KR101145999B1 - 변환기 및 변환기 제조 방법 - Google Patents

변환기 및 변환기 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 언밸런스 프루프 매스(unbalanced proof mass)(51)를 포함하고, 적어도 2개의 상호 직교하는 방향에서의 가속을 감지하는 변환기가 제공된다. 프루프 매스(51)는 동일하지 않은 매스를 가지는 제1(65) 및 제2(67) 대향면을 가진다.
프루프 매스, 변환기, 가속도계

Description

변환기 및 변환기 제조 방법{TRANCEDUCER AND METHOD FOR MAKING A TRANSDUCER}
본 발명은 전반적으로 미세전기기계센서(microelectromechanical sensor, MEMS)에 관한 것으로, 보다 구체적으로 프루프 매스(proof mass)를 포함하는 변환기(transducer)에 관한 것이다.
변환기는 우주선, 항공기, 지상 기지 소속 운송 수단 또는 핸드핼드(handheld) 장치와 같은 장치의 가속 또는 방위를 감지하는 관성 비행 시스템에 있어서 유용하다. 이들은 운송 장치에도 이용되어 충격을 감지하고 승객을 보호하기 위한 다양한 장치들(예컨대, 자동차의 에어백)을 이용한다. 변환기는 가속 또는 1, 2 또는 3 축 또는 방향을 따른 다른 현상을 감지할 것을 요구할 수 있을 것이다. 이러한 정보로부터, 장치의 이동 또는 방위가 확인될 수 있다.
변환기의 크기 및 비용을 감소시키려는 계속되는 노력에서 다양한 감지 장치들이 제안되었다. 특히 가속도계로 기능하는 이러한 많은 장치들은 용량성 구조를 포함하며, 이들 몇몇은 반도체 제조 기술 및/또는 벌크 미세기계가공(micormachining)을 이용하여 구성된다. 이러한 용량성 구조들은 통상적으로 컴플라이언트 서스펜션(compliant suspension)에 의해서 기판상에 탑재되는, 도핑된 실리콘 등으로 형성되는 적어도 하나의 용량성 평판으로 구성된다. 이 평판은, 기판의 평면에 평행하게 위치되며, 기판 상에 장착된 고정된 구조들과 함께 캐패시턴스를 형성한다. 평판이 가속에 의해서 이동하는 때에, 평판 및 이들 고정된 구조들 사이의 캐패시턴스가 변화한다. 그 후에, 이러한 변화가 장치의 전자 회로에 의해서 감지되어 가속을 나타내는 신호로 변환된다.
도 1 및 2는 전술한 타입의 종래 기술의 용량성 가속도계(111)의 일 예를 도시한다. Z축 가속(즉, 장치의 주 평면에 수직인 가속)을 감지하는 가속도계는 시소 타입 구성의 비틀림 스프링 플렉셔(torsional spring flexure)(115)에 의해서 매달린 프루프 매스 평판(a proof mass plate)(113)을 포함한다. 이러한 프루프 매스는 "무거운" 단부(116)상에 존재하는 추가적인 매스(mass)에 기인하여 "언밸런스(unbalanced)"이다. 프루프 매스 평판은 기판(123)에 부착되는 중심 앵커(anchor)(121)에 의해서 지지된다(도 2 참조). 장치가 Z축을 따른 가속을 겪는 경우에, 프루프 매스는 서스펜션에 의해서 정의되는 플렉셔 축 근방에서 회전한다(또는 기울어진다). 장치가 겪고 있는 가속의 양에 비례하는 결과적인 운동은 프루프 매스 아래에 위치한 용량성 센서 평판(117,119)에 의해서 측정되고, 가속을 나타내는 전자 신호로 변환된다. 이러한 장치에서는 Z축 가속을 겪는 때에 밸런스 프루프 매스가 기울지 않고, 따라서 가속을 올바르게 감지하지 않기 때문에 언밸런스 프루프 매스의 이용이 요구된다.
