KR101137979B1 - 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지 - Google Patents

압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지에 관한 것으로서, 정확한 위치제어를 위한 압저항 변위센서가 내부에 집적되어 있으며, 대변위를 갖는 열구동기의 변위를 증폭시키기 위하여 쉐브론 빔 구조를 가지는 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 사각형상으로서, 그 중앙부에 샘플이 놓여지는 플랫폼; 상기 플랫폼의 일측면으로부터 연장되며, 특정 축으로의 처짐현상을 방지하기 위한 전극이 배치되는 연장 빔; ' V ' 형상이며, 그 중심부가 상기 연장 빔과 연결되어, 열구동기가 구동되었을 경우 상기 연장 빔을 끌어 당김으로써 플랫폼을 구동시키는 쉐브론 빔; 및 전압이 인가되면 줄열을 발생시킴으로써 특정 방향으로 구동되며, 압저항 변위센서가 각각 집적화된 2개의 열구동기; 를 포함하되, 상기 연장 빔, 쉐브론 빔 및 2개의 열구동기는, 상기 플랫폼의 네 측면으로부터 각각 연장되어, 상기 플랫폼을 기준으로 상하 좌우 대칭구조를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
마이크로스테이지, 변위, 압저항, 쉐브론 빔

Description

압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지{MICROSTAGE HAVING PIEZORESISTIVE SENSOR AND CHEVRON BEAM STRUCTURE}
본 발명은 마이크로스테이지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정확한 위치제어를 위한 압저항 변위센서가 내부에 집적되어 있으며, 대변위를 갖는 열구동기의 변위를 증폭시키기 위하여 쉐브론 빔 구조를 가지는 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지에 관한 것이다.
일반적으로 기존의 마이크로스테이지는 구동을 위해 정전인력, 전자기력 및 압전력을 이용한 구동기를 이용하고 있다.
이와 같은 마이크로스테이지 구동 방법 중에서, 정전인력을 이용하는 방법은 구조가 간단하고 반도체기술을 이용하여 쉽게 제작할 수 있으며, 구동기를 변위 감지용 센서로 사용할 수 있다는 장점을 가지지만, 구동력이 작아서 대변위를 얻기 위해서는 구조물이 커져야 하기 때문에 소형화가 힘들고 큰 전압이 필요하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 외부에 변위센서를 두고 제어했던 종래와 달리, 압저항 변위센서가 내부에 위치됨으로써, 공간적인 효율성을 높이고 정확한 위치 제어를 수행할 수 있는 마이크로스테이지를 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 제 2 목적은, 플랫폼의 네측면으로부터 상하 좌우 방향으로 연장되어 형성되는 쉐브론 빔(chevron beam) 구조를 통해 대변위를 갖는 열구동기의 변위를 증폭시킬 수 있으며, 구동 시 발생하는 커플링 현상 및 버클링 현상을 발생하지 않도록 하는 마이크로스테이지를 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지에 관한 것으로서, 사각형상으로서, 그 중앙부에 샘플이 놓여지는 플랫폼; 상기 플랫폼의 일측면으로부터 연장되며, 특정 축으로의 처짐현상을 방지하기 위한 전극이 배치되는 연장 빔; ' V ' 형상이며, 그 중심부가 상기 연장 빔과 연결되어, 열구동기가 구동되었을 경우 상기 연장 빔을 끌어 당김으로써 플랫폼을 구동시키는 쉐브론 빔; 및 전압이 인가되면 줄열을 발생시킴으로써 특정 방향으로 구동되며, 압저항 변위센서가 각각 집적화된 2개의 열구동기; 를 포함하되, 상기 연장 빔, 쉐브론 빔 및 2개의 열구동기는, 상기 플랫폼의 네 측면으로부터 각각 연장되어, 상기 플랫폼을 기준으로 상하 좌우 대칭구조를 가 지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
