KR100755802B1

KR100755802B1 - 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기

Info

Publication number: KR100755802B1
Application number: KR1020040104811A
Authority: KR
Inventors: 조영호; 한원; 진영현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2007-09-07
Also published as: KR20060066266A

Abstract

본 발명은 디지털 신호에 따라 다양한 아날로그 변위를 출력하는 구동기로서, 상기 디지털 신호에 따라 개별적으로 동작하는 복수개의 입력 질량체, 상기 복수개의 입력 질량체의 합력에 따라 변위를 출력하는 출력 질량체, 및 상기 복수개의 입력 질량체와 상기 출력 질량체를 각각 연결하는 복수개의 탄성부재를 포함하고, 상기 복수개의 입력 질량체는 상기 복수개의 탄성부재를 매개로 각기 다른 크기의 구동력을 상기 출력 질량체에 전달하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성된 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기는 구동력의 크기가 다른 다수의 디지털 입력 구동기의 조합을 이용하여 예측 가능한 고정밀도 아날로그 출력변위를 손쉽게 얻을 수 있다.

Description

디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기{MICRO/NANO-MECHANICAL DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTERS HAVING MULTIPLE DIGITAL INPUT ACTUATORS}

도 1은 본 발명 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기의 한 실시예에 따른 구성을 간략하게 나타낸 것이고,

도 2는 다수의 입력 질량체를 출력 질량체를 기준으로 대칭되게 배열한 다른 실시예에 따른 구성을 간략하게 나타낸 것이고,

도 3은 동일한 강성계수를 갖는 탄성부재와 서로 다른 크기의 입력변위를 갖는 입력 질량체로 구성된 미소기계 구동기의 또 다른 실시 예이고,

도 4는 도 3의 실시예를 간략하게 나타낸 구성도이고,

도 5는 동일한 크기의 입력변위를 갖는 입력 질량체와 서로 다른 강성계수를 갖는 탄성부재로 구성된 미소기계 구동기의 또 다른 실시예이고,

도 6은 도 5의 실시예를 간략하게 나타낸 구성도이고,

도 7은 과도한 식각으로 인하여 제조공정오차가 발생한 미소기계 구동기의 한 예를 나타낸 것이고,

도 8은 도 7과 같은 제조공정오차로 인한 탄성부재 및 질량체의 치수변화를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11 : 출력 질량체

21, 22, 23, 24 : 입력 질량체

31, 32, 33, 34 : 탄성부재

본 발명은 미소기전집적시스템(MEMS: Micro-Electro Mechanical System) 기술 및 나노 공정에 의하여 제조되는 미소기계 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구동력의 크기가 다른 다수의 디지털 입력 구동기의 조합을 이용하여 디지털 입력 변위를 조합하여 원하는 크기의 아날로그 출력 변위를 완벽하게 출력하고, 제조 단계 중 부정확한 식각 공정으로 인하여 출력변위에 오차가 발생하는 것을 최소화할 수 있는 제조공정오차에 강인한 미소기계 구동기에 관한 것이다.

고정밀도 미소 구동은 광전자기기 분야나 정보통신분야에서 미소 구조물의 위치를 조절하여 이를 응용하거나 생물학 또는 의학에서 미소물질을 이동시켜야 하는 경우 등에 필요한 기술이다. 한 예로 광 디스플레이 장치에서는 미소거울을 미세하게 구동시켜 빛의 경로를 임의대로 조절하려는 연구가 진행되고 있으며, 이동통신의 RF 무선기기에서는 커패시터의 두 평판부를 미세하게 구동시켜 정전용량을 변화시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이와 관련한 선행기술은 미국특허 제 6,603,588와 Robert L. Borwick III의 논문 '고주파 사용을 위한 대역폭을 갖는 커패시터('A High Q, large tuning range, tunable capacitor for RF applications', Proc. 15^th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems, pp. 669 ~ 672, 2002.)'에 개시되어 있다.

미국특허와 논문의 발명은 각각 전압과 구동기에 의해 미소거울이 조절되거나 커패시터의 정전용량이 조절되는 장점이 있다. 그러나, 미국특허와 논문의 발명은 구동 전압에 의해 구동 출력변위가 조절되므로 구동 전압의 전기적 잡음에 의해 구동 출력변위에 오차가 발생하는 단점이 있다.

이와 달리 일본 공개특허 제2001-138299호에는 기계적인 디지털 구동입력 변위를 사용함으로써 전기적 잡음에 의한 영향을 극복할 수 있는 미소기계 디지털-아날로그 변환 구동기가 개시되어 있다. 일본특허는 디지털 구동 입력부와 구동 출력부 사이에 다수의 부재를 설치하여 고정밀도의 전류 전압을 사용하지 않고도 디지털 신호입력에 의해 비교적 고정밀도의 변위 또는 힘을 출력할 수 있다.

