KR20160025923A - 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물 - Google Patents

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KR20160025923A
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Abstract

본 발명은 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 관한 것으로, 외부 디바이스가 결합되는 플랫폼; 및 상기 플랫폼의 모서리 측면에서 상기 플랫폼의 외측으로 연장되고, 상기 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시키는 방진 빔을 포함하고, 상기 방진 빔은, 상기 플랫폼의 한 모서리당 적어도 하나가 마련된다.

Description

미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물{3-DIMENSIONAL VIBRATION PLATFORM STRUCTURE FOR MICROMACHINED SYSTEMS}
본 발명은 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 방진 플랫폼으로 3차원인 X, Y, Z축 방향으로 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있고, 기존의 미세공정을 활용한 새로운 방진 빔 구조를 제안함으로 기존 기술과의 호환성 및 가격절감 효과를 보장할 수 있는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 관한 것이다.
일반적으로 진동(vibration)은 다른 신호를 측정하고자 하는 센서에 지대한 영향을 준다. 특히 자동차, 작업차, 건설기기, 군용차량, 초정밀기계 등에서 사용되는 센서들이 진동이 심한 환경에서 동작을 해야 하기 때문에 진동에 민감하다. 이렇듯 진동에 의해 발생되는 센서 오작동이 심각한 문제가 되고 있어 이를 방지하기 위해 방진 구조물을 사용한다.
방진 구조물은 진동 자체의 에너지를 감소시킬 수 있으나 고무나 기계적 스프링 등의 다른 물질을 사용해야 하고, 물질의 에너지 소비에 의존하기에 효율이 제한적이다. 기계적 스프링을 활용하면 macromachining을 사용해야 하기에 크기를 줄일 수 없으며, 한 방향이 아닌 다방향 진동에 대처하기 위해서는 2개 이상의 스프링을 수직으로 집적하여야 하기에 더욱 크기가 커질 수 밖에 없고, 불필요한 동작을 막기 위한 기계 구조 역시 복잡해진다. 진동형 스프링은 진공을 위한 밀봉이 필요하므로 소형화가 힘들며 추가 비용 역시 요구된다.
이러한 방진 구조물은 소형화를 위해 MEMS 공정을 통해 구현된다. MEMS란 Micro Electro Mechanical System의 머릿글자로 반도체 가공방법을 응용해 미세기계구조를 가공하는 기술인 미세공정을 지칭한다. 이를 이용하면 수㎛ 이하의 미세구조를 지닌 기계 구조를 설계할 수 있다는 점에서 전자·기계·의료·방산 등 전 산업 분야에 엄청난 변혁을 불러올 것으로 예측되어 세계 각국은 MEMS를 전략산업으로 육성하고 있다. 특히 이러한 MEMS 기술을 활용하여 초소형, 초경량으로 성능이 우수한 각종 센서를 개발할 수 있게 되었다.
MEMS 기술로 제조된 센서들은, 일반적으로 초소형으로 제조될 수 있으므로, 휴대폰과 같은 각종 소형기기 등에 내장되어 수십 pm - 수 um 까지의 기계적 움직임을 수 fF - pF의 전기적 신호로 감지하는 등의 동작을 수행한다. 한편, 맴스(MEMS) 기술로 제조된 맴스(MEMS)구조물은 그 크기가 워낙 미세하며, 또한 정밀한 동작을 수행하므로 외부에서 주어지는 충격이나 진동에 의해 심각한 영향을 받을 수 있다. 즉, 맴스(MEMS) 구조물 자체가 센서라면, 외부 충격이나 진동으로 인해 잘못된 값을 측정할 수 있으며, 측정이 불가능한 상태가 될 수도 있다. 특히, 공진형 맴스(Resonating MEMS) 기기는 입출력 효율을 높이기 위해 구조물의 고유진동주파수와 일치하는 주파수의 진동을 인가하기도 하며, 이 경우, 외부의 충격이나 진동이 맴스(MEMS) 기기에 인가된 주파수와 같은 주파수 성분을 가질 경우 맴스(MEMS) 기기가 정상출력이 아닌 오류를 발생시키게 된다는 문제점이 있다. 이러한 기계적 진동에 의한 오류는 필터 설계 등 전기적인 장치로는 구분이 어렵기에 특별한 대책이 필요하다.
