KR20050022368A - 정전용량형 역학량 센서 - Google Patents
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Abstract
정전용량형 역학량 센서에서 진동부재에 관하여 상부 및 하부 면들에 배치된 금속 전극들에 그루브들(grooves)혹은 관통공들(holes)의 패턴이 형성된다. 결과적으로, 알루미늄(Al)과 같은 전기적으로 단일 전도성 물질로 된 전극이 사용되어질 때, 전극의 표면상에 힐록의 발생을 막을 수 있으며, 전극의 막-박리 위험도 줄일 수 있다. 또한, 제조 비용도 줄일 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 가속도 혹은 각속도 같은 동적인 물리량을 검출하기 위한 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 공정을 통해 제조된 구조의 변위로 인한 정전용량에서의 변화를 검출함에 의해 동적 물리량을 검출하는 정전용량형 역학량 센서에 관한 것이다.
지금까지, 외부로부터 인가된 가속도 혹은 각속도로 인해 변위되게 웨이트(weight) 및 웨이트를 지원하기 위한 빔들을 반도체 기판 내에 형성하여 웨이트의 가동전극들과 가동전극들로부터의 미소간격으로 형성된 고정전극들 간에서 얻어진 정전용량 변화를 검출하는 정전용량형 역학량 센서가 공지되어 있다(예를 들면, 일본 특개평 08-094666을 참조). 도 7은 종래의 정전용량형 역학량 센서구조의 개략적 단면도이다. 이 센서에서, 웨이트(71)와 빔들(72)은 미세 패터닝 공정을 통해 반도체 기판(73) 내에 형성되고, 양쪽 면들로부터 상부 및 하부 기판들(74, 75)과 접합 및 실(seal)된다. 이러한 정전용량형 역학량 센서는 미소극간들(76, 77)에 민감한 센서 감도를 가지므로 미소극간들에서의 변동은 센서 감도 특성들에 큰 영향을 미친다. 미소극간들(76, 77)은 상부 및 하부 기판들(74, 75) 혹은 반도체 기판(73)에 선택적으로 에칭함으로 형성된 간격들과, 반도체 기판(73)에 대향하는 상부 및 하부 기판들(74, 75)의 내부 표면에 형성된 상부 및 하부 고정전극들(78)의 두께를 기초로 결정된다. 따라서, 고정전극들의 두께를 제어하는 것이 중요하다고 말할 수 있다. 예를 들면, 고정전극들 표면들 상에 힐록(hillocks)의 발생은 미소극간들(76, 77)에서 변동을 일으키며, 또한 웨이트의 가동범위를 좁혀 감도의 열화를 일으킨다.
일본 특개평 08-094666A에 공개된 정전용량형 역학량 센서 제조 방법에서, 상부 및 하부 기판들의 각각에 유리(glass) 기판이 사용된다. 각각의 유리 기판들에 형성된 고정전극들의 표면상에 힐록의 발생을 막기 위해서, 기본층으로 알루미늄(Al)층과 티타늄(Ti)층을 가지는 두-층 전극 구조를 채용한다.
그러나, 다층 전극 구조의 채용은 제조 비용을 증가시킨다. 또한, 서로 다른 종류의 전극층들의 열 팽창계수간의 차로 인해 두-층 전극의 막-박리가 발생하게 되고 센서의 신뢰성을 감소시킨다. 또한, 티타늄(Ti)층의 저항값이 크기 때문에, 전체 고정된 전극의 저항을 감소시키기 위해 알루미늄(Al)층이 두꺼워져야하는 필요가 있다. 결과적으로, 전체 고정전극이 두껍게 되고, 전극 두께에 변동이 발생하게 된다.
