[논문]압저항 센서에서 보스와 매스가 센서 민감도에 미치는 영향

심재준; 이성욱; 한동섭; 김태형; 한근조

압저항 센서에서 보스와 매스가 센서 민감도에 미치는 영향
The effect of the boss and mass on the sensitivity of the piezoresistive sensor 원문보기

심재준 (동아대학교 대학원) , 이성욱 (동아대학교 대학원) , 한동섭 (동아대학교 대학원) , 김태형 (경남정보대학 기계자동차산업계열) , 한근조 (동아대학교 기계공학부)

현재 압력이나 가속도를 측정하기 위해 사용되는 반도체 센서 중에서 압저항 센서가 가장 광범위하게 적용되고 있다. 이러한 압저항 센서는 반도체 공정에 의해서 제작되고, 기존의 센서보다 높은 민감도를 가지므로 그 적용성이 매우 높다. 하지만, 압저항 센서를 형성하는 구조물의 형상과 관련된 연구가 국내에서 미비하므로 이에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 과도한 압력에 센서를 보호하기 위한 보스(Boss)와 민감도 향상을 위해 사용되는 매스(Seismic Mass)의 기하학적 변화가 민감도에 미치는 영향을 압저항 분포를 통하여 분석하고, 적절한 위치와 크기를 제시하고자 한다.

In these days, the piezoresistive material has been applied to various sensors in order to measure the change of physical quantities. But the relationship between the sensitivity of a sensor and the position and size of piezoresistor has rarely been studied. Therefore, this paper was focused on the distribution of the resistance change ratio on the diaphragm and bridge surface where piezoresistor would be formed, and proposed the proper size and position of piezoresistor with which the sensitivity of sensor was increased. As the width of mass and boss was increased, the distance between piezoresistors was closed and the maximum value of resistance change ratio was decreased by the increase of the structure stiffness.

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문제 정의

하지만, 이러한 기존의 연구들은 압력의 변화에 의해 정의된 형상과 크기를 가진 압저항체의 전기적 특성 변화에 의해 민 감도를 도출하는 것에 연구가 편중되어 압저항체가 형성되어야 하는 위치나 그것의 크기가 민감도에 미치는 영향을 도출하지 못하였다. 그러므로 본 연구에서는 압저항체가 사용되는 압력 센서와 가속도 센서의 일반적인 형상에서 압력 센서의 보스(boss)와 가속도 센서에서 질량(seisnic mass)의 크기 변화가 압저항체의 크기와 위치에 미치는 영향을 분석하기 위해 저항 변화율 분포를 도출하고, 적정 압저항체의 형상을 제안하고자 하였다.

제안 방법

우선 압저항 압력 센서에서 압력에 따른 처짐, 웅력, 저항의 변화를 구할 수 있는 수학적 함수를 도입하고, 단순한 모델에서 압력의 변화에 따른 출력 전압을 계산하였다 (Elgamel 1995). 또한, HFIELDS-3D와 NASTRAN 프로그■램을 사용하여 외력에 의한 웅력과 압저항체의 전기적 특성을 연계하여 시뮬레이션하고, 외력에 의해서 발생하는 일정한 형 상과 크기를 가진 압저항체의 민감도를 계산하였다 (Gampoliru, 1995).
75)로 나누어 해석을 수행할 수 있다. 또한, 가속도 센서인 경우에 양단고정 보의 폭(Wbeam)이 1, 200㎛이고, 매 스의 폭을 600, 1200, 180g血인 세 가지로 분류하면, 매스 폭(WRm)의 비를 1/2(0.5), 2/2(1), 3/2(1.5)로 구분하여 해석을 수행하였다.
또한 경계조건은 기판의 밑 부분을 고정하였다. 또한, 실리콘은 이방성 재료로 각 방향에 따라 다른 특성을 나타내나 본 연구에서는 등방성 재료로 강도 해석을 ANSYS 프로그램의 3자 유도 8절 점 요소를 이용하여 탄성 한계 내에서 해석을 수행하여 응력 분포도를 구하고, 이후에 다양한 압저항 특성을 도입하여 압저항 변화율을 구하고, 각 절점에 대해 분포도로 나타내었다 (Akin, 1994).
보스와 매스가 압저항 센서의 민감도에 미치는 영향을 압저 항 변화율 분포도를 이용하여 분석하여 다음 결론을 도출하였다.
압력 센서에서 보스의 형상 변화가 압저항변화율에 미치는 영향을 다양한 압저항 계수에 따라서 분석하여 다음의 결과를 얻었다.
압저항 압력 센서의 민감도와 관련된 연구는 다양하게 수행되었다. 우선 압저항 압력 센서에서 압력에 따른 처짐, 웅력, 저항의 변화를 구할 수 있는 수학적 함수를 도입하고, 단순한 모델에서 압력의 변화에 따른 출력 전압을 계산하였다 (Elgamel 1995). 또한, HFIELDS-3D와 NASTRAN 프로그■램을 사용하여 외력에 의한 웅력과 압저항체의 전기적 특성을 연계하여 시뮬레이션하고, 외력에 의해서 발생하는 일정한 형 상과 크기를 가진 압저항체의 민감도를 계산하였다 (Gampoliru, 1995).
2와 3에서처럼 압력 센서과 가속도 센서에서 적용되는 가장 기본적인 모델을 제시하였다(Kouacs, 2000). 질량이나 보스 크기에 대한 영 향성을 분석하기 위해 압력 센서에서는 다이아프램의 폭에 대해 3가지 모델을 도입하였다. 다이아프램의 폭 (Wdiaphragm) 2, 400㎛에 대해, 보스의 폭을 600, 1200, 1800㎛로 설정하면, 보스 폭의 비 (WRb) 를 1/4(0.

