KR20010056825A - 타축감도를 최소화한 압저항형 센서 구조 및 그 센서의제조방법 - Google Patents

타축감도를 최소화한 압저항형 센서 구조 및 그 센서의제조방법 Download PDF

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Abstract

타축감도를 최소화한 압저항형 센서 구조 및 그 센서의 제조방법이 개시된다. 그중에서 압저항형 센서 구조는, 타축 감도를 제거 또는 최소화하기 위하여, 반도체 기판에 형성된 십자형 4빔중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔위에 각기 2개의 압저항 쌍을 배치하여 상기 센서를 이루는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성함에 의해, 필요로 하는 축 이외의 축으로부터의 가속도에 의한 압저항의 저항 변화가 상기 휘트스톤 브릿지 회로에서 소거된다.

Description

타축감도를 최소화한 압저항형 센서 구조 및 그 센서의 제조방법{Piezoresistor type sensor structure with minimized other-axes sensitivity and method for fabricating the same}
본 발명은 압저항형 센서에 관한 것으로, 특히 타축감도를 제거 또는 최소화한 압저항형 센서 구조 및 그 센서의 제조방법에 관한 것이다.
최근에 압저항 효과(Piezoresistivity effect)를 이용한 역학량 센서 예컨대 압력 센서나 가속도 센서등이 다양하게 개발되어 실용화되고 있다. 통상적으로 압저항 소자란 받는 응력(stress)에 의존하여 저항값이 변화하는 소자로 알려져 있으며, 예컨대 인장응력이 분포된 곳에 위치된 경우라면 저항값이 증가하며 압축응력이 분포된 곳에 위치된 경우에는 저항값이 감소한다. 그러한 압저항 소자를 이용한 센서응용으로서는 예컨대, 뤠쓰뮬러(W.Riethmuller)외 다수에 의해 발표된 1992년 A31, "센서 및 액튜에이터"라는 간행물의 pp121∼124에는 "상용 CMOS공정으로 제조되는 온칩 일렉트로닉스를 가지는 스마트 실리콘 가속도 센서"가 개시되어 있다. 센서소자로서 이용되는 압저항(Piezoresistor)의 종류에는 저항의 변화로써 검출하는 응력의 종류에 따라 전단 응력형(Shear stress type)과 일반 응력형(Normal stress type)으로 나뉘어 질 수 있다. 전단 응력형은 보통 "단일 요소 4개 터미널(Single-element four-terminal)"이라고 하는 한 개의 압저항을 배치하여 응력의 변화를 측정하며, 일반 응력형은 4개의 압저항을 배치하고 각 저항을 휘트스톤 브릿지 (Wheatston bridge)로 구성함으로써 알려진 것과 같이 감도를 향상시킬 수 있고, 오프셋 및 여러 가지 노이즈 문제 등을 어느정도는 해결할 수 있다.
그러한 일반 응력형에서 압저항의 배치 방법은, 타축감도의 완전한 제거에 대한 해결없이, 가능하면 응력 변화가 큰 곳에 4개의 압저항을 배치하여 센서의 감도를 높이는 것에만 주로 초점이 맞추어져 왔다. 따라서, 그 응용에 있어서, 공지의 벌크 마이크로머시닝 기술로 만들어지는 반도체 압저항형 가속도 센서는 고 감도에 선형성이 좋은 장점이 있으나, 가속도가 벡터 량이기 때문에 방향 의존성에 기인한 타축 감도가 나타나는 문제점이 있다. 타축 감도란 벡터 량으로 나타나는 가속도의 x,y,z의 3축 성분 중에서 필요로 하는 축 이외의 나머지 2축 성분에 의한 감도를 의미하는 것으로서, 예컨대 필요로 하는 것이 y축 성분이라고 할 경우 나머지 x 및 z축 성분에 의해 나타나는 감도가 타축 감도인 것이다.
그러한 타축 감도를 줄이기 위한 종래의 방법으로는 센서의 구조설계시에 타축 감도 문제를 고려하는 방법과, 회로 시스템을 이용한 센서의 신호 처리시에 고려하는 방법등이 있어왔다. 첫 번째로 센서의 구조 설계시에 타축 감도 문제를 줄이는 방법은, 현재의 센서 제작 공정의 기술 수준에 의존하게 되므로 한계가 있고, 제작 공정이 복잡하다는 문제점이 있다. 두 번째로 센서 신호 처리에 의한 고려 방법도 신호 처리회로가 복잡해진다는 문제점이 있다.
