KR102127497B1 - Pressure sensor module for water level detecting - Google Patents

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KR102127497B1
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민병석
최연식
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주식회사 멤스팩
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Abstract

A pressure sensor module (200) for detecting a water level comprises: a pressure sensor (210); a stress decoupling structure (220) attached to a lower part of the pressure sensor (210) to decouple stress transferred to the pressure sensor (210), and having a hole (221) for exposing the lower part of the pressure sensor (210) to the outside; and a circuit board (230) which is provided with integrated circuits (231) electrically connected to the pressure sensor (210) to amplify and correct a signal of the pressure sensor (210), on which the stress decoupling structure (220) is mounted, and which has a hole (232) communicating with the hole (221) of the stress decoupling structure (220). The present invention is capable of precisely controlling the water level through the pressure sensor by decoupling the stress transferred to the pressure sensor.

Description

수위 감지용 압력센서 모듈{PRESSURE SENSOR MODULE FOR WATER LEVEL DETECTING}Pressure sensor module for water level detection{PRESSURE SENSOR MODULE FOR WATER LEVEL DETECTING}

이 발명은 수위 감지용 압력센서 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압력센서를 회로기판에 접합함에 따라 생성되어 압력센서에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)함으로써, 압력센서를 통한 정밀 수위제어를 가능하게 하는 수위 감지용 압력센서 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor module for detecting the water level, and more specifically, by decoupling the stress generated and generated by bonding the pressure sensor to the circuit board and transmitting the pressure to the pressure sensor, precise water level control through the pressure sensor is possible. It relates to a pressure sensor module for water level sensing.

일반적으로 수위 감지용 압력센서는 수위 감지 대상물의 하부 측면에서 연통하도록 설치된 공기튜브의 상단에 연결되어, 수위 감지 대상물의 수위 변화에 따른 공기 압력의 변화를 감지하도록 구성된다.In general, the pressure sensor for detecting the water level is connected to the upper end of the air tube installed to communicate with the lower side of the water level sensing object, and is configured to detect a change in air pressure according to the water level change of the water level sensing target.

아래에서는 세탁기를 일례로 하여 수위 감지용 압력센서의 작동관계에 대해 설명한다.Hereinafter, the working relationship of the pressure sensor for detecting the water level will be described using the washing machine as an example.

도 1은 수위 감지용 압력센서 모듈이 장착된 세탁기를 간략히 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 세탁기(10)에는 세탁조(11)의 하부 측면에서 연통하도록 공기튜브(12)가 설치되고, 이 공기튜브(12)에 연통하여 수위 감지용 압력센서 모듈(100)이 설치된다. 따라서, 수위 감지용 압력센서 모듈(100)은 공기튜브(12)를 통해 전달되는 세탁조(11)의 수위 변화에 따른 공기 압력의 변화를 통해 수위를 감지한다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a washing machine equipped with a pressure sensor module for water level sensing. As shown in Figure 1, the washing machine 10 is provided with an air tube 12 to communicate from the lower side of the washing tank 11, the pressure sensor module 100 for detecting the water level by communicating with the air tube 12 It is installed. Therefore, the pressure sensor module 100 for detecting the water level detects the water level through a change in the air pressure according to the change in the water level of the washing tank 11 transmitted through the air tube 12.

구체적으로는, 압력센서(110)가 세탁조(11)내에 물(13)이 차오르면, 수위 변화에 따른 공기 압력의 변화를 감지해 내고, 이에 대한 신호를 회로기판(130)에 전달한다. 그러면, 회로기판(130)은 센싱된 신호를 주파수 혹은 전압 신호로 증폭 및 보정한다. 또한, 수위 감지용 압력센서 모듈(100)은 커넥터(150)를 통해 제어부에 전기적으로 연결된다. 그로 인해, 제어부에서는 회로기판(130)의 증폭 및 보정된 출력 신호를 받아 세탁조(11)의 수위 조절을 제어할 수가 있다.Specifically, when the water 13 fills up in the washing tank 11, the pressure sensor 110 detects a change in air pressure according to a change in water level, and transmits a signal to the circuit board 130. Then, the circuit board 130 amplifies and corrects the sensed signal as a frequency or voltage signal. In addition, the pressure sensor module 100 for water level detection is electrically connected to the control unit through the connector 150. Therefore, the control unit can control the level control of the washing tank 11 by receiving the amplified and corrected output signals of the circuit board 130.

한편, 최근에는 세탁기를 비롯한 수위 감지 대상물의 경우, 정밀 수위제어를 요구하고 있다. 따라서, 정밀 수위제어가 가능한 수위 감지용 압력센서 모듈 개발이 필요한 실정이다.On the other hand, in recent years, in the case of water level sensing objects including washing machines, precise water level control is required. Therefore, there is a need to develop a pressure sensor module for water level detection capable of precise water level control.

