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가설 설정
- 4. Cross-sectional view of the Accelerometer microfabrication process flow (a) forming piezoresistive (b) backside etch (c)forming glass-based stopper (d) wafer is bonded a glass.
제안 방법
- (a)에 보인 프로브스테이션을 이용하여 25°C부터 5°C씩 증가시켜 85°C까지 나타나는 출력전압을 측정하였다.
- 온도에 따른 옵셋 전압 특성은 그림 8(a)에 보인 프로브스테이션을 이용하여 25°C부터 5°C씩 증가시켜 85°C까지 나타나는 출력전압을 측정하였다. 가속도센서의 감도 측정을 위하여 그림 8(b)에 보인 제작된 회전원판을 이용하여 각도를 조절하여 중력 가속에 의한 센서 출력을 측정하였다.
- 그리고 압저항과 전기적 연결을 위하여 연결 부위를 패터닝하고 식각하였으며 오믹 저항을 위하여 5×1015 (atoms/㎠)의 붕소 이온 주입을 하였다. 1㎛두께의 Al 금속 전극을 증착시키고 패터닝을 하였다. 이 후 PECVD를 이용하여 SiN 보호막을 증착하고 전극 패들 부분을 패터닝하였다.
- 1 (Ω·m)비저항을 갖는 N형 (100) 실리콘 반도체 웨이퍼 기판위에 제작되었다. 500㎚ 두께의 열산화막을 증착시키고 압저항 패턴을 형성한 후 400㎚의 깊이로 열산화막을 식각하고 PR 을 제거 하였다. 이후 압저항 형성을 위해 3×1014(atoms/㎠)의 붕소를 이온 주입기를 이용하여 이온 주입하고 1000℃의 전기로에서 1시간 동안 확산하였다.
- 8빔 스프링은 관성질량의 각 모서리에 연결하여 관성질량의 x축과 y축 비틀림에 대하여 강성을 갖도록 설계하였다. 8빔 스프링 폭은 4빔 스프링 폭의 1/2로 설계하여 z축에 대한 스프링 상수는 같게 설계하였다. 각각 0.
- 4빔 스프링은 일반적인 스프링 구조로서 관성질량 중앙에 스프링을 연결하여 관성질량의 움직임이 스프링에 직접적인 영향을 미치도록 한 구조를 가진다. 8빔 스프링은 관성질량의 각 모서리에 연결하여 관성질량의 x축과 y축 비틀림에 대하여 강성을 갖도록 설계하였다. 8빔 스프링 폭은 4빔 스프링 폭의 1/2로 설계하여 z축에 대한 스프링 상수는 같게 설계하였다.
- z축이 중력과 수직일 때를 기준으로 회전원판의 각도가 0°이면 0g이고, 90°일 때 1g, –90°일 때 –1g로 두고 출력 전압을 측정하여 감도를 확인하였다.
- 이후 압저항 형성을 위해 3×1014(atoms/㎠)의 붕소를 이온 주입기를 이용하여 이온 주입하고 1000℃의 전기로에서 1시간 동안 확산하였다. 가속도 센서의 관성 질량체 형성을 위하여 코너 보상 패턴이 있는 식각 마스크를 이용하여 실리콘 뒷면에 KOH 식각 패턴을 형성하였다. 그리고 압저항과 전기적 연결을 위하여 연결 부위를 패터닝하고 식각하였으며 오믹 저항을 위하여 5×1015 (atoms/㎠)의 붕소 이온 주입을 하였다.
- 96㎜의 크기의 관성질량을 중앙에 배치하였다. 각각의 빔은 100㎛ 길이의 스프링을 가지며 수직(z축) 방향의 감도가 최대화 될 수 있도록 압저항 센서를 설계하고 제작하여 그 성능을 비교 분석 하였다.
- 그리고 압저항과 전기적 연결을 위하여 연결 부위를 패터닝하고 식각하였으며 오믹 저항을 위하여 5×1015 (atoms/㎠)의 붕소 이온 주입을 하였다.
- 따라서 본 논문에서는 센서의 소형화 추세에 따라 2㎜×2㎜의 크기의 압저항형 가속도 센서를 제안하고, 스프링의 위치를 달리하여 4빔, 8빔 스프링 구조를 갖는 가속도를 설계하고 제작하였다.
- 벌크 마이크로머시닝을 이용하여 압저항형 가속도센서를 제작하였다. 대략적인 제작공정은 그림 4와 같다.
- 본 논문에서는 2㎜×2㎜ 크기의 실리콘 압저항형 가속도 센서를 4빔, 8빔 스프링 구조로 설계하여 제작한 후 출력 특성을 비교하였다.
