KR102042014B1 - 멤스 자계 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 측정 대상 전류에 의한 자계를 센싱하는 자계 센서로서, 기판; 상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제1 구동전극; 및 상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제2 구동전극을 포함하며, 상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극의 이동에 의한 커패시턴스의 변화를 측정하는 자계 센서를 제공한다. 따라서, 고정 전극 없이 구동 전극 2개로 감지하므로 기계적 변위량을 최대화하여 감지능이 개선될 수 있다.

Description

멤스 자계 센서{MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS MAGNETIC FIELD SENSOR}
실시예는 멤스 자계 센서에 관한 것이다.
MEMS 용량형 센싱 기술 기반의 자계센서의 경우 일반적으로 자계에 반응하여 움직임이 가능한 구동전극과 이에 대응하여 용량의 변화를 센싱할 수 있는 고정전극으로 구성되어 있다.
US6664786에 MEMS 용량형 자계 센서가 개시되어 있다.
자계센서의 원리는 구동전극에 일정방향으로 기준전류를 흘려주게 되면 외부에서 들어오는 자계방향과 세기에 따라 로렌쯔의 힘에 의해 구동전극이 고정전극에 대해서 양이나 음의 방향으로 움직이게 된다.
이때 두 전극 간의 거리나 오버랩 면적의 변화가 발생하여 커패시턴스가 변화하게 된다. 이러한 커패시턴스의 변화 또는 이와 상응하여 변화하는 신호를 검출함으로써 자계를 센싱하게 된다.
그러나, 자계를 센싱하기 위해 이용되는 로렌쯔의 힘은 중력과 비교해서 상대적으로 매우 작기 때문에 스프링 등의 센서구조 설계의 제한으로 인해 충분한 기계적 변위량을 얻기 어렵다.
또한, 구동전극에 구동을 위해 교류나 직류의 전류를 인가하면서 변화된 신호를 검출하는 경우, 전류의 혼재로 인해 원하는 신호를 검출하는 것이 용이하지 않다.
실시예는 감지능이 개선된 멤스 자계 센서 및 이의 구동 방법을 제공한다.
실시예는 측정 대상 전류에 의한 자계를 센싱하는 자계 센서로서, 기판; 상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제1 구동전극; 및 상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제2 구동전극을 포함하며, 상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극의 이동에 의한 커패시턴스의 변화를 측정하는 자계 센서를 제공한다.
실시예에 따른 자계 센서는 고정 전극 없이 구동 전극 2개로 감지하므로 기계적 변위량을 최대화하여 감지능이 개선될 수 있다.
또한, 교류 입력 전원을 인가할 때, 교류 주파수를 센서의 기계적 공진 주파수와 일치시킴으로써 변위량을 극대화할 수 있으며, 스토퍼를 배치하여 임계값 이상의 물리적 변위량을 방지함으로 소자 손상을 방지할 수 있다.
또한, 센서의 일부에 전기전도도가 높은 금속층을 형성함으로써 전하 이동도를 높여 반응 신뢰성 및 속도를 높일 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이다.
도 2는 도 1의 자계 센서를 Ι-Ι'으로 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 자계 센서를 Ⅱ-Ⅱ'으로 절단한 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 도 1의 구성 요소별 확대도이다.
도 7 내지 도 13은 도 1의 자계 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 도 1의 자계 센서의 전압을 나타내는 상태도이다.
도 15는 도 1의 자계 센서의 전압 및 센싱을 나타내는 회로도이다.
도 16은 도 15의 자계 센서에 직류 전압을 인가했을 때의 출력을 나타내는 파형도이다.
도 17은 도 15의 자계 센서에 교류 전압을 인가했을 때의 출력을 나타내는 파형도이다.
도 18은 주파수에 따른 자계 센서의 변위를 나타내는 것이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이다.
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이다.
도 22는 본 발명의 제5 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이다.
도 23은 본 발명의 제6 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이다.
도 24는 본 발명의 제7 실시예에 따른 자계 센서의 단면도이다.
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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 기계적 변위량이 확장된 멤스 자계 센서를 제공한다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 흔들림 보정 장치를 설명한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 자계 센서의 상면도이고, 도 2는 도 1의 자계 센서를 Ι-Ι'으로 절단한 단면도이고, 도 3은 도 1의 자계 센서를 Ⅱ-Ⅱ'으로 절단한 단면도이며, 도 4 내지 도 6은 도 1의 구성 요소별 확대도이다.
도 1을 참고하면, 실시예에 따른 자계 센서는 멤스 소자로서 고정 기판(110), 구동전극부(120), 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 포함한다.
멤스 소자(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS)는 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 초소형 기어, 하드디스크 등 초미세 기계구조물을 만드는 기술을 말한다. 멤스로 만든 미세 기계는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖는다. 구조적으로는 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용하며, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력과 표면장력 등을 이용해 전류를 발생시켜 전력소비량을 크게 낮추는 원리를 적용한 것이다.
이러한 멤스 소자로 이루어진 멤스 자계 센서는 상기 고정 기판(110)은 구동전극부(120) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지한다.
상기 고정 기판(110)은 플레이트 형상을 가지며, 사각형의 프레임 형상을 가질 수 있다. 이러한 고정 기판(110)은 가로로 긴 사각형일 수 있으며, 3mm·1mm의 면적을 가질 수 있다.
상기 고정 기판(110)은 복수의 층상 구조를 가지며, 도 2와 같이 지지 기판(400), 지지 기판(400) 위에 절연층(200) 및 상기 절연층(200) 위에 전극층(115a, 115b)으로 형성될 수 있다.
상기 지지 기판(400)은 실리콘 기판, 유리기판 또는 폴리머 기판일 수 있으나, 제1 실시예에서는 실리콘 기판으로 설명한다.
상기 지지 기판(400)은 100 내지 500μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 400μm의 두께를 가질 수 있다.
상기 지지 기판(400) 위에 절연층(200)이 형성되어 있다.
상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있으며, 1 내지 1.5μm의 두께를 가질 수 있다.
상기 절연층(200) 위에 전극층이 형성되어 있다.
상기 고정 기판(110)은 중앙에 구동전극부(120)를 수용하는 캐비티(215)를 가지는 지지 기판(400) 위에 상기 전극층을 패터닝하여 사각형의 각 변을 따라 배치되어 있으며, 서로 분리되어 있는 복수의 전극(111-119)을 포함한다.
복수의 전극(111-119)은 실리콘, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 지지 기판(400)이 실리콘 기판인 경우, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 전극(111-119)은 10 내지 100 μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 50 μm 내외의 두께를 가질 수 있다.
상기 전극(111-119)은 4개의 모서리 영역에 배치되어 있는 4개의 감지전극(113, 114, 118, 119) 및 상기 감지전극(113, 114, 118, 119)과 이웃하여 상기 캐비티(215)를 향하여 돌출되는 전원전극(111, 112, 116, 117)을 포함한다.
