KR102052967B1

KR102052967B1 - 멤스 전류 센서

Info

Publication number: KR102052967B1
Application number: KR1020130109742A
Authority: KR
Inventors: 서상원; 서정기
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2019-12-09
Also published as: KR20150030463A

Abstract

본 발명은 타겟 전류가 흐르는 타겟 코일을 관통하는 캐비티를 가지는 고정 기판, 그리고, 상기 고정 기판 위에 상기 타겟 코일을 둘러싸며 형성되는 감지 코일부를 포함하는 전류 센서를 제공한다. 따라서, CT(Current Transformer)타입 전류 센서와 같은 원리로 피측정 전류에 의해 자기장이 발생되고, 이에 의해 전류가 유도되는 2차 코일을 MEMS 기술을 이용하여 형성함으로써 코일을 소형화하여 권선 수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 보다 정밀한 전류 측정이 가능하고, 기계적인 움직임이 없이 전류 센싱이 가능해 소자의 수명과 신뢰성에 향상될 수 있다.

Description

멤스 전류 센서{MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS CURRENT SENSOR}

실시예는 멤스 전류 센서에 관한 것이다.

MEMS 용량형 센싱 기술 기반의 전류 자계 센서의 경우 일반적으로 자계에 반응하여 움직임이 가능한 구동전극과 이에 대응하여 용량의 변화를 센싱할 수 있는 고정전극으로 구성되어 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 이용하여 전류를 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 새로운 구조의 멤스 전류 센서를 제공한다.

실시예는 타겟 전류가 흐르는 타겟 코일을 관통하는 캐비티를 가지는 고정 기판, 그리고, 상기 고정 기판 위에 상기 타겟 코일을 둘러싸며 형성되는 감지 코일부를 포함하는 전류 센서를 제공한다.

실시예에 따른 멤스 소자는 CT(Current Transformer)타입 전류 센서와 같은 원리로 피측정 전류에 의해 자기장이 발생되고, 이에 의해 전류가 유도되는 2차 코일을 MEMS 기술을 이용하여 형성함으로써 코일을 소형화하여 권선 수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 보다 정밀한 전류 측정이 가능하고, 기계적인 움직임이 없이 전류 센싱이 가능해 소자의 수명과 신뢰성에 향상될 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 전류 센서의 상면도이다.
도 2는 도 1의 전류 센서를 Ι-Ι'절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전류 센서의 원리를 나타내는 회로도이다.
도 4 내지 도 11은 도 1의 전류 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 제2 실시예에 따른 전류 센서의 상면도이다.

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 변위 없이 자계를 센싱할 수 있는 멤스 전류 센서를 제공한다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 멤스 전류 센서를 설명한다.

도 1은 제1 실시예에 따른 전류 센서의 상면도이고, 도 2는 도 1의 전류 센서를 Ι-Ι' 절단한 단면도이며, 도 3은 도 1의 전류 센서의 원리를 나타내는 회로도이다.

도 1을 참고하면, 실시예에 따른 전류 센서는 멤스 소자로서 고정 기판(110) 및 코일부를 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.

상기 고정 기판(110)은 플레이트 형상을 가지며, 사각형의 프레임 형상을 가질 수 있다. 이러한 고정 기판(110)은 정사각형일 수 있으며, 3mm·3mm의 면적을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

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 씨드층으로 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 씨드층이 형성되어 있다.

상기 고정 기판(110)은 중앙에 타겟 권선에 의해 관통되는 캐비티(111)를 가지는 지지 기판(400) 위에 상기 씨드층(210)을 패터닝하여 코일부(120)의 위치를 정의한다.

상기 씨드층(210)은 상기 캐비티(111)를 따라 형성될 수 있으며, 캐비티(111)를 중심으로 원형으로 배치될 수 있다.

상기 씨드층(210)은 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있다.

상기 씨드층(210)은 절연층 위에 코일부(120)가 연속적인 코일을 형성하도록 코일의 바닥부의 씨드로 기능한다.

이를 위하여 상기 씨드층(210)은 서로 분리되어 있는 복수의 패턴을 이룰 수 있다.

이러한 씨드층(210) 위에 코일부(120)가 형성되어 있다.

즉, 상기 코일부(120)는 상기 씨드층(210)을 씨드로 전해 도금을 수행하여 형성할 수 있으며, 상기 캐비티(111)를 둘러싸며 연속적인 코일을 형성한다.

더욱 상세하게, 상기 코일부(120)는 도 1과 같이 제1 패드(121) 및 제1 패드(121)와 전기적 물리적으로 차단되어 있는 제2 패드(122) 사이에 형성되어 있다.

상기 제1 패드(121) 및 제2 패드(122)는 상기 씨드층(210) 위에 금속 도금으로 형성될 수 있으며, 그 형상은 사각형, 원형 등일 수 있다.

상기 제1 패드(121) 및 제2 패드(122)는 다층 구조를 가질 수 있으며, 외부에 노출되는 구조로 최상층에 금도금층이 형성될 수 있다.

