KR101283683B1

KR101283683B1 - 수직축 방향 가속도계

Info

Publication number: KR101283683B1
Application number: KR1020090123750A
Authority: KR
Inventors: 제창한
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2013-07-08
Also published as: US20110138913A1; KR20110067241A; US8544326B2

Abstract

본 발명은 기판에 수직방향으로 작용하는 가속도를 측정하기 위한 미세가공 수직방향가속도계의 감도를 향상시키기 위한 구조에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방향 가속도계는 기판, 및 기판에 수직방향으로 작용하는 가속도에 의해 회전운동 가능하도록 기판에 배치되는 감지 질량체와 감지 질량체에 형성된 감지 전극을 가지는 복수개의 단위 수직축 가속도계를 포함하고, 복수개의 단위 수직축 가속도계를 감지 전극이 맞닿도록 마련하여 맞닿는 감지 전극간의 중첩되는 면적이 변함에 따른 정전용량의 변화를 통해서 가속도를 검출한다.

멤즈(MEMS), 미세구조체, 가속도계, 수직방향, Z축, 비대칭

Description

수직축 방향 가속도계{Vertical Accelerometer}

본 발명은 정전용량형 가속도계에 관한 것이다. 구체적으로는 기준 전극과 감지 전극의 중첩되는 면적이 변화하는 것에 의해서 전극사이의 정전용량값이 변하는 것을 회로를 통해 감지하여 가속도를 측정하는 초소형 정전용량형 가속도계에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-04, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서기술개발].

초소형 가속도계는 자동차 산업, 군수 산업, 로봇 시스템, 안전 진단 등 각종 응용 분야에서 소형화, 저렴한 가격 및 높은 성능 등으로 인하여 각광받고 있다. 이중 정전용량형 가속도계는 외부에서 가해지는 힘에 의해 발생한 가속도에 의하여 기준 전극과 감지 전극 사이의 정전 용량(capacitance)의 변화를 감지하여 가속도를 결정하는 센서이다.

정전용량은 하기 수학식 1에 의해 결정되며 전극 사이의 거리(d)가 가까울수록, 중첩되는 면적이 커질수록 그 값이 커진다.

<수학식 1>

또한, 전극끼리의 중첩되는 면적의 변화가 커질수록 정전용량의 변화가 크기 때문에 민감한 가속도계를 제조할 수 있게 된다. 따라서, 초소형 정전용량형 가속도계를 제작할 때, 전극끼리 중첩되는 면적의 변화를 크게 하는 것이 중요하다.

도 1a는 종래 기술에 따라 지지부에 토션부로 연결된 외팔보 형태의 Z축 정전용량형 가속도계이다.

기판(100)에 지지부(110)로 고정되면서 일정 간격 이격되어 있는 감지 질량체(130)와 이 감지 질량체(130)를 지지부(110)와 연결하고 Z축 방향 가속도에 의해 비틀리는 토션부(120)로 구성된다. 질량체의 끝단에는 빗살형태의 감지 전극(140)이 형성되어 있고 이 전극과 중첩되는 기준 전극(150)이 기판에 고정되어 있다.

기판(100)에 수직방향으로의 외력에 의해 가속도 운동을 하게되면, 상기 감지 질량체(130)는 지지스프링(120)이 비틀리면서 가속도의 방향과 반대로 움직이게 되고, 그에 따라 상기 감지 전극(140)과 기준 전극(150)의 중첩되는 면적이 변화하게 된다. 따라서 두 전극사이의 정전용량이 변화하게 되고 이를 통해서 가속도의 크기를 감지하게 된다. 그러나 이러한 가속도계는 가속도에 대해서 감지 질량체만 움직이므로 감지 면적의 변화량이 상대적으로 적고, 타축 방향의 가속도에 의해 서 영향을 받기가 쉽다.

도 1b는 굽힘 보에 대해서 비대칭으로 형성된 감지 질량체(160)를 갖는 시소 구조의 z축 정전용량형 가속도계의 일 예를 설명하고 있다.

도 1b에서 감지 질량체(160)는 기판에 고정된 지지부(170)에 연결된 굽힙보(180)에 의해서 기판으로부터 이격되어 있고, 질량체는 굽힘보(180)에 대해서 비대칭으로 질량이 배치되어 있다. 감지 질량체(160)의 양 끝단에는 감지 전극이 형성되어 있고 이 감지전극과 중첩되는 기준 전극이 기판에 고정되어 있다.

