KR20170054559A - ｘ, ｙ 및/또는 ｚ축에 대한 회전 움직임을 검출하기 위한 ＭＥＭＳ 자이로스코프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 x-, y- 및/또는 z-축에 대한 회전 운동들을 검출하기 위한 MEMS 자이로스코프, 특히 3-D 센서에 관한 것으로, 기판, 중심점에 대해 방사상으로 움직일 수 있는 여러개, 적어도 두 개, 바람직하게 4개의 구동 질량체(2) 및 x, y 및/또는 z축에 대한 상기 기판의 회전이 발생할 때 상기 구동 질량체(2)에 전향력을 발생시키기 위해 상기 구동 질량체(2)를 진동 흔들림 하기 위한 구동 소자(7)를 포함한다. 진동하는 상기 구동 질량체(2)는 적어도 하나의 추가 센서 질량체(3)에 연결되어 있고, 상기 센서 질량체(3)는 진동하지는 않지만 진동하는 상기 구동 질량체(2)와 함께 x, y 및/또는 z축에 대해 상기 기판에서 회전될 수 있다. 센서 소자(9, 10)는 발생된 상기 전향력의 결과로서 상기 기판에 대한 상기 센서 질량체(3) 및/또는 상기 구동 질량체(2)의 편향을 검출하기 위해 사용된다. 적어도 두 개, 바람직하게 4개의 앵커(5)는 스프링(4)으로 상기 센서 질량체(3)를 상기 기판에 회전 가능하게 부착하기 위해 사용된다.

Description

ｘ, ｙ 및/또는 ｚ축에 대한 회전 움직임을 검출하기 위한 ＭＥＭＳ 자이로스코프{MEMS GYROSCOPE FOR DETECTING ROTATIONAL MOTIONS ABOUT AN X-, Y-, AND/OR Z-AXIS}
본 발명은 x, y 및/또는 z축에 대한 회전 움직임을 검출하기 위한 마이크로 전자기계시스템 또는 MEMS 자이로스코프, 특히 3차원 센서에 관한 것으로, 기판과 여러개의 액추에이터 구동 질량체를 가지고 있으며, 액추에이터 구동 질량체는 x, y 및/또는 z축을 중심으로 기판이 회전하는 동안 구동 질량체에 전향력이 발생하도록 진동 방식으로 흔들린다.
3차원 마이크로 전자 기계 MEMS 자이로스코프는 TW 286201 BB로부터 알려져 있다. 이 자이로스코프는 중앙 전기자(armature)에 배치되고 진동 회전 모션으로 움직임을 야기하는 질량체를 가지고 있다. 상기 질량체는 기판에 배치되며, 결과 전향력에 의해 토크가 x 또는 y축에 대해 적용될 때 y 또는 x축에 대해 기울어진다. 이는 기판에 이들 구동 질량체를 적합하게 지지시켜 가능하게 만들어진다. z축에 대해 작용하는 토크가 발생할 때, 회전되게 장착된 질량체에 이들 부분 지지체의 다른 적합한 지지의 결과로서, 부분 질량체는 평행 움직임과 함께 편향될 수 있다. 상기 경사 움직임과 평행 움직임은 센서에 의해 검출될 수 있고 기판의 회전 움직임에 대한 그들의 비례성 때문에 x, y 또는 z축에 대한 대응하는 회전의 측정으로서 사용될 수 있다. 그러나 각각의 변위는 측정되기 매우 어렵다.
3 축 모두에 대한 회전들을 측정할 수 있는 3차원의 마이크로자이로스코프를 만들기 위해 디.우드(D.Wood) 등은 1996년 기고 " 동시에 3 축 주위를 감지할 수 있는 모노사이클릭 실리콘 자이로스코프 (A Monolithic Silicone Gyroscope Capable of Sensing about Three Axes Simultaneously)"에서, 발생되는 전향력(Coriolis force)으로 인한 경사(tilting) 및 회전(rotating) 움직임을 감지할 수 있고, 중앙 앵커 주위에 고리 모양으로 배치된 진동하는 질량체를 갖는 자이로스코프를 생성할 것을 제안했다. 이것의 단점은 움직이는 질량체의 구동뿐만 아니라 이러한 센서의 생산이 어렵다는 것이다. 상기 센서의 개별 구성요소의 움직임은 상호간에 서로 영향을 주어 자이로스코프의 x, y 또는 z 방향에서의 움직임 측정이 충분히 정확하지 않다.
본 발명의 목적은 x, y 및/또는 z축에 대한 회전 움직임을 검출하기 위한 MEMS 자이로스코프, 특히 높은 검출 정확성을 갖는 3차원 센서로서의 MEMS 자이로스코프를 창출해내는 것이다.