- 1㎛두께의 Al 금속 전극을 증착시키고 패터닝을 하였다. 이 후 PECVD를 이용하여 SiN 보호막을 증착하고 전극 패들 부분을 패터닝하였다. 실리콘 습식 식각용 상용 지그를 이용하여 앞면을 보호하고 85℃의 TMAH 수용액에 넣어서 실리콘 뒷면을 식각하였다.
- 6㎛가 되도록 식각하였다. 이 후 실리콘 앞면에 스프링 패턴을 형성하고 식각하였으며 Boro33 유리 기판에 2㎛의 스탑퍼를 형성한 후 실리콘 기판과 양극 접합하였다[10～11].
- 실리콘 습식 식각용 상용 지그를 이용하여 앞면을 보호하고 85℃의 TMAH 수용액에 넣어서 실리콘 뒷면을 식각하였다. 전기화학적 식각 정지 방법을 사용하여 실리콘 다이아프램의 두께가 5.6㎛가 되도록 식각하였다. 이 후 실리콘 앞면에 스프링 패턴을 형성하고 식각하였으며 Boro33 유리 기판에 2㎛의 스탑퍼를 형성한 후 실리콘 기판과 양극 접합하였다[10～11].
- 따라서 본 논문에서는 센서의 소형화 추세에 따라 2㎜×2㎜의 크기의 압저항형 가속도 센서를 제안하고, 스프링의 위치를 달리하여 4빔, 8빔 스프링 구조를 갖는 가속도를 설계하고 제작하였다. 제작된 가속도 센서의 온도 특성 및 감도를 측정하고 비교 분석하였다.
대상 데이터
- P형 실리콘 반도체의 압저항 효과를 이용한 가속도센서는 0.01~0.1 (Ω·m)비저항을 갖는 N형 (100) 실리콘 반도체 웨이퍼 기판위에 제작되었다.
성능/효과
- 수직 중력 가속도에 대한 감도는 (a) 4빔 스프링 압저항 가속도 센서가 21.38㎶/V/g, (b) 8빔 스프링 압저항 가속도 센서가 15.67㎶/V/g으로 4빔 스프링 구조가 감도가 우수함을알 수 있다. 타축 감도는 (a)의 4빔 스프링 구조가 1.
- z축 가속도에 대한 감도 특성은 4빔 스프링 구조의 압저항 가속도 센서가 21.38㎶/V/g의 감도 특성을 나타내어 8빔 스프링 압저항 가속도센서 보다 우수하였다. 타축 감도 특성은 8빔 가속도 센서가 좋게 나타났다.
- 압저항 가속도 센서의 ANSYS 모델은 그림 2에 보이고 있다. 시뮬레이션 모드 해석 결과로 각각의 센서는 40.76㎑, 41.61㎑의 첫 번째 z축 방향의 공진 모드를 보여주었다. 타축감도를 보여주는 모드 결과로는 4빔 스프링인 경우 53.
- 온도에 따른 오프셋 전압은 25°C와 45°C 사이에서는 온도에 따라 증가하였고, 45°C와 65°C 사이에서는 온도에 무관하게 일정하였고 65°C와 85°C 사이에서는 온도가 증가할 때 오프셋 전압은 감소하는 경향을 보였다.
- 그림 3은 가속도 1g를 z축 방향으로 인가했을 때 각각 스프링에서의 종방향 응력(longitudinal stress)의 분포를 보여준다. 이 분포에 따라 최대 응력(maximum stress)은 4빔 일 때에는 스프링의 가장자리로부터 5㎛, 95㎛ 떨어진 지점, 그리고 8빔일 때는 9㎛, 91㎛ 만큼 떨어진 곳에서 각각 발생하였으며 그때의 값은 각각 50708.78Pa, 50378.95Pa로 관성질량의 중앙에 빔이 위치하는 것이 maximum stress가 약간 더 크게 발생하여 4빔 스프링 구조의 감도가 더 우수하다는 결과를 알 수 있다.
- 38㎶/V/g의 감도 특성을 나타내어 8빔 스프링 압저항 가속도센서 보다 우수하였다. 타축 감도 특성은 8빔 가속도 센서가 좋게 나타났다. 온도에 따른 가속도 센서 오프셋 출력 전압은 25°C에서 85°C의 온도 구간에서 측정하였으며, 각각 (a) 154.
- 61㎑의 첫 번째 z축 방향의 공진 모드를 보여주었다. 타축감도를 보여주는 모드 결과로는 4빔 스프링인 경우 53.02㎑, 8빔 스프링인 경우 240.28㎑의 결과를 보여 8빔의 타축 특성이 더 우수할 것이라고 예측할 수 있다.
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