KR20160054008A - 개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

질량들의 평면을 형성하기 위해 서스펜딩된 2개의 진동 질량들을 포함하는 마이크로전기기계 자이로스코프가 개시된다. 진동 질량들은 질량들의 평면에 있는 공통의 주축 둘레의 회전 진동으로 여기된다(excited). 검출된 각 운동은 제 1 검출 축 둘레에서 제 1 진동 질량의 회전 진동을 유발하고 제 2 검출 축 둘레에서 제 2 진동 질량의 회전 진동을 유발한다. 검출 축들은 질량들의 평면에 수직이고 영이 아닌 거리만큼 분리된다.

Description

개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프{IMPROVED GYROSCOPE STRUCTURE AND GYROSCOPE}
본 발명은 마이크로전기기계 디바이스들에 관한 것이고 특히 독립 청구항들의 전제부들에 규정된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프에 관한 것이다.
마이크로-전기-기계 시스템들, 즉 MEMS는 적어도 일부의 소자들이 기계적 기능을 갖춘 소형화된 기계 및 전기-기계 시스템들로서 규정될 수 있다. MEMS 디바이스들이 집적 회로들을 만드는데 사용되는 것과 동일한 툴들로 만들어지기 때문에, 마이크로기계들 및 마이크로전자제품들이 동일 조각의 실리콘 상에 제조될 수 있어 고급 디바이스들을 가능하게 한다.
MEMS 구조체들은 물리적 특성들에서의 매우 작은 변화들을 신속하고 정확하게 검출하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 마이크로전기기계 자이로스코프는 매우 작은 각도 변위들을 신속하고 정확하게 검출하기 위해 적용될 수 있다. 운동은 6개의 자유도들을 가진다: 3개의 직교 방향들의 변환들 및 3개의 직교 축들 둘레의 회전들. 후자의 3개는, 또한 자이로스코프로도 알려져 있는 각 속도 센서에 의해 측정될 수 있다. MEMS 자이로스코프들은 코리올리 효과(Coriolis Effect)를 이용하여 각 속도를 측정한다. 질량이 한 방향으로 이동중이고 회전 각 속도가 인가될 때, 질량은 코리올리력의 결과로서 직교 방향의 힘을 겪는다. 코리올리력에 의해 유발되는 결과로서 생긴 물리적 변위는 예를 들면 용량적으로, 압전적으로 또는 압전 저항적으로 감지하는 구조체로부터 판독될 수 있다.
MEMS 자이로들에서, 1차 운동(primary motion)은 통상적으로 적절한 베어링들의 부족으로 인해 종래의 것들과 같이 연속 회전하지 않는다. 대신에, 기계적 진동이 1차 운동으로서 사용될 수 있다. 진동하는 자이로스코프가 1차 운동의 방향에 직교하는 각 운동을 겪을 때, 기복적인 코리올리력이 발생한다. 이것은 1차 운동에 및 각 운동의 축에 직교하는, 그리고 1차 진동 주파수의 2차 진동을 생성한다. 이러한 결합된 진동의 진폭이 각 속도의 측정으로서 사용될 수 있다.
자이로스코프들은 매우 복잡한 관성 MEMS 센서들이다. 자이로스코프 설계들에서의 기본적인 도전과제는 코리올리력이 매우 작고 따라서 생성된 신호들이 자이로스코프에 존재하는 다른 전기 신호들에 비해 극소해지는(minuscule) 경향이 있다는 것이다. 진동에 대한 민감성 및 스퓨리어스 응답들(Spurious responses)은 많은 MEMS 자이로 설계들에 있어서 성가시다.
진보된 종래 기술의 MEMS 자이로 설계에서, 외부 인가된 각 속도는 공통의 회전 축 둘레의 대향 위상 운동을 2개의 평행하게 배치된 평면 진동 질량들에 유도하도록 구성된다. 이러한 운동은 진동 질량들의 평면 위에 배치되는 전극들로 검출될 수 있다. 특정 종래 기술 구성의 명시적 진동 방향들로, 기본 모드 진동 및 검출 모드 진동이 효과적으로 떨어지게 유지되어 외부 충격들에 매우 둔감한 견고한 센서 구조체가 제공되었다.
통상적으로, 기판에 또는 기능층에 고정되는 커버 또는 캡(cap)은 MEMS 자이로스코프 구조체를 둘러싸서(encases), MEMS 자이로스코프를 외부 조건들로부터 보호하는 케이스를 형성한다. 그러나 MEMS가 가진 도전과제는 구조체의 움직이는 부분들의 이동을 제한하지 않는 환경적 보호를 제공하는 것이다. 예를 들면, 상기 종래 기술 구조체에서, 진동 질량들 및 여기 구조체들(excitation structures)은 핸들 웨이퍼와 캡 웨이퍼 사이가 밀폐되는 구조체 웨이퍼에 있다. 종래의 가속도계들 및 자이로스코프들은 외부 세계와의 기계적 접촉이 없기 때문에 가장 용이한 MEMS 패키지들 중 하나로서 간주되었다. 그러나 상기 종래 기술 자이로스코프 구조체에서, 감지 전극들은 캡 웨이퍼에 패터닝되었다. 이것은 통상적인 에폭시 오버몰딩 공정들이 사용될 수 없기 때문에, 그 구조체를 설계된 치수들로부터의 편차들에 더욱 취약하게 만들고 센서 패키징의 복잡도를 증가시킨다.
본 발명의 목적은 달성된 개선된 수준의 정확도 및 외부 충격들에 대한 둔감성을 제공하지만 설계된 치수들로부터의 편차들에 덜 민감한 자이로스코프 구조체를 설계하는 것이다. 본 발명의 목적들은 독립 청구항들의 특징부들에 따른 자이로스코프 구조체로 달성된다.
