KR101540154B1 - 각속도 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 따른 각속도 센서는 질량체부와, 상기 질량체부를 지지하는 내부 프레임과, 상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제1 가요부와, 상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제2 가요부와, 상기 내부 프레임을 지지하는 외부 프레임과, 상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제3 가요부와, 상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 내부 프레임, 제2 가요부 및 제4 가요부에는 Oxide층이 형성된다.

Description

각속도 센서 및 그의 제조방법{Angular Velocity Sensor and Manufacturing Method of the same}
본 발명은 각속도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 각속도 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 각속도 센서는 각속도를 측정하기 위해서, 일반적으로 멤브레인(Membrane) 등의 탄성 기판에 질량체를 접착시킨 구성을 채용하고 있다. 상기 구성을 통해서, 각속도 센서는 질량체에 인가되는 코리올리힘을 측정하여 각속도를 산출한다.
구체적으로, 각속도 센서를 이용하여 각속도를 측정하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 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 각속도 센서는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 질량체를 구동시키거나 질량체의 변위를 감지하기 위해서 멤브레인(다이어프램)의 상부에 압전체가 구비된다. 이러한 각속도 센서로 각속도를 측정하기 위해서는 구동모드의 공진주파수와 감지모드의 공진주파수를 거의 일치시키는 것이 바람직하다. 하지만, 형상/응력/물성 등으로 인한 미세한 제작오차에 의해서 구동모드와 감지모드 사이에 간섭이 매우 크게 발생한다. 따라서, 각속도 신호보다 훨씬 큰 노이즈(Noise) 신호가 출력되므로, 각속도 신호의 회로증폭이 제한되어, 각속도 센서의 감도가 저하되고, 구조적 특징에 따른 에어댐핑(air damping)이 발생하여 구동변위가 제한되는 문제점을 지니고 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 제1 관점은 프레임을 복수개 구비하여 질량체의 구동변위와 감지변위를 개별적으로 발생시키고, 특정 방향에 대해서만 질량체가 운동가능하도록 가요부를 형성함으로써, 구동모드와 감지모드 사이의 간섭을 제거하고, 제작오차에 따른 영향을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 구조적 특징으로 불가피하게 발생되는 에어댐핑을 최소화 함으로써 구동변위를 최대화하고 이를 통해 센싱효율을 증가시킬 수 있는 각속도 센서를 제공하기 위한 것이고,
본 발명의 제2 관점은 각속도 센서를 실리콘 다이렉트 본딩에 따른 복층구조로 제조함에 따라 미세패턴 형성이 가능하고, 층간 align이 개선될 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 단순화될 수 있는 각속도 센서 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서는 질량체부와, 상기 질량체부를 지지하는 내부 프레임와, 상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제1 가요부와, 상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제2 가요부와, 상기 내부 프레임을 지지하는 외부 프레임와, 상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제3 가요부와, 상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 내부 프레임, 제2 가요부 및 제4 가요부에는 Oxide층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 외부 프레임 및 질량체부에는 Oxide층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부 및 제3 가요부는 제1 층 기판으로 형성되고, 상기 제2 가요부, 제4 가요부 및 내부 프레임은 제1 층 기판 및 제2 층 기판으로 형성되고, 상기 질량체부 및 외부 프레임은 제1 층 기판, 제2 층 기판 및 제3 층 기판으로 형성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 층 기판 및 제2 층 기판은 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제3 층 기판은 Si 웨이퍼로 이루어지고, 상기 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩 결합된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제 2 층기판 및 제3 층 기판 사이에 Oxide층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 층 기판 및 제2 층 기판 사이에 Oxide층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제 3층 기판에는 외부 프레임 패턴층 및 질량체 패턴층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부는 일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제2 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지로 이루어진다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제3 가요부는 일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제4 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지로 이루어진다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부와 제2 가요부는 직교방향으로 배치되고, 상기 제3 가요부와 제4 가요부는 직교방향으로 배치된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제3 가요부는 상기 제1 가요부와 직교방향으로 배치된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제4 가요부는 상기 제2 가요부와 직교방향으로 배치된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부 또는 제2 가요부의 일면에는 선택적으로 질량체부의 변위를 감지하는 감지수단이 구비된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제3 가요부 또는 제4 가요부의 일면에는 선택적으로 내부 프레임을 구동시키는 구동수단이 구비된다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 질량체부는 동일한 크기 및 형상으로 이루어진 제1 질량체와 제2 질량체로 이루어진다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서는 질량체부와, 상기 질량체부를 지지하는 내부 프레임과, 상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제1 가요부와, 상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제2 가요부와, 상기 내부 프레임을 지지하는 외부 프레임과, 상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제3 가요부와, 상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고, 상기 외부 프레임 및 질량체부에는 Oxide층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부 및 제3 가요부는 제1 층 기판으로 형성되고, 상기 제2 가요부, 제4 가요부 및 내부 프레임은 제1 층 기판 및 제2 층 기판으로 형성되고, 상기 질량체부 및 외부 프레임은 제1 층 기판, 제2 층 기판 및 제3 층 기판으로 형성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 층 기판 및 제2 층 기판은 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제3 층 기판은 Si 웨이퍼로 이루어지고, 상기 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩 결합된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 질량체부를 형성하는 제1 층 기판 및 제2 층 기판 사이에 Oxide층이 형성되고, 외부 프레임을 형성하는 상기 제 2 층 기판 및 제3 층 기판 사이에 Oxide층이 형성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제1 가요부는 일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔이고, 상기 제2 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지로 이루어진다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 상기 제3 가요부는 일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔이고, 상기 제4 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지인 각속도 센서로 이루어진다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법은 (A) SOI 웨이퍼에 Oxide층 및 가요부 및 내부 프레임 패턴 형성단계와, (B) Si 웨이퍼에 Oxide층 및 질량체부 및 외부 프레임 패턴형성단계와, (C) SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼 결합단계와, (D) SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼 식각단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법에 있어서, (C) 단계에서, 상기 SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시킨다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법에 있어서, (D) 단계에서, 상기 SOI 웨이퍼의 Oxide층과 상기 Si 웨이퍼의 Oxide층을 통해 상기 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법은 (A) SOI 웨이퍼를 마련하는 단계와, (B) Si 웨이퍼에 Oxide층과, 가요부 및 내부 프레임 패턴과, 질량체부 및 외부 프레임 패턴 형성단계와, (C) SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼 결합단계와, (D) SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼 식각단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법에 있어서, (C) 단계에서, 상기 SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시킨다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법에 있어서, (D) 단계에서, 상기 Si 웨이퍼의 Oxide층을 통해 상기 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법은 (A) SOI 웨이퍼에 Oxide층 또는 Photoresist층 및 가요부 및 내부 프레임 패턴 형성단계와, (B) SOI 웨이퍼에 Si 웨이퍼 결합 및 Si 웨이퍼에 Oxide층 또는 Photoresist층 및 질량체부 및 외부 프레임 패턴형성단계와, (D) SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼 식각단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법에 있어서, (B) 단계에서, 상기 SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시킨다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 각속도 센서의 제조방법에 있어서, (C) 단계에서, 상기 SOI 웨이퍼의 Oxide층 또는 Photoresist층과 상기 Si 웨이퍼의 Oxide층 또는 Photoresist층을 통해 상기 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨다.
