KR100572816B1 - 미소기계적 콤 구조체 및 이를 포함하는 장치 및 가속 센서 - Google Patents

미소기계적 콤 구조체 및 이를 포함하는 장치 및 가속 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 미소기계적 콤 구조체는 복수의 제 1 분지부(prong)를 포함하는 제 1 콤 장치와, 복수의 제 2 분지부를 포함하는 제 2 콤 장치를 포함한다. 제 1 콤 장치의 분지부들과 제 2 콤 장치의 분지부들은 측정 커패시터를 형성하기 위해 쌍으로 측방향으로 나란히 배열되도록 서로 맞물린다. 상기 콤 장치들 중 적어도 하나의 분지부들은 상기 분지부들의 기계적 고유 주파수의 변화를 형성하도록 설계된다.
제 1 콤 장치, 제 2 콤 장치, 분지부, 제 1 아암, 제 2 아암

Description

미소기계적 콤 구조체 및 이를 포함하는 장치 및 가속 센서{Micromechanic comb structure}
도 1은 본 발명에 따른 미소기계적 콤(comb) 구조체의 실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 미소기계적 콤 구조체에 있어서 이중 아암 구조를 갖는 분지부(prong)의 구성을 도시하는 실시예의 도면.
도 3a는 도 2에 도시된 본 발명에 따른 콤 구조체 또는 도 4 및 도 5에 도시된 종래의 콤 구조체를 구비한 가속 센서의 여기시에, 여기 주파수에 대한 진폭을 도시하는 보드(Bode) 다이어그램.
도 3b는 상기 가속 센서의 여기시에, 여기 주파수에 대한 위상을 도시하는 보드(Bode) 다이어그램.
도 4는 가속 센서의 종래의 미소기계적 콤 구조체의 제 1 구성을 도시한 개략도.
도 5는 가속 센서의 종래의 미소기계적 콤 구조체의 제 2 구성을 도시한 개략도.
도 6은 미소기계 구동부의 종래의 통상적인 콤 구조체의 구성을 도시한 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명*
10 : 제 1 콤 장치 20 : 제 2 콤 장치
101-105, 201-205, 300 : 분지부 301 : 제 1 아암
302 : 제 2 아암 303,305 : 연결 웨브
본 발명은 미소기계적 콤 구조체, 특히 복수개의 분지부를 갖는 제 1 콤 장치와 복수개의 분지부를 갖는 제 2 콤 장치를 포함한 미소기계적 콤 구조체에 관한 것이다. 여기서 상기 제 1 및 제 2 콤 장치의 분지부들은 서로 맞물려서 각 센서 커패시터 및/또는 액츄에이터 커패시터를 구성하도록 장착된다.
본 발명이 임의의 미소기계적 콤 구조체에 적용될 수 있기는 하지만 본 발명 및 그 목적은 미소기계적 가속 센서와 관련하여 설명된다.
도 4는 종래의 용량적 횡측정형 가속 센서의 일부로서 종래의 미소기계적 콤 구조체를 도시하고 있다. 종래의 가속 센서는 나선형 스프링(1)에 의해서 운동 가능하도록 앵커(anchor, 2)와 연결되어 있는 진동 질량체(seismic mass; 3)를 구비한다.
도면부호 11a는 제 1 고정 콤 구조체를 나타내며, 도면부호 11b는 제 2 고정 콤 구조체를 나타낸다. 상기 콤 구조체들은 각각 상기 가동성 진동 질량체(3)에 설치된 콤 구조체들(8a,8b)에 대하여, 제 1 고정 콤 장치(11a)의 분지부들(111)과 제 2 고정 콤 장치(11b)의 분지부들(112)이 쌍을 이루어 상기 콤 구조체들(8a,8b)의 분지부들(80,81) 옆에 배치되어 각각의 측정 커패시터를 구성하도록 배열되어 있다.
이와 같은 용량 측정 가속 센서들은 통상적으로 길이가 같으며 구성이 같은 분지부를 갖는, 대체적으로 볼 때 동일한 콤 구조체들(8a,8b,11a,11b)을 구비하고 있다.
