KR20150110492A - 마이크로미케니컬 z축 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 프루프 매스(2.1, 2.2)를 가지는 두개의 진동장치((2.1. 2.2, 7.1, 7.2)로 되는 z-축 운동 각을 측정하기 위한 마이크로미케니칼 센서장치에 관한 것이다. 서스펜션장치(3.1, 4.1, 4.2, 5.1, 6.1, ..., 6.4)는 두 개의 진동장치(2.1, 2.2, 7.1, 7.2)를 기판(1) 상에서 움직이는 지지 장소에서 있게 하여 기판 평면에 대하여 작동방향(x-축)과 센스-모드 방향(y-축)이 평행하게 한다. 열결지지구조(4.1, 4.2)는 연결장치(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.4)를 앵커(3.1, 3.2)에 연결시키며, 연결장치(5.1, 5.2)를 회전 진자 운동 시키고, 상기 회전 진자 운동은 회전축을 가지며 회전축으 기판에 수직이다. 각 진동장치(2.1, 2.2, 7.1, 7.2)들은 하나 이상의 셔틀 매스(7.1, 7.2)로 되고 이들은 하나 이상의 프루프 매스(2.1, 2.2)에 센스-모드 스프링(8.1, ……, 8.4)으로 연결되고, 이들은 드라이브 모드 방향(x)으로 보다 센스-모드 방향으로 더욱 유연하여, 각 진동구(2.1, 2.2, 7.1, 7.2)의 진동을 용이하게 한다. 각 프루프 매스(2.1, 2.2)의 센싱 전극 구조(10.1, 10.2)는 기판에 평행하게 작용하는 센스-모드 작용을 검출하게 설치되며, 연결지지구조(4.1, 4.2)는 연결장치(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.4)가 드라이브-모드 방향(x)을 따라 횡방향으로 움직일 수 있도록 구성된다

Description

마이크로미케니컬 Z축 자이로스코프{Micromechanical z-axis gyroscope}

본 발명은 Z-축 운동각을 측정하기 위한 마이크로미케니칼 센서 장치에 관한 것으로 ,

a) 기판 평면을 한정하는 기판과,

b) 각 개가 하나 이상의 프루프매스를 가지는 두 개 이상의 진동 장치와,

c) 상기 기판 위에서 작동방향(x-축)과 센스-모드 방향(y-축)으로 운동을 하되, 상기 작동 방향과 센스-모드 방향은 상기 기판에 평행하는 두 개의 진동장치를 지지하는 서스펜션장치와

d) 상기 두 개의 진동장치를 연결하는 하나 이상의 연결 장치와,

e) 상기 연결구를 하나 이상의 앵커에 연결하여 연결구의 회전스윙운동(rotational swinging movement)을 가능하게 하되, 상기 회전스윙운동은 하나의 회전축을 가지며 회전축은 상기 기판에 직각인, 하나 이상의 연결 지지 구조(coupling support structure)로 되는 것에 있어서,

f) 센스-모드 스프링에 의하여 하나 이상의 proof mass (프루프매스) 에 연결된 하나 이상의 셔틀 매스를 가지되, 상기 센스-모드 스프링(sense-mode springs)들은 센스-모드 방향에 있어서 드라이브-모드 방향(x) 보다 유연하여, 각 진동장치의 진동 작용이 활발하게 작동하게 하며,

g) 각 셔틀매스(shuttle mass)를 기판면에 평행하게 드라이브-모드로 작동하게 하는 하나 이상의 드라이브 전극 구조(drive electrode structure)와,

h) 각 프루프매스가 센스-모드 작동을 검출하게 하는 하나 이상의 센싱 전극 장치 (sensing electrode structure)로 구성된다.

Z-축의 회전을 검출하는 마이크로메카니칼 센서 장치는 흔히 알려져 있으며, 내비게이션이나 차량의 스키드 콘트롤 등에서 보는 바와 같이 상업적으로 또는 군사적으로 많이 응용되어 왔다.

진동률 자이로스코프의 기본 원리가 미국 특허 제6,230,563호에 배경기술로 기재된 바 있다. 미국 특허 제6,230,563호는 기판에 설치된 지지장치에 탑재된 대개의 프루프매스 (proof masses) 를 가지는 회전률센서 (rotation rate sensor) 를 개시하고 있다. 상기 지지장치는 두 개의 주 컴플라이언스(compliance) 모드를 가지며, 그 중 하나는 오실레이션이다.

기판에 직각이 되는 축을 따라 회전하는 기판의 회전에 결합된 진동은 다른 센스-모드인 컴플라이언스 모드를 따라 콜리올리 효과의 증폭의 결과를 낳는다. 센스-모드는 변형되는 증폭에 대한 반응을 억제하는 동안 코리올리 효과의 증폭에 대해 반응하도록 설계된다. 이는 두개의 프루프매스에 연결된 하나 이상의 고체 레버를 사용함으로서 수행될 수 있다. 레버는 프루프매스가 코리올리 효과에 대응하여 반대 방향으로 움직이게 한다. 미국특허 제 6,230,563호가 제안한 장치는 센서의 공급에 있어서의 불충분으로 인한 쿼드러쳐 에러라고 불리우는 에러를 해소하는 장치를 포함한다. 쿼드러쳐 에러 해소는 드라이브-모드 포지션의 상에 있어서의 원하지 않는 센스-축을 없애는 정전기력을 이용한다.

미국 특허출원 제 US 2010/0139399 (Northrop Grumman LITEF) 와 미국특허출원 제2010/0116050호 (LITEF)는 기획 판체(x-y) 상의 기판에 연관되어 이동하는 두 개의 구조체로 되는 회전률 센서를 개시한다. 상기의 두 개의 움직이는 구조체는, 프리 플로팅 빔(free floating beam; 막대)으로 결합하여 결합체를 형성시키어, 결합체가 여기 상태로서, 기획 판체(x-y) 상의 첫번째 방향(x)으로 구조체를 이동시키는 반-상 반사를 가지는, 첫번째 오실레이션 모드를 가진다. 결합된 구조체는 검출 모드로서 제2의 오실레이션 모드를 가지는데, 이는 첫번째 오실레이션 모드가 여기될 때 코리올리 효과에 의해 여기되며, 로테이션 레이트 센서의 축(z)에 따라 회전한다. 상기 구조체는 중심부에 앵커를 가져, 여기에 두 개의 움직이는 구조체(두 개의 진동장치)가 연결되어 Z-축을 중심으로 회전하게 한다. 그 주변으로, 진동하는 상기 구조체를 안전시키기 위한 앵커가 설치된다.

미국 특허 제2010/313657호 (University of California)는 두 개 또는 네 개의 분리된 진동 가지를 가지는 진동률 z-축 자이로스코프를 개시한다. 레버로 연결된 드라이브-모드 장치가 가지들 사이에 설치되어, 설정된 드라이브 주파수에서 가지들의 반-상 드라이브-모드 운동을 구조적으로 강제하게 한다. 레버로 연결된 상기 드라이브-모드 장치는 또한 설정된 드라이브 주파수보다 낮은 가지들의 반-상 드라이브-모드 운동의 의사 주파수 모드를 제거하려 한다. 그리고 가지들의 드라이브-모드 및 센스-모드의 일치를 제공하려 한다. 센스-모드 장치가 가지들 사이에 열지어 설치되어, 가지들이 반-상 센스-모드 작동을 다이내믹하게 균형을 유지하게 하여 기판의 에너지 낭비를 최소화하며 센스-모드의 질 요소와 반응률을 향상시킨다.

미국특허 제 6,718,825 B1호 (Honeywell), 동 제 6,837,108호 (Honeywell) 및 동 제7,036,373호 (Honeywell)는 진동 z-축 자이로스코프를 개시하는 데, 이는 두 개의 프루프매스를 가지며, 이는 하나의 가로 막대(또는 레버)로 결합되고, 이는 굴곡체에 의해 지지되어 있으며, x-축 이동과 Z 축 회전을 하게 한다. 그러나, 상기 지지는 가로 막대의 y-축 이동을 허용하지 아니한다. 입력 축은 기판에 평행하다. 미국 특허 제6,837,108B1의 도1에서 z축은 입력축으로, 기판의 평명에 대하여 평행하게 설치되어 있다. 그러나 y축은 기판 평면에 수직으로 설치되어 있다(즉, 도면의 평면에 대하여 직각임). 상기 뭉치들은 기판면에 대한 직각운동에 의해 작용한다(즉, 기판 평면에 대하여 수직인 운동에 대하여).

상기 선행기술에 있어서의 반-상 프루프매스 구조체는 비교적 복잡하다. 예를 들면, 미국 특허 제2010/313657호에서 보는 바와 같이, 수 많은 수의 뭉치들과 뭉치들을 연결하는 수 많은 연결구가 필요하며, 많은 진동 모드를 가져야 하는 결점이 있다. 모든 장치를 모드들의 상호 연결이 최소의 출력 모드로 되도록 하는 일은 극히 곤란하다.

미국특허 제 6,230,563호 미국특허출원 제2010/0116050호 미국 특허 제2010/313657호 미국특허 제 6,718,825 B1호

본 발명의 목적은 소형면서도 변화 또는 방해 모드들에 대하여 제어가 용이한 z축 각운동을 측정하기 위한 마이크로미케니컬 센스 장치를 제공하는 것이다.

이에, 본 발명은 하나 이상의 프루프 매스(2.1, 2.2)를 가지는 두개의 진동장치((2.1. 2.2, 7.1, 7.2)로 되는 z-축 운동 각을 측정하기 위한 마이크로미케니칼 센서장치에 있어서, 서스펜션장치(3.1, 4.1, 4.2, 5.1, 6.1, ..., 6.4)는 두 개의 진동장치(2.1, 2.2, 7.1, 7.2)를 기판(1) 상에서 움직이는 지지 장소에서 있게 하여 기판 평면에 대하여 작동방향(x-축)과 센스-모드 방향(y-축)이 평행하게 한다. 열결지지구조(4.1, 4.2)는 연결장치(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.4)를 앵커(3.1, 3.2)에 연결시키며, 연결장치(5.1, 5.2)를 회전 진자 운동 시키고, 상기 회전 진자 운동은 회전축을 가지며 회전축으 기판에 수직이다. 각 진동장치(2.1, 2.2, 7.1, 7.2)들은 하나 이상의 셔틀 매스(7.1, 7.2)로 되고 이들은 하나 이상의 프루프 매스(2.1, 2.2)에 센스-모드 스프링(8.1, ……, 8.4)으로 연결되고, 이들은 드라이브 모드 방향(x)으로 보다 센스-모드 방향으로 더욱 유연하여, 각 진동구(2.1, 2.2, 7.1, 7.2)의 진동을 용이하게 한다. 각 프루프 매스(2.1, 2.2)의 센싱 전극 구조(10.1, 10.2)는 기판에 평행하게 작용하는 센스-모드 작용을 검출하게 설치되며, 연결지지구조(4.1, 4.2)는 연결장치(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.4)가 드라이브-모드 방향(x)을 따라 횡방향으로 움직일 수 있도록 구성되게 함으로써 상기의 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은 소형면서도 변화 또는 방해 모드들에 대하여 제어가 용이한 z축 각운동을 측정하기 위한 마이크로미케니컬 센스 장치를 제공한다.

