KR20030080637A - Accelerometers and accelerometers that use mems manufacture method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가속도를 검출하는 가속도센서 및 가속도센서의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무인자동화 시스템에서 다수의 공작기계에 대한 효율적인 진단 및 감시가 가능한 가속도센서 및 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an acceleration sensor for detecting acceleration and a method for manufacturing the acceleration sensor, and more particularly, an acceleration sensor and a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology capable of efficient diagnosis and monitoring of a plurality of machine tools in an unmanned automation system. It relates to a method of manufacturing an acceleration sensor using.
가속도센서는 관성센서의 일종으로서 연구, 군사용 등의 특수용도 시장과 더불어 최근에는 자동차 및 가전 제품의 성능 향상이나 신기능 추가의 요구에 따라서 그 적용 분야가 확대되고 있다.Accelerometer is a kind of inertial sensor, and its application field is expanding according to the demand for improving performance of automobiles and home appliances and adding new functions in addition to special purpose markets such as research and military use.
현재 가장 널리 사용되고 있는 가속도센서는 압전소자를 이용한 압전형 가속도센서이며, 이는 압전소자에 극성 방향으로 힘을 가하면 양쪽면에 전하가 발생하며 이에 의하여 전위차가 발생하는 원리를 이용한 것이다. 이 전위차는 가한 힘의 크기에 비례하므로 정확한 진동량을 측정할 수 있다. 이러한 압전형 가속도센서는 다른 진동측정변환기보다 넓은 주파수 영역에서 좋은 선형성을 가지며, 전원이 필요 없다는 장점이 있다.Currently, the most widely used acceleration sensor is a piezoelectric acceleration sensor using a piezoelectric element, which uses a principle in which electric charges are generated on both sides when a force is applied to the piezoelectric element in a polar direction. This potential difference is proportional to the magnitude of the applied force, so that an accurate amount of vibration can be measured. The piezoelectric acceleration sensor has a good linearity in a wider frequency range than other vibration measuring transducers, and does not require a power supply.
도 1은 종래의 압전형 가속도센서의 개략적인 구조도이다.1 is a schematic structural diagram of a conventional piezoelectric acceleration sensor.
사각의 판상을 이루는 베이스(1)와, 베이스(1)의 공간부(2) 내측에 진동센서(3)가 설치된다. 진동센서(3)는 스프링 역할을 하는 케틸레버빔(4)을 일측에 가지고 있다.The base 1 which forms a square plate shape, and the vibration sensor 3 inside the space part 2 of the base 1 are provided. The vibration sensor 3 has a ketilever beam 4 that acts as a spring on one side.
진동센서(3)는 ZnO와 같은 압전물질의 응력에 대한 전기분극을 이용한다.The vibration sensor 3 uses electric polarization against stress of piezoelectric material such as ZnO.
상기 진동센서(3)가 가속도에 의하여 상하 움직이게 되면, 관성력에 의해 진동센서(3)의 상대적 변위가 생기고, 이 변위가 전기적 신호로 감지되는 구조를 가진다.When the vibration sensor 3 moves up and down by acceleration, a relative displacement of the vibration sensor 3 occurs due to an inertial force, and the displacement is detected as an electrical signal.
