KR100593534B1

KR100593534B1 - 2-D Semiconductor Gyroscope Sensing Structure

Info

Publication number: KR100593534B1
Application number: KR1020040081396A
Authority: KR
Inventors: 박북성
Original assignee: 주식회사 팬택앤큐리텔
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2024-10-12
Also published as: KR20060032447A

Abstract

본 발명은 자이로스코프 센서(Gyroscope Sensor)에 관한 것으로, 특히 진공 상태가 아닌 대기압 상태에서 구동 가능한 2차원 자이로스코프 센서를 반도체 소자를 이용하여 구현할 수 있도록 2차원 반도체 자이로스코프 센싱 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a gyroscope sensor, and more particularly, to a two-dimensional semiconductor gyroscope sensing structure to implement a two-dimensional gyroscope sensor that can be driven at atmospheric pressure rather than a vacuum state using a semiconductor device.

본 발명은 반도체 소자를 이용하여 대기압 상태에서의 2차원 이동 가속도 측정이 가능한 소형 자이로스코프 센서를 구현함으로써, 이동통신 단말기와 같은 소형 전자제품에도 자이로스코프 센싱 기술을 적용할 수 있게 되며, 또한 반도체 소자를 이용함에 따라 회로 일체형으로 간단히 구현할 수 있게 된다.According to the present invention, by implementing a small gyroscope sensor capable of measuring two-dimensional movement acceleration under atmospheric pressure using a semiconductor device, the gyroscope sensing technology can be applied to small electronic products such as mobile communication terminals. By using the it is possible to simply implement a circuit integrated.

또한, 본 발명은 2차원 반도체 자이로스코프 센서를 이동통신 단말기와 같은 소형 전자제품에 적용함으로써 일련의 스트로크 기능을 이용한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있게 되며, 나아가 지진의 대략적인 강도 측정 및 카메라 손떨림 보정 등과 같은 다양한 분야에 응용할 수 있게 된다.In addition, the present invention can provide a user interface using a series of stroke functions by applying a two-dimensional semiconductor gyroscope sensor to a small electronic products such as a mobile communication terminal, and furthermore, rough strength measurement of the earthquake and camera shake correction, etc. It can be applied to various fields such as.

자이로스코프 센서, 반도체 소자, 2차원, 구동 전극부, 고정 전극부, 회전자 에어 브릿지, 고정자 브릿지Gyroscope sensor, semiconductor element, two-dimensional, drive electrode part, fixed electrode part, rotor air bridge, stator bridge

Description

Two-Dimension Semiconductor Gyroscope Sensing Structure

도 1은 본 발명에 따른 2차원 반도체 자이로스코프 센싱 구조를 도시한 평면도.1 is a plan view showing a two-dimensional semiconductor gyroscope sensing structure according to the present invention.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 있어, 구동 전극부와 고정 전극부의 연결 구조를 도시한 도면.2A and 2B illustrate a connection structure of a driving electrode part and a fixed electrode part in FIG. 1;

도 3은 도 1에 있어, 구동 전극부와 고정 전극부의 각 가지 전극 사이의 간격 및 정전용량을 나타낸 도면.FIG. 3 is a diagram illustrating an interval and a capacitance between the branch electrodes of the driving electrode part and the fixed electrode part in FIG. 1.

도 4는 본 발명에 따른 2차원 반도체 자이로스코프 센서를 임의의 이동체에 구성하기 위한 주변 부가 회로들을 예시한 도면.4 illustrates peripheral additional circuits for configuring a two-dimensional semiconductor gyroscope sensor in any moving body in accordance with the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 유리기판 10 : 관성 질량판1: glass substrate 10: inertial mass plate

15x, 15y : 탄성부재 21x : X축 구동 전극부15x, 15y: elastic member 21x: X axis drive electrode

21y : Y축 구동 전극부 22 : 회전자 에어 브릿지21y: Y-axis drive electrode 22: rotor air bridge

22a : 홀 24 : 고정자 브릿지22a: hole 24: stator bridge

25x : X축 고정 전극부 25y : Y축 고정 전극부25x: X-axis fixed electrode part 25y: Y-axis fixed electrode part

일반적으로, 관성 센서는 관성력(inertial force)을 측정 가능한 전기적인 신호로 변환시켜 주는 디바이스로서, 이를 이용하여 이동체의 가속도를 측정하는 가속도계와 압력 센서 등은 상용화되어 선박, 항공기 등의 항법장치용 핵심부품으로 사용되어 왔으며, 최근에는 자동차의 항법장치나 카메라의 손떨림 보정 장치 등에 사용되면서 그 사용 영역이 확대되고 있다.In general, an inertial sensor is a device that converts inertial force into a measurable electrical signal. Accelerometers and pressure sensors that measure the acceleration of moving bodies by using them are commercially available and are the core for navigation devices such as ships and aircrafts. It has been used as a component, and in recent years, it is being used as a navigation device of a car, a camera shake correction device, and the like, and its use area is expanding.

