(57)【要約】【課題】本発明は、慣性センサに関する。【解決手段】本発明による慣性センサ１００は、絶縁領域１２３と通電領域１２５とに区画された配線層１２０を含むメンブレン１１０と、メンブレン１１０の中央部分１１３の下部に備えられた質量体１３０と、メンブレン１１０を支持するようにメンブレン１１０の縁１１５の下部に備えられて質量体１３０を包むポスト１４０と、を含む構成を有しており、メンブレン１１０を安価のメタルコアで形成することにより、慣性センサ１００の全体的な製造コストを低減するだけでなく、寄生容量を減少させることで慣性センサ１００の感度を向上させることができる効果がある。また、メンブレン１１０から延長された質量体１３０を金属で形成することにより、質量体１３０の質量密度を高めることで慣性センサ１００の感度を向上させることができる長所がある。【選択図】図３
2012255775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁領域と通電領域とに区画された配線層を含むメンブレンと、
前記メンブレンの中央部分の下部に備えられた質量体と、
前記メンブレンを支持するように前記メンブレンの縁の下部に備えられて前記質量体を包むポストと、
を含むことを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
前記メンブレンには、電極及び前記電極に電気的に連結されて前記メンブレンの縁に備えられたパッドが形成され、前記パッドは、前記メンブレンと前記ポストを貫通する貫通孔に電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項３】
前記貫通孔は前記メンブレンのうち前記絶縁領域を貫通することを特徴とする請求項２に記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記ポストの下部には集積回路が備えられ、
前記貫通孔は前記集積回路に連結されることを特徴とする請求項２に記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記メンブレンには電極が形成され、前記電極は前記通電領域を介して前記ポストを貫通する貫通孔に電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項６】
前記ポストの下部には集積回路が備えられ、
前記貫通孔は前記集積回路に連結されることを特徴とする請求項５に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記通電領域は金属で形成され、
前記質量体は前記通電領域から前記メンブレンの下方に延長して形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項８】
前記配線層の両面には絶縁層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項９】
前記配線層は多層に積層され、
多層に積層された前記配線層同士の間には絶縁層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１０】
前記配線層は、陽極酸化工程によりメタルコアを選択的に陽極酸化させて、前記絶縁領域と前記通電領域とに区画されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１１】
前記メタルコアは、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）のうち何れか一つで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の慣性センサ。
【請求項１２】
前記ポストはシリコンまたはポリマーで構成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、慣性センサは、人工衛星、ミサイル、無人航空機などの軍需用を始め、エアバッグ（Ａｉｒ  Ｂａｇ）、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）、車両用ブラックボックス（Ｂｌａｃｋ  Ｂｏｘ）などの車両用、カムコーダの手振れ防止用、携帯電話やゲーム機のモーションセンシング用、ナビゲーション用など、様々な用途に用いられている。
【０００３】
このような慣性センサは、加速度と角速度を測定するために、通常、メンブレン（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）などの弾性基板に質量体を接着した構成を採用している。上記の構成により慣性センサは、質量体に印加される慣性力を測定して加速度を算出したり、質量体に印加されるコリオリ力を測定して角速度を算出したりすることができる。