도 1 및 2에 도시된 장치는 Z축만을 따른 가속을 감지하는 단일 축 가속도계이다. 그러나, 다수의 축들을 따른 가속을 감지하는 가속도계가 본 기술 분야에 공지되어 있다. 이러한 장치 중 하나가 도 3에 도시되어 있다. 여기에 도시된 장치는 장치의 2개의 수직하는 평면 축들을 따른 가속을 감지하는 XY 이동 가속도계(231)이다. 이러한 가속도계는 감지 핑거(finger)의 제1(241) 및 제2(243) 세트에 의해서 프레임(237)에 부착되는 중심 매스(235)를 포함하는 프루프 매스 평판(233)을 포함한다. 감지 핑거의 제1 및 제2 세트는 서로 수직한 배열로 배치된다. 프레임은 일련의 컴플라이언트 스프링들(complaint spring)(247)에 의해서 부착된 다수의 앵커(245)에 의해서 지지된다. 2개의 직교 감지 축을 따른 유사한 크기의 가속을 감지하도록 설계된 이러한 타입의 구조에서, 스프링(247)은 X 및 Y 방향에서 유사한 강도를 가질 것이다.
도 3에서, 각각의 감지 핑거(241)는 2개의 세트의 고정 핑거(251,252)에 의해서 각각 둘러싸인다. 유사하게, 각각의 감지 핑거(243)는 기판에 고정된 2개의 세트의 고정 핑거(253,254)에 의해서 각각 둘러싸인다. 프루프 매스가 Y 방향으로 이동하는 때에, 이동 핑거(241) 및 고정 핑거(251,252) 사이의 용량은 변한다. 유사하게, 프루프 매스가 X 방향으로 이동하는 때에, 이동 핑거(243)와 고정 핑거(253,254) 사이의 용량은 변한다. 장치에는 이러한 용량 변화를 X 및 Y 축을 따른 가속을 나타내는 신호로 변환하는 전자 회로가 제공된다.
전술한 가속도계는 단일 축 또는 이중 축 장치로서 제조된다. 그러나, 몇몇 응용은 3개의 상호 수직인 축들을 따른 가속을 감지하는 능력을 요구한다. 이것은 몇몇 경우에는 도 1에 도시된 타입의 3개의 가속도계를 이용하고, 이들을 그 감지 축들이 상호 간에 수직하는 구성으로 배치함으로써 달성되었다. 그러나, 이러한 구성으로부터 얻어지는 최종 패키지는 각각의 가속도계가 그 감지 축이 다른 가속 도계의 감지 축과 수직이 되도록 위치하여야 하기 때문에 본질적으로 부피가 크다. 따라서, 전체 패키지가 하나의 평면 장치로서 형성될 수 없다.
3개의 축을 따른 가속을 감지하며, 전술한 3개 축의 가속도계 설계보다 컴팩트한 몇몇 변환기 또한 제안되었다. 이러한 변환기의 일 예가 도 7 및 8에 도시되어 있다. 여기에 도시된 구성에서, 중간층(32)은 전형적으로 X 및 Y 축을 따른 가속을 감지하기 위하여 용량성 평판(30)을 구비한 단일 프루프 매스의 역할을 한다. 도 7 및 8의 장치는 몇몇 관점에서 도 3의 장치와 유사하나, 프루프 매스(32) 위에 위치한 추가적인 평판(40,43) 및 기판(11) 상에 탑재되고 프루프 매스 아래에 위치하며 프루프 매스에 용량적으로 결합된 일련의 도전체들(23,24,26,27)을 가진다. 이러한 타입의 장치에서 Z 축(즉, 기판의 주면에 수직인 방향)을 따른 가속은 프루프 매스(30)와 평판 상부(40-43) 대 하부(23,24,26,27) 사이의 차분 용량을 측정함으로써 감지된다. x-y 평면(즉, 기판의 주면의 평면)으로의 가속은 프루프 매스와 그 아래의 적절한 평판(즉, 13과14 대 18과19, 16과17 대 21과22) 사이의 차분 중첩 용량을 측정함으로써 감지된다.
도 7 및 8에 도시된 변환기가 본 기술 분야에서 상당한 진보를 이루었으며, 전체 패키지의 크기의 감소를 달성하였지만, 그 구성은 "3층" 프로세스 흐름을 요구한다. 이러한 어구는 장치에 존재하는 감지 캐패시터 평판을 제조하는 데에 사용되거나 제조 프로세스에 의해서 요구되는 도전성 물질(전형적으로 도핑된 폴리실리콘)의 층의 수를 일컫는다. 특히, 도 7 및 8의 장치는 각각 프루프 매스(32), 일련의 도전체들(23,24,26,27) 및 평판(40,41)을 위한 하나의 도전층을 요구한다. 대조적으로, 도 1 및 2에 도시된 가속도계는 "2층" 프로세스 흐름에 의해서 제조될 수 있을 것이다. 특히, 이들 장치에서, 하부 평판(117,119)은 제1 도전층으로부터 형성되며, 프루프 매스(113)는 제2 도전층으로부터 형성된다. 2층 프로세스 흐름과 비교하면, 3층 프로세스 흐름은 적어도 2개의 추가적인 마스킹(masking) 단계를 요구한다는 점에서 덜 바람직하다. 결론적으로, 3층 프로세스에 의해서 제조되는 장치들은 2층 프로세스에 의해서 제조된 필적할만한 장치들에 비해서 제조하기에 보다 고가이며, 보다 낮은 수율을 가진다.