본 발명은 전술한 바에 비추어 행해진 것으로, 본 발명의 목적은 전극의 표면들상의 힐록의 발생을 막을 수 있고, 전극막의 박리로부터 자유로울 수 있는 신뢰성이 우수한 저비용 정전용량형 역학량 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 전술한 목적을 이루기 위해서, 반도체 공정을 통해 제조된 구조의 변위로 인한 정전용량에서의 변화를 기초로 동적인 물리량을 검출하기 위한 정전용량형 역학량 센서에 있어서, 빔들에 의해 지원되고 외부로부터 인가된 가속도 또는 각속도 등과 같은 동적량으로 인해 변위되는 웨이트(weight)를 구비하는 반도체 기판; 반도체 기판의 표면의 일부에 접합되고, 상기 웨이트에 대향하는 위치에 미소극간을 갖고 배열되게 제1 고정전극이 적층된 상부 기판; 상기 반도체 기판의 후면의 일부에 접합되고, 상기 웨이트에 대향하는 위치에 미소극간을 갖고 배열되게 제2 고정전극이 적층된 하부 기판을 포함하고, 상기 정전용량형 역학량 센서는, 웨이트의 변위로 인해 상기 제1 고정전극 및 상기 제2 고정전극 간의 정전용량의 변화를 기초로 역학량을 측정하며, 다수의 그루브들 및 다수의 관통공들 중 하나는 상기 제1 고정전극의 일부분 및 상기 제2 고정전극의 일부분 중 하나에서 형성된 것인, 정전용량형 역학량 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 양상에 따른 다수의 그루브들 및 상기 다수의 관통공들은 균일한 간격으로 배열된다.
또한, 본 발며의 또다른 양상에 따른 제1 고정전극 및 상기 제2 고정전극은 단일 금속물질로 구성된다.
결론적으로, 제1 또는 제2 고정된 단일 금속으로 만들어질 때, 고정된 전극들의 표면들 위에 힐록의 발생을 막는것과, 막-박리 혹은 이와 유사한 것의 발생을 제거하는 것이 가능하다. 따라서, 신뢰성이 강화될 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)과 같은 저비용 금속이 제1 혹은 제2 고정된 전극에 채용될 수 있기 때문에, 제조 비용에서의 향상과, 전극들의 두께에서의 변동의 향상뿐만 아니라 생산량의 향상도 기대하는 것이 가능하다.
다수의 그루브들 혹은 관통공들이 상부 혹은 하부 기판의 표면에 형성된 제1 혹은 제2 금속 전극에 균일한 간격들로 형성되기 때문에, 제1 혹은 제2 고정된 전극이 단일 금속물질로 만들어질 때, 제1 혹은 제2 고정 전극의 표면상에 힐록의 발생을 막는 것이 가능하다. 따라서, 막-박리로부터 자유로운 높은 신뢰성과 저비용의 동적량 센서를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 정전용량형 역학량 센서를 대표하는 각속도 센서를 예로함으로써 이하 상세히 설명될 것이다.
우선, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하여, 이 정전용량형 역학량 센서는 상부 유리 기판(1), 실리콘 기판(2), 및 하부 유리 기판(3)을 포함하는 3층 구조를 이룬다. 이러한 세 개의 기판들(1,2,3)은 3층 구조를 형성하기 위해 상호 간에 결합된다. 빔들(4)과 웨이트(5)를 포함하는 진동부재는 에칭처리에 의해 실리콘 기판(2) 내에 형성된다. 진동부재는 외부로부터 가해진 힘으로 인해 진동하게 되거나 혹은 트위스트(twist) 된다. 각 빔(4)의 형상은 그것의 두께, 길이 및 폭에 관해서, 웨이트(5)의 형상은 이의 두께, 면적 등에 관해서 임의의 공명 진동수와 임의의 스프링(spring) 정수를 얻을 수 있도록 디자인된다. 또한, 미소극간(6)은 실리콘 기판(2)의 빔들(4)과 웨이트(5)의 상부면과, 빔들(4)과 웨이트(5)의 상부면에 대향하는 상부 기판(1)의 후면 간으로 정의된다. 또한, 미소극간(7)은 실리콘 기판(2)의 빔들(4)과 웨이트(5)의 하부면과, 빔들(4)과 웨이트(5)의 하부면에 대향하는 하부 유리 기판(3)의 후면 간으로 정의된다. 관통공들(8)은 진동부재가 형성된 실리콘 기판(2)이 수직으로 개재된 상부 및 하부 유리 기판들(1,3) 일부에 형성된다. 상부 및 하부 유리 기판들(1,3)의 내부 면들에 형성된 전극들은 그 관통공(8)들을 지나서 외부로 확장한다. 전기적 전도물질(9)이 관통공들(8)의 외측의 각각에 적층되고, 따라서 상부 및 하부 유리 기판들(1,3) 간으로 정의된 내측 간격을 실링하는(sealing) 것이 유지된다. 상부 및 하부 유리 기판들(1,3)의 내부 표면상에 형성된 고정전극들은, 각각, 전기적 전도물질들(9)에서 관통공(8)들의 측벽에 형성된 배선들을 통해 외부로 인출된다.
