KR20090130671A - 수직 방향 가속도 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직 방향 가속도 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 기판, 상기 기판과 분리되며 가동하는 질량추, 상기 질량추의 상단에 일정한 방향으로 형성되는 복수의 가동 전극판, 상기 질량추의 상단에 형성되며 상기 가동 전극판을 지지하는 가동 전극판 지지부, 상기 기판의 상단에 형성되는 고정체, 상기 고정체와 결합하며 상기 질량추의 상단과 인접하여 형성되는 고정 전극판 지지부, 상기 고정 전극판 지지부에 의해 지지되며 상기 가동 전극판과 평행하게 대면하도록 배열되는 복수의 고정 전극판 및 상기 고정체 및 상기 가동 전극판 지지부를 연결하는 연결 스프링을 포함하는 수직 방향 가속도 측정 장치를 제공할 수 있다.
가속도 측정, 수직 방향

Description

수직 방향 가속도 측정 장치{Apparatus for vertical accelerometer}
본 발명은 수직 방향 가속도 측정 장치에 관한 것이다.
특히 본 발명은 수직 방향의 가속도를 좀더 정밀하게 측정하고, 다른 방향의 가속도에 의하여 오류가 거의 나지 않는 정밀한 정전 용량형 수직 방향 가속도 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보 통신 연구 진흥원의IT신 성장 동력 핵심 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-054-02, 과제명: 유비쿼터스용 CMOS 기반 MEMS 복합센서 기술개발]
미세기전집적시스템(MEMS) 기술을 이용한 정전용량형 가속도 측정 장치는 가속도가 발생함에 따라 질량추와 기판의 상대적인 운동이 발생하고, 그에 해당하는 정전용량의 변화를 측정하는 소자이다.
공정의 편리성과 2축 가속도 센서로의 확장 용이성, 다양한 응용 분야들로 인하여 지금까지는 반도체 기판에 수평한 방향으로 작용하는 가속도를 측정하는 소 자들이 주로 개발되어 왔다. 최근에는 하나의 기판 위에 3축 가속도 센서를 동시에 구현하고자 하는 필요성이 대두되면서, 기판에 수직한 방향으로의 가속도를 측정하는 소자들이 연구되고 있다. 정전 용량의 변화를 이용하여 기판에 수직한 방향으로 작용하는 가속도를 측정하는 방법은 측정 전극을 기판에 수평한 방향으로 배치하는 구조와 측정 전극을 기판에 수직한 방향으로 배치하는 구조로 분류할 수 있다. 앞의 방법은 기판에 평행한 방향으로 두 개의 전극이 서로 떨어져서 마주보게 배치한 후 하나의 전극은 질량추와 연결하여 외부 가속도에 따라 움직일 수 있도록 하고, 다른 전극은 기판과 연결함으로써 고정시키며, 외부에서 기판에 수직한 방향으로 가속도가 가해지면 두 전극 사이의 간격이 달라지고 그에 따른 따른 정전용량의 변화를 측정한다. 뒤의 방법은 기판에 수직한 방향으로 높이가 다른 두 개의 전극이 서로 떨어져서 마주보게 배치한 후 하나의 전극은 질량추와 연결하고 다른 전극은 기판과 연결함으로써, 외부에서 기판에 수직한 방향으로 가속도가 가해지면 두 전극이 마주보는 면적이 달라지고 그에 따른 정전용량의 변화를 측정한다. 이 때 거리 변화에 의한 정전용량의 변화가 앞의 방법은 비선형관계이며 뒤의 방법은 선형관계이므로, 뒤의 방법을 사용하는 것이 제작 공정과 회로 구성 측면에서 모두 유리하다.
가장 단순한 회로를 사용하기 위해서는 움직이는 전극과 고정된 전극의 높이를 같게 만들고, 두 전극 사이의 정전 용량 변화를 측정하면 된다. 그러나 노이즈를 제거하고 더 정밀한 측정값을 얻기기 위해서는 전체 영역을 절반으로 나누고 두 영역에서 발생하는 정전 용량 차이를 계산하는 방법을 사용한다. 즉, 한쪽에서는 움직이는 전극과 고정된 전극 사이에 +V 전압을 가하고 다른 쪽에서는 움직이는 전극과 고정된 전극 사이에 -V 전압을 가함으로써 두 영역에서 발생하는 정전 용량들의 차이를 구하는 것이다. 이 경우, 모든 전극의 높이가 동일하면 기판에 수직한 윗방향으로 작용하는 가속도와 기판에 수직한 아랫방향으로 작용하는 가속도가 같은 출력값을 나타내어 방향을 구별할 수 없으므로, 한쪽 영역에서는 움직이는 전극의 높이를 고정된 전극의 높이보다 낮추고, 다른 쪽에서는 고정된 전극의 높이를 움직이는 전극의 높이보다 낮춤으로써 가해진 가속도 방향에 따라서 정전 용량의 변화가 서로 다른 부호를 갖게 만든다.
