KR102041719B1 - 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법. - Google Patents

메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법. Download PDF

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권광호
이준명
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고려대학교 세종산학협력단
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Abstract

스트레인 게이지가 제공된다. 다이어프램에 접착되어, 물리적인 변형을 전기적인 신호로 변환하는 스트레인 게이지에 있어서, 상기 스트레인 게이지는 상기 다이어프램과의 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스 구조를 가지는 부력 제거층, 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함할 수 있다.

Description

메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법. {Strain gauge comprising mesoporous structure, strain sensor including the same, and manufacturing method thereof}
본 발명은 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법에 관한 것으로서, 센싱 능력이 향상된 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법에 관련된 것이다.
압력 센서는 입력된 압력을 감지하여 전기신호로 변환시키는 목적으로 사용되는 감지기로써, 최근 가전제품을 비롯한 자동차, 의료기기, 환경관련 설비와 산업체의 대규모 시스템 제어에 이르기까지 그 응용분야가 광범위하다.
압력 센서에 사용되는 소자 중 하나인 스트레인 게이지는, 저항으로 이루어진 센서로서, 피 측정물에 부착되어 피 측정물의 물리적인 변형률(strain)을 휘스톤 브릿지 방식으로 전기적인 신호로 바꾸어 측정물의 변형량을 측정하는 저항 센서이다.
스트레인 게이지의 전기 저항체는 전류를 흐르지 않도록 하는 저항을 갖고 있는 것으로서 이 값은 저항체의 재질 종류에 따라 다르지만 일반적으로 저항체는 가늘고, 길어질수록 저항의 값은 커진다. 따라서 저항체를 잡아당기면 가늘고 길게 되어 저항이 증가하고 반대로 굵어지고 짧아지면 저항 값은 줄어든다. 이러한 변형의 값을 전기적인 신호로 바꾸어 변형률 또는 응력을 측정할 수 있다. 스트레인 게이지는 위와 같은 원리를 이용하여 피측정물에 부착되어 피측정물의 기계적인 미세한 변형을 전기적인 신호로 바꾸어주는 역할을 한다.
압저항형 압력센서는 압전 물질의 압전현상을 이용한 압전형 압력센서로서, 압력이 작용하는 다이어프램(Diaphragm)에 스트레인 게이지를 부착하여 작용 압력에 비례하여 변형되는 원판의 변형량(Strain)을 측정한다. 이러한 압전형 압력센서는 동적 응답특성이 좋아 최근 폭 넓은 영역에서 사용되고 있다. 특히, 압저항형 스트레인 게이지 방식은 노이즈에 매우 강해서 정확한 압력을 측정할 수 있다는 장점이 있다.
실리콘 압전 저항이 적용된 스틸 다이어프램은 작은 크기, 높은 게이지 factor, 출력 신호, 반복성, 우수한 응답시간 및 구조적 강도의 특징을 가지고 있어 높은 압력에 대한 변환기로 채택되어 왔다. 실리콘 스트레인 게이지를 스틸 다이어프램에 접착할 때, 초고진공 적용에서의 out gassing 최소화하고 실리콘 스트레인 게이지의 전기적, 기계적 특성을 향상시키기 위하여 Glass frit 접착을 사용한다.
Glass frit 접착은 웨이퍼 상태의 micro-electromechanical systems(MEMS)를 봉합하는 데에 넓게 사용되고 있는 기술이며, 430℃ 이하 온도의 웨이퍼의 접착을 위한 가능성의 넓은 범위를 제공한다. Glass frit의 주요 단점은 접착시 발생하는 실리콘 게이지의 shifting, rotating, tilting과 같은 misalignment가 발생하게 되며, 이는 센서의 민감도, 온도 특성 등 주요 특징에 영향을 끼치게 된다.
