낮은 임계 가속도를 가지는 초소형 가속도 스위치의 정전식 래치 방법에 대한 연구

Abstract

본 연구는 미사일의 사출 후 점화 안전거리 확보를 위한 점화안전장치 (Safety Arming Unit)에 사용 될 10 g 의 임계 가속도를 가지는 정전식 래치형 MEMS 가속도 스위치에 대한 내용을 다루고 있다. 점화안전장치는 10 g 이상의 가속도가 30 ms 이상으로 유지될 때 점화가능 신호를 형성하게 된다. 응용 분야의 특성상 신뢰도가 매우 중요한 요소이며 이를 개선시키기 위해 정전식 래치 구조를 제안하였다. 정전식 래치를 구동할 추가 전원을 따로 두게 되면 회로가 더 커지고 무거워지는 단점이 있어, 접촉신호로 사용되는 전원을 공통으로 사용하게 하도록 설계하였다. 제안된 정전식 래치 구조는 스프링 복원력인 10 g 보다 5.5 배 큰 55 g 의 힘으로 래치를 하게 된다. 래치를 풀기 위하여 전위차를 없애면 리셋을 쉽게 할 수 있고, 기계식 래치 구조에 비해 정전식 래치는 비접촉식 이므로 실리콘 래치 구조물이 파괴될 일이 없다. COMSOL 시뮬레이션을 통해 관성추의 움직임과 스프링 상수를 검증하였고 정전력에 의하여 평행판이 휘는 거리가 설계 값과 부합하는지 확인하였다. 또한 시뮬레이션 공진주파수 결과 값은 871 Hz 로 계산된 공진주파수 값인 892 Hz 와 2.4 % 의 오차로 일치하는 것을 확인했다. 제작된 스위치는 Field-Emission Scanning Electron Microscopes(FE-SEM)으로 실제 크기를 측정하였고, 이를 기반으로 계산식을 통해 임계가속도를 예상할 수 있으며, 계산된 가속도는 6.443 g 에 동작하는 것으로 나왔다. 실제 가속도테이블 실험을 통해 임계 가속도 값은 평균 6.36 g 로 측정되었으며 예상 값과 거의 일치하는 것을 확인하였다. 또한 본 연구에서 제안한 래치와 리셋 기능이 동작하는 것을 확인하였고, 접촉저항은 약 14.4 kΩ 임을 확인하였다. 실제 접촉면 부분이 반듯하게 형성되지 않았음을 FE-SEM 을 통해 확인하였고, Energy-dispersive X-ray spectroscopy(EDX)로 성분을 분석한 결과, 알루미늄 접촉부가 형성되지 않았음을 확인하였다. 래치가 될 시 평행판의 끌어당기는 힘은 스프링 복원력의 2.3 배로 제작이 되었다. 본 논문에서는 정전식 래치 구조를 사용하여 임계 가속도 인가시 스위치가 래치가 되는 것을 증명하였고, 리셋 구동이 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 이를 사용하여 신뢰도가 높은 가속도 스위치를 제작할 수 있다.