KR20160133298A - z축 멤스 가속도 센서 - Google Patents

Abstract

회전 지지축을 기준으로 한 센서 질량체의 회동 운동을 이용하여 x-y평면에 수직인 z축 방향의 가속도를 감지하는 멤스 가속도 센서가 제공된다. 이러한 멤스 가속도 센서는 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때, 상기 바닥 웨이퍼에 대해 평행한 2이상의 축에 대해 상대적인 회전 움직임을 갖는 센서질량체; 상기 센서질량체의 회전 움직임에 대해 복원력을 제공하도록 상기 2이상의 축에 대해 작용하는 비틀림 스프링; 및 상기 센서질량체의 수직 방향 직선 변위 또는 회전 변위 중 적어도 하나를 감지하는 적어도 하나의 감지전극으로 이루어진다.

Description

z축 멤스 가속도 센서{z-axis MEMS accelerometer}

본 발명은 멤스 가속도 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전 지지축을 기준으로 한 센서 질량체의 회동 운동을 이용하여 x-y평면에 수직인 z축 방향의 가속도를 감지하는 z축 멤스 가속도 센서에 관한 것이다.

MEMS(Micro electro mechanical systems)는 기계적, 전기적 부품들을 반도체 공정을 이용하여 구현하는 기술로서, 멤스 기술을 이용한 소자의 대표적인 예가 각속도를 측정하는 멤스 자이로스코프와 가속도를 측정하는 멤스 가속도 센서다. 일반적으로 공간상의 물체의 운동은 3자유도의 회전 움직임과 3자유도의 직선 움직임으로 기술될 수 있는데, 상기 3자유도의 회전 움직임은 x축, y축, z축 자이로스코프에 의해 감지될 수 있고, 상기 3자유도의 직선 움직임은 x축, y축, z축 가속도 센서에 의해 감지될 수 있다.

자이로스코프는 소정의 속도로 이동하는 물체에 회전각속도가 가해질 경우에 발생하는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 측정하여 각속도를 측정한다. 이때 코리올리힘은 이동속도와 외력에 의한 회전각속도의 외적(cross product)에 비례한다. 또한, 상기 발생된 코리올리힘을 감지하기 위해, 자이로스코프는 그 내부에서 진동을 하는 질량체를 구비하고 있다. 통상적으로, 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향을 가진 방향이라 하고, 자이로스코프에 회전각속도가 입력되는 방향을 입력 방향이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리힘을 감지하는 방향을 감지 방향이라 한다. 상기 가진 방향과 입력방향 및 감지 방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정된다. 통상적으로, 멤스기술을 이용한 자이로스코프는 바닥 웨이퍼 기판을 x-y 평면으로 볼 때, x축(또는 y축) 자이로스코프와 z축 자이로스코프로 나뉜다.

한편, 자이로스코프와 달리 가속도 센서는 인위적인 가진은 필요하지 않고 외부의 가속도가 직접 질량체에 작용함에 의해 상기 질량체의 변위를 감지하는 방식으로 가속도를 측정할 수 있는 구조이므로 자이로스코프에 비해 상대적으로 간단하다. 멤스 가속도 센서 중에서도 바닥 웨이퍼 기판이 이루는 평면에 평행한 두 축 방향의 가속도를 감지할 수 있는 x축 또는 y축 가속도 센서와 z축 가속도 센서로 나뉜다. x축 가속도 센서는 입력 방향이 상기 평면에 평행한 가속도 센서며, y축 가속도 센서는 평면 상에서 상기 x축과 직교하는 방향의 가속도 센서로 정의될 수 있다. 그러나, y축 가속도 센서는 사실상 하우징의 설치 방향의 차이만 있을 뿐이고, 그 원리면에서는 x축 가속계와 동일하므로, x축 가속도 센서와 y축 가속도 센서는 통칭하여 x-y축 가속도 센서로 명명되기도 한다.

