KR20010026739A - Method for fabricating a light floating structure and Actuator and Inertia sensor having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 그 무게를 가볍게 하기 위하여 내부를 가벼운 물질로 채우거나 비어 있도록 한 가벼운 현수 구조물(질량체)을 제조하는 방법 및 이를 채용한 액츄에이터와 관성 센서{Method for fabricating a light floating structure and Actuator and Inertia sensor having the same}에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a light suspension structure (mass) in which a light material is filled or emptied in order to reduce its weight, and an actuator and an inertial sensor employing the same. having the same}.
미세한 현수 구조물을 움직이기 위해서는 정전력 액츄에이터(Electrostatic Actuator)를 이용하는 경우가 많다. 또한, 움직이는 물체의 위치나 방향을 파악하기 위하여 사용되는 관성 센서들에서 가속도나 각가속도 등을 감지하기 위하여 진동하는 현수 구조물을 가진시키기 위하여 정전력을 이용하고 있다.Electrostatic actuators are often used to move fine suspension structures. In addition, inertial sensors used to detect the position or direction of a moving object use electrostatic force to have a vibrating suspension structure to detect acceleration or angular acceleration.
이와 같이, 현수 구조물을 움직이도록 하기 위해서는 정전력을 이용한 서로 맞물리는 빗살 구조물이 필요하다. 빗살 구조물은 평판면에 대하여 수직으로 돌출되고 서로 끼워진 구조로 된 한 쌍의 빗살(Comb)에 전압을 가하여 두 빗살 사이에 발생하는 전기력(Electrostatic Force)이 빗살 사이의 상대적인 움직임에 대하여 일정하게 힘을 낼 수 있도록 한 것이다.As such, in order to move the suspension structure, the interlocking comb structures using the electrostatic force are required. The comb structure exerts a constant force against the relative movement between the comb teeth by applying a voltage to a pair of combs that are projected perpendicular to the plate surface and fitted together. It is to be made.
마이크로 구조물을 움직이기 위해선 정전기력 액츄에이터(Electrostatic Actuator)를 이용하는 경우가 많다. 정전기력을 이용한 액츄에이터로서는 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)(US 5,025,346)가 널리 알려져 있다. 이 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)는 이동 도체판 및 고정 도체판이 각각 반복 구조로 연결된 빗살 구조를 지니며 이 구조를 이용하여 현수 구조물을 수평공진주파수로 가진시키는 마이크로 자이로스코프 구조물로 응용되는 것으로, 그 기본 원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Electrostatic actuators are often used to move microstructures. As an actuator using an electrostatic force, an electrostatic comb drive (US 5,025,346) is widely known. The electrostatic comb drive has a comb structure in which a mobile conductor plate and a fixed conductor plate are connected in a repeating structure, respectively, and is applied as a micro gyroscope structure that excites a suspension structure at a horizontal resonance frequency by using this structure. The basic principle is described with reference to FIG. 1 as follows.
한 쌍의 빗살(1,2)이 간극 s를 두고 서로 맞물려 있고, 각 빗살(1,2)에 전원(3)이 도선(4,5)을 이용하여 연결되어 있을 때 한쪽의 빗살(2)의 한 핑거(finger)에 작용하는 수평방향의 정전기력(6, Electrostatic Force)은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.One comb (2) when a pair of combs (1,2) are interlocked with a gap s and a power source (3) is connected to each comb (1,2) using conductors (4,5). The horizontal electrostatic force (6, Electrostatic Force) acting on one of the fingers (finger) is represented by the following equation (1).
여기서 ε0,t,s,V 는 각각 진공의 유전율, x-y 좌표에 수직인 방향으로 빗살의 두께, 빗살의 사이의 간격, 빗살 사이에 인가되는 전압이다. 이와 같은 정전기력 빗살 구동기(Electrostatic Comb Drive)는 반도체 램을 만드는 공정과 같은 CMOS 공정으로 만들 수 있는 장점이 있고, 수학식 1에서 보는 바와 같이 한쪽 빗살의 움직임에 대하여 일정한 힘을 가진다는 장점이 있다.Where ε 0 , t, s, V are the permittivity of the vacuum, the thickness of the comb teeth in the direction perpendicular to the xy coordinates, the spacing between the combs, and the voltage applied between the combs. Such an electrostatic comb drive has the advantage of being able to be made in a CMOS process such as a process of making a semiconductor RAM, and has the advantage of having a constant force against the movement of one comb as shown in Equation 1.
기존 정전기력 빗살 구동기의 원리인 도 1의 원리를 이용한 액츄에이터의 한 예로서 같은 특허에 기재된 도 2를 들 수 있다.One example of an actuator using the principle of FIG. 1, which is the principle of a conventional electrostatic force comb driver, is shown in FIG. 2 described in the same patent.
