KR101255942B1 - 관성센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 관성센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서(100, 200)는 가요부(135), 가요부(135)에 이동 가능하도록 지지되고, 금속을 포함하는 질량체(125), 가요부(135)를 지지하는 포스트(145), 질량체(125)를 구동시키거나 질량체(125)의 변위를 감지하는 압전소자(140) 및 가요부(135), 질량체(125) 및 포스트(145)를 둘러싸는 패키지(170)를 포함하고, 금속의 용융점은 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮고, 패키지(170)에 구비되는 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 관성센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 관성센서는 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 관성센서는 가속도와 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 관성센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출할 수 있는 것이다.
구체적으로, 관성센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴톤의 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.
상술한 방식으로 가속도와 각속도를 측정하기 위해서, 종래기술에 따른 관성센서는 일본등록특허공보 제4216525호에 개시된 바와 같이, 다이아프램(diaphragm) 등의 가요성 멤브레인(Membrane)에 질량체를 접착시킨 구성을 채용한다.
하지만, 종래기술에 따른 관성센서는 질량체가 실리콘으로 형성되므로, 상대적으로 밀도가 낮아 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, 信號對雜音比)가 작고, 그에 따라 감도가 떨어지는 문제점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 질량체의 밀도를 증가시켜야 하지만, 아직까지 질량체의 밀도를 증가시키면서도 정밀한 공정으로 관성센서를 제작할 수 있는 방안이 없는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 질량체를 밀도가 높은 금속으로 형성하여 감도를 향상시키면서도, 질량체의 융용점이 압전소자의 퀴리온도보다 낮아 압전소자의 손상을 방지할 수 있고, 질량체의 용융점이 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높아 질량체가 용융되는 것을 방지할 수 있는 관성센서의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관성센서는 가요부, 상기 가요부에 이동 가능하도록 지지되고, 금속을 포함하는 질량체, 상기 가요부를 지지하는 포스트, 상기 질량체를 구동시키거나 상기 질량체의 변위를 감지하는 압전소자 및 상기 가요부, 상기 질량체 및 상기 포스트를 둘러싸는 패키지를 포함하고, 상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 패키지에 구비되는 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압전소자는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 솔더인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 주석(Sn)과 납(Pb)으로 형성된 솔더이고, 상기 솔더의 용융점은 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량체에는 계면층이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 관성센서는 가요부, 상기 가요부에 이동 가능하도록 지지되고, 금속을 포함하는 질량체, 상기 가요부를 지지하는 포스트, 상기 질량체를 구동시키거나 상기 질량체의 변위를 감지하는 압전소자 및 상기 가요부, 상기 질량체 및 상기 포스트를 둘러싸는 패키지에 구비되고, 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 포함하고, 상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 SMT용 연결부에 전기적으로 연결된 메인보드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관성센서의 제조방법은 (A) 베이스 기판의 일면에 압전소자를 형성하는 단계, (B) 베이스 기판의 타면에 제1 오목부를 형성하는 단계, (C) 상기 제1 오목부에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체를 형성하는 단계, (D) 상기 질량체 외측의 상기 베이스 기판의 타면에 함몰된 제2 오목부를 형성하여, 상기 베이스 기판 중 상기 제2 오목부의 상부에 가요부를 형성하는 단계 및 (E) 상기 베이스 기판을 패키지로 둘러싸고, 상기 패키지에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압전소자는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 솔더인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 주석(Sn)과 납(Pb)으로 형성된 솔더이고, 상기 솔더의 용융점은 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (C) 단계 이전에, 상기 제1 오목부에 계면층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 제조방법은 (A) 베이스 기판의 일면에 압전소자를 형성하는 단계, (B) 베이스 기판을 관통하는 관통부를 형성하는 단계, (C) 상기 관통부에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체를 형성하는 단계 및 (D) 상기 질량체 외측의 상기 베이스 기판을 관통하도록 패터닝한 가요부를 형성하는 단계, (E) 상기 베이스 기판을 패키지로 둘러싸고, 상기 패키지에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압전소자는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 솔더인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속은 주석(Sn)과 납(Pb)으로 형성된 솔더이고, 상기 솔더의 용융점은 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (C) 단계 이전에, 상기 관통부에 계면층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 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, 밀도가 상대적으로 높은 금속으로 질량체를 형성함으로써, 감도를 향상시킬 수 있고, 브라운 노이즈(Brownian Noise)를 감소시켜 신호대비잡음비를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 질량체를 형성하는 금속의 용융점이 압전소자의 퀴리온도보다 낮으므로, 질량체를 형성할 때 압전소자가 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 질량체를 형성하는 금속의 용융점이 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높으므로, SMT용 연결부를 형성할 때 질량체가 용융되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관성센서의 단면도;
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 단면도;
도 3 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 단면도;
도 9 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 단면도; 및
도 15는 주석(Sn)과 납(Pb)으로 이루어진 솔더의 납(Pb)의 함량에 따른 용융점의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 단면도;
도 3 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 단면도;
도 9 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 단면도; 및
도 15는 주석(Sn)과 납(Pb)으로 이루어진 솔더의 납(Pb)의 함량에 따른 용융점의 변화를 나타낸 그래프이다.
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. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관성센서의 단면도이다.
도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 가요부(135), 가요부(135)에 이동 가능하도록 지지되고, 금속을 포함하는 질량체(125), 가요부(135)를 지지하는 포스트(145), 질량체(125)를 구동시키거나 질량체(125)의 변위를 감지하는 압전소자(140) 및 가요부(135), 질량체(125) 및 포스트(145)를 둘러싸는 패키지(170)를 포함하고, 금속의 용융점은 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮고, 패키지(170)에 구비되는 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기 가요부(135)는 판상으로 형성되어 질량체(125)가 변위를 일으킬 수 있도록 탄성을 갖는다. 즉, 가요부(135)는 포스트(145)에 지지되어, 질량체(125)에 변위가 발생하면, 질량체(125)의 변위에 대응하여 탄성변형하는 것이다. 또한, 가요부(135)는 예를 들어 SOI(silicon-on-insulator) 기판에 함몰된 제2 오목부(130)를 형성함으로써, 상대적으로 얇아진 부분일 수 있다.
상기 질량체(125)는 가요부(135)에 이동 가능하도록 지지되는 것으로, 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하고, 압전소자(140)에 의해서 구동될 수 있다. 또한, 질량체(125)는 금속을 포함하고, 구체적으로는 금속을 용융시켜 형성할 수 있다. 이와 같이, 질량체(125)를 금속으로 형성하면, 질량체(125)의 밀도가 높아져 관성센서(100)의 감도를 향상시킬 수 있고, 브라운 노이즈를 감소시켜 신호대비잡음비를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 이때, 질량체(125)를 형성하는 금속으로는 접합성이 뛰어나고, 가격이 저렴한 솔더를 이용할 수 있다.
추가적으로, 질량체(125)에는 계면층(160)이 형성될 수 있다. 여기서, 계면층(160)은 금 도금층 등으로 형성하는 것으로, 제조공정 중 젖음성(Wettability)을 향상시키는 역할을 하는 것으로 제조공정에서 상세히 설명하도록 한다.
상기 포스트(145)는 가요부(135)를 지지하는 것으로, 질량체(125)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해준다. 즉, 포스트(145)는 가요부(135)를 지지하여, 질량체(125)에 변위가 발생하면 질량체(125)의 변위의 기준이 된다. 또한, 포스트(145)는 예를 들어 SOI 기판에 제2 오목부(130)를 형성한 후, 제2 오목부(130)의 외측에 잔존하는 부분일 수 있다.
