본 발명은 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용한 Z축 각속도 측정용 진동형 마이크로자이로스코프에 관한 것이다.The present invention relates to a vibrating microgyroscope for measuring Z-axis angular velocity using micromachining technology.
자이로스코프(자이로)는 움직이는 물체의 각속도를 측정하는 센서로서, 선박, 항공기, 미사일, 잠수함 등의 이동체의 자세와 위치를 측정하는 관성항법장치에서 매우 중요한 위치를 차지하는 센서이다. 기존에 주로 사용되었던 자이로스코프로는 회전로터를 이용한 기계식 자이로스코프가 있다. 이 기계식 자이로스코프는 그 크기가 크고, 고정밀 부품을 사용하므로 가격이 비싸 그 응용범위가 선박, 항공기, 잠수함, 미사일 등의 특수 목적용으로만 사용되어 왔다. 하지만 최근에 광학식 자이로스코프나 마이크로머시닝 기술을 이용한 자이로스코프가 개발되면서 자이로스코프의 응용 범위는 폭넓게 증가하고 있다. 특히 마이크로머시닝 기술을 이용한 진동형 자이로스코프는 그 크기가 작고 제작 단가가 저렴하므로 자동차, 가전제품, 정보통신, 산업용 기기 등에 폭넓게 이용되고 있다.Gyroscope (gyro) is a sensor that measures the angular velocity of a moving object, and occupies a very important position in the inertial navigation system that measures the attitude and position of a moving object such as a ship, aircraft, missile, submarine. The conventional gyroscope is a mechanical gyroscope using a rotary rotor. These mechanical gyroscopes are large in size and expensive due to the use of high-precision parts, and their applications have been used only for special purposes such as ships, aircraft, submarines and missiles. However, with the recent development of gyroscopes using optical gyroscopes or micromachining techniques, the scope of application of gyroscopes has increased. In particular, vibration type gyroscopes using micromachining technology are widely used in automobiles, home appliances, telecommunications, and industrial devices because of their small size and low manufacturing cost.
일반적으로 진동형 자이로의 감도는 가진 진폭과 감지 진폭의 곱에 비례한다. 그러나 마이크로머시닝 기술로 제작된 자이로스코프에서 획득할 수 있는 가진력은 구조의 크기가 작아 일반적으로 작다. 그래서 마이크로자이로스코프에서는 가진과 감지쪽의 진동을 진공 중에서 공진시켜 그 진폭을 최대로 하여 사용된다. 이를 그래프로 표시하면 도 1에 도시된 바와 같다.In general, the sensitivity of a vibrating gyro is proportional to the product of the excitation amplitude and the sensing amplitude. However, the excitation force that can be obtained in a gyroscope made with micromachining technology is generally small due to the small size of the structure. Therefore, in the gyroscope, the vibrations of the excitation and sensing sides are resonated in vacuum to maximize their amplitude. If this is displayed as a graph, it is as shown in FIG.
도 1에서, 그래프1은 진동 사이클에 따른 자이로스코프의 가진방향 진폭을 나타내고, 그래프2는 진동 사이클에 따른 감지방향의 진폭를 나타낸다. 진공중에서 진동시키므로 두 진동의 댐핑이 작아 공진점(A점 및 C점)에서의 진폭 피크는 매우 날카롭다. 따라서 두 그래프의 꼭지점(A와 B공진점) 사이의 차이가 많이 날수록 그 진폭(C점에서의 진폭)의 곱은 기하 급수적으로 감소하게 된다. 이러한 이유로 진동형 자이로스코프에서는 가진 공진점(가진공진주파수; A점)과 감지 공진점(감지공진주파수; B점)을 일정 한도 이상 근접시켜 자이로스코프의 감도를 크게 해야 한다.In Fig. 1, graph 1 shows the excitation direction amplitude of the gyroscope according to the vibration cycle, and graph 2 shows the amplitude of the sensing direction according to the vibration cycle. Since the vibration in vacuum causes the damping of both vibrations to be small, the amplitude peak at the resonance point (A point and C point) is very sharp. Therefore, as the difference between the vertices (A and B resonance points) of the two graphs increases, the product of their amplitudes (the amplitude at point C) decreases exponentially. For this reason, in the vibration type gyroscope, the sensitivity of the gyroscope should be increased by bringing the resonance point (a vibration resonance frequency; A point) and the detection resonance point (the detection resonance frequency; B point) closer than a certain limit.