또한, 3층 프로세스 흐름에 의해서 제조되는 변환기는 전형적으로 2층 프로세스 흐름에 의해서 제조되는 변환기보다 패키징 스트레스 및 도전층 스트레스 변화율에 보다 민감하다. 이러한 효과는 특히 장치의 Z축 출력에 있어서 문제가 된다. 이는 기판(129)상에 지지되는 상부(123), 중간(125) 및 하부(127) 층들을 포함하는 통상적인 3층 장치(121)를 도시하는 도 9로부터 이해될 수 있을 것이다. 중간층(125) 및 상부층(123)은 기판(129)의 수 마이크론 위에 지지되며, 따라서 장치가 기판의 평면상의 축들을 따른 변형(strain)에 놓일 때에 변경되는 경향을 띤다. 이러한 변형(strain)은 통상적으로, 예컨대 열적 싸이클링 동안에 직면하게 된다. 추가적으로, 도전층(123,125)에서의 스트레스 변화율 또한 이들 층들의 변경(만곡)에 기여한다. 상부층의 변형은 상부 및 중간 층들 사이의 용량(131)을 변경시키며, 따라서 장치의 Z축 출력을 변화시킨다. 패키징 스트레스는 변환기 다이(die)를 엘라스토머(elastomer)로 피복함으로써 감소될 수 있다(종종 "돔 피복(dome coat)"으로 불림). 그러나, 이러한 피복은 제조 프로세스를 복잡하게 한다.
따라서, 본 기술 분야에서는 다수의 축들을 따라 감지할 수 있는, 2층 프로세스 흐름에서 평면 구조로서 제조될 수 있으며, 패키징 스트레스 및 도전층 스트레스 변화율에 덜 민감하며, 돔 피복 또는 패키징 스트레스를 감소시키도록 의도된 다른 피쳐를 요구하지 않는, 컴팩트한 단일 다이 변환기에 대한 요구가 존재하게 된다.
본 발명의 한 측면에서, 언밸런스 프루프 매스를 포함하며, 적어도 2개의, 바람직하게는 3개의 상호 직교하는 방향으로의 가속을 감지하는 변환기가 제조된다. 이러한 변환기는 바람직하게 모든 3개의 축들에 따르는 서스펜션으로 기판에 탑재되는 단일 프루프 매스 및 프루프 매스 아래의 기판 상에 탑재되는 2 이상의 도전성 평판들을 포함한다. 프루프 매스는 바람직하게 제1 축을 따라 정렬된 감지 핑거의 제1 세트와, 제2축을 따라 정렬된 감지 핑거의 제2 세트를 포함하며, 제1 측과 제2 축은 직교한다. 제1 및 제2 세트 내의 각각의 감지 핑거는 전형적으로 기판에 고정적으로 부착되는 2개의 평행한 핑거들에 의해서 둘러싸인다. 감지 핑거의 제1 및 제2 세트는 적어도 2개의 대칭 평면을 가지며, 보다 바람직하게는 적어도 4개의 대칭 평면을 가지는 배열로 위치한다. 도전성 평판들이 감지 핑거들의 제1 및 제2 세트와 동일한 대칭 평면에 배열되며, 기판이 적어도 2개의 대칭 평면들을 가지는 장치 내에 위치한 컴플라이언트 스프링에 탑재되며, 프루프 매스가 2개의 하부 평판들 사이의 대칭 라인에 대하여 비대칭적인 것 또한 바람직하다. 변환기 내의 감지 핑거들의 제1 및 제2 세트는 제1 평면에 평행한 종축들을 가지며, 상기 2개의 상호 직교하는 방향 중 하나는 상기 제1 평면에 수직이다. 변환기의 프루프 매스는 내부에 배치된 다수의 감지 핑거들을 가지는 중심점 및 동일하지 않은 매스를 가지는, 중심점에 인접하는 대향면들을 가진다. 대향면들은 바람직하게 동일하지 않은 치수를 가진다. 변환기는 프루프 매스 아래에 위치하며, 제1 평면에 수직인 축을 따른 프루프 매스의 운동을 검출하는 제1 및 제2 용량성 평판들을 더 포함할 수 있을 것이다.
