KR100252696B1 - 마이크로가속도계 - Google Patents

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KR100252696B1
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Abstract

[목적]
본 발명은 미소(微少)센서인 마이크로 가속도계 센서에 관한 것으로, 반도체 제조 공정을 이용한 미소집적 가공방법에 의하여 센서의 크기가 약 가로 1mm, 세로 1mm 정도로 극소화되어 제조되어서 자동차의 에어백 센서등에 사용되는 마이크로 가속도계에 관한 것이다.
[구성]
본 발명은 질량체이고 전압의 변화가 유발되며 인가되는 전압에 의하여 제어되도록 인가되는 가속도에 반응하여 운동을 하는 질량체로서 다수의 시각형상의 구멍을 포함하고 구조물의 양측부에 하나씩 성형된 주질량부, 전기적 용량 값의 변화에 의하여 위치를 검출하도록 성형된 위치검출부, 측정방향으로 운동을 제한하도록 성형된 구동기인 힘평형부, 전기가 인가되어서 구조물의 강성을 감소시키도록 조정용 전극부를 구비한 제어부로 구성되는 박판질량부와, 상기 박판질량부의 일측과 타측에 각각 하나씩 형성되고 주닻으로 고정되어 상기 박판질량부의 운동을 지지하는 보 스프링부 및 상기 박판질량부와 상기 보 스프링부의 사이에서 상기 박판질량부의 과다운동이 방지되도록 안전수단이 구비되어 구성되는 것이다.

Description

마이크로 가속도계
제1도는 종래 기술에 따른 마이크로 가속도계 구성도.
제2도는 마이크로 가속도계의 감지 원리도.
제3도는 마이크로 가속도계의 기능 설명도.
제4도는 본 발명에 따른 마이크로 가속도계 평면도.
제5(a)도는 위치검출부의 평면도.
제5(b)도는 힘평형부의 평면도.
제5(c)도는 조정용 전극부의 평면도.
제6(a)도는 위치검출부의 단면도.
제6(b)도는 힘평형부의 단면도.
제6(c)도는 조정용 전극부의 단면도.
제7도는 정위치 제어의 블록 선도.
제8도는 본 발명에 따른 마이크로 가속도계의 주파수 특성 비교도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 보 스프링부 110 : 주닻
300 : 박판질량부 310 : 주 질량부
315 : 구멍 350 : 제어부
352 : 위치검출기 354 : 힘평형부
356 : 조정용 전극부 358 : 장공
본 발명은 미소(微少)센서인 마이크로 가속도계(Micro Accelerometer)센서에 관한 것으로, 반도체 제조 공정을 이용한 미소집적 가공방법(Micro Machining)에 의하여 센서의 크기가 약 가로 1mm, 세로 1mm 정도로 극소화되고 전기적인 방법으로 운동을 검출함으로써 자동차의 에어백 센서 등에 사용되는 마이크로 가속도계에 관한 것이다.
일반적으로 물리적 힘의 관계를 나타내는 주지의 운동법칙인 F=m a의 식에서와 같이, 힘(F)은 질량(m:Mass:질량체를 의미하며 이하 질량이라 한다.)과 가속도(a)의 곱과 관계가 있다. 즉, 질량의 변화 또는 가속도의 변화가 힘의 변화를 유발하게 되는데, 어떤 질량에 가속도가 인가되면 힘이 발생되고, 발생된 힘을 센서를 이용하여 측정하는데 있어서, 반도체 공정의 미소집적 가공방법을 이용하여 진동, 충격 및 기울어짐 등의 운동을 측정할 수 있도록 극소형의 마이크로 가속도계 센서가 사용되고 있다.
제1도는 종래 기술에 따른 마이크로 가속도계 구성도이다.
종래 기술에 따른 마이크로 가속도계는 박판질량부(Thin Plate Mass)(24)의 양일단에 각각 하나씩 성형된 보 스프링부(Beam Spring)(22)와, 인가되는 가속도에 반응하여 운동을 갖는 질량체인 박판질량부(24)와, 상기 박판질량부(24)의 과다운동을 방지할 수 있도록 상기 보 스프링부(22)와 박판질량부(24)의 사이에 위치하는 안전핀(Safety Pin)(20c)(20d)으로 구성된다.
상기의 보 스프링부(22)는 스프링의 기능을 갖도록 얇은 보 형상으로 구성하고, 바닥면(40)에서 떠 있는 보 스프링부(22)의 중앙부 일측에 보 스프링부(22)와 구조적으로 연결된 상기 박판질량부(24)를 지지하도록 바닥면(40)에 연결된 주닻(Main Anchor)(20a)(20b)으로 고정되어 지지된다.
상기의 박판질량부(24)는 양일단부의 중앙부가 보 스프링부(22)에 구조적으로 연결되고 박판질량부(24)의 전극(Electrode)(26)들이 보조닻(28a)(28b)에 의하여 고정된 위치감지센서(Position Sense)(27a)(27b)의 사이에 위치하며 바닥면(40)에 수직인 방향으로 두께가 수 μm의 박판(Thin Plate)으로서 성형된다.