기존의 스트레인 게이지는 접착 강도 증가 및 shfting, rotating, tilting과 같은 misalignment를 최소화하기 위하여 through-hole structure를 적용하였다. 이러한 구조를 형성하기 위해서는 MEMS 공정 기술을 이용하여야 하고, 그로 인해 공정의 복잡성이 증대되어 소자의 생산 수율 감소, 소자의 내구성 저하, 생산 단가 및 소자의 신뢰성이 크게 악화되는 단점이 있다. 이에 따라, 간단한 공정으로 misalignment를 최소화할 수 있는 스트레인 게이지에 대한 다양한 기술들이 지속적으로 연구 개발되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 오정렬(misalignment)이 감소된 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 내구성이 향상된 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 센싱 감도가 향상된 메조포러스 구조를 갖는 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서, 그리고 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 스트레인 게이지를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 다이어프램에 접착되어, 물리적인 변형을 전기적인 신호로 변환하는 스트레인 게이지에 있어서, 상기 스트레인 게이지는 상기 다이어프램과의 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스(mesoporous) 구조를 가지는 부력 제거층, 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층은 메조포러스 구조를 가지는 실리콘 산화물(SiOx)로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층은 2 내지 10nm의 기공을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층은, 관통홀(through hole)을 가지지 않을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층은, 제1 부력 제거층 및 상기 제1 부력 제거층보다 다공성 비율이 작은 제2 부력 제거층을 포함하되, 상기 제1 부력 제거층은 상기 다이어프램과 직접 계면하고, 상기 제2 부력 제거층은 상기 제1 부력 제거층 상에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 게이지 구조물은, 상기 부력 제거층 상에 배치되는 실리콘층, 상기 실리콘 층에 배치되며 불순물 타입의 원소를 포함하는 도핑층, 상기 도핑층 상에 배치되는 전극층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘층은, 전류 누설을 방지하고, 상기 도핑층은 물리적인 변형에 따라 저항이 가변할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 스트레인 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스트레인 센서는 다이어프램, 및 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 접착되어, 물리적인 변형을 전기적인 신호로 변환하는 스트레인 게이지를 포함하되, 상기 스트레인 게이지는, 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스(mesoporous) 구조를 가지는 부력 제거층, 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 스트레인 게이지의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스트레인 게이지의 제조 방법은 다이어프램과 접착 계면을 가지되, 메조포러스 구조를 갖는 부력 제거층을 형성하는 단계, 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 형성 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층을 형성하는 단계는, 보조 기판을 준비하는 단계, 및 상기 보조 기판 상에, 계면활성제를 포함하는 코팅 물질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질이 포함하는 상기 계면활성제의 양이 증가함에 따라, 상기 부력 제거층이 포함하는 기공의 비율이 증가하는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 스트레인 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스트레인 센서의 제조 방법은 메조포러스 구조를 갖는 부력 제거층을 형성하는 단계, 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 형성하여 스트레인 게이지를 제조하는 단계, 및 상기 스트레인 게이지를 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착하는 단계는, 상기 다이어프램 상에 접착제를 제공하는 단계, 상기 접착제 상에 상기 스트레인 게이지를 배치하는 단계, 및 상기 접착제를 열처리하여, 상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램에 접착하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 접착제를 열처리하는 경우, 상기 접착제가 상기 부력 제거층의 메조포러스 구조에 흡수되어, 상기 접착제에 의한 부력이 감소하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 접착제의 열처리는, 단일 횟수 수행되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서는 다이어프램, 및 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 접착되고, 상기 다이어프램과의 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스 구조를 가지는 부력 제거층, 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함하는 스트레인 게이지를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 부력 제거층은, 복수의 기공들을 통하여 상기 접착제에 의한 부력 및 본딩 과정 중에 발생하는 기포를 용이하게 제거할 수 있다. 또한, 상기 접착제 역시 복수의 기공들을 통하여 모세관 현상으로 제거될 수 있다. 결과적으로 내구성 및 센싱 감도가 향상된 스트레인 센서가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에 따르면, 졸-겔(sol-gel) 공정으로 메조포러스 구조를 갖는 상기 부력 제거층을 포함하는 상기 스트레인 게이지를 제조하고, 상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착 후, 한 번의 열처리를 수행하는 방법으로 스트레인 센서를 제조할 수 있다. 이에 따라, 오정렬(misalignment)이 감소되도록 상기 다이어프램 상에 상기 스트레인 게이지를 접착시키는 공정이 간소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 포함하는 부력 제거층의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 게이지 구조물의 평면도이다.
도 5는 도 1의 T2-T2'에 대한 단면도이다.
