KR20150136131A - 가속도 센서 및 가속도 센서의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가속도 센서와 관련된 것으로, 기판 표면을 가지는 기판과 기판 표면에 대해 평향한 제1 방향(x)에서 기판에 대해 상대적으로 이동가능한 샘플 질량을 포함한다. 샘플 질량은 샘플 질량과 함께 이동가능한 빗 형상 전극을 구비하고, 제1 방향(x)을 따라 연장된 복수 개의 빗살들을 구비한다. 가속도 센서는 또한 기판에 고정적으로 연결된 대향 전극을 포함하고, 대향 전극은 고정 빗 형상 전극을 포함하며, 고정 빗 형상 전극은 제1 방향(x)의 반대 방향으로 연장된 복수 개의 빗살들을 구비한다. 가동 빗 형상 전극의 빗살들은 고정 빗 형상 전극의 빗살들과 맞물린다. 가속도 센서는 또한 기판에 고정적으로 연결되며, 샘플 질량이 편향 이동하는 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합한 차폐 전극을 포함한다.

Description

가속도 센서 및 가속도 센서의 제조 방법{ACCELERATION SENSOR AND METHOD FOR PRODUCING AN ACCELERATION SENSOR}
본 발명은 가속도 센서 및 가속도 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가속도 센서의 기판 표면에 평행한 가속도를 측정하기 위한 미세 전자 기계(micro-electro-mechanical) 가속도 센서 및 미세 전자 기계 가속도 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
미세 전자 기계 가속도 센서는 가속도를 감지할 수 있는 마이크로 시스템 또는 MEMS(micro-electro-mechanical systems)이다. 일반적으로, 이를 위해, 센서의 가속도에 의해 센서의 기판에 대해 편향되는 적어도 하나의 샘플 질량(또는 추)이 제공된다. 이를 위해, 샘플 질량은 기판에 대해 이동가능하게 연결되며, 예를 들자면 스프링에 의해 연결된다.
가속도를 감지하기 위해, 전극(이하에서 "이동 전극")은 샘플 질량의 일부이며, 기판 상에 고정된 대향 전극이 이동 전극의 반대편에 배치된다. 만약 샘플 질량의 편향에 의해 이동 전극과 대향 전극 사이의 간격이 변하면, 이것은 제어루프(폐쇄 루프)에 의해 감지되며, 그에 따른 전압이 전극에 가해져, 샘플 질량의 리셋으로 이어진다. 여기서, 가해지는 전압의 높이가 가속도를 결정하는데 이용된다.
1차원 이상에서 가속도를 감지할 수 있기 위해, 예를 들어, 3개의 동일한 가속도 센서들이 제공될 수 있으며, 각각은 각각 공간 축 중 하나에 맞춰 조정된 감지축을 가진다. 대신에 또는 부가적으로 다른 방향으로 편향되는 여러 개의 샘플 질량이 같은 기판 상에 제공되는 것도 가능하다.
유리한 선형 거동으로 인해, 서로 맞물리는(또는 끼워진) 가속도 센서들이 가치 있는 것으로 증명되었다. 여기서, 이동 전극 및 대향 전극은 빗 형태의 전극들로 형성되고, 각 빗의 빗살(teeth)들이 서로 맞물린다. 이동 전극 및 대향 전극은 이러한 방법으로 커패시터를 형성하며, 리셋을 위해 커패시터의 전압들에 가해지는 리셋 전압은 샘플 질량의 거의 모든 편향에 대해 선형적이다.
그러나 서로 끼워진 전압 배치의 문제는 제동부가 존재하지 않아 높은 가속도에서, 예를 들어 이동 전극이 대향 전극 또는 스페이서와 부딪힐 수 있고, 이것은 기계적인 결함 및 부정확 또는 비정상적 측정 결과로 이어질 수 있다.
따라서 본 발명은 샘플 질량의 편향 이동에 대한 향상된 제동력(damping)을 가지는 빗 형상 전극이 맞물린 가속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적은 독립항의 대상에 의해 달성된다. 유리한 실시예들은 종속항에서 정의된다.
본 발명에 따른 가속도 센서는 예를 들어, 기판 표면을 구비하는 기판을 포함할 수 있다. 나아가, 가속도 센서는 대체적으로 기판 표면에 대해 평행한 양의 편향 방향(x)을 따라 기판에 대해 상대적으로 이동가능한 샘플 질량을 포함할 수 있고, 샘플 질량은 표본 질량과 함께 가동 빗 형상의 전극을 포함하며, 가동 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)으로 연장되는 복수 개의 빗살을 포함한다. 가속도 센서는 또한 기판에 고정적으로 연결된 대향 전극을 포함하며, 대향 전극은 고정 빗 형상 전극을 포함하고, 고정 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)의 반대 방향으로 연장되는 복수 개의 빗살을 포함하고, 가동 빗 형상 전극의 빗살은 고정 빗 형상 전극의 빗살과 맞물린다. 또한, 가속도 센서는 기판에 고정적으로 연결되는 차폐 전극(shielding electrode)을 포함할 수 있으며, 이는 샘플 질량이 편향 이동하는 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합하다.
이하에서, "공기 감쇠"이라는 용어는 예를 들어 부분 체적의 증가나 감소로 인한 감쇠를 나타내며, 부분 체적으로부터 기체가 흘러나오면 감소하게 되고, 부분 체적으로 기체가 흘러들어가게 되면 증가하게 된다. "공기 감쇠"라는 용어는 이하에서 상세하게 설명된다.
