KR100574510B1 - 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 그 제조방법 - Google Patents

멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

MEMS 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 그 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 MEMS 공정을 이용한 자기부상 구조물은 웨이퍼 기판으로 이루어진 외부 구조물, 및 외부 구조물 내부의 소정 영역을 제거하여 형성된 소정 형태의 내부 구조물을 포함하며, 외부 구조물 및 내부 구조물 상에는 자성체가 도포되고, 외부 구조물 상에 도포된 자성체에서 제공되는 서로 다른 방향의 자기력에 의해 내부 구조물 상에 도포된 자성체가 반발하여, 내부 구조물이 부상하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 자기부상 구조물에 의하면, MEMS 공정을 이용하여 다량 생산이 가능하고 이에 따라 제조 단가가 낮은 자기부상 방식의 구조물을 구현할 수 있는 장점이 있다.
MEMS, 자기부상, 보자력, 착자, 감자, 자성체

Description

멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 그 제조방법{Magnetic device using MEMS process and the method thereof}
도 1은 본 발명에 따른 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제1실시예에 따른 사시도,
도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 경우의 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 자성체의 착자 구조를 도시한 도면,
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물이 각속도 센서로 이용되는 예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제2실시예에 따른 사시도,
도 6은 도 5의 B-B' 선을 따라 절단한 경우의 단면도,
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물이 가속도 센서로 이용되는 예를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 *
10a: 상측 외부 구조물 10b: 하측 외부 구조물
20a~20b: 내부 구조물 30: 중심축
40a~40d: 전극층 50a~50c: 자성체
60: 빗살무늬 전극 70: 고정전극
100a: 본 발명의 제1실시예에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물
100b: 본 발명의 제2실시예에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물
본 발명은 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 가속도, 각속도 및 진동 등을 감지하는 센서 및 중력측정장치, 고도계 등으로 응용가능한 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
MEMS란 Micro Electro-Mechanical System의 머릿글자로 반도체 가공방법을 응용해 미세기계구조를 가공하는 기술 또는 가공된 제품을 지칭한다. 이를 이용하면 수㎛ 이하의 초미세구조를 지닌 기계·장비를 설계할 수 있다는 점에서, 전자·기계·의료·방산 등 전 산업 분야에 엄청난 변혁을 불러올 것으로 예측되어, 세계 각국은 MEMS를 전략산업으로 육성하고 있다. 특히 전자 분야에 있어서, 휴대폰과 같은 초소형, 초경량 제품에 MEMS 기술이 활용되고 있다.
그러나, MEMS 공정을 이용한 자기부상 구조물은 착자의 어려움으로 인해 현재로서는 구현하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, MEMS 공정을 이용한 자기부상 구조물의 구현이 가능하게 된다면 다양한 분야로의 응용이 기대된다.
따라서, 본 발명의 목적은 각종 센서, 고도 측정계, 지구중력장 측정용 디바이스 등으로 다양하게 응용할 수 있는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물 및 이에 도포되는 자성체의 착자방법을 제공하기 위함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물은 웨이퍼 기판으로 이루어진 외부 구조물, 및 외부 구조물 내부의 소정 영역을 제거하여 형성된 소정 형태의 내부 구조물을 포함하며, 외부 구조물 및 내부 구조물 상에는 자성체가 도포되고, 외부 구조물 상에 도포된 자성체에서 제공되는 서로 다른 방향의 자기력에 의해 내부 구조물 상에 도포된 자성체가 반발하여, 내부 구조물이 부상하는 것이 바람직하다.
여기서, 내부 구조물은, 엽전 형태인 것이 바람직하다.
여기서, 외부 구조물 및 내부 구조물의 두께는, 대략 수 십 미크론(micron) 내지 수 백 미크론인 것이 바람직하다.
여기서, 내부 구조물에 도포되는 자성체의 영역은, 외부 구조물에 도포되는 자성체의 영역보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 내부 자성체의 보자력은, 외부 자성체의 보자력보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 자성체는, 감자(demagnetization)의 영향을 줄이기 위해 적어도 하나 이상의 섬 구조를 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물은 각속도 센서 로 사용되는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물은 외부 구조물 내부의 소정 영역을 제거하여 형성된 중심축을 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 내부 구조물은, 원판형인 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물은 자성체 상부에 설치된 복수의 전극층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물은 가속도 센서 및 진동 센서 중 어느 하나로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제조방법은 (a) 웨이퍼 기판 내부의 소정 영역을 제거하여 외부 구조물과 내부 구조물을 형성하는 단계, (b) 외부 구조물 및 내부 구조물의 소정 영역에 자성체를 도포하는 단계, 및 (c) 자성체에 외부 자기장을 인가하여 착자하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 외부 구조물에 도포되는 자성체의 보자력은, 내부 구조물에 도포되는 자성체의 보자력보다 큰 것이 바람직하다.