상기 목적은 다음의 특징을 갖는 MEMS 자이로스코프에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 자이로스코프는
기판;
상기 기판에 배치되고 중심점에 대해 방사상으로 진동하는 적어도 두개의 구동 질량체;
상기 적어도 두개의 구동 질량체들 중 제1 구동 질량체에 부착된 제1 구동 소자, 여기서 상기 제1 구동 소자는 자이로스코프의 제1 축에 대한 상기 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
상기 적어도 두개의 구동 질량체들 중 제2 구동 질량체에 부착된 제2 구동 소자, 여기서 상기 제2 구동 소자는 자이로스코프의 제2 축에 대한 상기 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
상기 제1 및 제2 구동 질량체를 연결하고, 서로에 대해 동기화가 일어나도록 하여 제1 및 제2 구동 질량체들의 방사상의 진동 흔들림을 일으키는 동기화 스프링;
상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제1 구동 질량체의 변위를 검출하는 제1 센서 소자; 및
상기 제2 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제2 구동 질량체의 변위를 검출하는 제2 센서 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 구동 질량체의 변위는 상기 제1 축에 대한 제1 회전율과 관련된 정전용량의 제1 변화를 야기시킬 수 있다.
상기 제2 구동 질량체의 변위는 상기 제2 축에 대한 제2 회전율과 관련된 정전용량의 제2 변화를 야기시킬 수 있다.
상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 제1 경로를 따르고, 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 제2 경로를 따르며, 상기 제1 및 제2 경로들은 90°로 떨어져 있을 수 있다.
상기 제1 경로는 상기 자이로스코프의 x-축을 따르고, 상기 제2 경로는 자이로스코프의 y-축을 따를 수 있다.
상기 제1 구동 질량체 및 기판에 부착된 제1 지지체 스프링을 더 포함하고, 상기 제1 지지체 스프링은 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 할 수 있다.
상기 제2 구동 질량체 및 기판에 부착된 제2 지지체 스프링을 더 포함하고, 상기 제2 지지체 스프링은 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는
상기 제1 축에 대한 제1 회전율과 관련한 신호가 전달되는 제1 인터페이스; 및
상기 제2 축에 대한 제2 회전율과 관련한 신호가 전달되는 제2 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는
기판;
상기 기판에 배치되고, 자이로스코프의 제1 축을 따른 중심점에 대해 서로 동기화된 반대 방향으로 방사상으로 진동하는 제1 한쌍의 구동 질량체;
상기 제1 한쌍의 구동 질량체들 중 제1 구동 질량체에 부착된 제1 구동 소자, 상기 제1 구동 소자는 제1 축에 대한 상기 기판의 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체들에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
상기 제1 한쌍의 구동 질량체들 중 제2 구동 질량체에 부착된 제2 구동 소자, 상기 제2 구동 소자는 상기 제1 축에 대한 상기 기판의 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체들에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시키고, 상기 제1 및 제2 구동 소자들은 서로 동기화된 반대 방향으로 제1 및 제2 구동 질량체들이 흔들리도록 적용된다;
상기 제1 및 제2 구동 질량체들의 방사상의 진동 흔들림이 서로에 대해 동기화되어 일어나도록 제1 및 제2 구동 질량체를 연결하는 동기화 스프링;
상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제1 구동 질량체의 변위를 검출하는 제1 센서 소자; 및
상기 제2 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제2 구동 질량체의 변위를 검출하는 제2 센서 소자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는
상기 제1 센서 소자로부터 상기 제1 축에 대해 제1 감지된 회전율과 관련한 제1 신호가 전달되는 제1 인터페이스; 및
상기 제2 센서 소자로부터 상기 제1 축에 대해 제2 감지된 회전율과 관련한 제2 신호가 전달되는 제2 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 축에 대한 회전율과 관련된 미분값은 상기 제1 및 제2 신호로부터 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는 상기 기판에 부착된 중앙 앵커를 더 포함하고, 상기 중앙 앵커는 상기 제1 구동 질량체에 부착된 적어도 하나의 제1 스프링 및 상기 제2 구동 질량체에 부착된 적어도 하나의 제2 스프링을 갖는 중앙 앵커일 수 있다.
상기 제1 축은 자이로스코프의 x-축일 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는 상기 중앙 앵커에 대한 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 하는, 상기 제1 구동 질량체 및 기판에 부착된 제1 휨 스프링; 및
상기 중앙 앵커에 대한 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 하는, 상기 제2 구동 질량체 및 기판에 부착된 제2 휨 스프링을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는 상기 제1 신호는 상기 제1 센서 소자에 의해 검출되는 상기 제1 구동 질량체의 변위에 의해 야기되는 정전용량 변화에 의해 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는 상기 제1 구동 질량체 위에 위치하는 제3 센서 소자를 더 포함하고, 상기 제3 센서 소자는 상기 자이로스코프의 제2 축에 대한 상기 기판의 회전을 검출하는 복수개의 용량성 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 제2 축은 상기 자이로스코프의 z-축일 수 있다.
