KR101301403B1 - 마이크로기계 가속도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 기판 (1), 하나 이상의 프레임 (2, 2a, 2b) 및 적어도 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 를 포함하며, 하나 이상의 프레임 중 적어도 제 1 프레임 (2, 2b) 은 적어도 하나의 스프링 부재 (3, 3b) 에 의해 기판 (1) 에 직접 또는 간접적으로 현수되고, 적어도 제 1 가속도가 작용할 때 기판 (1) 에 대해 편향되며, 제 1 사이즈믹 질량체는 적어도 하나의 스프링 부재 (7, 7a) 에 의해 제 1 프레임 (2, 2b) 또는 추가의 프레임 (2a) 에 현수되고, 특히 제 1 가속도와 상이한 가속도가 작용할 때 이 프레임 (2, 2a) 에 대해 편향되는, 마이크로기계 가속도 센서에 관한 것이다.

Description

마이크로기계 가속도 센서{MICROMECHANICAL ACCELERATION SENSOR}

본 발명은 제 1 항의 전제부에 따른 마이크로기계 가속도 센서, 제 14 항의 전제부에 따른 가속도 센서 제조 방법, 및 모터 차량에의 가속도 센서의 용도에 관한 것이다.

WO 03/104823 은, 복수의 공간 방향에서 가속도를 검출하는 정전용량식 마이크로기계 가속도 센서를 제안하는데, 이 센서는 서로에 대해 상이하게 배향된 토션 서스펜션을 갖는 복수 개의 사이즈믹 (seismic) 질량체를 포함하고, 이 사이즈믹 질량체는 그의 중력의 중심에 대해 편심으로 각각 현수된다. 이 가속도 센서는 절대값이 비교적 작은 가속도를 검출하는데 비교적 적합하지만, 절대값이 비교적 큰 가속도를 검출하는데는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 적어도 절대값이 상당히 상이한 적어도 2 개의 상이한 가속도를 비교적 정확하게 검출할 수도 있고, 이와 동시에 특히 비교적 비용적으로 효율적인 마이크로기계 가속도 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 제 1 항의 가속도 센서 및 제 14 항의 가속도 센서 제조 방법에 의해 이루어진다.

본 발명은, 편의상 그 자체로 부품 가속도 센서 부재 중 적어도 하나인 적어도 하나의 프레임에 의해 기계적 센서를 적어도 부분적으로 떼어냄으로써 하나의 마이크로기계 센서에서 적어도 2 개의 상이한 부품 가속도 센서 부재를 통합시키는 아이디어에 특히 기초한다.

가속도 센서는, 편의상 기판에 대한 제 1 프레임의 편향의 결과, 절대값으로 25g 를 초과하는 가속도를 비교적 정확하게 검출할 수 있고, 본 명세서에서, 10g 미만인 가속도는, 상기 질량체가 현수되는 프레임에 대해 적어도 제 1 사이즈믹 질량체의 편향의 결과로서 비교적 정확하게 검출될 수 있도록, 구성된다. 특히, 에어백 센서 부품 부재는, 제 1 프레임 및 간접적으로 그 위에 장착되고 현수되는 부품에 의해 제 1 부품 가속도 센서 부재로서 구현되며, 전자 안전성 프로그램 (ESP) 을 위한 제 2 부품 가속도 센서 부재는 제 1 사이즈믹 질량체에 의해 구현된다.

본 발명에 따른 가속도 센서는, 적어도 하나의 프레임에 의해 상이한 방향으로의 본질적으로 연결해제된 검출이 비교적 정확하고 용이하게 추가로 실행될 수 있는 추가의 이점을 갖는다.

기판은, 특히 가속도 센서가 만들어지는 웨이퍼의 본질적으로 비구조 부품인 가속도 센서의 본체 및/또는 캐리어 몸체 및/또는 하우징 부품으로 이해된다. 기판은, 특히 결정질 또는 다결정질 실리콘 또는 반도체 재료 및/또는 금속 (들) 의 하나 이상의 층으로 바람직하게 구성된다.

기판은, 편의상 가속도 센서의 외부 프레임으로서 구현된다.

프레임은, 특히 적어도 3 측에서 하나 이상의 사이즈믹 질량체 또는 추가의 프레임을 둘러싸고, 특히 바람직하게는 본질적으로 직사각형의 내주와 외주를 갖는 개방 및/또는 폐쇄된 프레임으로 이해된다. 특히 더 바람직하게는, 이 프레임은 하나의 평면에 대해 적어도 하나의 사이즈믹 질량체를 적어도 부분적으로 둘러싼다.

스프링 부재는 토션 스프링 부재 또는 벤딩 스프링 부재 또는 가요적이며 비틀림 가능한 스프링 부재인 것으로 바람직하게 이해된다.

적어도 제 1 사이즈믹 질량체는 적어도 하나의 토션 스프링에 의해 제 1 또는 추가의 프레임에 바람직하게 현수되는데, 이러한 토션 스프링은 특히, 병진의 편향에 대해 강성이 되도록 만들어지며, 그 결과 기판 또는 추가의 프레임에 대한 프레임의 편향으로부터 프레임에 대한 사이즈믹 질량체의 편향의 연결해제가 야기된다. 대안으로, 적어도 하나의 사이즈믹 질량체는 바람직하게는 벤딩 스프링에 현수된다.

