KR20030045620A - 반도체 역학량 센서 - Google Patents

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Abstract

반도체 역학량 센서는 이동 전극, 한 쌍의 제1 고정 전극, 한 쌍의 제2 고정 전극을 포함하는 반도체 기판을 포함한다. 상기 전극들에 의해 제1 및 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스 및 제1 및 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스가 형성된다. 이동 전극이 힘에 의해 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 움직일 때에, 센서에 인가되는 힘에 관련된 역학량은 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스 사이의 차동 출력, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스 사이의 차동 출력, 제1쌍의 제2 커패시턴스 사이의 차동 출력 및 제2쌍의 제2 커패시턴스 사이의 차동 출력의 합에 기반하여 측정된다. 상기 합은 비교적 작은 노이즈 양을 포함한다.

Description

반도체 역학량 센서{SEMICONDUCTOR DYNAMIC QUANTITY SENSOR}
본 발명은 두 축을 따라 움직일 수 있는 이동 전극(movable electrode), 및 상기 이동 전극과 검출 간격을 두고 부분적으로 대면하는 고정 전극을 포함하는, 가속도 센서(acceleration sensor)와 같은 반도체 역학량 센서(semiconductor dynamic quantity sensor)에 관한 것이다. 두 축을 따라 센서에 인가되는 힘에 관련된 역학량은 전극 사이의 커패시턴스에서의 변화에 기반하여 검출된다.
JP-A-5-249138에 기재된 가속도 센서는 두 직교 좌표를 따라 가속도를 검출할 수 있는 반도체 역학량 센서 또는 2축 센서의 일례이다. 도8의 반도체 센서는 본 발명자에 의해 이러한 종류의 가속도 센서로서 제안되었다. 도8의 센서는 공지된 반도체 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 제조 공정에서, 반도체 기판(12)에 홈들이 형성되어, 이동 전극(30) 및 고정 전극(J40, J50, J60, J70)을 형성한다.
도8의 반도체 센서에서, 이동 전극(30)은, 센서의 가속도에 응답하여, 반도체 기판(12)에 대해 평행인 표면상에서 서로 직교하는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 움직일 수 있다. 도8에 도시된 바와 같이, 이동 전극(30)은 빔(33, 34)에 의해 움직일 수 있도록 지지되며, 이에 따라, 이동 전극(30)은 제1 방향(X)을 따라 가속도가 발생하는 경우, 빔(33)의 스프링같은 동작에 의해 제1 방향(X)을 따라 움직이고, 제1 방향(X)과 직교인 제2 방향(y)에 따라 가속도가 발생하는 경우에는, 빔(34)의 스프링같은 동작에 의해 제2 방향(Y)을 따라 움직이게 된다.
도8에 도시된 바와 같이, 톱니(teeth)를 가진 빗 형태이고, 다수의 이동 전극 톱니를 포함하는 이동 전극부(36)는 제1 방향(X)의 이동 전극의 두 단부(ends)와, 제2 방향(y)의 이동 전극의 두 단부에 위치된다. 각 고정 전극(J40, J50, J60, J70)은 톱니를 가진 빗 형태이고, 다수의 고정 전극 톱니를 포함한다. 각 고정 전극(J40, J50, J60, J70)은 반도체 기판(12)내에서 지지 및 고정된다.
각각의 고정 전극(J40, J50, J60, J70)은 각 이동 전극부(36)에 끼워져서, 이동 전극(30)의 제1 방향(X)의 두 단부와 제2 방향(Y)의 두 단부에서, 고정 전극(J40, J50, J60, J70)의 각 고정 전극 톱니가 각 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니와 대면하게 된다. 제2 방향(Y)을 따르는 이동 전극(30)의 두 단부에서 이동 전극부(36)와 대면하는 고정 전극(J40, J50)은 한 쌍의 제1 고정 전극(J40, J50)이 된다.
2개의 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)는 제1 고정 전극(J40, J50)과 이동 전극부(36)로 형성된다. 도8에 도시된 바와 같이, 제1 검출 커패시턴스 중 하나(CX1) 는 고정 전극(J40)과 이동 전극부(36)중 하나 사이에서 형성되고, 제1 커패시턴스 중 다른 하나(CX2)는 고정 전극(J50)과 이동 전극부(36) 중 다른 하나 사이에서 형성된다.
제1 방향(X)을 따르는 이동 전극(30)의 두 단부에서 이동 전극부(36)와 대면하는 고정 전극(J60, J70)은 한 쌍의 제2 고정 전극(J40, J50)이 된다. 2개의 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)는 제2 고정 전극(J60, J70)과 이동 전극부(36)로 형성된다. 도8에 도시된 바와 같이, 제2 검출 커패시턴스 중 하나(CY1)는 고정 전극(J40)과 하나의 이동 전극부(36) 사이에 형성되고, 제1 커패시턴스 중 다른 하나(CY2)는 고정 전극(J50)과 다른 하나의 이동 전극부(36) 사이에 형성된다. 도8에서, 각각의 커패시턴스(CX1, CX2, CY1, CY2)는 커패시터 기호로 표시되어 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 알루미늄 등으로 이루어지며, 이동 전극(30) 및 고정 전극(J40, J50, J60, J70)에 각각 대응하는 패드(P30, P40, P50, P60, P70)가 반도체 기판(12)상에 위치된다. 각 전극(30, J40, J50, J60, J70)은 각각 대응하는 패드(P30, P40, P50, P60, P70)에 전기적으로 접속된다. 도시되지는 않았지만, 각 패드(P30, P40, P50, P60, P70)는, 예를 들면, 와이어 본딩에 의해 와이어링 라인 또는 외부 회로와 전기적으로 접속된다.
도8의 두 축에서의 가속도에 의해 이동 전극(30)이 제1 방향(X)을 따라 움직이면, 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)에서의 변화에 기반하여 가속도가 검출된다. 가속도에 의해 이동 전극(30)이 제2 방향(Y)을 따라 움직이면, 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)에서의 변화에 기반하여 가속도가 검출된다.