청구항들은 평면의 제 1 진동 질량, 평면의 제 2 진동 질량, 및 제 1 진동 질량과 제 2 진동 질량을 평행 위치들에서 다른 본체 소자 상에 서스펜딩하기 위한 제 1 스프링 구조체를 포함하는 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 규정하고, 제 1 진동 질량의 평면 및 제 2 진동 질량의 평면은 질량들의 기준 평면을 형성한다. 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체는 또한 여기 수단 및 검출 수단을 포함한다. 제 1 스프링 구조체는 제 1 진동 질량을 다른 본체 소자에 부착하기 위한 제 1 진동 질량의 평면 내의 제 1 고정점(anchor point)과, 제 1 고정점 및 제 1 진동 질량에 부착된 제 1 스프링 조립체를 포함하고, 제 1 스프링 조립체는 질량들의 평면에서의 제 1 여기 축 둘레에서 제 1 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 한다. 제 1 스프링 구조체는 제 2 진동 질량을 다른 본체 소자에 부착하기 위한 제 2 진동 질량의 평면 내의 제 2 고정점과, 제 2 고정점 및 제 2 진동 질량에 부착된 제 2 스프링 조립체를 포함하고, 제 2 스프링 조립체는 질량들의 평면에서의 제 2 여기 축 둘레에서 제 2 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 한다. 제 1 여기 축 및 제 2 여기 축은 공통의 주축에 정렬된다.
제 1 스프링 조립체는 또한 질량들의 평면에 수직인 제 1 검출 축 둘레에 제 1 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 하고, 제 2 스프링 조립체는 또한 질량들의 평면에 수직인 제 2 검출 축 둘레에 제 2 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 한다. 제 1 검출 축 및 제 2 검출 축은 영이 아닌 거리만큼 분리된다.
여기 수단은 제 1 진동 질량 및 제 2 진동 질량이 공통의 주축 둘레에서 진동하게 구동하도록 구성된다. 검출 수단은 제 1 검출 축 둘레의 제 1 진동 질량의 회전 진동과 제 2 검출 축 둘레의 제 2 진동 질량의 회전 진동을 검출하도록 구성된다.
검출 수단은 고정자 콤 및 회전자 콤을 포함하는 평면내 검출 콤을 가진 적어도 하나의 검출 소자를 포함한다. 검출 수단은 또한 제 1 진동 질량의 또는 제 2 진동 질량의 회전 진동을 공통의 주축에 평행하는 일 방향으로의 질량들의 평면에서의 평면내 검출 콤의 선형 진동으로 변환하기 위한 제 2 스프링 구조체를 포함한다.
청구항들은 또한 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체를 포함하는 자이로스코프를 규정한다. 본 발명의 양호한 실시예들은 종속 청구항들에 개시된다.
본 발명은 2개의 평면의 진동 질량들의 1차 운동 모드와 2차 운동 모드의 새로운 결합을 적용하는 것에 기초한다. 1차 운동에서, 진동 질량들은 공통의 주축 둘레의 대향 위상 회전 진동에 여기된다. 진동 질량들의 각각의 2차 운동은 진동 질량들에 의해 형성된 평면에 수직인 검출 축 둘레의 평면내 회전 진동을 포함한다. 2개의 진동 질량들의 검출 축들은 이렇게 평행하지만 일정 거리만큼 분리된다. 진동 질량들의 회전 평면내 이동은 용량 콤 구조체들(capacitive comb structures)로 검출되는 선형 진동으로 변환되고, 그 동작은 패키징 공정에 의해 또는 패키지에 대한 환경 변화들에 의해 유발되는 변형들에 덜 민감하다. 감지 모드의 선형 진동은 더 높은 신호 레벨과, 시스템에 대한 더 용이한 구현을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 이점들은 다음의 실시예들과 함께 더욱 상세히 논의된다.
다음에서 본 발명은 양호한 실시예들에 관련하여, 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 기술될 것이다.
도 1은 자이로스코프 구조체의 일 실시예를 도시한 도면.
도 2는 자이로스코프 구조체를 포함하는 자이로스코프의 소자들을 도시한 도면.
다음의 실시예들은 예시적이다. 명세서가 "일(an)", "하나의(one)", 또는 "일부(some)" 실시예(들)를 참조할 수 있지만, 이것은 반드시 각각의 이러한 참조가 동일 실시예(들)에 대한 것이거나, 또는 단일 실시예에만 특징이 적용되는 것을 의미하지 않는다. 상이한 실시예들의 단일 특징들은 다른 실시예들을 제공하기 위해 결합될 수 있다.
다음에서, 본 발명의 특징들은 본 발명의 다양한 실시예들이 구현될 수 있는 디바이스 아키텍처의 간단한 예와 함께 기술될 것이다. 실시예들을 예시하는데 관련된 요소들만 상세히 기술된다. 당업자에게 일반적으로 알려진 자이로스코프 구조체들의 다양한 구현들은 본 명세서에 구체적으로 기술되지 않을 수 있다.