상기 측정 커패시터의 유효 용량의 적은 변화를 평가할 수 있도록, 고주파 전기 신호, 예를 들어 20kHz 내지 2MHz에 달하는 전기 신호를 상기 측정 커패시터에 인가한다. 직각형-펄스, 삼각형-펄스 및 유사한 평가 신호들의 스펙트럼은 훨씬 높은 주파수를 갖는다.
기본 모드, 즉 감지 방향(6)의 소자의 기계적 공진 주파수(가속도를 측정하기 위한 소정의 변위)는 가속도 범위에 따라 수백 Hz 내지 수 kHz에서 약 20 MHz 사이의 범위를 갖는다.
상기 콤 구조체들(8a,8b,11a,11b)은 분리되어 배치되기 때문에 독자적으로 운동 가능하다. 따라서 조금 더 높은 주파수의 기계적 모드(9), 이른바 "분지 모드(prong mode)"가 발생한다. 하나의 분지부의 고유 공진수는 기히학적 형상에 따라, 20 kHz 과 1 MHz의 사이인데, 이는 정확하게 전기적 평가 주파수 대역 내에 있게 된다.
전기적 여기 전압은 이미 알려진 바와 같이 커패시터 기판들 사이에서 정전력을 야기한다. 상기 분지부들의 고유 주파수가 전기 평가 주파수 또는 그의 스펙트럼 성분과 일치하는 경우, 상기 분지부들에 공진 진동이 유발되고, 이것은 상당한 평가 에러를 발생할 수 있는데, 그 이유는 전자 장치가 고유 진동과 외부 가속도로 인한 진동을 구분할 수 없기 때문이다. 그러한 영향으로 인해 발진기의 주파수가 온도에 대해 안정하지 않으므로, 센서들의 온도 응답도 심하게 영향을 받을 수 있다.
도 5는 가속 센서의 종래의 미소기계적 콤 구조체의 제 2 구성을 도시한 개략적 도면이다.
도 5에서 도 4와 동일한 부품은 동일한 도면부호로 표시하였다. 추가적으로 도 5에 따른 제 2 구성에서는 제 3 및 제 4 고정 콤 구조체들(12a,12b)이 구비되어 있다. 따라서 상기 진동 질량체(3)의 가동성 콤 구조체들(8a,8b)과 상기 고정 콤 구조체들 사이에는 제 1 및 제 2 측정 커패시터들(4,5)이 도 4에 따른 구성에서와 유사하게 미분 측정(differential measurement)을 위해 제공되어 있다.
도 3a 및 3b는 도 4 및 도 5에 따른 종래의 콤 구조체를 구비하는 가속 센서의 여기시의 보드 다이어그램이다. 특히, 도 3a는 여기 주파수에 대한 진폭을 나타내고 도 3b는 여기 주파수에 대한 위상을 도시하고 있다.
도 3a 및 3b에서 유효 모드의 공진 주파수는 도면부호 16으로 표시하였고, 상기 분지부 또는 아암의 공진 주파수는 도면부호 17로, 그리고 개방 루프 게인(gain)은 도면부호 18로 표시하였다.
특히 폐루프 위치 제어 또는 힘 보상(force compensation)이라고도 하는 폐루프 측정 방법에서는, 폐루프가 종래의 콤 구조체에서 도 3에 도시된 바와 같이 불안정할 수 있다. 상기 분지부들의 공진 첨예도(resonance sharpness)가 0 dB-라인을 넘기 때문에, 상기 루프는 폐쇄시에 점(17 또는 17')에서 불안정하다. 다시 말해 상기 루프는 더 이상의 어떠한 진폭 여유도 갖지 않는다. 따라서 상기 루프는 적은 루프 게인으로 폐쇄될 수 있으나, 개방 루프 측정 방법 이상의 장점을 갖지는 않는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 시도로서 약 100 Hz의 차단 주파수를 갖는 로우-패스(low pass)가 라인 측부상에 연결된 아날로그 장치의 가속도 센서 ADLX50를 개발하였다. 이것은 상기 루프를 폐쇄하기는 하지만, 충분히 낮은 주파수에서만 가능하다.
