KR20140106247A - Ｍｅｍｓ 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 MEMS 디바이스는 질량체와, 상기 질량체의 일면에 접합된 제 1 가요부, 상기 질량체의 타면에 접합된 제 2 가요부를 포함하는 가요부와, 상기 질량체가 부상되도록 가요부의 단부가 고정되는 지지부를 포함하고, 상기 가요부의 일면에 압전체 또는 압저항체가 구비된다.

Description

ＭＥＭＳ 디바이스{Micro Electro Mechanical Systems device}

본 발명은 MEMS 디바이스에 관한 것이다.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)란 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 센서, 액추에이터(Actuator) 등의 초미세 기계구조물을 만드는 기술이다. MEMS 소자는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖고, 구조적으로는 증착과 에칭 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용해 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량 생산이 가능하다.

이를 통해 제조되는 MEMS 디바이스 중, 센서는 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 센서는 가속도, 각속도 또는 힘 등을 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구조를 예로 들 수 있다. 이러한 구조를 통해서, 센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출하는 관성센서, 또는 질량체에 직접 인가되는 외력을 측정하여 힘을 산출하는 압력센서 등으로 이용된다.

특히, 관성 센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙 박스(Black box), 손떨림 방지 캠코더, 핸드폰, 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

관성 센서는 선형운동을 측정할 수 있는 가속도 센서와 회전운동을 측정할 수 있는 각속도 센서로 나누어진다.

가속도는 뉴튼의 운동법칙 "F = ma" 식에 의해 구해질 수 있어서, 여기서 "m"은 이동체의 질량이고, "a"는 측정하고자하는 가속도이다. 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force)에 관한 "F = 2mΩ·v" 식에 의해 구해질 수 있으며, 여기서, "m"은 이동체의 질량이고, "Ω"은 측정하고자 하는 각속도이며, "v"는 질량의 운동속도이다. 또한, 코리올리힘의 방향은 속도(v)축 및 각속도(Ω)의 회전축에 의해 결정된다.

이러한 관성 센서는 제조공정에 따라 세라믹 센서와 MEMS(Microelectromechanical Systems) 센서로 나눌 수 있다. 이중 MEMS 센서는 센싱 원리에 따라 정전형(Capacitive Type), 압저항형(Piezoresistive Type), 압전형(Piezoelectic Type) 등으로 구분된다.

특히, 선행기술문헌을 포함하는 종래기술에 따른 MEMS 센서는 소형 및 경량으로 제작하기 쉬워짐에 따라, 관성센서의 기능 또한 지속적으로 발전하고 있다.

그러나, 종래기술에 따른 MEMS 센서는 외부의 충격 또는 타축 구동에 따른 간섭으로 일축에 대한 정확한 구동 및 센싱이 어려운 문제점을 지니고 있다.