도 1은 MEMS 자이로스코프의 구조체 웨이퍼의 소자들을 가진 본 발명에 따른 자이로스코프 구조체의 일 실시예를 도시한다. 자이로스코프 구조체는 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)을 포함한다. 용어 진동 질량은 본 명세서에서 관성 운동을 제공하기 위해 베이스에 서스펜딩될 수 있는 질량체를 나타낸다. 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)은 평면 형태를 가질 수 있다. 이것은 진동 질량들(100, 102)의 부피의 적어도 일부가 2 차원들(길이, 넓이)에서 평면을 따라 연장하고 거기서 평면 표면을 형성하는 것을 의미한다. 허용 오차들 내에서, 진동 질량들(100, 102)의 평면 표면은 그 위의 임의의 두 지점들을 연결하는 모든 직선들을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 그러나 표면은 진동 질량에 패터닝된 작은 돌출부들, 또는 진동 질량들에 패터닝된 오목부들을 포함할 수 있음을 이해한다.
자이로스코프 구조체는 또한 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)을 자이로스코프의 다른 본체 소자에 서스펜딩하기 위한 제 1 스프링 구조체(104)를 포함한다. 다른 본체 소자는 예를 들면 기본 핸들 웨이퍼, 또는 자이로스코프 다이의 커버링 캡 웨이퍼(covering cap wafer)에 의해 제공될 수 있다. 구조체 웨이퍼, 핸들 웨이퍼 및 캡 웨이퍼에 대한 구분들이 개념적임을 유념한다. 당업자에게는, 예를 들면, 핸들 웨이퍼 및 구조체 웨이퍼가 적층된 실리콘-절연체-실리콘 기판으로부터 결합하여 또는 개별적으로 패터닝될 수 있다는 것이 명백하다. 제 1 스프링 구조체(104)는 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)의 평면 표면들이 질량들의 평면(106)을 형성하도록 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)을 평행 위치에 서스펜딩하도록 구성될 수 있다. 따라서, 질량들의 평면(106)은 추가 외력들이 작용하지 않을 때, 초기 설계된 위치에 서스펜딩된 진동 질량들(100, 102)의 평면 표면들에 의해 형성되는 기준 평면이다. 다양한 조건들 하에서 자이로스코프의 동작 동안, 진동 질량들은, 이와 같이, 이후 질량들의 평면(106)으로부터 이동하고 변형할 수 있음을 이해한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 스프링 구조체(104)의 소자들은 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)의 부피들에 유리하게 패터닝된다. 제 1 스프링 구조체(104)는 제 1 진동 질량(100)의 평면 내에 제 1 고정점(108)을 포함할 수 있다. 제 1 고정점(108)은 제 1 진동 질량(100)을 자이로스코프의 다른 본체 소자에, 예를 들면 하부 기판에 및/또는 커버링 캡에 부착하기에 적합한 소자를 나타낸다. 제 1 고정점(108)은 예를 들면, 제 1 고정점(108)의 영역의 외주에서 진동 질량의 재료를 제거함으로써 제 1 진동 질량(100)의 부피에 패터닝된 영역이 될 수 있다. 제 1 스프링 구조체(104)는 또한 제 1 고정점(108) 및 제 1 진동 질량(100)에 부착되는 제 1 스프링 조립체(110)를 포함할 수 있다. 제 1 스프링 조립체(110)는 질량들의 평면(106)에 있는 제 1 여기 축(112) 주위에 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 제 1 스프링 조립체(110)는 예를 들면, 제 1 고정점(108)과 제 1 진동 질량(100) 사이에서 연장하도록 제 1 진동 질량(100)의 평면에 패터닝되는 제 1 빔-형성된 스프링을 포함할 수 있다. 제 1 진동 질량(100)이 동작 동안 제 1 여기 축(112) 주위에서 진동할 때, 빔-형성된 스프링은 제 1 고정점(108)과 제 1 진동 질량(100) 사이에서 비틀리게 꼬일(twist torsionally) 수 있다.
상응하게, 제 1 스프링 구조체(104)는 제 2 진동 질량(102)의 평면 내에 제 2 고정점(114)을 포함할 수 있다. 제 2 고정점(114)은 제 2 진동 질량(102)을 다른 본체 소자에, 예를 들면 하부 기판에 및/또는 커버링 캡에 부착하기에 적합한 소자를 나타낸다. 제 2 고정점(114)은 또한 예를 들면, 제 2 고정점(114)의 영역의 외주에서 진동 질량의 재료를 제거함으로써 제 2 진동 질량(102)의 부피에 패터닝된 영역이 될 수 있다. 제 1 스프링 구조체(104)는 또한 제 2 고정점(114) 및 제 2 진동 질량(102)에 부착되는 제 2 스프링 조립체(116)를 포함할 수 있다. 제 2 스프링 조립체(116)는 질량들의 평면(106)에 있는 제 2 여기 축(118) 주위에 제 2 진동 질량(102)의 회전 진동을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 제 2 스프링 조립체(116)는 예를 들면, 제 2 고정점(114)과 제 2 진동 질량(102) 사이에서 연장하기 위해 제 2 진동 질량(102)의 평면에 패터닝되는 제 2 빔-형성된 스프링을 포함할 수 있다. 제 2 진동 질량(102)이 동작 동안 제 2 여기 축(118) 주위에서 진동할 때, 빔-형성된 스프링은 제 2 고정점(114)과 제 2 진동 질량(102) 사이에서 비틀리게 꼬일 수 있다.
빔-형성된 스프링은 제 1 및 제 2 스프링 조립체들에 대한 예시적인 구조체일 뿐임을 유념한다. 다른 형태들이 범위 내에서 적용될 수 있다. 예를 들면, 각각의 고정점을 둘러싸는 원주 스프링 구조체가 마찬가지로 목적에 맞게 적용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 여기 축(112) 및 제 2 여기 축(118)은 공통의 주축(120)을 형성하도록 정렬된다. 공통의 주축(120)은 1차 이동이 공통의 주축(120)에 관해 진동 질량들의 대향 단부들의 시소형 이동을 포함하도록 제 1 고정점(108) 및 제 2 고정점(114)을 가로지를 수 있다.
