KR100920130B1

KR100920130B1 - 2차원 기울기 센서 및 이 센서의 제조 방법

Info

Publication number: KR100920130B1
Application number: KR1020070066463A
Authority: KR
Inventors: 이재형
Original assignee: 이재형
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-10-08
Also published as: KR20090003638A

Abstract

본 발명은 전도성 액체를 이용한 2차원 기울기 센서 및 이 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 다양한 형태 및 구조를 갖는 센서, 특히 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서를 제작할 수 있는 기울기 센서 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는, 상부가 개방된 홈부(80)에 저장된 전도성 액체(50)와, 상기 전도성 액체(50)와 전기적으로 접촉하는 복수개의 전도체(40)를 포함하여 이루어지며, 상기 센서 몸체(20)는 감광성 물질(Photoresist; PR)로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서의 제조방법은, 기판(30) 위에 전도성 층(31)을 코팅하고 그 위에 감광성 물질(PR)을 쌓아올리는 단계; 상기 감광성 물질(PR)을 X-선에 노광 및 현상하여 복수개의 홀(21)을 형성하고 전기도금해서 상기 복수개의 홀(21) 내에 각각의 전도체(40)를 채우는 단계; X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체(20) 내에 상부가 개방된 홈부(80)를 형성하는 단계; 및 상기 센서 몸체(20)의 홈부 내에 전도성 액체(50)를 투입하고, 이 전도성 액체(50)를 밀봉하기 위해 상기 센서 몸체(20) 상면에 커버(70)를 부착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

기울기 센서, MEMS, LIGA 공정

Description

2차원 기울기 센서 및 이 센서의 제조 방법{Two Dimensional Tilt Sensor and Manufacturing Method Thereof}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 기울기 센서의 구성을 나타내는 개략도,

도 2는 커버가 씌워진 상기 2차원 기울기 센서의 도 1의 A-A선 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 종래 2차원 기울기 센서를 나타내는 도,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 기울기 센서의 기울기 측정원리를 설명하는 도,

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 기울기 센서의 제조 공정을 나타내는 도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1, 2, 3, 4: 전극 10: 2차원 기울기 센서

20: 센서 몸체 30: 기판

31: 전도성 층 40: 전도체

50: 전도성 액체 60: 리드 선

70: 커버 80: 홈부

본 발명은 2차원 기울기 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 초소형 기전 시스템(Micro Electro Mechanical System; 이하, 'MEMS' 라 함) 기술을 이용한 2차원 기울기 센서 및 이 센서의 제조방법에 관한 것이다.

센서란 인간의 오감(시각, 청각, 촉각, 미각, 후각)을 대신하여 측정 대상물로부터 정보량을 검출하여 주로 전기적 신호로 변환해 주는 소자로서, 그 응용 분야가 광범위하여 각종 가전기기 뿐만 아니라 로봇, 공해 방지 및 각종 방재 기기, 자동차 및 항공기 등의 운송 수단, 우주 및 해양 탐사, 의료 기술 등 다양한 분야에 정밀 계측 및 자동화에 필수적인 핵심 기술로 사용된다.

최근 반도체 공정기술에 기반하고 있는 MEMS 기술을 이용한 미세가공 기술이 급속히 발전함에 따라, 센서는 저가격화와 더불어 고성능화 및 지능화되고 있다.

본 발명은 이러한 센서들 중 기울기 센서에 관한 것이다. 기울기 센서는 물체가 기울어진 정도를 감지하는 수단이다. 종래의 기울기 센서로서, 여러 개의 전극 봉을 유리관으로 덮고 내부에 전해질을 채워서 센서가 기울어짐에 따라 전극 봉 사이에 채워진 전해질의 양이 변화하여 이에 따라 각 전극 봉의 저항값이 변하게 되고, 이 변화된 저항 값을 브리지 회로를 통해 출력하여 기울기의 정도를 측정하는 기울기 센서가 있었다. 그러나 이와 같은 유리관을 이용하는 종래의 기울기 센서는 유리관을 이용함으로써 제조공정이 복잡하여 제조비용이 많이 소요되고 또한 생산성이 떨어지는 문제점이 있었고, 센서의 부피가 커서 응용범위가 좁은 문제점 이 있었다.

