KR101482400B1 - Ｍｅｍｓ 소자 - Google Patents

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KR101482400B1
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삼성전기주식회사
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    • B81B2201/0228—Inertial sensors
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Abstract

본 발명에 따른 MEMS 소자는 질량체와, 상기 양단부에 연결되고 X자로 배치되고, 감지수단이 형성된 가요성 빔과, 상기 가요성 빔이 결합되고, 상기 질량체의 양측에 서로 평행하도록 배치된 한 쌍의 지지부를 포함한다.

Description

ＭＥＭＳ 소자{Micro Electro Mechanical Systems Component}
본 발명은 MEMS 소자에 관한 것이다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems; 미세전자기계시스템)란 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 센서, 액추에이터(Actuator) 등의 초미세 기계구조물을 만드는 기술이다. MEMS 소자는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖고, 구조적으로는 증착과 에칭 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용해 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산이 가능하다.
MEMS 소자 중, 센서는 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 센서는 가속도, 각속도 또는 힘 등을 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 센서는 질량체에 인가되는 관성력을 측정하여 가속도를 산출하거나, 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출하며, 질량체에 직접 인가되는 외력을 측정하여 힘을 산출한다.
구체적으로, 센서를 이용하여 가속도와 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 가속도는 뉴턴의 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.
한편, 종래기술에 따른 센서는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 질량체를 구동시키거나 질량체의 변위를 감지하기 위해서 X축 방향 및 Y축 방향으로 연장된 빔(Beam)이 구비된다. 하지만, 종래기술에 따른 센서는 질량체의 변위가 커질수록 빔에 작용하는 장력(Tension, 張力)이 급격히 증가한다. 이와 같이, 빔의 장력이 증가하면, 그에 따라 빔의 강성도 증가하여, 질량체의 구동변위나 감지변위가 제한되는 문제점이 발생한다. 게다가, 빔의 강성이 증가하면서, 공진주파수가 변화하여 노이즈(Noise)가 증가하는 문제점도 발생한다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 제1 측면은 관성을 검출을 위해 변위되는 질량체에 연결되는 가요빔 길이를 X로 배치하여 한정된 공간내에서 빔의 길이를 최대화 함에 따라 소형화가 가능하고, 감도가 향상된 MEMS 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제2 측면은 각속도 검출부 및 가속도 검출부를 포함하고 평행하게 배치된 2개의 지지부를 통해 연결되고, 가속도 센싱부와 각속도 센싱부를 구획하는 격벽부도 불필요함에 따라 소형화된 1-chip화가 가능한 MEMS 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자는 질량체와, 상기 양단부에 연결되고 X자로 배치되고, 감지수단이 형성된 가요성 빔과, 상기 가요성 빔이 결합되고, 상기 질량체의 양측에 서로 평행하도록 배치된 한 쌍의 지지부를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 질량체는 마름모 형상의 중심 질량체와, 상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고, 상기 주변 질량체는 인접하는 주변 질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 지지부에는 상기 가요성 빔의 일단을 향해 돌출되고 상기 가요성 빔의 단부에 대응된 돌출 결합부가 양단부에 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자는 제1 질량체와, 상기 제1 질량체가 연결되고 X자로 배치되고 감지수단이 형성된 가요성 빔을 포함하는 가속도 센싱부와, 제2 질량체와, 상기 제2 질량체가 연결되고 감지수단 및 구동수단이 형성된 가요부를 포함하는 각속도 센싱부를 포함하고, 상기 가속도 센싱부 및 각속도 센싱부는 평행한 한 쌍의 지지부에 연결된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 각속도 센싱부의 가요부는 상기 제2 질량체의 중심부 양측에 각각 일단이 연결되고, 타단이 지지부에 연결된 제1 가요부와, 상기 제2 질량체의 양단부에 일단이 결합되고, 타탄이 지지부에 연결된 제2 가요부를 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부와 상기 제2 가요부는 직교방향으로 배치된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 각속도 센싱부는 상기 제1 가요부가 제2 질량체의 중심부에 Y축 방향으로 결합되고, 상기 제2 질량체는 Y축 방향을 기준으로 회전된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 가요부에는 감지수단 및 구동수단이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 가요부는 상기 제2 질량체의 양단부에 X축 방향으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 가요부는Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크게 형성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 지지부는 제1 가요부가 결합되는 결합부와, 상기 제2 가요부가 결합되는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부는 상기 제2 질량체를 향해 돌출된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 질량체는 양단부에 돌출결합부가 형성되고, 상기 제2 가요부의 일단은 상기 제2 질량체의 돌출결합부에 결합되고, 타단은 상기 지지부의 돌출부에 결합된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 지지부에 결합된 상기 제2 가요부의 일단이 상기 제2 질량체에 연결된 제2 가요부의 타단에 비해서 상기 제2 질량체의 회전축(Y축)에 가깝게 위치될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Z축 방향을 기준으로 상기 제2 질량체의 무게중심(C)보다 상측에 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 가속도 센싱부의 제1 질량체는 마름모 형상의 중심 질량체와, 상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고, 상기 주변 질량체는 인접하는 주변질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 지지부에는 상기 가속도 센싱부의 상기 가요성 빔의 일단을 향해 돌출되고 상기 가요성 빔의 단부에 대응된 돌출 결합부가 양단부에 각각 형성된다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자는 제1 질량체와, 상기 제1 질량체가 연결되고 X자로 배치되고 감지수단이 형성된 가요성 빔을 포함하는 가속도 센싱부와, 제2 질량체와, 상기 제2 질량체가 연결되고 감지수단 및 구동수단이 형성된 가요부를 포함하는 각속도 센싱부를 포함하고, 상기 가속도 센싱부 및 각속도 센싱부는 