KR101267469B1 - 압력 센서 - Google Patents

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김영보
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(주)센서시스템기술
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Abstract

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서 링(ring) 형상의 베이스와, 상기 베이스의 압력이 인가되는 타측과 대응하는 일측에 원형의 가장자리 부분을 중첩되게 용접되는 다이아프램과, 상기 다이아프램 상에 상기 베이스와 동일한 내주 직경 및 외주 직경을 갖도록 형성되어 용접되는 링 형상의 가이드와, 상기 다이아프램 상의 중앙 부분에 상부 표면이 상기 가이드의 상부 표면이 동일 평면상에 위치되게 용접되며 봉 형상의 보스와, 상기 가이드와 보스의 상부 표면에 게이지 기판의 하부 표면의 양측이 용접되어 실장되며 상기 게이지 기판 상의 상기 가이드와 보스 사이의 각각 인접되는 부분에 각각 폭과 길이를 가지되 상기 길이가 동일한 방향을 갖지면서 다수 개의 전극에 의해 휘스톤 브릿지 구성을 이루도록 형성된 다 수개의 저항체를 갖는 스트레인 게이지를 포함한다. 따라서, 베이스와 다이아프램을 각각의 몸체로 형성하므로 기계 가공시 가공이 용이하면서 가공 시간이 감소되며, 또한, 스트레인 게이지를 동일한 게이지 기판 상에 반도체 공정에 의해 동시에 다수 개 형성하고 1개씩 쏘잉(sawing)하여 사용하므로 생산 원가가 감소되며, 그리고, 보스를 중심으로 동심원으로 형성된 주름에 의해 다이아프램은 동심원 내측과 동심원 외측 사이에 탄성을 가져 인가되는 압력에 용이하게 변형되므로 낮은 압력을 쉽게 측정할 수 있다.

Description

압력 센서{Pressure sensor}
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 특히, 본 발명은 압력의 변화에 따라 안정된 출력과 재현성을 갖는 압력 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 압력 센서는 기본적인 물리량의 하나인 압력을 감지하여 전기 신호로 변환시키는 것에 의해 압력의 크기를 측정하는 것으로 가전제품, 자동차 제어, 선박, 의료기기, 산업용 로보트 및 산업체의 공정 제어, 산업플랜트 시스템 제어 등에 사용되고 있다.
일반 산업용으로 사용되는 압력 센서는 내부식성이 우수한 금속 다이아프램에 압력 매질이 접촉하는 구조로서, 게이지가 다이아프램 상에 직접 형성되는 일체형 방식과, 게이지가 금속 다이아프램과 분리된 분리형 방식으로 대별된다. 상기에서 일체형 방식은 게이지를 이루는 단결정 또는 다결정 실리콘 저항체가 다이아프램 상에 직접 형성되어 인가되는 응력에 따라 저항 값이 변하는 구조를 갖는다. 또한, 분리형 방식은 게이지 기판 상에 단결정 또는 다결정 실리콘 저항체가 형성된 게이지가 다이아프램과 분리되게 압력 전달을 위한 매개체를 개재시켜 인가되는 응력에 따라 저항 값이 변하는 구조를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 압력 센서의 평면도이고, 도 2는 도 1을 A-A 선으로 절단한 단면도이다.
종래 기술에 따른 압력 센서는 베이스(13), 다이아프램(15), 절연막(17), 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d), 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(21a)(21b)(21c)(21d) 및 보호막(23)으로 구성된다.
상기에서 베이스(13)는 스테인레스강으로 링(ring) 형상을 이루도록 형성되며, 다이아프램(15)은 베이스(13)의 압력이 인가되는 타측과 대응하는 일측에 얇은 막 형태의 스테인레스강으로 한 몸체를 이루도록 형성된다. 다이아프램(15)은 인가되는 압력의 변화에 따라 응력이 발생되어 수직방향으로 변형되는 것으로 외부에 노출된 일측 표면이 폴리싱(poslihing)하여 경면 처리된다.
상기에서 다이아프램(15)의 변형은 인장 및 압축에 의한 것으로 베이스(13)와 인접하는 주변 부분과 중심 부분에서 크며 변위량은 중심점에서 최대가 된다. 즉, 다이아프램(15)은 응력이 베이스(13)와 인접하는 주변 부분에서 (-)로 분포되어 압축 변형되고 중심 부분에서 (+)로 분포되어 인장 변형된다. 그러므로, 다이아프램(15)은 상부 표면적이 베이스(13)와 인접하는 주변 부분에서 감소하고 중심 부분에서 증가된다.
