KR20080011645A - 3축 가속도계 - Google Patents

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KR20080011645A
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키오닉스, 인크.
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Abstract

본 발명의 실시예에서는, 기판, 제1센서 및 제2센서를 포함하는 미소기전(micro-electromechanical(MEMS)) 가속도계가 제공된다. 상기 제1센서는 상기 기판의 평면과 평행하게 제1축을 따라 가속도를 측정하도록 구성된다. 상기 제2센서는 상기 기판의 평면과 수직한 축을 따라 가속도를 측정하도록 구성된다. 상기 제2센서는 제1빔, 제2빔, 및 단일지지구조체를 포함한다. 상기 단일지지구조체는 상기 제1 빔과 상기 제2빔이 상기 제1센서를 외접시키면서, 상기 기판에 대해 상기 제1 및 제2빔을 지지한다.
MEMS, 가속도계

Description

3축 가속도계{A TRI-AXIS ACCELEROMETER}
본 발명은 일반적으로 미소기전(micro-electro-mechanical systems(MEMS)) 가속도계에 관한 것이다.
가속도계는 가속도를 측정하는 장치이다. MEMS 기술을 사용하여 가속도계가 (실리콘)기판에 제작될 수 있다. MEMS를 사용하여 구성되는 가속도계 부품은 표준질량체(proof mass), 복원스프링, 변위 변환기(displacement transducer), 완충의 여러가지 형태, 부품전부가 설치되는 케이스의 표준 가속도계와 유사한 구조를 포함한다. 예를 들면, 도 1A는 MEMS 가속도계의 부분에서 독특한 몇 가지 특징을 가지는 가속도계의 일례를 도시한다. 표준질량체(1), 한쌍의 복원스프링(2), 케이스(3), 변위 변환기(4,5), 및 댐퍼(6)이 도시된다. 2개의 분리된 부분으로써 단면으로 도시되었지만, 케이스(3)는 실제적으로 하나의 강체로써 구성된다고 가정된다. 변위 변환기(4,5)는 차동 커패시턴스 변환기(differential capacitance transducer)로써 도시되지만, 관련 기술분야에서 전문가에게 명백한 압전변환기 또는 다른 형태의 변환기일 수 있다.
좌측에서 수평 가속도에 응하여, 표준질량체(1)이 우측으로 이동하게 된다. 이러한 움직임에 따라서, 상기 변위 변환기(5)의 커패시턴스(capacitance)가 상기 변위 변환기(4)의 커패시턴스가 감소하는 동안 증가하게 된다. 상기 변위 변환기(4,5)의 커패시턴스의 차이로 케이스(3)에 대해 표준질량체(1)의 상대운동의 측정, 그러므로 표준질량체(1)에 작용되는 가속도의 측정을 할 수 있다. 갑작스런 가속도 변화 때문에 상기 가속도계의 어떠한 진동은 댐퍼(6)에 의해 완충된다.
필요한 전기회로를 공급하기 위해서, 이러한 MEMS 가속도계는 주문형반도체(注文型半導體, application specific integrated circuit(ASIC))에 와이어본드될 수 있다. 도 1A의 가속도계의 전기모델(electrical model)은 도 1B에 도시된다. 커패시턴스(4,5) 사이에 차동커패시턴스는 여러가지 방법으로 측정될 수 있다. 전형적으로, 180° 위상이 다른 구형파(矩形波) 반송신호(square wave carrier signal)는 단자(7,8)로 보내진다. 이러한 반송신호는 여기서 각각 캐리어(1,2)로써 단순하게 언급된다. 상기 구형파의 크기는 사용되는 ASIC 기술에 의존하지만, 전압은 1.8~5V가 전형적이다. 고에서 저 또는 저에서 고로 상기 구형파 전압이 천이됨에 따라, 단자(9)를 통해 전하가 흐르게 된다. 상기 양측이 균형되면, 순(net)전하는 흐르지 않는다. 단자(9)를 통해 흐르는 전하의 양을 측정하는 것에 의해, 상기 커패시턴스 차이, 그러므로 상기 장치에 가해지는 가속도를 측정할 수 있다. 전하가 합쳐지는 ASIC 상의 단자인, 단자(9)는 전하입 패드로써 언급된다. 같은 MEMS 다이에서 복합적인 센서는 상기 반송신호를 배분할 수 있다. 예를 들어, X센서와 Y센서가 상기 커패시턴스 측정에서 캐리어(1,2)를 사용할 수 있으나, 분리된 전하입 연결이 각각의 센서방향으로 필요하게 된다.
상기 MEMS 가속도계와 ASIC는 패키징 유니트로 패키지된다. 따라서, MEMS에 기초한 완전한 가속도계는 전형적으로 (1) 가속도를 검지하는 MEMS 부품, (2) 상기 MEMS 부품의 가속도에 대한 반응을 전기신호로 변환하는 ASIC를 포함하는 전자부품, (3) 상기 MEMS부품 및 전자부품을 수용하는 패키지의 3가지 부품으로 구성된다. 주류적인 MEMS 가속도계의 문제점은 온도와 패키지에 민감하다는 것이다. 즉, MEMS 가속도계에 의한 가속도의 검출이 패키징 유지트에 부과되는 온도 및/또는 압박에 의해 영향을 받을 수 있다.
그러므로, 온도와 패키지에 덜 민감한 향상된 MEMS 가속도계가 요구된다. 또한, 향상된 MEMS 가속도계는 가능한한 기판의 영역 중 작은 영역만 차지하도록 형성시켜, 상기 가속도계의 전체 사이즈를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예는 온도와 패키지에 둔감한 향상된 MEMS 가속도계를 제공한다. 또한, 상기 MEMS 가속도계는 가능한 한 기판에서 작은 영역을 차지하도록 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 기판, 제1센서, 및 제2센서를 포함하는 MEMS가 제공된다. 상기 제1센서는 상기 기판의 평면에 평행한 제1축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 상기 제2센서는 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 상기 제2센서는 제1빔,제2빔, 및 단일지지구조체를 포함한다. 상기 단일지지구조체는 제1빔 및 제2빔을 상기 기판에 대해 지지하고, 상기 제1빔 및 상기 제2빔은 상기 제1센서를 외접시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 미소기전 가속도계를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 제1센서는 단일지지구조체에 의해 기판에 대해 지지되고, 상기 제1센서는 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 상기 제1센서는 제1빔, 제2빔을 포함한다. 제2센서는 상기 제1센서의 제1빔 및 제2빔에 의해 외접되고, 상기 제2센서는 상기 기판의 평면에 평행한 제1축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 작동 뿐 아니라, 본 발명의 특징과 장점은 첨부되는 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다. 여기서 설명되는 특정의 실시예에 본 발명은 한정되지 않음을 유념해야 한다. 이러한 실시예는 오직 예증의 목적으로 여기에 표현된 것이다. 추가적인 실시예가 여기에 포함된 설명에 기초하여 관련분야의 전문가에 의해 구현될 수 있다.
여기에 일체되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부되는 도면은 본 발명을 예시하고, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원칙을 설명하도록 도와주며, 관련분야의 전문가가 본 발명을 제작, 사용할 수 있게 한다.
도 1A는 전형적인 MEMS 가속도계에 포함되는 주요 부품을 도시한다.
도 1B는 도 1A에 도시된 MEMS 가속도계의 전기모델을 도시한다.
도 2A는 일례의 면내(in-plane) 가속도계의 평면도를 도시한다.
도 2B 및 도 2C는 면내 가속도계에 포함된 각각의 부품의 평면도 및 사시도를 도시한다.
도 3A,3B,3C,3D,3E는 플라즈마 미세기계가공(micromachining)으로 제작된 빔을 도시한다.
도 4는 면외(out-of-plane) 가속도계에 포함된 일반적인 개념의 구성부품을 도시한다.
도 5A 및 도 5B는 면외 가속도계의 일례의 모습을 도시한다.
도 6은 패키징 스트레스와 온도 변화에 민감한 면외 가속도계의 예시적인 형상의 평면도를 도시한다.
도 7A 및 도 7B는 도 6에 도시된 일례의 면외 가속도계의 사시도 및 단면도를 각각 도시한다.
도 8은 도 6, 도 7A, 도 7B에 도시된 일례의 가속도계의 형상에 패키징 스트레스가 어떻게 영향을 미치는지를 설명한다.
도 9는 패키징 스트레스에 대한 민감성을 감소시키기 위해 설계된 면외 가속도계의 일례의 모습의 평면도를 도시한다.
도 10A는 본 발명의 실시예에 따른 3축 가속도계에 포함된 부품을 개략적으로 도시한다.
도 10B,10C,10D,10E,10F,10G,10H는 본 발명의 가속도계의 어떤 영역에 다른 필드 산화물 두께를 형성하는 공정을 집합적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3축 가속도계를 개략적으로 도시한다.
도 12,13,14,15는 도 11에 개략적으로 도시된 3축 가속도계의 설계 레이아웃 을 도시한다.
도 16,17,18,19는 도 10에 개략적으로 도시된 3축 가속도계의 설계 레이아웃을 도시한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 가속도계를 형성하는 방법을 설명하는 플로우차트를 도시한다.
본 발명의 특징 및 장점은 같은 참조번호가 대응하는 부품과 완전히 동일한 상기 도면과 결합되어 아래에서 개진하는 상세한 설명으로부터 좀더 명백해진다. 도면에서, 같은 참조번호는 일반적으로 동일한, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 부품을 지시한다.