이러한 방법을 사용하여 지금까지 제안된 가속도 센서는 공정 단순화를 위하여 SOI(Silicon-on-Insulator) 기판에서 산화층의 위에 놓인 소자층(Device layer)만을 사용하였다.
이러한 기존 기술은 질량추의 무게가 적어서 작은 크기의 수직 방향 가속도를 정밀하게 측정하기 힘들고, 수평방향의 가속도에 의해 오작동 할 수 있다는 단점이 존재하였다. 이러한 단점은 다음의 도면들을 통하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명과 비교되는 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치의 구성을 간단히 설명하는 평면도이다.
도1 을 참조하면, 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치는 제1 고정 전극판(101), 제2 고정 전극판(103), 가동 전극판 지지대(105), 제1 가동 전극판(107), 제2 가동 전극판(109), 고정체(111), 제1 고정 전원 접점(113), 제2 고정 전원 접점(115) 및 가동 전원 접점(117)을 포함한다.
상기 도면에서 고정 전극판(101, 103)은 기판 등에 고정되어 있는 형태로 전체 장치가 움직일 경우 같이 이동하는 형태이다. 제1 고정 전극판은 상기 도면에서 세로 방향으로 배열된 전극판이며, 제2 고정 전극판은 상기 도면에서 가로 방향으로 배열된 전극판이다. 이에 반하여 가동 전극판 지지부(105) 및 가동 전원 접점(117)을 포함하는 가동부는 고정 전극판(101, 103) 및 고정체(111)를 포함하는 고정부와 분리되어 전체 장치가 움직이는 경우에 관성의 영향을 받는 부분이다. 즉, 상기 가동부 및 가동부에 부착되는 가동 전극판(107, 109)은 마치 움직이는 버스 안의 손잡이와 같은 역할을 하게 되어 이동 방향에 반대되는 방향으로 힘을 받게 되고 이러한 힘을 전극판을 통하여 측정하는 방식이다. 상기 가동부 및 가동부에 부착된 가동 전극판(107, 109)과 상기 가동 전극판(107, 109)와 대면하는 고정 전극판(101, 103) 사이에 전압을 인가하면, 상기 가동 전극판과 고정 전극판은 평판 커패시터의 역할을 하게 된다.
이러한 경우 마주보는 평판 사이의 커패시턴스는 평판의 겹쳐진 면적에 비례하고 평판 사이의 거리에 반비례하게 되므로, 가동부가 아래나 위로 움직이면서 가동 전극판과 고정 전극판이 대면하는 면적이 달라지는 경우 그 사이의 커패시턴스 값도 달라진다. 이러한 차이를 이용하여 가속도를 측정하는 것이다.
도 2는 각각 본 발명과 비교되는 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치의 단면을 나타내는 도면이다.
기존의 수직 방향 가속도 측정 장치의 가동 전극판은 높이가 서로 다른 제1 가동 전극판(107) 및 제2 가동 전극판(109)로 나눠지며 이와 대면하는 고정 전극판 도 높이에 따라 제1 고정 전극판(103) 및 제2 고정 전극판(101)으로 나눈 후 가동 전극판(107, 109)에는 접지를, 제 1 고정 전극판(103)에는 양전압을, 제 2 고정 전극판(101)에는 음전압을 가함으로써 제 1 가동 전극판(107)과 제 2 고정 전극판(101) 사이의 커패시턴스 변화량(ΔC12)에서 제 2 가동 전극판(109)과 제 1 고정 전극판(103) 사이의 커패시턴스 변화량(ΔC21)을 뺀 ΔC를 이용하여 가속도를 더 정밀하게 측정할 수 있으며, 가속도의 방향도 판단할 수 있다.
ΔC = ΔC12 - ΔC21
그런데, 상기와 같은 방식의 경우 상기 가동 전극판 지지대(105) 및 제1 가동 전극판(107)과 제 2 가동 전극판(109)이 질량추의 역할을 겸하고 있는데, 높이가 수 ~ 수십 마이크로미터로 제한되므로 질량추의 무게가 매우 작다. 이렇게 질량추의 무게가 작아지면, 그에 따라 관성력도 작아지기 때문에 수직 방향 가속도에 의한 높이 변화량도 적어져서 커패시턴스의 변화량이 적어지므로 정밀한 가속도의 측정이 쉽지 않다는 단점이 존재하였다.
