WO2020045917A1 - 3축 멤스 자이로스코프 - Google Patents

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WO2020045917A1
WO2020045917A1 PCT/KR2019/010837 KR2019010837W WO2020045917A1 WO 2020045917 A1 WO2020045917 A1 WO 2020045917A1 KR 2019010837 W KR2019010837 W KR 2019010837W WO 2020045917 A1 WO2020045917 A1 WO 2020045917A1
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WO
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axis
verification
mass
masses
sensing
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/010837
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English (en)
French (fr)
Inventor
송기무
정규동
알리 샤무하마드
안재현
이상우
윤근중
김용국
콩 트란루안
Original Assignee
주식회사 신성씨앤티
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0242—Gyroscopes

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS gyroscope, and more particularly, to an integrated three-axis MEMS gyroscope implemented in a single package and capable of detecting all three axis rotations.
  • MEMS Micro electro mechanical system
  • a representative example of the device using the MEMS technology is a MEMS gyroscope for measuring the angular velocity.
  • the gyroscope measures the angular velocity by detecting 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 movement speed and the external force.
  • the gyroscope in order to sense the generated Coriolis force, the gyroscope is provided with a mass vibrating therein.
  • the direction in which the mass in the gyroscope is driven is referred to, and the direction in which the rotational angular velocity is input to the gyroscope is called an input direction, and the direction in which the Coriolis force generated in the mass is detected is called a sensing direction.
  • the exciting direction, the input direction and the sensing direction are set to directions perpendicular to each other in space.
  • two directions horizontal direction or xy direction
  • one direction perpendicular to the plate surface of the substrate referred to as a 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 detects displacement based on an axis perpendicular to the x-axis gyroscope on a plane, but is substantially the same as the x-axis gyroscope in principle.
  • either the excitation direction or the sensing direction should be set in the vertical direction. Therefore, the x-type gyroscope should have a sensing electrode for sensing the vertical displacement of the sensor mass and the excitation electrode for driving the mass horizontally.
  • 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 x-axis having a degree of freedom and one degree of freedom vertical sensing (Or y-axis) Schematic diagram showing each MEMS gyroscope.
  • the frame 2 and the sensor 4 are provided in the gyro wafer, and the sensor 4 is connected by the frame 2 and the spring kdx and the attenuator cdx, and the sensor mass ms It can be seen that it is connected to the sensor 4 by a spring ksy or ksz and an attenuator csy or csz.
  • Coriolis force 2m ⁇ ⁇ ⁇ Asin ⁇ t
  • ms is the mass of the sensor mass
  • ⁇ is the external angular velocity
  • A is the driving amplitude for the sensor
  • Electrostatic force depends on the gap between the proof mass and the substrate. Because the proof mass oscillates out of plane, the electrostatic force is nonlinear, which tends to limit device performance. In addition, the electrostatic force is reduced due to the requirement to have a large vertical gap or cavity below the proof mass. To achieve large amplitude vibrations requires a large force and high voltage driving may be required. Adding high voltage drive increases processing costs and complexity of integrated circuits.
  • conventional multi-axis (2- or 3-axis) gyroscopes can use multiple structures that oscillate at independent frequencies to sense angular velocities. Each structure requires a separate drive circuit to vibrate each verification mass. Having more than one drive circuit increases the cost and power consumption.
  • Korean Patent No. 1,577,155 discloses a gyroscope including a frame and a guided mass system.
  • the guided mass system includes at least one proof mass and at least one guide arm, wherein the proof mass and the guide arm are disposed in a plane parallel to the substrate and the proof mass is connected to the guide arm.
  • the guide arm is also connected to the frame via at least one spring.
  • a plurality of supporting structures are provided which can vibrate at one frequency and detect angular velocity with respect to a plurality of axes, and one driving operation is performed by only one driving circuit, thereby saving cost and power. You can.
  • the space efficiency of the gyroscope is reduced, making it difficult to manufacture a compact package. .
  • the gyroscope's overall performance may be deteriorated due to an unbalanced force or displacement acting in the gyroscope.
  • the present invention is to provide a three-axis MEMS gyroscope capable of stably supporting all movements of the three-axis verification mass by a single rotary link mechanism formed in the center.
  • the three-axis MEMS gyroscope that can more stably guide all the movement of the three-axis verification mass by the side link mechanism formed auxiliary To provide.
  • another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a three-axis MEMS gyroscope capable of detecting all three-axis rotation with a high sensing performance as a compact and integrated structure.
  • the first verification mass for detecting the rotation input in the direction of the first axis on the plane;
  • a second verification mass for sensing rotation input in a direction of a second axis on the plane and orthogonal to the first axis;
  • a third verification mass for sensing rotation input in a direction of a third axis orthogonal to the plane;
  • An excitation electrode having at least one of the first to third proof masses in a driving mode;
  • a sensing electrode sensing a displacement of the first to third verification masses generated by the Coriolis force in a sensing mode;
  • a central link mechanism for supporting all of the movements of the third verification mass in an antiphase.
  • the three-axis MEMS gyroscope it is possible to reduce the size of the device package because all movements of the three-axis proof masses are stably supported by the simple and integrated three degree of freedom rotating link mechanism.
  • the force between the pairs of the proof masses can be supported by the single rotary link mechanism so that the motion of the three axis proof masses can be fully supported in the out phase. And the balance of displacement is completely guaranteed.
  • the sensing performance of the three-axis MEMS gyroscope can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating 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 a 1 degree of freedom vertical sensing function, respectively.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic structure of a three-axis MEMS gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a form in which the verification masses included in the 3-axis MEMS gyroscope of FIG. 3 are excited in the x-axis and y-axis directions.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a form in which an x-sensing mass is excited by an electrode having a three-axis MEMS gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a form in which each probe mass is excited together by corresponding excitation electrodes in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a form in which an x-validated mass is reversed in a z-axis direction in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a state in which a y-validated mass is reversed in a z-axis direction in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a phase in which a z-validated mass vibrates in an opposite phase in the x-axis direction in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view showing a specific configuration of a gyro wafer 100 in a three-axis MEMS gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view illustrating a detailed configuration of a bottom wafer disposed at a bottom of a gyro wafer of FIG. 10 in a three-axis MEMS gyroscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view illustrating the x-validated mass and the z-validated mass connected to each other by a spring in the gyro wafer of FIG. 10.
  • FIG. 13 is a plan view illustrating a sensing electrode for detecting an x-direction movement of a z-validated mass in the gyro wafer of FIG. 10.
  • FIG. 14 is a plan view illustrating the y-validated mass of the gyro wafer of FIG. 10.
  • FIG. 15 is a plan view of the gyro wafer of FIG. 10 taken along the center link mechanism.
  • FIG. 16 is a plan view illustrating the side link mechanism taken from the gyro wafer of FIG. 10.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic structure of a three-axis MEMS gyroscope 150 according to an embodiment of the present invention.
  • the gyroscope 150 includes three axis verification masses connected to a single central link mechanism 10.
  • the triaxial verification masses specifically include a pair of x-validated masses (mx1, mx2), a pair of y-validated masses (my1, my2) and a pair of z-validated masses (mz1, mz2).
  • the verification mass of a specific axis means a mass capable of verifying (detecting and measuring) external rotation input to the specific axis.
  • the particular axis is perpendicular to both the excitation direction and the sensing direction of the proof mass.
  • the x-validated mass and the z-validated mass are illustrated as being adjacently connected, but the x- and y-axis are connected relative to the y-validated mass and the z-validated mass because they are relative concepts interchangeable in a plane. You can also implement it in a way that works.
  • the central link mechanism 10 specifically includes a central anchor 15 which is fixed and not moving unlike other components, a rotating rigid body 13 that rotates together in accordance with the rotation of the plurality of verification masses, and the central anchor 15. ) And inner arms 11a, 11b, 11c, 11d connecting the rotating rigid body 13 and outer arms 12a, 12b, 12c, 12d structurally connecting the rotating rigid body 13 and the plurality of proof masses. It may be configured to include).
  • all the plurality of proof masses mx1, mx2, my1, my2, mz1, mz2 may be simultaneously excited in a rotational direction (clockwise or counterclockwise) with respect to the z axis as shown in FIG. 3. .
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a form in which the verification masses included in the gyroscope 150 of FIG. 3 are excited in the x-axis and y-axis directions.
  • Rotating the 3-axis MEMS gyroscope 150 of FIG. 3 counterclockwise also rotates the rotating rigid body 13 due to the outer arms 12a, 12b, 12c, and 12c.
  • the central anchor 15 since the central anchor 15 is not moved, bending moments ⁇ are generated in the inner arms 11a, 11b, 11c, and 11d to act as a restoring force for the rotation.
