KR20150021848A

KR20150021848A - 멤스 자계 센서 패키지

Info

Publication number: KR20150021848A
Application number: KR20130099296A
Authority: KR
Inventors: 김철; 서상원; 서정기; 고용준; 최완섭
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-03-03
Also published as: KR102070645B1

Abstract

본 발명은 내부에 공간을 가지는 패키지 몸체, 상기 패키지 몸체 내에 배치되며, 측정 대상 전류에 의한 자계를 센싱하는 자계센서부, 그리고 상기 패키지 몸체의 공간 내에 배치되며, 상기 측정 대상 전류를 흘리는 도선부를 포함하는 자계 센서 패키지를 제공한다. 따라서, 웨이퍼 레벨 단계에서 전류원인 도선과 멤스 자계 센서 사이의 거리를 항상 일정하게 정렬할 수 있다. 따라서, 상황에 따라 도선과 센서 사이의 거리가 가변하지 않아 정확한 센싱이 가능하고, 상기 도선을 패키지 내에 삽입하거나, 칩 내에 삽입함으로써 센서와 도선 사이의 거리를 최소화할 수 있다.

Description

멤스 자계 센서 패키지{MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS MAGNETIC FIELD SENSOR PACKAGE}

실시예는 멤스 자계 센서 패키지에 관한 것이다.

MEMS 용량형 센싱 기술 기반의 자계센서의 경우 일반적으로 자계에 반응하여 움직임이 가능한 구동전극과 이에 대응하여 용량의 변화를 센싱할 수 있는 고정전극으로 구성되어 있다.

자계센서의 원리는 구동전극에 일정방향으로 기준전류를 흘려주게 되면 외부에서 들어오는 자계방향과 세기에 따라 로렌쯔의 힘에 의해 구동전극이 고정전극에 대해서 양이나 음의 방향으로 움직이게 된다.

이때 두 전극 간의 거리나 오버랩 면적의 변화가 발생하여 커패시턴스가 변화하게 된다. 이러한 커패시턴스의 변화 또는 이와 상응하여 변화하는 신호를 검출함으로써 자계를 센싱하게 된다.

그러나, 자계를 센싱하기 위해 이용되는 로렌쯔의 힘은 중력과 비교해서 상대적으로 매우 작기 때문에 스프링 등의 센서구조 설계의 제한으로 인해 충분한 기계적 변위량을 얻기 어렵다.

또한, 타겟 전류가 흐르는 도체와 센서 사이의 거리가 멀어질수록 자계 감도가 작아져 정확한 신호를 검출하는 것이 용이하지 않다.

실시예는 감지능이 개선된 멤스 자계 센서 패키지를 제공한다.

실시예는 내부에 공간을 가지는 패키지 몸체, 상기 패키지 몸체의 공간 내에 배치되며, 측정 대상 전류를 유동시키기 위해 구비된 도선부, 그리고 상기 패키지 몸체 내에 배치되며, 측정 대상 전류에 의한 자계를 센싱하는 자계센서부를 포함하는 자계 센서 패키지를 제공한다.

실시예에 따른 자계 센서 패키지는 웨이퍼 레벨 단계에서 전류원인 도선과 멤스 자계 센서 사이의 거리를 항상 일정하게 정렬할 수 있다.

따라서, 상황에 따라 도선과 센서 사이의 거리가 가변하지 않아 정확한 센싱이 가능하고, 상기 도선을 패키지 내에 삽입하거나, 칩 내에 삽입함으로써 센서와 도선 사이의 거리를 최소화할 수 있다.

따라서, 센서의 민검도와 분해능을 향상시킬 수 있어 불필요한 외부 자계에는 고대한 강인성(Robust)를 향상시킬 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 자계 센서 패키지의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자계 센서 패키지의 구체적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 자계 센서 패키지 내의 자계 센서를 나타내는 상면도이다.
도 4는 도 3의 자계 센서를 Ι-Ι'으로 절단한 단면도이다.
도 5 내지 도 12는 도 2의 자계 센서 패키지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자계센서 패키지의 개략적인 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자계센서 패키지의 개략적인 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자계센서 패키지의 개략적인 도면이다.
도 16은 도 15의 자계 센서 패키지의 자계 센서 칩의 확대도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 센서의 감지능이 향상된 멤스 자계 센서 패키지를 제공한다.

이하에서는 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 자계 센서보정 패키지를 설명한다.

도 1은 제1 실시예에 따른 자계 센서 패키지의 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자계 센서 패키지의 구체적인 단면도이고, 도 3은 도 2의 자계 센서 패키지 내의 자계 센서를 나타내는 상면도이며, 도 4는 도 3의 자계 센서를 Ι-Ι'으로 절단한 단면도이다.

도 1을 참고하면, 실시예에 따른 자계 센서 패키지(1000)는 멤스 소자의 자계센서를 포함하며, 패키지 몸체(600), 자계센서부(100), 제어칩(900), 상부층(700) 및 측면부(800)를 포함한다.

상기 패키지 몸체(600)는 지지기판으로서, 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 구체적으로 MLC(multi layer ceramic), 글라스 기판, 수지 기판 또는 고농도 실리콘 기판 등일 수 있다.

상기 패키지 몸체(600) 위에 복수의 소자가 배치되어 있다.

