KR100391263B1 - 외력 검지 센서 - Google Patents
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Abstract
외력 검지 센서의 가동부를 수용하는 공동(cavity)이 좁게 구성되면, 상기 외력 검지 센서가 에어 제동에 의해 영향을 받으므로, 상기 공동은 넓게 구성되어야 한다. 그러나, 상기 공동의 상면과 하면이 너무 높으면, 가동부의 수직 이동의 범위가 증가하여, 외부의 충격력이 외력 검지 센서에 가해지는 경우, 가동 빗형상 전극이 고정 빗형상 전극 위에 올라가게 되고 거기에 머무르게 되어, 상기 외력 검지 센서는 작동 불능이 된다. 가동 빗형상 전극의 폭 및 고정 빗형상 전극의 폭(W1, W2, W3), 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극의 높이(h), 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극 사이의 간격(g1, g2)을 요소로 하여 고정 빗형상 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이(D)가 설정되고, 상기 가동부가 빔의 복원력에 의하여 정지 위치로 안전하게 복귀하도록 구성된다.
Description
본 발명은 반도체 미세-가공 기술 등을 이용하여 제조되는 외력 검지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 외력 검지 센서(External Force Detecting Sensor)로서 가속도 센서 및 각속도 센서가 알려져 있다. 이들 각각의 외력 검지 센서에는, 예컨대 상기 외력 검지 센서에 가해지는 가속도, 각속도 등과 같은 외력에 따라 변위되는 가동부(movable portion)가 제공된다. 상기 변위를 전기적으로 검출하여 가속도 신호 또는 각속도 신호를 얻는다. 예를 들면, 도 5에서 보듯이, 일본 미심사 특허 출원 공개공보(No. 10-104263)에 기재된 압전 소자(piezoelectric element)를 사용하는 가속도 센서는, 그 중앙 부분에서 지지부(2)에 빔(beam; 3)으로 지지되어 있는 중량부(4)를 포함하는 가동부(1)를 구비하고 있다. 지지 기판(5) 및 개기판(cap substrate; 6)은 각각 오목부(5a, 6a)를 포함하고, 지지부(2)를 위아래에서 끼우도록 상기 지지부(2)에 실장된다. 또한, 지지 기판(5) 및 개기판(6)의 각각의 오목부(5a, 6a)를 이용하여 중앙 부분에 공동(cavity)을 형성하게 되어, 가동부(1)가 변위할 수 있게 된다. 또한, 압전 소자(7)가 빔(3)에 제공되어, 가속도가 상기 중량부(4)에 가해져서 빔(3)에 응력을 야기하면, 압전 소자(7)가 가속도 신호를 발생한다.
그러나, 지지 기판(5) 및 개기판(6)에 각각 제공된 오목부(5a, 6a)가 얕으면, 상기 중량부(4) 및 상면(6b) 및 하면(5b) 사이의 간격이 더 좁아지게 되고, 상기 중량부(4)가 급격히 변위되어, 큰 위상 지연(phase lag) 또는 출력 신호가 발생한다. 이는 상기 공동 내에 봉해진 기체의 점성(viscosity)에 기인한 에어 제동 (air damping)의 영향을 받기 때문이다. 결과적으로, 가속도 센서의 응답성이 저하된다. 따라서, 상술한 가속도 센서에서, 에어 제동의 영향을 제거하기 위하여, 지지 기판(5) 및 개기판(6)의 각각의 오목부(5a, 6a)는 보다 높게(깊게) 형성되고, 이를 통해 상기 중량부(4)를 위한 공동 내의 수직 공간이 증가하여, 가속도 센서의 응답성(responsiveness)을 향상시키게 된다.
에어 제동의 영향은 외력을 정전기적으로 검출하는 외력 검지 센서에서도 동일하다. 일본 미심사 특허 출원 공개공보(No. 2000-22170)에 기재된 외력 검지 센서를 도 6 및 도 7을 참조로 설명하기로 한다. 실리콘 기판을 가공함으로써, 두 개의 중량부(8, 9)가 각각 빔(11a, 12a)을 통해 지지부(11, 12)에 결합하여 가동부(10)를 구성한다. 상기 두 개의 중량부(8, 9)에는 각각 그 위에서 바깥쪽을 향해 있는 복수의 판상 가동 빗형상 전극(8a, 9a)이 제공된다. 상기 중량부(8, 9)에 대향하는 위치에 고정부(13, 14)가 각각 제공된다. 상기 고정부(13, 14)에는 그 위에 각각의 중량부(8, 9)를 향하여 돌출되어 각각의 가동 전극(8a, 9a)과 깍지끼고 있는 복수의 고정 빗형상 전극(13a, 14a)이 제공된다.
상기 가동부(10) 및 고정부(13, 14)를 둘러싸기 위하여 프레임(15)이 제공된다. 상술한 바와 같이 구성된 기능 소자는 파이렉스 글래스(Pyrex glass)로 제조된 지지 기판(18) 및 개기판(19)에 의해 위아래로 끼워져서 지지된다. 또한, 상기 기능 소자의 내부에, 상기 지지 기판(18) 및 개기판(19)에 각각 제공된 오목부(18a, 19a)에 의하여 공동이 형성되어, 상기 가동부(10)가 변위할 수 있게 된다. 상기 지지 기판(18)의 오목부(18a)의 밑면에는, 검출 전극(16, 17)이 각각 상기 중량부(8, 9)의 밑에 간격을 두고 제공된다.