  • the center link mechanism 10 ensures anti-phase movement between the corresponding verify masses due to the connection between the center link mechanism 10 and the verify masses.
  • the second x-validated mass mx2 is upward due to the central link mechanism 10 even if no external force is applied. Are excited with an antiphase.
  • This inverse phase excitation method also applies to the y-validated mass and z-validated mass.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a form in which an x-sensing mass in a three-axis MEMS gyroscope according to an embodiment of the present invention is excited by an excitation electrode in a driving mode. 3 and 4 described above, even if only one verification mass is among the plurality of verification masses, the entire verification mass may be excited.
  • Excitation of (mx1, mx2) in the y-axis direction has the effect of exciting not only the x-validated mass (mx1, mx2) but also the remaining proof masses (my1, my2, mz1, mz2).
  • the x-validated masses mx1 and mx2 and the z-validated masses mz1 and mz2 are connected by linear memes springs 51 and 52.
  • the linear memes springs 51 and 52 allow displacement in the x direction between the x-validated masses (mx1, mx2) and z-validated masses (mz1, mz2), but the bending in the y-axis direction or z-axis direction between It has the property to suppress.
  • excitation electrodes 21a, 21b, 21c, 21d
  • comb electrode As a preferred embodiment of the excitation electrodes (21a, 21b, 21c, 21d) is shown as a comb electrode in Figure 5, it is not limited to this can be implemented as a plate electrode (plate electrode) or other various types of electrodes Of course.
  • each verification mass may be excited together by a plurality of corresponding excitation electrodes.
  • excitation electrodes 21a to 21d, 22a to 22d, and 23a to 23d corresponding to respective proof masses mx1, mx2, my1, my2, mz1 and mz2 are provided. It can provide higher excitation force than
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a form in which an x-validated mass is reversed in a z-axis direction in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the x-validated masses mx1 and mx2 are excited in the y-axis direction.
  • the x-validated mass (mx1, mx2) is detected by the Coriolis force displacement (dx) in the z direction perpendicular to both the x-axis and the y-axis.
  • the excitation directions with respect to the x-validated masses mx1 and mx2 have a perfect inverse phase to each other, the displacement dx in the z-direction is also generated in the inverse phase. Therefore, when the first x-validated mass mx1 is displaced by dx in the -z direction, the second y-validated mass mx2 is displaced by dx in the + z direction. Accordingly, the shape in which the first support part b1 supporting the first verification mass mx1 is folded and the shape in which the second support part b2 supporting the second verification mass mx2 is folded are rotated about the y axis. It will have a symmetrical structure.
  • the displacement dx of the x-validated masses mx1 and mx2 is sensed by the x-sensing electrodes 32a and 32b respectively fixed to the lower part of the gyroscope, for example, the x-sensing electrode ( 32a and 32b are implemented in the form of a bottom electrode of two differential electrodes, so that the displacement can be detected based on a change in pure sensor signal capacitance from which parasitic capacitance is removed.
  • the x-sensing electrodes 32a and 32b eventually detect the x-verification mass (mx1, mx2) in the z-axis direction, but the reverse phase with respect to the y-axis (dx is reversed based on the y-axis). It is possible to detect the x-verification mass (mx1, mx2) in the z-axis direction, but the reverse phase with respect to the y-axis (dx is reversed based on the y-axis). It is possible to detect the x-verification mass (mx1, mx2) in the z-axis direction, but the reverse phase with respect to the y-axis (dx is reversed based on the y-axis). It is possible to detect the x-verification mass (mx1, mx2) in the z-axis direction, but the reverse phase with respect to the y-axis (dx is reversed based on the y-axis). It is possible to detect the x-ver
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a state in which a y-validated mass is reversed in a z-axis direction in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the y-validated masses my1 and my2 are excited in the x-axis direction. Accordingly, as shown in FIG. 8, the y-validated mass my1 and my2 are sensed in the z direction perpendicular to both the x-axis and the y-axis by the Coriolis force.
  • the excitation directions for the y-validated masses my1 and my2 have a complete inverse phase with each other, the displacement dy in the z-direction is also generated in the inverse phase. Therefore, when the first y-validated mass my1 is displaced by dy in the -z direction, the second y-validated mass my2 is displaced by dy in the + z direction. Accordingly, the shape in which the third support part b3 supporting the first verification mass my1 is folded and the shape in which the fourth support part b4 supporting the second verification mass my2 is folded are rotated about the y axis. It will have a symmetrical structure.
  • the displacement (dy) of the y-proof mass (my1, my2) is sensed by the y-sensing electrodes (33a, 33b) fixed to the lower part of the gyroscope, for example, the y-sensing electrode ( 33a and 33b may be implemented in the form of two differential electrode bottom electrodes, and may detect the displacement based on a change in pure sensor signal capacitance from which parasitic capacitance is removed. Referring to FIG. 8, the y-sensing electrodes 33a and 33b eventually detect the y-validated masses my1 and my2 in the z-axis direction, but the reverse phase with respect to the x-axis (dy on the x-axis is reversed). It is possible to detect the
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a phase in which a z-validated mass vibrates in an opposite phase in the x-axis direction in a 3-axis MEMS gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the z-verification masses mz1 and mz2 are excited in the y-axis direction. Accordingly, as shown in FIG. 9, the z-validated masses mz1 and mz2 are detected by the Coriolis force in the x direction perpendicular to both the x-axis and the z-axis.
  • the displacement dz in the x direction is also generated in the inverse phase. Accordingly, when the first verification mass mz1 is displaced by dz in the -x direction, the second verification mass mz2 is displaced by dz in the + x direction. Accordingly, the first spring 51 supporting the first verification mass mz1 and the second spring 52 supporting the second verification mass mz2 are simultaneously extended or compressed in opposite directions.
  • the displacement dz of the z-validated masses mz1 and mz2 is spaced apart from the z-validated masses mz1 and mz2 in the x-axis direction and fixed to the sides of the anchors 35a and 35b.
  • the electrodes 31a, 31b for example, the z-sensing electrodes 31a, 31b can be implemented in the form of a plate electrode, but are not limited to a comb electrode or the like. It may be implemented in various forms. Referring to FIG.
  • the z-sensing electrodes 31a and 31b detect the z-validated masses mz1 and mz2 in the direction of the x-axis, but the inverse phase with respect to the y-axis (dz relative to the y-axis is reversed). It is possible to detect the
  • the gyro wafer 100 has a central link mechanism 10 fixed by a central anchor.
  • the first arm extending in the x-axis direction in the center link mechanism 10 is structurally connected to the pair of x-verification masses mx1 and mx2, and the second arm extends in the y-axis direction in the center link mechanism 10. Is structurally linked to the y-validated mass (my1, my2).
  • the pair of z-validated masses mz1 and mz2 are connected to the outside of the pair of x-validated masses mx1 and mx2 by linear memes springs. In this way, all the proof masses are arranged in pairs so that the left-right symmetry and the up-down symmetry are completed.
  • the gyro wafer 100 has excitation electrodes 21a to 21h and 23a to 23d to excite the verification masses mx1, mx2, my1, my2, mz1, and mz2, respectively.
  • the first exciting electrodes 21a to 21h have the x-validated masses mx1 and mx2 in the y direction, and the second excited electrodes 23a to 23d have the y-validated masses my1 and my2 as x. In the direction.
  • the first excitation electrodes 21a to 21h are arranged in eight places in order to improve the excitation performance.
  • the plurality of differential sensing electrodes 30a, 30b, 30c, 30d are arranged in left-right symmetry to detect the x-direction displacement of the z-validated mass mz1, mz2.
  • the sensing electrodes for sensing the z-direction displacements of the x-validated mass (mx1, mx2) and y-validated mass (my1, my2) are provided in the form of a bottom electrode or a top electrode, and are not shown on the gyro wafer 100.
  • the side link mechanisms 40a and 40b are located outside the y-validation masses my1 and my2, ie near the edge of the gyro wafer 100. It may be arranged in a direction parallel to the x-axis.
  • the side link mechanisms 40a and 40b serve to support the plurality of verification masses more stably in addition to the center link mechanism 10. A more detailed description of the side link mechanisms 40a and 40b will be described later with reference to FIG. 16.
  • FIG. 11 is a plan view illustrating a specific configuration of a bottom wafer 90 disposed at a lower end of the gyro wafer 100 of FIG. 10 in the 3-axis MEMS gyroscope 150 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • two central anchors 15a and 15b are formed to support the central link mechanism 10 of the gyro wafer 100.
