KR100506071B1 - 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조방법 - Google Patents

수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전 부상력을 이용하여 진동 구조체를 수직 구동하고 X, Y 2축의 관성 가속도를 측정할 수 있는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 전면적으로 형성된 절연층; 상기 절연층 상에 형성된 제1축 감지 전극 및 제2축 감지전극; 사방에 제1축 및 제2축에 각각 동일한 감도를 가지는 스프링에 의해 지지되며, 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극의 상부에 사각판형 현수 구조물로 형성된 진동 구조체; 및 상기 절연층 상의 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극의 외측부에 상기 진동 구조체의 사방 빗살형 돌기와 각각 맞물리는 돌기들을 갖도록 형성된 가진판;을 구비한다. 따라서, 미소구조체 하나에 2축 자이로스코프를 구현함으로써 경박 단소화되고, 진동 구조체의 가진 운동이 안정화되며, 진동 구조체가 2축 가속도에 대해 대칭적인 변위를 가지게 됨으로써 신호 처리가 용이하다.
한다.

Description

수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법 {A vertical driving two axis microgyroscope and a fabricating method thereof}
본 발명은 물체의 관성 가속도를 검출하기 위한 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 정전 부상력을 이용하여 진동 구조체를 수직구동하고 X, Y 2축의 관성 가속도를 측정할 수 있는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 수평 빗살 구동형 마이크로자이로스코프의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 수평 빗살 구동형 마이크로자이로스코프는 근원적으로 비대칭적인 단방향 정전인력을 구동력으로 이용하기 때문에 완전한 수평 구동이 불가능하고 외부 가속도의 영향을 줄이는데 한계가 있다. 또한 이 구조는 2축의 각속도를 감지하는 것이 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 정전 부상력을 이용한 수직 가진을 이용하여 2축 방향의 각속도를 감지할 수 있는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 전면적으로 형성된 절연층; 상기 절연층 상에 형성된 제1축 감지 전극 및 제2축 감지전극; 사방에 제1축 및 제2축에 각각 동일한 감도를 가지는 스프링에 의해 지지되며, 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극의 상부에 사각판형 현수 구조물로 형성된 진동 구조체; 및 상기 절연층 상의 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극의 외측부에 상기 진동 구조체의 사방 빗살형 돌기와 각각 맞물리는 돌기들을 갖도록 형성된 가진판;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고, 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극은 각각 제1폴리실리콘으로 형성되며, 상기 가진판 및 진동 구조체는 각각 제2폴리실리콘으로 형성되며, 상기 스프링은 상기 진동 구조체의 사방에 ㄱ자형으로 상기 제1축 및 제2축에 대칭적으로 형성되어 동일한 상기 제1축 각속도 및 제2축 각속도에 대해 변위가 동일하며, 상기 제1축 감지전극 및 제2축 감지전극은 각각 상기 진동 구조체의 하부에 배치하여 상기 진동 구조체의 큰 수평 변위에 대해서도 정전용량이 선형적으로 변화하도록 형성되며, 상기 제1축 감지전극 및 제2축 감지전극은 각각 상기 제1축 및 제2축 방향과 교차하는 방향의 장방향 패턴으로 형성되고, 상기 진동 구조체에는 상기 제1축 감지전극의 장방형 패턴 및 제2축 감지전극의 장방형 패턴의 방향과 각각 동일한 방향의 장방형 관통공들이 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프의 제조 방법은, (가) 실리콘 기판 상에 절연층을 전면적으로 형성한 다음, 상기 절연층 상에 제1폴리실리콘을 증착하여 제1축 감지전극 및 제2축 감지전극을 형성하는 단계; (나) 상기 제1축 감지전극 및 제2축 감지전극이 덮히도록 PSG를 도포하여 희생층을 형성하는 단계; (다) 상기 희생층 위에 제2폴리실리콘을 증착한 다음 패터닝하여 진동 구조체 및 가진판을 형성하는 단계; 및 (라) 상기 희생층을 식각하여 제거함으로써 상기 진동 구조체가 현수 구조물이 되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프의 투시 평면도 및 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직 가진형 2축 마이크로 자이로스코프는, 실리콘 기판(1) 상에 절연층(2)를 형성하고, 그 위에 제2폴리실리콘으로 형성된 진동 구조체(3)와 가진판(4), 제1폴리실리콘으로 형성된 제1축 감지 전극(5)과 제2축 감지전극(6)을 구비한다. 여기서, 정전부상력으로 진동 구조체(3)를 구동하기 위한 구동전극이 사방 대칭으로 배치되고, 진동 구조체(3) 아래에는 제1축 가속도 및 제2축 가속도를 각각 감지하기 위한 제1축 감지전극(5) 및 제2축 감지전극(6)이 배치된다. 진동 구조체(3)의 사방에는 상기 제1축 및 제2축의 두 축에 동일한 감도를 가질 수 있는 'ㄱ' 자형 스프링(8)이 대칭구조로 배치된다.
이와 같은 구성의 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프는 다음과 같은 방법으로 제작된다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1) 상에 절연층(2)을 전면적으로 형성한 다음, 절연층(2) 상에 제1축 감지전극(5) 및 제2축 감지전극(6)을 형성한다. 제1축 감지전극(5) 및 제2축 감지전극(6)은 절연층(2) 상에 1차적으로 폴리실리콘을 증착한 다음 패터닝하는 방법으로 형성한다.
다음에, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1축 감지전극(5) 및 제2축 감지전극(6)이 덮히도록 PSG를 도포하여 희생층(7)을 형성하고, 그 위에 2차로 폴리실리콘을 증착한 다음 패터닝하여 진동 구조체(3) 및 가진판(4)의 빗살무늬 혹은 천공부를 각각 형성한다.
다음에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 희생층(7)을 식각하여 제거함으로써 진동 구조체(3)가 완전한 현수 구조물이 되도록 하여 소자를 완성한다.
이와 같은 방법으로 제작된 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 구조체를 각각 Z방향으로 가진한다. 이 때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 각속도가 X방향으로 인가되면 코리올리 힘(coliolis force)에 의해 구조체는 Y방향으로 변위를 일으켜 제2축 감지전극(6)에서 진동 구조체(3)와 제2축 감지전극(6) 간의 정전용량 변화를 감지하게 된다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 각속도가 Y방향으로 인가되면 코리올리 힘(coliolis force)에 의해 구조체는 -X방향으로 변위를 일으켜 제1축 감지전극(5)에서 진동 구조체(3)와 제1축 감지전극(5) 간의 정전용량 변화를 감지하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프 및 그 제조 방법은 다음과 같은 장점을 갖는다.
1) 미소구조체 하나에 2축 자이로스코프를 구현함으로써 경박 단소화에 따른 제조비용 절감 효과가 있다.
2) 진동 구조체의 가진 운동을 안정화하고 진동 구조체가 2축 가속도에 대해 대칭적인 변위를 가지게 됨으로써 신호 처리가 용이한 장점이 있다.
도 1a는 종래의 마이크로 자이로스코프의 투시 평면도,
도 1b는 도 1a의 마이크로 자이로스코프의 수직 단면도,
도 2a는 본 발명에 따른 마이크로자이로스코프의 투시 평면도,
도 2b는 도 2a의 마이크로자이로스코프의 수직 단면도,
도 3a 내지 도 3c는 도 2a 및 도 2b의 마이크로자이로스코프의 제조 단계별 공정후의 수직 단면도로서,
도 3a는 실리콘 기판 위에 절연층과 1차 다결정 실리콘을 순차적으로 증착후, 다결정실리콘을 식각하여 전극 패턴을 구현 한 후의 수직 단면도이고,
도 3b는 희생층과 2차 다결정실리콘을 증착한 후, 다결정 실리콘을 식각하여 구조체와 스프링 패턴 등을 구현한 후의 수직 단면도이며,
도 3c는 희생층 식각후, 배선을 위한 금속 증착 및 패턴 형성을 완료한 후의 최종 센서의 단면도이며,
그리고 도 4a 및 도 4b는 각각 도 2a 및 도 2b의 마이크로자이로스코프의 제1축 감지 및 제2축 감지를 설명하기 위한 벡터도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1......실리콘 기판
2......절연층
3......1차 폴리 실리콘
4......2차 폴리 실리콘
5......1차 폴리 실리콘(제1축 감지전극)
6......1차 폴리 실리콘(제2축 감지전극)
7......PSG(폴리 실리콘 도핑 및 희생층용)
8......진동 구조체