이제, 상기 구성의 외력 검지 센서가 각속도 센서로 사용될 때, 그 동작을 기술하기로 한다. 지지부(11, 12) 및 고정부(13, 14)를 통해 전압이 인가될 때, 두 개의 중량부(8, 9)가 가동 빗형상 전극(8a, 9a) 및 고정 빗형상 전극(13a, 14a) 사이에 미치는 정전기력(electrostatic force)에 기인하여 서로 반대 방향으로 진동한다. 이러한 진동 상태에서, 상기 지지부들(11, 12)을 연결하는 방향을 축으로 회전력이 가해질 때, 두 개의 중량부들(8, 9)은 수직 방향의 코리올리힘(Coriolis force)을 반대로 받게 된다. 예를 들면, 한 쪽의 중량부(8)가 아래쪽으로 코리올리힘을 받는 경우, 다른 쪽 중량부(9)는 위쪽으로 코리올리힘을 받게 되고, 상기 두 개의 중량부(8, 9)는 각기 정전기력 및 코리올리힘에 의해 정해지는 벡터(vector) 방향으로 진동한다. 상기 진동에 기인하여, 두 개의 중량부(8, 9) 및 검출 전극(16, 17) 사이의 정전 용량(electrostatic capacitance)이 차이나게 변화되고, 두 개의 검출 전극(16, 17)의 출력이 전압으로 변환되고, 차동 증폭기에 의해 차동 증폭되어 각속도 신호를 얻는다.
이제, 상기 구성의 외력 검지 센서가 가속도 센서로 사용될 때, 그 동작을 설명하기로 한다. 지지부(11, 12), 고정부(13, 14) 및 검출 전극(16, 17)을 통해 D.C. 전압이 인가되는 상태에서, 가속도가 중량부(8, 9)에 가해질 때, 즉, 두 개의 고정 전극을 연결하는 방향의 벡터 성분으로, 상기 두 개의 고정부(13, 14)로부터 정반대의 가속도 신호가 얻어진다. 다시 말하면, 가속도 신호들 중 어느 하나는 정전 용량을 증가시키고 다른 것은 정전 용량을 감소시킨다. 수직 방향의 벡터 성분으로, 상기 검출 전극(16, 17)으로부터 가속도 신호가 얻어진다. 따라서, 두 방향의 가속도가 검출된다.
상술한 외력 검지 센서에서, 가동부(10)가 밀폐된 공동 내에서 변위하므로, 상기 가동부(10)가 수직으로 변위할 때 가속도 센서가 에어 제동에 의해 강하게 영향을 받는다. 또한, 각속도 센서에서와 같이, 가동부(10)가 고정된 진동 주파수에서 연속적으로 진동하도록 구동되는 경우에, 에어 제동이 가동부(10)의 구동 진동(driving vibration)의 기계적 품질 계수(mechanical quality factor)의 저하 등과 같은 가동부(10)의 동작에 바람직하지 않은 영향을 미치게 된다.
또한, 외력 검지 센서의 제조 공정에서 오목부(19a)를 위에 형성하고 있는 개기판(19)이 가동부(10)에 실장될 때, 양극 접합법(anodic bonding method)으로 프레임(15), 지지부(11, 12), 고정부(13, 14) 및 지지 기판(18)과 상기 개기판(19)을 함께 접합한다. 그러나, 이는 상기 가동부(10)가 강한 정전기적 인력에 의하여 상기 지지 기판(18)의 밑면이나 상기 개기판(19)의 윗면에 끌리게 하여, 상기 가동부(10)를 동작 불능으로 만든다. 따라서, 이러한 문제를 피하기 위해, 가동부(10)를 수용하는 공동을 구성하는 지지 기판(18) 및 개기판(19)의 각각의 오목부(18a, 19a)를 깊게 형성하는 것이 바람직하다.
그러나, 지지 기판(18) 및 개기판(19)의 각각의 오목부(18a, 19a)를 너무 깊게 형성한다면, 가동부(10)의 수직 이동의 범위가 증가하게 되고, 외부로부터 충격력 등과 같은 외력이 상기 외력 검지 센서에 가해지는 경우, 가동부(10)의 가동 빗형상 전극(8a, 9a)이 빔(11a, 12a)의 복원력(resiliency)에 의한 자연 복귀의 한계를 초과하므로, 상기 가동 빗형상 전극(8a, 9a)이 고정 전극(13a, 14a) 위에 올라가게 되거나 고정 전극(13a, 14a)을 뛰어 넘게 되어, 상기 외력 검지 센서를 작동 불능으로 만든다.
본 발명의 목적은, 상술한 문제의 관점에서, 가동부가 변위하는 한계를 제한하여 신뢰할 수 있는 동작을 확보하는 외력 검지 센서를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 외력 검지 센서의 기본 구성을 보여주는 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 상기 외력 검지 센서의 기능 소자의 구성을 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2에서의 X-X 선에 따른 상기 외력 검지 센서의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 2에서의 X-X 선에 따른 상기 외력 검지 센서의 또 다른 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5는 종래의 가속도 센서의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 6은 종래의 외력 검지 센서의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 7은 도 6의 Y-Y 선에 따라 상기 종래의 외력 검지 센서의 구성을 보여주는 단면도이다.
