KR101461277B1 - Ｍｅｍｓ 소자 - Google Patents

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KR101461277B1
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Abstract

본 발명은 MEMS 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 MEMS 소자는 Y축을 기준으로 회전하는 질량체(110), 질량체(110)의 외측에 구비된 제1 고정부(120) 및 X축 방향으로, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고 타단이 제1 고정부(120)에 연결되며, 타단이 일단에 비해서 Y축에 가까운 제1 가요부(140)를 포함한다.

Description

ＭＥＭＳ 소자{Micro Electro Mechanical Systems Component}
본 발명은 MEMS 소자에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems; 미세전자기계시스템)란 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 센서, 액추에이터(Actuator) 등의 초미세 기계구조물을 만드는 기술이다. MEMS 소자는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖고, 구조적으로는 증착과 에칭 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용해 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산이 가능하다.
MEMS 소자 중, 센서는 인공위성, 미사일, 무인 항공기 등의 군수용으로부터 에어백(Air Bag), ESC(Electronic Stability Control), 차량용 블랙박스(Black Box) 등 차량용, 캠코더의 손떨림 방지용, 핸드폰이나 게임기의 모션 센싱용, 네비게이션용 등 다양한 용도로 사용되고 있다.
이러한 센서는 가속도, 각속도 또는 힘 등을 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출하며, 질량체에 직접 인가되는 외력을 측정하여 힘을 산출한다.
구체적으로, 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴턴의 운동법칙 "F=ma" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서, "F"는 질량체에 작용하는 관성력, "m"은 질량체의 질량, "a"는 측정하고자 하는 가속도이다. 이중, 질량체에 작용하는 관성력(F)을 감지하여 일정값인 질량체의 질량(m)으로 나누면, 가속도(a)를 구할 수 있다. 또한, 각속도는 코리올리힘(Coriolis Force) "F=2mΩ×v" 식에 의해 구할 수 있으며, 여기서 "F"는 질량체에 작용하는 코리올리힘, "m"은 질량체의 질량, "Ω"는 측정하고자 하는 각속도, "v"는 질량체의 운동속도이다. 이중, 질량체의 운동속도(v)와 질량체의 질량(m)은 이미 인지하고 있는 값이므로, 질량체에 작용하는 코리올리힘(F)을 감지하면 각속도(Ω)를 구할 수 있다.
한편, 종래기술에 따른 센서는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 질량체를 구동시키거나 질량체의 변위를 감지하기 위해서 X축 방향 및 Y축 방향으로 연장된 빔(Beam)이 구비된다. 하지만, 종래기술에 따른 센서는 질량체의 변위가 커질수록 빔에 작용하는 장력(Tension, 張力)이 급격히 증가한다. 이와 같이, 빔의 장력이 증가하면, 그에 따라 빔의 강성도 증가하여, 질량체의 구동변위나 감지변위가 제한되는 문제점이 발생한다. 게다가, 빔의 강성이 증가하면서, 공진주파수가 변화하여 노이즈(Noise)가 증가하는 문제점도 발생한다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일측면은 고정부에 연결된 가요부의 말단을 질량체의 회전축에 가깝게 배치함으로써, 질량체가 회전할 때, 가요부에 작용하는 장력이 급격히 증가하는 것을 방지할 수 있는 MEMS 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자는 질량체와, 상기 질량체의 외측에 구비된 제1 고정부와, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 고정부에 연결된 제1 가요부와, 를 포함하고, 상기 질량체는 회전변위 가능하도록 제1 가요부에 연결된다,
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체는 Y축을 기준으로 회전되고, 상기 제1 가요부는 일단이 상기 질량체의 X축 방향의 말단에 연결되며, 타단이 상기 고정부에 연결되며, 상기 타단이 상기 일단에 비해서 Y축에 가까울 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체의 외측에 구비된 제2 고정부와, Y축에 대응하도록, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 제2 고정부에 연결된 제2 가요부를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고, 상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 크다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체의 X축 방향의 말단에는 Y축 방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함하고, 상기 제1 가요부의 일단은 상기 돌출부에 연결된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자는 질량체와, 상기 질량체의 외측에 구비된 고정부와, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 고정부에 연결된 제2 가요부와, 일단이 상기 질량체의 말단에 연결되고 타단이 상기 제2 가요부에 연결된 제1 가요부를 포함하고 상기 질량체는 제2 가요부를 기준으로 회전변위 가능하도록 제2 가요부에 연결된다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체는 Y축을 기준으로 회전되고, 상기 제2 가요부는 Y축 방향으로 일단이 상기 질량체에 연결되고, 상기 제1 가요부는 일단이 X축 방향의 질량체의 말단에 연결되고, 타단이 상기 제2 가요부에 연결되며, 상기 타단이 상기 일단에 비해서 Y축에 가까울 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고, 상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 크다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체의 X축 방향의 말단에는 Y축 방향으로 돌출된 돌출부를 더 포함하고, 상기 제1 가요부의 일단은 상기 돌출부에 연결된다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자는 질량체와, 상기 질량체에 둘러싸이도록 구비된 앵커(Anchor)와, 일단이 상기 질량체의 말단에 연결되고 타단이 상기 앵커에 