US 20090282918 A1

본 발명의 관점은 타축에 대한 구동을 단속함으로써, 일축에 대해서만 정확히 구동 및 센싱이 가능한 MEMS 디바이스를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 디바이스는 질량체와, 상기 질량체의 일면에 접합된 제 1 가요부, 상기 질량체의 타면에 접합된 제 2 가요부를 포함하는 가요부와, 상기 질량체가 부상되도록 가요부의 단부가 결합되는 지지부를 포함하고, 상기 가요부의 일면에 압전체 또는 압저항체가 구비된다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 디바이스에 있어서, 상기 제 1 가요부와 제 2 가요부가 멤브레인(membrane) 형태 또는 브리지(Bridge) 형태로 서로 중첩 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 디바이스에 있어서, 상기 질량체는 일축 방향으로 서로 중첩하거나 또는 맞닿은 제 1 질량체와 제 2 질량체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 제 1 가요부 또는 제 2 가요부는 일면에 구동 전극과 감지 전극을 구비하고, 상기 구동 전극과 감지 전극을 이용하여 액추에이터(Actuator) 동작을 수행하거나, 또는 상기 감지 전극을 이용하여 압력 또는 가속도를 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 가요부는 상기 제 1 질량체의 상면에 접합하고 다수의 상부 압전체를 일면에 구비하며 제 1 지지부에 연결 고정된 제 1 가요부; 및 상기 제 1 질량체의 하면에 맞닿아 상기 제 2 질량체의 상면에 접합하고 다수의 하부 압전체를 일면에 구비하며 제 2 지지부에 연결 고정된 제 2 가요부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 MEMS 디바이스는 상기 상부 압전체와 하부 압전체를 이용하여 액추에이터(Actuator), 가속도 센서 및 압력 센서 중 어느 하나의 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스는 제 1 질량체; 상기 제 1 질량체에 둘러싸이고 다수의 상부 내측 가요부를 매개로 하여 상기 제 1 질량체에 연결되어 중앙에 구비된 제 2 질량체; 상기 제 1 질량체의 상측 외부면에 구비되어 지지부에 연결된 적어도 두 개의 상부 외측 가요부; 및 상기 상부 외측 가요부에 중첩하고 상기 제 1 질량체의 하측 외부면에 구비되어 상기 지지부에 연결된 적어도 두 개의 하부 외측 가요부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 제 1 질량체는 내부 공간을 갖는 통형 부재인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 상부 내측 가요부는 멤브레인(membrane) 형태 또는 브리지(Bridge) 형태로 형성되고, 상면에 상기 제 2 질량체의 각속도를 검출하기 위한 감지 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 상부 외측 가요부는 일면에 상기 제 1 질량체를 구동시키기 위한 상부 구동전극을 구비하고, 상기 하부 외측 가요부는 일면에 상기 제 1 질량체를 구동시키기 위한 하부 구동전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스는 상기 상부 구동전극과 하부 구동전극을 이용하여 액추에이터로 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 디바이스에서 상기 상부 외측 가요부는 상기 제 1 질량체의 상측 외부면 양측에서 각각 상기 지지부에 대칭으로 연결되는 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 아니 되며, 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 타축에 대한 구동을 단속함으로써, 일축에 대해서만 정확히 구동 및 센싱이 가능한 MEMS 디바이스를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 동작을 설명하기 위한 개략적인 사용상태도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 동작을 설명하기 위한 개략적인 사용상태도.
도 6a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 평면도.
도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도.
도 7a는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 평명도.
도 7b는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도.

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, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)는 일축 방향으로 병진 운동하는 적어도 하나의 질량체(120), 일축 방향으로 질량체(120)의 양면에 각각 접하는 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132), 및 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132) 각각의 단부가 고정된 지지부(110)를 포함하고, 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132)에는 압전체(미도시) 또는 압저항체(미도시)를 구비할 수 있다.

지지부(110)는 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132)를 지지하여 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 질량체(120)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다. 여기서, 지지부(110)는 반드시 별도의 구성이어야 하는 것은 아니고, 일체의 구성일 수도 있다. 또한, 지지부(110)의 위치는 질량체(120)의 외측에 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다.

질량체(120)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해서 변위가 발생하는 것으로, Z 축과 같은 일축 방향을 따라 상면에 제 1 가요부(131)가 접합되고 하면에 제 2 가요부(132)가 접합된다. 이러한 질량체(120)는 도 1에서 하나의 부재로 도시하지만, 이에 한정되지 않고 Z 축과 같은 일축 방향을 따라 서로 맞닿은 두 개의 질량체로 구비될 수 있다.

제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132)는 중간에 접합된 질량체(120)의 움직임에 따라 탄성 변형하는 멤브레인(membrane) 형태 또는 브리지(Bridge) 형태를 갖는 탄성 부재로서, 테두리 영역에 연결된 지지부(110)의 지지를 받는다. 여기서, 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실리콘 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132) 각각은 일면에 압전체(미도시) 또는 압저항체(미도시)를 구비하고, 구비된 압전체 또는 압저항체를 통해 질량체(120)의 변위에 따른 관성력 또는 압력을 검출할 수 있다. 이에 따라, MEMS 디바이스(100)는 관성 센서 또는 압력 센서로 이용될 수 있다.

