KR20130142113A

KR20130142113A - 센서

Info

Publication number: KR20130142113A
Application number: KR1020137008680A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 폴 펠
Original assignee: 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-12-27
Also published as: CN103119397B; GB201015585D0; US20130192368A1; JP2013539858A; EP2616773A1; CN103119397A; KR101853326B1; WO2012035288A1; JP5889903B2; US9310201B2; EP2616773B1

Abstract

링 또는 후프 형상의 공진기(1)를 포함하는 실리콘 MEMS 자이로스코프를 개시한다. 공진기(1)는, 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching) 기술을 이용하여 형성되고, 공진기(1)의 중립축(4)의 양측 상의 진공기(1)의 원주 주위로 연장되는 슬롯(5)이 형성된다. 슬롯(5)은, 공진기의 공진 주파수에 영향을 미치지 않고 자이로스코프의 품질 계수(Q)를 향상시킨다.

Description

센서{SENSOR}

본 발명은 센서에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은, 관성 센서, 예를 들어, 선형 속도 성분(component)을 먼저 설정하고, 속도 의존적인 코리올리 힘(rate dependant coriolis force)을 속도의 함수로 나타내는 코리올리 자이로스코프(gyroscopes)와 같은 센서에 관한 것이지만, 이것으로만 제한되는 것은 아니다.

평면 실리콘 링 구조체는, 미세 전자 기계 시스템(micro electro mechanical systems, MEMS) 자이로스코프에서 일반적으로 사용된다. 이런 장치의 예는, 미국 특허 제 5,932,804호 및 6,282,958호에 설명되어 있다. 이러한 공진기(resonator) 디자인을 이용하는 자이로스코프 장치는 자동차 및 상업적인 어플리케이션 분야에서 사용된다. 또한, 이런 자이로스코프 장치의 성능은, 예를 들어, 비행 시간이 상대적으로 짧은(수십에서 수백초) 유도 발사체에 대한 유도(guidance) 및 제어 어플리케이션에 사용하기가 적합하다. 더 긴 작동시간이 필요한 어플리케이션의 경우에는, 이러한 자이로스코프장치의 성능은 충분하게 정확하지는 않을 수도 있는데, 바이어스 드리프트 에러(bias drift error)의 크기(magnitude)가 특히 문제가 된다.

바이어스 드리프트 성능을 제한하는 주된 요인 중 하나는 공진기 구조의 품질 계수(Q)이다. Q가 높으면, 기본 모드를 공진으로 설정하기 위해 인가해야 하는 구동 전압(drive voltage)을 감소시키는데 유리하다. 이런 구동 신호를 속도 감지 채널(rate sensing channel)에 크로스 커플링(cross coupling)하는 것은, 바이어스 안정성에 대한 주된 에러 드라이버(error drivers) 중 하나인데, 이 경우, 커플링된 신호는, 적용된 회전 속도에 의해 발생되는 신호와 구별될 수 없다. 또한, 변환기 오정렬(transducer misalignment) 및 댐핑 불균일(damping non-uniformity)에 관련된 다른 바이어스 에러도 공진기의 Q 값을 증가시킴으로써 상당히 감소될 수 있다.

MEMS 장치에서, Q는 여러 가지 기여하는 댐핑 계수(conributory damping factors)에 의해 결정된다. 유효 품질 계수(Q_Eff)는 모든 댐핑 기여분들(conrbutions)의 합에 의해 결정될 것이고, 다음 식으로 표현될 수 있다.

(1)

여기서, Q_TE는 열탄성 댐핑 기여분, Q_Gas는 가스 댐핑 기여분, Q_Other는 지지체 손실(support loses), 고유 재료 손실 및 전자 장치의 댐핑(electronics damping)으로 인한 기여분을 포함한다.

