KR101915954B1 - 멤스 기반의 3축 가속도 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤스 기반의 3축 가속도 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바닥 웨이퍼기판에 평행한 제1 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 x축 센서질량체; 상기 바닥 웨이퍼기판에 평행하고 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 y축 센서질량체; 및 상기 x축 센서질량체 및 상기 y축 센서질량체를 각각 둘러싸도록 형성되고, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 제3 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 z축 센서질량체를 포함하여 공간을 절약하면서도 각 축 센서질량체의 독립적인 운동을 감지해 3축 방향 가속도를 각각 측정한다.

Description

멤스 기반의 3축 가속도 센서 {MEMS based 3-axis accelerometer}
본 발명은 가속도 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 x축, y축, z축 센서질량체의 운동을 이용하여 각 축 방향의 가속도를 감지하는 멤스 기반의 3축 통합 가속도 센서에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical systems)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 대표적인 예가 각속도를 측정하는 멤스 자이로스코프와 가속도를 측정하는 멤스 가속도 센서다. 일반적으로 공간상의 물체의 운동은 3자유도의 회전 움직임과 3자유도의 직선 움직임으로 기술될 수 있는데, 상기 3자유도의 회전 움직임은 x축, y축, z축 자이로스코프에 의해 감지될 수 있고, 상기 3자유도의 직선 움직임은 x축, y축, z축 가속도 센서에 의해 감지될 수 있다.
자이로스코프는 소정의 속도로 이동하는 물체에 회전각속도가 가해질 경우에 발생하는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 측정하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다.
또한, 상기 발생된 코리올리힘을 감지하기 위해, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다. 통상적으로, 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향을 가진 방향이라 하고, 자이로스코프에 회전각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다. 상기 가진 방향과 입력방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스기술을 이용한 자이로스코프는 바닥 웨이퍼 기판을 x-y 평면으로 볼 때, x축(또는 y축) 자이로스코프와 z축 자이로스코프로 나뉜다.
한편, 자이로스코프와 달리 가속도 센서는 인위적인 가진은 필요하지 않고 외부의 가속도가 직접 질량체에 작용함에 의해 상기 질량체의 변위를 감지하는 방식으로 가속도를 측정할 수 있는 구조이므로 자이로스코프에 비해 상대적으로 간단하다. 멤스 가속도 센서 중에서도 바닥 웨이퍼 기판이 이루는 평면에 평행한 두 축 방향의 가속도를 감지할 수 있는 x축 또는 y축 가속도 센서와 수직인 z축 가속도 센서로 나뉜다. x축 가속도 센서는 입력 방향이 상기 평면에 평행한 가속도 센서며, y축 가속도 센서는 평면 상에서 상기 x축과 직교하는 방향의 가속도 센서로 정의될 수 있다. 그러나, y축 가속도 센서는 사실상 하우징의 설치 방향의 차이만 있을 뿐이고, 그 원리면에서는 x축 가속계와 동일하므로, x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서는 통칭하여 x-y축 가속도 센서로 명명되기도 한다.
이러한 x-y축 가속도 센서는 센서 질량체가 평면 내에서 진동하는 움직임을 감지하면 되므로, 센서 질량체를 바닥 웨이퍼 기판과 평행하게 배치하고 바닥 웨이퍼 기판에 평행한 방향으로 형성된 감지 전극에 의해 그 움직임을 감지하면 되는 구조이다. 이에 비하여 z축 가속도 센서는 바닥 웨이퍼 기판에 수직인 방향의 움직임을 감지하여야 하므로 웨이퍼를 적층하여 제조되는 멤스 디바이스의 특성상 센서 질량체 및 감지 전극을 수직으로 배치하는 방식으로 구현하기는 어렵다.
따라서, 하나의 회전 지지축을 기준으로 한 센서 질량체의 회동 운동을 이용하여 x-y평면에 수직인 z축 방향의 가속도를 감지하는 z축 멤스 가속도 센서가 알려져 있다. 이러한 z축 멤스 가속도 센서는 고정 앵커와, 비틀림 강성을 제공하는 회전 지지축과, 상기 회전 지지축에 대해 회동 가능한 센서 질량체로 구성된다.
이 때, 각 축에 대한 멤스 가속도 센서를 별도로 구비할 수도 있으나, 3축 모두에 대해 가속도 측정을 원할 수 있다. 이러한 경우를 위해 3축 통합 가속도 센서가 알려져 있다.
도 1은 기존의 3축 통합 가속도 센서의 구성을 나타낸 평면도이다. 도 1을 참고하면, 기존의 3축 통합 가속도 센서는 각 축의 가속도 센서를 일렬로 나열하는 경우가 있고, 큰 공간을 차지하는 z축 멤스 가속도 센서의 특성 상 x축과 y축 멤스 가속도 센서를 나열한 측면에 z축 멤스 가속도 센서를 배치함으로써 정사각형 형태의 3축 통합 가속도 센서를 구성하는 경우가 있다. 이와 같이 한 번에 두 축 이상의 가속도를 측정하는 가속도 센서가 별도로 존재하는 것이 아니라, 각 축 별 가속도 센서를 하나의 기판 위에 배치함으로써 3축 모두에 대한 가속도 측정을 하는 것이다.
