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KR100829166B1 - Mems acceleration sensor - Google Patents

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Publication number
KR100829166B1
KR100829166B1 KR1020070032000A KR20070032000A KR100829166B1 KR 100829166 B1 KR100829166 B1 KR 100829166B1 KR 1020070032000 A KR1020070032000 A KR 1020070032000A KR 20070032000 A KR20070032000 A KR 20070032000A KR 100829166 B1 KR100829166 B1 KR 100829166B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heating element
acceleration sensor
fluid
thin film
acceleration
Prior art date
Application number
KR1020070032000A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김종호
김태영
문일권
Original Assignee
주식회사 한국센시스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 한국센시스 filed Critical 주식회사 한국센시스
Priority to KR1020070032000A priority Critical patent/KR100829166B1/en
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Abstract

An MEMS(Micro Electro Mechanical System) acceleration sensor is provided to measure an acceleration by amplifying a temperature difference between a reference temperature with acceleration and a measured temperature without the acceleration. An MEMS acceleration sensor includes a substrate(111), a heating material(120), a thermal-electric pair(130), a cavity(112), and a nano structure(141). The heating material is arranged on the substrate and emits heat by an applied current. The thermal-electric pair is arranged to be adjacent to the heating material on the substrate and measures a temperature of a fluid. The cavity is arranged on the substrate and passes the fluid under the thermal-electric pair and the heating material. The nano structure is arranged on the heating material and includes an upper surface and plural pores. The pores are engraved on the upper surface and arranged on the overall upper surface, so that contact areas between the nano structure and the fluid are increased.

Description

MEMS 가속도 센서 {MEMS acceleration sensor}MEMS acceleration sensor {MEMS acceleration sensor}

도 1은 종래의 가속도 센서의 일례의 평면도.1 is a plan view of an example of a conventional acceleration sensor.

도 2는 도 1의 가속도 센서의 단면도.2 is a cross-sectional view of the acceleration sensor of FIG.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 가속도 센서의 사시도.3 is a perspective view of a MEMS acceleration sensor in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4는 도 3의 MEMS 가속도 센서의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도.4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the MEMS acceleration sensor of FIG. 3.

도 5는 도 3의 MEMS 가속도 센서의 나노 구조체의 현미경 사진.5 is a micrograph of the nanostructure of the MEMS acceleration sensor of FIG. 3.

도 6은 도 5의 나노 구조체를 20,000배 확대한 현미경 사진.FIG. 6 is a photomicrograph at 20,000 times magnification of the nanostructure of FIG. 5. FIG.

도 7은 도 5의 나노 구조체를 100,000배 확대한 현미경 사진.FIG. 7 is a micrograph at 100,000 times magnification of the nanostructure of FIG. 5. FIG.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : MEMS 가속도 센서 111 : 기판100 MEMS acceleration sensor 111 substrate

112 : 공동 114 : 절연체 박막112: cavity 114: insulator thin film

120 : 발열체 123 : 발열꼭지점120: heating element 123: heat generating vertex

130 : 열전쌍 131 : 제1전도선130: thermocouple 131: first conductive wire

132 : 제2전도선 133 : 열전쌍 접합점132: second conductive line 133: thermocouple junction

140 : 알루미늄 박막 141 : 나노 구조체140: aluminum thin film 141: nanostructure

142 : 알루미늄 박막의 상면 143 : 세공(pore)142: top surface of the aluminum thin film 143: pores

본 발명은 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 가속도 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 발열체로부터 유체로의 열전달 성능을 향상시킴으로써 작은 크기의 가속도라도 민감하게 감지할 수 있는 MEMS 가속도 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a micro electro-mechanical system (MEMS) acceleration sensor, and more particularly, to an MEMS acceleration sensor capable of sensitively detecting a small amount of acceleration by improving heat transfer performance from a heating element to a fluid.

현재, 가속도 센서는 자동차의 에어백 및 현가장치, 항공 및 군사용 운동체의 위치제어장치, 컴퓨터나 핸드폰과 같은 전자제품의 모션입력장치 및 충격감지장치 등에 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 가속도 센서는 작동방식에 따라 일반적으로 서보형, 압전형, 압저항형, 정전용량형, 대류형 등으로 분류될 수 있는데, 종래의 가속도 센서 중 본 출원인에 의해 출원된 대류형 가속도 센서(한국 출원번호 : 10-2005-0049721)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.Currently, acceleration sensors are typically used for airbags and suspension devices of automobiles, position control devices for aviation and military vehicles, motion input devices and shock detection devices for electronic products such as computers and mobile phones. Such an acceleration sensor may be generally classified into a servo type, piezoelectric type, piezoresistive type, capacitive type, and convection type according to an operation method. Among the conventional acceleration sensors, a convective acceleration sensor filed by the present applicant (Korean application) No. 10-2005-0049721 is shown in FIGS. 1 and 2.

