KR20150061411A - 압전 액추에이터 모듈 및 이를 포함하는 mems 센서 - Google Patents

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KR20150061411A
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강윤성
강인영
양정승
이재창
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈은 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부와, 상기 멀티레이어부에 결합된 지지층와, 상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 다층의 압전체부는 동일방향으로 폴링되고, 상기 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축된다.

Description

압전 액추에이터 모듈 및 이를 포함하는 MEMS 센서{Piezoelectric Actuator module and MEMS sensor having the same}
본 발명은 압전 액추에이터 모듈 및 이를 포함하는 MEMS 센서에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems; 미세전자기계시스템)란 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 관성센서, 압력센서, 오실레이터(Oscillator) 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 대량생산이 가능하다.
그리고 MEMS 소자 중에서 압전 액추에이터(Actuator)는 압전체에 전계를 인가하고 이에 따라 압전체는 수축 및 팽창되고, 상기 압전체에 결합된 진동판은 상기 압전체의 수축 및 팽창에 의해 변형이 발생된다.
또한 상기와 같은 방식으로 이루어지는 압전 액추에이터는 변위 또는 진동력을 향상시키기 위해 복수의 압전체가 적층된 다층 압전 액추에이터로 구현되고 있다.
그러나, 하기의 선행기술문헌과 같이 종래기술에 따른 복수의 압전체를 포함하는 압전 액추에이터는 다층으로 이루어진 압전체층을 포함하고 있으나, 압전체의 폴링 공정이 매우 까다롭고 이로 인한 생산성저하 등의 문제점을 지니고 있다.
US 6232701
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 관점은 동일방향으로 폴링된 다층의 압전체부 및 전극부로 이루어진 멀티레이어부를 포함하고, 상기 다층의 압전체부에 역위상신호를 인가하여 다층의 압전체가 동시에 수축, 팽창하여 인가신호의 제어만으로 고성능의 압전 액추에이터로 구현가능한 압전 액추에이터 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제2 관점은 압전체에 역위상 신호를 인가하여 구동전압이 2배가 되고 이에 따른 변위가 2배가 되어 고성능으로 구현가능한 압전 액추에이터 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터는 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부와, 상기 멀티레이어부에 결합된 지지층와, 상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 다층의 압전체부는 동일방향으로 폴링되고, 상기 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축된다.
또한, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 다층의 압전체부는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체가 적층되고, 상기 제1 압전체와 동일 방향으로 팽창 또는 수축되는 제2 압전체를 포함하고, 상기 전극부는 제1 압전체 및 제2 압전체에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 전극부는 상기 제1 압전체에 연결된 제1 전극과, 상기 제2 압전체에 연결된 제2 전극과, 상기 제1 압전체 및 제2 압전체 사이에 배치된 제3 전극을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부가 지지층에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극은 상기 멀티레이어부의 하단부에 형성되고 상기 지지층에 접하고, 상기 제2 압전체는 상기 제2 전극의 상부에 형성되고, 상기 제3 전극은 제2 압전체와 상기 제1 압전체 사이에 형성되고, 상기 제1 압전체는 제3 전극의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극은 상기 제1 압전체의 상부에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 제3 전극은 그라운드 전극으로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 제1 전극에 인가된 전압과 상기 제2 전극에 인가되는 전압은 180도 위상차를 갖는다.
본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터는 압전체, 상기 압전체에 연결된 다층의 전극부를 포함하는 멀티레이어부는 상기 멀티레이어부에 결합된 지지층과, 상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 다층의 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축된다.
또한, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 전극부는 상기 압전체의 일단부에 연결된 제1 전극과, 상기 압전체의 타단부에 연결된 제2 전극을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부가 지지층에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극은 상기 멀티레이어부의 하단부에 형성되고 상기 지지층에 결합되고, 상기 압전체는 상기 제2 전극의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극은 상기 압전체의 상부에 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 제2 전극은 그라운드 전극으로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 제1 전극에 인가된 전압과 상기 제2 전극에 인가되는 전압은 180도 위상차를 갖는다.
본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터는 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부와, 상기 멀티레이어부에 결합된 지지층과, 상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 다층의 압전체부는 서로 다른방향으로 폴링되고, 상기 전극부에 상기 전극부에 서로 연결된 전극과 연결되지 않은 전극에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축된다.
또한, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 다층의 압전체부는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체가 적층되고, 상기 제1 압전체와 동일 방향으로 팽창 또는 수축되는 제2 압전체를 포함하고, 상기 전극부는 제1 압전체 및 제2 압전체에 연결된다.
