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문제 정의
- 앞에서 언급한 바와 같이, 열대류형 유속 센서는 기본적인 열을 발생시켜 바이오 분야와 같은 열에 민감한 분야에 대해서 적용에 한계가 있고[13], 바람저항형은 민감도가 낮아 정밀한 유속측정이 필요한 분야에 적용하기 힘든 단점이 있으므로, 이러한 단점들을 보완한 센서의 개발이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 바람저항형 소자를 기반으로, 구조가 간단하면서도 저속의 공기 유속 측정이 가능한 소자를 개발하고자 하였다. 주름 구조를 적용하여 같은 유속에 대해 민감도를 향상시키도록 하였고, 패들을 적용하여 바람 저항을 극대화하도록 하였다.
- 기본적으로 휨형 소자는 소자자체가 수직으로 형성된 것에 비해 저항력이 작을 수밖에 없으며, 정확한 휨각도를 조절해야 하므로 공정 과정이 정밀하게 제어되어야 한다[7]. 따라서, 본 연구에서는 평면형 소자를 유지하되, 이를 유속에 수직으로 배치하여 주어진 바람에 대해 최대의 항력을 받고자 하였다. 또한, 같은 항력에 대해 변화 신호를 크게 하기 위해 주름구조를 사용하여, 그 변화를 극대화 하고자 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 평면형 소자를 유지하되, 이를 유속에 수직으로 배치하여 주어진 바람에 대해 최대의 항력을 받고자 하였다. 또한, 같은 항력에 대해 변화 신호를 크게 하기 위해 주름구조를 사용하여, 그 변화를 극대화 하고자 하였다. 주름 박막 구조는, 일반 평면 구조에 비해 작은 힘에도 큰 변형을 나타나기 때문에, 다이아 프레임 등에 많이 사용된 바 있다[14-16].
- 본 연구에서는 MEMS기술을 이용하여 저속 유속의 측정을 위해, 주름 구조와 패들을 적용한 바람 저항 유속센서를 설계, 제작하고 검증하였다. 바람의 저항을 크게 하기 위해 외팔보 자유단에 패들을 제작하였으며, 저항을 극대화하기 위해 바람에 수직으로 배치하여 측정하였다.
제안 방법
- 습식 산화를 이용하였으며, 안정성을 고려하여5000Å 두께로 형성하였다. RIE를 이용하여 주름구조를 패터닝하고, TMAH를 이용하여 식각작업을 수행하였다. DRIE 등의 공정을 사용하지 않고, TMAH용액을 이용하여 식각한 것은, 이후 백금을 이용하여 압저항을 형성할 때, 수직구조보다는 평면과 54.
- 8 ~ 3 사이의 게이지 계수를 갖는다. Table 1과 같이 게이지 계수가 가장 큰 물질은 백금이며, 많은 연구들에서도 압저항체를 이용하여 측정할 경우, 주로 백금을 사용하기 때문에 본 연구에서도 백금을 저항체로 사용하여 공정을 진행하였다.
- 측정 장비로는 오실로스코프를 사용하였다. 각 유속에 대해 주름 구조와 평판 구조의 비교 실험, 외팔보의 길이에 따른 실험과 같은 유속에 대한 반복 실험 세 가지로 진행 하였다.
- 공정을 간단하게 하기 위해 2 μm 이하로 주름 깊이를 제한하였으며, 측정을 용이하게 하기 위해 백금을 이용한 압저항 측정 방식을 사용하였다.
- 그러나, 소자에서 변형률을 측정하고자 하는 부분에 주름 구조가 형성되어 있어, 전체적인 변형률을 구하기가 상대적으로 어렵다. 따라서, Fig. 2에서 보는 바와 같이 각각의 파장을 4개의 부분으로 나누고 그 중심값을 구하여 계산하는 방법을 이용하였다. Fig.
- 또한, 2.1 절에서 언급한 바와 같이, 추후 일반적인 평면 공정 사용을 위해 2 μm 깊이로 제한하여 식각하였다.
- 바람의 저항을 크게 하기 위해 외팔보 자유단에 패들을 제작하였으며, 저항을 극대화하기 위해 바람에 수직으로 배치하여 측정하였다. 또한, 같은 바람의 항력에 대해 최대의 효과를 얻기 위해 주름 구조를 적용하여 소자를 제작하였다. 공정을 간단하게 하기 위해 2 μm 이하로 주름 깊이를 제한하였으며, 측정을 용이하게 하기 위해 백금을 이용한 압저항 측정 방식을 사용하였다.