상기 패키지 몸체(600) 위에는 자계센서부(100) 및 제어칩(900)이 배치될 수 있다.

상기 자계센서부(100)과 제어칩(900)은 도 1과 같이 일렬로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 디자인에 따라 다양하게 배치될 수 있다.

상기 자계센서부(100)은 내부에 자계를 감지하는 자계 센서를 포함하고 있으며, 이웃하게 배치되는 제어칩(900)과 와이어(310) 등을 통해 연결되어 신호를 송수신할 수 있다.

상기 제어칩(900)은 집적회로로서, 상기 자계센서부(100)으로 기준 전원을 공급하고 상기 자계센서부(100)으로부터 감지 신호를 수신하고 상기 감지 신호를 분석하여 자계 신호를 생성한다.

도 1에서는 자계센서부(100)과 상기 제어칩(900) 사이의 연결이 와이어(310) 하나로 이루어지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 복수의 와이어(310)에 의해 연결될 수 있다.

상기 몸체(600) 위에 상기 자계센서부(100) 및 상기 제어칩(900)을 둘러싸며 측면부(800)가 형성되어 있다.

상기 측면부(800)는 도 1과 같이 하부의 몸체(600)와 상부층(700) 사이에 배치되며, 내부를 밀봉하고, 상부층(700)을 지지한다.

상기 측면부(800)는 구체적으로, 도 2와 같이 상기 자계센서부(100)이 복수의 실리콘층으로 형성되는 경우, 몸체(600) 위에 실리콘층이 배치되고, 상기 실리콘층 위와 상부층(700) 사이에 형성될 수 있다.

상기 측면부(800)는 본딩층으로 DFR(dry film resist)와 같은 필름을 이용하여 코팅한 뒤 패터닝하여 사용할 수 있다.

상기 상부층(700)은 도 1 및 도 2와 같이 측면부(800) 위에 배치되어 내부의 자계센서부(100)과 제어칩(900)을 덮도록 형성된다.

상기 상부층(700)은 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 구체적으로 MLC(multi layer ceramic), 글라스 기판, 수지 기판 또는 고농도 실리콘 기판 등일 수 있다.

이와 같이 상부층(700)을 형성하여 상기 자계센서부(100)과 제어칩(900)을 하나의 패키지 내에 실장하는 자계 센서 패키지(1000)가 형성될 수 있다.

상기 상부층(700)에는 상기 자계 센서에 타겟 자계를 형성하기 위한 공급원으로 도선이 형성되어 있다.

상기 도선은 상기 상부층(700)의 외면에 노출되는 패드(720), 상부층(700)의 내면을 따라 연장되어 상기 자계센서부(100) 상부에 대응하며 형성되는 도선부(730) 및 상기 상부층(700)을 관통하여 상기 도선부(730)와 상기 패드(720)를 연결하는 비아를 포함한다.

상기 상부층(700)은 상기 비아를 수용하는 복수의 비아홀(710)을 포함하며, 상기 비아홀(710)은 도 2와 같이 단면에 경사를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 패드(720)는 상부층(700)의 외면에 2개가 형성될 수 있으며, 양 단으로 전류가 흐르면서 주위에 자계를 형성한다.

상기 도선부(730)는 자계센서부(100)과 대응되도록 배치되며 상부층(700)의 내면에 접착되어 형성되므로 상기 자계센서부(100)과 균일한 거리를 유지하면서 형성될 수 있다.

이때, 상기 자계센서부(100)에 도달하는 자계의 세기는 다음의 식과 같다.

[수학식 1]

상기 자계

이때, B는 자계의 세기, I는 도선부(730)을 흐르는 전류, μ₀는 비투자율(relative permeability)이고, R이 도선부(730)으로부터 자계센서부 사이의 거리이다.

따라서, 상기 거리가 작을수록 자계센서부(100)에서 감지할 수 있는 자계의 세기가 커지게 된다.

본 발명에서는 센서칩(100)과 상기 도선부(730)사이의 거리는 5 내지 20μm, 바람직하게는 10 내지 15 μm를 충족할 수 있다.

이와 같이 상기 도선부(730)가 자계센서부(100)과 일정한 거리를 유지하면서 배치되므로 타겟 자계의 공급원의 위치에 따라 자계의 감도가 달라지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도선부가 상기 자계센서부(100)과의 군일한 거리를 유지하면서도 패키지(1000) 내부에 배치되어 패키지(1000) 외부에서 자계원이 배치되는 것과 비교할 때, 강한 강도의 자계에 의한 감지 신호를 생성할 수 있어 센서능이 향상된다.

이러한 자계센서부(100)은 도 2 내지 도 4와 같은 구조를 가질 수 있다.

상기 자계센서부(100)은 멤스 소자로서, 고정 기판(110), 구동전극부(120), 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 포함한다.

멤스 소자(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS)는 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 초소형 기어, 하드디스크 등 초미세 기계구조물을 만드는 기술을 말한다. 멤스로 만든 미세 기계는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖는다. 구조적으로는 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용하며, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력과 표면장력 등을 이용해 전류를 발생시켜 전력소비량을 크게 낮추는 원리를 적용한 것이다.

이러한 멤스 소자로 이루어진 멤스 자계센서부(100)의 상기 고정 기판(110)은 구동전극부(120) 및 복수의 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지한다.