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상기와 같은 본 발명에 따르면, 열에너지에 영향을 받는 압저항 변위센서를 내부에 위치시킴으로써, 온도에 영향을 받지 않고 별도의 보정회로 없이 정밀한 위치제어를 할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 플랫폼의 네측면으로부터 상하 좌우 방향으로 연장되어 형성되는 쉐브론 빔(chevron beam) 구조를 통해 대변위 열구동기의 변위를 3~5배 증폭시킬 수 있는 효과도 있다. 즉, 쉐브론 빔(chevron beam)이 열구동기로 서 사용되던 기존과 달리, 열구동기의 구동력을 변환시키는 역할을 수행하는 바, 서로 대향(對向)하도록 각각 발생하는 구동력을 2개의 열구동기(410,420) 사이에서 개구된 바깥방향으로 변환시킴과 아울러, 열구동기의 변위를 3~5배 증폭시킬 수 있는 효과도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 열구동기가 구동했을 경우, 쉐브론 빔이 플랫폼으로부터 연장된 연장 빔을 끌어 당겨서 플랫폼을 구동하는 방식이므로, 버클링 현상이 발생하지 않으며, 열구동기가 비선형적인 요소 없이 선형적으로 구동할 수 있도록 하는 효과도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 열구동기 및 쉐브론 빔이 플랫폼을 기준으로 상하좌우가 대칭된 구조이므로, X축 방향으로 구동할 시 Y축으로는 커플링 현상이 발생하지 않으며, 쉽게 나노 포지셔닝(nanopositioning) 할 수 있는 효과도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 변형 빔(flexure beam)에 위치시킴으로써, 열에 영향을 받지 않고 안정적으로 변위를 측정할 수 있도록 하는 효과도 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 광학 렌즈 및 마이크로, 나노 재료의 기계적인 특성을 평가하는데 응용할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지에 관하여 도 1 내지 도 3 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지(이하, '마이크로스테이지')에 관한 전체 구성도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 쉐브론 빔의 그 양 끝단이 서로 다른 2개의 열구동기와 연결되는 모습을 보이는 일예시도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 열구동기에 관한 세부 구성도이다.
본 발명에 따른 마이크로스테이지는 도시된 바와 같이 플랫폼(100), 연장 빔(200), 쉐브론 빔(300) 및 열구동기(400)를 포함하여 이루어진다.
한편, 도 1 에 도시된 바와 같이, 1개의 쉐브론 빔(300)과 이에 연결된 2개의 열구동기(400)는 연장 빔(200)을 통해 플랫폼(100)의 일측면으로부터 연장되어 있다. 즉, 4개의 쉐브론 빔(300)이 플랫폼(100)의 네 측면으로부터 각각 연장되어, 전체적으로는 8개의 열구동기(400)가 구성되어 있으며, 본 발명에 따른 마이크로스테이지는, 플랫폼(100)의 일측면으로부터 연장되어 형성된 구성이, 나머지 세측면에 모두 동일하게 적용된 것이라 이해하는 것이 바람직하다.
따라서, 이하에서는 플랫폼(100)의 일측면으로부터 연장되는 1개의 연장 빔(200), 1개의 연장 빔(200)과 연결되는 1개의 쉐브론 빔(300) 및 이에 연결된 2개의 열구동기(400:410,420)의 구성을 위주로 설명하도록 한다.
구체적으로, 플랫폼(100)은, 사각형상으로서, 그 중앙부에 샘플이 놓여진다.
또한 연장 빔(200)은, 상기 플랫폼(100)의 일측면으로부터 연장된다. 한편, 연장 빔(200)의 상면 및 하면에는, 전압이 인가될 경우 정전인력을 발생시키는 전극(210)이 소정거리 이격되어 배치되어 있다.
즉, 구동 시 발생하는 연장 빔의 특정 축(예를 들어, Z축)으로의 처짐현상을 방지하기 위하여, 연장 빔(200)의 상면 및 하면에 배치되는 전극에 전압을 인가함으로써 발생되는 상기 정전인력을 통해 보정할 수 있다.