본 발명을 설명하기 위한 도면은 아래와 같다:
도1은 z축회전 감지를 위한 본 발명의 개략적인 평면도이다.
도2는 본 발명의 자이로스코프의 기본모델의 개략도이다.
도3은 본 장치의 전기제어회로의 개략도이다.
도4는 바람직한 연결지지구조의 보다 자세한 설명도이다.
도5a-c는 연결막대의 작동시 움직임을 설명한 설명도이다.
도6a-d는 연결 지지구조의 다른 실시에의 예시도이다.
도7a-c는 연결구조와 연결지지구조의 다양한 배치를 설명한 설명도이다.
도8a, b는 공간을 절약하는 배치의 디자인을 설명하는 설명도이다
도9a, b는 드라이브 엘렉트로닉스의 바람직한 실시예이다
도10은 닫힌 루프오퍼레이션 센스(for sense closed loop operation)를 위한 구성을 설명한 설명도이다.
도11a, b는 정전기 감지수단의 (닫힌 루프 오퍼레이션에서의) 전기회로의 설명도이다.
도12는 열린 루프 오퍼레이션에서의 센스 정전기수단(sense electrostatic means)의 다른 실시예의 설명도이다.
도13a, b는 샌스 정전기수단을 위한 (열린 루프 오퍼레이션에서의) 전기회로의 설명도이다.
도14는 신호처리단계들을 설명하는 설명도이다.
상기 도면들에서 동일한 구성요소들에게 동일한 식별번호를 부여하였다.

본 발명의 목적은 소형면서도 변화 또는 방해 모드들에 대하여 제어가 용이한 z축 각운동을 측정하기 위한 마이크로미케니컬 센스 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 구성은 청구항 1에 나타나있다. 본 발명의 마이크로미케니컬 센서 장치는 이동 부분들의 베이스를 제공하는 기판(예로서, 실리콘 웨이퍼칩, SOI(silicon on insulator) 칩 등)을 포함한다. 기판은 기판의 표면과 평행한 기하학적 평면인 기판면을 한정한다.

두 개의 진동장치가 설치되며, 이들 중 각각은 적어도 하나의 프로프매스를 갖는다. 각각의 진동장치들은 매스들, 막대들, 프레임들 또는 만곡부들 및 스프링들 등의 하나 또는 다수의 요소들로 구성된다. 더욱이, 두 개의 진동 진동장치들을 기판 위로 지지하기 위한 서스펜션장치가 설치된다. 상기 서스펜션 장치의 상기 기하학적 구조는 진동장치가 드라이브-모드 방향(x축 방향) 및 센스-모드 방향(y축 방향)으로 움직일 수 있고, 상기 드라이브-모드 방향과 센스-모드 방향은 기판면에 대해 평행하다.(실제로, 드라이브-모드 방향 및 센스-모드 방향은 서로 직교한다.)

본 발명의 적어도 하나의 연결장치는 적어도 두 개의 진동장치와 접촉한다. 본 발명의 연결장치는 미세기계가공(micromachined)된 구조로서 약간의 기계적 유연성을 가지며, 두 진동장치들의 진동 무브먼트들은 탄성적으로 연결된다. 연결 지지구조는 연결구조 연결구조를 앵커구조로 연결시켜주며 연결구조의 회전스윙운동(rotational swinging movement)이 가능하게 해준다. 회전축은 기판면에 대하여 수직이다.

각각의 진동구조는 적어도 하나의 프루프매스와 센스-모드 스프링들로 연결된 적어도 하나의 셔틀매스를 포함하며, 상기 센스-모드 스프링들은 센스-모드 방향(y)에서 드라이브-모드 방향(x) 보다 더 유연하다. 각각의 셔틀매스들은 드라이브 전극들에 의해 작동된다. 상기 셔틀매스들의 진동은 연관된 진동구조의 진동운동을 활성화시킨다.

본 발명에 따르면 적어도 두 개의 진동구조들이 안티-페이즈의 진동을 위하여 준비된다. 이에 따라, 적어도 하나의 연결구조는 안티-페이즈 진동을 위한 두 개의 진동구조들에 연결된다. 즉, 상기 연결구조는 특정의 기계적 구성을 가지며, 상기 기계적 구성은 안티-페이즈 움직임들이 기본적으로 지지되고 진동구조들의 인-페이즈 움직임들이 다른 진동수로 변환시키는 것이다. 선행의 US 2010/313657의 연결구에 반하여, 본 발명은 드라이브-모드 레버와 센스-모드 레버를 사용하지 아니한다. 본 발명은 센스-모드 셔틀 매스들 및 어떠한 센스 모들 셔틀 매스들을 위한 스프링들을 요구하지 않는다. 본 발명에 따르면 진동구조들 사이의 영역에 셔틀매스들이 존재하지 아니한다. 그럼에도 불구하고, 왼쪽과 오른쪽 센스 셔틀들이 연결되지 아니한 채로 기판에 앵커를 통해 고정되는 센스 셔틀 매스들이 사용 가능하다. 센스 셔틀의 주요 기능은 센스 감지 수단들로부터 프루프매스를 분리시키는 것일 수 있다. 상기 센스 셔틀은 드라이브 셔틀과 마찬가지로 보충될 수 있으나, 다만 기판에 연결된 셔틀 센스의 스프링과 함께 90°로 회전된다.

센스 션틀들의 목적은 센스 감지 수단들을 드라이브 움직임으로부터 분리하기 위한 것일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 종래의 기술에 대한 차이점은 두 진동 구조들을 연결하기 위하여 상기의 센스 셔틀들을 사용하지 아니하는 점에 있다.

본 발명의 장치는 드라이브-모드 움직임을 위하여 셔틀매스를 하여 적어도 하나의 전극구조를 가지며 상기 전극구조들은 기판에 대하여 평행하게 배치된다. 상기 드라이브 전극 구조는 평면에서 x방향의 움직임 을 위해 배치된다. 상기 전극 구조는 통합된 손가락 전극 구조를 포함할 수 있다.

상기 마이크로미케니컬 장치는 각각의 프루프 매스가 기판면과 평행한 센스-모드 움직임들을 감지할 수 있도록 적어도 하나의 센싱 전극 구조를 가진다. 상기 센싱 전극 구조들은 평면상의 y축 방향 움직임을 감지하기 위하여 배치되고 구성된다. 상기 전극 구조는 통합된 손가락 전극 구조를 포함할 수 있다.

본 발명은 셔틀매스들을 통한 센스-모드 연결구조를 제공한다. 상기 연결구조는 레버-형태의 요소를 포함할 수 있으며, 상기 레버 형태의 요소는 드라이브-모드(x축) 스프링에 의해 각각의 진동구조들의 적어도 하나의 셔틀매스로 연결된다. 상기 드라이브-모드 스프링들은 기본적으로 센스-모드 방향(y축)으로 뻣뻣하다. 상기 레버-형태의 요소는 진동구조들 사이에 위치하는 앵커에 의해 지지될 수 있으며, 상기 레버-형태의 요소의 말단들은 앵커 위치에 대하여 안티-페이즈에서 스윙운동 할 수 있다.

본 발명에 따르면 연결 지지 구조는 드라이브-모드 방향(x축)에서의 연결 구조의 병진의 움직임을 가능케 하도록 구성된다. 이에 따라, 상기 연결구조는 축을 따라 회전할 수 있도록 앵커에 부착되며, 상기 축은 기판면 에 대해 일정하고 보통 연결구조의 중심에 위치한다. 이는 두 진동구조의 안티-페이즈 센스-모드의 연결을 이끈다. 동시에 연결구조는 드라이브-모드 방향으로도 움직일 수 있다. 이는 일반 드라이브 모드 진동수 아래의 진동수들을 위하여 두 진동 구조의 인-페이즈 드라이브-모드 연결을 이끈다. 본 발명의 특정의 측면에서, 상기 연결 지지구조는 드라이브-모드 방향에서의 병진의(translational) 움직임을 가능하게 하기 위하여 드라이브 모드 방향의 유연성을 갖는다.

각각의 센싱 전극 구조들은 기판에 부착되는 첫 번째 전극과 프루프매스에 부착되는 두 번째 전극을 포함하며, 상기 두 요소들은 z축 회전(예로서, 기판면에 대하여 수직인 축에 대한 회전)에 따른 전기 신호를 생성하기 위하여 배치된다.

본 발명에서, “구조”는 장치의 가공된 마이크로 메커니컬 부분(예로서, 3차원 요소)을 의미한다.

장점:

본 발명의 구성은 센스-모드 셔틀 매스들을 사용하지 아니하는 점에서 US 2010/313657 A1과는 상이하다. 또한 US 2010/313657 A1과는 대조적으로, 본 발명의 구성은 센스-모드 진동수들과 드라이브-모드 진동수(인-페이즈 및 안티-페이즈 각각)들의 제어가 동일한 구성요소에서 제어가능한 장점이 있다. 그러므로 본 발명은 적은 요소들이 필요하며 기판영역의 사용에 있어서 보다 경제적인 장점이 있다. 본 발명이 센스-모드 셔틀 매스들을 사용하지 아니하기 때문에, 장치 전반적으로 보다 적은 움직이는 매스들이 소요되며, 이에 따라 전체 시스템에서 진동모드들이 보다 적게 된다. 이에 따라 출력결과가 원하지 않거나 제어할 수 없는 시스템의 교란(perturbation) 모드로부터 방해 받을 확률이 낮아지게 된다.

US 2010/0139399 (Northrop Grumman LITEF)에서의 연결구조와 대조적으로, 본 발명의 연결구조는 앵커와 연결되며, 센스-모드 방향에서 드라이브-모드 방향에서처럼 자유롭게 움직일 수 없게 된다.

본 발명의 센서 장치의 특정한 측면에서, 상기 연결 지지구조는 인-페이즈 드라이브-모드 진동수를 안티-페이즈 드라이브 모드 진동수로부터 분리하고, 마찬가지로 인-페이즈 센스-모드 진동수를 안티-페이즈 센스-모드 진동수로부터 분리하도록 구성된다. 상기 분리된 인-페이즈와 안티-페이즈 진동수들은 드라이브-모드를 위한 안티-페이즈 진동 및 선택적으로 감지된 안티-페이즈 센스-모드 진동들의 선택적인 활성을 가능하게 한다. 또한 원치 않은 모드의 에너지는 감소시킨다.

본 발명의 추가적인 특정의 측면에서, 마이크로미케니컬 센서 장치의 상기 연결 지지구조는 인-센스 모드 방향으로 스프링 상수를 가지며, 상기 스프링상수는 드라이브-모드 방향으로의 스프링상수보다 높게 구성된다. 이에 따라, 상기 연결구조는 진동구조들의 인-페이즈 센스-모드 움직임 상의 앵커와 같은 역할을 한다. 센스-모드 방향의 상기 스프링 상수는 드라이브-모드 방향의 스프링 상수에 대하여 적어도 2배 큰 것이 바람직하다(적어도 10배 인 것이 더욱 바람직하다).

거리를 둔 연결점(Connection points at a distance):

본 발명의 일 실시예로서 연결 지지구조는 연결 구조에 대한 적어도 두 개의 접촉 영역을 가지며, 상기 접촉 영역들은 각각 서로 이격되며, 상기 연결 지지구조의 이격된 거리는 인-페이즈 센스 모드 진동수와 안티-페이즈 센스-모드 진동수간의 진동수 차이에 기여한다. 상기 접촉 영역은 연결 구조(예로서, 큰 막대 형상의 요소)로부터 연결 지지구조(예로서, 날씬한 만곡부의 말단)로 트랜지션(transition)되도록 구성된다. 상기 접촉영역들은 일반적으로 점과 같으며, 즉, 드라이브-모드 방향으로 전체 연결 지지구조의 전체 크기에 비해 상대적으로 작다.

제안된 구조들은 접촉영역간의 거리의 증가(또는 감소)가 기판면에 대해 수직인 축에 대한 연결구조의 회전의 유연성을 낮추는(높이는) 것을 이끌어내는 장점을 갖는다. 다시말하면: 접촉 영역이 서로 가까운 경우, 상기 수직축에 대한 연결 구조의 회전 진동이 접촉 영역이 서로 먼 경우보다 더 용이하게 활성화된다.

