KR100549275B1 - 진동 센서 유닛 및 이 유닛의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진동 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미소 전기 기계 시스템(MEMS) 기술을 이용한 진동 센서 유닛 및 이 유닛의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 진동 센서 유닛은 상부가 개방되고 상광하협의 경사면을 포함하는 홈부와 이 홈부의 경사면에 상호 절연되게 형성되어 있는 전도성 박막을 포함하는 웨이퍼와, 상기 전도성 박막에 연결되어 전원을 공급하는 리드 선과, 상기 홈부의 경사면에 안착되어 상기 전도성 박막 간의 전류를 도통시키며 외부 충격에 따른 진동 발생 시 경사면에서 떨어져 전도성 박막 간의 전기 흐름을 차단시키는 전도성 구를 포함한다.
진동, 바이브레이터, 멤스, MEMS, 실리콘 웨이퍼
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진동 센서 유닛의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2은 도 1에 도시된 A-A선 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 진동 센서 유닛의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 진동 센서 유닛의 작동 상태를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 웨이퍼
11 : 홈부
111 : 경사면
12 : 전도성 박막
3 : 리드 선
5 : 전도성 구
7 : 지지 기판
9 : 케이스
본 발명은 진동 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미소 전기 기계 시스템(MEMS) 기술을 이용한 진동 센서 유닛 및 이 유닛의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 MEMS( Micro Electro Mechanical Systems) 기술과 반도체 집적화 기술에 기반한 신호처리회로 기술을 이용한 3차원 미세가공 기술이 급속히 발전함으로써, 센서는 저가격화와 더불어 고성능화 및 지능화되고 있다.
센서란 측정 대상물로부터 정보를 감지하여 전기적 신호로 변환해주는 소자로서, 그 응용 분야가 워낙 광범위 해 일상생활에서 삶의 질 향상이나 산업현장에서 각종 가전기기뿐만 아니라 FA 및 로봇, 공해 방지 및 각종 방재기기, 자동차 및 항공기 등의 운송 수단, 우주 및 해양 탐사, 의료 기술 등 다양한 분야에 정밀 계측 및 자동화에 필수적인 핵심 기술로 사용된다.
본 발명은 이러한 센서들 중 진동 센서에 관한 것이다. 일반적으로 진동 센서라 함은 외부로부터 충격이 가해지거나 또는 충격 이외의 자극에 의해 진동이 감지되면, 진동에 의해서 발생되는 압전 효과를 이용하여 감지된 진동을 전압으로 변환하여 전기 신호를 출력하여 기기 등에서 발생되는 진동을 감지한다.
이러한 진동 센서의 구성을 살펴보면, 전도체로 구성되며 관 형상의 몸체부와, 이 몸체부의 양단을 밀폐하는 절연체로 구성된 탭과, 이 탭을 관통하는 리드 선 및 상기 몸체부 내부에서 이동 가능하며 상기 몸체부와 리드 선에 접촉 가능하 도록 되어 있는 전도체로 구성된 이동체를 포함한다.
이와 같은 구성에 따라 진동 센서는 이동체를 통해 전기적으로 도통되어 있는 상태를 유지하게 된다. 이 때 외부로부터 충격이 가해지는 경우 이 충격에 의해 진동센서의 이동체가 탭에서 순간적으로 떨어지면서 전기의 흐름이 단전되는데, 이 신호를 통해 진동 유무를 감지하게 되는 것이다.
그러나 상기한 구성을 가지는 종래의 진동 센서는 간단한 구조임에도 초소형화에는 어려움이 있어 사용 범위가 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 부피를 최소화하여 다양한 응용분야에 사용할 수 있는 진동 센서 유닛 및 이 유닛의 제조 방법를 제공하는데 목적이 있다.
그리고 본 발명은 제조비용을 절감하고 대량 생산이 용이한 진동 센서 유닛 및 이 유닛의 제조 방법를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동 센서 유닛은 상부가 개방되고 상광하협의 경사면을 포함하는 홈부와 이 홈부의 경사면에 상호 절연되게 형성되어 있는 전도성 박막을 포함하는 웨이퍼와, 상기 전도성 박막에 연결되어 전원을 공급하는 리드 선과, 상기 홈부의 경사면에 안착되어 상기 전도성 박막 간의 전류를 도통시키며 외부 충격에 따른 진동 발생 시 경사면에서 떨어져 전도성 박막 간의 전기 흐름을 차단시키는 전도성 구를 포함한다.
