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문제 정의
- TPMS에는 간접식 및 직접식 두 가지 종류가 있는데 간접식 보다 직접식이 더 정밀하고 정확도가 높기 때문에 직접식을 많이 사용하고 있다. TPMS에서 가속도센서를 사용한 목적은 타이어가 회전하면서 원심력 때문에 압력을 측정하는 멤브레인이 변형될 여지가 있으므로 이를 보정하기 위함이다.
- 본 논문에서는 TPMS에 적용 가능한 내구성과 가속도의 측정 가능한 범위를 갖는 4빔 압저항형 실리콘 미세 가속도센서를 설계 및 제작하고 그 특성을 분석 하였다.
- 본 논문에서는 TPMS용 가속도 규격에 알맞은 입력가속도 범위와 높은 내구성을 확보하기 위해 크기 최소화와 응력변화 극대화와 용이한 제작공정을 추구하였다. 또한 실리콘 압저항형 가속도센서 설계를 위해 ANSYS 프로그램을 이용하여 3가지 타입의 구조를 시뮬레이션하여 공진주파수 특성이 좋고 안적적인 구조를 선택하였다.
제안 방법
- 그리고 압저항과 전기적 연결을 위하여 연결 부위를 정의하고 식각하였으며 오믹 저항을 위하여 5 × 1015/㎠의 붕소 이온 주입을 하였다. 1 ㎛두께의 Al 금속 전극을 증착시키고 패터닝을 하였다. 이후 PECVD를 이용하여 SiN 보호막을 증착하고 패터닝을 하였다.
- 720°각도를 15°씩 증가하여 그 출력특성을 확인하였으며 측정 오차는 ± 0.05㎷이다.
- ANSYS 프로그램을 이용하여 3 가지 타입의 구조를 설계하여 공진주파수 특성을 비교하여 그 특성이 가장 높은 질량체 가장자리 가운데에 대칭적인 4개의 빔에지지되는 질량구조를 갖는 센서 구조를 선택하였다. 그리고 센서크기와 빔 길이에 다른 최대응력과 최대변위를 고려하여 200 ㎛로 결정하였다.
- 이 후 압저항 형성을 위해 3 × 1014/㎠의 붕소를 이온 주입기를 이용 하여 이온을 주입하고 1000 ℃의 전기로에서 1시간 동안 확산하였다. 가속도센서의 관성 질량체 형성을 위하여 보상 패턴이 있는 식각 마스크를 실리콘 뒷면에 형성하고 식각하였다. 그리고 압저항과 전기적 연결을 위하여 연결 부위를 정의하고 식각하였으며 오믹 저항을 위하여 5 × 1015/㎠의 붕소 이온 주입을 하였다.
- 각도에 따른 가속도 측정기의 회전원판은 각각 15°로 증가시켜가며 측정할 수 있도록 설계하였으며, 1회전 후연속적으로 2회전 측정을 하여 센서의 정확도를 확인해 보았다.
- 그리고 가속도센서의 내충격성은 1500g이상이 되도록 설계하였으며 사용 온도는 –40 ∼ 125 ℃가 되도록 설계하였다.
- ANSYS 프로그램을 이용하여 3 가지 타입의 구조를 설계하여 공진주파수 특성을 비교하여 그 특성이 가장 높은 질량체 가장자리 가운데에 대칭적인 4개의 빔에지지되는 질량구조를 갖는 센서 구조를 선택하였다. 그리고 센서크기와 빔 길이에 다른 최대응력과 최대변위를 고려하여 200 ㎛로 결정하였다. 또 결정된 가속도센서의 공진주파수를 분석한 결과 제 1 공진 모드, 제 2공진 모드 그리고 제 3 공진 모드를 확인할 수 있었다.
- 그리고 압저항과 전기적 연결을 위하여 연결 부위를 정의하고 식각하였으며 오믹 저항을 위하여 5 × 1015/㎠의 붕소 이온 주입을 하였다.
- 그리고 센서 크기와 브릿지 빔의 길이에 따른 응력 및 변위를 비교 하여 빔의 길이를 200 ㎛로 선택하였다. 또 선택된 가속도센서 구조를 시뮬레이션 하여 공진주파수를 확인하여 보았다.
- 본 논문에서는 TPMS용 가속도 규격에 알맞은 입력가속도 범위와 높은 내구성을 확보하기 위해 크기 최소화와 응력변화 극대화와 용이한 제작공정을 추구하였다. 또한 실리콘 압저항형 가속도센서 설계를 위해 ANSYS 프로그램을 이용하여 3가지 타입의 구조를 시뮬레이션하여 공진주파수 특성이 좋고 안적적인 구조를 선택하였다. 선택된 구조는 질량체가 대칭적인 구조를 갖는 4개의 빔에 지지되는 휘트스톤 브릿지 타입을 이용하여 제작함으로써 감도를 향상시켰다.