상기 가속도계의 경우 기판에 수직방향의 가속도가 가해지면 비대칭 질량에 의해서 질량체의 무거운 부분(170)이 내려가거나 올라가고, 가벼운 부분(180)이 반대로 움직이는 시소형태의 거동을 보이게 된다. 이때 감지 전극과 기준 전극의 중첩된 면적이 변하게 되고, 이로부터 정전용량 값의 변화를 감지하여 가속도을 감지하게 된다. 그러나 이런 구조의 경우도 마찬가지로 비대칭 질량체가 상하로 움직이는 만큼만 면적이 변하게 되고 감도를 높이기 위해 큰 질량체를 구성할 경우 타축 방향의 가속도의 영향이 커지는 문제가 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수직축방향 정전용량형 가속도센서의 감도를 높일 수 있는 방법 및 구조를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방향 가속도 계는 기판, 및 기판에 수직방향으로 작용하는 가속도에 의해 회전운동 가능하도록 기판에 배치되는 감지 질량체와 감지 질량체에 형성된 감지 전극을 가지는 복수개의 단위 수직축 가속도계를 포함하고, 복수개의 단위 수직축 가속도계를 감지 전극이 맞닿도록 마련하여 맞닿는 감지 전극간의 중첩되는 면적이 변함에 따른 정전용량의 변화를 통해서 가속도를 검출한다.

감지 질량체는 지지스프링에 의해 기판과 연결되어 있고 지지스프링에 대해서 비대칭 질량을 가져 수직방향 가속도가 가해지면 지지스프링에 대해서 회전운동을 한다. 감지 질량체는 지지스프링부를 기준으로 중량부와 경량부를 가지고, 단위 수직축 가속도계는 감지 질량체의 중량부와 다른 감지 질량체의 경량부가 서로 마주보도록 배치된다. 감지 전극은 감지 질량체의 양 끝단 또는 측면에 형성되며, 단위 수직축 가속도계가 맞닿도록 배치될 때 감지 전극들이 서로 충돌하지 않고 일정한 간격과 면적을 가질 수 있도록 쌍으로 형성된다. 감지 질량체의 중량부는 기판에 수직으로 가해지는 가속도 방향으로 회전하게 되고, 감지 전극은 감지 질량체의 중량부와 다른 감지 질량체의 경량부 간의 중첩되는 면적이 변하는 것을 정전용량값의 변화로 측정하여 가속도를 감지한다. 감지 질량체는 질량체의 선택적 식각, 다른 물질의 증착 또는 면적의 차이로 지지스프링에 대해서 비대칭 질량을 갖는다. 지지스프링은 수직방향 가속도에 의해 감지 질량체가 상하회전할 때 비틀리거나 굽혀진다. 단위 수직축 가속도계는 기판상에 서로 맞물려서 폐루프를 형성하도록 배치된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른, 3축 가속도계는 기판, 기판상에 위치하며, 기판에 수평방향의 가속도를 검출하는 X축 및 Y축 방향 가속도계, 및 기판에 수직방향으로 작용하는 가속도에 의해 회전운동 가능하도록 기판에 배치되는 감지 질량체와 감지 질량체에 형성된 감지 전극을 가지는 복수개의 단위 수직축 가속도계를 포함하고, 복수개의 단위 수직축 가속도계를 감지 전극이 맞닿도록 마련하여 맞닿는 감지 전극간의 중첩되는 면적이 변함에 따른 정전용량의 변화를 통해서 기판에 수직으로 작용하는 가속도를 검출한다.

본 발명의 정전용량형 수직축방향 가속도계는 서로 반대방향으로 움직이는 기준전극과 감지전극에 의해서 동일한 가속도에 대해서 더 큰 정전용량의 변화를 통해 감도를 높일 수 있으며, 가속도센서의 배치가 용이하여 면적 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 가속도 감지체의 평면도이다.

도 2를 참조하면, 단위 가속도 감지체는 기판에 수직방향으로 작용하는 가속도에 의해 회전운동 가능하도록 기판에 배치되는 감지 질량체(204)와 감지 질량체(204)에 형성된 감지 전극(210)을 포함한다.

