KR20160120775A - 가속도 센서용 마이크로기계 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 가속도 센서(200)용 마이크로기계 구조(100)에 관한 것으로, 상기 마이크로기계 구조(100)는 그의 회전하는 z축(A)을 기준으로 비대칭으로 형성된 진동 질량(10)과, 상기 진동 질량(10) 및 하나 이상의 고정 요소(30)에 고정된 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 포함하며, 상기 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 이용하여, 실질적으로 규정된 검출 방향으로의 가속 시에만, 회전하는 z축(A)에 대해 실질적으로 직교하도록 형성된 평면 내에서 진동 질량(10)의 회전 운동이 발생할 수 있다.

Description

가속도 센서용 마이크로기계 구조{MICROMECHANICAL STRUCTURE FOR AN ACCELERATION SENSOR}
본 발명은 가속도 센서용 마이크로기계 구조에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 가속도 센서용 마이크로기계 구조의 제조 방법에 관한 것이다.
선행 기술에는, 예를 들어 자동차 분야 또는 가전 분야에서의 사용을 위해 대량 생산으로 제조되는 용량성 마이크로기계 가속도 센서가 공지되어 있다. 특히, 자동차 분야에서 이러한 센서를 최대한 진동에 강하게 설계하는 것은 하나의 큰 도전이다. 이러한 이유로, 마이크로기계 가속도 센서에 있어서, 유효 대역(약 10 내지 약 400Hz의 통상적인 대역폭)의 범위 이내의 낮은 주파수는 "평활"하게 전송되고, 바람직하지 못한 진동 여기로 인한 높은 주파수는 효과적으로 억제되는 전송 기능을 구현하는 것이 바람직하다.
높은 편향 진폭의 억제를 위해, 가속도 센서는 통상, 수백 밀리바아의 비교적 높은 내부 압력을 갖는 센서 공동 내에 기밀식으로 밀봉되고, 이를 위해 주로 예를 들어 네온과 같이 점성이 높은 기체가 사용된다. 밀봉된 기체는 마이크로기계 구조의 높은 감쇠를 제공한다. 대개 이러한 센서들은 과도하게 감쇠되기 때문에, 일반적으로 수 킬로헤르츠의 기계 고유 주파수(f0)의 범위 내에서도 공진 피크가 발생하지 않는다.
이로써, 감쇠는 기계적 저역 통과 거동을 일으키며, 물론 최대 20dB/decade를 갖는 진폭 억제는 비교적 약하게 형성된다. 고유 주파수 상위 레벨에서 40dB/decade의 전달 함수의 급격한 하강이 발생한다. 따라서, 진동 저항의 증가를 위해, 센서를 예컨대 1kHz의, 또는 그 미만의 최대한 ?蔓? 고유 주파수를 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 그러나 선행 기술에 따른 횡 가속도 센서(즉, 칩 평면에 대해 평행한 검출 감도를 갖는 센서)에서는 이러한 노력이 상당히 제한된다.
이러한 센서들은 간단히 스프링 질량계(spring mass system)로서 기술될 수 있으며, 하기의 후크의 법칙,
Figure pct00001
에 따라 그 편향도를 계산할 수 있다.
m ... 질량
a ... 가속도
k ... 스프링 상수
x ... 편향도
편향도(x)는,
Figure pct00002
에 따라, 또는 하기와 같이 고유 주파수(f0)로 환산하여 구할 수 있다:
Figure pct00003
즉, 편향 진폭(x)은 공진 주파수의 감소 시 제곱비로 증가한다.
이른바 수 g의 질량 범위를 갖는 저중량 애플리케이션(예를 들어 ESP 또는 오르막 시동 지원 시스템)을 위한 전형적인 센서는 3kHz의 고유 주파수를 가지며, 1g의 가속도에서 약 28nm 만큼 편향된다. 1kHz의 고유 주파수를 갖는 센서에서는 상기 값이 이미 약 250nm으로 증가했을 것이다. 저중량 애플리케이션에서는 가속도 센서 자체가 20g 또는 심지어 50g의 동적 범위 또는 과부하 내구성을 가져야 하므로(즉, 기계적으로 멈춤 또는 "클리핑(clipping)"이 허용되지 않아야 하므로), 50g 클리핑 가속도를 갖는 상기 유형의 가속도 센서는 12㎛보다 큰 편향을 허용해야 한다.
