KR101185778B1

KR101185778B1 - 위치감지센서

Info

Publication number: KR101185778B1
Application number: KR1020120049699A
Authority: KR
Inventors: 김용대; 최현영; 윤기원; 우기영; 이영철
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-10-02
Also published as: US9177704B2; US20130314203A1

Abstract

본 발명의 위치감지센서는, 베이스 기판과, 전극들의 사이에서 저항을 형성하도록 상기 베이스 기판 상에서 상기 전극들에 연결되는 저항체와, 상기 저항체를 덮도록 형성되며 상기 저항체가 간격을 두고 부분적으로 노출되도록 상기 저항체를 따라 이격되게 배치되는 관통공들을 구비하는 보호층과, 상기 관통공들에 각각 배치되며 상기 저항체와 전기적으로 연결되는 접촉부재들, 및 피감지물의 위치를 산출하는 전기적 신호를 생성하도록, 상기 피감지물과 함께 이동가능하게 형성되며 상기 접촉부재들에 접촉하도록 배치되는 전도성 브러시를 포함한다. 이를 통하여 고온 또는 저온의 극한 환경에서도 사용 가능한 위치감지센서를 구현한다.

Description

위치감지센서{POTENTIOMETER}

본 발명은 저항의 변화를 측정하여 외부의 움직이는 요소의 위치를 산출하는 위치감지센서에 관한 것이다.

유도무기 및 항공기 등에서는 액츄에이터를 정밀하게 제어하기 위한 위치감지센서가 필요한데 기존의 위치감지센서는 운용 온도가 150 ℃ 이하 정도이기 때문에 그 이상의 고온 환경에서 운용하는데 한계가 있었다. 고온 환경에서 기존 위치감지센서를 사용하기 위해서는 단열페인트, 단열천, PCM (Phase Change Material) 등의 단열재/내열재로 센서 외부를 열방호해야 한다. 하지만 유도무기, 항공기는 내부 공간이 작고, 무게가 가벼워야 하기 때문에 위와 같은 단열재/내열재 사용에 의한 열방호 방법에는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 가장 바람직한 방법은 고온 환경에서도 신뢰성 있게 작동하는 위치감지센서의 개발이다.

위치감지센서는 외부의 움직이는 요소에 연결된 전도성 브러시가 저항체 위를 직접 접촉하여 움직이는 형태를 가진다. 전도성 브러시가 저항체 위를 움직임에 따라 저항값이 변하게 되는데 이 저항값과 기준 저항값의 비로 전도성 브러시에 연결된 외부의 움직이는 요소의 위치를 측정한다. 하지만 이러한 형태의 위치감지센서의 경우 저항체가 직접 공기 중에 노출되어 있기 때문에 고온 환경에서 저항체의 산화가 발생한다. 따라서, 고온 환경에서 신뢰성이 현저히 저하되는 문제점이 있으며, 나아가 브러시가 저항체를 직접 접촉하기 때문에 저항체에 손상을 줄 수 있다는 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신뢰성 및 내구성이 향상된 위치감지센서를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 비행체 내부의 고온 환경에서 사용의 제한이 없는 위치감지센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 특징에 따른 위치감지센서는, 베이스 기판과, 전극들의 사이에서 저항을 형성하도록 상기 베이스 기판 상에서 상기 전극들에 연결되는 저항체와, 상기 저항체를 덮도록 형성되며 상기 저항체가 간격을 두고 부분적으로 노출되도록 상기 저항체를 따라 이격되게 배치되는 관통공들을 구비하는 보호층과, 상기 관통공들에 각각 배치되며 상기 저항체와 전기적으로 연결되는 접촉부재들, 및 피감지물의 위치를 산출하는 전기적 신호를 생성하도록, 상기 피감지물과 함께 이동가능하게 형성되며 상기 접촉부재들에 접촉하도록 배치되는 전도성 브러시를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 저항체의 양단에는 전원이 공급되는 전극패드들이 각각 연결되며, 상기 접촉부재들은 상기 전극패드들의 사이에서 선형으로 배열된다. 상기 접촉부재들은 서로 평행한 제1 및 제2 라인을 따라 배열될 수 있다.

