KR20070007511A - 경사각 측정 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경사각 측정 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 빔의 형태를 바꾸어 비선형성을 감소시키는 방법을 이용하여 선형성과 해상도를 향상시킨 경사각 측정 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 경사각 측정 센서는 중력의 변화에 따라 반응하는 질량체; 상기 질량체의 변화에 따라 정전용량이 변하는 구동전극과 고정전극; 상기 질량체를 바닥에 고정시키기 위한 고정부; 및 상기 질량체와 고정부를 연결하는 지지빔;을 포함한다.

경사각 측정 센서, 정전용량 센서, 마이크로 머니싱 기법, 선형성, 해상도

Description

경사각 측정 센서 및 그 제조방법{The sensor for measuring tilt angle and its manufacturing method}

도 1은 종래의 경사각 측정 센서의 모델링을 위한 기본 모식도이다.

도 2는 종래의 경사각 측정 센서에 미치는 힘의 벡터 크기를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 경사각 측정 센서에 미치는 힘의 벡터 크기를 나타낸 도면이다.

도 4는 도 2와 도 3에서의 정전용량의 변화를 비교한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 H자 형태의 지지빔을 나타낸 것이다.

도 6a 내지 도 6k는 본 발명의 경사각 측정 센서의 제조방법을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 경사각 측정 센서의 모식도이다.

도 8은 본 발명의 경사각 측정 센서의 정전용량 변화곡선에 대한 선형도 적합을 수행한 그래프이다.

본 발명은 경사각 측정 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 빔의 형태를 바꾸어 비선형성을 감소시키는 방법을 이용하여 선형성과 해상도를 향상시킨 경사각 측정 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

마이크로 머시닝 기법은 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정한 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판 상에 집적하여 형성하는 기법이다. 상기 마이크로 머니싱 기법은 박막증착기술, 식각기술, 사진묘화기술, 불순물 확산 및 주입기술 등의 반도체 소자 제조기술을 기초로 한다. 마이크로 머시닝 기법으로 제조되는 대표적인 시스템에는 이동하는 물체의 가속도를 감지하는 실리콘 가속도계, 회전하는 물체의 회전속도를 감지하는 각속도계 및 물체가 회전하는 각도를 측정하는 경사각 측정 센서 등이 있다.

경사각 측정 센서는 수평상태에서 상대적으로 기울어진 경사의 각도를 측정하는 센서이며, 카메라, 비행체의 조종, 자동차의 안전시스템, 게임기 패드 및 핸드폰 등에 응용될 수 있다. 상기 경사각 측정 센서의 중요한 특성에는 측정이 가능한 각도의 범위, 상기 각도에 대하여 원하는 값이 선형적으로 얻어질 수 있는 지의 여부 및 축의 개수 등을 생각할 수 있다.

경사각 측정 센서의 제조방법과 측정방법에 따른 종류는 가속도계형, 정전용량형, 전해질을 이용한 형태, 액체 내의 가스 버블을 이용한 형태 및 팬들럼을 이용한 형태 등을 들 수 있으며, 가속도계형은 가속도와 진동을 측정하는 방법이며, 정전용량 형은 비접촉식방법으로 측정하는 특징을 갖는다. 전해질을 이용한 형태는 높은 정확도를 요구하는 피치와 굴림의 측정에서 필요로 한다. 가스 버블을 이용한 형태는 보이는 유리 내부에 액체를 채워 그 안에 가스의 움직임으로 측정한다.

관성체의 정전용량을 측정하는 형태에 있어 종래의 센서 제작방법은 빗살(comb finger)형태의 빔을 이용하여 빔 사이에 생기는 정전용량의 변화율을 측정하는 방법을 이용하고 있다. 이것은 자이로스코프와 가속도계 등에 응용되었다. 그러나, 경사각 측정 센서의 경우에는 각도에 따라 변화하는 정전용량의 변화가 각도의 변화에 대해 비선형적인 특징을 보임으로써 일정한 측정 한도의 각도 이상이 되면 정전용량의 측정이 어렵게 된다. 또한, 현재까지 빗살(comb finger)을 이용한 경사각 측정 센서도 제작되지 않았다.

