KR20070096656A - 선형보정 마이크로 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형보정 마이크로 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유연성을 갖는 다이어프램 상부에 형성되어 압력에 의해 탄성변형되는 금속박막과, 중심부로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되 상단웨이퍼의 하단면 중앙부에 증착 고정되는 저항체와의 접촉에 의한 전기 저항 변화를 이용하여 압력을 검출함은 물론, 저항체의 박막 두께는 일정하되 부분별 단면적을 보정하여 곡선의 만곡도를 조절함으로써 출력전류값의 선형화를 도모하는 새로운 측정원리의 제안을 통해, 기존의 반도체 압력센서를 대체하여 원천기술을 확보할 수 있는 선형보정 마이크로 압력센서에 관한 것이다.

압력, 센서, 챔버, 다이어프램, 실리콘, 글래스, 웨이퍼, 금속박막, 저항체

Description

선형보정 마이크로 압력센서{Linearity-Compensated Micro Pressure Sensor}

도 1은 본 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서를 나타낸 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서에 압력이 도입된 상태를 나타낸 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 저항체로 구성된 선형보정 마이크로 압력센서를 나타낸 회로도이고,

도 4는 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서의 접촉해석모델 및 조건을 나타낸 단면도이고,

도 5는 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서에 있어서 접촉해석모델의 다이어프램 접촉변형모습을 나타낸 사시도이고,

도 6은 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서의 시뮬레이션 결과로서 인가압력 및 다이어프램과 상단웨이퍼의 접촉반경을 나타낸 그래프이고,

도 7은 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서의 시뮬레이션 결과로서 인가압력에 대한 출력특성의 선형보정을 위해서 접촉반경의 미분값으로부터 구해진 저항체의 형상을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 상단웨이퍼 2: 하단웨이퍼

3: 상부챔버 5: 다이어프램

6: 금속박막 7: 저항체

8: 기준체 9: 전극

21: 전원부

본 발명은 선형보정 마이크로 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유연성을 갖는 다이어프램 상부에 형성되어 압력에 의해 탄성변형되는 금속박막과, 중심부로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되 상단웨이퍼의 하단면 중앙부에 증착 고정되는 저항체와의 접촉에 의한 전기 저항 변화를 이용하여 압력을 검출함은 물론, 저항체의 박막 두께는 일정하되 부분별 단면적을 보정하여 곡선의 만곡도를 조절함으로써 출력전류값의 선형화를 도모하는 새로운 측정원리의 제안을 통해, 기존의 반도체 압력센서를 대체하여 원천기술을 확보할 수 있는 선형보정 마이크로 압력센서에 관한 것이다.

최근 마이크로프로세서 분야와 로봇 산업의 발달과 더불어 여러 산업계의 시스템 운용이 자동화 추세로 진전됨에 따라 보다 더 효율적인 제어를 위하여 감지부의 고감도화를 수반하는 고성능화가 필수적인 요소로 대두되고 있다.

상기중 프로세스 또는 시스템에서 기체나 액체의 압력을 측정하는 소자로써 공업계측, 의료, 자동차 엔진제어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고 관성센서와 더불어서 가장 폭넓게 사용되는 압력센서가 그 예라고 할 수 있다. 압력센서의 측정원리는 변위, 변형, 자기-열전도율, 진동수 등을 이용하는 것으로 현재 많은 종류가 실용화되어 사용되고 있다. 특히, 압력에 의해서 형상이 변화하는 다이어프램을 응용한 것이 많고, 금속 다이어프램 표면에 스트레인게이지를 부착시켜 저항치의 변화를 검출하는 방법, 다이어프램과 다른 전극 사이의 용량변화를 검출하는 방법, 다이어프램과 압저항게이지를 실리콘으로 일괄성형하는 방법 등이 있다.

기존에는 금속관이나 다이어프램의 압력에 의한 변위를 저항, 자기, 용량 등으로 변화시켜 전기신호로 변환하는 기계식 및 전자식 압력센서가 많이 사용되었으나, 최근에는 반도체 기술과 박막기술 등의 발전으로 가격대비 성능이 크게 향상되었으며 반도체 다이어프램이 안정적으로 생산될 수 있도록 되었다.

그 가운데에서도 특히 실리콘 압력센서는 반도체 제조기술의 급진적인 발전으로 소형화, 고성능화 및 대량생산이 가능하게 되어 가전제품을 비롯한 자동차, 생체공학용 의료기기, 환경제어와 산업체 대규모 시스템 제어에 이르기까지 광범위한 분야에 응용되고 있다.

