KR20190011737A - 마이크로머시닝된 벌크 음향파 공진기 압력 센서 - Google Patents

Abstract

압력 센서는 일반적으로 평면 구조체와 압전 기판의 평면 구조체의 주위에서 압전 기판을 고정하는 앵커 위치를 포함한다. 압전 기판의 평면 구조체는 앵커 위치에 인접한 제1 특성 두께를 갖는 제1 영역을 갖고, 제2 영역은 기판의 중간 영역에서 제2 특성 두께를 갖는다. 제2 특성 두께가 제1 특성 두께보다 더 작아서, 제2 영역의 평면 구조체가 평면 구조체의 중립축에 대해 변위되어, 휨을 겪는 동안 제2 영역이 주로 압축 응력 또는 주로 인장 응력을 갖는다.

Description

마이크로머시닝된 벌크 음향파 공진기 압력 센서

본 발명은 일반적으로 유체(즉, 가스 또는 액체)의 압력을 측정하기 위한 압력 센서에 관한 것으로, 특히 수정 공진기를 사용하는 압력 센서에 관한 것이다.

압력 센서는 유체의 압력을 측정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 통상적인 압력 센서가 상업적으로 이용 가능한 벌크 수정 공진기를 사용하여 제조되었다. 수정은 낮은 고유 손실을 갖는 매우 안정된 탄성 특성을 갖는 압전 크리스털이다. 이러한 특성 때문에, 수정은 전자 기기에 대한 타이밍 및 클로킹(clocking)과 같은 정밀 주파수 제어 어플리케이션에 널리 이용되어 왔다.

매우 정밀한 발진 주파수를 가지지만, 수정의 공진 주파수는 또한 외력, 굽힘, 압축, 질량 부하 및 가속과 같은 다양한 환경 교란에 의해 매우 민감하게 영향을 받는다. 원래 값 f₀로부터 공진 주파수의 부분 편차는 Δf/f ₀ 에 의해 주어진다. 수정 공진기 센서의 하나의 주파수 시프팅 메커니즘은, 원형의 두께-전단 모드(thickness-shear-mode: TSM) 수정 공진기의 주위에서 반경 방향을 따라 힘이 인가될 때 발생한다. 수정 센서는 인가된 힘의 진폭에 비례하는 주파수 시프트를 일으킨다. 이러한 현상은 힘-주파수 효과로 정의된다.

주목할 것은, 수정은 평면 내 반경방향 힘뿐만 아니라 횡방향 힘 및 굽힘의 휨에도 민감하다. 따라서, 횡방향 힘은 압력 센서로서 수정을 활용하기 위해 몇몇 수단에 의해 유도될 수 있다. 그러나, 수정 공진기를 사용하는 현재 압력 센서는 통상적으로 약 1 기압 이상의 압력 수준에서 매우 높은 압력 측정에 대해서만 적합하다. 현재의 수정 압력 센서는 또한 넓은 압력 범위에서 효과적으로 압력을 측정할 수 없다.

본 명세서에 설명되는 실시예는 넓은 압력 범위(예를 들어, 1 기압에서 아래로 10^-6 토르(Torr)까지)에 걸쳐 고압 측정 감도를 제공할 수 있는 압전 공진기 기반의 진공 압력 센서를 제조하기 위해 마이크로머시닝 및 마이크로 제조 방법을 사용하는 압력 센서에 관한 것이다. 공진기 전극의 특정 배치는, 센서가 고감도를 달성할 수 있게 하고 공통 모드 신호를 효과적으로 보상할 수 있게 하여, 배경 및 주위 잡음 보상 및 잡음 감소를 제공함으로써 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 마이크로머시닝된 AT-컷 수정 박판 공진기의 굴곡 감도는 공진기에 걸쳐 차압(differential pressure)을 가한 결과로서 진공 압력을 정확하게 감지하는 데 사용된다. 차압에 의해 센서에 생성된 횡방향 부하는 센서의 평면 외 휨으로 이어지고, 따라서 공진기 주파수 시프트로 이어진다.

