KR19990026669A - Semiconductor Angular Velocity Sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기준진동에 대한 검지 진동방향을 실리콘기판과 평행한 평면내에서 수행되도록 한 반도체 각속도센서에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor angular velocity sensor in which the detection vibration direction with respect to the reference vibration is performed in a plane parallel to the silicon substrate.
본 발명에 따른 반도체 각속도 센서는 반도체 기판, 반도체 기판과 소정간격 이격되도록 탄성빔에 의해 지지되는 진동자, 진동자의 측면에 상호 대칭되도록 마련된 검지빔, 진동자에 기준진동을 일으키기 위한 가동전극, 진동자의 기준진동시 외력이 가해진 경우 반도체 기판과 수평되게 작용토록 하여 외력을 정전용량의 변화량으로 검출하는 검지전극이 마련된 것을 특징으로 한다.The semiconductor angular velocity sensor according to the present invention includes a semiconductor substrate, a vibrator supported by an elastic beam so as to be spaced apart from the semiconductor substrate by a predetermined distance, a detection beam provided to be symmetrical to the side of the vibrator, a movable electrode for generating a reference vibration on the vibrator, and a reference of the vibrator. When an external force is applied during vibration, a detection electrode is provided to detect the external force as a change amount of capacitance by acting horizontally with the semiconductor substrate.
본 발명에 의하면, 상/하부전극을 생략할 수 있어 반도체를 미세제작함에 있어 효과가 있고, 또한 공정 및 구조를 단순화시킬 수 있어 경제적효과를 극대화 시킬 수 있다.According to the present invention, since the upper and lower electrodes can be omitted, it is effective in microfabrication of the semiconductor, and the process and structure can be simplified to maximize the economic effect.
Description
본 발명은 반도체 각속도센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기준진동에 대한 검지 진동방향을 실리콘기판에 평행한 평면내에서 수행되도록 한 반도체 각속도센서에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor angular velocity sensor, and more particularly, to a semiconductor angular velocity sensor in which the detection vibration direction for a reference vibration is performed in a plane parallel to the silicon substrate.
일반적으로 진동, 충격, 가속도 등의 물리량을 감지하는 반도체 각속도센서는 자동차, 비행기, 선박 등 각종 수송수단, 그리고 공장자동화 및 로보트 등의 제어시스템에 있어서, 필수적인 소자이며 그 소자의 응용 및 활용기술은 무한하다.In general, semiconductor angular velocity sensors that detect physical quantities such as vibration, shock, and acceleration are essential elements in various transportation means such as automobiles, airplanes, ships, and factory automation and robots. Infinite
반도체 각속도 센서는 가속도에 의해 작용되는 힘을 받아들이는 미세 기계구조부, 이 힘을 전기적 신호로 바꾸어주는 변환 소자부, 정격출력을 만들어 주는 신호처리부의 세 부분으로 구성되어 있으며, 이 중 변환 소자부는 미세구조에 가해지는 응력을 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환기로서 저항변화, 용량변화, 또는 압전효과 등을 이용하여 제조된다.The semiconductor angular velocity sensor is composed of three parts, a micromechanical structure that receives the force acting on the acceleration, a conversion element portion that converts this force into an electrical signal, and a signal processing portion that produces a rated output. It is a transducer that converts the stress applied to the structure into an electrical signal, and is manufactured by using resistance change, capacity change, or piezoelectric effect.
도 1은 전술한 용량변화를 이용한 종래의 반도체 각속도 센서의 구성을 보인 단면도로서 이를 참조하여 그 동작을 설명하고자 한다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional semiconductor angular velocity sensor using the above-described capacitance change.