평행한 한 쌍의 지지부에 연결되고, 상기 각속도 센싱부의 가요부는 상기 제2 질량체의 중심부 양측에 각각 일단이 연결되고, 타단이 지지부에 연결된 제1 가요부와, 상기 제2 질량체의 양단부에 일단이 결합되고, 타탄이 상기 제1 가요부에 연결된 제2 가요부를 포함하고, 상기 제1 가요부와 상기 제2 가요부는 직교방향으로 배치된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 각속도 센싱부는 상기 제1 가요부가 제2 질량체의 중심부에 Y축 방향으로 결합되고, 상기 제2 가요부는 제2 질량체의 양단부에 X축 방향으로 결합되어 상기 제2 질량체는 Y축 방향을 기준으로 회전된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 가요부에는 감지수단 및 구동수단이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 가요부는 Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크게 형성된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 가속도 센싱부의 제1 질량체는 마름모 형상의 중심 질량체와, 상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고, 상기 주변 질량체는 인접하는 주변질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 지지부에는 상기 가속도 센싱부의 상기 가요성 빔의 일단을 향해 돌출되고 상기 가요성 빔의 단부에 대응된 돌출 결합부가 양단부에 각각 형성된다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자는 제1 질량체와, 상기 제1 질량체가 연결되고 X자로 배치되고 감지수단이 형성된 가요성 빔을 포함하는 가속도 센싱부와, 제2 질량체와, 상기 제2 질량체가 연결되고 감지수단 및 구동수단이 형성된 가요부와, 상기 제2 질량체와 가요부를 연결하고 상기 제2 질량체의 내부에 위치된 앵커를 포함하는 각속도 센싱부를 포함하고, 상기 가속도 센싱부 및 각속도 센싱부는 평행한 한 쌍의 지지부에 연결된다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 질량체는 일측 질량체와, 타측 질량체와, 연결 질량체로 이루어지고, 상기 연결 질량체는 상기 일측 질량체와 타측 질량체가 서로 이격되어 공간부가 형성되도록 연결되고, 일측 질량체와 타측 질량체는 가요부에 의해 지지부에 연결된다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 가요부는 상기 일측 질량체 및 타측 질량체의 중심부에 각각 일단이 연결되고, 상기 지지부에 타탄이 연결된 제1 가요부와, 상기 연결 질량체에 일단이 결합되고, 타단이 앵커에 결합된 제2 가요부를 포함하고, 상기 제1 가요부와 제2 가요부는 직교방향으로 배치된다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제1 가요부는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성된다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 제2 가요부는 Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크게 형성된다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 가속도 센싱부의 제1 질량체는 마름모 형상의 중심 질량체와, 상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고, 상기 주변 질량체는 인접하는 주변질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자에 있어서, 상기 지지부에는 상기 가속도 센싱부의 상기 가요성 빔의 일단을 향해 돌출되고 상기 가요성 빔의 단부에 대응된 돌출 결합부가 양단부에 각각 형성된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 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 관성을 검출을 위해 변위되는 질량체에 연결되는 가요빔 길이를 X로 배치하여 한정된 공간내에서 빔의 길이를 최대화 함에 따라 소형화가 가능하고, 감도가 향상된 MEMS 소자를 얻을 수 있고, 각속도 검출부 및 가속도 검출부를 포함하고 평행하게 배치된 2개의 지지부를 통해 연결되고, 가속도 센싱부와 각속도 센싱부를 구획하는 격벽부도 불필요함에 따라 소형화된 1-chip화가 가능한 MEMS 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도.
도 2는 도 1에 도시한 MEMS 소자의 개략적인 A-A 단면도.
도 3은 도 1에 도시한 MEMS 소자의 개략적인 B-B 단면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자의 제조공정의 일부공정을 개략적으로 도시한 설명도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도.
도 6은 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 C-C 단면도.
도 7은 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 D-D 단면도.
도 8은 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부의 구동에 대한 개략적인 설명도.
도 9는 도 5에 도시한 MEMS 소자의 각속도 센싱부에 있어서 질량체의 회전각도에 따른 장력의 변화를 도시한 그래프.
도 10a 및 도 10b는 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도.
도 13은 도 12에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 구성도.
도 14는 도 12에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 E-E 단면도.
도 15는 도 5에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자의 제조공정의 일부공정을 개략적으로 도시한 설명도.
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", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 MEMS 소자의 개략적인 A-A 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 MEMS 소자의 개략적인 B-B 단면도이다.
도시된 바와 같이, 상기 MEMS 소자(100)는 질량체(110), 가요성 빔(120) 및 지지부(130)를 포함하고, 상기 가요성 빔(120)에 감지수단(140)이 형성되고, 상기 지지부(130)에는 전극패드(150)가 형성된다. 그리고 상기 지지부(130)는 상기 질량체의 양측에 서로 평행하도록 한 쌍이 배치된다.
보다 구체적으로, 상기 질량체(110)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해 변위가 발생되고, 중심 질량체(110a) 및 복수의 주변 질량체(110b, 110c, 110d, 110e)로 이루어진다. 또한 상기 중심 질량체(110a)는 마름모 형상으로 형성되고, 상기 주변 질량체(110b, 110c, 110d, 110e)는 상기 중심 질량체(110a)의 모서리부로 부터 연장되도록 일체로 이루어지고 삼각형상으로 형성된다.
또한, 도시된 바와 같이 상기 주변 질량체(110b, 110c, 110d, 110e)는 각각 인접하는 주변 질량체와 이격되도록 중심 질량체에 연결되어 공간부가 형성되고, 상기 공간부에 가요성 빔(120)이 배치된다.
상기한 바와 같이 이루어짐에 따라 상기 중심 질량체(110a)와 상기 주변 질량체(110b, 110c, 110d, 110e)에 따른 상기 질량체(110)는 전체적으로 사각형상으로 이루어진다.
다음으로 상기 가요성 빔(120)은 일단이 상기 중심 질량체(110a)에 연결되고, 타단이 지지부(130)에 연결된다. 이에 따라 상기 질량체(110)는 가요성 빔(120) 및 지지부(130)에 의해 변위가능하도록 부유상태로 지지된다.
보다 구체적으로, 상기 가요성 빔(120)은 상기 중심 질량체(110a)의 사면에 각각 결합되어 X자로 배치된다.