대한민국 특허등록 제1158660호Republic of Korea Patent Registration No. 1158660

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 압력센서를 회로기판에 접합함에 따라 생성되어 압력센서에 전달되는 응력을 디커플링하는 응력 디커플링 구조체를 구비함으로써, 압력센서를 통한 정밀 수위제어를 가능하게 하는 수위 감지용 압력센서 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention was developed to solve the problems of the prior art as described above, by providing a stress decoupling structure to decouple the stress generated and transmitted to the pressure sensor by bonding the pressure sensor to the circuit board, thereby providing a pressure sensor The purpose of the present invention is to provide a pressure sensor module for water level detection that enables precise water level control.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 수위 감지용 압력센서 모듈은, 압력센서와; 상기 압력센서의 하부에 접합되어 상기 압력센서에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)하며, 상기 압력센서의 하부를 외측으로 노출시키는 홀을 갖는 응력 디커플링 구조체(Stress Decoupling Structure); 및 상기 압력센서와 전기적으로 연결되는 집적회로(Integrated Circuits)를 실장하여 상기 압력센서의 신호를 증폭 및 보정하고, 상기 응력 디커플링 구조체를 실장하며, 상기 응력 디커플링 구조체의 홀과 연통하는 홀을 갖는 회로기판을 포함하며, 상기 응력 디커플링 구조체는 상기 압력센서의 하부면 보다 큰 표면적을 갖는 실리콘 재질로 구성되며, 상기 압력센서가 접합된 둘레를 따라 일정 깊이 및 폭의 응력 분산홈을 갖는 것을 특징으로 한다. Pressure sensor module for detecting the water level of the present invention for achieving the above object, the pressure sensor; A stress decoupling structure having a hole bonded to the lower portion of the pressure sensor to decouple the stress transmitted to the pressure sensor, and having a hole exposing the lower portion of the pressure sensor to the outside; And a circuit having integrated holes electrically connected to the pressure sensor to amplify and correct the signal of the pressure sensor, mount the stress decoupling structure, and have a hole in communication with the hole of the stress decoupling structure. It includes a substrate, the stress decoupling structure is made of a silicon material having a larger surface area than the lower surface of the pressure sensor, characterized in that it has a stress distribution groove of a certain depth and width along the periphery of the pressure sensor is bonded. .

또한, 이 발명에 따르면, 상기 응력 디커플링 구조체는 표면이 정사각형 형태이면서 일정 두께와 폭을 갖는 사각면체 형상인 것을 특징으로 한다.Further, according to the present invention, the stress decoupling structure is characterized in that the surface has a square shape and a quadrangular shape having a predetermined thickness and width.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 압력센서는 요홈 및 다이아프레임을 갖는 실리콘 구조체와, 상기 실리콘 구조체의 하부에 접합되며 상기 실리콘 구조체의 다이아프레임을 외측으로 노출시키는 홀을 갖는 유리 구조체와, 상기 실리콘 구조체의 상면에 형성되는 다수개의 전극패드, 및 상기 다수개의 전극패드와 상기 집적회로를 각각 연결되는 다수개의 도전성 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the pressure sensor is a silicon structure having a groove and a dia frame, a glass structure having a hole bonded to the lower portion of the silicon structure and exposing the dia frame of the silicon structure to the outside, and the silicon structure It characterized in that it comprises a plurality of electrode pads formed on the upper surface of the, and a plurality of conductive wires respectively connected to the plurality of electrode pads and the integrated circuit.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 회로기판의 상하부에 실장되는 전자부품을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Further, according to this invention, it is characterized in that it further comprises an electronic component mounted on the upper and lower parts of the circuit board.

또한, 이 발명에 따르면, 각 부품들이 실장된 상기 회로기판을 수용하며 상기 회로기판의 홀과 연통하는 홀을 갖는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, it is characterized in that it further comprises a housing having a hole in communication with the hole of the circuit board while receiving the circuit board on which each component is mounted.

이 발명은 압력센서를 회로기판에 접합함에 따라 생성되어 압력센서에 전달되는 응력을 응력 디커플링 구조체에서 디커플링함으로써, 압력센서를 통한 정밀 수위제어를 가능하게 하는 장점이 있다. This invention has the advantage of enabling precise water level control through the pressure sensor by decoupling the stress generated by bonding the pressure sensor to the circuit board and transferred to the pressure sensor in a stress decoupling structure.

또한, 이 발명은 응력 디커플링 구조체의 모양을 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 공정 및 웨이퍼 배치(Wafer Batch) 공정을 이용해 형성하고, 이들 공정 이후에 압력센서를 응력 디커플링 구조체의 상부에 접합하는 패키징 공정까지 수행함으로써, 정밀성, 생산성 및 작업성을 향상시킬 수가 있다.In addition, the present invention is a packaging process for forming the shape of the stress decoupling structure using a Micro-Electro Mechanical Systems (MEMS) process and a wafer batch process, and bonding the pressure sensor to the top of the stress decoupling structure after these processes. By performing up to, precision, productivity and workability can be improved.