따라서, 그러한 문제점들을 해결하여 센싱을 필요로 하는 축성분의 감도를 저하시킴 없이 가속도 센서의 타축감도를 완전히 제거 또는 최소화하는 기술이 요망된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 압저항형 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 센싱을 필요로 하는 축성분의 감도를 저하시킴 없이 타축감도를 제거 또는 최소화할 수 있는 압저항형 센서 구조 및 그 센서의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압저항의 배치의 선택성을 높여서 센서의 기능을 다양하게 프로그래밍 할수 있도록 하는 압저항 배치방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따라, 압저항형 센서 구조는, 반도체 기판에 형성된 십자형 4빔중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔위에 각기 2개의 압저항 쌍을 배치하여 상기 센서를 이루는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성함에 의해, 필요로 하는 축 이외의 축으로부터의 가속도에 의한 압저항의 저항 변화가 상기 휘트스톤 브릿지 회로에서 소거되도록 함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따라 압저항형 센서의 제조방법은, 브이 그루브법을 이용하여 상기 센서의 빔을 이룰 두께만큼 기판의 일부상부를 미리 식각한 다음 상기 기판을 하부에서 식각하는 단계; 반응성 이온에칭법으로 상기 기판상부에서 상기 빔이 형성될 부분을 제외하고 관통식각을 하여 십자형 4빔을 형성하는 단계; 상기 십자형 4빔중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔상부에 각기 2개의 압저항 쌍을 이온주입법으로 형성하는 단계; 및 상기 형성된 4개의 압저항 쌍을 상호연결하여 휘트스톤 브릿지를 형성하는 단계를 가짐을 특징으로 한다.
도 1a 및 1b는 각기 본 발명의 실시예에 따른 압저항형 센서 구조 및 등가회로도
도 2a 내지 도 2c는 도 1a의 압저항형 센서에 각기 x,y,z 방향의 가속도를 가한 경우의 응력 분포를 보인 도면들
도 3a 내지 도3c는 응력 분포변화를 설명하기 위해 센서 시뮬레이션 결과를 도 2a 내지 도 2c에 각기 대응하여 보인 도면들
도 4a 및 도 4b는 센서 시뮬레이션 결과에 따라 얻어진 그래프들
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 20 : 비임
30 : 매스 40 : 압 저항
41 : 압저항 쌍
이하에서는 타축감도를 최소화한 압저항형 센서 구조 및 그 센서의 제조방법에 대한 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명된다. 도면들에 나타나는 부호들중 서로 동일 내지 유사한 부호들은 동일 내지 유사한 구성요소들을 가리킨다.
도 1a 및 1b에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 통상 4개의 압저항으로 구성하는 휘트스톤 브릿지를 4개의 압저항 쌍(Pair-piezoresistor)을 이용하여 구성하는 것과 그에 대한 등가회로가 나타나 있다. 이와 같은 압저항의 효과적인 배치를 이용하여 도 1a의 가속도 센서의 타축감도를 줄이게 된다. 도면들을 참조하면, 압 저항형 센서로서 가속도 센서는, 반도체 기판(10)에 형성된 십자형 4개 빔(20)중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔위에 각기 2개씩의 압저항 쌍(41,42,43,44)을 배치하여 센서를 이루는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성한다. 따라서, 필요로 하는 축(y) 이외의 축(x,z)으로부터의 가속도에 의한 압저항의 저항 변화가 상기 휘트스톤 브릿지 회로에서 소거된다.
