KR100427430B1 - 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법 - Google Patents

금속박막형 압력센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100427430B1 KR10-2002-0004863A KR20020004863A KR100427430B1 KR 100427430 B1 KR100427430 B1 KR 100427430B1 KR 20020004863 A KR20020004863 A KR 20020004863A KR 100427430 B1 KR100427430 B1 KR 100427430B1
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Abstract

본 발명은 금속박막형 압력센서에 있어서, 실리콘 박막 멤브레인(11)을 포함한 실리콘기판(10); 상기 실리콘 멤브레인(11)상의 일부에 증착 형성된 스트레인지 게이지(12); 상기 실리콘기판(10)상의 일부에 형성된 휘스톤 브릿지; 상기 박막형 스트레인 게이지와 상기 휘스톤 브릿지가 연결된 연결도체(14); 상기 휘스톤 브릿지상에 형성된 전극(16) 및 상기 실리콘기판(10)과 양극접합기술로 접합되는 파이렉스 유리기판(18)을 포함한다.
한편, 본 발명은 금속박막형 압력센서 제조방법에 있어서, 실리콘 박막상에 실리콘 박막 멤브레인을 형성하는 단계; 상기 실리콘 박막 멤브레인상에 스트레인 게이지를 형성하는 단계; 상기 스트레인 게이지 및 휘스톤 브릿지를 연결도체로 연결하는 단계; 상기 연결도체상에 전극을 형성하는 단계; 상기 연결도체상에 전극을 형성하는 단계 이후에, 전기화학적 방전가공을 이용하여 파이렉스 유리기판에 압력인가용 홀을 형성하는 단계; 및 상기 압력인가용 홀을 형성한 파이렉스 유리기판을 상기 실리콘기판과 양극접합하는 단계를 포함한다.

Description

금속박막형 압력센서 및 그 제조방법{METAL THIN FILM PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로머시닝 및 박막기술을 이용하여 실리콘 멤브레인상에 크롬박막형 스트레인 게이지를 압력감지부로 이용한 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 압력 및 하중센서는 가전제품을 비롯하여 자동차, 조선, 항공기, 의료기기, 환경설비와 산업체의 대규모 시스템 제어에 이르기까지 그 응용분야가 광범위하다. 특히, 산업분야에서는 고온, 고압, 습도 및 진동 등의 열악한 환경에서도 사용할 수 있는 소형, 경량, 저가격의 압력 및 하중센서가 요구된다.
기존의 스트레인 게이지를 이용한 로드셀의 경우, 구조 및 제작이 간단하며 고온, 고압 등의 극한 환경에서도 사용이 가능하지만, 감도가 낮고 분해능력이 떨어지며 크리프(creep) 현상과 히스테리시스(hysteresis)로 인해 신뢰성 및 안정성이 나쁘다. 또한 소형화, 집적화, 다기능 그리고 대량생산이 어렵다는 문제점이 있었다.
그리고 실리콘의 압저항효과와 마이크로머시닝기술을 이용하여 제작된 압저항형 반도체식 압력센서는 높은 비저항값과 큰 게이지율(gauge factor) 때문에 감도가 높고 신뢰성과 안정성이 우수하며, 소형, 경량, 집적화 그리고 대량생산이 가능하다.
그러나, 상기 압저항형 압력센서는 압저항의 pn접합부 누설전류로 인하여 온도보 상용 신호처리회로까지 집적화시켜도 120℃이상의 온도에서는 사용이 불가능하다는 문제점이 있었다.
pn접합 분리법보다도 유전체 분리법을 이용한 고온용 반도체식 압력센서를 개발하기 위하여 SOI(Si-on-Insulator) 및 SOS(Si-on-Saphire)기판을 이용하고 있지만, 기판이 고가이며 미세가공이 어렵고, 다결정질 실리콘(poly-Si)을 압저항으로 사용한 압력센서도 개발하고 있지만, 재현성과 선형성이 떨어진다는 문제점이 있는 바, 기계적 탄성성질이 스테인리스 스틸(stainless steel)보다도 훨씬 우수하며 미세가공이 용이하고, 히스테리시스가 거의 없고 선형성과 신뢰성이 우수하며 소형, 경량, 집적화 및 대량생산이 가능한 압력센서의 개발이 요구되었다.
본 발명의 목적은, 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 히스테리시스가 거의 없고 선형성과 신뢰성이 우수하며, 소형화, 경량화, 집적화 및 저가격화가 가능한 금속박막형 압렉센서 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 고온에서 사용이 가능한 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명의 일실시예에 따른 압력센서 제조공정 단면도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 평면도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 구조를 보인 단면도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 인가압력에 따른 출력전압의 변화상태를 나타내는 그래프.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 인가압력에 따른 비선형성 및 히스테리시스 특성을 각각 나타내는 그래프.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 인가압력에 따른 온도특성을 나타내는 그래프.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 온도에 따른 비선형 특성을 나타내는 그래프.
