KR20060036570A - 제조공정오차에 강인하고 소재물성에 무관한 미소기계구동기 - Google Patents

제조공정오차에 강인하고 소재물성에 무관한 미소기계구동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입력부와 출력부를 갖는 미소기계 구동기로서, 상기 입력부에 배치되어 외부신호에 따라 구동되는 복수개의 입력용 질량체, 상기 출력부에 배치되는 복수개의 출력용 질량체, 상기 입력용 질량체와 상기 출력용 질량체를 일대일로 연결하는 제1 탄성체, 상기 제1 탄성체가 병렬로 연결된 형태로 이루어져 상기 복수개의 출력용 질량체를 서로 연결하는 제2 탄성체, 및 상기 출력용 질량체와 상기 구동기의 지지부를 연결하는 부하탄성체를 포함하고, 상기 부하탄성체는 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성된 미소기계 구동기는 제조공정오차에 대한 출력오차가 거의 발생하지 않고 소재물성에 무관한 출력변위를 얻을 수 있으므로 미소 구조물의 고정도 위치제어나 미소물질의 고정도 조작 등에 사용될 수 있다.

Description

제조공정오차에 강인하고 소재물성에 무관한 미소기계 구동기{MICRO/NANO-MECHANICAL ACTUATORS WITH THE SPRING ROBUST AGAINST FABRICATION ERROR AND MATERIAL INSTABILITY}
도 1은 본 발명 미소기계 구동기의 한 실시예에 따른 구성을 나타낸 것이고,
도 2는 도 1의 구동기를 간략하게 분석한 것이고,
도 3은 도 1의 구동기에서 출력용 질량체와 입력용 질량체의 수를 증대시킨 것이고,
도 4는 도 3의 구동기를 간략하게 분석한 것이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다양한 형태의 미소기계 구동기의 탄성체를 나타낸 것이고,
도 6은 도 1에 도시된 구동기의 과도한 식각으로 인한 제조공정오차를 나타낸 것이고,
도 7은 과도한 식각으로 인한 탄성체 및 질량체의 치수 변화를 설명하기 위한 것이고,
도 8은 본 발명의 미소기계 구동기의 제조공정오차에 따른 출력변위함수를 나타낸 것으로서, 특정 제조공정오차에 대한 출력변위함수의 미분 값의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체의 치수를 설계한 경우를 나타낸 것이고,
도 9는 본 발명의 미소기계 구동기의 제조공정오차에 따른 출력변위함수를 나타낸 것으로서, 특정 제조공정오차의 범위 내에서 출력변위함수의 최대값과 최소값의 편차의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체의 치수를 설계한 경우를 나타낸 것이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 출력용 질량체 20 : 입력용 질량체
30 : 제1 탄성체 40 : 제2 탄성체
50 : 부하탄성체
본 발명은 미소기전집적시스템(MEMS: Micro-Electro Mechanical System) 기술 및 나노 공정에 의하여 제조되는 미소기계 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제조단계 중 부정확한 식각 공정이나 소재물성의 차이로 인하여 출력변위에 오차가 발생하는 것을 최소화할 수 있는 미소기계 구동기에 관한 것이다.
고정도 미소 구동은 정보통신분야에서 미소 구조물의 위치를 조절하여 이를 응용하거나 생물학 또는 의학에서 미소물질을 이동시켜야 하는 경우 등에 필요한 기술이다. 한 예로 이동통신의 GHz 대역의 RF 무선기기에서는 저전력, 저손실, 고 효율이 가능한 미소기전집적시스템(MEMS) 기술을 이용하여 커패시터의 두평판부를 미세하게 구동시켜 정전용량을 변화시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이와 관련한 특허로는 미국특허 제6,418,006호와 Robert L. Borwick III의 논문 '고주파 사용을 위한 대역폭을 갖는 커패시터('A High Q, large tuning range, tunable capacitor for RF applications', Proc. 15th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems, pp. 669 ~ 672, 2002.)'에 개시되어 있다.
