KR20000046474A - 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물체의 관성가속도를 검출하기 위한 마이크로가속도계 및 그 제작 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 마이크로가속도계는 수직방향의 가속도를 감지하도록 기판과 소정의 간격으로 이격된 위치에 뜨서 기판에 수직방향으로 진동하도록 배치된 관성질량체; 관성질량체에 접속되어 수직방향으로의 진동이 가능하게 기판과의 간격을 유지토록 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성부재; 기판에 고정되어 탄성부재를 지지하는 앵커; 탄성부재와 교차하도록 접속되어 탄성부재 및 관성질량체에 수직한 방향으로 정전력을 제공하는 이동빗살들; 이동빗살들 사이에서 일정한 간격을 유지하면서 나란하게 끼워진 고정빗살들; 및 기판 상에 형성되어 상기 고정빗살들을 고정하는 지지대;를 구비하여, 입력되는 가속도에 대하여 고정빗살과 이동빗살의 서로 겹쳐진 면적의 변화에 따른 정전용량의 변화를 전기적 신호로 변화하여 가속도를 감지한다.

Description

면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 및 그 제조방법
본 발명은 물체의 관성 가속도를 검출하기 위한 미이크로가속도계(Micro-accelerometer) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 수직방향의 가속도 입력시 관성질량체판의 일부를 이루면서 배열되어 있는 하나 이상의 이동빗살전극과 기판에 고정되어 형성된 고정빗살전극과의 면적변화에 의한 커패시컨스(capacitance)의 변화를 감지하기 위한 마이크로 가속도계 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 공정 기술의 발달과 함께 미세 전기기계 시스템(Micro Electro Mechanical System)기술을 응용한 관성센서의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 실리콘 가속도계들은 구조적으로 기존 진자형 가속도계(pendulum accelerometer) 형태를 원용한 것이 많다. 또한 공정 방법면에서는 벌크 미세가공(bulk micromachining), 표면 미세가공(surface micromachining)법 또는 벌크-표면 미세가공(bulk-surface micromachining) 혼합기술을 채택하고 있었다. 이중 벌크 미세가공(bulk micromachining)은 기계적, 온도적 특성 등이 우수한 실리콘 단결정을 이용함으로서 좋은 특성을 갖는 가속도계를 제작할 수 있다.
미세 가속도계는 자동차의 자동항법장치, 서스펜션, 에어백 시스템에 적용되며 또한 진동, 경사, 충격등의 물리량측정 등 그 응용범위가 확대되고 있는 추세이다. 또한 최근에는 소형화, 경량화 및 저가격의 이런 시스템 개발의 경향에 부응하기 위하여 센서는 반도체공정으로 일괄제조하는 연구가 급증하고 있다. 근래에는 미국의 아날로그 디바이스(Analog Devices)사와 모토롤라(Motorola), 독일의 Bosch, 일본의 히타치(Hitachi) 등은 이미 실리콘 공정을 이용한 마이크로가속도계를 개발 제작하여 발표한 바 있다.
수직방향의 가속도를 감지하기 위한 마이크로가속도계의 일례로서
Hitachi사의 용량형 가속도계(capacitance type accelerometer. US5,350,189)를 도 1에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 상기 용량형 가속도계는 절연기판(1,3), 실리콘 기판(2)이 집적된 구조로 되어 있다. 고정전극(5,6)은 상기 절연기판(1,3)의 내부에 스퍼터링 기법으로 형성되어 있고 상기 절연기판(1,3)과 실리콘기판(2)는 아노딕 본딩(anodic bonding)으로 접합된 구조로 되어 있다. 이동전극(4)은 상기 이동전극(4)을 지지하기위한 캔틸래버(cantilever)에 의해 실리콘기판(2)에 수평으로 연결되어 있다. 상기 이동전극(4)의 표면은 이동전극(4)의 평면에 대하여 수직방향의 가속도를 감지 할수 있도록 전극이 형성되어 있고 공기댐핑(damping)를 감소시키기 위해 다수의 홈(7)이 파여져 있다. 수직방향의 가속도가 상기 용량형 가속도계에 입력이 되면 이동전극(4)의 진동에 의한 관성에 의해 입력된 수직방향의 가속도와 반대되는 방향으로 놓여지게 되고 상기 고정전극과 이동전극과의 간격이 변화하게 되고, 이에 의해서 용량이 변화하게 된다. 이 용량의 변화를 전기적인 신호로 측정함으로서 가속도를 감지할 수 있다. 이 용량형 가속도계는 고정전극과 이동전극과의 간격의 변화에 의한 용량의 변화를 측정하나, 거리의 변화와 용량의 변화는 비선형적인 관계이기 때문에 가속도 측정범위가 제한이 되며 이동전극(4)에 V자의 홈을 파서 공기저항을 줄이고자 하였다. 이 방법은 이동전극(4)의 표면적을 크게함과 동시에 공기의 흐름을 어느정도 제어하는 효과를 얻을 수는 있으나, 설계와 공정면에서 고감도와 큰 밴드폭을 갖도록 이동전극(4)과 상하 고정전극(5,6)간의 간격을 결정하는데 제한적인 요소를 가진다.
