KR102021949B1 - 세라믹 압력센서 및 그 제조방법 - Google Patents

세라믹 압력센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102021949B1 KR1020170106883A KR20170106883A KR102021949B1 KR 102021949 B1 KR102021949 B1 KR 102021949B1 KR 1020170106883 A KR1020170106883 A KR 1020170106883A KR 20170106883 A KR20170106883 A KR 20170106883A KR 102021949 B1 KR102021949 B1 KR 102021949B1
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    • 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

본 발명의 일실시예는, 상면에 다이어프램 홈이 형성된 하부기판, 상기 하부기판의 상면에 결합되며, 상기 하부기판에 의해 지지되는 고정부와 상기 다이어프램 홈에 대응되는 가동부의 두께가 균일한 중간기판, 상기 중간기판의 하면에 형성되어 중간기판의 변형을 측정하는 센싱부, 및 상기 다이어프램 홈에 대응하는 위치에 상기 다이어프램 홈 보다 넓은 매질홀이 형성되고, 상기 중간기판의 상면에 결합되는 상부기판을 포함하는 세라믹 압력센서 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

세라믹 압력센서 및 그 제조방법{Ceramic pressure sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 세라믹 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
압력센서는 유압, 공기압 등의 압력을 측정하는 센서로서 각종 시설이나 자동차 등의 기계장치 등에 다양하게 사용된다. 압력센서는 압전(Piezoelectric) 현상을 이용하는 방식과 저항체가 물리적으로 변형되는 경우 변화하는 저항을 측정하는 스트레인 게이지(strain gage) 방식 등의 측정방법이 사용된다.
한편, 세라믹 압력센서는 세라믹 재질의 특성상 내부식성이 뛰어나므로 가스(gas) 또는 부식성 유체와 같은 측정매질의 압력을 측정하는 특수용도에 사용된다. 압력센서는 반도체 재질이나 스테인레스 등의 금속 재질로 형성될 수도 있으나, 이러한 재질은 내부식성이 낮아 사용될 수 없는 분야가 존재하므로 세라믹 재질의 압력센서를 대체하기 어렵다.
종래, 세라믹 재질의 압력센서를 제조함에 있어서, 다이어프램의 고정부와 다이어프램의 가동부의 두께가 불균일한 문제가 있고, 압력센서마다 다이어프램 두께가 균일하지 않아서 압력센서마다 측정값이 균일하지 않은 문제가 있어서, 세라믹 압력센서의 정확도 편차가 크고 생산성이 낮은 문제가 있다.
KR 10-0330370 B1
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 다이어프램의 가동부와 고정부의 두께가 균일한 세라믹 압력센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 다이어프램의 파손을 방지하는 스토퍼가 구비되며, 외부회로와 전극패드를 연결하기 위한 홀이 다이어프램 영역의 측면 방향으로 이격되어 형성되는 구조의 세라믹 압력센서를 제공한다.
또한, 대면적의 다이어프램용 중간기판을 일괄적으로 연마하고, 복수의 압력센서를 어레이 형태로 제조한 다음 절단분리 공정을 이용하여 개별 압력센서를 제조하는 세라믹 압력센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서는, 상면에 다이어프램 홈이 형성된 하부기판, 상기 하부기판의 상면에 결합되며, 상기 하부기판에 의해 지지되는 고정부와 상기 다이어프램 홈에 대응되는 가동부의 두께가 균일한 중간기판, 상기 중간기판의 하면에 형성되어 중간기판의 변형을 측정하는 센싱부, 및 상기 다이어프램 홈에 대응하는 위치에 상기 다이어프램 홈 보다 넓은 매질홈이 형성되고, 상기 중간기판의 상면에 결합되는 상부기판을 포함한다.
또한, 상기 하부기판은 상기 다이어프램 홈의 중앙에 스토퍼가 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부기판은 상기 다이어프램 홈의 측면 방향으로 이격되어 상하로 관통하는 콘택트홀이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 센싱부는 상기 중간기판의 가동부 하면에 형성된 적어도 하나 이상의 저항체, 상기 중간기판의 고정부 하면에 상기 콘택트홀에 대응하는 위치에 형성되는 적어도 하나 이상의 전극패드, 및 상기 중간기판의 하면에 상기 저항체와 상기 전극패드를 연결하도록 형성되는 전극패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 중간기판의 고정부와 상기 하부기판 사이에 형성되어 상기 중간기판과 상기 하부기판을 접착시키는 제1 접착층, 및 상기 중간기판과 상기 상부기판 사이에 형성되어 상기 중간기판과 상기 하부기판을 접착시키는 제2 접착층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스토퍼는 상면 위치가 상기 하부기판의 상면과 동일하고, 상기 다이어프램 홈에 의해 둘러싸이는 기둥 형상일 수 있다.
