KR100908649B1 - 양방향 측정 가능한 수직축 가속도 센서 - Google Patents

Abstract

기판상의 제1 영역 및 제2 영역에 걸쳐 위치하며, 인가된 수직 방향 가속도에 따라 상향 또는 하향으로 움직이는 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 미리 설정된 간격만큼 이격되어 상기 기판상에 고정되고, 한쪽 끝단은 상기 제1 전극과 평행하게 정렬되며, 반대쪽 끝단은 상기 제1 영역에서는 상기 제1 전극보다 더 돌출되고 상기 제2 영역에서는 상기 제1 전극보다 덜 돌출되는 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 오버랩(overlap)되는 면적이 변함에 따라 발생하는 커패시턴스의 변화를 통하여 수직축 방향의 가속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 수직축 가속도 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 수직축 가속도 센서는, 반단차 구조를 가지는 콤에 의하여 양 방향의 수직 가속도를 감지하는 것이 가능하므로 제작이 용이하고 제작 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

가속도 센서, MEMS, 반단차, 양방향

Description

양방향 측정 가능한 수직축 가속도 센서{Bidirectional Measuring Z-axis Accelerometer}

본 발명은 전반적으로 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 수직축 가속도 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 MEMS 기술을 이용한 3축 가속도 센서에 포함되는 수직축 가속도 센서에 있어서, 가속도를 감지하는 감지 콤(comb) 들에 반단차 구조를 이용하면서도 양방향의 가속도 입력을 감지할 수 있는 수직축 가속도 센서에 관한 것이다.

MEMS 기술은 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판상에 집적하여 형성하는 기술이다. 상기 MEMS 기술은 박막 증착 기술, 식각 기술, 사진 묘화 기술, 불순물 확산 및 주입 기술 등의 반도체 소자 제조 기술을 기초로 한다.

가속도 센서는 MEMS 기술로 제작된 대표적인 소자로서 최근 대학 및 자동차 관련업계를 중심으로 연구가 진행되어 활용되고 있으며, 대표적으로 자동자 엔진 실화(misfire) 검출 장치, 차량 현가 장치 및 인공 지능 로봇의 구동을 위한 액튜에이터(actuator) 등에서 장치의 가속도나 노면의 기울기 등을 측정하기 위한 목적 으로 사용될 수 있다.

MEMS 기술로 제작된 가속도 센서 중에서도, 특히 제작 공정이 간단하고 온도 변화에 둔감하며 비선형성이 적은 용량형 가속도 센서가 널리 사용된다. 용량형 가속도 센서는 가속 운동하는 경우 가속도 센서에 포함된 내부 질량체의 위치가 변동되며, 내부 질량체의 변위에 의하여 질량체와 감지 전극이 오버랩(overlap)되는 면적이 변화하고, 면적 변화에 따라 전극 사이의 커패시턴스(capacitance)가 변화하는 정도를 측정함으로써 가속도를 측정하는 센서이다.

용량형 가속도 센서는 마주보는 전극 사이의 면적을 증가시키기 위해 일반적으로 콤(comb) 구조를 채용하고 있다. 이는 복수 개의 고정된 구조물과 움직이는 구조물이 빗살 형태로 맞물려 서로 마주보고 있는 구조로서, 가속도에 따른 커패시턴스의 변화를 크게 만들기 위하여 사용된다. 가속도계가 운동하는 경우, 이들 콤 구조 사이에 오버랩되는 면적의 변화에 따른 커패시턴스의 변화를 검지하여 가속도를 효율적으로 측정할 수 있다.

일반적으로, 콤 구조에서 서로 마주보는 전극은 상이한 단차를 갖는 것이 바람직하다. 단차란 용량형 가속도 센서에서 마주보는 전극들이 끝단이 서로 완전히 정렬되지 않고, 한 전극이 다른 전극보다 더 돌출되거나 또는 덜 돌출되도록 빗겨 정렬될 경우 발생하는 전극 끝단의 길이차를 의미한다. 수직축 가속도 센서의 경우, 수직 방향 가속도의 감지를 위해서는 감지 콤들이 수직 방향으로 단차를 가져야 한다. 이때 콤 사이의 단차가 상단 및 하단 양 방향에 있는 것을 전단차 구조라고 하고, 상단 또는 하단 중 하나의 방향에만 있는 것을 반단차 구조라고 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 반단차 구조를 가지는 콤의 단면을 도시하는 단면도이다. 도 1에서 S는 기판상에 고정되어 있는 전극을 의미하며, M은 기판상에 고정되지 않은 채 부유하고 있어 인가된 가속도에 따라 움직일 수 있는 전극이다. 도 1은 위쪽만 단차를 가지는 반단차 구조를 도시하고 있으며, 아래쪽은 단차가 없이 양 전극의 끝단이 평행하게 정렬되어 있는 것을 볼 수 있다.