적어도 하나의 프레임이 적어도 하나의 토션 스프링에 의해 다른 프레임 또는 기판에 현수되는 것이 바람직하다. 특히, 가속도 센서는 적어도 하나의 토션 스프링에 의해 제 1 프레임에 현수되는 추가의 프레임을 가지며, 적어도 하나의 사이즈믹 질량체는 적어도 하나의 다른 토션 스프링에 의해 추가의 프레임에 현수된다. 추가의 프레임은 y 축을 중심으로 그리고 x 축을 중심으로 적어도 하나의 사이즈믹 질량체를 비틀 수 있도록 특히 바람직하게 현수된다. 그 결과, 사이즈믹 질량체는 기판에 대해 전체가 x 축 및 y 축을 중심으로 회전 편향될 수 있다. 사이즈믹 질량체는 그의 중력의 질량 중심에 대해 특히 매우 바람직하게는 편심으로 현수되며, 그 결과 x 방향 및 y 방향으로의 가속도가 검출될 수 있다. 또한, 가속도 센서는, 편의상 이를 위해 적어도 하나의 사이즈믹 질량체에 할당되는 4 개의 전극을 갖는다.

적어도 제 1 사이즈믹 질량체는 그의 중력의 질량 중심에 대해 바람직하게 편심으로 현수된다. 그 결과, 민감한 방향, 즉 가속도가 검출되는 방향은 이 사이즈믹 질량체의 편향 방향과 상이하다.

적어도 제 1 사이즈믹 질량체, 특히 모든 사이즈믹 질량체는 별도의 관련 프레임에 의해 치수가 정해진 평면 외측 및/또는 직각 평행 6면체 (right parallelepiped) 외측에 z 방향으로 놓여지는 중력의 중심을 갖는다. 제 1 사이즈믹 질량체, 또는 각각의 사이즈믹 질량체의 일측, 특히 바람직하게는 하부 측은 z 방향으로 볼록한 설계가 특히 바람직하다. 대안으로 또는 추가적으로, 적어도 제 1 사이즈믹 질량체는, 특히, 직육면체 또는 평행 6면체 또는 원뿔대 (truncated cone) 또는 각뿔대 (truncated pyramid) 의 형태가 되도록 만들어진다.

제 1 프레임은, 제 1 가속도에 의해 야기된 편향이 적어도 제 1 사이즈믹 질량체의 토션 서스펜션의 토션 축에 본질적으로 평행한 방향을 갖도록 바람직하게 현수된다.

기판의 기부 면은 직교 좌표계의 x-y 평면에 평행하게 배향되고, 제 1 프레임은 x 방향 또는 y 방향으로 편향될 수 있도록 기판에 현수되고, 제 1 사이즈믹 질량체는 z 방향으로 적어도 편향될 수 있도록 제 1 프레임 또는 추가의 프레임 상에 현수되고, 가속도 센서는 x-y 평면에 본질적으로 평행하게 배열되며, 판독 장치로서 제 1 사이즈믹 질량체에 할당되는 적어도 2 개의 전극을 갖는 것이 바람직하다. 전극은 z 방향으로 제 1 사이즈믹 질량체 아래 및/또는 위에서 특히 바람직하게 배치된다. 각각의 경우에, 전극중 하나는 x-y 평면에 대해 토션 축의 일측에 특히 바람직하게 배치되며, 다른 전극은 다른 측에 배치된다. 그 결과, 커패시턴스에서의 대향 변화가 검출될 수 있고, 그 결과 오랜시간 변화할 수 있는 절대 커패시턴스가 고려될 필요는 없다. 따라서, 차동 신호 (differential signal) 처리를 실행할 수 있다.

편의상, 전극 중 적어도 하나는 z 방향으로 사이즈믹 질량체 위에 배치되고, 전극 중 적어도 다른 하나는 z 방향으로 사이즈믹 질량체 아래에 배치된다. 이러한 설계는, 특히 x-y 평면에 대해 비교적 작은 영역에서 사이즈믹 질량체와 가속도 센서 또는 가속도 센서의 전극의 구조의 편향의 차동 검출 양자를 허용한다.

가속도 센서는, 편의상 제 1 프레임에 할당되고 이에 연결되는 판독 장치 (들) 로서 적어도 하나의 빗형 구조를 갖는다.

가속도 센서는 서로에 대해 또는 대안으로 균일한 편향 방항 또는 배향으로 대향된 편향 방향 또는 배향을 갖는 적어도 한 쌍의 사이즈믹 질량체를 바람직하게 포함한다. 본 명세서에서, 이러한 편향은 특히 회전 또는 토션 편향이다.

편의상, 적어도 제 1 사이즈믹 질량체 및 제 2 사이즈믹 질량체는 제 1 프레임 또는 추가의 프레임에 각각 현수된다.

가속도 센서는, 특히 본질적으로 x 방향으로만 편향될 수 있도록 기판에 현수되는 제 1 프레임을 포함하고, 가속도 센서는 추가로, 제 1 프레임의 내부 영역에 배치되고 특히 본질적으로 y 방향으로만 편향될 수 있도록 그 위에 현수되는 제 2 프레임을 포함하고, 적어도 하나의 토션 스프링에 의해 제 2 프레임에 현수되며, 특히 본질적으로 z 방향으로만 회전 편향될 수 있는 적어도 하나의 사이즈믹 질량체가 제 2 프레임의 내부 영역에 배치된다. 이러한 설계의 결과, 가속도 센서는 비교적 큰 가속도에 대해 2 개의 방향 그리고, 비교적 작은 가속도에 대해 적어도 한 방향에 민감하다. 이러한 설계는 특히, 조립되어 일체화된 ESP 에어백 가속도 센서에 적합하다. 가속도 센서는 특히 제 2 프레임에 각각 현수되는 4 개의 사이즈믹 질량체가 바람직하고, 제 2 프레임은 외부 프레임 세그먼트와 내부 프레임 세그먼트를 포함하고, 이들 세그먼트는 특히 서로에 대해 일체식으로 연결되며, 각각의 경우에 2 개의 사이즈믹 질량체가 x 축에 대해 본질적으로 평행한 토션 축에 현수되며, 각각의 경우에 2 개의 사이즈믹 질량체는 y 축에 대해 본질적으로 평행한 토션축에 현수된다.

