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문제 정의
- 그러나 각 셀 당 저항의 크기가 불균일하게 나타났는데 이것은 MEMS 공정상에서 실리콘 게이지와 금속 전극 접촉 과정에서 일어난 전극 두께의 불균일 또는 에칭 시 발생하는 용매의 불균일한 용해에 의해 발생된 것으로 추측된다. 금속 전극의 두께는 게이지의 저항에 상당한 영향을 미치기 때문에 적당량을 선택하는 것이 중요한데 본 연구원에서는 앞으로 100 ~ 300nm 사이에서 전극 두께를 조절하여 게이지의 저항 차이를 계속해서 비교∙분석 하고자 한다. 이러한 공정상의 문제점만 보완된다면 로봇의 손가락 팁에 장착이 가능한 압력과 온도가 동시에 측정이 가능한 고감도 플렉시블 촉각센서가 개발될 것으로 기대된다.
- 이 논문에서는 지난 연구에서 제안한 촉각센서를 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정으로 구현하여 공간 분해능을 더욱 높인, 그리고 플렉시블 온도센서와 결합하여 압력과 온도에 민감하게 반응하는 고성능 플렉시블 촉각센서에 대해 소개하고자 한다.
제안 방법
- 12.5 µm 두께의 매우 얇은 박막 형태로 제작된 온도센서는 약 1.7×10-8 Ω∙m의 비저항을 가진 구리로 제작되었으며, 약 3000 Å 정도의 두께로 증착 하여 약 8.1 kΩ 정도의 저항이 나오도록 설계하였다.
- 센서가 포함하고 있는 단일 게이지 요소는 8×8배열로 총 64개 이다. 64개의 스트레인 게이지가 X 전극, Y 전극으로 연결되어 각 단일 게이지에 하중을 가하였을 때 각각의 게이지 모두 작용하는 압력에 따라 출력 저항에 변화가 생기는 것을 측정 하였다. Fig.
- Fig. 8은 64개의 스트레인 게이지 중에 단일 셀의 하중특성을 테스트한 그래프로 하중반응과 이력특성을 측정하기 위해 0 g ~ 100 g 까지 하중을 0 g, 5 g, 10 g, 20 g, 40 g, 60 g, 80 g, 100 g 순으로 증가∙ 감소시켰고, 이를 5회 반복하여 측정하였다.
- 길이 520 µm, 폭 50 µm, 두께 100 nm를 가지는 64개의 실리콘 스트레인 게이지를 1 mm Pitch의 간격으로 플렉시블한 PI 필름 위에 배열하였다. 각 게이지는 X축 신호선, Y축 신호선에 의해 연결되어 압력변화에 따른 저항 변화를 측정할 수 있도록 설계하였다. 여기에 구리로 증착된 박막형태의 온도센서를 결합하여 압력과 온도를 동시에 측정 가능하도록 하였으며 최종적으로 만들어진 센서는 하부두께 0.
- 전사공정에 의해 만들어진 실리콘 박막에 감광액(PR)을 입힌 후 노광작업과 건식에칭 작업을 거쳐 세로 50 µm, 가로 520 µm, 두께 100 nm의 바 (Bar) 모양의 8×8 Array 형태의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하였다. 게이지의 압력 변화에 따른 저항변화를 측정하기 위한 신호선은 E-beam Evaporator를 이용하여 하부전극과 상부전극으로 나누어 제작하였고, 각각의 신호선은 실리콘 게이 지와 금속 전극 간의 접착력을 높이기 위해 크롬 (Cr)을 5 nm의 두께로 먼저 증착한 다음 금(Au)을 140 nm 두께로 증착 하였다. 전극 증착 시 X축 신 호선과 Y축 신호선의 접촉을 막기 위하여 하부전극과 상부전극 증착 공정 사이에 약 800 nm 두께의 SU-8 (SU-8 : Thinner = 50% : 50%)을 도포하여 두신호선을 절연하였다.
- 5는 촉각센서의 특성을 평가하기 위한 전체 장치 구성도를 나타낸 것으로 DAQ 보드를 통해 입력신호를 처리하고, OP-AMP를 통해 입력전압을 증폭하여 이를 모니터 상에 구현하게 하였다. 또한 센서의 하중에 대한 특성 평가를 위하여 직경 1 mm인 압입기와 정밀 저울, 그리고 3축 이동 스테이지를 제작하여 각 셀의 정확한 위치에 원하는 무게의 하중을 가할 수 있게 하였다.
