KR20120121564A - 관성센서 - Google Patents

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KR20120121564A
KR20120121564A KR1020110039427A KR20110039427A KR20120121564A KR 20120121564 A KR20120121564 A KR 20120121564A KR 1020110039427 A KR1020110039427 A KR 1020110039427A KR 20110039427 A KR20110039427 A KR 20110039427A KR 20120121564 A KR20120121564 A KR 20120121564A
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KR1020110039427A
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정원규
정호섭
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 관성센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서(100)는 두께방향을 관통하는 홀(200)이 형성된 판상의 멤브레인(110), 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 구비된 질량체(120) 및 멤브레인(110)을 지지하도록 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에 구비되어 질량체(120)를 둘러싸는 포스트(130)를 포함하는 구성이며, 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성하여 진동시 공기의 점성으로 인한 감쇠력을 저감시킴으로써, 질량체(120)의 변위나 진폭을 증가시켜 관성센서(100)의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

관성센서{Inertial Sensor}
본 발명은 관성센서에 관한 것이다.
최근, 관성센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙박스(Black Box) 등 차량용, 캠코더의 손떨림 방지용, 핸드폰이나 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
이러한 관성센서는 가속도와 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 가용성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 관성센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출할 수 있고, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출할 수 있는 것이다.
구체적으로, 관성센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴톤의 운동법칙 "F=ma" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서, "F"는 질량체에 작용하는 관성력, "m"은 질량체의 질량, "a"는 측정하고자 하는 가속도이다. 따라서, 질량체에 작용하는 힘(F)을 측정하여 일정값인 질량체의 질량(m)으로 나누면, 가속도(a)를 구할 수 있다. 한편, 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force) "F=2mΩ?v" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체의 질량, "Ω"는 측정하고자 하는 각속도, "v"는 질량체의 운동속도이다. 이중, 질량체의 운동속도(v)와 질량체의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 질량체에 작용하는 코리올리힘(F)을 측정하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.
상술한 바와 같이, 코리올리힘(F)을 이용하여 각속도(Ω)를 측정하기 위해서는, 상기 질량체를 소정의 운동속도(v)로 진동시켜야 한다. 그런데, 종래기술에 따른 관성센서는 질량체를 진동시킬 때, 멤브레인에 대한 공기의 감쇠력으로 인하여 진폭이 작아지고 그에 따라 센서의 감도가 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 원하는 진폭을 구현하기 위해서 구동 전압을 높게 한다면 소비전력이 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 관성센서를 감압이나 진공으로 패키지하는 기술이 개발되고 있다. 하지만, 감압이나 진공을 유지하기 위해서는 견고한 밀봉구조가 필요하고 그에 따라 관성센서의 제조비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 완벽한 밀봉구조는 구현하는 것은 현실적으로 불가능하므로, 시간이 지남에 따라 관성센서 내에 공기가 유입되어 관성센서의 감도가 점점 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 멤브레인에 홀을 형성하여 진동시 공기의 점성으로 인한 감쇠력을 저감시킬 수 있는 관성센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서는 두께방향을 관통하는 홀이 형성된 판상의 멤브레인, 상기 멤브레인의 중앙부분 하부에 구비된 질량체 및 상기 멤브레인을 지지하도록 상기 멤브레인의 테두리 하부에 구비되어 상기 질량체를 둘러싸는 포스트를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 홀은 횡단면이 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홀은 상기 질량체가 구비된 상기 멤브레인의 중앙부분의 외측에 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인에 구비되어 상기 멤브레인의 중앙부분에 진동을 발생시키는 구동수단 및 상기 멤브레인에 구비되어 상기 멤브레인의 중앙부분에 작용하는 힘을 감지하는 감지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 일면에 상기 구동수단 및 상기 감지수단이 구비되며, 상기 구동수단은 압전체 및 상기 압전체에 형성된 구동전극을 포함하고, 상기 감지수단은 압전체 및 상기 압전체에 형성된 감지전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전체는 상기 멤브레인의 중심을 둘러싸는 내측 환상 영역과 