초록 ▼

최근 실리콘 가속도센서는 소형이면서 고감도 일 뿐만 아니라 반도체 집적회로 공정기술과 마이크로머시닝기술을 이용해서 경량화, 양산화, 그 성능화, 및저 cost화가 가능하기 때문에 자동차의 에어백, ABS, 자동능동현가 및 전자조향장치와 로봇과 같은 정밀제어시스템 등에 응용하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다.지금까지 국내외에서 개발되고 상품화 된 실리콘 가속도센서는 다수 있지만, 그 대부분은 자동차 에어백용 Crash Sensor들이다. 자동차가 점점 고급화 되어감에 따라 자동차엔진과 같이 200℃ 이상의 고온이나, 온

최근 실리콘 가속도센서는 소형이면서 고감도 일 뿐만 아니라 반도체 집적회로 공정기술과 마이크로머시닝기술을 이용해서 경량화, 양산화, 그 성능화, 및저 cost화가 가능하기 때문에 자동차의 에어백, ABS, 자동능동현가 및 전자조향장치와 로봇과 같은 정밀제어시스템 등에 응용하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다.지금까지 국내외에서 개발되고 상품화 된 실리콘 가속도센서는 다수 있지만, 그 대부분은 자동차 에어백용 Crash Sensor들이다. 자동차가 점점 고급화 되어감에 따라 자동차엔진과 같이 200℃ 이상의 고온이나, 온도변화가 큰 환경 하에서도 안정하게 동작하는 실리콘 가속도센서의 장착이 기대되고 있다. 그러나 본질적으로 온도에 영향이 큰 실리콘을재료로 이용하고 있고, 대부분 pn접합으로 압저항게이지가 분리되어 있기 때문에 구조상150℃ 이상의 온도에서 누설전류가 급격히 흘러 성능이 떨어지게 된다. 또 가속도량은 X,Y 및 Z 3가지 성분의 벡터를 갖기 때문에 이들을 측정하기 위해 3가지 소자가 필요할 뿐아니라 고감도 및 고성능의 센서가 필요가 있다. 본 연구에서는 이들 문제를 해결하기 위하여 실리콘 직접접합(SDB) wafer를 이용해서 300℃ 이상에서 안정하게 동작하는 SOI 구조의 가속도센서를 개발하고, 하나의 소자로 3가지 축방향을 측정할 수 있고, 특히 타축의가속도성분을 제거할 수 있는 새로운 3차원 가속도센서를 제안한다. 2차년도에 걸친 연구기간중 1차년도에서는 고감도를 얻기 위하여 중앙지지 및 주변 매스(mass) 구조의 3차원가속도 벡터량을 검출할 수 있는 센서를 설계하고, IC 제조기술과 마이크로머시닝기술을 이용하여 제작하였다. 2차년도에 있어서는 주로 제작된 센서에 대한 출력특성을 측정하거나평가하고, 온도특성 및 열응력 등을 해석하였다.실험 결과, 제작된 센서는 200℃ 이상 400℃ 정도 고온 환경 하에서도 잘 동작하였다.또 새로운 원리에 의한 3차원 가속도 전 성분을 타축 감도 5.7% 이하로 실현 가능했으며X 축/Y 축과 Z 축의 감도는 각각 16㎛/V·G와 91㎛/V·G 이며, 비선형 특성은 full scale출력에서 107% 로 나타났다. 또 측정된 공진 주파수는 X 축과 Z 축이 각각 약 1.8㎑ 및약 3.2㎑ 이었다. 온도특성 해석결과, 감도 온도계수(TCS)와 오프셋 온도계수(TCO)는 27℃에서 각각 1075.6ppm과 1928.6ppm으로 안정성을 보였다.본 연구로 고온 환경하에서 동작하는 센서의 개발이 가능해졌으며, 하나의 소자로 3축의 가속도량을 측정하는 센서가 개발되었다. 주목할 만한 것은 최근 이와같은 고온용 센서나 3축의 가속도를 하나의 소자로 측정하는 연구가 국내에서도 진행되고 있다. 이들 센서에 대한 특성 안정성과 수율이 개선된다면 차세대 자동차의 자동 능동제어 현가장치에 정착이 기대된다.