도 1은 종래의 가속도 센서의 일례의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 가속도 센서의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic plan view of an example of a conventional acceleration sensor, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the acceleration sensor of FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 가속도 센서(10)는, 유체의 열대류를 이용하여 가속도를 측정하기 위한 것으로서, 용기(11)와, 발열체(20)와, 열전쌍(30)을 구비한다.1 and 2, the acceleration sensor 10 is for measuring acceleration using a tropical flow of a fluid, and includes a container 11, a heating element 20, and a thermocouple 30. .

상기 용기(11)에는 유체(1) 즉, 기체 또는 액체 중 어느 하나가 수용되어 있다.The container 11 contains a fluid 1, that is, either gas or liquid.

상기 발열체(20)는, 상기 용기(11) 내에 배치되어 있으며, 그 중앙부위에 발열꼭지점(23)을 가진다. 상기 발열체(20)는 그 양단에서 각각 발열체 전 극(26)(27)에 전기적으로 연결되며, 발열체 전극(26)(27)들을 통해 전류가 공급되면 발열체(20)에는 주울(Joule)열이 발생된다.The heat generating body 20 is disposed in the container 11 and has a heat generating vertex 23 at a central portion thereof. The heating element 20 is electrically connected to the heating element electrodes 26 and 27 at both ends thereof. When current is supplied through the heating element electrodes 26 and 27, Joule heat is applied to the heating element 20. Is generated.

상기 열전쌍(30)은, 서로 다른 금속으로 이루어진 제1전도선(31) 및 제2전도선(32)과, 열전쌍 접합점(33)을 구비한다. 상기 열전쌍 접합점(33)은 상기 제1전도선(31)과 제2전도선(32)의 일단이 서로 전기적으로 연결된 위치에 마련되며, 발열꼭지점(23)과 접촉한다. 상기 제1전도선(31)과 제2전도선(32)의 타단에 연결된 열전쌍 전극(36)(37)들 사이의 전압을 측정함으로써, 유체의 온도를 측정할 수 있다.The thermocouple 30 includes a first conductive line 31 and a second conductive line 32 made of different metals, and a thermocouple junction point 33. The thermocouple junction 33 is provided at a position where one end of the first conductive line 31 and the second conductive line 32 are electrically connected to each other, and is in contact with the heat generating vertex 23. The temperature of the fluid may be measured by measuring the voltage between the thermocouple electrodes 36 and 37 connected to the other end of the first conductive line 31 and the second conductive line 32.

이러한 종래의 대류형 가속도 센서에 있어서, 발열체(20)의 상측 공간(x>0, z>0)에서는 발열체(20)의 주울열에 의해 유체의 열대류 현상이 일어나 발열체(20)의 상측 공간의 유체는 고온 상태가 되고, 상대적으로 열전쌍(30)의 상측 공간(x<0, z>0)의 유체는 발열체(20)의 상측 공간(x>0, z>0)의 유체에 비해 저온상태가 된다. 가속도의 방향에 따라, 발열체(20)의 상측 공간(x>0, z>0)의 유체 또는 열전쌍(30)의 상측 공간(x<0, z>0)의 유체의 온도가 열전쌍(30)에 의해 감지됨으로써, 가속도가 없는 상태의 기준온도와 가속도가 있는 상태의 측정온도의 차이를 이용하여 가속도의 크기 및 방향을 측정할 수 있다.In such a conventional convective acceleration sensor, in the upper spaces (x> 0, z> 0) of the heating element (20), a tropical flow phenomenon of the fluid occurs due to Joule heat of the heating element (20). The fluid is in a high temperature state, and the fluid in the upper space (x <0, z> 0) of the thermocouple 30 is relatively low temperature compared to the fluid in the upper space (x> 0, z> 0) of the heating element 20. Becomes According to the direction of acceleration, the temperature of the fluid in the upper space (x> 0, z> 0) of the heating element 20 or the fluid in the upper space (x <0, z> 0) of the thermocouple 30 is the thermocouple 30. By detecting by, the magnitude and direction of the acceleration can be measured using the difference between the reference temperature in the absence of acceleration and the measured temperature in the presence of acceleration.