다만 이와 같은 방식은 문제점을 안고 있는데, 일반적으로 각 가속도 센서가 감지전극을 구비하여 센서질량체의 움직임에 따른 감지전극의 정전용량 증감을 측정해 가속도값을 산출하는 것이므로, 각 축의 감지전극 간의 교란과 각 축 감지전극에 대한 다른 축의 센서질량체에 의한 교란이 발생할 수 있다.
또한 z축 가속도 센서는 상하방향 변위에 따라 바닥에 있는 전극이 측정한 정전용량의 변화를 관찰해 z축방향 가속도 값을 얻어내는 구성을 가지고 있으므로, 보다 정확한 측정을 위해서 z축 센서질량체의 상하방향 변위가 커야 할 필요가 있다. 따라서 z축 가속도 센서가 일방향에 연결된 회전축을 중심으로 하는 z축 센서질량체의 회전을 이용하는 경우라면, 회전축에 직교하는 z축 센서질량체의 종방향 길이를 길게 구성해야 상하방향 변위를 크게 할 수 있다.
그런 이유로 z축 가속도 센서는 타 축 가속도센서에 비해서 길이가 길게 되고, z축 가속도 센서의 크기에 따라서 전체 가속도센서의 크기가 결정되는 문제점이 있다.
또한 z축 가속도 센서가 회전을 이용하는 경우, 일반적으로 비틀림 강성을 제공하는 토션 스프링을 이용해서 회전 지지축을 중심으로 센서질량체를 시소운동 하게 하는데, 토션 스프링이 센서질량체를 지지하는 지점은 측면에서 봤을 때 점과 같으므로, 센서질량체가 올곧은 직선 형태를 유지하지 못하고 축을 중심으로 양 끝단이 아래로 처지는 굽힘이 일어날 수 있다. 따라서 굽힘이 일어나 센서질량체가 본래 위치보다 아래로 감지되어, 감지전극에 의한 정확한 가속도 측정에 방해가 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, x, y, z축 각 축에 대한 센서질량체가 독립적으로 움직이고 감지되며, 특히 z축 센서질량체의 x축 방향 또는 y축 방향 움직임이 일어나지 않아 정확한 가속도 측정이 가능한 3축 통합 가속도센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서는, 바닥 웨이퍼기판에 평행한 제1 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 x축 센서질량체; 상기 바닥 웨이퍼기판에 평행하고 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 y축 센서질량체; 및 상기 x축 센서질량체 및 상기 y축 센서질량체를 각각 둘러싸도록 형성되고, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 제3 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 z축 센서질량체를 포함할 수 있다.
상기 x축 센서질량체, 상기 y축 센서질량체 또는 상기 z축 센서질량체를 이용함으로써 외부의 가속도를 감지할 때, 서로 다른 상기 센서질량체에 영향을 미치지 않게 3축 통합 가속도 센서를 구성할 수 있다.
상기 x축 센서질량체, 상기 y축 센서질량체 및 상기 z축 센서질량체는 상기 바닥 웨이퍼기판에 평행하게 배치될 수 있다.
상기 x축 센서질량체는, 상기 제1 축 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때 상기 제1 축 방향을 따라 진동하고, 상기 y축 센서질량체는, 상기 제2 축 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때 상기 제2 축 방향을 따라 진동하고, 상기 z축 센서질량체는, 상기 제3 축 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때 상기 제2 축에 평행한 회전 지지축에 대해 회동할 수 있다.
상기 3축 통합 가속도 센서는, 상기 z축 센서질량체의 회동 방향으로의 움직임을 지지하는 제1 스프링; 상기 x축 센서질량체의 진동 방향으로의 움직임을 지지하는 제2 스프링; 상기 y축 센서질량체의 진동 방향으로의 움직임을 지지하는 제3 스프링을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 스프링은 상기 z축 센서질량체를 지지하도록 상기 회전 지지축의 양 단에 각각 하나씩 배치되는 적어도 두 개의 스프링을 포함하고, 상기 제2 스프링은 상기 x축 센서질량체의 진동 방향의 전후로 상기 x축 센서질량체를 지지하도록 배치되는 적어도 두 개의 스프링을 포함하고, 상기 제3 스프링은 상기 y축 센서질량체의 진동 방향의 전후로 상기 y축 센서질량체를 지지하도록 배치되는 적어도 두 개의 스프링을 포함할 수 있다.
상기 제1 스프링은 상기 z축 센서질량체에 연결된 더미 스프링에 연결되고,상기 더미 스프링은 상기 z축 센서질량체의 상기 제1축 방향 움직임 또는 상기 제2축 방향 움직임을 저지하도록 형성될 수 있다.
상기 3축 통합 가속도 센서는, 상기 z축 센서질량체의 변위를 감지하는 제1 감지전극; 상기 x축 센서질량체의 변위를 감지하는 제2 감지전극; 및 상기 y축 센서질량체의 변위를 감지하는 제3 감지전극을 포함할 수 있다.