본 발명의 압력 센서의 실시예는, 압전 기판의 공진을 구동하고 압전 기판의 주파수를 감지하기 위해 일반적으로 평면 구조체와 중립축, 평면 구조체 상의 상부 전극 및 평면 구조체 상의 하부 전극을 갖는 압전 기판을 포함한다. 센서는 또한 압전 기판의 평면 구조체의 주위에서 압전 기판을 고정구에 고정하는 앵커(anchor) 위치를 포함한다. 압전 기판의 평면 구조체는 앵커 위치에 인접한 제1 특성 두께를 갖는 제1 영역을 갖고, 제2 영역은 기판의 중간 영역에서 제2 특성 두께를 갖는다. 제2 특성 두께가 제1 특성 두께보다 더 작아서, 제2 영역의 평면 구조체가 평면 구조체의 중립축에 대해 변위된다. 이는, 휨을 겪는 동안, 제2 영역이 주로 압축 응력 또는 주로 인장 응력을 갖는 것을 보장한다.

다른 실시예에서, 센서는 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 사용하여 제조된다. 실시예에서, 기판은 AT-컷(cut) 수정(quartz) 기판이다. 실시예에서, 상부 전극 및 하부 전극 모두는 금으로 이루어진다. 실시예에서, 기판은 실리콘 고무 시멘트를 사용하여 고정구에 고정된다. 실시예에서, 제2 영역은 건식 에칭 프로세스에 의해 형성된다. 실시예에서, 제2 영역의 직경은 1cm 이하이고, 제2 영역의 특성 두께는 약 100㎛ 미만이다. 실시예에서, 감지된 주파수는 100MHz 이상이다. 실시예에서, 센서는 MEMS 디바이스이다.

본 발명의 압력 센서의 추가 실시예는 다이어프램(diaphragm)을 포함하는 벌크 음향파 공진기 압력 센서를 포함한다. 실시예에서, 다이어프램은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 기판을 포함한다. 제1 표면의 일부는 사전-선택된 깊이로 에칭된다. 실시예에서, 센서는 또한 제1 표면 상에 증착 및 패터닝되는 제1 전극 및 제2 표면 상에 증착 및 패터닝되는 제2 전극을 포함한다. 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 압력 센서의 공진에서의 임피던스 특성의 변화를 측정하도록 구성된다.

또 다른 실시예에서, 기판은 AT-컷 수정 기판이다. 실시예에서, 기판의 에칭되지 않은 부분의 두께는 약 100㎛이다. 실시예에서, 사전-선택된 에칭 깊이는 약 63㎛ 또는 약 80㎛이다. 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 금을 포함하고, 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 증착 및 패터닝된다. 실시예에서, 센서는 마이크로머시닝 기술을 사용하여 제조된다. 실시예에서, 제1 표면 및 제2 표면에 가해지는 압력은 다이어프램의 편향 및 응력을 야기하며, 편향 및 응력은 다이어프램의 두께를 통해 비대칭이다. 실시예에서, 다이어프램은 제2 표면에 가해진 순 압력(net pressure)에 대해 주로 인장성이고, 제1 표면에 가해진 순 압력에 대해 주로 압축성이다. 실시예에서, 센서는 MEMS 디바이스이다.

이들 특징 및 이점과 다른 특징 및 이점은 후술하는 설명을 읽고 관련 도면을 검토함으로써 명백해질 것이다. 상술한 일반적인 설명 및 후술하는 상세한 설명 모두는 단지 설명적인 것이며 청구되는 측면을 한정하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 발명의 센서의 제조에 있어서의 마이크로머시닝 기술의 사용은, 센서가 양호한 공진기 특성을 나타내게 할 수 있을 뿐만 아니라, 고진공 체계에서 측정 가능한 주파수 분해능을 달성할 수 있게 한다.

