KR20130084950A

KR20130084950A - 멤즈 기반의 자이로스코프

Info

Publication number: KR20130084950A
Application number: KR1020120019277A
Authority: KR
Inventors: 송기무; 이귀로
Original assignee: 한국과학기술원; 주식회사 에스알파워
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-07-26
Also published as: KR101371149B1

Abstract

본 발명은 웨이퍼기판에 대하여 수직(vertical) 또는 수평(lateral) 방향으로 가진(driving)하며 수직(vertical) 또는 수평(lateral) 방향으로 감지(sensing)하는, 높은 생산성을 갖는 멤즈 기반의 자이로스코프(gyroscope)에 관한 것으로서, 바닥 웨이퍼기판에 평행하게 배치되는 프레임;과, 가진모드에서, 상기 프레임과 함께 1자유도로 가진되고, 감지모드에서, 상기 프레임에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리힘에 의해 2자유도로 감지되는 센서질량체;와, 상기 센서질량체에 의한 2자유도의 각 감지변위를 측정하는 적어도 2개의 감지전극; 및 상기 센서질량체와 상기 프레임을 연결하고 상기 센서질량체가 2자유도의 각 감지변위를 갖도록 허용하는 적어도 2개의 센서질량체 지지스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

멤즈 기반의 자이로스코프 {MEMS Based Gyroscope}

본 발명은, 바닥 웨이퍼기판(wafer substrate)에 대하여 수직(vertical) 또는 수평(lateral) 방향으로 가진(driving)하며 수직(vertical) 또는 수평(lateral) 방향으로 감지(sensing)하는 원리를 사용하는, 제조공정이 단순하고, 미세제조 공정오차 및 진공패키지 공정오차에 강인(robust for micro fabrication and for vacuum packaging process error)하여 생산성이 높은 멤즈 기반의 자이로스코프에 관한 것이다.

멤즈(mems: micro electro-mechanical system) 자이로스코프는 3차원 공간에서 이동하는 물체의 각속도를 측정하는 센서(angular velocity sensor)로서, 도 1 과 같은 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평가진 시스템과 1자유도 수평감지 시스템으로 구성된 z축 자이로스코프, 또는 도 2 와 같이 1자유도 수평가진 시스템과 1자유도 수직감지 시스템으로 구성된 x-y축 자이로스코프가 있다.

이와 같은 멤즈 기반의 자이로스코프 내부에는 진동하는 센서질량체(sensor proof mass)가 있으며, 외부에서 가진방향(x)에 수직인 축(z, 또는 y)을 중심으로 각속도가 인가되면, 센서질량체에는 가진방향(x)과 그 수직축(z, 또는 y)이 이루는 평면에 수직인 제3의 방향(y, 또는 z)으로 코리올리힘(Fc=2mΩωAsinωt)이 작용하고, 코리올리힘에 의하여 변동하는 센서질량체의 동작의 크기를 감지한다. 여기서 m은 센서의 질량(mass)이고, Ω는 외부 각속도(angular velocity)이며, ω(=2πf)는 센서(즉, 질량체+지지스프링)에 대한 가진주파수(driving frequency)이며, A는 센서에 대한 가진진폭(driving amplitude)이며, t는 시간이다. 멤즈 기반의 자이로스코프의 성능 감도(sensitivity)는 단위각속도 대비 코리올리힘(Fc/Ω=2πmfA)으로 정의되므로, 설계단계에서 센서의 질량 m을 크게 하거나, 또는 센서에 대한 가진주파수 f를 크게 하거나, 또는 가진진폭 A을 크게 해야 한다.

종래의 도 1 과 같은 z축 자이로스코프 또는 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프에서 센서의 최대 가진진폭(driving peak amplitude) A는, 도 3 과 같은 주파수응답곡선의 가진 공진주파수(driving resonance frequency)에서 나타나므로 센서에 대한 가진주파수(driving frequency) f를 센서의 가진 공진주파수 fd와 완전히 일치시켜야(f=fd) 한다. 센서의 감지진폭(sensing peak amplitude) As는, 센서에 대한 가진 공진주파수 fd를 센서의 감지 공진주파수(sensing resonance frequency) fs에 얼마나 가깝게 접근시켰는지의 주파수매칭(frequency matching)의 정도(fs~fd)에 의해 결정된다. 이때 가진전압에 의해 야기되는 기생정전용량(parasitic capacitance) 성분을 센서 출력신호로부터 전기적으로 분리(demodulation) 해 내기 위해서는 fd가 fs에 완전히 일치해서는 안된다.(즉, fd≠fs)

또한 센서 가진진폭 Ad는, 도 3 에서 보듯, 기계적 가진시스템의 정적변형에 대한 최대진폭비 Qd(Quality factor)에 비례하여 커지고, 센서 감지진폭 As는, 기계적 감지시스템의 정적변형에 대한 최대진폭비 Qs(Quality factor)에 비례하여 또한 커지므로, 이러한 Qd 또는 Qs를 동시에 크게 하기 위하여 프레임과 센서 등 기계적 가진/감지 시스템에 대한 진공 중 밀폐포장(hermetic sealing in vacuum environment) 후에 동작시킨다.

한편 코리올리힘에 의해 생긴 센서질량체의 움직임의 크기는 센서질량체와 고정감지전극 사이의 전기적 정전용량 C(Capacitance)의 변동을 측정하여 산출한다. 고정감지전극에서 출력되는 감지신호에는, 감지신호에 비하여 상대적으로 큰 가진전압에 의해 발생하는 기생정전용량이 잡음(noise)으로 포함되는 것을 피할 수 없다.

따라서, 도 1(z축 자이로스코프) 및 도 2(x-y축 자이로스코프) 와 같이 가진 및 감지 시스템이 각각 1자유도를 가지는 자이로스코프 센서에서 전체적인 감도는, 도 3 에서 보듯, 첫째, 센서질량체에 대한 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd와의 주파수매칭의 정도(fs~fd), 둘째, 가진 및 감지 시스템 각각에 대한 최대진폭비 Q 등의 3개 파라메타, 그리고 셋째로, 센서의 출력신호(Sensing Signal)와 기생정전용량에 의한 잡음 사이의 비, 즉 신호대잡음비 SNR(Signal to Noise Ratio)에 의해 결정된다.

결론적으로 센서의 가진 공진주파수 fd를 감지 공진주파수 fs에 가깝게 일치시킬수록, 각속도에 대한 전체 감도를 극대화할 수 있다. 그러나 fd를 fs 근처에 접근시켜 가능한 최대의 감지진폭 As를 얻으려는 시도는, 멤즈 기반의 자이로스코프 구조물에 대한 미세가공 공정오차 때문에 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd가 각각 매우 민감하게 변하는 문제로 인해, 제조과정에서 웨이퍼 내 개별적인 칩에 대한 감지진폭 As의 편차가 커지는 결과로 나타나고, 이는 결국 생산 수율(yield)을 크게 떨어뜨리는 요인이 된다.

Cenk Acar는, 이러한 멤즈 구조물에 대한 미세가공 단계에서 발생하는 공정오차가 불가피한 것으로 보고, 도 4 와 같이, z축 자이로스코프에 대하여, x-y평면에서 하나의 센서(m)를 제1질량체(m₁)와 제2질량체(m₂)로 분리하여 감지 공진주파수(fs)가 2개인 2자유도 감지모드로 바꾸고, 1개의 가진 공진주파수(fd)가 2개의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂) 사이의 평평한(flat) 영역에 오도록 설계함으로써, 비록 공정오차가 발생하여 가진 공진주파수 또는 감지 공진주파수가 미세하게 달라지더라도 그 평평한 영역에서 벗어나지 않도록 하는 방법을 발명(US7,284,430) 하였다.

C. Acar의 발명은, 수평가진 되는 센서 내외부에 이중으로 복수(double)의 수평감지 비연성결합스프링(decoupled spring)을 배치하여 z축 자이로스코프의 형태로 구현할 수는 있지만, 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프에 대해서는 센서 내외부에 이중으로 복수의 수직감지 비연성결합스프링을 구현하기가 대단히 어렵다는 문제점을 가진다.

한편 종래의 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프는, 가진진폭 A를 크게 유지하기 위하여 프레임을 x축 방향으로 수평가진 하고, 코리올리힘이 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직방향(z)으로 작용하면 바닥 웨이퍼 표면을 감지전극으로 사용하여 센서질량체의 변동을 수직감지 한다. 이러한 감지방법은 다음과 같은 단점이 있다. 첫째, 바닥 웨이퍼기판 표면과 센서질량체 사이에 일정한 거리를 두고 떨어져 있는 전극을 균일하게 형성하기가 매우 어려우며, 둘째, 바닥 웨이퍼기판 위 감지전극과 바닥웨이퍼기판 사이에 기생정전용량이 존재하여 신호대잡음비가 작아져 자이로스코프의 성능 감도를 떨어뜨린다.

