WO2020080592A1 - Mems accelerometer and manufacturing method thereof - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a MEMS (Microelectromechanical Syetem) accelerometer and a method for manufacturing the same. More specifically, in a MEMS structure manufacturing process in which the minimum line width is limited to d in mass production foundries, the gap between MEMS electrodes can be narrowed to d to be applied to a technical field that simultaneously satisfies high frequency response and sensor sensitivity.
- MEMS Microelectromechanical Syetem
- the effect that can be obtained through MEMS technology can be selected first.
- the application fields of MEMS optical sensors aimed at lower cost are car navigation, vehicle airbag control, camera or video camera shake prevention, cell phone, robot posture control, game gesture input recognition, HDD rotation and shock detection.
- 1 is a view for explaining the basic operation principle of the MEMS accelerometer.
- a schematic MEMS accelerometer is constructed with a proof-mase suspended in a reference frame.
- the dynamic behavior of device motion can be expressed using Newton's second law of motion (Eq. (2-1)).
- the MEMS accelerometer is a secondary spring-mass-damper system, and the operating bandwidth is mostly resonant frequency. It can be determined by. Therefore, a high resonance frequency is required to obtain an acceleration sensing function in a wide frequency range.
- the piezoelectric accelerometer, the piezoresistive accelerometer, and the capacitive accelerometer may be classified according to a conversion mechanism for a method for converting proof-mass movement into an electrical signal.
- the piezoresistive accelerometer is not commercially available because it is difficult to form a piezoelectric material in a thin film state having good characteristics without static characteristics.
- the piezo-resistive accelerometer since the piezo-resistive accelerometer has a large characteristic change due to temperature change, and its compensation is difficult, the recent technological trend of the accelerometer sensor is toward the capacitive type.
- capacitive accelerometers have excellent characteristics because they have a small change in characteristics with temperature, and the signal processing circuit can be configured as a field-effect transistor with excellent integration without a separate process. You can.
- Capacitive accelerometers use a varying capacitance between the proof-mass and the sensing electrode to detect external acceleration. This type of sensing can achieve low power operation and reduce the silicon process. It has the advantage of being easy to implement.
- FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating a capacitive accelerometer.
- Equation (2-4) the distance between the proof-mass and the sensing electrode is d, and consequently, as shown in Equation (2-4). You can get results. here Is the dielectric constant, A is the electrode area, and d is the capacitive gap.
- the sensing electrode is configured such that changes in the gap size due to movement of the verification mass (Fig. 2 (b)) have opposite polarities, and the capacitance differential value ( ) Can be expressed by equation (2-5).
- Equation (2-7) If the displacement difference (x) is much smaller than the gap size (d), Eq. (2-5) can be simplified to Eq. (2-6), and the capacitance differential value for acceleration ( The scale factor represented by) may be expressed as Equation (2-7).
- the capacitive accelerometer is a capacitance differential value ( ) To detect the acceleration.
- the frequency response range uniquely refers to the frequency section of the area where the measurement is accurate.
- the frequency response range refers to a trusted area where the sensor can properly output a signal, and the trusted area can be expressed as a linear section.
- the width of the detectable frequency is narrowed, and when the frequency response range is increased, the signal sensitivity is reduced.
- a method that can simultaneously satisfy high frequency response and sensor sensitivity in a limited chip size is to narrow the gap between MEMS electrodes.
- nanogap accelerometer of Ayazi Lab of Georig tech, USA which discloses the process technique of FIG. 4, is representative.
- both planar and out-of-plane accelerometers use SOI (Silicon) using the high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining technology (HARPSS).
- HARPSS high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining technology
- -on-insulartor can be made on a wafer (Fig. 4 (a)).
- a Deep Reactive-Ion Etching (DRIE) trench that forms the appearance of a mechanical structure on a silicon wafer is etched.
- a side capacitive gap can be defined by thermally growing the sacrificial oxide layer (FIG. 4 (b)).
- a poly-silicon may be filled into the trench using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method (FIG. 4 (c)).
- LPCVD low pressure chemical vapor deposition
- a polysilicon layer is deposited and can be patterned to define the top electrode for out-of-plane orientation (FIG. 4 (e)).
- the sacrificial oxide layer may be removed from hydrofluoric acid (HF) to form a MEMS accelerator structure.
- HF hydrofluoric acid
- the MEMS accelerometer is bonded to the capping wafer to perform sealed wafer level vacuum packaging (1-10 Torr).
- the capping wafer may be separately processed by filling with an insulator to define a groove and to implement a through-silicon-via (TSV). Because the waver has a low resistance, the silicon through electrode (TSV) provides a low resistance path between the envelope pad and the internal MEMS device.
- TSV through-silicon-via
- the depression is etched prior to the capping process, and the gold pattern is defined to eutecticly bond with the MEMS wafer. After sealing, a gold metal trace and pad can be deposited on top of the capping wafer. (Fig. 4 (g), Fig. 4 (h))
- the process method of Ayazi Lab's nanogap acceleration sensor requires complex process such as deposition of oxide film and polysilicon, selective removal of oxide film, and currently, the manufacturing process of MEMS structures in mass production foundries is limited to a minimum line width of about 2um.
- the present invention aims to solve the above-mentioned problems and other problems through the specification of the present invention.
- An object of the present invention is to realize the performance of high sensitivity and high frequency response through a MEMS accelerometer by reducing the gap between electrodes.
- the present invention aims to reduce the spacing between electrodes of a MEMS accelerometer with a minimum of a processable line width in a MEMS accelerometer structure processing method in which the minimum processable line width is limited in silicon foundries, without design process improvement.
- the verification mass including a plurality of first electrodes floating and moving in the horizontal direction and extending a predetermined length in the vertical direction to the movement direction, both ends of the verification mass A first elastic body elastically supported, a fixed electrode including a plurality of second electrodes extending a predetermined length toward the verification mass, and the first electrode provided between the verification mass and the fixed electrode and located on both sides And a third electrode, each of which is disposed overlapping the second electrode, wherein the third electrode is attached to the second electrode to reduce a gap between the first electrode and the third electrode.
- a MEMS accelerometer characterized in that it floats and moves in a horizontal direction.
- the mobile electrode is moved by a constant power between the third electrode and the second electrode MEMS accelerometer, characterized in that fixed to the fixed electrode to provide.
- the first electrode and the third electrode in one direction and the second electrode and the third electrode in the other direction are respectively disposed overlap, the first MEMS accelerometer, characterized in that the line width direction between the electrode and the one-way third electrode is parallel to the line width direction between the third electrode and the second electrode in the other direction.
- the gap between the third electrode and the second electrode provides a MEMS accelerometer, characterized in that less than the gap between the third electrode and the first electrode do.
