전통적인 관성 센서는 부피가 크고 비용이 많이 들기 때문에 여러 방면에서 그것의 응용을 제한한다. 마이크로 가공 방법을 이용하여 마이크로 기계 진동 팽이를 만들면 대량 생산이 가능하여 제품 원가가 낮고, 부피가 작고, 반복성이 좋고 일관성이 좋다. 이러한 특징들은 마이크로기계 진동 팽이를 뚜렷한 군민 양용성으로 만들어 국내외 학자들의 광범위한 관심을 불러일으켰다. 1980 년대 중반 이후 미국, 영국, 일본, 독일 등 공업국은 마이크로기계 진동 관성기 연구에 대량의 인력과 재력을 투입했다.
반도체 집적 회로는 대부분 실리콘으로 만들어졌기 때문에 실리콘에 대해 더 잘 알고 있다. 국내외 문헌에 보도된 많은 마이크로기계 관성 센서는 모두 실리콘에서 만들어졌다. 그러나, 마이크로 기계 가공 재료는 실리콘에만 국한되지 않으며, 많은 다른 재료들도 특수 마이크로 기기를 만드는 데 적용된다. 압전응시 결정체도 흔히 볼 수 있는 결정체이다.
단결정 구조와 고탄성 계수의 관점에서 볼 때, 결정도 및 실리콘 재질은 MEMS 관성 센서에 이상적인 진자 재질입니다. 그것들은 서로 다른 결정체 대칭성을 가지고 있다. 응당 삼각정계에 속하고, 실리콘은 입방정계에 속하며, 실리콘은 더 높은 대칭성을 가지고 있다. 그래서 그들의 신체적 특징 중 일부는 완전히 다릅니다. 시간은 절연체이고 실리콘은 반도체이다. 때맞춰 만든 부품 중에서 도체 사이에는 전류 누출이 없다. 응시는 최초로 널리 사용되는 압전결정체로 공진기의 마이크로구조를 만드는 데 매우 적합하다. 실리콘은 압전체가 아니기 때문에 공진기를 만들기 위해서는 더 복잡한 기술이 필요하다. 우리는 응시 결정체 재료를 선택하여 미세 가공 기술을 이용하여 마이크로 기계 진동 팽이 원형을 개발하였다. 다음은 우리가 채택한 구조, 원리 및 실험 결과를 주로 소개합니다.
둘째, 기본 구조와 작동 원리
MEMS 진동 팽이의 기본 구조는 그림 1 에 나와 있습니다.
구동 튜닝 포크는 폐쇄 루프 상수 게인 진동 회로에 의해 10kHz 근처에서 공진됩니다. 음차가 각속도 W 로 입력축을 따라 회전할 때, 음차가 일정한 속도로 흔들리기 때문에 코리올리 모멘트가 발생하여 판독 음차가 구동 음차 진동 평면에 수직인 방향으로 앞뒤로 진동합니다 (구동 음차와 판독 음차의 진동 방향은 그림 1 참조). 압전 효과로 인해 음차 읽기에 전하가 발생하여 음차 읽기가 감지되었다.
셋째, 이방성 에칭 원리
응시 결정체의 비등방성 각식에는 건식 에칭 (반응 이온 에칭) 과 습식 에칭 (화학적 에칭) 의 두 가지가 있습니다.
반응 이온 에칭 기술
플라즈마 에칭 기술은 화학 에칭 용액 대신 플라즈마를 사용한다. 미세 가공된 모양은 라이닝의 결정 방향에 의해 제어되지 않으며 플라즈마는 미세 구조에 큰 응력을 주지 않지만 설비가 복잡하기 때문에 많은 매개변수를 제어해야 합니다. 전형적인 매개변수는 가스의 성질과 유속, 라이닝의 성질과 면적, 전극 구조, 인센티브의 전자기 매개변수, 진공실의 모양 등이다. 조합마다 부식 과정이 다릅니다. 고속, 비등방성 및 선택성을 갖춘 이상적인 플라즈마 미세 가공 공정은 아직 개발되지 않았습니다. 그러나, 이미 완성한 연구의 도움으로 이 과정이 최근 몇 년 안에 현실이 될 것이라고 예측할 수 있다. 마이크로 가공의 관점에서 볼 때, 수십 미크론의 에칭 깊이가 너무 제한되어 있어서, 반응 이온 에칭 공정의 비등방성을 통해 수백 미크론의 홈을 각식해 내는 것을 더 연구해야 한다.
화학 에칭 기술
응시 결정체의 각식 속도는 각식 표면의 결정체 방향에 달려 있으며, 이런 비등방성 각식의 원리는 아직 명확하지 않다. 에칭 결정면의 원자 밀도는 결정적인 요인이 될 수 있으며, 가장 느린 에칭 속도는 가장 촘촘한 표면에 해당합니다. 시간 결정의 매우 유용한 특징은 z 축에 평행한 모든 평면에 대해 부식률이 거의 0 이라는 것입니다. 이 기능을 사용하면 Z 절단 베이스보드에 Z 축에 수직인 다양한 형태의 가파른 벽을 형성할 수 있습니다. HF 및 NH4F 버퍼의 부식 방정식은 다음과 같습니다.
