KR20140027783A

KR20140027783A - 관성센서

Info

Publication number: KR20140027783A
Application number: KR1020120093808A
Authority: KR
Inventors: 박흥우
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-03-07

Abstract

본 발명은 관성센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서(100)는 멤브레인(110, Membrane), 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120), 질량체(120)를 둘러싸도록 멤브레인(110)의 하부에 구비된 포스트(130, Post) 및 포스트(130)의 하측을 커버하도록 구비되고, 외부와 소통하도록 홀(145, Hole)이 형성된 캡(140, Cap)을 포함하며, 캡(140)에 홀(145)이 형성되어, 온도가 변하더라도 관성센서(100)의 내부 압력이 관성센서(100)의 외부 압력과 동일하게 유지되므로, 온도 변화에 따라 멤브레인(110)에 인가되는 응력을 줄여주는 효과가 있다.

Description

관성센서{Inertial Sensor}

본 발명은 관성센서에 관한 것이다.

최근, 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 다이어프램(Diaphragm) 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, 다이어프램과 다이어프램을 지지하는 고정부가 구비된다. 또한, 최종적으로 고정부의 하부에 캡(Cap)을 접착시켜, 고정부의 하측을 밀폐한다. 이와 같이, 캡을 고정부의 하부에 접착시킬 때, 약 200℃ 정도의 고온이 가해지며 밀폐된 관성센서의 내부는 상대적으로 낮은 압력 환경이 된다. 이로 인하여, 얇은 두께의 다이어프램은 하부로 처지게 되고, 그에 따라 후속 공정 진행이 어려운 문제점이 발생하고, 다이어프램의 응력(Stress)가 변화되어 관성센서의 특성이 변하게 되는 문제점이 발생한다. 또한, 관성센서는 사용 중 다양한 온도 환경을 겪게 되는데, 이때 관성센서의 내부와 외부 사이에 순간적으로 압력차가 발생하면서, 다이어프램의 응력이 변화되어 특성이 변하게 되는 또 다른 문제점이 존재한다.

US

20110146404

A1

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 캡(Cap)에 홀을 형성함으로써, 외부와 소통이 가능한 관성센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 관성센서는 멤브레인(Membrane), 상기 멤브레인의 하부에 구비된 질량체, 상기 질량체를 둘러싸도록 상기 멤브레인의 하부에 구비된 포스트(Post) 및 상기 포스트의 하측을 커버하도록 구비되고, 외부와 소통하도록 홀이 형성된 캡(Cap)을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 질량체는 제1 질량체와 제2 질량체를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 포스트는 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체를 각각 둘러싸도록 구비되어, 상기 제1 질량체는 상기 멤브레인, 상기 포스트 및 상기 캡으로 둘러싸인 제1 공간에 배치되고, 상기 제2 질량체는 상기 멤브레인, 상기 포스트 및 상기 캡으로 둘러싸인 제2 공간에 배치된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 캡은 상기 포스트와 접착층으로 접착되고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 소통하도록, 상기 접착층에는 슬릿(Slit)이 형성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 홀은 상기 제1 공간 또는 상기 제2 공간 중 어느 하나가 외부와 소통하도록 형성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 캡의 하부에 구비된 제어부재를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 제어부재는 상기 캡의 하면 중 소정부분이 노출되도록, 상기 캡의 하부에 구비된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 홀은 상기 소정부분에 형성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 제어부재는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 관성센서에 있어서, 상기 캡의 상면에는 두께방향으로 함몰된 오목부가 형성된다.

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, 캡에 홀이 형성되어 관성센서의 내부가 완전히 밀폐되지 않는다. 따라서, 온도가 변하더라도 관성센서의 내부 압력이 관성센서의 외부 압력과 동일하게 유지되므로, 제작 공정 또는 사용자가 사용 중에 온도 변화에 따라 멤브레인이 변형되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 특히, 캡에 홀이 형성되어 관성센서의 내부와 외부가 소통가능하므로, 캡을 접착시킬 때 약 200℃ 이상의 고온이 가해져 관성센서의 내부에서 발생된 아웃-개싱(Out-gassing) 물질들이 내부에 갇혀 관성센서의 응력(Stress)이 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 관성센서의 사용중 온도가 변하더라도, 캡에 형성된 홀로 인하여 관성센서의 내부 압력이 관성센서의 외부 압력과 동일하게 유지되므로, 멤브레인에 인가되는 응력을 줄여주는 효과가 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관성센서의 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 접착층의 평면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관성센서의 단면도, 및
도 5는 도 4에 도시된 관성센서의 평면도이다.

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" 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 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관성센서의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 접착층의 평면도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 멤브레인(110, Membrane), 멤브레인(110)의 하부에 구비된 질량체(120), 질량체(120)를 둘러싸도록 멤브레인(110)의 하부에 구비된 포스트(130, Post) 및 포스트(130)의 하측을 커버하도록 구비되고, 외부와 소통하도록 홀(145, Hole)이 형성된 캡(140, Cap)을 포함한다.