상세히 말하면, 도9에 도시된 바와 같이, 검출 커패시턴스(CX1, CX2, CY1, CY2)에서의 변화는, 도8의 반도체 센서가 전기적으로 접속되는, 외부 회로내의 스위칭 커패시터 회로(200)를 이용하여 검출된다. 스위칭 커패시터 회로(200)는 C-V 컨버터 회로이고, 입력된 커패시턴스를 스위칭 커패시터 회로(200)의 출력으로서의 전압으로 변환하기 위해, 커패시턴스(Cf)를 갖는 커패시터(210), 스위치(220), 및 차동 증폭기 회로(230)를 포함한다.
도9에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 반송파(Vcc)가 제1 고정 전극(J40, J50)에 전송되어, 전극(J40, J50)은 서로 반대의 위상을 갖게 된다. 동시에, 다른 쌍의 반송파(Vcc)가 제2 고정 전극(J60, J70)에 전송되어, 전극(J60, J70)은 서로 반대의 위상을 갖게 된다. 반송파 쌍들은 외부 회로로부터 각각의 패드(P30, P40, P50, P60, P70)를 통해 전송된다. 그 동안에, 스위칭 커패시터 회로(200)내의 스위치(220)는 소정의 타이밍으로 턴온 및 턴오프된다.
이 경우에, 가속도는 다음의 (식1)에서의 출력 S'로 검출된다.
S' = [(CY2 - CY1) + (CX2 - CX1)] x Vcc / Cf(식1)
즉, 도8에서 제안된 2축 센서에서, 이동 전극(30)이 가속도에 의해 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)을 따라 움직이는 경우, 가속도는 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)로부터의 차동 출력(CX2 - CX1)과 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)로부터의 차동 출력(CY2 - CY1)의 합에 기반하여 검출된다.
상세히 말하면, 도8에 제안된 2축 센서에서, 이동 전극(30)이 제1 방향(X)쪽, 예를 들면, 도8에서 오른쪽으로 이동하는 경우, 제1 고정 전극 중 하나(J40)의각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리는 점점 넓어지고, 제1 고정 전극 중 다른 하나(J50)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리는 점점 좁아진다. 결과적으로, 제1 방향(X)으로의 가속도는 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)로부터의 차동 출력(CX2 - CX1)에 기반하여 검출된다.
반면에, 이동 전극(30)이 제2 방향(Y)을 따라, 예를 들면, 도8에서 위쪽으로 이동하는 경우, 제2 고정 전극 중 하나(J60)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리는 점점 넓어지고, 제2 고정 전극 중 다른 하나(J70)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리는 점점 좁아진다. 결과적으로, 제2 방향(Y)으로의 가속도는 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)로부터의 차동 출력(CY2 - CY1)에 기반하여 검출된다.
그러나, 이동 전극(30)이 제1 방향(X)을 따라 움직이면, 제2 고정 전극(J60, J70)의 각 고정 전극 톱니와 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니가 서로 대면하는 오버랩 영역의 크기가 변하기 때문에, 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)가 변할 뿐만 아니라 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)도 변한다.
이동 전극(30)이 제1 방향(X)쪽, 예를 들면, 도8에서 오른쪽으로 이동하는 경우, 제2 고정 전극 중 하나(J60)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역은 점점 커지고, 제2 고정 전극 중 다른 하나(J70)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역은 점점 작아진다. 다시 말하면, 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)로부터의 차동 출력(CX2 - CX1)인 제1 방향(X)에서의 가속도 검출에 대한 예상 출력에 추가하여, 제2 방향(Y)에서의 가속도 검출에 사용되는 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)로부터의 차동 출력(CY2 - CY1)에서의 변화 역시 노이즈가 된다.
이동 전극(30)이 제2 방향(Y)을 따라, 예를 들면, 도8에서 위쪽으로 이동하는 경우, 제1 고정 전극 중 하나(J40)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역은 점점 작아지고, 제1 고정 전극 중 다른 하나(J50)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역은 점점 커진다. 다시 말하면, 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)로부터의 차동 출력(CY2 - CY1)인 제2 방향(Y)에서의 가속도 검출에 대한 예상 출력에 추가하여, 제1 방향(X)에서의 감속 검출에 사용되는 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)로부터의 차동 출력(CX2 - CX1)에서의 변화 역시 노이즈가 된다.
상기의 현상이 수식을 이용하여 설명될 것이다. 각각의 제1 및 제2 검출 커패시턴스(CX1, CX2, CX3, CX4)가 초기에 C0라고 가정하면, 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)에서의 변화는 각각 △Cx이고, 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)에서의 변화는 각각 △Cy이다. 도8에 제안된 센서에 가속도가 인가되지 않은 경우,
CX1 = CX2 = CY1 = CY2 = C0 이다.
이동 전극(30)이 제1 방향(X)쪽, 예를 들면, 도8에서 오른쪽으로 이동하는 경우, 제1 고정 전극 중 하나(J40)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리가 점점 넓어지기 때문에, 제1 검출 커패시턴스 중 하나(CX1)는 감소하고, 제1 고정 전극 중 다른 하나(J50)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리가 점점 좁아지기 때문에, 제1 검출 커패시턴스 중 다른 하나(CX2)는 증가한다.
동시에, 제2 고정 전극 중 하나(J60)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 커지기 때문에, 제2 검출 커패시턴스 중 하나(CY1)는 증가하고, 제2 고정 전극 중 다른 하나(J70)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 작아지기 때문에, 제2 검출 커패시턴스 중 다른 하나(CY2)는 감소한다. 이 경우에, 출력 S'는 다음의 (식2)로 표현된다.
S' = {(CY2 - CY1) + (CX2 - CX1)} x Vcc / Cf
= [{(C0 - △Cy) - (C0 + △Cy)} + {(C0 + △Cx) - (C0 - △Cx)}] x Vcc / Cf
= {(C0 - △Cy - C0 - △Cy) + (C0 + △Cx - C0 + △Cx)} x Vcc / Cf
= 2 x (△Cx - △Cy) x Vcc / Cf(식2)
(식2)에 나타난 바와 같이, 예상 출력 2△Cx에 추가하여, 제1 방향(X)에 따른 가속도를 검출할 때에, 제2 방향(Y)에서의 가속도 검출에 이용되는 제2 검출 커패시턴스(CY1, CY2)로부터의 차동 출력 -2△Cy 역시 노이즈가 된다.