도 1은 종래의 경사각 측정 센서의 모델링을 위한 기본 모식도이고, 도 2는 종래의 경사각 측정 센서에 미치는 힘의 벡터 크기를 나타낸 도면이다. 도 1의 경사각 측정 센서(100)는 중심에 관성을 가진 질량체(110)에 지지빔(120)과 댐퍼(130)가 연결되어 있고, 도 2는 경사각 측정 센서(100)가 기울어짐에 따라 중력(140)의 변화에 대하여 미치는 힘의 벡터 크기(150)를 나타낸다. 힘의 벡터 크기(150)의 변화는 정전용량의 변화곡선이 사인곡선의 형태가 되는데, 도 4에서 다시 설명하기로 한다. 그러므로, 경사각 측정 센서가 일정한 각도 이상 기울어지면 점점 기울기의 변화율이 작아지고, 해상도도 떨어짐을 알 수 있다. 수학식 1 내지 수학식 4는 경사각 측정 센서(100)의 기본적인 모델링 과정을 보인다.

상기 수학식 1 내지 수학식 4에서 사용된 변수의 정의는 아래와 같다.

m : 관성체의 질량

g : 중력 가속도

: 기울어진 각도

k : 스프링 계수

x : 구동부의 이동거리

C : 관성체의 정전용량

: 유전상수

t : 두께

gap(x) : 간격을 나타내는 함수

상기 수학식 4는 수학식 2의 x를 수학식 3에 대입함으로써 얻어질 수 있다.여기서, 상기 수학식 3과 수학식 4는 일반적인 빗살형태의 구동기에서의 정전용량값의 관계식이며, 도 2의 구동전극의 빔(210)과 고정전극의 빔(220)의 사이에서 빔 사이의 간격(230)을 가진 상태로 변위(240)가 일어날 때의 관계식이다. 이것은 기본적인 정전용량 발생의 원리에서 도출된 관계식으로써 마주보는 2개의 평판에서 정전용량이 거리에 반비례하며, 유전률과 면적에 비례한다는 원리이다. 상기 모델링에서 C값은 중력 가속도 g의 값이 곱해져 있는 형태이며, 이 값을 각각의 변수에 값을 대입하여 그래프로 표현하면 사인곡선의 형태임을 도 4에서 볼 수 있다. 상기와 같이 경사각 측정 센서(100)는 일정한 각도 이상에서는 정전용량 변화의 비선형성으로 인하여 측정의 어려움이 있다.

상기와 같이 빗살(comb) 형태의 전극모양을 개선함으로써 발생하는 정전력 또는 정전용량의 변화를 이용하거나 센싱하는 등의 연구가 많이 진행되어 왔다. 현재까지의 연구는 마이크로 공진기, 광스위치, 자이로스코프 및 가속도 센서 등에 적용할 때 발생하는 정전력이 인가되는 전압의 제곱에 비례하여 생기는 비선형성 문제와 안정성 문제를 해결하여 대변위로 동작하는 액츄에이터를 실현하는 연구 또는 그 정전력의 변화를 조절하여 튜닝이 가능한 공진기의 공진 주파수를 튜닝하기 위한 연구 등이었다. 상기와 같은 연구는 전압, 정전력 또는 변위의 측면에서 진행된 연구였다. 그러나, 정전용량은 변위, 간격 및 두께에 선형적인 직선형태를 갖는 다. 그러므로, 각도가 변함에 따라 중력의 영향으로 변화되는 정전용량의 변화를 선형적으로 바꿀 수 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 각도의 변화를 선형적으로 개선하고, 정전용량 크기의 변화를 확대시켜 해상도를 높임으로써 경사각 측정 센서의 응용범위를 넓히고, 저가로 제작할 수 있는 경사각 측정 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 중력의 변화에 따라 반응하는 질량체; 상기 질량체의 변화에 따라 정전용량이 변하는 구동전극과 고정전극; 상기 질량체를 바닥에 고정시키기 위한 고정부; 및 상기 질량체와 고정부를 연결하는 지지빔;을 제시한다.

