KR820001504B1 - 용량식 압력센서 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용량식 압력센서

제1도는 본 발명의 용량식 압력센서의 일실시예를 사용한 공업용 차압 전송기의 일부 단면을 포함한 사시도,

제2도는 제1도에 도시된 용량식 압력센서의 확대 단면도,

제3a~d도는 제1도 또는 제2도에 도시한 실리콘 다이아프램의 제조 프로세스를 설명하는 도면,

제4도는 본 발명의 용량식 압력센서의 다른 실시예를 도시한 단면도,

제5도와 6도는 다른 형상의 다이아프램을 가진 본 발명의 용량식 압력센서의 다른 실시예를 도시한 단면도,

제7도는 제5도와 6도에 도시되어 있는 다른 형상의 다이아프램을 도시하기 위한 일부 단면을 포함한 사시도,

제8a~e도는 또 다른 다이아프램의 제조 프로세스를 설명하는 도면,

제9도는 본 발명의 용량식 압력센서의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.

본 발명은 압력센서(senser)에 관한 것이며 특히, 압력에 따른 디아프램(diaphragm)의 편위(偏位)를 정전용량의 변화로서 검출하는 용량식 압력센서에 관한 것이다.

종래, 용량식 압력센서는 예컨대, 미국특허 제3,232,114호에 나타낸 바와 같이 탄성의 다이아프램이 금속에 의해 형성되어 있고, 장력도 동일하게 형성되어 있다. 이와 같은 용량의 압력센서에서는, 입력압력과 출력전압과의 사이의 비례성(직선성)이 높은 것이 요구되지만, 이와 같은 요구를 만족시키기 위해서는 다이아프램이 균일한 장력으로 형성되는 것이 대단히 중요한 요인이다.

상기의 특허에 있어서는 그 다이아프램은 약 60,000파운드의 장력으로 유지되어 있으며, 그리고 그 주변부는 두개의 금속하우징 섹션사이에 배치되는 한편 두개의 금속하우징 섹션에 용접되어 있다. 다이아프램은 상기한 바와 같은 이유에 의해 장력을 가한 상태에서 주의깊게 그들 두 개의 하우징 섹션에 용접되지 않으면 안된다. 이와 같은 프로세스는 예컨대, 아크용접이나 전자비임 용접에 의해 행해지고 있었으나, 다이아프램을 그와 같은 커다란 장력과 균일한 상태에서 고정한다는 것은 대단히 어렵기 때문에 생산성이 저하되는 결점을 가지고 있었다.

미국특허 제3,793,885호에는 용량식 압력변환기를 위한 다이아프램의 구조가 제시되어 있으며, 그 내부에는 측정요소 특히, 압력변형 다이아프램은 예컨대, 용융된 석영 등과 같은 메짐성재료(brittle material)에 의해 구성되어 있다. 그리고 히스테리시스 및 크리이프 팩터(creep factor)가 낮고 열팽창 계수가 작은 잇점을 갖고 있다. 그러나, 이 특허에 있어서, 메짐성 재료는 절연물로서 이 재료에 의해 형성된 압력변형 다이아프램의 표면에 도전체가 증착되지 않으면 안된다. 또 이 다이아프램의 형상도 원통형이다.

다른 선행기술은 아래와 같다.

(1). 미국특허 제3,793,885호 「차압 변환기의 다이아프램 구주」, 이 특허는 차압 변환기를 위한 다이아프램 구조가 나타내져 있으며, 다이아프램은 그 주변부에 다이아프램의 스트래스를 그 설치 부분으로 부터 분리하기 위한 수단을 갖고 있다.

(2). 미국특허 제3,397,278호「애노딕 본딩」, 이 특허는 애노딕 본딩 기술을 나타내고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래와 같은 어려운 용접방법이 불필요한 즉, 제작이 용이한 구조를 갖는 용량식 압력센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 특성이 우수한 새로운 다이아프램을 갖는 용량식 압력센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 모든 특성에 있어서 우수하며, 또한 소형의 용량식 압력센서를 제공하는데 있다.

상기의 목적은 도체에 의해 형성된 다이아프램을 절연체에 의해 형성된 기판위에 접착하는 공정에 있어서, 애노딕 본딩 기술을 이용하여 접착함으로써 성취된다.

상기의 다른 목적은, 용량식 압력센서의 다이아프램을 실리콘에 의해 형성함으로써 성취된다.