또한, 가동 빗 형상 전극은 빗 전방 표면을 가지는 빗 전방 측을 포함할 수 있으며, 이는 실질적으로 양의 편향 방향(x)에 직각이다. 차폐 전극은 차폐 전극면을 포함할 수 있고, 이는 빗 전방 면에 실질적으로 평행하다.
여기서, 빗 전방 면 및 차폐 전극 면은 서로 맞은 편일 수 있다. 샘플 질량의 편향 운동 동안, 빗 전방 면과 차폐 전극 면 사이의 거리는 변할 수 있으며, 거리의 변화는 샘플 질량의 공가 감쇠를 증가시키기에 적합하다.
샘플 질량은 가속되는 동안 관성 때문에 편향될 수 있으며, 탄성 복원력에 의해 소정 시간이 지난 뒤 정지 위치로 이동될 수 있다. 또한, 예를 들어 가동 빗 형상 전극 및 고정 빗 형상 전극 또는 대향 전극에 가해지는 전압은 정전기력 때문에 샘플 질량의 편향을 야기할 수 있다. 예를 들어, 샘플 질량의 편향 이동 동안 마주하는 면(빗 전방 면과 차폐 전극 면의) 사이의 거리의 변화는 빗 전방 면과 차폐 전극 면 사이의 체적의 변화라는 결과를 만든다. 체적의 변화는 샘플 질량의 공기 감쇄의 증가에 기여할 수 있다.
또한, 샘플 질량 및 차폐 전극은 같은 전위를 가질 수 있다.
이를 위해, 샘플 질량과 차폐 전극은 예를 들어 상응하는 전기적 연결에 의해 전압을 가함으로써 동일한 전위가 제공될 수 있다. 만약 샘플 질량 및 차폐 전극이 동일한 전위를 가진다면, 그들 사이에 정전기적 인력이나 척력이 존재하지 않는다. 따라서, 샘플 질량의 편향 이동은 샘플 질량과 차폐 전극 사이의 정전기력에 의해 교란되지 않는다.
대향 전극 및 차폐 전극은 격리층에 의해 서로 기계적으로 연결될 수 있다.
격리층은 예를 들어 산화물 층이며, 이는 차폐 전극와 대향 전극 사이의 전기적인 분리을 보장한다. 만약 대향 전극과 차폐 전극이 서로 기계적으로 연결되면, 이는 대향 전극이 기계적 안정성을 보장하기 때문에 차폐 전극을 더욱 얇게 형성할 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 공간을 절약할 수 있는 동시에/또는 기계적인 안정성이 달성될 수 있다.
샘플 질량은 예를 들어 추가 가동 빗 형상 전극을 포함할 수 있고, 이는 샘플 질량과 함께 이동할 수 있으며, 추가 가동 빗 형상 전극은 또한 복수 개의 빗살을 포함할 수 있고, 이들은 양의 편향 방향(x)에 대해 반대 방향을 따라 연장된다. 가속도 센서는 또한 기판에 고정적으로 연결되는 추가 대향 전극을 포함할 수 있고, 추가 대향 전극은 추가 고정 빗 형상 전극을 포함할 수 잇으며, 추가 고정 빗 형상 전극은 복수 개의 빗살을 구비하고, 이들은 양의 대향 방향(x)을 따라 연장되며, 추가 가동 빗 형상 전극의 빗살은 추가 고정 빗 형상 전극의 빗살과 맞물린다. 가속도 센서는 기판에 고정적으로 연결되는 추가 차폐 전극을 포함할 수 있고, 이는 샘플 질량의 편향 이동 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합하다.
추가 가동 빗 형상 전극과 추가 고정 빗 형성 전극 덕분에, 예를 들면 양의 편향 방향(x)뿐만 아니라 양의 편향 방향(x)의 반대 방향 가속도도 더욱 정확하게 감지될 수 있다. 이때, 가속도를 감지하거나 양의 x 방향 뿐 아니라 음의 x 방향을 따라 샘플 질량을 편향시키기 위해 리셋하기 위한 각각의 전극이 존재한다.
차폐 전극 및 추가 차폐 전극은 서로 일체로 연결될 수 있다.
이를 위해, 예를 들어 차폐 전극뿐만 아니라 추가 차폐 전극의 기능을 하는 단일 전극이 제공될 수 있다. 이는 예를 들어 차폐 전극 또는 추가 차폐 전극의 기계적 안정성에 유리할 수 있다. 게다가, 이러한 배치에 의해, 예를 들어 차폐 전극과 추가 차폐 전극 사이의 간격을 생략할 수 있어 기판상의 공간이 절약될 수 있다.
가속도 센서는 샘플 질량이 양의 편향 방향(x)을 따라 편향 이동을 수행할 수 있는 방식으로 샘플 질량과 기판을 연결하고, 샘플 질량이 실질적으로 기판에 평행한 방향(y) 및 양의 편향 방향(x)에 직각인 방향을 따라 강성 지지되도록 적어도 하나의 스프링 요소를 더 포함한다.
또한, 기판 표면에 직각인 (z) 방향에서 샘플 질량의 지지는 실질적으로 강성이다.