이러한 x-y축 가속도 센서는 센서 질량체가 평면 내에서 진동하는 움직임을 감지하면 되므로, 센서 질량체를 바닥 웨이퍼 기판과 평행하게 배치하고 바닥 웨이퍼 기판에 평행한 방향으로 형성된 감지 전극에 의해 그 움직임을 감지하면 되는 구조이다. 이에 비하여 z축 가속도 센서는 바닥 웨이퍼 기판에 수직인 방향의 움직임을 감지하여야 하므로 웨이퍼를 적층하여 제조되는 멤스 디바이스의 특성상 센서 질량체 및 감지 전극을 수직으로 배치하는 방식으로 구현하기는 어렵다.

따라서, 하나의 회전 지지축을 기준으로 한 센서 질량체의 회동 운동을 이용하여 x-y평면에 수직인 z축 방향의 가속도를 감지하는 도 1과 같은 z축 멤스 가속도 센서(10)가 알려져 있다. 이러한 z축 멤스 가속도 센서(10)는 고정 앵커(2)와, 비틀림 강성을 제공하는 회전 지지축(3)과, 상기 고정 앵커(2)와 회전 지지축(3)을 연결하는 연결 링크(4)와, 상기 회전 지지축(3)에 대해 회동 가능한 센서 질량체(1)로 구성된다.

이 때, 상기 z축 멤스 가속도 센서(10)의 A-A' 단면은 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 외부 가속도가 z축 방향으로 작용하면, 센서 질량체(1)의 회전 관성에 의하여 센서 질량체(1)는 θ1만큼 아래쪽으로(시계 방향으로) 회동한다. 이 때, 바닥 웨이퍼(5)에 구비된 감지 전극(6)은 센서 질량체(1)의 접근에 따른 정전 용량의 변화에 기초해 센서 질량체(1)의 변위를 감지한다. 이 변위로부터 θ1을 계산할 수 있으며, 센서 질량체(1)에 관한 회전운동 미분방정식을 계산함에 의해 외부 가속도를 계산할 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 z축 멤스 가속도 센서는 센서 질량체(1)의 반복적인 회동 움직임에 의해 연결 링크(4)와 회전 지지축(3)이 만나는 코너 지점, 및 센서 질량체(1)과 회전 지지축(3)이 만나는 지점 에 과도한 응력 (stress)이 반복하여 집중되기 때문에 구조적 안정성이 떨어진다. 이와 같이, 멤스 가속도 센서의 특정 부위에 응력이 집중되는 상황에서 센서 질량체(1)의 회동 움직임이 반복되는 경우, 연결 링크(4)와 회전 지지축(3) 사이의 코너, 및 센서 질량체(1)과 회전 지지축(3)이 만나는 코너 부분에 피로 파괴가 발생할 수도 있다. 이러한 문제는 결국 z축 멤스 가속도 센서의 내구성이나 감지 정밀도 등에 악영향을 미친다. 따라서, 제조가 용이할 뿐만 아니라, 응력 집중에 의한 파손을 방지하거나 그 가능성을 줄일 수 있는 멤스 가속도 센서를 고안할 필요가 있는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 회전 지지축을 기준으로 한 센서 질량체의 회동 운동을 이용하여 x-y평면에 수직인 z축 방향의 가속도를 감지하는 z축 멤스 가속도 센서에 있어서, 복수의 회전 지지축을 이용하여 각각의 회전 지지축에 작용하는 토크에 따른 비틀림 응력를 감소시키는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 z축 멤스 가속도 센서에 있어서, 회전 지지축과 연결 링크 사이의 코너에 집중되는 응력을 분산시키는 구조를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 복수의 회전 지지축을 갖는 z축 멤스 가속도 센서에서, 보다 정확한 가속도 감지를 위한 감지 전극의 배치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 가속도 센서는 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때, 상기 바닥 웨이퍼에 대해 평행한 2개 이상의 축에 대해 상대적인 회전 움직임을 갖는 센서질량체; 상기 센서질량체의 회전 움직임에 대해 복원력을 제공하도록 상기 2개 이상의 축에 대해 작용하는 비틀림 스프링; 및 상기 센서질량체의 수직 방향 직선 변위 또는 회전 변위 중 적어도 하나를 감지하는 적어도 하나의 감지전극을 포함한다.