상기의 안전핀(20c)(20d)은 2개로 성형되어서 2개의 안전핀(20c)(20d)의 일직선상 방향으로 운동을 하는 상기 박판질량부(24)의 과다운동을 방지하여 더이상 운동을 하지 않도록 상기 보 스프링부(22)와 박판질량부(24)의 사이에 위치한다.
제2도는 마이크로 가속도계의 감지 원리도로서, 바닥면(40)에 연결된 두개의 주닻(20a)(20b)에 의하여 중앙부의 일단이 마이크로 가속도계인 구조물에 고정된 보 스프링(22)과, 보 스프링(22)에 일측이 연결된 중앙질량체(Center Mass)인 박판질량(24)은 얇은 보(Beam)로써 유동보(Movable Beam)인 전극(26)이 성형되어 있고, 상기 유동보인 전극(26)은 각각의 보조닻(28a)(28b)에 의하여 고정된 얇은 보로써 고정보(Fixed Beam)인 위치감지센서(27a)(27b) 사이에 구성된다.
제3도는 마이크로 가속도계의 기능 설명도로서, 규소(Si) 기판(Substrate)인 바닥면(40)에서 부터 일정 간격이 떨어진 공간에 폴리실리콘(Polysilicon) 재질인 위치감지센서(27a)(27b)와 전극(26)이 있고, 상기 위치감지센서(27a)(27b)와 전극(26)은 얇은 보로 성형되어서 서로 마주 보기 때문에 이들 사이의 공간인 각각의 보가 서로 마주 보는 대향면은 콘덴서와 같은 기능을 갖게 되고 회로적으로는 등가인 정전용량(30a)(30b)으로 각각 표현된다.
상기 마이크로 가속도계인 구조물은 보 스프링(22)의 중앙부 일단이 주닻(20a)(20b)에 의하여 고정되어 지지되고, 일측이 박판질량부(24)에 연결되어 바닥면(40)에서부터 약 0.5μm를 허공에 떠 있는 구조로 되어 있기 때문에, 박판질량부(24)는 외부로부터 인가되는 가속도(a)에 의한 관성력에 따라 움직일 수 있다. 즉, 상기와 같은 구조의 가속도계에 외부로부터 가속도(a)가 인가되면, 바닥면(40)에서 떠 있는 구조물은 질량(m)과 가속도(a)의 곱한 크기의 관성력을 받아 제2도에서와 같이 점선 위치에서 실선 위치로 변형되는 보 스프링(22)의 구부러짐 현상을 동반하여서 측정하고자 하는 방향으로 구부러짐의 변형이 발생된다. 상기 변형은 마이크로 가속도계의 허용 주파수대역(Band Width) 내의 주파수에서 인가되는 가속도에 비례하고, 상기 가속도에 의하여 발생되는 변형에 의하여 박판질량부(24)의 전극(26)은 위치감지센서(27a)(27b) 사이에서 운동하게 된다. 따라서, 상기의 운동은 전극(26)과 위치감지센서(27a)(27b) 사이에 정전용량의 변화를 발생시키게 되기 때문에 상기 정전용량의 변화를 회로적으로 검출하여 인가되는 가속도를 측정하게 된다.
한편, 마이크로 가속도계의 중요 사양으로는 해상도, 측정 주파수 범위 및 선형성 등을 들 수 있으며, 이중 해상도는 마이크로 가속도계의 용도를 결정하는 가장 중요한 사양이다. 마이크로 머시닝으로 제작되는 마이크로 가속도계인 구조물은 그 크기가 극소형이기 때문에 사용하는 질량에 비하여 구조물의 탄성을 나타내는 강성이 높다는 단점을 가지고 있다. 즉, 종래의 마이크로 가속도계는 마이크로 머시닝이 아닌 일반 절삭 가공에 의하여 제작되는 경우에 있어서, 해상도를 높이기 위하여 강성을 최소화함으로써 강성과 질량비의 제곱근이 되는 고유진동수(ωn:ωn 2=(2πfn)2=k/m[rad/s], k:강성, m:질량, fn:고유진동 주파수)를 거의 영(0)으로 하여 외부 가속도에 대한 질량의 운동이 최대로 발생할 수 있도록 하는 방법을 택하고 있으나, 마이크로 머시닝으로 제작되는 경우에 있어서 최소 물질 격자 크기와 가공 가능 최소 구조물 크기의 가공 제한으로 인한 제작 한계에 의하여 구조물의 강성을 최소화하는 데에는 어려움이 있었다.
