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KR20130142116A - 단일 구동 모드를 가진 미세기계화 모노리식 3축 자이로스코프 - Google Patents

단일 구동 모드를 가진 미세기계화 모노리식 3축 자이로스코프 Download PDF

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KR20130142116A
KR20130142116A KR1020137009789A KR20137009789A KR20130142116A KR 20130142116 A KR20130142116 A KR 20130142116A KR 1020137009789 A KR1020137009789 A KR 1020137009789A KR 20137009789 A KR20137009789 A KR 20137009789A KR 20130142116 A KR20130142116 A KR 20130142116A
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센크 아카르
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페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
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Abstract

본 개시는 디바이스 층의 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프를 캡슐화하도록 구성된 캡 웨이퍼 및 비아 웨이퍼를 제공한다. 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는 단일의 중앙 앵커의 주위에 현가된 메인 프루프 매스 부분을 포함하고, 메인 프루프 매스 부분은 3축 자이로스코프 센서의 에지부를 향해 바깥쪽으로 연장된 방사형 부분을 포함하며, 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는 또한 단일의 중앙 앵커로부터 3축 자이로스코프를 현가하도록 구성된 중앙 서스펜션 시스템과 가동 부분 및 정지 부분을 구비하는 구동 전극을 포함하며, 가동 부분은 방사형 부분에 결합되고, 구동 전극과 중앙 서스펜션 시스템은 3축 자이로스코프를 x-y 평면에 대해 법선 방향인 z축 주위에서 구동 주파수로 진동시키도록 구성된다.

Description

단일 구동 모드를 가진 미세기계화 모노리식 3축 자이로스코프{MICROMACHINED MONOLITHIC 3-AXIS GYROSCOPE WITH SINGLE DRIVE}
본 발명은 자이로스코프 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 미세기계화 자이로스코프 장치에 관한 것이다.
여러 개의 단일 축 또는 다중 축 미세기계화 자이로스코프 구조체는 3축 자이로스코프 클러스터를 형성하는 시스템에 통합된다. 그러나 별개의 센서로 구성된 이러한 클러스터의 크기 및 비용은 특정 애플리케이션에서는 과도한 것이 될 수 있다. 단일 또는 다중 축 자이로스코프가 하나의 마이크로 전자기계 시스템(MEMS: micro-electro-mechanical system) 칩 상에 제조될 수 있지만, 각각의 센서에 대해 별도의 구동 및 감지 전자장치를 필요로 한다.
또한, 고객/모바일, 자동차 및 항공우주/방어 애플리케이션에서의 3축 가속도 검출에 대한 요구가 증가하고 있다. 많은 단일 축 또는 다중 축 미세기계화 가속도계 구조체는 각각의 가속도 축에 대해 별개의 프루프 매스(proof-mass)를 사용해 왔다. 여러 개의 센서 또는 복수의 프루프 매스를 다이(die) 상에 조합하는 것에 의해, 통합된 3축 가속도계 센서의 크기와 비용이 크게 증가할 수 있다.
본 개시는 디바이스 층의 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프를 캡슐화하도록 구성된 캡 웨이퍼 및 비아 웨이퍼를 제공한다. 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는 단일의 중앙 앵커의 주위에 현가된 메인 프루프 매스 부분을 포함하고, 메인 프루프 매스 부분은 3축 자이로스코프 센서의 에지부를 향해 바깥쪽으로 연장된 방사형 부분을 포함하며, 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는 또한 단일의 중앙 앵커로부터 3축 자이로스코프를 현가하도록 구성된 중앙 서스펜션 시스템과 가동 부분 및 정지 부분을 구비하는 구동 전극을 포함하며, 가동 부분은 방사형 부분에 결합되고, 구동 전극과 중앙 서스펜션 시스템은 3축 자이로스코프를 x-y 평면에 대해 법선 방향인 z축 주위에서 구동 주파수로 진동시키도록 구성된다.
본 항목의 내용은 본 특허출원의 주제의 개요를 제공하기 위한 것으로서, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 상세한 설명은 본 특허출원에 관한 추가의 정보를 제공한다.
본 도면은 반드시 실측으로 되어 있는 것은 아니며, 유사한 참조 부호는 다른 도면에서 유사한 요소를 나타낼 수 있다. 상이한 첨자를 가진 유사한 참조 부호는 유사한 요소의 다른 예를 나타낼 수 있다. 도면은 일반적으로 예시를 위해 본 명세서에서 논의되는 여러 실시형태를 보여주는 것이며 한정을 위한 것이 아니다.
도 1은 3 자유도(3-DOF)의 관성 측정 유닛(IMU)의 개략적인 단면을 나타낸다.
도 2는 3축 자이로스코프의 예를 나타낸다.
도 3은 구동 운동에서의 3축 자이로스코프의 예를 나타낸다.
도 4는 x축을 중심으로 하는 회전에 따른 감지 운동 중의 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 자이로스코프의 예를 나타낸다.
도 5는 y축을 중심으로 하는 회전에 따른 감지 운동 중의 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 자이로스코프의 예를 나타낸다.
도 6은 z축을 중심으로 하는 회전에 따른 감지 운동 중의 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 자이로스코프의 예를 나타낸다.
도 7 및 8은 역위상 운동 및 동위상 운동 중의 z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링을 포함하는 3축 자이로스코프의 예를 나타낸다.
도 9는 3축 가속도계의 예를 나타낸다.
도 10은 x축 가속도에 따른 감지 운동에서의 3축 가속도계의 예를 나타낸다.
도 11은 y축 가속도에 따른 감지 운동에서의 3축 가속도계의 예를 나타낸다.
도 12는 z축 가속도에 따른 감지 운동에서의 3축 가속도계의 예를 나타낸다.
도 13은 비아 웨이퍼 전극 배치를 포함하는 시스템의 예를 나타낸다.
도 14는 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 가속도계의 측면을 나타낸다.
도 15는 3+3 자유도(3+3 DOF) 관성 측정 유닛(IMU)의 예를 나타낸다.
도 16은 앵커의 주위에 고정된 중앙 서스펜션의 예를 나타낸다.
도 17은 구동 운동에서의 중앙 서스펜션의 일부의 예를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 교차축 감도(cross-axis sensitivity)를 최소화하기 위해 각각의 축에 대해 응답 모드를 효과적으로 해제하면서, 모두 3개의 축 주위의 각 속도(angular rate)를 검출하기 위해 단일의 중앙 고정식 프루프 매스(single center-anchored proof-mass)를 이용하도록 구성된 미세기계화 모노리식 3축 자이로스코프(micromachined monolithic 3-axis gyroscope)를 제공한다.