이러한 정전기력 액츄에이터(20)는 다수의 이동빗살(27, movable comb)를 가지는 질량체(22)와 질량체(22)에 접속이 된 하나 이상의 탄성부재(23)와 지지부(24)를 통하여 기판(21)에 지지되어 있으며, 전술한 이동빗살(27)과 마주보는 위치에 위치하며 전술한 이동빗살(27)과 교대로 삽입되는 다수의 고정빗살(25, fixed comb)을 가지고 있으며, 고정빗살(25)은 고정빗살 지지부(26)을 통하여 기판(21)에 지지되어 있다. 전술한 고정빗살(25)과 전술한 이동빗살(27)에 적절한 전원공급수단(미도시)을 통하여 전압을 인가하면 수학식 1에 의하여 발생하는 정전력에 의하여 질량체(22)는 기판(21)에 대하여 수평한 방향으로 직선 운동을 한다. 이러한 구조에 의한 정전력은 수학식 1에 나타난 바와 같이 움직이는 거리에 대하여 힘이 일정하다는 장점이 있다.The electrostatic force actuator 20 has a substrate 21 through a mass body 22 having a plurality of movable combs 27 and at least one elastic member 23 and a support part 24 connected to the mass body 22. Supported in, and positioned in a position facing the above-described moving comb (27) and has a plurality of fixed combs (25, fixed comb) that is inserted alternately with the above-described moving comb (27), fixed comb (25) Is supported by the substrate 21 via the fixed comb support 26. When a voltage is applied to the above-mentioned fixed comb 25 and the above-described moving comb 27 through a suitable power supply means (not shown), the mass body 22 is formed by the substrate 21 by the electrostatic force generated by Equation (1). Make a linear movement in the horizontal direction with respect to. The electrostatic force by this structure has the advantage that the force is constant with respect to the moving distance as shown in Equation (1).
이러한 구조를 도 3에 도시된 바와 같이 개략적 단면도로 나타낼 때, 일반적으로 기판(21) 위에 보호층(28)을 형성한후 그위에 전극(29)을 형성한 후 니켈, 실리콘 등으로 현수 구조물(질량체)(22) 및 지지대(24)를 형성하므로 현수 구조물(22)의 밀도가 높다. 따라서 이러한 구조를 채용한 액츄에이터는 높은 공진주파수를 가지기 곤란하다는 단점이 있다. 그리고 최근 각광을 받고 있는 가속도 센서 등의 관성 센서와 하드 디스크 드라이브 보조 액츄에이터(HDD Secondary Actuator) 등과 같은 액츄에이터에서는 큰 변위를 움직이는 액츄에이터가 필요하지만, 이러한 밀도가 높은 종래의 현수 구조물을 이용한 경우 높은 공진주파수를 유지하면서 크게 움직이는것이 어렵다는 단점이 있다.When such a structure is shown in a schematic cross-sectional view as shown in FIG. 3, a protective layer 28 is generally formed on a substrate 21 and an electrode 29 is formed thereon. Since the mass 22) and the support 24 are formed, the suspension structure 22 has a high density. Therefore, the actuator employing such a structure has a disadvantage in that it is difficult to have a high resonance frequency. In the case of inertial sensors such as accelerometers and actuators such as hard disk drive secondary actuators, which require attention in recent years, a large displacement actuator is required. The disadvantage is that it is difficult to move large while maintaining the.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 현수 구조물의 내부를 빈 공간으로 만들거나 보다 가벼운 재질로 메움으로써 높은 공진 주파수를 유지하면서 크게 움직일 수 있는 가벼운 현수 구조물의 제조 방법 및 이를 갖는 액츄에이터와 관성 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, the method of manufacturing a light suspension structure that can move greatly while maintaining a high resonance frequency by making the interior of the suspension structure empty or filled with a lighter material and an actuator having the same The purpose is to provide a and inertial sensor.
도 1은 종래의 정전기력을 이용한 현수 구조물의 개략적 구성을 설명하기 위한 사시도,1 is a perspective view for explaining a schematic configuration of a suspension structure using a conventional electrostatic force,
도 2는 도 1의 현수 구조물을 채용한 액츄에이터(관성 감지 센서) 실시예의 사시도,FIG. 2 is a perspective view of an embodiment of an actuator (inertial sensing sensor) employing the suspension structure of FIG. 1; FIG.
