KR100829165B1 - Mems appratus for measuring acceleration in three axes - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 MEMS 가속도 센서의 사시도.1 is a perspective view of a three-axis MEMS acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 제1기판의 평면도.FIG. 2 is a plan view of a first substrate of the triaxial MEMS acceleration sensor of FIG. 1. FIG.
도 3은 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 제2기판의 평면도.3 is a plan view of a second substrate of the triaxial MEMS acceleration sensor of FIG.
도 4는 도 2의 제1기판의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도.4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of the first substrate of FIG. 2;
도 5는 도 3의 제2기판의 Ⅴ-Ⅴ 선 단면도.5 is a cross-sectional view taken along line V-V of the second substrate of FIG.
도 6은 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 전류공급에 대한 회로도.6 is a circuit diagram of the current supply of the three-axis MEMS acceleration sensor of FIG.
도 7은 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 전압측정에 대한 회로도.7 is a circuit diagram for voltage measurement of the 3-axis MEMS acceleration sensor of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
20 : 제1기판 21 : 제1기판 본체20: first substrate 21: the first substrate body
22 : 제1공동 30 : 제1열전쌍22: first joint 30: first thermocouple
40 : 제2열전쌍 50 : 제3열전쌍40: second thermocouple 50: third thermocouple
60 : 제4열전쌍 70 : 제1발열체60: fourth thermocouple 70: first heating element
71 : 제1발열점 72 : 제2발열점71: first heating point 72: second heating point
73 : 제3발열점 74 : 제4발열점73: third heating point 74: fourth heating point
100 : 3축 MEMS 가속도 센서 120 : 제2기판100: 3-axis MEMS acceleration sensor 120: second substrate
121 : 제2기판 본체 122 : 제2공동121: second substrate body 122: second cavity
130 : 제5열전쌍 140 : 제6열전쌍130: fifth thermocouple 140: sixth thermocouple
170a, 170b : 제2발열체 171 : 제5발열점170a, 170b: second heating element 171: fifth heating point
172 : 제6발열점 A1 : 제1축선172: 6th heating point A1: 1st axis
A2 : 제2축선 A3 : 제3축선A2: second axis A3: third axis
본 발명은 3축 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 가속도 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 유체, 즉 기체 또는 액체의 열대류에 의한 발열체의 냉각 정도가 가속도의 방향 및 크기에 의존하는 현상을 이용하여 가속도를 측정하는 3축 MEMS 가속도 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a three-axis micro electro-mechanical system (MEMS) acceleration sensor, and more particularly, by using a phenomenon in which the degree of cooling of a heating element due to a tropical flow of a fluid, ie, gas or liquid, depends on the direction and magnitude of acceleration. A three-axis MEMS acceleration sensor for measuring acceleration.
현재, 가속도 센서는 자동차의 에어백 및 현가장치, 항공 및 군사용 운동체의 위치제어장치, 컴퓨터나 핸드폰과 같은 전자제품의 모션입력장치 및 충격감지장치 등에 대표적으로 사용되고 있다.Currently, acceleration sensors are typically used for airbags and suspension devices of automobiles, position control devices for aviation and military vehicles, motion input devices and shock detection devices for electronic products such as computers and mobile phones.
종래의 가속도 센서는 작동방식에 따라 일반적으로 서보형, 압전형, 압저항형, 정전용량형 등으로 분류된다. 이들 각각의 가속도 센서에서는, 일정 질량(m)을 가지는 운동구조물에 힘(F = ma)을 가하여 그 운동구조물을 일정 가속도(a)로 가속시키고, 그 상태에서 운동구조물의 변위에 따라 변화하는 제어신호, 압전압, 압저항, 정전용량 등을 측정하여 가속도를 얻게 된다. 그리고, 종래의 가속도 센 서에서는 가속도 측정의 정밀도를 높이기 위해서, 가속도에 따라 변화하는 운동구조물의 변위를 최대한 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 구조가 구비되어야 하는데, 이러한 운동구조물의 구현은 복잡한 제조공정을 필요로 하고 가속도 센서의 내구성을 약화시키는 등의 문제점이 있다.Conventional acceleration sensors are generally classified into servo type, piezoelectric type, piezoresistive type, and capacitance type according to the operation method. In each of these acceleration sensors, a force (F = ma) is applied to a moving structure having a certain mass (m) to accelerate the moving structure to a constant acceleration (a), and the control changes according to the displacement of the moving structure in the state. Acceleration is obtained by measuring the signal, piezovoltage, piezoresistance, and capacitance. In addition, in the conventional acceleration sensor, in order to increase the accuracy of the acceleration measurement, a structure for measuring the displacement of the moving structure that changes with the acceleration as accurately as possible should be provided. There is a problem such as weakening the durability of the acceleration sensor.
한편, 유체의 열대류 현상을 이용하는 대류형 가속도 센서는, 미국특허공보 제2,440,189호, 제2,455,394호, 제5,581,034호, 제6,182,509호 또는 일본특허공보 특개평7-260820호, 특개2000-193677호 등의 발명을 통하여 구현될 수 있으나, 이러한 종래의 대류형 가속도 센서는 상기 운동구조물을 이용하는 가속도 센서에 비하여 민감도와 응답속도가 떨어지는 문제점이 있다.On the other hand, the convective acceleration sensor using a tropical flow phenomenon of the fluid, U.S. Patent Nos. 2,440,189, 2,455,394, 5,581,034, 6,182,509 or Japanese Patent Laid-Open No. 7-260820, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-193677, etc. Although it can be implemented through the invention of the present invention, such a conventional convective acceleration sensor has a problem that the sensitivity and response rate is lower than the acceleration sensor using the movement structure.