Claims (5)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 전면적으로 형성된 절연층;
    상기 절연층 상에 형성된 제1축 감지 전극 및 제2축 감지전극;
    사방에 제1축 및 제2축에 각각 동일한 감도를 가지는 스프링에 의해 지지되며, 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극의 상부에 사각판형 현수 구조물로 형성된 진동 구조체; 및
    상기 절연층 상의 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극의 외측부에 상기 진동 구조체의 사방 빗살형 돌기와 각각 맞물리는 돌기들을 갖도록 형성된 가진판;을
    구비한 것을 특징으로 하는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고, 상기 제1축 감지 전극 및 제2축 감지 전극은 각각 제1폴리실리콘으로 형성되며, 상기 가진판 및 진동 구조체는 각각 제2폴리실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 진동 구조체의 사방에 ㄱ자형으로 상기 제1축 및 제2축에 대칭적으로 형성되어 동일한 상기 제1축 각속도 및 제2축 각속도에 대해 변위가 동일한 것을 특징으로 하는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1축 감지전극 및 제2축 감지전극은 각각 상기 진동 구조체의 하부에 배치하여 상기 진동 구조체의 큰 수평 변위에 대해서도 정전용량이 선형적으로 변화하도록 형성된 것을 특징으로 하는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1축 감지전극 및 제2축 감지전극은 각각 상기 제1축 및 제2축 방향과 교차하는 방향의 장방향 패턴으로 형성되고, 상기 진동 구조체에는 상기 제1축 감지전극의 장방형 패턴 및 제2축 감지전극의 장방형 패턴의 방향과 각각 동일한 방향의 장방형 관통공들이 형성된 것을 특징으로 하는 수직 가진형 2축 마이크로자이로스코프.
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