KR101169943B1 - 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이, 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법 및 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법 - Google Patents

반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이, 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법 및 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 힘 또는 압력 센서 어레이는 기판 자체가 폴리머 계통의 재질로 구부리거나 늘일 수 있으며 반도체 스트레인 게이지의 재료인 실리콘은 잘 부러지고 딱딱하지만 이의 두께를 매우 얇게 제조하여 기계적인 유연성을 확보할 수 있으므로 유연성과 신축성을 동시에 가지는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지(110)와 필름면이 상호 대면하여 접하며 접하는 필름면 사이에 반도체 스트레인 게이지(110)를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130)과 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130) 중 어느 하나를 절연층으로 하여 절연층 상하면으로 형성되고 어레이 패턴의 각 단위체(111)에 연결되어 전극을 형성하며 각 단위체(111)의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층으로 구성되는 회로기판(10); 및 회로기판(10)이 내부에 포함되도록 회로기판(10)의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30);을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이가 개시된다.

Description

반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이, 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법 및 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법{FORCE OR PRESSURE SENSOR ARRAY USING SEMI-CONDUCTOR STRAIN GAUGE, FABRICATION METHOD THEREOF AND MEASUREMENT METHOD THEROF}
본 발명은 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이에 관한 것이다. 보다 상세하게는 높은 감도의 반도체 스트레인 게이지를 사용하고 유연성 및 안정성을 갖는 고분자 필름층 및 탄성중합체층을 일 구성하는 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이, 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법 및 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법에 관한 것이다.
힘 또는 압력센서 어레이를 제조할 때, 기존에는 Ni/Cr 또는 Cu/Ni 금속층을 이용하여 스트레인 게이지를 구성하였으나 이는 게이지 상수(gauge factor)가 반도체 스트레인 게이지보다 50 ~ 100배 정도로 낮기 때문에 감도가 그만큼 떨어지는 단점이 있다.
반도체 스트레인 게이지는 단결정 또는 다결정 실리콘에 불순물을 주입하여 제조한 것으로 게이지 팩터가 150정도로 상당히 높아 고감도의 센싱이 가능한 장점은 있으나 유연성의 결여와 폴리머 기반 공정과 같이 할 수 없는 기존 제조과정의 문제점으로 인해 유연하고 구부릴 수 있는 힘 또는 압력 감지 어레이에의 응용은 제한적이었다.
한편, 힘 또는 압력 감응 전도성 고무나 잉크 층을 이용하여 힘 또는 압력 센서 어레이를 만들기도 하였는데 이는 크기가 작은 전도성 금속 분말을 고무 또는 폴리머를 모재로 하여 섞어 만든 혼합재로서 힘 또는 압력을 받으면 모재가 변형되어 그 안에 있는 금속 분말 사이의 간격이 좁아지거나 접촉하여 전류가 통하는 경로가 만들어지며 따라서 저항이 줄어드는 성질을 이용한 것이다. 대면적으로 값싸게 제조할 수 있어서 이미 의료용, 인체공학용 압력분포측정 소재로 널리 사용되고 있으나 모재 안에 흩어져 있는 금속 입자의 전도에 의존하기 때문에 반복성, 재현성이 크게 떨어지므로 정량적인 힘 또는 압력분포의 측정에는 한계가 있어왔다.
현재 기 발표된 힘 또는 압력 센서 어레이는 정밀 힘 또는 압력 제어가 요구되는 휴머노이드 로봇 핸드 그립용 촉각센서나 의료용 로봇 수술을 위한 촉각센서로 응용하기에는 특성 및 성능이 요구수준에 미치지 못한다. 따라서, 힘 또는 압력 분포를 정량적으로 측정가능하면서도 다양한 곡면에 부착될 수 있도록 유연성과 신축성을 갖고 쉽게 손상되지 않도록 강건한 구조와 화학적 안정성을 가진 새로운 센서 어레이의 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 감도와 선형성, 반복성, 재현성을 갖는 반도체 스트레인 게이지를 사용하면서도 고분자 재료를 사용하여 유연성, 신축성 및 강건성을 동시에 수반하는 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이, 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법 및 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 실리콘 기반의 힘 센서의 성능을 추구하면서 동시에 실리콘 기반의 센서가 갖지 못하는 유연성과 신축성을 가지므로 응용 분야로서 인공피부(특히, 정밀한 힘의 측정 및 제어가 필요한 로봇 손가락의 피부), 터치센서, 촉각센서 등에 다양하게 사용 가능한 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이, 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법 및 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지(110); 필름면이 상호 대면하여 접하며 접하는 필름면 사이에 반도체 스트레인 게이지(110)를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130); 및 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130) 중 어느 하나를 절연층으로 하여 절연층 상하면으로 형성되고 어레이 패턴의 각 단위체(111)에 연결되어 전극을 형성하며 각 단위체(111)의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층;으로 구성되는 회로기판(10)을 포함하되, 회로기판(10)이 내부에 포함되도록 회로기판(10)의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130)은 한 쌍의 폴리이미드 박막층인 것이 바람직하다.