일례로, 본 발명의 실시예에 의한 고유의 프루프 매스 분할 및 플렉셔 구조체에 의해, 단일 구동 모드 진동을 이용하는 3축 각 속도 검출이 가능하게 되고, 이에 의해, 모든 축에 대해 하나의 구동 제어 루프만을 필요로 하게 된다. 따라서, 3개의 별개의 구동 루프를 이용하는 종래의 다중 축 자이로스코프에 비해, 본 발명의 실시예에 의한 3축 자이로스코프의 제어용 전자장치의 복잡도와 비용을 크게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는, 교차축 감도를 최소화하기 위해 각 축에 대한 응답 모드를 효과적으로 해제하면서, 모두 3개의 축 주위의 가속도를 검출하도록 단일의 중앙 고정식 프루프 매스를 이용하도록 구성된 미세기계화 3축 가속도계를 제공한다.
일례로, 본 발명의 실시예에 의한 고유의 프루프 매스 및 플렉셔 구조체는 단일의 중앙에 고정된 프루프 매스를 이용하는 3축 가속도 검출이 가능하게 된다. 따라서, 각각의 가속도 축에 대해 별개의 프루프 매스를 이용하는 종래의 다축 가속도계에 비해, 본 발명의 실시예에 의한 3축 가속도계의 미세 전자기계 시스템(MEMS) 감지 요소의 전체 다이 크기와 총 비용을 크게 낮출 수 있다.
디바이스 구조
도 1은 캡 웨이퍼(cap wafer)(10), 미세기계화 구조체(예를 들어, 미세기계화 3-DOF IMU)를 구비하는 디바이스 층(device layer)(105), 및 비아 웨이퍼(via wafer)(103)를 포함하는 칩 스케일 패키지(chip-scale package) 내에 형성된, 3-DOF 자이로스코프 또는 3-DOF 미세기계화 가속도계 등의 3 자유도(3-DOF: degrees-of-freedom) 관성 측정 유닛(IMU: inertial measurement unit)(100)의 개략적인 단면을 나타낸다. 일례로, 디바이스 층(105)은 캡 웨이퍼(101)와 비아 웨이퍼(103)의 사이에 배치될 수 있으며, 디바이스 층(105)과 캡 웨이퍼(101) 사이의 캐비티는 웨이퍼 레벨에서 진공하에서 밀봉될 수 있다.
일례로, 캡 웨이퍼(101)는 금속 본드(metal bond)(102) 등을 이용해서 디바이스 층(105)에 접착될 수 있다. 금속 본드(102)는 비고온 용융 본드(non-high temperature fusion bond) 등의 용융 본드를 포함해서, 진공 상태를 오래 유지하고, 점착 방지용 코팅(anti-stiction coating)을 도포해서 중력가속도가 낮은 가속도 센서(low-g acceleration sensors)에서 생길 수 있는 점착을 방지할 수 있다. 일례로, 디바이스 층(105)이 동작하는 동안에, 금속 본드(102)에 의해 캡 웨이퍼(101)와 디바이스 층(105) 사이에 열응력이 생길 수 있다. 일례로, 디바이스 층(105)의 미세기계화 구조체를 열응력으로부터 분리시키기 위해, 디바이스 층(105)에 하나 이상의 요소를 추가할 수 있는데, 그 예로서, 하나 이상의 응력 감소 홈(stress reducing groove)을 미세기계화 구조체의 둘레 주변에 형성할 수 있다. 일례로, 비아 웨이퍼(103)는 디바이스 층(105)과의 사이의 열응력을 제거하기 위해, 디바이스 층(105)에 용융 접착 등과 같이 접착(예를 들어, 실리콘-실리콘 용융 접착 등)될 수 있다.
일례로, 비아 웨이퍼(103)는 예를 들어, 하나 이상의 쓰루-실리콘 비아(TSV: through-silicon-vias)를 이용해서 비아 웨이퍼(103)의 하나 이상의 다른 영역으로부터 분리되는 제1 분리 영역(107) 등의 하나 이상의 분리된 영역을 포함할 수 있으며, 그 예로는 절연 재료(109)를 이용해서 비아 웨이퍼(103)로부터 분리된 제1 TSV(108)가 있다. 일례로, 하나 이상의 분리된 영역은 3축 자이로스코프의 면외 동작 모드(out-of-plane operation mode)를 감지하거나 작동시키는 전극으로서 이용될 수 있으며, 하나 이상의 TSV는 시스템(100)의 외부에 있는 디바이스 층(105)으로부터의 전기 접속을 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 비아 웨이퍼(103)는 제1 콘택(110) 등의 하나 이상의 콘택을 포함할 수 있고, 이러한 콘택은 절연 층(104)을 사용해서 비아 웨이퍼(103)의 하나 이상의 부분으로부터 선택적으로 절연되고, 비아 웨이퍼(103)의 하나 이상의 분리된 영역 또는 TSV와 ASIC 웨이퍼 등의 하나 이상의 외부 부품 간에 범프, 와이어 본드, 또는 하나 이상의 다른 전기 접속을 사용해서 전기 접속을 제공하도록 구성된다.
일례로, 디바이스 층(105)의 3 자유도(3-DOF) 자이로스코프 또는 미세기계화 가속도계는 디바이스 층(105)을 비아 웨이퍼(103)의 돌출부(protruding portion)에 접착하는 것에 의해 비아 웨이퍼(103)에 지지되거나 고정될 수 있다. 돌출부의 예로는 앵커(anchor)(106) 등이 있다. 일례로, 앵커(106)는 실질적으로 비아 웨이퍼(103)의 중앙에 위치될 수 있으며, 이 앵커에 디바이스 층(105)이 용융 접착될 수 있는데, 이로써, 금속 피로(metal fatigue)와 관련된 문제를 제거할 수 있다.
자이로스코프 디바이스 구조
도 2는 3-DOF IMU(100)의 디바이스 층(105)의 단일 면 내에 형성되는 등의, 3축 자이로스코프(200)의 예를 나타낸다. 일례로, 3축 자이로스코프(200)의 구조는 도 2에 나타낸 x 및 y축을 중심으로 대칭을 이룰 수 있으며, z축은 개념상 도면으로부터 밖으로 나오는 방향이다. 도 2로부터 3축 자이로스코프(200)의 일부분에서의 구조 및 특징을 참조한다. 그러나 일례로, 이러한 참조 및 설명은 3축 자이로스코프(200)의 부분들과 같이 도면부호가 붙지 않은 부분에도 적용될 수 있다.