여기서, (c) 단계는, 소정 세기를 갖는 외부 제1 자기장을 소정 방향으로 인가하여 외부 구조물 및 내부 구조물에 각각 도포되는 자성체를 외부 제1 자기장의 방향으로 착자하는 단계, 및 소정 세기를 갖는 외부 제2 자기장을 자성체의 착자방향과 반대방향으로 재인가하여, 내부 구조물에 도포되는 자성체를 외부 제2 자기장의 방향으로 착자하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서는 예시된 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 명세서 기술상의 편의를 위하여 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 멤스(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 공정을 이용한 자기부상 구조물의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물을 A-A' 선을 따라 절단한 경우의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 멤스 공정을 이용한자기부상 구조물(100a)은 일반적인 MEMS 공정을 이용하여 웨이퍼 기판 상에 자성체(50)를 도포한 후, 희생영역을 제거하여 형성된다. 이와 같은 방식에 의해, 중심축(30)을 가진 원통형 구조물 내부에 엽전 형태의 내부 구조물(20a)이 중심축(30)을 둘러싸고 있는 형태의 구조물이 형성된다. 내부 구조물(20a) 및 외부 구조물(10)의 두께는 대략 수 십 미크론(micron) 내지 수 백 미크론인 것이 바람직하다.
이 때, 내부 구조물(20a) 및 외부 구조물(10)에 도포된 복수의 자성체(50a~50c)들은 감자(demagnetization)의 영향을 줄이기 위해 적어도 하나 이상의 섬 구조를 가지는 형태로 제작하는 것이 바람직하다.
도 3은 도 2에 도시된 자성체들의 착자방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 제1 자성체(50a)과 제2 자성체(50b) 및 제2 자성체(50b)과 제3 자성체(50c)는 각각 대향면에 반발력이 생기도록 착자된다. 따라서, 제2자성체(50b)가 도포된 내부 구조물(20a)은 고정된 외부 구조물(10)에 각각 도포된 제1, 제3 자성체(50a, 50c)로부터 자기력을 받게 되어 자기 부상하게 된다.
여기서, 제1 자성체(50a) 및 제3 자성체(50c)는 각각 상측 외부 구조물(10a)의 하면 및 하측 외부 구조물(10b)의 상면에 도포된 자성 재료를 말하며, 제2 자성체(50b)는 내부 구조물(20a)의 상면에 도포된 자성 재료를 말한다.
한편, 내부 구조물(20a) 상에 도포될 제2 자성체(50b)로 사용되는 물질은 마그네틱 필름 형태의 강자성체(Hard Magnetic Materials)로서, 수직방향의 높은 등방성(high Anisotropy), 높은 방형성(High Squareness), 높은 포화자속밀도(high Bs), 높은 보자력(High Hc)을 갖는다. 또한, 내부 구조물(20a) 상에 도포되는 제2 자성체(50b)와 외부 구조물(10) 상에 도포되는 제1, 제3 자성체(50a, 50c)의 보자력의 차이는 큰 것이 바람직하다. 내부 구조물(20a)에 도포되는 제2 자성체(50b)로 사용되는 물질의 대표적인 예로, CoCrPt, CoCr, CoPt, FePt 등이 있다.
한편, 내부 구조물(20a)과 외부 구조물(10)의 대향면이 각각 반발력을 가지도록 착자하기 위한 방법은 설명하면 다음과 같다. 우선, 외부 구조물(10)에 도포되는 제1, 제3 자성체(50a, 50c)는 내부 구조물(20a)에 도포되는 내부 자성체(50b)보다 보자력이 큰 물질을 선정한다. 보자력이란 자화(磁化)된 자성체에 역자기장을 걸어 그 자성체의 자화가 0이 되게 하는 자기장의 세기를 말한다.
이 후, 소정 방향으로 외부 구조물(10)에 도포된 제1, 제3 자성체(50a, 50c)의 포화가 가능한 정도의 외부 제1 자기장을 인가하여 제1, 제3 자성체(50a, 50c)를 동시에 착자한다.
