센서를 인간의 五感에 비유한다면 가속도센서는 視覺, 聽覺, 觸覺, 味覺, 嗅覺 중에서 어떤 감각기관인가? 먼저 視覺을 쉽게 생각 할 수 있다. 시각기능은 거리, 위치, 형상에 민감하다. 그러나 이들의 시간에 따른 변화 즉 1차 微分量인 속도에는 어느 정도 定性的으로 감응하나 2차 미분량인 가속도는 시각으로 판단되기 어렵다. 활강하는 스키선수나 써커스의 공중 곡예가 시각에만 의존한다고 볼 수 없으며, 만약 우리가 이러한 로봇(robot)을 만든다고 가정 할 때 가속도 센서의 중요성은 상상 할 수 있을 것이다. 움직이는 모든 시스템의 動的特性을 제어하기 위해 정교한 가속도센서는 필수적이다.
물체에 작용하는 힘을 감지하는 센서는 크게 2가지로 분류해 볼 수 있다. 즉 압력, 응력 등 靜的(static mode) 힘을 감지하는 것이 압력센서 계열에 속하고, 가속력, 진동력, 충격력 등 動的(dynamic mode) 힘을 감지하는 것이 가속도센서에 해당한다. 두 센서의 실용분야는 다르지만 그 원리나 제조기술 면에서는 유사하며 다만 설계에서만 차이가 있을 뿐이다. 특히 실리콘 박막을 이용하는 압력/가속도센서는 제조기술이 동일하므로 구조와 package방법만 달리하면 두가지 센서가 함께 개발 될 수 있다. 또 응용기술에 따라 속도 및 균형제어장치, 설비진단용 진동감지기, 마이크로폰, 전자저울, 유량계 등 그 활용분야는 대단히 넓다.
실리콘 가속도센서 칩은, 첨단의 집적회로기술로 제작되어 정교하고, 신뢰성이 높고, 小型輕量이며, 규격화, 양산화가 쉽고 저가격인 장점이 있다. 또한 각종 센서의 fusion및 제어회로와의 integration이 가능하기 때문에 로봇와 같은 정밀제어 시스템에 적합하다. 이와 같이 종래의 기계식 센서에 비해 그 활용 범위가 넓고 성능이 월등하므로 개발에 대한 기대치가 매우 큰 소자이다. 따라서 미국, 일본, 유럽 등 선진국에서는 기업 경쟁적으로 개발연구가 진행되고 있으며 특히 자동차 air-bag용 실리콘 센서는 Analogue device, Lucas nova, Kavlico, IC Sensors, Siemens 등 몇개 회사에서 개발한 시제품을 판매하고 있는 단계이며 1996년에는 자동차의 cruse, suspension 등의 제어시스템에도 實裝 될 것으로 예상되고 있다.
가속도센서의 활용이 예상되는 산업분야는 자동차, 기차, 선박, 항공기, FA(factory automation) 관련장비, 기능성 로봇, 각종 완구, 스포츠/레저 관련장비, 등 다양하다. 더욱이 실리콘 가속도센서 칩과 같이 정밀하고 작은 부품이 일반화 될 때는 그 응용분야가 크게 확대 될 것이다. 대표적으로 자동차산업 분야만 검토해 보아도 그 수요량과 미래의 시장성을 알 수 있다. 우리나라의 경우를 보면 60년에 3만여대에 불과했던 차량대수가 90년에 100 배가되었고 1992년 말의 통계를 보면 525만대에 달하고있다. 교통부 전망자료를 보면 2001년에는 1,388만대가 될 것으로 예측하고 있다. 2000년부터는 자동차의 air bag, ABS(anti-lock braking system), cruise control, smart suspension system, auto-door lock system, 속도감응 파워핸들, 진동측정 등에 실리콘 칩형 가속도센서가 일반적으로 적용 될 것으로 예상하고 있으며 그 수요량도 대단할 것이다. 또한 센서는 단위소자 부품으로서만이 아니라 센서시스템 및 상품의 성능에 대한 부가 가치를 고려해야 하기 때문에 그 시장성은 매우 크며 기술확보를 위한 집중노력이 필요한 시점이다.
We report here the first year studying results of 3 years research program of the project [Development of Silicon Acceleration Sensor for Car Applications]. The final goal of this project is to develop an engineering sample of a single crystalline silicon piezo-resistive acceleration sensor chip, which can be applied to mass production line. In this year of the first step research, we focused on the investigation and determination of optimal techniques of silicon micro-machining and device processes techniques for acceleration sensor fabrication. A basic proto-type sample was fabricated and characterized for the verification of the developed techniques. Summary of the results is as follow:
① Fabrication of single crystalline silicon micro-structures; Several etching technics of single crystal silicon are already reported and well know ones. In this studies we established a new method of porous silicon etching technique for the use of acceleration sensor fabrication. The method was not well determined and only a few papers are repeorted in the world. Most of our results on process technics are originally developed.
- Effects of the current, voltage, HF concentration, time, type of substrate, surface state and so forth on the formation of the PSL(Porous Silicon Layer) were investigated and reproducible process control was made.
- We fabricated silicon micro-structures by forming selective PSL and etching it in NaOH solution. After trying many methods, using n/n^+/n silicon substrate produced the most accurate structure and only one mask was used to make a exact beam structure of arbitrary shaped cantilevers and bridges.
- Experiment on the reactor which can form porous Si on the whole wafer or a small piece has been done and much experience has been gained during this process. We have been designing and manufacturing an auto reactor which can be applied to the mass production.
② Acceleration sensor fabrication and process technology development:
In order to examine micro-structures and developed process more closely, acceleration sensor of cantilever, 4 beam bridge and 8 beam bridge type have been fabricated just for experimental usuage and we've comfirmed that it works properly
- The method of protecting device in a strong acid like high concentrated HF solution have been developed using WAX lithography technique and using α-Si deposition. This technique would be useful in the next step process continued.
- For the sake of the application of accelation sensor, we have established and verified DMT (Diffusion Modification Technique) so as to prevent under-cut of the undesirable part and form stopper with accurate air-gap.
- For Mass of Acceleration Sensor, we studied the method to make SEISMIC PROOF MASS, and also studied the method of NIKEL electro-plating so that we get to believe firmly about feasibility.
- We designed and simulated the self-guarding circuits with two bridge circuits for the testing the operating conditions of acceleration sensors, we will apply the circuits to next TEST CHIP.
③ Development of simulator for acceleration senser :
FEM simulator, which can simulate dynamic characteristics of Si mechanical structure and acceleration sensor, was developed and we are utilizing the simulator specifically for designing piezoresistive Si acceleration sensor.
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