이에 반해, 용량성 가속도 센서의 가동 전극과 고정 전극 사이에서 대개 사용되는 평행판 커패시터 어레이들 내에서의 통상적인 간극 또는 갭은 약 2㎛에 불과하다. 갭을 12㎛로 확장하면 개별 전극의 감도는 약 36배 감소하는데, 그 이유는 감도(dC/dx)가 갭의 역제곱에 따르기 때문이다.
또한, 동일한 면적일 때 훨씬 더 적은 전극만 구현될 수도 있기 때문에, 전체 감도는 심지어 더 강하게 약화할 수도 있으며, 이로써 신호 대 잡음 비가 허용불가능할 정도로 악화할 수 있다.
평행판 전극에 대한 한 대안예로서, DE 10 2006 059928 A1에 공지된 것과 같이 더 큰 편향이 가능한 빗살형 전극이 있다. 그러나 빗살형 전극은 감쇠력이 현저히 낮기 때문에, 과감쇠형 센서가 구현될 수 없을 수도 있다. 또한, 높은 편향도의 요구는 스프링 설계에 대한 극복하기 어려운 도전인데, 그 이유는 스프링이 구동 방향으로만 연성인 것이 아니라, 횡방향으로도 강성 및 과하중 내성을 바람직하지 못하게 현저히 상실하기 때문이다. 즉, 고유 주파수와 기계적 감도의 강제 결합은 마이크로기계 횡 가속도 센서의 공진 주파수 저하의 가능성을 상당히 제한한다.
또한, EP 0 244 581 B1호 및 EP 0 773 443 B1호로부터 로커(rocker) 원리에 따른 가속도 센서가 공지되어 있다. z-로커에서는, 고유 주파수와 기계적 감도의 강제 결합이 형성되지 않는 것이 바람직하다. 센서의 고유 주파수(f0)는 이하의 식에 따라, 스프링의 비틀림 강성(kt) 및 회전축을 중심으로 하는 로커의 관성 모멘트(J)에 좌우된다:
Figure pct00004
기계적 감도, 즉, 가속도(a)에 대한 회전 각도(α)는 하기와 같이 스프링의 비틀림 강성(kt)을 통해서도 도출되나, 추가로 질량 비대칭성(δm) 및 그에 기인하는 회전 모멘트를 통해 도출된다:
Figure pct00005
Figure pct00006
... 기계적 감도
Figure pct00007
... 질량 비대칭성
rm ... 비틀림축으로부터 비대칭 질량의 질량 중심의 간격
kt ... 스프링의 비틀림 강성
비틀림 스프링 강성(kt)의 감소에 의해 또는 로커의 전체 관성 모멘트(J)의 증가에 의해, 고유 주파수(f0)가 감소할 수 있다. 센서의 질량 비대칭성(δm)도 똑같이 감소하면, 그럼에도 센서의 기계적 감도는 거의 임의로 작게 유지될 수 있고, 이에 따라 센서의 구성에 있어서 큰 운동 자유도를 위한 레이트 동작(rate action)을 행할 필요가 없다. 이러한 원리, 즉, 기계적 저역 통과로서 z-로커를 사용하는 것은 DE 10 2006 032 194 A1호에 기술되어 있다.
또한, 이른바 "1질점 진동자(single-mass oscillator)"가 개시되어 있는, 예를 들어 DE 10 2008 001 442 A1에 공지된 바와 같은, 동시에 x- 및 y-횡방향 가속도 센서로서 기능하는 z-로커가 공지되어 있다. 이러한 센서의 장점은 매우 소형인 구조에 있다: 단일 진동 질량 및 단 2개의 스프링에 의해 3채널 가속도 센서가 구현될 수 있으며, 3채널 가속도 센서는 z-가속도에서, y축을 중심으로 하는 정상 회전 운동을 실행할 뿐만 아니라, x-가속도에서도 선형으로 x 방향으로 편향할 수 있고, y-가속도에서 z축을 중심으로 하는 회전에 반응할 수 있다.
y-검출 시에, 회전축에 대한 질량 비대칭이 이용되며, z-로커의 기능 원리와 유사하게, z축을 중심으로 하는 기계적 감도 및 고유 주파수가 엄격하지 않게 상관 관계를 형성한다. 그러나 단지 하나의 1채널 횡방향 센서, 예를 들어 순수 y-센서가 구현되는 것을 원할 경우, 종래 1질점 진동자의 구조는 최적이 아닌데, 그 이유는 상기 구조가 모든 공간 방향으로 편향될 수 있고, 따라서, 특히 상기 구조가 기계적으로 클리핑되거나 정지될 경우, 매우 강한 과부하에서, 장애 가속도에서 유효 방향에 대해 수직인 두 방향으로 바람직하지 못한 신호(누화)가 공급될 수 있기 때문이다.
