In this thesis, a thin poly-silicon strain gauge is proposed for the measurement of strain in the surface of metal structures. Metal-foil strain gauges are commonly used for such measurements even though poly-silicon strain gauges have better sensitivity. However, the proposed poly-silicon strain gauge can be applied to structural elements because the strain gauge element is separated from the silicon wafer, due to the small size and low thickness of the proposed gauge.
To realize the proposed poly-silicon strain gauge, a MEMS fabrication process and a thinning process were established. Then, thin poly-silicon strain gauges were glass-frit bonded onto a metal cantilever beam and their performance was evaluated. It is difficult to bond a silicon strain gauge onto a metal cantilever beam using glass frit because the high-temperature aging process during the glass bonding process causes cracking due to the Coefficient of Thermal Expansion (CTE) mismatch between the silicon gauge and metal cantilever beam. The CTE mismatch problem can be solved by using a poly-silicon strain gauge with thin thickness as well as thin width since it is then more expandable than a thick silicon strain gauge.
To determine the most appropriate fabrication conditions, poly-silicon strain gauges having various shapes and various concentrations of boron were fabricated. The performance of these strain gauges before and after heat treatment along with the conventional aluminum annealing process and the glass-frit bonding process was evaluated to investigate effect of the glass-frit bonding process. The gauge factors of the poly-silicon strain gauges that were not heat treated were determined by multiplying the piezoresistance coefficient and resistivity. Further, the piezoresistance coefficients were determined from the concentration of boron implanted into the poly-silicon layers. After heat treatment, the resistivity and the gauge factors of the poly-silicon strain gauges heat treated with glass-frit bonding process were found to be in good agreement with those of the strain gauges subjected to conventional aluminum annealing process. This indicates that the glass-frit bonding process does not affect the performance of poly-silicon strain gauges at wafer level. The gauge factors of a poly-silicon strain gauges heat treated with aluminum annealing process and glass-frit bonding process equaled the piezoresistance coefficient multiplying resistivity of the gauge. This piezoresistance coefficient was same with that of the strain gauges that were not heat treated. Therefore, the gauge factors of the poly-silicon strain gauges before and after heat treatment could be estimated at the wafer level with measuring resistivity and the piezoresistance coefficient determined in this thesis.
The temperature dependence of the resistance of the boron-implanted strain gauges was examined. When a boron concentration of $1.5\times 10^{19}cm^{-3}$ was implanted into the poly-silicon film, the value of the TCR appeared to be almost zero, making this the most appropriate boron concentration for the poly-silicon strain gauges.
The properties of the poly-silicon films were calculated using the carrier trapping model. The effective mobility, potential barrier height, resistivity, and TCR were calculated and then compared with experimental data. There was a good agreement between theoretical and experimental results. The gauge factors could be estimated from the resistivity calculated using the carrier trapping model and the piezoresistance coefficient derived in this thesis.
센서는 일반적으로 관측대상의 정보를 물리적, 화학적, 생물학적 효과를 이용해 전기적 신호로 변환하는 소자로 정의된다. 센서는 생산공정 자동화, 환경검사, 의료, 자동차, 우주항공, 군수 등은 물론이고 우리 일상생활에 이르는 폭넓은 곳에서 사용되고 있다.
이러한 센서는 1970년대부터 실리콘 가공기술을 기반으로 한MEMS기술이 적용되면서 성능 및 생산에 혁신적인 발전이 이루어 졌다. 초기에 연구되기 시작한 MEMS 센서는 실리콘 스트레인 게이지를 이용한 압력센서였다. 실리콘은 기존 재료에 비해 기계적 강도와 감도가 우수하고, 가공 공정이 확립되어 있기 때문에 스트레인 게이지 재료로 적합하다. 이후 MEMS 센서의 수요 확대에 힘입어 실리콘 스트레인 게이지를 이용한 압력센서, 가속도센서, 힘센서 등의 센서 제품이 상용화되기 시작하였다.
일반적으로 압력센서나 힘센서는 외부에서 압력이나 힘이 가해지면 변형을 일으키는 변형부 위에 스트레인 게이지가 형성된 형태를 가진다. 스트레인 게이지는 모양이 변하면 저항 값이 변하는데 이 저항을 측정함으로써 외부에서 가해진 압력이나 힘을 측정할 수 있다. 스트레인 게이지의 종류에는 금속 박막 스트레인 게이지와 실리콘 스트레인 게이지가 있다. 실리콘 스트레인 게이지가 금속 박막 스트레인 게이지보다 5 ~ 40배 큰 민감도를 가진다.
일반적으로 실리콘 스트레인 게이지를 이용한 센서는 실리콘 기판을 화학적으로 식각하여 변형부를 형성한다. 하지만 실리콘 기판을 변형부로 사용할 경우 MEMS 공정의 한계로 다양한 형상과 크기를 가지는 변형부의 제작이 어렵다. 특히 실리콘 기판의 MEMS 가공 비용이 고가이기 때문에 최대한 많은 양의 센서를 실리콘 기판에 집적해야 단위 센서당 제작 비용이 낮아질 수 있는데 실리콘 기판에 크기가 큰 변형부를 형성할 경우 많은 양의 센서를 집적할 수 없기 때문에 단위 센서당 가공 비용이 상승한다.
따라서 본 연구에서는 MEMS 가공보다 저렴한 기계가공을 이용하여 다양한 형상과 크기를 가지는 금속 변형부를 제작한 후 그 위에 금속 박막 스트레인 게이지보다 민감도가 높은 실리콘 스트레인 게이지를 접착한 형태의 센서를 제안하고자 한다. 이를 위해 실리콘 기판 위에 실리콘 스트레인 게이지를 집적하여 제작하기 위한 제작공정을 확립하였으며, 제작된 실리콘 스트레인 게이지를 금속 변형부 위에 접착하기 위한 접착공정을 확립하였다. 이 후 금속 외팔보에 실리콘 스트레인 게이지를 글래스 프릿 접착하여 성능평가를 실시하였다. 글래스 프릿 접착은 $500^\circC$ 이상의 고온에서 이루어지기 때문에 접착과정에서 금속과 실리콘의 열팽창계수 차이에 의해 실리콘 스트레인 게이지가 깨진다. 이를 해결하기 위해 약 $50\mum$ 두께의 박막 형태로 실리콘 스트레인 게이지를 가공한 후 글래스 프릿 접착하였다. 이후 실리콘 스트레인 게이지의 성능을 최적화 하기 위해 붕소 이온 농도에 따른 변수 연구를 수행하였다. 변수 연구를 통해 최적의 붕소 이온 주입 농도를 도출하였다. 본 실리콘 스트레인 게이지의 경우 글래스 프릿 접착을 통해 금속 구조물에 접착된다. 이 때 고온에서 열처리가 이루어지는데 이에 대한 영향을 파악하기 위해 열처리 조건을 달리하여 성능평가를 실시하였다. 그 결과 열처리 조건과 무관하게 게이지 팩터는 본 연구에서 도출한 압저항 계수와 게이지의 비저항의 곱으로 표현된다는 결론을 얻었다. 이후 carrier trapping model을 이용하여 게이지의 성능을 예측하였다. TEM을 통해 게이지의 결정립 크기를 측정하였고, 홀 측정기를 이용해 이동도를 측정하였다. 모델링 결과 이동도, 전위장벽, 비저항, TCR이 실험 값과 일치하였다.
