KR20120119556A - A thick film type pressure measuring sensor and manufacturing method of pressure measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서 및 상기 압력측정센서의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 스테인레스강을 가공하여 상부에 수압부 역할을 하는 다이어프램이 형성되고, 상기 다이어프램의 상부에 세라믹 페이스트가 도포된 전기적 절연층이 형성되고, 전기적 절연층상에 유전특성을 갖는 금속산화물로된 압력감지막과 레이저 트리밍부가 형성되고, 상기 압력감지막상에 전극패턴이 형성되고, 상기 전극패턴상에 유리질 페이스트로 도포된 상부 보호막과 전극부가 형성되는 방식으로 제조되어, 전체적으로 설계 시 공정상 기존 박막형 압력측정센서보다 내열도가 높고, 후막공정의 기술을 이용으로 대량생산 및 저가격화가 가능하며, 온도저항계수가 낮고, 높은 압력감도를 갖는 특성과 동시에 금속 다이아프램의 주요 장점인 내구성, 안전성 및 재현성이 우수한 다이아프램형 압력측정센서 및 상기 압력측정센서의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a thick-film type pressure measuring sensor having a metal diaphragm and a manufacturing method of the pressure measuring sensor, and more specifically, a stainless steel is processed to form a diaphragm acting as a hydraulic part on an upper portion thereof. An electrical insulating layer coated with a ceramic paste is formed on the diaphragm, a pressure sensing film made of a metal oxide having a dielectric property and a laser trimming part are formed on the electrical insulating layer, and an electrode pattern is formed on the pressure sensing film. It is manufactured in such a way that the upper protective film coated with the glass paste on the electrode pattern and the electrode part are formed, and the overall heat resistance is higher than the existing thin film type pressure measuring sensor during the design process, and mass production and low price are possible by using the technology of the thick film process. Metal dies with low temperature resistance coefficient and high pressure sensitivity The present invention relates to a diaphragm type pressure measuring sensor having excellent durability, safety and reproducibility, and a method of manufacturing the pressure measuring sensor.
종래의 스트레인게이지형 압력측정센서의 제조방법은, 평탄한 금속박판위에 사포질을 하여 표면을 거칠게 만들어 그 위에 접착제를 사용하여 필름형 스트레인게이지를 붙여서 제조되고, 필름형 스트레인게이지는 폴리이미트 필름위에 박(foil)게이지를 스크린프린터를 사용하여 후막으로 패터닝 되어지거나 라미네이팅공정을 통해 붙여서 패턴공정에 의해 제조된다. The conventional method of manufacturing a strain gauge pressure sensor is made by sanding a flat metal sheet to roughen the surface, and attaching a film strain gauge using an adhesive thereon, and a film type strain gauge is formed on a polyimide film. The foil gauge is patterned into a thick film using a screen printer, or it is manufactured by a pattern process by pasting it through a laminating process.
이러한, 종래에 사용되는 스트레인게이지형 압력측정센서는 금속다이어프램위에 박게이지(foil gauge)를 붙이거나, 폴리실리콘으로 제작된 실리콘 박막을 얇게 가공하여 부착하여 사용하였으며 이러한 종래의 스트레인게이지형 압력측정센서는 박게이지 부착 시 접착제를 사용하므로 크리프현상이 발생되어 측정편차가 있으며 안정성이 우수하지 않게 되는 문제점이 있었다. Such a strain gauge pressure sensor used in the related art is used by attaching a foil gauge on a metal diaphragm or by processing a thin film of silicon made of polysilicon. Since the adhesive is used when the foil gauge is attached, there is a problem that the creep phenomenon occurs, there is a measurement deviation and the stability is not excellent.
그리고, 종래의 스트레인게이지형 압력측정센서는 게이지의 감도는 게이지율 (gauge factor) G 로 표현하고, 이것은 게이지의 저항변화율 ΔR/R, 스트레인을 Δl/l 이라고 하면, G=(△R/R)/(Δl/l)로 표현되고, 이러한 종래의 스트레인게이지형 압력측정센서에서는 Δl/l 가 지배적으로 변화되며, 또, 저항체의 체적변화율과 저항률의 변화율이 같다고 가정하면, G는 2 정도가 되어, 감지막으로 사용되는 박막저항체인 경우 금속이나 금속합금을 사용하는데 일반적으로 게이지율(2.0)이 낮고 비저항이 낮은 단점이 있었다. In the conventional strain gauge type pressure measuring sensor, the sensitivity of the gauge is expressed by a gauge factor G. This means that when the resistance change rate of the gauge is ΔR / R and the strain is Δl / l, G = (ΔR / R ) / (Δl / l), and in such a conventional strain gauge pressure sensor, Δl / l changes predominantly, and assuming that the volume change rate of the resistor and the change rate of the resistivity are equal, G is about 2 In the case of a thin film resistor used as a sensing film, a metal or a metal alloy is used, and generally, a gauge ratio (2.0) is low and a specific resistance is low.