또한, 종래의 대류형 가속도 센서는, 평면 상에 서로 교차하는 2개의 축선 방향에 대한 가속도만을 측정할 수 있는 2축 가속도 센서가 주류를 이루고 있고, 공간 상에서 서로 교차하는 3개의 축선 방향에 대한 가속도를 측정할 수 있는 대류형 다축 가속도 센서의 경우에 있어서도, 적어도 3장의 기판이 적층되어야만 가속도를 측정할 수 있는 구조로 되어 있어서, 제품의 크기가 커지고 제작공정이 복잡해지며 생산수율이 낮아지고 그에 따라 생산비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.In addition, in the conventional convective acceleration sensor, a biaxial acceleration sensor capable of measuring only acceleration in two axial directions crossing each other on a plane is mainstream, and acceleration in three axial directions intersecting with each other in space. Even in the case of a convective multi-axis acceleration sensor that can measure, the structure can measure the acceleration only when at least three substrates are stacked, which increases the size of the product, complicates the manufacturing process, and lowers the production yield. There is a problem that the production cost increases.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 평행하게 배치된 2개의 기판으로 이루어진 구조를 가지고, 공간 상에서 서로 교차하는 3개의 축선 방향 각각에 대한 가속도를 측정할 수 있으므로, MEMS 공정 또는 반도체 미세가공 기술을 이용하여 제품을 소형화할 수 있고 제작공정을 단순화할 수 있으며, 이를 통해 제품의 생산수율을 증대할 수 있고 제품의 생산비용도 절감할 수 있도록 구조가 개선된 3축 MEMS 가속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and has a structure consisting of two substrates arranged in parallel, it is possible to measure the acceleration in each of the three axial directions crossing each other in space, MEMS process or 3-axis MEMS acceleration sensor with improved structure to reduce product size and simplify production process by using semiconductor micromachining technology, which can increase product yield and reduce product cost The purpose is to provide.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 3축 MEMS 가속도 센서는, 유체의 열대류를 이용하여 공간 상에서 서로 교차하는 제1, 2, 3축선 방향 각각에 대한 가속도를 측정하는 3축 MEMS 가속도 센서에 있어서, 인가되는 전류에 의해 발열하는 제1발열점, 제2발열점, 제3발열점 및 제4발열점과, 상기 각각의 발열점의 온도를 측정하기 위해서 상기 각각의 발열점과 접촉하는 열전쌍 접합점을 가지는 제1열전쌍, 제2열전쌍, 제3열전쌍 및 제4열전쌍과, 상기 제1발열점, 제2발열점, 제3발열점 및 제4발열점 하부로 유체를 통과시킬 수 있는 제1공동이 마련되어 있는 제1기판; 상기 제1기판과 평행하게 배치되며, 인가되는 전류에 의해 발열하는 제5발열점과, 상기 제5발열점의 온도를 측정하기 위해서 상기 제5발열점과 접촉하는 열전쌍 접합점을 가지는 제5열전쌍과, 상기 제5발열점 하부로 유체가 이동할 수 있는 제2공동이 마련되어 있는 제2기판;을 포함하며, 상기 제1발열점과 상기 제2발열점은 상기 제1축선 방향을 따라 서로 이격되게 배치되며, 상기 제3발열점과 상기 제4발열점은 상기 제1축선 방향과 교차하는 제2축선 방향을 따라 서로 이격되게 배치되며, 상기 제5발열점과 상기 제1발열점은 상기 제1기판 및 상기 제2기판과 교차하는 제3축선 방향을 따라 서로 이격되게 배치되며, 상기 제1발열점과 제2발열점 간의 온도차를 이용하여 상기 제1축선 방향으로의 가속도, 상기 제3발열점과 제4발열점 간의 온도차를 이용하여 상기 제2축선 방향으로의 가속도 및 상기 제5발열점과 상기 제1발열점 간의 온도차를 이용하여 상기 제3축선 방향으로의 가속도를 측정하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the three-axis MEMS acceleration sensor of the present invention, the three-axis MEMS acceleration sensor for measuring the acceleration in each of the first, second, and three axis direction crossing each other in space using a tropical flow of the fluid The first heating point, the second heating point, the third heating point and the fourth heating point, which generate heat by the applied current, and the respective heating points are contacted to measure the temperature of the respective heating points. A first thermocouple, a second thermocouple, a third thermocouple, and a fourth thermocouple having a thermocouple junction, and a fluid capable of passing a fluid below the first, second, third, and fourth heating points. A first substrate having one cavity; A fifth thermocouple disposed in parallel with the first substrate and having a fifth heating point generating heat by an applied current, and having a thermocouple junction point in contact with the fifth heating point to measure a temperature of the fifth heating point; And a second substrate provided with a second cavity through which the fluid moves below the fifth heating point, wherein the first heating point and the second heating point are spaced apart from each other along the first axis direction. The third heating point and the fourth heating point are disposed to be spaced apart from each other along a second axis direction crossing the first axis direction, and the fifth heating point and the first heating point are disposed on the first substrate. And spaced apart from each other along a third axis direction crossing the second substrate, using the temperature difference between the first heating point and the second heating point, the acceleration in the first axis direction, and the third heating point. By using the temperature difference between the fourth heating point The acceleration in the third axis direction is measured by using the acceleration in the second axis direction and the temperature difference between the fifth heating point and the first heating point.