- the MEMS accelerometer provides a MEMS accelerometer further comprising a second elastic body elastically supporting both ends of the mobile electrode.
- the second elastic body provides a MEMS accelerometer characterized in that the third electrode provides an asymmetrical external force to maintain the attachment state to the second electrode. to provide.
- the verification mass forms one body, and is provided to surround each of the fixed electrodes provided symmetrically on one plane, and the movement MEMS accelerometer, characterized in that two electrodes are provided symmetrically between the two fixed electrodes and the verification mass.
- a plurality of verification masses floating and moving horizontally in the process in a method of manufacturing a MEMS accelerometer with a minimum line width processable in silicon foundries limited to d, a plurality of verification masses floating and moving horizontally in the process.
- the line width between the first electrode and the third electrode in one direction of the movable electrode floating and moving horizontally is formed by d + a (a ⁇ d), the second electrode of the fixed fixed electrode and the third of the other electrode of the mobile electrode Forming a line width between electrodes to a minimum d, moving the moving electrode during the design process to attach the second electrode and the third electrode in the other direction, and a minimum line width between the first electrode and the one-way third electrode a
- It provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer comprising the step of forming.
- the design process comprises moving the moving electrode by a constant power between the third electrode and the second electrode in the other direction.
- a method of manufacturing a MEMS accelerometer is provided.
- the process step of the first electrode and the one-way third electrode and the second electrode and the other electrode in the third direction are overlapped, respectively Provided is a method of manufacturing a MEMS accelerometer, wherein the line width direction between the second electrode and the third electrode in the other direction is parallel to the line width direction between the third electrode and the second electrode in the other direction.
- the design process elastically supports both ends of the verification mass by a first elastic body, and both ends of the movable electrode are burnt by a second elastic body. It provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer characterized in that it is designed to be sexually supported.
- the design process provides an asymmetrical external force such that the second elastic body maintains an attachment state between the third electrode and the second electrode in the other direction. It provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer, characterized in that.
- the process process is such that the verification mass forms one body, and is formed to surround each of the fixed electrodes symmetrically provided on one plane. And, it provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer, characterized in that the moving electrode is formed to be provided symmetrically between the two fixed electrodes and the verification mass.
- the present invention can fabricate MEMS accelerometers with inter-electrode spacing smaller than the minimum line width processable in silicon foundries.
- the present invention can realize high-sensitivity and high-frequency response performance through a MEMS accelerometer by reducing the gap between electrodes.
- the present invention can reduce the gap between the electrodes of the MEMS accelerometer using only the design technology through the existing process technology, without the effort and resources required to reduce the minimum processable line width in the silicon foundry process.
- 1 is a view for explaining the basic operation principle of the MEMS accelerometer.
- FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating a capacitive accelerometer.
- FIG. 3 is a diagram for explaining a correlation between a signal sensitivity and a frequency response range in a capacitive accelerometer.
- FIG. 4 is a view showing an embodiment of a MEMS accelerometer process method.
- FIG. 5 is a view for explaining a conventional capacitive accelerometer.
- FIG. 6 is a view for explaining a capacitive accelerometer according to the present invention.
- FIG. 7 is an enlarged view of FIG. 6B, and is a view for explaining a method of reducing the inter-electrode spacing in the capacitive accelerometer according to the present invention.
- FIG. 8 is a view for explaining an embodiment of the capacitive accelerometer according to the present invention.
- FIG. 5 is a view for explaining a conventional capacitive accelerometer.
- the basic structure of the existing capacitive MEMS accelerometer is outlined as follows.
- the first elastic body 514 and the first elastic body elastically supporting both ends of the verification mass 511 which is a movable structure that can be floated and moved.
- the fixed electrode 521 may include a second electrode 522 extending in the direction of the verification mass 511 and overlapping the first electrode.
- the capacitance between the first electrode 512 and the second electrode 522 changes, and the change in the capacitance induces a change in the sense voltage applied to the classic electrode 521, It is amplified and measured through an amplifier (not shown) connected to the first electrode 512 to measure the applied acceleration.
- the MEMS accelerometer may be provided by intersecting the first electrode 512 and the second electrode 522 in a comb type in order to further enlarge the amount of change in the capacitance output with respect to acceleration.
- the signal sensitivity and frequency response range of the MEMS accelerometer may be determined at intervals of the portion A in FIG. 5.
- FIG. 6 is a view for explaining a capacitive accelerometer according to the present invention.
- the MEMS accelerometer according to the present invention is suspended, moves in a horizontal direction, and includes a verification mass 511 including a plurality of first electrodes 612 extending in a vertical direction in the movement direction, and both ends of the verification mass 611.
- the first elastic body 614 to elastically support, the fixed electrode 621 including a plurality of second electrodes 622 extending a predetermined length toward the verification mass 611, and the verification mass 611
- the movable electrode 631 is provided between the fixed electrodes 621 and includes a third electrode 632 overlapping the first electrode 612 and the second electrode 622 positioned on both sides. Including, the mobile electrode 631 is suspended so that the third electrode 632 is attached to the second electrode 622 to reduce the gap between the first electrode 611 and the third electrode 632. It can move in the horizontal direction.
- the moving electrode 621 may be suspended in a direction parallel to the direction in which the verification mass 611 moves, and may be elastically supported at both ends through the second elastic body 631. Specifically, the verification mass 611 and the moving electrode 621 may be elastically supported by the first elastic body 614 and the second elastic body connected to the first anchor 613 and the second anchor 633, respectively. .
- the moving electrode 621 may include a third electrode 632a in one direction and a third electrode 632b in the other direction extending in a predetermined length in both directions vertically in the moving direction, and the third electrode ( 632a) may be overlapped with the first electrode 612, and the third electrode 632a in the other direction may be overlapped with the second electrode 612.
- first electrode 612 and the third electrode 632a in one direction, and the second electrode 621 and the third electrode 632b in the other direction are overlapped, respectively, and the first electrode 612 and the The line width direction between the third electrode 632a in one direction may be parallel to the line width direction between the third electrode 632b and the second electrode 622 in the other direction.
- an interval between the third electrode 632b in the other direction and the second electrode 622 may be smaller than an interval between the third electrode 632a and the first electrode 612 in one direction.
- the feature of the present invention is to reduce the gap between the first electrode 612 and the third electrode 632a in one direction. In this regard, it will be described in detail in FIG. 7.
- FIG. 7 is an enlarged view of FIG. 6B, and is a view for explaining a method of reducing the inter-electrode spacing in the capacitive accelerometer according to the present invention.
