KR20150021850A - 멤스 진폭 변조기 및 이를 포함하는 멤스 자계 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자계가 흐르는 영역에 배치되어 진폭을 변조하는 진폭 변조기로서, 기판; 상기 기판으로부터 공급되는 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호를 수신하고, 상기 자계에 의해 공진 운동하는 제1 구동전극; 및 상기 제2 주파수 신호를 수신하고, 상기 제1 구동전극과 상기 자계에 의해 공진 운동하는 제2 구동전극을 포함하며, 상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극의 공진 운동에 의해 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호를 진폭 변조한 변조 신호를 생성하는 진폭 변조기를 제공한다. 따라서, 자계에 따른 기계적인 공진에 의해 캐리어 신호가 변조된 신호를 출력하므로 복잡한 회로 구성이 없이 진폭 변조가 가능하다. 또한, 상기 멤스 소자는 절연층이 포함되지 않는 단일 구조체로서, 하나의 구조체에 단일 신호를 인가하여 구동이 단순하고, 양 단의 구동 전극이 모두 구동하여 가변 커패시턴스의 변화량이 2배로 커짐으로 센서능이 향상된다.

Description

멤스 진폭 변조기 및 이를 포함하는 멤스 자계 센서{MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS AM MODULATOR AND MAGNETIC FIELD SENSOR HAVING THE SAME}

실시예는 멤스 진폭 변조기 및 이를 포함하는 멤스 자계 센서에 관한 것이다.

MEMS 용량형 센싱 기술 기반의 자계센서의 경우 일반적으로 자계에 반응하여 움직임이 가능한 구동전극과 이에 대응하여 용량의 변화를 센싱할 수 있는 고정전극으로 구성되어 있다.

자계센서의 원리는 구동전극에 일정방향으로 기준전류를 흘려주게 되면 외부에서 들어오는 자계방향과 세기에 따라 로렌쯔의 힘에 의해 구동전극이 고정전극에 대해서 양이나 음의 방향으로 움직이게 된다.

이때 두 전극 간의 거리나 오버랩 면적의 변화가 발생하여 커패시턴스가 변화하게 된다. 이러한 커패시턴스의 변화 또는 이와 상응하여 변화하는 신호를 검출함으로써 자계를 센싱하게 된다.

그러나, 자계를 센싱하기 위해 이용되는 로렌쯔의 힘은 중력과 비교해서 상대적으로 매우 작기 때문에 스프링 등의 센서구조 설계의 제한으로 인해 충분한 기계적 변위량을 얻기 어렵다.

또한, 구동전극에 구동을 위해 교류나 직류의 전류를 인가하면서 변화된 신호를 검출하는 경우, 전류의 혼재로 인해 원하는 신호를 검출하는 것이 용이하지 않다.

실시예는 감지능이 개선된 멤스 진폭 변조기 및 이를 포함하는 멤스 자계 센서를 제공한다.

실시예는 자계가 흐르는 영역에 배치되어 진폭을 변조하는 진폭 변조기로서,

기판; 상기 기판으로부터 공급되는 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호를 수신하고, 상기 자계에 의해 공진 운동하는 제1 구동전극; 및 상기 제2 주파수 신호를 수신하고, 상기 제1 구동전극과 상기 자계에 의해 공진 운동하는 제2 구동전극을 포함하며, 상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극의 공진 운동에 의해 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호를 진폭 변조한 변조 신호를 생성하는 진폭 변조기를 제공한다.

실시예에 따른 멤스 진폭 변조기는 캐리어 신호와 공진 주파수의 구동 신호를 동시에 인가하면, 자계에 따른 기계적인 공진에 의해 캐리어 신호가 변조된 신호를 출력하므로 복잡한 회로 구성이 없이 진폭 변조가 가능하다.

또한, 상기 멤스 소자는 절연층이 포함되지 않는 단일 구조체로서, 하나의 구조체에 단일 신호를 인가하여 구동이 단순하고, 양 단의 구동 전극이 모두 구동하여 가변 커패시턴스의 변화량이 2배로 커짐으로 센서능이 향상된다.

또한, 다양한 신호 검출 방식을 통해 상기 멤스 소자가 자계 센서로 사용되는 경우, 출력되는 변조된 신호를 가공하여 자계의 세기를 검출할 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 진폭 변조기의 상면도이다.
도 2는 도 1의 진폭 변조기를 Ι-Ι'로 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 진폭 변조기의 구동 전극의 확대도이다.
도 4 내지 도 8은 도 1의 진폭 변조기의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 도 1의 진폭 변조기의 구동을 나타내는 원리를 설명하는 구성도이다.
도 10은 도 9의 출력 신호를 주파수 도메인과 시간 도메인에서 나타내는 파형도이다.
도 11은 도 1의 진폭 변조기가 자계 센서로 적용되는 일 예를 도시한 것이다.
도 12는 도 11의 자계 센서의 각 단계별 파형도를 나타낸 것이다.
도 13은 도 1의 진폭 변조기가 자계 센서로 적용되는 다른 예를 도시한 것이다.
도 14는 도 13의 자계 센서의 각 단계별 파형도를 나타낸 것이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 기계적 변위량이 확장된 멤스 소자가 적용된 진폭 변조기 및 이를 포함하는 자계 센서를 제공한다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 진폭 변조기를 설명한다.