반도체 스트레인 게이지(110)는 힘 또는 압력에 기초하여 저항변화가 있는 것이 바람직하다.
그리고, 변형신호는 저항변화에 기초하여 출력되는 것이 바람직하다.
각 단위체(111)는 막대 형상이며, 어레이 패턴은 막대 형상의 길이 방향을 동일하게 갖는 패턴인 것이 바람직하다.
회로기판(10)은 2개이며 각 회로기판(10)에 대응되는 각 단위체(111)가 교차 되도록 겹쳐져 2개의 회로기판(10)이 하나로 접착된 것이 바람직하다.
어레이 패턴은 길이 방향 및 길이 방향에 수직인 방향으로 배열되는 각 단위체(111)의 인접 간격을 균일하게 갖는 것이 바람직하다.
한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 어느 하나의 탄성중합체층(20, 30) 표면으로 균일하게 다수의 돌기(31)가 형성되어 있으며, 어레이 패턴은 각 돌기(31)가 표면과 이루는 경계선 하부에서 사방을 향하도록 나열된 패턴인 것이 바람직하다.
한 쌍의 신호선층은 절연층 하면에 일 방향으로 배열되는 다수의 제 1신호선(140)과 절연층 상면에 일 방향에 수직으로 배열되는 다수의 제 2신호선(150)으로 구성된 것이 바람직하다.
한 쌍의 신호선층은 금속 증착에 의해 형성된 것이 바람직하다.
한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 한 쌍의 폴리-디메틸실록세인층인 것이 바람직하다.
한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 각 탄성중합체층(20, 30)의 두께가 상호 동일한 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 실리콘 웨이퍼(40) 상에서 소정의 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(110)가 제조되는 게이지 제조단계(S1100); 제조된 반도체 스트레인 게이지(110)가 폴리-디메틸실록세인 매개체(50)를 이용하여, 캐리어 웨이퍼(60)에 희생층(62)을 사이에 두고 적층되어 있는 제 1고분자 필름층(120)으로 전사되는 전사단계(S1200); 다수의 제 1신호선(140)이 어레이 패턴의 각 단위체(111) 일단과 연결되어 제 1전극이 형성되는 제 1신호선(140) 형성단계(S1300); 제 2고분자 필름층(130)이 다수의 제 1신호선(140) 상부로 적층되어 절연층이 형성되는 절연층 형성단계(S1400); 다수의 제 2신호선(150)이 제 2고분자 필름층(130)에서 각 단위체(111)의 타단과 연결되어 제 2전극이 형성되는 제 2신호선(150) 형성단계(S1500); 제 1, 2고분자 필름층, 반도체 스트레인 게이지(110) 및 다수의 제 1, 2신호선으로 구성된 회로기판(10)이 소정의 용해제에 의한 희생층(62)의 용해로 분리되는 기판 분리단계(S1600); 및 회로기판(10)이 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30) 사이에 삽입되어 접착되는 기판 접착단계(S1700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
게이지 제조단계(S1100)는, 실리콘 웨이퍼(40)에 석판인쇄공정(S1110), 이온주입공정(S1120) 및 식각공정(S1130)이 순차적으로 수행되어 반도체 스트레인 게이지(110)가 제조되는 단계인 것이 바람직하다.
게이지 제조단계(S1100)에서, 반도체 스트레인 게이지(110)는 두께가 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 가 되도록 제조되는 것이 바람직하다.
반도체 스트레인 게이지(110) 전사단계(S1200)에서, 희생층(62)은 폴리메틸 메타크릴레이트이며, 제 1고분자 필름층(120)은 폴리이미드 박막층인 것이 바람직하다.
제 1, 2신호선 형성단계(S1300, S1500)는, 다수의 제 1, 2신호선이 금속 증착으로 형성되는 단계인 것이 바람직하다.