이동 전극(30)이 제2 방향(X)을 따라, 예를 들면, 도8에서 위쪽으로 이동하는 경우, 제2 고정 전극 중 하나(J60)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리가 점점 넓어지기 때문에, 제2 검출 커패시턴스 중 하나(CY1)는 감소하고, 제2 고정 전극 중 다른 하나(J70)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리가 점점 좁아지기 때문에, 제2 검출 커패시턴스 중 다른 하나(CY2)는 증가한다.
동시에, 제1 고정 전극 중 하나(J40)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 작아지기 때문에, 제1 검출 커패시턴스 중 하나(CX1)는 감소하고, 제1 고정 전극 중 다른 하나(J50)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 커지기 때문에, 제1 검출 커패시턴스 중 다른 하나(CX2)는 증가한다. 이 경우에, 출력 S'는 다음의 (식3)으로 표현된다.
S' = {(CY2 - CY1) + (CX2 - CX1)} x Vcc / Cf
= [{(C0 + △Cy) - (C0 - △Cy)} + {(C0 + △Cx) - (C0 - △Cx)}] x Vcc / Cf
= {(C0 + △Cy - C0 + △Cy) + (C0 + △Cx - C0 + △Cx)} x Vcc / Cf
= 2 x (△Cx + △Cy) x Vcc / Cf(식3)
(식3)에 나타난 바와 같이, 예상 출력 2△Cy에 추가하여, 제2 방향(Y)에 따른 가속도를 검출할 때에, 제1 방향(X)에서의 가속도 검출에 이용되는 제1 검출 커패시턴스(CX1, CX2)로부터의 차동 출력 2△Cx 역시 노이즈가 된다.
따라서, 도8에 제안된 센서에서, 센서가 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)을 따라 가속도가 인가되든지 간에, 가속도 검출에 사용되지 않는 커패시턴스의 변화가 센서의 출력에서 노이즈로 포함된다.
본 발명은 상기의 관점에서 이루어진 것이며, 전극들 사이의 커패시턴스에서의 변화를 검출함으로써 두 축을 따라 역학량을 측정하기 위해, 두 축을 따라 움직일 수 있는 이동 전극, 및 간격을 두고 상기 이동 전극과 부분적으로 대면하는 고정 전극을 포함하는 반도체 역학량 센서의 출력에서 노이즈로 포함되고, 역학량 측정을 위한 커패시턴스 변화에 관련되지 않는 커패시턴스의 변화를 보상하는 것을 목적으로 한다.
커패시턴스 변화를 보상하기 위해, 본 발명에서의 반도체 역학량 센서는, 센서에 인가되는 힘에 응답하여, 반도체 기판에 대해 평행인 평면상에서 서로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 움직일 수 있는 이동 전극을 포함하는 반도체 기판을 포함한다.
반도체 기판은 또한, 이동 전극과 함께 제1 및 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스를 구성하기 위해, 제2 방향을 따르는 이동 전극의 두 단부(ends)에서 이동 전극과부분적으로 대면하는 제1쌍의 고정 전극을 포함한다. 반도체 기판은 또한, 이동 전극과 함께 제1 및 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스를 구성하기 위해, 제1 방향을 따르는 이동 전극의 두 단부에서 이동 전극과 부분적으로 대면하는 제2쌍의 고정 전극을 포함한다.
제2 방향을 따르는 이동 전극의 하나의 단부에서 형성되는 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스에서, 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소한다. 그러나, 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 또는 감소한다.
제2 방향을 따르는 이동 전극의 다른 하나의 단부에서 형성되는 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스에서, 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소한다. 그러나, 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 또는 감소한다.
제1 방향을 따르는 이동 전극의 하나의 단부에서 형성되는 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스에서, 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소한다. 그러나, 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 제1쌍의 제12검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 또는 감소한다.
제1 방향을 따르는 이동 전극의 다른 하나의 단부에서 형성되는 제2쌍의 제2검출 커패시턴스에서, 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소한다. 그러나, 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 또는 감소한다.
이동 전극이 힘에 의해 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 움직일 때에, 센서에 인가되는 힘에 관련된 역학량은 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스 사이의 차동 출력, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스 사이의 차동 출력, 제1쌍의 제2 커패시턴스 사이의 차동 출력 및 제2쌍의 제2 커패시턴스 사이의 차동 출력의 합에 기반하여 측정된다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 가속도 센서의 평면도.
도2는 도1에서의 라인 II-II에 따른 반도체 가속도 센서의 단면도.
도3은 도1에 도시된 센서에 대한 등가 회로도.
도4는 이동 전극이 제1 방향(X)에 따라 움직일 때에 센서의 상태를 도시한 도1의 센서의 평면도.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 가속도 센서의 평면도.
도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 가속도 센서의 평면도.
도7은 도6에서의 라인 VII-VII에 따른 반도체 가속도 센서의 단면도.
도8은 두 축을 따라 가속도를 검출할 수 있는 종래의 반도체 가속도 센서의 평면도.
도9는 도8에 도시된 센서에 대한 등가 회로도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12: 제2 실리콘 기판30: 이동 전극
40, 50: 제1 고정 전극60, 70: 제2 고정 전극
X: 제1 방향Y: 제2 방향
CX11, CX21, CX12, CX22: 제1 검출 커패시턴스
CY11, CY21, CY12, CY22: 제2 검출 커패시턴스
이제, 본 발명이 다양한 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
제1 실시예
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 가속도 센서(S1)는 두 축을 따라 역학량을 측정할 수 있는 반도체 역학량 센서인 차동 용량성 반도체 가속도 센서이다.
반도체 센서(S1)는 공지된 마이크로-머시닝(micro-machining) 공정을 이용하여 반도체 기판을 머시닝함을써 형성된다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 센서(S1)는 직사각형 형태의 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator: SOI)기판(10)을 이용하여 형성되는데, 이것은 제1 반도체 기판으로서 제1 실리콘 기판(11), 제2 반도체 기판으로서 제2 실리콘 기판(12), 및 절연층으로서 직사각형 프레임 형태의 산화막(13)을 포함한다. 산화막(13)은 제1 실리콘 기판(11)과 제2 실리콘 기판(12) 사이에 위치한다.