상기 고정 기판(110)은 플레이트 형상을 가지며, 사각형의 프레임 형상을 가질 수 있다. 이러한 고정 기판(110)은 가로로 긴 사각형일 수 있으며, 3mm·1mm의 면적을 가질 수 있다.

상기 고정 기판은 도 2와 같이 패키지의 측면부(800)의 기저부를 이룬다.

상기 고정 기판(110)은 복수의 층상 구조를 가지며, 도 2와 같이 지지 기판(400), 지지 기판(400) 위에 절연층(200) 및 상기 절연층(200) 위에 전극층(115a, 115b)으로 형성될 수 있다.

상기 지지 기판(400)은 실리콘 기판, 유리기판 또는 폴리머 기판일 수 있으나, 제1 실시예에서는 실리콘 기판으로 설명한다.

상기 지지 기판(400)은 100 내지 500μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 400μm의 두께를 가질 수 있다.

상기 지지 기판(400) 위에 절연층(200)이 형성되어 있다.

상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있으며, 1 내지 1.5μm의 두께를 가질 수 있다.

상기 절연층(200) 위에 전극층(115)이 형성되어 있다.

상기 고정 기판(110)은 중앙에 구동전극부(120)를 수용하는 캐비티(215)를 가지는 지지 기판(400) 위에 상기 전극층을 패터닝하여 사각형의 각 변을 따라 배치되어 있으며, 서로 분리되어 있는 복수의 전극(111-119)을 포함한다.

복수의 전극(111-119)은 실리콘, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 지지 기판(400)이 실리콘 기판인 경우, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 전극(111-119)은 10 내지 100 μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 50 μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

상기 전극(111-119)은 4개의 모서리 영역에 배치되어 있는 4개의 감지전극(113, 114, 118, 119) 및 상기 감지전극(113, 114, 118, 119)과 이웃하여 상기 캐비티(215)를 향하여 돌출되는 전원전극(111, 112, 116, 117)을 포함한다.

보다 상세하게는, y축을 따라 일직선 상에서 각각 모서리 영역에 배치되는 제1 감지전극(113) 및 제2 감지전극(114)이 형성되며, 제1 감지전극(113)과 이웃하여 x축 방향으로 제1 감지전극(113)보다 작은 폭을 갖도록 제1 전원전극(111)이 형성되고, 제1 전원전극(111)과 일직선을 이루며, 제2 감지전극(114)과 이웃하여 x축 방향으로 제2 감지전극(114)보다 작은 폭을 갖도록 제2 전원전극(112)이 형성되어 있다.

실시예에서는 제1 및 제2 감지전극(113, 114)이 모서리 영역에 배치된 것으로 도시하였으나, 제1 및 제2 전원전극(111, 112)이 모서리 영역까지 확장되고, 제1 및 제2 전원전극(111, 112)이 제1 및 제2 감지전극(113, 114)과 이웃하게 형성되는 경우, 제1 및 제2 감지전극(113, 114)의 폭은 제1 및 제2 전원전극(111, 112)보다 크지 않을 수도 있다.

제1 전원전극(111)과 제2 전원전극(112)은 소정의 이격 거리를 포함하며, 상기 이격 거리가 소정 범위 이상인 경우, 도 3과 같이 제1 및 제2 전원전극(112) 사이에 더미전극(115a)이 더 형성될 수 있다.

상기 더미전극(115a)이 형성되는 경우, 더미전극(115a)은 x축 방향으로 제1 및 제2 전원전극(111, 112)보다 작은 폭을 갖도록 형성된다.

한편, 제1 감지전극(113)과 x축으로 일직선 상에 배치되는 제3 감지전극(118) 및 제3 감지전극(118)과 y축을 따라 일직선 상에서 모서리 영역에 배치되는 제4 감지전극(119)을 포함한다.

또한, 제3 감지전극(118)과 이웃하여 제3 감지전극(118)보다 작은 폭을 갖도록 제3 전원전극(116)이 형성되고, 제3 전원전극(116)과 일직선을 이루며, 제4 감지전극(119)과 이웃하여 제4 감지전극(119)보다 작은 폭을 갖도록 제4 전원전극(117)이 형성되어 있다.

제3 전원전극(116)과 제4 전원전극(117)은 소정의 이격 거리를 포함하며, 상기 이격 거리가 소정 범위 이상인 경우, 도 3과 같이 제3 및 제4 전원전극(117) 사이에 더미전극(115b)이 더 형성될 수 있다.

상기 더미전극(115b)이 형성되는 경우, 더미전극(115b)은 제3 및 제4 전원전극(116, 117)보다 작은 폭을 갖도록 형성된다.

이와 같이 더미전극(115a, 115b)을 각각 형성하는 경우, 도 2의 A와 같이 상기 더미전극(115a, 115b) 하부의 지지기판(400)은 캐비티(215)를 향하여 돌출되도록 형성될 수 있으며, 더미전극(115a, 115b)과 같거나 작을 수 있다.

즉, 캐비티(215)를 이루는 측면에 지지기판(400)이 노출되도록 더미전극(115a, 115b)의 폭을 제어하여 더미전극(115a, 115b)과 기준전극(121, 131)의 쇼트발생을 방지할 수 있다.

