KR20190131679A - 3축 멤스 가속도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서에 관한 것으로서, x축 또는 y축의 움직임에 따라 이동하는 제1 질량부, 상기 제1 질량부를 소정의 고정위치에 연결하는 제1 스프링부, 상기 제1 질량부의 중앙에 형성된 공간에 설치되고, z축의 움직임에 따라 이동하는 제2 질량부, 상기 제2 질량부를 제1 질량부에 연결하는 제2 스프링부, 및 상기 제2 질량부 아래에 z 방향 움직임을 센싱하는 z 방향 센싱 전극을 포함하는 것을 특징으로 하며, 기존 가속도 센서와 비교할 때 크기를 줄이면서도 z축 민감도를 향상시킬 수 있다.

Description

3축 멤스 가속도 센서{A 3-axis MEMS accelerometer}

본 발명은 3축 멤스 가속도 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 가속도 센서와 비교할 때 크기를 줄이면서도 z축 민감도를 향상시킬 수 있는 이중 구조의 3축 멤스 가속도 센서에 관한 것이다.

현대 반도체 개발의 핵심은 얼마나 더 많은 일을 더 정밀하게 수행할 수 있는가에 있다. 이를 위해 수많은 기능을 하나의 칩(CHIP)에 담아내기 위해 노력한다. 하나의 칩에 다양한 기능을 축적할 수 있다면 비용 절감을 할 수 있고, 이를 이용한 어플리케이션의 크기 또한 줄일 수 있다. 또는 같은 크기 내에서 더 많은 기능을 탑재한 어플리케이션 개발할 수 있다. 이를 위해서는 칩에 탑재되는 센서 등 여러 장치의 초소형화 및 성능 개선이 필요하다.

현재 가장 많이 쓰이고 있는 센서는 움직임을 관장하는 관성 센서이다. 그 중에서도 가속도 센서(Accelerometer)는 가속도를 측정하는 센서로 다방면에 쓰이고 있다. 가속도 센서는 기본적으로 xyz 방향에서 전달되는 힘의 크기를 측정하는데 기존 방식의 경우 xyz 각각의 방향에만 움직이는 구조물들을 설계하는 방식이다. 즉 총 3개의 질량부가 존재하여 각각의 방향을 감지하게 된다. 이 형태는 서로의 움직임이 구분되기 때문에 확실한 방향탐지가 가능하지만 현대 트렌드인 초소형화를 하는 데는 어려움이 따른다.

가속도 센서의 초소형화를 이루기 위해서 종래에는 xy방향을 한 질량부가 감지하도록 구현하거나 xyz 전체를 한 질량부에서 관장하는 형태의 센서가 개발되었다. 그러나 하나의 질량부에서 3축의 힘을 모두 감지하는 형태의 센서를 구현하게 되면 전체 센서 칩 크기를 줄일 수 있는 효과가 있으나 각각의 방향에서 들어오는 힘의 크기를 하나의 질량부에서 측정하는 만큼 타축감도 성능이 저하될 수 있고 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정의 특성상 xy 민감도는 어느정도 확보할 수 있어도 z민감도를 타축만큼 확보하기 어려운 단점이 있다.

도 1은 종래의 하나의 질량부를 갖는 3축 MEMS 가속도 센서를 도식화한 구성도이다.

도 2는 종래의 하나의 질량부를 갖는 3축 MEMS 가속도 센서의 z축 방향의 변위를 나타낸 것이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 종래의 3축 MEMS 가속도 센서는 질량부(110) 및 스프링부(120)를 포함하여 구성된다.

질량부(110)의 각 코너에는 x축, y축, z축으로 움직일 수 있는 스프링부(120)가 각각 형성되어 있다.

질량부(110)는 x축, y축, z축 방향으로 움직일 수 있고, 스프링부(120)를 기준으로 대칭적으로 배치됨으로써 x축과 y축의 움직임이 서로 수직적으로 나타나게 되는데, z축 움직임은 제한될 수 밖에 없는 구조이다. 즉, xy의 민감도는 충분히 확보할 수 있으나, z축의 움직임이 크지 않아 고민감도를 구현하는데 어려운 문제점이 있다.

통상 민감도를 늘리기 위해서는 질량부에 연결되어 있는 스프링의 길이를 늘리는 방법, 스프링의 두께를 줄이는 방법 등이 있지만, 이러한 경우 센서를 지탱하여 주는 스프링의 강도를 줄이는 단점이 있다.