절연층 형성단계(S1400)에서, 제 2고분자 필름층(130)은 폴리이미드 박막층인 것이 바람직하다.
제 1, 2신호선 형성단계(S1300, S1500)는, 다수의 제 1신호선(140)이 일 방향으로 평행하게 나열되며, 다수의 제 2신호선(150)이 일 방향에 수직으로 나열되도록 형성되는 단계인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 목적은 필름면이 대면하여 접하는 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130)의 외측 양면에 각각 폴리-디메틸실록세인층이 접착되어 폴리-디메틸실록세인층 중 적어도 하나가 외부로부터 힘 또는 압력을 받는 단계(S2100); 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130) 사이에 소정의 어레이 패턴을 가지는 반도체 스트레인 게이지(110)가 위치하여 힘 또는 압력을 전달받아 저항이 변화되는 단계(S2200); 제어부가 변화된 저항에 기초하여 출력되는 소정 신호를 어레이 패턴의 각 단위체(111)와 연결된 다수의 제 1, 2신호선을 통해 수신하는 단계(S2300); 제어부가 신호에 기초하여 측정 저항값 또는 측정 전압값을 연산하는 단계(S2400); 및 제어부가 측정 저항값 또는 측정 전압값에 기초하여 힘 또는 압력의 세기를 출력하는 단계(S2500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
제어부의 연산단계(S2400)와 제어부의 출력단계(S2500) 사이에는, 제어부가 각 단위체(111)에 대응하여 버퍼 메모리에 저장해둔 초기 저항값 또는 초기 전압값을 읽어들이는 단계(S2450)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
제어부의 출력단계(S2500)는, 제어부가 측정 저항값과 초기 저항값을 비교하거나 측정 전압값과 초기 전압값을 비교하여 힘 또는 압력의 세기를 출력하는 단계인 것이 바람직하다.
상기와 같은 일실시예에 의하면, 첫째, 본 발명은 센서 구조가 간단하고 강건하다. 즉, 일반적으로 변형률 확대를 위해 넓은 박막(mambrane) 구조를 센서의 감지부로 채택하게 되는데 여기서는 연성의 폴리머 기판 자체가 그 역할을 대신하므로 물리적으로 강건하다. 또한 폴리머는 대체로 화학적 불활성 재질이므로 본 발명의 센서구조는 화학적으로 안정적이다.
둘째, 반도체 스트레인 게이지는 실리콘에 보론(Boron, B)과 같은 불순물을 주입하여 압저항을 형성하여 제조되기 때문에 신호의 감도가 월등히 우수하다. 또한 힘 감응저항(Force Sensitive Resistor)을 이용하는 방식에 비해 반복도, 재현성이 우수한 장점이 있다.
셋째, 본 발명의 힘 센서 어레이는 유연성과 신축성을 동시에 가질 수 있다. 기판자체가 폴리머 계통의 재질로 구부릴 수 있고 늘어날 수 있으며 반도체 스트레인 게이지의 재료인 실리콘은 잘 부러지고 딱딱하지만 이의 두께를 매우 얇게 제조하면 기계적인 유연성을 확보할 수 있어 유연성과 신축성을 동시에 가질 수 있다.
도 1a는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 실시예를 나타낸 사시도,
도 1b는 도 1a에 도시된 힘 또는 압력 센서 어레이를 층 구성으로 분해한 분해사시도,
도 2는 도 1a의 A-A 방향의 단면을 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법의 일 실시예를 순차적으로 나타낸 순서도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 구성중 반도체 스트레인 게이지의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정단면도,
도 5는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 반도체 스트레인 게이지를 전사하는 상태를 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 캐리어 웨이퍼 층에 반도체 스트레인 게이지가 전사된 상태를 나타낸 사시도,
도 7은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 다수의 신호선이 배열된 상태를 나타낸 사시도,
도 8은 본 발명인 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도,
도 9는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 1변형예로서 막대 형태의 단위체가 십자형태로 나열된 어레이 패턴을 간략하게 나타낸 평면도,
도 10은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 2변형예로서 어레이 패턴 상부에 돌기 구조를 형성한 상태를 나타낸 평면도,
도 11은 도 10의 B-B 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
< 실시예 >
<힘 또는 압력 센서 어레이>
도 1a는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 실시예를 나타낸 사시도이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 힘 또는 압력 센서 어레이를 층 구성으로 분해한 분해사시도이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 회로기판(10)과 그 양면으로 접착되는 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)으로 구성된다. 여기서, 회로기판(10)은 고분자 필름층과 그 내부에 다수의 단위체(111)가 특정 어레이 패턴으로 나열되어 있는 반도체 스트레인 게이지(semicondutor strain guage)가 위치하며, 전극을 형성하는 다수의 제 1, 2신호선(140, 150)이 형성되어 있다.