제 1 스프링 구조체(104)에서, 제 1 스프링 조립체(110)는 또한, 제 1 진동 질량(100)의 평면을 교차하고 질량들의 평면(106)에 수직인 제 1 검출 축(122) 주위에 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동을 가능하게 한다. 상응하게, 제 2 스프링 조립체(116)는 또한 질량들의 평면(106)에 수직인 제 2 검출 축(124) 주위에 제 2 진동 질량(102)의 회전 진동을 가능하게 한다. 빔-형성된 스프링들의 예시적인 경우에, 빔 스프링은 평면내 휘어짐을 경험할 수 있고 그에 의해 각각의 진동 질량의 평면내 회전 진동을 용이하게 한다. 제 1 검출 축(122) 및 제 2 검출 축(124)은 영이 아닌 거리만큼 서로 분리된다. 유리하게 검출 축들(122, 124)은 진동 질량들(100, 102) 사이의 중심선(126)에 대해 대칭적으로 위치된다.
센서 구조체는 또한, 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)이 공통의 주축(120) 주위에서 진동하게 구동하도록 구성되는 제 1 여기 수단들(130, 132)을 포함한다. 제 1 여기 수단은 제 1 진동 질량(100)과 함께 이동하도록 구성되는 제 1 질량 전극(130), 및 제 2 진동 질량(102)과 함께 이동하도록 구성되는 제 2 질량 전극(132)을 포함할 수 있다. 전극들(130, 132)은 캡 또는 기판에 부착되는 전극 또는 전극들과 전기적으로 상호작용할 수 있고, 이 전기적 상호작용의 결과로서, 그들 각각의 진동 질량들(100, 102)을 공통의 주축(120) 주위의 회전 진동으로 유도할 수 있다.
도 1에서, 예시적인 제 1 여기 수단이 진동 질량들(100, 102)의 평면들 상에서 대칭적으로 위치된 4개의 전극층 영역들을 포함하는 것으로 도시된다. 진동 질량에 대한 특정 평면외 방향 여기력(specified out-of-plane directed excitation force)을 생성할 수 있는 다른 위치들 및 다른 가진 구조체들이 범위 내에서 적용될 수 있음을 이해한다. 예를 들면, 진동 질량들의 각각은 진동 질량 상에 또는 다른 본체부 상에 배치되는 하나의 전극 영역으로 여기될 수 있다. 진동 질량은 도전 재료로 자체 형성될 수 있거나, 또는 도전 재료의 침착층을 포함할 수 있고 캡 내부 또는 하부 기판 상의 고정자 전극과 상호작용하도록 만들어질 수 있다. 또한, 압전 가진은, 예를 들어 스프링들을 형성하는 층의 상부에 침착된 압전막에 의해 적용될 수 있다. 다른 대응하는 평면외 여기 구조체들도 당업자에게 잘 알려져 있고, 본 명세서에는 상세히 논의되지 않을 것이다.
여기 모드 진동을 기계적으로 균형 맞추고, 그에 의해 예를 들면 충격들 또는 진동에 의해 유발되는 외부의 기계적 간섭을 상쇄하기 위하여, 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동 및 제 2 진동 질량(102)의 회전 진동은 역상 운동으로 결합될 수 있다. 역상 운동은 본 명세서에서 2개의 진동 질량들의 진동 운동을 나타내고, 여기서 진동 질량들은 주파수가 동일하지만 위상들이 상이하게 진동한다. 유리하게, 진동 질량들은 대향 위상들에서 진동한다.
역상 결합은 제 1 진동 질량(100)에 및 제 2 진동 질량(102)에 연결되는 위상 스프링 구조체(140)에 의해 강화될 수 있다. 유리하게, 위상 스프링 구조체(140)는 제 1 진동 질량 및 제 2 진동 질량의 부피에 패터닝되는 영역이다. 공통의 주축(120)이 제 1 진동 질량(100) 및 제 2 진동 질량(102)을 2개의 부분들로 나눈다고 가정한다. 예시적인 역상 운동에서, 위상 스프링 구조체(140)의 결합은 공통의 주축의 한 측면에서 제 1 진동 질량(100)의 일부를 한 방향(상향)으로 이동하면 공통의 주축(120)의 동일 측면에서 제 2 진동 질량(102)의 일부가 대향 방향(하향)으로 이동하도록 구성된다.
도 1의 예시적인 구성에서, 위상 스프링 구조체(140)는 제 3 고정점(142), 및 제 3 스프링 조립체(146)에 의해 상호 연결된 필수적으로 강성인 빔(144)을 포함할 수 있다. 제 3 스프링 조립체(146)는 제 3 고정점(142)과 강성 빔(144)의 중심점을 연결하는 중앙 스프링(148), 빔(144)의 제 1 단부를 제 1 진동 질량(100)에 연결하는 제 1 단부 스프링(150), 및 빔(144)의 제 2 단부를 제 2 진동 질량(102)에 연결하는 제 2 단부 스프링(152)을 포함할 수 있다. 제 1 단부 스프링(150)은 질량들의 평면(106)의 일 방향에서 강성이 되고, 질량들의 평면(106)에 수직인 방향에서 구부러지도록 구성될 수 있다. 이것은 빔(144)의 제 1 단부의 운동들을 제 1 진동 질량(100)의 운동들에 필수적으로 강성으로 결합시키는 동시에, 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동 동안 빔(144)의 시소형 이동을 가능하게 한다. 상응하게, 제 2 단부 스프링(152)은 질량들의 평면(106)의 일 방향에서 강성이 되고 질량들의 평면(106)에 수직인 방향에서 구부러지도록 구성될 수 있다. 이것은 빔(144)의 제 2 단부의 운동들을 제 2 진동 질량(102)의 운동들에 필수적으로 강성으로 결합시키는 동시에, 제 2 진동 질량(102)의 회전 진동 동안 빔(144)의 시소형 이동을 가능하게 한다.