미국 특허 5,932,804호에 설명된 공진기 디자인을 기반으로 하는 자이로스코프 장치는, 6mm의 외경과 120μm의 림(rim) 두께를 가진 링 구조체를 사용한다. 이런 구조체는, 건조 질소의 10Torr 압력(실온값)의 부분 진공 상태에서 작동한다. 이런 장치의 Q_Eff 값은 5000으로 표시되는데, 이는 열탄성 및 가스 댐핑으로 인한 기여분은 대략 동일하고, Q_Other 기여분은 상당히 낮은데서 기인한다. 그러므로, 심지어 높은 진공에서도 Q_Eff 값은, 열탄성 댐핑)에 의해 10,000으로 제한될 것이다.

MEMS 공진기 내의 열탄성 댐핑의 메커니즘은 당업자에게 공지되어 있으므로, 여기에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해 요약하여 설명한다. 공진기가 cos2θ 플렉슈얼(flexural) 모드로 진동할 때, 링(ring)은, 내부 및 외부 수직 표면에서 진동 안티-노드(anti-node) 주위에서 주기적으로 압축 및 인장 응력을 받게 된다. 링이 압축되는 경우에는 약간의 온도 상승이 있을 것이고, 링이 인장 응력을 받는 상태에 있는 경우에는 약간의 온도 하강이 있게 됨에 따라, 링을 가로질러 온도 구배(temperature gradient)가 설정될 것이다. 이 온도 구배는, 링이 진동함에 따라 변경된다. 그러므로, 시간 의존적인 열 흐름이 링을 가로질러 생성된다. 관련된 시간 상수τ로, 온도가 더 높은 압축된 링의 영역으로부터 온도가 더 낮은 신장된 영역(extended region)으로 열이 흐름에 따라, 이완(relaxation)이 일어난다. 이런 이완 시간은, 온도 구배의 길이(이 경우, 링의 폭 r_t)와 재료의 열확산율 χ에 따라 달라지는데, 이것은 다음 식으로 설명된다.

(2)

고유 댐핑(intrinsic damping)은, 이완 시간, 구조체의 진동 주파수, 여러 가지 재료 특성들에 대한 함수이다. 손실 계수(loss factor)는 아래 식으로 주어진다.

(3)

여기서, E, α 및 C_γ는, 각각 재료(이 경우, 실리콘)의 영 계수(Young's modules), 열팽창 계수 및 단위 부피당 열용량(heat capacity)이고, ω_n은 진동 주파수이며, T는 주위 온도이다. Q_TE 계수는 아래 식으로 주어진다.

(4)

식 3과 4를 살펴보면, 작동 주파수가 피크 손실 주파수 ω_max와 일치할 때, Q_TE 계수가 최소가 된다는 것을 알 수 있는데, 이때, ω_max는 아래 식으로 주어진다.

(5)

미국 특허 제 5,932,804호의 디자인에 따라 제품에서 사용되는, 6mm 실리콘 링 구조체에 대하여 주파수에 따른 손실 계수의 변화가 도 1에 도시되어 있다. 피크 손실 주파수는 약 10kHz에서 발생하는 것을 알 수 있다. 이런 장치의 cos2θ 작동 주파수는 14kHz이므로, 피크 손실 주파수와 거의 일치한다. 이것은, 열탄성 댐핑은 최대값에 가깝고, 산출된 Q_TE 값은, 실험에서 관측된 값인 약 10,000에 매우 가깝다는 것을 의미한다.

