KR101193501B1

KR101193501B1 - 이에스피용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서

Info

Publication number: KR101193501B1
Application number: KR1020100049330A
Authority: KR
Inventors: 서영우; 노상수; 서정환; 이응안; 임시습
Original assignee: 대양전기공업 주식회사
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2012-10-22
Also published as: KR20110129769A

Abstract

본 발명은 ESP용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서에 관한 것으로 자동차의 진동 및 급격한 압력변화에 자세제어장치에 사용되며 금속 다이어프램에 절연막을 형성하고 압력감지막에 패턴저항을 일체형으로 제작하며 압력감지막의 레이저 트리밍을 이용한 패턴공정과 감도를 높일 수 있도록 휘스톤브릿지 형태로 저항을 형성하여 고정밀 저항체의 압력센서를 제작하는 것으로 패턴저항 간의 저항값이 일정하여 -40~200℃의 온도환경변화에 대한 온도의 보정이 없으므로 회로의 설계시 온도보상회로가 불필요하며 센서의 패턴저항을 일정 목표저항에 ± 0.1%이내가 되는 압력센서를 제작함에 따라 회로가 단순화되어 콤팩트한 회로 구성의 설계가 가능하며 고온, 고압에서 사용이 가능하며 단순화된 회로구성에 의한 대량생산으로 고수율이 가능하고 소형화된 압력센서로 안정성이 우수한 ESP용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서에 관한 것이다.

Description

이에스피용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서 {Mathod For Manufacturing ESP Pressure Sensor And The Same Pressure Sensor}

본 발명은 ESP(Electronic Stability Program)용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서에 관한 것으로, 구체적으로 설명하면, 자동차의 진동 및 급격한 압력변화에 대응하기 위한 자세제어장치에 사용되며 금속 다이어프램에 절연막을 형성하고 압력감지막에 패턴저항을 일체형으로 제작하며 압력감지막의 레이저 트리밍을 이용한 패턴공정과 감도를 높일 수 있도록 휘스톤브릿지 형태로 저항을 형성하여 고정밀 저항체의 압력센서를 제작하는 것으로 -40~200℃의 온도 환경에 대해 온도보상이 없으며 고온, 고압에서 사용이 가능하며 단순화된 회로구성에 의한 대량생산으로 고수율이 가능하고 소형화된 압력센서의 설계가 가능하며 안정성이 우수한 ESP용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서에 관한 것이다.

일반적으로, 압력계측센서는 자동차, 환경설비, 의료기기 등에 광범위하게 이용되는 센서 부분의 기술분야로 환경 진동, 급격한 압력변화, 넓은 범위의 사용온도, 고압의 조건에서 사용되는 것이다.

기존 기술의 경우 반도체 공정을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 압력을 감지할 수 있는 셀을 제작하여, 압력부에 맞게 세라믹 또는 금속을 압력감지부의 형태로 가공한 후 설계된 위치에 부착하여 사용한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 실리콘을 이용한 기존 압력센서의 구조는 반도체 공정을 이용하여 실리콘 기판에 압력센서의 구조를 패턴화하여 수입되는 압력센서의 셀(Cell)은 실리콘 압력센서(5)의 고분자 수지몸체(3)의 압력전달 홀(2)에 맞추어 글래스 접합부(6)를 이용해 부착한 구조로, 여기서 상기 실리콘 압력센서(5)의 전극패드(8)와 도전성 리드(1)에 전기적으로 전달할 수 있는 도전성 와이어(4)를 연결한 후 센서 보호용 캡(7)이 닫혀진 구조이다.

이러한 구조의 실리콘 압력센서(5)는 고분자형 수지를 이용하여야하므로 사용온도에 한계를 가지며, 고온에서의 사용이 가능하게 압력감지막을 형성하나, 압력센서와 압력감지부의 접합 시 발생되는 응력으로 인해 일정부분 틀어져서 설계되며 이러한 실리콘 압력센서(5)의 경우 압력을 감지하는 부분이 열악한 구조로 되어있어, 급격한 압력변화 및 고압에 직접 압력을 받는 형식의 구조에서는 사용이 불가능하게 된다.

이를 보완하기 위해 간접압력을 받는 구조로 설계하여 제작하지만, 급격한 압력변화가 심한 브레이크 계측에서는 응답특성이 느리며, 정확도가 떨어지게 되며 상기 실리콘 압력센서(5)의 고분자 수지몸체(3)의 압력전달 홀(2)과 셀을 부착하여 상기 실리콘 압력센서(5)를 제작할 경우 잦은 압력변화 및 온도변화로 인해 부착부위가 변화되고 약화되어 불량이 발생한다.

도 2에 도시된 바와 같이 기존 자동차용 박막형 압력센서는 상기 실리콘 압력센서(5')의 셀(Cell)로 제작된 것으로, 상기 수지몸체(3) 대신에 금속다이어프램(3')을 이용하며 상기 금속다이어프램(3')은 가공되어 상기 실리콘 압력센서(5') 셀을 압력에 변화하는 구조에 맞게 유리질 및 에폭시로 블레이징 접합(6')하여 형성된다. 상기 실리콘 압력센서(5') 셀은 반도체 공정을 이용하여 일정 패턴저항(1')이 형성되어 있으며 상기 패턴저항(1')을 보호하기 위한 절연막(2')이 형성되어 있으며 추후 패키징에 따라 도전성 와이어 본딩을 위해 전극 패드(4')가 설계되어 있다.