이를 위해서 가진공진주파수와 감지공진주파수가 일치하게끔 설계를 했다 하더라도 실제 제작과정에서 발생하는 오차 때문에 이러한 두 개의 공진주파수는 틀려지게 된다. 특히 마이크로자이로스코프는 지지빔의 폭이나 두께가 수 미크론 단위이므로 조그마한 공정 오차에도 강성은 상당히 변하게 된다. 따라서 설계 치수 대로 자이로스코프의 치수가 일치하게 제작되어서 두 주파수가 일치하는 일은 현실적으로 불가능하다.For this purpose, even if the designed resonant frequency and the detected resonant frequency are designed to coincide, these two resonant frequencies are different due to the error occurring in the actual manufacturing process. In particular, the microgyroscope has a stiffness that varies considerably with small process errors because the width and thickness of the support beam are in the order of several microns. Therefore, it is practically impossible to match the two frequencies because the gyroscope is made to match the design dimensions.
그러나, 이러한 두 공진주파수의 차이는 자이로스코프의 감도에 매우 큰 악영향을 주므로 별도의 방법으로 두 주파수를 일치시키는 방법이 지금까지 이용되어 왔다.However, since the difference between the two resonant frequencies greatly affects the sensitivity of the gyroscope, a method of matching the two frequencies by a separate method has been used until now.
첫 번째 방법으로는, 구조가 완성된 후 완성된 자이로스코프의 구조를 진동시켜 그 주파수를 측정한 후, 두 주파수가 일치하게끔 기계적 가공이나 레이저를 이용하여 자이로의 지지빔이나 관성질량을 변화시키는 방법이 있다.In the first method, after the structure is completed, the structure of the finished gyroscope is vibrated to measure its frequency, and then the support beam or inertial mass of the gyro is changed by using mechanical processing or a laser to match the two frequencies. There is this.
두 번째 방법으로는, 전압에 의한 유효 강성의 변화를 이용하는 방법이 있다. 일반적으로 진동 구조물에 진동 방향으로 전압이 인가되면 정전력에 의해서 구조물의 강성이 변화하게 된다. 이러한 강성변화를 이용해서 주파수를 일치시키는 방법이다.The second method is to use the change in the effective stiffness by the voltage. In general, when a voltage is applied to the vibration structure in the vibration direction, the rigidity of the structure is changed by the electrostatic force. This stiffness change is used to match frequencies.
그러나, 첫 번째 방법은 개별적으로 제작되는 고정밀 로터식 자이로에는 적용할 수 있으나 마이크로머시닝을 이용하여 수천개의 자이로을 동시에 제작하는 방법에는 부적합하다. 이 방법으로 주파수를 일치시켜야 한다면, 개별 자이로를 하나씩 측정해야 하고 여기에 맞춰 각각의 자이로에 대해서 추가 가공이 이루어져야 하므로 마이크로머시닝의 가장 장점인 배치 프로세스가 불가능하다. 또한 제작 시간, 장비, 인원이 늘어나게 되므로 제작 단가가 높아지는 단점이 있다.However, the first method can be applied to a high precision rotor type gyro that is manufactured separately, but is not suitable for simultaneously manufacturing thousands of gyros using micromachining. If the frequencies have to be matched in this way, the individual gyros must be measured one by one and further processing must be performed for each gyro accordingly, making the batch process the most advantageous of micromachining. In addition, the production time, equipment, personnel is increased, there is a disadvantage that the production cost increases.