각 감지전극(113, 114, 118, 119)과 그에 이웃한 전원전극(111, 112, 116, 117)의 폭 차에 의하여 소캐비티가 각각 형성되며, 각각의 소캐비티에 탄성부(300, 310, 320, 330)가 배치된다.

이웃한 탄성부(300, 310, 320, 330)를 지지하기 위하여 각각의 감지전극(113, 114, 118, 119)으로부터 캐비티(215)를 향하여 돌출되어 상기 전원전극(111, 112, 116, 117)과 소캐비티를 이루는 돌출부가 더 형성된다.

상기 돌출부는 이웃한 돌출부와 절연층(200) 이하의 구조물이 연결되어 형성될 수 있다. 이러한 4개의 소캐비티는 캐비티(215)를 향하여 개방되는 형상을 가진다.

이때, 상기 복수의 감지전극(113, 114, 118, 119) 및 전원전극(111, 112, 116, 117) 위에 금속층(500)이 더 형성될 수 있다.

금속층(500)은 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 은 등의 고전도성 물질로 형성되며, 전극층이 실리콘으로 형성되는 경우, 실리콘보다 전기전도성이 높은 물질로 형성된다.

이와 같이 전극 영역에 전기전도성이 높은 물질을 더 형성함으로써 전류 확산을 원활히 진행하여 반응 속도를 높일 수 있다.

상기 고정기판(110)의 캐비티(215) 내에 구동전극부(120, 130)가 배치된다.

상기 구동전극부(120, 130)는 제1, 제2 감지전극(113, 114) 및 제1, 2 전원전극(111, 112) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제1 구동전극(120), 및 상기 제3, 제4 감지전극(118, 119) 및 제3, 4 전원전극(116, 117) 사이에 둘러싸여 전원을 공급받는 제2 구동전극(130)을 포함한다.

상기 제1 구동전극(120)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 제1 기준전극(121), 제1 가변전극(126) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제1 연결부(220)를 포함한다.

제1 기준전극(121)과 제1 가변전극(126)은 두 개의 탄성부(300, 310)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.

제1 기준전극(121)은 제1 및 제2 탄성부(300, 310) 사이를 연결하는 바(bar) 타입의 몸체(600)를 포함하며, 제1 및 제2 탄성부(300, 310)보다 큰 폭을 갖도록 형성된다.

상기 몸체(600)는 x축 방향으로 돌출되어 확장되며, 이러한 확장은 제1 및 제2 전원전극(111, 112)과 더미전극(115a) 사이에서 형성되는 x축 방향으로의 단차에 의한 공간으로의 확장을 의미한다.

상기 제1 기준전극(121)의 길이는 500 내지 5000 μm, 바람직하게는 1500 내지 2500 μm일 수 있다.

상기 제1 기준전극(121)은 더미전극(115a)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 기준전극편(122)을 포함한다.

상기 제1 기준전극편(122)은 빗살(comb) 형상으로 형성될 수 있으며, 소정의 길이를 가지는 제1 기준전극편(212)의 폭은 1 내지 30μm, 바람직하게는 3 내지 4 μm를 충족할 수 있다.

제1 기준전극(121)의 길이, 제1 기준전극편(112)의 폭 및 이격거리에 따라 제1 기준전극편(122)의 수효가 결정된다.

한편, 제1 가변전극(126)은 제1 기준전극(121)과 동일한 형상을 가지며, 제1 연결부(220)를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다. 따라서, 제1 구동전극(120)은 x축 방향의 무게 중심을 유지할 수 있다.

즉, 제1 가변전극(126)은 제1 및 제2 탄성부(300, 310) 사이를 연결하는 바 타입의 몸체(600)로 형성되어 있으며, 제1 및 제2 탄성부(300, 310)의 다리보다 큰 폭을 갖도록 형성된다.

상기 폭은 x축 방향으로 돌출되어 확장되며, 이러한 확장은 제1 및 제2 감지전극(113, 114)의 돌출부에 의한 캐비티(215)의 단차로의 확장을 의미한다.

상기 제1 가변전극(126)의 길이는 500 내지 5000 μm, 바람직하게는 1500 내지 2500 μm일 수 있다.

상기 제1 가변전극(126)은 제2 가변전극(136)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제1 가변전극편(127)을 포함한다.

상기 제1 가변전극편(127)은 빗살(comb) 형상으로 형성될 수 있으며, 제1 가변전극편(127)의 폭은 1 내지 30μm, 바람직하게는 3 내지 4 μm를 충족할 수 있다.

제1 기준전극(121)의 길이, 제1 가변전극편(127)의 폭 및 이격거리에 따라 제1 가변전극편(127)의 수효가 결정된다.

한편, 제1 연결부(220)는 제1 기준전극(121) 및 제1 가변전극(126)의 몸체(600) 사이에 노출되는 영역을 가지며, 제1 기준전극(121) 및 제1 가변전극(126)의 몸체(600)의 일부 또는 전부에 걸치도록 형성된다.

제1 연결부(220)는 도 3과 같이 적어도 하나일 수 있으며, 이와 달리 복수개의 제1 연결부(220)가 일정한 간격을 가지며 배치될 수 있다.

상기 제1 연결부(220)는 제1 기준전극(121)과 제1 가변전극(126)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 연결하기 위한 것으로, 전극층(150) 하부의 지지기판(400) 및 절연층(200)만으로 구성된다.