연결된 제1 가요부를 포함하고, 상기 질량체는 회전변위 가능하도록 제1 가요부에 연결된다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체는 Y축을 기준으로 회전되고, 상기 제1 가요부는 일단이 X축 방향의 질량체의 말단에 연결되고, 타단이 상기 앵커에 연결되며, 상기 타단이 상기 일단에 비해서 Y축에 가까울 수 있다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체의 외측에 구비된 고정부와, Y축에 대응하도록, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 고정부에 연결된 제2 가요부를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고, 상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 크다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, Y축에 대응하도록, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 앵커에 연결된 제2 가요부를 포함한다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고, 상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 크다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체는 서로 이격된 제1 질량체와 제2 질량체를 포함하고, 상기 앵커는 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체 사이에 구비된다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 질량체의 X축 방향 말단과 상기 제2 질량체의 X축 방향의 말단을 Y축 방향으로 연결하도록 형성된 연결부를 더 포함하고, 상기 제1 가요부의 일단은 상기 연결부에 연결된다.
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본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 고정부에 연결된 가요부의 말단을 질량체의 회전축에 가깝게 배치함으로써, 질량체가 회전할 때, 가요부에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다. 따라서, 가요부의 강성 역시 급격히 증가하지 않아, 질량체의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고정부에 연결된 가요부의 말단을 질량체의 회전축에 가깝게 배치함으로써, 질량체가 회전할 때, 가요부에 작용하는 장력이 급격히 변화하지 않고, 그에 따라 가요부의 강성 역시 급격히 변화하지 않는다. 따라서, 공진주파수가 변화하여 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자의 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 MEMS 소자의 측면도,
도 3은 도 1에 도시된 질량체의 회전각도에 따른 장력의 변화를 도시한 그래프,
도 4는 도 1에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 평면도,
도 5는 도 2에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 측면도,
도 6a 내지 도 6b는 도 2에 도시된 질량체가 Y축을 기준으로 회전하는 과정을 도시한 측면도,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자의 평면도,
도 8은 도 7에 도시된 MEMS 소자의 측면도,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자의 평면도,
도 10은 도 9에 도시된 MEMS 소자의 측면도,
도 11은 본 발명에 제3 실시예의 변형예에 따른 MEMS 소자의 평면도, 및
도 12는 도 11에 도시된 MEMS 소자의 측면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 MEMS 소자의 측면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)는 Y축을 기준으로 회전하는 질량체(110), 질량체(110)의 외측에 구비된 제1 고정부(120) 및 X축 방향으로, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고 타단이 제1 고정부(120)에 연결되며, 타단이 일단에 비해서 Y축에 가까운 제1 가요부(140)를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)는 질량체(110)의 외측에 구비된 제2 고정부(125) 및 Y축에 대응하도록, 일단이 질량체(110)에 연결되고 타단이 제2 고정부(125)에 연결된 제2 가요부(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 질량체(110)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해서 변위가 발생하는 것이다. 여기서, 질량체(110)는 제1 가요부(140)를 통해서 제1 고정부(120)에 연결되고, 필요에 따라서는 제2 가요부(150)를 통해서 제2 고정부(125)에 연결될 수 있다. 이때, 질량체(110)는 힘이 작용하면, Y축을 기준으로 회전하면서, 제1 가요부(140)의 굽힘과 제2 가요부(150)의 비틀림에 의해서 제1,2 고정부(120, 125)를 기준으로 변위가 발생한다. 또한, 질량체(110)는 X축 방향의 말단에 Y축 방향으로 돌출된 돌출부(113)를 포함할 수 있고, 이러한 돌출부(113)에는 제1 가요부(140)의 일단이 연결될 수 있다. 한편, 질량체(110)는 사각기둥 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 공지된 모든 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 제1,2 고정부(120, 125)는 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)를 지지하여 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 질량체(110)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다. 여기서, 제1 고정부(120)와 제2 고정부(125)는 반드시 별도의 구성이어야 하는 것은 아니고, 일체의 구성일 수도 있다.또한, 제1 고정부(120)와 제2 고정부(125)의 위치는 질량체(110)의 외측에 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 질량체(110)가 회전할 때, 제1 가요부(140)에 작용하는 장력이 급격히 증가하는 것을 방지하기 위해서, 제1 가요부(140)가 Y축에 가깝게 연장되므로, 제1 가요부(140)가 연결된 제1 고정부(120) 역시 Y축에 가깝게 구비될 수 있다. 또한, 질량체(110)가 Y축을 기준으로 회전하도록 제2 가요부(150)가 Y축에 대응하도록 형성되므로, 제2 가요부(150)가 연결되는 제2 고정부(125) 역시 Y축 상에 구비될 수 있다.