도 1에는 기성의 박막을 이용한 금속 다이아프램형 압력측정센서의 단면도가 도시된 것으로, 스테인레스본체의 상부에 압력에 따라 진동되는 다이아프램(1)이 형성되고, 상기 다이아프램(1)의 상부에는 절연층(2)이 증착법으로 형성되어 있다. 상기 절연층(2)은 금속다이아프램(1)과 후술되는 압력감지막(3)과의 전기적 절연을 위해 증착법으로 형성되었다. 압력을 감지하여 저항변화로 변경하는 압력감지막(3)은 박막형으로 0.4~1.0㎛로 설계하여 응력 증가부, 응력 감소부에 위치하게 한다. 이때 박막형으로 제작되는 금속 산화물과 금속 합금을 사용하는데 비저항이 작기 때문에 넓은 면적에서의 미세 패턴화하여 목표저항을 형성한다. 패턴의 저항과 전극은 일체형으로 단일 패턴화 되어 있으며, 외부의 물리적, 화학적인 충격 및 손상을 방지하기 위해 상부 보호막(5)를 진공증착 이용하여 형성하며, 추후 외부로 압력센서 출력을 전달하는 방법에 따라 전극부(4)를 별도 니켈, 금, 은, 백금 등의 재질로 전극부 설계하여 도금, 증착 등의 방법으로 형성한다. 이러한 패턴화 제작에서 공간적인 제약으로 소형화가 어렵다는 문제점이 있다. 1 is a cross-sectional view of a metal diaphragm-type pressure measuring sensor using a ready-made thin film, and a
도 2에 상기 박막을 이용한 금속 다이아프램으로 제작하는 평면도를 나타내었다. 압력감지막(3)으로 전극패턴과 1층의 전극부(4)가 동시에 형성된 구조이며, 압력감지막(3)은 4개의 저항으로 제작된다. 이러한 압력감지막(3)은 비저항이 낮은 감지막으로 요구되는 응력변화부 내에서 최대한의 고저항체를 형성해야하기 때문에 미세 패턴화된 형태로 제작된다. 패턴의 저항이 복잡하고, 미세한 부분에서 박막을 식각공정으로 재현하기에는 고난이도의 기술적인 노력과 고성능을 갖는 고가 장비가 필요하게 되는 문제점이 있다.2 is a plan view of a metal diaphragm using the thin film. The
이와 같이, 박막을 이용한 금속 다이아프램에 일체형의 압력측정 센서의 경우 박막을 형성하는 공정 장비가 고가이면서, 고진공으로 제작해야 하며, 입체적 구조체로 반도체공정 장비로 일반화된 양산장비로 패턴화 작업이 어렵다는 문제점이 있었다. As such, in the case of a pressure measuring sensor integrated in a metal diaphragm using a thin film, the process equipment for forming a thin film is expensive and must be manufactured with high vacuum, and it is difficult to pattern with a mass production equipment generalized to semiconductor processing equipment as a three-dimensional structure. There was a problem.
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 다이아프램의 장점을 가지면서 기존 부착형으로 이원화된 압력센서의 사용에서 부착면의 크리프 현상 및 균열에 대한 오차를 발생하지 않고, 측정감도가 우수하도록 일체형된 압력센서를 제작하며, 기존 금속 박막에서의 문제점인 압력에 대한 감도를 향상 시키면서, 저저항의 감지막으로 요구되는 임피던스의 값을 얻기 위해 고저항체로 제작 시 공간의 제작으로 설계제약 있는 한계를 해결하며, 장비의 투자가 불필요하며, 입체화된 구조의 대량생산이 가능한 센서로 개발하여 이러한 문제점을 해결할 수 있는 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서 및 상기 압력측정센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to solve this problem, and has the advantage of a metal diaphragm, without using the existing pressure-sensitive dual pressure sensor in the use of pressure sensor creep phenomenon and cracking of the mounting surface without the error of measurement It is designed to manufacture the pressure sensor that is integrated so that it is excellent, and to improve the sensitivity to pressure, which is a problem in the existing metal thin film, and to manufacture the high resistance material to obtain the impedance value required for the low resistance sensing film. Manufacture of thick film type pressure measuring sensor and pressure measuring sensor equipped with metal diaphragm that can solve these problems by solving the limitations and eliminating the need for investment of equipment and developing mass production of three-dimensional structure. To provide a way.
