KR20130094203A

KR20130094203A - 운동을 감지하기 위한 마이크로 자이로스코프

Info

Publication number: KR20130094203A
Application number: KR1020127030297A
Authority: KR
Inventors: 볼커 디알. 켐페
Original assignee: 맥심 인티그레이티드 게엠베하
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2013-08-23
Also published as: US20160178374A1; JP5690919B2; EP2561313A1; CN103026172B; WO2011131690A1; US9857175B2; KR101812971B1; DE102010028005A1; JP2013525777A; EP2561313B1; CN103026172A; US20130031977A1; US9157740B2

Abstract

본 발명은, 특히, 3D, 5D, 또는 6D 센서로서, X 및/또는 Y 및/또는 Z 축에 상대적인 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프에 관한 것이다. 상기 마이크로-자이로스코프는 기판(2), 복수의 진동 샘플 질량체(1), 앵커(3, 4) 그리고 기판(2)에 진동 샘플 질량체(1)를 붙이기 위하여, 앵커(3, 4)와 앵커와 샘플 질량체(1) 사이에 배치되는 앵커 스프링(5, 6)을 가지고, 기판(2)이 회전할 때, 코리올리 힘을 발생시키기 위하여, X-Y 평면에서 샘플 질량체(1)를 진동시키기 위한 구동 요소(15)를 가지고, 발생된 콜리올리 힘으로 인하여, 샘플 질량체(1)의 편향을 감지하기 위하여, 센서 요소(22), 특히, 샘플 질량체(1) 아래에 배치되는 전극을 가진다. 샘플 질량체(1)는 중앙 앵커(3) 주위에 고르게 배치되고, 중앙 앵커(3)에 상대적으로 방사상으로 구동될 수 있다. X-Y 평면 안으로 그리고 X-Y 평면 밖으로 모두 방사상으로 샘플 질량체(1)가 편향될 수 있도록, 앵커 스프링(5, 6)은 디자인된다. 센서 질량체(20)는 하나, 센서 스프링(21)에 의하여 특히 각 샘플 질량체(1) 위에 배치되며, 센서 스프링(21)은 샘플 질량체(1)의 평면 또는 X-Y 평면 안에서 샘플 질량체의 방사상 드라이브 방향에 직각인 센서 질량체(20)의 편향을 허락한다.

Description

운동을 감지하기 위한 마이크로 자이로스코프{Micro-gyroscope for detecting motions}

본 발명은 특히, 3D, 5D 또는 6D 센서로서, X 및/또는 Y 및/또는 Z 축에 상대적인 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프에 관한 것으로서, 기판을 가지고, 복수의 진동 샘플 질량체를 가지고, 상기 기판에 진동 샘플 질량체를 붙이기 위하여, 앵커와, 앵커와 샘플 질량체 사이에 배치되는 앵커 스프링을 가지고, 상기 기판이 회전할 때, 코리올리 힘을 발생시키기 위하여, X-Y 평면에서 상기 샘플 질량체를 진동시키기 위한 구동 요소를 가지고, 센서 요소를 이용하여, X 또는 Y 회전 속도로부터 발생된 상기 콜리올리 힘으로 인하여, 상기 샘플 질량체의 편향을 감지하기 위하여, 특히, 상기 샘플 질량체(1) 아래에 배치되는 전극을 가진다.

마이크로-전자기계(MEMS, Micro-Electromechanical) 자이로스코프는 일반적으로 X-Y-Z 좌표 시스템에서 축 주위의 회전 운동을 감지하기 위하여 사용된다. 따라서, 3개의 각 축 주위에서 시스템의 회전 운동을 감지할 수 있기 위하여, 3개의 마이크로-자이로스코프가 요구된다. 데이터의 제어와 분석은 비용이 막대하고, 많은 노력을 요구한다.

3개의 모든 축에서 회전이 결정되는 3차원 자이로스코프를 만들기 위하여, 디 우드(D. Wood)는 1996년 "3개의 축 주위에서 감지할 수 있는 모노리식 실리콘 자이로스코프(A monolithic silicone gyroscope capable of sensing about three axes simultaneously)" 논문에서 중심 앵커(anchor) 주위에 고리 모양으로 배치된 진동 질량체(masses)를 가지고, 코리올리 힘(Coriolis forces)으로 인하여 티핑(tipping) 운동과 회전(rotary) 운동을 모두 잡을 수 있는 자이로스코프를 제안했다. 여기에서의 단점은 움직이는 질량체의 구동은 물론, 그러한 센서의 제조가 실행하기 어렵거나 불가능하다는 것이다. 따라서, 디 우드(D. Wood) 등에 따른 실시예는 이론적인 성질로 남는다.