그러나, 종래의 가속도 센서의 발열꼭지점(23) 부위의 표면은 매끈한 평면으로 이루어져 있어서, 발열꼭지점(23) 부위로부터 그 상측 공간(x>0, z>0)의 유체로의 열전달이 효과적으로 이루어지지 못해 발열꼭지점(23) 상측 공간(x>0, z>0)의 유체가 충분한 온도로 가열되지 못하게 된다. 따라서, 작은 크기의 가속도가 작용 하는 경우, 가속도가 없는 상태의 기준온도와 가속도가 있는 상태의 측정온도의 차이가 극히 작아서 열전쌍의 분해능 이내의 범위를 갖게 되므로, 가속도의 측정 자체 및 정확한 가속도의 측정이 불가능하게 되는 문제점이 있다.However, the surface of the heat generating vertex 23 portion of the conventional acceleration sensor is made of a smooth plane, so that heat transfer from the heat generating vertex portion 23 to the fluid in the upper space (x> 0, z> 0) is effectively performed. As a result, the fluid in the upper spaces x> 0 and z> 0 of the heat generating vertex 23 may not be heated to a sufficient temperature. Therefore, when a small acceleration acts, the difference between the reference temperature in the absence of acceleration and the measurement temperature in the presence of acceleration is extremely small, and thus has a range within the resolution of the thermocouple. There is a problem that becomes impossible.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열을 생성하여 상측에 위치하는 유체 측으로 그 열을 전달하는 발열체의 상측에, 미세요철부를 추가하여 형성함으로써, 발열체로부터 유체로의 열전달 성능을 향상시킬 수 있도록 구조가 개선된 MEMS 가속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in order to solve the above problems, by adding a fine convex portion on the upper side of the heating element that generates heat to transfer the heat to the fluid side located in the upper side, heat transfer performance from the heating element to the fluid It is an object of the present invention to provide an MEMS acceleration sensor whose structure is improved to improve the efficiency of the sensor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 MEMS 가속도 센서는, 유체의 열대류를 이용하여 가속도를 측정하기 위한 것으로서, 기판; 상기 기판상에 배치되며, 인가되는 전류에 의해 발열하는 발열체; 상기 기판상에 상기 발열체와 이웃하게 배치되며, 상기 유체의 온도를 측정하기 위한 열전쌍; 상기 기판에 마련되며, 상기 열전쌍 및 발열체의 하부로 유체를 통과시킬 수 있는 공동; 및 유체와 접촉하는 면적이 넓어지도록, 상면과, 상기 상면으로부터 함몰되게 형성되며 그 상면 전체에 걸쳐 배열되는 다수의 세공(pore)을 가지며, 상기 발열체의 상측에 형성되는 나노 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.MEMS acceleration sensor of the present invention to achieve the above object, for measuring the acceleration using a tropical flow of the fluid, the substrate; A heating element disposed on the substrate and generating heat by an applied current; A thermocouple disposed adjacent to the heating element on the substrate and configured to measure a temperature of the fluid; A cavity provided in the substrate and capable of passing a fluid through a lower portion of the thermocouple and the heating element; And a nano structure having an upper surface and a plurality of pores formed to be recessed from the upper surface so as to be in contact with the fluid and having a plurality of pores arranged over the entire upper surface, and formed on an upper side of the heating element. It features.

본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 세공은, 50 ㎚ 이상 500 ㎚ 이하의 지름을 갖는다.In the MEMS acceleration sensor according to the present invention, preferably, the pores have a diameter of 50 nm or more and 500 nm or less.

본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 나노 구조 체, 상기 발열체 및 상기 열전쌍은, 각각의 사이에 형성된 절연체 박막에 의해 각각 전기적으로 절연된다.In the MEMS acceleration sensor according to the present invention, Preferably, the nanostructure, the heating element and the thermocouple are electrically insulated by an insulator thin film formed between each.

본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 나노 구조체는, 상기 발열체의 상측에 금속 소재의 박막을 형성하고 그 금속 소재의 박막을 아노다이징(anodizing)함으로써 형성된다.In the MEMS acceleration sensor according to the present invention, preferably, the nanostructure is formed by forming a thin film of a metal material on the upper side of the heating element and anodizing the thin film of the metal material.

본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 금속 소재의 박막은 알루미늄 박막이다.In the MEMS acceleration sensor according to the present invention, Preferably, the thin film of the metal material is an aluminum thin film.