미국특허와 논문의 발명은 각각 전압과 구동기에 의해 커패시터의 정전용량이 조절되는 장점이 있다. 그러나, 미국특허는 구동 입력부와 구동 출력부가 일체로 되어 있고 구동 전압에 의해 구동 출력변위가 조절되므로 구동 전압의 전기적 잡음에 의해 구동 출력변위에 오차가 발생하는 단점과 소재물성의 차이가 있을 경우 이로 인해 구동 출력변위에 오차가 발생하는 단점이 있다.
이와 달리 일본 공개특허 제2001-138299호에는 기계적인 디지털 구동입력 변위를 사용함으로써 전기적 잡음에 의한 영향을 극복할 수 있는 미소기계 구동기가 개시되어 있다. 일본특허는 디지털 구동 입력부와 구동 출력부 사이에 다수의 부재를 설치하여 고정밀도의 전류 전압을 사용하지 않고도 디지털 신호입력에 의해 비교적 고정밀도의 변위 또는 힘을 출력할 수 있다.
그러나, 이러한 미소기계 구동기는 제조공정오차가 생길 경우 이에 의해 구동 출력부의 출력변위에 별도의 오차가 수반되기 때문에 실제 산업의 응용에는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제조오차가 출력변위에 미치는 영향을 최소화 시키고 소재 물성에 무관한 출력 변위를 얻을 수 있는 미소기계 구동기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면 입력부와 출력부를 갖는 미소기계 구동기로서, 상기 입력부에 배치되어 외부신호에 따라 구동되는 복수개의 입력용 질량체, 상기 출력부에 배치되는 복수개의 출력용 질량체, 상기 입력용 질량체와 상기 출력용 질량체를 일대일로 연결하는 제1 탄성체, 상기 제1 탄성체가 병렬로 연결된 형태로 이루어져 상기 복수개의 출력용 질량체를 서로 연결하는 제2 탄성체, 및 상기 출력용 질량체와 상기 구동기의 지지부를 연결하는 부하탄성체를 포함하고, 상기 부하탄성체는 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기가 제공된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 미소기계 구동기의 한 실시예에 따른 구성을 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 구동기를 간략하게 분석한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 미소기계 구동기는 복수개의 출력용 질량체(10, 11)와 복수개의 입력용 질량체(20, 21)로 구성된다. 출력용 질량체(10, 11)는 구동기의 지지부(100)에 일렬로 배치된다. 출력용 질량체(10, 11)에는 제1 탄성체(30)를 매개로 각각 입력용 질량체(20, 21)가 결합된다. 입력용 질량체(20, 21)는 단순히 입력신호의 비교크기에 따라 기계적인 디지털 방식으로 온/오프 구동하거나, 입력신호의 크기에 따라 전기적인 아날로그 방식으로 비례 구동한다.
한편, 본 실시예에서 제1 탄성체(30)는 ㄷ자 형태인데, 이는 입력용 질량체(20, 21)에 입력된 변위 값을 출력용 질량체(10, 11)에 선형적으로 전달하기 위해서이다.
복수개의 출력용 질량체(10, 11) 중 출력부에서 가장 가까운 제1 출력용 질량체(10)는 부하탄성체(50)에 의해 구동기의 지지부(100)에 연결되고, 제1 출력용 질량체(10)와 인접한 제2 출력용 질량체(11)는 제2 탄성체(40)에 의해 연결된다. 그리고 제2 출력용 질량체(11)는 제1 탄성체(30)에 의해 구동기의 지지부(100)와 연결된다.
제2 탄성체(40)는 2개의 제1 탄성체(30)가 병렬로 연결된 형태로서 제1 탄성체(30)와 길이, 두께, 및 폭이 같다. 제2 탄성체(40)의 강성계수는 제1 탄성체(30)의 2배이다.
이와 같이 구성된 미소기계 구동기를 분석하면 도 2와 같은 형태의 시스템이 도출된다. 이 시스템은 각각의 출력용 질량체(10, 11)를 중심으로 분리하여 볼 수 있다. 제1 출력용 질량체(10)와 제2 출력용 질량체(11)의 출력변위와 입력변위 사이의 관계식은 수학식 1과 수학식 2로 표현된다.