도 1은 제1 실시예에 따른 진폭 변조기의 상면도이고, 도 2는 도 1의 진폭 변조기를 Ι-Ι'로 절단한 단면도이며, 도 3은 도 1의 진폭 변조기의 구동 전극의 확대도이다.

도 1을 참고하면, 실시예에 따른 진폭 변조기는 멤스 소자로서 고정 기판(110), 구동전극부(120), 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 포함한다.

멤스 소자(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS)는 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 초소형 기어, 하드디스크 등 초미세 기계구조물을 만드는 기술을 말한다. 멤스로 만든 미세 기계는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖는다. 구조적으로는 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용하며, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력과 표면장력 등을 이용해 전류를 발생시켜 전력소비량을 크게 낮추는 원리를 적용한 것이다.

이러한 멤스 소자로 이루어진 멤스 진폭 변조기는 상기 고정 기판(110)은 구동전극부(120) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지한다.

상기 고정 기판(110)은 플레이트 형상을 가지며, 사각형의 프레임 형상을 가질 수 있다. 이러한 고정 기판(110)은 가로로 긴 사각형일 수 있으며, 3mm·1mm의 면적을 가질 수 있다.

상기 고정 기판(110)은 복수의 층상 구조를 가지며, 도 2와 같이 지지 기판(400), 지지 기판(400) 위에 절연층(200) 및 상기 절연층(200) 위에 전극층(115a, 115b)으로 형성될 수 있다.

상기 지지 기판(400)은 실리콘 기판, 유리기판 또는 폴리머 기판일 수 있으나, 제1 실시예에서는 실리콘 기판으로 설명한다.

상기 지지 기판(400)은 100 내지 500μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 400μm의 두께를 가질 수 있다.

상기 지지 기판(400) 위에 절연층(200)이 형성되어 있다.

상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있으며, 1 내지 1.5μm의 두께를 가질 수 있다.

상기 절연층(200) 위에 전극층(115)이 형성되어 있다.

상기 고정 기판(110)은 중앙에 구동전극부(120)를 수용하는 캐비티(215)를 가지는 지지 기판(400) 위에 상기 전극층(115)을 패터닝하여 사각형의 각 변을 따라 배치되어 있으며, 서로 분리되어 있는 복수의 전극(111, 112, 116, 117)을 포함한다.

복수의 전극(111, 112, 116, 117)은 실리콘, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 지지 기판(400)이 실리콘 기판인 경우, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 전극(111, 112, 116, 117)은 10 내지 100 μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 50 μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

상기 전극(111, 112, 116, 117)은 전기적으로 서로 이격되어 있으며, 4개의 모서리 영역에 배치되어 있는 2개의 전원전극(112, 117) 및 상기 전원전극(112, 117)과 대응되는 2개의 감지전극(111, 116)을 포함할 수 있다.

보다 상세하게는, x축을 따라 일직선 상에서 각각 모서리 영역에 배치되는 제1 전원전극(112) 및 제2 전원전극(117)이 형성되며, 제1 전원전극(111)과 y축 방향으로 마주보며 모서리 영역에 배치되는 제1 감지전극(111), 제2 전원전극(117)과 y축 방향으로 마주보며 모서리 영역에 배치되는 제2 감지전극(116)을 포함한다.

실시예에서는 각 전극(111, 112, 116, 117)이 모서리 영역에 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 구동 전극부(120)와 연결되도록 서로 이격되어 형성되어 있으면 조건을 충족한다.

제1 전원전극(112)과 제1 감지전극(111)은 소정의 이격 거리를 포함하며, 상기 이격 거리가 소정 범위 이상인 경우, 도 1과 같이 두 전극(112, 111) 사이에 더미전극(115a)이 더 형성될 수 있다.

상기 더미전극(115a)이 형성되는 경우, 더미전극(115a)은 x축 방향으로 두 전극(112, 111)보다 작은 폭을 갖도록 형성된다.

제2 전원전극(117)과 제2 감지전극(116)은 소정의 이격 거리를 포함하며, 상기 이격 거리가 소정 범위 이상인 경우, 도 4와 같이 두 전극(117, 116) 사이에 더미전극(115b)이 더 형성될 수 있다.

상기 더미전극(115b)이 형성되는 경우, 더미전극(115b)은 두 전극(117, 116) 보다 작은 폭을 갖도록 형성된다.