도 2는 미국특허 5,504,032에 기재된 미세기계 가속도계(micro mechanical accelerometer)의 단면도이다. 도시된 바와 같이 미세기계 가속도계는, 얇은 반도체산화막에 의하여 서로 절연이 된 5개의 반도체 wafer(1,2,3,4,5)가 접합된 구조로 구성되어 있다. 접촉창(contact windows. 10,11)을 통하여 상하 반대전극(upper,lower countereletrode. 6,7)과 폐루프를 형성하는 신호처리기를 통하면 상기 미세기계 가속도계는 차동커패시터를 형성한다. 웹(webs. 15)에 의해서 중앙프레임(central frame. 16)과 연결되어 있는 이동메스(movabal mass. 14)의 평면에 대하여 수직방향의 가속도가 입력이 되면 이동메스(14)가 상하로 진자운동을 하게된다. 이 때 상기 이동메스(14)와 상기 상하 반대전극(6,7)과의 거리변화가 발생하고 이 거리변화에 의한 용량의 변화를 전기적인 신호로 변환하여 상기 신호처리기를 통해 측정함으로서 가속도를 감지할 수 있다. 이 미세기계 가속도계는 커패시터의 변화치와 거리의 변화치가 비선형적인 관계이기 때문에 가속도 측정범위가 제한이 되는 단점이 있으며, 또한 상기 이동메스(14)와 상하 반대전극(6,7)을 구성하기 위해 여러번의 웨이퍼 미세가공 공정을 행하여야 하며, 각 구성품들을 조합하기 위해 여러번의 웨이퍼 접합을 요하는 등 공정과정이 복잡하고 공정비용이 고가이며, 또한 높은 감도를 얻기 위해서는 상기 이동메스(14)의 면적이 커야하고 이동메스(14)와 상하 반대전극(6,7)과의 거리가 매우 작아야 하지만 큰 면적의 이동메스(14)와 이동메스(14)와 상하 반대전극(6,7)간 작은 간격은 공기저항을 크게하여 가속도계의 밴드폭을 감소시키는 제한 요소로 작용하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하여 제조 공정을 최대한 단순화하고, 질량체 부분에 상하를 관통하는 다수의 구멍을 두므로서 공기저항을 감소시키며, 면적변화에 의한 커패시턴스의 변화를 감지하므로서 감도를 최대한 높일 수 있는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 마이크로가속도계의 투시 평면도,
도 2는 종래의 마이크로가속도계의 투시 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 투시 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 또다른 실시예,
도 5는 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 수직 단면도,
도 6는 +Z 방향의 가속도 입력시 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 동작원리도,
도 7은 -Z 방향의 가속도 입력시 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 동작원리도,
도 8은 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 관성질량체의 변위발생부의 변위감지 원리를 나타내는 개념도,
도 9a 내지 도 9f는 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 제조단계별 공정후의 수직단면도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1,2. 패드 3. 앵커
5,8. 이동빗살 6,7. 고정빗살
10. 스프링 11. 관성질량체
12. 구멍 13. 지지대
20. 기판 21. 희생층
