WO2017003148A1 - 멤스 자이로스코프에 사용되는 멤스 링크 기구 - Google Patents

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WO2017003148A1
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link mechanism
anchor
phase
sensor
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PCT/KR2016/006876
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송기무
윤근중
강정식
김용국
한승오
송현주
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주식회사 신성씨앤티
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Definitions

  • the present invention relates to a MEMS gyroscope, and more particularly, to a MEMS link mechanism used in a MEMS gyroscope having a plurality of masses arranged in a line symmetry.
  • MEMS Micro electro mechanical systems
  • a representative example of a device using MEMS technology is a MEMS gyroscope for measuring angular velocity.
  • the gyroscope measures the angular velocity by measuring a Coriolis Force generated when a rotational angular velocity is applied to an object moving at a predetermined speed.
  • the Coriolis force is proportional to the cross product of the rotational angular velocity due to the moving speed and the external force.
  • the gyroscope is provided with a mass that vibrates therein.
  • the direction in which the mass in the gyroscope is driven is called, the direction in which the rotational angular velocity is input to the gyroscope is called the input direction, and the direction in which the Coriolis force generated in the mass is detected is called a sensing direction.
  • the excitation direction, the input direction and the sensing direction are set to directions perpendicular to each other in space.
  • two directions horizontal direction or x, y direction
  • one direction perpendicular to the plane of the substrate vertical direction or z direction
  • the gyroscope is divided into an x-axis (or y-axis) gyroscope and a z-axis gyroscope.
  • the x-axis gyroscope is a gyroscope whose input direction is the horizontal direction, and the y-axis gyroscope is based on an axis in a vertical direction on the plane with the x-axis gyroscope, but is substantially the same in principle.
  • the x- and y-axis gyroscopes are collectively called the x-y-axis gyroscopes.
  • the excitation is made in one axis direction on the plane
  • the sensing should be made in the direction perpendicular to the one axis on the plane.
  • both the excitation electrode and the sensing electrode are located on the same bottom wafer.
  • FIG. 1 is a z-axis MEMS gyroscope having a degree of freedom (DOF) horizontal excitation and one degree of freedom horizontal sensing
  • Figure 2 is an xy axis having a degree of freedom and one degree of freedom vertical sensing
  • Schematic diagram showing each of the MEMS gyroscopes.
  • the gyro wafer is provided with a frame 2 and a sensor 4, and the sensor 4 is connected by the frame 2, a spring k dx , and an attenuator c dx , and a sensor mass body m s ) can be seen connected to the sensor 4 by a spring k sy or k sz and an attenuator c sy or c sz .
  • the excitation of the frame 2 is made in the z direction.
  • an excitation method in which the entire frame is moved in parallel in the z direction is also possible.
  • the frame 2 is moved in the z direction.
  • the excitation force acting on the two masses ms1 and ms2 is opposite to each other due to the characteristics of the seesaw movement.
  • the micro precision instruments such as MEMS gyroscopes are sensitive to external noise or manufacturing process error, the robustness or stability of the system is a very important consideration.
  • the two masses are arranged in a line symmetry. The effect can be achieved to some extent.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a MEMS structure capable of ensuring complete antiphase in an excited mode or a sensing mode in a MEMS gyroscope having two masses arranged in a line symmetry.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to prevent additional manufacturing processes or costs in manufacturing a MEMS gyroscope including a structure capable of ensuring such a complete antiphase.
  • the frame is arranged parallel to the bottom wafer substrate, the Coriolis force when the movement of the direction and the angular velocity of the frame is input
  • a MEMS-based gyroscope comprising a sensor mass body in which displacement is sensed by at least one sensor and at least one sensing electrode sensing the displacement of the sensor mass body, anti-phase motion of two mass units of line symmetry constituting the sensor mass body MEMS anti-phase link mechanism provided to ensure that the at least two anchor connection portion is connected to the central anchor with no movement, the at least two anchor connection portion is connected to each other relative to the center of the MEMS anti-phase link mechanism At least two connected to the two mass units, respectively, in a 180 degree rotational symmetry between them It includes a link arm.
  • the MEMS link mechanism used for MEMS gyroscopes having two symmetric masses since a complete antiphase is ensured in at least one of an excitation mode and a sensing mode, the MEMS link mechanism is used for It can provide toughness.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a z-axis MEMS gyroscope having a conventional degree of freedom (DOF) horizontal excitation and one degree of freedom horizontal sensing.
  • DOE degree of freedom
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an x-axis (or y-axis) MEMS gyroscope having a conventional 1 degree of freedom horizontal excitation and 1 degree of freedom vertical sensing function, respectively.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an x-y axis MEMS gyroscope of a z-direction excitation and an x-direction sensing method of a conventional tuning fork method.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an x-y axis MEMS gyroscope of the z-direction excitation and the x-direction sensing method of the tuning fork method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows reaction forces acting on two sensor masses when two arms of rotational symmetry are connected to a central anchor.
  • Figure 6 shows the reaction forces acting on two sensor masses when the two arms are connected to a closed curve structure between them without a central anchor.
  • FIG 7 illustrates an antiphase link mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the operating principle of the x-y-axis gyroscope of the two degrees of freedom horizontal sensing mode with one degree of freedom vertical in accordance with one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a frequency response curve of an x-y-axis gyroscope in a two degree of freedom horizontal sensing mode having a degree of freedom such as that of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a frequency response curve for a z-axis gyroscope in a conventional 1 degree of freedom horizontal sensing mode and a xy axis gyroscope in a conventional 1 degree of freedom horizontal sensing mode. to be.
  • FIG. 11 is a one degree of freedom mathematical model for a vertically excited gyro frame and a torsion support spring in an x-y axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic illustration of a frame for placing a link mechanism that enables two mass units to operate in anti-phase sensing mode, according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing the structure of a vertically and horizontally sensed x-y-axis gyroscope in which an antiphase link mechanism is arranged on the x-y plane of FIG.
  • FIG. 14 is a plan view schematically illustrating an n or p electrode on a front surface of a bottom wafer, a dummy metal pad on a front surface of a bottom wafer, and a silicon through electrode and a sealing wall of a bottom wafer, for an xy axis gyroscope according to the exemplary embodiment of FIG. 13. .
  • 15 is a schematic cross-sectional view taken along line B-B 'in the x-y-axis gyroscope of FIG.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example in which an anti-phase link mechanism is used in an x-y axis MEMS gyroscope having one degree of freedom and one degree of freedom sensing mode according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a schematic diagram illustrating a principle of driving a z-axis gyroscope having a horizontal sensing type according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 illustrates an antiphase link mechanism for use with the z-axis gyroscope of FIG. 17, in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 illustrates an antiphase link mechanism for use with the z-axis gyroscope of FIG. 17 in accordance with another embodiment of the present invention.
  • 20 is a diagram illustrating a structure of a z-axis gyroscope having horizontal and horizontal sensing on an x-y plane according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a schematic cross-sectional view along the line AA ′ of the z-axis MEMS gyroscope of FIG. 20.
  • FIG. 22 is a plan view schematically illustrating a plurality of anchors connected to a bottom wafer, a silicon through electrode of the bottom wafer, and a sealing wall of the z-axis gyroscope according to the exemplary embodiment of FIG. 20.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view taken along line BB ′ of the x-y-axis gyroscope of FIG. 22.
  • FIG. 4 is a view showing an example in which the anti-phase link mechanism 80 is applied in the tuning fork x-y axis MEMS gyroscope.
  • the excitation of the frame 12 is in the z direction.
  • the frame 12 is excited to have a seesaw movement in the z-direction (direction perpendicular to the drawing) about the y-axis. Therefore, the excitation force acting on the two masses ms1 and ms2 is opposite to each other due to the characteristics of the seesaw movement.
  • the in-phase excitation is basically performed for the respective masses ms1 and ms2, and the movement in the sensing direction can also be measured out of phase. have.
  • the MEMS gyroscope is intended to provide complete antiphase motion in the excitation or sensing of the sensor mass, the two sensor masses may not actually be in full antiphase due to various internal or external factors.
  • phase excitation is possible, it does not guarantee full antiphase motion in sense mode.
  • the antiphase link mechanism 80 directly connects between the two masses ms1 and ms2. ) Is directly connected.
  • the two regions for directly connecting the anti-phase link mechanism except for the portion for connecting the spring or the damper, respectively. They are substantially in communication.
  • the antiphase link mechanism of FIG. 4 in order for the antiphase link mechanism of FIG. 4 to ensure complete antiphase, the forces acting on one arm (part connected to ms1) and the other arm (part connected to ms2) of the antiphase link mechanism are completely reversed.
  • the antiphase link mechanism must be designed. Therefore, it is preferable that the anti-phase link mechanism in shape has a rotationally symmetrical structure with respect to the center portion.
  • the first mass (ms1) is the force (F) to the first arm (14)
  • the second mass ms2 has an in-phase rather than an inverse phase with the first mass ms1.
  • the anti-phase link mechanism 80 may be configured as shown in FIG.
  • the anti-phase link mechanism 80 is connected to two anchor connecting portions 83 and 84 connected to the central anchor 85 having no movement with respect to the frame 160 and the two anchor connecting portions 83 and 84. It consists of two link arms 81 and 82 which are respectively connected to the two mass units in a form that is rotationally symmetrical by 180 degrees with respect to the center of the antiphase link mechanism 80.
  • Such link arms 81 and 82 preferably have at least three bend points from the point connected to the torsional rigid support 87 in the shape of a closed curve to the point connected to the two mass units 170 and 170 '. Do.
  • the torsional rigidity is imparted to the anti-phase link mechanism 80 and is formed by a closed curve passing through at least a point where the two anchor connecting portions 83 and 84 and the two link arms 81 and 82 meet, respectively.
  • Support 87 This torsional rigid support 87, in addition to the torsional rigid support, has a first structure comprising a first anchor connection 83 and a first link arm 81, a second anchor connection 84 and a second link arm 82 It also has the function of geometrically connecting the second structure, including). If the torsionally rigid support 87 is not present, the first structure and the second structure are connected only to the central anchor 85 without a connection point, so that an antiphase force will not occur.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a principle of driving an x-y axis gyroscope in a vertical excitation and horizontal sensing form according to an embodiment of the present invention.
  • ⁇ rotation
  • the sensor masses 30 and 40 sense amplitude in the x-axis direction.
  • the sensor mass bodies 30 and 40 are composed of the outer mass body 30 and the inner mass body 40 completely surrounded by the outer mass body 30.
  • the two masses 30 and 40 are connected by springs k2x and k3x and attenuators c2x and c3x arranged in the x direction, and the frame 60 and the external mass 30 are other springs arranged in the x direction. It can be modeled as connected by (k1x, k4x) and attenuators (c1x, c4x). In addition, the bottom wafer 50 and the sensor frame 60 may be modeled as connected by a spring kdz and an attenuator cdz disposed in the z direction.
