KR100868758B1 - 압저항 센서를 구비한 회전형 ｍｅｍｓ 디바이스 - Google Patents

압저항 센서를 구비한 회전형 ｍｅｍｓ 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압저항 센서를 구비한 회전형 MEMS 디바이스에 관하여 개시한다. 개시된 회전형 MEMS 디바이스는: 스테이지의 양측을 지지하는 한 쌍의 토션스프링; 상기 토션스프링의 중앙축을 따라서 형성된 적어도 하나의 저항체를 포함하는 4개의 저항체; 및 상기 4개의 저항체와 연결된 전기적 신호배선;을 구비한다. 상기 토션스프링은 (100)면을 갖는 n형 실리콘 기판으로 <100> 방향으로 형성되며, 상기 토션스프링에 형성된 저항체는 상기 토션스프링에서 <110> 그룹방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

압저항 센서를 구비한 회전형 ＭＥＭＳ 디바이스{Rotational MEMS device having piezo-resistor sensor}
도 1은 본 발명의 압저항 센서가 적용될 수 있는 마이크로 광스캐너를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서가 토션 스프링 위에 형성된 마이크로 광스캐너의 일부 평면도이다.
도 3은 스테이지가 회전시 토션스프링(30)의 표면에서의 스트레스를 분포를 보여주는 시뮬레이션한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 압저항 센서의 휘스톤 브리지 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압저항 센서의 신호출력을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 5의 실험을 위해 만든 마이크로 광스캐너의 토션스프링의 일부를 도시한 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압저항 센서가 형성된 마이크로 광스캐너의 일부 도면이다.
도 8은 도 7의 압저항 센서에 연결된 회로이다.
도 9는 도 7의 압저항 센서의 신호출력을 보여주는 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
10: 스테이지 20,120: 고정프레임
30,130: 토션스프링 41,42: 콤전극
C1~C4: 도선 P1~P5: 패드
R,R1~R4: 저항체
본 발명은 압저항 센서를 구비한 회전형 MEMS 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 회전축인 토션스프링에 회전각도 센서인 압저항 센서가 형성된 회전형 MEMS 디바이스에 관한 것이다.
마이크로 광스캐너는 스테이지를 구동하는 구동부로서 스테이지에 형성된 구동콤전극과 고정부에 형성된 고정콤전극을 구비한다. 상기 구동콤전극과 고정콤전극이 수직으로 형성된 구조에서는 상기 구동콤전극과 고정콤전극 사이의 겹치는 영역의 변화로부터 스테이지의 회전각도를 측정할 수 있다.
그러나 이러한 수직 콤전극 구조의 커패서티(capacity)를 이용한 회전각 측정은 콤전극의 식각 공차에 의해 신뢰성있는 측정을 기대하기가 어렵다.
스테이지의 회전각도를 정확히 측정하는 센서의 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목 적은 토션스프링에 형성되어 스테이지의 회전각도를 정확하게 측정할 수 있는 센서를 구비한 마이크로 광스캐너를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서를 구비한 마이크로 광스캐너는: 스테이지의 양측을 지지하는 한 쌍의 토션스프링;
상기 토션스프링의 중앙축을 따라서 형성된 적어도 하나의 저항체를 포함하는 4개의 저항체; 및
상기 4개의 저항체와 연결된 전기적 신호배선;을 구비하며,
상기 토션스프링은 (100)면을 갖는 n형 실리콘 기판으로 <100> 방향으로 형성되며, 상기 토션스프링에 형성된 저항체는 상기 토션스프링에서 <110> 그룹방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 저항체는 p형 불순물로 도핑될 수 있다.
또한, 상기 p형 불순물은 보론일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 저항체는 상기 토션스프링 상에서 서로 직교하는 방향으로 형성될 수 있다.
상기 저항체는 W 형상으로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압저항 센서를 구비한 마이크로 광스캐너는: 스테이지의 양측을 지지하는 한 쌍의 토션스프링;
상기 토션스프링의 중앙축을 따라서 형성된 십자 형상의 저항체; 및
상기 저항체의 4개의 단과 연결되어서 이루어진 전기적 신호배선;을 구비하 며,
상기 토션스프링은 (100)면을 갖는 n형 실리콘 기판으로 <100> 방향으로 형성되며, 상기 저항체의 마주보는 두 개의 단은 <100> 방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 저항체의 <100> 방향으로 형성된 두 개의 단과 직교하는 방향에 형성된 두 개의 단에는 기준전압이 인가된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서를 구비한 마이크로 광스캐너에 대해 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 또한, 동일한 구조의 물건에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 압저항 센서가 적용되는 마이크로 광스캐너의 일 부분을 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 스테이지(10)의 둘레에 고정프레임(20)이 형성되어 있으며 고정프레임(20)과 스테이지(10) 사이에 토션스프링(30)이 형성되어 있다. 토션스프링(30)의 방향과 직교하는 방향의 스테이지(10)의 양측에는 구동콤전극(41)이 형성되어 있으며, 고정프레임(20)에서 상기 구동콤전극(41)과 대응되게 고정콤전극(42)이 형성되어 있다.