도 2는 아래쪽 단차를 가지는 반단차 구조의 콤의 단면을 도시한 단면도이다. 도 2의 (a)는 가속도 입력 전의 콤의 단면을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 전극들은 아래쪽으로만 단차가 있으며, 전극 위쪽의 끝단은 평행하게 정렬된 것을 알 수 있다. 도 2의 (b)는 하향 가속도가 인가된 경우 콤의 변화를 나타낸다. 기판에 가속도가 주어지더라도 고정된 전극(S)의 기판상에서의 위치는 변함이 없다. 그러나 고정되지 않은 전극(M)은 기판과 분리되어 있으므로, 기판에서 볼 때 관성에 의하여 가속도 반대 방향으로 움직인다. 도 2의 (b)의 경우, 움직이는 전극(M)은 가속도 반대 방향인 상향으로 이동하였다. 결과적으로 움직이는 전극(M)과 고정된 전극(S)이 오버랩되는 면적이 도면에 점선으로 표시되는 면적만큼 감소하였으므로, 이 경우에는 가속도의 검출이 가능하다.

그러나 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 상향 가속도가 인가된 경우, 움직이는 전극(M)이 아래쪽으로 이동하였음에도 불구하고, 그 면적이 고정된 전극(S)의 면적에 전부 포함되기 때문에 오버랩되는 면적에는 변화가 없다. 따라서 도시된 반단차 구조를 사용할 경우 아래쪽 방향의 가속도는 검출할 수 있지만, 위쪽 방향의 가속도를 검출하는 것은 불가능하다.

도 2에는 위쪽에만 단차를 가지는 반단차 구조를 도시하였으나, 도 1에 도시된 반대의 경우에도 마찬가지이다. 아래쪽으로만 단차를 가지는 반단차 구조를 사용할 경우에는 위쪽 방향의 가속도를 검출할 수 있지만, 아래쪽 방향의 가속도는 검출할 수 없다. 그러므로, 반단차 구조를 사용하는 경우에는 한 방향의 가속도만을 검출할 수 있는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 전단차 구조를 가지는 콤을 사용할 수 있으나, 전단차 구조를 가지는 콤은 제작이 어렵고 제작 비용이 높아 경제적이지 못한 단점이 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 종래 기술에 따른 반단차 구조의 약점을 보완하여 양 방향 가속도의 검출이 가능한 반단차 콤 구조를 사용함으로써, 양 방향의 수직 가속도 입력을 감지하는 것이 가능한 수직축 가속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 가속도 센서는, 기판상의 제1 영역 및 제2 영역에 걸쳐 위치하며, 인가된 수직 방향 가속도에 따라 상향 또는 하향으로 움직이는 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 미리 설정된 간격만큼 이격되어 상기 기판상에 고정되고, 한쪽 끝단은 상기 제1 전극과 평행하게 정렬되며, 반대쪽 끝단은 상기 제1 영역에서는 상기 제1 전극보다 더 돌출되고 상기 제2 영역에서는 상기 제1 전극보다 덜 돌출되는 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 오버랩(overlap)되는 면적이 변함에 따라 발생하는 커패시턴스의 변화를 통하여 수직축 방향의 가속도를 검출하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 3축 가속도 센서는, 기판상에 위치하며, 수평면상의 각 축 방향의 가속도를 검출하는 X축 가속도 센서 및 Y축 가속도 센서; 및 상기 기판상의 제1 영역 및 제2 영역에 걸쳐 위치하며, 인가된 수직 방향 가속도에 따라 상향 또는 하향으로 움직이는 제1 전극과; 상기 제1 전극과 미리 설정된 간격만큼 이격되어 상기 기판상에 고정되고, 한쪽 끝단은 상기 제1 전극과 평행하게 정 렬되며, 반대쪽 끝단은 상기 제1 영역에서는 상기 제1 전극보다 더 돌출되고 상기 제2 영역에서는 상기 제1 전극보다 덜 돌출되는 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 오버랩되는 면적이 변함에 따라 발생하는 커패시턴스의 변화를 통하여 수직축 방향의 가속도를 검출하여, 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서와 함께 3차원 가속도를 측정하는 Z축 가속도 센서를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따라 구성된 MEMS 수직축 가속도 센서를 사용할 경우, 전단차 구조가 아닌 반단차 구조를 가지는 콤에 의하여 양 방향의 수직 가속도를 감지하는 것이 가능하므로, 전단차 구조를 사용하는 종래 기술에 비해 제작이 용이하고 제작 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서 "수직" 이라는 용어는 중력 가속도의 방향과 일치하는 방향을 의미하며, 일반적으로 Z축으로 표시된다. 또한 본 명세서에서 "수평"이라는 용어는 상기 수직 방향과 직각을 이루는 방향으로서, 평면상에 위치하는 2개의 축 방향을 지칭하기 위하여 사용되며 일반적으로 X축 및 Y축으로 표현된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 가속도 센서가 포함되는 3축 가속도 센서를 도시한 평면도이다. 상기 가속도 센서는 X축 가속도 센서(31), Y축 가속도 센서(32) 및 Z축 가속도 센서(33)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 Z축 가속 도 센서(33)는 제1 전극(331) 및 제2 전극(332)을 포함하며, 상기 전극들이 오버랩되는 영역은 제1 영역(34) 과 제2 영역(35)으로 구분된다. 제1 전극(331)은 가속도에 따라 상하로 움직이는 전극이며, 제2 전극(332)은 기판상에 고정되어 있는 전극이다. 전술한 바와 같이, 제1 전극(331)과 제2 전극(332)은 반단차 구조로 되어 있으며, Z축 가속도 센서(33)는 제1 전극(331)과 제2 전극(332)이 오버랩되는 면적이 변화함에 따라 발생하는 전극 사이의 커패시턴스 변화를 이용하여 수직축 방향의 가속도를 검출한다.