일례로, 3축 자이로스코프(200)는 도 1의 예에서 예시한 바와 같이, 3-DOF IMU(100)의 디바이스 층(105)에 패턴화된, 3축 자이로스코프 동작 모드를 제공하는 단일의 프루프 매스 설계를 포함할 수 있다.
일례로, 단일의 프루프 매스는 단일의 중앙 앵커[예를 들어, 앵커(106)]와 중앙 서스펜션(central suspension)(111)을 사용해서 중앙에 현가될 수 있다. 중앙 서스펜션은, 동시계류중이며, 그 내용이 본원에 참조에 의해 원용되는, 2011년 9월 16일에 Acar 등에 의해 출원된 "FLEXURE BEARING TO REDUCE QUADRATURE FOR RESONATING MICROMACHINED DEVICES"란 명칭의 PCT 특허출원번호 US2011052006호에 개시된 것과 같은 대칭형의 중앙 플렉셔 베어링("플렉셔")을 포함한다. 이 중앙 서스펜션(111)에 의해 단일의 프루프 매스가 x, y 및 z축을 중심으로 비틀림 하에서 진동할 수 있게 되며, 이하의 예를 포함하는 3개의 자이로스코프 동작 모드를 제공한다:
(1) z축을 중심으로 한 비틀림 면내 구동 운동(torsional in-plane drive motion)(예를 들어, 도 3에 나타낸 예),
(2) y축을 중심으로 한 비틀림 면외 y축 자이로스코프 감지 운동(torsional out-of-plane y-axis gyroscope sense motion)(예를 들어, 도 4에 나타낸 예), 및
(3) y축을 중심으로 한 비틀림 면외 x축 자이로스코프 감지 운동(예를 들어, 도 5에 나타낸 예).
또한, 단일 프루프 매스 설계는 복수의 부분으로 구성될 수 있다. 그 예로는, 메인 프루프 매스 부분(115), 및 y축을 중심으로 대칭인 x축 프루프 매스 부분(116)이 있다. 일례로, 구동 전극(123)은 메인 프루프 매스 부분(115)의 y축을 따라 배치될 수 있다. 구동 전극(123)은, 중앙 서스펜션(111)과 조합하여, z축을 중심으로 한 비틀림 면내 구동 운동을 제공해서, x축 및 y축을 중심으로 한 각 운동(angular motion)의 검출이 가능하도록 구성될 수 있다.
일례로, x축 프루프 매스 부분(116)은 z축 자이로스코프 플렉셔 베어링(120)을 사용해서 메인 프루프 매스 부분(115)에 결합될 수 있다. 일례로, z축 자이로스코프 플렉셔 베어링(120)에 의해, x축 프루프 매스 부분(116)이 z축 자이로스코프 감지 운동에 대한 x방향에서의 선형 역위상으로 진동할 수 있다.
또한, 3축 자이로스코프(200)는 x축을 따라 x축 프루프 매스 부분(116)의 역위상, 동위상을 검출하도록 구성된 z축 자이로스코프 감지 전극(127)을 포함할 수 있다.
일례로, 구동 전극(123) 및 z축 자이로스코프 감지 전극(127)은 가동 핑거(moving finger)를 각각 포함할 수 있다. 가동 핑거는 앵커(124, 128) 등의 각각의 앵커를 사용해서 소정의 위치[예를 들어, 비아 웨이퍼(103)]에 고정된 정지 핑거 세트와 연계된 하나 이상의 프루프 매스 부분에 결합된다.
자이로스코프 동작 모드
도 3은 구동 운동에서의 3축 자이로스코프(300)의 예를 나타낸다. 일례로, 구동 전극(123)은 제1 구동 앵커(124)[예를 들어, 비아 웨이퍼(103)의 돌출되고 전기 절연된 부분]를 사용해서 소정의 위치에 고정된 정지 핑거 세트와 연계된 메인 프루프 매스 부분(115)에 결합된 가동 핑거 세트를 포함할 수 있다. 일례로, 정지 핑거는 제1 구동 앵커(124)를 통해 에너지를 받도록 구성될 수 있으며, 서로 연계된 구동 전극(123)의 가동 핑거와 정지 핑거 사이의 상호작용에 의해, z축의 주위로 단일 프루프 매스에 각도 힘(angular force)을 제공할 수 있다.
도 3의 예에서, 구동 전극(123)은 단일 프루프 매스를 z축을 중심으로 회전시키도록 구동되며, 중앙 서스펜션(111)은 고정된 앵커(106)에 대하여 복원 토크를 제공하는 것에 의해, 단일 프루프 매스는 구동 전극(123)에 인가된 에너지에 따라 구동 주파수에서 z축 주위로 비틀림 하에서 면내 진동하게 된다. 일부 예에서, 단일 프루프 매스의 구동 운동은 구동 전극(123)을 이용하여 검출될 수 있다.
x축 레이트 응답
도 4는 x축 주위로의 회전에 따라 감지 운동 동안 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 자이로스코프(400)의 예를 나타낸다. 단일 프루프 매스는 메인 프루프 매스 부분(115), x축 프루프 매스 부분(116), 및 중앙 서스펜션(111)을 포함한다.
x축을 중심으로 한 각 속도가 있는 경우, 도 3의 예에 개시된 3축 자이로스코프(400)의 구동 운동과 관련해서, z축에 따른 반대 방향으로의 코리올리 힘이 x축 프루프 매스 부분(116)에 생길 수 있다. 이것은 속도 벡터가 y축을 따라 반대 방향에 있기 때문이다. 따라서, 단일 프루프 매스는 중앙 서스펜션(111)을 휘어지게 하는 것에 의해 y축 주위로 비틀림 하에서 여기될 수 있다. 감지 응답은 예를 들어, 비아 웨이퍼(103) 내에 형성된 면외 x축 자이로스코프 감지 전극을 이용해서 검출될 수 있으며, x축 프루프 매스 부분(116)과 비아 웨이퍼(103)의 용량성 결합을 이용해서 검출될 수 있다.
y축 레이트 응답
도 5는 y축을 중심으로 한 회전에 따른 감지 운동 동안 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 자이로스코프(500)의 예를 나타낸다. 단일 프루프 매스는 메인 프루프 매스 부분(115), x축 프루프 매스 부분(116), 및 중앙 서스펜션(111)을 포함한다.