진동수 분리를 위한 기하학적 파라메터

본 발명의 특정의 바람직한 실시예에서, 상기 연결 지지구조는 연결 지지구조의 드라이브-모드 방향의 유연성이 증가되면 인-페이즈 드라이브=모드 진동수를 감소시키도록 구성된다(그리고 그 반대로도). 즉, 상기 연결 지지구조는 인-페이즈 드라이브-모드 진동수와 안티-페이즈 드라이브-모드 진동수의 차이가 구조의 기하학적 치수를 조절함으로써 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 상기 기하학적 구성으로 진동수 분리를 달성할 수 있다.

연결 구조의 진폭(Amplitude of coupling structure).

본 발명의 특정의 실시예에서, 상기 연결 지지 구조는 원하지 아니한 인-페이즈 드라이브 진동 모드에서 프루프매스들의 x축상의 병진의(translational) 움직임에 대하여 적어도 10%의 진폭을 갖기 위해 드라이브-모드 방향으로 병진의(translational) 움직임을 허용하는 기하학적 구성을 가진다. 드라이브-모드 방향을 상기 병진의(translational) 움직임은 단순한 연결 구조의 움직임 전체의 부수적인 사소한 것이 아니다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 연결 구조는 장치가 작동하는 중이라면 언제든지 큰 명진 진폭을 수행한다. 더욱이, 큰 병진 진폭은 센서 시그널에 대한 외부의 가속 등의 방해를 제거할 수 있게 한다.

연결 지지구조(Coupling support structure).

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 연결 지지구조는 적어도 두 개의 유연한 요소들이 나란히 서로 이격되어 배치된다. 이는 연결 구조의 기판면에 대해 수직인 축에 대한 회전 유연성이 장치를 엔지니어링 하는 과정에서 용이하게 설정되고 조절될 수 있는 장점이 있다. 가장 바람직한 실시예에서 두 유연한 구성요소는 서로 대칭이며, 동일한 것이 바람직하다. 또한, 3개 또는 그 이상의 유연한 요소를 적용하는 것도 가능하다.

본 발명의 특정의 실시예에서, 적어도 두 개의 요소는 곧은 막대이다.

상기 막대는 드라이브-모드 방향으로 유연성(예, 스프링 상수)을 가지며, 이는 그들이 길이와 그들의 폭에 대한 비율에 의해 정해진다(센서의 마이크로미케니컬 요소의 두께는 보통 조절되지 아니한다). 선택적으로, 상기 요소들은 드라이브-모드 방향으로 높은 유연성(“부드러운”)을 가지고 센스-모드 방향으로 낮은 유연성(“뻣뻣한”)을 갖는 접힌 스프링들일 수 있다.

상기 곧은 막대들은 바람직하게는 센스-모드 방향을 향하며 서로 평행하다. 그럼에도 불구하고, 상기 막대들은 비스듬한 방법(V형상)으로 배치될 수 있다. 센스-모드 방향에 대한 상기 기울기는 대칭적으로 설정될 것이다. 상기 기울기의 각은 예로서 5°로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 15°를 넘지 아니한다. 실제로, 상기 연결 지지구조가 두 개의 기울어진(비스듬한) 막대를 가질 경우, 상기 연결구조의 병진운동(translational movement)이 엄격히 드라이브-모드 방향으로 엄격하게 되지 않는다.

요소들의 거리(Distance of elements):

It is a specific feature of an embodiment that two of the at least two elements have a distance d1 from each other that is in the range 0.5 ≤ d1/L1 ≤ 1.5 (L1 = length of element).

본 발명의 특정의 실시예에서, 적어도 두 개의 요소 중 서루 거리(d1)로 이격된 두 요소에서 상기 거리(d1)는 0.5 ≤ d1/L1 ≤ 1.5 (L1 = 요소의 길이)의 범위를 갖는다. 이러한 거리는 기판면에 대하여 수직인 축에 대한 연결 구조의 회전운동을 위한 충분한 단단함(stiffness)을 제공해준다. 두 요소의 상호 거리는 요소의 길이와 유사한 것이 바람직하다.

연결 구조(Coupling structure):

바람직한 실시예로서, 상기 연결구조는 드라이브-모드 방향(x축)으로 연장된 막대(또는 레버)와 상기 막대와 셔틀매스들을 연결시켜주는 적어도 두 개의 드라이브-모드 스프링들을 포함한다. 드라이브-모드 스프링은 드라이브 모드 방향에서 센스-모드 방향보다 더 유연하다. 일반적으로, 상기 드라이브-모드 스프링의 센스-모드 방향의 스프링 상수는 드라이브-모드 방향에서의 스프링 상수보다 두 배 크다(바람직하게는 10배 이상이다.). 이는 상기 드라이브-모드 스프링이 센스-모드 방향에서 상대적으로 딱딱하다는 것을 의미한다.

연결 구조의 막대는 단순한 곧은 요소일 수 있으며 기판면(x-y평면)과 평행한 평면상에서 사각형의 단면을 가질 수 있다. 상기 막대의 상기 기하학적 치수는 상기 막대가 x-y 평면에서 상대적으로 딱딱함을 의미한다(즉, x- 또는 y- 방향으로 굽혀지지 아니한다).

막대에 갈음하여 프레임 형상의 구조가 적용될 수 있다. 선택적으로, 상기 막대는 사각형 형상을 취하지 아니할 수 있다. 예로서, 상기 막대의 폭(예로서 y-방향으로의 치수)은 막대의 말단에 날카롭게 가공될 수 있다.

일반적으로, 본 발명의 상기 연결구조는 드라이브-모드 방향(x-축)으로 연장된 두 개의 단단한 막대를 가질 수 있으며, 상기 막대들은 진동구조의 반대측 말단들에 y축 방향으로 위치할 수 있다.

특정의 미이크로미케니컬 센서 장치는 미케니컬 연결 구조가 두 개의 드라이브-모드 스프링들에 의해 각각의 드라이브 매스와 연결되는 것을 특징으로 한다. 상기 드라이브-모드 스프링들은 스프링상수(Fy)를 가지며, 이는 스프링 상수(Fx)보다 크다. 드라이브-모드 스프링은 접힌 막대 형상으로 구성될 수 있고, 또한 예로서 센스-모드 방향(y-축)으로 연장되고 서로 평행하며, 짧은 중간부재에 의해 드라이브-모드 방향(x-축)으로 각 말단이 서로 연결된 두 개의 곧은 만곡부 요소(flexure elements)들로 구성될 수 도 있다. 상기 곧은 만곡부들 사이의 상호 거리는 매우 작을 수 있으며(예로서 만곡부 폭의 1배 또는 2배) 드라이브-모드 방향에서의 스프링의 요구되는 진폭에 따라 결정된다.

상기 드라이브-모드 스프링은 짧은 중간부재로 연결되어 구불구불한 형상을 갖는 둘 이상의 평행한 만곡부 요소들을 포함할 수 있다. 다른 구성들도 가능하다. 또한 상기 만곡부들이 서로 반드시 평행할 필요는 없다. 상기 드라이브-모드 스프링들은 드라이브-모드 방향으로 탄력있는 스프링처럼 움직이도록 설계되며, 센스-모드 방향으로 딱딱한 구성요소처럼 행동하도록 설계된다. 드라이브-모드 스프링들은 드라이브-모드 방향으로 압축될 수 있으며(이 방향으로 상대적으로 부드럽기 때문) 센스-모드 방향으로 움직임을 전송할 수 있다 (이 방향으로 상대적으로 딱딱하기 때문).

본 발명은 두 개의 드라이브-모드 스프링으로 한정되지 아니한다. 하나의 드라이브-모드 스프링 또는 세개 또는 그 이상의 스프링들의 적용도 가능하다.

바람직한 실시예로서, 상기 센스-모드 스프링들과 드라이브-모드 스프링들은 센스-모드 진동수와 드라이브-모드 진동수의 진동수 차이를 생성하기 위하여 구성된다. 상기 드라이브 모드 진동수는 드라이브-모드 스프링의 드라이브-모드 스프링 상수와 프루프매스와 상응하는 셔틀매스들의 합에 의해 정해진다. 다른 한편으로, 상기 센스 모드 진동수는 센스-모드 스프링의 센스-모드 스프링 상수와 프루프매스에 의해 결정된다. 일반적으로, 상기 드리이브 모드 스프링들의 스프링 상수와 센스 모드 스프링들의 스프링 상수는 다르다.

그러나, 특정의 전자장치를 사용하여 상응모드(matched mode)로 장치를 작동시시킴 으로써 드라이브 모드와 센스 모드 진동수의 차이를 상쇄할 수 있다. 상기 상응모드는 닫힌-루프 작동에 적합하다.

앵커(Anchor):

본 발명의 장치의 바람직한 실시예로서, 오직 두 개의 앵커들을 포함하고, 상기 두 앵커들에게 서스펜션 지지 구조가 부착된다. 선택적으로, 상기 서스펜션 지지는 두 개 이상의 앵커들을 포함할 수 있으며, 예로서, 서스펜션 지지 구조의 각각의 유연한 요소들을 분리하기 위한 앵커를 가질 수 있다. 장치의 이동 구조에 있어서 z축 상에서의 보다 향상된 안정성을 위하여, 추가적인 앵커들이 제공될 수 있으며, 예로서 x-y-스프링들을 통하여 진동구조에 연결된 앵커를 들 수 있다. 그러나, 추가적인 앵커들은 움직이는 구조들에 대한 온도 의존적인 스트레스를 가할 수 있다.

상기 서스펜션 구조를 위한 앵커는 연결구조들과 셔틀매스들 사이에 드라이브-모드 방향(x축)으로 위치할 수 있다. 선택적으로 연결구조에 의해 수납되어 외측 영역에 설치될 수도 있다.

드라이브 시스템:

드라이브 시스템의 상세한 설명은 다음과 같다: 각각의 셔틀 매스를 위한 드라이브 전극 구조가 설치된다. 상기 드라이브 전극 구조는 기판에 부착되는 첫 번째 전극과 셔틀매스에 부착되는 두 번째 전극을 포함한다.

상기 두 전극들은 드라이브-모드 방향(x-축)으로 셔틀매스를 진동시키기 위한 정전기 수단을 형성한다.

상기 드라이브 전극 구조는 바람직하게는 셔틀매스와 연결구조 사이에 센스-모드 방향으로 배치되며, 셔틀매스를 연결구조로 연결시키는 드라이브-모드 스프링들 사이에 드라이브-모드 방향으로 배치될 수 있다. 상기 드라이브 셔틀은 가급적 작은 매스를 갖는 것이 바람직하다. 예로서 상기 셔틀매스는 프루프매스보다 적어도10배 작다. 상기 셔틀매스는 x-y 평면에서 막대형상의 사각형 형태로 구성될 수 있다. 그러나, 셔틀매스는 프레임의 형태로도 구성이 가능하다. 더욱이, 상기 드라이브 전극은 셔틀매스의 측면(드라이브-모드 방향으로)으로 배치될 수 있으며 또는 셔틀매스 프레임의 내측에 배치될 수 있다.

다른 특별한 마이크로미케니컬 센서 장치의 실시예로서, 상기 셔틀매스들은 프루프매스들의 센스-모드 방향(y축)말단에 배치될 수 있으며, 센스-모드 스프링들에 의해 각각 프루프 매스에 연결될 수 있다. 센스-모드 스프링은 드라이브-모드 스프링과 유사한 형태 및 구조를 가질 수 있으며, 상기 스프링 구조들의 주된 차이점은 드라이브-모드 방향을 향하지 아니하고 센스-모드 방향을 향한 점에 있다. 센스-모드 스프링들과 드라이브-모드 스프링들은 다른 동적 물성(예로서 다른 공명 진동수)이 요구될 수 있기 때문에, 일반적으로 형태와 치수로 구별한다. 상기 센스-모드 스프링들은 접힌-막대 형상을 취하는 것이 바람직하다. 센스-모드 스프링은 두 개의 상대적으로 긴 곧은 막대부분과 긴 막대부분들을 연결하는 하나의 상대적으로 짧은 막대 부분으로 구성될 수 있어 U 형태를 취할 수 있다.

