[논문]정전기력으로 구동되는 마이크로 캔틸레버 질량 센서의 제작과 특성

이정철; 최범규

doi:10.5369/jsst.2011.20.1.40

정전기력으로 구동되는 마이크로 캔틸레버 질량 센서의 제작과 특성
Fabrication and Characterization of Electrostatically Actuated Microcantilever Mass Sensors 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.20 no.1, 2011년, pp.40 - 45

Abstract ▼ AI-Helper

Microcantilevers have been actively used in probe-based microscopy and gravimetric sensing for biological or chemical analytes. To integrate actuation or detection schemes in the structure, typical fabrication processes include several photolithographic steps along with conventional MEMS fabrication. In this paper, a simple and straightforward way to fabricate and operate silicon microcantilever mass sensors is presented. The fabricated microcantilever sensors which can be electrostatically actuated require only two photolithographic steps. Resonant characteristics of fabricated microcantilevers are measured with a custom optical-lever and results show size-dependent quality factors. Using a $40\;{\mu}m$ long, $7\;{\mu}m$ wide, and $3\;{\mu}m$ thick cantilever, we achieved subfemtogram mass resolution in a 1 Hz bandwidth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단 두 번의 노광 공정을 이용하여 정전기력으로 구동되는 마이크로 캔틸레버 센서의 간단한 제작 방법을 고안하였다.
본 연구에서는 최소의 노광 공정을 이용하여 간단하게 제작할 수 있고 또한 정전기력을 이용해 구동할 수 있는 캔틸레버 형태의 질량 센서에 대한 설계, 제작 및 특성 파악을 보고하였다. 보편적인 멤스 공정을 이용하여 다수 및 다양한 크기의 질량 센서를 동시에 제작하였다.