감소된 압력에서 공진기를 패키징함으로써, 이런 장치에 대한 Q_Eff를 약간 향상시킬 수 있으나, 이러한 향상은 열탄성 댐핑에 의해 근본적으로 제한된다. Q_TE 기여분을 감소시킬 수 있는 경우에만, 이 장치에 대한 Q_Eff를 상당히 향상시킬 수 있다. 통상적으로, 이런 Q_TE 기여분의 감소시키려면, 림 두께 r_t가 변경되어야 하며, 이는 손실 주파수를 변경시킨다. 그러나, 이것으로 인해, 공진 주파수에 시프트(shift)가 발생하게 되고, 이는 제어 전자 장치에 바람직하지 않은 변화를 수반해야 한다. 링 지름과 림 두께를 적절한 비율로 감소시킴으로써, cos2θ 공진 주파수를 시프트시키지 않고, Q_TE는 유효하게 증가될 수 있다. 하지만, 이는, Q_TE는 증가시키지만, 외형(geometry)이 더 작아지므로, 장치 성능의 다른 측면들에 불리한 영향을 미치게 된다. 특히, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)는, 감지 변환기(sensing transducer)의 크기의 감소로 인해 감소될 것이다. 또한, 제조 공정의 기계적 허용 오차는 더욱 엄밀하게 되어, 생산 수율에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 또한, 자기 회로 구성 요소에도 변화가 필요하게 되고, 이는 또한 스케일 계수(scale factor)와 바이어스 성능 특성에도 불리한 변화를 초래할 것이다.

지금까지의 논의는, 특히, 미국 특허 제 5,932,804호에 설명된 디자인의 6mm 링의 구현에 관한 것이다. 하지만, 미국 특허 제 6,282,958호에 설명된 디자인을 기초로 생산되는 장치에도 마찬가지로 적용될 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 지름이 4mm 및 8mm인 링을 이용한 실용적인 장치가 제조되었다. 이러한 디자인을 위한 Q_Eff는, 열탄성 댐핑에 의해 다양한 정도로 마찬가지로 제한되는 것으로 보인다.

그러므로, 전형적인 링 구조체에 대해 Q_TE를 증가시키기 위해, 링 지름과 림 두께에 상관없이, 피크 손실 주파수를 조절할 수 있다면 유익할 것이다. 이렇게 하여, 다른 성능 파라미터 또는 생산 수율에 불리한 영향을 끼치지 않고, 제어 전자 장치에 어떤 변경도 적용할 필요없이, 심각한 바이어스 드리프트 에러를 개선할 수 있게 된다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하는, 높은 품질 계수를 가진 센서를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명에 따르면, 높은 품질 계수(Q)를 가진 센서가 제공되는데, 이 센서는, 실질적으로 평면 링 또는 후프 형상의 진동 공진기를 포함하는 진동 구조체로서, 상기 공진기는 중립축 주위로 연장된 내주부(inner periphery) 및 외주부(outer periphery)를 포함하는 진동 구조체; 공진기를 진동하게 하기 위한 구동 수단; 및 공진기를 지지하기 위한 복수개의 지지 수단을 포함하여, 상기 지지 수단은 상기 센서의 회전 속도(turning rate)에 반응하여 상기 지지 수단에 대하여 상기 공진기를 이동시킬 수 있는 실질적으로 비댐핑 진동(undamped oscillation) 모드로, 상기 구동 수단에 반응하여 상기 공진기가 진동하도록 하며, 상기 공진기는, 상기 공진기의 상기 중립축의 내측 반경 방으로 배치되는 제 1 시리즈의 슬롯(slot) 및 상기 중립축의 외측 반경 방향으로 배치되는 제 2 시리즈의 슬롯을 포함하며, 상기 시리즈의 슬롯들은, 상기 슬롯들의 위치 설정(positioning)이 상기 공진기의 공진 주파수에 영향을 주지 않고 상기 공진기 상의 열 이완 경로 길이(thermal relaxation path length)를 조절함으로써 상기 진공기의 Q 계수를 증가시키도록, 상기 공진기의 상기 중립축에 대해 동심으로 배치된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 평면 링 또는 후프 형상의 공진기를 가진 센서의 품질 계수(Q)를 향상시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 상기 진공기에 슬롯을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 슬롯이 공진기의 공진 주파수에 영향을 주지 않도록, 상기 슬롯은, 공진기의 중립축에 동심, 외측 및 내측으로 배치된다.