【０００４】
慣性センサを用いて加速度及び角速度を測定する過程を具体的に説明すると、以下のとおりである。まず、加速度は、ニュートンの運動法則「Ｆ＝ｍａ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用する慣性力、「ｍ」は質量体の質量、「ａ」は測定しようとする加速度である。このうち、質量体に作用する慣性力（Ｆ）を測定して、一定値である質量体の質量（ｍ）で割ることで加速度（ａ）を求めることができる。また、角速度は、コリオリ力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ  Ｆｏｒｃｅ）「Ｆ＝２ｍΩ×ｖ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用するコリオリ力、「ｍ」は質量体の質量、「Ω」は測定しようとする角速度、「ｖ」は質量体の運動速度である。このうち、質量体の運動速度（ｖ）と質量体の質量（ｍ）は既に認知している値であるため、質量体に作用するコリオリ力（Ｆ）を測定することで角速度（Ω）を求めることができる。
【０００５】
このように、慣性センサは、加速度と角速度を測定するために、質量体及び質量体を振動させることができるメンブレンを備えなければならない。これに関して、従来技術による慣性センサは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を選択的にエッチングすることによりメンブレンと質量体を形成した。しかし、ＳＯＩ基板は高価であるため、慣性センサの全体的な製造コストが増加する問題点が存在する。また、ＳＯＩ基板は、相対的に質量体の質量密度（Ｍａｓｓ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）が低く、寄生容量（Ｐａｒａｓｉｔｉｃ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）の発生により慣性センサの感度が低下する問題点も存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、メンブレンをメタルコアで形成して製造コストを低減することができ、質量体の質量密度を高め、寄生容量を減少させることで感度を向上することができる慣性センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好ましい実施例による慣性センサは、絶縁領域と通電領域とに区画された配線層を含むメンブレンと、前記メンブレンの中央部分の下部に備えられた質量体と、前記メンブレンを支持するように前記メンブレンの縁の下部に備えられて前記質量体を包むポストと、を含んで構成される。
【０００８】
ここで、前記メンブレンには、電極及び前記電極に電気的に連結されて前記メンブレンの縁に備えられたパッドが形成され、前記パッドは、前記メンブレンと前記ポストを貫通する貫通孔に電気的に連結されることを特徴とする。
また、前記貫通孔は前記メンブレンのうち前記絶縁領域を貫通することを特徴とする。
また、前記ポストの下部には集積回路が備えられ、前記貫通孔は前記集積回路に連結されることを特徴とする。
また、前記メンブレンには電極が形成され、前記電極は前記通電領域を介して前記ポストを貫通する貫通孔に電気的に連結されることを特徴とする。
また、前記ポストの下部には集積回路が備えられ、前記貫通孔は前記集積回路に連結されることを特徴とする。
また、前記通電領域は金属で形成され、前記質量体は前記通電領域から前記メンブレンの下方に延長して形成されることを特徴とする。
また、前記配線層の両面には絶縁層が形成されることを特徴とする。
また、前記配線層は多層に積層され、多層に積層された前記配線層同士の間には絶縁層が形成されることを特徴とする。
また、前記配線層は、陽極酸化工程によりメタルコアを選択的に陽極酸化させて、前記絶縁領域と前記通電領域とに区画されることを特徴とする。
【０００９】
また、前記メタルコアは、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）のうち何れか一つで構成されることを特徴とする。
また、前記ポストはシリコンまたはポリマーで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、メンブレンを安価のメタルコアで形成することにより、慣性センサの全体的な製造コストを低減するだけでなく、寄生容量を減少させることで慣性センサの感度を向上させることができる効果がある。
【００１１】
また、本発明によると、メンブレンから延長された質量体を金属で形成することにより、質量体の質量密度を高めることで慣性センサの感度を向上させることができる長所がある。
