KR20130067336A - 관성센서 - Google Patents

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KR20130067336A
KR20130067336A KR1020110125239A KR20110125239A KR20130067336A KR 20130067336 A KR20130067336 A KR 20130067336A KR 1020110125239 A KR1020110125239 A KR 1020110125239A KR 20110125239 A KR20110125239 A KR 20110125239A KR 20130067336 A KR20130067336 A KR 20130067336A
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magnets
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KR1020110125239A
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박정태
한승헌
김종운
박흥우
이정원
노정은
정원규
이성준
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 관성센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서(100,200)는 멤브레인(110), 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120), 질량체(120)의 하부에 구비되고, 복수개로 패터닝된 자석(140), 및 질량체(120)와 이격되도록 구비되고, 복수개로 패터닝된 자석(140)의 자계에 따라 변하는 저항을 통해서 질량체(120)에 작용하는 정적인(static) DC 가속도를 측정하는 자기저항소자(150)를 포함하는 구성으로, 복수개로 패터닝된 자석(140)과 자기저항소자(150)를 구비함으로써, 기존의 압전체로 측정이 어려웠던 정적인(static) DC 가속도(특히, 중력 가속도)를 측정할 수 있는 장점이 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 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 관성센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출할 수 있는 것이다.
구체적으로, 관성센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴턴의 운동법칙 "F=ma" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서, "F"는 질량체에 작용하는 관성력, "m"은 질량체의 질량, "a"는 측정하고자 하는 가속도이다. 이중, 질량체에 작용하는 관성력(F)을 감지하여 일정값인 질량체의 질량(m)으로 나누면, 가속도(a)를 구할 수 있다. 또한, 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 감지하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.
한편, 종래기술에 따른 관성센서는 한국공개특허공보 제10-2011-0072229호에 개시된 바와 같이, 질량체를 구동시키거나 질량체의 변위를 감지하기 위해서 멤브레인의 상부에는 압전체가 구비된다. 하지만, 종래기술과 같이 압전체로 질량체의 변위를 감지하여 가속도를 측정하는 경우, 발생된 전하가 소멸되거나 온도에 민감한 압전체의 특성 때문에, 정적인(static) DC 가속도(특히, 중력 가속도)를 측정하기 어려운 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 복수개로 패터닝된 자석과 자기저항소자를 구비하여 정적인(static) DC 가속도(특히, 중력 가속도)를 측정할 수 있는 관성센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서는 멤브레인, 상기 멤브레인의 하부에 구비된 질량체, 상기 질량체의 하부에 구비되고, 복수개로 패터닝된 자석, 및 상기 질량체와 이격되도록 구비되고, 복수개로 패터닝된 상기 자석의 자계에 따라 변하는 저항을 통해서 상기 질량체에 작용하는 정적인(static) DC 가속도를 측정하는 자기저항소자를 포함하는 구성이다.
