KR101861256B1 - 진동식 관성 센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 진동식 관성 센서 장치 - Google Patents

진동식 관성 센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 진동식 관성 센서 장치 Download PDF

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이기근
이문환
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아주대학교산학협력단
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Abstract

진동식 관성 센서는 에칭(etching) 영역을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 위치하되, 압전 물질로 형성되는 압전 박막, 상기 압전 박막 상의 제1축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성되되, 상기 마주보는 패턴의 양단에 공급되는 전원에 기초하여 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 생성 패턴, 상기 압전 박막 상에 위치하되 상기 제1표면탄성파에 의해 진동하며, 상기 제1축을 중심으로 인가된 회전력에 따라 상기 제1축과 수직한 제2축 방향으로 제2표면탄성파를 발생시키는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴에 의해 생성된 상기 제2표면탄성파를 수신하여, 수신된 제2표면탄성파를 전기신호로 변환시키는 표면탄성파 검출 패턴을 포함하며, 상기 에칭 영역은 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하며, 상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출될 수 있다.

Description

진동식 관성 센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 진동식 관성 센서 장치{VIBRATING INERTIAL SENSOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND VIBRATING INERTIAL SENSOR DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명의 기술적 사상은 진동식 관성 센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 진동식 관성 센서 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 박막의 양면 중에서 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 기판의 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되는 구조를 가지는 진동식 관성 센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 진동식 관성 센서 장치에 관한 것이다.
관성 센서는 대상 물체의 운동 상태에서 발생하는 여러 형태의 관성력을 측정하기 위한 센서이다.
예컨대, 관성 센서는 가속도 센서, 각속도 센서 등의 여러 형태의 관성력을 측정하는 센서를 통칭할 수 있다.
관성 센서는 대상 물체에 작용하는 동적인 힘을 순간적으로 감지할 수 있기 때문에 자동차, 철도 차량, 항공기, 선박 등의 운송기기, 공장자동화 관련장비 등의 여러 분야에 폭 넓게 적용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제는 압전 박막의 양면 중에서 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 기판의 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되는 구조를 가지는 진동식 관성 센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 진동식 관성 센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 관성 센서는 에칭(etching) 영역을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 위치하되, 압전 물질로 형성되는 압전 박막, 상기 압전 박막 상의 제1축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성되되, 상기 마주보는 패턴의 양단에 공급되는 전원에 기초하여 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 생성 패턴, 상기 압전 박막 상에 위치하되 상기 제1표면탄성파에 의해 진동하며, 상기 제1축을 중심으로 인가된 회전력에 따라 상기 제1축과 수직한 제2축 방향으로 제2표면탄성파를 발생시키는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴에 의해 생성된 상기 제2표면탄성파를 수신하여, 수신된 제2표면탄성파를 전기신호로 변환시키는 표면탄성파 검출 패턴을 포함하며, 상기 에칭 영역은 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하며, 상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 에칭 영역은, 상기 금속 패턴이 형성된 상기 영역을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 에칭 영역은, 상기 표면탄성파 생성 패턴이 형성된 영역 또는 상기 표면탄성파 검출 패턴이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 압전 박막은, LiNbO3로 형성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 압전 박막의 두께는, 상기 제1표면탄성파의 파장과 동일한 크기의 두께로 형성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 표면탄성파 생성 패턴은, 상기 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 발생부 및 상기 제1표면탄성파를 상기 금속 패턴 측으로 반사시키는 표면탄성파 반사부를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 금속 패턴은, 복수의 금속 점들(metal dots)로 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 복수의 금속 점들 각각은, 상기 제1표면탄성파의 파복(antinode)에 배치될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 복수의 금속 점들 각각은, 상기 제1표면탄성파의 파장의 1/4의 크기로 형성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 복수의 금속 점들 각각은, 상기 제1표면탄성파의 파장의 크기만큼 상기 제1축 또는 상기 제2축 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 표면탄성파 검출 패턴은, 상기 금속 