또한, 종래 기술에서는 고유진동 주파수인 보 진동 주파수(Beam Resonant Frequency)가 12[KHz]로 되는데, 상기와 같은 고유진동 주파수는 강성과 비례하기 때문에 일반적인 마이크로 가속도계에서 고유진동 주파수를 1[Hz] 미만에서 동작되도록 구성하는 것에 비하여 강성이 상당히 큼을 알 수 있다. 따라서 12[KHz]와 같이 큰 강성을 갖는 마이크로 가속도계에서는 해상도가 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
또, 마이크로 머시닝 방법 등을 이용하여 극소형의 구조물을 구성함에 있어서, 동적인 특성을 이용하는 마이크로 가속도계 등과 같은 구조물에서의 질량은 상기 구조물 크기의 세제곱에 비례하고 강성은 상기 구조물 크기에 비례하는 경향이 있는데, 이에 따라 구조물의 크기를 극소형으로 함에 있어서, 질량을 급속히 감소하게 되면 강성은 천천히 감소되어 정비례하지 않기 때문에 강성을 질량에 대응할 수 있도록 감소시키기에는 한계가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 발명의 주된 목적은, 강성의 한계를 극복하기 위하여 기계적 성형에만 의존하던 종래의 마이크로 머시닝의 마이크로 가속도계 성형 방법에, 음의 강성을 제어하기 위한 전기적 방법을 새롭게 도입함으로써, 마이크로 가속도계에서 가장 중요한 사양인 해상도를 높이고, 강성을 임의로 제어할 수 있는 마이크로 가속도계를 제공하기 위함이다.
그리고 이를 위한 특징적인 구성은 질량체이고 전압의 변화가 유발되며 인가되는 전압에 의하여 제어되는 박판질량부와, 상기 박판질량부의 일측과 타측에 각각 하나씩 형성되어서 상기 박판질량부의 운동을 지지하는 보 스프링부 및 상기 박판질량부와 상기 보 스프링부의 사이에서 상기 박판질량부의 과다운동이 방지되도록 안전수단이 구비되는 마이크로 가속도계에 있는 것이다.
이하 첨부도면과 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 제4도는 본 발명에 따른 마이크로 가속도계 평면도이다.
본 발명에 따른 마이크로 가속도계는 질량체이고 전압의 변화가 유발되며 인가되는 전압에 의하여 제어되는 박판질량부(300)와, 상기 박판질량부(300)의 일측과 타측에 각각 하나씩 형성되어서 상기 박판질량부(300)의 운동을 지지하는 보 스프링부(100) 및 상기 박판질량부(300)와 상기 보 스프링부(100)의 사이에서 상기 박판질량부(300)의 과다운동이 방지되도록 구비되는 안전수단(500)으로 이루어진다.
상기의 박판질량부(300)는 양측부에 하나씩 형성된 주질량부(Main Mass)(310)와, 상기 양측부의 주질량부(310)가 다수의 보로 서로 연결되고, 상기 보와 평행하게 되어서 바닥면(40)에 고정되는 보가 더 구비되어 상기 박판질량부(300)의 운동에 의하여 상기 연결되는 보 및 고정되는 보 사이 간격의 변화가 전압의 변화로서 제어되고 검출되어지도록 상기 박판질량부(300)의 주질량부(310)가 연결되는 보에 의하여 서로 연결되어서 상기 보 사이에서 형성되는 장공(358)에 전기적인 변화에 의하여 위치를 검출하도록 형성되는 위치검출부(Position Sense)(352), 상기 주질량부(310)의 장공(358)에 운동을 검출하는 측정방향으로 운동을 제한하도록 형성되는 구동기인 힘평형부(Force Balance)(354) 및 상기 주질량부(310)의 장공(358)에 상기 박판질량부(300)의 강성을 감소시키도록 형성되는 조정용 전극부(Tune Electrode)(356)로 이루어지는 제어부(350)로 구성된다.
상기 주 질량부(310)는 상기 박판질량부(300)의 양측에 성형되고 바닥면(40) 방향으로의 두께가 수 μm의 박판질량체로서, 반도체 제조 공정 중에서 부식액(Etchant)과 부식물의 원활한 방출을 위하여 다수의 사각형상 구멍(315)을 포함하여 성형된다.
상기 제어부(350)의 위치검출부(352)는 2개의 보 스프링부(100)가 서로 연결되는 일직선 방향을 운동의 방향으로 하는 측정방향과 교차되는 방향으로 즉, 박판질량부(300)의 양측에 성형된 주 질량부(310)가 서로 연결되는 보 사이에 형성된 장공(358)에 측정방향의 움직임을 검출하도록 상기 장공(358)과 나란하게 형성되어서 전기적으로 연결되고 지지되도록 중앙부가 양(+)감지닻(Positive Sense Anchor)(352d)으로 고정되는 양(+)감지전극(Positive Sense Electrode)(352a)과 상기 장공(358)에 형성된 양감지전극(352a)과 나란하게 구성되고 중앙부분이 분리되어서 중앙부에서 대향되는 단부에 음(-)감지닻(Negative Sense Anchor)(352c)으로 고정되고 전기적으로 연결되는 음(-)감지전극(Negative Sense Electrode)(352b)으로 구성된다. 또한, 상기 위치검출부(352)는 양감지전극(352a)과 음감지전극(352b)으로 이루어지는 2 종류의 전극을 한쌍으로 하여 18쌍으로 구성된다.
