KR100240012B1 - 다이어 프램식 압력센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면을 경면처리한 스테인리스 다이어프램의 표면에 스퍼터링에 의한 Cu-Ni 박막을 형성하여 부착력을 향상시키고 또한, 전극 접착부를 압력이 가해지지 않는 스테인리스 다이어프램의 외주변에 형성하여 전극 접촉부의 접촉불량의 발생과 압력 변동을 적극 방지할 수 있는 다이어프램식 압력센서에 관한 것으로, 일측이 압력 도입부를 갖고 타측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램과, 이 스테인리스 다이어프램의 경면처리된 타측면에 스퍼터링에 의해 증착된 SiO2절연막과, 이 절연막의 상면에 일정형상으로 배열된 스트레인 게이지와, 상기 스테인리스 다이어프램의 외주면으로 일정하게 분할되어 Au 또는 Ag로 조성되어 패터닝한 전극 접촉부와, 상기 스트레인 게이지의 상면에 SiO2으로 스퍼터링에 의해 증착된 보호막으로 이루어지는 다이어프램식 압력센서에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램과 상기 SiO2의 절연막 사이에 Cu-Ni 박막이 증착되어 이루어짐과 동시에 상기 전극 접촉부를 상기 스테인리스 다이어프램의 압력 도입부에 대한 휨에 변동이 없는 외주변에 형성하여 SiO2절연막의 박리와 접촉불량 및 압력변동을 적극방지할 수 있는 고정밀급 압력센서에 유용한 발명이다.
Description
본 발명은 금속 박막 스트레인 게이지를 이용한 다이어프램식 압력센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 표면을 경면처리한 스테인리스 다이어프램의 표면에 스퍼터링에 의한 Cu-Ni 박막을 형성하여 부착력을 향상시키고 또한, 전극 접착부를 압력이 가해지지 않는 스테인리스 다이어프램의 외주변에 형성하여 전극 접촉부의 접촉불량의 발생과 압력 변동을 적극 방지할 수 있는 다이어프램식 압력센서에 관한 것이다.
일반적으로, 스트레인 게이지(변형 게이지)는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력 저항효과를 이용한 것으로, 용도로서는 하중, 압력, 토크(Torque) 기타 실응력(實應力)의 측정에 각 분야에서 사용되고 있다.
또한, 압력센서는 자동차 엔진의 유압 뿐만 아니라 일반 산업용 압력계측등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력의 특히 고정밀도를 요하는 측정을 하는 데 사용되는 것이다.
전세계적으로 첨단 핵심기술의 전자화, 고기능, 다양화가 진행됨에 따라 각분야에서 센서에 대한 요구가 급증하고 있으며, 이에 따른 센서수요의 증가로 선진각국에서는 이미 센서기술 개발사업을 중점 첨단 기술사업으로 분류하고 연구 개발에 집중적인 지원을 함으로서 센서의 기술수준도 진일보하여 대량 생산체제가 확립되고 저가격화 및 초소형화, 스마트화가 실현되고 있다.
이러한 추세에 맞추어 본 발명에서 개발하고자하는 다이어프램식 압력센서는 수입부로서, 스테인리스 다이어프램상에 SiO2절연막을 코팅한 후, 그 위에 직접 스트레인 게이지를 스퍼터링하여 형성하고 인가된 압력에 의해 발생하는 다이어프램의 변형을 스트레인 게이지의 저항 변화로 검출하는 방식이다.
그러므로, 저항선 게이지(Wire strain)나 박 게이지(Foil strain gage)를 다이어프램에 접착하는 종래의 압력센서와 비교하여, 스트레인 게이지와 다이어프램 사이에 접착제를 필요로 하지 않기 때문에 크리프 현상이 적고 안정성이 우수한 특징이 있고 또한, 박막 공정의 자동화를 통해 수율의 향상과 저가격화를 실현할 수 있으며, 열적 보상이 용이하여 동작온도 범위가 넓고 고온에서 사용이 가능한 장점을 가진다.
먼저, 종래 기술에 따른 다이어프램식 압력센서의 구조를 도1 및 도2를 참조하여 설명하도록 한다.
도1은 종래 기술에 따른 다이어프램식 압력센서의 구조를 나타낸 단면도, 도2는 종래 기술에 따른 다이어프램식 압력센서의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
종래 기술에 따른 다이어프램식 압력센서는 도1 에서 도시한 바와 같이, 스테인리스 다이어프램(10)위에 접착제(16)를 사용해 폴리이미드(14)를 부착시키는 방법과, 또는 도2 에서 도시한 바와 같이, 스테인리스 다이어프램(10)위에 SiO2절연막(22), 스트레인 게이지(12), 전극 접촉부(18), 보호막(20) 순으로 구성되어 스테인리스 다이어프램(10)상에 위치하였다.