도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따라 절개한 부분의 개략적 수직 단면도,3 is a schematic vertical cross-sectional view of the cut along the line AA ′ of FIG. 2;
도 4는 본 발명에 따른 현수 구조물의 개략적 수직 단면도,4 is a schematic vertical sectional view of the suspension structure according to the present invention;
도 5a 내지 도 5j는 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물을 제작하는 방법을 공정 단계별로 설명하기 위한 수직 단면도들,5a to 5j are vertical cross-sectional views for explaining step by step the method for manufacturing a light suspension structure according to the present invention,
그리고 도 6은 도 4의 현수 구조물을 채용한 액츄에이터(관성 센서)의 일실시예를 보여주는 사시도이다.6 is a perspective view illustrating an embodiment of an actuator (inertial sensor) employing the suspension structure of FIG. 4.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
1, 2. 한 쌍의 빗살 3. 전원1, 2. A pair of combs 3. Power
4, 5. 도선4, 5. Lead wire
6. 수평방향의 정전기력(Electrostatic Force)6. Electrostatic Force in the Horizontal Direction
21. 기판21. Substrate
22. 질량체 23. 탄성부재22. Mass 23. Elastic member
24. 지지부 25. 고정빗살24. Support 25. Fixed comb
26. 고정빗살 지지부 27. 이동빗살26. Fixed comb support 27. Moving comb
41. 기판 42. 보호층41. Substrate 42. Protective Layer
43. 도전막(전극패턴) 44. 희생층43. Conductive film (electrode pattern) 44. Sacrificial layer
44'. 앵커 형성 영역 45. 도전막(전극)44 '. Anchor forming region 45. Conductive film (electrode)
46. 감광제 46'. 감광제46. Photosensitizer 46 '. Photosensitizer
47. 도전막 47'. 도전막47. A conductive film 47 '. Conductive film
48. 전기적 절연부 49. 현수 구조물48. Electrical insulation 49. Suspension structure
50. 공간 51. 빈공간50. Space 51. Empty Space
121. 기판121. Substrate
122. 질량체 123. 탄성부재122. Mass body 123. Elastic member
124. 지지부 125. 고정빗살124. Support 125. Fixed comb
126. 고정빗살 지지부 127. 이동빗살126. Fixed comb support 127. Mobile comb
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물의 제조 방법은, 기판 위에 보호층을 만드는 단계; 상기 보호층 위에 도전막을 형성하고, 이를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 전극 패턴 위에 희생층를 형성한 후 패터닝하여 제작하고자 하는 현수 구조물이 상기 기판에 지지될 수 있도록 하는 앵커를 만들기 위한 개구부를 형성하는 단계; 상기 제작하고자 하는 현수 구조물의 밑부분의 전극을 만들기 위하여 제1도전막을 형성하는 단계; 상기 도전막 위에 감광제를 도포한 다음 이를 패터닝하여 앵커 및 현수 구조물의 내부 구조를 형성하는 단계; 상기 앵커 및 현수 구조물의 내부구조 표면에 각각 제2도전막을 형성하여 앵커 및 현수 구조물의 외면을 형성하는 단계; 이방성 식각법으로 식각하여 상기 제2도전막에 의하여 상기 앵커 및 현수 구조물이 전기적으로 연결된 것을 끊어주는 단계; 상기 현수 구조물 하부에 있는 상기 희생층를 제거하여 상기 현수 구조물이 움직일 수 있는 공간을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a light suspension structure according to the present invention comprises the steps of: forming a protective layer on a substrate; Forming a conductive film on the protective layer, and patterning the conductive layer by photolithography to form an electrode pattern; Forming an opening for forming an anchor to allow the suspension structure to be manufactured to be supported by the substrate by forming a sacrificial layer on the electrode pattern and then patterning the sacrificial layer; Forming a first conductive film to make an electrode at the bottom of the suspension structure to be manufactured; Coating a photoresist on the conductive layer and then patterning the photoresist to form an internal structure of the anchor and the suspension structure; Forming an outer surface of the anchor and the suspension structure by forming a second conductive film on surfaces of the internal structure of the anchor and the suspension structure, respectively; Etching by an anisotropic etching method to disconnect the anchor and the suspension structure from being electrically connected by the second conductive layer; And removing the sacrificial layer under the suspension structure to form a space in which the suspension structure can move.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2도전막은 금, 구리, 알루미늄 중 적어도 어느 한 금속으로 형성되거나 혹은 도전성 폴리머로 형성되고, 상기 이방성 식각법은 리액티브 이온 에칭법인 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the first and second conductive films are formed of at least one metal of gold, copper, aluminum, or a conductive polymer, and the anisotropic etching method is a reactive ion etching method.