이때, 상기 제1 연결부(220)의 지지기판(400)은 일부가 식각되어 고정기판(110) 하부의 지지기판(400)의 두께보다 작은 두께를 갖도록 형성되어 상기 제1 연결부(220)를 고정기판(400)의 최하점으로부터 부양시킨다.

상기 제1 연결부(220)는 100·300μm의 면적을 가질 수 있으며, 장변이 제1 기준전극(121)과 제1 가변전극(126)의 몸체(600)를 가로지르도록 배치된다.

한편, 상기 제2 구동전극(130)은 캐비티(215) 내에서 y축으로 연장되어 있는 제2 기준전극(131), 제2 가변전극(136) 및 둘을 연결하는 적어도 하나의 제2 연결부(230)를 포함한다.

제2 기준전극(131)과 제2 가변전극(136)은 탄성부(320, 330)로부터 연장되는 전극층으로 형성된다.

제2 기준전극(131)은 제1 기준전극(121)과 동일한 형상을 가지며, 대칭적으로 형성된다.

상기 제2 기준전극(131)은 제3 및 제4 탄성부 (320, 330)사이를 연결하는 바(bar) 타입의 몸체(600)를 포함하며, 몸체(600)의 장변으로부터 더미전극(150b)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제2 기준전극편(132)을 포함한다.

제2 가변전극(136)은 제2 기준전극(131)과 동일한 형상을 가지며, 제2 연결부(230)를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다. 따라서, 제2 구동전극(130)은 x축 방향의 무게 중심을 유지할 수 있다.

즉, 제2 가변전극(136)은 제3 및 제4 탄성부(320,330) 사이를 연결하는 바 타입의 몸체(600)로 형성되어 있으며, 제1 가변전극(126)을 향하여 돌출되어 있는 복수의 제2 가변전극편(137)을 포함한다.

제1 가변전극편(127)과 제2 가변전극편(137)은 서로 교차하도록 배치된다.

이때, 상기 제1 가변전극(126)과 제2 가변전극(136)의 각 전극편(127, 137)이 자계 센서의 중앙 영역에서 서로 마주보도록 배치되어 가변 커패시터를 형성한다.

상기 가변 커패시터는 제1 가변전극(126)의 제1 가변전극편(127)과 제2 가변전극(136)의 제2 가변전극편(137)이 서로 교차하도록 배치되어 교차되는 편(127, 137)의 면적에 따라 커패시터의 용량이 가변한다. 본 실시예에서는 이러한 빗살모양의 구동기인 콤 드라이브(Comb drive)에 의하여 가변 커패시터를 구현하였으나, 본 발명의 사상은 이에 한정하지 않으며 마주보는 편의 거리 차를 이용하는 구조 등 가변 커패시터를 구현할 수 있는 다양한 구조에 의해 실현될 수 있다.

상기 제1 가변전극편(127)과 제2 가변전극편(137)은 제1 내지 제4 전원전극(111, 112, 116, 117)에 전압이 인가되지 않은 상태 또는 로렌츠 힘이 발생하지 않은 상태에서 약 30μm 내외의 중첩 거리를 가진다.

하나의 제1 가변전극편(127)과 이웃한 제2 가변전극편(137) 사이의 이격거리는 1 내지 10 μm, 바람직하게는 2 내지 3 μm일 수 있다.

한편, 제2 연결부(230)는 제1 연결부(220)와 동일하게 형성되며, 제2 기준전극(131) 및 제2 가변전극(136)의 몸체(600) 사이에 노출되는 영역을 가지며, 제2 기준전극(131) 및 제2 가변전극(136)의 일부 또는 전부에 걸치도록 형성된다.

상기 제2 연결부(230)는 제2 기준전극(131)과 제2 가변전극(136)을 전기적으로 절연하면서 물리적으로 연결하기 위한 것으로, 전극층 하부의 지지기판(400) 및 절연층(200)만으로 구성된다.

이때, 상기 제2 연결부(230)의 지지기판(400)은 일부가 식각되어 고정기판(110) 하부의 지지기판(400)의 두께보다 작은 두께를 갖도록 형성되어 상기 제2 연결부(230)를 고정기판(110)의 최하점으로부터 부양시킨다.

또한, 상기 제1 기준전극(121), 제1 가변전극(126), 제2 기준전극(131) 및 제2 가변전극(136)의 몸체(600)의 일부에는 상기 고정기판(110)의 금속층(500)으로부터 연장되어 금속패턴(521, 526, 531, 536)이 형성될 수 있다. 따라서, 각 가변전극 및 각 기준전극의 전류 확산 효율을 높여 도전성이 향상되어 반응 속도가 빨라지고, 출력값의 신뢰도가 향상된다.

한편, 자계센서부(100)은 고정기판(110)과 제1 구동전극(120)을 연결하는 제1 탄성부(300) 및 제2 탄성부(310), 고정기판(110)과 제2 구동전극(130)을 연결하는 제3 탄성부(320) 및 제4 탄성부(330)를 포함한다.

제1 탄성부 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)는 더블 폴디드 타입(double folded type)의 스프링으로 구성된다.

제1 내지 제4 탄성부(300, 310, 320, 330)는 각각의 전원전극(111, 112, 116, 117) 및 감지전극(113, 114, 118, 119)이 형성하는 소캐비티 내에 각각 배치된다.