상술한 문제들을 해결하기 위하여, 본원 제1 발명에 따른 외력 검지 센서는, 지지부, 상기 지지부에 빔으로 연결되고 단면이 직사각형인 가동 빗형상 전극을 구비한 가동부 및 미소-간격을 통하여 상기 가동 빗형상 전극에 대향하고 단면이 직사각형인 고정 빗형상 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자; 상기 기능 소자를 어느 하나의 표면측에서 지지하는 지지 기판; 및 다른 표면에서 상기 기능 소자에 배치된 개기판으로 구성되고, 상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 공동이 상기 빔 및 상기 가동부를 포함하는 부분에 형성되고, 상기 고정 빗형상 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이(D)가, 미소-간격(g), 상기 가동 빗형상 전극의 폭(W1), 상기 고정 빗형상 전극의 폭(W2), 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극의 높이(h)로 표현되는 다음의 식, 즉,
을 만족한다.
이러한 구성으로, 상기 고정 빗형상 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면에 이르는 상기 공동 내의 높이는, 상기 가동부가 상기 공동 내의 기체로 인한 에어 제동에 의하여 영향을 받지 않는 위치가 되고, 상기 외력 검지 센서에 충격이 가해져서 상기 가동부가 도약하게 되어, 그 결과, 상기 가동 빗형상 전극이 상기 고정 빗형상 전극 위에 낙하하게 되어도, 상기 가동 빗형상 전극이 상기 빔의 복원력으로 인해 정지 위치로 안전하게 복귀하게 된다.
본원 제2 발명에 따른 외력 검지 센서는, 지지부, 상기 지지부에 빔으로 연결되고 단면이 직사각형인 가동 빗형상 전극을 구비한 가동부 및 미소-간격을 통하여 상기 가동 빗형상 전극에 대향하고 단면이 직사각형인 고정 빗형상 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자; 상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 제1 오목부가 설치된 상기 기능 소자를 지지하는 지지 기판; 및 상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 제2 오목부가 설치된, 상기 기능 소자를 보호하는 개기판으로 구성되고, 상기 제1 및 제2 오목부의 높이(D)는, 미소-간격(g), 상기 가동 빗형상 전극의 폭(W1), 상기 고정 빗형상 전극의 폭(W2), 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극의 높이(h)로 표현되는 다음의 식, 즉,
을 만족한다.
이러한 구성으로, 상기 가동부가 변위되는 공동은 상기 지지 기판에 형성된 제1 오목부 및 상기 개기판에 형성되어 있는 제2 오목부로 구성되고, 상기 제1 및제2 오목부의 높이(깊이)는 상기 가동부의 자연 복귀를 촉진하는 임계 한계치로 설정된다. 따라서, 상기 가동부가 충격력을 받더라도, 상기 가동부는 원래 위치로 복귀하게 되고, 상기 외력 검지 센서가 계속하여 작동한다.
본원 제3 발명에 따른 외력 검지 센서는, 지지부, 상기 지지부에 빔으로 연결되고 단면이 직사각형인 가동 빗형상 전극을 구비한 가동부 및 미소-간격을 통하여 상기 가동 빗형상 전극에 대향하고 단면이 직사각형인 고정 빗형상 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자; 상기 기능 소자를 지지하는 지지 기판; 및 상기 지지 기판의 반대측에서 상기 기능 소자에 배치된 개기판으로 구성되고, 상기 기능 소자, 상기 지지 기판 및 상기 개기판 중 어느 두 개를 가공하여 상기 빔 및 상기 가동부를 포함하는 부분에 공동이 형성되고, 상기 오목부 및 상기 공동의 높이(D)는, 미소-간격(g), 상기 가동 빗형상 전극의 폭(W1), 상기 고정 빗형상 전극의 폭(W2), 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극의 높이(h)로 표현되는 다음의 식, 즉,
을 만족한다.
상기 공동은 상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 공간이므로, 상기 기능 소자를 가공할 때, 상기 기능 소자 자체에 상기 공동을 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 기능 소자를 포함하여 상기 지지 기판이나 상기 개기판을 가공할 때,상기 가동부의 위와 아래에 공간을 형성한다. 이러한 경우에도, 상기 가동부는 충분히 기능하고, 상기 가동부가 충격력으로 인해 도약하더라도 상기 지지 기판 및 개기판이 방해물로서 작용하므로, 상기 가동 빗형상 전극은 상기 고정 빗형상 전극 위에 올려진 채로 남아 있지 않는다.
본원 제4 발명에 따른 외력 검지 센서는, 고정부, 지지부 및 상기 지지부에 빔으로 연결된 가동부를 포함하는 기능 소자; 상기 기능 소자를 지지하는 지지 기판; 및 상기 기능 소자를 보호하는 개기판으로 구성되고, 상기 지지 기판 및 상기 개기판은 상기 빔 및 가동부를 포함하는 부분에 상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 공동을 형성하면서 상기 기능 소자의 양면에서 상기 기능 소자를 끼우도록 배치되고, 단면이 직사각형인 상기 가동 빗형상 전극이 상기 가동부에 제공되고, 공통의 미소-간격을 통해 상기 가동 빗형상 전극과 함께 배치된 단면이 직사각형인 상기 고정 빗형상 전극이 상기 고정부에 제공되고, 상기 미소-간격을 통해 인접하고 있는 상기 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극이 대향하는 면에 대각선으로 위치한 모서리의 정점을 통과하는 직선을 따라 상기 가동 빗형상 전극을 이동시켜서, 대향하지 않는 쪽의 상기 가동 빗형상 전극의 표면과 고정 빗형상 전극의 표면이 동일 평면상에 위치하는 경우, 상기 가동부에서 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이가 상기 고정 빗형상 전극으로부터 먼 쪽의 상기 가동 빗형상 전극의 표면의 높이보다 같거나 작게 설정된다.