이에 따라, 굽힘 강성은 길이의 3승에 반비례하므로 상기 가요성 빔(120)은 X자로 배치되어 +자로 배치될 경우와 비교하여, 길이가 √2배 증가하여 강성의 2√2배 감소 효과를 얻을 수 있으며, 감도가 약 3배 향상된다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 가요성 빔(120)의 일면에는 감지수단(140)이 형성된다. 그리고 상기 감지수단(140)은 상기 질량체(110)의 변위를 감지하기 위한 것으로 압전체, 압저항체, 정전용량 검출전극등을 이용하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 가요성 빔(120)에는 상기 감지수단(140) 뿐만 아니라 질량체(110)의 변위를 발생시키는 구동수단(미도시)이 구비될 수도 있다. 이때, 구동수단은 압전 방식 또는 정전용량 방식 등을 이용하도록 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 지지부(130)는 상기 질량체(110)의 양측에 서로 대향되도록 한 쌍이 평행하게 배치된다. 또한, 상기 지지부(130)에는 상기 가요성 빔(120)이 결합되고, X자로 배치된 가요성 빔(120)이 보다 안정적으로 결합될 수 있도록 가요성 빔의 일단을 향해 돌출되고 상기 가요성 빔(120)의 단부에 대응된 돌출 결합부(131)가 양단부에 각각 형성된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(100)는 질량체(110)가 X자로 배치된 가요성 빔(120)에 연결됨에 따라, 빔의 길이를 최대화로 확보함에 따라 감도가 향상되고, 지지부(130)가 질량체(110)의 양측에 한 쌍으로 평행하게 배치됨에 따라 소형화로 구현된다.
그리고, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자는 가속도 센서, 각속도 센서로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 소자의 제조공정의 일부공정을 개략적으로 도시한 설명도이다. 도시한 바와 같이, 상기 MEMS 소자(100)는 복수개가 어레이된 상태에서 점선으로 도시한 바와 같이 다이싱(dicing)한 경우, 도 1에 도시한 개별 MEMS 소자를 얻을 수 있다.
이를 위해 소자 웨이퍼(wafer)와 하부캡 웨이퍼(미도시)를 웨이퍼 레벨 본딩한 후에 다이싱한다. 또한, 하부캡은 ASIC 또는 다른 센서칩으로 대체할 수 있으며, 이 경우 하프 다이싱(half dicing)하여 소자와 하부칩 사이에 웨이퍼 본딩으로 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한 TSV(Through Silicon Via technology)를 사용하면 지지부를 관통하여 전기적 접속이 이루어짐에 따라 Full dicing 적용도 가능하다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 C-C 단면도이고, 도 7은 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 D-D 단면도이다.
도시한 바와 같이, 상기 MEMS 소자(200)는 제1 질량체(211)의 변위검출에 따른 가속도 센싱부(210)와 제2 질량체(221)의 구동 및 변위검출에 따른 각속도 센싱부(220)로 이루어지고, 상기 가속도 센싱부(210)와 각속도 센싱부(220)는 양측으로 평행하도록 연결된 지지부(230)에 의해 1-chip화된 MEMS 소자(200)로 이루어진다.
즉, 상기 각속도 센싱부(210)와 가속도 센싱부(220)는 평행한 한 쌍의 지지부(230)에 연결된다.
보다 구체적으로, 상기 가속도 센싱부(210)는 제1 질량체(211), 가요성 빔(212) 및 지지부(230)를 포함하고, 상기 가요성 빔(212)은 X자로 배치되도록 상기 제1 질량체(211)와 지지부(230)에 연결되고 감지수단(213)이 형성되고, 상기 지지부(230)에는 전극패드(231)가 형성된다.
또한, 상기 가속도 센싱부(210)는 도 1에 도시한 MEMS 소자와 동일함에 따라 세부기술구성, 형상 및 이들의 유기적 결합은 동일한 바 생략한다.
다음으로, 상기 각속도 센싱부(220)는 제2 질량체(221), 제1 가요부(222), 제2 가요부(223) 및 지지부(230)를 포함한다. 그리고 상기 지지부(230)는 결합부(232)와 돌출부(233)가 형성된다.
또한, 상기 제2 가요부(223)에는 감지수단(224) 및 구동수단(225)가 형성되고, 전술한 바와 같이, 상기 지지부(230)에는 전극패드(231)가 형성된다.
보다 구체적으로, 상기 제2 질량체(221)는 관성력, 코리올리힘, 외력, 구동력 등에 의해서 변위가 발생되고, 중심부에는 Y축 방향으로 양측에 제1 가요부(222)가 결합되고, X축 방향의 양단부에는 제2 가요부(223)가 결합된다.
또한, 상기 제2 질량체(221)의 양단부에 돌출결합부(221a)가 더 형성될 수 있다. 그리고 상기 돌출결합부(221a)는 제2 가요부(222)와 제2 질량체(221)를 결합시키기 위한 것으로 상기 제2 질량체(221)와 일체로 형성되거나 별개로 형성되어 제2 질량체(221)에 결합될 수 있다. 그리고 상기 질량체(221)는 육면체로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술분야에 공지된 모든 형상으로 형성될 수 있음은 자명하다.
다음으로 상기 제1 가요부(222)는 도 6 및 도 7의 단면도에 도시한 바와 같이, X축 방향으로 소정 두께를 갖고 Y축 및 Z축에 의해 면이 형성된 힌지이다.
그리고 제2 가요부(223)는 Z축 방향으로 소정두께를 갖고, X축 및 Y축에 의해 형성된 면으로 이루어진 빔이다.
또한, 상기 제1 가요부(222) 및 제2 가요부(223)는 서로 직교방향으로 배치된다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)에 있어서 각속도 센싱부(220)의 제1 가요부(222) 및 제2 가요부(223)의 형상, 유기적 결합 및 기술구현에 대하여 보다 자세히 기술한다.
상기 제1 가요부(222)는 지지부(230)의 결합부(232)를 기준으로 질량체(221)가 변위를 일으킬 수 있도록 제2 질량체(221)과 결합부(232)를 연결한다.
