KR20100083541A - Capacitive load cell, method for fabricating the same and method for measuring the load - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정전용량형 로드 셀과 그 제조 방법 및 그를 이용한 하중 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 외부 자극을 효율적으로 차단시킬 수 있는 정전용량형 로드 셀과 그 제조 방법 및 그를 이용한 하중 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive load cell, a method for manufacturing the same, and a load measuring method using the same, and more particularly, to a capacitive load cell, a method for manufacturing the same, and a load measuring method using the same. It is about.
본 발명은 교육과학기술부 및 서울대학교 산학협력단의 국가지정연구실사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: R0A-2007-000-10051-0, 과제명: MEMS 및 RF 기술을 이용한 FORCE 센서 개발].The present invention is derived from a study conducted as part of the National Research Laboratory project of the Ministry of Education, Science and Technology and the Seoul National University Industry-Academic Cooperation Group. [Task Management No .: R0A-2007-000-10051-0, Task name: Using MEMS and RF technology FORCE sensor development].
로드 셀(load cell)은 하중의 변화를 전기적 신호로 변환시켜 출력하는 센서를 말하며, 일반적으로 탄성체의 변형을 스트레인 게이지(strain gage)에 의해 측정함으로써 하중을 측정하는 스트레인 게이지 방식의 로드 셀(strain guage load cell)이 사용된다.A load cell refers to a sensor that converts a load change into an electrical signal and outputs the load. Generally, a strain gauge type load cell that measures a load by measuring a deformation of an elastic body by a strain gage. guage load cell) is used.
여기서, 로드 셀은 탄성체의 변형 방식에 따라 필라형(pillar type), 밴딩형(bending type) 등으로 나누어진다. 필라형은 위에서 아래로 가해지는 하중에 따른 탄성체의 압축량을 측정하는 방식으로, 대용량의 로드 셀 제작에 적합하지만, 정밀도가 낮다는 문제점이 있다. 밴딩형(bending type)은 탄성체의 휘는 정도를 측정하는 방식으로, 정밀도가 높지만, 대용량의 로드 셀 제작이 어렵다는 문제점이 있다.Here, the load cell is divided into a pillar type, a bending type, and the like according to the deformation method of the elastic body. The pillar type is a method of measuring the compression amount of the elastic body according to the load applied from the top to the bottom, and is suitable for manufacturing a large load cell, but has a problem of low precision. Bending type (bending type) is a method of measuring the degree of bending of the elastic body, high precision, but there is a problem that it is difficult to manufacture a large capacity load cell.
"MEMS'99, Orlando, Florida, Jan, 17-21,1999"에 발표된 논문 "Quasi Monoliyhic Silicon Load Cell for Loads up to 1000kg with Insensitivity to Non-homogeneous Load Distributions"에 종래기술에 따른 로드 셀의 구조 및 제조 방법과 관련된 사항이 기재되어 있으며, 이를 참고하여, 이하, 종래기술에 따른 필라형 로드 셀의 구조, 제조 방법 및 그를 이용한 하중 측정 방법을 살펴보도록 한다.The structure of the load cell according to the prior art in the paper "Quasi Monoliyhic Silicon Load Cell for Loads up to 1000kg with Insensitivity to Non-homogeneous Load Distributions" published in "MEMS'99, Orlando, Florida, Jan, 17-21,1999." And the matter related to the manufacturing method is described, with reference to this, it will be described below, the structure of the pillar-shaped load cell according to the prior art, a manufacturing method and a load measuring method using the same.
도 1은 종래기술에 따른 필라형 로드 셀의 구조를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing the structure of a pillar-shaped load cell according to the prior art.