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, 프레임을 복수개 구비하여 질량체의 구동변위와 감지변위를 개별적으로 발생시키고, 특정 방향에 대해서만 질량체가 운동가능하도록 가요부를 형성함으로써, 구동모드와 감지모드 사이의 간섭을 제거하고, 제작오차에 따른 영향을 저감시킬 수 있고, 구조적 특징으로 불가피하게 발생되는 에어댐핑을 최소화 함으로써 구동변위를 최대화하고 이를 통해 센싱효율을 증가시킬 수 있는 각속도 센서를 얻을 수 있고, 각속도 센서를 실리콘 다이렉트 본딩에 따른 복층구조로 제조함에 따라 미세패턴 형성이 가능하고, 층간 align이 개선될 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 단순화될 수 있는 각속도 센서 및 그의 제조방법을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 사시도.
도 2는 도 1에 도시한 각속도 센서의 평면도.
도 3은 도 2에 도시한 각속도 센서의 개략적인 A-A 단면도.
도 4는 도 2에 도시한 각속도 센서의 개략적인 B-B 단면도.
도 5는 도 1에 도시한 각속도 센서의 개략적인 C-C 단면도.
도 6는 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서 질량체부 및 외부 프레임의 다른 실시예에 따른 개략적인 단면도.
도 7은 도 2에 도시한 각속도 센서에 있어서 질량체부 및 내부 프레임의 운동가능한 방향을 도시한 평면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 제1 단면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 제2 단면도.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명에 따른 각속도 센서의 제1 실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명에 따른 각속도 센서의 제2 실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명에 따른 각속도 센서의 제3 실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 각속도 센서의 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시한 각속도 센서의 개략적인 A-A 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시한 각속도 센서의 개략적인 B-B 단면도이고, 도 5는 도 2에 도시한 각속도 센서의 개략적인 C-C 단면도이다.
도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(100)는 질량체부(110), 내부 프레임(120), 외부 프레임(130), 제1 가요부(140), 제2 가요부(150), 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)를 포함한다. 그리고, 상기 내부 프레임(120), 제2 가요부(150) 및 제4 가요부(170)에는 Oxide(O1)층이 형성된다.
또한, 상기 제1 가요부(140) 및 제2 가요부(150)에는 선택적으로 감지수단(180)이 구비되고, 상기 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)에는 선택적으로 구동수단(190)이 구비된다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 각속도 센서(100)는 상술된 구성요소를 형성하기 위해 적층방향에 따라 즉, Z축 방향으로 3층 기판인 제1 층 기판(100a), 제2 층 기판(100b) 및 제3 층 기판(100c)으로 이루어진다.
그리고 상기 제2 층 기판(100b)과 제3 층 기판(100c) 사이에는 Oxide 층(O1)이 각각 형성된다. 또한, 상기 제1 층 기판(100a)과 제2 층 기판(100b) 사이에 Oxide 층(O2)이 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1 가요부(140) 및 제3 가요부(160)는 제1 층 기판(100a)으로 형성되고, 상기 제2 가요부(150), 제4 가요부(170) 및 내부 프레임(120)은 제1 층 기판(100a) 및 제2 층 기판(100b)으로 형성되고, 상기 질량체부(110) 및 외부 프레임(130)은 제1 층 기판(100a), 제2 층 기판(100b) 및 제3 층 기판(100c)으로 형성된다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제3 층 기판(100c)에는 질량체부 및 외부 프레임의 형성을 위한 질량체부 패턴층(111) 및 외부 프레임 패턴층(131)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 각속도 센서(100)의 제1 층 기판(100a) 및 제2 층 기판(100b)은 SOI 웨이퍼로 이루어지고, 상기 제3 층 기판(100c)은 Si 웨이퍼로 이루어지고, 상기 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼의 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시켜 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 각속도 센서(100)의 각 구성요소 및 이들의 유기적 결합에 대하여 보다 자세히 기술한다.
보다 구체적으로, 상기 질량체부(110)는 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 동일한 크기 및 형상으로 이루어진 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b)를 포함한다.
그리고 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 중심부에 무게중심에 대응되도록 제2 가요부(150)가 연결된다.
또한, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)에 의해 상기 내부 프레임(120)에 연결된다.
그리고 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 코리올리힘이 작용할 때 제1 가요부(140)의 굽힘과 제2 가요부(150)의 비틀림에 의해서 상기 내부 프레임(120)을 기준으로 변위가 발생한다. 이때, 상기 제1 질량체(110a)는 내부 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전되고, 이에 관련한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
한편, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 전체적으로 사각기둥 형상으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 공지된 모든 형상으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1,2 질량체(110a, 110b)는 전체적으로 전체적으로 사각기둥의 형상이고, 내측으로 단차지도록 파인 제1 단차부(미도시)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 단차부는 제1,2 질량체(110a, 110b)가 각각 제2 가요부(150)와 연결되는 연결부에 형성되고, 이는 제2 가요부(150)의 길이를 연장시키고 이로인해 제1,2 질량체(110a, 110b)의 변위 및 검출감도를 증가시키기 위한 것이다.
또한, 제1,2 질량체(110a, 110b)는 각각 제1 가요부(130)와 연결되는 연결부 측에 질량체의 에어댐핑에 따른 감도저하를 방지하기 위한 제2 단차부(미도시)가 더 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 단차부는 제1,2 질량체(110a, 110b)가 각각 제1 가요부(140)와 연결되는 연결부에 형성되고, 이는 제1 가요부(140)의 길이를 연장시키고 이로인해 제1,2 질량체(110a, 110b)의 변위 및 검출감도를 증가시키기 위한 것이다.