본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1축선 방향과 상기 제2축선 방향이 이루는 각은 직각이며, 상기 제3축선 방향과 상기 제1축선 방향이 이루는 각 및 상기 제3축선 방향과 상기 제2축선 방향이 이루는 각은 직각이다.In the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention, preferably, the angle formed by the first axis direction and the second axis direction is a right angle, the angle formed by the third axis direction and the first axis direction, and the The angle formed by the third axis direction and the second axis direction is a right angle.
본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1발열점과 제2발열점과 제3발열점과 제4발열점은, 사각 띠 형상을 가지는 전도체 박막의 각 꼭지점에 위치하면서 전기적으로 서로 연결되어 있으며, 상기 발열점들로 전류를 인가하기 위하여, 이웃하는 발열점들 사이에는 4개의 전극이 각각 마련되어 있다.In the 3-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention, preferably, the first heating point, the second heating point, the third heating point and the fourth heating point are located at each vertex of the conductive thin film having a rectangular band shape. While electrically connected to each other, in order to apply current to the heating points, four electrodes are provided between neighboring heating points.
본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 유체의 압력의 변화가 각각의 발열점의 온도에 미치는 영향을 보정하기 위하여, 상기 제1, 2, 3축선 방향 중 어느 한 축선 방향을 따라 서로 이격되게 배치된 두 개의 발열점의 온도의 합을 이용하여 상기 유체의 압력을 측정한다.In the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention, preferably, in order to correct the influence of the change in the pressure of the fluid on the temperature of each heating point, any one of the first, second, three axis direction The pressure of the fluid is measured using the sum of the temperatures of two heating points spaced apart from each other along the direction.
본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 제2기판에는, 상기 제1축선 방향을 따라 상기 제5발열점과 이격되게 배치되며 인가되는 전류에 의해 발열하는 제6발열점과, 상기 제6발열점의 온도를 측정하기 위해서 상기 제6발열점과 접촉하는 열전쌍 접합점을 가지는 제6열전쌍이 마련되어 있으며, 상기 제5발열점과 상기 제6발열점의 온도의 합을 이용하여 상기 유체의 압력을 측 정한다.In the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention, preferably, the second substrate, the sixth heating point is spaced apart from the fifth heating point along the first axis direction and generates heat by an applied current And a sixth thermocouple having a thermocouple junction point in contact with the sixth heating point to measure the temperature of the sixth heating point, and using the sum of the temperatures of the fifth heating point and the sixth heating point. Measure the pressure of the fluid.
이하, 본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 MEMS 가속도 센서의 사시도이고, 도 2는 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 제1기판의 평면도이고, 도 3은 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 제2기판의 평면도이고, 도 4는 도 2의 제1기판의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이고, 도 5는 도 3의 제2기판의 Ⅴ-Ⅴ 선 단면도이고, 도 6은 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 전류공급에 대한 회로도이고, 도 7은 도 1의 3축 MEMS 가속도 센서의 전압측정에 대한 회로도이다.1 is a perspective view of a three-axis MEMS acceleration sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a plan view of the first substrate of the three-axis MEMS acceleration sensor of Figure 1, Figure 3 is a three-axis MEMS acceleration sensor of Figure 1 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of the first substrate of FIG. 2, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the V-V line of the second substrate of FIG. 3, and FIG. FIG. 7 is a circuit diagram of current supply of the MEMS acceleration sensor, and FIG. 7 is a circuit diagram of voltage measurement of the 3-axis MEMS acceleration sensor of FIG. 1.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 3축 MEMS 가속도 센서(100)는, 유체의 열대류를 이용하여 공간 상에서 서로 교차하는 제1,2,3축선(A1)(A2)(A3) 방향에 대한 가속도를 측정하기 위한 것으로서, 제1기판(20)과, 제2기판(120)을 구비한다.1 to 7, the three-axis
