KR101487150B1 - 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 압력소자의 하프 브릿지(Half Bridge)와 금속 다이아프램을 이용하여 압력센서를 제조하도록 한 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 관한 것으로, 금속을 소재로 하는 금속 다이아프램 및 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)형 압력센서 셀을 제작한 후에, 윈도우 스크린 프린트로 상기 금속 다이아프램 상에 접합 안료층을 형성하고, 상기 접합 안료층을 이용하여 상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계; 및 신호 처리를 위한 풀 브릿지의 한쪽만을 하프 브릿지로 상기 MEMS형 압력센서 셀을 형성시켜 줌과 동시에, 상기 풀 브릿지의 다른 한쪽의 하프 브릿지를 저항소자를 이용하여 PCB 기판 상에 형성시켜 주는 단계를 포함한다.

Description

금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법{Method of Manufacturing Pressure Sensor}
본 발명은 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 금속 다이아프램형 압력센서의 금속 다이아프램의 상부에 부착되는 압력센서 셀을 상기 압력센서 셀의 상부에 배치되는 PCB기판의 하프 브릿지(Half Bridge)의 형태로 형성된 전극패드와 접속하여 제조가 용이하게 되고 불량율이 현저하게 감소되면서 종래의 금속 다이아프램형 압력센서의 PCB기판의 풀 브릿지(Full Bridge)의 형태로 형성된 압력센서와 유사한 성능을 갖는 금속 다이아프램을 이용하여 압력센서를 제조하도록 한 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 관한 것이다.
한국등록특허 제10-1232613호는 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서 및 상기 압력측정센서의 제조방법에 관하여 제안되어 있는데, 상기 압력측정센서의 제조방법은, 수압부인 금속 다이아프램이 측정본체와 일체로 제조되어 스테인레스 강을 가공하고 그 표면을 랩핑 및 폴리싱 연마하여 평탄화시켜 조도(Rm)≤0.1(㎛), 평탄도(Fm)≤1(㎛)로 다이아프램의 상부 표면을 가공하는 단계와, 다이아프램에 후막으로 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막 중에서 선택된 세라믹 절연막을 페이스트 상으로 스크린 인쇄 및 테입 캐스팅 부착을 이용하여 두께를 3 ~ 8(㎛) 일체형으로 형성하고 600 ~ 850(℃)에서 열처리하는 단계와, 세라믹 절연막 상에 루테늄 옥사이드(RuO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 징크 옥사이드(ZnO2) 중에서 선택된 압력에 따른 변위를 가지는 금속 산화물질을 페이스트 상으로 후막 인쇄 하여 3 ~ 8(㎛)로 압력 감지막의 저항체와 레이저 트리밍부로 형성하고 600 ~ 850(℃)에서 열처리하는 단계와, 압력 감지막과 레이저 트리밍부를 연결하는 복수 개의 전극패턴을 3 ~ 8(㎛)의 두께로 형성하고 600 ~ 850(℃)에서 열처리하고, 레이저 트리밍으로 전극 패턴을 절단한 후 레이저 트리밍부를 절단함으로써 최종 목표저항까지 정밀한 저항체를 형성하는 단계와, 압력 감지막의 보호를 위하여 저융접 실리콘 산화막 또는 폴리머 계열의 에폭시, 또는 테프론 액을 1 ~ 4(㎛) 두께로 스크린 인쇄 후 열처리 하여 상부 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 특허에 기재된 기술에 따르면, 접착이나 용접이 되지 않아 크리프 현상이 적고 안정성이 우수하며, 대량 생산으로 고수율과 저가격화가 가능하며, 일반 금속저항체보다 압력에 대한 감도가 2 ~ 5 배로 높고, 고저항체의 재료에 의한 패턴 설계로 분해능이 높고 정밀한 측정에 용이하며, 세라믹의 절연막과 밀착성이 우수하여 압력 감지막에 대한 레이저 트리밍 기술 적용이 쉬우며, 그리고 기존 박막형 이용한 압력센서보다 고온 특성이 우수하여 200(℃) 이상의 고온에서도 사용이 가능하고, 간단한 인쇄 장비만으로도 제조가 가능하게 되며, 또한 제작 공정 또한 단순하여 대량생산 및 저가격 제품도 대응이 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 상기 특허는, 일반 압력감지소자의 감도는 낮고 높음에 따라 프로세서가 신호 처리를 할 수 있는 최소한의 감도(2mV/V)가 필요한데, 이러한 부분에서 상기 특허의 압력측정센서는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems; 미세 가공 제어 기술)형으로 실리콘 웨이퍼가 수압부로 형성된 일체형 압력센서의 경우에는 감도는 우수하지만, 압력을 계측해야 하는 액체 또는 기체가 직접적으로 접촉되어 압력이 집중적으로 발생되는 부분, 예를 들면, 다이어프램판과 같은 얇은 부분에서에서 파열이 발생되기가 쉽다는 문제점과 아울러, 사용 압력에 대한 2 배 이상의 내압은 견디기 힘들기 때문에 안정성이 매우 떨어진다는 문제점이 있었다.
그리고, 박막형으로 제작되는 압력 감지막을 사용하는 압력센서의 경우에는 자체 특성이 감도가 낮아서 프로세서가 최소한의 감도를 얻기 위해서, 히스톤 브릿지 구조상 풀 브릿지 회로를 이용해 낮은 감도를 극대화하여 사용해야 하며, 하프 브릿지 회로 채택 시에 감도가 낮은 부분에 대해 프로세서의 한계가 있으며, 이러한 부분에 일부 기능이 가능하더라도 프로세서의 노이즈 출력이 증폭되어 나타나므로 상품성이 저하되어 사용하기가 힘들다는 문제점이 있었다.