절연막(17)은 베이스(13) 및 다이아프램(15) 상에 형성된다. 상기에서 절연막(17)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(Si3N4) 등의 절연 물질이 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 증착되어 형성된다.
제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d)는 절연막(17) 상의 다이아프램(15)과 대응하는 부분에 온도에 따른 저항값 변화가 작은 불순물이 도핑된 다결정실리콘, 또는, ITO(Induim Tin Oxide) 또는 TO(Tin Oxide) 등의 금속산화물로 형성된다. 상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d)는 다이아프램(15) 상의 변형율이 큰 부분, 예를 들면, 베이스(13)와 인접하는 주변 부분에 각각 좁은 폭과 긴 길이를 가지며 길이 방향이 동일하도록 형성된다.
제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d)는 인가되는 압력에 의해 다이아프램(15)에서 발생되는 인장 및 압축 변형에 의해 저항값이 변화된다. 상기에서 다이아프램(15)의 베이스(13)와 인접하는 주변 부분은 압축 변형되어 표면적이 감소되므로 제 1 및 제 3 저항체(19a)(19c)는 길이가 감소되어 저항이 감소되며, 중심 부분은 인장 변형되어 표면적이 증가되므로 제 2 및 제 4 저항체(19b)(19d)는 폭이 감소되어 저항이 증가된다.
상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d)가 다이아프램(15) 상의 중심 부분에 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 다이아프램(15) 중심 부분의 표면적이 증가되므로 제 1 및 제 3 저항체(19a)(19c)는 길이가 증가되어 저항이 증가되고, 제 2 및 제 4 저항체(19b)(19d)는 폭이 증가되어 저항이 감소된다.
제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(21a)(21b)(21c)(21d)은 절연막(17) 상의 베이스(13)와 대응하는 부분에 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d)와 휘스톤 브릿지(wheatstone bridge) 구성을 이루도록 알루미늄, 구리 또는 은 등의 금속으로 형성된다. 상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(21a)(21b)(21c)(21d)은 베이스(13)와 대응하는 부분에 형성되어 다이아프램(15)에 발생되는 응력이 전달되지 않으므로 장시간 사용으로 인한 접합력이 감소되거나 이 후에 설명되는 리드(도시되지 않음)가 분리되는 것이 방지된다.
보호막(5523)은 절연막(17) 상에 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(Si3N4) 등의 절연 물질로 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(19a)(19b)(19c)(19d)를 덮으며 개구(25)에 의해 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(21a)(21b)(21c)(21d)을 노출시키도록 형성된다.
그리고, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(21a)(21b)(21c)(21d)은 개구(25)를 통해 리드(도시되지 않음)로 본딩되어 외부 회로(도시되지 않음)와 전기적으로 연결된다. 상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(21a)(21b)(21c)(21d) 중 소정의 마주하는 것, 예를 들면, 제 1 및 제 3 전극(21a)(21c)은 입력 전압이 인가되게 연결되며 나머지 마주하는 것, 제 2 및 제 4 전극(21b)(21d)은 출력 전압이 인가되게 연결된다.