본 발명은 다음의 도면과 관련하여 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 완전하게 이해될 것이다:
도 1은 예시적인 실시예에 따른 압력 센서의 제조를 위한 예시적인 방법의 개략도이다.
도 2는 압력 센서를 시험하기 위한 실험 설정의 개략도이다.
도 3a는 예시적인 실시예에 따른 수정 압력 센서의 개략도이다.
도 3b는 도 3a의 수정 압력 센서의 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 수정 압력 센서의 개략도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 센서의 다이어프램의 두께의 함수로서의 수정 센서의 감도 및 편향의 플롯이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른, 센서의 다이어프램의 직경의 함수로서의 수정 센서의 휨의 플롯이다.
도 7a 내지 도 7c는 예시적인 실시예에 따른 에칭되지 않은 수정 센서의 하부 및 상부면 상의 압력에 의해 편향되는 균일한 두께의 다이어프램을 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c는 예시적인 실시예에 따른 하부 및 상부면 상의 압력에 의해 편향되는 비균일한 두께의 다이어프램을 나타낸다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 수정 센서의 양방향 효과를 나타내는 시뮬레이션 및 실험 결과의 개략도이다.
도 10은 본 명세서에 설명되는 실시예의 원리를 나타내는 몇몇 수정 센서에 대한 서셉턴스(susceptance) 변화의 플롯이다.

이하의 설명에서, 논의되는 구성 요소, 단계, 특징, 목적, 유리한 점 및 이점은 단지 예시적인 것이다. 이들 중 어느 것도, 또는 이들 관련된 논의도 어떠한 방식으로든 보호의 범위를 제한하려고 의도되지 않는다. 다수의 다른 실시예가 또한 고려된다. 이들은 더 적은, 추가의 및/또는 상이한 구성 요소, 단계, 특징, 목적, 유리한 점 및 이점을 갖는 실시예를 포함한다. 이들은 또한 구성 요소 및/또는 단계가 다르게 배치 및/또는 정렬되는 실시예를 포함한다. 별도의 다른 언급이 없는 한, 후술하는 청구항을 포함하여, 본 명세서에 기재된 모든 측정, 값, 등급, 위치, 크기, 사이즈 및 다른 사양은 근사적인 것이며 정확하지 않다. 이들은 관련되는 기능과 일관되고 이들이 속하는 기술 분야에 관습적인 것과 일관된 합리적인 범위를 갖는 것으로 의도된다.

이하 도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 압력 센서(100)를 제조하기 위해 사용되는 단계들이 나타내어진다. 센서(100)는 공통 기판 상에 일련의 층을 증착, 패터닝, 에칭, 웨이퍼 접합 및/또는 웨이퍼 씨닝(thinning)하는 것을 포함할 수 있는 마이크로머시닝 기술에 의해 제조된 마이크로 전자 기계 시스템(microelectromechanical systems: MEMS) 디바이스이다. 다른 실시예에서, 대안적인 방법 및 단계들의 조합이 사용될 수 있다. 센서 제조는 100㎛ 두께의 AT-컷 수정 기판(150)으로 개시된다(단계 S104). 기판(150)은 직경 1mm의 멤브레인(158)을 갖는 니켈 하드 마스크(154)로 패터닝되고(단계 S108), SF₆ 및 NF₃ 플라즈마를 사용하는 반응성 이온 에칭(reactive ion etch: RIE) 프로세스로 (45MHz 공진기에 대해) 약 63㎛ 및 (82MHz 공진기에 대해) 약 80㎛의 깊이까지 에칭된다(단계 S112). 그 후, 니켈 마스크(154)는 왕수(aqua regia), 염산과 질산의 혼합물을 사용하여 스트리핑(stripping)된다(단계 S116). 바닥(bottom) 금 전극(162)은 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 증착 및 패터닝된다(단계 S120). 톱(top) 금 전극(166)은 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 증착 및 패터닝된다(단계 S124). 그 후, 센서(100)는 바닥에 절단된 구멍을 갖는 개조된 세라믹 패키지(도시되지 않음)로 패키징된다. 센서(100)는 RTV 실리콘을 사용하여 패키지에 부착되어 다이어프램의 두 면 사이에 밀폐 시일(seal)(도시되지 않음)을 생성하여 패키징 응력을 최소화한다. 고정구가 O-링을 사용하여 세라믹의 양면에 압축 시일(도시되지 않음)을 형성하는 데 사용된다. 그 후, 패키지의 양 측은 별도의 압력 저장소(도시되지 않음)에 접속된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 센서(100)를 시험하기 위해, 터보 분자 펌프(110)가 센서(100)(DUT - 시험 중 디바이스(Device Under Test)로 표기됨)의 두 측에 접속되어 기준 0.08mTorr 이하의 기준 압력으로 압력을 감소시키는 데 사용된다. 센서(100)의 두 측은 기준 압력에 도달한 후에 격리 밸브(112)를 폐쇄함으로써 격리된다. 센서(100)의 일 측은 기준 압력을 유지하기 위해 고진공으로 펌핑된다. 그 후, 제어된 양의 고압 질소 가스(114)가 니들(needle) 밸브(116)를 사용하여 공진기 다이어프램(118)의 타 측을 향한 센서(100)로 도입된다. 시험 압력은 교정된 커패시턴스 다이어프램 게이지(capacitance diaphragm guage: CDG)(120) 및 100μTorr 미만의 압력에 대한 이온화 게이지(122)를 사용하여 지속적으로 모니터링된다. 수정 공진 주파수 및 공진에서의 서셉턴스 특성은 임피던스 분석기(124)를 사용하여 모니터링된다.

