• 대한기계학회논문집A
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• 제26권9호
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• pp.1931-1942
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• 2002

In this paper a formulation of robust optimization is presented and illustrated by a design example of vibratory micro gyroscopes in order to reduce the effect of variations due to uncertainties in MEMS fabrication processes. For the vibratory micro gyroscope considered it is important to match the resonance frequencies of the vertical (sensing) and lateral (driving) modes as close as possible to attain a high sensing sensitivity. A deterministic optimization in which the difference of both the sensing and driving natural frequencies is minimized as an objective function results in highly enhanced performance but apt to be very sensitive to fabrication errors. The formulation proposed is to attain robustness of the performance by including the sensitivity of the response with respect to uncertain variables as a term of objective function to be minimized. This formulation is simple and practically applicable since no detail statistical information on fabrication errors is required. The geometric variables, beam width, length and thickness of vibratory micro gyroscopes are adopted as design variables and at the same time considered as uncertain variables because here occur the fabrication errors. A robustness test in terms of a percentage yield by using the Monte Carlo simulation has shown that the robust optimum produces twice more acceptable designs than the deterministic optimum. Improvement of robustness becomes bigger as the amount of fabrication errors is assumed larger. Considering that the magnitude of fabrication errors and uncertainties in a MEMS structure are comparatively large, the present method is illustrated to be a viable approach for a robust MEMS design.

• 한국통신학회논문지
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• 제40권2호
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• pp.397-407
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• 2015

본 논문에서는 최근 스마트폰이나 웨어러블 디바이스처럼 IoT/M2M 을 위한 여러 종류의 모바일 기기에 사용되는 센서 중에서 각속도를 검출하는데 사용되는 3축 자이로스코프 센서 IC와 가속도를 검출하는데 사용되는 3축 가속도 센서IC를 1 chip으로 하는 6축 관성센서 IC를 설계하였다. 특히 본 논문에는 자이로스코프 센서의 잡음을 분석하고 이를 효과적으로 제거하기 위한 구조를 제안하였다. 자이로스코프 센서는 가속도 센서, 지자기 센서와 더불어 사용자의 동작을 인식하고, 상대적 위치를 추정하기 위한 용도로 사용되는 센서이다. 위치를 추정할 때 사용되는 센서는 아주 작은 잡음이라도 오차로 누적되기 때문에, 정확도를 높이기 위해서 저잡음 IC 설계가 아주 중요한 요소이다. 본 논문에서는 자이로스코프 센서를 모델링하고 MEMS(micro-electro-mechanical system)와 회로에서 발생하는 잡음의 주파수 특성을 분석하여 이를 효과적으로 제거하기 위한 회로 구조를 제안하였으며, 초소형, 저전력 환경에서 사용 가능하면서 잡음 수준이 아주 낮은 3축 자이로스코프 센서와 3축 가속도 센서를 포함하는 6축 1 chip IC를 제작하였다. 제작된 IC는 자이로스코프 센서 잡음의 주요 원인이 되는 quadrature error를 효과적으로 제거하기 위한 회로 구조를 사용하였고, 0.18um CMOS공정을 이용하여 0.01dps/${\sqrt{Hz}}$의 자이로스코프 센서 잡음밀도를 가지는 IC를 제작하였다.

• 대한기계학회논문집A
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• 제26권5호
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• pp.914-923
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• 2002

Recently, there has been considerable interest in micro gyroscopes made of silicon chips. It can be applied to many micro-electro-mechanical systems (MEMS): devices for stabilization, general rate control, directional pointing, autopilot systems, and missile control. This paper shows how the mechanical design of the gyroscope can be done using axiomatic design, followed by the application of the Taguchi robust design method to determine the dimensions of the parts so as to accommodate the dimensional variations introduced during manufacturing. Functional requirements are defined twofold. One is that the natural frequencies should have fixed values, and the other is that the system should be robust to large tolerances. According to the Independence Axiom, design parameters are classified into a few groups. Then, the detailed design process is performed fellowing the sequence indicated by the design matrix. The dimensions of the structure are determined to have constant values fur the difference of frequencies without consideration of the tolerances. It is noted that the Taguchi concept is utilized as a unit process of the entire axiomatic approach.

• 제어로봇시스템학회:학술대회논문집
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• 제어로봇시스템학회 2001년도 ICCAS
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• pp.64.2-64
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• 2001

In this paper, fabricated is a motion capture and attitude detection system for Head Mounted Display HMD composed of three low-price and low-grade micro gyroscopes and a micro-controller, To calculate attitude of a body, modified INS algorithm is used. Because the micro gyroscope has much bias drift error, scale factor error, and run-to-run bias error, the motion of a body can not be measured exactly if the general INS algorithm and micro gyroscopes are used. To reduce the errors, three accelerometers can be used. In this case, however, the size and power consumption become too large to use in HMD system. The modified INS algorithm use the grid map and the characteristics of the human motions.

• 한국군사과학기술학회지
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• 제12권1호
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• pp.106-113
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• 2009

This paper presents a surface acoustic wave(SAW) micro-electro-mechanical-systems(MEMS) interdigital transducer (IDT) gyroscope with 80MHz central frequency on a $128^{\circ}\;YX\;LiNbO_3$, which is consisted of a two-port SAW resonator, metallic dots and dual delay lines for the sensor and reference oscillators. Reason for using two delay line oscillators is to extract the gyroscope effect by comparing the resonant frequencies between two oscillators and to compensate the temperature effect. Based on the coupling of modes(COM) simulation, an 80MHz two ports SAW resonator and dual delay line were fabricated and characterized by the network analyzer. Obtained sensitivity was $109Hz/deg{\cdot}s^{-1}$ in the angular rate range of $0{\sim}1000deg/s$. Good Linearity and superior directivity were observed.

