지난 수십 년간 마이크로전자기계시스템(MEMS) 소자의 발전은 경제적으로 소형화된 센서를 제조 기술과 통합하려는 수요가 높았습니다. 센서는 여러 물리적 입력을 감지하고 반응하여 아날로그 또는 디지털 형태로 변환하는 시스템입니다. 센서는 이러한 변화를 장치 변수를 모니터링하는 지표로 활용할 수 있는 형태로 변환합니다. MEMS는 작은 크기, 낮은 전력 소모, 우수한 성능, 배치 공정 생산성 덕분에 센서 소형화에 탁월한 실행 가능성을 보입니다. 본 논문은 MEMS 기반 소자에 적용 가능한 표준 구동 및 센싱 메커니즘의 최신 발전을 다루며, 이는 현재 시대의 거의 모든 제품 카테고리에 혁명을 가져올 것으로 기대됩니다. 구동 및 센싱 원리와 실제 적용 사례도 함께 논의합니다. MEMS 기반 소자의 구동 및 센싱 메커니즘을 제대로 이해하는 것은 새롭고 복잡한 응용 설계에 효과적인 선택을 하는 데 중요한 역할을 합니다.
센서와 액추에이터는 트랜스듀서로 통칭되며, 신호나 에너지를 한 에너지 영역에서 다른 영역으로 변환하는 기능을 합니다[1, 2]. 다양한 트랜스듀션 기기는 물리적 신호를 전기 신호로 변환(센서)하고, 출력 신호는 집적 회로(IC)를 통해 전자 시스템에서 추가 처리되며, 전기 신호를 물리적 신호로 변환(액추에이터)하기도 합니다[3]. 센서는 물리적 현상(진동, 압력, 유량 등)이나 조성 변화(전기 전도도, pH 등)를 감지하고 모니터링하는 장치입니다. 센서는 변화를 측정 변수를 표시하거나 제어하는 데 활용할 수 있는 특정 형태로 변환합니다[4, 5]. 반면 액추에이터는 기계적 운동과 힘/토크를 생성하는 데 사용됩니다. 즉, 센싱은 지각을 결과로 하는 에너지 변환 과정이고, 액추에이션은 동작을 생성하는 에너지 변환 과정입니다. 센서는 물리화학량 검출 센싱 엘리먼트, 검출 파라미터를 전기 신호로 변환하는 트랜스듀서, 변환된 신호를 읽고 해석하는 컴퓨터 등의 판독 장치로 구성됩니다.
센서 성능은 감도, 분해능, 정확도 등 다양한 특성 파라미터로 평가됩니다. 감도는 대상 물질 농도의 최솟값을 결정합니다. 분해능은 측정 가능한 최대 크기와 판별 가능한 최소 부분의 비율입니다. 정확도는 절대 표준에 대한 측정 불확도 양으로, 센서의 정성 분석에 직접 영향을 미칩니다[6]. 검출 한계(LOD)는 센서가 구별할 수 있는 물질의 최저량으로, 특정 물질을 식별하는 센서의 능력을 나타냅니다. 또한 응답 시간은 농도가 특정 한계에 도달했을 때 센서가 경고 신호를 생성하는 시간이고, 회복 시간은 검출 과정 후 센싱 물질이 기준선 상태로 회복하는 데 걸리는 시간입니다.
지난 수십 년간 마이크로전자 소자 제조 기술의 발전으로 매력적이고 정확하며 고성능인 소자 시스템이 탄생했습니다. 기술은 육안으로 보이지 않을 만큼 미세한 소자 제작 수준에 도달했습니다. MEMS는 센서나 액추에이터로 동작할 수 있는 미세 소자 혁신을 다룹니다. MEMS 분야의 지속적인 발전은 최적화되고 비용 절감된 소형 전자 장비의 가능성을 약속합니다[7-9]. 일반적인 MEMS 소자 크기는 수십에서 수백 마이크로미터 단위입니다. 마이크로프로세서 제작과 동일한 제조 방법을 활용합니다. 현재 센서와 액추에이터는 마이크로프로세서 칩과 유사한 규모로 제작 가능합니다. 최근 개발에서는 압력, 온도, 관성 센서 등의 마이크로스케일 배치 제조가 유사한 칩 핸들링 유닛을 사용해 배치 규모로 시연되었습니다. 칩 위에 시스템을 정확하게 중첩하면 복잡한 시스템 동작이 가능해집니다[10, 11].
MEMS는 반도체 소재를 사용하여 기계 부품, 센서, 액추에이터, 전자 요소를 일반적인 실리콘 기판 위에 몇 밀리미터에서 마이크론 단위의 특징 크기로 통합하는 기술입니다[12]. 이러한 시스템은 마이크로스케일에서 감지, 제어, 구동 동작을 수행하며, 개별적으로 또는 대량으로 동작하여 매크로 스케일에서 효과를 낼 수 있습니다. MEMS 기술은 일반적인 Si 웨이퍼 위에 마이크로일렉트로닉스와 마이크로머시닝 기술을 결합하여 일반적인 금속 산화물 반도체 소자로 구현했습니다[13]. 최근 MEMS 기술은 다양한 종류의 천연 센서와 액추에이터를 인식하는 데 크게 성장했습니다. 또한 낮은 전력 등급[14], 빠른 응답, 기계적 치수에서의 배열 제조, 용이성, 저렴함, 향상된 감도 등으로 소형 센서 제조에 광범위하게 활용됩니다. 특히 센싱 물질의 표면적 대 부피 비율이 크게 증가하여 금속 산화물 기반 센서의 동작 온도를 낮추고 전개 소재에 대한 수요를 증가시켰습니다[15-17].
최근 이산화 티타늄(TiO₂), 이산화 주석(SnO₂), 산화 아연(ZnO) 같은 금속 산화물 기반 센서가 가스 검출용으로 가장 매력적인 센서 유형이 되었습니다[18]. 금속 산화물 반도체(MOS) 기술의 작동 원리는 분석 가스 노출 시 수용체 물질로 사용된 금속 산화물 반도체의 저항률 변화에 의존합니다[19]. 그러나 이러한 센서의 높은 감도는 높은 동작 온도에서만 달성되며[20], 선택성 문제도 있습니다. 대안으로 귀금속 나노입자(Au, Ag, Pd, Pt 등)와 결합하여 화학적, 전자적 감작 효과로 위 장벽을 극복하는 접근법이 있습니다[21-23].
MEMS 소자는 MEMSCAP US의 MUMPs(Multi-User MEMS) 공정을 통해 제조 가능합니다. MUMPs는 산업계와 학계 연구에 실용적인 컨셉 증명 MEMS 제작을 제공하는 상업 프로그램입니다. MEMSCAP은 MUMPs 패키지의 중요한 부분으로 세 가지 표준 공정을 제공합니다: 3층 폴리실리콘 표면 미세제조 공정인 PolyMUMPs, 전기 도금 니켈 공정인 MetalMUMPs, 실리콘-온-인슐레이터 미세제조 공정인 SOIMUMPs[24]. MEMS 공정은 반도체 소자 제조의 고유 기술인 증착, 패터닝, 재료 층 식각에서 발전했습니다[7, 25]. MUMPs 제조 기술 단계는 설계 핸드북 규칙에 나와 있습니다[24]. 제조 기술 외에도 MEMS 센서는 산업 및 가정용 애플리케이션에서 계측이나 인간 편의 문제로 광범위하게 사용됩니다. MEMS 센서의 다양한 응용 분야(내부용부터 실외용까지)에서의 다양한 작동 조건 때문에, 다양한 작동 원리와 센서 소재를 기반으로 여러 종류의 MEMS 센서가 모델링되었습니다. MEMS 센서는 습도 및 유독 가스 센서를 포함하는 가스 감지 시스템에 필수적입니다[19].