또한, 본 발명은 유리 상에 실리콘 웨이퍼를 만들고, 사진묘화공정을 이용하여 상기 웨이퍼 상에 디바이스의 모양을 형성하는 제1단계; DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용하여 상기 웨이퍼를 식각하고, HF(Hydrofluoric) 습식식각을 이용하여 상기 유리를 선택적으로 식각하는 제2단계; 상기 유리 이외의 또 하나의 유리로 형성된 웨이퍼를 만들고, 내부 공간을 만들기 위한 식각을 수행하는 제3단계; 반대편의 전극을 패키징의 바깥으로 빼내기 위해 상기 제3단계의 결과물의 홀을 식각하고, 사진묘화공정을 이용하여 상기 유리 상에 전극을 형성하는 제4단계; 디바이스 웨이퍼와 덮개 웨이퍼를 웨이퍼 본딩에 의해 접합하고, 사진묘화공정을 이용하여 전극으로 사용될 물질이 덮이는 부분을 제외한 부분에 포토레지스트로 마 스킹(masking)하며, 전극이 빠져나올 홀 방향으로 전극으로 사용될 물질을 스퍼터링(sputtering) 증착공정을 이용하여 증착한 후, 리프트 오프(lift off) 공정을 이용하여 포토레지스트를 제거하는 제5단계; 및 PCB 기판에 은 접착제(silver paste)를 이용하여 상기 제5단계의 결과물을 고정한 후, 와이어 본딩(wire bonding)으로 전극 홀에서 나온 전극 메탈과 바깥쪽 PCB 기판의 전극으로 사용될 부분을 연결하고, 에폭시 물질을 도포하는 제6단계;를 포함하는 경사각 측정 센서를 제시한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 경사각 측정 센서에 미치는 힘의 벡터 크기를 나타낸 도면이다. 경사각 측정 센서의 원리는 종래기술에서의 구동전극의 빔과 고정전극의 빔의 형태를 변형한 빔에 있어 각 빔 사이에서 생기는 정전용량의 구동에 따른 변화가 종래기술에서 만들어진 도 2와 같은 형태와는 달리, 각도에 따른 변화가 선형성을 갖는다는 특징이 있다.

상기 수학식 5는 고정전극의 빔과 구동전극의 빔 간의 정전용량의 관계식이며, gap(x)는 간격의 정도를 나타내는 함수이다. 그러므로, 변위에 따라 고정전극의 빔과 구동전극의 빔 사이의 간격이 달라지는 효과를 구동전극의 빔 또는 고정전극의 빔의 모양을 바꾸는 방법으로 달성함으로써, 정전용량이 변화되는 형태를 조 절할 수 있는 특징을 갖는다.

도 3에서 구동전극의 빔(300)과 고정전극의 빔(310) 사이에는 도 2에서와 마찬가지로 사이 모양이 변형된 빔과 고정전극의 빔 사이의 간격(320) 만큼의 간격에서 정전용량이 발생한다.

도 4는 도 2와 도 3에서의 정전용량의 변화를 비교한 그래프이다. 도면번호330으로 나타낸 부분은 도 2와 같은 일반적인 모델에서 일정한 간격을 유지한 상태로 변형된 빔과 고정전극의 빔 사이의 간격(320)이 시작되는 곳까지 설계되어 센싱을 위한 최소 정전용량을 충족시키기 위한 구간이 된다. 이것은 구동전극의 빔(300)과 고정전극의 빔(310) 사이의 간격이 미소한 차이에도 큰 정전용량의 차이를 보이기 때문에 구동전극의 빔(300)과 고정전극의 빔(310) 사이의 간격이 점점 작아지거나 커지는 모양으로 변형시켰을 경우에 넓어진 거리에서의 정전용량 크기가 너무 작아져 측정을 위한 최소의 정전용량의 크기를 보상해주기 위한 구간으로 설계된 것이다. 이 구간(320)은 필요에 따라 늘려도 좋으며, 삭제할 수도 있다. 최초로 구동 전의 구동전극의 빔(300)의 위치가 도면번호 320의 간격 상에 위치함으로써 도면번호 330의 간격 상의 정전용량은 최초의 구동과 동시에 최소의 구동을 위한 정전용량에 더해진다.

상기 특징을 갖는 도 3과 같이 빔의 모양을 바꿈으로써 도 4와 같은 선형적인 변화를 얻는 것은 경사각 측정 센서의 선형성 보장과 함께 측정할 각도의 범위를 높일 수 있는 효과적인 방법이 된다. 또한, 사각의 형태와는 다르게 구동 후에 사각보다 더 작은 간격의 정전용량을 이용할 수 있는 장점이 있으므로, 사각빔의 공정 상의 한계 때문에 간격을 줄일 수 없는 문제를 해결할 수 있다. 상기 장점은 직접적으로 센서의 해상도에 영향을 준다.