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 제2도전막으로 형성된 상기 앵커 및 현수 구조물의 외면에 전기 도금법으로 도전막의 두께를 원하는 두께로 두껍께 하는 단계;를 더 포함하는 것도 바람직하며, 상기 제2도전막에 의한 상기 앵커 및 현수구조물의 외면 형성이 이루어진 후에 그 내부에 있는 감광제를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것도 바람직하다.The method may further include thickening a thickness of the conductive film to a desired thickness by an electroplating method on outer surfaces of the anchor and the suspension structure formed of the second conductive film, and further comprising the second conductive film. Removing the photoresist therein after the outer surface of the anchor and the suspension structure is formed by the; further preferably comprises a.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 앵커 및 현수 구조물의 내부구조를 상기 감광제 대신에 상기 금속 보다 가벼운 폴리머로 형성하는 것도 바람직하다.In addition, in the present invention, it is also preferable that the internal structure of the anchor and the suspension structure is formed of a polymer lighter than the metal in place of the photosensitive agent.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물을 갖는 액츄에이터는, 기판; 상기 기판 상부에 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 현수 구조물; 상기 현수 구조물에 접속된 하나 이상의 탄성부재; 상기 탄성부재를 상기 기판에 대하여 지지하는 하나 이상의 앵커; 상기 현수 구조물에 부착되어 상기 기판과 소정의 간격을 유지하는 이동 빗살; 상기 이동빗살과 소정 간격으로 이격되게 맞물리는 고정빗살; 상기 고정빗살을 고정하도록 상기 기판 상에 형성된 지지체; 및 상기 현수 구조물을 움직이는 전압을 인가하는 가진 전극;을 구비한 액츄에이터에 있어서, 상기 현수 구조물은 그 외면이 도체로 형성되고 그 내부가 상기 외면의 도체 보다 밀도가 낮은 재질로 채워진 것을 특징으로 한다.In addition, the actuator having a light suspension structure according to the present invention to achieve the above object, the substrate; Suspension structure on the substrate spaced apart at predetermined intervals; At least one elastic member connected to the suspension structure; At least one anchor supporting the elastic member against the substrate; A moving comb attached to the suspension structure to maintain a predetermined distance from the substrate; A fixed comb which is spaced apart from the moving comb at a predetermined interval; A support formed on the substrate to fix the fixing comb; And an excitation electrode for applying a voltage to move the suspension structure, wherein the suspension structure is characterized in that its outer surface is formed of a conductor and the inside of which is filled with a material having a lower density than the conductor of the outer surface.
본 발명에 있어서, 상기 현수 구조물은 내부가 비어 있도록 형성된 것도 바람직하다.In the present invention, the suspension structure is preferably formed so that the interior is empty.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 현수 구조물의 외면 도체는 금, 구리, 알루미늄 중 적어도 어느 한 금속으로 이루어지고, 상기 가진 전극은 금속 혹은 도전성 폴리머로 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the outer conductor of the suspension structure is made of at least one metal among gold, copper, and aluminum, and the excited electrode is formed of a metal or a conductive polymer.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물(관성 질량체)을 갖는 관성 센서는, 기판; 상기 기판 상부에 소정의 간격으로 이격되어 위치하는 관성 질량체; 상기 관성 질량체에 접속된 하나 이상의 탄성부재; 상기 탄성부재를 상기 기판에 대하여 지지하는 하나 이상의 앵커; 상기 관성 질량체에 부착되어 상기 기판과 소정의 간격을 유지하는 이동 빗살; 상기 이동빗살과 소정 간격으로 이격되게 맞물리는 고정빗살; 상기 고정빗살을 고정하도록 상기 기판 상에 형성된 지지체; 상기 관성 질량체를 가진시키기 위한 전압을 인가하는 가진 전극; 및 상기 관성 질량체의 변위를 감지하는 감지 전극;을 구비한 관성 센서에 있어서, 상기 관성체 질량체는 그 외면이 도체로 형성되고 그 내부가 상기 외면의 도체 보다 밀도가 낮은 재질로 채워진 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, an inertial sensor having a light suspension structure (inertial mass) according to the present invention, the substrate; An inertial mass disposed above the substrate at predetermined intervals; At least one elastic member connected to the inertial mass; At least one anchor supporting the elastic member against the substrate; A moving comb attached to the inertial mass to maintain a predetermined distance from the substrate; A fixed comb which is spaced apart from the moving comb at a predetermined interval; A support formed on the substrate to fix the fixing comb; An excitation electrode for applying a voltage for exciting said inertial mass; And a sensing electrode sensing a displacement of the inertial mass, wherein the inertial mass is formed of a conductor whose outer surface is formed of a conductor and the inside of which is filled with a material having a lower density than the conductor of the outer surface. .