특정의 마이크로 미케니컬 센서 장치의 실시예로서, 상기 드라이브-모드 스프링의 드라이브-모드 스프링 상수와 상기 센스-모드 스프링의 센스-모드 스프링 상수는 다르며, 마찬가지로 드라이브 시그널 진동수(fd)는 센싱 시그널 진동수(fs)와 다르다. 두 시그널 진동수들(fd, fs)들은 수 킬로헤르츠(예, 4, KHz)의 범위로 설정될 수 있다. 상기 진동수 들 간의 차이는 시그널 진동수의 1%에서 10% 범위안에 있을 수 있다(예로서 fs - fd = 40 - 400 Hz).

본 발명의 마이크로미케니컬 센서 장치의 특정한 실시예로서, 드라이브 시그널을 생성하기 위하여 상기 드라이브 엘렉트로닉 드라이브 회로가 드라이브 전극 구조에 연결되며, 다른 진동 시스템들의 드라이브 매스들의 안티-페이즈 움직임을 제어하기 위하여 상기 드라이브 회로에 오토매틱 게인 콘트롤이 부가될 수 있다.

센싱 전극들(Sensing electrodes):

본 발명의 특정한 실시예에 따르면 각각의 센싱 전극 구조들은 기판에 부착되는 첫 번째 전극 요소와 프루프 매스에 부착되는 두 번째 전극 요소를 포함한다. 상기 두 전극 요소들은 마이크로미케니컬 센서 디바이스의 z축상의 회전에 대하여 전기적 신호를 생성하도록 배치된다. (본 발명에서는 상기 z축은 기판면에 대하여 수직이다.)

상기 센스 전극들은 y축에 대하여 대칭적이지 않다. 그러나 상기 센스전극들은 x축에 대하여 대칭으로 구성된다.

바람직하게는, 각각의 프루프매스에는 적어도 두 개의 센싱 전극 구조들이 설치되며, 상기 두 센싱 전극 구조들은 차동검파(differential detection)를 위한 신호를 제공한다.

첫 번째 센싱 전극 구조는 상기 프루프매스가 양의 센스-모드 방향으로 움직일 때 양(positive)의 또는 증가하는 센싱 시그널을 생성하고, 프루프매스가 음의 센스-모드 방향으로 움직일 때 음(negative)의 또는 감소되는 센싱 시그널들을 생성한다. 이에 따라, 두 번째 전극 구조는 반대 방향으로 작동하도록 구성되며, 즉, 상기 프루프매스가 양의 센스-모드 방향으로 움직일 때 음의 또는 감소하는 센싱 시그널을 생성하고, 상기 프루프 매스가 음의 센스-모드 방향으로 움직일 때 양의 또는 증가하는 센싱 시그널을 생성한다.

다른 감지 방법들이 적용 가능하다. 예로서, 센스 진동에 대한 카운터밸런스를 위하여 추가적인 센스 전극들이 사용 가능하며, 이에 따라 닫힌 루프 감지 방법이 구현된다. 일정한 조건 하에서 차동검파(differential detection)를 제외한 방법이 적용 가능하다.

특정의 마이크로미케니컬 센서 장치의 실시예에서, 적어도 하나의 센싱 전극 구조가 프루프매스들 사이에 배치될 수 있다. 상기 센싱전극 구조는 프루프매스들의 사이의 공간을 모두 차지할 수 있다. 상기 프루프매스들이 사각형의 형상으로 구성되는 경우, 사각형의 길이방향 축이 센스-모드 방향(y축)을 향하며, 센싱 전극들은 사각형의 길이방향 모두를 차지하게 된다.

선택적으로, 상기 프루프매스들은 개구부를 갖거나 프레임과 같은 구조를 가질 수 있어 상기 센싱 전극들이 프루프 매스의 개구부 안에 수납되거나 프루프 매스의 프레임 내에 수납될 수 있다.

상기 센싱 전극들은 프루프매스의 모서리부에 집합되지 아니할 수 있으며, 프루프매스와 견고하게 연결된 막대 또는 프레임과 상호작용할 수 있다. 상기 막대는 프루프매스로부터 원하는 방향으로 돌출될 수 있으며, 이에 따라, 센싱 전극들이 프루프 매스로부터 이격되어 설치될 수 있고, 전극 구조에 가장 적합한 기판 상에 위치할 수 있다.

센싱 전극 구조들이 프루프매스의 양측면(드라이브-모드 방향으로)에 위치하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 센싱 전극 구조는 프루프매스의 길이방향 축에 대하여 대칭으로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 마이크로미케니컬 센서 장치의 다른 특정한 실시예로서, 센싱 전자장비가 센싱 전극구조에 연결될 수 있으며, 상기 센싱 전자장비는 센싱 시그널로부터 드라이브-모드 시그널을 제거하기 위한 디모듈레이터(demodulator)를 포함할 수 있다. 상기 드라이브-모드 시그널은 오토매틱 게인 컨트롤 회로로부터 유래될 수 있다. 상기 센싱 전자장비는 마이크로미케니컬 센서와 같은 칩으로 통합될 수 있으며, 또는 분리되어 구성될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 진동구조(즉, 프루프매스들과 셔틀매스들 및 이들을 연결하는 센스 모드 스프링들)와 서스펜션 구조는 x축 및 y축에 대하여 대칭구조로 형성될 수 있다. (여기에서, 프루프매스들에 연결된 상기 센스 전극들은 “진동 시스템”으로 정의되지 아니한다. 상기 센스 전극들은 y축에 대하여 대칭으로 구성되지 아니한다.)

측정방법:

또한, 본 발명은 아래의 단계들을 포함하는 마이크로미케니컬 센서장치를 이용한 z축 회전 감지 방법을 제공한다.

a) 드라이브 시그널을 생성하고, 상기 드라이브 시그널을 적어도 두 개의 셔틀매스들에게 적용하며, 각각의 셔틀매스들은 적어도 두 개의 프루프매스 중 하나와 연결되며, 상기 프루프매스(2.1, 2.2)들은 드라이브-모드 방향으로 진동하고,

b) 드라이브 시그널을 증폭시키고 피드백하여 프루프매스(2.1, 2.2)의 안티-페이즈 드라이브-모드 움직임을 촉진하며,

c) 적어도 두 개의 센스 전극 구조에 의해 생성되는 센스-모드 신호를 감지하고, 각각의 센스 전극 구조는 프루프매스에 부착되는 첫 번째 전극 요소와 마이크로미케니컬 장치의 기판에 부착되는 두 번째 전극 요소를 포함하며,

d) z-축 회전에 따른 감지 신호를 생성하기 위하여 드라이브-모드 시그널로부터 상기 센스-모드 시그널을 디모듈레이팅

상기 방법은 본 발명에서 언급된 어떠한 마이크로 미케니컬 선서장치로도 적용이 가능하다.

다른 유리한 효과 및 조합이 이하의 상세한 설명 및 청구범위에서 명확하게 나타난다.또한, 다른 특별한 구성이 요구되는 방법으로 조합될 수 있다.

도1은 본 발명의 바람직한 실시예의 개략적인 평면도이다.

명확한 목적달성을 위하여 3차원 좌표시스템이 사용된다.

x축은 작동모드방향에 상응하며, y축은 센스모드방향에 상응하고, z축은 회전축에 상응한다.

도면에서, 상기 z축은 언제나 지면에 대해 일정하다. 물론 모든 3축은 서로 직교한다.

기판(1)은 알려진 바와 같이 실리콘웨이퍼의 ?으로 구성될 수 있다.

기판(1)의 표면은 소위 기판면으로 정의될 수 있으며, 상기 기판면은 x-y 평면과 평행하고 도1에 도시된 바와 같이 구조의 “아래”가 된다.

상기 기판(1)은 MEMS(MEMS=Micro electro-mechanical system; 미소 전기-기계 시스템)의 베이스 또는 캐리어가 된다.

모든 센서 구조체들은 기판(1) 안에 설치되며 y축 및 x축에 대하여 대칭적인 구조를 갖는다.

사각의 판의 두 개의 동일한 프루프매스(proof masses)(2.1, 2.2)가 설치된다.

사각판의 길이방향축(AY1, AY2)들은 y축과 평행하다.

사각형의 길이는 적어도 사각형의 폭(x축 방향으로 측정한 폭)보다 1.1배인 것이 바람직하다.

사각형의 길이와 폭의 바람직한 비율은 2:1보다 작은 것이 바람직하다.

상기 프루프매스(2.1, 2.2)는 기판면에 평행한 움직임을 위해 정지해있는다.

도1에 도시된 움직이는 부품들은 기판면에 대하여 평행하게만 움직이게 된다.

즉, 유연한 부품(스프링)들은 z축 방향으로 상대적으로 뻣뻣하다.

프루프매스(2.1, 2.2)의 길이방향의 측면에는 센스-모드 전극(10.1, …. 10.8)들이 설치된다.

도1에 도시된 바와 같이, 두개의 고정된 센스-모드 전극(10.2, 10.3)들은 y축 방향으로 공통팔을 가지며, 손가락전극들(finger electrodes)이 공통팔의 양측 측면으로

+x 및 -x으로 나와있다.

센스-모드 전극(10.6, 10.7)들도 마찬가지이다.

도1에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 두 개의 센스-모드 전극(10.1, 10.5)와 (10.2 , 10.6)과 (10.3, 10.7)과 (10.4, 10.8)이 프루프매스(2.1, 2.2)의 길이 방향측에 위치한다.

각각의 한쌍의 센스-모드 전극 (10.1/10.5, 10.2/10.6, 10.3/10.7, 10.4, 10.8)들은 프루프매스(2.1, 2.2)의 전체 길이에 상응하며, 이에 따라 전기 검출신호는 최대가 된다.

두 쌍의 센스-모드 전극들(10.2/10.6, 10.3/10.7) 들이 프루프매스(2.1, 2.2) 배치 사이에 위치된다.

상기 프루프매스(2.1, 2.2)들은 고정된 센스-모드 전극(10.1, …, 10.8)들과의 연결을 통합하기 위하여 손가락전극(finger electrodes) 들을 갖는다.

이에 따라, 각각의 고정된 센스-모드 전극(10.1, …, 10.8)들은 프루프매스로부터의 통합된 손가락전극과 함께 정전기 수단을 형성한다.

다시말하면: 각각의 정전기 감지수단은 기판(1)에 고정된 고정부(다중-손가락 전극부(10.1a))와 프루프매스(2.1)의 길이방향측면에 고정된 이동부(다중-손가락 전극부(10.1b))를 포함한다.

상기 고정부와 이동부는 상호배치된(interleaving with each other) 다중-손가락 구조를 갖는다.

상기 센스-모드 전극(10.1, ..., 10.8)의 다중-손가락 구조는 x축에 평행하며 y축의 움직임(센스-모드 방향)의 움직임을 감지한다.

상기 다중-손가락 구조(10.1a, 10.1b)들은 프루프매스(2.1, 2.2)들의 드라이브-모드 움직임을 감지하지 아니하도록 구성된다.

각각의 프루프 매스(2.1, 2.2)는 네 개의 센스-모드 스프링(8.1, 8.2, 8.5, 8.6 및 8.3, 8.4, 8.7, 8.8)들을 통하여 각각 기판위로 지지된다.

각각의 센스-모드 스프링(8.1, …, 8.8)들은 U자-형태를 가지며 드라이브-모드 방향(x)을 향하는 두 평행한 만곡부(flexures)(또는 막대)와 짧은 연결부재에 의해 말단부에서 각각 연결된다.

U-형상의 자유말단인 만곡부의 반대측 말단들 중 일측은 y방향의 짧은 연결부재를 통하여 프루프매스(2.1, 2.2)에 각각 연결되고, 다른 일측은 셔틀매스(shuttle masses)(7.1, 7.3 및 7.2, 7.4)에 연결된다.