여기서, 상기 질량체의 하면에 구비된 강자성체를 더 포함하고, 상기 자석은 상기 강자성체를 국부적으로 자화시켜 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체의 하면에 구비된 강자성체 및 상기 질량체와 이격되도록 구비되고, 상기 강자성체를 국부적으로 자화시켜 상기 자석을 추가적으로 형성하는 전자석을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체는 상기 멤브레인의 중앙부분 하부에 구비되고, 상기 멤브레인의 테두리 하부에 구비된 포스트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체와 상기 포스트를 덮도록 테두리가 상기 포스트의 하면에 결합되되, 상기 질량체와 이격되는 캡을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기저항소자는 상기 캡에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캡의 상면에는 두께방향으로 함몰된 오목부가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개로 패터닝된 상기 자석은 각각의 자기력이 상이한 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개로 패터닝된 상기 자석은, 상기 질량체의 중심축 상에 구비된 제1 자석 및 상기 제1 자석을 중심으로한 하나의 원 또는 동심원 상에 구비된 복수개의 제2 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 상기 제2 자석은, 상기 제1 자석을 중심으로 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 상기 제2 자석은, 상기 제1 자석을 중심으로 대칭되도록 구비된 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 멤브레인에 구비된 압전체를 더 포함한는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전체는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자석은 상기 질량체의 하면으로부터 돌출되도록 형성된 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, 복수개로 패터닝된 자석과 자기저항소자를 구비함으로써, 기존의 압전체로 측정이 어려웠던 정적인(static) DC 가속도(특히, 중력 가속도)를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자석으로 강자성체를 국부적으로 자화시켜 자석을 추가적으로 형성함으로써, 정적인 DC 가속도(특히, 중력 가속도)를 더욱 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 단면도;
도 2는 도 1a에 도시된 관성센서에서 캡을 제거한 저면도;
도 3 내지 도 4는 도 1a에 도시된 관성센서가 정적인 DC 가속도를 측정하는 과정을 도시한 단면도;
도 5는 도 2에 도시된 관성센서의 변형예를 도시한 저면도;
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 관성센서의 단면도; 및
도 7a 내지 도 7b는 도 6에 도시된 강자성체를 국부적으로 자화시켜 자석을 추가하는 과정을 도시한 저면도이다.
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 1a 내지 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서의 단면도이고, 도 2는 도 1a에 도시된 관성센서에서 캡을 제거한 저면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 멤브레인(110), 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120), 질량체(120)의 하부에 구비되고, 복수개로 패터닝된 자석(140), 및 질량체(120)와 이격되도록 구비되고, 복수개로 패터닝된 자석(140)의 자계에 따라 변하는 저항을 통해서 질량체(120)에 작용하는 정적인(static) DC 가속도를 측정하는 자기저항소자(150)를 포함하는 구성이다.
상기 멤브레인(110)은 판상으로 형성되어 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있도록 탄성을 갖는다. 여기서, 멤브레인(110)의 경계는 정확히 구별되는 것은 아니지만, 도시된 바와 같이, 멤브레인(110)의 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 구비되고, 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부에는 포스트(160)가 구비된다. 따라서, 멤브레인(110)의 테두리(115)는 포스트(160)의 지지를 받아 고정되고, 고정된 멤브레인(110)의 테두리(115)를 기준으로 멤브레인(110)의 중앙부분(113)에는 질량체(120)의 움직임에 대응하는 변위가 발생한다.
더욱 구체적으로 질량체(120)와 포스트(160)를 살펴보면, 질량체(120)는 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 하부에 구비되어 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것이다. 또한, 포스트(160)는 중공(中空)형으로 형성되어 멤브레인(110)의 테두리(115) 하부를 지지함으로써 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주는 역할을 하는 것이다. 여기서, 질량체(120)는 예를 들어 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 포스트(160)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(160)는 중앙에 원형의 개구가 구비된 사각형으로 형성되는 것이다(도 2 참조). 다만, 질량체(120)와 포스트(160)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 공지된 모든 형상으로 질량체(120)와 포스트(160)를 형성할 수 있음은 물론이다. 한편, 상술한 멤브레인(110), 질량체(120) 및 포스트(160)는 SOI(Silicon On Insulator) 기판 등의 실리콘 기판을 선택적으로 식각하여 형성할 수 있다.
또한, 질량체(120)가 멤브레인(110)의 중앙부분(113)에 접합되어야 하고, 포스트(160)가 멤브레인(110)의 테두리(115)에 접합되어야 하므로, 질량체(120)와 멤브레인(110)의 중앙부분(113) 사이 및 포스트(160)와 멤브레인(110)의 테두리(115) 사이에는 접합층(190)이 구비될 수 있다.