이와 같이 더미전극(115a, 115b)을 각각 형성하는 경우, 도 2의 A와 같이 상기 더미전극(115a, 115b) 하부의 지지기판(400)은 캐비티(215)를 향하여 돌출되도록 형성될 수 있으며, 더미전극(115a, 115b)과 같거나 작을 수 있다.

즉, 캐비티(215)를 이루는 측면에 지지기판(400)이 노출되도록 더미전극(115a, 115b)의 폭을 제어하여 더미전극(115a, 115b)과 전극(111, 112, 116, 117)의 쇼트발생을 방지할 수 있다.

각 전극(111, 112, 116, 117)은 구동 전극부(120)와 연결되는 영역에 소캐비티를 포함하며, 각각의 소캐비티에 탄성부(300, 310, 320, 330)가 배치된다.

이때, 상기 복수의 전극(111, 112, 116, 117) 위에 금속층(500)이 더 형성될 수 있다.

금속층(500)은 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 은 등의 고전도성 물질로 형성되며, 전극층이 실리콘으로 형성되는 경우, 실리콘보다 전기전도성이 높은 물질로 형성된다.

이와 같이 전극 영역에 전기전도성이 높은 물질을 더 형성함으로써 전류 확산을 원활히 진행하여 반응 속도를 높일 수 있다.

상기 고정기판(110)의 캐비티(215) 내에 구동전극부(120)가 배치된다.

상기 구동전극부(120)는 제1 감지전극(111) 및 제1 전원전극(112) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제1 구동전극(121), 및 상기 제2 감지전극(116) 및 제2 전원전극(117) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제2 구동전극(131)을 포함한다.

상기 제1 구동전극(121)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 몸체, 상기 몸체의 양쪽 장 측면으로부터 확장되는 확장면, 및 상기 확장면으로부터 돌출되는 전극편을 포함한다.

제1 구동전극(121)은 두 개의 탄성부(300, 310)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.

제1 구동전극(121)의 몸체는 제1 및 제2 탄성부(300, 310) 사이를 연결하는 바(bar) 타입으로 형성된다.

상기 확장면은 상기 몸체의 두 개의 장 변으로부터 x축 방향으로 돌출되어 확장되며, 이러한 확장은 제1 전원전극(112)과 더미전극(115a) 사이에서 형성되는 x축 방향으로의 단차에 의한 공간으로의 확장을 의미한다.

상기 제1 구동전극(121)의 길이(d1)는 500 내지 5000 μm, 바람직하게는 1500 내지 2500 μm일 수 있다.

상기 제1 구동전극(121)은 더미전극(115a)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 기준전극편(122) 및 상기 제2 구동전극(131)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 구동전극편(127)을 포함한다.

상기 제1 기준전극편(122) 및 제1 구동전극편(127)은 빗살(comb) 형상으로 형성될 수 있으며, 소정의 길이(d4)를 가지는 제1 기준전극편(122)의 폭(W3)은 1 내지 30μm, 바람직하게는 3 내지 4 μm를 충족할 수 있다.

제1 구동전극(121)의 길이(d1), 제1 기준전극편(112)의 폭(W3) 및 이격거리에 따라 제1 기준전극편(122) 및 제1 구동전극편(127)의 수효가 결정된다.

제1 기준전극편(122) 및 제1 구동전극편(127)이 동일한 형상을 가지며, 몸체를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다. 따라서, 제1 구동전극(121)은 x축 방향의 무게 중심을 유지할 수 있다.

한편, 제2 구동 전극(131)은 제1 구동 전극(121)과 동일한 구성을 가지며, 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 몸체, 상기 몸체의 양쪽 장 측면으로부터 확장되는 확장면, 및 상기 확장면으로부터 돌출되는 전극편을 포함한다.

제2 구동전극(131)은 두 개의 탄성부(320, 330)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.

제2 구동전극(121)의 몸체는 제3 및 제4 탄성부(320, 330) 사이를 연결하는 바(bar) 타입으로 형성된다.

상기 확장면은 상기 몸체의 두 개의 장 변으로부터 x축 방향으로 돌출되어 확장되며, 이러한 확장은 제2 전원전극(112)과 더미전극(115b) 사이에서 형성되는 x축 방향으로의 단차에 의한 공간으로의 확장을 의미한다.

상기 제2 구동전극(131)은 더미전극(115b)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 기준전극편(132) 및 상기 제1 구동전극(121)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 구동전극편(137)을 포함한다.

상기 제2 기준전극편(132) 및 제2 구동전극편(137)은 빗살(comb) 형상으로 형성될 수 있으며, 그 구성은 제1 구동전극(121)의 그것과 동일하다.

제2 기준전극편(132) 및 제2 구동전극편(137)이 동일한 형상을 가지며, 몸체를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다. 따라서, 제2 구동전극(131)은 x축 방향의 무게 중심을 유지할 수 있다.