이러한 관성 센서와 관련한 기술적인 원리는 회전각이나 회전 속도를 측정하는 자이로스코프(Gyroscope)에 있다고 할 수 있는데, 종래에는 회전식 베어링을 이용하는 기계식 자이로스코프를 이용함에 따라 기계적인 마모가 있어 일정 시간이 경과하면 교체 및 보완해야만 했었다.The technical principle related to this inertial sensor is a gyroscope that measures rotation angle or rotation speed. In the related art, a mechanical wear gyroscope using a rotary bearing causes mechanical wear, and thus a certain time has elapsed. Had to be replaced and supplemented.

또한, 종래에 군사용이나 선박, 항공기, 자동차 등에 사용되는 자이로스코프는 다수의 복잡한 부품이 정밀 가공 및 조립 공정 등을 통하여 제작되므로 정밀한 성능을 얻을 수 있으나, 제작 비용이 많이 소요되고, 부피가 대형화되어 일반 산업 용이나 전자제품에는 적용이 어렵다는 문제점이 있었다.In addition, conventional gyroscopes used in military, ships, aircraft, automobiles, etc., because a large number of complex parts are manufactured through a precision machining and assembly process, etc., the precise performance can be obtained, but the production cost is high, and the volume is large There was a problem that it is difficult to apply to general industrial or electronic products.

이에, 최근에는 삼각 프리즘 형태의 비임(Beam)에 압전소자를 부착한 소형 자이로스코프를 개발하여 소형 비디오 카메라 등의 손떨림 감지용 센서로서 사용하고 있으며, 또한 압전소자를 부착한 자이로스코프의 제작에 따른 어려운 점을 극복할 수 있도록 개선된 원통형 비임 구조를 갖는 소형 자이로스코프를 개발하게 되었다.Recently, a miniature gyroscope with a piezoelectric element attached to a triangular prism-shaped beam has been developed and used as a hand shake detection sensor for small video cameras, and according to the manufacture of a gyroscope with a piezoelectric element attached thereto. To overcome the difficulties, we have developed a compact gyroscope with an improved cylindrical beam structure.

하지만, 전술한 소형 자이로스코프는 모두 정밀 가공을 필요로 하는 소형 부품으로 이루어진 관계로, 제작이 어려울 뿐 아니라 고가의 비용이 소요되는 단점이 있으며, 특히 다수의 기계 부품으로 이루어져 있기 때문에 회로 일체형으로 적용하기가 곤란하다는 문제점이 있었다.However, the above-mentioned small gyroscopes are all made of small parts that require precision machining, and are not only difficult to manufacture but also require a high cost. Especially, since they are made up of a large number of mechanical parts, they are applied as an integrated circuit. There was a problem that it is difficult to do.

또한, 최근 마이크로 일렉트로 메카니컬 시스템(Micro Electro Mechanical Systems : MEMS) 기술 분야가 급속도로 발전하면서 반도체 및 광(Optic) 소자를 이용한 마이크로 자이로스코프 제품에 대한 연구가 진행되고 있는 실정이며, 일부 MEMS 기술을 이용한 자이로스코프가 개발되고 있으나 현재까지는 진공 상태에서 구동되는 단일 구조의 센싱 요소를 구성하고 있을 뿐이어서 대기압 상태에서의 정확한 센싱이 어렵다는 문제점이 있었다.In addition, with the rapid development of the field of Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) technology, research on micro gyroscope products using semiconductors and optical devices is being conducted. Gyroscopes have been developed, but until now they have only a single sensing element that operates in a vacuum state, which makes it difficult to accurately sense at atmospheric pressure.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 반도체 소자를 이용하여 대기압 상태에서의 2차원 이동 가속도 측정이 가능한 소형 자이로스코프 센서를 구현하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to implement a compact gyroscope sensor capable of measuring two-dimensional moving acceleration in an atmospheric pressure state using a semiconductor device.

