[논문]표면탄성파를 이용한 자이로스코프 개발

오해관; 윤성진; 이기근; 왕웬; 양상식

[국내논문] 표면탄성파를 이용한 자이로스코프 개발
Development of a SAW based Gyroscope 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.12 no.1 = no.36, 2009년, pp.106 - 113

오해관 (아주대학교) , 윤성진 (국방과학연구소) , 이기근 (아주대학교) , 왕웬 (아주대학교) , 양상식 (아주대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

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.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

몇 몇 연구 그룹들의 SAW 기반 자이로스크프의 시도가 있었지만 아직 성공적인 결과를 얻지는 못하였다. 본 연구에서는 SAW 기반에 저속의 각속도에서도 측정이 가능하며, 고내충격성과 고기동성을 갖는 초소형 자이로스코프를 개발하고자 한다.

제안 방법

SAW 발진기는 그림 3과 같이 자가 발진 (Self Oscillation) 방식으로 동작되며, 두 발진기 모두 같은 발진 주파수로 설계하였다. 자가 발진 회로를 구성하기 위해 피드백증폭기(RF Amp)와 phase shifter를 사용하였다'时
SAW 공진기와 발진기 모두 주변 측정 회로와의 정합을 고려하여 중심 주파수는 80MHz로 설계하였다. 사용된 압전기판은 128° YX LiNbCh이며, 레일리파 (Rayleigh Wave)를 발생시키고 높은 기계결합력(K? = 5.
56%)을 가지고 있다. 자가 발진으로 구동될 SAW 발진기는 무엇보다 주파수 안정도가 중요하기에 SPUDT (Single Phase Unidirectional Transducer) 와 Comb 구조로 설계하였다(그림 4). 일반적인 IDT가 양방향성인 반면 SPUDT는 의도한 진행 방향으로 좀 더 높은 진행파를 생성 시켜, 삽입 손실을 줄여 준다.
기준 발진기의 Secondary SAW에 의한 영향을 완벽히 차단하기 위해 센싱 발진기와의 사이에 흡수체 (Absorber)를 두었다. SAW 공진기 cavity에 있는 금속점 층의 위치는 정상파의 파복 부분에 오도록 설계하였으며, 면적과 질량은 정상파의 질량 적재 효과(Mass Loading Ef花ct)를 고려하여 결정하였다.
두었다. SAW 공진기 cavity에 있는 금속점 층의 위치는 정상파의 파복 부분에 오도록 설계하였으며, 면적과 질량은 정상파의 질량 적재 효과(Mass Loading Ef花ct)를 고려하여 결정하였다. 그 밖의 중요 SAW 소자의 매개 변수는 COM(Coupling Of Mode) modelinge을 통해 최적의 성능을 낼 수 있도록 설계하였다.
SAW 공진기 cavity에 있는 금속점 층의 위치는 정상파의 파복 부분에 오도록 설계하였으며, 면적과 질량은 정상파의 질량 적재 효과(Mass Loading Ef花ct)를 고려하여 결정하였다. 그 밖의 중요 SAW 소자의 매개 변수는 COM(Coupling Of Mode) modelinge을 통해 최적의 성능을 낼 수 있도록 설계하였다.
SAW 공진기의 구동을 위해서는 80MUz의 RF 에너지가 필요하다. 외부의 네트워크 분석기를 통해서 측정 회로로 에너지를 인가하는 방식은 RF 신호의 특성상 많은 손실이 발생되기에, 회로에 상용 VCO(KSV -5M075A, K.S.E Ltd.)칩을 두어 공진기 구동 에너지를 공급하였다. VCO칩은 입력 단에 구성된 전압 분배기의 조절을 통하여(Tuning Voltage : 0~5V), 63~88 MHz의 공진 주파수를 공급할 수 있다.
멀티플라이 어를 통해 계산된 출력 신호는 LPF를 지나 외부의 오실로스코프를 통해 직접 관찰할 수 있다. 외부 신호 입력은 ±5v(증폭기, 멀티플라이어의 전원, VCO의 전원) 와 GND로 최소화 하였고, 입, 출력단은 하나의 몰렉 스핀으로 연결하였다.
같다. 128。YX LiNbCh위에 알루미늄(A1)을 질량적재효과 (Mass Loading Effect)를 고려하여 3000A 증착하였다. 사진식각(Photolithography)기법을 이용하여 공진기와 발진기를 제작한 후, 금속 점층은 밀도가 높은 Cr/Au 를 lift-off 공정을 통해 500/2000A 높이로 증착하였다.
128。YX LiNbCh위에 알루미늄(A1)을 질량적재효과 (Mass Loading Effect)를 고려하여 3000A 증착하였다. 사진식각(Photolithography)기법을 이용하여 공진기와 발진기를 제작한 후, 금속 점층은 밀도가 높은 Cr/Au 를 lift-off 공정을 통해 500/2000A 높이로 증착하였다.
각속도 측정 실험에 앞서 HP 8753D 네트워크 분석기를 통하여 제작된 SAW 자이로스코프의 전기적 특성(진폭, 주파수 응답 S”)을 측정하였다. SAW 발진기(그림 9(a))는 삽입손실이 약 10dB이며 중심주파수(80MHz) 부근의 통과 대역에서는 선형적인 주파수응답 특성을 가진 반면, 그 외 영역에서는 선형적이지 않음을 확인할 수 있으며, 이는 comb 구조의 입력 전달기의 특성인 단일 모드 주파수 성분 때문이다.
측정 결과가 COM modeling을 통한 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인할 수 있다. 측정된 결과를 바탕으로 회로에 LC, RLC 필터의 사양을 결정하였다. 필터는 주파수 변화를 측정하는 본 자이로스코프 측정 시스템에서 중요 변수 중의 하나이다.
필터는 주파수 변화를 측정하는 본 자이로스코프 측정 시스템에서 중요 변수 중의 하나이다. 측정 회로 기판과 SAW 자이로스코프 센서의 임피던스 정합'(Impedance Matching) 또한 중요 변수로써, SAW 자이로스코프의 전기적 특성 측정을 통하여 얻었다.
실제 측정 회로에서는 네트워크 분석기가 아닌 VCO 칩을 통하여 에너지가 공급되기 때문에, VCO가 네트워크분석기를 통해 찾아낸 정확한 발진 주파수를 공급할 수 있도록 VCO에 연결된 전압 분배기를 조절하였다.
주파수의 변화를 야기하는 요소가 코리올리 힘인지의 여부와 타 축에 대한 감도를 확인하기 위해 자이로스코프에 Y-축 각속도를 인가하였다. 그림 14와 같이 변화가 관찰되지 않았다.
기존의 관성 센서의 한계로 지적된 충격성, 기동성, 소형화 문제를 극복하고자 새로운 SAW 기반 자이로스코프를 설계 제작하였다. SAW 기반 자이로스코프는 움직이는 구조체가 필요 없고 2차원 평면 가공 기술만으로 제작이 가능하기에, 소형화, 고내충격성, 고기동성, 대량생산 등이 가능하다.