  • FIG. 9 shows a frequency response curve for an x-y axis gyroscope having a 1 degree of freedom vertical excitation mode and a 2 degree of freedom horizontal sensing mode as shown in FIG. 8.
  • the total sensor masses 30 and 40 are separated from each other. It has two degrees of freedom according to the parameters x1 and x2. At this time, the two parameters x1 and x2 have the same peak resonant frequencies fs1 and fs2. If the sensor masses 30 and 40 of FIG.
  • the amplitude response of the two masses 30, 40 thus has a relatively gentle slope between the two peak resonant frequencies. Therefore, even if the position of the excitation frequency is slightly changed or an error due to the manufacturing process of MEMS gyro, for example, a design error of the peak resonance frequency, occurs, the sensing amplitude of each mass 30 or 40 is within a stable range. Can belong.
  • the two masses 30 and 40 are excited in the vertical direction (z direction) and sensed in the horizontal direction (x direction).
  • the present invention uses a seesaw type excitation method to facilitate excitation in the vertical direction within a narrow gap between the bottom wafer and the MEMS wafer (frame).
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a one-degree-of-freedom mathematical model of a gyro frame 60 and a torsion support spring 12, 14, and 16 that are vertically excited in an x-y axis gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the frame 60 is excited in the seesaw type by the bottom electrodes 21 and 23 so as to have an antiphase vibration component in the vertical direction when centering the frame center position (the position of the torsion support spring 12). . Therefore, if the excitation force at the point away from the center of the frame 60 to the right by L1 is + Fes (t), the excitation force at the point away from the center of the frame 60 to the left by L1 becomes -Fes (t). . Due to this opposite force from side to side, the Coriolis force due to the external rotational movement in the y-axis direction also has an inverse phase from side to side.
  • FIG. 12 schematically illustrates the frame 160 and the support springs 12, 14, 16 connecting the frame 160 to the anchors 25, 26 in the x-y axis gyroscope.
  • the frame 160 is allowed to torsionally rotate about the y axis by two support springs 12 attached to the sidewalls to the two anchors 26.
  • the support spring 14 In the x-y plane, the support spring 14 generates a restorative torque to help the edges of both ends of the frame 160 in the x direction to be restored to their normal positions after the torsional deformation of the frame 160.
  • the support spring 16 serves as a link or rotation bearing connecting the frame 160 edge and the support spring 14.
  • the plate link 15 is a kind of link that mechanically connects the support spring 14 and the support spring (16).
  • the left and right symmetrical double-folded dummy beam spring 18 is attached to both anchors 26 of the frame 160 to bend the Coriolis force direction (x) of the frame 160 by the support springs 12 and 14. The deformation and rotational movement of the frame 160 about the vertical axis z are simultaneously suppressed.
  • FIG. 13 shows the structure of an x-y axis gyroscope having vertical and horizontal sensing on an x-y plane according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor mass units 170 and 170 ' are each a certain distance from side to side and up and down with respect to the y axis at the center of the sensor mass units 170 and 170' to support linear vibration in the Coriolis force (x) direction. It is connected to the frame 160 in the x-axis direction by two pairs of support springs 36a, 36b, 38a, and 38b at distant positions, respectively.
  • the sensor mass units 170 and 170 ' include the outer masses 130 and 130' and the inner masses 140 and 140 'surrounded by the outer masses 130 and 130'.
  • the two pairs of support springs 32a, 32b, 34a, and 34b are respectively positioned at a predetermined distance from the left and right, respectively, with respect to the y axis. It is connected in the direction. Therefore, relative displacement may occur between the outer mass bodies 130 and 130 'and the frame 160 and between the inner mass bodies 140 and 140' and the outer mass bodies 130 and 130 '.
  • the sensing electrode 42 is provided to sense the x-direction vibration of the masses 140 and 140 'among the sensor mass units 170 and 170'
  • the sensing electrode 43 is the sensor mass units 170 and 170.
  • Each of the sensing electrodes 42 and 44 may be implemented as a comb electrode or a plate electrode, and may be attached to the sides of the anchors 41 and 43 fixed to the wafer substrate, respectively.
  • the two mass units are connected to the other end of the antiphase link mechanism 80, one end of which is fixed to the anchor 85.
  • two mass units are arranged in the x-axis direction, so that the two mass units have an antiphase.
  • This inverse phase is basically provided by the vertical inverse excitation according to the seesaw mechanism of FIG.
  • the noise component generated for various reasons has an advantage of being offset by the symmetry, so that the perfect anti-phase of the sensor mass unit is perfect.
  • Phase movement is one of the goals to be pursued in the manufacture of MEMS gyroscopes.
  • the two sensor masses 170 and 170' are located near the center of the frame 160. It is connected with the arranged antiphase link mechanism 80. Due to its structural characteristics (rotationally symmetrical structure), the anti-phase link mechanism 80 has a force applied in one direction to one of the two link arms, so that the other arm is exactly opposite the force applied, i.e. Force is at work
  • FIG. 14 shows the n or p electrodes 21, 22, 23, 24 on the front surface of the bottom wafer, the dummy metal pads 21a, 22a, 23a, on the bottom surface of the bottom surface of the xy-axis gyroscope according to the embodiment of FIG. 24a) and a top view schematically showing the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b, 41b, 43b and the sealing wall 72 of the bottom wafer.
  • FIG. 15 is a diagram schematically illustrating a BB ′ section in the x-y axis gyroscope of FIG. 14.
  • the sealing walls 72, 74, and 76 are one wall that blocks the inside and the outside for vacuum sealing to the x-y axis gyroscope.
  • the bottom electrodes 21 and 23 are n or p doped electrodes aimed at the verticalization of the frames 60 and 160 doped with boron or phosphorus on the wafer substrate, and the bottom electrodes 22 and 24 are perpendicular to the frames 60 and 160. N or p doped electrodes for measuring fluctuations in directional spacing.
  • the silicon through electrode 26b of the bottom wafer 110 refers to a wiring connection for supplying power to the frames 60 and 160 and the sensor masses 170 and 170 ', and the silicon through electrodes 41b and 43b of the bottom wafer 110 correspond to each other.
  • the wiring outputs the signal detected by the sensor sensing electrodes 41a and 43a to the outside.
  • the silicon through electrodes 21b and 23b of the bottom wafer are wires for supplying power to the bottom electrodes 21 and 23, and the silicon through electrodes 22b and 24b detect signals of the bottom electrodes 22 and 24. Wiring.
  • the dummy metal pads 21a, 22a, 23a, and 24a are one metal pads deposited with conductive metal on the doped electrodes 21, 22, 23, and 24 connected out of the sealed wall, and the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, and 24b. ) And the doping electrodes 21, 22, 23, 24 are electrically connected to each other.
  • pillars 78 and 79 are provided between the cap wafer 100 and the gyro wafer 90 to divide and distribute the vibration energy of the frames 60 and 160 into the bottom wafer 110 and the cap wafer 100, respectively. You can.
  • the anti-phase link mechanism 80 is applied to the x-y axis MEMS gyroscope having the 1 degree of freedom mode and the 2 degree of freedom sensing mode.
  • this antiphase link mechanism 80 does not necessarily have to be applied to MEMS gyroscopes having this two degree of freedom sensing mode.
  • the antiphase link mechanism 80 is also applied to the xy-axis MEMS gyroscope having the 1 degree of freedom mode and the 1 degree of freedom sensing mode as shown in FIG. Of course, it can be applied. If the 1 degree of freedom sensing mode is assumed, the mass may be removed from the x-y type MEMS gyroscope of FIG. 13 and configured as shown in FIG. 16.
  • the anti-phase link mechanism 80 is not only applicable to the x-y axis MEMS gyroscope as described above, but also to the z-axis MEMS gyroscope.
  • a specific embodiment in which such an anti-phase link mechanism 80 is applied to a z-axis MEMS gyroscope will be described.
  • the sensor mass bodies 110a and 110b and the sensor frames 120a and 120b are excited in the y direction under the condition that the rotation in the z-axis direction is applied on the gyro wafer, the sensor mass bodies 110a are caused by the Coriolis force. 110b) generates movement in the x-axis direction.
  • the sensor masses 110a and 110b include the first sensor mass unit 110a and the second sensor mass unit 110b, and the sensor frames 120a and 120b include the first sensor frame unit 120a and the second. It may be configured to include a sensor frame unit 120b.
  • the sensor masses 110a and 110b are connected to the sensor frames 120a and 120b by supporting springs 112a, 113a, 112b and 113b arranged in the horizontal direction, respectively. Therefore, the sensor masses 110a and 110b may have a relative displacement in the x direction with respect to the sensor frames 120a and 120b.
  • the support springs 114a, 114b, 115a, and 115b for supporting the y-direction movements of the sensor masses 110a and 110b and the sensor frames 120a and 120b include anchors 150a and 150b and sensor frames 120a and 120b. Are connected in the y direction.
  • at least one anti-phase link mechanism 80a, 80b is provided between the two sensor frames 120a, 120b to ensure complete anti-phase for y-direction movement of the sensor frames 120a, 120b in an excitation mode. It is connected.
  • two such anti-phase link mechanisms 80a and 80b are arranged in pairs, but the number is not limited thereto. However, it is preferable to use a plurality of anti-phase link mechanisms in terms of eliminating the imbalance effect of the arrangement of the anti-phase link mechanisms. have.
  • At least two horizontal seesaws are provided to guide the first sensor mass unit 110a and the second sensor mass unit 110b to move in opposite directions with respect to the x axis in the sensing mode.
  • Link structures 138a, 132a, 134a, 136a or 138b, 132b, 134b, 136b may be used.
  • the horizontal seesaw link structure is the seesaw body (138a, 138b), and the rotary link (132a, 132b, 134a, 134b) connecting the two ends of the seesaw body (138a, 138b) with the sensor mass (110a, 110b), respectively; ,
  • the upper rotary links 132a and 132b also move in the positive x-axis direction, and the seesaw bodies 138a and 138b move.
  • the seesaw bodies 138a and 138b move.
  • the lower rotary links 134a and 134b move to the left side.
  • the movement of the second sensor mass body unit 110b is guided in the negative x-axis direction (left direction) that is opposite to the first sensor mass body unit 110a.
  • the antiphase link mechanism 180a has the same structure as the two link arms 141a and 142a and the torsional rigid support 147a as compared with the antiphase link mechanism of FIG. Instead, four central anchors 145a are used in this embodiment.
  • the connection between the torsionally rigid support 147a and the four central anchors 145a has a substantially 'I beam' shape.