미세구조물을 형성하고 있는 실리콘기판(Si-Substrate)(1), 이 실리콘기판(1)에 마련되며 기준진동과 검지진동을 일으키는 진동자(2), 그리고 진동자(2)의 양측에는 정전기력을 인가하여 진동자(2)를 기준진동시키는 가동전극(4)이 있다. 또한 진동자(2)의 상/하측에는 가동전극(4)에 의하여 기준진동하는 진동자(2)가 코리올리력에 의하여 힘을 받을 때 그 힘의 크기를 검출하는 검지전극(6)이 마련된다. 상기 진동자(2)는 검지전극(6)과 가동전극(4) 사이의 공간에 각각의 전극과 일정거리 이격된 상태로 공간에 떠 있는 형상이며, 진동자(2)는 길이방향으로 양측단이 탄성보로 지지되어 있다. 그리고 미설명부호 5는 절연층이다.The silicon substrate (Si-Substrate) (1) forming the microstructure, the oscillator (2), which is provided on the silicon substrate (1) and causes the reference vibration and the detection vibration, and both sides of the vibrator (2) by applying an electrostatic force There is a movable electrode 4 which vibrates the vibrator 2 as a reference. In addition, the upper and lower side of the vibrator (2) is provided with a detection electrode (6) for detecting the magnitude of the force when the vibrator (2), the reference vibration by the movable electrode (4) is subjected to the force by the Coriolis force. The vibrator 2 is a shape floating in a space spaced apart from each electrode in a space between the detection electrode 6 and the movable electrode 4 by a predetermined distance, and the vibrator 2 has both ends elastically in the longitudinal direction. It is supported by beams. Reference numeral 5 is an insulating layer.
전술한 구성에 따른 종래 반도체 각속도센서의 동작은 다음과 같다.Operation of the conventional semiconductor angular velocity sensor according to the above configuration is as follows.
진동자(2)를 기준진동시키기 위하여 진동자(2)의 양측에 있는 가동전극(4)에 전압을 인가하여 진동자(2)에 정전기력을 인가한다. 그러면 진동자(2)는 양측의 가동전극(4)의 방향으로 진동을 한다. 이때 외부에서 각속도가 발생하면 진동자(2)는 힘을 받게 된다. 진동자(2)는 좌우방향의 기준진동을 하는 것과 동시에 상하방향의 검지진동을 하게 된다. 진동자(2)가 검지진동을 하게 되면 진동자(2)와 검지전극(6) 사이의 용량변화가 일어나게 된다. 따라서, 진동자(2)와 검지전극(4) 사이의 용량변화를 검지하여 각속도를 검출할 수 있게 된다.In order to oscillate the vibrator 2 as a reference, a voltage is applied to the movable electrodes 4 on both sides of the vibrator 2 to apply an electrostatic force to the vibrator 2. Then, the vibrator 2 vibrates in the direction of the movable electrodes 4 on both sides. At this time, when the angular velocity is generated from the outside, the vibrator 2 receives a force. The vibrator 2 performs the reference vibration in the horizontal direction and the detection vibration in the vertical direction. When the vibrator 2 vibrates the detection, a change in capacitance between the vibrator 2 and the detection electrode 6 occurs. Thus, the angular velocity can be detected by detecting the change in capacitance between the vibrator 2 and the detection electrode 4.
그러나 종래 반도체 각속도센서는 다음과 같은 문제점이 있었다.However, the conventional semiconductor angular velocity sensor has the following problems.
먼저, 반도체 각속도센서를 미세제작함에 있어, 진동자의 면적에 의한 제한조건이 있었다. 또한, 정전용량의 검지 감도를 높이기 위하여 희생층의 두께를 감소시킬 때 공정과의 호환성문제가 있었다. 또한, 정전용량을 검출하기 위한 상/하부전극의 형성에 어려움이 따랐다.First, in the microfabrication of the semiconductor angular velocity sensor, there was a limitation condition by the area of the vibrator. In addition, there was a compatibility problem with the process when reducing the thickness of the sacrificial layer in order to increase the detection sensitivity of the capacitance. In addition, it has been difficult to form the upper and lower electrodes for detecting the capacitance.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 기판과 평행한 평면상에서 가진과 검진이 일어나도록 한 반도체 각속도센서를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide a semiconductor angular velocity sensor which causes excitation and examination to occur on a plane parallel to the substrate.