다수 단위체(111)의 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지는 변형에 따라 저항이 변화됨을 기초로 힘 또는 압력을 높은 게이지 팩터(gauge factor)의 우수한 감도로 센싱하는 역할을 한다. 그리고, 전체 층 구조에서 가운데 중립축(Neutral Axis)에 위치하여 전체 센서 어레이가 휘어져도 변형률이 0이다.
반도체 스트레인 게이지를 이루는 각 단위체(111)는 복수로 구비되어 어레이 패턴을 갖도록 제조되며, 각 단위체(111)는 막대 형상 또는 바 형상(bar-shaped)으로 동일한 형상을 갖는다. 어레이 패턴은 막대 형상의 길이 방향이 모두 동일하게 나열되도록 하여 대면적에 의한 힘 또는 압력 센싱이 균일하게 이루어질 수 있도록 하며 각 단위체(111)는 신축성을 제공하기 위해 도면과 달리 그 형상이 웨이브 형태로 제조될 수도 있다.
각 단위체(111)는 실리콘 웨이퍼에 기초하여 제조되어지는 것이므로 휨성을 부여하기 위해 100 ㎛ 이하의 두께로 제조된다. 제조공정에 대해서는 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 후술한다.
다수의 단위체(111)가 어레이 패턴으로 나열되는 반도체 스트레인 게이지는 폴리이미드(PI, Polyimid)와 같은 고분자 필름층에 형성되어 있다. 고분자 필름층은 전극간 절연층으로도 사용되므로 적어도 2층 이상의 얇은 박막으로 회로기판(10)이 완성되는 것이 바람직하다. 이러한 고분자 필름층에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 본 발명에 있어 힘(F)을 최초로 감지하는 감지부의 역할과 보호막의 역할을 한다. 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 힘 또는 압력 감지의 균일성을 보장하기 위해 양면을 동일한 두께(약 0.5 ~ 10 mm)로 제조한다.
그리고, 탄성중합체층(20, 30)(또는 폴리머층)은 유연성과 신축성을 제공하기 위해 사용되는 것으로서, 본실시예에서는 폴리-디메틸실록세인(PDMS, Poly-Dimethylsiloxane)층으로 형성하였다.
본 발명의 일 실시예는 도 1a에 도시된 바와 같이, 상부 탄성중합체층(30)으로 외부의 힘(F)이 작용하게 되면 반도체 스트레인 게이지의 해당 부위의 단위체(111)가 변형되고 이러한 변형에 기초하여 저항변화가 있으면, 다수의 제 1, 2신호선(140, 150)을 통해 소정 신호가 출력되어 본 발명 센서에 가해지는 힘 또는 압력이 측정된다.
도 2는 도 1a의 A-A 방향 단면을 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 회로기판(10)은 제 1고분자 필름층(120) 상에 반도체 스트레인 게이지(110)가 나열되어 있고, 각 단위체(111) 일단에 대응하여 제 1신호선(140)이 연결되며, 각 단위체(111) 타단에 대응하여 제 2신호선(150)이 연결되어 있다. 그리고, 회로기판(10)의 상하면으로 탄성중합체층(20, 30)이 접착되어 있다. 탄성중합체층(20, 30)에 대해서는 도 1의 설명부분에서 상술하였으므로, 여기서는 회로기판(10)의 구성에 대해 중점적으로 설명한다.
반도체 스트레인 게이지(110)는 다양한 어레이 패턴으로 제조 가능하지만, 두께는 휨성을 부여하기 위해 100 ㎛ 이하이어야 함은 상술한 바와 같으며, 전극형성을 위한 다수의 제 1, 2신호선(140, 150)의 경우 Au/Ti와 같은 금속을 사용하되 패터닝 공정과 금속증착(metal evaporation)으로 형성될 수 있다.
다만, 제 1신호선(140)과 제 2신호선(150)은 상호 절연되어야 하므로 제 1신호선(140)과 제 2신호선(150) 사이에는 절연층으로 제 2고분자 필름층(130)이 더 형성되어 있고 홀을 통해 반도체 스트레인 게이지(110)와 제 2신호선(150)이 연결될 수 있다.