  • the torsionally rigid support 147a is connected by a horizontal link 144a across it, and the center of the horizontal link 144a is again connected with an I beam link 143a connected with four central anchors 145a.
  • the antiphase link mechanism 180a may have a relatively large rigidity against torsional external force.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an antiphase link mechanism 190a according to another embodiment of the present invention.
  • This embodiment differs only in that the spring portions 153a and 154a are additionally formed on the two link arms 151a and 152b.
  • the spring portions 153a and 154a formed on the link arms 151a and 152b have a rigidity of the link arms 151a and 152b when an external force (+ F or? F) acts on the ends of the link arms 151a and 152b.
  • the structural stability of the two link arms 151a and 152b is provided. Therefore, it is possible to contribute to ensuring a more accurate anti-phase than in the absence of the spring portion (153a, 154a).
  • FIG. 20 shows a structure of a z-axis gyroscope having horizontal and horizontal sensing on an x-y plane according to an embodiment of the present invention.
  • one pair of the anti-phase link mechanisms 190a and 190b of FIG. 19 is disposed.
  • the sensor masses 110a and 110b and the sensor frames 120a and 120b are y together by the excitation electrodes 162, 164, 166, and 168.
  • excitation electrodes 162, 164, 166, 168 may be implemented in a comb electrode, plate electrode, or in some other manner.
  • the excitation electrodes 162, 164, 166, and 168 are attached to and fixed to the side surfaces of the anchors 161, 163, 165, and 167 fixed to the wafer substrate, respectively.
  • the case of using four excitation electrodes is exemplified, but the present invention is not limited thereto, and it is a matter of course that fewer or more excitation electrodes can be used.
  • the sensor masses 110a and 110b and the sensor frames 120a and 120b do not substantially have relative displacements in the y direction, and the support springs 114a, 114b and 115a disposed in the vertical direction (y direction). , 115b) supports the vibration according to the excitation.
  • the two sensor frames 120a and 120b are connected in the y direction by the two antiphase link mechanisms 190a and 190b.
  • the two antiphase link mechanisms 190a and 190b are arranged in a symmetrical form (line symmetry) with each other in the x-axis direction.
  • the force acting on the ends of the link arms is converted into a completely opposite phase reaction at the ends of the other link arms due to the rotationally symmetrical structure of the anti-phase link mechanisms 190a and 190b. .
  • the lower link arms of the antiphase link mechanisms 190a and 190b pull up the second sensor frame unit 120b.
  • the lower link arms of the antiphase link mechanisms 190a, 190b push the second sensor frame unit 120b down.
  • the sensor mass bodies 110a and 110b vibrate in the x direction by the Coriolis force.
  • the sensor masses 110a and 110b are connected to the sensor frames 120a and 120b by supporting springs 112a, 113a, 112b and 113b arranged in the horizontal direction, respectively.
  • the support springs 112a, 113a, 112b, and 113b may also be embodied as folding beams of MEMS beam springs. Therefore, in the sensing mode, the sensor frames 120a and 120b do not have substantially x-direction movements, and the sensor masses 110a and 110b may have x-direction movements with respect to the sensor frames 120a and 120b.
  • the two sensor masses 110a and 110b have two sensor masses 110a and 110b since the excitation direction of the phase link mechanisms 190a and 190b ensures that the direction of the excitation is completely in phase with respect to the y-axis.
  • the Coriolis force acting on is also the opposite. Therefore, when the first sensor mass body unit 110a moves in the negative x axis direction (left direction) in the sensing mode, the second sensor mass body unit 110b moves in the positive x axis direction (right direction). In addition, when the first sensor mass body unit 110a moves in the positive x axis direction (right direction), the second sensor mass body unit 110b moves in the negative x axis direction (left direction).
  • the opposing movement of the sensor masses 110a, 110b in this sensing mode is naturally guided by the horizontal seesaw link structures 138a, 132a, 134a, 136a or 138b, 132b, 134b, 136b.
  • the horizontal seesaw link structure has a seesaw body (138a, 138b), the rotary link (132a, 132b, 134a, 134b) connecting the two ends of the seesaw body (138a, 138b) with the sensor mass (110a, 110b), respectively, and seesaw It consists of pivot links 136a, 136b connecting the centers of the bodies 138a, 138b with the fixing anchors 190a, 190b.
  • the first sensor mass unit 110a moves in the x-axis direction (right direction)
  • the upper seesaw bodies 138a and 138b move clockwise while the upper rotary links 132a and 132b also move in the x-axis direction.
  • the lower pivot links 134a and 134b move to the left side by moving the lower ends of the seesaw bodies 138a and 138b in the negative x-axis direction (left direction) due to the center pivot links 136a and 136b.
  • the second sensor mass body unit 110b is guided in the negative x-axis direction (left direction), which is the direction opposite to the first sensor mass body unit 110a.
  • the movement of the Coriolis force direction (x direction) of the sensor masses 110a and 110b changes in capacitance according to the variation or the area between the sensor masses 110a and 110b and the sensing electrodes 152, 154, 156, and 158. Can be detected.
  • the sensing electrodes 152, 154, 156, and 158 may also be implemented as a comb electrode or a flat electrode, and may be attached to the side surfaces of the anchors 151, 153, 155, and 157 fixed to the wafer substrate, respectively. In the embodiment of FIG. 20, four sensing electrodes are used as an example. However, the present invention is not limited thereto, and fewer or more sensing electrodes may be used.
  • FIG. 21 is a schematic cross-sectional view along the line AA ′ of the z-axis MEMS gyroscope of FIG. 20.
  • the z-axis MEMS gyroscope of FIG. 20 is in an interior space between the bottom wafer 210 and the cap wafer 200 surrounded by the sealing walls 172, 174, 176 of the gyro wafer 205.
  • the support springs 115a and 115b connect the anchors 150b and the sensor frames 120a and 120b and serve as a support when the sensor frames 120a and 120b are excited in the y-axis direction.
  • Anchors 153 and 157 are disposed in the sensor masses 110a and 110b to fix the sensing electrodes, and are located below the sensor frames 120a and 120b and the sensor masses 110a and 110b, that is, the gyro wafer 205. Below, the bottom wafer 210 is spaced apart at regular intervals. At this time, the anchors 150b, 153, and 157 extend to contact the gyro wafer 205 from the bottom wafer 210 (150b ′, 153 ′, and 157 ′). Therefore, even when the sensor frames 120a and 120b and the sensor masses 110a and 110b in the gyro wafer 205 vibrate, the anchors 150b, 153 and 157 are fixed without movement.
  • FIG. 22 illustrates various anchors 150a, 150b, 151, 153, 155, 157, 161, 163, 165, 167, connected to the bottom wafer 210, for the z-axis gyroscope according to the embodiment of FIG. 20.
  • 145a and 145b a top view of the silicon through electrodes 150a ′, 150b ′, 152b, 154b, 156b, 158b, 162a, 164b, 166b, and 168b of the bottom wafer 210 and the sealing wall 192.
  • FIG. 23 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional view taken along line B-B 'in the x-y-axis gyroscope of FIG. 22.
  • the hermetic walls 172, 174, and 176 are one wall that blocks the inside and the outside to protect the z-axis gyroscope structure.
  • the silicon through electrode 150b ′ of the bottom wafer 210 refers to a wiring connection for supplying power to the sensor frames 120a and 120b and the sensor mass bodies 110a and 110b, and the silicon through electrode of the bottom wafer 210 ( 154b and 158b are wirings that output signals sensed by the sensor sensing electrodes 154 and 158 to the outside.
  • pillars 178 and 179 are provided between the cap wafer 200 and the gyro wafer 205 to divide and distribute the vibration energy of the gyro wafer 205 into the bottom wafer 210 and the cap wafer 200, respectively. Can be.
  • the embodiment to which the anti-phase link mechanism 80 used by the xy-axis MEMS gyroscope and the anti-phase link mechanism 80a, 80b, 180a, 180b, 190a, 190b used by the z-axis MEMS gyroscope is applied.
  • Other alternatives to the antiphase link mechanisms 80a, 80b, 180a, 180b, 190a, 190b are not limited thereto, and are shown in the following Figures 24-27.
  • the horizontal direction means a direction in which two masses are arranged
  • the vertical direction means a direction perpendicular to the horizontal direction.
  • the anti-phase link mechanism 280 shown in FIG. 24 is basically similar to the anti-phase link mechanism 80 shown in FIG. 7, with the twisted rigid support 287 of the closed curve and the two link arms 281, 282.
  • the configuration is the same.
  • the anchor phase should be firmly fixed to the anchor 85. Because of the structural constraints of the MEMS gyroscope, it is difficult to increase the thickness of the anchor connection portions 283 and 284. As described above, the use of the spiral anchoring portions 283 and 284 repeated several times may disperse the torsional stress applied to the portion connected to the anchor.
  • the anti-phase link mechanism 380 when compared with the anti-phase link mechanism 80 shown in Figure 7, each of the two anchor connection portions 383, 384 There is a difference in that it has a shape (folded repeatedly in the vertical direction) repeatedly folded along one side of the torsionally rigid support 87.
  • This antiphase link mechanism 380 provides a considerable resistance (high rigidity) to the masses disposed on the left and right in the same direction.
  • the antiphase link mechanism 480 according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 26 has two anchor connections 483 and 484 as compared to the antiphase link mechanism 80 shown in FIG. A first folding portion 483a and 484a which are folded at a point connected to the central anchor 85 and being fold in the horizontal direction, and a first folding portion 483a and 484a which is connected to the first folding portion 483a and 484a There is a difference in that it includes two folding portions 483b and 484b.
  • the anti-phase link mechanism 580 according to another embodiment of the present invention shown in Figure 27, like the anti-phase link mechanism 480 shown in Figure 26, in the longitudinal direction and the portion folded in the horizontal direction There is a part to be folded.
  • the connection order is only reversed from the center anchor 85 in that the part connected to the center anchor 85 is the part folded in the longitudinal direction.
  • each of the two anchor connecting portions 583, 584 and the first folding portions 583b, 584b which are folded in the longitudinal direction, starting at the point of connection with the central anchor 85; And second folding parts 583a and 584a connected to the first folding parts 583b and 584b and having a shape that is folded in a horizontal direction.
  • the anti-phase link mechanisms 480 and 580 described in Figs. 26 and 27 include a portion folded in the horizontal direction and a portion folded in the vertical direction, starting from the center anchor 85, so that the reverse phase link mechanisms 480 and 580 There is an advantage that both the frequency and the frequency for the movement in the linear direction can be adjusted.