상기 접촉부재들은 상기 전도성 브러시가 상기 선형을 따라 이동될 때에 상기 접촉부재들 중 어느 하나와의 접촉이 끊어지기 전에 상기 접촉부재들 중 다른 하나와 접촉될 수 있도록 배치된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 저항체는, 상기 전도성 브러시의 이동방향에 수직하게 패터닝되며, 서로 이격 배치되는 수직부들, 및 상기 수직부들과 교차하는 방향으로 형성되며, 상기 수직부들을 직렬로 연결하도록 패터닝되는 수평부들을 포함한다.

상기 접촉부재들은 상기 수직부들의 각각에 대응하도록 배치될 수 있다. 상기 수평부들은 복수의 열을 형성하도록 상기 수직부들의 일단 및 타단을 번갈아가며 연결하며, 상기 접촉부재들은 상기 복수의 열을 따라 배치되게 상기 이동방향을 따라 상기 수직부들의 일단 및 타단에 번갈아가며 배치될 수 있다.

상기 접촉부재들은 상기 수직부들을 따라 형성되는 길이가 상기 수평부들을 따라 형성되는 폭보다 크도록 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예들에 따르면, 상기 접촉부재들은 상기 저항체에 적층된 채로 외부로 노출되도록 상기 관통공들에 충전될 수 있다. 상기 베이스 기판과 상기 저항체의 사이에는 절연층이 형성되며, 상기 보호층은 상기 저항체와 함께 상기 절연층을 덮도록 이루어질 수 있다. 공간분해능을 향상되도록, 상기 보호층, 관통공들 및 접촉부재들은 각각 미세가공공정을 이용한 미세 패터닝에 의하여 형성될 수 있다. 상기 저항체는 불순물주입방법(doping)에 의하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 액츄에이터를 구비하는 비행체 본체, 및 상기 액츄에이터의 동작에 연동하여 이동하는 이동부재와 연결되는 위치감지센서를 포함하는 비행체를 제공한다.

본 발명의 위치감지센서는, 보호층과 접촉부재들을 이용함에 따라 저항체의 손상 및 산화를 방지할 수 있다. 이를 통하여, 위치감지센서의 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라, 고온 또는 저온의 극한 환경에서도 사용 가능한 위치감지센서를 구현한다.

또한, 본 발명은 미세가공공정(MEMS/NEMS)을 통해 저항체 및 접촉패드의 패턴을 세밀하게 집적하여 제작할 수 있으며, 이를 통해 분해능(resolution)을 향상시킬 수 있고 동시에 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 단가를 낮출 수 있다.

또한, 본 발명은 복수의 접촉부재들의 사이에서 전도성 브러시가 접촉부재들에 겹치게 접촉됨에 따라, 저항 또는 전압이 변화되는 구간의 신호 노이즈를 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치감지센서의 평면도.
도 2는 도 1의 전도성 브러시의 사시도.
도 3a는 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 단면도들.
도 3b 및 도 3c는 위치감지센서의 변형예들에 대한 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 단면도들.
도 4는 도 1의 위치감지센서의 또 다른 변형예를 나타내는 평면도.
도 5는 전도성 브러시의 위치에 따른 전극패드와 브러시 사이의 저항값을 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 위치감지센서의 평면도.
도 7은 도 6의 위치감지센서의 변형예를 나타내는 평면도.
도 8은 도 7의 라인 B-B를 따라 취한 단면도.
도 9는 도 7의 위치감지센서의 브러시의 위치에 따른 전압 또는 저항값을 나타내는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치감지센서에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에 따른 위치감지센서는 유도무기 또는 항공기 등의 비행체에 장착되며, 상기 비행체의 본체에 구비되는 각종 액츄에이터를 정밀하게 제어하기 위한 용도로 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치감지센서의 평면도이고, 도 2는 도 1의 전도성 브러시의 사시도이며, 도 3a는 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 단면도들이고, 도 3b 및 도 3c는 위치감지센서의 변형예들에 대한 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 단면도들이며, 도 4는 도 1의 위치감지센서의 또 다른 변형예를 나타내는 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 위치감지센서(100)는 전극들의 사이를 연결하는 저항체(110)와, 상기 저항체(110)를 따라 특정간격으로 이격 배치되는 접촉부재들(120)을 포함한다. 전도성 브러시(130)가 상기 접촉부재들(120)의 배열방향을 따라 이동하며, 이를 통하여 전도성 브러시(130)와 전극들의 사이의 저항 또는 전압이 달라지게 된다. 전도성 브러시(130)는 피감지물의 위치를 산출하는 전기적 신호를 생성하도록, 상기 피감지물과 함께 이동가능하게 형성되며 상기 접촉부재들(120)에 접촉하도록 배치된다. 전도성 브러시(130)가 저항체(110) 위를 움직임에 따라 저항값이 변하게 되는데 이 저항값과 기준 저항값의 비로 전도성 브러시(130)에 연결된 외부의 움직이는 요소의 위치를 측정한다. 이러한 예로서, 전도성 브러시(130)가 비행체에 구비되는 액츄에이터의 동작에 연동하여 이동하는 이동부재(미도시)와 연결됨에 따라, 이동부재의 위치가 감지될 수 있다.

