KR100264385B1 - 반도체각속도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기준진동에 대한 검지 진동방향을 실리콘기판과 평행한 평면내에서 수행되도록 한 반도체 각속도센서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 반도체 각속도 센서는 반도체 기판, 반도체 기판과 소정간격 이격되도록 탄성빔에 의해 지지되는 진동자, 진동자의 측면에 상호 대칭되도록 마련된 검지빔, 진동자에 기준진동을 일으키기 위한 가동전극, 진동자의 기준진동시 외력이 가해진 경우 반도체 기판과 수평되게 작용토록 하여 외력을 정전용량의 변화량으로 검출하는 검지전극이 마련된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상/하부전극을 생략할 수 있어 반도체를 미세제작함에 있어 효과가 있고, 또한 공정 및 구조를 단순화시킬 수 있어 경제적효과를 극대화 시킬 수 있다.

Description

반도체 각속도 센서

본 발명은 반도체 각속도센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기준진동에 대한 검지 진동방향을 실리콘기판에 평행한 평면내에서 수행되도록 한 반도체 각속도센서에 관한 것이다.

일반적으로 진동, 충격, 가속도 등의 물리량을 감지하는 반도체 각속도센서는 자동차, 비행기, 선박 등 각종 수송수단, 그리고 공장자동화 및 로보트 등의 제어시스템에 있어서, 필수적인 소자이며 그 소자의 응용 및 활용기술은 무한하다.

반도체 각속도 센서는 가속도에 의해 작용되는 힘을 받아들이는 미세 기계구조부, 이 힘을 전기적 신호로 바꾸어주는 변환 소자부, 정격출력을 만들어 주는 신호처리부의 세 부분으로 구성되어 있으며, 이 중 변환 소자부는 미세구조에 가해지는 응력을 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환기로서 저항변화, 용량변화, 또는 압전효과 등을 이용하여 제조된다.

도 1은 전술한 용량변화를 이용한 종래의 반도체 각속도 센서의 구성을 보인 단면도로서 이를 참조하여 그 동작을 설명하고자 한다.

미세구조물을 형성하고 있는 실리콘기판(Si-Substrate)(1), 이 실리콘기판(1)에 마련되며 기준진동과 검지진동을 일으키는 진동자(2), 그리고 진동자(2)의 양측에는 정전기력을 인가하여 진동자(2)를 기준진동시키는 가동전극(4)이 있다. 또한 진동자(2)의 상/하측에는 가동전극(4)에 의하여 기준진동하는 진동자(2)가 코리올리력에 의하여 힘을 받을 때 그 힘의 크기를 검출하는 검지전극(6)이 마련된다. 상기 진동자(2)는 검지전극(6)과 가동전극(4) 사이의 공간에 각각의 전극과 일정거리 이격된 상태로 공간에 떠 있는 형상이며, 진동자(2)는 길이방향으로 양측단이 탄성보로 지지되어 있다. 그리고 미설명부호 5는 절연층이다.

전술한 구성에 따른 종래 반도체 각속도센서의 동작은 다음과 같다.

진동자(2)를 기준진동시키기 위하여 진동자(2)의 양측에 있는 가동전극(4)에 전압을 인가하여 진동자(2)에 정전기력을 인가한다. 그러면 진동자(2)는 양측의 가동전극(4)의 방향으로 진동을 한다. 이때 외부에서 각속도가 발생하면 진동자(2)는 힘을 받게 된다. 진동자(2)는 좌우방향의 기준진동을 하는 것과 동시에 상하방향의 검지진동을 하게 된다. 진동자(2)가 검지진동을 하게 되면 진동자(2)와 검지전극(6) 사이의 용량변화가 일어나게 된다. 따라서, 진동자(2)와 검지전극(4) 사이의 용량변화를 검지하여 각속도를 검출할 수 있게 된다.

그러나 종래 반도체 각속도센서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

먼저, 반도체 각속도센서를 미세제작함에 있어, 진동자의 면적에 의한 제한조건이 있었다. 또한, 정전용량의 검지 감도를 높이기 위하여 희생층의 두께를 감소시킬 때 공정과의 호환성문제가 있었다. 또한, 정전용량을 검출하기 위한 상/하부전극의 형성에 어려움이 따랐다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 기판과 평행한 평면상에서 가진과 검진이 일어나도록 한 반도체 각속도센서를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 반도체 각속도 센서의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 반도체 각속도 센서의 구성을 보인 개략도,

도 3은 도 2의 X-X′의 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10:실리콘기판 12:탄성보 14:진동자

15:진동자 빗살전극 16:가동전극 17:가동전극의 빗살전극

18:검지빔 20:검지전극

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 반도체 기판, 상기 반도체 기판과 소정간격 이격되도록 탄성빔에 의해 지지되는 진동자, 상기 진동자의 측면에 상호 대칭되도록 마련된 검지빔, 상기 진동자에 기준진동을 일으키기 위한 가동전극, 상기 진동자의 기준진동시 외력이 가해진 경우 상기 반도체 기판과 수평되게 작용토록 하여 상기 외력을 정전용량의 변화량으로 검출하는 검지전극이 마련된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 각속도센서의 구성을 보인 개략도이고, 도 3은 도 2의 X-X'선의 단면도이다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 각속도센서는, 실리콘기판(10), 탄성보(12)로 지지되며 기준진동 및 검지진동을 하는 진동자(14), 진동자(14)에 기준진동을 일으키게 하기 위한 가동전극(16), 진동자(14)와 일체로 형성되며 외부로부터 외력이 가해질경우 코리올리력에 검지진동을 하는 검지빔(18), 검지빔(18)의 검지진동시 정전용량의 변화를 검지하여 외력을 검지하기 위한 검지전극(20) 등으로 구성된다.