편향 이동이나 가속이 감지되지 않아야 하는 방향들에서 샘플 질량의 강성 지지 덕분에 가속도 측정 정확도가 향상되고, 예를 들어, 가동 빗 형상 전극과 고정 빗 형상 전극 사이의 거리가 x 방향을 따라서만 변화하고 y 방향이나 z 방향으로는 변화하지 않을 때 가속도 측정 정확도가 향상된다.
가속도 센서의 제조 방법은 기판 표면을 포함하는 기판을 형성하는 단계, 기판에 대해 실질적으로 평행한 양의 편향 방향(x)을 따라 기판에 대해 상대 이동가능한 샘플 질량을 형성하는 단계를 포함하며, 샘플 질량은 샘플 질량과 함께 가동 빗 형상의 전극을 포함하고, 가동 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)를 따라 연장된 복수 개의 빗살을 포함한다. 제조 방법은 또한 기판에 고정적으로 연결된 대향 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 대향 전극은 고정 빗 형상 전극을 포함하며, 고정 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)에 반대인 방향을 따라 연장된 복수 개의 빗살을 포함하고, 가동 빗 형상 전극의 빗살은 고정 빗 형상 전극과 맞물리며, 샘플 질량의 편향 이동 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기 적합하며 기판에 고정적으로 연결되는 차폐 전극을 형성하는 공정을 포함한다.
가속도 센서의 제조 방법은 또한 샘플 질량의 편향 이동의 최적 감쇠를 맞추기 위해 가속도 센서의 기체 압력을 조정하는 단계를 포함한다.
가속도 센서의 제조 방법은 샘플 질량의 편향 이동의 최적 감쇠를 맞추기 위해 가속도 센서의 소정의 기체 압력에서의 가동 빗 형상 전극과 차폐 전극 사이의 거리를 선택하는 단계를 포함한다.
여기서, 예를 들어 최적 기체 압력(또는 충전압) 또는 가동 빗 형상 전극과 차폐 전극 사이의 최적 거리는 샘플 질량의 최적 감쇠를 이끈다. 나아가, 가속도 센서를 충전하기 위해 이용되는 기체 타입의 선택은 최적 감쇠의 달성이라는 결과를 가져올 수 있다. 최적 감쇠를 위해, 감쇠는 샘플 질량이 지나치게 강하게 감쇠되어 충분히 편향되지 않을 정도로 높아도 안 되고, 예를 들어 가동 빗 형상 전극과 고정 빗 형상 전극 또는 가동 빗 형상 또는 샘플 질량과 스페이서가 서로 부딪힐 정도로 약해도 안 된다.
본 발명의 다음의 실시예들에서, 그 작용뿐만 아니라 효과가 도면에 대해 기술될 것이다. 실시예들의 구성요소들은 서로 배타적이지 않는 한 서로 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 가속도 센서는, 샘플 질량 및 차폐 전극이 동일한 전위를 가짐으로써, 그들 사이에 정전기적 인력이나 척력이 존재하지 않는다. 따라서, 샘플 질량의 편향 이동은 샘플 질량과 차폐 전극 사이의 정전기력에 의해 교란되지 않는다.
본 발명에 따른 가속도 센서는, 대향 전극 및 차폐 전극은 격리층에 의해 서로 기계적으로 연결되므로, 이는 대향 전극이 기계적 안정성을 보장하기 때문에 차폐 전극을 더욱 얇게 형성할 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 공간을 절약할 수 있는 동시에/또는 기계적인 안정성이 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가속도 센서의 개략적인 평면도를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 가속도 센서의 개략적인 평면도로, 샘플 지량의 전력 배선 설비, 대향 전극 및 차폐 전극이 개략적으로 도시된 도면,
도 3은 본 발명에 따른 대향 전극 및 차폐 전극이 격리층에 의해 기계적으로 서로 연결된 가속도 센서의 개략적인 평면도를 도시한 도면.
도 1은 투영면에 평행한 양의 편향 방향(x 방향)의 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서의 개략적인 평면도를 보여준다. 투영면에 기판 1의 기판 표면이 존재하며, 그 위에 가속도 센서의 요소들이 배치된다. 따라서, 이하에서 x-축은 그에 따라 (양 또는 음의) 가속도가 측정되는 감지축이다. y-축은 x-축에 직각이며, 도 1의 도면에서 투영면 또는 기판 1의 기판 표면에 평행하게 배치된다. z-축은 x-축과 y-축에 직각이며, 따라서 도 1의 투영면 또는 기판 표면에 대해 법선 방향이다.
대향 전극들(2a) 및 추가 대향 전극들(2b)은 기판(1)에 고정적으로 연결된다. 도 1의 실시예에 따르면 두 개의 대향 전극(2a)들과 두 개의 추가 대향 전극(2b)들이 각각 도시되어 있으며, 대향 전극(2a)들 또는 추가 대향 전극(2b)들의 수는 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 오직 각각 하나의 대향 전극(2a)과 하나의 추가 대향 전극(2b)만이 있을 수도 있고, 또는 두 개 이상의 대향 전극(2a)들과 두 개 이상의 추가 대향 전극(2b)들이 각각 있을 수도 있다. 나아가, 또한 예를 들어 오직 하나의 대향 전극(2a)만이 제공되고 추가 대향 전극(2b)이 없을 수도 있다.