또한, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 전극부는 상기 제1 압전체에 연결된 제1 전극; 상기 제2 압전체에 연결된 제2 전극; 및 상기 제1 압전체 및 제2 압전체 사이에 배치된 제3 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 제2 전극은 단부가 연결된 압전 액추에이터 모듈.
또한, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 멀티레이어부가 지지층에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극은 상기 멀티레이어부의 하단부에 형성되고 상기 지지층에 결합되고, 상기 제2 압전체는 상기 제2 전극의 상부에 형성되고, 상기 제3 전극은 제2 압전체와 상기 제1 압전체 사이에 형성되고, 상기 제1 압전체는 제3 전극의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극은 상기 제1 압전체의 상부에 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 인가된 전압과, 제3 전극에 인가된 전압은 180도 위상차를 갖는다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 MEMS 센서는 가진수단 및 감지수단을 포함하는 가요성 기판과, 상기 가요성 기판에 결합된 질량체와, 상기 가요성을 지지하는 포스트를 포함하고, 상기 가진수단은 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부를 포함하고, 상기 다층의 압전체부는 동일방향으로 폴링되고, 상기 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축된다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 MEMS 센서에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 다층의 압전체부는 제1 압전체와, 상기 제1 압전체가 적층되고, 상기 제1 압전체와 동일 방향으로 팽창 또는 수축되는 제2 압전체를 포함하고, 상기 전극부는 제1 압전체 및 제2 압전체에 연결된다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 MEMS 센서에 있어서, 상기 멀티레이어부의 상기 전극부는 상기 제1 압전체에 연결된 제1 전극과, 상기 제2 압전체에 연결된 제2 전극과, 상기 제1 압전체 및 제2 압전체 사이에 배치된 제3 전극을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 MEMS 센서에 있어서, 상기 제3 전극은 그라운드 전극이고, 상기 제1 전극에 인가된 전압과 상기 제2 전극에 인가되는 전압은 180도 위상차를 갖는다.
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 의하면 동일방향으로 폴링된 다층의 압전체부에 역위상신호를 인가하여 다층의 압전체가 동시에 수축, 팽창하여 인가신호의 제어만으로 고성능의 압전 액추에이터로 구현가능한 압전 액추에이터 모듈을 얻을 수 있고, 압전체에 역위상 신호를 인가하여 구동전압이 2배가 되고 이에 따른 변위가 2배가 되어 고성으로 구현가능한 압전 액추에이터 모듈을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 개략적으로 도시한 구성도.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도.
도 4c는 도 3에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 제1 전극 및 제2 전극에 각각 인가된 전압을 개략적으로 도시한 그래프.
도 4d는 구동전압에 따른 피드백 전압의 실험데이터를 개략적으로 도시한 그래프.
도 5은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 개략적으로 도시한 구성도
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도.
도 7a 내지 도 7l는 도 1에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 일실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 압전 액추에이터 모듈을 포함하는 일실시예에 따른 MEMS 센서를 개략적으로 도시한 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, "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 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(100)은 멀티레이어부(multi-layer)(110), 지지층(120) 및 지지부(130)를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 멀티레이어부(110)는 지지층(120)에 결합되고, 상기 지지층(120)은 상기 지지부(130)에 변위가능하도록 지지된다. 또한 상기 멀티레이어부(110)는 위상차를 갖는 전압을 각각 인가받아 수축 또는 팽창되어 진동력을 제공하기 위한 것으로, 다층의 압전체부(111)와 전극부(112)를 포함한다.
그리고 상기 다층의 압전체부(111)는 동일방향으로 폴링되고, 동일방향으로 팽창 또는 수축한다.
이를 위해 상기 다층의 압전체부(111)는 제1 압전체(111a)와 제2 압전체(111b)를 포함하고, 상기 제1 압전체(111a)는 상기 제2 압전체(111b)에 적층되도록 위치될 수 있다.
그리고 상기 제1 압전체(111a)와 상기 제2 압전체(111b)는 도 1에 화살표로 도시한 바와같이 동일방향으로 폴링된다. 이때 상기 제1 압전체(111a)와 상기 제2 압전체(111b)에 전계를 인가한 경우 상기 제1 압전체(111a)와 상기 제2 압전체(111b)는 서로 반대방향으로 팽창 또는 수축된다. 그러나 본 발명에 따른 압전 액추에이터 모듈은 180 위상차를 갖는 전압이 제1 압전체(111a)와 제2 압전체(111b)에 각각 인가되어 상기 제1 압전체(111a)와 상기 제2 압전체(111b)는 동일 방향으로 팽창 또는 수축된다.
이에 대한 기술구현은 도 2a 및 도 2b를 통해 보다 자세히 기술한다.
다음으로 상기 전극부(112)는 상기 다층의 압전체부(111)와 각각 연결되는 제1 전극(112a), 제2 전극(112b) 및 제3 전극(112c)을 포함한다.