상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 압력 센서는 스테인레스강으로 링(ring) 형상을 이루도록 형성된 베이스의 압력이 인가되는 타측과 대응하는 일측에 다이아프램이 원형의 얇은 막 형태로 한 몸체를 이루도록 기계 가공하여 형성된다. 그리고, 원형의 다이아프램 상에 다수 개의 저항체 및 다수 개의 전극을 반도체 공정으로 형성한다. 그러므로, 압력 센서는 가해지는 압력에 따라 다이아프램이 변형되어 다 수개의 휘스톤 브릿지 구성을 갖는 다수 개의 저항체의 저항 값이 변화되며, 이에 의해, 출력 전압이 변화되어 압력 값을 측정할 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 압력 센서는 두께가 균일하고 얇은 다이아프램을 베이스와 한 몸체로 기계 가공하여야 하므로 가공이 어려울 뿐만 아니라 가공 시간이 길어지는 문제점이 있었다. 또한, 다수 개의 저항체 및 다수 개의 전극을 큰 면적을 갖는 다이아프램 상에 반도체 공정으로 형성하므로 제조 공정시 제한된 갯수 만을 생산할 수 있어 생산성이 저하될 뿐만 아니라 생산 원가가 증가되는 문제점이 있었다. 그리고, 다이아프램이 인가되는 압력에 의해 인장 및 압축 변형되므로 변형량이 적어 낮은 압력을 용이하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 베이스와 다이아프램을 각각의 몸체로 형성하므로 기계 가공시 가공이 용이하면서 가공 시간이 감소되는 압력 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다수 개의 저항체 및 다수 개의 전극을 갖는 다수 개의 스트레인 게이지를 동시에 형성하여 생산 원가를 감소시킬 수 있는 압력 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 낮은 압력을 쉽게 측정할 수 있는 압력 센서를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력 센서는 링(ring) 형상의 베이스와, 상기 베이스의 압력이 인가되는 타측과 대응하는 일측에 원형의 가장자리 부분을 중첩되게 용접되는 다이아프램과, 상기 다이아프램 상에 상기 베이스와 동일한 내주 직경 및 외주 직경을 갖도록 형성되어 용접되는 링 형상의 가이드와, 상기 다이아프램 상의 중앙 부분에 상부 표면이 상기 가이드의 상부 표면이 동일 평면상에 위치되게 용접되며 봉 형상의 보스와, 상기 가이드와 보스의 상부 표면에 게이지 기판의 하부 표면의 양측이 용접되어 실장되며 상기 게이지 기판 상의 상기 가이드와 보스 사이의 각각 인접되는 부분에 각각 폭과 길이를 가지되 상기 길이가 동일한 방향을 가지면서 다수 개의 전극에 의해 휘스톤 브릿지 구성을 이루도록 형성된 다 수개의 저항체를 갖는 스트레인 게이지를 포함한다.
상기에서 베이스, 다이아프램, 가이드 및 보스가 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강 또는 스프링용 동합금으로 형성된다.
상기에서 다이아프램은 상기 보스를 중심으로 동심원을 갖도록 형성된 주름을 갖는다.
상기에서 주름이 1 ∼ 3개가 형성된다.
상기에서 스트레인 게이지는, 상기 다이아프램의 변형이 상기 보스를 통해 전달되어 변형되는 게이지 기판과, 상기 게이지 기판 상에 증착되어 형성된 제 1 절연막과, 상기 제 1 절연막 상의 상기 가이드 및 보스 사이의 인가되는 압력에 의해 큰 변형량을 갖는 인접되는 부분에 좁은 폭과 긴 길이를 가지며 동일한 길이 방향을 갖도록 형성된 제 1, 제 2, 제3 및 제 4 저항체와, 상기 제 1 절연막 상에 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체을 노출시키는 제 1 개구를 갖도록 형성된 제 2 절연막과, 상기 제 2 절연막 상의 상기 가이드와 보스 사이 상기 게이지 기판이 변형되지 않는 부분에 형성된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극과, 상기 제 2 절연막 상에 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극과 동일한 공정에 의해 전기적으로 연결되게 함께 형성되며 상기 제 1 개구를 통해 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체와 접촉되어 휘스톤 브릿지 구성을 이루도록 하는 도선 패턴과, 상기 제 2 절연막 상에 상기 도선 패턴을 덮도록 형성되며 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극을 제 2 개구를 갖도록 형성된 보호막을 포함한다.
상기에서 대면적의 금속으로 이루어진 게이지 기판 상에 반도체 공정에 의해 다수 개가 형성되어 1개씩 단위별로 쏘잉(sawing)하여 사용한다.
상기에서 게이지 기판은 석출경화형 스테인리스강(precipitation hardening stainless steel), 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금으로 구성된다.
상기에서 제 1 및 제 2 절연막과 보호막이 SiO2 또는 SiN이 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 증착되어 형성된다.
상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체가 불순물이 도핑된 다결정실리콘, 또는, ITO(Induim Tin Oxide) 또는 TO(Tin Oxide)의 금속산화물로 형성된다.
상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극과 도선 패턴이 알루미늄, 구리 또는 은으로 형성된다.