기판(1)에 고정적으로 연결된 대향 전극(2a)은 고정 빗 형상 전극들(3a)을 포함할 수 있고, 그 각각은 음의 x 방향, 다시 말해, 양의 편향 방향(x)의 반대 방향으로 연장된 여러 개의 빗살(4a)을 포함한다. 고정 빗 형상 전극들은 "고정"으로 명시되며, 그들 또는 각 대향 전극(2a)들이 기판에 고정적으로 연결되기 때문이다. 고정 빗 형상 전극들은 예를 들어, 빗 전방 면뿐만 아니라 빗 전방 면으로부터 직각으로 연장된 여러 개의 빗살(4a)을 포함하도록 형성된다.
이와 유사하게, 기판(1)에 고정적으로 연결되는 추가 대향 전극(2b)은 양의 편향 방향(x)를 따라 연장되는 복수 개의 빗살(4b)을 포함하는 추가 빗 형상 전극(3b)을 포함할 수 있다. 또한 추가 고정 빗 형상 전극들은 빗 전방 면과 이로부터 연장되는 앞서 기술한 복수 개의 빗살(4b)을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에 따르면 각 대향 전극(2a) 및 각 추가 대향 전극(2b)은 두 개의 빗 형상 전극(고정 빗 형상 전극(3a) 또는 추가 고정 빗 형상 전극 (3b))을 각각 구비하고, 고정된 빗 형상 전극(3a) 또는 추가 고정 빗 형상 전극(3b)의 숫자는 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 각 대향 전극(2a) 또는 추가 대향 전극(2b) 하나당 오직 하나의 고정 빗 형상 전극(3a) 또는 하나의 추가 고정 빗 형상 전극(3b)이 제공될 수 있거나 또는 두 개 이상의 고정 빗 형상 전극(3a) 또는 두 개 이상의 추가 고정 빗 형상 전극(3b)이 제공될 수 있다.
또한, 실시예들은 음의 x 방향으로 따라 연장된 빗살(5a)을 구비하는 빗 형상 전극(3a)을 포함하는 유일한 대향 전극(2a)이 기판에 고정되도록 오직 하나의 대향 전극(2a)만 제공되고 추가의 대향 전극(2b)이 제공되지 않는 것도 가능하다.
하나 또는 여러 개의 스프링 요소(5)에 의해, 샘플 질량(6)은 종종 기판(1)에 연결되는 "추"로 나타낼 수도 있다. 스프링 요소(5)는 샘플 질량(6)이 양의 편향 방향(양의 x-방향)과 양의 편향 방향에 반대인 방향(음의 x-방향)을 따라 편향 이동을 수행할 수 있도록 샘플 질량(6)과 추(1)를 서로 연결한다. 관성에 의해, 여기서, 샘플 질량(6)은 예를 들어 기판(1)이 음의 x-방향을 따라 가속되는 동안 양의 x-방향으로 기판에 대해 편향된다. 샘플 질량(6)은 스프링 요소(5)들에 의해 양 및 음향 x-방향으로 편향될 수 있으나, y-방향 및 z-방향으로는 실질적으로 강성 지지되도록 기판과 연결된다.
샘플 질량(6)은 샘플 질량(6)과 함께 적어도 하나의 빗 형상 전극(7a)를 포함하며, 이 "가동" 빗 형상 전극(7a)은 샘플 질량(6)에 고정적으로 연결되며, 따라서 기판(1)에 대해 이동가능하도록 지지된다. 가동 빗 형상 전극(7a)의 숫자는 예를 들어 고정된 빗 형상 전극(3a)의 숫자에 의존하며, 하나의 고정된 빗 형상 전극(3a)을 위해 하나의 가동 빗 형상 전극(7a)이 샘플 질량(6)에 제공될 수 있다.
이 적어도 하나의 가동 빗 형상 전극(7a)은 예를 들어 빗 전방 면 및 복수 개의 빗살(8a)을 포함할 수 있고, 가동 빗 형상 전극(7a)의 빗살(8a)은 양의 편향 방향(x), 다시 말해 양의 x-방향으로 연장된다. 가동 빗 형상 전극(7a) 및 고정된 빗 형상 전극(3a)은 결합 전극으로 배치된다. 따라서, 가동 빗 형상 전극(7a)의 빗살(8a)와 고정 빗 형상 전극(3a)의 빗살(4a)은 서로 결합된다. 빗살(8a, 4a)은 예를 들어, y-방향을 따라 보여지면, 가동 빗 형상 전극(7a)의 빗살(8a) 하나와 고정 빗 형상 전극(3a)의 빗살(4a) 하나가 교대로 있도록 서로 결합된다.
예를 들어, 각 고정 빗 형상 전극(3a)을 위해 하나의 가동 빗 형상 전극(7a)이 제공될 수 있다.
이와 유사하게, 샘플 질량(6)은 샘플 질량(6)과 함께 이동가능한 적어도 하나의 추가 가동 빗 형상 전극(7b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 추가 고정 빗 형상 전극(3b)을 위해, 하나의 추가 가동 빗 형상 전극(7b)이 제공될 수 있다.
또한 추가 가동 빗 형상 전극(7b)은 빗 전방 면과 복수 개의 빗살(8b)을 포함할 수 있고, 추가 가동 빗 형상 전극(7b)의 빗살(8b)은 음의 x-방향, 다시 말해 양의 편향 방향(x)에 반대되는 방향을 따라 연장된다.