이러한 종래의 압력센서는 일반적으로 외부에서 압력이 인가되면 받아들이는 수압부와, 해당 인가된 압력에 의한 변형 및 변화를 감지하는 압력센서 셀 부분으로 크게 구성되어 있다. 기본적으로 50 bar 이상의 고압 분야(특히, 안전성이 요구되는 분야)에서는, 금속으로 제작된 수압부와 압력에 따른 감도를 효율적으로 감지하기 위해서, 금속 다이아프램 구조를 이용하여 제작된다.
종래의 금속 다이아프램형 압력센서를 제작하는 방법으로는, 도 1에 도시된 바와 같은 스트레인 게이지(110)를 금속 다이아프램(120)에 접합하는 방식이거나, 도 2에 도시된 바와 같은 금속 박막을 이용한 저항 패턴을 가진 저항체(210)를 금속 다이아프램(120)에 직접 형성시키고, 저항체(210)와 금속 다이아프램(120) 사이에 절연막(230)을 형성시키는 방식이 있는데, 이런 경우에 감도가 낮아 저압에는 사용하기 힘들다는 단점이 있다.
이러한 저감도의 단점을 극복하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, MEMS 공정으로 제작된 압력센서 셀(310)을 금속 다이아프램(120)에 부착하여 사용하는데, 이때 MEMS형 압력센서 셀(310)과 금속 다이아프램(120) 사이에는 접합 안료층(330)을 이용하여 접합함으로써, 저압에서도 높은 감도를 얻을 수 있어 신호 처리부를 단순화할 수 있고, 상대적으로 우수한 센서 성능을 구현할 수 있으며, 대량 생산에 유리한 장점을 얻을 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 금속 다이아프램형 압력센서는 공정 설계에서 MEMS형 압력센서 셀을 프로세서에 연결할 때에 본딩 면의 6 포인트로 전극에 와이어 본딩을 해야 하므로 공정 수가 많으므로 제조에 많은 시간이 소요되고 따라서 많은 제조인력이 필요하게 되고 불량율이 높아서 제조가가 고가로 되는 문제점을 가진다.
한국등록특허 제10-1232613호
본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 다이아프램형 압력센서의 금속 다이아프램의 상부에 부착되는 압력센서 셀을 상기 압력센세 셀의 상부에 배치되는 PCB기판의 하프 브릿지(Half Bridge)의 형태로 형성된 전극패드와 접속하여 제조가 용이하게 되고 불량율이 현저하게 감소되면서 종래의 풀 브릿지로 접속된 금속 다이아프램 타입 압력센서와 유사한 성능을 갖는 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적은, MEMS형 압력센서 셀을 윈도우 스크린 프린트(Window Screen Print) 공정을 이용하여 금속 다이아프램상에 도포된 접합 안료층상에 배치하여 고온 소성 공정을 통하여 접합시키고, 상기 압력센서 셀과 압력센서 셀의 상부에 배치된 PCB기판의 하프 브릿지(Half Bridge)의 형태로 형성된 전극패드가 미세 와이어로 본딩처리되고 다른 하프 브릿지는 저항소자로 형성된 본 발명에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 의하여 달성된다.
본 발명의 한 특징은, 금속을 소재로 하는 금속 다이아프램 및 MEMS형 압력센서 셀을 제작한 후에, 윈도우 스크린 프린트로 상기 금속 다이아프램 상에 접합 안료층을 형성하고, 상기 접합 안료층을 이용하여 상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계; 및 신호 처리를 위한 풀 브릿지의 한쪽만을 하프 브릿지로 상기 MEMS형 압력센서 셀을 형성시켜 줌과 동시에, 상기 풀 브릿지의 다른 한쪽의 하프 브릿지를 저항소자를 이용하여 PCB 기판 상에 형성시켜 주는 단계를 포함하는 압력센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 특징은, 상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계는, 마스크의 두께와 선폭을 제어하여 원하는 위치에 사각 형태로 원하는 두께만큼 윈도우 스크린 프린트로 접합 안료를 페이스트 상으로 금속 다이아프램상에 도포하여 접합 안료층을 형성하는 단계; 상기 접합 안료층이 형성된 페이스트 상에서 레벨링하여 유리질 분말과 액상으로 분리층을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 액상의 층 상부에 상기 MEMS형 압력센서 셀을 올려놓고, 400 ~ 500 ℃의 소성 처리로 유리질 분말을 융해시키면서 상기 금속 다이아프램에 상기 MEMS형 압력센서 셀을 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 접합 안료층은, 상기 압력센서 셀들의 일측면이 위에서 보면 서로 일직선으로 배치되게 안착될 수 있도록 접합 안료층의 두께와 선폭을 제어하고, 상기 접합 안료층의 두께는 상기 압력센서 셀의 높이보다 높은 높이로 제작된다.
본 발명에서, 상기 저항소자는, 온도 저항 변화 계수가 100(ppm) 미만이며, -40 ~ 125(℃)에서 저항 변화가 1(%) 이내이며, 저항값은 2 ~ 10(㏀) 이내에서 사용된다.
본 발명에서, 상기 PCB 기판 내에 상기 저항소자를 사용하지 않고 다른 방식으로 내부에 기준 전압을 변경가능하게 설정할 수 있는 기준 전압 보정용 프로세서를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법은, 금속 다이아프램형 압력센서를 제조함에 있어 윈도우 스크린 프린트 방식으로 고온용 세라믹 페이스트를 원하는 부분에만 원하는 두께로 형성하여 접합 안료층으로 사용하며, 고감도 MEMS형 압력센서 셀을 하프 브릿지만 이용하여 신호 처리를 위한 감지 구조를 형성하도록 함으로써, 금속 다이아프램형 압력센서의 압력센서 셀의 고감도 특성과 높은 분해능 및 금속 다이아프램형의 우수성을 그대로 유지하면서, 제조 공정의 단순화에 따른 대량 생산이 유리하며, 우수한 재현성을 통해 높은 수율을 얻을 수 있고, 특히 기존에 비해 압력 감지 구조 단순화 및 소형화 제작이 가능하여 소재 절감, 공정 단순, 수율 개선 등의 장점을 얻을 수 있고, 양산시에 제품의 경쟁력을 높일 수 있다.