다른 측면에서, 제1 및 제2 상호 직교 축들을 따른 가속을 감지하는 핑거들의 제1 및 제2 세트를 가지는 프루프 매스와, 상기 제1 및 제2 축들에 직교하는 제3 축을 따른 가속을 감지하는 제1 및 제2 용량성 평판들과, 상기 프루프 매스를 위한, 각각 스프링에 의해서 상기 프루프 매스에 부착되는 다수의 앵커들을 포함하는 가속도계와 같은 변환기가 제공되며, 상기 프루프 매스의 무게는 앵커들에 의해서 비대칭적으로 지지된다. 제1 및 제2 평판들은 전형적으로 프루프 매스의 (수직으로) 동일한 면 상에 위치하며, 기판 상에 지지되며, 상기 제1 및 제2 축들에 수직인 방향에서의 가속을 용량적으로 감지한다.
또 다른 관점에서, 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판 상에 제1 도전층을 피착하는 단계와, 상기 제1 도전층을 패터닝하여 내부에 제1 및 제2 용량성 구조를 정의하는 단계와, 상기 제1 도전층 위에 희생층을 피착하는 단계와, 희생층 위에 제2 도전층을 피착하는 단계와, 제2 도전층을 패터닝하여 프루프 매스의 중심이 상기 제1 및 제2 평판에 대하여 비대칭적으로 위치하도록 프루프 매스를 정의하는 단계를 포함하는 변환기를 제조하는 방법이 제공된다. 제1 및 제2 도전층들은 금속을 포함할 수 있을 것이지만, 바림직하게는 폴리실리콘을 포함하며, 제1 및 제2 용량성 구조들은 평판이다. 상기 제1 및 제2 평판들에 대하여 비대칭적으로 위치할 수 있는 프루프 매스는 바람직하게 종축들이 제1 축에 평행한 감지 핑거들의 제1 세트 및 종축들이 제2 축에 평행한 감지 핑거들의 제2 세트를 포함한다. 프루프 매스는 또한 각각의 감지 핑거가 고정 핑거들의 쌍 사이에 위치하는 다수의 고정 핑거들과, 제1 및 제2 용량성 구조들 위에 프루프 매스를 지지하는 다수의 컴플라이언트 구조들을 바람직하게 포함한다. 변환기는 프루프 매스와 제1 및 제2 용량성 구조들 사이의 용량을 측정함으로써 기판에 수직인 방향에서의 가속을 감지하는 가속도계일 수 있을 것이다. 바람직하게, 감지 핑거들의 제1 및 제2 세트들, 다수의 컴플라이언트 구조들 및 다수의 고정 핑거들은 적어도 하나의 평면, 보다 바람직하게는 제2 도전층의 주면에 직교하는 미러 대칭의(mirror symmetry) 적어도 2개의 평면들을 가지는 배열로 배치된다. 이러한 방법은 희생층의 적어도 일부를 제거하여 프루프 매스의 릴리스(release)를 획득하는 단계 또는 프루프 매스의 질량 중심이 상기 제1 및 제2 평판에 대하여 비대칭적으로 위치하도록 프루프 매스의 표면상에 금속을 피착하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 측면들이 아래에서 보다 상세히 기술될 것이다.
도 1은 종래 기술의 Z축 가속도계를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따른 단면도.
도 3은 종래 기술의 XY 가속도계를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 3축 가속도계의 제1 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 도 4에 도시된 타입의 장치에서의 언밸런스 프루프 매스를 나타내는 단순화된 단면도를 도시하는 도면(도 4의 라인 17-17을 따른 보다 상세한 단면도는 도 17에 도시됨).
도 6은 본 발명에 따른 3축 가속도계의 제2 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 3층 프로세스 흐름에 의해서 제조된 종래 기술의 가속도계를 도시하는 도면.
도 8은 도 7의 라인 8-8을 따른 단면도.