고정 빗 형상 전극(3a)과 가동 빗 형상 전극(7a)에 대한 상술한 실시예들과 유사하게, 추가 가동 빗 형상 전극(7b)의 빗살(8b) 역시 추가 고정 빗 형상 전극(4b)과 결합될 수 있다.
상술한 빗 형상 전극들의 빗살들은, 예를 들어 서로 가속도 센서의 중립 모드에서 서로 건드리지 않도록 맞물린다. 바람직하게는, 샘플 질량(6)이 편향 이동하는 동안 각각의 빗 형상 전극들 사이의 접촉이 일어나지 않도록 빗살들 사이에 양 및 음의 x-방향으로 충분한 공간이 제공되어야 한다. 교차 배치된 전극 또는 서로 결합된 빗 형상 전극들의 배치는 전극들에 가해지는 리셋 전압이 대략 거의 모든 전압에서 샘플 질량의 편향에 대해 선형적이라는 이점이 있다. 이러한 선형성을 확실히하기 위해, 예를 들어, 빗살의 끝부분과 반대편인 빗 전방 면 사이의 비선형적 판 커패시터 효과가 근본적으로 억제되고 따라서 무시될 수 있도록 서로 결합되는 빗 형상 전극들 사이의 x-방향의 충분한 거리가 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
가속도 센서는 바람직하게는 기설정된 압력을 가지는 기체로 충진된다. 따라서, 빗 형상 전극의 빗살들 사이에는 기체 또는 특히 기체 분자가 존재한다. 만약 샘플 질량(6)이 편향 이동하는 동안, 예를 들어 가동 빗 형상 전극(7a)이 고정 빗 형상 전극(3a)을 향해 이동중이라면, 기체는 빗살 사이의 공간으로부터 빠져나오게 된다. 이는 샘플 질량의 진동 또는 편향 이동의 어떠한 "공기 감쇠"를 이끌어낸다.
이하에서, 공기감쇠라는 용어는, 따라서, 부분 체적의 증가 또는 감소에 의한 감쇠를 의미하며, 예를 들어 부분 체적이 감소하는 기체가 부분 체적으로부터 빠져나오는 경우나 부분 체적이 증가하는 기체가 부분 체적으로 흘러들어가는 것을 의미한다. 여기서, 기체가 점성 때문에 한 부분 체적으로부터 다른 부분 체적으로으로 유한한 속도로만 흐를 수 있으므로, 부분 체적 사이의 압력 차이들이 발생된다. 따라서, 예를 들어, 감소하는 부분 체적 내의 과도한 압력은 수축하는 체적의 외벽에 힘이 작용하게 한다. 샘플 질량(6)의 편향 이동에 대항하여 작용하는 저향력이 있기 때문에, 편향 이동 또는 진동이 감쇠된다.
빗 형상 전극들의 빗살들 사이의 체적 변화에 기인한 공기 감쇠는 종종 소망하는 고 감쇠에 미치지 못하는 경우가 있다.
따라서, 본 발명의 가속도 센서에는 부가적인 차폐 전극(9a)들이 제공되며, 이는 샘플 질량(6)의 공기 감쇠를 증가시킨다. 차폐 전극(9a)들은 바람직하게는 카운터 질량(6)이 차폐 전극(9a)들에 대해 편향되도록, 대향 전극(2a)들과 유사하게 기판(1)에 고정적으로 연결된다. 차폐 전극(9a)들은 예를 들어, 차폐 전극(9a)들의 차폐 전극 면이 샘플 질량(6)의 가동 빗 형상 전극(7a)들의 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 특히, 차폐 전극(9a)들은 가동 빗 형상 전극(7a)들의 빗 전방 면에 실질적으로 평행하고, 이의 반대에 배치된 차폐 전극 면을 포함한다. 차폐 전극 면과 빗 형상 전극 면은, 여기서, 예를 들면 양의 편향 방향(x)에 대해 실질적으로 직각일 수 있다. 따라서, 빗 전방 면은 샘플 질량이 편향 이동하는 동안 차폐 전극 면을 향해 움직이고, 이는, 차폐 전극(9a)과 가동 전극(7a) 사이의 체적을 수축시키기 때문에, 샘플 질량(6)의 편향 이동의 공기 감쇠를 증가시킨다.
나아가, 샘플 질량(6)의 감쇠를 증가시키기 위해, 추가 차폐 전극(9b)들이 추가 가동 빗 형상 전극(3b)들의 빗 전방 면의 옆에 제공된다. 특히, 이 적어도 하나의 추가 가동 빗 형상 전극(3b)은 빗 전방 면을 포함할 수 있고, 이것은 양의 편향 방향(x)에 대해 실질적으로 직각이다. 더욱이, 추가 차폐 전극(3b)은 차폐 전극 면을 포함할 수 있고, 이는 추가 가동 빗 형상 전극(3b)의 빗 전방면에 대해 실질적으로 평행하며, 차폐 전극 면은 빗 전방면에 대해 반대 방향이다. 샘플 질량(6)이 편향 이동하는 동안, 빗 전방면과 차폐 전극 면 사이의 거리는 감소한다. 따라서, 또한 추가 차폐 전극(9b)들은 편향 이동 또는 진동의 공기 감쇠에 기여한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 또한 차폐 전극들의 조합이 제공될 수도 있으며, 이는 동시에 차폐 전극(9a)들로서뿐만 아니라 추가 차폐 전극(9b)들로서 작용한다. 이러한 이유로, 차폐 전극(9a) 및 추가 차폐 전극(9b)은 서로 일체로 연결될 수 있다. 이렇게 조합된 차폐 전극은 예를 들어 두 개의 평행한 차폐 전극 면을 포함할 수 있고, 차폐 전극 면 중 하나는 가동 빗 형상 전극(7a)의 빗 전방 면과 마주하고, 다른 차폐 전극 면은 추가 가동 빗 형성 전극(7b)의 빗 전방 면과 마주한다. 따라서, 조합된 차폐 전극은 샘플 질량의 양의 방향뿐만 아니라 음의 방향 편향 이동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 가속도 센서의 추가 실시예의 개략적인 평면도를 보여준다. 도 2에 도시된 가속도 센서는 본질적으로 도 1에 도시된 가속도 센서와 동일한 구성요소들을 포함하며, 이 동일한 구성요소들은 동일한 참조 번호로 나타내었다.