상기 압전소자(140)는 질량체(125)를 구동시키거나 질량체(125)의 변위를 감지하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 압전소자(140)에 전압을 인가하면 압전소자(140)가 팽창 및 축소되는 역압전효과를 이용하여, 질량체(125)를 구동시킬 수 있다. 또한, 압전소자(140)에 응력이 가해지면 전위차가 발생하는 압전효과를 이용하여, 질량체(125)의 변위를 감지할 수 있다. 이와 같이, 압전소자(140)로 질량체(125)를 구동시키거나, 질량체(125)의 변위를 감지하기 위해서, 압전소자(140)에 연결되는 배선층(미도시됨)이 형성될 수 있다. 또한, 압전소자(140)로는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2) 등을 이용할 수 있다.
한편, 가요부(135)가 질량체(125)의 변위에 대응하여 탄성변형하므로, 압전소자(140)는 가요부(135)에 배치하는 것이 바람직하지만, 반드시 압전소자(140)가 가요부(135)에 배치되어야 하는 것은 아니고, 일부가 질량체(125) 또는 포스트(145) 상에 배치될 수 있음은 물론이다.
상기 패키지(170)는 가요부(135), 질량체(125), 포스트(145) 및 압전소자(140) 등을 외부의 충격으로부터 보호하기 위해서, 가요부(135), 질량체(125) 및 포스트(145)를 둘러싸는 것이다. 여기서, 패키지(170)는 몰드 머신(Mold Machine)에서 몰딩 공정을 수행한 후에, 오븐(Oven)에서 PMC(Post Mold Cure) 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
상기 SMT용 연결부(175)는 패키지(170) 내부의 배선과 인쇄회로기판(PCB) 등의 메인보드(180, Mainboard)를 전기적으로 연결하는 역할을 하는 것으로, 패키지(170)의 외부에 구비된다. 여기서, SMT용 연결부(175)는 솔더로 형성할 수 있고, 통상 솔더볼이라고 정의되기도 한다.
한편, 질량체(125)를 형성하는 금속은 용융점이 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮고, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더보다 높다. 즉, 압전소자(140)의 퀴리온도, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점 순으로 낮아진다. 이는 관성센서(100)가 압전소자(140)→질량체(125)→SMT용 연결부(175) 순으로 형성하므로, 질량체(125)를 형성할 때 압전소자(140)가 손상되거나, SMT용 연결부(175)를 형성할 때 질량체(125)가 용융되는 것을 방지하기 위한 것이다.
예를 들어, 압전소자(140)가 PZT일 때, 압전소자(140)의 퀴리온도는 350℃ 내지 400℃이므로, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점은 350℃ 보다 낮아야 한다. 다만, 이는 예시적인 것으로, 만약 압전소자(140)가 PZT 이외의 물질이라면, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점은 PZT 이외의 물질의 퀴리온도보다 낮아야 함은 물론이다.
또한, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점은 SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높아야 하는데, 질량체(125)를 형성하는 금속으로 접합성이 뛰어나고, 가격이 저렴한 솔더를 이용할 수 있다. 이 경우, 질량체(125)와 SMT용 연결부(175) 모두 솔더로 형성되지만, 솔더는 성분비에 따라 용융점을 조절할 수 있으므로, 질량체(125)를 형성하는 솔더의 용융점을 SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높일 수 있다. 도 15는 주석(Sn)과 납(Pb)으로 이루어진 솔더의 납(Pb)의 함량에 따른 용융점의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 15를 참조하면, 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 대략 63% : 37% 일때 가장 낮은 용융점인 공융온도(대략 183℃)를 갖고, 이외의 비율에서는 공융온도보다 높은 용융점을 갖는다. 따라서, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더는 상대적으로 가장 낮은 용융점을 갖도록 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37% 인 것이 바람직하다. 또한, 질량체(125)를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37% 가 되지 않도록 하여, 용융점을 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않고, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점이 SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높다면, 어떠한 물질이라도 적용할 수 있다.