그러나, 일본 공개특허는 구조자체가 복잡하고, 제조공정오차가 생길 경우 이에 의해 구동 출력부의 출력변위에 별도의 오차가 수반되는 단점이 있다. 때문에 실제로 일본 공개특허를 산업에 응용하는데 있어서 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 구조와 메 커니즘을 이용하여 미소기계 디지털-아날로그 변환 구동기를 구현하고 제조오차가 출력변위에 미치는 영향을 최소화 시킬 수 있는 제조공정오차에 강인한 고정밀도 미소기계 구동기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면 디지털 신호에 따라 다양한 아날로그 변위를 출력하는 구동기로서, 상기 디지털 신호에 따라 개별적으로 동작하는 복수개의 입력 질량체, 상기 복수개의 입력 질량체의 합력에 따라 변위를 출력하는 출력 질량체, 및 상기 복수개의 입력 질량체와 상기 출력 질량체를 각각 연결하는 복수개의 탄성부재를 포함하고, 상기 복수개의 입력 질량체는 상기 복수개의 탄성부재를 매개로 각기 다른 크기의 구동력을 상기 출력 질량체에 전달하는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기가 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기의 한 실시예에 따른 구성을 간략하게 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 미소기계 구동기는 출력 질량체(11)와 복수 개의 입력 질량체(21, 22, 23, 24)로 구성된다. 입력 질량체(21, 22, 23, 24)는 탄성부재(31,32,33,34)를 매개로 출력 질량체(11)에 결합된다. 각 입력 질량체(21, 22, 23, 24)는 각각 다른 크기의 구동력(F₁, F₂, F₃, F₄)을 출력 질량체(11)에 전달한다.

이 시스템을 출력 질량체(11)를 중심으로 출력 변위에 대한 관계식으로 정리하면 수학식 1로 표현된다.

수학식 1에서 x₁은 제1입력 질량체(21)의 변위이고, x₂는 제2입력 질량체(22)의 변위이고, x₃은 제3입력 질량체(23)의 변위이고, x₄는 제4입력 질량체(24)의 변위이고, y는 출력 변위이고, k₁은 제1탄성부재(31)의 강성계수이고, k₂는 제2탄성부재(32)의 강성계수이고, k₃는 제3탄성부재(33)의 강성계수이고, k₄는 제4탄성부재(34)의 강성계수이고, b₁, b₂, b₃, b₄는 각각 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 on/off 상태를 나타내는 상수이다. b_i의 값은 입력 질량체(21, 22, 23, 24)가 on 상태에서는 1이고 off 상태에서는 0이다.

수학식 1을 정리하여 출력변위 y를 탄성부재의 강성계수 k₁, k₂, k₃, k ₄와 입력변위 x₁, x₂, x₃, x₄의 관계식으로 나타내면 수학식 2와 같다.

위 식은 2 ~ 3개 또는 5개 이상의 다수 입력 질량체와 출력 질량체(11)가 배열된 경우에도 유사하게 적용된다. N개의 입력 질량체가 있을 경우 입력변위 x_i와 출력변위 y의 관계식을 정리하면 수학식 3과 같다.

수학식 2와 수학식 3에서 출력변위 y는 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 입력 변위(x₁, x₂, x₃, x₄)와 탄성부재(31, 32, 33, 34)의 강성계수(k ₁, k₂, k₃, k₄)와 입력 질량체의 on/off 상태를 나타내는 상수(b₁, b₂, b₃, b₄)에 의해 영향을 받는다. 따라서, 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 구동과 탄성부재(31, 32, 33, 34)의 강성계수(k₁, k₂, k₃, k₄)를 적절하게 조절하면 출력변위 y의 크기를 미세하게 조절할 수 있다. 출력변위 y의 미세조절은 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 수를 증가시킴으로써 달성할 수 있다. 위 식은 복수개의 입력 질량체(21, 22, 23, 24)가 출력 질량체(11)를 중심으로 대칭 형태로 배열된 경우에도 유사하게 적용된다.

도 2는 다수의 입력 질량체를 출력 질량체를 기준으로 대칭되게 배열한 다른 실시예에 따른 구성을 간략하게 나타낸 것이다.

입력 질량체(21, 22, 23, 24)를 출력 질량체(11)의 한 쪽으로만 연결하면 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 구동력이 편향되게 전달되어 출력 질량체(11)의 변위 에 휨 변형으로 인한 오차가 발생될 가능성이 높다. 따라서, 본 실시예는 이러한 점을 감안하여 복수개의 입력 질량체(21, 22, 23, 24)를 출력 질량체(11)를 중심으로 대칭되게 연결하는 방안을 제시한 것이다.

