KR20180108090A - 스트레인 게이지 및 그를 포함하는 스트레인 센서 - Google Patents

Abstract

스트레인 게이지가 제공된다. 스트레인 게이지는 패드 영역 및 상기 패드 영역을 기준으로 제1 방향에 위치하는 제1 게이지 영역 및 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향에 위치하는 제2 게이지 영역이 정의된 실리콘 기판, 상기 패드 영역에 형성되는 패드 구조물, 상기 제1 게이지 영역에, 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제1 게이지 구조물 및 상기 제2 게이지 영역에, 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제2 게이지 구조물을 포함하되, 상기 제1 게이지 영역과 상기 제2 게이지 영역이 상기 패드 영역을 중심으로 비대칭(Asymmetry)을 이룰 수 있다.

Description

스트레인 게이지 및 그를 포함하는 스트레인 센서{Strain Gauge and Strain Sensor Comprising the Same}

본 발명은 스트레인 게이지 및 그를 포함하는 스트레인 센서에 관련된 것으로 보다 구체적으로는 비대칭 구조를 가지는 실리콘 스트레인 게이지를 기반으로 고 감도를 가지는 실리콘 스트레인 센서에 관련된 것이다.

내부로부터 또는 외부에서 가해지는 물리적인 힘의 변화를 전기적인 신호로 변환하는 물리 센서는 압력 또는 힘의 계측을 위하여 다양한 분야 예를 들어, 건물, 선박, 항공, 자동차, 공업장비, 계측장비 등에 활용되고 있다.

스트레인 게이지란 기계적인 미세한 변화를 전기신호로 검출하는 게이지를 의미하는 것으로서, 널리 사용되고 있는 물리 센서에 해당한다. 통상적으로 스트레인 게이지를 기계나 구조물의 표면에 부착시키고, 표면에서 발생하는 미세한 치수의 변화를 측정함으로써, 응력을 확인할 수 있다.

종래 금속 박막을 이용한 스트레인 게이지의 경우, 게이지율(gauge factor)가 낮고 감도와 분해능이 낮기 때문에 보다 정밀한 센서로 활용되지 못하는 한계가 있었다.

최근 금속 박막을 이용한 스트레인 게이지의 단점을 보완하고자, 실리콘 기반의 스트레인 게이지가 연구되고 있다. 그러나, 현재까지 연구된 실리콘 기반의 스트레인 게이지를 여전히 낮은 압력을 측정하는 데 적용하기에는 어려움이 있다. 이에 본 발명자들은 대량 생산 용이성을 확보하면서도 고 감도의 스트레인 게이지 및 그를 포함하는 스트레인 센서를 발명하게 되었다.

