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문제 정의
- 떠 있는 배선의 형태를 달리한 여러 가지 MEMS 히터 모델에 대해서도 온도분포를 평가해 보았다. 떠 있는 배선의 길이가 250 ㎛에 이르러도 기판으로부터 잘 격리되어 고온 구동이 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, 배선 사이의 간격을 2 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛로 다르게 하더라도 안정적으로 고온 구동이 가능했다.
- 실리콘 기판 하부를 식각하여 동공구조를 만들고 동공 상부에 열 절연률이 높은 질화막 박막을 형성시켜 그 상부면에 열저항선을 제조하는 일반적인 MEMS 히터 구조[1-2]와는 달리 본 연구진이 제안한 떠 있는 열선을 이용한 MEMS 히터의 구조는 한 장의 포토마스크와 한 번의 사진식각 공정으로 간단하게 제작 가능하다[3-4]. 본 논문에서는 기판 상부에 떠 있는 열 저항선 구조를 이용한 MEMS 히터의 온도 특성을 적외선 카메라를 이용하여 평가하였다.
제안 방법
- 적외선 카메라로 측정한 이미지 분석을 통해 평가한 온도와 열저항선의 저항 측정을 통해 추정한 온도를 비교하여 그림 5에 정리하였다. MEMS 히터의 구동 전력에 따른 평가 온도를 그래프로 나타내었으며 이미지 내의 최고온도와 평균온도, 최저온도도 함께 비교하였다. 4.
- 5- 5 ㎛이다. 구동 전압에 따른 열선의 온도는 적외선 카메라의 이미지 분석을 통해 지정된 영역내의 최고값, 평균값, 최저값 등을 산출하였다. 그림 4는 적외선 카메라로 촬영한 MEMS 히터 온도 분포 이미지이다.
- 저항선의 저항은 MEMS 히터의 구동 전압에 따른 전류를 측정한 후 이를 환산하여 얻었다(그림 2). 구동 전압에 따른 저항 값을 이용하여 식(1)에 대입하여 구동 전압에 대한 온도 변화를 평가하였다(그림 3). 측정된 저항을 이용하여 온도를 추정해 본 결과 4V 구동(182.
- 본 연구에 사용된 MEMS 히터는 그림 1에서 보여주는 바와 같이 기판에서 떠 있는 실리콘 지지구조 위에 백금 저항선을 증착시켜 제작하였다. 떠 있는 실리콘 구조는 실리콘의 건식 식각과 습식식각을 연속적으로 수행하여 제작하였으며, 백금 열저항선은 실리콘 구조물이 제작된후 E-beam 증착장비로 증착하였다. 열저항선의 선폭은 20 ㎛, 길이는 200 ㎛이며, 꼬여진 형태로 배치하여 전체 길이는 대략 2.
- 떠 있는 열저항선 구조를 갖는 MEMS 히터를 제작하고 고해상도 적외선 카메라를 이용하여 고온 동작시 온도 분포를 분석하였다. 열저항선의 선폭은 20 ㎛, 길이는 250 ㎛ 로 구성된 줄 히팅 배선을 폴딩된 구조이며, 병렬로 연결되었다.
- 그림1의 단면구조에서 알 수 있듯이 떠 있는 실리콘 구조물이 제작된 후 열저항선을 기상증착하므로 열선과 열선 사이의 하부 바닥면에도 금속막이 증착되는 것을 확인할 수 있다. 떠 있는 열저항선은 폴딩된 형태의 직렬선을 여러 개로 제작하고 이를 병렬로 연결하여 구동할 수 있도록 하였다.
- 온도에 따른 백금의 저항변화를 측정하였다. 항온 체임버를 이용하여 상온(25 ℃)에서부터 120도에 이르기까지 온도를 변화시켜가며 MEMS 히터의 온도에 따른 저항변화 특성을 측정하였다(그림 2).
- MEMS 히터는 줄 열에 의한 고온 발열부를 이용한다. 저항선으로는 고온 구동시 열적 안정성이 우수한 백금 저항선을 사용했으며, 발열부가 기판으로부터 열 적으로 격리되어 있어야 하므로 열 고립을 위해 기판으로부터 떠 있는 실리콘 빔 구조 상에 저항선을 형성하여 제작하였다. 실리콘 기판 하부를 식각하여 동공구조를 만들고 동공 상부에 열 절연률이 높은 질화막 박막을 형성시켜 그 상부면에 열저항선을 제조하는 일반적인 MEMS 히터 구조[1-2]와는 달리 본 연구진이 제안한 떠 있는 열선을 이용한 MEMS 히터의 구조는 한 장의 포토마스크와 한 번의 사진식각 공정으로 간단하게 제작 가능하다[3-4].