두 번째 방법은 첫 번째 방법에 비해서 별도의 장비가 소요되지는 않지만 개별 자이로스코프에 대해서 두 주파수를 모두 측정하여야 하고, 여기에 맞는 전압을 결정해야 하며, 결정된 전압을 인가해야 한다. 또한 구조물에 전압이 인가되므로 전기적인 커플링에 의해 자이로스코프의 안정성이 떨어지는 단점이 있다.The second method does not require any equipment compared to the first method, but it must measure both frequencies for an individual gyroscope, determine the appropriate voltage, and apply the determined voltage. In addition, since the voltage is applied to the structure, the stability of the gyroscope is deteriorated by the electrical coupling.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 가진 공진주파수와 감지 공진주파수의 차이가 어떠한 제작 오차에도 본질적으로 충분이 작게 되는 Z축 각속도 측정용 진동형 자이로스코프 및 그 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and provides a vibration type gyroscope for measuring Z-axis angular velocity such that the difference between the resonant frequency and the sensed resonant frequency is essentially small enough for any manufacturing error. There is a purpose.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 Z축 각속도 측정용 진동형 마이크로자이로스코프는, 지지대; 상기 지지대 위에 떠 있는 상태에서 진동하는 관성 질량체; 상기 관성 질량체를 상기 지지대 위에 떠 있게 지지하면서 진동할 수 있도록하는 지지빔들; 상기 관성 질량체의 진동에 의한 위치 변위에 의하여 측정되는 각속도를 감지하는 감지 수단; 정전기력을 발생시켜 상기 관성 질량체를 상기 지지대에 평행하게 진동시키는 가진 수단;을 구비하되, 상기 지지빔들은 가진 방향과 감지 방향에 대하여 신축성을 갖는 구조로 형성되고, 가진 방향과 감지 방향에 대하여 서로 대칭적으로 위치하도록 배치된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a vibration type micro gyroscope for measuring Z-axis angular velocity according to the present invention includes: a support; An inertial mass vibrating while floating on the support; Support beams for vibrating while supporting the inertial mass floating on the support; Sensing means for sensing an angular velocity measured by a positional displacement caused by vibration of the inertial mass; And an excitation means for generating an electrostatic force to vibrate the inertial mass parallel to the support, wherein the support beams are formed in a structure having elasticity with respect to an excitation direction and a sensing direction, and symmetrical with respect to the excitation direction and the detection direction. Characterized in that arranged to be located.
본 발명에 있어서, 상기 관성 질량체, 지지빔들 감지 수단 및 가진 수단은 벌크 실리콘을 식각하여 일체형 실리콘 구조물로 형성되고, 상기 가진 수단은 상기 관성질량체와 빗살모양의 구조체를 형성하여 상기 관성 질량체를 가진시키는 두 개의 고정전극;을 구비하며, 상기 일체형 실리콘 구조물에는 상기 가진 수단의 고정전극과 가진 방향으로 대칭되는 위치에 상기 관성질량체과 빗살모양 구조체를 형성하여 이 빗살 모양 구조체의 캐패시턴스 변화를 통하여 상기 가진 동작을 모니터링하는 두 개의 고정전극;을 구비하며, 상기 가진 수단의 두 고정전극 및 상기 모니터링용 두 고정전극은 관성질량에 힘의 균형(Force Balencing)이 이루어지도록 배치되며,상기 관성질량체과 빗살모양의 구조체를 형성하여 이 빗살 모양 구조체의 캐패시턴스 변화를 전압의 형태로 감지하여 코리올리 힘을 얻는 감지 전극;을 구비하되, 상기 감지 전극은 적어도 두 개 이상의 상기 빗살모양의 구조체를 형성되어 이 빗살 모양 구조체들의 캐패시턴스 변화를 차분함으로써 코리올리 힘을 얻으며, 상기 지지빔들은 상기 신축성을 갖도록 직사각형을 포함하는 다각형, 원형 혹은 지그재그형의 주름 구조를 가지며, 상기 지지빔들은 상기 대칭적 위치를 갖도록 가진방향과 45°각도를 이루도록 배치되며, 상기 지지대는 유리 기판으로 이루어지고, 상기 일체형 실리콘 구조물은 상기 유리 기판에 양극 본딩된 구조를 갖는 것이 바람직하다.In the present invention, the inertial mass, the support beams sensing means and the excitation means is formed of an integral silicon structure by etching the bulk silicon, the excitation means forms the comb-like structure with the inertial mass to have the inertial mass And having two fixed electrodes configured to form the inertial mass and the comb-shaped structure at a position symmetrical with the fixed electrode of the vibrating means in the integrated silicon structure to change the capacitance by changing the capacitance of the comb-shaped structure. And two fixed electrodes for monitoring the two fixed electrodes of the excitation means and the two fixed electrodes for monitoring are arranged such that a force balance of the inertial mass is achieved, and the inertial mass and the comb-like structure To change the capacitance of this comb-shaped structure A sensing electrode which senses a shape to obtain a Coriolis force, wherein the sensing electrode forms at least two comb-shaped structures to obtain a Coriolis force by subtracting a change in capacitance of the comb-shaped structures, wherein the support beams It has a polygonal, circular or zigzag corrugated structure including a rectangle to have the elasticity, the support beams are arranged to form an angle of 45 ° to the direction having the symmetrical position, the support is made of a glass substrate, Preferably, the integrated silicon structure has a structure that is anodically bonded to the glass substrate.