KR101837999B1 - 압력센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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김흥락
김영덕
문경식
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 서로 반대에 위치한 제1 및 제2 면을 갖는 금속 기판을 마련하는 단계와, 상기 금속 기판의 제1 면에 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계와, 상기 지지 웨이퍼에 접합된 금속 기판의 제2 면에 절연막을 증착하는 단계와, 상기 절연막 상에 압저항체(piezoresistive material) 패턴과 상기 압저항체 패턴에 연결된 전극을 형성하는 단계와, 상기 금속 기판을 소정의 크기로 절단하고 상기 지지 웨이퍼를 제거함으로써 복수의 판형 검출셀(plate type sensing cell)을 형성하는 단계와, 상기 복수의 판형 검출셀 각각을 베이스에 접합시키는 단계;를 포함하는 압력센서 제조방법을 제공한다.

Description

압력센서 및 그 제조방법{PRESSURE SENSOR AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
압력센서는 진동 및 압력변화의 환경에서 그 변화를 검출/측정하기 위한 센서로서, 자동차 등의 산업 전반 분야 및 가전용 등에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.
저압 및 중압의 경우에는 실리콘이나 세라믹을 기판으로 활용하여 MEMS 공정을 통해서 대량생산을 하고 있다. 하지만, 고압의 경우(예, 50bar 이상)에는 주로 SUS와 같은 금속 부재를 사용하여 압력센서 코어셀을 제작하고 있다.
종래에는 복수의 입체형상 다이어프램을 제작한 후에, 다이어프램의 상부 표면에 증착장치를 이용하여 저항체를 증착함으로써 압력 검출셀(pressure sensing cell)을 제조하여 왔다.
이러한 증착 공정에서 복수의 입체형 다이어프램을 고정할 수 있는 홈부가 마련된 고정 프레임을 사용하는데, 이러한 고정 프레임은 정밀하게 제조할 필요가 있을 뿐만 아니라, 한번 증착 공정에 적용될 개수가 크게 제한되는 문제가 있다. 또한, 복잡한 구조의 고정 프레임으로 인해 균일하지 못한 열분포로 인해서 수율이 저하되는 문제도 있어 왔다.
일본특허공개공보 제2003-139637호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적 중 하나는 고정 프레임과 같은 기구를 사용하지 않고 압력 검출셀을 높은 수율로 대량 생산할 수 있는 압력센서 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적 중 하나는 높은 수율로 대량 생산할 수 있는 새로운 구조의 압력셀을 구비한 압력센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 서로 반대에 위치한 제1 및 제2 면을 갖는 금속 기판을 마련하는 단계와, 상기 금속 기판의 제1 면에 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계와, 상기 지지 웨이퍼에 접합된 금속 기판의 제2 면에 절연막을 증착하는 단계와, 상기 절연막 상에 압저항체(piezoresistive material) 패턴과 상기 압저항체 패턴에 연결된 전극을 형성하는 단계와, 상기 금속 기판을 소정의 크기로 절단하고 상기 지지 웨이퍼를 제거함으로써 복수의 판형 검출셀(plate type sensing cell)을 형성하는 단계와, 상기 복수의 판형 검출셀 각각을 베이스에 접합시키는 단계;를 포함하는 압력센서 제조방법을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계는, 접착 물질을 이용하여 상기 금속 기판의 제1 면에 상기 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 기판은 스테인리스 강일 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 예를 들어, 상기 절연막은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SixNy), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 그 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연막은 서로 다른 물질로 이루어진 제1 절연막과 제2 절연막이 교대로 적층된 다층 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계와 상기 절연막을 형성하는 단계 사이에, 상기 금속 기판 상에 티타늄(Ti)이 함유된 접합층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 판형 검출셀을 형성하는 단계는, 레이저 빔을 이용하여 상기 금속 기판을 절단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스에 접합시키는 단계는, 금속 브레이징(metal brazing)을 이용하여 상기 복수의 판형 검출셀 각각을 베이스에 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스는 관통공을 가지며, 상기 베이스에 접합시키는 단계는, 상기 관통공을 덮도록 상기 베이스의 일 면에 상기 판형 검출셀을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우에, 상기 베이스는 상기 일 면에 위치하며 상기 판형 검출셀을 안착하기 위한 홈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 금속 판재와 상기 금속 판재 상에 배치된 절연막과, 상기 절연막 상에 배치된 압저항체 패턴과 상기 절연막 상에 상기 압저항 패턴에 연결된 전극을 갖는 판형 검출셀과, 관통구가 형성되며 상기 관통구에 연결된 일면에 상기 판형 검출셀을 안착하기 위한 홈부를 갖는 베이스와, 상기 홈부에 배치되어 상기 판형 검출셀의 금속 판재와 상기 베이스를 고정하는 금속 부재를 포함하는 압력센서를 제공한다.