도 3은 동일한 강성계수를 갖는 탄성부재와 서로 다른 크기의 입력변위를 갖는 입력 질량체로 구성된 미소기계 구동기의 또 다른 실시예이고, 도 4는 도 3의 실시 예를 간략하게 나타낸 구성도이고, 도 5는 동일한 크기의 입력변위를 갖는 입력 질량체와 서로 다른 강성계수를 갖는 탄성부재로 구성된 미소기계 구동기의 또 다른 실시예이고, 도 6은 도 5의 실시 예를 간략하게 나타낸 구성도이다.

위 두 가지 실시 예 중에서 도 3과 도 4의 구동기를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 수학식 4는 도 4에 도시된 구동기의 입력 및 출력관계를 식으로 표현한 것이다.

수학식 4에서 x₁, x₂, x₃, x₄는 각각 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 변위이고, y는 출력변위이고, k는 탄성부재(31, 32, 33, 34)의 강성계수이고, b₁, b₂, b ₃, b₄는 각각 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 on/off 상태를 나타내는 상수이다. b_i 의 값은 입력 질량체(21, 22, 23, 24)가 on 상태에서는 1이고 off 상태에서는 0이다.

수학식 4를 정리하여 출력변위 y에 대한 탄성부재(31, 32, 33, 34)의 강성계 수 k와 입력변위 x₁, x₂, x₃, x₄의 관계식으로 나타내면 수학식 5와 같다.

위 수학식 5를 다시 N개의 입력 질량체가 있을 경우로 정리하여 나타내면 수학식 6과 같다.

이와 같이 탄성부재가 동일한 강성계수를 갖는 경우 제조공정오차에 대한 탁월한 강인성을 갖는다. 이 실시예에 대한 특징은 도 7 및 도 8을 통해 설명한다.

도 7은 과도한 식각으로 인하여 제조공정오차가 발생한 미소기계 구동기의 한 예를 나타낸 것이고, 도 8은 제조공정오차로 인한 탄성부재 및 질량체의 치수변화를 보다 구체적으로 설명하기 위해 나타낸 것이다.

미소기계 구동기는 미소기전집적시스템(MEMS: Micro Electro Mechanical System) 기술 및 나노공정 기술을 이용한 식각공정을 거쳐 제작되는데 이 과정에서 도 7에 도시된 바와 같이 구동기 전체에 과도한 식각이 발생할 수 있다. 이처럼 구동기에 과도한 식각이 발생하면, 도 8에서와 같이 탄성부재(30)의 폭(w)과 길이(L)의 변화가 발생한다. 과도한 식각으로 인한 제조공정오차를 δ라 하면, 탄성부재(30)의 폭은 2δ 만큼 줄어들고 길이는 2δ 만큼 늘어나며 입력 질량체의 변위는 4δ 만큼 늘어난다. 제조공정 후 탄성부재(30)의 강성계수는 수학식 7과 같이 표현된다.

(E는 탄성부재의 Young's 계수이고, t는 탄성부재의 두께이다.)

출력변위 y는 δ의 함수로 수학식 8로 표현된다.

본 실시예의 탄성부재(30)는 같은 길이, 같은 폭, 같은 두께로 형성되어 동일한 식각 창을 가지므로 제조공정오차가 발생하더라도 출력변위 함수 y(δ)계산 시 강성계수의 크기의 상대비율은 변화하지 않는다. 따라서 수학식 8은 본 실시예의 경우 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.

참고로 위 수식에서 알 수 있듯이 본 발명의 미소기계 구동기의 출력변위 y는 소재 물성인 Young 계수(E)의 영향을 받지 않는다.

실제로 미소기계 구동기를 사용할 때에는 출력 질량체(11)의 변위 출력부에 별도의 작동기구를 부착하게 되는데, 작동기구의 종류에 따라 미소기계 구동기의 제조공정오차를 보정하는 방법이 2가지가 있다.

첫 번째는 미소기계 구동기로 미소거울을 구동시키는 경우와 같이 부착된 기구에 1δ 만큼의 제조공정오차가 생기는 경우이다. 이 경우의 출력변위 관계식 y(δ)은 수학식 9를 토대로 출력부에 부착된 기구의 오차를 포함시켜 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 10에서 입력변위를 포함하는 항은 변수이지만 제조공정오차 4δ를 포함하는 항은 상수이므로 N개의 입력 질량체 중 실제로 구동되는 입력 질량체의 수를 조절하면 작동기구에서 발생하는 오차를 상쇄시킬 수 있다.