도시된 바와 같이, 로드 셀은 하중이 가해지는 상부기판(10) 및 상부기판(10)을 지지하는 하부기판(11)을 구비하며, 상부기판(10)과 하부기판(11) 사이에는 절연막(12)이 개재된다.As shown, the load cell has an
여기서, 상부기판(10)은 자신과 일체로 연결되어 형성된 복수개의 필라(10A)를 구비하는데, 복수개의 필라(10A)는 제1방향(I-I') 및 제1방향과 교차되는 제2방향(II-II')으로 배열된다.Here, the
또한, 인접한 필라(10A)들 사이에는 캐패시터(13)가 구비되는데, 이때, 상부기판(10) 전체가 캐패시터(13)의 상부전극으로 사용되며, 하부기판(11) 상에 형성된 도전 패턴이 하부 전극으로 사용된다.In addition, a
또한, 하부기판(11)의 둘레에는 캐패시터(13)의 정전용량을 측정하기 위한 패드부(14)가 형성되며, 상부기판(10)은 패드부(14)을 노출시키기 위한 콘택 홀(15)을 구비한다. 즉, 로드 셀은 복수개의 필라(10A) 및 캐패시터(13)가 형성된 제1영역(A)과 패드부(14)가 형성된 제2영역(B)으로 이루어지며, 제1영역(A)과 제2영역(B)은 연결부(16)에 의해 연결된다. 여기서, 연결부는 스프링 등으로 이루어진다.In addition, a
이와 같은 구조를 갖는 로드 셀의 하중 측정 원리를 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 상부기판(10)에 하중이 가해지면, 그에 따라 필라(10A)가 압축되어 높이가 변화되고, 필라(10A)의 높이 변화에 따라 캐패시터(13)의 상부전극과 하부전극 간의 거리가 달라져 캐패시터(13)의 정전용량이 변화된다.Looking at the load measurement principle of the load cell having such a structure as follows. First, when a load is applied to the
여기서, 하중에 따른 상부전극과 하부전극 간의 거리 변화는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, △d는 상부전극과 하부전극 간의 거리 변화를 나타내고, F는 하중, Ap는 필라의 면적, np는 필라의 갯수, hp는 필라의 높이, Esi는 실리콘의 영률(Young's modulus)을 나타낸다.Here, the distance change between the upper electrode and the lower electrode according to the load may be expressed by Equation 1 below. Where Δd represents the change in distance between the upper electrode and the lower electrode, F is the load, Ap is the area of the pillar, n p is the number of pillars, h p is the pillar height, and E si is the Young's modulus of silicon. Indicates.
또한, 로드 셀의 정전용량은 아래의 수학식2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, C는 로드 셀의 정전용량, ε0은 유전상수, Ae는 전극의 면적, d는 전극 간의 거리를 나타낸다.In addition, the capacitance of the load cell may be expressed as Equation 2 below. Where C is the capacitance of the load cell, ε 0 is the dielectric constant, Ae is the area of the electrode, and d is the distance between the electrodes.
이를 통해, 가해지는 하중이 증가할수록 상부전극과 하부전극 간의 거리가 감소하는 것을 알 수 있으며, 그에 따라 로드 셀의 정전용량이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 로드 셀의 정전용량을 측정하여 상부전극과 하부전극 간의 거리 변화를 측정하여 하중을 산출할 수 있으며, 변환 센서 예를 들어, AD7746를 이용하여 이를 디지털 신호로 처리할 수 있다.Through this, it can be seen that as the load applied increases, the distance between the upper electrode and the lower electrode decreases, thereby increasing the capacitance of the load cell. Therefore, the load can be calculated by measuring the change in distance between the upper electrode and the lower electrode by measuring the capacitance of the load cell, and it can be processed as a digital signal using a conversion sensor, for example, the AD7746.
도 2는 종래기술에 따른 로드 셀의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 단면도로서, 도 1의 제1방향(I-I') 단면도를 나타낸다. 특히, 도 2b의 (a)는 공정 단면도를 나타내며, (b)는 (a)의 점선(III-III') 높이에서의 평면도를 나타낸다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing a load cell according to the prior art, and illustrates a cross-sectional view of the first direction I-I ′ of FIG. 1. In particular, (a) of FIG. 2B shows a cross-sectional view of the process, and (b) shows a plan view at the height of the dotted line (III-III ') of (a).