그러나 이러한 압전형 가속도센서의 모든 압전 재료가 온도에 민감하여 주위의 온도 변화가 가속도센서의 감도에 변화를 초래하며, 압전형 가속도센서는 높은 임피던스를 가지고 있어 연결 케이블에서의 접지루프, 마찰전기잡음, 전자기 잡음 등을 일으킨다. 또한, 기존의 가속도센서는 복잡한 공정 그리고 선형성의 문제점이 있었다.However, all the piezoelectric materials of these piezoelectric acceleration sensors are sensitive to temperature, so changes in ambient temperature cause changes in the sensitivity of the accelerometers. Piezoelectric acceleration sensors have high impedance, so that ground loops and triboelectric noise in connecting cables , Electromagnetic noise, etc. In addition, the conventional acceleration sensor has a problem of complex process and linearity.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광섬유의 사용으로 온도의 영향과 케이블에서의 잡음 극복과 원거리 측정이 가능하며, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 이용하여 소형화된 센서를 저렴하게 생산할 수 있는 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the conventional problems as described above, it is possible to overcome the effects of temperature and noise in the cable and the remote measurement by the use of optical fibers, miniaturized sensor using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an acceleration sensor using an acceleration sensor and MEMS technology that can be produced at low cost.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 이용한 가속도센서의 제조 방법에 있어서; 실리콘 웨이퍼 양면에제 1 산화막을 형성시키는 단계; 상기 제 1 산화막을 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 실리콘 웨이퍼의 하면을 벌크 에칭(bulk etching)하는 단계; 상기 벌크 에칭된 실리콘 웨이퍼에 제 2 산화막을 형성시키는 단계; 상기 제 2 산화막을 패터닝하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼의 하면에 베이스 실리콘 웨이퍼를 적층하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼에 진동센서를 DEEP RIE(Reactive Ion Etching) 식각으로 형성하는 단계; 상기 실리콘 웨이퍼에 DEEP RIE(Reactive Ion Etching) 식각으로 광섬유 삽입홈을 형성하는 단계; 상기 광섬유 삽입홈에 입, 출력 광섬유를 고정시키는 단계; 상기 입, 출력 광섬유가 고정된 상기 실리콘 웨이퍼 상면에 고정물을 패키징 하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing an acceleration sensor using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process; Forming a first oxide film on both sides of the silicon wafer; Patterning the first oxide film; Bulk etching a bottom surface of the patterned silicon wafer; Forming a second oxide film on the bulk etched silicon wafer; Patterning the second oxide film; Stacking a base silicon wafer on a bottom surface of the silicon wafer; Forming a vibration sensor on the silicon wafer by DEEP RIE (Reactive Ion Etching) etching; Forming an optical fiber insertion groove on the silicon wafer by DEEP RIE (Reactive Ion Etching) etching; Fixing an input and an output optical fiber to the optical fiber insertion groove; Packaging a fixture on an upper surface of the silicon wafer on which the input and output optical fibers are fixed; It provides a method of manufacturing an acceleration sensor using a MEMS technology comprising.
또한, 본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 이용한 가속도센서에 있어서; 베이스 실리콘웨이퍼의 상측에 적층되는 실리콘 웨이퍼와; 상기 실리콘 웨이퍼상에 DEEP RIE(Reactive Ion Etching) 식각 공정으로 중심부에 사각의 공간부와, 상기 공간부의 직교 방향에 형성되는 삽입홈과; 상기 실리콘 웨이퍼의 공간부 내측에 설치되며, 대칭되는 양측면에 수직방향으로 복수개의 실리콘빔과, 일측면에 분기된 셔터를 가지는 진동센서와; 상기 진동센서의 변화를 측정할 수 있도록 상기 삽입홈에 설치되는 입, 출력 광섬유와; 상기 입, 출력 광섬유의 고정 및 상기 진동센서를 보호하기 위하여 상기 실리콘 웨이퍼 상부에 설치되는 고정물로; 이루어진 것을 특징으로 하는 가속도센서를 제공한다.In addition, the present invention in the acceleration sensor using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process; A silicon wafer stacked on top of the base silicon wafer; A rectangular space portion at a central portion thereof and an insertion groove formed in an orthogonal direction of the space portion at a central portion of the silicon wafer by a DEEP RIE (Reactive Ion Etching) etching process; A vibration sensor installed inside the space portion of the silicon wafer, the vibration sensor having a plurality of silicon beams in a vertical direction on both symmetric side surfaces, and a shutter branched on one side; An input and an output optical fiber installed in the insertion groove to measure a change of the vibration sensor; A fixture installed on the silicon wafer to fix the input and output optical fibers and the vibration sensor; It provides an acceleration sensor, characterized in that made.