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Abstract

바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임과, 상기 프레임에 가진 방향의 움직임과 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해 변위가 감지되는 센서질량체와, 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 적어도 하나의 감지전극을 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프에서, 상기 센서 질량체를 구성하는 선대칭 형태의 2개의 질량체 유닛의 역위상 움직임을 보장하기 위한 멤스 역위상 링크 기구가 제공된다. 이러한 멤스 역위상 링크 기구는, 움직임을 갖지 않는 중앙 앵커와 연결되는 적어도 2개의 앵커 연결부와, 상기 적어도 2개의 앵커 연결부와 연결되며 상기 멤스 역위상 링크 기구의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭인 형태로 상기 2개의 질량체 유닛에 각각 연결되는 적어도 2개의 링크 아암을 포함한다.

Description

멤스 자이로스코프에 사용되는 멤스 링크 기구
본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선대칭형으로 배치된 복수의 질량체를 갖는 멤스 자이로스코프에 사용되는 멤스 링크 기구에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical systems)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 대표적인 예가 각속도를 측정하는 멤스 자이로스코프이다. 자이로스코프는 소정의 속도로 이동하는 물체에 회전각속도가 가해질 경우에 발생하는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 측정하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다.
또한, 상기 발생된 코리올리힘을 감지하기 위해, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다. 통상적으로, 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향을 가진 방향이라 하고, 자이로스코프에 회전각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다.
상기 가진 방향과 입력방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스기술을 이용한 자이로스코프에서는, 바닥 웨이퍼 기판이 이루는 평면에 평행하며 상호 직교하는 두 방향(수평 방향 또는 x, y 방향)과 기판의 판면에 수직인 한 방향(수직방향 또는 z 방향이라 한다)으로 구성된 세 방향으로 좌표축을 설정한다.
이에 따라, 자이로스코프는 x축(또는 y축) 자이로스코프와 z축 자이로스코프로 나뉜다. x축 자이로스코프는 입력방향이 상기 수평 방향인 자이로스코프이며, y축 자이로스코프는 상기 x축 자이로스코프와 평면 상에서 수직 방향의 축을 기준으로 하지만 원리면에서는 실질적으로 동일하다. 따라서, x축 및 y축 자이로스코프는 통칭하여 x-y축 자이로스코프라고 불린다. 한편, z형 자이로스코프를 이용하여 수직 방향으로 가해지는 각속도를 측정하기 위해서는, 가진은 평면 상의 일축 방향으로 이루어지고, 감지는 상기 상기 평면 상에서 상기 일축에 수직인 방향으로 이루어져야 한다. 따라서 가진 전극과 감지 전극이 모두 동일한 바닥 웨이퍼에 위치한다.
도 1은 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평 가진 및 1자유도 수평 감지 기능을 갖는 z축 멤스 자이로스코프를, 도 2는 1자유도 수평 가진 및 1자유도 수직감지 기능을 갖는 x-y축 멤스 자이로스코프를 각각 보여주는 모식도이다. 여기서, 자이로 웨이퍼 내에는 프레임(2)과 센서(4)가 구비되어 있으며, 센서(4)는 프레임(2)과 스프링(kdx) 및 감쇠기(cdx)에 의해 연결되고, 센서 질량체(ms)는 스프링(ksy 또는 ksz) 및 감쇠기(csy 또는 csz)에 의해 센서(4)에 연결된 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 멤스 자이로스코프 내부에는 진동하는 센서 질량체(ms)가 있으며, 외부에서 가진방향(x)에 수직인 축(z 또는 y)을 중심으로 각속도가 인가되면, 센서질량체에는 가진방향(x)과 그 수직축(z 또는 y)이 이루는 평면에 수직인 제3의 방향(y 또는 z)으로 코리올리힘(Fc=2mΩ×ωAsinωt)이 작용하고, 코리올리힘에 의하여 변동하는 센서질량체의 동작의 크기를 감지한다. 여기서 ms은 센서 질량체의 질량이고, Ω는 외부 각속도이며, ω(=2πf)는 센서 질량체에 대한 가진주파수이며, A는 센서에 대한 가진진폭(driving amplitude)이고 t는 시간이다.
한편, 도 2와 같은 종래의 x-y축 멤스 자이로스코프에서 가진 방향과 감지 방향을 반대로 구성할 수도 있다. 즉, z방향으로 가진을 하고, 이에 따른 코리올리힘에 의한 x방향으로의 움직임을 감지하는 것이다. 도 3은 이와 같은 z방향 가진 및 x방향 감지 방식의 x-y축 멤스 자이로스코프의 일 예를 보여준다. 특히, 여기서는 종래의 x-y축 자이로스코프 프레임 내에 x방향 선대칭으로 2개의 질량체가 배치된 튜닝포크(Tuning Fork) 방식이 사용되고 있다.
도 3의 x-y축 멤스 자이로스코프에서 프레임(2)에 대한 가진은 z방향으로 이루어진다. 이 때, z방향으로 프레임 전체가 평행이동하는 가진 방식도 가능하지만, 특히 이러한 튜닝포크 방식에서는 두 질량체(ms1, ms2)가 상반된 방향으로 움직임을 갖도록 할 필요가 있기 때문에 프레임(2)은 z방향의 시소 움직임을 갖도록 가진될 수 있다. 이 때, 이러한 시소 움직임의 특성상 두 질량체(ms1, ms2)에 작용하는 가진력은 서로 반대가 된다.
이러한 가진력 하에서, x-y축 멤스 자이로스코프에 y축 방향의 외부 회전이 작용하면, x축 방향으로 감쇠기(cs1, cs1') 및 스프링(ks1, ks1')의 지지를 받는 좌측의 질량체(ms1)와, y축 방향으로 감쇠기(cs2, cs2') 및 스프링(ks2, ks2')의 지지를 받는 좌측의 질량체(ms2)는 모두 x축 방향으로 진동하게 된다. 특히, 상기 질량체(ms1, ms2)에 작용하는 가진력의 방향이 상반되기 때문에, 두 질량체(ms1, ms2)과 우측의 질량체(ms2)는 서로 간에 역위상의 변위를 갖게 된다. 이와 같이, 멤스 자이로스코프의 구조적 대칭성에 더하여, 센서 질량체의 움직임도 대칭성을 갖게 되면 제조 공정의 오차나 외부의 노이즈로 인한 오류가 그 대칭성으로 인해 상쇄될 수 있다.
이와 같이, 멤스 자이로스코프와 같은 초소형 정밀 기기는 외부 노이즈나 제조 공정 오차에 민감하기 때문에 시스템의 강인성 내지 안정성은 매우 중요한 고려 요소인데, 이와 같이 멤스 자이로스코프에 있어서 두 질량체를 선대칭형으로 배치함으로써 이러한 효과를 어느 정도 달성할 수 있다.
그러나, 이러한 멤스 자이로스코프가 센서 질량체의 가진 또는 감지에 있어서 완전한 역위상 움직임을 제공하는 것을 목표로 설계되더라도, 다양한 내부 또는 외부 요인으로 인해 실제로는 가진 전극에 의해 두 센서 질량체가 완전한 역위상으로 가진되지 않을 수 있으며, 설령 멤스 자이로스코프가 완전한 역위상으로 가진된다고 하더라도 감지 모드에서 완전한 역위상 움직임을 보장하기도 쉽지 않다.
따라서, 선대칭형으로 배치된 두개의 질량체를 갖는 멤스 자이로스코프에 있어서, 제조가 용이할 뿐만 아니라 가진 모드 또는 감지 모드에서 완전한 역위상을 보장할 수 있는 구조물을 고안할 필요성이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선대칭형으로 배치된 두개의 질량체를 갖는 멤스 자이로스코프에 있어서, 가진 모드 또는 감지 모드에서 완전한 역위상을 보장할 수 있는 멤스 구조물을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 이러한 완전한 역위상을 보장할 수 있는 구조물이 포함된 멤스 자이로스코프의 제조에 있어서, 추가적인 제조 공정이나 비용이 발생하지 않게 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구는, 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임과, 상기 프레임에 가진 방향의 움직임과 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해 변위가 감지되는 센서질량체와, 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 적어도 하나의 감지전극을 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프에서, 상기 센서 질량체를 구성하는 선대칭 형태의 2개의 질량체 유닛의 역위상 움직임을 보장하기 위해 제공되는 멤스 역위상 링크 기구는, 움직임을 갖지 않는 중앙 앵커와 연결되는 적어도 2개의 앵커 연결부와, 상기 적어도 2개의 앵커 연결부와 연결되며 상기 멤스 역위상 링크 기구의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭인 형태로 상기 2개의 질량체 유닛에 각각 연결되는 적어도 2개의 링크 아암을 포함한다.
본 발명에 따른, 선대칭의 두 질량체를 갖는 멤스 자이로스코프에 사용되는 멤스 링크 기구에 의하면, 가진 모드 및 감지 모드 중 적어도 하나의 모드에서 완전한 역위상이 보장되기 때문에, 미세 공정 오차나 외부 노이즈에 대한 강인성을 제공할 수 있다.
이러한 강인성의 제공은 통합된 자이로 웨이퍼 가공 공정으로 제조될 수 있는 간단한 멤스 링크 구조물을 통해 구현되므로, 특별한 추가 공정이나 추가 비용이 발생되지 않는다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평 가진 및 1자유도 수평 감지 기능을 갖는 z축 멤스 자이로스코프를 보여주는 모식도이다.
도 2는 종래의 1자유도 수평 가진 및 1자유도 수직감지 기능을 갖는 x축(또는 y축) 멤스 자이로스코프를 각각 보여주는 모식도 이다.
도 3은 종래의 튜닝 포크 방식의 z방향 가진 및 x방향 감지 방식의 x-y축 멤스 자이로스코프를 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 튜닝 포크 방식의 z방향 가진 및 x방향 감지 방식의 x-y축 멤스 자이로스코프를 보여주는 모식도이다.
도 5는 중앙 앵커에 회전 대칭인 두 개의 아암이 연결되어 있을 때 두 센서 질량체에 작용하는 반력을 보여주는 도면이다.
도 6은 중앙 앵커 없이 두 개의 아암이 사이의 폐곡선 구조에 연결되어 있을 때 두 센서 질량체에 작용하는 반력을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 8 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 9 은, 도 8 과 같은 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 10은, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프 또는 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수직감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 예시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 수직으로 가진되는 자이로 프레임과 비틀림 지지스프링에 대한 1자유도 수학적 모델이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 두개의 질량체 유닛이 역위상 감지모드 동작을 가능하게 하는 링크 기구를 배치하기 위한 프레임을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은, 도 12의 x-y평면상에서 역위상 링크 기구가 배치된 수직가진 및 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는, 도 13의 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼 전면의 n 또는 p 전극, 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드 및 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극 및 밀폐벽을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 15는, 도 14 의 x-y축 자이로스코프에서 B-B'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 1자유도 가진 및 1자유도 감지 모드를 갖는 x-y축 멤스 자이로스코프에서 역위상 링크 기구가 사용된 예를 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 17의 z축 자이로스코프에 사용되는 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 17의 z축 자이로스코프에 사용되는 역위상 링크 기구를 보여주는 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수평가진 및 수평감지 되는 z축 자이로스코프의 구조를 나타낸 도면이다.