또한, 상기 제1,2 질량체(110a, 110b)는 Y축 방향에 대하여 양단부에 각각 제1 가요부(140)가 연결되고, X축 방향에 대하여 양단부에 제2 가요부(150)가 각각 연결된다. 이때 상기 제2 가요부(150)는 상기 제1,2 질량체(110a, 110b)의 제1 단차부에 각각 연결될 수 있다.
그리고 상기 제1,2 질량체(110a, 110b)에 각각 연결된 제1 가요부(140) 및 제2 가요부(150)는 상기 내부 프레임(120)에 각각 연결됨에 따라 상기 제1,2 질량체(110a, 110b)는 내부 프레임(120)에 지지된다. 이를 위해 상기 내부 프레임(120)에는 상기 질량체부(110)가 내재될 수 있고, 제1 가요부(140) 및 제2 가요부(150)에 의해 상기 질량체부(110)와 연결된다.
보다 구체적으로, 상기 내부 프레임(120)은 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)가 내재될 수 있도록 2개의 공간부(120a, 120b)로 구획된다.
그리고 상기 내부 프레임(120)은 상기 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)에 의해 연결된 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b)가 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b)가 변위를 일으킬 때 기준이 된다.
그리고 상기 내부 프레임(120)은 제2 가요부(150)과 동일한 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 내부 프레임(120)은 상기 질량체부(110)의 일부만을 커버하도록 형성될 수도 있다. 또한, 상기 내부 프레임(120)은 중심에 사각기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 외부 프레임(130)은 상기 내부 프레임(120)을 지지한다. 보다 구체적으로, 상기 외부 프레임(130)은 상기 내부 프레임(120)이 이격되도록 상기 내부 프레임(120)의 외측에 구비되고, 상기 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)에 의해 상기 내부 프레임(120)과 연결된다. 이에 따라 상기 내부 프레임(120)과 이에 연결된 상기 질량체부(110)은 변위가능하도록 부유상태로 상기 외부 프레임(130)에 의해 지지된다. 또한, 상기 외부 프레임(130)은 상기 내부 프레임(120)의 일부만을 커버하도록 형성될 수도 있다.
또한, 상기 질량체부(110) 및 외부 프레임(130)의 하단부에는 질량체부 및 외부 프레임의 형성을 위한 패턴층 (131)이 형성될 수 있다.
그리고 상기 감지수단(180) 및 구동수단(190)은 일 실시예로서 제1 가요부(140) 및 제3 가요부(160)의 일면에 각각 형성된다.
그리고 상기 제1 가요부(140)는 Z축 방향으로 소정두께를 갖고, X축 및 Y축에 의해 형성된 면으로 이루어진 빔이다. 즉, 상기 제1 가요부는 X축 방향의 폭(W1)이 Z축 방향의 두께(T1)보다 크게 형성된다.
또한, 상기 제1 가요부에는 감지수단(180)이 형성될 수 있다. 즉, XY 평면을 기준으로 보았을 때, 제1 가요부(140)는 제2 가요부(150)에 비하여 상대적으로 넓으므로, 제1 가요부(140)에는 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)의 변위를 감지하는 감지수단(180)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 감지수단(180)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하도록 형성할 수 있다.
그리고 상기 제2 가요부(150)는 제1 층 기판(100a)에 의해 형성된 제2 가요빔부(150a)와, 제2 층 기판(100b)에 의해 형성된 제2 가요힌지부(150b)로 이루어진다. 또한 상기 제2 가요힌지부(150b)는 Y축 방향으로 소정 두께를 갖고 X축 및 Z축에 의해 면이 형성된 힌지이다. 즉, 제2 가요힌지부(150b)는 Z축 방향의 폭(W2)이 Y축 방향의 두께(T2)보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 가요부(150)는 상기 질량체부(110)의 무게중심에 대응되도록
배치될 수 있다. 이는 상기 질량체부(110)의 회전축인 제2 가요부(150)가 질량체부(110)의 무게중심에 대해 이격될 경우에는 각속도 입력이 없는 상황에서도 Z축 방향으로 구동되는 질량체부(110)에 Z축 방향으로 작용하는 관성력이 질량체부(110)의 변위를 발생시키고, 이로 인해 잡음이 발생되기 때문이다.
또한, 상기 제1 가요부(140)와 제2 가요부(150)는 서로 직교방향으로 배치된다. 즉, 상기 제1 가요부(140)는 상기 질량체부(110) 및 상기 내부 프레임(120)에 Y축 방향으로 결합되고, 상기 제2 가요부(150)는 상기 질량체부(110) 및 상기 내부 프레임(120)에 X축 방향으로 결합된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 제2 가요힌지부(150b)의 Z축 방향의 폭(W2)가 Y축 방향의 두께(T2)보다 크므로, 상기 제1,2 질량체(110a, 110b)는 Y축을 기준으로 회전하거나, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, X축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다. 즉, 상기 제1,2 질량체부(110a, 110b)는 내부 프레임(120)에 내재되어 X축 방향을 기준으로 회전운동되고, 상기 제2 가요부(150)는 이를 위한 힌지 역할을 한다.
그리고 외부 프레임(130)은 상기 내부 프레임(120)과 소정간격으로 이격되도록 상기 내부 프레임(120)의 외측에 위치되고, 상기 제3 가요부(160)과 상기 제4 가요부(170)에 의해 연결된다.
또한, 상기 외부 프레임(130)은 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)를 지지하여 내부 프레임(120)이 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 내부 프레임(120)이 변위를 일으킬 때 기준이 된다. 또한, 외부 프레임(130)은 중심에 사각기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 제3 가요부(160)는 Z축 방향으로 소정두께를 갖고, X축 및 Y축에 의해 형성된 면으로 이루어진 빔이다. 즉, 상기 제3 가요부(160)는 Y축 방향의 폭(W3)이 Z축 방향의 두께(T3)보다 크게 형성된다.