또한, 수직 방향의 가속도를 측정하는 가속도 측정 장치는 수직 방향의 가속도에만 반응하고, 수평방향의 가속도에는 반응하지 않아야 하는데, 이하의 도 3, 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치는 수평 가로 방향 혹은 세로 방향의 가속도(직교 좌표계에서x 축 및 y축 방향)에도 정전 용량의 변화가 생겨 오작동을 할 수 있다는 단점이 존재하였다.
도 3은 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 오작동 원리를 설명하기 위 한 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상기 도 1에서 설명된 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가속도 측정에 실제적으로 필요한 부분만을 나타내었다.
상기 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가장 중요한 부분은 커패시턴스의 변화량을 측정하기 위한 전극판(101, 103, 105, 107, 109)들이다. 상기에서 설명한 바와 같이 가동 전극판 지지대(105)를 포함하는 가동부의 움직임에 따라서 가동 전극판(107, 109)의 위치가 변화하고 그에 따라 커패시턴스가 달라지는데 이러한 커패시턴스 변화량을 이용하여 가속도를 측정하게되는 것이다.
그런데, 상기 도면에서 가동부는 측정 장치의 움직임에 따라서 수직 운동 뿐만 아니라 좌우나 상하 운동을 할 수도 있다. 즉, 직교 좌표계를 기준으로 수직 방향인 z 축 방향뿐만 아니라 x 축 및 y축으로도 움직일 가능성이 존재하게 된다. 그러한 경우 전극판 사이의 대면 면적(301)의 변화량이나 전극판 사이의 거리(305) 변화량에 의한 커패시턴스 변화량의 차이가 0이 되어야 하는데 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치는 그렇지 못하다는 단점이 존재하였다.
도 4는 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가로 방향 오작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다
도 4를 참조하면 기존의 가속도 측정 장치가 가로방향, 즉 x축 방향(400)으로 가속도가 발생하는 경우를 나타내는 도면이다. 화살표(400) 방향으로 힘을 받을 경우 도 1에서 설명한 바와 같이 고정부는 힘의 방향과 동일한 방향이 화살표(400) 방향으로 이동하게 되지만, 가동부(105)는 고정부와 분리되어 있으므로 관성을 받게 된다. 따라서 상기 도4에서 확인할 수 있는 바와 같이 고정부를 중심으로 가동부를 관찰하면 이동방향의 반대방향으로 힘을 받게 된다.
따라서 가속도에 따른 변이(410)가 발생하게 되고, 이에 따라 고정 전극판과 가동 전극판 사이의 전극판 면적 및 거리가 변화하여 커패시턴스의 변화가 발생하게 된다.
이러한 경우, 커패시턴스 변화량의 차이인 ΔC가 0이 되어야 화살표(400) 방향의 힘에 대하여 안정적이라 할 수 있다. 참조 번호 420 부분에서는 고정 전극판과 가동 전극판 사이의 간격(411)은 변함이 없는데 반하여 가동 전극판과 고정 전극판이 마주보는 면적(401, 403)의 변화가 발생하여 커패시턴스가 변화한다. 그러나 왼쪽 가동 전극판과 고정 전극판 사이에서 늘어나는 커패시턴스 변화량과 오른쪽 가동 전극판과 고정 전극판 사이에서 감소하는 커패시턴스 변화량이 동일하므로, 이 둘의 합으로 계산되는 제 2 가동 전극판(109)과 제 1 고정 전극판(103) 사이의 대면 면적 변화에 따른 커패시턴스 변화량 ΔCarea는 0이 된다.
이에 반하여 참조 번호 430 부분은 고정 전극판과 가동 전극판이 마주보는 면적(417)은 변화가 없는데 반하여, 고정 전극판과 가동 전극판 사이의 간격(415, 413)이 변화하여 커패시턴스가 변화한다. 이러한 경우 가동 전극판과 왼쪽 고정 전극판 사이의 간격은 감소하므로 커패시턴스가 증가하고 가동 전극판과 오른쪽 고정 전극판 사이의 간격은 증가하여 커패시턴스가 감소하는데, 커패시턴스의 변화량이 간격에 반비례하므로 가동 전극판과 왼쪽 고정 전극판 사이의 커패시턴스 증가량이 가동 전극판과 오른쪽 고정 전극판 사이의 감소량보다 커서 이 둘의 합으로 계산되는 제 1 가동 전극판(107)과 제 2 고정 전극판(101) 사이의 간격에 따른 커패시턴스 변화량 ΔCdistance는 0보다 큰 값이 된다.