이와 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 진동 센서 유닛은 미소 전기 기계 시스템 기술에 의해 가공된 수백 ㎛의 두께를 가지는 실리콘 웨이퍼 상에서 구현되는 초소형으로 제작됨에 따라 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 대량 생산이 용이하고 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명의 다른 양상에 따른 진동 센서 유닛의 제조 방법은 절연막과 실리콘으로 적층된 웨이퍼에 상광하협의 경사면을 포함하는 홈부를 형성하는 단계와, 상기 웨이퍼의 상면에 전도성 박막을 형성하는 단계와, 상기 전도성 박막이 상호 절연되게 식각하여 상기 웨이퍼 상에 전극을 형성하는 단계와, 상기 전극이 형성된 웨이퍼를 지지 기판에 부착하는 단계와, 상기 전극에 전기가 인가되도록 전극과 지지 기판 사이에 리드 선을 연결하는 단계와, 상기 홈부에 전도성 구를 안착하고, 전도성 구를 포함하는 웨이퍼를 커버하도록 케이스를 지지 기판에 부착시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진동 센서 유닛의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2은 도 1에 도시된 A-A선 단면도이다.
본 발명에 따른 진동 센서 유닛은 진동 센서에 포함되는 것으로, 일반적으로 진동 센서는 본 발명에 따른 진동 센서 유닛과 같이 진동 유무를 검출하는 감지부와 이 감지부로 전원을 인가하는 전원부 및 감지부로부터 입력되는 전기 신호에 따 라 진동 유무를 출력하도록 하는 주 회로부로 구성된다. 그리고 나아가 주 회로부로부터 입력되는 진동 신호에 따라 점명 또는 점등되는 출력 수단을 포함할 수도 있다.
본 발명은 상기와 같이 구성된 진동 센서의 구성 요소들 중에서 진동 유무를 검출하는 진동 센서 유닛에 관한 것이다.
즉 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 진동 센서 유닛은 상부가 개방되고 상광하협의 경사면(111)을 포함하는 홈부(11)와 이 홈부의 경사면(111)에 상호 절연되게 형성되어 있는 전도성 박막(12)을 포함하는 웨이퍼(1)와, 전도성 박막(12)에 각각 연결되어 전원을 공급하는 리드 선(3)과, 홈부의 경사면(111)에 안착되어 전도성 박막(12) 간의 전류를 도통시키며 외부 충격에 따른 진동 발생 시 경사면(111)으로부터 떨어져 전도성 박막(12) 간의 전기 흐름을 차단시키는 전도성 구(5)를 포함한다.
웨이퍼(1)는 절연막과 실리콘 층으로 이루어진 것으로, 미세 전기 기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems, 이하 "MEMS"라 한다) 기술에 의해 홈부(11) 및 전극 역할을 하는 전도성 박막(12)이 형성된다.
본 발명의 실시예에 있어서 MEMS는 전기와 기계 부품을 초소형으로 일체화하여 만드는 기술로 미소크기의 기계적인, 그리고 전기적인 구조체가 결합되어 새로운 기능을 하게 되는 시스템을 제작하는 것을 통틀어서 말한다.
다시 말해 MEMS는 모든 구조체를 미세 가공 기술(micro-machining technology)을 이용하여 Si 웨이퍼 위에 제작이 가능하도록 하여 시스템을 하나의 칩에 제작할 수 있는 시스템 원 칩의 실현을 가능하게 한다.