제2 실리콘 기판(12)은 각각의 커패시턴스가 가변되는 커패시터를 구성하는 전극(30, 40, 50, 60, 70)을 포함한다. 제1 실리콘 기판(11)과 산화막(13)은 제2 실리콘 기판(12)을 지지하는 지지 기판(20)을 구성한다. 산화막(13)은 중심 영역에 직사각형의 개구부(opening)(21)를 갖는다. 개구부(21)는 전극(30, 40, 50, 60, 70) 아래에 위치한다. 제2 실리콘 기판(12)은 개구부(21)를 덮도록 위치한다. 제2 실리콘 기판(12)은 이동부로서 이동 전극(30), 및 제2 실리콘 기판(12)내에 형성된 홈(grooves)에 의해 이동 전극으로부터 절연되는 고정 전극(40, 50, 60, 70)을 포함한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 제2 실리콘 기판(12)은 제2 실리콘 기판의 직사각형 프레임 형태의 주변에서 산화막(13)에 고정되어 이에 의해 지지된다. 주변에 포함되는 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 각 고정 전극(40, 50, 60, 70)의 하나의 단부에서 산화막(13)에 고정되어 이에 의해 지지된다. 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 제2 실리콘 기판(12)내에 고정 단부로부터 내부로 확장된다.
이동 전극(30)은, 서로 직교이고 도1에서 화살표 X 및 Y로 표시된 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따른 가속도에 응답하여 움직일 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 이동 전극(30)은 직사각형 형태의 개구부(21)의 중심 부분위에 실질적으로 배치되고, 직사각형의 제1 가중부(weight part)(31) 및 상기 제1 가중부(31)의 4개의 코너에서 외부로 확장되는 제2 가중부(32)를 포함한다.
제2 가중부(32)는, 제1 방향(X)으로 확장 및 수축될 수 있는 제1 빔부(beam parts)(33)와 제2 방향(Y)으로 확장 및 수축될 수 있는 제2 빔부(34)를 이용하여 직사각형 개구부(21)의 4개의 코너에서 각각 앵커부(anchoring parts)(35a, 35b, 35c, 35d)에 고정된다. 앵커부(35a, 35b, 35c, 35d)는 중간의 직사각형 프레임 형태의 산화막(13)을 이용하여 산화막(13)의 4개의 코너에서 제1 실리콘 기판(11)에 고정되어 이에 의해 지지된다. 결과적으로, 이동 전극(30)은 제1 실리콘 기판(11)에 의해 이동가능하게 지지된다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 앵커부(35a, 35b, 35c, 35d)는 산화막(13)까지 이르도록 제2 실리콘 기판(12)내에 위치한 홈을 이용하여 고정 전극(40, 50, 60, 70)으로부터 절연된다. 도1에서, 제2 실리콘 기판(12)내의 홈은 빗금친 부분으로 표시되었다. 앵커부(35a, 35b, 35c, 35d)에 의해 지지되는 빔부(33, 34) 및 이동 전극(30)은 개구부(21) 위에 위치된다.
도1에 도시된 바와 같이, 각각의 빔부(33, 34)는 스프링 형태의 다중-주름(multiply-folded) 빔이고, 이에 따라, 각 빔부(33, 34)는 주름 빔의 각 적층부의 휨 변형(warping deformation)을 이용하여 확장 및 수축될 수 있다. 각 빔부(33, 34)의 스프링 형태의 동작을 이용하여, 이동 전극(30)이 다음과 같이 두 방향(X, Y)으로 가속도 센서(S1)에서 움직일 수 있다.
제1 방향(X)을 따르는 성분을 갖는 가속도하에서, 이동 전극(30)은 제1방향(X)을 따라 움직이고, 가속도 정지에 따라 원래 위치로 되돌아간다. 한편, 제2 방향(Y)을 따르는 성분을 갖는 가속도 하에서, 이동 전극(30)은 제2 방향(Y)을 따라 움직이고, 가속도 정지에 따라 원래 위치로 되돌아간다.
빔부(33, 34)의 구조로 인해, 이동 전극(30)이 두 방향(X, Y)을 따라 동시에 움직이는 것, 다시 말하면, 대각선으로 움직이는 것이 방지된다. 즉, 이동 전극(30)은 실질적으로, 그 방향에 따른 가속도 성분의 크기에 응답하여, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y) 중 어느 하나를 따라서만 움직인다.
도1에 도시된 바와 같이, 각각이 톱니를 가진 빗과 같은 형태이고, 4개의 이동 전극 톱니를 포함하는 이동 전극부(36)가 제1 방향(X)을 따라 이동 전극의 두 단부와, 제2 방향(Y)을 따라 이동 전극의 두 단부에 위치된다. 이동 전극 톱니는 제1 가중부(31)의 2개의 사이드로부터 외부로 확장된다.
각 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 톱니를 갖는 빗과 같은 형태이고 4개의 고정 전극 톱니를 포함한다. 각 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 각 이동 전극부(36)에 끼워져서, 이동 전극(30)의 제1 방향(X)에 따른 두 단부 및 제2 방향에 따른 두 단부에서, 고정 전극(40, 50, 60, 70)의 각 이동 전극 톱니가 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니와 각각 대면하게 된다.
제2 방향(Y)을 따르는 이동 전극(30)의 두 단부에서 이동 전극부(36)에 끼워지는 고정 전극(40, 50)은 한 쌍의 제1 고정 전극이 된다. 제1 및 제2 쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22)는 제1 고정 전극(40, 50)과 이동 전극부(36)로 형성된다. 도1에 도시된 바와 같이, 제1쌍의 제1 검출커패시턴스(CX11, CX21)는 제1 고정 전극 중 하나(40)의 각 고정 전극 톱니와 하나의 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이에 형성되고, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)는 제1 고정 전극 중 하나(50)의 각 고정 전극 톱니와 하나의 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이에 형성된다.
제1 방향(X)을 따르는 이동 전극(30)의 두 단부에서 이동 전극부(36)에 끼워지는 고정 전극(60, 70)은 한 쌍의 제2 고정 전극이 된다. 제1 및 제2 쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21, CY12, CY22)는 제1 고정 전극(60, 70)과 이동 전극부(36)로 형성된다. 도1에 도시된 바와 같이, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)는 제2 고정 전극 중 하나(60)의 각 고정 전극 톱니와 하나의 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이에 형성되고, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)는 제2 고정 전극 중 하나(70)의 각 고정 전극 톱니와 하나의 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이에 형성된다. 도1에서, 각 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)는 커패시터 기호로 표시되어 있다.