본 발명에 있어서, 상기 관성 질량체는 그 내부가 비어 있도록 형성된 것도 바람직하다.In this invention, it is also preferable that the said inertial mass is formed so that the inside may be empty.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 관성 질량체의 외면 도체는 금, 구리, 알루미늄 중 적어도 어느 한 금속으로 이루어지고, 상기 가진 전극 및 감지 전극은 금속 혹은 도전성 폴리머로 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the outer conductor of the inertial mass is made of at least one metal of gold, copper, and aluminum, and the excited electrode and the sensing electrode are formed of a metal or a conductive polymer.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물의 제조 방법 및 이를 갖는 액츄에이터와 관성 센서를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a light suspension structure and an actuator and an inertial sensor having the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 적용되는 현수 구조물의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 현수 구조물(122)은 무거운 점을 해결하기 위하여 그 속에 밀도가 낮은 물질을 채워 넣거나 비워두 그 표면에는 도체로 만들어서, 전압을 가하면 큰 범위로 움직일 수 있도록 한 점에 특징이 있다.4 is a cross-sectional view of a suspension structure applied to the present invention. As shown, the suspension structure 122 of the present invention is filled with a low-density material in order to solve the heavy point or left blank to make a conductor on the surface, so that the voltage can move to a large range There is a characteristic.
이러한 특징을 갖는 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물의 제작 방법을 도 5a 내지 도 5j를 참조하면서 설명한다.A method of manufacturing a light suspension structure according to the present invention having such a feature will be described with reference to FIGS. 5A to 5J.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(41) 위에 보호층(42)을 만든다.First, as shown in FIG. 5A, a protective layer 42 is formed on a substrate 41.
다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, 보호층(42)위에 전극 등으로 이용할 수 있도록 금과 같은 재료의 도전막(43)을 증착시키고 마스크(미도시)를 이용하여 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 전극패턴을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5B, a conductive film 43 of a material such as gold is deposited on the protective layer 42 so as to be used as an electrode, and patterned by a photolithography process using a mask (not shown). An electrode pattern is formed.
다음에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 전극패턴(43)위에 감광제 또는 실리콘 산화물(Silcon oxide) 등으로 희생층(44)을 형성한 후, 마스크(미도시)로 패터닝하여 현수 구조물이 기판(41)에 지지될 수 있도록 하는 앵커 형성 영역(44')을 개구한다.Next, as shown in FIG. 5C, the sacrificial layer 44 is formed on the electrode pattern 43 using a photoresist, silicon oxide, or the like, and then patterned with a mask (not shown) to form a suspension structure. Anchor forming region 44 ′ is opened to allow support to 41.
다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 도전막(45)을 증착시키고 패터닝하여 현수 구조물의 밑부분에 전극을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5D, the conductive film 45 is deposited and patterned to form electrodes at the bottom of the suspension structure.
다음에, 도 5e에 도시된 바와 같이, 전극(45) 위체 감광제(46) 등을 도포하고, 이를 마스크를 이용하여 패터닝 하여, 도 5f에 도시된 바와 같은 개략적인 현수 구조물(46') 모양을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5E, a photoresist 46 or the like on the electrode 45 is applied and patterned using a mask to form a rough suspension structure 46 ′ as shown in FIG. 5F. Form.
다음에, 도 5g에 도시된 바와 같이, 현수 구조물(46')의 표면에 도전막(47)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5G, a conductive film 47 is formed on the surface of the suspension structure 46 ′.
다음에, 도 5h에 도시된 바와 같이, 리액티브 이온 에칭(RIE; Reactive Ion Etching)법 등의 이방성 식각법으로 에칭하여 도전막(47)에 의하여 전기적으로 연결된 부분을 끊어주어 전기적 절연부(48)가 형성되게 한다.Next, as shown in FIG. 5H, the portions electrically connected to each other by the conductive film 47 are etched by anisotropic etching such as reactive ion etching (RIE), and the electrical insulation portion 48 is removed. ) Is formed.
다음에, 감광제(46')와 도전막(47')으로 이루어지는 현수 구조물(49)의 하부에 있는 희생층(44)를 제거하여도, 5i에 도시된 바와 같이, 움직일수 있는 공간(50)을 형성한다. 이와 같이 함으로써, 현수 구조가 이루어진다.Next, even if the sacrificial layer 44 at the bottom of the suspension structure 49 composed of the photosensitive agent 46 'and the conductive film 47' is removed, the movable space 50 is shown in 5i. To form. By doing in this way, a suspension structure is achieved.
다음에, 필요에 따라 도 5j에 도시된 바와 같이 현수 구조물(49)의 내부에 있는 감광제(46')를 제거하여 현수 구조물의 무게를 더욱 줄일 수도 있다.Next, as needed, the weight of the suspension structure may be further reduced by removing the photoresist 46 ′ in the interior of the suspension structure 49 as shown in FIG. 5J.