이러한 실리콘 압력센서(5')는 120도의 고온에서도 사용할 수 있도록 압력감지막을 설계하여 제작 하나, 접합이 이루어지면서 압력저항의 틀어짐 현상과, 압력에 급격한 증가와 감소에 대한 계면에서의 불안정이 존재한다.

도 3과 같이 접합공정이 이루어지지 않고 압력에 대한 구조물인 다이어프램(3'')을 제작하여 상기 다이어프램(3'') 위에 전기적으로 분리를 위한 하부절연막(2'')을 형성한 후 상부 압력을 감지하는 센서저항체(1'')가 형성되며 상기 센서저항체(1'')를 보호하기 위한 상부절연막(5'')이 형성되며 최종 압력센서의 출력 저항을 외부로 용이하게 연결하기 위해 전극패드(4'')를 형성한다.

도 4에서 도시된 바와 같이 기존 자동차용 압력센서의 패턴의 구조를 보면, 다이어프램(50') 윗면의 압력센서 셀(51') 상에 형성되는 저항형 센서로 총 4개의 패턴인 R1(10'), R2(20'), R3(30'), R4(40')가 형성되어 있으며, 이는 고저항의 반도체 재료의 이용으로 단순화된 패턴으로 6k~8k로 저항값을 갖고 상기 4개의 저항은 약 500Ω이내의 편차를 갖으며 휘스톤 브릿지의 형태로 형성된다.

이러한 저항값의 편차가 발생할 시 0Bar의 압력에 출력전압 값이 벗어난 상태에서 회로의 보정을 통해 0 또는 0.5mV의 기준 전압으로 셋팅되어야 하며, 이는 반도체의 압력센서 재질로 제작되어 온도에 따른 저항변화가 크게 되어 사용온도별 온도보상이 이루어지도록 별도의 회로가 지원되어야 하는 문제가 있다.

기존의 박막형 압력센서는 도 5와 같이 NiCr금속막을 이용하여 R1 저항부(10'a), R2 저항부(20'a), R3 저항부(30'a), R4 저항부(40'a)가 2K~4K로 설계된 패턴으로, NiCr금속막은 온도저항계수가 낮고, 저가의 공정과 재현성이 우수하여 고온용 압력센서로 사용가능하나, 비저항이 낮기 때문에 패턴이 길고 복잡하며 패턴 형성 시 에칭에 대한 재현성은 높으나 선폭이 좁게 되어 다이어프램의 외부와 내부 간에 패턴 에칭 속도가 다르며, 패키징 단계별로 진행함에 따라 최대 10%의 저항편차가 발생한다. 이는 기존 자동차 압력센서와 유사하게 저항값의 차이에 따라 0Bar의 레벨전압이 차이가 발생하며, 또한 온도저항 계수가 낮지만 저항편차로 인해 온도보상회로가 별도로 필요한 문제가 있다.

이렇듯, 종래 기술을 이용한 압력센서에서 패턴의 틀어진 구조의 저항을 계측에 사용할 경우 틀어진 저항값을 일정 영점을 맞추기 위해 아날로그 회로에서는 일반 고정저항, 가변저항 또는 특수용 고정저항을 제작 또는 구매하여 별도의 영점 조정용 회로의 설계가 필요하며 디지털 회로에서는 대부분의 offset을 맞추어 주는 부분이 있으나 큰 차이의 기전력 값을 조정 시 노이즈에 민감하게 되어 정확한 압력계측이 불가능하였다.

또한 틀어진 저항으로 만들어진 센서의 경우 미미한 온도저항계수의 변화를 가지는 물질이더라도 초기 저항값의 차이가 큰 구조에서는 고온부 또는 저온부에서 온도와 압력변화에 따른 저항변화와 별도의 다른 저항값이 변화에 따라 온도보상에 대한 조정비를 높게 해야하며 센서를 사용하기 위한 온도보상회로가 별도로 요구되며 소형화가 불가능하며 고온 고압의 열악한 환경에서의 사용이 불가능하게 되는 문제점이 있게 되는 것으로 이러한 문제를 해결할 수 있는 정밀한 박막형 압력센서의 개발이 요망되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 센서 제작 공정에서 발생하는 저항값의 편차를 최종 제품 패키징 전에 레이져 트리밍을 통해 고정밀 저항의 압력센서를 제작함으로써 압력을 감지하는 4개의 패턴저항의 저항편차가 0.1% 이내로 형성되어 틀어진 저항값을 일정 영점을 맞추기 위해 별도의 영점 조정용 회로가 불필요하며 패턴저항 간의 저항값이 일정하여 -40~200℃의 온도 변화 환경에 따른 저항값에 대한 온도보정이 없으므로 별도의 온도보상회로가 필요하지 않아 압력에 대해 정밀하며 안정적인 출력을 얻을 수 있으며 콤팩트한 회로의 구성으로 소형화된 압력센서 소자의 제작이 가능하며 설계의 단순화를 통해서 생산성이 향상되고 고온 및 고압에서 사용 가능한 ESP용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서를 제공한다.

