WO2017159979A1 - 압저항형 가속도계 및 압저항형 가속도계의 패키징 방법 - Google Patents

압저항형 가속도계 및 압저항형 가속도계의 패키징 방법 Download PDF

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mass
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piezoresistor
piezoresistive accelerometer
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고종수
장창욱
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    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position

Definitions

  • the present invention relates to a method for packaging piezoresistive accelerometers and piezoresistive accelerometers, and more particularly, piezoresistive accelerometers and piezoresist accelerometers capable of measuring the magnitude of acceleration from a resistance change caused by deformation of the piezoresistor. Relates to a method of packaging.
  • accelerometers are used in a variety of applications such as mobile phones, motion recognition games, building vibration detection, automotive airbags, and military applications.
  • Silicon-based accelerometers have the advantages of mass production due to high integration and miniaturization through MEMS (micro electro mechanical systems) process, and have the advantage of fast response time, which is a characteristic of semiconductor devices.
  • Piezoresistive, piezoelectric and capacitive accelerometers measure the deformation of the sensing material or the change in the spacing of the structure by an external force and convert it into an electrical signal.
  • the capacitive and piezoelectric accelerometers have a relatively high sensitivity compared to the piezoresistive type.
  • a piezoelectric accelerometer has a problem in that a zero-shift phenomenon cannot be recovered after the shock is detected. Therefore, piezoresistive accelerometers are frequently used in high impact environments.
  • An object according to an embodiment is to provide a piezoresistive accelerometer that is suitable for various impact ranges by adjusting the size of the mass and the thickness of the connecting portion (hinge), the manufacturing process can be simplified by manufacturing through dry etching.
  • An object according to an embodiment is to provide a piezoresistive accelerometer that is easy to configure the Wheatstone bridge circuit, and has a structural stability at high impact by minimizing the structure and increases the integration of the sensor to improve productivity.
  • An object according to an embodiment is to provide a piezoresistive accelerometer in which the mass moves more stably when the left and right or front and rear shapes are symmetrically moved, and the mass moves perfectly in the vertical direction.
  • An object according to an embodiment is to measure the magnitude of acceleration by increasing or decreasing the resistance in a piezoresistor, and to determine whether the shell explodes by measuring the magnitude of the impact when the shell is impacted when used in the military. It is to provide a piezoresistive accelerometer that can be utilized.
  • Piezoresistive accelerometer according to an embodiment for achieving the above object, the support; A mass connected to the support and movable by an external force; A plurality of piezoresistors disposed between the support and the mass and deformed by the movement of the mass; And a connection part disposed between the support and the mass to enable rotation of the mass with respect to the support, wherein the plurality of piezoresistors are stretched or compressed by rotation of the mass around the connection part.
  • a plurality of piezoresistors may cause resistance change.
  • a plurality of masses are arranged symmetrically with respect to the support, the plurality of masses, the plurality of masses, the first mass connected to the first side of the support; And a second mass connected to a second side of the support facing the first side of the support, wherein the connection portion may be disposed on the first side and the second side.
  • the plurality of piezoresistors include: a first piezoresistor and a second piezoresistor disposed in a bridge form between the first mass and the first side of the upper supporter; And a third piezoelectric body and a fourth piezoelectric body disposed in a bridge form between the second mass body and the second side surface of the upper support body, wherein the first piezoelectric body, the second piezoelectric body, and the third piezoelectric body are formed.
  • the resistor and the fourth piezoresistor may form one Wheatstone bridge circuit.
  • the first piezo resistor and the fourth piezo resistor are disposed symmetrically with each other with the support therebetween, and the second piezo resistor and the third piezo resistor are symmetrically with each other with the support therebetween. Can be arranged.
  • the first piezoresistor or the fourth piezoresistor when the first mass or the second mass is moved downward, the first piezoresistor or the fourth piezoresistor is stretched to increase the resistance, and the first mass or the second mass is upwards. When moved to, the first piezoresistor or the fourth piezoresistor may be compressed to decrease resistance.
  • the connecting portion is provided with a hinge, the connecting portion has a length corresponding to the width of the mass body, the connecting portion in the center and the third piezoresistor of the first piezoresistor and the second piezoresistor And a fourth piezoresistor.
  • the support is bonded to the lower surface of the package substrate; And an upper support disposed on an upper surface of the lower support and connected to the side of the mass, and a lower surface of the mass may be spaced apart from an upper surface of the lower support.
  • the plurality of mass bodies may be disposed symmetrically with respect to the upper supporter, and the plurality of piezoresistors may be disposed symmetrically or asymmetrically with respect to the upper supporter.
  • Piezoresistive accelerometer according to an embodiment for achieving the above object, the support; A plurality of masses connected to the support and movable by an external force; And a plurality of piezoresistors disposed in the form of a bridge between the support and the plurality of masses and deformed by the movement of the masses.
  • the plurality of piezoresistors may be disposed on the front and rear surfaces of the support. Can be.
  • a plurality of Wheatstone bridge circuits are formed by the plurality of piezoresistors, the plurality of Wheatstone bridge circuits, the first piezoresistor connected between the support and the plurality of mass body in front of the support;
  • a first wheatstone bridge circuit composed of a second piezo resistor, a third piezo resistor, and a fourth piezo resistor;
  • a second wheatstone bridge circuit including a fifth piezo resistor, a six piezo resistors, a seven piezo resistors, and an eight piezo resistors connected between the support and the plurality of masses on the rear surface of the support.
  • Packaging method of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment for achieving the above object, wire bonding to the piezoresistive accelerometer; Applying an adhesive on a package substrate to which the piezoresistive accelerometer is to be bonded; Bonding the piezoresistive accelerometer on the package substrate; Bonding the wire bonded to the piezoresistive accelerometer on the package substrate; And mounting a cap on the piezoresistive accelerometer, wherein the piezoresistive accelerometer and the package substrate may include a plurality of electrode pads.
  • Packaging method of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment for achieving the above object, wire bonding to a piezoresistive accelerometer to withstand high impact; Bonding the piezoresistive accelerometer to a metal package; Bonding the wire bonded to the piezoresistive accelerometer on a substrate of the metal package; And attaching a metal cap by welding the upper portion of the metal package to the metal package.
  • a plurality of electrode pads may be provided on the piezoresistive accelerometer and the substrate of the metal package to correspond to each other. Corresponding wires may be provided to exit the metal package.
  • the piezoresistive accelerometer according to an embodiment, it is suitable for various impact ranges by adjusting the size of the mass and the thickness of the connection part (for example, the hinge), and the manufacturing process may be simplified by manufacturing through dry etching.
  • the Wheatstone bridge circuit can be easily configured, and the structure can be minimized to have structural stability at high impact and increase the integration degree of the sensor, thereby improving productivity.
  • the mass is moved more stably when the left and right or front and rear shapes are symmetrical, and the mass may move only in the vertical direction perfectly.
  • the magnitude of the acceleration is measured by increasing or decreasing the resistance in the piezoresistor, and when the shell is used in a military, the magnitude of the impact is measured when the shell is impacted to explode the shell. It can be used to determine whether or not.
  • FIG. 1A and 1B show a piezoresistive accelerometer according to one embodiment.
  • FIG. 2 illustrates a driving principle of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment.
  • FIG. 3 shows a Wheatstone bridge circuit formed by a plurality of piezoresistors.
  • FIG. 4 illustrates a state in which a Wheatstone bridge circuit is additionally formed on the rear surface of the upper support.