또한, 상기 콘택트홀을 통해 외부회로와 상기 전극패드를 연결하는 도선, 및 상기 콘택트홀에 충진되어 상기 전극패드와 도선을 고정하는 전도성 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서 제조방법은, 다이어프램 홈이 어레이 형태로 복수개 형성되는 하부기판 어레이, 상기 다이어프램 홈에 대응하는 위치에 매질홀이 어레이 형태로 복수개 형성되는 상부기판 어레이 및 판형의 중간기판 어레이를 형성하는 단계, 상기 중간기판 어레이의 두께를 균일하게 형성하는 중간기판 가공단계, 상기 하부기판 어레이, 중간기판 어레이, 상부기판 어레이를 결합하는 결합단계, 및 미리 설정된 절단선에 따라, 상기 하부기판 어레이, 상기 중간기판 어레이 및 상기 상부기판 어레이를 절단하여 분리하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 중간기판 가공단계는 상기 중간기판 어레이를 연마함으로써, 상기 중간기판 어레이의 상면과 하면을 평탄화하고, 상기 중간기판 어레이의 두께를 균일하게 형성할 수 있다.
또한, 상기 결합단계는 상기 하부기판 어레이 상면에 접착층을 형성하고 상기 중간기판 어레이의 하면에 결합함으로써, 상기 상부기판 어레이 상면과 상기 중간기판 어레이 하면 사이의 제1 간격을 조절할 수 있다.
또한, 상기 중간기판 가공단계 이후에, 상기 중간기판 어레이의 하면에 저항체를 포함하는 센싱부를 형성하는 센싱부 형성단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부기판 어레이를 형성하는 단계는 상기 다이어프램 홈의 측면 방향으로 이격되고 상하로 관통하는 컨택트홀을 상기 다이어프램 홈 마다 적어도 하나 이상 어레이 형태로 더 형성하며, 상기 센싱부 형성단계는 상기 중간기판 어레이 하면에 금속층을 형성하는 단계, 및 상기 금속층을 패터닝하여 상기 가동부에 형성되는 적어도 하나 이상의 저항체, 상기 컨택트홀에 대응하는 위치에 형성되는 적어도 하나 이상의 전극패드 및 상기 저항체와 전극패드를 연결하는 전극패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 세라믹 압력센서의 다이어프램 역할을 하는 가동부의 중심부와 주변부의 두께가 균일하므로, 다이어프램에 결합된 저항체의 형상 변화가 균일하고 따라서 저항체의 저항변화에 기초하여 측정되는 압력측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 다이어프램 영역의 하부에 스토퍼가 구비되므로 과도한 압력을 받더라도 스토퍼가 다이어프램 영역을 지지하므로 다이어프램의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 외부회로와 전극패드를 연결하기 위한 콘택트홀이 다이어프램 영역을 규정하는 다이어프램 홈의 측면 방향으로 이격되어 형성되어 다이어프램 홈이 외부와 통하지 않으므로, 다이어프램이 파손되더라도 압력센서를 통한 측정매질의 누출을 방지하여 안정성이 향상된다.
또한, 대면적의 다이어프램용 중간기판을 일괄적으로 연마하고, 복수의 압력센서를 어레이 형태로 제조한 다음 절단분리 공정을 이용하여 개별 압력센서를 제조하므로, 세라믹 압력센서의 생산성이 향상되고 세라믹 압력센서들 간의 측정 정확도의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센싱부의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서 어레이의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 결합된 세라믹 압력센서 어레이를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10)의 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10)의 분해사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10)는, 상면에 다이어프램 홈(111)이 형성된 하부기판(110), 상기 하부기판(110)의 상면에 결합되며, 상기 하부기판(110)에 의해 지지되는 고정부(120a)와 상기 다이어프램 홈(111)에 대응되는 가동부(120b)의 두께가 균일한 중간기판(120), 상기 중간기판(120)의 하면에 형성되어 중간기판(120)의 변형을 측정하는 센싱부(130), 및 상기 다이어프램 홈(111)에 대응하는 위치에 상기 다이어프램 홈(111) 보다 넓은 매질홀(141)이 형성되고, 상기 중간기판(120)의 상면에 결합되는 상부기판(140)을 포함한다.