MEMS는 센서와 액추에이터로서 우리 현재 삶의 거의 모든 측면을 포괄하는 광범위한 분야입니다. 전자 마이크로시스템의 신흥 분야는 소형화된 형태로 거의 모든 제품 카테고리를 포함하며, 이는 생산 및 통합 공정에서 구동 및 센싱 기술의 급속한 발전에 기여했습니다. 표적 응용의 효율성은 특정 액추에이터의 적절한 선택에 결정적으로 의존합니다. 또한 액추에이터의 기본 효율은 전원 및 제어 방식, 호환성, 필요한 패키징 정도, 비용 효율성 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 본 논문은 기능적 응용을 위해 조사된 MEMS 구동 및 센싱 기술에 대한 철저한 분석을 제공하며, 많은 일반적인 변환 형태에 중점을 두어 이러한 주요 요소들을 다루면서 이 신흥 분야의 발전을 촉진합니다. 나머지 논문은 다음과 같이 구성됩니다. 2절에서는 마이크로전자기계시스템을 소개합니다. 3절에서는 구동 메커니즘(MEMS 소자 구동의 다양한 원리와 접근법: 정전기, 전기열, 전자기, 압전 구동)에 대한 간략한 검토를 제시합니다. 4절에서는 센싱 메커니즘(압저항, 정전용량, 광학 센싱 메커니즘)에 대한 개요를 소개하고, 5절에서는 MEMS 기반 소자의 전망에 대해 추가 논의하며, 마지막으로 6절에서 결론과 미래 트렌드를 제공합니다.
오늘날 알려진 MEMS 기술의 첫 등장은 1954년 4월 1일, Smith가 벨 전화 연구소에서 Physical Review에 논문을 발표한 것으로 거슬러 올라갑니다. 이는 실리콘과 게르마늄의 응력 민감 효과, 즉 압저항 효과에 대한 최초의 기술입니다[26]. MEMS는 마이크로, 전기, 기계 시스템만이 아니므로(즉, 이 분야는 마이크로머시닝에서 파생된 IC 이외의 모든 소자 포함) MEMS라는 약어가 특별히 타당하지는 않습니다. 그럼에도 불구하고 MEMS는 전체 분야(즉, 마이크로머시닝에서 파생된 IC 이외의 모든 소자)를 지칭하는 데 가장 일반적으로 사용되며, micro-electro-mechanical, Microelectromechanical, microelectronic 등으로 표기되기도 합니다(미국에서는 MEMS)[3]. 이 소형화 분야의 다른 명칭으로는 유럽에서 유명한 Microsystems Technology(MST)[27], 아시아에서 유명한 Micromechanics[28] 등이 있습니다. MEMS 소자는 주변 환경에서 정보를 측정하고 유용한 전기 신호로 변환하는 광범위한 영역을 다룹니다. 관심 있는 6대 주요 에너지 영역은 다음과 같습니다:
전기 영역(전기장, 전류, 전압, 저항, 전하, 정전용량, 인덕턴스, 유전율, 분극, 주파수 포함)
화학 영역(조성, 반응 속도, 농도, pH, 산화/환원 전위 포함)
기계 영역(길이, 너비, 면적, 속도, 가속도, 질량 유량, 부피, 힘, 압력, 토크, 음향 파장, 음향 강도 등 모든 시간 미분 포함)
열 영역(온도, 유량, 열, 비열, 엔트로피, 물질 상태 포함)
복사 영역(강도, 위상, 분극, 파장, 반사율, 투과율, 굴절률 포함)
자기 영역(자계 강도, 투자율, 자속 밀도, 자기 모멘트 포함)
이들 에너지 영역과 일반적으로 마주치는 파라미터들은 표 1에 요약되어 있습니다. 시스템 내 총 에너지는 여러 영역에 공존할 수 있으며, 적절한 조건 하에서 영역 간 이동이 가능합니다[1, 29].
설계된 칩의 동작에 따라 MEMS는 다양한 범주로 나눌 수 있습니다. 유해 가스 측정, 모니터링, 감지를 위한 센싱 실행에 사용될 수 있습니다. 또 다른 분류는 신체 내부 또는 신체 물질(유체 등)에 작용하거나 신체 외부에서 작용하는 액션 타입 소자로 사용하는 것으로, 약물 전달 시스템에 사용되는 소자 등이 있습니다. MEMS 소자는 핵심 응용 분야에 따라 4가지 범주로 구분됩니다(그림 1): 유체, 무선 주파수(RF), 광학, 바이오 MEMS[10, 30-33].
현재 대부분의 기술에서 MEMS 센서는 소비자 전자제품부터 항공우주 산업까지 많은 실용적 응용 분야에서 선호되는 새로운 분야입니다. MEMS의 가장 중요한 특징은 반도체 칩의 전기적 구성요소와 효과적으로 통신할 수 있는 능력이며, MEMS 기술은 전자 기능과 기계적 동작을 결합하여 센서 산업에 혁명을 가져왔습니다[34]. 일반적으로 작은 크기 덕분에 낮은 전력 소모와 높은 감도를 가집니다[35, 36]. MEMS 기반 센서 소자는 다양한 응용에서 중요한 역할을 하는 많은 장점을 가집니다. 이 장점에는 배치 제조 잠재력[37, 38], 낮은 전력 소모[37-40], 작은 크기[38-42]로 인한 저비용이 포함됩니다. 또한 경량, 고해상도, 안정적 성능, 다른 소자 및 시스템과의 쉬운 통합 등 많은 다른 장점이 있습니다. 마이크로머시컬-마이크로머시컬 소자 축소는 관성 센서, 화학 센서, 잉크젯 프린터, 자이로스코프, 위성, RF 통신, 스마트폰, 압력 센서, 가속도계, 생체의학 계측[43], 군사 응용, 운동 및 힘 센서[44] 등 여러 분야에서 개선되었습니다. 또한 저비용과 제조 공정의 단순성은 상업적 제조에서 중요한 역할을 합니다[45].
작동 원리에 따라 센서 소자는 정적 및 동적 모드 두 범주로 나눌 수 있습니다[46, 47]. MEMS 소자가 정적 모드 기반일 때 주파수 신호는 포함되지 않습니다. 표면 흡착 질량으로 인해 빔이 휘어지며, 이로 인해 일시적인 응력과 구조적 변형이 발생합니다. 이는 광학적으로 감지되거나 압저항 변화로 감지될 수 있습니다. 소자 표면에서 특정 화학 결합이 발생하면 내부 나노 역학이 MEMS 빔 검출을 구부릴 수 있습니다[46]. 동적 모드에서는 소자의 최적 성능을 위해 기계적 공진 주파수를 자극해야 합니다. 진동 시스템이 달성할 수 있는 최대 진폭과 특정 시스템에서 최대 공진을 자극하는 것을 공진 주파수라고 합니다. 공진 주파수는 빔의 스프링 상수와 유효 질량이라는 두 주요 파라미터에 영향을 받으며, 이 파라미터들에 따라 변화합니다. 이것이 공진 주파수 변화를 검출 수단으로 활용하는 작동 원리입니다. 원하는 감도와 분해능을 얻으려면 품질 인자(Q factor)가 높아야 합니다[48, 49]. 이러한 메커니즘을 이해하고 비교하는 것은 MEMS 기반 소자의 동작과 출력 신호 검출의 기초이므로 필요합니다.
구동 기술은 입력 에너지를 미세구조 운동으로 변환하는 메커니즘을 지칭합니다. MEMS 소자를 구동하는 다양한 원리와 접근법이 있습니다[7, 50-55], 가장 중요한 것들은 정전기 구동[56-64], 전기열 구동[4, 44, 65-68], 전자기 구동[7, 69], 압전 구동[48, 70]입니다(그림 2). CMOS-MEMS 센서 소자는 평행판 커패시터를 이용한 정전기 구동 또는 마이크로히터를 이용한 전기열 구동으로 동작하도록 설계됩니다. 반면 PolyMUMPs와 MetalMUMPs 센서 소자는 내장된 마이크로히터를 이용한 전기열 구동으로 설계됩니다[71].