"일실시예","실시예","일례의 실시예" 등으로 명세서 내의 언급은 설명되는 실시예가 특별한 특색,구조, 또는 특징을 포함하는 것을 지시하지만, 모든 실시예가 반드시 독특한 특색, 구조, 또는 특징을 포함할 필요는 없음을 유념해야 한다. 또한, 독특한 특색,구조, 또는 특징이 실시예와 연결되어 설명될 때, 다른 실시예와 연결되는 이러한 특색, 구조 또는 특징에 대해서 명백하게 설명되든지 아니든지 당해분야의 전문가의 지식 내에서 생략될 수 있다.
아래에서, 감지장치는 가속도를 감지하는 전극부품 사이의 커패시티브 커플링(capacitive coupling)을 사용하는 것으로 설명된다. 이것은 설명의 목적을 위함이며, 제한은 없다. 커패시티브 커플링과 다른 전기적 커플링이 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않는다면 가속도를 감지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들 면, 전기적 커플링은 커패시티브 커플링, 압전커플링, 자기커플링, 또는 여기에 포함된 발명의 상세한 설명을 보고 관련분야의 전문가에게 명백한 다른 전기적 커플링을 포함하며 제한되지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 MEMS 센서 부품 설계에 지향된다. MEMS 센서 부품은 전형적으로 (실리콘)기판으로 제작된다. 이하 설명에서, 용어 케이스와 기판은 교환가능하게 사용된다. 먼저, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 면내(예를 들어, X축) 가속도계의 개관(槪觀)을 제공한다. 두번째로, 면외(예를 들어, Z축) 가속도계의 개관을 제공한다. 세번째로 본 발명의 실시예에 따른 3축 가속도계가 설명된다. 네번째로 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 가속도계를 형성하는 방법이 설명된다.
[면내 가속도계의 개관]
뉴욕(N.Y.) 이타카(ithaca)의 키오닉스(Kionix)사(社)에 의해 제작된 일례의 MEMS 부품의 레이아웃이 도 2A,2B, 및 2C에 도시된다. 미국특허 제6,342,430호, 미국특허 제6,239,473호에 상기 장치의 상세한 구조가 설명되어 있다. 기본적인 작동원리 및 가속도 설계가 미국특허 제5,610,335호 및 미국특허 제5,563,343호에 설명된다. Z가속도계, 즉 면외 감지 가속도계를 구성하는데 사용되는 작용원리의 여러가지에 대해 미국특허 제6,792,804호에 설명된다. 상기 선행하는 특허의 각각은 여기에서 참조로 하여 포함된다.
도 2A,2B,2C에 도시된 장치는 X축(10)을 따라 가속도를 검지하는 면내 가속도계 부품(202)이다. 상기 장치는 복원스프링(12)을 프레임(15)에 연결하는 중심 백본(backbone)(11)을 포함한다. 중실(中實)직사각형(solid rectangle)으로 도시되었지만, 백본(11)은 빔의 트러스로 제조될 수도 있다. X축(10) 방향으로 운동을 감지하는 복수의 평행판 커패시터(13)가 상기 중심 백본(11)의 양측에 설치된다. 평행판 커패시터(13)는 프레임(15)로부터 연장되는 전극(17)과 맞물린다. 또한, 구조적으로 도시된 절연조인트(19)가 도 2A에 나타나고, 도 2C를 참조하여 설명된다.
이동하는 상기 캐피시터(13)의 부분은 상기 백본(11)으로부터 연장되는 전극(20)에 의해 일반적으로 지향된다. 상기 X축(10)의 방향을 따라 오른쪽의 가속도는 프레임(15)에 대해 가동구조체(21)를 왼쪽으로 이동시키게 된다. 가동구조체(21)는 백본(11)과 전극(20)을 포함한다. 복원스프링(12)이 프레임(15)에 연결되고, 프레임(15)는 케이스(14)에 연결된다. 프레임(15)은 상기 케이스(14)에 대해 움직이지 않도록 강인성과 강성을 가진다.
표준집적회로 본딩패드로부터 미소기계 가속도계에 전기적 연결은 도 2B에 도시된 바와 같이 전자산업에서 일반적인 알루미늄연결 트레이스(26)를 사용하여 이루어진다. 이러한 트레이스는 비아(via)(29)가 근접하기까지 빔(27,28)과 전기적 연결없이 빔(28,28)을 따라 연장된다. 트렌치(trench) 절연방법은 앞서 언급한 미국특허 제6,342,430호 및 미국특허 제6,239,473호에 개시되었으며, 이하에서 설명한다. 도 2C에 도시된 바와 같이, 빔(27,28)은 (실리콘)기판의 외측으로 사실상 새겨있다. 상기 실리콘 에칭이 일어나는 영역은 트렌치 영역(25)에서 빔(27,28)에 의해 정의되는 구조체의 영역을 뺀 것이다.
상기 가속도계의 기능은 상기 X축(10)의 방향을 따라 오른쪽의 가속도가 프 레임(15)에 대해 가동구조체(21)를 왼쪽으로 이동하게 한다. 그러므로, 전극(20)은 또한 왼쪽으로 이동하게 된다. 전극(20)은 절연조인트(19)에 의해 분리된 전극(16,18)의 2가지 형태를 포함한다. 전극(16,18)은 도 1B에서 단자(7,8)에 대응한다. 전극(17)은 도 1B에서 전극(9)에 대응한다.
도 2A~2C에서 도시된 가속도계 구조는 높은 가로세로비(aspect ratio) 실리콘 빔을 사용하여 구성된다. 예를 들면, 도 3A,3B,3C,3D,3E는 빔(30)의 몇가지 단면도를 도시한다. 도 3A에 도시된 바와 같이, 빔(30)의 코어(31)가 단일결정실리콘이지만, 관련기술분야에서 전문가에게 명백한 폴리실리콘의 두꺼운 층과 같은 다른 물질을 사용해 제조되는 것 역시 가능하다. 코어(31)의 측부를 클래딩하는 것은 빔(30)과 같은 빔을 만드는데 사용되는 제조공정의 인공물인 적층된 TEOS산화물(32)이다. 상기 코어(31)의 상부에 필드산화물(33)이 존재한다. 도 3B는 필드산화물(33)의 상부에 존재하는 금속 연결부(35)가 빔(34)에 존재하는 대안의 실시예를 도시한다.
산화물(33) 및 실리콘 코어(31)의 사용은 면외 센서의 설계에 특히 중요하다. 이러한 2개의 부품은 다른 열팽창 계수를 가진다. 거의 1150℃에서 성장되면, 필드산화물(33)과 실리콘 코어(31)는 실질적으로 응력자유(stress free)상태이다. 실온(room temperature)까지 냉각되면, 실리콘 코어(31)는 필드산화물(33)보다 더 응축되서, 도 3D에 도시된 곡률반경(36)을 야기한다. 도 3E는 필드산화물(33)과 실리콘 코어(31)을 포함하는 캔틸레버 빔(39)의 하향 휨변형을 대략적으로 나타낸다. 상기 하향 휨변형은 곡률반경(36)에 기초하여 결정될 수 있으며, 상기 캔틸레버 빔(39)를 케이스(38)에 연결하는 지지점(37)로부터 거리를 갖는다. 이러한 하향 휨변형은 가속도 측정에 사용되는 면외, 커패시턴스 기저 변위 변환기의 제조를 가능하게 한다. 그러나, 이러한 변환기를 설명하기 전에 전형적인 외면 또는 Z 가속도계의 구조가 설명된다.
[면외 가속도계의 개관]
도 4는 통상의 Z 가속도계의 기본적인 부품을 도시한다. 표준질량체(40)가 토션변형부(41)에 연결된다. 토션변형부(41)는 지지체(44)를 통해 기판(43)에 표준질량체(40)을 연결한다. 갭(46)이 표준질량체(40)와 반대되는 평행판전극(45) 사이에 형성된다. 이러한 Z 가속도계가 갭(46)의 화살표에 평행한 방향으로 가속도가 부과되면, 표준질량체(40)가 반대되는 평행판전극(45)를 향해 하향으로 휘게 된다. 표준질량체(40)의 휨변형된 상태가 휨변형된 표준질량체(47)로써 허상으로 도시된다. 휨변형된 표준질량체(47)과 반대평행판전극(45) 사이에 더 작은 갭(48)이 나타난다. 상기 평행판전극(45)과 표준질량체(40)는 기판(43)에 대해 상기 표준질량체(40)의 운동을 감지하도록 사용될 수 있는 커패시터를 형성할 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같은 표준질량체를 감지하는데 평행판을 사용하는 Z 가속도계는 센서산업 내에서 일반적이다. 작동원리는 단순하지만, 제작은 요구되는 복수층으로 제한될 수 있다. 한가지 통상적인 제조방법은 산화물층에 의해 분리된 폴리실리콘의 2개의 층을 사용하는 것이다. 상부 폴리실리콘층은 상기 변형부와 표준질량체를 형성하는데 사용되고, 하부층은 반대되는 평행판전극을 형성하는데 사용된다. 표준질량체는 상기 산화물층의 습식에칭이 상기 장치를 두어 운동시켜 관 통시킨다. 이러한 방법의 한가지 문제점은 정지마찰(stiction)-표준질량체가 반대되는 평행판전극에 달라붙는 MEMS의 일반적인 문제-을 포함한다. 두번째 문제점은 적층된 폴리실리콘층을 사용하여 형성된 표준질량체의 작은 크기와 관련된다. 센서에 의해 발생되는 소음의 크기는 이러한 작은 표준질량체에서 전형적으로 높게 나타난다. 평행판을 사용하는 고성능 Z 가속도계는 두꺼운 폴리실리콘, 두꺼운 층 에피택시(epitaxial) 실리콘 성장, 또는 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator) 기술을 이용하는 향상된 제조공정을 사용하여 형성될 수 있으나, 이러한 공정은 기구에 소요되는 비용이 크다.