- 제작된 센서는 두가지 실험을 통해 그 특성을 확인하였다. 먼저 각도에 따른 출력 특성을 실험하였다. 720°각도를 15°씩 증가하여 그 출력특성을 확인하였으며 측정 오차는 ± 0.
- 또한 실리콘 압저항형 가속도센서 설계를 위해 ANSYS 프로그램을 이용하여 3가지 타입의 구조를 시뮬레이션하여 공진주파수 특성이 좋고 안적적인 구조를 선택하였다. 선택된 구조는 질량체가 대칭적인 구조를 갖는 4개의 빔에 지지되는 휘트스톤 브릿지 타입을 이용하여 제작함으로써 감도를 향상시켰다. 그리고 센서 크기와 브릿지 빔의 길이에 따른 응력 및 변위를 비교 하여 빔의 길이를 200 ㎛로 선택하였다.
- 센서의 크기는 3.0 ㎜ × 0.3 ㎜로 제작하였고, 0 ∼60g의 측정 범위를 갖고 1500g 이상의 내충격성을 갖도록 설계하였다.
- 6 ㎛로 제작되었다. 센서특성은 60 g에서 최대 2.48 MPa이상의 응력이 발생하고 내충격성은 1500 g로 설계했다.
- 우선 500 ㎚두께의 열산화막을 성장시켰다. 압저항 패턴을 형성한 후 400 ㎚의 깊이로 열산화막을 식각하고 PR을 제거 하였다. 이 후 압저항 형성을 위해 3 × 1014/㎠의 붕소를 이온 주입기를 이용 하여 이온을 주입하고 1000 ℃의 전기로에서 1시간 동안 확산하였다.
- 앞서 말한 바와 같이 가속도계의 내충격 특성을 높이기 위해 크기를 최소화하고 감도 향상을 위해서 ANSYS 시뮬레이션을 통하여 브릿지 구조를 최적화하였고, 제작공정이 간단한 압저항형 가속도센서를 설계 하였다.
- 입력 전원은 정전압원을 사용하였으며, 온도특성 측정을 위한 시스템은 챔버에 히터와 온도센서를 설치하여 온도컨트롤러를 이용하여 히터에 열을 가하는 방식으로 구성하였다. 온도 컨트롤러의 온도 센서가 +7℃정도 존재하여 정밀온도센서를 추가하여 챔버 안의 온도를 따로 측정하였다. 또한 센서는 0 g의 상태에 놓아두고 측정하였다.
- 6 ㎛가 되도록 식각하였다. 이 후 Boro33 유리 기판에 2 ㎛의 스탑퍼를 형성한후 실리콘 기판과 양극 접합하였다.
- 1 ㎛두께의 Al 금속 전극을 증착시키고 패터닝을 하였다. 이후 PECVD를 이용하여 SiN 보호막을 증착하고 패터닝을 하였다. 상용 지그를 이용하여 앞면을 보호하고 85 ℃의 TMAH 수용액에 넣어서 식각하였다.
- 그림 13은 온도 특성을 측정을 위한 시스템이다. 입력 전원은 정전압원을 사용하였으며, 온도특성 측정을 위한 시스템은 챔버에 히터와 온도센서를 설치하여 온도컨트롤러를 이용하여 히터에 열을 가하는 방식으로 구성하였다. 온도 컨트롤러의 온도 센서가 +7℃정도 존재하여 정밀온도센서를 추가하여 챔버 안의 온도를 따로 측정하였다.
- 상용 지그를 이용하여 앞면을 보호하고 85 ℃의 TMAH 수용액에 넣어서 식각하였다. 전기화학적 식각 정지범위에 의하여 실리콘 다이아프램의 두께를 13.6 ㎛가 되도록 식각하였다. 이 후 Boro33 유리 기판에 2 ㎛의 스탑퍼를 형성한후 실리콘 기판과 양극 접합하였다.
- 전기화학적 식각정지에 의한 빔의 형성을 위해 P형 기판에 12 ㎛의 두께로 1 ∼ 10Ω·㎝비저항을 갖는 N형 (100) 에피 실리콘 웨이퍼를 이용하여 시작하였다.
- 제작된 센서는 두가지 실험을 통해 그 특성을 확인하였다. 먼저 각도에 따른 출력 특성을 실험하였다.
- 그림 11과 같이 360°이후에도 이전의 값이 편차가 거의 없음을 확인하여 정확도가 높음을 확인하였다. 출력 전압의 정확성을 위해서 연속적으로 2회 측정하였다. 측정 오차는 ± 0.