선행 문헌 : 한국 특허 공개번호 10-2015-0076844호

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고 감도의 스트레인 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 공정이 용이한 스트레인 게이지 및 그를 포함하는 스트레인 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 높은 수율(yield)을 가지는 스트레인 게이지 및 그를 포함하는 스트레인 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 의하여 제한되지 아니하며 이하의 설명에 의하여 보다 명확해질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 패드 영역 및 상기 패드 영역을 기준으로 제1 방향에 위치하는 제1 게이지 영역 및 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향에 위치하는 제2 게이지 영역이 정의된 실리콘 기판, 상기 패드 영역에 형성되는 패드 구조물, 상기 제1 게이지 영역에, 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제1 게이지 구조물 및 상기 제2 게이지 영역에, 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제2 게이지 구조물;을 포함하되, 상기 제1 게이지 영역과 상기 제2 게이지 영역이 상기 패드 영역을 중심으로 비대칭(Asymmetry)을 이룰 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 패드 구조물의 중심을 기준으로 상기 제1 방향으로 상기 제1 게이지 구조물의 단부까지의 거리는 상기 제2 방향으로 상기 제2 게이지 구조물의 단부까지의 거리보다 멀 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 패드 구조물은 중심 패드 및 상기 중심 패드를 기준으로 상기 제1 방향으로 이격하여 위치하는 제1 주변 패드 및 상기 제2 방향으로 이격하여 위치하는 제2 주변 패드를 포함하고, 상기 중심 패드에서 상기 제1 방향으로의 상기 제1 주변 패드까지 거리는 상기 중심 패드에서 상기 제2 방향으로의 상기 제2 주변 패드까지 거리와 동일하며, 상기 제1 주변 패드에서 상기 제1 방향으로의 상기 제1 게이지 구조물 단부까지의 거리는 상기 제2 주변 패드에서 상기 제2 방향으로의 상기 제2 게이지 구조물 단부까지의 거리보다 길 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 중심 패드는 상기 중심 패드의 상기 제1 방향 단부에서 상기 제1 방향으로 연장하는 제1 테일 패드를 더 포함하고, 상기 제1 주변 패드는 상기 제1 주변 패드의 상기 제1 방향 단부에서 상기 제1 방향으로 연장하는 제2 테일 패드를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 게이지 구조물은 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 게이지 패턴들을 포함하되, 상기 복수의 제1 게이지 패턴의 폭 방향으로 상기 실리콘 기판을 관통하는 제1 관통홀이 형성되고, 상기 제2 게이지 구조물은 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되는 복수의 제2 게이지 패턴들을 포함하되, 상기 복수의 제2 게이지 패턴의 폭 방향으로 상기 실리콘 기판을 관통하는 제2 관통홀이 형성될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 게이지 영역의 제1 관통홀의 개구 비율은 상기 제2 게이지 영역의 상기 제2 관통홀 개구 비율보다 클 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 제1 게이지 패턴들의 폭 방향으로 서로 인접하는 제1 게이지 패턴들을 연결하도록 상기 제1 관통홀을 가로지르는 제1 절연 브릿지 구조물을 더 포함하고, 상기 복수의 제2 게이지 패턴들의 폭 방향으로 서로 인접하는 제2 게이지 패턴들을 연결하도록 상기 제2 관통홀을 가로지르는 제2 절연 브릿지 구조물을 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 제1 게이지 패턴들을 상기 복수의 제1 게이지 패턴들의 폭 방향으로 전기적으로 연결하는 제1 연결 구조물, 및 상기 복수의 제2 게이지 패턴들을 상기 복수의 제2 게이지 패턴들의 폭 방향으로 전기적으로 연결하는 제2 연결 구조물을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서는 패드 영역 및 상기 패드 영역을 기준으로 좌우가 비대칭인 게이지 영역이 정의된 실리콘 기판, 상기 패드 영역에 형성되되, 패드 패턴부를 포함하는 패드 구조물 및 상기 비대칭인 게이지 영역에 상기 패드 영역을 기준으로 좌우가 비대칭적으로 형성되어 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 게이지 구조물을 각각 포함하는 제1 및 제2 스트레인 게이지 및 소정의 면적을 가지는 다이어프램을 포함하되, 상기 제1 및 제2 스트레인 게이지는 상기 다이어프램의 인장력 및 수축력에 따른 스트레인 변곡점에 상기 패드 영역의 중심이 각각 위치할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 스트레인 게이지의 패드 구조물은 중심 패드 및 상기 중심 패드 좌우에 상기 중심 패드를 기준으로 대칭적으로 배치되는 제1 및 제2 주변 패드를 각각 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제1 주변 패드, 상기 제1 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제2 주변 패드, 상기 제2 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제1 주변 패드 및 상기 제2 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제2 주변 패드는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 패드 영역 및 상기 패드 영역을 기준으로 제1 방향에 위치하는 제1 게이지 영역 및 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향에 위치하는 제2 게이지 영역이 정의된 실리콘 기판, 상기 패드 영역에 형성되되, 패드 패턴부를 포함하는 패드 구조물, 상기 제1 게이지 영역에, 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제1 게이지 구조물 및 상기 제2 게이지 영역에, 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제2 게이지 구조물를 포함하되, 상기 제1 게이지 영역과 상기 제2 게이지 영역이 상기 패드 영역을 중심으로 비대칭(Asymmetry)을 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 게이지 영역과 상기 제2 게이지 영역이 상기 패드 영역을 중심으로 비대칭 구조를 가지기 때문에 대칭적 스트레인 게이지의 감도 한계를 극복할 수 있다. 보다 구체적으로 스트레인 게이지는 다이어프램의 압축력과 수축력 작용 지점의 변곡점에 위치하게 되는데, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭형의 스트레인 게이지는 변곡점을 중심으로 압축력 및/또는 수축력에 더 민감하게 반응할 수 있도록 연장하여 형성되며, 특히 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지가 스트레인 센서에 적용됨으로써 고 감도 특성을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 제1 게이지 패턴의 폭 방향으로 상기 기판을 관통하는 제1 관통홀이 형성되고, 복수의 제2 게이지 패턴의 폭 방향으로 상기 기판을 관통하는 제2 관통홀이 형성되기 때문에 글래스 프릿 본딩 중에 발생하는 스트레인 게이지에 대한 부력을 감소시킬 수 있다. 이로써, 스트레인 게이지가 정확한 위치에 본딩될 수 있음은 물론이며, 게이지의 길이를 증가시켜도 게이지의 파손을 방지하여 수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 게이지 영역의 제1 관통홀의 개구 비율은 상기 제2 게이지 영역의 상기 제2 관통홀 개구 비율보다 크게 형성될 수 있다. 이로써, 제2 게이지 영역 보다 제1 게이지 영역이 큰 상태에서, 제1 게이지 영역의 개구 비율이 제2 게이지 영역의 개구 비율보다 크게 마련됨으로써, 글래스 프릿의 유동 공간이 추가적으로 더 제공될 수 있다. 이로 인해, 제1 게이지 영역에 집중되는 부력을 감소시킬 수 있으므로 스트레인 게이지를 다이어프램에 부착시킴에 있어서 위치 오정렬을 방지할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과에 의하여 제한되지 아니하며, 이하의 설명에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패드 영역 및 게이지 영역을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따른 스트레인 게이지의 평면도를 도시한다.
도 4는 도 3의 a-a' 방향의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 3의 b-b' 방향의 단면도를 도시한다.
도 6은 도 3의 c-c' 방향의 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 스트레인 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 감도 우수성을 설명하기 위한 비교 예 및 실시 예 1 내지 3을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 단계 S110을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 9의 단계 S120을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 9의 단계 S130을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 9의 단계 S140을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 9의 단계 S150을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성 의 크기, 형상 및 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 사시도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패드 영역 및 게이지 영역을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따른 스트레인 게이지의 평면도를 도시한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 패드 영역(A1) 및 상기 패드 영역(A1)을 기준으로 제1 방향에 위치하는 제1 게이지 영역(A2) 및 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향에 위치하는 제2 게이지 영역(A2)이 정의된 실리콘 기판(110), 상기 패드 영역(A1)에 형성되는 패드 구조물(120), 상기 제1 게이지 영역(A2)에, 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물(120)과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제1 게이지 구조물(130a) 및 상기 제2 게이지 영역(A3)에, 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물(120)과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제2 게이지 구조물(130b)를 포함하되, 상기 제1 게이지 영역과 상기 제2 게이지 영역이 상기 패드 영역을 중심으로 비대칭(Asymmetry)을 이룰 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 상술하기로 한다.