본 발명에 따른 자이로스코프는
기판;
상기 기판에 배치되고, 자이로스코프의 제1 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제1 구동 질량체;
상기 기판에 배치되고, 상기 제1 축에 대해 90°인 자이로스코프의 제2 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제2 구동 질량체;
상기 기판에 배치되고, 상기 제1 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제3 구동 질량체;
상기 기판에 배치되고, 상기 제2 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제4 구동 질량체;
제1 구동 질량체에 부착된 제1 구동 소자, 상기 제1 구동 소자는 상기 제1 축에 대한 상기 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
제2 구동 질량체에 부착된 제2 구동 소자, 상기 제2 구동 소자는 상기 제2 축에 대한 상기 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
상기 제3 및 제4 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림이 상기 제1 및 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림과 동기화하여 일어나도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 구동 질량체를 연결하는 동기화 스프링, 여기서 상기 제1 및 제3 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 서로 동기화된 반대 방향으로 일어나고, 상기 제2 및 제4 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 서로 동기화된 반대 방향으로 일어난다;
상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제1 구동 질량체의 변위를 검출하는 제1 센서 소자;
상기 제2 축에 대한 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제2 구동 질량체의 변위를 검출하는 제2 센서 소자;
상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제3 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제3 구동 질량체의 변위를 검출하는 제3 센서 소자; 및
상기 제2 축에 대한 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제4 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제4 구동 질량체의 변위를 검출하는 제4 센서 소자를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 자이로스코프의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 MEMS 자이로스코프의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 MEMS 자이로스코프의 평면도이다.
본 발명에 따르면, x, y 및/또는 z축에 대한 회전 움직임을 검출하기 위한 MEMS 자이로스코프는 기판, 그리고 복수 개, 적어도 두 개 또는 바람직하게 4개의 구동 질량체들을 포함하고, 상기 구동 질량체들은 중심점에 대해 방사상으로(radially) 움직일 수 있다. x, y 및/또는 z축에 대한 상기 기판의 회전이 발생할 때 상기 구동 질량체들에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 구동 소자들은 상기 구동 질량체를 1차 진동으로서 진동 흔들림 하게 한다. 진동하는 상기 구동 질량체들은 적어도 하나의 다른 진동하지 않는 센서 질량체에 연결되어 있고, 상기 진동하지 않는 센서 질량체는 진동하는 상기 구동 질량체들과 함께 x, y 및/또는 z축에 대해 상기 기판에서 회전될 수 있다. 발생된 상기 전향력의 결과로서 발생하는 상기 기판에 대한 상기 센서 질량체 및/또는 상기 구동 질량체들의 변위를 2차 흔들림으로서 검출하기 위해 센서소자가 MEMS 자이로스코프에 제공된다. 상기 센서 질량체는 적어도 두 개, 바람직하게 4개의 앵커링 장치들을 구비하고, 앵커링 장치들은 스프링들을 수단으로 상기 기판에 회전 부착하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 진동하는 구동 질량체들은 센서 질량체에 부착되고 상기 센서 질량체에 독립적으로 진동할 수 있다. 상기 센서 질량체 자체는 적어도 두 개의 앵커링 장치를 통해 상기 기판에 최종적으로 연결된다. 상기 앵커링 장치로의 연결은 스프링을 매개로 하는 것이 효과적이고, 스프링은 상기 기판에 대해 상기 센서 질량체가 상기 구동 질량체들과 함께 움직이도록 한다. 이들 움직임은 투영면(plane of projection)으로부터 나오는 z축에 대한 회전 운동으로서 그리고 투영면에 놓여 있는 x 및 y축들에 대한 경사 움직임으로서 일어난다. 이 결과로서, x축, y축, 및/또는 z축에 대한 상기 기판 또는 자이로스코프의 독립적인 회전 움직임이 상기 적절한 위치에 배치된 상기 센서 소자들에 의해 측정될 수 있다. 특히 4개의 앵커링 장치를 갖는 구성에서, 상기 앵커링 장치들을 수단으로 상기 센서 질량체가 기판에 배치되고, 기판 위 질량체들의 균형 잡힌 장착이 이루어진다. 상기 기판의 회전 운동 동안에 발생하는 전향력으로부터의 상기 질량체들의 변위는 모든 방향에서 일정하게 발생하므로, 모든 방향에서의 편향 움직임들이 유사한 형태를 갖는다. 만약 4개의 앵커링 포인트가 x축 및 y축에 배치되어 있어 상기 앵커링 포인트 중 두 개가 이들 축 중 각 하나에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 이는 x축에 대한 경사 움직임이 y축에 대한 경사 움직임과 유사한 형태를 갖기 때문이다.
상기 센서 질량체는 스프링으로 상기 앵커링 장치에 부착되고, 상기 스프링은 상기 설명한 x축 및 y축에 대한 경사 움직임 및 z축에 대한 회전이 이루어질 수 있게 한다. 하지만, x 또는 y 방향에서의 평행 움직임에 대한 상호작용에 있어서 상기 스프링은 완고하다(stiff). 이런 방식에서, 평행 움직임과 관련해서는 완고하지만 상기 센서 질량체의 회전 움직임과 관련해서는 쉽게 허여하는 안정된 시스템이 만들어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 센서 질량체는 테두리(framework) 형태로 상기 구동 질량체들을 둘러싼다. 이는 상기 구동 질량체들이 상기 질량체 센서에 잘 순응하게 하고 상기 센서의 문제 없는 작동을 보장한다. 상기 테두리는 상기 구동 질량체들이 부드럽게 작동되고 지지되도록 하여 결과로 초래된 전향력 및 대응하는 경사 움직임이 구동 질량체들로부터 상기 센서 질량체로 부드럽게 통과될 수 있다.