도 1a에서 보여지는 상기 센서는, 브이 그루브(V-groove)법을 이용하여 상기 센서의 빔(beam)을 이룰 두께만큼 실리콘 기판(10)의 일부상부를 미리 식각한 다음 상기 기판(10)을 하부에서 식각하는 단계와, 반응성 이온에칭(RIE)법으로 상기 기판(10)상부에서 상기 빔이 형성될 부분을 제외하고 관통식각을 하여 십자형 4빔(20)을 형성하는 단계와, 상기 십자형 4빔중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔상부에 각기 2개의 압저항 쌍을 이온주입법으로 형성하는 단계와, 그리고 상기 형성된 4개의 압저항 쌍을 상호연결하여 휘트스톤 브릿지를 형성하는 단계를 차례로 거침에 의해 제조된다. 여기서, 반응성 이온에칭법을 이용한 벌크마이크로머시닝 기법은 압력센서의 다이아프램이나 가속도 센서의 빔 등의 미세구조를 제조하는데 사용되는 기술이며, 상기 브이 그루브법은 빔 등과 같은 미세구조의 두께를 정확히 콘트롤 하는데 적합한 기법으로서 상부에서 미리 소망하는 두께만큼 식각을 해두고 기판의 하부에서 식각을 진행하여 브이 그루브 부분이 먼저 관통되면 식각이 중단되어지므로 원하는 두께를 비교적 쉽게 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서 가속도 센서는 8개의 압저항(40)을 도 1a와 같이 배치하여 4개의 압저항 쌍(41-44)으로 이루어진 휘트스톤 브릿지 회로로 구성됨을 알 수 있으며, 이 경우 최적화 설계에 의하여 얻어진 가속도 센서는 십자형 빔 구조를 가진다. 도 1a에서 보여지는 가속도 센서의 크기는 매스(Mass:30) 및 두 개의 빔(20)을 포함한 길이가 2000㎛, 빔 크기가 310 x 130 x 5 ㎛3이고, 매스의 무게가 0.8139mg로 설계되었다. 압저항의 크기는 60 x 20 ㎛2으로 설계되었으며, 8개의 압저항은 2개의 빔의 최대 응력 발생 지점인 빔 양쪽 끝단에 <110> 방향으로 배치되었다. 센서의 특성을 분석하기 위해서 FEM(Finite-element-method) 시뮬레이터의 일종인 ANSYS를 이용했다. 그 결과, 상기한 경우에 감도 2.599mV/VG(π= 71 x 10-12cm2/dyne),공진 주파수 3.4kHz, 1G에 대한 휨(Deflection)은 0.193㎛, 파괴 강도는 약 70G인 것으로 나타났다.
이하에서는 압저항 쌍의 보다 상세한 개념과 상기한 구조에 따른 센서의 작용 및 동작을 설명한다.
먼저, 압저항 쌍의 개념에 대하여 정의한다. 통상적인 압저항형 센서에서는 오프셋 및 각종 노이즈를 감소시키기 위하여 압저항을 휘트스톤 브릿지 회로로 구성하게 된다. 휘트스톤 브릿지 회로는 노이즈 면역성이 좋은 동작 특성을 가지고 있다. 왜냐하면 4개의 압저항에 동시에 발생하는 저항 변화가 서로 상쇄되므로 4개의 압저항에 공통적으로 가해지는 노이즈의 영향을 감소시키면서 신호 성분만 추출할 수 있기 때문이다. 이러한 특성 때문에 휘트스톤 브릿지 회로가 압저항형 센서에 폭 넓게 응용되어지고 있다. 본 발명의 실시예에서는 휘트스톤 브릿지 회로로 구성된 압저항형 센서의 성능을 극대화시키기 위하여 압저항 쌍(Pair-Piezoresistor)을 휘트스톤 브릿지로 구성한 것이 특징인 것이다. 상기 압저항 쌍은 두 개의 저항의 직렬 연결 형태로, 각 저항에 인가되는 응력(Stress)의 형태에 따라서, 양(Positive)의 저항 변화 분의 합, 음(Negative)저항 변화 분의 합 또는 압저항 쌍의 각 저항에 압축 및 인장 응력이 인가되는 경우에는 저항 변화분이 서로 상쇄되어 저항 변화분이 없는 형태로 출력된다. 따라서, 본 실시예에서는 총 8개의 압저항을 효과적으로 배치함으로서 휘트스톤 브릿지 회로의 출력, 즉 센서의 출력 특성을 다양하게 프로그래밍 할 수 있게 된다.
이하에서 설명되는 센서의 작용 및 동작을 통하여 타축 감도 보상 원리가 더욱 철저하게 이해될 것이다.
도 1a에서 압저항 쌍을 제외하고서 이와 유사한 반도체 가속도 센서 구조는비교적 간단한 반도체 공정으로 제작이 가능하므로 일반적으로 많이 이용된다. 그러나 그러한 통상의 구조는 중심(Center of gravity)이 빔보다 아래에 있기 때문에 종축(y) 방향의 가속도뿐만 아니라 횡축(x, z축) 방향의 가속도에 의한 모멘트(Moment)가 발생해서, 그 모멘트에 의한 감도가 나타난다. 본 논문에서는 y축 이외의 타축으로 부터의 가속도에 의한 타축 감도를 줄이기 의해서 도 1a와 같이 4쌍의 압저항 쌍을 2개의 빔 위에 배치하고, 휘트스톤 브릿지로 구성한 것이다. 이 가속도 센서의 보상 원리는, y축의 가속도 이외의 축으로부터의 가속도에 의한 압저항의 저항 변화는 모두 휘트스톤 브릿지 회로에서 소거되도록 압저항을 배치하는 것에 근거를 두고 있다. 그 보상 원리를 도 2a 내지 도 2c와 수식으로 설명하면 다음과 같다. 도 2a 내지 도 2c는 도 1a의 압저항형 센서에 각기 x,y,z 방향의 가속도를 가한 경우의 응력 분포를 보인 도면들이다.