본 발명에 따르면, 상기 외력 검지 센서에 가해지는 충격력의 크기와 무관하게, 상기 가동부는 상기 공동의 상면 또는 하면과 불가피하게 충돌하기 때문에, 상기 상면 또는 하면은 방해물로서 작용한다. 이를 통해, 상기 가동부가 상기 상면 또는 하면과 충돌하고 상기 가동 빗형상 전극이 상기 고정 빗형상 전극 위로 낙하하더라도, 상기 가동 빗형상 전극은 원래의 정지 위치로 안전하게 복귀된다. 따라서, 상기 외력 검지 센서의 계속적인 사용이 용이해진다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 첨부된 도면을 참조한 다음의 기술을 통하여 명백해 질 것이다.
본 발명에 따른 실시예들을 도면을 참조하여 아래에 기술하였다.
도 1은 본 발명에 따른 외력 검지 센서의 기본 구성에 대한 개요도이다. 설명을 간단히 하기 위하여, 공동(20)과 후술할 상기 외력 검지 센서의 기능 소자 중에서 상기 공동에 배치된 가동 빗형상 전극(21) 및 두 개의 고정 빗형상 전극(31, 41)만을 도시하였다. 상기 외력 검지 센서의 세부 사항은 후에 기술하기로 한다.
도 1에서, 공동(20)은 상면(20a), 하면(20b), 우측면(20c) 및 좌측면(20d)으로 정해진다. 공동(20)의 중앙에 하나의 가동 빗형상 전극(21)이 배치되고, 상기 가동 빗형상 전극(21)의 오른쪽와 왼쪽에 두 개의 고정 빗형상 전극(31, 41)이 각각 미소-간격(g1, g2)을 통해 배치되어 상기 가동 전극(21)과 깍지끼고 있다. 가동 빗형상 전극(21)은 단면이 직사각형이고, 왼쪽 가동 표면(22), 오른쪽 가동 표면(23), 위쪽 가동 표면(24) 및 아래쪽 가동 표면(25)을 가지고 있다. 상기 왼쪽 가동 표면(22) 및 오른쪽 가동 표면(23)과 위쪽 가동 표면(24) 및 아래쪽 가동 표면(25)이 교차하여 네 개의 직각 모서리(26, 27, 28 및 29)가 형성된다. 유사하게, 고정 빗형상 전극(31, 41)도 단면이 직사각형이며, 왼쪽 고정 표면(32, 42), 오른쪽 고정 표면(33, 43), 위쪽 고정 표면(34, 44) 및 아래쪽 고정 표면(35, 45)을 가지고, 상기 왼쪽 고정 표면(32) 및 오른쪽 고정 표면(33)과 상기 위쪽 고정 표면(34) 및 아래쪽 고정 표면(35)이 교차하여 네 개의 직각 모서리(36, 37, 38 및 39)가 형성되고, 상기 왼쪽 고정 표면(42) 및 오른쪽 고정 표면(43)과 상기 위쪽 고정 표면(44) 및 아래쪽 고정 표면(45)이 교차하여 네 개의 직각 모서리(46, 47, 48 및 49)가 형성된다. 또한, 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(31, 41)의 높이(h)는 모두 동일하고, 가동 빗형상 전극(21)은 W1의 폭을 가지고, 고정 빗형상 전극(31, 41)은 각각 W2 및 W3의 폭을 갖는다.
상기 구성은 외력 검지 센서가 정지해 있는 상태를 보여준다. 가속도 또는 각속도가 상기 가동 빗형상 전극(21)에 가해지면, 가동 빗형상 전극(21)은 다음의 방향, 즉 도면상의 수평 방향(Y 방향), 도면상의 수직 방향(Z 방향), 지면에 대하여 수직 방향(X 방향) 중에서 어느 하나로 변위될 수 있다. 한편, 고정 빗형상 전극(31, 41)은 위치가 고정되어 있고, 가동 빗형상 전극(21)이 변위하면, 가동 빗형상 전극(21)과 고정 빗형상 전극(31, 41)의 서로 대향하고 있는 표면의 면적이 변화하고, 상기 가동 빗형상 전극(21)과 고정 빗형상 전극(31, 41)의 대향하는 표면 사이의 미소-간격(g1, g2)의 거리가 변화된다. 이러한 변화는, 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(31, 41)을 통해 전압이 인가될 때, 정전 용량의 변동을 야기한다.
상술한 조건하에서, 기능 소자의 가동부가 수직 방향으로 비스듬하게 충격을 받는다면, 그 결과, 가동부는 상기 공동(20) 내에서 이동하고, 상기 가동 빗형상전극(21)도 이동하게 된다. 따라서, 고정 빗형상 전극(31, 41)의 위쪽 고정 표면(34, 44) 및 아래쪽 고정 표면(35, 45)으로부터 상기 공동(20)의 상면(20a) 및 하면(20b)까지의 높이의 값이 너무 큰 경우, 상기 가동 빗형상 전극(21)이 고정 빗형상 전극(31, 41) 위에 올라가게 되거나, 고정 빗형상 전극(31, 41)을 뛰어 넘게 되어, 가동 빗형상 전극(21)이 원래의 정지 위치로 자연히 복귀하는 것이 어렵게 된다. 이러한 문제를 고려하여, 본 발명에서는 상기 가동 빗형상 전극(21)이 변위할 수 있는, 공동(20) 내의 상면(20a) 및 하면(20b)까지의 높이가 규제된다.