즉, 상기 제1 가요부(222)는 일단이 질량체(221)의 중심부 양측에 Y축 방향으로 결합되고, 타단이 지지부(230)의 결합부(232)에 결합된다. 이와 같이 이루어짐에 따라, 상기 질량체(221)가 지지부(230)의 결합부(232)에 고정되어 Y축 방향을 기준으로 회전운동되고, 상기 제1 가요부(222)는 이를 위한 힌지 역할을 한다.
다음으로 상기 제2 가요부(223)는 일단이 질량체(221)에 연결되고, 타단이 지지부(230)의 돌출부(233)에 연결된다. 보다 구체적으로, 상기 제2 가요부(223)는 상기 질량체(221)의 양단부에 형성된 돌출결합부(221a)에 각각 일단이 결합되고, X축방향으로 타단은 상기 돌출부(233)에 각각 결합된다. 즉, 도 5에 도시된 바와같이, 평행하도록 배치된 상기 지지부(230)에 있어서 제2 질량체(221)을 향해 각각 돌출된 한 쌍의 돌출부(233)에 상기 제2 가요부(223)은 일단이 결합되고, 타단은 상기 돌출결합부(221a)에 각각 결합된다.
이때, 상기 돌출부(233)에 연결된 제2 가요부(223)의 타단은 질량체(110)의 돌출결합부(221a)에 연결된 제2 가요부(223)의 일단에 비해서 질량체(110)의 회전축(Y축)에 가깝게 형성된다. 즉, 제2 가요부(223)의 고정된 돌출부(233)기 질량체(110)의 회전축(Y축)에 더 가깝게 위치된다. 만약, 제2 가요부(223)의 고정된 돌출부(233)가 상기 제2 질량체(221)의 회전축(Y축)과 완전히 일치한다면, 상기 제2 질량체(221)가 회전하더라도 제2 가요부(223)의 길이는 변하지 않는다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)의 각속도 센싱부(220)과 같이 제2 가요부(223)가 고정된 돌출부(233)가 상기 제2 질량체(221)의 회전축(Y축)에 가깝게 형성되면, 상기 제2 질량체(221)가 회전할 때, 제2 가요부(223) 자체의 길이 변화를 최소화할 수 있다.
즉, 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 돌출부(233)에 연결된 제2 가요부(223)의 일단이 제2 질량체(221)에 연결된 상기 제2 가요부(223)의 타단에 비해서 제2 질량체의 회전축으로부터 멀리 위치될 경우, A 선과 같이 질량체의 회전각도에 따라 급격하게 장력이 증가한 것을 확인할 수 있다.
반면, 상기 돌출부(233)에 연결된 제2 가요부(223)의 일단이 상기 제2 질량체(221)에 연결된 제2 가요부(140)의 타단에 비해서 질량체(110)의 회전축(Y축)으로부터 가깝게 위치될 경우, 즉 도 5에 도시된 MEMS 소자(200)의 각속도 센싱부(220)와 같이 구현될 경우, B 선과 같이 상기 제2 질량체(221)의 회전각도에 따라 완만하게 장력이 증가한다.
결국, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)에 있어서, 각속도 센싱부의 제2 질량체(221)가 회전할 때, 제2 가요부(223)에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다. 따라서, 제2 가요부(223)의 강성 역시 급격히 증가하지 않으므로, 상기 제2 질량체(221)의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제2 가요부(223)의 장력이 급격히 변화하지 않으므로, 공진주파수가 급격히 변화하면서 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부의 구동에 대한 개략적인 설명도이다. 도 7 및 도 8을 참조로 상기 각속도 센싱부의 제2 질량체의 구동에 대하여 보다 자세히 살펴본다.
도시한 바와 같이, 제2 가요부(223)는 Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크고, 제1 가요부(222)는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 가요부(222)의 Z축 방향의 폭(W1)가 X축 방향의 두께(t1)보다 크므로, 상기 제2 질량체(221)는 X축을 기준으로 회전하거나, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 가요부(222)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서, X축을 기준으로 회전할 때의 강성이 클수록, 제2 질량체(221)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, X축을 기준으로 회전하는 것이 제한된다.
이와 유사하게, 제1 가요부(222)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서, Z축 방향으로 병진할 때의 강성이 클수록, 상기 제2 질량체(221)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 따라서, 제1 가요부(222)의 (X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값이 증가할수록, 상기 제2 질량체(221)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
또한, 제1 가요부(222)의 Z축 방향의 폭(W1), Y축 방향의 길이(L) 및 X축 방향의 두께(t1)과 방향별 강성 사이의 관계를 정리하면 다음과 같다.
(1) 제1 가요부(222)의 X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성 ∝ t1×W1 3/L3
(2) 제1 가요부(222)의 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 ∝ t1 3×W1/L
상기 두 식에 따르면, 제 가요부(222)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 (W1/(t1L))2 에 비례한다.
그런데, 본 실시예에 따른 제1 가요부(222)는 Z축 방향의 폭(W1)가 X축 방향의 두께(t1)보다 크므로 (W1/(t1L))2이 크고, 그에 따라 제1 가요부(222)의 (X축을 기준을 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 증가하게 된다.
상기한 바와 같이, 제1 가요부(222)의 특성으로 인하여, 상기 제2 질량체(221)는 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
한편, 제2 가요부(223)는 길이방향(X축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 상기 제2 질량체(221)가 Z축을 기준으로 회전하거나 X축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다. 또한, 제1 가요부(222)는 길이방향(Y축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 상기 제2 질량체(221)가 Y축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다.
결국, 상술한 제1 가요부(222)와 제2 가요부(223)의 특성으로 인하여, 상기 제2 질량체(221)는 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 상기 제2 질량체(221)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 1과 같다.
질량체의 운동 방향 가능 여부
X축을 기준으로 회전 제한
Y축을 기준으로 회전 가능
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 제한
이와 같이, 상기 제2 질량체(221)는 Y축을 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 질량체(221)의 변위를 원하는 방향(Y축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다. 결국, 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)의 각속도 센싱부(220)는 가속도 또는 힘 측정시 크로스토크(Crosstalk)가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 각속도 측정시 공진모드의 간섭을 제거할 수 있게 된다.