(a) Y축 방향 가속도
센서에 Y축 방향의 가속도가 가해질 경우에는, 매스가 Y축 방향으로 변위하여 도 2a와 같이 빔의 양단에 인장 응력과 압축 응력이 발생한다. P-type 압저항의 경우는 정의 게이지 계수(Positive gauge coefficient)를 가지므로, 인장 응력은 정(Positive)의 저항 변화, 압축 응력은 부(Negative)의 저항 변화를 나타내므로, 센서를 전류구동 한 경우의 출력은,
V out = 2 ΔR Icc와 같이 된다.
여기서, V out은 센서의 출력 전압, ΔR 은 압저항의 저항 변화분, Icc는 전원 전류이다. 따라서, 가속도 센서의 출력 전압은 압저항 쌍의 저항 변화, 즉 가속도에 의해 발생하는 응력에 비례하게 된다.
(b) X축 및 Z축 방향 가속도
도 2b에서 보여지는 바로서, 센서에 X방향으로 가속도가 가해지면 매스의 중심이 빔보다 밑에 있기 때문에, X 방향의 모멘트가 발생해서 도 2b와 같이 빔의 끝단에 같은 크기의 인장 응력과 압축 응력이 동시에 발생해서, 압저항 쌍은 정의 저항 변화분과 부의 저항 변화분이 서로 상쇄되어 총 저항 변화분이 영이 되므로, 휘트스톤 브릿지의 출력은,
V out = 0가 된다.
또한, 도 2c에서 보여지는 바로서, Z축의 가속도가 가해진 경우에도 매스에 모멘트가 발생하여, 도 2c와 같이 압저항의 저항이 변한다. 따라서, 휘트스톤 브릿지의 출력단자 양단이 동 전위가 되어 출력 전압은, V out = 0가 된다.
이상과 같이 Y축 이외의 축으로부터의 가속도에 대해서는 이론상 감도가 영이 되도록 압저항 들을 배치하였다. 이 보상법은 임의의 각도로 센서에 가해지는 가속도 벡터 성분으로 벡터 분리하여 Y축 성분의 가속도 벡터이외의 성분은 모두 소거되도록 구성되어 있다.
상기한 바와 같은 구조의 센서를 제조하고 FEM(Finite-element-method)시뮬레이션한 결과를 설명한다. 여기서는 도 3a 내지 도 3c와 도 4a 및 도 4b가 참조될 것이다. 도 3a 내지 도3c는 응력 분포변화를 설명하기 위해 센서 시뮬레이션 결과를 도 2a 내지 도 2c에 각기 대응하여 보인 도면들이고, 도 4a 및 도 4b는 센서 시뮬레이션 결과에 따라 얻어진 그래프들이다.
압저항 쌍의 적절한 배치에 의한 타축감도 보상 원리를 확인하기 위하여, 압저항이 배치되는 빔위의 응력 분포를 FEM 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 본 발명의 실시예에서는 ANSYS를 이용하여 FEM 시뮬레이션을 했다. 가속도 센서의 모델링은 ANSYS solid45 엘리멘트를 이용했고, 가속도 센서는 실리콘만으로 형성되었다고 가정했다. 가속도 센서 빔 위에 3축의 가속도 벡터에 의해서 발생하는 응력의 분포를 분석하기 위하여 도 2a 내지 도 2c와 같이 X,Y,Z 방향의 가속도를 가하면서 시뮬레이션 한 결과는 상기 도 3a 내지 도 3c에 나타나 있다. 도 3b, 도 3c로부터, X 및 Z축 가속도는 매스에 모멘트를 발생시키는 것을 알 수 있고, X축 가속도에 의한 모멘트는 빔에 비틀림으로 작용하여 빔 끝단에 같은 크기의 인장 응력과 압축 응력을 동시에 발생시켜, 각 저항의 저항 변화 분이 서로 소거되어 압저항 쌍의 저항 변화가 영이 되는 것을 알 수 있게 한다. Z축 가속도의 경우도 도 3c와 도 2c를 비교하면 출력 전압이 영(0)이 되는 것을 알 수 있다.