【００１２】
また、本発明によると、電極（駆動電極及び検知電極）をメンブレンの配線層や貫通孔を介して集積回路に連結するため、相対的に単純な構造で慣性センサを製作することができ、厚さを減少させて薄型化を図ることができ、ノイズ（Ｎｏｉｓｅ）を低減させることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の好ましい第１実施例による慣性センサの平面図であり、図２は図１に図示された慣性センサをＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図であり、図３は図１に図示された慣性センサをＢ−Ｂ´線に沿って切断した断面図であり、図４は図３に図示された慣性センサに集積回路、印刷回路基板及びメタルキャップを結合した断面図である。
【００１５】
図１〜図４に図示されたように、本実施例による慣性センサ１００は、絶縁領域１２３と通電領域１２５とに区画された配線層１２０を含むメンブレン１１０と、メンブレン１１０の中央部分１１３の下部に備えられた質量体１３０と、メンブレン１１０を支持するようにメンブレン１１０の縁１１５の下部に備えられて質量体１３０を包むポスト１４０と、を含む構成を有する。
【００１６】
前記メンブレン１１０は、板状に形成され、質量体１３０が振動されるように弾性を有する。ここで、メンブレン１１０の境界は正確に区別されるものではないが、図３のようにメンブレン１１０の中央部分１１３と、メンブレン１１０の外側に沿って備えられた縁１１５とに区画されることができる。この際、メンブレン１１０の中央部分１１３の下部には質量体１３０が備えられ、メンブレン１１０の中央部分１１３には質量体１３０の動きに対応する変位が発生する。また、メンブレン１１０の縁１１５の下部にはポスト１４０が備えられ、メンブレン１１０の中央部分１１３を支持する。一方、メンブレン１１０の中央部分１１３と縁１１５との間は弾性変形されるため、駆動電極１５１を配置して質量体１３０を駆動させたり検知電極１５３を配置して質量体１３０の変位を検知したりすることができる。但し、駆動電極１５１と検知電極１５３は必ずメンブレン１１０の中央部分１１３と縁１１５との間に配置しなければならないものではなく、図３のように一部がメンブレン１１０の中央部分１１３や縁１１５に配置されることができることは言うまでもない。
【００１７】
また、メンブレン１１０は、絶縁領域１２３と通電領域１２５とに区画された配線層１２０を含む。前記配線層１２０を用いて慣性センサ１００に必要な回路を具現することができる。ここで、配線層１２０は、例えば、陽極酸化工程によりメタルコア（Ｍｅｔａｌ  ｃｏｒｅ）を選択的に陽極酸化させて、絶縁領域１２３と通電領域１２５とに区画されることができる。前記陽極酸化工程は、メタルコアをホウ酸、リン酸、硫酸、クロム酸などの電解液に浸漬した後、メタルコアに陽極を印加し、電解液に陰極を印加することにより、メタルコアの陽極酸化された部分は絶縁領域１２３になり、陽極酸化されていない部分は通電領域１２５になる。また、前記メタルコアは特に限定されるものではないが、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、タンタル（Ｔａ）のうち何れか一つで構成されることが好ましい。このように、メンブレン１１０をＳＯＩ基板ではなくメタルコアで形成するため、慣性センサ１００の全体的な製造コストを低減するだけでなく、寄生容量（Ｐａｒａｓｉｔｉｃ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を減少させて慣性センサ１００の感度を向上させることができる。
【００１８】
さらに、配線層１２０の両面には、絶縁層１２７が形成されることができる。ここで、絶縁層１２７は、配線層１２０を保護する機能を行うと同時に、配線層１２０の通電領域１２５と電極１５０が互いに短絡（ｓｈｏｒｔ）されないようにする機能を行う。この際、絶縁層１２７は、酸化（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）またはコーティング（Ｃｏａｔｉｎｇ）工程により形成することができるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、当業界に公知された全ての工程により絶縁層１２７を形成することができる。
【００１９】