본 발명의 이러한 목적은, 스텐인레스 강(304, 316, 630)을 가공하여 다이어프램을 제작하고 표면을 랩핑 및 폴리싱 연마하여 평탄화된 표면을 형성하도록 다이어프램을 가공하는 단계와,

상기 다이어프램 상에 고진공 박막 증착법에 의해 절연성과 강도향상을 위해 2~5㎛의 두께로 실리콘 산화막을 형성하는 단계(b)와,

상기 실리콘 산화막 상에 NiCr의 합금금속을 사용온도 환경과 특성에 따라 고진공 증착법으로 8:2의 비율로 2000~4000Å 증착시키고, 4개의 패턴저항을 휘스톤 브릿지 형태로 R1, R4는 압축응력이 발생하여 저항이 감소하도록 형성하고, R2, R3는 인장응력이 발생하여 저항이 증가하도록 형성하여 스트레인 감도가 최대가 되도록 패턴저항이 형성되는 압력감지막을 형성시키는 단계와,

상기 압력감지막에 형성된 4개의 패턴저항에는 가로와 세로가 각 50~60㎛ 인 정사각형을 갖는 사다리 형태의 사다리형 트리밍부와 사다리 형태를 갖지 않는 라인 트리밍부로 구성되어 레이저 빔을 이용하여 사다리형 형태의 병렬저항을 직렬저항으로 변화하고, 정밀 저항을 라인으로 트리밍하여 정밀저항값이 증가하도록 레이저 트리밍하는 단계와,

상기 압력감지막의 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 상기 실리콘 산화막 상에 고진공 증착법 또는 도금법으로 비저항이 낮은 금속물질을 1~3㎛의 두께로 전극패드를 형성하는 단계와,

상기 압력감지막 상에 레이져 트리밍 된 패턴저항을 물리적으로 보호하기 위하여 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 0.5~2㎛의 두께로 증착되는 상부 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 ESP용 자동차 압력센서 제조방법에 의해서 달성된다.

본 발명의 또 다른 목적은, 스테인레스 강을 가공하여 형성되며 랩핑 및 폴리싱 연마하여 표면이 평탄화된 다이어프램과, 상기 다이어프램 상에 티타늄 질화막(TiN) 또는 실리콘질화막(Si₃N₄)을 매개층으로 하여 고진공 박막 증착법으로 형성되는 실리콘 산화막과, 상기 실리콘 산화막 상에 고진공 증착법으로 NiCr이 증착되고 레이저 트리밍이 가능하도록 사다리형 트리밍부와 라인 트리밍부를 갖는 4개의 패턴저항이 휘스톤 브릿지 형태로 형성되어 저항값의 증가가 가능하도록 패턴저항이 설계된 압력감지막과, 상기 실리콘 산화막 상에 상기 압력감지막의 초음파 와이어 본딩 및 솔더링(soldering)을 위해 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 형성되는 전극패드와, 상기 압력감지부 상에 레이저 트리밍 된 패턴저항을 보호하기 위해 형성되는 상부 절연막을 포함하는 ESP용 자동차 압력센서에 의해서 달성된다.

본 발명은 ESP용 자동차 압력센서 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 압력센서에 관한 것으로, 센서제작공정의 진행과정에서 발생하는 저항값을 최종 패키징 전에 레이져 트리밍을 통해 고정밀 저항의 압력센서를 제작함으로써 패턴저항 간의 저항값이 일정하여 -40~200℃의 온도환경변화에 대한 온도의 보정이 없으므로 회로의 설계시 온도보상회로가 불필요하며 센서의 패턴저항을 일정 목표저항에 ± 0.1%이내가 되는 압력센서를 제작함에 따라 회로가 단순화되어 콤팩트한 회로 구성으로 압력센서의 소형화와 대량생산이 가능하며 제작공정에서 일정 저항의 차이가 발생된 압력센서 소자의 불량처리하는데에 레이저 트리밍 공정을 이용하게 됨에 따라 수율이 증가하고 고온 및 고압에서 사용 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 실리콘 웨이퍼를 이용한 반도체식 압력센서 단면도
도 2는 종래의 자동차용 압력센서 단면도
도 3은 종래의 박막형 금속 압력센서의 단면도
도 4는 종래의 자동차용 압력센서 패턴의 구조
도 5는 종래의 레이저 트리밍 공정이 없는 감지막 패턴의 구조
도 6a는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서의 다이어프램을 가공하는 단계를 나타낸 단면도
도 6b는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서의 실리콘산화막을 형성하는 단계를 나타낸 단면도
도 6c는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서의 압력감지막을 형성하는 단계를 나타낸 단면도
도 6d는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서의 레이저트리밍하는 단계를 나타낸 단면도
도 6e는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서의 전극패드를 형성하는 단계를 나타낸 단면도
도 6f는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서의 상부절연막을 형성하는 단계를 나타낸 단면도
도 7은 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서를 나타낸 단면도
도 8은 본 발명에 따른ESP용 자동차 압력센서의 레이저 트리밍 공정을 패턴저항의 구조
도 9a는 본 발명에 따른 패턴저항의 R1, R4의 레이저 트리밍 패턴부의 구조
도 9b는 본 발명에 따른 패턴저항의 R1, R4의 레이저 트리밍 패턴부가 레이저 트리밍 공정된 모습을 나타낸 상태도
도 10a는 본 발명에 따른 패턴저항의 R2, R3의 레이저 트리밍 패턴부의 구조
도 10b는 본 발명에 따른 패턴저항의 R2, R3의 레이저 트리밍 패턴부가 레이저 트리밍 공정된 모습을 나타낸 상태도
도 11은 본 발명에 따른 레이저 트리밍 공정에 대한 저항 증가 변화표
도 12는 본 발명에 따른 ESP용 자동차 압력센서에 따른 패턴저항의 휘스톤 브릿지 연결도