적어도 제 1 사이즈믹 질량체는 적어도 전극에 대향하여 놓여진 그 표면에서 특히 본질적으로 서로에 대해 평행하게 각각 형성되는 트렌치를 갖는다. 이러한 트렌치의 규정된 기하학적 설계는, 이들 트렌치의 개수와 폭에 의해 특히 바람직하게 설정되는 사이즈믹 질량체의 편향의 규정된 제동을 허용한다.

사이즈믹 질량체 또는 프레임이 현수되는 적어도 하나의 스프링 부재 및/또는 사이즈믹 질량체 또는 프레임이 현수되는 적어도 하나의 토션 스프링은, 편의상 적어도 하나의 피에조 센서티브 부재를 갖는다. 적어도 하나의 피에조 센서티브 부재는 특히 피에조 레지스티브 부재 또는 피에조 일렉트릭 부재이다. 피에조 레지스티브 부재는, 본 명세서에서, 하나 이상의 스프링 부재 또는 토션 스프링에 특히 바람직하게 인가되는 적어도 하나의 저항 브리지 (resistance bridge) 를 특히 바람직하게 포함한다. 피에조 센서티브 부재에 의해, 빗형 구조 형태 또는 전극에서 추가의 판독 장치없이 사이즈믹 질량체 또는 프레임의 편향을 검출할 수 있고, 또는 이러한 피에조 센서티브 부재는 정전용량 구조 형태로 판독 장치를 대체할 수 있고, 그 결과, 가속도 센서의 영역 또는 칩 영역은 특히 x-y 평면에서 비교적 작게 유지될 수 있다.

피에조 레지스티브 부재로서 구현된 피에조 센서티브 부재는, 편의상 리소그래피 (lithography) 방법에 의해 제조되고, 국부적으로 실리콘 표면의 도핑으로 제한된다. 통상의 저항값은 한자리수의 (single-digit) kΩ 범위이다.

이에 반해, 피에조 일렉트릭 부재로서 구현된 피에조 센서티브 부재는, 바람직하게는 표면에의 박층의 증착에 의해 구현되고, 후속하여 리소그래피 방법 및 이어서 습식 에칭 또는 건식 에칭 방법에 의해 패턴화된다. 이러한 박막은, 예컨대, 알루미늄 질화물 또는 특히, 납-지르코늄-티타늄 복합 산화물 (PZT) 이며, 특히 바람직하게는 서브마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 두께로 증착된다.

가속도 센서는, 바람직하게는 특히, 공통 기판을 갖는, 2 개의 제안된 가속도 부품 센서를 포함하며, 이들 2 개의 가속도 부품 센서는 본질적으로 서로 직교하게 배치되며, 함께 일체형 가속도 센서를 형성한다.

가속도 센서는, 편의상 모노리딕 (monolithic) 센서로서 구현된다.

가속도 센서는, 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS), 또는 MEMS 모듈로서 구현되며, 이 시스템 또는 모듈은 특히 추가의 MEMS 모듈 및/또는 적어도 하나의 전자 신호 처리 회로에 연결 및/또는 상호작용하는 기계 및 전자 수단을 갖는 것이 바람직하다.

편의상, 적어도 제 1 사이즈믹 질량체가 현수되는 적어도 하나의 토션 스프링을 따르는 토션 축은 사이즈믹 질량체의 별도의 비편향 상태에서 중력의 별도의 질량 중심과 평면의 법선으로서 x 축에 의해 규정된 평면에 놓이지 않는다.

가속도 센서는 바람직하게는 검출되는 하나 이상의 가속도가 작용하는 시스템 또는 관성 시스템에 영구적이거나 강하게 연결된다. 여기서, 이 시스템은 특히 바람직하게는 모터 차량 샤시이다.

본 발명에 따른 가속도 센서는 자동화 기술, 모터 차량 및 항공산업, 특히 각각의 대응하는 제어 시스템에의 사용을 위해 제공된다. 본 발명에 따른 가속도 센서는 특히 바람직하게는 적어도 브레이크 시스템 부품을 포함하는 모터 차량 제어 시스템, 특히 바람직하게는 적어도 조립되어 일체형인 에어백 ESP 가속도 센서에의 사용을 위해 제공된다.

추가의 바람직한 실시형태는 도면을 참조하여 하위 청구범위 및 예시적 실시형태의 하기 설명으로부터 이루어진다.

도면에 있어서, 각각의 경우는 개략적으로 도시된다.

도 1 및 도 2 는 제 1 사이즈믹 질량체 (seismic mass) 만을 갖는 가속도 센서의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 3 은 도 1 및 도 2 의 예시적 가속도 센서의 단면을 도시한다.
도 4 는 z 방향으로 상하에 2 개의 전극이 별도로 할당된 사이즈믹 질량체를 갖는 예시적 실시형태를 도시한다.
도 5 및 도 6 은 2 개의 사이즈믹 질량체의 예시적 실시형태 및 작용 가속도로 인한 이들 사이즈믹 질량체의 예시적 편향을 도시한다.
도 7 은 도 5 및 도 6 의 예시적 실시형태를 평면도로 도시한다.
도 8 및 도 9 는 판독 (reading) 전극에 대향하는 사이즈믹 질량체의 상부측에 규정된 트랜치 (trench) 를 갖는 사이즈믹 질량체의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 10 은 예컨대, 비편향 상태에서 x-y 평면에 대해 움직이지 못하는 질량체를 갖는 사이즈믹 질량체를 도시한다.
도 11 은 그의 중력의 중심에 대해 편심으로 현수된 평탄 설계의 사이즈믹 질량체에 각각 상하로 전극이 할당된 예시적 실시형태를 도시한다.
도 12 및 도 13 은 각각 2 개의 일체형 가속도 부품 센서를 포함하는 예시적 가속도 센서를 도시한다.
도 14 는 편향 가능한 방식으로 현수된 2 개의 프레임과 4 개의 사이즈믹 질량체를 갖는 가속도 센서의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 15 는 판독 장치로서 피에조 센서티브 (piezo sensitive) 부재를 갖는 스프링 부재에 의한 프레임의 예시적 현수를 도시한다.
도 16 은 또한 피에조 센서티브 부재를 갖는 토션 스프링에 의해 현수되는 사이즈믹 질량체의 예시적 실시형태를 도시한다.
도 17 은 토션 스프링에 의해 제 1 프레임 상에 현수된 추가 프레임을 갖는 예시적 가속도 센서를 도시한다.