결국,
ΔC = ΔCdistance - ΔCarea
는 양수가 된다.
따라서 화살표(400) 방향의 가속도에 대해서 전체 커패시턴스 값이 변화하게 되어 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치는 오작동을 일으킬 수 있다.
도 5은 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 세로 방향의 오작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5을 참조하면 기존의 가속도 측정 장치가 y축-화살표(500) 방향으로 가속도가 발생하는 경우를 나타내는 도면이다. 이러한 경우에는 도 2에서 발생하는 변화의 반대로 변화가 발생한다.
기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 화살표(500) 방향으로 힘이 발생하면 변이(510)는 화살표의 반대방향으로 발생하고, 이러한 경우 참조 번호 520 부분에서는 고정 전극판과 가동 전극판 사이의 면적(513)은 변함이 없는데 반하여 가동 전극판과 고정 전극판 사이의 간격(501, 503)의 변화가 발생하여 커패시턴스가 변 화하므로 ΔCdistance는 양수가 된다.
이에 반하여 참조 번호 530 부분은 고정 전극판과 가동 전극판 사이의 간격(505)은 변화가 없는데 반하여, 고정 전극판과 가동 전극판 사이의 면적(515, 517)이 변화하므로 ΔCarea는 0이 된다.
이러한 경우, ΔC는 0이 되지 않는다.
따라서 화살표(500) 방향의 가속도에 대해서 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치는 오작동을 일으킬 수 있다.
본 발명은 수직 방향 가속도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 질량추의 무게는 늘림으로써 수직 방향 가속도 측정의 정확도를 향상시키며, 수평 방향으로 작용하는 가속도에 의한 오류를 최소화하는 수직 방향 가속도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판, 상기 기판과 분리되며 가동하는 질량추, 상기 질량추의 상단에 일정한 방향으로 형성되는 복수의 가동 전극판, 상기 질량추의 상단에 형성되며 상기 가동 전극판을 지지하는 가동 전극판 지지부, 상기 기판의 상단에 형성되는 고정체, 상기 고정체와 결합하며 상기 질량추의 상단과 인접하여 형성되는 고정 전극판 지지부, 상기 고정 전극판 지지부에 의해 지지되며 상기 가동 전극판과 평행하게 대면하도록 배열되는 복수의 고정 전극판 및 상기 고정체 및 상기 가동 전극판 지지부를 연결하는 연결 스프링을 포함하는 수직 방향 가속도 측정 장치를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 질량추는 상기 기판에 형성된 홀의 내부에 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 가동 전극판은 복수의 제1 가동 전극판 및 상기 제1 가동 전극판 보다 높이가 낮은 복수의 제2 가동 전극판을 포함하며, 상기 고정 전극판은 복수의 제1 고정 전극판 및 상기 제1 고정 전극판보다 높이가 낮은 복수의 제2 고정 전극판을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 가동 전극판, 상기 고정 전극판, 상기 고정체, 상기 가동 전극 지지부, 상기 연결 스프링 및 상기 고정 전극 지지부는 전도성 물질로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 고정체의 상단에 형성되는 가동 전원 접점 및 상기 고정 전극 지지부의 상단에 형성되는 고정 전원 접점을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 고정 전원 접점은 양전압이 인가되는 제1 고정 전원 접점 및 음전압이 인가되는 제2 고정 전원 접점을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 질량추는 상기 기판과 동일한 물질 또는 상기 기판보다 밀도가 높은 물질로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 연결 스프링은 가로 방향 탄성 계수보다 세로 방향 탄성 계수가 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 제1 고정 전극판 및 상기 제2 가동 전극판이 서로 대면하도록 배열되고, 상기 제2 고정 전극판 및 상기 제1 가동 전극판이 서로 대면하도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 고정 전극판 및 가동 전극판은 상기 질량추를 중심으로 상하 대칭 및 좌우 대칭이 되도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 질량추는 상기 기판을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 기판은 실리콘 기판을 포함하고, 상기 기판의 상단에 산화층이 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 가동 전극판, 상기 가동 전극판 지지부, 상기 고정체, 상기 고정 전극판 지지부, 상기 고정 전극판 및 상기 연결 스프링은 상기 산화층의 상단에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 가동 전극판은 상기 질량추의 움직임에 의하여 상기 고정 전극판과 대면하는 면적이 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 면적의 변화에 상응하여 상기 가동 전극판 및 상기 고정 전극판 사이에 형성되는 커패시턴스가 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 복수의 상기 가동 전극판 및 상기 고정 전극판 사이에서 생성되는 커패시턴스 변화량은 상기 질량추의 수직 방향 움직임에 의해서만 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면 수직 방향 가속도 측정 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치와는 달리 수직 방향의 가속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 수직 방향 이외의 방향으로 가속도를 받는다 하더라도, 수직방향으로 가속도를 받는 것처럼 오작동하지 않아 정확한 측정이 가능한 수직 방향 가속도 측정 장치를 제공할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 6는 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 6를 참조하면, 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치는 기판위에 형성되는 고정체(601), 연결 스프링(617), 가동 전극판 지지부(615), 제1 가동 전극판(603), 제2 가동 전극판(605), 질량추(621), 가동 전원 접점(619), 고정 전원 접점(609), 고정 전극판 지지부(607), 제1 고정 전극판(611), 제2 고정 전극판(613)을 포함하여 형성된다.