상기 제1 가요부(140)는 제1 고정부(120)를 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 질량체(110)와 제1 고정부(120)를 연결하는 역할을 한다. 여기서, 제1 가요부(140)는 X축 방향으로 연장되도록 형성되어, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고, 타단이 제1 고정부(120)에 연결된다. 이때, 제1 고정부(120)에 연결된 제1 가요부(140)의 타단은 질량체(110)에 연결된 제1 가요부(140)의 일단에 비해서 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가깝다. 즉, 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가까운 것이다. 만약, 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)과 완전히 일치한다면, 질량체(110)가 회전하더라도 제1 가요부(140)의 길이는 변하지 않는다. 따라서, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 같이 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가깝게 형성되면, 질량체(110)가 회전할 때, 제1 가요부(140) 자체의 길이 변화를 최소화할 수 있다. 도 3은 도 1에 도시된 질량체의 회전각도에 따른 장력의 변화를 도시한 그래프이다. 도 3을 참고하면, 고정부에 연결된 가요부의 말단이 질량체에 연결된 가요부의 말단에 비해서 질량체의 회전축으로부터 멀리 형성된 경우, A 선과 같이 질량체의 회전각도에 따라 급격하게 장력이 증가한 것을 확인할 수 있다. 반면, 제1 고정부(120)에 연결된 제1 가요부(140)의 타단이 질량체(110)에 연결된 제1 가요부(140)의 일단에 비해서 질량체(110)의 회전축(Y축)으로부터 가깝게 형성된 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)의 경우, B 선과 같이 질량체(110)의 회전각도에 따라 완만하게 장력이 증가한다. 즉, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)는 질량체(110)가 회전할 때, 제1 가요부(140)에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다. 따라서, 제1 가요부(140)의 강성 역시 급격히 증가하지 않으므로, 질량체(110)의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제1 가요부(140)의 장력이 급격히 변화하지 않으므로, 공진주파수가 급격히 변화하면서 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 한편, 제1 가요부(140)는 질량체(110)의 양측면에 각각 2개씩 구비될 수 있고, 이러한 제1 가요부(140)의 일단은 질량체(110)의 돌출부(113)에 연결될 수 있다.
상기 제2 가요부(150)는 제2 고정부(125)를 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 질량체(110)와 제2 고정부(125)를 연결하는 역할을 한다. 여기서, 제2 가요부(150)는 제1 가요부(140)와 수직으로 형성된다. 즉, 제2 가요부(150)는 Y축에 대응하도록 형성된다.
한편, 도 4는 도 1에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 평면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 질량체의 운동가능한 방향을 도시한 측면도로, 이를 참조하여 질량체(110)체의 운동가능한 방향을 살펴보도록 한다.