본 발명의 과제는, 횡 가속도 센서를 위한 개선된 마이크로기계 구조를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 제1 양태에 따라,
- 가속도 센서의 구조의 회전하는 z축을 기준으로 비대칭으로 형성된 진동 질량과,
- 상기 진동 질량 및 하나 이상의 고정 요소에 고정된 스프링 요소를 가진, 가속도 센서용 마이크로기계 구조에 의해 해결되며,
- 상기 스프링 요소를 이용하여, 실질적으로 규정된 검출 방향으로의 가속 시에만 회전하는 z축에 대해 실질적으로 직교하도록 형성된 평면 내에서 진동 질량의 회전 운동이 발생할 수 있다.
따라서, 결과적으로, 제공된 방향으로의 마이크로기계 구조의 횡방향 가속 시 실질적으로, 규정된 회전축을 중심으로 하는 회전 자유도만이 허용된다.
제2 양태에 따르면, 상기 과제는, 이하의 단계를 포함하는 가속도 센서용 마이크로기계 구조의 제조 방법에 의해 해결된다:
- 마이크로기계 구조의 회전하는 z축을 기준으로 비대칭성을 갖는 진동 질량을 형성하는 단계와,
- 스프링 요소가 진동 질량에 그리고 적어도 하나의 고정 요소에 고정되도록, 스프링 요소를 형성하는 단계로서, 이때 상기 스프링 요소를 이용하여, 실질적으로 규정된 검출 방향으로의 가속 시에만 회전축에 대해 직교하도록 형성된 평면 내에서 진동 질량의 운동이 발생할 수 있는, 단계.
본 발명에 따른 구조 및 본 발명에 따른 방법의 바람직한 개선예는 종속 청구항의 대상이다.
구조의 바람직한 개선예는, 하나 이상의 고정 요소는 회전하는 z축 상에, 또는 상기 구조의 횡방향 치수와 관련하여, 회전하는 z축에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 바람직하게는 마이크로기계 구조에 대해 큰 설계 다양성이 지원된다.
마이크로기계 구조의 다른 바람직한 개선예에서, 4개의 스프링 요소가 서로에 대해 대략 90도의 각도로 배열된다. 이러한 방식으로, 검출하지 않을 가속도 방향으로 센서의 매우 유리한 강성 거동이 야기될 수 있다.
상기 구조의 또 다른 바람직한 개선예는, 진동 질량의 비대칭청이 제1 추가 질량에 의해 야기되는 것을 특징으로 한다. 이 추가 질량을 이용하여, 구조의 기계적 감도가 규정된 대로 변동할 수 있으며, 이때 추가 질량은 관성 모멘트를 바람직하게 약간만 변동시킨다.
상기 구조의 또 다른 바람직한 개선예는, 스프링 요소들이 그 폭과 관련하여 넓게 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 진동 질량의 트램펄린(trampoline) 모드가 방지될 수 있는데, 그 이유는 스프링 요소가 상기 유형의 모드에서 굽힘 하중을 받고, 스프링 두께가 세제곱되어 스프링 강성에 산입되기 때문이다.
상기 구조의 또 다른 실시예에서, 스프링 요소는 5보다 큰 종횡비를 갖는다. 이에 의해, 회전축 방향으로의 편향 감도와 관련하여 스프링 요소에 유리한 치수 설계가 구현된다.
마이크로기계 구조의 바람직한 개선예에서, 전극들의 적어도 하나의 고정 요소 및 고정 요소들이 상기 구조의 면 치수와 관련하여 서로 가깝게 배열된다.
상기 구조의 또 다른 바람직한 개선예는, 전극들의 적어도 하나의 고정 요소 및 고정 요소들이 상기 구조의 최대 측면 치수의 약 20% 미만으로 서로 이격되는 것을 특징으로 한다. 이는 종래의 전극의 유리한 효용성을 지원하며, 이때 너무 큰 검출 갭을 유지할 필요가 없는데, 그 이유는 회전 운동 시 회전축 부근에서의 편향도가 비교적 작기 때문이다. 또한, 외부로부터 구조에 작용하는 기계적 패키징 응력이 이러한 방식으로 바람직하게 최소화될 수 있다.
마이크로기계 구조의 바람직한 개선예는, 진동 질량에 추가로 제2 추가 질량이 제공되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로 선택적으로, 구조의 관성 모멘트가 증가할 수 있으며, 이때 감도는 실질적으로 동일하게 유지된다.
