[논문]초고주파수 진동 감지를 위한 이온 질량기반 진동센서

김광호; 서영호

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.9.728

초고주파수 진동 감지를 위한 이온 질량기반 진동센서
Ion-Based Micro Vibration Sensor for Ultra-High Frequency Vibration Detection 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.9 = no.276, 2008년, pp.728 - 732

김광호 (강원대학교 기계-메카트로닉스 공학부) , 서영호 (강원대학교 기계-메카트로닉스 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents ion-based micro vibration sensor for the ultra-high frequency vibration detection. Presented sensor uses the motion of anion and cation in an electrolyte. Electrolyte vibration sensors have the high shock survival characteristics and a simple read-out circuit because of the small mass and own charges of ions. Presented sensor measures the induced electric potential by the mechanical-electrical coupling. It consist of electrolyte chamber and detection electrode. Electrolyte chamber was fabricated by PDMS molding. Detection electrode was made of gold evaporation on pyrex glass. Size of electrolyte chamber was designed as $600{\times}600{\times}100um$. Detection electrode had 200nm-thick and 42um-gap. In the experimental study, 5.8M sodium Chloride (NaCl) solution was used as electrolyte in 36nl-chamber. Mechanical vibration was measured from 2kHz to 4MHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 가속도 센서의 구조는 질량체가 스프링 구조물에 매달려 있는 형태로 설계되어 있다. 기본 원리는 가속도가 질량체에 전달되면, 질량체의 관성력과 스프링의 복원력이 균형을 이루는 지점의 변위를 측정하여 입력된 가속도를 추정하는 것이다.
본 연구는 기존의 구조적 특징에 따른 문제점을 해결하기 위해 전해질내 양이온과 음이온의 작은 입자의 움직임을 이용하여 초고주파수의 기계적 진동을 간단히 감지하는 방법을 제안한다.
본 연구는 기존의 진동센서의 구조적 특징에서 오는 주파수 응답의 제한과 충격에 의한 신뢰성 문제를 해결하기 위해 전해질 속의 양이온과 음이온을 이용한 질량체가 없는 초고주파수 응답의 진동센서를 제시 하였다. 5.

제안 방법

PDMS(Dow Corning Sylgard 184 silicone elastomter base) 몰딩은 10:1 의 비율로 PDMS 와 경화제를 섞어 진공챔버로 기포를 제거한 뒤 85℃ 위에서 3 시간 동안 경화시켜 수행하였다.
7 은 실험장치의 구성모습을 보이고 있다. 기계적 진동을 발생시키기 위해서, 초음파 변환기(Daeyoung Elec. Co.)을 이용한 압전형 기계적 가진 장치를 사용하였다. 초음파 변환기의 입력전원은 함수 발생기에 의해 주파수가 조절된다.
실리콘 몰드는 실리콘 웨이퍼에 실리콘 건식 식각(silicon deep RIE) 처리에 의해 패터닝되었고, PDMS 의 원활한 이형을 위해 실란(silane) 처리를 하였다. 상판과 하판의 부착면이 매끈한 표면을 유지되기 위해 Fig.3-C 와 같이, 실리콘 몰드를 PDMS 로 몰딩한 후 떼어낸 역상의 PDMS 형상을 다시 PDMS 로 몰딩하여, 에칭 공정에 의한 손상된 표면을 피할 수 있도록 제작하였다.
먼저, 상판의 메인챔버는 실리콘 몰드를 이용하여 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰딩에 의해 만들어 졌다. 실리콘 몰드는 실리콘 웨이퍼에 실리콘 건식 식각(silicon deep RIE) 처리에 의해 패터닝되었고, PDMS 의 원활한 이형을 위해 실란(silane) 처리를 하였다. 상판과 하판의 부착면이 매끈한 표면을 유지되기 위해 Fig.
압전형 기계적 가진 장치의 노이즈 및 외부요인을 제거하기 위해 금속박막으로 실딩(Shielding)한 후, 장치 위에 진동센서를 부착 하였다. 진동센서의 신호는 증폭회로와 노이즈 필터회로 없이 단지 voltage follower 만을 사용하여 오실로스코프를 통해 측정하였다.
연결된 마이크로 채널 양쪽에는 메인챔버의 손상 없이 전해질을 주입하기 위한 보조챔버를 설계하였다. 하판의 측정전극은 삼각형 형태의 전극으로 두 축 방향의 진동을 측정하기 위해 두 쌍으로 설계되었다.
초음파 변환기의 입력전원은 함수 발생기에 의해 주파수가 조절된다. 입력 주파수를 1Hz 에서 4MHz 까지 변화시키며 출력전압을 측정하였다.
압전형 기계적 가진 장치의 노이즈 및 외부요인을 제거하기 위해 금속박막으로 실딩(Shielding)한 후, 장치 위에 진동센서를 부착 하였다. 진동센서의 신호는 증폭회로와 노이즈 필터회로 없이 단지 voltage follower 만을 사용하여 오실로스코프를 통해 측정하였다.
8M 염화나트륨(NaCl) 전해질내 나트륨 이온(Na⁺)과 염소 이온(Cl^-)을 이용한다. 측정원리는 이온의 기계적-전기적 커플링 현상(Mechanical-Electrical Coupling)으로 발생되는 이온 진동 포텐셜(ionic vibration potential, IVP)을 측정한다. Debye 의 연구에 의하면, 양이온과 음이온에 의해 유도되는 전기적 포텐셜은 1Hz 에서 10⁸Hz 까지 일정하게 유지된다.