도 2a에 도시된 바와 같이, 상부기판(20)의 상부 표면(U)의 필라예정영역이 돌출되도록, 상부 표면(U)을 식각하여 요철면을 형성한다. 여기서, 필라예정영역은 후속공정에 의해 상부기판(20)의 하부 표면(D)에 필라가 형성될 영역을 말한다. 이와 같이, 상부기판(20)의 상부 표면(U)의 필라예정영역을 돌출시킴으로써, 상부기판(20)에 가해지는 하중이 캐패시터로 전달되지 않고, 필라에만 집중되도록 할 수 있다.As shown in FIG. 2A, the upper surface U is etched to form an uneven surface so that the pillar scheduled region of the upper surface U of the
도 2b에 도시된 바와 같이, 상부기판(20)의 하부 표면(D)의 필라예정영역 둘레를 소정 깊이 식각한다. 이로써, 제1방향(I-I') 및 제2방향(II-II')으로 배열되는 복수개의 필라(20A)가 형성된다. 이때, 인접한 필라(20A)들 사이의 상부기판 영역(20B)은 후속 공정에 의해 하부기판(21) 상에 형성된 하부전극과 인접하게 되어, 캐패시터를 형성하게 된다. As illustrated in FIG. 2B, a predetermined depth is etched around the pillar scheduled area of the lower surface D of the
또한, 상부기판(20)의 둘레에는 후속 공정에 의해 하부기판 상에 형성될 패드부의 위치에 대응하여 콘택홀을 형성한다. 여기서, 콘택홀의 형성은 필라(20A) 형성과 동시에 수행되는데, 콘택홀은 상부기판(20)을 관통하므로 식각 깊이가 깊다. 따라서, 콘택홀 형성을 위해 두 번의 DRIE 공정이 수행된다.In addition, a contact hole is formed around the
도 2c에 도시된 바와 같이, 하부기판(21)의 상부 표면(U)에서, 상부기판(20)의 필라(20A) 영역에 대응되는 영역이 돌출되도록, 상부 표면(U)을 식각한다. 즉, 상부기판(20)의 필라(20A)들 사이의 상부기판 영역(20B)에 대응되는 하부기판(21)의 영역을 식각하여 홈부를 형성한다.As shown in FIG. 2C, at the upper surface U of the
이어서, 산화 공정을 통해 결과물의 표면에 절연막(22)을 형성한 후, 홈부 내에 하부전극(23)을 형성한다. 이때, 하부기판(21)의 가장자리에는 하부전극(23) 대신에 패드부(24)를 형성한다.Subsequently, after the
도 2d에 도시된 바와 같이, 상부기판(20)과 하부기판(21)을 본딩(bonding)시켜 로드 셀을 형성한다. 이때, 상부기판(20)의 필라(20A)와 하부기판(21)의 돌출부가 맞닿게 되며, 상부기판(20)의 필라(20A)들 사이 영역(20B)과 하부기판(21)의 하부전극(23)이 대응되는 위치에 놓이게 된다. 물론, 하부 전극(23)과 상부전극(20) 사이에는 유전막이 개재될 수 있으며, 필라(20A)의 압축에 따라 캐패시터의 정전용량이 변하게 된다. As shown in FIG. 2D, the
그러나, 전술한 바와 같은 종래기술에 따르면, 로드 셀의 구조 및 제조 공정에서 크게 세가지의 문제점이 발생하게 된다.However, according to the prior art as described above, three problems largely occur in the structure and manufacturing process of the load cell.
첫째, 상부기판(10,20) 전체를 캐패시터(13)의 상부전극으로 사용하기 때문에, 외부 자극에 의한 영향이 크다는 문제점이 발생한다. 물론, 로드 셀 외부에 쉴딩 케이스를 형성하여 외부 자극을 일부 차단하는 방안을 고려할 수 있지만, 상부기판(10,20) 전체가 상부전극으로 노출되어있기 때문에 외부 자극을 효율적으로 차단하는 데에는 한계가 있다.First, since the entire
둘째, 제1영역(A)과 제2영역(B)이 연결부(16)로 연결되어 있으나, 소정 크기 이상의 하중이 가해지는 경우, 연결부(16)가 움직이기 때문에, 구조적으로 불안정하다는 문제점이 있다. 특히, 연결부(16)가 스프링으로 이루어지는 경우, 스프링이 움직이거나 망가질 수 있으며, 그에 따라 측정 값에 오차가 발생하는 문제점이 있다.Second, although the first region A and the second region B are connected to the connecting
셋째, 정전용량형 로드셀은 캐패시터(13)의 정전용량을 측정하기 위한 패드부(14,24)를 구비하는데, 패드부(14,24)를 노출시키기 위해 콘택 홀(15,25)을 형성한다. 그러나, 콘택 홀(15,25) 형성시, 식각 깊이가 깊기 때문에 공정 상의 어려움이 있다. Third, the capacitive load cell has
이와 관련하여, 종래기술은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정에 의해 상부기판(20)을 식각하여 콘택 홀(15,25)을 형성하는 방안을 제안하지만, 그에 따르면, 필라(10A,20A) 및 콘택 홀(15,25) 형성 공정에서 두 번의 DRIE 공정이 요구되기 때문에, 제조 단가가 증가하게되는 문제점이 있다.In this regard, the prior art proposes a method of forming the contact holes 15 and 25 by etching the
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 외부 자극을 효율적으로 차단하는데 적합한 정전용량형 로드 셀과 그 제조 방법 및 그를 이용한 하중 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacitive load cell, a method for manufacturing the same, and a load measuring method using the same, which are suitable for effectively blocking external magnetic poles.