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계는, 기판; 수직방향의 가속도를 감지하도록 상기 기판과 소정의 간격으로 이격된 위치에 뜨서 상기 기판에 수직방향으로 진동하도록 배치된 관성질량체; 상기 관성질량체에 접속되어 상기 수직방향으로의 진동이 가능하게 상기 기판과의 간격을 유지토록 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성부재; 상기 기판에 고정되어 상기 탄성부재를 지지하는 앵커; 상기 탄성부재와 교차하도록 접속되어 상기 탄성부재 및 관성질량체에 수직한 방향으로 정전력을 제공하는 이동빗살들; 상기 이동빗살들 사이에서 일정한 간격을 유지하면서 나란하게 끼워진 고정빗살들; 및 상기 기판상에 형성되어 상기 고정빗살들을 고정하는 지지대;를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 관성질량체는 다각형 혹은 원형으로 형성되고, 상기 탄성부재와 이동빗살들 및 상기 고정빗살들은 회전 대칭형으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 이동빗살 및 고정빗살은 수직 상방과 수직하방의 가속도를 감지하기 위하여 소정의 두께 차를 두어 형성하되, 전압 무인가시에 상기 고정빗살에 대한 상기 이동빗살의 수직방향으로의 위치를 다르게 배치한 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계의 제작 방법은, (가) 희생층이 형성된 기판 상에 관성 질량체 형성용 실리콘층 및 배선용 금속층 순차로 증착하는 단계; (나) 상기 금속층을 패터닝하여 배선용 패턴을 형성하는 단계; (다) 상기 관성 질량체 형성용 실리콘층을 선택적으로 식각하여 관성질량체, 이동빗살, 고정빗살 및 탄성부재를 형성하는 단계; 및 (라) 상기 배선용 패턴 하부의 희생층을 제외한 모든 희생층을 제거하여 상기 관성 질량체, 이동빗살 및 탄성부재를 기판과 이격시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서의 상기 배선용 금속층은 Au/Cr로 형성되고, 상기 (나) 단계는 상기 증착된 금속층을 사진식각공정을 통한 건식 식각법으로 이루어지며, 상기 (다) 단계는, 상기 이동빗살 및 고정빗살이 소정의 두께 차를 갖도록 포토리소그래피법을 이용한 건식 식각 공정을 두 번 실시하는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 및 그 제작 방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 마이크로가속도계는 인가되는 가속도나 충격, 진동으로 인한관성질량체의 변위발생부와 관성질량체의 변위발생을 전기적 신호로 출력해주는 변위감지부 회로를 구비한 집적형 마이크로가속도계에서, 입력되는 가속도에 대하여 상기 고정빗살과 이동빗살의 서로 겹쳐진 면적의 변화에 따른 정전용량의 변화를 전기적 신호로 변화하여 가속도를 감지한다.
도 3은 관성질량체의 변위발생부의 상세도로서 관성질량체(11), 스프링(10), 지지대(13), 상기 스프링에 연결되어 상기 기판(20)에 나란하게 빗살모양으로 형성된 이동빗살(5,8), 상기 지지대(13)에 연결되어 있으면서 상기 이동빗살(5,8)과 나란하게 빗살모양으로 형성된 고정빗살(6,7), 스프링(10)과 관성질량체(11)를 기판(20)에 고정하기 위한 앵커(3)들로 구성된다. 관성질량체(11)에는 공기저항을 줄이기 위해 수십개의 구멍(12)가 뚫려 있다. 관성질량체(11), 이동빗살(5,8), 고정빗살(6,7), 스프링(10)을 기판(20)에 고정하기 위한 앵커(3)와 전기적 접점을 위한 패드(1,2)는 충분히 크게하여 희생층(21)이 식각되지 않게 하여 기판(20)에 고정한다. 앵커와 전기적인 접점을 위한 패드를 제외하고 모든 구조물(5,6,7,8,9,10)은 공중에 떠 있는 형태로 구성되어 있으며, AA'와 BB'를 중심으로 상하좌우 대칭형으로 구성되어 있다.
도 4는 상기 관성질량체를 중심으로 패드와 앵커가 원형으로 배열되어 형성된 것으로 작동원리는 도3에 도시된 구조물에 대한 설명과 같다.
도 5에서와 같이 y축 방향에 위치된 이동빗살(5)과 고정빗살(6)은 커패시터 C1을 형성하며, x축 방향에 위치된 이동빗살(8)과 고정빗살(7)은 커패시터 C2를 형성한다. 그리고 상기 C1과 C2는 차동커패시터의 배열을 구성한다. 상기 이동빗살(5,8)과 고정빗살(6,7)은 도 4에서와 같이 차동커패시터 C1과 C2를 이루고, 외부로부터 가속도 입력이 없으면 도 4에서와 같이 상기 차동커패시터 C1과 C2는 동일한 값을 유지한다.
