KR20160058032A - 미소 기계적인 ｚ-센서용 로커 장치 - Google Patents

미소 기계적인 ｚ-센서용 로커 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 미소 기계적인 Z-센서(200)용 로커 장치(100)에 관한 것으로서, 이 로커 장치는
- 토션 스프링(10)을 기준으로 비대칭으로 형성되어 있고 토션 스프링(10) 둘레에 지지된 2개의 로커 암(20, 21)을 구비하며; 이 경우
- 로커 암(20, 21)은 제1 구멍(30)을 구비하고; 이 경우
- 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암이 하나 이상의 개구(32)를 구비하며, 이 경우 제1 구멍(30)의 직경은 규정된 바와 같이 개구(32)의 직경보다 작게 형성되어 있고;
- 이 경우 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암 내부에는, 제1 구멍(30)을 하나 이상의 개구(32)와 연결하기 위한 공동부(50)가 형성되어 있다.

Description

미소 기계적인 Ｚ-센서용 로커 장치{ROCKER DEVICE FOR A MICROMECHANICAL Z-SENSOR}
본 발명은 미소 기계적인 Z-센서용 로커 장치(rocker device)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 미소 기계적인 Z-센서용 로커 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
물리적인 가속도를 측정하기 위한 종래의 센서들은 통상적으로 규소(센서 코어) 및 전자 평가 장치로 이루어진 미소 기계적인 구조물을 갖는다. 센서 코어의 주평면(principal plane)에 대해 직각인 한 방향으로 가속도를 측정하는 것을 가능하게 하는 센서 코어가 Z-센서로서 명명된다. 이와 같은 센서들은 자동차 분야에서 예를 들어 ESP-시스템에서 이용되거나, 이동 전화 서비스업(mobile telephony) 분야에서 이용된다.
전술된 센서의 기본 원리는 예를 들어 박사 학위 논문 "표면 미소기계-센서들의 제조 공정을 특성화하기 위한 전기 테스트 구조로서의 표면 미소기계-센서들" (Maute, Matthias; 튀빙엔 대학, 2003년)의 6장에서 상세하게 기술된다.
EP 0 244 581 A1호는, 차량 탑승자 보호 장치를 자동으로 작동 개시할 목적의 미소 기계적인 센서를 개시한다.
EP 0 773 443 B1호는 미소 기계적인 가속도 센서를 개시한다.
예를 들어 DE 10 2007 060 878 A1호 및 DE 10 2009 000 167 A1호에 개시되어 있는 소위 "FP-기능화(FP-functionalization)"의 범주에서는, 단 하나의 콤팩트한 층으로부터 구조화되었을 뿐만 아니라 2개의 상이한 규소층으로도 구조화된 로커가 미소 기계적인 가속도 센서용으로 형성된다. 이로써, 움직일 수 있는 "홈통(trough) 형태의" 구조물이 형성될 수 있다.
본 발명의 과제는, 댐핑(damping) 특성이 개선된, 미소 기계적인 Z-센서용 로커 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 제1 양상에 따라, 미소 기계적인 Z-센서용 로커 장치로서,
- 토션 스프링을 기준으로 비대칭으로 형성되어 있고 토션 스프링 둘레에 지지된 2개의 로커 암을 구비하며; 이 경우
- 로커 암은 제1 구멍(perforation)을 구비하고; 이 경우
- 로커 암 중 하나 이상의 로커 암은 하나 이상의 개구를 구비하며, 이 경우 제1 구멍의 직경은 규정된 바와 같이 개구의 직경보다 작게 형성되어 있고; 이 경우
- 로커 암 중 하나 이상의 로커 암 내부에는, 제1 구멍을 하나 이상의 개구와 연결하기 위한 공동부(cavity)가 형성되어 있는, 로커 장치에 의해서 해결된다.
이와 같은 방식으로, 본 발명에 따른 로커 장치는 바람직하게 증가된 댐핑력(damping force)을 가질 수 있다.
제2 양상에 따라, 상기 과제는, 미소 기계적인 Z-센서용 로커 장치를 제조하기 위한 방법으로서,
- 비대칭으로 형성된 2개의 로커 암을 형성하는 단계;
- 로커 암의 제3 기능 층 내에 제1 구멍을 형성하는 단계;
- 로커 암 중 하나 이상의 로커 암의 제1 기능 층 내에 하나 이상의 개구를 형성하는 단계; 및
- 로커 암 중 하나 이상의 로커 암 내부에 하나 이상의 공동부를 형성함으로써, 제1 구멍과 하나 이상의 개구가 연결되는 단계를 포함하는, 로커 장치의 제조 방법에 의해서 해결된다.