상기 제2 및 제3 감지전극은 평판 빔 구조 또는 콤 구조일 수 있다.
상기 z축 센서질량체의 외면과 유격을 두고 배치되는 제1 차폐벽; 상기 x축 센서질량체와 상기 z축 센서질량체로부터 유격을 두고 배치되는 제2 차폐벽; 및 상기 y축 센서질량체와 상기 z축 센서질량체로부터 유격을 두고 배치되는 제3 차폐벽을 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 차폐벽은 접지되어있을 수 있다.
상기 z축 센서질량체는 상기 회전 지지축을 기준으로 일측이 타측보다 무겁게 구성할 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 스프링은 각각 움직임을 갖지 않는 앵커에 의해 지지 될 수 있다.
상기 z축 센서질량체의 회전 지지축은 상기 x축 센서질량체와 상기 y축 센서질량체의 사이를 가로지르도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
각 축에 대한 센서질량체가 독립적으로 움직이고, 차폐벽에 의해 전기적으로도 독립되어 상호간의 전기적 교란이 일어나지 않아 보다 정확한 가속도값을 측정할 수 있다.
z축 센서질량체의 x축 방향 또는 y축 방향 움직임 현상이 일어나지 않아 보다 정확한 z축 가속도값을 측정할 수 있다.
또한 z축 센서질량체가 타 축 센서질량체를 둘러싸는 구조로, 공간을 절약함과 동시에 종방향으로 긴 센서질량체의 길이를 확보해 보다 감도(Sensitivity) 가 높은 z축 가속도값을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다. 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 기존의 3축 통합 가속도 센서의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 작동원리를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3의 실시예에 따른 A-A'단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 x축 센서질량체가 진동하는 경우를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 x축 센서질량체에 대한 자유 물체도(free-body diagram)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 z축 센서질량체가 회전하는 경우를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 z축 센서질량체에 대한 자유 물체도(free-body diagram)이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서(1)를 도시한 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서는 크게 z축 센서질량체(20), x축 센서질량체(21), y축 센서질량체(22)로 구성된다. 각 축 방향의 센서질량체가 독립적으로 존재해서 진동 혹은 회전하여 해당하는 축에 대한 가속도를 측정한다.
도 2에서 확인할 수 있듯이, z축 센서질량체(20)는 x축 센서질량체(21)와 y축 센서질량체(22)를 포함하는 형상을 가지고 있다. 따라서 두 센서질량체가 나열된 방향으로 길게 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 작동원리를 나타낸 개념도이다.
도 2를 설명하면서 상술한 바와 같이, 3축 통합 가속도 센서는 각 축에 대한 센서질량체를 포함하게 구성되며, x축 센서질량체(21)와 y축 센서질량체(22)를 z축 센서질량체(20)가 둘러싸는 구조로 형성된다. 각 센서질량체는 차폐벽(30, 31, 32)으로 물리적/전기적으로 분리되도록 구성해서 어떤 하나의 센서질량체의 운동에 의해 다른 센서질량체가 물리적/전기적으로 영향을 받지 않도록 한다. 차폐벽(30, 31, 32)은 접지되어 각 센서의 감지전극에 대해 영향을 최소화할 수 있다.
x축 센서질량체(21) 및 y축 센서질량체(22)는 스프링과 감쇠기가 각 축 방향으로 연결되어 각 축 방향의 가속도가 외부로부터 가해졌을 때 각 축 방향으로 진동하는 것으로 볼 수 있다. 각 축 센서에서는 상기 진동의 변위를 측정하여 그 축의 가속도값으로 산출한다.
z축 센서질량체(20)는 회전 지지축을 중심으로, z축 방향 가속도가 외부로부터 가해지는 경우 회전한다. 회전하는 경우 z축 가속도 센서는 z축 센서질량체(20)의 양 단에서 생기는 z축 방향 변위를 측정하여 z축의 가속도값으로 산출한다. 여기서 회전 지지축은 x축 센서질량체(21)와 y축 센서질량체(22) 사이를 가로지르도록 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서를 도시한 평면도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서는 최외곽에 밀폐벽(10)이 구비되어 전체 구성요소를 감싸고 있다. 밀폐벽(10)은 외부 물질의 유입이나 충격으로부터 내부 구성요소를 보호하기 위한 구성으로, 실리콘 웨이퍼 또는 플라스틱 등 으로 구성될 수 있다.
밀폐벽(10)의 내부에는 다시 나머지 구성요소를 감싸는 제1 차폐벽(30)이 구성된다. 차폐벽은 그 내부를 외부의 전자기장으로부터 차단하기 위한 구성으로, 실리콘 웨이퍼 또는 금속으로 구성된다. 제1 차폐벽(30)은 z축 센서질량체(20)를 둘러싸서 외부의 전자기장으로부터 z축 센서질량체(20)를 차단한다.
z축 가속도센서는 z축방향 가속도가 외부로부터 가해지는 경우 생기는 z축 센서질량체(20)의 회전에 의한 z축 센서질량체(20) 양 끝단의 변위를 측정하여 z축 방향 가속도값을 산출하는 방식으로 작동한다.
z축 센서질량체(20)는 횡방향으로 회전 지지축을 가지고, 상기 회전 지지축은 제1 스프링(40)이다. 제1 스프링(40)은 토션 스프링으로, 비틀림 강성을 가지므로 z축 센서질량체(20)의 회전에 대해서 탄성력을 제공함으로써 z축 센서질량체(20)가 시소운동 하도록 한다.