난 시우안 차이(Nan-Chyuan Tsai)의 "커플링 효과에 반하는 혁신적인 마이크로-자이로스코프의 설계와 역학(Design and dynamics of an innovative micro-gyroscope against coupling effects)" 논문에서도 3-D 자이로스코프가 제안된다. 여기에서의 단점은 4개의 움직이는 질량체(masses)는 물론, 내부 플레이트와 바깥 링이 존재한다는 것이다. 요구되는 스프링 제조는, 회전의 2개의 직각 방향에서 낮은 강도(rigidity)를 가지며, 내성(tolerances)에 민감하고 실행하기 어렵다.

2개의 제안된 해결 방식은 2개 또는 3개의 직각 축을 따른 가속을 동시에 잡아 내는데에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은, 위에서 언급한 부당한 특징들을 피하면서 합리적인 비용으로 높은 캡쳐(capture) 정확도를 가지고, 선택적으로 설계되어 2개 또는 3개의 추가적인 가속(acceleration) 성분(components)이 동시에 캡쳐(capture)될 수 있는 3D 마이크로 자이로센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항의 특징을 가지는 마이크로-자이로스코프에 의하여 달성된다.

본 발명은 특히, 3D, 5D 또는 6D 센서로서, X 및/또는 Y 및/또는 Z 축에 상대적인 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프에 있어서, 센서는, 기판(2)을 가지고, 복수의 진동 샘플 질량체를 가지고, 기판에 진동 샘플 질량체를 붙이기 위하여, 앵커와, 앵커와 샘플 질량체 사이에 배치되는 앵커 스프링을 가지고, 기판이 회전할 때, 코리올리 힘을 발생시키기 위하여, X-Y 평면에서 샘플 질량체를 진동시키기 위한 구동 요소를 가지고, 발생된 상기 콜리올리 힘으로 인하여, 샘플 질량체의 편향을 감지하기 위하여, 센서 요소, 특히, 샘플 질량체 아래에 배치되는 전극을 가지며, 샘플 질량체는 중앙 앵커 주위에 고르게 배치되고, 중앙 앵커에 상대적으로 방사상으로 구동되며, X-Y 평면 안으로 그리고 X-Y 평면 밖으로 모두 방사상으로 샘플 질량체가 편향될 수 있도록, 앵커 스프링은 디자인되며, 센서 질량체는 하나, 센서 스프링에 의하여 특히 각 샘플 질량 위에 배치되며, 센서 스프링은 샘플 질량체의 평면 또는 X-Y 평면 안에서 센서 질량체의 편향을 허락한다.

본 발명은 움직임을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프를 제공하며, 특히, 3D, 5D 또는 6D 센서로서, X 및/또는 Y 및/또는 Z 축에 상대적인 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프를 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로-자이로스코프는 X 및/또는 Y 및/또는 Z 방향에서 가속을 추가적으로 검출할 수 있는 5D 또는 6D 센서는 물론, 특히, 3D 센서로서, X 및/또는 Y 및/또는 Z 축에 따른 회전 운동을 결정하는데 사용된다. 마이크로 자이로스코프는 기판을 가지고, 복수의 진동 샘플 질량체를 가지고, 앵커와, 앵커와 샘플 질량체 사이에 배치되는 앵커 스프링에 의하여, 기판에 진동 샘플 질량체가 부착된다. 적어도 개별적인 쌍, 바람직하게는 모든 샘플 질량체는, 드라이브 요소(drive element)를 이용하여, 서로 반대로, 즉 X-Y 평면에서 방사상으로, 진동하도록 여기(excited)되어, 기판이 회전할 때, 코리올리 힘의 영향을 받는다. 센서 요소(sensor element), 특히 샘플 질량체 아래에 배치된 전극은, X 및/또는 Y 회전율(rational rates)과 선택적으로 Z 가속으로부터 발생하는 코리올리 힘으로 인하여, 샘플 질량체의 편향(deflection)을 감지한다.

본 발명에 따르면, 샘플 질량체는 중앙 앵커(central anchor) 주위에 고르게 배치되고, 중앙 앵커에 상대적으로 방사상으로 구동(drive)될 수 있다. X-Y 평면 안으로 그리고 X-Y 평면 밖으로 중앙 앵커에 방사상으로 샘플 질량체가 편향될 수 있도록, 앵커 스프링은 디자인된다. 센서 스프링에 의하여, 센서 질량체는 하나, 특히 각 샘플 질량체 위에 배치된다. 센서 스프링은 샘플 질량체의 평면 또는 X-Y 평면 안에서 센서 질량체의 편향을 허락한다.

서로 반대되는 측에 있는 2개의 샘플 질량체는 하나의 샘플 질량체 쌍(sample mass pair)을 이룬다. 중앙 앵커 위에 마운팅된 비틀림 스프링(torsional spring)으로 인하여, 샘플 질량체 쌍은 쌍 축에 대하여 X 또는 Y 에서 수직으로 나아가는 팁 축(tip axis) 주위에서 기울 수 있다. 샘플 질량체와 중앙 서스펜션 사이 그리고 샘플 질량과 외부 앵커 사이의 앵커 스프링의 적당하게 디멘션(dimension)된 탄력으로 인하여, 각 샘플 질량체는 수직 방향으로 편향될 수도 있다.