  • second bottom electrodes 33a and 33b for detecting the z-axis displacement of the y-validated mass my1 and my2 are disposed at positions corresponding to the y-validated mass my1 and my2.
  • anchors 16a, 16b for supporting the sensing electrodes 30a, 30b, 30c, and 30d for detecting the x-direction displacement of the z-validated mass mz1 and mz2.
  • Through electrodes 31a, 31b, 31c, and 31b for electrically connecting the 16c and 16d to the sensing electrodes 30a, 30b, 30c and 30d are provided.
  • various types of anchors and through electrodes may be further disposed on the bottom wafer 90.
  • FIG. 12 is a plan view of the gyro wafer 100 of FIG. 10, taken from an assembly 50 of x-validated masses and z-validated masses connected to each other by springs. Since these x-validated masses (mxa, mxb) and z-validated masses (mz) are symmetrical with respect to the center link mechanism 10 of the gyro wafer 100, only the verification masses on the left side are shown here.
  • the x-validated masses (mxa, mxb) and the z-validated mass (mz) are connected so as to have relative movement in the x direction by at least one linear memes springs 51a, 51b.
  • the left side of the z-validated mass mz may be connected to the outer frame of the gyro wafer 100 by other linear memes springs 51c and 51d.
  • Such linear mems springs are designed to allow for x-direction displacement while suppressing torsion or bending movement as much as possible.
  • the x-verification mass (mxa, mxb) is composed of a first portion (mxa) and the second portion (mxb), both of which can be folded at an angle with respect to the y axis as shown in FIG. It is connected by the torsion memes spring 53.
  • a plurality of swinging portions 21a, 21b, 21c, 21d extending in the x-axis direction are formed in the first portion mxa of the x-validated mass. Therefore, since these rocking portions 21a, 21b, 21c, 21d are excited by the corresponding number of fixing portions, the x-validated masses mxa, mxb are eventually excited in the y-axis direction.
  • the fixing part is not shown, but of course, the fixing part will be disposed to face the swinging parts 21a, 21b, 21c, and 21d.
  • At least one or more openings 59 are formed inside the z-validated mass mz, and bar members 57 extending in the y direction are formed therein.
  • the movement of the bar member 57 in the x direction may be sensed by the sensing electrode 30 illustrated in FIG. 13.
  • the sensing electrodes 30a and 30c can be arrange
  • the sensing members 34a and 34c extending from the fixed anchors 35a and 35c may detect the amount of displacement by changing the capacitance, for example, by changing the capacitance, depending on the x-axis fluctuation of the bar member 57. Can be.
  • FIG. 14 is a plan view illustrating the y-validated mass of the gyro wafer 100 of FIG. 10. Since the y-validated masses mya and myb are symmetrical with respect to the center link mechanism 10 of the gyro wafer 100, only the upper y-validated mass is shown here.
  • the y-validated mass (mya, myb) is composed of a first portion (mya) and the second portion (myb), both are torsion to be folded at an angle with respect to the x axis as shown in FIG. It is connected by the MEMS spring 73.
  • a plurality of swinging portions 23a and 23b extending in the y-axis direction are formed in the first portion mya of the y-validated mass. Therefore, since the rocking portions 23a and 23b are excited by the corresponding number of fixing portions, the y-proof masses mxa and mxb are excited in the x-axis direction.
  • the fixing part is not shown, but of course, the fixing part will be disposed to face the swinging parts 23a and 23b.
  • FIG. 15 is a plan view of the gyro wafer 100 of FIG. 10 taken along the center link mechanism 10.
  • the center link mechanism 10 includes, in particular, a central anchor 15a, 15b which is fixed and does not move, a rotating rigid body 13 that rotates together in accordance with the rotation of the plurality of verification masses, and the center anchors 15a, 15b; Inner arms 11-1 to 11-7 connecting the rotating rigid body 13 and outer arms 12a, 12b, 12c, 12d connecting the rotating rigid body 13 and the plurality of proof masses are included. Can be configured.
  • two central anchors 15a and 15b are arranged symmetrically, and both ends 11-1 and 11-2 of the lower beam 11-5 are each center anchor 15a. , 15b).
  • the upper beam 11-6 is disposed above the lower beam 11-5, and the inner beam 11-7 connects the two beams 11-5 and 11-6 in the vertical direction. . Both ends of the upper beam 11-6 are bent in two stages and connected to the rotating rigid body 13.
  • the central link mechanism 10 supports the load from the x-validated mass in the y-direction excitation and the z-direction excitation of the x-validated mass, and detects the x-validated mass in the y-direction and the x-direction Support the load from the z-validated mass.
  • the center link mechanism 10 supports the load from the y-validated mass at the time of the x-direction excitation and the z-direction excitation of the y-validated mass.
  • the central link mechanism 10 may not only support the movement of the verification axes of three axes having one degree of freedom, but also can effectively support the movement of the verification axes of three axes detected with three degrees of freedom.
  • the four outer arms (12a, 12b, 12c, 12d) may each be formed of a beam structure folded several times. Therefore, not only can support the rotational movement of the verification mass in the x-y plane, but also can support the movement as shown in Fig. 7 or 8 out of the x-y plane.
  • FIG. 16 is a plan view of the gyro wafer 100 of FIG. 10 taken along the side link mechanism 40.
  • FIG. 15 Although only the central link mechanism 10 shown in FIG. 15 can effectively support all the movements of the plurality of proof masses, it is possible to increase the resistance stiffness and to guide the correct movement of the proof mass when a significant external force is applied.
  • the side link mechanism 40 can be further formed. Since the side link mechanism 40 is vertically symmetrical with respect to the center link mechanism 10 of the gyro wafer 100, only the upper mechanism 40 is shown here.
  • the side link mechanism 40 may also be configured to have a form similar to that of the central link mechanism 10.
  • the side link mechanism 40 according to the embodiment of the present invention is fixed with the central anchors 45a and 45b which are not fixed and move together with the rotation of the x-validation mass (mx) and z-validation mass (mz).
  • Rotating rigid body 43, inner arms 41-5 to 41-7 connecting the central anchors 45a and 45b and the rotating rigid body 43, the rotating rigid body 13 and the x-validated mass It may be configured to include the outer arms (42a, 42b) extending along the edge of the gyro wafer 100 in a direction parallel to the x-axis while structurally connecting the mx.
  • the structure of the side link mechanism 40 can effectively support the movement (rotational movement) of the gyro wafer 100 in the x-y plane.
  • the structure of the side link mechanism 40 can support the z-axis movement (seesaw movement) of the gyro wafer 100 as shown in FIG. 7 out of the xy plane by bending rigidity, and the gyro wafer as shown in FIG. 8.
  • the z-axis movement of the 100 can be supported by torsional rigidity.
  • Simulation results of the natural vibration mode of the gyro wafer 100 shown in FIG. 10 are as follows.
  • the z-sensing mode a z-sensing mode for detecting external rotation in the z-axis direction is found at a natural frequency of about 23000 hz.
  • the z-validated masses move in opposite directions, i.
  • the proof masses are all close to zero in addition to the z proof mass. Therefore, at the natural frequency, only the displacement of the z-validated mass mz can be reliably measured by the z-sensing electrode 30 without interference with other sensing modes.
  • the x-sensing mode an x-sensing mode for detecting external rotation in the x-axis direction is found at a natural frequency of about 24000 hz.
  • the x-verification mass moves in opposite directions along the z-axis direction, i.e., oscillates in the anti-phase mode.
  • the y-validated mass is close to zero in motion.
  • the z-validated mass must move to some extent according to the movement of the x-validated mass, but since the bottom electrodes 32a and 32b for detecting the x-validated mass are disposed directly below the x-validated mass, the distance is relatively small. Distant z-validated masses do not significantly affect. Therefore, at the natural frequency, only the displacement of the x-validated mass (mx) can be reliably measured by the x-sensing electrodes 32a and 32b without interference with other sensing modes.
  • the y-sense mode a y-sense mode for detecting external rotation in the y-axis direction is found at a natural frequency of about 25000 hz.
  • the y-verification mass moves in opposite directions along the z-axis direction, i.e., oscillates in the antiphase mode.
  • the proof masses are all close to zero in addition to the y proof mass. Therefore, at the natural frequency, only the displacement of the y-proof mass my can be reliably measured by the y-sensing electrodes 33a and 33b without interference with other sensing modes.
  • the driving mode is found at a natural frequency of about 27000 hz.
  • the driving mode is displayed in one vibration mode despite the plurality of excitation electrodes.
  • the driving mode it can be seen that the x-validated mass and the z-validated mass are excited in the reverse phase in the y-axis direction, and the y-validated mass is excited in the reverse phase in the x-axis direction.