상기 제1기판(20)은, 단일의 평면 상에서 서로 교차하는 제1,2축선(A1)(A2) 방향에 대한 가속도를 측정하기 위한 것으로서, 제1기판 본체(21)와, 제1발열체(70)와, 제1발열점(71), 제2발열점(72), 제3발열점(73) 및 제4발열점(74)과, 제1열전쌍(30), 제2열전쌍(40), 제3열전쌍(50) 및 제4열전쌍(60)을 구비한다.The
상기 제1기판 본체(21)는, 실리콘 등의 반도체 소재로 된 중간판재(21a)와 그 중간판재(21a)의 상면 및 하면에 증착된 질화실리콘 등의 실리콘화합물 박막(21b)(21c)으로 이루어져 있다. 상기 중간판재(21a)의 상면에 증착된 실리콘화 합물 박막(21b)은 상기 제1발열체(70)와, 제1열전쌍(30), 제2열전쌍(40), 제3열전쌍(50) 및 제4열전쌍(60)을 지지하는 구조체 역할을 하고, 상기 중간판재(21a)의 하면에 증착된 실리콘화합물 박막(21c)은 상기 중간판재(21a)를 보호하는 역할을 한다. 상기 제1기판 본체(21)에는 열대류에 의해 유동되는 유체를 통과시키기 위한 제1공동(22)이 마련되어 있으며, 상기 제1공동(22)은 상기 제1기판 본체(21)의 중앙에 그 제1기판 본체(21)를 관통하도록 형성되어 있다.The
상기 실리콘화합물 박막(21b)(21c)은 화학기상증착을 통하여 상기 중간판재(21a)의 상면 및 하면에 증착되며, 포토리소그래피와 반응성이온에칭을 통하여 평면적 형태가 형성된다. 상기 제1공동(22)은 포토리소그래피와 테트라메틸-암노늄-하이드록사이드(tetramethyl-ammonium-hydroxide) 용액 등을 이용한 이방성 식각방법을 통하여 형성된다.The silicon compound
상기 제1발열체(70)는 상기 제1기판 본체(21) 상에 마련되어 있다. 상기 제1발열체(70)는 니켈, 크롬 등의 전도성 소재로 이루어져 전류가 공급되면 자체 저항에 의해 발열하게 된다. 본 실시예에 있어서 상기 제1발열체(70)는 사각 띠 형상의 전도성 박막이며, 상기 사각 띠 형상의 제1발열체(70)의 각 꼭지점에는 제1발열점(71), 제2발열점(72), 제3발열점(73) 및 제4발열점(74)이 위치한다. 상기 제1발열체(70)에 전류를 공급하기 위한 4개의 전극(75)(76)(77)(78)들이 마련되어 있으며, 그 전극(75)(76)(77)(78)들은 이웃하는 발열점들(71,73)(73,72)(72,74) (74,71) 사이에 각각 배치된다. 상기 전극(75)(76)(77)(78)의 일단부는 상기 제1발열체(70)의 한 변과 접촉하여 상기 제1발열체(70)에 전기적으로 연결되며, 상기 전극(75)(76)(77)(78)의 타단부는 그 전극(75)(76)(77)(78)을 통해 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치(201)에 연결된다. 상기 전극(75)(76)(77)(78)은 그 자체의 열발생과 전기적 잡음을 최소화하기 위하여 금(Au) 등과 같이 저항이 작은 금속성 소재의 박막으로 형성된다. 상기 제1발열체(70)와 전극(75)(76)(77)(78)은 전자빔증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 리프트-오프(lift-off) 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The
상기 전류공급장치(201)로부터 전류를 공급하게 되면, 상기 제1발열체(70)에는 주울(Joule)열이 발생되어, 제1발열체(70)의 각 꼭지점에 해당되는 제1,2,3,4발열점(71,72,73,74)의 온도는 주위의 유체 온도보다 높아진다.When the current is supplied from the
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전류공급장치(201)로부터 전극(75)(76)을 통하여 제1발열체(70)로 전류가 유입되며, 상기 전극(77)(78)을 통하여 전류가 전류공급장치(201)로 되돌아온다. 이 때, 상기 전류공급장치(201)로부터 공급되는 전류의 크기는 i로 설정되며, 제1발열체(70)에는 키르히호프의 법칙에 의하여 i/4 의 전류가 흐르게 된다.As shown in FIG. 6, current flows from the
상기 제1발열점(71)과 제2발열점(72)은 상기 제1축선(A1) 방향을 따라 서로 이격되게 배치되어, 상기 제1축선(A1) 방향으로의 가속도를 측정하는 데 이용된다. 또한, 상기 제3발열점(73)과 제4발열점(74)은 상기 제2축선(A2) 방향을 따라 서로 이격되게 배치되어, 상기 제2축선(A2) 방향으로의 가속도를 측정하는 데 이용된다. 상기 제1축선(A1)과 제2축선(A2)은 상기 제1기판(20)에 의해 형성되는 평면 상에서 서로 일치하지 않은 채 한 점에서 만나도록 서로 교차한다. 본 실시예에서 있어 서, 상기 제1축선(A1) 방향과 제2축선(A2) 방향이 이루는 각도는 직각이며, 상기 제1발열점(71)과 제2발열점(72)을 연결하는 가상선과 상기 제3발열점(73)과 제4발열점(74)을 연결하는 가상선이 만나는 중심점(23)으로부터 각 발열점(71)(72)(73) (74)까지의 거리는 서로 동일하다. 따라서, 상기 중심점(23)에 대하여 상기 제1발열점(71)과 제2발열점(72), 상기 제3발열점(73)과 제4발열점(74)은 각각 점대칭 형태로 배치되어 있다.The first heating point 71 and the second heating point 72 are spaced apart from each other along the direction of the first axis A1 and used to measure the acceleration in the direction of the first axis A1. . In addition, the third heating point 73 and the fourth heating point 74 are disposed to be spaced apart from each other along the direction of the second axis A2, and to measure the acceleration in the direction of the second axis A2. Is used. The first axis A1 and the second axis A2 intersect each other to meet at one point without being coincident with each other on the plane formed by the