상기의 제어부(350)의 힘평형부(354)는 박판질량부(300)의 측정방향으로 운동을 제한하는 구동기로써, 상기 위치검출부(352)와 같은 형상이고, 박판질량부(300)의 양측에 성형된 주 질량부(310)가 서로 연결되는 보 사이에 형성된 장공(358)에 상기 장공(358)과 나란하게 형성되어서 전기적으로 연결되고 지지되도록 중앙부가 양(+)평형닻(Positive Balance Anchor)(354d)으로 고정되는 양(+)평형전극(Positive Balance Electrode)(354a)과, 상기 장공(358)에 형성된 양평형전극(354a)과 나란하게 구성되고 중앙부분이 분리되어서 중앙부에 대향되는 단부에 음(-)평형닻(Negative Balance Anchor)(354c)으로 고정되어 전기적으로 연결되는 음(-)평형전극(Negative Balance Electrode)(354b)으로 구성된다. 또한, 상기 힘평형부(354)는 양평형전극(354a)과 음평형전극(354b)으로 이루어지는 2종류의 전극을 한쌍으로 하여 4쌍이 구성된다.
상기의 제어부(350)의 조정용 전극부(356)는 영문자 'H'자 형상으로 되는 조정용 전극(356a)으로 성형되어서 상기 박판질량부(300)의 일부가 상기 조정용 전극(356a)의 사이로 삽입되고, 상기 박판질량부(300)의 장공(358)에 중앙부가 전압을 인가하기 위한 전기적 연결 수단인 조정용닻(356c)으로 고정되며 상기 장공(358)과 나란하게 되는 보로 이루어져서, 마이크로 가속도계의 강성을 전기력적으로 감소시키도록 하기 위하여 10개가 구성된다.
상기의 위치검출부(352), 힘평형부(354), 조정용 전극부(356)로 구성된 제어부(350)의 각 전극들은 두께 및 높이가 박판질량부(300)와 같으며, 제6도와 같이 각 전극들은 측면부가 대향되어서 서로 마주보도록 구성된다.
상기 보 스프링부(100)는 평면적인 형상이 장방형이고, 단면적인 형상이 보로써, 상기 박판질량부(300)의 일측과 상기 일측과는 반대방향의 타측에 각각 하나씩 형성되고 상기 박판질량부(300) 방향의 보 스프링부(100) 면 중앙부분이 개구되어 상기 개구된 일단은 바닥면에 주닻(110)으로 지지되고 상기 개구된 일단의 대향부분인 타단은 상기 박판질량부(300)의 측면 중앙부분에 연결되어서 바닥면(400)에서 떠 있는 박판질량부(300)가 지지되도록 구성된다.
상기 보 스프링부(100)의 주닻(110)은 바닥면으로부터 일정 간격 떠 있는 박판질량부(300)와 보 스프링부(100)를 바닥면(40)과 기계적, 전기적으로 연결시키는 역할을 한다. 기계적으로는 보 스프링부(100)가 고정되어 박판질량부(300)가 안정적으로 진동되도록 지지하며, 전기적으로는 외부로 도선이 연결되어서 박판질량부(300)와 보 스프링부(100)에 전기가 흐르게 하는 기능을 갖는다.
상기의 안전수단(500)은 보 스프링부(100)와 박판질량부(300) 사이의 양측부에 각각 하나씩 성형되고, 바닥면에 고정된 상기 보 스프링부(100)에 의하여 지지되는 박판질량부(300)와 전극(352a)(352b)(354a)(354b)(356a)들 사이의 간격에 비하여 좀 더 보 스프링부(100)와 박판질량부(300) 사이에서 간격이 좁도록 구성됨으로써, 상기 박판질량부(300)가 과도하게 움직일 경우 보 스프링부(100)에 닿기 전에 먼저 안전수단(500)인 안전핀(Safety Pin)에 부딪혀서 더 이상 움직이지 않도록 하기 위한 것으로 박판질량부(300)가 측정방향으로 과도하게 움직이지 않도록 보호하는 기능을 가진다.
제5(a)도는 위치검출부(352)의 평면도, 제5(b)도는 힘평형부(354)의 평면도, 제5(c)도는 조정용 전극부(356)의 평면도를 나타낸 도면으로서 상기 박판질량부(300)의 장공(358)에 위치검출부(352), 힘평형부(354) 및 조정용 전극부(356)가 성형된 것을 나타낸다.
제6(a)는 위치검출부(352)의 단면도, 제6(b)도는 힘평형부(354)의 단면도, 제6(c)도는 조정용 전극부(356)의 단면도(각각은 제4도의 A-A', B-B', C-C')를 나타낸 도면으로서 상기 위치검출부(352), 힘평형부(354) 및 조정용 전극부(356)의 전극들이 얇은 보로써 성형되어 서로 마주보도록 성형된 것을 나타낸다.
