크기를 알아낼 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 MEMS 초소형 가속도계는 튜닝포크(40) 내부에 구비된 복수의 전극 사이에 형성되는 커패시턴스의 용량값으로부터 주파수를 검출하여 인가 가속도에 따른 공진주파수 변화를 검출할 수 있다.
이어서, 도 2 내지 도 6을 참조하여 온도민감도를 감소시키기 위한 탄성체(30)의 변형 원리에 대해 설명한다. 도 2 및 도 3은 외력에 의한 원형 탄성체의 변형 원리를 설명하는 도면이고, 도 4 내지 도 6은 열팽창에 의해 도 1의 탄성체(30)가 변형되는 구조를 도시한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 외력이 아닌 내부 열팽창에 의해 튜닝포크(40)에 압축력 내지 인장력이 작용하는 경우에도, 가속도가 인가되었을 때와 같이 튜닝포크(40)의 공진주파수가 변화하게 된다. 이와 같은 이유로 열팽창에 의한 출력변화는 외부 가속도에 의한 출력변화와 구별되기 어렵다. 따라서, 튜닝포크(40)에서 발생하는 온도 민감도를 최소화하기 위해 본 실시예에 따른 MEMS 공진형 가속도계는 원형 탄성체의 특성을 이용하여 열팽창에 의해 튜닝포크(40)에 인가되는 인장력(혹은 압축력)을 기계 구조물 자체적으로 상쇄시켜 온도 민감도를 최소화할 수 있다.
이와 같은 온도민감도를 상쇄시키는 원리를 설명하기 위해 도 2 및 도 3을 참조하면, 예시적인 원형 탄성체(C_a)는 외력(F)에 의해 타원형 탄성체(C_b)로 구조가 일시적으로 변형될 수 있다. 이때, 원형 탄성체(C_a)가 이상적인 원형의 탄성체인 경우, Δx = Δy의 관계가 성립될 수 있다. 즉, 외력(F)이 가해진 제1 축 방향(y축 방향)으로 직경이 감소한 만큼, 제1 축과 수직한 제2 축 방향(x축 방향)으로의 직경이 증가하게 된다.
따라서, 도 3에 도시된 예에서 변형된 타원형 탄성체(C_b)의 x축 장반경은 r + Δx 이며, y축 단반경은 r ? Δy(Δx)가 성립한다. 이와 같은 원형 탄성체의 특성을 이용하여, 본 실시예에 따른 MEMS 초소형 가속도계는, 제1 관성질량체(10), 제2 관성질량체(20) 및 튜닝포크(40) 간의 접점 위치에 원형(또는 원형에서 일부가 제거된 개방부를 가지는 호 형상)의 탄성체(30)를 구비한다.
도 4를 참조하면, 제1 관성질량체(10), 제2 관성질량체(20) 및 튜닝포크(40)는 일단부가 앵커부에 의해 고정되기 때문에, 레조네이터의 온도가 상승하는 경우, 각각 도시된 화살표 방향으로 열에 의한 팽창이 이루어진다. 제1 관성질량체(10), 제2 관성질량체(20) 및 튜닝포크(40)의 재질이 동일하거나, 동일한 열팽창 계수를 가지는 재질로 구성되는 경우 동일한 인장력이 가해질 수 있다.
또한, 도 4에서는 제1 관성질량체(10)과 제2 관성질량체(20)의 y축(도면상으로 상하) 방향의 열팽창만을 고려하였으나, 제1 관성질량체(10)과 제2 관성질량체(20)의 열팽창 방향은 x축 방향으로도 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 관성질량체(10)과 제2 관성질량체(20)의 y축 방향의 열팽창(HE_10, HE_20)에 의해서 탄성체(30)가 X1만큼 도면의 오른쪽 방향으로 변형되고, 이와 동시에 제1 및 제2 관성 질량체(10, 20)가 도면의 왼쪽 방향으로 X2만큼 열팽창되고, 이와 동시에 튜닝포크(40)도 도면의 오른쪽 방향으로 X3만큼 열팽창될 수 있다. 이 때, X3는 X1에서 X2를 차감한 값과 동일할 수 있다.