一方、メンブレン１１０には、前記のように、電極１５０が備えられることができる（図１参照）。ここで、電極１５０は、駆動電極１５１と検知電極１５３とを含むものであり、圧電方式、圧抵抗方式または静電容量方式により質量体１３０を駆動させたり、質量体１３０の変位を検知したりする。この際、駆動電極１５１と検知電極１５３は、それぞれ円弧状に形成される。具体的に、メンブレン１１０をメンブレン１１０の中心を包む内側環状領域１５７と内側環状領域１５７を包む外側環状領域１５５とに区画する場合、外側環状領域１５５に駆動電極１５１が円弧状に形成され、内側環状領域１５７に検知電極１５３が円弧状に形成されることができる（但し、外側環状領域１５５に検知電極１５３が形成され、内側環状領域１５７に駆動電極１５１が形成されることもできる）。この際、駆動電極１５１は、Ｎ個に分割されて形成されることができ、検知電極１５３はＭ個に分割されて形成されることができる。図面において駆動電極１５１と検知電極１５３はそれぞれ４個に分割されて形成されているが、製作コストや具現しようとする感度を考慮して駆動電極１５１と検知電極１５３の数を任意に決定することができる。一方、駆動電極１５１と検知電極１５３は、スパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）または気化蒸着（Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより形成することができる。ここで、スパッタリングは、物理的な方法で蒸気粒子を形成してメンブレン１１０に蒸着させることにより電極１５０を形成する方法であり、気化蒸着は物質を蒸発または昇華させて原子または分子単位でメンブレン１１０に蒸着させることにより電極１５０を形成する方法である。
【００２０】
また、駆動電極１５１と検知電極１５３は、連結パターン１６５を介してメンブレン１１０の縁１１５に形成されたパッド１６０に電気的に連結される。この際、パッド１６０はメンブレン１１０とポスト１４０を貫通する貫通孔１４５に電気的に連結され（図２から図３参照）、前記貫通孔１４５は、ポスト１４０の下部に備えられた集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１７０に電気的に連結される（図４参照）。結果、パッド１６０は貫通孔１４５を介して集積回路１７０に電気的に連結される。ここで、貫通孔１４５は、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）やレーザ（Ｌａｓｅｒ）を用いて孔を加工した後、銅をメッキしたりタングステンを蒸着させたりして形成することができる。本実施例による慣性センサ１００は、従来技術による慣性センサと異なり、ワイヤボンディング（Ｗｉｒｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）ではなく貫通孔１４５を介してパッド１６０と集積回路１７０を連結するため、相対的に単純な構造で慣性センサ１００を製作することができる。結果、慣性センサ１００の厚さを減少させて薄型化を図ることができ、ノイズ（Ｎｏｉｓｅ）を低減させることができる効果がある。一方、図３に図示されたように、貫通孔１４５と通電領域１２５が短絡されることを防止するために、貫通孔１４５はメンブレン１１０のうち絶縁領域１２３を貫通することが好ましい。但し、具現しようとする回路の構成に応じて、貫通孔１４５はメンブレン１１０のうち通電領域１２５を貫通して互いに通電されることもできる。
【００２１】
前記質量体１３０は、慣性力やコリオリ力の作用により変位を発生させて加速度や角速度を測定できるようにするものであり、メンブレン１１０の中央部分１１３の下部に備えられる（図３参照）。ここで、質量体１３０は、例えば円柱を含む多角柱状に形成されることができる。一方、質量体１３０は通電領域１２５からメンブレン１１０の下方に延長して形成されることができる。即ち、質量体１３０はメンブレン１１０の中央部分１１３に備えられた通電領域１２５から延長されて通電領域１２５と一体に形成されることができる。この際、通電領域１２５はメタルコアで形成されるため、質量体１３０もまた金属で形成される。従って、質量体１３０の質量密度を高めることにより慣性センサ１００の感度を向上させることができる長所がある。また、質量体１３０は通電領域１２５と一体に形成されるため、質量体１３０とメンブレン１１０の結合力が強化され、慣性センサ１００に強い衝撃が加えられても質量体１３０がメンブレン１１０から分離されることを予め防止することができる効果もある。
【００２２】
前記ポスト１４０は中空型に形成されてメンブレン１１０を支持することにより、質量体１３０が変位を起こす空間を確保するものであり、メンブレン１１０の縁１１５の下部に備えられる（図３参照）。ここで、ポスト１４０は、中心に円柱状の空洞が形成された四角柱状に形成されることができる。従って、横断面からみて、質量体１３０は円形に形成され、ポスト１４０は中央に円形の開口が備えられた四角形に形成される。また、ポスト１４０の材質は特に限定されないが、シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ）やポリマー（Ｐｏｌｙｍｅｒ）で構成されることが好ましい。
