KR101072436B1 - 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 유압 및 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 영역의 압력 등을 측정할 수 있는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온고압 상태에서도 안정된 다이어프램과 절연막사이의 접합계면을 갖는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 다이어프램과 절연막 사이에 형성되는 접합부 및 상기 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 있어서, 상기 접합부가 65~70중량%의 Cu 및 30~35중량%의 Ni를 포함하는 Cu-Ni합금: 93~97중량%와 8~10중량%의 Ti 및 잔부 Ag로 이루어진 Ag-Ti합금: 3~7중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서를 그 요지로 한다.

본 발명은 고온고압 상태에서도 안정된 접합계면을 유지하는 접합부를 포함하는 압력센서를 제공함으로써, 저온은 물론 고온에서도 압력을 측정할 수 있어, 고온에서의 압력측정분야 등에 바람직하게 응용될 수 있다.

스트레인 게이지, 접합부, 절연막, 압력센서

Description

금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서{PRESSURE SENSOR HAVING METAL THIN FILM TYPE STRAIN GAUGE}

본 발명은 자동차 엔진의 유압 및 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 영역의 압력 등을 측정할 수 있는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온고압 상태에서도 안정된 다이어프램과 절연막사이의 접합계면을 갖는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 관한 것이다.

일반적으로 스트레인 게이지는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력 저항효과를 이용한 것으로, 용도로서는 하중, 압력, 토크 기타 실응력의 측정 등의 측정에 사용되고 있다.

또한, 금속 박막형 스트레인 게이지를 포함하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서는 자동차 엔진의 유압뿐만 아니라 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력의, 특히 고정밀도를 요하는 측정을 하는데 사용된다.

일반적으로 박막형 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서는 스테인레스 등의 재질로 이루어지고 압력도입부를 갖는 다이어프램, 이 다이어프램 위에 생성되는 절연막, 이 다이어프램과 절연막 사이에 형성되는 접합부, 상기 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함한다.

상기 절연막은 다이어프램의 단면을 폴리싱 처리한 후 형성되고, 상기 스트레인 게이지는 절연막 위에 저항체를 증착 및 패턴하는 방식으로 형성된다.

상기 다이어프램과 절연막 사이에는 접합부를 형성하여 절연막이 박리되는 것을 방지하도록 하는데, 일반적으로 Cu-Ni, AgCuTi나 NiCoClAlY 등을 사용하여 접합면을 1,000~1,500Å의 두께로 형성한다. 이들 접합부 재료중 특히 Cu-N합금은 다이어프램과 절연막 사이의 접촉 불량을 방지할 뿐만 아니라 압력변동에 의한 박리 및 크리프 현상을 방지하는 장점으로 인하여 접합부 재료로 널리 사용되고 있다.

그러나 상기 Cu-Ni합금을 접합부의 재질로 사용하는 압력센서의 경우에는 고온고압 상태에서 접합부 박리가 자주 발생하는 문제점이 있었다. 따라서, 고온고압상태에서도 접합부가 박리되지 않는 압력센서가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 접합부의 재질을 개선함으로써 고온고압의 상태에서도 다이어프램과 절연막 사이의 건전한 접합계면을 유지할 수 있는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 압력도입부를 갖는 다이어프램, 이 다이어프램 위에 생성되는 절연막, 이 다이어프램과 절연막 사이에 형성되는 접합부 및 상기 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 있어서,

상기 접합부가 65~70중량%의 Cu 및 30~35중량%의 Ni를 포함하는 Cu-Ni합금: 93~97중량%와 8~10중량%의 Ti 및 잔부 Ag로 이루어진 Ag-Ti합금: 3~7중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서를 제공한다.

본 발명은 고온고압 상태에서도 안정된 접합계면을 유지하는 접합부를 포함하는 압력센서를 제공함으로써, 저온은 물론 고온에서도 압력을 측정할 수 있어, 고온에서의 압력측정분야 등에 바람직하게 응용될 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 다이어프램과 절연막 사이의 접촉 불량을 방지할 뿐만 아니라 압력변동에 의한 박리 및 크리프 현상을 방지하지만 고온고압의 상태에서는 접합부 박리의 문제를 야기하는 Cu-Ni합금에 대하여 오랜 연구 및 실험을 행한 결과, Cu-Ni합금에 Ag-Ti합금을 첨가하는 경우에는 접합부 박리에 대한 내구성이 개선됨을 인지하고, 이에 근거하여 본 발명에 이르렀다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 박막형 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서(10)는 스테인레스 등의 재질로 이루어지고 압력도입부(8)를 갖는 다이어프램(7), 이 다이어프램 (7)위에 생성되는 절연막(5), 이 다이어프램(7)과 절연막(5) 사이에 형성되는 접합부(6), 상기 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지(3)를 포함한다. 도 1에서, 미설명부호 2는 최종보호막을, 4는 전극접촉부를 나타낸다.

상기 절연막은 다이어프램의 단면을 폴리싱 처리한 후 형성되고, 상기 스트레인 게이지는 절연막 위에 저항체를 증착 및 패턴하는 방식으로 형성된다.

상기 접합부는 다음과 같이 이루어진다.

