KR101103772B1 - 일체형 모션 캡처용 6축 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

일체형 모션 캡처용 6축 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

소형 사이즈로의 구현이 가능한 일체형 모션 캡처용 6축 센서를 제공한다. 일체형 모션 캡처용 6축 센서는, 회로 기판에 결합된 역학 센서와, 역학 센서의 센서부를 보호하는 캡과, 캡에 형성되어 있고 회로 기판과 전기적으로 연결된 자기 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법은, 역학 센서를 보호하는 캡에 자기 센서를 형성하는 단계, 제1 회로 기판 위에 역학 센서를 형성하는 단계, 제1 회로 기판과 캡을 결합하는 단계, 캡이 결합된 역학 센서를 제2 회로 기판과 결합하는 단계, 및 결합된 제2 회로 기판 및 제1 회로 기판 외부를 몰딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

일체형 모션 캡처용 6축 센서 및 그 제조 방법{ONE-BODY TYPE 6-AXIS SENSOR FOR MOTION CAPTURING AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 모션 캡처용 6축 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 역학 센서에 자연적으로 구성되는 역학 센서 보호용 캡을 활용하여 6축 센서의 사이즈를 최소화시키는 기술에 관한 것이다. 또한 모션 캡처용 6축 센서의 원가 절감 및 공정의 편리화를 위한 기술에 관한 것이다.
최근 모션 캡처에 관한 기술이 날로 발전하고 있다. 각종 게임에서도 인간의 움직임에 가까운 컴퓨터 그래픽의 움직임을 위해 모션 캡처 기법을 사용하고 있다. 그 외에도, 사람 또는 사물의 움직임을 실시간으로 캡처하거나 센싱하고 이미지화하여, 상기 캡처된 정보를 바탕으로 사람 또는 사물의 움직임을 판단하여 모션 인식 또는 모션의 분석을 수행하고, 이에 바탕을 둔 다양한 기술이 발전하고 있는 추세이다.
따라서, 모션 캡처에 관한 기술이 발전하고 있는 것에 발맞추어, 모션을 캡처하기 위한 모션 캡처용 센서에 대한 기술 역시 발전하고 있다. 일반적인 모션 캡처용 센서는 역학 센서와 자기 센서를 이용하여 사물의 움직임을 측정하여 정보를 제공하는 6축 모션 캡처용 센서를 의미하고 있다. 이러한 역학 센서와 자기 센서를 결합한 모션 캡처용 센서의 구성은, 6축 모션 캡처용 센서에서 사용하는 센서가 한종류가 아니기 때문에, 상기 센서들의 배치 또는 연결이 상기 6축 모션 캡처용 센서의 생산률, 정확도 및 사이즈의 축소에 대한 중요한 기술로서 현재 연구가 이루어지고 있는 기술이다.
종래의 모션 캡처용 6축 센서의 구성에 대한 예가 도 1a, 및 도1b에 도시되어 있다.
도 1a를 참조하면, 종래의 모션 캡처용 6축 센서 중 자기 센서가 자기저항(MR) 센서인 경우의 예를 볼 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이 종래의 모션 캡처용 6축 센서는 회로 기판(102)에 캡(100)으로 센서 부분이 보호된 역학 센서(101)와 자기저항 센서(103a, 103b, 103c)가 펼쳐진 형태로 결합되어 있다. 역학 센서로는 종래 기술의 실시 예에서는 가속도 센서나 자이로 센서가 사용되고 있다. 따라서, 가속도 센서의 경우, 가속도 센서를 통해 물체의 움직임이 측정이 되며, 이에 자기장의 변화를 함께 측정하여 센서가 부착된 부분의 모션이 캡처되는 것이다.
도 1b는 종래의 모션 캡처용 6축 센서 중 자기 센서가 홀(Hall) 센서인 경우의 예이다. 회로 기판에 캡(100)으로 보호되는 역학 센서(111)가 있으며, 회로 기판에 역시 홀 센서부(112)가 펼쳐진 형태로 결합되어 있다.
