KR101306294B1 - Manufacturing method for a carbon nanotube pressure sensor - Google Patents

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민남기
김시동
최우석
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주식회사 오토산업
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    • B60Y2400/30—Sensors

Abstract

PURPOSE: A Carbon nanotube (CNT) pressure sensor manufacturing method is provided to simply manufacture a subminiature pressure sensor for high pressures having high sensitivity properties, in which the dependence on temperatures is low, at low costs. CONSTITUTION: A CNT pressure sensor manufacturing method includes the following steps of: polishing the top of a stainless steel diaphragm (200); forming an insulating layer (300) on the top of the polished diaphragm; forming a conductive layer on the top of the insulating layer; patterning an electrode (500) on the conductive layer; forming an electrode by etching the conductive layer except for the portion in which the electrode is patterned; forming a CNT layer by coating a CNT on the top of the insulating layer in which the electrode is formed; forming a pressure gauge (700) by patterning the pressure gauge on the CNT layer formed on the top of the insulating layer. [Reference numerals] (110) Polish the upper part of a stainless steel diaphragm; (120) Form an insulating layer on the upper part of the stainless steel diaphragm; (130) Form a conductive layer on the upper part of the insulating layer; (140) Perform patterning an electrode on the conductive layer and form the electrode by removing the conductive layer except for the area of the conductive layer where the electrode is patterned; (150) Form a CNT layer by coating CNT on the upper part of the conductive layer where the electrode is formed; (160) Perform patterning a pressure gauge on the CNT layer formed on the upper part of the insulating layer and form the pressure gauge by removing the CNT layer except for the area where the pressure gauge is patterned; (AA) Start; (BB) End

Description

ＣＮＴ 압력센서 제조방법{Manufacturing method for a carbon nanotube pressure sensor}Manufacturing method for a carbon nanotube pressure sensor

본 발명은 압력센서에 관련한 것으로, 특히 CNT 압력센서 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a method for manufacturing a CNT pressure sensor.

최근, 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 다양한 종류의 전자센서들이 연구 개발되고 있다. 이러한 추세에 따라 압력센서 분야에서도 저압용, 중압용 및 고압용 압력센서들에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다.Recently, various types of electronic sensors have been researched and developed in various industrial fields such as the automobile industry. According to this trend, various studies on low pressure, medium pressure and high pressure pressure sensors have been conducted in the pressure sensor field.

현재, 금속 박막 스트레인 게이지를 사용한 압력센서가 중고압 범위의 압력 측정에 널리 사용되고 있다. 미국특허 제6,453,747호(2002. 09. 24)에서 다이어프램(Diaphragm)에 스트레인 게이지(Strain Gauge) 센서가 장착된 기구적인 구조를 제시하고 있다.Currently, pressure sensors using metal thin film strain gauges are widely used for pressure measurement in the medium to high pressure range. US Patent No. 6,453,747 (September 24, 2002) discloses a mechanical structure in which a strain gauge sensor is mounted on a diaphragm.

그러나, 금속 박막 스트레인 게이지를 사용한 압력센서의 경우 감도가 약 2KPa 정도로 너무 낮고, 게이지 저항치가 너무 작고, 저항의 온도 계수가 너무 커 온도 의존도가 매우 크다. 따라서, 본 발명자는 CNT(Carbon Nanotub) 박막을 사용해 온도 의존도가 낮은 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있는 기술에 대한 연구를 하게 되었다.However, in the case of a pressure sensor using a metal thin film strain gauge, the sensitivity is too low, about 2 KPa, the gauge resistance is too small, the temperature coefficient of the resistance is too large, and the temperature dependency is very large. Therefore, the present inventors have studied a technology that can easily manufacture a high-pressure pressure sensor having a small temperature and a high sensitivity with low temperature dependence using a carbon nanotube (CNT) thin film at low cost.