한편, 상기 제3 가요부(160)은 제1 가요부(140)에 대하여 직교방향으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제3 가요부(160)에는 구동수단(190)이 형성되고, 상기 구동수단(190)은 상기 내부 프레임(120) 및 질량체부(110)를 구동시키기 위한 것으로 압전방식, 정전용량 방식 등을 이용하도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 제4 가요부(170)는 제1 층 기판(100a)에 의해 형성된 제4 가요빔부(170a)와, 제2 층 기판(100b)에 의해 형성된 제4 가요힌지부(170b)로 이루어진다. 또한 상기 제4 가요힌지부(170b)는 X축 방향으로 소정 두께를 갖고 Y축 및 Z축에 의해 면이 형성된 힌지이다. 즉, 제4 가요부(170)는 Z축 방향의 폭(W4)이 X축 방향의 두께(T4)보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제3 가요부(160)와 제4 가요부(170)는 서로 직교방향으로 배치된다. 즉, 상기 제3 가요부(160)는 상기 내부 프레임(120) 및 상기 외부 프레임(130)에 X축 방향으로 결합되고, 상기 제4 가요부(170)는 상기 내부 프레임(120) 및 상기 외부 프레임(130)에 Y축 방향으로 결합된다.
또한, 상기 제4 가요부는 상기 제2 질량체의 무게중심에 대응되도록 배치될 수 있다. 이는 상기 내부 프레임의 구동 회전축인 제4 가요부가 제2 질량체의 무게중심에 대해 이격될 경우에는　각속도 입력이 없는 상황에서도 제2 질량체에 Z축 방향으로 작용하는 관성력이 제2 질량체의 변위를 발생시키고, 이로 인해 잡음이 발생되기 때문이다.
또한, 상기 제3, 4 가요부(160, 170)는 외부 프레임(130)을 기준으로 내부 프레임(120)의 변위를 일으킬 수 있도록 상기 외부 프레임(130)과 내부 프레임(120)을 연결한다.
즉, 제3 가요부(160)는 X축 방향으로 내부 프레임(120)과 외부 프레임(130)을 연결하고, 제4 가요부(170)는 Y축 방향으로 내부 프레임(120)과 외부 프레임(130)을 연결한다.
또한, XY 평면을 기준으로 보았을 때, 제3 가요부(160)는 제4 가요부(170)에 비하여 상대적으로 넓으므로, 제3 가요부(160)에는 내부 프레임(120)을 구동시키는 구동수단(190)이 구비될 수 있다.
여기서, 상기 구동수단(190)은 상기 내부 프레임(120)을 Y축을 기준으로 회전하도록 구동시킬 수 있다. 이때, 상기 구동수단(190)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 정전용량 방식 등을 이용하도록 형성할 수 있다.
또한, 상기 제4 가요부(170)의 전술한 바와 같이 Z축 방향의 폭(W4)이 X축 방향의 두께(T4)보다 크므로, 상기 내부 프레임(120)은 X축을 기준으로 회전하거나, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다. 즉, 상기 내부 프레임(120)은 외부 프레임(130)에 고정되어 Y축 방향을 기준으로 회전운동되고, 상기 제4 가요부(170)는 이를 위한 힌지 역할을 한다.
또한 전술한 바와 같이 제1 가요부(140), 제2 가요부(150), 제3 가요부(160) 및 제4 가요부(170)가 배치됨에 따라, 제1 가요부(140)와 제3 가요부(160)는 서로 직교방향으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 가요부(150)와 제4 가요부(170)는 서로 직교방향으로 배치될 수 있다.
한편, 제1 가요부(140)와 제3 가요부(160)는 서로 평행하도록 배치될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 각속도 센서의 제2 가요힌지부(150b) 및 제4 가요힌지부(170b)는 단면상 사각형인 힌지(Hinge) 형상 또는 단면상 원형인 토션바(Torsion Bar) 형상 등 가능한 모든 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서에 있어서, 제3 가요부를 포함하지 않고, 제4 가요부에 구동수단을 형성시키는 기술구성으로 이루어질 수도 있다.
도 7은 도 2에 도시한 각속도 센서에 있어서 질량체부 및 내부 프레임의 운동가능한 방향을 도시한 평면도이다.
우선, 제2 가요힌지부(150b)의 Z축 방향의 폭(W2)이 Y축 방향의 두께(T2)보다 크므로, 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 상기 내부 프레임(120)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, X축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전할 수 있다.
구체적으로, 제2 가요힌지부(150b)가 X축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성이 클수록, 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 X축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Y축을 기준으로 회전하는 것이 제한된다.
이와 유사하게, 제2 가요힌지부(150b)가 X축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 Z축 방향으로 병진할 때의 강성이 클수록, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 X축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
따라서, 제2 가요힌지부(150b)의 (Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(X축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값이 증가할수록, 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 내부 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, Y축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
제2 가요힌지부(150b)의 Z축 방향의 폭(W2), X축 방향의 길이(L1) 및 Y축 방향의 두께(T2)와 방향별 강성 사이의 관계를 정리하면 다음과 같다.
(1) 제2 가요힌지부(150b)의 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성 ∝ W2 3 ×T2/L1 3
(2) 제2 가요힌지부(150b)의 X축을 기준으로 회전할 때의 강성 ∝ T2 3×W2/L1
상기 두 식에 따르면, 제2 가요힌지부(150b)의 (Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(X축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 (W2/(T2L1))2 에 비례한다. 그런데, 본 실시예에 따른 제2 가요힌지부(150b)는 Z축 방향의 폭(W2)가 Y축 방향의 두께(T2)보다 크므로 (W2/(T2L1))2 이 크고, 그에 따라 제2 가요부(150)의 (Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(X축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 증가하게 된다. 이러한 제2 가요부(150)의 특성으로 인하여, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 상기 내부 프레임(120)에 대하여 X축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, Y축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
한편, 제1 가요부(140)는 길이방향(Y축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)가 상기 내부 프레임(120)에 대해서 Z축을 기준으로 회전하거나 Y축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다.
또한, 제2 가요힌지부(150b)는 길이방향(X축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)가 내부 프레임(120)에 대해서 X축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다.
결국, 상술한 제1 가요부(140)와 제2 가요힌지부(150b)의 특성으로 인하여, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 상기 내부 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전할 수 있지만, Y축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 1과 같다.
제1 질량체 및 제2 질량체의 운동 방향
(내부 프레임 기준) 가능 여부
X축을 기준으로 회전 가능
Y축을 기준으로 회전 제한
Z축을 기준으로 회전 제한
X축 방향의 병진 제한
Y축 방향의 병진 제한
Z축 방향의 병진 제한
이와 같이, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 상기 내부 프레임(120)에 대해서 X축 즉, 제2 가요힌지부(150b)를 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)의 변위를 원하는 방향(X축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다.
