[논문]표면탄성파를 이용한 ID tag, 온도 센서 제작 및 측정

조민욱; 이기정; 송태현; 양상식

표면탄성파를 이용한 ID tag, 온도 센서 제작 및 측정
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조민욱 (아주대학교 전자공학과) , 이기정 (아주대학교 전자공학과) , 송태현 (아주대학교 전자공학과) , 양상식 (아주대학교 전자공학과)

본 논문은 표면탄성파(Surface Acoustic Wave)의 특성을 이용하여 반사되어 돌아오는 피크 신호를 통해 개체를 식별하며 온도 변화에 따른 위상의 변화를 갖는 ID 태그 및 온도 센서의 제작공정과 네트워크 분석기를 이용한 측정에 대해 소개한다. 표면탄성파 마이크로센서는 IDT(interdigital trancducer)와 ID 번호를 갖는 리플렉터, 온도 변화에 따른 위상 변위를 관찰하기 위한 리플렉터로 구성된다. 제작된 두 개의 소자는 49(0110001), 113(1110001)의 ID 번호를 가지고 있으며, 1 us에서 기준신호를 관찰할 수 있도록 한 개의 리플렉터를 추가적으로 포함한다. 또한 온도 변화에 따른 전파 속도의 변화로 인해 발생 하는 위상 변화를 관찰하기 위한 리플렉터를 포함한다. $41^{\circ}$YX $LiNbO_3$ 압전기판, AZ1512 감광제, 알루미늄을 이용하여 제작 되었고 네트워크 분석기를 통해 출력된 신호로 ID 번호를 식별하고 $30^{\circ}C$에서 $120^{\circ}C$까지의 온도 변화에 따른 위상 변화를 측정하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 표면탄성파를 이용한 IDT 태그 및 온도센서를 제작하였다. 측정된 파형은 비교적 큰 손실 값을 보였고, 피크 신호가 비교적 넓게 나타났으며 허위 피크 또한 심하게 나타났다.
표면탄성파를 이용한 표면탄성파 마이크로센서에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있으며, ID 태그 센서뿐만 아니라 압력센서, 온도센서, 바이오센서 등의 응용을 통한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 표면탄성파를 이용한 마이크로센서제작의 기본적인 내용을 바탕으로 하여 피크신호는 1, 피크신호가 없는 경우를 0으로 간주하는 바코드 타입의 ID 번호 센서를 제작하는데 목적을 두었다. 41˚ YX LiNbO₃ 압전기판에 150 nm의 알루미늄을 증착하고 사진공정을 통해 적절한 위치로 설계된 IDT와 리플렉터의 패턴을 형성하였다.

제안 방법

41˚ YX LiNbO₃ 압전기판의 변수 값을 이용하여 IDT와 리플렉터를 설계하고 측정에 용이함을 주기위한 포트와 IDT의 길이 등의 적절한 값을 설계하였다.[1] 41˚ YX LiNbO₃ 압전기판의 전파 속도는 4750 m/s 이므로 동작주파수(440 MHz)를 이용하여 파장을 구하고, #의 관계를 이용하여 IDT로부터의 리플렉터의 거리L을 구한다.
IDT의 크기 변수 A(aperture)와 T(total IDT length)는 75 λ로 하였고, 리플렉터의 stripe 개수는 3에서 5로(멀수록 stripe을 많게), 세로 길이는 A/2로 하였다.
압전기판에 열증착기를 이용하여 ∼150 nm의 알루미늄을 증착한다. 감광제 AZ1512를 사진 식각 공정을 통해 패터닝하고 감광제를 보호막으로 하여 알루미늄을 식각한 뒤 남아 있는 감광제를 제거 하여 소자를 제작하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 표면탄성파를 이용한 마이크로센서제작의 기본적인 내용을 바탕으로 하여 피크신호는 1, 피크신호가 없는 경우를 0으로 간주하는 바코드 타입의 ID 번호 센서를 제작하는데 목적을 두었다. 41˚ YX LiNbO₃ 압전기판에 150 nm의 알루미늄을 증착하고 사진공정을 통해 적절한 위치로 설계된 IDT와 리플렉터의 패턴을 형성하였다.
ID 태그 리플렉터에 추가적으로 온도 변화에 따른 위상 변화를 관찰하기 위해 2.25 μs에 위치한 피크 신호로 실험을 하였다.
제작 공정순서는 와 같으며, 525 μm의 41˚ YX LiNbO3 압전기판에 열증착기를 이용하여 ∼150 nm의 알루미늄을 증착한다.

