KR20140016898A - 선형 특성을 나타내는 미소 전자 기계 시스템 장치 - Google Patents

선형 특성을 나타내는 미소 전자 기계 시스템 장치 Download PDF

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KR20140016898A
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Abstract

미소 전자 기계 시스템 장치는, 커플러를 포함하는 센서 요소를 갖는 제1 서브어셈블리와, 콤브 드라이브를 포함하는 제2 서브어셈블리를 갖는다. 콤브 드라이브는, 스테이터 플레이트, 로터 플레이트, 및 로터 플레이트를 스테이터 플레이트에 관련하여 변위시켜 로터 플레이트의 변위에 좌우되는 가변 커패시턴스를 제공하도록 구성된 커플러를 갖는다.

Description

선형 특성을 나타내는 미소 전자 기계 시스템 장치{MEMS DEVICES EXHIBITING LINEAR CHARACTERISTICS}
본 발명은 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 센서의 분야에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 2012년 2월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/371,024호 및 2011년 2월 11일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/441,760호를 우선권으로 주장하며, 상기 특허 출원은 그 개시 내용의 전체가 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 흔히 MEMS로 지칭되는 미세 전자 기계 시스템을 이용한 압력 및 기타 물리적 변수의 용량성 나노스케일 측정의 정밀도를 향상시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 정전 변위 바이어싱, 열적 변위 바이어싱, 또는 물리적 변위 바이어싱의 인가에 의해 추가로 변화될 수 있는 이러한 장치의 선형 성능 특성을 제공하는 특징부를 개발하는데 특별히 초점이 맞추어져 있다. 본 발명의 또 다른 초점은 요구된 특징을 갖는 MEMS 장치의 제조를 간략화하도록 설계되는 신규의 구조적 부품을 개발하는 것에 있다.
압력 및 기타 물리적 변수의 측정을 위한 MEMS 장치의 사용이 예컨대 미국 특허 제7,721,587호 및 이 특허에서 인용하고 있는 종래 기술의 문헌에 개시되어 있다. 미세 전자 기계 및 나노 전자 기계 시스템(M/NEMS)의 영역에서는 기계적 성능이 기하학적 특성 및 재료 특성에 크게 좌우되는 것으로 연구자들에게 널리 알려져 있다. 제조된 특성은 예측이 곤란하고 측정이 어렵다. 예측과 관련된 문제점은, 임의의 제조 레시피가 주어지면, 그 레시피로부터 비롯되는 장치의 기하학적 특성 및 재료 특성이 제조 설비 간에, 제조 과정(fabrication runs) 간에, 및 심지어는 소정의 웨이퍼 자체에 걸쳐 변화될 것이라는 점이다. 다수의 측정 방법과 관련된 문제점은 측정되고 있는 특성과 동일한 정도(order)의 불확정성을 야기하는 경우가 많다는 점이다.
재료 특성에 관해서는, 소정의 변위(displacement)에 대해, 후크의 법칙(Hooke's law)에 의해 MEMS에서의 힘을 결정하기 위해 영의 계수(Young's modulus)가 이용되는 경우가 많다. 제조된 MEMS 장치의 영의 계수는 알려져 있지 않은 경우가 많다. 본 발명의 분야에서의 대부분이 영의 계수를 결정하기 위해 탐색표를 사용하기는 하지만, 이러한 값은 보편적으로는 10 퍼센트 또는 그 이상으로 변화되는 측정치의 평균이다. 현재 영의 계수를 측정하기 위한 표준이 없기 때문에, 이러한 측정치의 실제 정확도가 알려져 있지 않다. 제조에 있어서의 표준 오버에치 오차(standard overetch error)가 시스템 스티프니스(system stiffness)를 98% 정도로 높게 증가시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 영의 계수에 불확정성을 포함시키는 것은 스티프니스에서의 상대 오차를 188%로 증가시킨다. 그러므로, 측정하고자 하는 변수에 관련하여 MEMS 장치의 움직임의 교정 및 스케일링을 간략화하기 위해 신뢰 가능하게 교정되고 선형 경사(linear slope)로 작동할 수 있는 MEMS 측정 장치에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 실시예는 스테이터(stator) 및 로터(rotor)를 포함하는 미세제조된 가변 커패시터(microfabricated variable capacitor)를 포함한다. 