KR20060124267A - The in-plane 3-axis inertia measurement systems with the exact alignment - Google Patents

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KR20060124267A
KR20060124267A KR1020050046096A KR20050046096A KR20060124267A KR 20060124267 A KR20060124267 A KR 20060124267A KR 1020050046096 A KR1020050046096 A KR 1020050046096A KR 20050046096 A KR20050046096 A KR 20050046096A KR 20060124267 A KR20060124267 A KR 20060124267A
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조동일
박상준
최병두
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

A flat type 3-axis inertia measurement system with an exact alignment are provided to simplify a packaging process, increase a yield, and minimize a size of a manufactured inertia sensor. A flat type 3-axis inertia measurement system with an exact alignment includes an x-axis accelerating system(100) for detecting a translation motion of the x-axis, a y-axis accelerating system for detecting a translation motion of the y-axis, and a z-axis accelerating system for detecting a rotation motion of the z-axis.

Description

정렬 오차 없는 평면형 3축 관성 측정 시스템 {The in-plane 3-axis inertia measurement systems with the exact alignment}The in-plane 3-axis inertia measurement systems with the exact alignment}

도 1a 및 1b는 종래의 3축 관성 측정 시스템의 모식도.1A and 1B are schematic views of a conventional three axis inertial measurement system.

도 1c는 상기 도 1b에 도시된 종래의 3축 관성 측정 시스템을 촬영한 사진.Figure 1c is a photograph of the conventional three-axis inertial measurement system shown in Figure 1b.

도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템의 평면도 및 사시도.2A and 2B are a plan view and a perspective view of a three-axis inertial measurement system according to the present invention.

도 3a 내지 3f는 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 SOI 기판 상에서 제작하는 과정을 도시한 공정 단면도.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a process of fabricating a three-axis inertial measurement system according to the present invention on an SOI substrate.

도 4a 내지 4l은 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 단결정 실리콘 기판 상에서 제작하는 과정을 도시한 공정 단면도.4A to 4L are cross-sectional views illustrating a process of fabricating a triaxial inertial measurement system according to the present invention on a single crystal silicon substrate.

도 5a 내지 5f는 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 SOG(silicon-on-glass) 기판 상에서 제작하는 과정을 도시한 공정 단면도.5A to 5F are cross-sectional views illustrating a process of fabricating a three-axis inertial measurement system according to the present invention on a silicon-on-glass substrate.

본 발명은 3차원 운동시 x축, y축 및 z축의 각 방향에 대한 관성력을 검지할 수 있는 3축 관성 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템은, 단일한 기판 상에 SBM 기술로 x축의 병진 운동을 검지하는 x축 가속도계, y축의 병진 운동을 검지하는 y축 가속도계, 및 z축의 회전 운동을 검지하는 z축 각속도계가 형성되어 있다.The present invention relates to a three-axis inertial measurement system that can detect the inertial force in each direction of the x-axis, y-axis and z-axis during the three-dimensional motion. The three-axis inertial measurement system according to the present invention is an x-axis accelerometer for detecting the translational motion of the x-axis on the single substrate, the y-axis accelerometer for detecting the translational motion of the y-axis, and the z-axis rotational motion for detecting the translational motion of the y-axis. An axial angular meter is formed.

MEMS 기술은 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판 상에 집적하여 형성하는 것이다. 상기 MEMS 기술은 박막 증착 기술, 식각 기술, 사진 묘화 기술, 불순물 확산 및 주입 기술 등의 반도체 소자 제조 기술을 기초로 한다.MEMS technology uses a silicon process to form a specific part of the system by integrating it on a silicon substrate in a micrometer-specific shape. The MEMS technique is based on a semiconductor device manufacturing technique such as a thin film deposition technique, an etching technique, a photographing technique, an impurity diffusion and implantation technique.

가속도 센서 및 각속도 센서를 비롯한 관성 센서(즉, 관성력 검지용 MEMS 소자)는 MEMS 기술로 제작된 대표적인 소자로서, 병진운동 및 회전 운동을 측정할 수 있는 센서이다. 용량형 관성 센서는 제작 공정이 간단하고, 온도 변화에 둔감하며, 비선형성이 적어서 널리 사용되고 있는 형태이다. 관성 센서는 유도·항법, 휴대용 기기, 캠코더, 3차원 입력 장치, 및 게임 등의 다양한 분야에 응용되고 있으며, 적용 분야 및 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다.Inertial sensors (ie, MEMS devices for detecting inertial forces), including acceleration sensors and angular velocity sensors, are typical devices manufactured by MEMS technology and can measure translational and rotational motions. Capacitive inertial sensors are widely used due to their simple manufacturing process, insensitive to temperature changes, and low nonlinearity. Inertial sensors are applied to various fields such as guidance and navigation, portable devices, camcorders, three-dimensional input devices, and games, and the application fields and demand are expected to explode.