Z 가속도계의 일례의 구조가 도 5A,5B에 도시된다. 상기 Z방향은 화살표(50)에 의해 도시된 방향에 대응한다. 이러한 Z 가속도계는 휨변형부(56)을 경유하여 지지구조체(55)에 연결된 표준질량체(51)을 포함한다. 반대전극(52)는 지지구조체(58)에 의해 지지된다. 휴기(休期) 동안 표준질량체(51)은 도 5B에 도시된 바와 같이 반대전극(52)와 높이가 다르다. 표준질량체(51)의 영역과 반대전극(52)의 영역 사이의 오버랩(53)의 영역이 도 5B에 또한 도시된다. 표준질량체(51)는 반대전극(52)에 대해 상기 방향(50)을 따라 상승된다. 화살표(50) 방향으로 상측 가속도에 대응하여, 표준질량체(51)는 기판(54)를 향해 하향으로 휘게 된다. 결과적으로, 오버랩(53)의 영역이 증가한다. 오버랩(53)의 영역이 증가하는 것처럼, 표준질량체(51)과 전극(52) 사이의 커패시턴스도 증가하게 되서, 가속도의 검지에 사용되는 변위 변환기를 형성한다.
커패시턴스 검지의 작동에 있어 휴기(休期) 동안 전극이 수평이 아닌 것이 중요하다. 이는 전극(51,52)에 유사한 2개 높이의 전극을 사용하거나, 전극(51)이 소량으로 상하로 움직이면, 오버랩의 영역은 두가지 상태에서 동일하게 감소된다. 단일 커패시턴스 측정이 주어지면, 고정점에 대해 전극(51)이 이동되는 방향을 결정하는 것이 곤란한다. 정전기장 이론에 기초하여, 이상상태는 상기 전극이 분리되는 갭의 적어도 2~3 배의 높이불일치로 시작되는 것이다.
면외 가속도계를 감지하는 다른 방법은 상기 언급한 미국특허 제6,792,804호에 설명되어 있다. 예를 들면, 커패시턴스는 빔(52)의 실리콘 코어와 빔(51)에 위치하는 반대되는 금속층 사이에서 측정될 수 있다. 반대되는 금속층은 도 3의 금속 연결부(35)와 유사할 수 있다. 이것이 제대로 작동됨에도 불구하고, 검지영역 내에 금속을 사용하는 가속도계의 구조는 기계적 충격 때문에 열오프셋 및 오프셋되기 쉬울 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 도 3은 플라즈마 미소기계가공을 사용하여 제조되는 곡률반경을 가지는 빔의 구조 개념을 도시하고, 반면에 도 5는 가변오버랩 커패시턴스 검지를 사용하는 Z 가속도계에 대한 구조 개념을 도시한다. 도 3 및 도 5에서 도시된 구조개념은 도 6에 도시된 것과 같이 완전 Z 가속도계 구조(600)을 형성하도록 조합될 수 있다. 이러한 일반적인 가속도계 구조는 지면의 평면에 대해 수직한 방향으로, 즉 방향(100)으로 자유롭게 이동하는 표준질량체(101)를 포함한다. 이러한 기본적인 가속도계 구조는 또한, 그로부터 연장되는 전극(115)를 가지는 빔구조체(111)를 포함한다. 빔구조체(111)은 휨변형부(112)를 경유하여 지지구조체(113)에 의해 기판(122)(도 7A 및 도 7B에 도시)에 변형불가능하게(rigidly) 연 결된다.
표준질량체(101)는 토션휨변형부(102)에 의해 정의되는 축에 대해 토션방향으로 이동한다. 표준질량체(101)는 전극(115,126)에 대응하여 맞물리는 전극(105,106)을 가진다. 전극(105,115)는 제1커패시터를 형성한다. 전극(106,126)은 제2커패시터를 형성한다. 표준질량체(101)가 가속도에 대응하여 지면의 평면에 출입방향으로 이동하면, 상기 제1 및 제2 커패시터 사이의 차이가 가속도의 측정을 제공한다.
도 7A는 도 6의 A-A선을 따른 전극구조체의 단면도를 도시한다. 전극(126)은 지지체(121) 및 케이스(122)와 기계적으로 연결되지만, 전기적으로는 분리된다. 지지점이 상기 전극에 근접하기 때문에, 상기 빔구조체의 고유곡률에 의한 하향 휨변형이 거의 발생하지 않는다. 그러나, 표준질량체로부터 떨어져 연장되는 전극은 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 지지구조체(103)으로부터 상당한 거리(108,109)로 떨어져 있고, 따라서 상대적으로 좀 더 하향 휨변형이 발생한다. 그러므로, 표준질량체(101)로부터 떨어져 연장되는 전극(106)은 지지체(121)로부터 연장되는 전극(126)보다 아래에 위치하게 된다. 유사하게, 전극(115)가 각각의 지지구조체(113)로부터 거리(109)-전극(105)가 각각의 지지구조체(103)으로부터 떨어진 거리-보다 먼 거리(110)만큼 떨어져 있기 때문에 전극(115)는 전극(105)보다 아래에 위치하게 된다. 지지구조체(103)이 거리(120)에 의해 지지구조체(113)으로부터 공간을 두고 이격되기 때문에 거리(119)는 거리(109)보다 크다.
도 6,7A,7B에 도시된 장치의 작동은 표준질량체(101)로 시작한다. 가속도가 작용하지 않은 경우, 표준질량체(101)는 전극(126,115)의 높이 사이에 위치한다. 전극(106,126)은 휴기(休期)동안 오버랩(136)의 영역을 가져서, 커패시터(C136)를 형성한다. 전극(105,115)은 휴기동안 오버랩(135)의 영역을 가져서, 커패시터(C135)를 형성한다. C135-C136으로 표시되는 커패시터(C135)와 커패시터(C136) 사이의 차이는 시작차동 커패시턴스 dC0와 동일하다. Z축(100)을 따라 상향으로 가속되는 경우, 표준질량체(101)는 기판(122)을 향해 햐향으로 휘어지며, 오버랩(135)의 영역은 증가하고 반변 오버랩(136)의 영역은 감소한다. 이러한 오버랩의 영역의 변화가 dC1으로 기재되는 차동 커패시턴스 C135-C136에서 변화를 가져온다. dC=dC1-dC0의 값은 장치에 부과되는 가속도에 대략 비례적이다.
도 6에 도시된 가속도계가 가지는 주요한 문제점은, 지지구조체(103,113)가 지지구조체(121)로부터 상당히 떨어져 있다는 것이다. 지지구조체 사이의 간격이 멀어질수록 상기 장치는 패키지 스트레스에 더욱 민감해질 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 패키지 스트레스 하에서, 지지구조체(121)는 구조체(131)로부터 허상으로 도시된 새로운 위치로 이동할 수 있다. 최종결과(net result)는 dC의 양이 패키지에 민감하게 되고, 가속도 측정에러를 발생시킨다. 패키지 스트레스는 전기기판에 전기부품을 납땜하는데 사용되는 역류공정에 기인할 수 있다. 패키지 스트레스의 또 다른 원인은 온도변화로부터 기인할 수 있다. 전자부품은 다른 열팽창계수를 가지는 다양한 재료로 형성되기 때문에 온도변화는 패키지 스테레스 변화를 가져온다. 불행하게도, 도 6에서 가속도 구조의 적절한 작동은 근복적으로 (ⅰ) 지지구조체(103)과 지지구조체(121) 사이의 분리, (ⅱ) 지지구조체(113)과 지지구조체(121) 사이의 분리에 의존한다. 도 7에 대해 상술한 바와 같이, 이러한 분리 때문에, 가속도계가 휴기인 때, 전극(106)은 전극(126)보다 아래에 오프셋되고, 전극(115)는 전극(105)보다 아래에 오프셋된다.
패키지 스트레스에 대한 도 6의 구조의 민감성을 다투는 방법은 도 9의 일례의 3축 가속도계(900)에 도시된 바와 같이 제1센서(980)와 제2센서(990)을 조립하는 것이다. 이러한 구조에서, 제2센서(990)는 고정기준으로써 사용되고, 제1센서는 Z축(100)을 따른 가속도에 대응하도록 형성된다. 제2센서(99)은 온도 및 패키지 스트레스에 민감하나 가속도에 민감하지 않다. 제1센서는 가속도, 온도, 패키지 스트레스에 대해 민감하다. 상기 원리는 제1센서(980)의 출력신호로부터 제2센서(990)의 출력신호를 차감하는 것에 의해, 패키지 스트레스와 온도영향이 제거될 수 있다는 것이다.
다음에 3축 가속도계(900)이 어떻게 작동하는 지에 대한 상세히 설명된다. 3축 가속도계(900)의 제1센서(980)는 토션휨변형부(202)의 길이방향축 주위로 토션방향으로 움직여서 Z축(100) 방향으로 가속도에 대해 반응하는 표준질량체(201)을 포함한다. 표준질량체(201)의 빔구조체는 토션휨변형부(202)를 경유하여 지지구조체(203)에 의해 케이스(미도시)에 연결된다. 전극(206)이 지지체(221)에 의해 상기 케이스에 연결된다. 빔구조체(211)은 휨변형부(212)를 경유하여 지지구조체(213)에 의해 상기 케이스에 변경불가능하도록 연결된다. 토션휨변형부(212)가 휨변형부(202)보다 상당히 큰 강성을 가지도록 설계된다. 강성의 차이 때문에, 빔구조체(211)는 가속도가 부과된 경우, 대략 정적상태를 유지하고, 표준질량체(201)은 이동하려는 경향이 있다. 제1센서(980) 내측에 X축(200)을 따른 가속도에 대응하도록 설계된 X 가속도계(298)이 삽입된다.