도 4는 도 3에 도시된 3축 가속도 센서를 A-A'를 연결하는 선분을 따라 절단한 면을 도시하는 단면도이다. 상기 단면도에 의하여, 본 발명에 따른 양방향 가속도를 측정할 수 있는 반단차 콤 구조가 도시된다. 도 4의 (a)는 제1 영역(34)의 절단면을 도시하며, 도 4의 (b)는 제2 영역(35)의 절단면을 도시한다. 도면에서 M은 인가된 가속도에 따라 가속도 방향으로 움직일 수 있는 제1 전극(331)을 의미하며, S는 기판에 고정되어 있는 제2 전극(332)을 의미한다. 상기 실시예에서는 아래쪽으로 단차를 갖는 반단차 구조를 도시하였으나, 다른 실시예에서 제1 전극과 제2 전극은 위쪽으로 단차를 갖는 반단차 구조로 구성될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 수직축 가속도 센서의 콤 구조는, 제1 영역(34) 및 제2 영역(35)을 나누어 각 영역의 반단차 구조에서 전극 사이의 길이 차이가 서로 상이하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 도 4의 (a)에 도시되는 바와 같이, Z축 가속도 센서(33)의 제1 영역(34)에서는 제1 전극(331)이 제2 전극(332)보다 길이가 길어, 아래쪽으로 더 돌출되어 있는 것을 볼 수 있다. 반면, 도 4의 (b)에 도시된 제2 영역(35)에서는 제2 전극(332)이 제1 전극(331)보다 길이가 길어 아래쪽으로 더 돌출되어 있다.

도 5는 도 4에 도시된 콤 구조에 하향으로 가속도가 인가된 경우, 제1 전극(331)과 제2 전극(332)이 오버랩되는 면적의 변화를 도시한 단면도이다. 도 5의 (a)는 제1 영역(34)을, 도 5의 (b)는 제2 영역(35)을 각각 도시한다. 양 영역에서, 가속도가 인가됨에 따라서 M으로 표시되는 제1 전극(331)은 위쪽으로 이동하였다. 그러나 제1 영역(34)에서는 제1 전극(331)의 길이가 제2 전극(332)보다 길어 아래쪽으로 돌출되어 있기 때문에, 제1 전극(331)이 상향으로 이동하더라도 양 전극이 오버랩되는 면적에는 아무런 변화가 없다. 반면 제2 영역(35)에서는 길이가 짧은 제1 전극(331)이 위쪽으로 이동하면서, 도면에 점선으로 표시되는 면적만큼 오버랩되는 면적이 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, 제1 영역(34)에서는 하향 가속도를 감지하지 못하지만, 제2 영역(35)에서 하향 가속도를 감지할 수 있다.