도 21은 도 20의 z축 멤스 자이로스코프의 A-A'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 22는, 도 20의 실시예에 따른 z축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼와 연결되는 다수의 앵커들, 바닥 웨이퍼의 실리콘 관통전극 및 밀폐벽을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 23은, 도 22의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 24 내지 도 27은, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 멤스 역위상 링크 기구들을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 사시도, 단면도, 측면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 튜닝 포크 방식의 x-y축 멤스 자이로스코프에서, 역위상 링크 기구(80)가 적용된 예를 보여주는 도면이다. 도 3에서와 마찬가지로, 도 4에서도 프레임(12)에 대한 가진은 z방향으로 이루어진다. 특히, 두 질량체(ms1, ms2)가 상반된 방향으로 움직임을 갖도록 할 하기 위해 프레임(12)은 y축을 중심으로, z방향(도면에 수직인 방향)의 시소 움직임을 갖도록 가진된다. 따라서, 이러한 시소 움직임의 특성상 두 질량체(ms1, ms2)에 작용하는 가진력은 서로 반대가 된다.
이러한 가진력 하에서, x-y축 멤스 자이로스코프에 y축 방향의 외부 회전이 작용하면, x축 방향으로 감쇠기(cs1, cs1') 및 스프링(ks1, ks1')의 지지를 받는 좌측의 질량체(ms1)와, y축 방향으로 감쇠기(cs2, cs2') 및 스프링(ks2, ks2')의 지지를 받는 우측의 질량체(ms2)는 모두 x축 방향으로 진동하게 된다. 특히, 두 질량체(ms1, ms2)에 작용하는 가진력의 방향이 상반되기 때문에, 좌측의 질량체(ms1)과 우측의 질량체(ms2)는 서로 간에 역위상의 변위를 갖게 된다.
이와 같이, 도 3과 마찬가지로 도 4의 x-y축 멤스 자이로스코에서도, 각각의 질량체(ms1, ms2)에 대해 기본적으로 역위상의 가진이 이루어지고, 그에 따른 감지 방향의 움직임도 역위상으로 측정될 수 있다. 다만, 상기 멤스 자이로스코프가 센서 질량체의 가진 또는 감지에 있어서 완전한 역위상 움직임을 제공하고자 하더라도, 다양한 내부 또는 외부 요인으로 인해 실제로는 두 센서 질량체가 완전한 역위상으로 가진되지 않을 수 있으며, 설령 완전한 역위상 가진이 가능하다고 하더라도 감지 모드에서 완전한 역위상 움직임을 보장되는 것도 아니다. 따라서, 이와 같이 튜닝 포크 방식의 멤스 자이로스코프에서 완전한 역위상 움직임(가진 모드 또는 감지 모드에서)을 보장하기 위해, 도 4에서는 두 질량체(ms1, ms2) 사이를 직접 연결하는 역위상 링크 기구(80)가 직결된다. 이를 위해, 도 3과 같이 두 질량체(ms1, ms2)가 프레임 내에서 분리된 영역 내에 각각 배치되었던 것과 달리, 스프링 내지 감쇠기를 연결하기 위한 부분을 제외하고는 역위상 링크 기구를 직결하기 위해 두 영역들은 실질적으로 연통되어 있다.
또한, 도 4의 역위상 링크 기구가 완전한 역위상을 보장하기 위해서는, 역위상 링크 기구의 한쪽 아암(ms1과 연결된 부분)과 다른 쪽 아암(ms2와 연결된 부분)에 작용하는 힘이 완전히 반대가 되도록 상기 역위상 링크 기구를 설계하여야 한다. 따라서, 형태상으로 역위상 링크 기구는 중심부를 기준으로 회전 대칭 구조를 가지는 것이 바람직하다.
그러나, 도 5에 도시한 바와 같이 중앙 앵커(13)를 기준으로 회전 대칭인 두 개의 아암(14, 15)이 각각 두 질량체(ms1, ms2)와 연결되는 형태를 가정하면, 제1 질량체(ms1)가 제1 아암(14)에 힘(F)을 작용하더라도 제2 아암(15) 및 제2 질량체(ms2)에는 아무런 영향을 미치지 않는다. 즉, 중앙 앵커(13)를 기준으로 2개의 아암(14, 15)을 회전 대칭으로 배치하는 것만으로는 두 질량체(ms1, ms2)에 대한 역위상이 보장되지 않는다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 중앙 앵커 없이 폐곡선 구조(16)에 두 아암(14, 15)이 연결된 형태를 가정하면, 제1 질량체(ms1)가 제1 아암(14)에 힘(F)을 작용하는 경우, 제2 아암(15)에도 같은 방향의 힘(F)이 작용되므로 결국 제2 질량체(ms2)는 제1 질량체(ms1)와 역위상이 아니라 동위상을 갖게 된다.
이와 같이, 도 5 및 6을 참조하면, 두 질량체(ms1, ms2)의 역위상 움직임을 보장하기 위해서는 단순히 링크가 회전 대칭인 것만으로는 부족하고, 구조 설계를 위한 추가적인 고려가 필요함을 알 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명의 일실시예에 따른 역위상 링크 기구(80)는 도 7과 같이 구성될 수 있다. 역위상 링크 기구(80)는 프레임(160)에 대해 움직임을 갖지 않는 중앙 앵커(85)에 연결되는 2개의 앵커 연결부(83, 84)와, 상기 2개의 앵커 연결부(83, 84)와 연결되며 상기 역위상 링크 기구(80)의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭인 형태로 상기 2개의 질량체 유닛에 각각 연결되는 2개의 링크 아암(81, 82)으로 구성된다. 이러한 링크 아암(81, 82)은 폐곡선 형상의 비틀림 강성 지지부(87)에 연결된 지점으로부터 2개의 질량체 유닛(170, 170')에 연결되는 지점까지 적어도 3개의 절곡점(尖點)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 역위상 링크 기구(80)에 비틀림 강성을 부여하고, 2개의 앵커 연결부(83, 84)와 2개의 링크 아암(81, 82)이 각각 만나는 지점을 적어도 통과하는 폐곡선으로 형성되는 비틀림 강성 지지부(87)를 포함한다. 이러한 비틀림 강성 지지부(87)는 비틀림 강성 지지부와 더불어, 제1 앵커 연결부(83) 및 제1 링크 아암(81)을 포함한 제1 구조와, 제2 앵커 연결부(84) 및 제2 링크 아암(82)를 포함한 제2 구조를 기하적으로 연결하는 기능도 갖는다. 만약, 이러한 비틀림 강성 지지부(87)가 없으면 상기 제1 구조와 상기 제2 구조는 연결점이 없이 중앙 앵커(85)에만 연결되므로 역위상 힘이 발생하지 않게 될 것이다.
도 7에서, 제1 링크 아암(81)의 말단에 +F가 가해진다면 역위상 링크 기구(80)가 갖는 180도 회전 대칭의 구조에 의해 제2 링크 아암(82)의 말단에는 정확히 ?F의 반력이 생긴다. 마찬가지로, 제1 링크 아암(81)의 말단에 -F가 가해진다면 제2 링크 아암(82)의 말단에는 정확히 +F의 반력이 생긴다. 역위상 가진만으로는 2개의 센서 질량체 유닛의 움직임에 완전한 역위상이 보장되지 않는 경우라도, 이와 같은 역위상 링크 기구의 구조적 특성으로 인하여 2개의 센서 질량체 유닛은 완전한 역위상의 움직임을 가지기 때문에, 감지 전극에서 발생할 수 있는 노이즈 성분을 상쇄하여 제거할 수 있는 잇점을 누릴 수 있다.
이하에서는 x-y축 멤스 자이로스코프에 이러한 역위상 링크 기구(80)가 적용되는 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 수직 가진, 수평 감지 형태의 x-y축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 8을 참조하면, 바닥 웨이퍼(50) 및 프레임(60)에 y축 방향의 회전(Ω)이 가해지는 조건에서, z축 방향으로 센서 질량체(30, 40)가 가진되면 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(30, 40)는 x축 방향으로 진폭이 감지된다. 여기서, 센서 질량체(30, 40)는 외질량체(30)와 상기 외질량체(30)에 의해 완전히 둘러 싸여진 내질량체(40)로 이루어진다. 두 질량체(30, 40) 사이는 x방향으로 배치된 스프링(k2x, k3x)과 감쇠기(c2x, c3x)에 의해 연결되고, 프레임(60)과 외질량체(30)는 x방향으로 배치된 다른 스프링(k1x, k4x)과 감쇠기(c1x, c4x)에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다. 또한, 바닥 웨이퍼(50)와 센서 프레임(60)은 z방향으로 배치된 스프링(kdz)과 감쇠기(cdz)에 의해 연결된 것으로 모델링할 수 있다.
도 9는, 도 8 과 같은 1자유도 수직 가진모드와 2자유도 수평 감지모드를 갖는 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 보여주고 있다. 도 8에서 외력이 없는 평형위치를 기준으로 외질량체(30)의 x방향 변위를 x1이라고 하고, 내질량체(40)의 x방향 변위를 x2라고 하면, 전체 센서 질량체(30, 40)는 독립된 두 파라미터 x1, x2에 따라 2자유도를 갖게 된다. 이 때 두 파라미터 x1, x2는 동일한 피크 공진주파수(fs1, fs2)를 가지게 된다. 만일, 도 8 의 센서 질량체(30, 40)를 최대가진진폭 Ad와 가진주파수 fd로 수직 가진하면, 외질량체(30)와 내질량체(40)는 각각 x방향의 코리올리힘 Fc에 의하여 최대진폭 Am1과 최대진폭 Am2를 갖는 직선 진동의 움직임을 갖는다. 따라서, 이와 같이 2개의 질량체(30, 40)의 진폭 응답은 어느 것이나 2개의 피크 공진주파수 사이에서 비교적 완만한 기울기를 가진다. 그렇기 때문에, 설령 가진 주파수의 위치가 다소 달라지거나, 멤스 자이로의 제조 공정으로 인한 오차, 예를 들어 피크 공진주파수의 설계 오차가 발생한다고 하더라도 각각의 질량체(30, 40)의 감지 진폭은 안정적인 범위 내에 속할 수 있다.