본 발명의 다른 목적은, 대기압 상태에서 구동 가능한 2차원 반도체 자이로스코프 센서를 구현함으로써, 이동통신 단말기와 같은 소형 전자제품에도 자이로스코프 센싱 기술을 적용할 수 있도록 함과 동시에 반도체 소자를 이용하여 회로 일체형으로 간단히 구현할 수 있도록 하는데 있다.Another object of the present invention is to implement a two-dimensional semiconductor gyroscope sensor that can be driven at atmospheric pressure, thereby enabling the application of gyroscope sensing technology to small electronic products such as mobile communication terminals, and at the same time integrated circuit using a semiconductor element This is to make it simple to implement.

본 발명의 또 다른 목적은, 2차원 반도체 자이로스코프 센서를 이동통신 단말기와 같은 소형 전자제품에 적용함으로써 일련의 스트로크 기능을 이용한 사용자 인터페이스를 제공할 수 있도록 하는데 있다.
Still another object of the present invention is to provide a user interface using a series of stroke functions by applying a two-dimensional semiconductor gyroscope sensor to a small electronic product such as a mobile communication terminal.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 반도체 기판 위의 중앙 부분에 배치되어, 외부에서 가해지는 힘에 대응하여 진동하는 관성 질량판과; 상기 관성 질량판에 탄성부재를 매개로 각각 연결되어, X축 또는 Y축 방향 이동 가속도를 센싱하기 위해 다수의 가지 전극들을 갖는 구동 전극부와; 상기 각 구동 전극부의 가지 전극들과 일정 거리의 간격을 두고 요철 형상으로 맞물리는 다수의 가지 전극들을 갖는 고정 전극부를 포함하는 2차원 반도체 자이로스코프 센싱 구조를 구현하는데 있다.A feature of the present invention for solving the above object is an inertial mass plate disposed in a central portion on a semiconductor substrate and vibrating in response to a force applied from the outside; A driving electrode part connected to each of the inertial mass plates through an elastic member and having a plurality of branch electrodes for sensing an acceleration in an X-axis or a Y-axis direction; The two-dimensional semiconductor gyroscope sensing structure includes a fixed electrode unit having a plurality of branch electrodes engaged in a concave-convex shape at a predetermined distance from the branch electrodes of the driving electrode unit.

여기서, 상기 구동 전극부는, 중앙에 고정 전극부를 형성하는 물질이 통과되는 다수의 홀이 구성된 회전자 에어 브릿지(Rotor Air Bridge)를 이용하여 다단 구조로 연결되는 것을 특징으로 한다.The driving electrode unit may be connected in a multi-stage structure using a rotor air bridge including a plurality of holes through which a material forming the fixed electrode unit passes.

그리고, 상기 구동 전극부는, 상기 관성 질량판의 좌우측에 탄성부재를 매개로 각각 연결되어, Y축 방향 이동 가속도를 센싱하기 위해 생선뼈 모양으로 분할된 가지 전극들을 갖는 다단 구조의 X축 구동 전극부와; 상기 관성 질량판의 상하측에 탄성부재를 매개로 각각 연결되어, X축 방향 이동 가속도를 센싱하기 위해 생선뼈 모양으로 분할된 가지 전극들을 갖는 다단 구조의 Y축 구동 전극부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the driving electrode unit is connected to each of the left and right sides of the inertial mass plate via an elastic member, and has a multi-stage X-axis driving electrode unit having branch electrodes divided into fishbone shapes to sense the Y-axis movement acceleration. Wow; It is characterized in that it comprises a Y-axis drive electrode part of the multi-stage structure having branch electrodes divided into fishbone shapes, respectively, connected to the upper and lower sides of the inertial mass plate via an elastic member to sense the X-axis movement acceleration. .

또한, 상기 X축 구동 전극부의 가지 전극과 그에 대응하는 고정 전극부의 가지 전극 사이의 간격은 Y축 구동 전극부의 가지 전극과 그에 대응하는 고정 전극부의 가지 전극 사이의 간격과 서로 다른 간격을 갖게 되는 것을 특징으로 한다.The interval between the branch electrode of the X-axis driving electrode part and the branch electrode of the fixed electrode part corresponding thereto may be different from that between the branch electrode of the Y-axis driving electrode part and the branch electrode of the fixed electrode part corresponding thereto. It features.