상기 실리콘 기판(110)은 단결정 실리콘, 실리콘층 상에 인슐레이션층이 형성된 SOI(Silicon On Insulator)으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 실리콘 기판(110)은 SOI 기판인 것을 상정하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 실리콘 기판(110)은 패드 영역(A1) 및 상기 패드 영역(A1)을 기준으로 위치하는 제1 게이지 영역(A2) 및 제2 게이지 영역(A3)으로 구획될 수 있다. 상기 제1 게이지 영역(A2)은 상기 패드 영역(A1)을 중심으로 제1 방향(예를 들어, -X 축 방향)에 위치할 수 있고, 상기 제2 게이지 영역(A3)은 상기 패드 영역(A1)을 중심으로 제2 방향(예를 들어, +X 축 방향)에 위치할 수 있다. 이 때, 상기 제1 게이지 영역(A2)와 상기 제2 게이지 영역(A3)은 상기 패드 영역(A1)의 X 축 중심을 기준으로 비대칭적으로 제공될 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여, 제1 게이지 영역(A2)이 제2 게이지 영역(A3) 보다 더 큰 비대칭 구조를 상정하여 설명하기로 한다. 이와 반대로, 제2 게이지 영역(A3)이 제1 게이지 영역(A2) 보다 더 큰 비대칭 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기 패드 영역(A1)은 중심 패드(122)가 형성되는 중심 패드 영역(113), 제1 주변 패드(124a)가 형성되는 제1 주변 패드 영역(114) 및 제2 주변 패드(124b)가 형성되는 제2 주변 패드 영역(115)으로 이루어질 수 있다.

다시 말해, 상기 패드 영역(A1) 상에는 패드 구조물(120)이 형성될 수 있다. 상기 패드 구조물(120)은 중심 패드(122) 및 상기 중심 패드(122)를 기준으로 제1 방향 예를 들어, -X 축 방향에 위치하는 제1 주변 패드(124a)와 제2 방향 예를 들어, +X 축 방향에 위치하는 제2 주변 패드(124b)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 중심 패드(122)는 금속 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄으로 이루어질 수 있으며, T 자 평면 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 주변 패드(124a, 124b)도 금속 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄으로 이루어질 수 있으며 스트라이프 평면 형상을 가질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 제2 게이지 영역 보다 큰 제1 게이지 영역 상에 마련되고 테일 전극이 형성되는 테일 패드 영역을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 중심 패드(122)는 상기 중심 패드(122)의 단부에서 제1 방향 예를 들어, -X 축 방향으로 연장하는 제1 테일 패드(116)를 더 포함할 수 있다. 상기 중심 패드(122)와 상기 제1 테일 패드(116)는 일체로 형성될 수 있으며, 상기 제1 테일 패드(116)도 금속 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.

상기 제1 테일 패드(116) 상에는 제1 테일 전극(126a)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 주변 패드(124a)는 상기 제1 주변 패드(124a)의 단부에서 제1 방향 예를 들어, -X 축 방향으로 연장하는 제2 테일 패드(117)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 주변 패드(124a)와 상기 제2 테일 패드(117)는 일체로 형성될 수 있으며, 상기 제2 테일 패드(117)도 금속 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.

상기 제2 테일 패드(117) 상에는 제2 테일 전극(128a)이 형성될 수 있다.

상기 제1 테일 전극(126a)와 상기 제2 테일 전극(128a)는 평면상에서 상기 실리콘 기판(110)의 폭 방향(Y 축 방향)으로 양 단에 위치할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 테일 전극(126a)는 Y 축 방향 최 상단에 위치한 제4 게이지 패턴(138a) 상에 위치할 수 있고, 상기 제2 테일 전극(128a)는 Y 축 방향 최 하단에 위치한 제1 게이지 패턴(132a) 상에 위치할 수 있다.

만약, 상기 제2 게이지 영역(A3)이 상기 제1 게이지 영역(A2) 보다 큰 경우, 상기 제1 및 제2 테일 패드 및 전극이 상기 제1 게이지 영역(A2)이 아니라 상기 제2 게이지 영역(A3)에 형성될 수 있음은 물론이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 구조를 보다 상술하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 패드 구조물(120)의 중심을 기준으로 제1 방향으로의 제1 게이지 영역(A2) 단부까지의 거리가 제2 방향으로의 제2 게이지 영역(A3) 단부까지의 거리보다 더 멀게 형성됨으로써, 상기 패드 구조물(120)의 중심 패드(122)의 중심을 기준으로 비대칭성을 제공한다. 구체적으로 상기 중심패드(122)와 상기 제1 주변 패드(124a) 간의 거리는 상기 중심패드(122)와 상기 제2 주변 패드(124b)간의 거리는 d1으로 서로 동일할 수 있다. 그러나, 상기 제1 주변 패드(124a)에서 상기 제1 방향으로의 상기 제1 게이지 영역(A2)까지의 거리(d2)는 상기 제2 주변 패드(124b)에서 상기 제2 방향으로의 상기 제2 게이지 영역(A3)까지의 거리(d3) 보다 길 수 있다. 이 때, d2와 d3 사이의 거리 차이만큼 제1 및 제2 주변 패드(116, 117)가 제1 방향으로 연장할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 제1 게이지 구조물(130a) 및 제2 게이지 구조물(130b)을 포함할 수 있다.

상기 제1 게이지 구조물(130a)은 상기 제1 게이지 영역(A2)에, 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물(120)과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하도록 형성될 수 있다.

구체적으로 상기 제1 게이지 구조물(130a)은 제1 내지 제4 게이지 패턴(132a, 134a, 136a, 138a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 게이지 구조물(130a)의 제1 내지 제4 게이지 패턴(132a, 134a, 136a, 138a)은 각각 게이지 패턴의 폭 방향인 Y 축 방향으로는 이격하고, 제1 방향인 -X 축방향으로 연장하는 평면 형상을 가질 수 있다.