한편, 물체에 가해지는 진동을 방지하거나, 그러한 진동으로 인한 영향을 줄이기 위한 시스템을 일반적으로 진동방지 시스템 또는 진동감쇠 시스템이라 한다. 자동차, 오토바이, 엘리베이터, 지하철 등 현재의 사회에서 이러한 진동방지 시스템이 작용하는 예는 무수히 많다. 이러한 진동방지 시스템들은 그 적용 예 및 구현방법에 있어서는 각각 상당한 차이가 있으나, 대부분 비슷한 원리를 사용하여 구현된다는 특성이 있다.
관련 선행기술로는 공개특허공보 제10-2002-0011631호(발명의 명칭: 3차원 진동 방지 장치, 공개일자: 2002년 02월 09일) 및 일본 공개특허공보 특개2006-35375호(발명의 명칭: MEMS 외부 디바이스, 공개일자: 2006년 02월 09일)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 하나의 방진 플랫폼으로 3차원인 X, Y, Z축 방향으로 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있고, 기존의 미세공정을 활용한 새로운 방진 빔 구조를 제안함으로 기존 기술과의 호환성 및 가격절감 효과를 보장할 수 있는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 특정한 장점들 및 신규한 특징들이 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물은, 외부 디바이스가 결합되는 플랫폼; 및 상기 플랫폼의 모서리 측면에서 상기 플랫폼의 외측으로 연장되고, 상기 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시키는 방진 빔을 포함하고, 상기 방진 빔은, 상기 플랫폼의 한 모서리당 적어도 하나가 마련된다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 방진 빔은, 서로 다른 형상을 갖는 둘 이상의 빔을 조합하여 형성된다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 방진 빔은, 구불 빔(meandering beam)과 접힘 빔(folded beam)의 조합으로 이루어진다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 방진 빔은, 상기 플랫폼의 한 모서리당 둘 이상으로 마련된다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 플랫폼의 모서리마다 마련되는 상기 방진 빔들은, 상기 플랫폼을 기준으로 대칭 구조로 배치된다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 플랫폼을 에워싸도록 배치되어 상기 플랫폼의 모서리마다 마련되는 상기 방진 빔들과 연결되어 상기 방진 빔들의 회전이나 뒤틀림을 방지하는 프레임을 더 포함한다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 프레임은, 상기 방진 빔의 일단부와 타단부 사이의 중간 부분에 연결된다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 방진 빔의 일단부는 상기 프레임의 내측에 배치되고, 상기 방진 빔의 타단부는 상기 프레임의 외측에 배치된다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 프레임은, 상기 플랫폼을 중심으로 대칭되는 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 있어서, 상기 프레임은, 정사각형의 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물은, 외부 디바이스가 결합되는 플랫폼; 상기 플랫폼의 모서리 측면에서 상기 플랫폼의 외측으로 연장되고, 서로 다른 형상을 갖는 둘 이상의 빔을 조합하여 형성되는 방진 빔; 및 상기 플랫폼을 에워싸도록 배치되어 상기 플랫폼의 모서리마다 마련되는 상기 방진 빔들과 연결되는 프레임을 포함한다.
본 발명은 하나의 방진 플랫폼으로 3차원인 X, Y, Z축 방향으로 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있고, 기존의 미세공정을 활용한 새로운 방진 빔 구조를 제안함으로 기존 기술과의 호환성과 가격절감 효과를 보장할 수 있다.
또한, 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 집적시 발생하는 불필요한 진동 MODE들을 제거하도록 설계하여 시스템 상의 에러를 최소화할 수 있다.
이와 함께, 미세공정을 통해 플랫폼, 방진 빔 및 프레임을 한 번에 제작할 수 있어 공정 시간과 비용을 비약적으로 감소시킬 수 있다.
더불어, 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물에 집적된 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있어 동적 흔들림이 발생되더라도 회전이나 뒤틀림 등의 불안정한 움직임 없이 안정된 상태로 유지되므로 외부 디바이스의 수명 연장 및 성능을 최대한 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 일 실시예의 사시도,
도 2는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물을 나타내는 평면도,
도 3은 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 X축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 평면도,
도 4는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 Y축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 평면도,
도 5는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 Z축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 사시도,
도 6은 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 고주파 공진모드를 나타내는 도면.