제1 스프링(40)은 다시 제1 앵커(60)에 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서, z축 센서질량체(20)는 움직임을 가지지 않는 제1 앵커(60)에 연결된 제1 스프링(40)에 의해 회전 지지축을 중심으로 시소운동 하도록 허용된다. 제1 스프링(40)은 복원토크를 일으켜 z축 센서질량체(20)가 비틀림변형 후 정상위치로 복원되도록 한다.
제1 스프링(40)은 다시 더미 스프링(43)의 일단에 연결된다. 더미 스프링(43)은 z축 센서질량체(20)에 평행하도록 종방향으로 연장되어 구성되고, 타단이 z축 센서질량체(20)에 연결된다. 따라서 z축 센서질량체(20)의 x축 방향 또는 y축 방향 움직임이 일어나지 않도록 z축 센서질량체(20)를 잡아주는 역할을 한다.
회전 지지축을 중심으로 z축 센서질량체(20)는 선대칭을 이루게 구성될 수도 있으나, 일 실시예에 따르면 일측이 타측에 비해 길게 구성될 수 있다. 따라서 이와 같은 경우 일측이 타측에 비해 더 무거우므로 무게의 불균형이 생기고, z축 센서질량체(20)의 x-z 평면상에서의 무게중심이 회전 지지축과 같지 않게 되므로, z축 방향 가속도가 가해지는 경우 z축 센서질량체(20)가 회전 및 시소운동 하게 된다.
다음은 도 4를 참고하여 x축 가속도센서의 구성에 대해서 설명한다.
x축 가속도센서는 x축방향 가속도가 외부로부터 가해지는 경우 생기는 x축 센서질량체(21)의 진동에 의한 x축 센서질량체(21)의 변위를 측정하여 x축 방향 가속도값을 산출하는 방식으로 작동한다. 따라서 x축 센서질량체(21)를 포함하고, 타 방향으로의 불필요한 이동을 막기 위해 구성요소들이 x축을 중심으로 선대칭을 이루도록 구성될 수 있다.
x축 센서질량체(21)는 3축 통합 가속도 센서의 종방향인 x축을 따라 진동하는 센서질량체로, 바닥 웨이퍼기판(11)에 대해 평행하게 배치된다.
x축 센서질량체(21)가 x축 방향 가속도에 반응하여 x축을 따라 진동하기 위해서, x축 방향으로 압축과 인장이 일어날 수 있도록 x축 방향으로 배열된 제2 스프링(41)과 연결될 수 있다. 제2 스프링(41)은 일 실시예와 같이 x축 센서질량체(21)의 x축 방향 양 단에서 총 2개가 연결되어 x축 방향 움직임을 지지하며 탄성력을 제공할 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 x축 센서질량체(21)의 보다 내측에 위치하는 등 x축 센서질량체(21)에 대해 x축 방향으로 탄성력을 제공할 수 있는 구성이라면 적용이 가능하다.
제2 스프링(41)은 안정적으로 x축 센서질량체(21)를 진동시키기 위하여 움직임을 갖지 않는 제2 앵커(61)에 연결된다. 제2 앵커(61)는 바닥 웨이퍼기판(11)에 연결되어 x축 센서질량체(21) 및 기타 센서질량체의 움직임과 무관하게 고정된다. 따라서 제2 스프링(41)을 구성하는 x축 방향 양 단의 2개의 스프링을 이용한 본 발명의 일 실시예의 경우 상기 독립적인 2개의 스프링을 고정시키기 위해 마찬가지로 2개의 제2 앵커(61)가 필요하다.
제2 앵커(61)는 일 실시예와 같이 제2 스프링(41)보다 x축 센서질량체(21)의 내측에 위치해서 제2 차폐벽(31)이 x축 센서질량체(21) 진동의 물리적 한계가 되게 할 수 있으나 제2 스프링(41)보다 x축 센서질량체(21)의 외측에 위치해서 제2 앵커(61)가 x축 센서질량체(21) 진동의 물리적 한계가 되게 하는 등 다양한 배치가 가능하다.
x축 센서질량체(21)의 변위를 감지하기 위해서 감지전극이 배치된다. x축 센서질량체(21)의 x축 방향 변위를 감지하는 것이므로 x축 가속도센서의 감지전극은 바람직하게는 x축에 수직한 평면에 평행하게 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서는 x축 센서질량체(21)의 중심부에 평판 전극(parallel plate electrode)으로 제2 감지전극(51)을 배치하는 경우를 설명한다. 다만 제2 감지전극(51)의 위치와 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 중심부가 아닌 x축 센서질량체(21)의 양 단에 위치하거나, 평판 전극이 아닌 콤 전극(comb electrode) 또는 기타 다른 방식으로 구현 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 가속도 측정의 정확도를 높이기 위해 평판 전극을 사용하므로, 측정을 위해서는 x축 센서질량체(21)에서도 평판 전극의 구조에 대응되는 x축 평판 빔(beam) 구조(23)가 존재해야 한다. x축 평판 빔(beam) 구조(23)는 평판 전극인 제2 감지전극(51)의 평판 빔 사이사이로 대응되는 형상의 센서질량체가 연장된 형태로 구성된다.