MEMS 기반 소자는 앞서 언급한 구동 방법 중 하나를 통해 정현파 힘 F(t)를 가함으로써 구동될 수 있습니다. 식 (1)은 M이 상부 판의 총 질량, b가 댐핑 계수, k가 유연한 빔의 스프링 상수일 때 운동의 일반 방정식을 구하는 데 사용됩니다.
$$M\ddot{\gamma} + b\dot{\gamma} + k\gamma = F(t)$$ (1)
여기서 F는 z-방향 외부 구동 힘의 진폭이고, \(\ddot{\gamma}\), \(\dot{\gamma}\), γ는 각각 질량의 가속도, 속도, 변위입니다.
정전기 액추에이터는 매우 널리 사용되며 빠른 응답 시간과 낮은 전력 소모를 가집니다[72]. 반면 전기열 원리를 이용한 액추에이터는 낮은 구동 전압으로 큰 구동력과 변위를 가집니다. 전자기 액추에이터는 빠른 응답, 큰 변위 등의 장점이 있습니다. 압전 원리를 이용한 액추에이터는 단위 전압당 작은 구동력과 변위에도 불구하고 높은 감도를 가집니다. 따라서 이들 구동 접근법 중 하나로 고성능 소자를 얻기 위해서는 발생하는 원리를 잘 이해하는 것이 필수적입니다.
정전기 구동의 주된 원천은 커패시터의 전기장이며, 반대 전하를 띤 두 평행판 사이의 인력에 의존합니다[12]. 정전기 구동은 쿨롱 법칙에 기반하며, 고정된 판과 움직이는 판 사이에 생성된 일정한 거리의 두 전하 사이의 상호 힘을 묘사합니다. 정전기 구동은 MEMS 소자 구동에 가장 대중적인 메커니즘 중 하나로 간주됩니다. 단순한 설계, 빠른 응답 시간, 쉬운 제조, 낮은 전력 소모의 장점이 있습니다. 그러나 비선형성과 높은 구동 전압이 이 유형 액추에이터의 주요 문제입니다[72]. MEMS를 정전기 구동 하에서 연구할 때 몇 가지 유형의 정전기 구동을 신중히 고려해야 합니다. 가장 일반적인 형태는 두 개의 단순한 평행판으로 구성된 커패시터 기반이거나, 여러 개의 맞물린 또는 맞물리지 않은 핑거로 구성된 빗드라이브 구조 기반입니다[72, 73]. 일반적인 방법[74]은 위쪽 움직이는 판이 특정 극성을, 아래쪽 고정 판이 반대 극성을 가지는 평행판 구동입니다(그림 3). 움직이는 판의 변위와 진동은 두 판 사이의 전압 차이에 의존합니다. 전하의 극성이 같으면 고정 판과 움직이는 판 사이에 반발 변위가 발생하지만, 두 판이 다른 전하를 가지면 움직이는 판이 고정 판에 끌립니다. 움직이는 판의 전하 유형이 주기적으로 변경될 때 구동이 발생합니다[50, 56, 74].
풀인 불안정성은 평행판이 정전기적으로 구동될 때 주요 문제 중 하나입니다. 고정 판이 마이크로빔 바로 아래에 있고 정적 마찰이 소자를 붕괴시키기 때문입니다[74, 76]. 빗드라이브 액추에이터는 맞물린 핑거 구조의 두 빗 세트로 구성됩니다(그림 4). 일반적으로 기판과 같은 평행판에 배치되며, 한 빗 핑거는 고정되고 다른 하나는 유연한 구조(예: 스프링)에 연결되어 고정 판을 향해 움직이거나 멀어집니다[72]. 움직이는 빗과 고정 빗 핑거 사이에 서로 다른 전압이 가해지면, 프린지 필드의 정전기력이 두 빗을 고정된 외부 정현파 힘으로 서로 끌어당깁니다. 일반적으로 평행판 커패시터는 고정 판과 움직이는 판 사이의 중첩 정전용량이 더 크기 때문에 단위 면적당 빗드라이브 액추에이터보다 강력합니다. 그러나 설계자들은 두 가지 주요 이유로 빗 액추에이터를 선호합니다: 더 큰 변위(수십 마이크로미터 가능) 생성, 힘이 변위와 상대적으로 무관함. 전반적으로 정전기 구동은 마이크로머시컬 액추에이터[77], 바이오센서 응용[56], 습도 감지[57], 입자 및 질량 감지 응용[50, 78], MEMS 나노포지셔닝 시스템[58], RF MEMS 스위치 응용[13, 79], MEMS 발진기의 폐루프 노이즈[60], 내비게이션(자동차 GPS)[62, 80], 자이로스코프[81], 호기 내 바이오마커 검출[82], 질량 감지 가스 센서[63] 등에서 광범위한 응용을 찾았습니다. 또한 정전기 구동 및 정전용량식 CMOS-MEMS 기반 센서 소자의 이론적 모델이 당뇨병 비침습적 선별을 위해 보고되었습니다. 호기 내 아세톤 증기 검출을 통해 당뇨병 선별을 수행했으며, 키토산 폴리머를 센싱 소재로 사용했습니다. 최적화된 감도는 약 0.042, 0.066, 0.13, 0.18, 0.26 pm/ppm으로 보고되었습니다[83].
MEMS 소자를 공진 상태나 진동 모드로 자극하기 위해서는 고정자(스테이터)와 회전자(로터) 두 판 사이에 교류 전압을 가하여 대체 구동을 수행해야 합니다. 표준 구동 모드는 다음과 같습니다[49]: 단순 교류 전압(V₁sinωt), DC 바이어스가 있는 교류 전압(V₀ + V₁sinωt), 푸시-풀 구동(그림 5). 푸시-풀 구동은 일반적으로 구조적 힘을 로터 양쪽에 가할 수 있어 최상의 솔루션으로 간주됩니다. 푸시-풀은 빗드라이브 방식에 이상적인 구동입니다[49].
전기열 기술은 주로 MEMS 구동에 활용되며 센싱 응용에는 드물게 사용됩니다[72]. 전기열 기술은 원하는 변위를 생성하기 위해 유연한 구성에 본질적으로 적합합니다. 구동은 내장된 마이크로히터 단자를 통해 흐르는 AC 전류에 의해 수행되며, 서로 다른 층의 온도 차이에 대한 응답으로 발생하는 열력에 기인합니다[66]. 마이크로히터는 서로 다른 재료 층으로 구성되며 고온에서 동작합니다. AC 전류가 흐르면 소자 온도가 상승하고, 서로 다른 재료의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 재료가 팽창하여 열응력이 발생하고 소자가 휘게 됩니다[72]. 반면 냉각은 기판으로의 전도와 주변 공기(또는 액체)로의 대류를 통해 이루어질 수 있습니다.
이러한 온도 변화는 소자에 두 가지 방식으로 영향을 미칩니다[44, 87]: (1) 소자의 치수 변화나 소자 내부 응력 생성, (2) 소자 재료 물성이 온도에 따라 변화. 전류 기술은 마이크로히터에 집중되어야 합니다. 마이크로히터는 저항에 특정 전류를 가해 원하는 열을 발생시키며, 이는 낮은 전력 소모와 빠른 응답 시간을 초래할 수 있습니다. 전기열 힘은 식 (2)로 기술할 수 있습니다[88].
$$F_{th} = \alpha_{T} AE(T - T_{0})$$ (2)
여기서 α_T는 CTE, E는 빔의 영률, A는 빔의 단면적, T는 최종 온도, T₀는 가열 전 초기 온도입니다. 여러 소재가 마이크로히터 설계에 사용되었습니다. 예를 들어, 최상의 성능, 정확도, 넓은 온도 범위, 안정성을 위해 백금과 금이 마이크로히터에 최적의 선택이지만[89], 고가입니다[90]. MEMS 센서에 마이크로히터를 활용하려면 발생한 열을 유용한 출력으로 변환하는 내장 온도 센서가 필요합니다. 온도 센서로는 백금(-200°C~800°C), 니켈(-100~260°C) 사용 가능[90]. 알루미늄도 온도 감지에 좋은 소재라는 보고가 있습니다[91]. 그림 6은 U-빔 액추에이터(핫/콜드 암), 바이모프 액추에이터(이중 재료 액추에이터), 버클링 액추에이터(V-빔 액추에이터 또는 셔틀 빔) 등 일반적인 전기열 구동 메커니즘을 보여줍니다.
