KR101489302B1 - 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 넓은 압력의 측정범위를 구비하는 압력센서를 제공하는데 있다. 또한, 압력센서는 전극을 형성하는 물질을 따로 구비할 필요가 없는 압력센서를 제공하는데 있다. 본 발명에 따른 압력센서는 상부로 갈수록 높이가 높은 상부면을 구성하는 계단식 구조의 웨이퍼, 웨이퍼를 수용할 수 있도록 형성된 반전된 계단식 구조로, 웨이퍼의 상부에 상기 웨이퍼와 이격된 상태로 배치되며, 외력에 의하여 웨이퍼에 접근하는 방향으로 변형가능한 변형웨이퍼, 웨이퍼와 변형웨이퍼 사이에 배치되어, 절연물질로 구성되며, 웨이퍼와 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 보호필름을 포함한다.

Description

압력센서{Pressure senser}

본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전용량의 변화량을 측정하여 압력을 검출하는 압력센서에 관한 것이다.

압력센서는 기계식 압력센서와 반도체식 압력센서로 크게 나뉜다. 기계식 압력센서는 금속판 다이어프램 등을 이용한 타입으로, 디바이스의 사이즈가 큰 것이 결점이다. 이에 반해, 반도체식 압력센서는 실리콘 다이어프램을 이용하는 타입으로, 디바이스의 사이즈를 작게 할 수 있다.

일반적으로 정전용량 압력센서는 서로 평행한 두개의 전극 사이에 유전체가 삽입된 형태의 콘덴서와 같은 구조를 가진다. 이러한 정전용량 압력센서의 정전용량은 두개의 전극의 면적과 그 전극사이의 거리 및 유전체의 유전율에 의해 결정되며, 전극 사이의 거리의 변화에 의해 변화하는 정전용량을 통하여 외부 압력의 변화를 감지한다.

이러한 정전용량 압력센서는 온도가 변하여도 그 특성이 크게 변하지 않는 장점이 있다.

그러나 종래의 정전용량 압력센서는 외부 압력의 변화에 따른 두 전극 사이의 거리의 변화가 작기 때문에 정전용량의 변화량이 크지 않아, 압력의 측정범위가 좁은 문제점이 있었다. 또한, 종래의 정전용량 압력센서는 전극을 형성하는 물질을 웨이퍼에 증착시켜야 하기때문에 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0101312(2012.09.13.)

따라서, 본 발명의 목적은 넓은 압력의 측정범위를 구비하는 압력센서를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 전극을 형성하는 물질을 따로 구비할 필요가 없는 압력센서를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상부로 갈수록 높이가 높은 상부면을 구성하는 계단식 구조의 웨이퍼, 상기 웨이퍼를 수용할 수 있도록 형성된 반전된 계단식 구조로, 상기 웨이퍼의 상부에 상기 웨이퍼와 이격된 상태로 배치되며, 외력에 의하여 상기 웨이퍼에 접근하는 방향으로 변형가능한 변형웨이퍼, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이에 배치되어, 절연물질로 구성되며, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 보호필름을 포함한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상기 웨이퍼는 최상부면에 상기 변형웨이퍼와 일정 거리를 두고 형성되어, 전극을 형성하는 제1 전극부, 상기 제1 전극부의 양끝단으부터 하부에 위치하는 상부면에 형성되고, 상기 변형웨이퍼와 일정 거리를 두고 형성되어, 전극을 형성하는 제2 전극부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상기 변형웨이퍼는 상기 제1 전극부와 마주하는 하부면에 형성되어, 전극을 형성하는 제3 전극부, 상기 제2 전극부와 마주하는 하부면에 형성되어, 전극을 형성하는 제4 전극부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상기 보호필름은 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼가 마주하는 영역의 가장 바깥쪽에 형성되어, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상기 제3 전극부는 상기 변형웨이퍼의 상부면에 가해지는 압력이 높아짐에 따라 상기 제1 전극부에 접근하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상기 제4 전극부는 상기 변형웨이퍼의 상부면에 가해지는 압력이 높아짐에 따라 상기 제3 전극부가 상기 제1 전극부에 완전히 밀착한 후에, 상기 제2 전극부에 접근하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상기 웨이퍼 또는 상기 변형웨이퍼는 저저항웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서에 있어서, 상부로 갈수록 높이가 높은 상부면을 구성하는 계단식 구조의 웨이퍼, 상기 웨이퍼를 수용할 수 있도록 형성된 반전된 계단식 구조로, 상기 웨이퍼의 상부에 상기 웨이퍼와 이격된 상태로 배치되며, 외력에 의하여 상기 웨이퍼에 접근하는 방향으로 변형가능한 변형웨이퍼, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이에 배치되어, 절연물질로 구성되며, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 보호필름, 상기 변형웨이퍼 상부면의 중심부로부터 외주면까지 직선상에 연장되어 있는 스트레인게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압력센서는 저압의 변화를 측정하는 영역과 고압의 변화를 측정하는 영역이 따로 구분되어 있기 때문에 넓은 압력의 측정범위를 가질수 있다.

