KR101496949B1 - 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 접속단자를 가지는 기판, 상기 기판의 상부에 배치된 방진패드, 상기 기판의 접속단자와 전기적으로 접속되고 상기 방진패드 상부에 일단부가 배치된 탄성 케이블 및 상기 탄성 케이블 일단부의 상부에 배치된 관성센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동감쇄 기능을 구비한 관성센서에 관한 발명이다.

Description

진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서 및 그의 제조 방법{Inertial sensor having vibration proof function and fabrication method thereof}
본 발명은 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서에 관한 것으로서, 상세하게는 외란이나 진동의 영향을 최소화시켜 정밀도를 크게 향상시키고 소형화 및 경량화를 구현한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서에 관한 것이다.
관성항법장치는 관성센서를 이용하여 이동체의 속도, 위치 및 자세 등을 계산하여 외부 환경에 관계없이 고속으로 연속항법을 가능하게 하는 장치이다. 관성센서는 3차원 관성공간에서 각속도를 측정하는 자이로스코프 및 선형 가속도를 측정하는 가속도계 등으로 구성된다.
관성센서의 응용분야는 초기 에어백 센서에서 최근에는 캠코더, 핸드폰과 같은 일반 가전제품, 차량의 항법 및 제어, 더 나아가 군수 시장까지 확대되면서, 오늘날 관성센서는 나노급의 정밀한 공정 기술과 1 밀리미터(mm) 이하의 미소 변위를 검출할 수 있는 신호 처리 기술과 같이 복합적인 고도의 MEMS(micro electro mechanical systems) 기술을 요구하고 있다. 관성센서의 시장이 확대되고 응용분야가 특화되어 감에 따라 여러 기술들이 복합적으로 필요하게 되어 지속적인 연구개발이 진행되고 있다. 관성센서는 산업의 기본이 되는 부품이고, 지난 10여 년간 가장 활발한 연구가 지속적으로 진행되고 있는 분야 중 하나로서, 관성센서의 핵심 기술로는 미세 구조물의 설계 기술, 마이크로머시닝 공정 기술, 미소 신호 처리용 ASIC(application specific integrated circuit) 기술 및 패키지 기술이 포함된다.
종래의 관성항법장치나 자세방위기준장치(attitude and heading reference system: AHRS)는 진동이나 외란에 많은 영향을 받으므로 노이즈를 다량 발생시키며, 정밀도를 포함한 센서의 토크, 회전 계측 성능이 크게 감소되는 문제점이 있다.
특허문헌 1은 MEMS 소자의 플라스틱 패키지에 관한 기술로서, MEMS 소자와 캐리어를 연결하는 복수의 본딩 패드를 통해 외부 영역으로부터 영향을 적게 받아 본딩 패드와 캐리어 사이에 단락의 발생을 최소화 하는 기술이나, 외부 진동이 본딩 패드에 의해 관성센서로 그대로 전달되는 문제점이 있다.
