KR20160114457A - 압력센서 제조 방법 - Google Patents

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KR20160114457A
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방현호
권호성
최정운
오기훈
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Abstract

간단한 공정과 적은 비용으로 센서 엘리먼트 내부의 회로와 외부의 회로기판을 연결하는 압력센서 제조 방법이 개시된다.
본 발명의 일 양상에 따른 압력센서 제조 방법은 기재와 다이어프램으로 이루어진 센서 엘리먼트와 회로기판을 전기적으로 연결하는 압력센서 제조방법으로서, 다수의 전극핀과 전극핀을 일체로 연결하는 연결부로 이루어진 전극체를 회로기판에 실장하여, 다수의 전극핀의 일단을 회로기판의 전극 패턴에 각각 접속하는 단계와, 전극체에서 연결부를 제거하는 단계와, 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 센서 엘리먼트에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

Description

압력센서 제조 방법{Method of manufacturing a pressure sensor}
본 발명은 압력센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 센서 엘리먼트가 검출한 신호를 압력센서의 회로부로 전달하기 위해 센서 엘리먼트와 회로부를 전기적으로 연결하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 압력센서에서 압력을 검출하는 센서 엘리먼트는 서로 접합된 기재와 다이어프램 그리고 그 경계면에 마련되어 압력에 따라 전기적 신호가 변화되는 내부회로로 이루어져 있다. 이러한 센서 엘리먼트의 내부회로를 센서 엘리먼트 외부의 회로기판과 전기적으로 연결하여 압력센서를 제조한다.
종래의 기술로, 전도성 에폭시로 기재의 쓰루홀을 채우고, 이 쓰루홀에 원통형상의 와이어를 넣어 경화시킨 다음 와이어를 회로기판에 납땜하는 압력센서 제조 방법이 있다. 그러나 이 방식은 쓰루홀에 와이어를 삽입하는데 많은 시간이 소요되고, 와이어가 원통형상으로 되어 있어 후(後)가공 시에 비틀리거나 회전되며, 납땜 시의 열로 인하여 전도성 에폭시와의 경계면에 탄화 현상이 발생하는 문제가 있다.
다른 방법으로, 미국등록특허공보 제6,487,911호에 공개된 바와 같이 센서 엘리먼트 내부의 전기패턴 일부가 외부로 노출되도록 기재와 다이어프램을 형성하고 이 패턴과 회로기판의 전극을 클립과 같은 도전체를 이용하여 연결하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 전기적 연결이 클립의 탄성에 의존하므로, 조립이 까다롭고 내구성이 떨어진다는 문제가 있다.
미국등록특허공보 제6,487,911호(2002. 12. 3.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 공정과 적은 비용으로 센서 엘리먼트 내부의 회로와 외부의 회로기판을 연결하는 압력센서 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 압력센서 제조 방법은 기재와 다이어프램으로 이루어진 센서 엘리먼트와 회로기판을 전기적으로 연결하는 압력센서 제조방법으로서, 다수의 전극핀과 전극핀을 일체로 연결하는 연결부로 이루어진 전극체를 회로기판에 실장하여, 다수의 전극핀의 일단을 회로기판의 전극 패턴에 각각 접속하는 단계와, 전극체에서 연결부를 제거하는 단계와, 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 센서 엘리먼트에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 센서 엘리먼트에 전기적으로 연결하는 단계는 기재의 쓰루홀에 전도성 접착제를 충전하고, 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 상기 쓰루홀에 삽입하는 단계일 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 압력센서 제조 방법은 전도성 접착제를 경화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 전극체는 금속 판재를 프레스 가공하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 연결부에는 관통홀이 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 관통홀은 원형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 압력센서의 다수의 전극핀은 서로 평행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압력 센서 내부의 전기회로와 외부의 전기회로를 연결하는 작업이 간단해지고 용이해지므로 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 압력센서의 제작 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 압력센서의 사시도이다.
도 2는 압전저항형 센서 엘리먼트의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 센서 엘리먼트의 다이어프램 표면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조 방법의 순서도이다.
도 5는 도 4에 도시된 순서도에 따라 압력센서를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서 제조 방법의 순서도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 실시 예들을 통해 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 관련된 공지 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 그에 대한 설명은 생략될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 압력센서 제조 방법은 기재와 다이어프램으로 이루어진 센서 엘리먼트와 회로기판을 전기적으로 연결하는 압력센서 제조 방법이다.
여기서, 센서 엘리먼트는 기재와 다이어프램으로 이루어진 것이면, 정전용량방식, 압전형, 압전저항형(Piezoresistive type) 어느 것이라도 무방하다. 다만, 이 중 압전저항형이 노이즈에 강해 정확한 압력을 측정할 수 있고, 소형이며 응답이 빠를 뿐만 아니라 온도, 진동 및 충격의 영향이 적으므로 바람직하다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 압전저항형 센서 엘리먼트를 채용한 압력센서에 대해 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 압력센서의 사시도이고, 도 2는 압전저항형 센서 엘리먼트의 사시도이며, 도 3는 도 2에 도시된 센서 엘리먼트의 다이어프램 표면을 나타낸 것이다.