본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치는 MEMS 공정을 이용하여 제작되는데 실리콘 기판 위에 산화층 및 소자층을 올리고 식각하는 방법을 이용하여 형성된다.
고정체(601)는 수직 방향 가속도 측정 장치에서 고정부와 가동부를 전체적으로 지지하는 역할을 담당한다. 이러한 고정체(601)는 실리콘 기판위의 소자층에 형성되고, 전도성 물질로 구성된다.
연결 스프링(617)은 고정체(601)와 가동 전극판 지지부(615)를 연결하는 역할을 담당하며, 또한 가동 전극판 지지부(615), 질량추(621), 가동 전극판(603, 605)을 포함하는 가동부가 움직일 수 있도록 가동부에 탄성을 부가하는 역할을 담당한다. 또한, 전도성 물질로 형성되어 가동 전극판으로 전류를 전송할 수 있다.
가동 전극판 지지부(615)는 질량추(621)의 상단에 위치하며 가동 전극판(603)을 지지하는 역할을 담당한다. 또한 각 가동 전극판(603)에 전류를 공급하기 위하여 전도성 물질로 형성된다.
제1 가동 전극판(603) 및 제2 가동 전극판(605)은 실질적으로 가속도에 따른 변위를 측정하기 위한 부분으로, 제1 고정 전극판(611), 제2 고정 전극판(613)과 인접하게 대면하여 평판 커패시터와 같은 역할을 하게된다. 제1 가동 전극판(603)은 높이가 제2 가동 전극판(605)보다 크며, 질량추의 상단에 고르게 분포되어 있 다. 이런 가동 전극판(603, 605)은 기존의 전극판이 수평 방향 전극판과 수직 방향 전극판으로 구별되는 것과 달리 모두 동일한 방향으로 정렬되며 가동부의 중심을 기준으로 상하 및 좌우로 모두 대칭적으로 형성된다. 따라서 가동부의 중심을 기준으로 각 사분변은 모두 동일하게 배열되며 제1 가동 전극판(603) 및 제2 가동 전극판(605)의 분포도 모두 동일하다. 즉 본 도면에서 확인할 수 있듯이 중심부쪽 4열이 크기가 작은 제2 가동 전극판(605)라면 바깥쪽 4열은 크기가 큰 제1 가동 전극판(603)이 배열된다.
질량추(621)는 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가속도를 측정하기 위한 가동부에 질량을 가하는 부분이다. 이러한 질량추(621)는 기존 기술과는 달리 기판부 까지 모두 포함한다. 즉, MEMS 공정에서 기판까지 모두 식각하여 그 내부의 홀에 위치하게 된다. 따라서 질량추(621)는 고정체 등과는 달리 기판층에 위치하며 그 구성도 홀을 뚫어내고 남은 기판 자체이거나 무게를 더하기 위하여 기판보다 밀도가 높은 금속 성분 혹은 기판과 금속 성분을 합한 물질일 수 있다. 이러한 방식으로 질량추(621)를 이용하면, 기판의 상단에서만 움직이던 기존 기술과는 달리 질량추의 무게가 증가하여 관성이 커지게 됨으로 적은 가속도에도 민감하게 반응하므로 좀더 정밀한 측정이 가능해진다.
가동 전원 접점(619) 및 고정 전원 접점(609)은 각각 가동 전극판 및 고정 전극판에 전원을 공급하기 위한 접점이다. 가동 전원 접점(619)에는 접지를 연결하고, 제1 고정 전극판(611)과 연결된 안쪽 고정 전원 접점에는+V를, 제 2 고정 전극판(613)과 연결된 바깥쪽 고정 전원 접점에는 -V를 연결하여 제 1 가동 전극 판(603)과 제 2 고정 전극판(613) 사이의 커패시턴스 변화량(ΔC12)에서 제 2 가동 전극판(605)과 제 1 고정 전극판(611) 사이의 커패시턴스 변화량(ΔC21)을 뺀 ΔC를 이용하여 가속도를 측정한다.