예를 들어, 상기 금속 판재는 사각형이며, 상기 금속 부재는 구리(Cu) 또는 구리 함유 합금을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연막은 서로 다른 물질로 이루어진 제1 절연막과 제2 절연막이 교대로 적층된 다층 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 판재와 상기 절연막 사이에 배치되며 티타늄이 함유된 접합층을 더 포함할 수 있다.
금속판재(예, 스테인리스 강)와 웨이퍼의 접합 기술을 이용하여 판형 검출셀을 높은 수율로 제조하고, 판형 검출셀을 하우징 일부인 베이스에 금속 브레이징(예, 구리 브레이징)을 이용하여 조립함으로써 높은 정밀도의 고정 프레임을 이용하지 않고도 압력 센서를 양산화할 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법에 채용가능한 금속 기판을 나타내는 개략 사시도이다.
도3a 및 도3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법 중 금속 기판과 지지 웨이퍼의 본딩공정을 설명하기 위한 개략 사시도 및 측단면도이다.
도4a 및 도4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법 중 절연막의 형성공정을 설명하기 위한 상부 평면도 및 측단면도이다.
도5a 및 도5b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법 중 압저항체 패턴의 형성공정을 설명하기 위한 상부 평면도 및 측단면도이다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법 중 전극 형성공정을 설명하기 위한 상부 평면도 및 측단면도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법 중 개별 압력검출셀 형성공정을 설명하기 위한 측단면도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법 중 압력 검출셀과 베이스의 접합공정을 설명하기 위한 개략 사시도이다.
도9는 도8에 도시된 압력 센서를 나타내는 측단면도이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 검출셀을 나타내는 측단면도이다.
도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 검출셀을 나타내는 상부 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이며, 도2 내지 도9는 주요 공정을 설명하기 위한 공정별 개략도이다.
도1을 참조하면, 본 실시예에 따른 압력센서 제조방법은, 크게 금속 기판과 지지 웨이퍼의 접합공정(SA)과, 검출셀 형성공정(SB)과, 절단 및 조립공정(SC)을 포함할 수 있다.
우선, 도1 및 도2를 참조하면, 금속 기판과 지지 웨이퍼 접합공정(SP)은 금속 기판(21)을 마련하는 과정(S11)으로부터 시작될 수 있다.
상기 금속 기판(21)은 서로 반대에 위치한 제1 면(21A)과 제2 면(21B)을 갖는 판형 부재일 수 있다. 상기 금속 기판(21)의 제2 면(21B)은 셀의 기능층이 형성되는 면으로서, 경면 처리되어 제공될 수 있다. 상기 금속 기판(21)은 복수의 판형 검출셀을 위한 다이어프램(diaphragm)으로 사용된다.
도2에 도시된 바와 같이, 상기 금속 기판(21)은 각 검출셀을 위한 복수의 셀영역(C)으로 구분될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 금속 기판(21)의 셀영역(C)은 8×8로 예시되어 있으나, 수백개 또는 그 이상의 셀영역(C)으로 구분되어 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 정사각형으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 다른 다각형(예, 직사각형, 육각형) 또는 원형으로 셀영역(C)을 설계할 수도 있다.
본 실시예에서 사용되는 금속 기판(21)은 고압용에 적합한 스테인리스 강(예, SUS 630)일 수 있다. 금속 기판(21)의 재질과 두께(t1)는 판형 검출셀의 사용환경에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 200 bar 이상의 환경에서 사용될 경우에, 금속 기판(21)의 두께(t1)는 약 200㎛ 이상일 수 있으며, 500 bar 이상의 환경에서 사용될 경우에는, 금속 기판(21)의 두께(t1)는 약 500㎛ 이상일 수 있다.
이어, 도3a과 함께 도1을 참조하면, 상기 금속 기판(21)의 제1 면(21A)에 지지 웨이퍼(31)를 접합시킨다(S13).