또한, 이러한 문제점들을 보완하기 위한 다양한 형태의 하나의 질량부를 갖는 가속도 센서가 개발되고 있다. 예를 들어, xy 방향 측정이 가능한 질량부의 어느 한쪽 질량을 더 무겁게 설계하여 z축 Differential 방식으로 측정되도록 디자인한 형태이다. 이 형태의 경우 x의 움직임은 문제없으나 y 방향으로 움직일 경우 질량이 비대칭적으로 배치된 형태이므로 수직한 방향으로 움직이는 것이 아니라 틀어지는 움직임을 보이게 되므로, 측정되는 데이터를 신뢰할 수 없게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 xy 방향 이동을 감지하는 질량부 내부 공간에 z방향 이동을 감지하는 질량부를 배치하는 이중 구조를 통해 기존 가속도 센서와 비교할 때 크기를 줄이면서도 z축 민감도를 향상시킬 수 있는 3축 MEMS 가속도 센서를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, x축 또는 y축의 움직임에 따라 이동하는 제1 질량부; 상기 제1 질량부를 소정의 고정위치에 연결하는 제1 스프링부; 상기 제1 질량부의 중앙에 형성된 공간에 설치되고, z축의 움직임에 따라 이동하는 제2 질량부; 상기 제2 질량부를 제1 질량부에 연결하는 제2 스프링부; 및 상기 제2 질량부 아래에 z 방향 움직임을 센싱하는 z 방향 센싱 전극을 포함하는 3축 MEMS 가속도 센서를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 움직임을 읽어들 일 수 있는 x방향 센싱 전극(sensing electrode) 및 y방향 센싱 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제1 스프링부는 4개의 스프링으로 구성되고, x축과 y축의 움직임에 따라 변형될 수 있다. 또한, 상기 제2 스프링부는 4개의 스프링으로 구성되고, z축의 움직임에 따라 변형될 수 있다.

본 발명에 따르면, xy 방향 이동을 감지하는 질량부 내부 공간에 z방향 이동을 감지하는 질량부를 배치하는 이중 구조를 통해 기존 가속도 센서와 비교할 때 크기를 줄이면서도 z축 민감도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 하나의 질량부를 갖는 3축 MEMS 가속도 센서를 도식화한 구성도이다.
도 2는 종래의 하나의 질량부를 갖는 3축 MEMS 가속도 센서의 z축 방향의 변위를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서의 z축 방향의 변위를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서를 시뮬레이션한 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 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 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

x축, y축, z축 방향의 이동을 하나의 질량부가 감지하도록 구현하면 모든 축의 민감도를 원하는 수치로 설계하기 어렵다. 또한, z축의 움직임을 보완하기 위해 구조를 변경하게 되면 xy의 움직임이 변형되고 타축감도의 성능이 저하될 수 있으며, z축 구조물을 따로 형성할 경우 센서의 초소형화를 구현하는데 어려움이 따른다. 이하에서는 도면을 참조하여 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서는 제1 질량부(310), 제1 스프링부(320), 제2 질량부(330), 제2 스프링부(340), x방향 센싱 전극(350), 및 y방향 센싱 전극(360)으로 구성된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서의 z축 방향의 변위를 나타낸 것이다. 이하 도 3과 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

제1 질량부(310)는 3축 MEMS 가속도 센서가 x축 또는 y축의 움직임에 따라 이동한다. 제1 질량부(310)는 제1 스프링부(320)와 연결되며, 제1 질량부(310)의 가운데에 z축 움직임에 따라 이동하는 제2 질량부(330)가 배치되어 있다. 이때 제1 질량부(310)와 제2 질량부(330)는 제2 스프링부(340)에 의해 연결되어 있다.

도 3에서 제1 질량부(310)와 제2 질량부(330)는 육면체 형태를 갖는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 다만, 제1 질량부(310)와 제2 질량부(330)는 대칭적인 형태인 것이 바람직하다.

제1 스프링부(320)는 제1 질량부(310)를 소정의 고정위치(예를 들면, 앵커)에 연결한다. 제1 스프링부(320)는 4개의 스프링으로 구성되고, x축과 y축의 움직임에 따라 변형된다.

*제2 질량부(330)는 제1 질량부(310)의 중앙에 형성된 공간에 설치되고, z축의 움직임에 따라 이동한다.