도 3a는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 수정 센서(300)의 평면(상면)도이다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 센서(300)는 앵커(anchor) 영역(304)에서 원주 둘레의 고정구에 고정된다. 일 실시예에서, 센서(300)는 실리콘 고무 시멘트를 사용하여 그 주변 둘레에 센서(300)를 접합시킴으로써 고정된다. 그 후, 센서(300)는 원하는 두께(t)(도 3b) 및 직경(D)으로 건식 에칭 (또는 다른) 프로세스를 사용하여 중간 영역(306)에서 씨닝(thinning)된다.

도 3b는 도 3a의 센서(300)의 단면도이다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 센서(300)는 톱 전극(366) 및 바닥 전극(362)을 갖는 다이어프램(318)을 갖는다. 건식 에칭 프로세스의 결과로서, 센서(300)는 또한 상이한 압력을 갖는 2개의 영역(도 3b에 대하여 센서(300)의 톱 및 바닥)을 분리하는 다이어프램(318)의 씨닝된 영역(312)을 갖는다. 씨닝된 영역(312)의 일 면(324)은 다이어프램(318)의 전체 두께 영역(316)의 면(328)과 동일 평면 상에 있다. 센서(300)의 양방향 거동이 씨닝된 영역(312)과 전체 두께 영역(316) 사이의 치수 관계와, 전체 두께 영역(316)의 320의 에지에서의 경계 조건의 조합으로 인해 발생한다.

여전히 도 3b를 참조하면, 다이어프램(318)은 전체 두께 영역(316)보다 씨닝된 영역(312)에서 더 얇아서, 씨닝된 영역(312)의 평면 구조가 평면 구조의 중립축(360)에 대해 변위된다. (또한, 도 8에 나타낸 바와 같이) 실시예에서, 휨을 받는 동안, 씨닝된 영역(312)의 평면 구조는 주로 압축 또는 주로 인장 응력을 갖는다. 대안적인 실시예에서, 씨닝된 영역(312)의 평면 구조는 평면 구조의 중립축(360)에 대해 변위되어, 휨을 받는 동안, 씨닝된 영역(312)이 동시에 압축 응력 및 인장 응력의 대칭 레벨을 겪지 않는다. 이러한 실시예에서, 센서(300)는 본 명세서에서 설명되는 원하는 양방향 거동을 여전히 나타낼 것이다. 그러나, 그 효과는 다른 구성 방법으로 얻을 수 있다. 예를 들어, 보다 두꺼운 주변 기판 또는 지지체에 접합되는 균일하게 두꺼운 다이어프램(318)은, 조립체가 (휨 강도, 응력 상태 및 중립축 기하 구조를 포함하는) 등가 기계 구성으로 귀결되는 한 효과를 나타낼 것이다. 다이어프램(318)에 걸친 압력 차로 인해 다이어프램(318)이 겪게 되는 순 휨 모멘트(net bending moment)는 공진 주파수에서의 시프트를 유도하고, 전극(362, 366)을 사용하여 측정된 센서(300)(도 4 참조)의 공진에서의 임피던스 특성의 변화에 의해 민감하게 모니터링될 수 있다. 따라서, 센서(300)는 높은 분해능으로 큰 동작 압력 범위에 걸치는 힘-주파수 효과를 유리하게 활용한다.