상기 멤브레인(110)은 판상으로 형성되어 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있도록 탄성을 갖는다. 여기서, 멤브레인(110)의 하부에는 질량체(120)가 구비되고, 질량체(120)를 둘러싸도록 포스트(130)가 구비된다. 따라서, 멤브레인(110)은 포스트(130)의 지지를 받아 고정되고, 포스트(130)로 지지된 멤브레인(110)의 지지부(113)를 기준으로, 포스트(130)가 형성되지 않은 멤브레인(110)의 가요부(115)는 질량체(120)의 움직임에 대응하는 변위가 발생한다. 또한, 멤브레인(110)의 가요부(115)는 탄성변형되므로, 구동수단(117)을 배치하여 질량체(120)를 진동시키거나 감지수단(119)을 배치하여 질량체(120)의 변위를 감지할 수 있다. 다만, 구동수단(117)과 감지수단(119)은 반드시 멤브레인(110)의 가요부(115)에 배치하여야 하는 것은 아니고, 일부가 멤브레인(110)의 지지부(113)에 배치될 수 있음은 물론이다. 한편, 상술한 감지수단(119)은 압전방식, 압저항방식 또는 정전용량방식 등을 이용하여 구현할 수 있고, 상술한 구동수단(119)은 압전방식 또는 정전용량방식 등을 이용하여 구현할 수 있다.

상기 질량체(120)는 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 멤브레인(110)의 하부에 구비된다. 또한, 상기 포스트(130)는 중공(中空)형으로 형성되어 멤브레인(110)의 지지부(113)를 지지함으로써 질량체(120)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주는 역할을 하는 것으로, 질량체(120)를 둘러싸도록 멤브레인(110)의 하부에 구비된다. 여기서, 질량체(120)는 예를 들어 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 포스트(130)는 중심에 원기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 횡단면을 기준으로 볼 때, 질량체(120)는 원형으로 형성되고, 포스트(130)는 중앙에 원형의 개구가 구비된 사각형으로 형성되는 것이다. 다만, 질량체(120)와 포스트(130)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 공지된 모든 형상으로 질량체(120)와 포스트(130)를 형성할 수 있음은 물론이다.

한편, 질량체(120)는 1 개로 구성될 수 있으나(도 1 참조), 이에 한정되는 것은 아니고, 2개일 수도 있다(도 2 참조). 즉, 질량체(120)는 제1 질량체(123)와 제2 질량체(125)를 포함할 수 있다. 이 경우, 포스트(130)는 제1 질량체(123)와 제2 질량체(125)를 각각 둘러싸도록 구비될 수 있다. 즉, 포스트(130)는 멤브레인(110)의 테두리 하부뿐만 아니라, 제1 질량체(123)와 제2 질량체(125)의 사이인 멤브레인(110)의 중앙부분 하부에도 구비될 수 있다. 이와 같이, 포스트(130)가 제1 질량체(123)와 제2 질량체(125)의 사이에 구비되므로, 관성센서(100)의 내부는 멤브레인(110), 포스트(130) 및 캡(140)으로 둘러싸인 제1 공간(150)과 제2 공간(155)으로 구획될 수 있다. 이때, 제1 질량체(123)는 제1 공간(150)에 배치되고, 제2 질량체(125)는 제2 공간(155)에 배치될 수 있다.

상기 캡(140)은 포스트(130)의 하측을 커버하도록 구비되어, 질량체(120)를 보호하는 역할을 한다. 여기서, 캡(140)은 포스트(130)의 하면과 접착층(160)으로 접착될 수 있다. 또한, 캡(140)의 상면에는 두께방향으로 함몰된 오목부(147)가 형성되어, 질량체(120)에 작용하는 공기의 감쇠력을 줄임으로써, 동특성(Dynamic Characteristic, 動特性)을 향상시킬 수 있다. 한편, 캡(140)에는 외부와 소통하도록 두께방향으로 홀(145)이 형성되어, 관성센서(100)의 내부가 밀폐되지 않는다. 따라서, 온도가 변하더라도 관성센서(100)의 내부 압력이 관성센서(100)의 외부 압력과 동일하게 유지되므로, 온도 변화에 따라 멤브레인(110)이 변형되는 것을 방지함으로써, 관성센서(100)의 성능을 유지할 수 있다. 특히, 캡(140)에 홀(145)이 형성되어 관성센서(100)의 내부와 외부가 소통가능하므로, 캡(140)을 접착시킬 때 약 200℃ 이상의 고온이 가해져 관성센서(100)의 내부에서 발생된 아웃-개싱(Out-gassing) 물질들이 내부에 갇혀 관성센서(100)의 응력(Stress)이 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 관성센서(100)의 사용중 온도가 변하더라도, 캡(140)에 형성된 홀(145)로 인하여 관성센서(100)의 내부 압력이 관성센서(100)의 외부 압력과 동일하게 유지되므로, 멤브레인(110)에 인가되는 응력을 줄여주는 효과가 있다.