본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프는 만들기 쉽고, 따라서, 높은 정확도를 가지고 제작되고 작동될 수 있다. 샘플 질량체는 방사 방향으로 진동하도록 구동된다. 코리올리 힘에 의하여 만들어진 샘플 질량체의 편향은 특히 분석하기에 간단하다. X 회전 속도 또는 Y 회전 속도로 인한 샘플 질량체 쌍의 결합된 티핑(tipping) 편향 운동은 Y 방향 또는 X 방향에서만 개별적으로 일어난다. 따라서, X축에 배치된 샘플 질량체는 Y 회전 속도를 가지고 X-Y 평면 밖으로 번갈아가며 이동하며, 유사하게, X 회전 속도가 일어날 때, Y축에 배치된 샘플 질량체도 X-Y 평면 밖으로 교대로 이동한다. Z 방향으로 가속이 일어날 때, 샘플 질량체는 동시대로(synchronously) 평면 밖으로 움직인다. 편향의 미분(differential) 및 적분(summation) 계산(measurement)에 의하여, 반대되며 동시적인(synchronous) 편향은 서로 분리될 수 있다. 기판과 샘플 질량체 사이에 배치되는 센서 요소(elements)는 기판에 대한 샘플 질량체의 거리 차이를 감지하여, X 또는 Y 회전 속도 및 Z 가속을 얻을 수 있다.

Z 회전 속도가 발생하면, 각 샘플 질량체에서 코리올리 힘이 발생하여 샘플 질량체 안의 센서 요소가 방사상(radial) 구동 운동에 수직으로 편향(deflect)하도록 한다. 상기 편향들은 샘플 질량체 쌍 안에서 반대된다. 샘플 질량체 쌍의 축에 수직으로 가속이 일어나면, 2개의 임베디드(embedded)된 센서 요소는 동일한 방향으로 편향된다. 상기 편향의 미분 및 적분 계산은 Z 회전 속도와 샘플 질량체 쌍 축에 수직인 가속 성분을 측정하는데 사용될 수 있다. 따라서, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 모든 센서 요소의 편향의 합계(summation)에 의하여 회전 속도를 측정할 수 있고, 샘플 질량체 쌍(pair) 안에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 편향의 차이(difference)에 의하여 가속을 측정할 수 있는 장점이 있다.

특히, 마이크로-자이로스코프의 유리한 실시예에서는, 4개의 샘플 질량체가 중앙(central) 앵커(anchor)의 둘레 주변에 고르게 배치된다. 따라서, 마이크로-자이로스코프의 대칭적인 제작과 이에 따른 회전 속도의 간단한 분석이 가능하게 된다. 대칭은 나아가 힘의 균형을 제공하여, 반대되는 진동 샘플 질량체들의 구동 운동에 의하여 어떠한 힘도 마이크로-자이로스코프에 작용하지 못한다.

탄성 짐벌 마운트(gimbal mount)가 중앙 앵커와 샘플 질량체의 스프링 사이에 배치되면, X-Y 방향으로부터 샘플 질량체의 편향은 쉽고 신뢰할 수 있게 얻어질 수 있다. 대응되는 샘플 질량체가 X 축에서만 편향된다면, 짐벌 마운트로 인하여 Y 축에서 편향될 수 있는 샘플 질량체에 미치는 실질적인 효과는 아무것도 측정될 수 없다. 예측되는 편향 운동에 따라서, 샘플 질량체의 정확한 분리도 얻어질 수 있다. 짐벌 마운트는 간단한 성분으로 마이크로-자이로스코프의 정밀함을 만들어 실질적으로 향상시킨다.

특히, 짐벌 마운트의 유리한 실시예에서는, 짐벌 마운트는 서로 오프셋(offset)된 비틀림 스프링(torsional spring)에 의하여 서로 연결된 2개의 링을 포함한다. 여기서 비틀림 스프링은 서로 90°오프셋되어, 2개의 진동하는 샘플 질량체의 구동 방향을 각각 매치시킨다. 따라서, 편향 운동의 정확한 분리가 얻어진다. 간단한 비틀림 스프링은 여기서 얻어질 수 있다. 특별히 알맞은 실시예를 얻고, 의도하는 방향으로만 운동을 허용하기 위하여, 각각의 비틀림 스프링이 2개로 나뉘고, 각각의 경우에, 2개의 바람직한 평행하거나, 발산하거나, 수렴하는 스프링 바(bar)가 사용된다면 유리하다.

