KR20020005417A - 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 재료로 이루어진 센서를 제공한다. 이 장치는 지지프레임과 감지소자 및 이 감지소자를 제1공진주파수 진동모드에 일반적으로 대응하는 주파수에서 진동시키기 위한 수단을 구비한다. 에러검출수단은 공진주파수 진동모드를 검출하고, 에러검출수단의 출력은 존재를 나타내거나 여기(excitation)에 대한 공진주파수 진동모드의 기대응답을 나타낸다. 감지소자의 변형을 검출하기 위한 수단은 감지될 파라미터를 나타내는 출력을 제공하고, 변형검출수단과 에러검출수단은 동일 소자로 이루어져 있다.

Description

센서 {SENSOR}

본 발명은 압력 및 흐름센서, 액추에이터 가속도계(actuators acceleromet er) 등의 센서에 관한 것으로, 특히 그들의 기능의 테스트를 가능하게 하는 이러한 장치의 특징에 관한 것이다.

근래, 가속도와 압력 및 흐름의 이러한 변화 등과 같은 다른 물리적 특성을 측정하기 위한 마이크로 기계장치의 발달에 많은 진전이 있었다. 이러한 장치는 많은 응용에 유용하고, 예컨대 항공우주산업과 자동차산업에서 광범위하게 이용된다. 이러한 장치는, 가속도계의 매스 스프링 시스템(mass spring system)과 압력센서의 플레이트 또는 다이어프램(diaphragm) 또는 더욱 일반적인 경우에는 몇몇 종류의 플렉시블 스프링소자 등과 같은 플렉시블 부품(flexible parts)을 이용한다. 예컨대, 이러한 응용에서 가속도 감지(sensing)의 하나의 접근법은 반도체 재료로 이루어진 장치를 제공하는 것이고, 이 장치는 반도체 재료로 형성되고 나머지 장치에 대해 걸리는 매스를 갖는다. 장치의 가속도의 변화는 압전저항적으로, 용량적으로, 정전기적으로 또는 열적으로 매스의 이동에 의해 장치의 변형을 측정함으로써 검출될 수 있다. 이러한 접근법이 유효한 반면, 장치가 사용중에 손상을 입거나 효과적이지 않으면 문제가 발생할 수 있다. 이것은 외부 가속도에서 생기는 신호와, 동작하고 있는 동안에 장치의 외부에서 발생하는 대미지(damage)나 신호장치내의 대미지에 기인하는 신호의 랙(lack)에서 생기는 신호를 구별하는 것이 어렵기 때문이다.

가속도계에서 이용되는 다른 접근법은 공진주파수에서 장치를 여기시키는 것이다. 이러한 장치의 경우, 장치의 공진주파수의 검출을 고려하는 장치상에 검출기가 있고, 이 검출기는 외부의 가속적인 힘에 의존한다. 그러므로, 공진주파수를 조사함으로써 외부 가속도를 찾아낼 수 있다. 간접적으로 이것은 공진주파수의 연속 검출에 의한 연속 기능성 테스트를 제공할 수 있지만, 부가적인 회로소자 등이필요하기 때문에 달성하는데 고가이다.

본 발명의 목적은 테스트 지시기(또는 셀프 테스팅(self testing))를 제공하기 위해, 더욱 비용 효율적인 장치에 기능성과 능력의 양조합을 제공함에 있다.

또, 본 발명의 목적은 신뢰할 수 있고 비용 효율적이며 규칙적으로나 연속적으로 테스트될 수 있는 마이크로 기계장치를 제공하여 사용동안 적당한 기능성을 확보하는데 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 장치의 개략측면도 및 평면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 제2장치예의 사시평면도,

도 3은 본 발명에 따른 제3장치예의 측면 단면도,

도 4는 가해진 가속적인 힘에 대해 도 1a 및 도 1b 내지 도 3의 장치의 출력의 변동을 나타낸 그래프,

도 5는 도 1a와 도 1b 및 도 2의 장치에서 채용하는 예시 회로소자를 나타낸 회로도,

도 6은 도 3의 예시 장치나 회로소자의 출력에 대한 오픈루프(open loop) 응답의 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 부가적인 예시장치의 평면도이다.

