KR20110121137A

KR20110121137A - 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서

Info

Publication number: KR20110121137A
Application number: KR1020100040592A
Authority: KR
Inventors: 오재근
Original assignee: (주)코아칩스
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-07
Also published as: KR101181509B1

Abstract

본 발명은 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서에 관한 것으로, 기판과; 상기 기판과의 사이에 일측방에 형성된 개구를 통해 외부와 연통된 외압실을 형성하며 상기 기판의 상부에 마련되는 제1박막과; 상기 제1박막의 상부에 소정거리로 이격된 제2박막과, 상기 제2박막의 중앙일측에서 하부로 연장되어 상기 제1박막의 상부면에 배향 접촉되는 돌출부와, 상기 제2박막을 상기 제1박막의 상부에 지지하는 지지부를 갖는 배향지지체와; 상기 기판의 상부에 상기 외압실 내부에 대응하여 마련된 하부전극과; 상기 제1박막에 전기적으로 연결된 상부전극;을 포함하여, 상기 개구를 통해 상기 외압실로 외압이 유입되는 경우, 상기 제1박막이 탄성변형되면서 상기 제1박막과 상기 돌출부가 접촉된 면적에 따라 상기 상부전극 및 하부전극의 정전용량이 변하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 접촉 거동 구조를 개선함으로써 접촉 계면의 상태에 따른 압력 감지 성능의 변동을 최소화 할 수 있으며, 압력의 유입 방향과 박막의 거동방향을 달리 함으로써 구조적으로 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서{BACK TOUCH TYPE CAPACITIVE PRESSURE SENSOR}

본 발명은 정전용량형 압력센서에 관한 것으로 특히, 일반적인 접촉형 압력센서와 달리 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.

압력센서는 프로세스 또는 시스템에서 절대압 또는 상대압을 측정하는 소자로서, 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔진제어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고 가장 폭넓게 사용하는 센서 중의 하나이다.

최근에는 반도체기술과 마이크로머시닝 기술의 발전으로 보다 소형화되고 복합화된 반도체 압력센서에 대한 관심이 높아지고 있는데, 반도체 압력센서는 크리프현상이 없고 직선성이 우수하며, 소형/경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이다.

반도체 압력센서는 왜(歪)응력으로 변환하는 다이어프램(Diaphragm, 박막)과 다이어프램에서 발생하는 동력을 전기신호로 변환하는 두 부분으로 구성된다. 다이어프램은 단결정실리콘을 식각해서 형성하며, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적인 신호로 변환하는 방법으로는 주로 압저항형과 정전용량형이 많이 쓰이고 있다.

압저항형(Piezo-resistive) 압력센서는 반도체의 불순물 확산공정을 이용하여 압저항 소자를 형성시키기 때문에 제작이 쉽고 선형성이 좋으며, 신호처리 회로가 비교적 간단하다는 장점이 있지만, 온도 계수가 커서 이를 보상하기 위한 별도의 온도보상 회로가 필요하다는 단점이 있다.

반면, 정전용량형(Capacitive) 압력센서는 다이어프램과 지지대 사이에 평판 커패시터(Parallel Plate Capacitor)를 형성하여 외부에서 인가되는 압력에 따른 두 전극사이의 정전용량 변화를 이용하는 것으로, 비선형성과 이로 인한 신호처리가 복잡하다는 단점이 있으나, 압저항형에 비해 온도 특성이 우수하고 강인한 구조를 가지고 있으며, 무엇보다 수십배 이상의 고감도특성을 갖는다는 장점이 있어서, 최근 정밀한 압력센서에서는 정전용량형 압력센서가 많이 사용되고 있는 추세이다.

정전용량형 압력센서는 대표적으로 일반형(Normal mode)과 접촉형(Touch mode) 압력센서로 구분되는데, 이 중에서 접촉형 압력센서는 일반형과 달리 선형성을 나타낼 뿐만 아니라 센서 감도 특성도 우수하여 자동차 타이어 공기압 감지시스템(이하, 'TPMS')등에 적용되기 위한 시도가 있는 실정이다.

그러나, 상기 접촉형 압력센서는 일반 탄성거동 영역을 벗어나면 비선형거동을 하므로 접촉되는 면적이 온도나 접촉 계면상태 등 여러 가지 조건에 따라 변하게 되어 감지된 압력값의 신뢰성 문제를 수반하고 있으며, 가압 및 감압시 이력현상(Hysteresis)이 일반형에 비해 상대적으로 높다는 단점을 가지고 있다.