상기 스테이터는 각각 서로 떨어져 이격된 복수의 전기 도전성 플레이트를 포함하고, 인접한 상기 플레이트의 각각의 쌍이 그 사이에 채널을 형성한다. 각각의 상기 플레이트가 제1 공통 전기 소통에 있게 된다. 상기 로터는, 중앙 허브, 상기 허브의 양쪽 측면으로부터 캔틸레버(cantilever) 방식으로 연장하는 제1 및 제2 아암(arm)을 포함한다. 상기 제1 아암에는 전기 도전성의 복수의 제1 블레이드가 연결되고, 상기 제2 아암에는 전기 도전성의 복수의 제2 블레이드가 연결된다. 상기 복수의 제1 블레이드 및 상기 복수의 제2 블레이드의 각각이 제2 공통 전기 소통에 있게 된다. 상기 허브는 제1 및 제2 스프링에 의해 상기 스테이터로부터 서스펜딩되어, 각각의 상기 블레이드가 대응 채널 내에 수용되고, 각각의 상기 블레이드의 일부분이 인접한 상기 플레이트와 상호작용하여 전기 전하를 저장하게 되며, 상기 제1 전기 소통과 상기 제2 전기 소통 사이의 커패시턴스는 상기 제1 및 제2 스프링이 상기 로터를 상기 스테이터에 관하여 상이한 위치로 바이어스함에 따라 변화된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 스테이터, 로터 및 서스펜션 시스템을 포함하는 미세제조된 가변 커패시터를 포함한다. 상기 스테이터는 폭을 가지며, 각각 서로 떨어져 이격된 복수의 전기 도전성 플레이트를 포함하며, 각각의 상기 플레이트가 상단부, 바닥부 및 이들 사이의 중간부를 갖는다. 인접한 상기 플레이트가 대향하고 있는 상기 중간부들 사이에 채널을 형성하며, 각각의 상기 플레이트가 제1 공통 전기 소통에 있게 된다. 상기 로터는 길이를 가지며, 복수의 전기 도전성 블레이드를 포함하며, 각각의 상기 블레이드가 상단부, 바닥부 및 이들 사이의 중간부를 갖는다. 상기 로터는, 각각의 상기 블레이드가 대응 채널 내에 수용되고, 각각의 상기 블레이드의 중간부가 인접한 상기 플레이트의 영역과 중첩하는 영역을 포함하도록, 상기 스테이터에 관하여 서스펜딩된다. 각각의 상기 블레이드가 제2 공통 전기 소통에 있게 된다. 상기 서스펜션 시스템은 상기 로터를 상기 스테이터에 관하여 플렉서블하게 결합한다. 상기 서스펜션 시스템은 상기 폭을 가로지르는 중간 부근의 위치에서 상기 스테이터에 플렉서블하게 결합하며, 상기 길이를 따라 중간 부근의 위치에서 상기 로터에 플렉서블하게 결합한다. 상기 제1 전기 소통과 상기 제2 전기 소통 간의 커패시턴스가 상이한 중첩 영역에 대응하여 변화된다.
본 발명의 다른 실시예는 미세 전자 기계 시스템 센서를 포함한다. 상기 미세 전자 기계 시스템 센서는 콤브 드라이브(comb drive) 및 상기 콤브 드라이브에 인접하여 서스펜딩된 멤브레인을 포함한다. 상기 콤브 드라이브는, 각각 서로 떨어져 이격된 복수의 스테이터 플레이트를 갖는 스테이터부와, 서로 떨어져 이격된 복수의 로터 플레이트를 포함하는 로터부를 포함한다. 상기 로터부는 상기 스테이터부로부터 탄성적으로 서스펜딩되며, 상기 복수의 스테이터 플레이트 및 상기 복수의 로터 플레이트는 상기 스테이터부에 대한 상기 로터부의 위치에 따라 변화되는 커패시턴스를 갖는 커패시터를 형성한다. 상기 콤브 드라이브에 근접하여 서스펜딩되는 상기 멤브레인은, 상기 콤브 드라이브의 상기 로터부와 물리적 접촉하는 스터브(stub)를 가지며, 상기 스터브가 상기 로터부를 제1 콤브 드라이브 커패시턴스를 갖는 제1 위치로 바이어스하며, 상기 멤브레인의 이동은 상기 스터브가 상기 로터부를 제2 콤브 커패시턴스를 갖는 제2 위치로 바이어스하게 한다.
본 발명의 상기한 장점 및 기타 장점과 특징들을 더욱 명확하게 하기 위하여, 본 발명의 구체적인 실시예가 첨부 도면에 예시되어 있다. 이들 도면은 대표적인 실시예를 예시하는 것에 불과하며, 본 발명을 제한하려는 것으로 간주되지 않는다. 첨부 도면을 이용하여 하나 이상의 실시예를 추가의 구체성과 세부구성으로 설명한다.
도 1은 MEMS 장치의 실시예를 형성하기 위해 설계된 2개의 서브어셈블리의 상면의 개략 직교도이다.
도 2는 도 1에 도시된 2개의 서브어셈블리의 하면의 개략 직교도이다.
도 3a는 떨어져 이격된 도 1에 도시된 2개의 서브어셈블리의 개략 단면도이다.
도 3b는 콤브 드라이브의 하나의 요소의 물리적 변위를 야기하는 함께 조립된 도 1에 도시된 2개의 서브어셈블리의 개략 단면도이다.