- 측정에 앞서 전압의 공급원인 DC POWER SUPPLY 의 전압 편차가 심하여 가속도의 입력전압의 안정화를 위하여 MC7805, 커패시터, LED, 스위치를 이용하여 5V 출력 전압을 갖는 정전압원을 설계하였다. 이 결과 입력 전압 ( 5.
- 5 ㎶/V/g이다. 평균적으로 4번에 걸쳐 반복 측정하여 센서 출력의 재현성과 반복성을 시험하였다. -1 g에서는 43.
대상 데이터
- P형 실리콘 반도체의 압저항 효과를 이용한 실리콘 가속도센서는 N형 (100) 실리콘 반도체 기판위에 제작된다.[3] 그림 6은 실리콘 미세 압저항형 가속도센서의 제작 공정을 보이고 있다.
- 선택된 구조는 질량체가 대칭적인 구조를 갖는 4개의 빔에 지지되는 휘트스톤 브릿지 타입을 이용하여 제작함으로써 감도를 향상시켰다. 그리고 센서 크기와 브릿지 빔의 길이에 따른 응력 및 변위를 비교 하여 빔의 길이를 200 ㎛로 선택하였다. 또 선택된 가속도센서 구조를 시뮬레이션 하여 공진주파수를 확인하여 보았다.
- 동작원리는 휘트스톤브릿지 회로의 원리를 이용했다. X축 또는 Y축 방향으로 가속도를 받으면 빔이 서로 다른 방향으로 뒤틀리게 되고, Z축 방향으로 가속도를 받게되면 빔은 같은 방향으로 뒤틀리게 되어 빔 위에 놓인 압저항의 변화에 영향을 주게된다.
- 본 논문에서 제작한 TPMS용 4빔 실리콘 마이크로 압저항형 가속도센서는 크기는 3.0 ㎜ × 3.0 ㎜ × 0.4㎜의 크기를 갖는다.
- 브릿지 빔은 폭, 길이 그리고 두께는 각각 60 ㎛ × 200 ㎛ × 13.6 ㎛로 제작되었다.
데이터처리
- 센서의 설계는 크기의 최소화와 높은 감도를 목적으로 ANSYS 프로그램을 이용하여 시뮬레이션하였고, 그 특성을 비교 분석하였다.
성능/효과
- 그 결과 가속도센서의 옵셋 전압은 43.19 ㎷이며, 감도는 42.5 ㎶/V/g이다. 평균적으로 4번에 걸쳐 반복 측정하여 센서 출력의 재현성과 반복성을 시험하였다.
- 그 결과 센서가 잘 작동은 하였으나 60 ℃까지 일정하게 상승하다가 그 후부터는 값이 감소하였다.
- 그 결과 센서가 잘 작동은 하였으나 60 ℃까지 일정하게 상승하다가 그 후부터는 값이 감소하였다.
- 그리고 센서크기와 빔 길이에 다른 최대응력과 최대변위를 고려하여 200 ㎛로 결정하였다. 또 결정된 가속도센서의 공진주파수를 분석한 결과 제 1 공진 모드, 제 2공진 모드 그리고 제 3 공진 모드를 확인할 수 있었다.
- 05㎷이다. 센서 출력은 선형적인 변화를보였으며 결과 옵셋 전압은 43.2 ㎷이고 감도는 42.5 ㎶/V/g로 나타났다. 또 온도 특성 실험은 0 g에서 측정하였으며, 20 ℃에서부터 100 ℃까지 10 ℃간격으로 측정을 하였다.
- 시뮬레이션 결과 200 ㎛ 일 때 최대 응력 및 최대 변 위는 각각 60 g 에서는 10.8 MPa와 11.2 ㎚를 보이며, 1500 g 에서는 270 MPa와 0.98 ㎛를 보였다. 이 결과 120 ㎛일 때 보다 모두 뛰어난 특성을 보임을 확인할수 있었다.
- 98 ㎛를 보였다. 이 결과 120 ㎛일 때 보다 모두 뛰어난 특성을 보임을 확인할수 있었다. 표 2는 시뮬레이션의 비교한 결과를 보인다.
- 이 결과 입력 전압 ( 5.038 V ∼ 5.039 V ) 의 편차를 0.001 V로 줄여측정의 정밀도를 높였다.
- 19 ㎷의 값을 보였다. 측정결과로 보면알 수 있듯이 좋은 선형성을 보였고, 측정 시 약간의 드리프트(0.01 ㎷)를 보였으나 이는 온도에 민감한 센서의 특성과 아주 미세한 진동에 의한 것으로 추정 하였다.
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