최근 Steven S. Nasiri는, 도 2 의 x-y축 자이로스코프에서, 바닥 웨이퍼 표면에 가진회로 및 감지회로를 집적한 후 그 위에 자이로 웨이퍼 및 캡 웨이퍼와 웨이퍼간진공패키지(wafer level vacuum packaging)를 하는 특별한 링크스프링 구조의 x-y축 자이로스코프 및 그 제조방법을 발명(US7,621,183; US6,939,473) 하였다. 그러나 이 기술은 무려 3장의 웨이퍼를 순차적으로 쌓아 올리므로 그 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라, 수율이 높은 CMOS 집적회로 위에 수율이 낮은 MEMS를 SoC(System on Chip)로 집적하므로 전체적으로 낮은 수율과 높은 제조원가를 가질 수밖에 없다는 단점이 있다.

따라서 높은 양산 수율을 갖는 멤즈 기반의 자이로스코프 구조 및 제조 기술이 요구되는데 x-y축 자이로스코프에 대해서는 설계 단계에서부터 미세가공과 진공패키지에 대한 공정오차의 발생근원 자체를 줄이려는 어떠한 고안이나, 또는 그 영향을 줄이려는 어떤 고안도 아직까지 실현된 바가 없다.

US7,284,430; US7,621,183; US6,939,473; US5,747,690; US5,349,855; US5,757,103; US6,067,858; US6,122,961; US7,340,956; US8,035,176; US2002/0020219

본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 고안된 것으로서,

본 발명의 제1목적은, 프레임에 연결된 하나의 센서질량체에 대해 직선진동과 회전진동이 가능하도록 설계하여 상호 근접한 2개 이상의 감지 공진모드로 분리하고 센서 가진 공진주파수가 상호 근접한 2개 이상의 감지 공진주파수 사이에 항상 놓이게 함으로써, 센서질량체를 2개로 분리하지 않고도 미세가공 제조 오차에 강인한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 제2목적은, 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직가진하고 센서질량체 동작을 수평감지하는 방식으로 웨이퍼기판의 바닥전극을 센서질량체 감지전극으로 사용할 때 필연적으로 발생하는 기생정전용량을 제거함으로써 신호대잡음비(SNR)가 개선된 x-y축 자이로스코프를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 제3목적은, 하나의 자이로스코프를 구성하는 멤즈 기본 구조물들을 동일한 미세가공 공정 환경에 놓이도록 설계함으로써, 미세가공 공정오차에 강인한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공한다.

본 발명의 또 다른 제4목적은, 하나의 자이로 웨이퍼 전체에 걸쳐 개별적인 각 자이로스코프 칩이 동일한 진공패키지 공정 환경에 놓이도록 설계함으로써, 진공패키지 공정오차에 강인한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공한다.

본 발명의 또 다른 제5목적은, 실리콘관통전극(tsv)에 의한 배선접속(interconnection) 방법을 적용하여 자이로스코프 내부와 외부 간의 배선을 구현함으로써, 제조부터 검사, 및 최종 패키지 단계까지 일괄 공정에 의한 자동화가 가능한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공한다.

상기 제1목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하나의 센서질량체에 대해 직선감지모드와 회전감지모드가 동시에 적용되는 특별한 형태의 스프링 및 감지전극을 제안한다. 이러한 구성에 의해, 도 6 과 같은 수직가진(vertical driving) 수평감지(lateral sensing) 형태의 x-y축 자이로스코프 또는 수평가진(lateral driving) 수직감지(vertical sensing) 형태의 x-y축 자이로스코프, 또는 도 5 와 같은 수평가진(lateral driving) 수평감지(lateral sensing) 형태의 z축 자이로스코프가 구현될 수 있다.

상기 다른 제2목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도 6 과 같이 프레임을 z방향으로 수직가진하고 x-y평면상에서 센서질량체의 수평진동을 감지하도록 구성된 x-y축 자이로스코프를 제안한다. 이때, 프레임(10)을 수직가진 하기 위하여 바닥기판(60) 위의 일정영역에 붕소 또는 인이 도우핑 된 n 전극, 또는 p 전극을 형성하여 바닥전극(21,22,23,24)으로 각 사용하고, 자이로스코프 멤즈 구조는 기판에 n 또는 p 로 도우핑된 바닥전극을 갖는 미세가공공정이 단순한 SOI웨이퍼를 사용하며, 전체적인 패키지공정은 SOI웨이퍼와 Cap웨이퍼 2장을 먼저 본딩하여 자이로스코프 칩을 제작한 후 CMOS ROIC를 따로 제작하는 SiP(System-in-Package) 방법을 사용할 수 있다.

또한 상기 제1목적과 제2목적을 동시에 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에서는, 도 8, 및 도 12 와 같이, 바닥웨이퍼(60)의 바닥전극(21,23)을 통해 가해지는 역위상 정전력에 의하여 야기되는 비틀림진동으로 필연적으로 1쌍(one pair)의 역위상 수직방향 속도성분을 갖게 하는 프레임(10)을 포함하고, x-y평면상에 프레임(10)과 비연성결합 구조형태로 서로 연결되어 있는 2개의 센서질량체(30,32) 와; 프레임(10)에 x-y평면상의 하나의 축(y)을 중심으로 각속도가 입력될 때 센서질량체(30,32)가 그 축(y)에 수직인 다른 축(x) 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 작동하도록 센서질량체(30,32)를 x축에 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 4개 지점(36a,36b,38a,38b)에서 프레임(10)과 연결해 주는 각 지지스프링(36,38) 과; 각 센서질량체(30,32)의 직선진동, 및 회전진동에 대한 각 동작변위를 감지하기 위한 각 센서질량체 중심으로부터 좌우상하 양쪽으로 각각 분리 배치된 감지전극(41a,42a,43a,44a), 또는 감지전극(45a,46a,47a,48a)을 각각 포함하도록 구성한 x-y축 자이로스코프를 제안한다.

또한 본 발명의 제2 실시예에서는, 센서질량체(30)와 센서질량체(32)가 각각 x-y평면에 평행을 유지하면서 z축 방향으로 동작하도록 구성하여, 제1 실시예에 비하여 2배의 코리올리힘을 받는 x-y축 자이로스코프를 제안한다. 그리고, 제2 실시예에 의한, 하나의 서로 독립된 두 개의 프레임과 두 개의 센서질량체로 구성된 x-y평면상의 1축 자이로스코프와, 상기 1축 자이로스코프와 크기와 형상이 동일한 또 다른 하나의 서로 독립된 두 개의 프레임과 두 개의 센서질량체로 구성된 x-y평면상의 1축 자이로스코프를 서로 평행하게 배열되도록 구성하면 x-y평면상에서 2축(x-y축)에 대한 각속도 측정이 가능한 멤즈 기반의 2축 자이로스코프가 된다.

본 발명에서는, 상기 또 다른 제3목적을 달성하기 위하여, 우선, 도 16 과 같이, 프레임(10)과 지지스프링(12,14,16), 및 센서질량체(31,33)와 지지스프링(36,38) 등 자이로 기본구성요소에 대하여 각각 같은 폭(width)과 같은 두께(depth)를 갖는 빔(beam)과 홀(hole)로 구성하여 가진 공진주파수 fd와 감지 공진주파수 fs를 각각의 공정오차에 둔감하게 할 것을 제안한다. 왜냐하면, 도 14 와 같이, 1자유도 가진모드에 대한 공진주파수가 fd=(1/2π)sqrt[Ktd/Jd] 이고, 또한 도 15 에 있어서, 1자유도 감지모드에 대한 공진주파수는 fs=(1/2π)sqrt[Ks/Ms] 이므로, 상기 각 공진주파수 식에서 Ktd(프레임 비틀림강성)와 Jd(프레임 질량관성모멘트), 또는 Ks(센서 굽힘강성)와 Ms(센서 질량) 사이의 각 파라메타 관계에서 각 스프링의 빔 폭과 두께, 및 프레임과 센서질량체를 구성하는 빔과 식각홀의 길이비가 상기 공진주파수에 큰 영향을 주기 때문이다.

그 다음으로, 도 16 의 상기 자이로 기본구성요소를 그대로 사용함과 동시에, 도 17 과 같이, ①프레임(10)과 센서(30,32)의 각 빔 폭과 두께를 서로 같게 하며, ②프레임 지지스프링의 빔(12,14,16)과 센서질량체 지지스프링의 빔(36a,36b,38a,38b)을 서로 평행하게 배열하고, ③각 지지스프링 측면에 더미스프링(13,17)을 추가할 것을 제안한다. 그렇게 함으로써 비록 상기 두 개의 공진주파수가 변한다 하더라도 같은 간격을 유지하며 변하게 하여 서로 같은 공정오차 의존성을 갖도록 하기 위함이다.