만약 상기 구동 질량체들이 상기 센서의 중심에 대해 쌍을 이뤄 점대칭적으로 배치되면, 구동 흔들림이 쉽게 균형을 이루어, 휴식 위치에 있을 때 상기 센서가 본질적으로 정적인 센서 질량체를 갖는다. 따라서 센서 질량체는 움직이는 구동 질량체에 의해 역으로 영향을 받지 않거나 심지어 발생하는 전향력이 발생하지 않는 경우 흔들리게 된다.
x축 또는 y축에 대한 질량체들의 변위를 검출하기 위한 센서 소자가 수평 플레이트 커패시턴스 또는 상기 센서 질량체 내 수직 커패시턴스로서 상기 센서 질량체 아래 및/또는 구동 질량체 아래에 바람직하게 배치된다. 언급된 각 배치를 위해, 2차 흔들림에서의 x축 또는 y축에 대한 질량체의 변위가 정전용량(capacitance) 또는 전기적 전압(electrical voltage)에서의 변화로서 검출될 수 있다. 대응하는 진폭(amplitude)은 회전율 센서에서 작동하는 회전율의 측정으로서 작용한다.
z축에 대한 질량체의 변위를 검출하기 위해 수직 커패시턴스(vertical capacitance) 또는 빗살 전극(comb electrodes)으로서 센서소자가 상기 센서 질량체의 내부 또는 외부에 바람직하게 배치된다. z축에 대한 회전율은 상기 전기적 진폭에서의 변화로부터 얻어낼 수 있다.
센서 질량체들은 휨(flexural) 스프링들을 사용하여 상기 기판에 바람직하게 고정된다. 상기 탄력적인 스프링들은 상기 센서 질량체가 대응하는 앵커링 장치에 의해 기판에 안정적 방식으로 배치되게 한다. 센서 질량체와 구동 질량체들이 전향력에 의한 흔들림으로 편향된다면 원칙적으로 센서 질량체와 구동 질량체들이 기판과 접촉을 갖지 않는 방식으로 각 휨 스프링은 함께 작동하려고 한다.
상기 휨 스프링들은 x, y 및 z축에 대한 상기 센서 질량체의 회전을 허용하도록 바람직하게 설계된다. 이는 x, y, 및/또는 z축에 대한 센서 질량체의 진동 회전에서 발생하는 전향력으로부터 초래되는 2차 움직임으로서의 기판의 회전 움직임들을 가능하게 한다.
휨 스프링들은 x, y 및/또는 z 방향에서 센서 질량체의 변위를 막도록 바람직하게 만들어진다. 휨 스프링들은 기판 위 직선방향(linear direction)에서의 센서 질량체의 변위를 막기 위해, 기판 위 센서 질량체의 평행 변위와 관련한 휨 스프링들 상호작용에 있어서 고정되게 구성된다.
특히, 센서 질량체의 바람직하고 민감한 변위를 위해, 앵커링 장치들이 센서의 중심 영역에 배치되는 대비가 만들어진다. 이는 상기 휨 스프링들이 적절한 길이를 갖게 구성되고, 원하는 방향에서 낮은 스프링 상수를 갖고, 따라서 비교적 유연하도록 한다. 따라서 적절한 힘이 작용했을 때 구부러짐이 쉽게 가능하다. 따라서 스프링들로부터 지지된 상기 센서 질량체는 작은 전향력에도 쉽게 그리고 반복적으로 기울어진다.
앵커링 장치는 구동 질량체들 사이에 바람직하게 배치된다. 이는 고정 지점(anchorage points)과 이동 질량체의 고른 분배를 가져온다. 따라서 센서 질량체의 변위는 모든 방향에서 일정하고 규칙적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 구동 질량체들은 구동 방향에서 탄성을 나타내는 휨 스프링에 의해 센서 질량체에 부착된다. 따라서 구동 질량체들은 센서 질량체에 적절한 영향을 행사함 없이 구동 방향에서 진동 방식으로 구동될 수 있다. 따라서 비록 질량체들이 휨 스프링에 의해 서로 연결되어 있다 하더라도 구동 질량체의 구동 움직임은 센서 질량체의 직접적인 움직임을 야기하지 않는다. 그러나 휨 스프링은 구동 방향으로부터 벗어난 방향들에서 센서 질량체와 비교적 고정적으로 연결되어 구동 질량체에 작용하는 전향력이 구동 질량체와 함께 센서 질량체의 경사 또는 회전 운동에 기여할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 구동 질량체들은 동기화 스프링들에 의해 서로 연결된다. 이는 구동 질량체의 움직임이 서로에 대해 동기화가 일어나도록 하여 구동 질량체들의 동일하지 않은 움직임으로부터 초래되는 반작용 힘이 센서 질량체에 작용하지 않게 하는 것을 가능하게 한다. 이는 전향력에 의하지 않은 센서 질량체의 변위를 초래한다. 이로부터 바람직하지 않은 측정 오류가 발생한다. 그러나 동기화 스프링이 개별 구동 질량체에 함께 연결되어, 발생된 힘에 대해 개별 구동 질량체들의 구동 움직임이 서로 동등하고 균형된다.