본 발명의 제1실시예에 따른 ESP용 자동차 압력센서 제조방법은, 도 6a 내지6f에 도시된 바와 같이, 스텐인레스 강(304, 316, 630)을 가공하여 다이어프램(10)을 제작하고 표면을 랩핑 및 폴리싱 연마하여 평탄화된 표면을 형성하도록 다이어프램(10)을 가공하는 단계(a)와,

상기 다이어프램(10) 상에 고진공 박막 증착법에 의해 절연성과 강도향상을 위해 2~5㎛의 두께로 실리콘 산화막(20)을 형성하는 단계(b)와,

상기 실리콘 산화막(20) 상에 NiCr의 합금금속을 사용온도 환경과 특성에 따라 고진공 증착법으로 8:2의 비율로 2000~4000Å 증착시키고, 4개의 패턴저항(31)을 휘스톤 브릿지 형태로 R1(31a), R4(31d)는 압축응력이 발생하여 저항이 감소하도록 형성하고, R2(31b), R3(31c)는 인장응력이 발생하여 저항이 증가하도록 형성하여 스트레인 감도가 최대가 되도록 패턴저항(31)이 형성되는 압력감지막(30)을 형성시키는 단계(c)와,

상기 압력감지막(30)에 형성된 4개의 패턴저항(31)에는 가로와 세로가 각 50~60㎛ 인 정사각형을 갖는 사다리 형태의 사다리형 트리밍부(32)와 사다리 형태를 갖지 않는 라인 트리밍부(33)로 구성되어 레이저 빔을 이용하여 사다리형 형태의 병렬저항을 직렬저항으로 변화하고, 정밀 저항을 라인으로 트리밍하여 정밀저항값을 증가하도록 레이저 트리밍하는 단계(d)와,

상기 압력감지막(30)의 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 상기 실리콘 산화막(20) 상에 고진공 증착법 또는 도금법으로 비저항이 낮은 금속물질을 1~3㎛의 두께로 전극패드(40)를 형성하는 단계(e)와,

상기 압력감지막(30) 상에 레이져 트리밍 된 패턴저항(31)을 물리적으로 보호하기 위하여 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 0.5~2㎛의 두께로 증착되는 상부 절연막(50)을 형성하는 단계(f)를 포함한다.

상기와 같은 제조방법에 의해 형성된 본 발명의 제1실시예에 따른 ESP용 자동차 압력센서(A)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 스테인레스 강을 가공하여 형성되며 랩핑 및 폴리싱 연마하여 표면이 평탄화된 다이어프램(10)과, 상기 다이어프램(10) 상에 티타늄 질화막(TiN) 또는 실리콘질화막(Si₃N₄)을 매개층으로 하여 고진공 박막 증착법으로 형성되는 실리콘 산화막(20)과, 상기 실리콘 산화막(20) 상에 고진공 증착법으로 NiCr이 증착되고 레이저 트리밍이 가능하도록 사다리형 트리밍부(32)와 라인 트리밍부(33)를 갖는 4개의 패턴저항(31)이 휘스톤 브릿지 형태로 형성되어 저항값의 증가가 가능하도록 패턴저항(31)이 설계된 압력감지막(30)과, 상기 실리콘 산화막(20) 상에 상기 압력감지막(30)의 초음파 와이어 본딩 및 솔더링(soldering)을 위해 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 형성되는 전극패드(40)와, 상기 압력감지막(30) 상에 레이저 트리밍 된 패턴저항(31)을 보호하기 위해 형성되는 상부 절연막(50)을 포함한다.

본 발명에서의 레이저 트리밍 (Laser Trimming) 단계는 반도체 공정의 하나로써 저항, 커패시터 등 수동소자의 값을 조정할 때 이루어지는 공정으로 저항을 레이저 빔으로 트리밍하면 레이저 빔에 의해 깍이는 만큼 저항값이 증가하게 된다.

상기 다이어프램(10)은 스텐인레스 강(304, 316, 630)을 가공하여 제조된 것으로 외부 압력에 대하여 탄성 및 복원력이 우수하고 열적 안정성이 좋은 특성을 가지며 상기 다이어프램(10)은 표면의 평탄화를 위해서 랩핑 및 폴리싱 연마를 통해 형성되어 있다.