도 5는 본 발명의 H자 형태의 지지빔을 나타낸 것이다. 도 5에서는 본 발명에서의 경사각 측정 센서에 적용된 지지빔의 설계기술이 지지빔의 강성을 위해 일정한 두께의 빔의 양쪽으로 H자 형태의 빔(410, 420, 430)을 붙여 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정 중에 지지빔의 과도한 식각을 막는다는 것을 나타낸다. DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정에서는 마이크로 로딩(micro loading) 효과로 인하여 좁은 면적보다 큰 면적의 공간이 더 많이 식각되기 때문에 지지빔 옆에 구동변위 만큼의 공간을 확보하게 되면 구동전극의 빔과 고정전극의 빔 사이의 좁은 간격(1

전후)보다 넓은 면적이 생겨 과도한 식각과 동시에 지지빔의 아래 부분이 구동전극의 빔의 아래보다 먼저 바닥 기판까지 식각되어 구동전극의 빔의 식각이 완료될 때까지 더 오랜 시간동안 과도한 식각이 진행된다. 결과적으로, 설계를 목적으로 한 지지빔의 높이보다 낮은 지지빔을 얻게 되고, 그 만큼 강성이 줄어들어 동작특성이 변하는 문제가 일어난다. 따라서, 본 발명에서의는 H자 형태의 지지빔(410, 420, 430)을 양쪽에 설계함으로써 바깥쪽의 두 빔(400a, 400b)은 과도한 식각에 의해 변형이 일어날 수 있더라도, 중심에 있는 빔(400c)은 영향을 받지 않으므로 문제를 해결할 수 있다.

도 6a 내지 도 6k는 본 발명의 경사각 측정 센서의 제조방법을 나타낸 도면이다. 이하, 경사각 측정 센서의 제조방법에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 도 6a와 같이 유리(500) 상에 실리콘 웨이퍼(510)를 만들고, 도 6b와 같이 사진묘화(photo lithography)공정을 이용하여 상기 웨이퍼(510) 상에 디바이스(520)의 모양을 형성한다.

다음으로, 도 6c와 같이 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용하여 상기 웨이퍼(510)를 그 두께만큼 식각하고, 도 6d와 같이 HF(Hydrofluoric) 습식식각을 이용하여 상기 유리(500)를 선택적으로 식각하면 모든 방향으로 둥글게 등방적 식각이 된다. 이때, 센서의 몸체가 부양하게 된다.

다음으로, 도 6e와 같이 패키징에서 덮개 역할을 하는 다른 유리 웨이퍼(530)를 만들고, 도 6f와 같이 디바이스 웨이퍼와 덮개 웨이퍼를 본딩하기 전에 내부 공간을 만들기 위한 식각을 수행한다.

다음으로, 도 6g와 같이 반대편의 전극을 패키징의 바깥으로 빼내기 위해 상기 결과물(도 6f)의 홀을 식각하고, 도 6h와 같이 사진묘화공정을 이용하여 상기 유리 상에 전극(540)을 형성한다.

다음으로, 도 6i와 같이 상기 디바이스 웨이퍼(500)와 덮개 웨이퍼(530)를 웨이퍼(510) 본딩에 의해 접합하고, 도 6j와 같이 사진묘화공정을 이용하여 전극으로 사용될 물질(550)이 덮이는 부분을 제외한 부분에 포토레지스트(555)로 마스킹(masking)하며, 전극이 빠져나올 홀 방향으로 크롬, 니켈 또는 금과 같은 전극으로 사용될 물질(550)을 스퍼터링(sputtering) 증착공정을 이용하여 증착한 후, 리프트 오프(lift off) 공정을 이용하여 포토레지스트(555)를 제거한다. 이때, 포토레지스트를 제거함으로써 그 위에 있는 전극으로 사용된 물질(550)도 함께 제거된다.

마지막으로, 도 6k와 같이 PCB 기판(560)에 은 접착제(silver paste)를 이용하여 상기 결과물(도 6j)을 고정한 후, 와이어(570) 본딩(wire bonding)으로 전극 홀에서 나온 전극 메탈과 바깥 PCB 기판(560)의 전극으로 사용될 부분을 연결하고, 절연층으로 쓰이는 에폭시 물질(580)을 도포한다.

상기와 같이 제조된 센서는 다른 패키징이 필요 없이 바로 측정 및 장착이 유리하므로 비용절감과 크기를 작게할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 정전용량형 틸트센서는 진공실장의 필요성이 없는 장점이 있다. 이것은 공정이 간소화되어 다른 진공 실장이 필요한 자이로스코프나 공진형 가속도계 등의 제작상의 문제점이 발생하지 않는다.