보다 상세하게는, y축을 따라 일직선 상에서 각각 모서리 영역에 배치되는 제1 감지전극(113) 및 제2 감지전극(114)이 형성되며, 제1 감지전극(113)과 이웃하여 x축 방향으로 제1 감지전극(113)보다 작은 폭을 갖도록 제1 전원전극(111)이 형성되고, 제1 전원전극(111)과 일직선을 이루며, 제2 감지전극(114)과 이웃하여 x축 방향으로 제2 감지전극(114)보다 작은 폭을 갖도록 제2 전원전극(112)이 형성되어 있다.
실시예에서는 제1 및 제2 감지전극(113, 114)이 모서리 영역에 배치된 것으로 도시하였으나, 제1 및 제2 전원전극(111, 112)이 모서리 영역까지 확장되고, 제1 및 제2 전원전극(111, 112)이 제1 및 제2 감지전극(113, 114)과 이웃하게 형성되는 경우, 제1 및 제2 감지전극(113, 114)의 폭은 제1 및 제2 전원전극(111, 112)보다 크지 않을 수도 있다.
제1 전원전극(111)과 제2 전원전극(112)은 소정의 이격 거리를 포함하며, 상기 이격 거리가 소정 범위 이상인 경우, 도 4와 같이 제1 및 제2 전원전극(112) 사이에 더미전극(115a)이 더 형성될 수 있다.
상기 더미전극(115a)이 형성되는 경우, 더미전극(115a)은 x축 방향으로 제1 및 제2 전원전극(111, 112)보다 작은 폭을 갖도록 형성된다.
한편, 제1 감지전극(113)과 x축으로 일직선 상에 배치되는 제3 감지전극(118) 및 제3 감지전극(118)과 y축을 따라 일직선 상에서 모서리 영역에 배치되는 제4 감지전극(119)을 포함한다.
또한, 제3 감지전극(118)과 이웃하여 제3 감지전극(118)보다 작은 폭을 갖도록 제3 전원전극(116)이 형성되고, 제3 전원전극(116)과 일직선을 이루며, 제4 감지전극(119)과 이웃하여 제4 감지전극(119)보다 작은 폭을 갖도록 제4 전원전극(117)이 형성되어 있다.
제3 전원전극(116)과 제4 전원전극(117)은 소정의 이격 거리를 포함하며, 상기 이격 거리가 소정 범위 이상인 경우, 도 4와 같이 제3 및 제4 전원전극(117) 사이에 더미전극(115b)이 더 형성될 수 있다.
상기 더미전극(115b)이 형성되는 경우, 더미전극(115b)은 제3 및 제4 전원전극(116, 117)보다 작은 폭을 갖도록 형성된다.
이와 같이 더미전극(115a, 115b)을 각각 형성하는 경우, 도 2의 A와 같이 상기 더미전극(115a, 115b) 하부의 지지기판(400)은 캐비티(215)를 향하여 돌출되도록 형성될 수 있으며, 더미전극(115a, 115b)과 같거나 작을 수 있다.
즉, 캐비티(215)를 이루는 측면에 지지기판(400)이 노출되도록 더미전극(115a, 115b)의 폭을 제어하여 더미전극(115a, 115b)과 기준전극(121, 131)의 쇼트발생을 방지할 수 있다.
각 감지전극(113, 114, 118, 119)과 그에 이웃한 전원전극(111, 112, 116, 117)의 폭 차에 의하여 소캐비티가 각각 형성되며, 각각의 소캐비티에 탄성부(300, 310, 320, 330)가 배치된다.
이웃한 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지하기 위하여 각각의 감지전극(113, 114, 118, 119)으로부터 캐비티(215)를 향하여 돌출되어 상기 전원전극(111, 112, 116, 117)과 소캐비티를 이루는 돌출부가 더 형성된다.
상기 돌출부는 이웃한 돌출부와 절연층(200) 이하의 구조물이 연결되어 형성될 수 있다. 이러한 4개의 소캐비티는 캐비티(215)를 향하여 개방되는 형상을 가진다.
이때, 상기 복수의 감지전극(113, 114, 118, 119) 및 전원전극(111, 112, 116, 117) 위에 금속층(500)이 더 형성될 수 있다.
금속층(500)은 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 은 등의 고전도성 물질로 형성되며, 전극층이 실리콘으로 형성되는 경우, 실리콘보다 전기전도성이 높은 물질로 형성된다.
이와 같이 전극 영역에 전기전도성이 높은 물질을 더 형성함으로써 전류 확산을 원활히 진행하여 반응 속도를 높일 수 있다.
상기 고정기판(110)의 캐비티(215) 내에 구동전극부(120, 130)가 배치된다.
상기 구동전극부(120, 130)는 제1, 제2 감지전극(113, 114) 및 제1, 2 전원전극(111, 112) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제1 구동전극(120), 및 상기 제3, 제4 감지전극(118, 119) 및 제3, 4 전원전극(116, 117) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제2 구동전극(130)을 포함한다.
상기 제1 구동전극(120)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 제1 기준전극(121), 제1 가변전극(126) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제1 연결부(220)를 포함한다.
제1 기준전극(121)과 제1 가변전극(126)은 두 개의 탄성부(300, 310)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.
제1 기준전극(121)은 제1 및 제2 탄성부(300, 310) 사이를 연결하는 바(bar) 타입의 몸체를 포함하며, 제1 및 제2 탄성부(300, 310)의 다리부(302a, 302b, 312a, 312b)보다 큰 폭을 갖도록 형성된다.
상기 몸체는 x축 방향으로 돌출되어 확장되며, 이러한 확장은 제1 및 제2 전원전극(111, 112)과 더미전극(115a) 사이에서 형성되는 x축 방향으로의 단차에 의한 공간으로의 확장을 의미한다.
상기 제1 기준전극(121)의 길이(d1)는 500 내지 5000 μm, 바람직하게는 1500 내지 2500 μm일 수 있다.
상기 제1 기준전극(121)은 더미전극(115a)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 기준전극편(122)을 포함한다.
상기 제1 기준전극편(122)은 빗살(comb) 형상으로 형성될 수 있으며, 소정의 길이(d4)를 가지는 제1 기준전극편(212)의 폭(W3)은 1 내지 30μm, 바람직하게는 3 내지 4 μm를 충족할 수 있다.
제1 기준전극(121)의 길이(d1), 제1 기준전극편(112)의 폭(W3) 및 이격거리에 따라 제1 기준전극편(122)의 수효가 결정된다.
한편, 제1 가변전극(126)은 제1 기준전극(121)과 동일한 형상을 가지며, 제1 가변전극편(122)부(220)를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다. 따라서, 제1 구동전극(120)은 x축 방향의 무게 중심을 유지할 수 있다.
즉, 제1 가변전극(126)은 제1 및 제2 탄성부(300, 310) 사이를 연결하는 바 타입의 몸체로 형성되어 있으며, 제1 및 제2 탄성부(300, 310)의 다리부(301a, 301b, 311a, 311b)보다 큰 폭을 갖도록 형성된다.
상기 폭은 x축 방향으로 돌출되어 확장되며, 이러한 확장은 제1 및 제2 감지전극(113, 114)의 돌출부에 의한 캐비티(215)의 단차로의 확장을 의미한다.