y축을 중심으로 한 각 속도가 있는 경우, 도 3의 예에 개시된 3축 자이로스코프(400)의 구동 운동과 관련해서, z축에 따른 반대 방향으로의 코리올리 힘이 메인 프루프 매스 부분(115)에 생길 수 있다. 이것은 속도 벡터가 x축을 따라 반대 방향에 있기 때문이다. 따라서, 단일 프루프 매스는 중앙 서스펜션(111)을 휘어지게 하는 것에 의해 y축을 중심으로 비틀림 하에서 여기될 수 있다. 감지 응답은 예를 들어, 비아 웨이퍼(103) 내에 형성된 면외 y축 자이로스코프 감지 전극을 이용해서 검출될 수 있으며, 메인 프루프 매스 부분(115)과 비아 웨이퍼(103)의 용량성 결합을 이용해서 검출될 수 있다.
z축 레이트 응답
도 6는 z축을 중심으로 한 회전에 따른 감지 운동 동안의 단일 프루프 매스를 포함하는 3축 자이로스코프(600)의 예를 나타낸다. 단일 프루프 매스는 메인 프루프 매스 부분(115), x축 프루프 매스 부분(116), 중앙 서스펜션, z축 플렉셔 베어링(120), 및 z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(121)을 포함한다.
z축을 중심으로 한 각 속도가 있는 경우, 도 3의 예에 개시된 3축 자이로스코프(400)의 구동 운동과 관련해서, x축에 따른 반대 방향으로의 코리올리 힘이 x축 프루프 매스 부분(116)에 생길 수 있다. 이것은 속도 벡터가 y축을 따라 반대 방향에 있기 때문이다. 따라서, x축 프루프 매스 부분(116)은 z축 플렉셔 베어링(120)을 x방향으로 휘어지게 하는 것에 의해 x축을 따라 반대 방향으로 선형으로 여기될 수 있다. 또한, z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(121)은 역위상 코리올리 힘에 의해 직접 구동되는, x축 프루프 매스 부분(116)의 선형 역위상 공진 모드(linear anti-phase resonant mode)를 제공하는 데에 사용될 수 있다. 감지 응답은 디바이스 층(105) 내에 형성된 z축 자이로스코프 감지 전극(127) 등의 면내 평행판 감지 전극(in-plane parallel-plate sense electrode)을 이용해서 검출될 수 있다.
도 7 및 도 8은 역위상 운동 및 동위상 운동 중의 z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(121)을 포함하는 3축 자이로스코프(700)의 예를 나타낸다. x축 가속도에 기인한 3축 자이로스코프(700)의 진동 제거(vibration rejection)를 향상시키기 위해, z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(121)은 x축 프루프 매스 부분(116)의 동위상 운동을 억제하도록 구성된다.
역위상 운동(anti-phase motion) 동안, 2개의 x축 프루프 매스 부분(116)을 z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(121)에 연결하는 연결 빔(connection beam)은 동일한 방향으로 힘을 가하고, 연결 빔은 낮은 강성으로 자연적으로 휘어지게 된다.
이와 달리, 동위상 운동(in-phase motion) 동안, z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(121)의 연결 빔은 연결 빔에 반대 방향의 힘을 가하고, 연결 빔에 가해지는 힘에 의해 높은 강성으로 뒤틀림 운동이 생기게 된다. 따라서, 동위상 운동 강성 및 공진 주파수가 증가하게 되어, 진동 제거가 더 양호하게 된다.
가속도계 디바이스 구조
도 9는 3-DOF IMU(100)의 디바이스 층(105)의 단일 면에 형성되는 등의 3축 가속도계(900)의 예를 나타낸다. 일례로, 3축 가속도계(900)는 단일 프루프 매스 설계를 포함하여, 도 1의 예에 나타낸 바와 같은, 3-DOF IMU(100)의 디바이스 층(105)에 패턴화된 3축 가속도계 동작 모드를 제공한다.
일례로, 단일 프루프 매스는 응답 모드를 해제하고 교차축 감도를 감소시키기 위한 일련의 플렉셔 베어링 및 프레임을 이용해서 단일의 중앙 앵커[예를 들어, 앵커(106)]에 그 중심에서 현가될 수 있다. 일례로, 3축 가속도계(900)는 앵커(106)를 x축 프레임(135)에 결합시키고 x축 프레임(135)이 x축을 따른 가속도에 응답해서 편향하도록 구성된 x축 플렉셔 베어링(133)을 포함할 수 있다. 또한, 디바이스는 x축 프레임(135)을 y축 프레임(136)에 결합시키고 y축 프레임(136)이 y축에 따른 가속도에 응답해서 x축 프레임(135)에 대하여 편향하도록 구성된 y축 플렉셔 베어링(134)을 포함할 수 있다. 디바이스는 또한 y축 프레임(136)을 프루프 매스(138)의 남은 부분에 결합시키도록 구성된 z축 플렉셔 베어링(137)을 포함한다. z축 플렉셔 베어링(137)은 비틀림 힌지(torsional hinge)로서 기능해서, 프루프 매스가 빔의 중앙을 통과하는 축을 중심으로 해서 비틀림 하에서 면외로 편향할 수 있도록 한다.
또한, 3축 가속도계(900)는 x축 프레임(135)의 동위상 면내 x축 운동(in-phase in-plane x-axis motion)을 검출하도록 구성된 x축 가속도계 감지 전극(125)과, y축 프레임(136)의 동위상 면내 y축 운동을 검출하도록 구성된 y축 가속도계 감지 전극(131)을 포함할 수 있다. 일례로, x축 가속도계 감지 전극(125) 및 y축 가속도계 감지 전극(131)의 각각은 앵커(126, 132) 등의 각각의 앵커를 사용해서 소정의 위치[예를 들어, 비아 웨이퍼(103)]에 고정된 정지 핑거 세트와 연계된 하나 이상의 프레임 부분에 결합된 가동 핑거(moving finger)를 포함할 수 있다.
x축 가속도계 응답
도 10은 x축 가속에 따른 감지 운동에서의 3축 가속도계(1000)의 예를 나타낸다. 3축 가속도계는 단일 프루프 매스, 앵커(106), x축 플렉셔 베어링(133), 및 x축 프레임(135)을 포함한다.
x축에 따라 가속하는 경우, 프루프 매스, y축 프레임(136) 및 x축 프레임(135)은 앵커(106)에 대하여 함께 이동할 수 있다. 그 결과로서의 운동은 프루프 매스의 반대쪽에 위치한 x축 가속도계 감지 전극(125)을 사용해서 검출이 가능하며, 이에 의해 차동의 편향 측정이 가능하게 된다. 일례로, 용량적(가변 갭 또는 가변 영역 커패시터), 압전, 압전 저항형, 자기 또는 열 등의 다양한 검출 방법이 사용될 수 있다.