대상 데이터

설계하였다. 사용된 압전기판은 128° YX LiNbCh이며, 레일리파 (Rayleigh Wave)를 발생시키고 높은 기계결합력(K? = 5.56%)을 가지고 있다. 자가 발진으로 구동될 SAW 발진기는 무엇보다 주파수 안정도가 중요하기에 SPUDT (Single Phase Unidirectional Transducer) 와 Comb 구조로 설계하였다(그림 4).
측정 회로의 개략도는 그림 5와 같다. 측정 회로는 SAW 발진기용 자가 발진 회로를 위한 2개의 증폭기, 공진기 구동을 위한 VCO(Voltage-Controlled Oscillator), Phase shifter, 한 개의 멀티플라이어, LC 필터, RLC 필터, LPF(Low Pass Filter)로 구성되어 있다. 증폭기는 넓은 주파수 대역과 높은 이득을 가진 AD8009(Analog Device, Ltd.
측정 회로는 SAW 발진기용 자가 발진 회로를 위한 2개의 증폭기, 공진기 구동을 위한 VCO(Voltage-Controlled Oscillator), Phase shifter, 한 개의 멀티플라이어, LC 필터, RLC 필터, LPF(Low Pass Filter)로 구성되어 있다. 증폭기는 넓은 주파수 대역과 높은 이득을 가진 AD8009(Analog Device, Ltd.)칩을 사용하였다. 두 발진기의 발진 주파수 차이를 계산하는 멀티플라이어는 AD835(Analog Device, Ltd.
)칩을 사용하였다. 두 발진기의 발진 주파수 차이를 계산하는 멀티플라이어는 AD835(Analog Device, Ltd.)칩을 사용하였다. 각 소자의 입, 출력 단 앞에는 LC와 RLC 필터 등을 두어 신호의 안정성을 높였다.