본 발명에서는, 상기 또 다른 제4목적을 달성하기 위하여, 도 23 과 같이, 캡 웨이퍼(80)가 진공 밀폐벽 외부에 전면(front side)에서 배면(back side)까지 완전히 뚫린 공기 관통홀(through hole) (83) 들을 갖도록 할 것을 제안한다. 그렇게 함으로써, SOI MEMS웨이퍼(70)와 캡 웨이퍼(80) 에 대한 진공챔버(vacuum chamber) 내 웨이퍼간밀폐접착(wafer level hermetic sealing) 단계에서 웨이퍼 전체에 대해 개별적인 자이로스코프 칩들의 진공공정 조건이 균일하게 유지되도록 한다. 이렇게 하면 가진/감지 각 모드에서의 최대진폭비 Q 값의 칩별 편차를 최소한으로 유지할 수 있다.

본 발명에서는, 상기 또 다른 제5목적을 달성하기 위하여, 도 22, 및 도 23 과 같이, 웨이퍼간밀폐접합(60,70,80) 공정 후에, 바닥 웨이퍼(60)의 배면과 바닥 웨이퍼 전면 도핑전극(21,22,23,24) 사이의 배선접속(interconnection)을 위한 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b) 과; 바닥 웨이퍼(60)의 배면과 멤즈 SOI웨이퍼(70) 구조물 사이의 배선접속을 위한 실리콘관통전극(26b,41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)을 각각 제작할 것을 제안한다.

한편, 실리콘관통전극(TSV; Through Silcon Via))을 뚫기 위해서는 바닥 웨이퍼(60) 두께가 얇아지므로, 도 23 과 같이, 프레임(10)에 대한 수직가진 진동에너지를 바닥 웨이퍼기판(60)과 상기 캡(80)으로 각각 분산시키기 위하여, 멤즈 구조물의 보호를 위한 캡(80)에, 바닥 웨이퍼기판(60)에 고정된 프레임 앵커(25,26)와의 접합을 위한 기둥(78,79)을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 멤즈 기반의 x-y축 또는 z축 자이로스코프는,

첫째, 질량이 하나인 센서질량체(30,32)에 대한 가진 공진주파수(fd)를 2개의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂) 사이의 주파수 대역에 있도록 설계하였으므로, 자이로 구조물에 대한 미세가공 공정오차 발생에도 불구하고, 가진 공진주파수와 감지 공진주파수 간의 근접관계(△fs)는 거의 그대로 유지되어 센서질량체(30,32) 감지진폭(As)에 거의 변동이 없다는 장점이 있다.

둘째, 웨이퍼기판 위 바닥전극을 프레임(10)을 수직가진하는데 사용하고, 수평전극을 센서질량체(30,32)의 직선진동과 회전진동을 감지하는데 사용함으로써 웨이퍼기판 전극(21,23)을 감지전극으로 사용할 때 필연적으로 발생하는 기생정전용량으로 인한 신호대잡음비(SNR)가 떨어지는 문제점을 개선할 수 있다. 이러한 방법은, 바닥 웨이퍼(60)와 자이로 웨이퍼(70) 사이의 기하학적 간격의 한계로 인하여 센서질량체(30,32) 가진진폭(A)이 작아지는 단점이 있지만, 이 단점은 가진주파수를 높임으로써 해결이 가능하다.

셋째, 프레임 지지스프링(14,16)과 센서질량체 지지스프링(36,38)을 평행하게 배열하고, 모든 빔 폭과 빔 두께를 동일하게 구성하였고, 또한 프레임(10)과 센서질량체(30,32) 각 평판을 각 지지스프링의 빔 폭과 같은 크기의 빔 및 같은 크기의 홀로 구성하였으므로, 자이로 구조물에 대한 미세가공 공정오차 발생에도 불구하고, 센서질량체(30,32)에 대한 가진 공진주파수와 감지 공진주파수 간의 근접관계(△fs)가 그대로 유지되어 센서질량체(30,32)의 감지진폭(As)에 변동이 없다.

넷째, 각각의 개별적인 자이로 칩에 대하여 공기 관통홀(83)이 뚫린 캡 웨이퍼(80)를 사용하여 진공챔버 내 웨이퍼간밀폐접착을 하였으므로, 웨이퍼 전체에서 개별적인 자이로스코프 칩들의 진공도가 거의 균일하게 유지되고, 그 결과 센서질량체(30,32) 감지모드에서의 최대진폭비 Q 값에 변동이 없게 하였다.

마지막으로, 미세가공 공정이 단순한 SOI 웨이퍼를 MEMS 구조로 사용하였을 뿐만 아니라, 실리콘관통전극에 의한 배선접속(tsv interconnection) 방법을 사용하여 자이로스코프 내부와 외부 간의 배선을 하였으므로, 멤즈 기반의 자이로스코프의 제조부터 검사, 및 최종 패키지 단계까지 일괄공정에 의한 자동화가 가능하게 되어 전체적인 제조원가가 저렴해지는 특징이 있다.

도 1 은, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 2 는, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수직감지 모드의 x-y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 3 은, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프, 또는 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수직감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 4 는, 종래의 1자유도 수평가진 2자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 1자유도 수평가진 2자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 6 은, 본 발명의 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 7 은, 도 6 과 같은, 본 발명의 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 8 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직가진 수평감지 x-y축 자이로스코프 평면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9 는, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 프레임(10), 및 지지스프링(12,14,16)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 센서질량체(30,32), 및 지지스프링(36,38), 및 감지전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프의 AA'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13 은, 도 11 의 형태들이 작동 시 움직이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 프레임(10), 및 지지스프링(12,14,16)에 대한 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 센서질량체(30,32), 및 지지스프링(36a,36b,38a,38b)에 대한 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 식각홀(etching holl)을 포함하고 있는 프레임(10), 및 센서질량체(30,32)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 프레임 지지스프링(14,16) 옆에 추가 부착한 더미빔스프링(13,17)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 18 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 1자유도 수직가진 1자유도 수평감지 모드의 경우에 대하여 센서질량체 지지스프링(36,38) 빔폭의 공정오차가 가진 공진주파수와 감지 공진주파수에 주는 변화에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 19 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 1자유도 수직가진 1자유도 수평감지 모드의 경우에 대하여 프레임 지지스프링(12,14,16) 빔폭의 공정오차가 가진 공진주파수와 감지 공진주파수에 주는 변화에 대한 시뮬레이션 결과 이다.
도 20 은, 도 14 및 도 15 에 있어서 센서스프링(36,38) 위치 변화에 따른 센서질량체(30,32)의 가진 공진주파수, 및 감지 공진주파수에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 21 은, 도 14 및 도 15 에 있어서, 프레임 지지스프링(12,14,16), 및 센서질량체 지지스프링(36,38), 및 프레임(10), 및 센서질량체(30,32)가 도 16 및 도 17 과 같이 구성되었을 때, 공정오차 백분율에 대한 센서질량체(30,32)의 가진 공진주파수, 및 감지 공진주파수 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 22 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 바닥 웨이퍼기판 위 n, 또는 p 도우핑전극(21,22,23,24), 및 더미금속패드(21a,22a,23a,24a), 및 밀폐벽(hermetic sealing wall) (72), 및 실리콘관통전극 배선(tsv interconnection)을 개략적으로 나타낸 평면 도면이다.
도 23 은, 도 22 의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 24 는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직가진 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프 평면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26 은, 도 24의 형태들이 작동 시 움직이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 27 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 바닥 웨이퍼(60), 및 자이로 웨이퍼(70)에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 28 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 캡 웨이퍼(80) 에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 29 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 자이로 웨이퍼(70)와 캡 웨이퍼(80)에 대한 웨이퍼레벨진공패키지(wafer level vacuum package) 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 30 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 실리콘관통전극 배선(TSV interconnection)에 대한 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

작동원리( Operation Fundamentals )

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 6 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 수직가진 수평감지 형태의 x-y축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 개념도이며, 도 7 은 도 6 의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 도시한 그래프이다.

도 5 의 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 또는 도 6 의 수직가진 수평감지 형태의 x-y축 자이로스코프 와 같이, 하나의 센서질량체에 대해 직선감지모드와 회전감지모드가 동시에 적용되도록 특별한 형태의 스프링과 특별한 형태의 감지전극을 제공하여 1자유도 가진모드와 2자유도 감지모드가 가능하도록 구성하였다. 이와 같은 본 발명의 원리는 수평가진 수직감지 형태의 x-y축 자이로스코프를 포함한 모든 형태의 멤즈 기반의 자이로스코프에 대해서도 적용 가능하다.