본 발명의 이러한 목적은, 표면을 랩핑 가공으로 표면조도 0.1㎛이내, 평탄도 1㎛ 이내로 표면을 형성하며, 고온 분위기 열처리를 질소와 산소의 분압을 제어하여 표면의 산화층과 질화층이 형성된 다이어프램과, 상기 다이어프램상에 후막으로 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막과 같은 전기적 절연막을 페이스트 상으로 스크린 인쇄 및 테입캐스팅 부착를 이용하여 두께가 3~8㎛ 일체형으로 형성된 절연막과, 상기 절연막의 상부에 세라믹 산화물로 3~8㎛ 후막으로 형성 후 루테늄 옥사이드(RhO2), 징크 옥사이드(ZnO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2)의 금속 산화물인 페이스트로 인쇄된 압력감지막과, 상기 압력감지막의 상부에 저항편차를 줄일 수 있도록 레이져 트리밍을 통해 각각의 패턴 저항 편차를 최소화 하게 압력감지막이 형성된 상부에 패턴간의 저항연결을 3~4㎛로 두께로 인쇄하여 라인을 연결하며, 압력감지막의 끝단에 중첩으로 전극부가 형성된 전극패턴과, 상기 압력감지막과 전극 패턴의 상부에 압력감지막과 전극 패턴의 보호를 위해 전기절연용 에폭시 및 저융점 유리 페이스트로 1~4 ㎛ 두께로 형성된 상부 보호막을 포함하는 본 발명에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서에 의하여 달성된다.This object of the present invention is to form a surface within the surface roughness of 0.1㎛, flatness within 1㎛ by lapping the surface, the high temperature atmosphere heat treatment to control the partial pressure of nitrogen and oxygen to form a diaphragm and an oxide layer and a nitride layer of the surface and An insulating film formed of a thickness of 3 to 8 탆 integrally by screen printing and tape-casting an electrical insulating film such as a silicon oxide film, an aluminum oxide film, and a magnesium oxide film as a thick film on the diaphragm; and a ceramic oxide on the insulating film. After forming a thick film of 3 ~ 8㎛ thick, the pressure sensing film printed with a paste, which is a metal oxide of ruthenium oxide (RhO2), zinc oxide (ZnO2), zirconium oxide (ZrO2), and can reduce the resistance deviation on the pressure sensing film Laser trimming so that each pattern resistance variation is minimized. Print the resistance connection between turns with a thickness of 3 ~ 4㎛ to connect the line, the electrode pattern formed by overlapping the electrode portion on the end of the pressure sensing film, the pressure sensing film and the electrode pattern on the upper portion of the pressure sensing film and the electrode pattern It is achieved by a thick film type pressure measuring sensor with a metal diaphragm according to the invention comprising an upper protective film formed of 1-4 μm thick with an epoxy for electrical insulation and a low melting point glass paste.
본 발명의 이러한 목적은, 수압부인 금속 다이아프램을 스텐인레스 강을 가공하여 표면 표면을 랩핑 및 폴리싱 연마하여 평탄화된 표면을 형성하도록 다이어프램을 가공하는 단계와, 상기 다이어프램에 후막으로 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막과 같은 세라믹 전기적 절연막을 페이스트 상으로 스크린 인쇄 및 테입캐스팅 부착를 이용하여 두께를 3~8㎛ 일체형으로 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막 상에 루테늄 옥사이드(RuO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 징크 옥사이드(ZnO2) 등과 같은 압력에 따른 변위를 같는 금속 산화물질을 페이스트 상으로 후막 인쇄 공정으로 3~4㎛로 압력 감지막과 레이져 트리밍으로 트리밍 패턴부를 형성시키는 단계와, 상기 압력감지막에 형성된 4개의 전극패턴으로 연결되며, 트리밍부 패턴부의 상부에 전극 패턴이 형성되어 있으며, 레이져 트리밍 가공으로 전극 패턴을 절단 후 면으로 된 저항을 패턴화 하여 저항을 증가하여 최종 목표저항까지 정밀한 저항체로 제작하여 형성하는 단계와, 상기 압력감지막의 보호를 위하여 저융접 실리콘 산화막 또는 폴리머 계열의 에폭시, 테프론액을 후막으로 스크린 인쇄 후 열처리 하여 상부 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 압력측정센서의 제조방법에 의하여 달성된다.
The object of the present invention is to process a diaphragm to form a flattened surface by lapping and polishing a surface of a metal diaphragm, which is a hydraulic part, by processing stainless steel, and a silicon oxide film, an aluminum oxide film, and a thick film on the diaphragm. Forming a dielectric film with a thickness of 3 to 8 μm by using screen printing and tape casting on a ceramic electrical insulating film such as a magnesium oxide film; ruthenium oxide (RuO 2), zirconium oxide (ZrO 2), Forming a trimming pattern part by using a pressure sensing film and laser trimming to a thickness of 3 to 4 μm by a thick film printing process on a paste on a metal oxide material having a displacement according to pressure such as zinc oxide (ZnO 2), and the like; It is connected by 4 electrode patterns, and is on top of the trimming part pattern part. The pole pattern is formed, and after the electrode pattern is cut by laser trimming, the resistance of the surface is patterned to increase the resistance to produce a precise resistor up to the final target resistance, and to protect the pressure sensing film. It is achieved by a method of manufacturing a pressure measuring sensor according to the present invention comprising the step of forming a top protective film by heat-treating the fused silicon oxide film or polymer-based epoxy, Teflon liquid to a thick film.