이러한 종래의 기술에 의한 모션 캡처용 6축 센서의 경우, 자기 센서와 역학 센서가 회로 기판에 펼쳐진 형태로 존재하기 때문에, 사이즈 축소에 한계가 있다. 그리고, 회로 기판에 자기 센서 및 역학 센서를 모두 조립해야 하기 때문에 공정의 복잡도가 증가하여 공정 비용 및 수율에 대한 손실이 존재하는 문제점 또한 존재한다. 그리고, 홀 센서의 경우에는, 회로 기판에 홀 센서를 패키징 시 표면 실장 기술(SMT, Surface Mount Technology)의 공정을 포함하고 있기 때문에, 상기 표면 실장 기술의 불량 발생으로 인한 수율 저하 및 단가 상승에 큰 요인으로 작용하고 있다는 문제점 또한 존재하고 있다.
상기 언급한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 모션 캡처를 위한 6축 센서에 있어서, 종래의 기술에 비하여 사이즈를 대폭 축소하는 한편, 공정을 간단하게 하여 공정 비용 및 수율에 있어서의 효율성을 높일 수 있는 6축 센서 및 그 제조 방법에 대한 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한, 홀 센서를 자기 센서로 사용하는 경우, 표면 실장 기술을 생략하여, 표면 실장 기술로 인한 불량 발생을 방지하여 단가 상승을 억제하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서는, 회로 기판에 결합된 역학 센서와, 역학 센서의 센서부를 보호하는 캡과, 캡에 형성되어 있고 회로 기판과 전기적으로 연결된 자기 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법은, 역학 센서를 보호하는 캡에 자기 센서를 형성하는 단계, 제1 회로 기판 위에 역학 센서를 형성하는 단계, 제1 회로 기판과 캡을 결합하는 단계, 캡이 결합된 역학 센서를 제2 회로 기판과 결합하는 단계, 및 결합된 제2 회로 기판 및 제1 회로 기판 외부를 몰딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서 및 그 제조 방법에 의하면, 역학 센서의 보호용 캡에 자기 센서를 직접 설치하여 활용할 수 있기 때문 에, 회로 기판에 자기 센서를 펼치는 형태로 설치했을 때에 비하여 그 사이즈가 대폭 감소하는 효과가 있다. 또한, 회로 기판에 자기 센서를 일일이 부착할 필요 없이 캡에 간단하게 설치하고 캡과 역학 센서를 결합하는 구성을 통하여, 공정이 매우 간단해져 수율 상승의 효과 역시 달성할 수 있다. 그리고, 홀 센서의 경우 회로 기판에 표면 실장 기술을 이용하지 않고, 캡에 홀 센서를 형성하는 구성을 통하여, 표면 실장 기술이 제외되기 때문에, 단가 경쟁력이 증가할 수 있는 효과가 있다. 그리고 역학 센서를 보호하는 캡에 존재하는 잉여 공간을 활용하기 때문에 단가 절감의 효과 역시 달성할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서에 대한 개략적인 장치도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 센서가 결합되는 회로 기판(202)이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서(210)에 포함될 수 있다. 상기 회로 기판(202)은 역학 센서(201)와 전기적, 기계적으로 결합하는 구성 요소이다. 회로 기판(202)은 본 발명의 실시 예에서 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board) 위의 센서 신호 처리를 위한 주문형 반도체(ASIC, application-specific integrated circuit)와 센서 전체의 베이스 기판을 포함한다. 상기 회로 기판(202)은, 인쇄 회로 대신 집적 회로(IC, Integrated Circuit)와 주문형 반도체를 포함할 수도 있다. 이 외에도, 본 발명의 실시 예에 따른 역학 센서(201)와 자기 센서가 설치된 캡(200)이 결합된 센서부분과 전기적, 기계적으로 결합하여, 센싱한 정보를 송수신할 수 있는 기판이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
본 발명의 실시 예에서, 전기적 결합이란 도 1 또는 도 2에는 생략되어 있지만 Au 와이어(Aurum Wire)를 이용한 Au 와이어 본딩을 통한 결합을 뜻한다. 따라서, 회로 기판(202), 역학 센서(201), 및 자기 센서의 전기적인 결합은 기본적으로 Au 와이어를 이용한 와이어 본딩을 통해서 이루어지게 된다. 하지만 이 외에도, 센서와 회로 기판(202) 사이의 데이터 교환이 가능하게 하는 결합 구조라면 어느 것이나 가능할 것이다.