- FIG. 7 (a) is a method of manufacturing a MEMS accelerometer in which the minimum line width processable in silicon foundries is limited to d, a plurality of first electrodes 612 and suspensions of the verification mass 611 suspended and horizontally moved in the process.
- the line width between the one-way third electrode 632a of the movable electrode 631 moving horizontally is formed as d + a, and the second electrode 622 of the fixed fixed electrode 621 and the other of the movable electrode 631
- the moving electrode 631 is moved in the C direction to attach the second electrode 622 and the third electrode 632b in the other direction, and the first electrode
- the line width between 612 and the third electrode 632a in one direction may be formed to a minimum of a (d + a-d 'in FIG. 7 (b)).
- the present invention uses a conventional process method in which the minimum line width that can be processed in silicon foundries is limited to d, and the distance between the first electrode 612 and the third electrode 632a in one direction, which is caused by a change in capacitance, is greater than d It can be implemented with a small a.
- the third electrode 632b and the second electrode 622 in the other direction are attached by a constant power, and the movable electrode 631 may be fixed to the fixed electrode 621.
- the change in the capacitance is the first direction connected to the conductor.
- An amplifier (not shown) connected to the first electrode 512 is induced by inducing a change in the sensing voltage applied to the fixed electrode 521 through the third electrode 632a and the third electrode 632b in the other direction. It can be amplified and measured.
- the third electrode 632b and the second electrode 622 in the other direction may be attached by using pull-in, adhesion, and stiction phenomena in addition to constant power, and in some cases, a second elastic body that provides an asymmetrical external force ( 634).
- the present invention can form the gap between the electrodes of the MEMS accelerometer to less than 0.5 nm less than 2 ⁇ m using the process method of the nanogap acceleration sensor of Ayazi Lab illustrated in FIG. 4.
- FIG. 8 is a view for explaining an embodiment of the capacitive accelerometer according to the present invention.
- the fixed electrode 621 and the movable electrode 631 may be symmetrically provided on a plane.
- the verification mass 611 forms one body, and is provided to surround each of the fixed electrodes 621 provided symmetrically on one plane, and the movable electrode 631 is fixed to the two Two electrodes may be symmetrically provided between the electrode 621 and the verification mass 611.
- the verification mass 611 is connected to the first anchor 613 through the first elastic body 614 and is movable in one direction by inertia, and the moving electrode 611 is the second elastic body to the second anchor 633 It is fixed to (614), it is possible to support the third electrode (632b) in the other direction to move to be attached to the second electrode (622).
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Abstract
Description
본 발명은 MEMS(Microelectromechanical Syetem) 가속도계 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 양산 파운드리에서 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 구조물 제작공정에서, MEMS 전극 사이의 간격을 d보다 좁혀 높은 주파수 응답과 센서 감도를 동시게 만족하는 기술 분야에 적용이 가능하다.The present invention relates to a MEMS (Microelectromechanical Syetem) accelerometer and a method for manufacturing the same. More specifically, in a MEMS structure manufacturing process in which the minimum line width is limited to d in mass production foundries, the gap between MEMS electrodes can be narrowed to d to be applied to a technical field that simultaneously satisfies high frequency response and sensor sensitivity.
최근 각속도 센서는 MEMS 기술을 응용한 미세 가공 기술의 발전에 의해, 소형화와 고성능화 및 저가격화를 실현하는 것이 가능하게 되었다.In recent years, with the development of micro-machining technology using MEMS technology, it is possible to realize miniaturization, high performance and low cost.
초소형 가속도계 개발에 있어서, MEMS 기술을 통해 얻을 수 있는 효과는 우선 소형화를 뽑을 수 있다. 소형화에 더해 저가격화를 목적으로 하는 MEMS 광성센서의 응용분야는 자동차 네비게이션, 차량 탑재 에어백 제어, 카메라나 비디오의 손떨림 방지, 휴대 전화, 로봇의 자세 제어, 게임용 제스처 입력 인식, HDD의 회전 및 충격 검지 등이 있으며, 인가된 가속도에 의해 가속도계 내 검증 질량의 변위가 변화되고 이를 전압 등으로 변화하여 인가된 가속도를 측정하는 변위형 가속도계가 사용되는 것이 일반적이다.In the development of ultra-compact accelerometer, the effect that can be obtained through MEMS technology can be selected first. In addition to miniaturization, the application fields of MEMS optical sensors aimed at lower cost are car navigation, vehicle airbag control, camera or video camera shake prevention, cell phone, robot posture control, game gesture input recognition, HDD rotation and shock detection. There is a lamp, and the displacement of the verification mass in the accelerometer is changed by the applied acceleration, and it is common to use a displacement accelerometer that measures the applied acceleration by changing it to a voltage.
도 1은 MEMS 가속도계의 기본 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining the basic operation principle of the MEMS accelerometer.
개략적인 MEMS 가속도계는 기준 프레임(reference frame)에 검증 질량(proof-mase)이 매달린 상태로 구성이 된다. 미세 기계식 스프링(K)와 댐퍼(D)를 통홰 외부 가속이 적용될 때, 기준 프레임(reference frame)은 주어진 방향 (y)을 향해 움직이지만, 검증 질량(proof-mass)는 관성에 의해 원래의 위치(z)에 머무르게 된다. 이 동작으로 인해 검증 질량(proof-mass)와 기준 프레임(reference frame) 상의 변위 차(x)가 발생하며, 이는 x=y-z와 같다.A schematic MEMS accelerometer is constructed with a proof-mase suspended in a reference frame. When external acceleration is applied through the micromechanical spring (K) and the damper (D), the reference frame moves toward a given direction (y), but the proof-mass is in its original position by inertia. (z). Due to this operation, a displacement difference (x) on the proof-mass and the reference frame occurs, which is equal to x = y-z.
장치 운동의 동적 거동은 뉴턴의 제2 운동 법칙(식 (2-1))을 사용하여 표현될 수 있다.The dynamic behavior of device motion can be expressed using Newton's second law of motion (Eq. (2-1)).
, 식 (2-1) , Equation (2-1)
, 식 (2-2) , Equation (2-2)
정상 상태 조건( )을 가정하면, 변위는 식 (2-2)와 같이 인가된 가속도에 비례한다.Steady state conditions ( Assuming), the displacement is proportional to the applied acceleration as in equation (2-2).
주어진 외력( )과 변위차(x) 사이의 전달 함수는 식 (2-3)과 같이 나타날 수 있다.Given external force ( ) And the displacement difference (x) can be expressed as Equation (2-3).
, 식 (2-3) , Equation (2-3)
MEMS 가속도계는 2차 스프링-질량-댐퍼 시스템이며, 작동 대역폭은 대부분 공진 주파수 에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 넓은 주파수 범위에서 가속도 감지 기능을 얻으려면 높은 공진 주파수가 필요하다.The MEMS accelerometer is a secondary spring-mass-damper system, and the operating bandwidth is mostly resonant frequency. It can be determined by. Therefore, a high resonance frequency is required to obtain an acceleration sensing function in a wide frequency range.