본 실시예와 같은 회로기판(10)의 경우 제 2고분자필름층(130) 상으로 다수의 제 2신호선(150)이 노출될 수도 있지만, 다수의 제 2신호선(150) 상으로 다시 고분자 필름층(미도시)을 더 형성하여 회로기판(10)은 양면으로 고분자 필름층이 감싸는 구조로도 형성될 수 있다.
한편, 제 1, 2고분자 필름층(120, 130)은 회로 및 도선을 구성하기 위해 필요한 구성임과 동시에 반도체 스트레인 게이지(110)가 막에 안착되도록 하는 역할도 수행한다. 이러한 제 1, 2고분자 필름층(120, 130)은 각각이 0.5 ~ 5 ㎛ 두께를 갖는 폴리이미드(PI, Polyimid) 박막층으로 형성될 수 있다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법>
도 3은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법의 일실시예를 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하면, 우선 실리콘 웨이퍼(40) 상에서 소정의 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(110)가 제조된다(S1100).
제조되는 반도체 스트레인 게이지(110)는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼 또는 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 어레이 패턴의 각 단위체(111) 두께가 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 가 되도록 제조되며, 특히 SOI 웨이퍼를 이용하는 경우 에칭막이 삽입되어 있으므로 반도체 스트레인 게이지(110)의 두께 조절이 용이할 수 있다.
다음, 제조된 반도체 스트레인 게이지(110)가 폴리-디메틸실록세인 매개체(50)를 이용하여, 캐리어 웨이퍼(60)에 희생층(62)을 사이에 두고 적층되어 있는 제 1고분자 필름층(120)으로 전사된다(S1200).
특히, 반도체 스트레인 게이지(110) 전사단계(S1200)에서, 희생층(62)은 폴리메틸 메타크릴레이트, 즉, PMMA(Poly Methyl Methacrylate, 아크릴수지)이며, 제 1고분자 필름층(120)은 폴리이미드 박막층을 이용하여 전사단계(S1200) 공정이 수행된다.
다음, 다수의 제 1신호선(140)이 어레이 패턴의 각 단위체(111) 일단과 연결되어 제 1전극이 형성된다(S1300). 여기서, 다수의 제 1, 2신호선은 금속 증착으로 형성되며, 다수의 제 1신호선(140)이 일 방향으로 평행하게 나열되게 형성한다.
다음, 제 2고분자 필름층(130)이 다수의 제 1신호선(140) 상부로 적층되어 절연층이 형성된다(S1400). 특히, 절연층 형성단계(S1400)에서, 제 2고분자 필름층(130)은 제 1고분자 필름층(120)과 마찬가지로 폴리이미드 박막층이 사용된다.
다음, 다수의 제 2신호선(150)이 제 2고분자 필름층(130)에서 각 단위체(111)의 타단과 연결되어 제 2전극이 형성된다(S1500). 또한, 다수의 제 2신호선(150)도 금속증착으로 형성되며, 다수의 제 1신호선(140)의 나열 방향에 수직으로 나열되도록 다수의 제 2신호선(150)이 형성된다.
다음, 제 1, 2고분자 필름층, 반도체 스트레인 게이지(110) 및 다수의 제 1, 2신호선으로 구성된 회로기판(10)이 소정의 용해제에 의한 희생층(62)의 용해로 분리된다(S1600).
마지막으로, 회로기판(10)이 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30) 사이에 삽입되어 접착됨으로써(S1700) 본 발명인 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법이 수행된다.
한편, 게이지 제조단계(S1100)는, 실리콘 웨이퍼(40)에 석판인쇄공정(S1110), 이온주입공정(S1120) 및 식각공정(S1130)이 순차적으로 수행됨으로써 의도하는 어레이 패턴의 반도체 스트레인 게이지(110)가 제조될 수 있다. 이러한 공정(S1110, S1120, S1130)은 반도체 스트레인 게이지 제조에 있어 자명한 공정이므로 설명은 생략한다.