상기 제1 가변전극(126)의 길이(d1)는 500 내지 5000 μm, 바람직하게는 1500 내지 2500 μm일 수 있다.
상기 제1 가변전극(126)은 제2 가변전극(136)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 가변전극편(127)을 포함한다.
상기 제1 가변전극편(127)은 빗살(comb) 형상으로 형성될 수 있으며, 제1 가변전극편(127)의 폭(W1)은 1 내지 30μm, 바람직하게는 3 내지 4 μm를 충족할 수 있다.
제1 기준전극(121)의 길이(d1), 제1 가변전극편(127)의 폭(W1) 및 이격거리(W2)에 따라 제1 가변전극편(127)의 수효가 결정된다.
한편, 제1 연결부(220)는 제1 기준전극(121) 및 제1 가변전극(126)의 몸체 사이에 노출되는 영역을 가지며, 제1 기준전극(121) 및 제1 가변전극(126)의 몸체의 일부 또는 전부에 걸치도록 형성된다.
제1 연결부(220)는 도 1과 같이 적어도 하나일 수 있으며, 이와 달리 복수개의 제1 연결부(220)가 일정한 간격을 가지며 배치될 수 있다.
상기 제1 연결부(220)는 제1 기준전극(121)과 제1 가변전극(126)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 연결하기 위한 것으로, 전극층 하부의 지지기판(400) 및 절연층(200)만으로 구성된다.
이때, 상기 제1 연결부(220)의 지지기판(400)은 일부가 식각되어 고정기판(110) 하부의 지지기판(400)의 두께보다 작은 두께를 갖도록 형성되어 상기 제1 연결부(220)를 고정기판(400)의 최하점으로부터 부양시킨다.
상기 제1 연결부(220)는 100·300μm의 면적을 가질 수 있으며, 장변이 제1 기준전극(121)과 제1 가변전극(126)의 몸체를 가로지르도록 배치된다.
한편, 상기 제2 구동전극(130)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 제2 기준전극(131), 제2 가변전극(136) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제2 연결부(230)를 포함한다.
제2 기준전극(131)과 제2 가변전극(136)은 탄성부(320, 330)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.
제2 기준전극(131)은 제1 기준전극(121)과 동일한 형상을 가지며, 대칭적으로 형성된다.
상기 제2 기준전극(131)은 제3 및 제4 탄성부 (320, 330)사이를 연결하는 바(bar) 타입의 몸체를 포함하며, 몸체의 장변으로부터 더미전극(150b)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제2 기준전극편(132)을 포함한다.
제2 가변전극(136)은 제2 기준전극(131)과 동일한 형상을 가지며, 제2 연결부(230)를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다. 따라서, 제2 구동전극(130)은 x축 방향의 무게 중심을 유지할 수 있다.
즉, 제2 가변전극(136)은 제3 및 제4 탄성부(320,330) 사이를 연결하는 바 타입의 몸체로 형성되어 있으며, 제1 가변전극(126)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제2 가변전극편(137)을 포함한다.
제1 가변전극편(127)과 제2 가변전극편(137)은 서로 교차하도록 배치된다.
이때, 상기 제1 가변전극(126)과 제2 가변전극(136)의 각 전극편(127, 137)이 자계 센서의 중앙 영역에서 서로 마주보도록 배치되어 가변 커패시터를 형성한다.
상기 가변 커패시터는 제1 가변전극(126)의 제1 가변전극편(127)과 제2 가변전극(136)의 제2 가변전극편(137)이 서로 교차하도록 배치되어 교차되는 편(127, 137)의 면적에 따라 커패시터의 용량이 가변한다. 본 실시예에서는 이러한 빗살모양의 구동기인 콤 드라이브(Comb drive)에 의하여 가변 커패시터를 구현하였으나, 본 발명의 사상은 이에 한정하지 않으며 마주보는 편의 거리 차를 이용하는 구조 등 가변 커패시터를 구현할 수 있는 다양한 구조에 의해 실현될 수 있다.
상기 제1 가변전극편(127)과 제2 가변전극편(137)은 제1 내지 제4 전원전극(111, 112, 116, 117)에 전압이 인가되지 않은 상태 또는 로렌츠 힘이 발생하지 않은 상태에서 약 30μm 내외의 중첩 거리(d2)를 가진다.
하나의 제1 가변전극편(127)과 이웃한 제2 가변전극편(137) 사이의 이격거리(W2)는 1 내지 10 μm, 바람직하게는 2 내지 3 μm일 수 있다.
한편, 제2 연결부(230)는 제1 연결부(220)와 동일하게 형성되며, 제2 기준전극(131) 및 제2 가변전극(136)의 몸체 사이에 노출되는 영역을 가지며, 제2 기준전극(131) 및 제2 가변전극(136)의 일부 또는 전부에 걸치도록 형성된다.
상기 제2 연결부(230)는 제2 기준전극(131)과 제2 가변전극(136)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 연결하기 위한 것으로, 전극층 하부의 지지기판(400) 및 절연층(200)만으로 구성된다.
이때, 상기 제2 연결부(230)의 지지기판(400)은 일부가 식각되어 고정기판(110) 하부의 지지기판(400)의 두께보다 작은 두께를 갖도록 형성되어 상기 제2 연결부(230)를 고정기판(110)의 최하점으로부터 부양시킨다.
또한, 상기 제1 기준전극(121), 제1 가변전극(126), 제2 기준전극(131) 및 제2 가변전극(136)의 몸체의 일부에는 상기 고정기판(110)의 금속층(500)으로부터 연장되어 금속패턴(521, 526, 531, 536)이 형성될 수 있다. 따라서, 각 가변전극 및 각 기준전극의 전류 확산 효율을 높혀 도전성이 향상되어 반응 속도가 빨라지고, 출력값의 신뢰도가 향상된다.
한편, 자계 센서는 고정기판(110)과 제1 구동전극(120)을 연결하는 제1 탄성부(300) 및 제2 탄성부(310), 고정기판(110)과 제2 구동전극(130)을 연결하는 제3 탄성부(320) 및 제4 탄성부(330)를 포함한다.
이하에서는 도 6를 참고하여, 제1 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)에 대하여 상세히 설명한다.
제1 탄성부 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)는 더블 폴디드 타입(double folded type)의 스프링으로 구성된다.
제1 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)는 각각의 전원전극(111, 112, 116, 117) 및 감지전극(113, 114, 118, 119)이 형성하는 소캐비티 내에 각각 배치된다.
즉, 제1 전원전극(111) 및 제1 감지전극(113)이 형성하는 소캐비티 내에 제1 탄성부(300)가 배치되고, 제2 전원전극(112) 및 제2 감지전극(114)이 형성하는 소캐비티 내에 제2 탄성부(310)가 배치된다. 또한, 제3 전원전극(116) 및 제3 감지전극(118)이 형성하는 소캐비티 내에 제3 탄성부(320)가 배치되며, 제4 전원전극(117) 및 제4 감지전극(119)이 형성하는 소캐비티 내에 제4 탄성부(330)가 배치된다.
