Existing MEMS gyroscopes have limitations in sensitivity and dynamic range because the angular velocity is measured only by using the amplitude information of a sensing mode, resulting in the linear sensitivity. However, the angular velocity, measured by a semicircular canal, is characterized by compressive nonlinear sensitivity, which is obtained by two amplifying mechanisms of vestibular hair cell, negative stiffness mechanism and adaptation mechanism. This paper proposes a biomimetic MEMS gyroscope inspired by a semicircular canal designed by the axiomatic approach. First level functional requirement (FR) is designated as following: measure angular velocity with high sensitivity over broad dynamic range of the semicircular canal. The design parameters (DPs) are determined and classified into the same number of groups as the FRs according to the Independence Axiom. Then the decoupled design matrix is found through top-down decomposition (conceptual design), followed by detailed parameter design for stabilization of the gyroscope system. Afterwards, MEMS fabrication will be progressed by SOI fabrication using the designed parameters.
인체의 전정기관은 관성센서의 기능을 하여 인간이 자세의 균형을 유지하는데 도움을 주며 특히, 전정기관의 세반고리관은 각속도계(gyroscope), 이석기관은 선형가속도계(linear accelerometer)의 역할을 한다. 이러한 전정기관이 손상된 환자는 어지러움증이나 낙상증상을 겪게 되며 그 정도가 심한 사람은 장애를 안고 살아갈 수 밖에 없다. 하지만 이러한 환자들을 위해 최근 하버드의대, 존스홉킨스의대 등에서 전정기관신경보철(vestibular neural prosthesis)분야가 연구되고 있다. 전정기관신경보철의 핵심기술은 인체의 움직임을 센싱하는 MEMS 관성센서인데 기존의 상용하는 MEMS 관성센서는 센싱 모드의 변위변화 정보만을 가지고 관성정보를 선형적으로 측정하며 측정을 위해 사용된 캐패시터 사이에 발생하는 정전기력의 영향으로 그 성능향상에 한계를 가진다. 하지만 인체의 전정기관은 반강성메커니즘(negative stiffness mechanism)과 적응메커니즘(adaptation mechanism)이라고 하는 2가지 비선형증폭메커니즘을 통하여 트레이드오프(trade-off)관계로 알려진 감도와 다이내믹레인지를 동시에 향상시킨다. 이러한 전정기관의 성능을 모사하여 고성능 MEMS 관성센서를 제작하는 것이 본 연구의 목표이며 세반고리관에 큰 관심을 가지고 생체모사 MEMS 자이로스코프를 개발하였다. 센서 개발을 위해 설계의 구조적인 틀을 제시하는 공리적 설계 기법을 이용하여 설계의 시행착오를 줄이고 시스템의 최적변수를 구하였다.
생체모사 고성능 자이로스코프 시스템을 설계하기 위하여 시스템의 기능요구(Functional requirement,FR)와 상세한 설계파라미터(Design parameter, DP)를 계층적으로 설정하여 시스템의 설계방정식(design equation)을 완성하였으며 최적변수를 구하기 용이하도록 설계행렬(design matrix)를 비연성화 설계(decoupled design)하였다. 이 후, FR-DP 관계방정식을 이용하여 DP에 속한 상세변수들을 그룹화 시켰으며 그룹화된 변수들을 디자인메트릭스의 1행부터 차례로 최적화하였다. 상세변수들을 최적화시킴을 통해 FR-DP에 대한 공리적 설계를 마쳤으며 MATLAB을 이용하여 자이로스코프의 동역학 모델을 고려한 시뮬레이션을 수행하는 동시에 MEMS 공정을 위한 마스크를 제작하였다. MEMS 공정을 위한 웨이퍼로는 SOI 웨이퍼를 선정하였으며 TMAH 공정으로 후방부 대량에칭(bulk etching)을, Deep RIE 공정을 이용하여 구조물을 에칭할 계획이다. 또한 시스템의 댐핑계수를 낮추어 감도를 향상시키기 위하여 진공패키지도 설계하였다. 현재는 자이로스코프의 성능을 평가하기 위한 계측전자장비를 구축하고 있으며 자이로스코프에 각속도를 인가시킬 각속도인가장치도 개발 중에 있다.
MATLAB으로 시뮬레이션상의 성능을 평가하였다. 유사한 구조적 환경을 가진 두 자이로스코프(기존센서와 개발된센서)의 성능을 비교해 보았을 때, 기존의 MEMS 자이로스코프는 감도: 2.11deg/s, 동작범위: 200deg/s, 다이내믹레인지: 39.5dB이었지만 세반고리관의 2가지 비선형증폭메커니즘을 모사함을 통해 그 성능이 감도: 0.2deg/s, 동작범위: 2000deg/s, 다이내믹레인지: 60dB로 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