상기 내측 환상 영역을 둘러싸는 외측 환상 영역으로 구획되고, 상기 구동전극은 상기 외측 환상 영역에 N개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되고, 상기 감지전극은 상기 내측 환상 영역에 M개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, N개로 분할된 상기 구동전극 중 인접한 상기 구동전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, M개로 분할된 상기 감지전극 중 인접한 상기 감지전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전체는 상기 멤브레인의 중심을 둘러싸는 내측 환상 영역과 상기 내측 환상 영역을 둘러싸는 외측 환상 영역으로 구획되고, 상기 구동전극은 상기 내측 환상 영역에 N개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되고, 상기 감지전극은 상기 외측 환상 영역에 M개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, N개로 분할된 상기 구동전극 중 인접한 상기 구동전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, M개로 분할된 상기 감지전극 중 인접한 상기 감지전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전체는 상기 멤브레인의 전면에 형성되고, 상기 압전체에는 상기 홀이 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 중앙부분 하부와 상기 질량체를 접합시키는 질량체접합층 및 상기 멤브레인의 테두리 하부와 상기 포스트를 접합시키는 포스트접합층을 포함하는 접합층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체는 원기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포스트는 중심에 원기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체와 이격되어 상기 포스트의 하측을 밀폐하도록 상기 포스트의 하부에 구비된 하부캡을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인의 중앙부분과 이격되어 상기 멤브레인과 빈공간을 형성하도록 상기 멤브레인의 상부에 구비된 상부캡을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 멤브레인에 홀을 형성하여 진동시 공기의 점성으로 인한 감쇠력을 저감시킴으로써, 질량체의 변위나 진폭을 증가시켜 관성센서의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래기술에 비하여 진동시 상대적으로 적은 구동전압으로 원하는 진폭을 구현할 수 있으므로, 소비전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 멤브레인에 홀을 형성하여 멤브레인의 물성(역학적 성질 등)을 변형시킬 수 있으므로, 동일한 멤브레인을 이용하더라도 홀의 형성 위치나 크기에 따라 XYZ축에 대한 관성센서의 공진주파수를 제어할 수 있고, XYZ축에 대한 공진주파수가 서로 커플링되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 분해사시도;
도 2는 도 1에 도시된 관성센서를 A-A'선에 따라 절단한 단면도;
도 3은 도 1에 도시된 관성센서를 B-B'선에 따라 절단한 단면도;
도 4는 도 1에 도시된 관성센서에서 상부캡을 제거한 평면도;
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 관성센서의 변형예를 도시한 평면도;
도 8은 도 4에 도시된 관성센서의 구동전극과 감지전극의 위치를 변경한 변형예를 도시한 평면도;
도 9는 도 2에 도시된 관성센서가 Z축 방향의 가속도를 측정하는 과정을 도시한 단면도; 및
도 10은 도 2에 도시된 관성센서가 X축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정하기 위해서 질량체를 Z축 방향으로 진동시키는 과정을 도시한 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 분해사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 관성센서를 A-A'선에 따라 절단한 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 관성센서를 B-B'선에 따라 절단한 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 두께방향을 관통하는 홀(200)이 형성된 판상의 멤브레인(110), 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 구비된 질량체(120) 및 멤브레인(110)을 지지하도록 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에 구비되어 질량체(120)를 둘러싸는 포스트(130)를 포함하는 구성이다.
상기 멤브레인(110)은 판상으로 형성되고 질량체(120)가 진동할 수 있도록 탄성을 갖는다. 여기서, 멤브레인(110)의 경계는 정확히 구별되는 것은 아니지만, 도 2 내지 도 3과 같이 멤브레인(110) 중앙의 중앙부분(113)과 멤브레인(110)의 외곽을 따라 구비된 테두리(115)로 구획될 수 있다. 이때, 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에는 질량체(120)가 구비되어, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)은 질량체(120)의 움직임에 대응하는 변위가 발생한다. 또한, 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에는 포스트(130)가 구비되어, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)을 지지하는 역할을 수행한다. 한편, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)과 테두리(115) 사이는 탄성변형되므로, 구동수단을 배치하여 질량체(120)를 진동시키거나 감지수단을 배치하여 질량체(120)의 변위를 측정할 수 있다. 다만, 구동수단과 감지수단은 반드시 멤브레인(110)의 중앙부분(113)과 테두리(115) 사이에 배치하여야 하는 것은 아니고, 일부가 멤브레인(110)의 중앙부분(113)이나 테두리(115)에 배치될 수 있음은 물론이다.
