KR19990016809A - Micro gyroscope and its manufacturing method and angular velocity measuring method using the same - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 마이크로 자이로스코프에 관한 것으로, 특히 미세가공기술로 제작 가능한 압전 박막을 이용하여 가진 및 검출이 동일한 평면상에서 이루어지도록 하는 마이크로 자이로스코프 및 그 제조 방법과 이를 이용한 각속도 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro gyroscope, and more particularly, to a micro gyroscope and a method of manufacturing the same, and an angular velocity measuring method using the same, in which excitation and detection are performed on the same plane using a piezoelectric thin film that can be manufactured by a microfabrication technique.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제2. The technical problem to be solved by the invention
실리콘 미세가공기술을 이용해 정전기력 및 자기력으로 구동되는 종래의 진동형 마이크로 자이로스코프는 진동 방향과 수직한 방향으로 발생하는 코리올리 힘을 이용하여 각속도를 측정하게 되는데, 공기 감쇠의 효과를 줄여 감도를 높이기 위해서는 진공 패키징이 요구되며, 가진과 검출의 진동 모드를 가능한 정확히 조율해야 하는 문제점이 발생한다.Conventional vibration type micro gyroscope driven by electrostatic force and magnetic force by using silicon micromachining technology measures angular velocity using Coriolis force generated in the direction perpendicular to the vibration direction. Packaging is required and the problem arises of tuning the vibration modes of excitation and detection as accurately as possible.
3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention
본 발명은 센서의 구조가 실리콘, 압전 박막 및 금속의 적층형으로 구성되어 있어 반도체 제조 공정으로 구현이 가능하고, 종래의 정전 용량 검출법의 단점을 보완하기 위해, 원판 구동형이 아닌 직선적으로 전파되는 진행파를 이용한 압전 박판이 외부 회전 각속도에 의해 받게되는 코리올리 힘을 전기적 신호로 검출되도록 함으로써, 가진 및 검출이 동일한 평면상에서 이루지게 되어 회로가 단순화되며 진공 패키징 및 주파수 조율이 필요 없는 저가의 고감도 각속도계를 제시한다.According to the present invention, since the structure of the sensor is composed of a silicon, piezoelectric thin film, and a metal laminate, it can be implemented in a semiconductor manufacturing process, and in order to compensate for the shortcomings of the conventional capacitance detection method, a traveling wave propagated in a linear manner rather than a disc drive type By using the piezoelectric sheet to detect the Coriolis force received by the external rotational angular velocity as an electrical signal, the excitation and detection are performed on the same plane, which simplifies the circuit and provides a low-cost, high-speed angular velocity sensor that does not require vacuum packaging and frequency tuning. present.
Description
본 발명은 마이크로 자이로스코프(micro gyroscope)에 관한 것으로, 특히 미세가공기술(micromachining)로 제작 가능한 압전 박막(piezoelectric thin film)을 이용하여 가진 및 검출이 동일한 평면상에서 이루어지도록 하는 마이크로 자이로스코프 및 그 제조 방법과 이를 이용한 각속도 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro gyroscope, and more particularly to a micro gyroscope and a manufacturing method using a piezoelectric thin film that can be manufactured by micromachining so that excitation and detection can be performed on the same plane. The method and the angular velocity measuring method using the same.
자이로스코프는 항공기, 선박 및 자동차 등의 항법 장치나 관성 유도 장치에 사용되는 각속도 측정 장치로 잘 알려져 있다. 그러나 기존의 회전형 자이로스코프는 부피가 크고 고정밀도를 유지하기 위한 가격이 높으며 충격과 진동에 쉽게 손상되는 등의 단점을 가지고 있다. 한편 광섬유와 레이저를 이용한 자이로스코프는 감도가 뛰어나지만 가격이 비싸고 부피가 크다는 단점을 극복하지 못하였다. 따라서 고감도, 저 가격, 소형화 등의 요건을 해결할 수 있는 각속도 측정 소자의 요구로 인하여 새로운 구동 원리를 갖는 센서의 개발이 필요하다.Gyroscopes are well known for angular velocity measuring devices used in navigation and inertial guidance devices such as aircraft, ships and automobiles. However, conventional rotary gyroscopes have the disadvantages of being bulky, expensive to maintain high precision, and easily damaged by shock and vibration. On the other hand, gyroscopes using fiber optics and lasers have excellent sensitivity but have not overcome the disadvantages of being expensive and bulky. Therefore, there is a need for the development of a sensor with a new driving principle due to the demand for an angular velocity measuring device that can solve the requirements of high sensitivity, low cost and miniaturization.