3차원 운동 시 x축, y축 및 z축의 각 방향에 대한 관성력을 검지할 수 있는 종래의 3축 관성 측정 시스템은, 1축에 대한 관성을 검지하는 1축 관성 센서를 개별적으로 제작한 후, 3개의 1축 관성센서를 조합하여 구성한 것이다. 예를 들어, 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이 1축 가속도계 3개를 평면적으로 배열하거나, 도 1b 및 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이 1축 각속도계 3개를 적층하여 구성한다.The conventional three-axis inertial measurement system that can detect the inertial force in each direction of the x-axis, y-axis and z-axis during the three-dimensional motion, after separately manufacturing a single-axis inertial sensor that detects the inertia of one axis, Combination of three 1-axis inertial sensors. For example, as shown in FIG. 1A, three single-axis accelerometers are arranged in a planar manner, or as shown in FIG. 1B and FIG.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 3축 관성 센서 시스템은 1축 가속도계 또는 1축 각속도계를 개별적으로 제작한 후, 이들 관성 센서를 x축, y축 및 z축으로 정렬하여 조립한 것이기 때문에, 축간 오차가 발생하고, 따라서, 3축 관성 측정 시스템의 성능이 저하되고, 소형화하는데 한계가 있다.However, in the conventional three-axis inertial sensor system as described above, since the one-axis accelerometer or one-axis angular velocity meter is manufactured separately, these inertial sensors are aligned and assembled in the x-axis, y-axis, and z-axis. An error occurs, and therefore, the performance of the three-axis inertial measurement system is degraded and there is a limit to miniaturization.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템에서는 각각의 축에 대하여 관성을 검지하는 소자인 가속도계 및 각속도계가 동일한 기판 상에 동시에 형성된다. 따라서, 3개의 축 사이의 정렬 오차가 발생하지 아니하여 성능 저하를 방지하고, 기존의 조립 방법에 비하여 패키징 공정이 간소하고, 수율이 증가되며, 크기도 최소화할 수 있다. 또한, 마스크 1장으로 고종횡비 구조물을 제작할 수 있는 SBM(Sacrificial Bulk Micromachining) 기술로 제작하여, 기존의 SOI 또는 SOG 공정 방식의 문제점인 잔류응력 문제, 풋팅 현상으로 인한 절연, 신뢰성 문제를 완벽히 해결하여 고성능, 고신뢰성 센서를 제작할 수 있다.The present invention has been made to solve the problems described above, in the three-axis inertial measurement system according to the present invention, an accelerometer and an angometer are formed on the same substrate at the same time to detect the inertia of each axis. Therefore, the alignment error between the three axes does not occur to prevent performance degradation, the packaging process is simpler than the conventional assembly method, the yield is increased, and the size can be minimized. In addition, it is manufactured by SBM (Sacrificial Bulk Micromachining) technology that can produce high aspect ratio structure with one mask, and completely solves the problem of residual stress, insulation and reliability caused by putting phenomenon, which is a problem of existing SOI or SOG process method. High performance and high reliability sensors can be manufactured.

따라서, 본 발명의 목적은 정렬 오차가 없는 3축 관성 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a three-axis inertial system without alignment errors.

본 발명은 3차원 운동시 x축, y축 및 z축의 각 방향에 대한 관성력을 검지할 수 있는 3축 관성 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a three-axis inertial measurement system that can detect the inertial force in each direction of the x-axis, y-axis and z-axis during the three-dimensional motion.

더욱 구체적으로, 본 발명은 단일한 기판 상에 x축의 병진 운동을 검지하는 x축 가속도계, y축의 병진 운동을 검지하는 y축 가속도계, 및 z축의 회전 운동을 검지하는 z축 각속도계가 형성되어 있는 3축 관성 측정 시스템에 관한 것이다.More specifically, the present invention provides an x-axis accelerometer for detecting the translational motion of the x-axis, an y-axis accelerometer for detecting the translational motion of the y-axis, and a z-axis angular velocity detector for detecting the rotational motion of the z-axis on a single substrate. A three-axis inertial measurement system.

본 발명에 있어서, 상기 x축 가속도계, y축 가속도계 및 z축 각속도계는 단일 기판(예를 들어, 단결정 실리콘 기판, SOI 기판 또는 SOG(Silicon-on-glass) 기판)의 동일 평면 상에 형성되는 것이 바람직하다.In the present invention, the x-axis accelerometer, y-axis accelerometer and z-axis accelerometer are formed on the same plane of a single substrate (for example, a single crystal silicon substrate, an SOI substrate, or a silicon-on-glass (SOG) substrate) It is preferable.