상술한 바와 같은 일반적인 반도체 스트레인 게이지(110) 제조공정(S1110, S1120, S1130) 이외에도 여러 제조공정이 있을 수 있으나, 저비용의 공정으로서 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용한 마이크로 구조체 추출방법[참고문헌: A.J. Baca, et al., Adv. Func. Mater., 17, 3051 (2007)]을 이용하여 반도체 스트레인 게이지(110)를 제조하는 공정(도 4a 내지 도 4d)이 이용될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 구성중 반도체 스트레인 게이지(110)의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제조될 반도체 스트레인 게이지(110)를 고려하여 단결정 실리콘(112)에 소정의 패턴으로 감광액(113, Photo Resister)을 도포한다. 이후, 금속증착(metal evaporation)을 통해 해당부위를 제거하고 RIE(Reactive Ion Etching)를 통해 트렌치(114, trench)를 형성한 상태에서 KOH에 의한 측벽정제(sidewall Refining)과정을 거치면 도 4d와 같은 단결정 실리콘이 완성된다.
이후, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제 1보호막(115) 및 제 2보호막(116)을 순차적으로 형성하되 제 1보호막(115)은 Si3N4/SiO2를 사용하고 제 2보호막(116)은 Au/Ti를 사용한다. 다음, CF4 plasma를 이용한 RIE 과정과 KOH 에칭과정을 통해 제 1, 2보호막(115, 116)이 부분적으로 제거되고 마지막으로 완전히 제 1, 2보호막(115, 116)을 제거하면, 도 4d에 도시된 바와 같은 리본 형태(Si Ribbon)의 단위체(111)가 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(110)가 완성된다.
도 5는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 반도체 스트레인 게이지(110)를 전사하는 상태를 나타낸 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 폴리-디메틸실록세인 매개체(또는 PDMS 스탬프, 50)를 이용하여 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(110)를 폴리-디메틸실록세인 매개체(50)의 면적만큼 실리콘 웨이퍼(40)에서 이탈시키게 된다.
도 6은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 캐리어 웨이퍼(60) 층에 반도체 스트레인 게이지(110)가 전사된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 캐리어 웨이퍼(60)에 희생층(62)을 사이에 두고 적층되어 있는 제 1고분자 필름층(120)으로 반도체 스트레인 게이지(110)가 전사되어 적층된다. 여기서, 제 1고분자 필름층(120)은 폴리이미드 박막층으로 형성된 것이며, 희생층(62)은 폴리메틸 크릴레이트(PMMA, 아크릴수지)가 코팅되어 있다.
도 7은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 다수의 신호선이 배열된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 금속(Cu/Au 등) 증착을 통해 다수의 제 1, 2신호선(140, 150)을 형성할 수 있는데 , 이때 세부적 도선 패터닝 작업이 이루어질 수 있으며 스핀코팅 등의 공정이 수행될 수 있다. 다수의 제 1, 2신호선(140, 150)은 임의의 X축 전극과 이에 수직하는 Y축 전극이 되도록 형성한다.
<힘 또는 압력의 측정방법>
도 8은 본 발명인 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 우선 필름면이 대면하여 접하는 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130)의 외측 양면에 각각 폴리-디메틸실록세인층이 접착되어 폴리-디메틸실록세인층 중 적어도 하나가 외부로부터 힘 또는 압력을 수신한다(S2100).
다음, 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130) 사이에 소정의 어레이 패턴을 가지는 반도체 스트레인 게이지(110)가 위치하여 힘 또는 압력을 전달받아 저항이 변화된다(S2200).
다음, 제어부(미도시)가 변화된 저항에 기초하여 출력되는 소정 신호를 어레이 패턴의 각 단위체(111)와 연결된 다수의 제 1, 2신호선을 통해 수신한다(S2300). 여기서, 제어부는 수치연산과 수치비교가 가능한 컴퓨터일 수 있으며 본 발명인 힘 또는 압력 센서 어레이의 신호를 수신할 수 있는 입력포트를 갖추고 있는 것이 바람직하다.
다음, 제어부가 신호에 기초하여 측정 저항값 또는 측정 전압값을 연산한다(S2400).
마지막으로 제어부가 측정 저항값 또는 측정 전압값에 기초하여 힘 또는 압력의 세기를 출력함으로써(S2500) 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법이 수행된다.