또한, 반대로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)는 제 1 가요부(131)와 제 2 가요부(132) 각각에 구비된 압전체에 구동 전압을 인가하여, 질량체(120)가 변위 운동에 따른 진동력을 발생시켜, 액추에이터(Actuator)로 동작할 수도 있다.

그리고 제1 가요부(131)와 제2 가요부(132)가 Z축과 같은 일축 방향으로 소정의 거리를 두고 질량체(120)에 접하기 때문에, 질량체(120)은 Z축과 같은 일축 방향의 병진 변위 외의 움직임이 구속될 수 있다.

이하, 도 2와 도 4를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스(200)를 설명한다. 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 동작을 설명하기 위한 개략적인 사용상태도이다. 여기서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스(200)에 관한 설명 중 전술된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 2에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스(200)는 일축 방향으로 맞닿아 병진 운동하는 제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222), 일축 방향으로 제 1 질량체(221)의 상면에 구비된 제 1 가요부(231), 일축 방향으로 제 2 질량체(221)의 하면에 구비된 제 2 가요부(232), 제 1 가요부(231)의 단부가 고정된 제 1 지지부(211), 및 제 2 가요부(232)의 단부가 고정된 제 2 지지부(212)를 포함한다.

제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222)는 각각 일축 방향으로 맞닿아 중첩 구비되고, 제 1 질량체(221)의 상면에 제 1 가요부(231)가 접합 연결되며, 제 2 질량체(221)의 하면에 제 2 가요부(232)가 접합 연결된다. 이러한 제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222)는 일축 방향으로 맞닿아 Z축과 같은 일축 방향으로 병진 운동을 하되, 제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222) 각각이 서로 분리되어 맞닿아 별도로 병진 운동하므로, 도 1의 질량체(120) 보다 변위 정도를 극대화하여 센싱 감도를 높힐 수 있다.

제 1 가요부(231)와 제 2 가요부(232)는 각각에 접합된 제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222)의 움직임에 따라 탄성 변형하는 멤브레인(membrane) 형태 또는 브리지(Bridge) 형태를 갖는 탄성 부재로서, 테두리 영역에 연결된 제 1 지지부(211)와 제 2 지지부(212)의 지지를 받는다. 여기서, 제 1 가요부(231)와 제 2 가요부(232)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실리콘 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 제 1 가요부(231)와 제 2 가요부(232) 각각은 대칭적으로 일면에 압전체와 전극을 구비한다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 가요부(231)의 상부면에는 제 1 압전체(241)가 형성되고, 제 1 압전체(241)의 상부면에는 제 1 감지 전극(251-1, 251-2)과 제 1 구동 전극(252-1, 252-2)을 구비한다.

또한, 제 2 가요부(232)의 하부면에는 제 2 압전체(242)가 형성되고, 제 2 압전체(242)의 하부면에는 제 2 감지 전극(253-1, 253-2)과 제 2 구동 전극(254-1, 254-2)을 구비한다.

제 1 지지부(211)와 제 2 지지부(212)는 제 1 가요부(231)와 제 2 가요부(232)를 각각 고정하도록 별도로 구비되지만, 이에 한정되지 않고 제 1 지지부(211)와 제 2 지지부(212)가 일체형으로 형성되어 제 1 가요부(231)와 제 2 가요부(232)를 모두 고정할 수도 있다.

이에 따라, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스(200)는 압전체, 감지 전극 및 구동 전극을 구비하고, 액추에이터(Actuator)와 가속도 센서의 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 예컨대, 제 1 구동 전극(252-1, 252-2)과 제 2 감지 전극(253-1, 253-2)에 "+" 전압을 인가하고, 제 1 감지 전극(251-1, 251-2)과 제 2 구동 전극(254-1, 254-2)에 "-" 전압을 인가하여, 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스(200)가 화살표의 일축 방향으로 변위를 발생시키는 액추에이터로서 동작할 수 있다. 물론, 반대로 전압을 인가하여, 화살표의 반대 방향으로 공진하는 액추에이터로서 동작할 수도 있다.