한편, 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)는 SMT용 연결부(175)에 전기적으로 연결되는 메인보드(180)를 더 포함할 수 있다. 즉, SMT용 연결부(175)를 이용하여 패키지(170) 내부의 배선과 메인보드(180)를 전기적으로 연결하는 것이다. 결국, 패키지(170)는 표면실장기술(Surface Mounting Technology)로 메인보드(180)에 실장된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(200)는 전술한 제1 실시예에 따른 관성센서(100)와 비교할 때, 질량체(125), 가요부(135) 등의 구조가 상이하다. 따라서, 본 실시예는 제1 실시예와 중복되는 부분을 생략하고, 질량체(125), 가요부(135) 등을 중심으로 기술하도록 한다.
본 실시예에 따른 가요부(135)는 외팔보(Cantilever) 형태로 형성되어 질량체(125)가 변위를 일으킬 수 있도록 탄성을 갖는다. 즉, 가요부(135)는 포스트(145)에 지지되어, 질량체(125)에 변위가 발생하면, 질량체(125)의 변위에 대응하여 탄성변형하는 것이다. 또한, 가요부(135)는 예를 들어 SOI 기판를 관통하도록 패터닝하여 형성할 수 있다.
또한, 질량체(125)는 가요부(135)에 이동 가능하도록 지지되는 것으로, 관성력이나 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하고, 압전소자(140)에 의해서 구동될 수 있다. 여기서, 질량체(125)는 금속을 포함하고, 구체적으로는 금속을 용융시켜 형성할 수 있다. 추가적으로, 질량체(125)에는 금 도금층 등의 계면층(160)이 형성될 수 있다.
또한, 포스트(145)는 질량체(125)가 변위를 일으킬 수 있도록 가요부(135)를 지지한다. 즉, 포스트(145)는 가요부(135)를 지지하여, 질량체(125)에 변위가 발생하면 질량체(125)의 변위의 기준이 된다. 여기서, 포스트(145)는 예를 들어 SOI 기판를 관통하도록 패터닝하여 가요부(135)를 형성한 후, 가요부(135)의 외측에 잔존하는 부분일 수 있다.
본 실시예에 따른 관성센서(200) 역시 질량체(125)를 금속으로 형성하여 질량체(125)의 밀도가 높임으로써, 관성센서(200)의 감도를 향상시킬 수 있고, 브라운 노이즈를 감소시켜 신호대비잡음비를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 질량체(125)를 형성하는 금속은 용융점이 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮고, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더보다 높다. 따라서, 압전소자(140)→질량체(125)→SMT용 연결부(175) 순으로 형성하더라도, 질량체(125)를 형성할 때 압전소자(140)가 손상되거나, SMT용 연결부(175)를 형성할 때 질량체(125)가 용융되는 것을 방지할 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(100)의 제조방법은 (A) 베이스 기판(110)의 일면에 압전소자(140)를 형성하는 단계, (B) 베이스 기판(110)의 타면에 제1 오목부(120)를 형성하는 단계, (C) 제1 오목부(120)에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하는 단계, (D) 질량체(125) 외측의 베이스 기판(110)의 타면에 함몰된 제2 오목부(130)를 형성하여, 베이스 기판(110) 중 제2 오목부(130)의 상부에 가요부(135)를 형성하는 단계 및 (E) 베이스 기판(110)을 패키지(170)로 둘러싸고, 패키지(170)에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부(175)를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속의 용융점은 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮고, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)을 준비하는 단계이다. 여기서, 베이스 기판(110)으로는 MEMS(Microelectromechanical Systems) 공정이 용이한 SOI(silicon-on-insulator) 기판을 이용할 수 있다. 이때, SOI 기판은 제1 실리콘층(113), 산화실리콘층(115) 및 제2 실리콘층(117) 순으로 적층되어 형성된다. 다만, 베이스 기판(110)으로 SOI 기판을 이용하는 것은 예시적인 것으로, 베이스 기판(110)이 반드시 SOI 기판일 필요는 없고 실리콘 기판 등 당업계에 공지된 모든 기판을 이용할 수 있다.