미국특허 제6,453,747호(2002. 09. 24)U.S. Patent No. 6,453,747 (September 24, 2002)

본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 온도 의존도가 낮은 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있는 CNT 압력센서 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been invented under the above-mentioned object, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a CNT pressure sensor that can easily manufacture a high pressure pressure sensor having a small temperature and a high sensitivity with low temperature dependence at low cost.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, CNT 압력센서 제조방법이 스테인리스 강(SUS : Steel Use Stainless) 다이어프램(Diaphragm) 상부를 연마(Polishing)하는 연마 단계와; 연마 단계에 의해 연마된 다이어프램 상부에 절연층을 형성하는 절연층 형성 단계와; 절연층 형성 단계에 의해 형성된 절연층 상부에 도전층을 형성하는 도전층 형성 단계와; 도전층 형성 단계에 의해 형성된 도전층에 전극을 패터닝(Patterning)하고, 전극이 패터닝된 이외의 도전층은 제거하여 전극을 형성하는 전극 형성 단계와; 전극이 형성된 절연층 상부에 CNT(Carbon Nanotube)를 코딩(Coating)하여 CNT층을 형성하는 CNT 코딩 단계와; 절연층 상부에 형성된 CNT층에 압력 게이지를 패터닝하고, 압력 게이지가 패터닝된 이외의 CNT층은 제거하여 압력 게이지를 형성하는 압력 게이지 형성 단계를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the manufacturing method of the CNT pressure sensor comprises a polishing step of polishing the upper portion (SUS) of the Steel Use Stainless (Diaphragm); An insulating layer forming step of forming an insulating layer on the diaphragm polished by the polishing step; A conductive layer forming step of forming a conductive layer on the insulating layer formed by the insulating layer forming step; An electrode forming step of patterning an electrode on the conductive layer formed by the conductive layer forming step, and removing a conductive layer other than the patterned electrode to form an electrode; A CNT coding step of forming a CNT layer by coating a carbon nanotube (CNT) on an insulating layer on which an electrode is formed; A pressure gauge forming step of patterning a pressure gauge on the CNT layer formed on the insulating layer, and removing a CNT layer other than the patterned pressure gauge to form a pressure gauge; It is characterized by comprising.

본 발명은 자동차 산업 등의 각종 산업 분야에서 사용될 수 있는 온도 의존도가 낮은 초소형 및 고감도 특성을 가진 고압용 압력센서를 저렴한 비용으로 간단하게 제조할 수 있는 유용한 효과를 가진다.The present invention has a useful effect that can be easily manufactured at a low cost with a high-pressure pressure sensor having a small temperature and a small sensitivity that can be used in various industries, such as the automotive industry.

도 1 은 본 발명에 따른 CNT 압력센서 제조방법의 일 실시예의 구성을 도시한 흐름도이다.
도 2 는 스테인리스 강(SUS) 다이어프램 상부에 절연층이 형성된 상태를 예시한 도면이다.
도 3 은 절연층 상부에 도전층이 형성된 상태를 예시한 도면이다.
도 4 는 전극이 형성된 상태를 예시한 도면이다.
도 5 는 절연층 상부에 CNT층이 형성된 상태를 예시한 도면이다.
도 6 은 압력 게이지가 형성된 상태를 예시한 도면이다.1 is a flow chart showing the configuration of an embodiment of a CNT pressure sensor manufacturing method according to the present invention.
2 is a view illustrating a state in which an insulating layer is formed on an upper portion of a stainless steel (SUS) diaphragm.
3 is a diagram illustrating a state in which a conductive layer is formed on an insulating layer.
4 is a diagram illustrating a state in which an electrode is formed.
5 illustrates a state in which a CNT layer is formed on an insulating layer.
6 is a diagram illustrating a state in which a pressure gauge is formed.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terms used throughout the specification of the present invention have been defined in consideration of the functions of the embodiments of the present invention and can be sufficiently modified according to the intentions and customs of the user or operator. It should be based on the contents of.

도 1 은 본 발명에 따른 CNT 압력센서 제조방법의 일 실시예의 구성을 도시한 흐름도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 CNT 압력센서 제조방법은 연마 단계(110)와, 절연층 형성 단계(120)와, 도전층 형성 단계(130)와, 전극 형성 단계(140)와, CNT 코딩 단계(150)와, 압력 게이지 형성 단계(160)를 포함하여 이루어진다.1 is a flow chart showing the configuration of an embodiment of a CNT pressure sensor manufacturing method according to the present invention. As shown in FIG. 1, the CNT pressure sensor manufacturing method according to this embodiment includes a polishing step 110, an insulating layer forming step 120, a conductive layer forming step 130, and an electrode forming step 140. And a CNT coding step 150 and a pressure gauge forming step 160.