  • the two in order to electrically separate the parasitic capacitance component caused by the excitation voltage from the sensor output signal, the two must not coincide completely.
  • the driving mode is about 27000hz
  • the three sensing modes are about 23000 ⁇ 25000hz, which shows excellent frequency matching, and the natural frequencies of each sensing mode of the three axes can be clearly distinguished without overlapping each other. It was also confirmed that it has a possible value.

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Abstract

단일의 패키지로 구현되고, 3축 회전을 모두 감지할 수 있는 통합된 3축 멤스 자이로스코프가 제공된다. 상기 3축 멤스 자이로스코프는, 평면상에 있는 제1축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제1 검증질량과, 상기 평면상에 있고 상기 제1축과 직교하는 제2축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제2 검증질량과, 상기 평면과 직교하는 제3축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제3 검증질량과, 구동 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량 중 적어도 하나를 가진하는 가진전극과, 감지 모드에서 코리올리 힘에 의해 발생되는 상기 제1 내지 제3 검증질량의 변위를 감지하는 감지전극과, 상기 3축 멤스 자이로스코프의 중앙에 배치되고, 상기 제1 내지 제3 검증질량과 구조적으로 연결되어, 상기 구동 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량의 움직임과, 상기 감지 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량의 움직임을 모두 역위상으로 지지하는 중앙 링크 기구로 이루어진다.

Description

3축 멤스 자이로스코프
본 발명은 멤스 자이로스코프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일의 패키지로 구현되고, 3축 회전을 모두 감지할 수 있는 통합된 3축 멤스 자이로스코프에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical system)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 감지하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리 힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다.
또한, 상기 발생된 코리올리 힘을 감지하기 위해, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다. 통상적으로, 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향을 가진 방향이라 하고, 자이로스코프에 회전 각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리 힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다.
상기 가진 방향과 입력 방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스 기술을 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 평면 상에서 상기 x축 자이로스코프와 수직 방향의 축을 기준으로 변위를 감지하지만 원리면에서는 x축 자이로스코프와 실질적으로 동일하다. 이러한 x축 자이로스코프를 이용하여 수평방향으로 가해지는 각속도를 측정하기 위해서는, 가진 방향 또는 감지방향 중 어느 하나는 수직방향으로 설정되어야 한다. 따라서, x형 자이로스코프는, 질량체를 수평으로 구동하는 가진전극과 센서 질량체의 수직 변위를 감지하기 위한 감지전극을 구비하여야 한다.
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 x축(또는 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 코리올리 힘(Fc=2mΩ×ωAsinωt)이 작용하고, 코리올리 힘에 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. 멤스 자이로스코프의 성능 감도는 단위각속도 대비 코리올리 힘(Fc/Ω=2πmfA)으로 정의되므로, 설계단계에서 센서의 질량 m, 센서에 대한 가진주파수 f 및 가진진폭 A 중에서 어느 하나를 크게 하여 감도를 높일 수 있다.
평면 축(즉, x축 또는 y축)에 대하여 각속도를 감지하는 종래의 자이로스코프들은 평면 외로 구동될 수 있고, 코리올리 반응은 평면에서 감지되며 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 평면 외 구동은 평면 내 구동보다 덜 효율적인 경향이 있으며, 부가적인 가공 단계들이 요구되고, 비선형성들에 의하여 제한된다. 예를 들면, 검증질량을 평면 외로 구동시키는 것은 검증질량이 진동하기 위한 충분한 공간을 제공하도록 검증질량 아래에 큰 수직 간극 또는 공동을 필요로 할 수 있다.
검증질량 아래에 공동을 형성하는 것은 부가적인 가공 단계들을 필요로 하며 비용을 증가시킨다. 통상적으로 평행 판형의 정전(electrostatic) 구동기들이 검증질량을 평면 외로 구동시키는데 사용된다. 구동기들은 검증질량과 기재 사이에 형성된다. 정전력(electrostatic force)은 검증질량과 기재 간의 간극에 좌우된다. 검증질량이 평면 외로 진동하기 때문에, 정전력은 비선형으로, 이는 장치 성능을 제한하는 경향이 있다. 또한, 정전력은 검증질량 아래에 큰 수직 간극 또는 공동을 구비하기 위한 요구사항으로 인해 감소된다. 큰 진폭 진동을 달성하기 위해서는 큰 힘이 필요하며 고전압 구동이 필요할 수 있다. 고전압 구동을 부가하는 것은 가공 비용 및 직접 회로들의 복잡성을 증가시킨다.
또한, 종래의 다축(2축 또는 3축) 자이로스코프는 각속도들을 감지하기 위하여 독립적인 주파수들로 진동하는 다중 구조물들을 사용할 수 있다. 각 구조물은 각각의 검증질량을 진동시키기 위하여 별도의 구동 회로를 필요로 한다. 하나 보다 많은 구동 회로를 구비하는 것은 비용 및 전력 소비를 증가시킨다.
이러한 점을 고려하여, 한국특허 제1,577,155호는 프레임 및 안내 질량 시스템을 포함하는 자이로스코프를 개시한다. 상기 안내 질량 시스템은 적어도 하나의 검증질량 및 적어도 하나의 안내 암(arm)을 포함하고, 상기 검증질량 및 안내 암은 기재에 평행한 평면에 배치되고 상기 검증질량은 상기 안내 암에 연결되며, 상기 안내 암은 또한 적어도 하나의 스프링을 통하여 상기 프레임에 연결된다. 이러한 자이로스코프에 따르면, 하나의 주파수로 진동하며 다수의 축들에 대하여 각속도를 감지할 수 있는 복수의 지지 구조물들이 제공되며, 하나의 구동 동작이 단지 하나의 구동 회로에 의해 이루어지므로 비용 및 전력을 절감시킬 수 있다.
그러나, 상기 특허발명에서는 가진되거나 감지되는 검증질량의 움직임을 지지하기 위한 복수의 지지 구조물들이 자이로스코프 내에 개별적으로 분산되어 배치되기 때문에, 자이로스코프의 공간 효율성이 저하되어 컴팩트한 패키지의 제작이 어려워진다. 뿐만 아니라, 분사된 개별 지지 구조물들을 정확히 설계/제조하지 않으면, 자이로스코프 내에 작용하는 힘이나 변위가 균형을 이루지 못함으로써 자이로스코프의 전체적인 성능이 저하될 우려도 있다.
이러한 문제점을 감안하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 중앙에 형성된 단일의 회전 링크 기구에 의해 3축 검증질량들의 모든 움직임을 안정적으로 지지할 수 있는 3축 멤스 자이로스코프를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 중앙의 회전 링크 기구에 더하여, 보조적으로 형성된 사이드 링크 기구에 의해 3축의 검증질량들의 모든 움직임을 보다 안정적으로 가이드할 수 있는 3축 멤스 자이로스코프를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 소형화되고 일체화된 구조로서 높은 감지 성능으로 3축의 회전을 모두 감지할 수 있는 3축 멤스 자이로스코프를 제공하는 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 3축 멤스 자이로스코프는, 평면상에 있는 제1축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제1 검증질량; 상기 평면상에 있고 상기 제1축과 직교하는 제2축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제2 검증질량; 상기 평면과 직교하는 제3축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제3 검증질량; 구동 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량 중 적어도 하나를 가진하는 가진전극; 감지 모드에서 코리올리 힘에 의해 발생되는 상기 제1 내지 제3 검증질량의 변위를 감지하는 감지전극; 및 상기 3축 멤스 자이로스코프의 중앙에 배치되고, 상기 제1 내지 제3 검증질량과 구조적으로 연결되어, 상기 구동 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량의 움직임과, 상기 감지 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량의 움직임을 모두 역위상으로 지지하는 중앙 링크 기구를 포함한다.
본 발명에 따른 3축 멤스 자이로스코프에 따르면, 간단하고 통합된 3자유도 회전 링크 기구에 의해 3축 검증질량들의 모든 움직임들이 안정적으로 지지되기 때문에 장치 패키지의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3축 멤스 자이로스코프에 따르면, 구동 모드 및 감지 모드 모두에서, 단일의 회전 링크 기구에 의해 3축 검증질량들의 움직임이 완전한 역위상으로 지지될 수 있으므로 검증질량의 쌍들 간에 작용력 및 변위의 균형이 완전하게 보장된다. 따라서, 상기 3축 멤스 자이로스코프의 감지 성능을 제고할 수 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 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프의 기본적인 구조를 보여주는 모식도이다.