상기 실리콘 산화막(20)은 상기 다이어프램(10) 상에 고진공 박막 증착법에 의해 형성되는 것으로 티타늄 질화막(TiN) 또는 실리콘질화막(Si₃N₄)을 매개층으로 사용하여 형성되며 상기 다이어프램(10)과 후술되는 압력감지막(30)의 절연성과 강도향상을 위해 2~5㎛의 두께로 형성된다.

상기 실리콘 산화막(20)은 상기 압력감지막(30)의 레이저 트리밍 공정 시 내구성과 효율성을 향상시키게 된다.

상기 압력감지막(30)은 상기 실리콘 산화막(20) 상에 사용온도 환경과 특성에 따라 NiCr의 합금금속이 고진공 증착법으로 8:2, 6:4, 5:5의 비율로 2000~4000Å 증착되어 형성되는 것으로 R1(31a), R2(31b), R3(31c), R4(31d)의 4개의 패턴저항(31)이 휘스톤 브릿지 회로 형태를 이루며 20~60㎛의 선폭과 10~40㎛의 선간 여백을 갖도록 노광공정용 마스크로 설계된 패턴저항(31)이 형성되어 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 상기 R1(31a), R2(31b), R3(31c), R4(31d)이 형성된 패턴저항(31)은 각각의 변화에 대한 저항값을 최대로 얻기 위해 휘스톤 브릿지 회로로 연결되며, 상기 휘스톤 브릿지 회로를 사용하게 되면 최대 1% 미만의 저항으로 제작된 압력센서를 구동할 때 입력전압에 따라 상기 휘스톤 브릿지 회로를 통해 출력되는 전압은 1.2% 오차 이내의 출력 값을 얻을 수 있기 때문이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 압력감지막(30)에 형성된 4개의 패턴저항(31)은 압축응력이 발생하여 저항이 감소하도록 형성된 상기 R1(31a), R4(31d)와, 인장응력이 발생하여 저항이 증가하도록 형성된 상기 R2(31b), R3(31c)로 상기 패턴저항(31)이 형성되며 상기 4개의 패턴저항 R1(31a), R2(31b), R3(31c), R4(31d) 에는 10% 저항을 올릴 수 있도록 R1 레이저 트리밍 패턴부(31a'), R2 레이저 트리밍 패턴부(31b'), R3 레이저 트리밍 패턴부(31c') 및 R4 레이저 트리밍 패턴부(31d')가 설계되어 있다.

상기 각각의 레이저 트리밍 패턴부(31a',31b',31c',31d')는 사다리 형태로 형성된 병렬저항을 레이저 트리밍하여 직렬저항으로 변화하여 저항값이 증가하도록 형성된 사다리형 트리밍부(32)와, 사다리 형태로 형성되지 않고 라인으로 레이저 트리밍하여 미세한 정밀저항값을 증가하기 위한 라인 트리밍부(33)로 구성되어 있으며 레이저가공으로 저항을 가공하여 상기 압력감지막(30)이 정밀한 상기 패턴저항(31)를 갖도록 에칭 공정이 이루어지고 패턴화 공정이 완료되면 200~500℃로 고진공 열처리함으로써 상기 다이어프램(10), 상기 실리콘 산화막(20), 상기 압력감지막(30)의 밀착성을 향상시키게 된다.

상기 열처리를 통하여 제작된 상기 패턴저항(31)은 목표저항에 비해 7% 낮은 상기 패턴저항(31)이 형성되도록 설계되어 있으나, 공정상의 열처리와 에칭 공정에 따라 상기 패턴저항(31) 간에 상기 R1(31a), R4(31d)의 경우 최대 -9%에서 -1%의 저항편차가 발생하며, 상기 R2(31b), R3(31c)는 -6에서 -1%의 저항편차가 나타나게 되므로 레이저 트리밍 공정 전에 상기 패턴저항(31)을 확인한다.

상기 사다리형 트리밍부(32)는 사다리 형태로 형성된 것으로 내부에 형성된 사각형 모양은 가로와 세로가 각 50~60㎛ 인 정사각형으로 사다리 형태의 병렬저항을 절단하여 직렬저항으로 변화되도록 설계되어 패턴의 선폭과 사각형의 크기에 따라 사각형 모양 하나 절단 시 0.4~0.8%의 저항이 증가되도록 설계되어 있으며 이는 사각형 모양의 절단만으로 정밀하게 4개의 패턴저항을 0.1% 이내의 저항으로 맞출수 없기 때문에 사각형 모양의 절단으로 목표 센서저항에 대비하여 -1% 저항으로 트리밍 Offset을 적용하도록 설계되어 있다.

상기 라인 트리밍부(33)는 -0.2%에서 -1%의 미세한 정밀저항값을 증가하기 위한 것으로 사다리 형태를 가지지 않고 미세한 정밀저항을 트리밍 하기 위해 라인으로 트리밍하여 패턴저항을 올리는 방식으로 설계되어 있다.

이는 상기 사다리형 트리밍부(32)의 사각형 모양의 레이저트리밍에서 80㎛/sec의 빠른 속도로 트리밍하여 목표저항에 대비하여 작은 저항값으로 제어한 후 상기 라인 트리밍부(33)의 라인을 통한 정밀 트리밍은 정확한 레이저트리밍을 위해 10㎛/sec의 저속으로 레이저트리밍하기 위해서 상기 사다리형 트리밍부(32)와 라인 트리밍부(33)를 설계되어 있다.