나아가, 제1 내지 제4 게이지 패턴(132a, 134a, 136a, 138a)은 후술할 연결 구조물(160a)를 통하여 Y 축 방향으로 연결될 수 있다.

이 때, 상기 제1 게이지 패턴(132a)은 상기 제2 테일 전극(128a)를 통하여 상기 제1 패드 구조물(124a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제4 게이지 패턴(138a)은 상기 제1 테일 전극(126a)를 통하여 상기 중심 패드(122)와 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 제1 게이지 구조물(130a)의 제1 내지 제4 게이지 패턴(132a, 134a, 136a, 138a)은 상기 실리콘 기판(110) 상에 형성되되, 불순물 타입의 원소가 이온 주입된 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라 스트레인 발생에 대응하여 저항 변화를 유발시킬 수 있다.

또한, 상기 제2 게이지 구조물(130b)도 제1 내지 제4 게이지 패턴(132b, 134b, 136b, 138b)를 포함할 수 있다. 상기 제2 게이지 구조물(130b)의 제1 내지 제4 게이지 패턴(132b, 134b, 136b, 138b)도 각각 게이지 패턴의 폭 방향인 Y 축 방향으로는 이격하고, 제2 방향인 +X 축방향으로 연장하는 평면 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 제2 게이지 구조물(130b)은 스트레인 발생에 대응하여 X 축 방향으로의 저항 변화는 유발시키는 반면, Y 축 방향으로의 저항 변화는 유발시키지 않을 수 있다.

나아가, 제1 내지 제4 게이지 패턴(132b, 134b, 136b, 138b)은 후술할 연결 구조물(160b)을 통하여 Y 축 방향으로 연결될 수 있다.

이 때, 상기 제1 게이지 패턴(132b)는 상기 제2 주변 패드(124b)와 전기적으로 연결되고, 상기 제4 게이지 패턴(138b)는 상기 중심 패드(122)와 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 제2 게이지 구조물(130b)의 제1 내지 제4 게이지 패턴(132b, 134b, 136b, 138b)은 상기 실리콘 기판(110) 상에 형성되되, 불순물 타입의 원소가 이온 주입된 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라 스트레인 발생에 대응하여 저항 변화를 유발시킬 수 있다.

상기 제1 및 제2 게이지 구조물(130a, 130b)를 설명함에 있어서 각각 4개의 게이지 패턴들을 포함하는 것으로 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 이 보다 적거나 더 많은 게이지 패턴들을 포함할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 상술한 게이지 패턴들을 게이지 패턴들의 폭 방향으로 전기적으로 연결하는 연결 구조물을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 게이지 구조물(130a)의 제1 내지 제4 게이지 패턴들(132a, 134a, 136a, 138a)을 전기적으로 연결하는 제1 연결 구조물(160a)을 포함할 수 있고, 상기 제2 게이지 구조물(130b)의 제1 내지 제4 게이지 패턴들(132b, 134b, 136b, 138b)을 전기적으로 연결하는 제2 연결 구조물(160b)을 포함할 수 있다. 이하에서는 제1 연결 구조물(160a)을 중심으로 상술하기로 하며, 제1 연결 구조물(160a)에 대한 설명은 제2 연결 구조물(160b)에도 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 제1 연결 구조물(160a)은 제1, 2 및 제3 연결 패턴(162a, 164a, 166a)으로 이루질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 게이지 구조물(130a)의 제1 및 제2 게이지 패턴들(132a, 134a)을 Y 축 방향으로 전기적으로 연결하는 제1 연결 패턴(164a), 제2 및 제3 게이지 패턴들(134a, 136a)을 Y 축 방향으로 전기적으로 연결하는 제2 연결 패턴(166a) 및 제3 및 제4 게이지 패턴들(136a, 138a)을 Y 축 방향으로 전기적으로 연결하는 제3 연결 패턴(162a)을 포함할 수 있다. 이로써, 게이지 패턴들은 Y 축 방향으로 쇼트될 수 있다.

상기 연결 패턴들(162a, 164a, 166a)은 상기 패드 구조물(120)과 동일한 공정에 의하여 형성될 수 있으며 금속 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 연결 패턴(166a)은 Y 축 방향으로 상기 제1 및 제3 연결 패턴(162a, 166a)의 사이에 위치할 수 있으며, X 축 방향으로 상기 제1 및 제3 연결 패턴(162a, 166a) 보다 패드 구조물(120)에 인접하여 위치할 수 있다. 이 때, 상기 제2 연결 패턴(164a)은 상기 제1 및 제2 테일 전극(126a, 128a)의 단부 또는 단부에서 소정 거리 이격하여 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 상기 복수의 제1 게이지 패턴들(132a, 134a, 136a, 138a)의 폭 방향으로 상기 실리콘 기판(110)을 관통하는 제1 관통홀(150a)을 포함하고, 상기 복수의 제2 게이지 패턴들(132b, 134b, 136b, 138b)의 폭 방향으로 상기 실리콘 기판(110)을 관통하는 제2 관통홀(150b)을 포함할 수 있다.