아울러, 정전용량형 압력센서가 갖는 단점인 제조 공정상 패키징 및 배선 등에 의한 오프셋과 기생용량문제와, 공정 중에 센서의 거동 범위를 결정하는 기준압력값 변경이 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 접촉 거동 구조를 개선하여 접촉 계면의 상태에 따른 압력 감지 성능의 변동을 최소화 할 수 있는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서를 제공하는 데 있다.

또한, 압력의 유입 방향과 박막의 거동방향을 달리 함으로써 구조적으로 강한 압력에 견딜 수 있는 내구성이 향상된 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량 압력센서를 제공하는 데 있다.

또한, 제조 공정의 중간 단계인 상부커버를 형성하는 단계에서 기준압을 설정할 수 있는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서를 제공하는 데 있다.

상기 목적은, 본 발명의 일실시예에 따라, 기판과; 상기 기판과의 사이에 일측방에 형성된 개구를 통해 외부와 연통된 외압실을 형성하며 상기 기판의 상부에 마련되는 제1박막과; 상기 제1박막의 상부에 소정거리로 이격된 제2박막과, 상기 제2박막의 중앙일측에서 하부로 연장되어 상기 제1박막의 상부면에 배향 접촉되는 돌출부와, 상기 제2박막을 상기 제1박막의 상부에 지지하는 지지부를 갖는 배향지지체와; 상기 기판의 상부에 상기 외압실 내부에 대응하여 마련된 하부전극과; 상기 제1박막에 전기적으로 연결된 상부전극;을 포함하여, 상기 개구를 통해 상기 외압실로 외압이 유입되는 경우, 상기 제1박막이 탄성변형되면서 상기 제1박막과 상기 돌출부가 접촉된 면적에 따라 상기 상부전극 및 하부전극의 정전용량이 변하는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동구조를 갖는 정전용량형 압력센서에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 제2박막과의 사이에 기준압실을 형성하며 상기 배향지지체 상부에 얹혀지는 상부커버를 더 포함할 수 있다.

상기 제2박막과 상기 제1박막의 사이에는 진공압실이 더 형성되되, 상기 돌출부는 상기 배향지지체가 상기 제1박막 상부에 얹혀질 때 상기 진공압실에 의해 상기 제1박막이 설정된 값 이상으로 구부러지지 않도록 스토퍼 기능을 수행할 수 있다.

상기 상부전극은 접지될 수 있다.

상기 제1박막과 상기 배향지지체 사이에는 상기 제1박막과 상기 배향지지체가 등전위면이 되게 하는 등전위부재가 더 마련될 수 있다.

여기서, 상기 등전위부재는 금-규소를 공융(Eutetic)접합하여 마련한 규소화합물(Silicide)로 마련될 수 있다.

한편, 상기 제2박막은 상기 제1박막보다 더 큰 탄성계수를 가지며 마련되어, 소정 외압 이상에서만 상기 제1박막과 함께 탄성변형될 수 있다.

상기 제2박막의 상부 일측에는 압저항 소자가 더 마련될 수 있다.

본 발명에 따른 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서에 의하면, 일반적인 접촉형 압력센서와 달리 배향 접촉 거동을 수행하므로 접촉 계면에 따른 압력 감지 성능 변동 우려를 최소화 할 수 있으며, 웨이퍼 접합시 버닝현상을 최소화할 수 있다.

또한, 외압이 인가되는 방향과 박막의 거동방향이 다르므로 구조적으로 파열압에 대한 내구성이 향상되며, 중간 단계 공정인 상부커버를 형성하는 단계에서 기준압을 미리 설정할 수 있다.

또한, 상부전극을 통하여 제1박막전체를 접지 전극화 할 수 있으므로 노이즈에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, 신호 오류 및 기생 용량 성분을 최소화 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서의 단면도 및 평면도,
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서에서 외압이 작용된 경우의 제1박막 및 제2박막의 거동상태를 나타낸 작동도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서(1)를 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서(1)는 기판(10)과, 제1박막(20)과, 배향지지체(30)와, 하부전극(60)과, 상부전극(70)을 포함한다.

