KR20230155985A - Flexible Thin Temperature Sensor and Manufacturing Method for thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법에 관한 것으로, 진공 분위기(Vacuum Atmosphere) 또는 수소 분위기(Hydrogen Atmosphere) 하에서 니켈 시트를 열처리하는 단계, 열처리된 니켈 시트를 접착제를 이용하여 PI(Polyimide) 시트 상에 부착하는 단계, 소정의 저항 값을 갖도록 열처리된 니켈 시트에 단자부를 포함하는 센서 패턴을 형성하는 단계, 센서 패턴이 형성된 니켈 시트의 상면에 접착제를 이용하여 PI 시트를 부착하되, PI 시트는 단자부 영역을 제외하고 부착하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method of manufacturing a flexible thin temperature sensor, comprising the steps of heat treating a nickel sheet under a vacuum atmosphere or a hydrogen atmosphere, and applying the heat treated nickel sheet to a PI (polyimide) sheet using an adhesive. Attaching to the top, forming a sensor pattern including a terminal portion on a nickel sheet heat-treated to have a predetermined resistance value, attaching the PI sheet using an adhesive to the upper surface of the nickel sheet on which the sensor pattern is formed, but the PI sheet is It includes the step of attaching except for the terminal area.
Description
본 발명은 유연한 박형 온도센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible thin temperature sensor and a method of manufacturing the same.
백금, 니켈, 구리, 텅스텐 등과 같은 금속의 경우에는 금속의 저항이 온도에 따라 선형적으로 증가하는 PTC(Positive Temperature Coefficient of Resistance)로 알려진 특성을 가진다. PTC 효과는 온도 변화에 따라 물질의 전기 저항이 일정하게 변화하는 것을 특징으로 하는데, 온도의 변화에 따른 저항 변화는 물질의 종류에 따라 일정한 값을 나타내기도 하지만, 잔류응력 등 제조 이력과 같은 요인이 금속의 내부 구조를 변경하여 온도에 따른 저항의 변화를 초래할 수 있다. Metals such as platinum, nickel, copper, and tungsten have a characteristic known as PTC (Positive Temperature Coefficient of Resistance) in which the resistance of the metal increases linearly with temperature. The PTC effect is characterized by a constant change in the electrical resistance of a material as the temperature changes. The change in resistance due to a change in temperature may show a constant value depending on the type of material, but may vary depending on factors such as manufacturing history such as residual stress. Changing the internal structure of a metal can result in a change in resistance depending on temperature.
아래의 표 1은, 가장 대표적인 온도센서 재료인 백금, 구리, 니켈의 저항성 온도 검출기(RTD, Resistive Temperature Detector)의 특성을 나타내는 것이다.Table 1 below shows the characteristics of resistive temperature detectors (RTDs) made of platinum, copper, and nickel, which are the most representative temperature sensor materials.
<표 1> 백금, 구리, 니켈의 저항성 온도 검출기의 특성<Table 1> Characteristics of resistive temperature detectors for platinum, copper, and nickel
한편, 오늘날의 기술적 경향은 대체로 소자의 경박단소(輕薄短小)화 경향에 따라 작은 크기의 미세 소자로 원하는 기능을 얻고자 하는 것이다. 이를 위해, 온도센서의 경우에도 벌크 기술이 아닌 박막기술을 이용한 금속 박형 온도 센서의 연구가 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 이미 상용화되어 다양한 분야에서 활용되고 있다. Meanwhile, today's technological trend generally seeks to obtain desired functions with small-sized microdevices in accordance with the tendency for devices to become lighter, thinner, and smaller. To this end, in the case of temperature sensors, research on thin metal temperature sensors using thin film technology rather than bulk technology is being actively conducted, and some products have already been commercialized and are being used in various fields.
그러나 박형의 경우에는 벌크(bulk) 특성과 같이 안정한 특성을 나타내지 않을 수도 있다는 결정적인 단점이 있다. 일 예로, 종래의 박형 온도센서의 경우 열처리 조건에 따라 TCR 이 변화하는 문제점이 있다. 따라서, 일정한 열처리를 통해서 원하는 특성 값을 구현할 필요가 있었다. However, in the case of thin type, there is a decisive disadvantage that it may not exhibit stable characteristics like bulk characteristics. For example, in the case of conventional thin temperature sensors, there is a problem in that TCR changes depending on heat treatment conditions. Therefore, it was necessary to implement the desired characteristic values through certain heat treatment.
종래의 일정한 열처리를 통해 원하는 특성을 구현하는 방법의 예로서, 19th International Congress of Metrology, 18007 (2019) Youssef Mokadem 등의 연구결과인 Influence of low temperature annealing on Nickel RTDs designed for heat flux sensing에 니켈 박막의 소둔(annealing)열처리 효과가 언급되어 있다. 경우에 따라서는 기판의 영향으로 금속의 종류에 따라 벌크(bulk) 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지며 상기 박막의 두께가 일정할 때 저항 값은 금속 박막 패턴의 라인 폭에 의하여 조절된다. 이러한 선폭을 조절하기 위해 반도체 공정 기술에서 활용되고 있는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공법이 사용되고 있기도 하다.As an example of a method of realizing desired characteristics through conventional heat treatment, the 19th International Congress of Metrology, 18007 (2019) Influence of low temperature annealing on Nickel RTDs designed for heat flux sensing, a research result of Youssef Mokadem et al. The effect of annealing heat treatment is mentioned. In some cases, the minimum thin film thickness to exhibit bulk characteristics is determined depending on the type of metal due to the influence of the substrate, and when the thickness of the thin film is constant, the resistance value is adjusted by the line width of the metal thin film pattern. . To control this line width, the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) method, which is used in semiconductor processing technology, is also used.
니켈 시트(또는 포일)의 경우, 350℃이상의 열처리 온도에서 물질 구조의 변화가 발생하며, 이에 따라 온도 변화에 따라 소자의 품질에 큰 차이가 발생한다고 알려져 있다. 특히 박막의 두께가 10㎛ 이하인 니켈 시트는 도금 방식으로 제조되기 때문에, 열처리 과정에서 차이가 두드러지게 나타난다.In the case of nickel sheets (or foils), changes in the material structure occur at heat treatment temperatures of 350°C or higher, and it is known that there is a significant difference in the quality of the device depending on temperature changes. In particular, since nickel sheets with a thin film thickness of 10㎛ or less are manufactured by plating, differences are noticeable during the heat treatment process.
예를 들어 도금 방식으로 제작된 금속 시트(포일)은 주상 구조(柱狀組織)를 가지고 있어, 350℃의 열처리 과정에서 주상 구조가 붕괴되고 그 결과 벌크 특성이 나타날 수 있다. 이러한 변화를 방지하기 위하여 미세 조직을 제어하고자 적절한 열처리 조건을 적용하는 것은 박형 온도센서의 개발 및 상용화에 있어서 매우 중요하다. 즉 적절한 열처리 조건을 통해 니켈 시트(포일)와 TCR(Temperature Coefficient of Resistance, 온도 저항 계수) 간의 저항 균일화를 확보할 수 있으며, 이는 제품의 전반적인 성능과 안정성을 향상시키는 데 중요한 요소이다.For example, a metal sheet (foil) produced by plating has a columnar structure, and during heat treatment at 350°C, the columnar structure may collapse and bulk characteristics may appear as a result. In order to prevent these changes, applying appropriate heat treatment conditions to control the microstructure is very important in the development and commercialization of thin temperature sensors. In other words, through appropriate heat treatment conditions, equalization of resistance between the nickel sheet (foil) and TCR (Temperature Coefficient of Resistance) can be secured, which is an important factor in improving the overall performance and stability of the product.
사정이 위와 같음에도 불구하고 아직까지 박형 온도센서 분야에서 안정화된 조직을 얻는 방법과 그에 따른 안정된 특성을 얻는 방안 등에 대해서는 거의 연구가 전무한 실정이다.Despite the above circumstances, there is still almost no research in the field of thin temperature sensors on how to obtain a stable structure and how to obtain stable characteristics accordingly.
특허문헌 1에는 유연성 박막 어레이형 온도센서 및 그 제조방법이 개시되어 있기는 하나, 이는 유연성 기판 상에 프린팅 기법을 이용하여 박형 온도센서를 얻는 방법에 관한 것일 뿐이다.Patent Document 1 discloses a flexible thin film array-type temperature sensor and its manufacturing method, but it only relates to a method of obtaining a thin temperature sensor using a printing technique on a flexible substrate.
또한 특허문헌 2에도 박형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법이 개시되어 있으나, 이 또한 박형 온도센서의 기계적 충격특성을 개선하고 내열특성이 우수한 온도측정소자를 얻고자 외부 패키징에 기술적 특징을 부여한 발명에 지나지 않을 뿐, 본 발명과 같이 박형 온도센서 소자 및 재료의 근원적인 문제점 해결과는 다소 거리가 있다.In addition, Patent Document 2 also discloses a temperature measuring element using a thin temperature sensor and its manufacturing method, but this also includes technical features in the external packaging in order to improve the mechanical impact characteristics of the thin temperature sensor and obtain a temperature measuring element with excellent heat resistance characteristics. It is only an invention given, and is somewhat far from solving the fundamental problems of thin temperature sensor elements and materials like the present invention.
금속 RTD를 사용하는 온도 센서는 반복 생산에서 안정적이고 재현 가능한 성능이 요구된다. 이러한 이유로 MINCO사(thermal-ribbon, www.mod-tronic.com)처럼 주로 가는 금속선을 코일처럼 감아서 제조하거나, HERAUS사(Dependable platinum temperature sensors, www.heraeus-sensor-technology.com)처럼 알루미나와 같은 세라믹 기판에 박막으로 제조하여 사용한다. 하지만 기판 위에 박막을 제조하는 것은 기판의 강성으로 인해 유연한 표면을 구현하는 데 어려움이 있다. 또한 가는 선을 코일처럼 감아서 센서를 제작할 경우 크기, 특히 결과 장치의 두께를 줄이는 데 한계가 있다. Temperature sensors using metal RTDs require stable and reproducible performance in repeat production. For this reason, it is mainly manufactured by winding thin metal wires like a coil, like MINCO (thermal-ribbon, www.mod-tronic.com), or alumina and aluminium, like HERAUS (Dependable platinum temperature sensors, www.heraeus-sensor-technology.com). It is manufactured and used as a thin film on the same ceramic substrate. However, manufacturing a thin film on a substrate is difficult to create a flexible surface due to the rigidity of the substrate. Additionally, when manufacturing a sensor by winding a thin wire like a coil, there are limits to reducing the size, especially the thickness of the resulting device.