패턴을 기준으로 상기 제2축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 표면탄성파 검출 패턴은, 상기 금속 패턴으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 진동식 관성 센서는, 상기 표면탄성파 생성 패턴, 상기 금속 패턴, 및 상기 표면탄성파 검출 패턴을 감싸면서 상기 진동식 관성 센서를 진공 패키징(vacuum packaging)하도록 형성되는 진공 캡(cap)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 진공 캡에는, 상기 진공 캡 내부의 진공 처리 이후에 상기 진공 캡을 밀봉시키기 위한 밀봉층이 형성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 진동식 관성 센싱 장치는 인가된 회전력에 따른 각속도를 센싱하여 센싱 결과에 따라 전기신호를 생성하는 제1진동식 관성 센서 및 생성된 상기 전기신호에 따라 상기 각속도를 연산하는 프로세서를 포함하며, 상기 제1진동식 관성 센서는, 에칭(etching) 영역을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 위치하되, 압전 물질로 형성되는 압전 박막, 상기 압전 박막 상의 제1축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성되되, 상기 마주보는 패턴의 양단에 공급되는 전원에 기초하여 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 생성 패턴, 상기 압전 박막 상에 위치하되 상기 제1표면탄성파에 의해 진동하며, 상기 제1축을 중심으로 인가된 상기 회전력에 따라 상기 제1축과 수직한 제2축 방향으로 제2표면탄성파를 발생시키는 금속 패턴 및 상기 금속 패턴에 의해 생성된 상기 제2표면탄성파를 수신하여, 수신된 제2표면탄성파를 상기 전기신호로 변환시키는 표면탄성파 검출 패턴을 포함하며, 상기 에칭 영역은 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하며, 상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출될 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 진동식 관성 센싱 장치는, 상기 제2축을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위하여, 상기 제1진동식 관성 센서와 수직한 방향으로 형성되는 제2진동식 관성 센서 및 상기 제1축과 상기 제2축에 수직한 제3축을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위하여, 상기 제1진동식 관성 센서 및 상기 제2진동식 관성 센서와 수직한 방향으로 형성되는 제3진동식 관성 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 진동식 관성 센서의 제조 방법은 제1기판 상에 압전 물질로 구성되는 압전 박막을 형성시키는 단계, 상기 압전 박막 상에 표면탄성파 생성 패턴, 금속 씨드(seed) 패턴, 및 표면탄성파 검출 패턴을 함께 형성시키는 단계, 상기 금속 씨드 패턴 위에 금속 증착 패턴을 증착시킴으로써 2층 구조의 금속 패턴을 형성시키는 단계 및 상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되도록, 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하는 상기 제1기판의 아래 면을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 상기 진동식 관성 센서의 제조 방법은, 제2기판 상에 진공 캡 증착을 위한 포토레지스터(photoresistor)를 형성시키는 단계, 상기 포토레지스터 위에 상기 진공 캡을 코팅(coating)시키는 단계, 상기 제2기판으로부터 상기 진공 캡을 분리시키는 단계, 분리된 상기 진공 캡이 상기 표면탄성파 생성 패턴, 상기 금속 패턴, 및 상기 표면탄성파 검출 패턴을 감싸도록, 상기 진공 캡을 상기 압전 박막 상에 본딩(bonding)하는 단계, 상기 진공 캡 내의 공기를 흡기하여 진공처리하는 단계 및 진공처리된 상기 진공 캡을 밀봉시키기 위한 밀봉층을 상기 진공 캡 상에 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 방법과 장치는 압전 박막의 양면 중에서 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 기판의 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되는 구조를 가짐으로써 표면탄성파에 의한 메탈 패턴의 진동을 극대화시킴으로써 센싱 민감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 방법과 장치는 기판에 형성된 에칭 영역이 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하도록 설계함으로써, 더욱 넓은 영역에 에칭 영역을 형성시킨 경우에 비하여 입력 손실과 노이즈 발생을 줄이고 센싱 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 방법과 장치는 표면탄성파 생성 패턴, 금속 패턴, 및 표면탄성파 검출 패턴을 감싸면서 상기 진동식 관성 센서를 진공 패키징하기 위한 진공 캡을 구비함에 따라 공기저항에 의한 표면탄성파의 변화를 방지함으로써 센싱 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 진동식 관성 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 진동식 관성 센서의 x-z 평면 방향의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 진동식 관성 센서의 y-z 평면 방향의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 진동식 관성 센서의 압전 박막 두께에 따른 입력 손실을 에칭 영역을 달리하여 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진동식 관성 센서의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 진동식 관성 센서의 제조방법의 플로우차트이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 진동식 관성 센서의 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 진동식 관성 센서의 x-z 평면 방향의 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 진동식 관성 센서의 y-z 평면 방향의 단면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 진동식 관성 센서(100)는 기판(110), 압전 박막(120), 전원(125), 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2), 금속 패턴(140), 표면탄성파 검출 패턴(150), 프로세서(160), 및 진공 캡(vacuum cap, 170)을 포함할 수 있다.