그리고 상기 제1 전극(112a)은 상기 제1 압전체(111a)와 연결되고, 상기 제2 전극(112b)는 상기 제2 압전체(111b)와 연결되고, 상기 제3 전극(112c)은 상기 제1 압전체(111a)와 상기 제2 압전체(111b) 사이에 배치된다.
또한, 상기 제3 전극(112c)은 그라운드 전극으로 이용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 멀티레이어부(110)가 지지층(120)에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극(112b)은 상기 멀티레이어부(110)의 하단부에 형성되어 상기 지지층(120)에 결합되고, 상기 제2 압전체(111b)는 상기 제2 전극(112b)의 상부에 형성되고, 상기 제3 전극(112c)은 제2 압전체(111b)와 상기 제1 압전체(111a) 사이에 형성되고, 상기 제1 압전체(111a)는 상기 제3 전극(112c)의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극(112a)은 상기 제1 압전체(111a)의 상부에 형성된다.
그리고, 상기 제1 전극(112a), 제2 전극(112b) 및 제3 전극(112c)은 서로 연결되지 않고 오픈되도록 형성될 수 있다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 멀티레이어부(110)에 있어서, 상기 제1 전극(112a)는 상부전극, 상기 제2 전극(112b)는 하부전극, 상기 제3 전극(112c)는 중간전극으로 이루어지고, 상기 제1 전극(112a)은 멀티레이어부(110)의 최상층으로 위치되고, 상기 제2 전극(112b)은 멀티레이어부(110)의 최하층으로 위치된다.
그리고, 상기 지지부(130)는 상기 지지층(120)이 변위가능하도록 상기 지지층의 단부에 결합될 수 있다.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참고로 도 1에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동원리 및 작동상태에 대하여 보다 자세히 기술한다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(100)의 멀티레이어부(110)의 제1 전극(112a)과 제2 전극(112b)에 각각 역위상 즉, 180도 위상차를 갖는 전압을 인가한다.
한편, 상기 제1 전극(112a)과 제2 전극(112b)에 각각 연결된 제1 압전체(111a)와 제2 압전체(111b)는 동일방향으로 폴링되어 서로 반대방향으로 팽창 및 수축되지만, 180도 위상차를 갖는 전압을 각각 인가함에 따라, 동일방향으로 팽창 또는 수축된다. 그리고 도 2a는 이에 대한 일실시예로서 화살표도 도시한 바와 같이 같은 방향으로 수축된 것을 도시한 것이다.
그리고 지지층(120)의 단부가 상기 지지부(130)에 지지되어, 화살표로 도시한 바와 같이 상기 멀티레이어부(110)와 지지층(120)의 중심부가 상향으로 변위된다.
다음으로, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(100)의 멀티레이어부(110)의 제1 전극(112a) 및 제2 전극(112b)에 각각 도 2a와 반대의 역위상 전압을 인가한 경우, 화살표로 도시한 바와 같이 상기 제1 압전체(111a)와 상기 제2 압전체(111b)는 동시에 팽창된다.
상기 멀티레이어부(110)와 지지층(120)은 화살표로 도시한 바와 같이 중심부가 하향으로 변위된다.
상기한 바와 같이, 도 2a, 도 2b의 반복으로 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈은 진동 액추에이터로 구현되고, 동일한 방향으로 폴링된 복수의 압전체(111)는 인가전압의 위상차 제어만으로 동시에 수축 및 팽창됨에 따라, 고성능의 압전 액추에이터 모듈로 구현가능하다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(200)은 멀티레이어부(210), 지지층(220) 및 지지부(230)를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 멀티레이어부(210)는 지지층(220)에 결합되고, 상기 지지층은 상기 지지부(230)에 변위가능하도록 지지된다. 또한 상기 멀티레이어부(210)는 위상차를 갖는 전압을 각각 인가받아 수축 또는 팽창되어 진동력을 제공하기 위한 것으로, 압전체(211)와 상기 압전체에 연결된 다층의 전극부(212)를 포함한다.
그리고 도 3에 화살표로 압전체(211)의 폴링방향을 도시하였으나, 이는 일실시예이고 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 구현함에 있어 압전체의 폴링방향은 무관한다.
다음으로 상기 다층의 전극부(212)는 상기 압전체(211)와 각각 연결되는 제1 전극(212a)과 제2 전극(212b)을 포함한다.
그리고 상기 제1 전극(212a)은 상기 압전체(211)의 상부에 연결되어 상부전극으로 이루어지고, 상기 제2 전극(212b)는 상기 압전체(211)의 하부에 연결되어 하부전극으로 이루어진다.