  • 5A to 5F illustrate a plurality of photomasks used for fabricating piezoresistive accelerometers according to an embodiment.
  • 6A to 6F illustrate a manufacturing process of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment.
  • 7A and 7B are electron micrographs of the manufactured piezoresistive accelerometers.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a packaging method of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment.
  • 9A to 9E show the manufactured piezoresistive accelerometer packaged.
  • 10 is a packaging picture and packaging pictures of the piezoresistive accelerometer manufactured.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1A and 1B illustrate a piezoresistive accelerometer according to an embodiment
  • FIG. 2 illustrates a driving principle of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a Wheatstone formed by a plurality of piezoresistors. 4 illustrates a bridge circuit, and a Wheatstone bridge circuit is additionally formed on the rear surface of the upper support.
  • the piezoresistive accelerometer 10 may include a support 100, a mass body 200, a piezoresistor 300, and a connection unit 400.
  • FIG. 1B is a diagram illustrating the cut between the upper supporter 120 and the second mass 220 of FIG. 1A.
  • the support 100 may include, for example, a lower support 110 bonded to a package substrate to be used for later packaging, and an upper support 120 disposed on an upper surface of the lower support 110. .
  • the upper support 120 may be disposed perpendicular to the upper surface of the lower support 110, for example, a mounting groove for the upper support 120 may be formed on the upper surface of the lower support 110.
  • the shape of the support 100 is not limited thereto, and may be any structure as long as the mass body 200, the piezoresistor 300, and the connection part 400 can be properly connected.
  • a plurality of mass bodies 200 may be connected to the support 100, particularly the upper support 120.
  • the mass 200 may be, for example, a first mass 210 disposed on a first side or a left side of the upper support 120 and a second mass 220 disposed on a second side or a right side of the upper support 120. ) May be included.
  • the plurality of masses 200 may be symmetrically disposed about the upper supporter 120, and the plurality of masses 200 may be spaced apart from the lower supporter 110 and the upper supporter 120.
  • each lower surface of the plurality of mass 200 may be spaced apart from the upper surface of the lower support 110, the plurality of mass 200 is disposed on both sides of the upper support 120 after the connecting portion 400 Can be rotatably connected.
  • a plurality of piezoresistors 300 may be disposed between the support 100 and the mass 200.
  • the plurality of piezoresistors 300 may be deformed by the movement of the mass body 200 or the rotation of the upper supporter 120, and may cause resistance change when the plurality of piezoresistors 300 are stretched or compressed. .
  • the plurality of piezoresistors 300 may include a first piezoresistor 310, a second piezoresistor 320, and a second mass bodies disposed between the first mass body 210 and the first side surface of the upper supporter 120.
  • the third piezo resistor 330 and the fourth piezo resistor 340 may be disposed between the second side of the second support 220 and the second support 120.
  • the first piezo resistor 310 is provided in the form of a bridge to connect the first side of the upper support body 120 and the upper surface of the first mass body 210
  • the second piezoresistor 320 is the upper support 120 It may be provided in the form of a bridge to connect the first side of the and the lower surface of the first mass (210).
  • the third piezoresistor 330 is provided in the form of a bridge to connect the second side of the upper supporter 120 and the lower surface of the second mass body 220
  • the fourth piezoresistor 340 is formed of the upper supporter 120. It may be provided in the form of a bridge to connect the second side and the upper surface of the second mass (220).
  • the first piezoelectric body 310 and the fourth piezoelectric body 340 are disposed symmetrically with each other with the upper supporter 120 interposed therebetween, and the second piezoelectric body 320 and the third piezoelectric body 330 may be disposed at upper portions thereof.
  • the support 120 may be disposed symmetrically with each other.
  • the plurality of piezoresistors 300 may have a very thin thickness of a few ⁇ m level, thereby increasing the sensitivity of the accelerometer and may not interfere with the movement of the mass body 200.
  • the thinner the bridge-type piezoresistor 300 the smaller the displacement of the mass body 200 as a deformation resistance. This means that the physical deformation of the piezoresistor 300 easily occurs without disturbing the vertical movement of the mass 200, so that a change in resistance occurs easily.
  • connection part 400 may be disposed between the upper support body 120 and the mass body 200.
  • the connection part 400 may be provided as a hinge, for example, to enable rotation in the vertical direction with respect to the upper supporter 120 of the mass body 200.
  • connection part 400 may be disposed on the first side and the second side of the upper supporter 120.
  • connection part 400 may have a length corresponding to the width of the mass body 100 at the first side and the second side of the upper supporter 120.
  • connection part 400 may be formed at the center of the first piezoelectric body 310 and the second piezoelectric body 320 at the first side of the upper supporter 120 or at the second side of the upper supporter 120. 330 and the fourth piezoresistor 340.
  • connection part 400 when the connection part 400 is positioned in a direction perpendicular to the external force or the sensing axis, when an external force or an impact is applied to the mass body 200, the mass body 200 may rotate in the center of the connection part 400. have.
  • the plurality of piezoresistors 300 may be tensioned or compressed.
  • the first mass 210 and the second mass 220 have the same size and are designed to be symmetrical with respect to the upper support 120. Deformation of the piezoresistor 300 disposed on the left and right of the support 120 may be the same.
  • the plurality of masses 200 are symmetrically disposed about the upper supporter 120, the present invention is not limited thereto, and the plurality of masses 200 may be asymmetrically disposed about the upper supporter 120.
  • the plurality of piezoresistors 300 disposed between the plurality of masses 200 and the upper supporter 120 may also be disposed symmetrically or asymmetrically with respect to the upper supporter 120.
  • the connection unit 400 since the plurality of piezoresistors 300 are disposed away from the connection unit 400, the physical deformation of the plurality of piezoresistors 300 may be maximized.
  • connection unit 400 described above may be designed differently depending on the impact range applied to the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment. For example, when the external force or the impact amount applied to the piezoresistive accelerometer 10 is increased, the thickness of the connection part 400 may be thickened to increase the strength and the natural frequency of the piezoresistive accelerometer 10. On the other hand, when the amount of external force or impact applied to the piezoresistive accelerometer 10 is reduced, the thickness of the connection portion 400 may be relatively thin to increase the sensitivity of the piezoresistive accelerometer 10.
  • each piezo resistor 300 may be composed of, in particular, one bridge piezoresistor.
  • the connecting portion 400 when an external impact is applied to the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment, the connecting portion 400 is bent, the mass body 200 may be moved in the vertical direction.
  • the lengths of the first piezoelectric body 310 and the fourth piezoelectric body 340 connected to the upper surfaces of the first mass body 210 and the second mass body 220 may be increased. have.
  • the increase in length of the first piezo resistor 310 and the fourth piezo resistor 340 may lead to an increase in the resistance of the first piezo resistor 310 and the fourth piezo resistor 340.
  • the lengths of the second piezoelectric resistor 320 and the third piezoelectric resistor 330 respectively connected to the lower surfaces of the first mass 210 and the second mass 220 are decreased.
  • the decrease in length of the second piezoelectric body 320 and the third piezoelectric resistor 330 may lead to a decrease in resistance of the second piezoelectric body 320 and the third piezoelectric resistor 330.
  • the lengths of the second piezoelectric body 320 and the third piezoelectric body 330 are increased, so that the second piezoelectric body 320 and the first piezoelectric body are increased.
  • the resistance of the piezo resistor 330 is increased, and the lengths of the first piezo resistor 310 and the fourth piezo resistor 340 are decreased so that the resistance of the first piezo resistor 310 and the fourth piezo resistor 340 is increased. Can be reduced.