한편으로, 상기 고정 전극부는, 고정자 브릿지(Stator Bridge)를 이용하여 구동 전극부의 하단을 통해 연결되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the fixed electrode is characterized in that it is connected through the lower end of the driving electrode using a stator bridge (Stator Bridge).

그리고, 상기 관성 질량판과 각 구동 전극부 및 고정 전극부는 실리콘 소자를 집적화하여 형성하는 것을 특징으로 한다.The inertial mass plate, each driving electrode part, and the fixed electrode part may be formed by integrating a silicon device.

또한, 상기 구동 전극부의 가지 전극들과 그 구동 전극부에 각각 대응하는 고정 전극부의 가지 전극들 사이에는 소정의 정전용량(Csx+, Csx-, CSy+, Csy-)을 갖는 커패시터가 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, a capacitor having predetermined capacitances Csx +, Csx-, CSy +, and Csy- is formed between the branch electrodes of the driving electrode unit and the branch electrodes of the fixed electrode unit respectively corresponding to the driving electrode unit. do.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 2차원 반도체 자이로스코프 센싱 구조는 첨부한 도면 도 1에 도시한 평면도에서와 같이, 자이로스코프 센싱 요소들이 구성되는 반도체 기판 즉, 유리기판(Glass substrate) 위의 중앙 부분에 이동 가능한 관성 질량판(Moveable Proof Mass)(10)이 배치된다.The two-dimensional semiconductor gyroscope sensing structure according to the present invention has an inertia movable in a central portion on a semiconductor substrate, that is, a glass substrate, on which a gyroscope sensing element is constructed, as shown in the plan view of FIG. 1. A moveable probe mass 10 is disposed.

그리고, 유리기판 위에 배치된 관성 질량판(10)의 좌우측에 Y축 방향 이동 가속도를 센싱하는데 사용되는 생선뼈 모양으로 분할된 가지 전극들을 갖는 다단 구조의 X축 구동 전극부(Moving Electrodes)(21x)가 일련의 탄성부재(예컨대, 스프링)(15x)를 매개로 각각 연결되며, 그 관성 질량판(10)의 상하측에는 X축 방향 이동 가속도를 센싱하는데 사용되는 생선뼈 모양으로 분할된 가지 전극들을 갖는 다단 구조의 Y축 구동 전극부(21y)가 일련의 탄성부재(15y)를 매개로 각각 연결된다.And a multi-stage X-axis moving electrode (21x) of moving electrodes having branched electrodes divided into fishbone shapes used to sense the Y-axis movement acceleration on the left and right sides of the inertial mass plate 10 disposed on the glass substrate. ) Are connected to each other via a series of elastic members (for example, springs) 15x, and branch electrodes divided into fishbone shapes used to sense the X-axis movement acceleration on the upper and lower sides of the inertial mass plate 10. The Y-axis drive electrode portions 21y having a multi-stage structure are connected to each other via a series of elastic members 15y.

또한, 유리기판 위에 중앙의 관성 질량판(10)에 탄성부재(15x, 15y)로 연결된 각 구동 전극부(21x, 21y)와 대응되는 고정 전극부(Fixed Electrodes)(25x, 25y)가 형성되는데, 이는 각 구동 전극부(21x, 21y)의 가지 전극들과 일정 간격을 두고 요철 형상으로 맞물리는 생선뼈 모양으로 분할된 가지 전극들로 이루어진다.In addition, fixed electrode portions 25x and 25y are formed on the glass substrate and corresponding to the respective driving electrode portions 21x and 21y connected to the inertial mass plate 10 by the elastic members 15x and 15y. This is made up of branch electrodes divided into fishbone shapes that are engaged with irregularities at regular intervals with the branch electrodes of each of the driving electrode parts 21x and 21y.