상기 또 다른 목적은, 다이아프램을 가공성이 있어서 우수한 실리콘에 의해 형성하고, 기판을 열팽창율에 있어서 실리콘과 실질적으로 대등한 붕규산글라스(borocilicate glass)에 의해 형성하는 한편 그들 실리콘 다이아프램과 붕규산글라스로 이루어지는 기판등을 애노딕 본딩 기술에 의해 접합함으로써 성취된다.

본 발명의 상술한 목적 및 다른 목적의 잇점은, 아래의 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에 있어서, 공업용 차압전송기는 그 속에 본 발명의 용량식 압력센서가 구비되어 있다. 보다 정확하게 설명하면, 차압(差壓)센서(2)가 조입(組입)되어 있는 하우징(1a),(1b)과, 이들 하우징의 측면에 실려진 두 개의 엔드캡(3a),(3b)등을 갖고 있다. 이들 하우징(1a),(1b) 및 두 개의 엔드캡(3a),(3b)은 모두 알루미늄등의 금속다이캐스트 등으로써 형성되어 있으며 이들은 서로 용접 또는 나사 등에 의해 견고하게 취부되어 있다.

하우징(1a),(1b)의 각 측면에는 원형의 요부(11a),(11b)가 형성되어 있으며 이들은 각각 앤드캡(3a),(3b)의 요부(31a),(31b)와 함께 공간을 형성하고 있다. 이들 앤드캡(3a),(3b)은 모두 압력도 입구(32a),(32b)를 갖고 있으며, 이들의 압력도입구를 통해 외부로 부터의 두개의 피측정 압력의 유체가 압력전송기 내부의 상기한 공간에 도입되어 있다.

두 개의 하우징(1a),(1b)의 측면에 형성된 두 개의 요부(11a),(11b)의 저면위에는 스텐레스강과 같은 강성을 가진 내부식 재료로 이루어진 차폐 다이아프램(12a),(12b)이 용접 등에 의해 견고하게 취부되어 있다. 차폐 다이아프램(12a),(12b)과 하우징(1a),(1b)의 요부(11a),(11b)의 저면간에 각각 형성된 공간에서 실리콘 오일 등의 봉입액(13a),(13b)이 채워져 봉입되어 있다. 두 개의 하우징(1a),(1b)의 요부(11a),(11b)의 저면에는 압력도입관(14a),(14b)이 설치되어 있으며 이들의 압력도입관을 통해 상기한 공간내의 실리콘 오일(13a),(13b)이 용량식 차압센서(2)의 내부에 도입되어 있다.

한쪽 하우징(1a)의 측면에 형성된 요부(11a)의 저면에는 관통공(5)이 형성되어 있으며 이 구멍을 통해 공간내의 실리콘오일(13a)이 용량식 차압센서(2)의 주위에 도입되어 있다. 이 용량식 차압센서(2)로 부터의 3개의 리이드선(21),(22),(23)은 하우징(1a),(1b)사이에 설치된 절연물층(16) 및 그 절연물층 위에 형성된 글라스층(17)을 통해 차압전송기의 밖으로 인출되어 있다.

상기한 용량식 차압센서(2)는 다시 제2도를 참조하면 절연재료로 형성되는 한편 그 내표면에는 금속의 박막전극(202a),(202b)이 취부된 기판(201a),(201b)과 이들 두매의 기판의 박막전극(202a),(202b)간에 협지된 다이아프램(203)을 갖고 있다. 기판(201a),(201b)에는 각각 상기한 압력도입관(14a),(14b)에 대응하는 위치에 도압공(導壓孔)(204a),(204b)이 형성되어 있으며 그 압력도입관(14a),(14b)과 도압공(204a),(204b)을 통해 상기한 공간내의 실리콘오일(13a),(13b)이 기판(201a),(201b)과 다이아프램(203)간에 형성된 압력실(205a),(205b)에 도입되어 있다. 다이아프램(206)은 얇은 가동부(206)와 두꺼운 고정부(207)에 의해 구성되어 있다. 그리고 박막 전극(202a),(202b)은 각각 기판(201a),(201b)의 내부에 매입된 도선(208a),(208b)을 통해 도선(21),(23)에 인도되어 있다.

다이아프램(203)위에는 예컨대, 3층 전극 혹은 알루미늄 전극이 형성되어 있으며 그 위에는 도선(22)이 접속되어 있다.