도 4는 다이어프램(404)에 걸친 압력 차가 없는 센서(400a) 및 다이어프램(404)에 걸친 압력 차를 갖는 센서(400b)의 개략도이다. 압전 재료 다이어프램이 압력 센서로서 효과적으로 사용되기 위해서는, 센서가 양호한 공진기 구조, 충분한 압력 편향을 갖는 다이어프램, 및 필요한 감도를 달성하기 위해 편향과 주파수 사이의 충분한 커플링 이득을 갖는 것이 바람직하다. 양호하게 공진하는 수정 크리스털을 얻기 위한 설계 요건은 원하는 수정 크리스털의 치수와 종횡비를 제한한다. 또한, 높은 전기적 판독 분해능을 얻기 위해서는, 공진 주파수 범위가 적절하게 높아야 한다. 또한, 매우 낮은 압력(즉, 고진공)을 측정하기 위해, Δf 이득에 대한 압력-편향이 매우 높아야 한다.

주목할 것은, 본 발명의 센서의 제조에 있어서의 마이크로머시닝 기술의 사용은, 센서가 양호한 공진기 특성을 나타내게 할 수 있을 뿐만 아니라, 고진공 체계에서 측정 가능한 주파수 분해능을 달성할 수 있게 한다. 마이크로머시닝을 사용하지 않으면, 고진공 체계에서 분해능을 갖는 센서를 얻을 수 없다. 논(non)-마이크로머시닝된 제조된 센서에서, 공진 다이어프램 직경(D)은 근사적으로 1-10 센티미터 범위로 제한될 것이다. 다이어프램 두께(t)는 분수 밀리미터 범위 이상으로 제한될 것이다. 이러한 치수 제약은 공진기를 고진공 사용에 충분한 분해능을 허용하지 않는 10MHz 정도의 주파수로 제한할 것이다. 10MHz 공진기는 더 낮은 감도와 높은 잡음을 가질 것이므로, 고진공 체계에서 압력을 분해하는 원하는 분해능을 제공하지 않을 것이다. 공진기의 분해능은 주파수가 증가함에 따라 증가한다. 측정 동안 신호의 주파수를 분해하기 위해서는 유한 수의 사이클을 필요로 한다. 따라서, 더 높은 주파수에서 동작하는 공진기는 원하는 수의 사이클을 보다 신속하게 달성할 것이다. 마이크로머시닝 기술을 사용함으로써, 센서의 직경이 근사적으로 1 센티미터 이하가 되도록 제조될 수 있고, 두께는 마이크론 범위 이하로 감소될 수 있다. 이러한 유형의 치수는, 센서 공진 주파수가 100MHz 이상의 범위에 있도록 한다. 이 주파수 범위는 공진 주파수 측정의 바람직한 신호 대 잡음비를 제공한다. 보다 중요하게는, 이러한 치수는 압력 편향 이득의 증가를 초래하며, 이는 500-1000 배의 감도 증가와 등가이다. 이러한 개선은 마이크로토르(microTorr) 범위에서 매우 낮은 압력을 분해하는 데 필요한 감도를 제공한다.

도 5 및 도 6은 마이크로머시닝에 의해 달성될 수 있는 설계 공간을 나타내며, 이는 향상된 감도와 그에 따른 마이크로토르 범위에서의 동작을 가능하게 한다. 도 5는 센서의 다이어프램의 두께의 함수로서 센서의 감도(좌측 축) 및 편향(우측 축)의 플롯이다. 약 20 마이크론 미만의 두께에서 센서의 감도가 더 빨리 증가한다. 감도는 민감도(μS)/압력(mTorr)와 같다. 도 5에서, 민감도의 변화가 출력 신호이고, 공진기의 공진 주파수의 변화와 등가이다. 도 6은 센서의 다이어프램의 직경의 함수로서 센서의 편향의 플롯이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 센서의 두께에 걸쳐 압력 차를 가하는 것은 다이어프램의 응력 상태에 비대칭 효과를 갖는 에지 경계를 생성한다. 도 7a는 에칭되지 않은 센서(700)의 하부 및 상부면 상의 압력에 의해 편향되는 균일하게 두꺼운 다이어프램(718)을 나타낸다. 이는 응력의 대칭 및 그에 따른 센서(700)의 공진 주파수의 시프트로 이어진다. 점선은 센서(700)의 전체 구조의 중립면(704)을 나타낸다. 검은 영역은 인장 응력을 나타내고 밝은 회색 영역은 압축 응력을 나타낸다(예를 들어, 도 7b의 센서(700)의 톱(top)의 검은 영역 및 도 7b의 바닥의 밝은 회색 영역). 도 7a 내지 도 7c에 대하여, 중립면(704)은 전체 두께 영역(716)의 중심선에 위치된다. 이는 아래로부터의 순 압력(net pressure)에 대한 도 7b 및 위로부터의 순 압력에 대한 도 7c에 나타낸 바와 같이 다이어프램(718)의 두께를 통한 압축 응력으로부터 인장 응력으로의 대칭적인 전이로 이어진다. 이 경우, 순 주파수 시프트는 어느 쪽의 압력 방향에서도 동일한다(크기 및 부호).