추가적으로, 포스트(160)의 하부에는 질량체(120)를 보호하는 역할을 수행하는 캡(170)이 구비될 수 있다. 여기서, 캡(170)은 질량체(120)와 포스트(160)를 덮도록 테두리가 포스트(160)의 하면에 결합된다. 이때, 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보하도록, 캡(170)은 질량체(120)와 이격된다. 또한, 캡(170)의 상면에는 두께방향으로 함몰된 오목부(175)가 형성되어, 질량체(120)에 작용하는 공기의 감쇠력을 줄임으로써, 동특성(Dynamic Characteristic, 動特性)을 향상시킬 수 있다.
한편, 멤브레인(110)에는 압전체(180)가 구비되어 질량체(120)를 구동시키거나 질량체(120)의 변위를 감지할 수 있다. 여기서, 압전체(180)는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2) 등으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 압전체(180)에 전압이 인가되면, 압전체(180)가 팽창 및 축소되는 역압전효과가 발생하고, 이러한 역압전효과를 이용하여, 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120)를 구동시킬 수 있다. 반대로, 압전체(180)에 응력이 가해지면, 전위차가 나타나는 압전효과가 발생하고, 이러한 압전효과를 이용하여, 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120)의 변위를 감지할 수 있다. 또한, 압전체(180)의 역압전효과와 압전효과를 영역별로 이용하기 위해서, 압전체(180)는 복수개로 패터닝되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 압전체(180)는 도시된 바와 같이 4개로 패터닝될 수 있다. 이중, 내측에 구비된 2개의 압전체(183)는 질량체(120)의 변위를 감지하는 감지수단이 될 수 있고(압전효과 이용), 외측에 구비된 2개의 압전체(185)는 질량체(120)를 구동시키는 구동수단이 될 수 있다(역압전효과 이용). 다만, 패터닝된 압전체(180)의 개수 및 감지수단과 구동수단의 위치는 상술한 구성에 한정되지 않고, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 관성센서(100)를 가속도 센서만으로 활용하는 경우, 각속도를 측정하기 위해 질량체(120)를 구동시킬 필요가 없으므로, 구동수단이 생략될 수도 있다.
상술한 압전체(180)의 역압전효과와 압전효과를 이용하면, 관성센서(100)는 통상적인 가속도와 각속도를 측정할 수 있다. 단, 중력 가속도 등의 정적인(static) DC 가속도는 압전체(180)의 특성(발생한 전하가 소멸되거나 온도에 민감함)으로 인하여, 압전체(180)만으로 측정하기 어렵다.
하지만, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 복수개로 패터닝된 자석(140)과 자기저항소자(150)를 구비하여, 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다. 여기서, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 질량체(120)의 하부에 구비되는데, 예를 들어, 자석(140)은 질량체(120)의 하면에 구비된 강자성체(130)를 국부적으로 자화시켜 형성되거나(도 1a 참조), 질량체(120)의 하면에 별도로 구비될 수 있다(도 1b 참조). 자석(140)이 강자성체(130)를 국부적으로 자화시켜 형성된 경우(도 1a 참조), 자석(140)은 강자성체(130)에 매립되지만, 자석(140)이 질량체(120)의 하면에 별도로 구비되는 경우(도 1b 참조), 자석(140)은 질량체(120)의 하면으로부터 돌출되도록 형성된다. 또한, 자기저항소자(150)는 질량체(120)와 이격되도록 캡(170) 등에 구비되고, 배선(220)을 통해서 제어부와 연결될 수 있다. 따라서, 자기저항소자(150)는 복수개로 패터닝된 자석(140)의 자계에 따라 변하는 저항을 통해서 질량체(120)에 작용하는 정적인(static) DC 가속도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 질량체(120)의 중심축 상에 구비된 제1 자석(143)과, 제1 자석(143)을 중심으로한 하나의 원 상에 구비된 복수개의 제2 자석(145)으로 구성될 수 있다. 이때, 복수개의 제2 자석(145)은 제1 자석(143)을 중심으로 제1 방향(X축 방향)과 제1 방향에 수직인 제2 방향(Y축 방향)에 구비될 수 있고, 복수개의 제2 자석(145)은 제1 자석(143)을 중심으로 대칭되도록 구비될 수 있다. 즉, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 제1 자석(143)을 중심으로 4개의 제2 자석(145)이 각각 +X축 방향, -X축 방향, +Y축 방향, -Y축 방향에 십자형으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 제1 자석(143)과 제2 자석(145)으로 자석(140)을 구성하고, 자기저항소자(150)를 복수개로 패터닝된 자석(140)의 하부에 구비함으로써, 질량체(120)에 작용하는 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다.