먼저, 가동 빗형상 전극(21)이 변위할 수 있는 범위는 양 측에 위치한 고정 빗형상 전극(31, 41)에 의하여 제한된다. 즉, 가동 빗형상 전극(21)이 고정 빗형상 전극(31, 41) 위에서 직선적으로 변위된다고 가정하면, 미소-간격(g1)을 통해 인접하고 있는 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(31)에서, 가동 빗형상 전극(21)은 미소-간격(g1)을 경유하여, 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(31)의 대향하는 면에서 대각선으로 위치한 각각의 모서리(27) 및 모서리(38)를 통과하는 직선(30)의 오른쪽 영역으로 변위될 수 있다. 다시 말해서, 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(31)의 폭을 고려하면, 가동 빗형상 전극(21)의 왼쪽 가동 표면(22)과 아래쪽 가동 표면(25)에 의해 형성되는 모서리 및 고정 빗형상 전극(31)의 오른쪽 고정 표면(33)과 위쪽 고정 표면(34)에 의해 형성되는 모서리를 통과하는 경사면의 오른쪽 영역으로 가동 빗형상 전극(21)이 변위될 수 있다. 상기 직선의 기울기는 미소-간격(g1) 및 가동 빗형상 전극(21)과 고정 빗형상 전극(31)의 높이(h)에 의하여 정해지는데, 즉 h/g1이 된다.
유사하게, 미소-간격(g2)을 통해 인접하고 있는 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(41)에서, 가동 빗형상 전극(21)의 오른쪽 가동 표면(23)과 아래쪽 가동 표면(25)에 의해 형성되는 모서리 및 고정 빗형상 전극(41)의 왼쪽 고정 표면(42)과 위쪽 고정 표면(44)에 의해 형성되는 모서리를 통과하는 경사면의 왼쪽 영역으로 가동 빗형상 전극(21)이 변위될 수 있다. 상기 영역을 절단하여 보면, 상기 영역은 미소-간격(g2)을 통해 비스듬하게(대각선으로) 위치하고 있는, 가동 빗형상 전극(21)의 모서리(29) 및 고정 빗형상 전극(41)의 모서리(46)를 통과하는 직선(40)의 왼쪽에 있다. 상기 직선의 기울기는 미소-간격(g2) 및 가동 빗형상 전극(21)과 고정 빗형상 전극(41)의 높이(h)에 의하여 정해지는데, 즉 h/g2가 된다.
고정 빗형상 전극(31, 41)의 아래로는, 가동 빗형상 전극(21)의 변위가 제한되는 영역이 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이제, 상기 가동 빗형상 전극(21)의 위쪽과 아래쪽에 있는 제한 영역을 기술하기로 한다. 가동 빗형상 전극(21)이 상기 직선(30)을 따라서 위쪽으로 이동하여,고정 빗형상 전극(41)에 대향하는 가동 빗형상 전극(21)의 오른쪽 가동 표면(23)이 고정 빗형상 전극(31)의 왼쪽 고정 표면(32)과 동일한 평면상에 위치하게 되면, 즉, 고정 빗형상 전극(31)의 위쪽 고정 표면(34)으로부터 가동 빗형상 전극(21a)의 위쪽 가동 표면(24a)까지의 높이(D1)는, 가동 빗형상 전극(21)이 위쪽으로 변위할 수 있는 한계로서 설정된다. 한계 높이(D1)는 가동 빗형상 전극(21)의 아래로도 동일하고, 공동(20)의 상면(20a) 및 하면(20b)의 높이를 D1과 같거나 작게 설정하여,가동 빗형상 전극(21)이 공동(20)의 왼쪽 영역에서 고정 빗형상 전극(31) 위에 올라간 채로 머무르지 않고, 오히려, 원래의 정지 위치로 복귀하게 된다. 즉, 고정 빗형상 전극(31)으로부터 공동(20)의 상면(20a) 및 하면(20b)까지의 높이(D1)는, 가동 빗형상 전극(21)의 폭을 W1, 고정 빗형상 전극(31)의 폭을 W2라 할 때, 다음의 식,
으로 제한된다.
또한, 공동(20)의 오른쪽 영역에서도, 앞에서와 유사하게, 가동 빗형상 전극(21)의 모서리(29)가 직선(40) 상에 위치하고, 가동 빗형상 전극(21)의 왼쪽 가동 표면(22)이 고정 빗형상 전극(41)의 오른쪽 고정 표면(43)과 동일한 평면상에 위치하는 경우, 고정 빗형상 전극(41)의 위쪽 고정 표면(44)으로부터 위쪽으로 변위된 가동 빗형상 전극(21b)의 위쪽 가동 표면(24a)까지의 높이(D2)는, 가동 빗형상 전극(21)이 변위할 수 있는 한계가 된다. 상기 한계 높이(D2)는 가동 빗형상 전극(21)의 아래에서도 동일한 높이로 설정된다. 따라서, 고정 빗형상 전극(41)으로부터 공동(20)의 상면(20a) 및 하면(20b)까지의 높이(D2)가, 상기 고정 빗형상 전극의 폭을 W3라 할 때, 다음의 식,
으로 설정되는 경우, 가동 빗형상 전극(21)은 공동(20)의 오른쪽 영역에서 고정 빗형상 전극(41) 위에 올라간 채로 남아 있지 않게 된다.
미소-간격(g1)이 미소-간격(g2)보다 작으면(g1<g2), 공동(20)의 오른쪽 영역에서의 높이(D2)가 왼쪽 영역에서의 높이(D1)보다 작게 되므로, 상기 공동(20)의 오른쪽과 왼쪽에 공통된 높이는 D2로 설정된다. 이러한 구성으로, 가동 빗형상 전극(21)은 에어 제동의 영향을 받지 않고 이동할 수 있으며, 충격력을 받아 과도하게 반응하더라도 원래의 정지 위치로 안전하게 복귀할 수 있다.
