KR101542971B1 - 압저항 센서 - Google Patents

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Abstract

압저항 센서는 반도체 기판, 상기 반도체 기판에서 중심체를 중심으로 십자 형태로 형성된 4개의 빔, 및 상기 4개의 빔 위에 형성된 16개의 압저항 패턴을 포함하고, 상기 16개의 압저항 패턴은 X자 형태로 구성되어 상기 4개의 빔에 배치되는 4개의 압저항 패턴 그룹을 포함한다. 압저항 센서의 측정 정밀도가 향상될 수 있다.

Description

압저항 센서{PIEZORESISTIVE SENSOR}
본 발명은 압저항 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압저항 패턴을 이용한 압저항 센서에 관한 것이다.
일반적으로 두 축 사이에 발생하는 힘(Fx, Fy, Fz)과 토크(Mx, My, Mz)에 의해 발생하는 변형을 측정할 수 있는 6축 힘-토크 센서는 기계적 변형을 발생시키는 구조물에서 다수의 스트레인 게이지를 부착하여 인가된 힘과 토크를 측정하게 된다. 이러한 방식은 힘 인가 방향과 최대 변형 발생위치를 고려하여 스트레인 게이지를 부착해야 하는데, 여기서 발생하는 오차로 인해 약 2~5%의 측정오차가 발생하고 각 센서마다 계산이 필요하여 고가의 센서이다.
최근에는 6축 힘-토크 센서로 압저항 센서가 사용되고 있다.
압저항 센서는 압저항 효과(Piezoresistivity effect)를 이용한 압력 센서나 가속도 센서 등으로 다양하게 개발되어 실용화되고 있다. 통상적으로 압저항 소자란 받는 응력(stress)에 의존하여 저항값이 변화하는 소자로 알려져 있다. 예컨대, 인장 응력이 분포된 곳에 위치된 경우라면 저항값이 증가하고, 압축 응력이 분포된 곳에 위치된 경우에는 저항값이 감소한다.
센서소자로서 이용되는 압저항(Piezoresistor)의 종류에는 저항의 변화로써 검출하는 응력의 종류에 따라 전단 응력형(Shear stress type)과 일반 응력형(Normal stress type)으로 나누어질 수 있다. 전단 응력형은 단일 요소 4개 터미널(Single-element four-terminal)이라고 하는 한 개의 압저항을 배치하여 응력의 변화를 측정한다. 일반 응력형은 4개의 압저항을 배치하고 각 저항을 휘트스톤 브릿지(Wheatston bridge)로 구성함으로써 알려진 것과 같이 감도를 향상시킬 수 있고, 오프셋 및 여러 가지 노이즈 문제 등을 어느 정도는 해결할 수 있다.
최근에는 반도체 공정을 통해 실리콘 표면에 압저항 패턴을 제작하고 압저항 패턴을 구조물에 부착하여 힘과 토크를 측정하는 방법도 연구되고 있다. 이러한 방식은 다수의 스트레인 게이지를 사용하지 않아서 부착 위치에 대한 오차를 줄이고 생산 단가를 낮출 수 있다.
압저항 패턴을 이용하는 압저항 센서는 압저항 패턴의 유형에 따라 측정 정밀도가 달라질 수 있다. 압저항 센서의 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는 압저항의 변형률을 증가시킬 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 측정 정밀도가 우수한 압저항 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서는 반도체 기판, 상기 반도체 기판에서 중심체를 중심으로 십자 형태로 형성된 4개의 빔, 및 상기 4개의 빔 위에 형성된 16개의 압저항 패턴을 포함하고, 상기 16개의 압저항 패턴은 X자 형태로 구성되어 상기 4개의 빔에 배치되는 4개의 압저항 패턴 그룹을 포함한다.
상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각은 4개의 압저항 패턴을 포함할 수 있다.
상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각에 포함되는 4개의 압저항 패턴을 서로 연결하는 전극 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 전극 패드는 상기 4개의 빔 각각에 형성되어 있을 수 있다.
상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각에 포함되는 4개의 압저항 패턴은 상기 전극 패드에 의해 상기 X자 형태로 연결될 수 있다.
상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각에 포함되는 4개의 압저항 패턴 중에서 2개는 상기 중심체에 연결되어 있을 수 있다.
상기 16개의 압저항 패턴 각각의 저항 변형률을 측정함으로써 힘(Fx, Fy, Fz)과 토크(Mx, My, Mz)를 측정할 수 있다.
압저항 센서의 측정 정밀도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서를 간략히 도시한 것이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 압저항 센서를 간략히 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항 센서를 간략히 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 압저항 센서는 반도체 기판(10), 반도체 기판(10)에 형성된 4개의 빔(20), 4개의 빔(20) 위에 형성된 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16), 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 변형을 발생시키는 중심체(30) 및 4개의 빔(20) 각각에 형성된 전극 패드(40)를 포함한다.
4개의 빔(20)은 중심체(30)를 중심으로 십자 형태로 형성된다. 예를 들어, 2개의 빔(20)은 x축 방향으로 형성되고, 다른 2개의 빔(20)은 y축 방향으로 형성될 수 있다.
16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)은 4개의 압저항 패턴 그룹(R1 내지 R4, R5 내지 R8, R9 내지 R12, R13 내지 R16)을 포함한다. 각각의 압저항 패턴 그룹(R1 내지 R4, R5 내지 R8, R9 내지 R12, R13 내지 R16)은 X자 형태로 구성되어 4개의 빔(20)에 배치된다. X자 형태로 구성된 4개의 압저항 패턴은 전극 패드(40)로 서로 연결된다. 4개의 압저항 패턴 중에서 2개는 중심체(30)에 연결된다. 즉, 4개의 압저항 패턴은 전극 패드(40)에 의해 X자 형태로 연결될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, R1 내지 R4의 압저항 패턴이 X자 형태로 구성되고, 이 중에서 R3과 R4의 압저항 패턴이 중심체(30)에 연결될 수 있다. 그리고 R5 내지 R8의 압저항 패턴이 X자 형태로 구성되고, 이 중에서 R7과 R8의 압저항 패턴이 중심체(30)에 연결될 수 있다. 그리고 R9 내지 R12의 압저항 패턴이 X자 형태로 구성되고, 이 중에서 R11과 R12의 압저항 패턴이 중심체(30)에 연결될 수 있다. 그리고 R13 내지 R16의 압저항 패턴이 X자 형태로 구성되고, 이 중에서 R11과 R12의 압저항 패턴이 중심체(30)에 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16) 각각의 저항 변형률을 측정함으로써 두 축 사이에 발생하는 힘(Fx, Fy, Fz)과 토크(Mx, My, Mz)를 측정할 수 있다. 즉, 압저항 센서는 6축 힘-토크 센서로 이용될 수 있다. 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)은 휘트스톤 브릿지 회로로 구성될 수도 있고, 휘트스톤 브릿지 회로를 이용하여 두 축 사이에 발생하는 힘(Fx, Fy, Fz)과 토크(Mx, My, Mz)가 측정될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 압저항 센서를 간략히 도시한 것이다.
