KR101009903B1 - 3축 가속도 센서 - Google Patents

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Abstract

기판상에서 일 방향을 따라 배열되는 X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서; 및 상기 Z축 가속도 센서를 상기 기판에 연결하며, 인가된 가속도에 의해 변형되는 변형부를 포함하는 3축 가속도 센서가 개시된다. 상기 3축 가속도 센서에서 상기 Z축 가속도 센서는 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서의 사이에 위치할 수 있다. 상기 3축 가속도 센서는 전체 칩의 크기를 증가시키지 않고도 Z축 가속도 센서의 감지 영역의 크기만을 증가시킴으로써 수직 방향 감도가 향상되며, Z축 가속도 센서가 패키징이나 온도 변화 등에 따른 스트레스를 대칭적으로 받게 되어 외부 환경 변화에 영향을 덜 받는 이점이 있다.
MEMS, 3축 가속도 센서, 감지 영역

Description

3축 가속도 센서{3-AXIS ACCELEROMETER}
본 발명은 3축 가속도 센서에 관한 것으로, 상세하게는 일 방향을 따라 배열된 X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서를 포함하는 3축 가속도 센서에 있어서, Z축 가속도 센서의 배치 및 구조를 변경함으로써 세개의 축의 감지 성능을 동일하게 얻고 Z축 가속도 센서가 외부 환경 변화에 영향을 적게 받도록 구성된 3축 가속도 센서에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro Machining System) 기술 등을 이용한 3축 가속도 센서에서는, 최종 칩 패키징시에 면적을 최소화하기 위하여 X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서를 하나의 칩에 구현하는 것이 필요할 수 있다. 각각의 가속도 센서 중 X축 가속도 센서 및 Y축 가속도 센서는 수평 방향의 운동 감지를 통하여 가속도 입력을 인식하고, Z축 가속도 센서는 수직 방향의 운동 감지를 통하여 가속도 입력을 인식할 수 있다.
전술한 X축 가속도 센서 및 Y축 가속도 센서의 감지 성능 향상을 위해서는, 일정한 가속도 입력에 대하여 각 가속도 센서에 포함된 감지 구조물의 수평방향의 움직임이 커야 한다.
반면, Z축 가속도 센서에서는, 일정한 가속도 입력에 대하여 감지 구조물이 기준축을 중심으로 상하로 이동할 수 있다. 따라서, Z축 가속도 센서의 감지 성능 향상을 위해서는, 일정한 가속도 입력에 대하여 감지 구조물의 수직방향의 움직임이 커야 한다. 또한, 수직방향의 움직임을 크게 하기 위해서는, 감지 구조물의 회전반경을 늘리거나, 감지 영역의 크기를 크게 하여야 한다.
한편, 동일한 성능을 확보하고자 하는 경우, Z축 가속도 센서는 X축 가속도 센서 및 Y축 가속도 센서에 비하여 구현되는 면적이 상대적으로 클 수 있다. 따라서, 전체 칩 크기는 Z축 가속도 센서의 크기에 영향을 많이 받게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 3축 가속도 센서를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 3축 가속도 센서에서 X축 가속도 센서(1), Y축 가속도 센서(2) 및 Z축 가속도 센서(3)는 일렬로 배치된다. 또한, Z축 가속도 센서(3)의 최외곽에 위치하는 감지 영역(4)은 가속도가 인가될 경우 소정의 회전 반경(R)으로 상하 방향으로 회전한다.
그러나 도 1에 도시되는 3축 가속도 센서와 같이 Z축 가속도 센서(3)를 일렬로 배치된 3개의 가속도 센서(1, 2, 3) 중 중 첫 번째 또는 세 번째에 배치하면, Z축 가속도 센서의 최외곽에 위치하는 감지 영역(4)의 크기가 전체 칩 크기에 따라 제한을 받게 된다.