본 발명은 상세한 설명에 앞서 본 발명의 목표에 관련되어 간단히 설명을 하겠다.
본 발명은 새로운 방진 빔 구조를 제안함으로 종래기술에서 구현하지 못한 3차원 움직임을 가능케 한다. 여기서 3차원 움직임이라 함은 제안된 플랫폼 구조의 X, Y, Z축 방향의 진동 모드가 낮은 공진 주파수(Resonant Frequency)를 가지며, 그 진동 모드가 X, Y, Z축 각각의 방향으로 직선움직임을 의미한다. 진동 이론에 의하면 저주파부터 고주파까지 다양한 진동 모드가 발생하지만, 저주파의 진동 모드(Mode)가 가장 발생하기 쉽다. 따라서, X, Y, Z축 방향의 진동 모드가 가장 저주파인 진동 모드에서 발생한다면 이 세 방향의 진동 모드가 다른 진동 모드들보다 쉽게 진동이 발생된다는 뜻이므로 본 발명에서 구현하고자 하는 첫 번째 목표이다. 또한, 각 진동 모드마다 움직임이 직선이 아니라 회전이나 뒤틀림이 발생하면 플랫폼 위에 집적되는 외부 디바이스 즉, 센서 역시 회전이나 뒤틀림 등의 불안정함을 경험하기 때문에 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 기능을 상실하게 된다. 따라서 X, Y, Z 축 방향의 진동이 직선으로 회전없이 움직이는 것이 본 발명의 두 번째 목표이다. 마지막으로, 본 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물이 충분한 방진을 제공하기 위해서는 저주파 필터로 사용되어야 하므로 그 공진 주파수가 자동차 등에서 발생하는 진동보다 작아야 한다. Harmonic을 고려하여 목표로 하는 공진 주파수는 1.5-2.5kHz로 설정하였으며, 그것이 본 발명의 세 번째 목표이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 일 실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물을 나타내는 평면도이며, 도 3은 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 X축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 Y축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 평면도이며, 도 5는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 Z축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)은, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 플랫폼(110), 방진 빔(120) 및 프레임(130)을 포함한다.
플랫폼(110)은 외부 디바이스가 결합된다. 플랫폼(110)은 장사각형 판재형상으로, 집적된 외부 디바이스와 연결된 플랫폼(110)의 부위는 도전물질로 이루어져 플랫폼(110)의 외부와 전기적으로 연결되고, 집적된 외부 디바이스와 연결되지 않은 플랫폼(110)의 다른 부위는 부도전물질로 이루어진다.
외부 디바이스는 자이로 센서(Gyro Sensor) 또는 비전 센서(Vision Sensor)로 이루어진다. 자이로 센서는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 이용해서 만들었다. 코리올리 힘은 지구와 같이 회전하고 있는 좌표계에서 수평적으로 움직이는 물체가 느끼는 겉보기힘으로, 회전하는 물체 위에서 보이는 가상적인 힘으로 원심력과 같은 것이다. 크기는 운동체의 속력에 비례하고, 운동방향에 수직방향으로 작용한다. 북반구에서 지상으로 낙하하는 물체가 오른쪽으로 쏠리는 현상을 설명할 수 있다. X, Y, Z축인 3축 자이로를 이용하면 피치(Pitch), 롤(Roll), 요(Yaw)에 대해 회전 속도를 알아낼 수 있다. 비전 센서는 인식과 주행을 위한 센서로, 레이저 카메라를 이용하여 비접촉식으로 3차원 화상데이타를 얻을 수 있고, 자동화 공정 장치에 사용될 수 있는 단위 기능성 부품이다.