- 본 논문에서는 실리콘 기반 촉각센서와 폴리머 기반 촉각센서 제작방법을 융합한 실리콘-폴리머 융합 촉각센서를 제안하였고, 이것을 바탕으로 MEMS 공정을 통하여 8×8 어레이 형태의 압력∙온도 동시 측정이 가능한 고성능 플렉시블 촉각센서를 제작하였다.
- 압저항 효과를 얻기 위해 6인치 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼에 보론(B)을 3×1019 ion/㎤의 농도로 주입하여 최상층 실리콘을 P형으로 만들었으며 실리콘의 면저항을 약 150 Ω 정도의 동일한 조건으로 만든 다음 1 cm×1 cm 크기의 조각시편을 제작하였다.
- 하지만 이러한 방법은 회로가 복잡해지고 필요한 채널의 수가 많아진다는 단점을 가지고 있다. 우리는 필요한 요구조건과 발생 가능한 단점을 극복하기 위하여 Fig. 4와 같이 NI (National Instrument) 사의 매트릭스 스위치 모듈(PXI-2532) 과 8채널 동시 샘플링이 가능한 DAQ(PXI-6123) 보드를 사용하였고, 여기에 가상 영전위를 만들기 위해 연산증폭기를 이용하여 반전 증폭기를 구성 하였다.
- 유연한 PI(Polyimide) 필름 기판 위에 길이 2 mm, 폭 0.2 mm 그리고 두께 10 µm 정도의 상용 반도체 스트레인 게이지를 사용하여 5×5 array의 촉각센서를 제작하였고, 제작된 촉각센서는 하부두께 1.5 mm, 상부두께 0.5 mm의 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 보호되어 내구성을 높였다.
- 게이지의 압력 변화에 따른 저항변화를 측정하기 위한 신호선은 E-beam Evaporator를 이용하여 하부전극과 상부전극으로 나누어 제작하였고, 각각의 신호선은 실리콘 게이 지와 금속 전극 간의 접착력을 높이기 위해 크롬 (Cr)을 5 nm의 두께로 먼저 증착한 다음 금(Au)을 140 nm 두께로 증착 하였다. 전극 증착 시 X축 신 호선과 Y축 신호선의 접촉을 막기 위하여 하부전극과 상부전극 증착 공정 사이에 약 800 nm 두께의 SU-8 (SU-8 : Thinner = 50% : 50%)을 도포하여 두신호선을 절연하였다.
- 전사공정에 의해 만들어진 실리콘 박막에 감광액(PR)을 입힌 후 노광작업과 건식에칭 작업을 거쳐 세로 50 µm, 가로 520 µm, 두께 100 nm의 바 (Bar) 모양의 8×8 Array 형태의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하였다.
- 지난 연구에서는 이러한 요구 조건을 충족하기 위한 촉각센서의 구성 방법을 제안하고 가능성을 검증하였다. 제안한 촉각센서는 감도가 우수한 반도체 실리콘을 감지 재료로 사용하고 기계적 유연성과 내구성이 우수한 폴리머 재료를 센서 구조물로 사용함으로써 유연성과 성능을 모두 충족시키고자 하였다. 유연한 PI(Polyimide) 필름 기판 위에 길이 2 mm, 폭 0.
- 지난 연구에서 보여주었던 촉각센서는 상용 반도체 스트레인 게이지를 회로가 배선된 FPCB에 부착하여 제작8한 반면 본 연구에서는 실리콘 게이지 도핑과 반도체 공정을 통하여 촉각센서를 제작하였다. 플렉시블 촉각센서를 제작하는 공정은 실리콘 산화막(SiO2)층을 제거하기 위한 조각시편 제작, 실리콘 박막을 유연한 PI필름에 배열하기 위한 실리콘 전사, 8×8 실리콘 게이지를 배열하기 위한 게이지 패터닝, 저항변화에 대한 신호측정을 위한 하부전극(X축 신호선) 증착, 절연막 증착, 상부전극(Y축 신호선) 증착 등 총 6단계로 MEMS 공정을 진행하였다.