따라서, 본 발명에 따른 압력 센서는 베이스와 다이아프램을 각각의 몸체로 형성하므로 기계 가공시 가공이 용이하면서 가공 시간이 감소되며, 또한, 스트레인 게이지를 동일한 게이지 기판 상에 반도체 공정에 의해 동시에 다수 개 형성하고 1개씩 쏘잉(sawing)하여 사용하므로 생산 원가가 감소되는 이점이 있다. 그리고, 다이아프램은 보스를 중심으로 동심원으로 형성된 주름이 인가되는 압력에 의해 펼쳐져 용이하게 변형되어 큰 변위량을 얻을 수 있으므로 낮은 압력을 쉽게 측정할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압력 센서의 평면도.
도 2는 도 1을 A-A 선으로 절단한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 압력 센서의 평면도.
도 4는 도 3을 B-B 선으로 절단한 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서의 작동 상태를 도시한 개략 단면도.
도 6은 도 3을 B-B 선으로 절단한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 압력 센서의 평면도이고, 도 4는 도 3을 B-B 선으로 절단한 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서는 베이스(31), 다이아프램(33), 가이드(35), 보스(37) 및 스트레인 게이지(39)를 포함한다.
베이스(31)는 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금 등이 링(ring) 형상을 이루도록 형성된다. 상기에서 베이스(31)는 형성될 재료의 봉을 선반(lathe) 등을 이용하여 양측이 개방되게 가공하는 것에 의해 형성된다.
다이아프램(33)은 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금 등의 경도가 높고 탄성력이 큰 물질로 0.1 ∼ 1.0mm 정도의 두께를 갖는 원형의 판상으로 형성된다. 상기에서 다이아프램(33)은 베이스(31)의 외주 직경과 동일한 직경을 갖도록 형성되며 가장자리 부분이 베이스(33)의 일측을 막도록 용접에 의해 접합된다.
다이아프램(33)은 베이스(31)의 타측을 통해 인가되는 압력에 의해 응력이 발생되어 수직방향으로 변형된다. 상기에서 다이아프램(33)은 베이스(31)와 레이저 등에 의해 용접되어 중첩된 가장자리 부분은 변형되지 않고 이 베이스(31)와 인접하는 주변 부분과 중심 부분에서 변형량이 크다. 또한, 다이아프램(33)은 베이스(31)와 인접하여 큰 변형량을 갖는 주변 부분과 중심 부분에 응력이 각각 (-)와 (+)로 분포된다. 그러므로, 다이아프램(33)은 응력이 (-)로 분포되는 베이스(31)와 인접하는 주변 부분에서 압축 변형되고 (+)로 분포되는 중심 부분에서 인장 변형된다. 그러므로, 다이아프램(33)은 상부 표면적이 베이스(31)와 인접하는 주변 부분에서 감소하고 중심 부분에서 증가된다.
상기에서 베이스(31)와 다이아프램(33)을 각기 다른 기계 가공에 의해 각각의 몸체로 형성하므로 가공이 용이할 뿐만 아니라 가공 시간이 감소된다.
가이드(35)는 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금 등이 링(ring) 형상을 이루도록 형성되어 다이아프램(33) 상에 형성된다. 상기에서 가이드(35)는 베이스(31)와 같이 형성될 재료의 봉을 선반(lathe) 등을 이용하여 양측이 개방되게 가공하는 것에 의해 형성된다. 또한, 가이드(35)는 베이스(31)와 동일한 내주 직경 및 외주 직경을 갖도록 형성되어 다이아프램(33) 상에 레이저 등에 의해 용접된다.
보스(37)는 베이스(31) 등과 동일한 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금 등으로 형성되어 다이아프램(33) 상의 중앙 부분에 실장된다. 보스(37)는 다이아프램(33)의 내부 직경 보다 작은 직경의 봉 형상으로 형성되어 레이저 등에 의해 용접된다. 상기에서 보스(37)의 상부 표면과 가이드(35)의 상부 표면이 동일 평면상에 위치되도록 하여야 한다.
스트레인 게이지(39)는 폭에 비해 길이가 긴 평면상 직사각형으로 형성되며, 이 길이 방향 양측 하부 면의 끝 부분이 가이드(35) 및 보스(37) 상에 레이저 등에 의해 용접되어 실장된다. 상기에서 보스(37)의 상부 표면과 가이드(35)의 상부 표면이 동일 평면상에 위치되므로 스트레인 게이지(39)는 휨 변형없이 가이드(35) 및 보스(37) 상에 실장될 수 있다.