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 Z축 각속도 측정용 진동형 마이크로자이로스코프의 제작 방법은, (가) 웨이퍼의 밑면을 에칭하여 소정 두께의 실리콘 박막을 형성하는 단계; (나) 상기 실리콘 박막의 에칭면에 TEOS를 증착하는 단계; (다) 상기 TEOS가 증착된 실리콘 박막을 식각하여 관성 질량체 및 빗살 구조를 형성하는 단계; (라) 상기 관성 질량체 및 빗살 구조의 전면에 금속을 증착하는 단계; 및 (마) 상기 웨이퍼 뒤면에 유리 기판을 양극 본딩한 다음, 다이싱(Dicing)해서 개별 칩 분리하면서 전극을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the manufacturing method of the vibration type micro-gyroscope for measuring the Z-axis angular velocity according to the present invention, (A) etching the bottom surface of the wafer to form a silicon thin film of a predetermined thickness; (B) depositing TEOS on the etching surface of the silicon thin film; (C) etching the silicon thin film on which the TEOS is deposited to form an inertial mass and a comb structure; (D) depositing a metal on the front surface of the inertial mass and the comb tooth structure; And (e) anodic bonding the glass substrate to the back surface of the wafer, and then dicing to separate the electrodes while separating the individual chips.
본 발명에 있어서, 상기 웨이퍼는 양면이 폴리싱되어 있는 p+ 또는 n+ 도핑된 웨이퍼이고, 상기 (가) 단계에서 상기 웨이퍼의 두께는 200μm 정도이고, 상기 실리콘 박막은 30~50μm 정도의 두께로 형성하며, 상기 (나) 단계에서 상기 TEOS는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법으로 3~5μm의 두께로 증착되며, 상기 (다) 단계에서 상기 관성 질량체 및 빗살 구조물은 건식 식각법으로 형성하며, 상기 (라) 단계에서 상기 금속으로는 Al을 사용하고, 이 Al은 스퍼터링법으로 증착되는 것이 바람직하다.In the present invention, the wafer is a p + or n + doped wafer is polished on both sides, in the step (a) the thickness of the wafer is about 200μm, the silicon thin film is formed to a thickness of about 30 ~ 50μm, In step (b), the TEOS is deposited to a thickness of 3 to 5 μm by a plasma enhanced chemical vapor deposition method. In step (c), the inertial mass and the comb structure are formed by a dry etching method. Al is used as the metal, and this Al is preferably deposited by sputtering.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 Z축 각속도 측정용 진동형 마이크로자이로스코프 및 그 제작 방법을 상세하게 설명한다.With reference to the drawings will be described in detail a vibration type micro-gyroscope for measuring the Z-axis angular velocity and a method of manufacturing the same according to the present invention.
먼저, 위에서 언급한 자이로의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 Z축 각속도 측정용 진동형 마이크로자이로스코프의 기본 설계 개념을 설명하면 다음과 같다.First, the basic design concept of the vibration type micro-gyroscope for measuring the Z-axis angular velocity according to the present invention for solving the problems of the gyro mentioned above is as follows.
일반적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 45°로 세워져 있는 지지빔에 대한 x축 및 y축 방향으로 강성은 빔의 굵기나 길이 및 두께에 관계없이 항상 일치 할 것이다. 그리고 두 방향으로의 유효질량도 같으므로 두 방향의 공진 주파수는 항상 일치 할 것이다.In general, as shown in Figure 2, the stiffness in the x-axis and y-axis direction for the support beam is set to 45 ° will always match regardless of the thickness or length and thickness of the beam. And since the effective mass in both directions is the same, the resonant frequencies in both directions will always match.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 위의 45°의 빔만으로 지지되어 있는 정 사면체의 x방향과 y방향으로의 공진주파수는 각 지지빔의 치수와는 관계없이 45°각도만 유지하면 항상 일치할 것이다.Therefore, as shown in FIG. 3, the resonant frequencies in the x and y directions of the tetrahedron supported by only the above 45 ° beams always match when the 45 ° angle is maintained irrespective of the dimensions of each support beam. something to do.
