KR20010105084A - A method for fabricting high temperature thin film strain gage for pressure sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 900℃의 고온에서 사용할 수 있도록 한 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 Ni를 베이스로하는 수퍼얼로이로 일정두께를 갖는 기판을 형성하는 공정과, 상기 기판상에 부착력을 향상시키기 위해 NiCoCrAlY합금을 증착하여 NiCoCrAlY층을 형성하는 공정과, 상기 NiCoCrAlY층상에 전기적으로 절연을 하기 위해 절연물질을 사용하여 절연층을 형성하는 공정과, 상기 절연층상에 금속을 증착하고 포토리소그래피 공정을 사용해 여러 모양으로 패터닝하여 박막 스트레인 게이지를 형성하는 공정과, 상기 박막 스트레인 게이지를 외부와 전기적으로 접속하기 위해 그 양단에 백금을 증착하고 패터닝하여 백금 패드를 형성하는 공정과, 상기 스트레인 게이지 및 백금 패드층을 포함한 기판 전면에 보호막을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.The present invention relates to a method of manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer that can be used at a high temperature of 900 ℃, this invention is to form a substrate having a constant thickness with a Ni-based superloy Forming a NiCoCrAlY layer by depositing a NiCoCrAlY alloy to improve adhesion on the substrate, and forming an insulating layer using an insulating material to electrically insulate the NiCoCrAlY layer; Depositing metal on the layer and patterning it into various shapes using a photolithography process to form a thin film strain gauge; and depositing and patterning platinum on both ends of the thin film strain gauge to electrically connect the thin film strain gauge to form a platinum pad. And a front surface of the substrate including the strain gauge and the platinum pad layer. It comprises a step of forming a protective film.
Description
본 발명은 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 900℃의 고온에서 사용할 수 있도록 한 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer, and more particularly, to a method for manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for use in a high temperature of 900 ℃.
일반적으로, 스트레인 게이지(변형 게이지)는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압저항 효과를 이용한 것으로, 용도로서는 하중, 압력, 토크(torque), 기타 실응력의 측정에 각 분야에서 사용되고 있다.In general, strain gages (strain gages) utilize the piezoresistive effect of changing the resistance value when a resistance is applied to a metal or semiconductor resistor, and is used for measuring load, pressure, torque, and other actual stresses. It is used in each field.
초기의 금속 박막 스트레인 게이지는 단순한 응력 측정 수단으로 사용되었으나, 현재는 재료, 구조물의 응력, 힘, 변형, 압력, 변위 등 외력에 의한 변화를 측정할 뿐만 아니라, 공업 프로세스에서 제조 공정 자동화 기기에도 널리 응용되고 있으며, 스트레인 게이지를 이용한 각종 계측기도 수백 종류에 달하고 있다.Early metal thin film strain gauges were used as a simple means of measuring stress, but now they are not only used to measure changes caused by external forces such as stresses, forces, deformations, pressures, and displacements of materials and structures, but also widely used in manufacturing process automation equipment in industrial processes. There are hundreds of different types of instruments using strain gauges.
특히, 금속 박막 스트레인 게이지는 소형이면서 내구성과 정밀도가 우수하고 측정 범위가 넓어 고하중, 고압력 측정용 트랜스듀스로 사용되고 있으며, 최근에는 반도체 집적회로와 컴퓨터 기술의 진보에 힘입어 고감도, 초소형, 저가격의 스트레인 게이지의 제작이 가능하게 되어 그 응용 범위가 전 산업 뿐만 아니라 가전 분야로 까지 확대되고 있는 추세에 있고, 이에 따라 다양한 스트레인 게이지가 개발되고 있다.In particular, the metal thin-film strain gauge is used as a transducer for high load and high pressure measurement due to its small size, excellent durability, high accuracy, and wide measurement range, and recently, thanks to advances in semiconductor integrated circuits and computer technology, As the strain gauge can be manufactured, its application range is expanding not only to all industries but also to the home appliance field, and thus, various strain gauges are being developed.
