KR102534682B1 - 멤스 기반의 3축 가속도 센서 - Google Patents

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Abstract

멤스 기반의 3축 가속도 센서가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 기반의 3축 가속도 센서는, 일체로 형성되어 기판에 의해 지지되는 단일의 질량체와 상기 기판에 마련된 전극 간의 정전용량 변화를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 센싱하는 가속도 센서로서, 상기 질량체는, X축과 Y축의 교점인 원점을 기준으로 -X 영역에 위치하는 제1 측판부, +X 영역에 위치하는 제2 측판부, 및 상기 제1 측판부의 +Y 방향 단부와 상기 제2 측판부의 +Y 방향 단부를 연결하는 연결판부를 구비한 제1 판 구조체; 상기 제1 판 구조체의 제1 측판부, 제2 측판부 및 연결판부로 둘러싸인 중심 영역에 위치하는 중심판부, 및 상기 중심판부의 -Y 방향 단부에서 연장되되 상기 중심 영역의 외부로 연장된 연장판부를 구비한 제2 판 구조체; 및 일체로 형성되어 상기 중심 영역에 위치하되 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체의 사이에 위치하여 일 부분이 상기 제1 판 구조체와 일체로 연결되고 타 부분이 상기 제2 판 구조체와 일체로 연결되는 복합 탄성 구조체를 포함한다.

Description

멤스 기반의 3축 가속도 센서{3-axis acceleration sensor based on MEMS}
본 발명은 멤스 기반의 3축 가속도 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 일체로 형성되는 단일의 질량체를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 모두 센싱하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems)는 집적 회로와 미세 기계 구조체를 결합한 시스템을 말한다. 최근, 반도체 제조 기술과 SoC(System on Chip) 기술의 발전에 따라 이러한 멤스를 이용하여 가속도를 센싱하는 멤스 가속도 센서들이 다수 소개되고 있다.
그러나, 한국 등록특허공보 제10-1184549호에 개시된 바와 같이, 기존 기술은 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 가속도를 모두 측정하기 위해 서로 다른 위치에 배치되는 복수의 질량체(도 4, 도 7의 110, 110')를 사용하기 때문에, 가속도 센서의 소형화와 경량화를 어렵게 하고 제조 비용을 증가시키는 문제점이 있다.
또한, 한국 등록특허공보 제10-1697828호에 개시된 바와 같이, 기존 기술은 질량체를 여러 방향으로 움직이게 하는 서로 다른 구조의 스프링들이 각각 독립적으로 구성되어 질량체를 기준으로 비대칭적으로 분산 배치되기 때문에, 가속도 센서의 복잡도를 증가시키고, 가속도 발생 시 가속도 센서의 기계적 구조에 의도되지 않은 토크(torque)나 변형(deformation)이 발생하여 가속도 측정 결과의 정확도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 3축 방향의 가속도를 모두 측정하면서도 소형화와 경량화가 용이하고 제조 비용이 절감되며, 가속도 측정 결과의 정확도와 신뢰도를 개선하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 기반의 3축 가속도 센서는, 일체로 형성되어 기판에 의해 지지되는 단일의 질량체와 상기 기판에 마련된 전극 간의 정전용량 변화를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 센싱하는 가속도 센서로서, 상기 질량체는, X축과 Y축의 교점인 원점을 기준으로 -X 영역에 위치하는 제1 측판부, +X 영역에 위치하는 제2 측판부, 및 상기 제1 측판부의 +Y 방향 단부와 상기 제2 측판부의 +Y 방향 단부를 연결하는 연결판부를 구비한 제1 판 구조체; 상기 제1 판 구조체의 제1 측판부, 제2 측판부 및 연결판부로 둘러싸인 중심 영역에 위치하는 중심판부, 및 상기 중심판부의 -Y 방향 단부에서 연장되되 상기 중심 영역의 외부로 연장된 연장판부를 구비한 제2 판 구조체; 및 일체로 형성되어 상기 중심 영역에 위치하되 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체의 사이에 위치하여 일 부분이 상기 제1 판 구조체와 일체로 연결되고 타 부분이 상기 제2 판 구조체와 일체로 연결되는 복합 탄성 구조체를 포함하고, 상기 복합 탄성 구조체는, X축 방향의 가속도 발생 시 제1 패턴으로 탄성 변형되어 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체를 함께 제1 방향으로 병진 운동시키고, Y축 방향의 가속도 발생 시 제2 패턴으로 탄성 변형되어 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체를 함께 제2 방향으로 병진 운동시키고, Z축 방향의 가속도 발생 시 제3 패턴으로 탄성 변형되어 상기 제1 판 구조체만을 상기 X축을 중심으로 회전 운동시키도록 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 복합 탄성 구조체는, 상기 기판에 고정되는 고정부; Y축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조를 가지며 상기 고정부와 일체로 연결되는 제1 탄성체부; X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조를 가지며 상기 제1 탄성체부와 일체로 연결되는 제2 탄성체부; 일 부분이 상기 제2 탄성체부와 일체로 연결되고 타 부분이 상기 제2 판 구조체와 일체로 연결되어 상기 제2 판 구조체를 지지하는 연결 빔부; 및 상기 X축을 따라 연장되어 일 단이 상기 연결 빔부와 일체로 연결되고 타 단이 상기 제1 판 구조체의 제1 측판부 또는 제2 측판부와 일체로 연결되어 상기 제1 판 구조체를 지지하며, 상기 X축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 