도 4는 도 3의 3축 멤스 자이로스코프에 포함된 검증질량들이 x축 및 y축 방향으로 가진되는 형태를 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 x-검증질량(x-sensing mass)이 가진전극에 의해 가진되는 형태를 보여주는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 각각의 검증질량이 대응되는 가진전극에 의해 함께 가진되는 형태를 보여주는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 x-검증질량이 z축 방향으로 역위상 진동하는 형태를 보여주는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 y-검증질량이 z축 방향으로 역위상 진동하는 형태를 보여주는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 z-검증질량이 x축 방향으로 역위상 진동하는 형태를 보여주는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서, 자이로 웨이퍼(100)의 구체적인 구성을 보여주는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서, 도 10의 자이로 웨이퍼의 하단에 배치되는 바닥 웨이퍼의 구체적인 구성을 보여주는 평면도이다.
도 12는 도 10의 자이로 웨이퍼에서 상호간에 스프링으로 연결된 x-검증질량 및 z-검증질량을 절취하여 도시한 평면도이다.
도 13은 도 10의 자이로 웨이퍼에서 z-검증질량의 x방향 움직임을 감지하기 위한 감지전극을 도시한 평면도이다.
도 14는 도 10의 자이로 웨이퍼에서 y-검증질량을 절취하여 도시한 평면도이다.
도 15는 도 10의 자이로 웨이퍼에서 중앙 링크 기구를 절취하여 도시한 평면도이다.
도 16은 도 10의 자이로 웨이퍼에서 사이드 링크 기구를 절취하여 도시한 평면도이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프(150)의 기본적인 구조를 보여주는 모식도이다. 상기 자이로스코프(150)는 단일의 중앙 링크 기구(10)에 연결된 3축의 검증질량들을 포함한다. 상기 3축의 검증질량들은 구체적으로 한쌍의 x-검증질량(mx1, mx2), 한쌍의 y-검증질량(my1, my2) 및 한쌍의 z-검증질량(mz1, mz2)을 포함한다.
본 명세서에서 특정 축의 검증질량이라 함은 상기 특정 축으로 입력되는 외부 회전을 검증(감지하고 측정)할 수 있는 질량체를 의미한다. 따라서, 상기 특정 축은 해당 검증질량의 가진 방향 및 감지 방향 모두에 대해 수직을 이룬다. 또한, 본 명세서에서 x-검증질량과 z-검증질량은 인접하여 연결되는 것으로 예시되어 있으나, x축과 y축은 평면 내에서 교환 가능한 상대적인 개념이므로 y-검증질량과 z-검증질량과 인접하여 연결되는 방식으로 구현할 수도 있을 것이다.
중앙 링크 기구(10)는 구체적으로, 다른 구성요소들과 달리 고정되어 움직이지 않는 중앙 앵커(15)와, 복수의 검증질량들의 회전에 따라 함께 회전하는 회전 강체(13)와, 중앙 앵커(15)와 회전 강체(13)를 연결하는 이너 아암들(11a, 11b, 11c, 11d)과, 회전 강체(13)와 복수의 검증질량들을 구조적으로 연결하는 아우터 아암들(12a, 12b, 12c, 12d)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 모든 복수의 검증질량들(mx1, mx2, my1, my2, mz1, mz2)은 도 3에 도시된 바와 같이 z축을 기준으로 한 회전 방향(시계 방향 또는 반시계 방향)으로 동시에 가진될 수 있다.
도 4는 도 3의 자이로스코프(150)에 포함된 검증질량들이 x축 및 y축 방향으로 가진되는 형태를 보여주는 모식도이다. 도 3의 3축 멤스 자이로스코프(150)를 반시계 방향으로 회전시키면 아우터 아암들(12a, 12b, 12c, 12c)로 인해 회전 강체(13)도 함께 회전한다. 이 때, 중앙 앵커(15)는 움직임이 없으므로, 이너 아암들(11a, 11b, 11c, 11d)에는 벤딩 모멘트(τ)가 발생하여 상기 회전에 대한 복원력으로 작용한다. 이와 같이, 중앙 링크 기구(10)는 중앙 링크 기구(10)와 검증질량들 간의 연결관계로 인하여 대응되는 검증질량들 간에 역위상(anti-phase) 움직임을 보장한다. 예를 들어, 제1의 x-검증질량(mx1)을 하방으로 가진한다면, 별도의 외력이 작용하지 않더라도 중앙 링크 기구(10)로 인해 제2의 x-검증질량(mx2)는 상방으로, 즉 역위상으로 가진된다. 이러한 역위상 가진 방식은 y-검증질량이나 z-검증질량에 대해서도 마찬가지이다.
이와 같은 역위상 링크 기구로 인하여, 3축 멤스 자이로스코프의 구조적 대칭성과 함께 센서 질량체의 움직임도 대칭성을 갖게 되면, 다양한 이유로 발생되는 노이즈 성분이 상기 대칭성으로 인해 상쇄되는 장점이 제공된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프 내의 x-검증질량(x-sensing mass)이, 구동 모드(driving mode)에서 가진전극에 의해 가진되는 형태를 보여주는 모식도이다. 전술한 도 3 및 도 4와 같은 역위상 링크 기구로 인하여 복수의 검증질량들 중에서 하나의 검증질량만 가진하더라도 전체의 검증질량이 모두 가진되는 효과가 발생할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가진전극 앵커(25a, 25b, 25c, 25d)와 x-검증질량(mx1, mx2) 사이에 구비된 가진전극(21a, 21b, 21c, 21d)으로 x-검증질량(mx1, mx2)을 y축 방향으로 가진하면 x-검증질량(mx1, mx2)뿐만 아니라 나머지 검증질량(my1, my2, mz1, mz2)도 모두 가진되는 효과가 있다. 여기서, x-검증질량(mx1, mx2)과 z-검증질량(mz1, mz2)은 선형 멤스 스프링(51, 52)에 의해 연결되어 있다. 상기 선형 멤스 스프링(51, 52)은 x-검증질량(mx1, mx2)과 z-검증질량(mz1, mz2)간의 x방향 변위는 허용하지만, 상호간의 y축 방향이나 z축 방향으로의 벤딩은 억제하는 특성을 갖는다.
상기 가진전극(21a, 21b, 21c, 21d)의 바람직한 실시예로서 도 5에서는 콤 전극(comb electrode)으로 도시되어 있으나, 이에 한하지 않고 평판 전극(plate electrode) 또는 기타 다양한 형태의 전극으로 구현할 수 있음은 물론이다.
한편, 가진력을 충분히 확보하기 위해 또는 소형/소용량의 가진전극을 사용하기 위해, 도 6과 같이 각각의 검증질량이 대응되는 복수의 가진전극에 의해 함께 가진되도록 할 수도 있다. 도 6을 참조하면, 각각의 검증질량(mx1, mx2, my1, my2, mz1, mz2)에 대응하는 별도의 가진전극들(21a 내지 21d, 22a 내지 22d, 23a 내지 23d)이 구비되어 있으므로 도 5에 비해 높은 가진력을 제공할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 x-검증질량이 z축 방향으로 역위상 진동하는 형태를 보여주는 모식도이다. 도 3 내지 도 6에서 전술한 바와 같이, x축 방향의 외부 회전을 감지하기 위해, x-검증질량(mx1, mx2)은 y축 방향으로 가진된다. 결국, 도 7에 도시된 바와 같이, x-검증질량(mx1, mx2)은 코리올리 힘에 의해 x축과 y축에 모두 수직인 z방향으로 변위(dx)가 감지된다.
다만, x-검증질량(mx1, mx2)에 대한 가진 방향이 서로 간에 완전한 역위상을 갖기 때문에, z방향의 변위(dx)도 역위상으로 발생된다. 따라서, 제1의 x-검증질량(mx1)이 -z 방향으로 dx만큼 변위할 때, 제2의 y-검증질량(mx2)는 +z 방향으로 dx 만큼 변위하게 된다. 따라서, 제1 검증질량(mx1)을 지지하는 제1 지지부(b1)가 폴딩되는 형상과, 제2 검증질량(mx2)를 지지하는 제2 지지부(b2)가 폴딩되는 형상은 y축에 대한 회전 대칭 구조를 갖게 된다.