샘플 질량체 및/또는 센서 질량체가 프레임 형태로 실행된다면, 특별히 컴팩트(compact)한 제작이 가능하다. 샘플 질량체가 프레임 형태로 실행된다면, 안쪽에(즉, 샘플 질량체에 의하여 둘러싸여) 구동 요소를 배치하는 것이 가능하다. 센서 질량체의 경우, 프레임 형태의 제작은 센서 요소(element)가 센서 질량체 안에 컴팩트하게 위치하는 것을 가능하게 할 수 있다. 전극으로 만들어진 센서 요소들은 기판 상에, 센서 질량체 상에 위치한다. X-Y 평면 안에서 또는 Z 회전 속도로 인하여 샘플 질량체 평면 안에서 센서 질량체의 운동은 기판에 고정된 전극과 센서 질량체에 위치한 전극 사이의 거리 차이를 유발하여, 이에 따라서, 전기적 신호가 발생하여 Z 회전 속도가 얻어질 수 있도록 한다. 샘플 질량체의 프레임 제작에 있어서는, 센서 질량체와 유사한 방법으로, 고정된 전극이 기판 상에 마운트(mount)되고, 전극이 샘플 질량체 상에 배치된다. 전극에 AC 전압을 적용함으로써 샘플 질량체는 진동한다. 프레임 제작은 매우 콤팩트한 전극 배치를 허용하고, 특별히, 샘플 질량체를 벗어나 마이크로-자이로스코프의 외부 디멘션을 실질적으로 증가시키지 않는다.

특별히 마이크로-자이로스코프의 콤팩트한 제작을 위해서는, 센서 질량체가 샘플 질량체의 프레임 안에 배치되면 유리하다. 상기 실시예에서 센서 질량체는 또한 샘플 질량체의 외부 디멘션 안에 있기 때문에, 마이크로-자이로스코프는 매우 작게 만들어질 수 있다.

샘플 질량의 균일한 진동을 얻기 위하여, 샘플 질량이 동기화 스프링(synchronization spring)에 의하여 서로 연결된다면, 특히 유리하다. 따라서, 샘플 질량을 방사상(radially)으로 구동하여 진동하게 할 때, 동기화 스프링은 어떠한 조그마한 비동기화(asynchronicity)도 통제한다. 동기화 스프링으로 인하여 인접한 샘플 질량체는 계속적으로 균일하게 진동된다.

Z 회전 속도를 캡쳐(capture)하기 위하여, 센서 질량체는 센서 요소를 가진다. 센서 요소는 Z 회전 속도에 반응하여, 차례로, 코리올리 힘을 발생시켜서 센서 요소가 샘플 질량체의 드라이브 방향에 직각으로 편향되게 한다. 이러한 운동은 중앙 앵커에 실질적으로 거의 접선(tangential)이다.

샘플 질량체는 수직 Z 방향에서 개별적인 편향을 감지하기 위한 센서 요소와 바람직하게 결합되어 있다. 따라서, 개별적으로 분석될 수 있기 때문에, 샘플 질량체는 회전 속도를 측정하고, Z 방향에서 가속을 측정하는 것을 함께하기 위하여 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서는, 샘플 질량체의 Z 편향을 감지하기 위한 센서 요소는 샘플 질량체와 기판 상에서 샘플 질량체 아래에 마운트되는 전극의 용량에 의하여 형성된다. 2개 전극 사이의 거리 변화는 비례하는 변화를 용량(capacitance)에서 야기한다.

2개의 반대되는 샘플 질량체의 Z 편향을 각각 감지하기 위한 2개의 센서 요소가 X-Y 평면에서 한 쌍의 상기 샘플 질량체에 대하여 직각인 축 주위에서 기판의 회전을 감지하기 위한 차동 센서(differential sensor)에 결합되면, 개별 측정 결과는 회전 속도를 측정하는데 사용될 수 있다.

특히, 본 발명의 유리한 실시예에서, 진동 샘플 질량체의 구동 요소는 전극, 특히, 포크(fork) 전극이다. 신뢰할 수 있는 드라이브를 얻기 위하여, 복수의 포크가 배치된다. 본 발명의 특별한 실시예에서는, 샘플 질량당 수백 개, 특히, 약 200개 포크 전극을 사용하는 것이 특별히 유리하다고 확인되었다.

소위 쿼드-비아스 효과(quad-bias effect)를 피하기 위하여, 반경에 수직인 샘플 질량체 또는 센서 질량체의 편향을 감지하기 위한 센서 요소가 검출 상자(detection box) 안에 배치되고, 검출 상자는 기판에 고정된 카운터 전극(counter-electrode)을 위한 방패 전극(shielding electrode)을 가진다면 유리하며, 이로 인하여, 방사상의 운동으로 인한 다양한 스트레이(stray) 용량 효과를 없앤다. 따라서, 검출 상자는 방패를 제공하여, 센서 요소와 다른 성분 사이의 의도하지 않는 접촉으로 인한 잘못된 신호가 방지될 수 있다.

샘플 질량체가 수직 방향으로 편향된다면, 그리고, 적어도 2개의 샘플 질량체가 수직 Z 축을 따라서 동일한 Z방향으로 편향될 수 있다면, Z 방향에서 센서의 가속은 간단한 방법으로 측정될 수 있다.