통상, 제조를 용이하게 하기 위해서, 미소-간격(g)이 동일하게 설정되고 (g1=g2), 가동 빗형상 전극(21) 및 고정 빗형상 전극(31, 41)의 폭(W)이 동일하게 설정되며(W1=W2=W3), 따라서, 고정 빗형상 전극(31, 41)으로부터 공동(20)의 상면(20a) 및 하면(20b)까지의 높이(D)는 다음의 식,
을 만족하도록 설정된다.
이제, 도 2를 참조하여 외력 검지 센서의 실시예를 설명하기로 한다. 기능 소자(50)는 실리콘 기판을 가공하여 제조되고, 가동부(50a) 및 고정부(60, 61)를 포함한다. 가동부(50a)는 프레임 형상의 지지부(51)의 중앙에 네 개의 L 형상의 빔(52)에 의해 지지되는 중량부(53)를 포함한다. 상기 가동부(50a)는 지면에 수직한 방향(Z-축 방향)으로 소정의 두께를 가지고, 상기 빔(52)은 평판 형상이다. 중량부(53)는, 양 측으로부터 도면상의 수평 방향(X-축 방향)으로 돌출되어 있으며 도면상의 수직 방향(Y-축 방향)을 따라 일정한 간격으로 배치된 복수의 판상(plate-shaped) 가동 빗형상 전극(54, 55)을 포함한다. 또한, 상기 중량부(53)의 Y-축 방향의 양 측에, Y-축 방향으로 연장된 가동 전극 지지판(56, 57)이 설치되고, 상기 지지판(56, 57)의 양 측에는, 복수의 판상 검출 가동 빗형상 전극(58, 59)이 각각 제공된다.
상기 중량부(53)의 X-축 방향의 양 측에는, 고정부(60, 61)가 각각 가동 빗형상 전극(54, 55)에 대향하여 배치된다. 상기 고정부(60, 61)에는, 복수의 판상 고정 빗형상 전극(62, 63)이 각각 제공되어, 미소-간격을 통해 각각의 가동 빗형상 전극(54, 55)과 깍지끼도록(맞물리도록) 배치된다. 즉, 가동 빗형상 전극(54, 55)의 전극 면이 고정 빗형상 전극(62, 63)의 전극 면과 미소-간격(g)을 통해 서로 직면하고 있다. 또한, 중량부(53)의 Y-축 방향의 양 측에, 검출 고정부(64, 65)가 제공되고, 상기 검출 고정부(64, 65)에는, 두 개의 고정 전극 지지판(66) 및 두 개의 고정 전극 지지판(67)이 중량부(53)를 향하여 평행하게 연장되고, 그 사이에 가동 전극 지지판(56, 57)이 각기 제공된다. 상기 고정 전극(62, 63)과 유사하게, 상기고정 전극 지지판(66, 67)에는 판상 검출 고정 빗형상 전극(68, 69)이 미소-간격을 통해 검출 가동 빗형상 전극(58, 59)과 깍지끼워져 대향하도록 형성된다. 상기 고정부(60, 61) 및 검출 고정부(64, 65)는 이들 주위에 설치된 슬릿(slit)에 의하여 지지부(51)로부터 전기적으로 분리되어 있다.
도 3에서 보듯이, 상술한 구성의 기능 소자(50)는 지지 기판(70)에 의해 지지되고, 개기판(71)에 의해 보호된다. 상기 지지 기판(70) 및 개기판(71)은, 예컨대 파이렉스 글래스 재료로 제조되고, 그 위에 높이(깊이)가 D인 오목부(72, 73)를 포함하며, 상기 오목부(72)와 오목부(73)를 대향시켜 기능 소자(50)를 사이에 끼고 있게 하여, 상기 기능 소자(50)의 빔(52) 및 가동부를 포함하는 부분에 가동부의 변위를 확보하기에 충분한 공간을 가진 공동이 형성된다. 상기 기능 소자(50)는 두께가 h인 실리콘 기판을 가공하여 제조하고, 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 고정 빗형상 전극(62, 63)은 단면이 직사각형이고, 높이가 h, 폭이 W이고, 넓은 대향면을 형성한다. 또한, 기능 소자(50)의 고정부(60, 61) 및 검출 고정부(64, 65)는, 예컨대 지지 기판(70)에 제공된 관통-홀(74)을 경유하여 외부에 전기적으로 접속된다.
이제, 상술한 외력 검지 센서의 작동을 설명하기로 한다. 통상, 지지부(51)는 접지되므로, 고정부(60, 61) 및 지지부(51)를 통해서 A.C. 전압이 인가되면, 정전기력이 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 고정 빗형상 전극(62, 63) 사이에 작용하고, 중량부(53)가 일정한 진폭으로 X-축 방향으로 진동한다. 이때, 외력 검지 센서가 중량부(53)의 중심을 통과하는 Z-축 방향에 대하여 회전력을 받으면, 코리올리힘이 Y-축 방향에 작용하여, 중량부(53)는 Y-축 방향으로 변위된다. 그리하여, 검출 가동 빗형상 전극(58, 59) 및 검출 고정 빗형상 전극(68, 69) 사이의 정전 용량이 변화된다. 따라서, 상기 검출 고정 빗형상 전극(68, 69)으로부터 변화된 정전 용량에 기인한 각속도 신호를 얻을 수 있다.