제1 방향(X)에서의 가속도는 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22)에서의 변화에 기반하여 검출되는데, 이것은 제1 고정 전극(40, 50)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리에 따라 변한다. 이 거리는 제1 방향(X)에 따른 이동 전극의 움직임에 응답하여 변한다.
반면에, 제2 방향(Y)에서의 가속도는 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21, CY12, CY22)에서의 변화에 기반하여 검출되는데, 이것은 제2 고정 전극(60, 70)의각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 거리에 따라 변한다. 이 거리는 제2 방향(Y)에 따른 이동 전극의 움직임에 응답하여 변한다.
제1 방향(X)에서의 가속도 검출에 사용되는, 도1에서의 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)는, 제2 방향(Y)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여 함께 증가하거나 감소한다. 그러나, 제1 방향(X)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21) 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소한다.
유사하게, 제1 방향(X)에서의 가속도 검출에 사용되는, 도1에서의 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)는, 제2 방향(Y)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여 함께 증가하거나 감소한다. 그러나, 제1 방향(X)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22) 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소한다.
제2 방향(Y)에서의 가속도 검출에 사용되는, 도1에서의 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)는, 제1 방향(X)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여 함께 증가하거나 감소한다. 그러나, 제2 방향(Y)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21) 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소한다.
유사하게, 제2 방향(Y)에서의 가속도 검출에 사용되는, 도1에서의 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)는, 제1 방향(X)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여 함께 증가하거나 감소한다. 그러나, 제2 방향(Y)에 따른 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22) 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소한다.
즉, 목표 방향으로의 가속도하에서 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)에서 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소하며, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)에서 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소하며, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)에서 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소하며, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)에서 하나의 커패시턴스는 증가하고 다른 하나의 커패시턴스는 감소한다.
각 쌍의 커패시턴스들(CX11와 CX21, CX12와 CX22, CY11과 CY21, CY12와 CY22) 간의 상기의 관계는 각 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)를 도1에 도시된 것과 같은 방식으로 구성함으로써 달성된다. 즉, 한 쌍의 커패시턴스(CX11와 CX21, CX12와 CX22, CY11과 CY21, CY12와 CY22)를 구성하는 두 쌍의 이동 전극 톱니와 고정 전극 톱니의 구성은 각 쌍의 커패시턴스들(CX11와 CX21, CX12와 CX22, CY11과 CY21, CY12와 CY22) 사이에서 대칭적이다.
도1에 도시된 바와 같이, 이동 전극(30)은 앵커부(36b)상에 위치된 패드(P10)에 전기적으로 접속된다. 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)를 구성하는데 사용되는 제1 고정 전극 중 하나(40)는 한 쌍의 패드(PX11, PX21)에 전기적으로 접속된다. 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)를 구성하는데 사용되는 고정 전극 중 다른 하나(50)는 다른 쌍의 패드(PX12, PX22)에 전기적으로 접속된다.
제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)를 구성하는데 사용되는 제2 고정 전극 중 하나(60)는 다른 쌍의 패드(P11, P21)에 전기적으로 접속된다. 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)를 구성하는데 사용되는 제2 고정 전극 중 다른 하나(70)는 다른 쌍의 패드(P12, P22)에 전기적으로 접속된다. 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)는 제2 실리콘 기판(12)의 주변에 위치된다.
도1에 도시된 바와 같이, 고정 전극(40, 50, 60, 70) 및 이동 전극(30)에 대해 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)로부터 절연되는 패드(80)가 제2 실리콘 기판(12)의 주변에 위치된다. 패드(80)는 제2 실리콘 기판(12)내에서 고정 전극(40, 50, 60, 70)을 제외한 주변의 전위를 고정하는데 사용된다.
각 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)는, 도1에 도시된 바와 같이, 제2 실리콘 기판(12)내의 산화막(13)에 도달하는 홈을 이용한 에어 절연(air isolation)에 의해 서로로부터 절연되면서, 각각의 대응하는 전극과는 전기적으로 접속된다. 각 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)는, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어진다. 도시되지는 않았지만, 각 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)는, 예를 들면, 와이어 본딩에 의해 와이어 부재 또는 외부 회로에 전기적으로 접속된다.
반도체 가속도 센서(S1)는, 예를 들면, SOI 기판(10)의 제2 실리콘 기판(12)에서 트렌치 에칭 방법을 이용하여, 전극(30, 40, 50, 60, 70)에 의해 정의되고 산화막(13)에 도달하는 홈을 형성하고, 각 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)를 형성한 후, 개구부(21)를 형성하기 위한 희생 에칭 방법을 이용하여 홈을 통해 산화막(13)을 부분적으로 제거함으로써 제조될 수 있다.
반도체 가속도 센서(S1)내에서 가속도를 검출하기 위해 사용된 방법이 다음에 설명될 것이다. 도3에 도시된 바와 같이, 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)에서의 변화는 외부 회로내의 스위칭 커패시터 회로(200)에 의해 검출된다. 스위칭 커패시터 회로(200)는 C-V 컨버터 회로이고, 입력된 커패시턴스를 스위칭 커패시터 회로(200)의 출력으로의 전압으로 변환하기 위해, 커패시턴스(Cf)를 갖는 커패시터(210), 스위치(220), 차동 증폭기 회로(230)를 포함한다.
도3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 반송파가 대응하는 패드(PX11, PX21)를 통해 제1 고정 전극 중 하나(40)로 전송되어, 대응 커패시턴스(CX11, CX21)는 서로 반대 위상을 갖게 된다. 동시에, 다른 쌍의 반송파가 대응하는 패드(PX12, PX22)를 통해 다른 하나의 제1 고정 전극(50)에 전송되어, 대응 커패시턴스(CX12, CX22)는 서로 반대 위상을 갖게 된다. 동시에, 다른 쌍의 반송파가 대응하는 패드((PY11, PY21)를 통해 제2 고정 전극 중 하나(60)에 전송되어, 대응 커패시턴스(CY11, CY21)는 서로 반대 위상을 갖게 된다. 동시에, 다른 쌍의 반송파가 대응하는 패드((PY12, PY22)를 통해 제2 고정 전극 중 다른 하나(70)에 전송되어, 대응 커패시턴스(CY12, CY22)는 서로 반대 위상을 갖게 된다. 이 때에, 스위칭 커패시터 회로(200)내의 스위치(220)가 소정 타이밍으로 턴온 및 턴오프된다.