제안 방법

제작된 다양한 크기의 마이크로 캔틸레버 센서들을 정전기력을 인가하여 구동하고 외부의 다이오드 레이저 광원과 광 다이오드를 이용하여 동적 변위를 측정하는 시스템을 구축하였다. 공진주파수 근방에서 구동 주파수를 선형적으로 변화시켜 가면서(open loop구동) 각 마이크로 캔틸레버의 동적 특성을 파악하였고, 광학적으로 측정된 동적 변위를 다시 구동부로 되먹임하여 캔틸레버를 항상 공진주파수에서 작동시켜(closed loop 구동)측정 주파수의 잡음 성분을 실시간으로 측정하였다.
등방성 실리콘 식각시에 모든 캔틸레버의 구조를 보호하고 유지하기 위해, XeF2의 실리콘에 대한 식각률과 가장 폭이 넓은 캔틸레버가 분리 완료되는 시간을 고려하여 충분한 두께의 PECVD 옥사이드를 증착하였다. 향후 PECVD 옥사이드 대신실리콘 캔틸레버의 표면을 고온에서 산화시킨다면 두 번의 노광공정을 한번으로 줄여 공정을 더 간단하게 할 수 있다.
본 연구에서는 최소의 노광 공정을 이용하여 간단하게 제작할 수 있고 또한 정전기력을 이용해 구동할 수 있는 캔틸레버 형태의 질량 센서에 대한 설계, 제작 및 특성 파악을 보고하였다. 보편적인 멤스 공정을 이용하여 다수 및 다양한 크기의 질량 센서를 동시에 제작하였다. 최적화된 실험 장치들을 이용하여 대기압 조건에서 캔틸레버의 공진주파수, quality factor, 주파수잡음도 등을 측정하고 이로부터 질량 센서로서의 분해능을 산출하였다.
본 논문에서 소개된 공정에서는 실리콘 웨이퍼의 전면에 등방성 식각을 이용하여 캔틸레버 구조물을 분리 제작한다. 따라서, 공정후의 캔틸레버와 정전기력 구동 전극 사이의 간격 이 제작하고자 하는 캔틸레버의 폭에 좌우된다.
앞 절에서 설명한 open loop 구동 장치를 이용하여 각 캔틸레버의 공진 특성을 측정하였다. Fig.
정해진 진폭을 가지는 구형파의 주파수를 측정하고자 하는 캔틸레버의 예측 공진주파수 근처에서 선형적으로 변화시켜 가며 광 다이오드의 출력을 트랜스임피던스 앰프와 op-amp를 거쳐 최종적으로 lock-in amplifier를 이용하여 진폭과 위상을 측정한다. Closed loop 의 경우는 파형 발생기 대신 캔틸레버의 진동에 의해 발생하는 광 다이오드의 교류 전압 출력을 트랜스임피던스 앰프와 op-amp를 이용해 증폭하고 phase shifter를 이용해 동적 변위의 위상을 180 °변화 시킨 후 직류 전압과 혼합 하여 구동 전극에 공급한다.
제작된 다양한 크기의 마이크로 캔틸레버 센서들을 정전기력을 인가하여 구동하고 외부의 다이오드 레이저 광원과 광 다이오드를 이용하여 동적 변위를 측정하는 시스템을 구축하였다. 공진주파수 근방에서 구동 주파수를 선형적으로 변화시켜 가면서(open loop구동) 각 마이크로 캔틸레버의 동적 특성을 파악하였고, 광학적으로 측정된 동적 변위를 다시 구동부로 되먹임하여 캔틸레버를 항상 공진주파수에서 작동시켜(closed loop 구동)측정 주파수의 잡음 성분을 실시간으로 측정하였다.
제작된 캔틸레버의 동적 변위 측정을 위해 다이오드 레이저광원과 광 다이오드로 구성된 광학시스템을 구축하였다. Fig.
보편적인 멤스 공정을 이용하여 다수 및 다양한 크기의 질량 센서를 동시에 제작하였다. 최적화된 실험 장치들을 이용하여 대기압 조건에서 캔틸레버의 공진주파수, quality factor, 주파수잡음도 등을 측정하고 이로부터 질량 센서로서의 분해능을 산출하였다. 제작된 센서 중 가장 작은 길이가 40 μm, 폭이 7 μm,그리고 두께가 3 μm인 캔틸레버는 측정 대역폭이 1 Hz 일 경우 1 fg 이하의 우수한 분해능을 가짐을 알 수 있었다.
이 되먹임 루프를 이용하면 각 캔틸레버가 항상 고유 진동수에서 구동될 수 있게 된다. 캔틸레버의 변위 신호와 파형 발생기의 기준 구형파를 heterodynemix-down 하여 샘플링 주파수를 1~2 kHz로 낮추어 이를 다시 TTL 레벨로 변환시킨 후 주파수 카운터를 이용하여 mix-down 된 신호의 주파수를 측정한다. 캔틸레버의 고유 진동수의시간에 따른 변화는 mix-down된 신호 주파수의 시간에 따른 변화를 기준 구형파의 주파수만큼 평행 이동하여 구할 수 있다.
52 MHz의 공진 주파수와 약 500의 quality factor를 가짐을 알 수 있었다. 캔틸레버의 크기에 따른 quality factor의 변화를 알아보기 위해 다양한 크기의 캔틸레버를 측정하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 6인치 silicon on insulator(SOI) 웨이퍼를 시작 재료로 사용하였다. 사용된 웨이퍼는 3 μm 의 실리콘 디바이스 층, 1 μm 의 실리콘 옥사이드층, 그리고 600 μm 의 실리콘 핸들 층으로 이루어져 있다.
사용된 웨이퍼는 3 μm 의 실리콘 디바이스 층, 1 μm 의 실리콘 옥사이드층, 그리고 600 μm 의 실리콘 핸들 층으로 이루어져 있다.

성능/효과

여기서 y는 동적 변위, x는 주파수, A0 와 A1은 상수, f는 공진 주파수, 그리고 Q 는 quality factor 이다. 실험에 사용된 캔틸레버는 약 1.52 MHz의 공진 주파수와 약 500의 quality factor를 가짐을 알 수 있었다. 캔틸레버의 크기에 따른 quality factor의 변화를 알아보기 위해 다양한 크기의 캔틸레버를 측정하였다.
제작된 센서 중 가장 작은 길이가 40 μm, 폭이 7 μm,그리고 두께가 3 μm인 캔틸레버는 측정 대역폭이 1 Hz 일 경우 1 fg 이하의 우수한 분해능을 가짐을 알 수 있었다.
이는 제작된 캔틸레버의 크기 범위에서는 주변의 공기 damping이 주요한 에너지 손실 원인이기 때문이다. 측정된 공진주파수와 quality factor는 각각 3.5~ 16.3 % 와 7.6 ~ 13.7 % 의 정규화된 편차(표준편차/평균)를 보였다. 편차의 주된 원인으로는 초기 SOI 웨이퍼의 불균일한 두께 또는 불균일한 식각공정을 꼽을 수 있다.