도 4는 대상으로 하는 영역을 보여주고 있는 콤브 드라이브 서브어셈블리의 개략 직교 단면도이다.
도 5는 콤브 드라이브의 요소의 상대적인 변위에 관련하여 콤브 드라이브의 커패시턴스를 보여주는 그래프이다.
도 6은 트렌치 및 딤플 정렬 특징부를 포함하는 MEMS 장치의 개략 직교도이다.
도 7a는 도 3a와 유사한 도 6에 도시된 장치의 개략 단면도이다.
도 7b는 도 3b와 유사한 도 6에 도시된 장치의 개략 단면도이다.
도 8은 도 1와 유사한 도면으로, MEMS 장치의 또 다른 실시예를 형성하기 위해 설계된 2개의 서브어셈블리의 상면의 개략 직교도이다.
도 9는 도 2와 유사한 도면으로, 도 8에 도시된 2개의 서브어셈블리의 하면의 개략 직교도이다.
도 10은 제2 실시예의 MEMS 장치에 포함된 원형의 콤브 드라이브의 평면도이다.
도 11은 MEMS 멤브레인을 대면하고 있는 가스 압력 포트를 규정하는 패키징에 포함된 MEMS 장치의 개략 단면도이다.
도 12는 가스 압력에 관련하여 MEMS 장치의 성능을 평가하기 위한 실험용 어셈블리를 도시하는 도면이다.
도 13은 전자 미세 계측 방법을 이용하여 자체 교정되는 열 센서를 도시하는 도면이다.
도 14는 전자 미세 계측 방법을 이용하여 자체 교정되는 Chevron 열 액추에이터를 포함하는 또 다른 열 센서를 도시하는 도면이다.
이들 도면은 반드시 실척으로 그려질 필요는 없다.
2개의 서브어셈블리(12, 14)를 포함하는 MEMS 센서 장치(10)가 도 1에 분해도로 도시되어 있다. 상부 또는 멤브레인(membrane) 서브어셈블리(12)는 약 2 ㎛ 두께를 가질 수 있는 SiO2 멤브레인(16)을 포함한다. 훨씬 더 두꺼운 상부 핸들층(18)이 SiO2 멤브레인(16)의 둘레를 둘러싼다. 상부 핸들층(18)은 단결정 실리콘(SCS)으로 형성될 수 있으며, 수직 치수에 있어서 약 400 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 하부 또는 콤브 드라이브(comb drive) 서브어셈블리(14)는 하부 핸들층(20)을 포함하며, 이 하부 핸들층 또한 SCS로 형성되고 상부 핸들층(18)과 유사한 치수로 될 수 있다. 도전성 SCS 층(22)의 외측 둘레는 하부 핸들층(20) 상에 지지된다. 도전성 SCS 층(22)은 콤브 드라이브(24)를 형성하기 위해 종래의 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 기술에 의해 제조되거나 에칭된다. 콤브 드라이브(24)는 스테이터 플레이트를 갖는 스테이터와 로터 플레이트를 갖는 로터로 구성된다(도 4를 참조). MEMS 센서 장치(10)의 하부 도면을 도시하고 있는 도 2는 멤브레인(16)의 중앙 지점에 위치되고 콤브 드라이브(24)를 향해 연장하고 있는 스터브(stub)(26)를 보여주고 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 실시예의 서브어셈블리(12, 14)의 단면도이다. 도 3a는 서로 떨어져 있는 2개의 서브어셈블리(12, 14)를 도시하고 있는 한편, 도 3b는 서로 연결된 2개의 서브어셈블리(12, 14)를 도시하고 있다. 2개의 서브어셈블리(12, 14)의 결합의 효과는 도 3a와 도 3b를 비교함으로써 알 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서는, 스테이터 플레이트에 평행한 로터 플레이트를 통과하여 단면이 얻어진다. 도 3a에서, 콤브 드라이브(24)의 스테이터부(28)는 콤브 드라이브(24)를 지지하는 하부 핸들층(20)의 영역에서 가시적이 되는 한편, 콤브 드라이브(24)의 이동 가능한 로터부(30)는 핸들층(20)에 의해 제공된 하부 개구부 위에서 가시적이 된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 2개의 서브어셈블리(12, 14)가 연결될 때, 멤브레인(16) 상의 스터브(26)는 콤브 드라이브(24)의 이동 가능한 로터부(30)와 접촉하여, 스테이터부(28)에 관한 로터부(30)의 하방 변위를 초래한다. 2개의 서브어셈블리(12, 14)가 2개의 서브어셈블리의 둘레 주변의 SiO2 접합에 의해 함께 유지된다. 