KR100240013B1 - 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지 - Google Patents
고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 스테인리스 다이어프램과 폴리이미드 사이에 Cu-Ni 박막을 증착하여 고압 측정에서와 같이 변형이 큰 경우에도 폴리이미드가 스테인리스 다이어프램에서 박리되는 접촉불량 및 압력 변동을 방지할 수 있고 특히, 제품생산에 있어 종래의 수가공에 의존한 스트레인 게이지 제조공정을 자동화공정으로 제품을 양산할 수 있는 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지에 관한 것으로, 일측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램과, 이 스테인리스 다이어프램의 상면에 적층된 절연체인 폴리이미드와, 이 폴리이미드 상면에 Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성된 스트레인 게이지와, 이 스트레인 게이지에서 연장되어 일정 형상을 갖고 양측으로 형성된 전극 접촉부와, 보호막으로 이루어진 고하중 측정용 스트레인 게이지에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램과 상기 폴리이미드 절연체 사이에 Cu-Ni 박막이 형성되어 이루어지기 때문에, 고압 측정에서와 같이 변형이 크게 일어나는 경우에도 상기 폴리이미드와의 박리를 방지할 수 있고 특히, 수가공을 배제한 자동화 시스템에 의해서 스트레인 게이지 제조공정을 처리함으로써 생산성 향상 및 비용을 현저히 절감할 수 있는 유용한 발명이다.
Description
본 발명은 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지에 관한 것으로, 더 상세하게는 스테인리스 다이어프램의 상면과 폴리이미드 사이에 Cu-Ni 박막을 증착하여 고압 측정에서와 같이 변형이 큰 경우에도 폴리이미드가 스테인리스에서 박리되는 접촉불량 및 압력 변동을 방지할 수 있고 특히, 제품생산에 있어서 종래의 수가공에 의존한 스트레인 게이지 제조공정을 자동화공정에 의해 생산할 수 있어 수율의 향상 및 저가격화를 실현할 수 있는 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지에 관한 것이다.
일반적으로, 스트레인 게이지(변형 게이지)는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용한 것으로, 용도로서는 하중, 압력, 토크(Torque계), 기타 실응력(實應力)의 측정에 각 분야에서 사용되고 있다.
초기의 금속 박막 스트레인 게이지는 단순한 응력 측정 수단으로 사용되었으나, 현재는 재료, 구조물의 응력, 힘, 변형, 압력, 변위 등 외력에 의한 변화를 측정할 뿐만 아니라, 공업 프로세스에서 제조 공정 자동화 기기에도 널리 응용되고 있으며, 스트레인 게이지를 이용한 각종 계측기도 수백 종류에 달하고 있다.
특히, 금속 박막 스트레인 게이지는 소형이면서도 내구성과 정밀도가 우수하고 측정 범위가 넓어 고하중, 고압력 측정용 트랜스듀스로 사용되고 있으며, 최근에는 반도체 집접회로와 컴퓨터 기술의 진보에 힘입어 고감도, 초소형, 저가격의 스트레인 게이지의 제작이 가능하게 되어 그 응용 범위가 전 산업 뿐만 아니라 가전 분야로 까지 확대되고 있는 추세에 있고, 이에 따라 다종 다양한 스트레인 게이지가 개발되고 있다.
이와 같이, 스트레인 게이지는 역학 센서 분야의 핵심기술임에도 불구하고, 전량 수입에 의존하고 있어, 국내외 시장 현황과 스트레인 게이지의 중요성에 비추어 볼 때, 박막 스트레인 게이지의 국산화는 매우 시급한 실정이다.
종래 기술에 따른 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지의 구조를 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도1은 종래 기술에 따른 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 단면도이다.
종래의 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지는 도1에서 도시한 바와 같이, 일측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램(10)과, 이 스테인리스 다이어프램(10)의 상면에 증착된 폴리이미드(14)와, 이 폴리이미드(14) 상면에 Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성된 스트레인 게이지(12)와, 이 스트레인 게이지(12)에서 연장되어 일정형상을 갖고 양측으로 형성된 전극 접촉부(18)와, 보호막(20)으로 이루어진다.
상기 구성을 이루는 종래 기술에 따른 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스테인리스 다이어프램(10)의 상면에 상기 폴리이미드(14)를 적층하여증착시키고 이어서, Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성되며 일단의 양측에 전극 접촉부(18)가 형성된 스트레인 게이지(12)를 포토 에칭에 의해 형성하고, 보호막(20)을 형성하여 그 조립을 완료하게 된다.