도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 온도에 따른 감도 및 감도의 온도계수를 나타내는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 실리콘기판 12: 스트레인 게이지
14: 알루미늄 16: 전극
18: 파이렉스 유리기판
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속박막형 압력센서에 있어서, 실리콘 박막 멤브레인(11)을 포함한 실리콘기판(10); 상기 실리콘 멤브레인(11)상의 일부에 증착 형성된 스트레인지 게이지(12); 상기 실리콘기판(10)상의 일부에 형성된 휘스톤 브릿지; 상기 박막형 스트레인 게이지와 상기 휘스톤 브릿지가 연결된 연결도체(14); 상기 휘스톤 브릿지상에 형성된 전극(16) 및 상기 실리콘기판(10)과 양극접합기술로 접합되는 파이렉스 유리기판(18)을 포함한다.
한편, 본 발명은 금속박막형 압력센서 제조방법에 있어서, 실리콘 박막상에 실리콘 박막 멤브레인을 형성하는 단계; 상기 실리콘 박막 멤브레인상에 스트레인 게이지를 형성하는 단계; 상기 스트레인 게이지 및 휘스톤 브릿지를 연결도체로 연결하는 단계; 상기 연결도체상에 전극을 형성하는 단계; 상기 연결도체상에 전극을 형성하는 단계 이후에, 전기화학적 방전가공을 이용하여 파이렉스 유리기판에 압력인가용 홀을 형성하는 단계; 및 상기 압력인가용 홀을 형성한 파이렉스 유리기판을 상기 실리콘기판과 양극접합하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 실리콘 박막 멤브레인 형성 단계는, TMAH 수용액 20~25 wt.%, 70~90℃에서 이방성 식각기술로 크기와 두께가 각각 1.43×1.43 mm2, 35~45 ㎛인 실리콘 박막 멤브레인을 형성하는 단계; 인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는 상기 스트레인 게이지 형성 단계는, 스퍼터링법으로 3000~4000Å의 크롬박막을 증착하여 형성하는 단계; 인 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 제조공정에 대하여 도 1a 내지 도 3 을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명의 일실시예에 따른 압력센서 제조공정 단면도이고, 도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 평면도이고, 도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 구조를 보인 단면도이다.
상기 도 1a 내지 도 1d 에 예시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 전체적인 제조공정은 다음과 같다.
이방성 식각기술로 실리콘 박막 멤브레인(11)상의 가장자리에 크롬박막형 스트레인 게이지(12)를 증착하고, 상기 실리콘 박막 멤브레인(11)상의 일부에 알루미늄(14)으로 상기 스트레인 게이지(12)를 휘스톤 브릿지와 연결하고, 상기 알루미늄(14)상에 금으로 전극(16)을 형성한 후, 양극접합기술로 유리기판(18)과 접합하여 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서를 제조한다.
이하 각 단계별로 금속박막형 압력센서의 제조방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제 1 단계: 실리콘 박막 멤브레인 제작.
본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서를 제조하기 위하여는 우선 실리콘 박막 멤브레인을 제작하여야 한다.
4∼5 Ω·㎝의 비저항값과, 680~800 ㎛ 바람직하게는 720 ㎛의 두께의 실리콘기판 상에 p(100)으로 4500~5500Å 바람직하게는 5000Å의 열산화막을 성장시킨다.
상기 열산화막이 형성된 실리콘 박막(10)을 20~25 wt.% 바람직하게는 20 wt.%의 농도와, 70~90℃ 바람직하게는 80℃의 온도의 TMAH 수용액에서 1.43×1.43mm2의 크기와, 35~45 ㎛ 바람직하게는 40 ㎛인 실리콘 박막 멤브레인(11)을 제작한다.
제 2 단계: 스트레인 게이지 제작.
상기 제 1 단계에서 제작된 상기 실리콘 박막 멤브레인(11)상에 고주파 스퍼터링법으로 3000~4000Å 바람직하게는 3500Å의 크롬박막을 증착하고 열처리를 하여 박막형 스트레인 게이지(12)를 형성한다.
상기 박막형 스트레인 게이지(12)를 형성하기 위한 크롬박막의 증착 및 열처리 조건은 다음의 표 1과 같다.
증착조건 증착변수
타켓 Cr 2" diameter
파우어 140 W
타켓과 기판의 거리 6 ㎝
스퍼터링 가스유입량 Ar 35 sccm
기판온도 Room Temp.(27℃)
작업진공 9 mTorr
열처리 시간 48 hr
열처리 온도 300℃
제 3 단계: 전극 제작.