도 7 은, 도 6 과 같은 1자유도 수직 가진모드와 2자유도 수평 감지모드를 갖는 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 보여주고 있다. 도 7 을 보면, 도 6 과 같이 변수가 각각 x(t) 및 φ(t)인 2자유도 센서질량체는 각각 2개의 동일한 피크(peak) 공진주파수 fs₁, fs₂를 갖는 직선(x) 방향의 감지모드에 대한 주파수응답곡선과 회전(φ) 방향의 감지모드에 대한 주파수응답곡선을 갖는다. 만일, 도 6 의 센서질량체를 최대가진진폭 Ad와 가진주파수 fd로 수직가진하면, 센서질량체는 x방향의 코리올리힘 Fc에 의하여 최대진폭 As_x 를 갖는 직선진동 x(t) 와 최대진폭 As_φ 를 갖는 회전진동 φ(t) 가 서로 선형적으로 결합되어 진동한다. 따라서 도 6 의 2개의 감지전극(Ra), 및 감지전극(Rb) 위치에서 출력신호 값은 각각 Ra_x(t)=x(t)+r₁φ(t), 및 Rb_x(t)=x(t)-r₂φ(t) 가 된다.

이와 같이 도 5 와 같은 z축 자이로스코프에 대하여, 또는 도 6 과 같은 x-y축 자이로스코프에 대하여, 또는 다른 형태의 모든 x-y축 또는 z축 멤즈 기반의 자이로스코프에 대하여, 하나의 질량을 갖고 있지만 코리올리힘 방향의 직선 감지모드(x), 및 코리올리힘 방향과 수직인 축 중심으로의 회전 감지모드(φ) 작동을 동시에 하도록 센서질량체에 대한 지지스프링을 설계함으로써 독립변수가 2개이고 그에 따른 2개의 공진주파수를 각각 갖게 할 수 있다.

도 14 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 수직으로 가진되는 프레임(10)과 지지스프링(12,14,16)에 대한 1자유도 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 14 에서, 프레임(10)은 제1센서질량체(30)와 제2센서질량체(32)가 서로 수직방향의 역위상 진동성분을 갖도록 가진한다.

도 14 에서, 프레임(10) 진동방정식은 수학식 1과 같다.

여기서, Jd는 센서질량체(30,32)를 포함한 프레임(10) 전체에 대한 질량관성모멘트(mass moment of inertia)이고, kt₁과 kt₂는 각각 지지스프링(12,14)에 대한 빔의 비틀림강성(torsional stiffness)이며, α는 지지스프링(12,14,16) 간의 간격비를 의미한다. 식 오른쪽의 2L₁Fes(t)항은 프레임(10)과 바닥전극(21,23) 사이의 정전력 Fes(t)에 의해 야기되는 토오크(torque)이고, Φ(t)는 프레임(10)에 대한 y축 중심의 회전각도를 의미한다.

상기 프레임(10) 진동방정식에서 계산된 프레임(10)의 공진주파수는 수학식 2와 같다.

도 15 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 수평감지 되는 센서질량체(30,32)와 지지스프링(36,38)에 대한 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.

센서질량체(30,32)는 각각 하나의 질량체이므로 3차원 공간에서 6자유도(Degree of Freedom)를 가지고 있으며, 서로 다른 크기의 3개의 직선방향(x,y,z) 공진주파수와 3개의 회전방향(x,y,z) 공진주파수를 각각 갖는다. 도 15 에 있어서, 코리올리힘 방향의 직선진동(x)과 코리올리힘과 수직방향인 z축 중심의 회전진동(φ)에 관련된 2개의 공진주파수를 서로 근접하게 하고, 다른 공진주파수들은 훨씬 더 높거나 또는 훨씬 낮은 공진주파수를 갖도록 설계할 수 있다.

도 15 에서, 센서질량체(30,32)에 대한 진동방정식은 수학식 3 과 같다.

여기서, Js는 센서질량체(30,32)의 질량관성모멘트(mass moment of inertia)이고, ms는 센서질량체(30,32)의 질량이고, k₁과 k₂는 각 지지스프링(36a,36b,38a,38b)의 굽힘강성(bending stiffness)이다. s₁과 s₂는 각 센서질량체(30,32)의 기하학적 중심 Ο부터 지지스프링(36a,36b,38a,38b) 까지의 거리이며, r₁과 r₂는 각 센서질량체(30,32)의 기하학적 중심 Ο부터 차등감지전극(41a,43a;45a,47a)의 각 중간지점 Ra, 또는 차등감지전극(42a,44a;46a,48a)의 각 중간지점 Rb 까지의 거리를 각각 의미한다.

그리고, Fc(t)는 x방향의 코리올리힘을 의미하고, 변수 x(t)는 센서질량체(30,32)의 직선진동 변위(displacement)를, 변수 φ(t)는 센서질량체(30,32)의 회전진동에 대한 각도(angle)를 각각 의미한다. 따라서 도 15 와 같이, 센서질량체(32)의 차등감지전극(45a,47a)에 대한 중간지점 Ra의 x방향 직선진동 진폭은 센서질량체(32)의 직선/회전 진동모드가 선형적으로 결합된 Ra_x(t) = x(t) + r₁φ(t) 이고, 또한 센서질량체(32)의 차등감지전극(46a,48a)에 대한 중간지점 Rb의 x방향 직선진동 진폭은 센서질량체(32)의 직선/회전 진동모드가 선형적으로 결합된 Rb_x(t) = x(t) - r₂φ(t) 이 된다.

상기 도 15 에서, 센서질량체(30), 또는 센서질량체(32)에 대한 진동방정식을 풀면, x-y평면상에서 각 센서질량체(30,32)에 대한 2개의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂)를 수학식 4와 같이 구할 수 있다.

여기서, wx²=(k₁² + k₂²)/ms 이고, wo²=(k₁s₁² + k₂s₂²)/Jc 이며, K₁²=(k₁s₁- k₂s₂)/ms 이며, K₂²=(k₁s₁- k₂s₂)/Js 이다.

만일, 도 15 에서, 스프링상수 k₁, k₂또는 거리 s₁, s₂값을 서로 근사하게 접근시키면, x-y평면상에서 각 센서질량체(30,32)에 대한 2개의 감지 공진주파수(fs₁, fs₂)를 설계 목표에 맞게 조정할 수 있다.

한편 도 15 에서, 각 센서질량체(30,32)가 회전 감지모드가 없고, 직선 감지모드만 있는 1자유도 감지시스템 경우의 각 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수는 fs=(1/2π)*sqrt(ks/ms) 이다. 여기서 ks는 직선방향에 대한 전체스프링 강성으로서 ks=2(k₁+k₂) 이고, ms는 센서질량체(30,32) 질량이다.

이와 같이, 도 15 에서, 각 센서질량체(30,32)에 직선 감지모드만 있는 1자유도 감지시스템 경우에 대하여;

도 18 은, 센서질량체 지지스프링(36,38)을 구성하는 빔 폭(5um)에 대한 식각공정 오차(백분율)가 97[%] 에서 103[%] 까지 달라질 때의 프레임(10)의 가진 공진주파수 fd와 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수 fs 변화를 나타낸 매트랩 시뮬레이션 결과이다. 도 18 를 보면, 센서질량체 지지스프링(36,38)에 대한 빔폭의 미세한 가공오차에 대해서도 감지 공진주파수 fs는 급격히 변한다. 예를 들면, 1%의 미세한 빔폭 가공오차는 가진/감지 공진주파수 차이를 Δf=240Hz(=fs-fd), 2%의 빔폭 가공오차는 가진/감지 공진주파수 차이를 Δf=500Hz 까지 크게 벌여놓는다. 이 결과를 도 3 의 주파수응답곡선과 비교해 보면, 동일한 진공도에서 감지진폭 As는 피크값에 비해 약 30%에서 10%까지 떨어진다.

도 19 는, 프레임 지지스프링(12,14,16)을 구성하는 빔 폭(5um)에 대한 식각공정 오차(백분율)가 97[%] 에서 103[%] 까지 달라질 때의 프레임(10)의 가진 공진주파수 fd와 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수 fs의 변화를 나타낸 매트랩 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 19 를 보면, 프레임 지지스프링(12,14,16)에 대한 빔폭의 미세한 가공오차에 대해서도 가진 공진주파수 fd가 급격히 달라지는 것을 볼 수 있다. 이 현상은 도 18 과 같다.

도 20 은, 도 14 및 도 15 의 수학적 모델에 대하여, k₁=k₂, s₁=s₂조건에서 센서스프링(36,38)의 위치 s₁변동에 따른 센서의 가진/감지 공진주파수(fs₁,fs₂)에 대한 매트랩 시뮬레이션 결과이다.