도 1은 종래기술의 수위 감지용 압력센서 모듈이 장착된 세탁기를 간략히 도시한 단면도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈의 구성관계를 도시한 단면도이고,
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 압력센서의 설치상태를 도시한 상세 사시도 및 단면도이고,
도 6은 도 3에 도시된 응력 더커플링 구조체의 사시도이고,
도 7은 이 발명의 비교예에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈의 개략 단면도이고,
도 8 내지 도 11은 도 7에 도시된 비교예에 대한 실험 그래프들이고,
도 12는 도 7에 도시된 비교예와 같이 구성함에 따라 초기 설정값이 변경되는 원인을 분석한 개략도이고,
도 13 및 도 14는 이 발명의 발명예에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈을 구성하는 응력 디커플링 구조체의 상세도 및 제작 사진이고,
도 15는 이 발명의 발명예에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈의 사진이며,
도 16 및 도 17은 도 15에 도시된 발명예에 대한 실험 그래프들이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a washing machine equipped with a pressure sensor module for detecting water level in the prior art,
Figure 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the pressure sensor module for detecting the water level according to an embodiment of the present invention,
3 to 5 is a detailed perspective view and a cross-sectional view showing the installation state of the pressure sensor shown in Figure 2,
6 is a perspective view of the stress the coupling structure shown in Figure 3,
7 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor module for detecting water level according to a comparative example of the present invention,
8 to 11 are experimental graphs for the comparative example shown in FIG. 7,
12 is a schematic diagram for analyzing the cause of the initial setting value being changed as configured as the comparative example shown in FIG. 7,
13 and 14 are detailed views and production pictures of a stress decoupling structure constituting a pressure sensor module for detecting water level according to an embodiment of the present invention,
15 is a photo of the pressure sensor module for detecting the water level according to an embodiment of the present invention,
16 and 17 are experimental graphs for the inventive example shown in FIG. 15.

아래에서, 이 발명에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the pressure sensor module for detecting the water level according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈의 구성관계를 도시한 단면도이고, 도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 압력센서의 설치상태를 도시한 상세 사시도 및 단면도이며, 도 6은 도 3에 도시된 응력 더커플링 구조체의 사시도이다.2 is a cross-sectional view showing a configuration relationship of a pressure sensor module for detecting a water level according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 5 are detailed perspective views and cross-sectional views showing an installation state of the pressure sensor shown in FIG. 2. , FIG. 6 is a perspective view of the stress more coupling structure shown in FIG. 3.

도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 수위 감지용 압력센서 모듈(200)은 압력센서(210)와, 압력센서(210)의 하부에 접합되어 압력센서(210)에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)하며 압력센서(210)의 하부를 외측으로 노출시키는 홀(221)을 갖는 응력 디커플링 구조체(Stress Decoupling Structure)(220)와, 압력센서(210)와 전기적으로 연결되는 집적회로(Integrated Circuits)(231)를 구비하여 압력센서(210)의 신호를 증폭 및 보정하고 응력 디커플링 구조체(220)를 실장하며 응력 디커플링 구조체(220)의 홀(221)과 연통하는 홀(232)을 갖는 회로기판(230)과, 회로기판(230)의 상하부에 실장되는 전자부품(240), 및 각 부품들이 실장된 회로기판(230)을 수용하며 회로기판(230)의 홀(232)과 연통하는 홀(251)을 갖는 하우징(250)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the pressure sensor module 200 for detecting the water level in this embodiment is coupled to the lower portion of the pressure sensor 210 and the pressure sensor 210 to decouple the stress transmitted to the pressure sensor 210 ( Decoupling) and stress decoupling structure 220 having a hole 221 exposing the lower portion of the pressure sensor 210 to the outside, and integrated circuits electrically connected to the pressure sensor 210 (Integrated Circuits) A circuit board having a hole 232 provided with 231 to amplify and correct the signal of the pressure sensor 210, mount the stress decoupling structure 220, and communicate with the hole 221 of the stress decoupling structure 220 ( 230, the electronic component 240 mounted on the upper and lower parts of the circuit board 230, and a hole 251 for receiving the circuit board 230 on which each component is mounted and communicating with the hole 232 of the circuit board 230 ), the housing 250.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 압력센서(210)는 요홈(211a) 및 다이아프레임(211b)을 갖는 실리콘 구조체(211)와, 실리콘 구조체(211)의 상면에 형성되는 다수개의 전극패드(212), 및 다수개의 전극패드(212)와 집적회로(231)를 각각 연결되는 다수개의 도전성 와이어(213)를 포함하여 구성된다. 한편, 압력센서(210)는 실리콘 구조체(211)의 하부에 접합되며 실리콘 구조체(211)의 다이아프레임(211b)을 외측으로 노출시키는 홀(214a)을 갖는 유리 구조체(214)를 더 포함하여 구성하는 것이 더 바람직하다.2 to 5, the pressure sensor 210 includes a silicon structure 211 having a groove 211a and a diamond frame 211b, and a plurality of electrode pads formed on the top surface of the silicon structure 211. 212, and a plurality of conductive pads 212 and the plurality of conductive wires 213 are respectively connected to the integrated circuit 231. On the other hand, the pressure sensor 210 is bonded to the lower portion of the silicon structure 211 and further comprises a glass structure 214 having a hole 214a exposing the dia frame 211b of the silicon structure 211 to the outside. It is more preferable to do.