여기서, 제어부의 연산단계(S2400)와 제어부의 출력단계(S2500) 사이에는, 제어부가 각 단위체(111)에 대응하여 버퍼 메모리(미도시)에 저장해둔 초기 저항값 또는 초기 전압값을 읽어들이는 단계(S2450)가 더 포함되어 측정값과 초기값을 비교하여 그 비례 정도에 기반하여 힘 또는 압력의 세기를 연산하고 출력하는 것이 바람직하다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 제 1변형예 >
도 9는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 1변형예로서 막대 형태의 단위체(111)가 십자형태로 나열된 어레이 패턴을 간략하게 나타낸 평면도이다. 도 9에 도시된 바와 같은 제 1변형예는 일실시예에서 상술하였던 다수의 막대 형태(또는 바 형태)의 단위체(111, 111')가 어레이 패턴으로 나열된 2개의 회로기판(10)을 준비하여 각 회로기판(10)에 대응하는 단위체(111, 111') 상호간에 십자형태가 되도록 겹쳐서 만들 수 있다. 물론 겹쳐 형성된 2개의 회로기판(10) 외측 양면으로 각각 탄성중합체층을 접착하여 본 발명의 힘 또는 압력 센서 어레이가 완성된다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 제 2변형예 >
도 10은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 2변형예로서 어레이 패턴 상부에 돌기(31) 구조를 형성한 상태를 나타낸 평면도이며, 도 11은 도 10의 B-B 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 각 돌기(31)가 탄성중합체(30) 표면과 이루는 경계선 하부에서 사방을 향하도록 나열된 패턴을 어레이 패턴으로 갖는 반도체 스트레인 게이지(110a, 110b, 110c, 110d)가 형성되어 있다. 이러한 돌기(31) 구조는 하중이 집중되도록 함과 동시에 3축 방향의 힘 또는 압력을 측정할 수 있는 구조이다.
상술한 제 1, 2변형예도 상술한 제조방법과 동일한 제조방법으로 제조될 수 있으며, 힘 또는 압력의 측정방법도 측정방향을 제외하고는 동일하게 수행된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 회로기판
20, 30: 한 쌍의 탄성중합체층
31: 돌기
40: 실리콘 웨이퍼
50: 폴리-디메틸실록세인 매개체
60: 캐리어 웨이퍼
62: 희생층
110: 반도체 스트레인 게이지
111, 111', 111a, 111b, 111c, 111d: 반도체 스트레인 게이지의 단위체
112: 단결정 실리콘
113: 포토 레지스터
114: 트렌치
115: 제 1보호막
116: 제 2보호막
120: 제 1고분자 필름층
130: 제 2고분자 필름층
140: 제 1신호선
150: 제 2신호선

Claims (22)

  1. 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지(110);
    필름면이 상호 대면하여 접하며 상기 접하는 필름면 사이에 상기 반도체 스트레인 게이지(110)를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130); 및
    상기 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130) 중 어느 하나를 절연층으로 하여 상기 절연층 상하면으로 형성되고 상기 어레이 패턴의 각 단위체(111)에 연결되어 전극을 형성하며 상기 각 단위체(111)의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층;으로 구성되는 회로기판(10)을 포함하되,
    상기 회로기판(10)이 내부에 포함되도록 상기 회로기판(10)의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30);을 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 어느 하나의 탄성중합체층(20, 30) 표면으로 균일하게 다수의 돌기(31)가 형성되어 있으며,
    상기 어레이 패턴은 상기 각 돌기(31)가 상기 표면과 이루는 경계선 하부에서 사방을 향하도록 나열된 패턴인 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130)은 한 쌍의 폴리이미드 박막층인 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 스트레인 게이지(110)는 상기 힘 또는 상기 압력에 기초하여 저항변화가 있는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 변형신호는 상기 저항변화에 기초하여 출력되는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 각 단위체(111)는 막대 형상이며,
    상기 어레이 패턴은 상기 막대 형상의 길이 방향을 동일하게 갖는 패턴인 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 회로기판(10)은 2개이며 상기 각 회로기판(10)에 대응되는 각 단위체(111)가 교차 되도록 겹쳐져 상기 2개의 회로기판(10)이 하나로 접착된 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 어레이 패턴은 상기 길이 방향 및 상기 길이 방향에 수직인 방향으로 배열되는 상기 각 단위체(111)의 인접 간격을 균일하게 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호선층은 상기 절연층 하면에 일 방향으로 배열되는 다수의 제 1신호선(140)과 상기 절연층 상면에 상기 일 방향에 수직으로 배열되는 다수의 제 2신호선(150)으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호선층은 금속 증착에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 한 쌍의 폴리-디메틸실록세인층인 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30)은 각 탄성중합체층(20, 30)의 두께가 상호 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지(110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이.