도 1의 진동식 관성 센서의 평면도에서는 설명의 편의를 위하여 진공 캡(170)의 도시는 생략하였다.
기판(110)은 진동식 관성 센서(100)의 각 구성들을 지지하기 위한 것으로, 에칭 영역(R-ETC)을 포함할 수 있다. 에칭 영역(R-ETC)에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.
실시 예에 따라, 기판(110)은 유전체, 예컨대 실리콘(silicon)으로 구성될 수 있다.
기판(110) 상에는 압전 박막(120)이 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 압전 박막(120)은 압전 물질, 예컨대 LiNbO3로 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 압전 박막(120)은 제1표면탄성파(SAW1)의 파장(λ)과 동일한 크기의 두께로 형성될 수 있다. 압전 박막(120)의 두께가 제1표면탄성파(SAW1)의 파장(λ)과 동일한 크기의 두께로 형성됨에 따른 효과는 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
압전 박막(120) 상에는, 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2), 금속 패턴(140), 및 표면탄성파 검출 패턴(150)이 구성될 수 있다.
표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2)은 제1축(예컨대, x축) 방향으로 서로 마주보는 제1표면탄성파 생성 패턴(130-1)과 제2표면탄성파 생성 패턴(130-2)으로 구성되되, 서로 마주보는 제1표면탄성파 생성 패턴(130-1)과 제2표면탄성파 생성 패턴(130-2) 각각의 양단에는 전원(125)이 공급되도록 연결될 수 있다.
표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2)은 양단에 공급되는 전원에 기초하여 제1표면탄성파(SAW1)를 발생시킬 수 있다.
표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2)은 제1표면탄성파(SAW1)를 발생시키는 표면탄성파 발생부(132-1, 132-2)와 제1표면탄성파(SAW1)를 금속패턴(140) 측으로 반사시키는 표면탄성파 반사부(134-1, 134-2)를 포함할 수 있다.
제2표면탄성파 반사부(134-2)는 제1표면탄성파 생성 패턴(130-1) 측으로부터 전달된 제1표면탄성파(SAW1)를 금속패턴(140) 측으로 반사시키고, 제1표면탄성파 반사부(134-1)는 제2표면탄성파 생성 패턴(130-2) 측으로부터 반사 또는 전달된 제1표면탄성파(SAW1)를 금속패턴(140) 측으로 반사시킬 수 있다.
금속 패턴(140)은 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2)에 의해 생성된 제1표면탄성파(SAW1)에 의해 제3축(예컨대, z축) 방향으로 진동하며, 제1축(예컨대, x축)을 중심으로 인가된 회전력에 따라 코리올리 힘(Coriolis force)이 작용하여, 제1축(예컨대, x축)과 수직한 제2축(예컨대, y축) 방향으로 제2표면탄성파(SAW2)를 발생시킬 수 있다.