상기 요홈(211a)은 실리콘 구조체(211)의 하부에 이방성 식각에 의해 일정 깊이로 형성되고, 다이아프레임(211b)은 요홈(211a)과 대응하여 얇게 형성된다. 그리고, 다이아프레임(211b)에는 휘트스톤 브리지(wheatstone bridge) 형태로 다수의 압저항(미도시)이 형성된다. 상기 다수개의 전극패드(212)는 다이아프레임(211b)의 외측에 각각 형성되고, 다수개의 도전성 와이어(213)는 다수개의 전극패드(212)와 집적회로(231)를 전기적으로 연결되도록 형성된다.The groove 211a is formed to a predetermined depth by anisotropic etching on the lower portion of the silicon structure 211, and the diamond frame 211b is formed thin to correspond to the groove 211a. In addition, a plurality of piezoresistors (not shown) are formed in the shape of a wheatstone bridge in the dia frame 211b. The plurality of electrode pads 212 are respectively formed outside the dia frame 211b, and the plurality of conductive wires 213 are formed to electrically connect the plurality of electrode pads 212 and the integrated circuit 231.

따라서, 압력센서(210)에서 센싱된 압력 신호가 전극패드(212)와 도전성 와이어(213)를 통해 집적회로(231)를 거쳐 회로기판(230)에 전달된다. 여기서, 도전성 와이어(213)는 골드 와이어, 알루미늄 와이어, 구리 와이어 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.Accordingly, the pressure signal sensed by the pressure sensor 210 is transmitted to the circuit board 230 through the integrated circuit 231 through the electrode pad 212 and the conductive wire 213. Here, the conductive wire 213 may be formed of any one selected from gold wire, aluminum wire, copper wire, and equivalents thereof, but the material is not limited thereto.

상기 집적회로(231)는 회로기판(230)의 일측에 COB(Chip On Board) 방식으로 실장된다. 그리고, 집적회로(231)는 도전성 와이어(213)에 의하여 압력센서(210)와 전기적으로 연결된다. 한편, 회로기판(230)은 압력센서(210)가 센싱한 신호를 수신하여 주파수 또는 전압 신호로 증폭 및 보정한다. 이렇게 증폭 및 보정된 출력 신호는 고선형성을 갖게 되므로 정밀한 수위의 판단이 가능해진다.The integrated circuit 231 is mounted on one side of the circuit board 230 by a chip on board (COB) method. In addition, the integrated circuit 231 is electrically connected to the pressure sensor 210 by a conductive wire 213. Meanwhile, the circuit board 230 receives the signal sensed by the pressure sensor 210 and amplifies and corrects the frequency or voltage signal. The output signal amplified and corrected has high linearity, and thus it is possible to accurately determine the water level.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 응력 디커플링 구조체(220)는 압력센서(210)의 하부에 접합되어 압력센서(210)에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)하는 역할을 한다. 즉, 압력센서(210)는 상기의 응력 디커플링 구조체(220)와 같은 매개체 등을 사이에 위치시킨 상태로 회로기판(230)에 고정된다. 이때, 압력센서(210)는 매개체에 접합된 상태에서, 매개체를 회로기판(230)에 솔더링(Soldering) 접합하거나 다이 본딩(Die Bonding)함으로써, 회로기판(230)에 고정된다. 즉, 매개체의 종류와 압력센서(210)를 회로기판(230)에 실장하는 방식(SMT(Surface Mounting Technology), COB)에 따라, 솔더링 접합(SMT 방식)하거나 다이 본딩(COB 방식)하고 있다. 이때, 솔더링 접합은 대략 260℃에서 수행하고, 다이 본딩은 대략 150℃에서 수행한다.3 to 6, the stress decoupling structure 220 is bonded to the lower portion of the pressure sensor 210 serves to decoupling (Decoupling) the stress transmitted to the pressure sensor 210. That is, the pressure sensor 210 is fixed to the circuit board 230 with a medium such as the stress decoupling structure 220 positioned therebetween. At this time, the pressure sensor 210 is fixed to the circuit board 230 by soldering or die-bonding the medium to the circuit board 230 while being bonded to the medium. That is, depending on the type of medium and the method of mounting the pressure sensor 210 on the circuit board 230 (SMT (Surface Mounting Technology), COB), soldering (SMT method) or die bonding (COB method) is performed. At this time, soldering is performed at approximately 260°C, and die bonding is performed at approximately 150°C.