상기 구조의 한 바람직한 개선예는, 제2 추가 질량이 진동 질량 및 제1 추가 질량과 다른 재료로 형성되는 것을 특징으로 한다.
마이크로기계 구조의 또 다른 바람직한 실시예에서, 제1 추가 질량 및/또는 제2 추가 질량이 적어도 부분적으로 진동 질량의 상부에 배치된다. 이러한 방식으로도, 마이크로기계 구조의 큰 설계 다양성이 바람직하게 지원된다.
하기에서는 여러 도면을 참조로 추가의 특징 및 장점과 함께 본 발명을 상세히 설명한다. 모든 특징들은 명세서 내 또는 도면에서의 설명과 무관하게, 또는 청구 범위의 인용 관계와 무관하게 본 발명의 대상을 형성한다. 도면들은 단지 정성적(qualitative)일 뿐, 반드시 척도에 맞게 도시되어 있지 않다. 도면들에서 동일하거나 기능적으로 동일한 요소들에는 동일한 도면 부호가 부여된다.
도 1은 마이크로기계 구조의 기본 형태를 도시한 도이다.
도 2는 개별 영역들의 전위가 강조된 도 1의 마이크로기계 구조의 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로기계 구조의 제1 실시예를 도시한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로기계 구조의 추가 실시예를 도시한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 기본 흐름도이다.
도 6은 마이크로기계 구조를 갖는 가속도 센서의 기본 블록선도이다.
도 1은 본 발명의 기본 원리를 잘 설명할 수 있는 데카르트 좌표계에 정렬된 제1 마이크로기계 구조(100)를 보여준다.
마이크로기계 구조(100)는, 실질적으로 기능층 내에, 바람직하게는 실리콘 내에 형성되고, 진동 질량(10)을 포함하며, 이 진동 질량은, 하나 이상의 고정 요소(30), 제1 스프링 요소(20, 20') 및 제2 스프링 요소(21, 21')에 의해, (도시되지 않은) 기판 상에 자유 운동 가능하게 현수된다. 구조(100)를 위한 회전축(A)은 z 방향으로 고정 요소(30)에 의해 형성될 수 있다. 고정 요소(30)는 간단하게는 단일편으로 형성되며, 기판 상에서 구조(100)의 중심에 함께 현수된 단일 면에 고정된다. 대안적으로, 고정 요소(30)는 구조(100)의 횡방향 치수와 관련하여, 회전하는 z축(A)에 가깝게 배치된다.
대안적으로, 단일 고정 요소(30) 대신, 회전축(A)으로부터 측면으로 각각 이격되어 기판에 고정되는 복수의, 바람직하게는 2개 또는 더 바람직하게는 4개의 개별 고정 요소를 사용하는 것도 고려될 수 있다(도시되지 않음). 스프링 요소(20, 20', 21, 21')가 바람직하게는, 실질적으로 직교하도록 서로 직각으로 배열되며, 고정 요소(30) 및 진동 질량(10)에 고정된다. 도 1에 도시된 막대 스프링의 대안으로, 더 복잡한 스프링 형태, 예를 들어, 실질적으로 평행하게 연장되는 복수의 스프링 웨브를 갖는 곡류형 스프링도 사용될 수 있다(도시되지 않음).
진동 질량(10)은 복수의 천공 구멍을 포함하며, 이들 천공 구멍은 표면 마이크로기계 처리에 기초하여 형성되고, 운동 가능한 구조에서 실리콘 기능층 하부에서 산화물 희생층의 에칭을 통해 노출되며, 이때 천공 구멍들은 진동 질량(10) 내에서 노출된 구조의 하부 영역에 에칭 가스용 접근부를 제공한다. 또 다른 마이크로기계 기술에서는 이러한 유형의 천공 구멍들이 생략될 수 있다.
진동 질량(10)에는 가동 전극(22)이 고정되며, 편향의 용량성 검출을 위해, 상기 전극에 대향하여 고정 전극 핑거들(24)이 놓인다. 고정 전극 핑거들(24)은, 추가로 전극 아암(26) 및 전극 현수부(32)를 가진 제1 고정 전극들(FE1)의 일부이다. 도 1에 도시된 기본 구조에 의해, 마이크로기계 구조(100)의 관성 모멘트가 조정된다.
구조(100)의 하부에는 (도시되지 않은) 도체 스트립 평면이 위치하며, 이에 의해 마이크로기계 구조(100)가 전기적으로 배선되고, 상이한 전위가 인가될 수 있다.