도 1과 비교하여, 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)이 4개의 압저항 패턴 그룹(R1 내지 R4, R5 내지 R8, R9 내지 R12, R13 내지 R16)을 이루는 것을 동일하나, 각각의 압저항 패턴 그룹(R1 내지 R4, R5 내지 R8, R9 내지 R12, R13 내지 R16)이 X자 형태로 구성되지 않고 11자 형태로 이루어지는 것이 차이점이다.
이하, 각각의 압저항 패턴 그룹(R1 내지 R4, R5 내지 R8, R9 내지 R12, R13 내지 R16)이 도 2와 같이 11자 형태로 이루어지는 경우와 도 1과 같이 X자 형태로 이루어지는 경우의 압저항 센서의 측정 정밀도에 대하여 설명한다.
16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률이 클수록 압저항 센서의 측정 정밀도는 더욱 우수하다고 할 수 있다. 따라서 도 2와 같이 구성된 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률과 도 1과 같이 구성된 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률을 비교한다.
표 1은 Fx 인가시의 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률을 측정한 결과이다. 저항 변형률의 단위는 10-5ε이다.
Figure 112013119690419-pat00001
Fx 인가시에, 도 1과 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 X자 형태로 구성한 경우가 도 2와 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 11자 형태로 구성한 경우에 비해 저항 변형률이 평균 6.5% 높게 측정되었다.
표 2는 Fz 인가시의 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률을 측정한 결과이다. 저항 변형률의 단위는 10-4ε이다.
Figure 112013119690419-pat00002
Fz 인가시에, 도 1과 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 X자 형태로 구성한 경우가 도 2와 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 11자 형태로 구성한 경우에 비해 저항 변형률이 평균 2% 높게 측정되었다.
표 3은 Mx 인가시의 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률을 측정한 결과이다. 저항 변형률의 단위는 10-5ε이다.
Figure 112013119690419-pat00003
Mx 인가시에, 도 1과 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 X자 형태로 구성한 경우가 도 2와 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 11자 형태로 구성한 경우에 비해 저항 변형률이 평균 0.2% 높게 측정되었다.
표 4는 Mz 인가시의 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)의 저항 변형률을 측정한 결과이다. 저항 변형률의 단위는 10-5ε이다.
Figure 112013119690419-pat00004
Mz 인가시에, 도 1과 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 X자 형태로 구성한 경우가 도 2와 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 11자 형태로 구성한 경우에 비해 저항 변형률이 평균 8.5% 높게 측정되었다.
표 1 내지 4의 실험 결과에서 알 수 있듯이 도 1과 같이 16개의 압저항 패턴(R1 내지 R16)을 X자 형태로 구성한 경우의 압저항 센서의 측정 정밀도가 더욱 우수하다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 반도체 기판
20 : 빔
30 : 중심체
40 : 전극 패드
R1 내지 R16 : 압저항 패턴

Claims (7)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에서 중심체를 중심으로 십자 형태로 형성된 4개의 빔; 및
    상기 4개의 빔 위에 형성된 16개의 압저항 패턴을 포함하고,
    상기 16개의 압저항 패턴은 X자 형태로 구성되어 상기 4개의 빔에 배치되는 4개의 압저항 패턴 그룹에 포함되는 압저항 센서;
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각은 4개의 압저항 패턴을 포함하는 압저항 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각에 포함되는 4개의 압저항 패턴을 서로 연결하는 전극 패드를 더 포함하는 압저항 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전극 패드는 상기 4개의 빔 각각에 형성되어 있는 압저항 센서.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각에 포함되는 4개의 압저항 패턴은 상기 전극 패드에 의해 상기 X자 형태로 연결되는 압저항 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 4개의 압저항 패턴 그룹 각각에 포함되는 4개의 압저항 패턴 중에서 2개는 상기 중심체에 연결되어 있는 압저항 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 16개의 압저항 패턴 각각의 저항 변형률을 측정함으로써 힘(Fx, Fy, Fz)과 토크(Mx, My, Mz)를 측정하는 압저항 센서.
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