상기 R1 레이저 트리밍 패턴부(31a')와 상기 R4 레이저 트리밍 패턴부(31d')는 도 9a에 도시된 바와 같이, 세로측면을 통한 레이져 트리밍으로 사다리 형태의 병렬 저항을 직렬 저항으로 변화하고 라인으로 트리밍하여 미세한 정밀저항값을 증가시키는 구조를 갖으며 도 9b에 도시된 바와 같이, 에칭 공정을 통해 제작된 압력센서는 2,850Ω으로 형성된 압력센서를 목표저항인 3K에 맞도록 5%이내의 저항값을 증가시키기 위한 패턴저항의 레이저 트리밍 공정 후 모습을 나타낸 하나의 예를 보면, 레이저 빔을 이용하여 상기 사다리형 트리밍부(32) 내부에 형성된 정사각형 모양 하나를 절단 시 0.58%에 해당되는 17.4Ω의 저항값이 증가하도록 형성하였을 때 정사각형 모양의 병렬 저항을 8개를 절단하여(17.4Ω * 8EA = 139.2Ω) 전체 목표저항 3000Ω(3K)에 대비하여 4.64%의 저항이 증가되도록 하여 목표저항 3K에 99.6%인 2,989.2Ω으로 저항값을 맞춘 후 상기 라인 트리밍부(33)에 라인으로 150㎛를 정밀 트리밍하여 상기 사다리형 트리밍부(32)의 트리밍을 통해 목표저항에 99.6%까지 증가된 나머지 10.8Ω인 0.4%의 저항값을 증가하도록 형성하여 트리밍 전 2,850Ω에 상기 사다리형 트리밍부(32)를 통한 139.2Ω와 상기 라인 트리밍부(33)를 통한 10.8Ω의 저항값이 증가하여 목표저항 3K가 되도록 레이저 트리밍 되는 것으로 상기 사다리형 트리밍부(32)와 라인 트리밍부(33)는 목표저항에 따라서 달리 적용되어 진다.

상기 R1 레이저 트리밍 패턴부(31a')와 상기 R4 레이저 트리밍 패턴부(31d')는 목표 저항에 기반되는 전체저항에서 트리밍 공정을 통해 10%의 저항을 증가할 수 있으며, 상기 사다리형 트리밍부(32)의 저항증가분은 9%이내로 저항값의 증가와 제어가 이루어지도록 사각형 모양의 병렬저항이 15개로 설계되어 있으며 상기 패턴저항(31)에 따라서 레이저 트리밍으로 사각형 모양을 해당 수량만큼 가공한 후 나머지 1%이내의 저항증가분은 정밀 트리밍하기 위해 상기 라인 트리밍부(33)를 통해 0.1% 이내로 저속 레이저 트리밍 하면서 가공할 수 있도록 설계되어 있다.

도면 10a에 도시된 바와 같이, 상기 R2 레이저 트리밍 패턴부(31b')와 상기 R3 레이저 트리밍 패턴부(31c')는 상기 사다리형 트리밍부(32)가 가로측면을 통한 레이져 트리밍을 이용하여 사다리 형태의 병렬저항을 직렬저항으로 변화하게 되는 구조로 갖으며 도 10b에 도시된 바와 같이, 에칭 공정을 통해 제작된 압력센서는 2,880Ω으로 형성된 압력센서를 목표저항인 3K에 맞도록 4%이내의 저항값을 증가시키기 위한 패턴저항의 레이저 트리밍 공정 후 모습을 나타낸 하나의 예를 보면, 레이저 빔을 이용하여 상기 사다리형 트리밍부(32) 내부에 형성된 정사각형 모양 하나를 절단 시 0.58%에 해당되는 17.4Ω의 저항값이 증가하도록 형성하였을 때 정사각형 모양의 병렬 저항을 6개를 절단하여(17.4Ω * 6EA = 104.4Ω) 전체 목표저항 3000Ω(3K)에 대비하여 3.48%의 저항이 증가되도록 하여 목표저항 3K에 99.5%인 2,984.4Ω으로 저항값을 맞춘 후 상기 라인 트리밍부(33)에 라인으로 120㎛를 정밀 트리밍하여 상기 사다리형 트리밍부(32)의 트리밍을 통해 목표저항에 99.5%까지 증가된 나머지 15.6Ω인 0.5%의 저항값을 증가하도록 형성하여 트리밍 전 2,880Ω에 상기 사다리형 트리밍부(32)를 통한 104.4Ω와 상기 라인 트리밍부(33)를 통한 15.6Ω의 저항값이 증가하여 목표저항 3K가 되도록 레이저 트리밍되는 것으로 상기 R1 레이저 트리밍 패턴부(31a')와 상기 R4 레이저 트리밍 패턴부(31d')와 같이 상기 사다리형 트리밍부(32)와 라인 트리밍부(33)는 목표저항에 따라서 달리 적용되어 진다.