도 1은 종래의 가속도 센서를 개략적으로 도시한 사시도이고,1 is a perspective view schematically showing a conventional acceleration sensor,
도 2는 본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법의 공정도이고,2 is a process chart of a method of manufacturing an acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법의 사시도이고,3 is a perspective view of a method of manufacturing an acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법에서 광량 변화를 일으키는 셔터의 상태도이다.Figure 4 is a state diagram of the shutter causing a change in the amount of light in the manufacturing method of the acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
10 : 실리콘 웨이퍼 10' : 베이스 실리콘웨이퍼10: silicon wafer 10 ': base silicon wafer
11, 12 : 제 1, 2 산화막 13 : 포토레지스터11, 12: 1st, 2nd oxide film 13: Photoresistor
14 : 벌크에칭(Reactive Ion Etching)14: Reactive Ion Etching
15 : DEEP RIE(Reactive Ion Etching)15: DEEP RIE (Reactive Ion Etching)
20 : 가속도센서 24 : 공간부20: acceleration sensor 24: space part
26 : 삽입홈 30 : 진동센서26: insertion groove 30: vibration sensor
32 : 실리콘빔 34 : 셔터32: silicon beam 34: shutter
40 : 입력 광섬유 42 : 출력 광섬유40: input fiber 42: output fiber
44 : 코어 50 : 고정물44: core 50: fixture
52 : 테두리면 54 : 고정자52: border surface 54: stator
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법의 공정도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법에서 광량 변화를 일으키는 셔터의 상태도이다.2 is a process diagram of a method of manufacturing an acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the present invention, Figure 3 is a perspective view of a method of manufacturing an acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the present invention, Figure 4 It is a state diagram of a shutter causing a change in the amount of light in the manufacturing method of the acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the invention.
본 발명에 따른 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법은 도 2에 도시된 바와 같다.The method of manufacturing the acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology according to the present invention is as shown in FIG.
MEMS(Micro Electro Mechanical System) 즉, 초소형 기전 시스템으로 실리콘 기판에 반도체 공정기술을 이용한 가속도센서(20)는, 먼저 실리콘 웨이퍼(10) 양면에 제 1 산화막(11:Si20)을 형성시킨다. 제 1 산화막(11) 상에 포토레지스터(13)를 도포한 후, 노광 및 패터닝 공정으로 제 1 산화막(11)의 일부를 제거한다.The acceleration sensor 20 using a semiconductor process technology on a silicon substrate using a micro electro mechanical system (MEMS), that is, a micro electromechanical system, first forms a first oxide film 11 (Si 2 O) on both sides of the silicon wafer 10. After applying the photoresist 13 on the first oxide film 11, a part of the first oxide film 11 is removed by an exposure and patterning process.
패터닝된 실리콘 웨이퍼(10)의 하면에 TMAH(TetraMethyl-Ammonium Hydroxide) 용액을 이용하여 벌크 에칭(14:bulk etching)을 실시한다.Bulk etching (14: bulk etching) is performed on the lower surface of the patterned silicon wafer 10 using a TetraMethyl-Ammonium Hydroxide (TMAH) solution.
벌크 에칭(14)된 실리콘 웨이퍼(10)의 양면에 제 2 산화막(12)을 형성시킨다.A second oxide film 12 is formed on both sides of the bulk etched silicon wafer 10.
상기 제 2 산화막(12)이 형성된 실리콘 웨이퍼(10)의 상면에 포토레지스터(13)를 다시 도포하고 페터닝을 한다.The photoresist 13 is again coated on the upper surface of the silicon wafer 10 on which the second oxide film 12 is formed and patterned.
그리고 실리콘 웨이퍼(10)의 하면에 상면에만 산화막(11')이 형성된 베이스 실리콘웨이퍼(10')가 적층된다.The base silicon wafer 10 'having the oxide film 11' formed only on the bottom surface of the silicon wafer 10 is stacked.
상측에 위치한 실리콘 웨이퍼(10)에 진동센서(30)를 DEEP RIE(15:Reactive Ion Etching) 식각으로 형성한다.The vibration sensor 30 is formed on the silicon wafer 10 located above by DEEP RIE (15: Reactive Ion Etching) etching.
그리고 실리콘 웨이퍼(10)에 광섬유 삽입홈(26)을 DEEP RIE(15:Reactive Ion Etching) 식각으로 형성한다.Then, the optical fiber insertion groove 26 is formed in the silicon wafer 10 by DEEP RIE (15: Reactive Ion Etching) etching.
상기 삽입홈(26)에 입, 출력 광섬유(40)(42)를 삽입시킨다.The input and output optical fibers 40 and 42 are inserted into the insertion grooves 26.
삽입된 입, 출력 광섬유(40)(42)를 고정물(50)로 고정시킨 후 패키징하는 구성으로 이루어진다.The input and output optical fibers 40, 42 are fixed to the fixture 50, and then packaged.