그 후, 제1, 제3 자성체(50a, 50c)가 착자된 방향과 반대 방향으로, 제1, 제3 자성체(50a, 50c)가 포화나 감자되지 않는 정도의 세기를 갖는 외부 제2 자기장을 재인가하여 제2 자성체(50b)를 제1, 제3 자성체(50a, 50c)의 착자방향과 반대 방향으로 착자한다.
예를 들어, 제1, 제3 자성체(50a, 50c)는 100 가우스(gauss)를 초과하는 세기를 갖는 자기장이 외부에서 인가되면 착자되는 자성 재료이고, 제3 자성체(50b)는 50 가우스 정도의 세기를 갖는 자기장이 외부에서 인가되면 착자되는 물질인 경우로 가정하여 설명한다.
먼저, 120 가우스 정도의 세기를 갖는 제1 자기장이 북쪽에서 남쪽방향으로 외부 구조물(10) 및 내부 구조물(20a)에 인가되면, 모든 자성체(50a~50c)는 하면이 S극으로 착자되고, 상면은 N극으로 착자된다. 그 후, 반대로 약 70 가우스 정도의 세기를 갖는 제2 자기장을 남쪽에서 북쪽으로 인가하면, 제1, 제3 자성체(50a, 50c)의 착자 방향은 변하지 않고, 제2 자성체(50b)의 착자 방향만 변한다. 따라서, 제2 자성체(50b)의 하면은 N극으로 착자되고, 상면은 S극으로 착자된다.
이에 의해, 제1 자성체(50a)의 하면 및 이에 대향되는 제2 자성체(50b)의 상면은 각각 S극의 자성을 나타내며, 제3 자성체(50c)의 상면 및 이에 대향되는 제1 자성체(50a)의 하면은 각각 N극의 자성을 나타낸다. 따라서, 제2 자성체(50b)가 도포된 내부 구조물(20a)은 외부 구조물(10)에 도포된 제1, 제3 자성체(50a, 50c)의해 반발력을 받아 부상하게 된다.
이 때, 내부 구조물(20)의 평형을 맞추기 위해서는 제1, 제3 외부 자성체(50a, 50c)의 크기는 동일하게 하고, 제2 자성체(50b)의 크기는 제1, 제3 자 성체(50a, 50c)보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식에 의해, 내부 구조물(20a)은 자동적으로 중심을 유지하게 된다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물이 각속도 센서로 이용되는 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 외부로부터 회전력이 인가되면, 내부 구조물(20a)의 회전하게 된다. 이와 같이, 외부 힘에 의해 내부 구조물이 회전하는 경우, 회전각도를 측정함으로써 각속도의 변화를 감지할 수 있다.
각속도를 측정하는 방법의 일례로는 내부 구조물(20a)의 원주 부분에 소정 간격으로 설치된 다수의 빗살무늬 전극(60)과, 외부 구조물(10)의 소정 영역에 설치된 고정 전극(70)을 이용한다. 빗살무늬 전극(60)과 상부의 고정전극(70)이 일치하는 경우와 일치하지 않는 경우에 있어서 정전용량이 변화하므로, 이를 이용하여 내부 구조물(20a)이 회전함에 따라 동일한 값의 정전용량이 반복되는 횟수를 측정하여 각속도를 구할 수 있다. 각속도 측정의 방법은 위에서 설명한 바와 같은 방법에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방식으로 측정가능하다.
도 5는 본 발명에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제2실시예에 따른 사시도이고, 도 6은 도 5의 B-B' 선을 따라 절단한 경우의 단면도이다
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물(100b)은 도 1과 달리 외부 구조물(10) 내부에 중심축(30, 도 1 참조)이 존재하지 않으며, 내부 구조물(20b)은 중앙이 비어 있는 구조가 아니라, 동전과 같이 소정 두께를 가진 원판형이다. 이러한 내부 구조물(20b)의 형태는 반드 시 원형이어야 하는 것은 아니며, 그 이용 목적에 따라 내부 구조물(20b)의 형태는 달라지는 것이 바람직하다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예 따른 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물이 가속도 센서로 이용되는 예를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 가속도 센서로 이용되는 자기부상 구조물(100b)은 도 5에 도시된 내부 구조물(20b)의 상면, 하면 및 각각 이에 대향하는 상측 외부 구조물(10a)의 하면 및 하측 외부 구조물(10b)의 상면에 설치된 복수의 전극층(40a~40d)을 더 포함하여 이루어진다.