또한, 이와는 별개로 제 2 실시예에 따른 MEMS 디바이스(200)는 압력 센서 또는 가속도 센서로 동작할 수 있어서, 외력이 가해지면 제 1 압전체(241)와 제 2 압전체(242)가 외력에 비례하는 양전하와 음전하가 발생하는 압전 효과(piezoelectric effect)를 이용하여 일축 방향으로 제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222)의 변위(D1)를 감지할 수 있다.

즉, 제 1 감지 전극(251-1, 251-2) 또는 제 2 감지 전극(253-1, 253-2)이 제 1 질량체(221)와 제 2 질량체(222)의 진동 변화(D1)를 감지하고, 제어부(미도시)가 제 1 감지 전극(251-1, 251-2) 또는 제 2 감지 전극(253-1, 253-2)으로부터 수신한 진동 변화(D1)의 정보에 따라 압력 또는 가속도를 검출할 수 있다.

이하, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스(300)에 대해 도 3과 도 5를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 동작을 설명하기 위한 개략적인 사용상태도이다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스(300)는 제 1 질량체(321)의 상면에 접합하고 다수의 상부 압전체(341~344)를 일면에 구비하며 제 1 지지부(311)에 연결 고정된 제 1 가요부(331), 및 제 1 질량체(321)의 하면에 맞닿아 제 2 질량체(322)의 상면에 접합하고 다수의 하부 압전체(351~354)를 일면에 구비하며 제 2 지지부(312)에 연결 고정된 제 2 가요부(332)를 포함한다.

제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322)는 서로 중첩 구비되어 각각 제 1 가요부(331)와 제 2 가요부(332) 각각에 상면이 접합연결된다.

이러한 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322)는 일축 방향, 예컨대 Z축과 같은 일축 방향으로 중첩하여 병진 운동을 하되, 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322) 각각이 서로 별도로 병진 운동하므로, 변위 정도를 극대화하여 센싱 감도를 높일 수 있다.

제 1 가요부(331)와 제 2 가요부(332)는 각각에 접합된 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322)의 움직임에 따라 탄성 변형하는 멤브레인 형태 또는 브리지 형태를 갖는 탄성 부재로서, 테두리 영역에 연결된 제 1 지지부(211)와 제 2 지지부(212)의 지지를 받는다. 여기서, 제 1 가요부(231)와 제 2 가요부(232)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실리콘 또는 SOI 기판을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 제 1 가요부(331)와 제 2 가요부(332) 각각은 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322)에 접하는 면에 대응하는 타면, 즉 상면에 다수의 상부 압전체(341~344)와 하부 압전체(351~354)를 구비한다.

이러한 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322) 각각이 가속도에 비례한 외력을 받아 변위할 때, 상부 압전체(341~344)와 하부 압전체(351~354)는 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322) 각각의 휨에 따른 제 1 가요부(331)와 제 2 가요부(332) 각각의 휨을 저항치 변화로 검출한다. 이렇게 검출된 저항치 변화 정보는 제어부로 전달되고, 제어부는 저항치 변화 정보에 따라 일축 방향의 가속도를 검출할 수 있다.

구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스(300)에 외력이 가해져 제 1 질량체(321)와 제 2 질량체(322) 각각이 변위(D2)할 때, 제 1 가요부(331)에 구비된 상부 압전체(341~344)와 제 2 가요부(332)에 구비된 하부 압전체(351~354)는 압저항체로 이루어질 경우 저항치가 변화한다.

이러한 저항치 변화 정보에 대해 제어부는 연산 처리로서, 예를 들어 내측 압전체(342,343,352,353)의 저항치 변화를 "+"로 검출하고, 외측 압전체(341,344,351,354)의 저항치 변화를 "-"로 검출하여, 아래의 [수학식 1]과 같이 연산처리를 통해 Z축 방향의 가속도 또는 압력을 검출할 수 있다.

반대로, 상부 압전체(341~344)와 하부 압전체(351~354)에 전압을 인가하여, 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스(300)가 화살표의 일축 방향으로 변위를 발생시키는 액추에이터로 동작할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MEMS 디바이스(300)는 상부 압전체(341~344)와 하부 압전체(351~354)를 이용하여 가속도 센서 또는 압력 센서로 기능하거나, 또는 일축 방향으로 공진하는 액추에이터로 기능을 수행할 수 있다.