도 2에는 도 1과 동일한 마이크로기계 구조(100)에 추가로 상이한 빗금 표시를 통해, 제1 고정 전극들(FE1)이 제1 평가 전위 상에, 그리고 제2 고정 전극들(FE2)이 제2 평가 전위 상에 놓인 것이 도시되어 있다. 가동 진동 질량(10)은 고정 요소(30)에 인가되는 제3 전위에 놓여 있다.
구조(100)의 좌측 영역에는, 유사한 방식으로, 편의상 표시되지 않은 고정 전극들(FE3, FE4)이 배치된다.
용량 변동은 바람직하게, 가동 전극 핑거(22)를 갖는 제1 고정 전극(FE1)과 가동 전극 핑거(42)를 갖는 제2 고정 전극(FE2) 간의 용량의 편차 신호로서 평가된다.
도 1 및 도 2의 마이크로기계 구조(100)는 횡 가속도 센서를 재현한 것이 아니며, 상기 구조의 대칭 구성을 기초로 하여, z축을 중심으로 하는 회전 가속도의 측정을 위한 회전 가속도 센서로서 사용될 수도 있다. 이에 반해, x 방향 및 y 방향으로의 선형 가속도는 주목할 만한 편향을 야기하지 않는데, 그 이유는 y 방향으로의 가속도에 대해 제1 스프링 요소(20, 20')가 극히 강성이고, x 방향으로의 가속도에 대해 제2 스프링 요소(21, 21')가 극히 강성이기 때문이다. 최소로 남은 잔류 편향은, 적어도 이상적인 대칭 구조(100)에서, 상이한 평가 원리에 따라, 마찬가지로 전기 검출 신호를 야기하지 않는다. z 방향으로의 선형 가속도에서는, 질량이 (이른바 "트램펄린형" 모드에서) 약간 편향되나, 상이한 평가 원리에 따라 마찬가지로 전기 출력 신호가 발생하지 않는다.
또한, 기능층 두께(h)가 충분히 크게 선택될 경우, z 방향으로의 편향도 미리 기계적으로 강하게, 즉, 층 두께(h)의 제곱에 반비례하여 억제된다. 특히 바람직하게는, 층 두께(h)가 약 20㎛ 이상이다. 즉, 종합하면, 선형 가속도에 대한 기계적 감도가 매우 낮고, 선형 가속도에 대한 전기적 감도가 0인 마이크로기계 구조(100)가 제공된다. 스프링 요소(20, 20', 21, 21') 및 진동 질량(10)의 적절한 설계 시, z축을 중심으로 하는 회전 운동은 최저 고유 주파수(f0)의 간격을 갖는 모드이다. 충분히 큰 질량(10), 그리고 z방향 회전에 대해 충분한 굽힘 연성을 갖는 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 이용하여, 구조(100)를 위해 1kHz 미만의 고유 주파수(f0)가 실현될 수 있다.
도 3은, 본 발명에 따른 마이크로기계 구조(100)의 제1 실시예를 도시하며, 이 마이크로기계 구조와 도 1 및 도 2의 구조(100)의 차이점은, 운동 가능한 진동 질량(10)의 우측에 제1 추가 진동 질량(50)이 부가된다는 것이다. 바람직하게, 이 추가 질량(50)은 진동 질량(10)과 일체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 추가의 층 증착에 의해 구현될 수 있다. 제1 추가 질량(50)은 바람직하게 전체 진동 질량(10)의 약 5% 내지 50%의 크기로 치수 설계된다.
도 3에서는 명확성을 위해 제1 추가 질량(50)이 빗금으로 강조되어 있으나, 상기 빗금에 의해 특정 전위가 표시되어 있지는 않다. 제1 추가 질량(50) 및 그로 인해 발생한, 고정 요소(30)를 통과하는 z축을 기준으로 한 비대칭성에 의해, 마이크로기계 구조(100)가 y 방향으로의 가속도에 대해 민감해지고, 이러한 유형의 횡방향 가속도에 대한 반응으로서 z축을 중심으로 하는 회전 운동을 실행한다. 이러한 운동 형태를 위해 고정 전극들(FE1, FE2)이 전기 편차 신호를 공급한다. 예를 들어, 질량(10)의 시계 방향으로의 회전 시, 가동 핑거들(22)과 제1 고정 전극(FE1) 사이의 용량은 증가하고, 가동 핑거들(42)과 제2 고정 전극(FE2) 사이의 용량은 감소한다.