가속도 센서의 예시적 실시형태는 도 1 의 공간 묘사 및 도 2 의 평면도에 도시되어 있다. 이러한 가속도 센서는 프레임 (1) 으로서 구현된 기판을 포함한다. 기판 프레임 (1) 은 본 명세서에서 직각의 x-y-z 좌표계에 대해 도시된 바와 같이 배향된다. 게다가, 기판 또는 프레임 (1) 은 예컨대, 검출되는 가속도가 주로 작용하는 관성 (inertial) 시스템에 확실히 강하게 직접 또는 간접적으로 연결된다. 기판 프레임 (1) 에서, 제 1 편향 가능 프레임 (2) 이 스프링 부재 (3) 에 의해 그 위에 현수된다. 스프링 부재 (3) 는 y 축에 평행한 측정 방향으로 프레임 (2) 또는 제 1 편향 가능 프레임의 이동을 허용하지만, 스프링 부재는 공간 방향 (x, z) 으로는 고정되어 구현된다. y 축에 평행한 측정 방향은 비교적 큰 가속도 (높은-G) 의 검출을 위한 방향에 해당한다. x 방향에 평행하게, 가속도 센서는 비교적 작은 가속도 (낮은-G) 를 검출하는 측정 방향을 갖는다. 빗형 구조 (5a, 5b, 5c 및 도 5d) 가 프레임 (2) 에 부착된다. 추가의 빗형 구조 (6a, 6b, 6c 및 도 6d) 가 하우징 (도시생략) 그리고 관성 시스템에 대해 고정되며, 프레임 (2) 에 전기 절연된다. 관성 시스템에 대해 고정된 빗형 구조 (6) 각각은 가동의 빗형 구조 (5) 를 갖는 커패시터 (capacitor) 를 형성한다. 프레임 (2) 과 기판 프레임 (1) 간의 상대 이동중에, 커패시터 (5a/6a 및 5d/6d) 의 정전용량이 동일하게 변하며, 커패시터 (5b/6b 및 5c/6c) 가 동일하게 거동한다. 이에 반해, 본원에서, 커패시터 (5a/6a 및 5d/6d) 의 정전용량은 커패시터 (5b/6b 및 5c/6c) 의 정전용량에 대해서는 역으로 변한다. 그 결과, 커패시터가 차동 평가될 수 있다. 가속도가 센서 상에서 y 방향으로 작용하면, 프레임 (2) 은 기판 프레임 (1) 에 대해서 y 방향과 반대 배향 (-y) 으로 편향되며, 정전용량의 변화가 커패시터 플레이트 배열체 (5 내지 6) 에 대응하는 빗형 구조 또는 커패시터 (5a/6a, 5d/6d, 5b/6b 및 5c/6c) 에서 발생한다.

가속도가 x 방향으로 작용하는 경우, 스프링 부재 (3) 는 프레임 (2) 의 이동을 차단한다. 그 결과, 검출 커패시터 (5, 6) 는 휴지 상태를 유지하며, 또는 정전용량이 어떠한 식으로도 변화하지 않고, 높은-G 부재에서 신호가 발생하지 않는다. 게다가, 사이즈믹 질량체 (9) 가 토션 스프링 (7) 을 통해 프레임 (2) 에 현수되며, 토션 축은 y 축에 평행하게 구현된다. 사이즈믹 질량체 (9) 는 토션 스프링 (7) 에 대해 움직이는 중력의 질량 중심 (10) 을 갖는다. 가속도가 x 방향으로 작용한다면, 사이즈믹 질량체 (9) 는 토션 스프링 (7) 의 토션 축을 중심으로 회전 편향된다. 그 결과, 사이즈믹 질량체 (9) 와 전극 (8a, 8b) 사이의 갭 간격이 변한다. 가속도가 작용하는 배향에 따라, 사이즈믹 질량체 (9) 와 전극 (8a) 사이에 측정된 정전용량값이 더 커지거나 더 작아지게 되며, 사이즈믹 질량체 (9) 와 전극 (8b) 사이에서는, 전극 (8a) 과 반대 방향으로 더 작아지거나 더 커지게 된다. 그 결과, 기본 정전용량은 차이를 형성함으로써 제거될 수 있고, 단지 정전용량의 차이의 합만이 측정될 수 있다.

도 3 은 도 1 및 도 2 에서 설명된 예시적 가속도 센서를 절단하여 개방한 공간 도면을 도시한다. 사이즈믹 질량체 (9) 는 도 1 을 보충하여 도 2 에 도시된 바와 같이, 토션 스프링 (7) 에 대해 움직이는 중력의 질량 중심 (10) 을 갖는다. 이 중력의 질량 중심 (10) 은, 토션 스프링 (7) 의 토션 축과 z 축에 의해 정해지며, 구조체의 표면에 법선을 형성하는, 평면에 위치된다. x 방향으로의 가속도 때문에 힘 (

) 이 작용하는 경우, 사이즈믹 질량체 (9) 는 회전 편향되며, 이러한 편향은 전극 (8a, 8b) 에 의해 별도로 검출된다.

