KR20200043816A - Mems 가속도계 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20200043816A
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이상철
강병근
이성단
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 실리콘 파운드리에서 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 구조물 제작공정을 이용하여 MEMS 전극간 간격을 d 이하로 형성하기 위해, 부유되어 수평방향으로 이동하며, 이동방향에 수직방향으로 일정길이 연장되는 복수의 제1 전극을 포함하는 검증 질량, 상기 검증 질량의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체, 상기 검증 질량측으로 일정길이 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하는 고정전극, 그리고, 상기 검증 질량과 상기 고정전극 사이에 구비되며, 양측에 위치하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 각각 중첩배치되는 제3 전극을 포함하는 이동전극를 포함하며, 상기 이동전극은 상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착되어 상기 제1 전극과 상기 제3 전극간 간격을 줄이도록 부유되어 수평방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공할 수 있다.

Description

MEMS 가속도계 및 이의 제조 방법{MEMS ACCELEROMETER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 MEMS(Microelectromechanical Syetem) 가속도계 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 실리콘 파운드리에서 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 구조물 제작공정에서, MEMS 전극 사이의 간격을 d보다 좁혀 높은 주파수 응답과 센서 감도를 동시게 만족하는 기술 분야에 적용이 가능하다.
최근 각속도 센서는 MEMS 기술을 응용한 미세 가공 기술의 발전에 의해, 소형화와 고성능화 및 저가격화를 실현하는 것이 가능하게 되었다.
초소형 가속도계 개발에 있어서, MEMS 기술을 통해 얻을 수 있는 효과는 우선 소형화를 뽑을 수 있다. 소형화에 더해 저가격화를 목적으로 하는 MEMS 광성센서의 응용분야는 자동차 네비게이션, 차량 탑재 에어백 제어, 카메라나 비디오의 손떨림 방지, 휴대 전화, 로봇의 자세 제어, 게임용 제스처 입력 인식, HDD의 회전 및 충격 검지 등이 있으며, 인가된 가속도에 의해 가속도계 내 검증 질량의 변위가 변화되고 이를 전압 등으로 변화하여 인가된 가속도를 측정하는 변위형 가속도계가 사용되는 것이 일반적이다.
도 1은 MEMS 가속도계의 기본 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
개략적인 MEMS 가속도계는 기준 프레임(reference frame)에 검증 질량(proof-mase)이 매달린 상태로 구성이 된다. 미세 기계식 스프링(K)와 댐퍼(D)를 통홰 외부 가속이 적용될 때, 기준 프레임(reference frame)은 주어진 방향 (y)을 향해 움직이지만, 검증 질량(proof-mass)는 관성에 의해 원래의 위치(z)에 머무르게 된다. 이 동작으로 인해 검증 질량(proof-mass)와 기준 프레임(reference frame) 상의 변위 차(x)가 발생하며, 이는 x=y-z와 같다.
장치 운동의 동적 거동은 뉴턴의 제2 운동 법칙(식 (2-1))을 사용하여 표현될 수 있다.
Figure pat00001
, 식 (2-1)
Figure pat00002
, 식 (2-2)
정상 상태 조건(
Figure pat00003
)을 가정하면, 변위는 식 (2-2)와 같이 인가된 가속도에 비례한다.
주어진 외력(
Figure pat00004
)과 변위차(x) 사이의 전달 함수는 식 (2-3)과 같이 나타날 수 있다.
Figure pat00005
, 식 (2-3)
MEMS 가속도계는 2차 스프링-질량-댐퍼 시스템이며, 작동 대역폭은 대부분 공진 주파수
Figure pat00006
에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 넓은 주파수 범위에서 가속도 감지 기능을 얻으려면 높은 공진 주파수가 필요하다.
검증 질량(proof-mass) 이동이 전기 신호로 변환되는 방법에 대한 변환 메커니즘에 따라 압전형 가속도계, 압저항형 가속도계 및 전기용량형 가속도계로 구분될 수 있다.
그러나, 압저항 가속도계는 정적특성이 없고 양호한 특정을 갖는 박막상태의 압전물질의 형성이 어렵기 때문에 상업적으로 퇴보하고 있는 실정이다.
또한, 압저항형 가속도계는 온도변화에 따른 특성변화가 크고 그 보상이 어렵기 때문에 최근 가속도계센서의 기술동향은 정전용량형을 지향하고 있다.