본 발명에 따르면, 반도체 재료로 이루어진 센서가 제공되고, 이 장치는 지지프레임과, 감지소자, 이 감지소자를 제1공진주파수 진동모드에 일반적으로 대응하는 주파수에서 진동시키기 위한 수단, 공진주파수 진동모드를 검출하기 위한 에러검출수단 및, 감지될 파라미터를 나타내는 출력을 제공하기 위해 감지소자의 변형을 검출하기 위한 수단을 구비하고, 에러검출수단의 출력은 존재를 나타내거나 여기(exc itation)에 대한 공진주파수 진동모드의 기대응답을 나타내며, 변형검출수단과 에러검출수단은 동일 소자로 형성되어 있고, 변형을 검출하는 수단은 진동을 셋업 (set up)하기 위한 수단과 같으며, 감지신호뿐만 아니라 에러검출신호 양쪽 모두를 전자적으로 검출할 수 있다.

감지소자는 막이면 좋고, 센서는 압력센서이면 좋다. 감지소자는 하나의 매스나 복수의 매스여도 좋고, 하나의 빔이나 복수의 빔을 지지하며, 센서는 가속도계이면 좋다.

감지소자는 스프링일 수 있다. 진동수단은 하나 이상의 저항성 소자일 수 있다. 공진주파수 검출수단은 장치상에 배치된 하나 이상의 압전저항기일 수 있다. 지지 및 감지소자는 단일 반도체기판으로부터 형성될 수 있다. 반도체는 실리콘이면 좋다.

압전저항기/캐패시터 등을 이용하면, 외력에 의한 스프링/매스, 플레이트/다이어프램 또는 스프링소자의 변형은 검출될 것이다. 동작주파수대는 세그먼트의 간단한 분리로 되는 기본 공진 (제1) 모드 아래에 있을 것이다. 게다가, 공진주파수중 하나에서 여기가 행해지기 때문에, 이 공진주파수는 압전저항기와 용량성 소자 등을 이용하여 검출할 수 있을 것이다. 그러므로, 이 장치로부터 발생되는 응답은 2개의 중요한 정보, 즉 기능성의 정보, 즉 알맞게 작동하고 있는지에 대한 정보와 외부 가속도, 흐름 등을 나타낼 수 있다. 본 발명의 장치의 셀프 테스트는 전력소비를 줄이기 위해 연속적으로나 일정한 간격을 두고 가속도의 사용동안 행해질 수 있다는 이점을 갖는다.

(발명의 실시형태)

도 1a 및 도 1b에 있어서, 본 발명에 따른 가속도계는 지지프레임(4)으로부터의 평행한 빔(2, 3)에 걸린 매스(1)를 갖추고 있다. 이 예에 있어서, 모든 구성요소는 실리콘인 것이 바람직한 단일 반도체 기판으로 제조되어 있다.

빔중 하나(2)는 거기에 접속된 저항성 소자(5)를 갖추고 있다. 다른 빔(3)은 압전저항 검출기 소자(6)를 갖추고 있다. 여기소자(5)와 검출소자(6)에 대한 다른 위치도 가능함은 물론이다.

사용중에, 지지부재(2)를 가열하고 지지부재(2)를 진동시키는 교류가 여기소자(5)에 인가되므로, 매스(1)와 다른 지지부재(3)에도 인가된다. 이 시스템의 진동은 검출소자(6)에서 신호를 발생시키고, 진동주파수는 장치의 정확한 동작가능성을 나타내는 값인 공진주파수에서 매스(1)와 빔(2, 3)을 연속적으로 진동시키기 위해 폐루프(closed loop)방식으로 제어될 수 있다. Z방향으로 매스에 가속력 또는 감속력를 인가하면, 매스/빔구조를 변형시키고, 검출된다. 이 변형은(2차 진동시스템) 기본주파수에서 선형응답을 갖는다(도 4).

도 2 및 도 3은 본 발명에서도 가능한 다른 매스/빔 구성을 나타낸다. 도 2는 적당한 여기장치 및 검출장치와 더불어, 적당한 빔에 의해 지지되는 2개의 분리된 매스가 있는 배열을 나타낸다. 도 3은 동일하게 번호를 붙인 대응하는 구성요소와 더불어, 매스가 단일 지지빔을 갖춘 구성의 측면 단면도이다.