도 4 는, z 방향으로 사이즈믹 질량체 (9) 아래에 배치된 2 개의 추가 전극 (8ba, 8bb) 을 갖는 도 1 내지 도 3 도시된 가속도 센서와 구별되는 예시적 가속도 센서를 도시한다. 또한, 사이즈믹 질량체 (9) 는 프레임 (2) 상에서 그의 토션 서스펜션 (7) 에 대해 움직이는 중력의 질량 중심 (10) 을 갖는다. 전극 (8aa, 8ab, 8ba, 8bb) 은 x 방향으로 작용하는 가속도 때문에 사이즈믹 질량체 (9) 의 회전 편향을 별도로 검출한다. 전극 (8aa, 8ab, 8ba, 8bb) 에 의한 사이즈믹 질량체 (9) 의 편향 검출의 결과, 2 개의 전극에 의한 검출시보다 x 방향 가속도 신호의 더 큰 신호 크기가 발생된다. 이는, 예컨대, 가속도 센서, 특히 프레임 (2) 에 현수되어 x 방향에 민감한 부분을 만드는데 이용되는데, 비교적 작은 치수이지만, x 방향 가속도 신호의 충분히 큰 신호 크기를 얻는다. 전극 (8a, 8ab, 8ba, 8bb) 은, 토션 스프링 (7) 에 의해 미리 규정된 사이즈믹 질량체 (9) 의 토션 축의 x 방향에 대해 좌우에 각각 배열된다.

도 5 및 도 6 은 2 개의 사이즈믹 질량체 (9, 11) 를 갖는 예시적 가속도 센서의 대안의 설계를 도시한다. 사이즈믹 질량체 (9, 11) 가 프레임 (2) 에 현수되는 토션 스프링 (7) 을 따르는 토션 축은, 사이즈믹 질량체 (9, 11) 의 각각의 비편향 상태에서 각각의 중력의 질량 중심 (10, 13) 과 평면의 법선으로서 x 축에 의해 규정된 평면에 위치하지 않는다. 2 개의 사이즈믹 질량체 (9, 11) 는 센서의 중심점을 통해 y-z 평면에 대해 경면 대칭으로 구현되어 현수된다. 가속도가 x 방향으로 작용한다면, 토션 스프링 (7, 12) 은 도 5 에 도시된 바와 같이, 동일 배향으로 비틀리며, 커패시턴스 (9/8a 및 11/14a, 또는 9/8b 및 11/14b) 는 각각 동일한 방향으로 변한다. 가속도가 z 방향으로 작용한다면, 토션 스프링 (7, 12) 은 도 6 에 도시된 바와 같이 대향 배향으로 비틀리며 또는 회전 편향되고, 커패시턴스 (9/8a 및 11/14a, 또는 9/8b 및 11/14b) 는 각각 대향 방향으로 또는 역으로 변한다. 가속도 방향은 이들 상이한 유형의 편향에 의해 판정될 수 있다. 중력의 질량 중심 (10, 13) 이 위치되고 x 방향으로 표면 법선을 갖는 평면과 토션 축 사이의 거리에 의해 민감도가 설정될 수 있다. 전극 (8a, 8b, 14a, 14b) 은, 커패시턴스의 반대의 변화가 9/8a 및 9/8b 또는 9/14a 및 9/14b 에 대해 각각 양자가 동일하도록 사이즈믹 질량체 (9, 11) 의 토션 축에 그의 영역과 위치의 관점에서 조화를 이룬다.

도 7 은 도 5 및 도 6 의 예시적 실시형태를 평면도로 도시한다.

비교적 작은 가속도가 검출되는 경우의 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 의 편향에 대해 규정된 제동을 설정하는 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 의 예시적 실시형태는 도 8 및 도 9 를 참조로 하여 설명될 것이다. 예컨대, 토션 축 (7) 에 평행하거나 대안으로 수직하게 (도시 생략) 이어진 트랜치 (15) 또는 덕트를 갖는 구조의 표면의 패터닝의 결과, 전극 (8a, 8b) 과 사이즈믹 질량체 (9) 의 구조의 표면 사이에 위치된 기체가 더 용이하게 빠져나갈 수 있다. 그 결과, z 방향으로의 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 의 편향의 제동이 제거된다. 전극 (8a, 8b) 과 사이즈믹 질량체 (9) 사이에 갭이 바람직하게 설정된다면, 커패시턴스는 커패시턴스 플레이트의 표면, 즉 전극 (8) 에 반대로 놓여진 사이즈믹 질량체 (9) 의 상부측의 부품 표면 보다 적게 변한다. 이는 트렌치 (15) 의 에지상의 복사 필드 (parasitic field)(16) 에 의해 유발된다.

도 10 은 가속도 센서의 예시적 실시형태를 부분적 또는 일부를 잘라내는 방식으로 도시하는데, 이 센서의 사이즈믹 질량체 (9) 는 플레이트의 형태로 구현되거나 z 방향에 평탄하고, 중력의 질량 중심 (10) 은 사이즈믹 질량체 (9) 가 프레임 (2) 에 현수되는 토션 스프링 (7) 의 토션 축에 위치되지 않는다. 그러나, 본원에 있어서, 사이즈믹 질량체 (9) 의 비편향 상태에서, 중력의 질량 중심 (10) 은, 본질적으로, 토션 스프링 (7) 의 토션 축이 이어지는 x-y 평면에 평행한 평면에 위치된다. 전극 (8aa, 8ab) 은, 이들의 영역과 위치의 관점에서, 커패시턴스에서의 대향 변화가 9/8aa 와 9/8ab 양자에 대해 동일하도록 토션 축에 조화된다. 이러한 배열의 결과. 프레임 (2) 에 현수된 사이즈믹 질량체 (9) 에 의해 형성된 부품 센서 부재는 z 방향으로 비교적 작은 가속도를 민감하게 검출하도록 이루어진다.