이 경우에, 가속도는 다음의 (식4)에 나타난 출력 S로 검출된다.
S = {(CX21 - CX11) + (CX12 - CX22) + (CY21 - CY11) + (CY12 - CY22)} x
Vcc / Cf (식4)
즉, 도1의 가속도 센서에서, 이동 전극(30)이 가속도에 응답하여 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)을 따라 움직이는 경우, 가속도는 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)로부터의 차동 출력(CX21 - CX11)과, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)로부터의 차동 출력(CX12 - CX22)과, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)로부터의 차동 출력(CY21 - CY11)과, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)로부터의 차동 출력(CY12 - CY22)의 합에 기반하여 검출된다.
도4에 도시된 바와 같이, 이동 전극(30)이 제1 방향(X)쪽, 즉 도1에서 오른쪽으로 움직이는 경우, 제1 방향(X)에 따른 가속도하에서, 각각의 대응하는 전극(36, 40, 50)의 각 이동 전극 톱니와 각 고정 전극 톱니 사이의 거리가 점점 넓어지기 때문에, 2개의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX22)는 감소하고, 각각의 대응하는 전극(36, 40, 50)의 각 이동 전극 톱니와 각 고정 전극 톱니 사이의 거리가 점점 좁아지기 때문에, 2개의 제1 검출 커패시턴스(CX21, CX12)는 증가한다.
반면에, 제2 고정 전극 중 하나(60)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 커지기 때문에, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)는 증가하고, 제2 고정 전극 중 다른 하나(70)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 작아지기 때문에, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)는 감소한다.
각 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)가 초기에 0이라고 가정하면, 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22))에서의 변화는 각각 △Cx이고, 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21, CY12, CY22)에서의 변화는 각각 △Cy이다. 이 경우에, 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)는 다음의 식으로 설명된다.
CX11 = C0 - △Cx, CX21 = C0 + △Cx, CX12 = C0 + △Cx, CX22 = C0 - △Cx, CY11 = C0 + △Cy, CY21 = C0 + △Cy, CY12 = C0 - △Cy, CY22 = C0 - △Cy
상기의 수식을 (식4)에서의 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)에 대입하면, 다음의 수식 (식5)가 얻어진다.
S = {(CX21 - CX11 ) + (CX12 - CX22) + (CY21- CY11) + (CY12 - CY22)} x Vcc / Cf
= {(C0 + △Cx - C0 + △Cx) + (C0 + △Cx - C0 + △Cx) + (C0 + △Cy - C0 - △Cy) + (C0 + △Cy - C0 + △Cy) x Vcc /Cf
= 4 x △Cx x Vcc / Cf(식5)
이에 따라, 출력 S에서 노이즈가 되는 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21, CY12, CY22)의 변화(△Cy)가 상쇄되기 때문에, 출력 S는 제1 방향(X)에 따른 가속도 검출에 기여하도록 예상되는 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22)의 변화(△Cx)만을 포함한다.
제1 방향(X)에 따른 이동 전극(30)의 움직임은, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)로부터의 차동 출력(CX21 - CX11)과, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)로부터의 차동 출력(CX12 - CX22)의 합에 기반하여 검출되고, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)로부터의 차동 출력(CY21 - CY11)과, 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)로부터의 차동 출력(CY12 - CY22)의 합에 의해 상쇄된다.
도시되지는 않았지만, 이동 전극(30)이 제2 방향(Y)을 따라 도1에서 위쪽으로 움직이는 경우, 제2 방향(Y)에 따른 가속도하에서, 각각의 대응하는 전극(36, 60, 70)의 각 이동 전극 톱니와 각 고정 전극 톱니 사이의 거리가 점점 넓어지기 때문에, 2개의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY22)는 감소하고, 각각의 대응하는 전극(36, 60, 70)의 각 이동 전극 톱니와 각 고정 전극 톱니 사이의 거리가 점점 좁아지기 때문에, 2개의 제2 검출 커패시턴스(CY21, CY12)는 증가한다.
반면에, 제2 고정 전극 중 하나(40)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 작아지기 때문에, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)는 감소하고, 제2 고정 전극 중 다른 하나(50)의 각 고정 전극 톱니와, 대응하는 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니 사이의 오버랩 영역이 점점 커지기 때문에, 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)는 감소한다.
각 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)가 초기에 0이라고 가정하면, 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22))에서의 변화는 각각 △Cx이고, 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21, CY12, CY22)에서의 변화는 각각 △Cy이다. 이 경우에, 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)는 다음의 식으로 설명된다.
CX11 = C0 - △Cx, CX21 = C0 - △Cx, CX12 = C0 + △Cx, CX22 = C0 + △Cx, CY11 = C0 - △Cy, CY21 = C0 + △Cy, CY12 = C0 + △Cy, CY22 = C0 - △Cy
상기의 수식을 (식4)에서의 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)에 대입하면, 다음의 수식 (식6)가 얻어진다.
S = {(CX21 - CX11 ) + (CX12 - CX22) + (CY21- CY11) + (CY12 - CY22)} x Vcc / Cf
= {(C0 - △Cx - C0 + △Cx) + (C0 + △Cx - C0 - △Cx) + (C0 + △Cy - C0 + △Cy) + (C0 + △Cy - C0 + △Cy) x Vcc /Cf
= 4 x △Cy x Vcc / Cf(식6)
이에 따라, 출력 S에서 노이즈가 되는 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22)의 변화(△Cx)가 상쇄되기 때문에, 출력 S는 제2 방향(Y)에 따른 가속도 검출에 기여하도록 예상되는 제1 검출 커패시턴스(CY11, CY21, CY12, CY22)의 변화(△Cy)만을 포함한다.
제2 방향(Y)에 따른 이동 전극(30)의 움직임은, 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX21, CX12, CX22)에서의 변화가 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)의 차동 출력(CX21 - CX11)과 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)의 차동 출력(CX12 - CX22)의 합에 의해 상쇄되는 동안, 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)의 차동 출력(CY21 - CY11)과 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)의 차동 출력(CY12 - CY22)의 합에 기반하여 검출된다.