구동콤전극(41)과 고정콤전극(42)은 각각 수직으로 형성되어 있으며, 구동콤전극(41)과 고정콤전극(42) 사이의 정전기력에 의해 스테이지(10)가 토션스프링(30)을 중심으로 회전한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서가 형성된 마이크로 광스캐 너의 일부 도면이다.
도 2를 참조하면, (100) 면을 가진 n형 실리콘 기판으로 이루어진 토션스프링(30) 상에 4개의 저항체(R1~R4)가 형성되어 있으며, 저항체의 단에는 패드(P1~P5)가 형성되어 있다. 각 패드(P1~P5)는 도선(C1~C5)과 연결되어서 고정프레임(20) 까지 연장되어 있다.
상기 저항체(R1~R4)는 p형 불순물인 보론으로 도핑된 영역이며, 패드(P1~P5)와 도선(C1~C5)은 금(Au)으로 패터닝되어 있으며, 패드(P1~P5)는 저항체(R1~R4)와 오믹 콘택으로 형성될 수 있다. 저항체(R1~R4)는 토션스프링(30)의 중앙축(AX)을 따라서 45° 경사로 형성되어 있으며, W 형상을 이룬다. (100) 면을 가진 n형 실리콘 기판에서 <110> 방향에서 스트레스에 대한 압저항계수가 가장 크게 나타난다. 압저항계수가 큰 것은 동일한 스트레스에 대한 저항변화가 큰 것을 의미한다. 저항체(R1~R4)는 <110> 그룹 방향으로 형성되어 있다. 토션스프링(30)이 화살표 A 방향으로 회전하는 경우 저항체 R1, R3는 압축 응력을 받으며 저항체 R2, R4는 인장 응력을 받으며, 따라서 저항체 R1, R3와 저항체 R2, R4는 저항의 변화방향이 반대가 된다.
도 3은 스테이지(10)가 회전시 토션스프링(30)의 표면에서의 스트레스를 분포를 보여주는 시뮬레이션한 도면이다. 도 3을 참조하면, 토션스프링(30)에서 중심축(AX)을 따라서 가장 스트레스가 큰 것을 알 수 있으며, 스트레인의 방향은 토션스프링(30)과 45°방향으로 작용하고 있다. 이와 같은 이유로 본발명의 저항체(R1~R4)는 토션스프링(30)의 중심축(AX)을 따라서 배치되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 압저항 센서의 휘스톤 브리지 회로도이며, 도 5는 본 발명에 따른 압저항 센서의 신호출력을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 패드 P1,P3를 함께 기준전원의 일단에 연결하고 패드 P2를 기준전원의 타단에 연결하여 이들 사이에 기준전압(Vin)을 공급한다. 패드 P4와 패드 P5에는 측정 전압(Vout)을 연결하면, 4개의 저항체(R1~R4)는 휘스톤 브리지 회로를 형성한다. 토션스프링(30)을 화살표 A 방항(도 2)으로 회전하면, 저항체 R1, R3는 저항이 증가하며, 저항체 R2, R4는 저항이 감소한다. 토션스프링(30)의 회전방향이 바뀌면 저항의 변화방향도 바뀐다.
도 5를 참조하면, 도 4의 휘스톤 브리지 회로를 구비한 압저항 센서는 스테이지(10)의 회전각도에 따라서 저항이 일정하게 변한다. 상기 기준전압(Vin)으로 5 V를 인가한 경우, 스테이지(10)를 회전시켰을 때 회전각도에 따른 측정 전압은 도 5에서처럼 선형성을 가진다. 즉, 본 발명에 따른 압저항 센서는 토션스프링(30)의 회전각도를 신뢰성있게 측정하는 것을 보여준다.
도 2에서는 저항체 4개가 모두 토션스프링(30)에 형성되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, R1 저항체만, 또는 R1저항체와 R2 저항체만 토션스프링(30)에 형성되어 있고 나머지 저항체들은 고정프레임(20)에 형성되고 이들 저항체들이 휘스톤 브리지 회로로 연결되어도 토션스프링(30)의 회전각도를 검출할 수 있다.
도 6은 도 5의 실험을 위해 만든 마이크로 광스캐너의 토션스프링(30)의 일부를 도시한 사진이다. 도 6에서 토션스프링(30)의 양측의 검은 부분은 토션스프 링(30)의 회전공간을 위한 스페이스이며, 패드(P1~P5)와 도선들(C1~C5)은 도 2의 설명에서와 같다. 저항체(R1~R4)는 패드들(P1~P5) 사이를 잇는 부분에 형성되는 도핑영역이며 도 6에서는 보이지 않는다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압저항 센서가 형성된 마이크로 광스캐너의 일부 도면이다.