도 3a를 참조하여 상기 위치감지센서(100)의 구조를 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 저항체(110)는 전극들의 사이에서 저항을 형성하도록 베이스 기판(140) 상에서 상기 전극들에 연결된다. 이러한 예로서, 상기 저항체(110)의 양단에는 전원이 공급되는 전극패드들(151, 152)이 각각 연결된다. 또한, 상기 저항체는 단일 물질, 혼합물질 또는 합금(alloy) 등으로 형성될 수 있다.

도시에 의하면, 상기 베이스 기판(140)에는 상기 저항체(110)를 덮도록 보호층(160)이 형성된다. 상기 보호층(160)의 상기 저항체(110)의 산화를 방지하는 산화방지층의 역할을 하며, 절연재질로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 상기 보호층(160)은 SiO₂, Si_xN_y, DLC(Diamond-like-Carbon), Ceramic materials 등의 재질로 형성될 수 있다.

상기 베이스 기판(140)과 상기 저항체(110)의 사이에는 절연층(170)이 형성되며, 상기 보호층(160)은 상기 저항체(110)와 함께 상기 절연층(170)을 덮도록 이루어질 수 있다.

상기 저항체(110)와 전도성 브러시(130)의 전기적 연결을 위해, 보호층(160)에 관통공들(180)을 뚫고 비저항이 저항체보다 낮은 물질로 상기 관통공들(180)을 채워 넣는 공정에 의하여 상기 접촉부재들(120)이 형성된다. 접촉부재들(120)은 전도성 물질이면서, 단위 요소 저항체보다 저항이 매우 낮은 형태 또는 구조가 될 수 있다. 나아가, 접촉부재들은 비저항은 낮고, 고온에서 산화 진행 속도가 느리거나 화학적으로 안정한 물질이 될 수 있다. 이러한 예로서, 접촉부재들(120)은 백금 합금, 텅스텐 합금, 그래핀 등의 재질로 형성되며 접촉패드의 형태로 구현될 수 있다.

공간분해능(spatial resolution)을 향상되도록, 상기 저항체(110), 보호층(160), 관통공들(180) 및 접촉부재들(120)은 각각 미세가공공정(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems 및 NEMS: Nano Electro Mechanical Systems)을 이용한 미세 패터닝(pattering)에 의하여 형성될 수 있다. 상기 미세 패터닝에 의하면 상기 저항체(110) 및 접촉부재들(120)의 크기가 세밀하게 제조될 수 있다. 이 경우에 상기 저항체(110)는 불순물주입방법(doping)에 의하여 형성될 수 있다. 불순물주입방법은 반도체 공정 및 MEMS/NEMS 공정에서 일반적으로 사용하는 방법으로 소자의 전기적 물성을 조절하기 위해 불순물을 주입하는 공정. 보통 실리콘 등의 반도체 물질에 붕소, 인 등의 물질을 주입하여 비저항, 열팽창계수, TCR(temperature coefficient of resistivity) 등의 물성을 조절하는 공정이 될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 관통공들(180)은 상기 저항체(110)가 간격을 두고 부분적으로 노출되도록 상기 저항체(110)를 따라 이격되게 배치되며, 상기 접촉부재들은 상기 저항체에 적층된 채로 외부로 노출되도록 상기 관통공들에 충전된다. 이를 통하여, 상기 접촉부재들(120)은 상기 관통공들(180)에 각각 배치되며 상기 저항체(110)와 전기적으로 연결된다.

