KR0160884B1 - 망가닌계 압력 센서 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 소자에 관한 것으로 상기 압력 센서 소자는 베어링 금속층상에 형성된 제1도전층과, 상기 제1도전층상에 형성된 제1절연층과, 상기 제1절연층상에 형성된 망가닌계 자성층과, 상기 자성층상에 형성된 제2절연층으로 이루어지며 상기 망가닌계 자성층은 83Cu14Mn3Ni 조성으로 이루어져 있으며 이에 의해서 전왜 감도 및 온도 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
제1도(a) 및 (b)는 종래 실시예에 따라서 압력을 측정하기 위한 게이지 패턴을 도시한 평면도.
제2도는 본 발명에 따른 망가닌계 압력 센서 소자를 개략적으로 도시한 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 망가닌계 압력 센서 소자가 설치된 것을 도시한 장치도.
제4도는 본 발명에 따른 압력 센서의 브리지 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 압력 센서 소자 22 : 제1도전층
23 : 제1절연층 24 : 제1자성층
25 : 제2절연층
본 발명은 유체의 압력을 측정하기 위한 압력 센서에 관한 것으로 특히 전왜 감도 및 온도 특성이 우수하도록 망가닌계 재질을 사용한 압력 센서 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 압력 센서에는 정압 또는 부압의 변화를 전기적 신호로 만들어 검출하는 타입과 일정한 정압 또는 부압의 유무를 검출하는 타입이 있으며, 전자는 연료 분사 장치의 흡기관에 사용되고 또한 후자는 유압 스위치 터보 압력 스위치등의 접점식 압력 센서로서 널리 사용된다.
한편, 스트레인 게이지는 재료의 변위 및 변형을 계측하는 센서 소자로서 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), GaP, InSb 등의 반도체를 사용하거나 또는 콘스탄탄, 규소, 강, 퍼어말로이등의 금속을 사용한다.
여기에서, 제1도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 반도체를 사용한 스트레인 게이지(10)는 진공으로 유지된 공간(A)에 설치된 실리콘팁(11)의 한면에 화살표로 표시된 바와 같이 매니폴드 부압이 작용한다.
이때, 상기 실리콘팁(11)은 진공과 매니폴드 부압과의 압력차에 따른 응력을 받게 되고 이에 의해서 상기 실리콘팁(11) 자체의 전기저항이 변하게 되는 피에조 저항 효과를 나타내며 이러한 저항치의 변화를 하이브리드 집적회로에서 전압으로 변환되어서 전기적 신호로 검출시킨다.
그러나, 이러한 스트레인 게이지는 온도에 의한 저항 변화가 크게 나타나며 또는 Cu-Ni 합금은 전왜 감도 및 출력값의 선형성이 불량하다는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로 그 목적은 전왜 감도가 양호하고 또한 온도의 변화에 대한 저항의 변화가 작으며 출력값의 선형성을 향상시킬 수 있도록 압력 센서 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면 상기의 목적은 베어링 금속층상에 형성된 제1도전층과, 상기 제1도전층상에 형성된 제1절연층과, 상기 제1절연층상에 형성된 망가닌계 자성층과, 상기 자성층상에 형성된 제2절연층으로 이루어지며 상기 망가닌계 자성층은 83Cu14Mn3Ni 조성으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자에 의해 달성된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1절연층 및 제2절연층은 실리콘 산화물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1절연층 및 제2절연층은 다층화 성막으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명에 따른 압력 센서 소자를 도시한 단면도이고, 제3도는 본 발명에 따른 압력 센서 소자의 사용 상태를 도시한 설치도이며, 제4도는 압력 센서 소자의 등가 회로를 도시한 브리지 회로이다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 압력 센서 소자(20)는 베어링(bearing) 금속층(21)상에 형성된 제1도전층(22)과, 상기 제1도전층(22)상에 형성된 제1절연층(23)과, 상기 제1절연층(23)상에 형성된 망가닌계 자성층(24)과, 상기 자성층(24)상에 형성된 제2절연층(25)으로 이루어지며 상기 망가닌계 자성층(24)은 83Cu14Mn3Ni 조성으로 이루어져 있다.
즉, 상기 제1도전층(22)은 상기 베어링 금속층(21)상에 열진공(thermal evaporation) 증착 공정에 의하여 크롬 및 니켈 조성으로 이루어진 합금을 약 0.01㎛ 내지 0.5㎛ 정도 증착시킴으로서 형성되며 이러한 제1도전층(22)을 구성하는 상기 크롬에 대한 니켈의 조성비는 약 5 내지 15에 대한 85 내지 95 조성비로 이루어져 있고 바람직하게는 약 10:90의 조성비로 이루어져 있고 또한 상기 제1도전층(22)의 적층 두께는 약 0.1㎛ 정도이다.
한편, 상기 제1절연층(23)은 상기 제1도전층(22)상에 실리콘 산화물을 화학 기상 증착(CVD; chemical vapour deposition) 공정 또는 물리 기상 증착(PVD; physical vapour deposition) 공정에 의하여 소정 두께로 증착시킴으로서 형성된다.
이때, 상기 제1절연층(23)은 온도 상승에 따른 절연막의 녹리 방지 및 절연 불량을 막기 위하여 다층화 성막을 시키며 이에 의해서 상기 제1절연층(23)은 약 0.7㎛의 적층 두께를 갖는 다수의 층으로 이루어지고 바람직하게는 약 3 내지 5개의 층으로 이루어지고 특히 바람직하게는 3개의 층으로 이루어진다.