비틀림되는 탄성 변형이 가능한 토션 빔부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 탄성체부는, 상기 Y축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 Y축 방향을 따라 지그재그(zigzag) 또는 미앤더(meander) 형태로 연장되는 빔 구조를 포함하고, 상기 제2 탄성체부는, 상기 X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 링(ring) 형태의 빔 구조를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연결 빔부는, 일정 폭을 가지며 상기 Y축과 평행하게 연장되어 상기 토션 빔부의 상기 일 단과 일체로 연결되는 제1 연결 빔부; 일정 폭을 가지며 상기 제1 연결 빔부에서 연장되어 상기 제2 판 구조체와 일체로 연결되는 제2 연결 빔부; 및 일정 폭을 가지며 상기 제1 연결 빔부 또는 상기 제2 연결 빔부에서 연장되어 상기 제2 탄성체부와 일체로 연결되는 제3 연결 빔부를 포함하고, 상기 토션 빔부와 연결되는 상기 제1 연결 빔부는, 상기 제2 연결 빔부 및 상기 제3 연결 빔부보다 넓은 폭으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 판 구조체의 중심판부와 상기 복합 탄성 구조체는, 각각 X축 대칭 구조로 구성되고, 상기 제1 판 구조체의 연결판부는, 상기 원점을 기준으로 상기 제1 판 구조체의 무게 중심을 +Y 영역에 위치시키되 상기 질량체 전체의 무게 중심을 상기 X축 상에 위치시키는 질량을 가지도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 판 구조체의 중심판부는, X축 대칭이면서 Y축 대칭인 구조로 구성되고, 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체의 연장판부는, 각각 Y축 대칭 구조로 구성되고, 상기 복합 탄성 구조체는, 상기 제1 판 구조체의 제1 측판부와 상기 제2 판 구조체의 중심판부 사이에 위치하는 제1 복합 탄성 구조체; 및 상기 제1 판 구조체의 제2 측판부와 상기 제2 판 구조체의 중심판부 사이에 위치하되 상기 Y축을 기준으로 상기 제1 복합 탄성 구조체와 대칭되는 구조를 가진 제2 복합 탄성 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일체로 형성된 단일의 질량체만을 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 모두 측정할 수 있는 멤스 구조가 마련됨으로써, 3축 가속도 센서의 소형화와 경량화를 용이하게 하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, XY 평면에 위치하는 상기 질량체가 상호 일체로 연결된 제1 판 구조체, 제2 판 구조체 및 복합 탄성 구조체를 포함하고, 상기 복합 탄성 구조체가 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도에 각각 대응하여 탄성 변형되되 가속도 방향에 따라 각기 다른 패턴으로 탄성 변형되어, 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체를 함께 XY 평면상에서 병진 운동시키거나 상기 제2 판 구조체만을 X축을 중심으로 회전 운동시키도록 구성됨으로써, 상기 질량체의 공간 활용도를 높이고 3축 가속도 센서의 복잡도를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 질량체의 제1 판 구조체, 제2 판 구조체 및 복합 탄성 구조체가 서로 다른 형태로 구성되되, 상기 질량체의 중심에 위치한 원점을 기준으로 상기 질량체의 +Y 영역 부분과 -Y 영역 부분이 상호 동일한 질량을 가지고, 상기 원점을 기준으로 상기 질량체의 +X 영역 부분과 -X 영역 부분이 상호 동일한 질량을 가지도록 구성됨으로써, X축 방향 또는 Y축 방향의 가속도 발생 시 상기 질량체에 의도되지 않은 토크나 변형이 발생하는 현상을 방지하고, 가속도 측정 결과의 정확도와 신뢰도를 개선할 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 기반의 3축 가속도 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3축 가속도 센서의 A-A′라인에 따른 수직 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 질량체의 복합 탄성 구조체를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 복합 탄성 구조체의 X축 방향 가속도에 따른 탄성 변형 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 복합 탄성 구조체의 Y축 방향 가속도에 따른 탄성 변형 패턴을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합 탄성 구조체를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 3축 가속도 센서의 B-B′라인에 따른 수직 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 질량체의 Z축 방향 가속도에 따른 탄성 변형 패턴을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 기반의 3축 가속도 센서(10)가 평면도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 기반의 3축 가속도 센서(10)는, 일체로 형성되어 기판(100)에 의해 지지되는 단일의 질량체(200)와, 상기 기판(100)에 마련된 전극들(102, 104) 간의 정전용량 변화를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 모두 센싱하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 질량체(200)는 XY 평면상에 위치하며 상호 일체로 연결된 제1 판 구조체(210), 제2 판 구조체(220) 및 복합 탄성 구조체(230)를 포함할 수 있다.