연결될 때에, 로터부(30)의 일부분을 지지하는 플렉셔(flexure)(도시하지 않음)에 의해 제공되는 변위에 대한 저항은 스터브(26) 및 지지 멤브레인(16)에 의해 제공되는 하방향 힘을 적어도 부분적으로 오프셋할 수 있어서, 지지 멤브레인(16)이 도시된 바와 같이 위쪽으로 활처럼 휘어지게 될 수 있다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 의해 제공된 단면도를 스테이터부(28)와 로터부(30) 둘 모두를 통해 직각으로 절취한 콤브 드라이브 서브어셈블리(14)의 개략적인 직교 단면도이다. 2개의 서브어셈블리(12, 14)의 조립 시에, 로터부(30)는 스테이터부(28)에 관하여 아래쪽으로 변위된다. 스테이터부(28)에 관련한 로터부(30)의 그 이상의 변위는 가스 압력 또는 기타 힘으로 인해 멤브레인(16)의 변위의 결과로서 발생할 수 있다. 멤브레인(16)의 변위로부터 비롯될 수 있는 로터부(30)의 변위는 도 5에 도시된 그래프 상의 3개의 이미지에 도시된 간격의 범위를 커버할 수 있다. 로터부(30) 및 스테이터부(28)가 서로에 관하여 변위될 때, 이들은 도 5의 이미지 B에 도시된 것과 같이 더 많거나 더 적게 보이게 된다. 로터부(30) 및 스테이터부(28)가 서로에 대해 전체적으로 변위될 때, 이들은 도 5의 이미지 C에 도시된 바와 같이 상대적인 위치를 달성할 수 있다. 도 5에서의 그래프는 상대 변위의 다양한 위치에서 콤브 드라이브(24)를 형성하는 병렬 플레이트의, 피코패럿의 단위로 측정된, 커패시턴스를 보여준다. 가장 큰 커패시턴스는, 물론, 콤브 드라이브(24)의 병렬 플레이트가 이미지 A에서와 같이 서로에 대해 이들의 최대 대향 영역(confronting area)을 가질 때에 나타나게 되는 한편, 최소 커패시턴스는 콤브 드라이브(24)의 병렬 플레이트가 이미지 C에서 서로에 대해 최소의 대향 영역을 가질 때에 나타나게 된다. 상당한 범위의 상대 변위에 걸쳐, 커패시턴스의 변화가 어느 정도의 상대 변위에 선형으로 관련된다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 본 발명의 MEMS 센서 장치(10)는 스테이터부(28)에 관련한 로터부(30)의 초기 변위를 야기하기 위한 치수로 된 멤브레인(16) 상의 스터브(26)를 이용한다. 이 치수는 콤브 드라이브의 2개의 부분의 어떠한 추가의 상대 변위가 커패시턴스/변위 곡선의 선형 부분에 있도록 선택된다.
도 6은 도 1 내지 도 4에 도시된 장치(10)와 유사한 특징을 갖고 장치(110)의 정확한 조립을 보장하는 정렬 특징부를 포함하는 MEMS 장치(110)의 직교 도면이다. 도 6에 도시된 MEMS 장치(110)는 멤브레인(116)을 갖는 멤브레인 서브어셈블리(112)를 포함하며, 스터브(126)가 훨씬 더 두꺼운 상부 핸들층(118)에 의해 둘러싸인 멤브레인(116)의 하면 상의 중앙에 위치된다. 콤브 드라이브 서브어셈블리(114)는 도 1 내지 도 4에 도시된 것과 동일한 일반적인 방식으로 하부 핸들층(120)을 포함한다. 2개의 서브어셈블리(112, 114)의 둘레부는 2개의 서브어셈블리(112, 114)를 서로 물리적으로 고정하기 위한 본딩 영역(21)을 제공한다. 정렬 특징부는 서브어셈블리(112, 114)의 하나의 서브어셈블리의 둘레 본딩 영역에 제공된 적어도 하나의 트렌치(trench) 또는 디치(ditch)(132)를 포함한다. 서브어셈블리(112, 114)의 다른 하나의 서브어셈블리의 둘레 본딩 영역에는 대응하는 딤플(dimple) 또는 포스트 특징부(134)가 제공된다. 트렌치(132) 및 딤플(134)은 각각 2개의 서브어셈블리(112, 114) 간의 고유한 정렬 관계를 제공하기 위해 형태 특성(shape characteristic)을 포함할 수 있다. 추가로, 트렌치(132) 및 딤플(134)의 수직 치수는 촉각성 감지 입력(tactile sensory input)을 어셈블러에게 제공하여 2개의 서브어셈블리(112, 114)의 정확한 상대적 정렬을 보장하기에 충분하도록 될 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 도 3a 및 도 3b와 유사한 개략 단면도이며, 각각 조립 동안의 도 6에 도시된 MEMS 장치(110)를 도시하고 있다.