기판(10)(substrate)은 절연성을 가진 재료로서, 예를 들어, 파이렉스 유리(pyrex glass)와 같은 재료가 사용될 수 있다.

제1박막(20)은 기판(10)과의 사이에 일측방에 형성된 개구(13)를 통해 외부와 연통된 외압실(91)을 형성하며 기판(10)의 상부에 마련된다.

외압실(91)은 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부면에 일측방에 개구(13)가 형성되도록 측벽(11)형성하여 마련할 수 있다. 외압실(91)은 개구(13)를 통하여 외부와 연통되어 있어서 외부의 압력이 개구(13)를 통하여 외압실(91)로 유입되어 제1박막(20)에 압력을 가할 수 있도록 구성된다.

이 때, 개구(13)는 외압실(91)의 측방에 형성되어 있고, 제1박막(20)은 외압실(91)의 상부에 형성되어 있으므로, 외부로부터 외압이 인가되는 방향과 제1박막(20)의 거동방향이 서로 다르게 된다.

따라서, 유입되는 압력이 제1박막(20)에 그대로 적용되는 것이 아니므로 내구성이 증가하여 구조적으로 강한 압력에 견딜 수 있으며, 동적압력(Dynamic pressure)이 인가되는 경우 발생할 수 있는 압력 외적인 충격에 의해 손상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서(1)는 외압실(91)이 진공분위기로 형성되지 않으며, 제1박막(20)과 하부전극(60) 사이의 거리가 일반적인 접촉형 압력센서에 비해 크고, 접촉 거동 자체도 반대 방향으로 이루어지므로, 양극 접합시 스파크(Spark)발생으로 인한 센서 전극의 버닝(Burning)현상을 방지할 수 있다.

한편, 제1박막(20)은 다양한 재질로 마련될 수 있으며, 예를 들어 저저항을 갖는 단결정 실리콘(Si) 박막으로 마련될 수 있다.

배향지지체(30)는 제2박막(31)과, 돌출부(33)와, 지지부(35)를 포함한다.

제2박막(31)은 제1박막(20)의 상부에 소정거리로 이격되며 마련된다.

제2박막(31)은 외압실(91)로 외압이 유입되는 경우, 제1박막(20)과 동시에 탄성변형을 할 수도 있고, 순차적으로 할 수도 있으며, 또는 제2박막(31)은 고정된 상태로 제1박막(20) 만이 탄성변형되도록 할 수도 있다.

제1박막(20)과 제2박막(31)의 탄성변형 조절은 다양한 방법으로 수행될 수 있는 바, 예를 들어, 후술할 제2박막(31)과 상부커버(80) 사이의 기준압(Pa)을 조절하여 수행할 수도 있고, 제1박막(20)과 제2박막(31)의 탄성계수를 달리하여 조절할 수도 있다.

즉, 전자의 경우, 기준압(Pa)을 외압에 대해 기준값 이상으로 설정한 경우에는 제1박막(20)과 제2박막(31)의 탄성계수가 동일한 경우라도 외압이 기준압(Pa)에 도달할 때까지는 제2박막(31)은 기준압(Pa)에 의해 탄성변형이 억제되고 제1박막(20)만이 탄성변형하게 된다. 이후, 외압이 기준압(Pa)보다 높아지는 경우에는 제1박막(20)과 함께 제2박막(31)이 함께 탄성변형될 수 있다.

후자의 경우, 제2박막(31)은 제1박막(20)보다 더 큰 탄성계수를 가지며 마련되어, 소정 외압 이상에서만 제1박막(20)과 함께 탄성변형되도록 할 수 있다.

여기서, 제2박막(31)이 제1박막(20)과 함께 거동하는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 제2박막(31)에 압저항 소자(40)를 더 장착하여 사용함으로써 정전용량형과 압저항형 구조를 동시에 사용할 수 있다는 장점이 있다.

상기 각 경우에 있어서, 제1박막(20)과 제2박막(31)이 함께 변형되어 마치 2개의 스프링 역할을 수행하게 되므로 과도한 외압이나 동적인 압력 또는 외부 충격에 의한 박막의 구조적 손상을 방지할 수 있다.

돌출부(33)는 제2박막(31)의 중앙 일측에서 하부로 연장되어 제1박막(20)의 상부면에 배향 접촉되며 마련된다.