도 10a 및 도 10b는 도 5에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부의 구동을 개략적으로 도시한 사용상태도이다. 도시한 바와 같이, 상기 제2 질량체(221)가 Y축을 회전축으로 회전하므로, 제2 가요부(223)에는 압축응력과 인장응력이 조합된 굽힘응력이 발생하고, 제1 가요부(222)에는 Y축을 기준으로 비틀림응력이 발생한다. 이때, 질량체(221)에 토크(Torque)를 크게 발생시키기 위해서, 제1 가요부(222)는 Z축 방향을 기준으로 질량체(221)의 무게중심(C)보다 상측에 구비될 수 있다.
한편, X축 및 Y축에 의해 형성된 평면을 기준으로 보았을 때, 상기 제2 가요부(223)는 제1 가요부(222)에 비하여 상대적으로 넓게 형성됨에 따라, 제2 가요부(223)에는 상기 제2 질량체(221)의 변위를 감지하는 감지수단(224) 등이 구비될 수 있다. 여기서, 감지수단(224)은 Y축을 기준으로 회전되는 제2 질량체(221)의 변위를 감지하기 위한 것이다. 그리고 감지수단(224)은 특별히 한정되는 것은 아니고, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 가요부(223)에는 제2 질량체(221)의 변위를 발생시키는 구동수단(225)이 구비될 수도 있다. 이때, 구동수단은 압전 방식 또는 정전용량 방식 등을 이용하도록 형성될 수 있다.
다음으로 상기 지지부(230)의 결합부(232) 및 돌출부(233)는 각각 제1 가요부(222)와 제2 가요부(223)를 지지하여 제2 질량체(221)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 상기 제2 질량체(221)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다.
또한, 상기 결합부(232)와 돌출부(233)의 위치는 상기 제2 질량체(221)의 외측에 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 질량체(221)가 Y축을 기준으로 회전할 때, 제2 가요부(223)에 작용하는 장력이 급격히 증가하는 것을 방지하기 위해서, 제2 가요부(223)는 Y축에 대하여 제2 질량체(221)와 인접하도록 위치되고, 상기 제2 가요부(223)의 일단이 결합된 상기 돌출부(233)는 Y축에 대하여 상기 제2 질량체(221)와 인접하도록 위치될 수 있다.
이와 같이 이루어짐에 따라 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)는 가속도 센싱부(210)와 각속도 센싱부(220)를 동시에 포함하고, 평행하게 배치된 2개의 지지부를 통해 연결되고, 가속도 센싱부(210)와 각속도 센싱부(220)를 구획하는 격벽부도 불필요함에 따라 소형화된 1-chip화가 가능한 MEMS 소자를 얻을 수 있게된다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 MEMS 소자(300)는 도 5에 도시한 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)와 비교하여 각속도 센싱부만이 상이하다.
보다 구체적으로, 상기 MEMS 소자(300)는 제1 질량체(311)의 변위검출에 따른 가속도 센싱부(310)와 제2 질량체(321)의 구동 및 변위검출에 따른 각속도 센싱부(320)로 이루어지고, 상기 가속도 센싱부(310)와 각속도 센싱부(320)는 양측으로 평행하도록 각각 연결된 지지부(330)에 의해 1-chip화된 MEMS 소자로 이루어진다.
즉, 상기 각속도 센싱부(310)와 가속도 센싱부(320)는 평행한 한 쌍의 지지부(330)에 연결된다.
보다 구체적으로, 상기 가속도 센싱부(310)는 제1 질량체(311), 가요성 빔(312) 및 지지부(330)를 포함하고, 상기 가요성 빔(312)은 X자로 배치되도록 상기 제1 질량체(311)에 연결되고 감지수단(313)이 형성되고, 상기 지지부(330)에는 전극패드(331)가 형성된다.
또한, 상기 가속도 센싱부(310)는 도 1에 도시한 MEMS 소자와 동일함에 따라 세부기술구성, 형상 및 이들의 유기적 결합은 동일한 바 생략한다.
다음으로, 상기 각속도 센싱부(320)는 제2 질량체(321), 제1 가요부(322), 제2 가요부(323) 및 지지부(330)를 포함한다. 그리고 상기 지지부(330)는 전극패드(331) 및 결합부(332)가 형성된다.
또한, 상기 제2 가요부(323)에는 감지수단(324) 및 구동수단(325)가 형성된다.
또한, 상기 각속도 센싱부(320)는 도 5에 도시한 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)의 각속도 센싱부(220)과 비교하여 지지부와 제1 가요부 및 제2 가요부의 유기적 결합관계 만이 상이하다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센싱부(320)는 제2 질량체(321)의 중심부에는 Y축 방향으로 양측에 제1 가요부(322)가 결합되고, X축 방향으로 양단부에 제2 가요부(323)가 결합된다. 또한, 상기 제1 가요부(322)는 지지부(330)의 결합부(333)에 연결되고, 상기 제2 가요부(323)은 일단이 제1 가요부(322)에 결합되고, 타단이 제2 질량체(321)에 결합된다.
즉, 제1 가요부에 제2 가요부(323)이 결합됨에 따라, 제2 가요부(323)의 일단은 제2 질량체(321)의 회전축(Y축)과 거의 일치하게 된다.
따라서, 제2 질량체(321)가 Y축을 기준으로 회전하더라도, 제2 가요부(323)의 길이는 거의 변하지 않는다. 즉, 상기 제2 질량체(321)가 회전할 때, 제2 가요부(323) 자체의 길이 변화를 최소화하면, 제2 가요부(323)에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다. 따라서, 제2 가요부(323)의 강성 역시 급격히 증가하지 않으므로, 상기 제2 질량체(321)의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 제2 가요부(323)의 장력이 급격히 변화하지 않으므로, 공진주파수가 급격히 변화하면서 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 한편, 제2 가요부(3230)는 전술한 바와 같이, 상기 제2 질량체(321)에 형성된 돌출결합부(321a)에 연결될 수 있다.