이 각속도 센서에서, 실리콘 기판(2)의 전위를 제어하는 것이 필요하다. 따라서, 실리콘 기판(2)의 전위를 확보하기 위해서 상부 및 하부 유리 기판들(1,3)의 내부 표면상에 형성된 전극들의 일부는 실리콘 기판(2) 상에 형성된 기판전극(12)에 접촉하도록 제공된다. 이제, 이러한 각속도 센서의 동작원리를 이하 간단히 설명한다. 여기용 고정전극들(10)과 그라운드 전위로 유지된 진동부재(가동전극들 포함) 간에 작용하는 정전기력에 의해서, 웨이트를 상하로 진동시키기 위해, 교류 전압이 상부 및 하부 유리 기판들의 내측 표면에 형성된 여기용 고정전극들(10)에 인가된다. 이와 같이, z축 방향으로 속도가 가해지는 진동부재에, y축에 관한 각속도가 가해지면, 각속도와 속도의 적(product)에 비례하는 코리올리의 힘이 진동부재에 x축 방향으로 작용한다. 결과적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 빔들이 휘게된다. 검출용 고정전극들(11)이 상부 및 하부 유리 기판들(1,3)의 내측 표면들에서 각각 제공된다. 빔들의 휘어짐의 결과로 발생한 웨이트의 기울어짐으로 인해 검출용 고정전극들(11)과 진동부재의 가동전극들 간에 얻어지는 정전용량 변화가 발생된다.
전술한 바와 같이, 정전용량 검출형 각속도 센서에서, 검출용 고정전극들(11)과 가동전극들 간의 거리들은 정전용량의 크기에 직접 관련된다. 따라서, 거리들에서 변동이 있으면, 여기용(exciting) 고정전극들(10)과 가동전극들 간에 작용하는 정전기력이 변하므로 상하 진동의 속도가 변하며 검출용 고정전극들(11)과 가동전극들 간에 얻어지는 정전용량 또한 변한다. 이것은 검출감도에 큰 영향을 미치게 한다. 또한, 힐록들이 여기용 고정전극들(10) 또는 검출용 고정전극들(11) 상에 발생되면, 미소극간들(6,7)의 변동으로 인해 검출감도 변동이 발생되고, 또한 빔의 가동범위가 좁아져 센서 감도를 열화시키게된다. 일반적으로, 전극들에 금이나 플래티늄의 사용이 전극 상의 힐록의 발생을 막을 수 있고, 또한 전극들의 저항값 역시 작게 설정할 수 있다. 그러나, 금 또는 플래티늄은 비싼 물질이어서, 제조비용이 증가하게된다. 또한, 그 금속물질들은 유리 물질에 접착력이 약하기 때문에, 이러한 금속물질과 유리 물질 간에 접착력을 강화시키기 위한 막을 형성하는 것이 필요하여, 다층구조를 채용할 것을 요구한다. 다층구조는 막-박리의 원인이되기 때문에, 신뢰도면에서 열등하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 각속도 센서의 고정전극(31)(여기용 고정전극(10) 또는 검출용 고정전극(11)에 상응하는)의 구조를 설명하기 위한 평면도이다. 둥근 관통공들(32)은 균일한 간격으로 고정전극(31)에 규칙적으로 형성된다. 예를 들어, 관통공들(32)이 없는 고정전극이 낮은 에너지에서 원자들이 이동하기 쉬운, 알루미늄(Al)과 같은 물질로 구성된 경우에는, 열처리에 의해 고정전극의 표면에 힐록이 쉽게 발생된다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 고정전극에 원형의 관통공들(32)이 형성된 경우에는, 알루미늄(Al)의 에너지가 원형 관통공들(32)의 측면 방향으로 분산되어, 고정전극의 표면에 힐록이 거의 발생되지 않는다. 둥근 관통공들(32)의 간격들은 임의로 설정할 수 있다. 따라서, 처리(특히, 열처리)에 적합한 관통공들(32) 간에 간격들을 채용함으로써, 고정전극의 표면상의 힐록의 발생을 막을 수 있다. 이 관통공(32)의 형상은 원형으로 제한되는 것은 아니며, 다각형일 수도 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 그루브들(42)이 고정전극(41)에 균일 간격들로 형성될 때에도, 도 3에서의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 그루브들(42)의 형상은 사각형으로 제한되는 것은 아니며, 다각형 또는 타원일 수도 있다. 또한, 사각형의 장변 및 타원의 장축의 방향도 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다. 또한, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 그루브(52)의 일측이 고정전극(51 또는 61)의 외주와 접하게 한 구조 또한 채용이 가능하다. 즉, 전극이 전위측에 관하여 연속적으로 확장하는 한, 고정전극 구조로 채용될 수 있다. 고정전극들(31,41,51,61)의 구조들은 이 고정전극들(31,41,51,61)의 구성에서 포토 마스크에 패턴들을 형성함에 의해 일반적인 반도체 공정과 마찬가지로 쉽게 형성될 수 있다. 또한, 고정전극이 물질비용이 저렴하고 저항값이 작은 알루미늄(Al) 같은 금속물질로 구성될 수 있기 때문에, 비용 절감이 가능하다. 또한, 고정 전극이 단일막으로 구성될 수 있기 때문에, 고정전극에서 막-박리가 거의 일어나지 않는다. 결과적으로, 신뢰성이 우수한 장치를 제조하는 것이 가능하다.