도 1은 일반적인 종래의 스트레인 게이지와 금속 다이아프램을 이용한 압력센서를 설명하는 도면이다.
도 2는 일반적인 종래의 금속박막 저항체와 금속 다이아프램을 이용한 압력센서의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 일반적인 종래의 다른 실시예의 MEMS형 압력센서 셀과 금속 다이아프램을 이용한 압력센서를 설명하는 개략적인 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 종래의 MEMS형 압력센서 셀의 평면도이다.
도 6은 도 5의는 MEMS형 압력센서 셀을 평면상에서 가로로 절단한 종단면도이다.
도 7은 종래의 도팅(Dotting) 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합층 형성을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 있는 도팅 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합 안료층 형성 구조를 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 윈도우 스크린 프린트 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합 안료층 형성을 설명하는 도면으로, 정면도, 부분절단된 상세 정면도, 평면도이다.
도 10은 도 9에 있는 윈도우 스크린 프린트 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합 안료층의 형성 구조를 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 종래의 MEMS형 압력센서 셀과 금속 다이아프램을 이용한 압력센서를 설명하는 개략적인 정면도와, 신호처리를 위해 풀 브릿지로 형성된 신호처리용 PCB 기판이 상부에 설치된 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 MEMS형 압력센서 셀과 금속 다이아프램형 압력센서를 설명하는 개략적인 정면도와, 하프 브릿지로 형성된 PCB 기판이 상부에 연결되게 설치된 평면도이다.
도 13은 도 12에 있는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 회로를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 MEMS형 압력센서 셀과 금속 다이아프램형 압력센서를 설명하는 개략적인 정면도와, 하프 브릿지로 형성된 PCB 기판이 상부에 연결되게 설치된 평면도이다.
도 15는 도 14에 있는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 회로를 나타낸 도면이다.
도 16은 종래의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 본 발명의 제1실시예의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 압력에 따른 저항을 비교한 표를 나타낸 도면이다.
도 17은 종래의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 본 발명의 제1실시예의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 압력에 따른 아날로그 전압을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 18은 종래의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 본 발명의 제1실시예의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 프로세서 신호 처리 후 제품의 출력 특성 결과표를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 발명의 금속 다이아프램형 압력센서를 제조함에 있어 윈도우 스크린 프린트(Window Screen Print) 방식으로 고온용 세라믹 페이스트를 원하는 부분에만 원하는 두께로 형성하여 접합 안료층으로 사용하며, MEMS형 압력센서 셀과 PCB 기판의 전극 패드를 하프 브릿지(Half Bridge)만 이용하여 신호 처리를 위한 감지 구조를 형성한다. 다시 말해서, 본 발명은 기존의 반도체형 압력센서의 고감도 특성과 높은 분해능과 같은 장점을 이용하는 압력센서를 제작함에 있어서, 고온용 세라믹 페이스트를 이용한 접합 안료층 형성을 재현성이 우수하고 효율적인 윈도우 스크린 프린트 방법으로 코팅하여 접합 안료층을 형성하고, 압력센서 셀의 경우에 MEMS 공정으로 제작된 고감도 압력센서 셀을 풀 브릿지(Full Bridge)의 절반 구조인 하프 브릿지로 형성되도록 접합하여 사용하며, 공정 기술에서 하프 브릿지를 적용함에 있어 필요한 저항소자를 이용하여 신호 처리용 PCB 상에 하프 브릿지를 형성하며, 이와 병행하게 사용하는 다른 방법으로서, 프로세서에서 기준 전압(Reference Voltage)을 사용할 수 있는 프로세서를 적용함으로써 공정 단순화를 이룰 수도 있다.
이제 본 발명에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 금속 다이아프램 제작 기술과 반도체 웨이퍼 제조 기술을 결합하여 다수의 압력센서를 동시에 대량 생산으로 제조하는데, 첫 번째로 금속을 소재로 하는 금속 다이아프램의 구조를 제작한다(S401).
본 발명에서, 금속 다이아프램은 복합 CNC 및 선반 가공 장비를 이용하여 스테인레스강(예를 들어, SUS304, 316, 400 및 630 계열), 특수강(예를 들어, Ni alloy 합금, 초경합금 및 알루미늄 합금) 등의 소재를 가공하여 제작할 수 있다.
본 발명에서, 금속 다이아프램은 목표되는 제품의 사용에 따라 복잡한 형상 및 다양한 형상으로 제작할 수 있으며, 또한 금속 다이아프램의 두께 및 내부 설계는 사용 용도에 맞는 압력 범위에 따라 구조적으로 탄성 복원이 정밀하게 복원되도록 하며, 이것은 가공하고자 하는 재료의 탄성계수, 변형에 대한 항복강도 및 내열 특성에 반영하여 제작할 수 있다.
상술한 단계 S401에서 복합 CNC 및 선반 가공 장비를 이용하여 금속 다이아프램을 가공할 때에 가공유를 사용하므로, 상술한 단계 S401에서 가공된 금속 다이아프램에서 가공유를 제거하기 위한 세척 공정과, 표면의 특성에 맞게 표면 연마, 샌딩 및 고온 융사 공정을 수행하여 금속 다이아프램의 표면 개질을 형성한다(S402). 이때, 금속 다이아프램의 표면 개질 형성은 목표되는 제품의 사양에 맞게 특성에 따라 적용 방법을 달리 할 수 있음을 잘 이해해야 한다.
두 번째로, 표면 MEMS 공정을 이용하여 공정상 용이하고 단순한 방법을 통해 초소형화된 MEMS형 압력센서 셀을 제작한다(S403).
본 발명에서, MEMS형 압력센서 셀은 목표 저항에 맞추어 압력 저항을 패턴화하여 디자인한 두 개의 압력 저항 패턴을 3 개의 전극 사이에 각각 형성함으로써, 제1전극과 제2전극을 저항 측정하는 경우에 제1압력 저항 패턴의 저항 값이 나타나도록 하며, 제2전극과 제3전극을 저항 측정하는 경우에 제2압력 저항 패턴의 저항 값이 나타나도록 한다.