상기 코일부(120)는 도 2와 같이 단면이 바닥변(123), 측변(124) 및 상변(125)으로 형성될 수 있으며, 각 변이 별도의 공정으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 코일부(120)는 씨드층(210) 위에 형성되는 바닥변(123), 바닥변(123)의 양 단으로부터 위쪽으로 연장되는 두 개의 측변(124)을 포함하고, 상기 두 측변(124)과 이웃한 바닥변(123)의 측변(124)을 연결하는 상변(125)으로 구성된다.

이와 같이 상변(125)이 연속되는 바닥변(123)의 측변(124) 사이를 대각선으로 연결하여 전기적 물리적으로 연결되어 있는 하나의 코일을 형성할 수 있다.

상기 코일부(120)는 전도성 물질로 형성되며, 일 예로, 구리, 니켈, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 합금 등일 수 있다.

이와 같이 형성되어 있는 멤스 소자는 중앙 영역의 캐비티(111) 내에 도 1과 같이 타겟 전류가 흐르는 타겟 코일이 관통된다.

이때, 상기 타겟 코일(300)에 흐르는 전류에 의해 코일부(120)에 유도 전류가 흐르게 되고, 이러한 유도 전류를 감지하여 자계를 센싱할 수 있다.

이하에서는 도 3을 참고하여 본 센서의 원리를 설명한다.

도 3은 도 1의 전류 센서의 원리를 회로로 도식화한 것이다.

도 3을 참고하면, 제1 코일(L1)은 타겟 코일(300)을 나타내고 제2 코일(L2)은 코일부(120)를 나타낸다.

제2 코일(L2)의 일단은 접지되어 있으며, 타단은 제1노드에서 직렬 연결되어 있는 제1 부하(ZL) 및 제2 부하(ZB)와 연결될 수 있다.

또한, 상기 제2 코일(L2)과 병렬로 제1 노드(n1)와 접지 사이에 제3 부하(XM)가 형성될 수 있다.

이때, 상기 제1 및 제2 부하(ZB)는 저항성 부하일 수 있으며, 제3 부하(XM)는 유도성 부하일 수 있다.

이때, 각 도선을 흐르는 전류는 다음의 식을 충족한다.

[수학식 1]

Is=Ip/N=IM+IL

IP=N*(IM+IL)

IM=VS/XM,

VS=VB+IL*ZL

이때, IP는 타겟 전류, IS는 제2 코일(L2), 즉 코일부(120)에 흐르는 전류, IL는 제1 및 제2 부하(ZB)에 흐르는 전류, VB는 제2 부하(ZB)에 인가되는 전압 및 IM은 제3 부하(XM)에 흐르는 전류를 각각 나타내고, N은 제1 및 제2 코일(L2)의 권선비를 나타낸다.

따라서, 제2 부하(ZB)에 인가되는 전압인 VB를 검출하면 타겟 전류(IP)의 값을 도출할 수 있다.

이때, 상기 타겟 전류(IP)의 권선 수는 1일 수 있다.

이와 같이 자기장에 의한 유도 전류를 이용하여 타겟 전류(IP)를 센싱함으로 물리적인 운동 없이 타겟 전류(IP)를 용이하게 도출할 수 있다.

도 3에 개시되어 있는 제1 및 제2 부하(ZB)는 고정 기판(110) 위에 패턴 또는 소자 실장의 형태로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 도 4 내지 도 11을 참고하여 본 발명의 멤스 전류 센서의 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 4와 같이, 베이스 기판, 즉 지지기판(400) 위에 절연층(200)이 형성되어 있는 베이스 기판에 캐비티(111)가 형성되는 영역의 절연층(200)을 제거하여 절연층(200) 패턴을 형성한다.

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.

이때, 상기 지지기판(400) 및 절연층(200) 위의 전면에 도 4와 같이 씨드층(210)을 형성한다.

상기 씨드층(210)은 전해도금을 위한 씨드를 형성하는 층으로 증착 등의 공정을 통해 전면에 형성할 수 있다.

상기 씨드층(210)은 전도성 물질로서, 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴 및 이들의 합금으로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 5와 같이 씨드층(210) 위에 제1 포토 레지스트(220)를 형성하고, 패터닝하여 코일부(120)의 바닥변(123)이 형성되는 영역을 노출한다.

다음으로 도 6과 같이 전해 도금을 수행하여 코일부(120)의 바닥변(123)을 형성한다.

상기 코일부(120)는 전도성 물질로서, 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴 및 이들의 합금으로 이루어질 수 잇다.

상기 전해도금은 노출되어 있는 씨드층(210)을 씨드로 전해도금을 수행하여 형성한다.

다음으로, 도 7의 제2 포토 레지스트(240)를 형성한다.

상기 제2 포토 레지스트(240)를 형성하고, 패터닝하여 바닥변(123)의 양 단을 노출하는 비아홀(231)을 각각 형성한다.

상기 비아홀(231)을 매립하도록 전해 도금을 수행하여 도 8과 같이 측변(124)을 각각 형성한다.