도 6은 도 1의 T1-T1'에 대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 게이지 구조물의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 복수 개 배치된 스트레인 센서를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법 중 부력 제거층을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 포함하는 부력 제거층을 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 포함하는 부력 제거층의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 부력 제거층(110), 및 게이지 구조물(120, 130, 140)을 포함할 수 있다. 상기 실시 예에 따른 스트레인 센서는, 상기 스트레인 게이지(100)가 다이어프램(diaphragm, 200)의 미리 정해진 위치에 접착된 것일 수 있다. 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 상기 다이어프램(200)에 접착되어, 물리적인 변형을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 스트레인 게이지(100) 및 상기 다이어프램(200)은 접착제(300)에 의하여 접착될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착제는, 글래스 프릿(glass frit)일 수 있다. 이하, 상기 스트레인 게이지(100)가 포함하는 각 구성에 대해 상술된다.
상기 부력 제거층(110)은 상기 게이지 구조물(120, 130, 140), 상기 다이어프램 사이에 배치되어, 상기 접착제(300)에 의한 부력을 감소시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 부력 제거층(110)은 메조포러스(mesoporous) 구조를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층(110)이 포함하는 기공은 2 내지 10 nm의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 부력 제거층(110)은 메조포러스 구조를 가지는 실리콘 산화물(SiOx)로 이루어질 수 있다. (x>0)
구체적으로, 상기 스트레인 게이지(100) 및 상기 다이어프램(200)이 상기 접착제(300)에 의하여 접착되는 경우, 상기 접착제(예를 들어, 글래스 프릿, 300)에 의하여 부력이 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 스트레인 게이지(100)가 상기 다이어프램(200) 상에 오정렬(misalignment)될 수 있다. 이 때, 메조포러스 구조를 가지는 상기 부력 제거층(110)은, 복수의 기공들을 통하여 상기 접착제(300)에 의한 부력 및 본딩 과정 중에 발생하는 기포를 용이하게 제거할 수 있다. 또한, 상기 접착제 역시 복수의 기공들을 통하여 모세관 현상으로 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 스트레인 게이지(100)가 부착된 상기 스트레인 센서의 내구성이 향상되고, 상기 스트레인 게이지(100) 및 상기 다이어프램(200)의 접착력이 향상될 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)가 포함하는 상기 부력 제거층(110)은 관통홀(through hole)을 가지지 않을 수 있다. 이에 따라, 관통홀을 갖는 부력 제거층을 포함하는 스트레인 게이지를 다이어프램과 접착하는데 발생하는 공정상의 복잡성이 해소될 수 있다. 즉, 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 상기 부력 제거층(110)이 관통홀을 가지지 않음에 따라, 간단한 공정으로 상기 다이어프램(200)과 접착될 수 있다. 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100) 및 상기 다이어프램(200)의 접착 공정은, 후술되는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서 보다 구체적으로 설명된다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층(110)은 제1 부력 제거층(112) 및 제2 부력 제거층(114)을 포함할 수 있다. 상기 제1 부력 제거층(112) 및 상기 제2 부력 제거층(114)은 모두 메조포러스 구조를 갖되, 다공성 비율이 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 부력 제거층(114)의 다공성 비율은 상기 제1 부력 제거층(114)의 다공성 비율보다 작을 수 있다.
상기 제1 부력 제거층(112)은 상기 접착제(300)를 통하여 상기 다이어프램(200)과 직접 계면하고, 상기 제2 부력 제거층(114)은 상기 제1 부력 제거층(112) 상에 배치되어, 상기 게이지 구조물(120, 130, 140)과 계면할 수 있다. 즉, 상기 제1 부력 제거층(112)은 상기 제2 부력 제거층(114) 및 상기 다이어프램(200) 사이에 배치되고, 상기 제2 부력 제거층(114)은 상기 제1 부력 제거층(112) 및 상기 게이지 구조물(120, 130, 140) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 스트레인 게이지의(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
상기 게이지 구조물(120, 130, 140)은 실리콘층(120), 도핑층(130), 및 전극층(140)을 포함할 수 있다. 이하, 상기 게이지 구조물(120, 130, 140)의 각 구성이 도 4 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 게이지 구조물의 평면도이고, 도 5는 도 1의 T2-T2'에 대한 단면도이고, 도 6은 도 1의 T1-T1'에 대한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 게이지 구조물의 평면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 실리콘층(120)은 상기 부력 제거층(110) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘층(120) 및 부력 제거층(110)은 실리콘층 상에 인슐레이션층이 형성된 SOI(Silicon On Insulator)으로 이루어질 수 있다. 상기 실리콘층(120)은 후술되는 도핑층(130)에 흐르는 전류의 누설을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘층(120)은 복수의 식각 패턴(120p)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 스트레인 게이지(100)가 물리적으로 용이하게 변형될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 실리콘층(120)은 복수의 식각 패턴(120p)을 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 실리콘층(120) 상에 복수의 식각 패턴(120p)을 형성하는 공정이 생략됨에 따라, 간단한 공정으로 상기 스트레인 게이지(100)가 제조될 수 있는 장점이 있다.