유사하게, 제2센서(990)에서, 표준질량체(251)은 지지구조체(253)에 의해 휨변형부(252)를 통해 상기 케이스에 연결된다. 전극(255,256)은 표준질량체(251)로부터 연장되어, 전극(265,276)과 각각 맞물린다. 전극(276)은 지지체(271)에 의해 상기 케이스에 연결된다. 빔구조체(261)가 휨변형부(262)를 경유하에 지지점(263)에 의해 상기 케이스에 변형불가능하게 연결된다. 토션휨변형부(252,262)가 상대적으로 큰 강성을 가지도록 설계된다. 휨변형부가 사실상 단단하므로, 제2센서(990)이 온도와 패키지 스트레스에만 민감하고, 가속도에 민감하지 않다. 제2센서(990) 내측으로 Y축(300)을 따른 가속도에 반응하도록 설계된 Y가속도계(299)가 삽입된다.
Z 가속도를 검지하기 위해, 제2센서(99)에 의해 검지되는 변화를 제1센서(98)에 의해 감지된 변화로부터 차감하는 방법으로 전기적으로 연결된다. 하나의 캐리어가 전극(215,276)에 연결된다. 다른 캐리어가 전극(226,265)에 연결된다. 표준질량체(201,251)에 ASIC 전하입력핀을 연결하는 것에 의해 전하가 더해진다. 다시 말해, 전극(205,215)는 커패시터(Ca)를 형성하고, 전극(206,226)은 커패시터(Cb)를 형성하며, 전극(255,265)는 커패시터(Cc)를 형성하고, 전극(256,276)은 커패시터(Cd)를 형성한다. 제2센서(990)에 의해 감지되는 커패시턴스차(Cc-Cd)는 제1센서(980)에 의해 감지되는 커패시턴스차(Ca-Cb)로부터 차감된다. 이러한 방법으로, 가속도에 비례하는 신호가 얻어지며, 온도와 패키지 스트레스에는 민감하지 않게 된다. 수학적으로, 이는 dC=(Ca-Cb)-(Cc-Cd)로 표시될 수 있다. 항을 재배치하여 dC=(Ca+Cd)-(Cb+Cc)로 할 수 있다. 상기 dC는 패키지와 온도에 둔감하여야 한다. 불행하게, 3축 가속도계(900)은 온도와 패키지 스트레스에 여전히 민감하다. 도 9에서 가속도 구조는 센서(980,99)가 같은 온도가 패키지 변형을 유도하는 균일 변형을 억제한다. 상기 부품의 어떠한 비틀림도 보상되지 않는다.
[3축 가속도계의 실시예]
도 10A 및 11은 본 발명의 실시예에 따른 3축 가속도계의 일례의 구조개념을 도시한다. 이 구조와, 상기 언급한 구조와의 중요한 차이는 z검지부품의 절반이 단일점에서 사실상 지지되는 것이다. 단일점에서 z검지부품을 사실상 지지하는 것에 의해, 패키지 스트레스와 온도 변화에 기인한 출력시프트가 실질적으로 감소된다. 실험상으로 온도 민감도는 대략 5x 감소, 패키지 스트레스는 대략 10x 감소되어 출력시트프가 유도된다. 성능향상에 추가하여, 도 10A 및 11에 개략적으로 도시도니 구조개념이 검지 부품에 요구되는 면적의 40% 감소를 가져오고, 제조비용 역시 유사한 비율로 효과적으로 감소된다.
지지체는 '단일점'으로 기술되지만, 상기 지지체는 와이어 또는 다른 부품들이 검지부품과 (실리콘)기판 사이를 지나도록 작은 이격을 가질 수 있다. 여기서 사용되는 '단일점' 지지구조체는 가속도 검지 장치에 의해 포위되는 영역보다 실질적으로 작은 영역을 포위하는 지지구조체를 언급한다.
도 10A는 본 발명의 실시예에 다른 3축 가속도계(1000)의 일례를 도시한다. 3축 가속도계(1000)는 제1z축센서(306), 제2z축센서(307), x축 가속도계(398), y축 가속도계(399)를 포함한다.
제1z축센서(306)는 z축(100)을 따른, 즉 케이스(310)의 평면에 수직한 축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 상술한 바와 같이, 제1z축센서(306)는 온도에 민감할 수 있다. 제1z축센서(206)은 제1빔구조체(301), 제2빔구조체(311), 및 단일지지구조체(303)를 포함한다. 단일지지구조체(303)는 케이스(310)에 대해 제1빔구조체(301)와 제2빔구조체(311)를 지지한다. 제1빔구조체(301)는 복수의 전극(305)를 포함하고, 제2빔구조체(311)는 복수의 전극(315)를 포함한다. 전극(315)은 전극(305)와 전기적으로 연결되어 맞물린다. 제1빔구조체(301)는 전극(305)와 전극(315) 사이에 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하는 z축(100)을 따른 가속도에 대응하여 제2빔구조체(311)에 상대적으로 이동한다.
X축 가속도계(398)는 도 2A의 가속도계(202)와 유사하게 x축(200)을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 제1빔구조체(301)와 제2빔구조체(311)은 x축 가속도계(398)을 외접시킨다.
제2z축센서(307)은 또한, z축()100)을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 상술한 바와 같이, 제2z축센서(307)는 온도에 민감할 수도 있다. 제2z축센서(307)는 제3빔구조체(361), 제4빔구조체(351), 단일지지구조체(354)를 포함한다. 단일지지구조체(303)과 유사하게, 단일지지구조체(354)는 케이스(310)에 대해 상기 제3빔구조체(361)와 제4빔구조체(351)를 지지한다. 제3빔구조체(361)는 복수의 전극(365)을 포함하고, 제4빔구조체(351)는 복수의 전극(355)를 포함한다. 전극(355)는 전극(365)와 전기적으로 연결되어 맞물린다. 제3빔구조체(361)은 전극(365)과 전극(355) 상의 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하는 z축(100)을 따른 가속도에 대응하여 제4빔구조체(351)에 상대적으로 이동한다.
Y축 가속도계(399)는 도 2A의 가속도계(202)와 유사하게 y축(300)을 따른 가속도를 측정하도록 형성된다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 제3빔구조체(361)와 제4빔구조체(351)은 y축 가속도계(399)를 외접시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서, 제1z축센서(306)와 제2z축센서(307)은 z축(100)을 따른 가속도를 독립적으로 검지한다. 그러나, 다른 실시예에서, 제1z축센서(306)과 제2z축센서(307)는 도 6을 참고하여 상술한 방법과 유사하게 감속도를 검지하기 위해 차동커패시턴스를 측정한다. 이러한 실시예의 작동의 일례가 이하에서 설명된다.
제1z축센서(306)은 토션휨변형부(302)에 의해 정의되는 축에 대해 토션운동을 통해 Z방향(100)으로 상하 이동하는 표준질량체(301)를 포함한다. 휨변형부(302)는 지지구조체(3030)에서 상기 기판에 상기 표준질량체(301)를 연결한다. z부품의 절반의 반대되는 부재가 빔구조체(311)이다. 빔구조체(311)는 운동을 금지하도록 강인한 휨변형부(312)를 통해 지지구조체(303)에 연결된다. 표준질량체(301)와 빔구조체(311)가 도 6에 도시된 구조와 유사한 방식으로 구성되면, 전극(305,315)의 높이 차는 거의 없다. 그러나, 도 10A의 구조의 제1z축센서(306)이 표준질량체(301)와 빔구조체(311) 사이에 다른 곡률을 이루도록 나머지 구조체로부터 구조체(313)을 오버랩하는 영역(316)에 다른 필드산화물 두께를 사용한다. 이 결과로 전극쌍(305,315) 사이의 휨변형 차이가 발생한다. 유사하게, 도 10A의 구조 의 제2z축센서(307)는 빔구조체(351)과 표준질량체(361) 사이애 다른 곡률을 이루도록 나머지 구조체로부터 구조체(363)을 오버랩하는 영역(366)에서 다른 필드산화물 두께를 사용한다. 이 결과, 전극쌍(355,365) 사이의 휨변형 차이가 발생한다.
다른 필드산화물 두께(예를 들면, 영역(313,363)에서)를 형성하는 공정은 많은 방법이 있을 수 있다. 도 10B~10H는 다른 필드산화물 두께를 형성하는 예시 공정을 도시한다.
도 10B는 그 위에 배치되는 이산화실리콘(148)의 층을 가지는 (실리콘)기판(152)의 단면도를 도시하며, 여기서 광레지스트층(149)는 상기 이산화실리콘(148) 위에 배치된다. 트렌치(trench) 절연조인트(153)가 예들 들면, 상기에서 언급한 미국특허 제6,342,430호 및 미국특허 제6,239,473호에 기재된 공정을 사용하여 (실리콘)기판(152) 내에 에칭된다. 도 10C에 도시된 바와 같이, 두꺼운 필드산화물층(150)이 트렌치 절연조인트(153)을 충진하도록 열적 성장된다. 실시예에서, 이산화실리콘의 성장은 대략 2,2㎛ 두께이다. 도 10D에 도시된 바와 같이, 평평화 공정이 MEMS구조 부품의 형상을 개시 필드산화물 두께(160)으로 설정할 뿐 아니라, 트렌치 절연조인트(153)에 형성되는 첨점(151)을 원활하게 사용될 수 있게 한다. 전형적인 개시 필드산화물 두께는 대략 20~30㎛ 높이의 실리콘 구조물을 형성하도록 대략 0.8~1.2㎛의 범위에 속한다. 이점에서 상기 공정은 구조물 전체를 같은 개시 필드산화물 두께를 가지도록 한다.