대상 데이터

제안되는 진동센서는 5.8M 염화나트륨(NaCl) 전해질내 나트륨 이온(Na⁺)과 염소 이온(Cl^-)을 이용한다. 측정원리는 이온의 기계적-전기적 커플링 현상(Mechanical-Electrical Coupling)으로 발생되는 이온 진동 포텐셜(ionic vibration potential, IVP)을 측정한다.

성능/효과

(3) 전해질에 기계적 진동이 가해지면 양이온과 음이온의 관성의 차이로 인한 변위차가 발생된다. 이때, 각 이온의 변위차이로 인한 전기장으로부터 전기적 포텐셜이 발생된다.
전해질에 기계적 진동이 가해지면, 전해질내 이온에 탄성파의 형태로 가속도가 전달 된다.⁽⁵⁾ 탄성파가 이온에 전달되면, 양이온과 음이온 사이의 관성차에 의한 상대변위가 발생된다. 이때의 각 이온의 질량은 수화이온의 질량이다.
2kHz 이하의 저주파수 진동에서는 진동센서의 출력이 미약하여 신호를 분리할 수 없었지만, 2kHz 이상의 진동 주파수부터 출력 포텐셜을 측정할 수 있었다. 저 주파수 영역에서의 응답을 얻지 못한 것은 이온의 작은 관성차로 인하여 노이즈 레벨보다 낮은 출력을 보이는 것으로 생각된다.
본 연구는 기존의 진동센서의 구조적 특징에서 오는 주파수 응답의 제한과 충격에 의한 신뢰성 문제를 해결하기 위해 전해질 속의 양이온과 음이온을 이용한 질량체가 없는 초고주파수 응답의 진동센서를 제시 하였다. 5.8M 의 염화나트륨(NaCl) 36nℓ를 이용하여 만들어진 진동 센서는 2kHz 에서 4MHz 까지의 초고주파수의 기계적 진동에 따른 포텐셜을 가지는 것을 실험을 통해 입증하였다. 제안된 초고주파수 진동센서는 고속회전기기의 진동감지 등에 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
이때, 하나의 주사기를 통해 전해질을 주입하고 반대편의 주사기를 통해 공기를 빼낸다. 주입된 전해질은 PDMS 의 탄성특성으로 인해 바늘을 제거한 후에도 누수 되지 않음을 확인 하였다.

후속연구

8M 의 염화나트륨(NaCl) 36nℓ를 이용하여 만들어진 진동 센서는 2kHz 에서 4MHz 까지의 초고주파수의 기계적 진동에 따른 포텐셜을 가지는 것을 실험을 통해 입증하였다. 제안된 초고주파수 진동센서는 고속회전기기의 진동감지 등에 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
저 주파수 영역에서의 응답을 얻지 못한 것은 이온의 작은 관성차로 인하여 노이즈 레벨보다 낮은 출력을 보이는 것으로 생각된다. 추후, 포텐셜의 크기 관련 인자들의 조절을 통하여 개선해 나갈 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 가속도 센서의 구조는 어떻게 설계되어 있었는가?	지금까지 물리적 진동은 질량체(proofmass)를 이용한 가속도 센서에 의해 대부분 측정되어 왔다. 기존의 가속도 센서의 구조는 질량체가 스프링 구조물에 매달려 있는 형태로 설계되어 있다. 기본 원리는 가속도가 질량체에 전달되면, 질량체의 관성력과 스프링의 복원력이 균형을 이루는 지점의 변위를 측정하여 입력된 가속도를 추정하는 것이다.
	기존의 MEMS 가속도계에는 어떤 제한이 있었는가?	기존의 MEMS 가속도계의 질량체는 질량이 수µg으로, 주파수 응답이 수십 kHz 로 제한되어 왔다.(1) 주파수 응답 범위를 늘리기 위해 질량체의 질량을 줄이면, 가속도 센서의 기계적 노이즈가 증가되므로 주파수 응답 범위가 제한 받게 된다.
	기존의 가속도 센서의 원리는 무엇인가?	기존의 가속도 센서의 구조는 질량체가 스프링 구조물에 매달려 있는 형태로 설계되어 있다. 기본 원리는 가속도가 질량체에 전달되면, 질량체의 관성력과 스프링의 복원력이 균형을 이루는 지점의 변위를 측정하여 입력된 가속도를 추정하는 것이다.

참고문헌 (7)

Bruel & Kjaer, High frequency Piezoelectric Accelerometer, Data sheet
Ki-Ho Han and Young-Ho Cho, 2003, “Self-Balanced Navigation-Grade Capacitive Microaccelero meters Using Branched Finger Electrodes and Their Performance for Varying Sense Voltage and Pressure,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.12, Issue 1, pp. 11-20

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J. Carlos Santamarina and Dante O. Fratta, 2003, “Dynamic Electrical-Mechanical Energy Coupling in Electrolyte-Mineral System,” Transport In Porous Media, 50, pp. 153-178
Zana, R. and Yeager, E.B., 1982, “UltraSonic Vibration Potentials,” Modern Aspects of Electrochemistry, No. 14, pp. 1-60
Debye, P., 1933, “A Method for the Determination of the Mass of Electrolytic Ions,” J. Chem. Phys., 1, pp. 13-17

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Marlow, B. J. and Fairhurst, D., “Colloid Vibration Potential and the Electrokinetic Characterization of Concentrated Colloids,” Langmuir 4, (1988) pp. 611-626

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Koneshan, S., Rasaiah, Jayendran C., Lynden-Bell, R. M. and Lee, S. H., “Solvent Structure, Dynamics, and Ion Mobility in Aqueous Solutions at $25^{\circ}C$ C,” J. Phys. Chem. B 102, (1998), pp. 4193-4204

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