연마 단계(110)에서는 스테인리스 강(SUS : Steel Use Stainless) 다이어프램(Diaphragm) 상부를 연마(Polishing)한다. 예컨대, 연마 단계(110)에서 SCP-1000 등의 SUS 화학 연마제를 사용해 스테인리스 강 가공 중에 발생하는 거친 표면(burr)을 제거하도록 구현될 수 있다.In the polishing step 110, the upper portion of the steel use stainless (SUS) diaphragm is polished. For example, polishing step 110 may be implemented using SUS chemical abrasives such as SCP-1000 to remove the burrs that occur during stainless steel processing.

절연층 형성 단계(120)에서는 연마 단계(110)에 의해 연마된 다이어프램 상부에 절연층을 형성한다. 예컨대, 절연층 형성 단계(120)에서 화학적 증착(Deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 기법을 이용해 이산화 규소(SiO2)를 절연물질로 하여 두께 2um 내지 5um의 절연층을 스테인리스 강(SUS) 다이어프램 상부에 형성하도록 구현될 수 있다. 도 2 는 스테인리스 강(SUS) 다이어프램 상부에 절연층이 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 2 를 참조해 보면, 스테인리스 강(SUS) 다이어프램(200) 상부에 절연층(300)이 형성되어 있음을 볼 수 있다.In the insulating layer forming step 120, an insulating layer is formed on the diaphragm polished by the polishing step 110. For example, in the insulating layer forming step 120, an insulating layer having a thickness of 2 μm to 5 μm is formed on the stainless steel diaphragm using silicon dioxide (SiO 2 ) as an insulating material using chemical deposition or sputtering. It can be implemented to form. 2 is a view illustrating a state in which an insulating layer is formed on an upper portion of a stainless steel (SUS) diaphragm. Referring to FIG. 2, it can be seen that the insulating layer 300 is formed on the stainless steel (SUS) diaphragm 200.

도전층 형성 단계(130)에서는 절연층 형성 단계(120)에 의해 형성된 절연층 상부에 도전층을 형성한다. 예컨대, 도전층 형성 단계(130)에서 화학적 증착(Deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 기법을 이용해 크롬(Cr)을 도전물질로 하여 두께 1um 내지 2um의 도전층을 절연층 상부에 형성하도록 구현될 수 있다. 도 3 은 절연층 상부에 도전층이 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 3 을 참조해 보면, 절연층(300) 상부에 도전층(400)이 형성되어 있음을 볼 수 있다.In the conductive layer forming step 130, a conductive layer is formed on the insulating layer formed by the insulating layer forming step 120. For example, the conductive layer forming step 130 may be implemented to form a conductive layer having a thickness of 1 μm to 2 μm on the insulating layer using chromium (Cr) as a conductive material by chemical deposition or sputtering. . 3 is a diagram illustrating a state in which a conductive layer is formed on an insulating layer. Referring to FIG. 3, it can be seen that the conductive layer 400 is formed on the insulating layer 300.

전극 형성 단계(140)에서는 도전층 형성 단계(130)에 의해 형성된 도전층에 전극을 패터닝(Patterning)하고, 전극이 패터닝된 이외의 도전층은 제거하여 전극을 형성한다. 예컨대, 전극 형성 단계(140)에서 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 전극 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 전극 패턴이 인쇄되지 않은 도전층 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 전극을 형성하도록 구현될 수 있다. 도 4 는 전극이 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 4 를 참조해 보면, 에칭되지 않은 도전층이 전극(500)을 형성하고 있음을 볼 수 있다.In the electrode forming step 140, the electrode is patterned on the conductive layer formed by the conductive layer forming step 130, and the conductive layer other than the patterned electrode is removed to form the electrode. For example, in the electrode forming step 140, the electrode pattern is transferred to a photo resist using a photolithography technique, and the conductive layer is not printed using the PR mask. It can be implemented to form an electrode by etching away the portion. 4 is a diagram illustrating a state in which an electrode is formed. Referring to FIG. 4, it can be seen that an unetched conductive layer forms the electrode 500.