이러한 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은 정전용량형 로드 셀에 있어서, 전달되는 하중에 따라 형상이 변하는 복수의 필라를 포함하는 상부기판; 상기 상부기판을 지지하는 하부기판; 및 인접한 상기 필라들 사이의 상기 상부기판 상에 형성된 상부전극 및 상기 상부전극 위치에 대응되어 상기 하부기판 상에 형성된 하부전극을 포함하는 캐패시터를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a capacitive load cell, comprising: an upper substrate including a plurality of pillars whose shape changes according to a load to be transmitted; A lower substrate supporting the upper substrate; And a capacitor including an upper electrode formed on the upper substrate between the adjacent pillars and a lower electrode formed on the lower substrate corresponding to the upper electrode position.
또한, 본 발명은 정전용량형 로드 셀 제조 방법에 있어서, 제1기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 필라 예정 영역 사이의 상기 절연막 상에 상부전극을 형성하는 단계; 상기 상부전극이 형성된 결과물의 전체 구조 상에 유전막을 형성하는 단계; 상기 필라 예정 영역 둘레에 형성된 유전막, 절연막 및 제1기판을 제1깊이 식각하여 복수의 필라를 형성하는 단계; 제2기판의, 상기 제1기판에 형성된 상부전극의 위치에 대응되는 영역을 제2깊이 식각하여 홈부를 형성하는 단계; 상기 홈부 내에 하부전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1기판및 제2기판을 접합하여 인접한 필 라들 사이에 형성된 캐패시터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.The present invention also provides a method of manufacturing a capacitive load cell, comprising: forming an insulating film on a first substrate; Forming an upper electrode on the insulating layer between the pillar predetermined regions; Forming a dielectric film on the entire structure of the resultant product in which the upper electrode is formed; Forming a plurality of pillars by first etching the dielectric layer, the insulating layer, and the first substrate formed around the pillar predetermined region; Forming a groove by etching a second depth of a region of the second substrate corresponding to the position of the upper electrode formed on the first substrate; Forming a lower electrode in the groove; And forming a capacitor formed between adjacent pillars by bonding the first substrate and the second substrate to each other.
또한, 본 발명은 정전용량형 로드 셀을 이용한 하중 측정 방법에 있어서, 전달되는 하중에 따라 형상이 변하는 복수의 필라를 포함하는 상부기판, 상기 상부기판을 지지하는 하부기판 및 상기 상부기판의 필라 사이의 상기 상부기판 상에 형성된 상부전극과 상기 상부전극 위치에 대응되어 상기 하부기판 상에 형성된 하부전극을 포함하는 캐패시터를 포함하는 로드 셀의 상기 상부기판에 하중을 가하는 단계; 상기 상부기판으로부터 전달되는 하중에 따른, 상기 필라의 압축 및 상기 상부기판의 휘어짐에 의해 상기 캐패시터의 정전용량이 변하는 단계; 및 상기 캐패시터의 정전용량 변화를 리드하여 상기 상부기판에 가해진 하중을 산출하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is a load measuring method using a capacitive load cell, the upper substrate comprising a plurality of pillars that change in shape depending on the load transmitted, between the lower substrate for supporting the upper substrate and the pillar of the upper substrate Applying a load to the upper substrate of the load cell, the capacitor including an upper electrode formed on the upper substrate of the upper substrate and a lower electrode formed on the lower substrate corresponding to the position of the upper electrode; Changing the capacitance of the capacitor by the compression of the pillar and the bending of the upper substrate according to the load transmitted from the upper substrate; And calculating a load applied to the upper substrate by reading a change in capacitance of the capacitor.
