초박막 floating 멤브레인 기반의 고감도 SAW 자이로센서 및 측정시스템 개발

Abstract

본 논문은 뒷면 식각을 이용한 높은 감도와 높은 내충격을 갖는 표면탄성파 기반 자이로스코프 센서와 측정 시스템 개발에 관한 연구를 다루고 있다. 기존의 실리콘 기반의 MEMS 자이로스코프와 비교해 본 논문에서 제안하는 표면탄성파 자이로스코프는 다음과 같은 장점이 있다. 첫째로 기존의 실리콘 기반 MEMS 자이로스코프는 진동형 구조체를 이용하므로 외부 충격 및 진동에 취약하다는 단점이 있는데 이를 해결할 수 있다. 둘째로, 구동부와 검출부 사이의 주파수 매칭이 매우 용이하다. 마지막으로, 멤브레인 형태의 압전 박막을 통해 표면탄성파를 전달하므로 벌크파로 인한 노이즈를 제거 할 수 있다. 표면탄성파 자이로스코프에 사용된 기판은 멤브레인 형태의 압전 박막을 형성하여 벌크로 전달되는 파를 최소화 시키고 압전 기판의 표면에서 진행하는 순수한 표면탄성파를 얻기 위해 500um의 실리콘과 20um 42°LiTaO3로 이루어진 기판을 사용하였으며 표면탄성파가 진행하는 부분은 뒷면의 실리콘을 식각하여 20um의 LiTaO3 압전 박막을 만들었다. 표면탄성파를 발생시키기 위해 42°LiTaO3 압전 기판에 알루미늄 IDT를 사용하였으며 표면탄성파 공진기는 80MHz의 표면 탄성파를 발생시키도록 설계되었다. x축을 중심으로 회전 시켰을 때 x축 방향으로 공진하는 표면탄성파는 금속진동체에 의해 전향력을 받아 y축 방향으로 새로운 표면탄성파를 발생시킨다. 새롭게 발생된 표면탄성파는 전향력의 영향과 진행방향에 따라 주파수가 변화할 수 있기 때문에 이를 검출하기 위한 검출부 IDT는 75MHz-85MHz의 표면탄성파를 수신할 수 있도록 설계하였다. 제작된 표면탄성파 공진기에 전압제어발진기를 연결하여 80MHz의 정재탄성파를 발생시키고 90-270deg/s 각속도를 주어 측정한 결과 회전을 하지 않을 때와 비교하여 출력전압이 ~1.2mV증가 하는 것을 확인할 수 있었다. 전압제어발진기에 연결하는 입력 전압이 증가할수록 출력전압의 차이도 증가하였으며 출력전압의 변화량은 전압제어발진기의 허용전압 내에서 선형적으로 증가하였다.