돌출부(33)는 초기 상태에서 제1박막(20)과 접촉된 상태를 유지하고 있으며, 외압이 제1박막(20)에 작용하는 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1박막(20)과의 접촉면적이 증가하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서(1)는 제1박막(20)과 돌출부(33)가 배향 접촉에 의한 거동을 하게 되므로 전술한 일반적인 접촉형 압력센서와 달리 접촉 계면에 따른 압력 감지 성능 변동의 우려를 최소화 할 수 있다.

반면, 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서(1)는 기본적으로 접촉형 압력센서구조이므로 온도에 따른 신호 드리프트 현상을 최소화 할 수 있어 센서 신호 안정성 향상에 유리한 장점이 있다.

한편, 제2박막(31)과 제1박막(20) 사이에는 진공압실(93)이 더 마련될 수 있는데, 이 때 돌출부(33)는 배향지지체(30)가 제1박막(20) 상부에 얹혀질 때 진공압실(93)에 의해 제1박막(20)이 설정된 값 이상으로 구부러지지 않도록 스토퍼 기능을 수행한다.

진공압실(93)은 배향지지체(30)의 하부면에 돌출부(33) 형성을 위해 식각할 때 만들어진 홈으로, 배향지지체(30)를 제1박막(20)의 상부에 형성할 때 진공분위기에서 형성하기 때문에 생성된다.

이때, 제1박막(20)의 아래부분은 진공압이 아니므로 제1박막(20)은 압력차에 의해 제2박막(31) 쪽으로 구부러지게 되는 데, 제1박막(20)은 돌출부(33)에 의해 거동이 제한되므로 제1박막(20)이 필요 이상으로 구부러지는 것이 방지된다. 따라서, 초기 정전용량값이 설계치를 벗어날 위험을 미리 방지할 수 있다.

즉, 배향지지체(30)를 제1박막(20)위에 얹는 과정에서 돌출부(33)가 제1박막(20)에 자연스럽게 접촉하게 되고, 이후 외압이 작용하는 경우 제1박막(20)과 제2박막(31)이 함께 탄성변형을 하면서 전체적으로 배향 접촉 거동을 하게 되는 것이다.

지지부(35)는 제2박막(31)을 제1박막(20)에 지지한다.

등전위부재(50)는 제1박막(20)과 배향지지체(30)가 상호 등전위면을 이루도록 마련된다. 여기서, 등전위부재(50)는 다양한 종류로 마련될 수 있으며, 예를 들어, 금-규소(Au-Si)를 공융(eutetic)접합하여 마련한 규소화합물(Silicide)로 마련될 수 있다.

따라서, 제1박막(20)이 상부전극(70)과 등전위가 되고 제2박막(31) 및 돌출부(33) 또한 등전위부재(50)를 통하여 상부전극(70)과 등전위가 되므로 결과적으로 상부전극(70), 제1박막(20) 및 배향지지체(30) 전부가 하나의 상부전극화가 되는 것이다.

상부커버(80)는 제2박막(31)과의 사이에 기준압실(95)을 형성하며 배향지지체(30) 상부에 얹혀지며 마련된다.

기준압실(95)은 배향지지체(30)의 일부를 식각하여 형성할 수 있으며, 식각된 배향지지체(30) 상부에 상부커버(80)를 얹어 밀폐한다.

여기서, 기준압(Pa)이란 제1박막(20) 및 제2박막(31)의 거동 범위를 결정하는 중요한 요소로서, 압력센서를 제조하는 공정에서 상부커버(80)를 형성할 때 형성 분위기 압력을 조절함으로써 원하는 값으로 조절할 수 있다.

여기서, 미설명된 도면부호 15는 배향지지체(30)와 상부커버(80)를 접합하는 센서 접착제(15)이다.

하부전극(60)은 기판(10)의 상부에 외압실(91) 내부에 대응하여 마련된다.

여기서, 하부전극(60)은 알루미늄, 구리 등 전기전도성을 갖는 금속성의 재료로 마련될 수 있다.

상부전극(70)은 제1박막(20)에 전기적으로 연결되며, 이에 의해 제1박막(20)을 전체적으로 전극화한다. 이에, 상부전극(70)을 접지하여 저저항 실리콘박막인 제1박막(20)을 상부전극(70)을 통하여 접지함으로써 노이즈에 의한 신호 오류 및 기생 정전용량을 최소화 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서(1)는 일반적인 정전용량형 압력센서들에서 보여지는 기생 정전용량에 의한 전체 압력센서값의 변동요인을 최소화할 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 배향 접촉 거동 구조를 갖는 압력센서의 작동과정을 설명한다.