y축 가속도계 응답
도 11은 y축 가속에 따른 감지 운동에서의 3축 가속도계(1100)의 예를 나타낸다. 이러한 3축 가속도계는 단일 프루프 매스, 앵커(106), y축 플렉셔 베어링(134), 및 y축 프레임(136)을 포함한다.
y축에 따라 가속하는 경우, y축 프레임(136)을 x축 프레임(135)에 연결하는 y축 플렉셔 베어링(134)은 y축 프레임(136)을 편향시켜서 프루프 매스와 함께 y축을 따라 이동하도록 하고, x축 프레임은 정지 상태를 유지한다. 그 결과로서의 운동은 프루프 매스의 반대쪽에 위치한 y축 가속도계 감지 전극(131)을 사용해서 검출이 가능하며, 이에 의해 차동의 편향 측정이 가능하게 된다. 일례로, 용량적(가변 갭 또는 가변 영역 커패시터), 압전, 압전 저항형, 자기 또는 열 등의 다양한 검출 방법이 사용될 수 있다.
z축 가속도계 응답
도 12는 z축 가속에 따른 감지 운동에서의 3축 가속도계(1200)의 예를 나타낸다. 이러한 3축 가속도계는 단일 프루프 매스(138), 앵커, 및 z축 플렉셔 베어링(137)을 포함한다.
도 12의 예에서, x축 플렉셔 베어링(137)은 빔의 중심을 통과하는 축이 프루프 매스(138)의 중심으로부터 오프셋되도록 위치한다. 따라서, 질량 불균형이 생길 수 있으며, 프루프 매스 중의 피벗 라인으로부터 더 멀리 위치해 있는 부분이 가까이 있는 부분보다 관성 모멘트가 크기 때문에, 프루프 매스(138)가 z축 가속도에 민감하게 되고, 피벗 라인을 중심으로 비틀림 하에서 면외로 편향한다. x축 플렉셔 베어링(133) 및 y축 플렉셔 베어링(134)은 높은 면외 강성(high out-of-plane stiffness)을 갖도록 설계된다. 따라서, 이들 베어링은 z축 가속 중에는 정지 상태를 유지한다.
도 13은 비아 웨이퍼 전극 배치를 포함하는 시스템(1300)의 예를 나타낸다. 일례로, z축 가속도계 전극(140)은 디바이스 층(105)의 아래에서 비아 웨이퍼(103) 상에 배치될 수 있다. 비틀림 응답(torsional response)에 의해 면외 전극의 하나의 층만으로 편향을 차동적으로 측정할 수 있다. 일례로, 용량적(가변 갭 또는 가변 영역 커패시터), 압전, 압전 저항형, 자기 또는 열 등의 다양한 검출 방법이 사용될 수 있다.
도 14는 단일의 프루프 매스, 예시적인 "피벗", 및 z축 가속도 전극(140)을 포함하는 3축 가속도계(1400)의 측면을 나타낸다.
3+3 자유도
도 15는 IMU의 디바이스 층(105)의 단일 면에 형성되는 것과 같은, 3+3 자유도(3+3 DOF) 관성 측정 유닛(IMU)(200)(예를 들어, 3축 자이로스코프 및 3축 가속도계)의 예를 나타낸다. 일례로, 3+3 DOF는 동일 웨이퍼 상에 3축 자이로스코프(1505)와 3축 가속도계(1510)를 포함할 수 있다.
일례로, 3축 자이로스코프(1505) 및 3축 가속도계(1510)의 각각은 별개의 프루프 매스를 가지며, 패키지화될 때에도, 최종 디바이스(예를 들어, 칩 스케일 패키지)는 캡을 공유할 수 있어서, 3축 자이로스코프(1505) 및 3축 가속도계(1510)은 동일 캐비티 내에 위치할 수 있다. 또한, 디바이스는 동일 시간에 형성되고 동일한 재료로 형성되기 때문에, 본 발명의 실시예는 공정상의 편차가 생길 위험을 크게 낮추며, 센서를 개별적으로 교정할 필요가 적어지고, 위치 조정(alignment)의 문제가 감소하고, 서로 인접한 디바이스를 개별적으로 접착하는 것보다 더 인접하게 배치할 수 있다.
또한, 최종 디바이스를 밀봉하는 것과 관련해서 공간을 절약한다. 예를 들어, 밀봉에 100 um의 폭을 필요로 하는 경우, 캡 웨이퍼를 공유하고 디바이스 간의 거리를 줄임으로써, 최종 디바이스의 전체 크기를 줄일 수 있다. 개별적으로 패키지화하면, 밀봉을 위한 폭에 필요한 공간이 두 배가 된다.
일례로, 다이 크기를 100 um의 밀봉 폭을 포함해서 2.48x1.8 mm까지 줄일 수 있다.
구동 및 검출 주파수
일례로, 구동 모드 및 3개의 자이로스코프 감지 모드는 20 kHz 범위 내로 설정될 수 있다. 개방 루프 동작의 경우, 구동 모드는 100 Hz 내지 500 Hz 등의 모드 분리(mode separation)에 의해 감지 모드로부터 분리될 수 있다. 이러한 모드 분리는 자이로스코프의 기계적 감도를 결정할 수 있다. 감도를 높이기 위해, 애플리케이션의 진동 사양(vibration specifications)이 허용하는 한, 자이로스코프 동작 공진 주파수를 감소시킬 수 있다. 폐 루프 감지 동작이 완료되면, 기계적 감도를 더 높이기 위해 모드 분리가 감소될 수 있다.
직교 오차 감소
도 16은 앵커(106)의 둘레에 고정된 중앙 서스펜션(111)의 예를 나타낸다. 중앙 서스펜션(111)은 직교 오차(quadrature error)를 국소적으로 상쇄하도록 구성된 대칭적인 "C-빔"을 포함한다. 미세기계화 자이로스코프에서 직교 오차가 생기는 주요 원인은 DRIE 측벽 각 오차이며, 이로 인해 직선 측벽으로부터 에칭 프로파일에 편차가 생긴다. 측벽에 각 오차가 있으면, 면내 구동 운동에 의해 스큐 각이 빔 길이를 따라 이루어진 경우 면외 운동을 생기게 할 수 있다. 따라서, 왜곡된 컴플라이언트 빔은 구동 운동의 반대쪽에 위치하게 되면, 그 결과로서의 면외 편향에 의해 직교 오차가 생긴다.
