본 연구에서는 자벌레의 움직임을 바탕으로 한 새로운 구동메커니즘, 대변형, 그리고 재현성이 우수한 새로운 구조의 대변형 구동기를 유한요서 해석프로그램 (ANSYS)를 이용하여 설계 및 해석하고, Micromachining기술을 이용하여 제작하였 다. 또한 PDMS(Polydimethylsiloxane, Sylgard 184 silicone elastomer)라는 큰 ...
본 연구에서는 자벌레의 움직임을 바탕으로 한 새로운 구동메커니즘, 대변형, 그리고 재현성이 우수한 새로운 구조의 대변형 구동기를 유한요서 해석프로그램 (ANSYS)를 이용하여 설계 및 해석하고, Micromachining기술을 이용하여 제작하였 다. 또한 PDMS(Polydimethylsiloxane, Sylgard 184 silicone elastomer)라는 큰 열팽창 계수(약 310ppm/°C)를 가진 폴리머를 이용하여 제작된 구동기는 최대변위 가 750μm 이른다. 더욱이 각각의 구동기를 모듈화하는 것이 가능하므로 750μm의 구동변위를 2~3배 정도 증가 할 수 있다는 장점을 가진다. 구동력을 얻기 위해 사 용된 PDMS는 큰 열 팽창률을 가지고 있고, 기계적 강도가 우수하며, 고온에서 장시간 사용하여도 노화되지 않은 장점을 가지고 있어서,작은 구조물의 형상,또는 마이크로 채널 부분에 응용이 되고 있다.이러한 장점을 가지는PDMS를 구조적으로 다양하게 배치 해가면서 디자인하였고, 구동기의 대변형을 얻기 위해 유한요소 해석프로그램(ANSYS)을 이용하여 최적의 구동기의 디자인을 도출하였다. 설계된대변형 구동기는 길이 1mm, 높이 3700μm을 이며, 제작을 위해 3장의 포토마스크 를 이용하였다. 대변형 마이크로 구동기의 제작은 일반적인 반도체 공정을 이용하여 제작하였다.제작 공정의 최적화를 통하여3장의 포토 마스크를 사용하여 제작 비용의 절감,공정의 간소화 등을 꾀하였으며,이를 통하여 3번의 공정을 통해 대량의 구동기를 얻을 수 있었다. 먼저 PDMS를 채우기 위해 실리콘 웨이퍼를 반응성 이온식각기(RIE: Reactive ion etching)를 이용하여 관통된 PDMS틀을 형성한 후 스핀코팅을 이용하여 PDMS를 채워 넣었다. 다음으로 국소적인 온도증가를 위한 전기적 배선을 실리콘 웨이퍼의 양면에 형성 하였고, 마지막으로 구동기의 형태를 위한 식각을 이용하여 구동기의 제작을 완료하였다. 각각의 마이크로 구동기는 서로 다른 모양의 PDMS구조를 가지고 그 부피가 다르기 때문에 구동력 실험 결과변위 또한 확연히 차이가 남을 알 수 있었다. 실험은 제작된 구동기를 열판 위에 놓고 PDMS를 가열하여 온도에 따른 구동 변위를 살펴보았다. 실온에서부터 50°C 간격으로 세가지 종류의 구동기를 테스트 한 결과 최대 변위는 750μm로 나타났으며, 세가지 종류의 구동기 모두 시뮬레이션 결과보다 조금 큰 변위를 나타냈다. 그이유로는 첫 번째 제작공정의 반응성이온식각 과정에서 설계했던 치수보다 좀더 크 게 식각이 되어서 실제 제작된 구동기의 PDMS크기가 크게 나온 것으로 사료된다. 300oC에서의 평균 구동 변위 결과는 type-1은 191μm를 가지며 1°C당 0.63μm의 변위량을, type-2의 구동기는 172μm 와 1°C당 0.58μm 의 변위량을, 마지막으로 type-3의 구동기는 656μm와 1°C당 2.81μm의 변위 결과를 알 수 있었다. 제작된 구동기는 수백 마이크로 미터 이상의 대변위량을 가짐을 알 수 있었으며, 또한 동일한 디자인의 다른 구동기를 가지고 테스트 한 결과 동일한 온도범위에서 평균 약 ±10%의 오차 결과를 나타내었다. 제작된 구동기는 마이크로 스케일의 구동기나 대 변형을 필요로 하는 수 ~cm의 구조체에도 모듈화 하여 구동을 할 수 있을 것으로 기대된다
본 연구에서는 자벌레의 움직임을 바탕으로 한 새로운 구동메커니즘, 대변형, 그리고 재현성이 우수한 새로운 구조의 대변형 구동기를 유한요서 해석프로그램 (ANSYS)를 이용하여 설계 및 해석하고, Micromachining기술을 이용하여 제작하였 다. 또한 PDMS(Polydimethylsiloxane, Sylgard 184 silicone elastomer)라는 큰 열팽창 계수(약 310ppm/°C)를 가진 폴리머를 이용하여 제작된 구동기는 최대변위 가 750μm 이른다. 더욱이 각각의 구동기를 모듈화하는 것이 가능하므로 750μm의 구동변위를 2~3배 정도 증가 할 수 있다는 장점을 가진다. 구동력을 얻기 위해 사 용된 PDMS는 큰 열 팽창률을 가지고 있고, 기계적 강도가 우수하며, 고온에서 장시간 사용하여도 노화되지 않은 장점을 가지고 있어서,작은 구조물의 형상,또는 마이크로 채널 부분에 응용이 되고 있다.이러한 장점을 가지는PDMS를 구조적으로 다양하게 배치 해가면서 디자인하였고, 구동기의 대변형을 얻기 위해 유한요소 해석프로그램(ANSYS)을 이용하여 최적의 구동기의 디자인을 도출하였다. 설계된대변형 구동기는 길이 1mm, 높이 3700μm을 이며, 제작을 위해 3장의 포토마스크 를 이용하였다. 대변형 마이크로 구동기의 제작은 일반적인 반도체 공정을 이용하여 제작하였다.제작 공정의 최적화를 통하여3장의 포토 마스크를 사용하여 제작 비용의 절감,공정의 간소화 등을 꾀하였으며,이를 통하여 3번의 공정을 통해 대량의 구동기를 얻을 수 있었다. 먼저 PDMS를 채우기 위해 실리콘 웨이퍼를 반응성 이온식각기(RIE: Reactive ion etching)를 이용하여 관통된 PDMS틀을 형성한 후 스핀코팅을 이용하여 PDMS를 채워 넣었다. 다음으로 국소적인 온도증가를 위한 전기적 배선을 실리콘 웨이퍼의 양면에 형성 하였고, 마지막으로 구동기의 형태를 위한 식각을 이용하여 구동기의 제작을 완료하였다. 각각의 마이크로 구동기는 서로 다른 모양의 PDMS구조를 가지고 그 부피가 다르기 때문에 구동력 실험 결과변위 또한 확연히 차이가 남을 알 수 있었다. 실험은 제작된 구동기를 열판 위에 놓고 PDMS를 가열하여 온도에 따른 구동 변위를 살펴보았다. 