본 실시예에 채용된 지지 웨이퍼(31)는 금속 기판(21) 상에 검출셀을 위한 막을 증착하고 패터닝하는 공정에서 금속 기판(21)을 핸들링하기 위한 임시 지지 기판으로 제공된다. 이러한 지지 웨이퍼(31)는 증착 및 처리를 위한 기존의 반도체 설비에 일반적으로 사용되는 규격화된 웨이퍼(예, 6인치, 8인치 웨이퍼)일 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 웨이퍼(31)는 이에 한정되지 않으나 실리콘(Si), GaAs, 실리콘 온 절연체(SOI)와 같은 다양한 재질의 웨이퍼일 수 있다.
상기 금속 기판(21)과 상기 지지 웨이퍼(31)의 접합은 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
본 접합공정은, 도3b에 도시된 바와 같이, 별도의 접합 물질(35)을 이용하여 구현될 수 있다. 도3b는 도3a에서 A 부분을 I-I' 방향으로 절단해 본 측단면도이다. 본 실시예에 채용가능한 접합 물질(35)로는 취급시 접합강도를 유지하면서 공정 후에 제거가 용이한 물질이 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 글루(glue) 및 왁스(wax)와 같은 접합물질이 사용될 수 있다.
이어, 검출셀 형성공정(SB)을 수행한다. 이러한 검출셀 형성공정(SB)은 검출셀을 구성하는 요소를 위한 증착 공정을 포함할 수 있다. 후속 공정에서 사용되는 증착 챔버 등의 반도체 공정 설비에서 금속 기판(21)은 지지 웨이퍼(31)를 통해서 안정적으로 핸들링될 수 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 검출셀 형성공정(SB)은 크게 지지 웨이퍼에 접합된 금속 기판의 제2 면에 절연막을 증착하는 과정(S14)과, 상기 절연막 상에 압저항체(piezoresistive material) 패턴과 상기 압저항체 패턴에 연결된 전극을 형성하는 과정(S16)을 포함할 수 있다.
이러한 공정들은 도4a 내지 도6b에 예시되어 있다. 도4a, 도5a 및 도6a는 도3a의 "A" 부분의 평면도이며, 도4b, 도5b 및 도6b는 도3b와 유사하게 도3a의 "A" 부분을 I-I' 방향으로 절단해 본 단면도이다.
도4a 및 도4b를 참조하면, 상기 지지 웨이퍼(31)에 접합된 금속 기판(21)의 제2 면(21B)에 절연막(24)을 증착할 수 있다.
본 공정에서 형성되는 절연막(24)은 후속 공정에서 형성될 스트레인 게이지(즉, 저항체)와의 절연을 위하여 채용된다. 상기 절연막(24)은 이에 한정되지 않으나, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SixNy), 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다. 상기 절연막(24)은 사용 환경에 따라 요구되는 내전압 특성을 만족하는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연막(24)의 두께(t2)는 약 1∼15㎛일 수 있다. 다만, 절연막(24)은 스테인리스 강과 같은 금속 기판(21)과의 접합강도가 낮거나, 충분한 내전압 특성을 위해서, 추가 층이 도입되거나 다양한 구조로 개선될 수 있다. 이에 대해서는 도10을 참조하여 설명하기로 한다.
다음으로, 도5a 및 도5b를 참조하면, 상기 절연막(24) 상에 압저항체(piezoresistive material) 패턴(25)을 형성할 수 있다.
본 공정은 메탈 마스크와 같은 원하는 패턴을 갖는 마스크를 이용한 증착 공정을 이용하여 상기 절연막(24) 상에 원하는 압저항체 패턴(25)을 형성할 수 있다.
본 실시예에 채용되는 압저항체는 다이어프램인 금속 기판(21)에 가해지는 압력에 따른 변형에 따라 저항값에 변화하는 물질을 말한다. 압저항체는 비저항이 크고, 낮은 저항온도계수를 가질 수 있다. 또한, 내열성 및 내산화성이 우수할 뿐만 아니라 경도 및 강도의 저하가 적은 압저항체가 바람직하게 사용될 수 있다. 본 실시예에 바람직하게 채용될 수 있는 압저항체는 Ni-Cr합금을 포함할 수 있다. 특정 예에서, Ni-Cr합금에 Ti와 같은 다른 금속 원소를 부분적으로 첨가한 합금을 압저항체로 사용될 수도 있다.
