KR101062631B1 - 정전용량 가속도 센서 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가속도의 측정을 위해 사용되는 측정 장치에 관한 것으로, 특히 정전용량 가속도 센서에 관한 것이다. 본 발명은 과부하 상태에 의해 초래되는 마모에 더 잘 견디는 개량되고 더 내구성이 있는 센서 구조를 제공한다.
정전용량 가속도 센서에 기초한 측정은 간단한 원리를 가지며, 가속도 측정을 위한 신뢰할 수 있는 방법을 제공하는 것으로 입증되었다. 정전용량 측정은 센서에서 한 쌍의 전극의 두 표면들 사이의 갭에서의 변화에 근거한다. 표면들 사이의 정전용량, 또는 전하를 저장하기 위한 용량은 표면의 면적과 이 표면들 사이의 거리에 따라 결정된다. 정전용량 측정은 다소 낮은 가속도의 측정 범위에서 사용될 수 있다.
종래 기술은 종래 기술에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들 구조의 측면도로 도시한 첨부된 도 1의 예를 참조하여 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들 구조의 측면도를 도시한다. 종래 기술에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들은 가속도에 따라 이동하는 가동 전극(1)과, 고정 전극(2)을 포함한다. 가동 전극(1)은 가속도 센서의 부품(1)으로 가속도에 반응하며, 스프링들에 의해 지지되고, 가속도으로 인해 고정 전극(2)에 대해 이동한다. 가동 전극(1)과 고정 전극(2)은 전기적으로 측정될 수 있는 양(quantity) 즉, 정전용량으로 가속도를 변환하는 한 쌍의 전극을 구성한다. 일반적으로, 가동 전극(1)의 대향 측면에서, 종래 기술의 가속도 센서는 또한 명료화를 위해 도면에 도시하지 않은 한 쌍의 제 2 전극들을 포함한다.
가속도 측정시에, 센서의 한 쌍의 전극들의 가동 전극(1)과 고정 전극(2) 사이의 정전용량 즉, 전하를 저장하기 위한 용량은 표면의 면적과 이 표면들 사이의 거리에 따라 결정된다. 이동을 통한 가속도가 측정되는 물체에 적용되기 때문에, 고정 전극(2)은 측정되는 물체의 이동에 따른다. 가동 전극(1)은 관성력으로 인해 그 위치에 남아 있으려는 경향이 있으며, 따라서 고정 전극(2)에 대해 이동한다. 가동 전극(1)과 고정 전극(2) 사이의 거리가 변하고, 그에 따른 측정가능한 정전용량도 또한 변한다.
종래 기술의 가속도 센서의 한 쌍의 전극들은 또한 절연체 돌출부(3)를 포함한다. 한 쌍의 전극들은 또한 다수의 절연체 돌출부들(3)을 가질 수 있다. 절연체 돌출부는 스프링들에 의해 지지되는 가동 전극(1)의 이동을 제한하며, 과부하 상태인 경우 전극들(1, 2) 사이의 접촉을 방지하고, 따라서 미터(meter)(계기) 회로의 누전(shorting)을 또한 방지한다. 절연체 돌출부의 사용은 예를 들면, 미국 특허 공보 제5,367,429호에 개시되어 있다. 마이크로 기계 가공된 구조 또는 기판 전체를 코팅하기 위한 코팅 재료들의 사용은 예를 들면, 미국 특허 공보 제6,404,028호와 미국 특허 공보 제 5,644,455호에 전체적으로 개시되어 있다.
일반적으로 유전체(dielectric) 돌출부들은 절연체 돌출부들(3)로 사용된다. 민감한 가속도 센서들에서, 상기 구조의 복원 스프링력들은 표면력(surface forces)이 고정 전극(2)에 대해 가동 전극(1)의 일시적 또는 영구적 점착(sticking)을 유발할 수 있도록 약하고, 따라서 센서의 작용을 방해한다.
특히, 표면 마이크로 기계 가속도 센서에서 점착을 방지하기 위한 노력은 다양한 거칠기(roughening) 또는 코팅 처리에 의해 이루어진다. 예를 들면, 지질막들(lipid films) 중의 막 또는 플루오르 중합체(Fluoropolymers)를 감소시키는 표면력이 상기 구조들에 적용되었다.