본 발명에 따르면, 상부기판의 인접한 필라들 사이에 상부 전극을 형성함으로써, 외부 자극을 효율적으로 차단하는데 적합한 정전용량형 로드 셀을 제공할 수 있다. 특히, 상부기판을 접지시킴으로써, 하중 측정시 외부 자극에 의한 오차를 최소화할 수 있다.According to the present invention, by forming an upper electrode between adjacent pillars of the upper substrate, it is possible to provide a capacitive load cell suitable for efficiently blocking external magnetic poles. In particular, by grounding the upper substrate, it is possible to minimize the error caused by the external stimulus when measuring the load.
또한, 로드 셀의 일측에 패드부를 형성함으로써 안정적인 구조의 로드 셀을 형성할 수 있는데, 특히, 상부기판의 일측을 절단하여 패드부를 노출시키므로 별도 의 콘택홀을 형성할 필요가 없다. 따라서, 로드 셀 제조시 DRIE 공정의 횟수를 줄여 로드 셀의 제조 단가를 감소시킬 수 있다.In addition, by forming a pad part on one side of the load cell, a load cell having a stable structure can be formed. In particular, since one side of the upper substrate is cut to expose the pad part, it is not necessary to form a separate contact hole. Accordingly, the manufacturing cost of the load cell can be reduced by reducing the number of DRIE processes in the load cell.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 과장될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.In the following, the most preferred embodiment of the present invention is described. In the drawings, thickness and spacing may be exaggerated for convenience of description. In describing the present invention, well-known structures irrelevant to the gist of the present invention may be omitted. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components as much as possible, even if displayed on different drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 셀의 구조를 나타내는 사시도이다.3 is a perspective view showing the structure of a load cell according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 로드 셀은 전달되는 하중에 따라 형상이 변하는 복수의 필라(30A)를 포함하는 상부기판(30), 상부기판(30)을 지지하는 하부기판(31) 및 인접한 필라(30A)들 사이의 상부기판(30) 상에 형성된 상부전극 및 상부전극 위치에 대응되어 하부기판(31) 상에 형성된 하부전극을 포함하는 캐패시터(33)를 포함한다. 여기서, 상부기판(30)과 하부기판(31) 사이에는 절연막(미도시됨)이 개재될 수 있다.As shown in the drawing, the load cell includes an
상부기판(30)은 자신과 일체로 연결되어 형성된 복수개의 필라(30A)를 구비하는데, 필라(30A)는 상부기판(30)을 통해 가해지는 하중에 따라 압축되어 높이가 변화되며, 그에 따라 캐패시터(33)의 정전용량을 변화시킨다. 이때, 복수개의 필 라(30A)는 제1방향(I-I') 및 제1방향과 교차되는 제2방향(II-II')으로 배열된다.The
여기서, 인접한 필라(30A) 들 사이의 상부기판(30) 상에 형성된 상부전극은 상부기판(30)과 상부전극 사이에 개재된 절연막에 의해 상부기판(30)과 전기적으로 분리된다. Here, the upper electrode formed on the
이때, 상부기판(30)을 접지시키는 것이 바람직하며, 상부기판(30)의 일측은 소정 폭 절단되어 패드부(34)를 노출시키는 것이 바람직하다.At this time, the
하부기판(31)은 상부전극의 위치에 대응되는 영역을 식각하여 형성된 홈부를 구비하며, 홈부 내에 하부전극이 구비된다. 또한, 하부기판(31)의 일측에는 캐패시터(33)의 정전용량을 측정하기 위한 패드부(35)가 구비된다.The
캐패시터(33)는 부하 전달시, 필라(30A)의 압축 및 상부기판(30)의 휨 정도에 따라 정전용량이 변화되며, 이러한 캐패시터(33)의 정전용량 변화를 패드부(34)를 이용하여 측정함으로써 하중을 산출할 수 있다. The capacitance of the
여기서, 캐패시터(33)는 상부기판(30)에 가해지는 하중에 따른 필라의 변형이 큰 영역에 형성되는 것이 바람직하며, 특히, 정전용량형 로드 셀의 중심부에 형성되는 것이 더욱 바람직하다.Here, the