이와 같이, 스트레인 게이지는 역학 센서 분야의 핵심기술임에도 불구하고, 수입에 의존하고 있어 국내외 시장 현황과 스트레인 게이지의 중요성에 비추어 볼 때, 박막 스트레인 게이지의 국산화는 매우 시급한 실정이다.As such, although strain gages are a core technology in the field of mechanical sensors, they are dependent on imports, and localization of thin film strain gages is very urgent in view of domestic and foreign market conditions and the importance of strain gages.
특히, 고온에서 사용할 수 있는 박막 스트레인 게이지의 개발은 전 세계적으로 아직 연구개발 단계에 있다.In particular, the development of thin film strain gauges that can be used at high temperatures is still in the research and development stage worldwide.
도 1은 일반적인 금속 박막 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a general metal thin film strain gauge.
도 1에 도시된 바와 같이, 일측의 표면이 경면처리된 스테인리스 다이어프램(10)과, 상기 스테인리스 다이어프램(10)의 상면에 증착된 폴리이미드(14)와, 이 폴리이미드(14) 상면에 Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성된 스트레인 게이지(12)와, 이 스트레인 게이지(12)에서 연장되어 일정형상을 갖고 양측으로 형성된 전극 접촉부(18)와, 보호막(20)으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, a stainless steel diaphragm 10 having one surface of which is mirror-polished, a polyimide 14 deposited on an upper surface of the stainless diaphragm 10, and a Cu− on an upper surface of the polyimide 14. It consists of a strain gauge 12 having a composition of Ni and a pattern formed in a constant shape, an electrode contact portion 18 extending from the strain gauge 12 and having a predetermined shape and formed on both sides, and a protective film 20.
이와 같이 구성된 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.The manufacturing method of the metal thin film strain gauge configured as described above is as follows.
먼저, 스테인리스 다이어프램(10)의 상면에 상기 폴리이미드(14)를 적층하여증착시키고 이어서, Cu-Ni의 조성을 갖고 일정형상의 패턴이 형성되며 일단의 양측에 전극 접촉부(18)가 형성된 스트레인 게이지(12)를 포토 에칭에 의해 형성하고, 보호막(20)을 형성하여 그 조립을 완료하게 된다.First, the polyimide 14 is laminated on the upper surface of the stainless diaphragm 10 and deposited. Then, a strain gauge having a composition of Cu-Ni and a predetermined pattern is formed, and electrode contact portions 18 are formed at both ends of the strain gauge ( 12) is formed by photo etching, and the protective film 20 is formed to complete the assembly thereof.
또한, 상기 Cu-Ni합금의 스트레인 게이지 대신에 FeCrAl합금을 이용한 박 게이지(foil gage)가 주로 사용 될 경우도 있다.In addition, a foil gage using a FeCrAl alloy may be mainly used instead of the strain gauge of the Cu—Ni alloy.
그러나, 상기 박 게이지는 센서의 특성이 불균일하고, 고온용 세멘트(cement)를 사용해 측정대상에 접착해야 되기 때문에 장기 안정성과 신뢰성이 나쁘며, 또 상기 공정을 수작업으로 해야하기 때문에 제품의 단가가 올라가는 문제점이 있었다.However, the foil gauge has a problem in that the characteristics of the sensor are uneven and the long-term stability and reliability are bad because it must be adhered to the measurement object using a cement for high temperature, and the cost of the product increases because the process must be performed manually. There was this.