또한, 상기 제2 전극(212b)은 그라운드 전극으로 이용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 멀티레이어부(210)가 지지층(220)에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극(212b)은 상기 멀티레이어부(210)의 하단부에 형성되어 상기 지지층(220)에 결합되고, 상기 압전체(211)는 상기 제2 전극(212b)의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극(212a)은 상기 압전체(211)의 상부에 형성된다.
이와 같이 이루어지고, 180 위상차를 갖는 전압이 상기 제1 전극(212a)과 제2 전극(212b)에 각각 인가되되면 상기 압전체(211)는 팽창 또는 수축된다.
이때, 단순히 전압을 인가한 경우와 비교하여 변위가 2배 증가하게 된다. 이는 구동전압이 2배 증가하여 변위도 2배 증가하기 때문이다. 즉, 압전체에 대하여 180 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되어 구동전압은 2배가 되고, 이에 따라 압전체의 변위는 2배가 된다.
이하, 도 4a 및 도 4b를 참고로 도 3에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동원리 및 작동상태에 대하여 보다 자세히 기술한다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(200)의 멀티레이어부(210)의 제1 전극(212a)과 제2 전극(212b)에 각각 역위상 즉, 180도 위상차를 갖는 전압을 인가한다.
한편, 상기 제1 전극(212a)과 제2 전극(212b)에 180도 위상차를 갖는 전압을 각각 인가함에 따라, 화살표도 도시한 바와 같이, 상기 압전체(211)는 팽창되고, 상기 멀티레이어부(210)와 지지층(220)은 단부가 상기 지지부(230)에 지지된 상태로 화살표로 도시한 바와 같이 중심부가 상향으로 변위된다.
다음으로, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(200)의 멀티레이어부(210)의 제1 전극(212a) 및 제2 전극(212b)에 각각 도 4a와 반대의 역위상 전압을 인가한 경우, 화살표로 도시한 바와 같이 상기 압전체(211)는 수축된다.
그리고 상기 멀티레이어부(210)와 지지층(220)은 단부가 상기 지지부(230)에 지지된 상태로 화살표로 도시한 바와 같이 중심부가 하향으로 변위된다.
상기한 바와 같이, 도 4a, 도 4b의 반복으로 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈은 진동 액추에이터로 구현되고, 큰 변위에 따른 큰 진동력을 제공할 수 있게 된다.
도 4c는 도 3에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 다층의 압전체부에 각각 인가된 전압을 개략적으로 도시한 그래프이고, 도 4d는 구동전압에 따른 피드백 전압의 실험데이터를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도시한 바와 같이, C1은 상부전극인 제1 전극에 인가한 전압의 그래프이고, C2는 하부전극인 제2 전극에 인가한 전압의 그래프이다. 그리고 상기 C1과 C2는 180도 위상차를 나타내고 있으며, a 영역에서 제1 전극에 인가한 전압은 +V이고, 제2 전극에 인가한 전압은 -V이다.
결국, a 영역에서 압전체에 가해진 전압은 ｜+V｜+｜-V｜=2V가 되고, 이에 따른 변위는 2배이상이 된다. 그리고 이는 도 4d는 구동전압에 따른 피드백 전압의 실험데이터를 통해 확인할 수 있다. 즉, 구동전압 0.4에서 0.8로 2배가 되고, 이에 따른 변위를 나타내는 피드백 전압은 0.5에서 약 1.2로 2배 이상이 됨을 확인 할 수 있다.
또한, 상기 피드백 전압의 변화는 변위의 변화와 같은 바, 도7d의 실험데이터를 통해 변위가 2배 이상 증가됨을 확인할 수 있다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따는 압전 액추에이터 모듈(200)은 압전체에 대하여 180 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되어 구동전압은 2배가 되고, 이에 따라 압전체의 변위는 2배가 되어 고성능의 압전 액추에이터 모듈로 구현가능하다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(300)은 멀티레이어부(310), 지지층(320) 및 지지부(330)를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 멀티레이어부(310)는 지지층(320)에 결합되고, 상기 지지층(320)은 상기 지지부(330)에 변위가능하도록 지지된다.
또한 상기 멀티레이어부(310)는 서로 연결된 전극과 연결되지 않은 전극에 각각180도 위상차를 갖는 역위상 전압을 각각 인가받아 수축 또는 팽창되어 진동력을 제공하기 위한 것으로, 다층의 압전체부(311)와 전극부(312)를 포함한다.
그리고 상기 다층의 압전체부(311)는 서로 다른 방향으로 폴링되고, 동일방향으로 팽창 또는 수축한다.