잠재적인 실시예만이 아니라, 본 발명의 특히 유리한 실시예는 4개의 동일한 프레임을 가지고, 프레임은 사각형의 4개의 4분의 1에 배치된다. 마이크로-자이로스코프의 가용 면적을 보다 잘 활용하기 위하여, 평면에서 속도에 민감한 프레임의 대칭 축들이 기판 좌표 시스템의 X와 Y 축에 상대적으로 45°회전한다면 유리하다. 기판 좌표 시스템의 X와 Y 축에 따라 속도 신호의 확실한 분리가 요구되면, 전체 센서는 45°회전될 수 있으며, 따라서, 샘플 질량체의 프레임은 기판 좌표 시스템의 X와 Y 축에 정렬되고, 이에 따라서 진동한다.

프레임은 중앙 짐벌 마운트에서 지지된다. 프레임은 4개의 스프링을 포함하고, 스프링에 의하여 기판과 연결된다. 4개 스프링 중에서 2개는 중앙 앵커 근처에 배치되고, 그리고 짐벌 마운트에 연결된다. 4개 스프링 중에서 다른 2개는 샘플 질량의 바깥 끝(outer end)에 배치되고, 추가로 바깥 앵커(outer anchor)에 연결된다. 안쪽 및 바깥 스프링은 샘플 질량의 방사상의 편향과, 발생하는 코리올리 힘을 추적하기 위하여 X-Y 평면 밖으로의 운동도 또한 허용한다.

발생하는 X 회전 속도와 Y 회전 속도로부터 신호는 센서 요소의 용량 변화에 의하여 측정되며, 이는 중앙 앵커의 반대 위치에 배치된 샘플 질량체 프레임의 반대되는 편향에 의하여 야기된다. X-Y 평면으로부터 편향된 부분(segment) 또는 샘플 질량체를 위한 센서 전극은 프레임 아래에 배치된다. 2개의 마주하고(oppose) 대응하는 프레임의 센서 요소는 서로 연결되어서, 샘플 질량체의 마주하고 대응하는 프레임을 캡쳐할 수 있도록 한다.

샘플 질량체에 임베디드되고(embeded), 방사(radial) 방향으로 샘플 질량체의 프레임과 같이 움직이는 4개의 프레임에 의하여, Z 축 주위의 회전 속도 신호가 발생한다. Z 회전 속도가 코리올리 힘을 발생시킨다면, 마이크로-자이로스코프의 반경에 직각 방향으로 센서 질량체는 추가적으로 움직인다. 구동 운동 동안 다양한 경계 장(boundary field)으로 인하여 일어날 수 있는 쿼드-비아스 효과(quad-bias effect)를 없애기 위하여, 끝 보호(end shield)로서 상자의 끝에 방패 전극을 가지는 센서와 검출 상자가 사용된다.

Z 회전 속도를 감지하기 위한 센서 질량체의 편향은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 흔한 편향이다. 이들은 개별적으로 측정된다. 마이크로-자이로스코프의 가속 효과를 없애기 위하여, 이에 따라서 반대의 센서 요소가 분석된다. Z 회전 속도의 정확한 감지를 위하여, 센서 질량체 당 복수의 상자를 사용하는 것이 유리하다. 센서 요소 당 약 12개의 상자량이 특히 유리한 것으로 확인되었다.

X, Y 및/또는 Z 축 주위에서 회전 속도를 결정하기 위하여, 마이크로-자이로스코프는 바람직하게 3D 자이로스코프로서 사용된다. 특히, X 및/또는 Y 및/또는 Z 방향으로 가속을 측정하기 위해서도 추가로 사용된다. Z 회전 속도를 측정하기 위하여, 동일한 원주 방향에서 센서 질량체는 실질적으로 동시대로(synchronously) 편향될 수 있다. 모든 센서 질량체는, 이에 따라서, 동일한 시계 방향 또는 반시계 방향으로 중앙 앵커 주위를 움직인다. X-Y 평면 안에서 마이크로-자이로스코프의 가속을 결정하기 위하여, 적어도 2개의 센서 질량체가 원주 방향에 대하여 서로 반대로 편향될 수 있다. 이는 반대되는 2개의 센서 질량체가, 동일한 운동 방향으로 같이 움직이고, 자이로스코프의 원주 방향에 대하여 서로 반대인 것을 의미한다. 첫번째 센서 질량체가 시계 방향으로 움직이는 반면, 반대의 센서 질량체가 반시계 방향으로 움직인다. 기판의 운동 방향과 관련하여, 대응하는 센서 질량체는 양의 X 방향으로 움직임에 대하여 음의 X 방향으로 편향된다. 따라서, 센서 요소는 센서 질량체의 각각의 움직임을 나타낸다.