이러한 종래의 기울기 센서의 문제점을 해결하기 위한 것 중 하나로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0119562호(2005.12.21.공개)에 MEMS 기술을 이용하여 초소형으로 제작하여 제조비용을 절감할 수 있고 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 기울기 센서유닛이 게재되어 있으며, 이 기울기 센서유닛은 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이 기울기 센서유닛은 상부가 개방되고 상광하협의 경사면을 갖는 홈부(102)를 갖고, 이 홈부의 경사면에 상호 절연되게 형성되어 있는 다수의 전도성 박막(112)들을 포함하는 웨이퍼(101)와, 전도성 박막(112)들에 각각 연결되어 전원을 공급하는 리드 선(103)과, 홈부(102)에 저장되며 웨이퍼(101)의 기울기에 따라 유동되어 전도성 박막(112)의 저항을 가변시키는 전해질(105)을 포함하는 구성을 특징으로 한다. 그러나, 이러한 기울기 센서에서는 전도성 박막을 제공하기 위해서 단순히 홈부(102)의 경사면 위에 다수개의 전도성 박막을 배치시키는 구성을 취하고 있는데, 이러한 단순한 배치로는 센서의 감도(sensitivity)를 극대화하기에는 한계가 있다. 또한, 이 기울기 센서유닛은 이방성 식각(anisotropic etching)을 이용하는 초소형 초정밀 절삭 또는 기판미세가공(Bulk Micromachining)기술을 사용하여 제작된 것으로서, 실리콘 웨이퍼의 이방성 식각 특성 때문에 상광하협의 경사면을 갖는 홈부가 형성되는 한정된 형태만을 갖게 된다. 따라서, 원하는 다양한 형태와 구조를 갖는 센서를 제작할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 기울기 센서의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 2차원 기울기 센서로서, 종래의 기울기 센서보다 감도가 향상된 2차원 기울기 센서를 제공하고 또한 다양한 형태 및 구조의 센서를 경제적으로 제작할 수 있는 2차원 기울기 센서 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위 목적을 달성하기 위하여, 상부가 개방된 홈부가 형성되어 있는 센서 몸체; 상기 홈부에 저장된 전도성 액체; 상기 센서 몸체 내에 형성되어 상기 전도성 액체와 전기적으로 접촉하는 4개 이상의 전도체; 상기 센서 몸체를 지지하는 기판; 상기 4개 이상의 전도체에 각각 연결된 리드 선; 및 상기 전도성 액체를 밀봉하기 위해 상기 센서 몸체 상부를 덮는 커버를 포함하여 이루어지며, 상기 센서 몸체(20)는 감광성 물질(Photoresist; PR)로 이루어진 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서를 제공한다.

본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는, 기판(예를 들어, 실리콘 기판) 위에 전도성 층을 코팅하는 단계; 상기 전도성 층이 코팅된 상기 기판 위에 감광성 물질(PR)을 쌓아올려 센서 몸체를 형성하는 단계; 상기 감광성 물질(PR)을 X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체 내부에 상기 전도성 층 위까지 뚫린 4개 이상의 홀을 형성하는 단계; 상기 전도성 층을 하나의 전극으로 하여 전기도금해서 상기 4개 이상의 홀 내에 각각의 전도체를 채우는 단계; 상기 전도체들이 서로 마주보게 노출되도록, 상기 감광성 물질(PR)로 이루어진 센서 몸체를 X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체 내에 상부가 개방된 홈부를 형성하는 단계; 상기 전도체들에 각각 리드 선을 연결하는 단계; 및 상기 센서 몸체의 홈부 내에 전도성 액체를 투입하고, 이 전도성 액체를 밀봉하기 위해 상기 센서 몸체 상면에 커버를 부착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서의 제조방법에 의하여 효과적으로 제조될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 기울기 센서의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 2는 커버가 씌워진 상태의 상기 2차원 기울기 센서의 도 1의 A-A선을 따른 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는, 센서 몸체(20) 내에 상부가 개방된 홈부(80)(도 1 및 도 2의 실시예에서는, 직사각형 또는 정사각형 형상의 단면을 갖는 홈부)가 형성되어 있으며, 이 홈부(80)에는 전해질 용액 또는 액체금속과 같은 전도성 액체(50)가 저장되어 있는 구성을 갖는다. 상기 센서 몸체(20) 내에는 또한 전극으로서 역할을 하는 4개 이상의 전도체(40)(도 1 및 도 2의 실시예에서는 4개의 전도체가 도시됨)가 형성되어 있어 상기 전도성 액체(50)와 전기적으로 접촉하고 있다. 상기 기울기 센서의 저부에는 기판(30)이 센서 몸체(20)를 지지하고 있으며, 상기 전도체(40)들의 일단에는 리드 선(40)이 각각 연결되어 각 전도체(40)들 사이의 저항값을 측정할 수 있게 되어 있으며, 상기 전도성 액체(50)를 밀봉하기 위해서 커버(70)가 상기 센서 몸체(20) 상부를 덮도록 구성되어 있다.