상기 절연막(24) 상에 증착된 압저항체 패턴(25)은 메탈 마스크를 이용한 증착공정을 이용하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 설명의 편의를 위해서 상기 압저항체 패턴(25)은 일 방향(y 방향)으로 연장된 형태의 패턴으로 예시하였으나, 다양한 형태의 패턴을 가질 수 있다. 특히, 상기 압저항체 패턴(25)은 다이어프램에 인가되는 압력에 의해 민감하게 반응(즉, 변형)할 수 있는 위치에, 적절한 형태의 패턴으로 다양하게 구현될 수 있다(도11 참조).
이어, 도6a 및 도6b를 참조하면, 상기 절연막(24) 상에 상기 압저항체 패턴(25)에 연결된 제1 및 제2 전극(26a,26b)을 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(26a,26b)은 압저항체 패턴(25)의 양단에 연결되고, 상기 제1 및 제2 전극(26a,26b)에 접속된 외부 회로에 상기 압저항체 패턴(25)의 변형에 의한 저항값 변화정보를 전송할 수 있다. 또한, 압저항체 패턴(25)을 보호하는 페시베이션층을 형성할 수 있다. 이러한 페시베이션층은 SiO2와 같은 절연막일 수 있다. 필요에 따라 외부 회로와 제1 및 제2 전극(26a,26b)을 와이어 등으로 연결한 후에, 폴리머와 같은 절연 물질을 이용하여 추가적인 보호층을 형성할 수 있다.
반도체 공정 설비를 이용한 검출셀 형성공정을 완료한 후에, 절단 및 조립공정(SC)을 수행한다.
도1에 도시된 바와 같이, 이러한 절단 및 조립공정(SC)은 복수의 판형 검출셀(plate type sensing cell, 20)을 얻기 위한 절단 과정(S17, 도7 참조)과, 각각의 판형 검출셀(20)과 베이스(40)의 접합 과정(S19, 도8 참조)을 포함할 수 있다.
우선, 도7을 참조하면, 상기 금속 기판(21)을 셀단위로 절단하고 상기 지지 웨이퍼(31)를 제거함으로써 복수의 판형 검출셀(20)을 얻을 수 있다.
금속 기판(21)의 셀 단위의 절단 공정은 지지 웨이퍼(31)의 절단과 함께 수행될 수 있으나, 지지 웨이퍼(31) 부분은 완전히 절단하지 않은 채, 지지 웨이퍼(31)의 제거 공정을 수행할 수 있다. 금속 기판(21)의 절단 공정은 엑시머 레이저와 같은 레이저 빔을 이용한 절단공정으로 수행될 수 있다. 지지 웨이퍼(31)는 접합 물질의 분해나 제거를 통해서 상기 금속 기판(21)으로부터 분리될 수 있다.
다음으로, 도8을 참조하면, 앞선 공정으로부터 얻어진 판형 검출셀(20)을 베이스(40)에 접합시킬 수 있다.
상기 베이스(40)는 압력 센서의 하우징의 일부로서, 판형 검출셀(20)이 고정되며 유체의 압력이 인가되는 관통홀(H)을 갖는 구조일 수 있다. 본 실시예에 채용된 베이스(40)는 판형 검출셀(20)을 수용가능하도록 관통홀(H)의 일측 상단에 홈부(R)를 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 관통홀(H)은 수평단면이 원형인 원통구조이며, 판형 검출셀을 고정하는 홈부(R)는 사각형인 저면을 가질 수 있다.
또한, 상기 베이스(40)는 다른 하우징 요소와 연결 가능하도록 다양한 결합수단을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도8에 도시된 바와 같이, 상기 베이스(40)는 커버부(미도시)와 나사결합 가능하도록 구성된 상단 나사홈(44)과, 원하는 장치에 고정하기 위한 하단 나사홈(46)을 가질 수 있다.
이렇게 얻어진 압력 센서(50)의 단면 구조가 도9에 도시되어 있다.
구체적으로, 도9에 도시된 바와 같이, 판형 검출셀(20)과 베이스(40)는 금속 브레이징 공정을 통해서 접합될 수 있다. 구체적으로, 베이스(40)의 홈부(R)에 접합을 위한 금속 부재(48)를 제공하고 상기 금속 부재(48)를 이용하여 판형 검출셀(20)을 고정함으로써 원하는 압력 센서(50)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 공정에서 사용되는 금속 브레이징은 구리(Cu) 브레이징일 수 있다.