도 1은 종래의 반도체 각속도 센서의 단면도,1 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor angular velocity sensor;
도 2는 본 발명에 따른 반도체 각속도 센서의 구성을 보인 개략도,2 is a schematic view showing the configuration of a semiconductor angular velocity sensor according to the present invention;
도 3은 도 2의 X-X′의 단면도3 is a cross-sectional view taken along line X-X 'of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10:실리콘기판 12:탄성보 14:진동자DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon substrate 12 Elasticity elasticity 14 Vibrator
15:진동자 빗살전극 16:가동전극 17:가동전극의 빗살전극15: vibrator comb electrode 16: movable electrode 17: comb electrode of movable electrode
18:검지빔 20:검지전극18: detection beam 20: detection electrode
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 반도체 기판, 상기 반도체 기판과 소정간격 이격되도록 탄성빔에 의해 지지되는 진동자, 상기 진동자의 측면에 상호 대칭되도록 마련된 검지빔, 상기 진동자에 기준진동을 일으키기 위한 가동전극, 상기 진동자의 기준진동시 외력이 가해진 경우 상기 반도체 기판과 수평되게 작용토록 하여 상기 외력을 정전용량의 변화량으로 검출하는 검지전극이 마련된 것을 특징으로 한다.The configuration of the present invention for achieving the technical problem, the semiconductor substrate, a vibrator supported by the elastic beam so as to be spaced apart from the semiconductor substrate, a detection beam provided to be symmetrical to the side of the vibrator, the reference vibration to the vibrator A movable electrode for generating and a detection electrode for detecting the external force as an amount of change in capacitance by providing an external force when the external force is applied during the reference vibration of the vibrator are provided.
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, one preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 각속도센서의 구성을 보인 개략도이고, 도 3은 도 2의 X-X'선의 단면도이다.2 is a schematic view showing the configuration of a semiconductor angular velocity sensor according to the present invention, Figure 3 is a cross-sectional view taken along the line X-X 'of FIG.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 각속도센서는, 실리콘기판(10), 탄성보(12)로 지지되며 기준진동 및 검지진동을 하는 진동자(14), 진동자(14)에 기준진동을 일으키게 하기 위한 가동전극(16), 진동자(14)와 일체로 형성되며 외부로부터 외력이 가해질경우 코리올리력에 검지진동을 하는 검지빔(18), 검지빔(18)의 검지진동시 정전용량의 변화를 검지하여 외력을 검지하기 위한 검지전극(20) 등으로 구성된다.First, as shown in FIG. 2, the semiconductor angular velocity sensor according to the present invention is supported by the silicon substrate 10 and the elastic beam 12 and is based on the vibrator 14 and the vibrator 14 which perform reference vibration and detection vibration. It is formed integrally with the movable electrode 16 and the vibrator 14 to cause vibration, and the capacitance during the detection vibration of the detection beam 18, the detection beam 18 to detect the vibration vibration to the Coriolis force when an external force is applied from the outside And a detection electrode 20 for detecting an external force by detecting a change of.
전술한 구성부중 진동자(14)는 실리콘기판(10)위에 이격되어 마련되며 탄성보(12)로 지지된다. 또한, 기준진동이 일어나는 방향의 양측면에는 다수의 빗살형전극(15)이 부착되어 마련된다.The vibrator 14 of the above-described components is provided spaced apart on the silicon substrate 10 and is supported by the elastic beam 12. In addition, a plurality of comb-shaped electrodes 15 are attached to both side surfaces of the direction in which the reference vibration occurs.