종래의 압전체를 이용한 자이로스코프는 음차형(tuning fork type) 보를 이용하거나, 실린더 및 디스크 형태의 벌크(bulk) 소재를 가공하여 소자를 구성하였다. 이러한 경우에는 비교적 복잡한 구동 소자 및 검지 회로가 필요하며, 대량 생산에 불리하다는 단점을 가진다. 특히 원판 형태의 압전 박막을 이용한 각속도 센서의 경우는 구조체에 진행파를 발생시키면서, 회전 각속도에 의해 발생되는 코리올리(Coriolis) 힘을 압저항(piezoresistive) 소자로 측정하도록 제시되는데, 이러한 원판 구동형 소자에서는 압전 박막에 원판 주위를 따라 회전하는 진행파를 발생시키기 위한 구동 회로가 비교적 복잡하며, 별도의 검출 회로가 필요하다는 단점을 가진다.The gyroscope using a conventional piezoelectric body is configured by using a tuning fork type beam or by processing a bulk material in the form of a cylinder and a disk. In this case, a relatively complicated driving element and a detection circuit are required, which is disadvantageous in mass production. In particular, in the case of an angular velocity sensor using a piezoelectric thin film in the form of a disk, it is proposed to measure the Coriolis force generated by the rotational angular velocity with a piezoresistive element while generating a traveling wave in the structure. The driving circuit for generating traveling waves rotating around the disk in the piezoelectric thin film is relatively complicated, and has a disadvantage in that a separate detection circuit is required.
또한 실리콘 표면의 미세가공기술을 이용해 정전기력 및 자기력으로 구동되는 종래의 진동형 마이크로 자이로스코프는 진동 방향과 수직한 방향으로 발생하는 코리올리 힘를 이용하여 각속도를 측정하게되는데, 공기 감쇠의 효과를 줄여 감도를 높이기 위해서는 진공 패키징(packging)이 요구되며, 가진과 검출의 진동 모드를 가능한 정확히 조율(tuning)해야 하는 문제점을 안고 있다.In addition, the conventional vibration type micro gyroscope driven by electrostatic force and magnetic force by using micro-processing technology of silicon surface measures angular velocity using Coriolis force generated in the direction perpendicular to the vibration direction. This requires vacuum packaging and has the problem of tuning the vibration modes of excitation and detection as accurately as possible.
본 발명은 각속도 측정 장치 제조에 있어서 반도체 제조 공정으로 구현이 가능하고, 진공 패키징 및 주파수의 조율등이 필요 없어서 회로가 단순한 저가의 고감도 마이크로 자이로스코프를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a low-cost, high-sensitivity micro gyroscope that can be implemented in a semiconductor manufacturing process in the manufacture of an angular velocity measuring device, and does not require vacuum packaging and frequency tuning.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프는, 마이크로 자이로스코프를 이용한 각속도 측정 방법에 있어서, 가진 전극에 고주파수의 전기적 신호를 인가하여 압전 박판을 진동시켜 직선적 진행파를 발생시키는 단계와, 진동하는 압전 박판에 외부 회전 각속도를 인가하여 코리올리의 힘을 발생시키는 단계와, 상기 코리올리의 힘에 의하여 변화되는 상기 진행파의 속도 및 주파수 특성을 검출 전극에서 전기적 신호로 측정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.Micro gyroscope according to the present invention for achieving the above object, in the angular velocity measuring method using a micro gyroscope, applying a high frequency electrical signal to the excitation electrode vibrating the piezoelectric thin plate to generate a linear traveling wave, Generating a Coriolis force by applying an external rotational angular velocity to the vibrating piezoelectric thin plate, and measuring the speed and frequency characteristics of the traveling wave changed by the Coriolis force as an electrical signal at the detection electrode. do.