압력센서는 기재(21)와 다이어프램(22)으로 이루어져 외부의 압력에 따라 저항값이 변하는 센서 엘리먼트(20), 센서 엘리먼트(20)와 전기적으로 연결되어 센서 엘리먼트(20)의 저항값을 이용하여 압력값을 산출하는 회로부(10), 회로부(10)와 전기적으로 연결되어 전기신호를 외부로 출력하는 커넥터(41), 그리고 이러한 센서 엘리먼트(20), 회로부(10), 커넥터(41) 등을 수용하여 외부 환경으로부터 보호하는 하우징(40)으로 이루어진다.
이렇게 구성된 압력센서에서 하우징(30)의 유입공으로 인입된 냉매 등이 압력센서(20)의 다이어프램(22)에 압력을 가하면 스트레인 게이지의 저항값이 변화되고, 저항값은 전기신호로 변환되어 압력센서(20)에 연결된 와이어(15)를 통하여 PCB(11)에 전달되며, PCB(11)에 전달된 전기신호는 PCB(11)상의 전기회로에 의해 증폭된 후 FPCB(13)와 커넥터(41)를 통하여 전자제어장치(ECU) 등과 같은 외부 전기장치에 전달된다.
압전저항형 센서 엘리먼트(20)는 다이어프램(22)의 표면에 형성된 전도성의 패턴부(22a)와 다수의 스트레인 게이지(22b)에 의해 압력을 저항으로 변환한다. 외주면이 고정된 다이어프램(22)에 압력이 가해지면 그 표면에 굽힘 변형이 발생하고, 인가압력에 의해 발생하는 미소변형은 4개의 스트레인 게이지(22b)로 이루어진 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge)에 의해서 미소저항 변화를 일으키고 이는 전기 신호로 변환되어 출력된다.
다이어프램(22)의 재질은 스트레인 게이지(22b)를 다이어프램(22)과 전기적으로 절연시켜야 하기 때문에 일반적으로 세라믹이 사용된다. 기재(21)에는 도전성 물질로 채워진 복수의 쓰루홀(21a)이 형성되고, 쓰루홀(21a)의 수는 다이어프램(22)의 전극 수와 동일하게 구비된다.
기재(21)와 다이어프램(22) 사이에는 스페이서(미도시)가 개재될 수 있다. 스페이서는 기재(21)와 다이어프램(22)을 접합시킴과 동시에 이격시키는 역할을 한다. 스페이서로는 저융점 유리, glass frit이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이 구성되는 압력센서의 제조 방법을 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조 방법의 순서도이고, 도 5는 도 4에 도시된 순서도에 따라 압력센서를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 것이다.
먼저, 다수의 전극핀(15)과 이 전극핀(15)을 일체로 연결하는 연결부(12)로 이루어진 전극체(10)를 제작한다(S110). 전극체(10)는 금속 판재를 프레스 가공하여 제작할 수 있다. 금속 판재를 프레스 가공하여 전극체(10)를 제작하는 경우, 후가공 시 전극체(10)가 회전되는 문제가 발생하지 않는다. 전극체(10)는 구리, 금, 은 등의 소재를 이용하여 제작할 수 있다. 인청동에 은도금을 할 수도 있다. 이 경우 은도금의 두께는 5마이크로 이상이 되는 것이 좋다. 전극핀(15)의 연결부(12)와 접하는 부분(15a)은 다른 부분에 비해 폭이 좁게 형성될 수 있다. 좌우의 폭만을 좁게 하는 것이 아니라 두께도 얇게 할 수 있다. 좌우의 폭과 두께가 점차적으로 줄어들도록 할 수 있다. 전극핀의 연결부(12)와 접하는 부분의 폭의 좁게하고 두께를 얇게 하는 경우 전극핀(15)과 연결부(12)를 분리하는 것이 용이하게 된다.
전극체(10)의 연결부(12)에는 관통홀(12a)을 마련할 수 있다. 관통홀(12a)은 원형으로 형성될 수 있다. 이 관통홀(12a)로 전극체(10)의 위치가 파악되고 전극체(10)가 지지되게 함으로써, 전극체(10)가 자동으로 이송되고 정확한 위치에 조립이 되도록 할 수 있다.
