추가 질량체 구조물을 이용한 MEMS 관성 스위치의 점착현상 해결방법에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 추가적인 질량체 구조물을 이용하여 관성 스위치의 동작 시 발생하는 점착현상을 해결하는 방법을 최초로 제안하고, MEMS 공정 기술을 사용하여 이를 구현하였다. 제안한 방법이 적용된 관성 스위치는 인가된 가속도에 따라 켜짐 또는 꺼짐 신호를 출력하기 위한 기존 질량체외에 기존 질량체에 추가적인 복원력을 전달하여 점착현상을 해결하기 위한 추가 질량체 구조물을 포함하고 있다. 추가 질량체로 인해 기존 질량체에 작용하는 총 복원력이 증가되어 점착현상을 발생시키는 접촉력을 이겨낸다면 점착현상을 해결할 수 있다. 제안된 방법은 기존의 점착현상 해결방법들이 갖는 단점인 추가적인 제작 공정이나 인위적으로 가해진 정전기력을 필요로 하지 않으면서 점착현상을 해결할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서 제안한 관성 스위치는 SiOG(silicon-on-glass) 공정을 사용하여 제작되었다. 제작된 관성 스위치의 정상동작 여부와 점착현상이 해결되는지를 빗살 구동기를 사용하여 정전기력 구동을 통해 확인하였다. 제작된 관성 스위치의 정전 구동 특성 측정을 통해 24 V의 전위차를 인가하였을 때 스위치가 켜짐 상태가 되는 것을 확인하였고 추가 질량체가 있는 하나의 관성 스위치를 이용한 두 가지 실험을 통하여 점착현상이 해결되었는지를 확인하였다. 첫 번째 실험으로 추가 질량체에 일정한 정전기력을 인가하여 기존 질량체에 접촉되지 않는 상태를 만든 후, 구형파 형태의 정전기력을 기존 질량체에 인가하여 점착현상이 발생하는지를 확인하였다. 이 경우 추가 질량체의 복원력이 기존 질량체에 전달되지 않기 때문에 기존 질량체에 작용하는 복원력이 기존 질량체와 고정부 사이의 접촉을 때어내는데 필요한 힘인 풀-오프(pull-off) 힘보다 작아 점착현상이 발생하였다. 두 번째 실험으로 기존 질량체와 추가 질량체에 동일한 구형파 형태의 정전기력을 인가하여 점착현상이 발생하는지를 확인하였다. 이 경우 추가 질량체가 점착현상이 발생한 기존 질량체에 접촉하여 복원력을 전달하였고 점착현상이 발생하지 않았다. 이를 통해 추가 질량체로 인해 점착현상이 해결됨을 확인 할 수 있었다. 가속도 시험을 통해 추가 질량체가 포함된 관성 스위치와 포함되지 않은 관성 스위치에 25 g의 가속도를 인가하여 점착현상이 발생하는지 확인 하였다. 시험 결과 추가 질량체가 포함된 관성 스위치는 10.8 g에서 동작하였으며 점착현상이 발생하지 않았고 추가 질량체가 포함되지 않은 관성 스위치는 14 g에서 동작하였으며 점착현상이 발생하였다. 이를 통해 제작된 소자들이 관성 스위치로서의 기능을 수행하고 추가 질량체가 있는 관성 스위치는 추가 질량체가 없는 스위치에 비해 기존 질량체가 큰 복원력을 받도록 제작되어 점착현상이 해결되었음을 확인할 수 있었다. 또한 추가 질량체가 있는 관성 스위치의 10회 반복 구동을 통해 제안한 방법이 반복적으로 점착현상을 해결 할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 점착현상의 해결 방법을 이용한 관성 스위치의 설계, 제작 및 측정을 통해 정상 동작함을 확인하였으며 점착현상이 해결되는 것을 확인하였다.