이하, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스에 대해 도 6a와 도 6b를 참조하여 설명한다. 도 6a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 평면도이고, 도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도이다. 여기서, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)는 각속도를 검출하는 각속도 센서 및 액츄에이터의 기능을 수행할 수 있는 MEMS 디바이스에 관한 것이다.

본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)는 제 1 질량체(421-1), 제 1 질량체(421-1)에 둘러싸이고 다수의 상부 내측 가요부(441)에 의해 제 1 질량체(421-1)에 연결되어 중앙에 구비된 제 2 질량체(421-2), 제 1 질량체(421-1)의 상측 외부면에 구비되어 지지부(411,412)에 연결된 다수의 상부 외측 가요부(431), 및 다수의 상부 외측 가요부(431)에 중첩하고 제 1 질량체(421-1)의 하측 외부면에 구비되어 지지부(411,412)에 연결된 다수의 하부 외측 가요부(451)를 포함한다.

제 1 질량체(421-1)는 내부 공간을 갖는 사각통형의 부재이고, 그 내부 공간의 상측에 다수의 상부 내측 가요부(441)를 매개로 하여 제 2 질량체(421-2)를 둘러싸며 구비한다.

상부 외측 가요부(431)는 제 1 질량체(421-1)의 상측 외부면과 지지부 사이에 연결되고, 상면에 상부 구동 전극(430)을 구비하여 제 제 2 질량체(421-2)에 코리올리힘(F)을 발생시켜 진동시키기 위해 제 1 질량체(421-1)를 구동하게 한다.

상부 내측 가요부(441)는 제 2 질량체(421-2)의 움직임에 따라 탄성 변형하는 멤브레인 형태 또는 브리지 형태를 갖는 탄성 부재로서, 예를 들어 도 6a에 도시된 바와 같이 4개의 브리지로 구비되어 제 1 질량체(421-1)와 제 2 질량체(421-2) 사이에 연결될 수 있다. 이러한 상부 내측 가요부(441)는 상면에 감지 전극(440)을 구비하여, 제 2 질량체(421-2)에 발생한 코리올리힘(F)에 따른 각속도를 검출하게 된다.

하부 외측 가요부(451)는 도 6b에 도시된 바와 같이 상부 외측 가요부(431)에 중첩하여 제 1 질량체(421-1)의 하측 외부면과 지지부 사이에 연결되고, 상부 외측 가요부(431)와 마찬가지로 제 1 질량체(421-1)를 진동시키기 위한 하부 구동 전극(450)을 하면에 구비한다.

이와 같은 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)는 예컨대, X축을 기준으로 회전하는 제 2 질량체(421-2)의 각속도(ΩX)를 측정하기 위한 코리올리힘(F)을 발생시키기 위해서, 4개의 상부 외측 가요부(431-1,431-2,431-3,431-4)를 이용하여 제 2 질량체(421-2)를 X축에 수직인 Z축과 같은 일축 방향으로 진동시켜야 한다. 이러한 코리올리힘(F)은 "F = 2mΩZVX" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 제 2 질량체(421-2)에 작용하는 코리올리힘, "m"은 제 2 질량체(421-2)의 질량, "ΩX"는 측정하고자 하는 일축의 각속도, "VZ"는 제 2 질량체(421-2)의 진동 속도이다.

이때, 제 2 질량체(421-2)의 질량(m)과 진동속도(VZ)는 이미 인지하고 있는 값이므로, 감지 전극(440)을 통해 코리올리힘(F)을 측정하면 X축을 기준으로 회전하는 각속도(ΩZ)를 검출할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)는 상부 외측 가요부(431)의 상부 구동 전극(430)과 하부 외측 가요부(451)의 하부 구동 전극(450)을 이용하여, 일축 방향으로 공진하는 액추에이터로서 동작할 수도 있다.