이 때, x-검증질량(mx1, mx2)의 변위(dx)는, 자이로스코프의 하부에 각각 고정된 x-감지전극(32a, 32b)에 의해 감지된다, 예를 들어, x-감지전극(32a, 32b)은 2개의 차동전극(differential electrode) 방식의 바닥 전극(bottom electrode) 형태로 구현되어, 기생 정전용량을 제거한 순수 센서신호 정전용량의 변화에 기초하여 상기 변위를 감지할 수 있다. 도 7을 참조하면, 결국 x-감지전극(32a, 32b)은 x-검증질량(mx1, mx2)을 z축의 방향으로 감지하되, y축에 대한 역위상(y축을 기준으로 dx가 역위상을 가짐)으로 감지한다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 y-검증질량이 z축 방향으로 역위상 진동하는 형태를 보여주는 모식도이다. 도 3 내지 도 6에서 전술한 바와 같이, y축 방향의 외부 회전을 감지하기 위해, y-검증질량(my1, my2)은 x축 방향으로 가진된다. 따라서, 결국 도 8에 도시된 바와 같이, y-검증질량(my1, my2)은 코리올리 힘에 의해 x축과 y축에 모두 수직인 z방향으로 변위(dy)가 감지된다.
다만, y-검증질량(my1, my2)에 대한 가진 방향이 서로 간에 완전한 역위상을 갖기 때문에, z방향의 변위(dy)도 역위상으로 발생된다. 따라서, 제1의 y-검증질량(my1)이 -z 방향으로 dy만큼 변위할 때, 제2의 y-검증질량(my2)는 +z 방향으로 dy 만큼 변위하게 된다. 따라서, 제1 검증질량(my1)을 지지하는 제3 지지부(b3)가 폴딩되는 형상과, 제2 검증질량(my2)를 지지하는 제4 지지부(b4)가 폴딩되는 형상은 y축에 대한 회전 대칭 구조를 갖게 된다.
이 때, y-검증질량(my1, my2)의 변위(dy)는, 자이로스코프의 하부에 각각 고정된 y-감지전극(33a, 33b)에 의해 감지된다, 예를 들어, y-감지전극(33a, 33b)은 2개의 차동전극 방식의 바닥 전극(bottom electrode) 형태로 구현되어, 기생 정전용량을 제거한 순수 센서신호 정전용량의 변화에 기초하여 상기 변위를 감지할 수 있다. 도 8을 참조하면, 결국 y-감지전극(33a, 33b)은 y-검증질량(my1, my2)을 z축의 방향으로 감지하되, x축에 대한 역위상(x축을 기준으로 dy가 역위상을 가짐)으로 감지한다는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프에서 z-검증질량이 x축 방향으로 역위상 진동하는 형태를 보여주는 모식도이다. 도 3 내지 도 6에서 전술한 바와 같이, z축 방향의 외부 회전을 감지하기 위해, z-검증질량(mz1, mz2)은 y축 방향으로 가진된다. 따라서, 결국 도 9에 도시된 바와 같이, z-검증질량(mz1, mz2)은 코리올리 힘에 의해 x축과 z축에 모두 수직인 x방향으로 변위(dz)가 감지된다.
다만, z-검증질량(mz1, mz2)에 대한 가진 방향이 서로 간에 완전한 역위상을 갖기 때문에, x방향의 변위(dz)도 역위상으로 발생된다. 따라서, 제1 검증질량(mz1)이 -x 방향으로 dz만큼 변위할 때, 제2 검증질량(mz2)는 +x 방향으로 dz 만큼 변위하게 된다. 따라서, 제1 검증질량(mz1)을 지지하는 제1 스프링(51)과, 제2 검증질량(mz2)을 지지하는 제2 스프링(52)은 서로 반대 방향으로 동시에 신장되거나 압축된다.
이 때, z-검증질량(mz1, mz2)의 변위(dz)는, z-검증질량(mz1, mz2)과 x축 방향으로 이격되고 앵커(35a, 35b)의 측면에 고정 배치된 z-감지전극(31a, 31b)에 의해 감지된다, 예를 들어, z-감지전극(31a, 31b)은 평판 전극(plate electrode)의 형태로 구현될 수 있지만 이에 한하지 않고 콤 전극(comb electrode) 또는 기타 다양한 형태로 구현될 수도 있다. 도 9를 참조하면, 결국 z-감지전극(31a, 31b)은 z-검증질량(mz1, mz2)을 x축의 방향으로 감지하되, y축에 대한 역위상(y축을 기준으로 dz가 역위상을 가짐)으로 감지한다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프(150)에서, 자이로 웨이퍼(100)의 구체적인 구성을 보여주는 평면도이다. 자이로 웨이퍼(100)는 중앙 앵커에 의해 고정된 중앙 링크 기구(10)를 구비한다. 중앙 링크 기구(10)에서 x축 방향으로 연장되는 제1 아암은 한쌍의 x-검증질량(mx1, mx2)와 구조적으로 연결되고, 중앙 링크 기구(10)에서 y축 방향으로 연장되는 제2 아암은 y-검증질량(my1, my2)와 구조적으로 연결된다. 또한, 한쌍의 x-검증질량(mx1, mx2)의 외측으로는 한쌍의 z-검증질량(mz1, mz2)이 선형 멤스 스프링에 의해 연결된다. 이와 같이, 모든 검증질량들은 좌우대칭 및 상하대칭이 완전하게 이루어지도록 한쌍으로 배치된다.
또한, 자이로 웨이퍼(100)에는 상기 검증질량들(mx1, mx2, my1, my2, mz1, mz2)을 각각 가진하기 위한 가진전극들(21a 내지 21h, 23a 내지 23d)이 선대칭 형태로 배치되어 있다.
구체적으로, 제1 가진전극(21a 내지 21h)은 x-검증질량(mx1, mx2)을 y방향으로 가진하고, 제2 가진전극(23a 내지 23d)은 y-검증질량(my1, my2)을 x방향으로 가진한다. 여기서, 특히 제1 가진전극(21a 내지 21h)은 가진 성능을 제고하기 위해 총 8개소에 배치되어 있다.
한편, z-검증질량(mz1, mz2)의 x방향 변위를 감지하기 위하여 복수의 차동 감지전극(30a, 30b, 30c, 30d)이 좌우대칭 형태로 배치된다. 이외에 x-검증질량(mx1, mx2) 및 y-검증질량(my1, my2)의 z방향 변위를 감지하기 위한 감지전극들은 바닥 전극 또는 탑 전극 형태로 구비되어 자이로 웨이퍼(100) 상에서는 도시되지 않았다.
한편, 복수의 검증질량들을 지지하기 위한 중앙 링크 기구(10)외에 추가적으로 사이드 링크 기구(40a, 40b)가 y-검증질량(my1, my2)의 외측에, 즉 자이로 웨이퍼(100)의 가장자리 근처에 x축과 평행한 방향으로 배치될 수 있다. 사이드 링크 기구(40a, 40b)는 중앙 링크 기구(10)에 더하여 복수의 검증질량들을 보다 안정적으로 지지하는 역할을 한다. 사이드 링크 기구(40a, 40b)에 대한 보다 자세한 설명은 도 16을 참조하여 후술하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 멤스 자이로스코프(150)에서, 도 10의 자이로 웨이퍼(100)의 하단에 배치되는 바닥 웨이퍼(90)의 구체적인 구성을 보여주는 평면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 바닥 웨이퍼(90)의 중앙에는, 자이로 웨이퍼(100)의 중앙 링크 기구(10)를 지지하기 위한 2개의 중앙 앵커(15a, 15b)가 형성된다. 또한, 자이로 웨이퍼(100)의 x-검증질량(mx1, mx2)에 대응되는 위치에는, x-검증질량(mx1, mx2)의 z축 방향 변위를 감지하기 위한 제1 바닥 전극(32a, 32b)이 배치된다. 마찬가지로, y-검증질량(my1, my2)에 대응되는 위치에는 y-검증질량(my1, my2)의 z축 방향 변위를 감지하기 위한 제2 바닥 전극(33a, 33b)이 배치된다.
또한, 바닥 웨이퍼(90)의 좌우측단에는 z-검증질량(mz1, mz2)의 x방향 변위를 감지하기 위한 감지전극(30a, 30b, 30c, 30d)을 지지하기 위한 앵커들(16a, 16b, 16c, 16d)과 감지전극(30a, 30b, 30c, 30d)과 전기적으로 연결하기 위한 관통 전극들(31a, 31b, 31c, 31b)이 구비되어 있다.
기타, 자이로 웨이퍼(100)의 안정된 지지와 전기적 연결을 위해, 바닥 웨이퍼(90)에는 다양한 형태의 앵커들과 관통 전극들이 더 배치될 수 있다.
도 12는 도 10의 자이로 웨이퍼(100)에서 상호간에 스프링으로 연결된 x-검증질량 및 z-검증질량의 어셈블리(50)를 절취하여 도시한 평면도이다. 이러한 x-검증질량(mxa, mxb) 및 z-검증질량(mz)은 자이로 웨이퍼(100)의 중앙 링크 기구(10)를 중심으로 좌우 대칭 형태이므로 여기서는 이 중에서 좌측의 검증질량들만을 도시하였다.