마이크로 자이로스코프에 있어서, 중앙부에 공동이 형성되어 있는 실리콘 구조물과, 상기 실리콘 구조물 상부에 증착되되, 구조층, 하부 전극 및 압전 박막이 순차적으로 증착되는 구조를 갖는 압전 박판과, 상기 압전 박막 상의 한쪽 단부에 형성되며, 고주파수의 전기적 신호에 의하여 상기 압전 박판을 진동시켜 진행파를 발생시키는 가진 전극과, 상기 가진 전극의 반대쪽 단부에 형성된 검출 전극으로 이루어져, 상기 압전 박판에 외부 회전 각속도를 인가하여 발생되는 코리올리 힘에 의한 진행파의 속도 및 주파수 특성 변화를 상기 검출 전극으로 검출되도록 하는 것을 특징으로 한다.A micro gyroscope comprising: a silicon structure having a cavity formed in a central portion thereof, a piezoelectric thin plate having a structure in which a structure layer, a lower electrode, and a piezoelectric thin film are sequentially deposited, and one side on the piezoelectric thin film. An excitation electrode formed at an end and configured to generate a traveling wave by vibrating the piezoelectric thin plate by a high frequency electrical signal, and a detection electrode formed at an opposite end of the excitation electrode, and is generated by applying an external rotational angular velocity to the piezoelectric thin plate. It is characterized in that the detection electrode detects changes in the velocity and frequency characteristics of the traveling wave due to Coriolis force.
마이크로 자이로스코프의 제조 방법에 있어서, 중앙부에 공동이 형성된 실리콘 기판의 상기 공동에 희생층을 증착한 후 평탄화시켜 상기 실리콘 기판 상부를 평탄화 시키는 단계와, 상기 희생층을 포함하는 전체 구조 상부에 구조층을 증착한 후, 상기 구조층의 선택된 영역을 식각하여 식각된 영역을 통하여 희생층을 제거하는 단계와, 상기 구조층 상부에 하부 전극 및 압전 박막을 순차적으로 증착시켜 압전 박판을 형성하는 단계와, 상기 압전 박막 상의 한쪽 단부에 가진 전극을 증착하고 상기 하부 전극과 전기적으로 접속시키는 단계와, 상기 가진 전극의 반대쪽에 검출 전극을 증착하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a micro gyroscope, the method comprising: depositing a sacrificial layer in a cavity of a silicon substrate having a cavity formed in a center thereof and then planarizing the planarized upper portion of the silicon substrate, and a structure layer on the entire structure including the sacrificial layer. After the deposition, etching the selected region of the structure layer to remove the sacrificial layer through the etched region, and sequentially depositing a lower electrode and a piezoelectric thin film on the structure layer to form a piezoelectric thin plate; And depositing an excitation electrode on one end of the piezoelectric thin film and electrically connecting the lower electrode, and depositing a detection electrode on an opposite side of the excitation electrode.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 평면도.1 is a plan view of a micro gyroscope according to the present invention.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 제조 방법을 설명하기 위해 제조 단계순으로 도 1의 A - A 부분을 절단한 단면도.2 (a) to 2 (d) are cross-sectional views cut along the A-A portion of FIG. 1 in order of manufacturing steps to explain a method for manufacturing a micro gyroscope according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 또다른 실시예.3 is another embodiment of a micro gyroscope in accordance with the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawing
1 및 3 : 가진 전극 2 및 4 : 검출 전극1 and 3: Excitation electrode 2 and 4: Detection electrode
11 및 31 : 제 1 가진 전극 12 및 32 : 제 2 가진 전극11 and 31: first exciting electrode 12 and 32: second exciting electrode
13 및 33 : 제 3 가진 전극 14 및 34 : 제 1 검출 전극13 and 33: third exciting electrode 14 and 34: first detecting electrode
15 및 35 : 제 2 검출 전극 11A, 12A, 14A 및 15A : 접속부15 and 35: 2nd detection electrode 11A, 12A, 14A, and 15A: connection part
11B, 12B, 14B 및 15B : 전극부 16 : 식각 홀11B, 12B, 14B, and 15B: electrode portion 16: etching hole
21 : 실리콘 기판 22 : 희생층21 silicon substrate 22 sacrificial layer
23 : 구조층 24 : 하부 전극23: structure layer 24: lower electrode
25 : 압전 박막25: piezoelectric thin film
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 평면도이다.1 is a plan view of a micro gyroscope according to the present invention.