센서를 얇은 박막으로 제조하면서도 안정한 특성을 구현할 수 있다면 특히 굽은 표면에 센서를 밀착시킬 수 있어 정밀한 온도의 변화를 빠르게 측정할 수 있다. If the sensor can be manufactured as a thin film and still have stable characteristics, the sensor can be closely attached to a curved surface, making it possible to quickly measure precise temperature changes.
한편 금속 얇은 시트는 압연, 물리적 화학적 박막합성 및 도금 등으로 만들어진다. 최근에는 배터리 등에 사용하기 위해 2㎛ 수준까지 얇아진 구리와 같은 금속시트가 제조되고 있다. 물론 제조공정의 차이에 따라 금속시트는 서로 다른 특성을 보여준다.Meanwhile, thin metal sheets are made by rolling, physical and chemical thin film synthesis, and plating. Recently, metal sheets such as copper that are as thin as 2㎛ are being manufactured for use in batteries. Of course, metal sheets show different characteristics depending on the manufacturing process.
이와 같은 관점에서, 본 발명은 기판 위에 박막이 제조된 형태가 아니라 박막이 독립적으로 사용되는 유연한 박형 온도센서 소자를 제공하는 것을 발명이 해결하고자 하는 과제로 한다.From this perspective, the problem that the present invention seeks to solve is to provide a flexible thin temperature sensor element in which the thin film is used independently rather than in the form of a thin film manufactured on a substrate.
또한 본 발명은 두께가 얇은 박형으로 제조되면서도 안정된 특성을 구현할 수 있는 유연한 박형 온도센서 제공을 해결하고자 하는 과제로 한다.In addition, the present invention aims to solve the problem of providing a flexible, thin temperature sensor that can realize stable characteristics while being manufactured in a thin form.
본 발명은 이러한 유연한 박형 온도센서의 최적 제조조건을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.The present invention aims to solve the problem of providing optimal manufacturing conditions for such a flexible, thin temperature sensor.
이와 같은 점을 감안하여 본 발명은 표면에 센서를 밀착시킬 수 있고 소형화가 가능할 뿐 아니라 온도의 변화를 정밀하고도 빠르게 측정할 수 있는 유연한 박형 온도센서를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.Considering this, the present invention aims to solve the problem of providing a flexible, thin temperature sensor that can adhere the sensor to the surface, enable miniaturization, and measure temperature changes precisely and quickly.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법은 진공 분위기(Vacuum Atmosphere) 또는 산소 분압이 일부 포함될 수 있는 수소 분위기(Hydrogen Atmosphere) 하에서 니켈 시트를 열처리하는 단계, 열처리된 상기 니켈 시트를 접착제를 이용하여 PI(Polyimide) 시트 상에 부착하는 단계, 소정의 저항 값을 갖도록 열처리된 상기 니켈 시트에 단자부를 포함하는 센서 패턴을 형성하는 단계, 상기 센서 패턴이 형성된 상기 니켈 시트의 상면에 상기 접착제를 이용하여 상기 PI 시트를 부착하되, 상기 PI 시트는 상기 단자부 영역을 제외하고 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.As a means to solve the above-described technical problem, a method of manufacturing a flexible thin temperature sensor according to one aspect of the present invention is a nickel sheet under a vacuum atmosphere or a hydrogen atmosphere that may contain some oxygen partial pressure. heat-treating, attaching the heat-treated nickel sheet to a PI (polyimide) sheet using an adhesive, forming a sensor pattern including a terminal portion on the heat-treated nickel sheet to have a predetermined resistance value, Attaching the PI sheet to the upper surface of the nickel sheet on which the sensor pattern is formed using the adhesive, wherein the PI sheet is attached excluding the terminal region.
일 실시형태에 있어서, 상기 온도 센서의 단자부에 단자를 연결하는 단계를 더 포함하고, 상기 단자를 연결하는 단계는 솔더가 코팅된 단자를 용융하여 연결하거나, 브레이징(brazing) 조성을 가진 클래드 시트 또는 브레이징 구성물질이 코팅된 금속시트를 매개소재로 이용하여 연결하거나, ACF(Anisotropic Conductive Film)을 사용하여 연결하거나, 또는 얇은 도전성 접착제를 이용하여 연결하는 것 중 어느 하나를 이용하여 연결하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the method further includes connecting a terminal to a terminal of the temperature sensor, wherein the step of connecting the terminal is performed by melting a terminal coated with solder, using a clad sheet with a brazing composition, or brazing. It is characterized by connection using any of the following: connection using a metal sheet coated with a constituent material as an intermediate material, connection using ACF (Anisotropic Conductive Film), or connection using a thin conductive adhesive. .
일 실시형태에 있어서, 상기 단자부에 단자를 연결한 이후, 다시 접착제가 도포된 PI 절연필름을 부착하고, 전선과 전선 사이의 절연부위는 서로 분리되도록 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, after connecting the terminal to the terminal, the method further includes attaching a PI insulation film coated with adhesive, and forming an insulating portion between the wires to be separated from each other.
일 실시형태에 있어서, 상기 니켈 시트를 열처리하는 단계는 400℃ 보다 높고 600℃보다 낮은 온도에서 열처리를 수행하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the heat treatment of the nickel sheet is characterized in that the heat treatment is performed at a temperature higher than 400°C and lower than 600°C.
일 실시형태에 있어서, 상기 센서 패턴은 제1 방향으로 사행하는 제1 패턴과 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 사행하는 제2 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the sensor pattern includes a first pattern meandering in a first direction and a second pattern meandering in a second direction opposite to the first direction.
일 실시형태에 있어서, 상기 센서 패턴은 상기 소정의 저항 값이 25℃ 에서의 저항 값이 예를 들어 30Ω 내지 3kΩ 되도록 가공하고, 상기 가공된 센서 패턴을 레이저를 이용하여 다시 부분 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the sensor pattern is processed such that the predetermined resistance value is, for example, 30Ω to 3kΩ at 25°C, and the processed sensor pattern is partially processed again using a laser. It is characterized by:
일 실시형태에 있어서, 상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 상기 온도 센서의 하부에 보호기구를 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the method further includes inserting a protection device into the lower part of the temperature sensor to protect the head of the temperature sensor.
일 실시형태에 있어서, 상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 보호기구로 상기 온도 센서의 외부를 감싸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the method further includes wrapping the outside of the temperature sensor with a protective device to protect the head of the temperature sensor.
일 실시형태에 있어서, 상기 니켈 시트의 두께는 2㎛ 내지 10㎛ 이고, 상기 센서 패턴과 상기 PI 시트가 결합된 단자부를 제외한 상기 온도 센서의 두께는 50㎛ 내지 100㎛이고, 상기 단자부를 포함하는 상기 온도 센서의 총 두께는 80㎛ 내지 200㎛인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the thickness of the nickel sheet is 2 μm to 10 μm, the thickness of the temperature sensor excluding the terminal portion where the sensor pattern and the PI sheet are combined is 50 μm to 100 μm, and the terminal portion includes the The total thickness of the temperature sensor is characterized in that it is 80㎛ to 200㎛.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 유연한 박형 온도 센서는, 진공 분위기(Vacuum Atmosphere) 또는 산소 분압이 일부 포함될 수 있는 수소 분위기(Hydrogen Atmosphere) 하에서 열처리된 니켈 시트, 접착제를 이용하여 상기 니켈 시트의 하면에 부착된 제1 PI(PolyImide) 시트, 및 열처리된 상기 니켈 시트 상에 형성된 단자부를 포함하는 센서 패턴, 및 상기 센서 패턴이 형성된 상기 니켈 시트의 상면에 상기 접착제를 이용하여 부착된 제2 PI 시트를 포함하고, 상기 센서 패턴은 소정의 저항 값을 가지도록 형성되고, 상기 제2 PI 시트는 상기 단자부 영역을 제외하고 부착되는 것을 특징으로 한다. A flexible thin temperature sensor according to another aspect of the present invention is a nickel sheet heat-treated under a vacuum atmosphere or a hydrogen atmosphere that may contain some oxygen partial pressure, and the lower surface of the nickel sheet using an adhesive. A sensor pattern including a first PI (PolyImide) sheet attached, and a terminal portion formed on the heat-treated nickel sheet, and a second PI sheet attached using the adhesive to the upper surface of the nickel sheet on which the sensor pattern is formed. It includes, wherein the sensor pattern is formed to have a predetermined resistance value, and the second PI sheet is attached except for the terminal area.
일 실시형태에 있어서, 상기 온도 센서의 단자부에 연결된 단자를 더 포함하고, 상기 단자는 솔더가 코팅된 단자를 용융하여 연결되거나, 브레이징(brazing) 조성을 가진 클래드 시트 또는 브레이징 구성물질이 코팅된 금속시트를 매개소재로 이용하여 연결되거나, ACF(Anisotropic Conductive Film)을 사용하여 연결되거나, 또는 얇은 도전성 접착제를 이용하여 연결되는 것 중 어느 하나를 이용하여 연결되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, it further includes a terminal connected to the terminal of the temperature sensor, wherein the terminal is connected by melting a terminal coated with solder, a clad sheet with a brazing composition, or a metal sheet coated with a brazing composition. It is characterized in that it is connected using any one of the following: connected using as an intermediate material, connected using ACF (Anisotropic Conductive Film), or connected using a thin conductive adhesive.
일 실시형태에 있어서, 상기 단자부에 단자를 연결한 이후, 다시 접착제가 도포된 PI 절연필름을 부착하고, 전선과 전선 사이의 절연부위는 서로 분리되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, after connecting the terminal to the terminal, a PI insulation film coated with adhesive is attached again, and the insulating portion between the wires is formed to be separated from each other.
일 실시형태에 있어서, 상기 열처리된 니켈 시트는 400℃ 보다 높고 600℃보다 낮은 온도에서 열처리된 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the heat-treated nickel sheet is characterized in that it is heat-treated at a temperature higher than 400°C and lower than 600°C.
일 실시형태에 있어서, 상기 센서 패턴은 제1 방향으로 사행하는 제1 패턴과 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 사행하는 제2 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the sensor pattern includes a first pattern meandering in a first direction and a second pattern meandering in a second direction opposite to the first direction.