성능/효과

1. 압저항 압력 센서에서 보스의 영향으로 압저항 변화율 분포는 보스 주변으로 높은 압저항 변화율 값을 가진 지역이 형성되어, 이곳에 100㎛><1, 200㎛ 크기를 가진 압저항체를 형성함 으로서 보스가. 없는 경우보다 약 68.
2. 보스 폭이 증가함에 따라 최대 또는 최소 압저항 변화율 값은 감소함을 알 수 있다. 이것은 동일한 하중 조건하에서 보스 폭이 증가는 다이아프램의 강성도를 증가시킴으로서 발생하는 다이아프램의 굽힘 웅력을 감소시킴으로서 발생되는 압저항 변화율도 감소됨을 알 수 있다.
3. 압저항 압력 센서에서 n-type 실리콘에 형성된 압저항분 포는 p-tEpe과 대칭적인 분포를 가지나, 1 게이지를 이용한 훠트스톤 브릿지를 형성한다면 p-typx의 4 게이지보다 높은 민감도를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
4. 압저항 가속도 센서에서 매스 폭의 크기 변화는 압력 센서와 다르게, 양단 고정보의 폭에 대한 매스의 폭 비가 증 가됨에 따라서 최대 또는 최소 압저항 변화율의 분포와 발생되는 최대 및 최소 압저항 변화율 값도 모두 감소하므로 민감도도 감소시키고 있다.
5. 압저항 가속도 센서에서 n-type 재료를 이용한 압저항체 형성은 전체적으로 민감도를 상당히 감소 시 키므로 p-type으로 구조물을 형성하여야 할 것으로 사료 된다.
하지만, X 좌표가 림의 끝단인 곳에서 발생하는 최소 압저항 변화율은 y축 방향, 압저항체가 형성되는 길이 방향에 대해에 대해 보스의 폭에 비례적으로 증가되고 있음을 알 수 있다. 또한, 유사하게 보스 주위의 압저항 변화율의 분포도 역시 모든 최대 압저항율 분포의 길이가 증가됨을 알 수 있다.
4(b)와는 반대적인 분포 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 또한, 최대 저항 변화율의 폭이 상당히 좁게 발생하고 있으 므로, 압저항체를 림의 끝단에 형성하는 경우에 압저항 변화율, 민감도는 평균값을 나타내므로, 압저항체 폭의 증가에 따라서 감소될 것으로 사료되며, 보스 주위의 음 압저 항 변화율 값도 거의 영에 가까운 값을 보이고 있으므로, 민감도의 증가는 낮을 것으로 사료된다.

후속연구

10에도 X축을 따라서 발생하는 압저항 변화율 값을 보여주고 있으며, 매스 폭의 비가 중가함에 따라 압저항 변화율 값은 매스가 없을 때보다 낮게 나타나고 있으며, 매스의 크기가 고정보 폭이 반보다 작을 때는 압저항 변화율은 매스가 없을 때 보다 높게 나타나고 있다. 하지만, 매스로 인하여 가속도 센서가 데이터를 감지할 수 있으므로, 무게와 매스 크기가 민감도에 미치는 영향에 대한 분석은 필요할 것으로 사료 된다.

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