- 여기서, R은 측정된 저항이며, TCRo와 Ro는 히터 저항선의 초기 TCR 과 상온(T= 298 K= 25 ℃)에서의 초기 저항값이며, A, B는 선형식 표기에서의 상수에 해당된다. 저항선의 저항은 MEMS 히터의 구동 전압에 따른 전류를 측정한 후 이를 환산하여 얻었다(그림 2). 구동 전압에 따른 저항 값을 이용하여 식(1)에 대입하여 구동 전압에 대한 온도 변화를 평가하였다(그림 3).
- 적외선 카메라를 이용하여 MEMS 히터의 온도 분포를 측정하였다. FLIR 사의 SC5000 모델의 적외선 카메라를 사용하였다.
- 온도에 따른 백금의 저항변화를 측정하였다. 항온 체임버를 이용하여 상온(25 ℃)에서부터 120도에 이르기까지 온도를 변화시켜가며 MEMS 히터의 온도에 따른 저항변화 특성을 측정하였다(그림 2). 온도에 따른 백금 저항선의 저항은 선형함수 관계를 갖고 있으므로 식(1)과 같이 저항은 온도에 대한 선형 함수로 표기할 수 있다[5].
대상 데이터
- 적외선 카메라를 이용하여 MEMS 히터의 온도 분포를 측정하였다. FLIR 사의 SC5000 모델의 적외선 카메라를 사용하였다. 카메라의 해상도는 320x256이며, x 3 배율 렌즈를 이용하여 픽셀 해상도는 10 ㎛이다.
- 발열면적은 대략 500 ㎛ x 500 ㎛이다. MEMS 히터의 시편 크기는 2 mm x 2 mm 이다. 백금선으로 제작된 열저항선은 기판과 연결된 떠 있는 열선의 지 지부에서는 상온에 가까우나 가운데 부분에서는 대체로 균일한 온도분포를 보였으며, 열저항선들의 사이 부분에서는 열저항선 보다 더 높은 온도로 평가되었다.
- 백금 저항선과 실리콘 기판과의 전기적 절연을 위해 백금선하부에는 실리콘 열산화막을 3000 A 두께로 증착된 기판을 사용하였다. 백금 열저항선은 백금/티타늄을 2000/200 Å 두께로 증착하여 제작하였다. 그림1의 단면구조에서 알 수 있듯이 떠 있는 실리콘 구조물이 제작된 후 열저항선을 기상증착하므로 열선과 열선 사이의 하부 바닥면에도 금속막이 증착되는 것을 확인할 수 있다.
- 4 mm 가 되도록 하였으며, 떠 있는 열저항선의 기판으로부터의 거리는 대략 50 ㎛로 제작하였다. 백금 저항선과 실리콘 기판과의 전기적 절연을 위해 백금선하부에는 실리콘 열산화막을 3000 A 두께로 증착된 기판을 사용하였다. 백금 열저항선은 백금/티타늄을 2000/200 Å 두께로 증착하여 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 MEMS 히터는 그림 1에서 보여주는 바와 같이 기판에서 떠 있는 실리콘 지지구조 위에 백금 저항선을 증착시켜 제작하였다. 떠 있는 실리콘 구조는 실리콘의 건식 식각과 습식식각을 연속적으로 수행하여 제작하였으며, 백금 열저항선은 실리콘 구조물이 제작된후 E-beam 증착장비로 증착하였다.
- 떠 있는 실리콘 구조는 실리콘의 건식 식각과 습식식각을 연속적으로 수행하여 제작하였으며, 백금 열저항선은 실리콘 구조물이 제작된후 E-beam 증착장비로 증착하였다. 열저항선의 선폭은 20 ㎛, 길이는 200 ㎛이며, 꼬여진 형태로 배치하여 전체 길이는 대략 2.4 mm 가 되도록 하였으며, 떠 있는 열저항선의 기판으로부터의 거리는 대략 50 ㎛로 제작하였다. 백금 저항선과 실리콘 기판과의 전기적 절연을 위해 백금선하부에는 실리콘 열산화막을 3000 A 두께로 증착된 기판을 사용하였다.