상기 제 2 단계에 의하여 박막형 스트레인 게이지(12)를 연결도체인 알루미늄(14)을 이용하여 휘스톤 브릿지와 연결하여 압력 감지부를 제작하고, 금으로 전극(16)을 형성한 후, quartz tube furnace를 이용하여 N2분위기에서 300℃, 48시간 열처리하며 그 구조는 상기 도 2 에 예시된 바와 같다.
상기 도 2 에 예시된 바와 같이 본 실시예에서 압저항 하나의 크기는 30×300 ㎛2이며 저항은 200 Ω으로 설계하였으나 본 발명이 상기 크기 및 저항값에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 실시예에서는 상기 연결도체를 알루미늄으로 한정하였으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아닌 바, 은, 구리와 같은 전도성이 좋은 도체를 이용할 수도 있다.
그리고 본 실시예에서는 상기 전극(16)의 재질을 금으로 한정하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아닌 바, 전도성이 좋은 재질을 이용할 수도 있다.
제 4 단계: 파이렉스 유리기판과의 접합.
전기화학적 방전가공(EDM : electrochemical discharge machining)기술을 이용하여 파이렉스 #7740 유리기판(이하 "파이렉스 유리기판"으로 한다.)에 압력 인가용 홀을 가공하고, 상기 제 3 단계에서 제작된 압력 감지부를 포함하는 실리콘기판(10)과 상기 파이렉스 유리기판(18)을 450℃, 1000V 하에서 양극접합기술로 접합한 후, TO-5 패키징하여 본 발명의 일실시예에 따른 압력센서를 제작하며, 그 구조는 상기 도 3 에 예시된 바와 같다.
상기 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법에 의하여 제작된 금속박막형 압력센서의 물리적 특성을 도 4 내지 도 8 을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 인가압력에 따른 출력전압의 변화상태를 나타내는 그래프이다.
상기 도 3과 같은 본 발명의 스트레인 게이지(12)의 브리지에 10V의 정격 입력전압을 인가했을 때 0∼2 kgf/㎠의 압력범위에서 특성을 측정한 결과이다. 본 발명에 따른 압력센서의 감도는 1.21 mV/V·kgf/㎠였다. 이것은 압저항형 반도체식 압력센서의 1.72 mV/V·kgf/㎠에 비해 다소 감도특성은 떨어지지만, 크롬박막형 스트레인 게이지(12)의 큰 게이지율로 인해서 비해 비교적 우수한 감도특성을 얻었다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 인가압력에 따른 비선형성 및 히스테리시스 특성을 각각 나타내는 그래프이다.
본 발명의 금속박막형 압력센서에 있어서 출력전압의 비선형성은 0.1∼0.21 %FS로 매우 선형적으로 나타났다. 또한, 히스테리시스는 압저항형 압력센서에 거의 동등한 0.17 ∼0.5 %FS로 스트레인 게이지를 이용한 로드셀의 1.0 %FS에 비해 대단히 우수하였다.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 인가압력에 따른 온도특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 25∼200℃의 온도범위에서 제작된 금속박막형 압력센서의압력에 대한 출력전압의 변화상태를 나타낸 것이다. 200℃까지의 고온에서도 인가압력에 따른 제작된 금속박막형 압력센서의 출력전압은 거의 일정했다. 한편, 본 발명에서 크롬박막형 스트레인 게이지를 유전체 분리된 감지부로 사용한 휘스톤 브릿지 저항의 온도에 따른 저항의 온도계수(TCR : temperature coefficient of resistance)는 200℃의 온도범위내에서 -207∼-222 ppm/℃로 측정되었다. 압저항형 반도체식 압력센서의 경우, TCR은 -2000 ppm/℃정도로 10배정도 온도특성이 개선되었다. 따라서, 본 발명에서 제안된 금속박막형 압력센서가 압저항형 반도체식 압력센서에 비해서 온도특성이 우수함을 알 수 있다.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 온도에 따른 비선형 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 25∼200℃의 온도범위에서 제작된 금속박막형 압력센서의 비선형성 특성을 측정한 것이다. 실온에서 125℃까지는 0.21 %FS으로 대단히 우수하지만, 175℃이상에서 0.43 %FS정도로 증가했다. 그러나, 반도체식 압저항형 압력센서의 경우처럼, 120℃이상의 온도에서 1.0 %FS이상 급격한 증가는 보이지 않았다.