  • the first piezo resistor 310, the second piezo resistor 320, the third piezo resistor 330, and the fourth piezo resistor 340 may form a Wheatstone bridge circuit.
  • the resistance change value of the piezoresistor 300 which is represented by the external shock applied to the piezoresistive accelerometer 10 according to the embodiment is very smaller than the initial resistance of the piezoresistor 300, the external shock is applied.
  • the ratio of the input and output voltage to the resistance change of the piezo resistor 300 generated when the can be expressed by the following equation.
  • the resistance change of the piezoresistor 300 generated when an impact is applied may indicate a change in the output voltage value of the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment.
  • Sensitivity indicating the performance of the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment using the same is the amount of impact applied to the piezoresistive accelerometer 10.
  • Output voltage according to It can be expressed as the ratio of.
  • a plurality of piezoresistors 300 may be disposed on the rear surface of the upper support 120 and the mass body 200, whereby a plurality of piezoresistors 300 may be disposed.
  • a Wheatstone bridge circuit can be formed.
  • the plurality of piezoresistors 300 may further include a fifth piezo resistor 350, a sixth piezo resistor 360, a seventh piezo resistor 370, and an eighth piezo resistor 380.
  • the fifth piezoelectric resistor may be disposed.
  • the resistor 350, the sixth piezo resistor 360, the seventh piezo resistor 370, and the eighth piezo resistor 380 may be disposed on the rear surface of the upper supporter 120.
  • the fifth piezoresistor 350 is provided in the form of a bridge on the upper surface of the first mass body 210 on the rear surface of the upper supporter 120 in a symmetrical manner with the first piezoresistor 310, and the sixth piezoresistor 360. Is provided in the form of a bridge on the lower surface of the first mass body 210 on the rear surface of the upper support body 120 in a symmetrical manner with the second piezoresistor 320, and the seventh piezoresistor 370 is connected to the third piezoresistor 330.
  • the eighth piezoresistor 380 is the rear surface of the upper support 120 symmetrically with the fourth piezoresistor 340 In the upper surface of the second mass 220 may be provided in the form of a bridge.
  • the first Wheatstone bridge circuit is formed on the front surface of the upper support body 120 by the first piezoelectric resistor 310, the second piezoelectric resistor 320, the third piezoelectric resistor 330, and the fourth piezoelectric resistor 340. If so, the second Wheatstone bridge circuit is formed on the rear surface of the upper support body 120 by the fifth piezo resistor 350, the six piezo resistor 360, the seven piezo resistor 370, and the eight piezo resistor 380. Can be formed.
  • the mass body 200 and the plurality of piezoresistors 300 are disposed on the front and rear surfaces of the upper support body 120 so as to be symmetrical with each other.
  • the mass 200 can move more stably, the mass 200 can move only more perfectly in the vertical direction.
  • the piezoresistive accelerometer according to an embodiment has been described above, and a method of manufacturing the piezoresistive accelerometer according to an embodiment is described below.
  • a method fabricated using a silicon in insulator (SOI) wafer in which silicon dioxide and silicon are sequentially stacked on a silicon substrate.
  • SOI silicon in insulator
  • FIGS. 6A to 6F illustrate a manufacturing process of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment.
  • 7A to 7B are electron micrographs of the manufactured piezoresistive accelerometers.
  • a total of five photomasks may be used to fabricate piezoresistive silicon accelerometers.
  • FIG. 5A is a photomask that defines a piezoresistor region through the implantation of ions as the first photomask.
  • FIG. 5B is an oxide patterning photomask for defining an ohmic contact region for electrical contact between a piezoresistor and a metal electrode defined in photomask 1 as a photomask # 2.
  • FIG. 5C is a photomask 3, which defines a metallization and a wire bonding region through a wet etching process of a deposited metal.
  • 5D is a photomask No. 4, which is a photomask for fabricating a mass and a connection part of an accelerometer by a dry etching process.
  • 5E is a photomask No. 5, which is a photomask for fabricating an accelerometer mass, a connecting portion, and a plurality of piezoresistors by an etching process.
  • 5F is an arrangement of the above-described photomask patterns 1 to 5.
  • the piezoresistive type accelerometer according to an embodiment may be manufactured as follows.
  • the first step in the fabrication of piezoresistive accelerometers is the formation of piezoresistors.
  • FIG. 6A illustrates an oxide patterning process to be used as a photomask in an ion implantation process.
  • an oxide film is grown by an oxide film growth process in a furnace. After forming a photoresist pattern through a photolithography process using a photomask # 1 defining a piezoresistor region, oxide film patterning is performed. Thereafter, ions are implanted.
  • 6B shows a process for oxide film deposition and metal electrode formation.
  • an oxide film is deposited. After that, the photolithography process is performed using the photomask No. 2, followed by oxide patterning.
  • 6C and 6D show a metal deposition process and a circuit patterning process for wiring, respectively.
  • the photolithography process is performed using the third photomask.
  • the Al is etched using the patterned photoresist as an etch stop mask.
  • the piezoresistive accelerometer is divided into an upper process of etching the mass body, the bridge-type piezoresistor and the connecting part, and a lower process of etching the connecting part and the support to produce the mass body, the bridge-type piezoresistor and the connecting part.
  • 6E illustrates an etching process of the connecting portion and the support.
  • Photolithography process is performed with photomask 4 to etch oxide film and silicon using photoresist as etch photomask.
  • Figure 6f shows a process of manufacturing a bridge-type piezoresistor, a connecting portion and a mass through the upper process.
  • a photolithography process is performed with a photomask 5 to etch an oxide layer using a photoresist as an etch stop mask. Subsequently, the process is performed by DRIE to complete the shape of the bridge-type piezoresistor, the connecting portion and the mass body.
  • FIG. 7A shows a bridge-type piezoresistor 300 disposed between the support and the mass
  • FIG. 7B shows the connection 400 connected between the support and the mass 200.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a packaging method of a piezoresistive accelerometer according to an embodiment
  • FIGS. 9A to 9E illustrate a state in which a manufactured piezoresistive accelerometer is packaged
  • FIGS. 10A to 10D illustrate a manufactured piezoresistor.
  • a piezoresistive accelerometer may be packaged as follows.
  • FIG. 9A illustrates a state in which the piezoresistive accelerometer 10 is packaged according to an embodiment.
  • 9B illustrates a state of primary wire bonding to the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment.
  • FIG. 9C illustrates a state in which an epoxy adhesive is applied to a portion to which a piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment is bonded on a package substrate 20 formed of a ceramic substrate. Thereafter, adhesive curing is performed.
  • FIG. 9D illustrates a state in which a wire bonded to the package substrate 20 and the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment is connected by a secondary wire bonding process.
  • the piezoresistive accelerometer 10 and the package substrate 20 according to the exemplary embodiment may be provided with electrode pads to correspond to each other.
  • the piezoresistive accelerometer 10 according to an embodiment may include four electrode pads, and the package substrate 20 may also include four electrode pads.
  • an epoxy adhesive is applied to the bonding portion of the cap and the package substrate 20 and then bonded.
  • the packaging of the piezoresistive accelerometer 10 is completed by curing the epoxy adhesive applied to the junction between the cap and the package substrate 20.
  • Figure 10a is a plastic cap actually manufactured
  • Figure 10b is a package substrate provided with a ceramic board
  • Figure 10c is a state in which a piezoresistive accelerometer is coupled on the package substrate
  • Figure 10d is a pressure on the package substrate The cap is packaged with a resistive accelerometer combined.