각각의 프루프매스(2.1, 2.2)에 대하여 두 개의 셔틀매스(7.1, 7.3 및 7.2, 7.4)가 대응된다.

상기 셔틀매스(7.1, …, 7.4)들은 모두 동일하며 사각형의 형상을 가진다.

셔틀매스들은 프루프매스(2.1, 2.2)보다 많이 작다. 본 실시예에 있어서 셔틀매스들은 프루프매스(2.1)의 폭에 상응한 길이를 갖는다.

셔틀매스(7.1, …, 7.4)들의 폭은 예로서 셔틀매스 길이에 대하여 많아야 1/5일 수 있다.

상기 셔틀매스(7.1, …, 7.4)들의 길이방향 축은 드라이브-모드 방향(x)에 평행하다.

도1에 도시된 바와 같이, 프루프매스(2.1, 2.2)와 셔틀매스(7.1, …, 7.4)를 연결하는 상기 센스모드스프링(8.1, …, 8.8,)들은 각각의 프루프매스(2.1, 2.2)의 길이방향의 중심축(AY1, AY2)들에 대하여 거울상 대칭이 되도록 배치된다.

드라이브-모드 스프링들의 연결부재는 프루프매스(2.1, 2.2) 및 셔틀매스(7.1, …, 7.4)들의 의 모서리(또는 모서리 인접부)에 고정된다.

상기 셔틀매스(7.1, …, 7.4)들은 드라이브-모드 스프링(6.1, …, 6.8)을 통하여 기판(1)위에 고정된다.

상기 스프링들은 길이방향의 첫 번째 말단에 셔틀매스(7.1, …, 7.4)와 연결되고, 셔틀매스의 반대측은 센스-모드 스프링(8.1, …, 8.8)과 연결된다.

드라이브-모드 스프링(6.1, …, 6.8) 들의 두 번째 말단들은 연결막대(5.1, 5.2.)에 연결된다.

본 발명의 바람직한 실시예로서 각각의 셔틀매스(7.1, …, 7.4)는 각각 두 개의 드라이브-모드 스프링(6.1/6.2, 6.3/6.4, 6.5/6.6, 6.7/6.8)에 의해 지지된다.

도시된 바와 같이, 드라이브-모드 스프링의 말단들은 셔틀매스(7.1, …, 7.4)의 모서리(또는 인접하여)에 연결된다.

도1에 도시된 실시예에에 나타난 바와 같이, 상기 드라이브-모드 스프링(6.1, …, 6.8)들은 S형상 또는 Z형상으로서 짧은 연결부재에 의해 연결된 세 개의 곧은 만곡부(flexure)를 포함하여 구불구불한 구조(접힌 막대)를 형성한다.

상기 드라이브-모드 스프링(6.1, …, 6.4)들은 셔틀매스(7.1, 7.2)들을 연결막대(coupling beam)(5.1)로 연결시켜준다.

마찬가지로, 상기 드라이브-모드 스프링(6.5, …, 6.8)들은 셔틀매스(7.3, 7.4)들을 두 번째 연결막대(5.2)로 연결시켜준다.

상기 두 드라이브-모드 스프링(6.1, 6.2)들과 셔틀매스(7.1)과 연결막대(5.1)은 드라이브전극(9.1)이 위치하게 되는 사각형 영역을 형성한다.

상기 드라이브전극(9.1)은 적어도 두 개의 상호 교차 배치되는 다수의 손가락 구조를 포함하며 셔틀매스(7.1)를 x축 방향으로 작동시키도록 구성된다.

다른 셔틀매스(7.2, 7.3, 7.4)들도 드라이브전극(9.2, 9.3, 9.4.)들에 의해 비슷한 방법으로 구동된다.

연결막대(5.1)는 드라이브-모드 방향(x)을 향하며 프루프매스(2.1, 2.2)들의 두 짧은 측면보다 길게 형성된다.

상기 연결막대(5.1)는 앵커(anchor)(3.1)와 연결되는 두 개의 막대(4.1, 4.2)를 통해 기판(1) 위에서 지지된다.

상기 막대(4.1, 4.2)들은 각각 평행하며 센스-모드 방향을 향한다.

상기 막대들은 각각 만곡부들의 폭보다 몇 배 더(예, 적어도 10배) 넓게 이격된다.

본 실시예에서, 상기 앵커(3.1, 3.2)들은 사각형 형태를 가지며 앵커(3.1, 3.2)의 길이방향의 축은 x축 방향을 향한다.

상기 막대(4.1, 4.2)들은 사각형 형상의 앵커(3.1)의 말단부에 인접하게 연결된다.

본 발명의 실시예에서 서스펜션장치의 앵커(3.1)는 연결막대(5.1)과 센스-모드 전극(10.2) 사이의 공간에서 센스-모드 방향으로 위치한다.

동시에, 상기 앵커(3.1)는 첫 번째 프루프매스(2.1)의 셔틀매스(7.1)의 드라이브-모드 스프링(6.2)과 두 번째 프루프매스(2.2)의 셔틀매스(7.2)의 드라이브-모드 스프링(6.3) 사이에 위치한다.

본 발명의 두 개의 진동장치들이 서로 거울상 대칭구조임에 따라, 앵커 구조는 연결막대(5.1, 5.2)당 하나의 앵커(3.1, 3.2)가 대응되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 실시예는 단지 두 개의 앵커(3.1, 3.2)를 가지며 프루프매스(2.1)를 지지하는 구조는 아래와 같이 정의된다:

● 앵커(3.1) - 연결 지지를 위한 막대(4.1, 4.2) - 연결막대(5.1) - 드라이브-모드 스프링(6.1, 6.2) - 셔틀매스(7.1) - 센스-모드 스프링(8.1, 8.2);

● 앵커(3.2) - 연결 지지를 위한 막대(4.3, 4.4) - 연결막대(5.2) - 드라이브-모드 스프링(6.5, 6.6) - 셔틀매스(7.3) - 센스-모드 스프링(8.5, 8.6);

상기 두 번째 프루프매스(2.2)는 유사한 구조의 구성요소에 의해 프루프매스(2.1)와 대칭되도록 지지된다.

지지구조의 상기 앵커(3.1)는 드라이브-모드 방향(x축)으로 셔틀매스들 사이에 위치된다.

즉: 상기 앵커(3.1, 3.2)들은 프루프매스(2.1, 2.2)들 사이의 센스-모드 전극(10.2/10.6 및 10.3/10.7)들과 같이 일렬(y축 방향)로 배열된다.

드라이브모드 스프링(6.1, 6.2)들의 유연성, 연결막대(5.1)의 길이와 유연성 및 연결을 지지하기 위한 막대(4.1, 4.2)들의 상호 간격들은 시스템이 안티-페이즈

모드(anti-phase mode)에 대한 인-페이즈 모드 쉬프트(in-phase mode shift)의 효과를 보장하기 위하여 정해진다.

도1의 실시예에서, 주요 구성은 드라이브-모드 방향(x축)으로 연장되고 센스-모드 방향(y축)으로 진동장치들의 말단들의 반대측에 위치하는 두 개의 막대를 포함하는 기계적 연결구조이다.

상기 두 막대들은 각각 독립적이며 이는 서로 직접 연결되지 아니하기 때문이다.

direction (x-axis). 상기 막대들의 길이는 드라이브-모드 방향(x축)에서의 프루프매스들의 측면거리와 하나의 프루프매스의 폭의 두배의 합에 상응한다.

상기 막대들은 보다 짧아질 수 있다(예로서, 드라이브-모드 방향으로 프루프매스들 간의 측면 거리와 하나의 프루프매스의 폭의 합).

상기 막대들은 일정한 폭 및 길이방향에 따라 일정한 단면을 가지는 곧은 요소일 수 있다.

상기 막대들은 뽀족한 말단을 가질 수 있다. 또한 이중막대구조 또는 보다 복잡한 구조를 가질 수 있다.

작동:

상기 드라이브전극(9.1, …, 9.4)들이 셔틀매스(7.1, …, 7.4)들을 x축 방향으로 진동시키기 위하여 드라이브-모드 진동수 f_드라이브 (∼ωd )로 작동시킨다.

센스-모드 스프링(8.1, …, 8.8)들이 드라이브-모드 방향(드라이브-모드 진동수 f_드라이브)으로 상대적으로 뻣뻣함에 따라 셔트매스(7.1, …, 7.4)들의 진동하는 움직임은 프루프매스(2.1, 2.2)들에게 전달된다.

드라이브-모드에서 도1의 왼쪽 시스템의 진동하는 진동체는 프루프매스(2.1)과 두 개의 셔틀매스(7.1, 7.3)으로 구성된다(센스-모드 스프링(8.1, 8.2, 8.5, 8.6,)의 매스 역시 진동하는 시스템의 일부이나 상대적으로 작고 무시할 수 있다).

추가적으로, 전극(9.1, 9.3)들의 드라이브 시그널들(프루프매스(2.1)을 위한)이 전극(9.2, 9.4)들의 드라이비 시그널들(반대측 프루프매스(2.2)를 위한)에 대하여 안티-페이즈로 가해진다.

이에 따라, 상기 프루프매스(2.1, 2.2)들은 드라이브모드에서 안티-페이즈로 화살표 P1 및 P2로 도시되는 바에 따라 진동한다.

z축(기판면에 대한)에 대한 장치의 회전이 가해질때, 코리올리 효과(Coriolis effect)가 프루프매스(2.1, 2.2)들의 y축 방향 진동을 센스-모드 진동수 f_센스 (∼ωs)로 생성시킨다.

두 매스들의 안티-페이즈로 움직이는 것은 화살표 P3, P4로 도시된다.

센스-모드 스프링(8.1, …, 8.8) 들이 센스-모드 방향으로 상대적으로 부드럽기 때문에, 코리올리효과에 의해 감소된 y축 방향의 역학적 에너지는 프루프매스(2.1, 2.2)들에 집중되며 일반적으로 셔틀매스(7.1, …, 7.4.) 들로 전달되지 아니한다(어떠한 상당한 양으로도).

이러한 사실에 기인하여, 한편으로, 셔틀매스(7.1, …, 7.4)들의 드라이브-모드 스프링(6.1, …, 6.8)들에 의한 서스펜션(suspension)은 y축 방향으로 상대적으로 경직되며, 다른 한편으로, 상기 연결막대는 중심점에 대해 회전하기 용이하여, 두 진동하는 구조가 센스-모드 진동수 f_센스 로 안티-페이즈 커플링이 되며, 상기 두 진동하는 구조는 “프루프매스(2.1) + 셔틀매스(7.1, 7.3)”과 “프루프매스(2.2) + 셔틀매스(7.2, 7.4)”이다.

센스전극(10.1,…, 10.8)들은 코리올리효과에 의해 생성된 프루프매스(2.1, 2.2)들의 y축상의 안티-페이즈 진동을 감지한다.

상기 센스전극들은 감지만을 위해 사용될 수 있다(디퍼런셜(differential) 또는 싱글-엔디드(single-ended) 측정 수행)

선택적으로, 상기 센스전극들은 진동의 카운터 밸런스를 측정할 수도 있다(닫힌 센스 루프 작동(closed sense loop operation)).

도2는 본 발명의 장치의 원리를 보여준다. 진동매스 M은 하기의 식과 같다

진동매스 M은 프루프매스 ms(2.1) 과 드라이브 셔틀매스 md(7.1)이고 x축 방향으로 스프링상수(Kd)와 댐핑팩터(λd)를 갖는 의 스프링에 의해 지지된다.

상기 셔틀매스와 프루프매스는 스프링상수(ks)를 갖는 스프링에 의해 연결된다.

도면에서 x축 및 y축은 같은 평면에 있으며 감지된 회전율 (Ω)은 x-y평면에 대하여 수직이 된다.

상기 드라이브 셔틀매스가 x축 방향(드라이브 모드 방향)으로 움직이는 반면, 상기 프루프매스는 x 및 y 방향으로 움직일 수 있다.