이상과 같은 제작 방법에서 도전막(45)은 전기적 절연부(48)부분을 형성하기 쉽게 하기 위하여 미리 패터닝할 수 있다. 상기 제작 공정에 사용될 수 있는 재질을 예를 들어 설명하면 보호층(42)은 실리콘 산화물(Silicon Oxide; SiO2)나 실리콘 산화물(SiO2)에 이어 실리콘 질화물(Silicon Nitride; Si3N4)를 사용할 수 있다. 또한 도전막(43, 45, 47)으로 사용되는 소재는 금(Au)이나 구리(Cu) 등을 증착(Evaporation)법, 스퍼터링(Sputtering)법이나 이온 플레이팅(Ion-plating)법 등의 박막 제작법으로 형성한다. 도전막(43, 45, 47)으로 사용되는 도체 소재로 도전성 폴리머를 이용하면 더욱 가벼운 현수 구조물을 만들 수 있다. 현수 구조물(46')로 사용되는 감광제(46)는 IBM에서 개발된 SU8과 같이 고 종횡비(High Aspect Ratio)의 구조물을 제작할 수 있는 감광제로 제작하는 것이 더욱 바람직하다.In the manufacturing method as described above, the conductive film 45 may be patterned in advance in order to easily form the electrical insulation portion 48. For example, the protective layer 42 may be formed of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon oxide (SiO 2 ) followed by silicon nitride (Si 3 N 4 ). Can be used. In addition, the material used for the conductive films 43, 45, 47 is a thin film such as gold (Au) or copper (Cu), such as evaporation, sputtering or ion-plating. Form by the manufacturing method. By using a conductive polymer as the conductive material used as the conductive films 43, 45 and 47, a lighter suspension structure can be made. The photoresist 46 used as the suspension structure 46 'is more preferably manufactured with a photoresist capable of manufacturing a high aspect ratio structure, such as SU8 developed by IBM.
위와 같이 제작된 현수 구조물(46') 표면의 도전막(47')의 저항을 줄이기 위하여 상기 공정 중간에 도전막(47')에 도금을 하여 도전막(47')의 두께를 증가시킬 수 있다.In order to reduce the resistance of the conductive film 47 'on the surface of the suspension structure 46' manufactured as described above, the thickness of the conductive film 47 'may be increased by plating the conductive film 47' in the middle of the process. .
그리고 제작되는 현수 구조물의 질량을 더욱 줄이기 위하여 위의 공정에서, 도 5j에 도시된 바와 같이, 구조물의 베이스로 사용되는 감광제(46')를 제거하면 구조물의 질량이 크게 줄어 높은 공진 주파수를 가지는 구조물을 만들 수 있다. 도 5j에서 부재번호 51은 도전막(47') 내부의 빈공간을 나타낸다. 이러한 현수 구조물(47' 즉 49)에서 도전막(47')의 두께를 두껍게 하기 위하여 도금을 하면 더욱 좋다. 여기까지 현수 구조물의 외부에 도전막을 배치하고 내부에는 밀도가 낮은 물질로 채워 넣거나 내부를 비게하여 현수 구조물의 질량을 떨어뜨리는 몇 가지 방법을 설명하였다. 간단한 변환 또는 치환에 의한 약간의 수정을 포함하는 것은 모두 본 발명에 포함된다. 예를 들면 도체로서 알루미늄을 사용하는 것이나 구조체를 감광성 물질을 사용하여 형성하지 않고 레이저로 가공하여 만드는 경우 등이다.In addition, in order to further reduce the mass of the fabricated suspension structure, as shown in FIG. 5J, when the photosensitive agent 46 ′ used as the base of the structure is removed, the mass of the structure is greatly reduced, thereby having a high resonance frequency. You can make In FIG. 5J, reference numeral 51 denotes an empty space inside the conductive film 47 '. In such a suspension structure 47 'or 49, plating may be further performed to increase the thickness of the conductive film 47'. Up to this point, some methods of lowering the mass of the suspension structure by placing a conductive film on the outside of the suspension structure and filling the inside with a low density material or emptying the inside have been described. All modifications, including minor modifications by simple transformation or substitution, are included in the present invention. For example, aluminum is used as the conductor, or a structure is formed by laser processing without forming a photosensitive material.
이렇게 제작된 가벼운 현수 구조물을 갖는 액츄에이터의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.The operation principle of the actuator having the light suspension structure manufactured as follows is as follows.