위상 스프링 구조체(140)는 따라서 공통의 주축(120)의 한 측면 상에서 제 1 진동 질량(100)의 단부 및 제 2 진동 질량의 단부가 대향 방향들로 이동하는 것을 보장하고, 그에 의해 기본 모드 운동의 회전 진동을 역상 모드로 변환하게 만든다.
유리하게, 자이로스코프 구조체는 하나보다 많은 위상 스프링 구조체들(140)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 1의 자이로스코프 구조체는 공통의 주축(120)의 대향 측면들에서 대칭적으로 배치된 2개의 위상 스프링 구조체들(140, 154)을 포함한다. 빔(144)은 공통의 주축(120)에 평행한 것이 유리하다.
진동 질량들(100, 102)은 결합 스프링(180)에 의해 서로 연결될 수 있다. 결합 스프링(180)은 1차 운동에서 진동 질량들(100, 102)의 회전 진동들 하에 공통의 주축(120)을 따라 꼬이고, 2차 운동에서 진동 질량들(100, 102)의 회전 진동들 하에 질량들의 평면(106)에서 휘어지도록 구성되는 것이 유리하다. 결합 스프링(180)은 그에 의해 진동 질량들의 검출된 운동들을, 외부 각 충격들에 의해 유발되는 질량들의 공통-모드 편향을 거부하는 역상 차동 모드에 결합한다. 따라서 결합은 기계적으로 열악한 환경들에서도 특별히 안정한 동작을 보장한다.
초기에 논의된 바와 같이, 검출된 각 운동에 대응하는 2차 운동은 질량들의 평면(106)의 방향에서 발생한다. 이러한 방향에서의 운동의 검출은, 본질적으로 매우 안정적이고 패키지 유도 응력들로 인한 기계적 변형들에 대처하기 위한 다양한 방법들을 제공하는 콤 구조체들로 구현될 수 있다.
검출 수단은 적어도 하나의 검출 소자(170, 171, 172, 173)를 포함할 수 있고, 이것은 제 1 검출 축(122) 주위의 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동 및 제 2 검출 축(124) 주위의 제 2 진동 질량(102)의 회전 진동을 검출하도록 구성된다. 자이로스코프 소자의 최적화된 크기를 위해, 질량들의 평면(106)의 대향 측면들 상에 적어도 2개의 개별 검출 소자들(170, 173 또는 171, 172)이 제공될 수 있다. 외부 기계적 충격들 및 진동들의 상쇄를 허용하는 차동 검출 모드에 대해, 질량들의 평면(106)의 대향 측면들 상에 두 개씩 배치된 4개의 검출 소자들(170, 171, 172, 173)이 도 1에 도시된 바와 같이 제공될 수 있다.
제 1 진동 질량(100)의 측면에 배치된 검출 소자(170)를 더 가깝게 보자. 검출 소자(170)는 고정자(176) 및 회전자(175)를 포함하는 평면내 검출 콤(174)을 포함할 수 있다. 고정자(176)는 고정자를 다른 본체 소자에 고정하기 위한 고정자 콤 및 고정자 앵커를 포함할 수 있다. 회전자(175)는 제 2 스프링 구조체(177)에 의해 제 1 진동 질량(100)에 부착되는 회전자 콤을 포함할 수 있다. 진동 질량의 평면내 운동을 검출할 수 있는 임의의 가능한 콤 구조체가 목적에 맞게 적용될 수 있음을 유념한다. 평면내 검출 콤(174)은 선형 콤 구조체, 평행판 콤 구조체 또는 이들 중 어느 것의 특징들을 적용하는 하이브리드 콤 구조체를 포함할 수 있다. MEMS 콤 구조체들은 이와 같이 당업자에게 잘 알려져 있고 본 명세서에서는 더 상세히 논의되지 않을 것이다.
제 2 스프링 구조체(177)는 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동을 평면내 검출 콤(174)의 선형 진동으로 변환하도록 구성될 수 있다. 선형 진동에서, 평면내 검출 콤의 이동부는 도 1에서 화살표로 도시된 바와 같이, 질량들의 평면(106)에서 그리고 공통의 주축(120)에 평행한 방향으로 이동한다. 제 2 스프링 구조체(177)는 연장형 스프링을 포함할 수 있고, 연장형 스프링의 한 단부는 회전자(175)의 회전자 콤에 연결되고 다른 단부는 제 1 진동 질량(100)에 연결된다. 설계된 변환에 대해, 연장형 스프링은, 여기서는 질량들의 평면(106) 외부에서, 그 길이를 따르는 방향에서 필수적으로 강성이고, 그 길이에 수직인 방향들에서 쉽게 구부러지도록 구성될 수 있다. 이것은 연장형 스프링이 제 1 진동 질량(100)의 회전 평면내 2차 운동을 검출용 평면내 검출 콤(174)의 회전자의 선형 운동에 정확하게 릴레이하는 동시에, 공통의 주축(120) 주위에 제 1 진동 질량(100)의 회전 진동을 가능하게 하는 방식이다. 연장형 스프링은 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들면 굴곡형 스프링으로 구현될 수 있다. 당업자에게 잘 알려진 유사한 방향 강성 및 유연성을 가진 다른 스프링 타입들이 범위 내에서 적용될 수 있다. 예를 들면, 빔-형성된 스프링이 마찬가지로 적용될 수 있다.
