KR101531113B1 - Mems 센서의 폴링시스템 및 이에 의해 폴링된 mems 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템은 상부전극, 하부전극 및 캐패시터를 포함하는 개별소자를 포함하고, 상기 캐패시터는 상부전극과 하부전극에 연결된 매트릭스 소자와, 복수개가 어레이된 상기 상부전극부에 각각 연결된 상부 스위치와, 복수개가 어레이된 상기 하부전극부에 각각 연결된 하부 스위치와, 상기 상부전극 및 하부전극에 각각 전압을 인가하는 폴링을 수행하는 폴링부를 포함한다.

Description

MEMS 센서의 폴링시스템 및 이에 의해 폴링된 MEMS 센서{Polling System for MEMS Sensor and MEMS Sensor}

본 발명은 MEMS 센서의 폴링시스템과 이에 의해 폴링된 MEMS 센서에 관한 것이다.

최근, 관성센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙박스(Black Box) 등 차량용, 캠코더의 손떨림 방지용, 핸드폰이나 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

이러한 관성센서는 가속도와 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 관성센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출할 수 있는 것이다.

구체적으로, 관성센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴턴의 운동법칙 "F=ma" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서, "F"는 질량체에 작용하는 관성력, "m"은 질량체의 질량, "a"는 측정하고자 하는 가속도이다. 이중, 질량체에 작용하는 관성력(F)을 감지하여 일정값인 질량체의 질량(m)으로 나누면, 가속도(a)를 구할 수 있다. 또한, 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force) "F=2mΩ×v" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체의 질량, "Ω"는 측정하고자 하는 각속도, "v"는 질량체의 운동속도이다. 이중, 질량체의 운동속도(v)와 질량체의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 질량체에 작용하는 코리올리힘(F)을 감지하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.

한편, 선행기술문헌을 포함한 종래기술에 따른 관성센서 중 압전소자(piezo-electric element)를 이용할 경우, 상기 압전소자는 전압이 인가되면 변형이 발생하고 반대로 외부에서 힘이 인가되면 전하가 발생하는 특징으로 인해 각종 액츄에이터, 센서등에 다양하게 이용되고 있는 실정이다. 또한, 압전소자는 Aln, ZnO, quartz등 다양한 재료들이 있으나, 압전상수가 큰 PZT가 다양한 분야에서 많이 사용되고 있다.

그리고 압전소자는 그 특성을 향상시키기 위해 대부분 소자제조 후 동작되기 전에 폴링(poling)단계를 거치는데, 이는 온도와 전압을 인가하여 압전특성을 향상시키기 위한 것이다.

그러나, 폴링공정시 개별적으로 폴링을 수행할 경우 생산성이 저하되고, 복수의 소자를 한번에 폴링할 경우, 불량소자에 의해 정확하고 효율적인 폴링이 구현되지 못하는 문제점을 지니고 있다.

US 2012-0125096

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 제1 관점은 매트릭스(matrix) 소자의 각각 개별소자에 캐패시터를 연결하고, 소정전압 이하로 감소하기 전에 펄스 형태로 전압을 재 인가해주면, 전압강하가 일어나지 않고, 마치 DC 전압을 인가해주는 효과를 얻을 수 있어, 불량소자가 포함되어도 매트릭스(matrix) 소자 전체에 폴링공정을 수행할 수 있는 MEMS 센서의 폴링시스템을 제공하기 위한 것이고,