제2 감지전극(51)은 x축 센서질량체(21)의 진동에 따라 정전용량의 변화를 감지해 x축 방향 가속도를 측정하는 것이 목적이므로, x축 센서질량체(21)와 같이 진동해서는 안된다. 따라서 제2 감지전극(51)은 움직임을 갖지 않는 제2 감지전극 앵커(63)에 연결되어 마찬가지로 움직임을 갖지 않는다. 제2 감지전극 앵커(63)는 바닥 웨이퍼기판(11)에 연결되고, 제2 감지전극(51)은 제2 감지전극 앵커(63)를 중심으로 y축 방향을 따라 양 방향으로 뻗어나가도록 일 실시예에서 표현하였으나, 일 방향으로만 뻗어나가도록 구성되는 등 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 x축 방향으로 x축 센서질량체(21)가 진동할 때, 제2 감지전극(51)은 움직임이 없으므로 상대적으로 x축 평판 빔 구조(23)와 제2 감지전극(51) 사이에 최초 위치로부터의 변위가 생겨나게 되고, 제2 감지전극(51)의 정전용량 변화가 일어나서 이를 감지해 x축 가속도값을 측정할 수 있다.
상술한 대로 z축 센서질량체(20)는 x축 센서질량체(21)를 감싸도록 구성되는데, x축 센서질량체(21)와 z축 센서질량체(20)의 차폐가 이루어져야 하므로 x축 센서질량체(21)와 z축 센서질량체(20) 사이에도 제2 차폐벽(31)이 존재하게 된다. 제2 차폐벽(31)은 x축 센서질량체(21)를 둘러싸는 형태로 형성되고, z축 센서질량체(20)와 x축 센서질량체(21)로부터 일정 유격을 두고 형성되어 직접적인 접촉이 일어나지 않도록 한다. 차폐벽이 전기적 차폐와 동시에 센서질량체의 운동을 방해하는 경우가 없어야 하기 때문이다.
제2 차폐벽(31)은 x축 센서질량체(21)가 진동할 수 있는 한계지점이 된다. 가속도 센서는 물리적인 한계가 있어 일정 범위의 가속도만을 측정할 수 있고, x축 가속도 센서에 대해서는 x축 센서질량체(21)가 진동할 수 있는 범위가 자연스럽게 측정 가능 범위가 되는 것이며, 그 범위의 경계를 결정하는 것이 제2 차폐벽(31)이 포함하는 x축 방향 양 단의 벽이 된다.
제2 차폐벽(31)은 제1 차폐벽(30)과 마찬가지로 실리콘 웨이퍼 또는 금속 재질로 구성되어 x축 센서질량체(21)를 외부의 전자기장으로부터 차단한다.
다음은 도 4를 참고하여 y축 가속도센서의 구성에 대해서 설명한다.
y축 가속도센서는 y축방향 가속도가 외부로부터 가해지는 경우 생기는 y축 센서질량체(22)의 진동에 의한 y축 센서질량체(22)의 변위를 측정하여 y축 방향 가속도값을 산출하는 방식으로 작동한다. 따라서 y축 센서질량체(22)를 포함하고, 타 방향으로의 불필요한 이동을 막기 위해 구성요소들이 y축을 중심으로 선대칭을 이루도록 구성될 수 있다.
y축 센서질량체(22)는 3축 통합 가속도 센서의 횡방향인 y축을 따라 진동하는 센서질량체로, 바닥 웨이퍼기판(11)에 대해 평행하게 배치된다.
y축 센서질량체(22)가 y축 방향 가속도에 반응하여 진동하기 위해서, y축 방향으로 압축과 인장이 일어날 수 있도록 y축 방향으로 배열된 제3 스프링(42)과 연결될 수 있다. 제3 스프링(42)은 일 실시예와 같이 y축 센서질량체(22)의 y축 방향 양 단에서 총 2개가 연결되어 y축 방향 움직임을 지지하며 탄성력을 제공할 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 y축 센서질량체(22)의 보다 내측에 위치하는 등 y축 센서질량체(22)에 대해 y축 방향으로 탄성력을 제공할 수 있는 구성이라면 적용이 가능하다.
제3 스프링(42)은 안정적으로 y축 센서질량체(22)를 진동시키기 위하여 움직임을 갖지 않는 제3 앵커(62)에 연결된다. 제3 앵커(62)는 바닥 웨이퍼기판(11)에 연결되어 y축 센서질량체(22) 및 기타 센서질량체의 움직임과 무관하게 고정된다. 따라서 제3 스프링(42)을 구성하는 y축 방향 양 단의 2개의 스프링을 이용한 본 발명의 일 실시예의 경우 상기 독립적인 2개의 스프링을 고정시키기 위해 마찬가지로 2개의 제3 앵커(62)가 필요하다.