또한, 상기 제1절연층(23)상에 압전 특성을 나타내는 망가닌계 합금을 진공 증착 공정 또는 스퍼터링 증착 공정과 같은 물리 기상 증착 공정에 의하여 소정 두께로 증착시켜서 제1자성층(24)을 형성시킨다.
이때, 상기 제1자성층(24)의 적층 두께는 약 0.01㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 두께로 형성되고 또한 약 0.1㎛ 정도의 적층 두께로 형성되는 것이 바람직하며 특히 상기 제1자성층(24)은 전자-빔 증착 공정(electron-beam evaporation)에 의하여 상기 망가닌계 합금을 증착시킴으로서 형성하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 망가닌계 합금은 구리(Cu)-망간(Mn)-니켈(Ni) 조성으로 이루어져 있으며 이러한 조성(Cu,Mn,Ni)들의 조성비는 약 83:14:3 조성비로 이루어진다.
또한, 상기 제1자성층(24)상에 실리콘 산화물을 화학 기상 증착 공정(CVD) 또는 열 진공 증착 공정에 의하여 소정 두께로 증착시킴으로서 제2절연층(25)을 형성시키며 이러한 제2절연층(25)은 상기된 바와 같이 녹리 방지 및 절연 불량 방지를 위하여 다층화 성막을 시키며 이에 의하여 상기 제2절연층(25)은 약 0.7㎛ 정도의 적층 두께를 갖는 2 내지 4개의 층으로 구성되며 특히 2개의 층으로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기된 바와 같이, 상기 베어링 금속층(21)상에 다수의 층(22,23,24,25)들을 순차적으로 적층시킬 때 본 발명에 따른 압력 센서 소자(10)의 특성을 향상시키기 위하여 하나의 진공 챔버내에서 적층 공정이 수행되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 다수의 층(22,23,24,25)들은 하나의 진공 챔버내에서 상기 열 진공 증착 공정 또는 전자-빔 증착 공정에 의하여 형성되고 이때 상기 진공 챔버의 진공도는 약 4×10-7torr 정도이고 기판의 온도는 약 60 내지 100℃ 정도이며 증착 속도는 약 1 내지 3Å/sec 정도이다.
한편, 제4도에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 압력 센서 소자는 베어링하우징(5)에 의하여 둘러싸인 크랭크축(1)에 설치되고 이에 의해서 상기 크랭크축(1)과 베어링(5)사이에 메인베어링(3)이 원활하게 회전할 수 있도록 오일 유입구(2)를 통하여 공급되는 오일의 압력을 측정한다.
본 발명에 다른 박막형 압력센서(4)는 크랭크축(1)과 오일 유입구(2)에 밀접하게 설치되며 이에 의해서 상기 오일 유입구(2)를 통하여 유입되는 오일의 압력을 측정하고 이러한 측정치는 도시되어 있지 않은 회로에 의하여 전기적 신호로 제공된다.
한편, 제4도를 참조하면, 본 발명에 따른 압력 센서 소자는 정전류I를 회로에 흐르게 하면 망가닌계 박막 다이어프램(압력센서)이 압력에 의하여 변형된다. 이에 따라서 4개의 게이지 저항(R1,R2,R3,R4)를 이용하여, 다음의 식 ΔV=(R1R3-R2R4)/(R1+R2+R3+R4)I으로부터 전압을 계산, 검출할 수 있다. 만일 압력이 작동하지 않는다면 ΔV는 초기전압, 즉 영점불평형 전압 V0와 같다. 이상적인 V0=0이 바람직하지만, 여러 가지 요인, 예를 들면 게이지 저항의 치수 또는 불순물 함유정도로 인하여 일정한 저항값을 지니게 되므로 R1=R2=R3=R4이 된다.
다이어프램에 압력이 작용하여 저항값이 변화하게 되면 저항값의 변화분은 각각 R1,R3에서는 ΔR, R2,R4에서는 -ΔR로 가감된다. 따라서 상기식은 ΔV=ΔR×V로 되어서 압력변화에 따른 저항변화값을 계산한다. 따라서 상기 저항변화에 따른 압력을 측정할 수 있다. 이것을 자동차의 엔진오일에 적용하면 오일의 압력변화를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 것이다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.
따라서, 유체의 압력 변화를 측정하기 위하여 망가닌계 합금 소자를 사용한 압력 센서 소자를 사용함으로서 압력 센서의 전왜 감도를 향상시킬 수 있으며 또한 온도 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 유체의 압력 변화를 측정하기 위한 압력 센서 소자에 있어서, 베어링(bearing) 금속층(21)상에 형성된 제1도전층(22)과, 상기 제1도전층(22)상에 형성된 제1절연층(23)과, 상기 제1절연층(23)상에 형성된 망가닌계 자성층(24)과, 그리고 상기 자성층(24)상에 형성된 제2절연층(25)으로 이루어지며, 상기 망가닌계 자성층(24)은 Cu-Mn-Ni 조성으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 망가닌계 자성층(24)을 구성하는 Cu-Mn-Ni 성분의 조성비는 83:14:3으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1절연층(23) 및 제2절연층(25)은 실리콘 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
- 제3항에 있어서, 상기 제1절연층(23) 및 제2절연층(25)은 다층화 성막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 제1절연층(23)은 3개의 층으로 구성되고 상기 제2절연층(25)은 2개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1절연층(25) 및 제2절연층(25)의 다층화 성막을 구성하는 각각의 층의 적층 두께는 0.7㎛인 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1도전층(22)은 90:10의 조성비로 이루어진 Ni-Cr 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서 소자.
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