회로 기판(202)과 전기적, 기계적으로 결합하는 역학 센서(201) 역시 본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서(210)에 포함될 수 있다. 역학 센서(201)는 도 2에 따른 본 발명의 제1 실시 예에서는 가속도 센서를 사용하고 있다. 하지만 이 외에도 자이로 센서를 포함한 역학적인 움직임을 감지할 수 있는 센서라면 어느 것이나 가능할 것이다. 본 발명의 제1 실시 예에서의 역학 센서(201)가 가속도 센서이고, 현재 생산되는 모든 가속도 센서는 멤스(MEMS, Microelectromechanical Systems) 기술을 이용하여 생산하게 된다. 따라서, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서(210)의 역학 센서(201) 역시 멤스 기술을 이용한 센서를 의미할 것이다. 멤스 기술은 미세 기술로서, 기계부품, 센서, 액츄에이터, 전자 회로를 하나의 실리콘 기판에 집적화한 장치를 가리킨다. 멤스 회로는 디바이스 불량을 일으키는 부식, 습기, 암설로부터 보호되어야 아 므로, 상기 멤스 기술을 이용한 역한 센서(201)의 경우 기본적으로 멤스를 보호하기 위한 캡(200)이 반드시 사용되어야 한다. 본 발명의 특징은 바로 캡(200)에 존재하는 잉여 공간을 활용하는 것이다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서에는 역학 센서(201)를 보호하는 캡(200)에 설치된 자기 센서(203a, 203b, 203c)가 포함될 것이다. 본 발명의 제1 실시 예에 따르면 자기 센서(203a, 203b, 203c)는 두 개의 자기 저항 센서(203a, 203c) 및 하나의 홀(Hall) 센서(203b)를 사용하고 있다. 자기 저항 센서는 외부의 자기 에너지의 변화에 따라서 저항치가 변하는 자기 저항을 이용한 센서로서, 평면 방향의 자기장의 변화를 감지 가능하다. 따라서, 본 발명의 제1 실시 예의 두 개의 자기 저항 센서(203a, 203c)는 X 및 Y축의 자기의 변화를 측정하는 센서로서 작용하게 된다. 반면, 홀 센서(203b)는 수직 방향의 자기장의 변화를 감지 가능하다. 따라서, 본 발명의 제1 실시 예의 하나의 홀 센서(203b)는 Z축 방향의 자기 변화를 측정하는 센서로서 작용하게 될 것이다. 이를 통하여 자기 센서는 3차원 방향의 자기의 변화를 측정하여 모션 캡처가 가능하도록 기능하는 것이다.
자기 센서는 본 발명의 제1 실시 예에서 상기 언급한 캡(200)에 설치되어 있다. 본 발명의 제1 실시 예에서 캡(200)은 멤스 기술을 이용하여 형성된 역학 센서(201)부분을 보호하기 위한 실리콘 웨이퍼로 구성된 요소이다. 캡(200)이 실리콘 웨이퍼로 이루어져 있기 때문에, 자기 센서를 캡(200)에 형성할 수 있다. 본 발명의 제1 실시 예에서는 캡(200)에 자기 센서에 해당하는 자기 저항 소자 및 홀 소자 를 각각 설치하여 이루어지며, 이 외에도 에칭, 식각, 표면 실장 기술 등 소자를 실리콘 웨이퍼에 설치할 수 있는 어떤 기술을 사용해서도 캡(200)에 자기 센서를 형성할 수 있을 것이다.
