KR101260734B1 - 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서 - Google Patents

탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서 Download PDF

Info

Publication number
KR101260734B1
KR101260734B1 KR1020110063887A KR20110063887A KR101260734B1 KR 101260734 B1 KR101260734 B1 KR 101260734B1 KR 1020110063887 A KR1020110063887 A KR 1020110063887A KR 20110063887 A KR20110063887 A KR 20110063887A KR 101260734 B1 KR101260734 B1 KR 101260734B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer
carbon nanotube
polymer membrane
nanotube film
acceleration sensor
Prior art date
Application number
KR1020110063887A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130007136A (ko
Inventor
이상은
이강원
김진하
이필립
김태현
임헌광
이승섭
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020110063887A priority Critical patent/KR101260734B1/ko
Publication of KR20130007136A publication Critical patent/KR20130007136A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101260734B1 publication Critical patent/KR101260734B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/12—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance
    • G01P15/122—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance by metal resistance strain gauges, e.g. wire resistance strain gauges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0062—Devices moving in two or more dimensions, i.e. having special features which allow movement in more than one dimension
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

본 발명은 폴리머와 탄소나노튜브 필름의 유연성에 의하여 고충격을 감지할 수 있는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서를 개시한다. 본 발명은 복수의 전극패드들이 형성되어 있는 기판과, 기판의 표면에 변형할 수 있도록 장착되어 있고 유연성을 갖는 폴리머 멤브레인과; 폴리머 멤브레인의 표면에 폴리머 멤브레인과 함께 변형할 수 있도록 부착되어 있으며 복수의 전극패드들과 전기적으로 접속되어 있는 복수의 탄소나노튜브 저항기들과, 폴리머 멤브레인에 질량 부가를 위하여 장착되어 있는 프루프매스로 구성되어 있다.

