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초고속 통신 및 센서용으로 사용되는 MEMS
초고속 통신 및 센서용으로 사용되는 MEMS(미세전기시스템) 기술의 제조 공정과 압전 소자를 이용한 센싱 원리는 무엇인가요?!
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
MEMS는 보통 미세전자기계시스템이라고 불리고, 반도체 공정 기술을 이용해서 매우 작은 센서와 기계 구조를 한 칩 위에 만드는 기술을 말합니다.
제조할 때는 실리콘 웨이퍼 위에 박막을 증착하고, 포토리소그래피로 모양을 만든 뒤 식각 공정으로 미세한 막이나 빔, 진동 구조를 형성합니다. 필요에 따라서는 압전재료나 금속 전극을 추가하고, 마지막에는 웨이퍼 접합과 패키징 과정을 거쳐 외부 회로와 연결하게 됩니다.
압전 센서는 압전재료에 힘이나 진동이 가해지게되면 내부 전하 분포가 변하면서 양쪽 전극 사이에 전압이 발생하는 원리를 이용하는데, 이 전압의 크기와 주파수를 측정하면 압력이나 진동, 가속도, 초음파와 같은 물리적인 변화를 전기 신호로도 바꿀 수 있습니다.
결국 MEMS 라는 것은 반도체 미세가공으로 작은 기계 구조를 만들고, 압전효과를 이용해 움직임이나 압력을 전기 신호로 변환하는 기술이라고 생각하시면 되겠습니다.
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채택된 답변안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
MEMS는 반도체 공정으로 실리콘 위에 움직이는 미세 구조를 만들고 압전 센싱은 AIN,PZT 같은 박막이 변형될 때 전하가 발생하는 정압전 효과로 물리량을 전기 신호로 바꿉니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
MEMS 기술의 제조 공정은 반도체 패브리케이션 기술을 응용하여 증착 광리소그래피 식각 과정을 거쳐 웨이퍼 위에 3차원 미세 기계 구조물을 형성하는 벌크/표면 미세가공 기법이 핵심입니다. 압전 소자의 센싱 원리는 PZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료가 외력이나 진동에 의해 기계적 변형을 받을 때 내부 결정 구조의 분극 현상으로 전하가 발생되는 정압전 효과를 활용합니다. 이를 통해 미세한 가속도 압력 음향 진동과 같은 물리적 신호를 즉각적인 전기적 신호로 변환하여 고감도로 측정하게 됩니다. 결과적으로 정밀한 미세 공작 기술로 가공된 가동부 구조체에 압전 박막을 집적하여 초고속 RF 스위치 RF MEMS 필터 및 초고감도 진동 압력 센서 등의 핵심 부품을 구현합니다
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
MEMS는 반도체 기술을 활용해서 미세한 구조를 깎아서 만듭니다. 실리콘 기반 위에 증착이랑 노광 그리고 식각 과정을 수없이 반복하기 때문이죠. 거기다가 희생층을 살짝 녹여내어서 공중에 뜬 미세 구조를 자유롭게 만들 수가 있습니다. 결론적으로 매우 정밀하고 작은 센서를 대량으로 깔끔하게 생산할 수 있는 거죠.
압전 센서는 외부 힘을 전기 신호로 곧바로 바꾸는 원리로 움직입니다. 압전 재료의 물리적인 진동이나 압력을 가해지면 내부에서 전압이 즉시 발생하기 때문입니다. 거기다가 초고속 통신에서는 특정 주파수의 공진 진동만 정밀하게 골라내서 신호를 걸러내주죠. 그렇기 때문에 높은 정확도가 필요한 첨단 통신 장비의 핵심으로 쓰이고 있습니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
MEMS는 미세전자기계시스템의 약자로, 반도체 공정으로 실리콘 웨이퍼 위에 움직이는 기계 구조를 만들어요. 스퍼터링이나 CVD로 박막을 올리고, 포토리소그래피로 패턴을 그린 뒤 식각으로 깎아내는 과정을 반복해요. 깊은 홈은 식각과 보호막 증착을 번갈아 하는 DRIE로 수백 μm까지 파내요. 떠 있는 외팔보나 얇은 막은 구조층 아래에 산화막을 깔아 두었다가 마지막에 HF로 녹여내는 희생층 공정으로 만들어요.
압전 센싱은 AlN이나 PZT처럼 결정 구조가 비대칭인 박막을 이용해요. 이런 결정은 힘을 받아 변형되면 양이온과 음이온의 중심이 어긋나면서 표면에 전하가 생기고, 그 양은 가해진 응력에 비례해요. 가속도 센서는 외팔보 끝의 질량이 흔들릴 때 보에 붙은 압전막이 휘면서 전압이 나오고, 이 전압으로 가속도를 읽어요.
통신 쪽에서는 스마트폰에 들어가는 BAW 필터가 같은 원리를 거꾸로 써요. AlN 박막에 전압을 걸어 수 GHz로 진동시키면 막 두께에 맞는 주파수에서만 강하게 공진해서, 원하는 대역의 신호만 골라 통과시켜요 :)