그러나 이러한 지지빔의 형태는 그 강성이 너무 크므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 대칭의 원리에 어긋나지 않게 지지빔을 접어서(fold) 그 강성을 낮춘다. 또한, z방향의 강성은 구조의 두께를 두껍게 해서 크게 할 수 있다. 이를 위해서는 벌크(bulk)마이크로머시닝 기술을 이용해서 제작해야 한다.However, since the shape of the support beam is too large, as shown in Fig. 4, the support beam is folded to lower the rigidity without contradicting the principle of symmetry. In addition, the rigidity in the z direction can be increased by increasing the thickness of the structure. This requires fabrication using bulk micromachining techniques.
이러한 원리를 실질적으로 구체화시킨 자이로스코프의 실시예가 도 5 및 도 6에 도시된다. 관성질량체(8)의 각 모서리가 지지빔(12)에 연결되어 있고, 지지빔(12)의 타단은 지지앵커(7)에 고정되어 있다. 지지앵커(7)는 지지대(도 7g의 400 참조)에 고정설치된다. 지지빔들(12)은 가진방향과 감지방향에 대칭적(45°)으로 배치되므로 x방향 및 y방향의 유효질량체이 같게 된다면 두 방향의 공진주파수는 본질적으로 같게 된다. 일반적으로 자이로스코프에서 가진방향 공진주파수 및 감지방향 공진주파수가 정확하게 일치되면 두 공진 모드가 결합(coupling)되어 불안정하게 되므로 정확히 일치하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 근소한 두 주파수의 차이는 관성 질량체(8)을 직사각형 모양으로 제작하여 두 방향의 유효질량을 다르게 함으로써 얻을 수 있다.An embodiment of a gyroscope that substantially embodies this principle is shown in FIGS. 5 and 6. Each edge of the inertial mass 8 is connected to the support beam 12, and the other end of the support beam 12 is fixed to the support anchor 7. The support anchor 7 is fixedly installed on the support (see 400 in Fig. 7g). Since the support beams 12 are arranged symmetrically (45 °) in the excitation direction and the sensing direction, if the effective masses in the x and y directions are the same, the resonant frequencies in the two directions are essentially the same. In general, if the directional resonance frequency and the sensing direction resonance frequency of the gyroscope are exactly matched, it is not preferable to exactly match the two resonance modes due to coupling and instability. Therefore, the difference between two slight frequencies can be obtained by making the inertial mass 8 into a rectangular shape and varying the effective mass in the two directions.
실시예의 실질적인 형상은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같다. 도 5는 자이로스코프의 구체적인 사시도이며, 도 6은 실시예의 구체적인 평면도이다. 그 동작원리는 다음과 같다.The substantial shape of the embodiment is as shown in FIGS. 5 and 6. 5 is a detailed perspective view of a gyroscope, and FIG. 6 is a specific plan view of an embodiment. The operation principle is as follows.
지지빔((12)에 의해 지지되어 있는 관성질량체(8)를 지지앵커(7)에 설치된 전극패드(미도시)를 통해 접지하고 관성질량체(8)과 빗살모양(Comb)구조(14)를 이루고 있는 고정전극(15)에 교류와 직류전압을 더해서 인가해주면 정전력에 의해서 관성질량체(8)은 x방향으로 교류전압의 주파수로 진동한다. x방향의 가진진동의 변위를 최대로 하기 위해서 교류전압의 주파수는 구조물의 x방향 고유진동모드의 공진주파수와 일치시켜 공진시킨다. 이러한 가진변위는 또 다른 빗살모양 구조(16)의 캐패시턴스 변화를 통해 모니터링된다. 이 빗살모양 구조(16)는 서로 대칭되게 설치된 두개의 모니터링용 고정전극(17)을 구비한다.The inertial mass 8 supported by the support beam 12 is grounded through an electrode pad (not shown) provided in the support anchor 7 to connect the inertial mass 8 and the comb structure 14. When an alternating current and a direct current voltage are added to the fixed electrode 15, the inertial mass 8 vibrates at the frequency of an alternating voltage in the x direction by the electrostatic force, in order to maximize the displacement of the excitation vibration in the x direction. The frequency of the voltage is resonated by matching the resonant frequency of the structure's x-direction natural oscillation mode, and this excitation displacement is monitored by changing the capacitance of another comb-shaped structure 16. The comb-shaped structures 16 are symmetrical to each other. Two fixed fixed electrodes 17 are provided.