이러한 정전용량형 가속도계는 온도에 따른 특성변화가 작을 뿐만 아니라, 신호처리 회로를 별도의 과정 없이 집적도가 뛰어난 전계효과 트랜지스터로 구성할 수 있다는 장점이 있기 때문에 특성이 매우 우수하며 가격이 저렴하게 구현될 수 있다.
전기용량형 가속도계는 외부 가속을 감지하기 위해 검증 질량(proof-mass)와 감지 전극(sens electrode) 사이의 변화하는 정전 용량을 이용한다.이러한 유형의 감지는 저전력 작동을 달성할 수 있으며, 실리콘 공정을 사용하여 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 전기용량형 가속도계를 단순화하여 도식한 개념도이다.
정적 조건(도 2(a))에서 검증 질량(proof-mass)와 감지 전극(sens electrode)의 사이의 거리는 d 이며, 결과적으로 식 (2-4)과 같은
Figure pat00007
결과를 얻을 수 있다. 여기서
Figure pat00008
는 유전율을, A는 전극 면적, d는 전기 용량 갭(gap)을 의미한다.
Figure pat00009
, 식 (2-4)
감지 전극은 검증 질량의 이동(도 2(b))으로 인한 갭 크기의 변화가 서로 반대 극성을 갖도록 구성되며, 전기용량 차동값(
Figure pat00010
)은 식 (2-5)로 표현될 수 있다.
Figure pat00011
, 식 (2-5)
Figure pat00012
, 식 (2-6)
변위차(x)가 갭 크기(d)보다 훨씬 작은 경우 식 (2-5)는 식 (2-6)으로 단순화 될 수 있으며, 가속도에 대한 전기용량 차동값(
Figure pat00013
)으로 표현되는 스케일 팩터(scale factor)는 식 (2-7)과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00014
, 식 (2-7)
즉, 전기용량형 가속도계는 전기용량 차동값(
Figure pat00015
)을 통해 가속도를 감지할 수 있다.
가속도계 센서를 선택함에 있어 중요한 순위를 따진다면, 단연 감도(Sensitivity)와 주파수 응답범위(frequency range)일 것이다. 주파수 응답범위는 고유하게 측정이 정확한 구역의 주파수 구간을 의미한다. 주파수 응답범위는 센서가 제대로 맞는 신호를 출력해 줄 수 있는 신뢰가 있는 구역을 의미하며, 신뢰있는 구역을 선형구간으로 표현할 수 있다.
다만, 식 (2-5)에서 살펴본 바와 같이 전기용량 차동값(
Figure pat00016
)과 변위차(x)는 비선형 관계에 있기 때문에, 중파수 응답 범위와 센서 감도는 도 3과 같이 트레이드 오프(trade-off)되는 관계가 나타난다.
즉, 센서의 신호감도를 높이면 검출할 수 있는 주파수의 폭이 좁아지고, 주파수응답범위를 높이면 신호의 감도가 떨어지게 된다.
제한된 칩 사이즈에서 높은 주파수응답과 센서 감도를 동시에 만족할 수 있는 방법(도 3의 c)은 MEMS 전극 사이의 간격을 좁히는 것이다.
관련 연구로는 도 4의 공정 기법을 개시하고 있는 미국 Georig tech의 Ayazi Lab의 nanogap accelerometer가 대표적이다.
구체적으로, 도 4의 공정 기법을 살펴보면, 평면과 면외 가속도계는 모두 고 종횡비 폴리 및 단결성 실리콘 공정(The high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining technology, HARPSS)을 사용하여 SOI(Silicon-on-insulartor)웨이퍼 상에 제조될 수 있다(도 4(a)).
실리콘 웨이퍼상에 기계적 구조의 외형을 형성하는 DRIE(Deep Reactive-Ion Etching) 트렌치를 에칭한다. 그리고 희생 산화물층을 열적으로 성장시켜 측면 용량성 갭을 정의할수 있다(도 4(b)).
이후, 저압화학기상증착법(Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하여 폴리실리콘(poly-silicon)을 트렌치에 채울 수 있다(도 4(c)).
이후, 상부 및 브리징 전극을 정의하기 위해 추가로 패터닝되고, 평면 외부의 갑지갭을 위치하기 위한 희생 산화물 층이 추가로 성장될 수 있다(도 4(d)).
이후, 폴리 실리콘층이 증착되고, 평면외 방향에 대한 상부 전극이 정의되기 위해 패터닝될 수 있다(도 4(e)).
이후, 희생 산화물층은 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid, HF)에서 제거되어 MEMS 가속도게 구조물이 제작될 수 있다.