한편, 홀(145)의 위치나 숫자는 특별히 한정되는 것은 아니다. 다만, 도 2에 도시된 바와 같이, 관성센서(100)의 내부가 제1 공간(150)과 제2 공간(155)으로 구획된 경우, 홀(145)은 제1 공간(150) 또는 제2 공간(155) 중 어느 하나만 외부와 소통하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(145)은 캡(140) 중 제2 공간(155)의 하부에 구비된 부분에만 형성되어, 제2 공간(155)이 외부와 소통하도록 할 수 있다(도 2 참조). 이때, 제1 공간(150)은 홀(145)이 형성되지 않아 외부와 소통할 수 없는 문제점이 발생할 수 있는 우려가 있다. 하지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 캡(140)과 포스트(130)를 접착시키는 접착층(160)에 슬릿(165, Slit)이 형성되어, 제1 공간(150)과 제2 공간(155)은 소통할 수 있다. 구체적으로, 슬릿(165)은 제1 질량체(123)와 제2 질량체(125) 사이에 구비된 포스트(130)에 접착되는 접착층(160)에 형성되어, 제1 공간(150)과 제2 공간(155)을 소통시킨다. 결국, 제2 공간(155)은 홀(145)을 통해서 외부와 직접적으로 소통할 수 있고, 제1 공간(150)은 접착층(160)의 슬릿(165)을 통해서 제2 공간(155)과 소통함으로써 제2 공간(155)을 거쳐 외부와 간접적으로 소통할 수 있다. 이와 같이, 제2 공간(155)에만 홀(145)을 형성하고 제1 공간(150)에는 홀(145)을 형성하지 않더라도, 접착층(160)에 슬릿(165)을 형성하여 제1 공간(150)과 제2 공간(155)을 소통시킴으로써, 최종적으로 제1 공간(150)과 제2 공간(155) 모두를 외부와 소통시킬 수 있다.

또한, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관성센서의 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 관성센서의 평면도이다.

도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 캡(140)의 하부에는 관성센서(200)를 제어하는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등의 제어부재(170)가 구비될 수 있다. 캡(140)의 하부에 제어부재(170) 등이 구비되어 캡(140)의 하면을 막으면, 캡(140)에 홀(145)을 형성하더라도 제어부재(170)로 인하여 관성센서(200)의 내부가 외부와 소통시키지 못할 우려가 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 관성센서(200)는 제어부재(170)가 캡(140)의 하면 중 소정부분(149)이 노출되도록, 구비될 수 있다. 즉, 도 5와 같은 평면도를 기준으로, 캡(140)의 소정부분(149)은 제어부재(170)로부터 돌출되도록 배치되는 것이다. 따라서, 홀(145)을 제어부재(170)로부터 노출된 소정부분(149)에 형성하면, 제어부재(170)와 무관하게 관성센서(200)의 내부를 외부와 자유롭게 소통시킬 수 있다.

한편, 제어부재(170)의 하부에는 제어부재(170)와 전기적으로 연결되는 리드프레임(Lead Frame)이나 인쇄회로기판(180)이 추가적으로 구비될 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: 관성센서 110: 멤브레인
113: 지지부 115: 가요부
117: 구동수단 119: 감지수단
120: 질량체 123: 제1 질량체
125: 제2 질량체 130: 포스트
140: 캡 145: 홀
147: 오목부 149: 소정부분
150: 제1 공간 155: 제2 공간
160: 접착층 165: 슬릿
170: 제어부재 180: 리드프레임 또는 인쇄회로기판

Claims

멤브레인(Membrane);
상기 멤브레인의 하부에 구비된 질량체;
상기 질량체를 둘러싸도록 상기 멤브레인의 하부에 구비된 포스트(Post); 및
상기 포스트의 하측을 커버하도록 구비되고, 외부와 소통하도록 홀이 형성된 캡(Cap);
을 포함하는 관성센서.
청구항 1에 있어서,
상기 질량체는 제1 질량체와 제2 질량체를 포함하는 관성센서.
청구항 2에 있어서,
상기 포스트는 상기 제1 질량체와 상기 제2 질량체를 각각 둘러싸도록 구비되어,
상기 제1 질량체는 상기 멤브레인, 상기 포스트 및 상기 캡으로 둘러싸인 제1 공간에 배치되고, 상기 제2 질량체는 상기 멤브레인, 상기 포스트 및 상기 캡으로 둘러싸인 제2 공간에 배치되는 관성센서.
청구항 3에 있어서,
상기 캡은 상기 포스트와 접착층으로 접착되고,
상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 소통하도록, 상기 접착층에는 슬릿(Slit)이 형성된 관성센서.
청구항 3에 있어서,
상기 홀은 상기 제1 공간 또는 상기 제2 공간 중 어느 하나가 외부와 소통하도록 형성된 관성센서.
청구항 1에 있어서,
상기 캡의 하부에 구비된 제어부재;
를 더 포함하는 관성센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제어부재는 상기 캡의 하면 중 소정부분이 노출되도록, 상기 캡의 하부에 구비되는 관성센서.
청구항 7에 있어서,
상기 홀은 상기 소정부분에 형성된 관성센서.
청구항 6에 있어서,
상기 제어부재는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)인 관성센서.
청구항 1에 있어서,
상기 캡의 상면에는 두께방향으로 함몰된 오목부가 형성된 관성센서.