특히, 상기 제1 게이지 영역(A2)의 제1 관통홀(150a)의 개구 비율은 상기 제2 게이지 영역(A3)의 상기 제2 관통홀(150b) 개구 비율보다 클 수 있다. 다시 말해, 제1 게이지 영역(A2) 전체 면적 대비 제1 관통홀(150a)에 의하여 개구된 개구 면적은 제2 게이지 영역(A3) 전체 면적 대비 제2 관통홀(150b)에 의하여 개구된 개구 면적보다 넓게 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 관통홀은 스트레인 게이지를 다이어프렘에 글래스 프릿을 이용하여 부착시키는 경우에, 글래스 프릿에 의해 발생하는 부력에 의하여 스트레인 게이지가 오정렬되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관통홀은 글래스 프릿에 의하여 발생하는 부력을 감소시키고 나아가 글래스 프릿이 관통홀을 통하여 모세관 현상으로 제거됨에 따라 어긋남을 방지할 수 있는 것이다. 또한 본딩 과정 중에 발생하는 기포가 관통홀을 통하여 용이하게 제거될 수 있으므로 스트레인 게이지가 부착된 스트레인 센서의 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 상기 제1 게이지 영역(A2)이 상기 제2 게이지 영역(A3) 보다 큰 비대칭 형상에서, 상기 제1 게이지 영역(A2)의 제1 관통홀(150a)의 개구 비율이 상기 제2 게이지 영역(A3)의 상기 제2 관통홀(150b) 개구 비율보다 큰 경우, 제1 게이지 영역(A2)에 집중되는 글래스 프릿에 의한 부력을 신속히 제거할 수 있다. 따라서, 스트레인 게이지가 다이어프램에 안정적으로 접착될 수 있는 효과를 제공할 수 있는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 상기 복수의 제1 게이지 패턴들(132a, 134a, 136a, 138a)의 폭 방향(Y 축 방향)으로 서로 인접하는 제1 게이지 패턴들(132a, 134a, 136a, 138a)을 물리적으로 연결하도록 상기 제1 관통홀(150a)을 가로지르는 제1 절연 브릿지 구조물(140a)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 복수의 제2 게이지 패턴들(132b, 134b, 136b, 138b)의 폭 방향(Y축 방향)으로 서로 인접하는 제2 게이지 패턴들(132b, 134b, 136b, 138b)을 연결하도록 상기 제2 관통홀(150b)을 가로지르는 제2 절연 브릿지 구조물(140b)을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 절연 브릿지 구조물(140a, 140b)은 상기 제1 및 제2 게이지 구조물(130a, 130b)에 형성된 제1 및 제2 관통홀(150a, 150b)에 의하여 감소된 강도를 보강하는 기능을 제공할 수 있다. 만약, 절연 브릿지 구조물(140a, 140b)이 없는 상태에서 스트레인 게이지(100)를 다이어프램에 부착하고자 하는 경우, 스트레인 게이지(100)의 강도가 약하기 때문에 스트레인 게이지(100)가 자신의 형상을 일정하게 유지하지 못하고 휘어지는 현상이 발생하게 된다. 이는, 스트레인 게이지(100)를 정 위치에 부착시키는 데 있어서 수율 감소의 원인이 된다. 그러나, 절연 브릿지 구조물(140a, 140b)이 스트레인 게이지(100)의 강도를 보강함으로써, 스트레인 게이지(100)의 취급이 용이해지고, 이로써 공정 편의성 및 수율이 향상될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)는 보호막을 더 포함할 수 있다. 상기 보호막은 상기 실리콘 기판(110) 상에 형성될 수 있다.

이하 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지(100)의 단면을 설명하기로 한다.

도 4는 도 3의 a-a' 방향의 단면도를 도시하고, 도 5는 도 3의 b-b' 방향의 단면도를 도시하고, 도 6은 도 3의 c-c' 방향의 단면도를 도시한다.

도 4를 참조하면, 패드 구조물(122, 124a, 124b)은 실리콘 기판(110) 및 상기 실리콘 기판(110) 상에 형성된 도전층(170) 상에 형성될 수 있다. 상기 연결 패턴(166b)도 실리콘 기판(110) 및 상기 실리콘 기판(110) 상에 형성된 도전층(170) 상에 형성될 수 있다. 이 때 도전층(170)은 상술한 게이지 구조물과 동일한 물질 및 동일한 공정에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 도전층(170)은 후속 공정에 의하여 게이지 구조물로 형성될 수 있다. 또한 절연 브릿지 구조물(140b)는 실리콘 기판(110)을 이루는 물질로 형성될 수 있으며, 절연 브릿지 구조물(140b) 사이에는 제2 관통홀(150b)이 형성될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제1 및 제2 테일 전극들(126a,128a)도 실리콘 기판(110) 및 상기 실리콘 기판(110) 상에 형성된 도전층 예를 들어, 제1 및 제4 게이지 패턴들(132a, 138a) 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2 및 제3 게이지 패턴들(134a, 136a)는 상기 실리콘 기판(110) 상에 도전층으로 제공될 수 있다. 상기 게이지 패턴들(132a, 134a, 136a, 138a) 사이로는 절연 브릿지 구조물(140a)이 형성될 수 있다.

도 6을 참조하면, 제1 내지 제4 게이지 패턴들(132a, 134a, 136a, 138a)의 폭 방향 사이로는 제1 관통홀(150a)이 형성될 수 있다.

이상 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 설명하였다. 이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 스트레인 센서를 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 스트레인 센서를 설명하기 위한 도면이다. 도 7(a)는 도 8의 비교 예에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 스트레인 센서이고, 도 7(b)는 도 8의 실시 예1에 따른 스트레인 게이지를 포함하는 스트레인 센서이다.

도 7(a)를 참조하면, 중심 패드를 기준으로 좌우 대칭의 형상을 가지는 스트레인 게이지(10a) 및 스트레인 게이지(10b)를 글래스 프릿(21)을 통하여 다이어프램(22)에 부착하였다. 이 때, 스트레인 게이지(10a, 10b)의 중심이 다이어프램(22)의 수축/인장 중심 라인(L1a', L1b')을 지나도록 부착하였다.