• 제어로봇시스템학회논문지
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• 제22권9호
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• pp.705-709
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• 2016

Micro-electro-mechanical systems (MEMS) gyroscopes are widely used in various robot applications. However, these conventional gyroscopes need to vibrate the proof mass using a built-in actuator at a fixed resonance frequency to sense the Coriolis force. When a robot is not moving, the meaningless vibration of the gyroscope wastes power. In addition, this continuous vibration makes the sensor vulnerable to external sound waves with a frequency close to the proof-mass resonance frequency. In this paper, a feasibility study of a new type of gyroscope inspired by insect halteres is presented. In dipterous insects, halteres are a biological gyroscope that measures the Coriolis force. Wing muscles and halteres are mechanically linked, and the halteres oscillate simultaneously with wing beats. The vibrating haltere experiences the Coriolis force if the insect is going through a rotational motion. Inspired by this haltere structure, a gyroscope using a thin mast integrated with a robot actuation mechanism is proposed. The mast vibrates only when the robot is moving without requiring a separate actuator. The Coriolis force of the mast can be measured with an accelerometer installed at the tip of the mast. However, the signal from the accelerometer has multiple frequency components and also can be highly corrupted with noise, such that raw data are not meaningful. This paper also presents a suitable signal processing technique using the amplitude modulation method. The feasibility of the proposed haltere-inspired gyroscope is also experimentally evaluated.

• 소음진동
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• 제10권5호
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• pp.880-885
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• 2000

In a verical type, vibratory gyroscope, the coupled motion between the reference and sensing vibrations causes the zero-point output which means non-zero sensing vibration without angular velocity. This structural coupling leaks to an inherent discrepancy between the natural frequencies of the reference and sensing oscillations, causing the degradation of the sensing performance and dynamic stability. In this paper, the dynamic characteristics associated the coupling phenomenon are theoretically analyzed. Effects of reference frequency and coupling factor on the rotational direction and amplitude of elliptic oscillation are studied. A technique to predict the existence of curve veering of crossing in frequency trajectories is introduced to apply the design of micro gyroscopes with decoupled structures.

• 한국항공우주학회지
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• 제47권6호
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• pp.438-445
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• 2019

본 논문에서는 MEMS 자이로스코프에서 발생하는 G-민감도 오차를 관성센서 오차 모델에 정의하고, 이를 분석하여 오차 성분을 추출하는 기법을 제안한다. 일반적으로 MEMS기반 자이로스코프는 스프링과 관성질량체를 갖는 진동형 방식으로 개발된다. 따라서 구조적으로 고기동 환경에서 인가되는 가속도에 비례하는 G-민감도 오차 특성을 갖게 된다. 이러한 G-민감도 오차는 외부에서 높은 가속도가 인가되지 않는 민수분야에서는 무시할 정도로 작다. 하지만 전술급 성능의 MEMS 관성측정기가 고가속 환경에서 외란과 가속도에 의해 G-민감도 오차가 발생하게 되면 항체의 유도조종을 위한 항법장치 성능에 큰 영향을 미치게 되므로 오차 분석과 보상은 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 MEMS 자이로스코프에 발생하는 G-민감도 오차를 분석하고 정의하여 관성센서 오차모델에 적용한다. 새로 정의된 관성센서 오차모델을 분석하여, 오차 성분을 고가속도 시험환경이 아닌 FMS 시험만으로 정확히 추출하는 방법을 제안한다. 그리고 제안한 방법으로 얻은 오차를 보상하여 고가속도 시험을 수행하고 그 결과를 분석하여 성능과 신뢰성을 검증한다.

• 한국항해항만학회:학술대회논문집
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• 한국항해항만학회 2018년도 추계학술대회
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• pp.328-330
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• 2018

태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치가 설치된 해상 부유체는 파도에 의해서 운동한다. 해상 부유체의 안전성을 평가하기 위해서는 부유체 운동의 측정과 해석이 필요한데, 일반적으로 6자유도 운동을 이용한다. 6자유도 운동은 저전력, 소형, 저가의 특징을 갖고 있는 MEMS(Micro-Electro Mechanical System)를 이용하여 측정할 수 있다. 문제는 MEMS의 낮은 정밀도이다. 본 연구에서는 이러한 MEMS를 이용한 해상 태양광 부유체의 거동을 측정하고, 측정한 거동을 이용한 안전성 평가 기법에 관하여 검토하였다. 연구결과 3축의 가속도계와 3축의 자이로스코프를 이용한 관성 측정 플랫폼을 통해서 해상 부유체의 모델링과 안전성 평가가 가능함을 알았다.

• 한국ITS학회 논문지
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• 제9권5호
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• pp.87-95
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• 2010

도시의 많은 교량 구조물은 내구연한 및 노후 상태에 따라 외형적 변형이 발생하고, 지진과 태풍 등은 노후 시설물의 변형을 더욱 악화시키고 있다. 불규칙하고 미세한 점진적 외형 변형은 육안으로 확인하기 어렵고, 시설물의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 최근에 교량 구조물의 이상 거동을 실시간의 무선 방식으로 검지하는 기술이 연구되고 있다. 본 연구는 자이로스코프를 이용하여 구조물의 미소한 물리적 변화량을 실시간으로 측정하는 변위측정모듈을 개발하였다. 개발된 계측 모듈의 성능은 시뮬레이션 실험을 통해 검증하였다.