2차 운동의 선형 진동으로의 변환을 개선하기 위하여, 제 2 스프링 구조체(177)는 또한 공통의 주축(120)에 평행인 방향 이외의 방향들에서의 평면내 검출 콤(174)의 이동 구성요소들을 방지하도록 구성되는 제 4 스프링 조립체(178)를 포함할 수 있다. 도 1은 예시적 구성을 도시하며 평면내 검출 콤(174)의 회전자(176)는 일 영역에 패터닝되고 연장형 직사각형을 가진다. 제 4 스프링 조립체(178)는 회전자(176)의 직사각 영역의 한 코너를 기판과 같은 다른 본체 소자에 결합하도록 구성되는 4개의 고정 스프링들을 포함할 수 있다. 고정 스프링들의 각각은 질량들의 평면(106)에서의 일 방향에서 및 공통의 주축(120)의 방향에 수직하여 필수적으로 강성이 될 수 있고, 질량들의 평면(106)에서의 일 방향에서 및 공통의 주축(120)의 방향에서 유연할 수 있다. 고정 스프링들은 따라서 검출이 발생하도록 설계된 곳 이외의 다른 방향들에서의 회전자의 평면내 이동을 강하게 저항한다.
선형 진동에서, 전체 평면내 검출 콤은 질량들의 평면에서 및 공통의 주축에 평행인 방향에서 동일하게 앞뒤로 이동한다. 이것은 개별 검출 소자로부터 최대 용량 차를 제공한다. 선형 운동은 상이한 타입들의 콤들(선형, 병렬판, 또는 하이브리드)로 검출될 수 있고, 이것은 자이로스코프 구조체의 전체 최적화에 대한 더 많은 가능성을 있게 한다. 선형 콤 구조체는 설계하기가 용이하고, 그 직사각형은 자이로스코프의 평면 공간의 양호한 사용을 허용한다. 서스펜딩 스프링 구조체들(suspending spring structures)은 단순히 평면외 운동에 매우 강하게 대항하도록 구성될 수 있고, 이것은 1차 운동 및 외부 충격들 및 진동들로부터 의도하지 않은 효과들에 대한 견고성(robustness)을 효율적으로 개선한다.
상기 논의된 바와 같이, 차동 검출에 대해, 제 1 검출 수단은 4개의 검출 소자들(170, 171, 172, 173)을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자들에게, 다른 검출 소자들(171, 172, 173)의 구성들에 대한 상기 원리들의 구현이 도 1 및 검출 소자(170)에 대한 논의에 기초하여 분명하다. 질량들의 평면(106)을 형성하는 진동 질량들(100, 102)의 표면들이 직사각형으로 결합되면, 검출 소자들(171, 172, 173)은 질량들의 평면(106)에 평행하게 배치될 수 있고, 2개의 검출 소자들(170, 171)은 직사각형의 한 측면 상에 배치될 수 있고, 2개의 검출 소자들(172, 173)은 직사각형의 대향 측면 상에 배치될 수 있다. 도 1의 예시적 구성에서, 2개의 검출 소자들(170, 171)은 제 1 진동 질량(100)의 한 측면을 따라 공통의 주축(120)에 대해 대칭으로 배치되고, 2개의 검출 소자들(172, 173)은 제 2 진동 질량(102)의 한 측면을 따라 공통의 주축(120)에 대해 대칭으로 배치된다. 공통의 주축(120)이 질량들의 평면(106)을 2개의 부분들로 나누는 것이 고려된다면, 제 1 검출 소자(170) 및 제 2 검출 소자(171)가 제 1 진동 질량(100)의 측면을 따라 배치될 수 있고, 제 3 검출 소자(172) 및 제 4 검출 소자(173)가 제 2 진동 질량(102)의 측면을 따라 배치될 수 있다. 제 1 검출 소자(170) 및 제 3 검출 소자는 공통의 주축(120)에 대해 동일한 부분에서 서로에 대향될 수 있고, 제 2 검출 소자(171) 및 제 4 검출 소자(174)는 공통의 주축(120)에 대해 동일한 부분에서 서로에 대향될 수 있다.
도 2는 제 1 구성요소(200) 및 제 2 구성요소(202)를 포함하는 자이로스코프의 소자들을 도시한다. 제 1 구성요소(200)는 도 1의 자이로스코프 구조체를 포함할 수 있고, 제 2 구성요소(202)는 자이로스코프 구조체와 전기 신호들을 교환하기 위해 연결된 전기 회로(202)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 검출 소자들(170, 171, 172, 173)의 각각으로부터의 신호들(s1, s2, s3, s4)은 전기 회로(202)에 각각 입력될 수 있다. 전기 회로에 입력될 검출된 각 운동에 대응하는 차동 출력 신호 Sdiff는 다음으로부터 계산될 수 있다:
Figure pct00001
즉, 제 1 검출 소자(170) 및 제 4 검출 소자(172)로부터의 신호들의 합에서 제 2 검출 소자(171) 및 제 3 검출 소자(173)로부터의 신호들의 합을 차감함으로써 계산될 수 있다.
전기 신호 및 기계적 간섭은 검출된 각 운동으로부터의 신호 성분들보다 훨씬 더 크거나 비교 가능한 신호 성분들을 유도할 수 있음을 이해한다. 그러나 이러한 교란 영향들은 자이로스코프 구조체의 모든 검출 소자들에 유사하게 적용되고, 따라서 이들은 기술된 차동 검출 방식으로 제거된다. 따라서 전기 회로로부터의 차동 출력 신호 Sdiff는 심지어 매우 까다로운 동작 조건들에서도 검출된 각 운동을 정확하게 따른다.
