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가설 설정
- 하였다. 경계조건은 표면과 전극에 대해서 Stress-Free B.C 를 가정 하였고 입 력전극에 대해서 전기 적 신호를 인가하였다. 또한 센서의 밑부분은 고정하여 전기장에 영향이 없는 상태로 가정하였다.
- C 를 가정 하였고 입 력전극에 대해서 전기 적 신호를 인가하였다. 또한 센서의 밑부분은 고정하여 전기장에 영향이 없는 상태로 가정하였다.
- 財 IDT에 전기적 신호가 인가되었을 때 기판의 방향성에 따라서 역압전효과로 생성된 표면파는 전극에 수직한 방향으로 생성된다. 보다 간단한 해석을 하기 위해서 전극의 두께는 영향이 없다고 가정을 하였고 또한 전극의 질량에 의해 생성되는 기계적 하중을 무시하였다. 128° YX- LiNbOj 기판은 3m Symmetry 결정구조를 갖는다.
제안 방법
- 10℃의 간격으로 온도 변화를 주고 5분을 유지 한 상태로 Network Analyzer를 이용하여 즉정하였다. 정확한 측정을 위해서 50Q 교정 킷 (Calibration Kit)를 이용하여 측정 시 존재할 수 있는 오차를 최소화하였다.
- 이용하여 예측하였다.6 일반적으로 표면탄성파를 이용한 필터의 해석 시에 ANSYS가 많이 사용되며 본 연구에서 제작된 온도 센서 또한 필터와 같은 작동원리이기 때문에 이와 같은 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 압전재료는 구조와 전기장이 연성되어 있으므로 복합장 해석기능을 사용하면 해석이 가능하다.
- 4와 같은 절차로 제작을 하였다. IDT 제작을 위한 전극 증착 (metalization) 전에, 기판 표면에 존재할 수 있는 유기물의 오염을 제거하기 위해 표준세척공정을 이용하여 아세톤과 알코올로 128°YX-LiNbO3 압전기판을 세척한 후, 스퍼터링(RF magnetron sputter) 장비를 이용하여 알루미늄 전극을 2500A두께로 증착하였다. 회전 도포기를 이용하여 기판 위에 증착된 알루미늄 전극에 PR (Photorisist)를 균일하게 도포시킨 후, 노광 공정과 현상 (Developing)!- 통해서 E-Beam에 의해 제작된 마스크의 패턴을 PR에 형성시켰다.
- 5). SMD 패키징 된 표면탄성파 소자는 측정을 위해 PCB 기판으로 구성된 지그에 부착하여 Network Analyzer (HP 8510C)로 주파수 특성을 측정하였다.
- 정확한 측정을 위해서 50Q 교정 킷 (Calibration Kit)를 이용하여 측정 시 존재할 수 있는 오차를 최소화하였다. Single IDT와 Double IDT 형태의 표면탄성파 센서를 각각 5개의 샘플로 반복 측정하였으며, 온도변화에 따른 주파수 특성을 중심 주파수와 3dB의 중심 주파수, 20dB의 중심 주파수를 각각 측정하였다.
- 따라서 차상 또는 지상에서 철도차량의 차륜 이상을 감시하는 시스템에 사용될 수 있다.跆 본 논문에서는 온도에 따른 주파수 특성의 변화가 큰 128°YX-LiNbO3 압전기판을 사용하였으며, IDT (Inter-digital Transducer)는 단일전극 구조와 이중전극 구조, 두 가지를 각각 제작하여 비교하였다. 온도에 따른 중심 주파수의 특성을 측정하기 위하여, 3dB 대역폭과 20dB 대역폭에서의 중심 주파수를 이용하였다.
- 패키징 공정에서는 IDT와 패키지의 입출력 부를 연결시키기 위해 와이어 본딩을 해 주었으며, 중심 주파수에서의 리플 (Ripple)을 제거하기 위하여 흡음재를 IDT의 양 끝쪽에 도포하였다. 또한 온도 이외의 변수 즉, 압력, 습도 등에 의한 영향을 제거하기 위해서 패키지 공정 시에 표면탄성파 센서를 밀폐시켰다(Fig. 5). SMD 패키징 된 표면탄성파 소자는 측정을 위해 PCB 기판으로 구성된 지그에 부착하여 Network Analyzer (HP 8510C)로 주파수 특성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 일반적으로 센서용으로 가장 많이 쓰이는 단일 IDT 구조와 이 중 IDT 구조를 Table 3과 같이 설계하여 비교하였다.