도 4는 도 1에 도시된 관성센서에서 상부캡을 제거한 평면도이고, 도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 관성센서의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 구동수단과 상기 감지수단은 판상 구조체인 하나의 압전체(140)에 다수의 전극을 형성하여 구현할 수 있다. 예를 들어, 구동수단은 압전체(140)의 상부에 구동전극(150)을 형성하여 구현할 수 있고, 감지수단은 압전체(140)의 상부에 감지전극(160)을 형성하여 구현할 수 있다. 여기서, 구동전극(150)과 감지전극(160)은 각각 원호(圓弧) 형상으로 형성된다. 더욱 구체적으로 살펴보면, 압전체(140)를 상기 멤브레인(110)의 중심을 둘러싸는 내측 환상(環狀) 영역(143)과 내측 환상 영역(143)을 둘러싸는 외측 환상 영역(145)으로 구획할 때, 외측 환상 영역(145)에 구동전극(150)이 원호 형상으로 형성되고 내측 환상 영역(143)에 감지전극(160)이 원호 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 구동전극(150)은 N개로 분할되어 형성될 수 있고, 감지전극(160)은 M개로 분할되어 형성될 수 있다. 도면상 구동전극(150)과 감지전극(160)은 각각 4개로 분할되어 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제작비용이나 구현하고자 하는 감도를 고려하여 구동전극(150)과 감지전극(160)의 수를 결정할 수 있다.
한편, 구동전극(150)과 감지전극(160)은 연결패턴(148)을 통해서 패드(149)에 전기적으로 연결되고, 패드(149)는 최종적으로 인쇄회로기판 등 외부회로와 전기적으로 연결된다.
또한, 도 8은 도 4에 도시된 관성센서의 구동전극과 감지전극의 위치를 변경한 변형예를 도시한 평면도인데, 도 8에 도시된 관성센서(100)는 도 4에 도시된 관성센서(100)에 대비하여, 구동전극(150)과 감지전극(160)의 위치가 서로 변경된 것이다. 즉, 내측 환상 영역(143)에 구동전극(150)이 원호 형상으로 형성되고 외측 환상 영역(145)에 감지전극(160)이 원호 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 구동전극(150)과 감지전극(160)의 위치 변경은 도 5 내지 도 7에 도시된 관성센서(100)의 구동전극(150)과 감지전극(160)에도 동일하게 적용될 수 있다.
그리고, 도 2 내지 도 3을 참조하면, 압전체(140)의 하부에는 공통전극(147)이 형성된 것으로 도시되어 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 압전체(140)의 하부에도 압전체(140)의 상부와 동일한 형태로 구동전극(150)과 감지전극(160)이 형성될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)에는 두께방향(반드시 멤브레인(110)의 일면에 대하여 수직방향을 의미하는 것은 아님)을 관통하는 홀(200)이 형성된다. 여기서, 홀(200)은 멤브레인(110)을 기준으로 상하부의 공기가 자유롭게 이동할 수 있게 하는 역할을 수행하는 것이다. 홀(200)을 통해서 멤브레인(110) 상하부의 공기가 자유롭게 이동할 수 있으므로, 멤브레인(110)의 중앙부분(113)이 이동할 때 발생하는 공기의 감쇠력을 저감시킬 수 있다. 여기서, 홀(200)의 위치는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 멤브레인(110)의 상하 공기가 소통될 수 있도록 질량체(120)가 구비된 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 외측에 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 압전체(140)와 공통전극(147)이 멤브레인(110)의 전면에 형성된 경우, 멤브레인(110)에 형성될 홀(200)은 압전체(140)와 공통전극(147)까지 관통하도록 연장하여 형성하는 것이 바람직하다. 도 4 내지 7을 참조하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 홀(200)이 감지전극(160)과 구동전극(150)의 설계에 영향을 주는 것을 최대한 방지하기 위해서, N개로 분할된 구동전극(150) 중 인접한 두개의 구동전극(150) 사이에 홀(200)을 형성하거나(도 4 및 도 7 참조), M개로 분할된 감지전극(160) 중 인접한 두개의 감지전극(160) 사이에 홀(200)을 형성할 수 있다(도 6 참조). 또는, 구동전극(150)과 감지전극(160)이 동일한 수로 분할 되어 서로 닮은꼴(크기만 다르고 모양이 같은 형상)을 이루는 경우, 인접한 두개의 구동전극(150) 사이로부터 인접한 두개의 감지전극(160) 사이까지 연장되도록 홀(200)을 형성할 수도 있다(도 5 참조). 이때, 홀(200)의 횡단면은 원형(도 6 내지 도 7 참조) 또는 다각형(도 4 내지 도 5 참조)이다.