도 9는 3층 프로세스 흐름에 의해서 제조된 가속도계에서 패키징 스트레스의 효과를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 가속도계에서 패키징 스트레스의 효과를 도시하는 도면.
도 11 내지 17은 본 발명에 따른 변환기를 제조하는 방법의 일 실시예를 도시하는 도면.
가속도계 또는 변환기를 참조하거나, 이를 제조하는 프로세스 흐름을 참조할 때의 "2층" 및 "3층"이라는 용어는 장치 내에 존재하거나, 제조 프로세스에 의해서 요구되는 감지 캐패시터 평판들을 제조하는 데에 이용되는 도전성 재료(전형적으로 도핑된 폴리실리콘)의 층들의 수를 일컫는 것이다.
본 발명에 따르면, 예컨대 2층 프로세스 흐름으로 제조될 수 있는 가속도계 또는 다른 감지 장치일 수 있는 컴팩트한 단일 다이 변환기가 제공된다. 2층 프로세스 흐름으로부터 제조되는 실시예들은 전형적인 3층 프로세스 흐름보다 구현하기에 용이하며 보다 저가이다. 더욱이, 결과적인 변환기는 제3 도전층으로부터 패키징 스트레스 감도에 영향을 미치지 않는다. 변환기는 2 이상의 상호 직교하는 축들을 따라 감지할 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명에 따라 제조되는 변환기(51)의 일 실시예를 도시한다. 이러한 장치는 Y 감지 핑거들(57) 및 X 감지 핑거들(59)에 의해서 프레임(55)으로부터 지지되는 중심 매스(53)를 포함한다. 차례로, 프레임이 바람직하게 3개의 상호 직교하는 방향에 따르는 일련의 스프링들(63)에 의해서 다수의 앵커들(61)에 부착된다. 앵커들은 다이 또는 다른 기판(75)에 탑재된다(도 5 참조). 각각의 Y 감지 핑거들(57)은 2 쌍의 고정 핑거들(66,68)에 의해서 둘러싸인다. 유사하게, 각각의 X 감지 핑거(59)는 2개의 고정 핑거들(62,64)에 의해서 둘러싸인다. 변환기가 X 축을 따른 가속을 겪는 때에, X 감지 핑거들(59)과 인접하는 고정 핑거들(62,64) 사이의 거리는 변하며, 이리하여 이들 핑거들 사이의 용량을 변화시킨다. 이러한 용량의 변화는 감지 회로(도시되지 않음)에 의해서 기록되며, 이러한 축을 따르는 가속을 나타내는 출력 신호로 변환된다. Y 축을 따른 가속이 Y 감지 핑거들(57)과 대응하는 고정 핑거들(66,68) 사이의 용량의 변화를 기록함으로써 유사한 방식으로 감지된다.
프레임(55)은 동일하지 않은 매스를 가지는 대향면들(65,67)을 가진다. 이러한 특정한 실시예에서, 이것은 대향면들(65,67)이 본질적으로 두께와 폭은 동일 하나 길이가 일정하지 않도록 프레임을 구성함으로써 획득된다. 결론적으로, 면(65)은 면(67)보다 큰 매스를 가져서, (프레임(55) 및 중심 매스(53)를 포함하는)프루프 매스(52)가 Z축을 따른 가속에 응답하여 Y축에 대하여 회전하도록/기울도록 한다. 이러한 가속은 프루프 매스 아래에 위치한 용량성 평판들(71,73)에 의해서 감지된다.
도 4 및 5의 장치에서, Y 감지 핑거들(57), X 감지 핑거들(59), 고정 핑거들(62,64,66,68) 및 스프링(63)은 고르게 배치되며, 이들 요소들의 배열이 미러 대칭의 2개의 평면들을 가지는 방식으로 중심 매스(53)의 대향면들 상에 위치한다. 이러한 대칭은 교차축(cross-axis) 감도의 실질적인 제거를 허용하여 X 및 Y 축을 따른 가속을 감지하는 때에 장치가 각각의 축을 따라 발생하는 가속의 성분만을 감지한다는 점에서 유사하다. 특히, 이러한 대칭성은 하나의 감지 핑거에서 발생하는 각각의 교차축 감도가 다른 감지 핑거에서 발생하는 동일하지만 대향하는 교차축 감도에 의해서 제거되는 효과를 가진다.