동기화 스프링들이 상기 중심에 매우 가까이 배치되어 있는 것이 특히 바람직하다. 특히, 동기화 스프링들이 센서 질량체의 앵커링 장치보다 상기 중심에 더 가깝다면, 이는 동기화 스프링들과 센서 질량체의 휨 스프링들이 서로 방해하지 않게 할 것이다. 게다가, 동기화 스프링들과 같은 방식으로, 휨 스프링들이 충분히 길어서 관계된 방향에서 충분히 탄력적이고, 동기화뿐만 아니라 센서 질량체의 가동성(mobility) 및 구동 질량체의 가동성이 보장된다.
만약 구동 질량체들의 구동 방향들이 서로에 대해 기울어져 있다면, 4개의 구동 질량체로 바람직하게 90° 또는 3개의 구동 질량체로 바람직하게 120°로 기울어져 있다면, 이는 구동 질량체들이 전향력에 의하지 않은 어떠한 힘을 센서 질량체에 작용하지 않고 균등하게 작동될 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 구동 질량체들의 구동 방향들이 x/y축들에 대해 45° 각도로 배치됨으로써 특히 안정한 시스템이 된다. 이 시스템은 전향력에 대해 매우 민감하게 반응하고, 심지어 적절한 축에 대한 낮은 회전율에도 전향력을 나타낼 수 있다.
구동 질량체들의 구동 소자들은 바람직하게 전극들, 특히 포크(fork) 또는 빗살(comb) 전극들이다. 전극들의 일부는 기판에 부착되고 나머지는 구동 소자들에 배치된다. 교류 전압의 적용에 의해 상기 전극들이 당기고 밀어 구동 질량체들의 진동 움직임을 생기게 한다.
본 발명의 다른 장점들은 뒤이은 실시예에서 설명된다.
도 1은 3차원 MEMS 자이로스코프의 평면도를 보여준다. 특히, 자이로스코프(1)의 움직이는 부분, 즉 4개의 구동 질량체(2) 및 센서 질량체(3)를 보여준다. 상기 센서 질량체(3)는 테두리(frame work) 방식으로 상기 4개의 구동 질량체들(2)을 둘러싸고 있다. 상기 구동 질량체들(2)은 상기 센서 질량체(3) 내부에 위치한다.
상기 센서 질량체(3)는 휨(flexural) 스프링들(4) 및 앵커링 장치들(5)을 통해 기판(도시되지 않음) 위에 배치된다. 상기 휨 스프링들(4)은 그 길이 방향을 가로지르는 방향에서 쉽게 휘어진다. 그러나 그 길이 방향에서는 쉽게 휘어지지 않는다. 이는 센서 질량체(3)가 평면에서 튀어나온 z축 뿐만 아니라 평면상에 놓인 x축 및 y축을 중심으로 회전하게 한다. 상기 진동 회전 움직임들(movements)은 대응하는 화살표로 표시되어 있다.
상기 구동 질량체들(2)은 센서 질량체(3)에 의해 테둘러지도록 배치된다. 상기 구동 질량체들(2)은 휨 스프링들(6)에 의해 센서 질량체(3)에 부착된다. 상기 구동 질량체 각각은 4개의 휨 스프링(6)을 갖는다. 상기 구동 질량체들(2)은 구동 소자들(7)에 의해 이중 화살표(double arrow) 방향에서 진동 운동(motion)으로 구동된다. 상기 구동 소자들(7)은 예를 들어 빗살 전극들(comb electrodes)로 구성되고, 그 일부가 상기 기판에 부착되어 있고 다른 일부는 구동소자들(2)에 부착되어 있어 교류전압이 적용될 때 구동 소자들(2)을 진동 흔들림되게 한다.
상기 휨 스프링들(6)은 구동 질량체들(2)의 구동 방향에서 유연하게 휘어지지만 다른 모든 방향에서 휘어지지 않게 설계된다. 이는 구동소자(2)가 구동 방향에서 매우 자유롭게 진동하지만 다른 방향에서 구동소자(2)가 센서 질량체(3)의 움직임에 연결되도록 한다. 따라서 상기 구동 질량체(2)와 함께 상기 센서 질량체(3)는, x, y 및/또는 z축 중 하나 또는 다수에 대한 상기 기판의 회전 움직임 동안에 발생하는 전향력에 의해 대응하는 방향에서 2차 움직임으로서 회전된다.