기술 진보들로, 본 발명의 기본 개념이 다양한 방식들로 구현될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 본 발명 및 그 실시예들은 상기 예들에 제한되는 것이 아니라, 청구항들의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (24)

  1. 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체로서:
    평면 표면을 포함하는 제 1 진동 질량(seismic mass);
    평면 표면을 포함하는 제 2 진동 질량;
    상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량을 평행 위치에서 다른 본체 소자 상에 서스펜딩하기 위한 제 1 스프링 구조체로서, 상기 제 1 진동 질량의 상기 평면 표면 및 상기 제 2 진동 질량의 상기 평면 표면은 질량들의 기준 평면을 형성하는, 상기 제 1 스프링 구조체;
    여기 수단(excitation means);
    검출 수단을 포함하는, 상기 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체에 있어서:
    상기 제 1 스프링 구조체는 상기 제 1 진동 질량을 다른 본체 소자에 부착하기 위한 상기 제 1 진동 질량의 상기 평면 내의 제 1 고정점(anchor point)과, 상기 제 1 고정점 및 상기 제 1 진동 질량에 부착된 제 1 스프링 조립체를 포함하고, 상기 제 1 스프링 조립체는 질량들의 상기 평면에 평행인 제 1 여기 축 둘레에서 상기 제 1 진동 질량의 회전 진동(rotary oscillation)을 가능하게 하고;
    상기 제 1 스프링 구조체는 상기 제 2 진동 질량을 다른 본체 소자에 부착하기 위한 상기 제 2 진동 질량의 상기 평면 내의 제 2 고정점과, 상기 제 2 고정점 및 상기 제 2 진동 질량에 부착된 제 2 스프링 조립체를 포함하고, 상기 제 2 스프링 조립체는 질량들의 상기 평면에 평행인 제 2 여기 축 둘레에서 상기 제 2 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 하고;
    상기 제 1 여기 축 및 상기 제 2 여기 축은 공통의 주축에 정렬되고;
    상기 제 1 스프링 조립체는 질량들의 상기 평면에 수직인 제 1 검출 축 둘레에서 상기 제 1 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 하고;
    상기 제 2 스프링 조립체는 질량들의 상기 평면에 수직인 제 2 검출 축 둘레에서 상기 제 2 진동 질량의 회전 진동을 가능하게 하고;
    상기 제 1 검출 축 및 상기 제 2 검출 축은 영이 아닌 거리(non-zero distance)만큼 분리되고;
    상기 여기 수단은 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량이 상기 공통의 주축 둘레에서 진동하게 구동하도록 구성되고;
    상기 검출 수단은 평면내 검출 콤(in-plane detection comb)을 가진 적어도 하나의 검출 소자, 및 상기 제 1 진동 질량의 또는 상기 제 2 진동 질량의 상기 회전 진동을 상기 공통의 주축에 평행하는 일 방향으로의 질량들의 상기 평면에서의 상기 평면내 검출 콤의 선형 진동으로 변환하기 위한 제 2 스프링 구조체를 포함하고;
    상기 검출 수단은 상기 평면내 검출 콤의 상기 선형 진동을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량은 상기 공통의 주축을 따라 꼬이고(twist) 질량들의 상기 평면에서 휘어지도록 구성된 결합 스프링에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공통의 주축은 상기 제 1 고정점 및 상기 제 2 고정점을 가로지르는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결합 스프링은 상기 제 1 진동 질량과 상기 제 2 진동 질량 사이에서 상기 공통의 주축을 따라 연장하는 빔-형성된 스프링(beam-formed spring)인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 고정점은 상기 제 1 진동 질량에 패터닝된 영역이고, 상기 제 1 스프링 조립체는 상기 제 1 고정점과 상기 제 1 진동 질량 사이에서 연장하기 위한 상기 제 1 진동 질량에 패터닝된 제 1 빔-형성된 스프링을 포함하거나, 또는
    상기 제 2 고정점은 상기 제 2 진동 질량에 패터닝된 영역이고, 상기 제 1 스프링 조립체는 상기 제 2 고정점과 상기 제 2 진동 질량 사이에서 연장하기 위한 상기 제 2 진동 질량에 패터닝된 제 2 빔-형성된 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기 수단은, 상기 제 1 진동 질량과 함께 이동하도록 구성된 제 1 질량 전극 및 상기 제 2 진동 질량과 함께 이동하도록 구성된 제 2 질량 전극을 포함하고, 다른 본체 소자에 부착된 전극 또는 전극들과 상호작용하기 위한 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 질량 전극 또는 상기 제 2 질량 전극은 상기 제 1 질량 또는 상기 제 2 질량의 상기 표면에 각각 패터닝된 도전층 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기 수단은, 상기 제 1 진동 질량에 및 상기 제 2 진동 질량에 연결되어 상기 제 1 진동 질량의 상기 회전 진동 및 상기 제 2 진동 질량의 상기 회전 진동을 역상 운동(anti-phase movement)으로 결합하는 제 3 스프링 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공통의 주축은 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량을 2개의 부분들로 나누고, 상기 역상 운동에서, 상기 결합은, 상기 공통의 주축의 한 측면에서 상기 제 2 진동 질량의 일부가 대향 방향으로 이동할 때, 상기 공통의 주축의 한 측면에서 상기 제 1 진동 질량의 일부를 한 방향으로 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 스프링 구조체는:
    제 3 고정점;
    필수적으로 강성인 빔(essentially rigid beam);