  • the piezoresistive accelerometer according to an embodiment may be packaged as follows.
  • the wire is bonded to the piezoresistive accelerometer to withstand high impact, the piezoresistive accelerometer is bonded inside the metal package, and the wire bonded to the piezoresistive accelerometer is bonded onto the substrate of the metal package, and then The metal cap can be joined and mounted by welding.
  • a plurality of electrode pads may be provided on the substrate of the piezoresistive accelerometer and the metal package to correspond to each other, and the wires corresponding to the electrode pads may be provided out of the metal package.

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Abstract

일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는, 지지체; 상기 지지체에 연결되어 외력에 의해 움직임 가능한 질량체(mass); 상기 지지체 및 상기 질량체 사이에 배치되어 상기 질량체의 움직임에 의해 변형되는 복수 개의 압저항체(piezoresistor); 및 상기 지지체 및 상기 질량체 사이에 배치되어 상기 지지체에 대하여 상기 질량체의 회전을 가능하게 하는 연결부;를 포함하고, 상기 연결부를 중심으로 상기 질량체의 회전에 의해 상기 복수 개의 압저항체가 인장 또는 압축되어 상기 복수 개의 압저항체에서 저항 변화를 일으킬 수 있다.

Description

압저항형 가속도계 및 압저항형 가속도계의 패키징 방법
본 발명은 압저항형 가속도계 및 압저항형 가속도계의 패키징 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압저항체의 변형에 의한 저항 변화로부터 가속도의 크기를 측정할 수 있는 압저항형 가속도계 및 상기 압저항형 가속도계를 패키징하는 방법에 관한 것이다.
오늘날 가속도계는 휴대폰, 모션인식 게임, 건물 진동감지, 자동차 에어백, 군수용 등의 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 실리콘 기반의 가속도계는 MEMS(micro electro mechanical systems)공정을 통해 고집적화, 초소형화에 따른 대량생산의 장점을 가지고 있으며 반도체소자의 특성인 빠른 응답시간을 가지는 장점이 있다.
이러한 이유로 현대에는 많은 연구자들이 MEMS공정을 기반으로 제작한 가속도계의 제작과 마이크로 구조물을 이용한 작동원리 연구가 다양하게 진행되고 있다. MEMS공정을 통해 제작되는 가속도계에서는 압저항형, 압전형, 정전용량형, 공진형, 광학형 등의 다양한 원리가 사용되고 있다. 이렇게 다양한 형태의 가속도계 중 산업분야에서 널리 이용되는 것은 압저항형, 압전형, 정전용량형이다.
압저항형, 압전형 및 정전용량형 가속도계는 외부에 인가되는 힘에 의해 감지물질의 변형 또는 구조물의 간격 변화를 전기적 신호로 변환하여 측정한다.
이 중 정전용량형과 압전형 가속도계는 압저항형과 비교하여 상대적으로 높은 감도를 가진다. 하지만 고충격에서는 정전용량 가속도계인 경우 비선형성 증가 문제가 있으며, 압전형 가속도계는 충격 감지 후 원래 신호를 회복하지 못하는 zero-shift 현상이 발생하는 문제가 있다. 따라서 고충격이 가해지는 환경에서는 압저항형 가속도계가 많이 이용되고 있다.
일 실시예에 따른 목적은 질량체의 크기 및 연결부(힌지)의 두께를 조절함으로써 다양한 충격 범위에 적합하며, 건식 식각을 통한 제작으로 제작 공정이 단순화될 수 있는 압저항형 가속도계를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 휘트스톤 브릿지 회로 구성이 용이하며, 구조물을 최소화하여 고충격에서 구조적 안정성을 가지고 센서의 집적도를 높여 생산성이 향상될 수 있는 압저항형 가속도계를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 좌우 또는 앞뒤 형상이 대칭으로 되어 충격을 받았을 때 질량체가 보다 안정적으로 움직이며, 질량체가 완벽하게 상하 방향으로만 움직일 수 있는 압저항형 가속도계를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 압저항체에서의 저항의 증가 또는 감소에 의해 가속도의 크기를 측정하여, 군용에서 사용되는 경우 포탄이 충격을 받았을 때 충격의 크기를 측정하여 포탄의 폭발 여부를 결정하는 데 활용될 수 있는 압저항형 가속도계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는, 지지체; 상기 지지체에 연결되어 외력에 의해 움직임 가능한 질량체(mass); 상기 지지체 및 상기 질량체 사이에 배치되어 상기 질량체의 움직임에 의해 변형되는 복수 개의 압저항체(piezoresistor); 및 상기 지지체 및 상기 질량체 사이에 배치되어 상기 지지체에 대하여 상기 질량체의 회전을 가능하게 하는 연결부;를 포함하고, 상기 연결부를 중심으로 상기 질량체의 회전에 의해 상기 복수 개의 압저항체가 인장 또는 압축되어 상기 복수 개의 압저항체에서 저항 변화를 일으킬 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 지지체를 중심으로 서로 대칭되게 복수 개의 질량체가 배치되고, 상기 복수 개의 질량체는, 상기 지지체의 제1 측면에 연결된 제1 질량체; 및 상기 지지체의 제1 측면과 마주보는 상기 지지체의 제2 측면에 연결된 제2 질량체;를 포함하고, 상기 연결부는 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면에 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 압저항체는, 상기 제1 질량체 및 상기 상부 지지체의 제1 측면 사이에 브릿지 형태로 배치된 제1 압저항체 및 제2 압저항체; 및 상기 제2 질량체 및 상기 상부 지지체의 제2 측면 사이에 브릿지 형태로 배치된 제3 압저항체 및 제4 압저항체;를 포함하고, 상기 제1 압저항체, 상기 제2 압저항체, 상기 제3 압저항체 및 상기 제4 압저항체는 하나의 휘트스톤 브릿지 회로를 형성할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 압저항체 및 상기 제4 압저항체는 상기 지지체를 사이에 두고 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제2 압저항체 및 상기 제3 압저항체는 상기 지지체를 사이에 두고 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 제1 질량체 또는 상기 제2 질량체가 하방으로 이동되면, 상기 제1 압저항체 또는 상기 제4 압저항체는 인장되어 저항이 증가되고, 상기 제1 질량체 또는 상기 제2 질량체가 상방으로 이동되면, 상기 제1 압저항체 또는 상기 제4 압저항체는 압축되어 저항이 감소될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 연결부는 힌지로 마련되고, 상기 연결부는 상기 질량체의 폭에 대응되는 길이를 구비하며, 상기 연결부는 상기 제1 압저항체 및 상기 제2 압저항체의 중앙 및 상기 제3 압저항체 및 제4 압저항체의 중앙에 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 지지체는, 하면이 패키지 기판에 접합되는 하부 지지체; 및 상기 하부 지지체의 상면에 배치되고, 상기 질량체가 측면에 연결된 상부 지지체;를 포함하고, 상기 질량체의 하면은 상기 하부 지지체의 상면으로부터 이격 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 질량체는 상기 상부 지지체를 중심으로 서로 대칭되게 배치되고, 상기 복수 개의 압저항체는 상기 상부 지지체를 중심으로 서로 대칭 또는 비대칭되게 배치될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는, 지지체; 상기 지지체에 연결되어 외력에 의해 움직임 가능한 복수 개의 질량체(mass); 및 상기 지지체 및 상기 복수 개의 질량체 사이에 브릿지 형태로 배치되어 상기 질량체의 움직임에 의해 변형되는 복수 개의 압저항체(piezoresistor);를 포함하고, 상기 복수 개의 압저항체는 상기 지지체의 정면 및 배면에 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 압저항체에 의해 복수 개의 휘트스톤 브릿지 회로가 형성되고, 상기 복수 개의 휘트스톤 브릿지 회로는, 상기 지지체의 정면에서 상기 지지체 및 상기 복수 개의 질량체 사이에 연결된 제1 압저항체, 제2 압저항체, 제3 압저항체 및 제4 압저항체로 구성된 제1 휘트스톤 브릿지 회로; 및 상기 지지체의 배면에서 상기 지지체 및 상기 복수 개의 질량체 사이에 연결된 제5 압저항체, 제6 압저항체, 제7 압저항체 및 제8 압저항체로 구성된 제2 휘트스톤 브릿지 회로;를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 패키징 방법은, 압저항형 가속도계에 와이어 본딩되는 단계; 상기 압저항형 가속도계가 접합될 패키지 기판 상에 접착제가 도포되는 단계; 상기 패키지 기판 상에 상기 압저항형 가속도계가 접합되는 단계; 상기 압저항형 가속도계에 본딩된 와이어가 상기 패키지 기판 상에 본딩되는 단계; 및 상기 압저항형 가속도계 상에 캡이 장착되는 단계;를 포함하고, 상기 압저항형 가속도계 및 상기 패키지 기판에는 서로 대응되도록 복수 개의 전극 패드가 구비될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 패키징 방법은, 고충격에 견딜 수 있도록 압저항형 가속도계에 와이어 본딩되는 단계; 금속 패키지 내부에 상기 압저항형 가속도계가 접합되는 단계; 상기 압저항형 가속도계에 본딩된 와이어가 상기 금속 패키지의 기판 상에 본딩되는 단계; 및 상기 금속 패키지 상부에 용접으로 금속 캡이 접합되어 장착되는 단계;를 포함하고, 상기 압저항형 가속도계 및 상기 금속 패키지의 기판에는 서로 대응되도록 복수 개의 전극 패드가 구비될 수 있으며, 상기 전극 패드에 대응되는 전선이 금속 패키지 밖으로 나오게끔 구비될 수 있다.