스트레인 게이지(10a)는 좌우 대칭의 구조를 가지기 때문에 스트레인 게이지(10a)의 일 단(L2a')까지의 거리 S1'는 타 단(L3a')까지의 거리 S2'는 서로 동일하다. 마찬가지로 스트레인 게이지(10b)도 좌우 대칭의 구조를 가지기 때문에 스트레인 게이지(10b)의 일 단(L2b')까지의 거리 S1'는 타 단(L3b')까지의 거리 S2'는 서로 동일하다.

도 7(b)을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서(200)는 제1 스트레인 게이지(100a) 및 제2 스트레인 게이지(100b)를 접착제 예를 들어, 글래스 프릿(210)을 통하여 다이어프램(220)에 부착하여 형성될 수 있다. 제1 및 제2 스트레인 게이지(100a, 100b)는 상술한 스트레인 게이지(100)를 의미할 수 있다.

이 때, 제1 스트레인 게이지(100a)의 상기 중심 패드 및 상기 제1 주변 패드, 제1 스트레인 게이지(100a)의 상기 중심 패드 및 상기 제2 주변 패드, 상기 제2 스트레인 게이지(100b)의 상기 중심 패드 및 상기 제1 주변 패드 및 상기 제2 스트레인 게이지(100b)의 상기 중심 패드 및 상기 제2 주변 패드는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)를 형성함으로써 스트레인 변화를 전기 신호로 변환할 수 있다.

스트레인 센서(200)를 구성함에 있어서, 스트레인 게이지를 다이어프램의 어느 위치에 부착할지가 중요한 설계 사항이다.

이를 위하여, 다이어프램(220)의 인장력 및 압축력에 따른 스트레인 변화를 도출하고, 인장력과 압축력에 의한 스트레인이 0인 지점 즉, 인장력 및 수축력에 따른 스트레인 변곡점을 도출할 필요가 있다. 도 7(b) 하단의 L1a 및 L1b가 스트레인 변곡점(라인)을 의미한다. 스트레인 변곡점을 도출하게 되면, 스트레인 게이지의 중심 패드가 변곡점을 지나도록 접착시킨다. 즉, 제1 스트레인 게이지(100a)의 중심 패드 중심을 L1a 상에 부착하고, 제2 스트레인 게이지(100b)의 중심 패드 중심을 L1b 상에 부착한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 제1 게이지 영역이 제2 게이지 영역 보다 큰 비대칭의 구조를 가지기 때문에, 제1 스트레인 게이지(100a)의 제1 게이지 영역 일 단까지의 거리는 S1이고, 제2 게이지 영역 일 단까지의 거리는 S1 보다 작은 S2이다. 이에 따라, 제1 스트레인 게이지(100a)는 L2a에서 L3a까지의 스트레인 변화를 감지할 수 있고, 제2 스트레인 게이지(100b)는 L2b에서 L3b까지의 스트레인 변화를 감지할 수 있다. 즉, 스트레인 게이지가 대칭형인 경우, 게이지에 작용하는 스트레인이 작은 -L2a' 내지 +L3a' 또는 -L3b' 내지 +L2b' 범위의 스트레인 변화를 감지하는 데 지나지 않는 반면, 스트레인 게이지가 비대칭이기 때문에 비교예 보다 게이지에 작용하는 스트레인이 더 큰 -L2a 내지 +L3a 범위 또는 -L3b 내지 +L2b 범위에서 스트레인 변화를 감지할 수 있는 것이다. 이로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서는 보다 낮은 압력을 보다 높은 감도로 센싱할 수 있다. 본 발명의 성능 실험 결과를 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 감도 우수성을 설명하기 위한 비교 예 및 실시 예 1 내지 3을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 감도 우수성을 실험하기 위하여, 중심 패드를 기준으로 좌우가 대칭인 비교예와 본 발명의 실시 예에 따라 중심 패드를 기준으로 좌우가 비대칭인 실시 예 1 내지 3을 준비하였다. 구체적으로 실시 예 1은 제1 주변 패드의 일 단에서 -X 축 방향으로 540um 연장하도록 준비하였고, 실시 예 2는 제1 주변 패드의 일 단에서 -X 축 방향으로 540um 연장하고, 제2 주변 패드의 일 단에서 +X 축 방향으로 59.7um 연장하도록 준비하였고, 실시 예 3은 제2 주변 패드의 일 단에서 +X 축 방향으로 873um 연장하도록 준비하였다. 그리고 준비된 스트레인 게이지를 도 7에 도시된 바와 같이 스트레인 센서를 구성하였다.

아래 표1-1에 정리된 바와 같이, 비교예 및 실시 예 1 내지 3을 변곡점을 기준으로 본딩하였을 때의 감도를 살펴보면, 비교예에 비하여, 실시 예1은 29% 향상, 실시 예2는 36% 향상, 실시 예3은 131% 향상됨을 확인할 수 있었다.

구제적으로 실시 예 1은 제1 주변 패드의 일 단에서 -X 축 방향으로 540um 연장함으로써 더 큰 압축 응력에 감응할 수 있음을 확인할 수 있었고, 실시 예 2는 제1 주변 패드의 일 단에서 -X 축 방향으로 540um 연장하고, 제2 주변 패드의 일 단에서 +X 축 방향으로 59.7um 연장함으로써, 높은 감도 및 인장 평균 스트레인과 수축 평균 스트레인 차이가 최소가 됨을 확인할 수 있었고, 실시 예 3은 제2 주변 패드의 일 단에서 +X 축 방향으로 873um 연장함으로써, 더 큰 인장 응력에 감응함을 확인할 수 있었다.