중앙부에 공동이 형성되어 있는 실리콘 구조물과, 실리콘 구조물 상부에 증착되되, 구조층, 하부 전극 및 압전 박막(25)이 순차적으로 증착되는 구조를 갖는 압전 박판과, 압전 박막(25) 상의 한쪽 단부에 형성되며, 외부의 신호 수단과 전기적으로 접속되는 가진 전극(1)과, 가진 전극(1)의 반대쪽 단부에 형성된 검출 전극(2)으로 마이크로 자이로스코프를 구성한다.A piezoelectric thin plate having a structure in which a cavity is formed in a central portion, a structure in which a structure layer, a lower electrode, and a piezoelectric thin film 25 are sequentially deposited, and one end on the piezoelectric thin film 25. The micro gyroscope is formed of an excitation electrode 1 electrically connected to an external signal means and a detection electrode 2 formed at an opposite end of the excitation electrode 1.
가진 전극(1)은, 외부의 신호 수단과 접속되는 접속부(11A)와, 접속부(11A) 선단 일측에 서로 수평 상태로 구성되는 다수의 전극부(11B)로 이루어진 제 1 전극(11) 및 제 1 전극(11)의 접속부(11A)와 서로 이격되며 외부의 신호 수단과 접속되는 접속부(12A)와, 접속부(12A) 선단 일측에 서로 수평 상태로 구성되되, 제 1 전극(11)의 각 전극부(11B)의 사이 사이에 배치되는 다수의 전극부(12B)로 이루어진 제 2 전극(12), 그리고 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12) 사이에 위치하며, 하부 전극과 접속되는 제 3 전극(13)으로 이루어진다. 검출 전극(2)은, 가진 전극(1)과 마찬가지로, 외부의 검출 수단과 접속되는 접속부(14A)와, 접속부(14A) 선단 일측에 서로 수평 상태로 구성되는 다수의 전극부(14B)로 이루어진 제 1 전극(14) 및 제 1 전극(14)의 접속부(14A)와 서로 이격되며 외부의 검출 수단과 접속되는 접속부(15A)와, 접속부(15A) 선단 일측에 서로 수평 상태로 구성되되, 제 1 전극(14)의 각 전극부(14B)의 사이 사이에 배치되는 다수의 전극부(15B)로 이루어진 제 2 전극(15)으로 이루어진다.The exciting electrode 1 consists of a connection part 11A connected with an external signal means, and the 1st electrode 11 which consists of the several electrode part 11B comprised in the horizontal state at the one end of the connection part 11A, and the 1st electrode The connecting portion 12A spaced apart from the connecting portion 11A of the first electrode 11 and connected to an external signal means, and each electrode of the first electrode 11 is formed in a horizontal state at one end of the connecting portion 12A. The second electrode 12 made up of a plurality of electrode portions 12B disposed between the portions 11B, and is located between the first electrode 11 and the second electrode 12, and is connected to the lower electrode It consists of the 3rd electrode 13. Similar to the excitation electrode 1, the detection electrode 2 consists of the connection part 14A connected with an external detection means, and the several electrode part 14B comprised in the horizontal state at the front end side of the connection part 14A. The first electrode 14 and the connecting portion 14A of the first electrode 14 are spaced apart from each other and connected to an external detecting means, and the connecting portion 15A is connected to an external detecting means, and is formed in a horizontal state on one end of the connecting portion 15A. It consists of the 2nd electrode 15 which consists of the several electrode part 15B arrange | positioned between each electrode part 14B of the 1st electrode 14. As shown in FIG.