제1 구동전극편(127)과 제2 구동전극편(137)은 서로 교차하도록 배치된다.

즉, 상기 제1 구동전극(121)과 제2 구동전극(131)의 각 전극편(127, 137)이 자계 센서의 중앙 영역에서 서로 마주보도록 배치되어 가변 커패시터를 형성한다.

상기 가변 커패시터는 제1 구동전극(121)의 제1 구동전극편(127)과 제2 구동전극(131)의 제2 구동전극편(137)이 서로 교차하도록 배치되어 교차되는 편(127, 137)의 면적에 따라 커패시터의 용량이 가변한다.

본 실시예에서는 이러한 빗살모양의 구동기인 콤 드라이브(Comb drive)에 의하여 가변 커패시터를 구현하였으나, 본 발명의 사상은 이에 한정하지 않으며 마주보는 편의 거리 차를 이용하는 구조 등 가변 커패시터를 구현할 수 있는 다양한 구조에 의해 실현될 수 있다.

상기 제1 구동전극편(127)과 제2 구동전극편(137)은 제1 내지 제2 전원전극(112, 117)에 전압이 인가되지 않은 상태 또는 로렌츠 힘이 발생하지 않은 상태에서 약 30μm 내외의 중첩 거리(d2)를 가진다.

하나의 제1 구동전극편(127)과 이웃한 제2 구동전극편(137) 사이의 이격거리(W2)는 1 내지 10 μm, 바람직하게는 2 내지 3 μm일 수 있다.

한편, 상기 진폭 변조기는 고정기판(110)과 제1 구동전극(121)을 연결하는 제1 탄성부(300) 및 제2 탄성부(310), 고정기판(110)과 제2 구동전극(131)을 연결하는 제3 탄성부(320) 및 제4 탄성부(330)를 포함한다.

각각의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 각 구동전극(121, 131)의 양 단과 기준전극(112,117) 또는 감지전극(111, 116)을 연결한다.

제1 탄성부 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)는 더블 폴디드 타입(double folded type)의 스프링으로 구성될 수 있으며, 도 1과 같이 4개의 다리를 갖도록 형성될 수도 있다.

제1 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)는 각각의 기준전극(112, 117) 및 감지전극(111, 116)이 형성하는 소캐비티 내에 각각 배치된다.

즉, 제1 감지전극(111)이 형성하는 소캐비티 내에 제1 탄성부(300)가 배치되고, 제1 기준전극(112)의 소캐비티 내에 제2 탄성부(310)가 배치된다. 또한, 제2 감지전극(116)이 형성하는 소캐비티 내에 제3 탄성부(320)가 배치되며, 제2 기준전극(117)이 형성하는 소캐비티 내에 제4 탄성부(330)가 배치된다.

제2 및 제1 탄성부(310, 300)는 제1 구동전극(121)의 양 단과 각각 연결되어 제1기준전극(112)과 제1 감지전극(111)을 연결한다.

제4 및 제2 탄성부(330, 320)는 제2 구동전극(131)의 양 단과 각각 연결되어 제2 기준전극(117)과 제2 감지전극(116)을 연결한다.

4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 서로 동일한 수효의 다리를 포함하며, 진폭 변조기(100)의 구동전극부(120)의 양 단에 서로 마주하며 형성되어 장력을 분산시킬 수 있다.

또한, 서로 대칭적으로 형성되어 전체적으로 균형을 이루어 소자 신뢰성이 확보될 수 있다.

이러한 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 전극층(500)만으로 구성되어 각 구성 요소의 물리적 연결뿐 아니라, 전기적 연결을 수행하며, 구동 뒤에 탄성력에 의한 복원력을 제공한다.

또한, 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 동일하게 구성되며, 전체에 고정기판(110)의 전극들로부터 연장되는 금속층(500)이 형성되어 전기 전도성을 높인다.

이하에서는 도 4 내지 도 8을 참고하여 도 1의 진폭 변조기의 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 4와 같이, 베이스 기판에 금속층(500)을 이용하여 패턴을 형성한다.

상기 베이스 기판은 지지 기판(400) 위에 절연층(200) 및 전극층(150)이 형성되어 있는 구조를 가진다.

상기 지지 기판(400)은 300 내지 500μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 400μm의 두께를 가질 수 있다.

상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘질화막으로 형성될 수 있으며, 1.5μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

상기 전극층(150)은 실리콘, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 지지 기판(400)이 실리콘 기판인 경우, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 전극층(150)은 10 내지 100 μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 50 μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

즉, 내부에 실리콘 절연층(200)을 포함하는 실리콘 기판일 수 있으며, 상기 지지 기판(400)의 하부에 외부 절연층(410)이 형성될 수 있다.

상기 외부 절연층(410)은 1.5μm 내외의 두께를 가지는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.