식 5에 의해 정의된 바와 같이, 실리콘 공진기 빔 구조체(silicon resonator beam structure)에 대한 피크 손실 주파수는, 빔이 공진할 때, 열 흐름을 위한 이완 경로 길이를 한정하는 반경 방향 두께 r_t에 매우 의존적이다. 이런 방식으로, 본 발명은, 링 지름 또는 공진 주파수를 전혀 변경시킬 필요 없이, 평면 실리콘 링 공진기 상의 이완 경로 길이를 유리하게 조절하기 위한 센서와 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은, 공지된 공진기 구조체에 대한 여기(excitation) 주파수의 함수로서 열탄성 손실 계수(themoelastic loss factor)의 변화에 대한 그래프를 도시한 것이다.
도 2는, 양단이 고정된, 직사각형 빔(beam)의 기본적인 진동 모드의 개략적인 도면으로서, 진동의 극단을 점선으로 도시하고, (화살표로 표시된) 모드 안티-노드(modal anti-node)에서의 주가 되는 열 이완 경로를 도시한 도면이다.
도 3은. 본 발명의 일 형태에 따르는 슬롯을 포함하는, 도 2와 유사한 직사각형 빔의 개략적인 도면으로서, 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 열 이완 경로의 변형예를 도시한 도면이다.
도 4는, 링 공진기 구조체를 사용하는 공지된 코리올리 자이로스코프(Coriolis gyroscopes)에 일반적으로 채용되는 cos2θ 진동 모드 형상의 개략적인 도면이다.
도 5는, 공지된 링 공진기 구조체에 대한 cos2θ 진동 모드의 라디얼(radial) 안티-노드에 인접한 링 림의 일단면을 가로지르는, 변형(stain) 에너지 밀도와 운동 에너지 밀도의 변화를 도시한다.
도 6은, (점선에 의해 도시된) 중립축의 양측에 2열의 슬롯들을 포함하는, 본 발명의 한 형태에 따른 링 구조체의 일단면의 개략적인 도면으로서, 대표적인 열 이완 경로의 예들이 화살표로 표시되어 있다.
도 7은, (점선에 의해 도시된) 중립축의 양측에 4열의 슬롯들을 포함하는, 본 발명의 한 형태에 따른 링 구조체의 일단면의 개략적인 도면이다.
도 8은, 본 발명이 적용될 수 있는 타입의 관성 센서를 나타낸다.

먼저, 도 8을 참조하면, 관성 센서(예를 들어, 미국 특허 제 6,282,958호에 자세하게 설명된 일반적인 타입의 관성 센서)는, 지지 빔(support beam)(10)에 의해 장착되는 링 형상의 공진기(1)를 포함하는데, 지지 빔(10)은, 링 형상의 공진기(1)의 내주부로부터 보스(boss)(11)까지 연장된다. 지지 빔부(10)는 플렉셔블(flexible)하며, 회전 속도에 반응하여 보스(11)에 대해 공진기(1)가 이동할 수 있도록 하는 실질적으로 비댐핑 진동 모드로, 정전 드라이브(12, 13)에 반응하여 공진기(1)가 진동하도록 한다.

도 2는, (점선에 의해 도시된) 기본 모드로 진동하는, 양단이 고정된, 예시적인 균일한 진동 빔을 나타낸다. 이러한 구조체에 대한 열 이완 경로(thermal relaxation path)는, 도 2에서 화살표로 도시된 바와 같이, 빔의 폭을 직접 가로지른다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빔 구조체 내에 슬롯(5)을 형성함으로써, 열 이완 경로의 길이를 조절할 수 있다. 그러므로, 열 흐름은, 실리콘 구조체에서 슬롯(5)에 의해 생기는 불연속 때문에 방해를 받으므로, 특징적인 이완 경로 길이가 변경된다. 단순하게는, 점 X, Y 사이의 라인을 따라 빔을 가로질러 흐르는 열 흐름을 생각해 보면, 2개의 새로운 기본적인 이완 경로가 생긴다. 도 3에서 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 그 하나는 외부 림와 슬롯 사이의 얇은 빔 단면의 폭을 직접 가로지르는 경로이고, 다른 하나는 더 길게 형성되는데, 림으로부터 슬롯 주위 및 빔의 타측으로 가로지르는 경로이다. 이렇게 길게 형성되는 경로의 경우에는, 열 흐름 경로의 상당한 부분은, 빔 구조체를 따라 측방향으로 형성된다. 이들 경로에 대한 피크 손실 주파수는, 단순한 빔부 경로 길이로부터 실질적으로 시프트될 것이다. 짧게 형성되는 이완 경로에 대한 특징적인 피크 손실 주파수는 상당히 높은 주파수로 시프트될 것이고, 길게 형성되는 이완 경로에 대한 특징적인 피크 손실 주파수는 훨씬 낮은 주파수로 시프트될 것이다.