본 발명에 따른 금속 다이어프램을 구비한 후막형 압력측정센서 및 상기 압력측정센서의 제조방법은 스테인레스강 측정본체의 상부의 다이어프램이 측정본체와 일체로 가공되어 형성되게 되므로 접착이나 용접이 되지 않아 크리프 현상이 적고 안정성이 우수하며, 상기 다이어프램상에 절연막이나 보호막 또는 감지막을 후막기술에 의한 형성이 가능하게 되므로 대량생산으로 고수율과 저가격화가 가능하며, 일반 금속저항체보다 세라믹 후막저항체는 압력에 대한 감도가 2~5배로 높고, 고저항체의 재료로 패턴 설계로 분해능이 높고 정밀한 측정에 용이하며, 세라믹의 절연체층과 밀착성이 우수하여 압력감지막에 대한 레이져 트리밍 기술 적용이 쉬우며, 그리고 공정상 고온에서 열처리를 함으로써 기존 박막형 이용한 압력센서보다 고온 특성이 우수하여 200℃이상의 고온에서도 사용이 가능하고, 기존 박막형 압력센서 혹은 반도체형 압력센서의 경우에 필요한 고가의 고진공 증착장비 및 반도체 장비 설비 라인이 필요가 없으며, 또한, 제작 공정 또한 단순하여 대량생산 및 저가격 제품도 대응이 가능하다는 우수한 효과가 있다.
The thick film type pressure measuring sensor having a metal diaphragm and the manufacturing method of the pressure measuring sensor according to the present invention are formed by processing the diaphragm of the upper part of the stainless steel measuring body integrally with the measuring body and thus do not adhere or weld to creep. It is less stable and has excellent stability, and it is possible to form an insulating film, a protective film or a sensing film on the diaphragm by a thick film technology, so that high yield and low price can be achieved by mass production, and the ceramic thick film resistor has a higher sensitivity to pressure than a general metal resistor. It is 2 ~ 5 times higher, high resistance material, high resolution, high resolution, easy to measure precisely, and easy to apply laser trimming technology to pressure sensing film due to excellent adhesion to ceramic insulator layer. By heat treatment, higher temperature characteristics than conventional pressure sensor It can be used at high temperature above 200 ℃, and there is no need for expensive high vacuum deposition equipment and semiconductor equipment line for existing thin film pressure sensor or semiconductor type pressure sensor. The product also has an excellent effect of being able to respond.
도 1는 종래의 다이어프램형 압력측정센서의 단면도
도 2는 도 1의 다이어프램형 압력측정센서의 평면도
도 3는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서의 단면도
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서의 평면도
도 5a,5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서의 레이져 트리밍 공정 패턴 및 가공도
도 6는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서의 후막 압력센서 패턴 저항 및 트리밍 저항표
도 7는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서의 레이져 트리밍이 적용된 브릿지 회로도
도 8는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서의 압력감지막과 다이어프램의 압력에 따른 감도 출력 그래프1 is a cross-sectional view of a conventional diaphragm type pressure measuring sensor
2 is a plan view of the diaphragm-type pressure measuring sensor of FIG.
3 is a cross-sectional view of a thick-film pressure measuring sensor having a metal diaphragm according to a first embodiment of the present invention.
4 is a plan view of a thick-film pressure sensor having a metal diaphragm according to a first embodiment of the present invention;
5A and 5B are laser trimming process patterns and processing diagrams of a thick-film pressure measuring sensor having a metal diaphragm according to a first embodiment of the present invention.
Figure 6 is a thick film pressure sensor pattern resistance and trimming resistance table of the thick film pressure sensor with a metal diaphragm according to a first embodiment of the present invention
7 is a bridge circuit diagram to which laser trimming of a thick film type pressure measuring sensor having a metal diaphragm according to the first embodiment of the present invention is applied.
8 is a sensitivity output graph according to the pressure of the pressure sensing film and the diaphragm of the thick film type pressure measuring sensor having the metal diaphragm according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 다이어프램형 압력측정센서(A)의 단면도를 나타내었다. 3 is a sectional view of a diaphragm-type pressure measuring sensor A according to a first embodiment of the present invention.