세 번째로, 상기 MEMS형 압력센서 셀을 안료 소성 전후에도 정 위치에 위치하기 위해서, 부착층인 접합 안료층을 형성한 후에, 해당 형성된 접합 안료층을 이용하여 상술한 단계 S401에서 가공된 금속 다이아프램과 상술한 단계 S403에서 제작된 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합한다(S404).
본 발명에서, MEMS형 압력센서 셀을 금속 다이아프램에 접합하기 전에, 윈도우 스크린 프린트 방식을 이용하여 접합 안료층의 두께와 선폭을 제어하여 원하고자 하는 위치에 사각 형태로 원하는 두께만큼 접합 안료를 페이스트 상에서 일정하게 도포하여 접합 안료층을 형성한 다음에, 해당 접합 안료층이 형성된 페이스트 상에서 레벨링 공정에 의해 유리질 분말과 액상으로 분리층을 형성하고, 액상층의 상부에 MEMS형 압력센서 셀을 올려놓고 400 ~ 500℃ 의 고온 소성 처리로 유리질 분말을 융해시키면서 MEMS형 압력센서 셀을 금속 다이아프램에 접합할 수 있다.
네 번째로, 신호처리를 위한 MEMS형 압력센서 셀을 이용한 브릿지 형성에 있어서, 풀 브릿지의 한쪽만을 이용한 하프 브릿지 구조로 MEMS형 압력센서 셀을 형성하며, 나머지 다른 한쪽의 하프 브릿지는 저항소자를 이용하여 신호 처리를 위해 이용되는 PCB 기판 상에 형성시켜 준다(S405).
본 발명에서, 신호처리를 위한 MEMS형 압력센서 셀을 이용한 브릿지 형성에 있어서, PCB 기판 상의 프로세서를 기준 전압(Reference Voltage)을 사용할 수 있는 프로세서로 적용함으로써 공정 단순화를 이룰 수 있다.
도 5는 도 4에 있는 MEMS형 압력센서 셀의 평면을 나타낸 도면이며, 도 6은 도 4에 있는 MEMS형 압력센서 셀을 평면상에서 가로로 절단한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, MEMS형 압력센서 셀(310)은 제1전극(311)과 제2전극(312) 사이에 제1압력 저항 패턴(314)을 형성하고, 제2전극(312)과 제3전극(313) 사이에 제2압력 저항 패턴(315)을 형성한다.
MEMS형 압력센서 셀(310)의 크기는 사용하고자 하는 금속 다이아프램의 크기에 따라 전체적 크기가 결정되나, 하나의 MEMS형 압력센서 셀(310)의 구조는 도 5에 도시화한 상태로 압력 저항 패턴(314, 315)과 전극(311, 312, 313)을 구성한다. MEMS형 압력센서 셀(310)은 3 개의 전극(311, 312, 313)으로 이루어지며, 그 사이에 반도체 패턴인 압력 저항 패턴(314, 315)을 형성한다.
압력 저항 패턴(314, 315)은 목표되는 저항에 맞추어 패턴화하여 디자인하며, 각 디자인에 대한 공정에 설계는 변경이 가능하다. 이때, 제1전극(311)과 제2전극(312)을 저항 측정하면 제1압력 저항 패턴(314)의 저항 값이 나타나며, 제2전극(312)과 제3전극(313)을 저항 측정하면 제2압력 저항 패턴(315)의 저항 값이 나타난다.
MEMS형 압력센서 셀(310)의 절단면은 도 6에 도시된 바와 같으며, MEMS형 압력센서 셀(310)의 두께는 압력센서 소자의 특성과 공정에 따라 설계할 수 있으나, 통상 10 ~ 100(㎛ )사이로 제작한다.
도 7은 종래의 도팅(Dotting) 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합층 형성을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, MEMS형 압력센서 셀(310)을 금속 다이아프램(120)에 접합할 때에, 페이스트 상태의 접합 안료를 금속 다이아프램(120)에 도팅 처리하여 접합 안료층(730)을 형성하고, 그 위에 MEMS형 압력센서 셀(310)을 위치시켜 금속 다이아프램(120)에 부착한다. 여기서, 사용되는 페이스트 상태의 접합 안료는 유리질인 파우더를 40 ~ 60(%) 가지며, 색깔을 결정하는 염료와 분말을 액상으로 유지하게 하는 바인더 및 유리질의 분말을 응집되지 않도록 콜로이드 형태로 분산할 수 있는 미량의 분산재를 나머지 40 ~ 60(%)로 구성하고, 상기 바인더와 분산재의 혼합비율은 통상적인 방식으로 혼합된 것을 사용한다.
이러한 페이스트 상의 접합 안료를 MEMS형 압력센서 셀(310)에 부착할 위치에 페이스트 상으로 도포하는데, 이때 디스펜서(도시않됨)를 이용하여 주입하여 도포한다. 여기서, 레벨링 공정에 의해 페이스트 상을 고상과 액상이 존재하는 구조로 형성하나, 초기 도포에서는 액상 특성으로 발수성 특성인 표면 장력을 가진 구조(예를 들어, 반원구 모양)로 형성한다. 꼭짓점을 높고 넓게 형성되기 힘든 구조로 하며, 시간이 지나게 됨에 따라 밀도 차이에 의해서 페이스트 상을 분리하여 밑에서는 고상의 분말 형태로 남기고 상부에서는 바인더 및 기타 용액을 남긴다.
MEMS형 압력센서 셀(310)을 금속 다이아프램(120)에 붙이고자 할 경우, 균일한 면의 도포를 해야 하나, 넓이가 넓을수록 높이가 올라가는 반원 구조에서 한계가 있으므로, 고상과 액상의 분리층 형성과 양의 차이는 커지기에 균일한 페이스트 상의 접합 안료를 제어하는 데는 한계가 있다.