스트레인 게이지(39)는 게이지 기판(41), 제 1 절연막(43), 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d), 제 2 절연막(47), 제 1 개구(49), 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d), 도선 패턴(53), 보호막(55) 및 제 2 개구(57) 등으로 구성된다. 상기에서 스트레인 게이지(39)는 대면적의 금속으로 이루어진 게이지 기판(41) 상에 제 1 절연막(43), 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d), 제 2 절연막(47), 제 1 개구(49), 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d), 도선 패턴(53), 보호막(55) 및 제 2 개구(57)가 반도체 공정에 의해 다수 개 형성되며, 형성된 다수 개의 스트레인 게이지(39)는 1개씩 단위별로 쏘잉(sawing)하여 사용한다.
상기에서 게이지 기판(41)은 탄성, 내력 및 내식성이 우수한 석출경화형 스테인리스강(precipitation hardening stainless steel), 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금 등으로 구성되며 표면 거칠기가 1㎛ 이하를 갖는다. 상기에서 게이지 기판(41)은 하부 표면이 가이드(35) 및 보스(37)의 표면과 접촉된 상태에서 레이저 등에 의해 용접된다. 게이지 기판(41)은 인가되는 압력에 의해 발생되는 다이아프램(33)의 변형이 보스(37)를 통해 전달되어 변형된다. 이에 의해, 게이지 기판(41)은 보스(37)와 인접되는 부분은 인장 변형되고 가이드(35)와 인접되는 부분은 수축 변형된다.
제 1 절연막(43)은 게이지 기판(41) 상에 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 SiO2 또는 SiN 등의 절연물질을 0.1 ∼ 1㎛ 정도의 두께로 증착하는 것에 의해 형성된다.
제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)는 제 1 절연막(43) 상의 보스(37) 및 가이드(35) 사이의 인가되는 압력에 의해 큰 변형량을 갖는 인접되는 부분에 좁은 폭과 긴 길이를 가지며 동일한 길이 방향을 갖도록 형성된다. 상기에서 제 1, 제 2, 제3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)는 온도에 따른 저항값 변화가 작은 불순물이 도핑된 다결정실리콘, 또는, ITO(Induim Tin Oxide) 또는 TO(Tin Oxide) 등의 금속산화물로 형성된다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)는 다결정실리콘 또는 금속산화물을 CVD 방법 또는 스퍼터링 방법으로 증착하여 박막을 형성한 후 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝하므로써 형성된다.
상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)는 게이지 기판(41)에서 발생된 변형에 의해 저항이 변화된다. 즉, 게이지 기판(41)은 보스(37)를 통해 전달된 다이아프램(33)의 변형에 의해 응력이 발생되어 보스(37)와 인접되는 부분은 인장 변형되고 가이드(35)와 인접되는 부분은 수축 변형된다. 그러므로, 제 1 및 제 3 저항체(45a)(45c)는 길이가 감소되고 폭이 증가되어 저항이 감소되며, 제 2 및 제 4 저항체(45b)(45d)는 길이가 증가되고 폭이 감소되어 저항이 증가된다. 상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)는 길이가 증가될 수록 센싱(sensing) 특성이 향상되므로 사각 톱니 형상으로 형성된다.
제 2 절연막(47)은 제 1 절연막(43) 상에 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)을 덮도록 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 SiO2 또는 SiN 등의 절연물질을 0.1 ∼ 1㎛ 정도의 두께로 증착하는 것에 의해 형성된다. 그리고, 제 1 개구(49)는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)이 노출되도록 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝되어 형성된다.
제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)은 제 2 절연막(47) 상의 압력이 인가되어도 게이지 기판(41)이 변형되지 않는 제 1 및 제 3 저항체(45a)(45c)와 제 2 및 제 4 저항체(45b)(45d) 사이에 알루미늄, 구리 또는 은 등의 금속으로 형성된다. 상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)이 제 2 절연막(47) 상의 게이지 기판(41)이 변형되지 않는 부분에 형성되므로 응력이 전달되지 않아 장시간 사용으로 인한 접합력이 감소되거나 이 후에 설명되는 리드(도시되지 않음)가 분리되는 것이 방지된다.
도선 패턴(53)은 제 2 절연막(47) 상에 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)과 전기적으로 연결되게 함께 형성된다. 또한, 도선 패턴(53)은 제 1 개구(49)를 통해 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)와 접촉되어 휘스톤 브릿지 구성을 이루도록 전기적으로 연결된다. 상기에서 도선 패턴(53)은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)과 동일한 알루미늄, 구리 또는 은 등의 금속으로 동시에 형성될 수 있다.