제7도는 정위치 제어의 블록선도로서, 인가되는 가속도(a)에 의한 질량(m)의 운동과 힘평형부(354)의 운동이 합쳐져서 박판질량부(300)의 변화를 유발시키고 위치검출부(352)에서 상기 변화를 검출하며, 검출된 신호는 제1증폭부(360)를 통하여 출력함으로써 상기 변화를 검출할 수 있다. 또한, 위치검출부(352)에서 출력된 신호는 제2증폭부(370)를 통하여 힘평형부(354)에 인가함으로써 궤환에 의한 정위치 제어를 한다.
다음은 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동상태를
1. 마이크로 가속도계의 작동원리,
2. 정전력에 의한 강성 감소법,
3. 위치 검지방법,
4. 정위치 제어방법 등의 각 기능별로 구분하여 설명한다.
1. 마이크로 가속도계의 작동원리.
전체의 크기가 약 가로 1mm, 세로 1mm인 마이크로 가속도계는, 측정하고자 하는 외부의 힘인 가속도를 받아서 한 방향으로 움직일 수 있도록 서치된 질량과, 상기 질량이 움직이는 운동방향의 수직방향으로 길게 성형되어서 마주보도독 배열된 보 형상의 전극에 전압을 인가하면, 극소화된 미소 구조물의 전극과 질량사이에서 정전력이 발생된다. 상기 정전력은 수 μm내의 공간인 마이크로 영역의 마이크로 가속도계인 구조물에서 발생되는 정전력으로, 인가된 전압에 의하여 마주보도록 배열된 보 형상의 전극에 서로 잡아당기는 힘이 발생하게 된다. 상기의 정전력은 마주보는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 거리가 가까울수록 잡아 당기는 힘이 증대된다. 상기와 같이 잡아 당기는 힘을 음(-)의 강성(剛性:구부러짐을 나타내는 기구물의 탄성을 의미하며 이하 음의 강성이라 한다.)이라하고, 음의 강성의 크기는 마주보는 면적, 거리, 중간 물질의 유전율 및 인가전압의 크기에 의하여 결정되므로 주어진 구조물에 인가되는 전압을 조절함으로써, 상기 음의 강성 크기는 용이하게 조절이 가능하다.
또한, 상기 정전력이 질량을 잡아당기는 힘인 음의 강성과 반대의 의미로서 즉, 눌려진 스프링이 확장하려고 하는 것과 같이 질량을 밀어내는 힘이 존재하게 되는데 상기의 전압에 의하여 발생되는 음의 강성과는 다른 기계적인 구조에서 발생하는 이러한 힘을 양(+)의 강성이라 하고, 양의 강성은 구조물이 극소화로 작아지게 되면, 구조물의 움직임인 탄성이 극대화되기 때문에 구조물에 구부러짐의 변화를 야기하기 위하여 큰 가속도가 필요하게 된다. 그러나, 상기 음의 강성이 발생하도록 이루어진 구조물은 전압을 인가함으로써 탄성이 유연하게 되어 결과적으로 작은 힘으로 유발되는 작은 가속도에도 큰 움직임을 갖게 되므로 해상도(Resolution:가속도계 센서가 측정해 낼 수 있는 측정범위를 나타낸다.)가 향상된 가속도계를 구성할 수 있다.
2. 정전력에 의한 강성 감소법
본 발명의 핵심은 인가되는 전압에 의하여 발생되는 정전력에 의하여 탄성이 감소하게 되는 강성 감소 방법에 있다. 일반적으로 종래의 마이크로 가속도계는 보 스프링부(100)의 탄성상수 kb만이 강성을 결정하나, 본 발명에서는 음(-)의 강성을 유발하도록 구성함으로써, 구조물을 유연하게 하여 가속도계의 해상도를 개선하는 방법을 안출한 것이다.
정전력에 의한 강성 감소량 kn은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure kpo00001
ε은 공기의 유전율이고, ℓt는 조정용 전극부(356)와 박판질량부(300)의 측정 방향면으로 마주보는 길이이다. t는 박판질량부(300)와 조정용 전극부(356)의 전극이 마주보는 두께로서, 본 발명에서는 박판질량부(300)의 바닥면에서부터의 높이 방향인 두께에 해당한다. nt는 조정용 전극부(356)의 전극(356a) 갯수, ht는 박판질량부(300)와 조정용 전극부(356)의 조정용 전극(356a) 간격, V는 조정용 전극(356a)과 박판질량부(300) 사이의 전압 차이이다.
상기와 같은 마이크로 가속도계인 구조물은, 조정용 전극(356a)과 박판질량부(300) 사이의 전압 차이가 발생되도록 전압(V)이 가해지면 강성 감소량(kn)이 증대되어 강성이 감소된 만큼의 유연한 운동을 하게 된다. 따라서, 가속도를 측정하는 대역폭내에서 동일한 가속도에 대하여 박판질량부(300)의 운동은 강성에 반비례하므로 상기의 방법으로 강성이 감소된 마이크로 가속도계의 구조물은 상대적으로 큰 운동을 유발하여 미소한 가속도까지도 측정할 수 있어서, 결과적으로 해상도가 개선된 마이크로 가속도계를 구성할 수 있다.