또한 쉐브론 빔(300)은, 전체적으로 ' V ' 형상이며, 그 중심부(C)가 상기 연장 빔(200)과 연결되어, 열구동기(400)가 구동되었을 경우 연장 빔(200)을 끌어 당김으로써 플랫폼(100)을 구동시킨다. 이때, 쉐브론 빔(300)은 도 2 에 도시된 바와 같이 그 양 끝단이 서로 다른 2개의 열구동기(400:410,420)와 각각 연결되어, 2개의 열구동기(410,420)로부터 서로 대향(對向)하도록 각각 발생하는 구동력을 2개의 열구동기(410,420) 사이에서 개구된 바깥방향으로 변환시키며, 2개의 열구동기(410,420)의 변위를 3배~5배 증폭시켜 상기 바깥방향으로 변환시킨다.
그리고 2개의 열구동기(400)는, 전압이 인가되면 줄(Joule)열을 발생시킴으로써 특정 방향으로 구동되며, 상기 쉐브론 빔(300)의 양측 끝단과 각각 연결되며, 쉐브론 빔(300)의 중심부(C)를 중심으로 서로 거울상 대칭되는 제 1 구동기(410) 및 제 2 구동기(420)로 대분된다.
도 3 에 도시된 바와 같이 제 1 구동기(410)는 전압이 인가되면 줄(Joule)열을 발생시킴으로써 제 2 구동기(420) 방향으로 구동되도록 하는 제 1 핫암(hot arm)(411), 상기 ' V ' 형상의 쉐브론 빔(300)의 일측 끝단과 연결되어 쉐브론 빔(300)과 제 1 핫암(hot arm)(411) 사이에서, 제 1 핫암(hot arm)(411)과 평행하게 연장되어 배치되어 있으며, 제 1 핫암(hot arm)(411)에서 발생하는 열이 제 1 압저항 변위센서(414)에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 열을 냉각시켜주는 제 1 콜드암(cold arm)(412), 상기 제 1 콜드암(cold arm)(412)으로부터 제 1 핫암(hot arm)(411)과 평행하게 소정길이 연장되어 있으며, 열구동기의 변위를 증가시키는 제 1 변형 빔(flexure beam)(413) 및 상기 제 1 변형 빔(413)의 끝단 상면에 형성되어 구동 변위에 따라 다른 압저항 변화를 가지도록 하는 제 1 압저항 변위센서(414)를 포함한다.
즉, 열구동기가 구동됨에 따라 변형률(strain)이 발생하는 특정부분에, 압저항 변위센서를 위치시킴으로써, 구동 변위에 따라 다른 압저항 변화를 볼 수 있으며, 이를 이용하여 열구동기의 위치를 조절할 수 있다.
한편, 제 2 구동기(420)는 전압이 인가되면 줄(Joule)열을 발생시킴으로써 제 1 구동기(410) 방향으로 구동되도록 하는 제 2 핫암(hot arm)(421), 상기 ' V ' 형상의 쉐브론 빔(300)의 타측 끝단과 연결되어 쉐브론 빔(300)과 제 2 핫암(hot arm)(421) 사이에서, 제 2 핫암(hot arm)(421)과 평행하게 연장되어 배치되어 있으며, 제 2 핫암(hot arm)(421)에서 발생하는 열이 제 2 압저항 변위센서(424)에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 열을 냉각시켜주는 제 2 콜드암(cold arm)(422), 상기 제 2 콜드암(cold arm)(422)으로부터 제 2 핫암(hot arm)(421)과 평행하게 소정길이 연장되어 있으며, 열구동기의 변위를 증가시키는 제 2 변형 빔(flexure beam)(423) 및 상기 제 2 변형 빔(423)의 끝단 상면에 형성되어 구동 변위에 따라 다른 압저항 변화를 가지도록 하는 제 2 압저항 변위센서(424)를 포함한다.