따라서 가진 전극(1) 및 검출 전극(2)은 압전 박막(25)의 양 단부에 평행하게 위치하게 되고, 가진 전극(1)과 검출 전극(2) 사이의 거리는 진행파의 특성 및 검출 전극(2) 부근에서 발생되는 반사파를 고려하여 결정된다.Thus, the excitation electrode 1 and the detection electrode 2 are located parallel to both ends of the piezoelectric thin film 25, and the distance between the excitation electrode 1 and the detection electrode 2 is characterized by the characteristics of the traveling wave and the detection electrode 2 Is determined in consideration of the reflected wave generated in the vicinity of
본 발명에서 제시하는 압전 박판의 진행파를 이용한 마이크로 자이로스코프는, 종래의 정전 용량 검출법의 단점을 보완하기 위해 원판 구동형이 아닌 직선적으로 전파되는 진행파를 이용한 압전 박판이 외부 회전 각속도에 의해 받게되는 코리올리 힘을 전기적 신호로 검출되도록 한다.Micro gyroscope using the traveling wave of the piezoelectric thin plate proposed in the present invention, in order to compensate for the disadvantages of the conventional capacitance detection method, the piezoelectric thin plate using the propagating wave propagating linearly rather than the disk drive type is received by the external rotational angular velocity Forces are detected as electrical signals.
본 발명에 의한 마이크로 자이로스코프를 이용하여 각속도가 측정되는 원리를 상세하게 설명하면, 가진 전극(1)에 고주파수의 전기적 신호를 인가하여 압전 박판에 진행파(traveling wave)를 발생시킨다. 기판에 평행한 방향으로 직선적 운동을 하는 이 진행파는, 제 1 가진 전극(11) 및 제 2 가진 전극(12)과 제 3 가진 전극(13)사이에 직류 바이어스를 가하여 변조시킬 수 있다. 또한 위와 같은 모양의 가진 전극(1) 전극부(11B 및 12B)의 폭 또는 간격을 변화시켜 진행파의 파장 및 주파수(frequency)를 조절할 수 있다. 위와 같이 가진 전극(1)에서 발생시킨 진행파의 속도 및 주파수 특성을 검출 전극(2)에서 검출되도록 한다.The principle in which the angular velocity is measured using the micro gyroscope according to the present invention will be described in detail. A high frequency electrical signal is applied to the excitation electrode 1 to generate a traveling wave in the piezoelectric thin plate. This traveling wave which linearly moves in a direction parallel to the substrate can be modulated by applying a direct current bias between the first excitation electrode 11 and the second excitation electrode 12 and the third excitation electrode 13. In addition, the wavelength and frequency of the traveling wave can be adjusted by changing the width or spacing of the electrode portions 11B and 12B having the shape as described above. The velocity and frequency characteristics of the traveling wave generated by the excitation electrode 1 are detected by the detection electrode 2.