하부기판(110), 중간기판(120), 상부기판(140)은 세라믹(ceramic) 재질로 형성될 수 있다. 세라믹 재질은 내부식성, 내화성 등의 화학적 성질이 뛰어나므로 가스, 오일 등의 부식성을 갖는 압력전달매질의 압력을 측정하는 압력센서를 제조하는데 적합하다.
하부기판(110)은 상면에 다이어프램 홈(111)이 형성된다. 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)에 의해 둘러싸이는 내부공간을 다이어프램 영역(Dar)으로 지칭할 수 있다. 하부기판(110)의 다이어프램 홈(111)은 사출성형 방식에 의해 제조될 수 있으며, 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b) 반경이나 깊이 등의 치수는 사출성형 방식에 의해 일괄적으로 균일하게 제어된다.
하부기판(110)의 상면에 중간기판(120)이 결합되면, 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)을 경계로 안쪽 영역의 중간기판(120)은 다이어프램 기능을 하는 중간기판(120)의 가동부(120b)가 되고, 바깥쪽 영역의 중간기판(120)은 하부기판(110)에 의해 지지되는 중간기판(120)의 고정부(120a)가 된다. 즉, 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)은 중간기판(120)의 다이어프램 영역(Dar)을 규정한다.
중간기판(120)은 하부기판(110)의 상면에 결합된다. 중간기판(120)은 하부기판(110)에 의해 지지되는 영역인 고정부(120a)와 다이어프램 홈(111)에 대응되는 영역인 가동부(120b)로 구분할 수 있다. 중간기판(120)의 고정부(120a)와 가동부(120b)는 균일한 두께를 갖는다. 또한, 중간기판(120)의 가동부(120b)에서 가운데의 중심부(120b1)와 중간기판(120)의 가동부(120b)에서 고정부(120a)에 가까운 주변부(120b2)는 균일한 두께를 갖는다. 중간기판(120)의 다이어프램 홈(111)에 대응되는 가동부(120b)의 두께가 균일하므로, 가동부(120b) 하면에 형성되는 센싱부(130)가 가동부(120b)에 가해지는 압력을 정확하게 측정할 수 있다.
종래의 다이어프램과 다이어프램을 지지하는 지지구조물을 일체로 형성하는 구조의 압력센서 구조는 다이어프램의 두께를 균일하게 제조하기 어려운 문제가 있었다. 구체적으로, 다이어프램의 두께를 얇게 하기 위해 다이어프램을 연마할 때 다이어프램의 중심이 연마되는 면의 반대쪽으로 밀려서, 지지부와 가까운 다이어프램의 주변 두께는 얇고 지지부와 먼 다이어프램의 중앙 두께는 두껍게 형성되는 문제가 있다. 다이어프램의 두께가 이와 같이 불균일한 경우, 다이어프램에 연결되는 스트레인 게이지 등이 다이어프램의 변형을 측정하여 압력을 측정하는 과정에서 부정확한 값이 도출된다.
그러나 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10)는 중간기판(120)을 하부기판(110)과 따로 형성하여 하부기판(110)에 결합하는 구조이며, 중간기판(120)을 하부기판(110)과 별도로 형성하므로 중간기판(120)의 전체 두께를 균일하게 형성할 수 있다. 특히 중간기판(120)의 가동부(120b)의 중심부(120b1)와 주변부(120b2) 두께가 균일하므로 중간기판(120)의 가동부(120b)(즉, 다이어프램 영역(Dar))에 가해지는 압력을 센싱부(130)가 정확하게 측정할 수 있다.
센싱부(130)는 중간기판(120)의 하면에 형성된다. 센싱부(130)는 적어도 하나 이상의 저항체(131), 전극패드(133), 저항체(131)와 전극패드(133)를 연결하는 전극패턴(132)을 포함한다. 저항체(131)는 중간기판(120)의 가동부(120b) 하면에 형성될 수 있다. 저항체(131)는 적어도 하나 이상 형성될 수 있으며, 가동부(120b)의 중심부(120b1)에 위치하는 제2 저항체(131) 및 제4 저항체(131)와 가동부(120b)의 주변부(120b2)에 위치하는 제1 저항체(131) 및 제3 저항체(131)로 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 저항체(131)는 가동부(120b)의 중심을 통과하는 직선을 따라 일렬로 형성될 수 있다. 센싱부(130) 상에 센싱부(130)를 보호하는 보호층이 더 형성될 수 있다.