다시 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 도핑층(130)은 상기 실리콘층(120) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 도핑층(130)은 불순물 타입의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도핑층(130)은 p-doped silicon층 일 수 있다. 상기 도핑층(130)은 스트레인 발생에 대응하여 저항 변화를 유발시킬 수 있다. 즉, 상기 도핑층(130)은 물리적이 변형에 따라 저항이 가변할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 도핑층(130)은 제1 내지 제4 도핑 패턴(132, 134, 136, 138)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 도핑 패턴(132, 134, 136, 138)은 각각 도핑 패턴의 폭 방향인 Y축 방향으로는 이격하고, 길이 방향인 X축 방향으로는 연장하는 평면 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 내지 제4 도핑 패턴(132, 134, 136, 138)은 후술되는 전층극(140)에 의하여 Y축 방향으로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전극층(140)은 상기 도핑층(130) 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극층(140)은 중심 전극 패턴(141), 보조 전극 패턴(142), 제1 연결 전극 패턴(143), 제2 연결 전극 패턴(144), 및 제3 연결 전극 패턴(145)을 포함할 수 있다.
상기 중심 전극 패턴(141)은 상기 도핑층(130)의 중심부 상에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 중심 전극 패턴(141)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 티타튬 및/또는 알루미늄을 포함할 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 중심 전극 패턴(141)은 T자 평면 형상을 가질 수 있다.
상기 보조 전극 패턴(142)는 상기 중심 전극 패턴(142)과 X축 방향으로 이격되어, 상기 도핑층(130) 상에 배치될 수 있다. 상기 보조 전극 패턴(142)도 금속 예를 들어, 티타튬 및/또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 연결 전극 패턴(143, 144, 145)는 상기 제1 내지 제4 도핑 패턴(132, 134, 136, 138)을 연결할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 연결 전극 패턴(143)은 상기 제3 도핑 패턴(136) 및 상기 제4 도핑 패턴(138)을 Y축 방향으로 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제2 연결 전극 패턴(144)은 상기 제2 도핑 패턴(134) 및 제3 도핑 패턴(136)을 Y축 방향으로 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제1 연결 전극 패턴(145)은 상기 제1 도핑 패턴(132) 및 상기 제2 도핑 패턴(134)을 Y축 방향으로 전기적으로 연결할 수 있다. 이로써, 상기 제1 내지 제4 도핑 패턴(132, 134, 136, 138)은 Y축 방향으로 쇼트될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 연결 전극 패턴(143, 144, 145) 역시, 금속 예를 들어, 티타튬 및/또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 복수 개 배치된 스트레인 센서를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 제1 내지 제4 스트레인 게이지(100a, 100b, 100c, 100d)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 스트레인 게이지(100a, 100b, 100c, 100d)는 상기 다이어프램(200)의 미리 정해진 위치에 접착될 수 있다.