본 발명의 추가적인 장점은 후술하는 실시예에서 설명한다. 아래에서,

도 1은 본 발명에 따른 3D, 4-프레임 자이로스코프이고,

도 2는 검출 상자이다.

도 1은 샘플 질량체(1)를 형성하는 4개의 프레임을 가진 3D 자이로스코프를 보여준다. 샘플 질량체(1)는 기판(2) 위 평면에 배치된다. 샘플 질량체(1) 마다 중앙 앵커(3)와 하나의 바깥 앵커(4)에 의하여, 샘플 질량체들은 기판(2)에 연결된다. 바깥 앵커(4)에의 연결은 2개의 바깥 앵커 스프링(5)에 의하여 만들어진다. 2개의 안쪽 앵커 스프링(6)과 짐벌 마운트(gimbal mount, 7)는 샘플 질량체(1)와 중앙 앵커(3) 사이에 배치된다. 바깥 앵커 스프링(5)과 안쪽 앵커 스프링(6)은 드로잉(drawing) 평면, 즉, X-Y 평면에서 바깥 앵커(4)와 안쪽 중앙 앵커(3) 사이의 진동 운동이 가능하게 디자인된다. 나아가, 발생하는 코리올리 힘 때문에 X 또는 Y 회전 속도를 표시할 수 있도록, 앵커 스프링(5와 6)은 드로잉 평면에 직각인 편향(deflection)이 가능하게 디자인된다. 운동 축 주위에서 티핑(tipping)에 대하여 샘플 질량체의 일정 정도 안정성을 얻기 위하여, 안쪽 앵커 스프링(6)은 샘플 질량ㅊ체) 상에 상대적으로 서로 멀리 떨어진 거리에 배치된다. 바깥 앵커 스프링(5)은 바깥 앵커(4)의 영역에서 상대적으로 서로 가까운 거리의 샘플 질량체(1)에 붙는다. 따라서, 안정적이고 쉽게, 스프링(5, 6)과 앵커(3, 4)에 샘플 질량체(1)의 부착이 얻어진다.

X 및 Y 회전 속도로 인한 편향의 상호 영향을 방지하고, 큰 반동력(reaction force)없이 간단하게 편향을 가능하게 하기 위하여, 짐벌 마운트(7)가 안쪽 앵커 스프링(6)과 중앙 앵커(3) 사이에 제공되어, 코리올리 힘에 의하여 유도된 샘플 질량체 쌍의 티핑(tipping) 운동을 지지한다. 짐벌 마운트(7)는 안쪽 링(8)과 바깥 링(9)을 포함한다. 안쪽 링(8)과 바깥 링(9)은 2개의 비틀림 스프링(torsional spring, 10)에 의하여 서로 연결되어 있다. 비틀림 스프링(10)은 2개의 반대되는 샘플 질량체(1)의 구동 방향에 정렬(align)된다. 2개의 추가 비틀림 스프링(11)은 이로부터 90°오프셋되어, 안쪽 링(8)을 중앙 앵커(3)에 연결한다. 상기 스프링들은 차례로 다른 2개의 샘플 질량체(1)의 드라이브 방향에 정렬된다. 따라서, 사이에 배치되어 90°오프셋 구동된 2개의 샘플 질량체(1)에 실질적으로 영향을 미치지 않고, X-Y 평면으로부터 2개의 반대되는 샘플 질량(1)의 축회전(pivoting 또는 티핑(tipping)이 발생한다.

또한, 비틀림 스프링(10, 11)은 여기서 그려진 것과 다르게 실행될 수도 있다. 예를 들어, 평행하게 달리는 2개의 스프링 바(bar)로 각각 만들어질 수도 있다. 길이축(longitudinal axes) 주위에 회전 운동을 가능하게 하고, 다른 방향에서는 가능한 안정하게 실행되는 것이 중요하다. 따라서, 2개의 스프링 바가 발산하거나 수렴하는 배치도 생각해 볼 수 있다.

2개의 바깥 앵커 스프링(5)과 2개의 안쪽 앵커 스프링(6)을 각각 사용하여 샘플 질량체(1)의 안정적인 지지가 가능하다. 따라서, 구동 방향 또는 구동 축 주위에서 샘플 질량체(1)의 회전은 방지된다. 이렇게 함으로써, X-Y 평면 안에서 매우 안정적으로 샘플 질량체(1)가 구동되고, 코리올리 힘이 발생하면 구동 축에 수직인 축 주위를 회전할 수 있다. 상기 샘플 질량체(1)의 서스펜션(suspension) 때문에 구동 축 주위의 회전 운동은 발생하지 않는다.

샘플 질량체(1)의 진동 구동은 구동 요소(drive element, 15)에 의하여 수행된다. 구동 요소(15)는 각 샘플 질량체(1)에 배치된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 요소는 포크 전극(fork electrode)이며, AC 전압의 적용에 의하여 샘플 질량체(1)의 진동 선형 운동을 일으킨다. 샘플 질량체(1)의 균일한 구동 얻기 위하여, 복수의 상기 포크 전극, 바람직하게는 수백 개의 포크 전극이, 각 샘플 질량체(1)에 배치된다.