일 실시형태에 있어서, 상기 센서 패턴은 상기 소정의 저항 값이 25℃ 에서의 저항 값이 예를 들어 30Ω 내지 3kΩ이 되도록 가공되고, 상기 가공된 센서 패턴을 레이저를 이용하여 다시 부분 가공되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the sensor pattern is processed so that the predetermined resistance value at 25°C is, for example, 30Ω to 3kΩ, and the processed sensor pattern is partially processed again using a laser. Do it as
일 실시형태에 있어서, 상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 상기 온도 센서의 하부에 보호기구가 삽입되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, a protection mechanism is inserted into the lower part of the temperature sensor to protect the head of the temperature sensor.
일 실시형태에 있어서, 상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 보호기구로 상기 온도 센서의 외부가 감싸진 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the outside of the temperature sensor is wrapped with a protection mechanism to protect the head of the temperature sensor.
일 실시형태에 있어서, 상기 니켈 시트의 두께는 5㎛이고, 상기 센서 패턴과 상기 PI 시트가 결합된 단자부를 제외한 상기 온도 센서의 두께는 50㎛ 내지 100㎛이고, 상기 단자부를 포함하는 상기 온도 센서의 총 두께는 80㎛ 내지 200㎛인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the thickness of the nickel sheet is 5㎛, the thickness of the temperature sensor excluding the terminal part where the sensor pattern and the PI sheet are combined is 50㎛ to 100㎛, and the temperature sensor including the terminal part. The total thickness is characterized in that it is 80㎛ to 200㎛.
본 발명에 따르면 연결부위를 포함한 온도센서 전체를 200㎛ 이하의 박형으로 제조할 수 있어 굴곡 형상에도 밀착될 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the entire temperature sensor, including the connection portion, can be manufactured in a thin shape of 200㎛ or less, which has the effect of being able to adhere closely even to curved shapes.
또한, 본 발명에 따르면 금속 시트나 필름을 환원분위기에서 열처리하는 조건을 최적화하여 원하는 TCR(저항온도계수) 특성이 언제나 재현성을 갖고 발현되게 하는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, by optimizing the conditions for heat treatment of a metal sheet or film in a reducing atmosphere, the desired TCR (temperature coefficient of resistance) characteristics are always expressed with reproducibility.
또한, 본 발명에 따르면 이러한 유연한 변형이 가능한 온도센서를 경제적인 가격으로 대량으로 생산할 수 있는 조건을 제시한다. In addition, according to the present invention, conditions are provided for mass production of such a flexible deformable temperature sensor at an economical price.
도 1은 일부 실시예에 따른 니켈 소재로 온도센서를 구현하기 위해 얇은 시트 형상으로 만들어진 두께 5㎛ 수준의 니켈 시트의 표면과 단면을 확대한 도면이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 수소분위기하에서 열처리 온도 변화에 따른 니켈 시트의 미세구조 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 진공분위기하에서 열처리 온도 변화에 따른 니켈 시트의 미세구조 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 일부 실시예에 따른 센서 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5는 진공 분위기에서 각 온도별로 열처리된 센서 소자의 각 측정 온도별 저항-온도 변화거동을 나타내는 그래프이다.
도 6은 수소 분위기에서 각 온도별로 열처리된 센서 소자의 열처리 온도별 TCR(저항 온도 계수, Temperature Coefficient of Resistance) 분포 균일도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 니켈 시트의 두께별 및 열처리 온도조건별 니켈 박막 소자의 240℃보관후 저항값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 50㎛ 미만의 두께를 갖는 ACF를 이용하여 연결부위를 얇게 한 예시를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 온도센서를 나타내는 도면이다.
도 10은 SUS 튜브(tube) 위에 필름형 히터를 부착하고 여기에 Pt100으로 알려진 일반 온도센서 소자와 니켈 시트로 구성된 유연 온도센서를 각각 부착한 경우, 온도센서가 읽은 온도를 기준으로 SUS tube의 온도가 계획된 온도 스케쥴을 따라가는 동향을 비교한 그래프이다.Figure 1 is an enlarged view of the surface and cross-section of a 5㎛ thick nickel sheet made into a thin sheet to implement a temperature sensor using nickel material according to some embodiments.
Figure 2 is a diagram showing changes in the microstructure of a nickel sheet according to changes in heat treatment temperature under a hydrogen atmosphere according to some embodiments.
Figure 3 is a diagram showing changes in the microstructure of a nickel sheet according to changes in heat treatment temperature under a vacuum atmosphere according to some embodiments.
Figure 4 is a diagram showing a sensor pattern according to some embodiments.
Figure 5 is a graph showing the resistance-temperature change behavior at each measurement temperature of the sensor element heat-treated at each temperature in a vacuum atmosphere.
Figure 6 is a graph showing TCR (Temperature Coefficient of Resistance) distribution uniformity at each heat treatment temperature of sensor elements heat treated at each temperature in a hydrogen atmosphere.
Figure 7 is a graph showing the change in resistance value of nickel thin film devices according to nickel sheet thickness and heat treatment temperature conditions after storage at 240°C.
Figure 8 is a diagram showing an example of thinning the connection area using ACF with a thickness of less than 50㎛.
Figure 9 is a diagram showing a temperature sensor implemented according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 shows the temperature of the SUS tube based on the temperature read by the temperature sensor when a film-type heater is attached on a SUS tube and a flexible temperature sensor composed of a general temperature sensor element known as Pt100 and a nickel sheet is attached to it, respectively. This is a graph comparing trends following the planned temperature schedule.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 특징적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.Regarding the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or characteristic descriptions are merely illustrative for the purpose of explaining the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms. It should not be construed as limited to the embodiments described in.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of a set feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or numbers. It should be understood that this does not preclude the existence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present invention, should not be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning. .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted.
니켈 센서 구현 방법How to implement a nickel sensor
니켈 시트 준비Nickel sheet preparation
일반적으로 압연, 도금, 스퍼터링 기타 박막형성 방법으로 100㎛ 이하, 특히 10㎛ 이하로 예를 들어 금속 시트를 만들 수 있다. 대표적인 금속 시트 제조방법으로서 전해도금법이 있고, 구리의 경우는 4.0㎛까지 양산을 하고 있지만, 구리는 고온에서 산화가능성이 높아 온도 센서로 사용하기에는 적합하지 않다. In general, metal sheets with a thickness of 100 ㎛ or less, especially 10 ㎛ or less, can be made, for example, by rolling, plating, sputtering, or other thin film forming methods. A representative metal sheet manufacturing method is electroplating, and copper is mass-produced up to 4.0㎛, but copper is highly oxidized at high temperatures, so it is not suitable for use as a temperature sensor.
본 발명에 따른 유연한 박형 온도 센서를 구현하기 위한 일 실시예로서 두께 1.0㎛ 내지 50㎛ 수준의 비교적 균일한 니켈 시트 또는 니켈 합금을 RTD(Resistance Temperature Detector)용 소재로서 사용할 수 있다. 특히, 고온 열처리와 취급안정성을 위해 2㎛ 내지 10㎛ 두께가 바람직하다. 이러한 니켈 또는 니켈 합금 시트는 도금 등의 방법으로 제조하는 것이 바람직하고, 두께 균일성을 위해 전주도금을 하는 것이 바람직하다.As an example for implementing a flexible thin temperature sensor according to the present invention, a relatively uniform nickel sheet or nickel alloy with a thickness of 1.0 ㎛ to 50 ㎛ can be used as a material for an RTD (Resistance Temperature Detector). In particular, a thickness of 2㎛ to 10㎛ is preferable for high temperature heat treatment and handling stability. Such nickel or nickel alloy sheets are preferably manufactured by methods such as plating, and electroplating is preferably used for thickness uniformity.
도 1은 일부 실시예에 따른 니켈 소재로 온도센서를 구현하기 위해 얇은 시트 형상으로 만들어진 두께 5㎛ 수준의 니켈 시트의 표면과 단면을 확대한 도면이다.Figure 1 is an enlarged view of the surface and cross-section of a 5㎛ thick nickel sheet made into a thin sheet to implement a temperature sensor using nickel material according to some embodiments.
도 1은 두께 5㎛ 수준의 니켈 시트의 표면과 단면을 현미경 20000배율 및 5000배율로 각각 확대한 것을 보여준다. 상기 니켈 시트를 고온에서 수소분위기하에 열처리(annealing)하면 미세구조가 변하게 되는데, 수소분위기하에 열처리하였을 때 열처리 온도별 미세구조의 변화는 도 2에서 상세히 보여준다.Figure 1 shows the surface and cross section of a 5㎛ thick nickel sheet magnified at 20000x and 5000x microscopic magnification, respectively. When the nickel sheet is annealed at a high temperature under a hydrogen atmosphere, the microstructure changes. The change in microstructure at each heat treatment temperature when annealed under a hydrogen atmosphere is shown in detail in FIG. 2.
또한, 고온에서 진공 열처리한 경우의 온도에 따른 미세구조의 변화는 도 3에서 상세히 보여준다.In addition, the change in microstructure according to temperature when vacuum heat treatment at high temperature is shown in detail in Figure 3.
도 2의 수소분위기는, 예를 들어 아르곤 가스를 사용한 공기 정화 과정을 거친 이후, 아르곤 가스 1000sccm, 수소 가스 200sccm의 비율의 수소분위기가 사용될 수 있다. 이렇게 생성된 수소분위기에서 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃로 온도를 설정하고, 각 온도에서 1시간 동안 열처리를 수행하였다. 도 2는 이러한 조건에서 열처리된 니켈 시트의 미세구조의 변화를 보여주는 것이다.The hydrogen atmosphere in FIG. 2 may be, for example, a hydrogen atmosphere with a ratio of 1000 sccm of argon gas and 200 sccm of hydrogen gas after an air purification process using argon gas. In the hydrogen atmosphere thus created, the temperature was set to 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, and 800°C, and heat treatment was performed at each temperature for 1 hour. Figure 2 shows changes in the microstructure of nickel sheets heat treated under these conditions.