도 14 에서, 프레임 지지스프링(12,14,16)의 각 빔폭과 두께를 모두 5um, 및 35um로 하고, 프레임(10)의 1자유도 가진시스템에 대하여 계산한 파라메타 Jd=741.95e-17[kgm²], kt₁=1.62e-5[Nm/rad], kt₂=2.63e-5[Nm/rad] 를 상기 프레임(10)의 공진주파수 계산식에 각각 대입하여 계산하고, 또한 도 15 에서, 센서 지지스프링(36,38)의 각 빔폭과 두께도 모두 5um, 및 35um로 하고, 센서질량체(30,32)의 2자유도 감지시스템에 대하여 계산한 파라메타 Js=50.52e-17[kgm²], ms=1.13e-8[kg], k₁=0.506e3[N/m], k₂=0.506e3[N/m], s₁=s₂= 207~215[um]를 상기 센서 공진주파수 계산식에 대입하여 계산하면, 도 20 과 같은 결과가 나온다. 만일, 센서 지지스프링(36,38) 위치가 s₁=s₂= 210 [um] 이면, 가진 공진주파수는 fd=15,007[Hz]이고, 감지 공진주파수는 각각 fs₁=14,845[Hz], fs₂=15,163[Hz]가 된다. 도 20 의 시뮬레이션 결과로부터, 도 15 의 2자유도 감지시스템에 대한 최적의 공진주파수 차이를 고려한 스프링위치 s₁과 s₂를 각각 구할 수 있다.

도 21 는, 도 14 및 도 15 와 같은 수학적 모델에 대하여, 도 16, 및 도 17 과 같은 조건의 프레임(10)과 센서질량체(30,32) 평판을 구성한 후, 도 20 의 시뮬레이션 경우와 동일한 설계조건하에서 지지스프링(36,38) 위치가 s₁=s₂=210[um] 인 경우에 대하여; 각 빔 폭에 대한 식각공정 오차(백분율)가 97[%] 에서 103[%] 까지 달라질 때의 프레임의 가진 공진주파수(fd)와 센서의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂) 변화를 나타낸 매트랩 시뮬레이션 결과이다.

즉, 도 21 을 보면, 본 발명과 같은 x-y축 자이로스코프를, 첫째 도 15 와 같이 하나의 센서질량체를 직선/회전 감지모드 결합을 이용한 2자유도 감지시스템으로 구성하고, 둘째 프레임과 지지스프링, 및 센서와 지지스프링 등 자이로 기본구성요소를 같은 폭과 같은 두께, 그리고 같은 길이비를 갖는 빔과 홀로 구성하며, 셋째로 프레임과 센서의 각 빔폭을 모두 같은 크기로 하며, 서로 평행하게 배열하고, 각 지지스프링 측면에 같은 폭을 갖는 더미빔스프링을 같은 간격으로 배치한다면, 멤즈 기반의 자이로스코프를 구성하는 모든 기본구성요소들에 대하여 가공오차가 발생하여도, 가진 공진주파수(fd)와 감지 공진주파수(fs₁,fs₂)는, 도 21 과 같이, fd가 fs₁,fs₂사이에 놓이는 유사한 형태를 유지하며 변동하게 되고, 그렇다면 센서의 감지진폭(As)에는 거의 변동이 없을 것이다.

한편, 도 15 의 센서에 대한 수학적 모델에서, 지지스프링(36,38)의 강성 k₁,k₂또는 위치 s₁,s₂값이 미소하게 다르면, 센서는 근소한 비대칭(non-symmetry) 구조가 되어 x방향 코리올리힘 Fc 뿐만 아니라, Fc에 의한 회전모멘트도 함께 걸리므로, 센서질량체(30,32)에는 직선진동과 회전진동이 동시에 일어난다. 이때에도 각 센서질량체(30,32)의 차등감지전극(41a,42a,43a,44a,45a,46a,47a,48a)은 각 센서질량체(30,32)의 직선진동 변위 x(t)와 회전진동에 의한 직선변위 r₁φ(t)가 선형적으로 결합된 x₁(t)=x(t)+r₁φ(t), 또는 x₂(t)=x(t)+r₂φ(t) 신호를 출력한다.

기계적 구성

도 8 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수직가진 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 개략적인 구조를 나타낸다.

도 9 는, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서, 수직가진 되는 프레임(10), 및 앵커(26) 측벽에 부착된 프레임 지지스프링(12) 과; 프레임(10)의 수직방향 복원력을 강화하는 x방향 양쪽 끝 가장자리에 위치한 좌우상하 대칭의 이중링크 형태의 지지스프링(14,16) 과; 앵커(26) 측벽에 부착되어 프레임 지지스프링(12)에 대한 x방향 굽힘변형(bending deformation)을 억제하는 좌우상하 대칭의 이중폴드 형태(symmetric double folded shape)의 더미스프링(18)을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 10 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서, 수평감지 하는 센서질량체(30,32)와 지지스프링(36a,36b,38a,38b), 및 센서질량체의 직선진동 변위(displacement)와 회전진동 각도(angle)를 동시에 차등감지(differential sensing)하는 좌우상하 대칭의 이중감지전극(41a,42a,43a,44a; 45a,46a,47a,48a)을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 9 의 실시예에서,

프레임(10)은 2개의 앵커(26) 측벽에 부착된 2개의 지지스프링(12)에 의해 y축을 중심으로 비틀림 회전하도록 허용된다. x-y평면에서 지지스프링(14)은 복원토크(restoring torque)를 일으켜 프레임(10)의 x방향 양쪽 끝 가장자리가 프레임(10)의 비틀림변형 후 정상위치(nominal position)로 복원되는 것을 돕는다. 지지스프링(16)은 프레임(10) 가장자리와 지지스프링(14)을 연결해주는 링크 또는 회전베어링 역할을 한다. 평판링크(15)는 지지스프링(14)과 지지스프링(16)을 기구적으로 연결해주는 하나의 링크이다. 그리고 좌우상하 대칭의 이중폴드 형태의 더미빔스프링(18)은 프레임(10) 양쪽 앵커(26)에 부착되어 지지스프링(12,14)에 의한 프레임(10)의 코리올리힘 방향(x) 굽힘변형과 수직축(z)에 대한 프레임(10)의 회전운동을 동시에 억제한다.

도 10 의 실시예에서,

센서질량체(30,32)는 코리올리힘(x) 방향으로 직선진동, 및 센서질량체(30,32) 중심에 대한 회전진동이 가능하도록 y축에 대하여 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에 각각 2쌍(two pair)의 지지스프링(36a,36b,38a,38b)에 의해 프레임(10)과 연결되어 있다. 센서질량체(30,32)의 코리올리힘 방향(x) 동작은 각 센서질량체(30,32)와 각 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량변화(capacitance change)로 감지할 수 있다. 각 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a)은 콤전극(comb electrode), 또는 평판전극(plate electrode) 어느 것도 다 사용 가능하다. 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a)은 각각 웨이퍼기판에 고정된 앵커(41,42,43,44; 45,46,47,48) 측면에 부착되어 있다.

도 11 의 실시예에서,

도 8 의 x-y축 자이로스코프는, 자이로 웨이퍼(70)의 밀폐벽(hermetic seal wall)(72,74,76)으로 둘러싸인 바닥 웨이퍼(60)와 캡 웨이퍼(80) 사이의 내부 공간에 있다. 지지스프링(12)은 프레임(10)을 y축 중심으로 회전진동을 가능하게 하며, 지지스프링(14)은 프레임(10)의 끝 가장자리에 대한 수직방향 복원력을 강화하는 역할을 하고, 지지스프링(16)은 y축 중심의 비틀림변형과 x축 방향으로의 굽힘변형이 동시에 일어나며 하나의 회전베어링 역할을 한다. 그리고 지지스프링(14)과 평판링크(15)와 지지스프링(16)은 프레임 끝 가장자리와 앵커(25)를 기구적으로 연결해주는 이중링크장치의 기본 구성요소이다. 프레임(10)과 센서질량체(30,32) 아래 바닥웨이퍼(60) 위에 프레임(10)의 수직가진을 위한 바닥전극(21,23)이 각각 있으며, 프레임(10)의 수직방향 변위에 따른 정전용량 변화를 감지하기 위한 바닥전극(22,24)이 각각 있다.

도 12 및 도 13 은, 도 11 의 형태들이 작동 시 움직이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 12 에서는, 바닥전극(21)에 의해 z축 +방향의 정전력(electrostatic force) +Fes(t)가 발생하고, 바닥전극(23)에 의해 z축 -방향의 정전력 -Fes(t)가 발생한다. 그러면 프레임(10)은 시계방향으로 회전모멘트를 받게 되며, 센서질량체(30)는 x축 -방향 코리올리힘 -Fc(t) 를 받아 -x축으로 동작하고, 센서질량체(32)은 x축 +방향 코리올리힘 +Fc(t) 를 받아 +x축으로 동작한다. 도 13 에서는, 바닥전극(21)에 의해 z축 -방향의 정전력 -Fes(t)가 발생하고, 바닥전극(23)에 의해 z축 +방향의 정전력 +Fes(t)가 발생한다. 이때 프레임(10)은 반시계방향의 회전모멘트를 받게 되며, 센서질량체(30)은 x축 +방향 코리올리힘 +Fc(t)를 받아 +x축으로 동작하고, 센서질량체(32)는 x축 -방향 코리올리힘 -Fc(t)를 받아 -x축으로 동작한다.