Figure 112004048921484-PAT00001
Figure 112004048921484-PAT00002
수학식 1, 2에서 x1은 제2 출력용 질량체(11)의 변위이고, y는 출력변위이고, xin는 입력용 질량체(20)의 변위이고, k는 탄성체의 강성계수이고, ko는 부하탄성체의 강성계수이고, b1 및 b2는 각각의 입력용 질량체(20)의 온/오프 상태에 따라 각각 1/0이 되는 상수이다.
수학식 1과 수학식 2를 정리하여 출력변위 y를 k와 xin의 관계식으로 나타내면 수학식 3과 같다.
Figure 112004048921484-PAT00003
,
(bi = 0 or 1 (i = 1, 2))
수학식 3에서 bi는 i번째 입력용 질량체(20)가 구동될 때 1의 값을 가지며, 구동되지 않을 때에는 0의 값을 갖는다.
위 식은 3개 이상의 출력용 질량체(10)와 입력용 질량체(20)가 배열된 경우에도 유사하게 적용된다. 도 3은 도 1의 구동기에서 출력용 질량체와 입력용 질량 체의 수를 증대시킨 것이고, 도 4는 도 3의 구동기를 간략하게 분석한 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 입력변위 xin에 대한 출력변위 y의 관계식을 정리하여 나타내면 수학식 4와 같다.
Figure 112004048921484-PAT00004
(bi = 0 or 1 (i = 1, 2, 3, 4))
수학식 3과 수학식 4에서 알 수 있듯이 출력변위 y는 출력부에 가장 가까운 입력용 질량체(20)의 변위에 지배적인 영향을 받는다. 그리고, 다른 입력용 질량체(21, 22, 23)의 변위는 출력측에서 멀어질수록 출력변위 y에 작은 영향을 미친다. 따라서, 병렬 배치된 입력용 질량체(20, 21, 22, 23)의 구동을 적절하게 조절하면 출력변위 y의 크기를 미세하게 조절할 수 있다. 출력변위 y의 미세조절은 출력용 질량체(10)와 입력용 질량체(20)의 수를 증가시킴으로써 달성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다양한 형태의 미소기계 구동기의 탄성체를 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이 출력용 질량체(10)와 입력용 질량체(20)를 연결하는 탄성체(30, 40)는 다양하게 변형될 수 있다.
도 5의 (a)는 가장 간단한 탄성체(30, 40)로서 제작 및 집적성이 좋다. 그러나, 이와 같은 형태는 입력용 질량체(20)의 변위가 출력용 질량체(10)에 비선형적으로 전달될 수 있다. 따라서, 탄성체(30, 40)의 형태를 도 5의 (b) 또는 (c)와 같 은 형태로 변경하여 선형적 응답성을 향상시키는 것이 좋다.
도 6은 도 1에 도시된 구동기의 과도한 식각으로 인한 제조공정오차를 나타낸 것이고, 도 7은 과도한 식각으로 인한 탄성체 및 질량체의 치수 변화를 설명하기 위한 것이다.
미소기계 구동기는 미소기전집적시스템(MEMS: Micro Electro Mechanical System) 기술 및 나노 공정을 이용한 식각공정을 거쳐 제작되는데 이 과정에서 도 6에 도시된 바와 같이 구동기 전체에 과도한 식각이 발생할 수 있다. 이처럼 구동기에 과도한 식각이 발생하면, 도 7에서와 같이 탄성체(30)의 폭(W)과 길이(L)의 변화가 발생한다. 과도한 식각으로 인한 제조공정오차를 δ 라 하면, 탄성체(30)의 폭은 2 δ 만큼 줄어들고 길이는 2 δ 만큼 늘어나며 입력용 질량체(20)의 변위는 4 δ 만큼 늘어난다. 그리고 제조공정 후 탄성체(30)의 탄성계수는 수학식 5와 같이 표현되고,
Figure 112004048921484-PAT00005
(E는 탄성체의 Young's 계수이고, t는 탄성체의 두께, W는 탄성체의 폭, L은 탄성체의 길이이다.)