도 5의 회로소자는 도 1 내지 도 3에 나타낸 타입의장치에서의 신호의 변화(도 4에 나타낸 것과 비슷함)를 나타내는 출력을 제공하므로, 장치에 인가되는 가속/감속을 나타내는 출력을 제공한다. 이 예에서 선형응답을 제공하기 위해, 파라미터 감지신호는 약 1x10⁴Hz 범위 중앙에 있다.

도 6에 대해 후술하는 바와 같이, 본 발명의 장치는 몇몇 피크(peak)와 더불어, 여기주파수에 대해 변화하는 응답을 갖는다. 상술한 바와 같이, 이 예에서 감지신호 주파수는 이 경우에 일반적으로 1x10⁴Hz 범위에 있게 된다. 이것은 이 장치가 연속적이거나 간헐적인 기초로 하여 장치의 기능성을 결정하기 위해 채용될 수있는 방법외에 감지신호를 초래하지 않고, 예컨대 1x10⁵Hz 범위에서의 공진주파수에서 여기되는 것을 가능하게 한다.

도 7은 가속도계의 앞의 예의 구성요소에 대응하는 부분에는 동일한 번호를 붙인 압력검출기의 평면도를 나타낸다. 이 때, 빔과 매스배열 대신에 중앙막(지지프레임(4)과 같은 반도체 재료로 형성될 수 있다)은 거기에 형성된 여기소자(5)와 검출소자(6)를 갖추고 있다. 또, 장치(1)의 감지소자(이 경우에는 막)의 여기는 하나 이상의 저항기(5; 이 예에서는 중앙에 1개)를 사용함으로써 진동모드의 열적 여기에 의해 행해질 수 있다. 제1모드에서의 공진주파수 진동이 셀프테스트(self-test) 신호를 제공하기 위해 채용될 수 있고, 다른 주파수율에서의 출력은 검출기가 배치되는 가스의 압력의 변화에 기인하는 막의 이동에 기초하여 감지신호를 제공하기 위해 채용될 수 있도록 검출소자(6)는 도 5에 나타낸 타입의 회로에 출력을 공급한다.

본 발명에 의하면, 테스트 지시기를 제공하기 위해, 더욱 비용 효율적인 장치에 기능성과 능력의 양조합을 제공할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 신뢰할 수 있고 비용 효율적이며 규칙적으로나 연속적으로 테스트될 수 있는 마이크로 기계장치를 제공하여 사용동안 적당한 기능성을 확보할 수 있다.

Claims (10)

1. 지지프레임과,

   감지소자,

   상기 감지소자를 제1공진주파수 진동모드에 일반적으로 대응하는 주파수에서 진동시키기 위한 수단,

   공진주파수 진동모드를 검출하기 위한 에러검출수단 및,

   감지될 파라미터를 나타내는 출력을 제공하기 위해 감지소자의 변형을 검출하기 위한 수단을 구비하고,

   상기 에러검출수단의 출력은 존재를 나타내거나 여기에 대한 공진주파수 진동모드의 기대응답을 나타내며, 상기 변형검출수단과 상기 에러검출수단은 동일 소자로 형성되어 있고, 상기 변형을 검출하는 수단은 진동을 셋업하기 위한 수단과 같으며, 감지신호뿐만 아니라 에러검출신호 양쪽 모두를 전자적으로 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 재료로 이루어진 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 진동수단은 하나 이상의 저항성 소자인 것을 특징으로 하는 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공진주파수 검출수단은 하나 이상의 압전저항기인 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체는 실리콘인 것을 특징으로 하는 센서.
5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지프레임과 상기 감지소자는 단일 반도체 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 센서.
6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 가속기로서 동작하도록 배열되고, 상기 감지소자는 적어도 하나의 지지빔과 적어도 하나의 매스를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 센서.
7. 제6항에 있어서, 상기 진동수단은 상기 하나 이상의 지지빔에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 압전저항기는 상기 하나 이상의 지지빔에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
9. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 압력센서로서 동작하도록 배열되고, 상기 감지소자는 막인 것을 특징으로 하는 센서.
10. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 흐름 센서로서 동작하도록 배열된 것을 특징으로 하는 센서.