또한, 샘플 질량체(1)의 균일한 구동을 얻기 위하여, 동기화 스프링(synchronization spring, 16)은 2개의 인접하는 샘플 질량체(1) 사이에 배치(disposed)된다. 상기 질량체들이 중앙 앵커(3)와 바깥 앵커(4) 사이에 동시대로(synchronously) 진동하지 않는 경우, 동기화 스프링(16)은 샘플 질량체(1)에 힘을 발생시킨다. 동기화(synchronous) 구동은 구동 일렉트로닉스(electronics)의 하나의 시스템만을 사용하는 것을 허락한다. 또한, 동기화 구동은 분석할 때 일어날 수 있는 에러에 의하여 상호 반작용하는 힘이 마이크로-자이로스코프에 일어나지 않도록 한다.

각 샘플 질량체(1)는 프레임 형태로 실행된다. 센서 질량체(20)는 프레임 안에 배치된다. 센서 질량체(20)는 4개의 스프링(21)에 의하여 샘플 질량체(1)에 부착된다. 스프링(21)은 센서 질량체(20)의 모서리에서 샘플 질량체(1)에 붙는다. 스프링(21)은 샘플 질량체(1) 안에서 센서 질량체(20)의 진동 운동을 허락한다. 스프링(21)은 주로 샘플 질량체(1)의 평면 또는 X-Y 평면으로부터의 편향을 방지한다. Z 회전 속도가 적용되지 않을 경우, 센서 질량체(20)는 샘플 질량체(1)와 함께 움직인다. 이는 센서 질량체는 X-Y 평면에서 샘플 질량체(1)의 구동 운동에 참가하며, X 또는 Y 회전 속도가 일어날 때, 샘플 질량체와 동일한 방법으로 센서 질량체(20)는 샘플 질량체(1)와 함께 X-Y 평면으로부터 움직이는 것을 의미한다. Z 회전 속도가 마이크로-자이로스코프에 적용되는 경우, 센서 질량체(20)는 샘플 질량체(1)에 상대적으로 샘플 질량체(1)의 드라이브 방향에 직각인 방향으로 움직인다. 상기 방향은 스프링(21)이 허용하는 유일한 운동 방향이다. Z 회전 속도 및 이와 관련된 코리올리 힘으로 인한 센서 질량체(20)의 운동을 감지하기 위하여, 센서 질량체(20)는 프레임으로도 실행된다. 센서 요소는 프레임 안에 배치되고, 일부는 기질(2) 위에 고정되어 배치되고, 일부는 센서 질량(20) 위에 위치한다. 고정된 전극와 센서 질량체(20) 위의 전극 사이의 거리는 샘플 질량체(1)에 상대적이고, 기판(2)에 상대적인 센서 질량체(20)의 운동에 의하여 변하며, 상기 거리는 용량(capacitance)의 변화에 의하여 측정될 수 있다.

각각의 센서 질량체(20)는 복수의 센서 요소(22)를 포함한다. 센서 요소(22)는 소위 검출 상자(23) 안에 배치된다. 보여진 실시예에서는 각각의 센서 질량(20)은 이러한 12개의 검출 상자(23)를 포함한다.

반대되는 센서 질량체(20)가 X-Y 평면 안에서 마이크로-자이로스코프의 선형 가속 방향에 반대로 편향되면, 상기 편향은 센서 요소(22)에 의하여 등록된다. 반대로, 센서 질량체(20)는 Z 회전 속도를 측정하기 위하여 동일한 원주(circumferential) 방향으로 실질적으로 동시대로(synchronously) 편향된다. 따라서, 마이크로-자이로스코프는 5D 센서로도 사용될 수 있거나, 샘플 질량체의 동기화(synchronous) Z 편향의 측정과 함께 6D 센서로도 사용될 수 있다.

도 2는 검출 상자(23)의 실시예를 설명한다. 각각의 검출 상자(23)는 움직이는 센서 질량체(20)의 전극(24)을 수행하는 안쪽 벽을 포함한다. 전극(24)은, 기판에 고정되고 기판으로부터 절연된 카운터 전극(25)을 향하여, 샘플 질량체(1)의 구동에 수직인 센서 운동 방향에서 검출 상자(23)의 움직임은 측정되는 용량에서 변화를 가져온다. 상자(23)에서 경계장(boundary field)을 오른쪽과 왼쪽으로 변경하는데에 미치는 샘플 질량(1)의 방사상 일차 운동의 영향력을 피하기 위하여, 대체 질량(displaced mass, 20)이 사용될 수 있듯이, 방패 전극(shielding electrodes, 26)은 동일한 퍼텐셜(potential)을 포함하며, 이렇게 함으로써 계속되는 경계장을 보장한다.