본 발명에 따른 로커 장치 및 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
로커 장치의 한 바람직한 개선예는, 제1 구멍이 로커 장치의 xy-평면에 형성된 약 0.5 ㎛ x 약 2 ㎛ 크기의 면적을 갖고, 이 경우에는 개구가 로커 장치의 xy-평면에 형성된 약 2 ㎛ x 약 3 ㎛ 크기의 면적을 갖는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 방식으로, 연결 기능을 하는 공동부로부터 매우 우수한 이점을 얻는 고유의 치수들이 구멍 및 블라인드 홀(blind hole)을 위해 제공된다.
로커 장치의 또 다른 한 바람직한 개선예는, 제1 구멍이 로커 장치의 제3 기능 층 내에 형성되어 있는 것을 제안한다. 이와 같은 방식으로, 제1 구멍의 공정 기술적으로 유리한 제조가 보장된다.
로커 장치의 또 다른 한 바람직한 개선예는, 하나 이상의 개구가 로커 장치의 제1 기능층 내에 형성되는 것을 특징으로 한다. 공정 기술적으로 볼 때, 제1 기능층 내에는 제3 기능층 내에서보다 큰 리세스들이 제공되어 있다.
로커 장치의 또 다른 한 바람직한 개선예는, 제1 기능층을 갖는 한 로커 암 내부에 공동부가 배치되는 것을 제안한다. 이와 같은 방식으로, 연결 기능을 하는 공동부를 형성하기 위한 충분한 질량이 존재하게 된다.
본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들이 복수의 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명된다. 이때, 기술되는 모든 특징들은, 상세한 설명 또는 각각의 도면에 있는 이들 특징에 대한 기재 내용과 무관하게 그리고 특허 청구항들 또는 그들의 인용항에 있는 특징에 대한 요약적인 내용과 무관하게, 단독으로 또는 임의의 조합된 형태로 본 발명의 대상을 형성한다. 동일하거나 기능적으로 동일한 요소들은 동일한 도면 부호를 갖는다. 각각의 도면은 정성적으로(qualitatively) 구현되어 있고, 척도에 맞지 않게 구현되어 있다. 따라서, 각각의 도면으로부터 비율 및 크기를 추론할 수는 없다.
도 1은 미소 기계적인 Z-센서를 위한 종래의 로커 장치의 횡단면도이다.
도 2는 미소 기계적인 Z-센서를 위한 본 발명에 따른 로커 장치의 한 실시예의 개략도이다.
도 3은 미소 기계적인 Z-센서를 위한 본 발명에 따른 로커 장치의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 미소 기계적인 Z-센서를 위한 본 발명에 따른 로커 장치의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 한 실시예의 기본적인 흐름도이다.
도 1에는 미소 기계적인 Z-가속도 센서를 위한 종래의 로커 장치(100)를 매우 개략적인 횡단면도가 도시되어 있다.
본 단면도에서는, 로커 장치(100)의 전체 구조물이 3개의 기능층으로부터, 다시 말해 위에 놓인 제1 기능층(EP), 제1 기능층(EP)과 제3 기능층(FP) 사이에 배치된 제2 기능층(OK) 및 아래에 놓인 제3 기능층(FP-층)으로부터 구현된다는 것을 알 수 있다. 이때, 제2 기능층(OK)은 필요에 따라 생략될 수도 있다. 로커 장치(100)는 로커 암(20, 21) 내부에, 바람직하게 제3 기능층(FP) 내에 형성되어 있는 제1 구멍(30)을 구비한다. 로커 암(21)의 제1 기능층(EP) 내에는 제2 구멍(31)이 배치되어 있으며, 이들 제2 구멍의 직경은 제1 구멍(30)의 직경보다 크다.
제1 구멍(30)의 관통 홀의 크기는 약 0.5 ㎛ 내지 약 2 ㎛의 범위 안에서 변동된다. 제2 구멍(31)의 관통 홀의 크기는 약 2 ㎛ 내지 약 3 ㎛의 범위 안에서 변동된다. 이들 구멍(30, 31)의 차이는 공정으로부터 기인하고, 단지 제한적으로만 변경될 수 있다. 이와 같은 차이는 다른 무엇보다도, 제조 공정 중에 이들 구멍 아래에 놓여 있는 층들이 에칭 가스에 의해서 에칭 제거될 수 있다는 사실에 근거를 두고 있다. 규정된 강성을 갖도록 형성된 토션 스프링(10)에 의해서, 로커 장치(100)의 구조물은 규소-기판(1)에 회전 가능하게 또는 토션 가능하게 지지 되어 있거나 이 기판에 걸려 있다.