또한, 본 발명에 따른 압력센서는 저저항웨이퍼를 사용하여 전극을 따로 구비할 필요가 없기 때문에, 제작공정이 줄어 제작비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 다른 압력센서의 사시도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제3 전극이 제1 전극으로 접근하는 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제3 전극이 제1 전극에 접촉한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제4 전극이 제2 전극에 접근하는 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제4 전극이 제2 전극에 접촉한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서의 사시도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압력센서(100)를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력센서(100)는 웨이퍼(10), 변형웨이퍼(20) 및 보호필름(30)을 포함한다.

웨이퍼(10)는 상부로 갈수록 높이가 높은 상부면을 구성하는 계단식 구조를 가진다. 또한, 웨이퍼(10)는 저저항웨이퍼를 사용함으로써, 웨이퍼(10)를 도체로 만들어 후술할 변형웨이퍼(20)와의 접촉면에 전극을 따로 구비하지 않을 수 있다. 또한, 웨이퍼(10)는 변형웨이퍼(20)에 비하여 강성(rigidity)이 커서 외력이 가해져도 상대적으로 변형이 잘 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 저저항실리콘웨이퍼가 사용되지만 이에 한정된 것은 아니고, 저저항을 가져 전극을 따로 구비하지 않아도 되는 다양한 재질의 웨이퍼를 사용할 수 있다. 또한 웨이퍼(10)는 제1 전극부(11) 및 제2 전극부(12)를 포함할 수 있다.

제1 전극부(11)는 최상부면에 위치하여, 변형웨이퍼(20)와 이격되어 전기적으로 절연된 상태로 전극을 형성할 수 있다. 제1 전극부(11)와 변형웨이퍼(20)사이의 영역은 낮은 압력을 측정하기 위한 영역일 수 있다. 따라서, 압력센서(100)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 낮은 압력을 가하였을때 제1 전극부(11)와 변형웨이퍼(20)사이의 거리에 따라 변하는 정전용량을 측정함으로써 낮은 압력을 측정할 수 있다.

제2 전극부(12)는 제1 전극부(11)의 양끝단으로부터 하부에 위치하는 두개의 상부면에 형성되고, 이격되어 전기적으로 절연된 상태로 전극을 형성할 수 있다. 제2 전극부(12)와 변형웨이퍼(20)사이의 영역은 높은 압력을 측정하기 위한 영역일 수 있다. 따라서, 압력센서(100)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 상대적으로 높은 압력을 가하였을때 제2 전극부(12)와 변형웨이퍼(20)사이의 거리에 따라 변하는 정전용량을 측정함으로써 높은 압력을 측정할 수 있다.

변형웨이퍼(20)는 웨이퍼(10)를 수용할 수 있도록 형성된 반전된 계단식 구조로, 웨이퍼(10)의 상부에 웨이퍼(10)와 이격된 상태로 배치될 수 있다. 또한, 변형웨이퍼(20)는 탄성변형(elastic deformation)구간을 시뮬레이션을 통해 조절하여, 상부면에 작용하는 압력이 증가할수록 하부면은 탄성변형되어 웨이퍼(10)에 접촉하는 면적이 증가하게 되고, 상부면에 작용하는 압력이 감소하면 하부면은 탄성복원되어 웨이퍼(10)에 접촉하는 면적이 감소하다가 압력이 더욱 감소하면 웨이퍼(10)에 접촉하지 않게 된다. 또한, 변형웨이퍼(20)는 저저항웨이퍼를 사용하여, 변형웨이퍼(10)를 도체로 만들어 웨이퍼(20)와의 접촉면에 전극을 따로 구비하지 않을 수 있다. 본 실시예에서는 저저항실리콘웨이퍼가 사용되지만 이에 한정된 것은 아니고, 저저항을 가져 전극을 따로 구비하지 않아도 되는 다양한 재질의 웨이퍼를 사용할 수 있다. 또한, 변형웨이퍼(20)는 제3 전극부(21)와 제4 전극부(22)를 포함할 수 있다.