본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템은, 상기 x축 가속도계, y축 가속도계 및 z축 각속도계를 SBM(Sacrificial bulk micromachining) 공정에 의하여 단일 기판 상에 동시에 형성시킴으로써 제조할 수 있다. 따라서, 상기 가속도계 및 각속도계가 동일 평면 상에 정렬 오차 없이 형성될 수 있다. 또한, 정렬에 필요한 공간을 최소화하므로, 3축 관성 센서의 크기를 최소화할 수 있다. 또한, 3축 관성 센서를 동시에 패키징할 수 있기 때문에, 패키징 공정을 간소화하고, 수율을 증가시킬 수 있다.The three-axis inertial measurement system according to the present invention can be manufactured by simultaneously forming the x-axis accelerometer, the y-axis accelerometer and the z-axis angometer on a single substrate by a sacrificial bulk micromachining (SBM) process. Thus, the accelerometer and the angular velocity meter can be formed on the same plane without alignment error. In addition, since the space required for alignment is minimized, the size of the 3-axis inertial sensor can be minimized. In addition, since the three-axis inertial sensor can be packaged at the same time, the packaging process can be simplified and the yield can be increased.

상기 SBM 공정 기술은 (111) 단결정 실리콘 기판에 미세 구조물 형상을 제작하고, 염기성 수용액으로 희생층을 식각하여 미세구조물을 상기 실리콘 기판으로부터 부유시키는 기술이다[대한민국 공개특허공보 제1999-79113호].The SBM process technology is a technique for fabricating a microstructure shape on a (111) single crystal silicon substrate, and etching the sacrificial layer with a basic aqueous solution to float the microstructure from the silicon substrate (Korean Patent Publication No. 1999-79113).

본 명세서에서, 상기 가속도계 또는 각속도계는 병진운동 또는 회전운동 시 내부의 질량체와 검지전극 사이의 커패시턴스 변화를 검지하여 가속도 또는 각속도를 검지할 수 있는 MEMS 소자를 의미한다.In the present specification, the accelerometer or the angular meter means a MEMS device capable of detecting acceleration or angular velocity by detecting a change in capacitance between an internal mass and a detection electrode during a translational or rotational movement.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited by the following examples.

도 2a 및 2b는 각각 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템의 평면도 및 사시 도이다.2A and 2B are plan and perspective views, respectively, of a three-axis inertial measurement system according to the present invention.

도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템(10)에는, x축의 병진 운동을 검지하는 x축 가속도계(100), y축의 병진 운동을 검지하는 y축 가속도계(101), 및 z축의 회전 운동을 검지하는 z축 각속도계(200)가 단일한 기판의 동일 평면 상에 형성되어 있다.As shown in the drawings, the three-axis inertial measurement system 10 according to the present invention includes an x-axis accelerometer 100 for detecting the x-axis translational motion, a y-axis accelerometer 101 for detecting the y-axis translational motion, And a z-axis angular tachometer 200 for detecting the rotational movement of the z-axis are formed on the same plane of a single substrate.

상기 단일 기판으로는 단결정 실리콘으로 구성되는 임의의 기판, 예를 들어, 통상의 단결정 실리콘 기판, SOI 기판 또는 SOG 기판 등을 사용할 수 있다.As the single substrate, any substrate composed of single crystal silicon, for example, a conventional single crystal silicon substrate, an SOI substrate, an SOG substrate, or the like can be used.

상기 가속도계(100, 101) 또는 각속도계(200)는 병진운동 또는 회전운동 시 내부의 질량체(110, 215)와 검지전극(140, 141, 150, 151, 240, 250) 사이의 커패시턴스 변화를 검지하여 가속도 또는 각속도를 검지하는 MEMS 소자이다.The accelerometer (100, 101) or angular tachometer (200) detects a change in capacitance between the mass (110, 215) and the detection electrodes (140, 141, 150, 151, 240, 250) in the translational or rotational motion To detect acceleration or angular velocity.

일반적으로, 상기 x축 가속도계(100)는 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이 내부 질량체(110), 기준 전압으로서 접지되는 접지전극(120), 상기 내부질량체(110)에 반송파를 인가하는 전극(130, 131), 양의 방향 가속도를 검지하는 검지 전극(140, 141), 및 음의 방향 가속도를 검지하는 검지 전극(150, 151) 등을 포함한다.In general, the x-axis accelerometer 100 has an internal mass 110, a ground electrode 120 grounded as a reference voltage, and an electrode 130 applying a carrier wave to the internal mass 110, as shown in the drawing. 131, detection electrodes 140 and 141 for detecting positive direction acceleration, detection electrodes 150 and 151 for detecting negative direction acceleration, and the like.