고정 전극판 지지부(607)는 상기 제1 고정 전극판(611) 및 제2 고정 전극판(613)을 지지하는 부분이다. 고정 전극판 지지부(607)는 고정체(601)에서 가동부가 존재하는 안쪽의 홀로 뻗어나간 여러 개의 가지를 포함하는 형태가 된다. 이는 상기 가동부의 질량추의 상단에 위치하는 가동 전극판과 고정 전극판을 인접하게 대면시키기 위한 지지부이다. 또한 고정 전극판 지지부(607)는 상단에 가동 전원 접점(619)을 포함하여 가동 전극판에 전원을 제공하는 역할도 담당한다.
제1 고정 전극판(611) 및 제2 고정 전극판(613)은 상기 고정 전극판 지지부(607)에 고정되며 가동부와는 분리된 상태에서 가동 전극판과 대면하여 각 전극판이 평판 커패시터의 역할을 하도록 한다.
여기서 제1 고정 전극판(611)은 제2 고정 전극판(613)보다 좀 더 높이가 높은 판으로 구성되며, 제 1가동 전극판(603)은 제2 가동 전극판(605)보다 높이가 높은 판으로 구성된다. 제1 고정 전극판(611)은 제2 가동 전극판(605)과 서로 마주하는 형태로 배열되고, 제2 고정 전극판(613)은 제1 가동 전극판(603)과 마주보는 형태로 배열된다.
도 7은 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 고정부만을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가동하지 않는 부분인 고정부만을 따로 나타내었다.
고정부는 고정체(601), 고정 전극 지지부(607), 제1 고정 전극판(611) 및 제2 고정 전극판(613)을 포함한다. 이러한 고정부는 MEMS 공정을 이용하여 제작되는데 기존의 장치와는 달리 고정부의 중간 홀(700) 부분을 기판부까지 모두 식각하여서 완전한 공동을 만들어낸다. 또한 나머지 고정부의 각 요소들은 기판의 상단에 형성되는 소자층을 이용하여 제작하는데 이러한 소자층은 전도성 물질로 형성되어 전류를 통하도록 한다.
도 8은 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 가동부만을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면 본 발명의 가동부는 연결 스프링(617), 질량추(621), 가동 전극판 지지부(615), 제1 가동 전극판(603) 및 제2 가동 전극판(605)을 포함한다.
본 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 가동부는 연결 스프링(617)을 통하여 고정부와 연결되며, 연결 스프링의 탄성 및 질량추(612)의 무게에 의하여 고정되지 않고 상하로 흔들릴 수 있는 동작 가능한 부분이다. 이러한 구조의 경우 수직 운동뿐만 아니라 수평운동도 가능하지만, 연결 스프링의 구조에 의하여 수평운동을 최소화 할 수 있다. 즉, 연결 스프링의 두께를 얇게 함으로서 수직 운동을 원활하게 할 수 있으며, 스프링의 폭을 넓게하여 수평운동을 최소화 할 수 있다. 특히, 세로 방향 운동의 경우 가동 전극판과 고정 전극판의 거리가 가까 워 접촉될 우려가 있으므로, 스프링의 탄성계수가 가로 방향보다 상대적으로 크도록 하여 수평운동이 일어나더라도 전극판 끼리의 접촉이 일어나지 않도록 하였다. 혹은, 가로 방향과 세로 방향 모두 가동부가 가동 전극판과 고정 전극판 사이의 거리보다 작은 범위만 움직일 수 있도록 구조물을 삽입함으로써 전극판 끼리의 접촉을 방지할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 단면을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 도 6에서 단면 표시가 된 A-A' 단면(900) 및 B-B' 단면(910)을 나타내는 도면이다.
A-A' 단면(900)은 고정부와 이동부의 단면을 종합적으로 나타내고 있으며, B-B' 단면(910)은 가동 전극과 고정 전극의 배열을 자세히 설명하고 있다.
A-A' 단면(900)에서 고정체(601) 및 가동 전극판 지지부(615)의 하단에 위치하는 것은 결합부(901)로서 기판과 소자층을 결합하는 산화층으로 구성된 부분이다. 상기 결합부(901)는 상단의 소자층에 공급된 전하가 하단의 기판부로 확산되지 않도록 하면서 두 층을 결합하기 위하여 생성되는 부분이다.
