KR20100130561A - 통합된 마이크로 전기기계 시스템（ｍｅｍｓ） 센서 디바이스 - Google Patents

통합된 마이크로 전기기계 시스템（ｍｅｍｓ） 센서 디바이스 Download PDF

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Abstract

통합 센서 디바이스가 제공된다. 통합 센서 디바이스는 표면부를 포함하는 제1 기판과, 적층된 구성으로 제1 기판의 표면부에 연결된 제2 기판을 포함하고, 캐비티는 제1 기판과 제2 기판 사이에서 정의된다. 또한, 통합 센서 디바이스는 제1 기판에 적어도 부분적으로 배치된 하나 이상의 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 센서를 포함하며, MEMS 센서는 캐비티와 연통한다. 통합 센서 디바이스는 하나 이상의 추가 센서를 더 포함한다.

Description

통합된 마이크로 전기기계 시스템（ＭＥＭＳ） 센서 디바이스{INTEGRATED MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS (MEMS) SENSOR DEVICE}
본 발명은, MEMS 센서와 자기 센서와 같은 적어도 하나의 추가 센서를 포함하는 통합된 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 센서 디바이스에 관한 것이다.
개인용 네비게이션 디바이스(PND, personal navigation device) 및 스마트폰과 같은 휴대용 디바이스는 일반적으로 여러 형태의 네비게이션 및 지도 방향 애플리케이션을 가진다. 이러한 휴대용 디바이스는 디바이스가 레벨을 유지하고 있지 않을 때에도 동작하는 자기 나침반을 종종 이용하며, 이는 자기 센서와 통합된 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 가속도계 또는 자이로스코프를 필요로 한다. 전형적인 휴대용 디바이스는 개별 MEMS 가속도계 또는 자이로스코프 센서뿐만 아니라 자기 나침반 센서를 포함한다. 그러나, 휴대용 디바이스에서 2개의 별도 센서 디바이스로서 이러한 센서를 포함하는 것은 넓은 인쇄 회로 보드(PCB) 공간을 차지한다. 휴대용 네비게이션 디바이스가 비용 및 크기에 매우 민감하기 때문에, 나침반 하드웨어의 비용 또는 인쇄 회로 보드(PCB) 공간을 줄이는 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는 통합 센서 디바이스를 제공한다. 통합 센서 디바이스는 표면부를 포함하는 제1 기판과, 적층된 구성으로 제1 기판의 표면부에 연결된 제2 기판을 포함하고, 캐비티는 제1 기판과 제2 기판 사이에서 정의된다. 또한, 통합 센서 디바이스는 제1 기판에 적어도 부분적으로 배치된 하나 이상의 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 센서를 포함하며, MEMS 센서는 캐비티와 연통한다. 통합 센서 디바이스는 하나 이상의 추가 센서를 더 포함한다.
본 발명의 특징은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 도면을 참조한 아래의 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 단지 본 발명의 일반적인 실시예를 나타내는 것이며 이에 따라 범위를 제한하려는 것으로 고려되지 않는다는 것을 이해하여야 하며, 본 발명은 다음의 첨부된 도면의 이용을 통해 추가의 특이성 및 상세와 함께 설명될 것이다:
도 1은 통합된 MEMS 및 자기 센서를 포함하는 개인용 네비게이션 디바이스(PND)의 일 실시예이다;
도 2a 내지 2c는 적층된 MEMS 센서 디바이스의 다른 실시예에 대한 단면도이다;
도 2d는 도 2a의 적층된 MEMS 센서 디바이스의 상면도이다; 그리고,
도 3은 통합 MEMS 센서 디바이스를 형성하는 방법에 대한 일 실시예의 플로우 차트이다.
다음의 상세한 설명에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있을 정도로 실시예들이 충분히 설명된다. 다른 실시예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 이용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 따라서, 다음의 상세한 설명은 한정하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