상기 언급한 특허에서 기술된 바와 같이, 상기 공정은 기판 재료에 전기적 비아(vias)의 형성, 연결부를 형성하기 위한 금속화, 및 1~1.5㎛의 두께의 패시베 이션(passivation)의 적층이 요청된다. 패시베이션 산화물(166)의 적층은 도 10E에 도시된다. 적층되는 이 패시베이션 산화물의 스트레스는 대략 +30Mpa 인장응력으로부터 -100Mpa 압축응력의 범위에 들 수 있다. 선택되는 전형적인 값은 대략 -70Mpa 압축응력이다. 좀더 압축 스트레스 정도가 클수록, 외부 빔구조체(311,361)는 휘게 된다.
전형적으로, 패시베이션 산화물은 MEMS 구조 부품이 존재하는 트렌치 영역에서 균일하게 제거된다. 그러나, 도 10F에 도시된 바와 같이, 패시베이션 산화물층(166) 전체는 필드 산화물(162)의 층을 노출시키는 영역(161)을 제외하고 제거된다. 이 제거공정에 기인하여, 필드산화물층(162)은 필드산화물층(160)보다 얇게 된다. 또한, 도 10G에 도시된 바와 같이, 트렌치 절연 조인트(170)는 기판(152)으로부터 에칭된다. 또한, 초과하는 패시베이션 산화물 영역(161)으로부터 에칭되는 빔(171)과 초과하는 패시브 산화물 영역(161)의 외측에 형성되는 빔(172)이 도 10G에 도시된다. 이러한 방법에서, 빔(171)은 빔(172)보다 두꺼운 패시베이션 산화물의 층을 가지게 되고, 그러므로, 빔(171)은 상술한 바와 같이 빔(172)보다 많이 휘게 된다.
예들 들면, 패시베이션 산화물은 도 10A에서 구조체(313,363)을 완전하게 오버랩하는 영역(316,366)을 제외한 모든 영역으로부터 제거된다. 이러한 방법에서, 구조체(313,363)은 트렌치 영역(310) 내에 포함되는 3축 가속도계(1000)의 다른 부분, 예를 들면 내부 빔구조체(301,351)의 구조체(304,354) 각각과 비교하면 두꺼운 산화물층을 가지게 된다.패시페이션 제거 공정에 기인하여, 추가적인 산화물은 대 략 400㎚가 구조체(313,363)을 제외한 모든 구조체 부품에 필드산화물(162)을 얇게 하도록 에칭된다. 잔여 공정동안, 노출된 필드산화물과 패시베이션 산화물은 상기 실리콘이 에칭될 때 플라즈마 에칭의 선택성에 의하여 다시 400㎚만큼 얇게 된다. 실시예에서, 외부 빔구조체(311,361)의 최대 휨변형은 대략 14~18㎛이며, 내부 빔구조체(301,351)의 최대 휨변형량은 7~10㎛이다.
도 10H에 도시된 바와 같이, 등방성 에칭은 (실리콘)기판(173)으로부터 트렌치 절연조인트(170), 빔(171), 및 빔(172)을 해방시키도록 한다.
적절한 휨변형을 형성하기 위한 이상적인 산화물 적층을 수행하는 다른 방법이 있다. 예를 들면, 2.2㎛ 산화물 성장 후에 즉시 필드산화물을 패터닝한다. 상기 패터닝은 산화물 두께에서 바람직한 600㎚ 단차를 도입한다. 추가적으로, 바람직한 필드산화물 두께를 형성하기 위해 사용되는 평평화 단계가 2개의 영영 사이의 천이를 원활하게 한다.
도 10A에서 제 언급하면, 제2z축센서(307)은 표준질량체(361)와, 외부 빔구조체를 포함한다. 표준질량체(361)는 토션휨변형부(362)를 경유하여 지지구조체(354)에서 기판에 연결된다. 빔구조체(351)는 운동을 금지하도록 단단한 휨변형부(352)를 경유하여 지지구조체(354)에 연결된다. 표준질량체(361)의 운동은 Z방향으로 평면의 출입방향이다. 표준질량체(361) 상에 배치되는 산화물 영역(363)이 빔구조체(351)에 배치되는 산화물 영역(354)보다 두껍기 때문에, 표준질량체(361)는 빔구조체(351)보다 많이 휘어지게 된다.
전극(305,315)은 커패시터(CL)를 형성하고, 표준질량체(301)가 휴기일 때 전 극(305)는 Z방향(100)으로 전극(315) 위에 있다. 전극(355,365)는 유사하게 다른 커패시터(CR)을 형성하고, 여기서 전극(355)는 표준질량체(361)이 휴기일 때 전극(365) 위에 있다. Z방향(100)으로 상향 가속도의 경우에, 내부 전극(305)는 아래로 휨변형되어 커패시턴스(CL)을 증가시키고, 반면 외부전극(365)는 아래로 휨변형되어 커패시턴스(CR)을 감소시킨다. 캐리어(1)를 전극(315)에, 캐리어(2)를 전극(365)에 전기적으로 연결시키고 전극(305,355)를 전하입력부에 연결하는 것에 의해, 차동 커패시턴스((CR-CL)=dC)가 측정될 수 있다. dC는 가속도계(1000)에 의해 체험되는 Z방향 가속도에 비례한다.
온도 변화의 경우에, 제1z축센서(306)의 표준질량체(301)와 빔구조체(311)는 제2z축센서(307)의 빔구조체(351)과 표준질량체(361)의 운동을 따라가야 한다. 그러므로, 온도변화는 Z가속도계의 출력반응에 영향을 거의 미치지 않는다. 또한, 표준질량체(301)와 빔구조체(311)는 공통의 지지점(303)을 공유하고, 유사하게 빔구조체(351)과 표준질량체(361)은 공통의 지지점(354)을 공유한다. 그러므로, 패키지 스트레스 또한 Z 가속도계의 출력에 거의 영향을 미치지 않는다.
X가속도계(398)와 Y가속도계(399)는 도 10A에 도시된 바와 같이, 제1z축센서(306)과 제2z축센서(307) 내에 각각 삽입된다. 즉, 제1z축센서(306)의 표준질량체(301)과 빔구조체(311)은 X가속도계(398)을 외접시키고, 제2z축센서(307)의 빔구조체(351)과 표준질량체(361)는 Y가속도계(399)를 외접시킨다. 그러나, 도 10A에 도시된 배치는 설명의 목적이며 이에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 다른 배치가 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다. 예를 들면, X가속도계(398)가 제2z축센서(307) 내에 삽입되고, Y가속도계(399)가 제1z축센서(306) 내에 삽입될 수 있으며, 여기에 포함된 설명을 본 관련 분야의 전문가에게 명백한 다른 배치가 고려될 수 있다.
센서(398,399)에 사용되는 전형적인 선형 가속도계는 도 2에 도시된 가속도계와 유사한다. X센서(398)와 Y센서(399)는 2개의 상반되는 위치(미도시)에서 상기 기판에 연결된다. Z센서(306,307)의 수행에 불리하지만, 구조체의 대칭성 때문에 정반대 지지체를 가지는 것이 X센서(398)와 Y센서(399)의 수행에 크게 불리하지 않다. 상기 2개의 지지체 사이에 상대운동은 복원스프링이 전형적으로 균형을 이루기 때문에 표준질량체의 무의미한 운동처럼 명백해진다.
도 10A에 도시된 Z센서(1000)의 작동에 관한 전형적인 값은 약 1~3㎑ 범위의 공진, 2~3×10-3㎏-㎡의 2차관성모멘트, 약 0.5~1.5 범위의 오실레이터 선택도(oscillator quality factor), 가속도 g 당 변화의 약 3~10fF의 차동커패시턴스 변화를 포함한다. X 및 Y센서의 작동에 관련된 전형적인 값은 약 3~5㎑ 범위의 공진, 6~10×10-9㎏의 2차관성모멘트, 약 0.5~1.5 범위의 오실레이터 선택도(oscillator quality factor), 가속도 g 당 변화의 약 3~10fF의 차동커패시턴스 변화를 포함한다.
도 11은 3축 가속도계(1100)의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 X 및 Y센서 조차 한쌍의 단일점 지지영역에서 효화적으로 상기 기판의 상측에서 지지된다. 3축 가속도계(1100)은 제1z축센서(406), 제2z축센서(407)을 포함한다. 실시예에서 제1z 축센서(406)와 제2z축센서(407)가 z방향(100)을 따른 가속도를 독립적으로 감지할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1z축센서(406)와 제2z축센서(407)은 차동커패시턴스를 측정의 기능을 할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1z축센서(406)의 빔구조체(401)와 빔구조체(411)는 x센서(498)을 외접시킨다. X센서(498)는 X축(200)의 방향으로 가속도를 측정하도록 형성된다. 유사하게, 제2z축센서(407)의 빔구조체(451,461)은 y센서(499)를 외접시킨다. Y센서(499)는 Y축(300)의 방향으로 가속도를 측정하도록 형성된다. 빔구조체(411)로부터 연장되어 전극(415)와 맞물리는 전극(405)가 빔구조체(401)로부터 연장된다. 유사하게, 빔구조체(461)로부터 연장되어 전극(465)와 맞물리는 전극(455)가 빔구조체(451)로부터 연장된다.