다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)의 일면에 압전소자(140)를 형성하는 단계이다. 여기서, 압전소자(140)는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2) 등을 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 압전소자(140)로 질량체(125)를 구동시키거나, 질량체(125)의 변위를 감지하기 위해서, 배선층(미도시됨)을 형성하여 압전소자(140)에 연결할 수 있다.
다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)의 타면에 함몰된 제1 오목부(120)를 형성하는 단계이다. 여기서, 제1 오목부(120)는 마스크를 배치한 후 선택적으로 에칭하여 형성할 수 있다.
다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 오목부(120)에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하는 단계이다. 여기서, 충진물질은 금속 또는 금속과 고분자(또는 고분자 복합재료)의 조합일 수 있다. 제1 오목부(120)에 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하는 과정을 구체적으로 살펴보면, 우선 충진물질을 충진시키기 전에 젖음성(Wettability)을 향상시키기 위해서 제1 오목부(120)에 계면층(160)을 형성할 수 있다. 여기서, 계면층(160)은 금 도금층 등으로 형성할 수 있다. 이후, 금속을 용융시킨 충진물질을 제1 오목부(120)에 충진시킨 후 고화시켜 질량체(125)를 형성한다. 이때, 금속을 용융시키는 온도가 압전소자(140)를 손상하는 것을 막기 위해서, 상기 금속의 용융점은 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮아야 한다.
다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 질량체(125) 외측의 베이스 기판(110)의 타면에 함몰된 제2 오목부(130)를 형성하여, 베이스 기판(110) 중 제2 오목부(130)의 상부에 가요부(135)를 형성하는 단계이다. 여기서, 제2 오목부(130)는 마스크를 배치한 후 선택적으로 에칭하여 형성할 수 있다. 이와 같이, 질량체(125)의 외측에 제2 오목부(130)를 형성하면, 베이스 기판(110) 중 제2 오목부(130)가 형성된 부분의 두께가 얇아지므로, 이를 가요부(135)로 활용할 수 있는 것이다. 또한, 제2 오목부(130) 외측에 잔존하는 베이스 기판(110)의 테두리는 포스트(145)로 활용할 수 있다.
다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)을 패키지(170)로 둘러싸고, 패키지(170)에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부(175)를 형성하는 단계이다. 여기서, 패키지(170)는 베이스 기판(110)을 외부의 충격으로부터 보호하는 것으로, 몰드 머신(Mold Machine)에서 몰딩 공정을 수행한 후에, 오븐(Oven)에서 PMC(Post Mold Cure) 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 또한, 패키지(170)에는 SMT용 연결부(175)를 솔더로 형성한다. 솔더로 SMT용 연결부(175)를 형성할 때, 솔더를 용융시키는 온도에서 질량체(125)가 용융되는 것을 방지하기 위해서, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점은 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점보다 낮아야 한다(즉, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점이 SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높아야 한다). 예를 들어, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더로 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 대략 63% : 37% 인 솔더를 이용하면, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점은 공융온도(대략 183℃)가 되고, 질량체(125)를 형성하는 금속은 상기 공융온도보다 높아야 한다. 특히, 질량체(125)를 형성하는 금속으로 솔더를 이용하는 경우, 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율을 조절하여 상기 공용온도보다 높은 용융점을 갖도록 하여, SMT용 연결부(175)를 형성할 때 질량체(125)가 용융되는 것을 방지한다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 관성센서의 제조방법을 공정순서대로 도시한 단면도이다.
도 9 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 관성센서(200)의 제조방법은 (A) 베이스 기판(110)의 일면에 압전소자(140)를 형성하는 단계, (B) 베이스 기판(110)을 관통하는 관통부(150)를 형성하는 단계, (C) 관통부(150)에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하는 단계 및 (D) 질량체(125) 외측의 베이스 기판(110)을 관통하도록 패터닝한 가요부(135)를 형성하는 단계, (E) 베이스 기판(110)을 패키지(170)로 둘러싸고, 패키지(170)에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부(175)를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속의 용융점은 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮고, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 한다.