전술한 바와 같이, x-검증질량(mxa, mxb)과 z-검증질량(mz)은 적어도 하나의 선형 멤스 스프링(51a, 51b)에 의해 x방향으로 상대적인 움직임을 가질 수 있도록 연결되어 있다. 또한, z-검증질량(mz)의 좌측 부분은 다른 선형 멤스 스프링(51c, 51d)에 의해 자이로 웨이퍼(100)의 외곽 프레임과 연결될 수 있다. 이와 같은 선형 멤스 스프링들은 x방향 변위를 허용하는 반면, 토션이나 벤딩 움직임을 최대한 억제하도록 설계된다.
한편, x-검증질량(mxa, mxb)은 제1 부분(mxa)과 제2 부분(mxb)으로 구성되고, 양자는 도 7에 도시된 바와 같이 y축을 중심으로 서로 각도를 이루며 폴딩될 수 있도록 토션 멤스 스프링(53)에 의해 연결된다.
마찬가지로, x-검증질량의 제1 부분(mxa)에는 x축 방향으로 연장된 복수개의 요동부(21a, 21b, 21c, 21d)가 형성되어 있다. 따라서, 이러한 요동부(21a, 21b, 21c, 21d)는 이와 대응되는 개수의 고정부에 의해 가진되므로, 결국 x-검증질량(mxa, mxb)이 y축 방향으로 가진된다. 도 12에서 상기 고정부는 미도시되어 있으나 당연히 요동부(21a, 21b, 21c, 21d)와 마주보는 방향으로 배치될 것이다.
한편, z-검증질량(mz)의 내부에는 적어도 하나 이상의 개구부(59)가 형성되어 있으며, 그 내부에는 y방향으로 연장된 바(bar) 부재(57)가 형성된다. 이러한 바 부재(57)의 x방향 움직임은, 도 13에 도시된 감지전극(30)에 의해 감지될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 감지전극(30a, 30c)은 복수 개소에 배치될 수 있고, 각각 고정 앵커(35a, 35c)에 의해 고정되어 있다. 고정 앵커(35a, 35c)로부터 연장된 감지 부재(34a, 34c)는 상기 바 부재(57)의 x축 방향 요동에 따라 변화되는, 예를 들면, 정전 용량의 변화를 측정함으로써 그 변위량을 감지할 수 있다.
도 14는 도 10의 자이로 웨이퍼(100)에서 y-검증질량을 절취하여 도시한 평면도이다. 이러한 y-검증질량(mya, myb)은 자이로 웨이퍼(100)의 중앙 링크 기구(10)를 중심으로 상하 대칭 형태이므로 여기서는 이 중에서 상측의 y-검증질량만을 도시하였다.
상기 y-검증질량(mya, myb)은 제1 부분(mya)과 제2 부분(myb)으로 구성되고, 양자는 도 8에 도시된 바와 같이 x축을 중심으로 서로 각도를 이루며 폴딩될 수 있도록 토션 멤스 스프링(73)에 의해 연결된다.
또한, y-검증질량의 제1 부분(mya)에는 y축 방향으로 연장된 복수개의 요동부(23a, 23b)가 형성되어 있다. 따라서, 이러한 요동부(23a, 23b)는 이와 대응되는 개수의 고정부에 의해 가진되므로, 결국 y-검증질량(mxa, mxb)이 x축 방향으로 가진된다. 도 14에서 상기 고정부는 미도시되어 있으나 당연히 요동부(23a, 23b)와 마주보는 방향으로 배치될 것이다.
도 15는 도 10의 자이로 웨이퍼(100)에서 중앙 링크 기구(10)를 절취하여 도시한 평면도이다. 중앙 링크 기구(10)는 구체적으로, 고정되어 움직이지 않는 중앙 앵커(15a, 15b)와, 복수의 검증질량들의 회전에 따라 함께 회전하는 회전 강체(13)와, 중앙 앵커(15a, 15b)와 회전 강체(13)를 연결하는 이너 아암들(11-1 내지 11-7)과, 회전 강체(13)와 복수의 검증질량들을 연결하는 아우터 아암들(12a, 12b, 12c, 12d)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 중앙 앵커(15a, 15b)는 좌우 대칭으로 2개가 배치되고, 하부 빔(11-5)의 양단부(11-1, 11-2)가 각각의 중앙 앵커(15a, 15b)와 연결된다. 상기 하부 빔(11-5)과 대응되는 상측에는 상부 빔(11-6)이 배치되고, 내부 빔(11-7)이 두 개의 빔(11-5, 11-6)을 수직 방향으로 연결한다. 상부 빔(11-6)의 양단부는 2단으로 절곡되어 회전 강체(13)과 연결된다.
이러한 이너 아암들(11-1 내지 11-7) 및 중앙 앵커(15a, 15b)의 구조로 인하여, 상당한 토션 및 벤딩 강성을 제공함과 더불어, 검증질량들에 대한 완전한 역위상 지지를 가능하게 한다. 구체적으로, 중앙 링크 기구(10)는 x-검증질량의 y방향 가진시와 z방향 감지시에 x-검증질량으로부터의 하중을 지지하고, z-검증질량의 y방향 가진시와 x방향 감지시에 z-검증질량으로부터의 하중을 지지한다. 또한, 중앙 링크 기구(10)는 y-검증질량의 x방향 가진시와 z방향 감지시에 y-검증질량으로부터의 하중을 지지한다.
결국, 중앙 링크 기구(10)는 1자유도로 가진되는 3축의 검증질량들의 움직임을 지지할 뿐만 아니라, 3자유도로 감지되는 3축의 검증질량들을 움직임도 효과적으로 지지할 수 있다.
한편, 4개의 아우터 아암들(12a, 12b, 12c, 12d)은 각각 수회 폴딩된 빔 구조로 형성될 수 있다. 따라서, x-y 평면 내에서 검증질량들의 회전 움직임을 지지할 수 있을 뿐만 아니라, x-y 평면을 벗어나는 도 7 또는 도 8과 같은 움직임도 함께 지지할 수 있게 된다.
도 16은 도 10의 자이로 웨이퍼(100)에서 사이드 링크 기구(40)를 절취하여 도시한 평면도이다. 도 15에 도시된 중앙 링크 기구(10) 만으로도 복수의 검증질량의 모든 움직임들을 효과적으로 지지할 수 있기는 하지만, 상당한 외력이 가해지는 경우에 저항 강성을 높이고 검증질량의 정확한 움직임을 가이드할 수 있도록 하기 위해 사이드 링크 기구(40)가 추가로 형성될 수 있다. 이러한 사이드 링크 기구(40)는 자이로 웨이퍼(100)의 중앙 링크 기구(10)를 중심으로 상하 대칭 형태이므로 여기서는 이 중에서 상측의 기구(40)만을 도시하였다.
사이드 링크 기구(40)도 크게 보면 중앙 링크 기구(10)와 유사한 형태로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 링크 기구(40)는, 고정되어 움직이지 않는 중앙 앵커(45a, 45b)와, x-검증질량(mx) 및 z-검증질량(mz)의 회전에 따라 함께 회전하는 회전 강체(43)와, 중앙 앵커(45a, 45b)와 회전 강체(43)를 연결하는 이너 아암들(41-5 내지 41-7)과, 회전 강체(13)와 x-검증질량(mx)을 구조적으로 연결하면서 x축과 나란한 방향으로 자이로 웨이퍼(100)의 가장자리를 따라 연장되는 아우터 아암들(42a, 42b)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 사이드 링크 기구(40)의 구조는 x-y 평면 내에서 자이로 웨이퍼(100)의 움직임(회전 움직임)을 효과적으로 지지할 수 있다. 또한, 상기 사이드 링크 기구(40)의 구조는 x-y 평면을 벗어나는 도 7과 같은 자이로 웨이퍼(100)의 z축 방향 움직임(시소 움직임)을 벤딩 강성에 의해 지지할 수 있으며, 도 8과 같은 자이로 웨이퍼(100)의 z축 방향 움직임을 토션 강성에 의해 지지할 수 있다.
이상과 같은 도 10에 도시된 자이로 웨이퍼(100)의 고유 진동 모드를 시뮬레이션한 결과는 다음과 같다.
자이로 웨이퍼(100)의 2번째 고유 진동 모드인 z-감지 모드를 시뮬레이션한 결과, z축 방향의 외부 회전을 감지하기 위한 z-감지 모드가 약 23000hz의 고유주파수에서 발견된다. 특히, 이러한 z-감지 모드에서 z-검증질량은 서로 반대방향으로 이동하는, 즉 역위상 모드로 요동한다. 이러한 z-감지 모드에서는 z-검증질량 이외에 검증질량들은 모두 움직임이 0에 가깝다. 따라서, 상기 고유주파수에서는 다른 감지 모드와의 간섭없이, z-감지전극(30)에 의해 z-검증질량(mz)의 변위만을 확실하게 측정할 수 있게 된다.