도 8a는 하부면 및 상부면 상의 압력에 의해 편향되는 비균일한 두께의 다이어프램(818)(예를 들어, 도 3a의 센서(300))을 나타낸다. 점선은 센서(800)의 전체 구조의 중립면(804)을 나타낸다. 편향 및 응력은 센서의 두께를 통해 대칭이 아니다. 도 8a의 실시예에서, 다이어프램(818)의 가요성의 얇은 부분(812)이 전체 중립면(804)으로부터 떨어져 위치된다. 따라서, 다이어프램(818)은 도 8b에 나타낸 바와 같이 아래로부터의 순 압력에 대해 주로 인장성이고, 도 8c에 나타낸 바와 같이 위로부터의 순 압력에 대해 주로 압축성이다. 이러한 응력 비대칭은 주로 압축 응력 상태에서 주로 인장 응력 상태로의 천이를 생성한다. 이는 양방향 출력을 생성하는 수정 공진기의 주파수 시프트를 야기한다. 또한, 전체 두께 층(816)의 ("앵커(anchor)"로 마킹된 위치에서의) 기계적 경계 조건은 씨닝된 다이어프램 영역(812)의 중심선과 비교하여 전체 중립축(804)의 순 위치(net position)에 영향을 미친다. 최대 크기의 효과를 얻기 위해, 이러한 경계 조건은 전체적인 중립축(804)과 씨닝된 다이어프램 영역(812)의 중심선 사이의 거리를 강조하도록 적절히 설계될 필요가 있을 것이다. 양방향 출력은 상술한 바와 같이 센서(800)의 비대칭 구조의 함수이다. 특히, 다이어프램(818)의 씨닝된 부분(812)은 도 8에 나타낸 바와 같이, 센서(800)의 전체 구조의 중립축(804)에 비해 얇아야 한다.

도 9는 82.4MHz 공진기를 나타내는 예시적인 실시예에 따른 센서(900)의 양방향 효과를 나타내는 시뮬레이션 결과를 제공한다. 응력 크기 이미지(908)에 나타낸 바와 같이, 하향 압력(도 9의 하향 화살표로 표시됨)은 다이어프램(918)에서 평균 인장 응력을 유도한다. 이 응력 상태는 민감도 대 압력 플롯(912)의 "가압된 에칭측" 부분에 나타낸 바와 같이 주파수(및 민감도)가 감소되게 한다. 유사하게, 상향 압력은 응력 크기 이미지(904)에 나타낸 바와 같이, 다이어프램(918)에서 평균 압축 응력을 유도한다. 이 응력 상태는 민감도 대 압력 플롯(912)의 "펌핑된 에칭측" 부분에 나타낸 바와 같이, 주파수(및 민감도)가 증가되게 한다. 민감도 대 압력 플롯(912)은 순 상향(904)으로부터 순 하향(908)으로의 압력 천이에 따라 양방향 효과를 명확하게 나타낸다.