도 6은 미소기계 구동부의 종래의 미소기계적 콤 구조체의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 6에서 도 4 및 도 5에서와 동일한 또는 기능이 동일한 부품은 동일한 도면부호로 표시하였다. 또한, 가동 질량체는 도면부호 13으로, 소정의 운동 방향은 도면부호 14로, 기생 분지 모드(parasitic prong mode)는 도면부호 15로 나타내었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 분지부(80)는 나선형 스프링(1)의 저항에 대항하여 분지부들(111) 사이에서 운동 방향(14)으로 인장된다.
삭제
여기 주파수와 관련된 전술한 단점들은 동일하거나 또는 유사한 방식으로 도 6에 도시된 바와 같은 형태의 용량성 콤 구동 장치에 적용된다.
본 발명에 따른 미소기계적 콤 구조체는 고유 주파수의 분배에 의해 스펙트럼 방해 영역의 형성을 방지한다는 장점을 갖는다.
본 발명의 미소기계적 콤 구조체에서는 상기 콤 장치들 중 적어도 하나의 분지부(들)가 상기 분지부들의 기계적 고유 주파수를 변화시키도록 구성된다. 따라서, 고유 주파수의 폭넓은 분배는 기계적 고유 주파수의 여기가 측정 또는 구동 목적의 유효 모드에서 커패시터의 고주파 여기를 간섭하는 것을 방지한다.
본 발명에 따르면, 변위는 상기 폐루프 방법에서 높은 주파수에서 조차 "0"으로 리셋될 수 있으며, 따라서 보다 우수한 동적 특성을 얻을 수 있다.
분지부들 또는 아암들의 고유 주파수를 분류 또는 분배함으로써, 다르게 분류된 고유 주파수들의 다양성 의해 분지 모드(간섭 모드)의 진폭은 감소한다. 다시 말하면, 최대값은 도 3a 및 도 3b의 간섭 모드(interference mode)에 따라 연장한다. 따라서 최대값은 평가 방법에 있어서는 더 이상 아무런 의미도 없다. 따라서, 폐루프 평가시에 더많은 진폭 여유가 얻어지며, 소정의 높은 루프 게인으로 상기 루프를 폐쇄할 수 있다.
동일한 것이 고주파 신호들로 인해 발생하는 상기 평가 에러에도 적용된다. 상기 에러는 선택된 분류(stagger)의 수에 의해 감소된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 콤 장치들 중의 적어도 하나의 분지부들은 가변 기하학적 형상, 가변적 길이 및/또는 폭 및/또는 높이를 갖는다. 이는 기계적 고유 주파수 스펙트럼을 확장시키기 위해 사용되는 공정 기술 관점에서 매우 적합한 방법이다.
삭제
본 발명의 적합한 다른 실시예에 따르면, 상기 콤 장치들 중의 적어도 하나의 분지부들은 가변적 재료 구조를 갖는다. 이는 예를 들어 상기 분지부들상에 추가 재료를 적층시켜 질량을 변화시킴으로써 성취될 수 있다.
본 발명의 적합한 또 다른 실시예에 따르면, 각각 두 개의 나란히 놓인 한쌍의 분지부들이 동일한 기하학적 형상을 가지며, 상기 쌍을 구성하는 둘 중 하나는 제 1 콤 장치에 그리고 다른 하나는 제 2 콤 장치에 속한다.
본 발명의 적합한 또 다른 실시예에 따르면, 분지부들의 길이가 상기 각각의 콤 장치의 일단에서의 제 1 값으로부터 콤 장치의 중앙부에서의 제 2 값으로 점차 증가하고, 거기서부터 타단으로 갈수록 다시 제 1 값으로 점차 감소한다.