보호막(55)은 제 2 절연막(47) 상에 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(Si3N4) 등의 절연 물질로 형성된다. 상기에서 보호막(55)은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d) 및 도선 패턴(53)을 덮도록 형성된다. 그리고, 제 2 개구(57)가 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)을 노출시키도록 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝되어 형성된다. 상기에서 제 2 개구(57)에 의해 노출된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)은 리드(도시되지 않음)의 본딩에 의해 외부 회로(도시되지 않음)와 전기적으로 연결된다.
상기에서 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)와 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)과 도선 패턴(53)이 온도에 따른 저항 값의 변화가 작은 CuNi 합금, NiCr 합금 또는 NiCrFeCu 합금으로 형성될 수도 있다. 이러한 경우 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)와 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)과 도선 패턴(53)이 동시에 형성될 수 있다.
또한, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)와 동일한 물질로 형성되는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 보정저항체(도시되지 않음)가 더 구비될 수도 있다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 보정저항체는 게이지 기판(41) 상에 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)의 양 끝단과 서로 연결될 뿐만 아니라 적어도 2개의 연결부(도시되지 않음)에 의해 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극(51a)(51b)(51c)(51d)가 전기적으로 연결된다.
상기에서 스트레인 게이지(39)는 대면적의 금속으로 이루어진 게이지 기판(41) 상에 반도체 공정에 의해 동시에 다수 개 형성하고 1개씩 쏘잉(sawing)하여 사용하므로 생산 원가가 감소된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서의 작동 상태를 도시한 개략 단면도이다.
상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서는 베이스(31)의 타측을 통해 압력이 인가되면 다이아프램(33)은 응력에 의해 수직 방향으로 변형된다. 이에 의해, 다이아프램(33) 상에 용접된 보스(37)도 수직 방향으로 이동하여 보스(37)의 상부 표면이 가이드(35)의 상부 표면 보다 높아지게 된다. 그러므로, 게이지 기판(41)의 보스(37)와 용접된 부분은 수직 방향으로 이동되고 가이드(35)와 용접된 부분은 수직 방향으로 이동되지 않는다. 따라서, 게이지 기판(41)은 가이드(35)와 보스(37)와 인접하는 부분에 각각 수축 및 인장 응력이 발생되어 가이드(35)와 인접하는 부분의 표면적이 감소하고 보스(37)와 인접하는 부분의 표면적이 증가된다.
상기에서 게이지 기판(41)의 변형으로 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)의 저항값이 변화되는데, 이 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)를 휘스톤 브릿지로 연결하여 일정한 전원을 공급하는 것에 의해 변화된 저항 값을 출력한다. 즉, 가이드(35)와 인접되게 형성된 제 1 및 제 3 저항체(45a)(45c)는 길이가 감소되고 폭이 증가되어 저항이 감소되고, 보스(37)와 인접되게 형성된 제 2 및 제 4 저항체(45b)(45d)는 길이가 증가되고 폭이 감소되어 저항이 증가된다. 따라서, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체(45a)(45b)(45c)(45d)에서 변화되어 출력되는 저항 값에 의해 인가되는 압력을 측정한다.
도 6은 도 3을 B-B 선으로 절단한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도이다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시 예는 도 4에 도시된 본 발명의 실시 예에 비해 다이아프램(33)에 주름(59)이 형성된 것을 제외하고 동일한 구성을 갖는다.