도 16 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서, 지지스프링(14,16)과 동일한 폭과 동일한 두께, 및 일정배수의 길이를 갖는 빔과 식각홀을 포함하고 있는 프레임(10), 그리고 센서 지지스프링(36a,36b,38a,38b)과 동일한 폭과 동일한 두께, 및 일정배수의 길이를 갖는 빔과 홀을 포함하고 있는 센서질량체(30,32)를 각각 개략적으로 나타낸 도면이다. 만일, 프레임(10)과 지지스프링(12,14,16)이 서로 동일한 폭과 동일한 두께와 일정배수의 길이를 갖는 빔(31)과 식각홀(33)로 구성되었고, 또한 센서질량체(30,32)도 지지스프링(36a,36b,38a,38b)과 서로 동일한 폭과 동일한 두께와 일정배수의 길이를 갖는 빔(31), 및 식각홀(33)로 구성되었다면, 하나의 x-y축 자이로스코프 칩에서는 이들에 대한 식각공정 환경이 같아지므로 공정오차도 거의 같은 비율로 일어난다고 볼 수 있다. 즉, 각 스프링과 질량에 대한 공정오차가 같은 비율로 발생하면, 프레임(10)의 가진 공진주파수(fd)와 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂)는 거의 변동이 없을 것이다.

도 17 에서는, 도 16 과 같은 설계조건에 추가하여, 우선 프레임 지지스프링(14,16)과 센서 지지스프링(36a,36b,38a,38b), 및 프레임 더미빔스프링(13,17)이 모두 같은 빔 폭과 같은 빔 두께를 가지며, 다음으로 상기 프레임과 센서를 구성하는 각 빔들이 모두 평행하게 배열되고, 마지막으로 지지스프링(14)의 좌우 양쪽에, 지지스프링(14)의 빔 폭과 같은 크기의 간격을 두고 지지스프링(14)의 빔 폭과 같은 크기의 폭을 갖는 더미빔스프링(13)이 이중링크(15)와 앵커(25) 사이에 각각 부착되어 있다. 그리고 지지스프링(16)의 측면에, 지지스프링(16)의 빔 폭과 같은 크기의 간격을 두고 지지스프링(16)의 빔 폭과 같은 크기의 폭을 갖는 더미빔스프링(17)이 부착되어 있다.

만일, 도 16 과 같은 설계조건에, 도 17 과 같은 조건들이 더 추가된다면, 결국 본 발명의 x-y축 자이로스코프 기본구성요소들이 모두 같은 폭과 두께, 및 길이 비를 갖는 빔으로 구성되며, 또한 이들에 대한 모든 식각공정 조건이 서로 같기 때문에 식각공정 오차도 거의 같은 비율로 일어나고, 도 21 과 같이 프레임에 대한 가진 공진주파수 fd와 센서에 대한 감지 공진주파수(fs₁, fs₂)는 공정오차에 따라 거의 같은 간격을 유지하며 같은 비율로 변하게 된다.

도 22 은, 도 8 의 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼 전면의 n 또는 p 전극(21,22,23,24), 및 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드(21a,22a,23a,24a), 및 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b; 41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b), 및 밀폐벽(72)을 개략적으로 나타낸 평면 도면이다. 그리고 도 23 은, 도 22 의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 22, 및 도 23 에 있어서, 밀폐벽(72)은 x-y축 자이로스코프에 대한 진공밀폐를 위하여 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 바닥전극(21,23)은 웨이퍼기판에서 붕소(Boron), 또는 인(phosphorus)이 도우핑된(doped) 프레임(10) 수직가진 목적의 n 또는 p 도우핑전극이고, 바닥전극(22,24)은 프레임(10)의 수직방향 간격 변동을 측정하기 위한 n 또는 p 도우핑전극이다. 바닥 웨이퍼(60)의 실리콘관통전극(26b)은 프레임(10)과 센서질량체(30,32)에 전원을 공급하는 배선접속을 의미하고; 바닥 웨이퍼(60)의 실리콘관통전극(41b,42b,43b,44b;45b,46b,47b,48b)은 센서 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a)에서 감지된 신호를 외부로 출력하는 배선이며; 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극(21b,23b)은 바닥전극(21,23)에 전원을 공급하는 배선이며; 실리콘관통전극(22b,24b)은 바닥전극(22,24)의 신호를 감지하는 배선이다. 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)은 밀폐벽 밖으로 연결된 도우핑전극(21,22,23,24) 위에 도체금속으로 증착된 하나의 더미금속패드로서 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b)과 도핑전극(21,22,23,24) 간을 전기적으로 연결하는 역할을 한다.

도 22, 및 도 23 에 있어서, 캡웨이퍼(80)의 공기 관통홀(83)은, 진공챔버 내 캡 웨이퍼(80) 와 자이로 웨이퍼(70) 간의 웨이퍼밀폐접착 공정에서 금속(76) 결합 시 가스가 잘 빠져 나가는 벤팅홀(venting hole) 역할을 하므로 자이로스코프 칩이 전체 웨이퍼 면적에 걸쳐 균일한 진공도를 유지하게 한다. 또한 캡 웨이퍼(80)의 공기 관통홀(83)은, 밀폐벽(72) 밖 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)에 금속을 증착하기 위한 목적으로도 사용된다.

도 23 에 있어서, 바닥웨이퍼(60)에 직경 20~30um 크기의 실리콘관통전극을 뚫기 위해서는 식각공정의 고단면비한계 때문에 바닥웨이퍼(60)의 두께가 100um 정도로 얇아 질 수밖에 없다. 바닥웨이퍼(60)의 두께가 얇아지면 프레임 지지앵커(25,26) 만으로는 프레임(10)에 대한 수직가진 진동에너지를 충분히 흡수할 수 없으므로 캡웨이퍼(80)와 자이로웨이퍼(70) 사이에 기둥(78,79)을 제작하여 프레임(10)의 가진 진동에너지를 바닥웨이퍼(60)와 캡웨이퍼(80)로 각각 나누어 분산시킬 수 있다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 그 기술적 사상의 범위 내에서 각종 다른 형태로 실시될 수 있음은 물론이다.

제조( Fabrication )

바람직한 실시 예에서, 상기 구조 및 동작을 갖는 x-y축 자이로스코프는 반도체 미세제조공정(micro fabrication process) 기술을 이용하여 제작한다. 반도체 미세제조공정은 실리콘기판위에 증착과 식각을 반복하여 얇은 구조물을 만드는 표면미세가공(surface micromachining), 및 실리콘기판을 가공하여 두꺼운 구조물을 만드는 벌크미세가공(bulk micromachining)의 2가지가 사용된다.

도 27, 도 28, 도 29, 도 30 은 본 발명의 실시예를 제조하기에 적절한 예시적인 제조 시퀀스를 개략적으로 나타내고 있다.

도 27 은 바닥 웨이퍼(60)와 자이로 웨이퍼(70)를 제조하기에 적절한 단계들의 시퀀스를 개략적으로 나타내고 있다.

도 27 의 S10 단계에서는, 바닥 웨이퍼(60)로서 약 10~20[Ωcm] 정도의 고저항 실리콘웨이퍼(100)를 사용한다.

도 27 의 S10 단계에서 S12 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 전면에 약 800~1,000[℃] 온도에서 붕소(boron), 또는 인(phosphorus) 을 침투시켜, n 도우핑전극, 또는 p 도우핑전극(21,22,23,24)을 만든다. 고온공정으로 인한 n, 또는 p 전극의 열팽창 문제는 어닐링(annealing)으로 해결한다. 고저항 실리콘웨이퍼에 n, 또는 p 전극을 도우핑(doping)하였으므로 가진전압으로 인하여 발생하는 기생정전용량은 비교적 작다.

도 27 의 S12 단계에서 S13 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 전면, 및 도핑전극(21,22,23,24) 위에 약 800~1,000[℃] 온도에서 2~3[um] 두께의 SiO₂절연체(74)를 증착한다.

도 27 의 S13 단계에서 S14 단계로 가면서, 약 0.01[Ωcm] 정도의 저저항 실리콘웨이퍼(100)를 자이로 웨이퍼(70)로 사용하고, 자이로 웨이퍼(70)를 약 600[℃] 온도에서 SiO₂절연체(74) 위에 웨이퍼 본딩(wafer bonding)하고, 그 후에 약 500[um] 두께의 자이로 웨이퍼(70)를 상온에서 35~40[um] 두께로 박형화 단계(thining step) 작업을 한다. 박형화는, 종래의 그라인딩 및 연마가 적합한 방법이다. 이때 자이로 웨이퍼(70)는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼와 같다.

도 27 의 S14 단계에서 S15 단계로 가면서, 자이로 웨이퍼(70) 전면에 웨이퍼 간 밀폐벽접합(hermetic sealing wall)을 위한 약 1~5[um] 두께의 금속벽(76)을 패터닝(patterning)한다.