본 발명에 따른 프루프 매스의 다양한 다른 구성 또한 가능하다. 이러한 구성의 하나가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 변환기(81)는 감지 핑거들의 제1(87) 및 제2(89) 세트들에 의해서 프레임(85)으로부터 지지되는 중심 매스(83)를 포함한다. 감지 핑거들의 제1 세트(87) 각각은 고정 핑거들(86,88) 사이에 위치한다. 유사하게, 감지 핑거들의 제2 세트(89) 각각은 고정 핑거들(82,84) 사이에 위치한다. 차례로, 프레임은 바람직하게 3개의 상호 직교하는 방향에 따르는 일련의 스프링들(93)에 의해서 지지된다. 각각의 스프링은 앵커(91)에 부착된다. 앵커들(91) 및 고정 핑거들(82,84,86,88)은 다이 또는 다른 기판(도시되지 않음) 상에 탑재된다.
프레임은 동일한 매스를 가지지 않는 대향면들(95,97)을 가진다. 도 4 및 5의 실시예와 마찬가지로, 이것은 대향면들(95,97)이 본질적으로 두께 및 폭은 동일하나 길이가 동일하지 않도록 프레임을 구성함으로써 이루어진다. 결론적으로, 면(95)은 면(97)보다 큰 매스를 가진다. 프루프 매스는 Z축에 따른 가속에 응답하여 Y축에 대하여 기울어진다. 이러한 가속은 프루프 매스 아래에 위치한 용량성 평판(101,103)에 의해서 감지된다.
도 4 및 5의 변환기는 감지 핑거들의 제1(67) 및 제2(69) 세트, 고정 핑거들(62,64,66,68) 및 스프링들(63)의 배열이 미러 대칭의 2개의 평면을 가지도록 설계된다. 유사하게, 도 6에 도시된 변환기(81)에서, 중심 매스(83)를 지지하는 데에 이용되는 핑거들의 제1(87) 및 제2(89) 세트들, 고정 핑거들(82,84,86,88) 및 스프링들(93)은 미러 대칭의 2개의 평면들을 가지는 배열로 배치된다. 양 배열은 모두 교차축 감도를 효과적으로 제거할 수 있도록 한다.
도 4 및 5에 도시된 실시예에서, 프루프 매스 내의 매스의 배치는 프루프 매스의 한 단부를 다른 단부 보다 크도록 만듦으로써 비대칭적이 된다. 그러나, 유사한 결과가 다른 수단에 의해서도 얻어질 수 있을 것이다. 예컨대, 도 4 및 5의 대향면들(65,67)은 동일한 길이 및 폭을 가지지만 상이한 두께를 가질 수 있다. 이들 면들 중 하나의 매스는 표면에의 추가적인 층들 또는 기판들의 선택적인 추가를 통해서 다른 면의 매스보다 크도록 될 수 있다. 프루프 매스의 무게를 증가시 키는 이러한 기술의 이용은 2003년 4월 29일에 출원되었으며, 대리인 문서 번호 SC12477ZP를 가지며, 본 명세서에서 전체로서 참조되는, 공통적으로 양도되고 함께 계류중인 출원 US 제10/426,148호에 기술되어 있다.
전술된 변환기 설계는 많은 수의 장점을 가진다. 예컨대, 이들 장치들은 전술한 바에 부수하는 장점들을 가지는, 도 1 및 2에 도시된 타입의 단일 축 가속도계 또는 도 3에 도시된 타입의 이중 축 가속도계에 이용되는 동일한 타입의 2층 프로세스 흐름으로 제조될 수 있을 것이다. 더욱이, 이들 변환기들의 컴팩트한 특성은 적절한 ASIC(application specific integrated circuitry)으로 (단일 축 가속도계에 이용되는 것과 유사한)단일의 작은 패키지로 패키징될 수 있도록 한다. 모든 3개의 감지 축들이 동일한 중간 층들을 이용하기 때문에, 단지 하나의 프루프 매스 및 한의 이동 엘리먼트 접합 패드(movable element bond pad)를 요구하는 몇몇 실시예에서 이들 변환기들은 기존의 3축 변환기들보다 덜 복잡할 수 있을 것이다. 대조적으로, 각각의 방향에서 감지하는 데에 개별적인 변환기들을 이용하는 장치에서, 각각의 변환기는 자신의 프루프 매스를 가지며, 자신의 이동 엘리먼트 접합 패드가 제공된다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 변환기들은 본질적으로 구형의 개별적인 변환기들의 3축 장치들보다 제조하기에 비용이 저렴한데, 이는 이들 변환기들이 제조 비용이 단일축 변환기와 동일한 하나의 패키지 장치로서 제조될 수 있기 때문이다. 대조적으로, 구형의 개별적인 변환기들의 3축 장치의 제조 비용은 약 3배이다.