실시 예에 따라, 금속 패턴(140)은 복수의 금속 점들(metal dots)로 구성될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 금속 패턴(140)의 복수의 금속 점들 각각은 제1표면탄성파(SAW1)의 파절(node, ND)들과 파복(antinode, AND)들 중에서 파복(AND)에 배치될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 금속 패턴(140)의 복수의 금속 점들 각각은 제1표면탄성파(SAW1)의 파장(λ)의 1/4 크기로 형성될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 금속 패턴(140)의 복수의 금속 점들 각각은 제1표면탄성파(SAW1)의 파장(λ)의 크기만큼, 제1축(예컨대, x축) 또는 제2축(예컨대, y축) 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 금속 패턴(140)은 금속 씨드 패턴(metal seed pattern)과 금속 증착 패턴의 2층 구조로 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
금속 패턴(140)으로부터 발생된 제2표면탄성파(SAW2)는 금속 패턴(140)에서 제2축(예컨대, y축) 방향으로 이격되어 위치한 표면탄성파 검출 패턴(150)에 의해 검출될 수 있다.
표면탄성파 검출 패턴(150)은 수신된 제2표면탄성파(SAW2)를 전기신호로 변환하고, 변환된 전기 신호를 프로세서(160)로 전달할 수 있다.
실시 예에 따라, 표면탄성파 검출 패턴(150)은 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2)과 같이 금속 패턴(140)을 기준으로 제2축(예컨대, y축) 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 표면탄성파 검출 패턴(150)은 제2축(예컨대, y축) 방향으로 금속 패턴(140)으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다. 즉, 표면탄성파 검출 패턴(150)은 표면탄성파 검출 패턴(150)의 금속 패턴(140) 측 폭(WD1)보다 표면탄성파 검출 패턴(150)의 금속 패턴(140) 반대측 폭(WD2)이 더 넓은 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다.
프로세서(160)는 표면탄성파 검출 패턴(150)으로부터 전달된 전기신호에 따라 제1축(예컨대, x축)을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 연산할 수 있다.
진공 캡(170)은 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2), 금속 패턴(140), 표면타성파 검출 패턴(150)을 감싸면서, 진동식 관성 센서(100)를 진공 패키징(vacuum packaging)하도록 형성될 수 있다.
실시 예에 따라, 진공 캡(170)은 압전 박막(120) 상에 부착된 이후 진공 캡(170) 내부가 진공 처리되며, 진공 처리 이후에 진공 캡(170)을 밀봉시키기 위하여 밀봉층이 추가로 형성될 수 있다.
기판 (110)에 형성된 에칭 영역(R-ETC)는 금속 패턴이 형성된 영역(R-MT)에 상응하는 폭 또는 깊이를 가질 수 있다.
실시 예에 따라, 기판(110)에 형성된 에칭 영역(R-ETC)은 금속 패턴(140)이 형성된 영역(R-MT)을 포함하도록 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1축(예컨대, x축)-3축(예컨대, z축) 평면 방향의 단면에서 기판(110)에 형성된 에칭 영역(R-ETC)은 금속 패턴(140)이 형성된 영역(R-MT)을 포함하도록 형성되며, 도 3을 참조하면 제2축(예컨대, y축)-3축(예컨대, z축) 평면 방향의 단면에서도 기판(110)에 형성된 에칭 영역(R-ETC)은 금속 패턴(140)이 형성된 영역(R-MT)을 포함하도록 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 기판(110)에 형성된 에칭 영역(R-ECT)은 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2)이 형성된 영역(도 2의 R-SAW1, R-SAW2) 또는 표면탄성파 검출 패턴(150)이 형성된 영역(도 3의 R-SAW3)을 제외한 나머지 영역에 형성될 수 있다.
압전 박막(120)의 양면(SF-1, SF-2) 중에서 금속 패턴(140)이 형성된 면(SF-1)의 반대면(SF-2)은 에칭 영역(R-ECT)에 의해 직접 외부로 노출될 수 있다.