본 발명과 관련된 센서 구조들에서, 제조 공정 중에 절연체 돌출부들의 기계적 마모가 부가로 발생될 수 있다. 따라서, 마모된(scuffed) 산화물 돌출부들은 변형되고, 이들은 동일하게 마모된 실리콘 표면에 기계적으로 더 록(lock)할 수 있다.
본 발명의 목적은 전극들 사이의 점착을 방지하고, 과부하 상태에 의해 초래되는 마모를 더 잘 견디는 개량된 센서 구조를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 가속도에 반응하는 가동 전극과, 적어도 하나의 고정 전극, 및 적어도 하나의 절연체 돌출부를 구비하는 적어도 한 쌍의 전극들을 포함하는 정전용량 가속도 센서가 제공되고, 이 절연체 돌출부가 다이아몬드상(diamond-like) DLC 코팅으로 피복된다.
적합하게는, 절연체 돌출부는 2층 복합 구조를 가지고, 그 중에서 베이스층은 쉽게 적용되는 재료로 구성되며, 상기 베이스층은 다음에 다이아몬드상 DLC 코팅의 상부층(top layer)으로 피복된다.
적합하게는, 상부층 다이아몬드상 DLC 코팅은 또한 절연체 돌출부의 측면상로 연장한다. 더 바람직하게는, 상부층 다이아몬드상 DLC 코팅은 또한 절연체 돌출부의 측면을 지나 고정 전극의 영역 위로 연장한다.
더 적합하게는, 베이스층은 본질적으로 상부층보다 더 두껍다. 적합하게 베이스층은 산화물(oxide)로 구성된다.
적합하게는, 가속도 센서의 한 쌍의 전극들은 다수의 절연체 돌출부들을 포함한다. 절연체 돌출부들은 가동 전극의 양 측면에 적합하게 배치된다. 적합하게는, 절연체 돌출부들은 고정 전극에 배치된다. 대안적으로 절연체 돌출부들은 가동 전극에 배치될 수 있다.
적합하게는, 절연체 돌출부를 위한 다이아몬드상 DLC 코팅은 이온 빔 증착(ion beam deposition)에 의해 성장된다. 대안적으로, 절연체 돌출부를 위한 다이아몬드상 DLC 코팅은 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapour deposition)에 의해 성장된다. 대안적으로, 절연체 돌출부를 위한 다이아몬드상 DLC 코팅은 아크 방전 증착(arc discharge deposition)에 의해 성장된다.
적합하게는, 절연체 돌출부를 위한 다이아몬드상 DLC 코팅 막(film)의 품질은 sp3/sp2 본드(결합)(bond)의 비율을 증가함으로써 개량되었다. 적합하게는, 절연체 돌출부를 위한 다이아몬드상 DLC 코팅 막의 품질은 상기 다이아몬드상 DLC 코팅 막의 수소 함량을 감소함으로써 개량되었다.
본 발명과 그 적합한 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 하기에서 상세히 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들 구조의 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들 구조의 측면도.
도 1은 위에서 기술되었다. 본 발명과 그 실시를 위한 적합한 방법들은 도 2를 참조하여 하기에서 설명된다.
본 발명에 따른 가속도 센서에서, 한 쌍의 전극들의 절연체 돌출부는 다이아몬드상 DLC 코팅(DLC, Diamond Like Carbon)으로 피복된다. 본 발명에 따른 해결 방안에 의해, 점착력(sticking forces)은 낮아질 수 있으며, 전극들의 마모(wear)는 감소될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들의 구조의 측면도를 도시한다. 본 발명에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들은 가동 전극(4)과 고정 전극(5)을 포함한다. 일반적으로, 본 발명에 따른 가속도 센서는 또한 가동 전극(4)의 대향 측면에서, 명료화를 위해 도면에 도시하지 않은, 한 쌍의 제 2 전극들을 포함한다.
본 발명에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들은 절연체 돌출부(6)를 부가로 포함한다. 절연체 돌출부(6)는 다이아몬드상 DLC 코팅(DLC, Diamond Like Carbon)으로 피복된다.
