SiC 기판을 이용한 PZT 캔틸레버의 제조 및 성능향상

Abstract

Silicon carbide (SiC) has emerged as an important material with very attractive properties for MEMS application. Their advantages such as high mechanical strength, high thermal conductivity, high elasticity, high thermal stability and extreme chemical inertness in several liquid electrolytes has made SiC as attractive candidate for structural material in MEMS devices. High elasticity is one of the most important requirements of the supporting layer of the microcantilever biosensor. Since mass and stress sensitivity in resonance mechanics of cantilever are dominantly affected by elasticity of cantilever. In this study, the Young’s modulus and the hardness of SiC wafer were measured and discussed in terms of the cantilever performance. Young’s modulus value of the SiC wafer was observed as 290 ㎬. From the result, it was found that the elastic modulus of SiC was quite higher value than those of Si (190 ㎬). We have fabricated the PCW-PZT thick films on Pt/TiO2/SiO2/SiC. The fabricated samples were sintered at a temperature between 750 and 950℃ for 10 min. To apply in cantilever based device, SiC wafer was used as a supporting material for improving sensing sensitivity of microcantilever based sensors. Prior to the use of SiC wafer, we studied the interfacial properties between PZT and SiC wafer. As a result, we obtained stable interface between PZT and SiC up to 950℃. The electrical properties were improved with the increase in sintering temperature. In case of the PCW-PZT thick films being sintered at 850℃, the dielectric permittivity (εr) was observed as 510 at the frequency of 100 kHz. We fabricated PZT thick film cantilever based on piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) using SiC wafer. Electromechanical properties of PZT microcantilever such as nonlinear behavior under high voltage and behavior in liquid were investigated. The decrease in resonant frequency with an increase in electric field could be explained by the increase in elastic compliance of PZT thick film because of the elastic nonlinearity, and microcantilever dimension. Cantilever was tested in liquid using water-glycerol solutions of various proportion compositions. The viscosity and the density of liquids have characterized via oscillating-sphere model. The mass sensitivity through Au mass loading was discussed.; 실리콘 카바이드는 MEMS 응용을 위한 중요한 재료로서 두각을 나타내기 시작했다. 실리콘 카바이드는 high thermal conductivity, 고온 안정성, 높은 breakdown 전계, high electron saturation velocity 그리고 열팽창계수가 낮은 성질을 가지는 반도체 재료이며 이러한 성질은 극한 환경에 적합한 특성을 가지고 있다. 화학적으로 또는 기계적으로 좋지 않은 극한 분위기에 적용하기 위한 MEMS 구조물로 사용하기 위해서 고온에서의 안정성, 고탄성 그리고 여러 액체 내에서의 화학적 비활성 등이 SiC를 구조재료로서 MEMS 소자의 최적의 물질로 평가되어 지고 있다. 본 연구에서는 실리콘 카바이드 기판을 사용하여 PZT 후막 캔틸레버의 이론적 해석 및 제작, 캔틸레버의 전기 기계적 특성 고찰에 관해 연구하였다. 실리콘 카바이드를 캔틸레버에 적용하기 위해 탄성계수를 측정하였다. 실리콘 카바이드의 탄성계수는 290 Gpa으로 측정되었으며 실리콘 보다 약 1.5배의 높은 값을 보여주었다. 또한 PZT 후막 캔틸레버의 제작을 위하여 PZT 후막과 실리콘 카바이드의 계면 특성을 분석하였다. 그 결과 실리콘 카바이드의 기판에서는 실리콘 기판과는 다르게 950℃까지 PZT 후막과 안정한 계면을 형성하는 것을 확인하였다. 또한 실리콘 카바이드의 경우 850℃에서 소결된 PZT 후막의 유전상수 값은 510으로 실리콘 기판에서 보다 약 10% 향상 되는 것을 확인 하였다. 이러한 결과로 실리콘 카바이드 기판을 사용하여 PZT 후막 캔틸레버를 제조하였다. 각 단위 공정의 확립을 통해 제조된 캔틸레버는 크기는 500 ㎛ × 500 ㎛과 500 ㎛ × 600 ㎛이다. 제작된 캔틸레버의 harmonic response를 고찰한 결과 실리콘 카바이드를 이용한 PZT 후막 캔틸레버의 공진 주파수는 이론적인 계산값과 유사한 것을 확인 할 수 있었다. 높은 전압 인가할 때에 발생하는 캔틸레버의 비선형적 거동에서는 실리콘 카바이드의 경우는 피크가 구부러지지 않고 개형 자체가 옆으로 약간 누운 형상을 보여준다. 이러한 현상은 실리콘 카바이드의 경우 고탄성에 의하여 PZT 압전체의 비선형 특성이 실리콘 카바이드로 기인한 클램핑 효과에 의해 강한 저항을 받았기 때문이다. 액체내의 거동분석 결과 viscous damping에 의해 공진 주파수가 급격히 감소함을 확인하였다. PZT 후막 캔틸레버의 액체 내에서의 공진 주파수는 공기 중에서 측정할 때보다 실리콘의 경우 46%의 감소가 일어났다. 반면에 실리콘 카바이드 경우에는 40%의 감소가 일어나는 것을 확인 하였다. 이것은 실리콘 카바이드로 제조된 PZT 후막 캔틸레버가 액체에서 우수한 성능을 보인다는 것을 알 수 있다. 이것은 실리콘 카바이드의 의한 지지층의 탄성계수 증가로 인해 spring constant가 증가하였기 때문에 액체 내에서의 damping 저항력이 커졌기 때문이다. 또한 Au를 증착함으로써 mass loading에 의한 공진주파수의 변화를 관찰하였다. 캔틸레버의 뒷면의 끝단에 Au를 증착하였을 때에 실리콘 카바이드의 경우는 초기의 Au의 질량이 증가하였을 때에 공진 주파수가 증가하였다가 질량의 증가에 따라 공진 주파수가 감소하는 양상을 보여주었다. 질량의 민감도는 8.3 Hz/ng으로 측정되었다. 이러한 결과들은 실리콘 카바이드 기판을 사용한 PZT 후막 캔틸레버가 바이오센서로서 우수한 성질을 가지는 것을 확인할 수 있고, 바이오센서로서의 응용 가능성을 크다는 것을 보여주고 있다