- 온도 변화에 대한 표면탄성파 센서의 주파수 특성을 즉정하기 위해 온도 챔버 (Thermal Chamber) 를 사용하여 분위기 온도를 -30℃에서 80℃까지 변화시켰다. 10℃의 간격으로 온도 변화를 주고 5분을 유지 한 상태로 Network Analyzer를 이용하여 즉정하였다.
- 跆 본 논문에서는 온도에 따른 주파수 특성의 변화가 큰 128°YX-LiNbO3 압전기판을 사용하였으며, IDT (Inter-digital Transducer)는 단일전극 구조와 이중전극 구조, 두 가지를 각각 제작하여 비교하였다. 온도에 따른 중심 주파수의 특성을 측정하기 위하여, 3dB 대역폭과 20dB 대역폭에서의 중심 주파수를 이용하였다. 이를 통해 철도차량의 차륜부에 쓰일 수 있는 무전원 원격감지 온도센서를 설계 및 제작하여 성능을 평가하였다.
- " 이 공정에서 노출 (Exposure), 현상 (Developing), 에칭 (Etching) 등은 중심 주파수 (Center frequency), 삽입손실(Insertion Loss), 임피던스 (Impedance) 등 전기적 특성에 중요한 영향을 미치기 때문에 이러한 조건을 배제하기 위하여 청정실에서 작업을 하였다. 완성된 입출력 IDT 쌍을 다이싱 (Dicing) 공정을 통해 각각 분리시킨 후 SMD 패키징을 하였다. 패키징 공정에서는 IDT와 패키지의 입출력 부를 연결시키기 위해 와이어 본딩을 해 주었으며, 중심 주파수에서의 리플 (Ripple)을 제거하기 위하여 흡음재를 IDT의 양 끝쪽에 도포하였다.
- 온도에 따른 중심 주파수의 특성을 측정하기 위하여, 3dB 대역폭과 20dB 대역폭에서의 중심 주파수를 이용하였다. 이를 통해 철도차량의 차륜부에 쓰일 수 있는 무전원 원격감지 온도센서를 설계 및 제작하여 성능을 평가하였다.
- 전극의 식각을 위해 사용할 수 있는 방법으로는 화학적 식각 방법과 건식 식각 방법 (Dry etching), 리프트오프 방법 (Lift-off) 등이 있으나 본 연구에서는 비교적 제작 방법이 간단한 화학적 습식 식각기술 (Wet etching)을 통해서 기판 위에 알루미늄 전극으로 된 IDT를 구성하였다." 이 공정에서 노출 (Exposure), 현상 (Developing), 에칭 (Etching) 등은 중심 주파수 (Center frequency), 삽입손실(Insertion Loss), 임피던스 (Impedance) 등 전기적 특성에 중요한 영향을 미치기 때문에 이러한 조건을 배제하기 위하여 청정실에서 작업을 하였다.
- 10℃의 간격으로 온도 변화를 주고 5분을 유지 한 상태로 Network Analyzer를 이용하여 즉정하였다. 정확한 측정을 위해서 50Q 교정 킷 (Calibration Kit)를 이용하여 측정 시 존재할 수 있는 오차를 최소화하였다. Single IDT와 Double IDT 형태의 표면탄성파 센서를 각각 5개의 샘플로 반복 측정하였으며, 온도변화에 따른 주파수 특성을 중심 주파수와 3dB의 중심 주파수, 20dB의 중심 주파수를 각각 측정하였다.
- 많은 다른 형태의 센서는 측정할 물성치에 따라서 다른 박막을 코팅하지만 온도 센서의 경우는 기판 자체가 온도에 연동되어 있기 때문에 그대로 사용이 가능하다. 즉 기판 자체의 온도에 따른 표면탄성 파의 특성변화를 이용하여 측정 을 한다. 온도의 변화는 지연선 내에서 속도의 변화 또는 작동 주파수의 변화를 일으키기 때문에 온도를 쉽게 감지할 수 있다.
- 해석은 150MHz 주파수를 가진 전기적 신호에 대한 응답을 확인하기 위해서 조화 해석을 하였다. 경계조건은 표면과 전극에 대해서 Stress-Free B.
대상 데이터
- 선정하였다. 128°YX-LiNbO3 기판의 Z축을 표면탄성파의 전파 방향으로 설정하였고 Y축을 표면에 수직한 방향으로 선정하였다.財 IDT에 전기적 신호가 인가되었을 때 기판의 방향성에 따라서 역압전효과로 생성된 표면파는 전극에 수직한 방향으로 생성된다.
