압전방법을 이용한 MEMS 액추에이터의 시뮬레이션 및 공정

국문 초록 (Abstract)

여러 제품의 소형화에 따라 다양한 분야에서 응용이 가능한 MEMS 액추에이터의 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 단지 작은 소자를 만드는 것이 아닌, 다양한 형태와 크기를 갖는 소자의 동작에 대한 이해가 필요하다. 따라서 압전 물질인 PZT를 이용한 액추에이터 제작에 앞서, Finite Element Methods(FEM) 시뮬레이션을 이용하여 크기와 모양에 차이를 갖는 구조를 모델링한 후, 열적, 기계적, 전기적 방법으로 동작을 해석해보고, 가장 적합한 형태를 찾아내는데 주안점을 두었다. 시뮬레이션 결과에 따르면 가장 적합한 구조는 사다리꼴 형태(Trapezoid) 이고, 이 구조에서의 변위는 3.39㎛를 얻었으며, PZT 박막과 캔틸레버 간 최적의 면적비는 약 0.8~0.85 정도로 2.52㎛의 변위를 얻었다. 또한 동작 수행 중에 발생할 수 있는, 열로 인한 PZT 박막의 변형은 최대 354nm로 소자의 성능에 큰 영향을 미치지 않을 것임을 알 수 있었다. 실제 제작에 들어가서는 PZT의 결정화와 그에 따른 열처리가 상당히 까다롭기 때문에 이를 성공하기 위하여 수많은 공정을 시행하여 현재 실정에 가장 적합한 방법을 찾아내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

According to miniaturization of various products, the necessity of engineering development of MEMS actuators which have various application field is raising its head. Not only we make small device, but also need to understand that operation of devices have various scales and shapes. So, before fabricate an actuator using PZT, piezoelectric material, we use Finite Element Methods(FEM) simulation for modeling of structures which have various sizes and shapes. after that, we focused on the optimal shape and size of structure. According to the simulation result, the optimal shape of structure is trapezoid type, and this structure has displacement of 3.39㎛. The optimal area ratio between PZT thin film and cantilever is about 0.8~0.85. In this case, structure has displacement of 2.52㎛. Also, the displacement of PZT thin film due to the heat which has occurred in operating, is maximum 354nm and it affects to the performance of device little. In the fabrication, since PZT crystallization and curing is very difficult, we did so many process to success this. So we finally find the method that optimal to us.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 = 1
• 제 2 장 배경이론 = 3
• 2.1. MEMS란 무엇인가 = 3
• 2.2. 압전 효과 = 5
• 2.2.1. 압전 효과의 정의 및 원리 = 5
• 2.2.2. 압전 효과의 수식적 표현 = 7
• 2.2.3. 압전 재료의 종류 및 특성 = 10
• 2.3. PZT(Lead Zirconate Titanate) = 13
• 2.3.1. PZT의특성 = 13
• 2.3.2. 첨가물에 따른 효과 = 16
• 2.3.3. PZT 제작을 위한 공정 = 18
• 2.3.4. PZT 박막 제조 공정 = 19
• 제 3 장 설계 및 시뮬레이션 = 25
• 3.1. 기본 구조 및 제원 = 25
• 3.2. 시뮬레이션을 위한 물성치 = 28
• 3.3. 시뮬레이션 = 30
• 3.4. 제작 공정 = 42
• 3.3.1. 포토리소그래피(Photolithography process) 정의 = 42
• 3.3.2. 열처리 및 결정화 = 44
• 3.3.3. 스퍼터링(Sputter process) = 45
• 3.3.4. 제작과정 = 47
• 제 4 장 시뮬레이션 결과 = 50
• 제 5 장 결론 = 52
• 참고문헌 = 53