상기 4개의 구동 질량체(2)는 둘씩 짝을 이뤄 서로 반대 방향으로 진동하고 z축과 관련하여 점 대칭적으로(point symmetrically) 배치되도록 센서 질량체(3) 내에 배치되어 있다. 이러한 방식에서, 구동 질량체들(2)의 움직임으로부터 발생될 수 있는 힘과 토크는 서로 상쇄되고, 구동 질량체들 단독의 구동 운동 때문에 상기 센서 질량체(3)의 운동이 설정되지는 않는다.
이러한 균형을 획득하기 위해, 그리고 상기 센서 질량체(3)가 정지되도록 하기 위해, 상기 구동 질량체들(2)은 동기화 스프링(8)에 의해 함께 연결된다. 상기 동기화 스프링들(8)은 앵커링 장치(5)와 상기 자이로스코프(1)의 중심 사이 z축에 배치된다. 이는 동기화 스프링이 휨 스프링들(4)과 앵커링 장치(5)의 움직임을 방해하지 않게 한다. 상기 동기화 스프링들(8)은 U-형으로 형성되어 있다. 상기 동기화 스프링들(8)에 의해 함께 연결된 두 구동 질량체(2)의 주기적인 움직임은 서로를 향하거나 서로로부터 멀어져 두 구동 질량체(2) 사이의 거리 변화를 만들어낸다. 상기 동기화 스프링(8)은 이 과정에서 그 모양 때문에 적절히 벌어진다. 상기 동기화 스프링들(8)은 상기 구동 질량체들(2)에 힘을 가하고 그 결과로 속도의 차이가 보상되고 따라서 상기 4개의 구동 질량체의 구동 움직임이 동시에 발생한다.
플레이트 커패시턴스(plate capacitances)(9)가 상기 센서 질량체(3) 아래 x 및 y축 영역에 배치된다. 상기 센서 질량체(3)가 x 또는 y축에 대해 회전하자마자 이들 플레이트 커패시턴스(9)에 의해 전기 신호가 발생된다. 이 신호는 x 또는 y축에 대한 상기 기판의 회전 결과 발생하는 전향력에 비례한다. z축에 대한 상기 센서 질량체(3)의 회전 움직임을 검출하기 위해, 예를 들어 빗살 전극이 특히 상기 센서 질량체(3)의 표면(periphery) 또는 외부 영역에 제공되고, 빗살 전극은 전기적 신호의 형태로 z축에 대한 센서 질량체(3)의 회전 움직임을 검출하고 기판의 대응하는 회전과 관련하여 결과가 그려지게 한다.
휨 스프링들(4)로 기판의 앵커링 장치(5)에 상기 센서 질량체(3)를 부착함에 의해, 그리고 휨 스프링(6)으로 상기 구동 질량체(2)를 상기 센서 질량체(3)에 부착함에 의해, 구동 질량체(2)의 1차 움직임이 구동 질량체들(2) 및 센서 질량체(3)로의 연결의 결과로서 발생하는 2차 움직임으로부터 최대한 연결되지 않도록 시스템이 만들어진다. 상기 센서 질량체(3) 및 구동 질량체(2)가 부착되어 있는 자이로스코프(1) 또는 기판의 회전에 대한 응답으로서 상기 구동 질량체들(2) 및 센서 질량체(3)의 회전 움직임은 구동 질량체들(2)의 구동 움직임에 의해 방해받지 않고 검출될 수 있다.
구동 질량체(2) 및 센서 질량체(3)를 통해 연결된 2차 움직임이 발생된 후에 본 예시와 다른 또 다른 예가 있을 수 있고, 따라서 상기 센서 소자들(이 경우 플레이트 커패시턴스(9))은 상기 센서 질량체(3) 아래뿐만 아니라 상기 구동 질량체(2) 아래에 배치된다. 이는 z축에 대한 회전을 검출하는 센서 소자들에도 또한 명확하게 적용된다. 다시 한번, 상기 움직임은 구동 질량체들(2) 및 센서 질량체(3)에 의해 연결되어 수행되어 이러한 움직임이 구동 질량체들 및/또는 센서 질량체 영역에서 또한 발생할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 MEMS 자이로스코프의 다른 실시예를 보여준다. 유사한 구성요소는 도 1에 사용된 동일한 참조번호를 사용하여 표시된다. 도 1에서와 같이, MEMS 자이로스코프(1)는 4개의 구동 질량체(2)를 가지며, 상기 구동 질량체(2)는 4개의 휨 스프링(6)에 의해 센서 질량체(3)에 각각 연결된다. 상기 센서 질량체(3)는 테두리(frame) 방식으로 상기 4개의 구동 질량체(2)를 둘러싸고 있다. 상기 구동 질량체들(2)은 z축 영역에서 자이로스코프(1)의 중심을 통과해 연장되고 상기 중심을 향하거나 중심으로부터 멀어지는 방향에서 x 및 y축에 대해 45° 각도로 움직인다. 마주보는 구동 질량체들(2)은 반대 방향 진동 운동으로 움직여 상기 센서 질량체(3)에서 흔들림이 발생하는 것을 막는다.