도 3은 진공 상태에서 각기 다른 온도로 1시간 동안 열처리를 진행한 실험 결과를 보여준다. 진공 조건은 3.0 x 10-3 토르로 매우 낮은 압력을 가지고 있고, 열처리는 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃ 로 온도를 설정하고, 각 온도에서 1시간 동안 열처리를 수행하였다. 도 3은 이러한 조건에서 열처리된 니켈 시트의 미세구조의 변화를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the results of an experiment in which heat treatment was performed for 1 hour at different temperatures in a vacuum state. Vacuum conditions have a very low pressure of 3.0 carried out. Figure 3 shows changes in the microstructure of nickel sheets heat treated under these conditions.
도 2 및 도 3에서 나타낸 바와 같이, 열처리 온도가 높아짐에 따라 재결정 및 결정립 성장이 일어난다는 것을 알 수 있다. 열 처리 온도가 증가하면 물질 내부의 입자들에게 더 많은 에너지가 공급됨으로써, 입자들의 활동성이 증가하게 되며, 이는 재결정 및 결정립 성장을 촉진한다. 또한, 열 처리 온도가 증가하면 입자들이 이러한 적합한 결정 구조를 형성하기 위한 에너지를 얻게 되어, 물질 내부의 입자들은 특정한 방향으로 정렬될 수 있다.As shown in Figures 2 and 3, it can be seen that recrystallization and grain growth occur as the heat treatment temperature increases. As the heat treatment temperature increases, more energy is supplied to the particles inside the material, thereby increasing the activity of the particles, which promotes recrystallization and grain growth. Additionally, as the heat treatment temperature increases, the particles gain energy to form this appropriate crystal structure, so the particles inside the material can be aligned in a specific direction.
또한 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 진공 열처리시 온도 400℃에서부터 재결정 흔적이 나타나기 시작하였으나 수소 열처리시 온도 400℃부터 재결정 현상이 명확하게 관찰된다. 이 예에서는, 진공 분위기보다는 수소 분위기에서 니켈 박판의 재결정 현상이 잘 발생한다는 것을 보여준다.In addition, as shown in Figures 2 and 3, traces of recrystallization began to appear from a temperature of 400°C during vacuum heat treatment, but recrystallization was clearly observed from a temperature of 400°C during hydrogen heat treatment. This example shows that recrystallization of a nickel thin plate occurs more easily in a hydrogen atmosphere than in a vacuum atmosphere.
열처리 이전 상태의 니켈 금속 시트의 결정립은 아결정립처럼 보이거나 또는 약 1 ~2㎛의 미세 결정립처럼 보이나, 400 ~ 600℃에서 열처리를 한 경우에는 니켈 금속 시트의 결정립이 3 ~4㎛의 크기를 가지면서 안정적인 결정 구조를 나타냄을 알 수 있다.The crystal grains of the nickel metal sheet before heat treatment look like sub-crystals or fine grains of about 1 to 2㎛, but when heat treated at 400 to 600℃, the crystal grains of the nickel metal sheet have a size of 3 to 4㎛. It can be seen that it has a stable crystal structure.
한편, 열처리 온도 600℃를 초과하는 경우 분위기(수소/진공)에 상관관계없이 결정립 성장이 명확하게 발생됨이 관찰되었다. 이와 같이 열처리 온도가 높아져서 재결정이 지나치게 진행되어 결정립 성장이 진행되면 휨과 같은 사용 환경에 민감하게 전위 등 미세구조가 변화하고 이 결과로 특성이 변화하는 문제점이 있으므로 이러한 점을 잘 고려하여 적절한 온도를 설정하여야 한다.Meanwhile, when the heat treatment temperature exceeded 600°C, it was observed that grain growth clearly occurred regardless of the atmosphere (hydrogen/vacuum). In this way, if the heat treatment temperature increases and recrystallization progresses excessively and grain growth progresses, the microstructure such as dislocations changes sensitively to the usage environment such as bending, and as a result, there is a problem that the properties change. Therefore, carefully consider these points and set an appropriate temperature. Must be set.
이상과 같이, 유연한 박형 온도센서용 니켈 시트의 열처리 온도 조건은 400 ~ 600℃의 범위가 적절하며, 600℃를 초과하는 열처리 조건에서는 지나친 결정립 성장에 의한 특성 저하가 예견됨을 알 수 있다.As described above, the heat treatment temperature conditions for the nickel sheet for a flexible thin temperature sensor are appropriately within the range of 400 to 600°C, and it can be seen that under heat treatment conditions exceeding 600°C, property deterioration due to excessive grain growth is expected.
아래의 <표 2> 는 수소 및 진공분위기에서 열처리한 시편을 EDS(energy dispersive spectroscopy)로 분석한 결과를 보여준다. 여기서 600℃의 온도 범위(진공 분위기의 경우) 또는 700℃의 온도 범위(수소 분위기의 경우)까지는 열처리 온도가 증가함에 따라 환원 현상에 의해 산소 농도가 감소하는 경향을 보이다가, 그 이상의 온도에서는 다시 산소 농도가 증가하는 것을 알 수 있다. <Table 2> below shows the results of analysis by EDS (energy dispersive spectroscopy) on specimens heat-treated in hydrogen and vacuum atmospheres. Here, the oxygen concentration tends to decrease due to a reduction phenomenon as the heat treatment temperature increases up to a temperature range of 600℃ (in the case of a vacuum atmosphere) or a temperature range of 700℃ (in the case of a hydrogen atmosphere), but at temperatures above that, it tends to decrease again. It can be seen that the oxygen concentration increases.
산소 농도가 높을수록 니켈 시트 표면에 산화 문제의 발생 가능성 및 격자 결합의 도입 가능성이 높아지기 때문에 산소 농도는 낮게 유지하는 것이 바람직하다. It is desirable to keep the oxygen concentration low because the higher the oxygen concentration, the higher the possibility of oxidation problems and the introduction of lattice bonds on the surface of the nickel sheet.
<표 2> 수소 및 진공분위기에서 열처리한 시편을 EDS(energy dispersive spectroscopy)로 산소 농도를 분석한 결과<Table 2> Results of oxygen concentration analysis using EDS (energy dispersive spectroscopy) on specimens heat-treated in hydrogen and vacuum atmospheres
도2, 도3 및 표 2의 결과를 종합해보면, 분위기와 온도 및 온도 프로파일을 적절히 변경함으로써 원하는 결정구조를 구현할 수 있음이 확인되었다. 이에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.Comprising the results of Figures 2, 3, and Table 2, it was confirmed that the desired crystal structure could be achieved by appropriately changing the atmosphere, temperature, and temperature profile. A more detailed explanation of this will be provided later.
센서 구현Sensor implementation
이하에서는 앞에서 설명한 방법으로 열처리된 니켈 시트를 이용하여 유연한 박형 온도 센서를 제공하는 방법을 설명한다,Hereinafter, a method of providing a flexible thin temperature sensor using a nickel sheet heat-treated using the method described above will be described.
우선, 열처리된 시트를 접착제를 이용하여 PI(Polyimide) 시트에 부착한다. 그리고 일정한 저항 값을 갖도록 하기 위해 센서패턴을 디자인하고, 소정의 저항 값을 가지도록 센서의 패턴을 디자인하여 가공한다. 예를 들어, 열처리된 RTD 시트에 포토리소그래피 기술을 사용하여 작은 면적에 미세한 패턴으로 일정한 저항을 만들고, 센서의 단자 부분은 연결이 쉬운 형태로 설계할 수 있다. 포토리소그래피로 만든 회로는 예를 들어 건식 식각, 습식 에칭 또는 복합 방법을 사용하여 최종 저항 값을 얻기 위한 미세 패턴을 구현할 수 있다. 시트가 두꺼울수록 식각된 라인의 정밀도가 낮아지지만, 미세한 패턴을 사용하면 동일한 저항 값을 가지고 있으나 센서의 크기는 작게 제조할 수 있다.First, the heat-treated sheet is attached to the PI (Polyimide) sheet using an adhesive. Then, the sensor pattern is designed to have a certain resistance value, and the sensor pattern is designed and processed to have a certain resistance value. For example, by using photolithography technology on a heat-treated RTD sheet, a constant resistance can be created in a fine pattern in a small area, and the terminal part of the sensor can be designed in a form that is easy to connect. Circuits made with photolithography can be finely patterned to obtain the final resistance value using, for example, dry etching, wet etching, or combined methods. The thicker the sheet, the lower the precision of the etched line, but if a fine pattern is used, the sensor can be manufactured with the same resistance value but a smaller size.
원하는 정밀도의 저항 값을 얻기 위해 레이저 트리밍 등의 방법으로 미세 가공을 수행합니다. 예를 들어, 트리밍 후 전체 소자의 저항 편차를 ±0.10% 이내로 조정할 수 있다.Micro-processing is performed using methods such as laser trimming to obtain the resistance value with the desired precision. For example, after trimming, the resistance deviation of the entire device can be adjusted to within ±0.10%.
도 4는 센서 영역(400)을 보여주는 도면이다. Figure 4 is a diagram showing the
도 4를 참조하면, 센서 영역(400)은 센서 패턴(420)과 제1 단자(410) 및 제2 단자(411)을 포함하고, 센서 패턴(420)은 일 방향으로 사행하는 패턴과 반대 방향으로 사행하는 패턴을 포함하고 있다. 이러한 패턴을 형성함으로써 예를 들어 25℃ 저항 값이 약 30Ω 내지 3kΩ이 되도록, 저항 값을 구현할 수 있다. 또한 구현된 패턴은 사용자의 의도에 따라 50Ω, 100Ω, 150Ω 등의 정확한 저항값을 맞추기 위하여 레이저를 이용하여 다시 부분가공을 할 수 있다. Referring to FIG. 4, the
저항을 미세 조정하는 또 다른 방법으로서 니켈 나노 파우더로 만든 인쇄용 잉크와 제논 또는 레이저 등을 사용한 열처리 방법을 통해, 특히 3D 프린터와 연계하여 RTD(저항 온도 검출기) 형태의 센서를 제조하는 방법이 있다. Another way to fine-tune resistance is to manufacture a sensor in the form of an RTD (resistance temperature detector) through printing ink made from nickel nanopowder and heat treatment using xenon or laser, especially in conjunction with a 3D printer.