예를 들어, 요구되는 넓이가 가로 3mm 세로 2mm의 6㎟ 를 가정할 경우, 높이를 0.25(mm)로 형성하며, 이에 접합 특성에 결정하는 유리 분말 형성체의 두께는 0.11(mm) 높이로 균등하게 반 타원형을 형성하고, 그 위의 형성체는 0.14(mm) 액상으로 형성한다. 그 위에 MEMS형 압력센서 셀(710)을 붙이고자 할 경우 유동성이 높은 액상에 올려지게 됨에 따라 유동성이 높은 상태로 놓여지게 된다. 이를 방지하기 위해서 별도 중간 건조 및 제습을 통해 관리해야 하지만, 접합에 결정되는 유리분말의 형태는 다소 불안한 구조로 형성되어 있다.
이러한 요인으로 인해 그리고 접합 안료층(730)이 표면 장력으로 형성되어 있어, 접합 안료의 내부 유리분말의 분포가 불균일하며, 접합 후에서도 정렬을 정확히 형성하더라도 고온 공정인 400 ~ 500 도()의 열처리를 통해 유리분말을 소성하여 접합 안료층(730)을 형성 시에 불균일성으로 인해 유리질이 많은 부분과 작은 부분이 융해되면서 액상 변화 시에 밀도 차이를 균질화하려는 특성으로 이동이 나타나며, 이때 부착된 MEMS형 압력센서 셀(310)의 소성 전인 처음 위치에 있지 않고 위치가 움직여 정렬 상태의 틀어짐이 발생할 수 있다.
도 8은 도 7에 기술된 도팅 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합 안료층 형성 구조를 나타낸 도면이다.
도 8의 (가)는 페스트 처리 시에 형성된 구조로, 페스트 상에 도팅된 접합 안료층(730)을 나타내고 있다.
도 8의 (나)는 페스트 처리 후에 레벨링 공정 시에 형성된 구조로, 유리질인 파우더 층(731) 위에 바인더 등의 액상 층(732)을 형성한다.
도 8의 (다)는 MEMS형 압력센서 셀(310)의 접합 시에 형성된 구조로, 레벨링 공정 시에 형성된 바인더 등의 액상 층(732) 위에 MEMS형 압력센서 셀(310)을 접합한다.
도 8의 (라)는 고온 소성 처리 후에 형성된 구조로, 유리분말의 고온 소성 시에 MEMS형 압력센서 셀(310)의 이동이 발생한다.
도 9는 도 4에 있는 본 발명에 따른 윈도우 스크린 프린트 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합층 형성을 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 윈도우 스크린 프린트 방식을 이용하여 원하는 두께만큼 일정하게 접합 안료층(930)이 넓고 균일한 두께 형성을 가능하여 작업성이 우수하고 금속 다이아프램(120)의 정 위치에 MEMS형 압력센서 셀(310)을 부착할 수 있어 특성이 우수한 금속 다이아프램형 압력센서를 제작한다.
본 발명에서, 스크린 인쇄는 접합 안료층을 형성하기 위한 마스크를 제작하여 페이스트 상으로 도포하는 특성으로, 마스크의 두께와 선폭을 제어하여 원하고자 하는 위치에 사각 형태로 제작할 수 있다. 여기서, 접합 안료층(930)의 넓이는 MEMS형 압력센서 셀(310)의 크기를 감안해서 제작되는데, MEMS형 압력센서 셀의 넓이보다 약간 크게 형성하며(예를 들면 압력센서 셀의 가로 및 세로의 길이보다 약 0.5mm 정도가 크게), 스크린 인쇄시에 접합 안료층(930)의 넓이는 MEMS형 압력센서 셀(310)의 넓이보다 넓은 영역을 마스크 설계 및 제작을 수행하도록 한다.
예를 들어, MEMS형 압력센서 셀의 넓이가 A라고 하면, 스크린 인쇄를 하고자 할 경우에 A보다 넓은 인쇄 영역을 제작해야 하는데, 이때 압력센서 셀(310)의 각 변의 길이보다 접합 안료층(930)의 길이가 0.5(mm)가 더 길게 설계하여 제작 시에접합 안료층(930)의 넓이가 더 넓은 직사각형의 형태로 형성할 수 있다.
본 발명에서, 형성된 페이스트 상에서 레벨링 공정에 의해 유리질 분말과 액상은 분리층이 형성되더라도, 하부 측에 유리질 분말은 스크린 인쇄된 두께에 비례하여 균일한 형상으로 형성할 수 있다. 두께를 0.6(mm)로 페이스트 상을 형성할 시에 0.3(mm)의 하부에 균일하게 형성하며, 상부 모서리 부분을 제외한 부분에서는 표면 장력 형성에 한계가 있어 액상의 형태는 넓이 면적에 균일하면서도 낮은 두께를 유지할 수 있다. 이것은 유리분말 또는 전극을 사용하는 금속 페이스트 상에서도 상술한 기술로 응용하여 균일한 후막을 형성하는데 사용할 수 있다.
상술한 바와 같은 스크린 인쇄 공정 시에 두께가 얇고 MEMS형 압력센서 셀(310)을 부착하여 응력 특성을 반영하는데, 접합에 결정되는 유리분말을 균질하게 형성하며, 액상의 상부에 넓은 면적에 분포하여 접합된 MEMS형 압력센서 셀(310)은 접합에서 정밀한 정렬을 하게 되며, 고온 소성 처리 시에서도 유리질 분말의 융해 시에 이동성이 적다. 이로 인해 상부 놓여진 MEMS형 압력센서 셀(310) 변형 및 정렬의 틀어짐이 없으며, 바인더 및 용제가 표면으로 넘침 현상이 없어 우수한 품질의 접합된 MEMS형 압력센서 셀(310)을 얻을 수 있다.
도 10은 도 9에 있는 윈도우 스크린 프린트 방식을 이용한 MEMS형 압력센서 셀의 접합층 형성 구조를 나타낸 도면이다.
도 10의 (가)는 페스트 처리 시에 형성된 구조로, 페스트 상에 스크린 인쇄된 접합 안료층(930)을 나타내고 있다.