이를 위해 상기 다층의 압전체부(311)는 제1 압전체(311a)와 제2 압전체(311b)를 포함하고, 상기 제1 압전체(311a)는 상기 제2 압전체(411b)에 적층되도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1 압전체(311a)와 상기 제2 압전체(311b)는 도 5에 화살표로 도시한 바와같이 서로 다른 방향으로 폴링된다.
또한, 상기 제1 압전체(311a)와 제2 압전체(311b)에 연결된 전극부(312a, 312b)와 중간 전극부(312c)에 180 위상차를 갖는 전압이 각각 인가되어 제1 압전체(311a)와 제2 압전체(311b)는 동일방향으로 팽창 또는 수축된다.
이에 대한 기술구현은 도 6a 및 도 6b를 통해 보다 자세히 기술한다.
다음으로 상기 전극부(312)는 상기 다층의 압전체부(311)와 각각 연결되는 제1 전극(312a), 제2 전극(312b) 및 제3 전극(312c)를 포함한다.
그리고 상기 제1 전극(312a)은 상기 제1 압전체(311a)와 연결되고, 상기 제2 전극(312b)는 상기 제2 압전체(311b)와 연결되고, 상기 제3 전극(312c)은 상기 제1 압전체(311a)와 상기 제2 압전체(311b) 사이에 배치된다.
그리고 상기 제1 전극(312a)과 상기 제2 전극(312b)은 단부가 연결될 수 있다.
또한, 상기 제3 전극(312c)은 그라운드 전극으로 활용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 멀티레이어부(310)가 지지층(320)에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극(312b)은 상기 멀티레이어부(310)의 하단부에 형성되어 상기 지지층(320)에 결합되고, 상기 제2 압전체(311b)는 상기 제2 전극(312b)의 상부에 형성되고, 상기 제3 전극(312c)은 제2 압전체(311b)와 상기 제1 압전체(311a) 사이에 형성되고, 상기 제1 압전체(311a)는 상기 제3 전극(312c)의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극(312a)은 상기 제1 압전체(311a)의 상부에 형성된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 멀티레이어부(310)에 있어서, 상기 제1 전극(312a)는 상부전극으로, 상기 제2 전극(312b)는 하부전극으로, 상기 제3 전극(312c)는 중간전극으로 이루어지고, 상기 제1 전극(312a)은 멀티레이어부(310)의 최상층으로 위치되고, 상기 제2 전극(312b)은 멀티레이어부(310)의 최하층으로 위치된다.
그리고, 상기 지지부(330)는 상기 지지층(320)이 변위가능하도록 상기 지지층의 단부를 지지하도록 지지층(320)에 결합될 수 있다.
이하, 도 6a 및 도 6b를 참고로 도 7에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동원리 및 작동상태에 대하여 보다 자세히 기술한다.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(300)의 멀티레이어부(310)의 제1 전극(312a)과 제2 전극(312b)이 연결된 전극에 전압을 인가하고, 제3 전극(312c)에 상기 전압에 대해 역위상 즉, 180도 위상차를 갖는 전압을 인가한다. 즉, 상기 제1 전극(312a)과 제2 전극(312b)에 동일한 전압을 인가하고, 상기 제3 전극(312c)에 상기 전압에 대해 180도 위상차를 갖는 전압을 인가한다.
이에 따라, 상기 제1 압전체(311a) 및 제2 압전체(311b)는 동일 방향으로 팽창 또는 수축되고, 도 6a는 이에 대한 일실시예로서 화살표도 도시한 바와 같이 같은 팽창된 것을 도시한 것이다.
그리고 상기 압전체부(411)와 상기 전극부(412)는 지지층(420)에 결합됨에 따라 상기 멀티레이어부(410)와 지지층(420)의 중심부는 상향으로 변위된다.
다음으로, 도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 압전 액추에이터 모듈(300)의 멀티레이어부(310)의 제1 전극(312a)과 제2 전극(312b)이 연결된 전극과, 제3 전극(312c)에 각각 도 6a와 반대의 역위상 전압을 인가한다. 이 경우 화살표로 도시한 바와 같이 상기 제1 압전체(311a)와 상기 제2 압전체(311b)는 동시에 수축된다.
그리고 상기 압전체부(311)와 상기 전극부(312)는 지지층(320)에 결합됨에 따라 상기 멀티레이어부(310)와 지지층(320)의 중심부는 하향으로 변위된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 다층의 압전체부는 2배 이상의 변위가 발생되고, 제1 압전체 및 제2 압전체의 2층으로 구현함에 따라 4배의 변위가 발생되어, 고성능의 압전 액추에이터 모듈로 구현된다.