일 실시예에 따른 압저항형 가속도계에 의하면, 질량체의 크기 및 연결부(예를 들어, 힌지)의 두께를 조절함으로써 다양한 충격 범위에 적합하며, 건식 식각을 통한 제작으로 제작 공정이 단순화될 수 있다.
일 실시예에 따른 압저항형 가속도계에 의하면, 휘트스톤 브릿지 회로 구성이 용이하며, 구조물을 최소화하여 고충격에서 구조적 안정성을 가지고 센서의 집적도를 높여 생산성이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따른 압저항형 가속도계에 의하면, 좌우 또는 앞뒤 형상이 대칭으로 되어 충격을 받았을 때 질량체가 보다 안정적으로 움직이며, 질량체가 완벽하게 상하 방향으로만 움직일 수 있다.
일 실시예에 따른 압저항형 가속도계에 의하면, 압저항체에서의 저항의 증가 또는 감소에 의해 가속도의 크기를 측정하여, 군용에서 사용되는 경우 포탄이 충격을 받았을 때 충격의 크기를 측정하여 포탄의 폭발 여부를 결정하는 데 활용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 구동 원리를 도시한다.
도 3은 복수 개의 압저항체에 의해 형성된 휘트스톤 브릿지 회로를 도시한다.
도 4는 상부 지지체의 배면에 추가적으로 휘트스톤 브릿지 회로가 형성된 모습을 도시한다.
도 5a 내지 도 5f는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 제작을 위해 사용되는 복수 개의 포토마스크를 도시한다.
도 6a 내지 도 6f는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 제작 공정을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 제작된 압저항형 가속도계의 전자 현미경 사진이다.
도 8은 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 패키징 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9a 내지 도 9e는 제작된 압저항형 가속도계가 패키징되는 모습을 도시한다.
도 10은 제작된 압저항형 가속도계의 패키징 부품 및 패키징 사진이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계를 도시하고, 도 2는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 구동 원리를 도시하고, 도 3은 복수 개의 압저항체에 의해 형성된 휘트스톤 브릿지 회로를 도시하고, 도 4는 상부 지지체의 배면에 추가적으로 휘트스톤 브릿지 회로가 형성된 모습을 도시한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하여, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)는 지지체(100), 질량체(200), 압저항체(300) 및 연결부(400)를 포함할 수 있다.
이때, 도 1b는 도 1a의 상부 지지체(120)와 제2 질량체(220) 사이를 절단하여 도시한 것이다.
상기 지지체(100)는 예를 들어, 하면이 추후 패키징하는 데 이용될 패키지 기판에 접합되는 하부 지지체(110) 및 상기 하부 지지체(110)의 상면에 배치된 상부 지지체(120)를 포함할 수 있다.
이때, 상부 지지체(120)는 하부 지지체(110)의 상면에 대하여 수직하게 배치될 수 있으며, 예를 들어, 하부 지지체(110)의 상면에는 상부 지지체(120)를 위한 안착 홈이 형성될 수 있다.
그러나 지지체(100)의 형상은 이에 국한되지 아니하며, 질량체(200), 압저항체(300) 및 연결부(400)가 적절히 연결될 수 있는 구조라면 어느 것이든지 가능하다.
한편, 지지체(100), 특히 상부 지지체(120)에는 복수 개의 질량체(200)가 연결될 수 있다.
상기 질량체(200)는 예를 들어 상부 지지체(120)의 제1 측면 또는 좌측면에 배치된 제1 질량체(210) 및 상부 지지체(120)의 제2 측면 또는 우측면에 배치된 제2 질량체(220)를 포함할 수 있다.
이때, 복수 개의 질량체(200)는 상부 지지체(120)를 중심으로 대칭되게 배치될 수 있으며, 복수 개의 질량체(200)는 하부 지지체(110) 및 상부 지지체(120)에 대하여 이격 배치될 수 있다.
구체적으로, 복수 개의 질량체(200)의 각각의 하면은 하부 지지체(110)의 상면으로부터 이격 배치될 수 있고, 복수 개의 질량체(200)는 상부 지지체(120)의 양측면에 이격 배치된 후 연결부(400)에 의하여 회전 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 지지체(100) 및 질량체(200) 사이에는 복수 개의 압저항체(piezoresistor; 300)가 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 압저항체(300)는 질량체(200)의 움직임 또는 상부 지지체(120)에 대한 회전에 의해 변형될 수 있으며, 복수 개의 압저항체(300)가 인장 또는 압축되는 경우 저항 변화를 일으킬 수 있다.
구체적으로, 복수 개의 압저항체(300)는 제1 질량체(210) 및 상부 지지체(120)의 제1 측면 사이에 배치된 제1 압저항체(310) 및 제2 압저항체(320), 제2 질량체(220) 및 상부 지지체(120)의 제2 측면 사이에 배치된 제3 압저항체(330) 및 제4 압저항체(340)를 포함할 수 있다.
또한, 제1 압저항체(310)는 상부 지지체(120)의 제1 측면과 제1 질량체(210)의 상면을 연결하도록 브릿지 형태로 마련되며, 제2 압저항체(320)는 상부 지지체(120)의 제1 측면과 제1 질량체(210)의 하면을 연결하도록 브릿지 형태로 마련될 수 있다. 그리고 제3 압저항체(330)는 상부 지지체(120)의 제2 측면과 제2 질량체(220)의 하면을 연결하도록 브릿지 형태로 마련되며, 제4 압저항체(340)는 상부 지지체(120)의 제2 측면과 제2 질량체(220)의 상면을 연결하도록 브릿지 형태로 마련될 수 있다.