검증 질량(proof-mass) 이동이 전기 신호로 변환되는 방법에 대한 변환 메커니즘에 따라 압전형 가속도계, 압저항형 가속도계 및 전기용량형 가속도계로 구분될 수 있다.The piezoelectric accelerometer, the piezoresistive accelerometer, and the capacitive accelerometer may be classified according to a conversion mechanism for a method for converting proof-mass movement into an electrical signal.
그러나, 압저항 가속도계는 정적특성이 없고 양호한 특정을 갖는 박막상태의 압전물질의 형성이 어렵기 때문에 상업적으로 퇴보하고 있는 실정이다. However, the piezoresistive accelerometer is not commercially available because it is difficult to form a piezoelectric material in a thin film state having good characteristics without static characteristics.
또한, 압저항형 가속도계는 온도변화에 따른 특성변화가 크고 그 보상이 어렵기 때문에 최근 가속도계센서의 기술동향은 정전용량형을 지향하고 있다.In addition, since the piezo-resistive accelerometer has a large characteristic change due to temperature change, and its compensation is difficult, the recent technological trend of the accelerometer sensor is toward the capacitive type.
이러한 정전용량형 가속도계는 온도에 따른 특성변화가 작을 뿐만 아니라, 신호처리 회로를 별도의 과정 없이 집적도가 뛰어난 전계효과 트랜지스터로 구성할 수 있다는 장점이 있기 때문에 특성이 매우 우수하며 가격이 저렴하게 구현될 수 있다.These capacitive accelerometers have excellent characteristics because they have a small change in characteristics with temperature, and the signal processing circuit can be configured as a field-effect transistor with excellent integration without a separate process. You can.
전기용량형 가속도계는 외부 가속을 감지하기 위해 검증 질량(proof-mass)와 감지 전극(sens electrode) 사이의 변화하는 정전 용량을 이용한다.이러한 유형의 감지는 저전력 작동을 달성할 수 있으며, 실리콘 공정을 사용하여 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다.Capacitive accelerometers use a varying capacitance between the proof-mass and the sensing electrode to detect external acceleration. This type of sensing can achieve low power operation and reduce the silicon process. It has the advantage of being easy to implement.
도 2는 전기용량형 가속도계를 단순화하여 도식한 개념도이다.2 is a conceptual diagram schematically illustrating a capacitive accelerometer.
정적 조건(도 2(a))에서 검증 질량(proof-mass)와 감지 전극(sens electrode)의 사이의 거리는 d 이며, 결과적으로 식 (2-4)과 같은 결과를 얻을 수 있다. 여기서 는 유전율을, A는 전극 면적, d는 전기 용량 갭(gap)을 의미한다.In a static condition (Fig. 2 (a)), the distance between the proof-mass and the sensing electrode is d, and consequently, as shown in Equation (2-4). You can get results. here Is the dielectric constant, A is the electrode area, and d is the capacitive gap.
, 식 (2-4) , Equation (2-4)
감지 전극은 검증 질량의 이동(도 2(b))으로 인한 갭 크기의 변화가 서로 반대 극성을 갖도록 구성되며, 전기용량 차동값( )은 식 (2-5)로 표현될 수 있다.The sensing electrode is configured such that changes in the gap size due to movement of the verification mass (Fig. 2 (b)) have opposite polarities, and the capacitance differential value ( ) Can be expressed by equation (2-5).
, 식 (2-5) , Equation (2-5)
, 식 (2-6) , Equation (2-6)
변위차(x)가 갭 크기(d)보다 훨씬 작은 경우 식 (2-5)는 식 (2-6)으로 단순화 될 수 있으며, 가속도에 대한 전기용량 차동값( )으로 표현되는 스케일 팩터(scale factor)는 식 (2-7)과 같이 표현될 수 있다.If the displacement difference (x) is much smaller than the gap size (d), Eq. (2-5) can be simplified to Eq. (2-6), and the capacitance differential value for acceleration ( The scale factor represented by) may be expressed as Equation (2-7).
, 식 (2-7) , Equation (2-7)
즉, 전기용량형 가속도계는 전기용량 차동값( )을 통해 가속도를 감지할 수 있다.That is, the capacitive accelerometer is a capacitance differential value ( ) To detect the acceleration.
가속도계 센서를 선택함에 있어 중요한 순위를 따진다면, 단연 감도(Sensitivity)와 주파수 응답범위(frequency range)일 것이다. 주파수 응답범위는 고유하게 측정이 정확한 구역의 주파수 구간을 의미한다. 주파수 응답범위는 센서가 제대로 맞는 신호를 출력해 줄 수 있는 신뢰가 있는 구역을 의미하며, 신뢰있는 구역을 선형구간으로 표현할 수 있다.Sensitivity and frequency range will be the most important if you take an important priority in selecting an accelerometer sensor. The frequency response range uniquely refers to the frequency section of the area where the measurement is accurate. The frequency response range refers to a trusted area where the sensor can properly output a signal, and the trusted area can be expressed as a linear section.
다만, 식 (2-5)에서 살펴본 바와 같이 전기용량 차동값( )과 변위차(x)는 비선형 관계에 있기 때문에, 중파수 응답 범위와 센서 감도는 도 3과 같이 트레이드 오프(trade-off)되는 관계가 나타난다.However, as shown in equation (2-5), the differential value of capacitance ( ) And the displacement difference (x) are in a non-linear relationship, so that the medium frequency response range and the sensor sensitivity are traded off as shown in FIG. 3.
즉, 센서의 신호감도를 높이면 검출할 수 있는 주파수의 폭이 좁아지고, 주파수응답범위를 높이면 신호의 감도가 떨어지게 된다.That is, when the signal sensitivity of the sensor is increased, the width of the detectable frequency is narrowed, and when the frequency response range is increased, the signal sensitivity is reduced.
제한된 칩 사이즈에서 높은 주파수응답과 센서 감도를 동시에 만족할 수 있는 방법(도 3의 c)은 MEMS 전극 사이의 간격을 좁히는 것이다. A method that can simultaneously satisfy high frequency response and sensor sensitivity in a limited chip size (c in FIG. 3) is to narrow the gap between MEMS electrodes.
관련 연구로는 도 4의 공정 기법을 개시하고 있는 미국 Georig tech의 Ayazi Lab의 nanogap accelerometer가 대표적이다.As a related research, nanogap accelerometer of Ayazi Lab of Georig tech, USA, which discloses the process technique of FIG. 4, is representative.