도 2에 도시된 바와 같은 액츄에이터를 기존의 방법을 이용하여 니켈로 제작한 경우와 본 발명에 의하여 제작된 도 6의 경우를 살펴본다. 현수 구조물이 같은 두께로 이루어져 있고 같은 공진주파수를 가진다면, 현수 구조물(관성체)의 밀도와 변위사이의 관계는 다음 수학식들을 이용하여 설명할 수 있다.The case in which the actuator as shown in FIG. 2 is made of nickel using the conventional method and the case of FIG. 6 manufactured by the present invention will be described. If the suspension structure is made of the same thickness and has the same resonance frequency, the relationship between the density and the displacement of the suspension structure (inertial body) can be explained using the following equations.
먼저, 현수 구조물의 공진주파수 fn은 다음 수학식 2로 표시된다.First, the resonance frequency f n of the suspension structure is represented by the following equation (2).
여기서, k, m은 지지체(23)의 스프링 상수 및 현수 구조물(22)의 질량을 나타낸다.Where k and m represent the spring constant of the support 23 and the mass of the suspension structure 22.
도 2 및 도 6에 도시된 바와 같은 액츄에이터에서의 정전기력은 F∝tV2즉 두께 t에 비례하고 전압 V의 제곱에 비례한다. 그리고 관성체(22)의 질량 m은 m∝ρt과 같다. 즉 질량은 밀도 ρ와 구조물의 두께 t에 비례한다.The electrostatic force in the actuator as shown in Figs. 2 and 6 is proportional to F∝tV 2, the thickness t and proportional to the square of the voltage V. The mass m of the inertial body 22 is equal to m∝ρt. That is, the mass is proportional to the density ρ and the thickness t of the structure.
그러므로 힘 F가 주어질 때 구조물의 변위 δ는 다음 수학식 3과 같다.Therefore, when the force F is given, the displacement δ of the structure is given by Equation 3 below.
여기서, a는 비례상수이다. 수학식 3에서 보면 같은 공진주파수와, 같은 전압에 대하여 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같은 액츄에이터에서는 현수 구조물의 변위는 밀도에 반비례한다. 따라서 본 발명에 의하여 제작되는 구조물은 내부에 가벼운 물질로 채워져 있어 밀도가 낮으므로 같은 전압, 공진주파수에 대하여 훨씬 큰 범위의 변위를 얻을 수 있다.Where a is a proportionality constant. In Equation 3, the displacement of the suspension structure is inversely proportional to the density in the actuator as shown in FIGS. 2 and 6 with respect to the same resonance frequency and the same voltage. Therefore, the structure manufactured by the present invention is filled with a light material therein, so the density is low, so that a much larger range of displacement can be obtained with respect to the same voltage and resonant frequency.
이와 같이 제작된 속이 가벼운 물질로 채워진 현수 구조물(관성체)는 여러 가지 액츄에이터나 가속도, 각가속도 등의 관성 센서에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 액츄에이터(120)는 관성 질량체(현수 구조물)(122)는 다수의 이동빗살(movable comb finger)(127)을 가지면서 스프링(123)과 지지체(124)를 통하여 기판(121)에 지지된다. 이동빗살(127)과 마주보는 위치에 위치하며 이동빗살(27)과 교대로 삽입되는 다수의 고정빗살(fixed comb finger)(25)는 고정 빗살 지지부(126)을 통하여 기판(121)에 지지되어 있다. 고정빗살(125)와 이동빗살(126)에 적절한 전압공급수단(미도시)을 통하여 전압을 가해주면 수학식 1로 표시되는 정전력에 의하여 관성 질량체(122)는 기판(121)과 나란하게 움직인다.Suspended structures (inertial bodies) filled with lightweight materials prepared in this way can be used in various inertial sensors such as actuators, acceleration, and angular acceleration. For example, the actuator 120 having the structure as shown in FIG. 6 has the spring 123 and the support while the inertial mass (suspension structure) 122 has a plurality of movable comb fingers 127. The substrate 121 is supported by the substrate 121. Positioned to face the moving comb 127 and a plurality of fixed comb fingers (25) inserted alternately with the moving comb (27) is supported on the substrate 121 through the fixed comb support (126) have. When voltage is applied to the fixed comb 125 and the moving comb 126 through an appropriate voltage supply means (not shown), the inertial mass 122 moves in parallel with the substrate 121 by the electrostatic force represented by Equation (1). .
본 발명에 의하여 제작되는 현수 구조물(관성 질량체)을 가진 도 6에 도시된 바와 같은 구조의 액츄에이터는 가진 전극과 감지전극을 구비할 경우 가속도 또는 자이로스코프 등 관성센서로 이용할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 액츄에이터 이용하여 자이로스코프로 이용하는 경우를 설명하면 다음과 같다.An actuator having a suspension structure (inertial mass) manufactured according to the present invention as shown in FIG. 6 may be used as an inertial sensor such as an acceleration or a gyroscope when the sensing electrode and the sensing electrode are provided. For example, the case of using the gyroscope using the actuator as shown in FIG. 5 will be described below.