상기 제1 판 구조체(210)는, 일정 두께를 가지며 일 측 테두리가 중심부를 향해 오목하게 들어간 판 형태로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 판 구조체(210)는 X축과 Y축의 교점인 원점(O)을 기준으로 -X 영역에 위치하는 제1 측판부(212)와, +X 영역에 위치하는 제2 측판부(214)와, 제1 측판부(212)의 +Y 방향 단부와 제2 측판부(214)의 +Y 방향 단부를 연결하는 연결판부(216)를 구비할 수 있다.
상기 제2 판 구조체(220)는, 일정 두께를 가지며 전체적으로 제1 판 구조체(210)의 제1 측판부(212), 제2 측판부(214) 및 연결판부(216)로 둘러싸인 중심 영역에 형합하는 판 형태로 구성될 수 있다. 예컨대, 제2 판 구조체(220)는 제1 판 구조체(210)의 제1 측판부(212), 제2 측판부(214) 및 연결판부(216)로 둘러싸인 중심 영역에 위치하는 중심판부(222)와, 중심판부(222)의 -Y 방향 단부에서 연장되되 상기 중심 영역의 외부로 연장된 연장판부(224)를 구비할 수 있다.
상기 복합 탄성 구조체(230)는, 일체로 형성되어 상기 중심 영역에 위치하되 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)의 사이에 위치하여, 일 부분이 제1 판 구조체(210)와 일체로 연결되고, 타 부분이 제2 판 구조체(220)와 일체로 연결될 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 복합 탄성 구조체(230)는 X축 방향의 가속도 발생 시 제1 패턴으로 탄성 변형되어 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)를 함께 제1 방향으로 병진 운동시키고, Y축 방향의 가속도 발생 시 제2 패턴으로 탄성 변형되어 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)를 함께 제2 방향으로 병진 운동시키고, Z축 방향의 가속도 발생 시 제3 패턴으로 탄성 변형되어 제2 판 구조체(220)만을 상기 X축을 중심으로 회전 운동시키도록 구성될 수 있다.
이러한 복합 탄성 구조체(230)는 한 쌍으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 복합 탄성 구조체(230)는 상기 원점(O)을 지나는 Y축을 기준으로 상호 대칭되는 구조를 가진 제1 복합 탄성 구조체와 제2 복합 탄성 구조체를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 복합 탄성 구조체는 제1 판 구조체(210)의 제1 측판부(212)와 제2 판 구조체(220)의 중심판부 사이에 위치하고, 상기 제2 복합 탄성 구조체는 상기 제1 판 구조체(210)의 제2 측판부(214)와 상기 제2 판 구조체(220)의 중심판부 사이에 위치할 수 있다.
이와 같이, 상기 질량체(200)는 서로 다른 형태를 가진 제1 판 구조체(210), 제2 판 구조체(220) 및 복합 탄성 구조체(230)가 일체로 연결되어 구성되는 것이나, 질량체(200)의 무게 중심을 지나는 X축과 Y축에 대해 해당 질량체(200)의 질량이 대칭적으로 분포하도록 구성됨으로써, X축 방향의 가속도와 Y축 방향의 가속도 발생 시 의도되지 않은 토크(torque)나 변형(deformation)의 발생을 방지할 수 있다.
이를 위해, 제2 판 구조체(220)의 중심판부(222)와, 복합 탄성 구조체(230)는 각각 상기 원점(O)을 지나는 X축에 대하여 X축 대칭 구조로 구성될 수 있다. 또한, 제1 판 구조체(210)의 연결판부(214)는 상기 원점(O)을 기준으로 제1 판 구조체(220) 자체의 무게 중심을 -Y 영역에 위치시키되, 상기 제1 판 구조체(210)와 함께 제2 판 구조체(220)와 복합 탄성 구조체(230)를 더 포함하는 질량체(200) 전체의 무게 중심을 상기 X축 상에 위치시키는 질량을 가지도록 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 판 구조체(210)와 상기 제2 판 구조체(220)는, 상호 동일한 두께의 판 구조체로 구성되되, 상기 원점(O)을 기준으로 +Y 영역에 위치한 제1 판 구조체 부분의 면적과 +Y 영역에 위치한 제2 판 구조체 부분의 면적을 합한 값이, -Y 영역에 위치한 제1 판 구조체 부분의 면적과 -Y 영역에 위치한 제2 판 구조체 부분의 면적을 합한 값과 동일하게 구성될 수 있다. 즉, 상기 제1 판 구조체(210)의 전체 면적 중 제1 측판부(212)의 +Y 영역 면적, 제2 측판부(214)의 +Y 영역 면적 및 연결판부(216)의 면적과 상기 제2 판 구조체(220)의 전체 면적 중 중심판부(222)의 +Y 영역 면적을 합한 값이, 상기 제1 판 구조체(210)의 전체 면적 중 제1 측판부(212)의 -Y 영역 면적 및 제2 측판부(214)의 -Y 영역 면적과 상기 제2 판 구조체(220)의 전체 면적 중 중심판부(222)의 -Y 영역 면적 및 연장판부(224)의 면적을 합한 값과 동일하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 질량체(200)는 XY 평면상에서 전체적으로 사각형 또는 원형의 아웃라인(outline)을 가지도록 구성될 수 있다. 이 경우, 질량체(200)의 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)는, 상기 원점(O)에서 제1 판 구조체(210)의 +Y 방향 테두리까지의 최단 거리와, 상기 원점(O)에서 제2 판 구조체(220)의 -Y 방향 테두리까지의 최단 거리가 동일하게 구성될 수 있다. 그 결과, X축 방향의 가속도로 인해 상기 질량체(200)에 발생하는 토크를 최소화할 수 있다.