그리고 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 소자의 각속도 센싱부(320)의 세부기술구성, 형상, 이들의 유기적 결합 및 이에 따른 기술구현은 제2 실시예에 따른 MEMS 소자의 각속도 센싱부(320)와 동일한 바 이에 대한 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 13은 도 12에 도시한 MEMS 소자에 있어서 각속도 센싱부에 대한 개략적인 E-E 단면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 MEMS 소자(400)는 도 5에 도시한 제2 실시예에 따른 MEMS 소자(200)와 비교하여 각속도 센싱부만이 상이하다.
보다 구체적으로, 상기 MEMS 소자(400)는 제1 질량체(411)의 변위검출에 따른 가속도 센싱부(410)와 제2 질량체(421)의 구동 및 변위검출에 따른 각속도 센싱부(420)로 이루어지고, 상기 가속도 센싱부(410)와 각속도 센싱부(420)는 양측으로 평행하도록 각각 연결된 지지부(430)에 의해 1-chip화된 MEMS 소자(400)로 이루어진다. 즉, 상기 각속도 센싱부(410)와 가속도 센싱부(420)는 평행한 한 쌍의 지지부(230)에 연결된다.
보다 구체적으로, 상기 가속도 센싱부(410)는 제1 질량체(411), 가요성 빔(412) 및 지지부(430)를 포함하고, 상기 가요성 빔(412)은 X자로 배치되도록 상기 제1 질량체(411)에 연결되고 감지수단(413)이 형성되고, 상기 지지부(430)에는 전극패드(431)가 형성된다.
또한, 상기 가속도 센싱부(410)는 도 1에 도시한 MEMS 소자와 동일함에 따라 세부기술구성, 형상 및 이들의 유기적 결합은 동일한 바 생략한다.
다음으로, 상기 각속도 센싱부(420)는 전술한 제2, 3 실시예에 따른 MEMS 소자의 각속도 센싱부(220, 320)와 비교하여 앵커(426)의 유무에서 차이점이 존재한다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센싱부(420)는 제2 질량체(421), 제1 가요부(422), 제2 가요부(423), 앵커(426) 및 지지부(430)를 포함한다. 그리고 상기 지지부(430)에는 전술한 바와 같이 전극패드(431)가 형성되고 이에 더하여 상기 제1가요부(422)가 결합되고 위한 결합부(432)가 형성된다.
또한, 상기 제2 가요부(423)에는 감지수단(424) 및 구동수단(425)이 형성된다.
그리고 상기 제2 질량체(421)는 일측 질량체(421a), 타측 질량체(421b) 및 연결 질량체(421c)로 이루어진다. 또한, 상기 일측 질량체(421a)와 타측 질량체(421b)는 동일한 크기 및 형상으로 이루어지고, X축 방향으로 평행하게 배치될 수 있다. 또한 상기 연결 질량체(421c)는 상기 일측 질량체(421a)와 타측 질량체(421b)가 이격되어 공간부가 형성되도록 연결하고, 도 12는 일실시예로서 상기 일측 질량체(421a)와 타측 질량체(421b)의 양단에 각각 연결된 것을 도시한 것이다.
또한, 상기 제2 질량체(421)의 일측 질량체(421a), 타측 질량체(421b) 및 연결 질량체(421c)는 내부에 중공부를 갖도록 일체로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 일측 질량체(421a) 및 타측 질량체(421b)의 중심부에는 각각 지지부(430)을 향해 Y축 방향으로 상기 제1 가요부(422)가 결합된다. 그리고 상기 제1 가요부(422)는 상기 지지부(430)의 결합부(432)에 결합됨에 따라 상기 제2 질량체(421)는 변위가능하도록 부유상태로 지지된다.
다음으로, 상기 앵커(426)는 상기 제2 질량체(421)가 변위를 일으킬 수 있도록 제2 가요부(423)를 지지하고, 상기 제2 질량체(421)에 변위가 발생할 때 기준이 되는 역할을 한다. 여기서, 앵커(426)의 위치는 상기 제2 질량체(421)의 내측의 공간부에 위치도록 구비된다면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 앵커(426)는 상기 일측 질량체(421a)와 타측 질량체(421b)의 사이의 공간부에 구비될 수 있다. 또한, 상기 앵커(426)는 X축 방향에 대하여 제2 질량체(421)의 중간부에 위치되고, 양단부에 상기 제2 가요부(423)가 연결된다.
또한, 상기 제2 가요부(423)는 앵커(426)를 기준으로 제2 질량체(421)가 변위를 일으킬 수 있도록 상기 제2 질량체(421)와 상기 앵커(423)를 연결하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 상기 제2 가요부(423)는 X축 방향으로 연장되도록 형성되어, 일단은 제2 질량체(421)의 연결 질량체(421c)에 연결되고, 타단은 상기 앵커(426)에 연결된다. 이때, 상기 앵커(426)에 연결된 제2 가요부(423)의 일단은 상기 제2 질량체(421)의 연결 질량체(421c)에 연결된 제2 가요부(423)의 타단에 비해서 상기 제2 질량체(421)의 회전축(Y축)에 가깝게 위치된다.
즉, 상기 제2 가요부(423)의 고정된 부분(제2 가요부(423)의 일단)이 상기 제2 질량체(421)의 회전축(Y축)에 가까운 것이다. 만약, 상기 제2 가요부(423)의 고정된 부분(제2 가요부(423)의 일단)이 상기 제2 질량체(421)의 회전축(Y축)과 일치한다면, 상기 제2 질량체(421)가 회전하더라도 상기 제2 가요부(423) 자체의 길이는 변하지 않는다.
따라서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자의 각속도 센싱부(420)와 같이 상기 제2 가요부(423)의 고정된 부분(제2 가요부(423)의 타단)이 상기 제2 질량체(421)의 회전축(Y축)에 가깝게 형성되면, 상기 제2 질량체(421)가 회전할 때, 제2 가요부(423) 자체의 길이 변화를 최소화할 수 있다. 이와 같이, 상기 제2 질량체(421)가 회전할 때, 상기 제2 가요부(423) 자체의 길이 변화를 최소화하면, 제2 가요부(423)에 작용하는 장력이 급격히 증가하지 않는다.