구체적으로, 도 4의 공정 기법을 살펴보면, 평면과 면외 가속도계는 모두 고 종횡비 폴리 및 단결성 실리콘 공정(The high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining technology, HARPSS)을 사용하여 SOI(Silicon-on-insulartor)웨이퍼 상에 제조될 수 있다(도 4(a)).Specifically, when looking at the process technique of FIG. 4, both planar and out-of-plane accelerometers use SOI (Silicon) using the high aspect-ratio combined poly- and single-crystal silicon micromachining technology (HARPSS). -on-insulartor) can be made on a wafer (Fig. 4 (a)).
실리콘 웨이퍼상에 기계적 구조의 외형을 형성하는 DRIE(Deep Reactive-Ion Etching) 트렌치를 에칭한다. 그리고 희생 산화물층을 열적으로 성장시켜 측면 용량성 갭을 정의할수 있다(도 4(b)).A Deep Reactive-Ion Etching (DRIE) trench that forms the appearance of a mechanical structure on a silicon wafer is etched. And a side capacitive gap can be defined by thermally growing the sacrificial oxide layer (FIG. 4 (b)).
이후, 저압화학기상증착법(Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하여 폴리실리콘(poly-silicon)을 트렌치에 채울 수 있다(도 4(c)).Subsequently, a poly-silicon may be filled into the trench using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method (FIG. 4 (c)).
이후, 상부 및 브리징 전극을 정의하기 위해 추가로 패터닝되고, 평면 외부의 갑지갭을 위치하기 위한 희생 산화물 층이 추가로 성장될 수 있다(도 4(d)).Thereafter, it is further patterned to define the top and bridging electrodes, and a sacrificial oxide layer for positioning the gap between the planes can be further grown (FIG. 4 (d)).
이후, 폴리 실리콘층이 증착되고, 평면외 방향에 대한 상부 전극이 정의되기 위해 패터닝될 수 있다(도 4(e)).Thereafter, a polysilicon layer is deposited and can be patterned to define the top electrode for out-of-plane orientation (FIG. 4 (e)).
이후, 희생 산화물층은 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid, HF)에서 제거되어 MEMS 가속도게 구조물이 제작될 수 있다.Thereafter, the sacrificial oxide layer may be removed from hydrofluoric acid (HF) to form a MEMS accelerator structure.
이후, MEMS 가속도계는 밀페된 웨이퍼 레벨 진공 포장(1~10Torr)을 수행하기 위해, 캡핑 웨이퍼에 접합된다. 이때, 캡핑 웨이퍼는 홈을 정의하고, 실리콘 관통전극(through-silicon-via, TSV)을 구현하기 위해 절연체로 채워 별도로 처리될 수 있다. 웨이버는 저항이 낮기 때문에, 실리콘 관통전극(TSV)은 외푸 패드와 내부 MEMS 디바이스 사이에 낮은 저항 경로를 제공한다. 함몰부는 캡핑 공정 이전에 에칭되고, 금 패턴은 MEMS 웨이퍼와 공융 결합하도록 정의된다. 밀봉 후에, 금 금속 트레이스 및 패드가 캐핑 웨이퍼의 상부에 증착될 수 있다. (도 4(g), 도 4(h))Thereafter, the MEMS accelerometer is bonded to the capping wafer to perform sealed wafer level vacuum packaging (1-10 Torr). At this time, the capping wafer may be separately processed by filling with an insulator to define a groove and to implement a through-silicon-via (TSV). Because the waver has a low resistance, the silicon through electrode (TSV) provides a low resistance path between the envelope pad and the internal MEMS device. The depression is etched prior to the capping process, and the gold pattern is defined to eutecticly bond with the MEMS wafer. After sealing, a gold metal trace and pad can be deposited on top of the capping wafer. (Fig. 4 (g), Fig. 4 (h))
다만, Ayazi Lab의 nanogap 가속도 센서의 공정 방법은 산화막 및 폴리 실리콘 증착, 산화막 선택적 제거등 복잡한 공정과정이 필요하며, 현재 양산 파운드리에서 MEMS 구조물 제작공정은 최소 선폭이 2um정도로 제한되어 있다.However, the process method of Ayazi Lab's nanogap acceleration sensor requires complex process such as deposition of oxide film and polysilicon, selective removal of oxide film, and currently, the manufacturing process of MEMS structures in mass production foundries is limited to a minimum line width of about 2um.
따라서, 현재 MEMS 구조물의 제작공정에서 최소 선폭을 2um 이하로 줄이기 위해서는 공정장비나 공정 기법의 개선에 많은 노력과 자원이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, in order to reduce the minimum line width to 2 µm or less in the manufacturing process of MEMS structures, a lot of effort and resources are required to improve process equipment and process techniques.
본 발명은 전술한 문제 및 기타 본 발명의 명세서를 통해 기타 문제들 역시 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the above-mentioned problems and other problems through the specification of the present invention.
본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭보다 작은 전극간 간격을 가지는 MEMS 가속도계를 제공하는데 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a MEMS accelerometer with an inter-electrode spacing less than the minimum processable line width in silicon foundries.
본 발명은 전극간 간극을 줄여 MEMS 가속도계를 통해 고감도, 고주파수응답의 성능을 구현하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to realize the performance of high sensitivity and high frequency response through a MEMS accelerometer by reducing the gap between electrodes.
