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문제 정의
- 16%)를 가지고 있다. 상반된 특징을 갖는 두 압전기판을 사용하여, 두 요소 중 어느 요소가 자이로스코프의 특성에 주된 영향을 주는지를 관찰 하고자 한다[6].
제안 방법
- 최근에는 입자의 코리올리 효과를 이용하는 구조의 자이로스코프도 연구되었다[5]. 본 연구에서는 기존의 방식과 달리 진행 표면탄성파를 이용하고, 금속진동체에 의한 코리올리효과로 인해 생기는 자가발진주파수의 변화로 각속도를 측정하는 초소형자이로스코프를 설계하고 제작하여 시험하였다 .
- 두 표면탄성파 발진기의 구동은 그림 3과 같이 자가 발진 (Self oscillation) 방식으로 동작되며, 두 발진기 모두 같은 발진 주파수로 설계하였다.
- 자가 발진을 구현하기 위해, 낮은 이득을 갖는 피드백 증폭기, 위상천이기를 사용하였다.
- IDT구조에 의한 발진기의 성능을 확인하기 위하여, 그림 4와 같이 3가지 다른 구조의 IDT를 설계하였다.
- 클수록 큰 코리올리 힘을 만들 수 있다. 입출력 IDT 전면에 증착할 경우, 표면탄성파의 감쇠를 야기할 수 있으므로, 그림 5와 같이 입력 IDT로부터 15 Ax 거리에 위치하며, 크기는 Ax/4와 Ay/4 로 설계하였다(Ax : x축 파장, Ay : y축 파장).
- 제작에 앞서, 최적의 설계 요소를 도출하기 위하여, Coupling of modes (COM)모델링을 수행하였으며, 그 결과는 그림 6과 같다[9-11].
- 128° YX LiNbO3와 ST-quartz위에 알루미늄을 질량 적재 효과를 고려하여 200 nm 증착하였다.사진식각기법을 이용하여 발진기를 제작한 후, 금속 진동체는 밀도가 높은 Cr/Au 를 lift-off 공정으로 50/200 nm 두께로 증착하였다. 그림 9 는 제작된 표면탄성파 자이로스코프의 광학 사진이다.
- 온도안정성 측면에서 큰 문제이다. 이 문제를 해결하기 위해, 소자를 기준과 감지로 나누어 두 차이를 구함으로써, 환경변수에 의한 변화분을 제거하는 방법을 사용하였다. 그림 13은 20 ℃에서 80 ℃ 사이에서 제작된 자이로스코프의 감도 변화를 비교한 결과이다.
- 기존의 관성 센서의 한계로 지적된 충격성, 기동성, 소형화 문제를 극복하고자 새로운 진행 표면탄성파 기반 자이로스코프를 설계 제작하였다. 표면탄성파 기반 자이로스코프는 움직이는 구조체가 필요 없고 이차원 평면 가공 기술만으로 제작이 가능하기에, 소형화, 고내충격성, 고기동성, 대량생산 등이 가능하다.
- 표면탄성파 기반 자이로스코프는 움직이는 구조체가 필요 없고 이차원 평면 가공 기술만으로 제작이 가능하기에, 소형화, 고내충격성, 고기동성, 대량생산 등이 가능하다. COM 모델링을 통해 최적의 매개 변수를 구하였으며, 환경 변수(온도, 습도 등)를 제거하기 위해두 개의 표면탄성파 발진기의 구조를 사용하였다. 압전기판과 IDT 구조에 의한 자이로스코프의 영향을 확인하여 보았으며, 128° YX LiNbO3압전기판, SPUDT구조에서 가장 좋은 감도를 나타냈으며, 그 수치는 52.
대상 데이터
- 표면탄성파의 진행에 방해가 될 수 있다. 선행 연구를 통하여 검증된, Cr/Au(50/200 nm)를 금속 진동체의 재료로 사용하였다[8].
- 압전기판의 변수는 128° YX LiNbO3와 ST-quartz로 하였으며, IDT는 3가지 다른 구조를 변수로 사용하였다. 128° YX LiNbO3의 경우 ST-quratz 보다 약 20 dB 이상 손실이 적게 나왔으며, SPUDT구조가두 압전기판 모두에서 가장 좋은 특성을 보였다.
- 측정 회로의 개략도는 그림 7과 같다.측정 회로는 표면탄성파 발진기용 자가 발진 회로를 위한 2개의 증폭기, 위상 천이기, 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 표면탄성파 발진기용 자가 발진 회로를 위한 2개의 증폭기, 위상 천이기, 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 입출력 단 앞에는 LC 와 RLC 필터 등을 두어 신호의 안정성을 높였다.
- 공정도이다. 128° YX LiNbO3와 ST-quartz위에 알루미늄을 질량 적재 효과를 고려하여 200 nm 증착하였다.사진식각기법을 이용하여 발진기를 제작한 후, 금속 진동체는 밀도가 높은 Cr/Au 를 lift-off 공정으로 50/200 nm 두께로 증착하였다.
- 사용된 기판은 128° YX LiNbO3이며, IDT는 SPUDT 구조이다. 전 영역에서 5 % 미만의 변화가 감지되었다.
성능/효과
- 변수로 사용하였다. 128° YX LiNbO3의 경우 ST-quratz 보다 약 20 dB 이상 손실이 적게 나왔으며, SPUDT구조가두 압전기판 모두에서 가장 좋은 특성을 보였다.
- 3가지 다른 종류의 IDT 구조체와 금속 진동체가 증착되었음을 확인할 수 있으며, 소자의 크기는 1.4X0.6 cm2 이다.
- 의한 것으로 예상된다. 또한 기준발진기와 감지 발진기의 발진주파수는 제작상의 오차와 감지발진기의 금속 진동체로 인해 296 kHz의 오프셋 주파수, J2 - /1 이 존재함을 확인하였다. 각속도가 있을 때 코리올리효과로 인한 주파수변화, △fcogs 는 식(5)로 계산된다.
- 3가지 다른 IDT구조의 경우, SPUDT 구조가 다른 구조에 비해 두 기판 모두에서 약 8 % 높은 감도를 보였다. 일반적인 양방향성 IDT 구조는 전파되는 표면탄성파 역시 양방향성을 가진다.
- COM 모델링을 통해 최적의 매개 변수를 구하였으며, 환경 변수(온도, 습도 등)를 제거하기 위해두 개의 표면탄성파 발진기의 구조를 사용하였다. 압전기판과 IDT 구조에 의한 자이로스코프의 영향을 확인하여 보았으며, 128° YX LiNbO3압전기판, SPUDT구조에서 가장 좋은 감도를 나타냈으며, 그 수치는 52.35 Hz/deg・s(y축 회전), 선형성은 0.95이다. 출력 주파수에 노이즈(Noise) 성분이 보이는 것은 회로상의 LC, RLC 필터 설계의 오차와 표면탄성파의 공기와의 마찰로 인한 것으로 예상된다.
후속연구
- 출력 주파수에 노이즈(Noise) 성분이 보이는 것은 회로상의 LC, RLC 필터 설계의 오차와 표면탄성파의 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 표면탄성파 기반 자이로스코프를 제작하고자한다.
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