도 10의 (나)는 페스트 처리 후에 레벨링 공정 시에 형성된 구조로, 유리질인 파우더 층(931) 위에 바인더 등의 액상 층(932)을 형성한다.
도 10의 (다)는 MEMS형 압력센서 셀(310)의 접합 시에 형성된 구조로, 레벨링 공정 시에 형성된 바인더 등의 액상 층(932) 위에 MEMS형 압력센서 셀(310)을 접합한다.
도 10의 (라)는 고온 소성 처리 후에 형성된 구조로, 유리분말의 고온 소성 시에 MEMS형 압력센서 셀(310)을 구조적으로 안정화된 형태로 접합한다.
도 11은 종래의 신호처리를 위해 풀 브릿지로 형성된 압력센서와 신호처리용 PCB 연결을 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 금속 다이아프램(120) 상에 부착된 압력센서 셀(310)과 신호 처리를 위한 PCB 기판(1130)의 연결 상태를 나타내고 있다. PCB 기판(1130) 상에 프로세서(1131), 프로세서(1131)에 연결된 마이너스 아날로그 전원선(1132)과 플러스 아날로그 전원선(1133), 풀 브릿지(1134)를 형성한다. 풀 브릿지(1134)는 6개의 전극패드(1134a)로 이루어지며, 각 전극패드(1134a)는 미세 와이어(1140)를 통해 두 개의 압력센서 셀(310)과 연결되므로, 결과적으로 풀 브릿지(1134)는 압력센서 셀(310)의 저항(R1,R2,R3,R4)과 연결된다.
이러한 신호 처리는 압력센서 셀(310)을 풀 브릿지(1134)로 형성하여 사용하며, 이런 경우 특별 관리가 필요한 미세 와이어(1140)의 각 전극패드(1134a)와 연결되는 본딩 공정 포인트가 6 개이며, 또한 풀 브릿지 형성으로 금속 다이아프램(120)의 크기가 상대적으로 커지므로 작업공간이 좁아져서 작업이 불편하게 되고, PCB 기판(1130) 상에 미세 와이어 본딩을 상대적으로 넓은 면적을 필요로 한다. 따라서, 본딩 과정에 많은 시간이 소요되고 노동생산성이 저하되고 많은 인력이 필요하게 되며, 불량이 발생될 확율이 대단히 높아지게 되는 문제점이 있다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 하프 브릿지를 이용한 금속 다이아프램형 압력센서와 PCB 기판의 연결을 설명하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 11에서 발생되는 결점을 보완하기 위해서, 압력센서 셀(310)이 PCB 기판(1230)의 하프 브릿지(1234)로 형성된 전극패드(1234a)에 연결되게 하고, 나머지 하프 브릿지는 PCB 기판(1230) 상에 저항소자(1235)로 연결되게 형성시켜 이용한다. PCB 기판(1230) 상에 프로세서(1231), 프로세서(1231)에 연결된 마이너스 아날로그 전원선(1232)과 플러스 아날로그 전원선(1233), 하프 브릿지(1234), 저항소자(1235)를 형성한다. 하프 브릿지(1234)는 미세 와이어(1240)를 통해 압력 압력센서 셀(310)에 연결되므로, 결국에는 압력센서 셀(310)의 저항(R1,R2)과 연결한다.
저항소자(1235)는 가능한 온도와 환경 변화에 틀어짐이 적은 사양으로 사용 온도 범위에서의 온도 저항 변화 계수가 100(ppm) 미만이며, 사용 환경 온도에 따라 사양이 정해지는데, -40 ~ 125(℃)에서 저항 변화가 정밀한 1(%) 이내의 저항소자를 사용한다. 또한, 히스톤 브릿지의 MEMS형 압력센서 소자의 저항과 유사한 저항 값을 선정하며, 그 저항값은 주로 2 ~ 10(㏀)을 사용한다.
도 13은 도 12에 있는 하프 브릿지를 이용한 프로세서(1231)와 회로를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 압력센서 셀(310)의 두 개의 저항(R1,R2)에 대해 측정되는 전압(Va)을 측정하고, 두 개의 저항소자(1235)를 사용한 하프 브릿지의 전압(Vb)을 프로세서(1231)의 기준 전압으로 사용하여, 측정된 전압(Va)과 하프 브릿지 전압(Vb)의 차이로 출력 전압(Vth)을 확보한다.
도 14는 도 12에 있는 프로세서(1231)를 기준전압의 기준용으로 적용한 기준전압 발생부를 갖는 프로세서(1431)가 구비된 압력센서와 PCB 기판의 연결을 설명하는 도면이다.
도 14를 참조하면, 정밀 저항을 쓰지 않고 내부 프로세서(1431)에 기준전압을 발생할 수 있는 기준전압 발생부(도시되지 않음)를 내장하여 탑재시키도록 한다. PCB 기판(1430) 상에 기준전압 프로세서(1431), 기준전압 프로세서(1431)에 연결된 마이너스 아날로그 전원선(1432)과 플러스 아날로그 전원선(1433), 하프 브릿지(1434)를 형성한다. 하프 브릿지(1434)는 3개의 전극패드(1434a)가 형성되어 각 전극패드(1434a)는 미세 와이어(1440)를 통해 압력센서 셀(310)의 저항(R1,R2)과 연결한다.
신호 처리를 위한 미세 와이어 본딩 포인트가 3포인트로 공정 수가 감소하게 되면, 압력센서 셀(310)을 1개만 부착하면 되기 때문에 공정이 단순화되고 금속 다이아프램(120)의 직경도 최소화할 수 있다. 또한, 미세 와이어 본딩을 위한 PCB 면적도 줄어들어 PCB 크기를 줄일 수 있다.