이하, 본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the MEMS acceleration sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 가속도 센서의 사시도이고, 도 4는 도 3의 MEMS 가속도 센서의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이고, 도 5 내지 도 7은 도 3의 MEMS 가속도 센서의 나노 구조체를 확대한 현미경 사진들이다.3 is a perspective view of a MEMS acceleration sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the MEMS acceleration sensor of FIG. 3, and FIGS. 5 to 7 are nanostructures of the MEMS acceleration sensor of FIG. 3. Magnified micrographs.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 MEMS 가속도 센서(100)는, 유체의 열대류를 이용하여 가속도를 측정하기 위한 것으로서, 기판(111)과, 발열체(120)와, 열전쌍(130)과, 나노 구조체(141)를 구비한다.3 to 7, the MEMS acceleration sensor 100 according to the present embodiment is for measuring acceleration using a tropical flow of a fluid, and includes a substrate 111, a heating element 120, and a thermocouple ( 130 and a nanostructure 141.

상기 기판(111)은, 상기 MEMS 가속도 센서(100)의 프레임 역할을 하는 것으로서, 실리콘 등의 반도체 소재로 된 기판 본체(111a)와 그 기판 본체(111a)의 상면에 증착된 질화실리콘 등의 실리콘화합물 박막(111b)으로 이루어져 있다. 상기 기판 본체(111a)의 상면에 증착된 실리콘화합물 박막(111b)은, 후술할 발열체(120)와, 열전쌍(130)과, 나노 구조체(141)를 지지하는 역할을 한다. 상기 실리콘화합 물 박막(111b)은 화학기상증착을 통하여 상기 기판 본체(111a)의 상면에 증착되며, 포토리소그래피와 반응성이온에칭을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The substrate 111 serves as a frame of the MEMS acceleration sensor 100, and includes a substrate main body 111a made of a semiconductor material such as silicon and silicon nitride or the like deposited on the upper surface of the substrate main body 111a. It consists of the compound thin film 111b. The silicon compound thin film 111b deposited on the upper surface of the substrate main body 111a serves to support the heating element 120, the thermocouple 130, and the nanostructure 141 which will be described later. The silicon compound thin film 111b is deposited on the upper surface of the substrate body 111a through chemical vapor deposition, and a planar shape is formed through photolithography and reactive ion etching.

상기 기판(111)에는 열대류에 의해 유동되는 유체를 발열체(120) 및 후술할 열전쌍(130)의 하부로 유체를 통과시키기 위한 공동(112)이 마련되어 있으며, 상기 공동(112)은 오목한 홈의 형태로 기판(111)의 중앙부에 형성되어 있다. 상기 공동(112)은 포토리소그래피와 이불화제논 기체 등을 이용한 등방성 식각방법을 통하여 형성된다.The substrate 111 is provided with a cavity 112 for passing the fluid flowing by the tropical flow to the lower portion of the heating element 120 and the thermocouple 130 to be described later, the cavity 112 is a concave groove It is formed in the center of the substrate 111 in the form. The cavity 112 is formed through an isotropic etching method using photolithography and non-fluorinated non-gas.

상기 발열체(120)는, 기판(111)상에 마련되어 있다. 상기 발열체(120)는 니켈, 크롬 등의 전도성 소재로 이루어져 전류가 공급되면 자체 저항에 의해 발열하게 된다. 본 실시예에 있어서, 상기 발열체(120)는 "ㄱ"자 형상의 전도성 박막이며, "ㄱ"자 형상의 발열체(120)의 꼭지점 부분에는 발열꼭지점(123)이 위치한다. 상기 발열체(120)의 양단에는 전류를 공급하기 위한 2개의 발열체 전극(126)(127)들이 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 발열체 전극(126)(127)은, 전류를 공급해 주는 전류공급장치(미도시)에 연결된다. 상기 발열체 전극(126)(127)은 그 자체의 열발생과 전기적 잡음을 최소화하기 위하여 금(Au) 등과 같이 저항이 작은 금속 소재의 박막으로 형성된다. 상기 발열체(120)와 발열체 전극(126)(127)은 전자빔증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 리프트-오프(lift-off) 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The heat generator 120 is provided on the substrate 111. The heating element 120 is made of a conductive material such as nickel, chromium, and generates heat by its own resistance when a current is supplied. In the present embodiment, the heating element 120 is a "a" shaped conductive thin film, the heat generating vertex 123 is located at the vertex portion of the "a" shaped heating element 120. Two heating element electrodes 126 and 127 for supplying current are electrically connected to both ends of the heating element 120. The heating element electrodes 126 and 127 are current supply devices for supplying current. Is connected to). The heating element electrodes 126 and 127 are formed of a thin film of a metal material having a low resistance, such as gold (Au), in order to minimize heat generation and electrical noise thereof. The heating element 120 and the heating element electrodes 126 and 127 are deposited by electron beam deposition or sputtering, and a planar shape is formed through photolithography, a lift-off method or wet etching using an etching solution. do.