본 발명은 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다. 예를 들어, 절연막은 스테인리스 강과 같은 금속 기판과의 접합강도가 높이기 위해서 추가 접합층을 도입하거나, 충분한 내전압 특성을 위해서, 절연막을 다양한 구조로 변경할 수 있다.
도10을 참조하면, 본 실시예에 따른 판형 검출셀(20A)은 금속 기판과 절연막 사이에 접합층을 도입하고, 절연막을 서로 다른 물질층이 교대로 적층된 구조인 점을 제외하고 앞선 실시예에 따른 판형 검출셀(20)과 유사한 것으로 이해할 수 있다. 즉, 본 실시예의 구성요소는 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도2 내지 도7에 도시된 판형 검출셀(20)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
절연막(24')을 형성하기 전에, 상기 금속 기판(21) 상에 접합층(22)을 형성할 수 있다. 상기 접합층(22)은 금속 기판(21)과 절연막(24')의 접합강도가 높지 않아 발생되는 절연막 박리 현상을 방지할 수 있다. 상기 접합층(22)은 티타늄(Ti) 또는 티타늄이 함유된 층을 포함할 수 있다. 필요에 따라, 상기 접합층(22)은 Ti 또는 Cu-Ni-Ti 합금일 수 있으며, 복층 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 절연막(24')은 앞선 실시예와 달리 서로 다른 물질로 이루어진 제1 절연막(24a)과 제2 절연막(24b)이 교대로 적층된 다층 구조를 가질 수 있다. 상기 절연막(24')을 SiO2와 같은 단일 물질로 구성하는 경우에 높은 내전압특성(예, 1500V)을 확보하기 위해서는 큰 두께(예, 10㎛ 이상)가 요구될 수 있다. 이 경우에 막 불량이 발생되거나 박리현상이 심해질 수 있다. 이러한 문제를 해결하고 증착막 두께를 낮추기 위해서 서로 다른 절연물질, 즉 저항값이 다른 제1 및 제2 절연막(24a,24b)을 교대로 증착할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연막(24a)은 SiO2일 수 있으며, 제2 절연막은 Al2O3일 수 있다(물론, 이와 반대로 배열도 가능함). 전체 절연막(24')의 두께(t3)를 비교적 낮은 두께(예, 10㎛ 이하)를 유지하면서 높은 내전압 특성(예, 1500V 이상)을 확보할 수 있다.
앞선 실시예에서, 압저항체 패턴(25)은 일방향으로만 연장된 형태로 예시되어 있으나, 실제로는 다이어프램에 인가되는 압력에 의해 민감하게 반응(즉, 변형)할 수 있는 위치에, 적절한 형태의 패턴으로 다양하게 구현될 수 있다.
도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 검출 장치에 채용될 수 있는 압력 검출셀(50)이 도시되어 있다.
도11을 참조하면, 본 실시예에 따른 압력 검출셀(50)는, 앞선 실시예와 유사하게 다이어프램(즉, 금속 기판)과 그 위에 형성된 절연막(54)을 포함하며, 상기 절연막(54) 상에 변형을 측정하기 위한 제1 및 제2 응력 패턴(60,70)을 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 응력 패턴(60,70)은 각각 (+) 및 (-) 변형을 측정하도록 중심점을 기준으로 대칭되도록 배열될 수 있다.
본 실시예에 채용된 제1 응력 패턴(62)은 중심점에 인접한 제1 압저항체 패턴(64) 및 외주에 인접한 제2 압저항체 패턴(65)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 압저항체 패턴(64,65)은 복수의 방사형 패턴이 지그재그 방식으로 연결되어 원주방향으로 형성된 패턴으로 구성된다. 상기 제1 압저항체 패턴(64)은 동심을 갖도록 나란히 배열되어 일단이 서로 연결된 제1 및 제2 방사 패턴(64a,64b)을 포함할 수 있다.