먼저, 도 1의 상태를 살펴보면, 기판(10)과 제1박막(20) 사이에는 일측방으로 개구(13)가 형성된 외압실(91)이 외부와 연통된 상태에 있으며, 제1박막(20)은 진공압실(93)에 의해 상부의 돌출부(33)와 접촉된 상태를 유지하고 있다. 한편, 제2박막(31)과 상부커버(80) 사이에는 제조공정에서 미리 조절한 기준압(Pa)을 갖는 기준압실(95)이 마련되어 있다.

다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부에서 압력이 작용하는 경우, 외압은 개구(13)를 통해 외압실(91)로 유입되며, 유입된 압력은 제1박막(20)에 압력을 가하여 탄성변형시키면서 이와 접촉된 돌출부(33)와의 접촉면적을 변화시킨다.

제1박막(20)과 돌출부(33) 사이의 접촉면적이 변화하면 하부전극(60)과 상부전극(70) 사이의 정전용량이 변화하게 되며 이를 외부회로(미도시)에서 감지하여 압력으로 환산하게 된다.

상기 과정에서 제2박막(31)은 설정된 기준압(Pa)에 의해 거동이 제한될 수 있다. 즉, 외압이 기준압(Pa) 이하인 경우에는 거동이 제한되며, 외압이 기준압(Pa) 이상인 경우에는 제1박막(20)과 함께 동시에 거동을 발생될 수 있다.

도 3과 같이, 제2박막(31)이 제1박막(20)과 함께 거동되는 경우에는 제2박막(31)의 상부면에 압저항 소자(40)를 장착하여 사용할 수도 있다.

1 : 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서
10 : 기판 11 : 측벽
13 : 개구 20 : 제1박막
30 : 배향지지체 31 : 제2박막
33 : 돌출부 35 : 지지부
40 : 압저항소자 50 : 등전위부재
60 : 하부전극 70 : 상부전극
80 : 상부커버 91 : 외압실
93 : 진공압실 95 : 기준압실

Claims

기판과;
상기 기판과의 사이에 일측방에 형성된 개구를 통해 외부와 연통된 외압실을 형성하며 상기 기판의 상부에 마련되는 제1박막과;
상기 제1박막의 상부에 소정거리로 이격된 제2박막과, 상기 제2박막의 중앙일측에서 하부로 연장되어 상기 제1박막의 상부면에 배향 접촉되는 돌출부와, 상기 제2박막을 상기 제1박막의 상부에 지지하는 지지부를 갖는 배향지지체와;
상기 기판의 상부에 상기 외압실 내부에 대응하여 마련된 하부전극과;
상기 제1박막에 전기적으로 연결된 상부전극;을 포함하여,
상기 개구를 통해 상기 외압실로 외압이 유입되는 경우, 상기 제1박막이 탄성변형되면서 상기 제1박막과 상기 돌출부가 접촉된 면적에 따라 상기 상부전극 및 하부전극의 정전용량이 변하는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 제2박막과의 사이에 기준압실을 형성하며 상기 배향지지체 상부에 얹혀지는 상부커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 제2박막과 상기 제1박막의 사이에는 진공압실이 더 형성되되, 상기 돌출부는 상기 배향지지체가 상기 제1박막 상부에 얹혀질 때 상기 진공압실에 의해 상기 제1박막이 설정된 값 이상으로 구부러지지 않도록 스토퍼 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 상부전극은 접지되는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1박막과 상기 배향지지체 사이에는 상기 제1박막과 상기 배향지지체가 등전위면이 되게 하는 등전위부재가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제5항에 있어서,
상기 등전위부재는 금-규소를 공융(Eutetic)접합하여 마련한 규소화합물(Silicide)인 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 제2박막은 상기 제1박막보다 더 큰 탄성계수를 가지며 마련되어, 소정 외압 이상에서만 상기 제1박막과 함께 탄성변형되는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.
제7항에 있어서,
상기 제2박막의 상부 일측에는 압저항 소자가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 배향 접촉 거동 구조를 갖는 정전용량형 압력센서.