상기에서 설명된 위치감지센서(100)의 단면 구조는 여러가지 형태로 변형될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 접촉부재들(120)이 보호층(160)보다 위로 돌출되도록 구성될 수 있다. 또한, 도 3c를 참조하면, 접촉부재들(120)과 보호층(160)의 높이가 동일하도록 이루어질 수 있다. 이 경우에는 접촉부재들(120)의 외면과 보호층(160)의 외면은 동일 평면상에 형성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 저항체(110)는 수직부들(111) 및 수평부들(112)을 포함한다.

상기 수직부들(111)은 상기 전도성 브러시의 이동방향에 수직하게 패터닝되며, 서로 이격 배치되는 그룹이 된다. 또한, 상기 수평부들(112)은 상기 수직부들(111)과 교차하는 방향으로 형성되며, 상기 수직부들(111)을 직렬로 연결하도록 패터닝되는 그룹이 된다. 즉, 수평부들(112)은 복수의 열을 형성하도록 상기 수직부들(111)의 일단 및 타단을 번갈아가며 연결한다. 이를 통하여 상기 저항체(110)는 펄스 파형과 같은 패턴으로 이루어지며, 위치감지센서는 저항체 및 접촉부재들이 순차적으로 배열되는 형태로 형성된다.

도시에 의하면, 상기 접촉부재들(120)은 상기 전극패드들(151, 152)의 사이에서 선형으로 배열된다. 선형의 예로서, 도 1과 같이 접촉부재들(120)은 직선을 따라 배열될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 접촉부재들(120)은 곡선을 따라 배열될 수 있다(도 4 참조).

보다 구체적으로, 상기 접촉부재들(120)은 상기 수직부들(111)의 각각에 대응하도록 배치될 수 있다. 또한, 비저항이 낮아지도록, 상기 접촉부재들(120)은 상기 수직부들(111)을 따라 형성되는 길이가 상기 수평부들(112)을 따라 형성되는 폭보다 크도록 이루어질 수 있다.

상기의 구조에 의하면, 전극패드들(151, 152)과 접촉부재들(120) 사이의 저항 또는 전압은 전도성 브러시(130)의 접촉 위치에 따라 계단형태로 변하게 된다. 이를 통하여, 저항체(110)의 손상 및 산화를 방지하면서, 전도성 브러시(130)의 위치를 감지할 수 있는 위치감지센서가 구현될 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 위치감지센서의 센싱효율을 증가시키기 위한 방안을 제시한다. 이하, 이러한 방안에 대하여 설명한다. 도 5는 전도성 브러시의 위치에 따른 전극패드와 브러시 사이의 저항값을 보여주는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 위치감지센서의 평면도이다.

도 1의 위치감지센서에서 각 접촉부재들 사이는 전기적으로 오픈(open)되어 있기 때문에 브러시가 접촉부재들 사이의 오픈(open)된 부분을 지날 때 도 5와 같이 저항값이 무한대가 된다. 저항값이 무한대가 되는 것을 제한하기 위하여, 도 6과 같이, 접촉부재들(220)은 서로 평행한 제1 및 제2 라인(221, 222)을 따라 배열될 수 있다. 이 경우에, 전도성 브러시는 제1 및 제2 라인(221, 222)의 접촉부재들에 모두 접촉가능한 크기로 이루어진다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 접촉부재들(220)은 3열 이상의 다열로 교차 배열될 수 있다.

보다 구체적으로, 저항체(210) 및 접촉부재들(220)은 교차로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 접촉부재들(220)은 수평부들(212)의 각 열을 따라 배치되게 상기 이동방향을 따라 상기 수직부들(211)의 일단 및 타단에 번갈아가며 배치된다.

나아가, 위치감지센서는 접촉부재의 일부분이 겹치기로 교차 배열된 형태가 될 수 있다. 이하, 이러한 위치감지센서의 변형예에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 7은 도 6의 위치감지센서의 변형예를 나타내는 평면도이고, 도 8은 도 7의 라인 B-B를 따라 취한 단면도이며, 도 9는 도 7의 위치감지센서의 브러시의 위치에 따른 전압 또는 저항값을 나타내는 그래프이다.