이에 의해 제1 압저항체(310) 및 제4 압저항체(340)는 상부 지지체(120)를 사이에 두고 서로 대칭되게 배치되고, 제2 압저항체(320) 및 제3 압저항체(330)는 상부 지지체(120)를 사이에 두고 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
한편, 복수 개의 압저항체(300)는 수㎛ 수준의 매우 얇은 두께를 구비할 수 있으며, 이에 의해 가속도계의 감도를 높이고, 질량체(200)의 움직임에 방해를 주지 않을 수 있다.
이와 같이 브릿지형 압저항체(300)의 두께가 얇을수록 질량체(200)의 미소 변위에도 변형 저항으로 작용하지 않는다. 이는 질량체(200)의 상하 이동을 방해하지 않으면서 압저항체(300)의 물리적 변형이 쉽게 일어나 저항의 변화가 쉽게 일어남을 의미한다.
또한, 상부 지지체(120) 및 질량체(200) 사이에는 연결부(400)가 배치될 수 있다. 상기 연결부(400)는 예를 들어 힌지로 마련되어 질량체(200)의 상부 지지체(120)에 대하여 상하 방향으로 회전을 가능하게 할 수 있다.
구체적으로, 연결부(400)는 상부 지지체(120)의 제1 측면 및 제2 측면에 배치될 수 있다. 특히 연결부(400)는 상부 지지체(120)의 제1 측면 및 제2 측면에서 질량체(100)의 폭에 대응되는 길이를 구비할 수 있다.
또한, 연결부(400)는 상부 지지체(120)의 제1 측면에서 제1 압저항체(310) 및 제2 압저항체(320)의 중앙 또는 상부 지지체(120)의 제2 측면에서 제3 압저항체(330) 및 제4 압저항체(340)의 중앙에 배치될 수 있다.
이와 같이 연결부(400)가 외력 또는 감지 축에 대하여 수직한 방향으로 위치됨으로써, 질량체(200)에 외력 또는 충격이 인가되면 질량체(200)가 연결부(400)를 중심축으로 하여 회전 운동을 할 수 있다.
이때, 질량체(200)가 회전 운동을 하게 되면 복수 개의 압저항체(300)가 인장 또는 압축을 하게 될 수 있다.
특히, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에서 제1 질량체(210) 및 제2 질량체(220)가 동일한 크기를 구비하여 상부 지지체(120)를 중심으로 서로 대칭이 되도록 설계되므로, 상부 지지체(120)의 좌우에 배치된 압저항체(300)의 변형은 동일할 수 있다.
도면에는 복수 개의 질량체(200)가 상부 지지체(120)를 중심으로 대칭되게 배치된 것으로 도시되었으나, 이에 국한되지 아니하며, 복수 개의 질량체(200)가 상부 지지체(120)를 중심으로 서로 비대칭되게 배치될 수 있음은 당연하며, 복수 개의 질량체(200) 및 상부 지지체(120) 사이에 배치된 복수 개의 압저항체(300) 또한 상부 지지체(120)를 중심으로 서로 대칭 또는 비대칭되게 배치될 수 있다.
또한, 복수 개의 압저항체(300)가 연결부(400)로부터 멀리 배치됨으로써, 복수 개의 압저항체(300)의 물리적 변형이 최대가 되게 할 수 있다.
전술된 연결부(400)는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에 작용되는 충격 범위에 따라서 다르게 설계될 수 있다. 예를 들어, 압저항형 가속도계(10)에 작용되는 외력 또는 충격량이 증가하는 경우, 압저항형 가속도계(10)의 강도와 고유 진동수를 높이기 위하여 연결부(400)의 두께가 두꺼워질 수 있다. 반면, 압저항형 가속도계(10)에 작용되는 외력 또는 충격량이 감소하는 경우, 압저항형 가속도계(10)의 감도를 높이기 위하여 연결부(400)의 두께가 상대적으로 얇아질 수 있다.
특히 도 2를 참조하여, 복수 개의 압저항체(300)가 제1 압저항체(310), 제2 압저항체(320), 제3 압저항체(330) 및 제4 압저항체(340)로 구성되는 경우, 각각의 압저항체(300)는 특히 1개의 브릿지형 압저항체로 구성될 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에 외부 충격이 가해지면, 연결부(400)가 휘어지면서, 질량체(200)가 상하 방향으로 이동될 수 있다.
질량체(200)가 하방으로 이동되는 경우, 제1 질량체(210) 및 제2 질량체(220)의 상면에 각각 연결된 제1 압저항체(310) 및 제4 압저항체(340)의 길이가 증가될 수 있다. 이러한 제1 압저항체(310) 및 제4 압저항체(340)의 길이 증가는 제1 압저항체(310) 및 제4 압저항체(340)의 저항 증가로 이어질 수 있다.
반면, 질량체(200)가 하방으로 이동되는 경우, 제1 질량체(210) 및 제2 질량체(220)의 하면에 각각 연결된 제2 압저항체(320) 및 제3 압저항체(330)의 길이는 감소될 수 있다. 이러한 제2 압저항체(320) 및 제3 압저항체(330)의 길이 감소는 제2 압저항체(320) 및 제3 압저항체(330)의 저항 감소로 이어질 수 있다.
또한, 외부 충격이 반대 방향으로 전달되어 질량체(200)가 상방으로 이동되는 경우, 제2 압저항체(320) 및 제3 압저항체(330)의 길이가 증가되어 제2 압저항체(320) 및 제3 압저항체(330)의 저항이 증가되고, 제1 압저항체(310) 및 제4 압저항체(340)의 길이가 감소되어 제1 압저항체(310) 및 제4 압저항체(340)의 저항이 감소될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하여, 제1 압저항체(310), 제2 압저항체(320), 제3 압저항체(330) 및 제4 압저항체(340)는 휘트스톤 브릿지 회로를 구성할 수 있다.
이때, 휘트스톤 브릿지 회로에
Figure PCTKR2017000930-appb-I000001
의 전압이 인가되면, 출력 전압
Figure PCTKR2017000930-appb-I000002
은 다음의 수식으로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2017000930-appb-I000003
한편, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에 외부 충격이 인가되어 나타나는 압저항체(300)의 저항 변화값이 압저항체(300)의 초기 저항값보다 매우 작다고 가정하면, 외부 충격이 인가되었을 때 발생하는 압저항체(300)의 저항 변화에 대한 입출력 전압의 비는 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2017000930-appb-I000004
이때, 충격이 인가되었을 때 발생하는 압저항체(300)의 저항 변화는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)의 출력 전압 값의 변화를 나타낼 수 있다. 이를 이용하여 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)의 성능을 나타내는 감도(sensitivity)는 압저항형 가속도계(10)에 인가된 충격량
Figure PCTKR2017000930-appb-I000005
에 따라 출력되는 출력 전압
Figure PCTKR2017000930-appb-I000006
의 비로 표현할 수 있다.