즉, 열팽창시, 제1 관성질량체(10) 및 제2 관성질량체(20)의 제1 방향(y방향) 열팽창에 의해 발생한 탄성체(30)의 변위량과, 제1 관성질량체(10) 및 제2 관성질량체(20)의 제1 방향과 수직한 제2 방향(x방향)의 열팽창에 의해 발생한 제1 관성질량체(10) 및 제2 관성질량체(20) 자체의 변위량의 벡터합이, 튜닝포크(40)의 제2 방향(x방향)의 변위량과 동일할 수 있다.
따라서, 튜닝포크(40)의 X3만큼의 열팽창이 X1과 X2에 의해 상쇄되어 공진 주파수에 영향을 미치지 않는다.
도 5를 참조하면, 도 4에서 제1 관성질량체(10), 제2 관성질량체(20) 및 튜닝포크(40)에 가해진 인장력에 의해 반원 형태의 탄성체(30)가 반타원 형태의 탄성체(30)로 변형될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)는 서로 가까워지는 방향으로 탄성체(30)를 가압하며, 튜닝포크(40)는 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)가 가하는 힘의 방향과 수직한 방향으로 탄성체(30)를 가압한다.
이러한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 탄성체(30)에 가해지는 제1 관성질량체(10)의 인장력(HE_10)에 의해 탄성체(30)가 y축 방향으로 Δy1 변위만큼 변형되며, 제2 관성질량체(10)의 인장력(HE_20)에 의해 탄성체(30)가 y축 방향으로 Δy2 변위만큼 변형되며, Δy1과 Δy2의 값은 서로 동일하다. y축 방향으로 탄성체(30)에 가해진 외력으로 인해 x축 방향으로 Δx 만큼 탄성체(30)의 변형이 발생한다. 이때, 튜닝포크(40)에 의해 발생한 인장력(HE_40)은 제1 관성질량체(10)의 인장력(HE_10) 또는 제2 관성질량체(10)의 인장력(HE_20)과 동일하기 때문에, 탄성체(30)에 x축 방향으로 Δx 만큼 힘을 가하게 된다. 그러나, 이미 탄성체(30)는 탄성체(30)의 구조로 인해 x축 방향으로 Δx 만큼 변형이 이루어진 상태이기 때문에, 튜닝포크(40)에 의해 발생한 인장력(HE_40)은 탄성체(30) 및 관성질량체(10, 20)의 x축 방향의 변위에 영향을 미치지 않고 상쇄되게 된다.
따라서, 튜닝포크(40)에 열팽창이 발생하더라도 탄성체(30)에 의해 해당 변화량만큼 상쇄되므로, 튜닝포크(40)의 온도변화에 의한 민감도를 낮출 수 있으며, 열팽창에 의한 변화량은 제1 및 제2 관성질량체(10, 20)의 가속도 측정방향으로의 변위에 영향을 미치지 않으므로 노이즈에 해당하는 커패시턴스 변화에 의한 주파수 변화를 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 레조네이터(100)의 개략적인 도면이다. 본 실시예에 따른 MEMS 레조네이터(100)는, 도 1에 도시된 레조네이터 단위가 나란히 2개(100a, 100b) 연결되어 하나의 레조네이터(100)를 구성할 수 있다. 각각의 레조네이터 모듈(100a, 100b)은 독립적으로 작동하며, 측정되는 가속도의 정밀도를 높일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 제1 관성질량체
20: 제2 관성질량체
30: 탄성체
40: 튜닝포크