도 17은 구동 운동에서의 중앙 서스펜션(111)의 일부의 예를 나타낸다. 중앙 서스펜션(111)은 앵커(106)의 한쪽 면상의 대칭적인 "C-빔"을 이용한다. 한쪽 면에서의 각각의 C-빔에 의해 생기는 면외 운동은 그 대칭적 대응부분에 의해 상쇄된다. 따라서, 각 빔에서 생기는 직교 오차가 국소적으로 상쇄될 수 있다.
추가사항 및 실시예
실시예 1에서, 관성 측정 시스템은 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프(single proof-mass 3-axis gyroscope)를 구비하는 디바이스 층(device layer)을 포함하며, 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는, 단일의 중앙 앵커의 주위에 현가되어 있고, 3축 자이로스코프의 에지부를 향해 바깥쪽으로 연장된 방사형 부분(radial portion)을 포함하는 메인 프루프 매스 부분(main proof-mass section), 단일의 중앙 앵커로부터 상기 3축 자이로스코프를 현가하도록 구성된 중앙 서스펜션 시스템(central suspension system), 및 가동 부분 및 정지 부분을 구비하는 구동 전극(drive electrode)을 포함하며, 가동 부분은 방사형 부분에 결합되어 있고, 구동 전극과 중앙 서스펜션 시스템은 3축 자이로스코프를 x-y 평면에 대해 법선 방향인 z축을 중심으로 구동 주파수(drive frequency)로 진동시키도록 구성된다. 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는 또한 디바이스 층의 제1 면에 접착된 캡 웨이퍼(cap wafer), 및 디바이스 층의 제2 면에 접착된 비아 웨이퍼(via wafer)를 포함하며, 캡 웨이퍼와 비아 웨이퍼는 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프를 캡슐화하도록 구성된다.
실시예 2에서, 실시예 1은 z축 각 운동(z-axis angular motion)에 응답해서 x축을 따라 역위상(anti-phase)으로 이동하도록 구성된 대칭적인 x축 프루프 매스 부분들(symmetrical x-axis proof-mass sections)을 포함할 수 있다.
실시예 3에서, 실시예 1 내지 2 중의 어느 하나 이상은, x축 프루프 매스 부분을 결합시키고 x축 프루프 매스 부분들 사이의 동위상 운동(in-phase motion)을 방해하도록 구성된 z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(a z-axis gyroscope coupling flexure bearing)을 포함할 수 있다.
실시예 4에서, 실시예 1 내지 3 중의 어느 하나 이상은, 디바이스 층의 면외에 있으며, x축 각 회전(angular rotation)과 y축 각 회전을 검출하도록 구성된 면외 전극을 포함할 수 있다.
실시예 5에서, 실시예 1 내지 4 중의 어느 하나 이상의 면외 전극은 비아 웨이퍼 상에 위치할 수 있다.
실시예 6에서, 실시예 1 내지 5 중의 어느 하나 이상의 구동 전극은 복수의 정지 핑거(stationary finger)와 연계된 복수의 가동 핑거(moving finger)를 포함할 수 있으며, 정지 핑거는 비아 웨이퍼에 고정될 수 있다.
실시예 7에서, 실시예 1 내지 6 중의 어느 하나 이상의 디바이스 층은 x-y 평면에서 3축 자이로스코프에 인접해서 형성된 3축 가속도계(3-axis accelerometer)를 포함할 수 있으며, 캡 웨이퍼 및 비아 웨이퍼는 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 동일 캐비티 내에 캡슐화하도록 구성될 수 있다.
실시예 8에서, 실시예 1 내지 7 중의 어느 하나 이상의 디바이스 층은 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 가속도계(single proof-mass 3-axis accelerometer)를 포함할 수 있으며, 단일 프루프 매스 3축 가속도계는 단일의 중앙 앵커 주위에 현가되며, 단일 프루프 매스 3축 가속도계는 별개의 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링을 포함할 수 있으며, x 및 y축 플렉셔 베어링은 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있으며, z축 플렉셔 베어링은 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있지 않는다.
실시예 9에서, 실시예 1 내지 8 중의 어느 하나 이상의 캡 웨이퍼 및 비아 웨이퍼는 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 동일 캐비티 내에 캡슐화하도록 구성될 수 있다.
실시예 10에서, 실시예 1 내지 9 중의 어느 하나 이상의 3축 가속도계는 면내 x축 및 y축 가속도계 감지 전극(in-plane x and y-axis accelerometer sense electrode)을 포함할 수 있다.
실시예 11에서, 실시예 1 내지 10 중의 어느 하나 이상의 면내 x축 및 y축 가속도계 감지 전극은 단일의 중앙 앵커를 중심으로 서로 대칭을 이룰 수 있다.
실시예 12에서, 실시예 1 내지 11 중의 어느 하나 이상의 3축 가속도계는 면외 z축 가속도계 감지 전극(out-of-plane z-axis accelerometer sense electrode)을 포함할 수 있다.
실시예 13에서, 실시예 1 내지 12 중의 어느 하나 이상의 3축 가속도계는 x축이나 z축보다 y축 주위로 더 긴 형상의 직사각형이 될 수 있다.
실시예 14에서, 실시예 1 내지 13 중의 어느 하나 이상의 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링은 높은 면외 강성(out-of-plane stiffness)을 가질 수 있다.
실시예 15에서, 실시예 1 내지 14 중의 어느 하나 이상의 단일 프루프 매스는 면내 x 및 y축 가속도계 감지 전극과 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링을 둘러싸는 외측부(outer portion)를 포함할 수 있다.
실시예 16에서, 미세기계화 모노리식 관성 센서 장치는 디바이스 층의 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프를 포함하며, 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는, 단일의 중앙 앵커 주위에 현가되어, 3축 자이로스코프의 에지부를 향해 바깥쪽으로 연장된 방사형 부분을 구비하는 메인 프루프 매스 부분, 단일의 중앙 앵커로부터 3축 자이로스코프를 현가하도록 구성된 중앙 서스펜션 시스템, 및 가동 부분과 정지 부분을 구비하는 구동 전극을 포함하며, 가동 부분은 방사형 부분에 결합되고, 구동 전극과 중앙 서스펜션 시스템은 3축 자이로스코프를 x-y 평면에 대해 법선 방향인 z축을 중심으로 구동 주파수로 진동시키도록 구성된다.