도 9와 대비하여, 1자유도의 감지 모드를 갖는 도 10의 진폭 응답을 살펴보면, 가진 모드뿐만 아니라 감지 모드의 진폭 응답도 가파른 기울기를 갖는다. 따라서, 약간의 설계 오차조차도 감지 진폭의 큰 변화를 초래하게 된다. 따라서, 도 8의 실시예와 같이 2개의 질량체에 의해 2자유도 감지 모드를 갖게 함으로써 제조 공정 오차에 대해 보다 강인한(robust) 멤스 자이로스코프를 제공할 수 있게 된다.
다시 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서는 두 질량체(30, 40)를 수직 방향(z방향)으로 가진하고 수평 방향(x방향)으로 감지한다. 이와 같은 방식은, 도 2의 종래 기술과 같이 질량체를 수평 방향으로 가진하고 수평으로 감지할 경우에 발생하는 전극 배치의 난제를 해소할 수 있게 해준다. 일 실시예로서, 본 발명에서는 바닥 웨이퍼와 멤스 웨이퍼(프레임) 간의 좁은 간격 내에서 수직 방향으로 가진을 용이하게 하기 위해 시소(seesaw) 타입의 가진 방식을 사용한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 수직으로 가진되는 자이로 프레임(60)과 비틀림 지지스프링(12, 14, 16)에 대한 1자유도 수학적 모델을 나타낸 도면이다. 도 10에서, 프레임(60)은 프레임 중앙 위치(비틀림 지지 스프링(12)의 위치)를 중심으로 할 때 수직방향의 역위상 진동성분을 갖도록 바닥 전극(21, 23)에 의해 시소 타입으로 가진된다. 따라서, 프레임(60)의 중심에서 우측으로 L1만큼 떨어진 지점에서 가진력이 +Fes(t)라고 하면, 프레임(60)의 중심에서 좌측으로 L1만큼 떨어진 지점에서의 가진력은 -Fes(t)가 된다. 이러한 좌우로 상반된 가진력으로 인해, y축 방향의 외부 회전 운동에 따른 코리올리 힘도 좌우로 역위상을 갖는다.
도 12는 x-y축 자이로스코프에서 프레임(160)과, 프레임(160)을 앵커(25, 26)에 연결하는 지지스프링(12, 14, 16)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 일 실시예에서, 프레임(160)은 2개의 앵커(26)에 측벽에 부착된 2개의 지지스프링(12)에 의해 y축을 중심으로 비틀림 회전하도록 허용된다. x-y 평면에서 지지스프링(14)은 복원토크를 일으켜 프레임(160)의 x방향 양쪽 끝 가장자리가 프레임(160)의 비틀림변형 후 정상위치로 복원되는 것을 돕는다.
지지스프링(16)은 프레임(160) 가장자리와 지지스프링(14)을 연결해주는 링크 또는 회전베어링 역할을 한다. 또한, 평판 링크(15)는 지지 스프링(14)과 지지스프링(16)을 기구적으로 연결해주는 일종의 링크이다. 그리고, 좌우상하 대칭의 이중폴드 형태의 더미빔스프링(18)은 프레임(160) 양쪽 앵커(26)에 부착되어 지지스프링(12, 14)에 의한 프레임(160)의 코리올리 힘 방향(x) 굽힘변형과 수직축(z)에 대한 프레임(160)의 회전운동을 동시에 억제한다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수직가진 및 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 구조를 나타낸다. 일 실시예에서, 센서 질량체 유닛(170, 170')은 코리올리힘(x) 방향으로 직선 진동을 지지하기 위해, 센서질량체 유닛(170, 170') 중심에서 y축에 대하여 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에서 각각 2쌍의 지지스프링(36a, 36b, 38a, 38b)에 의해 x축 방향으로 프레임(160)과 연결되어 있다. 이러한 센서 질량체 유닛(170, 170')은 외질량체(130, 130')와 상기 외질량체(130, 130')에 의해 둘러싸인 내질량체(140, 140')를 포함한다. 외질량체(130, 130')와 내질량체(140, 140') 간에도, y축에 대해 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에서 각각 2쌍의 지지스프링(32a, 32b, 34a, 34b)이 x축 방향으로 연결되어 있다. 따라서, 외질량체(130, 130')와 프레임(160) 사이, 그리고 내질량체(140, 140')와 외질량체(130, 130') 사이에는 x축 방향으로 상대적인 변위가 발생할 수 있다.
센서질량체 유닛(170, 170')의 코리올리힘 방향(x) 동작은 각 센서 질량체(170, 170')와 각 감지전극(42, 44) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량의 변화에 의해 감지할 수 있다. 특히, 감지전극(42)는 센서질량체 유닛(170, 170') 중 내질량체(140, 140')의 x방향 진동을 감지하기 위해 구비되고, 감지전극(43)은 센서질량체 유닛(170, 170') 중 외질량체(130, 130')의 x방향 진동을 감지하기 위해 구비된다. 각 감지전극(42, 44)은 콤 전극(comb electrode) 또는 평판 전극(plate electrode)으로 구현될 수 있으며, 각각 웨이퍼 기판에 고정된 앵커(41, 43)의 측면에 부착될 수 있다.
특히, 도 13의 실시예에서 두 개의 질량체 유닛은, 일단이 앵커(85)에 고정된 역위상 링크 기구(80)의 타단과 연결되어 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 x축 방향으로 2개의 질량체 유닛을 배치하되 이 2개의 질량체 유닛 간에 역위상을 갖도록 한다. 이와 같은 역위상은 기본적으로 도 11과 같은 시소 메커니즘에 따른 수직방향의 역위상 가진에 의해 제공된다. 이와 같이, 멤스 자이로스코프의 구조적 대칭성과 함께, 센서 질량체의 움직임도 대칭성을 갖게 되면, 다양한 이유로 발생되는 노이즈 성분이 상기 대칭성으로 인해 상쇄되는 장점이 있으므로, 센서 질량체 유닛의 완전한 역위상(perfect anti-phase) 움직임은 멤스 자이로스코프의 제조에 있어서 추구하여야 할 목표 중 하나이다.
따라서, 두 개의 센서 질량체(170, 170')가 감지 모드에서 완전한 역위상 움직임을 갖도록 보장하기 위해, 도 13의 실시예에서 두 센서 질량체(170, 170')는 프레임(160)의 중앙 부근에 배치된 역위상 링크 기구(80)와 연결된다. 역위상 링크 기구(80)는 그 구조적 특성(회전 대칭 구조)에 의해, 두 개의 링크 아암 중 하나의 아암에 어떠한 방향으로 힘이 가해지면 다른 아암에는 상기 가해진 힘과 정확히 반대 방향, 즉 역위상의 힘이 작용한다.
도 14는, 도 13의 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼 전면의 n 또는 p 전극(21, 22, 23, 24), 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드(21a, 22a, 23a, 24a) 및 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극(21b, 22b, 23b, 24b, 41b, 43b) 및 밀폐벽(72)을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 그리고 도 15는, 도 14의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15 에 있어서, 밀폐벽(72, 74, 76)은 x-y축 자이로스코프에 대한 진공밀폐를 위하여 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 바닥전극(21, 23)은 웨이퍼기판에서 붕소 또는 인이 도핑된, 프레임(60,160)의 수직가진을 목적으로 하는 n 또는 p 도핑 전극이고, 바닥전극(22, 24)은 프레임(60,160)의 수직방향 간격 변동을 측정하기 위한 n 또는 p 도핑전극이다. 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘관통전극(26b)은 프레임(60,160)과 센서질량체(170,170')에 전원을 공급하는 배선접속을 의미하고, 바닥 웨이퍼(110)의 실리콘 관통전극(41b, 43b)은 센서 감지전극(41a, 43a)에서 감지된 신호를 외부로 출력하는 배선이다. 또한, 바닥 웨이퍼의 실리콘 관통전극(21b, 23b)은 바닥전극(21,23)에 전원을 공급하는 배선이며, 실리콘 관통전극(22b, 24b)은 바닥전극(22,24)의 신호를 감지하는 배선이다.
더미금속패드(21a, 22a, 23a, 24a)는 밀폐벽 밖으로 연결된 도핑전극(21,22,23,24) 위에 도체금속으로 증착된 하나의 금속패드로서 실리콘 관통전극(21b, 22b, 23b, 24b)과 도핑전극(21, 22, 23, 24)간을 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 또한, 캡 웨이퍼(100)와 자이로 웨이퍼(90) 사이에는 기둥(78, 79)이 구비되어 프레임(60, 160)의 가진 진동에너지를 바닥 웨이퍼(110)와 캡웨이퍼(100)로 각각 나누어 분산시킬 수 있다.
이상에서는 1자유도 가진 모드 및 2자유도 감지 모드를 갖는 x-y축 멤스 자이로스코프에서 역위상 링크 기구(80)가 적용된 실시예를 구체적으로 살펴보았다. 그러나, 이러한 역위상 링크 기구(80)가 반드시 이와 같은 2자유도 감지 모드를 갖는 멤스 자이로스코프에 적용되어야 하는 것은 아니다. 두 개의 질량체 유닛 간에 대칭적인 구조를 유지(튜닝 포크 방식)하는 이상, 도 4와 같은 1자유도 가진 모드 및 1자유도 감지 모드를 갖는 x-y축 멤스 자이로스코프에도 이러한 역위상 링크 기구(80)가 적용될 수 있음은 물론이다. 만약 1자유도 감지 모드를 가정한다면, 도 13의 x-y형 멤스 자이로스코프에서 내질량체가 제거되어 도 16과 같이 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구(80)는 이상과 같은 x-y축 멤스 자이로스코프에 적용 가능할 뿐 아니라, z축 멤스 자이로스코프에도 적용될 수 있다. 이하에서는 z축 멤스 자이로스코프에 이러한 역위상 링크 기구(80)가 적용되는 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
도 17을 참조하면, 자이로 웨이퍼 상에 z축 방향의 회전이 가해지는 조건에서, y방향으로 센서 질량체(110a, 110b) 및 센서 프레임(120a, 120b)이 가진되면 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(110a, 110b)는 x축 방향으로 움직임이 발생한다. 여기서, 센서 질량체(110a, 110b)는 제1 센서 질량체 유닛(110a)과 제2 센서 질량체 유닛(110b)을 포함하고, 센서 프레임(120a, 120b)은 제1 센서 프레임 유닛(120a)과 제2 센서 프레임 유닛(120b)을 포함하여 구성될 수 있다. 센서 질량체(110a, 110b)는 각각 수평 방향으로 배치된 지지 스프링(112a, 113a, 112b, 113b)에 의해 센서 프레임(120a, 120b)에 연결되어 있다. 따라서, 센서 질량체(110a, 110b)는 센서 프레임(120a, 120b)에 대해 x방향으로 상대적 변위를 가질 수 있다.