상기 열전쌍(130)은, 기판(111)의 상측에서 유동하는 유체의 온도를 측정하기 위한 것으로서, 제1전도선(131)과, 제2전도선(132)과, 열전쌍 접합점(133)을 구 비한다. 상기 제1전도선(131) 및 제2전도선(132)은 니켈, 크롬 등의 금속 소재 중 서로 다른 종류의 금속으로 이루어져 있는데, 예컨대 제1전도선(131)이 니켈로 이루어져 있는 경우에는 제2전도선(132)은 니켈이 아닌 다른 금속, 예컨대 크롬으로 이루어져 있다. 본 실시예에 있어서, 제1전도선(131)과 제2전도선(132)은 "ㄱ"자 형상으로 접합되어 전기적으로 연결되어 있으며, 그 꼭지점 부분에는 열전쌍 접합점(133)이 위치한다. 상기 제1전도선(131)과 제2전도선(132)의 단부에는 열전쌍 전극(136)(137)이 마련되어 있다. 상기 열전쌍 전극(136)(137)은, 그 양 전극(136)(137) 사이의 전압을 측정하기 위한 전압측정장치(미도시)에 연결된다. 상기 제1전도선(131), 제2전도선(132) 및 열전쌍 전극(136)(137)는 전자빔증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 리프트-오프 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The thermocouple 130 is used to measure the temperature of the fluid flowing on the upper side of the substrate 111. The thermocouple 130 obtains a first conductive line 131, a second conductive line 132, and a thermocouple junction 133. Compared. The first conductive line 131 and the second conductive line 132 are made of different kinds of metals from among metal materials such as nickel and chromium. For example, when the first conductive line 131 is made of nickel, The two conductive lines 132 are made of a metal other than nickel, such as chromium. In the present exemplary embodiment, the first conductive line 131 and the second conductive line 132 are bonded to each other in an “a” shape and electrically connected to each other, and a thermocouple junction 133 is positioned at a vertex portion thereof. Thermocouple electrodes 136 and 137 are provided at ends of the first conductive line 131 and the second conductive line 132. The thermocouple electrodes 136 and 137 are connected to a voltage measuring device (not shown) for measuring the voltage between the electrodes 136 and 137. The first conductive line 131, the second conductive line 132, and the thermocouple electrodes 136 and 137 are deposited by electron beam deposition or sputtering, and wet etching using a photolithography, a lift-off method, or an etching solution. Through the planar shape is formed.

본 실시예에 있어서, 발열꼭지점(123)과 열전쌍 접합점(133)은, 공간 상에서 x축 방향을 따라 서로 이격되게 배치되어, 상기 x축 방향으로의 가속도를 측정하는 데 이용된다.In the present embodiment, the heat generating vertex 123 and the thermocouple junction 133 are spaced apart from each other along the x-axis direction in space and used to measure the acceleration in the x-axis direction.

상기 나노 구조체(141)는, 발열체(120)로부터 유체로의 열전달 성능을 향상시키기 위한 것으로서, 발열체(120)의 상측 특히, 발열꼭지점(123)의 상측 부위에 형성되어 있다. 상기 나노 구조체(141)는, 발열꼭지점(123)의 상측 부위에 증착된 금속 소재의 박막을 아노다이징(anodizing) 처리함으로써 형성된다. 본 실시예에 있어서, 상기 금속 소재의 박막으로, 발열체(120)로부터 전달된 열을 유체측으로 잘 전달할 수 있도록 우수한 열전도성을 가지며, 아노다이징(anodizing) 처리를 할 때 산화가 용이하게 이루어질 수 있는 알루미늄 박막(140)을 이용한다. 상기 알루미늄 박막(140)의 양단에는 아노다이징용 전극(146)(147)이 마련되어 있으며, 알루미늄 박막(140)과 아노다이징용 전극(146)(147)은 전기적으로 연결되어 있다. 상기 알루미늄 박막(140)과 아노다이징용 전극(146)(147)은 전자빔 증착 또는 스퍼터링 방법을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 리프트-오프(lift-off) 방식 또는 에칭용액을 이용한 습식식각을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The nanostructure 141 is to improve the heat transfer performance from the heating element 120 to the fluid, and is formed on the upper side of the heating element 120, in particular, on the upper portion of the heat generating vertex 123. The nanostructure 141 is formed by anodizing a thin film of a metal material deposited on an upper portion of the heat generating vertex 123. In the present embodiment, the thin film of the metal material, has a good thermal conductivity to transfer the heat transferred from the heating element 120 to the fluid side well, aluminum that can be easily oxidized when anodizing (anodizing) treatment The thin film 140 is used. Anodizing electrodes 146 and 147 are provided at both ends of the aluminum thin film 140, and the aluminum thin film 140 and the anodizing electrodes 146 and 147 are electrically connected to each other. The aluminum thin film 140 and the anodizing electrodes 146 and 147 are deposited by electron beam deposition or sputtering, and are planarly formed through photolithography, a lift-off method or wet etching using an etching solution. Is formed.