상기 다이아프램형 압력측정센서(A)는, 표면을 랩핑 가공으로 표면조도 0.1㎛이내, 평탄도 1㎛ 이내로 표면을 형성하며, 고온 분위기 열처리를 질소와 산소의 분압을 제어하여 표면의 산화층과 질화층이 형성된 다이어프램(1)과, 상기 다이어프램(1)상에 후막으로 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막과 같은 전기적 절연막을 페이스트 상으로 스크린 인쇄 및 테입캐스팅 부착를 이용하여 두께가 3~8㎛ 일체형으로 형성된 절연막(10)과, 상기 절연막(10)의 상부에 세라믹 산화물로 3~8㎛ 후막으로 형성 후 루테늄 옥사이드(RhO2), 징크 옥사이드(ZnO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2)의 금속 산화물인 페이스트로 인쇄된 압력감지막(11)과, 상기 압력감지막(11)의 상부에 저항편차를 줄일 수 있도록 레이져 트리밍을 통해 각각의 패턴 저항 편차를 최소화 하게 레이저 트리밍부(25)가 인접하게 형성된 전극 패턴(12)과, 상기 압력감지막(11)과 전극 패턴(12)의 상부에 압력감지막(11)과 전극 패턴(12)의 보호를 위해 전기절연용 에폭시 및 저융점 유리 페이스트로 1~4 ㎛ 두께로 형성된 상부 보호막(14)을 포함한다.The diaphragm type pressure measuring sensor (A) forms a surface within a surface roughness of 0.1 μm and a flatness of 1 μm by lapping the surface, and performs a high temperature atmosphere heat treatment to control the partial pressure of nitrogen and oxygen to nitride the surface with an oxide layer. A
스테인레스본체(S)의 상부에 금속 다이아프램(1)을 SUS630, SUS316과 같은 내식성이 높고 내열도가 높은 스테인레스를 이용하여 CNC 가공을 이용하여 제작한다. The
스테인레스본체(S)의 내부 수압부(15)에 압력에 따라 각각의 요구되는 두께로 다이아프램(1)이 제작되며, 수압부(15) 반대면인 다이아프램(1)의 상부에 추후 공정을 위해 랩핑 및 폴리싱을 하여 조도 Rm≤0.1㎛, 평탄도 Fm≤1㎛로 표면이 형성되며, 본 실시예에서는 조도 Rm=0.1㎛, 평탄도 Fm=1㎛로 표면이 형성되었다.The
상기 다이아프램(1)과의 전기적 절연을 수행하기 위해 최소 3에서 최대 10㎛의 후막의 절연막(10)을 형성하며, 이때 스크린 프린팅 공정을 이용하여 3~8㎛로 형성하거나, 테이프 케스팅용 슬러리를 이용하여 형성한다. 두께가 작을 경우 높은 전압에 대한 전류의 통과로 인해 절연저항이 낮아 압력센서 출력에서 떨림현상 및 재현성이 낮은 출력이 발생된다. 반면 두께가 너무 큰 경우는 후막에서 인쇄로 진행하는 부분에서 다소 어려우며, 압력에 따른 센서의 출력 감도가 낮아진다. 이러한 이유로 고온에서 열처리하기 때문에 다소 높은 온도의 전기적 절연을 위해 다소 두꺼운 설계가 필요하다.In order to perform electrical insulation with the
절연막(10)의 재질은 일반적으로 실리콘 산화막용 페이스트 및 슬러리로 사용하며, 내열도를 향상하며 요구온도에 적합하도록 알루미나 및 불순물을 첨가된 것이다. 본 실시예에서는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)에 적용되는 고온용 유리 페이스트로 인쇄되었다. 이러한 방식으로 제조된 절연층(10)을 600℃에서 850℃의 고온열처리를 통해 페이스트상을 소결하여 고체화된 3~8㎛의 후막상태의 절연층(10)을 얻는다. The material of the
후막의 절연막(10)을 형성시킨 후, 3~4㎛의 후막의 압력감지막(11)을 인쇄하여 제작한다. 본 실시예에 대한 적용한 재질은 루테늄옥사이드(RhO2)를 사용했으며, 페이스트 상으로 제작된 기성품을 구매하여 제작하였다. 압력감지막(11)의 면저항은 3.6~4.4kΩ/sq의 높은 저항체이며, 압력 감도는 일반 금속에 비해 2~5배의 높은 게이지율을 갖는다. 두께가 작을 경우 비저항이 높기 때문에 압력감지막(11) 저항이 높게 출력된다. 이후 회로에서 히스톤 브릿지로 형성 시 인피던스 값이 맞지 않아 셋팅이 힘드며, 대부분의 압력센서의 저항은 3~7kΩ 이내로 맞추게 된다. 이에 대한 면적과 두께를 선정하여 압력센서 패턴을 설계된다.After the insulating
후막의 압력감지막(11)이 형성된 구조에서 패턴간의 저항연결을 전극패턴(12)로 인쇄하여 라인을 연결하며, 후막 압력감지막(11)의 끝단에 중첩으로 전극패턴(12)의 전극부(12a)를 형성하여 접촉에 대한 안정성을 향상 시켰다. 전극패턴(12)은 3~4㎛로 두께로 형성하였다. 후막 공정에서 최소화 두께로 설계하여 압력감지막(11)과 전극패턴(12)을 중첩되는 부위가 크지 않도록 한다. 너무 높은 두께를 가질 경우 향후 공정에서 설계 시 많은 두께의 보호막 또는 처리 공정이 필요하다.In the structure in which the