Figure PCTKR2017000930-appb-I000007
또한, 도 4를 참조하여, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에는 상부 지지체(120) 및 질량체(200)의 배면에 복수 개의 압저항체(300)가 배치될 수 있으며, 이에 의해 추가적인 휘트스톤 브릿지 회로가 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 압저항체(300)는 제5 압저항체(350), 제6 압저항체(360), 제7 압저항체(370) 및 제8 압저항체(380)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 압저항체(310), 제2 압저항체(320), 제3 압저항체(330) 및 제4 압저항체(340)가 상부 지지체(120)의 정면에 배치된다면, 제5 압저항체(350), 제6 압저항체(360), 제7 압저항체(370) 및 제8 압저항체(380)은 상부 지지체(120)의 배면에 배치될 수 있다.
이때, 제5 압저항체(350)는 제1 압저항체(310)와 대칭되게 상부 지지체(120)의 배면에서 제1 질량체(210)의 상면에 브릿지 형태로 마련되고, 제6 압저항체(360)는 제2 압저항체(320)와 대칭되게 상부 지지체(120)의 배면에서 제1 질량체(210)의 하면에 브릿지 형태로 마련되고, 제7 압저항체(370)는 제3 압저항체(330)와 대칭되게 상부 지지체(120)의 배면에서 제2 질량체(220)의 하면에 브릿지 형태로 마련되고, 제8 압저항체(380)는 제4 압저항체(340)와 대칭되게 상부 지지체(120)의 배면에서 제2 질량체(220)의 상면에 브릿지 형태로 마련될 수 있다.
따라서 제1 압저항체(310), 제2 압저항체(320), 제3 압저항체(330) 및 제4 압저항체(340)에 의해 상부 지지체(120)의 정면에 제1 휘트스톤 브릿지 회로가 형성된다면, 제5 압저항체(350), 제6 압저항체(360), 제7 압저항체(370) 및 제8 압저항체(380)에 의해 상부 지지체(120)의 배면에 제2 휘트스톤 브릿지 회로가 형성될 수 있다.
이와 같이 상부 지지체(120)의 정면 및 배면에 서로 대칭이 되도록 질량체(200) 및 복수 개의 압저항체(300)가 배치됨으로써, 압저항형 가속도계(10)가 좌우 및 앞뒤로 대칭되어 외부 충격이 인가되었을 때 질량체(200)가 보다 안정적으로 움직일 수 있고, 질량체(200)가 더욱 완벽하게 상하 방향으로만 움직일 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 제작 방법에 대하여 설명된다.
일 실시예로써, 실리콘(silicon) 기판 위에 산화막(silicon dioxide)과 실리콘(silicon)이 순차적으로 적층되어 있는 SOI(silicon in insulator) 웨이퍼를 사용하여 제작한 방법을 예시한다.
도 5a 내지 도 5f는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 제작을 위해 사용되는 복수 개의 포토마스크를 도시하고, 도 6a 내지 도 6f는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 제작 공정을 도시하고, 도 7a 내지 도 7b는 제작된 압저항형 가속도계의 전자 현미경 사진이다.
도 5a 내지 도 5f를 참조하여, 압저항형 실리콘 가속도계의 제작을 위하여 총 5개의 포토마스크가 사용될 수 있다.
도 5a는 1번 포토마스크로서, 이온의 주입을 통하여 압저항체 영역을 정의하는 포토마스크이다. 도 5b는 2번 포토마스크로서, 1번 포토마스크에서 정의된 압저항체와 금속 전극 사이의 전기적 접촉을 위해 옴 접촉(Ohmic contact) 영역을 정의하기 위한 산화막 패터닝 포토마스크이다. 도 5c는 3번 포토마스크로서, 증착된 금속을 습식 식각 공정을 통한 금속배선 정의 및 와이어 본딩 영역을 정의하는 포토마스크다. 도 5d는 4번 포토마스크로서, 가속도계의 질량체와 연결부를 건식 식각 공정으로 제작하기 위한 포토마스크이다. 도 5e는 5번 포토마스크로서, 가속도계의 질량체, 연결부 및 복수 개의 압저항체를 식각 공정으로 제작하기 위한 포토마스크이다. 도 5f는 전술된 1번 내지 5번 포토마스크 패턴을 정렬한 것이다.
또한, 도 6a 내지 도 6f를 참조하여, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는 다음과 같이 제작될 수 있다.
압저항형 가속도계 제작의 첫 단계는 압저항체를 형성시키는 것이다.
도 6a는 이온 주입 공정 시 포토마스크로 사용할 산화막 패터닝 공정을 나타낸다.
먼저, 퍼니스(furnace)에서 산화막 성장 공정으로 산화막을 성장시킨다. 압저항체 영역을 정의하는 1번 포토마스크를 사용하여 사진식각공정을 통한 감광제 패턴을 형성한 후, 산화막 패터닝을 수행한다. 이후, 이온을 주입한다.
도 6b는 산화막 증착 및 금속 전극을 형성하기 위한 공정을 나타낸다.
먼저 산화막을 증착한다. 이후 2번 포토마스크를 사용하여 사진 식각 공정을 수행한 후 산화막 패터닝을 수행한다.
도 6c 및 도 6d는 배선을 위한 금속 증착 공정 및 회로 패터닝 공정을 각각 나타낸다.
먼저 알루미늄(Al)을 증착한다.
이후 3번 포토마스크를 이용하여 사진 식각 공정을 수행한다. 패터닝된 감광제를 식각 방지 마스크로 사용하여 Al을 식각한다.
한편, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는 질량체, 브릿지형 압저항체 및 연결부를 제작하기 위해 질량체, 브릿지형 압저항체 및 연결부를 식각하는 상부 공정과 연결부 및 지지체를 식각하는 하부 공정으로 나뉘어져 있다.
도 6e는 연결부와 지지체의 식각 공정을 나타낸다.
4번 포토마스크로 사진 식각 공정을 진행하여 감광제를 식각 포토마스크로 사용하여 산화막과 실리콘을 식각한다.
도 6f는 상부 공정을 통한 브릿지형 압저항체, 연결부 및 질량체를 제작하는 공정을 나타낸다.
먼저 5번 포토마스크로 사진 식각 공정을 진행하여 감광제를 식각 방지 마스크로 사용하여 산화막을 식각한다. 이어서 DRIE로 공정을 진행하여 브릿지형 압저항체, 연결부 및 질량체의 형상을 완성한다.
마지막으로 제작된 압저항형 가속도계를 단위 소자로 분리하기 위해 다이싱 공정을 진행한다.
또한, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 전술된 방법으로 제작된 압저항형 가속도계를 확인할 수 있다. 특히 도 7a에는 지지체 및 질량체 사이에 배치된 브릿지형 압저항체(300)가 나타내지고, 도 7b에는 지지체 및 질량체(200) 사이에 연결된 연결부(400)가 나타내진다.
이하에서는 전술된 바와 같이 제작된 압저항형 가속도계의 패키징에 대하여 설명된다.
도 8은 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계의 패키징 방법을 나타내는 순서도이고, 도 9a 내지 도 9e는 제작된 압저항형 가속도계가 패키징되는 모습을 도시하고, 도 10a 내지 도 10d는 제작된 압저항형 가속도계의 패키징 부품 및 패키징 사진이다.
도 8을 참조하여, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는 개략적으로 다음과 같이 패키징될 수 있다.
우선, 전술된 바와 같이 제작된 압저항형 가속도계에 1차 와이어 본딩되고(S10), 상기 압저항형 가속도계가 접합될 패키지 기판 상에 접착제가 도포된다(S20). 그리고 상기 패키지 기판 상에 상기 압저항형 가속도계가 접합되고(S30), 상기 압저항형 가속도계에 1차 본딩된 와이어가 상기 패키지 기판 상에 2차 본딩된다(S40). 그런 다음, 압저항형 가속도계 상에 캡이 장착된다(S50).