이 때, 상기 제1 스트레인 게이지(100a)의 상기 중심 전극 패턴(141) 및 상기 보조 전극 패턴(142), 상기 제2 스트레인 게이지(100b)의 상기 중심 전극 패턴(141) 및 상기 보조 전극 패턴(142), 상기 제3 스트레인 게이지(100c)의 상기 중심 전극 패턴(141) 및 상기 보조 전극 패턴(142), 상기 제4 스트레인 게이지(100d)의 상기 중심 전극 패턴(141) 및 상기 보조 전극 패턴(142)은 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge)를 형성함으로써 스트레인 변화를 전기 신호로 변환할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서는 다이어프램, 및 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 접착되고, 상기 다이어프램과의 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스 구조를 가지는 부력 제거층, 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함하는 스트레인 게이지를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 부력 제거층은, 복수의 기공들을 통하여 상기 접착제에 의한 부력 및 본딩 과정 중에 발생하는 기포를 용이하게 제거할 수 있다. 또한, 상기 접착제 역시 복수의 기공들을 통하여 모세관 현상으로 제거될 수 있다. 결과적으로 내구성 및 센싱 감도가 향상된 스트레인 센서가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지 및 스트레인 센서에 대해 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지 및 스트레인 센서의 제조 방법에 대해 설명된다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조하는 방법을 설명하는 순서도이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법 중 부력 제거층을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은, 다이어프램과 접착 계면하며, 메조포러스 구조를 갖는 부력 제거층을 형성하는 단계(S110), 및 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 형성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 설명된다.
상기 S110 단계는, 보조 기판을 준비하는 단계(S10), 및 상기 보조 기판 상에, 계면활성제를 포함하는 코팅 물질을 제공하는 단계(S20)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 부력 제거층은 상기 보조 기판 상에 상기 계면활성제를 포함하는 상기 코팅 물질을 제공하는 졸-겔(sol-gel) 공정을 통하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 계면활성제는 Brij-S10을 포함할 수 있다. 상기 코팅 물질은, 9.214g의 용량을 갖는 EtOH, 0.21g의 용량을 갖는 Brij-S10, 2.125g의 용량을 갖는 TEOS, 0.003g의 용량을 갖는 HCl, 및 0.9g의 용량을 갖는 DI water가 24시간동안 400rpm으로 stirring되어 혼합된 용액일 수 있다. 상기 코팅 용액은 상기 보조 기판 상에 3000 rpm의 속도로 20초의 시간 동안 스핀-코팅될 수 있다. 또한, 상기 보조 기판 상에 제공된 상기 코팅 용액은 450℃의 온도에서 4시간 동안 열처리될 수 있다. 이에 따라, 메조포러스 구조를 갖는 상기 부력 제거층이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 물질이 포함하는 상기 계면활성제의 양을 제어함으로써, 상기 부력 제거층이 포함하는 기공의 비율이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅 물질이 포함하는 상기 계면활성제의 양이 증가함에 따라, 상기 부력 제거층이 포함하는 기공의 비율(porosity)이 증가될 수 있다. 또한, 상기 코팅 물질이 포함하는 상기 계면활성제의 양을 제어함으로써, 상기 부력 제거층이 포함하는 기공의 배열(pore arrangement)이 제어될 수 있다.
상기 S120 단계를 통해 상기 상기 부력 제거층 상에, 상기 게이지 구조물이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 게이지 구조물은 실리콘층, 도핑층, 및 전극층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 S120 단계는 상기 부력 제거층 상에 상기 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 실리콘층 상에 상기 도핑층을 형성하는 단계, 및 상기 도핑층 상에 상기 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층 상에 상기 실리콘층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘층 상에 산화층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 산화층은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 산화층은 습식 또는 건식 산화 공정으로 형성될 수 있으며 후술할 이온 주입 공정에서 버퍼 역할을 수행할 수 있다.
상기 도핑층은, 상기 실리콘층 상에 불순물이 이온 주입 공정에 의하여 주입되어 형성될 수 있다. 상기 실리콘층 상에 불순물이 이온 주입된 후, 수소 분위기에서 어닐링 공정이 수행될 수 있다.
상기 전극층은, 상기 도핑층 상에 광감응성 물질(PR)을 코팅하고, 현상한 후, 금속 물질 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄을 증착하는 방법으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 도핑층 상에 광감응성 물질(PR)을 코팅하고 형상하는 과정에서, 특성 형상에 대응되도록 현상될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)가 포함하는 상기 전극층(140)의 각 전극 패턴(141, 142, 143, 144, 145)의 형상과 대응되도록 현상될 수 있다.