이와 같은 구성에서 외부로부터의 가속도 입력이 있을 경우, 가속도가 감지되는 원리를 를 도 6를 참조하면서 설명한다.
도 6에서 보듯이 외부로부터 +Z축 방향으로 가속도가 인가되면 이동빗살(5,8)이 -Z축 방향으로 움직여서 이동빗살(8)과 고정빗살(7)의 겹쳐진 면적이 감소하므로서 C2는 감소하고, 이동빗살(5)과 고정빗살(6)의 겹쳐진 면적은 변화가 없으므로 C1은 변화하지 않는다. 또한 도 7에서와 같이 외부로부터 -Z축 방향으로 가속도가 인가되면 이동빗살(5,8)이 +Z축 방향으로 움직여서 이동빗살(5)과 고정빗살(6)의 겹쳐진 면적이 감소하므로서 C1은 감소하고, 이동빗살(8)와 고정빗살(7)의 겹쳐진 면적은 변화가 없으므로 C2는 변화하지 않는다. 이때 가속도 인가에 의해 발생한 두 커패시터들의 값의 차 (C1-C2)를 도 8과 같은 구성으로 전기적 신호로 변환한다. 즉, 전압값이 동일하고 부호만 반대인 직류전압원과 주파수와 진폭이 동일하지만 위상이 반대인 교류전압원(30,31)이 도 8과 같이 이동빗살(5,8)과 고정빗살(6,7)에 인가되고, 이때 두 전원(30,31)은 차동커패시터 C1과 C2를 각각 구동한다. 인가된 가속도에 대해 관성질량체(11)와 이동빗살(5,8)이 Z방향으로의 변위 d가 발생하고 결과적으로 a점에서의 신호의 크기는 두 커패시터들(C1,C2)의 값의 차(C1-C2)와 같고, 그 값은 인가된 가속도의 크기와 비례한다. 또한, a점에서의 위상은 가속도가 인가되는 방향을 지시한다. 여기서 두 커패시턴스의 차를 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환기로는 전하증폭기(32)가 사용되었다. 그리고 이 차동커패시터의 배열은 외부로부터의 영향, 즉 온도나 전기적 잡음 등을 차동함으로서 효과적으로 제거할 수 있다. 여기서 전하증폭기를 거친 출력은 교류전압신호이고 이 출력은 복조기(33)와 저역통과여파기(34)를 통하여 직류로 변환된다.
한편, 상기와 같은 구조의 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계 제작 방법은 다음과 같다.
즉, 먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 실리콘(20)/실리콘 산화막(21)/실리콘(23)으로 구성된 SOI 웨이퍼 위에 금속층(Au/Cr)(22)과 포토레지스트층을 차례로 증착한 다음, 사진식각 공정을 통하여 마스크(24)를 형성한다.
다음에, 도 9b에 도시된 바와 같이, 금속층(22)을 식각하여 배선용 금속(22)를 형성한다.
다음에, 도 9c에 도시된 바와 같이, 실리콘막(23)위에 사진식각공정을 이용하여 실리콘막(23)을 고정빗살과 이동빗살의 단차(t) 만큼 식각한다. 부재번호 25는 포토레지스트 패턴이다.
다음에, 도 9d 내지 도 9e에 도시된 바와 같이, C1과 C2를 구별하기 위해 식각된 실리콘막(23) 위에 포토레지스트 패턴(26)을 형성하고, 이와 함께 앞서 형성된 포토레지스트 패턴(25)을 이용하여 실리콘막(23)을 식각하여 이동빗살(5,8) 및 고정빗살(6,7)을 형성한다.
다음에, 도 9f에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(25, 26)을 제거하고 구조물들이 기판(20) 위에서 공중에 떠 있도록 희생층(21)을 식각하여 제거한다. 이와같이 함으로써, 두께차(t)를 가지는 고정빗살 및 이동빗살이 형성된다.