본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭이 제한된 MEMS 가속도계 구조물 공정 방법에서, 공정기술 개선 없이 설계 기술만으로 MEMS 가속도계의 전극간 간격은 공정가능한 최소 선폭보다 줄이는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to reduce the spacing between electrodes of a MEMS accelerometer with a minimum of a processable line width in a MEMS accelerometer structure processing method in which the minimum processable line width is limited in silicon foundries, without design process improvement.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시에에 따라, 부유되어 수평방향으로 이동하며, 이동방향에 수직방향으로 일정길이 연장되는 복수의 제1 전극을 포함하는 검증 질량, 상기 검증 질량의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체, 상기 검증 질량측으로 일정길이 연장되는 복수의 제2 전극을 포함하는 고정전극, 그리고, 상기 검증 질량과 상기 고정전극 사이에 구비되며, 양측에 위치하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 각각 중첩배치되는 제3 전극을 포함하는 이동 전극을 포함하며, 상기 이동전극은 상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착되어 상기 제1 전극와 상기 제3 전극간 간격을 줄이도록 부유되어 수평방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.In order to achieve the above object, according to one embodiment of the present invention, the verification mass including a plurality of first electrodes floating and moving in the horizontal direction and extending a predetermined length in the vertical direction to the movement direction, both ends of the verification mass A first elastic body elastically supported, a fixed electrode including a plurality of second electrodes extending a predetermined length toward the verification mass, and the first electrode provided between the verification mass and the fixed electrode and located on both sides And a third electrode, each of which is disposed overlapping the second electrode, wherein the third electrode is attached to the second electrode to reduce a gap between the first electrode and the third electrode. It provides a MEMS accelerometer characterized in that it floats and moves in a horizontal direction.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이동 전극은 상기 제3 전극과 상기 제2 전극간 정전력에 의해 이동하여 상기 고정전극에 고정되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.In addition, according to an embodiment of the present invention to achieve the above object, the mobile electrode is moved by a constant power between the third electrode and the second electrode MEMS accelerometer, characterized in that fixed to the fixed electrode to provide.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극과 일방향의 상기 제3 전극 및 상기 제2 전극과 타방향의 상기 제3 전극은 각각 중첩배치되고, 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극간 선폭 방향은 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 선폭 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.In addition, according to an embodiment of the present invention to achieve the above object, the first electrode and the third electrode in one direction and the second electrode and the third electrode in the other direction are respectively disposed overlap, the first MEMS accelerometer, characterized in that the line width direction between the electrode and the one-way third electrode is parallel to the line width direction between the third electrode and the second electrode in the other direction.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 전극과 상기 제2 전극간 간격은 상기 제3 전극과 상기 제1 전극간 간격보다 작은 것을 특징으로하는 MEMS 가속도계를 제공한다.In addition, according to an embodiment of the present invention to achieve the above object, the gap between the third electrode and the second electrode provides a MEMS accelerometer, characterized in that less than the gap between the third electrode and the first electrode do.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MEMS 가속도계는 상기 이동전극의 양단을 탄성적으로 지지하는 제2 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.In addition, according to an embodiment of the present invention to achieve the above object, the MEMS accelerometer provides a MEMS accelerometer further comprising a second elastic body elastically supporting both ends of the mobile electrode.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 탄성체는 상기 제3 전극이 상기 제2 전극에 부착상태를 유지하도록 비대칭적인 외력을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계를 제공한다.In addition, according to an embodiment of the present invention to achieve the above object, the second elastic body provides a MEMS accelerometer characterized in that the third electrode provides an asymmetrical external force to maintain the attachment state to the second electrode. to provide.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 검증질량은 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극을 각각 둘러싸도록 구비되며, 상기 이동전극은 상기 두 개의 고정 전극과 상기 검증 질량 사이에 대칭적으로 두 개 구비되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계.In addition, according to an embodiment of the present invention to achieve the above object, the verification mass forms one body, and is provided to surround each of the fixed electrodes provided symmetrically on one plane, and the movement MEMS accelerometer, characterized in that two electrodes are provided symmetrically between the two fixed electrodes and the verification mass.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 가속도계의 제조 방법에 있어서, 공정 과정에서, 부유되어 수평으로 이동하는 검증질량의 복수의 제1 전극과 부유되어 수평으로 이동하는 이동 전극의 일방향 제3 전극간 선폭을 d+a(a<d)로 형성하고, 고정된 고정전극의 제2 전극과 상기 이동전극의 타방향 제3 전극간 선폭을 최소 d로 형성하는 단계, 설계 과정에서 상기 이동전극을 이동하여 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극을 부착하고, 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극간 선폭을 최소 a로 형성하는 단계를 포함하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention to achieve the above object, in a method of manufacturing a MEMS accelerometer with a minimum line width processable in silicon foundries limited to d, a plurality of verification masses floating and moving horizontally in the process. The line width between the first electrode and the third electrode in one direction of the movable electrode floating and moving horizontally is formed by d + a (a <d), the second electrode of the fixed fixed electrode and the third of the other electrode of the mobile electrode Forming a line width between electrodes to a minimum d, moving the moving electrode during the design process to attach the second electrode and the third electrode in the other direction, and a minimum line width between the first electrode and the one-way third electrode a It provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer comprising the step of forming.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 설계 과정은 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 정전력에 의해 상기 이동전극을 이동하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention to achieve the above object, the design process comprises moving the moving electrode by a constant power between the third electrode and the second electrode in the other direction. Provided is a method of manufacturing a MEMS accelerometer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 공정 과정은 상기 제1 전극과 상기 일방향 제3 전극 및 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극을 각각 중첩배치하고, 상기 제2 전극과 상기 타방향 제3 전극간 선폭 방향을 상기 타방향 제3 전극과 상기 제2 전극간 선폭 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention to achieve the above object, the process step of the first electrode and the one-way third electrode and the second electrode and the other electrode in the third direction are overlapped, respectively Provided is a method of manufacturing a MEMS accelerometer, wherein the line width direction between the second electrode and the third electrode in the other direction is parallel to the line width direction between the third electrode and the second electrode in the other direction.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 설계 과정은 상기 검증 질량의 양단을 제1 탄성체에 의해 탄성적으로 지지하고, 상기 이동 전극의 양단이 제2 탄성체에 의해 탄성적으로 지지되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.Further, according to another embodiment of the present invention to achieve the above object, the design process elastically supports both ends of the verification mass by a first elastic body, and both ends of the movable electrode are burnt by a second elastic body. It provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer characterized in that it is designed to be sexually supported.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 설계 과정은 상기 제2 탄성체가 상기 타방향의 제3 전극과 상기 제2 전극이 부착상태를 유지하도록 비대칭적인 외력을 제공하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention to achieve the above object, the design process provides an asymmetrical external force such that the second elastic body maintains an attachment state between the third electrode and the second electrode in the other direction. It provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer, characterized in that.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 공정 과정은 상기 검증질량이 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극을 각각 둘러싸도록 형성하며, 상기 이동 전극이 상기 두 개의 고정 전극과 상기 검증 질량 사이에 대칭적으로 구비되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가속도계의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention to achieve the above object, the process process is such that the verification mass forms one body, and is formed to surround each of the fixed electrodes symmetrically provided on one plane. And, it provides a method of manufacturing a MEMS accelerometer, characterized in that the moving electrode is formed to be provided symmetrically between the two fixed electrodes and the verification mass.
본 발명에 따른 MEMS 가속도계 및 제조 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.When explaining the effect of the MEMS accelerometer and the manufacturing method according to the present invention are as follows.
본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정가능한 최소 선폭보다 작은 전극간 간격을 가지는 MEMS 가속도계를 제작할 수 있다.The present invention can fabricate MEMS accelerometers with inter-electrode spacing smaller than the minimum line width processable in silicon foundries.
본 발명은 전극간 간극을 줄여 MEMS 가속도계를 통해 고감도, 고주파수응답의 성능을 구현할 수 있다.The present invention can realize high-sensitivity and high-frequency response performance through a MEMS accelerometer by reducing the gap between electrodes.