그리고 가동전극(16)은 진동자(14)에 기준진동을 일으키게 하기 위하여 마련된 것으로, 이 역시 빗살전극(17)이 부착되어 있다. 따라서, 진동자(14)의 빗살전극(15)과 가동전극(16)의 빗살전극(17)이 상호 교차되도록 설계되므로서 정전력을 높일 수 있도록 하였다.The movable electrode 16 is provided to cause the reference vibration to the vibrator 14, which is also attached to the comb electrode 17. Therefore, the comb electrode 15 of the vibrator 14 and the comb electrode 17 of the movable electrode 16 are designed to cross each other, thereby increasing the electrostatic force.
그리고 검지빔(18)은 진동자(14)의 탄성보(12)가 마련된 측면에 탄성보(12)를 중심으로 양측에 마련되며, 전체적으로 대칭구조를 이루고 있다.The detection beam 18 is provided on both sides of the elastic beam 12 on the side where the elastic beam 12 of the vibrator 14 is provided, and has a symmetrical structure as a whole.
그리고 검지전극(20)은 검지빔(18)의 코리올리력에 의한 검지진동시 발생하는 정전용량의 변화를 검지하기 위한 것으로, 검지빔(18)을 사이에 두고 전극이 각각 마련되며, 또한 기준진동에 의한 검지빔(18)의 위치가 검지전극(20)의 검지범위를 벗어나지 않도록 검지빔(18)의 끝단에서 대략 기준진동시 움직이는 진폭만큼 안쪽으로 설계, 위치된다.In addition, the detection electrode 20 is for detecting a change in capacitance generated during the detection vibration by the Coriolis force of the detection beam 18. The electrodes are provided with the detection beam 18 therebetween, and the reference vibration is also provided. The position of the detection beam 18 is designed and positioned inward as much as the amplitude of movement in the reference vibration at the end of the detection beam 18 so as not to be out of the detection range of the detection electrode 20.
전술한 구성으로 이루어진 반도체 각속도센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the semiconductor angular velocity sensor consisting of the above configuration is as follows.
반도체 각속도 센서는 운동하는 질량에 발생하는 코리올리(Coriolis)힘을 측정하여 회전각속도를 검출하는 개념을 이용하는데 이때 구동방향과 감지 방향의 두 공진 모드 이용한다.The semiconductor angular velocity sensor uses the concept of detecting the rotational angular velocity by measuring the Coriolis force generated on the moving mass. In this case, the semiconductor angular velocity sensor uses two resonance modes, a driving direction and a sensing direction.
즉, 반도체 각속도 센서는 외부에서 가동전극(16)에 전압을 인가하게 되면 가동전극(16)에 부착된 빗살전극과 진동자(14)에 부착된 빗살전극(15)이 상호 정전력에 의하여 정전가진력이 발생하여 진동을 하게 된다. 이때 가동전극(16)에 일정크기의 전압을 계속적으로 인가하게 되면 진동자(14)는 기준진동을 일으키게 된다.That is, in the semiconductor angular velocity sensor, when the voltage is applied to the movable electrode 16 from the outside, the comb electrode attached to the movable electrode 16 and the comb electrode 15 attached to the vibrator 14 are electrostatically charged by mutual power. This occurs and vibrates. At this time, if the constant voltage is continuously applied to the movable electrode 16, the vibrator 14 causes the reference vibration.
따라서, 진동자(14)의 기준진동에 따라 진동자(14)에 대칭적으로 위치한 내개의 검지빔(18) 역시 진동자(14)와 같은 방향으로 기준진동을 일으키게 된다. 이때 검지전극(20)에서는 정전용량의 변화가 나타나지 않는다. 이는 기준진동시 검지빔(18)의 운동방향이 검지전극(20)의 사이에서 직선운동을 하기 때문이다.Accordingly, the inner detection beam 18 symmetrically positioned on the vibrator 14 according to the reference vibration of the vibrator 14 also causes the reference vibration in the same direction as the vibrator 14. At this time, there is no change in capacitance in the detection electrode 20. This is because the direction of movement of the detection beam 18 makes a linear movement between the detection electrodes 20 during reference vibration.