전술한 구성부중 진동자(14)는 실리콘기판(10)위에 이격되어 마련되며 탄성보(12)로 지지된다. 또한, 기준진동이 일어나는 방향의 양측면에는 다수의 빗살형전극(15)이 부착되어 마련된다.

그리고 가동전극(16)은 진동자(14)에 기준진동을 일으키게 하기 위하여 마련된 것으로, 이 역시 빗살전극(17)이 부착되어 있다. 따라서, 진동자(14)의 빗살전극(15)과 가동전극(16)의 빗살전극(17)이 상호 교차되도록 설계되므로서 정전력을 높일 수 있도록 하였다.

그리고 검지빔(18)은 진동자(14)의 탄성보(12)가 마련된 측면에 탄성보(12)를 중심으로 양측에 마련되며, 전체적으로 대칭구조를 이루고 있다.

그리고 검지전극(20)은 검지빔(18)의 코리올리력에 의한 검지진동시 발생하는 정전용량의 변화를 검지하기 위한 것으로, 검지빔(18)을 사이에 두고 전극이 각각 마련되며, 또한 기준진동에 의한 검지빔(18)의 위치가 검지전극(20)의 검지범위를 벗어나지 않도록 검지빔(18)의 끝단에서 대략 기준진동시 움직이는 진폭만큼 안쪽으로 설계, 위치된다.

전술한 구성으로 이루어진 반도체 각속도센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.

반도체 각속도 센서는 운동하는 질량에 발생하는 코리올리(Coriolis)힘을 측정하여 회전각속도를 검출하는 개념을 이용하는데 이때 구동방향과 감지 방향의 두 공진 모드 이용한다.

즉, 반도체 각속도 센서는 외부에서 가동전극(16)에 전압을 인가하게 되면 가동전극(16)에 부착된 빗살전극과 진동자(14)에 부착된 빗살전극(15)이 상호 정전력에 의하여 정전가진력이 발생하여 진동을 하게 된다. 이때 가동전극(16)에 일정크기의 전압을 계속적으로 인가하게 되면 진동자(14)는 기준진동을 일으키게 된다.

따라서, 진동자(14)의 기준진동에 따라 진동자(14)에 대칭적으로 위치한 내개의 검지빔(18) 역시 진동자(14)와 같은 방향으로 기준진동을 일으키게 된다. 이때 검지전극(20)에서는 정전용량의 변화가 나타나지 않는다. 이는 기준진동시 검지빔(18)의 운동방향이 검지전극(20)의 사이에서 직선운동을 하기 때문이다.

이후, 외부로부터 각속도가 인가되면 기준진동을 일으키던 진동자(14) 및 검지비빔에 코리올리힘이 발생된다. 즉, 기준진동중이던 검지빔(18)에 코리올리력이 발생되면 기준진동과 직각방향으로 코리올리력에 의한 검지진동이 발생하게 된다. 따라서, 검지전극(20) 사이에 위치한 검지빔(18)은 코리올리력에 의한 진동으로 정전용량 변화를 일으키고, 검지전극(20)은 정전용량의 변화를 검지하므로서 각속도를 측정하게된다. 즉, 코리올리력은 기준진동에 대해 직각방향으로 나타나기 때문에 종래 반도체 각속도센서에서는 기준진동과 직교 되는 상하방향의 진동에 의한 정전용량변화를 측정하여 외력인 각속도를 측정함에 반하여, 본 발명에 따른 반도체 각속도 센서는 기준진동과 같은 평면상에서 기준진동과 직교되는 좌우방향의 진동에 의하여 정전용량변화를 측정하여 외력인 각속도를 측정하도록 설계되었다. 따라서, 종래의 상/하부전극이 생략할 수 있어 제조공정의 단순화를 꾀할 수 있게 되었다.

그리고 외력인 각속도를 측정하기 위한 검지전극(20)은 4개로 마련되는데 이는 검지감도를 높이기 위하여 브릿지회로를 구성도록 하기 위함이다.

그리고 도 3은 도 2의 X-X'선의 단면도로서, 종래 반도체 각속도센서와는 달리 정전용량을 검출하기 위한 상/하부전극이 없고, 대신 코리올리력에 의하여 진동하는 검지빔(18)을 중심으로 좌우에 검지전극(20)이 마련된다.

그밖에 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러가지로 변경하여 실시할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 상/하부전극을 생략할 수 있어 반도체를 미세제작함에 있어 효과가 있고, 또한 공정 및 구조를 단순화시킬 수 있어 경제적효과를 극대화 시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상면에 이격 설치되며 그 측면 양측에 대칭적으로 콤브 형상의 전극이 형성된 진동자와, 상기 진동자를 양측에서 지지하며 상기 실리콘 기판과 일체로 형성된 탄성빔과, 상기 탄성빔에 의해 지지된 상기 진동자를 기준진동시킬 수 있도록 상기 콤브 형상의 진동자와 대향되게 콤브 형상의 가동전극을 구비한 반도체 각속도 센서에 있어서,

   외력 작용시 상기 진동자의 기준진동과 직각방향으로 진동이 발생하도록 상기 진동자의 기준진동 방향으로 설치되되 상기 진동차와 일체로 형성된 가동전극과,

   상기 가동전극에 외력 작용시 그 진동에 따른 정전용량의 변화를 검출할 수 있도록 상기 가동전극이 그 내측에 위치하도록 마련된 검지전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 각속도 센서.

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