도 11 은 도 10 에 도시된 가속도 센서의 대안의 예시적 실시형태를 도시하는데, 전극 (8aa, 8ab) 이 평탄하게 설계된 사이즈믹 질량체 (9) 에 대해 z 방향으로 각각 위아래에 배치된다. 이러한 전극 (8aa, 8ba) 은 토션 스프링 (7) 에 의해 규정된 사이즈믹 질량체 (9) 의 토션 축의 일측 (예컨대, 우측으로 도시됨) 에 x 방향으로 각각 배치된다.

도 12 는 x-y 평면에 서로 직교하게 배치되고 예컨대 동일하게 설계된 2 개의 가속도 부품 센서 (A, B) 로 이루어진 일체형 가속도 센서의 예시적 실시형태를 도시한다. 이러한 가속도 센서는 공통 칩 (common chip) 상에서 구현되고, 각각의 경우에, 절대값이 비교적 큰 가속도와 절대값이 비교적 작은 가속도 모두를 위해 x 축 및 y 축에 평행한 측정 방향을 갖는다. 그 결과, x 방향 및 y 방향으로의 민감도 방향은 낮은 G 와 높은 G 측정 양자를 위해 배향된다. 가속도 부품 센서 (A) 에서, 사이즈믹 질량체 (9) 는 토션 스프링 (7) 에 의해 프레임 (2) 으로부터 현수되며, 토션 축은 y 축에 평행하게 구현된다. 사이즈믹 질량체 (9) 는 토션 스프링 (7) 에 대해 이동하는 중력의 질량 중심을 갖는다. 바람직하게는 비교적 작은 가속도 (작은 G) 가 x 방향으로 작용한다면, 사이즈믹 질량체 (9) 는 토션 스프링 (7) 의 토션 축을 중심으로 회전 편향된다. 그 결과, 사이즈믹 질량체 (9) 와 전극 (8a, 8b) 사이의 갭 간격이 변한다. 가속도가 작용하는 배향에 따라, 사이즈믹 질량체 (9) 와 전극 (8a) 간에 측정된 커패시턴스 값은 따라서 커지거나 작아지게 되며, 또는 사이즈믹 질량체 (9) 와 전극 (8a) 에 반대 방향에 있는 전극 (8b) 사이에서는 작아지거나 커지게 된다. 프레임 (2) 은, 스프링 (3) 에 의해 y 방향으로 편향될 수 있도록 기판 (1) 에 현수된다. 여기서, 빗형 구조 (5a - 5d 및 6a - 6d) 는 판독 방향으로서 y 방향으로의 프레임의 편향, 그리고 이에 따라 바람직하게는 비교적 큰 가속도 (높은 G) 를 검출한다. 그 결과, y 방향과 x 방향으로의 민감도 방향은 x 방향과 y 방향에서의 높은 G 측정과 낮은 G 측정을 위해 배향된다.

대안으로, 이전의 도 1 내지 도 11 및 도 15 내지 17 중 어느 하나에서 설명된 바와 같은 가속도 센서를 조합하고, 이들을 칩 상에서 서로 직교하게 배치할 수 있다.

도 13 은, 도 12 에 도시된 센서가 가속도 부품 센서 (A, B) 를 포함하는 제 2 사이즈믹 질량체 (11) 에 의해 보완되는 예시적 실시형태를 도시한다. 가속도 부품 센서 (A, B) 는, 예컨대, 동일한 설계이며, 공통 칩에 배열되고, 예시적인 일체형 가속도 센서를 형성한다. 가속도 부품 센서는 각각 도 5, 도 6 및 도 7 에 기초하여 도시된 가속도 센서에 따라서 각각 형성된다. 예시적 센서는, 프레임 (2, 17) 의 편향을 검출함으로써 x 및 y 방향으로의 절대값이 비교적 큰 가속도 (높은 G) 를 검출할 수 있고, 사이즈믹 질량체 (9, 11 및 18, 19) 의 편향을 검출함으로써 x, y 및 z 방향으로의 절대값이 비교적 작은 가속도 (낮은 G) 를 검출할 수 있도록, 대응하게 구현된다. 따라서, 3 개의 가속도 방향에 대해 4 개의 가속도 정보 아이템이 얻어지고, 그 결과 신호와 정보 아이템의 타당성이 평가될 수 있다.