상기 FEM 시뮬레이션 결과로부터 가속도 센서의 출력 전압을 계산하여 도 4a 및 도 4b에 나타냈다. 그림 4a의 그래프 G1,G2로 부터 알 수 있는 바와 같이, 압저항 쌍을 이용한 휘트스톤 브릿지 회로를 이용해서 타축감도를 보상함으로써, FEM 시뮬레이션 결과로는 타축감도를 완전히 보상하는 것이 가능했다. 도 4b의 그래프 G3는 가속도 센서를 X축 또는 Z축을 중심축으로 회전시킬 경우의 출력 결과를 나타낸다. 출력 특성 곡선이 완전한 코사인파인 것을 알 수 있으며, 이것은 가속도 벡터 중의 X성분 및 Z성분의 벡터가 완전히 소거되어, Y축 성분의 가속도만의 출력 결과임을 알 수 있다. 이 시뮬레이션 결과로부터 앞에서 설명한 타축감도의 보상원리가 성립함이 증명되었다.
따라서, 시뮬레이션의 결과로부터, 압저항의 정렬 오차(Miss alignment) 및 가속도 센서 구조, 특히 빔 두께의 불 균일 등의 제작 공정 상의 문제점들을 무시한 이상적인 경우에는 타축감도를 100% 보상하는 것이 가능해서, 완벽하게 Y축의 가속도만을 측정하는 센서의 설계가 가능했다. 현재 반도체 가공 기술의 진보로 위에 나열한 제작 공정상의 문제점은 어느 정도 해결된 상태지만, 만약 제작 공정에서 어느 정도의 오차가 발생한다 해도 본 방법을 사용하면 상당한 타축감도를 보상 하는 것이 가능하다. 본 실시예에서 개시된 저 타축감도 가속도 센서는 도 4b의 결과로부터 알 수 있는 것과 같이 지구의 중력을 기준으로 하는 어떤 물체의 회전각도 측정 및 자세 센싱, 분해된 가속도 벡터의 각 성분 측정 등 폭 넓은 응용이 기대된다. 또한, 압저항 쌍의 위치를 조절함으로써 다양한 형태의 센서 설계가 가능하다. 본 발명에서 정의된 압저항 쌍의 개념은 가속도 센서 뿐 아니라 압저항형 센서 전반에의 적용이 가능할 수 있다.
이상에서, 압저항 쌍의 개념과, 그 응용의 한 예로 벌크 마이크로머시닝 기술로 만들어 지는 압저항형 가속도 센서의 타축감도 보상이 설명되었다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 압저항의 배치를 보다 효과적으로 함으로써 감도의 저하없이 타축 감도를 제거하고 센서에 여러 가지 추가적인 기능을 첨가할 수 있을 뿐 아니라 각종 노이즈 등을 제거하는 것이 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 압저항형 센서 구조에 있어서,
    반도체 기판에 형성된 십자형 4빔중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔위에 각기 2개의 압저항 쌍을 배치하여 상기 센서를 이루는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성함에 의해, 필요로 하는 축 이외의 축으로부터의 가속도에 의한 압저항의 저항 변화가 상기 휘트스톤 브릿지 회로에서 소거되도록 함을 특징으로 하는 압저항형 센서 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압저항 쌍은 2개의 저항이 직렬로 연결된 형태의 등가회로를 가지는 2개의 압저항 소자임을 특징으로 하는 압저항형 센서 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압저항형 센서는 y축 방향의 가속도 검출을 위한 가속도 센서임을 특징으로 하는 압저항형 센서 구조.
  4. 압저항형 센서의 제조방법에 있어서:
    브이 그루브법을 이용하여 상기 센서의 빔을 이룰 두께만큼 기판의 일부상부를 미리 식각한 다음 상기 기판을 하부에서 식각하는 단계;
    반응성 이온에칭법으로 상기 기판상부에서 상기 빔이 형성될 부분을 제외하고 관통식각을 하여 십자형 4빔을 형성하는 단계;
    상기 십자형 4빔중에서 서로 동일한 방향에 있는 2빔상부에 각기 2개의 압저항 쌍을 이온주입법으로 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 4개의 압저항 쌍을 상호연결하여 휘트스톤 브릿지를 형성하는 단계를 가짐을 특징으로 하는 방법.
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