가진진동을 하고 있는 관성질량체(8)에 외부에서 z방향의 각속도가 인가되면 관성질량체(8)은 다음 수학식과 같이 y방향으로 코리올리스 힘(FC)을 받게 된다.When the angular velocity in the z direction is applied to the inertial mass 8 that is excited and vibrated, the inertial mass 8 receives the Coriolis force FC in the y direction as shown in the following equation.
FC = 2mΩ·Vx FC = 2mΩVx
여기서, m은 관성질량체(8)의 질량이고, Ω는 외부 인가 각속도, Vx는 가진방향(x방향)의 진동속도이다. 코리올스 힘은 가진운동과 같은 주파수를 가지는 정현파로 표현된다. 코리올스 힘은 관성질량체(8)을 감지방향(y방향)으로 진동시킨다. 이때의 진동 주파수는 코리올리스 힘의 진동 주파수이다. 따라서 y방향으로 진동변위가 최대로 되는 것은 y방향의 고유 진동모드의 공진주파수와 코리올스 힘 즉 x방향의 진동모드 공진주파수와 같을 때이다. 이러한 이유로 자이로에서는 가진운동의 공진주파수와 감지운동의 공진주파수가 일치해야 한다.Where m is the mass of the inertial mass 8,? Is the externally applied angular velocity, and Vx is the vibration velocity in the excitation direction (x direction). Coriolis forces are expressed as sinusoids with the same frequency as the excitation. The Coriolis force vibrates the inertial mass 8 in the sensing direction (y direction). The vibration frequency at this time is the vibration frequency of the Coriolis force. Therefore, the maximum vibration displacement in the y direction is when the resonance frequency of the natural vibration mode in the y direction and the Coriolis force, that is, the vibration mode resonance frequency in the x direction. For this reason, the gyro must have the same resonance frequency of the excitation motion and the detection motion.
감지방향(y방향)의 진동은 관성질량체(8)와 감지전극(3,4)으로 이루어져 있는 빗살모양의 구조체(20)의 간격을 변화시킨다. 이 변화로 발생하는 두 전극(3,4)에서의 캐패시턴스의 변화를 측정하여 코리올리스 힘을 감지하고 여기서 각속도를 검출한다. 이 때 캐패시턴스는 전극(3)과 전극(4)에서 얻어지는 캐패시턴스 변화의 차를 통해 구해진다. 즉, 감지전극(3)과 감지전극(4)는 관성질량체(8)의 감지방향 변위에 대해서 서로 반대되는 변화를 검지하므로 이들 검지된 캐패시턴스 변화의 차를 구하면, 그 변화값이 두개가 된다. 또한 전극(21)을 통해 자이로스코프를 Force Balencing할 수 있다.The vibration in the sensing direction (y direction) changes the spacing of the comb-shaped structure 20 composed of the inertial mass 8 and the sensing electrodes 3, 4. By measuring the change in capacitance at the two electrodes 3 and 4 resulting from this change, the Coriolis force is detected and the angular velocity is detected here. At this time, capacitance is calculated | required through the difference of the capacitance change obtained by the electrode 3 and the electrode 4. As shown in FIG. That is, since the sensing electrode 3 and the sensing electrode 4 detect changes that are opposite to each other in the sensing direction displacement of the inertial mass 8, when the difference between the detected capacitance changes is obtained, the change value becomes two. In addition, the gyroscope can be forced through the electrode 21.
이러한 구동원리를 가지는 본 발명의 주안점은 관성질량체(8)의 지지빔(12)의 형태를 가진 방향과 감지방향에 대칭(x축에 대해서 45°)적으로 만듦으로서 빔에서 발생하는 제작오차에 의한 유효강성의 변화가 가진과 감지쪽에 똑같이 작용해서 그 변화는 같게 된다. 따라서 두 방향의 주파수는 유효 질량의 차만큼 향상 일정하게 된다.The main point of the present invention having such a driving principle is the manufacturing error generated in the beam by making it symmetrical (45 ° with respect to the x-axis) in the direction and sensing direction of the shape of the support beam 12 of the inertial mass 8. The change in effective stiffness caused by the same acts on the excitation and sensing sides, so the change is the same. Therefore, the frequency in both directions is made constant by the difference in the effective mass.