이때, 분할된 가지 전극들을 갖는 다단 구조의 구동 전극부(21x, 21y)는 첨부한 도면 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 중앙에 고정 전극부(25x, 25y)를 형성하는 물질이 통과되는 다수의 홀(22a)이 구성된 회전자 에어 브릿지(Rotor Air Bridge)(22)를 이용하여 다단 구조로 연결하게 되며, 이로써 관성 질량판(10)이 진동하는 경우에 이에 탄성부재(15x, 15y)로 연결된 각 구동 전극부(21x, 21y)들이 함께 진동하게 된다. 또한, 고정 전극부(25x, 25y)는 유리기판(1) 위에 형성된 고정자 브릿지(Stator Bridge)(24)를 이용하여 각 구동 전극부(21x, 21y)의 하단을 통해 연결하게 된다.At this time, as shown in FIGS. 2A and 2B of the driving electrode portions 21x and 21y having the multi-stage branched electrodes, a material passing the material forming the fixed electrode portions 25x and 25y is passed. When the inertial mass plate 10 vibrates, the elastic members 15x and 15y are connected in a multi-stage structure by using a rotor air bridge 22 having a plurality of holes 22a. Each driving electrode portion 21x and 21y connected to each other vibrate together. In addition, the fixed electrode portions 25x and 25y are connected through the lower ends of the driving electrode portions 21x and 21y using a stator bridge 24 formed on the glass substrate 1.

그리고, X축 구동 전극부(21x)의 가지 전극과 그에 대응하는 고정 전극부(25x)의 가지 전극 사이의 간격(dx)은 Y축 구동 전극부(21y)의 가지 전극과 그에 대응하는 고정 전극부(25y)의 가지 전극 사이의 간격(dy)과 서로 다른 간격을 갖게 된다.The distance dx between the branch electrode of the X-axis driving electrode part 21x and the branch electrode of the fixed electrode part 25x corresponding to the branch electrode of the Y-axis driving electrode part 21y and the fixed electrode corresponding thereto are shown. The spacing dy and the spacing between the branch electrodes of the portion 25y are different from each other.

또한, 본 발명에서 자이로스코프 센싱 요소가 되는 관성 질량판(10)과 각 구동 전극부(21x, 21y) 및 고정 전극부(25x, 25y)는 실리콘 소자를 집적화하여 형성하게 되며, 이러한 반도체 자이로스코프 센서는 진공 상태에서 구동되는 일반적인 자이로스코프 센서와는 달리 대기압에서 구동할 수 있도록 공기 감쇄를 줄임과 동시에 높은 정전용량을 갖도록 설계되었다.In addition, in the present invention, the inertial mass plate 10 serving as the gyroscope sensing element, each of the driving electrode parts 21x and 21y and the fixed electrode parts 25x and 25y are formed by integrating a silicon element, such a semiconductor gyroscope. Unlike conventional gyroscope sensors that operate in vacuum, the sensor is designed to have high capacitance while reducing air attenuation so that it can operate at atmospheric pressure.

이와 같은 구조를 갖는 2차원 반도체 자이로스코프 센서는 관성 질량판(10)과 그 관성 질량판(10)에 탄성부재(15x, 15y)로 연결된 각 구동 전극부(21x, 21y)가 외부에서 인가되는 힘에 의해 코리올리 힘을 받아 진동하게 되면, 해당 구동 전극부(21x, 21y)의 가지 전극과 그 구동 전극부(21x, 21y)에 대응하는 고정 전극부(25x, 25y)의 각 가지 전극 사이의 간격이 변하게 된다.In the two-dimensional semiconductor gyroscope sensor having such a structure, the inertial mass plate 10 and the driving electrode portions 21x and 21y connected to the inertial mass plate 10 by elastic members 15x and 15y are externally applied. When the oscillation is caused by the Coriolis force by the force, between the branch electrodes of the corresponding drive electrode portions 21x and 21y and the branch electrodes of the fixed electrode portions 25x and 25y corresponding to the drive electrode portions 21x and 21y. The interval will change.