특허문헌 2는 마이크로 관성센서의 제조 기술로서, 기판에 비아홀을 부착하고, 비아홀에 의해 실리콘 기판의 하부면과 하부 유리기판을 본딩하며, 금속박막을 일정두께로 증착하고 패터닝하여 전극부를 부착한 기술이나, 특허문헌 1과 마찬가지로 외부 진동이 그대로 관성센서에 전달되는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제0865741호 (2008년 10월 22일 등록) 2. 한국등록특허 제0519818호 (2005년 09월 29일 등록)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 외란이나 진동의 영향을 최소한으로 하여 정밀도를 크게 향상시키고 소형화 및 경량화를 구현한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 진동감쇄 기능을 구비한 관성센서는 외부 접속단자를 가지는 기판, 상기 기판의 상부에 배치된 방진패드, 상기 기판의 접속단자와 전기적으로 접속되고 상기 방진패드 상부에 일단부가 배치된 탄성 케이블 및 상기 탄성 케이블 일단부의 상부에 배치된 관성센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 탄성 케이블은 플렉시블 플랫 케이블 또는 플렉시블 PCB(printed circuit board)가 프린트된 케이블인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 방진패드는 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌계 공중합체 및 고무 중 적어도 하나를 포함한 소재이며, 상기 플렉시블 플랫 케이블의 일단부의 외피는 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌계 공중합체 및 고무 중 하나 이상을 포함한 소재인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 제조 방법은 기판 상부에 방진패드를 부착하는 단계, 상기 방진패드 상부에 탄성 케이블의 일단부를 부착하는 단계 및 상기 탄성 케이블의 일단부의 상부에 관성센서를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판 상부에 방진패드를 부착하는 단계는, 상기 기판 상부에 상기 탄성 케이블의 타단부를 접착하는 단계 및 상기 탄성 케이블의 타단부의 상부에 방진패드를 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 방진패드 상부에 탄성 케이블의 일단부를 부착하는 단계는, 상기 방진패드 상부에 실리콘 접착제를 도포하는 단계 및 상기 실리콘 접착제 상부에 상기 탄성 케이블의 일단부를 배치하여 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 MEMS(micro electro mechanical systems) 기반의 관성센서에 외란이나 진동의 영향을 최소화함으로써 센서의 정밀도가 증가될 뿐 만 아니라 기타 센서의 회전, 토크 등의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 플렉시블 플랫 케이블 또는 PCB(printed circuit board)가 프린트된 케이블과 같은 탄성 케이블을 통해 센서로 전달되는 진동의 영향을 최소화하며, 방진 특성을 구비하기 위해 많은 면적이 추가되지 않으면서도 정밀한 센서를 제조할 수 있으므로 부품의 제작원가를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 초소형이고 저가이면서도 고품질 센서를 구현할 수 있어서 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 스펀지와 같은 방진소재, 방진 기능이 있는 실리콘 접착제 및 플렉시블 플랫 케이블과 같은 진동이 센서에 전달되는데 다중 차단 부재에 의해 센서에 진동뿐만 아니라 외부의 기계적인 충격을 차단할 수 있으므로 관성센서의 고장 발생을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 굴삭기의 기울기 감지 센서, 중장비 차량의 안전경보 센서 등의 각종 산업용 핵심 부품으로 활용할 수 있으며, 각종 장비의 기울기 측정 센서, 2축 센서 및 3축 센서로서 다양한 스마트 센서 분야에 활용할 수 있다.
본 발명은 고성능, 경량 및 초소형의 특징을 살려 선박, 토목 및 농기계 산업의 적용이 기대되며 해외 수출 제품화로 외화 획득이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 상세 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 의한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 제조 방법을 도시한 순서도,
도 3은 일반적인 플렉시블 플랫 케이블의 사진이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
본 발명은 MEMS(micro electro mechanical systems) 기반의 관성센서(5)에 가해지는 외란이나 진동의 영향을 최소화하기 위해 방진패드(2)를 기판(1)과 관성센서(5) 사이에 부착하여 댐핑 효과를 극대화시켜 외란이나 진동의 영향을 최소화시키고, 관성센서(5)와 기판(1)의 전기적인 접속은 플렉시블 플랫 케이블(flexible flat cable)을 사용하여 연결시킴으로써 기판(1)과 관성센서(5)간의 거리에 제한되지 않음으로써 구조적인 영향을 최소화시킨 발명이다.
도 1에 도시된 본 발명에 의한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서는 관성센서(5), 탄성 케이블(4), 방진패드(2) 및 기판(1)을 포함한다.
상기 관성센서(5)는 가속도, 기울기량 또는 회전량을 검출한다. 상기 관성센서(5)는 MEMS 공정을 이용하여 소형화, 경량화 및 저가로 생산할 수 있다.