본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 본 발명의 목적은, 전 공정을 박막화함으로써 제품의 균일성을 기하고 고온용 세멘트 접착과정을 생략하여 센서의 장기 안정성과 신뢰성을 향상시킴과 아울러 저가격화를 달성할 수 있도록 한 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법을 제공함에 있다.The present invention has been made in order to solve the above problems according to the prior art, the object of the present invention is to reduce the uniformity of the product by thinning the entire process and to omit the high temperature cement bonding process to improve the long-term stability and reliability of the sensor The present invention provides a method of manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer to improve the cost and to achieve a low price.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법의 특징은, Ni를 베이스로하는 수퍼얼로이로 일정두께를 갖는 기판을 형성하는 공정과, 상기 기판상에 부착력을 향상시키기 위해 NiCoCrAlY합금을 증착하여 NiCoCrAlY층을 형성하는 공정과, 상기 NiCoCrAlY층상에 전기적으로 절연을 하기 위해 절연물질을 사용하여 절연층을 형성하는 공정과, 상기 절연층상에 금속을 증착하고 포토리소그래피 공정을 사용해 여러 모양으로 패터닝하여 박막 스트레인 게이지를 형성하는 공정과, 상기 박막 스트레인 게이지를 외부와 전기적으로 접속하기 위해 그 양단에 백금을 증착하고 패터닝하여 백금 패드를 형성하는 공정과, 상기 스트레인 게이지 및 백금 패드층을 포함한 기판 전면에 보호막을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, there is provided a method of manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer according to the present invention, the process of forming a substrate having a constant thickness with a Ni-based superalloy, and the substrate Forming a NiCoCrAlY layer by depositing a NiCoCrAlY alloy to improve adhesion to the substrate, forming an insulating layer using an insulating material to electrically insulate the NiCoCrAlY layer, and depositing a metal on the insulating layer And forming a thin film strain gauge by patterning it into various shapes using a photolithography process, depositing and patterning platinum at both ends thereof to electrically connect the thin film strain gauge to the outside, and forming a platinum pad; Process of forming a protective film on the entire surface of the substrate including strain gauge and platinum pad layer It comprise.
도 1은 일반적인 스트레인 게이지의 구조를 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing the structure of a general strain gauge,
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법을 도시한 공정단면도,2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 스트레인 게이지 저항의 온도계수를 나타낸 도면,3 is a view showing the temperature coefficient of the strain gauge resistance according to the present invention,
도 4는 800℃에서 측정한 출력 특성을 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing output characteristics measured at 800 ° C.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
30 : 기판, 32 : NiCoCrAlY층,30: substrate, 32: NiCoCrAlY layer,
34 : 절연층, 36 : 스트레인 게이지,34: insulation layer, 36: strain gauge,
38 : 백금 패드, 40 : 보호막.38: platinum pad, 40: protective film.
이하, 본 발명에 따른 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of a method for manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer according to the present invention.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a high temperature metal thin film strain gauge for a pressure transducer according to the present invention.
본 발명에 따른 압력변환기를 위한 고온용 금속 박막 스트레인 게이지의 제조방법을 설명하면, 도 2a에 도시된 바와 같이 Ni를 베이스로하는 수퍼얼로이(superalloy)로 일정두께를 갖는 기판(30)을 형성한다.Referring to the manufacturing method of the high temperature metal thin film strain gauge for the pressure transducer according to the present invention, as shown in Figure 2a to form a substrate 30 having a predetermined thickness with a superalloy (superalloy) based on Ni do.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 기판(30)상에 부착력을 향상시키기 위해 NiCoCrAlY합금을 증착하여 NiCoCrAlY층(32)을 형성한다.As shown in FIG. 2B, a NiCoCrAlY alloy is deposited on the substrate 30 to form an NiCoCrAlY layer 32.
이어, 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 NiCoCrAlY층(32)상에 전기적으로 절연을 하기 위해 절연물질을 사용하여 절연층(34)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, the insulating layer 34 is formed using an insulating material to electrically insulate the NiCoCrAlY layer 32.
이때, 상기 절연층(34)으로 사용되는 절연물질은 Al2O3이다.At this time, the insulating material used as the insulating layer 34 is Al 2 O 3 .
그리고, 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 절연층(34)상에 FeCrAl, NiCr, Ta등의 3종류의 금속을 증착하고 포토리소그래피 공정을 사용해 여러 모양으로 패터닝하여 박막 스트레인 게이지(36)를 형성한다.As shown in FIG. 2D, three types of metals, such as FeCrAl, NiCr, and Ta, are deposited on the insulating layer 34 and patterned into various shapes using a photolithography process to form a thin film strain gauge 36. .