도 8 내지 도 10에 도시된 MEMS 장치(810)의 다른 실시예는 멤브레인(816)을 갖는 멤브레인 서브어셈블리(812)를 포함하며, 스터브(826)가 훨씬 더 두꺼운 상부 핸들층(818)에 의해 둘러싸인 멤브레인(816)의 하면 상의 중앙에 위치된다. 콤브 드라이브 서브어셈블리(814)는 하부 핸들층(820)을 포함한다. 2개의 서브어셈블리(812, 814)의 둘레부는 서브어셈블리를 서로에 대해 물리적으로 고정하기 위한 본딩 영역을 제공한다. 콤브 드라이브(824)는 스테이터부(828) 및 이동 가능한 로터부(830)를 포함하며, 스테이터부 및 로터부 양자 모두가 콤브 드라이브(824)의 둘레부에 의해 형성된 전반적으로 원형의 둘레 내에 제한(confine)된다. 콤브 드라이브(824)의 2개의 부분을 형성하는 플레이트가 도 10에 평면도로 도시되어 있다. 플레이트는 또한 스터브(826)의 접촉점이기도 한 공통 중심(836)으로부터 간격을 두고 이격되어 위치된 아치형 요소를 포함한다. 각각의 아치형 요소의 일단은 콤브 드라이브(824)의 스테이터부(828) 또는 이동 가능한 로터부(830) 중의 어느 하나의 방사상 연장부에 결합된다. 도 8 내지 도 10에 도시된 아치형 콤브 드라이브 구성은 평면내 병진운동(in-plane translation)에 대해 저항성을 나타내고, 조립 동안의 부수적인 콤브 드라이브 회전에 민감하지 않다.
도 11은 앞에 예시한 실시예들 중의 어느 것이어도 되는 MEMS 장치(1110)의 개략 단면도이며, MEMS 장치가 MEMS 멤브레인(1116)에 대향하고 있는 가스 압력 포트(1140)가 형성되어 있는 패키징(1138)에 포함되어 있다. 가스 압력 포트(1140)는 MEMS 멤브레인(1116)에 대향하고 있는 것으로 도시되어 있지만 모든 실시예에서 MEMS 멤브레인(1116)에 대향할 필요는 없다. 패키징(1138)은 가스 압력 포트(1140)를 제외하고는 MEMS 장치(1110)를 위한 유체 불침투성 환경을 형성하는 것이 바람직하다. 패키징(1138)의 재료 특성은 MEMS 장치(1110)에 대한 예상 환경에 기초하여 선택될 수 있다.
도 12는 도 1의 MEMS 장치(10)와 같은 MEMS 장치의 성능을 가스 압력과 관련하여 평가하기 위한 실험용 어셈블리(1242)를 블록 형태로 예시하고 있다. 실험용 어셈블리(1242)는 제어된 환경 챔버(controlled environmental chamber)(1246)에 MEMS 장치를 수용하도록 설계된 마이크로 프로브 스테이션(micro probe station)(1244)을 포함한다. 환경 챔버(1246)는 MEMS 장치가 체감하게 되는 가스 압력을 감소시키기 위해 도시되지 않은 진공 펌프에 연결될 수 있다. 압력 센서(1248)가 환경 챔버(1246)에 연결되어 환경 챔버(1246) 내의 압력을 측정할 수 있다. 압력 센서(1248)의 출력은 압력 컨트롤러(1250)에 접속될 수 있으며, 이 압력 컨트롤러가 가스 흐름/압력 조정기(1252)에 접속된다. 가스 흐름/압력 조정기(1252)는 도시되지 않은 질소 용기와 같은 가스의 소스에 접속될 수 있다. 가스 흐름/압력 조정기(1252)는, 압력 컨트롤러(1250)에 의해 제공된 신호에 응답하여, 원하는 가스의 흐름이 제어된 환경 챔버(1246) 내에서 평가되고 있는 MEMS 장치의 멤브레인에 압력을 가하도록 할 수 있다. MEMS 장치(1210)의 측정된 전기적 특성으로부터 결정된 기계적 성능은 HP™ 모델 4284 LCR 계측기와 같은 적합한 계측 장비(1254)에 의해 추적될 수 있다.
전자 미세 계측 방법(Electro Micro-Metrology method)의 일례에서, 폭은 커패시턴스의 변화량의 항 w(ΔC)으로 측정될 수 있으며, 폭에 있어서의 불확정성은 커패시턴스에 있어서의 불확정성과 커패시턴스에 대한 폭의 민감도의 곱
Figure pct00001
으로 측정될 수 있다. 민감도는 통상적으로 커서 ∼108 m/F 이지만, 커패시턴스에 있어서의 불확정성은 ∼10-18 또는 그 미만이다. 그러므로, 폭에 있어서의 불확정성은 옹스트롬(angstrom)의 오더이다.