링 구조체에 슬롯(5)을 형성함으로써, 링의 질량과 강성 모두를 국소적으로 조절하게 될 것이다. 이러한 장치에 일반적으로 사용되는 cos2θ 진동 모드 형상이 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. cos2θ 라디얼 안티-노드에서 림 세그먼트를 가로지르는 변형 에너지 밀도와 운동 에너지 밀도의 반경 방향 변화는 도 5에 도시되어 있다. 슬롯(5)이 림의 중앙에(즉, 링(1)의 중립축(4) 상에) 배치되면, 슬롯(5)은, 운동에너지 밀도에 주로 영향을 끼치는 한편, 변형 에너지 밀도에는 영향을 거의 끼치지 않는다. 이로 인해, cos2θ 모드 주파수는 증가할 것이다. 이 주파수는 아래 식으로 주어진다.

여기서, n은 모드의 차수(order) (cos2θ 모드는 2), m은 모드 질량(modal mass), 및 k는 링의 강성(stiffness)이다. 중립축 상에 슬롯을 배치하면, 강성 k에 큰 영향을 미치지 않고 질량 m을 감소시킬 수 있으므로, 공진 주파수가 증가한다. 림의 외부 에지(edge) 측으로 슬롯을 배치하면, 그 영향으로 인해, 변형 에너지 밀도가 감소하므로, 링 강성 k도 감소한다. 외부 에지 측으로 슬롯을 배치하는 경우의 이러한 효과는, 모드 질량 m에 대한 효과보다 더 클 것이다. 전체 효과(net effect)는, 슬롯의 정확한 반경 위치에 매우 의존하는 정도 만큼 링 주파수를 감소시키는 것이다.

위에서 설명된 실리콘 링 구조체 및 MEMS 자이로스코프의 공지된 다른 예로서 실리콘 링 구조체는, 공지된 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching, DRIE) 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 공정을 통해, 링(1)과 지지 레그 구조체(supporting leg structures)(10)를 제작하는데 사용되는 미세한 기하학적 구조의 높은 애스펙트 비(aspect ratio)의 트렌치(trenches)를 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 슬롯(5)은, 링(1) 내에 형성되고, 또한, 편리하게 링 제조 공정과 동시에 형성될 수 있어서, 하나의 포토 마스크를 이용하여 링 림에 대해 정확하게 정렬하여 형성될 수 있다. 이런 공정을 통해, 높은 정확성으로 구조체를 생산할 수 있다. 하지만, 링의 기하학적 구조에 다양하게 영향을 미치는 관련 프로세스 변화가 생기게 됨으로써, 제조되는 공진기 구조체의 공진 주파수가 변화된다. 림의 에지 가까이에 슬롯(5)을 추가하면, 이런 기하학적 구조의 변화(일반적으로 ±1μm 정도)가 링 주파수에 미치는 영향은 증가될 것이다. 일반적으로, MEMS 장치는, 제한적인 작동 주파수 범위를 가진 제어 전자 장치와 함께 작동되어야 하므로, 링 주파수의 정확한 제어는 필수이다.