한편, 홀(200)은 레이저 또는 RIE(Reactive Ion Etching) 등의 건식 식각을 통해서 형성할 수 있지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성하여 공기의 감쇠력을 저감시키는 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 질량체(120)는 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 구비된다. 또한, 상기 포스트(130)는 중공(中空)형으로 형성되어 멤브레인(110)을 지지함으로써 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주는 역할을 하는 것으로, 기판층의 테두리(115) 하부에 구비된다. 여기서, 질량체(120)는 예를 들어 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 포스트(130)는 중심에 원기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 횡단면을 기준으로 볼 때, 질량체(120)는 원형으로 형성되고, 포스트(130)는 중앙에 원형의 개구가 구비된 사각형으로 형성되는 것이다.
한편, 질량체(120)가 멤브레인(110)의 중앙부분(113)에 접합되어야 하고, 포스트(130)가 멤브레인(110)의 테두리(115)에 접합되어야 하므로, 질량체(120)와 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 사이 및 포스트(130)와 멤브레인(110)의 테두리(115) 사이에는 접합층(170)이 구비될 수 있다. 여기서, 접합층(170)은 기판층의 중앙부분(113)과 질량체(120)를 접합시키는 질량체접합층(173) 및 기판층의 테두리(115)와 포스트(130)를 접합시키는 포스트접합층(175)으로 구성된다. 또한, 질량체접합층(173)과 포스트접합층(175)은 각각 질량체(120)와 포스트(130)에 대응하는 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.
추가적으로, 포스트(130)의 하부에는 포스트(130)의 하측을 밀폐하는 하부캡(bottom cap; 180)이 구비될 수 있다. 여기서, 하부캡(180)은 관성센서(100)의 하측을 보호하는 역할을 하는 것으로, 하부캡(180)은 질량체(120)의 진동을 방해하지 않도록 질량체(120)에 대응하는 부분에는 제1 오목부(185)를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 멤브레인(110)의 상부에는 멤브레인(110)과 빈공간을 형성하도록 상부캡(top cap; 190)이 구비될 수 있다. 여기서, 상부캡(190)은 관성센서(100)의 상측을 보호하는 역할을 하는 것으로, 상부캡(190)은 질량체(120)가 진동할 때 멤브레인(110)의 진동을 방해하지 않도록 멤브레인(110)의 상측에는 제2 오목부(195)를 형성하는 것이 바람직하다.
도 9는 도 2에 도시된 관성센서가 Z축 방향의 가속도를 측정하는 과정을 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하여 Z축 방향의 가속도(aZ)를 측정하는 과정은 다음과 같다.
관성센서(100)에 Z축 방향으로 가속도(aZ)가 작용하는 경우, 질량체(120)에는 가속도(aZ)와 반대방향으로 관성력(F)이 작용한다. 상기 관성력(F)는 "F=maz" 식이 성립하며, 여기서, "F"는 질량체(120)에 작용하는 관성력, "m"은 질량체(120)의 질량, "aZ"는 측정하고자 하는 가속도이다. 이중, 질량체(120)의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 관성력(F)을 측정하면 Z축 방향의 가속도(aZ)를 측정할 수 있다. 이와 같이, Z축 방향의 가속도(aZ)를 측정할 때, 질량체(120)는 관성력(F)에 의하여 Z축 방향으로 변위가 발생한다. 이때, 멤브레인(110) 역시 Z축 방향으로 변위가 발생하는데, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성함으로써 멤브레인(110) 상하에 존재하는 공기의 감쇠력을 저감시킬 수 있다. 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)이 +Z축 방향으로 이동할 때 멤브레인(110)의 상부에 존재하는 공기는 홀(200)을 통하여 멤브레인(110)의 하부로 이동하게 된다(화살표 참조). 이와 같이, 멤브레인(110)의 변위에 따라 공기가 멤브레인(110)의 상하부로 자유롭게 이동하므로, 공기의 감쇠력을 저감시킬 수 있고, 그에 따라 질량체(120)의 변위가 증가하여 관성센서(100)의 감도를 높일 수 있다.
