The thesis presents the analysis, design, fabrication and testing of the damping test structures to characterize the viscous damping in the dynamic micromechanical structures. There are three types of damping test models such as the squeezing plate damping, tilting plate damping and squeezing strip damping, respectively. The planar structures of the squeeze damping have the closed plate and the perforated plates of the net area of 80×80μ㎡ The nine perforated plates are designed to investigate the change of the damping coefficients due to the change of the area of the perforations and their locations. Two straight tethers support the tilting plate. The viscous damping in the lateral narrow gaps formed by the movable finger electrodes and fixed ones will be analyzed in the squeezing strip damping.
The test structures are fabricated through the surface micromachining using the 2.0㎛ sacrificial PSG and 4.3㎛ polysilicon as the structural layer. The fabricated damping test structures are tested under the ambient air condition of one atmospheric pressure and room temperature. The dynamic responses of the squeezing and tilting plate are measured by the optical vibrometer. The detection circuit for the small capacitance obtains the frequency response curve. The experimental damping coefficients of each test structure are compared with the estimated values from the analytic equations and finite element analysis. For the squeeze damping, the decrease rate of the damping coefficients becomes slow due to the increase of the edge length by the perforation holes. The lateral gap resistance in the squeezing strips agrees with the expected value.
본 논문에서는 미소 동적 구조물의 점성 감쇠 현상을 분석하기 위하여 시험 미소구조물의 감쇠 해석, 설계, 제작과 측정하였다. 압착 평판 감쇠, 경사 평판 감쇠 그리고 압착 널판 감쇠에 대한 각 모델을 설정하고 그 시험 구조물을 설계하였다. 압착 평판 감쇠 시험 구조물은 닫힌 평판과 구명이 있는 평판을 가지며 그 닫힌 부분의 면적은 80×80μ㎡ 미크론 제곱이다. 구명이 뚫린 평판은 구멍의 크기와 각 구명의 위치에 따른 9개의 종류가 있다. 다른 두 면적의 평판의 경사 감쇠 구조물은 두 개의 보로 지지된다. 그리고 압착 널판 감쇠 구조물에서는 기판에 대하여 나란하게 움직이는 막대 전극과 고정 전극 사이에서 일어나는 점성 저항이 분석된다.
각 시험 구조물은 2.0㎛ 두께의 희생층과 구조물층으로 4.2㎛ 두께의 다결정 실리콘을 이용한 표면미세가공을 통하여 제작된다. 제작된 구조물은 1 기압의 실내에서 인가한 전압에 의한 정전기력으로 구동된다. 압착 감쇠와 경사 감쇠 시험 구조물의 주파수 응답은 광학 진동계로 측정되고 활주 감쇠 구조물은 정전용량의 변화를 감지하는 회로를 통하여 얻어진다.
이론적 모델과 유한 요소법으로 예측된 각 시험 구조물의 점성 계수는 측정에서 얻어진 값과 비교된다. 평판 감쇠의 경우에는 구멍이 뚫린 평판의 경계 부분의 길이가 길어질수록 점성 감쇠 계수의 감소율이 떨어져 예측치보다 커진다. 측정된 측면 압착 널판의 점성 저항은 예측치와 거의 일치한다.
세 점성 감쇠 모델에 대한 실험 결과는 점성 저항력의 영향이 큰 미소 구조물의 설계와 해석에 이용되어 그 성능을 향상시킬 수 있다.
