The thesis presents the analysis, design, fabrication, testing and uncertainty evaluation of a surface-micromachined capacitive accelerometer, where grid-type electrodes are surrounded by a perforated proof-mass, suspended by cantilever beam springs. From an electromechanical analysis of the accelerometer, analytic design formulae for mass, stiffness, frequency, amplitude and sensitivity have been developed. In the design process, the sizes of the accelerometer are decided to satisfy the performance requirements for an automotive airbag application as well as the size constraints from the microfabrication process.
From a 4-mask surface-micromachining process, the designed accelerometers have been fabricated with on-chip test structures for residual stress, Young's modulus and micromachining accuracy, from which the maximum residual stress of 1.5MPa, the Young's modulus of 94.0±1.0GPa and the minimum micromachining errors of ±0.4 ㎛ are measured, respectively.
From the test of the fabricated accelerometer, the natural frequency of 5.8±0.17kHz and the sensitivity of 0.28mV/g have been measured and compared well with the estimated values of 5.7±0.3kHz and 0.29±0.1mV/g, respectively. The parasitic capacitance of the detection circuitry has been measured as 3.34±1.16pF.
From the uncertainty analysis of the present accelerometer, we find that the uncertainty in the beam-width becomes the major source of the uncertainty in the natural frequency estimation, while the uncertainties in parasitic capacitance, inter-electrode gap and resonant frequency influence the sensitivity uncertainty in the portions of 75%, 14% and 11%, respectively.
본 논문에서는 표면미세가공에 의한 다결정 실리콘 가속도계를 해석, 설계, 제작, 시험하였고 성능 오차를 정량적으로 분석, 평가하였다. 본 가속도계는 고정된 전극과 다공 평판질량 내부에 형성된 격자 모양의 움직이는 전극 사이의 정전용량을 감지함으로써 가속도를 측정한다.
기전 해석을 통하여 가속도계의 질량, 강성, 주파수, 진폭, 그리고 강도에 대한 설계식을 유도하였고, 이를 이용하여 자동차 에어백용 가속도계의 성능 조건과 미소가공공정 상의 치수 제약 조건을 만족하도록 가속도계 치수를 설계하였다.
표면미세가공을 이용하여 잔류 응력, 탄성 계수, 그리고 건식 식각 가공도를 시험하기 위한 구조물들을 가속도계와 함께 한 칩에 제작하였으며, 이 시험 구조물들로부터 잔류 응력, 탄성 계수, 가공 오차를 각각 1.5MPa, 94.0±1.0 GPa, 0.4 ㎛로 측정하였다.
제작된 가속도계의 시험을 통하여 측정한 고유 주파수와 감도는 각각 5.8±0.17 kHz와 0.28 mV/g이었으며, 이는 이론 예측치인 5.7±0.3 kHz, 0.29±0.1 mV/g와 잘 일치하였다. 감지 회로에서 측정한 기생 정전용량은 3.34±1.16 pF이었으며, 정확한 감지를 위해 회로부의 집적화가 요구되었다.
가속도계의 성능 오차 분석을 행하였으며 이로부터 고유 주파수 오차에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 구조물 폭의 오차로 판명되었으며, 감도 오차에 미치는 요인인 기생 정전용량 오차, 전극간 간격 오차, 고유 주파수 오차의 영향은 각각 75%, 14%, 11%로 평가되었다. 또한 가속도계를 개발함에 있어서 제작된 가속도계의 성능을 정확히 예측하고 이를 실제로 구현할 수 있는 지침을 제시하였다.