Abstract ▼

In recent years, there has been increasing interest in a newfield of silicon acceleration sensor application, which is the sophisticated control systemsuse in airbags, ABS, auto active suspension and robots. Because silicon accelerometershas high sensitivity and high-performance, and have some

In recent years, there has been increasing interest in a newfield of silicon acceleration sensor application, which is the sophisticated control systemsuse in airbags, ABS, auto active suspension and robots. Because silicon accelerometershas high sensitivity and high-performance, and have some attractive feature such aslow-cos,t mass production with an IC process and integration with a single-processingcircuit.Many kinds of accelerometers manufactured utilizing silicon micromachiningtechnology are crash sensors for air bags.One of today's very critical and sensitive accurate accelerometer which can beused higher temperature than 200℃ and corrosive environment, is particularly demandedfor automotive engine. Because silicon is material of large temperature dependentcoefficient, and the piezoresistors are isolated with p-n junctions, and its leakage currentincrease with temperature, the performance of the silicon accelerometer degradesespecially after 150℃.In this research, the simple way to solve the problem is the utilization of SOIstructure fabricated by SDB technology as the starting material of the accelerometer.The piezoresistors are perfectly isolated with the silicon dioxide.On the other hand, the acceleration is originally the vector quantity, and it includesthree components. However the one-axial silicon accelerometers have been studied andreported mainly until now. 3-D detection to calculate the absolute value or thedirection of the vector. In this study, the 3-D acceleration detection with one device isproposed, and the characteristics of this accelerometer will be also evaluated.The accelerometer has surrounding mass structure to detect the threedimensional(3-D) acceleration with a new method using analog operating circuits.In the first year, 3-D accelerometer with surrounding mass structures is designedto get high sensitivity using FEM simulation, and is fabricated IC process technologyand micromachining technology. In the second year, the Output characteristic of thefabricated sensor, the temperature drifts of sensitivity(TCS) and offset voltage(TCO)have been investigated for operation of the device in wide temperature characteristicswill be described.In the results, the accelerometer fabricated on an SOI structure worked up reliablyabove 200℃ to 400℃ high temperature. The maximum nonlinearity of the outputvoltage was 1.7%FS in the measured range. The sensitivity for the Z-axis componentwas about 91㎶/V·G, and that for the X and Y-axis component were about 16㎶/V·Grespectively. In this sensor, the maximum off-axis sensitivity was within 5.7%. Thisvalues was obtained after the calibrater of the variation among the piezoresistor. Themeasured first resonant frequency of X-axis and Z-axis were about 1.8㎑ and 3.2㎑,respectively. The TCS and TCO extracted from the measured results were 1075.6ppmand 1928.6ppm at 27℃, respectively.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...3
• 연구계획서 요약...5
• 연구결과 요약문...7
• Project Summary...9
• 목차...11
• 1. 서론...13
• 2. SOI(Silicon on Insulator)구조 센서설계 및 제조...14
• 2.1 SOI 구조 가속도 센서의 구조 해석...14
• 2.1.1 압저항 소자의 절연분리 구조...16
• 2.1.2 중앙지지 구조...17
• 2.1.3 설계 parameter...17
• 2.2 센서 제작...21
• 3. 3차원 가속도 검출 원리 및 특성 해석...23
• 3.1 3차원 가속도벡터 검출 원리...23
• 3.2 온도 특성 해석...27
• 3.2.1 오프셋전압의 온도 특성...30
• 3.2.2 가속도 감도의 온도 특성...31
• 3.3 열응력 해석...33
• 4. 특성 및 고찰...36
• 4.1 자동제어 현가 장치 및 센서 특성...36
• 4.2 제작된 센서 측정 결과 및 고찰...39
• 5. 결론...46
• 참 고 문 헌...47