이 실시예에 있어서는 기판(201a),(201b)은 모두 붕규산 글라스로 형성되어 있으며, 한편 다이아프램(203)은 실리콘으로 형성되어 있다. 이와 같은 실리콘 다이아프램(203)은 히스테리시스 및 크리이프 팩터가 작으며 다이아프램으로서의 모든 특성이 우수하다는 이점외에 예컨대, 에칭 기술에 의해 정밀하면서도 왜곡이 없는 가공을 할수 있다. 특히, 알카리 에칭 기술에 의해서는 미크론오더의 초 정밀한 가공을 할수 있는 잇점도 갖고 있다. 또 실리콘은 그 불순물 농도를 조정함으로써 도체로서 사용할 수 있으므로 그 표면에 금속 등의 박막전극을 형성할 필요도 없어진다. 또 기판을 형성하는 붕규산글라스는 그 열팽창계수가 3.25×10^-6/℃여서 실리콘과 열팽창 계수가 거의 같으며 주위 온도의 변화에 의한 다이아프램에 왜곡이 발생하지는 않는다.

상기의 용량식 차압센서의 제작방법의 일예가 아래에 설명된다. 기판(201a),(201b)의 내표면에 예컨대, 금(Au) 혹은 백금(Pt)등의 양도성의 금속을 증착 혹은 도금하여 박막전극(202a),(202b)을 구성한 후 이들 기판(201a),(201b)사이에 실리콘 다이아프램(203)을 끼워넣는다. 도전체 즉, 실리콘 다이아프램(203)에는 플러스의 전극을 연결하고, 타방의 절연체 즉, 글라스기판(201a),(201b)에는 마이너스의 전극을 연결한다. 그후 약 450℃의 온도로 가열하여 상기한 전극간에 약 1,000볼트의 고 전압을 수분간 인가한다. 그 결과 실리콘 다이아프램(203)과 글라스기판(201a),(201b)과의 접착면은 정전접합되어 전압을 제거하여도 결코 떨어지지는 않는다. 이와 같은 애노딕 본딩 기술에 의해 다이아프램과 기판을 접착제 없이 매우 견고하게 또한 왜곡이 없는 이상적인 상태에서 접합할 수 있다. 이 때문에 상기와 같은 구성을 갖는 용량식 압력센서의 압력 변환 특성에 있어서의 직선성은 향상되는 것이다. 이와 같은 공정에 의하면 여러개의 다이아프램이 형성된 실리콘 웨이퍼위에 글라스기판을 포개 한꺼번에 여러개의 용량식 압력센서를 조립할 수 있기 때문에 생산성도 향상된다.

제3a~d도에는 제1도 또는 제2도에 도시한 실리콘 다이아프램(203)의 제작방법이 도시되어 있다. 먼저, 제3a도에 도시하는 바와 같이 예를 들면, 보론 등을 10²⁴개/cm³의 고농도로 확산한층(210a),(210b)을 실리콘 기판(203')의 양면에 형성한다. 제3b도에 도시하는 바와 같이 이때 가능한한 산화막(211a),(211b)의 일부를 포토에칭 기술을 사용하여 제거한후 다음에 제3c도에 도시하는 바와 같이 나머지 산화막(211a),(211b)을 마스크로 하여 상기한 고농도층을 산에칭, 혹은 알카리에칭 등으로 제거하여 다이아프램의 얇은 부분(206)을 형성한다. 고농도층(210a),(210b)은 저농도의 실리콘기판(203')에 비해 10배 정도 에칭 속도가 빠르며 실리콘기판(203')을 균일한 두께로 다이아프램의 얇은 가동부(206)로서 남길수 있다. 그후 제3d도에 도시한 바와 같이 산화막(210a),(210b)을 제거하여 실리콘 다이아프램(203)을 얻는다.

이와 같은 방법에 의해 제작되는 실리콘 다이아프램(203)의 외형 및 그 가동부(206)의 형상은 설계 상황에 따라 임의의 형태로 제작할 수 있다.

상기와 같은 용량식 차압센서(2)는 그 양측면의 도압공(204a),(204b)을 통해 압력실(205a),(205b)에 도입되는 유체 즉, 실리콘오일(13a),(13b)의 압력차에 따라 다이아프램(203)의 가동부(206)가 편위하여 다이아프램(203)의 양 박막전극(202a),(202b)과의 각 사이의 거리가 변화하여 도면에 도시되지 않은 전기회로에 의해 아래식으로 나타내지는 출력전압(Eo)을 출력한다.

상기의 식에 있어서, Cs는 기준용량, Es는 전기회로의 발전기 출력 교류전압, ε은 유전율, A는 전극의 면적, Xo는 초기 크리어런스, X는 다이아프램의 편위를 나타낸다.