이와 같이, 상부기판(30)과 전기적으로 분리된 상부전극을 형성함으로써, 종래에 비해 효율적으로 외부 자극을 차단할 수 있으며, 별도의 쉴딩 케이스를 제작할 필요가 없다. 특히, 상부기판(30)을 접지시킴으로써, 더욱 효율적으로 외부 자극을 차단할 수 있다.Thus, by forming the upper electrode electrically separated from the
또한, 상부기판(30)의 상부면이 요철없이 평평하게 형성되므로, 가해지는 하중에 따라, 상부기판(30)은 압축 및 휘어지게 된다. 즉, 하중이 가해지면, 필라(30A)가 압축되고, 상부기판(30)이 휘어지게 되므로, 압축 및 휨 정도를 모두 반영한 캐패시터(33)의 전정용량을 측정할 수 있다. 이와 같이, 압축과 휨 정도를 모두 고려함으로써, 종래의 로드 셀에 비해 하중을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.In addition, since the upper surface of the
또한, 하부기판(31)의 일측에는 캐패시터(33)의 정전용량을 측정하기 위한 패드부(34)가 형성되며, 상부기판(30)의 일측(35)은 절단되어 패드부(34)를 노출시킨다. 이와같이, 상부기판(30)의 일측(35)을 절단하여 패드부(34)를 노출시킴으로써, 종래와 달리 별도의 콘택홀 공정을 수행할 필요가 없으며, 연결부를 포함하지 않으므로 안정적인 구조의 로드 셀을 형성할 수 있다.In addition, a
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 셀의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 단면도로서, 도 3의 제1방향(II-II') 단면도를 나타낸다. 여기서, 제1기판(40)은 앞서 도 3에서 설명한 상부기판(30)에 대응되며, 제2기판(44)는 하부기판(31)에 대응된다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a load cell according to an exemplary embodiment of the present invention, and show cross-sectional views in a first direction II-II ′ of FIG. 3. Here, the
도 4a에 도시된 바와 같이, 산화공정을 통해, 제1기판(40)의 표면에 절연막(41)을 형성한다. 여기서, 절연막(41)은 후속 공정에 의해 형성되는 상부전극과 제1기판(40)을 전기적으로 분리시키기 위한 것으로서, 산화막 또는 질화막으로 이루어지는 것이 바람직하며, 습식 산화 공정에 의해 500 내지 1500Å의 두께로 형성 되는 것이 바람직하다. 또한, 제1기판(40)은 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 4A, an insulating
이어서, 절연막(41) 상에 도전막을 형성한 후, 형성된 도전막을 패터닝하여 필라예정영역(P) 사이의 절연막(41) 상에 상부전극(42)을 형성한다. Subsequently, after the conductive film is formed on the insulating
여기서, 도전막은 크롬(Cr) 또는 금(Au)으로 이루어지는 것이 바람직한데, 크롬(Cr)의 경우, 50 내지 100Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 금(Au)의 경우, 500 내지 1500Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the conductive film is preferably made of chromium (Cr) or gold (Au), but in the case of chromium (Cr), it is preferably formed to a thickness of 50 to 100 kPa, and in the case of gold (Au), the thickness of 500 to 1500 kPa It is preferable to form.
또한, 도전막 형성 공정은 전자총 증발기(E-gun evaporator)를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the conductive film forming process is preferably performed using an E-gun evaporator.
이어서, 상부전극(42)이 형성된 결과물의 전체 구조 상에 캐패시터용 유전막(43)을 형성한다. 여기서, 캐패시터용 유전막(43)은 산화막으로 이루어지는 것이 바람직하며, 유전막(43) 형성 공정은 플라즈마화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 공정에 의해 수행되는 것이 바람직하다. Subsequently, a
도 4b에 도시된 바와 같이, 캐패시터용 유전막(43) 상에 상부전극(42)을 덮는 제1마스크 패턴(미도시됨)을 형성한 후, 제1마스크 패턴을 식각 베리어로 캐패시터용 유전막(43) 및 절연막(41)을 식각하여 제1기판(40)의 필라예정영역(P)을 노출시킨다.As shown in FIG. 4B, after the first mask pattern (not shown) covering the
도 4c에 도시된 바와 같이, 이어서, 필라예정영역(P) 둘레를 제1깊이(d1) 식각하여 제1방향(I-I') 및 제2방향(II-II')으로 배열되는 복수개의 필라(40A)를 형성한다. 여기서, 제1깊이(d1)는 100 내지 400μm인 것이 바람직하며, 식각 공정은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정에 의해 수행되는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 4C, a plurality of arrayed portions in the first direction I-I 'and the second direction II-II' are etched by etching the first depth d1 around the pillar scheduled region P. Referring to FIG. The