나아가, 상기 제2 판 구조체(220)의 중심판부(222)는 상기 원점(O)을 지나는 X축과 Y축에 대하여 각각 X축 대칭이면서 Y축 대칭인 구조로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 판 구조체(210)와 상기 제2 판 구조체(220)의 연장판부(224)는 각각 상기 Y축에 대하여 Y축 대칭 구조로 구성될 수 있다. 그 결과, 상기 질량체(200)의 무게 중심이 상기 원점(O) 상에 위치하게 되고, 해당 무게 중심을 지나는 X축과 Y축에 대해 상기 질량체(200)의 질량이 대칭적으로 분포하게 된다.
이와 같이, 상기 질량체(200)의 제1 판 구조체(210), 제2 판 구조체(220) 및 복합 탄성 구조체(230)는 서로 다른 형태로 구성되되, 상기 질량체(200)의 중심에 위치한 원점(O)을 기준으로 상기 질량체(200)의 +Y 영역 부분과 -Y 영역 부분이 상호 동일한 질량을 가지고, 상기 원점(O)을 기준으로 상기 질량체(200)의 +X 영역 부분과 -X 영역 부분이 상호 동일한 질량과 대칭적 구조를 가지도록 구성됨으로써, X축 방향은 물론, Y축 방향의 가속도 발생 시 상기 질량체(200)에 의도되지 않은 토크나 변형이 발생하는 현상을 방지하고, 가속도 측정 결과의 정확도와 신뢰도를 개선할 수 있다.
한편, 기판(100)에 마련된 전극들(102, 104)이 그 내부 공간에 위치하게 되는 복수의 전극 홀(202, 204)이 상기 질량체(200)의 제2 판 구조체(220)에 형성될 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 3축 가속도 센서(10)의 A-A′라인에 따른 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3축 가속도 센서(10)의 기판(100)에는 X축 방향의 가속도 발생 시 정전용량 변화를 감지하기 위한 제1 전극(102)과, Y축 방향의 가속도 발생 시 정전용량 변화를 감지하기 위한 제2 전극(104)이 마련될 수 있다. 상기 기판(100)은 실리콘, 유리 또는 수정 등과 같은 소재로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전극들(102, 104)은 도핑된 폴리실리콘 또는 금속 등과 같은 도전성 소재로 구성될 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 기판(100)에는 Z축 방향의 가속도 발생 시 정전용량 변화를 감지하기 위한 제3 전극이 더 마련될 수 있다.
상기 질량체(200)는 상기 기판(100)에 의해 지지되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 질량체(200)의 복합 탄성 구조체(230) 중 일 부분이 상기 기판(100)에 고정될 수 있다. 이 경우, 상기 기판(100)에 고정되는 복합 탄성 구조체(230)의 부분과 상기 기판(100)의 사이에는 산화막, 질화막 또는 고분자 수지막 등과 같은 절연 물질로 구성된 절연층(110)이 개재될 수 있다. 상기 질량체(200)의 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)는, 상기 복합 탄성 구조체(230)에 일체로 연결되어 지지될 수 있다. 이러한 질량체(200)는 도핑된 폴리실리콘 또는 금속 등과 같은 도전성 소재로 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 질량체(200)의 제2 판 구조체(220)에는 제1 전극 홀(202)과 제2 전극 홀(204)이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극 홀(202)의 내부 공간에는 상기 제1 전극(102)이 위치하고, 제2 전극 홀(204)의 내부 공간에는 상기 제2 전극(104)이 위치할 수 있다.
상기 질량체(200)의 전극 홀 내부에 위치한 전극과 상기 질량체(200) 간의 정전용량(C)은 아래 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021010186957-pat00001
여기서, d는 상호 대향하는 전극 홀의 내부면과 전극 면 사이의 거리이고, A는 전극 면의 넓이이고, εr은 두 면 사이의 상대 유전율이고, εo는 진공의 유전율이다.