- 주름 구조를 적용하여 같은 유속에 대해 민감도를 향상시키도록 하였고, 패들을 적용하여 바람 저항을 극대화하도록 하였다. 또한, 소자를 휘게 하거나 보조 구조물을 장착하지 않고 소자 자체를 유속에 수직으로 배치함으로써, 최대의 바람 저항을 형성하도록 하였다. 측정은 커패스터 방식에 비해 공정이 간단한 압저항 구조를 이용하였으며, 이렇게 제작된 소자를 실제 공기 유속에 적용하여 1 m/s이하의 저속 유속을 측정하였다.
- 위의 해석에서 본 바와 같이, ΔR/R이 주름 2개에서 증가 하다 4개에서 감소하였으므로, 본 연구에서는 2개와 4개 사이인 주름 3개를 기준으로 주름 구조의 소자를 제작하였다. 민감도 향상 비교를 위해 평판 구조의 소자 또한 제작하여 전체적인 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 MEMS기술을 이용하여 저속 유속의 측정을 위해, 주름 구조와 패들을 적용한 바람 저항 유속센서를 설계, 제작하고 검증하였다. 바람의 저항을 크게 하기 위해 외팔보 자유단에 패들을 제작하였으며, 저항을 극대화하기 위해 바람에 수직으로 배치하여 측정하였다. 또한, 같은 바람의 항력에 대해 최대의 효과를 얻기 위해 주름 구조를 적용하여 소자를 제작하였다.
- 저압 화학 기상 증착법으로(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD) 소자로 이용될 실리콘 질화막을 증착하였다. 본 소자는 휘어진 구조가 아닌 수평인 형태를 목표로 제작하는 것이므로 잔류응력이 최소화되도록 공정을 수행하였다. 실리콘 질화막 위에 E-beam evaporator로 티타늄0.
- 3 μm로 증착한 후 패터닝 하였다. 소자의 구조를 형성하기 위해, 실리콘 질화막을 RIE로 식각하였으며, 웨이퍼 앞면을 보호하고 뒷면을 DIRE로 식각하여 최종적으로 소자를 제작하였다.
- 습식 산화를 이용하였으며, 안정성을 고려하여5000Å 두께로 형성하였다.
- 실험은 온도 25 ℃, 유속 0 m/s ~ 1 m/s의 풍동에서 진행 되었고, 풍동 내의 유속 측정을 위해 Testo사의 405-v1모델의 열선 풍속계를 같은 위치에 놓고 측정을 하였다. 측정 장비로는 오실로스코프를 사용하였다.
- 앞에서 언급한 공정을 바탕으로 주름 구조를 적용한 바람 저항 유속센서를 제작하였다. Fig.
- 따라서, 공정상의 이점을 확보하기 위해 본 연구에서는 파장의 길이를 16 μm 이상으로 하였다. 외팔보 구조는 바람의 저항을 최대한 받기 위해 외팔보 자유단 부분에 바람 저항부분인 패들을 제작하였으며, 외팔보는 많이 휘어질 수 있도록 고정단 부분에 주름구조를 적용하였다.
- 위의 해석에서 본 바와 같이, ΔR/R이 주름 2개에서 증가 하다 4개에서 감소하였으므로, 본 연구에서는 2개와 4개 사이인 주름 3개를 기준으로 주름 구조의 소자를 제작하였다.
- 이 산화막은 추후 소자로 이용될 실리콘 질화막의 응력 배분 및 최종 릴리징 공정을 안정성을 고려하여 형성되었다. 저압 화학 기상 증착법으로(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD) 소자로 이용될 실리콘 질화막을 증착하였다. 본 소자는 휘어진 구조가 아닌 수평인 형태를 목표로 제작하는 것이므로 잔류응력이 최소화되도록 공정을 수행하였다.
- 따라서 본 논문에서는 바람저항형 소자를 기반으로, 구조가 간단하면서도 저속의 공기 유속 측정이 가능한 소자를 개발하고자 하였다. 주름 구조를 적용하여 같은 유속에 대해 민감도를 향상시키도록 하였고, 패들을 적용하여 바람 저항을 극대화하도록 하였다. 또한, 소자를 휘게 하거나 보조 구조물을 장착하지 않고 소자 자체를 유속에 수직으로 배치함으로써, 최대의 바람 저항을 형성하도록 하였다.