본 발명의 적합한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 분지부들 중 적어도 일부가 제 1 및 제 2 분지부들과 그 사이에 위치한 적어도 하나의 연결 웨브(connecting web)들과 함께 이중 아암 구조를 갖는다. 이것은 예를 들어 연결 웨브의 위치와 개수를 서로 달리 함으로써 기계적 고유 주파수들을 동조시키기 위한 공정 기술상의 관점에서 볼 때 매우 적합한 방법이다.
본 발명에 따른 미소기계적 콤 구조체가 임의의 유형의 미소기계 콤 구조체로 사용될 수 있지만, 미소기계적 콤 및 그 기본 원리는 미소기계적 가속도 센서와 관련해서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 미소기계적 콤 구조체의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 도면부호 10은 제 1 콤 장치를 나타내며, 도면부호 20은 제 2 콤 장치를 나타내며, 도면부호 101-105는 제 1 콤 장치(10)의 분지부를 나타내며, 도면부호 201-205는 제 2 콤 장치(20)의 분지부를 나타낸다.
상기 제 1 콤 장치(10)의 분지부들(101 내지 105)과 제 2 콤 장치(20)의 분지부들(201-205)은 분지부들이 쌍으로 나란히 배열됨으로써 각각의 측정 커패시터를 형성하는 방식으로 서로 맞물려 있다.
상기 콤 장치들(10,20)의 분지부들(102-105, 201-205)은, 각각 두 개의 나란히 위치한 분지부들(101,201;102,202;103,203;104,204;105,205)로 이루어진 분지부쌍들이 동일한 기하학적 형상을 가지며, 각각의 쌍을 구성하는 분지부들 중 하나는 제 1 콤 장치(10)에 속하고 다른 하나는 제 2 콤 장치(20)에 속하도록 설계된다. 상기 분지부들의 길이는 각각의 콤 장치들(10,20)의 일단에서의 제 1 값으로부터 각각의 콤 장치들(10,20)의 중앙부에서 제 2 값으로 점차적으로 증가하며, 거기서부터 타단으로 갈수록 다시 점차적으로 제 1 값으로 감소한다.
그 결과, 상기 분지부들(101-105 및 201-205)의 기계적 고유 주파수들은 변화된다.
도 2는 본 발명에 따른 미소기계적 콤 구조체에 있어서 이중 아암 구조를 갖는 분지부의 구성을 나타내는 실시예이다.
도 2에서 도면부호 300은 이중 아암 구조를 가진 분지부를 나타내며, 도면부호 301은 제 1 아암(또는 분지부), 도면부호 302는 제 2 아암, 도면부호 303은 상기 분지부(300)의 단부에 위치한 연결 웨브를 나타내며, 도면부호 305는 상기 분지부(300)의 중앙에 위치한 연결 웨브를 나타낸다.
본 실시예에 있어서 각각의 고유 주파수는 상기 연결 웨브의 위치 또는 길이를 변화시킴으로써 간단하게 조절될 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 콤 구조체를 구비한 가속 센서의 여기 상태시의 보드 다이어그램을 도시한다. 특히, 도 3a는 여기 주파수에 대한 진폭을 도시하고, 도 3b는 여기 주파수에 대한 위상을 도시한다.
도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 영역(19)에서의 분지 모드들은 분배되어 있으며, 더 이상 점(17)에 집중되지 않으며, 위상의 급변동이 더 이상 발생하지 않는다. 따라서, 상기 고유 주파수들은 측정 또는 폐루프 제어 방법에 방해 작용을 하지 않는다.
이상에서 본 발명을 적합한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 이것에 국한되지 않으며 오히려 여러가지 방식으로 변형이 가능하다.
특히, 상기 콤 분지부들의 강도는 기하학적 형상과 재료 구성을 변화시킴으로써, 예를 들면, 길이 및/또는 폭 및/또는 높이 등을 변화시킴으로써, 변경될 수 있다.