우선, 도 9에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)을 준비하는 단계이다. 여기서, 베이스 기판(110)으로는 MEMS(Microelectromechanical Systems) 공정이 용이한 실리콘 기판을 이용할 수 있지만, 반드시 실리콘 기판일 필요는 없고 당업계에 공지된 모든 기판을 이용할 수 있다.
다음, 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)의 일면에 압전소자(140)를 형성하는 단계이다. 여기서, 압전소자(140)는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2) 등을 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 압전소자(140)로 질량체(125)를 구동시키거나, 질량체(125)의 변위를 감지하기 위해서, 압전소자(140)에 연결되는 배선층(미도시됨)을 형성할 수 있다.
다음, 도 11에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)을 관통하는 관통부(150)를 형성하는 단계이다. 여기서, 관통부(150)는 마스크를 배치한 후 선택적으로 에칭하여 형성할 수 있다.
다음, 도 12에 도시된 바와 같이, 관통부(150)에 관통부(150)에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하는 단계이다. 여기서, 충진물질은 금속 또는 금속과 고분자(또는 고분자 복합재료)의 조합일 수 있다. 관통부(150)에 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하는 과정을 구체적으로 살펴보면, 우선 충진물질을 충진시키기 전에 젖음성을 향상시키기 위해서 관통부(150)에 금 도금층 등의 계면층(160)을 형성할 수 있다. 이후, 금속을 용융시켜 관통부(150)에 충진시킨 후 고화시켜 질량체(125)를 형성한다. 이때, 금속을 용융시키는 온도가 압전소자(140)를 손상하는 것을 막기 위해서, 상기 금속의 용융점은 압전소자(140)의 퀴리온도보다 낮아야 한다.
다음, 도 13에 도시된 바와 같이, 질량체(125) 외측의 베이스 기판(110)을 관통하도록 패터닝한 가요부(135)를 형성하는 단계이다. 여기서, 가요부(135)는 마스크를 배치한 후 선택적으로 에칭하여 형성할 수 있다. 이와 같이, 질량체(125)의 외측을 관통하도록 패터닝하면, 외팔보(Cantilever) 형상의 가요부(135)를 형성할 수 있다. 또한, 가요부(135)의 외측에 잔존하는 베이스 기판(110)의 테두리는 포스트(145)로 활용할 수 있다.
다음, 도 14에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)을 패키지(170)로 둘러싸고, 패키지(170)에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부(175)를 형성하는 단계이다. 솔더로 SMT용 연결부(175)를 형성할 때, 솔더를 용융시키는 온도에서 질량체(125)가 용융되는 것을 방지하기 위해서, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점은 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점보다 낮아야 한다. 결국, 질량체(125)를 형성하는 금속의 용융점이 SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점보다 높아야 하는 것이다.
전술한 제1 실시예와 마찬가지로 본 실시예도, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더로 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 대략 63% : 37% 인 솔더를 이용하면, SMT용 연결부(175)를 형성하는 솔더의 용융점은 공융온도(대략 183℃)가 되고, 질량체(125)를 형성하는 금속은 상기 공융온도보다 높아야 한다. 특히, 질량체(125)를 형성하는 금속으로 솔더를 이용하는 경우, 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율을 조절하여 상기 공용온도보다 높은 용융점을 갖도록 하여, SMT용 연결부(175)를 형성할 때 질량체(125)가 용융되는 것을 방지한다.