마이크로미케니컬 센서 장치는 도2에 도시된 바와 같이 직교하여 작동하는 두 개의 진동체로 구성된다.

드라이브 시스템은 x축 상에서 진동하며, 센스 시스템은 y축 상에서 진동한다.

드라이브 및 센스 시스템은 두 진동체로 구성되며 안티 페이즈의 진동하고 스프링과 댐핑 상수들로 기술할 수 있다.

전기장치(통합회로인 것이 바람직함)가 시스템의 x축상에서의 드라이브 진동수로의 안정적인 안티-페이즈의 진동을 유지하기 위하여 사용될 수 있다.

이러한 목적으로, 두 개의 전기루프들이 요구되며, 하나는 진동페이즈에, 다른 하나는 진동증폭에 사용된다.

도3은 감지원리를 도시한다. Ud는 드라이브 파트의 드라이브 진동을 작동시키는 전압이다.

z축 상의 회전율(angular rate)(Ω) (진동수 fa)에 따라, 드라이브 모드의 에너지는 코리올리효과에 의해 센스 모드로 전달되게 된다.

센스 시스템의 진동은 입력되는 회전율(angular rate)(Ω) (진동수 fa)에 의해 증폭되어 조절되는 것과 드라이브 진동수(fd)(캐리어 진동수)에 따르게 된다.

(선택적인 센스의 닫힌-루프 작동에서, 전압(Us)의 신호는 프루프매스의 센스모드 진폭을 무효로 만든다.)

즉 : 상기 센스 모드 진동의 운반체는 진동수(fd)와 증폭 조절 진동수(fa)를 가진다.

전기장치는 드라이브 시스템의 진동을 유지하기 위한 드라이브 신호(드라이브 신호는 fd의 진동수와 Ud의 전압을 가진다)를 사용하는 센스 신호로부터 센스 진동들의 진폭을 추출하는데에 사용되며

열린 루프 작동에서, 상기 센스신호는 센스 시스템의 배리에이션을 나타내는 상기 측정된 커패시턴스 배리에이션(capacitance variation)에 상응하게 된다.

도3에서 드라이브 전극의 커패시턴스 배리에이션은 ΔCd이? 센스 전극의 커패시턴스 배리에이션은 ΔCs 이다.

닫힌 루프 작동에서, 상기 센스 신호는 센스 시스템의 진동의 카운터 밸런스에 사용된 신호에 상응하게 된다.

도4는 도1의 실시예의 연결 지지 구조를 도시한다.

상기 막대(4.1, 4.2)들은 폭(w1), 길이(L1) 및 상호 거리(d1)을 갖는다.

상기 막대들은 x축 상으로 탄력있는 두 개의 평행하고 유연한 요소들을 정의한다.

기 설정된 MEMS 레이어(예로, 모든 지지되는 기계의 구성요소의 레이어)의 두께를 위하여 폭(w1)에 대한 길이(L1)의 비율은 x축 상의 막대(4.1, 4.2)의 유연성을 결정한다.

상기 폭(w1)은 y축상의 막대들의 탄성도 결정한다.

또한, 상기 두 막대(4.1, 4.2)간의 거리(d1)(보다 상세하게는: 길이방향 막대(4.1, 4.2)들의 중앙축 - 도트라인 - 간의 거리)는 연결막대(5.1)의 중심축(c)(중심축(c)는 기판면에 대해 수직)상의 회전 유연성을 결정한다.

폭(w1)은 거리(d1)에 비하여 작다.

예로서, 비율 d1/w1은 10 또는 그 이상이 될 수 있다.

상기 거리(d1)은 L1: d1/L1 ≒ 1인 것이 바람직하다. 그러나, 상기 비율은 0.5 ≤ d1/L1 ≤ 1.5 의 범위에 있을 수 있다. 폭(w1)이 거리(d1)에 비하여 작기 때문에, 연결막대(5.1)에 막대(4.1, 4.2)들이 접하면서 형성되는 접촉영역(17.1, 17.2)들은 연결막대상의 작은 점 또는 지점과 같이 형성된다.

도5a-c는 연결 지지구조 (막대(4.1, 4.2))에 의한 연결막대(5.1)의 움직임을 도시한다.

도5a는 센스-모드 움직임의 안티-페이즈를 도시한다.

상기 연결막대(5.1)는 중심축(z1)을 따라 회전(스윙)한다(도4 참조).

회전유연성은 두 탄성요소(막대(4.1, 4.2))간의 거리(d1)에 의해 주로 결정된다. 또한, 상기 회전유연성은 막대(4.1, 4.2)의 폭(s1)에도 영향을 받을 수 있다.

도5b는 인-페이즈 센스(in-phase sense)-모드의 이론적 움직임을 도시한다. 상기 연결막대(5.1)는 y-축에 대해 평행하게 움직인다. 이러한 움직임은 높은 진동수(도5a에서의 안티-페이즈 움직임의 진동수에 비하여)를 나타내며, 이는 y축 상의 막대(4.1, 4.2)의 유연성이 도5a에서의 회전유연성보다 낮기 때문이다. 따라서, 안티-페이즈 센스 진동의 진동수는 인-페이즈 센스 진동의 진동수에 비하여 감소된다.

도 5c는 x축 상의 병진운동(translational movement)을 도시한다.

첫 번째 말단으로 앵커(3.1)에 수직으로 설치되며, 두 번째 말단으로 연결막대(5.1)에 설치되는 곧은 막대(4.1, 4.2)는 병진운동 동안 연결막대(5.1)에 대하여 평행한 방향을 향한다.

도6a-d는 연결 지지 구조의 다른 실시예를 도시한다.

도6a에 도시된 바에 따르면, 탄성요소(18.1, 18.2)들은 5°- 15°의 각을 이루며 설치될 수 있으며, 축(도트라인)을 중심으로 대칭으로 설치될 수 있다.

도6b는 만곡부(flexure)가 접힌-막대 구조(19.1, 19.1)인 실시예를 도시한다. 접힌-막대 구조를 위한 추가적인 예는 드라이브-모드 스프링(6.1)으로서 도1에 도시되어있다.

상기 스프링은 3개의 평행한 섹션들을 가지며, 상기 3개의 평행한 섹션들은 상기 세 섹션들에 대하여 수직방향의 짧은 브릿지 섹션에 의해 서로 연결된다.

이러한 스프링 구성들은 센스-모드 방향(y)에서의 스프링상수의 제어를 보다 자유롭게 할 수 있게 해준다.

도6c는 세 개의 유연한 요소를 갖는 연결 지지구조를 도시한다.

진동수의 조절은 외측막대(20.1, 20.3)의 구성에 의하여 주로 결정된다.

도6d는 네 개의 유연한 요소(21.1, …, 21.4)를 포함하는 연결 지지 구조를 도시한다.

한 쌍 에서의 유연한 요소 서로간의 거리는 유연한 요소(21.1/21.2) 한 쌍과 유연한 요소(21.3/21.4) 한 쌍간의 내측 요소(21.2, 21.3)간의 거리보다 매우 작다.

도7a-c는 도1의 연결구조 및 연결 지지구조의 다른 실시예들을 도시한다. 도1에서의 레퍼런스 번호들은 상세한 형상이 다르지만 동일한 번호로 구성요소들의 일반적인 기능을 보여주기 위하여 “a”, “b” 및 “c”로 조정하였다. 도7a는 도1의 일반적인 구성을 도시한다. 셔틀매스(7.1a, 7.2a)들은 각각 두 개의 드라이브-모드 스프링(6.1a, 6.2a 및 6.3a, 6.4)들에 의해 연결막대(5.1a)로 횡방향으로 연결된다.

상기 연결막대(5.1a)는 두 개의 드라이브-모드 스프링(4.1a, 4.2a)들에 의하여 앵커(3.1a)와 연결된다.

구성요소(3.1a … 7.1a)들은 도1에서 도시된 바와 같은 구체적 형상과 다를 수 있다.

본 실시예에서, 구성요소의 기능 및 서로간의 기하학적 배열만이 관련된다.

도7a에서 구성요소(3.1a, 4.1a, 4.2a)들은 구성요소(6.1a, …, 6.4a, 7.1a, 7.2a)들과 마찬가지로 연결막대(51a)의 같은 측에 위치한다.

도7b의 실시예는 연결막대(5.1a)가 두 번째 연결 지지구조에 의해 지지되고, 상기 지지구조는 두 번째 앵커(3.1b)와 연결되는 두 개의 드라이브-모드 스프링(4.1b, 4.2b)인 점에서 도7a의 실시예와는 다르다.

두 번째 커플링 지지 구조는 연결막대(5.1a)의 길이방향 축에 대하여 거울상 대칭으로 배치된다.

본 실시예에서 드라이브-모드 스프링(4.1a/4.1b, 4.2a/4.2b)으로 접히는 막대 스프링을 적용하는 것이 유리할 수 있다.

도7b의 다른 실시예에서는 하나의 앵커(3.1b)와 드라이브-모드 스프링(4.1b, 4.2b)들만 적용하고 구성요소 (3.1a, 4.1a, 4.2a)은 제외한다.

즉, 연결 지지 구조가 연결막대(5.1a) 반대쪽에 위치하게 된다.

도7c는 연결 지지 구조가 연결막대(5.1c) 안에 설치된 실시예를 도시한다.

상기 막대(5.1c)는 중심에 개구부(22)를 가지며, 상기 개구부(22)는 드라이브-모드 스프링(4.1c, 4.2c) 및 앵커(3.1c)를 수용할 수 있도록 충분한 크기를 갖는다.

도8a, b는 도1의 구성을 기초로 공간을 절약하는 구성을 도시한다.

상기 두 개의 횡방향의 연결막대(23.1, 23.2)들이 말단부가 뾰족해지도록 구성된다.

지지 구조의 두 개의 앵커(24.1, 24.2)가 연결막대, 내측의 드라이브-모드 스프링들 및 중앙의 센스 전극들에 의해 형성되는 사각형 자유영역에 위치한다.

네 개의 드라이브 전극 시스템(25.1, ..., 25.4)들이 전체구조의 각각의 모퉁이에 위치하며, 하나의 드라이브 전극시스템(25.1, ..., 25.4)이 각각 하나의 셔틀매스에 관여한다.

이러한 전극구조들은 연결막대, 셔틀매스, 외측 및 내측 드라이브-모드 스프링에 의해 형성되는 사각형 공간에 위치한다.

상기 네 개의 드라이브 전극 시스템(25.1, ...., 25.4)들은 x축 및 y축에 대하여 거울상 대칭구조로 배치된다.

도8b는 드라이브 전극 시스템(25.1)을 보다 자세히 도시한다.

상기 시스템은 8개의 고정전극(D1.1, D2.1, D1.2, D2.2, A1.1, A2.1, A1.2, A2.2.)들을 포함한다.

각각의 고정전극들은 이동전극(M)과 상호작용하게 된다.

상기 이동전극은 셔틀매스 위에서 작동한다.

한 쌍을 구성하는 고정전극(예, D1.1)과 상호작용하는 이동전극(M)은 가변 커패시터(variable capacitor)기능을 갖는 정전기 수단을 형성한다.

이는 도8b의 바람직한 실시예에서 상기 전극시스템(25.1)은 8개의 정전기 수단을 갖는 것을 의미한다.

도8c는 정전기 수단의 일부 확대도이며, 본 발명의 바람직한 실시예에서 고정전극(D1.1)과 이동전극(M)이 상호작용하는 지를 도시한다.

상기 고정전극(D1.1)은 y축 방향으로 연장된 전극팔(30)과 다수의 전극손가락(32.1, 32.2, 등)을 갖는다.

상기 이동전극(M)은 각각의 고정전극(D1.1, ... A2.2)들을 위한 전극팔을 갖는다.