특성	비교예	실시예1	실시예2	실시예3
감도(mV/V)	15.476	19.872	21.05	35.8
평균 스트레인 차이(%)	36.1	9.43	1.79	79.7

이상 도 8 및 표1을 참조하여 본 발명의 우수성을 실험 및 증명하였다. 이하에서는 도 9 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 도 9의 단계 S110을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 9의 단계 S120을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 도 9의 단계 S130을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 9의 단계 S140을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 도 9의 단계 S150을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S110), 패드 구조물을 형성하는 단계(S120), 게이지 구조물을 형성하는 제1 식각 단계(S130), 관통홀을 형성하는 제2 식각 단계(S140) 및 그라인딩 단계(S150)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 상술하기로 한다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 단계 S110에서 기판이 준비될 수 있다.

보다 구체적으로 도 10(a)에 도시된 바와 같이 실리콘 기판 예를 들어, SOI 기판이 준비될 수 있다. 이는 상술한 실리콘 기판(110)으로 활용될 수 있다. 준비된 SOI 기판 상에는 도 10(b)에 도시된 바와 같이 산화층이 형성될 수 있다. 산화층은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 산화층은 습식 또는 건식 산화 공정으로 형성될 수 있으며 후술할 이온 주입 공정에서 버퍼 역할을 수행할 수 있다. 도 10(c)를 참조하면, 불순물을 이온 주입 공정에 의하여 주입할 수 있다. 이온 주입된 불순물 층은 상술한 제1 게이지 구조물 및 제2 게이지 구조물(130a, 130b), 도전층(170)으로 활용될 수 있다. 이온 주입 공정 후 수소 분위기에서 어닐링 공정이 수행될 수 있다.

도 9 및 도 11을 참조하면, 단계 S120에서 패드 구조물이 형성될 수 있다.

도 11에 도시된 단계를 참조하면, 광감응성 물질(PR)을 코팅하고, 패드 구조물(120) 및 연결 구조물(160a, 160b)의 형상에 대응하도록 현상하고, 이후 금속 물질 예를 들어, 티타늄 및/또는 알루미늄을 증착할 수 있다. 이로써, 패드 구조물(120) 및 연결 구조물(160a, 160b)이 형성될 수 있다.

도 9 및 도 12를 참조하면, 단계 S130에서 게이지 구조물을 형성하는 제1 식각 단계가 수행될 수 있다. 단계 S130에 의하여 불필요한 영역에 형성된 이온 주입된 불순물 층을 제거할 수 있다. 이를 위하여, 도 12에 도시된 바와 같이, 광감응성 물질(PR)j을 코팅하고, 불필요한 영역에 형성된 이온 주입된 불술물 층을 선택적으로 제거할 수 있다.

도 9 및 도 13을 참조하면, 단계 S140에서 관통홀을 형성하는 제2 식각 단계가 수행될 수 있다. 단계 S140에 의하여 제1 및 제2 관통홀(150a, 150b) 및 제1 및 제2 절연 브릿지 구조물(140a, 140b)이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 도 13에 도시된 바와 같이, 광감응성 물질(PR)j을 코팅하고, 기판을 선택적으로 식각함으로써, 제1 및 제2 관통홀(150a, 150b) 및 제1 및 제2 절연 브릿지 구조물(140a, 140b)을 형성할 수 있다.

도 9 및 도 14를 참조하면, 단계 S150에서 그라인딩이 수행될 수 있다. 이로써, 관통홀이 완전하게 개구될 수 있다.

앞서 설명한 단계 S140의 식각 공정은 습식이 아니라 건식 식각으로 수행될 수 있다. 건식 식각으로 진행하는 경우 복수의 스트레인 게이지가 형성된 원판 상태에서 식각을 진행할 수 있는 반면, 습식 식각으로 진행하는 경우 개개의 스트레인 게이지를 슬라이싱(slicing)한 상태에서 식각을 수행해야 하므로 공정 경제성 면에서 불리하다.

현재까지는 스트레인 게이지의 감도를 향상시키기 위해서 다이어프램의 두께를 얇게 하거나 직경을 증가시키는 연구가 진행되어왔다. 그러나, 다이어프램 가공정도의 한계에 의해 제약적 일 뿐 아니라 안전성 및 선형성에 영향을 주기 때문에 신뢰도가 낮다는 문제가 있다. 현재까지 연구된 스트레인 게이지는 좌우 대칭적 구조를 가지고 있기 때문에 감도를 향상시키기 위하여 4개의 스트레인 게이지를 다이어프램에 부착하였다. 그러나 이 경우 4개의 다이어프램을 부착하기 위한 공정이 수반되어야 하기 때문에 공정이 복잡해지고 비용이 증가한다는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 좌우 비대칭형의 구조를 가지며, 좌우 비대칭형의 스트레인 게이지를 스트레인 센서에 적용함으로써 감도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 길이가 늘어나긴 하지만 관통홀을 형성하였기 때문에 본딩에 의하여 야기되는 부력에 의한 문제를 해소할 수 있다. 따라서, 정확한 위치에 스트레인 게이지를 부착할 수 있는 것이다. 나아가 비대칭 구조로 감도가 크게 향상되기 때문에 종래와 같이 4 개의 스트레인 게이지가 필요한 것이 아니라 2개의 스트레인 게이지로도 고 감도의 스트레인 센서를 제조할 수 있다. 따라서, 공정을 단순화하고 비용을 절감하는 효과를 제공할 수 있다.