본 발명에 따른 z축 멤스 가속도 센서에 따르면, 센서 질량체의 회동 운동에 의해 회전 지지축에 작용하는 비틀림 응력을 복수의 회전 지지축으로 분산시키고, 연결 링크와 회전 지지축 사이의 코너 부분에 집중되는 비틀림 응력을 감소시킬 수 있기 때문에, 상기 z축 멤스 가속도 센서의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 z축 멤스 가속도 센서에 따르면, 센서 질량체의 움직임을 감지하기 위한 차등 감지 전극 또는 단일의 감지 전극을 적절한 위치에 배치하여 복수의 회전 지지축을 갖는 z축 멤스 가속도 센서의 감지 정밀도를 제고하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 y축으로 회동하는 센서 질량체를 갖는 z축 멤스 가속도 센서를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 z축 멤스 가속도 센서의 A-A' 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3의 z축 멤스 가속도 센서를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 3의 z축 멤스 가속도 센서의 B-B' 단면을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 제2 연결 링크 기구, 제3 연결 링크 기구 및 센서 질량체의 자유 물체도(free-body diagram)이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차등 감지 전극의 배치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서에서 전극들의 배치를 보여주는 평면도이다.
도 9는 도 8의 z축 멤스 가속도 센서의 D-D' 단면을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서의 평면도이다.
도 12는 2개의 회전 지지축을 갖는 z축 멤스 가속도 센서를 도시한 평면도이다.
도 13은 도 12의 z축 멤스 가속도 센서의 E-E' 단면을 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 사시도, 단면도, 측면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 또한, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서(20)를 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 z축 멤스 가속도 센서(20)를 도시한 사시도이다. 이러한 z축 멤스 가속도 센서(20)는 종래와 달리, 비틀림 강성에 의한 지지력을 제공하기 위해 복수의 회전 지지축, 특히 3개의 회전 지지축(13a, 13b, 13c)을 구비한다. 이에 따라 앵커(12)와 회전 지지축(13a, 13b, 13c)을 연결하며, 상대적으로 매우 높은 강성을 갖는 연결 링크도 적어도 3개가 필요하다.

구체적으로, 제1 연결 링크(14a)는 고정 앵커(12)와 제1 회전 지지축(13a)를 연결하며, 제2 연결 링크(14b)와 제3 연결 링크(14c)는 제1 회전 지지축(13a)의 양단과 제2 회전 지지축(13b)의 양단을 각각 연결한다. 또한, 제4 연결 링크(14d)는 제2 회전 지지축(13b)와 제3 회전 지지축(13c)를 연결한다. 이 때, 제1 회전 지지축(13a)와 제2 회전 지지축(13b)은 해당 연결 링크들(14a, 14b, 14c)에만 연결되어 있다. 이에 비해, 제3 회전 지지축(13c)은 연결 링크(14d) 뿐만 아니라 센서 질량체(11)의 일측과 연결되어 있어서, 센서 질량체(11)의 회전시 최초로 토크를 받으며, 이러한 토크는 해당 연결 링크들(14a, 14b, 14c)을 통해 제2 회전 지지축(13b)과 제1 회전 지지축(13a)으로 전달된다.

결국, 외부 가속도에 의해 센서 질량체(11)가 회동할 때, 이로 인한 비틀림을 지지하는 회전 지지축(13a, 13b, 13c)이 3개이므로 회전 토크가 각각의 회전 지지축(13a, 13b, 13c)에 분산된다. 따라서, 각각의 회전 지지축(13a, 13b, 13c) 또는 회전 지지축(13a, 13b, 13c)과 연결 링크(14a, 14b, 14c, 14d)가 만나는 코너 부분의 응력은 1개의 회전 지지축을 사용하는 경우에 비해 감소하게 되는 것이다.