또한, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 상기 내부 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전하므로, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)가 상기 내부 프레임에 대해서 제2 가요부가 결합된 축을 기준으로 회전됨에 따라, 제1 가요부(140)에는 압축응력과 인장응력이 조합된 굽힘응력이 발생하고, 제2 가요부(150)에는 X축을 기준으로 비틀림응력이 발생한다.
그리고, 상기 제1 가요부(140)의 굽힘응력은 감지수단(180)이 검출한다.
다음으로, 제4 가요힌지부(170b)의 Z축 방향의 폭(W4)이 X축 방향의 두께(T4)보다 크므로, 내부 프레임(120)은 외부 프레임(130)에 대해서 X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되는 반면, Y축을 기준으로 상대적으로 자유롭게 회전된다.
구체적으로, 제4 가요힌지부(170b)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 X축을 기준으로 회전할 때의 강성이 클수록, 내부 프레임(120)은 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, X축을 기준으로 회전하는 것이 제한된다. 이와 유사하게, 제4 가요힌지부(170b)가 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성에 비해서 Z축 방향으로 병진할 때의 강성이 클수록, 내부 프레임(120)은 Y축을 기준으로 자유롭게 회전할 수 있는 반면, Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
따라서, 제4 가요힌지부(170b)의 (X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값이 증가할수록, 상기 내부 프레임(120)은 외부 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 자유롭게 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한된다.
즉, 상기 제4 가요힌지부(170b)의 Z축 방향의 폭(W4), Y축 방향의 길이(L2) 및 X축 방향의 두께(T4)와 방향별 강성 사이의 관계를 정리하면 다음과 같다.
(1) 제4 가요힌지부(170b)의 X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성 ∝ T4×W4 3/L2 3
(2) 제4 가요힌지부(170b)의 Y축을 기준으로 회전할 때의 강성 ∝ T4 3W4/L2
상기 두 식에 따르면, 제4 가요힌지부(170b)의 (X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 (W4/(T4L2))2 에 비례한다.
그런데, 상기 제4 가요힌지부(170b)는 Z축 방향의 폭(W4)이 X축 방향의 두께(T4)보다 크므로 (W4/(T4L2))2이 크고, 그에 따라 제4 가요힌지부(170b)의 (X축을 기준으로 회전할 때의 강성 또는 Z축 방향으로 병진할 때의 강성)/(Y축을 기준으로 회전할 때의 강성) 값은 증가하게 된다. 이러한 제4 가요힌지부(170b)의 특성으로 인하여, 상기 내부 프레임(120)은 상기 외부 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 반면, X축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것이 제한되고, 단지 Y축을 기준으로 회전된다.
한편, 제3 가요부(160)는 길이방향(X축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 상기 내부 프레임(120)이 상기 외부 프레임(130)에 대해서 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다. 또한, 상기 제4 가요부(170)는 길이방향(Y축 방향)의 강성이 상대적으로 매우 높으므로, 내부 프레임(120)이 외부 프레임(130)에 대해서 Y축 방향으로 병진하는 것을 제한할 수 있다(도 8 참조).
결국, 상술한 제3 가요부(160)와 제4 가요힌지부(170b)의 특성으로 인하여, 상기 내부 프레임(120)은 상기 외부 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전할 수 있지만, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하거나 Z축, Y축 또는 X축 방향으로 병진하는 것이 제한된다. 즉, 상기 내부 프레임(120)의 운동가능한 방향을 정리하면 하기 표 2와 같다.
내부 프레임의 운동 방향
(외부 프레임 기준)		 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 내부 프레임(120)은 상기 외부 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전하는 것이 가능한 반면, 나머지 방향으로 운동하는 것이 제한되므로, 상기 내부 프레임(120)의 변위를 원하는 방향(Y축을 기준으로 회전)의 힘에 대해서만 발생하게 할 수 있다.
또한, 내부 프레임(120)은 외부 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전함으로 즉, 상기 내부 프레임(120)을 외부 프레임(130)에 힌지결합시킨 제4 가요힌지부(170b)를 기준으로 회전함으로, 상기 제3 가요부(160)에는 압축응력과 인장응력이 조합된 굽힘응력이 발생하고, 제4 가요힌지부(170b)에는 Y축을 기준으로 비틀림응력이 발생한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서는 상기한 바와 같이 이루어지고, 이하, 상기 각속도 센서(100)에 의한 각속도 측정 방법에 대하여 자세히 기술한다.
우선, 구동수단(190)을 이용하여 내부 프레임(120)을 외부 프레임(130)에 대해서 Y축을 기준으로 회전시킨다. 이때, 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 상기 내부 프레임(120)과 함께 Y축을 기준으로 회전되면서 진동하고, 진동에 따라 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)에는 변위가 발생한다.
구체적으로, 상기 제1 질량체(110a)에 +X축 방향과 -Z축 방향으로 변위(+X, -Z)가 발생하는 동시에, 상기 제2 질량체(110b)에 +X축 방향과 +Z축 방향으로 변위(+X, +Z)가 발생하고, 이후 상기 제1 질량체(110a)에 -X축 방향과 +Z축 방향으로 변위(-X, +Z)가 발생하는 동시에, 상기 제2 질량체(110b)에 -X축 방향과 -Z축 방향으로 변위(-X, -Z)가 발생한다. 이때, X축 또는 Z축을 기준으로 회전하는 각속도가 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110a)에 인가되면, 코리올리힘이 발생한다.
이러한 코리올리힘에 의해서, 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)는 내부 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전하면서 변위가 발생하고, 감지수단(180)은 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)의 변위를 감지한다.
보다 구체적으로, X축을 기준으로 회전하는 각속도가 상기 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)에 인가되면, 제1 질량체(110a)에 코리올리힘이 -Y축 방향으로 발생하다가 +Y축 방향으로 발생하고, 제2 질량체(110b)에 코리올리힘이 +Y축 방향으로 발생하다가 -Y축 방향으로 발생한다.
따라서, 상기 제1 질량체(110a)와 상기 제2 질량체(110b)는 서로 반대 방향으로 X축을 기준으로 회전하게 되고, 감지수단(180)이 상기 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b)의 변위를 각각 감지함으로써, 코리올리힘을 산출할 수 있고, 이러한 코리올리힘을 통해서 X축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정할 수 있다.