상기 제1,2,3,4열전쌍(30)(40)(50)(60)은, 상기 제1,2,3,4발열점(71)(72) (73)(74)의 온도를 측정하기 위한 것으로서, 각각 제1전도선(31)(41)(51)(61) 및 제2전도선(32)(42)(52)(62)과, 열전쌍 접합점(33)(43)(53)(63)을 구비한다. 상기 제1전도선(31)(41)(51)(61) 및 제2전도선(32)(42)(52)(62)은 각각 니켈, 크롬 등의 금속 소재의 박막으로 이루어져 있다. 상기 제1전도선(31)(41)(51)(61) 및 제2전도선(32)(42)(52)(62)은 서로 다른 종류의 금속으로 이루어져 있는데, 예컨대 상기 제1전도선(31)(41)(51)(61)이 니켈로 이루어져 있는 경우에는 상기 제2전도선(32)(42)(52)(62)은 니켈이 아닌 다른 금속, 예컨대 크롬으로 이루어져 있다. 상기 열전쌍 접합점(33)(43)(53)(63)은 상기 제1전도선(31)(41)(51)(61)과 제2전도선(32)(42)(52)(62)의 단부들이 서로 전기적으로 연결되어 형성된다. 상기 열전쌍 접합점(33)(43)(53)(63)들은 상기 제1,2,3,4발열점(71)(72)(73)(74)과 산화실리콘 등의 절연체 박막(24)을 사이에 두고 각각 접촉한다. 상기 제1,2,3,4열전쌍(30)(40)(50)(60)의 양 단부 각각에는 전극패드들(36,37)(46,47)(56,57)(66,67)이 마련되어 있다. 상기 제1열전쌍의 전극패드(37)와 상기 제2열전쌍의 전극패 드(47)에는 증폭기(211)가 연결되어 있고, 그 증폭기(211)를 통해 증폭된 전압은 전압측정장치(미도시)에 의해 측정된다. 또한, 상기 제3열전쌍의 전극패드(56)와 상기 제4열전쌍의 전극패드(66)에는 증폭기(212)가 연결되어 있고, 그 증폭기(212)를 통해 증폭된 전압은 전압측정장치(미도시)에 의해 측정된다.The first, second, third, and
상기 절연체 박막(24)은 화학기상증착을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 반응성이온에칭을 통하여 평면적 형태가 형성된다. 상기 제1전도선(31)(41)(51) (61), 제2전도선(32)(42)(52)(62), 전극패드(36,37)(46,47)(56,57)(66,67)는 전자빔증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 리프트-오프 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The insulator
상기 제2기판(120)은, 상기 제1기판(20)에 의해 형성되는 평면과 교차하는 제3축선(A3) 방향에 대한 가속도를 측정하기 위해 상기 제1기판(20)과 평행하게 배치되는 것으로서, 제2기판 본체(121)와, 제2발열체(170a)(170b)와, 제5발열점(171) 및 제6발열점(172)과, 제5열전쌍(130) 및 제6열전쌍(140)을 구비한다. 본 실시예에 있어서, 상기 제2기판(120)은 상기 제1기판(20)의 하측에 배치된다.The
상기 제2기판 본체(121)는, 실리콘 등의 반도체 소재의 중간판재(121a)와 그 중간판재(121a)의 상면에 증착된 질화실리콘 등의 실리콘화합물 박막(121b)으로 이루어져 있다. 상기 실리콘화합물 박막(121b)은 상기 제2발열체(170a)(170b)와, 제5열전쌍(130) 및 제6열전쌍(140)을 지지하는 구조체 역할을 한다. 상기 제2기판 본체(121)에는 열대류에 의해 유동되는 유체를 통과시키기 위한 제2공동(122)이 상기 제2기판 본체(121)의 중앙에 마련되어 있다.The second substrate
상기 실리콘화합물 박막(121b)은 화학기상증착을 통하여 상기 중간판재(121a)의 상면에 증착되며, 포토리소그래피와 반응성이온에칭을 통하여 평면적 형태가 형성된다. 상기 제2공동(122)은 포토리소그래피와 이불화제논 기체 등을 이용한 등방성 식각방법을 통하여 형성된다.The silicon compound
상기 제2발열체(170a)(170b)는 상기 제2기판 본체(121) 상에 마련되어 있다. 상기 제2발열체(170a)(170b)도, 제1발열체(70)와 마찬가지로, 니켈, 크롬 등의 전도성 소재로 이루어져 전류를 공급하면 자체 저항에 의해 발열하게 된다. 본 실시예에 있어서 상기 제2발열체(170a)(170b)는 "ㄱ"자 형상을 가지는 전도성 박막이며, 한 쌍의 제2발열체(170a)(170b)가 "ㄱ"자의 꼭지점 부분이 서로 마주보도록 배치된다. 상기 "ㄱ"자 형상의 제2발열체(170a)(170b) 각 꼭지점 부분에는 제5발열점(171) 및 제6발열점(172)이 위치한다. 상기 제5발열점(171)과 제6발열점(172)은, 상기 제1발열점(71)과 제2발열점(72) 각각의 수직 하방에 위치한다. 상기 제2발열체(170a)(170b)에 전류를 공급하기 위한 4개의 전극(175)(176)(177)(178)들이 마련되어 있다. 상기 전극(175)(176)(177)(178)들의 일단부는 상기 제2발열체(170a) (170b)와 접촉하여 상기 제2발열체(170a)(170b)와 전기적으로 연결되며, 상기 전극(175)(176)(177)(178)들의 타단부는 그 전극(175)(176)(177)(178)들을 통해 전류를 공급할 수 있는 전류공급장치(202)에 연결된다. 상기 전극(175)(176) (177)(178)은 그 자체의 열발생과 전기적 잡음을 최소화하기 위하여 금(Au) 등과 같이 저항이 작은 금속성 소재의 박막으로 형성된다. 상기 제2발열체(170a)(170b)와 전극(175)(176)(177)(178)은 전자빔증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되 며, 포토리소그래피와 리프트-오프 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전류공급장치(202)로부터 전극(175)(176)을 통하여 한 쌍의 제2발열체(170a)(170b)로 전류가 유입되며, 상기 전극(177)(178)을 통하여 전류가 한 쌍의 제2발열체(170a)(170b)로부터 전류공급장치(202)로 되돌아온다. 이 때, 제2기판(120)과 연결된 전류공급장치(202)로부터 공급되는 전류의 크기는 i/2 로 설정되며, 한 쌍의 제2발열체(170a)(170b)에는 키르히호프의 법칙에 의하여 제1발열체(70)와 마찬가지로 각각 i/4 의 전류가 흐르게 된다. 각각의 발열체(70)(170a)(170b)로 공급되는 전류의 양을 동일하게 하는 것은, 각 발열점(71)(72)(73)(74)(171) (172)에서의 발열량을 동일하게 하기 위함이다.As shown in FIG. 6, current flows from the
상기 제5발열점(171)과 제1발열점(71)은 상기 제3축선(A3) 방향을 따라 서로 이격되게 배치되어, 상기 제3축선(A3) 방향으로의 가속도를 측정하는 데 이용된다. 상기 제6발열점(172)과 상기 제5발열점(171)은 상기 제1축선(A1) 방향 또는 제2축선(A2) 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있으나, 본 실시예에서는 제1축선(A1) 방향을 따라 서로 이격되게 배치된다. 상기 제3축선(A3)은, 상기 제1기판(20)에 의해 형성된 평면 및 상기 제2기판(120)에 의해 형성된 평면과 각각 한 점에서 만나면서 교차한다. 본 실시예에서 있어서, 상기 제3축선(A3) 방향과 제1축선(A1) 방향이 이루는 각도는 직각이며, 상기 제3축선(A3) 방향과 제2축선(A2) 방향이 이루는 각도 역시 직각이다.The fifth heating point 171 and the first heating point 71 are spaced apart from each other along the direction of the third axis A3 and used to measure the acceleration in the direction of the third axis A3. . The sixth heating point 172 and the fifth heating point 171 may be disposed to be spaced apart from each other along the direction of the first axis A1 or the direction of the second axis A2, but in this embodiment, It is arranged to be spaced apart from each other along the axis A1 direction. The third axis A3 intersects and meets the plane formed by the