제1z축센서(406)와 x센서(498)은 지지구조체(403)에 의해 케이스(410)의 상측에서 지지된다. 유사하게 제2z축센서(407)와 y센서(499)는 지지구조체(453)에 의해 케이스(410)의 상측에서 지지된다. 빔구조체(411)의 영역(413)이 상대적으로 두꺼운 산화물층을 가지고 빔구조체(401)의 영역(404)이 그러하지 않기 때문에 z축센서(406)의 빔구조체(411)는 빔구조체(401)보다 더 큰 하향의 곡률을 가진다. 유사하게, 빔구조체(461)의 영역(463)이 상대적으로 두꺼운 산화물층을 가지고 빔구조체(451)의 영역(454)이 그러하지 않기 때문에 빔구조체(461)는 빔구조체(451)보다 더 큰 하향의 곡률을 가진다.
제1z축센서(406)은 빔구조체(401)와 토션휨변형부(402)를 포함한다. 상기 지지구조체(403)에 직접적으로 빔구조체(401)을 연결시키는 대신에, 토션휨변형 부(402)가 티커넥터(tee connector)(420)를 통해 티지지체(tee support)(412)에 연결된다. 빔구조체(401)은 제1z축센서(406)에서 표준질량체로 작용할 수 있다. 또한, X가속도계(498)는 Z가속도계의 표준질량체의 상당한 비율을 차지한다. 빔구조체(401)가 Z가속도에 대응하여 상하로 이동되어도, X가속도계(498)에서 상당한 교차축 민감성을 도입하지 않을 정도로 상대운동은 작다.
제2z축센서(407)는 빔구조체(451)와 토션휨변형부(452)를 포함한다. 상기 지지구조체(453)에 직접적으로 빔구조체(451)을 연결시키는 대신에, 토션휨변형부(452)가 티커넥터(tee connector)(470)를 통해 티지지체(tee support)(462)에 연결된다.
제2z축센서(407)에서, 빔구조체(451,461)는 제1z축센서(406)의 빔구조체(401,411)에 대해 기능을 교환한다. 제2z축센서(407)에서, 빔구조체(461)는 표준질량체이고, 빔구조체(451)는 반대되는 고정전극을 포함한다. 기능교환은 티커넥터(420)와 비교하여 티커넥터(470)의 위치의 상대적 차이에 의해 가능하다. Y가속도계(499)가 Z방향으로 가속도에 교차축 민감성을 최소화하도록 제2z축센서(407) 내에 삽입된다. Y가속도계(499)가 X가속도계(498)의 위치에 배치되면, Z가속도는 빔구조체(401)의 틸트를 변화시켜, Y가속도계(499)의 최초틸트를 변화시키고, 교차축 민감성을 도입한다.
도 11에 도시된 구조 개념의 최대 이점은 필요공간의 감소이다. X가속도계(498) 및 Y가속도계(499) 주위의 프레임은 제1z축센서(406) 및 제2z축센서(407) 각각의 내부 빔구조체(401,451)의 구조와 일체로 된다. X가속도계(498) 및 Y가속 도계(499)의 기판 연결이 장치 코어 내에서 필요없게 된다. 즉, X가속도계(498) 및 Y가속도계(499)는 각각 지지구조체(403,453)을 통해 주위에서 상기 기판에 단지 연결된다.
이러한 구조 개념에서 문제점은 전극 연결구조를 실현시키기 위해 좀 더 많은 금속 및 절연조인트가 필요하다는 것이다. 실리콘 빔의 상부에 금속은 충격으로부터 기인한 상기 금속의 영구변형 때문에 센서부품에 오프셋 시프트를 야기할 수 있다. 절연조인트는 실리콘 기판으로부터 상당히 다른 열팽창계수(coefficient of thermal expansion: CTE)를 가지는 재료를 도입한다. 이러한 다른 CTE는 적절히 계획되지 않는다면, 센서에 큰 온도민감성을 유도한다. 금속과 절연조인트 사용에 대해 아래에서 명백하게 된다.
도 2 내지 11은 주로 설명이 용이하도록 단순화된 형태로 구조 개념을 도시하고 있다. 도 12 내지 19는 도 10,11에 도시된 구조개념의 설계 레이아웃의 바람직한 실시예를 도시한다. 특히, 도 12-15는 도 11에 개략적으로 도시된 구조개념의 레이아웃의 바람직한 실시예를 도시하고, 반면 도 16-19는 도 10에 개략적으로 도시된 구조 개념의 레이아웃의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 12를 참조하면, 트렌치 영역(510)은 전체 3축 가속도계 센서 부품(1200)을 경계를 이룬다. 상기 기판에 지지체연결은 지지구조체(503,533)에서 존재한다. 각각의 지지점에서 6개의 빔이 기판에 연결될 수 있다. 그러나, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한 빔의 다른 수가 상기 기판에 연결되는 것도 가능하다. 실시예에서, 6개의 빔은 2개의 캐리어, 3개의 전하입력선, 접지연결부와 대응한다.
제1부품부(500)은 Z가속도계의 절반과 X가속도계의 전부를 포함한다. 제1부품부(500)에서, 빔구조체(501)가 z센서 절반의 표준질량체이다. 빔구조체(501)은 프레임(504)를 포함하는 X센서(598)을 외접시킨다. 빔구조체(501)은 Z가속도에 대응하여 휨변형부(502)에 대해 토션방향으로 피봇된다.
X가속도계(598)은 도 2에 도시된 선형 가속도계와 개념상 유사하다. 가속도계(598)은 X가속도에 대응하여 X축의 방향으로 이동하는 표준질량체를 포함한다. 표준질량체의 운동은 복수의 평행판 커패시터 센서를 사용하여 감지된다. 이러한 센서는 상술한 바와 같이, 상기 표준질량체의 운동을 검지하기 위해 전하입력단자 뿐 아니라 캐리어(1,2)를 사용한다.
전극(505)는 Z가속도계 표준질량체(501)에 연결된다. 빔구조체(511)는 표준질량체(501)의 운동을 감지하는 반대되는 전극(515)를 포함한다. 빔구조체(511)는 티커넥터(520)을 통해 지지구조체(503)과 직접 연결된다. 구조체(501)은 휨변형부(502)에 연결되어서, 티커넥터(520) 및 지지구조체(503)에 연결된다. 전극(505,515) 사이의 휨변형 차이는 제1부품부(500) 내에 나머지 구조체에 상대적으로 휨변형을 증진하도록 빔구조체(511)에 증가되는 필드산화물의 영역(513) 때문에 발생한다.
유사하게, 제2부품부(550)는 Z가속도계의 나머지 절반과 Y가속도계(599)를 포함한다. 제2부품부(550)에서, 빔구조체(561)는 z센서 절반을 위한 표준질량체이다. 빔구조체(551)는 프레임(554)를 포함하는 Y센서(599)를 외접시킨다. 빔구조체(561)은 Z가속도에 대응하여 휨변형부(552)에 대해 토션방향으로 피봇된다.
Y가속도계(599)는 또한, 도 2에 도시된 선형 가속도계(202)와 개념상 유사하다. 가속도계(599)은 Y가속도에 대응하여 Y축의 방향으로 이동하는 표준질량체를 포함한다. 표준질량체의 운동은 복수의 평행판 커패시터 센서를 사용하여 감지된다. 이러한 센서는 상술한 바와 같이, 상기 표준질량체의 운동을 검지하기 위해 전하입력단자 뿐 아니라 캐리어(1,2)를 사용한다.
전극(565)는 Z가속도계 표준질량체(561)에 연결된다. 빔구조체(551)는 표준질량체(561)의 운동을 감지하는 반대되는 전극(555)를 포함한다. 빔구조체(561)를 상기 지지구조체(553)에 직접 연결하는 대신에, 토션휨변형부(552)가 티커넥터(570)을 통해 티지지체(562)에 연결된다. 반대로, 구조체(571)은 티구조체(562)에 연결되지 않는다. 전극(565,565) 사이의 휨변형 차이는 제2부품부(550) 내에 나머지 구조체에 상대적으로 휨변형을 증진하도록 빔구조체(511)에 증가되는 필드산화물의 영역(513) 때문에 발생한다.
전극(505,515)는 Z방향으로 작용된 가속도에 따라 증가하는 커패시터(C51)를 형성한다. 전극(565,555)는 작용된 가속도에 따라 감속하는 커패시터(C52)를 형성한다. C52와 C51 사이의 차를 구하는 것에 의해, 작용된 가속도가 측정될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 커패시터(C51 또는 C52)은 Z가속도계를 형성하는 데 독립적으로 사용될 수 있다. 가속도 내에서 커패시턴스 변화를 변환하기 위해 사용되는 회로 내에 고정 커패시터 레퍼런스를 형성하는 것이 요구되는 전부이다. 상술한 Z센서의 오직 절반으로 가속도계를 구성하는 방법은 가능하나, 고정 커패시터 레퍼런스가 온도 시프트에 대응하여 센서를 따라갈 필요는 없다.
도 13은 제1부품부(500)을 포함하는 티지지구조체(520)를 상세히 도시한다. 티커넥터(520)는 빔구조체(511)의 운동을 금지하고, 반면 구조체(521)에 의해 티연결의 결여가 빔구조체(501)을 가속도에 대응하여 이동하도록 한다. 또한, 도 13에서 상기 티구조체(512)와 상기 기판 사이의 지지구조체(503)을 볼 수 있다. 제1부품부(500) 내에 포함된 상기 센서부품에 모든 전기적 연결은 지지구조체(503)을 통해 이루어질 수 있다. 유사하게, 제2부품부(550) 내에 포함된 상기 센서부품에 모든 전기적 연결은 지지구조체(553을 통해 이루어질 수 있다.