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 가요부(140)는 Y축 방향의 폭(w1)이 Z축 방향의 두께(t1)보다 크고, 제2 가요부(150)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 클 수 있다. 이와 같이, 제2 가요부(150)의 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크므로, 질량체(110)는 X축을 기준으로 회전하거나, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다. 구체적으로, 제2 가요부(150)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서, X축을 기준으로 회전할 때의 강성이 클수록, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, X축을 기준으로 회전하는 것이 제한된다. 이와 유사하게, 제2 가요부(150)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서, Z축 방향으로 병진할 때의 강성이 클수록, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 따라서, 제2 가요부(150)의 (X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값이 증가할수록, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
제2 가요부(150)의 Z축 방향의 두께(t2), Y축 방향의 길이(L) 및 X축 방향의 폭(w2)과 방향별 강성 사이의 관계를 정리하면 다음과 같다.
(1) 제2 가요부(150)의 X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성 ∝ w2×t2 3/L3
(2) 제2 가요부(150)의 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 ∝ w2 3×t2/L
상기 두 식에 따르면, 제2 가요부(150)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 (t2/(w2L))2 에 비례한다. 그런데, 본 실시예에 따른 제2 가요부(150)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 크므로 (t2/(w2L))2이 크고, 그에 따라 제2 가요부(150)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 증가하게 된다. 이러한 제2 가요부(150)의 특성으로 인하여, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다(도 5 참조).
한편, 제1 가요부(140)는 길이방향(X축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 질량체(110)가 Z축을 기준으로 회전하거나 X축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 4 참조). 또한, 제2 가요부(150)는 길이방향(Y축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 질량체(110)가 Y축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 4 참조).
결국, 상술한 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)의 특성으로 인하여, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 질량체(110)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 1과 같다.
질량체의 운동 방향 가능 여부
X축을 기준으로 회전 제한
Y축을 기준으로 회전 가능
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 제한
이와 같이, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 질량체(110)의 변위를 원하는 방향(Y축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다. 결국, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)는 가속도 또는 힘 측정시 크로스토크(Crosstalk)가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 각속도 측정시 공진모드의 간섭을 제거할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 6a 내지 도 6b는 도 2에 도시된 질량체가 Y축을 기준으로 회전하는 과정을 도시한 측면도이다. 도 6a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 질량체(110)가 Y축을 회전축으로 회전하므로, 제1 가요부(140)에는 압축응력과 인장응력이 조합된 굽힘응력이 발생하고, 제2 가요부(150)에는 Y축을 기준으로 비틀림응력이 발생한다. 이때, 질량체(110)에 토크(Torque)를 발생시키기 위해서, 제2 가요부(150)는 Z축 방향을 기준으로 질량체(110)의 무게중심(C)보다 상측에 구비될 수 있다.
다만, 제2 가요부(150)는 질량체(110)의 운동가능한 방향을 제한하기 위한 것으로, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(100)의 필수적인 구성은 아니므로, 필요에 따라 생략될 수도 있다.
추가적으로, XY 평면을 기준으로 보았을 때(도 1 참조), 제1 가요부(140)는 상대적으로 넓은 반면, 제2 가요부(150)는 상대적으로 좁으므로, 제1 가요부(140)에는 질량체(110)의 변위를 감지하는 감지수단(160) 등이 구비될 수 있다. 여기서, 감지수단(160)은 Y축을 기준으로 회전하는 질량체(110)의 변위를 감지할 수 있다. 또한, 감지수단(160)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하여 형성할 수 있다. 다만, 제1 가요부(140)에는 반드시 감지수단(160)이 구비되어야 하는 것은 아니고, 질량체(110)의 변위를 발생시키는 구동수단이 구비될 수도 있다. 이때, 구동수단은 압전 방식 또는 정전용량 방식 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자의 평면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 MEMS 소자의 측면도이다.
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(200)는 Y축을 기준으로 회전하는 질량체(110), 질량체(110)의 외측에 구비된 고정부(130), Y축에 대응하도록, 일단이 질량체(110)에 연결되고 타단이 고정부(130)에 연결된 제2 가요부(150) 및 X축 방향으로, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고 타단이 제2 가요부(150)에 연결되며, 타단이 일단에 비해서 Y축에 가까운 제1 가요부(140)를 포함한다.
본 실시예에 따른 MEMS 소자(200)는 전술한 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 비교할 때, 제1 가요부(140)의 타단이 제2 가요부(150)에 연결되는 점에서 차이점이 존재한다. 따라서, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(200)는 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 중복되는 내용은 생략하도록 하고, 상술한 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
상기 질량체(110)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 제2 가요부(150)를 통해서 고정부(130)에 연결되고, 제1 가요부(140)를 통해서 제2 가요부(150)에 연결된다. 또한, 질량체(110)는 X축 방향의 말단에 Y축 방향으로 돌출된 돌출부(113)를 포함할 수 있고, 이러한 돌출부(113)에는 제1 가요부(140)의 일단이 연결될 수 있다.