3~4㎛로 두께의 후막의 압력감지막(11)과 후막의 전극패턴(12)의 외부 습기와 온도 충격 및 물리적인 보호를 위해 상부 보호막(14)을 인쇄법으로 형성하였다. 상기 상부 보호막(14) 두께는 1~4㎛의 두께이고, 본 실시예에서는 3㎛의 두께로 제조되었다. 상기 상부 보호막(14)의 형성에서 사용할 수 있는 재질은 저융접 유리질인 페이스트로 사용하여 다소 높은 온도에 사용되는 부분에 적용이 가능하며, 저온에서 사용할 경우 실리콘 고무 및 에폭시로 인쇄를 하여 사용이 가능하다.The upper
상부 보호막(14)이 형성된 후 전극패턴(12)에서 전극부(12a)를 일반 은으로 제작 시 솔더링 및 다른 본딩방법으로 제작이 가능하나, 와이어 볼 본딩을 위해서는 금을 별도 형성해야 한다. 이러한 용도에 맞게 니켈 또는 금을 상기 본딩 공정에 맞게 3~4㎛의 후막으로 형성하며, 별도 도금으로 형성하여 전극부(12a)를 제작한다. 너무 작은 두께에서는 본딩에서 밀착력이 떨어지며, 반대로 두꺼울 경우 공정에 대한 비용과 시간이 필요하다.After the
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 다이어프램형 압력측정센서의 평면도를 나타내었다. 압력감지막(11)은 비저항이 높은 후막형으로 크기가 가로 1~1.2mm, 세로 0.4~0.6mm로 작게 설계할 수 있다. 압력측정센서(A)에 4개의 압력감지막(11)이 있으며, 그 옆 레이져 트리밍을 위한 별도의 사각형의 패턴으로 레이져 트리밍부(25)가 있다. 후막으로 형성되는 압력감지막(11)의 패턴 저항은 상기 크기에 대한 저항값은 4.75~5.25㏀으로 형성된다. 압력측정센서(A)의 4개의 압력갑지막(11)의 저항은 후막공정에서의 두께가 박막형성보다는 오차가 크기 때문에 다소 ±0.5㏀의 편차가 발생한다. 이때 저항편차에 대한 보정으로 레이져 트리밍부(25)의 면을 라인으로 레이져 가공으로 패턴화 제작하면서 저항이 증가 시켜 최종 저항에 5.5㏀에 오차 ±0.1% 이내의 압력감지막(11)을 제작 한다.Figure 4 shows a plan view of a diaphragm-type pressure measuring sensor according to a first embodiment of the present invention. The
도 5a에 후막 레이져 트리밍을 위해 적용된 후막 압력 감지부(11)와 레이져 트리밍부(25) 그리고 전극부(12a), 전극 패턴(12)의 예를 나타내었다. 압력측정센서(A)의 전극부 (12a)의 저항을 측정하게 되면 이 전극 패턴(12)의 라인에 걸쳐진 저항값을 알 수 있다. 압력감지부(11)의 저항은 설계에서 5㏀ 기준이며, 레이져 트리밍부(25)의 저항은 비저항이 작은 전극 패턴(12)의 라인으로 연결되어 있어 저항이 거의 없는 상태로 있다. 도 5b에 레이져 트리밍하는 대표그림을 도시화 하였다. 레이저로 후막을 트리밍하는 방법은 레이져 트리밍부(25)위에 걸쳐진 전극패턴(12)의 라인을 자르고 난후 레이져 트리밍부(25)의 중간부터 절단 되면서 패턴형으로 변경됨에 따라 저항이 증가 하게 된다. 이때 전극부(12a)에 패턴 저항을 전±체 측정을 하면서 목표 저항 5.5㏀으로 되었을 때 레이져의 파워를 중지 하게 되며, 압력측정센서(A)로 사용하는 저항체인 4개의 패턴을 상기 트리밍을 한다. 5A illustrates an example of a thick
도 6에 전극 패턴(12)을 인쇄 하면서 공정된 대표적인 패턴 저항의 결과를 나타내었다. 압력측정센서(A)의 전극 패턴 저항은 최소 4.75㏀에서 최대 5.25㏀으로 형성된다. 압력측정센서(A)의 전극 패턴 저항은 인쇄 및 열처리에서의 두께 편차로 인해 저항값이 다소 편차가 발생된다. 이에 도 5b에 도시화 된 레이져 트리밍을 공정을 수행함으로써 상기 전극 패턴 저항을 변경함으로써 5.5k저항으로 트리밍을 하게 된다. 트리밍의 속도와 레이져 초점 및 파워에 따라서 정밀한 저항값으로 셋팅이 가능하며, 본 제품 생산에서는 ±0.1% 이내의 저항으로 셋팅하였다. 이러한 레이져 트리밍 기술은 범용적인 산업체의 전자부품과 특수한 회로기판을 제작하는 기술에서 범용적인 기술로 적용되나, 본 발명의 실시예에서는 압력감지부(11)에 레이져 트리밍을 하지 않고, 별도의 레이져 트리밍부(25)를 제작하여 상부 전극 패턴(12)이 연결되어 있으며, 레이저 트리밍 시 전극 패턴(12)을 트리밍 절단 후 저항을 증가시켜 전극 패턴(12)의 정밀 저항 셋팅이 가능하다. 6 shows the result of the representative pattern resistance processed while printing the