또한, 정전력에 의한 강성 감소법의 또 다른 특징으로, 형성된 전극의 방향에 따라 특정 방향의 강성만을 선택적으로 조절할 수 있으므로 강성 감소를 원하지 않는 다른 방향의 강성을 원래 구조물의 강성대로 유지할 수 있다는 것이다. 즉, 안전수단(500)의 일직선 상의 측정방향으로 강성을 줄이기 위하여 보 스프링부(100)의 두께 및 폭을 감소시키면, 측정 방향과 교차되는 방향이나 측정방향을 축으로 뒤틀리는 방향의 강성이 낮아지기 때문에 위치검출부(352) 및 힘평형부(354)의 성능이 저하될 수 있으나, 강성 조정용 전극(356a)을 설치하여 제어하면 다른 성능의 저하 없이 측정방향의 강성만을 감소시킬 수 있다.
3. 위치 감지방법
박판질량부(300)와 보 스프링(100)부로 구성된 마이크로 가속도계인 구조물은, 외부의 가속도를 받으면 박판질량부(300)의 질량은 가속도 방향의 반대되는 방향으로 그 질량에 비례하는 관성력을 받는다. 상기 관성력은 연결되어 있는 보 스프링(100)부에 힘을 가해 전체적으로 박판질량부(300)와 보 스프링(100)부 측정방향의 반대방향으로 변위를 발생시킨다. 상기 변위의 크기는 아래의 식으로 계산될 수 있다.
Figure kpo00002
Figure kpo00003
위 식에서, x는 변위, a는 가속도의 크기, m은 박판질량부(300)의 질량, f는 입력 가속도의 주파수, fn은 박판질량부(300)와 보 스프링부(100)로 구성되는 마이크로 가속도계인 구조물의 고유진동 주파수(Natural Frequency), ζ는 진동되는 구조물의 감쇠계수(Damping Ratio), r은 입력 가속도의 주파수/고유진동 주파수, kb는 얇은 보인 전극의 강성으로 양의 강성, kn은 음의 강성이다. 상기 식에서 고유진동 주파수보다 훨씬 작은 대역폭내의 입력 가속도의 주파수에서는 r이 0(Zero)에 근접하므로 상기 식은 다음과 같이 간략화 된다.
Figure kpo00004
상기한 바와 같이 정전력에 의하여 강성이 감소되는 음의 강성인 kn이 증대되면 측정방향으로의 변위도 증대됨을 알 수 있다. 이러한 변위는 제3도와 같이 위치검출부(352)와 박판질량부(300) 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 유발시키게 된다. 위치검출부(352)는 양극의 양감지전극(352a)과 음극의 음감지전극(352b)으로 이루어진 3개의 전극이 평행한 2줄로 형성되어서 양감지전극(352a)과 음감지전극(352b)으로 이루어지는 전극의 쌍을 형성한다.
예컨대, 제3도에 도시된 바와 같이 전극(26)이 한 방향으로 움직이면 극판의 거리가 줄어드는 정전용량(C1)은 용량이 증대되고, 극판의 거리가 늘어나는 정전용량(C2)은 용량이 감소되고, 따라서 양감지전극(352a)의 정전용량과 음감지전극(352b)의 정전용량의 변화는 서로 반대로 발생하게 되며, 두 전극에서 발생하는 정전용량의 차이를 계산하면 측정방향으로의 진동 구조물이 움직인 변위를 감지할 수 있다. 두 전극(352a)(352b) 사이의 정전용량의 차이(ΔC)는 다음의 식으로 계산된다.
Figure kpo00005
상기의 식에서 ℓs는 위치검출부(352) 전극(352a)(352b)의 길이, t는 박판질량부(300)와 위치검출부(352) 전극(352a)(352b)의 바닥면(40) 방향으로의 두께, ns는 위치검출부(352) 전극(352a)(352b)의 쌍의 수, hs는 위치검출부(352)와 박판질량부(300) 전극(352a)(352b)의 간격, x는 박판질량부(300)의 전극에 대하여 이동된 상대 변위이다. 상기의 변위에 따르는 정전용량의 변화가 검출되는 회로를 사용하면 정전용량의 변화에 비례하는 전압신호를 검출할 수 있으므로 결과적으로 가속도 신호를 검출할 수 있다.
4. 정위치 제어방법
마이크로 가속도계의 선형성과 최대 측정 범위를 증가시키기 위하여 본 발명에 적용된 정위치 제어(Rebalancing)의 방법은 아래와 같다.
상기의 (A)식에서와 같이 위치검출부(352)와 박판질량부(300)의 간격(hs)의 변화가 크면 정전용량의 차이(ΔC)와 변위(x)는 비선형적으로 비례하게 되고, 위치검출부(352)와 박판질량부(300)의 간격(hs)의 변화가 작으면 작을수록 정전용량의 차이(ΔC)와 변위(x)는 선형적으로 정비례하게 되는데, 정전용량의 차이와 변위가 선형적으로 정비례하게 되면 미소한 변위가 발생하여도 정전용량의 차이가 비례적으로 발생하여서 회로적으로 상기의 정전용량의 차이를 검출함으로써 궤환제어를 용이하게 할 수 있다.