감지 질량체(202)는 회전가능하도록 기판과 이격되어 배치된다. 상기 감지 질량체는 중량 질량부(204)와 경량 질량부(206)로 구성되는 비대칭 형상이며, 지지스프링(208) 및 감지 전극(210)을 포함할 수 있다. 상기 감지 질량체(202)는 질량체의 선택적 식각, 다른 물질의 증착 또는 면적의 차이로 상기 지지스프링(208)에 대해서 비대칭 질량을 가질 수 있다.

상기 비대칭 감지 질량체(202)는 수직방향 가속도에 대해서 회전운동을 하기 위해 중량 질량부(204)와 경량 질량부(206)의 두 부분을 가지게 되며, 지지스프링 지지부(212)와 지지스프링(208)을 중심으로 양쪽에 중량 질량부(204)와 경량 질량부(206)가 배치되게 된다. 그러나 지지스프링(208)이 감지 질량체(202)의 옆면을 지지하는 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 감지 질량체(202)가 구성될 수 있다. 또한 상기 감지 전극(210)은 적어도 하나 이상이 중량 질량부(204)와 경량 질량부(206)의 끝 단부에 배치될 수 있으며, 도 2에서와 같이 빗살 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 지지 스프링(208)은 상기 감지 질량체(202)의 경량부(206)와 중량부(204)가 만나는 부분에 연결되며, 감지 질량체(202)에 대해서 대칭으로 2개 배치된다. 이와 같이 결합됨으로써 상기 지지 스프링(208)은 기판에 수직방향의 가속도에 대해서 민감하게 반응하며, 그 이외의 방향으로의 가속도에 대해서는 둔감하게 반응하게 된다. 상기 지지스프링(208)은 도 2에서와 같이 비틀림 보 형태로 구성될 수도 있고, 굽힘보 형태로 구성될 수도 있다.

상기 감지 질량체(202)의 경량부(206)와 중량부(204)의 끝 단부에 각각 감지 전극(210)이 위치할 수 있다. 상기 감지 전극(210)은, 단위 수직축 가속도계가 맞닿도록 배치될 때, 맞닿는 부분의 감지 전극들이 일정한 간격을 가지고 배치될 수 있도록, 경량부(206)와 중량부(204)에 연결되는 감지 전극이 쌍을 이루어야 한다. 일 예로 도 2에서와 같이 한쌍의 빗살 형태의 감지 전극이 중량부와 경량부에 나뉘어 형성되어 맞닿도록 배치할 경우 일정한 간격을 유지하게 된다. 상기 감지 전극(210)의 형상은 구조체의 모양과 배치에 따라서 다양한 형태를 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 도 2의 단위 수직축 가속도계를 기판에 배치한 수직축 방향 가속도계의 평면도이다. 복수의 단위 수직축 가속도계는 도 3에서와 같이 기판(200) 상에 일정한 규칙으로 맞닿도록 배치되어 수직방향의 가속도를 감지하게 된다.

도 4a, 4b는 도 3의 수직축 방향 가속도계를 A-A, B-B방향으로 자른 단면도이다. 기판 상에 배치된 단위 수직축 가속도계들은 도 4a, 4b에서와 같이 한 감지 질량체(202)의 경량부(206)와 다른 감지 질량체(202)의 중량부(204)가 마주보는 형태로 배치되게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 기판에 수직방향 가속도를 감지하는 수직방향가속도계에 있어서 비대칭 변위 구조를 사용해 감도를 높였다. 구체적으로 기판에 수직방향의 가속도를 감지하는데 있어서 중량부(204), 경량부(206)가 생기도록 감지 질 량체(202)에 비대칭으로 연결된 지지스프링(208)에 의해서 기판에 연결되어 수직방향 가속도가 가해지면 지지스프링(208)을 기준으로 회전하게 되어 한쪽, 즉 중량부(204)는 기판에 가까워지고 반대쪽, 즉 경량부(206)은 기판에서 멀어지게 된다. 이러한 특성을 이용하여 질량체간의 중첩되는 면적이 변하는 것을 정전용량값의 변화로 측정하여 가속도를 감지해내는 것이다.