도 15는 도 14에 있는 기준전압 프로세서를 적용한 하프 브리지 회로를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 프로세서 기능에서 내부 프로세서 기준 전압을 가질 수 있는 내부 기준전압을 기준으로 센서의 저항변화를 보정할 수 있는 프로세서(1431)를 적용할 시에 구현될 수 있는 구조를 회로로 나타낸 것으로, 상기 프로세서(1431)에서 기준을 잡을 수 있는 전압을 기준으로 한다.
예를 들어, 기준 전압을 2.5(V)로 하고, 압력센서 셀(310)의 저항(R1,R2)에 대해 측정되는 전압(Va)을 측정하여 신호 처리할 수 있는데, 측정된 전압(Va)과 기존 기준 전압인 2.5(V)의 차이로 출력 전압(Vth)을 확보할 수 있다. 즉, 도 13에 도시된 저항소자(1235)를 사용한 하프 브릿지의 전압(Vb)을 프로세서(1231)의 기준 전압으로 사용하는 것과 같이, 압력에 대한 변위는 없으며, 그 기능을 내부 프로세서 기준 전압을 탑재한 기준전압 프로세서(1431)를 사용하는 것이다.
일 실시 예에서, 프로세서(1431)는 아날로그에서 오는 전압(Va)을 기준 전압과 차이로 발생되는 아날로그 전압에 따라 나오는 출력 전압(Vth)이 측정 또는 계측되면, 프로세서(1431)의 기본 되는 증폭과 신호 처리를 할 수 있는 범위에서 고객 또는 사용자가 요구하는 전압 출력으로 만들 수 있다. 이로 인해 압력센서 셀을 최소화하면서 PCB 기판에서의 저항소자를 쓰지 않기 때문에 초소형이면서 저가인 제품을 개발할 수 있다.
도 16은 도 11의 종래의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 도 12의 본 발명의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 압력에 따른 저항을 비교한 표를 나타낸 도면이며, 도 17은 도 11의 종래의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 도 12의 본 발명의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 압력에 따른 아날로그 전압을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 압력센서를 풀 브릿지와 하프 브릿지로 구성하여 각각의 압력에 대한 저항 변화를 나타낸 것으로, 종래의 풀 브릿지의 경우에 각 저항은 MEMS형 압력센서 셀에서 압력에 따른 변위로 저항 변화를 보이는 패턴이며, 본 발명의 하프 브릿지의 경우에 R3과 R4는 압력에 변화가 없는 저항소자를 사용하였다. 도 16을 보면, 종래의 풀 브릿지의 경우에는 4개의 저항이 모두 가변되며, 본 발명의 저항 R3,R4는 전자소자이므로 저항의 변화가 거의 없음을 알 수 있을 것이며, 따라서, 본 발명에서는 구조가 간단하게 되었음에도 불구하고 정확한 압력에 대한 저항의 변화를 나타내는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 17은 종래의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 본 발명의 제1실시예의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 압력에 따른 아날로그 전압을 비교한 그래프를 나타낸 도면으로, 도 11의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 도 12의 하프 브릿지에 적용된 압력센서를 전원 5(V)를 인가하여, 도 11 및 도 12에 프로세서를 제외한 히스톤 브릿지로 구현하였다. 이때, R1과 R2의 중간단에 걸리는 전압(Va)을 측정하고, 고정밀 저항소자에 걸리는 전압(Vb)을 측정하고, 전압(Va)과 전압(Vb)의 차이를 측정한 전압(Vth)을 구하였다. 반면에, 풀 브릿지의 경우에 저항소자 대신 R3과 R4의 중간단에 걸리는 전압(Vb)을 측정하여 비교하였다.
도 17을 보면, 상술한 두 가지의 회로에 압력을 인가하여 시험하였으며, 0(Bar)에서 풀 브릿지에서는 전압(Vth)은 0.28(mV)이 측정되었으며, 200(Bar)에서는 57.97(mV)이 측정되었다. 반면에, 하프 브릿지에서는 전압(Vth)은 0(Bar)에서 -3.2(mV)가 측정되었으며, 200(Bar)에서는 25.30(mV)이 측정되었다. 감도는 200(Bar)의 압력에서의 전압(Vth) 값과 0(Bar)의 전압(Vth) 값을 빼면, 5(V)에 공급되는 전압에서의 변위 전압 차이가 발생되는데, 이것은 압력에 따른 감도로 구분된다. 결론적으로, 감도는 하프 브릿지의 경우에 28.50(mV)이며, 풀 브릿지의 경우에 그 2배의 감도인 57.68(mV)로 나타났다.
하프 브릿지의 저항소자(1235)에 걸리는 전압(Vb)은 2.5308(V)로 압력에 따른 변위에서는 크게 변동이 없었으며, R1과 R2의 중간단에 걸리는 전압(Va)의 변화만 발생하여 차등에서 풀 브릿지에 비해 절반의 감도가 발생한 것이다. 그러므로 본 발명에서와 같이 저항소자를 사용해도 압력센서의 감도에는 커다란 차이가 없음을 알 수 있을 것이다.
도 18은 도 11의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 도 12의 하프 브릿지에 적용된 압력센서의 프로세서 신호 처리 후 제품의 출력 특성 결과표를 나타낸 도면이다.
도 18을 참조하면, 도 11의 풀 브릿지에 적용한 압력센서와 도 12의 하프 브릿지에 적용된 압력센서를 기준 전압 프로세서가 내장된 PCB에 연결하여 압력과 온도에 대해 신호 처리 및 보정을 하여 제품화 제작한 결과를 나타내었다. 전체적으로 온도와 압력에 대한 변화에 0.5(%) 이내의 정밀급 구현이 가능함을 알 수 있다.
일반 압력센서소자의 감도 특성이 동일하며 동일 압력에서의 탄성계수 및 변위가 동일하다면, 하프 브릿지에서 5.7(mV/V)의 아날로그 전압 변화를 발생할 경우 풀 브릿지에서는 그 2배인 11.53(mV/V)의 아날로그 전압 변화를 얻게 된다. 낮은 감도에서도 프로세서가 신호 처리할 수 있는 증폭도가 높고 정밀한 교정이 가능하다면 제품에서 특성은 동일하다.