즉, 제1 전원전극(111) 및 제1 감지전극(113)이 형성하는 소캐비티 내에 제1 탄성부(300)가 배치되고, 제2 전원전극(112) 및 제2 감지전극(114)이 형성하는 소캐비티 내에 제2 탄성부(310)가 배치된다. 또한, 제3 전원전극(116) 및 제3 감지전극(118)이 형성하는 소캐비티 내에 제3 탄성부(320)가 배치되며, 제4 전원전극(117) 및 제4 감지전극(119)이 형성하는 소캐비티 내에 제4 탄성부(330)가 배치된다.

제1 탄성부(300)는 두 개의 고정부를 포함한다.

각각의 고정부는 두 개의 스프링을 포함하며, 제1 감지 전극(114)과 제1 가변전극(126)을 연결하고, 제1 전원전극(111)과 제1 기준전극(121)을 연결한다.

제1 탄성부(300)에 의해 고정 기판(110)과 제1 구동전극(120)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.

제2 탄성부(310)의 고정부는 제2 감지전극(114)과 제2 가변전극(136)을 연결하고, 제2 전원전극(112)과 제1 기준전극(121)을 연결한다.

제2 탄성부(310)에 의해 고정 기판(110)과 제1 구동전극(120)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.

제3 탄성부(320)의 고정부는 제3 감지전극(118)과 제2 가변전극(136)을 연결하고, 제3 전원전극(116)과 제2 기준전극(131)을 연결한다.

제3 탄성부(320)에 의해 고정 기판(110)과 제2 구동전극(130)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.

제4 탄성부(330)의 고정부는 제4 감지전극(119)과 제2 가변전극(136)을 연결하고, 제4 전원전극(117)과 제2 기준전극(131)을 연결한다.

제4 탄성부(330)에 의해 고정 기판(110)과 제2 구동전극(130)이 전기적 물리적으로 연결되어 있다.

이와 같이 형성되는 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 서로 동일한 수효의 스프링을 포함하며, 자계센서부(100)의 구동전극부(120, 130)의 양 단에 서로 마주하며 형성되어 장력을 분산시킬 수 있다.

또한, 서로 대칭적으로 형성되어 전체적으로 균형을 이루어 소자 신뢰성이 확보될 수 있다.

이러한 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 탄성부(300, 310, 320, 330)의 구동부(120) 사이의 연결섬 영역을 제외하고는 전극층(500)만으로 구성되어 각 구성 요소의 물리적 연결뿐 아니라, 전기적 연결을 수행하며, 구동 뒤에 탄성력에 의한 복원력을 제공한다.

또한, 4개의 탄성부(300, 310, 320, 330)는 동일하게 구성되며, 연결섬을 제외한 전체에 고정기판(110)의 전극들로부터 연장되는 금속층(500)이 형성되어 전기 전도성을 높인다.

이러한 멤스 자계센서부(100)은 지지기판(400), 절연층(200), 전극층(150) 및 금속층(500)의 적층 구조가 패키지(1000)의 측면부(800)를 형성하도록 측면에 잔재한다.

이때, 고정기판(110)을 나타내는 영역과 측면부(800) 사이에는 이격 공간이 형성될 수 있다.

즉, 도 2와 같이 고정기판(110)을 나타내는 영역과 측면부(800) 사이에 이격 공간을 포함하더라도 고정기판(110)의 금속층(500) 위에 본딩층을 더 형성할 수 있다.

이하에서는 도 5 내지 도 12을 참고하여 도 1의 자계 센서 패키지(1000)의 제조 방법을 설명한다.

먼저 도 5와 형성된 자계센서부(100)의 하부에 패키지 몸체(600)를 부착한다.

상기 패키지 몸체(600)는 글라스 기판과 같이 절연성의 물질일 수 있으며, 상기 패키지 몸체(600)가 글라스 기판인 경우, 상기 자계센서부(100)의 지지기판 하부와 상기 패키지 몸체(600) 사이를 아노딕 본딩(anodic bonding)을 수행하여 접합할 수 있다.

다음으로, 도 6과 같이 상부층(700)을 이루는 베이스 기판을 준비한다.

상기 베이스 기판은 글라스 기판 등의 비전도성기판일 수 있다.

상기 베이스 기판에 도 7과 같이 비아홀(710)을 형성한다.

상기 비아홀(710)은 샌드 블래스팅(sand blasting) 등의 방법으로 형성할 수 있으며, 상기 비아홀(710)은 상기 자계센서부(100)이 배치되는 영역과 대응되는 영역에 2개 이상 형성될 수 있다.

상기 비아홀(710)의 상면의 크기는 수 μm 내지 수십μm일 수 있으며 하부로 갈수록 크기가 작아지도록 경사를 가질 수 있다.

다음으로, 도 8 및 도 9와 같이 베이스 기판의 상면에 패드(720)를 형성한다.

먼저, 비아홀(710)을 매립하도록 도금을 수행하여 상면 전체에 도금층(721)이 형성된다.

다음으로, 도 9와 같이 포토 공정에 의해 비아홀(710)의 상부에 패드(720)가 형성되도록 도금층(721)을 식각하고, 패드(720) 이외의 도금층(721)은 제거한다.