상기 기판(1)은 외부 접속단자를 통해 인가받은 신호로부터 구동신호를 생성하여 상기 관성센서(5)에 전달할 수 있는 인쇄 회로 기판(printed circuit board, 이하 "PCB"라 함)을 사용하는 것이 바람직하며, 그 외 실리콘 웨이퍼, 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 세라믹 기판일 수 있다.
상기 방진패드(2)는 상기 기판(1)과 상기 관성센서(5) 사이에 부착하여 기판(1)으로부터 전달되는 진동을 감쇄시켜 상기 관성센서(5)에 진동의 영향이 없도록 한다.
상기 방진패드(2)는 진동 흡수에 최적인 방진 스펀지를 사용하는 것이 바람직하다. 방진 스펀지를 사용함으로써 진동을 감쇄시킬 뿐 아니라 외부의 충격을 완화하는 완충재가 될 수 있으므로 방진 효과와 더불어 관성센서(5)의 고장 발생을 감소시키는 효과가 있다.
상기 방진패드(2)는 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌계 공중합체 및 고무 중 하나 이상을 포함한 소재를 사용함으로써 댐핑(damping) 효과를 높일 수 있다.
상기 방진패드(2)는 실리콘 계열 또는 코르크(cork), 고무 계열의 소재가 적용된 것일 수 있다.
상기 탄성 케이블(4)은 플렉시블 플랫 케이블 또는 플렉시블 PCB가 프린트된 케이블을 사용할 수 있다.
상기 탄성 케이블(4)은 상기 관성센서(5)와 상기 기판(1)의 접속단자를 전기적으로 접속시킨다. 소형화된 관성센서 패키지 부품을 제조하기 위해 상기 탄성 케이블은 느슨하게 하여 탄성 케이블로 전달되는 진동을 흡수하되, 가능한 최소한의 길이로 설계하여 상기 기판(1)과 상기 관성센서(5)를 연결시키는 것이 바람직하다.
종래의 MEMS 관성센서의 패키징 시 PCB 기판과 센서를 연결할 때 비아홀을 형성하여 연결하거나, 와이어 본딩 등에 의해 연결하므로 기판에서 받는 진동은 그대로 관성센서로 전달될 수밖에 없는 문제점이 있으나 본 발명은 종래와 달리 커넥터(connector) 중 종이와 같이 접혀지거나 휘어질 수 있는 커넥터인 탄성 케이블(4)에 의해 기판(1)과 관성센서(5)를 전기 접속함으로써 진동의 영향을 최소화시킬 수 있으며, 관성센서 패키징 부품을 경량화할 수 있는 효과가 발생한다.
상기 플렉시블 플랫 케이블은 일반 커넥터에 비해 소형이고 두께가 얇으며 유연성을 갖고 있으므로 상기 관성센서(5)와 상기 기판(1)을 연결 시, 상기 플렉시블 플랫 케이블을 느슨하게 하여 연결함으로써 기판(1)의 진동에 의한 움직임이 플렉시블 플랫 케이블을 통해 상기 관성센서(5)에 전달되지 않도록 한다.
상기 탄성 케이블(4)은 도 3에 도시된 바와 같이 종이와 같이 휘어져도 배선이 끊어지지 않는 유연성을 갖고, 다양한 길이와 다양한 피치로 쉽게 제조할 수 있다. 상기 탄성 케이블(4)은 0.5 ~ 2.54 밀리미터(mm)로 다양한 피치로 쉽게 제조할 수 있다. 따라서 상기 탄성 케이블(4)은 상기 관성센서(5)와 상기 기판(1)을 연결하는데 기판(1)과 관성센서(5)간의 거리에 제한되지 않으므로 구조적인 영향을 최소화시키는 효과가 있다.
바람직하게는 상기 탄성 케이블(4)은 방진소재로 제조하고 적어도 상기 관성센서(5)의 하단에 배치되는 상기 탄성 케이블(4)은 외피를 방진소재로 제작하면 외부의 진동을 감쇄 효과를 더 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 플렉시블 플랫 케이블은 외피는 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌계 공중합체 및 고무 중 하나 이상을 포함한 소재를 사용함으로써 진동 감쇄 효과를 높일 수 있다.