상기 접합부의 재료는 65~70중량%의 Cu 및 30~35중량%의 Ni를 포함하는 Cu-Ni합금: 93~97중량%와 8~10중량%의 Ti 및 잔부 Al로 이루어진 Ag-Ti합금: 3~7중량%로 구성된다.

상기 Cu-Ni합금의 함량이 너무 적은 경우에는 다이어프램과 절연막 사이의 접촉 불량이 발생하게 되고, 너무 많은 경우에는 압력변동에 의한 박리 및 크리프 현상이 발생하게 되므로, 상기 Cu-Ni합금의 함량은 93~97중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 증착한 금속저항체와의 부착력을 극대화하고 전기저항이 최대를 이루도록 하기 위하여, Cu-Ni합금중 Cu의 함량을 65~70중량%, Ni의 함량을 30~35중량% 로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Ag-Ti합금은 접합강도를 향상시키고, 금속·비금속간의 접합을 용이하게 할 뿐만 아니라 안정된 접합계면을 형성하게 하는 성분으로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 그 함량이 3중량%이상이어야 하고, 7중량%를 초과하면, Cu-Ni합금의 함량이 상대적으로 적어져 스테인레스 다이어프램과 절연막의 부착력이 저하되므로, Ag-Ti합금의 함량은 3~7중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Ag-Ti합금중 Ti의 함량이 8중량% 미만인 경우에는 고온고압상태에서의 박리 방지 효과가 저감되며, 10중량%를 초과하는 경우에는 금속저항체와의 부착력이 약해지는 단점이 있으므로, Ag-Ti합금중 Ti의 함량은 8~10중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 절연막은 경면처리된 다이어프램 위에 스트레인 게이지와의 절연을 위하여 SiO₂ 또는 SiN_X 재질의 절연막을 1~1.5㎛ 두께로 증착하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 스트레인 게이지는 PVD 등을 이용하여 0.3~1㎛ 두께로 패턴을 형성하여 제조하는 것이 바람직하다.

상기 스트레인 게이지의 패터닝 후 SiO₂ 보호막을 증착/패터닝하고, Al 또는 Au로써 전극부를 형성시키고, 최종적으로 다이어프램 전체에 보호막을 증착함으로써 스트레인 게이지 압력센서를 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

그러나, 본 발명은 아래의 실시예에 국한되는 것은 아니다.

(실시예)

일측이 압력도입부를 갖는 스테인리스 스틸 재질의 다이어프램 표면을 그라인딩 후 다이아몬드 현탄액을 사용하여 랩핑 및 폴리싱 처리를 하였다.

경면처리된 다이어프램 위에 금속저항체(스트레인 게이지)와의 절연을 위하여 SiO₂ 재질의 절연막을 1.2㎛ 두께로 증착하고, 금속저항체를 PVD를 이용하여 0.7㎛ 두께로 패턴을 형성한 후, SiO₂ 보호막을 증착/패터닝하고, Al 또는 Au로써 전극부를 형성시키고, 최종적으로 다이어프램 전체에 보호막을 증착하여 도 1과 같은 구조의 스트레인 게이지 압력센서를 제조하였다.

상기 다이어프램과 절연막 사이에는 접합부 박막이 증착되었다.

하기 표 1에서 발명재들은 접합부 박막의 재질로서 Cu: 68중량%와 Ni: 32중량%로 이루어진 Cu-Ni합금과 Ti: 9중량%와 나머지 Ag로 이루어진 Ag-Ti합금을 하기 표 1과 같은 조성비로 사용한 것이고, 종래재는 접합부의 재질로서 Cu: 68중량%와 Ni: 32중량%로 이루어진 Cu-Ni합금을 단독으로 사용한 것이다.

상기와 같이 제조된 압력센서에 대하여 고온에서 접합부의 접합강도(kgf/㎠)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

시편No.	접합부의 조성	접합강도(Kgf/㎠)
발명재1	Cu-Ni합금:95% 및 Ag-Ti합금: 5%	8.9
발명재2	Cu-Ni합금:97% 및 Ag-Ti합금: 3%	8.6
발명재3	Cu-Ni합금:93% 및 Ag-Ti합금: 7%	9.0
종래재	Cu-Ni합금:100%	5.1

상기 표 1에 나타난 바와 같이, Cu-Ni합금에 Ag-Ti합금을 본 발명에 따라 첨가한 발명재(1-3)가 Cu-Ni합금을 단독으로 사용하는 종래재에 비하여 고온 접합강도가 우수함을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스트레인 게이지 압력센서를 나타낸 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 박막형 스트레인게이지 압력센서 2: 최종보호막

3 : 스트레인게이지 4 : 전극접촉부

5 : 절연막 6 : 스트레인게이지 접합부

7 : 다이어어프램 8 : 압력도입부

9 : SiO₂ 등의 절연막

Claims (2)

1. 압력도입부를 갖는 다이어프램, 이 다이어프램 위에 생성되는 절연막, 이 다이어프램과 절연막 사이에 형성되는 접합부 및 상기 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 있어서,

   상기 접합부가 65~70중량%의 Cu 및 30~35중량%의 Ni를 포함하는 Cu-Ni합금: 93~97중량%와 8~10중량%의 Ti 및 잔부 Ag로 이루어진 Ag-Ti합금: 3~7중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 접합부가 Cu-Ni합금: 95중량%와 Ag-Ti합금: 5중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서.

Images