이때, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 제 1 구동기(410) 및 제 2 구동기(420)의 변형 빔과, 핫암(hot arm)의 끝단 상면 각각에는 전극(Electrode: E)이 배치될 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지에 관한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 쉐브론 빔의 그 양 끝단이 서로 다른 2개의 열구동기와 연결되는 모습을 보이는 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 열구동기에 관한 세부 구성도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100: 플랫폼 200: 연장 빔
300: 쉐브론 빔 400: 열구동기
210: 전극 410: 제 1 구동기
420: 제 2 구동기 411: 제 1 핫암
412: 제 1 콜드암 413: 제 1 변형 빔
414: 제 1 압저항 변위센서 421: 제 2 핫암
422: 제 2 콜드 암 423: 제 2 변형 빔
424: 제 2 압저항 변위센서

Claims (6)

  1. 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지에 있어서,
    그 중앙부에 샘플이 놓여지는 플랫폼;
    상기 플랫폼의 일측면으로부터 연장되며, 전극이 배치되는 연장 빔;
    ' V ' 형상이며, 그 중심부가 상기 연장 빔과 연결되어, 열구동기가 구동되었을 경우 상기 연장 빔을 끌어 당김으로써 플랫폼을 구동시키는 쉐브론 빔; 및
    전압이 인가되면 줄(Joule)열을 발생시킴으로써 구동되며, 압저항 변위센서가 각각 집적화된 2개의 열구동기; 를 포함하되,
    상기 쉐브론 빔은, 2개의 열구동기로부터 서로 대향(對向)하도록 각각 발생하는 구동력을 2개의 열구동기 사이에서 개구된 바깥방향으로 변환시키며, 2개의 열구동기의 변위를 3배 내지 5배 증폭시켜 상기 바깥방향으로 변환시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 2개의 열구동기는, 상기 쉐브론 빔의 양측 끝단과 각각 연결되어 상기 쉐브론 빔의 중심부를 중심으로 서로 거울상 대칭되는 제 1 구동기 및 제 2 구동기인 것을 특징으로 하며,
    상기 전극은, 상기 연장 빔의 상면 및 하면으로부터 소정거리 이격되어 배치되어 있으며, 전압이 인가될 경우 정전인력을 발생시키며, 상기 정전인력을 통해 처짐현상을 보정하는 것을 특징으로 하며,
    상기 연장 빔, 쉐브론 빔 및 2개의 열구동기의 일체 구성이, 상기 플랫폼의 나머지 측면에도 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구동기는,
    전압이 인가되면 줄(Joule)열을 발생시킴으로써 상기 제 2 구동기 방향으로 구동되도록 하는 제 1 핫암(hot arm);
    상기 ' V ' 형상의 쉐브론 빔의 일측 끝단과 연결되어 쉐브론 빔과 제 1 핫암(hot arm) 사이에서, 제 1 핫암(hot arm)과 평행하게 연장되어 배치되어 있으며, 제 1 핫암(hot arm)에서 발생하는 열이 제 1 압저항 변위센서에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 열을 냉각시켜주는 제 1 콜드암(cold arm);
    상기 제 1 콜드암(cold arm)으로부터 제 1 핫암(hot arm)과 평행하게 소정길이 연장되어 있으며, 열구동기의 변위를 증가시키는 제 1 변형 빔(flexure beam) 및 상기 제 1 변형 빔의 끝단 상면에 형성되어 구동 변위에 따라 다른 압저항 변화를 가지도록 하는 제 1 압저항 변위센서; 를 포함하며,
    상기 제 2 구동기는,
    전압이 인가되면 줄(Joule)열을 발생시킴으로써 상기 제 1 구동기 방향으로 구동되도록 하는 제 2 핫암(hot arm);
    상기 ' V ' 형상의 쉐브론 빔의 타측 끝단과 연결되어 쉐브론 빔과 제 2 핫암(hot arm)사이에서, 제 2 핫암(hot arm)과 평행하게 연장되어 배치되어 있으며, 제 2 핫암(hot arm)에서 발생하는 열이 제 2 압저항 변위센서에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 열을 냉각시켜주는 제 2 콜드암(cold arm);
    상기 제 2 콜드암(cold arm)으로부터 제 2 핫암(hot arm)과 평행하게 소정길이 연장되어 있으며, 열구동기의 변위를 증가시키는 제 2 변형 빔(flexure beam); 및
    상기 제 2 변형 빔의 끝단 상면에 형성되어 구동 변위에 따라 다른 압저항 변화를 가지도록 하는 제 2 압저항 변위센서; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압저항 변위센서 및 쉐브론 빔 구조를 가지는 마이크로스테이지.
  5. 삭제
  6. 삭제
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