도 7a 내지 도 7l은 도 1에 도시한 압전 액추에이터 모듈의 개념을 적용한 일실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈의 제조방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 도 7a는 웨이퍼 형성단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 웨이퍼(10')을 마련한다. 그리고 상기 웨이퍼(10')의 외주면에는 산화층(oxide)(미도시)이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 7b는 하부전극 증착단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 상기 웨이퍼(10')의 일면에 하부전극(21')을 증착한다.
다음으로, 도 7c는 제2 압전체 증착단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 상기 웨이퍼(10')에 증착된 하부전극(21')의 일면에 제2 압전체(22')를 증착한다. 그리고 상기 제2 압전체(22')는 1㎛로 증착될 수 있다.
다음으로, 도 7d는 하부전극 및 제2 압전체 패터닝 단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7c에 도시한 하부전극(21') 및 제2 압전체(22')를 설계에 따라 패터닝(patterning) 한다.
다음으로, 도 7e는 SiO2 증착단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7d에 도시한 바와 같이 패터닝된 하부전극(21') 및 제2 압전체(22')와 웨이퍼(10')에 SiO2(23')를 증착한다. 또한, 상기 SiO2(23')는 200㎚로 증착될 수 있다.
다음으로, 도 7f는 SiO2 패터닝 단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7e에 도시한 바와 같이 증착된 SiO2(23')를 소정패턴으로 패터닝한다.
다음으로, 도 7g는 중간전극 및 제1 압전체 증착단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7f에 도시한 바와 같이 패터닝된 SiO2(23') 및 제2 압전체(22')에 중간전극(24')을 증착하고, 상기 중간전극(24')의 일면에 제1 압전체(25')를 증착한다.
다음으로, 도 7h는 SiO2 증착단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7g에 도시한 바와 같이 증착된 제1 압전체(25') 및 중간전극(24')에 SiO2(26')를 증착한다. 또한, 상기 SiO2(26')는 200㎚로 증착될 수 있다.
다음으로, 도 7i는 SiO2 패터닝 및 비아홀 형성단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7h에 도시한 바와 같이 증착된 SiO2(26')를 소정패턴으로 패터닝한다. 그리고, 하부전극(21')이 외부로 노출되도록 상기 SiO2(26'), 제1 압전체(25') 중간전극(24') 및 제2 압전체(22')를 에칭 또는 식각등의 방식을 이용하여 비아(via)(V)를 형성시킨다.
다음으로, 도 7j는 상부전극 증착단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7i에 도시된 바와 같이 패터닝된 SiO2(26'), 제1 압전체(25') 및 하부전극(21')에 상부전극(27')을 증착한다.
다음으로, 도 7k는 상부전극 패터닝단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 7j에 도시된 바와 같이 증착된 상기 상부전극(27')에 대하여 소정패턴으로 패터닝한다.
다음으로, 도 7l는 지지층 및 지지부 형성단계를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 웨이퍼(10')를 에칭하여 지지층(10a) 및 지지부(10b)를 형성시킨다.
이와 같이 이루어지고, 상기 제1 압전체(25') 및 제2 압전체(22')에 전압을 인가하여 동일 방향으로 폴링시켜 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 얻을 수 있다.
그리고 상기 하부전극(21') 또는 상기 상부전극(27')에 각각 180도 위상차를 갖는 신호를 인가하고, 이 경우 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 압전체(25') 및 제2 압전체(22')는 같은방향으로 수축 및 팽창됨에 따라 상기 압전 액추에이터 모듈은 중심부가 상하로 진동된다.
도 8은 본 발명에 따른 압전 액추에이터 모듈을 포함하는 일실시예에 따른 MEMS 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(1000)는 가요성 기판부(1100), 질량체(1200) 및 포스트(1130)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 질량체(1200)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해 변위가 발생되고, 상기 가요성 기판부(1100)에 결합된다.
또한, 상기 가요성 기판부(1100)에 감지수단(1110)과 가진수단(1120)이 형성된다. 그리고, 상기 가요성 기판부(1100)는 포스트(1130)에 결합됨에 따라 상기 질량체(1200)는 상기 가요성 기판부(1100)에 의해 포스트(1130)에 변위가능하도록 부유상태로 지지된다.
그리고 상기 가요성 기판부(1100)의 가진수단(1120)은 도 1에 도시한 압전 액추에이터 모듈로 구현될 수 있다. 이를 위해 상기 가진수단(1120)은 멀티레이어부(1121)를 포함한다.
또한 상기 감지수단(1110)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 멀티레이어부(1121)는 외부로부터 전계를 인가받아 수축 또는 팽창되어 진동력을 제공하기 위한 것으로, 다층의 압전체부(1121a)와 전극부(1121b)를 포함한다.