도 7을 참조하면, (100) 면을 가진 n형 실리콘 기판으로 이루어진 토션스프링(130) 상에 십자형상의 저항체(R)가 형성되어 있다. 토션스프링(130)은 (100) 면의 n형 실리콘 기판에서 shear-piezo 계수가 가장 큰 <100> 방향으로 형성되어 있으며, 저항체(R)의 4개의 단은 모두 <100> 그룹 방향으로 형성되며, 토션 스프링(130)의 축방향(Ax)으로 마주보는 두 개의 단 사이에 기준전압이 인가된다. 토션스프링(130)의 축방향(Ax)과 수직 방향으로 마주보는 두 개의 단에서 저항변화에 따른 신호가 측정된다.
저항체(R)의 단에는 패드(P1~P4)가 형성되어 있다. 각 패드(P1~P4)는 도선(C1~C4)과 연결되어서 고정프레임(120) 까지 연장되어 있다.
상기 저항체(R)는 p형 불순물인 보론으로 도핑된 영역이며, 패드(P1~P4)와 도선(C1~C4)은 금(Au)으로 패터닝되어 있으며, 패드(P1~P4)는 저항체(R)의 단과 오믹 콘택으로 형성될 수 있다. 토션스프링(130)이 화살표 A 방향으로 회전하는 경우와 반대방향으로 회전하는 경우 저항의 변화방향이 반대가 된다.
저항체(R)는 토션스프링(130)에서 변형 스트레스가 가장 큰 영역인 중심축(AX)에 형성되는 것이 바람직하다.
도 8은 도 7의 압저항 센서에 연결된 회로이며, 도 9는 도 7의 압저항 센서의 신호출력을 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 패드 P1,P3에 기준전압(Vin)을 인가하고, 패드 P2,P4에서 전압(Vout)을 측정하는 회로를 구성한다.
도 9를 참조하면, 도 8의 회로를 구비한 압저항 센서는 스테이지(도 1의 10)의 회전각도에 따라서 저항이 일정하게 변한다. 상기 기준전압(Vin)으로 5 V를 인가한 경우, 스테이지(10)를 회전시켰을 때 회전각도에 따른 측정 전압(Vout)은 도 9에서처럼 선형성을 가진다. 즉, 본 발명에 따른 압저항 센서는 토션스프링(130)의 회전각도를 신뢰성있게 측정하는 것을 보여준다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 토션스프링에 형성된 도핑 영역인 저항체가 토션스프링의 회전각도에 따라서 선형적으로 변하므로 저항체에 걸리는 전압을 측정함으로써 토션스프링의 실제 회전각도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 토션스프링에 압저항센서의 구성요소인 저항체가 좁은 영역에 형성될 수 있으며, 따라서 온도변화에 따른 열적 노이즈(thermal noise)를 최소화할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 스테이지의 양측을 지지하는 한 쌍의 토션스프링;
    상기 토션스프링의 중앙축을 따라서 형성된 적어도 하나의 저항체를 포함하는 4개의 저항체; 및
    상기 4개의 저항체와 연결된 전기적 신호배선;을 구비하며,
    상기 토션스프링은 (100)면을 갖는 n형 실리콘 기판으로 <100> 방향으로 형성되며, 상기 토션스프링에 형성된 저항체는 상기 토션스프링에서 <110> 그룹방향으로 형성되며, 상기 4개의 저항체는 서로 분리되게 형성되며, 상기 신호배선은 상기 저항체의 단에 연결된 것을 특징으로 하는 압저항 센서를 구비한 회전형 MEMS 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항체는 p형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 p형 불순물은 보론인 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 저항체는 상기 토션스프링 상에서 서로 직교하는 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저항체는 W 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
  6. 스테이지의 양측을 지지하는 한 쌍의 토션스프링;
    상기 토션스프링의 중앙축을 따라서 형성된 십자 형상의 저항체;
    상기 저항체의 4개의 단과 연결되어서 이루어진 전기적 신호배선;을 구비하며,
    상기 토션스프링은 (100)면을 갖는 n형 실리콘 기판으로 <100> 방향으로 형성되며, 상기 저항체의 마주보는 두 개의 단은 <100> 방향으로 형성되며, 다른 마주보는 두개의 단은 상기 <100> 방향에 직교하는 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 압저항 센서를 구비한 회전형 MEMS 디바이스.
  7. 제 6 항 중에 있어서,
    상기 저항체는 p형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 p형 불순물은 보론인 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 저항체의 <100> 방향으로 형성된 두 개의 단에는 기준전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 회전형 MEMS 디바이스.
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