본 발명의 제2 관점은 MEMS 센서의 센서부를 커버하는 상부커버에 캐패시터를 형성시켜, 상기 MEMS 센서의 폴링시스템에 의해 폴링된 MEMS 센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템은 상부전극, 하부전극 및 캐패시터를 포함하는 개별소자를 포함하고, 상기 캐패시터는 상부전극과 하부전극에 연결된 매트릭스 소자와, 복수개가 어레이된 상기 상부전극부에 각각 연결된 상부 스위치와, 복수개가 어레이된 상기 하부전극부에 각각 연결된 하부 스위치와, 상기 상부전극 및 하부전극에 각각 전압을 인가하는 폴링을 수행하는 폴링부를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템에 있어서, 상기 매트릭스 소자는 상기 개별소자가 복수개 어레이되고, 상기 개별소자의 상부전극은 각각 직렬로 연결되어 상부전극부가 형성되고, 상기 상부전극부는 복수개가 어레이되고, 상기 개별소자의 하부전극은 각각 직렬로 연결되어 하부전극부가 형성되고, 상기 하부전극부는 복수개가 어레이될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템에 있어서, 직렬 연결된 상기 상부전극부과 직렬 연결된 상기 하부전극부는 서로 직교하도록 배열될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템에 있어서, 상기 상부 스위치 및 상기 하부 스위치에 연결되고, 상기 폴링부의 전압인가시 상기 상부 스위치 및 하부 스위치의 On 및 Off를 선택적으로 제어하기 위한 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템에 있어서, 상기 폴링부 및 스위치 제어부에 연결되고, 폴링 및 스위칭을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링 시스템에 있어서, 상기 폴링부는 상기 스위치 제어부를 통해 상기 상부 전극부와 하부 전극부에 펄스전압을 인가한다.

본 발명의 일실시예에 따른 폴링시스템에 의해 폴링된 일실시예에 따른 MEMS 센서는 질량체와, 상기 질량체가 변위가능하도록 지지되고 압전체로 이루어진 구동수단과 감지수단이 선택적으로 형성된 가요성 기판과, 상기 가요성 기판이 결합되고 상기 질량체를 부유상태로 지지하는 지지부를 포함하는 센서부와, 상기 센서부의 가요성 기판을 커버하도록 상기 가요성 기판에 결합된 상부커버를 포함하고, 상기 상부커버에는 캐패시터가 구비된다.

본 발명의 일실시예에 따른 폴링시스템에 의해 폴링된 일실시예에 따른 MEMS 센서에 있어서, 상기 상부기판은 가용성 빔에 본딩제 또는 폴리머에 의해 결합된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 폴링시스템에 의해 폴링된 일실시예에 따른 MEMS 센서에 있어서, 상기 지지부에 결합되고, 상기 질량체를 커버하는 하부커버를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 폴링시스템에 의해 폴링된 일실시예에 따른 MEMS 센서에 있어서, 상기 하부기판은 상기 지지부에 본딩제 또는 폴리머에 의해 결합된다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 의하면, 매트릭스(matrix) 소자의 각각 개별소자에 캐패시터를 연결하고, 소정전압 이하로 감소하기 전에 펄스 형태로 전압을 재 인가해주면, 전압강하가 일어나지 않고, 마치 DC 전압을 인가해주는 효과를 얻을 수 있어, 불량소자가 포함되어도 매트릭스(matrix) 소자 전체에 폴링공정을 수행할 수 있는 MEMS 센서의 폴링시스템을 얻을 수 잇고, MEMS 센서의 센서부를 커버하는 상부커버에 캐패시터를 형성시켜, 상기 MEMS 센서의 폴링시스템에 의해 폴링된 MEMS 센서를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 도 1에 도시한 MEMS 센서의 폴링시스템의 기술구현을 설명하기 위한 설명도.
도 3은 도 1에 도시한 폴링시스템에 의해 폴링된 MEMS 센서를 개략적으로 도시한 구성도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 센서의 폴링시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시한 바와 같이, 상기 폴링시스템(100)은 매트릭스(matrix) 소자(110), 상부 스위치(120), 하부 스위치(130), 스위치 제어부(140), 폴링부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 매트릭스 소자(110)는 상부전극(111) 및 하부전극(112)을 포함하는 복수의 개별소자를 포함한다. 그리고 상기 개별소자가 복수개 어레이되고, 상기 개별소자의 상부전극은 각각 직렬로 연결되어 상부전극부(111a)가 형성되고, 상기 상부전극부(111a)는 복수개가 어레이된다.