이러한 MEMS는 본건 출원일 이전에 이미 공지된 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편 웨이퍼(1) 상에 형성되어 있는 홈부(11)는 전술한 MEMS 기술에 의해 가공된 것으로, 전도성 구(5)가 안착되도록 형성된다. 즉 전도성 구(5)의 일부가 홈부에 접촉되는데, 이 때 홈부(11)는 상부의 폭이 하부의 폭보다 상대적으로 큰 상광하협의 구조로 이루어져 경사면(111)을 포함한다. 그리고 이 경사면(111)에는 상호 절연되게 이격되어 전극 역할을 하는 전도성 박막(12)이 형성되어 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 경사면에 형성되는 전도성 박막(12)은 알루미늄으로 형성된 것으로 식각을 통해 형성된 것으로, 이 전도성 박막(12)에는 외부 전원이 인가되는 리드 선(3)이 연결되어 있다.
그리고 홈부의 경사면에 안착되는 전도성 구(5)는 진동의 발생 유무에 따라 상호 절연 상태를 유지하는 전도성 박막(12) 간의 전기 흐름을 단속하는 스위치 역할을 한다.
이에 따라 본 발명에 따른 진동 센서 유닛은 진동 발생의 유무에 따라 전극인 역할을 하는 전도성 박막에 접촉되어 있는 전도성 구가 경사면으로부터 떨어지거나 붙게 되어 진동 유무를 검출한다.
그리고 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 진동 센서 유닛은 웨이퍼(1)의 하부에 부착되어 웨이퍼(1)를 지지하는 지지 기판(7)과 이 지지 기판(7)에 부착되어 전도성 구(5)를 포함하는 웨이퍼(1)를 커버하는 케이스(9)를 더 포함한다.
지지 기판(7)은 일 실시예에 있어서 금속 배선 패턴이 형성되어 있는 플렉시블한 인쇄 회로 기판일 수도 있다. 이 경우 전도성 박막(12)에 연결되어 있는 리드 선(3)의 타단이 금속 배선 패턴에 연결되어 전도성 박막에 전기를 인가하게 된다.
다른 실시예에 있어서 지지 기판(7)은 금속판일 수도 있으며, 나아가 절연판으로 구성될 수도 있다. 이와 같이 절연판으로 구성되는 경우에는 이 절연판에 부착되는 케이스의 일측에는 전도성 박막에 연결되는 리드 선이 외부로 인출되게 관통 홀이 형성되어 있다.
그리고 케이스(9)는 지지 기판(7)에 부착되어 전도성 구(5)가 홈부(11)로부터 완전 이탈되는 것을 방지하도록 진동 센서 유닛을 커버한다. 이 때 케이스(9)와 전도성 구(5) 사이에는 미세한 간격이 형성되어 진동 발생 시 전도성 구(5)가 이동가능하게 된다.
이와 같이 지지 기판에 케이스가 부착됨에 따라 본 발명에 따른 진동 센서 유닛은 초소형으로 제작되는 전도성 구가 진동에 의해 홈부 밖으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
한편 도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 진동 센서 유닛의 제조 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 진동 센서 유닛의 웨이퍼는 상하부에 절연막이 형성되어 있으며 그 사이에 실리콘 산화막을 통해 절연되는 실리콘으로 형성된 웨이퍼를 사용한다.
우선 먼저 상기한 바와 같이 구성된 웨이퍼(1)에 도 3b에 도시된 바와 같이 상광하협의 경사면(111)을 포함하는 홈부(11)를 형성한다. 즉 홈부가 형성되는 위 치의 실리콘 웨이퍼의 상면에 형성되어 있는 절연막을 마스크(Mask)를 이용하여 식각한 다음, 외부로 노출된 실리콘을 식각한다. 그리고 실리콘 위에 형성되어 있는 절연막을 모두 제거함으로써, 전도성 구가 안착되는 홈부(11)가 형성된다.
그리고 홈부가 형성된 웨이퍼의 상면에 전도성 박막(12)을 형성한다. 즉 도 3c에 도시된 바와 같이 홈부가 형성된 실리콘의 상면에 알루미늄을 형성한다. 그리고 도 3d에 도시된 바와 같이 전도성 박막(12)인 알루미늄 박막이 상호 절연되게 식각하여 웨이퍼 상에 전극을 형성한다.