제3 전극부(21)는 제1 전극부와 마주하는 변형웨이퍼(20)의 하부면에 형성되어, 웨이퍼(10)와 이격되어 전기적으로 절연된 상태로 전극을 형성할 수 있다.또한, 제3 전극부(21)와 제1 전극부(11)사이의 영역은 낮은 압력을 측정하기 위한 영역일 수 있다. 따라서, 압력센서(100)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 낮은 압력을 가하였을때 제1 전극부(11)와 제3 전극부(21)사이의 거리에 따라 변하는 정전용량을 측정함으로써 낮은 압력을 측정할 수 있다.

제4 전극부(22)는 제2 전극부(12)와 마주하는 변형웨이퍼(20)의 두개의 하부면에 형성되어, 웨이퍼(10)와 이격되어 전기적으로 절연된 상태로 전극을 형성할 수 있다. 또한, 제4 전극부(12)와 제2 전극부(12) 사이의 영역은 높은 압력을 측정하기 위한 영역일 수 있다. 따라서, 압력센서(100)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 상대적으로 높은 압력을 가하였을때 제2 전극부(12)와 제4 전극부(12)사이의 거리에 따라 변하는 정전용량을 측정함으로써 높은 압력을 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 전극부(11)와 제3 전극부(21)의 간극은 제3 전극부(21)가 제1 전극부(11)에 완전히 닿은 후에 제4 전극부(22)가 제2 전극부(12)로의 접근을 용이하게 하기위하여 제2 전극부(12)와 제4 전극부(22)의 간극보다 더 크게 형성될 수 있다. 또한, 제3 전극부(21)가 제1 전극부(11)에 완전히 닿은 후에 제4 전극부(22)가 제2 전극부(12)로의 접근을 용이하게 하기위하여, 제1 전극부(11)와 제3 전극부(21) 상부면의 넓이는 제2 전극부(12)와 제4 전극부(22) 상부면의 넓이보다 넓게 형성될 수 있다.

보호필름(30)은 웨이퍼(10)와 변형웨이퍼(20)가 마주하는 영역의 가장 바깥쪽에 위치하여, 웨이퍼(10)와 변형웨이퍼(20) 사이의 거리를 유지시킬 수 있다. 따라서, 보호필름(30)은 웨이퍼(10)와 변형웨이퍼(20)를 전기적으로 절연시키기 위하여 웨이퍼(10)와 변형웨이퍼(20) 사이에 배치될 수 있다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제3 전극이 제1 전극으로 접근하는 상태를 나타내는 단면도이고, 도 4은 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제3 전극이 제1 전극에 접촉한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 3 및 도 4을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력센서(100)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 압력이 증가하게 되면, 변형웨이퍼(20)의 제3 전극부(21)이 탄성변형되면서 제1 전극부(11)로 접근하고 압력이 더 증가하게 되면 제1 전극부(11)와 접촉하게 된다. 이에 따라, 제1 전극부(11)와 제3 전극부(21)의 거리에 따라 변화하는 정전용량을 값을 측정함으로써, 압력을 측정할 수 있다. 따라서, 압력센서(100)는 제1 전극부(11)와 제3전극부(21) 사이의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 측정함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 저압범위를 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제4 전극이 제2 전극에 접근하는 상태를 나타내는 단면도이고, 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 압력센서의 제4 전극이 제2 전극에 접촉한 상태를 나타내는 단면도이다.

도 5 및 도 6를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력센서(100)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 압력이 상기 저압범위 보다 더 증가하게 되면, 변형웨이퍼(20)의 탄성변형량이 증가하여, 웨이퍼(10)에 접촉하는 면적이 증가하게 되고, 제4 전극부(22)가 제2 전극부(12)로 접근하고 압력이 더 증가하게 되면 제2 전극부(12)와 접촉하게 된다. 이에 따라, 제2 전극부(12)와 제4 전극부(22)의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 측정함으로써, 압력을 측정할 수 있다. 따라서, 압력센서(100)는 제2 전극부(12)와 제4 전극부(22) 사이의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 측정함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 고압범위를 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압력센서(100)는 저압의 변화를 측정하는 영역과 고압의 변화를 측정하는 영역이 따로 구분되어 있기 때문에 넓은 압력의 측정범위를 가질수 있다.

또한, 본 발명에 따른 압력센서는 저저항웨이퍼를 사용하여 전극을 따로 구비할 필요가 없기 때문에, 제작공정이 줄어 제작비용을 줄일 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서의 사시도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서(200)는 상술한 압력센서(100)와 동일한 구성을 가지며, 변형웨이퍼(20)의 상부면에 스트레인게이지(Strain gauge)(40)를 추가로 부착하여 사용할 수 있다. 여기서, 스트레인게이지(40)는 물체가 변형을 받으면 길이가 증가하면 단면적이 감소되어 전기저항이 증가하기 때문에, 상기 전기저항을 측정하여, 물체가 외력으로 변형될때 물체에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.

