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마이크로 시스템이 발전하고 많은 미세 제품들이 생산됨에 따라 시스템의 성능 및 신뢰성 평가가 중요해지고 있다. 마이크로 시스템의 경우, 수백um~수십mm정도의 크기를 가지며 수십 나노미터의 형상을 포함하는데, 현재 CMM(Coordinate Measuring Machine)의 구조로는 이러한 마이크로 시스템의 형상 측정이 불가능 하다. 따라서 이러한 마이크로 시스템에 적합한 새로운 형태의 Micro-CMM 또는 Nano-CMM이 부각되고 있으며, 세계적으로 활발히 연구중에 있다. 본 논문에서는 새로운 형태의 Micro-CMM용 ...

마이크로 시스템이 발전하고 많은 미세 제품들이 생산됨에 따라 시스템의 성능 및 신뢰성 평가가 중요해지고 있다. 마이크로 시스템의 경우, 수백um~수십mm정도의 크기를 가지며 수십 나노미터의 형상을 포함하는데, 현재 CMM(Coordinate Measuring Machine)의 구조로는 이러한 마이크로 시스템의 형상 측정이 불가능 하다. 따라서 이러한 마이크로 시스템에 적합한 새로운 형태의 Micro-CMM 또는 Nano-CMM이 부각되고 있으며, 세계적으로 활발히 연구중에 있다. 본 논문에서는 새로운 형태의 Micro-CMM용 프로브 시스템을 제안하였으며, 시스템의 각 구성별 방법들에 대해 비교분석 후 최적의 방법을 찾아 개념설계를 하였다. 그리고 해석모델에 기초한 시뮬레이션과 최적 설계법을 이용하여 최종 진동 프로브 시스템을 개발하였다. 개발된 진동 프로브 시스템은 댐핑계수가 작은 진동 메커니즘이 공진주파수에서 진동중일 때, 외부 요인에 의한 공진주파수의 변이에 따라 진동 진폭 변화가 민감하다는 특성을 이용하였으며, 가진 장치로서 VCM(Voice Coil Motor), 스프링요소로서 방사형유연구조물, 그리고 탐침 진폭을 측정하기 위한 센서로서 광검출기를 사용하였다. 실험 결과 탐침의 진동 메커니즘은 500Hz의 공진주파수를 가지며, 광검출기는 탐침의 진동 진폭을 165nm까지 측정 가능함을 확인하였다. 진동 프로브 시스템의 측정력(Probing force)을 측정하기 위하여 측정력 측정기(Probing force meter)를 제작하였으며, 그 결과 0.5V/uN에서 최대 1.5V/uN의 감도를 가지고, 400nN의 측정력을 분해 가능함을 확인하였다. 이때 탐침의 진폭은 10um로 하향 설정하였으며, 대폭적인 성능 개선의 여지 또한 남겨두었다. 본 연구에서 개발된 진동 프로브 시스템은 400nN의 측정력을 기준으로 광학 접촉식 탐침을 사용한 독일 PTB의 측정력보다 소폭 낮았으며, 유사하게 진동시스템을 이용한 NPL의 3차원 측정 시스템보다 대폭 낮았다. 본 연구에서는 Micro-CMM을 위한 프로브 시스템만을 개발하였으며, 추후 시편이송 시스템과 함께 진동 프로브 시스템이 통합된 형태의 Micro-CMM을 계획 중에 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The micro-/nano-probing systems are developing for the 3-dimensional measurement of micro systems. As the micro system has been developing rapidly, performance evaluation or reliability test become significant. Generally, the CMM(Coordinate Measuring Machine) can measure 3D dimensions of machine par...

The micro-/nano-probing systems are developing for the 3-dimensional measurement of micro systems. As the micro system has been developing rapidly, performance evaluation or reliability test become significant. Generally, the CMM(Coordinate Measuring Machine) can measure 3D dimensions of machine parts. However, a micro system has a size of from 0.1um to 10mm and consists of several tens of nanometer features. Thus, a new Micro-/Nano-CMM which is suitable to micro systems is required. In this paper, we proposed a new type probe system for this demand. The proposed probe system for Micro-CMM adopted sensitive characteristic of the vibrating mechanism at resonance frequency as main probing strategy. And to realize this strategy, we used voice coil motor, three legged suspension, and laser reflection method for measuring vibration. As a result, the stylus-suspension mechanism of the proposed vibrating probe system had 500Hz resonance frequency and the laser sensor built in probe head can detect vibration amplitude of the stylus up to 163nm. For measuring probing force of the probe system, we developed a typical probing force meter using a cantilever and laser displacement sensor. Finally, we know that the probe system shows sensitivity of from 0.5V/uN to 1.5V/uN and has resolution of 400nN. Through these results, we expect that a more reliable performance evaluation for MEMS parts, high-precision machine parts and optical components is available using the vibrating probe system which leads to enhance the production of those micro system. Also, we expect that the nitch market can be developed rapidly between AFM and CMM, this research can contribute as a measurement and analysis technique to various fields such as bio-medical, data storage, next generation display device and micro-/nano-materials.

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