상기 전극층(150) 위에 금속층(500)을 형성하고, 이를 패터닝하여 복수의 패턴(을 형성한다.

상기 패턴은 도 1에서 전극층(150) 위에 전기전도성을 향상시키기 위한 금속패턴으로, 고정기판(110)의 기준전극(112, 117), 감지전극(111, 116), 복수의 탄성부(300-330) 및 구동전극부(120)의 몸체 일부에 형성될 수 있다.

다음으로, 도 5와 같이 같이 금속 패턴 및 전극층(150) 위에 마스크(510)를 형성하여 상부의 전극층(150)을 디자인에 따라 식각하여 각각의 전극, 전극편 및 스프링 등을 형성한다.

상세하게는 상기 금속패턴 및 전극층(150) 위에 포토 마스크(510)를 형성한 뒤, 상기 포토 마스크(510)에 의해 노출된 전극층(150)을 제거함으로써 도 6과 같은 복수의 패턴을 형성할 수 있다.

이때, 식각 공정으로 반응성 이온 식각(RIE)을 진행할 수 있다.

마스크 패턴(510)을 제거한 뒤, 도 7과 같이 하부의 외부 절연층(410) 위에 포토 마스크(420)를 형성한 뒤, 패터닝하여 도 8과 같이 지지 기판(400)을 제거한다.

상세하게는, 지지 기판(400) 위의 외부 절연층(410) 위에 포토 마스크(420)를 형성한 뒤, 외부 절연층(410)을 패터닝하여 고정기판(110) 하부에만 외부절연층(410)을 남긴다. 뒤에 다시 포토 마스크(420)를 고정기판(110)의 하부에만 형성하고 노출된 지지기판(400)을 제거하고, 노출된 절연층(200)까지 식각하여 제거한다.

이때, 하부의 공정 전에 상부 패턴을 보호하기 위하여 상부에 보호층(도시하지 않음)을 형성할 수 있다.

다음으로, 도 2와 같이 디자인에 따라 내부의 실리콘 절연층(200)을 식각하여 구동전극부(120)를 부유시킨다.

이때, 내부의 실리콘 절연층(200)의 식각은 가스 플라즈마 에칭을 수행할 수 있으며, 산화 불소 가스를 사용할 수 있다.

이와 같이 형성되는 멤스 소자인 진폭 변조기는 구동전극부(120)가 부유 상태를 유지하면서 스프링에 의해 고정됨으로써 자계 센싱을 위해 운동할 수 있다.

이하에서는 도 9 및 도 10을 참고하여 도 1의 진폭 변조기의 구동을 설명한다.

도 9는 도 1의 진폭 변조기의 구동을 나타내는 원리를 설명하는 구성도이고, 도 10은 도 9의 출력 신호를 주파수 도메인과 시간 도메인에서 나타내는 파형도이다.

도 9를 참고하면, 실시예에 따른 진폭 변조기(100)는 주변의 자계에 의해 물리적공진을 수행하여 일단으로 인가되는 두 개의 신호를 변조하여 타단으로 변조된 신호를 출력한다.

이러한 진폭 변조는 도 9와 같은 주변 회로에 의해 구현될 수 있다.

상세하게는, 상기 진폭 변조기(100)는 제1 노드(n1)에 기준 신호(V1) 및 측정 신호(V2)를 인가받는다.

이때, 기준 신호(V1)는 상기 진폭 변조기(100)의 물리적 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 사인파 교류 신호일 수 있다.

상기 기준 신호(V1)의 주파수를 ωr이라고 한다.

한편, 상기 측정 신호(V2)는 상기 기준 신호(V1)의 주파수보다 큰 주파수를 가지는 사인파 교류 신호일 수 있다.

상기 측정 신호(V2)의 주파수를 ωc라고 할 때, 상기 측정 신호(V2)의 주파수는 상기 기준신호의 주파수보다 최소 1000배 높은 주파수로서 로패스필터(LPF) (610)를 통해 필터링 될 수 있을 정도의 비율을 갖도록 설정될 수 있다.

상기 고정 기판(110)의 제1 기준 전극(112)이 제1 노드(n1)로서 기능하며, 상기 제1 기준 전극(112)에 기준신호(V1) 및 측정 신호(V2)가 동시에 인가된다.

한편, 제2 구동 전극(131)과 연결되는 제2 기준 전극(117)은 상기 기준 신호(V1)만을 인가받는다.

이러한 제2 기준 전극(117)은 제1 노드(n1)와 로패스필터(610)를 통해 연결되어 상기 측정 신호(V2)를 필터링하고, 기준 신호(V1)만을 전달받아 제2 구동 전극(131)에 인가할 수 있다.

이때, 제2 구동 전극(131)에 인가되는 기준 신호(V1)는 위상이 180도 늦은 기준 신호(V1)로서, 두 구동 전극(121, 131)에 반대의 위상을 갖도록 로패스필터(610)가 지연기의 역할을 수행할 수 있다.

