MEMS 장치란?

MEMS(Microelectromechanical System)는 전자 장치와 기계 장치가 혼합된 마이크로미터 크기의 시스템입니다. MEMS 장치에서는 전기 신호가 장치에 입력되면 기계 응답이 출력되며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다(기계 입력은 전기 출력). 그러나 MEMS는 기계 구조가 물리적으로 움직이지 않더라도 항상 기계 기능이 있어야 합니다. 이러한 이유로 첨단 전자 장치를 포함하고 있음에도 불구하고 기계 시스템이라고 하는 경우가 많습니다.

MEMS에는 액추에이터, 마이크로센서, 캔틸레버, 마이크로미러, 멤브레인, 소형 채널, 스위치, 캐비티 및 MEMS의 "두뇌" 및 제어 센터 역할을 하는 마이크로 전자 집적 회로(IC)를 포함한 많은 소형화된 전자 요소와 기계 구조가 포함되어 있습니다. 일반적으로 실리콘 기판을 사용하여 IC를 형성하고 다른 마이크로시스템 구성 요소를 위에 추가합니다.

MEMS 기술은 개발된 지 수년이 지났으며 현대 기술이 계속 소형화됨에 따라 전자 장치의 미래로 점쳐지고 있습니다. MEMS 제조 방식이 표면 미세 가공, 포토리소그래피, 건식 에칭 등 현재 사용되는 기존의 반도체 마이크로 제조 기법을 기반으로 하기 때문입니다.

MEMS는 현재는 널리 보급된 기술이지만 상업적으로 많이 사용되기 시작한 시점은 2006년에 Nintendo에서 Wii 리모컨에 MEMS 기반 가속도계를 사용한 이후였습니다. 그 이후로 MEMS 장치의 인기와 사용은 많은 응용 분야 및 산업 분야에 걸쳐 확장되었습니다. 이러한 확장과 시장 침투로 인해 다양한 전기적, 기계적 속성을 가진 많은 소형 부품과 구성 요소를 통합하고 결합하여 고성능의 고유한 미크론 크기의 시스템을 구축할 수 있게 되면서 현재는 다양한 유형의 MEMS 장치가 있습니다.

많은 MEMS 장치는 감지, 작동 또는 공진 기능에 사용되며, 전력 소비는 낮으면서 정확도는 높은 작고 가벼운 장치를 제작하는 데 필요한 첨단 반도체 제조 기법을 활용합니다. 

많은 MEMS 장치가 센서 및 액추에이터 애플리케이션에 속합니다. 두 애플리케이션의 주요 차이점은 센서는 비전기 신호(예: 기계 신호)를 전기 출력으로 변환하는 반면, 액추에이터는 전기 신호를 받아 기계 운동으로 변환한다는 것입니다.

실리콘 웨이퍼에 많은 MEMS 구성 요소를 장착할 수 있으며, 이제 엔지니어는 미크론 크기의 장치를 이용하여 센서를 다른 전자 신호 조절 전자 장치와 함께 배치함으로써 단순한 "MEMS 센서"가 아닌 변환기에 더 가까운 시스템을 구축할 수 있습니다.

MEMS 장치는 일반적으로 정전 용량식, 자이로스코프, 압전 및 레이저 기반 MEMS라는 네 가지 주요 범주로 나뉩니다. MEMS 장치는 이러한 범주 중 하나 이상에 속하는 경우가 많기 때문에 장치를 단일 범주로 분류하기는 어렵습니다. 주요 범주를 정리하면 다음과 같습니다.

1. 정전 용량식(Capacitive): 정전 용량식 MEMS는 전도 애플리케이션에 사용되며 MEMS 내부의 요소는 커패시턴스의 변화를 감지합니다. 
2. 자이로스코프(Gyroscopic): 자이로스코프 MEMS는 개체에 가해지는 관성력을 기준과 비교하여 시스템의 각률을 측정합니다. 
3. 압전(Piezoelectric): 이러한 MEMS는 장치가 기계 변형을 겪을 때 압전 효과(재료 격자의 전하 재분배)를 사용하여 전류를 생성합니다. 
4. 레이저 기반(Laser-based): 레이저 기반 MEMS는 출력 파장을 전자기 스펙트럼의 원하는 크기/영역으로 변화시켜 레이저를 조정하는 데 사용됩니다. 음향광학 필터에서 광학 통신 및 자동차 조명에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 다양한 유형의 레이저를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.