다음, 전극체(10)를 회로기판(20)에 실장하여 전극핀(15)들이 실장용 액체가 도포된 회로기판(20)의 패턴부(20a)에 놓이도록 한다(S120). 전극체(10)를 회로기판(20)에 실장하는 것은 SMT(Surface on Mount) 장비를 이용하여 자동으로 이루어지도록 할 수 있다. 실장용 액체는 크림땜납, 라텍스, 은페이스트, 우레탄계 접착제, 접합코팅용 에폭시 수지, 접합코팅용 레진, 레지스트 등이 될 수 있다. 그리고 이러한 실장용 액체를 도포하는 것도 사람이 직접 하거나 또는 스크린 프린터를 이용하여 자동으로 되게 할 수 있다. 회로기판(20)은 경성회로기판일 수도 있고 연성회로기판일 수도 있다.
다음, 전극체(10)로부터 연결부(12)를 절단한다(S130). 지그를 이용하여 절단할 수도 있고, 펜치, 니퍼 등의 소형 공구를 이용하여 절단할 수도 있다. 다른 부분에 비해 폭이 좁게 형성된 전극핀(15)의 연결부(12)와 접하는 부분(15a)을 절단할 수 있다. 이 경우 전극체(10)로부터 연결부(12)를 절단하는 것이 용이하게 된다.
한편, 전극체(10)를 회로기판(20)에 실장하는 작업과 전극체(10)로부터 연결부(12)를 절단하는 작업은 하나의 지그를 이용하여 할 수도 있다. 예를 들어 해당 지그에는 회로기판(20)을 안착할 수 있는 안착부가 마련되고, 전극핀(15)과 연결부(12)가 접하는 부분(15a)에 대해 수직 운동하는 커터부가 마련되어 있을 수 있다.
다음, 전극핀(15)들의 절단된 일단을 전도성 접착제가 충전된 쓰루홀(21a)에 삽입한다(S140). 따라서, 이 작업 전에 기재의 쓰루홀(21a)에는 전도성 접착제가 충전되어 있어야 한다. 전도성 접착제는 전도성 에폭시일 수 있다. 쓰루홀(21a)은 전극핀(15)의 개수에 맞추어 형성될 수 있다. 쓰루홀(21a)의 바닥에는 다이어프램의 패턴부(22a)가 형성되어 있으므로, 전극핀(15)들의 일단을 전도성 접착제가 충전된 쓰루홀(21a)에 삽입하는 경우, 전극핀(15)과 다이어프램의 패턴부(22a)가 전기적으로 연결된다. 그리고 전극핀(15)은 회로기판(20)에 전기적으로 연결되어 있으므로, 결국 다이어프램의 패턴부(22a)와 회로기판(20)이 전기적으로 연결된다. 즉, 센서 엘리먼트와 회로기판이 전기적으로 연결된다.
다음, 실장용 액체 및 전도성 접착제를 경화시킨다(S150). 자연건조 시키거나 오븐에 넣고 가열하여 경화시킬 수 있다. 오븐의 온도는 실장용 액체 및 전도성 접착제에 따라 결정될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 압력센서 제조 방법은, 한번의 작업으로 모든 전극핀(15)들이 회로기판(20)에 전기적으로 연결되도록 할 수 있으며 전극핀(15)들을 회로기판(20)에 고정하는 것과 전도성 접착제를 경화시키는 것이 한 공정에서 이루어지므로, 종래의 방법보다 작업이 간단하고 용이하다. 따라서 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서 제조 방법의 순서도이다. 도 6를 참조하여 압력센서 제조 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 다수의 전극핀(15)과 이 전극핀(15)을 일체로 연결하는 연결부(12)로 이루어진 전극체(10)를 제작한다(S110). 전극체(10)는 금속 판재를 프레스 가공하여 제작할 수 있다. 금속 판재를 프레스 가공하여 전극체(10)를 제작하는 경우, 후가공 시 전극체(10)가 회전되는 문제가 발생하지 않는다. 전극체(10)는 구리, 금, 은 등의 소재를 이용하여 제작할 수 있다. 인청동에 은도금을 할 수도 있다. 이 경우 은도금의 두께는 5마이크로 이상이 되는 것이 좋다. 전극핀(15)의 연결부(12)와 접하는 부분(15a)은 다른 부분에 비해 폭이 좁게 형성될 수 있다. 좌우의 폭만을 좁게 하는 것이 아니라 두께도 얇게 할 수 있다. 좌우의 폭과 두께가 점차적으로 줄어들도록 할 수 있다. 전극핀의 연결부(12)와 접하는 부분의 폭의 좁게하고 두께를 얇게 하는 경우 전극핀(15)과 연결부(12)를 분리하는 것이 용이하게 된다.
전극체(10)의 연결부(12)에는 관통홀(12a)을 마련할 수 있다. 관통홀(12a)은 원형으로 형성될 수 있다. 이 관통홀(12a)로 전극체(10)의 위치가 파악되고 전극체(10)가 지지되게 함으로써, 전극체(10)가 자동으로 이송되고 정확한 위치에 조립이 되도록 할 수 있다.