상기 나노 구조체(141)는, 상면(142)과, 상기 상면(142)으로부터 함몰되게 형성되며 상면(142) 전체에 걸쳐 배열되는 다수의 세공(pore)(143)을 포함하여 이루어져 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 세공(143)은 50 ㎚ 이상 500 ㎚ 이하의 지름을 갖도록 형성된다. 상기 세공(143)의 지름이 50 ㎚ 미만인 경우, 그 지름이 너무 작아서 세공(143) 내부에서 유체의 흐름이 발생하기 어렵게 되고, 상기 세공(143)의 지름이 500 ㎚ 초과인 경우, 아노다이징 처리시 세공(143)이 서로 맞붙게 되어 나노 구조의 세공(143)을 형성하는 것 자체가 어렵게 된다.The nanostructure 141 includes an upper surface 142 and a plurality of pores 143 formed to be recessed from the upper surface 142 and arranged over the entire upper surface 142. In the present embodiment, the pores 143 are formed to have a diameter of 50 nm or more and 500 nm or less. When the diameter of the pores 143 is less than 50 nm, the diameter thereof is too small so that the flow of fluid in the pores 143 is less likely to occur, and when the diameter of the pores 143 is more than 500 nm, anodizing treatment is performed. The pores 143 are stuck together, making it difficult to form the nanostructured pores 143 themselves.

상기 나노 구조체(141)를 형성하기 위해선, 우선 발열꼭지점(123)의 상측 부위에서 발열체(120)의 일부분과 겹치도록 알루미늄 박막(140)을 형성한다. 상기 알루미늄 박막(140)에 포토레지스트를 증착한 후, 나노 구조체(141)가 형성될 부위와 아노다이징 처리용액이 접촉할 수 있도록, 나노 구조체(141)가 형성될 부위의 상측에 증착된 포토레지스트를 포토리소그래피를 이용하여 패터닝한다. 포토레지스트가 패터닝된 알루미늄 박막(140) 부위를 아노다이징 처리용액에 잠기도록 한 후, 아노다이징용 전극(146)(147)을 통해 전기를 공급하면, 포토레지스트가 패터닝 된 알루미늄 박막(140) 부위에 나노 구조체(141)가 형성된다.To form the nanostructure 141, first, an aluminum thin film 140 is formed to overlap a portion of the heating element 120 at an upper portion of the heating vertex 123. After depositing the photoresist on the aluminum thin film 140, the photoresist deposited on the upper portion of the portion where the nanostructure 141 is to be formed so that the portion where the nanostructure 141 is to be formed and the anodizing solution may contact. Patterning is done using photolithography. After the photoresist is immersed in the anodizing solution to the portion of the aluminum thin film 140 patterned, and then supplied with electricity through the anodizing electrode 146, 147, nano to the portion of the aluminum thin film 140 patterned photoresist The structure 141 is formed.

상기 열전쌍(130)과, 발열체(120)와, 나노 구조체(141)는, 그 각각의 사이에 형성된 산화실리콘 등의 절연체 박막(114)에 의해 각각 전기적으로 절연된다. 상기 절연체 박막(114)은 화학기상증착을 통하여 증착되며, 포토리소그래피와 반응성이온에칭을 통하여 평면적 형태가 형성된다.The thermocouple 130, the heating element 120, and the nanostructure 141 are electrically insulated from each other by an insulator thin film 114, such as silicon oxide, formed therebetween. The insulator thin film 114 is deposited through chemical vapor deposition, and has a planar shape through photolithography and reactive ion etching.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 MEMS 가속도 센서(100)의 작동 원리를, 도 3 내지 도 7을 참조하면서 개략적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the operating principle of the MEMS acceleration sensor 100 of the present embodiment configured as described above will be described schematically with reference to FIGS. 3 to 7.

전류공급장치로부터 발열체(120)에 전류가 인가되면, 발열체(120) 주위에는 주울열이 발생하게 되어 발열체(120)의 상측 공간(x>0, z>0)의 유체의 온도가 상승하게 된다. 반면에, 열전쌍(130)의 상측 공간(x<0, z>0)의 유체는 발열체(120)에 의해 가열되지 못하므로, 발열체(120)의 상측 공간(x>0, z>0)의 유체에 비해 상대적으로 저온상태가 된다.When a current is applied to the heating element 120 from the current supply device, Joule heat is generated around the heating element 120 to increase the temperature of the fluid in the upper space (x> 0, z> 0) of the heating element 120. . On the other hand, the fluid in the upper space (x <0, z> 0) of the thermocouple 130 is not heated by the heating element 120, so that the upper space (x> 0, z> 0) of the heating element 120 It is relatively cold compared to the fluid.