가동부(50a)가 이와 같이 동작하는 동안이나 가동부(50a)가 정지해 있는 동안에, 충격력이 중량부(53)에 가해지면, 상기 중량부(53)이 급격히 이동한다. 예를 들면, 도 2에서, X-Y 평면상의 충격력의 벡터 성분으로 인하여, 중량부(53)의 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 검출 가동 빗형상 전극(58, 59)이, 이웃하는 고정 빗형상 전극(62, 63) 및 검출 고정 빗형상 전극(68, 69)과 충돌하거나, 고정부(60, 61) 및 검출 고정부(64, 65)와 충돌한다. Z-축 방향의 벡터 성분으로 인하여, 중량부(53)가 지지 기판(70)의 하면(72)과 충돌하거나, 개기판(71)의 상면(73)과 충돌한 후, 원래의 정지 위치로 복귀한다. 또한, 중량부(53)가 Y-Z 평면상의 벡터 성분을 받는 경우, 중량부(53)가 비스듬한 방향으로 상승하거나 낙하하여 상면(73) 또는 하면(72)에 충돌하더라도, 다시 말해서, 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 검출 가동 빗형상 전극(58, 59)이 이웃하는 고정 빗형상 전극(62, 63) 및 검출 고정 빗형상 전극(68, 69) 위에 떨어지더라도, 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 검출 가동 빗형상 전극(58, 59)이 고정 빗형상 전극(62, 63) 및 검출 고정 빗형상 전극(68, 69)을 뛰어 넘지 않고, 오히려 빔(52)의 복원력에 의하여 원래의 정지 위치로 복귀한다.
도 4는 상기 외력 검지 센서의 또 다른 실시예를 보여준다. 지지 기판(75)으로 평탄한 기판이 사용되고, 도 3에서와 유사하게, 관통-홀(76)이 지지 기판에 제공된다. 기능 소자(77)는 도 3의 경우보다 더 두꺼운 실리콘 기판을 사용하여 제조되고, RIE(반응성 이온 에칭; reactive ion etching)과 같은 드라이 에칭에 의해 지지 기판(75)이 제공되는 뒷면에 깊이가 D인 오목부(78)가 형성된다. 상기 오목부(78)로 인하여, 도 3과 유사하게, 기능 소자(77)의 빔(52) 및 가동부(50a)의 두께가 h로 된다. 기능 소자(77)의 평판 형상은 도 2에서와 동일한 구성을 가지고, 개기판(71)도 동일한 구성이다. 여기서, 공동은 기능 소자(77)의 오목부(78) 및 개기판(71)의 오목부(73)에 의하여 형성된다.
도 3에서, 기능 소자(50)의 두께(h)가 40㎛로 설정되면, 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 고정 빗형상 전극(62, 63)의 폭(W)은 3㎛로 설정되고, 가동 빗형상 전극(54, 55) 및 고정 빗형상 전극(62, 63) 사이의 간격(g)은 각각 2㎛로 설정되고, 두께가 400㎛인 지지 기판(70) 및 개기판(71)에 형성된 오목부(72, 73)의 깊이(D)는 160㎛로 설정된다. 즉, 고정 빗형상 전극(62, 63)으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이의 임계 한계치는 160㎛이다.
본원 제1 발명에 따른 외력 검지 센서에서, 공동(cavity)의 상면 및 하면이 가능한 높게 형성됨에도 불구하고 높이에 대한 임계 한계치가 설정되므로, 가동부가 공동 내의 공기(또는 기체)로 인한 에어 제동의 영향을 받지 않고 작동할 수 있다. 또한, 상기 외력 검지 센서의 낙하 등에 의한 충격력이나 외력 검지 센서를 장착한 기기(apparatus)에 가해진 타격력 등으로 인해 가동부가 도약하더라도, 가동 빗형상 전극이 고정 빗형상 전극 위로 올라가지 않으므로 작동 불량을 초래하지 않고, 빔의 복원력으로 인해 가동부가 원래의 정지 위치로 안전하게 복귀한다.
또한, 외력 검지 센서의 제조할 때, 공동의 상면과 하면이 충분히 높아서, 주로 실리콘으로 구성된 기능 소자 및 글래스로 구성된 개기판의 양극 접합 공정에서, 가동부가 정전기적 인력에 의하여 개기판에 접합되는 것을 방지하여 작동 불량을 초래하지 않는다.
본원 제2 발명에 따른 외력 검지 센서에서, 공동의 상면과 하면의 임계 한계 높이가 지지 기판 및 개기판에 제공된 오목부의 높이(깊이)로 실현될 수 있으므로, 상기 지지 기판 및 개기판은 동일한 가공법을 사용하여 동일한 형상으로 형성되어, 외력 검지 센서의 제조를 간소화한다.
본원 제3 발명에 따른 외력 검지 센서에서, 공동의 일부가 기능 소자를 가공하여 얻어지므로, 오목부를 지지 기판 또는 개기판에 형성하지 않더라도, 가동부에 가해진 충격력에 대응하는 공동을 얻을 수 있다.
본원 제4의 발명에 따른 외력 검지 센서에서, 고정 빗형상 전극으로부터 공동의 상면 및 하면까지의 높이가 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극을 요소로 하여 결정되므로, 외력 검지 센서에 강한 충격력이 가해지더라도, 공동의 상면 및 하면이 방해물로서 기능하여, 외력 검지 센서의 작동이 유지될 수 있다.
본 발명을 특수한 실시예와 관련하여 기술하였지만, 다른 많은 변화, 변형 실시예 및 이용이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에서 특별히 개시한 것 뿐만 아니라 첨부된 특허청구범위에 의하여 제한되지 않는다.