출력변위 y는 수학식 6과 같이 δ 의 함수로 다시 표현된다.
Figure 112004048921484-PAT00006
(bi = 0 or 1 (i = 1, 2), Wo 는 부하탄성체의 폭이고, Lo 는 부하탄성체의 길이이다.)
출력변위는 입력변위, 입력 구동기의 오프/온 상수, 탄성체의 길이, 폭 및 제조공정오차의 함수로 표현된다. 위 수식에서 알 수 있듯이 본 발명의 미소기계 구동기의 출력변위는 소재물성인 Young 계수(E)에 영향을 받지 않는다.
또한, 본 발명의 제1 탄성체(30)와 제2 탄성체(40)는 모두 같은 길이, 같은 폭, 같은 두께로 형성되어 동일한 식각 창을 가지므로 제조공정오차가 발생하더라도 출력변위 함수 y(δ)의 강성계수 조합계산 시 강성계수의 비율은 변화지 않는다.
예들 들어, 제2 탄성체(40)의 강성계수가 제1 탄성체(30)의 2배인 경우에 있어서(이때 제2 탄성체(40)의 길이는 제1 탄성체(30)의 길이에 1/21/3이다), 제조공정오차에 따른 제1 탄성체(30)와 제2 탄성체(40)의 강성계수는 수학식 7과 같이 변화된다. 따라서, 제조공정오차가 발생하기 전과 후의 제1 탄성체(30)와 제2 탄성체(40)의 강성계수비(K: 2K)가 달라져 부하탄성체(50)의 강성계수만을 조절해서는 출력변위의 오차발생을 억제할 수 없다.
Figure 112004048921484-PAT00007
반면, 본 발명의 실시 예에서와 제1 탄성체(30)와 제2 탄성체(40)의 길이, 폭, 두께가 같은 경우에는 수학식 8에서 알 수 있듯이 제조공정오차에 따른 제1 탄성체(30)와 제2 탄성체(40)의 강성계수비가 그대로 유지되므로 부하탄성체(50)의 강성계수 ko를 조절함으로써 출력변위의 오차발생을 줄일 수 있다.
Figure 112004048921484-PAT00008
도 8은 본 발명의 미소기계 구동기의 제조공정오차에 의한 출력변위 함수를 특정 오차값에 대해 미분한 값의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체의 치수를 설계한 경우의 출력변위 함수 그래프를 나타낸 것이고, 도 9는 본 발명의 미소기계 구동기의 특정범위의 양 또는 음의 제조공정오차 내에서 출력변위함수의 최대값과 최소값의 차의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체의 치수를 설계한 경우의 출력변위 함수 그래프를 나타낸 것이다.
제조공정오차에 강인한 미소기계 구동기가 되도록 부하탄성체(50)의 강성계 수ko를 결정하는 방법에는 2가지가 있다.
하나는 수학식 6의 제조공정오차에 의한 출력변위 함수 y(δ)를 제조공정의 특정오차 값에 대하여 미분한 값의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체(50)의 Wo 와 Lo 를 설계하는 것이고, 다른 하나는 특정 범위의 양 또는 음의 제조공정오차 내에서 출력변위 함수 y(δ)의 최대값과 최소값의 차의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체(50)의 Wo 와 Lo 를 설계하는 것이다.
첫 번째로 수학식 9와 같이 출력변위 함수 y(δ)가 특정오차 값 δc에 대하여 미분한 값의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체(50)의 강성계수 ko를 설계하면, 도 8에 도시된 바와 같이 출력변위 y의 값이 특정 제조공정오차 δc에 무관하게 항상 일정하게 유지된다. 그러나 이 경우 실제로 제조공정에서 발생된 오차와 δc의 편차가 커지면 출력변위 y 값에 오차가 발생한다.