이하에서 설명된 실시예는 MEMS 센서와, 자기 센서와 같은 적어도 하나의 추가 센서를 포함하는 통합된 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 센서 디바이스에 관한 것이다. 일반적으로, MEMS센서는 가속도계가 기능을 하는데 필요한 캐비티를 형성하기 위하여 기판으로 캐핑되어(capped) 있으며, 플라스틱 몰딩 패키지 내에서 둘러싸인다. MEMS 기판과 캡(cap) 기판의 일부는 종종 사용되지 않고 남겨진다. 본 발명의 일 실시예에서, MEMS 센서와 자기 센서는 단일 적층 구성으로 통합된다. 일 실시예에서, MEMS 센서의 캡의 전기적으로 사용되지 않은(블랭크, blank) 반도체 영역은 통합 센서 디바이스를 형성하기 위한 적층 구성에서 하나 이상의 추가 센서를 호스팅하는데 사용된다.
본 통합 MEMS 센서 디바이스는 디바이스에서 사용되는 반도체 기판 재료의 양을 감소시키고 동시에 패키지된 디바이스의 PCB 공간을 감소시키는 미니어쳐 센서 디바이스이다. 가속도계(여기에서 경사 센서(tilt sensor)라고도 함) 또는 자이로스코프와, 자기 센서를 공통의 반도체 디바이스로 통합하는 것은, 센서가 개별 반도체 칩에서 형성되는 경우와 비교하여, 센서에 의해 차지되는 크기를 감소킨다. 예를 들어, 자기 센서 다이(die)와 경사 센서 다이는 패키지 크기를 줄이기 위하여 함께 적층될 수 있으며, 이에 의해 패키지 공간을 줄인다. 이미 활용가능한 기판 영역이 본 실시예에서 더욱 완전히 사용되기 때문에, 제조비가 더 낮아질 것이다.
도 1은 통합된 MEMS 및 자기 센서(130)를 포함하는 개인용 네비게이션 디바이스(PND)(100)의 일 실시예이다. PND(100)는 휴대용 네비게이션 디바이스, 스마트폰, 또는 네비게이션 및 방향 정보를 필요로 하는 애플리케이션에서 사용자를 돕도록 구성된 임의의 유사한 휴대용 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 사용자는 직업적인 1차 응답자 또는 공공의 일원일 수 있다. PND(100)는 네비게이션 및 방향 루틴 모듈(120)을 실행하도록 구성된 프로세서(110)를 포함한다. 디스플레이(140)는 사용자에게 네비게이션 정보를 제공하고, 액정 디스플레이(LCD), 디지털 디스플레이, 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 디스플레이될 수 있는 네비게이션 정보는 위치 정보, 방향 정보, 지도, 나침반 방향, 미리 정의된 경로, 또는 네비게이션에서 유용한 임의의 다른 정보를 포함한다.
방향 정보는 PND(100)의 현재 방향에 관한 정보이며, 통합된 MEMS 및 자기 센서(130)(여기에서, 통합 MEMS 센서라고도 함)를 이용하여 결정될 수 있다. 통합된 MEMS 및 자기 센서(130)는 가속도, 회전 및 방향 데이터(즉, 나침반 방향에 관한)에 관한 정보를 프로세서(110)에 공급한다. PND(100)는 하나의 단일 통합 MEMS센서(130)에서 가속도 및 자이로스코프 데이터를 위하여 3개의 감지축을 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, PND(100)는 가속도 또는 자이로스크프 데이터의 서로 다른 축에 하나씩 복수의 통합 MEMS 센서(130)를 포함한다. PND(100)의 부품들은 적합한 인터페이스 및 상호연결부를 이용하여 필요에 따라 서로 통신가능하게 연결된다.
도 2a 내지 2c는 적층된 센서 장치(200, 200', 200'')의 다른 실시예를 도시한다. 통합 MEMS 센서 디바이스(200, 200', 200'')는 표면부(212)를 포함하는 제1 기판(210)을 포함한다. 제1 기판(210)은 적어도 하나의 MEMS 센서(220)를 수용한다. 제2 기판(240)은 제1 기판(210)의 표면부(212)에 연결된다. 일부 실시예에서, MEMS 센서(220) 부분은 제2 기판(240)에 배치된다. 센서 디바이스(200, 200' 및 200'')는 자기 센서와 같은 적어도 하나의 추가 센서(250)를 포함한다.
제1 및 제2 기판(210, 240)은 실리콘, 유리, 수정(quartz) 또는 이와 유사한 것과 같이 다양한 재료로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 제2 기판(240)은 MEMS 센서(220)를 덮는데 사용하는 캡이다. 캡은 유리 프리츠(fritz) 본딩, 접합(gluing) 또는 용접(welding)과 같은 공지의 본딩 공정을 이용하여 기판(210)의 표면부(212)에 밀봉식으로 부착될 수 있다.