이후, MEMS 가속도계는 밀페된 웨이퍼 레벨 진공 포장(1~10Torr)을 수행하기 위해, 캡핑 웨이퍼에 접합된다. 이때, 캡핑 웨이퍼는 홈을 정의하고, 실리콘 관통전극(through-silicon-via, TSV)을 구현하기 위해 절연체로 채워 별도로 처리될 수 있다. 웨이버는 저항이 낮기 때문에, 실리콘 관통전극(TSV)은 외푸 패드와 내부 MEMS 디바이스 사이에 낮은 저항 경로를 제공한다. 함몰부는 캡핑 공정 이전에 에칭되고, 금 패턴은 MEMS 웨이퍼와 공융 결합하도록 정의된다. 밀봉 후에, 금 금속 트레이스 및 패드가 캐핑 웨이퍼의 상부에 증착될 수 있다. (도 4(g), 도 4(h))
다만, Ayazi Lab의 nanogap 가속도 센서의 공정 방법은 산화막 및 폴리 실리콘 증착, 산화막 선택적 제거등 복잡한 공정과정이 필요하며, 현재 양산 파운드리에서 MEMS 구조물 제작공정은 최소 선폭이 2um정도로 제한되어 있다.
따라서, 현재 MEMS 구조물의 제작공정에서 최소 선폭을 2um 이하로 줄이기 위해서는 공정장비나 공정 기법의 개선에 많은 노력과 자원이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제 및 기타 본 발명의 명세서를 통해 기타 문제들 역시 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭보다 작은 전극간 간격을 가지는 MEMS 가속도계를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 전극간 간극을 줄여 MEMS 가속도계를 통해 고감도, 고주파수응답의 성능을 구현하는데 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭이 제한된 MEMS 가속도계 구조물 공정 방법에서, 공정기술 개선 없이 설계 기술만으로 MEMS 가속도계의 전극간 간격은 공정가능한 최소 선폭보다 줄이는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시에에 따라, 부유되어 수평방향으로 이동하며, 이동방향에 수직방향으로 일정길이 연장되는 복수의 제1 전극을 포함하는 검증 질량, 상기 검증 질량의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체, 상기 검증 질량측으로 일정길이 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하는 고정전극, 그리고, 상기 검증 질량과 상기 고정전극 사이에 구비되며, 양측에 위치하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 각각 중첩배치되는 제3 전극을 포함하는 이동 전극을 포함하며, 상기 이동전극은 상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착되어 상기 제1 전극와 상기 제3 전극간 간격을 줄이도록 부유되어 수평방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이동 전극은 상기 제3 전극과 상기 제2 전극간 정전력에 의해 이동하여 상기 고정전극에 고정되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극과 일방향의 상기 제3 전극 및 상기 제2 전극과 타방향의 상기 제3 전극은 각각 중첩배치되고, 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극간 선폭 방향은 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 선폭 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 전극과 상기 제2 전극간 간격은 상기 제3 전극과 상기 제1 전극간 간격보다 작은 것을 특징으로하는 MEMS 가속도계를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MEMS 가속도계는 상기 이동전극의 양단을 탄성적으로 지지하는 제2 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 탄성체는 상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착상태를 유지하도록 비대칭적인 외력을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 검증질량은 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극을 각각 둘러싸도록 구비되며, 상기 이동전극은 상기 두 개의 고정 전극과 상기 검증 질량 사이에 대칭적으로 두 개 구비되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 가속도계의 제조 방법에 있어서, 공정 과정에서, 부유되어 수평으로 이동하는 검증질량의 복수의 제1 전극과 부유되어 수평으로 이동하는 이동 전극의 일방향 제3 전극간 선폭을 d+a(a<d)로 형성하고, 고정된 고정전극의 제2 전극과 상기 이동전극의 타방향 제3 전극간 선폭을 최소 d로 형성하는 단계, 설계 과정에서 상기 이동전극을 이동하여 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극을 부착하고, 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극간 선폭을 최소 a로 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 설계 과정은 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 정전력에 의해 상기 이동전극을 이동하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 공정 과정은 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극 및 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극을 각각 중첩배치하고, 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극간 선폭 방향을 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 선폭 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 설계 과정은 상기 검증 질량의 양단을 제1 탄성체에 의해 탄성적으로 지지하고, 상기 이동 전극의 양단이 제2 탄성체에 의해 탄성적으로 지지되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 설계 과정은 상기 제2 탄성체가 상기 타방향의 제3 전극과 상기 제2 전극이 부착상태를 유지하도록 비대칭적인 외력을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 공정 과정은 상기 검증질량이 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극을 각각 둘러싸도록 형성하며, 상기 이동 전극이 상기 두 개의 고정 전극과 상기 검증 질량 사이에 대칭적으로 구비되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 MEMS 가속도계 및 제조 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭보다 작은 전극간 간격을 가지는 MEMS 가속도계를 제작할 수 있다.