U-빔 액추에이터는 핫/콜드 암으로도 알려져 있으며, 좁은 암(핫), 넓은 암(콜드) 앵커, 접점 패드로 구성됩니다[67, 92]. 주로 기판에 대한 평면 내 또는 수평 구동에 사용됩니다. 이 기술의 작동 원리는 접점 패드에 차동 전압을 가하는 것에 의존합니다. 전류가 암을 통해 흐르고, 핫 암(높은 저항)이 콜드 암(낮은 저항)보다 더 높은 전류 밀도로 가열됩니다. 더 좁은 핫 암은 더 뜨거워지고 더 많이 팽창합니다. 핫 암은 큰 열응력을 생성합니다. 두 암 사이의 차동 변형이 전체 소자를 휘게 만듭니다.
바이모프 액추에이터는 이중 재료라고도 하며, 서로 다른 열팽창 계수를 가진 두 재료가 결합된 구조입니다. 앞의 두 액추에이터와 달리, 바이모프 액추에이터[93]는 일반적으로 평면 외 구동에 사용됩니다. 전류가 빔을 통과하면 재료 온도가 상승합니다. 한 재료가 다른 재료보다 더 큰 열팽창 계수를 가져 더 많이 팽창하여 열응력과 소자 휨을 유발합니다.
열 버클링 액추에이터는 V-빔 또는 셔틀 빔[94], 앵커, 접점 패드로 구성되며, 주로 평면 내 또는 횡방향 구동에 사용됩니다. 빔을 통해 전류가 흐르면 줄 열로 인해 빔 온도 상승이 열팽창을 일으키며, 이는 가장 단순하고 저항이 적은 방향으로 셔틀을 움직이거나 소자의 중앙 빔을 앞으로 밀게 합니다.
실제 구현에서 열 구동 MEMS 소자의 대부분은 고유 주파수 근처 주파수에서 진동하므로, 소자의 고유 주파수 계산이 필수적입니다. 전기열 기술은 매우 낮은 구동 전압에서 두 층 재료의 열팽창에 기반한 큰 구동력과 변위로 인해 다른 전략으로는 유사한 측정을 달성할 수 없어 더욱 널리 보급되고 있습니다[85, 95]. 전기열 구동은 큰 변위[95], 쉬운 제조[72], 큰 힘, 상대적으로 낮은 인가 전압[52] 등의 여러 장점을 보입니다. 반대로 많은 전류와 저전압 증폭기가 필요합니다. 또한 줄 열로 인해 높은 전력을 소모합니다. 또 다른 한계는 주변 온도에 민감하다는 점입니다. 마지막으로 전기열 구동으로 인한 구동 온도와 열 증가는 인접 전자소자와 시스템 패키징 단계에 여러 단점을 유발할 수 있습니다[72].
수많은 유형의 전기열 구동이 개발되고 연구되었습니다: 핫/콜드 암[96-98], 이중 재료 또는 바이모프[98, 99], 열 버클링 액추에이터[98, 100]. 참고문헌[101]은 바이모프 액추에이터를 사용한 열 구동 하 마이크로캔틸레버 진동을 조사했습니다. 참고문헌[102]은 MUMPs 공정으로 제조된 폴리실리콘 마이크로 링 열 구동(RTA)의 구조적 절차를 제안했습니다. 열 구동 기반 마이크로캔틸레버가 설계되었으며, 시스템이 진공 또는 유체(기체/액체) 상태라고 가정하고 해석적 해법을 제안했습니다[103]. Dennis 등[44]은 내장된 마이크로히터로 상대적으로 높은 온도(40-80°C)에서 동작하는 CMOS-MEMS 시스템을 제작하여 TiO₂ 나노입자를 센싱 소재로 습도를 측정했습니다. 센서는 전기열 구동과 휘트스톤 브리지 회로에 연결된 압저항(PZR) 센서를 사용한 동적 모드로 동작했습니다. 습도 센서 출력 전압은 습도 35% RH에서 95% RH로 증가함에 따라 0.585에서 30.580 mV로 상승했습니다. 습도 센서 감도는 온도 40°C에서 80°C로 증가함에 따라 0.102 mV/% RH에서 0.501 mV/% RH로 선형적으로 증가했으며, 최대 히스테리시스 0.87% RH가 80% 상대습도에서 발견되었습니다. 또 다른 주목할 만한 기여로, Almur 등[104]은 전기열 구동과 정전용량 감지 기반 MetalMUMPs 아세톤 증기 감지 시스템을 모델링했습니다. 출력 전압 변화는 아세톤 증기 농도 100-500 ppm 증가에 따라 선형적으로 증가했으며, 농도 감도는 0.65 mV/ppm이었습니다. MetalMUMPs 기술의 두꺼운 니켈 층으로 인해 소자 질량이 매우 높고(4.7 × 10⁻⁸ kg), 질량 감도가 낮습니다(0.118 MHz/pg).
전자기 동작은 대규모 응용(스피커 등)의 감지와 구동에 오랫동안 활용되어 왔습니다. 이 기술은 자기 효과를 자극하기 위해 전기를 필요로 합니다. 공진기에 통합된 코일 또는 인덕터에 교류 전류를 가하여 자기장을 생성하는 전자기 힘(로렌츠 힘, 네덜란드 물리학자 Hendrik A. Lorentz 1895년 명명)을 사용합니다(그림 7). 로렌츠 힘은 전하에 작용하는 전기력과 자기력의 결합 결과로 점전하에 생성되는 힘으로 정의됩니다[72]. 전자기 구동은 정전기[33] 및 전기열[34] 구동 같은 다른 구동 기술의 지침으로도 활용되었습니다. 이 기술에서 전류 I를 전달하는 도체가 외부 자기장 B에 놓이면, 식 (3)과 같이 로렌츠 힘 F_L이 유도됩니다[72].
$$\vec{F}_{L} = L\vec{I} \times \vec{B}$$ (3)
여기서 L은 도체 길이를 나타내며 ×는 외적 연산을 의미합니다. 자기장 내에 위치한 도전성 요소의 전류는 전류와 자기장에 수직인 방향으로 전자기 힘을 생성합니다. 이 힘은 전류, 자기 플럭스 밀도, 마이크로빔 길이에 정비례합니다. 자석과 자기장 사이의 전류 상호작용으로 인해 마이크로빔에 기계적 변위가 발생합니다. 예를 들어, 전자기 구동은 마이크로빔을 통해 전류를 흐르게 하여 외부 자기장에 노출될 때 마이크로빔을 자극하는 데 사용되었습니다(그림 7a). 마찬가지로 교류 전류가 마이크로빔의 소자를 통해 흐르면 이 접근법으로 평면 외 공진기를 자극할 수 있습니다(그림 7b). 코일이 마이크로빔 구조에 증착되면 크기가 같고 방향이 반대인 로렌츠 힘이 생성됩니다. 코일의 다른 부분을 흐르는 전류의 반대 방향이 이러한 힘에 대응합니다. 이러한 힘은 서로 상쇄됩니다. 그러나 그림 7c는 마이크로빔을 구동하는 데 사용되는 순운동을 유도할 수 있습니다[72].
