This thesis investigates a resonant microaccelerometer that measures acceleration using a built-in micromechanical resonator, whose resonant frequency is changing due to an acceleration-induced axial force. In the present accelerometer, the electrostatic excitation direction of the microresonator is taken to be perpendicular to the acceleration input direction; thereby reducing the coupling effect found in the previous designs.
Design equations for the resonant microaccelerometer have been developed and have included analytic formulae for resonant frequency, resolution, nonlinearity and maximum stress. On this basis, a set of feasible designs has been developed for two different types of the resonant accelerometer: a fixed-fixed beam type and a cantilever beam type. The sizes of accelerometers are decided for a resolution of $10^{-3}g$ in the detection range of 5g, while satisfying the bandwidth requirement of 300-600Hz, the maximum nonlinearity of 5%, the minimum shock endurance of 100g and the size constraints placed by microfabrication process.
A set of the resonant accelerometers has been fabricated by an integrated use of bulk-micromachining and surface-micromachining techniques. From on-chip test structures, the Young's modulus of polysilicon is measured in the range of 60-100Gpa. The residual stress of polysilicon structures was reduced to 362.1kPa by the annealing process performed for 2 hours at 1000℃ in $N_2$ atmosphere. From a static test of the cantilever beam resonant accelerometer, a frequency shift of 860Hz has been measured for the proof-mass deflection of 4.3±0.5㎛; thereby obtaining the detection resolution of 0.92±0.11×$10^{-3}$g/Hz and the sensitivity of 1.10±0.13×10^3Hz/g. Analytic and experimental uncertainties in the ccelerometer performance have been analyzed and discussed.
본 논문에서는 다결정 실리콘 공진엑츄에이터를 내장한 극소형 공진가속도계를 설계, 제작하고 정적시험을 통하여 성능을 시험하였다. 공진형 가속도계는 극소형 공진엑츄에이터를 이용하여 가속도에 의한 미소 구조물의 공진주파수 변화를 감지하여 가속도를 산출하기 때문에 출력신호가 디지털이어서 아날로그 신호처리를 위한 A/D converter가 별도로 필요하지 않으며, 또한 종래 아날로그 형태의 가속도계에 비해 잡음과 간섭에 둔감하다는 장점이 있다. 본 논문에서 제시하는 공진형 가속도계의 핵심은 정전기력 구동과 정전용량형 감지를 위한 기반을 둔 공진엑츄에이터의 응용에 있다. 본 가속도계에서는 기존의 연구와는 달리 공진엑츄에이터의 구동방향이 가속도의 입력방향과 직교하고 있어서 커플링 효과를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
먼저 공진형 가속도계 해석을 통해 공진주파수, 해상도, 선형성과 최대응력에 관한 이론식을 유도하였고 이를 기초로 양단지지보형과 외팔보형의 두 가지 형태의 가속도계를 설계하였다. 가속도계의 치수는 $0 \sim 5g$ 가속도 범위 내에서의 $10^{-3}g/Hz$의 해상도, 5\%내의 비선형성, 100g의 충격조건을 만족시키며, 또한 제작공정의 제한조건을 고려하여 결정하였다.
탄성계수 측정용 구조로부터 다결정 실리콘 탄성계수 $60 \sim 100GPa$를 실험적으로 구하였으며, 다결정 실리콘의 잔류응력을 줄이기 위해 어닐링 공정조건 실험을 수행하였으며 $1000 \,^\circ\!C$에서 2시간 동안의 어닐링을 통해 잔류응력을 362.1kPa까지 감소시켰다. 제작된 가속도계로부터 $4.3 \pm 0.5 \mu m$의 정적질량변위에 대해 860Hz의 출력주파수 이동을 관찰하였다. 이로부터 계산된 가속도계의 해상도는 $0.92 \pm 0.11 \times 10^{-3}g/Hz$이며 민감도는 $1.10 \pm 0.13 \times 10^3Hz/g$이었다. 끝으로 이론과 실험에 의한 가속도계의 성능을 서로 비교하였으며, 이론식 및 실험자료를 근거로 한 오차분석을 통하여 탄성계수 측정오차에는 구조물의 치수측정 오차가 가장 큰 요인이었으며, 출력주파수 이동은 질량의 정적변위와 공진구조물의 폭에 가장 민감함을 알 수 있었다.