도 7은 본 발명의 경사각 측정 센서의 모식도이다. 경사각 측정 센서는 질량체(600), 구동전극(610), 고정전극(620), 고정부(630) 및 지지빔(640)을 포함한다.

질량체(600)는 중력의 변화에 따라 반응하고, 구동전극(610)과 고정전극(620)은 질량체(600)의 변화에 따라 정전용량이 변한다. 그리고, 고정부(630)는 질량체(600)를 바닥에 고정시키고, 지지빔(640)은 질량체(600)와 고정부(630)를 연결한다.

도 8은 본 발명의 경사각 측정 센서의 정전용량 변화곡선에 대한 선형도 적합을 수행한 그래프이다. 왼쪽과 오른쪽에 있는 2개의 그래프를 서로 비교하여 보면, 오른쪽에 있는 그래프의 선형성이 왼쪽에 있는 그래프의 선형성보다 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 내용을 통해 본 업에 종사하는 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용만으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 경사각 측정 센서는 설계의 변화만으로 측정각도 범위의 한계를 개선시킴으로써 가격의 변화 없이 높은 성능의 경사각 측정 센서가 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 콤 드라이브를 이용한 마이크로 머시닝 디바이스의 장점을 가지기 때문에 소형이면서 저가로 제조될 수 있다.

또한, 본 발명의 경사각 측정 센서 제조방법을 이용함에 있어서 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 구조물을 만들어 낼 수 있고, 비 진공상태에도 성능을 유지시킬 수 있으므로 공정의 단순화를 이용하여 공정비를 절감할 수 있다.

Claims (11)

1. 중력의 변화에 따라 반응하는 질량체;

   상기 질량체의 변화에 따라 정전용량이 변하는 구동전극과 고정전극;

   상기 질량체를 바닥에 고정시키기 위한 고정부; 및

   상기 질량체와 고정부를 연결하는 지지빔;

   을 포함하는 경사각 측정 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 질량체가 기울어짐에 따라 진동하거나 움직일 수 있도록 바닥기판으로부터 또는 독립적으로 떨어져 있는 구조물의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지빔은 적어도 하나의 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지빔은 빗살 모양인 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 질량체의 변화는 수평, 수직 또는 회전운동 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지빔은 H자 모양인 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
7. 청구항 4에 있어서,

   상기 빗살의 각격은 전극의 모양에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 질량체의 중심 부위를 기준으로 구동전극이 상하 또는 좌우로 대칭하게 있는 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
9. 청구항 4에 있어서,

   상기 빗살은 적어도 2개인 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서.
10. 유리 상에 실리콘 웨이퍼를 만들고, 사진묘화공정을 이용하여 상기 웨이퍼 상에 디바이스의 모양을 형성하는 제1단계;

    DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 이용하여 상기 웨이퍼를 식각하고, HF(Hydrofluoric) 습식식각을 이용하여 상기 유리를 선택적으로 식각하는 제2단계;

    상기 유리 이외의 또 하나의 유리로 형성된 웨이퍼를 만들고, 내부 공간을 만들기 위한 식각을 수행하는 제3단계;

    반대편의 전극을 패키징의 바깥으로 빼내기 위해 상기 제3단계의 결과물의 홀을 식각하고, 사진묘화공정을 이용하여 상기 유리 상에 전극을 형성하는 제4단계;

    디바이스 웨이퍼와 덮개 웨이퍼를 웨이퍼 본딩에 의해 접합하고, 사진묘화공정을 이용하여 전극으로 사용될 물질이 덮이는 부분을 제외한 부분에 포토레지스트로 마스킹(masking)하며, 전극이 빠져나올 홀 방향으로 전극으로 사용될 물질을 스퍼터링(sputtering) 증착공정을 이용하여 증착한 후, 리프트 오프(lift off) 공정을 이용하여 포토레지스트를 제거하는 제5단계; 및

    PCB 기판에 은 접착제(silver paste)를 이용하여 상기 제5단계의 결과물을 고정한 후, 와이어 본딩(wire bonding)으로 전극 홀에서 나온 전극 메탈과 바깥쪽 PCB 기판의 전극으로 사용될 부분을 연결하고, 에폭시 물질을 도포하는 제6단계;

    를 포함하는 경사각 측정 센서 제조방법.
11. 청구항 7에 있어서,

    상기 제5단계의 전극으로 사용될 물질은 크롬, 니켈 또는 금 중에서 어느 하 나인 것을 특징으로 하는 경사각 측정 센서 제조방법.

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