전자기 기술은 다른 구동 기술에 비해 많은 장점을 가집니다. 주요 장점으로는 비선형 효과 없이 큰 변위[105], 전압이 아닌 전류 구동 기반이라 낮은 전압[7], 높은 재현율, 빠른 응답, 높은 정확도, 쉬운 제어 등이 있습니다. MEMS 응용에서 전자기 기술은 소자 크기 대비 최대 구동력을 달성하는 최적의 선택입니다[106]. 그러나 큰 전류 사용으로 인한 높은 전력 소모, 복잡한 제조(자기 플럭스 생성을 위한 인덕티브 부품 필요, 코일 제조 및 자기 소재 증착 가능성)[7] 등의 단점도 여전히 존재합니다. 이 사실과 구조적 어려움이 자기 구동 응용을 제한했습니다. 그러나 MEMS 스위치 소자[7], 광학 스위치, 마이크로 스캐너[69], 자이로스코프[107], 릴레이[108] 등에서 성공적인 응용 예가 문헌에 존재합니다. 많은 연구도 자기 구동 기반입니다[109]. 상용 0.35 μm CMOS 공정을 이용한 자기 마이크로센서가 조사되었습니다[110]. 또 다른 기여로, Barba 등[111]은 붕소 도핑 실리콘을 사용하여 기생 현상을 최소화하기 위한 전자기 구동 MEMS 캔틸레버를 설계했습니다. 또 다른 중요한 연구에서, 전자기 및 압전 구동과 압저항 감지 CMOS-MEMS 소자가 습도 감지용으로 모델링되었으며, ZnO NRs(6 μm/키토산 SAMs)를 센싱 소재로 사용했습니다[83]. 감도는 83.3 ppm으로 확인되었습니다[112].
압전 효과는 특정 소재가 가해진 기계적 응력에 반응하여 전기 전압을 생성하는 능력을 나타냅니다. 압전성은 1880년 퀴리 형제에 의해 발견되었으며, 'Piezo'는 '누르다' 또는 '밀다'를 의미하는 그리스어에서 유래했습니다. 압전 액추에이터는 압전 효과에 기반하여 인가된 전위를 기계적 움직임이나 변형률로 변환하는 트랜스듀서로 정의됩니다[72]. 석영, 산화 아연, 지르코네이트 티타네이트 연납(압전 세라믹 소재 PZT), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 같은 압전 소재는 매크로 스케일뿐만 아니라 최근 MEMS 응용에서도 센서와 액추에이터 용도로 흔히 사용되지만, DC 응답 부족으로 인해 센싱은 제한적입니다[49]. 압전 소재는 전기적으로 절연체 역할을 하며, 전하를 모으거나 전기장을 가하기 위해(맞물린 전극 또는 샌드위치 구조 사용) 두 도전성 전극 사이에 배치되어야 합니다[113].
MEMS 소자에서 압전 구동법의 기본 원리는 MEMS 빔의 일부로 박막 압전 층을 증착하여 유연한 구조 사이에 두는 것입니다(그림 8). 압전 층에 전압을 가하면 인가된 전압의 분극에 따라 압전 소재가 팽창하여 유연한 빔 길이를 따라 축방향 휨을 유발합니다[114].
일반적으로 압전 액추에이터는 높은 출력 힘, 좋은 동작 대역폭, 매우 컴팩트한 크기, 경량, 낮은 전력 소모, 빠른 응답 등의 많은 장점을 가집니다[114, 115]. 그 특성은 잘 알려져 있으며 수십 년간 사용되었습니다. 최초 센서 대부분은 압전 구동을 사용하며 오늘날에도 여전히 사용됩니다. 그러나 액추에이터의 작은 변위가 주요 단점이며, 높은 온도 민감도[72], 비선형 동작 영역, 히스테리시스가 광범위한 응용을 제한합니다[49]. 압전 소재는 매우 취성입니다. 단독으로 사용하기 어렵고 구동 및 센싱 응용을 위해 유연한 구조에 연결되는 경우가 많습니다. 압전 구동 기반 여러 연구[2, 48, 114, 116]가 환경 응용, 특히 습도 감지를 위한 압저항 마이크로캔틸레버의 전망을 연구했습니다. Mahdavi 등[117]은 ZnO NRs(6 μm/키토산 SAMs)를 사용한 박막 압전-온-실리콘(TPoS) 공진기를 활용한 새로운 종류의 정확한 이슬점 측정을 제안했습니다. 감도는 46 s/167 s 응답 시간 범위에서 16.9-83.3 ppm으로 확인되었습니다. 압전 자극 기반 질량 부하 감도가 화학 감지를 위해 조사되었습니다[118, 119]. 압전 변환을 이용한 굴곡 모드 실리콘 공진자의 효율적인 온도 보상이 보고되었습니다. 국방 응용을 위한 압전 MEMS 공진 가스 센서가 보고되었습니다[120].
서로 다른 유형의 MEMS 액추에이터는 서로 다른 구동 전자회로를 필요로 합니다. 본 논문에서 언급한 바와 같이 MEMS 소자를 구동하는 다양한 원리와 접근법이 있습니다. 가장 중요한 것들은 정전기 구동, 전기열 구동, 전자기 구동, 압전 구동입니다. 정전기 액추에이터는 전통적인 분야이며 MEMS 소자 구동에 가장 대중적인 메커니즘 중 하나로 간주됩니다. 단순한 설계, 빠른 응답 시간, 쉬운 제조, 낮은 전력 소모의 장점이 있습니다. 그러나 비선형성과 높은 구동 전압이 이 유형 액추에이터의 주요 문제입니다. 전기열 액추에이터는 구동 소스에 매우 낮은 저항을 제공하며, 높은 전압이 아닌 높은 전류를 필요로 합니다. 고전압 증폭기는 전기열 MEMS 액추에이터에 특히 적합하지 않습니다. 대신 저전압 고전류 신호 소스가 필요합니다. 물론 고전압 증폭기의 출력 전류가 전기열 액추에이터를 구동하기에 충분히 크다면 작동할 수 있지만, 특히 에너지 효율적이거나 비용 효율적인 솔루션은 아닙니다. MEMS 응용에서 전자기 기술은 소자 크기 대비 최대 구동력을 달성하는 최적의 선택입니다. 그러나 큰 전류 사용으로 인한 높은 전력 소모, 복잡한 제조(자기 플럭스 생성을 위한 인덕티브 부품 필요, 코일 제조 및 자기 소재 증착 가능성) 등의 단점이 여전히 존재합니다. 압전 액추에이터도 고전압 증폭기가 필요하지만, 일반적으로 공진용으로 사용되므로 다른 액추에이터에 비해 구동 전압 요구사항이 일반적으로 낮습니다. 지난 몇 년간 네 가지 기본 구동 기술을 사용하여 구동할 수 있는 MEMS 기반 센서 소자의 최근 연구가 표 2에 나와 있습니다. MEMS 기반 센서 소자의 마이크로 조립 및 마이크로조작 분야에서 구동 기술별로 분류된 상승 개발 패턴이 명확히 관찰됩니다. 오늘날 MEMS 기반 센서 소자의 고감도, 고분해능을 제공하는 다양한 응용이 확인되었습니다. 센싱 시스템은 통합 구성으로 인해 더 견고하고 신뢰성 있게 되고 있습니다.
센싱 메커니즘은 MEMS 소자의 출력을 감지하는 데 사용됩니다. 센싱 기술의 기본은 소자의 센싱 층에 증착된 폴리머가 특정 화학 물질을 흡수하여 빔의 응력, 질량, 전기적 또는 기계적 특성에 변화를 생성하는 것을 이용합니다. 질량 변화를 추정하기 위해 소자의 공진 주파수를 측정할 수 있으며, 이는 검출된 질량 증가량의 파라미터 중 하나입니다. 반면 폴리머가 질량을 흡수하면 센싱 엘리먼트 표면에 위치한 압저항을 사용하여 빔의 질량을 추정할 수 있습니다. 의심되는 화학 물질을 검출하는 또 다른 방법은 폴리머가 분석물을 흡수하며 생성하는 열로 인한 온도 변화를 열전대로 측정하는 것입니다[49].
이러한 MEMS 소자의 출력을 감지하기 위해 압저항, 정전용량, 광학 메커니즘 같은 방법이 사용됩니다(그림 9)[123]. 서로 다른 센싱 메커니즘은 동시에 각각의 장단점을 가집니다.