한편 가진 전극(1)에 의한 전기적 신호를 받으며 진동하는 압전 박판은 비대칭(anti-symmetric) 모드의 FPW(flexural plate wave) 형태로 진동하는데, 이 때 진행파에 수직한 방향으로 외부 회전 각속도가 인가되면 진행파에 평행한 방향으로 코리올리 힘이 발생되며, 이 힘의 크기는 각속도에 비례한다. 즉, 진행하는 파가 U = U0sin(ωt) 형태로 진동할 때 진행파의 속도는 v = ωU0cos(ωt)와 같이 표현되며, 파의 변위가 0인 지점의 속도가 최대가 된다. 외부의 회전 각속도에 의해 발생되는 코리올리 힘은 Fc= 2mΩ×v로 표현되며, m은 박판의 무게, Ω는 회전 각속도, v는 진행파의 속도이다. 진행파의 속도가 최대인 점에서 코리올리 힘의 절대값의 크기도 최대가 되며, 진행파의 위상이 2nπ가 되는 점과 (2n+1)π가 되는 점에서는 서로 반대 방향을 가지는 힘이 작용한다. 이와 같이 진동하는 압전 박판에 가해진 코리올리 힘에 의한 변형은 압전체에 전장을 유발하게 되며, 이를 검출 전극(2)을 이용하여 전기적 신호로 검출되도록 한다. 압전 특성을 이용한 검출 방식은 감도가 우수하며 외부 증폭기(amplifier) 등이 필요치 않아 검지 회로가 간단하여 감도가 높은 자이로스코프를 제공할 수 있다.On the other hand, the piezoelectric thin plate that vibrates under the electrical signal of the excitation electrode 1 vibrates in the form of an FPW (flexural plate wave) in an asymmetric (anti-symmetric) mode, when an external rotational angular velocity is applied in a direction perpendicular to the traveling wave. Coriolis forces are generated in a direction parallel to the traveling wave, the magnitude of which is proportional to the angular velocity. That is, when the traveling wave vibrates in the form of U = U 0 sin (ωt), the velocity of the traveling wave is expressed as v = ωU 0 cos (ωt), and the velocity at the point where the wave displacement is 0 is maximum. The Coriolis force generated by the external rotational angular velocity is expressed as F c = 2mΩ × v, where m is the weight of the sheet, Ω is the rotational angular velocity, and v is the velocity of the traveling wave. At the maximum velocity of the traveling wave, the absolute value of the Coriolis force is also the maximum, and at the point where the phase of the traveling wave becomes 2nπ and (2n + 1) π, the forces having opposite directions act. The deformation caused by the Coriolis force applied to the vibrating piezoelectric thin plate causes an electric field in the piezoelectric body, which is detected by an electrical signal using the detection electrode 2. The detection method using the piezoelectric characteristics is excellent in sensitivity and does not require an external amplifier, so that the detection circuit is simple, thereby providing a high-sensitivity gyroscope.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 제조 방법을 설명하기 위해 제조 단계순으로 도 1의 A - A 부분을 절단한 단면도이다.2 (a) to 2 (d) are cross-sectional views taken along the line AA of FIG. 1 in order of manufacturing steps to explain a method for manufacturing a micro gyroscope according to the present invention.
도 2(a)는 중앙부에 공동이 형성되어 있는 실리콘 기판(21)의 공동 내부에 희생층(22)이 증착된 것을 도시한다. 즉 실리콘 기판(21)의 외곽부는 상부에 증착될 압전 박판을 지지할 수 있는 구조물로 되어 있고, 압전 박판이 실리콘 기판(21) 상부에 평평하게 증착되도록 하기 위해 실리콘 기판(21)의 공동 내부를 희생층(22)으로 평탄화 시킨다. 희생층(22)은 SiO2및 PSG 등의 산화물을 사용하여 증착한 후, 화학적기계연마(chemical mechanical polishing) 공정으로 평탄화 시킨다.FIG. 2 (a) shows that the sacrificial layer 22 is deposited inside the cavity of the silicon substrate 21 having the cavity formed at the center thereof. That is, the outer portion of the silicon substrate 21 is a structure capable of supporting the piezoelectric thin plate to be deposited on top, and the inside of the cavity of the silicon substrate 21 to allow the piezoelectric thin plate to be deposited flat on the silicon substrate 21. The sacrificial layer 22 is planarized. The sacrificial layer 22 is deposited using oxides such as SiO 2 and PSG, and then planarized by a chemical mechanical polishing process.
도 2(b)에 도시한 바와 같이 희생층(22)을 포함하는 전체 구조 상부에 구조층(23)을 증착한 후, 구조층(23)의 선택된 영역에 식각 홀(16)을 형성시키고 이 식각 홀(16)을 통하여 희생층(22)을 제거한다. 따라서 실리콘 기판(21)의 외곽부 구조물이 구조층(23)을 지지하게 되고 그 사이에는 압전 박판이 진동을 일으킬 수 있도록 공동이 확보된다. 구조층(23)은 실리콘 질화막 또는 다결정 실리콘막을 사용하여 증착된다.As shown in FIG. 2 (b), after the structural layer 23 is deposited on the entire structure including the sacrificial layer 22, an etching hole 16 is formed in the selected region of the structural layer 23. The sacrificial layer 22 is removed through the etching hole 16. Therefore, the outer structure of the silicon substrate 21 supports the structural layer 23, and a cavity is secured between the piezoelectric thin plates to cause vibration. The structural layer 23 is deposited using a silicon nitride film or a polycrystalline silicon film.
