열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서 및 이를 이용한 압력 측정 방법
A pressure sensor based on micro-mechanical resonator using heat-effect and pressure measuring method thereof
특허 요약
본 발명은 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서 및 이를 이용한 압력 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 마이크로 크기의 역학 진동자의 경우 외부 요인에 의해 동역학적 특성의 변화가 크게 일어남은 물론 광열효과와 가스분자에 의한 열의 소산 정도가 압력에 따라 차이가 나기 때문에 이 원리를 이용하여 마이크로미터의 크기를 갖는 초소형 압력센서를 구현할 수 있고, 역학 진동자가 양팔보 형태의 구조로 제작됨으로써, 양팔보의 온도를 증가시켜 공진주파수를 감소시켜 놓은 상태에서 압력을 증가시킴에 따라 열이 소산되고 평형점에 도달하는 것을 이용하여 빠르고 정밀한 압력 센서로 응용이 가능하며, 레이저 파워의 조절을 통해, 양팔보의 온도를 조절하여 열이 평형에 도달하는 점을 이용하므로 넓은 범위의 압력을 측정할 수 있고, 진동자를 포함하는 압력센서의 크기 또한 마이크로 정도의 크기이므로 lap-on-chip의 집적도를 높이는데 유용하게 사용할 수 있으며, 서로 다른 열팽창 상수를 지닌 적층 구조의 마이크로 역학 진동자를 이용하여 진동자 상에 레이저를 입사시켜 기체 분자에 의해 나타나는 열 소산에 따른 마이크로 진동자의 공진 주파수 변화를 추적하여 압력을 측정할 수 있다.
청구항
번호청구항
1

열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서에 있어서,실리콘기판과, 상기 실리콘기판의 양면에 증착된 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)층과, 상기 실리콘 나이트라이드층에 포토리소그라피(photo-lithography)와 식각(reactive ion etching, wet etching) 공정을 통해 형성된 고립된 doubly-clamped 빔의 형태 위에 증착된 알루미늄층으로 구성된 양팔보 구조의 진동자와; 상기 진동자가 상부에 놓여지고, 전기적 신호에 의해 진동자를 가진시키는 압전소자; 을 포함함을 특징으로 하는 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서.

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제 1항에 있어서, 상기 진동자는 실리콘기판 상에 실리콘 나이트라이드층과 알루미늄층으로 되어 있어 서로 다른 열팽창 상수를 지닌 적층 구조인 것을 특징으로 하는 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서.

3

열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서를 이용한 압력 측정 방법에 있어서, 압전소자 위에 마이크로 역학 진동자를 올려놓고 AC 전압을 이용해 양팔보 구조의 마이크로 역학 진동자를 가진시키는 단계와; 상기 양팔보 구조의 마이크로 역학 진동자의 온도를 증가시키기 위해 레이저를 입사시키는 단계와; 상기 레이저의 입사에 의해 양팔보 구조의 마이크로 역학 진동자의 온도가 상승함에 따라 열에 의한 응력이 발생하고 공진주파수의 변화가 나타날 때 압력의 변화를 주는 단계와; 상기 압력의 변화에 따라 공진주파수의 신호 측정을 광 검출기(photodetector)로 반사된 레이저를 전류 신호로 바꿔 측정하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서를 이용한 압력 측정 방법.

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제 3항에 있어서, 상기 압력의 변화를 주는 단계에서, 상기 마이크로 역학 진동자에 압력을 증가시키게 되면 가스에 의해 양팔보의 온도가 감소하게 되고 공진주파수가 증가하며, 반대로 압력을 감소시키면 양팔보의 온도가 증가하고 공진주파수가 감소하게 되는 것을 특징으로 하는 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서를 이용한 압력 측정 방법.

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제 3항에 있어서, 상기 압력의 변화를 주는 단계에서, 상기 압력의 변화에 따라 안정화되기까지의 시간은 0.5msec인 것을 특징으로 하는 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서를 이용한 압력 측정 방법.

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제 3항에 있어서, 상기 압력의 변화를 주는 단계에서, 상기 압력의 변화에 따라 레이저의 세기를 조절하여 넓은 범위의 압력을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 열 효과를 이용한 마이크로 역학 진동자 기반의 압력센서를 이용한 압력 측정 방법.