자이로 웨이퍼(100)의 3번째 고유 진동 모드인 x-감지 모드를 시뮬레이션한 결과, x축 방향의 외부 회전을 감지하기 위한 x-감지 모드가 약 24000hz의 고유주파수에서 발견된다. 특히, 이러한 x-감지 모드에서 x-검증질량은 z축 방향을 따라 서로 반대방향으로 이동하는, 즉 역위상 모드로 요동한다. 이러한 x-감지 모드에서는 y-검증질량은 움직임이 0에 가깝다. 다만, x-검증질량의 움직임에 따라 z-검증질량도 어느 정도 움직일 수밖에 없으나, x-검증질량을 감지하기 위한 바닥 전극(32a, 32b)이 x-검증질량 바로 아래에 배치되므로 상대적으로 거리가 먼 z-검증질량은 크게 영향을 미치지 않는다. 따라서, 상기 고유주파수에서는 다른 감지 모드와의 간섭없이, x-감지전극(32a, 32b)에 의해 x-검증질량(mx)의 변위만을 확실하게 측정할 수 있게 된다.
자이로 웨이퍼(100)의 4번째 고유 진동 모드인 y-감지 모드를 시뮬레이션한 결과, y축 방향의 외부 회전을 감지하기 위한 y-감지 모드가 약 25000hz의 고유주파수에서 발견된다. 특히, 이러한 y-감지 모드에서 y-검증질량은 z축 방향을 따라 서로 반대방향으로 이동하는, 즉 역위상 모드로 요동한다. 이러한 y-감지 모드에서는 y-검증질량 이외에 검증질량들은 모두 움직임이 0에 가깝다다. 따라서, 상기 고유주파수에서는 다른 감지 모드와의 간섭없이, y-감지전극(33a, 33b)에 의해 y-검증질량(my)의 변위만을 확실하게 측정할 수 있게 된다.
자이로 웨이퍼(100)의 5번째 고유 진동 모드인 구동(driving) 모드를 시뮬레이션한 결과, 상기 구동 모드는 약 27000hz의 고유주파수에서 발견된다. 이 때, 도 4의 모식도에서도 도시된 바와 같이 복수의 가진전극들에도 불구하고 구동 모드는 하나의 진동 모드로 표시된다. 상기 구동 모드에서 x-검증질량 및 z-검증질량은 y축 방향으로 역위상으로 가진됨을 알 수 있고, y-검증질량은 x축 방향으로 역위상으로 가진됨을 알 수 있다.
통상, 가진 주파수와 감지 주파수가 가까울수록 주파수매칭 정도가 높고 센서의 감지 진폭도 커진다(센서의 민감도가 높아진다). 반면에, 가진 전압에 의해 유발되는 기생정전용량 성분을 센서 출력신호로부터 전기적으로 분리해 내기 위해서는 양자가 완전히 일치해서도 안 된다. 시뮬레이션 결과를 종합하면, 구동 모드는 약 27000hz임에 비해, 3가지 감지 모드는 대략 23000~25000hz 정도로서 우수한 주파수매칭 정도를 나타내며, 3축 각각의 감지 모드의 고유주파수도 서로 간의 중첩없이 명확하게 구분될 수 있는 값을 갖는다는 것도 확인할 수 있었다.
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. 3축 멤스 자이로스코프로서,
    평면상에 있는 제1축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제1 검증질량;
    상기 평면상에 있고 상기 제1축과 직교하는 제2축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제2 검증질량;
    상기 평면과 직교하는 제3축의 방향으로 입력되는 회전을 감지하기 위한 제3 검증질량;
    구동 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량 중 적어도 하나를 가진하는 가진전극;
    감지 모드에서 코리올리 힘에 의해 발생되는 상기 제1 내지 제3 검증질량의 변위를 감지하는 감지전극; 및
    상기 3축 멤스 자이로스코프의 중앙에 배치되고, 상기 제1 내지 제3 검증질량과 구조적으로 연결되어, 상기 구동 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량의 움직임과, 상기 감지 모드에서 상기 제1 내지 제3 검증질량의 움직임을 모두 역위상으로 지지하는 중앙 링크 기구를 포함하는, 3축 멤스 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중앙 링크 기구는,
    고정되어 움직이지 않는 중앙 앵커와, 상기 제1 내지 제3 검증질량들의 회전에 따라 함께 회전하는 회전 강체와, 상기 중앙 앵커와 상기 회전 강체를 연결하는 이너 아암들과, 상기 회전 강체와 상기 제1 내지 제3 검증질량들을 연결하는 아우터 아암들을 포함하는, 3축 멤스 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1축과 평행한 방향으로 상기 3축 멤스 자이로스코프의 가장자리 근처에 배치되고, 상기 제1 검증질량과 구조적으로 연결되어, 상기 구동 모드에서 상기 제1 검증질량 및 상기 제3 검증질량의 움직임과, 상기 감지 모드에서 상기 제1 검증질량 및 상기 제3 검증질량의 움직임을 모두 역위상으로 지지하는 사이드 링크 기구를 더 포함하는, 3축 멤스 자이로스코프.
  4. 제3항에 있어서, 사이드 링크 기구는,
    고정되어 움직이지 않는 사이드 앵커와, 상기 제1 내지 제3 검증질량들의 회전에 따라 함께 회전하는 회전 강체와, 상기 사이드 앵커와 상기 회전 강체를 연결하는 이너 아암들과, 상기 회전 강체와 상기 제1 검증질량을 구조적으로 연결하고 상기 제1축과 나란한 방향으로 상기 가장자리를 따라 연장되는 아우터 아암들을 포함하는, 3축 멤스 자이로스코프.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 내지 제3 검증질량은 각각 한쌍의 검증질량으로 이루어지고, 상기 한쌍의 검증질량은 상기 중앙 링크 기구를 중심으로 대칭 형태로 배치되는, 3축 멤스 자이로스코프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 검증질량 및 상기 제2 검증질량은 상기 평면상에서 상기 중앙 링크 기구에 대해 서로 수직인 방향으로 상기 중앙 링크 기구에 연결되는, 3축 멤스 자이로스코프.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 검증질량은 상기 제1 검증질량과 인접하여 선형 멤스 스프링으로 연결되는, 3축 멤스 자이로스코프.
  8. 제7항에 있어서, 상기 구동 모드에서 상기 가진전극은,
    상기 제1 검증질량 및 상기 제3 검증질량을 상기 제2축의 방향으로 가진하고, 상기 제2 검증질량을 상기 제1축의 방향으로 가진하는, 3축 멤스 자이로스코프.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가진전극은,
    상기 제1 내지 제3 검증질량 각각에 대해 하나 이상씩 배치되는 콤 전극(comb electrode)인, 3축 멤스 자이로스코프.
  10. 제8항에 있어서, 상기 감지 모드에서 상기 감지전극은,
    상기 제1 검증질량을 상기 제3축의 방향으로 감지하되, 상기 제2축에 대한 역위상으로 감지하고,
    상기 제2 검증질량을 상기 제3축의 방향으로 감지하되, 상기 제1축에 대한 역위상으로 감지하며,
    상기 제3 검증질량을 상기 제1축의 방향으로 감지하되, 상기 제2축에 대한 역위상으로 감지하는, 3축 멤스 자이로스코프.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 검증질량은 제2축의 방향으로 배치된 제1 토션 멤스 스프링을 내부에 포함하고, 상기 감지 모드에서 상기 제1 토션 멤스 스프링을 기준으로 각도를 이루면서 폴딩되며,
    상기 제2 검증질량은 제1축의 방향으로 배치된 제2 토션 멤스 스프링을 내부에 포함하고, 상기 감지 모드에서 상기 제2 토션 멤스 스프링을 기준으로 각도를 이루면서 폴딩되는, 3축 멤스 자이로스코프.
  12. 제10항에 있어서, 상기 가진전극은,
    상기 제1 내지 제3 검증질량 각각에 대해 하나 이상씩 배치되는데,
    상기 제1 검증질량 및 상기 제2 검증질량에 대해서는 상기 검증질량들의 하부에 바닥 전극의 형태로 배치되고, 상기 제3 검증질량에 대해서는 상기 제3 검증질량의 내부에 형성된 개구부에 평판 전극의 형태로 배치되는, 3축 멤스 자이로스코프.
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