그리고 상기 다층의 압전체부(1121a)는 동일방향으로 폴링되고, 서로 접하는 압전체 중에서 하나의 압전체는 다른 하나의 압전체에 대하여 반대 방향으로 팽창 또는 수축한다.
이를 위해 상기 다층의 압전체부(1121a)는 제1 압전체(1121a')와 제2 압전체(1121a")를 포함하고, 상기 제1 압전체(1121a')는 상기 제2 압전체(1121a")에 적층된다.
다음으로 상기 전극부(1121b)는 제1 전극(1121b'), 제2 전극(1121b") 및 제3 전극(1121b"')를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 제1 전극(1121b')는 상기 제1 압전체(1121a')와 연결되고, 상기 제2 전극(1121b")는 상기 제2 압전체(1121a")와 연결되고, 상기 제3 전극(1121b"')은 상기 제1 압전체(1121a')와 상기 제2 압전체(1121a") 사이에 배치된다.
또한, 상기 제3 전극(1121b"') 그라운드(ground) 전극으로 활용될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 멀티레이어부(1121)가 지지부(1122)에 결합되는 적층방향에 대하여, 상기 제2 전극(1121b")은 상기 멀티레이어부(1121)의 하단부에 형성되고 상기 지지부(1122)에 일부가 접하고, 상기 제2 압전체(1121a")는 상기 제2 전극(1121b")의 상부에 형성되고, 상기 제3 전극(1121b"')은 제2 압전체(1121a")와 상기 제1 압전체(1121a') 사이에 형성되고, 상기 제1 압전체(1121a')는 제3 전극(1121b"')의 상부에 형성되고, 상기 제1 전극(1121b')은 상기 제1 압전체(1121a')의 상부에 형성된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 멀티레이어부(1121)에 있어서, 상기 제1 전극(1121b')는 상부전극으로, 상기 제2 전극(1121b")는 하부전극으로, 상기 제3 전극(1121b"')는 중간전극으로 이루어지고, 상기 제1 전극(1121b')은 멀티레이어부(1121)의 최상층으로 위치되고, 상기 제2 전극(1121b")은 멀티레이어부(1121)의 최하층으로 위치된다.
이와 같이 이루어지고, 본 발명에 따른 압전 액추에이터 모듈을 포함하는 일실시예에 따른 각속도 센서는 가속도 센싱을 위해
상기 제1 전극(1121b')과 제2 전극(1121b")에 각각 180도 위상차를 갖는 전압을 인가한 경우, 상기 가진수단(1120)이 진동하고 상기 가진수단은 복층의 압전체부(1121a)에 의해 고효율로 진동됨에 따라 보다 정확한 센싱이 가능한 MEMS 센서로 구현된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 센서는 도 3 및 도 5에 도시한 본 발명의 제2,3 실시예에 따른 압전 액추에이터 모듈을 포함하는 MEMS 센서로 구현될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 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.
10' : 웨이퍼 10a : 지지층
10b : 지지부 21' : 하부전극
22' : 제2 압전체 23' : SiO2
24' : 중간전극 25' : 제1 압전체
26' : SiO2 27' : 상부전극
100, 200, 300 : 압전 액추에이터 모듈
110, 210, 310 : 멀티레이어부
111, 311 : 다층의 압전체부
112 : 전극부
111a, 311a : 제1 압전체
111b, 311b : 제2 압전체
112a, 212a, 312a, : 제1 전극
112b, 212b, 312b : 제2 전극
112c, 212c, 312c : 제3 전극
211 : 압전체
120, 220, 320 : 지지층
130, 230, 330 : 지지부
1000 : MEMS 센서
1100 : 가요성 기판부
1110 : 감지수단 1120: 가진수단
1121 : 멀티레이어부
1130 : 포스트
1121a : 압전체부 1121b : 전극부
1121a' : 제1 압전체 1121a" : 제2 압전체
1121b' : 제1 전극 1121b" : 제2 전극
1121b"' : 제3 전극 1200: 질량체
V : 비아

Claims (20)

  1. 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부;
    상기 멀티레이어부에 결합된 지지층; 및
    상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 다층의 압전체부는 동일방향으로 폴링되고,
    상기 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축되는 압전 액추에이터 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 다층의 압전체부는
    제1 압전체; 및
    상기 제1 압전체가 적층되고, 상기 제1 압전체와 동일 방향으로 팽창 또는 수축되는 제2 압전체를 포함하고,
    상기 전극부는 제1 압전체 및 제2 압전체에 연결된 압전 액추에이터 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 전극부는
    상기 제1 압전체에 연결된 제1 전극;
    상기 제2 압전체에 연결된 제2 전극; 및
    상기 제1 압전체 및 제2 압전체 사이에 배치된 제3 전극을 포함하는 압전 액추에이터 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 멀티레이어부가 지지층에 결합되는 적층방향에 대하여,
    상기 제2 전극은 상기 멀티레이어부의 하단부에 형성되고 상기 지지층에 접하고,
    상기 제2 압전체는 상기 제2 전극의 상부에 형성되고,
    상기 제3 전극은 제2 압전체와 상기 제1 압전체 사이에 형성되고,
    상기 제1 압전체는 제3 전극의 상부에 형성되고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 압전체의 상부에 형성되는 압전 액추에이터 모듈.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3 전극은 그라운드 전극인 압전 액추에이터 모듈.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 전극에 인가된 전압과 상기 제2 전극에 인가되는 전압은 180도 위상차를 갖는 압전 액추에이터.