이와 유사하게, 제2 응력 패턴(72)은 중심점에 인접하여 방사형으로 제1 압저항체 패턴(74) 및 외주에 위치한 제2 압저항체 패턴(75)을 포함하며, 상기 제1 압저항체 패턴(74)은 나란히 동심 배열되며 일단이 연결된 제1 및 제2 방사 패턴(74a,74b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 압저항체 패턴(64,74)은 제1 접속 단자(61,71)와 상기 제2 접속 단자(62,72) 사이에 배치되어 변형에 따른 저항의 변화가 관련된 접속 단자로부터 검출되며, 이와 유사하게, 상기 제2 압저항체 패턴(65,75)은 제2 접속 단자(62,72)와 상기 제3 접속 단자(63,73) 사이에 배치되어 변형에 따른 저항의 변화를 검출할 수 있다. 각 제1 내지 제3 접속 단자(61,71,62,72,63,73)를 적절한 콘택 위치에 배열하기 위해서, 제1 내지 제3 접속 단자(61,71,62,72,63,73)와 상기 제1 및 제2 압저항체 패턴(64,74,65,75)은 각각 제1 리드부(66,76), 제2 리드부(67,77) 및 제3 리드부(68,78)에 의해 연결될 수 있다.
이와 같이, 일정 크기의 다이어프램에서 응력분포 해석결과로부터 (+)변형 영역과 (-)변형 영역의 크기가 결정되고, 그 영역에서 제1 및 제2 압저항체 패턴(64,74,65,75)(또는 스트레인 게이지 패턴이라고도 함)을 구성할 수 있다. 상대적으로 (-)변형 영역의 크기가 (+)변형 영역보다 큼으로 저항값을 높여 감도를 크게 하기 위해선 (+)변형 영역에 스트레인 게이지를 많이 채워 넣을 필요가 있다.
본 실시예와 같이, 제1 및 제2 압저항체 패턴(64,74,65,75)을 다이어프램의 중심부분을 향하게 하여 잔류응력으로 인한 옵셋의 값을 최소화하고자 하며, 영역의 각 구역마다 감도를 일정하게 하여 동일한 저항값에 대한 감도를 높이는 패턴을 구현할 수 있다.
지금까지의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
21: 금속 기판
22: 접합층
24,24': 절연막
25: 압저항체 패턴
26a,26b: 제1 및 제2 전극
31: 지지 웨이퍼
40: 베이스

Claims (15)

  1. 서로 반대에 위치한 제1 및 제2 면을 갖는 금속 기판을 마련하는 단계;
    상기 금속 기판의 제1 면에 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계;
    상기 지지 웨이퍼에 접합된 금속 기판의 제2 면에 티타늄(Ti)이 함유된 접합층을 형성하는 단계;
    상기 접합층 상에 절연막을 증착하는 단계;
    상기 절연막 상에 압저항체(piezoresistive material) 패턴과 상기 압저항체 패턴에 연결된 전극을 형성하는 단계;
    상기 금속 기판을 소정의 크기로 절단하고 상기 지지 웨이퍼를 제거함으로써 복수의 판형 검출셀(plate type sensing cell)을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 판형 검출셀 각각을 베이스에 접합시키는 단계;를 포함하는 압력센서 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기판은 스테인리스 강(stainless steel)인 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계는, 접착 물질을 이용하여 상기 금속 기판의 제1 면에 상기 지지 웨이퍼를 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 및 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 서로 다른 물질로 이루어진 제1 절연막과 제2 절연막이 교대로 적층된 다층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판형 검출셀을 형성하는 단계는, 레이저 빔을 이용하여 상기 금속 기판을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스에 접합시키는 단계는, 금속 브레이징(metal brazing)을 이용하여 상기 복수의 판형 검출셀 각각을 베이스에 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스는 관통공을 가지며,
    상기 베이스에 접합시키는 단계는, 상기 관통공을 덮도록 상기 베이스의 일 면에 상기 판형 검출셀을 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 베이스는 상기 일 면에 위치하며 상기 판형 검출셀을 안착하기 위한 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조방법.
  12. 금속 판재와, 상기 금속 판재 상에 배치된 절연막과, 상기 절연막 상에 배치된 압저항체 패턴과, 상기 절연막 상에 상기 압저항체 패턴에 연결된 전극과, 상기 금속 판재와 상기 절연막 사이에 배치되며 티타늄이 함유된 접합층을 갖는 판형 검출셀;
    관통구가 형성되며 상기 관통구에 연결된 일면에 상기 판형 검출셀을 안착하기 위한 홈부를 갖는 베이스; 및
    상기 홈부에 배치되어 상기 판형 검출셀의 금속 판재와 상기 베이스를 고정하는 금속 부재를 포함하는 압력센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속 판재는 사각형이며, 상기 금속 부재는 구리(Cu) 또는 구리 함유 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 절연막은 서로 다른 물질로 이루어진 제1 절연막과 제2 절연막이 교대로 적층된 다층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  15. 삭제
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