이러한 예들이 각속도 센서로 제한되는 것은 아니므로, 가속도 센서 및 압력 센서 등과 같은 전반적인 정전용량 변화 검출형 동적량 센서들에 적용된다.
본 발명의 실시예에 따른 소형화와 비용 절감에 적합한 정전용량형 역학량 센서는 휴대용/핸디(handy)용 장치에 또는 가상현실(virtual reality) 등에서 운동을 모니터링하는 기능으로 주로 사용될 것으로 에상된다. 예를 들면, 본 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서는 중력을 이용하여 경사각의 정보를 검출하는 센서, 혹은 카메라 등에서 손의 움직임을 보정하게 하는 센서로서 효과적이다. 결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서는 저비용과 소형화의 장점에서 소비자 센서 장치로서 넓게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 정전용량형 역학량 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서에서 외부로부터 인가된 각속도로 인해 빔들이 휜 상태를 설명하기 위한 개략적인 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서의 전극의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서의 전극의 다른 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서의 전극의 또 다른 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량형 역학량 센서의 전극의 또 다른 구조를 도시한 도면,
도 7은 종래의 정전용량형 역학량 센서를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1: 상부 유리 기판 2: 실리콘 기판
3: 하부 유리 기판 4: 빔
5: 웨이트 6,7: 미소극간
8: 관통공 9: 전기적 전도물질
10: 여기용 고정전극 10: 검출용 고정전극
12: 기판전극 31,41,51,61: 고정전극
Claims (3)
- 반도체 공정을 통해 제조된 구조의 변위로 인한 정전용량에서의 변화를 기초로 동적인 물리량을 검출하기 위한 정전용량형 역학량 센서에 있어서,빔들에 의해 지원되고 외부로부터 인가된 가속도 또는 각속도 등과 같은 동적량으로 인해 변위되는 웨이트(weight)를 구비하는 반도체 기판;반도체 기판의 표면의 일부에 접합되고, 상기 웨이트에 대향하는 위치에 미소극간을 갖고 배열되게 제1 고정전극이 적층된 상부 기판;상기 반도체 기판의 후면의 일부에 접합되고, 상기 웨이트에 대향하는 위치에 미소극간을 갖고 배열되게 제2 고정전극이 적층된 하부 기판을 포함하고,상기 정전용량형 역학량 센서는, 웨이트의 변위로 인해 상기 제1 고정전극 및 상기 제2 고정전극 간의 정전용량의 변화를 기초로 역학량을 측정하며,다수의 그루브들 및 다수의 관통공들 중 하나는 상기 제1 고정전극의 일부분 및 상기 제2 고정전극의 일부분 중 하나에 형성된 것인, 정전용량형 역학량 센서.
- 제1항에 있어서,상기 다수의 그루브들 및 상기 다수의 관통공들 중 적어도 하나는 균일한 간격으로 배열된 것인, 정전용량형 역학량 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 고정전극 및 상기 제2 고정전극 중 적어도 하나는 단일 금속물질로 구성된 것인, 정전용량형 역학량 센서.
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