상기 R2 레이저 트리밍 패턴부(31b')와 상기 R3 레이저 트리밍 패턴부(31c')는 목표 저항에 기반되는 전체저항에서 트리밍 공정을 통해 7%의 저항을 증가할 수 있으며, 상기 사다리형 트리밍부(32)의 저항증가분은 6%이내로 저항을 제어 증가되도록 사각형 모양의 병렬저항이 10개로 설계되어 있으며 패턴저항에 따라서 레이저 트리밍으로 사각형 모양의 수량만큼 가공한 후 나머지 1%이내의 저항증가분은 정밀 트리밍하기 위해 상기 라인 트리밍부(33)를 통해 저속레이저 트리밍하면서 0.1%이내로 가공할 수 있도록 설계되어 있다.

상기 사다리형 트리밍부(32)의 설계에서 상기 R1(31a), R4(31d)는 최외각의 패턴저항(31)으로 에칭 공정에 대한 저항값의 변화의 폭이 크기 때문에 15개의 사각형 모양으로 형성되어 더 많은 저항을 트리밍할 수 있도록 설계하였으며, 상기 R2(31b), R3(31c)의 패턴저항(31)은 내부에 형성되는 것으로 에칭 공정에 대한 정밀도를 높기 때문에 10개의 사각형 모양으로 형성되어 있다.

상기 사다리형 트리밍부(32) 내부의 사각형 모양을 절단하기 위한 레이저 빔은 사각형 모양의 크기보다 작은 20~40㎛의 선폭과 0.5~1㎛ 이내의 깊이로 가공하여 병렬 저항을 직렬 저항 라인으로 제작하여 저항값을 증가시키게 되며 이러한 조건에 변수는 레이저 빔의 파워, 펄스, 파장에 적합하도록 설계, 조정하여 사용할 수 있다.

상기 사다리형 트리밍부(32)에 레이저 트리밍을 사용함으로써 병렬 저항을 직렬 저항으로 저항을 증가시키는 부분은 레이저 빔의 특성상 고에너지의 빛으로 가공하는 부분이기에 상기 압력감지막(30)의 가공을 통해 이루어지며 이러한 부분에 상기 사다리형 트리밍부(32)를 이용하여 고저항을 셋팅할 경우 트리밍 된 라인에 약간의 저항 변화가 발생하더라도 상기 사다리형 트리밍부(32)의 사각형 모양의 선폭 내에서의 저항변화는 거의 없기 때문에 제품의 품질 안정성과 내구성이 우수하게 되고, -40~200℃의 온도환경에서는 온도보상을 위한 별도의 장치가 필요치 않게 된다.

상기 전극패드(40)는 상기 실리콘 산화막(20) 상에 형성되는 것으로 초음파 와이어 본딩 및 솔더링을 위해 비저항이 낮은 금속물질인 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au)을 고진공 증착법 또는 도금법으로 1~3㎛의 두께로 형성하여 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 형성하여 상기 압력감지막(30)의 비저항이 높은 물질인 NiCr금속막의 전극을 본딩 시 저항값이 차이가 발생하는 요인을 없애고 연결을 견고하게 하기 위해 형성된다.

상기 상부 절연막(50)은 상기 압력감지막(30) 상에 레이져 트리밍 된 패턴을 물리적 화학적으로 보호하기 위하여 형성하는 것으로, 저온부 사용일 경우에는 에폭시, 테프론, 실리콘 중의 어느 하나에서 선택되어 사용되며 고온부 사용일 경우에는 실리콘 산화막(SiO₂), 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 0.5~2㎛의 두께로 형성하며 이때 상기 전극 패드(40)를 덮지 않도록 마스킹 처리 또는 증착 시 전용 마스크를 이용한다.

10. 다이어프램 20. 실리콘산화막 30. 압력감지막
31. 패턴저항 31a. R1 패턴저항 31b. R2 패턴저항
31c. R3 패턴저항 31d. R4 패턴저항
31a'. R1 레이저 트리밍 패턴부 31b'. R2 레이저 트리밍 패턴부
31c'. R3 레이저 트리밍 패턴부 31d'. R4 레이저 트리밍 패턴부
32. 사다리형 트리밍부 33. 라인 트리밍부 40. 전극패드
50. 상부절연막