- 128°YX-LiNbO3 압전기판 위에 단일 IDT와 이중 IDT 구조를 갖는 두 가지 온도 센서를 제작하였다. 온도 변화에 대한 주파수 특성의 변화를 확인하기 위하여 3dB 중심 주파수와 20dB 중심 주파수를 측정하였으며 통과대역에서 리플이 적은 20dB 중심 주파수가 더욱 우수한 선형성을 보여서 상대적으로 정확성이 높음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 제작된 표면탄성파 (Surface Acoustic Wave) 센서는 128°YX-LiNbO3 기판 위에 IDT 구조를 구성하여 제작하였으며, IDT 구조는 Single electrode 와 Double electrode의 두 가지 형 태로서 중심 주파수가 150MHz가 되도록 설계하였다. 센서의 특성을 평가하기 위해서 Fig.
- 3과 같이 나타내었다. 설계된 데이터는 E-Beam 장비로 보내져서 마스크를 제작하였다.
- 시뮬레이션을 하기 위해 두 개의 Uniform IDT 와 지연선으로 구성된 모델을 선정하였다. 128°YX-LiNbO3 기판의 Z축을 표면탄성파의 전파 방향으로 설정하였고 Y축을 표면에 수직한 방향으로 선정하였다.
- 온도 변화를 감지해야하는 관계로 본 논문에서는 온도계수가 큰 128°YX-LiNbO3 기판을 이용하였다.
데이터처리
- IDT의 구조에 따른 압전기판에 의해 생성되는 표면탄성파의 전파에 대해서 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 예측하였다.6 일반적으로 표면탄성파를 이용한 필터의 해석 시에 ANSYS가 많이 사용되며 본 연구에서 제작된 온도 센서 또한 필터와 같은 작동원리이기 때문에 이와 같은 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 하였다.
이론/모형
- 균일하게 25 A 가 되도록 하였다. 설계된 파라미터는 Cadence 프로그램을 이용하여 Fig. 3과 같이 나타내었다. 설계된 데이터는 E-Beam 장비로 보내져서 마스크를 제작하였다.
- 압전재료는 구조와 전기장이 연성되어 있으므로 복합장 해석기능을 사용하면 해석이 가능하다. 유한요소 모델링은 압전기판에 대해서 SOLID5를 이용하여 수행하였다.
성능/효과
- 2(b)는 시뮬레이션 결과이다. 결과에서 볼 수 있듯이 150 MHz의 주파수로 가진을 했을 때 표면탄성파가 표면을 따라 발생함을 알 수 있으며 또한 이 표면 탄성파가 양 방향으로 전달됨을 확인할 수 있었다. 이러한 신호는 다시 출력 IDT에 의해 전기적 신호로 검출됨을 확인하였다.
- 온도 변화에 대한 주파수 특성의 변화를 확인하기 위하여 3dB 중심 주파수와 20dB 중심 주파수를 측정하였으며 통과대역에서 리플이 적은 20dB 중심 주파수가 더욱 우수한 선형성을 보여서 상대적으로 정확성이 높음을 알 수 있었다. 또한 상온에서 150MHz의 중심 주파수를 갖도록 설계된 두 가지 표면탄성파 센서의 주파수 특성이 온도에 따라선 형적으로 변하는 것을 확인하였다. 단일 IDT와이중IDT의 성능차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 온도 변화에 대한 주파수 특성의 변화를 확인하기 위하여 3dB 중심 주파수와 20dB 중심 주파수를 측정하였으며 통과대역에서 리플이 적은 20dB 중심 주파수가 더욱 우수한 선형성을 보여서 상대적으로 정확성이 높음을 알 수 있었다. 또한 상온에서 150MHz의 중심 주파수를 갖도록 설계된 두 가지 표면탄성파 센서의 주파수 특성이 온도에 따라선 형적으로 변하는 것을 확인하였다.
- S 파라미터는 입력 전압 대 출력 전압의 비로서 주파수에 대한 신호 에너지의 분포를 dB 값으로 나타낸 것이다. 최소삽입손실은 각각 6.9dB와 8.2dB 로 단일전극이 1.3dB 정도 낮으며, 저지 대역은 각각 27dB, 30dB로 단일전극에서 약간 높게 나타났다.
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