상부기판(140)은 다이어프램 홈(111)보다 넓은 매질홀(141)이 형성된다. 상부기판(140)의 매질홀(141) 및 하부기판(110)의 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)은 원형으로 형성될 수 있다. 상부기판(140)은 중간기판(120)의 상면에 결합되며, 매질홀(141) 내에 하부기판(110)의 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)이 위치하도록 중간기판(120) 상에 배치된다. 다시 말하면, 매질홀(141)의 중심과 다이어프램 홈(111)의 중심이 일치하도록 정렬한다. 하부기판(110) 상에 중간기판(120)을 결합하는 과정 및 중간기판(120) 상에 상부기판(140)을 결합하는 과정에서 정확한 위치에 결합되지 않고 어긋난 위치에 결합되는 정렬오차가 발생할 수 있다. 매질홀(141)을 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)보다 넓게 형성하면, 정렬오차가 발생하더라도 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)이 중간기판(120)의 가동부(120b)(즉, 다이어프램 영역(Dar))을 규정할 수 있으므로, 다이어프램 영역(Dar)의 균일성을 보장할 수 있다. 매질홀(141)의 반경은 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b)의 반경보다, 결합과정에서 발생할 수 있는 정렬오차 이상으로 크게 형성될 수 있다.
상부기판(140)은 중간기판(120)의 상부에서 중간기판(120) 및 하부기판(110)을 견고하게 지지하고 고정한다. 상부기판(140)이 중간기판(120) 상에 결합된 구조는 상부기판(140)이 없는 구조에 비하여 압력센서 자체의 내구성이 향상된다. 즉, 외부 온도변화 또는 압력센서로 전달되는 외부 응력에 대하여 구조적으로 쉽게 변형되지 않는다. 따라서 압력센서 자체의 안정성이 증가하므로, 압력 측정값의 편차를 최소화할 수 있다.
하부기판(110)의 다이어프램 홈(111) 중앙에 스토퍼(stopper, 112)가 더 형성될 수 있다. 스토퍼(112)는 중간기판(120)의 가동부(120b)가 압력을 받아 하부기판(110) 방향으로 변형되는 경우에, 일정 범위 이상으로 변형되어 파괴되지 않도록 가동부(120b)의 변형범위를 제한한다. 스토퍼(112)의 상면 위치는 하부기판(110)의 상면과 동일하거나 낮을 수 있다. 스토퍼(112)의 상면과 중간기판(120)의 하면 사이의 간격이 가동부(120b)의 변형범위가 된다. 스토퍼(112)는 다이어프램 홈(111)의 내측면(111a)에 의해 규정되며, 다이어프램 홈(111)으로 둘러싸이는 기둥 형상일 수 있다.
하부기판(110)과 중간기판(120) 사이 및 중간기판(120)과 상부기판(140) 사이에는 기판을 서로 결합하게 하는 접착층이 형성될 수 있다. 제1 접착층(151)은 중간기판(120)의 고정부(120a)와 하부기판(110) 사이에 형성되어 중간기판(120)과 하부기판(110)을 접착시키며, 제2 접착층(152)은 중간기판(120)과 상부기판(140) 사이에 형성되어 중간기판(120)과 하부기판(110)을 접착시킨다. 접착층은 유리 접착체와 같은 세라믹용 접착제를 이용할 수 있으며, 약 10㎛ 두께로 형성될 수 있다. 접착층의 두께는 정밀하게 조절될 수 있으며, 약 10㎛ 보다 더 얇거나 두껍게 형성할 수도 있다.
제1 접착층(151)의 두께는 도 1에 제1 간격(t1)으로 표시되어 있으며, 스토퍼(112)의 상면 높이가 하부기판(110)의 상면과 동일한 경우에, 제1 접착층(151)의 두께를 조절함으로써 스포퍼의 상면과 상부기판(140) 하면 사이의 간격(t1)을 조절하여 다이어프램으로 기능하는 가동부(120b)의 가동범위를 결정할 수 있다. 제2 접착층(152)의 두께는 도 1에 제2 간격(t2)로 표시되어 있으며, 제2 접착층(152)은 중간기판(120)과 상부기판(140)을 견고하게 결합시킨다.
하부기판(110)에는 다이어프램 홈(111)의 측면 방향으로 이격되어 하부기판(110)의 상하 방향으로 관통하는 콘택트홀(113)이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 콘택트홀(113)은 센싱부(130)의 전극패드(133)가 압력센서 외부의 회로와 연결되기 위한 접촉경로를 제공한다. 콘택트홀(113)은 센싱부(130)의 저항체(131), 전극패드(133) 및 전극패턴(132)과의 구조적 관계에 따라 형성된다.