상기 도 6에는, 레이저 트리밍 전의 압력측정센서의 패턴저항은 최소 4.75 ~ 최대 5.25㏀ 이었으나, 레이저 트리밍으로 최대 0.75 ~ 최소 0.25㏀ 으로 증가되어 최종 전극 패턴의 저항은 5.5㏀ 으로 균일하게 측정된 것임을 알 수 있다.In FIG. 6, the pattern resistance of the pressure measuring sensor before laser trimming was 4.75 ~ 5.25 kΩ at the minimum, but increased to 0.75 ~ 0.25 kΩ at the maximum by laser trimming, so that the resistance of the final electrode pattern was uniformly measured at 5.5 kΩ. Can be.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 다이어프램형 압력측정센서의 압력감지부(11)와 레이져 트리밍부(25)의 저항을 히스톤 브릿지로 연결한 그림을 나타내었다. 레이져 트리밍이 없는 압력센서 저항체의 저항 4개를 이용하는 히스톤 브릿지 회로 구성 시 압력측정센서(A)의 전압출력이 편차가 많이 발생한다. 이러한 경우 압력에 따른 브릿지 전압을 편차를 줄이기 위해 수동소자를 이용하거나, 프로세서에서의 오프셋을 맞출 수 있는 고가의 프로세서를 적용해야 한다. 그리고 이러한 부분에서 모듈프로세서를 통한 최종 출력에서 압력에 따라 비선형으로 나타나거나, 온도 환경에서의 오프셋 출력이 불안정하며, 정밀도를 높게 셋팅하기 힘들다. 그러나, 본 실시예에서는 레이져 트리밍을 수행하는 공정으로 전극 패턴(12)의 저항을 제어할 수 있게 되어 5.5k로 제작된 압력측정센서(A)의 경우 수동소자를 적용하지 않고, 프로세서에서 쉽게 오프셋을 조정할 수 있게 제작이 가능하며, 각각의 압력측정센서(A)의 전극 패턴(12)의 저항변화는 동일재료와 저항값이 같기 때문에 거의 무시할 수 있는 변화를 가지게 된다. FIG. 7 is a diagram illustrating a connection of the resistance of the
도 8에 NiCr으로 금속 박막으로 제작된 종래의 압력측정센서와 본 실시예로 적용된 RuO2의 압력감지막을 적용한 압력측정센서의 특성을 비교한 그래프를 나타내었다. NiCr의 압력감지막의 경우 0Bar에서 20Bar 변위에 대해 입력전압 5V 인가 시 8.9mV의 브릿지 전압이 나타났다. 압력 감도는 1.78mV/V로 나왔으며 이에 비해 본 실시예의 압력측정센서(A)에서는 RuO2의 압력감지막에서는 브릿지 전압이 22.4mV로 4.48mV/V의 높은 감도를 확인 하였다. 8 shows a graph comparing the characteristics of a conventional pressure measuring sensor made of a metal thin film with NiCr and a pressure measuring sensor to which a pressure sensing film of
본 발명에서 비저항이 크며, 감도가 높은 압력감지막을 적용하여 검증하였다. 종래의 비저항이 작은 금속 박막을 이용할 경우 요구되는 저항의 목표 저항으로 제작 시 공간적인 제약을 받으나, 본 발명에서는 비저항이 크기 때문에 금속 다이아프램으로 초소형화 제작이 가능하며, 고압의 압력을 계측하기 위한 압력측정센서로 적용을 할 수 있다.
In the present invention, it was verified by applying a pressure-sensitive film having a high specific resistance and high sensitivity. In the case of using a metal thin film having a small specific resistivity, spatial constraints are required in manufacturing the target resistance of the required resistance. However, in the present invention, since the specific resistance is large, the micro diaphragm can be manufactured in a small size, and the high pressure can be measured. It can be applied as a pressure measuring sensor.
본 발명에 따른 금속 다이아프램을 구비한 후막형 압력측정센서 및 상기 압력측정센서의 제조방법은 압력측정센서를 제조하는 산업에서 동일한 제조방법을 반복적으로 실행하는 것이 가능하고 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.The thick film type pressure measuring sensor having a metal diaphragm and the manufacturing method of the pressure measuring sensor according to the present invention can repeatedly execute the same manufacturing method in the industry of manufacturing the pressure measuring sensor and repeatedly produce the same product. It will be said that the invention is an industrially applicable invention.
10. 절연막 11. 압력감지막 12. 전극패턴
12a. 전극부 14. 상부보호막 15. 수압부
25. 레이저트리밍부10.
12a.
