Fabrication of polymeric resonators via maskless lithography and application for environmental sensing
- 주제(키워드) Dry-State Sacrificial Process , Dynamic Mask Lithography , Hydrogel , Humidity Sensing , Pressure Sensing
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이정철
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2018. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000063597
- UCI I804:11029-000000063597
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
재료의 강성과 안정적인 구동이라는 측면에서 실리콘 기반의 기계공진기는 미소기계전자 시스템의 주요 소재로 각광 받고있다. 이와 같은 실리콘 소재는 특히 특정 주파수 대역에서의 진동 특성을 이용해 가속도계, 질량 센서, 그리고 주사 현미경 탐침과 같은 분야에 폭넓게 사용되어왔다. 단결정의 실리콘은 높은 품질 계수를 가지기 때문에 센서의 정밀도가 우수하다는 장점이 있다. 하지만 각종 유기물에 대해 낮은 반응성을 갖는 실리콘의 한계 때문에 센서의 민감도를 향상시키기 위한 연구들이 지속되어왔다. 본 연구에서는 동적 마스크 및 건식 상태의 희생 공정을 통해 자외선 노광을 통한 고분자 공진구조물을 제조하는 새로운 방법을 제안한다. 다양한 하이드로겔 고분자 구조는 PMMA-PDMS 복합 기판 위에 공간적으로 변조된 자외선 노광에 따라 형상이 제작된다. 제작된 고분자 공진 구조는 직사각형 캔틸레버 및 원형 멤브레인의 형태로 각각 습도 및 압력을 감지하는 용도로 활용되었다. 본 연구에서 제안된 저비용 고효율 제작 방법을 통해, 청정실을 사용하지 않고 고분자 구조를 신속하게 제작할 수 있을 뿐 아니라, 단일 국부적으로 다른 탄성 계수를 지니는 고분자 구조의 제작이 가능해진다. 또한 높은 팽창률과 낮은 탄성 계수로 인해 센서로의 민감도가 극대화 될 수 있다.
more초록/요약
Mechanical resonators have been used for various applications including timing references, filters, accelerometers, and inertial sensors. Mostly, silicon based materials have been thought to be ideal considering robustness and stability thus used to fabricate micro- and nanoscale mechanical resonators. When enhanced sensitivity becomes more important than long-term stability, materials repertoires other than silicon might be better suited. Here, I propose a novel manufacturing approach that rapidly fabricates MEMS resonators with hydrogel by single ultraviolet (UV) exposure via dynamic mask and dry-state “plugging out” sacrificial process. Various hydrogel structures are cured by spatially modulated UV light on top of a polymethylmetacrylate (PMMA) – polydimethylsiloxane (PDMS) composite block. After curing, uncured hydrogel is washed out to leave cured hydrogel selectively adhered to the PMMA part due to the permeated oxygen through the PDMS. Finally, the PMMA part with the cured hydrogel is retrieved by plugging out the PDMS in dry state. For practical demonstrations, rectangular cantilevers and closed circular membranes are employed for humidity and pressure sensing applications, respectively. The cost-effective fabrication route suggested herein not only enables rapid prototyping of suspended hydrogel structures outside a cleanroom but also offers spatially tunable elastic modulus. Most remarkably, sensitivity enhancement resulting from high swelling rate and/-or low elastic modulus exceeds stability deterioration, one of the major concerns for polymeric materials. Such exclusive beneficial features, yet demonstrated with any microfabrication materials and methods or their combinations, open a new avenue for photocurable polymeric materials to be used for specific applications as well as fundamental investigations.
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