제1 탄성부(300)는 제1 고정부(301) 및 제2 고정부(302)를 포함한다.
제1 고정부(301)는 제1 감지전극(113)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡되어 연장되는 제1 스프링(301a), 상기 제1 가변전극(126)의 몸체와 연결되며 상기 제1 스프링(301a)과 이웃하게 배치되는 제2 스프링(301b)을 포함한다.
상기 제1 고정부(301)는 제1 스프링(301a)과 제2 스프링(301b)의 끝단을 서로 연결하는 제1 연결단(301c)을 더 포함하며, 상기 제1 연결단(301c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제2 고정부(302)는 제1 고정부(301)와 이웃하게 형성되어 소캐비티에 배치되어 있다.
제2 고정부(302)는 제1 전원전극(111)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡 연장되어 있는 제3 스프링(302a), 상기 제1 기준전극(121)으로부터 연장되어 상기 제3 스프링(302a)과 이웃하게 배치되는 제4 스프링(302b)을 포함한다.
상기 제2 고정부(302)는 제3 스프링(302a)과 제4 스프링(302b)의 끝단을 서로 연결하는 제2 연결단(302c)을 더 포함하며, 상기 제2 연결단(302c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제1 및 제2 연결단(301c, 302c)은 이격되어 서로 이웃하게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 연결단(301c, 302c)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 고정하기 위하여 제1 및 제2 연결단(301c, 302c) 하부의 이격 공간에 절연층(200) 및 지지기판(400)이 잔재하는 연결섬(240)을 포함하고 있다.
이때, 연결섬(240)의 지지기판(400)의 두께는 제1 및 제2 연결부(220, 230)의 두께와 동일할 수 있으며, 고정기판(110)의 지지기판(400) 보다 작은 두께, 바람직하게는 100um 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 탄성부(300)에 의해 고정 기판(110)과 제1 구동전극(120)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.
제2 탄성부(310)는 제1 고정부(311) 및 제2 고정부(312)를 포함한다.
제1 고정부(311)는 제2 감지전극(114)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡되어 연장되는 제1 스프링(311a), 상기 제2 가변전극(136)의 몸체와 연결되며 상기 제1 스프링(311a)과 이웃하게 배치되는 제2 스프링(311b)을 포함한다.
상기 제1 고정부(311)는 제1 스프링(311a)과 제2 스프링(311b)의 끝단을 서로 연결하는 제1 연결단(311c)을 더 포함하며, 상기 제1 연결단(311c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제2 고정부(312)는 제1 고정부(311)와 이웃하게 형성되어 소캐비티에 배치되어 있다.
제2 고정부(312)는 제2 전원전극(112)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡 연장되어 있는 제3 스프링(312a), 상기 제1 기준전극(121)으로부터 연장되어 상기 제3 스프링(312a)과 이웃하게 배치되는 제4 스프링(312b)을 포함한다.
상기 제2 고정부(312)는 제3 스프링(312a)과 제4 스프링(312b)의 끝단을 서로 연결하는 제2 연결단(312c)을 더 포함하며, 상기 제2 연결단(312c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제1 및 제2 연결단(311c, 312c)은 이격되어 서로 이웃하게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 연결단(311c, 312c)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 고정하기 위하여 제1 및 제2 연결단(311c, 312c) 하부의 이격 공간에 절연층(200) 및 지지기판(400)이 잔재하는 연결섬(241)을 포함하고 있다.
이때, 연결섬(241)의 지지기판(400)의 두께는 고정기판(110)의 지지기판(400) 보다 작은 두께, 바람직하게는 100um이하의 두께를 가질 수 있다.
제2 탄성부(310)에 의해 고정 기판(110)과 제1 구동전극(120)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.
제3 탄성부(320)는 제1 고정부(321) 및 제2 고정부(322)를 포함한다.
제1 고정부(321)는 제3 감지전극(118)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡되어 연장되는 제1 스프링(321a), 상기 제2 가변전극(136)의 몸체와 연결되며 상기 제1 스프링(321a)과 이웃하게 배치되는 제2 스프링(321b)을 포함한다.
상기 제1 고정부(321)는 제1 스프링(321a)과 제2 스프링(321b)의 끝단을 서로 연결하는 제1 연결단(321c)을 더 포함하며, 상기 제1 연결단(321c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제2 고정부(322)는 제1 고정부(321)와 이웃하게 형성되어 소캐비티에 배치되어 있다.
제2 고정부(322)는 제3 전원전극(116)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡 연장되어 있는 제3 스프링(322a), 상기 제2 기준전극(131)으로부터 연장되어 상기 제3 스프링(322a)과 이웃하게 배치되는 제4 스프링(322b)을 포함한다.
상기 제2 고정부(322)는 제3 스프링(322a)과 제4 스프링(322b)의 끝단을 서로 연결하는 제2 연결단(322c)을 더 포함하며, 상기 제2 연결단(322c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제1 및 제2 연결단(321c, 322c)은 이격되어 서로 이웃하게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 연결단(321c, 322c)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 고정하기 위하여 제1 및 제2 연결단(321c, 322c) 하부의 이격 공간에 절연층(200) 및 지지기판(400)이 잔재하는 연결섬(242)을 포함하고 있다.
제3 탄성부(320)에 의해 고정 기판(110)과 제2 구동전극(130)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.
제4 탄성부(330)는 제1 고정부(331) 및 제2 고정부(332)를 포함한다.
제1 고정부(331)는 제4 감지전극(119)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡되어 연장되는 제1 스프링(331a), 상기 제2 가변전극(136)의 몸체와 연결되며 상기 제1 스프링(331a)과 이웃하게 배치되는 제2 스프링(331b)을 포함한다.
상기 제1 고정부(331)는 제1 스프링(331a)과 제2 스프링(331b)의 끝단을 서로 연결하는 제1 연결단(331c)을 더 포함하며, 상기 제1 연결단(331c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제2 고정부(332)는 제1 고정부(331)와 이웃하게 형성되어 소캐비티에 배치되어 있다.
제2 고정부(332)는 제4 전원전극(117)의 돌출부로부터 소캐비티를 향하여 절곡 연장되어 있는 제3 스프링(332a), 상기 제2 기준전극(131)으로부터 연장되어 상기 제3 스프링(332a)과 이웃하게 배치되는 제4 스프링(332b)을 포함한다.
상기 제2 고정부(332)는 제3 스프링(332a)과 제4 스프링(332b)의 끝단을 서로 연결하는 제2 연결단(332c)을 더 포함하며, 상기 제2 연결단(332c)은 소캐비티의 바닥변과 평행하게 형성되어 있다.
제1 및 제2 연결단(331c, 332c)은 이격되어 서로 이웃하게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 연결단(331c, 332c)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 고정하기 위하여 제1 및 제2 연결단(331c, 332c) 하부의 이격 공간에 절연층(200) 및 지지기판(400)이 잔재하는 연결섬(243)을 포함하고 있다.
제4 탄성부(330)에 의해 고정 기판(110)과 제2 구동전극(130)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.