상기 제2기판(120)에는 상기 제5,6발열점(171)(172)의 온도를 측정하기 위한 제5,6열전쌍(130)(140)이 마련되어 있다. 상기 제5,6열전쌍(130)(140)은 상기 제1기판(20)에 마련되어 있는 제1,2,3,4열전쌍(30)(40)(50)(60)과 동일한 소재 및 구조로 이루어져 있으며, 상기 제5열전쌍의 열전쌍 접합점(133)은 상기 제5발열점(171)과, 상기 제6열전쌍의 열전쌍 접합점(143)은 상기 제6발열점(172)과 산화실리콘 등의 절연체 박막(124)을 사이에 두고 각각 접촉한다. 상기 제5,6열전쌍(130)(140)들의 양 단부 각각에는 전극패드들 (136,137)(146,147)이 마련되어 있다. 상기 제5열전쌍의 전극패드(137)와 상기 제1열전쌍의 전극패드(37)에는 증폭기(213)가 연결되어 있고, 그 증폭기(213)를 통해 증폭된 전압은 전압측정장치(미도시)에 의해 측정된다.The second and
상기 절연체 박막(124)은 화학기상증착을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 반응성이온에칭을 통하여 평면적 형태가 형성된다. 상기 제5,6열전쌍(130)(140)을 형성하는 제1전도선(131)(141) 및 제2전도선(132)(142)과 전극패드(136,137)(146,147)는 전자빔증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 리프트-오프 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The insulator
상기 유체의 압력의 변화가 상기 제1,2,3,4,5,6발열점(71)(72)(73)(74) (171)(172)의 온도에 미치는 영향을 보정하기 위하여, 상기 제1,2,3축선(A1)(A2) (A3) 방향 중 어느 한 축선 방향을 따라 서로 이격되게 배치된 두 개의 발열점의 온도의 합을 이용하여 상기 유체의 압력을 측정한다. 즉, 상기 제1축선(A1) 방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제1발열점(71) 및 제2발열점(72)의 온도의 합 또는 상기 제2축선(A2) 방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제3발열점(73) 및 제4발열점(74)의 온도의 합 또는 상기 제3축선(A3) 방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제5발열점(171) 및 제1발열점(71)의 온도의 합 또는 상기 제1축선(A1) 방향을 따라 서로 이격되게 배치된 제5발열점(171) 및 제6발열점(172)의 온도의 합 중 어느 하나를 이용하여 유체의 압력을 측정할 수 있으나, 본 실시예에서는 제5발열점(171) 및 제6발열점(172)의 온도의 합을 이용하여 유체의 압력을 측정한다. 상기 제5발열점(171)에 접촉하는 제5열전쌍(130)의 전극패드(137)와 제6발열점(172)에 접촉하는 제6열전쌍(140)의 전극패드(146)에는 증폭기(214)가 연결되어 있고, 그 증폭기(214)를 통해 증폭된 전압은 전압측정장치에 의해 측정된다.In order to correct the effect of the change in the pressure of the fluid on the temperature of the first, second, third, fourth, fifth, sixth heating point 71, 72, 73, 74, 171, 172, The pressure of the fluid is measured using the sum of the temperatures of two heating points spaced apart from each other along one of the first, second and third axes A1, A2, and A3. That is, the sum of the temperatures of the first heating point 71 and the second heating point 72 disposed to be spaced apart from each other along the direction of the first axis A1 or spaced apart from each other along the direction of the second axis A2. The sum of the temperatures of the arranged third heating point 73 and the fourth heating point 74 or the fifth heating point 171 and the first heating point disposed to be spaced apart from each other along the direction of the third axis A3 ( The pressure of the fluid using either the sum of the temperatures of 71 or the sum of the temperatures of the fifth heating point 171 and the sixth heating point 172 spaced apart from each other along the direction of the first axis A1. In this embodiment, the pressure of the fluid is measured using the sum of the temperatures of the fifth heating point 171 and the sixth heating point 172. An
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 3축 MEMS 가속도 센서의 작동 원리를, 도 1 내지 도 7을 참조하면서 개략적으로 설명하기로 한다. 공간 상에서 직교하는 상기 제1,2,3축선 중 제1축선 방향에 대한 가속도를 측정하는 원리를 예로 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, the operating principle of the three-axis MEMS acceleration sensor of the present embodiment configured as described above will be described schematically with reference to FIGS. 1 to 7. The principle of measuring the acceleration in the direction of the first axis among the first, second, and third axes perpendicular to the space will be described as an example.