도 5는 도 3의 z축 멤스 가속도 센서(20)의 B-B' 단면을 도시한 단면도이다. 외부 가속도가 z축 방향으로 작용하면, 센서 질량체(11)의 회전 관성에 의하여 센서 질량체(11)는 아래쪽으로(시계 방향으로) 회동한다. 이 때, 3개의 회전 지지축(13a, 13b, 13c)에서는 각각의 비틀림 강성에 따라 회전각(θ1, θ2, θ3)이 형성된다. 그 결과, 센서 질량체(11)는 일 축에 대한 완전한 회전 운동이 아니라, 회전 운동 성분과 직선 운동 성분을 함께 갖게 된다. 이 때, 바닥 웨이퍼(15)에 구비된 감지 전극(16)은 센서 질량체(11)의 접근에 따른 정전 용량의 변화에 기초해 센서 질량체(11)의 변위를 감지한다. 이 변위에 기초하여, 센서 질량체(1)에 관한 회전운동 미분방정식을 계산함으로써 최종적으로 외부 가속도를 계산할 수 있다.

도 6은 도 5의 제2 연결 링크(14b, 14c), 제3 연결 링크(14d) 및 센서 질량체(11)의 자유 물체도(free-body diagram)를 도시한 도면이다. 이러한 자유 물체도의 따른 토크 운동 방정식을 계산하면 다음의 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.

여기서, k1, k2, k3는 각각 제1, 제2 및 제3 회전 지지축(13a, 13b, 13c)에서의 비틀림 강성을 나타내고, I1, I2, I3는 제2 연결 링크(14b) 및 제3 연결 링크(14c)의 관성 모멘트, 제4 연결 링크(14d)의 관성 모멘트, 센서 질량체(11)의 관성 모멘트를 각각 나타내며, m1, m2, m3은 각각 제2 연결 링크(14b) 및 제3 연결 링크(14c)의 질량, 제4 연결 링크(14d)의 질량, 센서 질량체(11)의 질량을 각각 나타낸다. 또한,

은 제1 회전 지지축(13a)을 기준으로 한 제2 연결 링크(14b) 및 제3 연결 링크(14c)의 무게 중심의 위치,

는 제2 회전 지지축(13b)을 기준으로 한 제4 연결 링크(14d)의 무게 중심의 위치,

는 제3 회전 지지축(13c)를 기준으로 한 센서 질량체(11)의 무게 중심의 위치를 나타낸다. 그리고, a는 z방향으로 작용하는 외부 가속도이다.

그런데, 센서 질량체(11)의 질량 m3, 관성 모멘트 I3에 비해, 제2 및 제3 연결 링크(14b, 14c)의 질량 m1, 관성 모멘트 I1과, 제4 연결 링크(14d)의 질량 m2, 관성 모멘트 I2는 상대적으로 매우 작은 값을 갖는다. 따라서, 수학식 1에서 m1, m2와 I1, I2는 실질적으로 0으로 가정할 수 있다. 이 경우에 수학식 1은 수학식 2로 단순화될 수도 있다.

수학식 1 또는 2를 보면, 3개의 수학식에서 변수는 θ1, θ2, θ3, a의 4개이므로, 만약, 바닥 웨이퍼(15)에 배치된 감지 전극(16)을 통해 센서 질량체(11)와의 거리를 감지하면, θ1, θ2, θ3간의 관계식을 추가로 얻을 수 있다. 예컨대, 센서 질량체(11)의 단부와 바닥 전극(16)과의 거리를 h라고 하고, 바닥 웨이퍼(15)를 기준으로 한 제1 회전 지지축(13a)의 높이를 H라고 하면, 다음의 수학식 3이 성립한다.