외부 디바이스는 자이로 센서 또는 비전 센서와 함께, 관성측정장치(Inertial Measurement Unit, IMU), 관성항법장치(Inertial Navigation System, INS), 자동차 안정자세 제어(Vehicle Stability Control, VSC) 등으로 이루어진다. 관성측정장치(IMU)는 기울어짐 인식을 위해 사용되는 센서로, 각 파트는 피치(Pitch), 롤(Roll), 요(Yaw)의 3개의 축의 움직임을 측정한다. 관성항법장치(INS)는 운반체의 각속도와 가속도를 측정하여 시간에 대한 연속적인 적분을 수행함으로 이미 알고 있는 출발점에 대한 동체의 위치와 속도, 진행방향을 결정하는 장치이다. 자동차 안정자세 제어(VSC)는 스핀(Spin) 또는 언더 스티어(Under Steer) 등의 발생을 감쇠하여 이로 인한 사고를 미연에 방지한다. 이는 자동차에 스핀 또는 언더 스티어 등의 발생 상황에 도달하면 이를 감지하여 자동적으로 내측 차륜 또는 외측 차륜에 제동을 가해 차량의 자세를 제어함으로, 이로 인한 차량의 안정된 상태를 유지하며(ABS연계 제어), 스핀의 한계 직전에 자동 감속하며(TCS연계 제어), 이미 발생된 경우에는 각 휠 별로 비선형 제동력을 제어하여 스핀이나 언더 스티어의 발생을 미연에 방지하여 안정된 운행을 도모한다.
플랫폼(110)은 아래에서 설명하게 되는 방진 빔(120)과 함께 X, Y, Z축인 3차원으로 선택되어 직선이동된다. 플랫폼(110)은 직선방향으로 이동되는 과정에서 변형되는 복수개의 방진 빔(120)과는 다르게 변형없이 이동된다. 직선방향으로 이동되는 플랫폼(110)은 프레임(130)과 직선방향으로 이동된다.
플랫폼(110)은 저주파 필터(Low Pass Filter)를 제공함으로써 외부에서 발생되는 진동이 집적된 외부 디바이스에 가해지는 영향을 감소시키게 된다. 저주파 필터를 사용하여 플랫폼(110)에 충분한 방진을 제공하기 위해서는 플랫폼(110) 전체의 공진 주파수(Resonant Frequency)가 외부에서 발생되는 즉, 자동차 등에서 발생되는 진동보다 작아야 한다. 이러한 공진 주파수는 1.5~2.5kHz로 설정하였고, 본 발명의 세 번째 목표이다. 저주파 필터는 어떤 주파수보다 낮은 주파수의 교류를 통과시키고, 그 보다 높은 주파수의 전류는 저지하는 필터이다.
방진 빔(120)은 플랫폼(110)의 모서리 측면에서 플랫폼(110)의 외측으로 수평하게 연장되고, 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시킨다. 방진 빔(120)은 서로 다른 형상 도는 다른 종류를 갖는 둘 이상의 빔을 조합하여 길이방향으로 길게 형성되고, 탄력적으로 이루어져 원래의 위치로 복원되는 복원력이 우수하다.
방진 빔(120)은 구불 빔(121, meandering beam)과 접힘 빔(122, folded beam)의 조합으로 이루어진다. 구불 빔(121)과 접힘 빔(122)은 MEMS 기술로 구현이 가능한 2차원(X축과 Z축) 움직임이 가능한 구조이다.
구불 빔(121)과 접힘 빔(122)의 조합으로 이루어진 방진 빔(120) 중 구불 빔(121)의 일단부는 플랫폼(110)의 모서리에 연장되고, 타단부는 접힘 빔(122)과 연결된다. 방진 빔(120)은 플랫폼(110)으로부터 구불 빔(121)과 접힘 빔(122)이 순차적으로 길이방향으로 길게 형성된다. 본 발명의 방진 빔(120)은 플랫폼(110)으로부터 구불 빔(121)과 접힘 빔(122)이 순차적으로 형성될 수 있으나 경우에 따라서 반대로 플랫폼(110)으로부터 접힘 빔(122)과 구불 빔(121)으로 순차적으로 형성될 수도 있다.
방진 빔(120)의 일단부는 아래에서 설명하게 되는 프레임(130)의 내측에 배치되고, 방진 빔(120)의 타단부는 프레임(130)의 외측에 배치된다. 구체적으로 살펴보면, 프레임(130)의 내측에 배치되는 방진 빔(120)은 구불 빔(121)과 접힘 빔(122)이 배치되고, 프레임(130)의 외측에는 다른 구불 빔(121)과 접힘 빔(122)이 배치된다.