도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 금속박막형 압력센서의 온도에 따른 감도 및 감도의 온도계수를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 25∼200℃의 온도범위에서 제작된 금속박막형 압력센서의 온도에 따른 감도 및 TCS를 각각 나타낸 것이다. 실온에서 감도는 1.21 mV/V·kgf/㎠이었으며, 온도가 증가할수록 압력감로 사용한 크롬박막형 스트레인 게이지의부TCR로 인해서 약간 감소하여 200℃에서 1.097 mV/V·kgf/㎠으로 떨어졌지만, 압저항형 반도체식 압력센서보다도 훨씬 안정적이다. 한편, TCS는 200℃까지의 온도에서 -529 ppm/℃이하로 압저항형 반도체식 압력센서의 -1300 ppm/℃에 비해서 온도에 대한 훨씬 안정성이 우수하였다. 또한, 제작된 압력센서는 200℃에서의 long-term stability도 43 ppm/hr로 안정된 값을 나타내었다.
본 발명은 마이크로머시닝 및 박막기술을 이용하여 실리콘 멤브레인상에 크롬박막형 스트레인 게이지를 압력감지부로 이용한 금속박막형 압력센서를 제작하여 그 특성을 분석·평가하였다. 크롬박막의 높은 비저항값과 게이지율때문에 브리지 입력전압이 10 V일때, 25∼200℃의 온도범위내에서 출력 감도는 1.097∼1.21 mV/V·kgf/㎠이며, 비선형성은 0.2∼0.43 %FS으로 고온에서도 감도 및 선형성이 매우 우수하였다. 결론적으로, 실리콘 멤브레인상에 크롬박막을 압저항으로 이용한 금속박막형 압력센서는 기존의 스트레인 게이지를 이용한 로드셀에 비해서 재현성, 소형화, 집적화 및 저가격화가 가능하며, 압저항형 반도체식 압력센서에 비해서는 감도는 낮지만, 온도 특성이 대단히 우수하다. 따라서, 개발된 금속박막형 압력센서는 고온, 고압 등의 극한 환경에서도 사용이 가능한 소형, 경량, 고성능, 저가격 및 집적화가 가능한 압력 및 하중센서로 이용 가능할 것으로 기대된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 마이크로머시닝 및 박막기술을 이용하여 실리콘 멤브레인상에 크롬박막형 스트레인 게이지를 압력감지부로 이용한 금속박막형 압력센서를 제작하여 평가하였다. 크롬박막의 높은 비저항값과 게이지율때문에 브리지 입력전압이 10 V일때, 25∼200℃의 온도범위내에서 출력 감도는 1.097∼1.21 mV/V·kgf/㎠이며, 비선형성은 0.2∼0.43 %FS으로 고온에서도 감도 및 선형성이 매우 우수한 효과가 있다.
또한 실리콘 멤브레인상에 크롬박막을 압저항으로 이용한 금속박막형 압력센서는 기존의 스트레인 게이지를 이용한 로드셀에 비해서 재현성, 소형화, 집적화 및 저가격화가 가능하며, 압저항형 반도체식 압력센서에 비해서는 감도는 낮지만, 온도 특성이 대단히 우수한 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 금속박막형 압력센서에 있어서,
    실리콘 박막 멤브레인(11)을 포함한 실리콘기판(10);
    상기 실리콘 멤브레인(11)상의 일부에 증착 형성된 스트레인지 게이지(12);
    상기 실리콘기판(10)상의 일부에 형성된 휘스톤 브릿지;
    상기 박막형 스트레인 게이지와 상기 휘스톤 브릿지가 연결된 연결도체(14);
    상기 휘스톤 브릿지상에 형성된 전극(16) 및
    상기 실리콘기판(10)과 양극접합기술로 접합되는 파이렉스 유리기판(18)
    을 포함하는 금속박막형 압력센서.
  3. 삭제
  4. 금속박막형 압력센서 제조방법에 있어서,
    실리콘 박막상에 실리콘 박막 멤브레인을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 박막 멤브레인상에 스트레인 게이지를 형성하는 단계;
    상기 스트레인 게이지 및 휘스톤 브릿지를 연결도체로 연결하는 단계;
    상기 연결도체상에 전극을 형성하는 단계;
    상기 연결도체상에 전극을 형성하는 단계 이후에, 전기화학적 방전가공을 이용하여 파이렉스 유리기판에 압력인가용 홀을 형성하는 단계; 및
    상기 압력인가용 홀을 형성한 파이렉스 유리기판을 상기 실리콘기판과 양극접합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박막형 압력센서 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 박막 멤브레인 형성 단계는,
    TMAH 수용액 20~25 wt.%, 70~90℃에서 이방성 식각기술로 크기와 두께가 각각 1.43×1.43 mm2, 35~45 ㎛인 실리콘 박막 멤브레인을 형성하는 단계;
    인 것을 특징으로 하는 금속박막형 압력센서 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지 형성 단계는,
    스퍼터링법으로 3000~4000Å의 크롬박막을 증착하여 형성하는 단계;
    인 것을 특징으로 하는 금속박막형 압력센서 제조방법.
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