도 2에서 각 전극의 전기 배선 설비들이 개략적으로 도시되었다. 여기서, 샘플 질량(6) 또는 가동 빗 형상 전극(7a) 또는 추가 가동 빗 형상 전극(7b)의 전기 단자(11a)가 제공된다. 또한, 대향 전극(2a)들 및 추가 대향 전극(2b)들 또는 각각의 고정 빗 형상 전극(3a)들 및 추가 빗 형상 전극(3b)들을 위한 전기 단자(11b)들이 제공될 수 있다.
폐쇄 루프 운전 동안, 샘플 질량의 편향은 샘플 질량(6)의 전기 단자(11a) 및 대향 전극(2a)들 또는 추가 대향 전극(2b)들의 전기 단자(11b)에 의해 감지될 수 있고, 부합하는 제어 루프에 의해 리셋 전압이 이들에 가해지며, 이것은 샘플 질량을 초기 위치로 리셋되도록 유도한다.
만약 가속도 센서가 개방 루프 모드로 운전된다면, 정전 용량의 변화가 전기 단자(11a 또는 11b)들에 의해 측정될 수 있고, 이에 기반해서 가속도 센서의 가속도가 산출될 수 있다.
나아가, 차폐 전극(9a)들 또는 추가 차폐 전극(9b)들을 위한 전기 단자(11c)들이 제공될 수 있다. 전기 단자(11c)들을 통해, 차폐 전극(9a)들 또는 추가 차폐 전극(9b)들에 공통의 전위에 있을 수 있게 된다. 이를 위해, 차폐 전극(9a)들 및 추가 차폐 전극(9b)들의 전기 단자(11c)들은 예를 들어 서로 연결될 수 있다.
또한, 차폐 전극(9a)들 또는 추가 차폐 전극(9b)들은 그들의 전기 단자(11c)를 통해 샘플 질량(6)과 동일한 전위에 있을 수 있게 된다. 만약 차폐 전극들과 샘플 질량(6)이 동일한 전위를 가진다면, 또한 차폐 전극들과 각 가동 빗 형상 전극(7a) 또는 추가 가동 빗 형상 전극(7b)이 동일한 전위를 가진다. 이것은 차폐 전극(9a)들 또는 추가 차폐 전극(9b)들과 각각의 반대편의 가동 빗 형상 전극(7a)들 또는 추가 가동 빗 형상 전극(7b)들 사이의 원치 않는 정전기력을 제거할 수 있다는 효과가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 가속도 센서의 추가 실시예의 개략적인 평면도를 보여준다. 도 3에 도시된 가속도 센서는 도 1에 도시된 가속도 센서와 본질적으로 동일한 구성 요소를 포함하며, 동일한 구성요소들은 동일한 참조 기호로 표시되었다.
도 3에 도시된 가속도 센서에서, 차폐 전극(9a)들 또는 추가 차폐 전극(9b)들은 각 대향 전극(2a)들 또는 추가 대향 전극(3b)들에 복수 개의 격리층(12)에 의해 기계적으로 연결된다. 따라서, 차폐 전극(9a)들 및 대향 전극(2a)들은 통합 구조를 형성하고, 이것은 배치의 안정성을 상당히 향상시킨다. 그러므로, 예를 들어 차폐 전극(9a)들을 도 1의 실시예보다 더욱 얇게 형성하는 것이 가능하다. 격리층(12)은 바람직하게는 차폐 전극(9a)들과 대향 전극(2b)들을 서로 전기적으로 절연한다. 이러한 전기적 절연은 예를 들어, 만약 차폐 전극(9a, 9b)들 및 샘플 질량이 동일한 전위일 때 특히 합리적이다.
차폐 전극(9a, 9b)들에 의해 발생한 감쇠력을 조절하기 위해, 예를 들어 두 가지의 선택을 생각해볼 수 있으며, 이것들은 임의적으로 서로 조합될 수 있다.
예를 들어, 제조 공정에서 또는 제고 공정 후에 가속도 센서의 기체 압력(또는 충진 압력 또는 내부 압력)이 샘플 질량(6)의 최적 감쇠가 얻어지도록 조정될 수 있다. 여기서, 일반적인 기체 압력(또는 충진 압력)에서 공기 감쇠력은 기체 압력의 높이에 따라 증가한다. 더 높은 기체 압력들에서 감쇠는 기체 압력에 비의존적으로 변한다. 감쇠력이 너무 높거나 너무 낮지 않도록 최적값이 존재한다.