이와 같이 형성되는 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 서로 동일한 수효의 스프링을 포함하며, 자계 센서(100)의 구동전극부(120, 130)의 양 단에 서로 마주하며 형성되어 장력을 분산시킬 수 있다.
또한, 서로 대칭적으로 형성되어 전체적으로 균형을 이루어 소자 신뢰성이 확보될 수 있다.
이러한 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 연결섬(301b,302b,311b,312b,321b,322b,331b,332b)을 제외하고는 전극층(500)만으로 구성되어 각 구성 요소의 물리적 연결뿐 아니라, 전기적 연결을 수행하며, 구동 뒤에 탄성력에 의한 복원력을 제공한다.
또한, 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 동일하게 구성되며, 연결섬을 제외한 전체에 고정기판(110)의 전극들로부터 연장되는 금속층(500)이 형성되어 전기 전도성을 높인다.
이하에서는 도 7 내지 도 13을 참고하여 도 1의 자계 센서의 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 7과 같이, 베이스 기판에 금속층(500)을 이용하여 패턴을 형성한다.
상기 베이스 기판은 지지 기판(400) 위에 절연층(200) 및 전극층(150)이 형성되어 있는 구조를 가진다.
상기 지지 기판(400)은 300 내지 500μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 400μm의 두께를 가질 수 있다.
상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘질화막으로 형성될 수 있으며, 1.5μm 내외의 두께를 가질 수 있다.
상기 전극층(150)은 실리콘, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 지지 기판(400)이 실리콘 기판인 경우, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 전극층(150)은 10 내지 100 μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 50 μm 내외의 두께를 가질 수 있다.
즉, 내부에 실리콘 절연층(200)을 포함하는 실리콘 기판일 수 있으며, 상기 지지 기판(400)의 하부에 외부 절연층(410)이 형성될 수 있다.
상기 외부 절연층(410)은 1.5μm 내외의 두께를 가지는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 전극층(150) 위에 금속층(500)을 형성하고, 이를 패터닝하여 복수의 패턴(521, 526, 531, 536)을 형성한다.
상기 패턴(521, 526, 531, 536)은 도 1에서 전극층(150) 위에 전기전도성을 향상시키기 위한 금속패턴(521, 526, 531, 536)으로, 고정기판(110)의 전원전극(111, 112, 116, 117), 감지전극(113, 114, 118, 119), 복수의 탄성부(300-330) 및 구동전극부(120, 130)의 몸체 일부에 형성될 수 있다.
다음으로, 도 8 및 도 9와 같이 금속 패턴(521, 526, 531, 536) 및 전극층(150) 위에 마스크(510)를 형성하여 상부의 전극층(150)을 디자인에 따라 식각하여 각각의 전극, 전극편 및 스프링 등을 형성한다.
상세하게는 상기 금속패턴(521, 526, 531, 536) 및 전극층(150) 위에 포토 마스크(510)를 형성한 뒤, 상기 포토 마스크(510)에 의해 노출된 전극층(150)을 제거함으로써 복수의 패턴을 형성할 수 있다.
이때, 식각 공정으로 반응성 이온 식각(RIE)을 진행할 수 있다.
마스크 패턴(510)을 제거한 뒤, 도 10과 같이 하부의 외부 절연층(410) 위에 포토 마스크(420)를 형성한 뒤, 패터닝하여 지지 기판(400)을 제거한다.
상세하게는, 지지 기판(400) 위의 외부 절연층(410) 위에 포토 마스크(420)를 형성한 뒤, 외부 절연층(410)을 패터닝하여 고정기판(110) 하부에만 외부절연층(410)을 남긴다. 뒤에 다시 포토 마스크(420)를 고정기판(110)의 하부, 연결부(220, 230) 및 연결섬(240-243) 하부에만 형성하고 노출된 지지기판(400)을 제거하여 도 12의 연결부(220, 230) 및 연결섬(240-243)을 형성한다.
이때, 도 12와 같이 연결부(220, 230) 및 연결섬(240-243) 하부에는 고정기판(110)의 지지기판(400)보다 작은 두께를 갖도록 지지기판(400)을 선택적으로 식각한다. 이러한 선택적 식각은 도 11과 같이 두번 식각하거나, 노광을 단계적으로 진행하는 마스크(그라데이션 또는 패턴마스크)를 이용하여 진행할 수 있다.
이때, 하부의 공정 전에 상부 패턴을 보호하기 위하여 상부에 보호층(도시하지 않음)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 13과 같이 디자인에 따라 내부의 실리콘 절연층(200)을 식각하여 구동전극부(120, 130)를 부유시킨다.
이때, 내부의 실리콘 절연층(200)의 식각은 가스 플라즈마 에칭을 수행할 수 있으며, 산화 불소 가스를 사용할 수 있다.
따라서, 일부의 전극층(150) 패턴 하부에만 선택적으로 절연층(200)이 잔류하게 된다. 예를 들어, 제1 내지 제4 탄성부(300, 310)의 연결섬(240-243) 하부, 구동전극부(120, 130)의 연결부(220, 230) 하부에 두 개의 구조물을 서로 절연하면서 물리적으로 고정하기 위하여 하부에 절연층(200)이 잔재할 수 있다.
이와 같이 형성되는 멤스 소자인 자계 센서는 구동전극부(120, 130)가 부유 상태를 유지하면서 스프링에 의해 고정됨으로써 자계 센싱을 위해 운동할 수 있다.
이하에서는 도 14 내지 도 18을 참고하여 제1 실시예의 구동에 대하여 설명한다.
도 14는 도 1의 자계 센서의 전압을 나타내는 상태도이고, 도 15는 도 1의 자계 센서의 전압 및 센싱을 나타내는 회로도이고, 도 16은 도 15의 자계 센서에 직류 전압을 인가했을 때의 출력을 나타내는 파형도이며, 도 17은 도 15의 자계 센서에 교류 전압을 인가했을 때의 출력을 나타내는 파형도이고, 도 18은 주파수에 따른 자계 센서의 변위를 나타내는 것이다.
도 14를 참고하면, 자계 센싱을 위한 커패시턴스의 변화를 감지하기 위하여, 총 3개의 전압이 공급된다.
제1 전압(V1)은 제1 전원전극(111) 또는 제1 전원전극(111)과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전원전극(112) 중 하나에 인가되고, 제2 전압(V2)은 제3 전원전극(116) 또는 제3 전원전극(116)과 전기적으로 연결되어 있는 제4 전원전극(117) 중 하나에 인가된다.
제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)은 기준 전압을 인가하는 소스(source)로서, 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)이 제1 기준전극(121) 및 제2 기준전극(131)에 인가되면, 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)가 흐른다.