상기 전극층이 형성된 이후, 상기 도핑층 및 상기 실리콘층은 식각될 수 있다. 이에 따라, 상기 도핑층에는 제1 내지 제4 도핑 패턴이 형성되고, 상기 실리콘층에는 식각 패턴이 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 도핑 패턴 및 상기 식각 패턴은 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 포함하는 상기 제1 내지 제4 도핑 패턴(132, 134, 136, 138), 및 상기 식각 패턴(120p)과 같을 수 있다. 이에 따라, 구체적인 설명은 생략된다.
상기 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은, 상기 보조 기판을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층 상에 상기 게이지 구조물이 형성된 이후, 상기 보조 기판이 제거될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 부력 제거층 상에 상기 실리콘층이 형성된 이후, 상기 보조 기판이 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 부력 제거층의 일 면이 노출되고, 노출된 면을 통하여 상기 스트레인 게이지가 다이어프램에 접착될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 메조포러스 구조를 갖는 부력 제거층을 형성하는 단계(S210), 상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 형성하여 스트레인 게이지를 제조하는 단계(S220), 및 상기 스트레인 게이지를 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착하는 단계(S230)를 포함할 수 있다. 상기 S210 단계 및 상기 S220 단계는 도 9를 참조하여 설명된 상기 스트레인 게이지의 제조 방법의 상기 S110 단계 및 상기 S120 단계와 같을 수 있다. 이에 따라, 구체적인 설명은 생략된다.
상기 S230 단계는, 상기 다이어프램 상에 접착제를 제공하는 단계, 상기 접착제 상에 상기 스트레인 게이지를 배치하는 단계, 및 상기 접착제를 열처리하여, 상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램에 접착하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 접착제는 글래스 프릿(glass frit)일 수 있다.
상기 접착제가 열처리되는 경우, 상기 접착제가 상기 부력 제거층의 메조포러스 구조에 흡수될 수 있다. 또한, 상기 접착제가 열처리되는 경우, 상기 접착제가 포함하는 바인더, 및 용매 등이 상기 부력 제거층이 포함하는 기공을 통하여 용이하게 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 접착제에 의한 부력이 감소될 수 있다. 결과적으로, 메조포러스 구조를 갖는 상기 부력 제거층에 의하여 상기 다이어그램 상에 배치되는 상기 스트레인 게이지의 오정렬(misalignment)이 감소될 수 있다.
또한, 상기 접착제의 열처리는 단일 횟수 수행될 수 있다. 즉, 한번의 열처리를 통하여, 상기 접착제가 포함하는 바인더 및 용매가 제거될 뿐만 아니라 상기 스트레인 게이지 및 상기 다이어프램이 접착될 수 있다. 이와 달리, 상기 부력 제거층이 메조포러스 구조가 아닌 기존의 관통홀(through-hole) 구조를 갖는 경우, 상기 접착제가 포함하는 바인더 및 용매를 제거하는 1차 열처리 공정 및 상기 스트레인 게이지 및 상기 다이어프램을 접착시키는 2차 열처리 공정이 각각 요구되어, 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
다시 말해, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은, 졸-겔(sol-gel) 공정으로 메조포러스 구조를 갖는 상기 부력 제거층을 포함하는 상기 스트레인 게이지를 제조하고, 상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착 후, 한 번의 열처리를 수행하는 방법으로 스트레인 센서를 제조할 수 있다. 이에 따라, 오정렬(misalignment)이 감소되도록 상기 다이어프램 상에 상기 스트레인 게이지를 접착시키는 공정이 간소화될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지 및 스트레인 센서의 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 포함하는 부력 제거층의 구체적인 실험 예가 설명된다.
실시 예에 따른 부력 제거층의 제조
9.214g의 용량을 갖는 EtOH, 0.21g의 용량을 갖는 Brij-S10, 2.125g의 용량을 갖는 TEOS, 0.003g의 용량을 갖는 HCl, 및 0.9g의 용량을 갖는 DI water가 24시간동안 400rpm으로 stirring시켜 코팅 용액을 제조하였다.
이후, 제조된 코팅 용액을 기판 상에 3000 rpm의 속도로 20초의 시간 동안 스핀-코팅하고, 450℃의 온도에서 4시간 동안 열처리하여, 상기 실시 예에 따른 부력 제거층을 제조하였다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 포함하는 부력 제거층을 촬영한 사진이다.