이러한 구조의 제작 방법은 도 7a 내지 도 7g에 도시된 바와 같다.The fabrication method of this structure is as shown in Figs. 7A to 7G.
우선, 도 7a에 도시된 바와 같이, 양면이 폴리싱되어 있는 200μm 두께의 p+(n+) 도핑 웨이퍼의 뒷면을, 도 7b에 도시된 바와 같이, 150~170μm 정도 깊이로 에칭(Dry 또는 Wet)해서 두께 30~50μm 정도의 실리콘 박막을 형성한다. 이러한 박막의 식각면에, 도7 c에 도시된 바와 같이, PECVD법으로 TEOS(200)를 3~5μm 두께로 증착한다.First, as shown in FIG. 7A, the back surface of a 200 μm-thick p + (n +) doped wafer having both sides polished is etched (Dry or Wet) to a depth of about 150 to 170 μm, as shown in FIG. 7B. A silicon thin film of about 30-50 μm is formed. On the etching surface of the thin film, as shown in FIG. 7C, the TEOS 200 is deposited to have a thickness of 3 to 5 μm by PECVD.
다음에, 다시 도 7d에 도시된 바와 같이, 건식 식각을 통해 현수 구조물(미도시) 및 빗살구조(20)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 7D, the suspension structure (not shown) and the comb structure 20 are formed through dry etching.
다음에, 도 7e에 도시된 바와 같이, TEOS(200)를 제거하고 형성된 현수 구조물 및 빗살 구조(20)의 전면에 Al(금속)(300)을 스퍼터링법으로 증착한다.Next, as shown in FIG. 7E, the TEOS 200 is removed and Al (metal) 300 is deposited on the front surface of the formed suspension structure and the comb structure 20 by sputtering.
다음에, 도 7f에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 뒤면에 유리(400)를 양극 본딩(Anodic Bonding)한 다음, 도 7g에 도시된 바와 같이, 다이싱(Dicing)해서 개별 칩 분리하면서 전극을 분리한다. 이와 같이, 구조체의 외부 연결용 금속 패드(Pad)는 구조체의 전면에 금속을 증착하고 이를 다이싱(Dicing)을 통해 분리함으로써 별도의 패터닝 없이 얻어진다. 따라서 전극을 형성하기 위한 별도의 패터닝작업이 필요 없다. 이렇게 함으로써 마스크가 두 장만 소요되는 매우 간단한 공정으로 구조물을 제작할 수 있다.Next, as shown in FIG. 7F, the glass 400 is anodic bonded to the back surface of the wafer, and then, as shown in FIG. 7G, dicing is performed to separate the electrodes while separating the individual chips. . As such, a metal pad for external connection of the structure is obtained without separate patterning by depositing a metal on the front surface of the structure and separating it through dicing. Therefore, no separate patterning work is required to form the electrode. This allows the fabrication of a structure in a very simple process that requires only two masks.