고정되어 있는 도체 주변에 타겟 전류(Itarget) 가 흐르면 도체 주위에 자계(B)가 형성되며, 상기 제1 기준전극(121) 및 제2 기준전극(131)에 제1 전류(I1) 및 제2 전류(I2)를 인가하면, 타겟 전류에 의해 형성된 자계(B)에 의해 수직한 방향으로 힘(F1, F2)이 발생한다. 이때, 전류의 흐름을 서로 반대로 하는 경우, 제1 기준전극(121) 및 제2 기준전극(131)은 서로 반대 방향으로 힘이 작용하여 움직이고, 동일한 방향으로 하는 경우, 같은 방향으로 움직인다. (플레밍의 왼손법칙에 의함) 이때, 제3 전압(V3)을 제1 가변전극(126)에 연결되어 있는 제1 감지전극(113) 또는 제1 감지전극(113)과 전기적으로 연결되어 있는 제2 감지전극(114)에 인가하고, 제2 가변전극(136)에 연결되어 있는 제3 감지전극(118) 또는 제3 감지전극(118)과 연결되어 있는 제4 감지전극(119)으로부터 감지신호를 출력한다.
이때, 상기 감지신호는 타겟 전류(Itarget)에 의해 발생하는 자계(B)의 크기에 따라 발생하는 로렌츠 힘에 의해 제1 가변전극(126) 및 제2 가변전극(136)이 이동하여 생성된다.
즉, 상기 제1 및 제2 가변전극(126, 136)은 도 15와 같이 상하로 이동하면서, 가변전극편(127, 137)끼리 중첩을 이룬다. 이때, 자계(B)의 크기에 따라 중첩되는 면적의 크기가 결정되며, 상기 크기에 따라 커패시턴스가 결정된다.
출력되는 감지 신호는 커패시턴스의 변화값이며, 이는 도 15와 같이 제2 가변전극(136)과 연결되는 제3 또는 제4 감지전극(118, 119)과 연결되는 증폭기의 출력으로부터 읽을 수 있다.
이때, 상기 증폭기의 출력값(Vout)은 다음의 식과 같다.
Figure 112013039491622-pat00001
이때, 도 16과 같이, 제1 및 제2 전압(V1, V2)이 직류 전압인 경우, 자계(B) 및 로렌쯔의 힘이 펄스형으로 발생할 수 있으며, 이에 따라 제1 및 제2 가변전극(126, 136)이 이루는 가변 커패시터는 소정 범위까지 증가한 뒤 변위량이 정지한다.
따라서, 출력값(Vout)은 도 16과 같이 2차함수를 가질 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 전압(V1, V2)이 교류 전압인 경우, 교류 전압의 방향에 따라 전류(I1, I2)의 방향이 가변하고, 이에 따라 자계(B)의 방향이 가변한다.
따라서, 제1 및 제2 가변전극(126, 136)에 발생하는 힘(F1, F2)이 가변하므로 제1 가변전극(126) 및 제2 가변전극(136)의 중첩하는 면적이 주기적으로 가변한다.
이때, 제1 및 제2 전압(V1, V2)의 교류 전압의 주파수를 자계 센서의 기계적인 공진주파수와 일치시키는 경우, 동일한 힘에 대하여 기계적 변위량이 커지므로 감지능이 향상된다.
이때, 자계 센서의 기계적인 공진주파수는 다음의 수학식을 충족한다.
Figure 112013039491622-pat00002
이때, 상기 fr이 기계적인 공진주파수로 정의되며, m은 자계 센서의 질량으로 수학식 3을 충족하고, k는 스프링 강성상수로서 수학식 4를 충족한다.
Figure 112013039491622-pat00003
이때, ρsi 는 실리콘의 표면 저항값이고, Vtotal는 전체 자계 센서의 부피로 정의된다.
Figure 112013039491622-pat00004
이때, N은 스프링의 수효, E는 Young의 모듈러스(modulus), t는 스프링의 두께, w는 스프링의 폭, L은 스프링의 길이로 각각 정의된다.
도 18은 본 발명에 대한 일 예로서, 기계적인 공진주파수를 500Hz라고 할 때, 입력 교류 전압의 주파수를 가변하며 자계 센서의 변위량을 측정한 결과를 도시한 것이다.
도 18과 같이, 입력 교류 전압의 주파수가 기계적인 공진주파수와 일치할 때, 변위량이 극대화되는 것을 관찰할 수 있다.
이와 같이, 자계 센서의 기계적인 공진 주파수를 연산하여 구한 뒤, 공진 주파수를 교류 입력 전압의 주파수로 입력하는 경우, 도 18과 같이 극히 높은 변위량에 의하여 가변 커패시터의 커패시턴스 변화가 커지므로 도 17과 같이 큰 출력값(Vout)을 구할 수 있다.
일실시예에 따르면, 교류 전류가 흐르고 있는 자계 센서가 자계 센서의 질량에 의해 정상 상태를 유지하며, 외부 자계에 의해 발생한 로렌츠 힘이 트리거 역할을 하여 구동 전극부가 공진하여 도 17과 같은 출력값(Vout)을 출력할 수 있도록 설계할 수 있다.
따라서, 두 개의 구동 전극을 이용하여 변위를 양 쪽에서 진행하여 변위값을 2배로 가져감으로 변위량이 향상시키는 한편, 교류 입력 전압의 주파수를 자계 센서의 기계적인 공진주파수와 일치시킴으로 변위량을 극대화하여 센서의 감지 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 19 내지 도 24를 참고하여 다양한 실시예를 설명한다.
도 19의 제2 실시예에 따른 자계 센서(100A)는 도 1의 자계 센서와 같이 고정 기판(110), 구동전극부(120, 130), 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 포함한다.
고정 기판(110)은 구동전극부(120, 130) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지한다.
고정 기판(110)의 캐비티(215) 내에 구동전극부(120, 130)가 배치되며, 상기 구동전극부(120, 130)는 제1, 제2 감지전극(113, 114) 및 제1, 2 전원전극(111, 112) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제1 구동전극(120), 및 상기 제3, 제4 감지전극(118, 119) 및 제3, 4 전원전극(116, 117) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제2 구동전극(130)을 포함한다.
상기 제1 구동전극(120)은 캐비티 내에서 y축으로 연장되어 있는 제1 기준전극(121), 제1 가변전극(126) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제1 연결부(220)를 포함한다.
한편, 상기 제2 구동전극(130)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 제2 기준전극(131), 제2 가변전극(136) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제2 연결부(230)를 포함한다.
제2 기준전극(131)과 제2 가변전극(136)은 탄성부(300, 310, 320, 330)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.
각각의 전극(121, 126, 131, 136)의 장변에는 전극편이 형성되어 있으며, 제1 가변전극(126)과 제2 가변전극(136)의 전극편이 교차하도록 배치되며, 고정 기판(110)으로부터 인가되는 전원에 따라 이동하여 커패시턴스가 가변한다.
고정기판(110)의 각각의 전극과 제1 및 제2 구동전극(120, 130)의 각각의 전극은 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)에 의해 전기적 물리적으로 연결되어 있다.
고정 기판(110), 구동전극부(120, 130) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)의 기본 구성은 도 1의 자계 센서와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자계 센서(110A)는 제1 실시예와 달리 전극층(150) 위에 금속층을 포함하지 않는다.
즉, 제2 실시예에 따른 자계 센서(100A)는 전극층(150)만으로 전기적 도통을 유지함으로 제조 공정이 단순화되고 비용이 절감된다.