- 또한, 소자를 휘게 하거나 보조 구조물을 장착하지 않고 소자 자체를 유속에 수직으로 배치함으로써, 최대의 바람 저항을 형성하도록 하였다. 측정은 커패스터 방식에 비해 공정이 간단한 압저항 구조를 이용하였으며, 이렇게 제작된 소자를 실제 공기 유속에 적용하여 1 m/s이하의 저속 유속을 측정하였다.
대상 데이터
- 따라서, 공정상의 이점을 확보하기 위해 본 연구에서는 파장의 길이를 16 μm 이상으로 하였다.
- 소자는 주름 3개, 파장 16 μm, 길이 500 μm의 주름 구조 소자와 길이 500 μm의 평판 소자로 실험 하였다.
- 소자는 주름 3개, 파장16 μm로 일정하고 총 길이는 300 μm, 500 μm, 700 μm의 세 종류로 실험하였다.
- 4에 나타나 있다. 실리콘 웨이퍼는 4인치 N-type (100)를 사용하였으며, 주름구조 제작시 식각 저항막으로 사용하기 위해 산화막을 형성하였다. 습식 산화를 이용하였으며, 안정성을 고려하여5000Å 두께로 형성하였다.
- 제작된 소자는 길이가 300 μm, 500 μm, 700 μm의 세 가지 길이를 가지고 있다.
- 주름 구조의 조건은 “Flat and corrugated design handbook[17]”에 제시되어 있는 조건을 참조하여 디자인 하였다.
- 실험은 온도 25 ℃, 유속 0 m/s ~ 1 m/s의 풍동에서 진행 되었고, 풍동 내의 유속 측정을 위해 Testo사의 405-v1모델의 열선 풍속계를 같은 위치에 놓고 측정을 하였다. 측정 장비로는 오실로스코프를 사용하였다. 각 유속에 대해 주름 구조와 평판 구조의 비교 실험, 외팔보의 길이에 따른 실험과 같은 유속에 대한 반복 실험 세 가지로 진행 하였다.
이론/모형
- 소자의 특성은 저항의 변화에 의해 정의되며, 저항변화는 변위량에 의해 결정된다. 소자의 변위량을 계산하기 위해, 본 연구에서는 COMSOL Multiphysics 3.5를 사용하여 소자의 구조 해석을 진행하였다. 바람의 경우, P=1/2 ρv2의 식을 사용하여 각 속도에 유속을 압력으로 바꾸어 분포하중으로 압력을 주었으며 ρ는 공기밀도(1.
- 실리콘 질화막 위에 E-beam evaporator로 티타늄0.02 μm와 압저항 물체인 백금을 0.1 μm을 증착하고 Lift-off 공법을 사용하여 패터닝 하였다.
성능/효과
- (a)는 ΔR/R을 나타내는 것으로써, 각 소자의 평균 ΔR/R은 평판 구조의 경우 4.3 E-3/ms-1, 주름 구조의 경우 9.7 E-3/ms-1로 주름 구조의 민감도가 약 2배 정도 높은 것을 확인할 수 있으며, 최소 2배 이상의 민감도 향상 효과를 나타내고 있다.
- 9 (b)는 각 소자의 반응 속도를 측정한 그래프이다. 0.2 m/s 에서의 반응 속도는 평판 구조의 경우 9.68초, 주름 구조의 경우 8.12초로 주름 구조가 약 1.5초 이상, 1 m/s에서도 약 1초 빠른 것을 확인 할 수 있었다. 이 결과로 주름 구조가 평판 구조에 비해 같은 유속에서 민감도가 좋을 뿐만 아니라, 반응속도 또한 더 좋은 것을 확인할 수 있었다.
- 2.2절에서 본 바와 같이, 소자의 민감도는 ΔR/R 즉, Δlr /lr로 계산된다.
- 또한, 평판 구조와 비교하여 주름 구조의 ΔR/R이 약 2배 이상 높은 것을 확인 할 수 있었다.
- 소자 길이의 경우, 길이가 길어짐에 따라 ΔR/R의 값은 증가하였지만, 반응 속도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 유속1 m/s에서 700 μm, 500 μm, 300 μm 순으로 3.44초, 3.2초, 3.08초로 나타났으며, 길이가 짧을수록 반응속도가 점차 빨라지는 경향을 나타내었다.