도 1 내지 도 3의 진동식 관성 센서(100)는 각속도를 연산하는 프로세서(160)를 구비한 진동식 관성 센서 장치로 구현될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에서는, 제1축(예컨대, x축)을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위한 진동식 관성 센서 장치(100)만 도시되어 있으나, 실시 예에 따라 제2축(예컨대, y축)을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위한 진동식 관성 센서 장치, 제3축(예컨대, z축)을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위한 진동식 관성 센서 장치를 더 구비하여 3축 방향의 각속도를 한번에 측정할 수 있는 진동식 관성 센서 장치로 구현될 수도 있다.
도 4는 도 1에 도시된 진동식 관성 센서의 압전 박막 두께에 따른 입력 손실을 에칭 영역을 달리하여 비교한 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라, 금속 패턴(140)이 형성된 영역(R-MT)에 상응하는 영역에만 에칭 영역(R-ETC)이 형성된 제1경우(CASE1), 및 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 1302-2)이 형성된 영역(R-SAW1, R-SAW2)과 표면탄성파 검출 패턴(150)이 형성된 영역(R-SAW3)에 상응하는 영역에도 에칭 영역(R-ETC)이 형성된 제2경우(CASE2)의 압전 박막 두께에 따른 입력 손실을 비교한 그래프가 도시되어 있다.
그래프에 도시된 바와 같이, 제2경우(CASE2)보다 제1경우(CASE1)의 경우에 진동식 관성 센서(100)의 입력 손실(insertion loss)이 적은 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 제1경우(CASE1)에는 압전 박막(120)의 두께가 제1표면탄성파(SAW1)의 파장(λ)과 동일한 크기의 두께로 형성될 때 입력 손실이 최소화되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진동식 관성 센서의 제조과정을 나타낸 도면이다. 도 6은 도 5에 도시된 진동식 관성 센서의 제조방법의 플로우차트이다.
도 5a와 도 6을 참조하면, 제1기판(110-1) 상에 압전 박막(120)을 형성시킬 수 있다(S10).
실시 예에 따라, 압전 박막(120)은 증착 공정을 통하여 제1기판(110-1) 상에 형성될 수 있다.
도 5b와 도 6을 참조하면, 압전 박막(120) 상에는 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2), 금속 씨드 패턴(metal seed pattern, 140-1), 및 표면탄성파 검출 패턴(150)을 형성시킬 수 있다(S12).
도 5b는 y-z 평면 방향의 단면도를 도시하고 있어, 표면탄성파 검출 패턴(150)은 도시되어 있지 않다.
실시 예에 따라, 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2), 금속 씨드 패턴(140-1), 및 표면탄성파 검출 패턴(150)은 알루미늄(aluminum)으로 형성될 수 있다.
도 5c와 도 6을 참조하면, 금속 씨드 패턴(140-1) 위에 금속 증착 패턴(140-2)을 증착시킴으로써, 2층 구조의 금속 패턴(140)을 형성시킬 수 있다(S14).
실시 예에 따라, 금속 증착 패턴(140-2)은 금(Au)으로 구성되어, 금속 패턴(140)의 진동을 위한 무게를 충분히 제공할 수 있다.
도 5d와 도 6을 참조하면, 금속 패턴(140)이 형성된 영역에 상응하는 제1기판(110-1)의 아래 면을 에칭함으로써 에칭 영역(R-ETC)을 형성할 수 있다(S16).
실시 예에 따라, S16 단계의 에칭은 에칭 영역(R-ETC)의 이외의 부분을 포토레지스터(photoresistor)로 커버한 뒤에 Deep RIE(Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 수행될 수 있다.
도 5e를 참조하면, 제2기판(110-2) 상에 진공 캡 (170) 증착을 위한 포토레지스터(165)를 패터닝할 수 있다.
도 5f를 참조하면, 포토레지스터(165) 상에 진공 캡(170)을 형성시킬 수 있다. 실시 예에 따라, 진공 캡(170)은 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 구성될 수 있으며, PDMS 물질을 스핀 코팅(spin coating)한 후에 이를 경화시킴으로써 포토레지스터(165) 상에 진공 캡(170)이 형성될 수 있다.
도 5g를 참조하면, 진공 캡(170)은 제2기판(110-2)로부터 분리될 수 있다.