3D 프린팅과 열처리는 도체 저항을 줄이기 위해 추가로 덧칠하는 역 트리밍 역할로 활용될 수 있다. 이러한 미세한 저항 조정은 저항 온도 계수가 모재와 다르더라도 매우 작은 수준이어서 전체 저항-온도 계수 변화에 거의 영향을 주지 않는다. 일반적인 저항 트리밍은 원하는 저항보다 낮은 도체 회로를 만들고, 레이저 등으로 부분적으로 도체를 제거하여 면적을 줄여 조정하는 방법을 사용한다. 3D printing and heat treatment can be used in a reverse trimming role with additional coating to reduce conductor resistance. Even if the temperature coefficient of resistance is different from that of the base material, these subtle resistance adjustments are so small that they have little effect on the overall resistance-temperature coefficient change. General resistance trimming uses a method of creating a conductor circuit lower than the desired resistance and adjusting it by partially removing the conductor with a laser, etc. to reduce the area.
구현된 센서는 외부 환경으로부터 보호하기 위해 단자부위를 제외하고 접착제를 이용하여 상면을 PI 시트로 부착할 수 있고, 결과적으로 센서회로는 상하면이 PI 시트로 보호되게 구성할 수 있다.To protect the implemented sensor from the external environment, the upper surface can be attached with a PI sheet using adhesive except for the terminal area, and as a result, the sensor circuit can be configured so that the upper and lower surfaces are protected by the PI sheet.
도 5는 진공 분위기에서 각 온도별로 열처리된 센서 소자의 각 측정 온도별 저항-온도 변화거동을 나타내는 그래프이고, 도 6은 수소 분위기에서 각 온도별로 열처리된 센서 소자의 열처리 온도별 TCR(저항 온도 계수, Temperature Coefficient of Resistance) 분포 균일도를 나타내는 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the resistance-temperature change behavior at each measurement temperature of the sensor element heat-treated at each temperature in a vacuum atmosphere, and Figure 6 is a graph showing the TCR (temperature coefficient of resistance) by heat treatment temperature of the sensor element heat-treated at each temperature in a hydrogen atmosphere. , Temperature Coefficient of Resistance) is a graph showing distribution uniformity.
도 5로부터 알 수 있듯이, 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 니켈 센서 열처리온도 변화에 따라 소자의 저항값이 크고, R-T 변화가 크게 나타난다. 즉 온도변화에 대한 안정성이 떨어질 가능성이 크다. 반면 열처리 온도 500℃ 이상이 되면 열처리 온도 300℃ 및 400℃에 비하여 저항이 크게 작아짐을 알 수 있다. As can be seen from Figure 5, when the heat treatment temperature is less than 500°C, the resistance value of the device is large and the R-T change is large depending on the change in the heat treatment temperature of the nickel sensor. In other words, there is a high possibility that stability against temperature changes will decrease. On the other hand, when the heat treatment temperature is 500°C or higher, it can be seen that the resistance decreases significantly compared to the heat treatment temperatures of 300°C and 400°C.
물론 열처리 온도가 400℃인 경우에도 저항값 변화는 예측 가능한 일차함수적 경향을 나타내므로, 이 경우에도 온도 센서 소자로서의 기능에는 크게 문제가 없다.Of course, even when the heat treatment temperature is 400°C, the change in resistance value shows a predictable linear functional tendency, so even in this case, there is no major problem with the function as a temperature sensor element.
그러나 열처리 온도가 300℃인 경우에는, 150℃의 측정 온도를 경계로 저항값 변화에서 변곡점을 나타내는 것을 알 수 있는데, 이는 300℃에서 열처리한 경우에는 측정 온도별로 안정되지 못한 거동을 나타내는 것을 알 수 있다.However, when the heat treatment temperature is 300℃, it can be seen that there is an inflection point in the resistance value change at the measurement temperature of 150℃, which shows that when heat treatment is performed at 300℃, the behavior is not stable depending on the measurement temperature. there is.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 열처리 온도가 500℃ 이상인 경우에는 열처리를 하지 않은 경우에 비하여 니켈의 전기적 특성이 벌크 특성(bulk property)처럼 안정하게 구현될 수 있고, TCR 분포도 제법 균일한 것을 나타낸다. 도 6으로부터는 열처리 온도와 조건을 500℃ 이상으로 조절함으로써 외부환경에 변화하지 않는 안정적이고 균일한 TCR값을 확보할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 6, when the heat treatment temperature is 500°C or higher, the electrical properties of nickel can be stably implemented like bulk properties compared to the case without heat treatment, and the TCR distribution is also fairly uniform. indicates. From Figure 6, it can be seen that by adjusting the heat treatment temperature and conditions to 500°C or higher, a stable and uniform TCR value that does not change in the external environment can be secured.
그러나 최적의 열처리 온도 조건은, 앞서 설명한 결정립의 과대 성장 등을 감안하면, 400℃보다 높고 600℃보다 낮은 범위, 바람직하게는 500℃ 내외의 조건임을 통상의 기술자라면 쉽게 인지할 수 있을 것이다.However, a person skilled in the art will be able to easily recognize that the optimal heat treatment temperature conditions are in the range higher than 400°C and lower than 600°C, preferably around 500°C, considering the excessive growth of crystal grains described above.
열처리 조건 별 센서의 고온경시안정성 비교Comparison of high temperature aging stability of sensors by heat treatment conditions
니켈형 온도센서의 사용 범위는 상온으로부터 약 250℃의 범위로 알려져 있다. 이는 니켈 박막의 경우 350℃ 이후부터는 물질구조가 변하는 양상이 보이기 때문이다. The use range of nickel-type temperature sensors is known to be in the range from room temperature to approximately 250°C. This is because in the case of nickel thin films, the material structure appears to change after 350°C.
이하에서는 각 니켈 시트 두께별, 열처리 온도 조건별로 니켈 시트를 제도한 후 이를 240℃에서 보관한 후 저항 값 변화율을 알아보기로 한다. 240℃는 실제 사용 범위의 상한치인 250℃보다 약간 낮게 설정하여 제 특성을 평가하기 위한 온도로 보면 된다.Below, we will examine the rate of change in resistance value after drawing nickel sheets for each nickel sheet thickness and heat treatment temperature condition and storing them at 240°C. 240℃ is set slightly lower than 250℃, the upper limit of the actual use range, and can be viewed as a temperature for evaluating its characteristics.
이와 같은 실시예를 통하여, 안정적인 저항과 TCR값을 구현하기 위해서는 어느 정도의 니켈 박막 두께의 소자를 어떤 온도에서 열처리하는 것이 바람직한 것인가를 예측할 수 있다.Through these examples, it is possible to predict at what temperature it is desirable to heat-treat a device with a nickel thin film thickness in order to achieve stable resistance and TCR values.
도 7은 니켈 시트의 두께(2㎛, 5㎛)와 열처리 온도에 따른 TCR의 변화를 나타내는 그래프이다. 이는 구체적으로, 니켈 시트의 열처리 조건 별로, 센서를 구현했을 때 센서가 240℃에서 장시간 보관 또는 사용한 경우 제반 특성이 어떻게 변하는지를 보여주는 것이다.Figure 7 is a graph showing the change in TCR according to the thickness (2㎛, 5㎛) of the nickel sheet and heat treatment temperature. Specifically, this shows how various characteristics change when the sensor is stored or used at 240°C for a long time when the sensor is implemented according to the heat treatment conditions of the nickel sheet.
도 7(a)는 니켈 2㎛ 시트를 350℃에서 100시간 열처리한 제품을 240℃에서 각각 150, 250, 500 및 1000시간 보관한 후 저항 값 변화율을 나타낸다.Figure 7(a) shows the rate of change in resistance value after a nickel 2㎛ sheet heat-treated at 350°C for 100 hours and stored at 240°C for 150, 250, 500, and 1000 hours, respectively.
여기에서 350℃에서 100시간 유지한 것은 실험 값의 안정성을 확보하기 위하여 충분히 긴 시간동안 열처리한 것이고, 실제 공업적인 열처리 조건은 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이 1시간임을 통상의 기술자라면 유념하여야 한다.Here, holding at 350°C for 100 hours means heat treatment for a sufficiently long time to ensure the stability of the experimental values, and those skilled in the art should keep in mind that the actual industrial heat treatment condition is 1 hour as described in the previous example.
한편 각 데이터에서의 파란색 막대 그래프는 0℃에서 측정한 결과를 나타내는 것이고, 빨간색 막대 그래프는 25℃, 녹색 막대 그래프는 85℃에서 측정한 결과를 나타낸 것이다. 보라색 막대 그래프는 TCR 값을 나타낸 것이다.Meanwhile, the blue bar graph in each data represents the results measured at 0°C, the red bar graph represents the results measured at 25°C, and the green bar graph represents the results measured at 85°C. The purple bar graph shows TCR values.
도 7(a)에서 500시간이 지난 후의 결과를 살펴보면, 시트 내 저항 분포는 약 1%이고, TCR 분포는 약2%로 시트의 균일한 열처리가 되지 않아 높은 편차를 보여주고 있다. 각 온도대별 저항변화율은 약 ±0.5%, TCR 변화율은 Max. 2.02% 수준을 나타낸다. 1000시간 시험 완료 후 각 온도 별 저항변화율 약 ± 0.1%, TCR 변화율 0.41% 수준의 안정한 특성을 보여준다.Looking at the results after 500 hours in Figure 7(a), the resistance distribution within the sheet is about 1% and the TCR distribution is about 2%, showing high variation due to the sheet not being heat treated uniformly. The resistance change rate for each temperature range is approximately ±0.5%, and the TCR change rate is Max. It represents a level of 2.02%. After completing the 1000-hour test, it shows stable characteristics at a resistance change rate of approximately ± 0.1% and a TCR change rate of 0.41% for each temperature.
도 7(b)는 니켈 5㎛ 시트를 350℃에서 100시간 열처리한 제품을 240℃에서 각각 150, 250, 500 및 1000시간 보관한 후 저항 값 변화율을 나타내는 것이다.Figure 7(b) shows the rate of change in resistance value after a nickel 5㎛ sheet heat-treated at 350°C for 100 hours and stored at 240°C for 150, 250, 500, and 1000 hours, respectively.
도 7(b)에서 150시간 후 저항변화율은 평균 0.37% 상승 경향을 보여 주고 있다. 이후 보관 시간이 증가함에 따라 평균변화율이 250시간 0.20%, 500시간 0.08%, 1000시간 0.03%로 낮아지는 경향을 보여주고 있다. 시험 후 TCR 변화율은 평균 0.43%의 안정적인 변화율을 나타낸다.In Figure 7(b), the resistance change rate after 150 hours shows a tendency to increase by an average of 0.37%. As storage time increases, the average rate of change tends to decrease to 0.20% for 250 hours, 0.08% for 500 hours, and 0.03% for 1,000 hours. The TCR change rate after the test shows a stable change rate of 0.43% on average.