본 발명은 전극간 간극을 줄여 MEMS 가속도계를 통해 고감도, 고주파수응답의 성능을 구현할 수 있다.
본 발명은 실리콘 파운트리에서 공정가능한 최소 선폭을 공정 과정에서 줄는데 필요한 노력 및 자원 없이, 기존의 공정기술을 통해 설계 기술만으로 MEMS 가속도계의 전극간 간격을 줄일 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 MEMS 가속도계의 기본 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 전기용량형 가속도계를 단순화하여 도식한 개념도이다.
도 3은 전기용량형 가속도계에서 신호감도와 주파수응답범위가 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 MEMS 가속도계 공정방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 기존의 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6의 B를 확대한 도면으로, 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계에서 전극간 간격을 줄이는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 5는 기존의 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 특징을 살펴보기에 앞서 기존의 전기용량형 MEMS 가속도계의 기본 구조를 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
기존의 전기용량형 MEMS 가속도계는 부유되어 움질일 수 있는 가동구조물인 검증질량(511), 상기 검증질량(511)의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체(514) 및 상기 제1 탄성체가 지지되는 제1 앵커(513), 상기 검증질량(511)의 외부면에 상기 검증질량(511)의 이동방향에 수직방향으로 영장되는 복수의 제1 전극(512), 고정된 고정 전극(521) 및 상기 고정 전극(521)에서 상기 검증 질량(511) 방향으로 연장되어 상기 제1 전극과 중첩배치되는 제2 전극(522)을 포함할 수 있다.
상기 구성을 갖는 기존의 MEMS 가속도계는 외부로부터 관성력이 인가되면, 상기 검증 질량(511)이 관성력이 작용하는 방향으로 이동하면서, 이에 검증 질량에 연결된 제1 전극(512)도 동일 방향으로 이동하게 되고, 그에 따라 고정 전극(521)의 제2 전극(522)과 거리가 감소하게 된다.(도 5의 A 부분)
이에 따라, 상기 제1 전극(512)과 제2 전극(522) 사이에서의 정전 용량이 변화하게 되고, 상기 정전용량의 변화는 상기 고전 전극(521)에 인가되는 감지전압의 변화를 유도하여, 상기 제1 전극(512)에 연결된 증폭기(미도시)를 통해 증폭되어 측정되어, 인가되는 가속도를 측정할 수 있는 것이다.
MEMS 가속도계는 가속에 대하여 출력되는 정전용량의 변화량을 보다 확대하기 위해, 상기 제1 전극(512)과 상기 제2 전극(522)가 콤브(comb) 타입으로 교차하여 구비될 수 있다.
MEMS 가속도계의 신호감도 및 주파수 응답범위는 도 5의 A 부분의 간격으로 결정될 수 있다.
상기 도 3에서 설명한 바와 같이 트레이드 오프 관계를 가지는 신호 감도 및 주파수 응답범위를 동시에 만족하기 위해서는 도 5의 A 부분의 간격이 줄어들 필요가 있는데, 도 4에서 설명한 바와 같이 기존의 MEMS 가속도계 공정 기법을 고려하면 공정 과정에서 도 5의 A부분의 간격을 줄이는 것은 많은 노력과 자원이 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 기존의 공정 기법을 이용하되, 설계 과정에서 도 5의 A 부분의 간격을 줄이는 본 발명의 특징을 이하에서 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 MEMS 가속도계는, 부유되어 수평방향으로 이동하며, 이동방향에 수직방향으로 일정길이 연장되는 복수의 제 전극(612)를 포함하는 검증 질량(511), 상기 검증 질량(611)의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체(614), 상기 검증 질량(611)측으로 일정길이 연장되는 복수의 제2 전극(622)를 포함하는 고정전극(621), 그리고, 상기 검증 질량(611)과 상기 고정 전극(621) 사이에 구비되며, 양측에 위칭하는 상기 제1 전극(612) 및 상기 제2 전극(622)에 각각 중첩배치되는 제3 전극(632)를 포함하는 이동 전극(631)을 포함하며, 상기 이동 전극(631)은 상기 제3 전극(632)이 상기 제2 전극(622)에 부착되어 상기 제1 전극(611)과 상기 제3 전극(632)간 간격을 줄이도록 부유되어 수평방향으로 이동할 수 있다.