x 방향으로의 선형 가속도는, x 방향으로 극도로 강성인 제2 스프링(21, 21')으로 인해 주목할 만한 편향을 야기하지 않는다. z 방향으로의 선형 가속도는, 트램펄린형 운동 모드에 추가로, 제1 스프링 요소(20, 20')를 관통하여 인장되고 y 방향에 대해 평행한축을 중심으로 하는 구조(100)의 회전 운동을 야기하는 경향이 있다. 제1 스프링 요소(20, 20')만을 갖는 상술한 1질점 진동자에 반해, 상기 회전 운동은 제2 스프링 요소(21, 21')에 의해 매우 강하게 저지된다. y축을 중심으로 하는 회전 운동의 저지는, 스프링 요소(20, 20')의 기능층의 두께(h)가 클수록, 더 강하게 부각된다.
y 유효 방향으로의 마이크로기계 구조(100)의 기계적 감도, 즉, 인가된 가속도 당 회전 각도는 제1 추가 질량(50)의 선택을 통해 임의로 설정될 수 있다. 특히, 작은 제1 추가 질량(50)에 의해, 동시에 낮은 고유 주파수(f0)에서, 낮은 기계적 감도가 설정되는데, 그 이유는 고유 주파수(f0)가 주로 스프링 강성 및 전체 관성 모멘트(J)에 의해 결정되고, 단지 일부분만 작은 제1 추가 질량(50)에 의해 결정되는 데 반해, 기계적 감도는 스프링 강성에 의해, 그리고 제1 추가 질량(50)을 통해 작용하는 회전 모멘트에 의해 결정되기 때문이다.
어림 추정을 통해, y축을 중심으로 하는 회전 운동 및 z 방향으로의 트램펄형 식의 운동이 z축을 중심으로 하는 회전 운동에 비해 얼마나 강하게 저지되는지를 입증하였다. 회전 운동과 관련한 스프링 강성은, 층 두께(h)가 스프링 폭(b)보다 명백히 더 큰 경우, 굽힘 하중을 받는 제2 스프링 요소(21, 21')가 전담한다. 이에 반해, 제1 스프링 요소(20, 20')의 비틀림 강성은 어림셈에서 무시될 수 있다. z 방향으로의, 즉, y축을 중심으로 하는 회전 시, 2개의 제2 스프링 요소(21, 21')의 굽힘 강성(ky, rot)이 다음 식에 따라 도출된다:
Figure pct00008
b ... 스프링 요소의 폭
h ... 스프링 요소의 높이
L ... 스프링 요소의 길이
z 방향으로의 병진 운동과 관련한 4개의 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 굽힘 강성은 다음 식에 따라 도출된다:
Figure pct00009
z축을 중심으로 하는 회전과 관련한 4개의 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 굽힘 강성은 다음 수학식에 따라 도출된다:
Figure pct00010
또한, z축을 중심으로 하는 구조(100)의 관성 모멘트의 크기는 y축을 중심으로 하는 관성 모멘트의 두 배인 것으로 적용된다:
Figure pct00011
y축 및 z축을 중심으로 하는 두 가지 회전 운동을 위한 고유 주파수의 비율은 다음 식을 이용하여 구할 수 있다:
Figure pct00012
즉, 스프링 요소의 폭(b)이 예를 들어 약 2㎛이고, 층 두께(h)가 약 20㎛일 때, 유효 모드(z축을 중심으로 하는 회전)의 고유 주파수(f0)는 각각의 간섭 모드(y축을 중심으로 하는 회전)보다 약 10배 더 낮다. 유효 모드 주파수에 대한 z 방향으로의 트램펄린형 운동의 주파수 비도 b/h에 비례하여 스케일링된다. 따라서, 이러한 트램펄린 운동도 충분히 얇은 스프링 요소(20, 20', 21, 21') 및 큰 층 두께를 통해 효과적으로 억제될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 구조(100)를 통해 1kHz 이하의 고유 주파수(f0)의 구현이 달성될 수 있다. 이를 위한 가능성 중 하나는, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 폭(b) 및 길이(l)의 특수한 치수 설계에 있으며, 이때 스프링 요소의 하향 폭(b)은 기술적으로 제한된다. 약 1㎛의 스프링 폭이 구현될 수 있는데, 특히 트렌치 홈 폭의 변경으로 인한 제조 공차에서는 극도로 얇은 스프링에서의 스프링 강성의 공차가 고려된다. 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 길이(L)는 기본적으로, 전체 구조의 치수에 의해 한정되며, 경우에 따라 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 치수를 현저히 증대시키지 않으면서 유효 스프링 길이를 증가시키는 곡류형 스프링 요소로서도 사용될 수 있다. 낮은 고유 주파수(f0)의 구현을 위한 주요한 제2 매개변수는 충분히 큰 진동 질량(10) 또는 충분히 큰 관성 모멘트(J)의 제공이다. 전체 구조의 확대는 더 큰 질량(10)을 야기하지만, 이는 면적 소비의 증가를 의미하기도 한다.