도 10은 도 3a 및 도 3b의 센서(300)에 대하여 상술한 구조를 갖는 몇몇 수정 센서에 대한 공진에서의 서셉턴스 변화의 플롯이다. 플롯의 X-축은 mTorr 단위로 센서(300)의 다이어프램(318)에 걸쳐 가해진 압력 차이다. Y-축은 mS 단위로 공진에서의 서셉턴스의 측정된 변화이다. 공진기 다이어프램(318)의 양방향 감지 성능이 압력의 크기 및 부호의 함수로서 공진기의 공진 민감도 변화의 부호에 의해 나타내어진다. 이 거동은 응력 방향의 역전으로 인한 것일 수 있다. 도 10은 2개의 센서(300)의 동작 범위를 나타낸다.

설명이 특정 실시예를 포함하지만, 첨부된 청구항에 의해 규정되는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 형태 및 세부 사항에서의 다양한 변화가 이루어질 수 있음이 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되어야 한다.

Claims (22)

1. 압력 센서에 있어서,
   압전 기판의 공진을 구동하고 상기 압전 기판의 주파수를 감지하기 위해 일반적으로 평면 구조체와 중립축, 상기 평면 구조체 상의 상부 전극 및 상기 평면 구조체 상의 하부 전극을 갖는 압전 기판; 및
   상기 압전 기판의 상기 평면 구조체의 주위에서 상기 압전 기판을 고정구에 고정하는 앵커(anchor) 위치를 포함하고,
   상기 압전 기판의 상기 평면 구조체는 상기 앵커 위치에 인접한 제1 특성 두께를 갖는 제1 영역을 갖고, 제2 영역은 상기 기판의 중간 영역에서 제2 특성 두께를 가지며,
   상기 제2 특성 두께가 상기 제1 특성 두께보다 더 작아서, 상기 제2 영역의 상기 평면 구조체가 상기 평면 구조체의 상기 중립축에 대해 변위되어, 휨을 겪는 동안 상기 제2 영역이 주로 압축 응력 또는 주로 인장 응력을 갖는, 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 센서는 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 사용하여 제조되는, 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판은 AT-컷(cut) 수정(quartz) 기판인, 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극은 금을 포함하는, 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극은 금을 포함하는, 센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 고무 시멘트를 사용하여 상기 고정구에 고정되는, 센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 영역은 건식 에칭 프로세스에 의해 형성되는, 센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 영역의 직경은 1cm 이하인, 센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2 영역의 상기 제2 특성 두께는 약 100㎛ 미만인, 센서.
10. 제1항에 있어서, 감지된 상기 주파수는 100MHz 이상인, 센서.
11. 제1항에 있어서, 상기 센서는 MEMS 디바이스인, 센서.
12. 다이어프램(diaphragm)을 포함하는 벌크 음향파 공진기 압력 센서에 있어서, 상기 다이어프램은:
    제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가지며, 상기 제1 표면의 일부는 사전-선택된 깊이로 에칭되는 기판;
    상기 제1 표면 상에 증착 및 패터닝되는 제1 전극; 및
    상기 제2 표면 상에 증착 및 패터닝되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 압력 센서의 공진에서의 임피던스 특성의 변화를 측정하도록 구성되는, 센서.
13. 제12항에 있어서, 상기 기판은 AT-컷 수정 기판인, 센서.
14. 제12항에 있어서, 상기 기판의 에칭되지 않은 부분의 두께는 약 100㎛인, 센서.
15. 제12항에 있어서, 상기 사전-선택된 에칭 깊이는 약 63㎛인, 센서.
16. 제12항에 있어서, 상기 사전-선택된 에칭 깊이는 약 80㎛인, 센서.
17. 제12항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 금을 포함하는, 센서.
18. 제12항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 증착 및 패터닝되는, 센서.
19. 제12항에 있어서, 상기 센서는 마이크로머시닝 기술을 사용하여 제조되는, 센서.
20. 제12항에 있어서, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 가해지는 압력은 상기 다이어프램의 편향 및 응력을 야기하며, 상기 편향 및 상기 응력은 상기 다이어프램의 두께를 통해 비대칭인, 센서.
21. 제12항에 있어서, 상기 다이어프램은 상기 제2 표면에 가해진 순 압력(net pressure)에 대해 주로 인장성이고, 상기 제1 표면에 가해진 순 압력에 대해 주로 압축성인, 센서.
22. 제12항에 있어서, 상기 센서는 MEMS 디바이스인, 센서.

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