제2 스프링부(340)는 제2 질량부(330)를 제1 질량부(310)에 연결한다. 제2 스프링부(340)는 4개의 스프링으로 구성되고, z축의 움직임에 따라 변형된다. 제2 스프링부(340)는 z축 움직임에 특화된 스프링이다.

z축으로 힘이 작용할 때 제2 질량부(330)는 제1 스프링부(320)에 의해서도 이동에 일부 영향을 받을 수 있으나, z축 움직임에 특화된 제2 스프링부(340)에 의해 주로 z축 방향으로 이동된다. 따라서 제2 질량부(330)는 제1 스프링부(320)와 제2 스프링부(340)에 의해 움직임에 영향을 받게 되어 이중으로 움직이므로, z축 민감도가 상승하게 된다.

도 4를 참조하면, xy의 움직임을 관장하는 제1 스프링부(320)의 경우 z축 방향의 힘을 받았을 때 z축으로 약간의 움직임을 보이지만 그 움직임이 xy에 비해 굉장히 작은 편이다. 그러나 제1 스프링부(320)와 z축의 움직임을 관장하는 제2 스프링부(340)를 구비하고 제1 질량부(310) 중심에 이중구조로 제2 질량부(330)를 형성함으로써, z축 움직임을 향상시키고 민감도를 향상시킬 수 있다.

도 2와 도 4를 비교하면, 본 발명의 실시예에서 z축으로의 움직임이 향상된 것을 확인할 수 있다.

x방향 센싱 전극(350)은 제1 질량부(310)가 x방향으로 움직인 변위를 센싱한다. 제1 질량부(310)의 x축 상에 x방향 센싱 전극 2개가 대향하여 배치되어 있다.

y방향 센싱 전극(360)은 질량부(310)가 y방향으로 움직인 변위를 센싱한다. 제1 질량부(310)의 y축 상에 y방향 센싱 전극 2개가 대향하여 배치되어 있다.

한편, z 방향 센싱 전극(360)은 제2 질량부(330) 아래에 배치되어 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이중 구조의 3축 MEMS 가속도 센서를 시뮬레이션한 결과이다.

빨간색으로 표시될수록 z축 변이가 큰 것을 의미하고, 파란색으로 표시될수록 z축 변이가 작은 것을 의미한다.

도 3과 도 5를 참조하면, 제1 질량부(310)는 z축의 변이가 거의 없음을 알 수 있고, 제2 질량부(330)는 z축 변이가 큰 것을 알 수 있다.

감도 개선 효과를 살펴보면, 다음의 표 1과 같다.

	하나의 질량부인 경우	두 개의 질량부를 갖는 경우	상승률
Z_sensitivity(fF)	1.69	2.7	60%

x축, y축, z축을 하나의 질량부를 갖고 감지하는 경우 z축 감도가 1.69인데 반해, z축을 감지하는 질량부를 x축, y축을 감지하는 질량부 내에 포함시키는 경우 z축 감도가 2.7이 되어, 60%의 z축 감도 상승률을 나타내었다. 또한, x축, y축, z축 각각에 대응하는 질량부를 갖는 기존 가속도 센서에 비해서는 25%~30%의 크기 감소효과가 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에 따르면, x축, y축 방향의 이동을 제1 질량부(310)가 감지하도록 하고, z축 방향의 이동을 제2 질량부(320)가 감지하도록 하되, 제1 질량부(310) 내에 제2 질량부(330)를 포함하도록 구현함으로써, 각각의 민감도를 충분히 원하는 대로 설계할 수 있으며 각각의 움직임을 살리면서도 센서의 크기 역시 줄일 수 있다.

이상 본 발명에 대하여 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시 예들을 포함한다고 할 것이다.

Claims (4)

1. x축 또는 y축의 움직임에 따라 이동하는 제1 질량부;
   상기 제1 질량부를 소정의 고정위치에 연결하는 제1 스프링부;
   상기 제1 질량부의 중앙에 형성된 공간에 설치되고, z축의 움직임에 따라 이동하는 제2 질량부;
   상기 제2 질량부를 제1 질량부에 연결하는 제2 스프링부; 및
   상기 제2 질량부 아래에 z 방향 움직임을 센싱하는 z 방향 센싱 전극을 포함하는 3축 MEMS 가속도 센서.
2. 제1 항에 있어서,
   움직임을 읽어들 일 수 있는 x방향 센싱 전극(sensing electrode) 및 y방향 센싱 전극을 더 포함하는 3축 MEMS 가속도 센서.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 스프링부는 4개의 스프링으로 구성되고, x축과 y축의 움직임에 따라 변형되는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 가속도 센서.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 스프링부는 4개의 스프링으로 구성되고, z축의 움직임에 따라 변형되는 것을 특징으로 하는 3축 MEMS 가속도 센서.

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