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제안 방법
- 이 연구에서는 이러한 임피던스 센서를 이용한 방법 중 정전용량 방식을 이용하여, 주변의 물리적인 조건의 변화에도 표면 탄성파 장치 기판의 물성에 영향을 주지 않아 안정적으로 측정이 가능한 20나노미터의 분해능을 가지는 간극 측정 센서로 적용한다. 정전용량 방법은 비 접촉 식 초정밀 간극 측정에 주로 이용되는 방법으로, 상용화된 제품의 경우 이미 수십 나노미터 수준의 분해능을 가지는 센서가 개발되어 광학, 정밀제어 등에 이미 적용이 되고 있으며, 다양한 전극의 형태에 따른 이론적, 실험적 연구가 계속적으로 수행되고 있다(9,13).
- 이 방법은 구성이 간단하여 쉽게 적용이 가능하지만, 선형성의 증가를 위해 기계적으로 복잡한 전극 구조(flexure)의 설계를 필요로 한다는 점과(10~12), 외부 잡음에 의한 영향을 받기 쉬워 특수한 신호처리 과정을 반드시 거쳐야 한다는 단점이 있으며, 이를 개선하기 위해서 기존에는 대부분 집중 소자 또는 특수 소자를 이용한 회로 설계 및 이를 이용한 신호처리 위주의 연구가 진행되었다(13). 그러나 이 연구에서는 표면 탄성파 장치를 이용하여, 정전 용량 센서의 신호처리에 적용한다. 이 경우 신호처리를 위한 회로를 표면 탄성파 장치로 대체하므로, 회로의 설계 과정을 단순화 할 수 있으며, 표면 탄성파 장치 본래의 특징인 대역 통과 필터의 특징 또한 동시에 가지게 되므로, 비교적 단순한 구조로 저 잡음, 고 정밀도의 정전 용량 성 센서로 구현이 가능하다.
- 연구 내용은 표면 탄성파 장치의 기판 및 가진 중심 주파수의 설정과 이에 따른 IDT의 설계를 통한 시뮬레이션, 그리고 실제 제작을 통한 성능 비교를 하는 방법으로 구성 되며, 이를 통해 표면 탄성파 장치를 이용한 초정밀 정전 용량 성 센서로 구현하여, 적용의 타당성을 검증한다.
- 이 연구에서는 전기 기계 결합상수가 크고, 전파 속도가 빨라 표면 탄성파 장치로 가장 많이 이용되는 128˚ YX LiNbO3를 장치의 기판으로 사용 하였으며, 이를 이용하여, 전기 음향 등가 모델링 및 해석을 통한 시뮬레이션을 진행 후 상용 캐패시터(필름 콘덴서)를 이용하여 타당성을 검증 하였다. 이 때 사용된 기판은 128˚ YX LiNbO3이며, 그 물성 치는 Table 1과 같으며, 그 값은 각각 기판에서의 표면 탄성파 전파속도, 전기기계 결합 상수, IDT의 길이에 따른 정전 용량을 나타낸다.
- 로 표현된다. 이때 사용된 표면 탄성파 장치 의 중심 주파수는 13.56 MHz이며, 입출력 IDT의 pair 수는 30(N=M=30), 입출력 IDT의 acoustic aperture는 모두 9 mm(Wa=Wb=9 mm)를 가지도록 설계하였다.
- 이와 같이 설계된 표면 탄성파 장치를 실제 제작하여, 부하의 변화에 따른 응답 특성을 살펴보았다. 128˚ YX LiNbO3의 표면 탄성파 전파 속도가 3992 m/s이고, 중심주파수를 13.
- 제작된 표면 탄성파 장치의 이와 같은 특성을 바탕으로, 입출력 IDT에 실제로 입력 임피던스(Rs) 50 Ω의 함수 발생기와 상용 필름 캐패시터를 연결하여, 중심주파수 가진을 통한 응답을 측정하였다.
- 이때 부하 임피던스(ZL) 중 저항(RL) 값은 집중 소자 또는 선로에 의해 가지게 되는 기생성분의 저항 값을 나타내는 것으로, 용량 성부하의 양 전극을 쇼트 시켰을 때의 값을, 직접적인 측정을 통해 구하였으며, 그 값은 2 Ω이다. 이 값들과 128˚ YX LiNbO3의 물성 치를 바탕으로 부하 임피던스의 변화에 따른 이론적인 값과 실제 측정된 전달함수를 비교하였다. 이때 입력 신호의 크기는 1V이며, 결과의 비교는 부하 임피던스(ZL)에서 측정 된 신호를 삼각 회귀 분석하여 구해진 응답의 크기를 이론 치와의 상대오차 분석을 통해 진행되었으며, 이 때 회귀분석에 사용된 관계식은 식 (3)과 같다(14).