센싱부(130)는 중간기판(120)의 가동부(120b) 하면에 형성된 적어도 하나 이상의 저항체(131), 중간기판(120)의 고정부(120a) 하면에 콘택트홀(113)에 대응하는 위치에 형성되는 적어도 하나 이상의 전극패드(133), 및 중간기판(120)의 하면에 저항체(131)와 전극패드(133)를 연결하도록 형성되는 전극패턴(132)을 포함한다. 저항체(131) 및 전극패턴(132)은 약 1㎛ 보다 작은 두께로 형성할 수 있으므로, 유리 접착제에 의하여 제1 간격(t1)을 조절하는 것을 방해하지 않는다. 저항체(131)의 개수 및 전극패드(133)의 개수는 센싱부(130)의 회로구성에 따라 다양하게 변경가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센싱부(130)의 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 센싱부(130)는 4개의 저항체(131)를 포함하며, 제1 내지 제4 저항체(R1 내지 R4)가 브릿지(bridge) 회로를 구성한다. 중간기판(120)이 압력(도 1의 화살표)를 받아 하부기판(110) 방향으로 변형되는 경우, 가동부(120b)의 중심부(120b1)에 위치하는 제2 저항체(R2) 및 제4 저항체(R4)는 연장 변형에 의해 저항이 높아지고(+△R), 가동부(120b)의 주변부(120b2)에 위치 하는 제1 저항체(R1) 및 제3 저항체(R3)는 압축 변형에 의해 저항이 낮아지며(-△R), 이러한 저항 변화를 센싱하여 압력을 측정할 수 있다.
제1 내지 제4 저항체(131)의 저항변화를 센싱하기 위하여 전압값 Vin과 Vout 값이 필요하며, 이에 따라, 외부 회로와 전기적 연결이 필요한 전극패드(133)가 4개로 결정된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 4개의 전극패드(133)가 중간기판(120)의 고정부(120a) 하면에 구비되며, 4개의 저항체(131)가 중간기판(120)의 가동부(120b) 하면에 구비된다. 이러한 센싱부(130) 회로에 따라, 4개의 전극패드(133)를 외부 회로와 연결하기 위하여, 각 전극패드(133)마다 하나의 콘택트홀(113)이 형성된다.
하부기판(110)에 형성되는 콘택트홀(113)은 다이어프램 홈(111)과 연결되지 않고 다이어프램 홈(111)의 측면 방향으로 일정간격 이격되어 형성된다. 즉, 콘택트홀(113)은 하부기판(110) 중에서 중간기판(120)을 지지하는 영역에 형성된다. 다이어프램 홈(111)과 콘택트홀(113)이 별도로 이격 형성되는 구조는 중간기판(120)에 가해지는 압력에 의하여 중간기판(120)의 가동부(120b)가 파손되더라도 가스 등의 매질이 콘택트홀(113)로 흐를 수 없는 구조이며, 하부기판(110)이 다이어프램 홈(111)으로 유입된 매질이 세라믹 압력센서(10)의 외부로 누출되지 않게 한다.
중간기판(120)의 하면에 형성된 전극패드(133)는 콘택트홀(113)의 상부에 위치하며, 콘택트홀(113)을 통해 외부회로와 상기 전극패드(133)를 연결하는 도선(160)이 전극패드(133)에 연결될 수 있다. 도선(160)은 저항체(131)의 저항 변화를 외부 회로에 전달하게 된다. 도선(160)을 전극패드(133)에 견고하게 결합시키기 위하여, 콘택트홀(113)에 충진되어 전극패드(133)와 도선(160)을 고정하는 전도성 고정부재(170)를 더 포함할 수 있다. 전도성 고정부재(170)는 솔더 페이스트, 알루미늄 페이스트 등의 전도성을 갖는 물질이며, 콘택트홀(113)에 충진되어 도선(160)과 전극패드(133) 간의 전기적 및 물리적 접촉을 형성한다. 전도성 고정부재(170)는 콘택트홀(113)의 내부에 충진되어 고정되므로, 와이어본딩 등의 방법과 비교하여 물리적으로 견고하다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10)는, 세라믹 압력센서(10)의 다이어프램 역할을 하는 가동부(120b)의 중심부(120b1)와 주변부(120b2)의 두께가 균일하므로, 다이어프램에 결합된 저항체(131)의 형상 변화가 균일하고 따라서 저항체(131)의 저항변화에 기초하여 측정되는 압력측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 다이어프램 영역(Dar)의 하부에 스토퍼(112)가 구비되므로 과도한 압력을 받더라도 스토퍼(112)가 다이어프램 영역(Dar)을 지지하므로 다이어프램의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 외부회로와 전극패드(133)를 연결하기 위한 콘택트홀(113)이 다이어프램 영역(Dar)을 규정하는 다이어프램 홈(111)의 측면 방향으로 이격되어 형성되어 다이어프램 홈(111)이 외부와 통하지 않으므로, 다이어프램이 파손되더라도 압력센서를 통한 측정매질의 누출을 방지하여 안정성이 향상된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10) 제조방법을 나타내는 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서 어레이(20)의 분해사시도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 결합된 세라믹 압력센서 어레이(20)를 나타낸 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10) 제조방법은, 다이어프램 홈(111)이 어레이 형태로 복수개 형성되는 하부기판 어레이(11), 상기 다이어프램 홈(111)에 대응하는 위치에 매질홀(141)이 어레이 형태로 복수개 형성되는 상부기판 어레이(14) 및 판형의 중간기판 어레이(12)를 형성하는 단계, 상기 중간기판 어레이(12)의 두께를 균일하게 형성하는 중간기판 가공단계, 상기 하부기판 어레이(11), 중간기판 어레이(12), 상부기판 어레이(14)를 결합하는 결합단계, 및 미리 설정된 절단선(S)에 따라, 상기 하부기판 어레이(11), 상기 중간기판 어레이(12) 및 상기 상부기판 어레이(14)를 절단하여 분리하는 단계를 포함한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 하부기판 어레이(11), 중간기판 어레이(12), 상부기판 어레이(14)를 형성한다(S110).