MEMS 센서(220)는 흐름 센서, 가스 검출기 또는 기판(210)이나 캡(240)의 적어도 하나에서 전기적으로 사용되지 않는 부분을 갖는 MEMS 기술에 적합한 임의의 다른 센서뿐만 아니라, 하나 이상의 가속도계, 자이로스코프 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 3개의 가속도계 축은 단일 센서 디바이스(200)에서 채용될 수 있다. 유사하게, 2개의 자이로스코프 축이 단일 센서 디바이스(200)에서 채용될 수 있다. 일 실시예에서, MEMS 센서(220)는 경사 센서 다이를 포함한다.
통합 센서 장치(200, 200', 200'')는 제1 기판(210)과 제2 기판(240) 사이에 형성된 캐비티(230)를 더 포함한다. 제2 기판(240)은 MEMS 센서(220)를 외부 환경으로부터 보호하고 캐비티(230)를 밀봉하는 캡 역할을 한다. MEMS 센서(220)는 캐비티(230)와 연통한다. 도 2a 내지 2c에 도시된 바와 같이, 캐비티(230)는 기판(210)의 표면부(212)를 통해 형성된다. 그러나, 다른 실시예에서, 캐비티(230)는 제2 기판(240)의 하부(242)에 형성된다. 캐비티(230)는 진공 또는 불활성 기체 중 어느 하나를 유지하도록 밀봉될 수 있다. 캐비티(230)는 MEMS 센서(220)의 움직임에 자유를 제공하는데 사용되며, 진동 및 회전과 같은 움직임을 가능하게 한다.
제2 기판(240)(즉, 캡)은 하부(242)와 상부(244)를 포함한다. MEMS 디바이스에서, 캡(및 제1 기판(210)의 부분들)은 일반적으로 상부(244)에 전기적으로 사용되지 않는(즉, 블랭크) 부분을 포함한다. 기판의 블랭크 부분은 MEMS 센서(220)에 의해 전기적으로 이용되지 않는 임의의 부분이다. 도 2a는 하나 이상의 센서(250)가 제2 기판(240)에 배치된 실시예를 도시한다. 센서 디바이스(200)의 본 실시예는 상부(244)의 전기적으로 사용되지 않는 모든 부분 또는 일부 부분이 하나 이상의 센서(250)를 호스팅하는 것을 제공한다. 센서(250)는 자기 센서, 압력 센서, 온도 센서 또는 임의의 종류의 적합한 전기 회로를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 캡은 능동 MEMS 센서 요소를 포함하거나 또는 전체 통합 MEMS 센서 디바이스(200)의 일부를 형성한다. 도 2d는 도 2a의 적층된 MEMS 센서 디바이스(200)의 상면도이며, 제2 기판(240)의 상부(244)에서 하나 이상의 추가 센서(250)를 도시한다.
도 2b의 실시예에서 도시된 바와 같이, 하나 이상의 추가 센서(250)는 MEMS 센서 디바이스(200')의 제1 기판(210)의 전기적으로 사용되지 않는 부분에 배치된다. 도 2c의 실시예에서 도시된 바와 같이, 하나 이상의 센서(250)는 MEMS 센서 디바이스(200'')의 제1 기판(210)과 제2 기판(240)의 전기적으로 사용되지 않는 부분에 배치된다.
도 2a 내지 2d의 실시예에서, MEMS 센서(220)와 센서(250)는 전기적으로 분리된다. 다른 실시예에서, MEMS 센서(220)와 센서(250)는 전기적으로 분리되지 않는다. 각 센서로부터의 리드는 해당하는 기판으로부터 연장할 수 있다. 또한, 센서 디바이스(200, 200', 2000'')의 실시예는 센서(220, 250)으로부터의 출력이 (예를 들어, 와이어 또는 리드를 통해) 다른 디바이스에 연결될 수 있게 하는 금속 또는 기판 프레임(미도시)을 포함한다. 또한, 센서 디바이스(200, 200', 200'')는 (PND(100)에서와 같이) 다음 레벨의 디바이스로의 어셈블리를 위한 패키징(플라스틱 몰딩 패키지와 같은)을 포함한다. 패키징은 센서 디바이스(200, 200', 200'')를 다루기 더 용이하고 더 강력하게 한다.
도 3은 센서를 MESM 디바이스와 통합하는 방법(300)에 대한 일 실시예의 플로우 차트이다. MEMS 센서의 적어도 일부는 제1 기판(310) 내에 형성된다. MEMS 센서가 제1 기판 내에 전부 형성되지 않는다면, 나머지는 제2 기판 내에 형성된다. MEMS 능동 웨이퍼를 제조하는 하나의 예시적인 방법은 미크라젬(Micragem) 표준이다. 미크라젬 표준은, 먼저, 유리 웨이퍼 내에 캐비티를 에칭하는 단계를 포함한다. 그 다음, 전극, 라인 및 본드 패드가 패터닝된다. SOI(silicon on insulator) 핸들(handle) 웨이퍼는 유리 웨이퍼에 아노드식으로 본딩된다. 실리콘 웨이퍼(silicon handle wafer)와 매립된 산화층은 에칭된다. 다음으로, 저스트레스성 금속이 증착된다. 리소그라피 패턴 및 DRIE(deep reactive ion etch)가 실리콘 마이크로 구조를 릴리즈하도록 수행된다. MEMS 센서 요소가 형성된다. 그러나, 미크라젬 표준은 단지 하나의 예시적인 방법이며, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 MEMS 센서를 형성하는 다른 적합한 방법이 고려된다.
