Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) is a micro fabricated system that contains both electrical and mechanical components. Has ability to make seamless integration of mechanical sensors and actuators with electronic processors and controllers at chip level there are three generic and distinct merits for MEMS devices and micro fabrication technologies. MEMS technology has revolutionary sensors and actuators.
Microsystem technology is the integration of micromechanical to reduce of costs, weight, and size, as well as the improvement of functionality and reliability.These are necessary to meet required specification. Inertia micro-switches, fabricated by micro electro-mechanical system (MEMS) technology, have the advantages of miniaturization and low-cost batch production they can be applied in sensing automobile for airbags, used to measure the tilt of an object, biomedical applications, consumer applications, Like camcorders active picture stabilization ,involve the robotics and machine.
In this research I proposed the idea to combine silicon fabrication technology and polymer SU-8 process. By the combination of both I successfully produced the SU-8 suspended bridge structure. And apply this structure to the acceleration switch. I designed the acceleration switch for four values of acceleration ranging from 25g to 100g. This design has resulted into the robust and flexible structure having the high aspect Ratio and fabrication is very easy while the cost is low. The basic concept involves the suspended Proof mass is suspended with the help of two parallel fixed ended beams when acceleration is applied to this it makes contact with side electrodes.
Two analytical methodologies have been used in order to calculate the deflection and natural frequency of the structure. In the first case the structure has been solved by assuming it as fixed-fixed end beam while in second case the structure was considered as the fixed-guided end by the proof mass. Deflection calculated by both case was same which was further verified by using ANSYS and also further verified. In the same way natural frequencies of the structure has been verified by both analytical and FEM software. Furthermore I have also estimated the transient response if the damping is neglected or considered.
I have proposed quite unique and easy fabrication process to get the hanging SU-8 structure. which has involved the thermal oxidation of silicon wafer, In order to open the back side window through $SiO_{2}$ first Photolithography process has been done by using the AZ9260 following by the back side RIE process which has removed the backside thin layer of $SiO_{2}$.After that bulk micro machining has been done by using the 20% TMAH solution which has resulted in the remaining of thin layer of silicon on the front side. After that second of process has been done. This second stage includes the processing of SU-8. And follow by the removal of thin layer of Silicon at the back side by using the RIE process which has been resulted in the formation of successful suspended SU-8 structure. Finally in order to detect the electrical contact the metal has been deposited by using the e-beam.
In order to detect the electrical contact different experimental setups has been developed. First in order to detect the electrical contact LED battery and chip have been connected in series and places this assembly on the spin coater. Due to connection present between different electrodes the setup could not be used for acceleration detection. The second setup was involved in detection of drop in electrical resistance which was tried to measure by two methods first by falling down the heavy weight and second by applying the centrifugal force on the proof mass by spin coater.
The acceleration value was not able to detect by these experiments even the acceleration three times higher than the designed value has been applied. Which shows that there is some change has been occurred in the material properties of SU-8 due to the heat treatment and the value of modulus of Elasticity is higher than the designed value. But drop in resistance or turn on of LED has been observed when proof mass was pushed by the small wire.
So finally I have successfully established the hanging SU-8 structure and introduced the very easy fabrication method for SU-8 suspended structure. I believe that this fabrication method can be used in order to make suspended SU-8 structure for the different applications.
Micro-Electro Mechanical System(MEMS) 는 전기적인, 그리고 기계적인 부분을 모두 포함하는 마이크로미터 단위로 제작된 제품을 말한다. 이 기술을 이용하여 기계적인 센서와 동작장치를 프로세서 및 제어기와 함께 칩 수준에서 제작할 수 있게 한다. MEMS 제품과 마이크로미터 단위의 제작 기술은 세 가지의 큰 장점을 가지고 있다.