그러나, 종래의 상기 구성을 이루는 상기 고하중 고압력 측정용 금속 박막스트레인 게이지는, 금속 박판인 스테인리스 다이어프램과 상기 폴리이미드 절연체사이의 부착력이 약하여 고하중 및 고압계측에 사용하면 상기 절연막과 스트레인게이지가 쉽게 박리되는 결점을 가지고 있고, 또 상기 스테인리스 다이어프램과 상기 폴리이미드가 상기 스테인리스 다이어프램이 휘어져 변형되는 경우, 크리프 현상(Creep)이 발생됨과 동시에 상기 폴리이미드와 쉽게 박리되어 접촉불량이 발생되고, 또한 상기 폴리이미드는 고분자이기 때문에 상기 스테인리스 다이어프램과 부착력이 약하여 고하중 고압력 측정과 같이 변형이 큰 경우에는 적합하지 못한 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 상기 폴리이미드와 부착력이 좋은 금속물질인 Cu-Ni로 조성된 박막층을 스테인리스 다이어프램과 폴리이미드 사이에 형성하여 고하중, 고압력 측정에서와 같이 변형이 크게 일어나는 경우에도 상기 폴리이미드와의 박리를 방지할 수 있고 또한, 스트레인 게이지와 다이어프램 사이에 크리프 현상이 적어 장기적인 안정성이 우수하고 특히, 상기 스트레인 게이지 제조공정을 자동화 시스템으로 유도할 수 있어 수율의 향상 및 저가격화를 실현할 수 있는 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지를 제공함에 있다.
도1은 종래 기술에 따른 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 단면도.
도2는 본 발명에 따른 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : Cu-Ni 박막 10 : 스테인리스 다이어프램
12 : 스트레인 게이지 14 : 폴리이미드
18 : 전극 접촉부 20 : 보호막
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지는, 일측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램과, 이 스테인리스 다이어프램의 상면에 적층된 절연체인 폴리이미드와, 이 폴리이미드 상면에 Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성된 스트레인 게이지와, 이 스트레인 게이지에서 연장되어 일정형상을 갖고 양측으로 형성된 전극 접촉부와, 보호막으로 이루어진 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램과 상기 폴리이미드 절연체 사이에 Cu-Ni 박막이 형성되어 이루어진다.
따라서, 상기 구성에 의하여 금속인 스테인리스 다이어프램과 동일한 금속물질인 Cu-Ni 박막을 사용함으로써 부착력이 극대를 이루고, 고하중, 고압력 측정에서와 같이 변형이 크게 일어나는 경우에도 상기 폴리이미드의 박리를 방지할 수 있어 고하중, 고압력 측정용에도 사용할 수 있다.
상기 구성에 더하여, 상기 Cu-Ni 박막의 조성비를 Cu 65-70% : Ni 30-35%로 하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 구성에 의하여 상기 스테인리스 다이어프램과 부착력이 최적의 상태를 이루며 또한, 상기 Cu-Ni 박막이 상기 폴리이미드의 표면층으로 일부 침투하여 상호간의 부착력이 최대를 이룰 수 있다.
상기 구성에 더하여, 상기 스트레인 게이지를 형성하기 위한 스퍼터링을 하여 막을 형성할 때 Cu-Ni의 조성비를 Cu 51-55중량% : Ni 45-49중량%로 함이 바람직하다.
따라서, 상기 구성에 의해 Cu-Ni 박막의 전기저항이 최대를 이루고 온도 계수가 최소를 이룬 상태에서 포토 에칭에 의해 상기 스트레인 게이지를 형성할 수 있다.
[실시예]
이하, 상기 구성을 이루는 본 발명에 따른 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지의 바람직한 실시예를 도2를 참조하여 설명하도록 한다.
도2는 본 발명에 따른 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 고하중 고압력 측정용 금속 박막 스트레인 게이지의 구조는 도2에서 도시한 바와 같이, 일측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램(10)과, 이 스테인리스 다이어프램(10)의 상면에 스퍼터링에 의해 적층된 Cu-Ni 박막(2)과, 이 박막위에 적층된 절연체인 폴리이미드(14)와, 이 폴리이미드(14) 상면에 Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성된 스트레인 게이지(12)와, 이 스트레인 게이지(12)에서 연장되어 일정형상을 갖고 양측으로 형성된 전극 접촉부(18)와, 보호막(20)으로 이루어진다.