그러나, 상술한 종래의 압력센서의 구조는 스테인리스 다이어프램에 SiO2절연막을 직접 부착하는 경우의 압력센서는, 부착력이 약하여 반복 측정시 절연막과 박리가 발생하고, 또한 접착제에 의해 적층된 폴리이미드를 사용한 경우의 압력센서는, 고압 계측에 사용할 경우에 접착제가 온도와 습기에 민감하여 스테인리스 다이어프램과 쉽게 박리되는 문제점이 있고, 또한 전극 접촉부가 압력을 직접 받는 박판상에 위치하여 측정치의 변동이 발생하고 특히, 압력에 의해 스트레인 게이지와 스테인리스 다이어프램이 압력에 의해 휘어질 때 전극 접촉부의 접촉불량의 원인이 되어 종래의 압력센서는 고압 측정용으로 사용하기에는 장기적인 안정성과 신뢰성을 확보할 수 없었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 표면을 경면 처리한 스테인리스 다이어프램의 표면에 스퍼터링(Sputtering)하여 Cu-Ni 박막을 형성하여 부착력을 크게 향상시켜 고압 계측시 절연막이 박리되는 것을 방지하고 또한, 전극 접촉부를 변형이 발생하지 않는 스테인리스 다이어프램의 외주변에 형성하여 접촉불량의 발생과 입력변동을 적극 방지할수 있어 장기적인 안전성 및 제품의 신뢰성을 확보할 수 있는 다이어프램식 압력센서를 제공함에 있다.
도1은 종래 기술에 따른 다이어프램식 압력센서의 구조를 나타낸 단면도
도2는 종래 기술에 따른 다이어프램식 압력센서의 다른 실시예를 나타낸 단면도
도3은 본 발명에 따른 다이어프램식 압력센서의 구조를 나타낸 단면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 100 : 다이어프램식 압력센서 2 : Cu-Ni 박막
10 : 스테인리스 다이어프램 12 : 스트레인 게이지
14 : 폴리이미드 16 : 접착제
18 : 전극 접촉부 20 : 보호막
22 : SiO2절연막 24 : 압력 도입부
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이어프램식 압력센서는, 일측이 압력 도입부를 갖고 타측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램과, 이 스테인리스 다이어프램의 경면처리된 면에 스퍼터링에 의해 증착된 SiO2절연막과, 이 절연막의 상면에 일정형상으로 배열된 스트레인 게이지와, 상기 스테인리스 다이어프램의 외주면으로 일정하게 분할되어 돌출형성된 Au 또는 Ag로 조성되어 패터닝한 전극 접촉부와, 상기 스트레인 게이지의 상면에 SiO2으로 스퍼터링에 의해 증착된 보호막으로 이루어지는 다이어프램식 압력센서에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램과 상기 SiO2의 절연막 사이에 Cu-Ni 박막이 증착되어 이루어진다.
상기 구성에 더하여, 상기 Cu-Ni 박막의 조성비가 Cu 63-67중량% : Ni 33-37중량%로 되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 구성에 의해 상기 스테인리스 다이어프램과의 부착력이 극대화된다.
상기 구성에 더하여, 상기 스트레인 게이지를 형성하기 위한 스퍼터링을하여 막을 형성할 때 Cu-Ni의 조성비를 Cu 51-55중량% : Ni 45-49중량%로 함이 바람직하다.
따라서, 상기 구성에 의해 전기저항이 최대를 이루고 온도 계수가 최소를 이룬 상태에서 포토 에칭에 의해 미세가공하여 상기 스트레인 게이지를 형성할 수 있다.
상기 구성에 더하여, 상기 전극 접촉부는 접촉불량의 발생과 측정치의 변동을 방지하도록 상기 스테인리스 다이어프램 외주변에 형성하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 구성에 의하여 상기 스테인리스 다이어프램의 압력 도입부에 압력이 가해져 휘어질 경우에도 변형이 없는 외주변에 형성함으로써 휨에 따른 접촉불량과 측정치의 변동을 방지할 수 있다.
[실시예]
이하, 상기 구성을 이루는 본 발명에 따른 다이어프램식 압력센서의 바람직한 실시예를 도3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도3은 본 발명에 따른 다이어프램식 압력센서의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 다이어프램식 압력센서는 도3에서 도시된 바와 같이, 일면이 압력 도입부(24)를 갖고 타측면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램(10)과, 이 스테인리스 다이어프램(10)의 경면처리된 타측면에 스퍼터링에 의해 증착된 SiO2절연막(22)과, 이 절연막(22)의 상면에 일정형상으로 배열된 스트레인 게이지(12)와, 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 외주면으로 일정하게 분할되어 돌출형성된 Au또는 Ag로 조성되어 패터닝한 전극 접촉부와(18), 상기 스트레인 게이지(12)의 상면에 SiO2로 스퍼터링에 의해 증착된 보호막(20)으로 이루어진다.
이때, 상기 스테인리스 다이어프램(10)과 상기 SiO2절연막(22) 사이에 Cu 63-67중량% : Ni 33-37중량%의 조성을 갖는 CU-Ni 박막(2)이 증착되어 이루어진다.
또한, 상기 Cu-Ni 박막(2)위에 스퍼터링하는 SiO2절연막(22)의 두께는 1μm 이하의 두께로 형성된다.