결과적으로, 도1 및 도2의 가속도 센서(S1)에서, 출력(S)은 그렇지 않은 경우에 출력(S)에서 노이즈가 되는 다른 커패시턴스에서의 변화가 상쇄되기 때문에, 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)을 따라 가속도 검출에 기여하도록 예상되는 커패시턴스에서의 변화만이 실질적으로 포함된다.
말하자면, 이동 전극(30)이 제1 및 제2 방향(X, Y)에 대해 직교되는 축 주변을 반시계방향으로 돌 때에, 출력(S)은 다음의 (식7)과 같이 실질적으로 0이 된다.
S = {(CX21 - CX11 ) + (CX12 - CX22) + (CY21- CY11) + (CY12 - CY22)} x Vcc / Cf
= {(C0 + △Cx - C0 + △Cx) + (C0 - △Cx - C0 - △Cx) + (C0 + △Cy - C0 + △Cy) + (C0 - △Cy - C0 - △Cy) x Vcc /Cf
= 0(식7)
출력(S)에 대한 검출 방법은 도3에서의 스위칭 커패시터 회로(200)로 제한되지는 않는다. 출력(S)이, 도1의 반도체 가속도 센서(S1)에서의 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)의 구성을 이용하여, 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)을 따르는 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 4개의 차동 출력(CX21 - CX11), (CX12 - CX22), (CY21 - CY11), (CY12 - CY22)의 합에 기반하여 검출되는 한, 다른 방법이 사용될 수도 있다.
제2 실시예
도1의 반도체 가속도 센서(S1)에서, 각각의 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 각각의 이동 전극부(36)에 끼워져서, 이동 전극(30)의 제1 방향(X)에 따른 두 단부와 제2 방향(Y)에 따른 두 단부에서, 고정 전극(40, 50, 60, 70)의 각 고정 전극 톱니가 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니와 각각 대면하게 된다. 각 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)는 각 고정 전극 톱니와 각 이동 전극 톱니 사이의 거리 및 대면 영역과, 각 고정 및 이동 전극 톱니의 개수에의해 주로 결정된다. 이에 따라, 각 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22)는 거리, 대면 영역 및 개수에 따라 최적화될 수 있다.
도5에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 반도체 가속도 센서(S2)는 고정 및 이동 전극 톱니의 개수에서 도1의 센서(S1)와는 상이하다. 센서(S2)에서는, 도5에 도시된 바와 같이, 각 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 2개의 고정 전극 톱니를 갖고, 이동 전극(30)의 각 이동 전극부(36)는 1개의 이동 전극 톱니를 갖는다.
도5에 도시된 바와 같이, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21)는 제1 고정 전극 중 하나(40)의 2개의 고정 전극 톱니와, 하나의 이동 전극부(36)의 1개의 이동 전극 톱니로 형성된다. 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22)는 제1 고정 전극 중 다른 하나(50)의 2개의 고정 전극 톱니와, 다른 하나의 이동 전극부(36)의 1개의 이동 전극 톱니로 형성된다. 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21)는 제2 고정 전극 중 하나(60)의 2개의 고정 전극 톱니와, 다른 하나의 이동 전극부(36)의 1개의 이동 전극 톱니로 형성된다. 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CYX22)는 제2 고정 전극 중 다른 하나(70)의 2개의 고정 전극 톱니와, 나머지 하나의 이동 전극부(36)의 1개의 이동 전극 톱니로 형성된다.
이에 따라, 이동 전극(30)이 가속도 하에서 두 방향(X, Y) 중 하나를 따라 도5의 센서(S2)에서 움직일 때에, 이동 전극(30)의 이동 방향에 대해 직교 방향을 따라 확장되는 각각의 이동 전극 톱니의 한 쪽에 형성되는 검출 커패시터는 증가하고, 다른 쪽에 형성되는 검출 커패시턴스는 감소한다. 따라서, 도5에서의 반도체 가속도 센서(S2)는 실질적으로, 가속도의 검출에서 도1에서의 반도체 가속도센서(S1)와 동일한 효과를 제공한다.
제3 실시예
도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 반도체 가속도 센서(S3)는 고정 및 이동 전극의 구성에서 도1 의 반도체 가속도 센서(S1)와 상이하다. 즉, 센서(S1)에서는, 제1 고정 전극(40, 50) 및 제2 고정 전극(60, 70)이 이동 전극(30)을 둘러싸도록 제2 실리콘 기판(12)의 주변에 위치한다. 반면에, 센서(S3)에서는, 이동 전극(30)이 제1 고정 전극(40, 50) 및 제2 고정 전극(60, 70)을 둘러싸도록 제2 실리콘 기판(12)의 주변에 위치한다.
상세히 말하면, 도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 제2 실리콘 기판(12)의 중심 부분이 제1 실리콘 기판(11) 및 산화막(13)을 포함하는 지지 기판(20)에 의해 고정 및 지지된다. 제2 실리콘 기판(12)의 중심 부분 아래에 산화막(13)이 위치되어, 제2 실리콘 기판(12)의 주변은 이동 전극(30)과 같이 센서(S3)내에서 움직일 수 있다.
도6에 도시된 바와 같이, 센서(S3)에서, 앵커부(35a, 35b, 35c, 35d)는 도1에서의 제2 가중부(32)에 비교될 수 있고, 제2 실리콘 기판(12)의 사각형 프레임 형태의 주변 영역은 이동 전극(30)의 제1 가중부(31)를 구성한다. 제2 가중부(32)는 제1 가중부(31)의 4개의 코너로부터 앵커부(35a, 35b, 35c, 35d)쪽 내부로 돌출된다.
도6에 도시된 바와 같이, 각각의 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 톱니를 갖는빗과 같은 형태이고, 4개의 고정 전극 톱니를 포함한다. 고정 전극 톱니는 지지 기판(20)에 고정되는 중심 부분에서 외부로 돌출된다. 톱니를 갖는 빗과 같은 형태이고, 4개의 이동 전극 톱니를 포함하는 이동 전극부(36)는 이동 전극(30)의 사각형 프레임 형태의 제1 가중부(31)의 각 내부 단부에 위치된다. 이동 전극 톱니는 각 내부 단부에서 돌출된다.
