KR20050121223A - 차동식 전기 용량 픽 오프를 갖는 굽힘 빔 가속도계 - Google Patents

차동식 전기 용량 픽 오프를 갖는 굽힘 빔 가속도계 Download PDF

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Abstract

염가의 흔들림 식, 전기 용량 감지형 미세 전자-기계식 시스템(MEMS) 가속도계가 제공된다. 상기 가속도 계는 흔들림 식 질량 체, 하나 또는 그 이상의 고정 패드, 및 상기 흔들림식 질량 체와 상기 하나 또는 그 이상의 고정 패드들에 결합된 하나 또는 그 이상의 굴절 체들을 포함한다. 상기 굴절 체들은 상기 흔들림식 질량 체의 동작에 관련하여 선형적으로 굽어진다. 제1 및 제2 캐패시터 판들이 상기 흔들림식 질량 체에 관련하여 위치되어 전기 용량에서의 감지된 차이에 따른 질량 체의 동작을 감지하게 된다. 하나 또는 그 이상의 변형 고립 빔들이 상기 하나 또는 그 이상의 굴절 체들과 흔들림식 질량 체 또는 고정 패드들 사이에 연결된다. 상기 변형 고립 빔들은 기계적인 변형으로부터 상기 굴절 체들을 보호한다.