자기 센서는 상기 언급한 바와 같이 캡(200)에 설치되어 있기 때문에, 회로 기판(202)과 기계적으로는 결합되지 않는 구성이 될 것이다. 따라서, 본 발명의 제1 실시 예에서의 캡(200)에 설치된 자기 센서(203a, 203b, 203c)는 회로 기판과 전기적으로 연결되어 신호를 송수신하기 위하여 복수의 Au 와이어를 통하여 연결된다. 복수의 Au 와이어는 캡(200)의 표면에 형성되어 있는 와이어 본딩 패드(204)와 회로 기판상의 패드와 연결되어 자기 센서와 회로 기판(202) 사이의 데이터 송수신 기능을 수행하게 된다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서(210)는 상기 언급한 바와 같은 구성을 가지고 3차원의 자기 변화 및 가속도 변화량을 측정하여 물체의 모션을 캡처하게 된다. 한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서에 대한 예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 관한 설명에서 도 2에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 설명을 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서(310)는 제1 실시 예에서와 거의 같은 구성이나, 자기 센서의 구성이 다르다. 제 1 실시 예에서와 마찬가지로, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서(310) 역시 회로 기판(302), 역학 센서(301), 캡(300)을 포함하고 있으며, 자기 센서(303) 역시 포함하고 있다. 회로 기판(302), 역학 센서(301), 및 캡(300) 의 구성 및 특징은 본 발명의 제1 실시 예에 대한 설명과 동일하다.
본 발명의 제2 실시 예에서의 자기 센서(303)는 자기 저항 센서가 사용되지 않고 홀 센서가 사용되고 있다. 홀 센서는 기본적으로 설치된 방향과 수직 방향의 자기 변화를 측정하는 센서로서, 홀 센서 3개를 이용하여 3차원의 자기 변화를 측정하기 위해서는 평면 방향, 즉 X, Y축에 해당하는 방향에 대해서는 홀 센서 두 개를 세워서 측정해야 하는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 제2 실시 예에서의 홀 센서 3 개로 구성된 자기 센서(303)에서는, 세 개의 홀 센서를 모두 평면 방향으로 캡(300)에 설치하여 효율적인 공간성을 얻기 위한 구성을 취하고 있다.
상기 구성은, 실리콘 웨이퍼로 구성된 상기 캡(300)의 상부에, Y자 또는 삼각형 모양의 유도체를 설치하고, 상기 유도체의 각 말단에 3 개의 홀 센서 소자를 설치한 뒤, 각 홀 센서 소자의 상부에 자성체로서 Y자 또는 삼각형 모양의 또 다른 기판을 적층하는 형태를 취하고 있다. 이러한 경우 각 센서의 출력을 소정의 연산을 통하여, X, Y, Z축의 자기 변화를 측정해야 할 것이다. 이를 통해 3 개의 홀 센서를 이용하여 3차원의 자기 변화를 측정하는 자기 센서의 기능을 수행할 수 있게 한다.
상기 언급한 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에서는 자기 센서가 자기 저항 센서 또는 홀 센서를 이용한 것을 특징으로 하고 있다. 하지만, 이 외에도, 자기 센서로서의 기능을 수행할 수 있는 플럭스 게이트(Flux gate) 센서 및 교류자기저항 센서를 포함한 어떠한 센싱 소자도 사용될 수 있음은 당연할 것이다. 다만, 상기 센서를 사용시에는, 실리콘 웨이퍼를 포함한 재료로 형성된 역학센서의 보호용 캡에 설치될 수 있는 센서 소자여야 할 것이다.
상기 언급한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼로 구성된 캡(200, 300)에 자기 센서를 형성함으로써, 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서에서는 도 1에 도시된 종래의 6축 센서보다 사이즈 면에 있어서 대폭 축소된 것을 볼 수 있다. 역학 센서(본 발명의 실시 예에서는 가속도 센서)를 보호하기 위해 역학 센서 부분의 상부에 설치된 보호용 캡에 자기 센서를 설치함으로써 자기 센서가 설치되어야 했던 회로 기판의 공간이 필요 없게 되는 것이다.
또한 회로 기판에 일일이 기계적으로 자기 센서를 결합할 필요 없이, 캡을 형성할 때 자기 센서를 함께 설치하면 되므로, 공정이 단순해져 공정 비용이 저하되며, 수율이 상승할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 자기 센서로 홀 센서가 사용되는 경우에는 캡의 실리콘 웨이퍼에 설치하면 되어 회로 기판에 표면 실장 기술을 사용하여 설치하지 않아도 되므로, 수율이 급격히 상승하여 단가 경쟁력이 커지는 효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 역학 센서(예를 들어 가속도 센서)의 경우 필수적으로 사용되는 캡의 공간을 활용하기 때문에, 원자재 가격의 감소 효과 역시 얻을 수 있을 것이다.
