선택적인 다공질 실리콘 에칭법을 이용한 압저항형 실리콘 가속도센서의 제조

Fabrication of Piezoresistive Silicon Acceleration Sensor Using Selectively Porous Silicon Etching Method

(111), $n/n^{+}/n$ 3층 구조의 실리콘 기판을 HF 용액 내에서 양극반응시켜 선택확산된 $n^{+}$ 층에 다공질 실리콘층(Porous Silicon Layer : PSL)을 형성한 후, 이를 5% NaOH 수용액에서 식각하여 미세구조를 제조하는 다공질 실리콘 식각법을 이용한 실리콘 미세구조의 제조법으로 8개의 빔을 갖는 압저항형 실리콘 가속도센서를 제조하였다. 제조된 가속도센서의 매스 패드(mass pad)의 반경, 빔 길이, 빔 폭, 그리고 빔 두께는 각각 $700\;{\mu}m$, $50;{\mu}m$, $100\;{\mu}m$, $7\;{\mu}m$ 였다. 자동차의 응용을 위하여 50g 범위의 가속도를 측정할 수 있도록 진동질량은 2 mg으로 제조하였다. 이때, 진동질량을 부가하는 방법은 Pb/Sn/Ag 솔더 페이스트를 매스 패드에 디스펜싱한 후, 3-zone reflow 장치를 사용하여 열처리하였다. 제조된 가속도센서의 충격응답에 대한 감쇠시간은 약 30 ms로 나타났으며, 가산회로로 합한 출력의 감도는 2.9 mV/g이며, 비선형특성은 full scale 출력에서 2%이하로 측정되었다. 그리고 각 브릿지의 편차는 ${\pm}5%$ 미만으로 나타났다. 또한 측정된 타축감도는 약 4% 이하로 나타났으며, 시뮬레이션 결과로 부터 얻은 센서의 공진주파수는 2.15 KHz이었다.

A piezoresistive silicon acceleration sensor with 8 beams, utilized by an unique silicon micromachining technique using porous silicon etching method which was fabricated on the selectively diffused (111)-oriented $n/n^{+}/n$ silicon subtrates. The width, length, and thickness of the beam was $100\;{\mu}m$, $500\;{\mu}m$, and $7\;{\mu}m$, respectively, and the diameter of the mass paddle (the region suspended by the eight beams) was 1.4 mm. The seismic mass on the mass paddle was formed about 2 mg so as to measure accelerations of the range of 50g for automotive applications. For the formation of the mass, the solder mass was loaded on the mass paddle by dispensing Pb/Sn/Ag solder paste. After the solder paste is deposited, Heat treatment was carried out on the 3-zone reflow equipment. The decay time of the output signal to impulse excitation of the fabricated sensor was observed for approximately 30 ms. The sensitivity measured through summing circuit was 2.9 mV/g and the nonlinearity of the sensor was less than 2% of the full scale output. The output deviation of each bridge was ${\pm}4%$. The cross-axis sensitivity was within 4% and the resonant frequency was found to be 2.15 KHz from the FEM simulation results.