도 3 내지 도 4는 도 1a에 도시된 관성센서가 정적인 DC 가속도를 측정하는 과정을 도시한 단면도로, 이를 참조하여 정적인 DC 가속도를 측정하는 과정을 살펴보도록 한다.
정적인 DC 가속도가 작용하기 전, 자기저항소자(150)는 제1 자석(143)의 하부에 배치되므로, 제1 자석(143)의 자계의 영향을 받는다(도 1a 참조).
이후, 도 3a에 도시된 바와 같이, 질량체(120)에 +X축 방향으로 정적인 DC 가속도가 작용하면, 관성력(-Fx)에 의하여 질량체(120)는 -X축 방향으로 이동된다. 질량체(120)가 -X축 방향으로 이동되면, 자기저항소자(150)는 제1 자석(143)으로부터 +X축 방향에 배치된 제2 자석(145)의 자계의 영향을 받는다. 즉, 자기저항소자(150)는 제1 자석(143)의 자계의 영향을 받다가 제1 자석(143)으로부터 +X축 방향에 배치된 제2 자석(145)의 자계의 영향을 받게되는 것이다. 따라서, 자기저항소자(150)의 저항이 변하게 되고, 이를 통해서 질량체(120)에 작용하는 +X축 방향의 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다.
반대로, 이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 질량체(120)에 -X축 방향으로 정적인 DC 가속도가 작용하면, 관성력(+Fx)에 의하여 질량체(120)는 +X축 방향으로 이동된다. 질량체(120)가 +X축 방향으로 이동되면, 자기저항소자(150)는 제1 자석(143)으로부터 -X축 방향에 배치된 제2 자석(145)의 자계의 영향을 받는다. 즉, 자기저항소자(150)는 제1 자석(143)의 자계의 영향을 받다가 제1 자석(143)으로부터 -X축 방향에 배치된 제2 자석(145)의 자계의 영향을 받게되는 것이다. 따라서, 자기저항소자(150)의 저항이 변하게 되고, 이를 통해서 질량체(120)에 작용하는 -X축 방향의 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다.
또한, 상술한 원리와 동일하게, 제1 자석(143)으로부터 +Y축 방향과 -Y축 방향에 배치된 제2 자석(145)을 이용하여, +Y축 방향 또는 -Y축 방향의 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다. 또한, 자기저항소자(150)에 자계를 미치는 자석(140)이 변함에 따라, 자기저항소자(150)의 저항 변화가 명확해 지도록, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 각각의 자기력이 상이할 수 있다.
한편, 도 4a에 도시된 바와 같이, 질량체(120)에 +Z축 방향으로 정적인 DC 가속도가 작용하면, 관성력(-Fz)에 의하여 질량체(120)는 -Z축 방향으로 이동된다. 질량체(120)가 -Z축 방향으로 이동되면, 제1 자석(143)과 자기저항소자(150)의 거리가 가까워져, 자기저항소자(150)에 미치는 제1 자석(143)의 자계가 증가하므로, 자기저항소자(150)의 저항이 변하게 된다. 이와 같이, 자기저항소자(150)의 저항 변화를 통해서 질량체(120)에 작용하는 +Z축 방향의 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다.