- 또한 모든 실험은 class 100의 클린 부스 내에서 진행 되었으며, 평행 판 사이 간극의 조정은 0.1 nm의 분해능과 최대 스트록 100μm을 가지는 상용 나노 스테이지를 이용하였고, 간극의 측정은 2 nm 분해능의 레이저 변위센서를 이용하였다.
- 상용 캐패시터를 이용하여 용량 성 부하를 이용한 센서로 적용이 가능함을 판단 후 실제 미소 간극 측정을 위한 보정을 실시하였다. 미소 간극 측정은 평행 판 형태의 캐패시터를 기계적으로 구현하여, 이를 간극 측정에 이용한 것으로, 크기가 동일한 두 평행 판 간극의 조정을 통해 그에 따른 load impedance의 변화와 이로 인한 표면 탄성파의 응답 변화를 관찰하는 방법으로 진행되었다.
- 상용 캐패시터를 이용하여 용량 성 부하를 이용한 센서로 적용이 가능함을 판단 후 실제 미소 간극 측정을 위한 보정을 실시하였다. 미소 간극 측정은 평행 판 형태의 캐패시터를 기계적으로 구현하여, 이를 간극 측정에 이용한 것으로, 크기가 동일한 두 평행 판 간극의 조정을 통해 그에 따른 load impedance의 변화와 이로 인한 표면 탄성파의 응답 변화를 관찰하는 방법으로 진행되었다. 측정을 위한 실험 장치는 Fig.
- 표면 탄성파 장치의 응답은 부하 임피던스의 변화에 따라 바뀌게 되는데, 용량 성 부하가 적용될 경우 측정 면적과 거리에 따라 그 감도가 바뀌게 된다. 이 연구에서는 측정 면적이 일정할 때, 간극의 변화에 따른 부하 임피던스의 변화와 이에 따른 표면 탄성파 응답의 변화를 이용한 측정 방법을 연구하였기 때문에 간극의 변화를 제외한 모든 설계 변수는 일정하게 설정하였다. 따라서 간극의 변화에 따른 표면 탄성파 응답의 변화(식 (1))는 식 (4), (5) 와 같이 다시 정리 된다.
- 이 연구에서는 평행 판의 크기를 3×3 mm2으로 하였기 때문에 측정 잡음을 고려한 최소 분해능의 크기는 5 nm이다. 따라서 5 nm 이상의 분해능이 달성 가능하며, 이 연구에서는 20 nm의 분해능을 측정 하였다. 잡음 수준에 의해 가질 수 있는 최대 측정 범위는 1 μm로 그 때의 이론적인 응답의 크기는 0.
- 이 연구에서는 표면 탄성파 장치를 이용하여 용량성 부하의 신호처리 및 이를 이용한 초정밀 간극 측정에 적용하여 20 nm의 분해능을 구현하였으며, 이때 최대 측정 거리는 1μm이다.
대상 데이터
- 를 장치의 기판으로 사용 하였으며, 이를 이용하여, 전기 음향 등가 모델링 및 해석을 통한 시뮬레이션을 진행 후 상용 캐패시터(필름 콘덴서)를 이용하여 타당성을 검증 하였다. 이 때 사용된 기판은 128˚ YX LiNbO3이며, 그 물성 치는 Table 1과 같으며, 그 값은 각각 기판에서의 표면 탄성파 전파속도, 전기기계 결합 상수, IDT의 길이에 따른 정전 용량을 나타낸다.
- 시뮬레이션에 사용 된 회로 모델은, Fig. 1에서 보는 바와 같이 입출력 임피던스가 모두 고려된, Crossed-field 모델이며, 부하 (ZL)는 Fig. 2와 같이 저항과 캐패시터로 모델링 하였다.
- 이 연구에서 사용된 네트워크 분석기의 입출력 임피던스는 모두 50 Ω이며, 이를 이용하여 측정된 표면 탄성파 장치의 중심주파수는 13.76 MHz였다.
- 측정을 위한 실험 장치는 Fig. 7과 같이, 입력 임피던스 50 Ω의 함수 발생기와, 중심주파수 13.56 MHz의 표면 탄성파 장치 그리고 용량 성 부하를 형성하기 위한 평행 판으로 구성되었다.
데이터처리
- 이 값들과 128˚ YX LiNbO3의 물성 치를 바탕으로 부하 임피던스의 변화에 따른 이론적인 값과 실제 측정된 전달함수를 비교하였다. 이때 입력 신호의 크기는 1V이며, 결과의 비교는 부하 임피던스(ZL)에서 측정 된 신호를 삼각 회귀 분석하여 구해진 응답의 크기를 이론 치와의 상대오차 분석을 통해 진행되었으며, 이 때 회귀분석에 사용된 관계식은 식 (3)과 같다(14).
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