도 8은 실시예를 다이싱하기 전에 제작된 현수 구조물과 빗살구조 및 지지빔을 보여주는 SEM 사진이고, 도 9는 도 8에서 지지빔을 확대하여 찍은 SEM 사진이며, 그리고 도 10은 도 8에서 빗살구조 부분을 확대하여 찍은 SEM 사진이다.FIG. 8 is a SEM photograph showing a suspension structure, a comb tooth structure, and a support beam manufactured before dicing an embodiment, FIG. 9 is an SEM photograph taken by enlarging a support beam in FIG. 8, and FIG. 10 is a comb teeth in FIG. 8. SEM image of magnified structure.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대칭형 z축 마이크로자이로스코프는 관성 질량체을 지지하는 지지빔들을 신축성 있는 구조로 제작하여 x축 및 y축 방향에 대하여 45°각도를 이루도록 제작함으로써, 가진 방향 공진 주파수와 감지 방향 공진 주파수가 거의 일치하도록하여 마이크로자이로스코프의 가장 큰 애로점인 주파수 튜닝이 필요 없게되고, 매우 간단한 공정으로 제작이 가능하므로 불필요한 공정과 시간이 줄어들어 단가가 매우 저렴해지며, 특히 배치프로세스를 통한 대량 생산이 가능하게 된다. 또한, 튜닝을 위한 전압이 구조체에 걸리지 않으므로서 그 신뢰성이 커지며, 관성 질량체을 직사각형 모양으로 형성함으로써 가진 방향 공진주파수와 감지 방향 공진주파수가 매우 근소하게 일치시킴으로써 자이로스코프의 성능도 매우 향상되는 효과가 있다.As described above, the symmetrical z-axis microgyroscope according to the present invention is manufactured by making the supporting beams supporting the inertial mass in a flexible structure to form an angle of 45 ° with respect to the x-axis and y-axis directions. The resonance frequency of the sensing direction is almost matched, eliminating the need for frequency tuning, which is the biggest problem of micro gyroscopes, and making it possible to manufacture a very simple process, which reduces unnecessary processes and time, making the unit cost very low, especially through a batch process. Mass production is possible. In addition, since the tuning voltage is not applied to the structure, the reliability is increased, and by forming the inertial mass into a rectangular shape, the directional resonant frequency and the sensing directional resonant frequency are matched so closely that the performance of the gyroscope is also greatly improved. .
도 1은 종래의 z축 마이크로자이로스코프의 가진 방향 및 간지 방향의 공진주파수의 분포를 보여주는 그래프,1 is a graph showing the distribution of resonant frequencies in the excitation direction and the zigzag direction of a conventional z-axis microgyroscope;
도 2는 본 발명에 따른 대칭형 z축 마이크로자이로스코프의 지지빔의 대칭원리를 설명하기 위한 도면,2 is a view for explaining the principle of symmetry of the support beam of the symmetrical z-axis microgyroscope according to the present invention;
도 3은 도 2의 지지빔의 대칭 원리를 본 발명에 따른 대칭형 z축 마이크로자이로스코프에 적용하는 방법을 설명하기 위한 도면,FIG. 3 is a view for explaining a method of applying the principle of symmetry of the support beam of FIG. 2 to a symmetric z-axis microgyroscope according to the present invention; FIG.
도 4는 도 3의 지지빔이 신축성을 갖도록 한 구조를 보여주는 도면,4 is a view illustrating a structure in which the support beam of FIG. 3 is elastic;
도 5는 본 발명에 따른 대칭형 z축 마이크로자이로스코프의 사시도,5 is a perspective view of a symmetric z-axis microgyroscope according to the present invention;
도 6은 도 5의 대칭형 z축 마이크로자이로스코프의 평면도,6 is a plan view of the symmetric z-axis microgyroscope of FIG. 5,
도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 대칭형 z축 마이크로자이로스코프의 제작 단계별 공정후의 수직 단면도,7a to 7g is a vertical cross-sectional view after the step-by-step process of manufacturing a symmetrical z-axis microgyroscope according to the present invention,
도 8은 실시예를 다이싱하기 전에 제작된 현수 구조물과 빗살구조 및 지지빔을 보여주는 SEM 사진,8 is a SEM photograph showing the suspension structure, the comb structure and the support beam manufactured before dicing the embodiment;
도 9는 도 8에서 지지빔을 확대하여 찍은 SEM 사진,9 is an SEM photograph taken by enlarging a support beam in FIG. 8;
그리고 도 10은 도 8에서 빗살구조 부분을 확대하여 찍은 SEM 사진이다.FIG. 10 is an SEM image taken by enlarging a comb structure part of FIG. 8.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
3. 감지전극 4. 감지전극3. Detection electrode 4. Detection electrode
7. 지지앵커 8. 관성질량체7. Supporting anchor 8. Inertial mass
12. 지지빔 17. 모니터링용 고정전극12. Support beam 17. Fixed electrode for monitoring
14. 빗살모양(Comb)구조 15. 고정전극14. Comb structure 15. Fixed electrode
16. 빗살모양 구조 20. 빗살 구조16. Comb structure 20. Comb structure
21. 포스밸런싱 전극 200. TEOS21.Force Balancing Electrode 200.TEOS
300. Al(금속) 400. 유리 기판300 Al (metal) 400. glass substrate
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