Dynamic Analysis and Evaluation of a Microgyroscope using Symmetric 2DOF Planar Resonator

대칭형 2자유도 수평 공진기를 이용한 마이크로 자이로스코프의 동특성 해석 및 평가

Conventional microgyroscopes of vibrating type require resonant frequency tuning of the driving and sensing modes to achieve high sensitivity. These tuning conditions depend on each fabricated microgyroscopes, even though the microgyroscopes are identically designed. A new micromachined resonator, which is applicable to microgyroscopes with self-toning characteristics, is presented. Since the laterally driven two degrees of freedom (2DOF) resonator was designed as a symmetric structure with identical stiffness in two orthogonal axes, the resonator is applicable to vibrating microgyroscopes, which do not need mode tuning. A dynamic model of the resonator was derived considering gyroscopic application. The dynamic model was evaluated by experimental comparison with fabricated resonators. The microgyroscopes were fabricated using a simple 2-mask-process of a single polysilicon layer deposited on an insulator layer. The feasibility of the resonator as a vibrating microgyroscopes with self-tuning capability is discussed. The fabricated resonators of a particular design have process-induced non-uniformities that cause different resonant frequencies. For several resonators, the standard deviations of the driving and sensing frequencies were as high as 1232Hz and 1214Hz, whereas the experimental average detuning frequency was 91.75Hz. The minimum detuned frequency was 68Hz with $0.034mVsec/^{\circ}$ sensitivity. The sensitivity of the microgyroscopes was low due to process-induced non-uniformity; the angular rate bandwidth, however, was wide. This resonator could be successfully applicable to a vibrating microgyroscopes with high sensitivity, if improvements in uniformity of the fabrication process are achieved. Further developments in improved integrated circuits are expected to lower the noise level even more.

기존의 진동형 마이크고 자이로스코프는 고감도화를 이루기 위해 구동 모드와 검출 모드를 동조시킬 필요성이 있었다. 본 연구에서는 고유하게 조율된 두 개의 공진 모드를 갖는 광진기를 이용하여 자가동조 특성을 갖는 마이크로 자이로스프로의 응용에 대한 타당성을 검증한다. 진동하는 두 축에 대해 대칭의 구조를 가지는 2자유도 수평 공진기가 모드 동조의 필요성을 최소화하는 자이로스코프로의 응용을 위해 소개된다. 자이로스코프의 적용을 고려한 동역학적 모델이 도출되고 이는 제조된 마이크로 자이로스코프와 실험을 통해 비교 검증 된다. 마이크로 자이로스코프의 구조체는 산화막 위의 폴리실리콘 박막으로 구성되어 간단한 2마스크 공정으로 제조 가능하다. 자가동조 특성을 갖는 진동형 자이로스코프로서의 타당성이 해석 결과와 실험을 통해 검증되었다. 8개의 실험 시편에 대해서 구동 및 검출 모드의 공진 주파수를 측정했을 때, 구동 및 검출 모드의 공진 주파수에 대한 표준편차가 각각 1232Hz와 1214HZ인데 반해 비동조 주파수의 평균값은 91.75Hz를 나타내 우수한 자가동조 특성을 보였다. 샘플 중 최소 비동조 주파수는 68Hz였고 이때의 감도는 $0.034mV/sec/^{\circ}$로 측정되어 공정의 불균일성이 개선되면 녹은 감도를 구현학 수 있는 자이로스코프로서의 타당성을 확인할 수 있었다.