Analysis of 6-Beam Accelerometer Using (111) Silicon Wafer by Finite Element Method

(111) 실리콘 웨이퍼를 이용한 6빔 가속도센서의 유한요소법 해석

In this paper, the analyses of the stress disturibution and frequency characteristics of silicon microstructures for an accelerometer were performed using the general purpose finite element simulation program, ANSYS. From the analyses, we determined the parameter values of a new 6-beam piezoresistive accelerometer applicable to the accelerometer's specification in airbag system of automobile. Then, the mass paddle radius, beam length, beam width, and beam thickness of the designed accelerometer were$500{\mu}m$, $350{\mu}m$, $100{\mu}m$, and $5{\mu}m$, respectively and two different seismic masses with 0.4 mg and 0.8 mg were defined on the same sensor structure. The designed 6- beam accelerometers were fabricated on the selectively diffused (111)-oriented $n/n^{+}/n$ silicon substrates and the characteristics of the fabricated accelerometers were investigated. Then, we used a micromachining technique using porous silicon etching method for the formation of the micromechanical structure of the accelerometer.

본 논문에서는 범용 유한요소 구조해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 가속도센서의 미세기계구조부의 스트레스 분포와 주파수특성을 해석하였다. 해석된 결과로 부터 자동차의 에어백 시스템에 들어가는 가속도센서의 사양에 적합한 새로운 형태의 6빔 압저항형 가속도센서의 파라미터 값을 설정하였다. 이때, 설계된 가속도 센서의 매스 패드의 반경 및 빔 길이, 빔 폭, 빔 두께의 각 파라미터 값은 $500{\mu}m$, $350{\mu}m$, $100{\mu}m$, $5{\mu}m$였으며, 그리고 같은 구조의 센서에서 진동질량은 0.4 mg과 0.8mg인 두가지 종류로 정의하였다. 설계된 구조를 가지고 (111)면 n 실리콘웨이퍼에 $n^{+}$ 영역이 선택적으로 확산된 $n/n^{+}/n$ 3층 구조를 사용하여 6빔 압저항형 실리콘 가속도센서를 제조하고, 특성을 조사하였다. 이때, 센서의 미세기계구조를 형성하기 위하여 다공질 실리콘 에칭법을 이용한 마이크로머시닝 기술을 사용하였다.