이론/모형

<그림 2>와 같이 IDT는 가장 기본적인 bi-directional type을 사용하였고, 리플렉터는 허위 피크 신호와 삽입 손실이 적은 shorted-grating type을 사용하였다.[3] 전파 파장 λ값은 #의 관계를 통해 구할 수 있다.

성능/효과

가장 먼저 발생되는 기준 피크 신호를 통해 0.05 μs정도의 시간 변이가 발생되었음을 알 수 있었고, 기준신호를 포함한 ID 태그의 피크 출력을 관찰할 수 있었다.
또한 2 μs이상의 부분에서는 소자의 끝 부분에서 반사되는 신호에 의해 넓은 파형이 발생되었지만, 이는 ID 태그의 출력에 크게 영향을 주지는 않았다.
소자를 제작하는 과정에서 소자의 경계 부분에서 일어나는 반사를 줄일 수 있는 차폐시키는 과정을 거치지 않았기 때문에 소자 경계부분에 의해서 생기는 반사 신호는 2 μs이상에서 관찰 되었고, 허위 피크가 크게 발생하였으며, 피크신호가 비교적 넓은 파형을 보였다.
최초의 피크 신호인 기준 신호를 제외하고, 이후의 신호를 통해 피크신호는 1이고 피크신호가 없는 부분은 0인 이진코드로 해석할 수 있다. 이를 통해 1110001이라는 이진 코드 값을 통해 ID 번호는 113이라는 것을 확인할 수 있고, 0110001이라는 이진 코드 값을 통해 ID 번호가 49라는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 7비트의 리플렉터 위치조합을 통해 128개체를 식별할 수 있는 ID 태그를 구성할 수 있다.
본 논문에서는 표면탄성파를 이용한 IDT 태그 및 온도센서를 제작하였다. 측정된 파형은 비교적 큰 손실 값을 보였고, 피크 신호가 비교적 넓게 나타났으며 허위 피크 또한 심하게 나타났다. 또한 2 μs이상의 부분에서는 소자의 끝 부분에서 반사되는 신호에 의해 넓은 파형이 발생되었지만, 이는 ID 태그의 출력에 크게 영향을 주지는 않았다.

후속연구

반면에 ID 태그 이외에 집적될 수있는 온도센서나 압력 센서 등에는 영향을 줄 수 있기 때문에 소자를 보호해 주는 차폐층이 필요할 것이다. 이러한 차폐층은 ID 번호를 식별함에 있어서, 피크신호가 더욱 뾰족한 모양을 갖고 시간 변이를 줄여줌으로써 더 좋은 성능을 갖는 소자로 만들어 줄 것이다. 차후에 IDT 태그 이외에 온도센서나 압력센서를 집적한 소자를 제작할 시에는 이러한 차폐층의 제작 또한 고려하여 성능을 향상시키도록 할 필요가 있다.
이러한 차폐층은 ID 번호를 식별함에 있어서, 피크신호가 더욱 뾰족한 모양을 갖고 시간 변이를 줄여줌으로써 더 좋은 성능을 갖는 소자로 만들어 줄 것이다. 차후에 IDT 태그 이외에 온도센서나 압력센서를 집적한 소자를 제작할 시에는 이러한 차폐층의 제작 또한 고려하여 성능을 향상시키도록 할 필요가 있다.

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