이때, 상부전극(42) 및 필라예정영역(P)을 덮는 제2마스크 패턴(미도시됨)을 형성한 후, 제2마스크 패턴을 식각 베리어로 제1기판(40)을 제1깊이(d1)로 식각함으로써, 복수의 필라(30A)를 형성할 수 있다. 특히, 필라예정영역(P)의 둘레 식각시, 제2기판(44)의 패드부예정영역(PAD)의 경계를 함께 식각하는 것이 바람직하다.In this case, after forming a second mask pattern (not shown) covering the
도 4d에 도시된 바와 같이, 제1기판(40)에 형성된 상부전극(42)의 위치에 대응되는 제2기판(44)의 영역을 제2깊이(d2)로 식각하여 홈부를 형성한다. 여기서, 제2기판(44)은 실리콘 또는 유리로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 제1기판(40)이 실리콘으로 이루어지고, 제2기판(44)이 실리콘으로 이루어지는 경우에는, 제1기판(40)과 제2기판(44) 사이에는 절연막이 개재되는 것이 더욱 바람직하다.As shown in FIG. 4D, a groove is formed by etching the region of the
이때, 제2깊이(d2)은 제1깊이(d1)보다 작은 값을 갖는 것이 바람직하며, 예를 들어, 제1깊이(d1)가 100 내지 400μm인 경우, 제2깊이(d2)는 1 내지 3μm인 것이 더욱 바람직하다.In this case, the second depth d2 preferably has a value smaller than the first depth d1. For example, when the first depth d1 is 100 μm to 400 μm, the second depth d2 is 1 μm. It is more preferable that it is 3 micrometers.
이어서, 홈부내에 하부전극(45)을 형성하는데, 홈부가 형성된 결과물의 전체 구조상에 도전막을 형성한 후, 형성된 도전막을 패터닝함으로써, 제1기판(40)에 형성된 상부전극(42)에 대응되는 위치에 하부전극(45)을 형성한다. 이때, 제2기판(44)의 일측에는 캐패시터의 정전용량을 측정하기 위한 패드부(46)가 형성된다. Subsequently, a
여기서, 도전막은 크롬(Cr) 또는 금(Au)으로 이루어지는 것이 바람직한데, 크롬(Cr)의 경우, 50 내지 100Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 금(Au)의 경우, 500 내지 1500Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the conductive film is preferably made of chromium (Cr) or gold (Au), but in the case of chromium (Cr), it is preferably formed to a thickness of 50 to 100 kPa, and in the case of gold (Au), the thickness of 500 to 1500 kPa It is preferable to form.
또한, 도전막 형성 공정은 전자총 증발기(E-gun evaporator)를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the conductive film forming process is preferably performed using an E-gun evaporator.
도 4e에 도시된 바와 같이, 제1기판(40) 및 제2기판(44)을 본딩(bonding)시켜 인접한 필라(40A)들 사이에 캐패시터(47)를 형성한다. 예를 들어, 제1기판(40)이 실리콘으로 이루어지고, 제2기판(44)이 유리로 이루어지는 경우, 어노딕 본딩(anodic bonding)에 의해 제1기판(40)과 제2기판(44)을 본딩시킬 수 있으며, 이 밖에도 제1기판(40)과 제2기판(44)을 본딩시키는 공정은 당업자에게 주지자명한 사실이므로, 이에 관하여 상세한 설명은 생략하도록 하겠다.As shown in FIG. 4E, the
도 4f에 도시된 바와 같이, 패드부(46)의 경계 영역을 절단하여 제2기판(44)의 패드부(46)를 노출시킨다. 이때, 경계 영역은 앞서 필라(40A) 형성시 제1깊이(d1) 식각되었으므로, 블레이드 공정에 의해 용이하게 절단할 수 있다. 따라서, 별도의 DRIE 공정을 수행할 필요가 없다. As shown in FIG. 4F, the boundary region of the
이어서, 본 도면에는 도시되지 않았으나 제1기판(40)을 접지시키는 것이 바람직하다. 이를 통해, 하중 측정시, 외부 자극에 의한 오차를 최소화할 수 있다.Next, although not shown in the drawing, it is preferable to ground the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 로드 셀을 이용한 하중 측정 방법의 순서를 나타내는 순서도이다. 여기서, 정전용량형 로드 셀의 구조 및 제조 방법의 구체적인 사항은 앞서 도 3 내지 도 4e에서 설명한 바와 동일하다.5 is a flowchart illustrating a procedure of a load measuring method using a capacitive load cell according to an embodiment of the present invention. Here, specific details of the structure and manufacturing method of the capacitive load cell are the same as described above with reference to FIGS. 3 to 4E.