Figure 112004048921484-PAT00009
두 번째로 출력변위 함수 y(δ)를 수학식 10과 같이 특정오차범위 δ min ≤ δ ≤ δ max에 대하여 제조공정오차에 의한 출력변위 함수의 최대값과 최소값의 차의 절대치가 최소가 되도록 부하탄성체(50)의 강성계수 ko를 설계하면, 도 9와 같이 특정오차범위 내의 제조공정오차에 대해 출력변위 값이 최소한의 일정 범위 내에서 제한된다. 따라서, 제조공정에서 발생되는 오차범위를 알고 있다면 두 번째 방법으로 부하탄성체의 강성계수를 설계하는 것이 출력변위의 오차를 줄이는데 보다 효과적이다.
Figure 112004048921484-PAT00010
한편, 구동기의 출력부에는 실질적인 제어대상이 되는 미소 구조물이 출력용 질량체에 추가로 설치될 수 있다. 그러나 이 경우에는 미소 구조물의 오차가 추가로 설치된 미소 구조물의 출력변위에도 영향을 주므로 부하탄성체(50)의 강성계수를 산정할 때 제조공정오차에 의해 발생하는 미소 구조물의 출력 오차도 고려해야 한다. 즉, 미소 구동기와 미소 구조물을 통합한 출력함수를 구하고 제조공정오차 값으로 표현되는 출력변위 함수의 값이 최소가 되도록 상기 소개한 두 가지 방법을 이용하여 부하탄성체의 강성계수를 설계한다.
본 발명은 식각공정에서 발생하는 제조오차로 인한 출력오차를 감소시키고, 소재물성에 무관한 출력변위를 얻을 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은 기존에 어려웠던 미소 구조물의 고정도 위치제어나 미소물질의 고정도 조작 등을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 기계적인 0 또는 1의 입력 변화들의 조합으로 예측 가 능한 고정도 출력변위를 얻을 수 있다. 아울러, 본 발명은 소재물성에 영향을 받지 않으므로 소재변경에 따른 탄성체의 강성계수를 다시 설계할 필요가 없다.
이상에서 미소기계 구동기에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (8)

  1. 입력부와 출력부를 갖는 미소기계 구동기로서,
    상기 입력부에 배치되어 외부신호에 따라 구동되는 복수개의 입력용 질량체,
    상기 출력부에 배치되는 복수개의 출력용 질량체,
    상기 입력용 질량체와 상기 출력용 질량체를 일대일로 연결하는 제1 탄성체,
    상기 제1 탄성체가 병렬로 연결된 형태로 이루어져 상기 복수개의 출력용 질량체를 서로 연결하는 제2 탄성체, 및
    상기 출력용 질량체와 상기 구동기의 지지부를 연결하는 부하탄성체를 포함하고,
    상기 부하탄성체는 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하탄성체는 제조공정오차에 의해 발생하는 상기 미소기계 구동기의 출력변위 함수를 특정 제조공정오차에 대하여 미분한 값의 절대치가 최소가 되는 강성계수를 갖게 하여서 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하탄성체는 특정 제조공정오차의 범위 내에서 제조공정오차에 의한 상기 미소기계 구동기의 출력변위함수의 최대값과 최소값 차의 절대치가 최소가 되는 강성계수를 갖게 하여서 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력용 질량체는 기계적인 디지털 방식으로 구동되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력용 질량체는 전기적인 아날로그 방식으로 구동되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  6. 청구항 1 에 있어서,
    상기 출력부에는 상기 출력용 질량체의 변위에 따라 구동되는 적어도 하나 이상의 미소 구조물이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 부하탄성체는 상기 미소기계 구동기에 추가로 설치된 미소 구조물의 제조공정오차까지 포함된 출력변위 함수를 특정 제조공정오차에 대하여 미분한 값의 절대치가 최소가 되는 강성계수를 갖게 하여서 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 부하탄성체는 특정 제조공정오차의 범위 내에서 상기 미소기계 구동기에 추가로 설치된 미소 구조물의 제조공정오차까지 포함된 출력변위함수의 최대값과 최소값 차의 절대치가 최소가 되는 강성계수를 갖게 하여서 제조공정오차에 강인하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 미소기계 구동기.
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