하부기판 어레이(11)는 사출성형 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 하부기판 어레이(11)의 상면에 복수의 다이어프램 홈(111)을 어레이 형태로 형성한다. 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b) 반경은 다이어프램 영역(Dar)을 정의하는 수치로서 압력센서의 설계에 따라 변경될 수 있으며, 세라믹 사출성형 공정을 이용하여 정밀하게 제어될 수 있다. 다이어프램 영역(Dar)이 하부기판(110)의 다이어프램 홈(111)에 의해 규정되므로, 유리 접착제의 도포두께, 점성, 세라믹 표면 상태 등에 무관하게 다이어프램 영역(Dar)의 균일성을 달성할 수 있다.
다이어프램 홈(111)은 내측면(111a)과 외측면(111b)을 갖는 도넛형상의 홈일 수 있으며, 다이어프램 홈(111)의 내측면(111a) 반경은 스토퍼(112)를 정의하는 수치이다. 하부기판 어레이(11)를 형성하는 단계에서, 다이어프램 홈(111)의 측면 방향으로 이격되고 상하로 관통하는 콘택트홀(113)을 상기 다이어프램 홈(111) 마다 적어도 하나 이상 어레이 형태로 형성할 수 있다. 콘택트홀(113)은 다이어프램 홈(111)과 연결되지 않도록 형성된다.
상부기판 어레이(14)는 사출성형 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 하부기판 어레이(11)의 다이어프램 홈(111)에 대응하는 위치의 상부기판 어레이(14)에 다이어프램 홈(111)보다 넓고 상부기판 어레이(14)의 상하방향으로 관통되는 매질홀(141)이 어레이 형태로 형성된다. 상부기판 어레이(14)의 매질홀(141)의 반경은 다이어프램 홈(111)의 외측면(111b) 반경보다 크며, 그 차이는 상부기판 어레이(14)를 중간기판 어레이(12)에 결합할 때 발생할 수 있는 정렬오차보다 크다.
중간기판 어레이(12)는 사출성형 공정을 이용하여 판형으로 형성될 수 있다. 중간기판 어레이(12)는 상부기판 어레이(14) 및 하부기판 어레이(11)의 면적에 대응하는 면적으로 형성될 수 있다.
다음으로, 중간기판 어레이(12)를 연마하여 중간기판 어레이(12)의 두께를 균일하게 가공한다(S120). 중간기판 가공단계에서 중간기판 어레이(12)를 연마함으로써, 중간기판 어레이(12)의 상면과 하면을 평탄화하고, 중간기판 어레이(12)의 두께를 균일하게 형성할 수 있다. 중간기판 어레이(12)는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing)공정을 이용하여 연마될 수 있다. 중간기판 어레이(12)의 상면과 하면을 연마하여 중간기판 어레이(12)의 표면을 평탄화하는 동시에, 중간기판 어레이(12)의 두께를 균일하게 형성한다.