도 7(c)는 니켈 5㎛ 시트 500℃ 100hr 열처리 제품의 240℃ 보관 후 저항 값 변화율을 나타낸다.Figure 7(c) shows the rate of change in resistance value of a nickel 5㎛ sheet heat-treated product at 500℃ for 100 hours after storage at 240℃.
도 7(c)에서 150시간 후 저항변화율은 평균 0.48% 상승 경향을 보이며, 군 내 편차가 ±0.14% 이내로 가장 안정적인 수치를 나타낸다. 이후 보관 시간이 증가함에 따라 평균변화율이 350℃ 시험과 동일하게 낮아지는 경향을 보여주며, 1000시간 후 평균 0.27% 변화율을 보여준다. 시험 후 TCR 변화율은 150시간 후 0.17±0.27%의 산포를 나타내며, 이후 1000시간 경과 후에도 초기 값 대비 ±0.30 % 이내의 안정적인 경향을 보여준다.In Figure 7(c), the resistance change rate after 150 hours shows an average tendency to increase by 0.48%, and the variation within the group is within ±0.14%, showing the most stable value. As storage time increases, the average change rate tends to decrease, similar to the 350°C test, with an average change rate of 0.27% after 1000 hours. The TCR change rate after the test shows a scatter of 0.17 ± 0.27% after 150 hours, and shows a stable trend within ± 0.30% of the initial value even after 1000 hours.
도 7에서의 실험을 통해 니켈 5㎛ 시트 500℃ 100hr 열처리 후 패터닝이 시험 초기 150시간 진행 후 평균 0.48%의 저항변화율을 보이나, 각 온도 별 변화율이 거의 동일하며 150시간에서 이미 포화(saturation)되는 현상을 보이며 이후 안정적인 변화 거동을 보여준다. 또한, 시험 진행 시간별 모든 온도 구간에서의 저항변화율이 평균 0.3 ± 0.3%(0.2±0.2℃)의 안정적인 내열특성을 나타내고 있다.Through the experiment in Figure 7, patterning of a nickel 5㎛ sheet after heat treatment at 500°C for 100 hours shows an average resistance change rate of 0.48% after the initial 150 hours of testing, but the change rate at each temperature is almost the same and is already saturated at 150 hours. phenomenon and shows stable change behavior thereafter. In addition, the resistance change rate in all temperature sections by test progress time shows stable heat resistance characteristics with an average of 0.3 ± 0.3% (0.2 ± 0.2°C).
도 7 (a) 내지 (c)에서 볼 수 있듯이 본 발명을 통하여 5㎛ 두께의 박막으로 500℃ 부근에서 수소분위기에서 열처리한 니켈 박막 소재로 센서를 구현했을 때 가장 우수한 고온 경시안정성을 나타냄을 확인하였다.As can be seen in Figures 7 (a) to (c), it was confirmed that the best high-temperature aging stability was achieved when the sensor was implemented with a 5㎛ thick thin film made of nickel thin film material heat-treated in a hydrogen atmosphere at around 500°C through the present invention. did.
단자 연결terminal connection
다음 단계로서 열처리 후 제조된 센서에 단자를 연결할 수 있다. 박형으로 단자를 연결하는 방법은 솔더가 코팅된 단자를 용융하여 연결, 브레이징(brazing) 조성을 가진 클래드 시트나 브레이징 구성물질이 코팅된 금속시트를 매개소재로 이용한 연결, ACF(Anisotropic Conductive Film)을 사용한 연결, 얇은 도전성 접착제 등 다양한 연결방법이 가능하다. As a next step, the terminal can be connected to the sensor manufactured after heat treatment. Methods of connecting terminals in a thin form include connecting terminals coated with solder by melting them, connecting using a clad sheet with a brazing composition or a metal sheet coated with a brazing composition as an intermediate material, and using ACF (Anisotropic Conductive Film). A variety of connection methods are possible, including connection and thin conductive adhesive.
도 8은 50㎛ 미만의 두께를 갖는 ACF를 이용하여 연결부위의 두께를 얇게 만든 예시를 보여주는 도면이다.Figure 8 is a diagram showing an example of thinning the thickness of the connection area using ACF with a thickness of less than 50㎛.
니켈 시트와 연결선과의 연결 시 접합부의 두께를 최소화하기 위하여 각 부분의 커버를 제외한 상태로 ACF를 적용한다. 단자를 연결한 후에 그 위를 다시 접착제가 도포된 PI(polyimide) 절연필름으로 보호하면 연결안정성이 더 우수해진다. 아울러, 마치 두 연접선의 전선을 분리하듯이, 전선과 전선 사이의 절연부위를 칼과 같은 도구로 적절한 길이로 분리해 놓으면 연결된 부위에 굴곡 스트레스가 가해져도 연결부위의 신뢰성은 큰 문제가 없게 된다. 여기서 연결선은 FFC(flexible flat cable)가 바람직하다. 하지만 FPCB(flexible printed circuit board), 또는 이와 유사한 공법으로 제조할 수도 있다.In order to minimize the thickness of the joint when connecting the nickel sheet and the connection wire, ACF is applied without the cover of each part. After connecting the terminals, protecting them with a PI (polyimide) insulating film coated with adhesive will improve connection stability. In addition, as if separating two connecting wires, if the insulating part between the wires is separated to an appropriate length with a tool such as a knife, the reliability of the connected part will not be a major problem even if bending stress is applied to the connected part. Here, the connection cable is preferably a flexible flat cable (FFC). However, it can also be manufactured using FPCB (flexible printed circuit board) or similar methods.
단자를 연결한 후의 연결부위에서 기술적으로 중요한 것은 연결부위의 두께이다. 즉 센서 전체의 두께를 얇게 하려면 연결부위 두께도 원하는 범위 이내로 들어와야 한다. What is technically important in the connection area after connecting the terminals is the thickness of the connection area. In other words, in order to thin the entire sensor, the thickness of the connection area must also fall within the desired range.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 패턴과 PI 시트가 결합된 단자를 제외한 상기 온도 센서의 두께는 50㎛ 내지 100㎛가 되게 하는 것이 바람직하고, 단자를 포함하는 상기 온도 센서의 총 두께는 150㎛ 내지 200㎛가 되도록 제조하는 것이 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the thickness of the temperature sensor excluding the terminal where the sensor pattern and the PI sheet are combined is preferably 50㎛ to 100㎛, and the total thickness of the temperature sensor including the terminal is 150㎛. It is preferable to manufacture it to be ㎛ to 200㎛.
이와 같은 두께는 점점 경박단소화 하는 전기전자부품에 적용 가능한 얇은 온도 센서의 두께로서 적절할 것이다.This thickness would be appropriate as the thickness of a thin temperature sensor applicable to electrical and electronic components that are becoming increasingly lighter, thinner, and smaller.
보호기구 추가Add protection mechanism
센서의 헤드부위는 변형이 많이 누적되면 물질특성이 변하고 결과적으로 TCR과 저항이 변할 수 있다. 이를 억제하기 위해 보호기구를 센서 아래쪽에 넣을 수 있다. 이 보호기구는 열전달이 잘 되고 굴곡성이 있으며, 경우에 따라서는 접착제가 있어 원하는 굽은 표면에 부착도 할 수 있으면 충분하다.If a lot of strain accumulates in the head part of the sensor, the material properties may change, and as a result, the TCR and resistance may change. To prevent this, a protective device can be placed under the sensor. It is sufficient for this protective device to have good heat transfer, flexibility, and in some cases, adhesive so that it can be attached to the desired curved surface.
또는 보호기구로 외부를 임시로 포장하여 보호할 수 있다. 이 경우 보호기구는 사용시에는 벗겨내면 된다.Alternatively, it can be protected by temporarily wrapping the outside with a protective device. In this case, the protective device can be removed when in use.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 온도센서를 나타내는 도면이다. Figure 9 is a diagram showing a temperature sensor implemented according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 온도센서는 니켈 센서(910)과 니켈 센서(910)의 하부에 연결된 니켈 센서 패드(920)을 포함하고 있고, FFC(Flexible Flat Cable) 알루미늄 패턴(930)이 센서 패드(920)과 연결되어 있다. 또한, FFC 절연 필름(940)이 FFC(Flexible Flat Cable) 알루미늄 패턴(930)을 보호하고 있으며, FFC 패드(950)가 외부와의 접속을 위한 단자 기능을 수행한다.Referring to FIG. 9, the temperature sensor includes a nickel sensor 910 and a nickel sensor pad 920 connected to the lower part of the nickel sensor 910, and an FFC (Flexible Flat Cable) aluminum pattern 930 is connected to the sensor pad ( 920). In addition, the FFC insulating film 940 protects the FFC (Flexible Flat Cable) aluminum pattern 930, and the FFC pad 950 functions as a terminal for connection to the outside.
실제 구동실험Actual driving experiment
도 10은 SUS(Steel Use Stainless) 튜브(tube) 위에 필름형 히터를 부착하고 여기에 Pt100으로 알려진 일반 온도센서 소자와 본 발명의 니켈 시트로 구성된 유연한 박형 온도센서를 각각 부착한 경우, 온도센서가 읽은 온도를 기준으로 SUS 튜브의 온도가 온도 스케쥴을 따라가는 거동을 비교한 그래프이다.Figure 10 shows that when a film-type heater is attached on a SUS (Steel Use Stainless) tube and a general temperature sensor element known as Pt100 and a flexible thin temperature sensor made of a nickel sheet of the present invention are attached respectively, the temperature sensor This is a graph comparing the behavior of the SUS tube temperature following the temperature schedule based on the read temperature.
도 10에서는 본 발명에서의 유연한 박형 온도센서를 사용(일체형)한 제품(붉은 색)에서 계획된 온도 스케쥴을 잘 따라 온도가 제어되는 반면, 일반 온도센서를 사용한 경우(초록색)는 온도스케줄과 실제 온도간 차이가 큰 것을 보여준다. 특히, 승온 구간에서 240℃까지 센싱 속도가 약 5초 정도 빠른 것을 확인할 수 있다.In Figure 10, the temperature is controlled well according to the planned temperature schedule in the product (red color) using the flexible thin temperature sensor of the present invention (integrated type), whereas in the case of using a general temperature sensor (green color), the temperature schedule and actual temperature are controlled. It shows that the difference between them is large. In particular, it can be seen that the sensing speed is about 5 seconds faster in the temperature increase section up to 240°C.