스트레인게이지(40)로는 변형에 의하여 면저항(sheet resistance)이 변화하는 피에조-리지스티브 물질(piezo resistive material) 등 변형에 의하여 면저항이 변화하는 다양한 물질을 쓸 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 스트레인게이지(40)는 변형웨이퍼(20) 상부면의 중심부로부터 외주면까지 직선상에 연장되도록 부착할 수 있지만 이에 한정된 것은 아니다. 압력센서(200)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 작용하는 압력이 증가할수록 변형웨이퍼(20)의 상부면이 하부로 변형되는 영역이 중심으로부터 외주면으로 확장될 수 있다. 따라서, 압력센서(200)는 변형웨이퍼(20)의 상부면에 따라 변화하는 스트레인게이지(40)의 면저항값을 이용하여 압력을 측정할 수 있다.

한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 웨이퍼 11 : 제1 전극부
12 : 제2 전극부 20 : 변형웨이퍼
21 : 제3 전극부 22 : 제4 전극부
30 : 보호필름 40 : 스트레인게이지
100, 200 : 압력센서

Claims (8)

1. 상부로 갈수록 높이가 높은 상부면을 구성하는 계단식 구조의 웨이퍼;
   상기 웨이퍼를 수용할 수 있도록 형성된 반전된 계단식 구조로, 상기 웨이퍼의 상부에 상기 웨이퍼와 이격된 상태로 배치되며, 외력에 의하여 상기 웨이퍼에 접근하는 방향으로 변형가능한 변형웨이퍼;
   상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이에 배치되어, 절연물질로 구성되며, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 보호필름; 을 포함하고,
   상기 웨이퍼는,
   최상부면에 상기 변형웨이퍼와 일정 거리를 두고 형성되어, 저압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제1 전극부와;
   상기 제1 전극부의 양끝단으로부터 하부에 위치하는 상부면에 형성되고, 고압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제2 전극부;
   상기 변형웨이퍼는,
   상기 제1 전극부와 마주하는 하부면에 형성되어, 저압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제3 전극부;
   상기 제2 전극부와 마주하는 하부면에 형성되어, 고압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제4 전극부; 를 포함하고,
   상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼는 자체적으로 도체의 역할을 하기 위하여 저저항웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 보호필름은 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼가 마주하는 영역의 가장 바깥쪽에 형성되어, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 것을 특징으로 하는 압력센서.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제3 전극부는 상기 변형웨이퍼의 상부면에 가해지는 압력이 높아짐에 따라 상기 제1 전극부에 접근하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제4 전극부는 상기 변형웨이퍼의 상부면에 가해지는 압력이 높아짐에 따라 상기 제3 전극부가 상기 제1 전극부에 완전히 밀착한 후에, 상기 제2 전극부에 접근하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
7. 삭제
8. 상부로 갈수록 높이가 높은 상부면을 구성하는 계단식 구조의 웨이퍼;
   상기 웨이퍼를 수용할 수 있도록 형성된 반전된 계단식 구조로, 상기 웨이퍼의 상부에 상기 웨이퍼와 이격된 상태로 배치되며, 외력에 의하여 상기 웨이퍼에 접근하는 방향으로 변형가능한 변형웨이퍼;
   상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이에 배치되어, 절연물질로 구성되며, 상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼 사이의 거리를 유지시키는 보호필름;
   상기 변형웨이퍼 상부면의 중심부로부터 외주면까지 직선상에 연장되어 있는 스트레인게이지; 를 포함하고,
   상기 웨이퍼는,
   최상부면에 상기 변형웨이퍼와 일정 거리를 두고 형성되어, 저압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제1 전극부와;
   상기 제1 전극부의 양끝단으로부터 하부에 위치하는 상부면에 형성되고, 고압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제2 전극부;
   상기 변형웨이퍼는,
   상기 제1 전극부와 마주하는 하부면에 형성되어, 저압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제3 전극부;
   상기 제2 전극부와 마주하는 하부면에 형성되어, 고압의 측정을 위한 전극을 형성하는 제4 전극부; 를 포함하고,
   상기 웨이퍼와 상기 변형웨이퍼는 자체적으로 도체의 역할을 하기 위하여 저저항웨이퍼를 사용하는 것을 특징으로 하는 압력센서.

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