도 27 의 S15 단계에서 S16 단계로 가면서, 자이로웨이퍼(70)에 대한 PR 리소그라피 패터닝 후, 깊은 반응성이온식각, 즉 딥(Deep) RIE(Reactive Ion Etching) 방법으로 식각한다.

도 27 의 S16 단계에서 S18 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60)와 자이로 웨이퍼(70) 사이의 SiO₂절연체(74)를 일부 희생층으로 제거한다.

도 28 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 캡(cap) 웨이퍼(80) 에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 28 의 S20 단계에서는, 캡 웨이퍼(80)로서 약 10~20[Ωcm] 정도의 고저항 실리콘웨이퍼(100)를 사용한다.

도 28 의 S20 단계에서 S22 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80) 배면(back side)에서 웨이퍼 간 밀폐벽접합을 위한 4~5[um] 두께의 금속벽(77)을 패터닝 한다.

도 28 의 S22 단계에서 S24 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80) 배면에서 멤즈 구조물 보호를 위한 공동(cavity) (81)을 딥 RIE 방법으로 식각한다.

도 28 의 S24 단계에서 S26 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80) 전면(front side)에서 약 150× 150[um²] 크기의 공기 관통홀(hole) (83)을 딥 RIE 방법으로 식각한다.

도 28 의 S26 단계에서 S28 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80)의 공동(cavity) 천정에 약 400[℃] 온도에서 약 400[nm] 두께로 산소(O)와 질소(N)가 잘 붙는 물질 게터(getter) (82)를 증착한다. 게터(82)는 온도가 상승하면 진공도가 떨어지는 효과가 있다.

도 29 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, SOI 형태의 자이로 웨이퍼(70)와 캡 웨이퍼(80)에 대한 웨이퍼레벨진공패키지(wafer level vacuum package) 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 29 의 S30 단계에서는 진공챔버 내 진공도를 1~3[mTorr]가 되도록 유지한다. 캡 웨이퍼(80)를 자이로 웨이퍼(70)에 결합하기 위해 비교적 고온 결합과정들이 필요한데, 이에는 공융금속결합(eutectic metal bonding), 글라스본딩(glass bonding), 땜납결합(solder bonding), 골드공융결합(gold eutectic bonding), Si에서 SiO₂로의 용융결합(Si to SiO2 fusion bonding) 및 Si에서 Si로의 용융결합(Si to Si fusion bonding) 들이 포함되는데 본 발명의 실시예에는 어떤 공정도 사용 가능하다.

도 29 의 S30 단계에서 S32 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60)를 약 500[um]에서 100[um] 두께로 박형화 작업을 한다.

도 30 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 실리콘관통전극 배선에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 30 의 S40 단계에서는, 바닥 웨이퍼(60) 전면의 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)를 밀폐벽(72) 밖에 증착한다. 도 30 의 S40 단계에서 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)는 식각방지막(etch stop) 역할을 한다.

도 30의 S40 단계에서 S42 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 배면에서 직경 Ø 20~30[um] 정도의 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)을 딥 RIE 방법으로 식각한다. 이때 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)에 대한 딥 RIE 공정은, 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)와 바닥웨이퍼(60), 및 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)와 절연체(74), 및 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)와 자이로웨이퍼(70) 사이의 식각속도선택비(etch rate selectivity)를 이용하여 이루어진다.

도 30 의 S42 단계에서 S44 단계로 가면서, 먼저 바닥웨이퍼(60) 배면(back side) 전체와 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀 벽(side wall)에 절연체(SiO2)를 증착하여 쌓아 올리고, 그 다음으로 바닥웨이퍼(60) 배면 전체와 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀 속의 바닥에 대하여 증착된 절연체(SiO2)를 전면식각(oxide etch back)하면, 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀 벽(side wall)에만 절연체(SiO2)가 남는다. 이어서 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀에 시드금속(seed metal)을 증착하고, 바닥 웨이퍼(60) 배면에서 도금 일괄공정(electroplating batch process)으로 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)에 금속을 채워 넣으면(metal filling) 멤즈 자이로 내부와 외부의 배선 접속이 완성된다.

도 30의 S44 단계에서 S46 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 배면의 실리콘관통전극 출구(21c,22c,23c,24c;26c;41c,42c,43c,44c,45c,46c,47c,48c)에 볼 패터닝(ball patterning) 후 범핑(bumping) 한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 아래의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 이용하여 당업자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

10 : 프레임
12,14,16 : 프레임 지지스프링
18 : 프레임 더미스프링
25,26 : 프레임 앵커
26a : 프레임및 센서질량체 가진을 위한, 바닥 웨이퍼 전면의 앵커
26b : 프레임및 센서질량체 가진을 위한, 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극
26c : 프레임및 센서질량체 가진을 위한, 바닥 웨이퍼의 배면 범핑 볼
21,22,23,24 : 바닥 웨이퍼 전면의 n-전극, 또는 n+전극
21a,22a,23a,24a : n-전극, 또는 n+전극을 위한, 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드
21b,22b,23b,24b : n-전극, 또는 n+전극을 위한, 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극
21c,22c,23c,24c : n-전극, 또는 n+전극을 위한, 바닥 웨이퍼의 배면 범핑 볼
30,32 : 센서질량체
36a,36b,38a,38b : 센서질량체 지지스프링
41,42,43,44,45,46,47,48 : 센서질량체 전극을 위한 앵커
41a,42a,43a,44a,45a,46a,47a,48a : 센서질량체 감지를 위한 평판전극 또는 콤전극
41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b : 센서질량체 감지를 위한, 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극
41c,42c,43c,44c,45c,46c,47c,48c : 센서질량체 감지를 위한, 바닥 웨이퍼 배면 범핑 볼
60 : 바닥 웨이퍼
70 : 자이로 웨이퍼
80 : 캡 웨이퍼