즉, 본 발명에서의 유연한 박형 온도센서를 일체화하여 사용한 제품에서는 계획된 온도 스케쥴을 잘 따라 온도가 제어되는 반면, 일반 온도센서를 사용한 경우는 급격한 온도변화가 발생하는 부분에서 온도가 제대로 추적하지 못하여 설계온도와 차이가 크게 나타남을 확인할 수 있다. In other words, in the product using the flexible thin temperature sensor of the present invention, the temperature is controlled well according to the planned temperature schedule, whereas in the case of using a general temperature sensor, the temperature is not properly tracked in areas where rapid temperature changes occur, resulting in poor design performance. It can be seen that there is a large difference with temperature.
아울러, 센서가 반복 굽힘 스트레스에 얼마나 신뢰성을 유지하도록 하기 위하여, 센서에 서포터를 추가할 수도 있다. Additionally, supports may be added to the sensor to ensure that the sensor remains reliable under repeated bending stresses.
이하에서는 백금 박막을 이용하여 센서를 구현하는 예시를 설명한다.Below, an example of implementing a sensor using a platinum thin film will be described.
실리콘 기판에 멤브레인 제작을 위한 두께 400nm의 실리콘 질화막(SiNx)을 증착한다. 백금 박막은 Ar+O2분위기에서 스퍼터링(sputtering)방법으로 두께 500~1500nm로 증착한다. A silicon nitride (SiNx) film with a thickness of 400 nm is deposited on a silicon substrate to produce a membrane. The platinum thin film is deposited to a thickness of 500 to 1500 nm by sputtering in an Ar+O2 atmosphere.
하지만 기판은 그 상부에 증착되는 금속 박막의 물질과 반응하지 않는 조건이라면, 비정질이거나 혹은 격자 부정합이 15% 이상인 결정성 기판 중 어느 것이라도 좋다. 한편, 금속 박막을 증착하는 공정으로는 DC/RF 마그네트론 스퍼터링, 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 진공 증착법(vacuum evaporation), 레이저 증착법(laser ablation), 부분 이온화증착법(partially ionizized beam deposition), 전기 도금법(electroplating) 중에서 어느 하나가 사용될 수 있다.However, the substrate may be either an amorphous substrate or a crystalline substrate with a lattice mismatch of 15% or more, as long as it does not react with the material of the metal thin film deposited on the substrate. Meanwhile, processes for depositing metal thin films include DC/RF magnetron sputtering, Metal Organic Chemical Vapor Deposition, vacuum evaporation, laser ablation, and partially ionizized beam deposition. ), any one of electroplating can be used.
그리고 나서 환원 및 부분산화 분위기에서 온도 프로파일을 변경하면서 피크 온도 약 1000℃의 조건에서 열처리하여 원하는 결정구조와 저항-온도계수를 갖는 Pt 박막을 제조하였다. 이 때의 결정구조의 한 예로서는 공개특허 특2002-0010950에 발표된 바와 같이 평균 입자 크기에 대한 두께의 비가 50이 넘는 순수한 백금 결정의 거대입자들로 구성된 박막이 구현되었다. 이렇게 구성된 백금박막은 특성의 균일도가 아주 우수하였다.Then, a Pt thin film with the desired crystal structure and resistance-temperature coefficient was manufactured by heat treatment at a peak temperature of about 1000°C while changing the temperature profile in a reducing and partial oxidation atmosphere. As an example of the crystal structure at this time, as published in Patent Publication No. 2002-0010950, a thin film composed of giant particles of pure platinum crystals with a thickness to average particle size ratio of over 50 was implemented. The platinum thin film constructed in this way had excellent uniformity of properties.
후에 원하는 소정의 저항 값을 만들기 위해 미세패턴 형성공정을 수행하였다. 백금 박막 히터 패턴은 포토레지스트 코팅 및 포토리소그래피(photo lithography) 이후에 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)을 하였다. Later, a fine pattern formation process was performed to create the desired resistance value. The platinum thin film heater pattern was reactive ion etched after photoresist coating and photo lithography.
균일한 저항-온도특성과 예를 들어 25℃에서 30Ω 내지 3kΩ, 바람직하게는 100Ω과 같이 특정 온도에서 원하는 저항 값이 구현된 센서의 표면을, 단자부위를 제외하고, 외부 환경으로부터 보호하기 위해 표면에 SiO2(실리카) 또는 Al2O3(알루미나) 등 절연성 물질을 스커퍼링 등의 방법으로 약 10um 미만으로 추가로 형성한다. 이렇게 얇게 형성함으로서 외부환경으로부터 유입되는 충격에 대해 보호기능을 할 수 있고, 한편으로는 굴곡 표면에 센서를 사용할 때 충분히 탄성변형을 유지할 수 있게 된다. To protect the surface of the sensor, which has uniform resistance-temperature characteristics and a desired resistance value at a specific temperature, such as 30Ω to 3kΩ at 25°C, preferably 100Ω, from the external environment, excluding the terminal area. An insulating material such as SiO 2 (silica) or Al 2 O 3 (alumina) is additionally formed to a thickness of less than about 10 um by methods such as scuffing. By forming this thin layer, it is possible to protect against impacts from the external environment and, on the other hand, maintain sufficient elastic deformation when using the sensor on a curved surface.
실리콘 기판은 취급시 편의성을 갖지만 유연성을 갖도록 얇게 하기 위해 후면은 이방성 식각방법으로 벌크마이크로머시닝(bulk micromachining)을 하였다. The silicon substrate is convenient to handle, but in order to make it thinner and more flexible, the back side was bulk micromachined using an anisotropic etching method.
일반적으로는 기판이 존재하여도 기판의 두께가 굴곡형 표면에 적용할 때 탄성변형이 일어날 정도까지 얇게 형성한다면 굴곡형 온도센서로 구현하는 데에 문제는 없다. 하지만 경우에 따라서는 순수 백금만으로 구현될 필요가 있고 이 경우에는 KOH+IPA 및 TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide) 용액을 이용하여 필요 없는 실리콘 부위를 제거하고 잔류 실리콘 질화막(SiNx) 내지 산화막은 BHF(buffered hydrofluoric acid) 용액으로 제거할 수 있다.In general, even if a substrate exists, there is no problem in implementing it as a curved temperature sensor as long as the thickness of the substrate is thin enough to cause elastic deformation when applied to a curved surface. However, in some cases, it is necessary to implement only pure platinum. In this case, unnecessary silicon portions are removed using KOH+IPA and TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide) solutions, and the remaining silicon nitride film (SiNx) or oxide film is removed with BHF (buffered hydrofluoric acid). ) can be removed with a solution.
단자부 구성Terminal configuration
필요한 경우 센서의 단자부위만을 추가로 스퍼터링할 수도 있다. 이 때 단자부위만 박막이 두껍게 형성되도록 하기 위해 쉐도우 마스크와 반응성 이온에칭(reactive ion etching) 등의 방법을 사용한다. If necessary, additional sputtering can be done only on the terminal part of the sensor. At this time, methods such as shadow mask and reactive ion etching are used to ensure that the thin film is formed thickly only at the terminal area.
유연한 센서 구현Flexible sensor implementation
350℃ 이하의 온도에서 사용할 경우 상기와 같이 제조된 백금온도센서는 상하면을 PI(polyimide) 소재로 보호할 수 있다. When used at temperatures below 350°C, the upper and lower surfaces of the platinum temperature sensor manufactured as above can be protected with PI (polyimide) material.
단자부 연결Terminal connection
단자부는 Ag foil 또는 Nano Ag paste 및 local heating으로 <10um 두께 연결한다. 열팽창계수와 융점과 반응성을 보고 Ag foil, Au foil, brazing alloy sheet 등 초박막형 foil 소재를 연결용으로 활용하면 펀칭/위치고정/열처리로 충분히 강한 연결을 완성할 수 있다. 단자부 연결 후에는 외부에서 유입되는 기계적 충격 등에 대한 보호기능을 위해 글라스 재질로 구성된 보호층을 연결부위 위에 코팅하여 형성할 수 있다. The terminal part is connected <10um thick using Ag foil or Nano Ag paste and local heating. By looking at the thermal expansion coefficient, melting point, and reactivity, using ultra-thin foil materials such as Ag foil, Au foil, and brazing alloy sheet for connection, a sufficiently strong connection can be completed through punching/position fixing/heat treatment. After connecting the terminal, a protective layer made of glass can be coated on the connection area to protect against external mechanical shock.
연결된 단자부를 포함하여 전체 온도센서의 두께를 200㎛ 이하, 구체적으로는 80㎛, 100㎛ 등 매우 얇게 만들 수 있다. 특히 두께가 얇아서 배터리셀 사이에 온도센서를 넣을 수 있다. 이에 따라 각 셀의 온도를 실시간 모니터링할 수 있어 배터리 상태를 실시간 모니터링하고 AI를 이용하여 분석하는데 유용하게 사용될 수 있다.The thickness of the entire temperature sensor, including the connected terminal part, can be made very thin, such as 200㎛ or less, specifically 80㎛ or 100㎛. In particular, it is so thin that a temperature sensor can be inserted between battery cells. Accordingly, the temperature of each cell can be monitored in real time, which can be useful for real-time monitoring of battery status and analysis using AI.
온도센서가 굴곡된 표면에 긴밀하게 부착되어 피측정체의 열이 센서로 빠르게 전달됨으로써 온도변화에 대한 센서의 응답속도가 매우 빠르다. 온도센서를 연결부위 포함 전체를 200㎛ 이하로 매우 박형으로 구현하여 굴곡형상에도 밀착될 수 있게 하였다. 금속 시트나 필름을 환원분위기에서 열처리하는 조건을 최적화하여 원하는 TCR(저항온도계수) 특성이 언제나 재현성을 갖고 발현되게 하였다. 이러한 유연한 변형이 가능한 온도센서를 경제적인 가격으로 대량으로 생산할 수 있는 조건을 제시하였다.Since the temperature sensor is closely attached to the curved surface, the heat of the object being measured is quickly transferred to the sensor, so the sensor's response speed to temperature changes is very fast. The entire temperature sensor, including the connection part, was implemented as very thin, less than 200㎛, allowing it to adhere closely to curved shapes. By optimizing the conditions for heat treatment of metal sheets or films in a reducing atmosphere, the desired TCR (temperature coefficient of resistance) characteristics are always expressed with reproducibility. We presented conditions for mass production of such a flexible, deformable temperature sensor at an economical price.