또한, 특정 방향의 가속도가 발생하여 전극 홀의 내부면과 전극 면 사이의 거리가 d에서 d+δ변경되면, 변경된 전극용량(C´)는 아래 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021010186957-pat00002
여기서, d+δ는 상호 대향하는 전극 홀의 내부면과 전극 면 사이의 거리이고, A는 전극 면의 넓이이고, εr은 두 면 사이의 상대 유전율이고, εo는 진공의 유전율이다.
이와 같이, X축 방향 또는 Y축 방향의 가속도 발생 시 질량체(200)에 작용하는 관성력에 의해 질량체(200)의 복합 탄성 구조체(230)에 탄성 변형이 발생하면, 상호 대향하는 전극 홀의 내부면과 전극 면 사이의 거리가 변경되어 두 면 사이의 정전용량이 변화되고, 이러한 정전용량의 변화를 이용하여 해당 가속도를 센싱할 수 있게 된다.
이러한 3축 가속도 센서(10)는 실리콘 기판에 증착 공정, 포토 공정, 에칭 공정 등을 수행하여 구현될 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 질량체(200)의 복합 탄성 구조체(230)가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 질량체(200)의 복합 탄성 구조체(230)는 X축 방향의 가속도 발생 시 제1 패턴으로 탄성 변형되어 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)를 함께 제1 방향으로 병진 운동시키고, Y축 방향의 가속도 발생 시 제2 패턴으로 탄성 변형되어 제1 판 구조체(210)와 제2 판 구조체(220)를 함께 제2 방향으로 병진 운동시키고, Z축 방향의 가속도 발생 시 제3 패턴으로 탄성 변형되어 제1 판 구조체(210)만을 상기 원점(O)을 지나는 X축을 중심으로 회전 운동시키도록 구성된다.
이를 위해, 상기 복합 탄성 구조체(230)는 고정부(232), 제1 탄성체부(234), 제2 탄성체부(236), 연결 빔부(238) 및 토션 빔부(239)를 포함할 수 있다.
상기 고정부(232)는 기판(100)에 고정되어 지지되도록 구성된다. 앞서 언급한 바와 같이, 고정부(232)와 기판(100) 사이에는 절연층(110)이 개재될 수 있다. 이러한 고정부(232)는 상기 원점(O)을 지나는 X축에 대하여 X축 대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 탄성체부(234)는 Y축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조를 가지며 상기 고정부(232)와 일체로 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 제1 탄성체부(234)는 Y축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 ‘ㄷ’자, ‘ㄹ’자 또는 ‘Z’자 형태와 같이 Y축 방향을 따라 지그재그(zigzag) 또는 미앤더(meander) 형태로 연장되는 빔 구조를 포함할 수 있다. 여기서, ‘Y축 방향’은 상기 원점(O)을 지나는 Y축의 연장 방향과 평행한 방향을 의미한다. 일 실시예에 있어서, 제1 탄성체부(234)는 상기 고정부(232)의 +Y 방향 단부에서 +Y 방향으로 연장된 +Y측 탄성체부와, 상기 고정부(232)의 -Y 방향 단부에서 -Y 방향으로 연장되되 상기 +Y측 탄성체부와 X축 대칭 구조를 가지며 연장된 -Y측 탄성체부를 포함할 수 있다.
상기 제2 탄성체부(236)는 X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조를 가지며 상기 제1 탄성체부(234)와 일체로 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 제2 탄성체부(236)는 X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 링(ring) 형태의 빔 구조를 포함할 수 있다. 여기서, ‘X축 방향’은 상기 원점(O)을 지나는 X축의 연장 방향과 평행한 방향을 의미한다.
상기 연결 빔부(238)는 일 부분이 상기 제2 탄성체부(236)와 일체로 연결되고, 타 부분이 상기 제2 판 구조체(220)와 일체로 연결되어 상기 제2 판 구조체(220)를 지지하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 연결 빔부(238)는 제1 연결 빔부(238a), 제2 연결 빔부(238b) 및 제3 연결 빔부(238c)를 포함할 수 있다. 상기 제1 연결 빔부(238a)는 일정 폭을 가지며 상기 원점(O)을 지나는 Y축과 평행하게 연장되어 상기 토션 빔부(239)의 일 단과 일체로 연결되도록 구성된다. 상기 제2 연결 빔부(238b)는 일정 폭을 가지며 제1 연결 빔부(238a)에서 연장되어 상기 제2 판 구조체(220)와 일체로 연결되도록 구성된다. 상기 제3 연결 빔부(238c)는 일정 폭을 가지며 제1 연결 빔부(238a) 또는 제2 연결 빔부(238b)에서 연장되어 상기 제2 탄성체부(236)와 일체로 연결되도록 구성된다.