따라서, 전체 구조의 확대에 대한 대안으로, 도 4에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 구조(100)의 또 다른 실시예에서는, 적어도 밀도가 높은 재료(60)(예를 들어, 텅스텐)를 포함하는 진동 질량(10)의 부분들을 얹고, 그리고/또는 천공 구멍들을 부분적으로 또는 전체적으로 상기 유형의 재료로 채울 수 있다. 상응하는 기술적 구현 형태가 DE 10 2009 026 738 A1호 및 DE 10 2011 011 160 A1호로부터 공지되어 있다.
본 발명에 따른 마이크로기계 구조(100)를 위해서는 전극들의 배치도 중요한데, 그 이유는 전기 출력 신호와 관련된 전기 감도가 기계적 감도뿐만 아니라, 결정적으로 전극 배열, 전극 면, 전극 갭 및 특히 고정 요소(30)를 이용한 중심 고정부로부터 전극 어레이(전극의 "질량 중심")까지의 간격에 의해서도 좌우되기 때문이다. 특히, 회전축으로부터의 간격을 바람직하게 치수 설계함으로써, 전기적 감도가 넓은 영역에 걸쳐 스케일링될 수 있는데, 그 이유는, 회전축의 간격이 작을수록, z축을 중심으로 하는 회전 시 전극 갭의 변동이 작아지기 때문이다. 따라서, 회전축으로부터 크게 이격된 외부 영역에서는 전반적으로 수 마이크로미터의 편향도를 가질 수 있으나, 회전축(A)에 가까이 배치된 전극의 영역에서는 비교적 작은 편향도만을 형성함으로써, 표준 평행판 전극의 사용을 허용하는 센서를 구현할 수 있다.
전극의 전극 현수부들 또는 고정 요소들(32, 34, 36, 38)이 진동 질량(10)의 고정 요소(30)에 비해 비교적 서로 가깝게 배열되는 것을 알 수 있으며, 이는 바람직하게, 기판 비틀림에 대한 구조(100)의 내구성이 높아지는 효과를 갖는다. 이에 의해, 외부로부터 마이크로기계 구조(100)의 기판 위로 작용하는, 센서 요소의 플라스틱 패키징의 응력이 바람직하게 작게 유지될 수 있다. 이러한 방식으로 센서 요소의 특성 곡선들의 품질이 바람직하게 증가한다.
이와 관련하여, 마이크로기계 구조(100)의 상술한 모든 실시예는 당연히 예시로서만 간주되어야 한다. 마찬가지로, 제공된 거동, 즉, z축을 중심으로 하는 회전을 용이하게 하고, 다른 회전축들 및 모든 선형 방향과 관련한 운동을 어렵게 할 수 있는, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 또 다른 구성들이 고려될 수 있다. 특히, 스프링 요소의 개수는 4개로 한정되지는 않으나, 그게 바람직한 것으로 간주된다. 마찬가지로, 직사각형 진동 질량(10) 대신 약간의 질량 비대칭성을 갖는 둥근 형태도 가능하다.
또한, 더 높은 효율을 갖는 회전 운동이 용량 변동으로 전환되는, 특히 중앙 고정 요소(30)에 대해 방사상으로 배향된 전극들(도시되지 않음), 또는 각각의 전극 핑거가 개별적으로 기판에 고정되는, 편심 현수된 전극들(도시되지 않음), 및/또는 인접한 가동 핑거들 사이에 각각, 제1 평가 전위를 갖는 하나의 핑거 및 제2 전위를 갖는 추가 핑거가 놓이는 이른바 완전 차동 전극(도시되지 않음)과 같은 대안적인 전극 어레이도 고려될 수 있다. 마지막에 언급한 전극의 경우, 자유 지지식 전극 현수를 위해 추가 마이크로기계 층이 사용되는, 특히 DE 10 2009 045 391 A1호에 따른 전극 어레이가 특히 바람직한 것으로 간주될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 기본 흐름도이다.
제1 단계(S1)에서, 구조(100)의 회전축(A)을 기준으로 비대칭성을 갖는 진동 질량(10)이 형성된다.