본 발명에 따른 절연체 돌출부(6)는 2층 복합 구조이며, 베이스층은 더 두껍고 산화물(oxide)과 같이 쉽게 증착가능한 재료로 구성되며, 상기 베이스층은 다음에 다이아몬드상 DLC 코팅의 더 얇은 상부층에 피복된다. 상부층의 다이아몬드상 DLC 코팅은 또한 절연체 돌출부(6)의 측면들 상으로 연장할 수 있거나, 또는 절연체 돌출부(6)의 에지들을 넘어서 고정 전극(5)의 영역 위로 연장할 수 있다. 본 발명에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들은 다수의 절연체 돌출부(6)를 포함할 수 있다. 절연체 돌출부들은 가동 전극(4)의 양 측면에 위치될 수 있다. 통상적으로 절연체 돌출부(6)는 고정 전극(5)에 배치되나, 대안적으로 절연체 돌출부는 가동 전극(4)에 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가속도 센서의 한 쌍의 전극들의 절연체 돌출부(6)를 위한 다이아몬드상 DLC 코팅은 다양한 방법들에 의해 증착될 수 있다. DLC 코팅은 이온 빔 증착(Ion Beam Deposition)에 의해, 또는 대안적으로 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD)에 의해, 및 다른 대안적으로는 아크 방전 증착(arc discharge deposition)에 의해 성장될 수 있다.
본 발명에 따른 절연체 돌출부(6)상의 다이아몬드상 DLC 코팅 막(film)의 품질은 sp3/sp2 본드(결합)(bond)의 비율을 증가함으로써 개량될 수 있거나, 또는 대안적으로 다이아몬드상 DLC 코팅 막의 수소 함량을 감소함으로써 개량될 수 있다.
본 발명에 따른 가속도 센서의 한 쌍의 전극들의 절연체 돌출부(6)의 다이아몬드상 DLC 코팅은 마모에 대한 내성이 있으며, 이는 전극들이 함께 점착하는 원인이 되는 표면력(surface forces)을 낮게 제공한다.
본 발명에 따른 2층 복합 구조의 표면력은 노출된(bare) 산화물 돌출부들의 경우에서보다 낮다. 따라서, 가동 전극(4)과 고정 전극(5) 사이의 점착은 예를 들어 과부하 상태 중에는 피할 수 있다.
절연체 돌출부들의 마모는 2층 복합 구조의 낮은 마찰 계수와 마모에 대한 개량된 저항성으로 인해 본 발명에 따른 해결 방안에 의해 피할 수 있다.
본 발명에 따른 해결 방안에 의해, 절연체 돌출부의 기계적 마모는 제조 공정 중에는 방지된다. 전극들 사이에서 기계적 로킹(locking)을 방지함으로써, 본 발명에 따른 마찰력 감소, 마모 저항성 코팅은 가속도 센서의 한 쌍의 전극들의 성질을 개량시킨다.
Claims (15)
- 가속도에 반응하는 가동 전극(4)과, 적어도 하나의 고정 전극(5), 및 적어도 하나의 절연체 돌출부를 구비하는 적어도 한 쌍의 전극들을 포함하는 정전용량 가속도 센서에 있어서,상기 절연체 돌출부는 상기 전극들(4, 5) 중 어느 하나에 배치되고, 다이아몬드상 DLC 코팅으로 피복되고, 산화물(oxide)로 구성된 베이스층을 갖는 2층 복합 구조를 가지며, 상기 베이스층은 상기 다이아몬드상 DLC 코팅의 상부층으로 피복되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 상부층의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅은 또한 상기 절연체 돌출부(6)의 측면들 상으로 연장하는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 상부층의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅은 또한 상기 절연체 돌출부(6)의 에지들을 넘어서 상기 고정 전극(5)의 영역 위로 연장하는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 베이스층은 상기 상부층보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 가속도 센서의 상기 한 쌍의 전극들은 다수의 절연체 돌출부들(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 절연체 돌출부들은 상기 가동 전극(4)의 양 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 절연체 돌출부들(6)은 상기 고정 전극(5)에 배치되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 절연체 돌출부들(6)은 상기 가동 전극(4)에 배치되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연체 돌출부(6)의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅은 이온 빔 증착(ion beam deposition)에 의해 성장되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연체 돌출부(6)의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅은 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapour deposition)에 의해 성장되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연체 돌출부(6)의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅은 아크 방전 증착(arc discharge deposition)에 의해 성장되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연체 돌출부(6)의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅 막(film)의 품질은 sp3/sp2 본드(결합)(bond)의 비율을 증가함으로써 개량되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연체 돌출부(6)의 상기 다이아몬드상 DLC 코팅 막의 품질은 상기 다이아몬드상 DLC 코팅 막의 수소 함량을 감소함으로써 개량되는 것을 특징으로 하는 정전용량 가속도 센서.
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