다음, 전극체(10)를 회로기판에 납땜하여 전극핀(15)들이 회로기판의 패턴부에 고정되도록 한다(S220). 이로써 전극핀(15)들은 회로기판과 전기적으로 연결된다. 회로기판은 경성회로기판일 수도 있고 연성회로기판일 수도 있다.
다음, 전극체(10)로부터 연결부(12)를 절단한다(S230). 지그를 이용하여 절단할 수도 있고, 펜치, 니퍼 등의 소형 공구를 이용하여 절단할 수도 있다. 다른 부분에 비해 폭이 좁게 형성된 전극핀(15)의 연결부(12)와 접하는 부분을 절단할 수도 있다. 이 경우 전극체(10)로부터 연결부(12)를 절단하는 것이 용이하게 된다.
한편, 전극체(10)를 회로기판(20)에 실장하는 작업과 전극체(10)로부터 연결부(12)를 절단하는 작업은 하나의 지그를 이용하여 할 수도 있다. 예를 들어 해당 지그에는 회로기판(20)을 안착할 수 있는 안착부가 마련되고, 전극핀(15)과 연결부(12)가 접하는 부분(15a)에 대해 수직 운동하는 커터부가 마련되어 있을 수 있다.
다음, 전극핀(15)들의 절단된 일단을 전도성 접착제가 충전된 쓰루홀(21a)에 삽입한다(S240). 따라서, 이 작업 전에 기재의 쓰루홀(21a)에는 전도성 접착제가 충전되어 있어야 한다. 전도성 접착제는 전도성 에폭시일 수 있다. 쓰루홀(21a)은 전극핀(15)의 개수에 맞추어 형성될 수 있다.
쓰루홀(21a)의 바닥에는 다이어프램의 패턴부(22a)가 형성되어 있으므로, 전극핀(15)들의 일단을 전도성 접착제가 충전된 쓰루홀(21a)에 삽입하는 경우, 전극핀(15)과 다이어프램의 패턴부(22a)가 전기적으로 연결된다. 그리고 전극핀(15)은 회로기판(20)에 전기적으로 연결되어 있으므로, 결국 다이어프램의 패턴부(22a)와 회로기판(20)이 전기적으로 연결된다. 즉, 센서 엘리먼트와 회로기판이 전기적으로 연결된다.
다음, 전도성 접착제를 경화시킨다(S250). 자연건조 시키거나 오븐에 넣고 가열하여 경화시킬 수 있다. 오븐의 온도는 전도성 접착제에 따라 결정될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 단계를 거치는 압력센서 제조 방법은, 전극핀(15)이 후가공 시 비틀리거나 회전될 염려가 없으며 전도성 접착제를 경화한 후 납땜 작업을 실시하는 경우 발생하는 탄화현상이 일어나지 않게 된다. 또한, 이러한 탄화현상을 방지하기 위한 특수한 전도성 에폭시를 사용할 필요가 없으므로 가격적으로도 유리하다.
그리고, 도시하지는 않았지만 기재(21)의 쓰루홀(21a)의 외벽을 증착하거나 도금하고 기재(21)의 상면에 패턴을 인쇄한 후, 이 패턴과 회로기판의 패턴을 함께 납땜하여 센서 엘리먼트와 회로기판을 전기적으로 연결할 수도 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 전극체 15: 전극핀
12: 연결부 12a: 관통홀
20: 압력센서 21: 기재
21a: 쓰루홀 22: 다이어프램
22a: 패턴부 22b: 스트레인 게이지
30: 회로기판 30a: 패턴부

Claims (6)

  1. 기재와 다이어프램으로 이루어진 센서 엘리먼트와 회로기판을 전기적으로 연결하는 압력센서 제조 방법에 있어서,
    다수의 전극핀과 상기 전극핀을 일체로 연결하는 연결부로 이루어진 전극체를 회로기판에 실장하여, 상기 다수의 전극핀의 일단을 회로기판의 전극 패턴에 각각 접속하는 단계와;
    상기 전극체에서 연결부를 제거하는 단계와;
    상기 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 센서 엘리먼트에 전기적으로 연결하는 단계;
    를 포함하는 압력센서 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 센서 엘리먼트에 전기적으로 연결하는 단계는 상기 기재의 쓰루홀에 전도성 접착제를 충전하고, 상기 연결부가 제거된 전극핀의 타단을 상기 쓰루홀에 삽입하는 단계인 것을 특징으로 하는 압력센서 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 접착제를 경화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결부에는 관통홀이 구비된 것을 특징으로 하는 압력센서 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극체는 금속 판재를 프레스 가공하여 형성된 것을 특징으로 하는 압력센서 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 압력센서에 있어서,
    다수의 전극핀은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 압력센서.
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