상기와 같은 솔더링 접합 또는 다이 본딩 후에는 냉각과정이 수행되는데, 후술하겠지만, 압력센서(210)가 고정되는 회로기판(230)의 상부 부위와 다른 구성요소가 없는 하부 부위는 수축율의 차이가 발생한다. 이러한 회로기판(230)의 수축율의 차이는 압력센서(210)에 응력으로 작용하여 다이아프레임(211b)의 변형을 비롯하여 시간의 경과에 따른 변동을 초래하여, 압력센서(210)를 통한 정밀 수위제어를 방해한다. After the soldering joint or die bonding, the cooling process is performed. As will be described later, a difference in shrinkage occurs between the upper portion of the circuit board 230 on which the pressure sensor 210 is fixed and the lower portion without other components. . The difference in shrinkage rate of the circuit board 230 acts as a stress on the pressure sensor 210 and causes a change over time, including deformation of the dia frame 211b, thereby controlling the precision level through the pressure sensor 210 Disturbs.

따라서, 이 실시예에서는 매개체로서 응력 디커플링 구조체(220)를 이용하되, 이러한 응력 디커플링 구조체(220)를 압력센서(210)의 하부에 접합하여 압력센서(210)에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)하도록 구성한 것이다. 즉, 이 실시예의 응력 디커플링 구조체(220)는 압력센서(210)의 실리콘 구조체(211)와 동일 재질인 실리콘으로 구성하되, 중앙 부위에는 압력센서(210)의 하부를 외측으로 노출시키는 홀(221)을 형성하고, 압력센서(210)가 접합된 둘레를 따라서는 일정 깊이의 응력 분산홈(222)을 갖도록 구성한 것이다.Therefore, in this embodiment, the stress decoupling structure 220 is used as a medium, but the stress decoupling structure 220 is bonded to the lower portion of the pressure sensor 210 to decouple the stress transmitted to the pressure sensor 210. It is configured to. That is, the stress decoupling structure 220 of this embodiment is made of silicon having the same material as the silicon structure 211 of the pressure sensor 210, but a hole 221 exposing the lower portion of the pressure sensor 210 to the outside in the central region. ), and is configured to have a stress distribution groove 222 of a predetermined depth along the circumference where the pressure sensor 210 is joined.

이 실시예의 응력 디커플링 구조체(220)는 압력센서(210)의 하부면 보다 큰 표면적을 갖는 정사각형 형태이면서 일정 두께와 폭을 갖는 사각면체 형상을 갖는 것으로서, 상기와 같은 홀(221)과 응력 분산홈(222)을 갖도록 구성된다. 여기서, 응력 분산홈(222)은 응력 디커플링 구조체(220)의 표면으로부터 일정 깊이 및 폭으로 형성된다. 따라서, 응력 분산홈(222)의 외측에는 일정 폭의 테두리부(223)가 형성된다. 즉, 응력 디커플링 구조체(220)는 회로기판(230)의 상하부의 수축율 차이로 인한 응력을 응력 분산홈(222)에 의해 형성된 테두리부(223)에서 상쇄시킴으로써, 압력센서(210)에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)한다.The stress decoupling structure 220 of this embodiment is a square shape having a larger surface area than the lower surface of the pressure sensor 210 and has a quadrangular shape having a certain thickness and width, and the hole 221 and the stress distribution groove as described above. It is configured to have (222). Here, the stress distribution groove 222 is formed with a predetermined depth and width from the surface of the stress decoupling structure 220. Therefore, a border portion 223 having a predetermined width is formed outside the stress distribution groove 222. That is, the stress decoupling structure 220 cancels the stress due to the difference in the shrinkage ratio of the upper and lower portions of the circuit board 230 in the edge portion 223 formed by the stress distribution groove 222, thereby transferring the stress to the pressure sensor 210 Decoupling

이 실시예의 응력 디커플링 구조체(220)는 정사각형 형태를 일례로 하여 설명하였으나, 원형 형태로 구성해도 무방하다. 한편, 응력 디커플링 구조체(220)는 MEMS 공정을 이용해 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 웨이퍼 배치(Wafer Batch) 공정을 이용해 제작하되, 그 공정 이후에 압력센서를 접합하는 패키징 공정까지 수행함으로써, 생산성 및 작업성을 향상시킬 수가 있다. The stress decoupling structure 220 of this embodiment is described as an example of a square shape, but may be configured in a circular shape. Meanwhile, the stress decoupling structure 220 is preferably manufactured using a MEMS process. In addition, by using a wafer batch (Wafer Batch) process, it is possible to improve productivity and workability by performing a packaging process for bonding a pressure sensor after the process.