실온에서부터 50°C 간격으로 세가지 종류의 구동기를 테스트 한 결과 최대 변위는 750μm로 나타났으며, 세가지 종류의 구동기 모두 시뮬레이션 결과보다 조금 큰 변위를 나타냈다. 그이유로는 첫 번째 제작공정의 반응성이온식각 과정에서 설계했던 치수보다 좀더 크 게 식각이 되어서 실제 제작된 구동기의 PDMS크기가 크게 나온 것으로 사료된다. 300oC에서의 평균 구동 변위 결과는 type-1은 191μm를 가지며 1°C당 0.63μm의 변위량을, type-2의 구동기는 172μm 와 1°C당 0.58μm 의 변위량을, 마지막으로 type-3의 구동기는 656μm와 1°C당 2.81μm의 변위 결과를 알 수 있었다. 제작된 구동기는 수백 마이크로 미터 이상의 대변위량을 가짐을 알 수 있었으며, 또한 동일한 디자인의 다른 구동기를 가지고 테스트 한 결과 동일한 온도범위에서 평균 약 ±10%의 오차 결과를 나타내었다. 제작된 구동기는 마이크로 스케일의 구동기나 대 변형을 필요로 하는 수 ~cm의 구조체에도 모듈화 하여 구동을 할 수 있을 것으로 기대된다
In this paper the design, fabrication and characterization of new micro-actuators for a MEMS device that requires a large displacement aredescribed. The designed micro-actuator which looks like a small inchwormuses a thermal expansion power of a transparent poIymer, PDMS(poIydimethyl-siloxane), havi...
In this paper the design, fabrication and characterization of new micro-actuators for a MEMS device that requires a large displacement aredescribed. The designed micro-actuator which looks like a small inchwormuses a thermal expansion power of a transparent poIymer, PDMS(poIydimethyl-siloxane), having a high coefficient of thermal expansion.Changes in the dimensions of the PDMS on heating are employed to move abody of the micro-actuator to the forward direction. The shapes of thePDMS are variously designed to find an optimized shape that provides alarge deformation at a same power. Dimensions of the micro-actuator with1mm length and 350㎛ width are also optimized by using numericalanalysis, ANSYS. After micro-fabrication of the three differentmicro-actuators, several properties are evaluated by applying a thermalpower generated from a heating source. The experimental results have agood agrement with the simulation results. One of the fabricatedmicro-actuators has a maximum displacement of about 750 ㎛.
In this paper the design, fabrication and characterization of new micro-actuators for a MEMS device that requires a large displacement aredescribed. The designed micro-actuator which looks like a small inchwormuses a thermal expansion power of a transparent poIymer, PDMS(poIydimethyl-siloxane), having a high coefficient of thermal expansion.Changes in the dimensions of the PDMS on heating are employed to move abody of the micro-actuator to the forward direction. The shapes of thePDMS are variously designed to find an optimized shape that provides alarge deformation at a same power. Dimensions of the micro-actuator with1mm length and 350㎛ width are also optimized by using numericalanalysis, ANSYS. After micro-fabrication of the three differentmicro-actuators, several properties are evaluated by applying a thermalpower generated from a heating source. The experimental results have agood agrement with the simulation results. One of the fabricatedmicro-actuators has a maximum displacement of about 750 ㎛.
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