Claims

바닥 웨이퍼기판에 평행하게 배치되는 프레임;
가진모드에서, 상기 프레임과 함께 1자유도로 가진되고, 감지모드에서, 상기 프레임에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리힘에 의해 2자유도로 감지되는 센서질량체;
상기 센서질량체에 의한 2자유도의 각 감지변위를 측정하는 적어도 2개의 감지전극; 및
상기 센서질량체와 상기 프레임을 연결하고 상기 센서질량체가 2자유도의 각 감지변위를 갖도록 허용하는 적어도 2개의 센서질량체 지지스프링
을 포함하여 이루어지는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 감지전극은, 상기 센서질량체에 대한 코리올리힘 방향의 직선진동 변위(displacement) 및 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동 각도(angle)를 측정하기 위해 상기 센서질량체의 중심에서 일정 거리가 떨어진 위치에 서로 분리 배치되는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 지지스프링은, 상기 센서질량체에 대하여 코리올리힘 방향의 직선진동과 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동이 동시에 가능하도록 상기 센서질량체 중심에서 일정 거리가 떨어진 위치에 서로 분리 배치되는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제3항에 있어서,
상기 센서질량체 지지스프링은, 코리올리힘 방향의 직선진동과 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동이 동시에 가능하도록 각각 굽힘변형 또는 비틀림변형이 가능한 빔(beam) 형태의 스프링인 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은, x-y평면과 평행하며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 배열된 적어도 하나 이상의 바닥전극과, 상기 바닥전극을 통해 가해지는 적어도 하나 이상의 정전력에 의하여 상기 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직진동(vertical oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지거나 또는 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 회전진동(rotational oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지며,
상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 입력되는 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘 방향의 직선진동(linear oscillation)과 상기 코리올리힘 방향에 대한 수직 축 중심의 회전진동(rotational oscillation)을 동시에 하는 2자유도 감지모드를 가지는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은, x-y평면과 평행하며, 상기 프레임 측면(lateral) 방향으로 배열된 적어도 하나 이상의 가진전극과, 상기 가진전극을 통해 가해지는 적어도 하나 이상의 정전력에 의하여 상기 x-y평면에 평행한 방향으로 수평진동(lateral oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지거나 또는 상기 x-y평면에 수직인 z축 중심으로 회전진동(rotational oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지며,
상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 입력되는 외부의 각속도에 의해 바닥 웨이퍼기판과 수직방향으로 작동하는 코리올리힘 방향의 직선진동과 상기 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동을 동시에 하는 2자유도 감지모드를 가지는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은, x-y평면과 평행하며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 평행한 방향으로 수평진동 하는 1자유도 가진모드를 가지거나 또는 상기 x-y평면에 수직인 z축 중심으로 회전진동 하는 1자유도 가진모드를 가지며,
상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직인 z축 중심으로 입력되는 외부의 각속도에 의해 바닥 웨이퍼기판에 수평방향으로 작동하는 코리올리힘 방향의 직선진동과 상기 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동을 동시에 하는 2자유도 감지모드를 가지는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 프레임은, 상기 바닥 웨이퍼기판의 고정 앵커 측벽에 부착되는 적어도 하나의 프레임 지지스프링에 의해 상기 바닥 웨이퍼기판과 연결되고,
상기 센서질량체 지지스프링은, 상기 프레임 지지스프링과 동일한 크기의 빔폭(beam width), 및 동일한 크기의 빔두께(beam thickness)를 가지면서 서로 평행하게 배열되며,
상기 프레임은, 상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 빔(beam), 및 상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 홀(hole)로 구성되고,
상기 센서질량체는, 상기 센서질량체 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 빔, 및 상기 센서질량체 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 홀로 구성되는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 프레임은, 상기 바닥 웨이퍼기판의 고정 앵커 측벽에 부착되는 적어도 하나의 프레임 지지스프링에 의해 상기 바닥 웨이퍼기판과 연결되고,
상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭 및 동일한 크기의 두께를 가지며, 상기 프레임 지지스프링의 양쪽 측면으로 상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭 만큼 간격을 띄고 상기 프레임 또는 상기 앵커 측면에 각각 부착된 더미빔스프링(dummy beam spring)
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항에 있어서,
동일한 면적을 갖는 2개의 바닥전극이 상기 웨이퍼기판에 일정 간격으로 분리 배치되고,
상기 웨이퍼기판과 평행한 하나의 프레임이, 상기 분리된 2개의 바닥전극을 통해 각각 가해지는 역위상(anti-phase) 수직방향 정전력(electrostatic force)에 의하여 야기되는 회전진동으로 튜닝포크(tuning fork) 형태의 역위상 수직방향 속도성분(vertical velocity component)을 가지며,
동일한 크기를 갖는 2개의 센서질량체가, 상기 프레임의 회전진동에 의하여 필연적으로 서로 반대방향으로 작동하도록 상기 프레임과 x-y평면상에 비연성결합 구조(decoupled structure) 형태로 서로 연결되고,
상기 센서질량체에 대한 각 지지스프링은, 상기 프레임에 x-y평면상의 하나의 축을 중심으로 각속도가 입력될 때 상기 프레임에 연결된 상기 2개의 센서질량체가 상기 각속도 입력 축에 수직인 다른 축 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 동작하도록 상기 센서질량체를 상기 프레임에 각각 지지해 주는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제10항에 있어서,
상기 프레임 양쪽 끝 가장자리를 각각 지지하며, 또한 상기 프레임 양쪽 끝 가장자리에 대한 수직방향으로의 복원력(restoring force)을 강화하는, 좌우대칭 이중링크(symmetric double link) 형태의 비틀림스프링(torsional spring)
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제10항에 있어서,
상기 프레임 지지스프링에 대한 코리올리힘 방향으로의 굽힘변형(bending deformation) 억제를 목적으로, 상기 프레임의 지지스프링에 대한 코리올리힘 방향 굽힘강성(bending stiffness)은 크게 하고, 상기 프레임의 다른 축에 대한 비틀림강성 (torsional stiffness)은 작게 한, 좌우대칭이며 이중폴드(symmetric double folded) 형태의 더미빔스프링(dummy beam spring)
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항, 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
동일한 면적을 갖는 2개의 바닥전극이 상기 웨이퍼기판에 일정 간격으로 분리 배치되고,
상기 웨이퍼기판과 평행하며 서로 분리된 2개의 프레임이, 상기 분리된 2개의 바닥전극을 통해 각각 가해지는 역위상(anti-phase) 정전력(electrostatic force)에 의하여 웨이퍼기판과 평행한 자세로 튜닝포크(tuning fork) 형태의 수직진동을 하며,
동일한 크기를 갖는 2개의 센서질량체가, 서로 반대방향으로 작동하는 상기 2개의 프레임과 x-y평면상에 비연성결합 구조(decoupled structure) 형태로 서로 연결되고;
상기 2개의 센서질량체에 대한 각 지지스프링은, 상기 프레임에 x-y평면상의 하나의 축을 중심으로 각속도가 입력될 때 상기 센서질량체가 상기 각속도 입력 축에 수직인 다른 축 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 동작하도록 상기 센서질량체를 상기 프레임에 각각 연결해 주며,
상기 감지전극은, 상기 센서질량체의 직선진동, 및 회전진동에 대한 각 동작변위를 감지하기 위하여 상기 센서질량체 중심의 좌우 또는 상하 양쪽방향으로 각각 분리 배치된 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항, 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 각 프레임 내부에 상기 센서질량체가,
상기 각 프레임에서 x-y평면상의 하나의 축 방향으로 튜닝포크 형태의 역위상 코리올리힘이 작용하면, 상기 2개의 센서질량체로 구성된 제1센서질량체 쌍이 상기 축에 서로 반대방향으로 각각 동작하도록 상기 프레임과 비연성결합 스프링 구조로 연결된 1축 자이로스코프와;
상기 x-y평면상의 상기 1축 자이로스코프의 각 프레임에서 코리올리힘이 작용하는 축에 수직인 다른 축 방향으로 튜닝포크 형태의 역위상 코리올리힘이 작용하면, 또 다른 2개의 센서질량체로 구성된 제2센서질량체 쌍이 상기 역위상 코리올리힘이 작용하는 축에 서로 반대방향으로 각각 동작하도록 상기 프레임과 비연성결합 스프링 구조로 연결된 또 다른 1축 자이로스코프
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제1항에 있어서,
상기 바닥전극은, 상기 실리콘웨이퍼기판 위 일정 영역에 붕소(boron), 또는 인(phosphorus)이 도우핑(doping) 된 적어도 하나 이상의 n 전극 또는 p 전극으로 구성하며;
상기 멤즈 구조물은, 상기 실리콘웨이퍼기판 위에 절연체(insulator) 증착 후 하나의 다른 실리콘웨이퍼를 접합(bonding)한 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 벌크미세가공(bulk micromachining)하여 제작하며;
또 다른 하나의 실리콘웨이퍼에, 상기 멤즈 구조물의 보호를 위한 적어도 하나 이상의 공동(cavity)을, 벌크미세가공하여 캡 웨이퍼(cap wafer)로 구성하며;
상기 도우핑전극이 포함된 상기 바닥 웨이퍼기판과, 상기 멤즈 구조물이 포함된 상기 멤즈 SOI웨이퍼와, 상기 공동이 포함된 상기 캡 웨이퍼를, 진공챔버에서 3중(triple layer)으로 웨이퍼간밀폐접합(wafer level hermetic sealing) 되도록 하는 것
을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제15항에 있어서,
하나의 자이로 웨이퍼 전체 면적에 걸쳐 상기 개별적인 각각의 자이로스코프 칩에게 동일한 진공패키지 공정환경을 제공하기 위하여,
상기 멤즈 SOI웨이퍼는, 상기 멤즈 구조물의 진공내 작동을 위한 적어도 하나 이상의 진공 밀폐벽 과; 상기 바닥 웨이퍼는, 상기 밀폐벽 내부와 외부에 서로 전기적 배선이 연결되어 있는 적어도 하나 이상의 도핑전극 과;
상기 캡 웨이퍼는, 상기 멤즈 구조물에 대한 진공상태 유지를 위한 적어도 하나 이상의 밀폐벽(hermetic sealing wall)과, 상기 밀폐벽 외부에 상기 캡 웨이퍼의 전면(front side)에서 배면(back side)까지 완전히 뚫린 적어도 하나 이상의 공기 관통홀(through hole)
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제15항에 있어서,
상기 바닥 웨이퍼기판의 배면과 상기 바닥 웨이퍼기판의 전면 도핑전극 사이의 배선접속(interconnection)을 위한 적어도 하나 이상의 실리콘관통전극(TSV: Through Silicon Via) 과; 바닥 웨이퍼기판의 배면과 상기 멤즈 SOI웨이퍼 구조물 사이의 배선접속을 위한 적어도 하나 이상의 실리콘관통전극
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 웨이퍼간밀폐접합 된 3중웨이퍼는, 상기 실리콘관통전극 홀을 상기 바닥 웨이퍼 배면으로부터 상기 바닥 웨이퍼기판, 및 상기 도핑전극, 및 상기 절연체, 및 상기 멤즈 SOI웨이퍼 사이의 식각속도선택비(etch rate selectivity)를 이용하여 식각하기 위하여, 상기 캡 웨이퍼의 공기 관통홀 아래 상기 바닥 웨이퍼 전면의 도핑전극 표면에 증착된 적어도 하나 이상의 더미금속패드(dummy metal pad)
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
제15항에 있어서,
상기 프레임에 대한 수직가진 진동에너지를 상기 바닥 웨이퍼기판과 상기 캡으로 각각 분산시키기 위하여,
상기 멤즈 구조물의 보호를 위한 캡은, 상기 바닥 기판에 고정된 상기 프레임 앵커와의 접합을 위한 적어도 하나 이상의 기둥을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.