한편, 상기 제1 질량체(110a)의 양단부에 각각 연결된 제1 가요부(140)와 제1 감지수단(180))에서 각각 발생하는 신호를 SY1 및 SY2로 정의하고, 상기 제2 질량체(110b)의 양단부에 각각 연결된 제1 가요부(140)와 감지수단(180)에서 각각 발생하는 신호를 SY3 및 SY4로 정의한다면, X축방향을 기준으로 회전하는 각속도는 (SY1-SY2)-(SY3-SY4)로부터 산출할 수 있다. 이와 같이, 반대 방향으로 회전하는 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b) 사이의 신호를 차동출력하므로, 가속도 잡음을 상쇄시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, Z축을 기준으로 회전하는 각속도가 제1 질량체(110a) 및 제2 질량체(110b)에 인가되면, 상기 제1 질량체(110a)에 코리올리힘이 -Y축 방향으로 발생하다가 +Y축 방향으로 발생하고, 상기 제2 질량체(110b)에 코리올리힘이 -Y축 방향으로 발생하다가 +Y축 방향으로 발생한다. 따라서, 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b)는 동일 방향으로 X축을 기준으로 회전하게 되고, 감지수단(180)은 제1 질량체(110a)와 제2 질량체(110b)의 변위를 감지함으로써, 코리올리힘을 산출할 수 있고, 이러한 코리올리힘을 통해서 Z축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정할 수 있다.
이때, 제1 질량체(110a)의 양단부에 각각 연결된 2개의 제1 가요부(140)과 감지수단(180))에서 각각 발생하는 신호를 SY1 및 SY2로 정의하고, 상기 제2 질량체(110b)의 양단부에 각각 연결된 제1 가요부(140)와 감지수단(180))에서 각각 발생하는 신호를 SY3 및 SY4로 정의한다면, Z축을 기준으로 회전하는 각속도는 (SY1-SY2)+(SY3-SY4)로부터 산출할 수 있다.
또한, 이에 따른 각속도 산출의 일예는 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 상기 구동수단 (190)에 의해 외부 프레임(130)에 대하여 내부 프레임(120)을 Y축을 기준으로 회전시키면, 상기 제1 질량체(110a)는 상기 내부 프레임(120)과 함께 Y축을 기준으로 회전되면서 진동하고, 진동에 따라 상기 제1 질량체(110a)는 X축 및 Z축 방향으로 속도(Vx, Vz)가 발생한다. 이때 Z축 또는 X축을 기준으로 하는 각속도(?Z,?X)가 상기 제1 질량체(110a)에 인가되면, Y축 방향으로 코리올리힘(Fy)이 발생한다.
이러한 코리올리힘(Fy)에 의해서, 상기 제1 질량체(110a)는 상기 내부 프레임(120)에 대해서 X축을 기준으로 회전하면서 변위가 발생하고, 감지수단(180)이 상기 제1 질량체(110a)의 변위를 감지한다. 그리고 상기 제1 질량체(110a)의 변위를 감지함으로써, 코리올리힘(Fy)을 산출할 수 있다.
따라서, Fy=2mVz?X에서 상기 코리올리힘(Fy)을 통해서 X축을 기준으로 하는 각속도(?X)를 산출할 수 있고, Fy=2mVx?Z 에서 코리올리힘(Fy)을 통해서 Z축을 기준으로 하는 각속도(?Z)를 산출할 수 있다.
결국, 본 발명의 제1 실시예에 따른 각속도 센서(100)는 감지수단(180)을 통해서 X축 또는 Z축을 기준으로 회전하는 각속도를 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 개략인 제1 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 제2 단면도이다.
도시한 바와 같이, 상기 각속도 센서(200)는 도 3,4에 도시한 제1 실시예에 따른 각속도 센서(100)와 비교하여 Oxide 층의 잔존구조만이 상이하다. 즉, 도 3 및 도 4에 도시한 Oxide 층에 있어서 외부로 노출된 Oxide 층은 제거된 상태이다.
보다 구체적으로, 상기 각속도 센서(200)는 질량체부(210), 내부 프레임(220), 외부 프레임(230), 제1 가요부(240), 제2 가요부(250), 제3 가요부(260) 및 제4 가요부(270)를 포함한다.
그리고, 상기 제1 가요부(240) 및 제2 가요부(250)에는 선택적으로 감지수단(280)이 구비되고, 상기 제3 가요부(260) 및 제4 가요부(270)에는 선택적으로 구동수단(290)이 구비된다.
또한, 본 발명에 따른 각속도 센서(200)는 상술된 구성요소를 형성하기 위해 적층방향에 따라 즉, Z축 방향으로 3개 층의 기판인 제1 층 기판(200a), 제2 층 기판(200b) 및 제3 층 기판(200c)으로 이루어진다.
그리고 상기 제1 가요부(240) 및 제3 가요부(260)는 제1 층 기판(200a)으로 형성되고, 상기 제2 가요부(250), 제4 가요부(270) 및 내부 프레임(220)은 제1 층 기판(200a) 및 제2 층 기판(200b)으로 형성되고, 상기 질량체부(210) 및 외부 프레임(230)은 제1 층 기판(200a), 제2 층 기판(200b) 및 제3 층 기판(200c)으로 형성된다.
그리고 상기 질량체부(210)를 형성하는 제2 층 기판(200b)과 제3 층 기판(100c) 사이에는 Oxide 층(O1)이 형성되고, 상기 외부 프레임을 형성하는 제2 층 기판(200b)과 제3 층 기판(100c) 사이에는 Oxide 층(O1)이 형성된다.
이하, 각 구성요소의 구체적인 설명은 제1 실시예에 따른 각속도 센서와 동일한 바 생략한다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명에 따른 각속도 센서의 제1 실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도시한 바와 같이, 도 10a는 제 SOI 웨이퍼에 Oxide층 및 가요부 및 내부 프레임 패턴 형성단계로서, 제1층 기판 및 제2층 기판을 형성하는 SOI 웨이퍼(10)를 Oxidation하여 Oxide층(11)을 형성시킨다. 그리고 상기 Oxide층(11)에 가요부 및 내부 프레임 패턴(12)을 형성시키고, 상기 가요부 및 내부 프레임 패턴(12)에 의해 Oxide층(11)이 가요부 및 내부 프레임에 대응되도록 잔존된다.