제2 단계(S2)에서, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')가 진동 질량(10) 및 하나 이상의 고정 요소(30)에 고정되도록, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')의 형성이 수행되며, 이 경우 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 이용하여, 실질적으로 규정된 검출 방향으로의 가속 시에만, 회전하는 z축(A)에 대해 직교하도록 형성된 평면 내에서 진동 질량(10)의 운동이 발생할 수 있다.
도 6은 마이크로기계 구조(100)를 갖는 횡방향 회전 가속도 센서(200)의 기본도를 도시한다. 가속도 센서(200)는 바람직하게 자동차 분야에서 규정된 횡방향 가속도의 검출을 위해 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명에 의해, 횡방향 편향 시 주어진 검출 방향에서 용이한 회전 가능성 및 검출 방향에 대해 횡으로 작은 횡방향 감도를 갖는 횡 가속도 센서가 제공된다. 회전축에 대해 비대칭으로 형성된 진동 질량과 조합하여 스프링 요소를 치수 설계함으로써, 가속도 센서가 바람직하게 진동에 민감하지 않게 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 특히 자동차 분야에서 빈번하게 존재하는 진동에 대해 바람직하게 매우 불감성인 기계적 저역 통과 어플리케이션이 구현될 수 있다.
결과적으로, 소개된 센서 원리를 이용하여, 한 방향으로의 횡방향 가속도가, 다른 방향으로의 운동이 검출 특성에 크게 관련되지 않으면서, 양호하게 검출될 수 있다. 이에 의해, 결과적으로 신호들의 혼합이 방지될 수 있으며, 이 경우 주로 칩 표면에 대해 평행한 가속도가 검출되고, z 방향 그리고 다른 측방향으로는 검출되지 않는다.
통상의 기술자는, 본 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서, 전술되지 않은, 혹은 부분적으로만 공개된 마이크로기계 구조의 실시예도 구현할 것이다.

Claims (13)

  1. 가속도 센서(200)용 마이크로기계 구조(100)로서, 상기 마이크로기계 구조는,
    자신(100)의 회전하는 z축(A)을 기준으로 비대칭으로 형성된 진동 질량(10)과,
    상기 진동 질량(10) 및 하나 이상의 고정 요소(30)에 고정된 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 가지며,
    상기 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 이용하여, 실질적으로 규정된 검출 방향으로의 가속 시에만, 회전하는 z축(A)에 대해 실질적으로 직교하도록 형성된 평면 내에서 진동 질량(10)의 회전 운동이 발생할 수 있는, 마이크로기계 구조(100).
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 고정 요소(30)는 회전하는 z축(A) 상에, 또는 상기 구조(100)의 횡방향 치수와 관련하여 회전하는 z축에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 4개의 스프링 요소(20, 20', 21, 21')가 서로 대략 90도의 각도로 배열되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 진동 질량(10)의 비대칭성은 제1 추가 질량(50)에 의해 야기되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')는 이들의 폭(b)과 관련하여 넓게 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  6. 제5항에 있어서, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')는 5보다 큰 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전극들(FE1, FE2, FE3, FE4)의 적어도 하나의 고정 요소(30) 및 고정 요소들(32, 34, 36, 38)이 구조(100)의 면 치수와 관련하여 서로 가깝게 배열되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  8. 제7항에 있어서, 전극들(FE1, FE2, FE3, FE4)의 적어도 하나의 고정 요소(30) 및 고정 요소들(32, 34, 36, 38)이 구조(100)의 최대 측면 치수의 약 20% 미만으로 서로 이격되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 진동 질량(10)에 추가로 제2 추가 질량(60)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  10. 제9항에 있어서, 제2 추가 질량(60)은 진동 질량(10) 및 추가 질량(50)과 다른 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 질량(50) 및/또는 제2 추가 질량(60)이 적어도 부분적으로 진동 질량(10)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 구조(100).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 마이크로기계 구조(100)를 포함하는 가속도 센서(200).
  13. 가속도 센서(200)용 마이크로기계 구조(100)의 제조 방법이며,
    구조(100)의 회전하는 z축(A)을 기준으로 비대칭성을 갖는 진동 질량(10)을 형성하는 단계와,
    스프링 요소(20, 20', 21, 21')가 진동 질량(10)에 그리고 적어도 하나의 고정 요소(30)에 고정되도록, 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 형성하는 단계로서, 상기 스프링 요소(20, 20', 21, 21')를 이용하여, 실질적으로 규정된 검출 방향으로의 가속 시에만, 회전하는 z축(A)에 대해 직교하도록 형성된 평면 내에서 진동 질량(10)의 운동이 발생할 수 있는, 단계를 포함하는, 마이크로기계 구조의 제조 방법.
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