콤브 드라이브 미세구조물은 동일하지 않은 2개의 갭-스톱(gap-stop) gap1 및 gap2를 의도적으로 포함하도록 제조될 수 있다. 의도적으로 동일하지 않은 2개의 갭은 알려지지 않은 기하학적 특성 및 재료 특성을 고려에서 제외할 수 있도록 하는 구조를 제공한다. 2개의 갭을 인가된 전압으로 폐쇄(close)하기 위해 요구되는 커패시턴스의 변화량을 측정함으로써, 아래와 같이 구조의 기하학적 형상, 정전기력, 및 시스템 스티프니스를 획득할 수 있다. 각각의 갭을 횡단하기 위해 요구되는 커패시턴스의 측정된 변화량은 각각
Figure pct00002
및
Figure pct00003
로서 표현될 수 있으며, 여기서 N은 콤브 드라이브 미세구조물에서의 콤브 핑거(comb finger)의 개수이고, ε은 매질의 알려지지 않은 유전율(permittivity)이고, h는 미세구조물의 알려지지 않은 층두께이고, g는 콤브 핑거들 간의 알려지지 않은 갭 간격이고, β는 알려지지 않은 정전 플린징 전계 계수(electrostatic fringing field factor)이고, Δgap은 의도된 설계 레이아웃과 실제 제조 간의 갭-스톱 크기의 알려지지 않은 차이이다. 레이아웃 파라미터 n은
Figure pct00004
이 되도록 선택된다. 상기한 표현식의 비율 ΔC1/ΔC2을 취하면
Figure pct00005
이 된다. 근접부(close proximity) 내에서의 등방성 제조 공정에 대해, Δgap은 국소적으로 일정하고, 구조물의 모든 평면형 기하학적 형상에 대한 측정을 제공한다. 즉, 제조된 갭은 gaplayout + Δgap이고, 플렉셔 폭은 widthlayout - Δgap이고, 플렉셔 길이는 length + Δgap 등등으로 된다.
전자 미세 계측 방법의 또 다른 고유 속성은 측정의 불확정성을 직접 정량화하는 능력이다. 측정된 커패시턴스
Figure pct00006
및 전압
Figure pct00007
에서의 불확정성, 즉 노이즈 소스의 축적으로 인한 독출 해상도의 오더(order of readout resolution)는 기계적 특성에서의 대응하는 불확정성을 산출한다. 즉, 커패시턴스 및 전압의 모든 인스턴스(instance)를 상기한 표현식에서
Figure pct00008
및
Figure pct00009
로 대체함으로써, 전기적 불확실성에 대한 다변량 테일러 전개식(multivariate Taylor expansion)은 변위에 있어서의 불확정성에 대해서는
Figure pct00010
, 힘에 있어서의 불확정성에 대해서는
Figure pct00011
, 스티프니스에 있어서의 불확정성에 대해서는
Figure pct00012
형태의 1차항으로서 기계적 불확실성을 산출한다.
추가로, 전자 미세 계측 방법은 또한 MEMS 장치에 대한 시스템 스티프니스를특정한 양의 N/m이 되도록 효과적으로 선택하기 위해 이용될 수 있다. 커패시턴스에 있어서의 변화량은 제조된 기하학적 형상, 콤브 드라이브 힘, 기계적 스티프니스, 및 변위를 측정하기 위해 이용될 수 있다. 구체적으로, 전자 미세 계측 콤브 드라이브 힘은
Figure pct00013
에 의해 주어지고, 스티프니스는
Figure pct00014
에 의해 주어지고, 변위는
Figure pct00015
에 의해 주어지며, 여기서
Figure pct00016
이고, 이것은 콤브 드라이브 상수이다.
전자 미세 계측 방법은 선형 응답 곡선을 갖는 자율적 자체-교정 온도 센서(autonomous self-calibrated temperature sensor)(1300)에 이용될 수 있다. 이 응용에서, 전기 커패시턴스에서의 변화량은 열적으로 유기된 진동 또는 정적인 변형을 감지하기 위해 이용된다. 도 13에 도시된 공진기(1302)는 평면 발진 주파수를 측정하기 위한 픽스드-픽스드 액티브 또는 패시브 공진기(fixed-fixed active or passive resonator)(1302)를 통합할 수 있다. 픽스드-픽스드 오실레이터는 열팽창으로 인한 공진 주파수의 변경을 경험하게 된다. 공진 주파수의 변경은 픽스드-픽스드 구성에 의해 커지게 된다. 시스템 매스(system mass) 및 스티프니스가 전자 미세 계측 방법에 의해 결정된 후, 공진 주파수의 측정은 픽스드-픽스드 오실레이터의 열팽창으로 인한 스티프니스에서의 변화에 의해 온도를 결정하는데 이용된다. 이 공진기(1302)는 커다란 변위 진폭을 위한 적합한 발진 전압을 인가함으로써 능동적으로 구동될 수 있거나, 또는 훨씬 더 작은 진폭으로 함에 의한 열적으로 유기된 진동으로 인해 수동적으로 구동될 수 있다.