상술한 바와 같은 압력센서의 제조방법은, 윈도우 스크린 프린트 방식과 하프 브릿지 구조를 이용하여, 공정 단순화, 우수한 재현성, 소형화, 수율향상 및 우수한 특성을 얻을 수 있어 보다 경쟁력 있는 압력센서 모듈 제작이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시 예는 MEMS형 압력센서 셀을 금속 다이아프램 상의 접합하기 위한 윈도운 스크린 프린트 방식과 신호 처리를 위한 하프 브릿지 저항체 구조를 이용한 압력센서를 제작함으로써, 제작 공정의 단순화, 우수한 재현성 및 구조의 단순화에 따른 양산 시 제품의 경쟁력을 높일 수 있도록 한 압력센서의 제조방법에 대해서 설명하였다.
그러나 본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
310: MEMS형 압력센서 셀
311, 312, 313: 전극
314, 315: 압력 저항 패턴
120 : 금속 다이아프램
730, 930: 접합 안료층
731, 931: 파우더 층
732, 932: 액상 층
1130, 1230, 1430: PCB 기판
1131, 1231, 1431: 프로세서
1132, 1232, 1432: 마이너스 아날로그 전원선
1133, 1233, 1433: 플러스 아날로그 전원선
1134: 풀 브릿지
1234: 하프 브릿지
1235: 저항소자

Claims (5)

  1. 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 있어서,
    상기 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법은, 금속을 소재로 하는 금속 다이아프램 및 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)형 압력센서 셀을 제조하는 단계,
    윈도우 스크린 프린트로 상기 금속 다이아프램 상에 접합 안료층을 도포하는 단계,
    상기 접합 안료층상에 상기 압력센서 셀을 배치시키고 400~500℃ 의 온도로 접합 안료층을 가열시켜 상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계; 및
    신호 처리를 위한 PCB기판상의 풀 브릿지의 각 접속단자의 반수를 하프 브릿지로 하여 상기 MEMS형 압력센서 셀과 접속시키고, 상기 풀 브릿지의 나머지 접속단자를 하프 브릿지로 하여 저항소자를 이용하여 PCB 기판 상에 접속형성시켜 주는 단계를 포함하고,
    상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계는,
    마스크의 두께와 선폭을 제어하여 원하는 위치에 사각 형태로 원하는 두께만큼 윈도우 스크린 프린트로 페이스트상태의 접합 안료를 금속다이아프램상에 도포하여 접합 안료층을 형성하는 단계;
    페이스트 상태의 상기 접합 안료층이 레벨링되어 유리질 분말과 액상으로 분리층을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 액상의 층 상부에 상기 MEMS형 압력센서 셀을 올려놓고, 400~500℃ 의 소성 처리로 유리질 분말을 융해시키면서 상기 금속 다이아프램에 상기 MEMS형 압력센서 셀을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법.
  2. (삭제)
  3. 제1항에 있어서, 상기 접합 안료층은,
    상기 압력센서의 셀은 위에서 보면 서로 평행하게 배치되도록 압력센서 셀의 동일한 방향의 일측면이 서로 일직선상으로 배치되고,
    상기 접합 안료층의 넓이는 압력센서 셀의 넓이보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 저항소자는,
    온도 저항 변화 계수가 100(ppm) 미만이며, -40 ~ 125(℃)에서 저항 변화가 1(%) 이내이며, 2 ~ 10(㏀)인 것을 특징으로 하는 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법.
  5. 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법에 있어서,
    상기 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법은, 금속을 소재로 하는 금속 다이아프램 및 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)형 압력센서 셀을 제조하는 단계,
    윈도우 스크린 프린트로 상기 금속 다이아프램 상에 접합 안료층을 도포하는 단계,
    상기 접합 안료층상에 상기 압력센서 셀을 배치시키고 400~500℃ 의 온도로 접합 안료층을 가열시켜 상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계; 및
    신호 처리를 위한 PCB기판상에, 상기 PCB기판내에 내부 기준전압을 기준으로 센서의 저항변화를 보정할 수 있는 프로세서가 설치되고, 상기 PCB기판상에 풀 브릿지의 각 접속단자의 반수인 접속단자를 하프 브릿지로 하여 상기 MEMS형 압력센서 셀과 접속시키는 단계를 포함하고,
    상기 금속 다이아프램과 상기 MEMS형 압력센서 셀 사이를 접합하는 단계는,
    마스크의 두께와 선폭을 제어하여 원하는 위치에 사각 또는 원형 형태로 원하는 두께만큼 윈도우 스크린 프린트로 페이스트상태의 접합 안료를 금속다이아프램상에 도포하여 접합 안료층을 형성하는 단계;
    페이스트 상태의 상기 접합 안료층이 레벨링되어 유리질 분말과 액상으로 분리층을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 액상의 층 상부에 상기 MEMS형 압력센서 셀을 올려놓고, 400~500℃ 의 소성 처리로 유리질 분말을 융해시키면서 상기 금속 다이아프램에 상기 MEMS형 압력센서 셀을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 다이아프램형 압력센서의 제조방법.

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0711461B2 (ja) * 1986-06-13 1995-02-08 株式会社日本自動車部品総合研究所 圧力検出器
JP2851049B2 (ja) * 1988-09-08 1999-01-27 本田技研工業株式会社 半導体センサ
KR20120046602A (ko) * 2010-11-02 2012-05-10 삼성전기주식회사 인쇄회로기판 및 그 제조방법
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0711461B2 (ja) * 1986-06-13 1995-02-08 株式会社日本自動車部品総合研究所 圧力検出器
JP2851049B2 (ja) * 1988-09-08 1999-01-27 本田技研工業株式会社 半導体センサ
KR20120046602A (ko) * 2010-11-02 2012-05-10 삼성전기주식회사 인쇄회로기판 및 그 제조방법
JP7011461B2 (ja) * 2017-12-26 2022-01-26 Toyo Tire株式会社 空気入りタイヤ

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