상기 고정부(130)는 제2 가요부(150)를 지지하여 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 질량체(110)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다. 여기서, 고정부(130)의 위치는 질량체(110)의 외측에 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 질량체(110)가 Y축을 기준으로 회전하도록 제2 가요부(150)가 Y축에 대응하도록 형성되므로, 제2 가요부(150)가 연결되는 고정부(130) 역시 Y축 상에 구비될 수 있다.
상기 제1 가요부(140)는 고정부(130)를 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 질량체(110)와 제2 가요부(150)를 연결하는 역할을 한다. 여기서, 제1 가요부(140)는 X축 방향으로 연장되도록 형성되어, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고, 타단이 제2 가요부(150)에 연결된다. 따라서, 제2 가요부(150)에 연결된 제1 가요부(140)의 타단은 질량체(110)에 연결된 제1 가요부(140)의 일단에 비해서 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가깝다. 즉, 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가까운 것이다. 특히, 제2 가요부(150)가 질량체(110)의 회전측(Y축)에 대응하도록 형성되므로, 제2 가요부(150)에 연결되는 제1 가요부(140)의 타단은 질량체(110)의 회전축(Y축)과 거의 일치한다. 따라서, 질량체(110)가 Y축을 기준으로 회전하더라도, 제1 가요부(140)의 길이는 거의 변하지 않는다. 이와 같이, 질량체(110)가 회전할 때, 제1 가요부(140) 자체의 길이 변화를 최소화하면, 제1 가요부(140)에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다. 따라서, 제1 가요부(140)의 강성 역시 급격히 증가하지 않으므로, 질량체(110)의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제1 가요부(140)의 장력이 급격히 변화하지 않으므로, 공진주파수가 급격히 변화하면서 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 한편, 제1 가요부(140)는 질량체(110)의 양측면에 각각 2개씩 구비될 수 있고, 이러한 제1 가요부(140)의 일단은 질량체(110)의 돌출부(113)에 연결될 수 있다.
상기 제2 가요부(150)는 고정부(130)를 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 질량체(110)와 고정부(130)를 연결하는 역할을 한다. 여기서, 제2 가요부(150)는 제1 가요부(140)와 수직으로 형성된다. 즉, 제2 가요부(150)는 Y축에 대응하도록 형성된다. 한편, 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 가요부(140)는 Y축 방향의 폭(w1)이 Z축 방향의 두께(t1)보다 크고, 제2 가요부(150)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 클 수 있다. 이러한 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)의 특성으로 인하여, 전술한 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 마찬가지로, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자의 평면도이고, 도 10은 도 9에 도시된 MEMS 소자의 측면도이며, 도 11은 본 발명에 제3 실시예의 변형예에 따른 MEMS 소자의 평면도이고, 도 12는 도 11에 도시된 MEMS 소자의 측면도이다.
도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(300)는 Y축을 기준으로 회전하는 질량체(110), 질량체(110)에 둘러싸이도록 구비된 앵커(135, Anchor) 및 X축 방향으로, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고 타단이 앵커(135)에 연결되며, 타단이 일단에 비해서 Y축에 가까운 제1 가요부(140)를 포함한다.
본 실시예에 따른 MEMS 소자(300)는 전술한 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 비교할 때, 앵커(135)의 유무에서 차이점이 존재한다. 따라서, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(300)는 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 중복되는 내용은 생략하도록 하고, 상술한 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.
상기 질량체(110)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 제1 가요부(140)를 통해서 앵커(135)에 연결되고, 제2 가요부(150)를 통해서 고정부(130, 도 9 참조) 또는 앵커(135, 도 11 참조)에 연결된다. 또한, 질량체(110)는 서로 이격된 제1 질량체(115)와 제2 질량체(117)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 질량체(115)와 제2 질량체(117)가 X축 방향으로 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 제1 질량체(115)의 X축 방향 말단과 제2 질량체(117)의 X축 방향의 말단은 Y축 방향으로 연결하는 연결부(119)가 형성될 수 있고, 이러한 연결부(119)에는 제1 가요부(140)의 일단이 연결될 수 있다.