여기서, L1은 제2 및 제3 연결 링크(14b, 14c)의 길이를, L2는 제4 연결 링크(14d)의 길이를, 그리고 L3는 센서 질량체(11)의 길이를 나타낸다. 결국, 수학식 1과 수학식 3, 또는 수학식 2과 수학식 3에서 얻어지는 총 4개의 수학식을 통해 θ1, θ2, θ3, a 모두를 결정할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 감지 전극(17a, 17b)의 배치를 나타낸다. 도 7에서는 도 5와는 달리 센서 질량체(11)의 유효 회전축(C-C')의 전후에 차등 감지 전극(17a, 17b)이 배치되어 있다. 차등 감지 전극이란 센서 질량체의 직선진동 변위와 회전진동 각도를 동시에 차등 감지(differential sensing)할 수 있는 전극으로서 2개의 전극이 1쌍으로 사용된다. 이러한 차등 감지 전극은 회전하는 물체의 회전축을 기준으로 양쪽에 등간격으로 배치되어야 한다. 따라서, 도 7에서도 차등 감지 전극(17a, 17b)은 센서 질량체(11)의 회전축의 전후에 배치되어야 하지만 3개의 회전 지지축을 갖는 본 실시예의 특성상 회전축이 하나로 결정되기는 어렵다. 다만, 회전각이 일정 범위에 존재한다면 가상의 유효 회전축(C-C')은 제2 회전 지지축(13b)과 제3 회전 지지축(13c)의 사이에 위치하므로, 예를 들어, 초기 상태(가속도 작용 전)를 기준으로 제2 회전 지지축(13b)과 제3 회전 지지축(13c)의 중심 위치를 유효 회전축(C-C')으로 보아, 두 개의 차등 감지 전극(17a, 17b)을 그 전후에 배치될 수 있다. 이러한 유효 회전축(C-C')의 위치는 제2 회전 지지축(13b)의 비틀림 강성과 제3 회전 지지축(13c)의 비틀림 강성을 고려하여 조절될 수도 있다. 즉, 두 지지축(13b, 13c)의 중심 위치에서, 유효 회전축(C-C')은 비틀림 강성이 강한 회전 지지축 쪽에 보다 가까운 위치가 될 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서(20)에서 전극들(16, 17a, 17b)의 배치를 보여주는 평면도이다. 도 8을 참조하면, x방향으로 유효 회전축(C-C')의 전후에 차등 감지 전극(17a, 17b)이 배치된다. 이러한 차등 감지 전극(17a, 17b)은 감지의 정확성을 위해 y축 방향으로 상측과 하측에 각각 1쌍식 배치될 수 있다. 또한, 센서 질량체(11)의 우측 위치에는 차등 감지 전극(17a, 17b)과 별도로 단일의 감지 전극(16)이 배치될 수 있다. 상기 차등 감지 전극(17a, 17b)과 단일의 감지 전극(16)은 둘 중 어느 하나만이 사용될 수도 있고, 감지의 정확성을 위해 함께 사용될 수도 있다.

도 9는 도 8의 z축 멤스 가속도 센서(20)의 D-D' 단면이다. 도 8의 z축 멤스 가속도 센서(20)의 센서 질량체(11)는, 밀폐벽(22, 24, 26)으로 둘러싸인 바닥 웨이퍼(15)와 캡 웨이퍼(30) 사이의 내부 공간에 있다. 상기 밀폐벽(22, 24, 26)은 z축 멤스 가속도 센서의 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 감지 전극(16, 17a, 17b)은 웨이퍼 기판(15)에서 붕소 또는 인이 도핑된, 센서 질량체(11)의 z방향 간격 변동을 측정하기 위한 n 또는 p 도핑전극이다. 이러한 감지 전극(16, 17a, 17b)은 콤 전극(comb electrode) 또는 평판 전극(plate electrode)으로 구현될 수 있다. 캡 웨이퍼(30)와 앵커(12) 사이에는 기둥(28, 29)이 구비되어 센서 질량체(11)의 진동 에너지를 바닥 웨이퍼(15)와 캡 웨이퍼(30)로 각각 나누어 분산시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서(40)의 평면도이다. z축 멤스 가속도 센서(40)는 도 3과 비교할 때, 각각의 연결 링크(14a', 14b', 14c', 14d')에서 응력이 집중되는 코너에 라운드 보강부가 형성되어 있는 점에서만 차이가 있다. 결국, 종래의 z축 멤스 가속도 센서(10)에 비해, 3개의 축에 의한 응력 분배 효과와 더불어, 응력이 집중되는 코너 부분에 라운드 보강부를 형성함으로써 응력의 집중을 한층 더 감소시킬 수 있다. 이러한 라운드 보강은 모든 연결 링크(14a', 14b', 14c', 14d')에 적용될 수도 있고 그 중 일부의 연결 링크에만 적용될 수도 있다.