그러므로, Z축 가속도 센서의 감지 구조물의 회전반경을 늘려 Z축 가속도 센서의 성능을 향상시키고자 할 경우, 전체 칩 크기의 증가를 가져오게 된다. 따라서, 전체 칩이 차지하는 면적의 증가 없이 Z축 가속도 센서 성능을 향상시키기 위 해서는 Z축 가속도 센서의 감지 영역을 크게 하는 것이 필요하다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서를 소정의 방식으로 배치함으로써, 전체 칩 크기를 증가시키지 않고도 Z축 가속도 센서의 감지 성능이 향상되며, 추가적인 구조물 없이 외부 환경변화에 영향을 덜 받도록 구성된 3축 가속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3축 가속도 센서는, 기판상에서 일 방향을 따라 배열되는 X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서; 및 상기 Z축 가속도 센서를 상기 기판에 연결하며, 인가된 가속도에 의해 변형되는 변형부를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 3축 가속도 센서에서 상기 Z축 가속도 센서는 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서의 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 Z축 가속도 센서는, 상기 변형부에 연결되며, 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서 사이에 위치하고, 상기 일 방향을 따라 제1 길이를 갖는 제1 영역; 및 상기 제1 영역에 연결되며 상기 일 방향을 따라 제2 길이를 갖는 제2 영역을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 제2 길이는 상기 제1 길이 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3축 가속도 센서는 전체 칩의 크기를 증가시키 지 않고도 Z축 가속도 센서의 감지 영역의 크기만을 증가시킴으로써 수직 방향 감도가 향상되는 이점이 있다. 또한, 상기 3축 가속도 센서는 Z축 가속도 센서가 패키징이나 온도 변화 등에 따른 스트레스를 대칭적으로 받게 되어 외부 환경 변화에 영향을 덜 받는 이점이 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 가속도 센서를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 3축 가속도 센서는 기판(100)상에서 일 방향(D1)을 따라 배열된 X축 가속도 센서(10), Y축 가속도 센서(20) 및 Z축 가속도 센서(30)와, Z축 가속도 센서(30)를 기판(100)에 연결하는 변형부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)는 기판(100)상에서 수평 방향인 X축 방향 및 Y축 방향의 가속도를 측정할 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)는 기판과 이격되어 위치하는 감지 구조물(미도시)을 포함하며, 감지 구조물의 수평 방향 변위를 통하여 수평 방향의 가속도를 측정할 수도 있다.
Z축 가속도 센서(30)는 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)의 사이에 위치하며, 기판(100)에 수직한 Z축 방향의 가속도를 측정한다. 일 실시예에서, 도 2에 도시된 3축 가속도 센서에서 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20) 의 위치를 서로 바꾸어도 무방하다. 그러나, 이 경우에도 Z축 가속도 센서(30)는 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)의 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 X축 가속도 센서(10), Y축 가속도 센서(20) 및 Z축 가속도 센서(30)는 MEMS(Micro Electro Machining System) 가속도 센서일 수도 있다. MEMS 가속도 센서의 구조 및 동작 원리에 대해서는 다양한 형태가 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
변형부(40)는 기판(100) 및 Z축 가속도 센서(30)에 연결되어 Z축 가속도 센서(30)를 기판(100)에 고정하는 부분이다. 변형부(40)는 또한 인가된 가속도에 의하여 변형될 수 있다. 일 실시예에서, 변형부(40)는 탄성체를 포함하여 이루어질 수 있으며, 예컨대, 변형부(40)는 비틀림 모드 탄성체 또는 처짐 모드 탄성체일 수도 있다.
일 실시예에서, 변형부(40)는 Z축 가속도 센서(30)의 중앙에 인접하여 위치할 수도 있다. 변형부(40)에 포함되는 탄성체 등의 구조물은 3축 가속도 센서의 패키징이나 3축 가속도 센서의 온도 변화에 따른 스트레스에 의해 영향을 받을 수 있다. 그러나, 일 실시예에서 Z축 가속도 센서(30)를 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)의 사이에 배치하고, Z축 가속도 센서(30)의 중앙에 인접하여 탄성체를 위치시킴으로써, 탄성체는 전체 3축 가속도 센서의 중앙에 위치하게 된다. 따라서 탄성체가 스트레스를 대칭적으로 받게 되므로, 이 경우 Z축 가속도 센서(30)가 외부 환경 변화에 따른 영향을 적게 받게 되는 이점이 있다.
Z축 가속도 센서(30)는 변형부(40)에 의해 기판(100)에 연결된다. 수직 방향 의 가속도가 인가되는 경우, Z축 가속도 센서(30)는 변형부(40)에 연결된 부분을 기준축으로 하여 상하 방향으로 회전할 수 있다. 이때, 변형부(40)에 연결된 부분으로부터 Z축 가속도 센서(30)의 끝단까지의 거리가 Z축 가속도 센서(30)의 회전반경(R')이 된다.
또한 일 실시예에서, Z축 가속도 센서(30)는 제1 영역(31) 및 제2 영역(32)을 포함할 수 있다.