Description

차동식 전기 용량 픽 오프를 갖는 굽힘 빔 가속도계{BENDING BEAM ACCELEROMETER WITH DIFFERENTIAL CAPACITIVE PICKOFF}
미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계는 전형적으로 흔들림식 질량 체, 현가 시스템(굴절 체(flexures)) 및 가속도 영향하에서 질량 체의 상대 운동을 측정하기 위한 방법(F=MA) 등으로 구성된다. 항법 목적에 필요한 성능을 유지하면서 고 충격 환경하에서 견디는 것은 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계 상에 큰 장애를 부과한다. 매우 작은 크기의 MEMS 가속도 계들이 고 충격 환경하에서 견디기 위하여 요구된다. MEMS 가속도 계들을 위한 굴절 시스템은 독특한 감지 축에 대한 운동을 제한하도록 설계되어야만 한다. 상기 굴절 체 현가(suspension)는 고 충격 환경 내에서 동작을 수행하기 위한 충분한 강도를 갖추면서 환경적인 응력과 변형으로부터의 영향을 최소화하여야만 한다. 역사적으로, 변형 고립이 이와 같은 방식의 장치에서 요구되어 센서를 장착 변형들로부터 고립시킨다. 영향을 받게 되는 변형들은 전형적으로 상기 장치 재료와 상기 장착 재료 사이의 열 팽창 계수(TCE)의 차이에 기인한다.
단일 축의 흔들림식 전기 용량 검지식 MEMS 가속도계들은 낮은 비용으로 고 충격의 환경에 매우 적합한 것들이다. 그것들의 전체적인 작은 크기는 소형의 크기를 요구하는 고 충격 패키지에 이상적인 것이다. 도 1은 비틀림 굴절을 도시하며, 이는 이러한 가속도 계들 중의 하나에 대해 흔들리는 질량을 지지하도록 사용된다. 따라서, 원치 않는 비틀림이 일어난다. 그리고, 이러한 비틀림 굴절은 흔들리는 질량의 무게로부터 처지게 되고, 그에 따라서 오류(error) 원인을 제공하게 된다.
따라서, 개선된 흔들림식 지지구조를 갖추고, 기계적인 변형으로부터 보다 큰 고립을 갖는 흔들림식 MEMS 가속도계에 대한 충족되지 못한 요구가 당 업계에 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 그리고 변형 실시 예들에 대하여, 이하에서 도면을 참조로 하여, 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 흔들림식 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계에 사용되는 종래 기술의 비틀림 굴곡 체를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라서 형성된 흔들림식 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 가속도 계의 X-선 투시도이다.
본 발명은 고 충격 환경에 사용되는 염가의 흔들림식 전기 용량 감지식 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계를 제공하는 것이다. 본 발명은 비-선형적인 굴절 영향을 감소시켜, 보다 정확한 가속도 감지가 가능하도록 한다.
본 발명의 가속도 계는 흔들림식 질량 체, 하나 또는 그 이상의 고정용 패드 및 상기 흔들림식 질량 체와 상기 하나 또는 그 이상의 고정 패드들에 결합되는 하나 또는 그 이상의 굴절 체를 포함한다. 이러한 굴절 체는 상기 흔들림식 질량 체의 동작에 관하여 선형적으로 굽어진다. 제1 및 제 2 캐패시터(capacitor) 판들이 상기 흔들림식 질량 체에 대하여 위치되어 감지된 전기 용량의 차이에 따라서 상기 질량 체의 동작을 감지하게 된다.
본 발명의 일 견지(aspect)에서, 하나 또는 그 이상의 변형 고립 빔들이 상기 하나 또는 그 이상의 굴곡 체와 상기 흔들림식 질량 체 또는 상기 고정 패드들 사이에 연결된다. 상기 변형 고립 빔들은 기계적인 변형으로부터 상기 굴곡 체를 보호한다.
도 2는 본 발명에 따른 단일 축의, 흔들림식, 전기 용량 감지식 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계 20를 도시한다. 상기 가속도 계 20는 흔들림식 질량 체 22, 한 쌍의 외팔보(cantilever) 형 굴곡 빔 24, 변형 고립 빔 26a 및 26b, 그리고 고정 패드 28 들을 포함한다. 상기 굴곡 빔 24들은 각각의 단부에서 응력 고립 빔 26a 및 26b 들에 대략 직교하는 방향으로 연결된다. 상기 굴절 빔 24에 결합된 응력 고립 빔 26a들의 하나는 그 단부에서 각각의 고정 패드 28에 연결되어 상기 빔 26a 과 고정 패드 28 사이에서 슬롯(slot)을 형성한다. 상기 고정 패드 28들은 가속도 계 20를 에워 싸는 하우징(미 도시)에 연결된다. 상기 굴절 빔 24의 나머지 단부에 연결된 빔 26b은 상기 빔 26b의 각각의 단부에서 상기 흔들림식 질량 체 22에 연결되어 상기 제 2 빔 26b과 흔들림식 질량 체 22 사이에서 슬롯을 형성한다. 상기 변형 고립 빔 26a 및 26b의 굴절을 통하여, 상기 굴절 빔 24은 상기 질량 체 22의 길이방향 축에 거의 평행인 기계적인 힘, 예를 들면 충격 및 가속력을 상기 굴절 빔 24에 손상을 가하지 않고서 보존할 수 있다. 다르게 설명하면, 상기 슬롯들은 상기 가속도 계 20의 부품들의 파단 변형보다 작은 정도로 상기 흔들림식 질량 체 22의 이동을 제한한다.
일 실시 예에서, 상기 빔 24,26a 및 26b 들은 질량 체 22와 동일 재료로 이루어지고, 상기 질량 체 22와 동일한 두께를 갖는다. 따라서, 상기 가속도 계 20의 구조가 매우 간단하게 된다.
도 3은 가속도 계 20의 X- 선 투시도이다. 상기 굴절 빔 24은 상기 질량 체 22에 적절하게 연결되어 제1 및 제 2 부분을 구비한 흔들림식 질량 체 22를 생성한다. 다르게 설명하면, 상기 질량 체 22는 질량 체 변형 방향과 선형 관계를 갖는 굴절 빔 24을 중심으로 시소(seesaw) 작용을 한다. 상기 제 1 부분은 제2 부분보다 큰 질량을 갖는다. 캐패시터 판 40 및 42들이 상기 제 1 및 제 2 부분 뒤편의 지지 구조물상에 위치된다. 상기 질량 체 22의 중력 중심은 상기 외팔보 형 굽힘 빔의 굴절 빔 24 위치에 의해서 초래되는 상기 질량 체 22의 회전 축으로부터 적절하게 중심이 벗어나서(off-center) 위치된다. 상기 굴절 빔 24들은 충분한 강도를 가져서 상기 질량 체 22를 각각의 캐패시터 판 40 및 42들 위에 현가 시킨다. 가속이 이루어지면, 상기 질량 체 22는 극심하게 가해지는 하중 배수(g-load)에 의해 변형한다. 제1 캐패시터 판 40은 상기 흔들림 중량 체 22의 제1 부분의 전기 용량을 감지한다. 제2 캐패시터 판 42은 흔들림 중량 체 22의 제2 부분의 전기 용량을 감지한다. 이러한 2개의 캐패시터 판 40 및 42들 사이의 전기 용량 차이를 측정함으로써 상기 인가된 가속도는 높은 정도의 정확도를 갖고서 얻어진다.
본 발명의 일 실시 예에서, 사전에 정해진 작동 하중 범위(g-range) 이상에서는, 상기 질량 체 22가 변형하고 상기 지지 구조물 상에 위치된 충격 멈춤부(shock stops)(충격 멈춤 부)에 접촉한다.
그리고, 상기 고정 패드 28들은 상기 가속도 계 20의 부품들의 파단 변형보다 작은 정도로 상기 흔들림식 질량 체 22의 이동을 제한하기 위하여 케이징 슬롯(caging slots)들에 의해서 상기 질량 체 22로부터 분리된다. 따라서, 상기 고정 패드 28들과 지지 구조물과 질량 체 22들 사이의 케이징 슬롯들과, 상기 변형 고립 빔 26a 및 26b과 질량 체 22들 사이의 슬롯들은 임의의 방향에서 고 충격 동작으로부터 상기 가속도 계 20를 감금하게(cage) 된다.
상기에서 비록 본 발명의 예들은 상기 굴절 빔들이 상기 감지 축에 거의 직교하는 것으로 도시되었지만, 상기 굴절 빔들은 상기 질량 체의 평면에 수직한 것에 대해 평행한 평면들 사이의 어느 부분이라도 위치될 수 있음을 알 수 있는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예가 도시되고 설명되었지만, 많은 변경 구조들이 본 발명의 사상과 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 바람직한 실시 예들의 개시 내용만으로 제한되는 것이 아닌 것이다. 대신, 본 발명은 첨부된 클레임을 참조하여 전체적으로 판단되어야 하는 것이다.