한편, 이 실시예의 수위 감지용 압력센서 모듈(200)은 회로기판(230)의 상하부에 실장되는 전자부품(240), 및 각 부품들이 실장된 회로기판(230)을 수용하며 회로기판(230)의 홀(232)과 연통하는 홀(251)을 갖는 하우징(250)을 더 포함하여 구성할 수 있다. 여기서, 전자부품(240)은 회로기판(230)의 상부에 실장되는 터미널(241)과, 회로기판(230)의 하부에 실장되는 센서 구동회로 부품(242)일 수 있다. 그리고, 하우징(250)은 각 부품들이 실장된 회로기판(230)을 수용하여 보호함과 더불어 수위 감지 대상물에 고정하기 위한 용도로서, 체결부(252) 등을 갖는 것이 바람직하다.On the other hand, the pressure sensor module 200 for detecting the water level in this embodiment accommodates the electronic component 240 mounted on the upper and lower portions of the circuit board 230, and the circuit board 230 on which each component is mounted, and the circuit board 230 It may be configured to further include a housing 250 having a hole 251 in communication with the hole 232 of. Here, the electronic component 240 may be a terminal 241 mounted on the upper portion of the circuit board 230 and a sensor driving circuit component 242 mounted on the lower portion of the circuit board 230. In addition, the housing 250 is used to secure the water level sensing object while receiving and protecting the circuit board 230 on which the respective components are mounted, and preferably has a fastening portion 252 and the like.

아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 발명에 따른 수위 감지용 압력센서 모듈의 개발과정에 대해 설명하겠다.Hereinafter, the development process of the pressure sensor module for detecting the water level according to the present invention configured as described above will be described.

[비교예][Comparative example]

1. 수위 감지용 압력센서 모듈의 구성(도 7 참조)1. Configuration of the pressure sensor module for water level detection (see Fig. 7)

(1) 압력센서 - 실리콘 구조체(Silicon 열팽창률(TEC) : 3.0 x 10-6), 유리 구조체(Pyrex 7740 TEC : 3.25 x 10-6)(1) Pressure sensor-Silicon structure (Silicon thermal expansion coefficient (TEC): 3.0 x 10 -6 ), Glass structure (Pyrex 7740 TEC: 3.25 x 10 -6 )

(2) 세라믹 기판(Al2O3 TEC : 6.8 x 10-6)(2) Ceramic substrate (Al 2 O 3 TEC: 6.8 x 10 -6 )

(3) 회로기판(두산전자 7409 PCB, Tg : 170℃, TEC : 13~15 x 10-6)(3) Circuit board (Doosan Electronics 7409 PCB, Tg: 170℃, TEC: 13~15 x 10 -6 )

(4) 회로기판과의 접합방식(SMT Type)(4) Bonding method with circuit board (SMT Type)

2. 제1 실험방법 및 결론(도 8, 도 9 참조)2. The first experimental method and conclusion (see FIGS. 8 and 9)

도 7과 같이 구성된 수위 감지용 압력센서 모듈을 하우징에 접합한 상태에서 시간경과(Days)에 따른 압력센서의 수위 변화량(mmH2O)을 측정하였다. 도 8 및 도 9는 수위 감지용 압력센서 모듈을 하우징에 접합하는 접합제의 종류만을 달리하여 실험한 것이다. 도 8 및 도 9에서 알 수 있듯이, 시간이 경과함에 따라 응력 릴리즈(Release)로 초기 설정(Offset)값이 마이너스 값으로 떨어지는 경향이 발생하여, 정밀 수위측정이 불가능함을 확인하였다. The water level change amount (mmH 2 O) of the pressure sensor according to the time course (Days) in the state in which the pressure sensor module for detecting the water level configured as shown in FIG. 7 is bonded to the housing was measured. 8 and 9 are experiments by varying only the type of the bonding agent for bonding the pressure sensor module for water level sensing to the housing. As can be seen in FIGS. 8 and 9, it was confirmed that the precision level measurement is impossible due to the tendency of the initial value (Offset) falling to a negative value as a stress release over time.

3. 제2 실험방법 및 결론(도 10, 도 11 참조)3. The second experimental method and conclusion (see FIGS. 10 and 11)

도 7과 같이 구성된 수위 감지용 압력센서 모듈에 발생된 응력을 풀어주는 어닐링(Annealing) 열처리 공정(Annealing 공정 조건 : 180℃ 0.5hr + 150℃ 71.5hr)을 추가한 후 하우징에 접합한 상태에서 시간경과(Days)에 따른 압력센서의 수위 변화량(mmH2O)을 측정하였다. 도 10 및 도 11은 수위 감지용 압력센서 모듈을 하우징에 접합하는 접합제의 종류만을 달리하여 실험한 것이다. 도 10 및 도 11에서 알 수 있듯이, 도 8 및 도 9과 비슷한 경향으로 시간이 지남에 따라 마이너스 형으로 진행됨에 따라, 정밀 수위측정이 불가능함을 확인하였다.After adding the annealing heat treatment process (Annealing process condition: 180℃ 0.5hr + 150℃ 71.5hr) that releases the stress generated in the pressure sensor module for water level detection configured as shown in FIG. The change in water level (mmH 2 O) of the pressure sensor according to Days was measured. 10 and 11 are experiments by varying only the type of the bonding agent for bonding the pressure sensor module for water level sensing to the housing. As can be seen from FIGS. 10 and 11, it was confirmed that precision water level measurement is impossible as the progress toward the negative type with time tends to be similar to those of FIGS. 8 and 9.