상기와 같이 제작된 가속도센서에 대하여 도 3을 참조하면, 가속도센서(20)는 베이스 실리콘웨이퍼(10')와, 그 상부에 적층된 실리콘 웨이퍼(10)와, 실리콘 웨이퍼(10) 내측에 설치되는 진동센서(30)와, 입, 출력 광섬유(40)(42)와, 고정물(50)로 크게 구성된다.Referring to FIG. 3 with respect to the accelerometer manufactured as described above, the accelerometer 20 is installed on the base silicon wafer 10 ′, the silicon wafer 10 stacked thereon, and the inside of the silicon wafer 10. It is composed of a large vibration sensor 30, the input and output optical fibers 40, 42, and the fixture 50.
여기서 실리콘 웨이퍼(10)의 중심부에 직사각형의 공간부(24)와, 입, 출력 광섬유(40)(42)가 삽입될 수 있도록 공간부(24)와 직교 방향에 삽입홈(26)이 형성된다.Here, an insertion groove 26 is formed in a direction perpendicular to the space portion 24 so that the rectangular space portion 24 and the input / output optical fibers 40 and 42 can be inserted in the center of the silicon wafer 10. .
상기 공간부(24) 내측에 설치되는 진동센서(30)는 좌우 대칭구조로써, 양측면에 실리콘빔(32) 두 쌍이 설치된다. 실리콘빔(32)은 진동센서(30)의 두께와 같은 수직면상으로 설치된다. 그리고 진동센서(30)의 일측면에는 분기된 셔터(34)가 형성된다. 진동센서(30)는 공작기계의 진동범위인 5kHz를 포함하도록 공진주파수를15kHz로 설계하였다.The vibration sensor 30 installed inside the space 24 has a symmetrical structure, and two pairs of silicon beams 32 are installed at both sides. The silicon beam 32 is installed in a vertical plane such as the thickness of the vibration sensor 30. A branched shutter 34 is formed on one side of the vibration sensor 30. The vibration sensor 30 is designed to have a resonance frequency of 15 kHz to include 5 kHz, which is the vibration range of the machine tool.
또한, 광섬유는 레이저광이 나오는 입력 광섬유(40)와, 끝단에 연결되어 변화된 광량을 측정하는 포토디텍터(photo detector:도시안됨)를 가지는 출력 광섬유(42)로 구성되며, 그 중심부에는 각각 직경이 9um인 코어(44)를 사용하여 셔터(34)의 미세한 변위에서도 광량의 변화가 크도록 형성하였다.In addition, the optical fiber is composed of an input optical fiber 40 from which laser light is emitted, and an output optical fiber 42 having a photo detector (not shown) connected to the end and measuring a changed amount of light. Using the core 44 of 9 um, the change in the amount of light was made large even in the minute displacement of the shutter 34.
상기 입, 출력 광섬유(40)(42)의 일단이 셔터(34)를 사이에 두고 대향되게, 실리콘 웨이퍼(10)의 삽입홈(26)에 길이 방향으로 삽입 설치된다.One end of the input and output optical fibers 40 and 42 is inserted into the insertion groove 26 of the silicon wafer 10 in the longitudinal direction so as to face each other with the shutter 34 interposed therebetween.
그리고 입, 출력 광섬유(40)(42)의 고정 및 진동센서(30)를 보호하기 위하여 실리콘 웨이퍼(10) 상부에 고정물(50)이 설치된다. 고정물(50)은 초소형 광 조형(Micro Stereolithography) 기술로 제작되었으며, 실리콘 웨이퍼(10)의 공간부(24)보다는 다소 큰 넓이로 하여 하방으로 돌출된 테두리면(52)을 가지며, 실리콘 웨이퍼(10)와의 결합은 별도의 접착제로 하여 고정 설치된다. 또한, 테두리면(52)중 내측으로 꺾여서 연장 형성된 부분에 상기 입, 출력 광섬유(40)(42)를 고정하기 위한 고정자(54)가 돌출 형성된다.A fixture 50 is installed on the silicon wafer 10 to protect the input and output optical fibers 40 and 42 and the vibration sensor 30. The fixture 50 is manufactured by a micro stereolithography technique, has a slightly larger area than the space portion 24 of the silicon wafer 10, and has an edge 52 protruding downward, and the silicon wafer 10 Coupling with) is fixed by using a separate adhesive. In addition, a stator 54 for fixing the input and output optical fibers 40 and 42 is protruded to a portion formed by bending inwardly of the edge surface 52.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 공작기계의 진동범위인 5kHz를 포함하도록 설계된 가속도센서(20)의 작동은 다음과 같다.Operation of the acceleration sensor 20 designed to include a vibration range of 5kHz of the machine tool according to the present invention configured as described above is as follows.