제1 구동 전극 및 제2 구동 전극(121, 131)의 타단, 즉 제1 감지 전극(111) 및 제2 감지 전극(116)은 각각 접지와 연결되어 있으며, 접지와 각 감지 전극(111, 116) 사이에 인덕터(620, 630)가 각각 연결될 수 있다.

상기 인덕터(620, 630)는 설계 시에 구동 전극(121, 131)이 가지는 임피던스의 1/10 이상을 유지하도록 설정할 수 있다.

상기와 같이 인덕터(620, 630)를 연결하는 경우, 구동 전극(121, 131)에서 접지로 바이패스되는 측정 신호(V2)를 방지할 수 있어 구조체가 안정적으로 구동할 수 있도록 한다.

동시에 저주파 노이즈를 접지로 바이패스하여 노이즈 비율(SNR)을 개선시킬 수 있다.

상기 제2 감지 전극(116)은 인덕터(620, 630)와 병렬로 하이패스필터(640)를 포함하며, 하이패스필터(640)를 통해 출력 신호(out1)를 출력한다.

상기 하이패스필터(640)는 커패시터로 구현될 수 있으며, 차단 주파수보다 낮은 공진 신호를 블러킹(Blocking)하여 측정 신호(V2)만을 흐르게 하고 기준 신호(V1)가 흐르지 않도록 하여 원하는 신호만이 하이패스필터(640)를 통해 출력단으로 출력된다.

특정 자계가 형성되어 있는 환경에 상기 진폭 변조기(100)가 배치되고, 상기 진폭 변조기(100)의 물리적인 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지는 기준 신호(V1)가 양 단에 인가되면, 자계에 의해 여기된 로렌쯔 힘에 의해 양쪽의 구동 전극이 역위상을 가지는 공진 주파수 주기로 상호 공진을 진행한다.

따라서, 양 구동 전극(121, 131)의 전극편(127, 137)의 중첩 면적이 커졌다가 작아졌다를 반복하면서 가변 커패시턴스가 형성되고, 이때, 가변 커패시턴스는 자계 강도에 비례하여 발생한다.

이때, 제1 구동 전극(121)에만 고주파의 측정 신호(V2)가 인가되면, 물리적 공진에 의해 제2 구동 전극(131)에 기준 신호(V1)로 변조된 측정 신호(V2)가 흐르게 된다.

즉, 이러한 신호의 파형은 도 10b와 같다.

기준 신호(V1)에 포락(envelope)된 변조된 측정신호(V2)가 제2 구동 전극(131)을 따라 흐르게 된다.

이러한 변조된 측정 신호(V2) 중 노이즈로 정의되는 기준 신호(V1)는 하이패스필터(640)에 의해 차단되고, 출력단으로는 도 10b의 변조된 측정 신호(V2)만이 출력된다.

따라서, 상기 진폭 변조기(100)는 도 10a와 같이 측정 신호(V2)의 주파수인 ωc에 대하여 ±ωr인 파형, 즉, 출력신호(out1)는 cos(ωct)+sin(ωct±ωrt)을 얻을 수 있다.

이와 같이 간단한 구조체에 의해 진폭 변조가 가능하게 되어 복잡한 회로 구성을 생략할 수 있어 경제적이다.

이하에서는 도 11 및 도 12를 참고하여 상기 진폭 변조기(100)를 적용한 자계 센서를 설명한다.

도 11은 도 1의 진폭 변조기(100)가 자계 센서로 적용되는 일 예를 도시한 것이고, 도 12는 도 11의 자계 센서의 각 단계별 파형도를 나타낸 것이다.

도 11을 참고하면, 진폭 변조기(100)를 적용한 자계 센서는 변조된 출력 신호(out1)로부터 자계의 강도를 센싱할 수 있다.

이러한 자계 센서는 구동 전극부(120), 기준신호(V1), 측정 신호(V2) 및 로패스필터(610), 인덕터(620, 630) 및 하이패스필터(640)를 포함한다.

구동 전극부(120) 주변의 구성은 도 9와 같다.

한편, 도 11의 자계 센서는 구동 전극부(120)와 동일한 구성을 가지는 비교 전극부(130)를 더 포함할 수 있다.

상기 비교 전극부(130)는 구동 전극부(120)와 동일한 물리적 특성을 갖도록 형성되어 있으며, 제1 비교 전극(138)과 마주보는 제2 비교 전극(139)을 포함할 수 있다.

제1 비교 전극(138)의 일단은 접지되어 있고, 타단은 저항(660)에 의해 비교 신호를 출력한다.

제2 비교 전극(139)의 일단은 하이패스필터(650)를 통해 제1 노드(n1)와 연결되어 있으며, 제1 노드(n1)로부터 측정 신호(V2)만을 수신한다.