또한, 예를 들어 제조 공정 또는 이미 설계 공정 동안 가동 빗 형상 전극(7a)(또는 추가 가동 빗 형성 전극(7b))와 차폐 전극(9a)(또는 추가 차폐 전극(9b)) 사이의 거리는 샘플 질량(6)의 편향 이동의 최적 감쇠가 달성되도록 조정될 수 있다. 가속도 센서에 일반적인 충진 압력(예를 들어 1 밀리바 내지 1바)에서는, 감쇠력이 높아지면 이 거리는 더 짧아진다.
자연스럽게, 앞서 언급된 방법들 둘 다 최적 댐핑을 조절하기 위해 조합될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 대해 이하에서 설명될 것이다.
본 발명은 MEMS 가속도 측정 장치 내의 감쇠를 증가시키기 위한 차폐 전극(9a, 9b)들의 사용과 관련이 있다. 차폐 전극들 없이 맞물리는 전극들을 가지는 구조(도 2 참조)를 위해, 선형 거동 및 단순 제어부 디자인이 가능하나 극히 적은 감쇠만이 가능하다.
이것은 만약 진동이 발생할 경우, 원치 않는 배치로 이어질 수 있다. 추가적으로 특별히 설계된 전극들(차폐 전극들 9a, 9b)을 사용함으로써, 기설정된 압력에서 감쇠가 최적값을 가지도록하는 갭 너비를 통해 조정될 수 있다.
손깍지(차폐 전극들이 없는)와 같은 종래의 배치에서 감쇠는 금세 사그라진다. 이것은 감소된 리셋 범위라는 결과를 낳는다. 이러한 점에서, 충분히 높은 감쇠를 얻기 위해, 기체 압력이 종종 높게 선택된다. 하지만, 이것은 온도 때문에 센서 내부의 압력 변화폭을 크게하고, 따라서 기계적 인장의 위험이 존재한다. 더 작은 압력으로 작동되기 위해서, 전극들 사이에 매우 좁은 갭이 형성되어야만 한다. 이것은 제조 기술에서 높은 요구 조건을 필요로 하며, 따라서 이를 만족할만한 해결책이 없다.
도 1에 도시된 바와 같이 손깍지 형태의 본 발명의 전극 설계들은, 정확한 배치에서, 감쇠력은 약하지만 x 방향을 따른 편향에 의존하여 거의 일정하고 선형적인 정전기력의 힘의 특성을 유도한다. 평판형 커패시터 배치에서 차폐 전극(9a, 9b)들은 예를 들어 가동 빗 형상 전극(7a, 7b)들과 동일한 전위를 가질 수 있으며, 이러한 이유에서 그들의 정전기력에 의해 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 정전기력 효과에 대한 이러한 배치의 비선형성에 의해 영향을 받지 않고, 따라서 기체 충진에 의해서만 감쇠에 기여한다. 본 발명의 추가적인 이점은 거의 모든 기술 공정에 의해 실현가능하다는 것이다. 추가적인 이점은 전체적인 능동 구조(모든 가동부들뿐만 아니라 비 가동부들)가 단일 DRIE 에치(DRIE etch) 공정 단계로 생산될 수 있으며, 이는 높은 제조 정밀도를 가능하게 한다.
도 1에서, 본 발명에 따른 맞물리는 전극을 구비하는 가속도 측정 장치가 도시된다.
가속도 측정 장치의 특징은 주요 부분인 샘플 질량(6) - 추 또는 감지 질량으로도 표시되는-에 있으며, 이는 지지 구조, 양의 x-방향으로 유효 방향을 가지는 가동 또는 진동 전극(7a)들, 음의 x-방향으로 유효 방향을 가지는 가동 또는 진동 전극(7b)들뿐만 아니라, 가동 구조를 부분적으로 고정된 지주(anchor)들에 결합시키는 구부러지는 스프링(5) 형태의 빔으로 구분된다. 가동 전극(7a, 7b)들의 맞은 편에 고정 전극(3a, 3b)들이 배치된다. 적정한 전압이 가해질 때, 후자는 가동 구조(6)에 정전기력을 제공한다. 가동 부재(6) 상에 배치된 고정 전극(3a, 3b)들 및 가동 전극(7a, 7b)들은 서로 간헐적으로 결합된다. 여기서, 평판 커패시터 배치의 효과 및, 그에 따라. 그 비선형성의 효과가 무시될 정도로 단일 전극 빗살의 전단과 반대편 빗살의 후단 사이에 충분한 여유 공간이 남아있어야 한다는 것을 명심해야 한다.
고정 전극(3a, 3b)들의 전방 면과 가동 전극(7a, 7b)들의 전방면 사이에 차폐 전극(9a, 9b)들이 삽입된다. 바람직하게는, 이들은 가동 전극(7a, 7b)들과 동일하지만 분리된 전위를 가진다. 이에 의해, 전극들의 전방면들에 작용하는 저항력 때문에 원하는 방향으로의 정전기력들의 약화가 방지된다. 여기서 더욱 중요한 점은 이러한 차폐 전극(9a, 9b)들이 예를 들면 차폐 전극(9a)와 가동 빗 형성 전극(7a) 사이의 그들의 넓은 면적뿐만 아니라 평판 커패시터 배치 때문에 감쇠 요소로 사용하기에 적합하다는 것이다.