다음으로, 도 10과 같이 베이스 기판 하면에 도금 또는 스퍼터링 등을 수행하여 금속층을 형성한 뒤 비아와 비아 사이에 두개의 비아를 잇는 도선부(730)를 형성하도록 패터닝한다.

상기 상부 도금층 및 하부 금속층은 전도성 금속, 예를 들어 Al, Au, Cu 등일 수 있다.

상기 베이스 기판의 하면에 도선부(730)까지 완성되면 상부층(700)이 완성된다.

다음으로 도 11과 같이 상부층(700)의 하면에 본딩층(350)을 형성한다.

상기 본딩층(350)은 DFR 등의 접착필름일 수 있으며, 이를 상부층(700) 전면에 코팅한 뒤 식각액을 이용하여 패터닝할 수 있다.

이때, 필름의 종류, 두께와 본딩 방법에 따라 자계센서부(100)과 도선부(730)사이의 거리를 조절할 수 있다.

상기 본딩층(350)은 측면부(800)를 이루는 가장자리 영역에 형성되며, 이와 이격 거리를 두고 측면부(800) 안쪽으로 연결섬이 더 형성될 수 있다.

상기 연결섬은 도 2에서와 같이 자계센서부(100)의 고정 기판 위에 부착될 수 있다.

마지막으로 도 12와 같이 본딩층(350)을 이용하여 자계센서부(100)의 측면부(800)와 상부층(700)을 접합한다.

이때, 본딩 방법으로는 열과 압력을 가하여 접합하거나, 접착제를 통해 접착을 진행할 수 있다.

이와 같이 패키지(1000) 내에 도선부(730)를 형성하여 자계 센서 패키지(1000)를 형성함으로써 공급원과 센서 사이의 거리를 최소화 할 수 있어 감지능이 향상된다.

이하에서는 도 13 내지 도 15를 참고하여 다양한 실시예를 설명한다.

먼저, 도 13의 제2 실시에에 따른 자계 센서 패키지(1000A)는 멤스 소자의 자계센서부(100)를 포함하며, 패키지 몸체(600), 제어칩(900), 상부층(700) 및 몰딩부를 포함한다.

자계센서부(100)의 구조는 앞서 설명과 동일하므로 생략한다.

상기 패키지 몸체(600) 위에 복수의 소자가 배치되어 있다.

상기 자계센서부(100)과 제어칩(900)은 도 1과 달리 제어칩(900)이 자계센서부(100) 위에 배치될 수 있다.

제어칩(900)이 도 13과 같이 자계센서부(100) 상부에 배치되는 경우, 상기 자계센서부(100)은 도 2의 자계센서부(100)에 대하여 반대로 배치될 수 있다.

즉, 지지기판(400)이 상부층(700)을 향하도록 배치될 수 있다.

따라서, 지지기판(400) 위에 제어칩(900)이 부착되어 자계 센서의 운동에 제어칩(900)이 영향을 미치지 않고 진행될 수 있다.

한편, 자계센서부(100)과 제어칩(900)을 감싸는 측면부(800)는 패키지 몸체(600) 위에 형성될 수 있다.

이때, 상기 측면부(800)와 상기 패키지 몸체(600) 사이 및 패키지 몸체(600) 위의 노출면에 도선부(730)가 형성될 수 있다.

상기 도선부(730)는 측면부(800)의 상면에 패드영역(732)으로부터 연장되어 측면부(800)의 측면을 감싸는 측면영역(731)을 포함하고, 배면까지 연장되어 패키지 몸체(600)를 가로지르며 반대쪽 측면부(800)의 상면까지 연장된다.

도 13과 같이 도선부(730)가 패키지 몸체(600) 위에 형성되는 경우, 패키지 몸체(600) 위에 부유하는 자계센서부(100)는 도선부(730)로부터의 자계를 센싱하여 감지 신호를 제어칩(900)으로 출력할 수 있다.

이때, 제어칩(900)은 패키지 몸체(600)의 패드(733)와 부착되는 제1 와이어(910) 및 자계센서부(100)과 연결되는 제2 와이어(920)를 통하여 전기적인 신호를 송수신할 수 있다.

도 13과 같이 도선부(730)가 패키지 몸체(600) 위에 가로지르는 경우, 몰딩재에 의해 몰딩될 수 있다.

한편, 도 13의 자계센서부(100)의 경우, 패키지 몸체(600) 내에 부유하지 않고, 도선부(730) 위에 부착될 수 있다.

이러한 경우, 지지기판(400)과 도선부(730)가 부착되며, 자계 센서의 고정 기판(110) 위에 자계 센서를 덮는 상부층이 더 형성되어 자계 센서와 제어칩(900) 사이를 이격시킬 수 있다.

이러한 구조는 도 14를 참고하여 더 상세히 설명한다.

도 14의 제3 실시예에 따른 자계 센서 패키지(1000B)는 멤스 소자의 자계센서부(100)를 포함하며, 패키지 몸체(600), 제어칩(900) 및 몰딩재(950)를 포함한다.

상기 패키지 몸체(600) 위에 복수의 소자가 배치되어 있다.

상기 자계센서부(100)과 제어칩(900)은 도 1과 같이 제어칩(900)이 자계센서부(100) 옆에 이웃하게 배치될 수 있다.

상기 측면부(800) 및 도선부(730)의 형상은 도 13과 동일하므로 생략한다.