예를 들어, 광학 감지는 좋은 실행 가능성을 가지지만, 정전용량 및 압저항 기술에 비해 구현 비용이 매우 비쌉니다[124]. 정전용량 및 압저항 기술은 출력 신호 감지에 일반적으로 사용되는 방법입니다. CMOS-MEMS 소자는 0.35 µm CMOS 기술의 특징으로 인해 압저항 및 정전용량 감지 기술을 모두 포함하도록 설계되었습니다. 반면 PolyMUMPs와 MetalMUMPs 소자는 정전용량 감지 기술만 사용하도록 설계되었습니다.
압저항은 MEMS 소자에서 일반적으로 사용되는 센싱 원리입니다. 본질적으로 압저항 소재의 원리는 가해진 응력에 반응하여 변형률이 변할 때 저항이 변하는 것에 기반합니다. 이 변화는 표면 응력 변화로 인한 휨의 결과로 소자 소재의 전기 저항 변화로 관찰될 수 있습니다. 저항률 ρ, 길이 l, 단면적 A를 가진 압저항의 저항값은 식 (4)로 주어집니다[29].
$$R = \frac{\rho l}{A}$$ (4)
저항 변화 ΔR은 가해진 변형률에 비례하며 식 (5)로 정의됩니다[29, 125].
$$\Delta R = G\varepsilon R$$ (5)
여기서 G는 압저항의 비례 상수로 작용하는 게이지 팩터, ε은 소재의 변형률, R은 압저항 저항입니다. 압저항 엘리먼트는 종방향 및 횡방향 변형률 성분에 다르게 반응합니다[29]. 식 (5)에 따르면, 압저항의 저항은 형상(길이 및 단면적) 변화나 소재 물성(저항률) 변화로 인해 변할 수 있습니다. 압저항 검출은 응력 가해 시 소재 저항률 차이에 의존합니다. 압저항 소재에서 응력 가해로 인한 저항률 변화는 형상 변화로 인한 저항률 변화보다 저항에 훨씬 더 큰 영향을 미칩니다(형상 변화에 의존하는 저항 변화를 이용하는 센서를 소위 스트레인 게이지라 함)[72]. (그림 10)은 다양한 저항기 방향과 외부 힘 하중 방향을 보여줍니다[88].
이 센싱 메커니즘의 주요 단점은 저항률의 강한 온도 의존성입니다. 이 영향을 제한하기 위해 일반적으로 4개의 압저항을 모아 휘트스톤 브리지를 형성합니다. 이는 온도 의존성을 제한합니다[72]. 또한 게이지에서 생성된 미세한 전기 신호 변화는 이 휘트스톤 브리지를 사용하여 전압으로 변환되고 측정됩니다[49]. 휘트스톤 브리지는 4개 팔을 가진 브리지에 4개 저항을 배열합니다(그림 11). 이 능동 저항(트랜스듀서 역할)의 수량에 따라 단일 능동 브리지(단일 트랜스듀서), 반 능동 브리지(이중 트랜스듀서), 완전 능동 브리지(사중 트랜스듀서)가 사용될 수 있습니다[72]. 단일 능동 브리지는 쿼터 브리지라고도 하며, 압력, 힘, 온도 등 물리적 환경으로 인해 변화하는 단일 능동 구성요소만 사용하는 반면 나머지는 수동입니다. MEMS 시스템은 온도, 열량계, 휘트스톤 브리지와 결합하여 베이스 변동을 허용하는 센서로 사용되었습니다. 열 브리지 시스템은 MEMS 중 가장 잘 알려진 센싱 플랫폼 중 하나입니다. AC 구동 휘트스톤 브리지 구성(그림 11b)에서 연구자들은 저항 기반 온도계를 사용하여 마이크로켈빈 분해능으로 온도 변화를 분석했습니다. 개요에서 브리지의 오른쪽 절반은 하부 가지에 센싱 저항과 상부에 연관된 저항을 포함하며, 왼쪽은 매칭된 것으로 정의됩니다. 이전 연구[126]를 기반으로 안정성과 분해능을 향상시키기 위해 선택된 저항값을 가진 상대적으로 낮은 온도 계수를 가진 고정 저항이 사용됩니다.
실리콘 압저항과 폴리실리콘 패치가 일반적으로 MEMS 센서에 사용됩니다. 실리콘의 저항률은 도핑 방식에 의존합니다. N형 도핑 실리콘은 P형보다 덜 민감합니다. 이는 제조에 제한을 가합니다. 이 상황에서 평면 내 횡방향과 평면 내 종방향이 가장 중요한 요소가 됩니다[72]. 실리콘 같은 반도체 소재의 경우, 형상 변화로 인한 종방향 및 횡방향 게이지 팩터는 저항률 변화로 인한 값에 비해 매우 작으므로, 형상 변화는 무시할 수 있고, 저항률 변화만으로 인한 종방향 및 횡방향 게이지 팩터는 식 (6)과 (7)로 구할 수 있습니다[127].
$$G_{L} = \pi_{L} E$$ (6)
$$G_{T} = \pi_{T} E$$ (7)
여기서 E는 압저항 소재의 영률입니다. π_L과 π_T는 임의 방향의 폴리실리콘 입자에 대한 종방향 및 횡방향 압저항 계수이며, 그 값은 표 3에 나와 있습니다[19].
현재 압저항 효과는 생체/화학 검출[48], 습도 감지[4], 스위치 응용[59], 호기 내 바이오마커 검출[82], 마이크로 스캐너[69], 압력 감지[128], 질량 감지 가스 센서[63]에 활용되었습니다. Zope 등[117]은 질량 감지 응용을 위해 주로 CMOS 소재로 구성된 저항 감지 열 구동 압전 공진기를 개발했습니다. 질량 감도 24.96 kHz/ng가 보고되었으며, 16.3 fg의 추출된 질량 분해능도 관찰되어 에어로졸 센서로 활용될 큰 잠재력을 보였습니다.
정전용량 센싱 메커니즘은 고정자(스테이터)와 회전자(로터) 핑거 사이 또는 고정판과 가동판 사이의 정전용량 변화를 측정하는 데 기반합니다[88]. 정전용량 센싱은 모든 제조 접근법 및 강성과의 호환성으로 인해 미세가공 응용에서 주요 지배적 방법입니다[129, 130]. 정전용량 센싱은 높은 감도, 낮은 전력 소모, 설계 단순성, 낮은 드리프트, 낮은 온도 의존성 등 많은 매력적 특징을 가집니다. 또한 출력 신호 측정은 정전용량 센싱을 사용하여 PolyMUMPs 다이 상에 쉽게 제조될 수 있습니다. 단일 평행판만으로 MEMS 소자(예: CMOS-MEMS 소자, PolyMUMPs 소자)의 고유 주파수 또는 진폭 변화, 또는 빗 핑거 적용(예: MetalMUMPs 소자)을 통해 정전용량적으로 감지할 수 있습니다.
CMOS-MEMS 소자와 PolyMUMPs 소자의 경우, 구동이 없을 때(그림 12a), 하부 고정판과 가동 상부 판 사이의 초기 정적 감지 정전용량(C_s0)은 식 (8)로 계산됩니다[19].
$$C_{s0} = \frac{{\varepsilon A_{s}}}{{z_{0}}}$$ (8)
여기서 ε은 유전체의 상대 유전율, A_s는 감지 판의 면적, z_0는 고정판과 가동판 사이의 간격입니다. 가동판이 z만큼 변위되면(그림 12b) 초기 간격이 변하므로 정전용량도 변하며, 식 (9)로 구할 수 있습니다.
$$C_{s}(z) = \frac{{\varepsilon A_{s}}}{{z_{0} - z}} = C_{s0} \frac{{z_{0}}}{{z_{0} - z}}$$ (9)
동시에 MetalMUMPs 소자의 경우, 차동 빗 핑거 설계를 활용하여 출력을 정전용량적으로 검출할 수 있습니다. 그림 13과 같이 차동 정전용량을 갖기 위해 두 세트의 고정 빗 핑거가 있습니다.