SiO2+4HF→SiF4+2H2O
SiF4 는 정상적인 경우 기체로 HF 를 함유한 용액에서 휘발할 수 없으면 HF 와 복합체를 형성한다.
SiF4+2HF→H2SiF6
SiF4+2NH4F→(NH4)2SiF6
부식률은 에칭 용액의 성분과 온도에 따라 다르며, 에칭 표면의 성질은 에칭 용액의 양이온과 온도에 따라 달라집니다. H+ 가 포함된 부식액에는 계단이 있고, NH4+ 가 포함된 부식액에는 계단이 움푹 패인 곳 (25 C 는 55 C 보다 구덩이가 적음), K+ 가 포함된 부식액 25 C 에서는 계단이 없는 구덩이가 있습니다. 마지막으로, 에칭 시간에 따라 시간 칩의 두께를 결정하므로 에칭 용액을 정확하게 모니터링해야 합니다. 온도가 65438±0°C 로 변경되면 에칭 속도는 0.65438 0mm/분/분/분/분/분/분/분/분/분/분/분/분 단위로 변경됩니다.
넷째, 시간 MEMS 관성 센서 핵심 가공 기술.
화학적 에칭 및 반응 이온 에칭 기술에 대한 논의에서 알 수 있듯이, 화학적 에칭 부식 속도가 빠르고, 비등방성이 좋고, 비용이 저렴하며, 반응 이온 에칭 부식 속도가 느리고, 비용이 높다는 것을 알 수 있다. 우리가 가공해야 할 진자 두께는 수백 미크론이며 부식률 비등방성을 요구한다. 따라서 진자는 화학적 에칭 기술을 사용하여 가공됩니다. 라이닝 가공, 보호막 퇴적, 리소그래피, 화학적 비등방성 에칭 등의 단계가 포함됩니다. 모든 단계가 중요합니다. 기판에 많은 표면 결함과 스크래치가 있는 경우 이러한 스크래치는 부식된 후 넓어지고 깊어져 진자의 표면 편평도에 영향을 줍니다. 기재를 깨끗이 청소하지 않으면 기재 표면의 먼지가 응시와 보호막 사이의 부착력을 떨어뜨린다. 보호 필름의 접착력이 떨어지면 진자 에칭 실패가 발생할 수 있습니다. 그러나 모든 공정에서 가장 중요한 것은 화학 비등방성 에칭 공정이다.
부식 속도는 부식 용액의 성분과 온도에 달려 있다. 온도가 높을수록 부식 속도가 빨라진다. 우리는 HF, NH4F, NH4HF, KF 를 부식액의 주성분으로 다양한 온도에서 다양한 성분과 농도의 부식액을 대량으로 실험했다. 실험에서 직면한 주요 문제는 시음 포크 발열기의 X 측벽이 부식된 후 모양이 일치하지 않는다는 것이다. 그림 2 에서 볼 수 있듯이 X 측벽의 한 방향만 가파르고 다른 쪽에는 돌출된 가장자리가 있어 후속 프로세스를 완료할 수 없습니다. HF 에서 실리카의 부식 메커니즘 분석을 바탕으로 다양한 농도와 온도의 부식액에 대한 다양한 조합 실험을 실시하여 결국 비교적 합리적인 부식액 성분과 작동 온도 조건을 얻었다. 공정 조건 후 처리를 개선하는 부식 그래픽이 그림 3 에 나와 있습니다.
동사 (verb 의 약어) 테스트 결과
우리는 화학부식의 비등방성 부식 방법을 이용하여 응시 음차 발열기를 가공한다. 현재, 우리는 이미 적절한 MEMS 팽이의 원형을 개발했다. MEMS 팽이 원형의 제로 안정도는 0.3/S 로 현재 국내 선두 수준이다. 그림 4-5 는 MEMS 진동 팽이가 공기 중의 구동면과 읽기가 나오는 임피던스-위상 특성 곡선을 보여 줍니다. 공기 중 테스트된 시간 마이크로기계 진동 팽이 구동면과 판독면의 주파수는 각각10.5 ~11KHz 와10.8 ~/Kloc-입니다.
자동사 결론
화학 비등방성 부식 기술을 이용하여 MEMS 팽이의 원형을 개발하였다. 적시에 MEMS 진동 팽이의 가공 및 테스트 결과를 간략하게 설명합니다. 다음 단계는 고정밀 MEMS 진동 팽이의 연구와 MEMS 진동 팽이의 엔지니어링 연구에 초점을 맞추고 있습니다. MEMS 기술이 발전함에 따라 가까운 장래에 국산 마이크로기계 진동 팽이가 군용과 민간의 수요를 완전히 충족시킬 것이라고 확신할 수 있다.