기판에 부착되어 수직방향 가속도에 의해서 상하로 회전운동을 하는 비대칭 감지 질량체(202)와 감지전극(210)을 포함한 단위 가속도 감지체 다수개가 서로 맞물려 기판에 배치되어 맞물리는 부분이 가속도에 의해 반대방향으로 움직이는 것에 의해 정전용량 값의 변화를 증폭시켜 감도를 향상시키게 된다. 특히, 감지 질량체(202)는 지지 스프링(208)에 대해서 비대칭으로 배치된 질량을 가지고 있어서 수직축 방향의 가속도가 가해지면지지 지지스프링 지지부(212)를 중심으로 회전운동을 하게 된다.

단위 가속도 감지체는 기판상에 서로 맞물려서 폐루프를 형성하도록 배치될 수 있다. 특히, 감지 전극은 감지 질량체(202)의 가벼운 부분과 무거운 부분의 감지 전극이 맞닿도록 서로 일정한 간격을 가지고 중첩되어 배치된다. 이때, 상기 단위 수직축 감지체들은 정전용량을 읽기위한 단위 수직축 감지체와 기준 전극의 역할을 하는 단위 수직축 감지체가 순차적으로 배치되어 차동 방식으로 동작할 수 있다.

상기 수직축 방향 가속도계가 종래의 기술들에 비하여 높은 감도를 가지는 원리를 상세히 설명하기 위하여 도5와 도6에 종래 기술들과 본 발명의 실시예에서 제안하는 기술에서의 수직축 가속도에 대한 변위를 보여주는 단면도를 나타내었다.

도 5a, 5b는 종래 기술의 수직축 방향 가속도계의 가속도측정 원리를 설명하는 개념도이다.

도 5a는 도1a에서 보인 종래 기술에 의한 수직축 방향 가속도계의 단면을 보여준다. 기판에 수직방향의 가속도가 가해지면 감지 질량체가 지지스프링 연결부를 중심으로 가속도의 반대방향으로 회전하게 된다. 이 때 기준 전극(150)은 기판에 고정되어 있고, 감지 전극(140)은 위로 z1만큼 올라가게 되어 감지 면적이 변하고 정전용량 값도 변하게 된다. 정전용량 값의 변화량은 감지 전극(140)의 변위 z1과 비례한다.

도 5b는 도1b에서 보인 종래 기술에 의한 수직축 방향 가속도계의 단면을 보여준다. 마찬가지로 기판에 수직방향의 가속도가 가해지면 감지 질량체가 지지스프링 연결부를 기준으로 회전하게 되고, 도 5b에서와 같이 기판에 고정된 기준 전극에 대해서 z2,z3 만큼 변위가 생기게 된다. 즉 전체 면적의 변화는 z2+z3만큼 변하게 되고, 이에 비례하여 정전용량 값이 변화한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방향 가속도계의 가속도측정 원리를 설명하는 개념도이다. 상기 종래 기술에 비하여 제안하는 기술의 단면은 도6에서와 같다. 종래의 기술들과 달리 감지 전극(210)뿐만 아니라 기준이 되는 전극 또한 상하로 움직일 수 있도록 구성되어 있다. 따라서 기판에 수직방향의 가속도가 가해지면, 단위 수직축 가속도계는 지지스프링 지지부(212)를 중심으로 회전하게 되며, 양단에 맞닿은 다른 단위 수직축 가속도계들도 마찬가지로 기판에 대해서 회 전하게 된다. 그렇게 되면 도 6에서와 같이 맞닿는 감지 전극들은 서로 반대방향으로 움직이게 된다. 따라서 감지 전극간의 상대적인 변위는 (z2+z3),(z2+z3)만큼 발생하게 되고 전체 면적의 변화는 2*(z2+z3)만큼 변하게 된다. 따라서 동일한 감지 전극(210)의 면적을 갖는 경우에는 동일한 가속도에 대해서 2배의 감지 전극 면적이 변하게 되며, 정전용량 값이 면적 변화에 비례하므로 2배의 감도를 얻을 수 있게 된다.

도 7a, 7b는 본 발명에서 제안하는 수직축 방향 가속도계의 또 다른 실시예에 따른 배치를 나타내는 평면도이다. 도 7에서와 같이 단위 수직축 가속도계의 감지 질량체(202)의 모양은 기판 상에서의 배치에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 배치되는 단위 수직축 가속도계의 개수도 임의로 조절이 가능하다. 도7a를 참조하면 복수개의 감지 질량체(202)가 내부가 빈 원 형태로 배치된다. 도 7b를 참조하면 복수개의 감지 질량체(202)는 내부가 빈 다각형의 형태로 배치된다.