Claims (6)

  1. 제1 관성질량체;
    상기 제1 관성질량체와 제1 축 상에서 소정 간격으로 이격된 제2 관성질량체;
    상기 제1 및 제2 관성질량체 사이에 구비되어 탄성력을 부여하는 탄성체; 및
    상기 탄성체와 연결되고 가속도에 따른 주파수 변화를 측정하기 위한 튜닝포크를 포함하되,
    상기 튜닝포크의 길이방향이 상기 제1 축과 수직한 제2 축과 평행하고,
    상기 탄성체는 원형에서 일부가 제거된 개방부를 가지고,
    상기 튜닝포크의 일단은 상기 개방부를 관통하여 상기 탄성체의 내측면과 연결되는, 초소형 공진형 가속도계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체는 반원 형태이고,
    상기 튜닝포크의 상기 일단은 상기 탄성체의 원의 내부 중심을 통과하여 상기 탄성체의 내측면과 연결되는, 초소형 공진형 가속도계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 튜닝포크는,
    상기 탄성체의 상기 내측면 중앙부에 연결되는, 초소형 공진형 가속도계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 관성질량체와 상기 탄성체는 동일한 열팽창계수를 가지는, 초소형 공진형 가속도계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 관성질량체는 서로 가까워지는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 열팽창되도록 일단이 고정되며,
    상기 튜닝포크는 상기 제1 및 제2 관성질량체와 가까워지는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 열팽창되도록 일단이 고정되는, 초소형 공진형 가속도계.
  6. 제1항에 있어서,
    열팽창시, 상기 제1 관성질량체 및 제2 관성질량체의 상기 제1 축 방향 열팽창에 의해 발생한 상기 탄성체의 변위량과, 상기 제1 관성질량체 및 제2 관성질량체의 상기 제1 축과 수직한 제2 축 방향의 열팽창에 의해 발생한 제1 관성질량체 및 제2 관성질량체 자체의 변위량의 벡터합이, 상기 튜닝포크의 상기 제2 방향의 변위량과 동일한, 초소형 공진형 가속도계.
KR1020110099723A 2011-09-30 2011-09-30 멤스 공진형 가속도계 KR101328642B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/348,702 US9470708B2 (en) 2011-09-30 2011-09-30 MEMS resonant accelerometer
PCT/KR2011/007284 WO2013047933A1 (ko) 2011-09-30 2011-09-30 초소형 공진형 가속도계
EP11872941.7A EP2762893B1 (en) 2011-09-30 2011-09-30 Mems resonant accelerometer
KR1020110099723A KR101328642B1 (ko) 2011-09-30 2011-09-30 멤스 공진형 가속도계

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110099723A KR101328642B1 (ko) 2011-09-30 2011-09-30 멤스 공진형 가속도계

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130035427A true KR20130035427A (ko) 2013-04-09
KR101328642B1 KR101328642B1 (ko) 2013-11-14

Family

ID=47995942

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110099723A KR101328642B1 (ko) 2011-09-30 2011-09-30 멤스 공진형 가속도계

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9470708B2 (ko)
EP (1) EP2762893B1 (ko)
KR (1) KR101328642B1 (ko)
WO (1) WO2013047933A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102615134B1 (ko) * 2022-08-10 2023-12-19 (주)마이크로인피니티 공진형 mems 가속도계에서 보상된 가속도 출력을 제공하는 방법

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL2012967B1 (en) 2014-06-06 2016-06-27 Stichting Vu-Vumc MEMS sensor structure comprising mechanically preloaded suspension springs.
US10247753B2 (en) * 2017-02-14 2019-04-02 Nxp Usa, Inc. MEMS device with off-axis shock protection
RU2657351C1 (ru) * 2017-08-18 2018-06-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения
US10732195B2 (en) 2018-01-26 2020-08-04 Honeywell International Inc. Vibrating beam accelerometer
RU192953U1 (ru) * 2018-12-20 2019-10-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Мэмс-акселерометр