제4도에는 모두 실리콘에 의해 형성된 다이아프램(203)과 기판(300a),(300b)로 구성된 용량식 압력센서가 도시되어 있다. 실리콘 다이아프램(203)과 실리콘기판(300a),(300b)간에는 붕규산글라스에 의해 형성된 환상의 스페이서(310a),(310b)가 설치되어 있으며, 다이아프램(203)과 기판(300a),(300b)간을 전기적으로 절연하고 있다. 참조번호(320a),(320b)는 모두 실리콘기판(300a),(300b)위에 각각 형성된 도압공을 도시하고 있다.

상기한 용량식 압력센서의 제작방법이 아래에 도시되어 있다.

실리콘 다이아프램(203)을 협지하여 환상의 스페이서(310a),(310b)을 포개고 다시 그 양측에 실리콘 기판(300a),(300b)을 겹치게 한다. 절연체 즉, 글라스의 환상 스페이서(310a),(310b)에는 마이너스의 전극을 연결하고, 타방의 도체 즉, 실리콘 다이아프램(203)과 실리콘기판(300a),(300b)에는 플러스의 전극을 연결하여 이를 약 450℃의 온도로 가열한 후 이들 전극간에 약 1,000볼트의 고전압을 수분간 인가한다.

그 결과 실리콘 다이아프램(203), 환상스페이서(310a),(310b) 및 실리콘기판은 애노딕 본딩에 의해 견고하게 접합된다.

상기한 실시예에 있어서는 기판이 도체 즉, 실리콘으로 형성되어 있기 때문에 금속의 박막 전극을 증착하던가 리이드신을 글라스기판에 매입할 필요가 없으며, 실리콘 기판위에 3층 전극 혹은 알루미늄 전극을 형성함으로써 용이하게 리이드선을 취출할 수 있다. 따라서 보다 간단히 제작할 수 있다.

제5도와 제6도에는 제1도 또는 제2도에 도시된 다이아프램과 형상이 다른 다이아프램(250)을 가진 본 발명의 용량식 압력센서 혹은 차압센서의 다른 실시예가 도시되어 있다. 제7도에 도시하는 바와 같이 이 다이아프램(250)은 그 주변부에 두꺼운 고정부(251)와, 환상이면서도 아주 얇은 가동부(252)와 그 가동부의 주위에 두꺼운 전극부(253)로 구성되어 있다. 이와 같은 다이아프램(250)에서는 압력에 따라 얇은 가동부(252)만이 편위하게 되며 두꺼운 전극부(253)가 압력에 의해 편위되는 일은 없다. 그래서 다이아프램(250)의 전극부(253)의 표면과 두개의 기판의 내표면에 설치된 전극의 표면은 항상 평행을 유지하고 있기때문에 실험에 의해서도 이와 같은 형상이 다이아프램의 압력에 의한 변위의 직전성이 우수하다는 것을 인정할 수 있다.

이와 같은 다이아프램도 제3도에 도시되어 있는 방법과 같은 방법으로 실리콘을 에칭함으로써 용이하게 제작할 수 있다.

제7도에 도시된 다이아프램(250)의 외형은 정방향이며 그 얇은 가동부(252)의 형상은 원형이다. 그러나 이들의 형상은 임의의 형상으로 할 수 있음은 말할 나위도 없다.

제5도에 도시되는 실시예에서는 다이아프램(250)은 두개의 붕규산글라스에 의해 형성된 기판(201a),(201b)간에 상술한 애노딕 본딩 기술에 의해 견고하게 접합되어 있다. 그리고 그 글라스기판(201a),(201b)의 각각의 내표면에는 금속의 박막전극(202a),(202b)이 취부되고, 그 기판의 각각에는 또한 도입공(204a),(204b)이 형성되어 있다.

제6도에 도시되는 실시예에서는 다이아프램(250)의 양 측면에는 환상의 스페이서(310a),(310b)와 또 실리콘으로 형성된 기판(300a),(300b)이 겹쳐져 애노딕 본딩 기술에 의해 견고하게 접합되어 있다. 그리고 참조번호(320a),(320b)는 각각 실리콘 기판(300a),(300b)위에 형성된 도압공을 도시하고 있다.