이러한 프로세스 변화에 대한 공진기(1)의 민감도를 최소화하기 위해, 링 강성에 대한 효과가 질량에 대한 효과와 대략 동일(즉. D K / K ≒ D m / m)하도록, 슬롯(5)의 반경 방향 위치를 선택하는 것이 유리하다. 이런 영역의 반경 방향 위치는, 도 5에서 운동 에너지 밀도와 변경 에너지 밀도가 동일한 영역임을 알 수 있다. 이렇게 함으로써, 제조 공정 동안에 발생하는 작은 기하학적 구조의 변화가 공진 주파수에 불리한 영향을 미치지 않도록 하는데 도움을 준다.

슬롯 구성을 상세하게 디자인할 때, 추가로 여러 가지 실질적인 제한사항들을 고려해야 한다. 슬롯(5)들은, 연결되는 얇은 링 세그먼트(6)의 시리즈를 효과적으로 형성하게 될 것이다. 이 세그먼트(6)들의 길이와 두께는, cos2θ 모드로 진동할 때, 링의 강성보다 이 세그먼트들의 강성이 더욱 더 스티프(stiffer)하도록 결정되어야 한다. 이것은, 링(1)이 cos2θ 모드로 진동할 때, 이들 세그먼트들이 동질의 구조체의 일부인 것처럼 거동해야 한다는 것을 의미한다. 이는, 세그먼트의 호의 각도(arcuate angle)는 5도 이하로, 인접 슬롯 사이의 원주의 이격 거리(circumferential separation)는 2도 이상으로 효과적으로 제한한다. 또한, 주파수에 대해 유도되는 불균형 또는 댐핑를 피하기 위해, 일차 cos2θ 모드 형상과 이차 cos2θ 모드 형상에 미치는 효과가 동일하도록, 슬롯(5)을 배치해야 한다. 이것은, 원주 주위에 등각으로 균일하게 배치되는 (즉, 중립축으로부터 동일한 반경 방향의 거리, 각도 범위와 이격 거리) 슬롯(5)를 이용하여 간편하게 달성된다. 슬롯(5)의 개수와 위치는, 열탄성 댐핑을 최소화하기 위해, 링 림의 원주의 대부분에 대하여 이완 경로가 조절되도록, 정해져야 한다.

도 6은, 2열의 슬롯들을 이용하는 본 발명의 실시예를 도시한 것이다. 제 1 열의 슬롯들(5b)은, 슬롯의 중심이 중립축(4)으로부터 외측으로 이격되어 (도 2에 도시된 바와 같이) 변형 에너지 밀도와 운동 에너지 밀도가 동일하게 되는 지점과 일치하는 지점에 놓이도록, 배치된다. 제 2 열의 슬롯들(5a)은, 중립축(4)으로부터 내측으로 동일한 거리로 이격되어 배치된다. 그러므로, 이러한 링(1)의 공진 주파수는, 슬롯(5)을 형성하지 않은 링(1)의 공진 주파수와 동일하게 된다. 이러한 2개의 열의 각 위치(angular location)는, 외부 열의 각각의 슬롯(5b)의 중심과 내부 열의 슬롯(5a) 사이의 중심 위치가 일치되도록 이루어진다. 이렇게 배치함으로써, 링(1)을 직접 가로지르는 열 이완 경로가 형성되지 못한다. 몇가지 이완 경로의 예들이 도 6에서 화살표로 도시되어 있다. 실제로, 이런 링(1)의 열 이완 특성을 정확하게 결정하기 위해서는, 열탄성 댐핑의 및 그에 따른 Q_TE 값의 추정치(estimate)을 제공할 수 있는 유한 요소 모델링(infinite element modeling) 기술을 사용해야 할 필요가 있다.

앞서 설명한 대로, 샘플 공진기 장치는, 2열의 슬롯(5a, 5b)을 포함하여 제조되었다. 슬롯은, 각각 3도의 각도 범위로 형성되며, 2도의 간격으로 이격되어 있어서, 링의 전체 원주 주위에 총 144개의 슬롯이 형성된다. 슬롯은, 폭이 10μm이며, 변형 에너지 밀도와 운동 에너지 밀도가 동일하게 되는 지점 주위에 배치된다. 이러한 장치는 약 25,000 개의 Q_Eff을 갖는 것으로 측정되었는데, 이는 대략 30,000 개인 모델링 값과 잘 부합된다. 이는, 종래의 슬롯을 형성하지 않은 링에 대한 값인 10,000을 넘어서는 상당한 수치 향상이 이루어진 것을 나타낸다.