반대로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 질량체(120)에 -Z축 방향으로 정적인 DC 가속도가 작용하면, 관성력(+Fz)에 의하여 질량체(120)는 +Z축 방향으로 이동된다. 질량체(120)가 +Z축 방향으로 이동되면, 제1 자석(143)과 자기저항소자(150)의 거리가 멀어져, 자기저항소자(150)에 미치는 제1 자석(143)의 자계가 감소하므로, 자기저항소자(150)의 저항이 변하게 된다. 이와 같이, 자기저항소자(150)의 저항 변화를 통해서 질량체(120)에 작용하는 -Z축 방향의 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다.
다만, 상술한 정적인 DC 가속도를 측정하는 원리는 예시적인 것으로, 자석(140)의 자계에 따라 변하는 자기저항소자(150)의 저항을 통해서 정적인 DC 가속도를 측정할 수 있다면, 어떠한 원리도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
또한, 복수개로 패터닝된 자석(140) 역시 상기 내용에 한정되는 것은 아니고, 다양하게 변형될 수 있다.
예를 들어, 도 5는 도 2에 도시된 관성센서의 변형예를 도시한 저면도로, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 질량체(120)의 중심축 상에 구비된 제1 자석(143)과, 제1 자석(143)을 중심으로한 동심원 상에 구비된 복수개의 제2 자석(145)으로 구성될 수 있다. 이때, 복수개의 제2 자석(145)은 제1 자석(143)을 중심으로 제1 방향(X축 방향)과 제1 방향에 수직인 제2 방향(Y축 방향)에 구비될 수 있고, 복수개의 제2 자석(145)은 제1 자석(143)을 중심으로 대칭되도록 구비될 수 있다. 즉, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 제1 자석(143)을 중심으로 <동심원의 개수×4>개의 제2 자석(145)이 십자형으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 제2 자석(145)의 수를 증가시킴으로써, 관성센서(100)는 정적인 DC 가속도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 관성센서의 단면도이고, 도 7a 내지 도 7b는 도 6에 도시된 강자성체를 국부적으로 자화시켜 자석을 추가하는 과정을 도시한 저면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(200)는 질량체(120)와 이격되도록 캡(170) 등에 전자석(210)이 구비되고, 전자석(210)은 배선(220)을 통해서 제어부와 연결될 수 있다. 여기서, 전자석(210)은 질량체(120)의 하면에 구비된 강자성체(130)를 국부적으로 자화시켜 자석(140)을 추가적으로 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 7a에 도시된 바와 같이, 최초 설계시에는 복수개로 패터닝된 자석(140)은 질량체(120)의 중심축 상에 구비된 제1 자석(143)과 제1 자석(143)을 중심으로 제1 방향(X축 방향)과 제1 방향에 수직인 제2 방향(Y축 방향)에 구비된 제2 자석(145)으로 구성될 수 있다. 이후, 도 7b에 도시된 바와 같이, 전자석(210)을 이용하여 강자성체(130)를 국부적으로 자화시키면, 복수개로 패터닝된 자석(140)은 제1 자석(143)을 중심으로 제3 방향(X축에 +45° 방향)과 제4 방향(X축에 -45° 방향)에 구비된 제3 자석(147)을 추가적으로 형성할 수 있다. 이와 같이, 제1 자석(143)을 중심으로 제3 방향(X축에 +45° 방향)과 제4 방향(X축에 -45° 방향)에 구비된 제3 자석(147)을 추가함으로써, 관성센서(200)는 제3 방향(X축에 +45° 방향)과 제4 방향(X축에 -45° 방향)의 정적인 DC 가속도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.