본 발명은 실리콘 파운트리에서 공정가능한 최소 선폭을 공정 과정에서 줄는데 필요한 노력 및 자원 없이, 기존의 공정기술을 통해 설계 기술만으로 MEMS 가속도계의 전극간 간격을 줄일 수 있다.The present invention can reduce the gap between the electrodes of the MEMS accelerometer using only the design technology through the existing process technology, without the effort and resources required to reduce the minimum processable line width in the silicon foundry process.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.Further scope of applicability of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, various changes and modifications within the spirit and scope of the present invention can be clearly understood by those skilled in the art, and thus, specific embodiments such as detailed description and preferred embodiments of the present invention are to be understood as examples only. Should be.
도 1은 MEMS 가속도계의 기본 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining the basic operation principle of the MEMS accelerometer.
도 2는 전기용량형 가속도계를 단순화하여 도식한 개념도이다.2 is a conceptual diagram schematically illustrating a capacitive accelerometer.
도 3은 전기용량형 가속도계에서 신호감도와 주파수응답범위가 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining a correlation between a signal sensitivity and a frequency response range in a capacitive accelerometer.
도 4는 MEMS 가속도계 공정방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.4 is a view showing an embodiment of a MEMS accelerometer process method.
도 5는 기존의 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a conventional capacitive accelerometer.
도 6은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a capacitive accelerometer according to the present invention.
도 7은 도 6의 B를 확대한 도면으로, 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계에서 전극간 간격을 줄이는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is an enlarged view of FIG. 6B, and is a view for explaining a method of reducing the inter-electrode spacing in the capacitive accelerometer according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining an embodiment of the capacitive accelerometer according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar elements are assigned the same reference numbers regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. The suffixes "modules" and "parts" for the components used in the following description are given or mixed only considering the ease of writing the specification, and do not have meanings or roles distinguished from each other in themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, detailed descriptions thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed in the specification is not limited by the accompanying drawings, and all modifications included in the spirit and technical scope of the present invention , It should be understood to include equivalents or substitutes.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, the terms "comprises" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
도 5는 기존의 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a conventional capacitive accelerometer.
본 발명의 특징을 살펴보기에 앞서 기존의 전기용량형 MEMS 가속도계의 기본 구조를 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.Before looking at the features of the present invention, the basic structure of the existing capacitive MEMS accelerometer is outlined as follows.
기존의 전기용량형 MEMS 가속도계는 부유되어 움질일 수 있는 가동구조물인 검증질량(511), 상기 검증질량(511)의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체(514) 및 상기 제1 탄성체가 지지되는 제1 앵커(513), 상기 검증질량(511)의 외부면에 상기 검증질량(511)의 이동방향에 수직방향으로 영장되는 복수의 제1 전극(512), 고정된 고정 전극(521) 및 상기 고정 전극(521)에서 상기 검증 질량(511) 방향으로 연장되어 상기 제1 전극과 중첩배치되는 제2 전극(522)을 포함할 수 있다.Existing capacitive MEMS accelerometers are supported by the first
상기 구성을 갖는 기존의 MEMS 가속도계는 외부로부터 관성력이 인가되면, 상기 검증 질량(511)이 관성력이 작용하는 방향으로 이동하면서, 이에 검증 질량에 연결된 제1 전극(512)도 동일 방향으로 이동하게 되고, 그에 따라 고정 전극(521)의 제2 전극(522)과 거리가 감소하게 된다.(도 5의 A 부분)In the conventional MEMS accelerometer having the above configuration, when an inertial force is applied from the outside, the
이에 따라, 상기 제1 전극(512)과 제2 전극(522) 사이에서의 정전 용량이 변화하게 되고, 상기 정전용량의 변화는 상기 고전 전극(521)에 인가되는 감지전압의 변화를 유도하여, 상기 제1 전극(512)에 연결된 증폭기(미도시)를 통해 증폭되어 측정되어, 인가되는 가속도를 측정할 수 있는 것이다. Accordingly, the capacitance between the
MEMS 가속도계는 가속에 대하여 출력되는 정전용량의 변화량을 보다 확대하기 위해, 상기 제1 전극(512)과 상기 제2 전극(522)가 콤브(comb) 타입으로 교차하여 구비될 수 있다.The MEMS accelerometer may be provided by intersecting the
MEMS 가속도계의 신호감도 및 주파수 응답범위는 도 5의 A 부분의 간격으로 결정될 수 있다.The signal sensitivity and frequency response range of the MEMS accelerometer may be determined at intervals of the portion A in FIG. 5.
상기 도 3에서 설명한 바와 같이 트레이드 오프 관계를 가지는 신호 감도 및 주파수 응답범위를 동시에 만족하기 위해서는 도 5의 A 부분의 간격이 줄어들 필요가 있는데, 도 4에서 설명한 바와 같이 기존의 MEMS 가속도계 공정 기법을 고려하면 공정 과정에서 도 5의 A부분의 간격을 줄이는 것은 많은 노력과 자원이 요구되고 있는 실정이다.As described in FIG. 3, in order to simultaneously satisfy the signal sensitivity and frequency response range having a trade-off relationship, it is necessary to reduce the interval of part A of FIG. 5, considering the conventional MEMS accelerometer process technique as described in FIG. In the process of reducing the spacing of part A of FIG. 5 in the process of lower surface, a lot of effort and resources are required.
따라서, 기존의 공정 기법을 이용하되, 설계 과정에서 도 5의 A 부분의 간격을 줄이는 본 발명의 특징을 이하에서 살펴본다.Therefore, using the existing process technique, the features of the present invention to reduce the spacing of part A of FIG. 5 in the design process will be described below.
도 6은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a capacitive accelerometer according to the present invention.