【００２３】
一方、図４に図示されたように、集積回路１７０の下部には印刷回路基板１８０が備えられることができ、慣性センサ１００を保護するために印刷回路基板１８０の縁から上方に延長されて慣性センサ１００を覆うメタルキャップ（Ｍｅｔａｌ  Ｃａｐ）１９０が備えられることができる。
【００２４】
図５は本発明の好ましい第２実施例による慣性センサの平面図であり、図６は図５に図示された慣性センサをＣ−Ｃ´線に沿って切断した断面図であり、図７は図６に図示された慣性センサに集積回路、印刷回路基板及びメタルキャップを結合した断面図である。
【００２５】
図５から図７に図示されたように、第２実施例による慣性センサ２００と前記第１実施例による慣性センサ１００との最大の相違点は、配線層１２０の構成及びパッド１６０と連結パターン１６５の具備の有無である。従って、第２実施例による慣性センサ２００については前記相違点を中心に説明し、第１実施例による慣性センサ１００と重複する説明は省略する。
【００２６】
本実施例による慣性センサ２００のメンブレン１１０は、配線層１２０が多層に積層される。従って、配線層１２０を用いて慣性センサ２００に必要な回路を多層に具現することができる。また、多層に配線層１２０を積層することにより、回路設計の自由度を高めることができる。従って、メンブレン１１０には別のパッド１６０及び連結パターン１６５を形成する必要がないため（図５参照）、配線層１２０の通電領域１２５を介して電極１５０と貫通孔１４５を電気的に連結することができる（図６参照）。また、電極１５０がメンブレン１１０の配線層１２０を介して貫通孔１４５に連結されるため、貫通孔１４５はメンブレン１１０を貫通する必要がなく、ポスト１４０のみを貫通すれば良い。図７に図示されたように、貫通孔１４５はポスト１４０の下部に備えられた集積回路１７０に電気的に連結されるため、結果、電極１５０は通電領域１２５と貫通孔１４５を介して集積回路１７０に電気的に連結される。
【００２７】
前記のように、本実施例による慣性センサ２００は、通電領域１２５がパッド１６０（図１参照）と連結パターン１６５の機能を行うため、メンブレン１１０にパッド１６０と連結パターン１６５を別途形成する必要がない。従って、慣性センサ２００の製造工程の単純化を図ることができ、電極１５０と集積回路１７０との間の電気的な信頼性を高めることができる効果がある。
【００２８】
一方、配線層１２０を多層に積層するため、多層に積層された配線層１２０を互いに絶縁させるために配線層１２０同士の間には絶縁層１２７が形成されることが好ましい。また、第１実施例による慣性センサ１００のように配線層１２０の最外側にも絶縁層１２７が形成されることが好ましい。
【００２９】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の好ましい第１実施例による慣性センサの平面図である。
【図２】図１に図示された慣性センサをＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図である。
【図３】図１に図示された慣性センサをＢ−Ｂ´線に沿って切断した断面図である。
【図４】図３に図示された慣性センサに集積回路、印刷回路基板及びメタルキャップを結合した断面図である。
【図５】本発明の好ましい第２実施例による慣性センサの平面図である。
【図６】図５に図示された慣性センサをＣ−Ｃ´線に沿って切断した断面図である。
【図７】図６に図示された慣性センサに集積回路、印刷回路基板及びメタルキャップを結合した断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００、２００  慣性センサ
１１０  メンブレン
１１３  メンブレンの中央部分
１１５  メンブレンの縁
１２０  配線層
１２３  絶縁領域
１２５  通電領域
１２７  絶縁層
１３０  質量体
１４０  ポスト
１４５  貫通孔
１５０  電極
１５１  駆動電極
１５３  検知電極
１５５  外側環状領域
１５７  内側環状領域
１６０  パッド
１６５  連結パターン
１７０  集積回路
１８０  印刷回路基板
１９０  メタルキャップ
【図１】
2012255775.tif 000003
【図２】
2012255775.tif 000004
【図３】
2012255775.tif 000005
【図４】
2012255775.tif 000006
【図５】
2012255775.tif 000007
【図６】
2012255775.tif 000008
【図７】
2012255775.tif 000009