다만, 전자석(210)으로 강자성체(130)를 국부적으로 자화시켜 제1 자석(143)을 중심으로 제3 방향(X축에 +45° 방향)과 제4 방향(X축에 -45° 방향)에 제3 자석(147)을 추가하는 것은 예시적인 것으로, 전자석(210)은 필요에 따라 강자성체(130)의 모든 부분을 국부적으로 자화시켜 제3 자석(147)을 추가할 수 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, 200: 관성센서 110: 멤브레인
113: 멤브레인의 중앙부분 115: 멤브레인의 테두리
120: 질량체 130: 강자성체
140: 자석 143: 제1 자석
145: 제2 자석 147: 제3 자석
150: 자기저항소자 160: 포스트
170: 캡 175: 오목부
180, 183, 185: 압전체 190: 접합층
210: 전자석 220: 배선

Claims (14)

  1. 멤브레인;
    상기 멤브레인의 하부에 구비된 질량체;
    상기 질량체의 하부에 구비되고, 복수개로 패터닝된 자석; 및
    상기 질량체와 이격되도록 구비되고, 복수개로 패터닝된 상기 자석의 자계에 따라 변하는 저항을 통해서 상기 질량체에 작용하는 정적인(static) DC 가속도를 측정하는 자기저항소자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체의 하면에 구비된 강자성체;
    를 더 포함하고,
    상기 자석은 상기 강자성체를 국부적으로 자화시켜 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체의 하면에 구비된 강자성체; 및
    상기 질량체와 이격되도록 구비되고, 상기 강자성체를 국부적으로 자화시켜 상기 자석을 추가적으로 형성하는 전자석;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는 상기 멤브레인의 중앙부분 하부에 구비되고,
    상기 멤브레인의 테두리 하부에 구비된 포스트;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 질량체와 상기 포스트를 덮도록 테두리가 상기 포스트의 하면에 결합되되, 상기 질량체와 이격되는 캡;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 자기저항소자는 상기 캡에 구비된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 캡의 상면에는 두께방향으로 함몰된 오목부가 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    복수개로 패터닝된 상기 자석은 각각의 자기력이 상이한 것을 특징으로 하는 관성센서.
  9. 청구항 1에 있어서,
    복수개로 패터닝된 상기 자석은,
    상기 질량체의 중심축 상에 구비된 제1 자석; 및
    상기 제1 자석을 중심으로한 하나의 원 또는 동심원 상에 구비된 복수개의 제2 자석;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    복수개의 상기 제2 자석은,
    상기 제1 자석을 중심으로 제1 방향과 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향에 구비된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  11. 청구항 9에 있어서,
    복수개의 상기 제2 자석은,
    상기 제1 자석을 중심으로 대칭되도록 구비된 된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인에 구비된 압전체;
    를 더 포함한는 것을 특징으로 하는 관성센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 압전체는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)으로 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 자석은 상기 질량체의 하면으로부터 돌출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9726490B2 (en) * 2011-09-02 2017-08-08 Hokuriku Electric Industry Co., Ltd. Angular velocity sensor
JP6190226B2 (ja) 2013-09-20 2017-08-30 株式会社東芝 慣性センサ
US10228387B2 (en) * 2014-06-16 2019-03-12 Kulite Semiconductor Products, Inc. Two-dimensional material-based accelerometer
JP6594527B2 (ja) * 2016-04-21 2019-10-23 富士フイルム株式会社 複合センサ
CN106526233B (zh) * 2016-11-30 2023-04-21 中山市晶威电子科技有限公司 一种加速度传感器
CN107255737B (zh) * 2017-05-18 2019-12-10 东南大学 一种基于磁场方向改变的隧道磁阻式加速度计装置及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH077012B2 (ja) * 1987-08-18 1995-01-30 富士通株式会社 加速度センサ
DE3929082A1 (de) * 1988-12-09 1990-06-13 Teves Gmbh Alfred Beschleunigungssensor mit einseitig eingespanntem biegebalken
JPH11352143A (ja) * 1998-04-06 1999-12-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 加速度センサ
US6507187B1 (en) * 1999-08-24 2003-01-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultra-sensitive magnetoresistive displacement sensing device
JP4229096B2 (ja) * 2005-07-21 2009-02-25 Ｔｄｋ株式会社 加速度センサ及び磁気ディスクドライブ装置
KR101119283B1 (ko) 2009-12-22 2012-06-05 삼성전기주식회사 관성 센서 및 그 제조 방법

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