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[국내논문] 실리콘 다이아프램 구조에서 전단응력형 압전저항의 특성 분석
Analysis of Shear Stress Type Piezoresistive Characteristics in Silicon Diaphragm Structure 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.3, 2018년, pp.55 - 59  

최채형 (영남이공대학교) ,  최득성 (영남이공대학교) ,  안창회 (영남대학교)

초록
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본 연구에서는 Si/$SiO_2$/Si-sub 구조의 SDB (silicon-direct-bonding) 웨어퍼 상에 형성된 다이아프램(diaphragm)에 제조된 전단응력형 압전저항 특성을 분석하였다. 다이아프램은 MEMS (Microelectromechanical System) 기술을 이용해 형성하였다. TMAH 수용액을 이용해 웨이퍼 후면을 식각하여 형성된 다이아프램 구조는 각종 센서제작에 활용할 수 있다. 본 연구에서는 다이아프램 상에 형성시킨 전단응력형 압전저항의 최적의 형상조건을 ANSYS 시뮬레이션을 통하여 찾고 실제 반도체 미세가공기술을 이용해 다이아프램 구조를 형성시키고 이에 붕소(boron)을 주입하여 형성시킨 전단응력형 압전저항의 특성을 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다. 압력감지 다이아프램은 정방형으로 제조되었다. 다이아프램의 모서리의 중심부에서 동일한 압력에 대한 최대 전단응력은 구조물이 정방형일 때 발생한다는 것을 실험으로 확인할 수 있었다. 따라서 압전저항은 다이아프램의 가장자리 중앙에 위치시켰다. 제조된 전단응력형 압전저항은 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였고 $2200{\mu}m{\times}2200{\mu}m$ 크기의 다이아프램에 형성된 압전저항의 감도는 $183.7{\mu}V/kPa$로 나타났으며 0~100 kPa 범위의 압력에서 1.3%FS의 선형성을 가졌으며 감도의 대칭성 또한 우수하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we investigated the characteristics of shear stress type piezoresistor on a diaphragm structure formed by MEMS (Microelectromechanical System) technology of silicon-direct-bonding (SDB) wafers with Si/$SiO_2$/Si-sub. The diaphragm structure formed by etching the backside of...

Keyword

#MEMS   #SDB wafer   #TMAH aqueous solution   #exact square diaphragm structure   #shear stress type piezoresistor   #ANSYS simulation  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 SOI 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼 기판을 이방성(anisotropic) 식각을 통해 형성시킨 다이아프램 구조에 전단응력형 압전저항을 형성시켰을 때 압력에 대한 압전저항 특성을 여러 형상 조건 별로 유한요소법(FEM, finite element method)을 활용한 ANSYS 시뮬레이션을 통해 분석하여 최적화된 형상조건을 찾고 TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide, ((CH3)4NOH)) 용액을 이용해 (111)방향으로 이방성으로 식각하여 실제 제작된 다이아프램상에 형성시킨 압전저항에 압력을 가해 그 특성을 비교 확인함으로써 향후 실제 센서 제작으로 연구를 지속적으로 이어가고자 한다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
센서의 기능을 극대화하기 위한 방법은? 센서의 기능을 극대화하기 위해 미세가공기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 형상을 인위적으로 변형시킨 연구들이 많이 진행되고 있는데 이를 실현하기 위해서는 미세가공기술의 연구가 우선적으로 선행되어야 한다. 이에 본 연구는 실리콘 웨이퍼를 반도체 미세가공기술을 활용하여 다이아프램을 형성시킨 구조의 특성을 분석하고 향후 압력센서 등 다양한 센서의 제작에 적용하기 위함에 그 목적이 있다.
실리콘 압력센서에는 어떤 것들이 있는가? 이에 본 연구는 실리콘 웨이퍼를 반도체 미세가공기술을 활용하여 다이아프램을 형성시킨 구조의 특성을 분석하고 향후 압력센서 등 다양한 센서의 제작에 적용하기 위함에 그 목적이 있다. 실리콘 압력센서는 용량형(capacitor)형과 압전저항(piezoresistor)형으로 나눌 수 있다.6,7) 용량형은 다이아프램을 전극으로 사용하여 외부 압력에 의한 다이아프램의 변형으로 인해 전극 간 거리를 변화시켜 그 용량의 변화량을 검출한다.
실리콘 압력센서 용량형의 장단점은? 6,7) 용량형은 다이아프램을 전극으로 사용하여 외부 압력에 의한 다이아프램의 변형으로 인해 전극 간 거리를 변화시켜 그 용량의 변화량을 검출한다. 이 형태는 전극 간 거리를 좁게 제어할 수 있는 장점이 있으나 다이아프램 전체를 전극으로 사용하므로 선형성이 좋지 않다. 반면 압전저항형은 다이아프램 위에 응력이 집중하도록 전극을 배치함으로써 외부 힘에 의해 발생하는 응력에 비례하여 변화하는 압전저항의 변화를 검출한다.
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참고문헌 (13)