따라서, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)는 상부 내측 가요부(441)에 구비된 감지 전극(440)을 통해 각속도를 검출하는 각속도 센서, 또는 상부 외측 가요부(431)의 상부 구동 전극(430)과 하부 외측 가요부(451)의 하부 구동 전극(450)을 통해 액추에이터로서 기능을 수행할 수 있다.

이하, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스에 대해 도 7a와 도 7b를 참조하여 설명한다. 도 7a는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 평면도이고, 도 7b는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 단면도이다. 여기서, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스(500)는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)와 동일한 기능으로 각속도를 검출하는 각속도 센서 및 액츄에이터의 기능을 수행할 수 있는 다른 형태의 MEMS 디바이스에 관한 것이다.

본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스(500)는 내부 공간을 갖는 사각통형의 단면을 갖는 제 1 질량체(521-1), 제 1 질량체(521-1)에 둘러싸이고 멤브레인 형태의 상부 내측 가요부(540)에 의해 제 1 질량체(421-1)에 연결되어 중앙에 구비된 제 2 질량체(521-2), 제 1 질량체(521-1)의 양측 상부 외부면에 구비되어 지지부(511,512)에 연결된 상부 외측 가요부(531-1,531-2), 및 다수의 상부 외측 가요부(531-1,531-2)에 중첩하고 제 1 질량체(521-1)의 양측 하부 외부면과 지지부(511,512) 사이에 연결된 하부 외측 가요부(551-1,551-2)를 포함한다.

제 1 질량체(521-1)는 원형의 내부 공간을 갖는 사각통 단면의 부재이고, 그 내부 공간의 상측에 멤브레인 형태의 상부 내측 가요부(540)를 매개로 하여 원통형의 제 2 질량체(521-2)를 둘러싸며 구비한다.

상부 외측 가요부(531-1,531-2)는 제 1 질량체(521-1)의 상부 외부면 양측과 좌,우 지지부(511,512) 사이를 서로 연결하고, 제 1 질량체(521-1)를 구동시키기 위한 상부 구동 전극(530)을 상면에 구비한다.

상부 내측 가요부(540)는 예컨대, 실리콘 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 이용하여 형성될 수 있고, 상면에 제 2 질량체(421-2)의 진동에 따른 각 축방향의 각속도를 검출하기 위한 감지 전극(541)을 구비한다.

하부 외측 가요부(551-1,551-2)는 도 7b에 도시된 바와 같이 상부 외측 가요부(531-1,531-2)에 중첩하여 제 1 질량체(521-1)의 하측 외부면 양측과 지지부(511,512) 사이에 연결되고, 상부 외측 가요부(531-1,531-2)와 마찬가지로 제 1 질량체(521-1)를 진동시키기 위한 하부 구동 전극(550)을 하면에 구비한다.

이와 같은 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스(500)는 회전하는 제 2 질량체(521-2)의 각속도(ΩX)를 측정하기 위한 코리올리힘(F)을 발생시키기 위해, 상부 외측 가요부(531-1,531-2)의 상부 구동 전극(530)과 하부 외측 가요부(551-1,551-2)의 하부 구동 전극(550)을 이용하여 제 1 질량체(521-1)를 Z축 방향으로 구동시킨다.

이때, 제 2 질량체(521-2)의 각속도(ΩX)는 코리올리힘(F)에 관한 "F = 2mΩZVZ" 식에 의해 구할 수 있고, 여기서 "F"는 제 2 질량체(521-2)에 작용하는 코리올리힘, "m"은 제 2 질량체(521-2)의 질량, "ΩX"는 측정하고자 하는 일축의 각속도, "VZ"는 제 2 질량체(521-2)의 진동 속도이다.

이러한 식에서 제 2 질량체(521-2)의 질량(m)과 진동속도(VZ)는 이미 인지하고 있는 값이므로, 감지 전극(541)을 통해 코리올리힘(F)을 측정하면 일축을 기준으로 회전하는 각속도(ΩZ)를 검출할 수 있다.