많은 MEMS 센서는 기계 응답이 전기 출력으로 변환되는 IMU(Inertial Measurement Unit) 범주에 속합니다. IMU에는 에어백 전개, 가상 현실 헤드셋, 드론 내비게이션 및 매핑 시스템에 사용되는 자이로스코프와 비디오 게임 콘솔, 카메라 및 항공기 자세 제어 시스템 애플리케이션을 위한 가속도계가 포함됩니다.

일반적인 액추에이터로는 DLP(Digital Light Processing) 칩, 스피커, 마이크로펌프, 로터리 마이크로모터, 정밀 핀셋, 프린터, 마이크로기어, 마이크로밸브, 마이크로미러 및 스위치가 있습니다. 스위치는 핵심 액추에이터 영역이며 초소형 스위치의 설계를 최적화하려면 "풀인(pull-in)" 전압 및 풀인 전압과 릴리스 전압 사이의 히스테리시스(hysteresis )를 이해해야 합니다.

또 다른 MEMS 기반 센서는 촉각(haptic) 센서입니다. 촉각 센서에는 누르거나 자기 효과 및 전기 활성 유체를 사용할 경우 표면에 닿으면서 전기 신호를 보내는 전기 활성 테이프가 포함되어 있습니다. 응용 분야로는 터치스크린 및 지문 센서 등이 있습니다. 다른 MEMS 센서로는 가스 센서와 변형 센서가 있습니다.

또 다른 핵심 장치 아키텍처로 MEMS 발진기(oscillator)가 있습니다. MEMS 발진기에는 아날로그 드라이버를 사용하여 압전 가진을 생성하는 공진기가 포함되어 있습니다. MEMS 발진기는 1헤르츠(Hz)부터 수백 메가헤르츠(MHz)까지 안정적인 주파수를 생성합니다.

또 다른 기본 MEMS 장치로 RF(무선 주파수) 필터가 있으며, 현재 MEMS 기술의 가장 큰 시장 중 하나입니다. 이 경우 기계 출력은 광대역, 협대역, 저역 및 고역 필터링을 포함한 많은 필터링 기능을 수행할 수 있는 저렴한 소형 필터를 만듭니다. RF 필터 공간에서 MEMS를 사용하여 SAW(Surface Acoustic Wave)와 BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터를 모두 구축할 수 있습니다.

MEMS 장치의 종류는 매우 다양하기 때문에 오늘날 MEMS는 자동차, 항공 우주, 방위 및 의료 등 많은 응용 분야와 산업에 영향을 미치고 있습니다. 예를 들어 MEMS 센서는 다양한 산업에서 음향, 유체 유동, 온도, 압력, 반도체 제조 기계의 진공 수준, 관성 효과, 자기장, 화학 물질 및 방사를 포함한 광범위한 자극을 감지하는 데 사용됩니다.

MEMS 센서 장치의 몇 가지 일반적인 예로는 적외선 감지기, 자력계, 온도 센서 및 압력 센서가 있습니다. MEMS 가속도계, 자이로스코프 및 기타 관성 센서는 모든 것이 빠른 속도로 움직이고 감지 작업에 최고의 정밀도가 필요한 항공 우주 분야에서 널리 사용됩니다.

MEMS는 또한 소형 에너지 하베스팅 분야에서 bioMEMS로 알려진 하위 영역의 의료 및 건강 모니터링 웨어러블 기기 및 IMD(이식형 의료 기기)를 구동하거나 기타 소형 휴대용 전자 장치를 구동하는 데 사용될 수 있습니다. 휴대용 및 가전제품 분야에서는 스마트폰에 장착된 터치스크린 디스플레이의 RF 필터와 촉각 센서로 사용됩니다. 다른 RF 필터(SAW 또는 BAW)는 현재 Wi-Fi, Bluetooth 및 LTE(Long-Term Evolution) 애플리케이션에서 사용됩니다.

MEMS는 기존의 응용 분야 외에도 자율 주행 자동차에 사용되는 센서, 에어백 전개 및 자동화 애플리케이션, 고해상도 프로젝터용 마이크로미러 어레이, 잉크젯 프린터 헤드, 마이크로 열 교환기, 저손실 통신을 위한 광학 스위치 및 포토닉 장치, 미세유체 장치 등 많은 전문 분야에 존재합니다.