이러한 온도 분포 상태에서, 예컨대 MEMS 가속도 센서(100)에 "+x"축 방향의 가속도가 작용하는 경우, 상대운동의 관점에서 발열꼭지점(123) 및 열전쌍 접합점(133) 상측 공간에 있는 유체에는 "+x"축 방향의 반대 방향인 "-x"축 방향의 가속도가 작용하게 된다. 유체의 "-x"축 방향으로의 유동에 의해, 열전쌍 접합점(133)은 상대적으로 높은 온도를 가지는 발열체(120)의 상측 공간(x>0, z>0)의 유체의 온도를 감지하게 된다. 위와 같이 가속도가 있는 상태에서 감지된 측정온도와 가속도가 없는 상태에서의 기준온도의 차이를 구하여 그 부호와 크기를 이용하면, 가속도의 방향 및 크기를 측정할 수 있다.In this temperature distribution state, for example, when the acceleration in the "+ x" axial direction acts on the MEMS acceleration sensor 100, the fluid in the space above the heat generating vertex 123 and the thermocouple junction 133 in terms of relative motion is " Acceleration in the "-x" axis direction opposite to the + x "axis direction is acted upon. By the flow of the fluid in the "-x" axial direction, the thermocouple junction 133 detects the temperature of the fluid in the upper space (x> 0, z> 0) of the heating element 120 having a relatively high temperature. . As described above, if the difference between the measured temperature detected in the state of acceleration and the reference temperature in the state of no acceleration is obtained, and the sign and the magnitude are used, the direction and magnitude of the acceleration can be measured.

한편, 알루미늄 박막(140)이 아노다이징 처리됨으로써, 알루미늄 박막(140)에는 다수의 세공(143)이 형성된다. 발열체(120)에서 발생된 주울열에 의해 유체가 열대류되면서 상기 세공(143)들의 내부로 유체가 진입하기도 하고 세공(143)들의 내부에 있던 유체가 외부로 빠져나오기도 한다. 이러한 과정을 통해 열이 발생하는 부위와 유체가 접촉하는 면적이 넓어지고, 발열체(120)로부터 유체로의 열전달이 활발하게 이루어진다. 발열체 전극(126)(127)에 종래의 가속도 센서에 가하던 전류와 동일한 전류를 인가하여도, 발열체 상측 공간(x>0, z>0)의 유체는 보다 높은 온도로 가열되고 가속도가 없는 상태의 기준온도와의 차이가 더욱 커지게 된다. 결국, 기준온도와 측정온도의 차이에 의해 가속도를 측정하는 본 실시예의 MEMS 가속도 센서(100)에 있어서, 상기 나노 구조체(141)는 일종의 증폭기 역할을 하게 된다.On the other hand, the aluminum thin film 140 is anodized, so that a plurality of pores 143 are formed in the aluminum thin film 140. Fluid flows into the pores 143 as the fluid flows by Joule heat generated by the heating element 120, and the fluid inside the pores 143 is also drawn out. Through this process, the area where the heat is generated and the fluid in contact with each other is widened, and the heat transfer from the heating element 120 to the fluid is actively performed. Even when the same current as that applied to the conventional acceleration sensor is applied to the heating element electrodes 126 and 127, the fluid in the heating element upper space (x> 0, z> 0) is heated to a higher temperature and there is no acceleration The difference from the reference temperature becomes larger. As a result, in the MEMS acceleration sensor 100 of the present embodiment measuring acceleration by the difference between the reference temperature and the measurement temperature, the nanostructure 141 serves as a kind of amplifier.