방진 빔(120)은 플랫폼(110)의 한 모서리당 적어도 하나 또는 둘 이상으로 마련된다. 이는 플랫폼(110)이 X, Y , Z축 방향으로 각각 이동될 경우에 회전이나 뒤틀림없이 직선방향으로 이동하기 위함으로, 본 발명의 두 번째 목표를 달성하기 위한 것이다. 방진 빔(120)은 지오메트리(Geometry) 즉, 개수를 조정하여 X, Y, Z 축 방향의 모드의 공진 주파수를 조정할 수 있어 위의 내용과 함께 첫 번째와 두 번째 목표를 달성한다. 하지만, 방진 빔(120)의 개수가 늘어나면 스프링 상수가 증가하기에 직선운동의 고유 진동수의 공진 주파수가 4kHz 이상으로 높아진다. 고유 진동수의 공진 주파수를 낮추기 위해서 방진 빔(120)의 길이를 늘려야 하는데, 늘어난 방진 빔(120)은 불안정하여 회전이나 뒤틀림 등의 불필요한 움직임으로 인해 길이를 늘리는데 한계가 있다. 이를 해결하기 위해서 방진 빔(120)의 길이는 길이방향으로 길게 늘리면서도 방진 빔(120)의 회전이나 뒤틀림 등의 불필요한 움직임을 제한하도록 아래에서 설명하게 되는 프레임(130)을 추가로 설치한다. 이로 인해 본 발명의 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 목표 모두를 만족하면서 주파수대역이 낮아지게 된다.
플랫폼(110)의 모서리마다 마련되는 방진 빔(120)들은 플랫폼(110)을 기준으로 대칭 구조로 배치된다. 이는 플랫폼(110)이 회전이나 뒤틀림 등의 불필요한 움직임에 대한 치우침없이 직선이동뿐만 아니라 시스템의 설계함에 있어서 용이성을 위해 대칭 구조로 배치되는 것이다. 여기서, 플랫폼(110)의 모서리는 플랫폼(110)과 일정한 간격으로 이격되게 배치되는 프레임(130)의 내측을 바라보는 측면 또는 변을 의미한다.
프레임(130)의 내측에 배치되는 방진 빔(120)의 일단부는 플랫폼(110)과 프레임(130)으로부터 고정단으로 도시되어 있고, 프레임(130)의 외측에 배치되는 방진 빔(120)의 타단부는 자유단으로 도시되어 있지만 인접한 별도의 구성에 고정되는 고정단인 것이다. 방진 빔(120)의 타단부가 고정되는 인접한 별도의 구성은 프레임(130)과 함께 방진 빔(120)의 회전이나 뒤틀림 등의 불필요한 움직임을 이중으로 제한한다.
방진 빔(120)은 외부 디바이스나 플랫폼(110)의 크기, 무게 등에 따라 설치되는 개수나 길이를 조절할 수 있다.
본 발명의 방진 빔(120)은 플랫폼(110)에 전기적, 기계적으로 결합되는 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시키는 것으로 예시하고 있으나, 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있는 것이라면 스프링 등 다른 구성으로도 바뀔 수 있다.
프레임(130)은 플랫폼(110)을 에워싸도록 배치되어 플랫폼(110)의 모서리마다 마련되는 방진 빔들(120)과 연결되어 방진 빔들(120)의 회전이나 뒤틀림을 방지한다.
프레임(130)은 방진 빔(120)의 일단부와 타단부 사이의 중간 부분에 연결된다. 구체적으로 살펴보면, 프레임(130)은 프레임(130)의 내측에 배치되는 접힘 빔(122)과 프레임(130)의 외측에 배치되는 구불 빔(121)과의 사이에 배치된다.
프레임(130)은 플랫폼(110)을 중심으로 대칭되는 형상을 갖는다. 이는 방진 빔(120)들이 플랫폼(110)을 기준으로 대칭으로 배치되는 것과 같이 시스템의 설계함에 있어서 용이성을 위해 대칭으로 형성되는 것이다. 프레임(130)은 대칭 도형인 정사각형의 형상을 갖는다. 본 발명은 프레임(130)이 정사각형 형상으로 이루어지는 것으로, 이는 시스템의 설계함에 있어서 공진 주파수 설정의 용이성을 위해 대칭적인 구조를 갖기 위함이다.