한편, 도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 z축 멤스 가속도 센서(50)의 평면도이다. 본 실시예에서 z축 멤스 가속도 센서(50)는, 도 3에 도시된 앵커(12), 회전 지지축(13a, 13b, 13c), 연결 링크(14a, 14b, 14c, 14d)를 포함한 구조(52, 54)가 y축 방향으로 복수 개가 배열된다. 이와 같은 상하 대칭형 구조로 인하여 센서 질량체(11)의 외부 진동시 하중의 분균일한 분포를 감소시킬 수 있고, 1개의 구조만을 사용하는 경우에 비해 불필요한 x방향 회전 움직임을 확실히 억제할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는 z축 멤스 가속도 센서의 회전 지지축 3개를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이에 한하지 않고 회전 지지축을 2개 또는 4개 이상을 사용할 수도 있다. 다만, 회전 지지축을 지나치게 많이 사용하면 구조적으로 복잡해지고 센서 질량체의 세로 방향 변위가 커짐으로써 멤스 가속도 센서가 수직 방향으로 커지는 문제가 발생할 수도 있다. 이하에서는 도 12 및 도 13을 참조하여 2개의 회전 지지축을 사용하는 실시예에 대해 설명한다.

도 12는 2개의 회전 지지축을 갖는 z축 멤스 가속도 센서(60)를 도시한 평면도이다. 이 z축 멤스 가속도 센서(60)는 종래와 달리, 비틀림 강성에 의한 지지력을 제공하는 복수의 회전 지지축, 특히 2개의 회전 지지축(33a, 33b)을 구비한다. 이에 따라 앵커(12)와 회전 지지축(33a, 33b)을 연결하는 연결 링크도 적어도 2개가 필요하다.

구체적으로, 제1 연결 링크(34a)는 고정 앵커(12)와 제1 회전 지지축(33a)를 연결하며, 제2 연결 링크(34b)와 제3 연결 링크(34c)는 제1 회전 지지축(33a)의 양단과 제2 회전 지지축(33b)의 일측을 각각 연결한다. 이 때, 제1 회전 지지축(33a)은 연결 링크들(34a, 34b, 34c)에만 연결되어 있음에 비해, 제2 회전 지지축(33b)은 연결 링크(34d) 뿐만 아니라 센서 질량체(11)의 일측과도 연결되어 있다. 따라서, 제2 회전 지지축(33b)은 센서 질량체(11)의 회전시 최초로 토크를 받으며, 이러한 토크는 해당 연결 링크들(34a, 34b)을 통해 제1 회전 지지축(33a)까지 전달된다.

결국, 외부 가속도에 의해 센서 질량체(11)가 회동할 때, 이로 인한 비틀림을 지지하는 회전 지지축(33a, 33b)이 2개이므로 회전 토크가 각각의 회전 지지축(33a, 33b)에 분산되는 효과가 있다. 따라서, 각각의 회전 지지축(33a, 33b)에 미치는 응력과, 회전 지지축(33a, 33b)과 연결 링크(34a, 34b, 34c)가 만나는 코너 부분의 응력은 1개의 회전 지지축을 사용하는 경우에 비해 감소하게 되는 것이다.