다음으로, 도 10b는 Si 웨이퍼에 Oxide층 및 질량체부 및 외부 프레임 패턴 형성단계로서, 제3층 기판을 형성하는 Si 웨이퍼(20)를 Oxidation하여 Oxide층(21)을 형성시킨다. 그리고 상기 Oxide층(21)에 질량체부 및 외부 프레임 패턴(22)을 형성시키고, 질량체부 및 외부 프레임 패턴(22)에 의해 Oxide층(21)이 질량체부 및 외부 프레임에 대응되도록 잔존된다.
다음으로, 도 10c는 SOI 웨이퍼(10) 및 Si 웨이퍼(20) 결합단계로서, 상기 SOI 웨이퍼(10)와 Si 웨이퍼(20)를 결합한다. 이때, 상기 결합시 SOI 웨이퍼(10)와 Si 웨이퍼(20)은 실리콘 다이렉트 본딩방법으로 결합할 수 있다.
다음으로, 도 10d는 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼 식각단계로서, SOI 웨이퍼(10)의 Oxide층(11)과 상기 Si 웨이퍼(20)의 Oxide층을 통해 상기 Si 웨이퍼(20) 및 SOI 웨이퍼(10)를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명에 따른 각속도 센서의 제2 실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도시한 바와 같이, 도 11a는 제 SOI 웨이퍼 마련단계를 도시한 것으로, 제1층 기판 및 제2층 기판을 형성하는 SOI 웨이퍼(10')를 마련한다.
다음으로, 도 11b는 Si 웨이퍼에 Oxide층과, 가요부 및 내부 프레임 패턴과, 질량체부 및 외부 프레임 패턴 단계로서, 제3층 기판을 형성하는 Si 웨이퍼(20')를 Oxidation하여 양면에 Oxide층(21a' 21b')을 형성시킨다. 또한, 상기 SOI 웨이퍼(10')에 대향되는 상면의 Oxide층(21a')에 가요부 및 내부 프레임 패턴(22a')을 형성시키고, 하면의 Oxide층(21b')에 질량체부 및 외부 프레임 패턴(22b')를 형성시킨다. 그리고 상기 Oxide층(21a' 21b')은 가요부, 내부 프레임, 질량체부 및 외부 프레임에 대응되도록 잔존된다.
다음으로, 도 11c는 SOI 웨이퍼(10') 및 Si 웨이퍼(20') 결합단계로서, 상기 SOI 웨이퍼(10')와 Si 웨이퍼(20')을 결합한다. 이때 상기 SOI 웨이퍼(10')와 Si 웨이퍼(20')는 실리콘 다이렉트 본딩방법으로 결합할 수 있다.
다음으로, 도 11d는 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼 식각단계로서, 상기 Si 웨이퍼(20")의 Oxide층(21a' 21b')을 통해 상기 Si 웨이퍼(20") 및 SOI 웨이퍼(10")를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명에 따른 각속도 센서의 제3 실시예에 따른 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도시한 바와 같이, 도 12a는 제 SOI 웨이퍼에 Oxide층 및 가요부 및 내부 프레임 패턴 형성단계로서, 제1층 기판 및 제2층 기판을 형성하는 SOI 웨이퍼(10")를 Oxidation하여 Oxide층(11") 또는 Photoresist층을 형성시킨다. 그리고 상기 Oxide층(11")에 가요부 및 내부 프레임 패턴(12")을 형성시킨다. 그리고 상기 가요부 및 내부 프레임 패턴(12")에 의해 Oxide층(11")이 가요부 및 내부 프레임에 대응되도록 잔존된다.
다음으로, 도 12b는 Si 웨이퍼 결합 및 질량체부와 외부 프레임 패턴 형성단계로서, 도 12a를 통해 형성된 SOI 웨이퍼(10")에 제3층 기판을 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시키고, 질량체부 및 외부 프레임 패턴(21")을 형성시킨다.
다음으로, 도 12c는 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼 식각단계로서, SOI 웨이퍼(10")의 Oxide층(11")과 상기 Si 웨이퍼(20")의 질량체부 및 외부 프레임 패턴(21")을 통해 상기 Si 웨이퍼(20") 및 SOI 웨이퍼(10")를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨다.
또한, 도 10d, 11d에 있어서 외부로 노출된 Oxide층은 선택적으로 추가로 식각할 수 있다.
또한, 12c에 있어서, 외부로 노출된 Oxide층 및 질량체부 및 외부 프레임 패턴(21")은 선택적으로 추가로 식각할 수 있다.
상기한 바와 같은 방법으로 본 발명에 따른 각속도 센서는 제조됨에 따라 미세패턴 형성이 가능하고, 층간 align이 개선될 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 단순화될 수 있다.