본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템이 x축으로 가속운동하는 경우, 상기 x축 가속도계(100)도 x축으로 가속운동하게 된다. 이때, 상기 내부질량체(110)의 위치가 변동되며, 상기 내부질량체(110)의 변위에 의하여 상기 내부질량체(110)와 검지 전극(140, 141, 150, 151) 사이의 커패시턴스가 변화하게 된다. 이러한 커패시턴스의 변화를 외부의 용량 검지부(미도시)에서 검지하여 상기 내부 질량체의 x 축 병진운동을 검지하게 된다. 상기 용량 검지부는 커패시턴스-전압 변환부를 포함하며, 상기 커패시턴스의 변화를 전압값으로 변환하여 출력한다.When the 3-axis inertial measurement system according to the present invention accelerates on the x-axis, the x-axis accelerometer 100 also accelerates on the x-axis. At this time, the position of the internal mass 110 is changed, and the capacitance between the internal mass 110 and the detection electrodes 140, 141, 150, and 151 is changed by the displacement of the internal mass 110. The change in capacitance is detected by an external capacitance detector (not shown) to detect the x-axis translation of the internal mass. The capacitance detector includes a capacitance-voltage converter, and converts the capacitance change into a voltage value and outputs the converted voltage.

상기 가속도계의 구조 및 원리는 문헌[Ko, H., Kim, J., Park, S., Kwak, D., Song, T., Setiadi, D., Carr, W., Buss, J., and Cho, D., "A High-performance X/Y-axis Microaccelerometer Fabricated on SOI Wafer without Footing Using the Sacrificial Bulk Micromachining (SBM) Process," 2003 International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2003), pp. 2187-2191, Gyeongju, Korea, Oct. 2003]에 개시되어 있으므로, 본 명세서에서는 상기 미세가속도계에 대한 상세한 설명을 생략한다.The structure and principle of the accelerometer are described in Ko, H., Kim, J., Park, S., Kwak, D., Song, T., Setiadi, D., Carr, W., Buss, J., and Cho, D., "A High-performance X / Y-axis Microaccelerometer Fabricated on SOI Wafer without Footing Using the Sacrificial Bulk Micromachining (SBM) Process," 2003 International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2003), pp. 2187-2191, Gyeongju, Korea, Oct. 2003, the detailed description of the micro-accelerometer will be omitted.

상기 y축 가속도계(101)는 y축의 가속운동을 검지할 수 있도록 상기 x축 가속도계(100)를 동일 평면 상에서 90°회전시킨 것이다. 그 밖의 구성은 상기 x축 가속도계(100)와 동일하다.The y-axis accelerometer 101 rotates the x-axis accelerometer 100 by 90 ° on the same plane so as to detect the acceleration motion of the y-axis. The rest of the configuration is the same as that of the x-axis accelerometer 100.

상기 z축 각속도계(200)는 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 좌우 방향으로 진동할 수 있는 구동 질량체(210), 상하 방향으로 진동할 수 있는 검지 질량체(215), 기준 전압으로서 접지되는 접지전극(120), 상기 구동 질량체(210)를 진동시키기 위한 양의 방향 구동 전극(230, 231) 및 음의 방향 구동 전극(235, 236), 구동 질량체(210)의 진동을 검지하는 양의 방향 구동검사전극(233) 및 음의 방향 구동검사전극(237), 검지 질량체(215)의 양의 방향 각속도를 검지하는 검지 전극(240), 및 음의 방향 각속도를 검지하는 검지 전극(250) 등을 포함한다.As shown in the drawing, the z-axis angular tachometer 200 includes a driving mass 210 capable of oscillating in the left and right directions, a sensing mass 215 capable of oscillating in the up and down directions, and a ground grounded as a reference voltage. Positive direction for detecting vibrations of the electrode 120, the positive direction driving electrodes 230 and 231 and the negative direction driving electrodes 235 and 236 and the driving mass 210 to vibrate the driving mass 210. The driving test electrode 233 and the negative direction driving test electrode 237, the detection electrode 240 for detecting the positive angular velocity of the detection mass 215, the detection electrode 250 for detecting the negative angular velocity, and the like. It includes.

상기 구동 질량체(210)가 좌우 방향(즉, y축)으로 진동하는 중에 상기 각속 도계(200)가 z축을 기준으로 회전운동하는 경우, 상기 검지 질량체(215)는 구동 방향에 대하여 수직인 방향으로 코리올리의 힘을 받게 된다. 따라서, 상기 검지 질량체(215)는 상기 구동 질량체(210)의 진동 방향에 대하여 상하 방향(즉, x축)으로 진동하게 된다. 이와 같이, 상기 각속도계(200)가 회전운동시 상기 검지 질량체(215)의 위치가 변동되고, 상기 검지 질량체(215)의 변위에 의하여 상기 검지 질량체(215)와 검지 전극(240, 250) 사이의 커패시턴스가 변화하게 된다. 이러한 커패시턴스의 변화를 외부의 용량 검지부(미도시)에서 검지하여 상기 각속도계(200)의 회전운동을 검지하게 된다. 상기 용량 검지부는 커패시턴스-전압 변환부를 포함하며, 상기 커패시턴스의 변화를 전압값으로 변환하여 출력한다. 따라서, 상기 z축 각속도계를 사용하여, 각속도(즉, z축을 기준점으로 하는 회전 속도)를 측정할 수 있다.When the angular tachometer 200 rotates about the z axis while the driving mass 210 vibrates in the left and right directions (ie, the y axis), the detection mass 215 is perpendicular to the driving direction. Coriolis power. Therefore, the detection mass 215 vibrates in the up and down direction (ie, the x axis) with respect to the vibration direction of the driving mass 210. As such, when the angular tachometer 200 rotates, the position of the detection mass 215 is changed, and between the detection mass 215 and the detection electrodes 240 and 250 by the displacement of the detection mass 215. The capacitance of will change. The change in capacitance is detected by an external capacitance detector (not shown) to detect the rotational movement of the angular speedometer 200. The capacitance detector includes a capacitance-voltage converter, and converts the capacitance change into a voltage value and outputs the converted voltage. Therefore, the angular velocity (that is, the rotational speed with reference to the z-axis) can be measured using the z-axis angometer.