다음으로, 상기 제2 포토 레지스트(240) 위에 상기 측변(124)을 덮도록 제3 포토 레지스트(250)를 형성하고, 각 측변(124)이 노출되도록 제3 포토 레지스트(250)를 패터닝한다.

노출되어 있는 측변(124) 중 서로 이웃한 측변(124)을 연결하도록 제3 포토 레지스트(250)가 패터닝되며, 상부에서 관찰할 때, 바닥변(123)에 대하여 기울어져 패터닝될 수 있다.

이러한 제3 포토 레지스트(250)에 의해 노출되는 측변(124)을 서로 연결하도록 전해 도금을 수행하여 도 9와 같이 상변(125)을 형성한다.

이때, 상기 상변(125)을 형성하도록 전해 도금 시, 상기 제3 포토 레지스트(250) 위로 도금층이 형성되도록 과도금을 수행한 후 CMP 등과 같은 공정을 수행하여 평탄화할 수 있다.

다음으로 도 10과 같이 제1 내지 제3 포토 레지스트(220, 240, 250)를 제거하고, 노출되어 있는 씨드층(210)을 제거한다.

마지막으로, 절연층(200)에 의해 노출되어 있는 지지기판(400)을 절연층(200)을 마스크로 식각하여 캐비티(111)를 형성한다.

이때, 식각 공정으로 반응성 이온 식각(RIE)을 진행할 수 있다.

이와 같이 멤스 소자인 전류 센서(100)는 반도체 공정을 통해 코일부(120)를 형성할 수 있다.

이하에서는 도 12를 참고하여 다른 실시예를 설명한다.

도 12는 제2 실시예에 따른 전류 센서의 상면도이다.

도 12를 참고하면, 다른 실시예에 따른 전류 센서(100A)는 도 1과 같이 고정기판(110) 위에 코일부(120)를 포함한다.

상기 고정 기판(110)은 플레이트 형상을 가지며, 사각형의 프레임 형상을 가질 수 있다. 이러한 고정 기판(110)은 정사각형일 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 씨드층(210)으로 형성될 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 있다.

상기 절연층(200) 위에 씨드층(210)이 형성되어 있다.

이러한 씨드층(210) 위에 코일부(120A)가 형성되어 있다.

즉, 상기 코일부(120A)는 상기 씨드층(210)을 씨드로 전해 도금을 수행하여 형성할 수 있으며, 상기 캐비티(111)를 둘러싸며 연속적인 코일을 형성한다.

상기 씨드층(210)은 상기 캐비티(111)를 따라 형성될 수 있으며, 캐비티(111)를 중심으로 상면에서 코일을 형성하며 다단으로 형성될 수 있다.

즉, 도 12와 같이 제1 패드(121)가 캐비티(111)와 근접한 영역에 형성되고, 제1 패드(121)로부터 연장되는 코일부(120A)가 1단에서 2단으로 코일을 형성하며 연장되어 2단의 끝단에 제2 패드(122)가 형성되어 있다.

따라서, 제1 패드(121)와 제2 패드(122)는 상기 코일부(120A)를 중심으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다.

그러나, 도 12와 달리 제1 패드(121)와 제2 패드(122)가 코일부(120A) 바깥쪽에 함께 배치되고, 내부 회로패턴을 이용하여 상기 코일부(120)의 일단과 상기 제1 패드(121)가 연결되는 구조도 가능하다.

상기 코일부(120A)의 단면 구조는 도 2와 동일하다.

이와 같이 코일부(120A)를 다단으로 형성하여 2차측 코일의 권선 수를 증가함으로 센서의 감지능이 향상될 수 있다.

이상에서는 코일부(120A)를 2단으로 형성하는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 2단 이상의 다단도 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.

전류 센서 100
고정 기판 110
타겟 코일 300
코일부 120

Claims

상면 및 하면을 관통하는 캐비티를 포함하는 고정 기판;
상기 고정 기판의 상기 캐비티 내에 삽입되며, 타겟 전류가 흐르는 타겟 코일;
상기 고정 기판 위에 배치되며 상호 일정 간격 이격된 제 1 및 2 패드; 및
상기 고정 기판 위에 상기 타겟 코일의 주위를 둘러싸며 배치되고, 양단이 상기 제 1 및 2 패드와 각각 연결된 코일부를 포함하며,
상기 코일부에는,
상기 타겟 전류에 의한 자기장에 따라 유도된 전류가 흐르며,
상기 코일부는,
상기 고정 기판 위에 배치되는 복수의 바닥변과,
상기 바닥변의 양 단으로부터 상부 방향으로 연장되는 측변과,
상호 이웃하는 측변 사이를 연결하는 상변을 포함하는
전류 센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 상변은,
상기 바닥변에 대하여 일정 경사각을 가지고 배치되는 전류 센서.
제1항에 있어서,
상기 코일부는 적어도 2단으로 형성되는 전류 센서.
제1항에 있어서,
상기 코일부는,
내부에 공극이 형성된 사각형의 수직 단면 형상을 가지는 전류 센서.
삭제
삭제