This thesis presents a high-resolution capacitive subnanometric motion detector using branched finger electrodes with high-amplitude sense voltage. We reduce the mechanical noise level by increasing the mechanical stiffness based on deep RIE process of an SOI wafer. We reduce the electrical noise level by increasing the amplitude of AC sense voltage. The nonlinearity and instability problems arising in the high-amplitude sense voltage have been solved by the modification of electrode structure from conventional straight finger type into the branched finger type. Combined use of the branched finger electrode and the high-amplitude sense voltage generates stiffness increase effect for the linearity and bandwidth enhancement.
We design, fabricate and test the branched finger capacitive motion detector for subnanometric motion sensing. The present nanodetector shows the total noise level of 0.0057 $Å/\sqrt{Hz}$ at the sense voltage of 16.5V, while the conventional capacitive detectors have shown the noise level of 0.018~0.007 $Å/\sqrt{Hz}$. The total noise of the capacitive nanodetector includes the mechanical noise of 0.0055 $Å/\sqrt{Hz}$ and the electrical noise of 0.0016 $Å/\sqrt{Hz}$ . The stiffness increase effect results in a 21% increase of the bandwidth from 1,585Hz to 1,923Hz.
We apply the capacitive nanodetectors to the development of the navigation grade capacitive microaccelerometers. The total acceleration noise is achieved as $5.5μg /\sqrt{Hz}$ at the sense voltage of 19V. The stiffness increase effect results in a 140% increase of the bandwidth from 726Hz to 1,734Hz. For a fixed sense voltage of 10V, the total noise is measured as $2.6μg/\sqrt{Hz}$ at the air pressure of 3.9torr, which is the 51% of the total noise of $5.1μg/\sqrt{Hz}$ at the atmospheric pressure. We find that the branched finger capacitive microaccelerometer shows the positive stiffness effect when the total length of branched finger electrodes is greater than 1cm. From the excitation test for 1g, 10Hz sinusoidal acceleration, the signal-to-noise ratio of the fabricated microaccelerometer is measured as 105dB, which is equivalent to the noise level of $5.7μg/\sqrt{Hz}$. The sensitivity and linearity of the branched finger capacitive microaccelerometer are measured as 0.638V/g and 0.044%, respectively.
본 논문에서는 고감지전압 및 가지전극을 이용한 고정도 정전용량형 나노운동 감지체를 연구하였다. 먼저, SOI 웨이퍼와 deep RIE 공정을 이용하여 기계적 강성을 증가시킴으로써 기계적 잡음을 줄였고, 교류 감지전압의 진폭을 증가시킴으로써 전기적 잡음을 줄였다. 기존의 직선전극형태의 경우 고감지전압은 비선형성과 불안정성 문제를 발생함으로, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 가지전극형태의 전극구조를 고안하였다. 또한 고감지전압과 가지전극을 이용하여 선형성과 주파수대역을 향상시키는 강성증가 효과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 나노 이하의 운동을 감지하기 위한 가지전극 정전용량형 나노운동 감지방식의 성능과 응용성을 입증하기 위해 두 가지의 실험적 연구를 수행하였다. 첫째, 정전용량형 미소거울이 부착된 나노감지체를 설계, 제작 그리고 시험하였다. 기존의 정전용량형 감지체가 0.018~0.007 $Å/\sqrt{HZ}$ 의 분해능을 보인 반면, 본 나노운동 감지체는 감지전압이 16.5V에서 0.0057 $Å/\sqrt{HZ}$ 의 분해능을 보였다. 정전용량형 나노감지체는 기계적 잡음이 0.0055 $Å/\sqrt{HZ}$ 이고 전기적 잡음이 0.0016 $Å/\sqrt{HZ}$ 이었다. 또한 강성증가 효과는 나노운동 감지체의 주파수대역을 1,585Hz에서 1,923Hz로 21% 증가시켰다.
두 번째 실험적 연구로써 정전용량형 나노운동 감지체 기술을 관성용 정전용량형 미소가속도계 개발에 적용하였다. 감지전압이 19V에서 미소가속도계는 $5.5μg/\sqrt{Hz}$ 의 분해능을 보였으며, 강성증가 효과는 미소가속도계의 주파수대역을 762Hz에서 1,734Hz로 140% 증가시켰다. 감지전압이 10V 동안, 공압이 대기압에서 3.9torr까지 변할 때 전체잡음은 $5.1μg/\sqrt{Hz}$ 에서 $2.6μg/\sqrt{Hz}$ 까지 감소되었다. 제작된 가지전극 미소가속도계로부터 가지전극 전체 길이가 1cm 이상 일 때 양의 전기적 강성을 얻을 수 있었다. 가진 시험을 통해, 미소가속도계는 1g, 10Hz 가속도 가진 시 105dB의 신호 대 잡음을 보였으며, 이로부터 미소가속도계의 분해능이 $5.7μg/\sqrt{Hz}$ 임을 알 수 있었다. 또한 가진 시험으로부터, 가지전극 정전용량형 미소가속도계의 감도와 선형성이 각각 0.638%와 0.044%로 측정되었다.