공작기계 등에서 발생하는 진동은 마이크로 구조물인 진동센서(30)를 움직이게 한다. 이 때 수직형태로 형성된 스프링 기능의 실리콘빔(32)은 진동센서(30)가 상하 방향으로 진동하는 것을 방지하며 수평으로 움직인다.Vibration generated in the machine tool, etc. to move the vibration sensor 30 is a microstructure. At this time, the silicon beam 32 of the spring function formed in a vertical shape moves horizontally to prevent the vibration sensor 30 from vibrating in the vertical direction.
수평으로 진동하는 진동센서(30)는 셔터(34)의 변위를 발생시킨다.The vibration sensor 30 vibrating horizontally generates a displacement of the shutter 34.
도 4를 참조하면, 입, 출력 광섬유(40)(42)의 사이에 위치한 셔터(34)는 코어(44)의 중심에 정렬되게 된다. 이상에서 진동에 의해 셔터(34)가 움직이게 되면 셔터(34)의 변위는 δy만큼 발생하게 된다. 진동이 가해지지 않았을 경우에는 셔터(34)의 끝단이 입력 광섬유(40) 코어(44)의 중심선에 위치하므로 전달되는 레이저 광량이 1/2로 감소된 만큼 출력 광섬유(42)의 포토디텍터에서 측정된다.Referring to FIG. 4, the shutter 34 positioned between the input and output optical fibers 40 and 42 is aligned with the center of the core 44. When the shutter 34 is moved by the vibration above, the displacement of the shutter 34 is generated by δy. When no vibration is applied, the end of the shutter 34 is located at the centerline of the core 44 of the input optical fiber 40, so that the amount of laser light transmitted is reduced by 1/2 so that the photodetector of the output optical fiber 42 is measured. do.
외부에서 진동이 가해질수록 셔터(34)의 변위는 증가하므로 전달되는 광량은 점점 작아지게 된다. 따라서, 외부의 가속도 크기에 따른 셔터(34)의 변위는 이론적으로 알 수 있으므로 그 변위에 따른 광량 변화를 측정하면 인가되는 가속도 크기를 알 수 있게 된다.As the vibration is applied from the outside, the displacement of the shutter 34 increases, so that the amount of light transmitted becomes smaller. Therefore, since the displacement of the shutter 34 according to the external acceleration magnitude can be known in theory, the magnitude of acceleration applied to the displacement of the shutter 34 can be known by measuring the change in the amount of light according to the displacement.
이에 사용되는 입, 출력 광섬유(40)(42)는 종래 케이블에서 발생되던 전기적 잡음이 발생되지 않으며, 광섬유를 통과하는 광량은 온도나 자기장 등의 영향에 무관하므로 열약한 작업 환경에서도 감지가 가능하다. 또한 광섬유로 전달되는 광량은 거리에 따른 전송손실이 매우 적으므로 원거리에서도 미세한 광량 변화 측정이 가능하다.The input and output optical fibers 40 and 42 used therein do not generate electrical noise generated in the conventional cable, and the amount of light passing through the optical fiber is irrelevant to the influence of temperature or magnetic field, and thus can be detected even in a poor working environment. . In addition, since the amount of light transmitted to the optical fiber is very small, the transmission loss with distance is very small.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변경실시가 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described with respect to certain preferred embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and a person skilled in the art to which the present invention pertains has the present invention set forth in the claims below. Various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명인 가속도센서 및 MEMS 기술을 이용한 가속도센서의 제조방법은, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 이용하여 센서의 소형 제작이 가능하며, 광의 전송로로써 광섬유를 사용하여 무인 자동화 시스템을 구축할 때 다수의 공작기계를 장거리에서 효율적인 진단 및 감시가 가능한 효과가 있다.As described above, the present invention provides a method of manufacturing an acceleration sensor using the acceleration sensor and MEMS technology, which enables the miniature manufacturing of a sensor using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process, and using an optical fiber as an optical transmission path. When building a system, it is possible to efficiently diagnose and monitor a large number of machine tools over a long distance.
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