구체적으로, 도 9a는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)가 패키징된 상태를 도시한다. 도 9b는 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에 1차 와이어 본딩된 상태를 도시한다. 도 9c는 세라믹 기판으로 마련된 패키지 기판(20) 상에서 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)가 접합될 부위에 에폭시 접착제가 도포된 모습을 도시한다. 이후, 접착제 경화를 진행한다. 도 9d는 2차 와이어 본딩 공정으로 패키지 기판(20)과 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에 본딩된 와이어가 연결된 모습을 도시한다.
이러한 와이어 본딩을 위해 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10) 및 패키지 기판(20)에는 서로 대응되도록 전극 패드가 구비될 수 있다. 예를 들어 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계(10)에는 4개의 전극 패드가 구비되고, 패키지 기판(20) 또한 4개의 전극 패드가 구비될 수 있다.
마지막으로, 도 9e에 도시된 바와 같이 2차 와이어 본딩 완료 후 캡과 패키지 기판(20)의 접합 부위에 에폭시 접착제를 도포한 후 결합한다. 캡과 패키지 기판(20)의 접합 부위에 도포한 에폭시 접착제를 경화함으로써 압저항형 가속도계(10)의 패키징이 완료된다.
이와 관련하여, 도 10a는 실제 제작된 플라스틱 캡이고, 도 10b는 세라믹 보드로 마련된 패키지 기판이며, 도 10c는 패키지 기판 상에 압저항형 가속도계가 결합된 모습이며, 도 10d는 패키지 기판 상에 압저항형 가속도계가 결합된 상태에서 캡이 패키징된 모습이다.
또한, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 일 실시예에 따른 압저항형 가속도계는 개략적으로 다음과 같이 패키징될 수 있다.
우선 고충격에 견딜 수 있도록 압저항형 가속도계에 와이어 본딩되고, 금속 패키지 내부에 압저항형 가속도계가 접합되며, 압저항형 가속도계에 본딩된 와이어가 금속 패키지의 기판 상에 본딩된 후에, 금속 패키지 상부에 용접으로 금속 캡이 접합되어 장착될 수 있다. 이때, 압저항형 가속도계 및 금속 패키지의 기판에는 서로 대응되도록 복수 개의 전극 패드가 구비될 수 있으며, 전극 패드에 대응되는 전선이 금속 패키지 밖으로 나오게끔 구비될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 지지체;
    상기 지지체에 연결되어 외력에 의해 움직임 가능한 질량체(mass);
    상기 지지체 및 상기 질량체 사이에 배치되어 상기 질량체의 움직임에 의해 변형되는 복수 개의 압저항체(piezoresistor); 및
    상기 지지체 및 상기 질량체 사이에 배치되어 상기 지지체에 대하여 상기 질량체의 회전을 가능하게 하는 연결부;
    를 포함하고,
    상기 연결부를 중심으로 상기 질량체의 회전에 의해 상기 복수 개의 압저항체가 인장 또는 압축되어 상기 복수 개의 압저항체에서 저항 변화를 일으키는 압저항형 가속도계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체를 중심으로 서로 대칭되게 복수 개의 질량체가 배치되고,
    상기 복수 개의 질량체는,
    상기 지지체의 제1 측면에 연결된 제1 질량체; 및
    상기 지지체의 제1 측면과 마주보는 상기 지지체의 제2 측면에 연결된 제2 질량체;
    를 포함하고,
    상기 연결부는 상기 제1 측면 및 상기 제2 측면에 배치되는 압저항형 가속도계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 압저항체는,
    상기 제1 질량체 및 상기 상부 지지체의 제1 측면 사이에 브릿지 형태로 배치된 제1 압저항체 및 제2 압저항체; 및
    상기 제2 질량체 및 상기 상부 지지체의 제2 측면 사이에 브릿지 형태로 배치된 제3 압저항체 및 제4 압저항체;
    를 포함하고,
    상기 제1 압저항체, 상기 제2 압저항체, 상기 제3 압저항체 및 상기 제4 압저항체는 하나의 휘트스톤 브릿지 회로를 형성하는 압저항형 가속도계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압저항체 및 상기 제4 압저항체는 상기 지지체를 사이에 두고 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제2 압저항체 및 상기 제3 압저항체는 상기 지지체를 사이에 두고 서로 대칭되게 배치되는 압저항형 가속도계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 질량체 또는 상기 제2 질량체가 하방으로 이동되면, 상기 제1 압저항체 또는 상기 제4 압저항체는 인장되어 저항이 증가되고, 상기 제1 질량체 또는 상기 제2 질량체가 상방으로 이동되면, 상기 제1 압저항체 또는 상기 제4 압저항체는 압축되어 저항이 감소되는 압저항형 가속도계.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연결부는 힌지로 마련되고,
    상기 연결부는 상기 질량체의 폭에 대응되는 길이를 구비하며,
    상기 연결부는 상기 제1 압저항체 및 상기 제2 압저항체의 중앙 및 상기 제3 압저항체 및 제4 압저항체의 중앙에 배치되는 압저항형 가속도계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는,
    하면이 패키지 기판에 접합되는 하부 지지체; 및
    상기 하부 지지체의 상면에 배치되고, 상기 질량체가 측면에 연결된 상부 지지체;
    를 포함하고,
    상기 질량체의 하면은 상기 하부 지지체의 상면으로부터 이격 배치되는 압저항형 가속도계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 질량체는 상기 상부 지지체를 중심으로 서로 대칭되게 배치되고, 상기 복수 개의 압저항체는 상기 상부 지지체를 중심으로 서로 대칭 또는 비대칭되게 배치되는 압저항형 가속도계.
  9. 지지체;
    상기 지지체에 연결되어 외력에 의해 움직임 가능한 복수 개의 질량체(mass); 및
    상기 지지체 및 상기 복수 개의 질량체 사이에 브릿지 형태로 배치되어 상기 질량체의 움직임에 의해 변형되는 복수 개의 압저항체(piezoresistor);
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 압저항체는 상기 지지체의 정면 및 배면에 배치되는 압저항형 가속도계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 압저항체에 의해 복수 개의 휘트스톤 브릿지 회로가 형성되고,
    상기 복수 개의 휘트스톤 브릿지 회로는,
    상기 지지체의 정면에서 상기 지지체 및 상기 복수 개의 질량체 사이에 연결된 제1 압저항체, 제2 압저항체, 제3 압저항체 및 제4 압저항체로 구성된 제1 휘트스톤 브릿지 회로; 및
    상기 지지체의 배면에서 상기 지지체 및 상기 복수 개의 질량체 사이에 연결된 제5 압저항체, 제6 압저항체, 제7 압저항체 및 제8 압저항체로 구성된 제2 휘트스톤 브릿지 회로;
    를 포함하는 압저항형 가속도계.
  11. 압저항형 가속도계에 와이어 본딩되는 단계;
    상기 압저항형 가속도계가 접합될 패키지 기판 상에 접착제가 도포되는 단계;
    상기 패키지 기판 상에 상기 압저항형 가속도계가 접합되는 단계;
    상기 압저항형 가속도계에 본딩된 와이어가 상기 패키지 기판 상에 본딩되는 단계; 및
    상기 압저항형 가속도계 상에 캡이 장착되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 압저항형 가속도계 및 상기 패키지 기판에는 서로 대응되도록 복수 개의 전극 패드가 구비되는 압저항형 가속도계의 패키징 방법.
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