감쇠는 차폐 전극(9a, 9b)들과 가동 빗 형상 전극(7a, 7b) 사이의 갭의 크기 뿐만 아니라 기체 압력에 의해서 최적으로 조정될 수 있다. 큰 감쇠값을 얻는 것의 이점 및 차폐 전극(9a, 9b)들 없이 맞물리는 전극을 가지는 종래의 전기적 배치의 이점이 ,예를 들면 매우 작은 비선형성 및 작은 진동 배열, 도 1에 도시된 차폐 전극(9a, 9b)들의 삽입으로 인해 서로 조합될 수 있다.
제조 방법에 따라 차폐 전극(9a, 9b)들과 고정 전극(3a, 3b)들이 조합된 전극 구조 내에서 조합이 가능하다. 차폐 전극(9a, 9b)들과 전극(3a, 3b)들 사이에 이때, 예를 들어 격리 층이 제공될 수 있고, 예를 들면 산화 층이다. 자연스럽게, 만약 차폐 전극(9a, 9b) 및 전극(3a, 3b)들이 하나의 유닛을 형성해야만 한다면, 이렇게 된다. 이것의 이점은 구조적 강성이 전극(3a, 3b)에 의해 이미 제공된다는 점일 것이다. 따라서, 이 실시예에서 상대적인 갭을 포함하여 차폐 전극(9a, 9b)들을 위한 공간이 크게 요구되지 않는다.

Claims (10)

  1. 기판 표면을 포함하는 기판;
    기판 표면에 대해 실질적으로 평행한 양의 편향 방향(x)를 따라 기판에 대해 상대 이동가능한 샘플 질량;으로, 샘플 질량과 함께 이동가능한 빗 형상 전극을 더 포함하고, 가동 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)을 따라 연장된 복수 개의 빗살들을 포함하고,
    기판에 고정적으로 연결되는 대향 전극;으로, 대향 전극은 고정 빗 형상 전극을 포함하고, 고정 빗 형상 전극은 양의 편향 반향(x)의 반대 방향을 따라 연장된 복수 개의 빗살들을 포함하며, 가동 빗 형상 전극의 빗살들과 고정 빗 형상 전극의 빗살들은 서로 맞물리며,
    샘플 질량이 편향 이동하는 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합하며 기판에 고정적으로 연결되는 차폐 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    가동 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)에 대해 실질적으로 직각인 빗 전방 면을 가지는 빗 전방측을 포함하고;
    차폐 전극은 빗 전방 면에 실질적으로 평행한 차폐 전극 면을 포함하고;
    빗 전방 면 및 차폐 전극 면은 서로 반대 위치에 있으며;
    빗 전방 면과 차폐 전극 면 사이의 거리는 샘플 질량이 편향 이동하는 동안 변하며;
    거리의 변화는 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합한 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    샘플 질량 및 차폐 전극은 동일한 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    대향 전극 및 차폐 전극은 격리층에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    샘플 질량은 샘플 질량과 함께 이동가능한 추가 가동 빗 형상 전극을 포함하고, 추가 가동 빗 형상 전극은 양의 편향 방향(x)의 반대 방향을 따라 연장된 복수 개의 빗살들을 포함하고;
    가속도 센서는 기판에 고정적으로 연결된 추가 대향 전극을 포함하며, 추가 대향 전극은 양의 편향 방향(x)을 따라 연장된 복수 개의 빗살을 포함하는 추가 고정 빗 형상 전극을 포함하며, 추가 가동 전극의 빗살과 추가 고정 전극의 빗살은 서로 맞물리고;
    가속도 센서는 기판에 고정적으로 연결되며, 샘플 질량이 편향 이동하는 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합한 추가 차폐 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    차폐 전극 및 추가 차폐 전극은 서로 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    샘플 질량이 양의 편향 방향(x)을 따른 편향 이동을 수행할 수 있고, 샘플 질량이 양의 편향 방향(x)에 직각이며, 기판예 대해 평행한 (y) 방향으로는 실질적으로 강성 지지되도록 샘플 질량과 기판을 결합시키는 스프링 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 센서.
  8. 가속도 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    기판 표면을 포함하는 기판을 형성하는 단계;
    기판 표면에 대해 실질적으로 평행한 양의 편향 방향(x)을 따라 기판에 대해 이동가능한 샘플 질량으로, 샘플 질량과 함께 이동가능한 빗 형상 전극으로 양의 편향 방향(x)을 따라 연장된 복수 개의 빗살을 포함하는 가동 빗 형상 전극을 포함하는 샘플 질량을 형성하는 단계;
    기판에 고정적으로 연결되는 대향 전극을 제조하는 단계;로, 대향 전극은 양의 편향 방향(x)에 대해 반대 방향을 따라 연장되는 복수 개의 빗살을 포함하는 고정 빗 형상 전극을 포함하며, 가동 빗 형상 전극의 빗살들은 고정 빗 형상 전극의 빗살들과 맞물리고;
    기판에 고정적으로 연결되며, 샘플 질량이 편향 이동하는 동안 샘플 질량의 공기 감쇠를 증가시키기에 적합한 차폐 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 센서의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    샘플 질량의 편향 이동의 최적 감쇠를 조절하기 위해 가속도 센서의 기체 압력을 조정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 센서의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    기설정된 기체 압력 하에서, 샘플 질량의 편향 이동의 최적 감쇠를 조절하기 위해 가속도 센서의 가동 빗 형상 전극과 차폐 전극 사이의 거리를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 센서의 제조 방법.
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