MEMS 센서가 형성되면(310), 하나 이상의 센서 또는 전기 회로가 형성된다. 이러한 추가 센서는 제1 기판, 제2 기판(예를 들어, MEMS 캡 웨이퍼) 또는 그 조합의 블랭크 부분 상에 또는 그 내에 제조된다(320). 센서를 캡 웨이퍼 상으로 제조하는 방법은 제조되는 특정 센서에 의존할 것이다. 나침반 데이터를 제공하기 위하여 자기 센서를 제공하는 예시적인 공정에 대하여는, 본 명세서에 참조로서 편입되는 "자기저항 센서 제조 방법(Method of Fabricating a Magnetoresistive Sensor)"의 발명의 명칭을 갖는 미국 등록특허 No. 5,820,924를 참조하라.
모든 센서가 제조되면, 제2 기판(캡 웨이퍼)은 종래의 기계적 공정을 이용하여 본딩된다(330). 이것은 통합된 MEMS 및 센서 적층을 생성하며, 이는 다음으로 미니어쳐 센서 디바이스(340)를 생산하도록 패키징된다.
일 실시예에서, 단일 디바이스 패키지는 통합된 자기 및 경사 센서를 포함한다. 경사 센서 다이의 전기적으로 사용되지 않는 실리콘 표면은 자기 센서 다이로서 사용된다. 자기 센서 다이 및 경사 센서 다이는 패키지 크기를 줄이고 이에 의해 디바이스의 공간을 줄이도록 서로 적층된다. 실리콘 영역이 재사용되기 때문에, 비용 및 공간 모두가 감소될 것이다. 이러한 결합된 경사 센서와 자기 센서는 PND에서 위치 및 방향 데이터를 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 본질적인 특성을 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 특정 실시예에서 설명된 양태 및 한정은 다른 실시예와 결합가능하다. 설명된 실시예들은 모든 관점에서 단지 예시적인 것으로서 고려되어야만 하며, 한정적인 것으로 고려되어서는 안된다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해서 나타내어진다. 특허청구범위의 균등물의 의미 및 범위 내에서 이루어지는 모든 변경은 그 범위 내에 포함되어야만 한다.
100: PND
110: 프로세서
120: 네비게이션 및 방향 루틴 모듈
130: 통합된 MEMS 및 자기 센서
140: 디스플레이
200: 통합 센서 디바이스
210: 제1 기판
212: 표면부
220: MEMS 센서
230: 캐비티
240: 제2 기판
242: 상부
244: 하부
250: 추가 센서

Claims (3)

  1. 표면부(212)를 포함하는 제1 기판(210);
    적층된 구성으로 상기 제1 기판의 상기 표면부에 연결된 제2 기판(240) - 캐비티(230)는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에서 정의됨 -;
    상기 제1 기판에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 캐비티와 연통하는 하나 이상의 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 센서(220); 및
    하나 이상의 추가 센서(250)
    를 포함하는,
    통합 센서 디바이스(200).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 MEMS 센서는 가속도계, 자이로스코프, 흐름 센서, 가스 검출기 또는 그 조합을 포함하고,
    상기 하나 이상의 추가 센서는 자기 센서, 압력 센서 또는 그 조합을 포함하는,
    통합 센서 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 MEMS 센서는 가속도 데이터를 제공하도록 구성되고,
    상기 하나 이상의 추가 센서는 방향 데이터를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 자기 센서인,
    통합 센서 디바이스.
KR1020100052106A 2009-06-03 2010-06-03 통합된 마이크로 전기기계 시스템（ｍｅｍｓ） 센서 디바이스 KR20100130561A (ko)

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