본 연구에서는 탄소 원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있는 강화섬유인 탄소섬유 한 가닥을 이용하여 새로운 압력센서의 제작 및 특성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 전체적인 압력센서 구조와 원리는 마이크로머시닝 기술을 기반으로 제작되는 실리콘 압저항 압력센서와 유사하지만, ...
본 연구에서는 탄소 원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있는 강화섬유인 탄소섬유 한 가닥을 이용하여 새로운 압력센서의 제작 및 특성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 전체적인 압력센서 구조와 원리는 마이크로머시닝 기술을 기반으로 제작되는 실리콘 압저항 압력센서와 유사하지만, SOI웨이퍼를 사용하여 일반적인 실리콘 압저항 압력센서의 복잡한 제작 공정을 단순화하였고 실리콘 압저항 압력센서에 사용되는 압저항 소자 대신에 같은 역할로써 탄소섬유를 이용하였다. 즉 마이크로머시닝 기술을 기반으로 SOI 웨이퍼에 얇은 다이어프램을 형성하며, 다이어프램 위의 두 전극사이에 탄소섬유 한 가닥을 정렬하여 다이어프램의 변형에 따른 탄소섬유의 저항변화를 측정하여 새로운 압력센서 개발에 목적을 두었다. 연구에 사용한 탄소섬유는 고온의 열처리를 통해 얻은 피치 계(係) 탄소섬유이며, 전도성이고, 직경은 수-수십 마이크로미터, 길이는 수백 마이크로미터이다. 압저항 소자로 사용되는 탄소섬유는 크기가 작기 때문에 원하는 곳에 배치하는 것이 어렵지만, 전기적 특성을 이용한 유전영동법을 사용하여, 매우 저렴하고 간단하며, 상온에서도 정렬할 수 있는 방법을 택하여 다이어프램 위의 두 전극 사이에 정렬 및 배치하였다. 이렇게 제작된 압력센서는 인가압력에 따른 다이어프램의 변형을 수치해석 및 실험 측정을 하여 비교 분석하였다. 또한 다이어프램의 변형에 따른 탄소섬유의 저항 변화를 측정하여 인가압력과 탄소섬유의 저항 변화의 관계를 구하여 새로운 압력 센서로써의 가능성을 살펴보았다.
본 연구에서는 탄소 원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있는 강화섬유인 탄소섬유 한 가닥을 이용하여 새로운 압력센서의 제작 및 특성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 전체적인 압력센서 구조와 원리는 마이크로머시닝 기술을 기반으로 제작되는 실리콘 압저항 압력센서와 유사하지만, SOI 웨이퍼를 사용하여 일반적인 실리콘 압저항 압력센서의 복잡한 제작 공정을 단순화하였고 실리콘 압저항 압력센서에 사용되는 압저항 소자 대신에 같은 역할로써 탄소섬유를 이용하였다. 즉 마이크로머시닝 기술을 기반으로 SOI 웨이퍼에 얇은 다이어프램을 형성하며, 다이어프램 위의 두 전극사이에 탄소섬유 한 가닥을 정렬하여 다이어프램의 변형에 따른 탄소섬유의 저항변화를 측정하여 새로운 압력센서 개발에 목적을 두었다. 연구에 사용한 탄소섬유는 고온의 열처리를 통해 얻은 피치 계(係) 탄소섬유이며, 전도성이고, 직경은 수-수십 마이크로미터, 길이는 수백 마이크로미터이다. 압저항 소자로 사용되는 탄소섬유는 크기가 작기 때문에 원하는 곳에 배치하는 것이 어렵지만, 전기적 특성을 이용한 유전영동법을 사용하여, 매우 저렴하고 간단하며, 상온에서도 정렬할 수 있는 방법을 택하여 다이어프램 위의 두 전극 사이에 정렬 및 배치하였다. 이렇게 제작된 압력센서는 인가압력에 따른 다이어프램의 변형을 수치해석 및 실험 측정을 하여 비교 분석하였다. 또한 다이어프램의 변형에 따른 탄소섬유의 저항 변화를 측정하여 인가압력과 탄소섬유의 저항 변화의 관계를 구하여 새로운 압력 센서로써의 가능성을 살펴보았다.
This research reports fabrication and characterization of a pressure sensor using pitch-based carbon fibers. The principal concept of this research is the replacement of piezoresistors in the current piezoresistive pressure sensors with carbon fibers. Current piezoresistors, whose electrical resista...
This research reports fabrication and characterization of a pressure sensor using pitch-based carbon fibers. The principal concept of this research is the replacement of piezoresistors in the current piezoresistive pressure sensors with carbon fibers. Current piezoresistors, whose electrical resistance changes with an induced stress, are normally made from highly doped silicon, resulting in a small patch of a chip that is highly sensitive to changes in acceleration or pressure. The piezoresistive characteristics of carbon fibers can play the same role as piezoresistors in current pressure sensors. The main structure of pressure sensors without carbon fibers was fabricated first by adopting a simple and robust fabrication method using SOI (Silicon-on-Insulator) wafers. The use of buried oxide in SOI wafers as an etch-stop layer can provide precise control of the diaphragm thickness and uniformity. The main structure was built by performing backside etching on a SOI wafer and creating suspended square diaphragm on the front side. The adequate place for the carbon fiber to lie on was determined by numerical analysis. The result showed that the diaphragm exhibited maximum stress at the center of diaphragm edge. Therefore, carbon fibers were positioned normal to this point. After the main structure was made, dielectrophoresis was used for the alignment and deposition of a carbon fiber across a microscale gap between two electrodes on the diaphragm. Dielectrophoretic forces are induced from polarizability of carbon fibers surrounded by non-uniform electric field. This method is much cheaper and simpler compared with complex fabrication method of current piezoresistors. The fabricated pressure sensors were tested by applying pressure to the diaphragm and measuring the resistance change of carbon fiber. The resistance change of carbon fibers clearly showed linear response to the applied pressure. All these observations demonstrated the possibilities of carbon fiber-based pressure sensors.
This research reports fabrication and characterization of a pressure sensor using pitch-based carbon fibers. The principal concept of this research is the replacement of piezoresistors in the current piezoresistive pressure sensors with carbon fibers. Current piezoresistors, whose electrical resistance changes with an induced stress, are normally made from highly doped silicon, resulting in a small patch of a chip that is highly sensitive to changes in acceleration or pressure. The piezoresistive characteristics of carbon fibers can play the same role as piezoresistors in current pressure sensors. The main structure of pressure sensors without carbon fibers was fabricated first by adopting a simple and robust fabrication method using SOI (Silicon-on-Insulator) wafers. The use of buried oxide in SOI wafers as an etch-stop layer can provide precise control of the diaphragm thickness and uniformity. The main structure was built by performing backside etching on a SOI wafer and creating suspended square diaphragm on the front side. The adequate place for the carbon fiber to lie on was determined by numerical analysis. The result showed that the diaphragm exhibited maximum stress at the center of diaphragm edge. Therefore, carbon fibers were positioned normal to this point. After the main structure was made, dielectrophoresis was used for the alignment and deposition of a carbon fiber across a microscale gap between two electrodes on the diaphragm. Dielectrophoretic forces are induced from polarizability of carbon fibers surrounded by non-uniform electric field. This method is much cheaper and simpler compared with complex fabrication method of current piezoresistors. The fabricated pressure sensors were tested by applying pressure to the diaphragm and measuring the resistance change of carbon fiber. The resistance change of carbon fibers clearly showed linear response to the applied pressure. All these observations demonstrated the possibilities of carbon fiber-based pressure sensors.
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