제7도에서의 정위치 제어를 하기 위한 힘평형부(354)는 위치검출부(352)와 동일한 형상으로 제3도에서와 같이 전극이 평행한 2줄로 형성되어 있으며, 이것은 양극인 하나의 양평형전극(354a)과 음극인 두개의 음평형전극(354b)으로 이루어져서 양평형전극(354a)과 음극평형전극(354b)의 쌍을 형성한다. 외부에서 인가되는 가속도(a)는 박판질량부(300)에 가해져 관성력에 의한 운동을 발생하게 되며, 상기 관성력에 의한 운동은 박판질량부(300)의 변위를 유발시킨다. 상기 변위는 위치검출부(352)에 의하여 전압신호로 변환되며 제1증폭부(360)를 통하여 필요한 출력을 발생시킨다. 또한, 상기 위치검출부(352)에서 발생한 전압신호는 또 다른 증폭기인 제2증폭부(370)를 통하여 힘평형부(354)에 인가된다. 따라서, 상기 박판질량부(300)의 운동을 제어하도록 궤환(Feedback)되는 신호가 인가된 힘평형부(354)는 박판질량부(300)에 야기되는 관성력과 반대방향으로 같은 크기에 상당하는 정전력을 인가하게 됨으로써, 관성력에 의하여 움직인 방향의 반대 방향으로 다시 정전력이 인가되어서 박판질량부(300)가 원래의 위치로 되돌아오도록 힘이 인가되는 것이다.
상기와 같이 박판질량부(300)가 원래의 위치로 되돌아오도록 힘이 인가되기 때문에 결과적으로 마이크로 가속도계인 구조물의 과다한 운동은 억제되며, 가속도에 비례하는 출력을 얻을 수 있어서 마이크로 가속도계의 선형성이 증가되고, 큰 가속도가 인가되더라도 상기와 같은 궤환제어를 통하여 위치를 제어하기 때문에 최대 측정 범위가 약 50g(g는 중력가속도) 정도로 증대된다.
즉, 상기 궤환제어에 의하여 힘평형부(354)의 양(+)평형전극(354a)에 전압을 인가하고 인가된 전압에 따라서 발생하는 정전력에 의하여 박판질량부(300)는 반대방향으로의 힘이 인가되어 상기 박판질량부(300)는 원래의 평형 위치에 되돌아오게 되고, 상기 반대 방향 운동에 의하여 발생되는 변위를 보정하기 위하여 음(-)평형전극(354b)에 전압을 가하면 상기 박판질량부(300)는 상기와 같이 변위가 발생되기 전의 평형 위치로 되돌아온다. 이러한 정전력은 다음의 식으로 계산된다.
Figure kpo00006
fx는 정전력에 의하여 박판질량부(300)를 당기는 힘, nf는 힘평형부(354) 전극(354a)(354b)의 쌍의 수, t는 힘평형부(354)와 박판질량부(300) 전극(354a)(354b)의 바닥면(40) 방향으로의 두께, ℓf는 힘평형부(354) 전극(354a)(354b)의 길이, ht는 박판질량부(300)와 힘평형부(354) 전극(354a)(354b) 사이의 간격, V는 박판질량부(300)와 힘평형부(354) 사이의 전압차이다.
상기와 같이 궤환제어를 하면 제8도의 본 발명에 따른 마이크로 가속도계의 주파수 특성 비교도에서와 같은 종래 약 0-1[KHz] 주파수대역(A)의 10배 증가된 약 0-10[KHz]의 주파수대역(B)을 얻을 수 있고, 마이크로 가속도계인 구조물의 미소폭내에서 제한되어 운동되도록 함으로써, 상기 마이크로 가속도계인 구조물의 동작특성에 따른 선형성을 증대시키며 최대 측정가속도의 범위가 증대되는 특징이 있다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이 본 발명은 정전력에 의하여 강성 감소가 되도록 구성된 마이크로 가속도계로써, 강성 조정이 안된 마이크로 가속도계에 비하여 측정 방향으로 유연한 구조를 가지도록 구성되기 때문에, 가속도를 측정하는 대역폭내에서 동일한 가속도에 대해 박판질량부의 운동은 강성에 반비례하여 큰 운동이 유발되므로 미소한 진동까지도 측정할 수 있어서 해상도가 크게 향상된다.
또한, 강성 감소법에 의하여 특정 방향의 강성만을 선택적으로 조정할 수 있으므로 강성 감소를 원하지 않는 다른 방향의 강성을 원래 구조물의 강성대로 유지할 수 있어서 즉, 일 방향의 강성 감소를 적용하면 다음 성능의 저하없이 측정방향의 강성만을 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기의 구조물은 마이크로 머시닝으로 형성되는 구조물중, 성능에 직접적인 영향을 끼치는 구성이 반도체 생성공정으로 형성된다. 따라서, 마이크로 가속도계의 성능에 영향을 미치는 구성은 박판질량부, 보 스프링부, 제어부 등이며 특히, 박판질량부의 장공에 위치하는 전극들의 형상이 박판질량부와 동시에 결정되므로 박판질량부와 전극 사이에 뒤틀림이나 어긋남이 발생할 여지가 없다.