이러한 비교 전극부(130)는 양 전극편이 커패시터를 형성하고, 하이패스필터로 동작하여 제2 비교 전극(139)으로 인가되는 측정 신호(V2)를 제1 비교 전극(138)으로 전달한다.

따라서 고주파의 측정 신호(V2)가 저항(660)을 통해 비교 신호로 출력된다.

상기 저항(660)은 비교 전극부(130)에서 출력되는 비교 신호의 진폭을 조절하는 역할을 하며, 뒤에 설명될 비교기의 입력 레벨을 일정하게 유지하여 구동전극부(120)의 출력보다 비교 전극부(130)의 출력 레벨을 감소시켜야 한다. 또한 비교 전극부(130)의 비교 신호보다 높은 주파수의 노이즈를 차단하여 고주파 노이즈를 블러킹할 수 있다.

상기 자계 센서는 구동 전극부(120) 및 비교 전극부(130)와 연결되어 출력되는 출력 신호(out1) 및 비교 신호에 의해 자계의 세기를 감지하는 판독부(700)를 더 포함한다.

상기 판독부(700)는 도 11과 같이 비교기(710), 증폭기(720), 복조기(730), 미분기(740) 및 변환기기(750)를 포함할 수 있다.

상기 비교기(710)는 반전 입력단 및 비반전 입력단을 가지며, 상기 반전 입력단 및 비반전 입력단의 입력 신호를 서로 상쇄하여 남은 신호를 출력한다.

상기 비반전 입력단에는 상기 구동 전극부(120)의 제2 구동 전극(131)으로부터의 출력 신호(out1)가 입력되고, 반전 입력단에는 상기 비교 전극부(130)의 제1 비교 전극(138)으로부터의 비교 신호가 입력된다.

상기 비교기(710)는 상기 비교 신호를 반전한 상태에서, 고주파 신호값과 비교 신호의 고주파 신호값을 서로 상쇄하여 저주파 신호값인 도 12a의 신호를 출력한다.

즉 출력되는 신호 값은 도 10a에서 중앙에 배치되는 고주파ωc 값이 상쇄되고, 양 옆의 ωc±ωr 값만이 잔재하게 된다.

증폭기(720)는 이러한 신호를 수신하고, 그 값을 증폭하여 도 12b와 같이 신호 값을 키운다.

상기 비교기(710)의 출력 신호(out1) 값이 작은 경우, 낮은 노이즈 값을 가지는 타 신호가 기준 신호(V1)로 인지될 수 있어 이를 방지 하기 위해 높은 이득의 증폭기(720)를 통해 비교기(710)의 출력 신호(out1) 값을 증폭하여 복조기(730)의 다이오드의 턴온 전압 이상으로 설정한다.

따라서, 불필요한 하모닉을 제거함으로 다이오드의 비선형성으로 발생할 S/N비 감소를 미리 보정한다.

이러한 증폭기(720)는 생략될 수 있다.

복조기(730)는 다이오드를 포함하는 다이오드 디모듈레이터로서, 상기 신호 값의 기준값을 0으로 변환하여, ωr 값을 복원한다.

따라서, 복조기(730)의 출력 신호(out1)는 도 12c와 같이 ωr 주파수의 펄스 신호를 가진다.

이러한 펄스 신호를 타임 도메인에서 환산하면 저주파수를 가지는 사인파 교류 신호가 된다.

미분기(740)가 이러한 펄스 신호를 미분하면, 도 12d와 같은 자계의 세기(B)와 전압(V)에 대한 그래프를 얻을 수 있다.

변환기기(750)가 상기 미분기(740)의 출력된 자계 세기에 대한 전압 값을 디지털 신호로 변환하여 타겟 자계 세기(B)에 대한 전류 변화량을 A/D 신호로 출력할 수 있다.

따라서, 출력되는 값에 따라 타겟 자계의 세기를 판독할 수 있다.

이와 같이 비교기(710)를 적용하여 판독부(700)를 형성하는 경우, 비교 구동부(130)를 형성하지 않고, 반전 입력부로 상기 고주파의 측정 신호(V2)만을 선별하여 인가할 수 있다.

이하에서는 도 13 및 도 14를 참고하여, 다른 실시예에 따른 자계 센서를 설명한다.

도 13은 도 1의 진폭 변조기(100)가 자계 센서로 적용되는 다른 예를 도시한 것이고, 도 14는 도 13의 자계 센서의 각 단계별 파형도를 나타낸 것이다.

도 13을 참고하면, 진폭 변조기(100)를 적용한 다른 실시예에 따른 자계 센서는 변조된 출력 신호(out1)로부터 자계의 강도를 센싱할 수 있다.

이러한 자계 센서는 구동 전극부(120), 기준신호, 측정 신호(V2) 및 로패스필터(610), 인덕터(620, 630) 및 하이패스필터(640)를 포함한다.