- 5초 이상, 1 m/s에서도 약 1초 빠른 것을 확인 할 수 있었다. 이 결과로 주름 구조가 평판 구조에 비해 같은 유속에서 민감도가 좋을 뿐만 아니라, 반응속도 또한 더 좋은 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만 전체적으로 주름이 있는 경우, 주름이 없는 평판 소자보다 ΔR/R값이 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 이 결과로 평판 외팔보에 비해서 주름 박막 외팔보가 전체적으로 좋은 것을 확인 할 수 있다. 위의 해석에서 본 바와 같이, ΔR/R이 주름 2개에서 증가 하다 4개에서 감소하였으므로, 본 연구에서는 2개와 4개 사이인 주름 3개를 기준으로 주름 구조의 소자를 제작하였다.
- 공정을 간단하게 하기 위해 2 μm 이하로 주름 깊이를 제한하였으며, 측정을 용이하게 하기 위해 백금을 이용한 압저항 측정 방식을 사용하였다. 이러한 공정을 이용하여 소자를 제작하였고, 실험을 통해 0.2 m/s, 0.5 m/s 등 1 m/s 이하의 미세한 유속을 명확히 측정함을 확인할 수 있었다. 또한, 평판 구조와 비교하여 주름 구조의 ΔR/R이 약 2배 이상 높은 것을 확인 할 수 있었다.
- 이러한 점은 소자에 가해지는 공기의 유속이 주름 구조에 집중됨으로써, 고정단에 붙어있는 주름 구조에는 다소 작은 힘이 가해진 것으로 생각된다. 전체적으로 주름구조는 평면 구조에 비해 대략 5 % 정도 민감도가 큰 것으로 나타나고 있으며, 주름갯수가 4개 이상이 되면 다소 줄어들어 3 % 정도인 것으로 나타나고 있다. 하지만 전체적으로 주름이 있는 경우, 주름이 없는 평판 소자보다 ΔR/R값이 더 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 그림 (b)는 소자의 외팔보 부분에 적용된 주름 구조를 확대한 모습으로 외팔보 위에 압저항체인 백금이 증착 되어 있다. 주름 구조의 특성상 굴곡이 생기는데 이 부분에도 백금이 끊어 지지 않고 제대로 증착 되어 있는 것을 확인하였고, 전체적으로 균일한 두께로 증착 되었음을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 이러한 부분은 추후 상용화 등을 고려할 때, 보완이 필요한 부분이다. 또한, 실험 중 셋팅 조건에 따라 신호가 영점 지점에서 위쪽으로 shift 되는 경향을 보이기도 하였으며, 이는 추후 보정 작업 등을 통해 확실한 셋팅 조건의 확립이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 제작하고자 하는 센서는 기본적으로 바람저항형 소자를 기반으로 하고 있으며, 1 m/s 이하의 작은 유속을 측정하기 때문에, 유속에 대한 민감도를 향상시킬 필요가 있다. 민감도를, 주어진 신호, 즉 바람의 속도에 대해 측정신호의 세기로 정의한다고 할 때, 같은 바람의 속도에 대해 항력이 크고 이에 대한 신호변화가 클수록 민감도가 커지게 된다.
- 최근 인간 공학 및 환경 공학, 바이오 분야의 연구가 활발히 진행되면서, 간단하게 제작이 가능하면서도 저속의 공기 유속측정이 가능한 센서에 대한 개발이 요구되어지고 있다[6, 12, 13]. 앞에서 언급한 바와 같이, 열대류형 유속 센서는 기본적인 열을 발생시켜 바이오 분야와 같은 열에 민감한 분야에 대해서 적용에 한계가 있고[13], 바람저항형은 민감도가 낮아 정밀한 유속측정이 필요한 분야에 적용하기 힘든 단점이 있으므로, 이러한 단점들을 보완한 센서의 개발이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 바람저항형 소자를 기반으로, 구조가 간단하면서도 저속의 공기 유속 측정이 가능한 소자를 개발하고자 하였다.
- 소자 길이의 경우, 길이가 길어짐에 따라 ΔR/R의 값은 증가하였지만, 반응 속도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 이용하여, 본 연구에서 제작한 소자는 저속 유속 측정이 필요한 인간 공학 및 환경 공학, 바이오 분야 등에 응용 가능 할 것으로 기대 된다.
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