도 14는 제1부품부(500)의 전극 영역을 상세히 도시한다. 복수의 전극(505,515)가 도시된다. 전극(505,515)는 약 100㎛ 길이를 가지며, 약 3㎛로 이격된다. 또한, 범프스톱(bump stop)(523,522)가 고충격에 노출된 경우 보호작용을 한다. 경계(510)가 트렌치 영역이 시작되는 곳에 나타난다.
도 15는 또한, 티커넥터(520,570)의 존재와, 구조체(521,571()의 위치에 티커넥터의 부존재를 나타낸다.
도 16은 도 10A에서 3축 가속도계(1000)으로 개략적으로 설명된 3축 가속도계(1600)의 구조개념을 상세히 도시한다. 3축 가속도계(1600)는 제1부품부(600)와 제2부품부(650)를 포함한다. 제1 및 제2부품부(600,650) 내에 구조체는 트렌치 영역(610)에 의해 경계를 이룬다. Z가속도계 절반과 기판 사이의 연결이 지지구조체(603,654)에서 이루어지고, 반면 기판과 X 및 Y센서 사이의 연결은 지지프레임(624,674) 내에 정반대되는 위치에서 이루어진다. 시릿예에서, 지지프레임(624,674)은 릴리스된 실리콘 빔의 트러스 구조로 구성되고, 지지구조 체(603,653)에서 기판에 연결된다. 다른 실시예에서, 지지프레임(624,674)는 기저의 기판에 균일하게 연결된다.
제1부품부(600)은 Z가속도계 절반과 X가속도계 전부를 포함한다. 제1부품부(600)에서, 빔구조체(601)는 z센서 절반을 위한 표준질량체이다. 빔구조체(601)은 프레임(604)를 포함하는 X센서(698)을 외접시킨다. 빔구조체(601)은 Z가속도에 대응하여 휨변형부(602)에 대해 토션방향으로 피봇된다. 제1부품부(600)의 빔구조체(611)는 Z가속도에 대응하여 빔구조체(611)의 운동을 제한하는 단단한 토션휨변형부(612)의 구조 때문에 쉽게 휘어진다.
X가속도계(698)는 도 2에 도시된 선형 가속도계(202)와 개념상 유사하다. 가속도계(698)는 X가속도에 대응하여 X축방향으로 이동하는 표준질량체를 포함한다. 상기 표준질량체의 운동은 복수의 평행판 커패시터 센서를 사용하여 감지된다. 이러한 센서는 상기 표준질량체의 운동을 감지하기 위하여 전하입력단자 뿐 아니라 캐리어(1,2)를 사용한다.
전극(605)는 Z가속도계 표준질량체(601)에 연결된다. 빔구조체(611)는 표준질량체(601)의 운동을 감지하는 반대되는 전극(615)를 포함한다. 전극(605,615) 사이의 휨변형 차이는 제1부품부(600) 내에 나머지 구조체에 상대적으로 휨변형을 증진하도록 빔구조체(611)에 증가되는 필드산화물의 영역(613) 때문에 발생한다.
유사하게, 제2부품부(650)는 Z가속도계의 나머지 절반과 Y가속도계를 포함한다. 제2부품부(650)에서, 빔구조체(661)는 z센서 절반을 위한 표준질량체이다. 빔구조체(661)는 Y센서(699)를 외접시킨다. 빔구조체(661)은 Z가속도에 대응하여 휨 변형부(662)에 대해 토션방향으로 피봇된다. 제2부품부(650)의 빔구조체(651)는 Z가속도에 대응하여 빔구조체(651)의 운동을 제한하는 단단한 토션휨변형부(652)의 구조 때문에 쉽게 휘어지지 않는다.
Y가속도계(699)는 또한, 도 2에 도시된 선형 가속도계(202)와 개념상 유사하다. 가속도계(699)은 Y가속도에 대응하여 Y축의 방향으로 이동하는 표준질량체를 포함한다. 표준질량체의 운동은 복수의 평행판 커패시터 센서를 사용하여 감지된다. 이러한 센서는 상술한 바와 같이, 상기 표준질량체의 운동을 검지하기 위해 전하입력단자 뿐 아니라 캐리어(1,2)를 사용한다.
전극(665)는 Z가속도계 표준질량체(661)에 연결된다. 빔구조체(651)는 표준질량체(661)의 운동을 감지하는 반대되는 전극(655)를 포함한다. 전극(665,665) 사이의 휨변형 차이는 제2부품부(650) 내에 나머지 구조체에 상대적으로 휨변형을 증진하도록 빔구조체(661)에 증가되는 필드산화물의 영역(663) 때문에 발생한다.
전극(605,615)는 Z방향으로 작용된 상향의 가속도에 따라 증가하는 커패시터(C61)를 형성한다. 전극(665,655)는 작용된 상향의 가속도에 따라 감속하는 커패시터(C62)를 형성한다. C62와 C61 사이의 차를 구하는 것에 의해, 작용된 가속도가 측정될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 커패시터(C61 또는 C62)은 Z가속도계를 형성하는 데 독립적으로 사용될 수 있다. 가속도 내에서 커패시턴스 변화를 변환하기 위해 사용되는 회로 내에 고정 커패시터 레퍼런스를 형성하는 것이 요구되는 전부이다. 상술한 Z센서의 오직 절반으로 가속도계를 구성하는 방법은 가능하나, 고정 커패시터 레퍼런스가 온도 시프트에 대응하여 센서를 따라갈 필요는 없다.
도 10,11,12,16에 기초하여 설명된 Z가속도계 전부에서, 표준질량체의 커패시턴스 검지는 휨변형 차이를 사용하여 수행된다. 미국특허 제6,792,804호에 기술된 바와 같이, 휨변형 차이를 사용하지 않고 Z가속도계 전부를 형성할 수 있다. 그러나, 면외 운동을 검지하는 방법은 온도의 변화 상에서 Z센서의 수행능력을 감소시킬 수 있는 추가적인 금속 루팅(metal routing)과 절연조인트가 요구될 수 있다.
도 17은 토션휨변형부(602)를 상세하게 도시한다. 또한, 제조 균일성의 이유로 에칭부하를 균형시키는데 사용되는 빔(615)가 도시된다.
도 18은 제1부품부(600)의 전극 영역을 상세히 도시한다. 표준질량체(601)과 빔구조체(611)로부터 연장된 복수의 전극(605,615)가 각각 도시된다. 전극(605,615)는 약 100㎛ 길이를 가지며, 약 3㎛로 이격된다. 또한, 지지프레임(624)의 구조가 도시된다.
도 19는 또한, 제1부품부(600)의 토션휨변형부(602)와 단단한 토션휨변형부(612)가 제2부품부(650)의 토션휨변형부(662)와 단단한 토션휨변형부(652)의 각각과 어떻게 유사한지를 나타낸다.
[방법의 일례]
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 미소기전 가속도계를 형성하는 방법을 설명하는 플로우차트(2000)을 도시한다. 플로우차트(2000)는 면외센서가 단일지지구조체에 의해 기판에 상대적으로 지지되도록 제조되는 단계(2010)에서 시작된다. 예들 들면, 단계(2010)에서 사용되는 외면센서는 도 10A 및 11-19에 대해 상술한 외면센서 중 하나와 유사할 수 있다.
단계(2020)에서, 면내센서는 면외센서에 의해 외접된다. 예를 들면, 단계(2020)에서 사용되는 면내센서는 도 2, 도 10A 및 11-19에 대해 상술한 내면센서 중 하나와 유사할 수 있다.
[결론]
본 발명의 다양한 실시예가 상기에 설명되었으나, 이는 단순히 예시적으로 표현것이며, 이에 한정되지 않음을 유념하여야 한다. 첨부되는 청구항에서 정의되는 발명의 사상과 범위로부터 이탈되지 않는 한 형태와 상세한 부분에서의 변화가 관련분야의 전문가에 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 사상과 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의하여 한정되지 않으며, 이하의 청구항 및 이와 동등한 것에 따라서만 한정되어야 한다.
상세한 설명은 청구항을 이해하는 데 사용되어야 하지만, 요약부분은 그러하지 않음을 이해하여야 한다. 요약부는 발명자에 의해 숙고된 본 발명의 예시적인 실시예의 하나 이상을 밝히지만, 전부는 아니며, 그러므로, 어떠한 방법으로도 본 발명과 첨부되는 청구항을 한정하지 않게 된다.
본 발명을 통하여 온도와 패키지에 둔감한 향상된 MEMS 가속도계를 제공할 수 있다.
또한, 향상된 MEMS 가속도계는 가능한한 기판의 영역 중 작은 영역만 차지하도록 형성시켜, 상기 가속도계의 전체 사이즈를 최소화할 수 있다.

