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Xuan Luc Le,Kihoon Kim,Sung-Hoon Choa 한국정밀공학회 2022 International Journal of Precision Engineering and Vol.23 No.3
Temperature stability is a very important factor that determines the performance and reliability of the MEMS accelerometer. A change in the temperature of the accelerometer will cause complicated coupled effects, in particular changes in the material properties, deformation, and thermo-mechanical stress, resulting in changes in the resonant frequency of the accelerometer. In this study, we investigate the effects of temperature changes on the resonant frequency of an accelerometer. The effects of material properties and deformation with temperature changes on the resonant frequency of the accelerometer were investigated by the simulation and experimental analysis. As the temperature was increased from 25 to 75 °C, the silicon structure and the accelerometer chip were deformed in a concave shape, and the amounts of warpage of the silicon structure and the accelerometer chip were 0.018 and 0.178 μm, respectively. The warpage was mainly caused by the thermal expansion mismatch of the materials. The suspension beam and moving comb structures were also deformed very slightly. As the temperature was increased from − 40 to 75 °C, the resonant frequency of the accelerometer decreased linearly from 1269 to 1193 Hz, indicating that the temperature drift of the resonant frequency is − 0.66 Hz/°C. In order to investigate the effects of deformation of the silicon structure on the resonant frequency, the numerical analysis of an accelerometer with identical top and bottom glass thicknesses was conducted. This accelerometer model showed almost zero warpage regardless of changes in the temperature. However, temperature drift of the resonant frequency of − 0.52 Hz/°C continued to occur. Therefore, the changes of Young’s modulus of the silicon with the temperature could be the main cause of the change in the resonant frequency. This study will present a design guideline and optimal parameters for the development of a robust MEMS accelerometer to minimize the effects of temperature changes.
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유연 InGaP/GaAs 2중 접합 태양전지 모듈의 신뢰성 확보를 위한 실험 및 수치 해석 연구
김영일,Xuan Luc Le,좌성훈 한국마이크로전자및패키징학회 2019 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.26 No.4
Flexible solar cells have attracted enormous attention in recent years due to their wide applications such as portable batteries, wearable devices, robotics, drones, and airplanes. In particular, the demands of the flexible silicon and compound semiconductor solar cells with high efficiency and high reliability keep increasing. In this study, we fabricated a flexible InGaP/GaAs double-junction solar module. Then, the effects of the wind speed and ambient temperature on the operating temperature of the solar cell were analyzed with the numerical simulation. The temperature distributions of the solar modules were analyzed for three different wind speeds of 0 m/s, 2.5 m/s, and 5 m/s, and two different ambient temperature conditions of 25oC and 33oC. The flexibility of the flexible solar module was also evaluated with the bending tests and numerical bending simulation. When the wind speed was 0 m/s at 25 oC, the maximum temperature of the solar cell was reached to be 149.7oC. When the wind speed was increased to 2.5 m/s, the temperature of the solar cell was reduced to 66.2oC. In case of the wind speed of 5 m/s, the temperature of the solar cell dropped sharply to 48.3oC. Ambient temperature also influenced the operating temperature of the solar cell. When the ambient temperature increased to 33oC at 2.5 m/s, the temperature of the solar cell slightly increased to 74.2oC indicating that the most important parameter affecting the temperature of the solar cell was heat dissipation due to wind speed. Since the maximum temperatures of the solar cell are lower than the glass transition temperatures of the materials used, the chances of thermal deformation and degradation of the module will be very low. The flexible solar module can be bent to a bending radius of 7 mm showing relatively good bending capability. Neutral plane analysis was also indicated that the flexibility of the solar module can be further improved by locating the solar cell in the neutral plane. 유연 태양 전지는 최근 휴대용 배터리, 웨어러블 소자, 로봇, 드론 및 비행기와 같은 광범위한 응용 분야로 인해 큰 주목을 받고 있다. 특히, 고효율 및 높은 신뢰성을 갖는 유연 실리콘 및 화합물 반도체 태양 전지의 요구가 계속 증가하고 있다. 본 연구에서는 유연 InGaP/GaAs 2중 접합 태양전지 모듈을 개발하였다. 특히 제작된 유연 태양전지 모듈의 신뢰성을 확보하기 위하여, 풍속 및 주위 온도가 태양 전지 작동 온도에 미치는 영향을 수치해석으로 분석하였다. 3 종류의 풍속(0 m/s, 2.5 m/s 및 5 m/s) 및 2종류의 주변 온도 조건(25oC 및 33oC)에 대하여 태양 전지 모듈의 온도 분포를 해석하였다. 유연 태양전지 모듈의 유연성은 굽힘 시험 및 굽힘 수치해석을 통하여 평가하였다. 25oC 온도조건에서 풍속이 0 m/s 일 때, 태양 전지 셀의 최대 온도는 149.7oC이다. 풍속이 2.5 m/s로 증가되었을 경우, 태양 전지의 온도는66.2oC로 크게 감소되었다. 또한 풍속이 5 m/s 인 경우, 태양 전지의 온도는 48.3oC로 급격히 감소함을 알 수 있었다. 주변 온도 또한 태양 전지의 작동 온도에 영향을 미친다. 2.5 m/s의 풍속에서 주변 온도가 33oC로 증가할 경우, 태양 전지의 온도는 74.2oC로 약간 증가하였다. 따라서 태양 전지 셀의 온도에 영향을 미치는 가장 중요한 인자는 풍속으로 인한열 방출 효과임을 알 수 있었다. 또한 태양 전지의 최대 온도는 사용된 소재들의 유리 전이 온도보다 낮기 때문에, 열 변형 및 모듈의 열화 가능성은 매우 낮을 것으로 예측된다. 제작된 태양전지 모듈은 굽힘 반경 7 mm까지 굽힐 수 있어 비교적 우수한 유연성을 갖고 있었다. 또한 향후 neutral plane 해석을 통하여 태양전지 셀을 neutral plane에 위치시키면 유연성이 크게 증가할 것으로 예측된다.
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