프레임(130)은 방진 빔(120)의 회전이나 뒤틀림 등의 불안정한 움직임을 막아주는 동시에 방진 빔(120)의 움직임을 유도한다.
프레임(130)은 외부 디바이스나 플랫폼(110)의 크기, 무게 등에 따라 설치되는 개수나 길이가 조절되는 방진 빔(120)에 따라 설치되는 개수를 조절할 수 있다. 프레임(130)은 미세공정상 편의를 위하여 높이와 두께가 방진 빔(120)의 높이와 두께와 동일한 것이 바람직하다. 이는 프레임(130)이나 방진 빔(120)이 돌출 형성되어 설치되는 장소에서 다른 구성들에 의해 파손되거나 결합의 불편함을 방지하기 위함이다.
플랫폼(110)과 방진 빔(120) 그리고 프레임(130)의 내부에는 공간부(140)가 형성된다. 공간부(140)는 MEMS 공정에서 플랫폼(110)과 방진 빔(120)이 형성될 위치의 사이에 식각하여 형성된다.
공간부(140)는 플랫폼(110)과 방진 빔(120)이 진동으로 인해 이동될 수 있는 공간을 제공한다.
도 3은 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)의 X축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 평면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도면을 기준으로 X축 방향인 오른쪽방향으로 플랫폼(110)과 방진 빔(120) 및 프레임(130)이 동시에 이동될 경우에, 플랫폼(110)의 이동은 프레임(130)의 이동보다 더 멀리 이동된다. 플랫폼(110)의 오른쪽에 배치된 복수개의 제1방진 빔(120a)은 간격이 좁아지는 반면에, 플랫폼(110)의 왼쪽에 배치된 복수개의 제2방진 빔(120b)은 간격이 넓어진다. 구체적으로 살펴보면, 플랫폼(110)의 오른쪽에 배치된 복수개의 제1방진 빔(120a)은 간격이 좁아지되, 프레임(130)의 외부에 배치된 부분이 내부에 배치된 부분보다 좁아지고, 플랫폼(110)의 왼쪽에 배치된 복수개의 제2방진 빔(120b)은 간격이 넓어지되, 프레임(130)의 내부에 배치된 부분이 외부에 배치된 부분보다 넓어진다.
플랫폼(110)을 기준으로 위쪽과 아랫쪽에 각각 배치된 복수개의 방진 빔(120c, 120d)은 오른쪽방향으로 동일한 방향과 동일한 간격으로 이동된다. 이로 인해 외부 디바이스는 동적 흔들림이 발생되더라도 회전이나 뒤틀림 등의 불안정한 움직임없이 안정된 상태로 유지되므로 수명 연장 및 성능을 최대한 발휘할 수 있다.
도 4는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)의 Y축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 평면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도면을 기준으로 Y축 방향인 위쪽방향으로 플랫폼(110)과 방진 빔(120) 그리고 프레임(130)이 이동될 경우에, 플랫폼(110)의 이동은 프레임(130)의 이동보다 더 멀리 이동된다. 플랫폼(110)의 위쪽에 배치된 복수개의 제3방진 빔(120c)은 간격이 좁아지는 반면에, 플랫폼(110)의 아랫쪽에 배치된 복수개의 제4방진 빔(120d)은 간격이 넓어진다. 구체적으로 살펴보면, 플랫폼(110)의 위쪽에 배치된 복수개의 제3방진 빔(120c)은 간격이 좁아지되, 프레임(130)의 외부에 배치된 부분이 내부에 배치된 부분보다 좁아지고, 플랫폼(110)의 아랫쪽에 배치된 복수개의 제4방진 빔(120d)은 간격이 넓어지되, 프레임(130)의 내부에 배치된 부분이 외부에 배치된 부분보다 넓어진다.
플랫폼(110)을 기준으로 오른쪽과 왼쪽에 각각 배치된 복수개의 방진 빔(120a, 120b)은 위쪽방향으로 동일한 방향과 동일한 간격으로 이동된다. 이로 인해 외부 디바이스는 동적 흔들림이 발생되더라도 회전이나 뒤틀림 등의 불안정한 움직임없이 안정된 상태로 유지되므로 수명 연장 및 성능을 최대한 발휘할 수 있다.