성능/효과
- 열저항선의 선폭은 20 ㎛, 길이는 250 ㎛ 로 구성된 줄 히팅 배선을 폴딩된 구조이며, 병렬로 연결되었다. 2개에서 4 개까지의 병렬 연결 구동에도 열 저항선은 균일하게 고온 구동되었으며, 500 mW 내외의 소비전력으로 1000 ℃에 이르는 고온 발열이 가능한 것으로 측정되었다. 발열면적은 대략 500 ㎛ x 500 ㎛이다.
- MEMS 히터의 구동 전력에 따른 평가 온도를 그래프로 나타내었으며 이미지 내의 최고온도와 평균온도, 최저온도도 함께 비교하였다. 4.2 V 전압 동작에서 소비전력은 239 mW이며, 이때 적외선 카메라의 최고 온도와 저항값으로 평가한 온도는 450도에 이르는 상당한 차이를 보였다. 그림 1의 영역 1은 히터의 열선이 있는 부분으로 이미지 분석 영역으로 설정된 부분이다.
- 열선을 벗어난 영역에서의 픽셀 평가값이 반영되었기 때문이다. TCR을 계산하기 위한 수식 1에서는 환경체임버 에서 열저항선의 온도가 균일하게 바뀌지만 열저항선 구동시에는 열저항선의 온도가 균일하지 못한 측면이 있으므로 이를 고려하여 평균온도를 평가하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 보다 정확한 온도평가를 위해서는 적외선 카메라의 이미지 해석을 이용할 경우 발열 배선에서의 픽셀만 추출하여 평균온도를 구하는 것이 보다 타당할 것으로 판단되며 이를 위해서는 해상도가 보다 높은 적외선 카메라가 필요하다.
- 떠 있는 배선의 형태를 달리한 여러 가지 MEMS 히터 모델에 대해서도 온도분포를 평가해 보았다. 떠 있는 배선의 길이가 250 ㎛에 이르러도 기판으로부터 잘 격리되어 고온 구동이 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, 배선 사이의 간격을 2 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛로 다르게 하더라도 안정적으로 고온 구동이 가능했다. 복수개의 열저항선은 병렬로 연결하여 구동하였는데, 균일한 온도로 히터가 동작하는 것을 확인할 수 있다.
- MEMS 히터의 시편 크기는 2 mm x 2 mm 이다. 백금선으로 제작된 열저항선은 기판과 연결된 떠 있는 열선의 지 지부에서는 상온에 가까우나 가운데 부분에서는 대체로 균일한 온도분포를 보였으며, 열저항선들의 사이 부분에서는 열저항선 보다 더 높은 온도로 평가되었다. 그 이유는 떠 있는 열저항선의 바닥부분에 형성된 V-groove 표면에 증착된 백금이 적외선을 반사시켜주기 때문인 것으로 추정된다.
- 구동 전압에 따른 저항 값을 이용하여 식(1)에 대입하여 구동 전압에 대한 온도 변화를 평가하였다(그림 3). 측정된 저항을 이용하여 온도를 추정해 본 결과 4V 구동(182.8 mW)에서 대략 500 ℃ 인 것으로 분석되었다.
후속연구
- MEMS 히터는 저전력 구동이 가능하고 작은 크기로 대량으로 제작할 수 있는 장점으로 인해 다양한 분야에서 활용될 것으로 예측된다. 최근에는 적외선 발광원이나 반도체식 가스센서를 초기화하고 구동환경을 제공하는 열원으로 응용되고 있다.
- TCR을 계산하기 위한 수식 1에서는 환경체임버 에서 열저항선의 온도가 균일하게 바뀌지만 열저항선 구동시에는 열저항선의 온도가 균일하지 못한 측면이 있으므로 이를 고려하여 평균온도를 평가하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 보다 정확한 온도평가를 위해서는 적외선 카메라의 이미지 해석을 이용할 경우 발열 배선에서의 픽셀만 추출하여 평균온도를 구하는 것이 보다 타당할 것으로 판단되며 이를 위해서는 해상도가 보다 높은 적외선 카메라가 필요하다.
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