또한, 직렬 연결된 상부전극부(111a)과 직렬 연결된 하부전극부(112a)는 서로 직교하도록 배열될 수 있다.

그리고 직렬 연결되어 그루핑된 상기 상부전극부(111a)와 직렬 연결되어 그루핑된 하부전극부(112a)는 복수개가 어레이되어 매트릭스 소자(110)를 형성한다.

이에 더하여, 상기 매트릭스 소자(100)는 상기 상부전극(111)과 상기 하부전극(112)에 연결된 캐패시터(capacitor)(113)를 포함한다.

그리고 상기 캐패시터(113)는 상기 스위치 제어부(140)를 통해 전압이 인가될 경우, 전하가 저장되어 일정시간동안 전압이 인가되는 역할을 수행한다.

이하, 도 2를 참조하여 상부 캐패시터의 기능과 기술구현에 대하여 보다 자세히 기술한다.

우선, 상기 스위치 제어부(140)를 통해 상부전극부(111a)과 상기 하부전극부(111b)에 각각 전압을 인가하면, 캐패시터에 전압이 충전되고, 시간이 지남에 따라 전압이 감소하게 된다(도 2의 ―·―로 도시함). 이때, 소정전압 이하로 감소하기 전에 펄스 형태로 전압을 재 인가해주면(도 2에 -로 도시함), 인가되는 폴링전압은 전압강하가 일어나지 않고, 마치 DC 전압을 인가해주는 효과를 얻을 수 있다(도 2에 --로 도시함).

상기한 바와 같이 구현되도록, 상기 상부 스위치(120)는 복수개가 연결되고, 어레이된 상부전극부(111a)에 각각 연결된다.

그리고, 상기 하부 스위치(130)는 복수개가 연결되고, 어레이된 하부전극(112a)에 각각 연결된다.

그리고 상기 상부 스위치(120)와 상기 하부 스위치(130) 각각 스위치 제어부(140)에 연결되고, 상기 스위치 제어부(140)는 상기 매트릭스 소자(110)의 상부전극(111) 및 하부전극(112)에 각각 연결된 상기 상부 스위치(120)와 상기 하부 스위치(130)의 온(On) 및 오프(Off)를 제어한다.

또한, 상기 매트릭스 소자(110)는 각각의 개별소자가 상부전극 및 하부전극으로 각각 연결됨에 따라 개별소자의 전기적 특성 예를들어, 저항, 전류, 유전상수, tangent loss 등의 측정이 가능하게 된다.

다음으로, 상기 폴링부(150)는 매트릭스 소자(110)에 전압을 인가하여 폴링을 수행하고, 상기 제어부(160)는 스위치 제어부(140) 및 폴링부(150)에 연결되어 폴링 및 스위칭을 제어한다.

상기한 바와 같이 이루어짐에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 폴링시스템(100)은 매트릭스 소자(110)의 상부전극부 및 하부전극부에 전압을 인가하고, 일정시간 경과 후 펄스 형태 계속 전압을 인가해 줌에 따라, 캐패시터에 의해 전압강하가 일어나지 않고, 불량소자가 있는 경우라도 분량소자에 전류가 흘러 캐패시터에 전하가 저장되는 되지 않아 정상소자에는 고온하에 열화없이 모두 폴링된다.

그리고 상기한 바와 같이 약 1,000~10,000개의 소자를 포함하는 매트릭스 소자의 폴링공정이 완료된 후 개별소자는 다이싱 등을 공정을 통해 웨이퍼 레벨 폴링용 배선이 제거되고 소자로서 기능을 수행한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 캐패시터는 개별소자, 상부기판, 하부기판등에 다양하게 형성될 수 있고, 공간활용 및 최적설계를 위해 상부기판에 형성될 수 있다. 그리고 도 3은 이에 따른 일실시예를 도시한 것이다.