후속연구

등방성 실리콘 식각시에 모든 캔틸레버의 구조를 보호하고 유지하기 위해, XeF2의 실리콘에 대한 식각률과 가장 폭이 넓은 캔틸레버가 분리 완료되는 시간을 고려하여 충분한 두께의 PECVD 옥사이드를 증착하였다. 향후 PECVD 옥사이드 대신실리콘 캔틸레버의 표면을 고온에서 산화시킨다면 두 번의 노광공정을 한번으로 줄여 공정을 더 간단하게 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 캔틸레버 구조는 어디에 주로 이용되고 있는가?	마이크로 캔틸레버 구조는 나노스케일 곡률 반경을 갖는 탐침을 이용하여 임의의 표면의 국소 높낮이를 측정하는 원자력현미경(atomic force microscopy)이나 바이오 또는 케미컬 물질의 표면 접착/흡착 시 고유진동수의 변화를 이용하여 질량을 측정하는 센서에 주로 사용되고 있다[1-4]. 최근 이러한 마이크로 캔틸레버 센서의 구동과 측정을 용이하게 하기 위해 캔틸레버 구조물 내에 구동 액츄에이터나 변위 측정 센서를 내장 시키는 연구가 활발히 진행되고 있다[5,6].
	본 연구에서 공정후의 캔틸레버와 정전기력 구동 전극 사이의 간격이 제작하고자 하는 캔틸레버의 폭에 좌우되는 이유는 무엇인가?	본 논문에서 소개된 공정에서는 실리콘 웨이퍼의 전면에 등방성 식각을 이용하여 캔틸레버 구조물을 분리 제작한다. 따라서, 공정후의 캔틸레버와 정전기력 구동 전극 사이의 간격 이 제작하고자 하는 캔틸레버의 폭에 좌우된다.
	엑츄에이터나 센서를 내장한 마이크로 캔틸레버의 장점은 무엇인가?	최근 이러한 마이크로 캔틸레버 센서의 구동과 측정을 용이하게 하기 위해 캔틸레버 구조물 내에 구동 액츄에이터나 변위 측정 센서를 내장 시키는 연구가 활발히 진행되고 있다[5,6]. 엑츄에이터나 센서를 내장한 마이크로 캔틸레버는 전체 측정 시스템을 소형 및 경량화 시킬 수 있어 휴대용 또는 각종 자원이 제한된 환경에서 사용될 수 있는 장점이 있는 반면에 그 제작이 복잡해지는 단점이 있다.마이크로 캔틸레버는 주로 전통적인 멤스 공정을 이용하여 제작되는데, 액츄에이터나 센서를 내장한 캔틸레버의 경우 여러 번의 노광 공정을 포함하는 경우가 일반적이다.

참고문헌 (8)

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Huihun Jung, Jinsung Park, Jaemoon Yang, Sang Woo Lee, Kilho Eom, Taeyun Kwon, and Dae Sung Yoon, “Study on the chemical environment for conformational change of i-motif DNA by atomic force microscopy cantilever”, J. Kor. Sensors Soc., vol. 19, no. 3, pp. 214-220, 2010.
G. Binnig, C. F. Quate, and C. Gerber, “Atomic force microscope”, Phys. Rev. Lett., vol. 56, pp. 930-933, 1986.

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B. llic, D. Czaplewski, M. Zalalutdinov, H. G. Craighead, P. Neuzil, C. Campagnolo, and C. Batt, “Single cell detection with micromechanical oscillators”, J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 19, 2825, 2001.

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B. Rogers, L. Manning, M. Jones, T. Sulchek, K. Murray, B. Beneschott, J. D. Adams, Z. Hu, T. Thundat, H. Cavazos, and S. C. Minne, "Mercury vapor detection with a self-sensing, resonating piezoelectric cantilever", Rev. Sci. Instrum., vol. 74, p. 4899, 2003.

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J. L. Hutter, and J. Bechhoefer, “Calibration of atomicforce microscope tips”, Rev. Sci. Instrum., vol. 64, p. 1868, 1993.

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G. Y. Chen, R. J. Warmack, T. Thundat, D. P. Allison, and A. Huang, “Resonance response of scanning force microscopy cantilevers”, Rev. Sci. Instrum., vol. 65, p. 2532, 1994.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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