도 12를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 부력 제거층을 SEM(Scanning Electron Microscope)촬영하였다. 도 12에서 알 수 있듯이, 상기 부력 제거층은 2 내지 10 nm 크기의 기공들이 복수 개 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이는, 상기 코팅 용액이 포함하는 용매가 열처리되어 증발되는 동안, sol의 조성이 변화되고, 이에 따라, 계면활성제의 구조 변화가 발생되어 나타나는 현상인 것으로 예측될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 스트레인 게이지
110: 부력 제거층
120: 실리콘층
130: 도핑층
140: 전극층

Claims (15)

  1. 다이어프램에 접착되어, 물리적인 변형을 전기적인 신호로 변환하는 스트레인 게이지에 있어서, 상기 스트레인 게이지는,
    상기 다이어프램과의 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스(mesoporous) 구조를 가지는 부력 제거층; 및
    상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함하되,
    상기 부력 제거층의 메조포러스 구조에, 상기 접착제가 침투된, 스트레인 게이지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 부력 제거층은 메조포러스 구조를 가지는 실리콘 산화물(SiOx)로 이루어지는, 스트레인 게이지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 부력 제거층은 2 내지 10nm의 기공을 가지는, 스트레인 게이지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 부력 제거층은, 관통홀(through hole)을 가지지 않는, 스트레인 게이지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 부력 제거층은, 제1 부력 제거층 및 상기 제1 부력 제거층보다 다공성 비율이 작은 제2 부력 제거층을 포함하되,
    상기 제1 부력 제거층은 상기 다이어프램과 직접 계면하고,
    상기 제2 부력 제거층은 상기 제1 부력 제거층 상에 배치되는, 스트레인 게이지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 게이지 구조물은, 상기 부력 제거층 상에 배치되는 실리콘층, 상기 실리콘 층에 배치되며 불순물 타입의 원소를 포함하는 도핑층, 상기 도핑층 상에 배치되는 전극층을 포함하는 스트레인 게이지.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 실리콘층은, 전류 누설을 방지하고, 상기 도핑층은 물리적인 변형에 따라 저항이 가변하는, 스트레인 게이지.
  8. 다이어프램; 및
    상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 접착되어, 물리적인 변형을 전기적인 신호로 변환하는 스트레인 게이지를 포함하되,
    상기 스트레인 게이지는,
    상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 접착 시 접착제에 의한 부력을 감소시키도록 메조포러스(mesoporous) 구조를 가지는 부력 제거층; 및
    상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 포함하되,
    상기 부력 제거층의 메조포러스 구조에, 상기 접착제가 침투된, 스트레인 센서.
  9. 다이어프램과 접착 계면을 가지되, 메조포러스 구조를 갖는 부력 제거층을 형성하는 단계; 및
    상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 형성 단계를 포함하되,
    상기 부력 제거층을 형성하는 단계는,
    보조 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 보조 기판 상에, 계면활성제를 포함하는 코팅 물질을 제공하는 단계를 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 코팅 물질이 포함하는 상기 계면활성제의 양이 증가함에 따라, 상기 부력 제거층이 포함하는 기공의 비율이 증가하는 것을 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
  12. 메조포러스 구조를 갖는 부력 제거층을 형성하는 단계;
    상기 부력 제거층 상에 배치되는 게이지 구조물을 형성하여 스트레인 게이지를 제조하는 단계; 및
    상기 스트레인 게이지를 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착하는 단계를 포함하되,
    상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램의 미리 정해진 위치에 부착하는 단계는,
    상기 다이어프램 상에 접착제를 제공하는 단계;
    상기 접착제 상에 상기 스트레인 게이지를 배치하는 단계; 및
    상기 접착제를 열처리하여, 상기 스트레인 게이지를 상기 다이어프램에 접착하는 단계를 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 접착제를 열처리하는 경우, 상기 접착제가 상기 부력 제거층의 메조포러스 구조에 흡수되어, 상기 접착제에 의한 부력이 감소하는 것을 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 접착제의 열처리는, 단일 횟수 수행되는 것을 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법.
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