상기 전극팔(31)은 고정된 전극팔(30)과 같이 유사한 개수의 전극손가락(33.1, 33.2)을 가진다.

상기 전극들의 전극손가락(32.1, 32.2, 33.1, 33.2)들은 x축 방향으로 연장되며 길이(L) 만큼 서로 겹치게 된다.

전극손가락(32.1, 32.2, 33.1, 33.2)들의 교차하는 사이로 간격(34.1, 34.2, 34.3)들이 y축 방향으로 형성되며, 이동 구조가 기본위치에 있을 때 y축 방향으로 모두 같은 폭을 갖는다.

상기 간격(34.1, ..., 34.3)의 길이는 장치가 멈춘 위치에서 전극손가락(32.1, 32.2, 33.1, 33.2)의 겹치는 길이(L)에 상응한다.

작동시, 전극손가락들이 겹치는 길이(L)는 진동 구조의 움직임에 따라 변화된다.

본 실시예에서 상기 고정전극(D1.1, D2.1, D1.2, D2.2)들은 D1 - D2의 차동검파로써 셔틀매스의 위치를 제어하는 데에 사용된다.

한편, 고정전극(D1)(D1.1, D1.2)과 마주보는 이동전극(M)은 왼쪽 진동장치(2.1, 7.1)가 오른쪽으로 움직이고 오른쪽 진동 구조(2.2, 7.2)가 왼쪽으로 움직일 때 증가하는 커패시터를 형성한다.

또 한편, 고정전극(D2)(D2.1, D2.2)과 마주보는 이동전극(M)은 왼쪽 진동장치(2.1, 7.1)가 오른쪽으로 움직이고 오른쪽 진동 구조(2.2, 7.2)가 왼쪽으로 움직일 때 감소하는 커패시터를 형성한다.

고정전극A(A1.1, A2.1, A2.1, A2.2)들은 셔틀매스를 구동시키기 위해 사용되며 결과적으로 드라이브 방향으로 센스 스프링의 강성(stiffness)의 차이에 기인하여 프루프매스를 구동시킨다(차이 구동(differential actuation)).

전압이 고정전극들(A1)(즉, A1.1, A1.2)에 걸려 정전기 힘을 생성하며, 상기 정전기힘은 왼쪽의 진동장치(2.1, 7.1)를 오른쪽(+x축 방향)으로 움직이고 오른쪽 진동장치

(2.2, 7.2를) 왼쪽(-x 방향)으로 움직인다.

전압이 고정전극들(A2)(즉, A2.1, A2.2)에 걸려 정전기 힘을 생성하며, 상기 정전기힘은 왼쪽의 진동장치(2.1, 7.1)를 왼쪽으로 움직이고 오른쪽 진동장치(2.2, 7.2를) 오른쪽으로 움직인다.

도9a, b는 드라이브 전극들의 바람직한 실시예를 도시한다.

and are connected to the electronics as follows:

네 개의 드라이브 전극 시스템(25.1, ..., 25.4)(도8a-c에 도시된 구조를 가질 수 있다)들은 도9a에서 도시된 바와 같이 전기적으로 연결되어 있으며, 아래와 같이 전자 장치들과 연결된다:

상기 전극(D1, D2)들의 커패시턴스는 커패시턴스-전압 컨버터(C2V)에 의해 아날로그 전압으로 변환되고 ADC-컨버터(26)에 의해 디지털 값으로 변환된다. 상기 ACD-컨버터(26)의 출력은 드라이브 컨트롤(27)로 입력 된다. 드라이브 컨트롤(27)의 출력은 고정전극(A1, A2)들을 위한 두 개의 안티-페이즈 드라이브 시그널들을 생성하는 DAC 컨버터(28.1)로 들어간다.

이동전극(M)은 시그널 제네레이터(29)에 의해 생성되는 아날로그 여기(excitation) 전압 시그널이 공급된다.

상기 여기 전압은 정전기 수단의 커패시턴스를 측정하기 적합한 진동수를 가진다.

도9b의 각각의 변화되는 커패시턴스(35.1, …, 35.4)들은 네 개의 드라이브 전극 시스템(25.1, …, 25.4)들을 제공하고 도9a에 도시된 바와 같이 전기적으로 서로 평행한(electrically parallel) 하나 또는 몇몇의 기능적으로 평행한(functionally parallel) 정전기 수단들을 의미한다.

도 9a, b에 도시된 전기회로는 크기 및 페이즈 컨트롤과 함께 드라이브 진동의 지지를 위한 드라이브 루프들의 구성을 보여준다.

도10은 센스 전극 시스템의 닫힌 루프 작동을 위한 기하학적 구성의 실시예를 도시한다.

정전식 수단은 모두 복수개의 겹치는 전극손가락(깍지낀 구조의 전극들)들을 갖는다.

겹치는 전극 손가락들의 겹치는 길이는 모든 손가락들에 대해 같으며, 전극 손가락길이의 50%보다 클 수 있다(이동매스가 정지한 위치에서). 전극 손가락들의 간격이 모든 손가락들에서 같지 않다. 크고 작은 간격이 번갈아 형성된다.

이는 전극 손가락(40.1, …, 40.3)들에 의해 나타내어진다: 전극손가락(40.2, 40.1)들의 간격은 전극손가락(40.2, 40.3)들의 간격보다 크다.

상기 이동전극(M)은 프루프매스에 의해 정의된다.

네 개의 다른 기능(A1, D1, D2, A2) 들이 고정된 센싱 전극들을 위해 준비된다.

상기 고정된 센싱전극(D)(즉 ROW1, …, ROW4내의 D1 및 D2)들이 차동검파에 의해 프루프매스들의 위치를 감지하기 위해 사용된다: D1 - D2.

센싱 전국 시스템의 기하학적 구성(즉, 작거나 큰 간격의 위치, 예로서 겹치는 전극들 각각의 상대적인 위치)은 고정된 전극들(D1)dl 마주보는 이동전극(M)과 함께 커패시터를 형성하고, 상기 커패시터의 커패시턴스는 왼쪽 프루프매스가 아래(-y축 방향)로 내려갈 때 및 오른쪽 프루프매스가 올라갈 때(+y축 방향) 증가한다.

동시에, 상기 기하학적 디자인은 고정된 전극(D2)들이 마주보는 모바일전극(M)과 함께 커패시터를 형성하며, 상기 커패시터의 커패시턴스는 왼쪽 프루프매스가 아래(-y축 방향)로 내려갈때 및 오른쪽 프루프매스가 올라갈때(+y축 방향) 감소한다.

고정된 전극(A)들이 프루프매스들의 움직임의 안티-페이즈의 카운터 밸런스에 사용된다(차별적 작동(differential actuation)).

고정된 전극(A1)들에 가해지는 전압이 정전기력을 생성하고, 이 힘은 왼쪽 프루프매스를 -y방향으로, 오른쪽 프루프매스를 +y방향으로 움직이게 한다. 고정된 전극(A2)들에 가해지는 전압이 정전기력을 생성하고, 이 힘은 왼쪽 프루프매스를 +y방향으로, 오른쪽 프루프매스를 -y방향으로 움직이게 한다.

상기 푸르푸매스들 둘 다 위(+x축) 및 아래(-x축) 부분 들이 x축에 대하여 대칭적인 구조를 갖는다. 이는 도10에서 도시되는 바와 같이, 상기 전극(A1 및 A2)들의 손가락들(및 간격들)에 대한 기하학적 구성은 x축에 대하여 대칭적이다. 전극들(D1, D2)에 대해서 동일한 거울상 대칭이 가능하다.

도11a, b는 센스 정전기 수단(닫힌 루프 작동에서)을 위한 전기회로와 프루프매스의 움직임을 상쇄하기 위해 가해지는 피드백의 센스루프를 도시한다.

네 개의 센스전극시스템(ROW1, …, ROW4)(도10의 기하학적 구성을 가질 수 있다)들과 이동전극(M)들이 도11a, b에 도시된 바와 같이 전기적으로 접촉하며 아래와 같이 전자기기들에 연결된다:

전극(D1, D2)들의 커패시턴스는 커패시턴스-전압 컨버터(C2V)에 의해 아날로그 전압으로 변환되고 이후에 ADC-컨버터(41)에 의해 디지털값으로 변환된다. 상기 ADC-컨버터(41)의 출력은 센스컨트롤회로(42)에 입력된다. 드라이브 컨트롤(42)의 출력은 고정전극(A1, A2)를 위한 두 개의 보상 신호를 생성하는 DAC 컨버터(43)로 향한다.

상기 모바일전극(M)은 시그널 제네레이터(44)로부터 생성된 아날로그 여기 전압 시그널을 공급받는다.

상기 여기된 전압은 정전기 수단의 커패시턴스를 측정하기에 적합한 진동수를 가진다.

도11b의 각각의 다양한 커피시턴스(46.1, …, 46.4)는 센스 전극 시스템에서 제공되는 하나 또는 몇개의 병렬의 정전수단을 기호화 한 것이며, 도11에서 도시된 바와 같이, 각각 전기적으로 병렬로 연결된다.

상기 전기회로는 도11a, b에서 도시된 바와 같이, 센스 루프의 구성은 코리올리의 힘에 의해 감소되는 센스모드의 진동을 보상하기 위한 것이다.

그러므로, 상기 프루푸매스들은 y-방향으로 최소의 진폭(amplitude)만을 가지며, 이는 컨트롤러 정전기 보상 힘에 의해 보상이 실제적으로 무효화되어지지 아니한 경우만 상기 진폭(amplitude)이 발생하기 때문이다.

도12는 열린 루프 오퍼레이션을 위한 센스 정전기 수단의 선택적인 다른 실시예이다. 도11a, b의 실시예 에서와는 달리 열린 루프 시스템은 센스 모드 방향으로의 프루프매스의 실제의 진폭(substantial amplitude)이 없다.

이동전극(M)이 프루프매스를 정의한다. 고정된 센스전극들을 위하여 두개의 다른 기능(functions)(D1, D2)이 있다. 이에 따라 전극의 구성은 도10의 닫힌 루프 센싱 시스템 보다 단순해지나 여전히 유사성을 갖는다. 통합된 전극손가락들의 간격은 모두 같지 않으며 크고 작은 간격이 번갈아 형성된다(도10의 “D1 - ROW1” 참조)센싱 전극시스템의 기가하학적 디자인(즉, 작고 큰 간격들의 배치, 예로서 통합된 전극 각각의 상대적 위치)은 마주보는 이동전극(M)과 함께 커패시터를 형성하는 고정된 전극들(D1)을 포함하며, 왼쪽 프루프매스(x축방향)가 아래로(-y축) 움직일때 및 오른 쪽 프루프매스(+x축 방향)가 위로 움직일때(+y축 방향) 상기 커패시터의 커패시턴스는 증가한다.

마찬가지로, 상기 기하학적 디자인은 이동전극(M)과 커패시터를 형성하는 고정된 전극(D2)를 포함하며 , 왼쪽 프루프매스가 -y축으로 움직일때 및 오른 쪽 프루프매스가 +y축 방향으로 움직일때 상기 커패시터의 커패시턴스는 감소한다. 상기 정전수단들은 x축 방향으로 대칭으로 구성된다.

상기 고정된 전극(D)는 D1-D2의 차동 검파로써 프루프매스의 위치를 감지한다.

도13a, b는 센스 정전 수단(열린 루프 오퍼레이션에서)의 전기회로 및 프루프매스의 위치를 감지하는 감지 체계를도시한다.

네 개의 젠스 전극 시스템 ROW1, …, ROW4()들과 이동전극(M)들은 도13a, b에서 도시된 바와 같이 전기적으로연결되며 전자장치들과 아래와 같이 연결된다:

전극(D1, D2)들의 커패시턴스는 커패시턴스-전압 컨버터(C2V)에 의해 아날로그 전압으로 변환되고, ADC-컨버터(46)에 의해 디지털 값으로 변환된다.