또, 위치검출부나 힘평형부의 구성에 있어서, 한쪽 극은 중앙부분이 분리되어 중앙부분에 대향되는 각각의 단부가 닻으로 고정되어 바닥면과 연결되고, 다른 극은 극의 중앙부분에 닻이 형성되어 바닥면과 연결되며, 조정용 전극부의 경우 영문자 'H'자 및 한문의 왕'王'자 형상의 전극이 형성되어 상기 전극 사이에 박판질량부가 삽입되는 형상으로 되어서, 위치검출부나 힘평형부와 마찬가지로 닻의 형성에 따른 공간적 손실이 최소화되며, 동일 공간에서 강성 조정을 위한 정전력을 발생시키는 전극의 마주보는 면적을 최대화한다.
상기와 같은 본 발명은 마이크로 머시닝의 제작방법에 의하여 성형되는 마이크로 가속도계에 정전력을 유발시키는 전기적 방법이 부가됨으로써, 음의 강성을 이용하여 마이크로 가속도계의 해상도를 높이고, 마이크로 가속도계인 구조물의 강성을 감지하여 측정하고자 하는 방향의 강성만을 감소시켜서 상기 구조물의 제어가 용이하게 되도록 구성한 것이다.

Claims (9)

  1. 반도체 제조 공정중의 부식물의 방출을 위한 바닥면 방향으로 다수의 사각형상 구멍이 구비되고, 질량체 양측에 연결된 보 스프링부를 따라서 진동하는 진동방향을 중심으로 하여서 양측부에 형성되는 주질량부와, 상기 양측부에 주질량부가 다수의 보로 서로 연결되고, 상기 보와 평행하게 되어서 바닥면에 고정되는 보가 더 구비되어 상기 박판질량부의 운동에 의하여 상기 연결되는 보 및 고정되는 보 사이 간격의 변화가 전압의 변화로서 검출되어지도록 되는 제어부로 구성되어 있는 박판질량부와;
    평면적인 형상이 장방형이고, 단면적인 형상이 보로써, 상기 박판질량부의 일측과 상기 일측과는 반대방향의 타측에 각각 하나씩 형성되고 상기 박판질량부 방향의 면 중앙부분이 개구되어 상기 개구된 일단은 바닥면에 주닻으로 지지되고 상기 개구된 일단의 대향부분인 타단은 상기 박판질량부의 측면부 중앙부에 연결되는 보 스프링부; 및
    상기 박판질량부와 상기 보 스프링부의 사이에서 상기 박판질량부의 과다운동이 방지되도록 되는 안전수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 박판질량부의 주질량부가 연결되는 보에 의하여 서로 연결되어서 상기 보 사이에서 형성되는 장공에 전기적인 변화에 의하여 위치를 검출하도록 형성되는 위치검출부;
    상기 주질량부의 운동을 제한하도록 형성되는 구동기인 힘평형부; 및
    상기 박판질량부의 강성을 감소시키도록 형성되는 조정용 전극부가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 위치검출부는 박판질량부의 중앙부에 형성된 장공에 측정방향의 움직임을 검출하도록 상기 장공과 나란하게 형성되어서 중앙부가 양감지닻으로 고정되고 전기적으로 연결되는 양감지전극; 및
    상기 양감지전극과 나란하게 중앙부분이 분리되어서 중앙부에서 대향되는 단부에 음감지닻으로 고정되고 전기적으로 연결되는 음감지전극이 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위치검출부는 양감지전극과 음감지전극으로 이루어지는 2 종류의 전극을 한쌍으로 하여 18쌍 이상 구비됨을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 힘평형부는 박판질량부의 측정방향으로 운동을 제한하는 구동기로써, 박판질량부의 장공에 상기 장공과 나란하게 형성되어서 중앙부가 양평형닻으로 고정되어 전기적으로 연결되는 양평형전극; 및
    상기 양평형전극과 나란하게 상기 장공에 중앙부분이 분리되어서 중앙부에 대향되는 단부에 음평형닻으로 고정되어 전기적으로 연결되는 음평형전극이 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 힘평형부는 양평형전극과 음평형전극으로 이루어지는 2 종류의 전극을 한 쌍으로 하여 적어도 4쌍 이상 구비됨을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  7. 제2항에 있어서,
    상기의 제어부는 영문자 'H'자 형상으로 되는 조정용 전극으로 성형되고, 중앙부가 전압을 인가하기 위한 전기적 연결 수단인 조정용닻으로 고정되며 상기 장공과 나란하게 되는 보로 이루어지는 조정용 전극부가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조정용 전극부는 한문의 '王'자 형상으로써 장공과 나란하게 형성되는 보가 더 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 조정용 전극부는 적어도 10개 이상 구비됨을 특징으로 하는 마이크로 가속도계.
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