도 2를 참조하여 도 1에 도시된 본 발명에 의한 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
기판(1) 상부에 스펀지와 같은 진동 흡수성이 높은 방진패드(2)를 부착한다. 이때 기판(1)의 외부 접속단자와 탄성 케이블의 일단부에 형성된 노출된 전극(6)과 연결하여 전기 접속한다.
상기 방진패드(2) 상부에 접착제(3)를 형성한다.
방진패드(2)와 플렉시블 플랫 케이블(4)의 접착제(3)로서 양면 테이프 접착제와 같은 얇은 양면 접착필름을 상기 방진패드(2) 상부에 부착한다.
또한 상기 접착제(3)로서 실리콘 접착제를 사용하면 접착 효과 뿐 아니라 진동을 감쇄시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 접착제(3)의 상부에 상기 탄성 케이블(4)의 타단부 하부면에 형성된 방진외피(7)를 부착한다. 그리고 상기 탄성 케이블(4)의 타단부 상부면에 형성된 노출 전극에 관성센서(5)를 부착하여 기판의 접속단자와 전기적 연결을 한다.
이후 관성센서(5)를 보호하고 밀봉하기 위한 밀봉캡(sealing cap)으로 관성센서(5)를 수용하고 기판(1)과 밀봉캡을 접착한다. 밀봉 접착제는 열 경화성, 자외성 경화성, 상온 경화성, 열-자외선 경화성 에폭시(epoxy)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 외란이나 진동이 기판(1)에 전달되어도 방진 기능이 있는 방진패드(2), 양면 필름 접착제(3), 탄성 케이블(4)의 다중 방진소재에 의해 외부의 진동을 감쇄시키므로 관성센서(5)에는 진동이 거의 전달되지 않아 노이즈 발생이 적고, 관성센서(5)의 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 기판 2 : 방진패드
3 : 접착제 4 : 탄성 케이블
5 : 관성센서 6 : 노출 전극
7 : 방진외피

Claims (7)

  1. 외부 접속단자를 갖는 기판;
    상기 기판의 상부에 부착된 방진패드;
    상기 방진패드의 상부에 형성된 방진기능이 있는 접착제;
    상기 기판의 외부 접속단자와 접속되고, 상기 접착제 상부에 방진외피가 형성된 타단부의 하부면이 접착되는 탄성 케이블 및
    상기 탄성 케이블 타단부 상부면에 형성된 노출 전극에 부착되는 관성센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동감쇄 기능을 구비한 관성센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접착제는 양면 접착필름 또는 실리콘 접착제인 것을 특징으로 하는 진동감쇄 기능을 구비한 관성센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 케이블은 플렉시블 플랫 케이블 또는 플렉시블 PCB(printed circuit board)가 프린트된 케이블이고, 상기 탄성 케이블의 타단부의 하부면에 형성된 방진외피는 스티렌계 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌계 공중합체, 실리콘, 코르크 및 고무 중 적어도 하나를 포함한 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 진동감쇄 기능을 구비한 관성센서.
  4. 삭제
  5. 기판의 외부 접속단자와 탄성 케이블의 일단부에 형성된 노출된 전극과 연결하는 단계;
    기판 상부에 방진패드를 부착하는 단계;
    상기 방진패드 상부에 접착제를 형성하는 단계;
    상기 접착제 상부에 방진외피가 형성된 탄성 케이블의 타단부 하부면을 접착하는 단계 및
    상기 탄성 케이블의 타단부 상부면에 형성된 노출 전극에 관성센서를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접착제는 양면 접착필름인 것을 특징으로 하는 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄성 케이블은 플렉시블 플랫 케이블 또는 플렉시블 PCB(printed circuit board)가 프린트된 케이블인 것을 특징으로 하는 진동 감쇄 기능을 구비한 관성센서의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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