그리고, 상술한 구동 전극부(21x, 21y)와 그에 대응하는 고정 전극부(25x, 25y)의 각 가지 전극 사이의 간격 변화로 인해 정전용량이 변하게 되고, 이때 변화되는 정전용량의 차이를 부가적인 회로 즉, 슈미트 트리거 회로(도면에 도시되어 있지 않음)를 이용하여 전압 신호로 산출함으로써 그 자이로스코프 센서가 장착된 이동체의 가속도 즉, X축 및 Y축 이동 거리를 측정할 수 있게 된다.In addition, the capacitance changes due to the change in the distance between the branch electrodes of the driving electrode parts 21x and 21y and the fixed electrode parts 25x and 25y corresponding to the above-described change. By calculating a voltage signal using a circuit, that is, a Schmitt trigger circuit (not shown in the figure), it is possible to measure the acceleration, i.e., the X-axis and the Y-axis moving distance, of the moving body on which the gyroscope sensor is mounted.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 관성 질량판(10)에 탄성부재(15x, 15y)로 연결된 각 구동 전극부(21x, 21y)의 가지 전극들과 그 구동 전극부(21x, 21y)에 각각 대응하는 고정 전극부(25x, 25y)의 가지 전극들 사이에는 소정의 정전용량(Csx+, Csx-, CSy+, Csy-)을 갖는 커패시터가 형성되며, 이렇게 대응되는 각 가지 전극들은 상호 간에 일정 거리(dx, dy)의 간격으로 배치된다.That is, as shown in FIG. 3, the branch electrodes of each of the driving electrode parts 21x and 21y connected to the inertial mass plate 10 by the elastic members 15x and 15y and the driving electrode parts 21x and 21y. Capacitors having predetermined capacitances Csx +, Csx-, CSy +, and Csy- are formed between the branch electrodes of the corresponding fixed electrode portions 25x and 25y, and the corresponding branch electrodes have a predetermined distance from each other. It is arranged at intervals of (dx, dy).

이러한 상태에서 이동체가 X축 방향으로 이동하게 되면, 그 이동체에 장착된 자이로스코프 센서의 관성 질량판(10)이 X축 방향으로 진동하게 되며, 그 관성 질량판(10)의 진동으로 인해 관성 질량판(10)에 탄성부재(15y)로 연결된 Y축 구동 전극부(21y)가 X축 방향으로 진동하면서 그 Y축 구동 전극부(21y)의 가지 전극들과, 그 구동 전극부(21y)에 대응하는 Y축 고정 전극부(25y)의 각 가지 전극들 사이의 간격(dy)이 변하게 되고, 이에 따라 각 가지 전극들 사이의 정전용량이 변하게 된다.In this state, when the moving body moves in the X-axis direction, the inertial mass plate 10 of the gyroscope sensor mounted on the moving body vibrates in the X-axis direction, and the inertial mass due to the vibration of the inertial mass plate 10. The Y-axis drive electrode part 21y connected to the plate 10 by the elastic member 15y vibrates in the X-axis direction, and the branch electrodes of the Y-axis drive electrode part 21y and the drive electrode part 21y. The spacing dy between the branch electrodes of the corresponding Y-axis fixed electrode portion 25y is changed, thereby changing the capacitance between the branch electrodes.

그리고, 이러한 정전용량의 차이 즉, 'CSy+'와 'CSy-'의 차이를 산출함으로써 X축 방향으로의 이동 가속도를 측정할 수 있게 되는데, 이때, 각 가지 전극들 사이의 간격 변화는 X축 이동 가속도에 비례함을 알 수 있다. 즉, X축 이동 가속도 'a'는 아래의 수학식 1과 같이 가지 전극들 사이의 간격 변화 및 정전용량의 차이 값에 비례한다.In addition, by calculating the difference in capacitance, that is, the difference between 'CSy +' and 'CSy-', the acceleration of movement in the X-axis direction can be measured. It can be seen that it is proportional to the acceleration. That is, the X-axis acceleration 'a' is proportional to the difference between the gap change and the capacitance between the branch electrodes as shown in Equation 1 below.

여기서, 'K'는 탄성부재의 등가 탄성 상수(힘의 변위의 비)이고, 'dy'는 가지 전극들 사이의 초기 간격 즉, 초기 커패시턴스 간격을 의미하며, 'm'은 센싱 요소의 진동 질량을 의미한다.Here, 'K' is the equivalent elastic constant (ratio of the displacement of the force) of the elastic member, 'dy' is the initial interval between the branch electrodes, that is, the initial capacitance interval, 'm' is the vibration mass of the sensing element Means.

그리고, 정전용량의 차 '(Csy+)-(Csy-)'는 아래의 수학식 2와 같이, 대기압에서의 각 재질의 유전율(ε₀; Silicon@11.9, 0.0476) 및 단면적(A)에 비례하고, 초기 커패시턴스 간격(dy)에 반비례한다.The difference in capacitance '(Csy +)-(Csy-)' is proportional to the dielectric constant (ε ₀ ; Silicon@11.9, 0.0476) and cross-sectional area (A) of each material at atmospheric pressure, as shown in Equation 2 below. , Inversely proportional to the initial capacitance interval dy.