도 7은, 중립축(4) 주위에 대칭으로 배치되는 4열의 슬롯들(5a, 5b, 5c, 5d)를 포함하는, 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 외부 열의 슬롯(5b, 5d)은 주로 변형 에너지 밀도를 교란(perturb)시키게 되어(따라서, 강성 k를 감소시킴), 공진 주파수를 감소시키는 경향이 있다. 내부 열의 슬롯(5a, 5c)은 주로 운동 에너지 밀도를 교란시키게 되어(따라서, 모드 질량 m을 감소시킴), 공진 주파수를 증가시키는 경향이 있다. 그러므로, 내부 슬롯(5a, 5c)과 외부 슬롯(5b, 5d)은, 공진 주파수에 대한 슬롯의 영향이 실질적으로 없어지도록, 배치될 수 있다. 4열의 슬롯(5a, 5b, 5c, 5d)을 형성함으로써, Q_TE를 최적화하기 위한 추가 범위가 명확하게 제공된다(즉, 짧은 리렉세리션 경로는 더 짧게, 긴 이완 경로는 더 길게 형성될 수 있다).

앞서 언급한 두 가지 예시적인 실시예에서는, 실리콘 링 구조에 대한 Q_TE을 증가시키기 위한 특정한 디자인을 설명하였다. 당업자는, 본 발명의 범위 내에서 디자인 변경에 대한 가능성이 상당히 높다는 것을 이해할 것이다. 이는, 슬롯의 개수, 각도 범위, 이격 거리, 반경 방향의 위치 등에 대한 변경을 포함한다. 운동 에너지 밀도와 변형 에너지 밀도를 매치시켜야 한다는 요건도, 공진 주파수의 교란(perturbation)을 보상하도록 링의 림 폭을 조절함으로써, 어느 정도 완화될 수 있다.

또한, 전술한 실시예들이, 실리콘 링 구조체로서 형성되는 공진기를 참고로 했지만, 이러한 공진기는 임의의 적절한 재료로부터 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 공진기는, 단일 벌크재료(bulk material)로 제조될 필요는 없고, 벌크 기판(bulk substrate) 상에 실리콘 또는 다른 적절한 재료의 층을 포함할 수 있다.