초기 상태에서 소자가 구동되지 않을 때(그림 13a), 진동-고정 핑거 각 세트에 대한 정적 검출 정전용량 C_0는 식 (10)으로 계산됩니다.
$$C_{0} = n\frac{{\varepsilon l_{f} w_{f}}}{d}$$ (10)
여기서 l_f와 w_f는 진동 및 고정 빗 핑거 중첩 영역의 길이와 너비입니다. d는 고정 및 진동 빗 핑거 사이의 간격, n은 진동 빗 핑거의 수입니다. 소자가 고정 빗 핑거 하나를 향해 y만큼 이동하면(그림 13b), 정전용량 C_1과 C_2가 변하며, 그 값은 식 (11)과 (12)로 계산됩니다.
$$C_{1}(x) = n\frac{{\varepsilon l_{f} w}}{d - y}$$ (11)
$$C_{2}(x) = n\frac{{\varepsilon l_{f} w}}{d + y}$$ (12)
소자의 출력 신호는 구동 시 감지 정전용량 변화로 인한 전압 변화로 측정되며, MS3110 정전용량 판독 회로가 마이크로히터 온도에 반응하여 정전용량 변화를 출력 전압 변화로 변환합니다. 오늘날 정전용량 효과는 MEMS 공진기[60], 바이오센서 응용[56], 습도 센서[57], 당뇨병 선별[66], 내비게이션(자동차 GPS)[62], 저잡음 가속도계[131], RF MEMS 정전용량 스위치[132]에 사용됩니다.
광학 센싱 메커니즘은 수광된 빛에 비해 투과된 빛의 변화를 검출하는 데 의존합니다. 분광 투과 전략에 의한 화합물 종 검출은 널리 인정받습니다. 광학 센서는 화학 반응이나 화학 촉매 활동에 의존하지 않기 때문에 선택성으로 유명합니다. 대기 오염 물질 식별은 광학 종의 특성(흡수, 굴절률, 라만 산란, 형광, 반사 등)을 사용하여 인식됩니다. 광학 센서는 주로 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR), 표면 플라즈마 공명(SPR), 미분 광학 흡수 분광법(DOAS), 레이저 다이오드 흡수 분광법(LDAS), 공동 링다운 분광법(CRDS), 비분산 적외선(NDIR) 분광법, 라이다(LIDAR), 자외선 형광, 화학발광 등 다양한 기술을 통해 방출 및 흡수 측정을 이용합니다. 일반적으로 빛은 관련 매질을 가진 공간을 통과하거나 수정되거나 반사됩니다(그림 14). 베어-램버트 법칙은 대기 오염 물질의 광학 검출을 다음과 같이 지배할 수 있습니다:
$$I = I_{0} *e^{ - \alpha l}$$ (13)
여기서 시료를 투과한 빛은 I, 입사광은 I_0, α는 흡광 계수, l은 경로 길이입니다.
그러나 광학 MEMS의 대부분 응용은 통신 분야에 있습니다; 다양한 분야에서 다양한 용도가 있습니다[134]. 문헌에는 대기 오염 물질의 광학 검출을 도입하려는 수많은 시도가 다루어졌습니다. 이들 센서 중 일부는 화학 물질을 인식하는 데 사용됩니다. 이는 이들 센서의 다기능적 역할을 보여줍니다. 적외선 분광법은 광학 감지에 활용될 수 있는 기술의 예입니다[135]. 또 다른 주목할 만한 기여로, Huang과 동료들은 통합 광학 MEMS 가속도계 시뮬레이션을 시연했습니다[136]. 효과적인 시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다: 공진 주파수 562.85 Hz, 기계적 감도 781.64 nm/g, 광학 시스템 감도 1.23, 분해능 1.037 µg, 낮은 교차 감도. 제안된 가속도계는 MEMS 관성 내비게이션 소자 개선에 사용될 수 있습니다. 또 다른 모델은 파브리-페로 광학 센서[137]입니다. 기본적으로 이 센서의 원리는 가스를 챔버에 넣고 잠시 후 빛을 챔버를 통과시키는 것입니다. 물질 조성 변화로 인해 빛의 통과가 가스 없이 통과할 때와 정확히 동일하지 않습니다. 이 빛이 분석되고, 결과로부터 테스트 중인 가스 종류에 대한 확인이 가능합니다. 카테콜 검출을 위한 광학 MEMS 센서의 성공적인 테스트가 보고되었습니다[133]. 카테콜 산화 흡광도 측정은 MEMS 소자를 통해 부착된 청색광(472 nm)으로 수행되었습니다. 빛은 연속파 모드에서 작동하는 자유공간 청색 레이저에서 전송되어 수동으로 정렬된 멀티모드 파이버에 초점 맞춰졌습니다. 수광된 빛은 광파이버를 통해 USB 연결 분광광도계로 결합되어 소프트웨어를 이용한 자동 데이터 수집을 지원했습니다.
서로 다른 작동 원리에 기반하여 위에서 언급한 센싱 메커니즘은 압저항, 정전용량, 광학 메커니즘 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 서로 다른 센싱 메커니즘은 동시에 장단점을 가집니다. 예를 들어, 광학 감지는 좋은 실행 가능성을 가지지만, 정전용량 및 압저항 기술에 비해 구현 비용이 매우 비쌉니다. 결과적으로 압저항 및 정전용량 기술이 출력 신호 감지에 일반적으로 사용되는 방법입니다. 압저항 기술을 사용하면 응력의 미세한 변화도 검출할 수 있습니다. 압저항 센싱 기술의 주요 단점은 저항률의 높은 온도 의존성입니다. 표 3에는 최근 5년간의 최근 연구 및 진전(구동 및 센싱 메커니즘, 센싱 소재, 제조 기술, 응용 포함)이 제시되어 있습니다. 소형화된 마이크로칩(표 4)은 가스 및 습도 감지, 인체 건강 선별, 관성 내비게이션에 좋은 반복성, 고분해능, 고감도, 빠른 응답으로 활용될 수 있습니다. 또한 MEMS 센서는 온칩 전자 회로와 결합된 센서의 효과적인 매체임이 입증되었습니다. 따라서 휴대용 센서 칩으로 기능할 뿐만 아니라 사물인터넷(IoT) 네트워크의 일부로 연결되어 실시간 원격 고감도 습도 추적을 달성할 수 있습니다.
최근 개발은 환경에서 에너지를 수확하는 새로운 기술에 관한 것으로, 지속 가능한 자급자족 마이크로/나노 전원 소스는 나노소재와 나노기술을 포함하여 마이크로/나노 시스템 구동용 에너지 수확 분야인 나노에너지의 신흥 분야입니다[139]. 마찰 대전은 두 별개 물질 간의 물리적 마찰에 의존하여 표면에서만 생성됩니다. 마찰전기 나노발전기(TENG)는 반대 극성을 가진 두 물질 간의 접촉 분리 또는 상대적 슬라이딩에서 마찰전기와 정전 유도의 결합 효과를 기반으로 기계 에너지를 변환하는 소자로, 새로운 에너지 기술이자 자가 구동 액티브 센서로서의 진전과 잠재적 응용이 업데이트되었습니다. 제안된 접근법은 인간 활동으로부터 생체역학적 에너지를 전기로 변환하는 것을 사용합니다[139, 140]. 그중 휴대용 생체 인식 장치와 마찰전기 기반 자가 구동 센서(즉, 접촉 표면에서 생성된 전하)에서 착용형 에너지로의 변환에 대한 성공적인 연구가 조사되었습니다[141-144].
동작 중 전력 소모를 줄이기 위해, 깨어나거나 거의 제로 전력 보충이 필요한 센서가 제안되고 조사되어야 합니다. 즉, 이 센서들은 에너지 소모가 없습니다. 이러한 MEMS 구성요소로 MEMS 센서는 오랜 기간 작동하거나 자가 구동 방식으로 동작할 수 있습니다.