이어, 도 2e에 도시된 바와 같이 상기 박막 스트레인 게이지(36)를 외부와 전기적으로 접속하기 위해 그 양단에 백금을 증착하고 패터닝하여 백금 패드(38)를 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2E, platinum is deposited and patterned at both ends of the thin film strain gauge 36 to electrically connect the outside to form a platinum pad 38.
그 다음으로 스트레인 게이지(36) 및 백금 패드(38)를 포함한 기판(30) 전면에 보호막(40)을 형성한다.Next, the protective film 40 is formed on the entire surface of the substrate 30 including the strain gauge 36 and the platinum pad 38.
상기 보호막(40)은 스트레인 게이지(36)를 외부의 기계적 또는 환경적 영향으로부터 보호하기 위한 것이다.The protective film 40 is to protect the strain gauge 36 from external mechanical or environmental influences.
상기 보호막(40)의 보호물질은 SiO2또는 Al2O3이다.The protective material of the protective film 40 is SiO 2 or Al 2 O 3 .
도 3은 본 발명에 따른 스트레인 게이지 저항의 온도계수를 나타낸 것으로서, 온도가 증가함에 따라 상기 스트레인 게이지의 저항값이 증가하는 것으로 관찰 할 수 있다.Figure 3 shows the temperature coefficient of the strain gauge resistance according to the present invention, it can be observed that the resistance value of the strain gauge increases with increasing temperature.
예를들어, 온도가 약 100℃이면 스트레인 게이지의 저항 변화는 약 2.5％이고, 온도가 약 500℃이면 스트레인 게이지의 저항 변화는 약 10％이며, 온도가 약 800℃이면 스트레인 게이지의 저항 변화는 약 15％이다.For example, if the temperature is about 100 ° C, the strain gauge's resistance change is about 2.5%, if the temperature is about 500 ° C, the strain gauge's resistance change is about 10%, and if the temperature is about 800 ° C, the strain gauge's resistance change is About 15%.
한편, 도 4는 800℃에서 측정한 출력 특성(스트레인 게이지의 저항과 압력 변화의 관계)을 나타낸 것으로서, 압력이 약 10(kgf/㎠)이면 저항값은 약 12.5 ×10-4이고, 압력이 약 20(kgf/㎠)이면 저항값은 약 25 ×10-4이며, 압력이 약 50(kgf/㎠)이면 저항값은 약 60 ×10-4이다.On the other hand, Figure 4 shows the output characteristics (relationship between the strain gauge resistance and the pressure change) measured at 800 ℃, if the pressure is about 10 (kgf / ㎠), the resistance value is about 12.5 × 10 -4 , the pressure is At about 20 (kgf / cm 2), the resistance value is about 25 × 10 −4 , and when the pressure is about 50 (kgf / cm 2), the resistance value is about 60 × 10 −4 .
여기서, 상기 스트레인 게이지는 고온에서도 매우 우수한 직선성과 반복성을 보여주고 있다.Here, the strain gauge shows very good linearity and repeatability even at high temperatures.
이상에서 상기한 바와 같이 본 발명은 전 공정의 박막화로 균일한 특성을 갖는 스트레인 게이지의 대량 생산에 적합하고, 저가격화의 실현이 가능하다.As described above, the present invention is suitable for mass production of strain gauges having uniform characteristics by thinning of the whole process, and it is possible to realize low cost.
또한, 세멘트를 사용하지 않으므로 센서 특성의 장기 안정성 확보와 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.In addition, since no cement is used, long-term stability and reliability of sensor characteristics can be greatly improved.
그리고, 제품 가격의 가장 큰 비중을 차지하는 수작업 접착 공정을 제거함으로써 저가격화를 실현 할 수 있는 효과가 있다.And, by eliminating the manual bonding process, which takes the largest proportion of the product price, there is an effect that can be lowered.
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Cited By (1)
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2000
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| WO2019039921A1 (en) * | 2017-08-24 | 2019-02-28 | 인제대학교 산학협력단 | Pressure sensor using amorphous alloy |
| KR20190022415A (en) | 2017-08-24 | 2019-03-06 | 인제대학교 산학협력단 | Pressure sensor which uses amorphous alloy |
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