제1 영역(31)은 Z축 가속도 센서(30)의 각 부분 중 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)의 사이에 위치하며, 변형부(40)와 연결되는 부분일 수 있다. 또한 상기 제1 영역(31)은 각 가속도 센서(10, 20, 30)가 배열되는 방향(D1)을 따라서 소정의 제1 길이(L1)를 가질 수 있다.
제2 영역(32)은 제1 영역(31)에 연결되는 부분으로서, Z축 가속도 센서(30)의 최외곽에 위치할 수 있다. 제2 영역(32)은 Z축 가속도 센서(30)의 끝단에 위치하므로 제1 영역(31)에 비해 상대적으로 큰 회전반경을 갖게 된다. 따라서, 제2 영역(32)이 Z축 가속도 센서(30)의 주된 감지 영역이 될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 영역(32)은 콤(comb) 구조로 이루어질 수도 있다. MEMS 기술을 이용한 가속도 센서의 일 예로서, 서로 대향하는 전극 사이의 용량 변화를 통하여 가속도를 검출하는 가속도 센서가 있다. 상기 실시예에 따른 3축 가속도 센서는, Z축 가속도 센서(30)의 주된 감지 영역인 제2 영역(32)의 콤 구조의 전극으로 구성함으로써 가속도를 검출할 수도 있다.
또한 일 실시예에서, Z축 가속도 센서(30)의 제2 영역(32)은 각 가속도 센 서(10, 20, 30)가 배열되는 방향(D1)을 따라서 소정의 제2 길이(L2)를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 길이(L2)는 전술한 제1 길이(L1) 이상일 수도 있다. 즉, 상기 일 방향(D1)을 따라 Z축 가속도 센서(30)의 제2 영역(32)의 길이가 제1 영역(31)의 길이와 같거나 더 크도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, Z축 가속도 센서(30)는 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)의 사이에 위치한다. 따라서, Z축 가속도 센서(30)의 주된 감지 영역인 제2 영역(32)의 길이를 제1 영역(31)과 같거나 더 크게 할 경우, 제2 영역(32)은 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)의 일부분을 둘러싸는 형태로 확장되어 Z축 가속도 센서(30)의 감지 영역의 면적을 증가시킬 수 있다.
즉, Z축 가속도 센서(30)를 가운데에 배치하게 되면 X축 가속도 센서(10) 및 Y축 가속도 센서(20)로 인하여 얻어지는 여분의 영역을 Z축 가속도 센서(30)의 감지 영역으로 할당할 수 있으므로 동일한 면적을 사용하면서도 Z축 가속도 센서(30)의 감지 성능 향상을 가져올 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 가속도 센서는 전체 칩의 크기를 증가시키지 않고도 Z축 가속도 센서의 감지 영역의 크기만을 증가시킴으로써 수직 방향 감도가 향상되는 이점이 있다. 또한, 상기 3축 가속도 센서는 Z축 가속도 센서가 패키징이나 온도 변화 등에 따른 스트레스를 대칭적으로 받게 되어 외부 환경 변화에 영향을 덜 받는 이점이 있다.
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 따른 3축 가속도 센서를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 가속도 센서를 도시한 평면도이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 기판상에서 일 방향을 따라 배열되는 X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서와,
    상기 Z축 가속도 센서를 상기 기판에 연결하며, 인가된 가속도에 의해 변형되는 변형부를 포함하며,
    상기 Z축 가속도 센서는, 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서 사이에 위치하고,
    상기 Z축 가속도 센서는,
    상기 변형부에 연결되며, 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서 사이에 위치하고, 상기 일 방향을 따라 제1 길이를 갖는 제1 영역과,
    상기 제1 영역에 연결되고, 상기 일 방향을 따라 제2 길이를 갖는 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 길이는 상기 제1 길이 이상인 3축 가속도 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 영역은 콤 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 3축 가속도 센서.
  4. 삭제
  5. 기판상에서 일 방향을 따라 배열되는 X축 가속도 센서, Y축 가속도 센서 및 Z축 가속도 센서와,
    상기 Z축 가속도 센서를 상기 기판에 연결하며, 인가된 가속도에 의해 변형되는 변형부를 포함하며,
    상기 Z축 가속도 센서는 상기 X축 가속도 센서 및 상기 Y축 가속도 센서의 사이에 위치하고,
    상기 변형부는 비틀림 모드 탄성체 또는 처짐 모드 탄성체를 포함하는 3축 가속도 센서.
  6. 삭제
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