반면에, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스(500)는 상부 외측 가요부(531-1,531-2)의 상부 구동 전극(530)과 하부 외측 가요부(551-1,551-2)의 하부 구동 전극(550)을 이용하여, 일축 방향으로 공진하는 액추에이터로서 기능을 수행할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 MEMS 디바이스(500)는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MEMS 디바이스(400)와 마찬가지로, 상부 내측 가요부(540)에 구비된 감지 전극(541)을 통해 각속도를 검출하는 각속도 센서, 또는 상부 외측 가요부(531-1,531-2)의 상부 구동 전극(530)과 하부 외측 가요부(551-1,551-2)의 하부 구동 전극(550)을 통해 액추에이터로서 기능을 수행할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 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.

100,200,300,400,500: MEMS 디바이스
110: 지지부
120: 질량체
131,231: 제 1 가요부
132,232: 제 2 가요부
211: 제 1 지지부
212: 제 2 지지부
221: 제 1 질량체
222: 제 2 질량체
241: 제 1 압전체
242: 제 2 압전체
341~344: 상부 압전체
351~354: 하부 압전체

Claims (12)

1. 질량체;
   상기 질량체의 일면에 접합된 제 1 가요부와, 상기 질량체의 타면에 접합된 제 2 가요부를 포함하는 가요부; 및
   상기 질량체가 부상되도록 가요부의 단부가 고정되는 지지부를 포함하고,
   상기 가요부의 일면에 압전체 또는 압저항체가 구비된 MEMS 디바이스.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 1 가요부와 제 2 가요부가 멤브레인(membrane) 형태 또는 브리지(Bridge) 형태로 서로 중첩 구비되는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 질량체는 일축 방향으로 서로 중첩하거나 또는 맞닿은 제 1 질량체와 제 2 질량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제 1 가요부 또는 제 2 가요부는 일면에 구동 전극과 감지 전극을 구비하고,
   상기 구동 전극과 감지 전극을 이용하여 액추에이터(Actuator) 동작을 수행하거나, 또는 상기 감지 전극을 이용하여 압력 또는 가속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 가요부는
   상기 제 1 질량체의 상면에 접합하고 다수의 상부 압전체를 일면에 구비하며 제 1 지지부에 연결 고정된 제 1 가요부; 및
   상기 제 1 질량체의 하면에 맞닿아 상기 제 2 질량체의 상면에 접합하고 다수의 하부 압전체를 일면에 구비하며 제 2 지지부에 연결 고정된 제 2 가요부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 MEMS 디바이스는 상기 상부 압전체와 하부 압전제를 이용하여 액추에이터(Actuator), 가속도 센서 및 압력 센서 중 어느 하나의 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
7. 제 1 질량체;
   상기 제 1 질량체에 둘러싸이고 다수의 상부 내측 가요부를 매개로 하여 상기 제 1 질량체에 연결되어 중앙에 구비된 제 2 질량체;
   상기 제 1 질량체의 상측 외부면에 구비되어 지지부에 연결된 적어도 두 개의 상부 외측 가요부; 및
   상기 상부 외측 가요부에 중첩하고 상기 제 1 질량체의 하측 외부면에 구비되어 상기 지지부에 연결된 적어도 두 개의 하부 외측 가요부;
   를 포함하는 MEMS 디바이스.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제 1 질량체는 내부 공간을 갖는 통형 부재인 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 상부 내측 가요부는 멤브레인(membrane) 형태 또는 브리지(Bridge) 형태로 형성되고, 상면에 상기 제 2 질량체의 각속도를 검출하기 위한 감지 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
   
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 상부 외측 가요부는 일면에 상기 제 1 질량체를 구동시키기 위한 상부 구동전극을 구비하고,
    상기 하부 외측 가요부는 일면에 상기 제 1 질량체를 구동시키기 위한 하부 구동전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스는 상기 상부 구동전극과 하부 구동전극을 이용하여 액추에이터로 동작하는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
    
12. 청구항 7에 있어서,
    상기 상부 외측 가요부는 상기 제 1 질량체의 상측 외부면 양측에서 각각 상기 지지부에 대칭으로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 디바이스.
    

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