Claims

ESP용 자동차 압력센서 제조방법에 있어서,
스텐인레스 강(304, 316, 630)을 가공하여 다이어프램(10)을 제작하고 표면을 랩핑 및 폴리싱 연마하여 평탄화된 표면을 형성하도록 다이어프램(10)을 가공하는 단계(a)와,
상기 다이어프램(10) 상에 고진공 박막 증착법에 의해 절연성과 강도향상을 위해 2~5㎛의 두께로 실리콘 산화막(20)을 형성하는 단계(b)와,
상기 실리콘 산화막(20) 상에 NiCr의 합금금속을 사용온도 환경과 특성에 따라 고진공 증착법으로 8:2의 비율로 2000~4000Å 증착시키고, 4개의 패턴저항(31)을 휘스톤 브릿지 형태로 R1(31a), R4(31d)는 압축응력이 발생하여 저항이 감소하도록 형성하고, R2(31b), R3(31c)는 인장응력이 발생하여 저항이 증가하도록 형성하여 스트레인 감도가 최대가 되도록 패턴저항(31)이 형성되는 압력감지막(30)을 형성시키는 단계(c)와,
상기 압력감지막(30)에 형성된 4개의 패턴저항(31)에는 가로와 세로가 각 50~60㎛ 인 정사각형을 갖는 사다리 형태의 사다리형 트리밍부(32)와 사다리 형태를 갖지 않는 라인 트리밍부(33)로 구성되어 레이저 빔을 이용하여 사다리형 형태의 병렬저항을 직렬저항으로 변화하고, 정밀 저항을 라인으로 트리밍하여 정밀저항값을 증가하도록 레이저 트리밍하는 단계(d)와,
상기 압력감지막(30)의 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 상기 실리콘 산화막(20) 상에 고진공 증착법 또는 도금법으로 비저항이 낮은 금속물질을 1~3㎛의 두께로 전극패드(40)를 형성하는 단계(e)와,
상기 압력감지막(30) 상에 레이져 트리밍 된 패턴저항(31)을 물리적으로 보호하기 위하여 실리콘 질화막(Si₃N₄)을 0.5~2㎛의 두께로 증착되는 상부 절연막(50)을 형성하는 단계(f)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESP용 자동차 압력센서 제조방법
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상기 제1항에 있어서,
상기 압력감지막(30)의 고진공 증착법으로 상기 실리콘 산화막(20) 상에 증착되는 NiCr의 합금금속은 6:4 또는 5:5의 비율로 2000~4000Å 증착되고, 그 위에 감광액을 코팅하고 상기 감광액상에 4개의 패턴저항을 선폭은 20~60㎛, 선간 여백은 10~40㎛로 하여 설계하고 스트레인 감도가 최대가 되게 휘스톤 브릿지 형태로 형성된 패턴 마스크를 코팅시키고 자외선에 노출시켜 패턴저항을 현상하여 에칭액에 처리 후 건조시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 ESP용 자동차 압력센서 제조방법
상기 제1항에 있어서,
상기 전극패드(40)는 비저항이 낮은 금속물질인 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au)과 같은 비저항이 낮은 금속물질로 1~3㎛의 두께로 상기 실리콘산화막(20) 상에 형성되고, 상기 상부 절연막(50)은 저온부 사용일 경우 에폭시, 테프론, 실리콘 중의 어느 하나에서 선택되어 사용되고 고온부 사용일 경우 실리콘 산화막(SiO₂), 실리콘 질화막(Si₃N₄)으로 0.5~2㎛의 두께로 상기 입력감지막(30) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 ESP용 자동차 압력센서 제조방법
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ESP용 자동차 압력센서에 있어서,
스테인레스 강을 가공하여 형성되며 랩핑 및 폴리싱 연마하여 표면이 평탄화된 다이어프램(10)과,
상기 다이어프램(10) 상에 티타늄 질화막(TiN) 또는 실리콘질화막(Si₃N₄)을 매개층으로 하여 고진공 박막 증착법으로 형성되는 실리콘 산화막(20)과,
상기 실리콘 산화막(20) 상에 고진공 증착법으로 NiCr이 증착되고 레이저 트리밍이 가능하도록 사다리형 트리밍부(32)와 라인 트리밍부(33)를 갖는 4개의 패턴저항(31)이 휘스톤 브릿지 형태로 형성되어 저항값의 증가가 가능하도록 패턴저항(31)이 설계된 압력감지막(30)과,
상기 실리콘 산화막(20) 상에 상기 압력감지막(30)의 초음파 와이어 본딩 및 솔더링(soldering)을 위해 출력저항 값을 구동회로에 연결할 수 있도록 형성되는 전극패드(40)와,
상기 압력감지막(30) 상에 레이저 트리밍 된 패턴저항(31)을 보호하기 위해 형성되는 상부 절연막(50)을 포함하고,
상기 압력감지막(30)의 사다리형 트리밍부(32)는 레이져 트리밍으로 병렬저항이 직렬저항으로 변화하면서 저항값의 증가가 가능하도록 형성되는 것으로 내부에 가로와 세로가 각 50~60㎛ 인 정사각형 모양이 형성되어 사다리형태로 형성되며 내부의 정사각형 모양은 70~90㎛/sec의 속도로 레이저 트리밍되어 사각형 모양 하나 절단 시 0.4~0.8%의 저항이 증가하도록 설계된 것을 특징으로 하는 ESP용 자동차 압력센서
상기 제6항에 있어서,
상기 라인 트리밍부(33)에는 사다리 형태를 가지지 않고 정밀저항을 컷팅 하기 위한 것으로 정확한 레이저트리밍을 위해 5~20㎛/sec의 속도로 라인을 형성하여 트리밍되어 저항이 증가하도록 설계된 것을 특징으로 하는 ESP용 자동차 압력센서
상기 제6항에 있어서,
상기 사다리형 트리밍부(32)의 사다리 형태의 병렬저항을 직렬저항으로 변경 시 레이저 빔은 사각형 모양의 크기보다 작은 20~40㎛의 선폭과 0.5~1㎛ 이내의 깊이로 상기 사다리형 트리밍부(32) 내부에 형성된 정사각형 모양보다 작은 선폭으로 레이저 트리밍되어 안정적인 저항값의 증가가 이루어지는 것을 특징으로 하는 ESP용 자동차 압력센서
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