여기서, 질량체(11), 이동빗살(5, 8), 고정빗살(6, 7), 스프링(10)등 구조물을 형성하기 위한 실리콘막(23; 도 9a 참조)은 고농도 실리콘으로 저항률이 작으며, 두께는 수십μm이다. SOI 웨이퍼 위에 금속(Au/Cr; 22)을 증착하고, 상위의 실리콘막(23)을 두 번의 사진식각공정과 실리콘 건식 식각을 통해 질량체(11), 이동빗살(5, 8), 고정빗살(6, 7), 스프링(10)등 구조물을 형성한다. 즉, 도 5와 도 9에서 보듯이 C1과 C2를 구별하기위하여 두 번의 사진식각공정과 실리콘 건식식각을 통해 두께차(t)를 만들어 고감도의 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계를 완성한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계는 SOI 웨이퍼를 이용한 일체형으로 제작이 되므로 정전접합공정이 별도로 필요없고, 마스크가 3장만 소요되는 매우 간단한 공정으로 가속도계를 제작할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하여 공정단계를 축소하였으며, 공기저항을 감소시키며, 고감도를 갖는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도계를 제작할 수 있다. 본 마이크로가속도계는 면적변화 커패시턴스가 기본구성이므로 입력과 출력이 선형관계를 가지며, 관성질량체, 스프링, 커패시터, 빗살등 모든 구성요소들이 동일 층으로부터 가공되므로 공정이 간단하며, 차동캐패시터 구조를 이용하여 신호대 잡음비를 대폭 개선하며, 차동캐패시터를 여러개 배열하여 감도를 크게한다. 또한 차동커패시터를 구성하기위하여 동일 실리콘층으로부터 두번의 실리콘식각공정을 이용하였다. 이와 같이 본 구조는 간편한 공정으로 고감도와 넓은 밴드폭, 저신호대 잡음비를 갖는 1축 수직 양방향 가속도계를 제작할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판;
    수직방향의 가속도를 감지하도록 상기 기판과 소정의 간격으로 이격된 위치에 뜨서 상기 기판에 수직방향으로 진동하도록 배치된 관성질량체;
    상기 관성질량체에 접속되어 상기 수직방향으로의 진동이 가능하게 상기 기판과의 간격을 유지토록 지지하는 적어도 하나 이상의 탄성부재;
    상기 기판에 고정되어 상기 탄성부재를 지지하는 앵커;
    상기 탄성부재와 교차하도록 접속되어 상기 탄성부재 및 관성질량체에 수직한 방향으로 정전력을 제공하는 이동빗살들;
    상기 이동빗살들 사이에서 일정한 간격을 유지하면서 나란하게 끼워진 고정빗살들; 및
    상기 기판상에 형성되어 상기 고정빗살들을 고정하는 지지대;를
    구비한 것을 특징으로 하는 면적변화 용량형 마이크로 가속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관성질량체는 다각형 혹은 원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄성부재와 이동빗살들 및 상기 고정빗살들은 회전 대칭형으로 형성된 것을 특징으로 하는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이동빗살 및 고정빗살은 수직 상방과 수직하방의 가속도를 감지하기 위하여 소정의 두께 차를 두어 형성하되, 전압 무인가시에 상기 고정빗살에 대한 상기 이동빗살의 수직방향으로의 위치를 다르게 배치한 것을 특징으로 하는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도 센서.
  5. (가) 희생층이 형성된 기판 상에 관성 질량체 형성용 실리콘층 및 배선용 금속층 순차로 증착하는 단계;
    (나) 상기 금속층을 패터닝하여 배선용 패턴을 형성하는 단계;
    (다) 상기 관성 질량체 형성용 실리콘층을 선택적으로 식각하여 관성질량체, 이동빗살, 고정빗살 및 탄성부재를 형성하는 단계; 및
    (라) 상기 배선용 패턴 하부의 희생층을 제외한 모든 희생층을 제거하여 상기 관성 질량체, 이동빗살 및 탄성부재를 기판과 이격시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도 센서의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서의 상기 배선용 금속층은 Au/Cr로 형성된 것을 특징으로 하는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도 센서의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (나) 단계는 상기 증착된 금속층을 사진식각공정을 통한 건식 식각법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 마이크로가속도 센서의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 (다) 단계는, 상기 이동빗살 및 고정빗살이 소정의 두께 차를 갖도록 포토리소그래피법을 이용한 건식 식각 공정을 두 번 실시하는 것을 특징으로 하는 면적변화 정전용량형 마이크로가속도 센서의 제조 방법.
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