여기서, 'x'는 관성력에 의한 관성 질량판의 상대적 변위를 의미한다.Here, 'x' means the relative displacement of the inertial mass plate by the inertial force.

참고로, 정상 상태에서 변위 'x'와 가속도 'a'의 관계는 '

'이 되고, 이는 자이로스코프 센서의 감도 즉, 'x/a'가 'm/k'에 비례한다는 것을 의미한다. 반면에 같은 비율 'm/k'는 무 감쇠 시스템의 공진 주파수 'f_r'과는 아래의 수학식 3과 같은 관계가 있다.For reference, the relationship between displacement 'x' and acceleration 'a' in steady state is'

This means that the sensitivity of the gyroscope sensor, i.e., 'x / a' is proportional to 'm / k'. On the other hand, the same ratio 'm / k' is related to the resonance frequency 'f _r ' of the attenuation system as shown in Equation 3 below.

즉, 자이로스코프의 감도가 높으면 공진 주파수가 낮아지며, 따라서 감도 및 주파수는 서로 양립하는 특성을 나타내기 때문에 주의해야 한다.In other words, the higher the sensitivity of the gyroscope, the lower the resonant frequency, and therefore care must be taken because the sensitivity and frequency exhibit mutually compatible characteristics.

이와 마찬가지로, 이동체가 Y축 방향으로 이동하게 되면, 그 이동체에 장착된 자이로스코프 센서의 관성 질량판(10)이 Y축 방향으로 진동하게 되며, 그 관성 질량판(10)의 진동으로 인해 관성 질량판(10)에 탄성부재(15x)로 연결된 X축 구동 전극부(21x)가 Y축 방향으로 진동하면서 그 X축 구동 전극부(21x)의 가지 전극들과, 그 구동 전극부(21x)에 대응하는 X축 고정 전극부(25x)의 각 가지 전극들 사이의 간격(dx)이 변하게 되고, 이에 따라 각 가지 전극들 사이의 정전용량이 변하게 된다.Similarly, when the movable body moves in the Y-axis direction, the inertial mass plate 10 of the gyroscope sensor mounted on the movable body vibrates in the Y-axis direction, and the inertial mass is caused by the vibration of the inertial mass plate 10. The X-axis drive electrode portion 21x connected to the plate 10 by the elastic member 15x vibrates in the Y-axis direction, and the branch electrodes of the X-axis drive electrode portion 21x and the drive electrode portion 21x. The distance dx between the branch electrodes of the corresponding X-axis fixed electrode part 25x is changed, and thus the capacitance between the branch electrodes is changed.

그리고, 이러한 정전용량의 차이 즉, 'CSx+'와 'CSx-'의 차이를 산출함으로써 Y축 방향으로의 이동 가속도를 측정할 수 있게 되는데, 이때, 각 가지 전극들 사이의 간격 변화는 Y축 이동 가속도에 비례함을 알 수 있다. 즉, Y축 이동 가속도 'a'는 아래의 수학식 4와 같이 가지 전극들 사이의 간격 변화 및 정전용량의 차이 값에 비례한다.And, by calculating the difference in capacitance, that is, the difference between 'CSx +' and 'CSx-', it is possible to measure the acceleration of movement in the Y-axis direction. It can be seen that it is proportional to the acceleration. That is, the Y-axis acceleration 'a' is proportional to the difference between the gap change and the capacitance between the branch electrodes as shown in Equation 4 below.

그리고, 정전용량의 차 '(Csx+)-(Csx-)'는 아래의 수학식 5와 같이, 대기압에서의 각 재질의 유전율(ε₀; Silicon@11.9, 0.0476)) 및 단면적(A)에 비례하고, 초기 커패시턴스 간격(dx)에 반비례한다.The difference in capacitance '(Csx +)-(Csx-)' is proportional to the dielectric constant (ε ₀ ; Silicon@11.9, 0.0476) and cross-sectional area A of each material at atmospheric pressure, as shown in Equation 5 below. And inversely proportional to the initial capacitance interval dx.