도 8a, 8b는 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방향 가속도계가 포함되는 3축 가속도계를 도시한 평면도이다. 상기 3축 가속도 센서는, X축 가속도계(800)와 Y축 가속도계(810)를 기판의 중앙부, 즉 가운데에 배치하고, 본 발명에서 제안하는 단위 수직축 가속도계를 외곽부, 즉 주변부에 2n개만큼 배치하여 구성된다. 단위 수직축 가속도계는 x축과 y축 가속도계의 모양과 배치에 따라 다양한 형태와 개수로 배치되어 공간을 최대한 효율적으로 사용하면서 감도를 높일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방향 가속도 센서는 기준 전극과 감지 전극이 가속도에 대해서 반대방향으로 움직여 감지 전극의 면적 변화를 최대화시켜, 종래의 기술에 비하여 감도를 2배 향상시키고, 다수의 단위 수직축 가속도계를 사용하여 기판상에 배치가 용이하다는 장점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 수직축 방향 가속도 센서를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 단위 가속도 감지체를 갖는 수직축 방향 가속도계를 도시한 평면도이다.

도 4a, 4b는 도3의 A-A와 B-B를 절단한 단면의 단면도이다.

도 5a, 도 5b는 종래의 기술들에 의한 가속도센서의 변위에 대한 설명을 도시한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 변위에 대한 설명을 도시한 단면도이다.

도 7a, 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 변위를 갖는 수직축 방향 가속도계의 다른 실시예들을 도시한 평면도이다.

도 8a, 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 X,Y축을 포함하는 3 차원 가속도계의 실시예들을 도시한 평면도이다.

Claims

기판; 및

상기 기판에 수직방향으로 작용하는 가속도에 의해 회전운동 가능하도록 상기 기판에 배치되는 감지 질량체와 상기 감지 질량체에 형성된 감지 전극을 가지는 복수개의 단위 수직축 가속도계를 포함하고,

상기 복수개의 단위 수직축 가속도계를 상기 감지 전극이 맞닿도록 마련하여 상기 맞닿는 감지 전극간의 중첩되는 면적이 변함에 따른 정전용량의 변화를 통해서 가속도를 검출하는 수직축 방향 가속도계.
제1항에 있어서,

상기 감지 질량체는 지지스프링에 의해 상기 기판과 연결되어 있고 상기 지지스프링에 대해서 비대칭 질량을 가져 수직방향 가속도가 가해지면 상기 지지스프링에 대해서 회전운동을 하는

수직축 방향 가속도계.
제2항에 있어서,

상기 감지 질량체는 상기 지지스프링을 중심으로 양쪽에 중량부와 경량부를 가지고, 상기 단위 수직축 가속도계는 상기 감지 질량체의 중량부와 다른 감지 질량체의 경량부가 서로 마주보도록 배치되는

수직축 방향 가속도계.
제 3항에 있어서,

상기 감지 전극은 상기 감지 질량체의 양 끝단 또는 측면에 형성되며, 상기 단위 수직축 가속도계가 맞닿도록 배치될 때 감지 전극들이 서로 충돌하지 않고 일정한 간격과 면적을 가질 수 있도록 쌍으로 형성되는

수직축 방향 가속도계.
제4항에 있어서,

상기 감지 질량체의 중량부는 기판에 수직으로 가해지는 가속도 방향으로 회전하게 되고, 상기 감지 전극은 상기 감지 질량체의 중량부와 다른 감지 질량체의 경량부 간의 중첩되는 면적이 변하는 것을 정전용량값의 변화로 측정하여 가속도를 감지하는

수직축 방향 가속도계.
제2항에 있어서,

상기 감지 질량체는 질량체의 선택적 식각, 다른 물질의 증착 또는 면적의 차이로 상기 지지스프링에 대해서 비대칭 질량을 갖는

수직축 방향 가속도계.
제2항에 있어서,

상기 지지스프링은 수직방향 가속도에 의해 상기 감지 질량체가 상하회전할 때 비틀리거나 굽혀지는

수직축 방향 가속도계.
제 1 항에 있어서,

상기 단위 수직축 가속도계는 상기 기판상에 서로 맞물려서 폐루프를 형성하도록 배치되는

수직축 방향 가속도계.
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