Description

탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서{POLYMER ACCELEROMETER USING CARBON NANOTUBE FILM}
본 발명은 폴리머 가속도센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리머(Polymer)와 탄소나노튜브 필름(Carbon nanotube film)의 유연성에 의하여 고충격을 감지할 수 있는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서에 관한 것이다.
가속도센서는 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정하는 장치이며, 물체의 운동 상세를 감지할 수 있어 자동차, 항공기, 로봇, 스마트폰(Smart phone), 피디에이(PDA, Personal digital assistants) 등 광범위하게 사용되고 있다. 가속도센서는 다양한 구조와 형태로 개발되어 있고, 검출 방식에 따라 관성식, 자이로식과 실리콘 반도체식으로 구분되고 있다.
실리콘 가속도센서는 용량형(Capacitive type)과 압저항형(Piezoresistive type)으로 구분되고 있다. 용량형 실리콘 가속도센서는 박막의 형성이 용이한 폴리실리콘(Polysilicon)을 표면 마이크로머시닝(Surface micromachining)에 의하여 제작한다. 압저항형 실리콘 가속도센서는 단결정 실리콘 위에 압저항 소자를 제작하고, 이것을 벌크 마이크로머시닝(Bulk micromachining)에 의하여 제작한다. 이러한 실리콘 가속도센서는 소형화 및 경량화 제작이 가능하여 스마트폰, 모바일기기(Mobile device) 등에 활발하게 사용되고 있다.
그런데 상기한 바와 같은 실리콘 가속도센서는 단단한 실리콘을 소재로 제작되기 때문에 고충격에는 영구변형(Permanent strain)을 일으키는 문제가 있다. 특히, 포탄의 신관, 전투기 등과 같이 고충격이 가해지는 물체에 있어서는 수백G 이상의 고충격을 감지해야 하는 바, 이를 만족할 만한 가속도센서가 개발되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 폴리머와 탄소나노튜브 필름의 유연성에 의하여 고충격을 감지할 수 있는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서를 제공함에 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 복수의 전극패드들이 형성되어 있는 기판과; 기판의 표면에 변형할 수 있도록 장착되어 있고, 유연성을 갖는 폴리머 멤브레인과; 폴리머 멤브레인의 표면에 폴리머 멤브레인과 함께 변형할 수 있도록 부착되어 있으며, 복수의 전극패드들과 전기적으로 접속되어 있는 복수의 탄소나노튜브 저항기들과; 폴리머 멤브레인에 질량 부가를 위하여 장착되어 있는 프루프매스를 포함하는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서에 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서는 폴리머와 탄소나노튜브 필름의 유연성에 의하여 고충격을 감지하여 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서 본 발명의 폴리머 가속도센서는 스마트폰 등의 모바일기기 이외에도 포탄의 신관, 전투기 등과 같이 고충격이 가해지는 물체에 매우 유용하게 채택될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서의 구성을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서의 구성을 나타낸 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서의 구성을 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서의 작용을 설명하기 위하여 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서에서 동일한 크기의 힘을 반복적으로 인가하는 경우 힘과 저항값의 관계를 설명하기 위하여 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서에서 힘의 크기를 다르게 인가하는 경우 힘과 저항값의 관계를 설명하기 위하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서는 기판(10), 유연성을 갖는 폴리머 멤브레인(Polymer membrane: 20)과 복수의 탄소나노튜브 저항기(Carbon nanotube resistor, CNT resistor: 30)들을 구비한다.
기판(10)의 표면에 복수의 전극패드(Electrode pad: 12)들이 형성되어 있다. 전극패드(12)들은 구리(Cu) 박막(12a)과 은(Ag) 박막(12b)로 구성되어 있다. 공간(14)이 전극패드(12)들 사이의 중앙에 배치되도록 기판(10)에 형성되어 있다. 공간(14)은 기판(10)에 구멍을 뚫거나 기판(10)을 절제하여 형성할 수 있다. 기판(10)은 금속, 예를 들어 표면에 절연층(16)이 형성되어 있는 스테인리스스틸로 구성되어 있다. 전극패드(12)들은 절연층(16)의 표면에 노출되어 있다.
폴리머 멤브레인(20)은 공간(14) 위에 배치되도록 기판(10)의 표면에 장착되어 있으며, 충격, 압력 등의 힘이 가해지면 유연하게 변형된다. 폴리머 멤브레인(20)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 폴리이미드(Polyimide) 등 투명하고 유연한 소재로 구성될 수 있다. 폴리머 멤브레인(20)은 베이스(Base: 22)와 커버(Cover: 24)로 구성되어 있다. 베이스(22)의 이면에 돌출부(26)가 돌출되어 있다. 돌출부(26)는 공간(14)에 끼워져 있다.
복수의 CNT 저항기(30)들은 폴리머 멤브레인(20)과 함께 변형되도록 베이스(22)의 표면에 부착되어 있다. CNT 저항기(30)들은 탄소나노튜브 필름(CNT film)을 소재로 구성되어 있다. CNT 필름은 열에너지를 가하여 부착하는 열접촉(Thermal contact)에 의하여 베이스(22)의 표면에 긴밀하게 전사하여 CNT 저항기(30)들로 제조할 수 있다.
구 분 탄소나노튜브 비 교
밀 도 1.33 g/㎤ 알루미늄 : 2.7g/㎤
인장강도 450GPa 철 : 0.2GPa
탄성계수 1TPa 강철 : 0.2 TPa
전류량 10GAm/㎠ 구리 : 1MAm/㎠
표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, CNT는 알루미늄, 구리, 철 등과 같은 금속 전도체와 비교했을 때 우수한 전기적 및 기계적 특성을 보유하고 있다. 구리, 철 등의 금속 전도체를 폴리머 멤브레인에 부착시킬 경우, 폴리머와 금속 전도체는 연신율(Elongation)의 차이가 크기 때문에 가속도센서에서는 사용하기 부적합하다. CNT 필름으로 이루어진 CNT 저항기(30)들은 폴리머 멤브레인(20)과 함께 유연하게 변형되므로, 고충격에 견딜 수 있으면서도 정확한 감지성능을 보유한다.
CNT 저항기(30)들은 폴리머 멤브레인(20)과 함께 변형되는"ㄷ"자 형상의 변형부(32)와 변형부(32)의 말단에 형성되어 있는 한 쌍의 전극패드(34)들로 구성되어 있다. CNT 저항기(30)들의 전극패드(34)들은 와이어(Wire: 40)와 실버페이스트(Silver paste: 42)에 의하여 기판(10)의 전극패드(12)들에 와이어본딩(Wire bonding)에 의하여 전기적으로 접속되어 있다. 커버(24)는 CNT 저항기(30)들의 변형부(32)와 실버페이스트(42)의 일부를 덮어 보호한다.
프루프매스(Proof mass: 50)는 진동 검증을 위하여 폴리머 멤브레인(20)에 장착되어 있다. 프루프매스(50)는 메탈볼(Metal ball: 52)로 이루어져 있다. 메탈볼(52)은 질량의 부가를 위하여 돌출부(26)의 내측에 장착되어 있다. 충격이 부여되면 폴리머 멤브레인(20)이 메탈볼(52)의 질량 부가에 의하여 잘 휘어지는 응답성이 향상된다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 폴리머 가속도센서에 작용되는 힘, 즉 충격, 압력, 속도의 변화가 가해지면, 폴리머 멤브레인(20)이 휨변형된다. 폴리머 멤브레인(20)은 휨변형에 의하여 CNT 저항기(30)들의 변형부(32)도 휨변형된다. CNT 저항기(30)들의 변형량에 따라 검출되는 저항값이 변동된다.
도 5의 그래프를 보면, 동일한 크기의 힘을 반복적으로 인가하는 경우, CNT 저항기(30)들로부터부터 검출되는 저항값은 힘의 인가 시 증가하였다가 힘의 제거 시 초기의 저항값으로 복귀되는 것을 알 수 있다.
도 6의 그래프를 보면, 힘의 크기를 다르게 인가하는 경우, 힘의 크기에 비례하여 폴리머 멤브레인(20)과 CNT 저항기(30)들의 휨변형량이 변동되므로, 힘의 크기에 따라 CNT 저항기(30)들로부터부터 검출되는 저항값도 변동되는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 기판 12: 전극패드
14: 공간 20: 폴리머 멤브레인
30: CNT 저항기 40: 와이어
50: 프루프매스 52: 메탈볼