도6의 센서(S3)에서, 제1 고정 전극(40, 50)의 각 고정 전극 톱니는, 제2 방향(Y)을 따라 내부 단부로부터 돌출되는 2개의 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니와 대면한다. 제2 고정 전극(60, 70)의 각 고정 전극 톱니는, 제1 방향(X)에 따라 내부 단부로부터 돌출되는 다른 2개의 이동 전극부(36)의 각 이동 전극 톱니와 대면한다.
도6의 센서(S3)에서, 목표 방향으로의 가속도 하에서 이동 전극(30)의 움직임에 응답하여, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX11, CX21), 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스(CX12, CX22), 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY11, CY21), 및 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스(CY12, CY22)에서, 하나의 커패시턴스는 증가하고, 다른 하나의 커패시턴스는 감소한다. 즉, 도6의 센서(S3)에서의 검출 커패시턴스(CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22) 사이의 관계는 도1의 센서(S1)에서와 유사하다.
도6에 도시된 바와 같이, 이동 전극(30) 및 고정 전극(40, 50, 60, 70)은 대응하는 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)에 각각 전기적으로 접속된다. 패드(P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22)는지지 기판(20)에 고정되는 중심 부분에 위치되고 서로 절연된다.
도6 및 도7의 반도체 가속도 센서(S3)는 실질적으로, 가속도의 검출에서 도1의 반도체 가속도 센서(S1)와 동일한 효과를 제공한다. 즉, 센서(S3)의 출력(S)은, 그렇지 않은 경우에 출력(S)에서 노이즈가 되는 다른 커패시턴스에서의 변화가 상쇄되기 때문에, 제1 방향(X) 또는 제2 방향(Y)에 따른 가속도 검출에 기여하도록 예상되는 커패시턴스에서의 변화만이 실질적으로 포함된다.
센서(S3)에서, 이동 전극(30)은 고정 전극(40, 50, 60, 70)을 둘러싸도록 제2 실리콘 기판(12)의 주변에 위치되고, 이동 전극(30)의 크기 및 무게는 도1의 센서(S1)보다 훨씬 더 크게 만들어질 수 있다. 이에 따라, 센서(S3)의 감도는 이동 전극(30)의 무게에 비례하여 증가하기 때문에, 센서(S3)는 도1의 센서(S1)보다 더 높은 감도를 쉽게 제공할 수 있다.
기타 실시예
이동 전극(30)과 고정 전극(40, 50, 60, 70)은, 도1의 센서(S1), 도5의 센서(S2) 및 도6의 센서(S3)에서, 서로 끼워지고 부분적으로 서로 대면한다. 그러나, 이동 전극과 고정 전극이 서로 끼워지지 않을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 역학량 센서는 출력에서 노이즈가 되는 다른 커패시턴스에서의 변화가 상쇄되기 때문에, 제1 방향 또는 제2방향을 따르는 가속도 검출에 기여하도록 예상되는 커패시턴스에서의 변화만이 실질적으로 포함되는 효과를 제공한다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판을 포함하는 반도체 역학량 센서에 있어서,
    상기 반도체 기판은,
    상기 센서에 인가되는 힘에 응답하여, 상기 반도체 기판에 대해 평행한 평면상에서 서로 실질적으로 직교하는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 상기 기판내에서 움직이는 이동 전극;
    상기 반도체 기판내에서 고정되며, 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스 및 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스를 형성하기 위해, 상기 제2 방향을 따르는 상기 이동 전극의 두 단부에서 상기 이동 전극과 각각 대면하는 한 쌍의 제1 고정 전극; 및
    제1쌍의 제2 검출 커패시턴스 및 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스를 형성하기 위해, 상기 제1 방향을 따르는 상기 이동 전극의 두 단부에서 상기 이동 전극과 각각 대면하는 한 쌍의 제2 고정 전극
    을 포함하고,
    여기서, 상기 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 상기 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소하고, 상기 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 상기 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 감소하고, 상기 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 상기 제2쌍의 제1 커패시턴스 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소하고, 상기 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우 상기 제2쌍의 제1 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나감소하며, 상기 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 상기 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소하고, 상기 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우, 상기 제1쌍의 제2 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 감소하고, 상기 이동 전극이 제2 방향을 따라 움직이는 경우, 상기 제2쌍의 제2 커패시턴스 중 하나는 증가하고 다른 하나는 감소하고, 상기 이동 전극이 제1 방향을 따라 움직이는 경우 상기 제2쌍의 제2 검출 커패시턴스는 함께 증가하거나 감소하고,
    상기 센서에 인가된 힘과 관련된 상기 역학량은, 상기 제1쌍의 제1 검출 커패시턴스 사이의 차동 출력, 상기 제2쌍의 제1 커패시턴스 사이의 차동 출력, 상기 제1쌍의 제2 커패시턴스 사이의 차동 출력, 및 상기 제2쌍의 제2 커패시턴스 사이의 차동 출력의 합에 기반하여 측정되고,
    상기 이동 전극은 상기 센서에 인가된 힘에 의해 상기 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 움직이는
    반도체 역학량 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정 전극 및 상기 제2 고정 전극은 상기 반도체 기판내에서 상기 이동 전극 주변에 위치되고,
    상기 제2 방향을 따르는 상기 이동 전극의 두 단부와 상기 제1 방향을 따르는 상기 이동 전극의 두 단부는 외부 단부가 되는
    반도체 역학량 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이동 전극은 상기 반도체 기판내에서 상기 제1 고정 전극 및 상기 제2 고정 전극 주변에 위치되고,
    상기 제2 방향을 따르는 상기 이동 전극의 두 단부와 상기 제1 방향을 따르는 상기 이동 전극의 두 단부는 내부 단부가 되는
    반도체 역학량 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 고정 전극은 톱니를 가진 빗과 같은 형태이고, 다수의 고정 전극 톱니를 포함하며,
    상기 이동 전극은 다수의 이동 전극부를 포함하고, 상기 각각의 이동 전극부는 톱니를 가진 빗과 같은 형태이고, 다수의 이동 전극 톱니를 포함하며,
    상기 검출 커패시턴스를 형성하기 위해, 상기 각각의 고정 전극 톱니가 상기 각각의 이동 전극 톱니와 대면하도록, 상기 각각의 고정 전극은 상기 각각의 이동 전극에 끼워지는
    반도체 역학량 센서.
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