도 10은 도 2에 도시된 관성센서가 X축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정하기 위해서 질량체를 Z축 방향으로 진동시키는 과정을 도시한 단면도이다.
각속도를 측정하기 위해서는 각속도의 기준축에 수직방향으로 질량체(120)를 진동시켜야 한다. 예를 들어, X축을 기준으로 회전하는 각속도(ΩX)를 측정하는 과정을 도 10을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
X축을 기준으로 회전하는 각속도(ΩX)를 측정하기 위한 코리올리힘(F)를 발생시키기 위해서, 관성센서(100)는 질량체(120)를 Z축 방향으로 진동시켜야 한다(0→VZ). 상기 코리올리힘(F)은 "F=2mΩX?VZ" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체(120)에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체(120)의 질량, "ΩX"는 측정하고자 하는 각속도, "VZ"는 질량체(120)의 진동속도이다. 이중, 질량체(120)의 질량(m)과 질량체(120)의 진동속도(VZ)는 이미 인지하고 있는 값이므로, 코리올리힘(F)을 측정하면 X축을 기준으로 회전하는 각속도(ΩX)를 측정할 수 있다. 이와 같이, 각속도를 측정하기 위해서는 각속도의 기준축에 수직방향으로 질량체(120)를 진동시켜야 한다. 상술한 바와 같이, Z축 방향으로 질량체(120)를 진동시키기는 경우, 멤브레인(110) 역시 Z축 방향으로 진동하게 된다. 이때, 종래기술에 따른 관성센서의 경우 멤브레인의 상하에 존재하는 공기의 점성으로 인하여 진폭에 영향을 받는다. 하지만, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성함으로써 공기의 감쇠력을 저감시킬 수 있다. 구체적으로, 도 10a에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)이 +Z축 방향으로 이동할 때 멤브레인(110)의 상부에 존재하는 공기가 홀(200)을 통하여 멤브레인(110)의 하부로 이동하게 되고, 도 10b에 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)이 -Z축 방향으로 이동할 때 멤브레인(110)의 하부에 존재하는 공기가 홀(200)을 통하여 멤브레인(110)의 상부로 이동하게 된다(화살표 참조). 이와 같이, 멤브레인(110)의 진동에 따라 공기가 멤브레인(110)의 상하부로 자유롭게 이동하므로, 공기의 감쇠력을 저감시킬 수 있고, 그에 따라 질량체(120)의 진폭을 증가시켜 관성센서(100)의 감도를 높일 수 있다. 또한, 종래기술에 따른 관성센서에 비해서 상대적으로 적은 구동전압으로 원하는 진폭으로 질량체(120)를 진동시킬 수 있으므로, 소비전력을 줄일 수 있다. 한편, 이러한 효과는 Y축을 기준으로 회전하는 각속도(ΩY)를 측정하는 과정에도 동일하게 구현될 수 있음은 물론이다.