Claims (41)

  1. 기판;
    상기 기판의 평면에 평행한 제1축을 따라 가속도를 측정하도록 형성된 제1센서; 및
    상기 기판의 평면에 수직한 축을 따라 가속도를 측정하도록 형성된 제2센서를 포함하고,
    상기 제2센서는 제1빔, 제2빔, 및 단일지지구조체를 포함하며,
    상기 단일지지구조체는 상기 기판에 대해 상기 제1빔 및 제2빔을 지지하고,
    상기 제1빔 및 제2빔은 상기 제1센서를 외접시키는 미소기전 가속도계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1축을 따른 가속도는 상기 제1센서의 전극 중의 차동커패시턴스에 기초하여 측정되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2센서는 상기 제1빔 및 제2빔 사이의 전기적 커플링에 기초하여 상기 기판의 평면에 수직인 축을 따라 상기 가속도를 측정하도록 형성된 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1빔은 상기 제1빔 및 제2빔 사이의 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하여 상기 기판의 평면에 수직인 축을 따라 상기 가속도 에 대응하는 제2빔에 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1빔은 상기 단일지지구조체에 변형가능하게(pliably) 설치되고, 상기 제2빔은 상기 단일지지구조체에 변형불가능하게(rigidly) 설치되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1센서는 상기 제1빔에 의해 지지되어 이동하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2센서는 상기 제2빔에 의해 지지되어 이동하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1빔과 상기 제2빔 사이의 전기적 커플링은 상기 제1빔의 제1복수전극과 상기 제2빔의 제2복수전극 사이의 커패시턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도는 상기 제1복수전극 및 상기 제2복수전극 사이의 커패시턴스의 변화에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1빔의 상기 제1복수전극과 상기 제2빔의 상기 제2복수전극은 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도와 선형적으로 변화하는 오버랩 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  11. 제10항에 있어서, 상기 오버랩 영역은 상기 제1빔의 곡률반경은 상기 제2빔의 곡률변경의 차이에 기인하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1빔은 상기 제1빔의 상부에 배치되는 제1산화물층을 포함한 실리콘코어를 가지는 빔의 상호연결 평면세트를 포함하고, 상기 제2빔은 상기 제2빔의 상부에 배치되는 제2산화물층을 포함한 실리콘코어를 가지는 빔의 상호연결 평면세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  13. 제12항에 있어서, 상기 오버랩 영역은 상기 제1산화층의 두께와 상기 제2산화층의 두께의 차이에 기인하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2센서는 상기 제1빔의 운동범위를 한정하는 너브(nub)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  15. 제1항에 있어서, 상기 단일지지구조체는 상기 기판 상의 트레이스에 상기 제2센서를 전기적으로 연결하는 트레이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  16. 제1항에 있어서, 상기 단일지지구조체는 상기 기판에 대해 상기 제1센서를 더 지지하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  17. 제16항에 있어서, 상기 단일지지구조체는 상기 제1센서와 상기 제2센서를 상기 기판 상의 트레이스에 상기 제2센서를 전기적으로 연결하는 트레이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  18. 제1항에 있어서, 상기 기판의 평면에 평행하고 상기 제1축에 수직인 제2축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된 제3센서; 및
    상기 기판의 평면에 수직한 축을 따라 가속도를 측정하도록 형성된 제4센서를 더 포함하고,
    상기 제4센서는 제3빔, 제4빔, 및 제2단일구조체를 포함하며,
    상기 제2단일구조체는 상기 기판에 대해 상기 제3빔 및 상기 제4빔을 지지하고,
    상기 제3빔과 상기 제4빔은 상기 제3센서를 외접시키는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2축을 따른 가속도는 상기 제3센서의 전극 중의 차 동 커패시턴스에 기초하여 측정되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  20. 제18항에 있어서, 상기 상기 제2센서 및 상기 제4센서가 (ⅰ) 제1빔 및 제2빔 (ⅱ) 제3빔 및 제4빔 사이의 차동 전기커플리에 기초하여 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따라 가속도를 측정하도록 집합적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2빔은 상기 제1빔을 외접시키고, 상기 제2빔은 상기 단일지지구조체에 변형불가능하게 연결되어서, 상기 제2빔의 운동을 제한하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제4빔은 상기 제3빔을 외접시키고, 상기 제3빔은 상기 제2단일지지구조체에 변형불가능하게 연결되어서, 상기 제3빔의 운동을 제한하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  23. 기판;
    제1복수전극을 포함하는 질량체와 상기 제1복수전극에 전기적으로 연결되어 맞물리는 제2복수전극을 포함하는 프레임을 포함하고, 상기 질량체는 상기 제1복수전극 및 제2복수전극 사이의 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하는 상기 기판의 평면에 평행한 제1축을 따른 가속도에 대응하여 상기 프레임에 상대적으로 운동하는 제1센서; 및
    제1빔, 제2빔, 및 단일지지구조체를 포함하고, 상기 단일지지구조체는 상기 기판에 대해 상기 제1빔 및 상기 제2빔을 지지하며, 상기 제1빔은 제3복수전극을 가지며, 상기 제2빔은 상기 제3복수전극에 전기적으로 연결되어 맞물리는 제4복수전극을 가지고, 상기 제1빔은 상기 제3복수전극 및 제4복수전극 사이의 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하는 상기 기판의평면에 수직한 축을 따른 가족도에 대응하여 상기 제2빔에 상대적으로 이동하며, 상기 제1빔 및 상기 제2빔은 상기 제1센서를 외접시키는 제2센서를 포함하는 미소기전 가속도계.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1빔의 곡률반경은 상기 제2빔의 곡률반경과 달라서, 상기 제3복수전극은 상기 제4복수전극으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1빔은 제1산화물층을 포함하고, 상기 제2빔은 제2산화물층을 포함하며, 상기 제1산화물층의 두께는 상기 제2산화물층의 두께와 달라서 상기 제3복수전극은 상기 제4복수전극으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제2센서는 상기 제1빔의 운동범위를 제한하는 너브(nub)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  27. 제23항에 있어서, 상기 단일지지구조체는 상기 제2센서를 상기 기판 상의 트레이스에 전기적으로 연결하는 트레이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  28. 제23항에 있어서, 상기 단일지지구조체는 상기 기판에 대해 상기 제1센서를 더 지지하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  29. 제28항에 있어서, 상기 단일지지구조체는 상기 제1센서와 상기 제2센서를 상기 기판 상의 트레이스에 전기적으로 연결하는 트레이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  30. 제28항에 있어서, 상기 제2센서는 상기 제2빔과 상기 단일지지구조체에 연결되는 커넥터를 더 포함하고, 상기 커넥터는 상기 제2빔의 운동을 제한하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  31. 제23항에 있어서, 제2질량체 및 제2프레임을 포함하고, 상기 제2질량체는 제5복수전극을 가지며, 상기 제2프레임은 제5복수전극과 전기적으로 연결되어 맞물리는 제6복수전극을 가지고, 상기 제2질량체는 상기 제5복수전극 및 상기 제6복수전극 사이의 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하는 상기 기판의 평면에 평 행한 제2축을 따른 가속도에 대응하여 상기 제2프레임에 상대적으로 이동하는 제3센서; 및
    제3빔과 제4빔과 제2단일지지구조체를 포함하고, 상기 제2단위구조체는 상기 제3빔 및 제4빔을 상기 기판에 대해 지지하며, 상기 제3빔은 제7복수전극을 가지고, 상기 제4빔은 상기 제7복수전극과 전긱적으로 연결되어 맞물리는 제8복수전극을 가지며, 상기 제3빔은 상기 제7복수전극과 상기 제8복수전극 사이의 상기 전기적 커플링에서 측정가능한 변화에 기인하는 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도에 대응하여 상기 제4빔에 상대적으로 이동하는 제4센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제2센서와 상기 제4센서는 (ⅰ) 상기 제3복수전극 및 상기 제4복수전극 사이의 전기적 커플링에서 측정가능한 변화와, (ⅱ) 상기 제7복수전극 및 상기 제8복수전극 사이의 전기적 커플리에서 측정가능한 변화 사이의 차를 측정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  33. 제31항에 있어서, 상기 제3복수전극 및 제4복수전극 사이의 전기적 커플링은 제1커패시턴스를 포함하고, 상기 제7복수전극 및 제8복수전극 사이의 전기적 커플링은 제2커패시턴스를 포함하며, 상기 제2센서 및 상기 제4센서는 상기 제1커패시턴스와 상기 제2커패시턴스 사이의 차이를 측정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
  34. 단일지지체에 의해 기판에 대해, 상기 기판의 평면에 수직한 축에 따른 가속도를 측정하도록 형성되고 제1빔 및 제2빔을 포함하는 제1센서를 지지하는 단계; 및
    상기 제1센서의 상기 제1빔 및 제2빔으로 상기 기판의 평면에 평행한 제1축을 따른 가속도를 측정하도록 형성된 제2센서를 외접시키는 단계를 포함하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제1빔과 제2빔의 각각에 포함되는 산소층의 양에 기초하여 상기 제2빔에 대하여 상기 제1빔을 오프셋시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 단일지지구조체에 포함되는 트레이스에 의해 상기 기판 상의 트레이스에 상기 제2센서를 전기적으로 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  37. 제34항에 있어서, 상기 단일지지구조체에 의해 상기 기판에 대해 상기 제1센서를 지지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 지지구조체의 트레이스에 의해 상기 기판 상의 트레이스에 상기 제1센서 및 상기 제2센서를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  39. 제37항에 있어서, 상기 제2빔 및 상기 단일지지구조체에 커넥터를 연결하여 상기 제2빔의 운동을 제한하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  40. 제34항에 있어서, 상기 제2단일지지구조체에 의해 상기 기판에 대해, 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도를 측정하도록 형성되고 제3빔 및 제4빔을 포함하는 제3센서를 지지하는 단계; 및
    상기 제3센서의 상기 제3빔 및 제4빔으로, 상기 기판의 평면에 평행하고 상기 기판의 평면에 평행한 상기 제1축에 수직한 제2축을 따른 가속도를 측정하도록 형성되는 제4센서를 외접시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계의 형성방법.
  41. 제40항에 있어서, (ⅰ) 상기 제1빔 및 제2빔과, (ⅱ) 상기 제3빔 및 제4빔 사이의 차동 전기적 커플링에 기초하여 상기 기판의 평면에 수직한 축을 따른 가속도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기전 가속도계.
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