도 13은 도 12의 z축 멤스 가속도 센서(60)의 E-E' 단면을 도시한 단면도이다. 외부 가속도가 z축 방향으로 작용하면, 센서 질량체(11)의 회전 관성에 의하여 센서 질량체(11)는 아래쪽으로(시계 방향으로) 회동한다. 이 때, 2개의 회전 지지축(33a, 33b)에서는 각각의 비틀림 강성에 따라 회전각(θ1, θ2)이 형성된다. 그 결과, 센서 질량체(11)는 일 축에 대한 완전한 회전 운동이 아니라, 회전 운동 성분과 직선 운동 성분을 함께 갖게 된다. 이 때, 바닥 웨이퍼(15)에 구비된 감지 전극(16)은 센서 질량체(11)의 접근에 따른 정전 용량의 변화에 기초해 센서 질량체(11)의 변위를 감지한다. 이 변위에 기초하여, 센서 질량체(1)에 작용하는 외부 가속도를 계산할 수 있다.

11: 센서 질량체
12: 앵커
13a, 13b, 13c, 33a, 33b: 회전 지지축
14a, 14b, 14c, 14d, 14a', 14b', 14c', 14d', 34a, 34b, 34c: 연결 링크
15: 바닥 웨이퍼
16: 단일 감지 전극
17a, 17b: 차등 감지 전극
20, 40, 60: z축 멤스 가속도 센서
22, 24, 26: 밀폐벽
30: 캡 웨이퍼

Claims (8)

1. 바닥 웨이퍼기판에 대해 평행하게 배치되며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 수직인 방향으로 외부의 가속도가 입력될 때, 상기 바닥 웨이퍼에 대해 평행한 2이상의 회전 지지축에 대해 상대적인 회전 움직임을 갖는 센서질량체;
   상기 센서질량체의 회전 움직임에 대해 복원력을 제공하도록 비틀림 강성을 가지는 상기 2이상의 회전 지지축; 및
   상기 센서질량체의 수직 방향 직선 변위 또는 회전 변위 중 적어도 하나를 감지하는 적어도 하나의 감지전극을 포함하는 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2이상의 축은 움직임을 갖지 않는 고정 앵커와 연결되는 제1 축과, 상기 제1 축과 강성 제1 연결 링크에 의해 결합되는 제2 축과, 상기 제2 축과 강성 제2 연결 링크에 의해 결합되며 상기 센서질량체와 연결되는 제3 축을 포함하며, 상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축은 서로 이격되어 평행하게 배치되는 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 외부의 가속도가 작용하지 않을 때에는 상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축은 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 평면 내에 함께 위치하고, 상기 외부의 가속도가 작용할 때에는 상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축 중에서 적어도 하나는 상기 평면 내에 위치하지 않는 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 연결 링크 및 제2 연결 링크가 상기 3개의 축 중에서 어느 하나와 만나는 지점에는 응력의 집중을 감소시키기 위한 라운드 형상의 코너 보강부가 형성되는 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 2이상의 축은 움직임을 갖지 않는 고정 앵커와 연결되는 제1 축과, 상기 제1 축과 강성 연결 링크에 의해 결합되고 상기 센서질량체와 연결되는 제2 축을 포함하며, 상기 제1 축과 상기 제2 축은 서로 이격되어 평행하게 배치되는 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 외부의 가속도가 작용하지 않을 때에는 상기 제1 축과 상기 제2 축은 상기바닥 웨이퍼기판과 평행한 평면 내에 함께 위치하고, 상기 외부의 가속도가 작용할 때에는 상기 제1 축과 상기 제2 축은 상기 평면 내에 함께 위치하지 않는 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
7. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 감지 전극은 상기 2이상의 축에 대해 작용하는 비틀림 스프링의 강성들과 상기 2이상의 축 간의 간격으로부터 얻어질 수 있는 가상의 유효 축을 기준으로 대칭으로 배치되는 차등 감지 전극인 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.
8. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 감지 전극은, 상기 센서 질량체가 상기 회전 움직임을 가질 때 상기 센서 질량체 중 움직임이 큰 위치에서에 배치되어 상기 움직임을 감지하는 단일의 감지 전극인 멤스 기반의 수직방향 가속도 센서.

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