    상기 제 3 고정점과 상기 빔의 중심점을 연결하는 중앙 스프링, 상기 빔의 제 1 단부를 상기 제 1 진동 질량에 연결하는 제 1 단부 스프링, 및 상기 빔의 제 2 단부를 상기 제 2 진동 질량에 연결하는 제 2 단부 스프링을 포함하여, 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량의 운동에 따라 상기 빔을 왕복 시소형 이동에 결합하는 제 3 스프링 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 스프링 구조체는 상기 제 1 진동 질량 및 상기 제 2 진동 질량에 패터닝된 영역인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 빔의 상기 제 1 단부를 상기 제 1 진동 질량에 연결하는 상기 제 1 단부 스프링은, 상기 빔의 상기 제 1 단부의 운동들을 상기 제 1 진동 질량에 필수적으로 강성으로 결합하기 위해 질량들의 상기 평면의 일 방향에서 강성이 되고, 상기 제 1 진동 질량의 상기 회전 진동 동안 상기 빔의 시소형 이동을 가능하게 하기 위해 질량들의 상기 평면에 수직인 방향에서 구부러지도록 구성되거나; 또는
    상기 빔의 상기 제 2 단부를 상기 제 2 진동 질량에 연결하는 상기 제 2 단부 스프링은, 상기 빔의 상기 제 2 단부의 이동들을 상기 제 2 진동 질량에 필수적으로 강성으로 결합하기 위해 질량들의 상기 평면의 일 방향에서 강성이 되고, 상기 제 2 진동 질량의 상기 회전 진동 동안 상기 빔의 상기 시소형 이동을 가능하게 하기 위해 질량들의 상기 평면에 수직인 방향에서 구부러지도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔은 상기 공통의 주축에 평행인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 소자는 고정자 콤 및 회전자 콤을 포함하는 평면내 검출 콤을 포함하고;
    상기 제 2 스프링 구조체는 연장형 스프링(elongated spring)을 포함하고, 상기 연장형 스프링의 한 단부는 상기 회전자 콤에 연결되고 상기 연장형 스프링의 다른 단부는 상기 제 1 진동 질량에 또는 상기 제 2 진동 질량에 연결되고;
    상기 연장형 스프링은 길이를 따르는 방향에서 필수적으로 강성이고, 상기 공통의 주축 둘레에서 상기 제 1 진동 질량 또는 상기 제 2 진동 질량의 상기 회전 진동을 가능하게 하기 위해 질량들의 상기 평면으로부터 구부러지도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연장형 스프링은 굴곡형 스프링(meandering spring)인 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스프링 구조체는 또한, 상기 공통의 주축에 평행인 방향에서 벗어난 방향들로의 상기 평면내 검출 콤의 이동 요소들을 방지하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 평면내 검출 콤의 상기 회전자는 연장형 직사각형을 가진 영역으로 연장하고;
    상기 제 2 스프링 구조체는 각각의 고정 스프링(anchor spring)이 직사각 회전자 영역의 한 코너를 다른 본체 소자에 결합하도록 구성되는 4개의 고정 스프링들을 포함하는 제 4 스프링 조립체를 포함하고;
    상기 고정 스프링들의 각각은 질량들의 상기 평면의 일 방향에서 및 상기 공통의 주축의 상기 방향에 수직하여 필수적으로 강성이고, 질량들의 상기 평면의 일 방향에서 및 상기 공통의 주축의 상기 방향에서 구부러지는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 검출 수단은 4개의 분리된 검출 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    질량들의 상기 평면을 형성하는 상기 제 1 진동 질량의 상기 표면 및 상기 제 2 진동 질량의 상기 표면은 직사각형으로 결합되고;
    상기 검출 소자들은 질량들의 상기 평면에 평행하게 배치되며, 2개의 검출 소자들은 상기 직사각형의 한 측면 상에 배치되고 2개의 검출 소자들은 상기 직사각형의 대향 측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    2개의 검출 소자들은 상기 제 1 진동 질량의 한 측면을 따라 상기 공통의 주축에 대해 대칭적으로 배치되고, 2개의 검출 소자들은 상기 제 2 진동 질량의 한 측면을 따라 상기 공통의 주축에 대해 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 공통의 주축은 질량들의 상기 평면을 2개의 부분들로 나누고;
    제 1 검출 소자 및 제 2 검출 소자는 상기 제 1 진동 질량의 상기 측면을 따라 배치되고;
    제 3 검출 소자 및 제 4 검출 소자는 상기 제 2 진동 질량의 상기 측면을 따라 배치되고;
    상기 제 1 검출 소자 및 상기 제 3 검출 소자는 상기 공통의 주축에 대해 동일 부분에 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 마이크로전기기계 자이로스코프 구조체, 및 상기 마이크로전기기계 구조체로부터 전기 신호들을 수신하도록 연결된 전기 회로를 포함하는, 자이로스코프.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 제 1 검출 소자로부터 제 1 신호들을, 상기 제 2 검출 소자로부터 제 2 신호들을, 상기 제 3 검출 소자로부터 제 3 신호들을, 그리고 상기 제 4 검출 소자로부터 제 4 신호들을 수신하도록 구성되고;
    상기 전기 회로는 제 1 신호, 제 2 신호, 제 3 신호 및 제 4 신호의 동시 결합으로서 차동 입력 신호를 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자이로스코프.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 결합은 상기 제 1 검출 소자 및 상기 제 4 검출 소자로부터의 신호들의 합에서 상기 제 2 검출 소자 및 상기 제 3 검출 소자로부터의 신호들의 합을 차감함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는, 자이로스코프.
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