상기 앵커(135)는 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 제1 가요부(140)를 지지하고, 질량체(110)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다. 여기서, 앵커(135)의 위치는 질량체(110)에 둘러싸이도록 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 앵커(135)는 제1 질량체(115)와 제2 질량체(117)의 사이에 구비될 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 필요에 따라 앵커(135)와 별도로 고정부(130)를 구비할 수 있다. 여기서, 고정부(130)는 제2 가요부(150)를 지지하여 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 질량체(110)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다. 이때, 제2 가요부(150)는 질량체(110)와 고정부(130)를 연결한다. 한편, 고정부(130)의 위치는 질량체(110)의 외측에 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 질량체(110)가 Y축을 기준으로 회전하도록 제2 가요부(150)가 Y축에 대응하도록 형성되므로, 제2 가요부(150)가 연결되는 고정부(130) 역시 Y축 상에 구비될 수 있다. 한편, 고정부(130)는 반드시 필요한 구성은 아니다. 예를 들어, 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 가요부(150)를 앵커(135)에 연결하는 경우, 고정부(130)는 생략될 수도 있다.
상기 제1 가요부(140)는 앵커(135)를 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 질량체(110)와 앵커(135)를 연결하는 역할을 한다. 여기서, 제1 가요부(140)는 X축 방향으로 연장되도록 형성되어, 일단이 질량체(110)의 X축 방향의 말단에 연결되고, 타단이 앵커(135)에 연결된다. 이때, 앵커(135)에 연결된 제1 가요부(140)의 타단은 질량체(110)에 연결된 제1 가요부(140)의 일단에 비해서 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가깝다. 즉, 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가까운 것이다. 만약, 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)과 완전히 일치한다면, 질량체(110)가 회전하더라도 제1 가요부(140) 자체의 길이는 변하지 않는다. 따라서, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(300)와 같이 제1 가요부(140)의 고정된 부분(제1 가요부(140)의 타단)이 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가깝게 형성되면, 질량체(110)가 회전할 때, 제1 가요부(140) 자체의 길이 변화를 최소화할 수 있다. 이와 같이, 질량체(110)가 회전할 때, 제1 가요부(140) 자체의 길이 변화를 최소화하면, 제1 가요부(140)에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다. 따라서, 제1 가요부(140)의 강성 역시 급격히 증가하지 않으므로, 질량체(110)의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제1 가요부(140)의 장력이 급격히 변화하지 않으므로, 공진주파수가 급격히 변화하면서 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 한편, 제1 가요부(140)는 앵커(135)의 양쪽에 각각 1개씩 구비될 수 있고, 이러한 제1 가요부(140)의 일단은 질량체(110)의 연결부(119)에 연결될 수 있다.
상기 제2 가요부(150)는 앵커(135) 또는 고정부(130)를 기준으로 질량체(110)가 변위를 일으킬 수 있도록 질량체(110)와 고정부(130, 도 9 참조)를 연결하거나 질량체(110)와 앵커(135, 도 11 참조)를 연결하는 역할을 한다. 여기서, 제2 가요부(150)는 제1 가요부(140)와 수직으로 형성된다. 즉, 제2 가요부(150)는 Y축에 대응하도록 형성된다. 한편, 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 가요부(140)는 Y축 방향의 폭(w1)이 Z축 방향의 두께(t1)보다 크고, 제2 가요부(150)는 Z축 방향의 두께(t2)가 X축 방향의 폭(w2)보다 클 수 있다. 이러한 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)의 특성으로 인하여, 전술한 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)와 마찬가지로, 질량체(110)는 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 다만, 제2 가요부(150)는 질량체(110)의 운동가능한 방향을 제한하기 위한 것으로, 본 실시예에 따른 MEMS 소자(300)의 필수적인 구성은 아니므로, 필요에 따라 생략될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 MEMS 소자는 다양한 분야에 활용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 MEMS 소자는 각속도 센서, 가속도 센서 또는 액추에이터(Actuator) 등에 활용될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100, 200, 300: MEMS 소자 110: 질량체
113: 돌출부 115: 제1 질량체