  13. 실리콘 웨이퍼(40) 상에서 소정의 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(110)가 제조되는 게이지 제조단계(S1100);
    상기 제조된 반도체 스트레인 게이지(110)가 폴리-디메틸실록세인 매개체(50)를 이용하여, 캐리어 웨이퍼(60)에 희생층(62)을 사이에 두고 적층되어 있는 제 1고분자 필름층(120)으로 전사되는 전사단계(S1200);
    다수의 제 1신호선(140)이 상기 어레이 패턴의 각 단위체(111) 일단과 연결되어 제 1전극이 형성되는 제 1신호선(140) 형성단계(S1300);
    제 2고분자 필름층(130)이 상기 다수의 제 1신호선(140) 상부로 적층되어 절연층이 형성되는 절연층 형성단계(S1400);
    다수의 제 2신호선(150)이 상기 제 2고분자 필름층(130)에서 상기 각 단위체(111)의 타단과 연결되어 제 2전극이 형성되는 제 2신호선(150) 형성단계(S1500);
    상기 제 1, 2고분자 필름층, 상기 반도체 스트레인 게이지(110) 및 상기 다수의 제 1, 2신호선으로 구성된 회로기판(10)이 소정의 용해제에 의한 상기 희생층(62)의 용해로 분리되는 기판 분리단계(S1600); 및
    상기 회로기판(10)이 한 쌍의 탄성중합체층(20, 30) 사이에 삽입되어 접착되는 기판 접착단계(S1700);를 포함하고,
    상기 게이지 제조단계(S1100)는,
    상기 실리콘 웨이퍼(40)에 석판인쇄공정(S1110), 이온주입공정(S1120) 및 식각공정(S1130)이 순차적으로 수행되어 상기 반도체 스트레인 게이지(110)가 제조되는 단계인 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 게이지 제조단계(S1100)에서, 상기 반도체 스트레인 게이지(110)는 두께가 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 가 되도록 제조되는 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 반도체 스트레인 게이지(110) 전사단계(S1200)에서, 상기 희생층(62)은 폴리메틸 메타크릴레이트이며, 상기 제 1고분자 필름층(120)은 폴리이미드 박막층인 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1, 2신호선 형성단계(S1300, S1500)는,
    상기 다수의 제 1, 2신호선이 금속 증착으로 형성되는 단계인 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 절연층 형성단계(S1400)에서, 상기 제 2고분자 필름층(130)은 폴리이미드 박막층인 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1, 2신호선 형성단계(S1300, S1500)는,
    상기 다수의 제 1신호선(140)이 일 방향으로 평행하게 나열되며, 상기 다수의 제 2신호선(150)이 상기 일 방향에 수직으로 나열되도록 형성되는 단계인 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법.
  20. 필름면이 대면하여 접하는 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130)의 외측 양면에 각각 폴리-디메틸실록세인층이 접착되어 상기 폴리-디메틸실록세인층 중 적어도 하나가 외부로부터 힘 또는 압력을 받는 단계(S2100);
    상기 한 쌍의 고분자 필름층(120, 130) 사이에 소정의 어레이 패턴을 가지는 반도체 스트레인 게이지(110)가 위치하여 상기 힘 또는 상기 압력을 전달받아 저항이 변화되는 단계(S2200);
    제어부가 상기 변화된 저항에 기초하여 출력되는 소정 신호를 상기 어레이 패턴의 각 단위체(111)와 연결된 다수의 제 1, 2신호선을 통해 수신하는 단계(S2300);
    상기 제어부가 상기 신호에 기초하여 측정 저항값 또는 측정 전압값을 연산하는 단계(S2400); 및
    상기 제어부가 상기 측정 저항값 또는 상기 측정 전압값에 기초하여 상기 힘 또는 상기 압력의 세기를 출력하는 단계(S2500);를 포함하고,
    상기 연산하는 단계(S2400)와 상기 출력하는 단계(S2500) 사이에는,
    상기 제어부가 상기 각 단위체(111)에 대응하여 버퍼 메모리에 저장해둔 초기 저항값 또는 초기 전압값을 읽어들이는 단계(S2450)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법.
  21. 삭제
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 제어부의 출력단계(S2500)는,
    상기 제어부가 상기 측정 저항값과 상기 초기 저항값을 비교하거나 상기 측정 전압값과 상기 초기 전압값을 비교하여 상기 힘 또는 상기 압력의 세기를 출력하는 단계인 것을 특징으로 하는 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법.
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