4. 원인분석(도 12 참조)4. Cause analysis (see Fig. 12)

도 7과 같이 수위 감지용 압력센서 모듈을 구성할 경우, 초기 설정(Offset)값이 변경되는 원인을 분석하였다.When configuring the pressure sensor module for water level detection as shown in FIG. 7, the cause of the change in the initial setting value was analyzed.

도 7의 상태에서 솔더링 공정을 수행하면, (a)에서와 같이 세라믹 기판과 회로기판은 각자의 열팽창률(TEC)로 Solder melting 온도+α(≒260℃)까지 팽창한다. 그리고, (b)에서와 같이 Solder melting 후 냉각 과정에서, 회로기판의 상부는 Solder의 고체화 후 세라믹 기판의 수축율에 따라 덜 수축되는 반면에, 회로기판의 하부는 (c)에서와 같이 원래대로 수축된다. 이러한 회로기판의 상하부의 수축율 차이는 압력센서에 응력으로 작용하여 다이아프레임의 변형을 초래한다. 그런데, (d)에서와 같이 이 상태의 응력이 인가된 상태에서 압력센서의 초기 설정(Offset)값을 설정함에 따라, 도 8 내지 도 11에서와 같이 시간이 경과함에 따라 응력 릴리즈(Release)로 초기 설정(Offset)값이 마이너스 값으로 떨어지는 경향이 발생하는 것으로 판단된다. When the soldering process is performed in the state of FIG. 7, as shown in (a), the ceramic substrate and the circuit board expand to Solder melting temperature + α (≒260°C) at their respective thermal expansion coefficient (TEC). And, in the cooling process after solder melting as in (b), the upper portion of the circuit board shrinks less depending on the shrinkage rate of the ceramic substrate after solidification of the solder, while the lower portion of the circuit board contracts as in (c). do. The difference in the shrinkage ratio of the upper and lower parts of the circuit board acts as a stress on the pressure sensor, resulting in deformation of the diaframe. However, as shown in (d), as the initial setting (Offset) of the pressure sensor is set in a state in which the stress in this state is applied, as shown in FIGS. 8 to 11, the stress release (Release) over time It is judged that a tendency for the initial offset value to fall to a negative value occurs.

[발명예][Invention]

1. 수위 감지용 압력센서 모듈의 구성(도 2 참조)1. Configuration of the pressure sensor module for water level detection (see Fig. 2)

(1) 압력센서 - 비교예와 동일(1) Pressure sensor-same as the comparative example

(2) 응력 디커플링 구조체(도 13 및 도 14 참조)(2) Stress decoupling structure (see FIGS. 13 and 14)

(3) 회로기판 - 비교예와 동일(3) Circuit board-same as the comparative example

(4) 회로기판과의 접합방식(COB Type)(4) Bonding method with circuit board (COB Type)

(5) 발명예의 수위 감지용 압력센서 모듈(도 15 참조)(5) Pressure sensor module for detecting the water level of the invention example (see Fig. 15)

2. 실험방법 및 결론(도 16, 도 17 참조)2. Experimental method and conclusion (refer to FIGS. 16 and 17)

도 2 및 도 15과 같이 구성된 수위 감지용 압력센서 모듈에 대한 시간경과(Days)에 따른 압력센서의 수위 변화량(mmH2O)을 측정하였다. 도 16 및 도 17은 수위 감지용 압력센서 모듈을 대한 열처리 여부만을 달리하여 실험한 것이다(열처리 하지 않음 - 도 16, 열처리함 - 도 17). 도 16 및 도 17에서 알 수 있듯이, 시간이 경과하더라도 초기 설정(Offset)값의 변화가 거의 없어, 정밀 수위측정이 가능함을 확인하였다.The amount of change in water level (mmH 2 O) of the pressure sensor according to the time course (Days) of the pressure sensor module for detecting the water level configured as shown in FIGS. 2 and 15 was measured. 16 and 17 are experiments by varying only the heat treatment for the pressure sensor module for water level detection (no heat treatment-FIG. 16, heat treatment-FIG. 17). As can be seen from FIGS. 16 and 17, it was confirmed that even when the time elapsed, there was little change in the initial setting value, so that precise water level measurement was possible.

이상에서 이 발명의 수위 감지용 압력센서 모듈에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.In the above, the description of the pressure sensor module for detecting the water level of the present invention has been described together with the accompanying drawings, but this is an exemplary description of the best embodiment of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Examples or modifications will also fall within the scope of the claims of this invention.