또한, 센서 질량체(110a, 110b) 및 센서 프레임(120a, 120b)의 y방향 움직임을 지지하기 위한 지지 스프링(114a, 114b, 115a, 115b)이 앵커(150a, 150b)와 센서 프레임(120a, 120b) 사이에 y방향으로 연결되어 있다. 그리고, 2개의 센서 프레임(120a, 120b) 사이에는, 가진 모드에서 센서 프레임(120a, 120b)의 y방향 움직임에 대한 완전한 역위상을 보장하기 위해 적어도 하나 이상의 역위상 링크 기구(80a, 80b)가 연결되어 있다. 도 17에서는 이러한 역위상 링크 기구(80a, 80b) 2개가 한 쌍으로 배치되어 있지만 그 수는 이에 한정되지 않는다. 다만, 역위상 링크 기구 배치의 불균형 효과를 제거한다는 측면에서 복수의 역위상 링크 기구를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 중심을 기준으로 좌우 방향으로 선대칭이 되도록 복수의 역위상 링크 기구를 배치할 필요가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 감지 모드시 제1 센서 질량체 유닛(110a)과 제2 센서 질량체 유닛(110b)이 x축 기준으로 서로 반대 방향으로 움직이도록 가이드하기 위해 적어도 2개의 수평 시소(seesaw) 링크 구조(138a, 132a, 134a, 136a 또는 138b, 132b, 134b, 136b)가 사용될 수 있다. 이 때, 수평 시소 링크 구조는 시소 몸체(138a, 138b)과, 시소 몸체(138a, 138b)의 양단을 센서 질량체(110a, 110b)와 각각 연결하는 회전 링크(132a, 132b, 134a, 134b)와, 시소 몸체(138a, 138b)의 중앙을 고정 앵커(150a, 150b)와 연결하는 피봇 링크(136a, 136b)를 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 센서 질량체 유닛(110a)이 양의 x축 방향(우측 방향)으로 이동한다면, 상측의 회전 링크(132a, 132b)도 양의 x축 방향으로 이동하면서 시소 몸체(138a, 138b)가 시계 방향으로 회동하는 움직임을 제공한다. 이 때, 중앙의 피봇 링크(136a, 136b)로 인해 시소 몸체(138a, 138b)의 하단은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이기 때문에 하측의 회전 링크(134a, 134b)는 좌측으로 움직인다. 결국, 제2 센서 질량체 유닛(110b)는, 제1 센서 질량체 유닛(110a)과는 반대 방향인 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 그 움직임이 가이드된다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 역위상 링크 기구(180a)를 보여주는 도면이다. 이 실시예에서 역위상 링크 기구(180a)는 도 7의 역위상 링크 기구와 비교할 때, 2개의 링크 아암(141a, 142a)이나 비틀림 강성 지지부(147a)는 마찬가지의 구조를 갖는다. 대신, 본 실시예에서는 중앙의 앵커(145a) 4개를 사용하고 있다. 또한, 비틀림 강성 지지부(147a)와 4개의 중앙 앵커(145a)와의 연결 방식은 실질적으로 'I 빔' 형상을 갖는다. 구체적으로, 비틀림 강성 지지부(147a)는 이를 가로지르는 가로 링크(144a)에 의해 연결되고, 가로 링크(144a)의 중심은 4개의 중앙 앵커(145a)와 연결된 I 빔 링크(143a)와 다시 연결된다. 이러한 4개의 중앙 앵커(145a)와 I 빔 형상으로 연결되는 구조로 인하여, 역위상 링크 기구(180a)는 비틀림 외력에 대해 상대적으로 큰 강성을 가질 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구(190a)를 보여주는 도면이다. 본 실시예는 도 18과 비교할 때, 2개의 링크 아암(151a, 152b)에 스프링부(153a, 154a)가 추가적으로 형성되어 있는 점에서만 차이가 있다. 이러한 링크 아암(151a, 152b)에 형성된 스프링부(153a, 154a)는 외력(+F, 또는 ?F)이 링크 아암(151a, 152b)의 단부에 작용할 때 링크 아암(151a, 152b)의 강성도 어느 정도 증가시킴과 더불어, 2개의 링크 아암(151a, 152b)의 구조적 안정성을 제공한다. 따라서, 스프링부(153a, 154a)가 없는 경우에 비해 보다 정확한 역위상을 보장하는 데에 기여할 수 있다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수평가진 및 수평감지 되는 z축 자이로스코프의 구조를 나타낸다. 여기서는 예시적으로 도 19의 역위상 링크 기구(190a, 190b)의 1쌍이 배치되어 있다.
자이로 웨이퍼 상에 z축 방향의 회전 각속도(Ω)가 가해지는 조건에서, 센서 질량체(110a, 110b) 및 센서 프레임(120a, 120b)은 가진 전극(162, 164, 166, 168)에 의해 함께 y방향으로 가진된다. 이러한 가진 전극(162, 164, 166, 168)은 콤전극(comb electrode), 평판전극(plate electrode) 또는 기타 다른 방식으로 구현될 수 있다. 상기 가진 전극(162, 164, 166, 168)은 각각 웨이퍼기판에 고정된 앵커(161, 163, 165, 167)의 측면에 부착되어 고정된다. 도 20의 실시예에서는 가진 전극 4개를 사용하는 경우를 예로 든 것이지만, 이에 한하지 않고 이보다 적거나 많은 가진 전극을 사용할 수도 있음은 물론이다.
상기 가진 모드에서는 센서 질량체(110a, 110b)와 센서 프레임(120a, 120b) 은 y방향으로는 실질적으로 상대적 변위가 발생되지 않으며, 수직 방향(y 방향)으로 배치된 지지 스프링(114a, 114b, 115a, 115b)에 의해 상기 가진에 따른 진동이 지지된다. 이 때, 2개의 센서 프레임(120a, 120b)은 2개의 역위상 링크 기구(190a, 190b)에 의해 y방향으로 연결되어 있다.
상기 2개의 역위상 링크 기구(190a, 190b)는 서로 간에 x축 방향으로 대칭인 형태(선대칭)로 배치된다. 역위상 링크 기구(190a, 190b)에 있어서, 링크 아암의 단부에 작용하는 힘은 역위상 링크 기구(190a, 190b)의 회전 대칭 구조로 인해 다른 링크 아암의 단부에서는 완전히 상반된 위상의 반력으로 변환된다. 따라서, 제1 센서 프레임 유닛(120a)이 아래로 움직일 경우, 역위상 링크 기구 (190a, 190b)의 아래쪽 링크 아암은 제2 센서 프레임 유닛(120b)을 위로 당기게 된다. 반대로, 제1 센서 프레임 유닛(120a)이 위로 움직일 경우, 역위상 링크 기구(190a, 190b)의 아래쪽 링크 아암은 제2 센서 프레임 유닛(120b)을 아래로 밀게 된다. 따라서 가진 전극(162, 164, 166, 168)에 의해 상부의 제1 센서 질량체 유닛(110a) 및 제1 센서 프레임 유닛(120a)에 가해지는 가진력과, 하부의 제2 센서 질량체 유닛(110b) 및 제2 센서 프레임 유닛(120b)에 가해지는 가진력이 완전한 역위상을 갖지 않더라도, 실제로 센서 질량체(110a, 110b) 및 센서 프레임(120a, 120b)의 진동에는 역위상 링크 기구(190a, 190b)에 의한 완전한 역위상이 보장될 수 있는 것이다.
한편, z축 방향의 회전 각속도(Ω)와, y축 방향의 가진이 동시에 작용하는 경우, 코리올리 힘에 의해 센서 질량체(110a, 110b)는 x방향으로 진동하게 된다. 여기서, 센서 질량체(110a, 110b)는 각각 수평 방향으로 배치된 지지 스프링(112a, 113a, 112b, 113b)에 의해 센서 프레임(120a, 120b)에 연결되어 있다. 이러한 지지 스프링(112a, 113a, 112b, 113b)도 역시 선형적 변형이 가능한 폴딩 형태의 멤스 빔 스프링으로 구현될 수 있다. 따라서, 감지 모드에서, 센서 프레임(120a, 120b)은 실질적으로 x방향 움직임을 가지지 않으며, 센서 질량체(110a, 110b)는 센서 프레임(120a, 120b)에 대해 x방향 움직임을 가질 수 있다.
한편, 2개 센서 질량체(110a, 110b)는 가진시 역위상 링크 기구(190a, 190b)에 의해 그 가진 방향이 y축에 대해 완전한 역위상이 보장이되므로, 2개의 센서 질량체(110a, 110b)에 작용하는 코리올리 힘도 완전한 반대가 된다. 따라서, 감지 모드에서 제1 센서 질량체 유닛(110a)이 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이면, 제2 센서 질량체 유닛(110b)은 양의 x축 방향(우측 방향)으로 움직인다. 또한, 제1 센서 질량체 유닛(110a)이 양의 x축 방향(우측 방향)으로 움직이면, 제2 센서 질량체 유닛(110b)은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직이게 된다. 이러한 감지 모드에서의 센서 질량체(110a, 110b)의 상반된 움직임은, 수평 시소 링크 구조(138a, 132a, 134a, 136a 또는 138b, 132b, 134b, 136b)에 의해 자연스럽게 가이드된다. 상기 수평 시소 링크 구조는 시소 몸체(138a, 138b)와, 시소 몸체(138a, 138b)의 양단을 센서 질량체(110a, 110b)와 각각 연결하는 회전 링크(132a, 132b, 134a, 134b)와, 시소 몸체(138a, 138b)의 중앙을 고정 앵커(190a, 190b)와 연결하는 피봇 링크(136a, 136b)로 이루어져 있다. 따라서, 제1 센서 질량체 유닛(110a)이 x축 방향(우측 방향)으로 이동한다면, 상측의 회전 링크(132a, 132b)도 x축 방향으로 이동하면서 상부의 시소 몸체(138a, 138b)는 시계 방향으로 회동하는 움직임을 제공한다. 이 때, 중앙의 피봇 링크(136a, 136b)로 인해 시소 몸체(138a, 138b)의 하단은 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직임에 의해 하측의 회전 링크(134a, 134b)는 좌측으로 움직인다. 결국, 제2 센서 질량체 유닛(110b)은, 제1 센서 질량체 유닛(110a)과는 반대 방향인 음의 x축 방향(좌측 방향)으로 움직임이 가이드되는 것이다.
센서 질량체(110a, 110b)의 코리올리 힘 방향(x방향)의 움직임은 각 센서 질량체(110a, 110b)와 각 감지 전극(152, 154, 156, 158) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량 변화로 감지할 수 있다. 이러한 감지 전극(152, 154, 156, 158)도 콤전극 또는 평판전극으로 구현될 수 있으며, 각각 웨이퍼기판에 고정된 앵커(151, 153, 155, 157)의 측면에 부착될 수 있다. 도 20의 실시예에서는 감지 전극 4개를 사용하는 경우를 예로 든 것이지만, 이에 한하지 않고 이보다 적거나 많은 감지 전극을 사용할 수도 있음은 물론이다.