Claims (6)
- 상면 및 하면을 구비한 공동(cavity)을 한정하는 지지 부재, 및상기 공동 내에 배치되고, 지지부, 가동 전극을 구비한 가동부 및 소정의 간격을 통해 상기 가동부에 대향하는 고정 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자로 구성되는 외력 검지 센서에 있어서,상기 간격을 g, 상기 가동 전극의 폭을 W1, 상기 고정 전극의 폭을 W2, 그리고 상기 가동 전극 및 상기 고정 전극의 높이를 h라고 할 때, 상기 고정 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이(D)가 다음의 식,을 만족하는 외력 검지 센서.
- 지지부, 상기 지지부에 빔으로 연결되고 단면이 직사각형인 가동 빗형상 전극을 구비한 가동부 및 소정의 간격을 통하여 어느 한 쪽에 고정 빗형상 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자;상기 기능 소자를 어느 한 쪽의 표면으로부터 지지하는 지지 기판; 및다른 쪽 표면으로부터 상기 기능 소자에 배치된 개기판;을 포함하는 외력 검지 센서에 있어서,상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 공동이 상기 빔 및 상기 가동부를 포함하는 부분에 형성되고, 상기 공동은 상면 및 하면을 구비하고,상기 간격을 g, 상기 가동 빗형상 전극의 폭을 W1, 상기 고정 빗형상 전극의 폭을 W2, 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 상기 고정 빗형상 전극의 높이를 h라고 할 때, 상기 고정 빗형상 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이(D)가 다음의 식,을 만족하는 외력 검지 센서.
- 지지부, 상기 지지부에 빔으로 연결되고 단면이 직사각형인 가동 빗형상 전극을 구비한 가동부 및 소정의 간격을 통하여 어느 한 쪽에서 상기 가동 빗형상 전극에 대향하는 단면이 직사각형인 고정 빗형상 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자;상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 제1 오목부가 설치되고, 상기 기능 소자를 지지하는 지지 기판; 및상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 제2 오목부가 설치되고, 상기 기능 소자를 보호하는 개기판;을 포함하는 외력 검지 센서에 있어서,상기 제1 오목부 및 제2 오목부는 각각 높이가 D이고, 상기 간격을 g, 상기 가동 빗형상 전극의 폭을 W1, 상기 고정 빗형상 전극의 폭을 W2, 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 상기 고정 빗형상 전극의 높이를 h라고 할 때, 상기 제1 및 제2 오목부의 높이(D)가 다음의 식,을 만족하는 외력 검지 센서.
- 지지부, 상기 지지부에 빔으로 연결되고 단면이 직사각형인 가동 빗형상 전극을 구비한 가동부 및 소정의 간격을 통하여 어느 한 쪽에서 상기 가동 빗형상 전극에 대향하는 단면이 직사각형인 고정 빗형상 전극을 구비한 고정부를 포함하는 기능 소자;상기 기능 소자를 지지하는 지지 기판; 및상기 지지 기판의 반대측에서 상기 기능 소자에 배치된 개기판;을 포함하는 외력 검지 센서에 있어서,상기 빔 및 상기 가동부를 포함하는 부분에 공동이 형성되고, 상기 공동은 상기 기능 소자, 상기 지지 기판 및 상기 개기판 중 어느 두 개 사이에 한정되고, 상기 공동은 상면 및 하면을 포함하고,상기 간격을 g, 상기 가동 빗형상 전극의 폭을 W1, 상기 고정 빗형상 전극의폭을 W2, 그리고 상기 가동 빗형상 전극 및 상기 고정 빗형상 전극의 높이를 h라고 할 때, 상기 고정 빗형상 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이(D)가 다음의 식,을 만족하는 외력 검지 센서.
- 고정부, 지지부 및 상기 지지부에 빔으로 연결된 가동부를 포함하는 기능 소자;상기 기능 소자를 지지하는 지지 기판; 및상기 기능 소자를 보호하는 개기판;을 포함하는 외력 검지 센서에 있어서,상기 지지 기판 및 상기 개기판은 상기 기능 소자의 대향하는 양면에서 상기 기능 소자를 끼우도록 배치되어, 상기 빔 및 가동부를 포함하는 부분에 상기 가동부의 변위를 가능하게 하는 공동을 형성하고, 상기 공동은 상면 및 하면을 구비하고,상기 가동부에는 단면이 직사각형인 상기 가동 빗형상 전극이 제공되고, 상기 고정부에는 공통의 간격을 통해 어느 한 쪽에서 상기 가동 빗형상 전극과 깍지끼고 있는 단면이 직사각형인 상기 고정 빗형상 전극이 제공되고,상기 간격을 통해 인접하고 있는 상기 가동 빗형상 전극 및 고정 빗형상 전극의 대향하는 면에 대각선으로 위치한 모서리들을 통과하는 직선을 따라 상기 가동 빗형상 전극을 이동시켜서, 대향하지 않는 쪽의 상기 가동 빗형상 전극의 표면과 고정 빗형상 전극의 표면이 동일 평면상에 위치하는 경우, 상기 고정 빗형상 전극으로부터 상기 공동의 상면 및 하면까지의 높이가 상기 고정 빗형상 전극으로부터 먼 쪽의 상기 가동 빗형상 전극의 표면의 높이보다 같거나 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 외력 검지 센서.
- 제2항 내지 제5항 중 어느 하나에 있어서, 반대쪽에서 상기 고정 빗형상 전극에 대향하고 단면이 직사각형인 부가 고정 빗형상 전극을 더 포함하고, 상기 부가 고정 빗형상 전극의 폭을 W3라고 할 때, 상기 높이(D)가의 관계식을 만족하는 외력 검지 센서.
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