도 2(c)는 구조층(23) 상부에 하부 전극(24) 및 압전 박막(25)이 순차적으로 증착되어 압전 박판을 구성한 단면도이다. 하부 전극(24)은 플레티늄(Pt), 알루미늄(Al) 및 금(Au) 등의 금속 전극물질을 사용하되, 구조층(23)과의 접착력을 향상시키기 위하여 접착층(adhesion layer; 도시 안됨)을 사용할 수도 있다. 이 때 접착층은 Ti, Ta 및 TiO2등을 이용한다. 이러한 하부 전극(24) 위에 PZT, ZnO 및 AlN 등의 압전 박막(25)을 형성하고 열처리 시킨다.FIG. 2C is a cross-sectional view of the piezoelectric thin plate formed by sequentially depositing the lower electrode 24 and the piezoelectric thin film 25 on the structure layer 23. The lower electrode 24 uses metal electrode materials such as platinum (Pt), aluminum (Al), and gold (Au), but has an adhesion layer (not shown) to improve adhesion with the structural layer 23. Can also be used. In this case, the adhesive layer uses Ti, Ta, TiO 2, or the like. Piezoelectric thin films 25 such as PZT, ZnO, and AlN are formed on the lower electrode 24 and heat treated.
위와 같이 형성된 압전 박판 상부에 도 2(d)에 도시된 것과 같이 가진 전극(1) 및 검출 전극(2)을 증착한다. 기판의 한쪽 단부에 증착되는 제 3 가진 전극(13)은 압전 박막(25)을 식각하여 하부 전극(24)과 전기적으로 접속시키고, 가진 전극(1)이 형성된 반대쪽 기판에 검출 전극(2)을 형성시킨다.The electrode 1 and the detection electrode 2 having the piezoelectric thin plate formed as described above are deposited as shown in FIG. 2 (d). The third excitation electrode 13 deposited on one end of the substrate etches the piezoelectric thin film 25 to electrically connect the lower electrode 24, and connects the detection electrode 2 to the opposite substrate on which the excitation electrode 1 is formed. To form.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 자이로스코프의 또다른 실시예로써, 압전 박판의 측부를 절개하여 브리지(bridge)형태로 제조하였다. 따라서 제조 공정에 있어서, 압전 박판의 측면부를 절개하는 과정에서 희생층을 제거하여 실리콘 기판의 공동을 형성할 수도 있다.Figure 3 is another embodiment of a micro gyroscope according to the present invention, the side of the piezoelectric thin plate was cut in the form of a bridge (bridge). Therefore, in the manufacturing process, the sacrificial layer may be removed in the process of cutting the side surface of the piezoelectric thin plate to form a cavity of the silicon substrate.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 구조용 박막과 압전 박막 및 금속 전극의 적층형으로 구성되어 구조가 간단하고 반도체 제조 공정으로 구현이 가능하며, 압전 박막에서 직선 구동형 진행파를 이용하므로 가진 및 검출을 수행할 수 있어 복잡한 회로가 단순화 되고 고진공 패키징 및 주파수 조율등이 요구되지 않아 저가의 고감도 마이크로 자이로스코프를 제작할 수 있는 효과를 갖는다.As described above, according to the present invention, it is composed of a structural thin film, a piezoelectric thin film, and a stack of metal electrodes, which is simple in structure and can be implemented by a semiconductor manufacturing process. As a result, complex circuits are simplified and high-vacuum packaging and frequency tuning are not required, resulting in the production of low-cost, highly sensitive microgyroscopes.
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