상기 토션 빔부(239)는 상기 원점(O)을 지나는 X축을 따라 연장되어 일 단이 상기 연결 빔부(238)의 제1 연결 빔부(238a)와 일체로 연결되고, 타 단이 상기 제1 판 구조체(210)의 제1 측판부(212) 또는 제2 측판부(214)와 일체로 연결되어 상기 제1 판 구조체(210)를 지지하며, 상기 X축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 비틀림되는 탄성 변형이 가능하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 토션 빔부(239)와 연결되는 상기 연결 빔부(238)의 제1 연결 빔부(238a)는 제2 연결 빔부(238b)나 제3 연결 빔부(238c)보다 넓은 폭으로 구성될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 복합 탄성 구조체(230)의 전체 크기를 최대한 줄이기 위해서는 상기 복합 탄성 구조체(230)의 내구성이 보장되는 범위에서 상기 연결 빔부(238)의 폭을 최소화할 필요가 있다. 상기 연결 빔부(238)는 높은 내구성을 요하는 탄성 변형 구조를 구성하는 부분이 아니라 단순한 지지 구조를 구성하는 부분이기 때문이다.
그러나 유의할 점은, 상기 연결 빔부(238)의 제1 내지 제3 연결 빔부들 중에서 토션 빔부(239)와 연결되는 제1 연결 빔부(238a)는, 토션 빔부(239)를 통해 제2 판 구조체(220)를 지지하면서도 토션 빔부(239)의 비틀림 변형에 의한 스트레스가 제2 연결 빔부(238b)나 제3 연결 빔부(238c)보다 상대적으로 크게 작용하는 부분이라는 것이다. 따라서, 상기 연결 빔부(238) 중 제1 연결 빔부(238a)가 제2 연결 빔부(238b)나 제3 연결 빔부(238c)보다 넓은 폭으로 구성됨으로써, 복합 탄성 구조체(230)의 크기를 최소화하면서도 그 내구성을 개선할 수 있다.
도 4에는 도 3에 도시된 복합 탄성 구조체(230)의 X축 방향 가속도에 따른 탄성 변형 패턴이 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, X축 방향의 가속도가 발생하면, 상기 복합 탄성 구조체(230) 중 제2 탄성체부(236)가 주로 복합 탄성 구조체(230)의 탄성 변형에 관여하게 된다.
즉, -X 방향의 가속도가 발생하면, 도 4의 (a)와 같이 가속도 방향의 반대 방향인 +X 방향의 관성력이 질량체(200)에 작용하여 제2 탄성체부(236)의 링형 빔 구조가 +X 방향으로 신장된다.
반면, +X 방향의 가속도가 발생하면, 도 4의 (b)와 같이 가속도 방향의 반대 방향인 -X 방향의 관성력이 질량체(200)에 작용하여 제2 탄성체부(236)의 링형 빔 구조가 -X 방향으로 수축된다.
도 5에는 도 3에 도시된 복합 탄성 구조체(230)의 Y축 방향 가속도에 따른 탄성 변형 패턴이 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, Y축 방향의 가속도가 발생하면, 상기 복합 탄성 구조체(230) 중 제1 탄성체부(234)가 주로 복합 탄성 구조체(230)의 탄성 변형에 관여하게 된다.
즉, -Y 방향의 가속도가 발생하면, 도 5의 (a)와 같이 가속도 방향의 반대 방향인 +Y 방향의 관성력이 질량체(200)에 작용하여, 제1 탄성체부(234)의 지그재그형 또는 미앤더형 빔 구조가 +Y 방향으로 신장되거나 수축된다. 예컨대, 제1 탄성체부(234) 중 고정부(232)의 +Y 방향 단부에 연결된 +Y측 탄성체부는 +Y 방향으로 신장되고, 고정부(232)의 -Y 방향 단부에 연결된 -Y측 탄성체부는 +Y 방향으로 수축된다.
반면, +Y 방향의 가속도가 발생하면, 도 5의 (b)와 같이 가속도 방향의 반대 방향인 -Y 방향의 관성력이 질량체(200)에 작용하여, 제1 탄성체부(234)의 지그재그형 또는 미앤더형 빔 구조가 -Y 방향으로 신장되거나 수축된다. 예컨대, 제1 탄성체부(234) 중 고정부(232)의 +Y 방향 단부에 연결된 +Y측 탄성체부는 -Y 방향으로 수축되고, 고정부(232)의 -Y 방향 단부에 연결된 -Y측 탄성체부는 -Y 방향으로 신장된다.
도 6에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합 탄성 구조체(230´)가 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합 탄성 구조체(230´)는 고정부(232), 제1 탄성체부(234), 제2 탄성체부(236a, 236b), 연결 빔부(238) 및 토션 빔부(239)를 포함할 수 있다.
상기 복합 탄성 구조체(230´)의 고정부(232), 제1 탄성체부(234), 연결 빔부(238) 및 토션 빔부(239)는 도 3에 도시된 복합 탄성 구조체(230)의 대응 구성들과 동일하게 구성될 수 있다.