기판부는 고정체를 지지하는 기판(903) 부분과 동일한 성분이지만 기판(903)과 분리 식각되어 가동부의 질량추(621)의 역할을 하는 부분으로 나누어질 수 있다. 이러한 질량추(621) 부분은 기판(903)에서 홀을 파내고 남은 부분을 이용할 수도 있지만, 가동부의 가동을 좀 더 원활하게 하기 위하여 기판 성분인 실리콘보다 밀도가 높은 금속 성분을 사용할 수도 있으며, 실리콘에 금속을 증착시켜서 사용할 수도 있다.
B-B' 단면(910)은 가동 전극판과 고정 전극판이 대면하는 방법을 나타내기 위한 단면도이다.
B-B' 단면(910)을 참고하면, 고정 전극판 지지부(607)는 가동부와 분리되어 가동부의 상단에 떠 있음을 알 수 있다. 또한 고정 전극판 지지부에서 지지하는 고정 전극판(613)의 경우에도 공중에 떠 있음을 알 수 있다. 이런 상태에서 고정 전극판(613)과 마주보는 가동 전극판(603)은 가동 전극판 지지부(615)를 통하여 가동부에 부착되어 있음을 알 수 있다.
이러한 경우에서 수직 가속도가 작용하면 가동부에 관성이 작용하여 수직방향 변위가 발생하고, 이런 변위에 의하여 가동부에 포함된 가동 전극판과 고정 전극판이 서로 마주보는 면적이 변하므로 이때의 커패시턴스 변화량을 측정하여 수직 가속도를 측정할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치의 구체적인 구성예를 나타내는 도면이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 구체적인 모습을 3차원적으로 나타내었다. 상기에서 살펴볼 수 있는 바와 같이 전류가 통하는 각 부분은 모두 결합부(901)의 상단에 존재함을 알 수 있으며, 고정 전극판들은 모두 가동부와 같은 높이로 떠있는 형태로 구현됨을 시각적으로 확인할 수 있다. 또한, 전극판들의 배열은 위치에 따라 각각 그 크기가 2가지로 나뉘어져 커패시턴스 변화 량 측정을 통한 가속도의 크기와 방향을 측정할 수 있게 됨을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가동부의 중심을 기준으로 제 2, 3 사분면의 전극판 배열을 간략하게 나타내는 도면이다.
상기 도 9를 참조 하면 고정 전극판 지지부(607)에 부착되는 고정 전극판은 위치에 따라 크기가 큰 제1 고정 전극판(611)과 크기가 작은 제2 고정 전극판(613)이 번갈아가면서 배열됨을 알 수 있고, 가동 전극판 또한 제1 가동 전극판(603) 및 제2 가동 전극판(605)이 서로 번갈아서 배열됨을 알 수 있다. 또한 각 전극판은 서로 크기가 다른 전극판끼리 마주보도록 배열되어 상부 이동할 때와 하부 이동을 할 때 그 차이를 감지할 수 있어 가속도 방향이 위쪽인지 아래쪽인지도 알 수 있다. 수직방향 변위의 경우 전극판 사이의 간격(901, 903)은 변화하지 않으므로 전극이 마주하는 면적만으로서 커패시턴스의 변화가 발생한다.
도 12는 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가로 방향의 변위가 발생할 경우를 나타내는 도면이다.
도 12에서 힘의 방향이 화살표(1200)방향 즉 x 축 방향이라면, 관성에 의하여 가동부는 힘의 방향과 반대방향으로 움직이고, 이에 따라 상기 참조 번호 1101의 간격은 달라지지 않는다. 또한, 참조 번호 1201의 겹쳐지는 영역이 줄어들더라도 반대쪽의 참조 번호 1203의 겹쳐지는 영역이 동일한만큼 늘어나게 되므로 전체적인 커패시턴스의 변화량은 0이 되어 화살표(1200)의 방향의 가속도가 생성된다 할지라도 수직방향의 가속도가 가해진 것으로 잘못 인식하는 경우는 발생하지 않는다.
도 13은 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 세로 방향의 변위가 발생할 경우를 나타내는 도면이다.
도 13에서 힘의 방향이 화살표(1300)방향 즉 y 축 방향이라면, 관성에 의하여 가동부는 힘의 방향과 반대방향으로 움직이고, 이에 따라 상기 참조 번호 1103의 겹쳐지는 영역은 달라지지 않는다. 한편 참조 번호 1301의 간격은 더 좁아지고, 참조 번호 1303의 간격은 더 넓어지게 되는데 상기 1301의 간격에 의한 커패시턴스 증가량과 1303의 간격에 의한 커패시턴스 감소량은 정비례가 아니기 때문에 두 커패시턴스의 합의 변화량은 0이 되지 않는다. 그러나 참조 번호 1310 부분뿐만 아니라 1320 부분에서도 동일한 현상이 발생하게 되고 1320 부분은 1310 부분과 반대의 전압이 가해지므로 변화량의 차를 계산하면 서로 상쇄되므로 전체적인 커패시턴스의 변화량은 역시 0이 된다. 따라서 y 축 방향의 변화에도 본 발명에 의한 수직 방향 가속도 측정 장치는 오작동하지 않게 된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명과 비교되는 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치의 구성을 간단히 설명하는 평면도.