  7. 압전체, 상기 압전체에 연결된 다층의 전극부를 포함하는 멀티레이어부;
    상기 멀티레이어부에 결합된 지지층; 및
    상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 다층의 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축되는 압전 액추에이터 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 전극부는
    상기 압전체의 일단부에 연결된 제1 전극; 및
    상기 압전체의 타단부에 연결된 제2 전극을 포함하는 압전 액추에이터 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 멀티레이어부가 지지층에 결합되는 적층방향에 대하여,
    상기 제2 전극은 상기 멀티레이어부의 하단부에 형성되고 상기 지지층에 결합되고,
    상기 압전체는 상기 제2 전극의 상부에 형성되고,
    상기 제1 전극은 상기 압전체의 상부에 형성되는 압전 액추에이터 모듈.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 전극은 그라운드 전극인 압전 액추에이터 모듈.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 전극에 인가된 전압과 상기 제2 전극에 인가되는 전압은 180도 위상차를 갖는 압전 액추에이터.
  12. 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부;
    상기 멀티레이어부에 결합된 지지층; 및
    상기 지지층을 변위가능하도록 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 다층의 압전체부는 서로 다른방향으로 폴링되고,
    상기 전극부에 서로 연결된 전극과 연결되지 않은 전극에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축되는 압전 액추에이터 모듈.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 다층의 압전체부는
    제1 압전체; 및
    상기 제1 압전체가 적층되고, 상기 제1 압전체와 동일 방향으로 팽창 또는 수축되는 제2 압전체를 포함하고,
    상기 전극부는 제1 압전체 및 제2 압전체에 연결된 압전 액추에이터 모듈.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 전극부는
    상기 제1 압전체에 연결된 제1 전극;
    상기 제2 압전체에 연결된 제2 전극; 및
    상기 제1 압전체 및 제2 압전체 사이에 배치된 제3 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극과 제2 전극은 단부가 연결된 압전 액추에이터 모듈.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 멀티레이어부가 지지층에 결합되는 적층방향에 대하여,
    상기 제2 전극은 상기 멀티레이어부의 하단부에 형성되고 상기 지지층에 결합되고,
    상기 제2 압전체는 상기 제2 전극의 상부에 형성되고,
    상기 제3 전극은 제2 압전체와 상기 제1 압전체 사이에 형성되고,
    상기 제1 압전체는 제3 전극의 상부에 형성되고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 압전체의 상부에 형성되는 압전 액추에이터 모듈.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 인가된 전압과, 제3 전극에 인가된 전압은 180도 위상차를 갖는 압전 액추에이터 모듈.
  17. 가진수단 및 감지수단을 포함하는 가요성 기판;
    상기 가요성 기판에 결합된 질량체; 및
    상기 가요성을 지지하는 포스트를 포함하고,
    상기 가진수단은 다층의 압전체부, 상기 다층의 압전체부에 연결된 전극부를 포함하는 멀티레이어부를 포함하고, 상기 다층의 압전체부는 동일방향으로 폴링되고, 상기 전극부에 각각 역위상 전압이 인가되어 상기 멀티레이어부는 팽창 또는 수축되는 MEMS 센서.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 다층의 압전체부는
    제1 압전체; 및
    상기 제1 압전체가 적층되고, 상기 제1 압전체와 동일 방향으로 팽창 또는 수축되는 제2 압전체를 포함하고,
    상기 전극부는 제1 압전체 및 제2 압전체에 연결된 MEMS 센서.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 멀티레이어부의 상기 전극부는
    상기 제1 압전체에 연결된 제1 전극;
    상기 제2 압전체에 연결된 제2 전극; 및
    상기 제1 압전체 및 제2 압전체 사이에 배치된 제3 전극을 포함하는 MEMS 센서.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제3 전극은 그라운드 전극이고, 상기 제1 전극에 인가된 전압과 상기 제2 전극에 인가되는 전압은 180도 위상차를 갖는 MEMS.
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