상기 각속도계의 구조 및 원리는 문헌[Lee, S., Park, S., Kim, J., Lee, S., and Cho, D., "Surface/Bulk Micromachined Single-crystalline Silicon Micro-gyroscope," IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 9, no. 4, pp. 557-567, Dec. 2000]에 개시되어 있으므로, 본 명세서에서는 상기 미세각속도계에 대한 상세한 설명을 생략한다.The structure and principle of the angular velocity meter are described in Lee, S., Park, S., Kim, J., Lee, S., and Cho, D., "Surface / Bulk Micromachined Single-crystalline Silicon Micro-gyroscope," IEEE / ASME Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 9, no. 4, pp. 557-567, Dec. 2000, the detailed description of the microangular rate meter is omitted herein.

본 명세서에서 용어 "양의 방향" 및 "음의 방향"은 상기 가속도계 또는 각속도계의 운동 방향(예를 들어, 전진/후진, 시계방향/반시계방향)을 구분하기 위한 개념이다.As used herein, the terms “positive direction” and “negative direction” are concepts for distinguishing the direction of movement of the accelerometer or angular meter (eg, forward / reverse, clockwise / counterclockwise).

이하에서는 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템은, 동일한 기판의 동일 평면에 상기 x축 가속도계, y축 가속도계 및 z축 각속도계를 SBM(Sacrificial Bulk Micromachining) 공정에 의하여 형성시킴으로써 제조할 수 있다.Hereinafter will be described a method for manufacturing a three-axis inertial measurement system according to the present invention. The three-axis inertial measurement system according to the present invention can be manufactured by forming the x-axis accelerometer, the y-axis accelerometer, and the z-axis angometer in the same plane of the same substrate by a sacrificial bulk micromachining (SBM) process.

도 3a 내지 3f는 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 SOI 기판 상에서 제작하는 과정을 도시한 공정 단면도이다.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a 3-axis inertial measurement system according to the present invention on an SOI substrate.

먼저, 단결정 실리콘(312, 314) 및 절연막(316)으로 이루어진 SOI 기판(310) 상에 식각마스크층(320)을 패터닝한다. 이후, 상기 식각마스크층(320)을 사용하여 상기 기판(310)을 소정 깊이로 식각한다(도 3a). 이때, 식각되는 깊이에 의하여 내부 질량체와 같이 바닥면으로부터 부유되는 미세 구조물(도 3f의 390)의 단차(두께)가 결정된다.First, an etching mask layer 320 is patterned on an SOI substrate 310 including single crystal silicon 312 and 314 and an insulating layer 316. Thereafter, the substrate 310 is etched to a predetermined depth by using the etching mask layer 320 (FIG. 3A). At this time, the step (thickness) of the microstructure (390 in FIG. 3F) floating from the bottom surface, such as the internal mass, is determined by the depth to be etched.

이후, 상기 식각에 의하여 형성되는 트렌치(380)를 포함하여 상기 기판 전면에 절연막을 보호막(330)으로서 형성한다(도 3b).Subsequently, an insulating film is formed as the passivation layer 330 on the entire surface of the substrate, including the trench 380 formed by the etching (FIG. 3B).

이후, 상기 기판의 상면 및 상기 트렌치(380)의 바닥면에 존재하는 보호막을 식각하여 제거한다(도 3c). 따라서, 상기 보호막(330)으로 트렌치(380)의 측벽을 보호할 수 있다.Thereafter, the protective film existing on the top surface of the substrate and the bottom surface of the trench 380 is etched and removed (FIG. 3C). Therefore, the sidewalls of the trench 380 may be protected by the passivation layer 330.

이후, 상기 식각마스크층(320) 및 보호막(330)을 사용하여 상기 기판(310)을 상기 SOI 기판(310)의 절연막(316)이 드러나도록 추가로 식각한다(도 3d).Thereafter, the substrate 310 is further etched using the etching mask layer 320 and the passivation layer 330 to expose the insulating layer 316 of the SOI substrate 310 (FIG. 3D).