한편, 상기 전극 접촉부(18)는 Au 또는 Ag을 1μm 두께로 스퍼터링 한다음, 이것을 패터닝하여 형성하는데 이때, 상기 전극 접촉부(18)는 접촉불량의 발생과 압력 변동을 방지하도록 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 외주변에 형성된다.
상기 구성을 이루는 본 발명의 다이어프램식 압력센서의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 다이어프램식 압력센서(1)의 상면을 거칠기가 수 십 μm이하가 되도록 표면을 경면연마 처리한 다음 세정한 후, 상기 Cu-Ni 박막(2)을 1000-1500Å정도로 스퍼터링 한다.
이때, 상기 Cu-Ni 박막의 조성을 Cu 63-67중량% : Ni 33-37중량%의 비율을 이루게 함으로써 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 표면에 대한 부착력이 가장 우수하게 되어 고압 계측시 상기 SiO2절연막(22)이 박리되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 스퍼터링에 의해 형성한 상기 Cu-Ni 박막(2)위에 상기 SiO2의 절연막(22)을 1μm이하의 두께로 스퍼터링하여 형성하고, 상기 SiO2절연막(22)위에 상기 Cu-Ni을 0.2-1μm 두께로 다시 스퍼터링하여 스트레인 게이지(12)의 박막을 형성한다.
이때, 상기 Cu-Ni의 조성비를 Cu 51-55중량% : Ni 45-49중량%로 하여 상기 스트레인 게이지의 전기저항을 최대화하고 온도계수가 최소를 이루게 된다.
그 조성비를 Cu 51-55중량% : Ni 45-49중량% 의 비율로 하였을 때의 실험결과를 아래의 그래프에 나타내었다.
(이 그래프는 고려대학교 제어계측공학과 연구팀과 대성전기 기술연구소팀의 공동실험 연구에 의한 자료를 통계로 한 그래프임.)
(5m Torr 그리고 Ts=25℃에서 조성된 Cu-Ni 합금막의 Ni 농도의 함수량에 따른 저항률의 변화량과 TCR, ΔR/ΔT 게이지 계수, 막의 두께는 2000Å이었다.)
그리고, 상기 전극 접촉부(18)는 Au 또는 Ag 박막을 1μm두께로 스퍼터링하여 박막을 증착하여 형성하고 이때, 접촉불량의 발생과 압력변동을 방지하도록 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 외주변에 전극 접촉부(18)를 포토에칭에 의해 패터닝하여 형성하고 이어서, 전극 접촉부와 동일한 방법으로 포토 에칭 공정에 의해 상기 스트레인 게이지(12)를 형성한다.
그후, SiO2절연막(22)을 스퍼터링 하거나 또는 방습제릍 코팅하여 보호막(20)을 형성함으로써 제조공정을 완료하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 다이어프램식 압력센서는, 스퍼터링에 의하여 스테인리스 다이어프램과 절연막 사이에 Cu 63-67중량% : Ni 33-37중량% 비율을 갖도록 Cu-Ni을 증착하여 부착력을 크게 향상시켜 고압 계측시 상기 절연막과 박리되는 것을 방지하며 또한, 상기 전극 접촉부를 상기 스테인리스 다이어프램의 압력 도입부에 대한 압력에 대해 변동이 없는 외주변에 형성하여 접촉불량의 발생과 압력변동을 방지할 수 있도록하여 저압에서부터 고압에 이르기까지 넓은 압력측정범위의 정밀도를 요구하는 일반 압력 계측등 고정밀급 압력센서에 유용한 효과가 있다.
Claims (4)
- 일측이 압력 도입부(24)를 갖고 타측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램(10)과, 이 스테인리스 다이어프램(10)의 타측면에 스퍼터링에 의해 증착된 SiO2절연막(22)과, 이 절연막(22)의 상면에 일정형상으로 배열된 스트레인 게이지(12)와, 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 외주면으로 일정하게 분할되어 돌출형성된 Au 또는 Ag로 조성되어 패터닝한 전극 접촉부(18)와, 상기 스트레인 게이지(12)의 상면에 SiO2으로 스퍼터링에 의해 증착된 보호막(20)으로 이루어지는 다이어프램식 압력센서에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램(10)과 상기 SiO2절연막(22) 사이에 Cu-Ni 박막(2)이 증착됨을 특징으로 하는 다이어프램식 압력센서.
- 제1항에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램(10)에 부착력을 극대화하기 위해서 상기 Cu-Ni 박막(2)의 조성비가 Cu 63-67중량% : Ni 33-37중량%로 됨을 특징으로 하는 다이어프램식 압력센서
- 제1항에 있어서, 상기 스트레인 게이지(12)를 형성하기 위한 스퍼터링을하여 막을 형성할 때 전기저항이 최대를 이루고 온도 계수가 최소를 이루도록 Cu-Ni의 조성비가 51-55중량% : 45-49중량%로 됨을 특징으로 하는 다이어프램식 압력센서.
- 제1항에 있어서, 상기 전극 접촉부(18)는 접촉불량의 발생과 압력변동을 방지하도록 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 외주변에 형성됨을 특징으로 하는 다이어프램식 압력센서.
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20051005 Year of fee payment: 9 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |