KR101573367B1 - Piezoresistive typed ceramic pressure sensor - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G01L7/08—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges of the flexible-diaphragm type

Abstract

압저항형 세라믹 압력센서가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항형 세라믹 압력센서는 세라믹 다이어프램; 세라믹 다이어프램을 하부에서 지지하는 세라믹 지지기판; 및 세라믹 다이어프램의 중앙을 기준으로 세라믹 다이어프램의 하부면 양쪽에 각각 형성되는 압저항 방식의 실리콘 스트레인 게이지를 포함하고, 세라믹 지지기판은 실리콘 스트레인 게이지의 위치와 상응하는 위치에 홀이 형성된다. A piezoresistive ceramic pressure sensor is disclosed. A piezoresistive ceramic pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes a ceramic diaphragm; A ceramic supporting substrate for supporting the ceramic diaphragm from below; And a piezoresistive silicon strain gauge formed on both sides of the lower surface of the ceramic diaphragm with respect to the center of the ceramic diaphragm, wherein holes are formed in the ceramic support substrate at positions corresponding to the positions of the silicon strain gauges.

Description

압저항형 세라믹 압력센서{PIEZORESISTIVE TYPED CERAMIC PRESSURE SENSOR}[0001] The present invention relates to a piezoresistive ceramic pressure sensor,

본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압저항형 압력센서에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly, to a pressure resistance type pressure sensor.

압력센서는 하중, 무게, 압력 등의 기계량을 전기적 신호로 변환하는 것으로, 자동차, 항공기, 산업 공정, 사무자동화, 가전 전자 용품, 의료, 환경 제어 등 매우 다양한 분야에서 이용되고 있다. Pressure sensors are used in a variety of fields such as automobiles, airplanes, industrial processes, office automation, consumer electronic appliances, medical and environmental control, etc., by converting mechanical quantities such as load, weight and pressure into electrical signals.

압력센서는 그 원리에 따라 다양한 방식으로 구분될 수 있으나 크게는 다이어프램의 변형에 따른 정전용량 변화를 이용한 정전용량식 압력센서와 압전효과/압저항 효과를 이용한 압전/압저항식 압력센서로 분류된다. Pressure sensors can be classified in various ways according to their principles, but they are mainly classified into capacitance type pressure sensors using capacitance change due to deformation of diaphragm and piezoelectric / pressure resistance type pressure sensors using piezoelectric effect / pressure resistance effect .

정전용량식 압력센서는 다이어프램의 변형을 이용해 두 전극사이의 정전용량 변화를 검출하는 방식으로, 감도가 우수하고 안정성이 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 정전용량형 압력센서는 상대적으로 제조공정이 복잡하여 제조비용을 증가시키며, 직선성이 나쁘기 때문에 사용 가능한 압력범위가 좁다는 단점이 있다. 또한 정전용량 변화를 전압 형태의 전기적 신호로 변환하는 것은 기생 용량이 크므로 신호처리에 대한 부담이 크다는 단점이 있다. A capacitive pressure sensor detects the change in capacitance between two electrodes by using a diaphragm deformation, and has an advantage of excellent sensitivity and excellent stability. However, the capacitance type pressure sensor has a disadvantage in that the manufacturing pressure is increased due to the complicated manufacturing process, and the usable pressure range is narrow due to poor linearity. In addition, the conversion of the capacitance change into the electrical signal of the voltage form has a disadvantage that it requires a large burden on the signal processing because the parasitic capacitance is large.

그에 반해 압저항식 압력센서는 다이어프램을 형성한 후에 압력 변화에 따른 압저항값 변화를 이용하는 방식으로, 정전용량식 압력센서에 비해 구조가 간단하여 제조비용 측면에서 경쟁력을 가지며 사용 가능한 압력의 범위가 넓다는 장점을 갖는다. 압저항식 압력센서는 특허문헌 1에 개시되어 있다. On the other hand, the pressure resistance type pressure sensor uses the change of the piezoresistance value according to the pressure change after the formation of the diaphragm. Compared with the capacitive pressure sensor, the structure is simple, and it is competitive in terms of manufacturing cost. Wide. A piezoresistive pressure sensor is disclosed in Patent Document 1.

압저항식 압력센서는 압저항 방식의 실리콘 스트레인 게이지를 스테인리스 스틸과 같은 금속체로 형성된 다이어프램 상에 에폭시 등의 수지 접착제로 부착하는 형태를 가지는 것이 일반적이다. The piezoresistive pressure sensor generally has a form in which a piezoresistive silicon strain gauge is attached to a diaphragm formed of a metal body such as stainless steel with a resin adhesive such as epoxy.

그러나 이와 같이 금속체로 형성된 다이어프램을 구비하는 압저항식 압력센서의 경우에는 해수나 화학 약품과 같이 부식성이 있는 압력 매체에서는 사용한계를 갖는 단점이 있다.However, in the case of the piezoresistive pressure sensor including the diaphragm formed of a metal body, there is a disadvantage that the pressure sensor has a limit of use in corrosive pressure media such as seawater and chemicals.

특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1015790호(2011.02.18 공고)Patent Document 1: Korean Patent No. 10-1015790 (published on Mar. 18, 2011)

본 발명의 실시예들은 해수, 화학 약품과 같이 부식성 압력 매체에서도 사용 가능한 압저항형 세라믹 압력센서를 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide a piezoresistive ceramic pressure sensor that can be used in corrosive pressure media such as seawater and chemicals.

본 발명의 일 측면에 따르면, 세라믹 다이어프램; 상기 세라믹 다이어프램을 하부에서 지지하는 세라믹 지지기판; 및 상기 세라믹 다이어프램의 중앙을 기준으로 상기 세라믹 다이어프램의 하부면 양쪽에 각각 형성되는 압저항 방식의 실리콘 스트레인 게이지를 포함하고, 상기 세라믹 지지기판은 상기 실리콘 스트레인 게이지의 위치와 상응하는 위치에 홀이 형성되는 압저항형 세라믹 압력센서가 제공될 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a ceramic diaphragm comprising: a ceramic diaphragm; A ceramic supporting substrate for supporting the ceramic diaphragm from below; And a piezoresistive silicon strain gauge formed on both sides of the lower surface of the ceramic diaphragm with respect to a center of the ceramic diaphragm, wherein the ceramic support substrate has a hole formed at a position corresponding to the position of the silicon strain gauge A piezoresistive ceramic pressure sensor may be provided.

이 때, 상기 세라믹 지지기판은 상부면 중앙부에 홈이 형성되어, 상기 세라믹 다이어프램 및 세라믹 지지기판의 중앙부 사이에 갭이 형성될수 있다. At this time, a groove may be formed at the center of the upper surface of the ceramic supporting substrate, and a gap may be formed between the center of the ceramic diaphragm and the ceramic supporting substrate.

또한, 상기 세라믹 다이어프램의 양측 하부와 상기 세라믹 지지기판의 양측 상부에는 상기 세라믹 다이어프램 및 세라믹 지지기판을 상호 접착시키는 제1 접착층이 형성될 수 있다. In addition, a first adhesive layer for bonding the ceramic diaphragm and the ceramic support substrate to each other may be formed on both lower portions of the ceramic diaphragm and on both sides of the ceramic support substrate.

또한, 상기 세라믹 다이어프램과 상기 실리콘 스트레인 게이지 사이에는 상기 세라믹 다이어프램 및 실리콘 스트레인 게이지를 상호 접착시키는 제2 접착층이 형성될 수 있다. A second adhesive layer for bonding the ceramic diaphragm and the silicon strain gauge may be formed between the ceramic diaphragm and the silicon strain gauge.

또한, 상기 세라믹 지지기판의 하부면에는 복수의 전극이 형성되고, 상기 실리콘 스트레인 게이지는 상기 세라믹 지지기판에 형성된 홀을 통해 상기 전극들과 와이어본딩될 수 있다. A plurality of electrodes are formed on a lower surface of the ceramic support substrate, and the silicon strain gage may be wire-bonded to the electrodes through holes formed in the ceramic support substrate.

또한, 상기 각각의 실리콘 스트레인 게이지는 좌우대칭으로 형성된 하나의 칩에 두 개의 저항이 연결된 형태를 가질 수 있다. In addition, each of the silicon strain gauges may have a form in which two resistors are connected to one chip formed symmetrically.

본 발명의 실시예들에 따른 압저항형 세라믹 압력센서는 압저항형 압력센서가 정전용량형 압력센서에 대해 가지는 장점을 고스란히 가지면서도, 세라믹 소재로 형성되어 해수나 화학 약품과 같이 부식성 압력 매체에서도 사용 가능하므로 안정성이 우수하다. The piezoresistive ceramic pressure sensor according to the embodiments of the present invention has the advantage that the piezoresistive type pressure sensor has for the capacitive pressure sensor, but it is formed of the ceramic material and can be used in corrosive pressure medium such as seawater and chemical Since it is usable, it is excellent in stability.

또한, 세라믹 지지기판에는 실리콘 스트레인 게이지와 상응하는 홀을 형성함으로써, 실리콘 스트레인 게이지가 상기 홀을 통해 전극과 와이어본딩될 수 있어 구조가 간단하며 홀에 의해 지지기판의 중앙부에 스토퍼 기둥이 형성됨으로써 세라믹 소재의 다이어프램이 과대 압력으로 인해 파손되는 것을 방지할 수 있다.Further, since the silicon strain gauge can be wire-bonded to the electrode through the hole by forming a hole corresponding to the silicon strain gauge on the ceramic supporting substrate, the structure is simple and the stopper column is formed at the center of the supporting substrate by the hole, It is possible to prevent the diaphragm of the material from being damaged due to excessive pressure.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항형 세라믹 압력센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 압저항형 세라믹 압력센서에서 세라믹 다이어프램이 변형된 모습을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 압저항형 세라믹 압력센서의 회로 연결 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 압저항형 세라믹 압력센서를 포함하는 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a piezoresistive ceramic pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a ceramic diaphragm deformed in the piezoresistive ceramic pressure sensor of FIG.
3 is a view schematically showing a circuit connection form of the piezoresistive ceramic pressure sensor of FIG.
Fig. 4 is a cross-sectional view schematically showing a package including the piezoresistive ceramic pressure sensor of Fig. 1. Fig.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압저항형 세라믹 압력센서(100, 이하 압력센서)를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a piezoresistive ceramic pressure sensor 100 (hereinafter referred to as a pressure sensor) according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 압력센서(100)는 세라믹 다이어프램(110)과, 세라믹 다이어프램(110)을 하부에서 지지하는 세라믹 지지기판(120)과, 세라믹 다이어프램(110)의 하부면 양쪽에 각각 형성되는 실리콘 스트레인 게이지(130)를 포함한다. 1, the pressure sensor 100 includes a ceramic diaphragm 110, a ceramic support substrate 120 supporting the ceramic diaphragm 110 from below, and a pressure sensor 100 formed on both sides of the lower surface of the ceramic diaphragm 110 And a silicon strain gauge 130.

세라믹 다이어프램(110)은 박막 형태로 제조되며 압력(기계적 에너지)을 받아 변형한다. 기존의 압저항형 압력센서에 있어 다이어프램은 금속 소재로 형성되는 것이 일반적이었으나, 본 실시예에 따른 압력센서(100)에서는 다이어프램(110)을 세라믹 소재로 형성함으로써 해수나 화학 약품과 같이 부식성이 있는 매체에서도 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. The ceramic diaphragm 110 is fabricated in a thin film form and deformed under pressure (mechanical energy). In the conventional pressure resistance type pressure sensor, the diaphragm is generally made of a metal material. However, in the pressure sensor 100 according to the present embodiment, the diaphragm 110 is made of a ceramic material, It can also be used in media.

세라믹 다이어프램(110)의 소재로는 사파이어(sapphire), 알루미나(Al2O3) 등이 사용될 수 있으며, 두께는 특정되지 않는다. As the material of the ceramic diaphragm 110, sapphire, alumina (Al 2 O 3 ) or the like can be used, and the thickness is not specified.

세라믹 지지기판(120)은 세라믹 다이어프램(110)을 하부에서 지지하는 기능을 한다. 세라믹 지지기판(120)은 사각 박스 형태로 형성될 수 있으며, 세라믹 다이어프램(110)은 세라믹 지지기판(120)의 상부에 배치된다. 세라믹 지지기판(120)은 세라믹 소재(사파이어, 알루미나, 산화실리콘 등)로 형성됨으로써, 해수나 화학 약품과 같이 부식성이 있는 매체에서도 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. The ceramic support substrate 120 functions to support the ceramic diaphragm 110 from below. The ceramic support substrate 120 may be formed in a rectangular box shape, and the ceramic diaphragm 110 may be disposed on the ceramic support substrate 120. The ceramic support substrate 120 is formed of a ceramic material (sapphire, alumina, silicon oxide, or the like), so that it can be used in corrosive media such as seawater and chemicals.

세라믹 지지기판(120)에는 두 개의 홀(123)이 형성될 수 있다. 구체적으로는 세라믹 지지기판(120)의 중앙을 기준으로 상기 중앙의 양 옆에 소정 간격을 두어 홀(123)들이 형성될 수 있다. 설명의 편의상 도 1을 기준으로, 좌측에 형성된 홀을 제1 홀(123a)라 하고, 우측에 형성된 홀을 제2 홀(123b)라고 한다. 홀(123a,123b)들은 실리콘 스트레인 게이지(130)를 전극과 전기적으로 연결시키기 위한 통로 역할을 하는 것으로, 이에 대해서는 후술하기로 한다. Two holes 123 may be formed in the ceramic support substrate 120. Concretely, the holes 123 may be formed at predetermined intervals on both sides of the center with respect to the center of the ceramic support substrate 120. 1, the hole formed on the left side is referred to as a first hole 123a, and the hole formed on the right side is referred to as a second hole 123b. The holes 123a and 123b serve as passages for electrically connecting the silicon strain gage 130 to the electrodes, which will be described later.

세라믹 지지기판(120)은 양측부에 지지기둥(121)이 있으며, 중앙부에는 스톱퍼 기둥(122)이 있다. 지지기둥(121)과 스톱퍼 기둥(122) 사이에는 상술한 홀(123a 또는 123b)이 존재한다. The ceramic support substrate 120 has support pillars 121 at both sides and a stopper column 122 at the center. The holes 123a or 123b described above exist between the support pillars 121 and the stopper pillars 122.

지지기둥(121)은 세라믹 다이어프램(110)을 지지한다. 즉 세라믹 다이어프램(110)의 양측 하부면이 세라믹 지지기판(120)의 지지기둥(121)의 상부면에 접착된다. 이 때 형성되는 접착층을 본 명세서에서는 제1 접착층(140)이라 한다. 제1 접착층(140)은 통상의 세라믹 접착제로 형성될 수 있는 바, 구체적인 설명은 생략한다. The support pillars 121 support the ceramic diaphragm 110. That is, both lower surfaces of the ceramic diaphragm 110 are bonded to the upper surface of the support pillars 121 of the ceramic support substrate 120. The adhesive layer formed at this time is referred to as a first adhesive layer 140 in this specification. The first adhesive layer 140 may be formed of a conventional ceramic adhesive, and a detailed description thereof will be omitted.

세라믹 지지기판(120)은 상부면 중앙부에 아랫 방향으로 패인 형태를 갖는 홈(124)이 형성된다. 따라서 세라믹 다이어프램(110)의 중앙 하부면과 세라믹 지지기판(120)은 맞닿지 않도록 갭이 형성된다. 세라믹 다이어프램(110)이 과대 압력에 의해 아랫 방향으로 과하게 변형될 경우 파손의 우려가 있다. 세라믹 소재는 브리틀(brittle)한 성질을 갖기 때문이다. 이 때 세라믹 지지기판(120)의 스톱퍼 기둥(122)은 세라믹 다이어프램(110)의 과한 변형을 방지하는 기능을 한다. 예컨대 세라믹 다이어프램(110)이 아랫 방향으로 변형될 때 스톱퍼 기둥(122)에 의해 일정 수준 이상 변형되지 못한다. 따라서 세라믹 다이어프램(110)의 파손을 방지할 수 있다. The ceramic support substrate 120 is formed with a groove 124 having a downwardly depressed shape at the center of the upper surface. Accordingly, a gap is formed between the ceramic lower surface of the ceramic diaphragm 110 and the ceramic support substrate 120 so as not to contact each other. There is a risk of breakage if the ceramic diaphragm 110 is excessively deformed downward due to excessive pressure. This is because the ceramic material has a brittle nature. At this time, the stopper column 122 of the ceramic supporting board 120 functions to prevent excessive deformation of the ceramic diaphragm 110. For example, when the ceramic diaphragm 110 is deformed downward, the stopper column 122 can not be deformed by more than a certain level. Therefore, breakage of the ceramic diaphragm 110 can be prevented.

실리콘 스트레인 게이지(130)는 세라믹 다이어프램(110)의 하부면에 형성된다. 구체적으로는 세라믹 다이어프램(110)의 중앙을 기준으로 세라믹 다이어프램(110)의 하부면 양쪽에 간격을 두어 실리콘 스트레인 게이지(130)가 배치될 수 있다. 설명의 편의상 도 1을 기준으로, 좌측에 배치된 실리콘 스트레인 게이지(130)를 제1 게이지(131)라 칭하고, 우측에 배치된 실리콘 스트레인 게이지(130)를 제2 게이지(132)라 칭한다. A silicon strain gage 130 is formed on the lower surface of the ceramic diaphragm 110. Specifically, the silicon strain gauge 130 may be disposed at intervals on both sides of the lower surface of the ceramic diaphragm 110 with respect to the center of the ceramic diaphragm 110. The silicon strain gage 130 disposed on the left side is referred to as a first gage 131 and the silicon strain gage 130 disposed on the right side is referred to as a second gage 132 on the basis of FIG.

세라믹 지지기판(120)에 형성된 홀(123a,123b)의 위치는 실리콘 스트레인 게이지(130)의 위치와 상응한다. 즉, 제1 홀(123a)의 형성 위치는 제1 게이지(131)의 배치 위치와 상응하며, 제2 홀(123b)의 형성 위치는 제2 게이지(132)의 배치 위치와 상응한다. The positions of the holes 123a and 123b formed in the ceramic support substrate 120 correspond to the positions of the silicon strain gages 130. [ That is, the formation position of the first hole 123a corresponds to the placement position of the first gauge 131, and the formation position of the second hole 123b corresponds to the placement position of the second gauge 132. [

실리콘 스트레인 게이지(130)는 압저항 방식으로써, 세라믹 다이어프램(110)의 변형에 따라 함께 변형을 일으키며 그 과정에서의 저항 변화(압저항 효과)를 이용하여 압력을 감지하는 기능을 한다. 이러한 실리콘 스트레인 게이지(130)는 통상적으로 사용되는 것이므로, 구체적인 설명은 생략한다. 본 실시예에서의 실리콘 스트레인 게이지(130)는 좌우대칭으로 형성된 하나의 칩에 두 개의 저항이 연결된 형태를 가질 수 있으며, 일 예시가 도 3에 도시되어 있다. The silicon strain gauge 130 is a piezoresistive type and deforms along with the deformation of the ceramic diaphragm 110, and functions to sense the pressure using a resistance change (piezoresistance effect) in the process. Since such a silicon strain gage 130 is commonly used, a detailed description thereof will be omitted. The silicon strain gauge 130 in this embodiment can have a form in which two resistors are connected to one chip formed in a left-right symmetry, and an example is shown in FIG.

세라믹 다이어프램(110)과 실리콘 스트레인 게이지(130) 사이에는 이들을 상호 접착시키는 제2 접착층(150)이 형성된다. 제2 접착층(150)은 통상의 세라믹 접착제로 형성될 수 있는 바, 구체적인 설명을 생략한다. 제2 접착층(150)은 제1 접착층(140)과 동일하거나 다른 접착제가 이용될 수 있다. A second adhesive layer 150 is formed between the ceramic diaphragm 110 and the silicon strain gauge 130 to bond them together. The second adhesive layer 150 may be formed of a conventional ceramic adhesive, and a detailed description thereof will be omitted. The second adhesive layer 150 may be the same or different from the first adhesive layer 140.

이하, 압력센서(100)의 동작에 대해 설명한다. Hereinafter, the operation of the pressure sensor 100 will be described.

도 2는 도 1의 압저항형 세라믹 압력센서(100, 이하 압력센서)에서 세라믹 다이어프램(110)이 변형된 모습을 도시한 단면도이다. 구체적으로 도 2에서는 세라믹 다이어프램(110)이 기계적 에너지에 의해 아랫방향으로 변형을 일으킨 모습을 도시하고 있다. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the ceramic diaphragm 110 is deformed in the piezoresistive ceramic pressure sensor 100 (hereinafter referred to as a pressure sensor) of FIG. Specifically, FIG. 2 shows a state in which the ceramic diaphragm 110 is deformed downward by mechanical energy.

도 2를 참고하면 세라믹 다이어프램(110)의 윗 방향에서 아랫방향으로 기계적 에너지(기계적 힘, 압력)가 가해지면 세라믹 다이어프램(110)의 중앙부가 아랫방향으로 처진 형태를 갖도록 변형이 일어난다. 세라믹 다이어프램(110)의 양측부는 세라믹 지지기판(120)의 지지기둥(121)에 의해 지지되므로 변형이 상대적으로 적게 일어난다. Referring to FIG. 2, when mechanical energy (mechanical force, pressure) is applied from the upper side to the lower side of the ceramic diaphragm 110, the ceramic diaphragm 110 is deformed so that the central portion thereof is diverged downward. Since both side portions of the ceramic diaphragm 110 are supported by the supporting pillars 121 of the ceramic supporting board 120, the deformation is relatively small.

세라믹 지지기판(120)의 상부면 중앙부에는 홈(124)이 형성되 세라믹 다이어프램(110) 및 세라믹 지지기판(120)의 중앙부 사이에 갭(gap)이 형성되어 있으므로 가해지는 기계적 에너지의 크기에 비례하여 세라믹 다이어프램(110)의 중앙부가 아랫방향으로 처지게 된다. 이 때, 가해지는 기계적 에너지가 특정값을 넘어서게 되면 세라믹 다이어프램(110)이 과도하게 변형을 일으키게 되어 파손될 우려가 있으나, 세라믹 지지기판(120)의 중앙부에는 상술하였듯이 스톱퍼 기둥(122)이 존재하는 바, 스톱퍼 기둥(122)이 세라믹 다이어프램(110)의 중앙부를 아랫 방향에서 지지하므로 세라믹 다이어프램(110)이 과도한 변형에 의해 파손될 가능성이 적어진다. Since grooves 124 are formed at the center of the upper surface of the ceramic supporting substrate 120 and a gap is formed between the ceramic diaphragm 110 and the center of the ceramic supporting substrate 120, The central portion of the ceramic diaphragm 110 is sagged downward. At this time, if the applied mechanical energy exceeds a specific value, the ceramic diaphragm 110 may be excessively deformed and broken. However, as described above, the stopper column 122 exists at the center of the ceramic supporting board 120 , The stopper column 122 supports the center portion of the ceramic diaphragm 110 in the downward direction, so that the possibility that the ceramic diaphragm 110 is damaged due to excessive deformation is reduced.

세라믹 다이어프램(110)이 변형을 일으키면 세라믹 다이어프램(110)의 하부면에 배치되어 있는 실리콘 스트레인 게이지(130) 역시 변형을 일으킨다. When the ceramic diaphragm 110 is deformed, the silicon strain gage 130 disposed on the lower surface of the ceramic diaphragm 110 also deforms.

도 2에서와 같이 세라믹 다이어프램(110)이 변형을 일으킬 때, 세라믹 다이어프램(110)의 상부 표면의 중심부에서는 최대 압축응력이 발생하고 가장자리 쪽으로 갈수록 압축응력의 크기가 감소한다. 즉 중심부와 가장자리의 중간 정도에서 응력이 영(zero)이 되고 가장자리 쪽으로 더 갈수록 압축응력이 증가하여 가장자리에서 최대 인장응력이 발생한다. When the ceramic diaphragm 110 deforms as shown in FIG. 2, the maximum compressive stress occurs at the center of the upper surface of the ceramic diaphragm 110, and the compressive stress decreases toward the edge. In other words, the stress becomes zero at the middle between the center and the edge, and the compressive stress increases toward the edge, causing the maximum tensile stress at the edge.

세라믹 다이어프램(110)의 하부 표면은 이와는 반대다. 즉 세라믹 다이어프램(110)의 하부 표면의 중심부에서 최대 인장응력이 발생하고 가장자리 쪽으로 갈수록 인장응력의 크기가 감소하는데 중심부와 가장자리의 중간 정도에서 응력이 영(zero)이 되고 가장자리 쪽으로 더 갈수록 압축응력이 증가하여 가장자리에서 최대 압축응력이 발생한다.The lower surface of the ceramic diaphragm 110 is opposite. That is, the maximum tensile stress is generated at the center of the lower surface of the ceramic diaphragm 110, and the magnitude of the tensile stress decreases toward the edge. The stress becomes zero at the midpoint between the center and the edge, And the maximum compressive stress is generated at the edge.

이 때 실리콘 스트레인 게이지(130)는 세라믹 다이어프램(110)이 변형함에 따라 함께 변형을 일으킨다. 예컨대 도 2에서와 같이 세라믹 다이어프램(110)이 아랫 방향으로 처지는 형태를 갖도록 변형을 일으킬 때, 제1 게이지(131)의 우측 부분(L1을 기준으로 함)과 제2 게이지(132)의 좌측 부분(L2를 기준으로 함)은 인장응력으로 인해 저항이 증가한다. 그리고 제1 게이지(131)의 좌측 부분(L1을 기준으로 함)과 제2 게이지(132)의 우측 부분(L2를 기준으로 함)은 압축응력으로 인해 저항이 감소한다. 따라서 제1,2 게이지(131,132)의 저항 변화를 통합하여 전기적 신호로 변환하는 경우에는 압력을 측정할 수 있다. At this time, the silicon strain gage 130 causes deformation together as the ceramic diaphragm 110 is deformed. When the ceramic diaphragm 110 is deformed so as to have a sagging shape in a downward direction as shown in FIG. 2, the right portion (based on L1) of the first gauge 131 and the left portion (Based on L2), the resistance increases due to tensile stress. The resistance of the left portion (based on L1) of the first gauge 131 and the right portion (based on L2) of the second gauge 132 are reduced due to the compressive stress. Therefore, when the resistance change of the first and second gauges 131 and 132 is integrated and converted into an electrical signal, the pressure can be measured.

예컨대 도 3에서는 도 1의 압저항형 세라믹 압력센서(100)의 회로 연결 형태를 개략적으로 도시하고 있으며(도 3은 도 1의 압력센서(100)를 아랫 방향에서 도시한 모양을 개략적으로 도시하고 있음), 도 3을 참조하면, 제1 게이지(131) 및 제2 게이지(132)가 풀 브릿지(full bridge)형태로 연결되고 있음을 확인할 수 있다. 스트레인 게이지(strain gauge)의 변형을 통한 압력 측정은 본 기술분야에서는 일반적인 내용이므로 구체적인 설명은 생략한다. For example, FIG. 3 schematically shows a circuit connection form of the piezoresistive ceramic pressure sensor 100 of FIG. 1 (FIG. 3 schematically shows a shape of the pressure sensor 100 shown in the downward direction in FIG. 1 Referring to FIG. 3, it can be seen that the first gauge 131 and the second gauge 132 are connected in the form of a full bridge. The pressure measurement through the strain gauge deformation is general in this technical field, so a detailed description thereof will be omitted.

이하, 압력센서(100)를 포함하는 패키지(200)에 대해 설명한다. Hereinafter, the package 200 including the pressure sensor 100 will be described.

도 4는 도 1의 압저항형 세라믹 압력센서(100, 이하 압력센서)를 포함하는 패키지(200)를 개략적으로 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing a package 200 including a piezoresistive ceramic pressure sensor 100 (hereinafter referred to as a pressure sensor) of Fig.

도 4를 참조하면, 패키지(200)는 상부 하우징(210)과 하부 하우징(220)이 결합된 형태를 가지며, 일 예로는 도 4에서와 같이 하부 하우징(220)의 상부측이 상부 하우징(210)의 내부에 수용되는 형태로 결합될 수 있다. 그리고 상부 하우징(210)과 하부 하우징(220)이 이루는 공간에 압력센서(100)가 배치될 수 있다. 압력센서(100)의 위치 고정 및 실링을 위해 실링고무(211)들이 필요한 곳에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 4, the package 200 has an upper housing 210 and a lower housing 220 coupled to each other. For example, as shown in FIG. 4, an upper side of the lower housing 220 is connected to an upper housing 210 As shown in FIG. The pressure sensor 100 may be disposed in a space defined by the upper housing 210 and the lower housing 220. Sealing rubbers 211 may be disposed where necessary for position fixing and sealing of the pressure sensor 100.

압력센서(100)에서 세라믹 지지기판(120)의 하부면에는 복수의 전극(160)이 형성되고, 실리콘 스트레인 게이지(130)는 세라믹 지지기판(120)에 형성된 홀(123a,123b)을 통해 전극들(160)과 와이어본딩될 수 있다. A plurality of electrodes 160 are formed on the lower surface of the ceramic support substrate 120 in the pressure sensor 100. The silicon strain gage 130 is electrically connected to the electrodes 130a and 130b through holes 123a and 123b formed in the ceramic support substrate 120, And the wire 160 may be wire-bonded.

전극(160)은 은, 니켈, 구리, 납, 금, 알루미늄 등의 금속으로 형성될 수 있으며, 실리콘 스트레인 게이지(130)는 전극(160)에 알루미늄 와이어 또는 금 와이어(도면부호 170으로 표기함)를 통해 와이어 본딩될 수 있다. 이 때 세라믹 지지기판(120)에는 실리콘 스트레인 게이지(130)의 배치 위치와 상응하도록 홀(123a,123b)이 형성되어 있으므로, 상기 와이어(170)들은 홀(123a,123b)들을 통해 실리콘 스트레인 게이지(130)로부터 전극(160)까지 연장될 수 있다. The electrode 160 may be formed of a metal such as silver, nickel, copper, lead, gold, or aluminum, and the silicon strain gauge 130 may be formed of an aluminum wire or a gold wire Lt; / RTI > Holes 123a and 123b are formed in the ceramic support substrate 120 so as to correspond to the positions of the silicon strain gages 130. The wires 170 are connected to the silicon strain gages 130a through the holes 123a and 123b, 130 to the electrode 160.

하부 하우징(220)에는 커넥터 단자(221)가 배치되며 전극(160)은 커넥터 단자(221)와 알루미늄 또는 구리 도선(도면부호 180으로 표기함)으로 연결될 수 있다. 즉 세라믹 지지기판(120)에 형성된 홀(123a,123b)로 인해 실리콘 스트레인 게이지(130), 전극(160) 및 커넥터 단자(221)의 전기적 연결이 간단하고 간편하게 이루어질 수 있다는 장점을 갖는다. The lower housing 220 is provided with a connector terminal 221 and the electrode 160 may be connected to the connector terminal 221 through an aluminum or copper lead wire (denoted by reference numeral 180). The electrical connection between the silicon strain gage 130, the electrode 160 and the connector terminal 221 can be made simple and simple because of the holes 123a and 123b formed in the ceramic supporting board 120. [

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 압저항형 세라믹 압력센서(100)는 압저항형 압력센서가 정전용량형 압력센서에 대해 가지는 장점(구조적으로 간단함)을 고스란히 가지면서도, 세라믹 소재로 형성되어 해수나 화학 약품과 같이 부식성 압력 매체에서도 사용 가능하므로 안정성이 우수하다. As described above, the piezoresistive ceramic pressure sensor 100 according to the embodiments of the present invention has the advantage (structural simplicity) that the piezoresistive type pressure sensor has for the capacitive pressure sensor, It can be used in corrosive pressure media such as seawater and chemicals, so it is excellent in stability.

또한, 세라믹 지지기판(120)에는 실리콘 스트레인 게이지(130)와 상응하는 홀(123)을 형성함으로써, 실리콘 스트레인 게이지(130)가 상기 홀(123)을 통해 전극(160)과 와이어본딩될 수 있어 구조가 간단하며 홀(123)에 의해 지지기판(120)의 중앙부에 스토퍼 기둥(122)이 형성됨으로써 세라믹 소재의 다이어프램(110)이 과대 압력으로 인해 파손되는 것을 방지할 수 있다.The silicon strain gage 130 can be wire-bonded to the electrode 160 through the hole 123 by forming the hole 123 corresponding to the silicon strain gauge 130 in the ceramic supporting substrate 120 Since the structure is simple and the stopper column 122 is formed at the center of the support substrate 120 by the hole 123, the diaphragm 110 of the ceramic material can be prevented from being damaged due to excessive pressure.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등의 형태로 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.The embodiments of the present invention have been described above. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventive concept as defined by the appended claims. It will be understood that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.

100: 압저항형 세라믹 압력센서 110: 세라믹 다이어프램
120: 세라믹 지지기판 121: 지지기둥
122: 스톱퍼 기둥 123: 홀
123a: 제1 홀 123b: 제2 홀
124: 홈 130: 실리콘 스트레인 게이지
131: 제1 게이지 132: 제2 게이지
140: 제1 접착층 150: 제2 접착층
160: 전극 170: 와이어
180: 도선 200: 패키지
210: 상부하우징 211: 실링고무
220: 하부하우징 221: 커넥터 단자100: piezoresistive ceramic pressure sensor 110: ceramic diaphragm
120: ceramic supporting board 121: supporting column
122: stopper column 123: hole
123a: first hole 123b: second hole
124: groove 130: silicon strain gauge
131: first gauge 132: second gauge
140: first adhesive layer 150: second adhesive layer
160: electrode 170: wire
180: lead 200: package
210: upper housing 211: sealing rubber
220: lower housing 221: connector terminal

Claims (6)

세라믹 다이어프램;
상기 세라믹 다이어프램을 하부에서 지지하는 세라믹 지지기판; 및
상기 세라믹 다이어프램의 중앙을 기준으로 상기 세라믹 다이어프램의 하부면 양쪽에 각각 형성되는 압저항 방식의 실리콘 스트레인 게이지를 포함하고,
상기 세라믹 지지기판은 상기 실리콘 스트레인 게이지의 위치와 상응하는 위치에 홀이 형성되며,
상기 세라믹 지지기판은 상부면 중앙부에 홈이 형성되어, 상기 세라믹 다이어프램 및 세라믹 지지기판의 중앙부 사이에 상기 세라믹 다이어프램의 중앙 하부과 상기 세라믹 지지기판이 맞닿지 않도록 갭이 형성되고, 상기 세라믹 다이어프램의 변형을 제한하는 스톱퍼 기둥을 포함하는 압저항형 세라믹 압력센서.Ceramic diaphragm;
A ceramic supporting substrate for supporting the ceramic diaphragm from below; And
And a piezoresistive silicon strain gauge formed on both sides of the lower surface of the ceramic diaphragm with respect to a center of the ceramic diaphragm,
A hole is formed in the ceramic support substrate at a position corresponding to the position of the silicon strain gauge,
A gap is formed between the center of the ceramic diaphragm and the center of the ceramic diaphragm so that the center of the ceramic diaphragm and the ceramic support substrate are not in contact with each other and the deformation of the ceramic diaphragm A piezoresistive ceramic pressure sensor including a limiting stopper column. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 세라믹 다이어프램의 양측 하부와 상기 세라믹 지지기판의 양측 상부에는 상기 세라믹 다이어프램 및 세라믹 지지기판을 상호 접착시키는 제1 접착층이 형성되는 압저항형 세라믹 압력센서.The method according to claim 1,
And a first adhesive layer for bonding the ceramic diaphragm and the ceramic support substrate to each other is formed on both lower portions of the ceramic diaphragm and both upper sides of the ceramic support substrate. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 세라믹 다이어프램과 상기 실리콘 스트레인 게이지 사이에는 상기 세라믹 다이어프램 및 실리콘 스트레인 게이지를 상호 접착시키는 제2 접착층이 형성되는 압저항형 세라믹 압력센서.The method according to claim 1 or 3,
And a second adhesive layer for bonding the ceramic diaphragm and the silicon strain gauge to each other is formed between the ceramic diaphragm and the silicon strain gauge. 청구항 1에 있어서,
상기 세라믹 지지기판의 하부면에는 복수의 전극이 형성되고, 상기 실리콘 스트레인 게이지는 상기 세라믹 지지기판에 형성된 홀을 통해 상기 전극들과 와이어본딩되는 압저항형 세라믹 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein a plurality of electrodes are formed on a lower surface of the ceramic supporting substrate, and the silicon strain gage is wire-bonded to the electrodes through holes formed in the ceramic supporting substrate. 청구항 1에 있어서,
상기 각각의 실리콘 스트레인 게이지는 좌우대칭으로 형성된 하나의 칩에 두 개의 저항이 연결된 형태를 갖는 압저항형 세라믹 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein each of the silicon strain gages has a form in which two resistors are connected to one chip formed in a bilaterally symmetrical manner.
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