상기 센서 질량체(3)는 4개의 앵커링 장치(5) 모두에 각각 1개의 휨 스프링(4)을 사용하여 고정되어 x, y 및 z 축에 대해 회전되고 기울어질 수 있다. 동기화 스프링들(8)은 앵커링 장치들(5)과 상기 자이로스코프의 중심 사이에서 연장되어, 상기 구동 질량체들(2)이 서로에 대해 동시에 진동하도록 한다. 상기 휨 스프링들(6)로 상기 구동 질량체들(2)은 센서 질량체(3)에 연결되고, 상기 휨 스프링들은 구동 방향에서 상기 구동 질량체들(2)의 진동 움직임을 허락하지만 모든 다른 방향에서는 고정되어, 발생하는 전향력이 상기 구동 질량체들로부터 상기 센서 질량체(3)로 전달될 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 MEMS 자이로스코프(1)의 또 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 센서 질량체(3)로의 구동 질량체들(2)의 연결, 그리고 휨 스프링들(4) 및 앵커링 장치들(5)을 통한 기판으로의 상기 센서 질량체(3)의 연결은 도 1 및 도 2의 실시예에서와 유사한 방식으로 만들어진다. 본 실시예에서 동기화 스프링들(8)은 화살(arrow) 모양으로 형성되어 있지만 또한 자이로스코프(1) 중심을 향해 있다. 이번 실시예에서, x, y, 또는 z축에 대한 상기 센서 질량체(3) 및 구동 질량체들(2)의 회전 운동 검출은 상기 센서 질량체(3) 내에 배치되어 있는 센서 소자들(10)에 의해 이루어진다. 이들 센서 소자들(10)은, 예를 들어 수직 커패시턴스(vertical capacitance)이고, 상기 수직 커패시턴스는 z축에 대한 상기 센서 질량체의 회전 움직임이 일어날 때 가변 전기 신호를 발생시킨다. 적합한 구성으로, 상기 센서 질량체(3)의 x 또는 y 축에 대한 회전이 이들 센서 소자들(10) 또는 유사한 센서 소자들로 검출될 수 있고, 또는 도 1 버전에서 설명된 바와 같이 플레이트 커패시턴스로도 검출될 수 있다.
본 발명은 설명된 실시예에 한정되지 않는다. 특히, 구동 질량체들의 수는 여기서 보여진 개수와 달라질 수 있다. 게다가 센서 질량체(3)의 회전 움직임을 검출하는 방식은 여기서 설명된 것과 달라질 수 있다. 더욱이 구동 질량체들 및 센서 질량체의 설계는 각을 이룰 필요가 없으며 본 발명의 다른 실시예에서 둥글거나 원형이 될 수 있다. 앞서 말한 것에 덧붙여, 본 발명은 청구항에 따라 만들어지는 모든 실시예와 관련된다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판에 배치되고 중심점에 대해 방사상으로 진동하는 적어도 두개의 구동 질량체;
    상기 적어도 두개의 구동 질량체들 중 제1 구동 질량체에 부착된 제1 구동 소자, 여기서 상기 제1 구동 소자는 자이로스코프의 제1 축에 대한 상기 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
    상기 적어도 두개의 구동 질량체들 중 제2 구동 질량체에 부착된 제2 구동 소자, 여기서 상기 제2 구동 소자는 자이로스코프의 제2 축에 대한 상기 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
    상기 제1 및 제2 구동 질량체를 연결하고, 서로에 대해 동기화가 일어나도록 하여 제1 및 제2 구동 질량체들의 방사상의 진동 흔들림을 일으키는 동기화 스프링;
    상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제1 구동 질량체의 변위를 검출하는 제1 센서 소자; 및
    상기 제2 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제2 구동 질량체의 변위를 검출하는 제2 센서 소자를 포함하는 자이로스코프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 구동 질량체의 변위는 상기 제1 축에 대한 제1 회전율과 관련된 정전용량의 제1 변화를 야기시키는 자이로스코프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 구동 질량체의 변위는 상기 제2 축에 대한 제2 회전율과 관련된 정전용량의 제2 변화를 야기시키는 자이로스코프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 제1 경로를 따르고, 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 제2 경로를 따르며, 상기 제1 및 제2 경로들은 90°로 떨어져 있는 자이로스코프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 경로는 상기 자이로스코프의 x-축을 따르고, 상기 제2 경로는 자이로스코프의 y-축을 따르는 자이로스코프.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 구동 질량체 및 기판에 부착된 제1 지지체 스프링을 더 포함하고, 상기 제1 지지체 스프링은 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 하는 자이로스코프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 구동 질량체 및 기판에 부착된 제2 지지체 스프링을 더 포함하고, 상기 제2 지지체 스프링은 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 하는 자이로스코프.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 축에 대한 제1 회전율과 관련한 신호가 전달되는 제1 인터페이스; 및
    상기 제2 축에 대한 제2 회전율과 관련한 신호가 전달되는 제2 인터페이스를 더 포함하는 자이로스코프.