본 명세서에 기술된 설계는 폴리실리콘 스트레스 변화율 및 패키지 스트레스 에 견딜 것이다. 이러한 사실은 도 10을 참조하여 이해될 수 있다. 도시된 변환기(141)는 제1(147) 및 제2(149) 감지 평판들의 형태의 제1 도전층, 제2 도전층(145) 및 기판(151)을 포함한다. 제2 도전층은 제1 감지 평판과 제1 용량(155)을 형성하며, 제2 감지 평판과 제2 용량(153)을 형성한다. 패키지 스트레스는 폴리실리콘의 제2 층이 수직으로 이동할 수 있도록 하는 기판(151)의 평면 (신장(stretching))변형을 야기하며, 이로 인하여 폴리실리콘의 제2 층과 각각의 제1(147) 및 제2(149) 감지 평판들 사이의 간격을 증가시킨다. 그러나, 도 9에 도시된 3층 장치에서 직면한 상황과는 대조적으로, 도 10의 2층 장치에서, 폴리실리콘(145)의 제2 층이 수직으로 이동하는 경우에는 간격에 있어서의 본질적으로 동일한 변화가 양 감지 평판들에서 발생한다. 출력이 용이하게 구현된 감지 회로에 대한 용량들(153,155)의 비에 비례하기 때문에, 이러한 운동의 결과로서 출력 신호에 있어서 아무런 변화도 발생하지 않는다. 유사하게, 제2 도전층(145)에서의 스트레스 변화율은 도 10에 나타난 바와 같이 만곡을 야기한다. 그러나, 제1(147) 및 제2(149) 감지 평판들이 제2 층(145)의 앵커 위치에 대하여 대칭적으로 위치하기 때문에, 제2 도전층(145)에서의 스트레스 변화율로부터 발생하는 만곡의 결과로서의 출력 신호에 있어서 변화가 발생하지 않는다.
본 명세서에 기술된 변환기들은 많은 상이한 제조 루트를 통해서 얻을 수 있다. 이러한 루트 중 하나가 도 11 내지 17에 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 전형적으로 실리콘을 포함하는 기판(75)이 제공된다. 제1 도전성 재료의 제1 도전층(70)이 기판의 주면 상에 피착된다. 몇몇 응 용에 있어서, 제1 도전층의 피착에 앞서, 이러한 층이 이용될 표면이 유전 재료의 하나 이상의 층들로 피복될 수 있을 것이다. 제1 도전층(70)은 바람직하게 (몇몇 응용에 있어서 적절하게 도핑될 수 있는)폴리실리콘을 포함할 수 있을 것이지만, 다른 반도체 재료 또는 다양한 금속들 또한 포함할 수 있을 것이다.
제1 도전층(70)이 피착된 이후에, 마스킹되고, 패터닝되고, 에칭되어(도시되지 않음) 도 12에 도시된 바와 같은 용량성 평판(71,73)을 정의한다. 그 후에, 도 13에 도시된 바와 같이, 희생층(72)이 용량성 평판들 위에 피착된다. 희생층은 바람직하게 PSG(phosphorosilicate glass)이지만, 본 기술 분야에 공지된 다른 적절한 희생 재료들을 포함할 수도 있을 것이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 그 후에 일련의 접촉 개구부들(74,76)이 희생층에 형성되어 스프링 서스펜션 시스템 및 고정 핑거들(62,64)(도 4 참조)을 위한 앵커(61)를 각각 정의한다. 희생층이 PSG인 경우에는 기판(75)에서 에칭 정지 동작을 나타내는 적절한 산화물 에칭에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제2 도전 재료(52)가 개구부들과 희생층(72) 상부에 피착된다. 제2 도전 재료는 바람직하게 (응용에 따라 적절하게 도핑될 수 있는)폴리실리콘을 포함하지만, 다양한 금속들을 포함할 수도 있을 것이다. 보다 바람직하게, 제2 도전성 재료는 층(70)의 제1 도전성 재료와 동일하거나 유사할 수 있을 것이다(도 11 참조). 보다 바람직하게, 제1 및 제2 도전성 재료들은 모두 폴리실리콘일 수 있을 것이다. 제2 도전성 재료(52)는 CVD(chemical vapor deposition) 또는 본 기술 분야에 공지된 다른 적절한 수단을 통해서 피착될 수 있을 것이다.