홀의 종류 Q-factor(Z축 방향)
종래기술(홀 형성 안함) 50 내지 150
도 4의 홀 272
도 5의 홀 206
도 6의 홀 155
도 7의 홀 188
멤브레인(110)에 다양한 형태의 홀(200)을 형성하여 공기의 감쇠력이 감소하는 정도를 측정한 결과는 상기 표 1과 같다. 상기 표 1과 같이, 멤브레인(110)에 다양한 형태의 홀(200)을 형성한 경우 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성 안한 경우에 비하여 Z축 방향의 Q-factor(Quality factor)가 증가한 것을 알 수 있다. 여기서, Q-factor는 공기의 감쇠력에 반비례한다. 따라서, 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성하여 Z축 방향의 Q-factor가 커졌다는 것은 공기의 감쇠력이 감소했다는 것을 의미한다. 결국, 상기 측정 결과를 통해서, 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성하는 경우 공기의 감쇠력을 저감시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 멤브레인(110)에 홀(200)을 형성하여 멤브레인(110)의 물성(역학적 성질 등)을 변형시킴으로써, XYZ축에 대한 관성센서(100)의 공진주파수를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, XYZ축에 대한 공진주파수가 서로 커플링되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 동일한 멤브레인(110)을 이용하더라도 홀(200)의 형성 위치나 크기에 따라 XYZ축에 대한 관성센서(100)의 공진주파수를 변형시키거나 XYZ축에 대한 공진주파수가 서로 커플링되는 것을 방지할 수 있는 것이다. 따라서, 관성센서(100)를 제작함에 있어서 설계자유도를 높일 수 있고, 다양한 설계를 통해서 관성센서(100)의 사이즈를 감소시킬 수 있는 효과도 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 관성센서 110: 멤브레인
113: 멤브레인의 중앙부분 115: 멤브레인의 테두리
120: 질량체 130: 포스트
140: 압전체 143: 내측 환상 영역
145: 외측 환상 영역 147: 공통전극
148: 연결패턴 149: 패드
150: 구동전극 160: 감지전극
170: 접합층 173: 질량체접합층
175: 포스트접합층 180: 하부캡
185: 제1 오목부 190: 상부캡
195: 제2 오목부 200: 홀

Claims (17)

  1. 두께방향을 관통하는 홀이 형성된 판상의 멤브레인;
    상기 멤브레인의 중앙부분 하부에 구비된 질량체; 및
    상기 멤브레인을 지지하도록 상기 멤브레인의 테두리 하부에 구비되어 상기 질량체를 둘러싸는 포스트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 홀은 횡단면이 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 관성센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 홀은 상기 질량체가 구비된 상기 멤브레인의 중앙부분의 외측에 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인에 구비되어 상기 멤브레인의 중앙부분에 진동을 발생시키는 구동수단; 및
    상기 멤브레인에 구비되어 상기 멤브레인의 중앙부분에 작용하는 힘을 감지하는 감지수단;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 멤브레인의 일면에 상기 구동수단 및 상기 감지수단이 구비되며,
    상기 구동수단은 압전체 및 상기 압전체에 형성된 구동전극을 포함하고,
    상기 감지수단은 압전체 및 상기 압전체에 형성된 감지전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 압전체는 상기 멤브레인의 중심을 둘러싸는 내측 환상 영역과 상기 내측 환상 영역을 둘러싸는 외측 환상 영역으로 구획되고,
    상기 구동전극은 상기 외측 환상 영역에 N개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되고,
    상기 감지전극은 상기 내측 환상 영역에 M개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    N개로 분할된 상기 구동전극 중 인접한 상기 구동전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  8. 청구항 6에 있어서,
    M개로 분할된 상기 감지전극 중 인접한 상기 감지전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 압전체는 상기 멤브레인의 중심을 둘러싸는 내측 환상 영역과 상기 내측 환상 영역을 둘러싸는 외측 환상 영역으로 구획되고,
    상기 구동전극은 상기 내측 환상 영역에 N개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되고,
    상기 감지전극은 상기 외측 환상 영역에 M개로 분할된 원호(圓弧) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    N개로 분할된 상기 구동전극 중 인접한 상기 구동전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  11. 청구항 9에 있어서,
    M개로 분할된 상기 감지전극 중 인접한 상기 감지전극 사이에 상기 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 압전체는 상기 멤브레인의 전면에 형성되고, 상기 압전체에는 상기 홀이 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인의 중앙부분 하부와 상기 질량체를 접합시키는 질량체접합층; 및
    상기 멤브레인의 테두리 하부와 상기 포스트를 접합시키는 포스트접합층;
    을 포함하는 접합층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는 원기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 포스트는 중심에 원기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체와 이격되어 상기 포스트의 하측을 밀폐하도록 상기 포스트의 하부에 구비된 하부캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인의 중앙부분과 이격되어 상기 멤브레인과 빈공간을 형성하도록 상기 멤브레인의 상부에 구비된 상부캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.

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