마이크로미터 단위 제작 기술은 제품의 생산 단가, 무게, 크기를 줄이는 것뿐만 아니라 기능성과 신뢰성을 높이는 데 초점을 맞추고 있다. MEMS 기술로 제작된, 관성을 이용한 마이크로-스위치는 크기를 매우 작게 만들고 생산 단가를 낮추는 장점을 가지고 있으며, 자동차의 에어백 센서, 기울어짐을 측정하는 센서, 의료분야, 로봇과 같은 기계장치, 또는 캠코더나 디지털 카메라의 사진 보정 기술 등에 사용 할 수 있다.
이 연구에서는, 실리콘 공정 기술과 SU-8 폴리머 공정 과정을 결합하는 방법에 대해 제안한다. 이 두 기술을 결합함으로써 SU-8 이 매달린 브릿지 구조를 제작할 수 있었다. 또한 이것을 이용하여 25G 에서 100G 범위의 가속도 스위치를 디자인 하였다. 이 스위치는 튼튼하고 유연하며, 높은 종횡비를 가지고 있고 공정이 매우 간단하여 생산단가 또한 저렴하다. 스위치의 기본적인 구조는, 두 개의 평행한 빔의 끝에 매달린 질량이 가속도에 의해 양 옆의 전극에 접촉하게 되는 원리를 이용한다.
이 구조의 변형과 고유 진동수를 계산하기 위해 두 가지의 해석 방법이 사용되었다. 두 빔을 각각 양쪽이 고정된 것으로 보고 해석하는 방법과, 한쪽은 고정되어 있고 한쪽은 질량에 의해 일정한 범위에서 움직이는 것으로 보고 해석하는 방법을 사용하였다. 변형률은 ANSYS 를 이용하여 해석하였을 때 두 가지 경우에 모두 같은 것으로 나타났다. 마찬가지로, 고유진동수 또한 직접 해석하는 방법과FEM 프로그램을 모두 이용하여 해석하였다. 더 나아가서 저항이 있을 경우와 없을 경우에 대한 과도응답도 해석해보았다.
여기에서는 매달린 SU-8구조를 제작하기 위해 새롭고 쉬운 공정을 제안한다. 실리콘 웨이퍼를 양쪽 면에서 산화시킨 뒤, 먼저 뒤쪽 면에서 AZ9260 을 이용해 photolithography 공정을 한다. RIE 공정으로 얇은 SiO2 를 제거하고 20% TMAH 용액을 이용해 앞면의 얇은 실리콘 층만 남을 때까지 식각한다. 그 뒤에 두 번째 과정으로 앞면에 SU-8 구조를 만든 뒤 뒷면의 남은 실리콘 층을 RIE 공정으로 제거하면 성공적으로 SU-8 을 매달린 구조를 제작할 수 있다. 마지막으로 전기적인 접촉을 감지하기 위해 e-beam 을 이용하여 도금한다.
전기적 접촉을 감지할 장치를 실험적으로 구현하였다. 먼저 LED 와 전지를 제작된 스위치와 직렬로 연결하여 스핀코터에 부착해 가속도를 측정하려 하였지만, 서로 다른 전극의 연결 문제로 실험이 가능하지 않았다. 그 다음으로, 무거운 무게를 떨어트리거나 스핀코터에 의한 원심력을 작용함으로서 가속도를 질량에 주었을 때 전기적 저항 값의 변화를 측정하는 벙법으로 접촉을 감지하려 하였다.
하지만 설계된 값의 세 배로 큰 가속도를 가해 주어도 (threshold of switch) 가속도 값을 얻을 수 없었다. 열처리 과정에서 SU-8 의 성질이 변형되어 설계된 값보다 modulus 의 값이 커진 것으로 보인다. 하지만 작은 선을 이용해 질량을 밀어보았을 때 저항 값의 변화나 LED의 불이 켜지는 등의 결과를 관측함으로써 전기적 접촉을 감지해 낼 수 있었다.
결과적으로, 매우 간단한 공정을 이용해 SU-8 이 매달린 구조를 제작할 수 있었다. 이 방법은 다른 SU-8 구조를 제작할 때에도 사용될 수 있을 것이다.