이때, 상기 Cu-Ni 박막(2)의 조성비가 상기 스테인리스 다이어프램(10)과 최대의 부착력이 유지될 수 있는 Cu 65-70% : Ni 30-35%의 비율로 이루어진다.
상기 구성을 이루는 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 스테인리스 다이어프램의 상단면을 거칠기가 수 십 ㎛이하가 되도록 표면을 경면연마 처리한 다음 세정한 후, 상기 Cu-Ni 박막(2)을 1000-1500Å정도로 스퍼터링 한다.
이때, 상기 Cu-Ni 박막의 조성을 65-70중량% : Ni 30-35중량%의 비율을 이루게 함으로써 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 표면에 대한 부착력이 가장 우수하게 된다.
이어서, 스퍼터링에 의해 형성한 상기 Cu-Ni 박막(2)위에 폴리이미드의 절연막(14)을 스퍼터링하여 형성하는데 이때, 상기 폴리이미드(14)가 상기 Cu-Ni 박막(2)에 적층되면서 상기 Cu-Ni 박막(2)이 상기 폴리이미드(14)의 표면층으로 소정깊이만큼 침투하여 상호간의 부착력이 최상의 상태를 이룬다.
상기 폴리이미드 절연막(14)위에 상기 Cu-Ni을 0.2-1㎛ 두께로 다시 스퍼터링하여 스트레인 게이지(12)의 박막을 형성한다.
또한, 상기 Cu-Ni의 조성비를 Cu 51-55중량% : Ni 45-49중량%로 하여 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 기술연구소팀의공동실험 연구에 의한 자료를 통계로 한 그래프임.)
(5m Torr 그리고 Ts=25℃에서 조성된 Cu-Ni 합금막의 Ni 농도의 함수량에따른 저항률의 변화량과 TCR, ΔR/ΔT 게이지 계수, 막의 두께는 2000Å이었다.)
그리고, 상기 전극 접촉부(18)를 Au 또는 Ag박막을 1㎛ 두께로 스퍼터링하여 박막을 증착한 후, 전극 접촉부(18)를 포토에칭에 의해 패터닝하여 형성하고 이어서, 전극 접촉부와 동일한 방법으로 포토 에칭에 의해 상기 스트레인 게이지(12)를 형성한다.
그후, 스퍼터링 또는 코팅에 의해서 증착하여 보호막(20)을 형성함으로써 제조공정을 완료하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지는 상기 스테인리스 다이어프램과 폴리이미드 절연체 사이에 상기 폴리이미드와 부착력이 좋은 금속물질인 Cu 65-70% : Ni 30-35%의 비율로 Cu-Ni 박막을 형성하여 고하중 고압력 측정에서와 같이 변형이 크게 일어나는 경우에도 상기 폴리이미드와의 박리를 방지할 수 있고 특히, 상기 접착제를 도포하는 제품의 수가공에 의한 제조공정을 배제한 전공정을 자동화 시스템에 의해서 제조공정을 처리함으로써 생산성 향상 및 비용을 현저히 절감할 수 있는 유용한 효과가 있다.
Claims (3)
- 일측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램(10)과, 이 스테인리스 다이어프램(10)의 상면에 적층된 절연체인 폴리이미드(14)와, 이 폴리이미드(14) 상면에 Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성된 스트레인 게이지(12)와, 이 스트레인 게이지(12)에서 연장되어 일정형상을 갖고 양측으로 형성된 전극 접촉부(18)와, 보호막(20)으로 이루어진 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램(10)과 상기 폴리이미드(14) 절연체 사이에 Cu-Ni 박막(2)이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지.
- 제1항에 있어서, 상기 스테인리스 다이어프램(10)과의 부착력을 향상시키기 위해 상기 Cu-Ni 박막층(2)의 조성비가 Cu 65-70% : Ni 30-35%의 비율로 된 것을 특징으로 하는 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지.
- 제1항에 있어서, 상기 스트레인 게이지(12)를 형성하기 위한 스퍼터링을 하여 막을 형성할 때 전기저항이 최대를 이루고 온도 계수가 최소를 이루도록 Cu-Ni의 조성비가 51-55중량% : 45-49중량%로 됨을 특징으로 하는 고하중 고압력 측정용 금속박막 스트레인 게이지.
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