제3 앵커(62)는 일 실시예와 같이 제3 스프링(42)보다 y축 센서질량체(22)의 내측에 위치해서 제3 차폐벽(32)이 y축 센서질량체(22) 진동의 물리적 한계가 되게 할 수 있으나 제3 스프링(42)보다 y축 센서질량체(22)의 외측에 위치해서 제3 앵커(62)가 y축 센서질량체(22) 진동의 물리적 한계가 되게 하는 등 다양한 배치가 가능하다.
y축 센서질량체(22)의 변위를 감지하기 위해서 감지전극이 배치된다. y축 센서질량체(22)의 y축 방향 변위를 감지하는 것이므로 y축 가속도센서의 감지전극은 바람직하게는 y축에 수직한 평면에 평행하게 배치된다.
본 발명의 일 실시예에서는 y축 센서질량체(22)의 중심부에 평판 전극(parallel plate electrode)으로 제3 감지전극(52)을 배치하는 경우를 설명한다. 다만 제3 감지전극(52)의 위치와 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 중심부가 아닌 y축 센서질량체(22)의 양 단에 위치하거나, 평판 전극(parallel plate electrode) 이 아닌 콤 전극(comb electrode) 또는 기타 다른 방식으로 구현 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 가속도 측정의 정확도를 높이기 위해 평판 전극을 사용하므로, 측정을 위해서는 y축 센서질량체(22)에서도 평판 전극의 구조에 대응되는 y축 평판 빔 구조(24)가 존재해야 한다. y축 평판 빔 구조(24)는 평판 전극인 제3 감지전극(52)의 평판 빔 사이사이로 대응되는 형상의 센서질량체가 연장된 형태로 구성된다.
제3 감지전극(52)은 y축 센서질량체(22)의 진동에 따라 정전용량의 변화를 감지해 y축 방향 가속도를 측정하는 것이 목적이므로, y축 센서질량체(22)와 같이 진동해서는 안된다. 따라서 제3 감지전극(52)은 움직임을 갖지 않는 제3 감지전극 앵커(64)에 연결되어 마찬가지로 움직임을 갖지 않는다. 제3 감지전극 앵커(64)는 바닥 웨이퍼기판(11)에 연결되고, 제3 감지전극(52)은 제3 감지전극 앵커(64)를 중심으로 x축 방향을 따라 양 방향으로 뻗어나가도록 일 실시예에서 표현하였으나, 일 방향으로만 뻗어나가도록 구성되는 등 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 y축 방향으로 y축 센서질량체(22)가 진동할 때, 제3 감지전극(52)은 움직임이 없으므로 상대적으로 y축 평판 빔 구조(24)와 제3 감지전극(52) 사이에 최초 위치로부터의 변위가 생겨나게 되고, 제3 감지전극(52)의 정전용량 변화가 일어나서 이를 감지해 y축 가속도값을 측정할 수 있다.
상술한 대로 z축 센서질량체(20)는 y축 센서질량체(22)를 감싸도록 구성되는데, y축 센서질량체(22)와 z축 센서질량체(20)의 차폐가 이루어져야 하므로 y축 센서질량체(22)와 z축 센서질량체(20) 사이에도 제3 차폐벽(32)이 존재하게 된다. 제3 차폐벽(32)은 y축 센서질량체(22)를 둘러싸는 형태로 형성되고, z축 센서질량체(20)와 y축 센서질량체(22)로부터 일정 유격을 두고 형성되어 직접적인 접촉이 일어나지 않도록 한다. 차폐벽이 전기적 차폐와 동시에 센서질량체의 운동을 방해하는 경우가 없어야 하기 때문이다.
제3 차폐벽(32)은 y축 센서질량체(22)가 진동할 수 있는 한계지점이 된다. 가속도 센서는 물리적인 한계가 있어 일정 범위의 가속도만을 측정할 수 있고, y축 가속도 센서에 대해서는 y축 센서질량체(22)가 진동할 수 있는 범위가 자연스럽게 측정 가능 범위가 되는 것이며, 그 범위의 경계를 결정하는 것이 제3 차폐벽(32)이 포함하는 y축 방향 양 단의 벽이 된다.
제3 차폐벽(32)은 제1 및 제2 차폐벽(31)과 마찬가지로 실리콘 웨이퍼 또는 금속 재질로 구성되어 y축 센서질량체(22)를 외부의 전자기장으로부터 차단한다.
도 5는 도 3의 실시예에 따른 A-A'단면을 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예의 3축 통합 가속도 센서는 내부 구성요소를 밀폐벽(10, 12, 13, 14)과 바닥 웨이퍼기판(11)이 둘러싸고 있는 구조이다.
z축 센서질량체(20)의 변위를 정전용량의 변화로 감지하는 제1 감지전극(50)은 평면도인 도 4에서 확인할 수 없었으나. 측면의 단면도인 도 5에서는 z축 센서질량체(20)의 아래 바닥 웨이퍼기판(11) 자리에 위치한 것으로 확인이 가능하다.
도 5에서 확인할 수 있듯이, 차폐벽(30, 31, 32)은 각 센서질량체(20, 21, 22)와 직접적으로 접촉하지 않고, 각 센서질량체(20, 21, 22) 간에도 접촉이 일어나지 않는다. 각 앵커(60, 61, 62, 63)들은 바닥 웨이퍼기판(11)에 고정되어 움직임을 가지지 않는다. 따라서 각 센서질량체(20, 21, 22)는 독립적으로 움직여, 가속도 감지시 서로 다른 센서질량체(20, 21, 22)에 대해 영향을 미치지 않는다.
도 6과 도 7을 참고하여 x축 방향 가속도 혹은 y축 방향 가속도가 외부로부터 가해진 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 움직임과 감지 원리를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 x축 센서질량체(21)가 진동하는 경우를 도시한 사시도이다. y축 센서질량체(22)가 진동하는 경우는 y축과 진동 방향과 작용하는 구성요소만 대응되는 구성요소로 변경될 뿐 작동 원리가 동일하므로, x축 센서질량체(21)에 대한 설명에 갈음한다.
도 6을 참고하면, 외부로부터 본 발명의 3축 통합 가속도 센서에 대해 x축 방향으로 가해진 가속도에 의해 x축 센서질량체(21)가 x축 방향으로 이동하게 된다. 이 경우 제2 스프링(41) 중 운동방향에 배치된 스프링은 압축되고, 타방에 배치된 스프링은 인장되어 x축 센서질량체(21)에 대해 탄성력을 제공한다. 제2 감지전극(51)에 대해서 x축 평판 빔 구조(23)는 본래 위치에 비해 더 운동방향으로 이동한다. 따라서 제2 감지전극(51)에 대해 정전용량의 변화가 생겨난다. 제2 감지전극(51)은 이를 측정해 x축 가속도값으로 변환한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 x축 센서질량체(21)에 대한 자유 물체도(free-body diagram)이다.
도 7에서 x축이 가로로 놓여있다고 가정했을 때, 외부로부터 좌방으로 가속도가 가해지는 경우 x축 센서질량체(21)가
Figure 112016062941665-pat00001
만큼 이동했다고 하면, x축 가속도 센서에 대한 운동 방정식은 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112016062941665-pat00002
여기서,
Figure 112016062941665-pat00003
는 x축 센서질량체(21)의 질량이고, k1은 제3 스프링(42)의 강성, a1은 외부에서 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서에 대해 x축 방향으로 작용한 가속도이다.
상기 수학식 1에서 a1과 x1을 제외한 모든 값은 설계과정에서 알 수 있는 값이고, x1은 제2 감지전극(51)의 정전용량 변화로부터 측정할 수 있는 것이므로 미지수는 a1만 남으므로, 외부에서 x축 방향으로 가해준 가속도가 얼마인지를 산출할 수 있다.
도 8과 도 9을 참고하여 z축 방향 가속도가 외부로부터 가해진 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 움직임과 감지 원리를 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 z축 센서질량체(20)가 회전하는 경우를 도시한 사시도이다.
도 8을 참고하면, 외부로부터 본 발명의 3축 통합 가속도 센서에 대해 z축 방향으로 가해진 가속도에 의해 무게중심과 회전 지지축이 일치하지 않은 z축 센서질량체(20)가 회전 지지축을 중심으로 회전하게 된다. 이 경우 제1 스프링(40)은 비틀림 운동에 대항하여 탄성력을 제공하고, 따라서 z축 센서질량체(20)는 시소처럼 운동하게 된다. 회전이 일어날 때, z축 센서질량체(20)의 양 단에 발생하는 x축 방향 또는 y축 방향 움직임을 더미 스프링(43)이 최소화 시킨다. 제1 감지전극(50)에 대해서 z축 센서질량체(20)의 양 단은 z축 방향 변위가 생기므로 제1 감지전극(50)에 대해 정전용량의 변화가 생겨난다. 제3 감지전극(52)은 이를 측정해 z축 가속도값으로 변환한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서의 z축 센서질량체(20)에 대한 자유 물체도(free-body diagram)이다.
도 9에서 z축이 세로로 놓여있다고 가정했을 때, 외부로부터 하방으로 가속도가 가해지는 경우 z축 센서질량체(20)가
Figure 112016062941665-pat00004
만큼 회동했다고 하면, z축 가속도 센서에 대한 운동 방정식은 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112016062941665-pat00005
여기서,
Figure 112016062941665-pat00006
는 z축 센서질량체(20)의 질량이고, k2은 제1 스프링(40)의 비틀림 강성, a2은 외부에서 본 발명의 일 실시예에 따른 3축 통합 가속도 센서에 대해 z축 방향으로 작용한 가속도,
Figure 112016062941665-pat00007
은 회전 지지축을 기준으로 한 z축 센서질량체(20) 무게중심의 위치이다.