종래, 세라믹 압력센서(10)를 제조함에 있어서 개별 압력센서의 다이어프램을 각각 연마하는 제조방법이 있다. 이러한 방법은 압력센서마다 개별적으로 연마공정을 수행해야 하므로 생산성이 나쁘고 압력센서들 사이에 다이어프램의 두께 편차가 발생한다. 또한, 다이어프램과 지지구조가 일체로 형성되는 경우에는 연마과정에서 다이어프램 중심이 지지구조 방향으로 쳐짐에 따라, 지지구조에 가까운 주변과 중심의 두께가 달라지는 문제가 있다. 다이어프램의 두께는 압력센서의 정확도에 큰 영향을 미치는 요소이며, 종래의 세라믹 압력센서 제조방법은 다이어프램의 두께를 균일하게 형성하지 못한다.
그러나 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10) 제조방법은, 복수의 압력센서를 어레이 형태로 제조하는 방법으로서, 압력센서의 다이어프램이 되는 중간기판 어레이(12)를 대면적으로 형성하고, 중간기판 어레이(12)를 일괄적으로 연마함에 따라, 다이어프램 영역(Dar)의 두께가 균일하고, 압력센서들 간의 다이어프램 영역(Dar)의 두께 편차가 없는 압력센서를 제조할 수 있다.
다음으로, 중간기판 가공단계 이후에, 중간기판 어레이(12)의 하면에 저항체(131)를 포함하는 센싱부(130)를 형성하는 센싱부 형성단계(S130)를 더 포함할 수 있다. 센싱부(130)를 형성하는 단계는 중간기판 어레이(12) 하면에 금속층을 형성하는 단계, 및 금속층을 패터닝하여 상기 가동부(120b)에 형성되는 적어도 하나 이상의 저항체(131), 상기 콘택트홀(113)에 대응하는 위치에 형성되는 적어도 하나 이상의 전극패드(133) 및 상기 저항체(131)와 전극패드(133)를 연결하는 전극패턴(132)을 형성하는 단계를 포함한다. 복수의 센싱부(130)를 어레이 형태로 중간기판(120)에 일괄적으로 형성함에 따라 압력센서의 생산성이 향상되는 이점이 있다. 또한, 센싱부(130) 상에 저항체(131) 및 전극패턴(132)을 보호하는 절연층을 더 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부기판 어레이(11) 상면에 중간기판 어레이(12)를 결합하고, 중간기판 어레이(12) 상면에 상부기판 어레이(14)를 결합한다(S140). 하부기판 어레이(11) 상면에 접착층을 형성하고 중간기판 어레이(12)의 하면을 결합함으로써, 상부기판 어레이(14) 상면과 중간기판 어레이(12) 하면 사이의 제1 간격(t1)을 조절한다. 접착층의 두께(제1 간격(t1))에 따라 다이어프램 영역(Dar)의 가동범위가 결정되므로, 하부기판 어레이(11)와 중간기판 어레이(12) 사이에 접착층의 두께를 정밀하게 조절할 필요가 있으며, 유리 접착제를 사용하여 접착층의 두께를 정밀하게 조절할 수 있다.
상부기판 어레이(14)는 하부기판 어레이(11)의 다이어프램 홈(111)에 대응하는 위치에 매질홀(141)이 위치하도록 정렬하여 중간기판 어레이(12) 상에 결합된다. 매질홀(141)의 반경은 다이어프램 홈(111)보다 정렬오차 이상 크게 형성되므로, 결합과정에서 정렬오차가 발생하더라도 상부기판 어레이(14)의 매질홀(141)에 의해 중간기판(120)의 다이어프램 영역(Dar)이 변경되지 않는다. 상부기판 어레이(14)는 유리 접착제를 이용한 제2 접착층(152)에 의해 중간기판 어레이(12)에 견고하게 결합된다.