실시 예에 따라, 제2기판(110-2)으로부터 진공 캡(170)과 포토레지스터(165)를 분리시킨 뒤에 아세톤(acetone)을 가하여 포토레지스터(165)를 제거할 수 있다.
또한, 분리된 진공 캡(170)의 접촉면은 플라즈마 표면처리되며, 진공 캡(170)에는 진공 처리를 위한 홈을 형성시킬 수 있다.
도 5h를 참조하면, 분리된 진공 캡(170)이 표면탄성파 생성 패턴(130-1, 130-2), 금속 패턴(140), 및 표면탄성파 검출 패턴(150)을 감싸도록, 진공 캡(170)을 압전 박막(120) 상에 본딩(bonding)할 수 있다.
본딩 후, 진공 캡(170) 내의 공기를 흡기하여 진공처리하고, 진공처리된 진공 캡(170)을 밀봉시키기 위하여 밀봉층(172)을 진공 캡(170) 상에 형성시킬 수 있다.
실시 예에 따라, 밀봉층(172)은 알루미늄 재질로 구성될 수 있으며, 진공 증착 공정, 예컨대 전자빔 증발원(electron beam evaporation source)을 이용한 진공 증착 공정을 통하여 증착될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
100 : 진동식 관성 센서
110, 110-1, 110-2 : 기판
120 : 압전 박막
130-1, 130-2 : 표면탄성파 생성 패턴
140 : 금속 패턴
150 : 표면탄성파 검출 패턴
160 : 프로세서
170 : 진공 캡

Claims (18)

  1. 에칭(etching) 영역을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 위치하되, 압전 물질로 형성되는 압전 박막;
    상기 압전 박막 상의 제1축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성되되, 상기 마주보는 패턴의 양단에 공급되는 전원에 기초하여 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 생성 패턴;
    상기 압전 박막 상에 위치하되 상기 제1표면탄성파에 의해 진동하며, 상기 제1축을 중심으로 인가된 회전력에 따라 상기 제1축과 수직한 제2축 방향으로 제2표면탄성파를 발생시키는 금속 패턴; 및
    상기 금속 패턴에 의해 생성된 상기 제2표면탄성파를 수신하여, 수신된 제2표면탄성파를 전기신호로 변환시키는 표면탄성파 검출 패턴을 포함하며,
    상기 에칭 영역은 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하며, 상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되는, 진동식 관성 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에칭 영역은,
    상기 금속 패턴이 형성된 상기 영역을 포함하는, 진동식 관성 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에칭 영역은,
    상기 표면탄성파 생성 패턴이 형성된 영역 또는 상기 표면탄성파 검출 패턴이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성되는, 진동식 관성 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 박막은,
    LiNbO3로 형성되는, 진동식 관성 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전 박막의 두께는,
    상기 제1표면탄성파의 파장과 동일한 크기의 두께로 형성되는, 진동식 관성 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표면탄성파 생성 패턴은,
    상기 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 발생부; 및
    상기 제1표면탄성파를 상기 금속 패턴 측으로 반사시키는 표면탄성파 반사부를 포함하는, 진동식 관성 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 패턴은,
    복수의 금속 점들(metal dots)로 구성되는, 진동식 관성 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 금속 점들 각각은,
    상기 제1표면탄성파의 파복(antinode)에 배치되는, 진동식 관성 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 금속 점들 각각은,
    상기 제1표면탄성파의 파장의 1/4의 크기로 형성되는, 진동식 관성 센서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 금속 점들 각각은,
    상기 제1표면탄성파의 파장의 크기만큼 상기 제1축 또는 상기 제2축 방향으로 서로 이격되어 배치되는, 진동식 관성 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 표면탄성파 검출 패턴은,
    상기 금속 패턴을 기준으로 상기 제2축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성되는, 진동식 관성 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 표면탄성파 검출 패턴은,
    상기 금속 패턴으로부터 멀어질수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 형태로 형성되는, 진동식 관성 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 진동식 관성 센서는,
    상기 표면탄성파 생성 패턴, 상기 금속 패턴, 및 상기 표면탄성파 검출 패턴을 감싸면서 상기 진동식 관성 센서를 진공 패키징(vacuum packaging)하도록 형성되는 진공 캡(cap)을 더 포함하는, 진동식 관성 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 진공 캡에는,
    상기 진공 캡 내부의 진공 처리 이후에 상기 진공 캡을 밀봉시키기 위한 밀봉층이 형성되는, 진동식 관성 센서.