CNT 코딩 단계(150)에서는 전극이 형성된 절연층 상부에 CNT(Carbon Nanotube)를 코딩(Coating)하여 CNT층을 형성한다. 예컨대, CNT 코딩 단계(150)에서 스프레이 코팅(Spray-coating) 기법을 사용해 전극이 형성된 절연층 상부에 두께 1um 내지 2um의 CNT를 도포하여 CNT층을 형성하도록 구현될 수 있다. 이 때, CNT가 단일벽(Single-wall) CNT 또는 멀티벽(Multi-wall) CNT일 수 있다. 도 5 는 절연층 상부에 CNT층이 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 5 를 참조해 보면, 절연층(300) 상부에 CNT층(600)이 형성되어 있음을 볼 수 있다.In the CNT coding step 150, a carbon nanotube (CNT) is coated on an insulating layer on which an electrode is formed to form a CNT layer. For example, the CNT coding step 150 may be implemented to form a CNT layer by applying CNTs having a thickness of 1 μm to 2 μm on top of an insulating layer on which electrodes are formed using a spray-coating technique. In this case, the CNT may be a single-wall CNT or a multi-wall CNT. 5 illustrates a state in which a CNT layer is formed on an insulating layer. Referring to FIG. 5, it can be seen that the CNT layer 600 is formed on the insulating layer 300.

압력 게이지 형성 단계(160)에서는 절연층 상부에 형성된 CNT층에 압력 게이지를 패터닝하고, 압력 게이지가 패터닝된 이외의 CNT층은 제거하여 압력 게이지를 형성한다. 예컨대, 압력 게이지 형성 단계(160)에서 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 압력 게이지 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 압력 게이지 패턴이 인쇄되지 않은 CNT층 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 압력 게이지를 형성하도록 구현될 수 있다. 도 6 은 압력 게이지가 형성된 상태를 예시한 도면이다. 도 6 을 참조해 보면, 에칭되지 않은 CNT층이 압력 게이지(700)를 형성하고 있음을 볼 수 있다.In the pressure gauge forming step 160, the pressure gauge is patterned on the CNT layer formed on the insulating layer, and the CNT layer other than the patterned pressure gauge is removed to form a pressure gauge. For example, in the pressure gauge forming step 160, a pressure gauge pattern is transferred to a photo resist using photolithography technique, and the pressure gauge pattern is not printed using the PR mask. It can be implemented to form a pressure gauge by etching away the portion of the CNT layer that is not present. 6 is a diagram illustrating a state in which a pressure gauge is formed. Referring to FIG. 6, it can be seen that an unetched CNT layer forms a pressure gauge 700.

CNT(Carbon Nanotube)는 온도 의존도가 낮고, 감도가 매우 높고, 고저항 특성을 가지므로, 위와 같은 과정을 통해 제조된 CNT 압력센서는 온도 의존도가 낮고, 약 30KPa 정도의 고감도 특성을 가지고, 고저항 특성에 의해 전류 소모가 낮으므로 저전력 특성을 가진다.CNT (Carbon Nanotube) has low temperature dependence, very high sensitivity, and high resistance. Therefore, CNT pressure sensor manufactured through the above process has low temperature dependence, high sensitivity of about 30KPa, and high resistance. Due to its low current consumption, it has a low power characteristic.

또한, 초소형으로 제작 가능해 균일한 압력 측정이 가능하여 측정 오차 보정(Calibration)을 위한 별도의 회로나 소프트웨어가 필요하지 않으므로, 제어 회로 구성이 간단해진다.In addition, since it can be manufactured in a very small size, uniform pressure measurement is possible, and a separate circuit or software for calibration of measurement error is not necessary, thereby simplifying the control circuit configuration.

본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. .

본 발명은 압력센서 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.The present invention is industrially available in the pressure sensor art and its application.

200 : 다이어프램 300 : 절연층
400 : 도전층 500 : 전극
600 : CNT층 700 : 압력 게이지200: diaphragm 300: insulating layer
400: conductive layer 500: electrode
600: CNT layer 700: pressure gauge

Claims (7)