정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서는 기존의 대칭 스트레인 게이지에 비하여 큰 감도를 가질 뿐 아니라 안정적인 본딩이 가능하기 때문에 우수한 저압센서로 활용될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100: 스트레인 게이지
110: 실리콘 기판
120: 패드 구조물
122: 중심 패드
124a: 제1 주변 패드
124b: 제2 주변 패드
130a: 제1 게이지 구조물
132a, 134a, 136a, 138a: 제1 내지 제4 게이지 패턴들
130b: 제2 게이지 구조물
132b, 134b, 136b, 138b: 제1 내지 제4 게이지 패턴들
140a: 제1 절연 브릿지 구조물
140b: 제2 절연 브릿지 구조물
150a: 제1 관통홀
150b: 제2 관통홀
160a: 제1 연결 구조물
160b: 제2 연결 구조물
200: 스트레인 센서
210: 글래스 프릿
220: 다이어프램

Claims (11)

1. 패드 영역 및 상기 패드 영역을 기준으로 제1 방향에 위치하는 제1 게이지 영역 및 상기 제1 방향과 대향하는 제2 방향에 위치하는 제2 게이지 영역이 정의된 실리콘 기판;
   상기 패드 영역에 형성되는 패드 구조물;
   상기 제1 게이지 영역에, 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제1 게이지 구조물; 및
   상기 제2 게이지 영역에, 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되고, 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 제2 게이지 구조물;을 포함하되,
   상기 제1 게이지 영역과 상기 제2 게이지 영역이 상기 패드 영역을 중심으로 비대칭(Asymmetry)을 이루는 스트레인 게이지.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 패드 구조물의 중심을 기준으로 상기 제1 방향으로 상기 제1 게이지 구조물의 단부까지의 거리는 상기 제2 방향으로 상기 제2 게이지 구조물의 단부까지의 거리보다 먼 스트레인 게이지.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 패드 구조물은 중심 패드 및 상기 중심 패드를 기준으로 상기 제1 방향으로 이격하여 위치하는 제1 주변 패드 및 상기 제2 방향으로 이격하여 위치하는 제2 주변 패드를 포함하고,
   상기 중심 패드에서 상기 제1 방향으로의 상기 제1 주변 패드까지 거리는 상기 중심 패드에서 상기 제2 방향으로의 상기 제2 주변 패드까지 거리와 동일하며,
   상기 제1 주변 패드에서 상기 제1 방향으로의 상기 제1 게이지 구조물 단부까지의 거리는 상기 제2 주변 패드에서 상기 제2 방향으로의 상기 제2 게이지 구조물 단부까지의 거리보다 긴 스트레인 게이지.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 중심 패드는 상기 중심 패드의 상기 제1 방향 단부에서 상기 제1 방향으로 연장하는 제1 테일 패드를 더 포함하고,
   상기 제1 주변 패드는 상기 제1 주변 패드의 상기 제1 방향 단부에서 상기 제1 방향으로 연장하는 제2 테일 패드를 더 포함하는 스트레인 게이지.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 게이지 구조물은 상기 제1 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 게이지 패턴들을 포함하되, 상기 복수의 제1 게이지 패턴의 폭 방향으로 상기 실리콘 기판을 관통하는 제1 관통홀이 형성되고,
   상기 제2 게이지 구조물은 상기 제2 방향으로 상기 패드 구조물과 전기적으로 연결되는 복수의 제2 게이지 패턴들을 포함하되, 상기 복수의 제2 게이지 패턴의 폭 방향으로 상기 실리콘 기판을 관통하는 제2 관통홀이 형성된 스트레인 게이지.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제1 게이지 영역의 제1 관통홀의 개구 비율은 상기 제2 게이지 영역의 상기 제2 관통홀 개구 비율보다 큰 스트레인 게이지.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 복수의 제1 게이지 패턴들의 폭 방향으로 서로 인접하는 제1 게이지 패턴들을 연결하도록 상기 제1 관통홀을 가로지르는 제1 절연 브릿지 구조물을 더 포함하고
   상기 복수의 제2 게이지 패턴들의 폭 방향으로 서로 인접하는 제2 게이지 패턴들을 연결하도록 상기 제2 관통홀을 가로지르는 제2 절연 브릿지 구조물을 더 포함하는 스트레인 게이지.
8. 제5 항에 있어서,
   상기 복수의 제1 게이지 패턴들을 상기 복수의 제1 게이지 패턴들의 폭 방향으로 전기적으로 연결하는 제1 연결 구조물, 및
   상기 복수의 제2 게이지 패턴들을 상기 복수의 제2 게이지 패턴들의 폭 방향으로 전기적으로 연결하는 제2 연결 구조물을 포함하는 스트레인 게이지.
9. 패드 영역 및 상기 패드 영역을 기준으로 좌우가 비대칭인 게이지 영역이 정의된 실리콘 기판, 상기 패드 영역에 형성되되, 패드 패턴부를 포함하는 패드 구조물 및 상기 비대칭인 게이지 영역에 상기 패드 영역을 기준으로 좌우가 비대칭적으로 형성되어 스트레인 발생에 대응하여 저항이 변하는 게이지 구조물을 각각 포함하는 제1 및 제2 스트레인 게이지; 및
   소정의 면적을 가지는 다이어프램;을 포함하되,
   상기 제1 및 제2 스트레인 게이지는 상기 다이어프램의 인장력 및 수축력에 따른 스트레인 변곡점에 상기 패드 영역의 중심이 각각 위치하는 스트레인 센서.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스트레인 게이지의 패드 구조물은 중심 패드 및 상기 중심 패드 좌우에 상기 중심 패드를 기준으로 대칭적으로 배치되는 제1 및 제2 주변 패드를 각각 포함하는 스트레인 센서.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제1 주변 패드,
    상기 제1 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제2 주변 패드,
    상기 제2 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제1 주변 패드 및
    상기 제2 스트레인 게이지의 상기 중심 패드 및 상기 제2 주변 패드는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)를 형성하는 스트레인 센서.

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