그 후에, 제2 도전층이 마스킹되고, 패터닝되고, 에칭되어(도시되지 않음) 도 16에 도시된 프루프 매스의 다양한 요소들을 정의한다. 도시된 특정 실시예에서, 이들은 스프링 앵커(61), 고정 핑거들(62,64), 감지 핑거들(59) 및 스프링(63)을 포함한다. 그 후에, 도 4의 라인 17-17을 따른 단면도인 도 17에 도시된 장치를 야기하는 적절한 에칭액을 통한 구조의 릴리스가 획득된다. 희생층이 PSG인 경우에, 에칭액은 바람직하게 수성 HF이다.
상기된 방법에 있어서, 희생층은 바람직하게 PSG를 포함하며, 그 상부의 제2 도전성 재료는 바람직하게 폴리실리콘을 포함한다. 이들 재료의 이용은 구조의 릴리스를 달성하는 데에 이용될 수 있는 수성 HF가 폴리실리콘에 대하여 매우 선택적이라는 점에서 장점을 가진다. 따라서, 스프링 및 고정 핑거들을 위한 앵커들을 정의하는 컨택트(74,76)(예컨대, 도 14 참조)가 폴리실리콘으로 덮여진다면, 그리고 수성 HF가 구조를 릴리스하는 데에 이용된다면, 이들 앵커들의 주위가 잘 정의되고, 에칭 시간 및 HF 농도와 같은 릴리스 프로세스 파라미터에 대하여 비교적 독립적일 것이다.
컴팩트한 3축 단일 다이 변환기 및 그 제조 방법이 제공된다. 그리하여, 2층 폴리실리콘 프로세스 흐름에서 평판한 구조로서 제조될 수 있는 변환기는 3층 프로세스에 의해서 구성되는 변환기보다 제조가 용이하다.
본 발명에 관한 상기 기술은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고서 기술된 실시예에 대한 다양한 추가, 대체 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 해석될 수 있을 것이다.

Claims (42)

  1. 적어도 2개의 상호 직교하는 방향에서의 가속을 감지하도록 적응된 변환기(transducer)로서,
    언밸런스 프루프 매스(unbalanced proof mass)와,
    제1 축을 따라 정렬된 감지 핑거들의 제1 세트
    를 포함하는 변환기.
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  7. 제1항에 있어서,
    상기 변환기는 3개의 상호 직교하는 방향에서의 가속을 감지하도록 적응된 변환기.
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  20. 변환기로서,
    제1 및 제2 상호 직교 축들을 따른 가속을 감지하도록 적응된 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 가지는 프루프 매스와,
    상기 제1 및 제2 축들에 직교하는 제3 축을 따른 가속을 감지하도록 적응된 제1 및 제2 용량성 평판들과,
    상기 프루프 매스에 부착되는, 상기 프루프 매스용의 적어도 하나의 앵커를 포함하고,
    상기 프루프 매스의 무게는 상기 앵커들 및 스프링들에 의해서 비대칭적으로 지지되는 변환기.
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  26. 변환기로서,
    언밸런스 프루프 매스와,
    상기 프루프 매스 아래에 배치되는 제1 및 제2 용량성 평판 - 상기 평판들은 제1 평면에 수직인 축을 따르는 상기 프루프 매스의 이동을 검출하도록 적응됨 -과,
    제1 축을 따라 정렬된 감지 핑거들의 제1 세트
    를 포함하는 변환기.
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  29. 변환기의 제조 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판 상에 제1 도전층을 피착하는 단계와,
    상기 제1 도전층을 패터닝하여 제1 및 제2 용량성 구조체를 그 내부에 규정하는 단계와,
    상기 제1 도전층 위에 희생층을 피착하는 단계와,
    상기 희생층 위에 제2 도전층을 피착하는 단계와,
    프루프 매스의 질량 중심이 상기 제1 및 제2 용량성 구조체들에 대하여 비대칭적으로 위치하도록 상기 제2 도전층을 패터닝하여, 상기 프루프 매스 및 감지 핑거들을 그 내부에 규정하는 단계
    를 포함하는 변환기 제조 방법.
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