또한, 현재까지 압저항 효과를 이용하여 제품화가 용이한 압저항용 압력센서가 보편적으로 이용되고 있으나, 압저항용 압력센서의 경우 인가압력에 따른 압력강도가 낮고 온도 드리프트의 영향이 크다는 문제점이 있다. 따라서, 고감도 및 온 도의존성이 낮고 소비전력이 작은 용량형 압력센서로의 대체가 시급한 실정이다.

그에 반해, 반도체압력센서는, 실리콘 등의 반도체결정에 기계적 응력이 가해지면, 피에조저항효과에 의해 큰 저항변화를 하는 것에 착안해서 개발된 것으로서, 일반적으로는, 실리콘단결정체의 표면층에 변형게이지 저항체를 확산형성하고, 이 변형게이지 저항체 4개로 휘스톤 브리지를 형성시키고, 에칭에 의해 실리콘단결정체의 이면에 오목부를 형성하고, 얇은 부분을 다이어프램으로 하고, 표면의 적소에 전극을 배치한 것이다. 그리하여, 반도체압력센서에 압력이 가해졌을 경우에, 다이어프램이 변형하고, 변형게이지저항체의 저항치가 피에조저항 효과에 의해, 크게 변화하여, 압력에 비례한 브리지출력을 얻을 수 있다.

상기한 반도체센서는 매우 작으며, 특히 의료용에 있어서는, 카테테르의 선단에 복수개의 반도체압력센서를 부착하여 체내에 삽입하므로, 온도보상회로 및 압력감도보상회로 등의 주변회로를 짜 넣은 것이라도, 1 칩의 1 변이 1mm 정도 이하의 작은 것으로 할 필요가 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 매우 작은 반도체압력센서의 표면으로부터 다이어프램에 압력을 가함과 동시에, 반도체압력센서의 전극과 측정 프로브를 접촉시켜서 브리지출력의 측정을 행하는 것은 매우 곤란하다.

이 때문에, 종래에 있어서, 반도체압력센서를 웨이퍼프로세스에 있어서 측정하는 방법은, 반도체압력센서의 웨이퍼를 웨이퍼스테이지대위에 재배치하고, 압력을 가하지 않고, 웨이퍼의 표면에 만들어 넣어진 전극과 측정용의 프로브를 접촉시켜서, 전기적으로만 측정을 행하는 것이었다.

상기한 방법에서는, 다이어프램에 압력을 가한 상태에서의 측정을 행하고 있지 않기 때문에, 이온다져넣기, 애칭프로세스등의 프로세스에 의해 각 반도체압력센서에 형성되는 다이어프램의 두께 및 균일성에 근소한 불균일이 있어, 실제적으로 가해지는 압력에 대한 다이어프램의 변형 정도에 근소한 불균일이 발생하여, 정밀도 높은 측정을 행할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또, 이 불균일을 방지하기 위하여, 웨이퍼를 잘라낸 후, 1 칩마다 다이어프램에 압력을 가해서 압력감도의 측정을 행하는 것은, 상기한 바와 같이 칩사이즈가 작으므로, 실제적 문제로서 불가능하고, 근소한 불균일을 허용한 상태에서 사용하지 않을 수 없다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 센서칩을 패키지에 실장한 후, 압력감도를 측정하는 것을 생각할 수 있으나, 소기의 압력감도를 가지고 있지 않은 것에 대해서는, 패키지를 포함해서 폐기하지 않으면 안 되어, 다대한 비용의 낭비가 된다고 하는 문제점이 있었다.

그로 인해, 국내의 압력센서 시장은 선진국에 비해 열악한 실정으로 대부분의 생산업체가 기계식 압력센서에 편중되어 있으며 일부업체에서만 전자식 몇 반도체형 압력센서에 대한 국산화를 추진하고 있지만, 전자식은 80%를 수입에 의존하고 있으며 반도체형 압력센서는 전량수입에 의존하고 있다고 할 수 있다.

또한, 반도체 기술을 이용한 압력센서는 기존의 센서와 비교해서 소형화할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 신호가 미약하기 때문에 신호증폭과 노이즈제거를 위한 신호처리기술 및 회로기술이 중요하고, 미세한 소자를 기판 및 프레임 등에 실장 시킬 때에 다이어프램에 응력변형이 생기지 않도록 하는 세심한 실장기술이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유연성을 갖는 다이어프램 상부에 형성되어 압력에 의해 탄성변형되는 금속박막과, 중심부로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되 상단웨이퍼의 하단면 중앙부에 증착 고정되는 저항체와의 접촉에 의한 전기 저항 변화를 이용하여 압력을 검출할 수 있음은 물론, 저항체의 박막 두께는 일정하되 부분별 단면적을 보정하여 곡선의 만곡도를 조절함으로써 출력전류값의 선형화를 도모하는, 새로운 측정원리의 제안을 통해, 기존의 반도체 압력센서를 대체하여 원천기술을 확보할 수 있는 선형보정 마이크로 압력센서를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