상기 전류공급장치(201)로부터 상기 제1발열체(70)에 전류가 인가되면, 그 제1발열체(70) 주위에는 주울열이 발생하게 되어 제1발열체(70) 주위의 유체의 온도가 상승하게 된다. 상기 제1발열체(70)의 사각 띠 형상에 의해 상기 제1발열체(70)는 그 내부과 외부로 구획될 수 있는데, 상기 제1발열체(70)의 주울열에 의해 상기 제1발열체(70)의 내부에 위치하는 유체의 온도는 상기 제1발열체(70)의 외부에 위치하는 온도보다 높게 된다.When a current is applied from the
따라서, 상기 3축 MEMS 가속도 센서(100)에 제1축선(A1) 방향 중 어느 일 방 향으로 가속도가 작용하는 경우, 상기 제1발열점(71)과 상기 제2발열점(72)은 상기 제1축선(A1) 방향으로의 유체 유동에 의해 냉각되는 정도가 차이가 있게 된다. 예컨대, 상기 3축 MEMS 가속도 센서(100)에 가속도가 상기 제1축선(A1) 방향 중 일 방향인 "+A1" 방향으로 작용하는 경우에는 상대운동의 관점에서 상기 제1발열점(71) 및 제2발열점(72) 주위에 있는 유체에는 상기 제1축선(A1) 방향 중 타 방향인 "-A1" 방향의 가속도가 작용하게 된다. 유체의 "-A1" 방향으로의 유동에 의해, 상기 제2발열점(72)은 전체 유체의 평균온도보다 높은 온도를 가지는 제1발열체(70)의 내부에 위치하는 유체에 의해 냉각되게 되고, 상기 제1발열점(71)은 전체 유체의 평균온도보다 낮은 온도를 가지는 제1발열체(70)의 외부에 위치하는 유체에 의해 냉각되게 된다. 따라서, 상기 제2발열점(72)의 온도는 제1발열점(71)의 온도보다 높아지게 된다. 반대로, 상기 3축 MEMS 가속도 센서(100)에 가속도가 "-A1" 방향으로 작용하는 경우에는, 상기 제1발열점(71)의 온도가 제2발열점(72)의 온도보다 높아지게 된다.Therefore, when the acceleration acts in any one direction of the first axis A1 to the three-axis
이와 같이 상이한 온도를 가지는 유체의 열대류 현상으로 인해 제1발열점(71)과 제2발열점(72)이 냉각되는 정도는 차이가 나게 되고, 그러한 온도의 차이는 상기 제1발열점(71)에 접촉되어 있는 제1열전쌍(30)으로부터 출력되는 전압과 상기 제2발열점(72)에 접촉되어 있는 제2열전쌍(40)으로부터 출력되는 전압의 차이로 출력된다. 상기 제1열전쌍(30)과 제2열전쌍(40)이 차동 형태로 연결되어 있어서 상기 증폭기(211)에 의하여 증폭된 전압 V1 은 제1축선(A1) 방향으로의 가속도에 비례하는 값이 된다. 이와 같이 제1발열점(71)과 제2발열점(72) 사이의 온도차 이를 측정함으로써, 제1축선(A1) 방향으로 작용하는 가속도의 방향(양, 음의 방향) 및 크기를 구해낼 수 있게 된다.As such, the degree of cooling of the first heating point 71 and the second heating point 72 is different due to a tropical flow phenomenon of a fluid having a different temperature, and the temperature difference is the first heating point 71. ) Is output as a difference between the voltage output from the
위와 동일한 원리로, 제3발열점(73)과 제4발열점(74) 사이의 온도차이로 인해 발생되는 제3열전쌍(50)과 제4열전쌍(60)의 출력전압의 차이는 증폭기(212)에 의하여 증폭되고, 그 증폭된 전압 V2 는 제2축선(A2) 방향으로의 가속도에 비례하는 값이 된다. 상기 제5발열점(171)과 제1발열점(71) 사이의 온도차이로 인해 발생되는 제5열전쌍(130)과 제1열전쌍(30)의 출력전압의 차이는 증폭기(213)에 의하여 증폭되고, 그 증폭된 전압 V3 는 제3축선(A3) 방향으로의 가속도에 비례하는 값이 된다.In the same principle as above, the difference between the output voltages of the
한편, 유동되는 유체의 압력이 변화됨에 따라 발열점의 냉각정도는 차이가 있게 된다. 일반적으로 유체의 압력이 증가하면 열대류가 더 잘 발생하여 발열점의 냉각정도가 증가하고, 반대로 유체의 압력이 감소하면 열대류에 의한 발열체의 냉각정도가 감소하게 된다. 따라서, 이하에서는 유체의 압력이 변화하는 경우 발열점의 온도를 정확하게 측정하여 가속도의 크기를 정확하게 구할 수 있는 원리를 설명하기로 한다.On the other hand, as the pressure of the fluid to be changed is the degree of cooling of the heating point is different. In general, as the pressure of the fluid increases, the flow of tropical air is more likely to increase, and the degree of cooling of the heating point is increased. Therefore, hereinafter, the principle of accurately calculating the magnitude of the acceleration by measuring the temperature of the heating point when the pressure of the fluid changes will be described.