다만, 전극층(150)이 본 발명과 같이 실리콘으로 형성되는 경우, 전기전도성을 확보하기 위하여 실리콘 내에 붕소, 인, 비소 등의 불순물을 도핑하여 전극층 내에 저저항영역을 형성할 수 있다.
도 20의 제3 실시예에 따른 자계 센서(100B)는 도 1의 자계 센서와 같이 고정 기판(110), 구동전극부(120, 130), 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 포함한다.
고정 기판(110)은 구동전극부(120, 130) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지한다.
고정 기판(110)의 캐비티(215) 내에 구동전극부(120, 130)가 배치되며, 상기 구동전극부(120, 130)는 제1, 제2 감지전극(113, 114) 및 제1, 2 전원전극(111, 112) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제1 구동전극(120), 및 상기 제3, 제4 감지전극(118, 119) 및 제3, 4 전원전극(116, 117) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제2 구동전극(130)을 포함한다.
상기 제1 구동전극(120)은 캐비티 내에서 y축으로 연장되어 있는 제1 기준전극(121), 제1 가변전극(126) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제1 연결부(220)를 포함한다.
한편, 상기 제2 구동전극(130)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 제2 기준전극(131), 제2 가변전극(136) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제2 연결부(230)를 포함한다.
제2 기준전극(131)과 제2 가변전극(136)은 탄성부(300, 310, 320, 330)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.
각각의 전극(121, 126, 131, 136)의 장변에는 전극편이 형성되어 있으며, 제1 가변전극(126)과 제2 가변전극(136)의 전극편이 교차하도록 배치되며, 고정 기판(110)으로부터 인가되는 전원에 따라 이동하여 커패시턴스가 가변한다.
고정기판(110)의 각각의 전극과 제1 및 제2 구동전극(120, 130)의 각각의 전극은 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)에 의해 전기적 물리적으로 연결되어 있다.
고정 기판(110), 구동전극부(120, 130) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)의 기본 구성은 도 1의 자계 센서와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
이때, 본 발명의 제3 실시예에 따른 자계 센서(100B)는 제1 실시예와 달리 고정기판(110)의 복수의 전극(111-119) 중 일부 영역에만 한정적으로 금속층이 형성된다.
즉, 상기 금속층은 탄성부(300, 310, 320, 330) 및 구동전극부(120, 130)의 몸체의 장변을 따라 형성되어 있으며, 고정기판(110)의 복수의 전극 중 일부 영역에만 한정적으로 형성되어 있다.
이때, 고정기판(110)의 복수의 전극(111-119)에 형성되는 금속층은 외부와 연결되어 입력 전원을 수신하는 패드(550)로서 기능할 수 있다.
상기 패드(550)는 도 20과 같이 탄성부(300, 310, 320, 330)의 끝단과 가장 근접한 영역에 형성될 수 있으며, 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있다.
도 20과 같이 사각형의 패드(550)를 형성하는 경우, 상기 패드(550)의 면적은 50*50 μm 내지 500*500 μm를 충족할 수 있으며, 바람직하게는 200*200 μm 내외를 충족할 수 있다.
이와 같이, 높은 전기전도성이 요구되는 탄성부(300, 310, 320, 330) 및 구동전극부(120, 130)의 일부에 금속층을 형성하면서, 이와 연결되어 고정기판(110)의 복수의 전극(111-119) 위에 상기 금속층과 연결되는 패드를 일부 영역에만 형성함으로써, 전기전도성을 확보하면서 제조 비용을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 자계 센서는 고정되어 있는 전극 없이 구동 전극(120, 130) 2개가 동시에 이동하므로 변위량이 크고, 특히 도 17과 같이 기계적 공진주파수와 동일한 주파수의 교류 입력 전원을 인가하는 경우, 그 진폭이 더욱 커질 수 있다.
이때, 진폭이 매우 커짐에 따라 한 가변전극편(127, 137)이 마주하는 가변전극편(127, 137) 사이의 측벽과 부?혀 소자가 손상될 수 있다.
이러한 소자 손상을 방지하기 위하여, 도 21의 제4 실시예에 따른 자계 센서는 탄성부(300, 310, 320, 330)와 연결되는 고정기판(110)의 돌출부 사이의 이격 영역에 스토퍼(560, 561)를 형성할 수 있다.
상기 스토퍼(560, 561)는 스프링(301a, 302a)의 끝단과 돌출부가 맞닿는 영역에 형성되어, 스프링(301a, 302a)의 변위를 한정한다.
상기 스토퍼(560, 561)는 탄성력이 있는 물질로 형성될 수 있으며, 에폭시 수지 등을 포함하는 레진을 포함할 수 있다.
이때, 상기 스토퍼(560, 561)는 제1 내지 제3의 실시예 중 어느 하나의 자계 센서(100-100B)에 적용할 수 있다.
한편, 제5 실시예에 따른 자계 센서는 도 22와 같이 구동전극부(120, 130) 내에 스토퍼(563, 564)를 포함할 수도 있다.
구동전극부(120, 130) 내에 스토퍼(563, 564)가 포함되는 경우, 서로 마주하는 제1 가변전극(126)과 제2 가변전극(136)의 전극편(127, 137) 사이의 내벽에 배치될 수 있으며, 도 22와 같이 가장자리 영역의 전극편 사이의 내벽에 부착되어 형성될 수 있다.
즉, 구동전극부(120, 130) 내에 스토퍼(563, 564)가 형성되는 경우, 제1 가변전극(126)의 가장자리 내벽에 제1 스토퍼(563)가 형성되고, 제2 가변전극(136)의 반대쪽 가장자리 내벽에 제2 스토퍼(564)가 형성될 수 있다.
제1 및 제2 스토퍼(563, 564)의 재질, 크기 및 형상은 동일하다. 따라서, 양 방향으로 진동하는 두 가변전극(126, 136)의 변위량을 균일하게 고정할 수 있다.
이때, 상기 스토퍼(563, 564)는 제1 내지 제3의 실시예 중 어느 하나의 자계 센서(100-100B)에 적용할 수 있다.
한편, 본 발명의 자계 센서는 켄틸레버(cantilever) 타입의 가변전극편을 포함할 수도 있다.
이하에서는 켄틸레버 타입의 가변전극편을 가지는 자계 센서를 설명한다.
도 23을 참고하면, 자계 센서(600)는 도 1과 같이 고정기판(610), 구동전극부(620, 630) 및 복수의 탄성부(300-330)를 포함한다.
고정 기판(610)은 구동전극부(620, 630) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지한다.
고정 기판(610)의 캐비티(215) 내에 구동전극부(620, 630)가 배치되며, 상기 구동전극부(620, 630)는 제1 구동전극(620)과 제2 구동전극(630)을 포함한다.
상기 제1 구동전극(620)은 캐비티(215) 내에서 x축으로 연장되어 있는 제1 기준전극(621), 제1 가변전극(626) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제1 연결부(220)를 포함한다.
한편, 상기 제2 구동전극(630)은 캐비티(215) 내에서 x축으로 연장되어 있는 제2 기준전극(631), 제2 가변전극(636) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제2 연결부(230)를 포함한다.