도 1 및 도 2의 실시예에 따른 2차원 기울기 센서에 있어서, 4개의 전극들은 모두 홈부(80)의 각 코너(corner)에 배치된다.

다른 실시예로서, 상기 홈부(80)의 단면은 정사각형, 직사각형과 같은 사각형 형상, 원 또는 타원 등 다양한 모양이 가능하며, 상기 센서 몸체(20)는 아크릴 수지 또는 폴리 메타크릴산 메틸(PMMA), SU-8 등의 감광성 물질(Photoresist; PR)을 포함하는 폴리머는 물론 구조체를 형성할 수 있는 것이라면 어떠한 재료라도 가능하다. 또한, 기울기 센서의 제조방법에 따라서는 기판(30)에 전도성 층(31)이 코팅될 수도 있다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예, 특히 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 2차원 기울기 센서의 기울기 측정원리를 설명하는 도이다. 도 4a는 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서가 기울어져 있는 상태를 나타내며, 센서가 x축 방향으로 기울어짐에 따라 전도성 액체(50)가 x축 방향으로

만큼 기울어져 있는 경우에 있어서 전극들(1, 2, 3, 4) 사이의 저항값 변화량을 알아보기 위해, 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서를 도 4b와 같이 간략히 모델링하여 도시하였다. 여기서, 기울기

에 따른 전극(1)과 전극(2) 사이의 저항값 변화량

이고, 전 극(2)과 전극(3) 사이의 저항값 변화량

이고, 전극(3)과 전극(4) 사이의 저항값 변화량

이고, 전극(4)과 전극(1) 사이의 저항값 변화량

이다. 전극(1)과 전극(3) 사이 그리고 전극(2)과 전극(4) 사이의 저항값 변화량

,

이다. 여기서, K는 전극을 저항체로 보았을 때, 저항체의 길이와 저항값 사이의 비례상수를 나타낸다. 기울기

에 따른 각 전극들 사이의 저항값의 변화량이 아래의 표 1의 두번째 열에 정리되어 있다. 마찬가지로, 도 4c와 같이 기울기 센서가 기울어짐에 따라 전도성 액체(50)가 y축 방향으로

만큼 기울어졌을 경우, 이 기울기

에 따른 각 전극들 사이의 저항값 변화량은 표 1의 세번째 열에 정리된 바와 같다. 이 경우에 있어서도, 전극(1)과 전극(3) 사이 그리고 전극(2)과 전극(4) 사이의 저항값 변화량

,

이다.

전극
1-2
2-3
3-4
4-1

위 표 1에 정리된 각 전극들 사이의 저항값 변화량을 나타내는 관계식으로부터 x축 방향 기울기

와 y축 방향 기울기

를 역으로 계산해 낼 수 있다.

삭제

이와 같은 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는 MEMS 기술에서 사용되는 기판 미세가공 공정(Bulk Micromachining), 박막 미세가공 공정(Surface Micromachining) 및 LIGA 공정 등 다양한 방법에 의해서 제조될 수 있다. 이러한 여러 제조공정 중에서 LIGA 공정은 X-선을 이용하여 아크릴 수지(PMMA)로 된 두꺼운 전주벽을 형성한 후 주물방식을 이용하여 미소기계 부품을 가공하는 방식으로서, 고단면비를 가진 미소기계부품 제작에 유리하다. 전도성 액체를 사용하는 기울기 센서의 경우에는 가능하면 고단면비(high aspect ratio)를 갖는 구조가 보다 폭넓은 범위의 기울기를 감지하는 것이 가능하기 때문에 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는 LIGA 공정을 응용하여 제조되는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는 복수개의 전도체(40)가 홈부(80) 내의 각 코너에 배치되는 구조를 갖는데 이러한 구조를 달성하기 위해서는 다른 미세가공 공정보다는 LIGA 공정이 유리하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 2차원 기울기 센서의 제조 공정이 도 5a 내지 도 5d에 도시되었다. 참고로, 도 5a 내지 도 5d의 각 도면에서 우측에 도시된 도면은 좌측에 도시된 도면의 B-B선 및 C-C선을 따른 단면도를 나타낸다. 도 5a를 참조하여 보면, 우선, 실리콘 기판(30) 위에 Ti 또는 Ag/Cr 박막과 같은 전도성 층(31)을 코팅한 후, 그 위에 폴리 메타크릴산 메틸(PMMA) 또는 SU-8 등의 감광성 물질(Photoresist; PR)을 쌓아올려 센서 몸체(20)를 형성한다. 그 후, 마스크(MA1)를 사용하여 상기 감광성 물질(PR)을 X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체(20) 내부에 상기 전도성 층(31) 위까지 뚫린 4개 이상의 홀(21)을 형성한다. 그 다음 단계로서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 전도성 층(31)을 하나의 전극, 예를 들면 음극으로 하여 전기도금해서 상기 홀(21)들 내에 각각의 전도체(40)를 채운다. 그 후, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 전도체(40)들이 서로 마주보게 노출되도록, 상기 감광성 물질(PR)로 이루어진 센서 몸체(20)를 마스크(MA2)를 사용하여 X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체(20) 내에 상부가 개방된 홈부(80)를 형성한다. 마지막으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 전도체(40)들에 각각 리드 선(60)을 연결하고, 상기 센서 몸체(20)의 홈부 내에 전해질 용액 또는 액체금속 등의 전도성 액체(50)를 투입하고, 이 전도성 액체(50)를 밀봉하기 위해 상기 센서 몸체(20) 상면에 커버(70)를 부착하여 2차원 기울기 센서 구조물을 완성한다. 이와 같은 제조공정에 의해서, 각각의 전도체(40)가 상기 홈부(80) 내의 각 코너에 배치되는 구조의 2차원 기울기 센서가 용이하게 제조될 수 있다. 위와 같이, LIGA 공정을 응용한 제조방법에 의하면 원하는 형상 또는 구조의 센서를 용이하게 제작할 수 있다.