  1. P. Kleinschmidt, and F. Schmidt, "How many sensors does a car need", Sensors and Actuators, A31, 35 (1992). 

  2. Y. M. Choi, H. Y. Kim, J. S. Park, S. H. Kwon, and D. J. Kim, "Characteristics of piezoelectric sensor for fluid impact pressure", Journal of Ocean Engineering and Technology, 32(1), 17 (2009). 

  3. H. Y. Jung, J. K. Ji, and S. D. Min, "Real-time sitting posture monitoring system using pressure sensor", The Trans. KIEE, 64(6), 940 (2015). 

  4. E. J. Park, D. I. Kwon, and Y. K. Sa, "Reliability assessment and prediction of solder joints in high temperature heaters", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(2), 23 (2017). 

  5. J. N. Choi, J. O. Bang and S. B. Jung, "Effect of Zn content on shear strength of Sn-0.7Cu-xZn and OSP surface finished joint with high speed shear test", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(1), 45 (2017). 

  6. Y. Matsumoto, and Esashi, "Integrated silicon capacitive accelerometer with PLL servo technique", Sensors and Actuators, A39, 209 (1993). 

  7. S. C. Kim, and K. Wise, "Temperature sensitivity in silicon piezoresistive pressure transducers", IEEE Trans. Electron Devices, ED-30, 802 (1983). 

  8. Y. T. LEE, H. D. Seo, M. Ishida, S. Kawahito, and T. Nakamura, "High temperature pressure sensor using double SOI Structures with two $Al_2O_3$ films", Sensors and Actuators, A43, 59 (1994). 

  9. O. N. Tufte, P. W. Chapman, and D. Long, "Silicon diffused element piezoresistive diaphragm", J. Appl. Phys., 33, 3321 (1962). 

  10. Y. T. Lee, H. D. Seo, A. Kawamura, Y. Matsumoto, M. Ishida, and T. Nakamura, "The influence of offset on silicon piezoresistive pressure sensor and its compensation using double wheatstone-bridge configuration", Proc. 5th Con. On Sensors Tech., Taejeon, Korea, 62 (1994). 

  11. M. Bao, and Y. Wang, "Analysis and design of a four-terminal silicon pressure sensor at the centre of a diaphragm", Sensors and Actuators, 12, 49 (1987). 

    상세보기

  12. G. S. Chung, S. Kawahito, M. Ishida, and T. Nakamura, "Piezoresistive properties of thin SOI films prepared by SDB and its application to strain gauges", Proc. 11th Sensor Symp., Tokyo, Japan, 153 (1992). 

  13. O. Tabata, R. Asahi, H. Funabashi, and S. Sugiyama, "Anisotropic silicon etching using $(CH_3)_4NOH$ solusion", Proc. 6th Int. Conf. Solid state Sensors and Actuators (Transducer '91), San Fransisco, CA, USA, June24-28, 811 (1991). 

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