먼저, 앞서 설명한 바와 같이, 전달되는 하중에 따라 형상이 변하는 복수의 필라를 포함하는 상부기판(30,40), 상부기판(30,40)을 지지하는 하부기판(31,44) 및 상부기판(30,40)의 필라(30A,40A) 사이의 상부기판(30,40) 상에 형성된 상부전극(42)과 상부전극(42) 위치에 대응되어 하부기판(44) 상에 형성된 하부전극(45)을 포함하는 캐패시터(33,47)를 포함하는 로드 셀을 준비하고, 로드 셀의 상부기판(30,40) 상에 하중을 가한다(S510).First, as described above, the
이어서, 가해지는 하중에 따라 상부기판(30,40)이 변형된다(S520). 즉, 상부기판(30,40)으로부터 전달되는 하중에 따른, 필라(30A,40A)의 압축 및 상부기판(30,40)의 휘어짐에 의해 캐패시터의 상부전극(42)과 하부전극(45) 간의 거리가 감소하게 된다.Subsequently, the
이어서, 상부전극(42)과 하부전극(45) 간의 거리 변화에 따라 캐패시터(33,47)의 정전용량이 변하게 된다(S530).Subsequently, the capacitances of the
이어서, 패드부(34,46)를 통해, 캐패시터(33,47)의 정전용량 변화를 측정하여(S540), 로드 셀에 가해진 하중을 산출한다(S550). Next, the capacitance changes of the
이때, 필라(30A,40A)의 압축 및 상부기판(30,40)의 휘어짐이 모두 반영된 캐패시터(33,47)의 정전용량 변화를 측정하게 된다. 따라서, 동일한 하중을 가하는 경우, 종래의 로드 셀에 비해 캐패시터(33,47)의 정전용량 변화가 커진다. 다시 말해, 동일한 하중을 가하는 경우, 종래의 로드 셀에 비해 필라(30A,40A)의 높이 변화가 커지므로, 이를 통해, 종래에 비해 더욱 정밀한 단위로 하중을 산출할 수 있다.At this time, the capacitance changes of the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었 으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been specifically recorded in accordance with the above-described preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 종래기술에 따른 로드 셀의 구조를 나타내는 사시도.1 is a perspective view showing the structure of a load cell according to the prior art.
도 2a 내지 도 2d는 종래기술에 따른 로드 셀의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a load cell according to the prior art.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 셀의 구조를 나타내는 사시도.Figure 3 is a perspective view showing the structure of a load cell according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 셀의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 단면도.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a load cell according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 로드 셀을 이용한 하중 측정 방법의 순서를 나타내는 순서도.5 is a flowchart illustrating a procedure of a load measuring method using a capacitive load cell according to an embodiment of the present invention.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
30: 상부기판 30A: 필라30:
31:하부기판 33:캐패시터31: lower substrate 33: capacitor
34:패드부 34: Pad part
40:제1기판 40A: 필라40:
41:절연막 42:상부전극41: insulating film 42: upper electrode
43:캐패시터용 유전막 44:제2기판43: dielectric film for capacitor 44: second substrate
45:하부전극 46:패드부45: lower electrode 46: pad portion
47:캐패시터47: Capacitor
Claims (21)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090002980A KR20100083541A (en) | 2009-01-14 | 2009-01-14 | Capacitive load cell, method for fabricating the same and method for measuring the load |
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Publications (1)
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Family
ID=42643274
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020090002980A KR20100083541A (en) | 2009-01-14 | 2009-01-14 | Capacitive load cell, method for fabricating the same and method for measuring the load |
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Country | Link |
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KR (1) | KR20100083541A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101475487B1 (en) * | 2013-04-29 | 2014-12-24 | 성균관대학교산학협력단 | Film sensor for measuring three-axis force |
KR102060254B1 (en) * | 2018-08-30 | 2019-12-27 | 한상열 | Load Cell And Multi Load Cell |
-
2009
- 2009-01-14 KR KR1020090002980A patent/KR20100083541A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101475487B1 (en) * | 2013-04-29 | 2014-12-24 | 성균관대학교산학협력단 | Film sensor for measuring three-axis force |
KR102060254B1 (en) * | 2018-08-30 | 2019-12-27 | 한상열 | Load Cell And Multi Load Cell |
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