스테인리스 강(SUS : Steel Use Stainless) 다이어프램(Diaphragm) 상부를 연마(Polishing)하는 연마 단계와;
연마 단계에 의해 연마된 다이어프램 상부에 절연층을 형성하는 절연층 형성 단계와;
절연층 형성 단계에 의해 형성된 절연층 상부에 도전층을 형성하는 도전층 형성 단계와;
도전층 형성 단계에 의해 형성된 도전층에 전극을 패터닝(Patterning)하고, 전극이 패터닝된 이외의 도전층은 제거하여 전극을 형성하는 전극 형성 단계와;
전극이 형성된 절연층 상부에 CNT(Carbon Nanotube)를 코딩(Coating)하여 CNT층을 형성하는 CNT 코딩 단계와;
절연층 상부에 형성된 CNT층에 압력 게이지를 패터닝하고, 압력 게이지가 패터닝된 이외의 CNT층은 제거하여 압력 게이지를 형성하는 압력 게이지 형성 단계를;
포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.A polishing step of polishing an upper portion of a steel use stainless (SUS) diaphragm;
An insulating layer forming step of forming an insulating layer on the diaphragm polished by the polishing step;
A conductive layer forming step of forming a conductive layer on the insulating layer formed by the insulating layer forming step;
An electrode forming step of patterning an electrode on the conductive layer formed by the conductive layer forming step, and removing a conductive layer other than the patterned electrode to form an electrode;
A CNT coding step of forming a CNT layer by coating a carbon nanotube (CNT) on an insulating layer on which an electrode is formed;
A pressure gauge forming step of patterning a pressure gauge on the CNT layer formed on the insulating layer, and removing a CNT layer other than the patterned pressure gauge to form a pressure gauge;
CNT pressure sensor manufacturing method characterized in that it comprises a. 제 1 항에 있어서,
연마 단계에서:
SUS 화학 연마제를 사용해 스테인리스 강 가공 중에 발생하는 거친 표면(burr)을 제거하는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.The method of claim 1,
In the polishing step:
A method of manufacturing a CNT pressure sensor, characterized in that it removes the burrs generated during stainless steel machining using SUS chemical abrasives. 제 1 항에 있어서,
절연층 형성 단계에서:
화학적 증착(Deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 기법을 이용해 이산화 규소(SiO2)를 절연물질로 하여 두께 2um 내지 5um의 절연층을 다이어프램 상부에 형성하는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.The method of claim 1,
In the insulation layer forming step:
A method of manufacturing a CNT pressure sensor, characterized in that an insulating layer having a thickness of 2 μm to 5 μm is formed on the diaphragm using silicon dioxide (SiO 2 ) as an insulating material by chemical deposition or sputtering. 제 1 항에 있어서,
도전층 형성 단계에서:
화학적 증착(Deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 기법을 이용해 크롬(Cr)을 도전물질로 하여 두께 1um 내지 2um의 도전층을 절연층 상부에 형성하는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.The method of claim 1,
In the conductive layer formation step:
A method of manufacturing a CNT pressure sensor, characterized in that a conductive layer having a thickness of 1 μm to 2 μm is formed on an insulating layer using chromium (Cr) as a conductive material by chemical deposition or sputtering. 제 1 항에 있어서,
전극 형성 단계에서:
포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 전극 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 전극 패턴이 인쇄되지 않은 도전층 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.The method of claim 1,
In the electrode formation step:
Transfer the electrode pattern to a photo resist using photolithography technology, and use this PR mask to etch away the portion of the conductive layer where the electrode pattern is not printed. CNT pressure sensor manufacturing method characterized in that the electrode is formed. 제 1 항에 있어서,
CNT 코딩 단계에서:
스프레이 코팅(Spray-coating) 기법을 사용해 전극이 형성된 절연층 상부에 두께 1um 내지 2um의 CNT를 도포하여 CNT층을 형성하는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.The method of claim 1,
At the CNT coding stage:
A method of manufacturing a CNT pressure sensor, characterized in that to form a CNT layer by applying a CNT having a thickness of 1um to 2um on the insulating layer on which the electrode is formed using a spray-coating technique. 제 1 항에 있어서,
압력 게이지 형성 단계에서:
포토리소그래피(Photolithography) 기술을 사용하여 PR(photo Resist)에 압력 게이지 패턴을 전사(Transfer)하고, 이 PR 매스크(Mask)를 사용해서 압력 게이지 패턴이 인쇄되지 않은 CNT층 부분을 에칭(etching)하여 제거함으로써 압력 게이지를 형성하는 것을 특징으로 하는 CNT 압력센서 제조방법.The method of claim 1,
At the pressure gauge formation stage:
Transfer the pressure gauge pattern to a photo resist using photolithography technology, and use this PR mask to etch the portion of the CNT layer where the pressure gauge pattern is not printed. CNT pressure sensor manufacturing method characterized in that to form a pressure gauge by removing.
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