한편으로, 본 발명에서는 각 구동 전극부(21x, 21y)와 그에 각각 대응하는 고정 전극부(25x, 25y)의 각 가지 전극들 사이의 간격(dx, dy) 변화로 인해 발생되는 정전용량의 차이를 산출한 후, 그 정전용량의 차이로 발생된 주파수를 즉, 2차원 반도체 자이로스코프 센서에서 발생된 X축 및 Y축 이동 주파수를 첨부한 도면 도 4에 예시한 바와 같은 일련의 부가 회로들을 이용하여 이동체(예컨대, 이동통신 단말기, 디지털 카메라 등)에서 사용 가능한 값(X축 및 Y축 이동 가속도 값)으로 공급하게 되며, 이로써 이동통신 단말기를 이용한 카메라 모드에서의 손떨림 보정 등에 응용 가능하고, 또한 스트로크를 이용한 사용자 인터페이스 구현이 가능하며, 더 나아가 단말기간 게임 응용 및 지진의 강도 측정 등에 활용할 수 있게 된다.On the other hand, in the present invention, the difference in capacitance generated due to the change in the distance (dx, dy) between the branch electrodes of each of the driving electrode portions 21x and 21y and the fixed electrode portions 25x and 25y respectively corresponding thereto. After calculating the, using the series of additional circuits as shown in Figure 4 attached to the frequency generated by the difference of the capacitance, that is, the X-axis and Y-axis moving frequency generated by the two-dimensional semiconductor gyroscope sensor It is supplied as a value (X-axis and Y-axis movement acceleration value) available to the mobile body (for example, mobile communication terminal, digital camera, etc.), thereby applying to the image stabilization in the camera mode using the mobile communication terminal, The user interface can be implemented using strokes, and furthermore, it can be utilized for game applications between terminals and for measuring the strength of earthquakes.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.In addition, the embodiments according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various alternatives, modifications, and changes can be made within the scope apparent to those skilled in the art.

이상과 같이, 본 발명은 반도체 소자를 이용하여 대기압 상태에서의 2차원 이동 가속도 측정이 가능한 소형 자이로스코프 센서를 구현함으로써, 이동통신 단말기와 같은 소형 전자제품에도 자이로스코프 센싱 기술을 적용할 수 있게 되며, 또한 반도체 소자를 이용함에 따라 회로 일체형으로 간단히 구현할 수 있게 된다.As described above, the present invention implements a small gyroscope sensor capable of measuring two-dimensional movement acceleration at atmospheric pressure using a semiconductor device, and thus, the gyroscope sensing technology can be applied to small electronic products such as mobile communication terminals. In addition, it is possible to simply implement a circuit integrated by using a semiconductor device.

Claims

An inertial mass plate disposed in the center portion on the semiconductor substrate and vibrating in response to a force applied from the outside;

A driving electrode part connected to each of the inertial mass plates through an elastic member and having a plurality of branch electrodes for sensing an acceleration in an X-axis or a Y-axis direction;

And a fixed electrode part having a plurality of branch electrodes engaged in a concave-convex shape at a predetermined distance from the branch electrodes of the driving electrode part.

The method of claim 1,

The driving electrode unit is a two-dimensional semiconductor gyroscope sensing structure, characterized in that connected in a multi-stage structure using a rotor air bridge (Rotor Air Bridge) is formed a plurality of holes through which the material forming the fixed electrode portion passes.

The method of claim 1,

The driving electrode unit is connected to each of the left and right sides of the inertial mass plate via an elastic member, and has a multi-stage X-axis driving electrode unit having branch electrodes divided into fishbone shapes to sense the Y-axis movement acceleration. ;

And a Y-axis drive electrode part having a multi-stage structure having branch electrodes divided into fishbone shapes for sensing X-axis movement acceleration, respectively, connected to upper and lower sides of the inertial mass plate through an elastic member. 2D semiconductor gyroscope sensing structure.

The method of claim 3, wherein

A distance between the branch electrode of the X-axis driving electrode part and the branch electrode corresponding to the fixed electrode part may have a different distance from that between the branch electrode of the Y-axis driving electrode part and the branch electrode of the fixed electrode part corresponding thereto. 2D semiconductor gyroscope sensing structure.

The method of claim 1,

The fixed electrode unit is a two-dimensional semiconductor gyroscope sensing structure, characterized in that connected via the lower end of the driving electrode using a stator bridge (Stator Bridge).

The method of claim 1,

And the inertial mass plate, each driving electrode part, and the fixed electrode part are formed by integrating a silicon device.

The method of claim 1,

A capacitor having predetermined capacitances Csx +, Csx-, CSy +, and Csy- is formed between the branch electrodes of the driving electrode part and the branch electrodes of the fixed electrode part corresponding to the driving electrode part, respectively. 3D semiconductor gyroscope sensing structure.