  9. 기판;
    상기 기판에 배치되고, 자이로스코프의 제1 축을 따른 중심점에 대해 서로 동기화된 반대 방향으로 방사상으로 진동하는 제1 한쌍의 구동 질량체;
    상기 제1 한쌍의 구동 질량체들 중 제1 구동 질량체에 부착된 제1 구동 소자, 상기 제1 구동 소자는 제1 축에 대한 상기 기판의 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체들에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
    상기 제1 한쌍의 구동 질량체들 중 제2 구동 질량체에 부착된 제2 구동 소자, 상기 제2 구동 소자는 상기 제1 축에 대한 상기 기판의 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체들에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시키고, 상기 제1 및 제2 구동 소자들은 서로 동기화된 반대 방향으로 제1 및 제2 구동 질량체들이 흔들리도록 적용된다;
    상기 제1 및 제2 구동 질량체들의 방사상의 진동 흔들림이 서로에 대해 동기화되어 일어나도록 제1 및 제2 구동 질량체를 연결하는 동기화 스프링;
    상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제1 구동 질량체의 변위를 검출하는 제1 센서 소자; 및
    상기 제2 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제2 구동 질량체의 변위를 검출하는 제2 센서 소자를 포함하는 자이로스코프.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 센서 소자로부터 상기 제1 축에 대해 제1 감지된 회전율과 관련한 제1 신호가 전달되는 제1 인터페이스; 및
    상기 제2 센서 소자로부터 상기 제1 축에 대해 제2 감지된 회전율과 관련한 제2 신호가 전달되는 제2 인터페이스를 더 포함하는 자이로스코프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 축에 대한 회전율과 관련된 미분값은 상기 제1 및 제2 신호로부터 얻어지는 자이로스코프.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판에 부착된 중앙 앵커를 더 포함하고, 상기 중앙 앵커는 상기 제1 구동 질량체에 부착된 적어도 하나의 제1 스프링 및 상기 제2 구동 질량체에 부착된 적어도 하나의 제2 스프링을 갖는 중앙 앵커인 자이로스코프.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 축은 자이로스코프의 x-축인 자이로스코프.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 중앙 앵커에 대한 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 하는, 상기 제1 구동 질량체 및 기판에 부착된 제1 휨 스프링; 및
    상기 중앙 앵커에 대한 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 가능하게 하는, 상기 제2 구동 질량체 및 기판에 부착된 제2 휨 스프링을 더 포함하는 자이로스코프.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 신호는 상기 제1 센서 소자에 의해 검출되는 상기 제1 구동 질량체의 변위에 의해 야기되는 정전용량 변화에 의해 발생하는 자이로스코프.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 구동 질량체 위에 위치하는 제3 센서 소자를 더 포함하고, 상기 제3 센서 소자는 상기 자이로스코프의 제2 축에 대한 상기 기판의 회전을 검출하는 복수개의 용량성 플레이트를 포함하는 자이로스코프.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 축은 상기 자이로스코프의 z-축인 자이로스코프.
  18. 기판;
    상기 기판에 배치되고, 자이로스코프의 제1 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제1 구동 질량체;
    상기 기판에 배치되고, 상기 제1 축에 대해 90°인 자이로스코프의 제2 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제2 구동 질량체;
    상기 기판에 배치되고, 상기 제1 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제3 구동 질량체;
    상기 기판에 배치되고, 상기 제2 축을 따른 중앙 앵커에 대해 방사상으로 진동하는 제4 구동 질량체;
    제1 구동 질량체에 부착된 제1 구동 소자, 상기 제1 구동 소자는 상기 제1 축에 대한 상기 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제1 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
    제2 구동 질량체에 부착된 제2 구동 소자, 상기 제2 구동 소자는 상기 제2 축에 대한 상기 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체에 작용하는 전향력을 발생시키기 위해 상기 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림을 야기시킨다;
    상기 제3 및 제4 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림이 상기 제1 및 제2 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림과 동기화하여 일어나도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 구동 질량체를 연결하는 동기화 스프링, 여기서 상기 제1 및 제3 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 서로 동기화된 반대 방향으로 일어나고, 상기 제2 및 제4 구동 질량체의 방사상의 진동 흔들림은 서로 동기화된 반대 방향으로 일어난다;
    상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제1 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제1 구동 질량체의 변위를 검출하는 제1 센서 소자;
    상기 제2 축에 대한 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제2 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제2 구동 질량체의 변위를 검출하는 제2 센서 소자;
    상기 제1 축에 대한 기판의 제1 회전이 발생할 때 상기 제3 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제3 구동 질량체의 변위를 검출하는 제3 센서 소자; 및
    상기 제2 축에 대한 기판의 제2 회전이 발생할 때 상기 제4 구동 질량체에 작용하는 전향력에 대한 응답으로 제4 구동 질량체의 변위를 검출하는 제4 센서 소자를 포함하는 자이로스코프.













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