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. 특히, 본 발명은 "X축", "Y축" 및 "Z축"을 기준으로 설명하였지만, 이는 설명의 편의를 위하여 정의한 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위에 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 각속도 센서 100a : 제1 층 기판
100b : 제2 층 기판 100c : 제3 층 기판
110 : 질량체부 111 : 질량체부 패턴층
110a: 제1 질량체 110b : 제2 질량체
120 : 내부 프레임 120a, 120b : 공간부
130 : 외부 프레임 131 : 외부 프레임 패턴층
140 : 제1 가요부
150 : 제2 가요부 150a : 제2 가요빔부
150b : 제2 가요힌지부
160 : 제3 가요부 170 : 제4 가요부
170a : 제4 가요빔부 170b : 제4 가요힌지부
180 : 감지수단 190 : 구동수단
200 : 각속도 센서 200a : 제1 층 기판
200b : 제2 층 기판 200c : 제3 층 기판
210 : 질량체부 220 : 내부 프레임
230 : 외부 프레임 240 : 제1 가요부
250 : 제2 가요부 260 : 제3 가요부
270 : 제4 가요부 280 : 감지수단
290 : 구동수단
10, 10', 10" : SOI 웨이퍼
11, 11',11" : Oxide층 12, 12" : 가요부 및 내부 프레임 패턴
20, 20', 20" : Si 웨이퍼 21, 21a',21b' : Oxide층
22a' : 가요부 및 내부 프레임 패턴
22, 22b', 21" : 질량체부 및 외부 프레임 패턴
O1, O2 : Oxide층

Claims (32)

  1. 질량체부;
    상기 질량체부를 지지하는 내부 프레임;
    상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제1 가요부;
    상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제2 가요부;
    상기 내부 프레임을 지지하는 외부 프레임;
    상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제3 가요부;
    상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고,
    상기 내부 프레임, 제2 가요부 및 제4 가요부에는 Oxide층이 형성되고,
    상기 제2 가요부, 제4 가요부 및 내부 프레임은 제2 층 기판으로 형성되고,
    상기 질량체부 및 외부 프레임은 제2 층 기판 및 제3 층 기판으로 형성된 각속도 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 프레임 및 질량체부에는 Oxide층이 형성된 각속도 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부 및 제3 가요부는 제1 층 기판으로 형성되고,
    상기 제2 가요부, 제4 가요부 및 내부 프레임은 제1 층 기판 및 제2 층 기판으로 형성되고,
    상기 질량체부 및 외부 프레임은 제1 층 기판, 제2 층 기판 및 제3 층 기판으로 형성된 각속도 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 층 기판 및 제2 층 기판은 SOI 웨이퍼로 이루어지고,
    상기 제3 층 기판은 Si 웨이퍼로 이루어지고, 상기 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩 결합된 각속도 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 2 층기판 및 제3 층 기판 사이에 Oxide층이 형성된 각속도 센서.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 층 기판 및 제2 층 기판 사이에 Oxide층이 형성된 각속도 센서.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 3층 기판에는 외부 프레임 패턴층 및 질량체 패턴층이 형성된 각속도 센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부는
    일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔인 각속도 센서.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지인 각속도 센서.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 가요부는
    일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔인 각속도 센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 가요부는
    일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지인 각속도 센서.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부와 제2 가요부는 직교방향으로 배치되고, 상기 제3 가요부와 제4 가요부는 직교방향으로 배치된 각속도 센서.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 가요부는 상기 제1 가요부와 직교방향으로 배치된 각속도 센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 가요부는 상기 제2 가요부와 직교방향으로 배치된 각속도 센서.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가요부 또는 제2 가요부의 일면에는 선택적으로 질량체부의 변위를 감지하는 감지수단이 구비된 각속도 센서.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 가요부 또는 제4 가요부의 일면에는 선택적으로 내부 프레임을 구동시키는 구동수단이 구비된 각속도 센서.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체부는 동일한 크기 및 형상으로 이루어진 제1 질량체와 제2 질량체로 이루어진 각속도 센서.
  18. 질량체부;
    상기 질량체부를 지지하는 내부 프레임;
    상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제1 가요부;
    상기 질량체부를 상기 내부 프레임에 각각 연결하는 제2 가요부;
    상기 내부 프레임을 지지하는 외부 프레임;
    상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제3 가요부;
    상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임을 연결하는 제4 가요부를 포함하고,
    상기 외부 프레임 및 질량체부에는 Oxide층이 형성되고,
    상기 제2 가요부, 제4 가요부 및 내부 프레임은 제2 층 기판으로 형성되고,
    상기 질량체부 및 외부 프레임은 제2 층 기판 및 제3 층 기판으로 형성된 각속도 센서.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 가요부 및 제3 가요부는 제1 층 기판으로 형성되고,
    상기 제2 가요부, 제4 가요부 및 내부 프레임은 제1 층 기판 및 제2 층 기판으로 형성되고,
    상기 질량체부 및 외부 프레임은 제1 층 기판, 제2 층 기판 및 제3 층 기판으로 형성된 각속도 센서.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 층 기판 및 제2 층 기판은 SOI 웨이퍼로 이루어지고,
    상기 제3 층 기판은 Si 웨이퍼로 이루어지고, 상기 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩 결합된 각속도 센서.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 질량체부를 형성하는 제1 층 기판 및 제2 층 기판 사이에 Oxide층이 형성되고, 외부 프레임을 형성하는 상기 제 2 층 기판 및 제3 층 기판 사이에 Oxide층이 형성된 각속도 센서.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 가요부는 일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔이고,
    상기 제2 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지인 각속도 센서.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 제3 가요부는 일축 및 타축방향에 의해 형성된 면과, 상기 면의 직교방향으로 연장된 두께를 갖는 빔이고,
    상기 제4 가요부는 일축방향으로 두께를 갖고 타축방향으로 면이 형성된 힌지인 각속도 센서.
  24. (A) SOI 웨이퍼에 Oxide층 및 가요부 및 내부 프레임 패턴 형성단계;
    (B) Si 웨이퍼에 Oxide층 및 질량체부 및 외부 프레임 패턴형성단계;
    (C) SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼 결합단계; 및
    (D) SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼 식각단계를 포함하는 각속도 센서의 제조방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    (C) 단계에서,
    상기 SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시키는 각속도 센서의 제조방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    (D) 단계에서,
    상기 SOI 웨이퍼의 Oxide층과 상기 Si 웨이퍼의 Oxide층을 통해 상기 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨 각속도 센서의 제조방법.
  27. (A) SOI 웨이퍼를 마련하는 단계;
    (B) Si 웨이퍼에 Oxide층과, 가요부 및 내부 프레임 패턴과, 질량체부 및 외부 프레임 패턴 형성단계;
    (C) SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼 결합단계; 및
    (D) SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼 식각단계를 포함하는 각속도 센서의 제조방법.
  28. 청구항 27에 있어서,
    (C) 단계에서,
    상기 SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시키는 각속도 센서의 제조방법.
  29. 청구항 27에 있어서,
    (D) 단계에서,
    상기 Si 웨이퍼의 Oxide층을 통해 상기 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨 각속도 센서의 제조방법.
  30. (A) SOI 웨이퍼에 Oxide층 또는 Photoresist층 및 가요부 및 내부 프레임 패턴 형성단계;
    (B) SOI 웨이퍼에 Si 웨이퍼 결합 및 Si 웨이퍼에 Oxide층 또는 Photoresist층 및 질량체부 및 외부 프레임 패턴형성단계; 및
    (D) SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼 식각단계를 포함하는 각속도 센서의 제조방법.
  31. 청구항 24에 있어서,
    (B) 단계에서,
    상기 SOI 웨이퍼 및 Si 웨이퍼는 실리콘 다이렉트 본딩방식으로 결합시키는 각속도 센서의 제조방법.
  32. 청구항 24에 있어서,
    (C) 단계에서,
    상기 SOI 웨이퍼의 Oxide층 또는 Photoresist층과 상기 Si 웨이퍼의 Oxide층 또는 Photoresist층을 통해 상기 Si 웨이퍼 및 SOI 웨이퍼를 순차적으로 식각하여 질량체, 외부 프레임, 가요부, 내부 프레임을 형성시킨 각속도 센서의 제조방법.
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