다음으로, 결합된 상태의 하부기판 어레이(11), 중간기판 어레이(12) 및 상부기판 어레이(14)를 절단선(S)을 따라 절단하여 분리함으로써 개별 세라믹 압력센서(10)를 형성한다(S150). 개별 세라믹 압력센서(10)들을 절단하는 공정은 다이서(dicer)를 이용하거나, 레이저 절단기 등을 이용할 수 있다. 복수의 압력센서를 어레이 형태로 제조하여 절단 분리함으로써, 다수의 압력센서를 용이하게 생산할 수 있어 생산성이 향상되며 비용이 절감되는 이점이 있다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 압력센서(10) 제조방법은, 대면적의 다이어프램용 중간기판(120)을 일괄적으로 연마하고, 복수의 압력센서를 어레이 형태로 제조한 다음 절단분리 공정을 이용하여 개별 압력센서를 제조하므로, 세라믹 압력센서(10)의 생산성이 향상되고 세라믹 압력센서(10)들 간의 측정 정확도의 균일성을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 세라믹 압력센서 110: 하부기판
111: 다이어프램 홈 111a: 다이어프램 홈의 내측면
111b: 다이어프램 홈의 외측면 Dar: 다이어프램 영역
112: 스토퍼 113: 콘택트홀
120: 중간기판 120a: 고정부
120b: 가동부 120b1: 중심부
120b2: 주변부 130: 센싱부
131: 저항체 132: 전극패턴
133: 전극패드 140: 상부기판
141: 매질홀 151: 제1 접착층
152: 제2 접착층 t1: 제1 간격
t2: 제2 간격 160: 도선
170: 전도성 고정부재 11: 하부기판 어레이
12: 중간기판 어레이 14: 상부기판 어레이
20: 압력센서 어레이 S: 절단선

Claims (11)

  1. 상면에 다이어프램 홈이 형성되고, 상기 다이어프램 홈의 측면 방향으로 이격되어 상하로 관통하는 콘택트홀이 적어도 하나 이상 형성되는 하부기판;
    상기 하부기판의 상면에 결합되며, 상기 하부기판에 의해 지지되는 고정부와 상기 다이어프램 홈에 대응되는 가동부의 두께가 균일한 중간기판;
    상기 중간기판의 가동부 하면에 형성되어 상기 중간기판의 변형을 측정하는 적어도 하나 이상의 저항체, 상기 중간기판의 고정부 하면에 상기 콘택트홀에 대응하는 위치에 형성되는 적어도 하나 이상의 전극패드, 및 상기 중간기판의 하면에 상기 저항체와 상기 전극패드를 연결하도록 형성되는 전극패턴을 포함하는 센싱부; 및
    상기 다이어프램 홈에 대응하는 위치에 상기 다이어프램 홈 보다 넓은 매질홀이 형성되고, 상기 중간기판의 상면에 결합되는 상부기판;
    상기 콘택트홀을 통해 외부회로와 상기 전극패드를 연결하는 도선; 및
    상기 콘택트홀에 충진되어 상기 전극패드와 도선을 고정하는 전도성 고정부재를 포함하는 세라믹 압력센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부기판은
    상기 다이어프램 홈의 중앙에 스토퍼가 형성된 세라믹 압력센서.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간기판의 고정부와 상기 하부기판 사이에 형성되어 상기 중간기판과 상기 하부기판을 접착시키는 제1 접착층; 및
    상기 중간기판과 상기 상부기판 사이에 형성되어 상기 중간기판과 상기 하부기판을 접착시키는 제2 접착층을 더 포함하는 세라믹 압력센서.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 스토퍼는
    상면 위치가 상기 하부기판의 상면과 동일하고, 상기 다이어프램 홈에 의해 둘러싸이는 기둥 형상인 세라믹 압력센서.
  6. 삭제
  7. 다이어프램 홈이 어레이 형태로 복수개 형성되고, 상기 다이어프램 홈의 측면 방향으로 이격되고 상하로 관통하는 컨택트홀이 상기 다이어프램 홈 마다 적어도 하나 이상 어레이 형태로 형성된 하부기판 어레이, 상기 다이어프램 홈에 대응하는 위치에 매질홀이 어레이 형태로 복수개 형성되는 상부기판 어레이 및 판형의 중간기판 어레이를 형성하는 단계;
    상기 중간기판 어레이의 두께를 균일하게 형성하는 중간기판 가공단계;
    상기 중간기판 어레이 하면에 금속층을 형성하고, 상기 금속층을 패터닝하여 상기 다이어프램 홈에 대응되는 가동부에 형성되는 적어도 하나 이상의 저항체, 상기 컨택트홀에 대응하는 위치에 형성되는 적어도 하나 이상의 전극패드 및 상기 저항체와 전극패드를 연결하는 전극패턴을 형성하는 센싱부 형성단계;
    상기 하부기판 어레이, 중간기판 어레이, 상부기판 어레이를 결합하는 결합단계; 및
    미리 설정된 절단선에 따라, 상기 하부기판 어레이, 상기 중간기판 어레이 및 상기 상부기판 어레이를 절단하여 분리하는 단계를 포함하는 세라믹 압력센서 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 중간기판 가공단계는
    상기 중간기판 어레이를 연마함으로써, 상기 중간기판 어레이의 상면과 하면을 평탄화하고, 상기 중간기판 어레이의 두께를 균일하게 형성하는 세라믹 압력센서 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 결합단계는
    상기 하부기판 어레이 상면에 접착층을 형성하고 상기 중간기판 어레이의 하면을 결합함으로써, 상기 상부기판 어레이 상면과 상기 중간기판 어레이 하면 사이의 제1 간격을 조절하는 세라믹 압력센서 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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