MEMS 설계 및 제조 공정에는 수많은 과제가 있을 수 있습니다. MEMS는 작고 민감하기 때문에 잘못된 신호를 유발할 수 있는 운동이나 충격에 취약하기 때문입니다. 또한 열 및 오프 액세스(off-access) 보상도 장치에 추가하고 고려해야 합니다. MEMS 설계에서 해결해야 할 과제는 MEMS는 작고 형상이 복잡하지만, 기계 부품의 움직임이 훨씬 작다는 것입니다. 따라서 MEMS의 구조적 측면과 운영적 측면을 모두 살펴보고 제조 공정 내에 존재하는 자연스러운 변동성에 대처할 수 있을 만큼 설계가 견고한지 확인하기 위해 고급 시뮬레이션 기능이 필요합니다.

MEMS 장치의 모든 것은 에너지 손실의 척도인 품질 계수와 민감도에 좌우됩니다. 그러나 MEMS 장치는 주파수가 매우 높을 수 있다는 점을 고려해야 합니다. 관성 센서의 경우 수백 킬로헤르츠(KHz)부터 Mhz까지 달하며, RF 필터의 경우 기가헤르츠(GHz) 영역에 있습니다. 필터는 계단 함수이므로 예측된 결합 변위 및 전압장의 정확도가 중요하며, 정확도의 기울기는 0에서 무한대로 가는 필터 곡선입니다. 효과적인 필터가 되기 위해서는 가파른 응답이 필요하므로 곡선 선명도와 온도 변화에 대한 민감도를 정확하게 평가하기 위해 매우 정밀한 툴이 필요합니다.

많은 MEMS 장치의 경우 기계 구성 요소에 사용되는 크기와 재료를 설계하고 최적화하는 것이 설계 공정의 가장 중요한 측면 중 하나입니다. 입력을 살펴보고 장치의 두 지점 사이에서 신호가 이동하는 방식과 결과 출력을 확인하면 최적의 구조를 설계할 수 있습니다. 주어진 입력에 대한 출력 결과가 올바르지 않다면, 설계 공간이 최적화되지 않은 것입니다. 고급 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 이러한 모든 측면을 분석하고 해결하여 고성능 MEMS 장치를 설계할 수 있습니다.

시뮬레이션 툴은 복잡한 설계를 구축할 수 있어야 하며 높은 정확도를 요구합니다. Ansys의 툴은 피코미터 수준의 해상도를 가지고 있으므로 MEMS에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 더 작은 나노 기술 시스템인 NEMS(Nanoelectromechanical System)에도 사용할 수 있습니다. 결국 NEM 시뮬레이션은 설계를 소형으로 축소하는 것과 같으며, 피코미터 해상도는 이러한 기능을 제공합니다.

Ansys는 MEMS의 성능을 설계하고 시뮬레이션하기 위해 Discovery 및 Mechanical이라는 두 가지 소프트웨어 패키지를 사용합니다. Ansys Discovery는 전처리에 사용되고 Ansys Mechanical은 시뮬레이션 자체에 사용됩니다. Discovery는 에칭 프로세스를 조사하고 제조 중에 측정될 수 있는 중요한 치수에 결부시키는 등 MEMS의 다양한 형상 및 프로세스 유도 변형을 계획하는 데 사용할 수 있습니다. Discovery 패키지는 Mechanical의 시뮬레이션 전에 형상의 다양한 변형을 대부분 전처리할 수 있으므로 웨이퍼 스케일 시뮬레이션에서 이러한 형상 및 기타 피쳐의 크기를 조정할 수 있습니다. 보다 상세하고 고유한 형상 변형을 위해 Mechanical에서 다양한 자동 접근 방식을 사용하여 형상을 나타내는 노드를 이동할 수 있습니다.

피코미터 해상도를 지원하는 전용 전처리 및 웨이퍼 수준 시뮬레이션 방법을 사용하면 설계 공정의 속도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 설계가 정확하고 의도한 응용 분야에 대해 고성능의 MEMS 장치를 제공하는 데 필요한 사양을 갖추도록 보장할 수 있습니다. Ansys의 시뮬레이션 툴로 MEMS 장치의 설계 공정을 개선하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 지금 당사 기술 팀에 문의하십시오.

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