도 2는 각각 본 발명과 비교되는 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치의 단면을 나타내는 도면.
도 3은 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 오작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 4는 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가로 방향 오작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 5은 기존의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 세로 방향의 오작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 6는 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치의 평면도를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 고정부만을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 가동부만을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치의 단면을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치의 구체적인 구성예를 나타내는 도면
도 11은 본 발명에 따른 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가동부의 중심을 기준으로 제 2, 3 사분면의 전극판 배열을 간략하게 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 가로 방향의 변위가 발생할 경우를 나타내는 도면.
도 13은 본 발명의 수직 방향 가속도 측정 장치에서 세로 방향의 변위가 발생할 경우를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
601 : 고정체
617 : 연결 스프링
615 : 가동 전극판 지지부
603 : 제1 가동 전극판
605 : 제2 가동 전극판
621 : 질량추
619 : 가동 전원 접점
609 : 고정 전원 접점
607 : 고정 전극판 지지부
611 : 제1 고정 전극판
613 : 제2 고정 전극판

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판과 분리되며 가동하는 질량추;
    상기 질량추의 상단에 일정한 방향으로 형성되는 복수의 가동 전극판;
    상기 질량추의 상단에 형성되며 상기 가동 전극판을 지지하는 가동 전극판 지지부;
    상기 기판의 상단에 형성되는 고정체;
    상기 고정체와 결합하며 상기 질량추의 상단과 인접하여 형성되는 고정 전극판 지지부;
    상기 고정 전극판 지지부에 의해 지지되며 상기 가동 전극판과 평행하게 대면하도록 배열되는 복수의 고정 전극판 및
    상기 고정체 및 상기 가동 전극판 지지부를 연결하는 연결 스프링
    을 포함하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질량추는 상기 기판에 형성된 홀의 내부에 존재하는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가동 전극판은 복수의 제1 가동 전극판 및 상기 제1 가동 전극판 보다 높이가 낮은 복수의 제2 가동 전극판을 포함하며, 상기 고정 전극판은 복수의 제1 고정 전극판 및 상기 제1 고정 전극판보다 높이가 낮은 복수의 제2 고정 전극판을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가동 전극판, 상기 고정 전극판, 상기 고정체, 상기 가동 전극 지지부, 상기 연결 스프링 및 상기 고정 전극 지지부는 전도성 물질로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정체의 상단에 형성되는 가동 전원 접점 및 상기 고정 전극 지지부의 상단에 형성되는 고정 전원 접점
    를 더 포함하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정 전원 접점은 양전압이 인가되는 제1 고정 전원 접점 및 음전압이 인가되는 제2 고정 전원 접점을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 질량추는 상기 기판과 동일한 물질 또는 상기 기판보다 밀도가 높은 물질로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연결 스프링은 가로 방향 탄성 계수보다 세로 방향 탄성 계수가 더 큰 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 고정 전극판 및 상기 제2 가동 전극판이 서로 대면하도록 배열되고, 상기 제2 고정 전극판 및 상기 제1 가동 전극판이 서로 대면하도록 배열되는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극판 및 가동 전극판은 상기 질량추를 중심으로 상하 대칭 및 좌우 대칭이 되도록 배열되는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 질량추는 상기 기판을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판을 포함하고, 상기 기판의 상단에 산화층이 존재하는 것을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가동 전극판, 상기 가동 전극판 지지부, 상기 고정체, 상기 고정 전극판 지지부, 상기 고정 전극판 및 상기 연결 스프링은 상기 산화층의 상단에 형성되는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 가동 전극판은 상기 질량추의 움직임에 의하여 상기 고정 전극판과 대면하는 면적이 변화하는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 창치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 면적의 변화에 상응하여 상기 가동 전극판 및 상기 고정 전극판 사이에 형성되는 커패시턴스가 변화하는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    복수의 상기 가동 전극판 및 상기 고정 전극판 사이에서 생성되는 커패시턴스 변화량은 상기 질량추의 수직 방향 움직임에 의해서만 변화하는 것
    을 특징으로 하는 수직 방향 가속도 측정 장치.
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