상기 수학식 2에서 a2와
Figure 112016062941665-pat00008
를 제외한 모든 값은 설계과정에서 알 수 있는 값이고,
Figure 112016062941665-pat00009
는 제1 감지전극(50)의 정전용량 변화로부터 측정할 수 있는 것이므로 미지수는 a2만 남으므로, 외부에서 z축 방향으로 가해준 가속도가 얼마인지를 산출할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1 : 3축 통합 가속도센서 10 : 밀폐벽
11 : 바닥 웨이퍼기판 12, 13, 14 : 밀폐벽
20 : z축 센서질량체 21 : x축 센서질량체
22 : y축 센서질량체 23 : x축 평판 빔 구조
24 : y축 평판 빔 구조 30 : 제1 차폐벽
31 : 제2 차폐벽 32 : 제3 차폐벽
40 : 제1 스프링 41 : 제2 스프링
42 : 제3 스프링 43 : 더미 스프링
50 : 제1 감지전극 51 : 제2 감지전극
52 : 제3 감지전극 60 : 제1 앵커
61 : 제2 앵커 62 : 제3 앵커
63 : 제2 감지전극 앵커 64 : 제3 감지전극 앵커

Claims (14)

  1. 바닥 웨이퍼기판에 평행한 제1 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 x축 센서질량체;
    상기 바닥 웨이퍼기판에 평행하고 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 y축 센서질량체; 및
    상기 x축 센서질량체 및 상기 y축 센서질량체를 각각 둘러싸도록 형성되고, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 제3 축 방향으로 입력되는 외부의 가속도를 감지하기 위한 z축 센서질량체를 포함하되,
    상기 x축 센서질량체는, 상기 제1 축 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때 상기 제1 축 방향을 따라 진동하고,
    상기 y축 센서질량체는, 상기 제2 축 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때 상기 제2 축 방향을 따라 진동하고,
    상기 z축 센서질량체는, 상기 제3 축 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때 상기 제2 축에 평행한 회전 지지축에 대해 회동하며,
    상기 z축 센서질량체의 회전 지지축은 상기 x축 센서질량체와 상기 y축 센서질량체의 사이를 가로지르고,
    상기 z축 센서질량체의 회동 방향으로의 움직임을 지지하는 제1 스프링을 더 포함하며,
    상기 제1 스프링은 상기 z축 센서질량체에 연결된 더미 스프링에 연결되고,
    상기 더미 스프링은 상기 z축 센서질량체의 종방향에 평행하도록 연장되어 상기 z축 센서질량체의 상기 제1 축 방향 움직임 또는 상기 제2 축 방향 움직임을 저지하도록 형성되는 3축 통합 가속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 x축 센서질량체, 상기 y축 센서질량체 또는 상기 z축 센서질량체를 이용함으로써 외부의 가속도를 감지할 때,
    서로 다른 상기 센서질량체에 영향을 미치지 않는 3축 통합 가속도 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 x축 센서질량체, 상기 y축 센서질량체 및 상기 z축 센서질량체는 상기 바닥 웨이퍼기판에 평행하게 배치되는 3축 통합 가속도 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 x축 센서질량체의 진동 방향으로의 움직임을 지지하는 제2 스프링; 및
    상기 y축 센서질량체의 진동 방향으로의 움직임을 지지하는 제3 스프링을 더 포함하는 3축 통합 가속도 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스프링은 상기 z축 센서질량체를 지지하도록 상기 회전 지지축의 양 단에 각각 하나씩 배치되는 적어도 두 개의 스프링을 포함하고,
    상기 제2 스프링은 상기 x축 센서질량체의 진동 방향의 전후로 상기 x축 센서질량체를 지지하도록 배치되는 적어도 두 개의 스프링을 포함하고,
    상기 제3 스프링은 상기 y축 센서질량체의 진동 방향의 전후로 상기 y축 센서질량체를 지지하도록 배치되는 적어도 두 개의 스프링을 포함하는 3축 통합 가속도 센서.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 z축 센서질량체의 변위를 감지하는 제1 감지전극;
    상기 x축 센서질량체의 변위를 감지하는 제2 감지전극; 및
    상기 y축 센서질량체의 변위를 감지하는 제3 감지전극을 포함하는 3축 통합 가속도 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 감지전극은 평판 빔 구조 또는 콤 구조인 3축 통합 가속도 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 z축 센서질량체의 외면과 유격을 두고 배치되는 제1 차폐벽;
    상기 x축 센서질량체와 상기 z축 센서질량체로부터 유격을 두고 배치되는 제2 차폐벽; 및
    상기 y축 센서질량체와 상기 z축 센서질량체로부터 유격을 두고 배치되는 제3 차폐벽을 포함하는 3축 통합 가속도 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 차폐벽은 접지되어있는 3축 통합 가속도 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 z축 센서질량체는 상기 회전 지지축을 기준으로 일측이 타측보다 무거운 3축 통합 가속도 센서.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 스프링은 각각 움직임을 갖지 않는 앵커에 의해 지지 되는 3축 통합 가속도 센서.
  14. 삭제
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