비록 도 1에 따르면 동일한 기하학적 형상을 갖는 분지부쌍들이 도시되어 있으나, 그와 같은 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 예를 들면, 상기 분지쌍들 내에서 조차 다양한 기하학적 형상의 변경이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 콤 구조체는 고가의 비용을 들여 변경하지 않고서도 종래에 사용되었던 마이크로콤 구조체들 모두에 적용 가능하다.

Claims (10)

  1. 복수의 제 1 분지부(prong)를 포함하는 제 1 콤 장치; 및
    복수의 제 2 분지부를 포함하는 제 2 콤 장치를 포함하고,
    상기 제 1 분지부들은 상기 제 2 분지부들과 맞물려 센서 커패시터와 액추에이터 커패시터 중 적어도 하나를 형성하고, 상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들은 서로에 대해 가동적이며,
    상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나는 강도를 변화시킴으로써 상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나의 기계적 고유 주파수의 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분지부들과 제 2 분지부들 중 적어도 하나는 가변적 기하학적 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가변적 기하학적 형상은 가변 길이, 가변 폭 및 가변 높이 중 적어도 하나에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나는 가변적 재료 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분지부들 중 하나와 상기 제 2 분지부들 중 하나는 동일한 기하학적 형상을 가지며, 인접한 분지부들의 쌍을 형성하는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분지부들은 상기 제 1 콤 장치의 제 1 단부의 제 1 소정 길이로부터 상기 제 1 콤 장치의 중앙부의 제 2 소정 길이로 점진적으로 증가하고,
    상기 제 1 분지부들은 상기 제 1 콤 장치 중앙부의 제 2 소정 길이로부터 상기 제 1 콤 장치의 제 2 단부 방향으로 상기 제 1 소정 길이로 점진적으로 감소하며,
    상기 제 2 분지부들은 상기 제 2 콤 장치의 제 1 단부의 제 1 소정 길이로부터 상기 제 2 콤 장치 중앙부의 제 2 소정 길이로 점진적으로 증가하고,
    상기 제 2 분지부들은 상기 제 2 콤 장치 중앙부의 제 2 소정 길이로부터 상기 제 2 콤 장치의 제 2 단부 방향으로 상기 제 1 소정 길이로 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나는 이중 아암 구조를 갖는 적어도 하나의 부분을 가지며,
    상기 이중 아암 구조는 제 3 분지부, 제 4 분지부 및 상기 제 3 및 제 4 분지부 사이에 배치되는 적어도 하나의 연결 웨브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 콤 장치와 상기 제 2 콤 장치는 함께 미소기계적 가속 센서를 형성하는 것을 특징으로 하는 미소기계적 콤 구조체.
  9. 미소기계적 콤 구조체를 포함하는 미소기계적 가속 센서로서,
    상기 미소기계적 콤 구조체는,
    복수의 제 1 분지부를 갖는 제 1 콤 장치와, 복수의 제 2 분지부를 갖는 제 2 콤 장치를 포함하고, 상기 제 1 분지부들이 상기 제 2 분지부들과 맞물려 센서 커패시터 및 액추에이터 커패시터 중 적어도 하나를 형성하며,
    상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나는 강도를 변화시킴으로써 상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나의 기계적 고유 주파수의 변화를 제공하는 미소기계적 가속 센서.
  10. 미소기계적 콤 구조체를 포함하는 미소기계적 구동 장치로서,
    상기 미소기계적 콤 구조체는,
    복수의 제 1 분지부를 갖는 제 1 콤 장치와, 복수의 제 2 분지부를 갖는 제 2 콤 장치를 포함하고, 상기 제 1 분지부들이 상기 제 2 분지부들과 맞물려 센서 커패시터 및 액추에이터 커패시터 중 적어도 하나를 형성하며,
    상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나는 강도를 변화시킴으로써 상기 제 1 분지부들과 상기 제 2 분지부들 중 적어도 하나의 기계적 고유 주파수의 변화를 제공하는 미소기계적 구동 장치.
KR1019990006449A 1998-02-28 1999-02-26 미소기계적 콤 구조체 및 이를 포함하는 장치 및 가속 센서 KR100572816B1 (ko)

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