This thesis investigates a method to minimize the initial deflection of a multi-layer piezoelectric microactuator without loosing its piezoelectric deflection performance required for light modulating micromirror devices. The multi-layer piezoelectric actuator, composed of PZT, silicon nitride and platinum layers, deflects or buckles due to the gradient of residual stress. From a structural analysis, the deflection of the multi-layer microactuator has been found as a function of the residual stress and the rigidity of each film layer. The residual stress and Young's modulus of each layer are measured from a blister test. Based on the structural analysis and measured mechanical properties, we have modified the residual stress and the thickness of thin film layers to reduce the initial residual stress deflection without decreasing its piezoelectric deflection performance. The modified designs, fabricated by surface-micromachining process, achieved the 77% reduction of the initial deflection compared with that of the conventional designs, while maintaining the equivalent piezoelectric deflection performance. The present method based on the measured micromechanical material properties is applicable to the design and refinement of multi-layer MEMS devices with controlled strength and residual stress.
본 논문에서는 투사형 대화면의 광변조용 미소거울에 사용되는 압전구동형 다층박막 외팔보 액추에이터에서 발생하는 초기변형을 액추에이터 압전구동 특성의 저하없이 최소화시키는 방법에 관하여 연구하였다. 질화실리콘과 PZT 그리고 백금박막으로 구성된 압전구동형 다층박막 액추에이터는 박막에 잔존하는 잔류응력의 구배에 의하여 제작 직후 초기 굽힘변형이 발생하게 되며 이는 미소 거울의 초기기울기를 유발시킨다. 이러한 미소거울의 초기변형을 최소화하기 위하여 먼저 구조해석을 통해 잔류응력 및 압전구동력에 의한 다층박막 외팔보 변형을 분석하고 블리스터 방법에 의한 미소재료 시험을 통해 다층박막 외팔보 액추에이터의 구조 특성 분석 및 각 박막의 잔류응력과 영계수를 측정하였다.
측정된 박막의 기계적 물성치와 FEM해석에 근거하여 볼 때, 질화실리콘 박막의 잔류응력 변화가 질화실리콘과 백금박막의 두께변화보다 초기변형에 더 크게 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 구동성능의 감소없이 초기변형을 최소화하기 위하여 SiNx의 증착조건과 SiNx와 Pt의 두께를 바꾸었다. 그리고 이를 적용하여 새로 압전구동형 다층박막 외팔보 액추에이터를 제작하고 시험하였으며, 이를 기존의 액추에이터와 비교하였다. 비교 결과 액추에이터의 구조개선을 통하여 초기변형이 약 77%정도 감소되었음을 알 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 이론적 분석 및 실험적 방법에 의한 박막 미세거울의 초기변형을 감소시키는 방법을 제시하였으며, 이러한 방법은 복합박막 구조물의 변형에 대한 이해를 증가시키고 복합박막으로 구성된 MEMS를 설계하는데 이용할 수 있다.