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2984111A (en) * 1959-06-19 1961-05-16 Bosch Arma Corp Accelerometer
US4750363A (en) * 1986-06-27 1988-06-14 Sundstrand Data Control, Inc. Temperature compensation of an accelerometer
US4970903A (en) * 1987-10-22 1990-11-20 Hanson Richard A Force sensing device
US5610335A (en) 1993-05-26 1997-03-11 Cornell Research Foundation Microelectromechanical lateral accelerometer
JPH0875475A (ja) * 1994-09-01 1996-03-22 Omron Corp 共振子、当該共振子を用いた光走査装置、視覚認識装置、振動センサ及び振動ジャイロ
FR2739190B1 (fr) 1995-09-26 1997-11-28 Onera (Off Nat Aerospatiale) Transducteur monolithique d'acceleration
JP2000292174A (ja) * 1999-04-12 2000-10-20 Murata Mfg Co Ltd ジャイロスコープ
FR2798993B1 (fr) * 1999-09-28 2001-12-07 Thomson Csf Sextant Gyrometre de type diapason
KR100444235B1 (ko) 2002-12-10 2004-08-16 삼성전기주식회사 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 장치
FR2848298B1 (fr) * 2002-12-10 2005-03-11 Thales Sa Accelerometre a poutre vibrante
FR2898884B1 (fr) * 2006-03-27 2008-05-02 Commissariat Energie Atomique Micro-capteur inertiel resonant a epaisseur variable realise en technologies de surface
US7954215B2 (en) * 2007-03-19 2011-06-07 Epson Toyocom Corporation Method for manufacturing acceleration sensing unit
US8117917B2 (en) * 2008-03-27 2012-02-21 Honeywell International Inc. Vibrating beam accelerometer with improved performance in vibration environments
FR2937145B1 (fr) * 2008-10-10 2010-09-24 Thales Sa Accelerometre micro-usine
FR2941525B1 (fr) * 2009-01-23 2011-03-25 Commissariat Energie Atomique Gyrometre en technologie de surface, a detection hors plan par jauge de contrainte.
FR2957414B1 (fr) * 2010-03-15 2012-09-28 Commissariat Energie Atomique Capteur de force a bruit reduit
JP2012242343A (ja) * 2011-05-24 2012-12-10 Seiko Epson Corp 加速度センサー及び加速度検出装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102615134B1 (ko) * 2022-08-10 2023-12-19 (주)마이크로인피니티 공진형 mems 가속도계에서 보상된 가속도 출력을 제공하는 방법
WO2024034781A1 (ko) * 2022-08-10 2024-02-15 주식회사 마이크로인피니티 공진형 mems 가속도계에서 보상된 가속도 출력을 제공하는 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101328642B1 (ko) 2013-11-14
EP2762893A4 (en) 2015-06-10
EP2762893A1 (en) 2014-08-06
US20140238132A1 (en) 2014-08-28
US9470708B2 (en) 2016-10-18
EP2762893B1 (en) 2016-06-15
WO2013047933A1 (ko) 2013-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101328642B1 (ko) 멤스 공진형 가속도계
CN108020687B (zh) 一种mems加速度计
EP2783222B1 (en) Mems inertial sensor and method of inertial sensing
WO2007021399A2 (en) Multi-axis micromachined accelerometer
KR20050121223A (ko) 차동식 전기 용량 픽 오프를 갖는 굽힘 빔 가속도계
US20180209791A1 (en) Motion measurement devices and methods for measuring motion
EP2943799B1 (en) Chip level sensor with multiple degrees of freedom
KR20180003465A (ko) 센서의 댐핑
CN111512118B (zh) 检测质块偏移量补偿
CN111208317B (zh) Mems惯性传感器及应用方法和电子设备
CN112748258A (zh) 基于单质量块的三轴加速度计
US20110179870A1 (en) Dual-axis acceleration detection element
EP3839520B1 (en) Micromechanical device with elastic assembly having variable elastic constant
CN211206555U (zh) 三轴加速度计
Rödjegård et al. A monolithic three-axis SOI-accelerometer with uniform sensitivity
Cortés-Pérez et al. Performance optimization and mechanical modeling of uniaxial piezoresistive microaccelerometers
Sonkar et al. Simulation and analysis of spring based transverse axis sensing MEMS capacitive accelerometer
Tounsi et al. Behavior analysis of a 3-axis detection push-pull piezoresistive MEMS accelerometer
KR101454112B1 (ko) 압저항체를 이용한 가속도계
US20190112181A1 (en) Stabile micromechanical devices
KR101482378B1 (ko) Ｍｅｍｓ 디바이스
TWI461693B (zh) 微機電感測裝置與其製造方法
RU2684427C1 (ru) Чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости
Mary et al. Design and Simulation Studies on Linearised MEMS Capacitive Accelerometer
Patra et al. Sensitivity Enhancement of Capacitive MEMS Accelerometer by Design of the Device Geometry

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160923

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181001

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190926

Year of fee payment: 7