결국, 상기 제2 가요부(423)의 강성 역시 급격히 증가하지 않으므로, 상기 제2 질량체(421)의 구동변위나 감지변위가 제한되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 제2 가요부(423)의 장력이 급격히 변화하지 않으므로, 공진주파수가 급격히 변화하면서 노이즈(Noise)가 증가하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 제1 가요부(422)는 앵커(426) 또는 지지부(430)의 고정부(432)를 기준으로 상기 제2 질량체(421)가 변위를 일으킬 수 있도록 상기 제2 질량체(421)와 지지부(430)를 연결하는 역할을 한다.
또한, 제1 가요부(422)와 제2 가요부(423)는 서로 직교방향으로 배치된다.
즉, 제1 가요부(422)는 Y축에 대응하도록 형성되는 반면, 상기 제2 가요부(423)는 X축 방향으로 연장되도록 형성되고, 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크고, 제1 가요부(422)는 Z축 방향의 폭(W1)가 X축 방향의 두께(t1)보다 클 수 있다.
이와같은 상기 제1 가요부(422) 및 제2 가요부(423)의 특성으로 인하여, 전술한 제1 실시예에 따른 MEMS 소자(200)의 각속도 센싱부(220)와 마찬가지로, 상기 제2 질량체(420)는 Y축을 기준으로 회전가능하고, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
그리고 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 소자의 각속도 센싱부(420)의 세부기술구성, 형상, 이들의 유기적 결합 및 이에 따른 기술구현은 제2 실시예에 따른 MEMS 소자의 각속도 센싱부(420)와 동일한 바 이에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명에 따른 MEMS 소자는 다양한 분야에 활용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 MEMS 소자는 각속도 센서, 가속도 센서 또는 액추에이터(Actuator)등을 포함하는 1-chip으로 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 MEMS 소자의 제조공정의 일부공정을 개략적으로 도시한 설명도이다. 도시한 바와 같이, 상기 MEMS 소자(200)는 복수개가 어레이된 상태에서 점선으로 도시한 바와같이 다이싱(dicing)한 경우, 도 5에 도시한 개별 MEMS 소자를 얻을 수 있다.
이를 위해 소자 웨이퍼(wafer)와 하부캡 웨이퍼(미도시)를 웨이퍼 레벨 본딩한 후에 다이싱한다. 또한, 하부캡은 ASIC 또는 다른 센서칩으로 대체할 수 있으며, 이 경우 하프 다이싱(half dicing)하여 소자와 하부칩 사이에 웨이퍼 본딩으로 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한 TSV(Through Silicon Via technology)를 사용하면 지지부를 관통하여 전기적 접속이 이루어짐에 따라 Full dicing 적용도 가능하다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: MEMS 소자 110 : 가요성 빔
110a: 중심질량체 110b, 110c, 110d, 110de : 주변 질량체
120 : 가요성 빔 130 : 지지부
131 : 돌출 결합부 140 : 감지수단
200 : MEMS 소자 210 : 가속도 센싱부
211 : 제1 질량체 212 : 가요성 빔
220 : 각속도 센싱부 221 : 제2 질량체
222 : 제1 가요부 223 : 제2 가요부
224 : 감지수단 225 : 구동수단
230 : 지지부 231 : 전극패드
232 : 결합부 233 : 돌출부
300 : MEMS 소자 310 : 가속도 센싱부
311 : 제1 질량체 312 : 가요성 빔
320 : 각속도 센싱부 321 : 제2 질량체
322 : 제1 가요부 323 : 제2 가요부
324 : 감지수단 325 : 구동수단
330 : 지지부 331 : 전극패드
332 : 결합부
400 : MEMS 소자 410 : 가속도 센싱부
411 : 제1 질량체 412 : 가요성 빔
420 : 각속도 센싱부 421 : 제2 질량체
421a: 일측 질량체 421b : 타측 질량체
421c : 연결 질량체
422 : 제1 가요부 423 : 제2 가요부
424 : 감지수단 425 : 구동수단
426 : 앵커
430 : 지지부 431 : 전극패드
432 : 결합부

Claims (31)

  1. 질량체;
    상기 질량체에 연결되고, 감지수단이 형성된 가요성 빔; 및
    상기 가요성 빔이 결합되고, 상기 질량체의 양측에 서로 평행하도록 배치된 한 쌍의 지지부를 포함하고,
    상기 가요성 빔은 X자로 배치되면서, 일단은 상기 질량체에 결합되고, 타단은 상기 한 쌍의 지지부에 각각 결합되고,
    상기 한 쌍의 지지부에는 상기 가요성 빔의 타단을 향해 돌출된 돌출 결합부가 양단부에 각각 형성되고, 상기 가요성 빔의 타단은 상기 한 쌍의 지지부의 돌출 결합부에 결합된 MEMS 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는
    마름모 형상의 중심 질량체; 및
    상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고,
    상기 주변 질량체는 인접하는 주변 질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 X자로 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출 결합부는 삼각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  4. 제1 질량체와, 상기 제1 질량체가 연결되고, 감지수단이 형성된 가요성 빔을 포함하는 가속도 센싱부; 및
    제2 질량체와, 상기 제2 질량체가 연결되고 감지수단 및 구동수단이 형성된 가요부를 포함하는 각속도 센싱부를 포함하고,
    상기 가속도 센싱부 및 각속도 센싱부는 평행한 한 쌍의 지지부에 연결되고,
    상기 가요성 빔은 X자로 배치되면서, 일단은 제1 질량체에 결합되고, 타단은 한 쌍의 지지부에 각각 결합되고,
    상기 한 쌍의 지지부에는 상기 가요성 빔의 타단을 향해 돌출된 돌출 결합부가 형성되고, 상기 가요성 빔의 타단은 상기 한 쌍의 지지부의 돌출 결합부에 결합된 MEMS 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 각속도 센싱부의 가요부는
    상기 제2 질량체의 중심부 양측에 각각 일단이 연결되고, 타단이 상기 한 쌍의 지지부에 연결된 제1 가요부와,
    상기 제2 질량체의 양단부에 일단이 결합되고, 타탄이 상기 한 쌍의 지지부에 연결된 제2 가요부를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 가요부와 상기 제2 가요부는 직교방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 각속도 센싱부는
    상기 제1 가요부는 제2 질량체의 중심부에 Y축 방향으로 결합되고,
