Tilt sensors are widely used in fields such as alignment of machinery, attitude-control systems of vehicles, cellular phone, robot and entertainment. In this thesis, a tilt electrolytic sensor fabricated by MEMS process especially using electroplating process to form vertical electrodes each of which is connected to planar electrode. The commercial electrolytic tilt sensors have large volumes so that it is hard to apply to variety of application. However, this problem is solved by the developed electrolytic tilt sensor since it has planar shape and has small volume.
In order to perform the electroplating process, electroplating mold is needed. In many cases, SU-8 polymer, one of negative photo resist, is used to highly electroplate, however, it is hard to remove SU-8 polymer after finishing the electroplating process. In this thesis, this problem has been solved by forming assembly of SU-8 polymer and PDMS as electroplating mold, former not being removed to form outer wall of sensor cavity but latter being removed to make a cavity in which electrolytic solution is contained.
Some performance tests for the fabricated electrolytic tilt sensor have been carried out. During the tests it has been found that there exists nonzero null output voltage offset. It has also been observed that this nonzero null output voltage offset is dependent on the frequency of alternating input voltage source. That is, it has the minimum in the range of 100 to 800 Hz.
Methanol has been for solvent since it has little surface tension compared to water, and KOH has been chosen for electrolyte which has high solubility in methanol other than water. The concentration over 5 wt\% of KOH in methanol gives very smaller resistance, that is larger conductivity, than pure methanol, so that 5 wt\% of concentration has been adopted for the solution.
To examine how the sensor cavity size affects the performances, an analytical equation for output voltage has been derived and it has been confirmed that smaller the cavity diameter D, the smaller sensitivity but larger angle range. This trend has been also found by experiments for fabricated tilt sensors having diameters of D=10 mm, 8 mm, and 6 mm. However, actual sensor device has smaller output voltage than the analytic value, which may be considered due to surface tension effect.
It has been also found that the volumetric ratio of KOH electrolytic solution has a little influence on the performances. That is, volumetric ratio under 50 vol\% gives a little increase of sensitivity but a little decrease of maximum output voltage, and volumetric ratio over 50 vol\% gives similar trend but has more little influence.
Compared to commercial electrolytic tilt sensor products, the fabricated tilt sensor has comparable performances such as angle range of ±40˚, sensitivity of 4.4V/deg in case of $V_{in}$ = 1V(rms), and resolution of 0.5 arc min. Additionally, the fabricated electrolytic tilt sensor has more variety of application fields than other commercial electrolytic tilt sensor products because of very small height, say very planar and small volume, since it has been fabricated by MEMS process.
기울기 센서는 기계장치의 정렬, 차량의 자세-제어시스템, 휴대폰, 로봇 및 오락 산업분야에 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 평평한 각각의 전극에 각각 연결되는 수직방향의 전극들을 형성하기 위해서 MEMS 공정 특히 전기도금 공정을 이용하여 제작된 전해질 기울기 센서를 제안하였다. 상용 전해질 기울기 센서들은 부피가 커서 다양한 분야에 적용하기가 어렵다. 그러나, 이러한 문제점은 평평한 형상과 작은 부피를 갖는 본 연구에서 개발된 전해질 기울기 센서에 의해서 해결된다. 전기도금 공정을 수행하기 위해서는 전기도금 몰드가 필요하다. 많은 경우에, 높게 전기도금하는데 있어서 음 감광제 중의 하나인 SU-8 폴리머가 사용되나, 전기도금 공정을 마친 후 SU-8 폴리머를 제거하기가 어렵다. 이 논문에서는 이러한 문제점이 SU-8 폴리머와 PDMS 층을 조합하여 전기도금 몰드로 형성함으로써 해결되었다. 여기서 SU-8 폴리머는 전기도금 공정 이후에 제거하지 않고 센서 캐비티의 외곽 벽을 형성하도록 하였고, PDMS 층은 전해질 용액이 채워질 캐비티를 형성하기 위해서 제거되었다.
제조된 전해질 기울기 센서에 대한 성능평가 실험을 수행을 통하여 평형상태에서 0이 아닌 출력 전압의 오프셋이 존재함을 발견하였다. 또한 이 출력 전압의 오프셋은 교류 입력전압의 주파수에 의존한다는 것이 관찰되었다. 즉, 100 Hz 내지 800Hz의 범위에서 최소감을 갖는 것이 관찰되었다.
센서에 사용되는 전해질 용액을 만들기 위한 용매로는 물과는 달리 표면장력의 영향을 덜 받는 메탄올을 사용하였으며, 전해질로는 메탄올에 잘 녹는 KOH를 사용하였다. 또한 순수 메탄올에 비해서 5 wt\% 농도 이상의 KOH 전해질 용액의 저항값이 상당히 작아서, 즉 전해질의 전도도가 높아서 5 wt\%의 KOH+메탄올 전해질 용액을 사용하였다.
센서의 캐비티의 크기가 센서의 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 이론적인 해석을 통하여 출력 전압을 나타내는 식을 유도하였으며, D가 작아질수록 감도가 감소하지만 측정 각도 범위는 증가함을 D=10 mm, 8 mm, 6 mm를 갖게 제작된 센서에 대한 실험을 통해서 확인하였다. 그러나 실제 센서 디바이스에서는 이론값보다 출력전압이 작게 나타났는데 이는 표면장력의 영향으로 인한 것으로 생각된다.
또한, 캐비티에서 차지하는 전해질 용액의 부피가 센서 성능에 미치는 영향이 작다는 것을 발견하였다. 즉, 전해질 용액의 부피비가 50 vol\%인 경우에 비해서 50 vol\%보다 작은 경우 감도는 약간 증가하나 최대 출력 전압값은 감소하는 경향을 나타냈으며, 50 vol\%보다 큰 경우 이와 비슷한 양상을 나타내긴 하였지만 그 변화가 아주 미미했다. 상용 전해질 기울기 센서와 비교하여 보면, 제작된 센서의 측정 각도범위(±40˚), 감도($V_{in}$ = 1V(rms)일 때 4.4V/deg), 분해능(0.5 arc min.)이 여타 상용제품보다 떨어지지 않았으며 MEMS 공정을 이용하여 제작되었기 때문에 높이가 매우 낮아 대상물에 부착하기가 상당히 용이하여 다양한 분야에 쉽게 응용할 수 있는 장점이 있다.