Claims (5)

  1. 복수의 전극패드들이 형성되어 있는 기판과;
    상기 기판의 표면에 변형할 수 있도록 장착되어 있고, 유연성을 갖는 폴리머 멤브레인과;
    상기 폴리머 멤브레인의 표면에 상기 폴리머 멤브레인과 함께 변형할 수 있도록 부착되어 있으며, 상기 복수의 전극패드들과 전기적으로 접속되어 있는 복수의 탄소나노튜브 저항기들과;
    상기 폴리머 멤브레인에 질량 부가를 위하여 장착되어 있는 프루프매스를 포함하는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 폴리머 멤브레인의 변형을 허용하도록 형성되어 있는 공간을 가지며, 상기 프루프매스는 상기 공간에 수용되어 있는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 멤브레인은 상기 공간에 끼워지는 돌출부를 가지며, 상기 프루프매스는 상기 돌출부에 장착되는 메탈볼로 이루어지는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 탄소나노튜브 저항기들은 "ㄷ"자 형상의 변형부와 상기 변형부의 말단에 형성되어 있는 한 쌍의 전극패드들을 가지며, 상기 복수의 전극패드들과 상기 한 쌍의 전극패드들은 와이어본딩에 의하여 전기적으로 접속되어 있는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 멤브레인은 상기 복수의 탄소나노튜브 저항기들을 덮는 커버를 갖는 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서.
KR1020110063887A 2011-06-29 2011-06-29 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서 KR101260734B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110063887A KR101260734B1 (ko) 2011-06-29 2011-06-29 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110063887A KR101260734B1 (ko) 2011-06-29 2011-06-29 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130007136A KR20130007136A (ko) 2013-01-18
KR101260734B1 true KR101260734B1 (ko) 2013-05-06

Family

ID=47837767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110063887A KR101260734B1 (ko) 2011-06-29 2011-06-29 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101260734B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100833508B1 (ko) 2006-12-07 2008-05-29 한국전자통신연구원 멤즈 패키지 및 그 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100833508B1 (ko) 2006-12-07 2008-05-29 한국전자통신연구원 멤즈 패키지 및 그 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130007136A (ko) 2013-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11740142B2 (en) Piezoelectric thin-film sensor and use thereof
US20140090485A1 (en) MEMS Pressure Sensor Assembly
US9841339B2 (en) Double-acting pressure sensor
JP2006170856A (ja) 加速度センサ
US10067014B1 (en) Force sensor
JP2013206997A (ja) 電子装置、故障判定方法、寿命推定方法
WO2016185813A1 (ja) 多軸触覚センサ及び多軸触覚センサの製造法
JPWO2015151946A1 (ja) 加速度センサ
KR101260734B1 (ko) 탄소나노튜브 필름을 이용한 폴리머 가속도센서
JP5225883B2 (ja) 加速度センサー
JP5647481B2 (ja) 触覚センサユニット
KR101964879B1 (ko) 인장력과 압축력의 측정이 가능한 탄소 복합체 센서 및 이의 제조 방법
KR101573367B1 (ko) 압저항형 세라믹 압력센서
WO2011161917A1 (ja) 加速度センサ
KR101598257B1 (ko) Mems 센서모듈 및 mems 센서 패키지모듈
US10793424B2 (en) Device and method for a threshold sensor
US20150107359A1 (en) Piezoresistance sensor module and mems sensor having the same
US20130074598A1 (en) Inertial sensor
JP2010025760A (ja) 半導体センサ
JP2009068936A (ja) 物理量検出装置
JP4466344B2 (ja) 加速度センサ
WO2021042316A1 (zh) 加速度传感器
JP2010096525A (ja) 圧力センサパッケージ及びその製造方法、並びに圧力センサモジュール及び電子デバイス
JPWO2007020700A1 (ja) 加速度センサ装置およびセンサ装置
JP2005221233A (ja) 電気機械変換器とその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160328

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170327

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190402

Year of fee payment: 7