도 5는 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)의 Z축 방향으로 이동되는 상태를 나타내는 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도면을 기준으로 Z축 방향으로 플랫폼(110)과 방진 빔(120) 및 프레임(130)이 이동될 경우에, 플랫폼(110)의 이동은 프레임(130)의 이동보다 더 멀리 이동된다. 플랫폼(110)을 기준으로 방사형으로 고정된 복수개의 방진 빔(120)은 넓어지되, 프레임(130)의 내부에 배치된 부분이 외부에 배치된 부분보다 구부러지면서 넓어진다. 플랫폼(110)을 기준으로 방사형으로 고정된 복수개의 방진 빔(120)은 Z축 방향인 동일한 방향과 동일한 간격으로 이동된다.
도 6은 도 1에 따른 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물의 고주파 공진모드를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)의 구조에서 고주파 공진모드를 보여주는 것으로, 공진 주파수는 대략 3kHz부터 4kHz을 가진다. 이런 공진모드들은 뒤틀림 등 원하지 않는 진동 MODE들이며, 도 3 내지 도 5에서 도시된 선형 모드들보다 충분히 높은 공진 주파수이기에 본 발명에서 구현하고자 하는 첫 번째 목표 역시 만족시킬 수 있다.
본 발명은 4cm 이하의 크기를 가지는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)이 X, Y, Z축 방향인 3차원 방진이 가능하도록 구현하는 방법을 제안하고 있다. 이 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100) 위에 어떤 센서든 집적이 가능하며, 특히 자이로 센서 또는 비전 센서처럼 진동에 민감한 센서들에 즉각적으로 적용 가능하다. 또한, 하나의 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물(100)로 다차원이 가능하기에 크기 및 비용 감소 효과가 있으며 미세 공정 및 배치 프로세스(Batch Process) 역시 고려하여 설계되었다. 배치 프로세스는 일련의 공정처리가 동일 장소에서 순차적으로 정해진 순서에 따라 실행되는 프로세스를 말한다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100 : 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물
110 : 플랫폼 120 : 방진 빔
120a : 제1방진 빔 120b : 제2방진 빔
120c : 제3방진 빔 120d : 제4방진 빔
121 : 구불 빔 122 : 접힘 빔
130 : 프레임 140 : 공간부

Claims (11)

  1. 외부 디바이스가 결합되는 플랫폼; 및
    상기 플랫폼의 모서리 측면에서 상기 플랫폼의 외측으로 연장되고, 상기 외부 디바이스에 전달되는 진동을 감쇠시키는 방진 빔을 포함하고,
    상기 방진 빔은, 상기 플랫폼의 한 모서리당 적어도 하나가 마련되는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방진 빔은,
    서로 다른 형상을 갖는 둘 이상의 빔을 조합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방진 빔은,
    구불 빔(meandering beam)과 접힘 빔(folded beam)의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방진 빔은,
    상기 플랫폼의 한 모서리당 둘 이상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플랫폼의 모서리마다 마련되는 상기 방진 빔들은, 상기 플랫폼을 기준으로 대칭 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랫폼을 에워싸도록 배치되어 상기 플랫폼의 모서리마다 마련되는 상기 방진 빔들과 연결되어 상기 방진 빔들의 회전이나 뒤틀림을 방지하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은,
    상기 방진 빔의 일단부와 타단부 사이의 중간 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 방진 빔의 일단부는 상기 프레임의 내측에 배치되고, 상기 방진 빔의 타단부는 상기 프레임의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은,
    상기 플랫폼을 중심으로 대칭되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프레임은,
    정사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
  11. 외부 디바이스가 결합되는 플랫폼;
    상기 플랫폼의 모서리 측면에서 상기 플랫폼의 외측으로 연장되고, 서로 다른 형상을 갖는 둘 이상의 빔을 조합하여 형성되는 방진 빔; 및
    상기 플랫폼을 에워싸도록 배치되어 상기 플랫폼의 모서리마다 마련되는 상기 방진 빔들과 연결되는 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 시스템을 위한 3차원 방진 플랫폼 구조물.
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