실시예 17에서, 실시예 1 내지 16 중의 어느 하나 이상은 z축 각 운동에 응답해서 x축을 따라 역위상으로 이동하도록 구성된 대칭적인 x축 프루프 매스 부분을 포함할 수 있다.
실시예 18에서, 실시예 1 내지 17 중의 어느 하나 이상은 단일의 중앙 앵커 주위에 현가된 3축 자이로스코프에 인접하는 디바이스 층의 x-y 평면에 형성되고, 별개의 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링을 구비하는 단일 프루프 매스 3축 가속도계를 포함할 수 있으며, x축 및 y축 플렉셔 베어링은 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있으며, z축 플렉셔 베어링은 상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있지 않다.
실시예 19에서, 실시예 1 내지 18 중의 어느 하나 이상의 3축 가속도계는 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루는 면내 x축 및 y축 가속도계 감지 전극과, 면외 z축 가속도계 감지 전극을 포함할 수 있다.
실시예 20에서, 실시예 1 내지 19 중의 어느 하나 이상은 디바이스 층의 제1 면에 접착된 캡 웨이퍼, 및 디바이스 층의 제2 면에 접착된 비아 웨이퍼를 포함할 수 있으며, 캡 웨이퍼와 비아 웨이퍼는 3축 자이로스코프 및 3축 가속도계를 동일 캐비티 내에 캡슐화하도록 구성될 수 있다.
실시예 21에서, 시스템 또는 장치는, 실시예 1-20 중의 어느 하나를 포함하거나, 실시예 1-20의 기능들 중 임의의 하나를 수행하기 위한 수단, 또는 기계에 의해 수행될 때에, 기계로 하여금 실시예 1-20 중의 어느 하나의 기능을 수행하도록 하는 명령어를 포함하는 기계로 판독가능한 매체를 포함하도록, 실시예 1-20 중의 어느 하나의 임의의 부분 또는 임의의 부분의 조합을 포함할 수 있다.
상기 상세한 설명은 상세한 설명의 일부를 이루는 첨부 도면에 대한 설명을 포함한다. 도면은, 실례로서, 본 발명은 실시할 수 있는 구체적인 실시예를 나타낸다. 이들 실시예를 여기서는 "실시형태" 또는 "예"라고도 한다. 본 명세서에 언급된 모든 공보, 특허, 및 특허문헌은 인용에 의해 개별적으로 본 명세서에 포함되는 것에 의해, 그 내용 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 명세서와 인용에 의해 포함되는 상기 문헌들 사이에서 사용에 불일치가 있는 경우, 포함된 인용의 구성은 그 명세서의 부분에 대한 보충으로서 고려될 수 있다. 양립할 수 없는 모순에 대해서는 본 명세서의 사용(또는 구성)이 우선한다.
본 명세서에서, "하나"라는 용어는, 특허문헌에 공통인 것처럼, 다른 경우들이나 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 사례 또는 사용과 관계없이 하나 또는 둘 이상을 포함하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, "또는"이라는 용어는 비한정적인 것, 즉 달리 명시되지 않는 한, "A 또는 B"는 "B가 아니라 A", "A가 아니라 B", 그리고 "A 및 B"를 가리키기 위해 사용된다. 첨부한 청구범위에서 사용되는 "포함하는(including)" 및 "여기서(wherein)"라는 용어는 각각의 용어의 평이한 영어의 등가 표현인 "포함하는"(comprising) 및 "여기서(wherein)"로서 사용된다. 또한, 아래의 특허청구범위에서, "포함하는"이라는 용어는 제한을 두지 않는 것이다, 즉, 특허청구범위에서 이 용어 앞에 열거된 것 이외의 요소들을 포함하는 시스템, 소자, 물품, 또는 프로세스가 여전히 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 간주한다. 게다가, 아래의 특허청구범위에서 "제1", "제2", 및 "제3" 등의 용어는 단지 라벨로서 사용된 것이고, 그 대상에 수치적 요건을 부가하기 위한 것은 아니다.
상기 기재는 설명하기 위한 것이고, 한정하려는 것은 아니다. 예를 들면, 전술한 예들(또는 하나 그 측면들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들면 해당 기술분야의 당업자가 상기 기재를 검토함에 따라, 다른 실시예를 사용할 수 있다. 요약서는 37 C.F.R, §1.72(b)에 따라 독자로 하여금 개시된 기술 내용을 신속하게 알 수 있도록 하기 위해 제공된다. 요약서는 청구항들의 범위 또는 의미를 해석하거나 한정하는 데 사용되지 않을 것이라는 이해를 바탕으로 제출된다. 또한, 상기 상세한 설명에서, 여러 특징을 함께 그룹으로 묶어 개시내용을 간단하게 할 수 있다. 이것은 청구되지 않은 개시된 특징은 모든 청구항에 필수적임을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 발명의 내용은 특정 개시된 실시예의 모든 특징 이내 있을 수 있다. 따라서, 다음의 특허청구범위는, 개별 실시예인 그 자체에 의거하는 각 청구항과 함께, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함되며, 그러한 실시예들은 여러 조합 또는 순열로 서로 조합될 수 있다. 본 발명의 범위는 청구항들의 등가물의 전 범위와 함께, 첨부된 특허청구범위를 참조하여 정해져야 한다.
본 출원은 2010년 9월 18일에 Acar에 의해 출원된 "MICROMACHINED MONOLITHIC 3-AXIS GYROSCOPE WITH SINGLE DRIVE"란 명칭의 미국 가 특허출원 61/384,245호(관리번호: 2921.100PRV)와, 2010년 9월 18일에 Acar에 의해 출원된 "MICROMACHINED 3-AXIS ACCELEROMETER WITH A SINGLE PROOF-MASS"란 명칭의 미국 가 특허출원 61/384,246(관리번호: 2921.101PRV)호에 대하여 우선권을 주장하며, 그 각각의 내용을 본원에 참조에 의해 원용한다.
본 출원은 2010년 8월 3일에 Acar 등에 의해 출원된 "MICROMACHINED GYROSCOPE DEVICES"란 명칭의 미국 특허출원 12/849,742호, 2010년 8월 3일에 Marx 등에 의해 출원된 "MICROMACHINED DEVICES AND FABRICATING THE SAME"란 명칭의 미국 특허출원 12/849,787호와 관련되어 있으며, 그 내용을 본원에 참조에 의해 원용한다.