25. Laser trimming part
Claims (2)
수압부인 금속 다이아프램을 스텐인레스 강을 가공하여 표면 표면을 랩핑 및 폴리싱 연마하여 평탄화된 표면을 형성하도록 다이어프램의 표면을 조도 Rm≤0.1㎛, 평탄도 Fm≤1㎛로 가공하는 단계와,
상기 다이어프램에 후막으로 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막과 같은 세라믹 전기적인 절연막을 페이스트 상으로 스크린 인쇄 및 테입캐스팅 부착를 이용하여 두께를 3~8㎛ 일체형으로 형성하는 단계와,
상기 세라믹 절연막 상에 루테늄 옥사이드(RuO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 징크 옥사이드(ZnO2) 과 같은 압력에 따른 변위를 같는 금속 산화물질을 페이스트 상으로 후막 인쇄 공정으로 3~8㎛로 압력 감지막의 저항체와 레이져 트리밍부로 형성시키는 단계와,
상기 압력감지막에 형성된 복수 개의 전극패턴으로 연결되며, 레이져 트리밍부 패턴의 상부에 전극 패턴이 형성되어 있으며, 레이져 트리밍 가공으로 전극 패턴을 절단 후 레이저 트리밍부를 절단하면서 저항을 패턴화 하여 저항을 증가하여 최종 목표저항까지 정밀한 저항체로 제작하여 형성하는 단계와,
상기 압력감지막의 보호를 위하여 저융접 실리콘 산화막 또는 폴리머 계열의 에폭시, 테프론액을 후막으로 스크린 인쇄 후 열처리 하여 상부 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력측정센서의 제조방법
In the manufacturing method of the pressure measuring sensor,
Machining the surface of the diaphragm with roughness Rm ≦ 0.1 μm and flatness Fm ≦ 1 μm so that the metal diaphragm, which is a hydraulic pressure part, is processed into stainless steel by lapping and polishing the surface surface to form a flattened surface;
Forming a thick film on the diaphragm into a 3 ~ 8 μm integral thickness by using a screen printing and tape casting on a ceramic electrical insulating film such as a silicon oxide film, an aluminum oxide film and a magnesium oxide film on a paste;
Resistor of the pressure sensing film with a thickness of 3 to 8 μm in a thick film printing process on a metal oxide material having the same displacement according to pressure such as ruthenium oxide (RuO 2), zirconium oxide (ZrO 2), and zinc oxide (ZnO 2) on a paste. And forming a laser trimming part,
It is connected to a plurality of electrode patterns formed on the pressure sensing film, an electrode pattern is formed on the upper portion of the laser trimming part, and after cutting the electrode pattern by laser trimming, the resistance is patterned while cutting the laser trimming part to increase the resistance. To form and form a precise resistor to the final target resistance;
Method of manufacturing a pressure measuring sensor comprising the step of forming a top protective film by screen-treating a low-melting silicon oxide film or a polymer-based epoxy, Teflon liquid to a thick film for the protection of the pressure-sensitive film.
상기 다이아프램형 압력측정센서(A)는, 표면을 랩핑 가공으로 표면조도 0.1㎛이내, 평탄도 1㎛ 이내로 표면을 형성하며, 고온 분위기 열처리를 질소와 산소의 분압을 제어하여 표면의 산화층과 질화층이 형성된 다이어프램과,
상기 다이어프램상에 후막으로 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 마그네슘 산화막과 같은 전기적 절연막을 페이스트 상으로 스크린 인쇄 및 테입캐스팅 부착를 이용하여 두께가 3~8㎛ 일체형으로 형성된 절연막과,
상기 절연막의 상부에 세라믹 산화물로 3~8㎛ 후막으로 형성 후 루테늄 옥사이드(RhO2), 징크 옥사이드(ZnO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2)의 금속 산화물인 페이스트로 인쇄된 압력감지막과 상기 압력감지막에 인접하게 형성된 레이저 트리밍부와,
상기 압력감지막의 상부에 저항편차를 줄일 수 있도록 레이져 트리밍을 통해 각각의 패턴 저항 편차를 최소화 하게 형성된 전극 패턴과,
상기 압력감지막과 전극 패턴의 상부에 압력감지막과 전극 패턴의 보호를 위해 전기절연용 에폭시 및 저융점 유리 페이스트로 1~4 ㎛ 두께로 형성된 상부 보호막을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아프램형 압력측정센서
In the diaphragm type pressure measuring sensor A,
The diaphragm type pressure measuring sensor (A) forms a surface within a surface roughness of 0.1 μm and a flatness of 1 μm by lapping the surface, and performs a high temperature atmosphere heat treatment to control the partial pressure of nitrogen and oxygen to nitride the surface with an oxide layer. A layered diaphragm,
An insulating film formed on the diaphragm as a thick film by using an electric insulating film such as a silicon oxide film, an aluminum oxide film, or a magnesium oxide film as a paste by using screen printing and tape casting;
After forming a thick film of 3 ~ 8㎛ with a ceramic oxide on top of the insulating film and printed on the pressure-sensitive film and the pressure-sensitive film printed with a metal oxide paste of ruthenium oxide (RhO2), zinc oxide (ZnO2), zirconium oxide (ZrO2). An adjacent laser trimming unit,
An electrode pattern formed to minimize resistance variation of each pattern through laser trimming so as to reduce resistance variation on the pressure sensing layer;
Diaphragm-type pressure comprising an upper protective film formed on the pressure sensing film and the electrode pattern on the upper surface of the 1 to 4 ㎛ thickness of the epoxy and low melting point glass paste for electrical insulation to protect the pressure sensing film and the electrode pattern. Measuring sensor
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