본 발명에 따른 실시예는 유연성을 갖는 다이어프램과; 상기 다이어프램의 일측에 상부가 개구된 단면을 갖는 상부챔버를 형성하는 하단웨이퍼와; 상기 다이어프램의 대향측에 형성되어, 상기 상부챔버를 밀폐하도록 상기 하단웨이퍼의 상면에 결합되는 상단웨이퍼와; 상기 다이어프램의 상면에 증착되는 금속박막과; 상기 상단웨이퍼의 하단면 중앙부에 고착되는 기준체와; 상기 기준체로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되, 상기 기준체를 기준으로 양측이 대향되며 상기 상단웨이퍼 하단면에 고착되는 다수개의 저항체와; 상기 기준체 및 저항체의 일측에 형성되는 다수개의 전극과; 상기 전극을 전기적으로 연결하는 리드선으 로 구성되는 전원부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서에 압력이 도입된 상태를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 저항체로 구성된 선형보정 마이크로 압력센서를 나타낸 회로도이고, 도 4는 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서의 접촉해석모델 및 조건을 나타낸 단면도이고, 도 5는 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서에 있어서 접촉해석모델의 다이어프램 접촉변형모습을 나타낸 사시도이고, 도 6은 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서의 시뮬레이션 결과로서 인가압력 및 다이어프램과 상단웨이퍼의 접촉반경을 나타낸 그래프이고, 도 7은 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서의 시뮬레이션 결과로서 인가압력에 대한 출력특성의 선형보정을 위해서 접촉반경의 미분값으로부터 구해진 저항체의 형상을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서(100)는 유연성을 갖는 다이어프램(5) 상부에 형성되어 압력에 의해 탄성변형되는 금속박막(6)과, 중심부로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되, 상단웨 이퍼(1)의 하단면 중앙부에 증착 고정되는 저항체(7)와의 접촉에 의한 전기 저항 변화를 이용하여 압력을 검출하는 장치이며, 다이어프램(5), 하단웨이퍼(2), 상단웨이퍼(1), 금속박막(6), 기준체(8), 저항체(7), 전극(9), 전원부(21)를 포함한다.

상기 다이어프램(5)은 일정두께로 에칭된 실리콘 박막위에 알루미늄 등과 같은 전도성 금속박막(6)을 증착하여 형성된다.

상기 하단웨이퍼(2)는 실리콘 소재로서, 상기 다이어프램(5)의 측면을 지지하며, 상기 다이어프램(5)의 상면에는 상부가 개구된 단면형상을 갖는 상부챔버(3)와, 하면에는 상기 상부챔버(3)와 대향하며 하부가 개구된 단면형상을 갖는 압력도입챔버(4)로 구성된다. 상기 압력도입챔버(4)로부터 압력이 도입되며, 도입된 압력에 의해 전도성 및 유연성을 갖는 상기 다이어프램(5)이 변형하게 된다.

상기 상단웨이퍼(1)는 파이렉스 글래스 소재로서, 상기 다이어프램(5)의 대향측에 형성되어, 상기 하단웨이퍼(2)의 상부챔버(3)측을 밀폐하기 위해 상기 하단웨이퍼(2)의 상단면에 양극접합 등을 통해서 결합된다.

상기 금속박막(6)은 전도성을 가지며, 상기 다이어프램(5)의 상면에 증착 고정되어 상기 압력도입챔버(4)로부터 유입된 압력에 의해 다이어프램(5)과 함께 변형하게 된다.

상기 기준체(8)는 상단웨이퍼(1) 이면에 증착되며, 일측에 전극(9)을 형성한다.

상기 저항체(7)는 ITO (Indium Tin Oxide) 소재로 형성되며, 상기 기준체(8)를 기준으로 양측으로 대향되며 형성되되, 일단에는 전극(9)을 형성하고 타단은 상 기 기준체(8)에 결합되며 상기 상단웨이퍼(1) 이면에 증착된다.

이때, 증착되는 상기 저항체(7)는 기준체(8)로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡진 형상을 하게 된다.

상기 전극(9)은 상기 저항체(7) 일단에 각각 형성되고, 상기 다수개의 저항체(7)를 연결하는 상기 기준체(8)의 일단에 형성된다.