제1, 제2 기준전극(621, 631)과 제1, 제2 가변전극(626, 636)은 탄성부(300-330)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.
제1 기준전극(621) 및 제1 가변전극(627)은 동일한 형상을 가진다.
각 전극(621, 627)은 x축을 따라 장변이 연장되는 몸체와 상기 몸체로부터 y축으로 평행하게 돌출되는 두 개의 가지부, 및 상기 두 개의 가지부로부터 서로 마주보며 돌출되는 복수의 전극편(623, 627)을 포함한다.
제1 구동전극(620)의 제1기준전극(621)와 가변전극(626)은 동일한 형상을 가지되, 몸체를 기준으로 대칭적으로 형성된다.
제2 구동전극(630)은 기준전극(631)과 가변전극(636)이 제1 구동전극(620)의 몸체와 동일한 형상의 몸체를 가지나, 몸체의 중앙으로부터 돌출되는 하나의 가지부를 포함하고, 상기 가지부의 양측면으로부터 서로 반대방향으로 돌출되는 복수의 전극편(633, 637)을 포함한다.
제2 구동전극(630)의 기준전극(631)와 가변전극(636)은 동일한 형상을 가지되, 몸체를 기준으로 대칭적으로 형성된다.
이때, 제1 및 제2 가변전극(626, 636)의 각 전극편(627, 637)이 서로 교대로 배치되어 가변 커패시터를 형성한다.
도 23의 자계 센서(600)의 경우, 고정 기판(610)의 복수의 전극(611-619)에 전원이 인가되면, 제1 및 제2 기준전극(621, 631)에 전류가 흐름으로 자계가 형성된다.
자계가 형성됨에 따라 제1 및 제2 가변전극(626, 636)이 y축을 따라 이동하여 제1 및 제2 가변전극(626, 636)의 전극편(627, 637) 사이의 거리가 변한다.
즉, 도 23의 자계 센서(600)는 두 전극편(627, 637)이 중첩되어 형성되는 커패시터의 중첩 면적은 고정되되, 자계에 따라 커패시터의 유전층의 두께가 가변함으로 커패시턴스의 값이 변하여 자계를 감지할 수 있다.
도 23의 자계 센서(600)의 경우에도 각 고정 기판(610), 구동전극부(620, 630) 및 탄성부(300-330)의 단층 구조는 도 1과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 제7 실시예에 따른 자계 센서는 도 1과 같은 상면도를 가질 수 있으며, 도 1의 I-I'로 절단한 단면은 도 24와 같을 수 있다.
도 24를 참고하면, 고정기판(110)은 절연성의 지지기판(400a)을 포함하며, 상기 절연성의 지지기판(400a) 위에 전극층(115b)이 형성되어 있다.
상기 절연성의 지지기판(400a)은 유리, 세라믹 등의 절연물질일 수 있으며, 전극층(115b)은 전도성 물질, 바람직하게는 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 은 등의 고전도성 물질로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 구동전극(120, 130)의 연결부(221, 231)의 구성은 도 24와 같이 각각의 기준전극(121, 131)과 가변전극(126, 136) 사이의 이격 공간에 절연성 접착재를 충진함으로 형성할 수 있다.
이때, 절연성 접착재는 폴리이미드 또는 에폭시 수지 등의 절연성 접착 수지와 SiO2나 Si3N4 등의 절연물질일 수 있다.
이와 같이 지지기판(400a)을 절연성 물질로 형성함으로써 별도의 절연층 없이 두 개의 층상 구조로 도 1의 자계 센서의 구현이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
자계 센서 100, 600
고정 기판 110
제1 구동전극 120
제2 구동전극 130
기준전극 121, 131
가변전극 126, 136
탄성부 300-330

Claims (15)

  1. 측정 대상 전류에 의한 자계를 센싱하는 자계 센서로서,
    지지기판;
    상기 지지기판 상에 배치된 절연층; 및
    상기 절연층 상에 배치된 전극층을 포함하는 기판을 포함하고,
    상기 전극층은,
    상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제1 구동전극; 및
    상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제2 구동전극을 포함하며,
    상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극의 이동에 의한 커패시턴스의 변화를 측정하고,
    상기 제1 구동전극은
    상기 기판으로부터 공급되는 기준 전류를 유동시키는 제1 기준전극;
    상기 제1 기준전극과 전기적으로 절연된 상태에서 물리적으로 연결되고, 상기 커패시턴스의 변화를 측정하기 위한 감지기준전압을 인가받는 제1 가변전극; 및
    절연되어 있는 상기 제1 기준전극과 상기 제1 가변전극을 물리적으로 연결하는 제1 연결부를 포함하며;
    상기 제2 구동전극은
    상기 기판으로부터 공급되는 기준 전류를 유동시키는 제2 기준전극;
    상기 제2 기준전극과 전기적으로 절연된 상태에서 물리적으로 연결되고, 상기 커패시턴스의 변화에 따른 상기 감지기준전압의 변화를 출력하는 제2 가변전극; 및
    절연되어 있는 상기 제2 기준전극과 상기 제2 가변전극을 물리적으로 연결하는 제2 연결부를 포함하고,
    상기 제1 가변전극은 상기 제2 가변전극을 향하여 돌출되는 복수의 제1 전극편을 포함하고,
    상기 제2 가변전극은 상기 제1 가변전극을 향하여 돌출되는 복수의 제2 전극편을 포함하고,
    복수의 상기 제1 및 제2 전극편은 서로 교차하여 배치되고,
    상기 제1 및 제2 연결부는 상기 기판의 지지기판보다 얇은 두께의 지지기판을 포함하고,
    수직 방향을 기준으로, 상기 제1 및 제2 연결부 각각의 지지기판의 하면은 상기 기판의 지지기판의 하면보다 상부에 위치하고,
    상기 제1 및 제2 기준 전극, 상기 제1 및 제2 가변 전극은 상기 기판으로부터 부유 상태를 유지하는 자계 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 및 제2 구동전극을 물리적 및 전기적으로 연결하는 탄성부를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 가변전극은 상기 측정 대상 전류에 의한 자계에 의해 운동하여 가변 커패시터를 형성하는 자계 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정 대상 전류에 의해 형성되어 있는 자계 내에 상기 제1 기준전극은 제1 전압을 인가받고, 상기 제2 기준전극은 제2 전압을 인가받는 자계 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자계 센서는
    상기 제1 전압 및 제2 전압에 의해 상기 제1 전극편 및 제2 전극편의 중첩 면적 및 거리 중 적어도 하나가 가변하는 자계 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기준전극은 상기 제1 가변전극과 동일한 형상을 가지고,
    상기 제2 기준전극은 상기 제2 가변전극과 동일한 형상을 가지는 자계 센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 탄성부는 상기 전극층으로 형성되어 상기 기판으로부터 부유 상태를 유지하는 자계 센서.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압은 직류 전압인 자계 센서.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압은 상기 자계 센서의 기계적인 공진주파수와 동일한 주파수를 가지는 교류 전압인 자계 센서.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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