필요한 영역을 감소시키기 위해서, 도 14 에 도시된 가속도 센서에서는, 4 개의 사이즈믹 질량체 (9a, 9b, 9c 및 9d) 가 공통 프레임 (2a) 상에 현수된다. 공통 프레임은 외부 프레임 세그먼트 (20) 와 내부 프레임 세그먼트 (21) 를 포함하는데, 이들 세그먼트는 서로 일체로 연결된다. 게다가, 예시적 가속도 센서는 제 1 프레임으로서 추가의 프레임 (2b) 을 갖는데, 이 프레임은 스프링 부재 (3b) 에 의해 기판 프레임 (1) 상에서 x 방향으로 편향될 수 있도록 현수된다. 따라서, 프레임 (2a) 은 스프링 부재 (3a) 에 의해 y 방향으로 편향될 수 있도록 프레임 (2b) 상에 현수된다. 2 개의 프레임의 편향의 결과, x 및 z 방향으로 비교적 큰 가속도가 검출될 수 있다. 예컨대, 그의 가속도가 검출되는 관성 시스템으로서 모터 차량의 샤시에 기판 프레임 (1) 이 확실하고 강하게 간접적으로 연결된다. 판독 및 검출 장치 (5a - 5d 및 6a - 6d) 는 y 방향으로의 높은 G 가속도를 측정하고, 판독 및 검출 장치 (5e - 5h 및 6e - 6h) 는 x 방향으로의 높은 G 가속도를 측정한다. 사이즈믹 질량체 (9a, 9c) 는 y 방향으로의 가속도의 경우에 토션 스프링 (7a, 7c) 을 중심으로 비틀리며, 사이즈믹 질량체 (9b, 9d) 는 x 방향으로의 가속도의 경우에 토션 스프링 (7b, 7d) 을 중심으로 비틀린다. z 방향으로의 가속도의 경우에, 모든 사이즈믹 질량체 (9a ~ 9d) 는 동일한 배향을 갖는 z 방향으로 토션 스프링 (7a ~ 7d) 을 중심으로 함께 비틀린다.

도 15 는 기판 프레임 (1), 프레임 (2), 사이즈믹 질량체 (9) 를 포함하는 가속도 센서의 예시적 실시형태를 도시하는데, 이 센서는 토션 스프링 (7) 과 판독 장치로서 사이즈믹 질량체 (9) 에 상호작용하는 전극 (8a, 8b) 에 의해 프레임에 현수된다. 예컨대, 프레임 (2) 은 스프링 부재 (3) 에 의해 기판 (1) 에 현수되는데, 스프링 부재는 판독 장치로서 피에조 센서티브 부재 (22a, 22b) 를 가지며, 예컨대 그 위에 스프링 부재 (3) 의 대응 표면을 도핑함으로써 피에조 레지스티브 (piezoresistive) 영역으로서 각각 형성된다. 이들 피에조 센서티브 부재 (22a, 22b) 에 의해 y 방향으로의 프레임 (2) 의 편향이 검출된다. 판독 장치로 이루어진 추가의 빗형 구조가 요구되지 않는다.

도 16 에 도시된 예시적 가속도 센서의 경우에, 토션 스프링 (7) 이, 도 15 에 도시된 예시적 실시형태에 비해, 추가로 피에조 센서티브 부재 (23) 를 갖는데, 이로써, 사이즈믹 질량체 (9) 의 회전 편향이 피에조 센서티브 부재 (23) 에 의해 검출되기 때문에 도 15 에 도시된 전극 (8a, 8b) 은 더이상 필요없다.

도 17 의 a) 는 제 1 프레임 (2b) 이 스프링 부재 (3) 에 의해 기판 프레임 (1) 에 현수되는 예시적 가속도 센서를 도시한다. 제 1 프레임 (2b) 의 내부 영역에서, 추가의 프레임 (2a) 이 토션 스프링 (7c, 7d) 에 의해 제 1 프레임 (2b) 에 현수된다. 사이즈믹 질량체 (9) 는 토션 스프링 (7a, 7b) 에 의해 추가의 프레임 (2a) 에 현수된다. 여기서, 사이즈믹 질량체 (9) 에는 4 개의 전극 (8aa, 8ab, 8ba 및 8bb) 이 할당된다. x 축 및 y 축을 중심으로한 사이즈믹 질량체 (9) 의 회전 편향은 이들 전극에 의해 검출될 수 있다. 예시적 가속도 센서는 x 방향으로의 높은 G 가속도를 검출할 수 있고, x 방향과 y 방향으로의 낮은 G 가속도를 검출할 수 있다. 도 17 의 b) 에서, 가속도 센서는 곧은 선 A-A 에 의해 x-z 평면에 평행한 평면에 대해 단면으로 도시되어 있으며, 도 17 의 c) 에서, 곧은 선 B-B 에 의해 y-z 평면에 평행한 평면에 대해 단면으로 도시되어 있다.

대안으로, 도시되지 않은 예시적 실시형태에서, 토션 스프링 (7c, 7d) 은 비교적 단단하게 설계되며, 그 결과, 추가의 프레임 (2a) 이 높은 G 부재로서 이용된다.

이를 위해, 이 예시적 실시형태에서는, 스프링 부재 (3) 와 빗형 구조 (5, 6) 가 제거되며, 그 결과, 제 1 프레임 (2b) 이 기판 (1) 에 강하게 연결된다.

Claims (16)