이후, 상기 기판(310)을 예를 들어, 알칼리 수용액으로 습식식각하여, 상기 추가로 식각된 트렌치(380)의 바닥면에 캐비티(cavity)(370)를 형성한다. 이와 같 이 캐비티(370)를 형성시킴으로써, 소정 두께를 갖는 미세구조물(390)을 상기 바닥면으로부터 부유시킨다(도 3e).Thereafter, the substrate 310 is wet-etched with, for example, an aqueous alkali solution to form a cavity 370 on the bottom surface of the additionally etched trench 380. By forming the cavity 370 as described above, the microstructure 390 having a predetermined thickness is suspended from the bottom surface (FIG. 3E).

이후, 측벽 보호막(330), 식각마스크(320) 및 바닥면의 절연막(316)을 제거한다(도 3f).Thereafter, the sidewall passivation layer 330, the etching mask 320, and the insulating layer 316 on the bottom are removed (FIG. 3F).

이러한 과정을 통하여, 미세구조물(390)을 바닥면으로부터 부유시켜 형성할 수 있다.Through this process, the microstructure 390 may be formed by floating from the bottom surface.

도 4a 내지 4l은 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 단결정 실리콘 기판 상에서 제작하는 과정을 도시한 공정 단면도이다.4A to 4L are cross-sectional views illustrating a process of fabricating a three-axis inertial measurement system according to the present invention on a single crystal silicon substrate.

먼저, 단결정 실리콘 기판(410) 상에 식각마스크층(425)을 증착하고, 전극이 형성되는 부분(440)의 식각마스크(425)를 패터닝한 후, 기판(410)을 식각한다(도 4a).First, the etch mask layer 425 is deposited on the single crystal silicon substrate 410, the etch mask 425 of the portion 440 on which the electrode is formed is patterned, and the substrate 410 is etched (FIG. 4A). .

이후, 상기 기판의 측벽 및 상부면 상에 보호막(절연막)(435)을 증착한다(도 4b).Thereafter, a protective film (insulation film) 435 is deposited on sidewalls and top surfaces of the substrate (FIG. 4B).

이후, 상기 기판의 트렌치 바닥면의 보호막(435)을 식각하여, 측벽에만 보호막(435)이 존재하도록 한다(도 4c).Thereafter, the protective film 435 of the trench bottom surface of the substrate is etched so that the protective film 435 exists only on the sidewall (FIG. 4C).

이후, 상기 기판(410)을 습식 식각하여, 측벽 중 보호막(435)이 없는 부분을 식각한다(도 4d).Thereafter, the substrate 410 is wet-etched to etch portions of the sidewalls without the protective film 435 (FIG. 4D).

이후, 상기 식각마스크층(425) 및 보호막(435)을 제거한다(도 4e).Thereafter, the etching mask layer 425 and the protective layer 435 are removed (FIG. 4E).

이후, 상기 측벽 및 측벽으로부터 식각된 부분을 절연물(450)로 매립한다(도 4f). 따라서, 전극이 형성되는 부분과 상기 실리콘 기판(410)을 서로 절연시킬 수 있다.Thereafter, the sidewalls and the portions etched from the sidewalls are embedded with an insulator 450 (FIG. 4F). Accordingly, the portion where the electrode is formed and the silicon substrate 410 may be insulated from each other.

이후 상기 기판(410)에 미세구조물(도 4l의 490)을 형성하는 과정은 전술한 도 3a 내지 3f의 공정과 유사하다.Thereafter, the process of forming the microstructure (490 of FIG. 4L) on the substrate 410 is similar to the process of FIGS. 3A to 3F.

즉, 단결정 실리콘 기판(410) 상에 식각마스크층(420)을 패터닝하여 형성한다. 이후, 상기 식각마스크층(420)을 사용하여 상기 기판(410)을 소정 깊이로 식각한다(도 4g). 이때, 식각되는 깊이에 의하여 내부 질량체와 같이 바닥면으로부터 부유되는 미세 구조물(도 4l의 490)의 단차가 결정된다.That is, the etching mask layer 420 is patterned on the single crystal silicon substrate 410. Thereafter, the substrate 410 is etched to a predetermined depth by using the etching mask layer 420 (FIG. 4G). At this time, the level of the microstructure (490 of FIG. 4L) floating from the bottom surface, such as the internal mass, is determined by the depth to be etched.

이후, 상기 식각에 의하여 형성되는 트렌치(480)를 포함하여 상기 기판 전면에 보호막(430)을 형성한다(도 4h).Thereafter, the protective layer 430 is formed on the entire surface of the substrate, including the trench 480 formed by the etching (FIG. 4H).