즉 전도성 박막(12)이 형성된 웨이퍼(1) 상면에 PR을 도포한 다음, 마스크를 이용하여 경사면(111) 및 웨이퍼 상면의 불필요한 부분에 해당하는 PR을 제거하고 PR이 제거된 부분의 알루미늄을 식각한다. 이에 따라 경사면(111)에 형성되는 전도성 박막(12)은 상호 이격되게 형성되어 절연 상태를 유지하게 된다.
이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이 전극이 형성된 웨이퍼를 지지 기판(7)에 부착 고정한 다음, 전도성 박막(12)과 지지 기판(7)의 금속 배선 사이를 리드 선(3)을 이용하여 전기적으로 연결한다. 그리고 홈부의 경사면(111)에 안착되도록 가공된 전도성 구(5)를 홈부의 경사면에 안착한 다음, 전도성 구(5)를 포함하는 웨이퍼(1)를 커버하도록 케이스(9)를 지지 기판(7)에 부착함으로써, 진동 센서 유닛이 제조된다.
이하에서는 상기와 같은 방법을 통해 제조된 진동 센서 유닛의 작동 상태를 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이 진동이 발생되지 않는 경우 본 발명에 따른 진동 센서 유닛을 전기를 도통시킨다. 즉 홈부의 경사면(111)에 형성되어 있는 전도성 박막(12)들이 홈부의 경사면(111)에 안착되는 전도성 구(5)에 의해 도통되어 전기가 흐르게 된다.
그러나 만약 외부로부터 충격이 발생하게 되면, 그 충격에 따른 진동에 의해 홈부의 경사면(111)에 안착되어 있는 전도성 구(5)가 순간적으로 떨어지게 되어 전도성 박막(12)에 흐르는 전기의 흐름이 차단된다.
이에 따라 진동 센서 유닛을 포함하는 진동 센서는 진동 센서 유닛으로부터 검출되는 전기 신호에 따라 진동 유무를 감지하게 되는 것이다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 진동 센서 유닛 및 이 유닛의 제조 방법은 미소 전기 기계 시스템 기술에 의해 가공된 수백 ㎛의 두께를 가지는 실리콘 웨이퍼 상에서 구현되는 초소형으로 제작됨에 따라 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 대량 생산이 용이하고 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
그리고 케이스를 이용하여 진동 센서 유닛을 커버함으로써, 초소형으로 제작되는 전도성 구가 진동에 의해 홈부 밖으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
Claims (3)
- 상부가 개방되고 상광하협의 경사면(111)을 포함하는 홈부(11)와 이 홈부의 경사면(111)에 상호 절연되게 형성되어 있는 전도성 박막(12)을 포함하는 웨이퍼(1)와;상기 전도성 박막(12)에 연결되어 전원을 공급하는 리드 선(3)과;상기 홈부의 경사면(111)에 안착되어 상기 전도성 박막(12) 간의 전류를 도통시키며, 외부 충격에 따른 진동 발생 시 홈부의 경사면(111)에서 떨어져 전도성 박막(12) 간의 전기 흐름을 차단시키는 전도성 구(5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 센서 유닛.
- 제 1 항에 있어서,상기 웨이퍼(1)의 하부에 부착되어 웨이퍼(1)를 지지하는 지지 기판(7)과,상기 지지 기판(7)에 부착되어 상기 전도성 구(5)가 상기 홈부(11)로부터 완전 이탈되는 것을 방지하도록 커버하는 케이스(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 센서 유닛.
- 절연막과 실리콘으로 적층된 웨이퍼에 상광하협의 경사면을 포함하는 홈부를 형성하는 단계와;상기 웨이퍼의 상면에 전도성 박막을 형성하는 단계와;상기 전도성 박막이 상호 절연되게 식각하여 상기 웨이퍼 상에 전극을 형성하는 단계와;상기 전극이 형성된 웨이퍼를 지지 기판에 부착하는 단계와;상기 전극에 전기가 인가되도록 전극과 상기 지지 기판의 금속 배선 사이에 리드 선을 연결하는 단계와;상기 홈부의 경사면에 전도성 구를 안착하고, 전도성 구를 포함하는 웨이퍼를 커버하도록 케이스를 지지 기판에 부착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 센서 유닛의 제조 방법.
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