이동 전극(621)은 상기 검증 질량(611)이 이동하는 방향과 평행한 방향으로 부유되어 이동이 가능하도록 양단에 제2 탄성체(631)를 통해 탄성적으로 지지될 수 있다. 구체적으로, 검증질량(611)과 이동 전극(621)은 각각 제1 앵커(613) 및 제2 앵커(633)에 연결된 제1 탄성체(614) 및 제2 탄성체에 의해 탄성적으로 지지될 수 있다.
또한, 이동 전극(621)은 이동 방향으로 수직하게 양방향으로 일정 길이 연장되는 일방향의 제3 전극(632a)과 타방향의 제3 전극(632b)을 포함할 수 있으며, 상기 일방향의 제3 전극(632a)는 상기 제1 전극(612)과 중첩배치될 수 있으며, 상기 타방향의 제3 전극(632a)는 상기 제2 전극(612)과 중첩배치될 수 있다.
구체적으로, 제1 전극(612)과 일방향의 제3 전극(632a) 및 제2 전극(621)과 타방향의 제3 전극(632b)은 각각 중첩배치되고, 상기 제1 전극(612)과 상기 일방향의 제3 전극(632a)간 선폭 방향은 상기 타방향의 제3 전극(632b)과 상기 제2 전극(622)간 선폭 방향과 평행할 수 있다.
이때, 타방향의 제3 전극(632b)와 상기 제2 전극(622)간 간격은 일방향의 제3 전극(632a)와 상기 제1 전극(612)간 간격보다 작을 수 있다. 이는 본 발명의 특징이 제1 전극(612)과 상기 일방향의 제3 전극(632a)간 간격을 줄이는데 특징이 있는바 이와 관련하여서는 도 7에서 구체적으로 살펴본다.
도 7은 도 6의 B를 확대한 도면으로, 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계에서 전극간 간격을 줄이는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7(a)는 실리콘 파운드리에서 공정 가능한 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 가속도계의 제조방법에 있어서, 공정 과정에서 부유되어 수평으로 이동하는 검증질량(611)의 복수의 제1 전극(612)과 부유되어 수평으로 이동하는 이동 전극(631)의 일방향 제3 전극(632a)간 선폭을 d+a로 형성하고, 고정된 고정 전극(621)의 제2 전극(622)과 이동 전극(631)의 타방향 제3 전극(632b)간 선폭을 최소 d(도 7(a)의 d'>=d)로 형성하는 실시예를 도시하고 있다.
이후 도 7(b)와 같이 설계 과정에서, 상기 이동 전극(631)을 C 방향으로 이동하여 상기 제2 전극(622)와 상기 타방향의 제3 전극(632b)를 부착하고, 상기 제1 전극(612)과 상기 일방향의 제3 전극(632a)간 선폭을 최소 a(도 7(b)의 d+a-d')로 형성할 수 있다.
즉, 본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정 가능한 최소 선폭이 d로 제한된 기존의 공정 방법을 이용하여 정전용량의 변화가 야기되는 제1 전극(612)과 일방향의 제3 전극(632a)간 간격을 d보다 작은 a로 구현이 가능하다.
이때, 타방향의 제3 전극(632b)과 제2 전극(622)간 정전력에 의해서 부착되고, 이동 전극(631)은 고정 전극(621)에 고정될 수 있다.
검증 질량(611)이 관성에 의해 이동 하여 상기 제1 전극(612)과 일방향의 제3 전극(632a) 사이에서의 정전 용량이 변화하게 되면, 상기 정전용량의 변화는 도체로 연결된 상기 일방향의 제3 전극(632a)과 상기 타방향의 제3 전극(632b)를 통해 상기 고정 전극(521)에 인가되는 감지전압의 변화를 유도하여, 상기 제1 전극(512)에 연결된 증폭기(미도시)를 통해 증폭되어 측정될 수 있다.
타방향의 제3 전극(632b)과 제2 전극(622)는 정전력 외에 Pull-in과 adhesion, stiction 현상을 이용하여 부착될 수 있고, 경우에 따라서는 비대칭적인 외력을 제공하는 제2 탄성체(634)에 의해서 부착상태를 유지할 수 있다.