성능/효과

주파수 안정을 위해 설계한 SPUDT, Comb 구조, 금속 점층들이 의도한 형태와 위치에 증착되었음을 확인할 수 있다.
SAW 공진기의 경우(그림 9(b)) 약 7dB의 삽입손실을 보인다. 측정 결과가 COM modeling을 통한 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인할 수 있다. 측정된 결과를 바탕으로 회로에 LC, RLC 필터의 사양을 결정하였다.
SAW 자이로스코프의 전기적 특성 측정을 통하여, SAW 발진기의 정확한 발진 주파수를 얻었다. 실제 측정 회로에서는 네트워크 분석기가 아닌 VCO 칩을 통하여 에너지가 공급되기 때문에, VCO가 네트워크분석기를 통해 찾아낸 정확한 발진 주파수를 공급할 수 있도록 VCO에 연결된 전압 분배기를 조절하였다.

후속연구

출력 주파수에 노이즈(Noise) 성분이 보이는 것은 회로상의 LC, RLC 필터 설계의 오차와 SAW의 공기와의 마찰로 인한 것으로 예상된다. 향후 진공 패키징 기술 도입과 회로 설계의 고도화(PLL 회로 설계, LC -RLC 필터의 재설계)를 통하여 노이즈성분을 제거하고, 동시에 2축 이상을 감지할 수 있는 SAW 기반 자이로스코프를 제작하고자한다.

참고문헌 (11)

M. Hashimoto, C. Cabuz, K. Minami and M. Esahi, 'Silicon Resonant Angular Rate Sensor using Electromagnetic Excitation and Capacitive Detection', Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 5, pp. 219-225, 1995

상세보기
J. Soderkvist, 'Micromachined Gyroscopes', Sensors and Actuators A, Vol. 43, pp. 65-71, 1994

상세보기
N. Yazdi, F. Ayazi and K. Najafi, 'Michromachined Inertial Sensors', Proc. IEEE, Vol. 86, pp. 1640-1659, 1998

상세보기
W. Geiger, B. Folkmer, J. Merz, H. Sandmaier and W. Tang, 'A New Sillcon Rate Gyroscope Systems', The IEEE Int. Conf. on Micro Electro Mechanical System, pp. 615-620, 1998
K. Maenaka and T. Shzawa, 'A Study of Silicom Angular Rate Sensors using Anisotropic Etching Technology', Sensors and Actuators A, Vol. 43, pp. 72-77, 1994

상세보기
S. A. Sarapuloff, G. A. Skipkovskii and J. W. Rhim, 'Inertial Effects in Surface and Bulk Elastic Waves and Possibility of Their Use in High-G Solid-State Micro Gyro', The Int. Conf. on Integrated Navigation Systems, pp. 355-361, 2005
J. W. Rhim, C. B. Jeon, H. K. Moon, J. S. Lee and S. W. Lee, 'High-G Micro Rate Sensor for Smart Munitions', Korea Institute of Science and Technology, Report No. A114, Nov. 2003
M. Kurosawa, Y. Fukula and M. Takasaki, 'A Surface Acoustic Wave Gyro Sensor', Sensors and Actuators A, Vol. 66, pp. 33-39, 1998

상세보기
V. K. Varadan, W. D. Suh and P. B. Xavier, 'Design and Development of a MEMS-IDT Gyroscope', Smart Materials and Structures, Vol. 9, pp. 898-905, 2000

상세보기
T. E. Parker and G. K. Montress, 'Precision Surface-Acoustic-Wave(SAW) Oscillator', IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 35(3), pp. 342-364, 1988

상세보기
P. V. Write, 'Analysis and Design of Low Loss SAW Devices with Internal Reflections using Coupling-of-Mode Theory', IEEE Ultrasonics Symp., pp. 141-152, 1989

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증