내부 구조물(20b)이 상측 외부 구조물(10a)의 하면 및 하측 외부 구조물(10b)의 상면에 각각 도포된 제1 자성체(50a)와 제3 자성체(50c)로부터 동일한 반발력을 받아 자기 평형을 이룬 상태에서, 제1 전극층(40a)과 제2 전극층(40b) 사이의 거리(d1)와 제3 전극층(40c)과 제4 전극층(40d) 사이의 거리(d2)는 동일하다. 이와 같은 자기 평형상태에서, 외부로부터 가속도나 진동과 같은 힘(force)이 인가되면 내부 구조물(20b)의 위치가 변화되어, 제1 전극층(40a)과 제2 전극층(40b) 사이의 거리(d1)와 제3 전극층(40c)과 제4 전극층(40d) 사이의 거리(d2)가 달라진다.
한편, 전극층(40) 사이의 정전용량(C)은 다음과 같은 수식에 의해 표현된다.
Figure 112004019716473-pat00001
여기서, C는 전극층 사이의 정전용량, ε는 전극층 사이에 존재하는 물질의 유전상수, A는 전극층의 면적, d는 전극층 간의 거리를 말한다.
위에서 기술된 바와 같이, 본 자기부상 구조물(100)에 외부로부터 가속도나 진동과 같은 힘(force)가 인가되면, 전극층(40) 사이의 거리 d1과 d2가 달라진다. 이에 따라, 자기평형의 상태에서의 정전용량(C)과 외부로부터 힘이 인가된 상태에서의 정전용량(C')은 서로 다른 값을 갖게 된다. 본 발명에 따른 자기부상 구조물(100b)은 이와 같은 정전용량의 변화를 감지함으로써, 가속도 센서나 진동 센서로서 동작할 수 있게된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기부상 구조물에 의하면, MEMS 공정을 이용하여 다량 생산이 가능하고 이에 따라 제조 단가가 낮은 자기부상 방식의 구조물을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기부상 구조물은 각속도 센서, 진동 센서, 가속도 센서 등으로 이용가능하다. 이와 같은 자기부상 방식의 센서는 비접촉 센서로서 내구성이 우수하고, 정밀한 물리량의 측정이 가능한 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위에 있게 된다.

Claims (14)

  1. 웨이퍼 기판으로 이루어진 외부 구조물; 및
    상기 외부 구조물 내부의 소정 영역을 제거하여 형성된 소정 형태의 내부 구조물을 포함하며,
    상기 외부 구조물 및 상기 내부 구조물 상에는 자성체가 도포되고, 상기 외부 구조물 상에 도포된 자성체에서 제공되는 서로 다른 방향의 자기력에 의해 상기 내부 구조물 상에 도포된 자성체가 반발하여, 상기 내부 구조물이 부상하는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 구조물은,
    엽전 형태인 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외부 구조물 및 상기 내부 구조물의 두께는,
    대략 수 십 미크론(micron) 내지 수 백 미크론인 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 구조물에 도포되는 자성체의 영역은,
    상기 외부 구조물에 도포되는 자성체의 영역보다 작은 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 구조물에 도포된 자성체의 보자력은,
    상기 외부 구조물에 도포된 자성체의 보자력보다 작은 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 자성체는,
    감자(demagnetization)의 영향을 줄이기 위해 적어도 하나 이상의 섬 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    각속도 센서로 사용되는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외부 구조물 내부의 소정 영역을 제거하여 형성된 중심축;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 내부 구조물은,
    원판형인 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자성체 상부에 설치된 복수의 전극층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  11. 제8항에 있어서,
    가속도 센서 및 진동 센서 중 어느 하나로 사용되는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물.
  12. (a) 웨이퍼 기판 내부의 소정 영역을 제거하여 외부 구조물과 내부 구조물을 형성하는 단계;
    (b) 상기 외부 구조물 및 내부 구조물의 소정 영역에 자성체를 도포하는 단계; 및
    (c) 상기 자성체에 외부 자기장을 인가하여 착자하는 단계;를 포함하는것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외부 구조물에 도포되는 자성체의 보자력은,
    상기 내부 구조물에 도포되는 자성체의 보자력보다 큰 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    소정 세기를 갖는 외부 제1 자기장을 소정 방향으로 인가하여 상기 외부 구조물 및 상기 내부 구조물에 각각 도포되는 상기 자성체를 상기 외부 제1 자기장의 방향으로 착자하는 단계; 및
    소정 세기를 갖는 외부 제2 자기장을 상기 자성체의 착자방향과 반대방향으로 재인가하여, 상기 내부 구조물에 도포되는 상기 자성체를 상기 외부 제2 자기장의 방향으로 착자하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 공정을 이용한 자기부상 구조물의 제조방법.
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