- 플렉시블 촉각센서를 제작하는 공정은 실리콘 산화막(SiO2)층을 제거하기 위한 조각시편 제작, 실리콘 박막을 유연한 PI필름에 배열하기 위한 실리콘 전사, 8×8 실리콘 게이지를 배열하기 위한 게이지 패터닝, 저항변화에 대한 신호측정을 위한 하부전극(X축 신호선) 증착, 절연막 증착, 상부전극(Y축 신호선) 증착 등 총 6단계로 MEMS 공정을 진행하였다.
대상 데이터
- 길이 520 µm, 폭 50 µm, 두께 100 nm를 가지는 64개의 실리콘 스트레인 게이지를 1 mm Pitch의 간격으로 플렉시블한 PI 필름 위에 배열하였다.
성능/효과
- 5 mm의 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 보호되어 내구성을 높였다. 그 결과 유연하고 튼튼한 고성능의 촉각 센서 제작에 대한 가능성을 확인하였다.8
- 그 결과로 각 셀의 반복성은 1 % 이내, 이력오차는 최대 5 % 이내로 우수한 성능을 가졌음을 확인하였다.
- 3 ℃ 이내로 측정되었고, 단일 게이지의 하중에 대한 반응결과는 반복성 1 % 이내, 이력특성 최대 5 % 이내로 우수한 특성을 나타내었다. 또한 64개 게이지 모두 압력변화에 잘 반응하는 것으로 측정되었다. 그러나 각 셀 당 저항의 크기가 불균일하게 나타났는데 이것은 MEMS 공정상에서 실리콘 게이지와 금속 전극 접촉 과정에서 일어난 전극 두께의 불균일 또는 에칭 시 발생하는 용매의 불균일한 용해에 의해 발생된 것으로 추측된다.
- 센서의 온도에 대한 저항변화율은 0.3 %/K, 오차는 0.3 ℃ 이내로 측정되었고, 단일 게이지의 하중에 대한 반응결과는 반복성 1 % 이내, 이력특성 최대 5 % 이내로 우수한 특성을 나타내었다. 또한 64개 게이지 모두 압력변화에 잘 반응하는 것으로 측정되었다.
- 각 게이지는 X축 신호선, Y축 신호선에 의해 연결되어 압력변화에 따른 저항 변화를 측정할 수 있도록 설계하였다. 여기에 구리로 증착된 박막형태의 온도센서를 결합하여 압력과 온도를 동시에 측정 가능하도록 하였으며 최종적으로 만들어진 센서는 하부두께 0.7 mm, 상부두께 0.7 mm의 PDMS를 덮어 부서지기 쉬운 실리콘 스트레인 게이지를 보호 함과 동시에 유연성과 내구성을 높였다.
- 1 kΩ 정도의 저항이 나오도록 설계하였다. 이 센서는 반복적인 감도 체크를 통해 약 0.3 %/K의 저항변화율과 오차 0.3 ℃ 이내의 우수한 특성을 확인할 수 있었다. Fig.
- 7(c)에 나타내었다. 이 실험 결과에서 Array 상의 64개 게이지 모두가 압력 변화에 따라 확실한 저항 변화를 나타내고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 본 논문에서 제작된 8×8 촉각센서는 힘∙압력을 감지할 수 있는 센서가 Array 형태로 배열된 것으로 공간 분해능을 높일수록(단위면적당 단위 센서가 많을수록) 수 많은 단위 센서의 신호를 짧은 시간에 오차 없이 측정해야 하기 때문에 센서의 응답속도가 높아야 하는데 이를 위하여 빠른 스캐닝과 동시 샘플링이 요구된다.
- 금속 전극의 두께는 게이지의 저항에 상당한 영향을 미치기 때문에 적당량을 선택하는 것이 중요한데 본 연구원에서는 앞으로 100 ~ 300nm 사이에서 전극 두께를 조절하여 게이지의 저항 차이를 계속해서 비교∙분석 하고자 한다. 이러한 공정상의 문제점만 보완된다면 로봇의 손가락 팁에 장착이 가능한 압력과 온도가 동시에 측정이 가능한 고감도 플렉시블 촉각센서가 개발될 것으로 기대된다.
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