도 3은 도 1에 도시한 폴링시스템에 의해 폴링된 MEMS 센서를 개략적으로 도시한 구성도이다. 상기 MEMS 센서(200)는 가속도 센서, 압저항 가속도 센서 등으로 다양하게 구현되고, 이에 대한 일실시예로서 센서부(210), 상부커버(220) 및 하부커버(230)를 포함하도록 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 상부커버(220)는 상기 센서부(210)의 일측을 커버하도록 상기 센서부에 결합되고, 상기 하부커버(230)는 상기 센서부(210)의 타측을 커버하도록 상기 센서부(210)에 결합된다.

그리고 상기 센서부(210)는 질량체(211), 가요성 빔(212) 및 지지부(213)를 포함한다.

또한, 상기 질량체(211)는 관성력, 코리올리힘, 외력 등에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 상기 가요성 빔(212)에 변위가능하도록 연결된다.

또한, 상기 가요성 빔(212)의 일면에는 각속도 센서로 구현되기 위해 구동수단(212b) 및 감지수단(212a)이 형성될 수 있고, 가속도 센서로 구현되기 위해 압저항 소자(미도시)가 형성될 수 있다. 그리고 상기 가요성 빔(212)의 타면에는 질량체(211)가 결합된다. 그리고 상기 지지부(213)는 상기 질량체(211)가 부상가능하도록 상기 가요성 빔(212)의 타면에 결합되고, 가요성 빔(212)을 지지한다.

또한, 상기 상부커버(220)는 구동수단(212b) 및 감지수단(212a)을 커버하도록 상기 가요성 빔(212)의 일면에 결합된다. 그리고 상기 가요성 빔(212)에 상부커버를 결합하기 위해 본딩제(B) 또는 폴리머등이 도포될 수 있고, 상기 폴리머의 두께에 의해 상기 가요성 빔(212)과 상부커버(220)와의 간격이 결정될 수 있다.

그리고 상기 상부커버(220)에는 도 1에 도시한 바와 같이 압전체로 이루어진 구동수단(212b) 및 감지수단(212a)의 폴링을 위해 구비된 캐패시터(221)이 장착된다.

다음으로 상기 하부커버(230)는 상기 질량체(211)를 커버하도록 상기 지지부(213)의 일면에 결합된다. 그리고 상기 지지부(213)에 상기 하부커버(230)를 결합하기 위해 본딩제(B) 또는 폴리머등이 도포될 수 있으며, 상기 폴리머의 두께에 의해 상기 질량체(211)와 상기 하부커버(230)의 간격이 결정될 수 있다.

또한, 상기 하부커버(230)에 폴링을 위한 캐패시터가 장착될 수도 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100: 폴링시스템 110 : 매트릭스 소자
111 : 상부전극 111a : 상부전극부
112 : 하부전극 112a : 하부전극부
113 : 캐패시터
120 : 상부 스위치 130 : 하부 스위치
140 : 스위치 제어부 150 : 폴링부
160 : 제어부
200 : MEMS 센서 210 : 센서부
220: 상부커버 230 : 하부커버
211 : 질량체 212 : 가요성 빔
213 : 지지부 212a : 감지수단
212b : 구동수단 221 : 캐패시터
B : 본딩제

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 질량체와, 상기 질량체가 변위가능하도록 지지되고 압전체로 이루어진 구동수단과 감지수단이 선택적으로 형성된 가요성 기판과, 상기 가요성 기판이 결합되고 상기 질량체를 부유상태로 지지하는 지지부를 포함하는 센서부;
   상기 센서부의 가요성 기판을 커버하도록 상기 가요성 기판에 결합된 상부커버; 및
   상기 지지부에 결합되고, 상기 질량체를 커버하는 하부커버를 포함하고,
   상기 상부커버 또는 하부커버에는 압전체로 이루어진 상기 구동수단과 감지수단의 폴링시 전압강하 없이 전압을 인가해주는 캐패시터가 구비된 MEMS 센서.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 상부커버는 가요성 빔에 본딩제 또는 폴리머에 의해 결합된 MEMS 센서.
   
9. 삭제
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 하부커버는 상기 지지부에 본딩제 또는 폴리머에 의해 결합된 MEMS 센서.

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