Claims (7)

  1. 흔들림식 질량 체;
    하나 또는 그 이상의 고정 패드; 그리고
    상기 흔들림식 질량 체와 상기 하나 또는 그 이상의 고정 패드들에 결합되고, 상기 질량 체와 거의 동일한 두께를 갖는 하나 또는 그 이상의 굴절 빔;들을 포함하는 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 굴절 체와 적어도 하나의 상기 흔들림식 질량 체 또는 상기 고정 패드들 사이에서 연결된 하나 또는 그 이상의 변형 고립 빔들을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 변형 고립 빔들은 슬롯들을 포함하여 상기 가속도 계의 파단 변형보다 작은 정도로 상기 흔들림식 질량 체의 이동을 제한하는 것임을 특징으로 하는 가속도 계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고정 패드들은 상기 흔들림식 질량 체로부터 분리되어 상기 흔들림식 질량 체의 이동을 상기 가속도 계의 파단 변형보다 작은 정도로 제한하는 것임을 특징으로 하는 가속도 계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캐패시터 판들을 추가 포함하고, 상기 제1 캐패시터 판은 상기 흔들림식 질량 체의 제1 부분에 대하여 위치되며, 상기 제2 캐패시터 판은 상기 흔들림식 질량 체의 제2 부분에 대하여 위치되는 것을 특징으로 하는 가속도 계.
  6. 흔들림식 질량 체;
    하나 또는 그 이상의 고정 패드;
    상기 흔들림식 질량 체와 상기 하나 또는 그 이상의 고정 패드들에 결합되며, 상기 질량 체와 거의 동일한 두께를 갖는 하나 또는 그 이상의 굴절 빔; 그리고
    상기 하나 또는 그 이상의 굴절 체들과 적어도 하나의 흔들림식 질량 체 또는 고정 패드들 사이에서 연결된 하나 또는 그 이상의 변형 고립 빔;들을 포함하고,
    상기 변형 고립 빔들은 기계적인 충격으로부터 상기 굴절 체들을 보호하며, 상기 고정 패드들은 상기 흔들림식 질량 체로부터 분리되어 상기 기계적인 충격으로부터 굴절 체를 보호하도록 된 미세 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도 계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 변형 고립 빔들은 슬롯들을 포함하여 상기 가속도 계의 파단 변형보다 작은 정도로 상기 흔들림식 질량 체의 이동을 제한하고, 그리고 상기 흔들림 식 질량 체로부터의 상기 고정 패드들의 분리는 상기 가속도 계의 파단 변형보다 작은 정도로 상기 흔들림식 질량 체의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 가속도 계.
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