본 발명에 따른 MEMS 가속도계는, 부유되어 수평방향으로 이동하며, 이동방향에 수직방향으로 일정길이 연장되는 복수의 제 전극(612)를 포함하는 검증 질량(511), 상기 검증 질량(611)의 양단을 탄성적으로 지지하는 제1 탄성체(614), 상기 검증 질량(611)측으로 일정길이 연장되는 복수의 제2 전극(622)를 포함하는 고정전극(621), 그리고, 상기 검증 질량(611)과 상기 고정 전극(621) 사이에 구비되며, 양측에 위칭하는 상기 제1 전극(612) 및 상기 제2 전극(622)에 각각 중첩배치되는 제3 전극(632)를 포함하는 이동 전극(631)을 포함하며, 상기 이동 전극(631)은 상기 제3 전극(632)이 상기 제2 전극(622)에 부착되어 상기 제1 전극(611)과 상기 제3 전극(632)간 간격을 줄이도록 부유되어 수평방향으로 이동할 수 있다.The MEMS accelerometer according to the present invention is suspended, moves in a horizontal direction, and includes a
이동 전극(621)은 상기 검증 질량(611)이 이동하는 방향과 평행한 방향으로 부유되어 이동이 가능하도록 양단에 제2 탄성체(631)를 통해 탄성적으로 지지될 수 있다. 구체적으로, 검증질량(611)과 이동 전극(621)은 각각 제1 앵커(613) 및 제2 앵커(633)에 연결된 제1 탄성체(614) 및 제2 탄성체에 의해 탄성적으로 지지될 수 있다.The moving
또한, 이동 전극(621)은 이동 방향으로 수직하게 양방향으로 일정 길이 연장되는 일방향의 제3 전극(632a)과 타방향의 제3 전극(632b)을 포함할 수 있으며, 상기 일방향의 제3 전극(632a)는 상기 제1 전극(612)과 중첩배치될 수 있으며, 상기 타방향의 제3 전극(632a)는 상기 제2 전극(612)과 중첩배치될 수 있다.In addition, the moving
구체적으로, 제1 전극(612)과 일방향의 제3 전극(632a) 및 제2 전극(621)과 타방향의 제3 전극(632b)은 각각 중첩배치되고, 상기 제1 전극(612)과 상기 일방향의 제3 전극(632a)간 선폭 방향은 상기 타방향의 제3 전극(632b)과 상기 제2 전극(622)간 선폭 방향과 평행할 수 있다.Specifically, the
이때, 타방향의 제3 전극(632b)와 상기 제2 전극(622)간 간격은 일방향의 제3 전극(632a)와 상기 제1 전극(612)간 간격보다 작을 수 있다. 이는 본 발명의 특징이 제1 전극(612)과 상기 일방향의 제3 전극(632a)간 간격을 줄이는데 특징이 있는바 이와 관련하여서는 도 7에서 구체적으로 살펴본다.In this case, an interval between the
도 7은 도 6의 B를 확대한 도면으로, 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계에서 전극간 간격을 줄이는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is an enlarged view of FIG. 6B, and is a view for explaining a method of reducing the inter-electrode spacing in the capacitive accelerometer according to the present invention.
도 7(a)는 실리콘 파운드리에서 공정 가능한 최소 선폭이 d로 제한된 MEMS 가속도계의 제조방법에 있어서, 공정 과정에서 부유되어 수평으로 이동하는 검증질량(611)의 복수의 제1 전극(612)과 부유되어 수평으로 이동하는 이동 전극(631)의 일방향 제3 전극(632a)간 선폭을 d+a로 형성하고, 고정된 고정 전극(621)의 제2 전극(622)과 이동 전극(631)의 타방향 제3 전극(632b)간 선폭을 최소 d(도 7(a)의 d'>=d)로 형성하는 실시예를 도시하고 있다.7 (a) is a method of manufacturing a MEMS accelerometer in which the minimum line width processable in silicon foundries is limited to d, a plurality of
이후 도 7(b)와 같이 설계 과정에서, 상기 이동 전극(631)을 C 방향으로 이동하여 상기 제2 전극(622)와 상기 타방향의 제3 전극(632b)를 부착하고, 상기 제1 전극(612)과 상기 일방향의 제3 전극(632a)간 선폭을 최소 a(도 7(b)의 d+a-d')로 형성할 수 있다.Subsequently, in the design process as shown in FIG. 7 (b), the moving
즉, 본 발명은 실리콘 파운드리에서 공정 가능한 최소 선폭이 d로 제한된 기존의 공정 방법을 이용하여 정전용량의 변화가 야기되는 제1 전극(612)과 일방향의 제3 전극(632a)간 간격을 d보다 작은 a로 구현이 가능하다.That is, the present invention uses a conventional process method in which the minimum line width that can be processed in silicon foundries is limited to d, and the distance between the
이때, 타방향의 제3 전극(632b)과 제2 전극(622)간 정전력에 의해서 부착되고, 이동 전극(631)은 고정 전극(621)에 고정될 수 있다. At this time, the
검증 질량(611)이 관성에 의해 이동 하여 상기 제1 전극(612)과 일방향의 제3 전극(632a) 사이에서의 정전 용량이 변화하게 되면, 상기 정전용량의 변화는 도체로 연결된 상기 일방향의 제3 전극(632a)과 상기 타방향의 제3 전극(632b)를 통해 상기 고정 전극(521)에 인가되는 감지전압의 변화를 유도하여, 상기 제1 전극(512)에 연결된 증폭기(미도시)를 통해 증폭되어 측정될 수 있다.When the
타방향의 제3 전극(632b)과 제2 전극(622)는 정전력 외에 Pull-in과 adhesion, stiction 현상을 이용하여 부착될 수 있고, 경우에 따라서는 비대칭적인 외력을 제공하는 제2 탄성체(634)에 의해서 부착상태를 유지할 수 있다.The
상기와 같은 설계상의 고정을 통해, 본 발명은 도 4에서 예시한 Ayazi Lab의 nanogap 가속도 센서의 공정 방법을 이용하여 2um보다 작은 0.5nm 이하로 MEMS 가속도계의 전극 간 간격을 형성할 수 있다.Through the above design fixation, the present invention can form the gap between the electrodes of the MEMS accelerometer to less than 0.5 nm less than 2 μm using the process method of the nanogap acceleration sensor of Ayazi Lab illustrated in FIG. 4.
도 8은 본 발명에 따른 전기용량형 가속도계의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining an embodiment of the capacitive accelerometer according to the present invention.
본 발명은 도 8에 설명한 바와 같이 고정 전극(621)과 이동 전극(631)이 평면 상에서 대칭적으로 구비될 수 있다.In the present invention, as described in FIG. 8, the fixed
구체적으로, 검증질량(611)은 하나의 바디를 이루며, 일 평면 상에 대칭적으로 두 개 구비된 상기 고정 전극(621)을 각각 둘러 싸도록 구비되며, 이동 전극(631)은 상기 두 개의 고정 전극(621)과 상기 검증 질량(611) 사이에 대칭적으로 두개 구비될 수 있다.Specifically, the
검증 질량(611)은 제1 앵커(613)에 제1 탄성체(614)를 통해 연결되어 관성에 의해 일 방향으로 이동이 가능하고, 이동 전극(611)은 제2 앵커(633)에 제2 탄성체(614)에 고정되어, 타방향의 제 3 전극(632b)이 제2 전극(622)에 부착 가능하도록 이동하도록 하는 것을 지지할 수 있다. The
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above detailed description should not be construed as limiting in all respects, but should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.
Claims (13)
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