117: 제2 질량체 119: 연결부
120: 제1 고정부 125: 제2 고정부
130: 고정부 135: 앵커
140: 제1 가요부 150: 제2 가요부
160: 감지수단 C: 질량체의 무게중심
t1: 제1 가요부의 두께 w1: 제1 가요부의 폭
t2: 제2 가요부의 두께 w2: 제2 가요부의 폭
L: 제2 가요부의 길이

Claims (17)

  1. 질량체;
    상기 질량체의 외측에 구비된 제1 고정부; 및
    일단이 상기 질량체의 일축방향 단부에 연결되고, 타단은 제1 고정부에 연결된 제1 가요부를 포함하고,
    상기 제1 고정부는 상기 제1 가요부가 연결된 상기 질량체의 일축방향 단부보다 상기 질량체의 중심부에 인접하게 위치되고,
    상기 질량체는 상기 제1 가요부가 질량체에 연결된 일축방향에 대한 직교방향인 상기 제1 고정부에 인접한 상기 질량체의 중심부를 기준으로 회전 변위가 발생되는 MEMS 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    기 질량체는 Y축을 기준으로 회전되고,
    상기 제1 가요부는 일단이 상기 질량체의 X축 방향의 말단에 연결되며, 타단이 상기 고정부에 연결되며, 상기 타단이 상기 일단에 비해서 Y축에 가까운 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체의 외측에 구비된 제2 고정부; 및
    Y축에 대응하도록, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 제2 고정부에 연결된 제2 가요부;
    를 더 포함하는 MEMS 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고,
    상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 큰 MEMS 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체의 X축 방향의 말단에는 Y축 방향으로 돌출된 돌출부;
    를 더 포함하고,
    상기 제1 가요부의 일단은 상기 돌출부에 연결된 MEMS 소자.
  6. 질량체;
    상기 질량체의 외측에 구비된 고정부;
    일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 고정부에 연결된 제2 가요부; 및
    일단이 상기 질량체의 말단에 연결되고 타단이 상기 제2 가요부에 연결된 제1 가요부;
    를 포함하고 상기 질량체는 제2 가요부를 기준으로 회전변위 가능하도록 제2 가요부에 연결된 MEMS 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 질량체는 Y축을 기준으로 회전되고,
    상기 제2 가요부는 Y축 방향으로 일단이 상기 질량체에 연결되고,
    상기 제1 가요부는 일단이 X축 방향의 질량체의 말단에 연결되고, 타단이 상기 제2 가요부에 연결되며, 상기 타단이 상기 일단에 비해서 Y축에 가까운 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고,
    상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 큰 MEMS 소자.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 질량체의 X축 방향의 말단에는 Y축 방향으로 돌출된 돌출부;
    를 더 포함하고,
    상기 제1 가요부의 일단은 상기 돌출부에 연결된 MEMS 소자.
  10. 질량체;
    상기 질량체에 둘러싸이도록 구비된 앵커(Anchor); 및
    일단이 상기 질량체의 말단에 연결되고 타단이 상기 앵커에 연결된 제1 가요부;
    를 포함하고, 상기 질량체는 회전변위 가능하도록 제1 가요부에 연결된 MEMS 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 질량체는 Y축을 기준으로 회전되고,
    상기 제1 가요부는 일단이 X축 방향의 질량체의 말단에 연결되고, 타단이 상기 앵커에 연결되며, 상기 타단이 상기 일단에 비해서 Y축에 가까운 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 질량체의 외측에 구비된 고정부; 및
    Y축에 대응하도록, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 고정부에 연결된 제2 가요부;
    를 더 포함하는 MEMS 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고,
    상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 큰 MEMS 소자.
  14. 청구항 10에 있어서,
    Y축에 대응하도록, 일단이 상기 질량체에 연결되고 타단이 상기 앵커에 연결된 제2 가요부;
    를 포함하는 MEMS 소자.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Y축 방향의 폭이 Z축 방향의 두께보다 크고,
    상기 제2 가요부는 Z축 방향의 두께가 X축 방향의 폭보다 큰 MEMS 소자.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 질량체는 서로 이격된 제1 질량체와 제2 질량체를 포함하고,
    상기 앵커는 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체 사이에 구비된 MEMS 소자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 질량체의 X축 방향 말단과 상기 제2 질량체의 X축 방향의 말단을 Y축 방향으로 연결하도록 형성된 연결부;
    를 더 포함하고,
    상기 제1 가요부의 일단은 상기 연결부에 연결된 MEMS 소자.
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