이후, 상기 기판의 상면 및 상기 트렌치(480)의 바닥면에 존재하는 보호막을 식각하여 제거한다(도 4i). 따라서, 상기 보호막(430)으로 트렌치의 측벽(480)을 보호할 수 있다.Thereafter, the protective film existing on the upper surface of the substrate and the bottom surface of the trench 480 is etched and removed (FIG. 4I). Therefore, the sidewalls 480 of the trench may be protected by the passivation layer 430.

이후, 상기 식각마스크층(420) 및 보호막(430)을 사용하여 상기 기판(410)을 소정 깊이로 추가로 식각한다(도 4j).Thereafter, the substrate 410 is further etched to a predetermined depth by using the etching mask layer 420 and the passivation layer 430 (FIG. 4J).

이후, 상기 기판(410)을 예를 들어, 알칼리 수용액으로 습식식각하여, 상기 추가로 식각된 트렌치(480)의 바닥면에 캐비티(470)를 형성한다. 이와 같이 캐비티(470)를 형성시킴으로써, 소정 두께를 갖는 미세구조물(490)을 상기 바닥면으로부터 부유시킨다(도 4k).Thereafter, the substrate 410 is wet-etched with, for example, an aqueous alkali solution to form a cavity 470 on the bottom surface of the additionally etched trench 480. By forming the cavity 470 in this manner, the microstructure 490 having a predetermined thickness is suspended from the bottom surface (FIG. 4K).

이후, 측벽 보호막(430) 및 식각마스크(420)를 제거한다(도 4l).Thereafter, the sidewall passivation layer 430 and the etching mask 420 are removed (FIG. 4L).

이러한 과정을 통하여, 미세구조물(490)을 바닥면으로부터 부유시켜 형성할 수 있다.Through this process, the microstructure 490 may be formed by floating from the bottom surface.

도 5a 내지 5f는 본 발명에 따른 3축 관성 측정 시스템을 실리콘 기판과 유리 기판을 접합한 SOG 기판 상에서 제작하는 과정을 도시한 공정 단면도이다. 상기 기판에 미세구조물을 형성하는 과정도 전술한 상기 도 3a 내지 3f의 공정과 유사하다.5A to 5F are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a triaxial inertial measurement system according to the present invention on an SOG substrate bonded to a silicon substrate and a glass substrate. The process of forming the microstructure on the substrate is also similar to the process of FIGS. 3A to 3F described above.

먼저, 실리콘 기판(512)과 유리 기판(514)을 접합하여 SOG 기판(510)을 형성한 후, 상기 SOG 기판(510) 상에 식각마스크층(520)을 패터닝하여 형성한다. 이후, 상기 식각마스크층(520)을 사용하여 상기 기판(510)을 소정 깊이로 식각한다(도 5a). 이때, 식각되는 깊이에 의하여 내부 질량체와 같이 바닥면으로부터 부유되는 미세 구조물(도 5f의 590)의 단차가 결정된다.First, the silicon substrate 512 and the glass substrate 514 are bonded to form an SOG substrate 510, and then an etching mask layer 520 is patterned on the SOG substrate 510. Thereafter, the substrate 510 is etched to a predetermined depth by using the etching mask layer 520 (FIG. 5A). At this time, the level of the microstructure (590 of FIG. 5F) floating from the bottom surface, such as the internal mass, is determined by the depth to be etched.

이후, 상기 식각에 의하여 형성되는 트렌치(580)를 포함하여 상기 기판 전면에 보호막(530)을 형성한다(도 5b).Thereafter, the protective layer 530 is formed on the entire surface of the substrate, including the trench 580 formed by the etching (FIG. 5B).

이후, 상기 기판의 상면 및 상기 트렌치(580)의 바닥면에 존재하는 보호막을 식각하여 제거한다(도 5c). 따라서, 상기 트렌치(580)의 측벽에만 보호막(530)이 존재하게 된다.Thereafter, the protective film existing on the top surface of the substrate and the bottom surface of the trench 580 is etched and removed (FIG. 5C). Therefore, the passivation layer 530 is present only on the sidewalls of the trench 580.

이후, 상기 식각마스크층(520) 및 보호막(530)을 사용하여 상기 기판(510)을 상기 기판(510)의 유리기판(514)이 드러나도록 추가로 식각한다(도 5d).Subsequently, the substrate 510 is further etched using the etching mask layer 520 and the protective layer 530 to expose the glass substrate 514 of the substrate 510 (FIG. 5D).

이후, 상기 기판(510)을 예를 들어, 알칼리 수용액으로 습식식각하여, 상기 추가로 식각된 트렌치(580)의 바닥면에 캐비티(570)를 형성한다. 이와 같이 캐비티(570)를 형성시킴으로써, 소정 두께를 갖는 미세구조물(590)을 상기 바닥면으로부터 부유시킨다(도 5e).Thereafter, the substrate 510 is wet-etched with, for example, an aqueous alkali solution to form a cavity 570 on the bottom surface of the additionally etched trench 580. By forming the cavity 570 in this way, the microstructure 590 having a predetermined thickness is suspended from the bottom surface (FIG. 5E).