제8a~e도에는 산화막을 스톱퍼로서 이용하여 실리콘 다이아프램을 제조하는 방법이 도시되어 있다. 우선, 실리콘기판(400)의 양면에 C.V.D법으로 산화막(401a),(401b)을 부착한다. 이 산화막(401a),(401b)위에 에피로셜(epitaxial)법으로 다결정 실리콘(402a),(402b)을 적층하여 약 1,000℃의 고온에서 녹여 붙인다. 이때 형성되는 산화막의 일부를 제거한 후 잔여의 산화막(403a),(403b)을 마스크로서 적층된 다결정 실리콘층(402a),(402b)을 산에칭 등으로 제거하여 얇은 가동부(404)를 형성한다. 그리고 다음에 남겨져 있는 산화막을 제거한다. 이와 같은 방법으로 제작되는 다이아프램의 얇은 가동부(404)의 두께는 대단히 일하면서도 재현성이 좋다.

지금까지는 두 개의 피측정 압력의 차를 검출하는 차압센서가 주로 설명되어 왔으나, 본 발명은 제9도에 도시한 바와 같이 하나의 피측정압을 검출하는 압력센서에도 적용할 수 있다.

도면에 있어서는, 1편면에만 요부가 형성되어 있으며 얇은 가동부(501)가 구성되어 있다. 실리콘 다이아프램(500)은 절연물 예컨대, 붕규산글라스로 이루어지는 스페이서(502)를 통해 실리콘으로 형성된 기판(503)위에 실려져 상술한 애노딕 본딩 기술에 의해 견고하게 취부되어 있다. 그리고 이 기판(503)위에는 도압공(504)이 형성되어 있으며 이 구멍을 통해 외부로 부터의 피측정압의 유체가 기판(503)과 다이아프램(500)간에 구성된 압력실에 도입되어 있다. 이와 같은 구조의 압력센서는 특히, 자동차용의 부압(負壓)센서 등의 소형이고 값싼 압력센서로서 적합하다.

또 지금까지 절연체기판 혹은 절연체 스페이서의 재료로써 붕규산글라스만이 개시되어 왔으나, 기타 예를 들면, 석영 혹은 소프트글라스 혹은 사파이어 등을 사용할 수도 있다. 다음의 표 1에는 애노딕 본딩 기술에 의해 그들을 실리콘 다이아프램에 접합하는 조건의 일예가 나타내져 있다.

[표 1]

또 다이아프램 혹은 기판을 형성하는 실리콘에 관해서는 다결정 실리콘 혹은 단결정 실리콘의 쌍방을 사용할 수 있다. 그러나 실험에 의해 얻어진 것으로서는 단결정 실리콘이 보다 바람직하다.

본 발명자 등은 본 발명의 실시예를 설명해 왔으나, 본 발명은 그와 같은 실시예에만 한정되는 것이 아니라 당해 기술분야에 있어서의 통상의 기술을 가진자라면 자명한 각종의 변형예를 고려해 볼 수 있는 것이라 여겨지며 출원인은 그 때문에 본 발명이 여기에 나타내어 설명된 상세한 것만으로 한정되는 것이 아니라 당해 기술분야에 있어서의 통상의 기능을 가진자라면 자명한 변형에의 모든것을 포함시키는 것을 의도하고 있다.

Claims (1)

1. 압력도입관(14a),(14b)을 가진 두개의 기판(201a),(201b)과 그 기판(201a),(201b)간에 놓여 중앙부가 기판(201a),(201b)과 소정의 간격을 갖도록 주변부가 그 기판(201a),(201b)에 고정된 다이아프램(203)을 가지며, 대향하는 박막전극(202a),(202b)간에 정전용량을 형성하여 압력에 의한 다이아프램(203)의 변형에 따라 생기는 정전용량의 변화를 검출하여 압력을 검출하는 것에 있어서, 상기의 기판(201a),(201b)은 각각 최소한 모두 하나의 평탄면을 가지고 있고, 다이아프램(203)은 기판(201a),(201b)에 거의 대등한 열팽창계수를 가지며, 일부에 얇은 가동부(206)가 형성되어 있고, 그 가동부의 주위에는 두꺼운 고정부(207)가 형성되어 있으며 중앙부는 기판(201a),(201b)과 소정의 간격을 가지며, 고정부(207)는 기판(201a),(201b)의 평탄면과 애노딕 본딩 기술에 의해 접합되어 있으며 또한 다이아프램(203)은 그 자체가 전극으로서 작용하여 기판(201a),(201b) 또는 기판(201a),(201b)상에 설치된 박막전극(202a),(202b)간에 구성된 두 개의 정전용량의 변화에 따라 압력을 검출하는 것을 특징으로 하는 용량식 압력센서.

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