차동검파 신호(differential detection signal)(DS)가 처리회로로 입력된다(도14 참조). 상기 이동전극(M)은 신호생성기(47)에서 생성된 여기전압 신호를 공급받으며,

상기 신호는 정전기 수단들의 커패시턴스를 감지하기에 적합한 진동수를 갖는다.

도13b의 각각의 가변의 커패시턴스(49.1, 49.2)는 센스 전극 시스템에서 제공되는 하나 또는 다수의 기능적으로 병렬의 정전기 수단을 의미하며, 도13a(및 도12 참조)에서 도시된 바와 같이 전기적으로 병렬로 연결된다.

도14는 신호처리단계의 도식도이다. 닫힌 루프 센스 시스템을 사용할 경우(도11a, b참조) 센스 콘트롤 회로(42)의 센스 콘트롤 신호 출력(SC)(도11b) 및 드라이브콘트롤(27)의 드라이브 콘트롤 신호(DC)(도9b)는 디모듈레이터(DEMOD)로 공급된다. 디모듈레이터의 출력신호는 감지되는 회전율Ω에 비례하게 된다. 디모듈레이터의 신호는 필터로 공급되고 이후 시그널프로세서(PROC)로 공급된다. 시스널프로세서의 출력은 어떠한 디지털 시스템 제어부(예, 자동차)의 입력신호로 사용될 수 있다.

센스 열린루프 시스템(도13 참조)에서, ADC컨버터(46)와 드라이브컨트롤시그널 DC(도9b 참조)를 도14의 디모듈레이터로 사용할 수 있다.

요약하면, 본 발명은 z 축 화전 감지에 대한 마이크로미케니컬 자이로스코프의 소형의 구성에 관한 것이다. 본 발명은 안티-페이즈 드라이브-모드와 안티-페이즈 센스-모드 간의 진동수 분리를 조절하기에 상대적으로 용이하다

1 기판
2.1, 2.2 프루프매스
3.1, 3.2 앵커
3.1a, 3.1b, 3.1c 앵커
4.1, 4.2 막대
4.1a, 4.2a, 4.1b, 4.1c, 4.2 드라이브모드 스프링
5.1, 5.2 연결막대
6.1, …, 6.8 드라이브모드 스프링
7.1, …, 7.4 셔틀매스
8.1, …, 8.8 센스모드 스프링
9.1, …, 9.4 전극구조(드라이브 전극)
10.1, …, 10.8 센스-모드 전극
10.1a, 10.1b 멀티 손가락 전극 부분
17.1, 17.2 접촉영역
18.1, 18.2 탄성요소
19.1, 19.1 접힌-막대 구조
20.1, 20.2, 20.3 외측막대
21.1, …, 21.4 탄성요소
22 개구부
23.1, 23.2 연결막대
24.1, 24.2 앵커
25.1, ..., 25.4 드라이브 전극 시스템
26 ADC-컨버터
27 드라이브 컨트롤
28 DAC-컨버터
30 전극팔
31 전극팔
32.1, 32.2, 전극손가락
33.1, 33.2 전극손가락
34.1, …, 34.3 간격
35.1, ..., 35.4 가변용량
40.1, 40.2, 40.3 전극손가락
41 ADC-컨버터
42 센스컨트롤
43 DAC-컨버터
44 신호생성기
46.1, …, 46.4 가변용량
46 ADC-컨버터
47 신호생성기
49.1, 49.2 가변용량

Claims (18)

1. 본 발명은 z축 운동각을 측정하기 위한 마이크로미케니컬 센서장치(micromechanical sensor device)에 관한 것으로서,
a) 기판면과 기판면에 수직인 z축을 한정하는 기판(1)과,
b) 각 개가 하나 이상의 프루프매스(2.1, 2.2)를 가지는 두 개 이상의 진동장치(2.1, 2.2, 7.1, …, 7.4) 와,
c) 상기 기판(1) 위에서 드라이브-모드 방향(x-축)과 센스-모드 방향(y-축)으로 운동을 하되, 상기 작동 방향과 센스-모드 방향은 상기 기판면에 평행하는 두 개의 진동장치 (2.1, 2.2, 7.1, …, 7.4) 를 지지하는 서스펜션장치 (3.1, 3.2, 4.1, …, 4.4, 5.1, 5.2, 6.1, ..., 6.8) 와,
d) 상기 두 개의 진동장치(2.1, 2.2, 7.1, …, 7.4)를 연결하는 하나 이상의 연결 장치 (5.1, 5.2, 6.1, ... 6.8) 와,
e) 상기 연결구를 하나 이상의 앵커 (3.1, 3.2) 에 연결하여 연결구의 회전흔들림움직임(rotational swinging movement)를 가능하게 하되, 상기 회전흔들림움직임은 하나의 회전축을 가지며 회전축은 상기 기판에 직각인, 하나 이상의 연결 지지 구조(coupling support structure) (4.1, …, 4.4) 와,
f) 상기 진동장치 (2.1, 2.2, 7.1, …, 7.4) 는 센스-모드 스프링(sense-mode springs)(8.1, …, 8.8)에 의하여 하나 이상의 프루프매스(2.1, 2.2) 에 연결된 하나 이상의 셔틀매스(7.1, …, 7.4)를 가지되, 상기 센스-모드 스프링(8.1, …, 8.8)은 센스-모드 방향에 있어서 드라이브-모드 방향(x) 보다 유연하여, 각 진동장치 (2.1, 2.2, 7.1, …, 7.4)의 진동 작용이 활발하게 작동하게 하며,
g) 각 셔틀매스(2.1, 2.2)를 기판에 평행하게 드라이브-모드로 작동하게 하는 하나 이상의 드라이브 전극 구조 (9.1, …, 9.4) 와,
h) 각 프루프매스(2.1, 2.2)가 센스-모드 작동을 검출하게 하는 하나 이상의 센싱 전극 장치 (10.1, 10.2) ,로 구성되는 것에 있어서,
i) 상기 연결지지구조(4.1, …, 4.4)는 연결장치(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.8)를 드라이브-모드 방향(x)으로 병진운동(translational movement)할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치

제1항에 있어서,
연결 지지구조(4.1, 4.2)는 안티-페이즈 드라이브-모드 진동수(anti-phase drive-mode frequency)로부터 인-페이즈 드라이브-모드 진동수(in-phase drive-mode frequency)를 분리하도록 구성되며, 마찬가지로 안티-페이즈 센스-모드 진동수 anti-phase sense-mode frequency 로부터 인-페이즈 센스-모드 진동수 ( in-phase sense-mode frequency)를 분리해내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항에 있어서,
상기 연걸 지지구조(4.1, 4.2)는 센스-모드 방향에서의 스프링 상수가 드라이브-모드 방향에서의 스프링 상수보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결 지지구조(401, 4.2)는 연결막대(5.1)에 대한 적어도 두 개의 접촉영역(17.1, 17.2)을 가지며, 상기 접촉영역(17.1, 17.2)들은 서로 거리(d1)만큼 이격되고 상기 연결 지지구조(4.1, 4.2)는 상기 거리가 인-페이즈 센스-모드 진동수와 안티-페이즈 센스-모드 진동수 사이의 진동수 차이에 기여하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결 지지구조(4.1, 4.2) 드라이브-모드 방향의 병진운동이 가능하기 위하여 드라이브-모드 방향으로의 유연성을 가지며, 상기 연결지지구조(4.1, 4.2)는 연결 지지구조(4.1, 4.2)의 드라이브-모드 방향의 유연성이 증가할 경우 감소된 인-페이즈-드라이브 모드 진동수(reduced in-phase drive-mode frequency)를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결지지구조(4.1, 4.2)는 각각 이격되며 나란히 위치하는 적어도 두 개의 유연한 요소를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제6항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 유연한 요소는 곧은 막대들인 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 유연한 요소는 거리(d1)만큼 이격되며, 거리(d1)은 0.5 ≤ d1/L1 ≤ 1.5 (L1 = 요소의 길이)인 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결장치(5.1, 6.1, ..., 6.4)들은 드라이브 모드 방향(x)으로 연장된 막대와, 상기 막대와 셔틀매스(7.1, 7.2)들을 연결하는 적어도 두 개의 드라이브-모드 스프링(6.1, ..., 6.4)들을 포함하며, 상기 드라이브-모드 스프링(6.1, ..., 6.4)들은 센스-모드 방향보다 드라이브-모드 방향으로 더 유연한 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제9항에 있어서,
상기 센스-모드 스프링(8.1, …, 8.4)들과 드라이브-모드 스프링(6.1, …, 6.4)들은 센스-모드 진동수와 드라이브-모드 진동수의 진동수 차이를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
서스펜션 장치(3.1, 4.1, 4.2, 5.1, 6.1, ..., 6.4)는 연결장치(5.1, 5.2, 6.1, ..., 6.4)가 연결 지지구조(4.1, 4.2)에 의해 연결되게 하는 앵커들 외에 다른 앵커들을 갖지 아니하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 셔틀매스(7.1, 7.2)를 위하여 드라이브 전극 구조(7.1, 7.2)가 구비되고, 상기 드라이브 전극 구조(7.1, 7.2)는 기판에 부착되는 첫 번째 전극과 셔틀매스(7.1, 7.2)에 부착되는 두 번째 전극을 포함하며, 상기 두 전극들은 드라이브-모드 매스를 드라이브-모드 방향(x축 방향)으로 진동시키기 위한 정전기 수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드라이브 전극 구조(9.1, 9.2)는 셔틀매스(7.1, 7.2)와 연결구조(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.4) 사이에 센스-모드 방향으로 위치하며, 셔틀매스(7.1, 7.2)와
연결구조(5.1, 5.2, 6.1, ... 6.4)를 연결하는 드라이브-모드 스프링(6.1, ..., 6.4)들 사이에 드라이브-모드 방향으로 위치하게 된다.

제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 센싱 전극 구조들은 기판에 부착되는 첫 번째 전극 요소와 프루프 매스(2.1, 2.2)에 부착되는 두 번째 전극 요소를 포함하며, 상기 두 전극 요소들은 마이크로미케니컬 센서 장치의 z축 회전에 반응하는 전기신호들을 생성하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 센스-모드 전극(10.2, 10.5)들이 프루프 매스(2.1, 2.2)들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제15항에 있어서,
서스펜션 구조의 상기 앵커(3.1)는 셔틀매스들 사이에 드라이브-모드 방향(x축)으로 위치하는 것을 특징으로 하는 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
진동장치(2.1, 2.2, 7.1, …, 7.4)와 서스펜션장치(3.1, 3.2, 4.1, …, 4.4, 5.1, 5.2, 6.1, ..., 6.8)들은 x축 및 y축에 대하여 대칭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하는 마이크로미케니컬 센서장치.

제1항의 마이크로미케니컬 센서장치를 이용한 z축 회전 감지 방법에 있어서:
e) 드라이브 시그널을 생성하고, 상기 드라이브 시그널을 적어도 두 개의 셔틀매스들에게 적용하며, 각각의 셔틀매스들은 적어도 두 개의 프루프매스 중 하나와 연결되며, 상기 프루프매스(2.1, 2.2)들은 드라이브-모드 방향으로 진동하고,
f) 드라이브 시그널을 증폭시키고 피드백하여 프루프매스(2.1, 2.2)의 안티-페이즈 드라이브-모드 움직임을 촉진하며,
g) 적어도 두 개의 센스 전극 구조에 의해 생성되는 센스-모드 신호를 감지하고, 각각의 센스 전극 구조는 프루프매스에 부착되는 첫 번째 전극 요소와 마이크로미케니컬 장치의 기판에 부착되는 두 번째 전극 요소를 포함하며,
h) z-축 회전에 따른 감지 신호를 생성하기 위하여 드라이브-모드 시그널로부터 상기 센스-모드 시그널을 디모듈레이팅
하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 센서장치를 이용한 z축 회전 감지 방법.

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