미래 지향적 센서를 내다보면, 최근 몇 년간 다용도성과 건강/인간 응용 분야에서의 큰 전망으로 인해 유연한 센서가 뜨거운 연구 주제가 되었습니다. 유연한 센서는 종종 착용형 센서와 결합하여 독특한 장점을 가집니다. 유연한 센서를 착용형 전자제품으로 관찰 기능에만 활용하는 것이 아니라, 더 높은 요구사항을 달성하기 위한 인간-기계 인터페이스로도 활용할 수 있습니다. 인간 삶의 질 향상으로 착용형 장치와 인간-기계 인터페이스는 충분한 유연성과 다재다능한 센싱 능력을 가진 미래 센서 개발의 중요한 방향으로 인식되었습니다. 착용형 전자 장치는 인체에 간단히 통합되어 우리의 지각 능력을 확장할 수 있습니다. 착용형 전자 장치의 센서 기능에는 힘, 변형률, 전기생리학, 심박수 모니터, 온도, 피트니스 트래커 등이 포함되나 이에 국한되지 않습니다. 다양한 해부학적 위치에서 다양한 장치의 서비스로, 인체 센서의 많은 응용이 병원 치료부터 피트니스 및 웰니스 추적, 인간-기계 인터페이스, 인지 상태 인식 및 평가까지 개발될 수 있습니다.
동시에 MEMS 센서를 인공지능(AI)과 결합하면, 차세대 센서는 명확한 진화적 영향을 제공하고 인간이 다양한 응용 상황에서 다른 것들과 상호작용하는 것을 도울 것입니다. 게다가 현대 사회의 급속한 발전은 인간과 기계 간의 확대되는 연계를 목격했으며, 거대한 지능형 인간-기계 장치를 요구합니다. 방대한 데이터와 초민감 검출 측면에서, 머신러닝 전략을 활용하는 MEMS 센서는 차세대 스마트 센싱 시스템의 확장을 극적으로 자극합니다. 이 상호작용 시스템과 차세대 센서는 소비자에게 더 포괄적인 경험을 제공합니다. 스포츠 훈련 시뮬레이션, 엔터테인먼트, 의료 재활 등 많은 실용적 응용에 사용될 수 있습니다.
MEMS 기반 센서가 소형화 및 전자 마이크로회로 분야에서 핵심적 역할을 한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이러한 메커니즘을 이해하고 비교하는 것은 MEMS 기반 소자의 동작과 출력 신호 검출의 기초이므로 필요합니다. 본 논문은 지난 몇 십 년간 등장한 MEMS 소자와 관련된 여러 대중적인 구동 및 센싱 메커니즘을 검토합니다. 본 논문은 MEMS 기반 센서 소자의 구동 및 센싱 메커니즘 발전에 대한 설명적 개요를 소개합니다. 최신 트렌드와 제한사항을 제시하면서 신흥 구동 및 센싱 기술 분야에 대한 가치 있는 통찰을 제공합니다. 구동 및 센싱 메커니즘의 중요성, 구조, 작동 원리, 분류, 제조, 응용을 강조하는 포괄적인 논의가 제시되었습니다. MEMS 기반 센서 소자의 구동 및 센싱 메커니즘을 제대로 이해하는 것은 다양한 혁신 기술에서 그들의 선택과 효과적 응용에 중요한 역할을 합니다. 또한 원하는 응용(감도, 공진 주파수, 입출력 전압, 온도 등)에 기반한 MEMS 센서의 구동 및 센싱 기술 적절한 선택은 빠른 상용화와 더 나은 제품 안정성으로 이어질 것입니다.
산업 및 전자 장비 등 다양한 응용을 위한 여러 작업을 수행하기 위해, 다양한 구조의 서로 다른 MEMS 소자가 다양한 구동 및 센싱 메커니즘과 협력하여 실제 삶에서 등장할 것입니다. 게다가 MEMS 소자는 단순한 작업뿐만 아니라 더 복잡한 작업에도 사용될 것입니다. 동시에 MEMS 소자는 더 큰 자유도를 가지며 다양한 응용의 요구를 충족할 수 있습니다. 그러나 더 높은 정확도와 소형화를 추구함에 따라 MEMS 소자 설계의 복잡성은 계속 증가할 것입니다. 또한 MEMS 제품은 시장과 밀접한 관계가 있습니다. MEMS 소자가 더 많은 기능, 소형화, 저비용을 실현할 것으로 예측되며, 이는 다른 제품에 큰 도전이 됩니다. 따라서 향후 몇 년간 MEMS 제조 접근법은 시장 수요를 충족하기 위해 더 높은 수준으로 발전할 것입니다. MEMS 소자 제조 공정의 발전에 따라, 독특한 하드웨어 제조업체들은 더 짧은 제조 주기와 더 빠른 제조 속도를 추구할 것입니다.
이 분야의 미래 트렌드 중심 영역 중 하나는 신뢰성 연구와 개선 방법입니다. 또한 새로운 소재와 비용 효율적인 제조 기술은 개발을 위한 중요한 기회를 제공할 것입니다. 설계 능력이 표준 원리에 국한되지 않고 정성적 성능을 개선할 수 있음이 입증되었습니다. MEMS 장점에도 불구하고, 다음과 같은 몇 가지 과제가 여전히 존재합니다.
MEMS 기술로 제작된 기존 MOS 박막은 밀집된 표면 구조와 낮은 결정성으로 인해 표적 가스에 대한 감도가 종종 낮습니다.
최근 연구에서는 고성능 MOS 나노소재를 마이크로히터에 통합하려 시도했습니다. 여전히 슬러리 기반 MOS 나노소재를 마이크로히터의 현탁 가열 영역에 제어하고 주입하기 어렵습니다. 그러나 낮은 수율과 큰 소자 간 편차는 대규모 센서 제조를 방해합니다.
마이크로히터와 센싱 소재 간의 접착력을 개선하여 안정적인 파라미터를 얻는 것도 복잡합니다. 특히 350°C 이상의 고온에서 감지 성능 저하와 낮은 안정성이 발생합니다[14, 145].
MEMS 호환 방법을 사용한 고감도 감지막 제조는 시급한 목표입니다.
새로운 시대를 향해, MEMS 기반 센서는 동작 중 전원 공급과 지능 측면에서 다양한 도전에 직면할 수 있습니다. 착용형 응용의 유연성, 인간-기계 인터페이스 응용의 친화적 상호작용 능력, 방대한 데이터 분석 등의 도전이 있습니다.
해당 없음.
나노물질
진동 센서는 중장비의 진동 측정에 사용되는 압전 소자입니다. 이 장치는 진동 분석을 돕는 감지 요소를 가집니다. 또한, 일상 작업에서 항상 접할 수 있는 장치입니다. 이 글에서는 무선 진동 센서, 유형, 용도, 연결 방법을 다룹니다. 또한, 필요에 맞는 적합한 진동 센서를 찾고 배우는 데 도움을 드립니다! 1. 진동 센서란? 진동 센서의 다른 이름은 압전 진동 센서입니다. 주목할 점은 센서가 시스템의 압력, 가속도, 진동 변화를 측정하여 작동한다는 것입니다. 진동 센서 모듈의 도움으로 이 무선 센서들은 라즈베리 파이나 아두이노와
EMG 센서란? 왜 중요한가? EMG 제어 의수 프로토타입 EMG(Electromyography, 근전도)는 근육 수축 시 발생하는 미세 전기 신호(µV~mV 수준)를 검출·증폭·디지털화하는 기술입니다. 의료 진단(신경근 질환), 재활 보조기구(의수, 외골격), 인간-기계 인터페이스(HMI), 로봇 제어, 게임/VR 입력 장치 등 활용 폭이 급속히 넓어지고 있습니다. 고가 상용 모듈(MyoWare 등) 외에 저가 그로브/아두이노 호환 모듈로도 입문 가능합니다. EMG 센서의 작동 원리 운동 뉴런이 근섬유에 활동전위(Acti