    상기 제2 가요부는 제2 질량체의 양단부에 결합되어 상기 제2 질량체는 Y축 방향을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 가요부에는 감지수단 및 구동수단이 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 가요부는 상기 제2 질량체의 양단부에 X축 방향으로 결합된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 한 쌍의 지지부는 제1 가요부가 결합되는 결합부와, 상기 제2 가요부가 결합되는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부는 상기 제2 질량체를 향해 돌출된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 질량체는 양단부에 돌출결합부가 형성되고,
    상기 제2 가요부의 일단은 상기 제2 질량체의 돌출결합부에 결합되고, 타단은 상기 한 쌍의 지지부의 돌출부에 결합된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 한 쌍의 지지부에 결합된 상기 제2 가요부의 일단이 상기 제2 질량체에 연결된 제2 가요부의 타단에 비해서 상기 제2 질량체의 회전축(Y축)에 가깝게 위치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  15. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Z축 방향을 기준으로 상기 제2 질량체의 무게중심(C)보다 상측에 결합된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  16. 청구항 4에 있어서,
    상기 가속도 센싱부의 제1 질량체는
    마름모 형상의 중심 질량체와,
    상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고,
    상기 주변 질량체는 인접하는 주변질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  17. 청구항 4에 있어서,
    상기 돌출 결합부는 삼각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  18. 제1 질량체와, 상기 제1 질량체가 연결되고 감지수단이 형성된 가요성 빔을 포함하는 가속도 센싱부; 및
    제2 질량체와, 상기 제2 질량체가 연결되고 감지수단 및 구동수단이 형성된 가요부를 포함하는 각속도 센싱부를 포함하고,
    상기 가속도 센싱부 및 각속도 센싱부는 평행한 한 쌍의 지지부에 연결되고,
    상기 가요성 빔은 X자로 배치되면서, 일단은 상기 제1 질량체에 결합되고, 타단은 상기 한 쌍의 지지부에 각각 결합되고,
    상기 한 쌍의 지지부에는 상기 가요성 빔의 타단을 향해 돌출된 돌출 결합부가 양단부에 각각 형성되고, 상기 가요성 빔의 타단은 상기 한 쌍의 지지부의 돌출 결합부에 결합되고,
    상기 각속도 센싱부의 가요부는
    상기 제2 질량체의 중심부 양측에 각각 일단이 연결되고, 타단이 한 쌍의 지지부에 연결된 제1 가요부와,
    상기 제2 질량체의 양단부에 일단이 결합되고, 타탄이 상기 제1 가요부에 연결된 제2 가요부를 포함하고, 상기 제1 가요부와 상기 제2 가요부는 직교방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 각속도 센싱부는
    상기 제1 가요부는 제2 질량체의 중심부에 Y축 방향으로 결합되고,
    상기 제2 가요부는 제2 질량체의 양단부에 X축 방향으로 결합되어 상기 제2 질량체는 Y축 방향을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 가요부에는 감지수단 및 구동수단이 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 가속도 센싱부의 제1 질량체는
    마름모 형상의 중심 질량체와,
    상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고,
    상기 주변 질량체는 인접하는 주변질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  24. 청구항 18에 있어서,
    상기 돌출 결합부는 삼각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  25. 제1 질량체와, 상기 제1 질량체가 연결되고 감지수단이 형성된 가요성 빔을 포함하는 가속도 센싱부; 및
    제2 질량체와, 상기 제2 질량체가 연결되고 감지수단 및 구동수단이 형성된 가요부와, 상기 제2 질량체와 가요부를 연결하고 상기 제2 질량체의 내부에 위치된 앵커를 포함하는 각속도 센싱부를 포함하고,
    상기 가속도 센싱부 및 각속도 센싱부는 평행한 한 쌍의 지지부에 연결되고,
    상기 가요성 빔은 X자로 배치되면서, 일단은 상기 제1 질량체에 결합되고, 타단은 상기 한 쌍의 지지부에 각각 결합되고,
    상기 한 쌍의 지지부에는 상기 가요성 빔의 타단을 향해 돌출된 돌출 결합부가 형성되고, 상기 가요성 빔의 타단은 상기 한 쌍의 지지부의 돌출 결합부에 결합된 MEMS 소자.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 제2 질량체는 일측 질량체와, 타측 질량체와, 연결 질량체로 이루어지고, 상기 연결 질량체는 상기 일측 질량체와 타측 질량체가 서로 이격되어 공간부가 형성되도록 연결되고, 일측 질량체와 타측 질량체는 가요부에 의해 상기 한 쌍의 지지부에 연결된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 가요부는
    상기 일측 질량체 및 타측 질량체의 중심부에 각각 일단이 연결되고, 상기 한 쌍의 지지부에 타탄이 연결된 제1 가요부; 및
    상기 연결 질량체에 일단이 결합되고, 타단이 앵커에 결합된 제2 가요부를 포함하고, 상기 제1 가요부와 제2 가요부는 직교방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 제1 가요부는 Z축 방향의 폭(W1)이 X축 방향의 두께(t1)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  29. 청구항 27에 있어서,
    상기 제2 가요부는
    Y축 방향의 폭(W2)이 Z축 방향의 두께(t2)보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  30. 청구항 25에 있어서,
    상기 가속도 센싱부의 제1 질량체는
    마름모 형상의 중심 질량체와,
    상기 중심 질량체의 모서리부에 각각 연결된 복수의 주변 질량체를 포함하고,
    상기 주변 질량체는 인접하는 주변질량체와 공간부가 형성되도록 상기 중심질량체에 연결되고, 상기 공간부에는 가요성 빔이 배치된 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
  31. 청구항 25에 있어서,
    상기 돌출 결합부는 삼각형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 MEMS 소자.
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