상기와 같은 설계상의 고정을 통해, 본 발명은 도 4에서 예시한 Ayazi Lab의 nanogap 가속도 센서의 공정 방법을 이용하여 2um보다 작은 0.5nm 이하로 MEMS 가속도계의 전극 간 간격을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 도 8에 설명한 바와 같이 고정 전극(621)과 이동 전극(631)이 평면 상에서 대칭적으로 구비될 수 있다.
구체적으로, 검증질량(611)은 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극(621)을 각각 둘러 싸도록 구비되며, 이동 전극(631)은 상기 두 개의 고정 전극(621)과 상기 검증 질량(611) 사이에 대칭적으로 두개 구비될 수 있다.
검증 질량(611)은 제1 앵커(613)에 제1 탄성체(614)를 통해 연결되어 관성에 의해 일 방향으로 이동이 가능하고, 이동 전극(611)은 제2 앵커(633)에 제2 탄성체(614)에 고정되어, 타방향의 제 3 전극(632b)이 제2 전극(622)에 부착 가능하도록 이동하도록 하는 것을 지지할 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
511, 611: 검증 질량 512, 612: 제1 전극
521, 621: 고정 전극 522, 622: 제2 전극
513, 613: 제1 앵커 514, 614: 제1 탄성체
631: 이동 전극 632: 제3 전극
633: 제2 앵커 634: 제2 탄성체

Claims (13)

  1. 부유되어 수평방향으로 이동하며, 이동방향에 수직방향으로 일정길이 연장되는 복수의 제1 전극을 포함하는 검증 질량;
    상기 검증 질량의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체;
    상기 검증 질량측으로 일정길이 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하는 고정전극; 그리고,
    상기 검증 질량과 상기 고정전극 사이에 구비되며, 양측에 위치하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 각각 중첩배치되는 제3 전극을 포함하는 이동 전극;를 포함하며,
    상기 이동 전극은
    상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착되어 상기 제1 전극과 상기 제3 전극간 간격을 줄이도록 부유되어 수평방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동 전극은
    상기 제3 전극과 상기 제2 전극간 정전력에 의해 이동하여 상기 고정전극에 고정되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 일방향의 상기 제3 전극 및 상기 제2전극과 타방향의 상기 제3 전극은 각각 중첩배치되고, 상기 제1 전극과 상기 일방향의 제3 전극간 선폭 방향은 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 선폭 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전극과 상기 제2 전극간 간격은 상기 제3 전극과 상기 제1 전극간 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 MEMS 가속도계는
    상기 이동전극의 양단을 탄성적으로 지지하는 제2 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 탄성체는
    상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착상태를 유지하도록 비대칭적인 외력을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 검증질량은
    하나의 바디를 이루며, 일 평면상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극을 각각 둘러싸도록 구비되며,
    상기 이동 전극은
    상기 두 개의 고정 전극과 상기 검증 질량 사이에 대칭적으로 두 개 구비되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.
  8. 실리콘 파운드리에서 공정 가능한 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 가속도계의 제조 방법에 있어서,
    공정 과정에서 부유되어 수평으로 이동하는 검증질량의 복수의 제1 전극과 부유되어 수평으로 이동하는 이동 전극의 일방향 제3 전극간 선폭을 d+a(a<d)로 형성하고, 고정된 고정전극의 제2 전극과 상기 이동전극의 타방향 제3 전극간 선폭을 최소 d로 형성하는 단계;
    설계 과정에서, 상기 이동전극을 이동하여 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극을 부착하고, 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극간 선폭을 최소 a로 형성하는 단계;를 포함하는 MEMS 가속도계의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 설계 과정은
    상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 정전력에 의해 상기 이동전극을 이동하는 것을 포함하는 것을 MEMS가 가속도계의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 공정 과정은
    상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극 및 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극은 각각 중첩배치하고, 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극간 선폭 방향은 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 선폭 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 설계 과정은
    상기 검증 질량의 양단은 제1 탄성체에 의해 탄성적으로 지지하고, 상기 이동 전극의 양단은 제2 탄성체에 의해 탄성적으로 지지하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 설계 과정은
    상기 제2 탄성체가 상기 타방향의 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착상태를 유지하도록 비대칭적인 외력을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 공전 과정은
    상기 검증 질량이 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극을 각각 둘러싸도록 형성하며, 상기 이동 전극이 상기 두 개의 고정 전극과 상기 검증 질량 사이에 대칭적으로 두 개 구비되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법.
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