상기 제5발열점(171)과 상기 제6발열점(172)은 "+A1" 방향의 가속도가 작용하는 경우나 "-A1" 방향의 가속도가 작용하는 경우에 있어서 서로 반대의 냉각효과를 받기 때문에, 제5발열점(171)과 제6발열점(172)의 온도의 합은 가속도의 방향과 관계없이 항상 일정하게 된다. 다만, 상기 제5발열점(171)과 제6발열점(172)의 온도의 합은 전체 유체의 압력에만 의존하게 된다. 즉, 유체의 압력이 높은 경우에 는 상기 제5발열점(171)과 제6발열점(172)의 온도의 합은 낮게 되고, 유체의 압력이 낮은 경우에는 상기 제5발열점(171)과 제6발열점(172)의 온도의 합은 높게 된다. 상기 제5열전쌍의 전극패드(137)와 제6열전쌍의 전극패드(146)는 그 출력전압이 더해지도록 증폭기(214)와 열전대열(thermopile) 형태로 연결되어 있어서, 상기 증폭기(214)에 의해 증폭된 전압 Vp는 압력에 비례하는 값이 된다. 따라서, 상기 제5발열점(171)과 제6발열점(172)의 온도의 합으로부터 유체의 압력을 구해낼 수 있고 이를 이용하여 상기 제1발열점(71)과 제2발열점(72)의 온도차이에 유체의 압력의 변화를 보정함으로써, 유체의 압력이 변화하는 경우에도 제1축선(A1) 방향으로의 가속도의 크기를 정확하게 구해낼 수 있게 된다.The fifth heating point 171 and the sixth heating point 172 receive cooling effects opposite to each other when the acceleration in the "+ A1" direction or the acceleration in the "-A1" direction acts. Therefore, the sum of the temperatures of the fifth heating point 171 and the sixth heating point 172 is always constant regardless of the direction of acceleration. However, the sum of the temperatures of the fifth heating point 171 and the sixth heating point 172 depends only on the pressure of the entire fluid. That is, when the pressure of the fluid is high, the sum of the temperatures of the fifth heating point 171 and the sixth heating point 172 becomes low, and when the pressure of the fluid is low, the fifth heating point 171 and The sum of the temperatures of the sixth heating point 172 becomes high. The
가속도 센서에 있어서, 온도를 측정하여 가속도를 구해내고 압력의 변화를 보정하는 원리는 한국공개특허공보 제2006-0049572호 등에 개시되어 있는 바와 같이 공지이므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.In the acceleration sensor, the principle of measuring the temperature to obtain the acceleration and correcting the change in pressure is well known as disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 2006-0049572, and so the detailed description thereof will be omitted.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 3축 MEMS 가속도 센서를 이용하면, 2개의 기판이 평행하게 배치된 구조의 가속도 센서를 가지고, 공간 상에서 서로 교차하는 제1,2,3축선 방향 각각에 대하여 가속도를 측정할 수 있으므로, MEMS 공정 또는 반도체 미세가공 기술을 이용하여 가속도 센서 제품을 소형화할 수 있고, 가속도 센서 제품의 제작공정을 단순화시킬 수 있다. 따라서, 제품의 생산수율을 증대함과 동시에 생산단가를 절감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.Using the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present embodiment configured as described above, it has an acceleration sensor having a structure in which two substrates are arranged in parallel with respect to each of the first, second and third axis directions crossing each other in space. Acceleration can be measured, which makes it possible to miniaturize acceleration sensor products by using MEMS process or semiconductor micromachining technology, and simplify the manufacturing process of acceleration sensor products. Therefore, it is possible to increase the production yield of the product and at the same time can reduce the production cost.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 3축 MEMS 가속도 센서를 이용하면, 그 3축 MEMS 가속도 센서 자체 내에 유체의 압력을 가속도와 무관하게 측정하는 기능이 구현되어 있어서, 유체의 압력 변화가 가속도에 미치는 영향을 보상함으로써, 공간 상에서 서로 교차하는 제1, 2, 3축선 방향 각각에 대하여 가속도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.In addition, when using the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present embodiment configured as described above, the function of measuring the pressure of the fluid irrespective of the acceleration is implemented in the three-axis MEMS acceleration sensor itself, so that the pressure change of the fluid By compensating the influence on the acceleration, it is possible to obtain the effect of more accurately measuring the acceleration in each of the first, second, and three axis directions crossing each other in space.
이상 바람직한 실시예 및 변형례에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서는 상술한 예들에 한정되는 것은 아니며, 그 예들의 변형이나 조합에 의해, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 3축 MEMS 가속도 센서가 구체화될 수 있다.Although preferred embodiments and modifications have been described above, the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention is not limited to the above-described examples, and within the scope not departing from the technical spirit of the present invention by modifications or combinations thereof. Various types of three-axis MEMS acceleration sensors can be embodied in the art.
본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서는, 평행하게 배치된 2개의 기판 구조로 이루어진 가속도 센서를 가지고 공간 상에서 서로 교차하는 3개의 축선 방향에 대하여 가속도를 측정함으로써, MEMS 공정 또는 반도체 미세가공 기술을 이용하여 제품을 소형으로 제작할 수 있고 제품의 생산수율 증대화 함께 생산단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.The three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention has an acceleration sensor composed of two substrate structures arranged in parallel to measure acceleration in three axial directions crossing each other in space, thereby utilizing a MEMS process or semiconductor micromachining technology. The product can be manufactured in a small size, and the production cost can be reduced along with an increase in the production yield of the product.
또한, 본 발명에 따른 3축 MEMS 가속도 센서는, 그 자체 내에 유체 압력의 변화를 보정하는 기능이 부가되어 별도로 외부의 압력이나 온도를 측정할 필요 없이 공간 상에서의 가속도를 보다 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, the three-axis MEMS acceleration sensor according to the present invention has the effect of correcting the change in the fluid pressure in itself, it is possible to measure the acceleration in space more accurately without the need to measure the external pressure or temperature separately There is.
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