한편, 본 발명에 따른 관성센서(100, 200)의 제조방법은 정밀한 가공이 가능한 베이스 기판(110, SOI 기판 등)을 에칭한 후, 이를 몰드로 이용하여 질량체(125)를 형성한다. 따라서, 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체(125)를 형성하더라도, 가공오차가 발생하거나 정밀도가 저하되지 않는 장점이 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 관성센서 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100, 200: 관성센서 110: 베이스 기판
113: 제1 실리콘층 115: 산화실리콘층
117: 제2 실리콘층 120: 제1 오목부
125: 질량체 130: 제2 오목부
135: 가요부 140: 압전소자
145: 포스트 150: 관통부
160: 계면층 170: 패키지
175: SMT용 연결부 180: 메인보드
113: 제1 실리콘층 115: 산화실리콘층
117: 제2 실리콘층 120: 제1 오목부
125: 질량체 130: 제2 오목부
135: 가요부 140: 압전소자
145: 포스트 150: 관통부
160: 계면층 170: 패키지
175: SMT용 연결부 180: 메인보드
Claims (20)
- 가요부;
상기 가요부에 이동 가능하도록 지지되고, 금속을 포함하는 질량체;
상기 가요부를 지지하는 포스트;
상기 질량체를 구동시키거나 상기 질량체의 변위를 감지하는 압전소자; 및
상기 가요부, 상기 질량체 및 상기 포스트를 둘러싸는 패키지;
를 포함하고,
상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 패키지에 구비되는 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 압전소자는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)인 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37%인 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속은 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 솔더인 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속은 주석(Sn)과 납(Pb)으로 형성된 솔더이고, 상기 솔더의 용융점은 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 질량체에는 계면층이 형성된 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 가요부;
상기 가요부에 이동 가능하도록 지지되고, 금속을 포함하는 질량체;
상기 가요부를 지지하는 포스트;
상기 질량체를 구동시키거나 상기 질량체의 변위를 감지하는 압전소자; 및
상기 가요부, 상기 질량체 및 상기 포스트를 둘러싸는 패키지에 구비되고, 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부;
를 포함하고,
상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서.
- 청구항 7에 있어서,
상기 SMT용 연결부에 전기적으로 연결된 메인보드;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서.
- (A) 베이스 기판의 일면에 압전소자를 형성하는 단계;
(B) 베이스 기판의 타면에 제1 오목부를 형성하는 단계;
(C) 상기 제1 오목부에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체를 형성하는 단계;
(D) 상기 질량체 외측의 상기 베이스 기판의 타면에 함몰된 제2 오목부를 형성하여, 상기 베이스 기판 중 상기 제2 오목부의 상부에 가요부를 형성하는 단계; 및
(E) 상기 베이스 기판을 패키지로 둘러싸고, 상기 패키지에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 압전소자는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)인 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37%인 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 금속은 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 솔더인 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 금속은 주석(Sn)과 납(Pb)으로 형성된 솔더이고, 상기 솔더의 용융점은 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 (C) 단계 이전에,
상기 제1 오목부에 계면층을 형성하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- (A) 베이스 기판의 일면에 압전소자를 형성하는 단계;
(B) 베이스 기판을 관통하는 관통부를 형성하는 단계;
(C) 상기 관통부에 금속을 포함하는 충진물질을 충진하여 질량체를 형성하는 단계; 및
(D) 상기 질량체 외측의 상기 베이스 기판을 관통하도록 패터닝한 가요부를 형성하는 단계;
(E) 상기 베이스 기판을 패키지로 둘러싸고, 상기 패키지에 솔더로 형성된 SMT(Surface Mounting Technology)용 연결부를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 금속의 용융점은 상기 압전소자의 퀴리온도보다 낮고, 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 압전소자는 PZT(Lead zirconate titanate), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산연(PbTiO3), 니오브산리튬(LiNbO3) 또는 수정(SiO2)인 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율이 63% : 37%인 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 금속은 상기 SMT용 연결부를 형성하는 솔더의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 솔더인 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 금속은 주석(Sn)과 납(Pb)으로 형성된 솔더이고, 상기 솔더의 용융점은 주석(Sn)과 납(Pb)의 공융온도보다 높은 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 (C) 단계 이전에,
상기 관통부에 계면층을 형성하는 것을 특징으로 하는 관성센서의 제조방법.
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