상기 전원부(21)는 일단에 전극(9)을 형성하는 저항체(7) 및 기준체(8)를 리드선(20)을 이용하여 전기적으로 연결되도록 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 선형보정 마이크로 압력센서(100)에 있어서 실행한 접촉해석은 도 4 내지 도 6과 도 7에 나타나 있는데, 도 4는 화살표 방향으로 압력이 도입될 때의 해석모델 및 조건을 나타낸 것이다. 도 5는 압력에 의해 다이어프램과 금속박막이 접촉되었을시 다이어프램 변형 모습을 나타낸 도면이다. 도 6은 인가압력 및 다이어프램과 상단웨이퍼의 접촉반경 간의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 7은 인가압력 및 출력특성의 선형보정을 위해서 접촉반경의 미분값으로부터 구해진 저항체의 형상을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 상기와 같은 구성 및 구조를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예의 작용 및 원리를 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 일실시예의 선형보정 마이크로 압력센서(100)는 하단웨이퍼(2)의 압력도입챔버(4)로부터 압력이 도입되면 유연성을 갖는 다이어프램(5)이 상기 압력에 의해 상단웨이퍼(1) 측으로 휘어지게 되고, 상기 다이어프램(5)의 상면 에 증착된 금속박막(6)도 동시에 휘어지게 된다.

휘어진 상기 금속박막(6)은 밀폐된 상기 하단웨이퍼(2)의 상부챔버(3)내에서 상기 상단웨이퍼(1) 하단면 중앙부로 단면적이 커지도록 관곡지게 형성되어 증착되되, 기준체(8)를 기준하여 양측으로 대향 형성되는 저항체(7)에 접촉하게 된다.

상기 기준체(8)는 저항체(7)의 일단을 각각 결합하되, 타단에는 전극(9)을 형성하며, 상기 저항체(7) 또한 타단에 전극(9)을 형성하여 리드선(20)으로 전원부(21)에 전기적으로 상호 연결된다.

즉, 도입된 압력이 상기 기준체(8)를 기준으로 양측에 형성된 저항체(7)의 접촉부분에, 다이어프램(5)의 상단에 증착된 금속박막(6)을 접촉시켜 가변 저항값을 변화시킴으로써 압력을 측정할 수 있게 한 것이다.

또한, 저항체(7)가 구간별 일정한 값을 가지면 비선형 출력을 발생하는 출력특성의 단점을 저항체(7)의 면적을 보정함으로써 선형화하고, 저항체(7)의 곡선 만곡도를 조절함으로써 출력전류값의 선형화를 도모할 수 있는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 압력에 의해 탄성변형된 다이어프램 상부에 형성된 금속박막과, 중심부로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되 상단웨이퍼의 하단면 중앙부에 증착 고정되는 저항체와의 접촉에 의한 전기 저항 변화를 이용하여 압력을 검출함은 물론, 저항체의 박막 두께는 일정하되 부분별 단면적을 보정하여 곡선의 만곡도를 조절함으로써 출력전류값의 선형 화를 도모하는 새로운 측정원리의 제안을 통해, 기존의 반도체 압력센서의 대체 원천기술을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 유연성을 갖는 다이어프램(5)과;

   상기 다이어프램(5)의 일측에 상부가 개구된 단면을 갖는 상부챔버(3)를 형성하는 하단웨이퍼(2)와;

   상기 다이어프램(5)의 대향측에 형성되어, 상기 상부챔버(3)를 밀폐하도록 상기 하단웨이퍼(2)의 상면에 결합되는 상단웨이퍼(1)와;

   상기 다이어프램(5)의 상면에 증착되는 금속박막(6)과;

   상기 상단웨이퍼(1)의 하단면 중앙부에 고착되는 기준체(8)와;

   상기 기준체(8)로 갈수록 단면적이 커지도록 길이방향으로 만곡지게 형성되되, 상기 기준체(8)를 기준으로 양측이 대향되며 상기 상단웨이퍼(1) 하단면에 고착되는 다수개의 저항체(7)와;

   상기 기준체(8) 및 저항체(7)의 일측에 형성되는 다수개의 전극(9)과;

   상기 전극(9)을 전기적으로 연결하는 리드선(20)으로 구성되는 전원부(21);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형보정 마이크로 압력센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 저항체(7)는 ITO 소재인 것을 특징으로 하는 선형보정 마이크로 압력센서.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상단웨이퍼(1)는 파이렉스 글래스 소재인 것을 특징으로 하는 선형보정 마이크로 압력센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 저항체(7)는 곡선의 만곡도를 조절하여 출력전류값의 선형화를 이루는 것을 특징으로 하는 선형보정 마이크로 압력센서.

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