이후, 외부로부터 각속도가 인가되면 기준진동을 일으키던 진동자(14) 및 검지비빔에 코리올리힘이 발생된다. 즉, 기준진동중이던 검지빔(18)에 코리올리력이 발생되면 기준진동과 직각방향으로 코리올리력에 의한 검지진동이 발생하게 된다. 따라서, 검지전극(20) 사이에 위치한 검지빔(18)은 코리올리력에 의한 진동으로 정전용량 변화를 일으키고, 검지전극(20)은 정전용량의 변화를 검지하므로서 각속도를 측정하게된다. 즉, 코리올리력은 기준진동에 대해 직각방향으로 나타나기 때문에 종래 반도체 각속도센서에서는 기준진동과 직교 되는 상하방향의 진동에 의한 정전용량변화를 측정하여 외력인 각속도를 측정함에 반하여, 본 발명에 따른 반도체 각속도 센서는 기준진동과 같은 평면상에서 기준진동과 직교되는 좌우방향의 진동에 의하여 정전용량변화를 측정하여 외력인 각속도를 측정하도록 설계되었다. 따라서, 종래의 상/하부전극이 생략할 수 있어 제조공정의 단순화를 꾀할 수 있게 되었다.Subsequently, when an angular velocity is applied from the outside, a Coriolis force is generated in the vibrator 14 and the detection bibeam which caused the reference vibration. That is, when the Coriolis force is generated in the detection beam 18 that was in the reference vibration, the detection vibration is generated by the Coriolis force in the direction perpendicular to the reference vibration. Accordingly, the detection beam 18 located between the detection electrodes 20 causes a change in capacitance due to the vibration by the Coriolis force, and the detection electrode 20 measures the angular velocity while detecting the change in capacitance. That is, since the Coriolis force appears in a direction perpendicular to the reference vibration, in the conventional semiconductor angular velocity sensor, the semiconductor angular velocity according to the present invention is measured by measuring the change in capacitance caused by the vibration in the vertical direction perpendicular to the reference vibration. The sensor is designed to measure the angular velocity which is the external force by measuring the change in capacitance by the left and right oscillations orthogonal to the reference vibration on the same plane as the reference vibration. Therefore, the conventional upper and lower electrodes can be omitted, and the manufacturing process can be simplified.
그리고 외력인 각속도를 측정하기 위한 검지전극(20)은 4개로 마련되는데 이는 검지감도를 높이기 위하여 브릿지회로를 구성도록 하기 위함이다.In addition, four detection electrodes 20 for measuring an angular velocity, which is an external force, are provided to form a bridge circuit in order to increase detection sensitivity.
그리고 도 3은 도 2의 X-X'선의 단면도로서, 종래 반도체 각속도센서와는 달리 정전용량을 검출하기 위한 상/하부전극이 없고, 대신 코리올리력에 의하여 진동하는 검지빔(18)을 중심으로 좌우에 검지전극(20)이 마련된다.3 is a cross-sectional view taken along line X-X 'of FIG. 2, unlike the conventional semiconductor angular velocity sensor, there is no upper / lower electrode for detecting capacitance, and instead, the detection beam 18 vibrates by Coriolis force. The detection electrodes 20 are provided on the left and right sides.
그밖에 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러가지로 변경하여 실시할 수 있다.In addition, this invention is not limited to the said Example, It can change and implement variously in the range which does not deviate from the summary.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 상/하부전극을 생략할 수 있어 반도체를 미세제작함에 있어 효과가 있고, 또한 공정 및 구조를 단순화시킬 수 있어 경제적효과를 극대화 시킬 수 있다.As described in detail above, according to the present invention, the upper and lower electrodes can be omitted, which is effective in microfabrication of the semiconductor, and the process and structure can be simplified, thereby maximizing the economic effect.
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Legal Events
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