유의할 점은, 상기 복합 탄성 구조체(230´)의 제2 탄성체부(236a, 236b)는 X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 각각 링(ring) 형태로 구성되어 상호 직렬로 연결되는 복수의 링형 빔 구조를 포함한다는 것이다. 이 경우, 질량체(200)의 X축 방향 이동 범위가 증가되어 X축 방향 가속도에 대한 3축 가속도 센서(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 7에는 도 1에 도시된 3축 가속도 센서(10)의 B-B′라인에 따른 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 3축 가속도 센서(10)의 기판(100)에는 Z축 방향의 가속도 발생 시 정전용량 변화를 감지하기 위한 제3 전극(106)이 마련될 수 있다. 상기 제3 전극(106)은 도핑된 폴리실리콘 또는 금속 등과 같은 도전성 소재로 구성될 수 있다. 이러한 제3 전극(106)은 제1 판 구조체(210)의 +Y 방향 단부 아래와 -Y 방향 단부 아래에 각각 마련될 수 있다.
상기 제1 판 구조체(210)는 복합 탄성 구조체(230)의 토션 빔부(239)를 기준으로 좌우 비대칭적인 구조와 질량을 가지며 해당 토션 빔부(239)에 연결되어 지지된다. 따라서, 제1 판 구조체(210)는 Z축 방향의 가속도 발생 시 관성력에 의한 토크가 발생하여 토션 빔부(239)를 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회동하게 된다.
도 8에는 도 7에 도시된 질량체(200)의 Z축 방향 가속도에 따른 탄성 변형 패턴이 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, Z축 방향의 가속도가 발생하면, 질량체(200)의 복합 탄성 구조체(230) 중 토션 빔부(239)가 질량체(200)의 탄성 변형에 관여하게 된다.
즉, +Z 방향의 가속도가 발생하면, 도 8의 (a)와 같이 가속도 방향의 반대 방향인 -Z 방향의 관성력이 제1 판 구조체(210)에 작용하게 된다. 이때, 제1 판 구조체(210)의 +Y 방향 단부와 -Y 방향 단부 중 연결판부(216)가 위치하여 상대적으로 더 큰 질량을 가진 +Y 방향 단부에 더 큰 관성력이 작용하게 되고, 제1 판 구조체(210)에 시계 방향의 토크가 발생하게 된다. 그 결과, 제1 판 구조체(210)는 복합 탄성 구조체(230)의 토션 빔부(239)을 중심으로 우측으로 기울어지게 된다.
반면, -Z 방향의 가속도가 발생하면, 도 8의 (b)와 같이 가속도 방향의 반대 방향인 +Z 방향의 관성력이 제1 판 구조체(210)에 작용하게 된다. 이때, 제1 판 구조체(210)의 +Y 방향 단부와 -Y 방향 단부 중 연결판부(216)가 위치하여 상대적으로 더 큰 질량을 가진 +Y 방향 단부에 더 큰 관성력이 작용하게 되고, 제1 판 구조체(210)에 반시계 방향의 토크가 발생하게 된다. 그 결과, 제1 판 구조체(210)는 복합 탄성 구조체(230)의 토션 빔부(239)을 중심으로 좌측으로 기울어지게 된다.
이와 같이, Z축 방향의 가속도 발생 시 질량체(200)에 작용하는 관성력에 의해 질량체(200)의 제1 판 구조체(210)가 기울어지면, 상호 대향하는 제3 전극(106)의 상면과 제2 판 구조체(220)의 저면 사이의 거리가 변경되어 두 면 사이의 정전용량이 변화되고, 이러한 정전용량의 변화를 이용하여 해당 가속도를 센싱할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 일체로 형성된 단일의 질량체만을 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 모두 측정할 수 있는 멤스 구조가 마련됨으로써, 3축 가속도 센서의 소형화와 경량화를 용이하게 하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, XY 평면에 위치하는 상기 질량체가 상호 일체로 연결된 제1 판 구조체, 제2 판 구조체 및 복합 탄성 구조체를 포함하고, 상기 복합 탄성 구조체가 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도에 각각 대응하여 탄성 변형되되 가속도 방향에 따라 각기 다른 패턴으로 탄성 변형되어, 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체를 함께 XY 평면상에서 병진 운동시키거나 상기 제2 판 구조체만을 X축을 중심으로 회전 운동시키도록 구성됨으로써, 상기 질량체의 공간 활용도를 높이고 3축 가속도 센서의 복잡도를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 질량체의 제1 판 구조체, 제2 판 구조체 및 복합 탄성 구조체가 서로 다른 형태로 구성되되, 상기 질량체의 중심에 위치한 원점을 기준으로 상기 질량체의 +Y 영역 부분과 -Y 영역 부분이 상호 동일한 질량을 가지고, 상기 원점을 기준으로 상기 질량체의 +X 영역 부분과 -X 영역 부분이 상호 동일한 질량을 가지도록 구성됨으로써, X축 방향 또는 Y축 방향의 가속도 발생 시 상기 질량체에 의도되지 않은 토크나 변형이 발생하는 현상을 방지하고, 가속도 측정 결과의 정확도와 신뢰도를 개선할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기판 200 : 질량체