이후, 측벽 보호막(530) 및 식각마스크(520)를 제거한다(도 5f).Thereafter, the sidewall passivation layer 530 and the etching mask 520 are removed (FIG. 5F).

이러한 과정을 통하여, 미세구조물(590)을 바닥면으로부터 부유시켜 형성할 수 있다.Through this process, the microstructure 590 may be formed by floating from the bottom surface.

본 발명에 따른 SBM 기술로 제작된 3축 관성 측정 시스템에서는 각각의 축에 대하여 관성을 검지하는 소자인 가속도계 및 각속도계가 기판(SOI 기판, 일반 기판, 또는 SOG 기판)의 종류에 상관없이 동일한 기판 상에 동시에 형성된다. 따라서, 3개의 축 사이의 정렬 오차가 발생하지 아니한다. 또한, 기존의 조립 방법에 비하여 패키징 공정이 간소하고, 수율이 증가되며, 제작된 관성 센서의 크기도 최소화할 수 있다.In the 3-axis inertial measurement system manufactured by the SBM technology according to the present invention, the accelerometer and the angular meter, which are inertial sensors for each axis, are the same substrate regardless of the type of the substrate (SOI substrate, general substrate, or SOG substrate). Is formed simultaneously. Thus, no alignment error occurs between the three axes. In addition, the packaging process is simpler than the conventional assembly method, yield is increased, and the size of the manufactured inertial sensor can be minimized.

Claims (5)

단일한 기판 상에 x축의 병진운동을 검지하는 x축 가속도계, y축의 병진운동을 검지하는 y축 가속도계, 및 z축의 회전 운동을 검지하는 z축 각속도계가 형성되어 있는 3축 관성 측정 시스템.A three-axis inertial measurement system having an x-axis accelerometer for detecting the x-axis translational motion, a y-axis accelerometer for detecting the y-axis translational motion, and a z-axis angular speedometer for detecting the z-axis rotational motion on a single substrate. 제 1 항에 있어서, 상기 x축 가속도계, y축 가속도계 및 z축 각속도계는 동일한 평면상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3축 관성 측정 시스템.The three-axis inertial measurement system according to claim 1, wherein the x-axis accelerometer, the y-axis accelerometer, and the z-axis angometer are formed on the same plane. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 기판은 단결정 실리콘 기판, SOI 기판 또는 SOG(Silicon-on-glass) 기판인 것을 특징으로 하는 3축 관성 측정 시스템.The system of claim 1, wherein the single substrate is a single crystal silicon substrate, an SOI substrate, or a silicon-on-glass substrate. 제 1 항에 있어서, 상기 x축 가속도계, y축 가속도계 및 z축 각속도계는 SBM(Sacrificial bulk micromachining) 공정에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 3축 관성 측정 시스템.The three-axis inertial measurement system of claim 1, wherein the x-axis accelerometer, the y-axis accelerometer, and the z-axis accelerometer are formed by a sacrificial bulk micromachining (SBM) process. 제 1 항에 있어서, 상기 가속도계 또는 각속도계는 병진운동 또는 회전운동 시 내부의 질량체와 검지전극 사이의 커패시턴스 변화를 검지하여 가속도 또는 각속도를 검지하는 것을 특징으로 하는 3축 관성 측정 시스템.The three-axis inertial measurement system of claim 1, wherein the accelerometer or the angular velocity detector detects acceleration or angular velocity by detecting a change in capacitance between an internal mass and a detection electrode during a translational or rotational movement.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100885416B1 (en) * 2007-07-19 2009-02-24 건국대학교 산학협력단 System for operating implementation accelerometer and rate gyroscope
KR101009903B1 (en) * 2007-09-12 2011-01-20 주식회사 바른전자 3-axis accelerometer
CN102494845A (en) * 2011-11-22 2012-06-13 天津大学 Device and method for measuring inertia product of object
WO2016163586A1 (en) * 2015-04-08 2016-10-13 주식회사 스탠딩에그 Method for preparing three-axis inertial measurement system and three-axis inertial measurement system using same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100885416B1 (en) * 2007-07-19 2009-02-24 건국대학교 산학협력단 System for operating implementation accelerometer and rate gyroscope
AU2008200126B2 (en) * 2007-07-19 2009-08-20 Konkuk University Industrial Cooperation Corp. Combined accelerometer and gyroscope system
KR101009903B1 (en) * 2007-09-12 2011-01-20 주식회사 바른전자 3-axis accelerometer
CN102494845A (en) * 2011-11-22 2012-06-13 天津大学 Device and method for measuring inertia product of object
WO2016163586A1 (en) * 2015-04-08 2016-10-13 주식회사 스탠딩에그 Method for preparing three-axis inertial measurement system and three-axis inertial measurement system using same

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