수학식 11은 바로 이를 나타낸 것으로서, N개의 입력 질량체 중 N/4개의 입력 질량체를 구동시키면 상수 항이 작동기구의 오차 1δ와 상쇄되므로 제조공정오차에 영향을 받지 않는 출력변위를 얻을 수 있다.

두 번째는 미소기계 구동기로 두 평판부로 구성된 커패시터의 한 쪽 평판부를 구동시키는 경우와 같이 제조공정오차가 2δ만큼이 생기는 경우이다. 이 경우 출력변위 관계식 y(δ)은 수학식 9를 토대로 출력부에 부착된 기구의 오차를 포함시켜 수학식 12와 같이 나타낼 수 있으며, 위와 마찬가지로 입력변위를 포함하는 항은 변수이지만 제조공정오차 4δ를 포함하는 항은 상수이므로 N개의 입력 질량체 중 실제로 구동되는 입력 질량체의 수를 조절하면 작동기구에서 발생하는 오차를 상쇄시킬 수 있다.

다만, 작동기구의 오차가 2δ이므로 수학식 13에 표현된 바와 같이 N개의 입력 질량체 중 N/2개의 입력 질량체를 구동시키면 된다.

수학식 13은 바로 이를 나타낸 것으로서, N개의 입력 질량체 중 N/2개의 입력 질량체를 구동시키면 4δ가 포함된 상수 항이 작동기구의 오차 2δ와 상쇄되므로 제조공정오차에 영향을 받지 않는 출력변위를 얻을 수 있다.

위 수식에서 N은 정수이므로 제조공정오차를 포함하는 항이 작동기구의 오차 와 상쇄되기 위해서 수학식 11에서는 입력 구동기의 개수가 4의 배수가 되어야 하고, 수학식 13에서는 입력 구동기의 개수가 2의 배수가 되어야 한다.

한편, 출력 질량체(11)에 전달하는 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 구동력 크기는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 각 입력 질량체(21, 22, 23, 24)의 변위(x)를 동일하게 하면서 탄성부재(31, 32, 33, 34)의 강성계수를 다르게 하여 변화시킬 수 있다.

본 발명은 식각공정에서 발생하는 제조공정오차로 인한 출력오차를 상쇄시키는 효과가 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면 기존에 어려웠던 미소 구조물의 고정밀도 위치제어나 미소물질의 고정밀도 조작 등이 가능하다. 또한, 본 발명은 구동력의 크기가 다른 디지털 입력변위들을 조합하여 사용하므로 예측 가능한 고정밀도의 아날로그 출력변위를 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 아울러, 본 발명은 소재물성에 영향을 받지 않으므로 소재변경에 따른 탄성부재의 강성계수를 다시 설계할 필요가 없다.

이상에서 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

디지털 신호에 따라 다양한 아날로그 변위를 출력하는 구동기로서,

상기 디지털 신호에 따라 개별적으로 동작하며 각기 다른 크기의 구동력을 생성하는 복수개의 입력 질량체와,

상기 복수개의 입력 질량체의 합력에 따른 변위를 출력하는 출력 질량체, 및

상기 복수개의 입력 질량체와 상기 출력 질량체를 각각 연결하는 복수개의 탄성부재를 포함하며,

상기 구동력은 상기 입력 질량체의 입력 변위와 상기 탄성부재의 강성계수로 결정하는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기.
삭제
청구항 1에 있어서,

서로 다른 입력 변위를 갖도록 상기 복수개의 입력 질량체를 구성하고, 동일한 강성계수를 갖도록 상기 복수개의 탄성부재를 구성함으로써, 상기 구동력의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기.
청구항 3에 있어서,

상기 입력 질량체의 수는 4의 배수로 구성되며, 상기 구동기에 발생하는 제조공정오차 δ에 의해서 출력부의 오차가 1δ이고, N개의 입력 질량체 중 N/4개의 입력 질량체를 구동시킴으로써 출력부에서 제조공정오차 δ만큼을 소거시키는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기.
청구항 3에 있어서,

상기 입력 질량체의 수는 2의 배수로 구성되며, 상기 구동기에 발생하는 제조공정오차 δ에 의해서 출력부의 오차가 2δ이고, N개의 입력 질량체 중 N/2개의 입력 질량체를 구동시킴으로써 출력부에서 제조공정오차 δ만큼을 소거시키는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기.
삭제
청구항 1에 있어서,

동일한 입력 변위를 갖도록 상기 복수개의 입력 질량체를 구성하고, 서로 다른 강성계수를 갖도록 상기 복수개의 탄성부재를 구성함으로써, 상기 구동력의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기.
청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 입력 질량체는 상기 출력 질량체를 기준으로 대칭 배열되는 것을 특징으로 하는 디지털-아날로그 변환 미소기계 구동기.