Claims

높은 품질 계수(Quality Factor(Q))를 가진 센서로서,
실질적으로 평면 링 또는 후프 형상의 진동 공진기를 포함하는 진동 구조체로서, 상기 공진기는 중립축 주위로 연장된 내주부(inner periphery) 및 외주부(outer periphery)를 포함하는 진동 구조체;
공진기를 진동하게 하기 위한 구동 수단; 및
공진기를 지지하기 위한 복수개의 지지 수단을 포함하며,
상기 지지 수단은, 상기 센서의 회전 속도(turning rate)에 반응하여 상기 지지 수단에 대하여 상기 공진기를 이동시킬 수 있는 실질적으로 비댐핑 진동 모드(undamped oscillation mode)로, 상기 구동 수단에 반응하여 상기 공진기가 진동하도록 하며,
상기 공진기는, 상기 공진기의 상기 중립축의 내측 반경 방으로 배치되는 제 1 시리즈의 슬롯(slot) 및 상기 중립축의 외측 반경 방향으로 배치되는 제 2 시리즈의 슬롯을 포함하며,
상기 시리즈의 슬롯들은, 상기 슬롯들의 위치 설정(positioning)이 상기 공진기의 공명 주파수에 영향을 주지 않고 상기 공진기 상의 열 이완 경로 길이(thermal relaxation path length)를 조정함으로써 상기 진공기의 Q 계수를 증가시키도록, 상기 공진기의 상기 중립축에 대해 동심으로 배치되는,
센서.
제 1 항에 있어서,
상기 슬롯(5)은, 상기 공진기(1)의 강성에 대한 영향이 상기 공진기(1)의 질량에 대한 영향과 대략 동일하도록 운동 에너지 밀도와 변형 에너지 밀도가 동일하게 되는, 상기 공진기(1) 내의 지점에 반경 방향으로 배치되는,
센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공진기(1)는, 상기 공진기(1)의 상기 중립축(4)의 내측 및 외측으로 각각 배치되는 추가 시리즈의 슬롯(5c, 5d)을 더 포함하는,
센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시리즈의 슬롯(5)이, 일련의 연결되는 얇은 링 세그먼트(6)의 시리즈를 형성하게 되고, 이 세그먼트(6)들의 길이와 두께는, cos2θ 모드로 진동할 때, 이 세그먼트들(6)의 강성이 상기 공진기(1)의 강성보다 더 커지도록, 결정되고, 상기 공진기(1)가 상기 cos2θ 모드로 진동할 때, 상기 세그먼트들(6)은 동질의 구조체의 일부로서 거동하는,
센서.
제 4 항에 있어서,
상기 세크먼트(6)의 호의 각도(arcuate angle)는 5도 이하이고, 각각의 시리즈에서 인접하는 슬롯(5)들 사이의 이격 거리는 2도 이상인,
센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬롯(5)은, 상기 공진기(1)의 댐핑 또는 주파수에 대해 유도되는 불균형을 피하기 위해, 일차 cos2θ 모드 형상 및 이차 cos2θ 모드 형상에 대해 미치는 효과가 동일하도록, 균일한 디자인으로 형성되는,
센서.
제 6 항에 있어서,
상기 슬롯(5a, 5b)은, 상기 슬롯(5c, 5d)가, 상기 중립축(4)으로부터 반경 반향으로 동일하게 이격되고, 각도 범위와 이격 거리가 동일하고, 상기 공진기(1)의 원주 주위에 등각으로 위치하도록 배치되는,
센서.
제 6 항에 있어서,
상기 슬롯(5c, 5d)은, 상기 중립축(4)으로부터 반경 반향으로 동일하게 이격되어 배치되고, 각도 범위와 이격 거리가 동일하도록 배치되고, 상기 공진기(1)의 원주 주위에 등각으로 배치되는,
센서.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진기(1)의 상기 중립축(4)의 내측으로 배치되는 슬롯(5)은 상기 공진기(1)의 상기 중립축(4)의 외측으로 배치되는 슬롯(5)에 대해 서로 엇갈리게(staggered) 위치하여, 열 이완 경로 길이가 더 길어지는,
센서.
평면 링 또는 후프 형상의 공진기(1)를 포함하는 센서의 품질 계수(Q)를 향상시키는 방법에 있어서,
상기 공진기(1)에 슬롯을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 슬롯(5)은, 상기 슬롯(5)이 상기 공진기(1)의 공진 주파수에 영향을 주지 않도록, 상기 공진기(1)의 중립축에 동심, 외측 및 내측으로 배치되는,
품질 계수(Q) 향상 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 공진기(1)의 댐핑 또는 주파수에 대해 유도되는 불균형을 피하기 위해, 일차 cos2θ 모드 형상과 이차 cos2θ 모드 형상에 대해 미치는 효과가 동일하도록, 상기 슬롯(5)을 균일한 디자인으로 형성하는 단계를 더 포함하는,
품질 계수(Q) 향상 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 슬롯(5)을, 상기 슬롯(5)이 상기 중립축(4)으로부터 반경 반향으로 동일하게 이격되고, 각도 범위와 이격 거리가 동일하고, 상기 공진기(1)의 원주 주위에 등각으로 위치하도록 배치하는 단계를 더 포함하는,
품질 계수(Q) 향상 방법.
첨부된 도면의 도 6과 7을 참조하여 설명된 바와 같은 센서 또는 방법.