도시에 따르면, 접촉부재들(320)은 전극패드들(351, 352)의 사이에서 선형으로 배열되고, 전도성 브러시(330)가 상기 선형을 따라 이동하는 것은 앞선 실시예와 동일 또는 유사하다. 접촉부재들(320)은 나아가, 전도성 브러시(330)가 상기 선형을 따라 이동될 때에 상기 접촉부재들(320) 중 어느 하나와의 접촉이 끊어지기 전에 상기 접촉부재들(320) 중 다른 하나와 접촉될 수 있도록 배치된다.

즉, 전극패드들(351, 352)를 이어주는 방향과 수직한 방향에 대하여, 접촉부재들(320)의 적어도 일부는 서로 오버랩되며, 전도성 브러시(330)는 서로 오버랩되는 부분들에 모두 접촉가능한 크기로 형성된다. 이러한 구조에 의하면, 브러시의 움직임에 따라 저항 또는 전압이 도 9와 같은 형태로 변하게 된다.

상기와 같은 위치감지센서는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Claims

베이스 기판;
전극들의 사이에서 저항을 형성하도록 상기 베이스 기판 상에서 상기 전극들에 연결되는 저항체;
상기 저항체를 덮도록 형성되며, 상기 저항체가 간격을 두고 부분적으로 노출되도록 상기 저항체를 따라 이격되게 배치되는 관통공들을 구비하는 보호층;
상기 관통공들에 각각 배치되며, 상기 저항체와 전기적으로 연결되는 접촉부재들; 및
피감지물의 위치를 산출하는 전기적 신호를 생성하도록, 상기 피감지물과 함께 이동가능하게 형성되며 상기 접촉부재들에 접촉하도록 배치되는 전도성 브러시를 포함하는 위치감지센서.
제1항에 있어서,
상기 저항체의 양단에는 전원이 공급되는 전극패드들이 각각 연결되며, 상기 접촉부재들은 상기 전극패드들의 사이에서 선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제2항에 있어서,
상기 접촉부재들은 서로 평행한 제1 및 제2 라인을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제3항에 있어서,
상기 접촉부재들은 상기 전도성 브러시가 상기 선형을 따라 이동될 때에 상기 접촉부재들 중 어느 하나와의 접촉이 끊어지기 전에 상기 접촉부재들 중 다른 하나와 접촉될 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 위치감지센서.
제1항에 있어서,
상기 저항체는,
상기 전도성 브러시의 이동방향에 수직하게 패터닝되며, 서로 이격 배치되는 수직부들; 및
상기 수직부들과 교차하는 방향으로 형성되며, 상기 수직부들을 직렬로 연결하도록 패터닝되는 수평부들을 포함하는 위치감지센서.
제5항에 있어서,
상기 접촉부재들은 상기 수직부들의 각각에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제6항에 있어서,
상기 수평부들은 복수의 열을 형성하도록 상기 수직부들의 일단 및 타단을 번갈아가며 연결하며,
상기 접촉부재들은 상기 복수의 열을 따라 배치되게 상기 이동방향을 따라 상기 수직부들의 일단 및 타단에 번갈아가며 배치되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제5항에 있어서,
상기 접촉부재들은 상기 수직부들을 따라 형성되는 길이가 상기 수평부들을 따라 형성되는 폭보다 크도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제1항에 있어서,
상기 접촉부재들은 상기 저항체에 적층된 채로 외부로 노출되도록 상기 관통공들에 충전되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제1항에 있어서,
상기 베이스 기판과 상기 저항체의 사이에는 절연층이 형성되며, 상기 보호층은 상기 저항체와 함께 상기 절연층을 덮도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제1항에 있어서,
공간분해능을 향상되도록, 상기 보호층, 관통공들 및 접촉부재들은 각각 미세가공공정을 이용한 미세 패터닝에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
제1항에 있어서,
상기 저항체는 불순물주입방법(doping)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 위치감지센서.
액츄에이터를 구비하는 비행체 본체; 및
상기 액츄에이터의 동작에 연동하여 이동하는 이동부재와 연결되며, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 위치감지센서를 포함하는 비행체.