Development of single-mass, multi-axis micromachined gyroscopes

Abstract

자이로스코프는 물체의 위치와 상태를 측정하는 데에 있어서 필수적인 센서이다. 미세 공정 기술의 발달로 자이로스코프가 소형화되어 많은 MEMS 자이로스코프가 다양한 분야에 사용되고 있다. 특히 최근 모바일 시장의 급격한 성장으로 더욱 소형화와 경량화가 요구되며, 단일 구조로 다축의 각속도를 측정할 수 있는 자이로스코프가 각광받고 있다. 단일 질량 다축 자이로스코프는 크기, 패키징, 시스템 통합적인 측면에서 장점을 가진다. 이 연구는 단일 질량으로 다축의 측정이 가능한 자이로스코프 개발에 관한 것으로, 크게 두 부분으로 구성된다. 첫 번째는 정전기력을 이용한 부양형 마이크로 자이로의 공정 향상법 개발에 관한 내용이고, 두 번째는 새로운 형태의 3축 진동형 마이크로 자이로 개발에 관한 내용이다. 첫 번째로 정전기력을 이용하여 부양하는 마이크로 자이로는 회전하는 구동 회전자 (rotor)에 어떠한 기계적 연결점도 없기 때문에 진동형 자이로가 가지는 물성의 한계를 극복하여 성능을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 가진 자이로로 각광받고 있다. 하지만 회전자의 모든 방향으로 정전기력 제어가 가능하도록 전극을 배치해야 하기 때문에 최소 3층의 구조와 설계가 매우 복잡하고 어렵다. 이를 위해 공정 과정에서의 오차를 줄이고 수율을 높일 수 있도록 하는 새로운 공정 방법을 제시하였다. 유리 기판에 회전자의 부착을 방지하기 위해 필수적인 스토퍼(stopper)의 공정 시 포토레지스트 마스크의 침식을 이용하여 단일 공정으로 서로 다른 높이의 구조물을 제작할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 실리콘-유리 기판의 양극 접합 과정에서 전극이 훼손되는 것을 방지하기 위해 전극에 고온/고전압 조건에서 크롬의 확산을 차단할 수 있는 백금 중간층을 도포하여 크롬-백금-금의 3층 전극을 사용하였다. 또한 DRIE의 종횡비 제한을 극복하고 회전자 제조 시 표면의 손상을 방지할 수 있도록 회전자를 별도의 기판에 제작하여 조립하는 방식을 채택하였다. 이후 다이싱 공정에서도 이물질이 기판 사이의 틈으로 침투하지 않도록 추가적인 예방 조치가 도입되었다. 제작된 자이로스코프는 신호 픽오프 회로로 테스트한 결과 전극을 이용한 회전자의 위치 감지가 가능함을 보였다. 두 번째로 독특한 형태의 커플링 메커니즘을 가진 3축 진동형 자이로의 특징은 선형 진동형 자이로스코프이지만 튜닝 포크와 달리 마주보는 질량이 서로를 향해 진동하는 것이 아닌 90도 옆으로 서로 반대 방향으로 진동한다는 것이다. 이는 튜닝 포크의 단점인 구조적으로 필연적으로 발생하는 저주파수 동상 진동과, 기판의 에너지 손실로 인한 측정축의 감지 민감도 감소를 해결할 수 있는 동작 방식이다. 인접한 구동 질량(proof-mass) 사이에 직선과 원형의 스프링 빔이 합쳐진 나무 형태의 커플링 구조를 도입함으로써 스프링에 작용하는 응력을 낮추고, 구동 변위를 선형으로 유지할 수 있었다. 또한 구동축 및 측정축 간의 공진주파수를 의도적으로 이격함으로써 외부 요인에 따른 Q-factor의 변화에 강인할 수 있도록 설계하였다. 제작된 자이로스코프의 성능을 실험하여 X, Y축 각각 7.55 mV/deg/s, 6.88 mV/deg/s 의 측정 감도를 확인하였으며, 노이즈 성능을 측정하여 개발된 자이로스코프가 실제 사용이 가능함을 확인하였다.

Inertial sensors have broadened their applications with the development of MEMS technology. The size of the sensor is getting smaller according to recent demand for miniaturization and weight reduction. For this purpose, there is a need to develop a gyroscope capable of measuring multiple axes with a single mass. In this study, the development of two types of single-mass multi-axis gyroscopes that can overcome the drawbacks of existing gyroscopes is proposed. In the first part, electrostatically levitated micromachined gyroscope is drawing interests of the researchers because the gyroscope has a great potential to improve performance by overcoming the limitations of the physical properties of the vibrating gyroscopes, since there is no mechanical connection point to the rotating drive rotor. However, since the electrodes must be arranged so that the electrostatic force can be controlled in all directions of the rotor, at least three layers of structure is required. Moreover, the design and fabrication is also very complicated and difficult. To this end, clever fabrication processes are adapted to reduce errors in process and to increase yield. One-step fabrication of structures having different heights is proposed, to fabricate stoppers, which are essential to prevent rotor stiction to the electrode substrate. The method utilizes erosion of the photoresist mask when etching glass with buffered oxide etch (BOE). Additionally, Pt intermediate layer in the metal electrode of Cr/Au was introduced to prevent Cr diffusion, which causes electrode damage, during the process of silicon-glass anodic bonding. Also, To overcome the limitation of the aspect ratio of deep reactive ion etch and to prevent surface damage during rotor fabrication process, rotors were fabricated in a separate substrate and assembled later. Further precautions have been introduced to the dicing process to block debris from penetrating into the gaps between the substrates. The manufactured gyroscope was tested with a signal pick-off circuit and showed that it was possible to detect the position of the rotor using electrodes. The second part is about a tri-axis linear vibratory micromachined gyroscope with advanced coupling mechanism. The driving method of the proposed gyroscope is that the opposing masses vibrate in parallel but in opposite directions. This structure is a way to solve the two problems of tuning-fork, which are structurally inevitable low frequency in-phase vibration, and reduction of the sensitivity of the sense mode due to energy loss of the substrate. Tree-shaped coupling structures are introduced, in which straight and circular spring beams are interposed, between adjacent proof masses. The stress acting on the spring is lowered and the driving motion could be kept linear. The resonance frequency of the drive mode and sense modes were intentionally separated so that it is designed to be robust against changes in the Q-factor. The measured sensitivity of the gyroscope was 7.55 mV/deg/s and 6.88 mV/deg/s on the X- and Y-axes, respectively.