질량 분포가 불규칙하기 때문에, 로커 암(20, 21)이 토션 스프링(10)을 기준으로 비대칭으로 형성되어 있음을 알 수 있다. 로커 암(20, 21)의 길이가 실질적으로 동일한 경우(기하학적인 대칭), 이와 같은 비대칭은, 로커 암(20, 21)의 비대칭적인 질량 분포에 의해서, 예를 들면 전술된 바와 같은 로커 암(20, 21)의 상이한 구멍(30, 31)에 의해서 형성될 수 있거나, 2개 로커 암(20, 21)의 상이한 두께에 의해서 형성될 수 있다. 그러나 추가로 또는 대안적으로, 비대칭은 2개 로커 암(20, 21)의 기하학적인 구조의 비대칭(예컨대 상이한 암의 길이)에 의해서도 달성될 수 있다.
로커 장치(100)의 주평면에 대해 직각으로 작용을 하는 가속도(z-방향으로의 수직 가속도)의 결과로서, 로커 장치(100)의 구조물은 2개 로커 암(20, 21)의 비대칭으로 인해 토션 스프링(10)을 중심으로 토션될 수 있다. 로커 장치(100)는 전자 회로(도시되지 않음)에 의해 소정의 규정된 전기 전위로 유지되며, 로커 장치(100) 하부에 배치되어 있고 측정의 목적으로 사용될 수 있는 고정식 제2 전극(도시되지 않음)은 다른 규정된 전기 전위로 유지된다. 로커 암(20, 21)의 "홈통 모양의" 구조물을 확인할 수 있으며, 이 경우 홈통 모양의 구조물 상부에는 고정식 전극(40)이 배치되어 있다.
로커 장치(100)의 경사 변경은, 전자식 평가 장치(도시되지 않음)를 이용하여 전극에서의 전하 변경을 수집 및 평가함으로써 검출된다. 이와 같은 유형으로, 미소 기계적인 Z-센서(100)에 작용을 하는 ("z-방향으로의") 수직 가속도가 결정될 수 있다.
도 2는, 본 발명에 따라, 하나 이상의 개구(32)(도 2에서는 도시되지 않음)와 제1 구멍(30)(도 2에서는 도시되지 않음)을 연결하기 위한 공동부(50)를 로커 암(20) 내부에 형성하는 것이 제안되어 있음을 보여준다. 이때, 개구(32)의 직경은 구멍(31)의 직경에 상응한다. 바람직하게, 공동부(50)는, 기능층들(FP와 EP)의 기능적인(기계적인 그리고 전기적인) 연결을 보장하기에 충분한 질량을 갖는 제1 기능층(EP)이 존재하는 로커 암(20, 21) 내부에 형성되어 있다.
도 3은, 본 발명에 따라 형성된 로커 장치(100)의 한 실시예를 횡단면도로 보여준다. 공동부(50)에 의해서 실현된 로커 암(20) 내에 있는 개구(32)와 제1 구멍(30) 간의 연결로 인해, 로커 암(20)은 이제 로커 암(21)과 실질적으로 동일한 댐핑 특성을 가질 수 있는데, 그 이유는 오로지 로커 장치(100)의 하부 면에만 제1 구멍(30)이 형성되어 있기 때문이다. 그럼으로써, 결과적으로는 두 로커 암(20, 21)의 매우 대칭적인 댐핑 특성이 지원받게 된다.
공동부(50)를 제조하기 위하여, 먼저 제1 구멍(30)이 로커 암(20, 21)의 제3 기능층(FP) 내에서 형성된다. 그 다음에, 제1 기능층(EP) 내에서 하나 또는 복수의 개구(32)가 형성된다. 마지막으로, 로커 암(20) 내부에 있는 공동부(50)는, 제1 구멍(30)과 개구(32) 사이에서 유체 기술적으로 연속하는 연결부가 구현되도록 형성된다. 그럼으로써, 결과적으로는 전체 로커 구조물의 하부 면이 제1 구멍(30)의 형태로 실질적으로 균일하게 천공되며, 이로 인해 전체 로커 장치(100)의 균일한 댐핑 특성이 달성된다.
한 변형예에서 공동부(50)는 추가로 로커 암(21) 내부에 배치될 수도 있다(도시되지 않음). 실질적으로 공동부(50)는, 충분한 질량을 갖는 제1 기능층(EP)이 존재하는 곳이라면 어디에서든지 형성될 수 있다. 이때, 두 로커 암(20, 21) 내부에 각각 또한 복수의 공동부(50)가 형성되는 것도 생각할 수 있다(도시되지 않음).
바람직하게, 전술된 구멍(30), 개구(32) 및 공동부(50)의 개수 또는 위치 설정은 로커 장치(100)의 기하학적 구조 또는 설계(design)에 매칭되어 있다. 그렇기 때문에, 도면에 도시된 전술된 요소들의 개수, 치수 설계 및 배열 상태는 다만 예로서만 그리고 정성적으로만 도시되어 있는 것으로 간주되어야 한다.