400 : 센서 영역
410 : 제1 단자 411 : 제2 단자
420 : 센서 패턴
910 : 니켈 센서 920 : 니켈 센서 패드
930 : FFC(Flexible Flat Cable) 알루미늄 패턴
940 : FFC 절연 필름 950 : FFC 패드400: sensor area
410: first terminal 411: second terminal
420: sensor pattern
910: Nickel sensor 920: Nickel sensor pad
930: FFC (Flexible Flat Cable) aluminum pattern
940: FFC insulation film 950: FFC pad
Claims (18)
진공 분위기(Vacuum Atmosphere) 또는 수소 분위기(Hydrogen Atmosphere) 하에서 니켈 시트를 열처리하는 단계;
열처리된 상기 니켈 시트를 접착제를 이용하여 PI(Polyimide) 시트 상에 부착하는 단계;
소정의 저항 값을 갖도록 열처리된 상기 니켈 시트에 단자부를 포함하는 센서 패턴을 형성하는 단계;
상기 센서 패턴이 형성된 상기 니켈 시트의 상면에 상기 접착제를 이용하여 상기 PI 시트를 부착하되, 상기 PI 시트는 상기 단자부 영역을 제외하고 부착하는 단계를 포함하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법. A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor, comprising:
Heat treating the nickel sheet under a vacuum atmosphere or a hydrogen atmosphere;
Attaching the heat-treated nickel sheet to a PI (polyimide) sheet using an adhesive;
forming a sensor pattern including a terminal portion on the nickel sheet heat-treated to have a predetermined resistance value;
A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor comprising the step of attaching the PI sheet using the adhesive to the upper surface of the nickel sheet on which the sensor pattern is formed, excluding the terminal area.
상기 온도 센서의 단자부에 단자를 연결하는 단계를 더 포함하고,
상기 단자를 연결하는 단계는 솔더가 코팅된 단자를 용융하여 연결하거나, 브레이징(brazing) 조성을 가진 클래드 시트 또는 브레이징 구성물질이 코팅된 금속시트를 매개소재로 이용하여 연결하거나, ACF을 사용하여 연결하거나, 또는 얇은 도전성 접착제를 이용하여 연결하는 것 중 어느 하나를 이용하여 연결하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법. According to claim 1,
Further comprising connecting a terminal to a terminal of the temperature sensor,
The step of connecting the terminals is performed by melting and connecting terminals coated with solder, connecting using a clad sheet with a brazing composition or a metal sheet coated with a brazing composition as an intermediate material, or connecting using ACF. A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor that is connected using either , or connection using a thin conductive adhesive.
상기 단자부에 단자를 연결한 이후, 다시 접착제가 도포된 PI 절연필름을 부착하고, 전선과 전선 사이의 절연부위는 서로 분리되도록 형성하는 단계를 더 포함하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법.According to claim 2,
A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor, further comprising the step of attaching a PI insulation film coated with adhesive after connecting the terminal to the terminal portion, and forming the insulation portion between the wires to be separated from each other.
상기 니켈 시트를 열처리하는 단계는 400℃ 보다 높고 600℃보다 낮은 온도에서 열처리를 수행하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법. According to claim 1,
A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor, wherein the heat treatment of the nickel sheet is performed at a temperature higher than 400°C and lower than 600°C.
상기 센서 패턴은 제1 방향으로 사행하는 제1 패턴과 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 사행하는 제2 패턴을 포함하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법. According to claim 1,
The sensor pattern includes a first pattern meandering in a first direction and a second pattern meandering in a second direction opposite to the first direction.
상기 센서 패턴은 상기 소정의 저항 값이 25℃ 에서의 저항 값이 30Ω 내지 3kΩ 되도록 가공하고, 상기 가공된 센서 패턴을 레이저를 이용하여 다시 부분 가공하는 단계를 포함하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법.According to claim 5,
Processing the sensor pattern so that the predetermined resistance value is 30Ω to 3kΩ at 25°C, and partially processing the processed sensor pattern again using a laser. Manufacturing a flexible thin temperature sensor. method.
상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 상기 온도 센서의 하부에 보호기구를 삽입하는 단계를 더 포함하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법.According to claim 1,
A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor, further comprising inserting a protective device into the lower portion of the temperature sensor to protect the head portion of the temperature sensor.
상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 보호기구로 상기 온도 센서의 외부를 감싸는 단계를 더 포함하는, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법.According to claim 1,
A method of manufacturing a flexible thin temperature sensor, further comprising wrapping the outside of the temperature sensor with a protective device to protect the head of the temperature sensor.
상기 니켈 시트의 두께는 2㎛ 내지 10㎛ 이고, 상기 센서 패턴과 상기 PI 시트가 결합된 단자부를 제외한 상기 온도 센서의 두께는 50㎛ 내지 100㎛이고, 상기 단자부를 포함하는 상기 온도 센서의 총 두께는 80㎛ 내지 200㎛인, 유연한 박형 온도 센서를 제조하는 방법.According to claim 1,
The thickness of the nickel sheet is 2 μm to 10 μm, the thickness of the temperature sensor excluding the terminal portion where the sensor pattern and the PI sheet are combined is 50 μm to 100 μm, and the total thickness of the temperature sensor including the terminal portion is is 80㎛ to 200㎛, a method of manufacturing a flexible thin temperature sensor.
접착제를 이용하여 상기 니켈 시트의 하면에 부착된 제1 PI(Polyimide) 시트; 및
열처리된 상기 니켈 시트 상에 형성된 단자부를 포함하는 센서 패턴;
상기 센서 패턴이 형성된 상기 니켈 시트의 상면에 상기 접착제를 이용하여 부착된 제2 PI 시트를 포함하고,
상기 센서 패턴은 소정의 저항 값을 가지도록 형성되고,
상기 제2 PI 시트는 상기 단자부 영역을 제외하고 부착되는, 유연한 박형 온도 센서. Nickel sheet heat-treated under a vacuum atmosphere or a hydrogen atmosphere;
A first polyimide (PI) sheet attached to the lower surface of the nickel sheet using an adhesive; and
A sensor pattern including a terminal portion formed on the heat-treated nickel sheet;
It includes a second PI sheet attached to the upper surface of the nickel sheet on which the sensor pattern is formed using the adhesive,
The sensor pattern is formed to have a predetermined resistance value,
The second PI sheet is attached except for the terminal area. A flexible, thin temperature sensor.
상기 온도 센서의 단자부에 연결된 단자를 더 포함하고,
상기 단자는 솔더가 코팅된 단자를 용융하여 연결되거나, 브레이징(brazing) 조성을 가진 클래드 시트 또는 브레이징 구성물질이 코팅된 금속시트를 매개소재로 이용하여 연결되거나, ACF을 사용하여 연결되거나, 또는 얇은 도전성 접착제를 이용하여 연결되는 것 중 어느 하나를 이용하여 연결되는, 유연한 박형 온도 센서. According to claim 10,
Further comprising a terminal connected to the terminal portion of the temperature sensor,
The terminal is connected by melting a solder-coated terminal, connected using a clad sheet with a brazing composition or a metal sheet coated with a brazing component as an intermediate material, connected using ACF, or connected using a thin conductive material. A thin, flexible temperature sensor that is connected using either an adhesive or an adhesive connection.
상기 단자부에 단자를 연결한 이후, 다시 접착제가 도포된 PI 절연필름을 부착하고, 전선과 전선 사이의 절연부위는 서로 분리되도록 형성되는, 유연한 박형 온도 센서.According to claim 10,
After connecting the terminal to the terminal, a PI insulation film coated with adhesive is attached again, and the insulating area between the wires is formed to be separated from each other. A flexible, thin temperature sensor.
상기 열처리된 니켈 시트는 400℃ 보다 높고 600℃보다 낮은 온도에서 열처리된, 유연한 박형 온도 센서.According to claim 10,
A flexible, thin temperature sensor, wherein the heat-treated nickel sheet is heat-treated at a temperature higher than 400°C and lower than 600°C.
상기 센서 패턴은 제1 방향으로 사행하는 제1 패턴과 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 사행하는 제2 패턴을 포함하는, 유연한 박형 온도 센서.According to claim 10,
The sensor pattern includes a first pattern meandering in a first direction and a second pattern meandering in a second direction opposite to the first direction.
상기 센서 패턴은 상기 소정의 저항 값이 25℃ 에서의 저항 값이 30Ω 내지 3kΩ 되도록 가공되고, 상기 가공된 센서 패턴을 레이저를 이용하여 다시 부분 가공되는, 유연한 박형 온도 센서.According to claim 14,
The sensor pattern is processed so that the predetermined resistance value is 30Ω to 3kΩ at 25°C, and the processed sensor pattern is partially processed again using a laser. A flexible, thin temperature sensor.
상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 상기 온도 센서의 하부에 보호기구가 삽입되는, 유연한 박형 온도 센서.According to claim 10,
A flexible, thin temperature sensor in which a protection mechanism is inserted into the lower part of the temperature sensor to protect the head of the temperature sensor.
상기 온도 센서의 헤드 부위를 보호하도록 보호기구로 상기 온도 센서의 외부가 감싸진, 유연한 박형 온도 센서.According to claim 10,
A flexible, thin-type temperature sensor in which the outside of the temperature sensor is wrapped with a protective device to protect the head of the temperature sensor.
상기 니켈 시트의 두께는 5㎛ 이고, 상기 센서 패턴과 상기 PI 시트가 결합된 단자부를 제외한 상기 온도 센서의 두께는 50㎛ 내지 100㎛이고, 상기 단자부를 포함하는 상기 온도 센서의 총 두께는 80㎛ 내지 200㎛인, 유연한 박형 온도 센서.
According to claim 10,
The thickness of the nickel sheet is 5㎛, the thickness of the temperature sensor excluding the terminal part where the sensor pattern and the PI sheet are combined is 50㎛ to 100㎛, and the total thickness of the temperature sensor including the terminal part is 80㎛. to 200㎛, flexible and thin temperature sensor.
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- 2023-05-03 KR KR1020230057913A patent/KR20230155985A/en unknown
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