상기에서 주름(59)은 다이아프램(33)에 보스(37)를 동심원을 갖도록 형성된다. 주름(59)은 다이아프램(33)에 보스(37)를 중심으로 적어도 1개, 바람직하게는 1∼3개가 형성되어 동심원 내측과 동심원 외측 사이가 펼쳐져 용이하게 변형되게 한다. 그러므로, 주름(59)은 베이스(31)의 타측을 통해 인가되는 압력에 의해 다이아프램(33)의 보스(37)를 중심으로 하는 동심원 내측이 큰 변위량으로 용이하게 변형되게 한다. 이에 의해, 보스(37) 및 게이지 기판(41)도 다이아프램(33)의 동심원 내측 부분의 변형에 의해 수직 방향으로 낮은 압력에도 용이하게 변형되므로 낮은 압력을 쉽게 측정할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실시 예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
31 : 베이스 33 : 다이아프램
35 : 가이드 37 : 보스
39 : 스트레인 게이지 41 : 게이지 기판
43, 47 : 제 1 및 제 2절연막
45a, 45b, 45c, 45d : 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체
49, 57 : 제 1 및 제 2 개구
51a, 51b, 51c, 51d : 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극
53 : 도선 패턴 55 : 보호막
59 : 주름

Claims (10)

  1. 링(ring) 형상의 베이스와,
    상기 베이스의 압력이 인가되는 타측과 대응하는 일측에 원형의 가장자리 부분을 중첩되게 용접되는 다이아프램과,
    상기 다이아프램 상에 상기 베이스와 동일한 내주 직경 및 외주 직경을 갖도록 형성되어 용접되는 링 형상의 가이드와,
    상기 다이아프램 상의 중앙 부분에 상부 표면이 상기 가이드의 상부 표면과 동일한 평면상에 위치되게 용접된 봉 형상의 보스와,
    상기 가이드와 보스의 상부 표면에 게이지 기판의 하부 표면의 양측이 용접되어 실장되며 상기 게이지 기판 상의 상기 가이드와 보스 사이의 각각 인접되는 부분에 각각 폭과 길이를 가지고 동일한 방향으로 배열되어 다수 개의 전극에 의해 휘스톤 브릿지 구성을 이루도록 형성된 다 수개의 저항체를 갖는 스트레인 게이지를 포함하는 압력 센서.
  2. 청구항 1에 있어서 상기 베이스, 다이아프램, 가이드 및 보스가 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강 또는 스프링용 동합금으로 형성된 압력 센서.
  3. 청구항 1에 있어서 상기 다이아프램은 상기 보스를 중심으로 동심원을 갖도록 형성된 주름을 갖는 압력 센서.
  4. 청구항 3에 있어서 상기 주름이 1 ∼ 3개가 형성된 압력 센서.
  5. 청구항 1에 있어서 상기 스트레인 게이지는,
    상기 다이아프램의 변형이 상기 보스를 통해 전달되어 변형되는 게이지 기판과,
    상기 게이지 기판 상에 증착되어 형성된 제 1 절연막과,
    상기 제 1 절연막 상의 상기 가이드 및 보스 사이의 인가되는 압력에 의해 큰 변형량을 갖는 인접되는 부분에 동일한 방향으로 배열되게 형성된 제 1 내지 제 4 저항체와,
    상기 제 1 절연막 상에 상기 제 1 내지 제 4 저항체를 노출시키는 제 1 개구를 갖도록 형성된 제 2 절연막과,
    상기 제 2 절연막 상의 상기 가이드와 보스 사이 상기 게이지 기판이 변형되지 않는 부분에 형성된 제 1 내지 제 4 전극과,
    상기 제 2 절연막 상에 상기 제 1 내지 제 4 전극과 동일한 공정에 의해 전기적으로 연결되게 함께 형성되며 상기 제 1 개구를 통해 상기 제 1 내지 제 4 저항체와 접촉되어 휘스톤 브릿지 구성을 이루도록 하는 도선 패턴과,
    상기 제 2 절연막 상에 상기 도선 패턴을 덮도록 형성되며 상기 제 1 내지 제 4 전극을 노출시키는 제 2 개구를 갖도록 형성된 보호막을 포함하는 압력 센서.
  6. 청구항 5에 있어서 상기 스트레인게이지는 대면적의 금속으로 이루어진 게이지 기판 상에 반도체 공정에 의해 다수 개가 형성되어 1개씩 단위별로 쏘잉(sawing)하여 사용하는 압력 센서.
  7. 청구항 5에 있어서 상기 게이지 기판은 석출경화형 스테인리스강(precipitation hardening stainless steel), 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 또는, 스프링용 동합금으로 구성된 압력 센서.
  8. 청구항 5에 있어서 상기 제 1 및 제 2 절연막과 보호막이 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 증착된 SiO2 또는 SiN으로 형성된 압력 센서.
  9. 청구항 5에 있어서 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항체가 불순물이 도핑된 다결정실리콘, 또는, ITO(Induim Tin Oxide) 또는 TO(Tin Oxide)의 금속산화물로 형성된 압력 센서.
  10. 청구항 5에 있어서 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극과 도선 패턴이 알루미늄, 구리 또는 은으로 형성된 압력 센서.
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