  15. 인가된 회전력에 따른 각속도를 센싱하여 센싱 결과에 따라 전기신호를 생성하는 제1진동식 관성 센서; 및
    생성된 상기 전기신호에 따라 상기 각속도를 연산하는 프로세서를 포함하며, 상기 제1진동식 관성 센서는,
    에칭(etching) 영역을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 위치하되, 압전 물질로 형성되는 압전 박막;
    상기 압전 박막 상의 제1축 방향으로 서로 마주보는 패턴으로 구성되되, 상기 마주보는 패턴의 양단에 공급되는 전원에 기초하여 제1표면탄성파를 발생시키는 표면탄성파 생성 패턴;
    상기 압전 박막 상에 위치하되 상기 제1표면탄성파에 의해 진동하며, 상기 제1축을 중심으로 인가된 상기 회전력에 따라 상기 제1축과 수직한 제2축 방향으로 제2표면탄성파를 발생시키는 금속 패턴; 및
    상기 금속 패턴에 의해 생성된 상기 제2표면탄성파를 수신하여, 수신된 제2표면탄성파를 상기 전기신호로 변환시키는 표면탄성파 검출 패턴을 포함하며,
    상기 에칭 영역은 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하며, 상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되는, 진동식 관성 센싱 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 진동식 관성 센싱 장치는,
    상기 제2축을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위하여, 상기 제1진동식 관성 센서와 수직한 방향으로 형성되는 제2진동식 관성 센서; 및
    상기 제1축과 상기 제2축에 수직한 제3축을 중심으로 인가된 회전력에 따른 각속도를 측정하기 위하여, 상기 제1진동식 관성 센서 및 상기 제2진동식 관성 센서와 수직한 방향으로 형성되는 제3진동식 관성 센서를 더 포함하는, 진동식 관성 센싱 장치.
  17. 제1기판 상에 압전 물질로 구성되는 압전 박막을 형성시키는 단계;
    상기 압전 박막 상에 표면탄성파 생성 패턴, 금속 씨드(seed) 패턴, 및 표면탄성파 검출 패턴을 함께 형성시키는 단계;
    상기 금속 씨드 패턴 위에 금속 증착 패턴을 증착시킴으로써 2층 구조의 금속 패턴을 형성시키는 단계; 및
    상기 압전 박막의 양면 중에서 상기 금속 패턴이 형성된 면의 반대면이 상기 에칭 영역에 의해 직접 외부로 노출되도록, 상기 금속 패턴이 형성된 영역에 상응하는 상기 제1기판의 아래 면을 에칭하는 단계를 포함하는, 진동식 관성 센서의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 진동식 관성 센서의 제조 방법은,
    제2기판 상에 진공 캡 증착을 위한 포토레지스터(photoresistor)를 형성시키는 단계;
    상기 포토레지스터 위에 상기 진공 캡을 코팅(coating)시키는 단계;
    상기 제2기판으로부터 상기 진공 캡을 분리시키는 단계;
    분리된 상기 진공 캡이 상기 표면탄성파 생성 패턴, 상기 금속 패턴, 및 상기 표면탄성파 검출 패턴을 감싸도록, 상기 진공 캡을 상기 압전 박막 상에 본딩(bonding)하는 단계;
    상기 진공 캡 내의 공기를 흡기하여 진공처리하는 단계; 및
    진공처리된 상기 진공 캡을 밀봉시키기 위한 밀봉층을 상기 진공 캡 상에 형성시키는 단계를 더 포함하는, 진동식 관성 센서의 제조 방법.
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