도 6은 상향으로 가속도가 인가된 경우 오버랩되는 면적의 변화를 도시한 단면도이다. 도 6의 (a)는 제1 영역(34)을, 도 6의 (b)는 제2 영역(35)을 도시한다. 제1 영역(34)에서는 제1 전극(331)이 하향으로 이동하면서, 단차 없이 평행하게 정렬되어 있던 전극 상부 끝단에서 점선으로 표시된 면적만큼 오버랩되는 면적이 감소하는 것을 알 수 있다. 반면 제2 영역(35)에서는 제2 전극(332)보다 길이가 짧은 제1 전극(331)이 아래로 이동하더라도, 제1 전극(331)의 면적이 제2 전극(332)에 전부 포함되기 때문에 오버랩되는 영역에는 변화가 없다. 따라서, 제1 영역(34)에 서는 상향 가속도를 감지할 수 있지만, 제2 영역(35)에서는 상향 가속도를 감지할 수 없다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 가속도 센서(33)는 제1 영역(34)과 제2 영역(35)을 나누어, 각 영역에서 제1 전극(331)과 제2 전극(332)의 길이 차가 상이하도록 구성된다. 도시된 실시예처럼 제1 전극(331)과 제2 전극(332)이 아래쪽 단차를 가지도록 구성되는 경우, 하향 가속도는 제2 영역(35)에서 감지되고 상향 가속도는 제1 영역(34)에서 감지된다. 따라서, 전단차 구조가 아닌 반단차 구조를 사용하면서도 양 방향의 가속도를 모두 검출하는 것이 가능하다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

도 1은 종래 기술에 따라 구성된 위쪽 단차를 가지는 반단차 구조 콤의 단면을 도시한 단면도이다.

도 2는 종래 기술에 따라 구성된 아래쪽 단차를 가지는 반단차 구조 콤의 가속도 입력에 따른 변화를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 가속도 센서가 포함된 3축 가속도 센서를 도시한 평면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 가속도 센서를 A-A' 선분을 따라 절단한 면을 도시하는 단면도이다.

도 5는 하향 가속도 입력시 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 가속도 센서의 콤의 변화를 도시한 단면도이다.

도 6은 상향 가속도 입력시 본 발명의 일실시예에 따른 수직축 가속도 센서의 콤의 변화를 도시한 단면도이다.

Claims (5)

1. 기판상의 제1 영역 및 제2 영역에 걸쳐 위치하며, 인가된 수직 방향 가속도에 따라 상향 또는 하향으로 움직이는 제1 전극; 및

   상기 제1 전극과 미리 설정된 간격만큼 이격되어 상기 기판상에 고정되고, 수직 방향의 양 끝단 중 한쪽 끝단은 상기 제1 전극과 평행하게 정렬되며, 반대쪽 끝단은 상기 제1 영역에서는 상기 제1 전극보다 더 돌출되고 상기 제2 영역에서는 상기 제1 전극보다 덜 돌출되는 제2 전극을 포함하되,

   상기 제1 전극의 수직 방향 움직임으로 인해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 오버랩(overlap)되는 면적이 변함에 따라 발생하는 커패시턴스의 변화를 통하여 수직축 방향의 가속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 수직축 가속도 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 전극의 위쪽 끝단이 상기 제1 전극의 위쪽 끝단과 평행하게 정렬된 것을 특징으로 하는 수직축 가속도 센서.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 전극의 아래쪽 끝단이 상기 제1 전극의 아래쪽 끝단과 평행하게 정 렬된 것을 특징으로 하는 수직축 가속도 센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은, 콤(comb) 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 가속도 센서.
5. 기판상에 위치하며, 수평면상의 각 축 방향의 가속도를 검출하는 X축 가속도 센서 및 Y축 가속도 센서; 및

   상기 기판상의 제1 영역 및 제2 영역에 걸쳐 위치하며, 인가된 수직 방향 가속도에 따라 상향 또는 하향으로 움직이는 제1 전극과; 상기 제1 전극과 미리 설정된 간격만큼 이격되어 상기 기판상에 고정되고, 수직 방향의 양 끝단 중 한쪽 끝단은 상기 제1 전극과 평행하게 정렬되며, 반대쪽 끝단은 상기 제1 영역에서는 상기 제1 전극보다 더 돌출되고 상기 제2 영역에서는 상기 제1 전극보다 덜 돌출되는 제2 전극을 포함하되,

   상기 제1 전극의 수직 방향 움직임으로 인해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 오버랩되는 면적이 변함에 따라 발생하는 커패시턴스의 변화를 통하여 수직축 방향의 가속도를 검출하여, 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서와 함께 3차원 가속도를 측정하는 Z축 가속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 가속도 센서.

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