구동 전극부(120) 주변의 구성은 도 9와 같다.

한편, 도 13의 자계 센서는 구동 전극부(120)와 연결되어 출력되는 출력 신호(out1) 및 측정 신호(V2)에 의해 자계의 세기를 감지하는 판독부(800)를 더 포함한다.

상기 판독부(800)는 도 13과 같이 믹서(810), 로패스필터(820), 증폭기(830), 미분기(840) 및 변환기(850)를 포함할 수 있다.

상기 믹서(810)는 구동 전극부(120)로부터 출력되는 도 10a의 출력 신호(out1)와 도 14a의 측정 신호(V2)를 수신하고, 두 신호를 믹싱하여 도 14b와 같은 믹싱 신호를 생성한다.

상기 믹싱 신호는 주파수 값이 2ωc, 2ωc±ωc 및 ωr인 4개의 성분을 가지는 신호가 출력된다.

로패스필터(820)는 상기 믹서(810)의 믹싱 신호 중 저주파수의 ωr 값 만을 필터링하고 상기 2ωc 주변의 신호를 차단하여 도 14c와 같이 출력 하고, 증폭기(830)는 이러한 신호를 증폭하여 도 14d와 같이 증폭된 신호를 출력한다.

상기 증폭기(830)의 값은 상기 로패스필터(610)를 통과한 신호의 값이 후단의 미분기(840)의 다이오드의 턴온 레벨보다 큰 경우에는 생략 가능하다.

상기 미분기(840)와 변환기(850)는 도 11과 동일하게 동작하여 도 14e와 같이 자계의 세기와 전압에 대한 그래프를 얻어 타겟 자계 세기에 대한 전류 변화량을 A/D 신호로 출력할 수 있다.

따라서, 출력되는 값에 따라 타겟 자계의 세기를 판독할 수 있다.

이와 같이 믹서(810)를 사용하는 경우, 비교 전극부 없이 구동이 가능하며 회로가 단순해질 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

진폭 변조기 100
고정 기판 110
구동전극부 120
탄성부 300-330
판독부 700, 800

Claims (11)

1. 자계가 흐르는 영역에 배치되어 진폭을 변조하는 진폭 변조기로서,
   기판;
   상기 기판으로부터 공급되는 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호를 수신하고, 상기 자계에 의해 공진 운동하는 제1 구동전극; 및
   상기 제2 주파수 신호를 수신하고, 상기 제1 구동전극과 상기 자계에 의해 공진 운동하는 제2 구동전극
   을 포함하며,
   상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극의 공진 운동에 의해 상기 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호를 진폭 변조한 변조 신호를 생성하는 진폭 변조기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 주파수 신호는 상기 제1 및 제2 구동전극의 물리적 공진 주파수와 동일한 주파수 신호를 가지는 진폭 변조기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 주파수 신호는 상기 제1 주파수 신호보다 큰 값의 주파수를 가지는 진폭 변조기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 기판은
   상기 제1 및 제2 주파수 신호를 인가하는 제1 기준 전극,
   상기 제2 주파수 신호를 인가하는 제2 기준 전극,
   상기 제1 감지 전극, 및 상기 변조 신호를 출력하는 제2 감지 전극
   을 포함하고,
   상기 제1 구동 전극의 양 단이 상기 제1 기준 전극 및 상기 제1 감지 전극과 각각 연결되어 있고,
   상기 제2 구동 전극의 양 단이 상기 제2 기준 전극 및 상기 제2 감지 전극과 각각 연결되어 있는 진폭 변조기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 구동 전극은
   몸체,
   상기 몸체의 양 변을 따라 돌출되어 있는 전극편을 포함하고,
   상기 제2 구동 전극은
   몸체, 상기 몸체의 양 변을 따라 돌출되어 있는 전극편을 포함하며,
   상기 제1 및 제2 구동 전극의 상기 전극편은 서로 교대로 배치되어 있는 진폭 변조기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 구동 전극의 몸체 양 단과 상기 제1 및 제2 기준 전극 및 상기 제1 및 제2 감지 전극 사이에는 탄성부가 각각 형성되어 있는 진폭 변조기.
7. 제1항에 있어서,
   진폭 변조기는
   상기 제1 및 제2 주파수 신호 중 상기 제2 주파수 신호만을 상기 제2 구동 전극으로 출력하는 필터를 더 포함하는 진폭 변조기.
8. 제4항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 감지 전극은 접지와 인덕터를 통해 연결되어 있고,
   상기 제2 감지 전극은 하이패스필터를 통해 상기 변조 신호를 출력하는 진폭 변조기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 하이패스필터는 커패시터인 진폭 변조기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    지지기판, 그리고
    상기 지지기판 위에 전극층
    을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 구동 전극은 상기 전극층만으로 형성되어 있는 진폭 변조기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 진폭 변조기는 멤스 소자인 진폭 변조기.

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