이하에서는, 상기 언급한 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 공정에 대해서 도 4를 참조하여 설명하기로 한다. 이하의 설명에서는, 자기 센서로서 두 개의 자기 저항 센서와 한 개의 홀 센서를 이용했을 때의 실시 예를 바탕으로 설명할 것이며, 도 2 또는 도 3에 대한 설명에서 언급된 사항에 대 해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 공정은 먼저, 역학 센서를 보호하기 위한 캡(200)에 두 개의 자기저항 센서, 홀 센서 또는 교류 자기 저항 센서, 홀 센서를 이용한 자기 센서(203a, 203b, 203c) 및 와이어 본딩을 위한 패드(204)의 구조를 형성하는 단계(S1)가 수행된다.
이후, 역학 센서(201)를 형성하는 단계(S2)가 수행되며, 자기 센서가 형성된 캡(200)을 역학 센서(201)가 형성된 부분을 보호하는 구성으로 결합하는 단계(S3)을 수행하게 된다. S3단계를 통해서 형성된 캡(200)이 결합된 역학 센서(201)의 구성을 회로 기판과 결합하기 위해, 회로 기판을 형성하는 단계(S4)를 수행하게 된다. S4 단계는 본 발명의 실시 예에서 인쇄 회로 기판과 주문형 반도체의 결합 기판을 사용하고 있다. 상기 S4 단계를 통해 회로 기판(202)이 형성되면, 상기 회로 기판(202)과 캡(200)이 결합된 역학 센서(201)를 결합하는 단계(S5)가 수행된다. 상기 구성이 완성되면, 전체적인 센서들을 보호하기 위하여 EMC(에폭시 몰딩 컴파운드: 반도체 칩 외부 밀봉 소재)를 사용하여 몰딩을 하게 된다. 본 공정에서는 극히 일반적인 공정이어서 생략되어 있지만 S5 단계와 EMC 몰딩 단계사이에는 자기센서가 형성되어 있는 역학센서와 회로기판과의 전기적 연결을 위한 와이어 본딩 단계 역시 포함되어 있을 것이다.
상기 언급한 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서에 대한 설명은 오로지 설명적인 용도로만 사용되어야 할 것이며, 특허청구범위를 제한하는 데 사용되어서는 안 될 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예 이외에도, 본 발명과 동 일한 기능을 하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것은 당연할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 모션 캡처용 6축 센서의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법에 대한 흐름도 및 각 구성의 사시도이다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 역학 센서를 보호하는 캡에 자기 센서를 형성하는 단계,
    제1 회로 기판 상부에 상기 역학 센서를 형성하는 단계,
    상기 제1 회로 기판 상부에 상기 캡을 결합하는 단계,
    상기 캡이 결합된 상기 제1 회로 기판을 제2 회로 기판과 결합하는 단계,
    상기 자기 센서 및 역학 센서를 와이어 본딩을 통해 상기 제2 회로 기판과 전기적으로 연결하는 단계, 및
    상기 결합된 제2 회로 기판 및 상기 제1 회로 기판 외부를 몰딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 회로 기판은,
    주문형 반도체인 것을 특징으로 하는 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 회로 기판은,
    인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board) 또는 집적 회로(IC, Integrated Circuit)인 것을 특징으로 하는 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 역학 센서는,
    멤스(MEMS, Microelectromechanical Systems) 기술을 이용한 역학 센서인 것을 특징으로 하는 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 역학 센서는,
    가속도 센서 또는 자이로 센서인 것을 특징으로 하는 일체형 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 자기 센서는,
    상기 캡에 집적 가능한 플럭스 게이트(Flux gate) 센서, 자기저항 센서, 교 류자기저항 센서, 또는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 모션 캡처용 6축 센서의 제조 방법.
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