200 : 압력센서 모듈 210 : 압력센서
211 : 실리콘 구조체 211a : 요홈
211b : 다이아프레임 212 : 전극패드
213 : 도전성 와이어 214 : 유리 구조체
214a : 홀 220 : 응력 디커플링 구조체
221 : 홀 222 : 응력 분산홈
223 : 테두리부 230 : 회로기판
231 : 집적회로 232 : 홀
240 : 전자부품 241 : 터미널
242 : 센서 구동회로 부품 250 : 하우징
251 : 홀 252 : 체결부 200: pressure sensor module 210: pressure sensor
211: silicon structure 211a: groove
211b: Dia frame 212: Electrode pad
213: conductive wire 214: glass structure
214a: hole 220: stress decoupling structure
221: hole 222: stress distribution groove
223: frame 230: circuit board
231: Integrated circuit 232: Hall
240: electronic component 241: terminal
242: sensor driving circuit component 250: housing
251: hole 252: fastener

Claims (5)

요홈 및 다이아프레임을 갖는 실리콘(Silicon) 구조체를 구비하는 압력센서와;
상기 압력센서의 하부에 접합되어 상기 압력센서에 전달되는 응력을 디커플링(Decoupling)하며, 상기 압력센서의 하부를 외측으로 노출시키는 홀을 갖는 응력 디커플링 구조체(Stress Decoupling Structure); 및
상기 압력센서와 전기적으로 연결되는 집적회로(Integrated Circuits)를 실장하여 상기 압력센서의 신호를 증폭 및 보정하고, 상기 응력 디커플링 구조체를 실장하며, 상기 응력 디커플링 구조체의 홀과 연통하는 홀을 갖는 회로기판을 포함하며,
상기 응력 디커플링 구조체는 상기 실리콘 구조체와 동일 재질인 실리콘(Silicon) 재질로 상기 압력센서의 하부면 보다 큰 표면적으로 구성되며, 상기 압력센서가 접합된 둘레를 따라 일정 깊이 및 폭의 응력 분산홈과, 상기 응력 분산홈의 외측에 형성되는 일정 폭의 테두리부를 갖는 것을 특징으로 하는 수위 감지용 압력센서 모듈. A pressure sensor including a silicon structure having a groove and a dia frame;
A stress decoupling structure having a hole bonded to the lower portion of the pressure sensor to decouple the stress transmitted to the pressure sensor, and having a hole exposing the lower portion of the pressure sensor to the outside; And
Integrated circuits electrically connected to the pressure sensor are mounted to amplify and correct the signal of the pressure sensor, to mount the stress decoupling structure, and to a circuit board having a hole in communication with the hole of the stress decoupling structure It includes,
The stress decoupling structure is made of silicon (Silicon), which is the same material as the silicon structure, and has a larger surface area than the lower surface of the pressure sensor. Pressure sensor module for water level sensing, characterized in that it has an edge portion of a certain width formed on the outside of the stress distribution groove. 청구항 1에 있어서,
상기 응력 디커플링 구조체는 표면이 정사각형 형태이면서 일정 두께와 폭을 갖는 사각면체 형상인 것을 특징으로 하는 수위 감지용 압력센서 모듈. The method according to claim 1,
The stress decoupling structure is a pressure sensor module for water level sensing, characterized in that the surface has a square shape and a quadrangular shape with a certain thickness and width. 청구항 1에 있어서,
상기 압력센서는 상기 실리콘 구조체의 하부에 접합되며 상기 실리콘 구조체의 다이아프레임을 외측으로 노출시키는 홀을 갖는 유리 구조체와, 상기 실리콘 구조체의 상면에 형성되는 다수개의 전극패드, 및 상기 다수개의 전극패드와 상기 집적회로를 각각 연결되는 다수개의 도전성 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 감지용 압력센서 모듈. The method according to claim 1,
The pressure sensor is bonded to the lower portion of the silicon structure and has a glass structure having a hole exposing the dia frame of the silicon structure, a plurality of electrode pads formed on the upper surface of the silicon structure, and the plurality of electrode pads Pressure sensor module for detecting the water level, characterized in that it comprises a plurality of conductive wires that are respectively connected to the integrated circuit. 청구항 1에 있어서,
상기 회로기판의 상하부에 실장되는 전자부품을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 감지용 압력센서 모듈. The method according to claim 1,
Pressure sensor module for water level sensing, characterized in that it further comprises an electronic component mounted on the upper and lower parts of the circuit board. 청구항 4에 있어서,
각 부품들이 실장된 상기 회로기판을 수용하며 상기 회로기판의 홀과 연통하는 홀을 갖는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 감지용 압력센서 모듈. The method according to claim 4,
Pressure sensor module for detecting the water level, characterized in that it further comprises a housing having a hole in communication with the hole of the circuit board and accommodates the circuit board where each component is mounted.
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