Because of their low cost, small size, and high sensitivity, micromachined gyroscopes have received increasing attention. Recently, microgyroscopes have been applied in many fields for their precise angular motion detection. Most micromachined gyroscopes are vibrating types. Electroostatic comb-driving and capacitive sensing of electrostatic charges are popular in both driving and sensing methods.
It should be mentioned that, conventional vibrating microgyroscopes require tuning of both driving mode resonant frequency and sensing mode resonant frequency to attain high sensitivity. These tuning conditions vary with respective microgyroscopes, even though the devices are identically designed. If the microgyroscope’s driving and sensing resonant frequencies could be uniformly fabricated, their circuits would not have to perform the tuning function.
The performance of a microgyroscope can be evaluated by investigating several indices such as sensitivity, angular rate bandwidth, signal to noise ratios and so on. To improve the performance of a vibrating microgyroscope, it is important to understand its dynamic behavior. Although there were several studies on the dynamic model of vibrating microgyroscopes, these dynamic analyses only considered electrostatic excitation forces. However, Coriolis force is another excitation force. A dynamic model with these two excitation forces is important for the joint analysis of angular rate bandwidth as a key performance index. Many works were related to the performance improvement of microgyroscopes, few of them considered bandwidth problem of the vibrating type microgyroscope.
To consider the tuning problem, in this study, we present a new micromachined resonator for a vibrating micro gyroscope which does not need tuning. A dynamic model of the resonator was derived considering gyroscopic applications. The resonator was fabricated with a structure of a single polysilicon layer on an insulator layer; the dynamic model was evaluated by experimental comparison with fabricated resonators. The validity of the gyroscopic application using the resonator is also discussed. To perform the analysis of angular rate bandwidth of vibrating microgyroscopes, in this study, a general dynamic model of a vibrating microgyroscope with respect to it angular rate was derived. And a microgyroscope, which vibrates on two orthogonal axes on a substrate plane, was designed and then fabricated. The structure of the vibrating microgyroscope was made of a single polysilicon layer on an oxide insulator layer. Due to simplified processes, it was possible to fabricate the polysilicon microgyroscope on insulator structures at lower costs than previous multilayered polysilicon structures. The fabrication processes in the microgyroscope were composed of anisotropic silicon etchings by RIE, gas-phase etchings (GPE) ofthe buried sacrificial oxide layer, and the formation of metal pads. The validity of the dynamic model was the examined through experiments on the fabricated microgyroscope in a vacuum chamber. The detection circuit consisted of both sensing amplifiers as well as noise canceling circuits. Using our evaluated dynamic model, sensitivity and angular rate bandwidth characteristics in the vibrating microgyroscope were analyzed and then an operating condition for better performance was obtained.
본 연구에서는 정보 통신 분야에서 요구하는 마이크로 센서 기술 중 마이크로 자이로스코프에 대한 연구를 통하여， 관련 기반 기술을 확보하였다. 본 연구에서 제안된 마이크로 자이로스코프는 공정을단순화 하고 공정 오차가 자이로스코프에 미치는 영항을 최소화하는 관점에서 개발되었다.
본 연구에서는 기판과 평행한 평면위에 있고 서로 직교하는 두 축에 대해 대칭의 구조를 이루며 평면 2 자유도로 진동하도록 고안된 2 자유도 수평 공진기를 제안하고, 이 공진기를 자이로스코프로 응용해 보았다. 평면 2 축에 대해 대칭의 구조를 갖는 진동형 마이크로 자이로스코프는 구조 자체의 대칭성에 의해 공정의 불확실성과 상관없이 구동과 검출의 진동모드가 동일하게 유지되는 장점을 가지고있다. 제안된 공진기는 구동 모드에 비선형 특성을가지므로 구동 특성 해석을 위해 구동 모드의 비선형 모델링을 수행하였고 개선된 성능을 갖는 자이로스코프의 제작을 위한 최적 설계의 도구로 사용될 검출 모드의 모델링도 수행하였다. 제작된 마이크로 자이로스코프용 공진기는 구동 실험을 통해 동역학적 모델의 타당성을검증하였다. 실제 제조되는 자이로스코프의 공진주파에 대한 표준편차가 약 1200Hz인데 반해 실험으로 측정한 구동 및 검출 모드의 비동조 주파수는 9 1.75Hz로 우수한 자가동조 특성을 보였다. 잔존하는 비동조 특성은 추후 더욱 개발된 공정기술을 통해 대청 구조의 공정오차를 줄일 수 있으므로 제안된 xy 축대 칭 구조를 갖는 평면 2 자유도 공진기는 자이로스코프로서 응용될 수 있는 타당성을 가지고 있다고 할 수 있다.
또한, 본 연구에서는 빗살 구동 전극으로 가진되고 평판형 측면 검출 전극으로 각속도를 측정하는 평면 진동형 마이크로 자이로스코프의 구조를 제안하고 성능 평가와 설계를 위한 진동형 마이크로 자이로스코프의 동역학적 모델을 유도하였다. 제안된 동역학적 모델을이용하여 감도와 각속도 주파수 대역의 성능 해석이 가능하게 되었고, 안정성을 보장하고 성능을 극대화 할 수 있는 구동 조건을선정할 수 있었다.
앞서 제안된 마이크로 자이로스코프를 웅력변형이나 고착현상이 없고, 단순한 2 마스크의 공정으로 구조체의 제조가 가능하도록 하는 설계와 제조공정에 관련된 연구가 수행되었다. 기판의 평면과 평행한 평면 위의 서로 직교하는두 축으로 진동하는 수명 진동형 마이크로 자이로스코프가 절연막 위의 단층폴리실리콘 구조로 제작되었다. 제작된 자이로스코프를 이용해 유도된 동역학적 모델의 타당성이 실험 결과와의 비교를 통해 검증되었다. 시뮬레이션을통해 제작된 마이크로 자이로스코프가 개선된 성능을 지니도록하는 작동 조건을 찾을 수 있었다.
향후의 연구계획으로는 제작된 마이크로 자이로스코프의 특성을평가하고 이를 개선하기 위한 방안을 도출할 예정이다. 마이크로 자이로스코프를 상용화하기 위해서는 설계 및 회로의 개선을 통한 센서의 고감도화와 함께 저가의 진공 패키지 기술 개발이 필수적이다.