도 14의 경우, 도선부(730)위에 배치되는 자계센서부(100)은 지지기판(400) 위에 자계 센서를 포함하며, 자계 센서의 고정기판(110) 영역 위에 복수의 접합층(500)이 소정 높이를 가지며 형성되어 상부층(450)을 지지한다.

따라서, 상부층(700)과 지지기판(400) 사이에 자계 센서가 부유하며 하부의 도선부(730)에 의한 자계에 의해 수평 운동하여 자계를 감지할 수 있다.

도 15 및 도 16의 제4 실시예에 따른 자계 센서 패키지(1000C)는 멤스 소자의 자계센서부(100)를 포함하며, 패키지 몸체(600), 제어칩(900) 및 몰딩재(950)를 포함한다.

상기 패키지 몸체(600) 위에 복수의 소자가 배치되어 있다.

상기 자계센서부(100)과 제어칩(900)은 도 13과 같이 자계센서부(100) 위에 제어칩(900)이 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 15의 경우, 도선부(460)가 자계센서부(100) 내부에 배치된다.

더욱 상세하게는 도 16을 참고하면, 자계센서부(100)은 지지기판(400) 위에 자계 센서를 포함하며, 자계 센서의 고정기판(110) 영역 위에 복수의 접합층(500)이 소정 높이를 가지며 형성되어 상부층(450)을 지지한다.

이때, 상부층(450)에 비아홀이 형성되어 비아홀을 매립하는 비아(470)를 통하여 상면의 패드(480)와 연장되는 도선부(460)가 상부층(450)의 하면에 형성된다.

따라서, 상기 도선부(460)가 자계센서부(100) 내에 배치될 수 있으며, 상기 자계센서부(100) 내에 부유하는 자계 센서와 매우 근접한 거리를 유지할 수 있어 1A 이하의 미세 전류 측정이 가능하다.

도선부(460)가 자계센서부(100) 내에 배치되는 경우, 이웃하게 배치되는 제어칩(900)과 자계 센서를 연결하는 제1 와이어(920), 제어칩(900)과 외부를 연결하는 제2 와이어(910) 및 도선부(460)와 외부를 연결하는 제3 와이어(930)를 통해 전기적 접속을 수행할 수 있다.

이와 같이 상기 자계 센서 패키지(1000C) 내에 상기 자계센서부(100) 및 상기 자계센서부(100)에 자극을 공급하는 도선부(460)를 함께 형성하여 일정한 거리를 유지하는 한편, 상기 일정한 거리를 최소화하여 감지능을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

자계 센서 패키지 1000
자계센서부 100
제어칩 900
도선부 730, 460
고정 기판 110
제1 구동전극 120
제2 구동전극 130
기준전극 121, 131
가변전극 126, 136
탄성부 300-330

Claims

내부에 공간을 가지는 패키지 몸체,
상기 패키지 몸체의 공간 내에 배치되며, 측정 대상 전류를 유동시키기 위해 구비된 도선부, 그리고
상기 패키지 몸체 내에 배치되며, 상기 측정 대상 전류에 의한 자계를 센싱하는 자계센서부 를 포함하는 자계 센서 패키지.
제1항에 있어서,
상기 자계센서부는 몸체 내부에 부유하며, 상기 측정 대상 전류에 의한 자계에 의해 이동가능한 자계 센서 구조체를 포함하는 자계 센서 패키지.
제2항에 있어서,
상기 도선부는 상기 자계 센서와 이격되어 있는 자계 센서 패키지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도선부는 상기 자계센서부의 상부 또는 하부에 배치되어 있는 자계 센서 패키지.
제4항에 있어서,
상기 자계 센서 패키지는
상기 패키지 몸체 위에 상기 자계센서부를 둘러싸는 측면부, 그리고
상기 측면부에 의해 지지되며 상기 자계센서부를 덮어 밀봉하는 상부층
을 더 포함하는 자계 센서 패키지.
제5항에 있어서,
상기 도선부는 상기 상부층의 하면에 배치되어 있는 자계 센서 패키지.
제6항에 있어서,
상기 상부층은 적어도 2개의 비아홀을 포함하며,
상기 도선부는 상기 비아홀을 통하여 상기 상부층의 패드와 연장되어 있는 자계 센서 패키지.
제4항에 있어서,
상기 도선부는 상기 패키지 몸체의 상면을 가로지르며 형성되는 자계 센서 패키지.
제3항에 있어서,
상기 도선부는 상기 자계센서부의 몸체 내부에 매립되어 있는 자계 센서 패키지.
제3항에 있어서,
상기 자계 센서 패키지는
상기 패키지 몸체 위에 상기 자계센서부와 이웃하여 제어칩을 더 포함하는 자계 센서 패키지.
제3항에 있어서,
상기 자계센서부는
기판;
상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제1 구동전극; 및
상기 기판으로부터 공급된 기준 전류를 유동시키는 경로를 가지며, 상기 측정 대상 전류의 자계에 의해 이동 가능한 제2 구동전극을 포함하며,
상기 제1 구동전극과 상기 제2 구동전극이 부유한 상태로 이동에 의한 커패시턴스의 변화를 측정하는 자계 센서 패키지.
제11항에 있어서,
상기 자계센서부는 멤스 소자(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS)인 자계 센서 패키지.