본 발명은 설명한 실시예에 한정되는 않는다. 예를 들어, 동일한 원리에 따라, 2D 센서를 만드는 것이 가능하며, Z 회전 속도를 측정하기 위하여 단지 2개의 진동 구동되는 샘플 질량체(1)와 그 안에 포함되는 센서 질량체(20)를 가진다. 또한, 센서 질량체(20)가 샘플 질량체(1) 안에 위치할 필요가 없다. 센서 질량체는 기본적으로 샘플 질량체 밖에 배치될 수도 있다. 하지만, 이 경우에는 간결한 마이크로-자이로스코프를 제작할 수 있는 장점은 더 이상 적용되지 않는다.

Claims

특히, 3D, 5D 또는 6D 센서로서, X 및/또는 Y 및/또는 Z 축에 상대적인 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프에 있어서, 상기 센서는,
기판(2)은 가지고,
복수의 진동 샘플 질량체(1)를 가지고,
상기 기판(2)에 진동 샘플 질량체(1)를 붙이기 위하여, 앵커(3, 4)와 상기 앵커와 샘플 질량체(1) 사이에 배치되는 앵커 스프링(5, 6)을 가지고,
상기 기판(2)이 회전할 때, 코리올리 힘을 발생시키기 위하여, X-Y 평면에서 상기 샘플 질량체(1)를 진동시키기 위한 구동 요소(15)를 가지고,
발생된 상기 콜리올리 힘으로 인하여, 상기 샘플 질량체(1)의 편향을 감지하기 위하여, 센서 요소(22), 특히, 상기 샘플 질량체(1) 아래에 배치되는 전극을 가지며,
상기 샘플 질량체(1)는 중앙 앵커(3) 주위에 고르게 배치되고, 상기 중앙 앵커(3)에 상대적으로 방사상으로 구동되며,
X-Y 평면 안으로 그리고 X-Y 평면 밖으로 모두 방사상으로 샘플 질량체(1)가 편향될 수 있도록, 상기 앵커 스프링(5, 6)은 디자인되며,
센서 질량체(20)는 하나, 센서 스프링(21)에 의하여 특히 각 샘플 질량(1) 위에 배치되며,
상기 센서 스프링(21)은 상기 샘플 질량체(1)의 평면 또는 X-Y 평면 안에서 상기 센서 질량체(20)의 편향을 허락하는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항에 있어서,
4개의 샘플 질량체는 중앙 앵커(3)의 주변에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 또는 제2항에 있어서,
탄성 짐벌 마운트(7)는 상기 중앙 앵커(3)와 상기 샘플 질량(1)의 스프링(5, 6) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
탄성 짐벌 마운트(7)는 서로 상쇄된 비틀림 스프링(10, 11)에 의하여 서로 연결된 2개의 링(8, 9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샘플 질량체(1) 및/또는 센서 질량체(20)는 프레임 형태인 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 질량체(20)는 샘플 질량체(1)의 프레임 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샘플 질량체(1)는 동기화 스프링(16)에 의하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 요소(22)는 Z 회전 속도를 감지하기 위한 센서 질량체(20)와 결합하는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
수직 Z 방향에서 개별적인 편향을 감지하기 위한 상기 센서 요소는 상기 샘플 질량체(1)와 결합하는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
샘플 질량체(1)의 Z 편향을 감지하기 위한 상기 센서 요소는 샘플 질량체(1)와 상기 기판(2)에서 그 아래에 배치되는 전극의 용량으로 실행되는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 서로 반대되는 샘플 질량체(1)의 Z 편향을 각각 감지하기 위한 2개의 센서 요소는 한 쌍의 상기 샘플 질량체(1)에 대하여 직각인 X-Y 평면에서 축에 대하여 상기 기판의 회전을 감지하기 위한 차동 센서에 결합되는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 샘플 질량체(1)의 상기 구동 요소(15)는 전극, 특히, 포크 전극인 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
샘플 질량체(1) 또는 센서 질량체(22)의 반경에 수직인 편향을 감지하기 위한 센서 요소(22)는 검출 상자(23) 안에 배치되고, 상기 검출 상자는 상기 기판(2)에 고정된 카운터 전극(25)을 위한 보호 전극(26)을 가지는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 질량체(20)는 Z 회전 속도를 얻기 위하여 실질적으로 동시에 동일한 원주 방향으로 편향될 수 있고, 적어도 2개의 센서 질량체(20)는 원주 방향에 대하여, 시계방향과 시계 반대 방향으로, 서로 반대로 편향될 수 있어서, X-Y 평면 안에서 마이크로-자이로스코프의 가속을 얻는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샘플 질량체(1)는 수직 방향으로 편향될 수 있고, 적어도 2개의 샘플 질량은 동일한 Z방향으로 편향되어 수직 Z축을 따라서 마이크로-자이로스코프의 가속을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 운동을 감지하기 위한 마이크로-자이로스코프.