210 : 제1 판 구조체 212 : 제1 측판부
214 : 제2 측판부 216 : 연결판부
220 : 제2 판 구조체 222 : 중심판부
224 : 연장판부 230 : 복합 탄성 구조체
232 : 고정부 234 : 제1 탄성체부
236 : 제2 탄성체부 238 : 연결 빔부
239 : 토션 빔부

Claims (5)

  1. 일체로 형성되어 기판에 의해 지지되는 단일의 질량체와 상기 기판에 마련된 전극 간의 정전용량 변화를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 방향의 가속도를 센싱하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서에 있어서,
    상기 질량체는,
    X축과 Y축의 교점인 원점을 기준으로 -X 영역에 위치하는 제1 측판부, +X 영역에 위치하는 제2 측판부, 및 상기 제1 측판부의 +Y 방향 단부와 상기 제2 측판부의 +Y 방향 단부를 연결하는 연결판부를 구비한 제1 판 구조체;
    상기 제1 판 구조체의 제1 측판부, 제2 측판부 및 연결판부로 둘러싸인 중심 영역에 위치하는 중심판부, 및 상기 중심판부의 -Y 방향 단부에서 연장되되 상기 중심 영역의 외부로 연장된 연장판부를 구비한 제2 판 구조체; 및
    일체로 형성되어 상기 중심 영역에 위치하되 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체의 사이에 위치하여 일 부분이 상기 제1 판 구조체와 일체로 연결되고 타 부분이 상기 제2 판 구조체와 일체로 연결되는 복합 탄성 구조체를 포함하고,
    상기 복합 탄성 구조체는, X축 방향의 가속도 발생 시 제1 패턴으로 탄성 변형되어 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체를 함께 제1 방향으로 병진 운동시키고, Y축 방향의 가속도 발생 시 제2 패턴으로 탄성 변형되어 상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체를 함께 제2 방향으로 병진 운동시키고, Z축 방향의 가속도 발생 시 제3 패턴으로 탄성 변형되어 상기 제1 판 구조체만을 상기 X축을 중심으로 회전 운동시키고,
    상기 복합 탄성 구조체는,
    상기 기판에 고정되는 고정부;
    Y축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조를 가지며 상기 고정부와 일체로 연결되는 제1 탄성체부;
    X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조를 가지며 상기 제1 탄성체부와 일체로 연결되는 제2 탄성체부;
    일 부분이 상기 제2 탄성체부와 일체로 연결되고 타 부분이 상기 제2 판 구조체와 일체로 연결되어 상기 제2 판 구조체를 지지하는 연결 빔부; 및
    상기 X축을 따라 연장되어 일 단이 상기 연결 빔부와 일체로 연결되고 타 단이 상기 제1 판 구조체의 제1 측판부 또는 제2 측판부와 일체로 연결되어 상기 제1 판 구조체를 지지하며, 상기 X축을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 비틀림되는 탄성 변형이 가능한 토션 빔부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성체부는, 상기 Y축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 Y축 방향을 따라 지그재그(zigzag) 또는 미앤더(meander) 형태로 연장되는 빔 구조를 포함하고,
    상기 제2 탄성체부는, 상기 X축 방향으로 신축되는 탄성 변형 구조로서 링(ring) 형태의 빔 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 판 구조체의 중심판부와 상기 복합 탄성 구조체는, 각각 X축 대칭 구조로 구성되고,
    상기 제1 판 구조체의 연결판부는, 상기 원점을 기준으로 상기 제1 판 구조체의 무게 중심을 +Y 영역에 위치시키되 상기 질량체 전체의 무게 중심을 상기 X축 상에 위치시키는 질량을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 판 구조체의 중심판부는, X축 대칭이면서 Y축 대칭인 구조로 구성되고,
    상기 제1 판 구조체와 상기 제2 판 구조체의 연장판부는, 각각 Y축 대칭 구조로 구성되고,
    상기 복합 탄성 구조체는, 상기 제1 판 구조체의 제1 측판부와 상기 제2 판 구조체의 중심판부 사이에 위치하는 제1 복합 탄성 구조체; 및 상기 제1 판 구조체의 제2 측판부와 상기 제2 판 구조체의 중심판부 사이에 위치하되 상기 Y축을 기준으로 상기 제1 복합 탄성 구조체와 대칭되는 구조를 가진 제2 복합 탄성 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 기반의 3축 가속도 센서.
KR1020210010705A 2021-01-26 2021-01-26 멤스 기반의 3축 가속도 센서 KR102534682B1 (ko)

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