도 4는, 도 3에 도시된 본 발명에 따른 로커 장치(100)의 실시예를 평면도로 보여준다. 본 도면에서는, 공동부(50)(밝은 해칭선)가 공동부 없는 질량부(어두운 해칭선)에 의해서 둘러싸여 있다는 것을 알 수 있다. 이들 영역에서는, 최하부 기능층(FP)이 최상부 기능층(EP)과 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되어 있다. 도면 부호 (21a)는, 제1 구멍(30)을 갖는 로커 암(21)의 한 영역을 표시한다.
도 5는, 본 발명에 따른 방법의 한 실시예의 기본적인 흐름도를 보여준다.
제1 단계(300)에서는, 비대칭으로 형성된 2개 로커 암(20, 21)을 형성하는 과정이 실시된다.
제2 단계(310)에서는, 로커 암(20, 21)의 제3 기능층(FP) 내에서 제1 구멍(30)을 형성하는 과정이 실시된다.
제3 단계(320)에서는, 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암의 제1 기능층(EP) 내에서 하나 이상의 개구(32)를 형성하는 과정이 실시된다.
마지막으로, 제4 단계(330)에서는, 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암 내부에서 하나 이상의 공동부(50)를 형성하는 과정이 실시되며, 이로 인해 제1 구멍(30)과 하나 이상의 개구(32)가 연결된다.
요약하자면, 본 발명에 의해, 개선된 댐핑 특성 및 이로써 Z-센서의 개선된 성능을 가능하게 하는, 미소 기계적인 Z-센서용 로커 장치가 제공된다. 개선된 댐핑 특성은, 로커 장치의 하부 면에서 균일한 천공 구조물이 제조된다는 사실에 근거를 두고 있다. 로커 암들 중 하나 이상의 로커 암 내부에 있는 연결 공동부에 의해, 상기와 같은 목적이 기술적으로 간단한 방식으로 실현될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 기본 원리를 다른 센서 기술에, 예를 들면 압전 저항형의(piezo resistive) 미소 기계적인 가속도 센서에 적용하는 것도 가능하다.
본 발명이 구체적인 실시예들을 참조해서 기술되어 있기는 하지만, 본 발명은 결코 이와 같은 실시예들에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는, 본 발명의 핵심으로부터 벗어나지 않으면서, 앞에서 전혀 기술되지 않았거나 단지 부분적으로만 기술된 다양한 변형예들이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

Claims (8)

  1. 미소 기계적인 Z-센서(200)용 로커 장치(100)로서,
    - 토션 스프링(10)을 기준으로 비대칭으로 형성되어 있고 토션 스프링(10) 둘레에 지지된 2개의 로커 암(20, 21)을 구비하며; 이 경우
    - 로커 암(20, 21)은 제1 구멍(30)을 구비하고; 이 경우
    - 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암이 하나 이상의 개구(32)를 구비하며, 이 경우 제1 구멍(30)의 직경은 규정된 바와 같이 개구(32)의 직경보다 작게 형성되어 있고; 이 경우
    - 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암 내부에는, 제1 구멍(30)을 하나 이상의 개구(32)와 연결하기 위한 공동부(50)가 형성되어 있는, 로커 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 제1 구멍(30)은 로커 장치(100)의 xy-평면에 형성된 약 0.5 ㎛ x 약 2 ㎛ 크기의 면적을 갖고, 개구(32)는 로커 장치(100)의 xy-평면에 형성된 약 2 ㎛ x 약 3 ㎛ 크기의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 로커 장치(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 구멍(30)은 로커 장치(100)의 제3 기능층(FP) 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 로커 장치(100).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 개구(32)는 로커 장치(100)의 제1 기능층(EP) 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 로커 장치(100).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공동부(50)는 제1 기능층(EP)을 갖는 로커 암(20, 21) 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 로커 장치(100).
  6. 제1항 또는 제2항에 따른 로커 장치(100)를 구비하는, 미소 기계적인 Z-센서(200).
  7. 미소 기계적인 Z-센서(200)용 로커 장치(100)를 제조하기 위한 방법으로서,
    - 비대칭으로 형성된 2개의 로커 암(20, 21)을 형성하는 단계;
    - 로커 암(20, 21)의 제3 기능 층(FP) 내에 제1 구멍(30)을 형성하는 단계;
    - 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암의 제1 기능 층(EP) 내에 하나 이상의 개구(32)를 형성하는 단계; 및
    - 로커 암(20, 21) 중 하나 이상의 로커 암 내부에 하나 이상의 공동부(50)를 형성함으로써, 제1 구멍(30)과 하나 이상의 개구(32)가 연결되는 단계를 포함하는, 로커 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제1 기능층(EP)을 갖는 로커 암(20, 21) 내부에 공동부(50)를 형성하는 것이 실행되는, 로커 장치의 제조 방법.
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