도 21은 도 20의 z축 멤스 자이로스코프의 A-A'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 21에서, 도 20의 z축 멤스 자이로스코프는, 자이로 웨이퍼(205)의 밀폐벽(172, 174, 176)으로 둘러싸인 바닥 웨이퍼(210)와 캡 웨이퍼 (200) 사이의 내부 공간에 있다. 지지스프링(115a, 115b)은 앵커(150b)와 센서 프레임(120a, 120b)을 연결하고 있으며, 센서 프레임(120a, 120b)이 y축 방향으로 가진될 때 지지 역할을 한다.
센서 질량체(110a, 110b)의 내부에는 감지 전극을 고정하기 위한 앵커(153, 157)가 위치하며, 센서 프레임(120a, 120b)과 센서 질량체(110a, 110b) 아래, 즉 자이로 웨이퍼(205)의 아래에는, 바닥 웨이퍼(210)가 일정 간격을 두고 이격 배치된다. 이때, 앵커들(150b, 153, 157)은 자이로 웨이퍼(205)로부터 바닥 웨이퍼(210)까지 맞닿을 수 있도록 연장되어 있다(150b', 153', 157'). 따라서, 자이로 웨이퍼(205) 내의 센서 프레임(120a, 120b)이나 센서 질량체(110a, 110b)가 진동하는 경우에도, 앵커들(150b, 153, 157)은 움직임이 없이 고정되어 있다.
도 22는, 도 20의 실시예에 따른 z축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼(210)와 연결되는 여러 앵커들(150a, 150b, 151, 153, 155, 157, 161, 163, 165, 167, 145a, 145b), 바닥 웨이퍼(210)의 실리콘 관통전극(150a', 150b', 152b, 154b, 156b, 158b, 162a, 164b, 166b, 168b) 및 밀폐벽(192)을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 그리고, 도 23은, 도 22의 x-y축 자이로스코프에서 B-B'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 23에 있어서, 밀폐벽(172, 174, 176)은 z축 자이로스코프 구조를 보호하기 위해 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 바닥 웨이퍼(210)의 실리콘 관통 전극(150b')은 센서 프레임(120a, 120b)과 센서 질량체(110a, 110b)에 전원을 공급하는 배선접속을 의미하고, 바닥 웨이퍼(210)의 실리콘 관통전극(154b, 158b)은 센서 감지 전극(154, 158)에서 감지된 신호를 외부로 출력하는 배선이다. 또한, 캡 웨이퍼(200)와 자이로웨이퍼(205) 사이에는 기둥(178, 179)이 구비되어 자이로 웨이퍼(205)의 가진 진동에너지를 바닥 웨이퍼(210)와 캡 웨이퍼(200)로 각각 나누어 분산시킬 수 있다.
이상에서는, x-y축 멤스 자이로스코프에서 사용되는 역위상 링크 기구(80)와, z축 멤스 자이로스코프에서 사용되는 역위상 링크 기구(80a, 80b, 180a, 180b, 190a, 190b)가 적용된 실시예를 구체적으로 살펴보았다. 이에 한하지 않고, 상기 역위상 링크 기구(80a, 80b, 180a, 180b, 190a, 190b)와 대한 대체 가능한 다른 실시예가 다음의 도 24 내지 27에 도시된다. 도 24 내지 27의 설명에서, 가로 방향이란 두 질량체가 배치된 방향을 의미하고, 세로 방향이란 상기 가로 방향에 수직인 방향을 의미한다.
도 24에 도시된 역위상 링크 기구(280)는 기본적으로 도 7에 도시된 역위상 링크 기구(80)와 유사하며, 폐곡선의 비틀림 강성 지지부(287)와 2개의 링크 아암(281, 282)의 구성은 마찬가지이다. 다만, 2개의 앵커 연결부(83, 84)의 강성을 높이기 위해 수회 반복되는 나선 형상의 앵커 연결부(283, 284)로 대체되어 있는 점에서 차이가 있다. 역위상 링크 기구(280)가 안정적으로 동작하기 위해서는 기본적으로 앵커(85)에 견고하게 고정되어야 하는데, 멤스 자이로스코프의 구조적 제약으로 인해 앵커 연결부(283, 284)의 두께를 크게 하기는 어렵기 때문에 이와 같이 수회 반복되는 나선 형상의 앵커 연결부(283, 284)를 사용하면 앵커와 연결되는 부분에 가해지는 비틀림 응력을 분산시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 25에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구(380)는, 도 7에 도시된 역위상 링크 기구(80)와 비교할 때, 2개의 앵커 연결부(383, 384) 각각이 비틀림 강성 지지부(87)의 일변을 따라 반복적으로 폴딩된 형상(세로 방향으로 반복적으로 폴딩되는 형상)을 갖는다는 점에서 차이가 있다. 이러한 역위상 링크 기구(380)는 좌우에 배치되는 질량체들이 같은 방향으로 이동하는 것에 대한 상당한 저항력(높은 강성)을 제공한다.
도 26에 도시된 본 발명의 또다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구(480)는 도 7에 도시된 역위상 링크 기구(80)와 비교할 때, 2개의 앵커 연결부(483, 484) 각각이 상기 중앙 앵커(85)와 연결되는 지점에서 시작되어 가로 방향으로 폴딩되는 제1 폴딩부(483a, 484a)와, 상기 제1 폴딩부(483a, 484a)와 연결되며 세로 방향으로 폴딩되는 형상을 갖는 제2 폴딩부(483b, 484b)를 포함하여 구성된다는 점에서 차이가 있다.
한편, 도 27에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 역위상 링크 기구(580)는, 도 26에 도시된 역위상 링크 기구(480)와 마찬가지로, 가로 방향으로 폴딩되는 부분과 세로 방향으로 폴딩되는 부분이 모두 존재한다. 중앙 앵커(85)에 연결된 부분이 세로 방향으로 폴딩된 부분이라는 점에서 중앙 앵커(85)로부터 연결 순서가 반대로 되어 있을 뿐이다. 따라서, 역위상 링크 기구(580)에서, 2개의 앵커 연결부(583, 584) 각각은 상기 중앙 앵커(85)와 연결되는 지점에서 시작되어 세로 방향으로 폴딩되는 제1 폴딩부(583b, 584b)와, 상기 제1 폴딩부(583b, 584b)와 연결되며 가로 방향으로 폴딩되는 형상을 갖는 제2 폴딩부(583a, 584a)를 포함하여 구성된다.
도 26 및 도 27에 기재된 역위상 링크 기구(480, 580)는 중앙 앵커(85)로부터 시작하여, 가로 방향으로 폴딩되는 부분과, 세로 방향으로 폴딩되는 부분을 모두 포함하고 있기 때문에 회전방향 움직임에 대한 주파수와 직선방향에 움직임에 대한 주파수를 모두 조정할 수 있다는 장점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (12)

  1. 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되는 프레임과, 상기 프레임에 가진 방향의 움직임과 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리 힘에 의해 변위가 감지되는 센서질량체와, 상기 센서질량체의 변위를 감지하는 적어도 하나의 감지전극을 포함하는 멤스 기반의 자이로스코프에서, 상기 센서 질량체를 구성하는 선대칭 형태의 2개의 질량체 유닛의 역위상 움직임을 보장하기 위한 멤스 역위상 링크 기구에 있어서,
    움직임을 갖지 않는 중앙 앵커와 연결되는 적어도 2개의 앵커 연결부; 및
    상기 적어도 2개의 앵커 연결부와 연결되며, 상기 멤스 역위상 링크 기구의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭인 형태로 상기 2개의 질량체 유닛에 각각 연결되는 적어도 2개의 링크 아암을 포함하는 멤스 역위상 링크 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 앵커 연결부는
    상기 멤스 역위상 링크 기구의 중심을 기준으로 서로 간에 180도 회전 대칭인 형태로 상기 중앙 앵커와 연결되는 멤스 역위상 링크 기구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멤스 역위상 링크 기구의 비틀림 강성을 부여하기 위해 상기 적어도 2개의 앵커 연결부와 상기 적어도 2개의 링크 아암이 각각 만나는 지점을 지나면서 폐곡선으로 형성되는 비틀림 강성 지지부를 더 포함하는 멤스 역위상 링크 기구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비틀림 강성 지지부는 사각형인 멤스 역위상 링크 기구.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 2개의 링크 아암은
    상기 비틀림 강성 지지부에 연결된 지점으로부터 상기 2개의 질량체 유닛에 연결되는 지점까지 적어도 3개의 절곡점(尖點)을 갖는 멤스 역위상 링크 기구.
  6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 2개의 링크 아암은
    상기 비틀림 강성 지지부의 일변과 평행한 제1 방향으로 연장되는 제1 아암과, 상기 제1 아암의 말단으로부터 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 연장되는 제2 아암과, 상기 제2 아암의 말단으로부터 상기 제1 아암의 반대 방향으로 연장되는 제3 아암과, 상기 제3 아암의 말단으로부터 상기 제2 방향으로 연장되는 제4 아암을 포함하는 멤스 역위상 링크 기구.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 중앙 앵커는 4개의 앵커를 포함하고, 상기 적어도 2개의 앵커 연결부는 4개의 지점에서 상기 4개의 앵커와 만나며, 상기 멤스 역위상 링크 기구의 중앙으로부터 상기 앵커 연결부가 상기 4개의 앵커가 연결되는 형상은 실질적으로 'I' 자인 멤스 역위상 링크 기구.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 앵커 연결부는 각각, 상기 중앙 앵커에서부터 각각 반복된 사각 나선 형태로 상기 비틀림 강성 지지부에 연결되는 멤스 역위상 링크 기구.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 앵커 연결부가 상기 중앙 앵커에 연결되는 2개의 지점은 상기 중앙 앵커의 대향하는 꼭지점 위치인 멤스 역위상 링크 기구.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 앵커 연결부는 각각, 상기 비틀림 강성 지지부의 일변을 따라 반복적으로 폴딩된 형상을 갖는 제1 폴딩부를 포함하는 멤스 역위상 링크 기구.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 앵커 연결부는 각각, 상기 중앙 앵커와 연결되는 지점 근처에 형성되어 상기 제1 폴딩부와 연결되며 상기 제1 폴딩부에 대해 수직 방향으로 폴딩된 형상을 갖는 제2 폴딩부를 더 포함하는 멤스 역위상 링크 기구.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 앵커 연결부는 각각, 상기 중앙 앵커와 연결되는 상기 제1 폴딩부와 연결되며 상기 제1 폴딩부에 대해 수직 방향으로 폴딩된 형상을 갖는 제2 폴딩부를 더 포함하는 멤스 역위상 링크 기구.
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