상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 MEMS 가속도 센서를 이용하면, 미세한 요철 형상으로 이루어진 나노 구조체에 의해 발열체로부터 유체로의 열전달 성능이 향상됨으로써, 가속도가 없는 상태의 기준온도와 가속도가 있는 상태의 측정온도의 차이를 더욱 증폭시킬 수 있다. 따라서, 아주 작은 크기의 가속도가 작용하는 경우, 나노 구조체를 구비하지 않은 MEMS 가속도 센서에서는 기준온도와 측정온도의 차이가 극히 작아 열전쌍의 분해능 이내의 범위를 갖게 되어 가속도의 측정이 불가능하게 될 수도 있지만, 나노 구조체를 구비한 MEMS 가속도 센서에서는 종래와 동일한 전류량을 인가하여도 기준온도와 측정온도의 차이가 증폭되므로, 가속도의 측정이 가능해지고, 보다 정확하게 가속도를 측정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.By using the MEMS acceleration sensor according to the present embodiment configured as described above, the heat transfer performance from the heating element to the fluid is improved by the nanostructure having a fine concavo-convex shape, so that there is no reference temperature and acceleration in the state without acceleration. The difference in temperature can be further amplified. Therefore, in the case of very small acceleration, the difference between the reference temperature and the measurement temperature is very small in the MEMS acceleration sensor without the nanostructure, and thus the acceleration may not be measured due to the range within the resolution of the thermocouple. In the MEMS acceleration sensor having a nanostructure, the difference between the reference temperature and the measured temperature is amplified even when the same amount of current is applied as in the prior art, and thus the acceleration can be measured, and the acceleration can be more accurately measured.

이상 바람직한 실시예 및 변형례에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서는 상술한 예들에 한정되는 것은 아니며, 그 예들의 변형이나 조합에 의해, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 MEMS 가속도 센서가 구체화될 수 있다.Although preferred embodiments and modifications have been described above, the MEMS acceleration sensor according to the present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications and combinations thereof may be made within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. MEMS acceleration sensors of the type can be embodied.

본 발명에 따른 MEMS 가속도 센서는, 종래의 가속도 센서에서 발열체 전극에 가하던 전류량과 동일한 전류량을 가하더라도 발열체로부터 유체로의 열전달 성능이 향상되어 가속도가 없는 상태의 기준온도와 가속도가 있는 상태의 측정온도의 차이가 증폭되므로, 일정 분해능을 가진 열전쌍을 이용해서 작은 크기의 가속도도 충분히 측정할 수 있으며 종래의 가속도 센서보다 정확하게 가속도를 측정할 수 있는 효과가 있다.MEMS acceleration sensor according to the present invention, even if the current amount to the same amount of current applied to the heating element electrode in the conventional acceleration sensor, the heat transfer performance from the heating element to the fluid is improved to measure the state of the reference temperature and acceleration state without acceleration Since the temperature difference is amplified, a small amount of acceleration can be sufficiently measured using a thermocouple having a constant resolution, and the acceleration can be measured more accurately than a conventional acceleration sensor.

Claims (5)

유체의 열대류를 이용하여 가속도를 측정하기 위한 것으로서,For measuring acceleration using a tropical flow of fluid, 기판;Board; 상기 기판상에 배치되며, 인가되는 전류에 의해 발열하는 발열체;A heating element disposed on the substrate and generating heat by an applied current; 상기 기판상에 상기 발열체와 이웃하게 배치되며, 상기 유체의 온도를 측정하기 위한 열전쌍;A thermocouple disposed adjacent to the heating element on the substrate and configured to measure a temperature of the fluid; 상기 기판에 마련되며, 상기 열전쌍 및 발열체의 하부로 유체를 통과시킬 수 있는 공동; 및 A cavity provided in the substrate and capable of passing a fluid through a lower portion of the thermocouple and the heating element; And 유체와 접촉하는 면적이 넓어지도록, 상면과, 상기 상면으로부터 함몰되게 형성되며 그 상면 전체에 걸쳐 배열되는 다수의 세공(pore)을 가지며, 상기 발열체의 상측에 형성되는 나노 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도 센서.And a nano structure formed on an upper side of the heating element so as to have an area in contact with the fluid, the upper surface and the plurality of pores formed to be recessed from the upper surface and arranged over the entire upper surface thereof. MEMS acceleration sensor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세공은, 50 ㎚ 이상 500 ㎚ 이하의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도 센서.The pore has a diameter of 50 nm or more and 500 nm or less. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 구조체, 상기 발열체 및 상기 열전쌍은, 각각의 사이에 형성된 절 연체 박막에 의해 각각 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도 센서.The nanostructure, the heating element and the thermocouple are each electrically insulated by an insulator thin film formed between each of the MEMS acceleration sensor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 구조체는,The nanostructures, 상기 발열체의 상측에 금속 소재의 박막을 형성하고 그 금속 소재의 박막을 아노다이징(anodizing)함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도 센서.MEMS acceleration sensor, characterized in that formed by forming a thin film of a metal material on the upper side of the heating element and anodizing the thin film of the metal material. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 금속 소재의 박막은 알루미늄 박막인 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도 센서.MEMS acceleration sensor, characterized in that the thin film of the metal material is an aluminum thin film.
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