1. 마이크로기계 가속도 센서로서,
   적어도 하나의 기판 (1),
   하나 이상의 프레임 (2, 2a, 2b), 및
   적어도 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 를 포함하며,
   상기 하나 이상의 프레임 중 적어도 제 1 프레임 (2, 2b) 은 적어도 하나의 스프링 부재 (3, 3b) 에 의해 상기 기판 (1) 에 직접 또는 간접적으로 현수되고, 적어도 제 1 가속도가 작용할 때 상기 기판 (1) 에 대해 편향되며,
   상기 제 1 사이즈믹 질량체는 적어도 하나의 스프링 부재 (7, 7a) 에 의해 제 1 프레임 (2, 2b) 또는 추가의 프레임 (2a) 에 현수되고, 상기 프레임 (2, 2a) 에 대해 편향되며,
   상기 마이크로기계 가속도 센서는, 상기 기판에 대한 상기 제 1 프레임의 편향의 결과로서, 절대값으로 25g 를 초과하는 가속도를 정확하게 검출할 수 있고, 10g 미만인 가속도는, 상기 제 1 사이즈믹 질량체가 현수되는 상기 프레임에 대해 적어도 상기 제 1 사이즈믹 질량체의 편향의 결과로서 정확하게 검출될 수 있도록 구성되는, 마이크로기계 가속도 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   적어도 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 는 적어도 하나의 토션 스프링 (7, 7a) 에 의해 상기 프레임 (2, 2a) 에 현수되는, 마이크로기계 가속도 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   적어도 하나의 상기 프레임 (2a) 이 적어도 하나의 토션 스프링 (7c, 7d) 에 의해 다른 상기 프레임 (2b) 또는 상기 기판 (1) 에 현수되는, 마이크로기계 가속도 센서.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   적어도 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 는 그의 중력의 질량 중심 (10) 에 대해 편심으로 현수되는, 마이크로기계 가속도 센서.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 프레임 (2, 2b) 은, 제 1 가속도에 의해 야기된 편향이 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 의 토션 서스펜션 (7, 7a) 의 토션 축에 평행한 방향을 갖도록 현수되는, 마이크로기계 가속도 센서.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 기판 (1) 의 기부 면은 직교 좌표계 (x, y, z) 의 x-y 평면에 평행하게 배향되고, 상기 제 1 프레임 (2, 2b) 은 x 방향 또는 y 방향으로 편향될 수 있도록 상기 기판 (1) 에 현수되고, 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 는 z 방향으로 적어도 편향될 수 있도록 상기 제 1 프레임 (2) 또는 상기 추가의 프레임 (2a) 상에 현수되고, 상기 마이크로기계 가속도 센서는, x-y 평면에 평행하게 배열되며 판독 장치로서 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 에 할당되는 적어도 2 개의 전극 (8a, 8b, 8aa, 8ab, 8ba, 8bb) 을 갖는, 마이크로기계 가속도 센서.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 전극 중 적어도 하나 (8a, 8b, 8aa, 8ab) 는 z 방향으로 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 위에 배치되며, 상기 전극 중 적어도 다른 하나 (8ba, 8bb) 는 z 방향으로 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 아래에 배치되는, 마이크로기계 가속도 센서.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   적어도 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 및 추가로, 제 2 사이즈믹 질량체 (9b, 11) 가 상기 제 1 프레임 (2, 2a) 에 현수되는, 마이크로기계 가속도 센서.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 마이크로기계 가속도 센서는 x 방향으로만 편향될 수 있도록 상기 기판 (1) 에 현수되는 제 1 프레임 (2b) 을 포함하고, 상기 마이크로기계 가속도 센서는 추가로, 상기 제 1 프레임 (2b) 의 내부 영역에 배치되고 y 방향으로만 편향될 수 있도록 그 위에 현수되는 제 2 프레임 (2a) 을 포함하고, 적어도 하나의 토션 스프링 (7a, 7b, 7c, 7d) 에 의해 상기 제 2 프레임 (2a) 에 현수되며 z 방향으로만 편향될 수 있는 적어도 하나의 사이즈믹 질량체 (9a, 9b, 9c, 9d) 가 상기 제 2 프레임 (2a) 의 내부 영역에 배치되는, 마이크로기계 가속도 센서.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로기계 가속도 센서는 상기 제 2 프레임 (2a) 에 각각 현수되는 4 개의 사이즈믹 질량체 (9a, 9b, 9c, 9d) 를 가지며, 상기 제 2 프레임 (2a) 은 외부 프레임 세그먼트 (20) 와 내부 프레임 세그먼트 (21) 를 포함하고, 각각의 경우에, 2 개의 사이즈믹 질량체 (9b, 9d) 는 x 축에 평행하게 토션 축에 현수되며, 각각의 경우에, 2 개의 사이즈믹 질량체 (9a, 9c) 는 y 축에 평행하게 토션 축에 현수되는, 마이크로기계 가속도 센서.
11. 제 6 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9, 9a) 는, 적어도 상기 전극 (8a, 8b) 에 대향하여 놓여진 그 표면에 서로에 대해 평행하게 각각 형성되는 트렌치 (15) 를 가지는, 마이크로기계 가속도 센서.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 또는 상기 프레임 (2) 이 현수되는 적어도 하나의 스프링 부재 (3) 및/또는 상기 제 1 사이즈믹 질량체 (9) 또는 상기 프레임 (2a) 이 현수되는 적어도 하나의 토션 스프링 (7) 은, 적어도 하나의 피에조 센서티브 부재 (22a, 22b, 23) 를 갖는, 마이크로기계 가속도 센서.
13. 가속도 센서로서,
    상기 가속도 센서는 공통 기판 (1) 을 갖는, 제 1 항 또는 제 2 항의 2 개의 가속도 부품 센서 (A, B) 를 포함하며,
    이들 2 개의 가속도 부품 센서 (A, B) 는 서로 직교하게 배치되며, 함께 일체형 가속도 센서를 형성하는, 가속도 센서.
14. 가속도 센서 제조 방법으로서,
    마이크로기계 부재가 결정질 실리콘 또는 반도체 재료 및/또는 금속(들)의 복수 층으로 이루어진 기판으로부터 마이크로기계 시스템을 제조하는 적어도 하나의 제조 공정에 의해 형성되는 가속도 센서 제조 방법에 있어서,
    적어도 일부의 가속도 센서는 제 1 항 또는 제 2 항에 따라 구현되는, 가속도 센서 제조 방법.
15. 모터 차량에서, 조립되어 일체화된 에어백/ESP 센서로서 사용되는 제 1 항 또는 제 2 항의 가속도 센서의 사용 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 사이즈믹 질량체는 제 1 가속도와 상이한 가속도가 작용할 때 상기 프레임 (2, 2a) 에 대해 편향되는, 마이크로기계 가속도 센서.

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