Claims (20)

  1. x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프(single proof-mass 3-axis gyroscope)를 구비하는 디바이스 층(device layer);
    상기 디바이스 층의 제1 면에 접착된 캡 웨이퍼(cap wafer); 및
    상기 디바이스 층의 제2 면에 접착된 비아 웨이퍼(via wafer)를 포함하며,
    상기 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는,
    단일의 중앙 앵커의 주위에 현가되어 있고, 상기 3축 자이로스코프의 에지부를 향해 바깥쪽으로 연장된 방사형 부분(radial portion)을 포함하는 메인 프루프 매스 부분(main proof-mass section);
    상기 단일의 중앙 앵커로부터 상기 3축 자이로스코프를 현가하도록 구성된 중앙 서스펜션 시스템(central suspension system); 및
    가동 부분 및 정지 부분을 구비하는 구동 전극(drive electrode)을 포함하며,
    상기 가동 부분은 상기 방사형 부분에 결합되어 있고,
    상기 구동 전극과 상기 중앙 서스펜션 시스템은 상기 3축 자이로스코프를 상기 x-y 평면에 대해 법선 방향인 z축을 중심으로 구동 주파수(drive frequency)로 진동시키도록 구성되고,
    상기 캡 웨이퍼와 상기 비아 웨이퍼는 상기 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프를 캡슐화하도록 구성된, 관성 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    z축 각 운동(z-axis angular motion)에 응답해서 x축을 따라 역위상(anti-phase)으로 이동하도록 구성된 대칭적인 x축 프루프 매스 부분들(symmetrical x-axis proof-mass sections)을 포함하는 관성 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 x축 프루프 매스 부분을 결합시키고 상기 x축 프루프 매스 부분들 사이의 동위상 운동(in-phase motion)을 방해하도록 구성된 z축 자이로스코프 결합 플렉셔 베어링(a z-axis gyroscope coupling flexure bearing)을 포함하는 관성 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스 층의 면외에 있으며, x축 각 회전(angular rotation)과 y축 각 회전을 검출하도록 구성된 면외 전극을 포함하는 관성 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 면외 전극은 상기 비아 웨이퍼 상에 위치한 것인, 관성 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동 전극은 복수의 정지 핑거(stationary finger)와 연계된 복수의 가동 핑거(moving finger)를 포함하며, 상기 정지 핑거는 상기 비아 웨이퍼에 고정된, 관성 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스 층은 x-y 평면에서 상기 3축 자이로스코프에 인접해서 형성된 3축 가속도계(3-axis accelerometer)를 포함하며,
    상기 캡 웨이퍼 및 상기 비아 웨이퍼는 상기 3축 가속도계와 상기 3축 자이로스코프를 동일 캐비티 내에 캡슐화하도록 구성된 것인, 관성 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스 층은 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 가속도계(single proof-mass 3-axis accelerometer)를 포함하며, 상기 단일 프루프 매스 3축 가속도계는 단일의 중앙 앵커 주위에 현가되며, 상기 단일 프루프 매스 3축 가속도계는 별개의 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링을 포함하며,
    상기 x 및 y축 플렉셔 베어링은 상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있으며, 상기 z축 플렉셔 베어링은 상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있지 않은 것인, 관성 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캡 웨이퍼 및 상기 비아 웨이퍼는 상기 3축 가속도계와 상기 3축 자이로스코프를 동일 캐비티 내에 캡슐화하도록 구성된 것인, 관성 측정 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 3축 가속도계는 면내 x축 및 y축 가속도계 감지 전극(in-plane x and y-axis accelerometer sense electrode)을 포함하는, 관성 측정 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 면내 x축 및 y축 가속도계 감지 전극은 상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 서로 대칭을 이루고 있는 것인, 관성 측정 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 3축 가속도계는 면외 z축 가속도계 감지 전극(out-of-plane z-axis accelerometer sense electrode)을 포함하는, 관성 측정 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 3축 가속도계는 x축이나 z축보다 y축 주위로 더 긴 형상의 직사각형인 것인, 관성 측정 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링은 높은 면외 강성(out-of-plane stiffness)을 갖는 것인, 관성 측정 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 단일 프루프 매스는 면내 x 및 y축 가속도계 감지 전극과 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링을 둘러싸는 외측부(outer portion)를 포함하는, 관성 측정 시스템.
  16. 미세기계화 모노리식 관성 센서 장치에 있어서,
    디바이스 층의 x-y 평면에 형성된 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프를 포함하며,
    상기 단일 프루프 매스 3축 자이로스코프는,
    단일의 중앙 앵커 주위에 현가되어, 상기 3축 자이로스코프의 에지부를 향해 바깥쪽으로 연장된 방사형 부분을 구비하는 메인 프루프 매스 부분;
    상기 단일의 중앙 앵커로부터 상기 3축 자이로스코프를 현가하도록 구성된 중앙 서스펜션 시스템; 및
    가동 부분과 정지 부분을 구비하는 구동 전극을 포함하며,
    상기 가동 부분은 상기 방사형 부분에 결합되고, 상기 구동 전극과 상기 중앙 서스펜션 시스템은 상기 3축 자이로스코프를 x-y 평면에 대해 법선 방향인 z축을 중심으로 구동 주파수로 진동시키도록 구성된, 관성 센서 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    z축 각 운동에 응답해서 x축을 따라 역위상으로 이동하도록 구성된 대칭적인 x축 프루프 매스 부분을 포함하는 관성 센서 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 관성 센서 장치는, 단일의 중앙 앵커 주위에 현가된 상기 3축 자이로스코프에 인접하는 상기 디바이스 층의 x-y 평면에 형성되고, 별개의 x, y, 및 z축 플렉셔 베어링을 구비하는 단일 프루프 매스 3축 가속도계를 더 포함하며,
    상기 x축 및 y축 플렉셔 베어링은 상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있으며, 상기 z축 플렉셔 베어링은 상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루고 있지 않은 것인, 관성 센서 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 3축 가속도계는,
    상기 단일의 중앙 앵커를 중심으로 대칭을 이루는 면내 x축 및 y축 가속도계 감지 전극; 및
    면외 z축 가속도계 감지 전극을 포함하는, 관성 센서 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 관성 센서 장치는,
    상기 디바이스 층의 제1 면에 접착된 캡 웨이퍼; 및
    상기 디바이스 층의 제2 면에 접착된 비아 웨이퍼를 더 포함하며,
    상기 캡 웨이퍼와 상기 비아 웨이퍼는 상기 3축 자이로스코프 및 상기 3축 가속도계를 동일 캐비티 내에 캡슐화하도록 구성된, 관성 센서 장치.
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