도 14에 도시된 공진기(1400)는 평면 편향(planar deflection)을 측정하기 위한 "Chevron" 일렉트로-더멀 액추에이터(electro-thermal actuator)를 통합한다. Chevron 액추에이터의 정적 열팽창은 차동 콤브 드라이브를 편향시키기 위해 이용된다. Chevron 액추에이터는 우선적인 확대 편향(preferential magnified deflection)을 생성하기 위해 하나 이상의 각도를 이루는 플렉셔(angled flexure)를 포함한다. 스티프니스를 증가시키고 열 잡음을 감소시키기 위해 더 많은 플렉셔가 이용될 수 있다. 이러한 전자 미세 계측을 기반으로 하는 접근은 성능 및 설계 공간이 최대 열 민감도를 달성하게 되도록 한다. 즉, 지금까지는 커패시턴스가 가장 정밀한 측정 모드이다. 예컨대, 젭토패럿(10-12F)의 오더의 커패시턴스의 변화는 10-13m의 오더의 콤브 드라이브 변위와 상관된다. 스티프니스와 온도 간의 관계는
Figure pct00017
에 의해 주어지면, 여기서 K는 스티프니스, x는 진동의 진폭, kB는 볼쯔만 상수, T는 온도이다. 그러나, 이전의 다른 노력과는 달리, 전자 미세 계측 방법을 이용함으로써, 스티프니스와 변위의 정확하고 정밀한 측정치를 결정할 수 있으며, 이것은 절대 온도 T를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 전자 미세 계측 방법은 임의의 외부의 기준 온도 표준을 이용하는 것을 불필요하게 한다.

Claims (20)

  1. 미세제조된 가변 커패시터(microfabricated variable capacitor)에 있어서,
    각각 서로 떨어져 이격된 복수의 전기 도전성 플레이트를 포함하고, 인접한 상기 플레이트의 각각의 쌍이 그 사이에 채널을 형성하며, 각각의 상기 플레이트가 제1 공통 전기 소통에 있게 되는, 스테이터(stator); 및
    중앙 허브, 상기 허브의 양쪽 측면으로부터 캔틸레버 방식으로 연장하는 제1 및 제2 아암, 상기 제1 아암에 연결되는 전기 도전성의 복수의 제1 블레이드, 및 상기 제2 아암에 연결되는 전기 도전성의 복수의 제2 블레이드를 포함하며, 상기 복수의 제1 블레이드 및 상기 복수의 제2 블레이드의 각각이 제2 공통 전기 소통에 있게 되는, 로터(rotor)
    를 포함하며,
    상기 허브는 제1 및 제2 스프링에 의해 상기 스테이터로부터 서스펜딩되어, 각각의 상기 블레이드가 상기 채널 중의 대응 채널 내에 수용되고, 각각의 상기 블레이드의 일부분이 인접한 상기 플레이트와 상호작용하여 전기 전하를 저장하게 되며, 상기 제1 전기 소통과 상기 제2 전기 소통 사이의 커패시턴스는, 상기 제1 및 제2 스프링이 상기 로터를 상기 스테이터에 관하여 상이한 위치로 바이어스함에 따라 변화되는,
    미세제조된 가변 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터에 대해 상대적으로 상기 로터의 위치를 변화시키는 수단을 더 포함하는, 미세제조된 가변 커패시터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수단은 상기 커패시터를 움직이는 물체에 연결하는 것을 포함하며, 상대적인 움직임이 상기 로터의 관성에 관련되는, 미세제조된 가변 커패시터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커패시터는 가속도계의 일부인, 미세제조된 가변 커패시터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수단은 플렉서블한 물체를 포함하며, 상기 스테이터는 상기 물체의 한 부분에 연결되고, 상기 로터는 상기 물체의 다른 부분에 연결되며, 상기 한 부분이 상기 다른 부분에 관하여 움직이는, 미세제조된 가변 커패시터.