도 6에 도시된 바와 같이, x축 방향으로 관성 질량체(현수 구조물)(22)가 진동하고 있을 때 y방향의 각속도가 입력되면 z방향의 코리올리힘이 발생하여 z방향으로 관성질량체(22)가 진동한다. 이 진동을 적절한 감지전극(미도시)을 이용하여 감지하면 입력된 각속도를 알 수 있다.As shown in FIG. 6, if an angular velocity in the y direction is input while the inertial mass (suspension structure) 22 is vibrating in the x-axis direction, a Coriolis force is generated in the z direction to generate the inertial mass 22 in the z direction. Vibrate. If the vibration is sensed using an appropriate sensing electrode (not shown), the input angular velocity can be known.
또하나의 예로서 가속도계를 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, x 방향의 가속도가 입력되면 관성 질량체는 x방향으로 움직이는데, 이러한 움직임을 전술한이동빗살(127)과 고정빗살(125)에서 발생하는 콘덴서 용량 변화로 감지하면 가속도의 변화를 감지할 수 있다.As another example, an accelerometer will be described. As shown in FIG. 6, when the acceleration in the x direction is input, the inertial mass moves in the x direction. When the movement is detected by the change in the capacitor capacity generated in the above-described moving comb 127 and the fixed comb 125, You can sense the change.
지금 까지 가벼운 현수구조물의 제조 방법 및 이를 채용한 액츄에이터와 관성 센서에 관하여 설명할 때, 제조되는 빗살 구조물을 이용한 정전기력 액츄에이터를 예로들어 설명하였다. 그렇지만 빗살 구조물 정전 액츄에이터 뿐 만 아니라 마주보는 판을 이용한 액츄에이터 등 정전력을 이용하는 모든 구조물에 본 발명의 제작 방법을 이용할 수 있다. 또한, 정전력을 이용한 경우 뿐 만 아니라 자기력 또는 열팽창 등을 이용하는 액츄에이터와 센서에도 본 발명의 제작을 이용할 수 있다.So far, the method of manufacturing the light suspension structure, the actuator and the inertial sensor employing the same, have been described taking an electrostatic force actuator using the comb structure manufactured as an example. However, the manufacturing method of the present invention can be used not only for the comb structure electrostatic actuator, but also for any structure using electrostatic force such as an actuator using a facing plate. In addition, the present invention can be used not only in the case of using electrostatic power but also in actuators and sensors using magnetic force or thermal expansion.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가벼운 현수 구조물을 갖는 액츄에이터 혹은 관성 센서는 현수 구조물의 내부를 가벼운 물질로 채우거나 비어있게 제작함으로써 다음과 같은 여러 가지 효과를 얻을 수 있다.As described above, the actuator or inertial sensor having a light suspension structure according to the present invention can obtain various effects as follows by filling the interior of the suspension structure with a light material or making it empty.
1. 구조물을 만드는 공정이 주로 감광제 코팅, 박막 증착 등의 저온 공정에 의하여 만들어지므로 CMOS와 공정간 간섭이 없으므로, CMOS공정으로 구동 회로를 만들고 그위에 구조물을 만드는 것 가능하다.1. As the process of making structure is mainly made by low temperature process such as photoresist coating and thin film deposition, there is no interference between CMOS and process, so it is possible to make driving circuit by making CMOS process and structure on it.
2. 전체적으로 가벼우므로 현수 구조물의 공진주파수를 높일 수 있어 액츄에이터를 높은 주파수로 움직일 수 있다.2. As it is light overall, the resonant frequency of the suspension structure can be increased, and the actuator can be moved at high frequency.
3. 현수 구조물이 가벼우므로 같은 공진주파수를 가지는 구조물을 만들더라도 변위를 크게 할 수 있다.3. Because the suspension structure is light, the displacement can be increased even if a structure having the same resonance frequency is made.
4. 본 발명에 의한 구조물을 이용한 센서는 공진 주파수가 높으므로 높은 대역폭(bandwidth)을 갖는다.4. The sensor using the structure according to the present invention has a high bandwidth because the resonance frequency is high.
5. 작업하는데 필요한 마스크 수가 줄고 도금이 필요하지 않아 공정 비용이 저렴하다.5. The process cost is low because the number of masks required to work is reduced and no plating is required.
6. 공정이 간단하므로 수율이 높다.6. The yield is high because the process is simple.
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