이상 설명한 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는 유선 또는 무선통신을 이용하여 각종 게임기, 휴대폰, 자동차, 박물관에 소장된 물품의 유지관리 또는 도난방지, 로봇, 우주탐사선 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 2차원 기울기 센서는 센서 몸체(20)가 감광성 물질(Photoresist; PR)로 이루어져 있기 때문에 제조공정에 따라서 다양한 형태와 구조를 갖는 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 보다 폭넓은 기울기를 감지할 수 있는 고단면비(high aspect ratio)를 갖는 구조의 기울기 센서를 제조하기에 유리한 LIGA 공정을 응용한 2차원 기울기 센서 제조방법이 제공되는데, 이와 같은 기울기 센서 제조방법에 의해서, 각각의 전도체(40)가 상기 홈부(80) 내의 각 코너에 배치되는 구조의 2차원 기울기 센서가 용이하게 제조될 수 있는 효과가 있다.

Claims

삭제
삭제
상부가 개방된 홈부(80)가 형성되어 있는 센서 몸체(20);

상기 홈부(80)에 저장된 전도성 액체(50);

상기 센서 몸체(20) 내에 형성되어 상기 전도성 액체(50)와 전기적으로 접촉하는 4개 이상의 전도체(40);

상기 센서 몸체(20)를 지지하는 기판(30);

상기 4개 이상의 전도체(40)에 각각 연결된 리드 선(60); 및

상기 전도성 액체(50)를 밀봉하기 위해 상기 센서 몸체(20) 상부를 덮는 커버(70)를 포함하여 이루어지며,

상기 센서 몸체(20)는 감광성 물질(Photoresist; PR)로 이루어진 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서.
제3항에 있어서,

상기 전도성 액체(50)는 전해질 용액 또는 액체금속인 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서.
삭제
2차원 기울기 센서의 제조방법에 있어서,

기판(30) 위에 전도성 층(31)을 코팅하는 단계;

상기 전도성 층(31)이 코팅된 상기 기판(30) 위에 감광성 물질(PR)을 쌓아올려 센서 몸체(20)를 형성하는 단계;

상기 감광성 물질(PR)을 X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체(20) 내부에 상기 전도성 층(31) 위까지 뚫린 4개 이상의 홀(21)을 형성하는 단계;

상기 전도성 층(31)을 하나의 전극으로 하여 전기도금해서 상기 4개 이상의 홀(21) 내에 각각의 전도체(40)를 채우는 단계;

상기 전도체(40)들이 서로 마주보게 노출되도록, 상기 감광성 물질(PR)로 이루어진 센서 몸체(20)를 X-선에 노광 및 현상하여 상기 센서 몸체(20) 내에 상부가 개방된 홈부(80)를 형성하는 단계;

상기 전도체(40)들에 각각 리드 선(60)을 연결하는 단계; 및

상기 센서 몸체(20)의 홈부 내에 전도성 액체(50)를 투입하고, 이 전도성 액체(50)를 밀봉하기 위해 상기 센서 몸체(20) 상면에 커버(70)를 부착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 홈부(80)의 단면은 직사각형 또는 정사각형 형상이며, 상기 전도체(40)는 모두 4개이고 이들 각각의 전도체(40)는 상기 홈부(80) 내의 각 코너에 배치되는 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서의 제조방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 전도성 액체(50)는 전해질 용액 또는 액체금속인 것을 특징으로 하는 2차원 기울기 센서의 제조방법.