  6. 미세제조된 가변 커패시터에 있어서,
    폭을 가지며, 각각 서로 떨어져 이격된 복수의 전기 도전성 플레이트를 포함하며, 각각의 상기 플레이트가 상단부, 바닥부 및 이들 사이의 중간부를 가지며, 인접한 상기 플레이트의 각각의 쌍이 대향하고 있는 상기 중간부들 사이에 채널을 형성하며, 각각의 상기 플레이트가 제1 공통 전기 소통에 있게 되는, 스테이터;
    길이를 가지며, 복수의 전기 도전성 블레이드를 포함하며, 각각의 상기 블레이드가 상단부, 바닥부 및 이들 사이의 중간부를 갖는 로터로서, 상기 로터는, 각각의 상기 블레이드가 상기 채널 중의 대응 채널 내에 수용되고, 각각의 상기 블레이드의 중간부가 인접한 상기 플레이트의 영역과 중첩하는 영역을 포함하도록, 상기 스테이터에 대하여 서스펜딩되며, 각각의 상기 블레이드가 제2 공통 전기 소통에 있게 되는, 상기 로터; 및
    상기 로터를 상기 스테이터에 대하여 플렉서블하게 결합하며, 상기 폭을 가로지르는 중간 부근의 위치에서 상기 스테이터에 플렉서블하게 결합하며, 상기 길이를 따라 중간 부근의 위치에서 상기 로터에 플렉서블하게 결합하는, 서스펜션 시스템
    을 포함하며,
    상기 제1 전기 소통과 상기 제2 전기 소통 간의 커패시턴스가 상이한 중첩 영역에 대응하여 변화되는,
    미세제조된 가변 커패시터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 서스펜션 시스템은, 상기 스테이터의 일단부에서부터 상기 로터까지 연장하는 제1 캔틸레버 지지부와, 상기 스테이터의 대향 단부에서부터 상기 로터까지 연장하는 제2 캔틸레버 지지부를 포함하는, 미세제조된 가변 커패시터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버는 대략적으로 클램프된 경계 조건으로 상기 일단부에서부터 연장하며, 상기 제2 캔틸레버는 대략적으로 클램프된 경계 조건으로 타단부에서부터 연장하는, 미세제조된 가변 커패시터.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 서스펜션 시스템은 상기 로터가 상기 스테이터에 대하여 2차원으로 질량 균형(mass balance)을 이루도록 상기 로터에 결합하는, 미세제조된 가변 커패시터.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 로터는 중앙에 위치된 허브를 포함하며, 상기 블레이드가 상기 허브로부터 캔틸레버 방식으로 지지되는, 미세제조된 가변 커패시터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 블레이드를 지지하는 캔틸레버 아암을 더 포함하며, 상기 아암의 일단부가 상기 허브에 결합되며, 각각의 상기 블레이드가 상기 허브로부터 상기 아암의 자유 단부로의 방향을 전반적으로 가로지르는 방향으로 상기 아암으로부터 연장하는, 미세제조된 가변 커패시터.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 플레이트는 평면형이고, 상기 블레이드도 평면형인, 미세제조된 가변 커패시터.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 플레이트는 축을 중심으로 하는 원형이고, 상기 블레이드도 동일한 축을 중심으로 하는 원형인, 미세제조된 가변 커패시터.
  14. 제23항에 있어서,
    로터, 스테이터 및 다이아프램을 미세제조하는 것을 더 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 제1 및 제2 스프링은, 상기 플레이트에 평행한 상기 블레이드의 이동에 대응하는 제1 스프링 상수와, 상기 플레이트 쪽으로의 상기 블레이드의 이동에 대응하는 제2 스프링 상수를 가지며, 상기 제2 스프링 상수가 상기 제1 스프링 상수보다 큰, 미세제조된 가변 커패시터.
  16. 미세 전자 기계 시스템 센서에 있어서,
    각각 서로 떨어져 이격된 복수의 스테이터 플레이트를 갖는 스테이터부와, 서로 떨어져 이격된 복수의 로터 플레이트를 포함하는 로터부를 포함하며, 상기 로터부가 상기 스테이터부로부터 탄성적으로 서스펜딩되며, 상기 복수의 스테이터 플레이트 및 상기 복수의 로터 플레이트가 상기 스테이터부에 대한 상기 로터부의 위치에 따라 변화되는 커패시턴스를 갖는 커패시터를 형성하는, 콤브 드라이브(comb drive); 및
    상기 콤브 드라이브에 근접하여 서스펜딩되며, 상기 콤브 드라이브의 상기 로터부와 물리적 접촉하는 스터브(stub)를 가지며, 상기 스터브가 상기 로터부를 제1 콤브 드라이브 커패시턴스를 갖는 제1 위치로 바이어스하는, 멤브레인(membrane)
    을 포함하며,
    상기 멤브레인의 이동에 의하여 상기 스터브가 상기 로터부를 제2 콤브 커패시턴스를 갖는 제2 위치로 바이어스하게 되는,
    미세 전자 기계 시스템 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트 및 상기 로터 플레이트가 평행을 이루는, 미세 전자 기계 시스템 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    압력 포트 및 그 외에는 유체 불침투성 환경을 형성하고 있는 패키징을 더 포함하는, 미세 전자 기계 시스템 센서.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트 및 상기 로터 플레이트는 공통 중심으로부터 이격된 거리에 위치된 아치형 요소(arcuate element)인, 미세 전자 기계 시스템 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 스터브는 상기 공통 중심과 접촉하는, 미세 전자 기계 시스템 센서.
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