압저항효과를 이용한 압저항 실리콘 가속도 센서란?

압저항효과란?(압전효과)

  압저항 효과란 외부의 힘 또는 압력이 작용하여 작용하는 대상의 전기 저항이 변화되는 것을 말합니다. 이는 전기 저항의 변화야기 하므로, 압저항 효과는 전기적 포탠셜(electrical potential)의 변화를 야기시키는 압전 효과와는 구분 되어야 합니다. 1856년, William Thomson (Lord Kelvin)이 구리와 철을 잡아당겨 인장 시킬때 저항이 변화하는 것을 관찰하였고, 1935년에 Cookson은 압저항 효과라는 용어를 처음으로 사용하였다. 또한, piezo는 누른다는 의미의 그리스어 “piezein"에서 유래 되었다.

압전 효과(piezoelectric effect)는 1880년 Pierre와 Curie형제에 의하여 실험적으로 발견되었다. 결정체 표면에 힘을 가하면 전하가 결정체 표면에 발생하며, 발생된 전하는 인가된 힘의 크기에 비례함을 확인하였다. 이러한 현상을 직접 압전효과(direct piezoelectric effect)라 합니다.

니

 Si (100)이면 어떠한 방식으로 압저항체를 형성하여, a, P, F를 측정하나?

(1) 구조 

  압저항 실리콘 가속도센서의 기본 구조는 켄틸레버 빔에 매달려 있는 진동 mass의 형태를 가진다. 압저항 요소(Ra)는 확산층으로서 켄틸레버 에 형성되어 있습니다. 실리콘 웨이퍼는 이방성으로 식각되며, pyrex glass plates가 센서를 캡슐화 하기 위해 양면에 부착된다. 압저항은 큰 온도 계수를 가지므로, 확산 저항(Rb)이 온도 보상을 위해 같은 칩 위에 제조돕니다. 

니

켄틸레버 빔의 휨에 의한 저항변화는 브리지 회로에 의해서 검출도. 그리고 센서의 디자인 요소는 빔 길이(L), 빔 폭(w), 빔 두께(t), 진동 mass(m), 및 진동 mass의 중심(c)이다. 압저항 브리지 회로의 감도는

 

이다. 여기서, Ր44는 유효 압저항계수이며, 이것은 스트레스에 대한 저항변화의 비를 의미합니다.  식에서 알 수 있는 바와 같이 감도는 빔 두께의 자승에 반비례하게 ㄷ 따라서 신뢰성 있는 센서의 제조를 위해서는 빔 두께의 제어능력은 필수적이며, 대개 빔 제조는 전기 화학적인 식각정지(etch stop) 방법으로 이루어진다. 만약, mass의 중력 중심이 빔의 외삽법으로 추정된 선에 있지 않으면, 센서는 타축 감도를 가지게 된다. 따라서 이 레벨과 중력 중심을 맞추기 위해 실리콘 mass 위에 추가적으로 다량의 얇은 금속물질을 올리는 방법도 제시되었다. 

(2) MAMOS 가속도 센서 동작원리.

  회로가 제작된 SI 몸체를 관성 질량으로 사용하여 인가 가속도에 따른 공극의 변화가 gate filed와 임계전압을 변화시키는 MAMOS(Metal Airgap Metal Oxide Semiconductor)를 이용한다. 결국 외부 가속도에 따라 drain에 흐르는 전류가 변하므로 이 전류를 이용하여 cco를 구동시킵니다..

개루프(open loop)방식.

  외부 인가 가속도에 의해 발생하는 변위를 검출하여 힘을 측정하는 방식으로 변위 출력은 진동계의 강성 진동질량 감쇠비로 결정된다. 신호처리는 간단하지만 피로현상 물질상수의 변화 구조적 원인 등으로 k,m등이 바뀔 수 있기 때문에 특성변화가 심한 단점이 존재합니다.

페루프(clodse-loop) 방식.

  외부 인가 가속도에 의해 발생하는 변위를 검출하여 변위 발생을 제거하는 피드백 제어를 통해 가속도를 측정하는 방식으로 동작 특성은 피드백 네크웍에서 결정된다. 신호 처리는 복잡하지만 가속도센서 특성을 전기적으로 조정할 수 있고, 선형성, 대역폭 등이 개선됩니다.