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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 열악한 환경에서도 측 정할 수 있는 압력센서를 만들기 위하여 cell이 직접 압력 매체와 접하지 않는 스테인레스 (stainless steel) 봉입형으로 제작하고 그 특성을 조사하였다
- 은 제조한 실리콘 압저항형 절대압 센 서의 레이아웃과 브릿지회로를 나타낸 것이다. 본 연구에서 실리콘 압저항형 압력센서를 제조하기 위하여 다이아프램의 가장자리에 4개의 압저 항체를 브릿지 구조로 형성하였다.
제안 방법
- SDB 웨이퍼를 이용하여 압저항형 절대압 센 서를 제조하고 이를 압력 발신기에 응용하였다. 본 연구에서는 SDB 웨이퍼를 이용하여 다이아 프램 두께의 균일성을 이루었고, 이온주입법으로 저항을 형성하여 도핑 농도를 균일하게 하였기 때문에 센서 cell들의 감도를 일정 범위 내에 유 지할 수 있었다.
- 또 한. 감도의 온도 특성을 보정하기 위하여 R2에 온도 감지 저항을 두고, 그 기울기를 R3로 조정 하도록 하였다.
- 뒷면의 실리콘 식각으로 다이아프램이 형성된 후에는 다이아프램 아래의 산화막과 웨이퍼 뒷면 의 질화막과 산화막을 모두 제거하였다. 그 후 사진식각법을 이용하여 전극 접촉부의 실리콘 산 화막을 제거하고 알루미늄 박막을 진공 증착하여 전극을 형성하였다. 마지막으로 다이아프램 내의 공극을 진공으로 하기 위하여 유리(Pyrex7740)와 실리콘을 진공중(103 torr)에서 양극 접합(anodic bonding)을 행하였다.
- 0 mm2, 두께는 15 ㎛이다. 다이 아프램의 식각 창의 크기는 식각 결과 형성되는 다이아프램의 변이 압력 검출용 압저항체의 끝 부분과 일치하도록 하여 최대의 응력이 압저항체에 가해져 센서의 감도가 최대가 될 수 있게 설 계하였다. 이때 각 압저항체의 폭은 10 ㎛이고.
- 압력 특성을 조사하기 위해 질소 가스를 이용하여 압력을 증가시켜 대기압 이상 0~10 bar의 범위 에서 측정을 하였다. 또한 온도를 일정하게 유지 할 수 있는 항온조를 이용하여 상온에서 70 ℃ 까지의 온도 특성을 조사하였다.
- 그 후 사진식각법을 이용하여 전극 접촉부의 실리콘 산 화막을 제거하고 알루미늄 박막을 진공 증착하여 전극을 형성하였다. 마지막으로 다이아프램 내의 공극을 진공으로 하기 위하여 유리(Pyrex7740)와 실리콘을 진공중(103 torr)에서 양극 접합(anodic bonding)을 행하였다.
- 본 연구에서 제작한 압력 발신기는 반도체 압 력 센서 cell의 온도 특성을 보정하기 위해 외부 의 온도 저항을 사용하기 때문에 cell의 온도에 따른 변화와 보상용 온도 저항의 온도에 따른 변화가 시간적으로 동일한 변화율로 변화하지 않으 므로 주변의 급격한 온도 변화는 최종 출력 특성 에서 정확한 보상이 일어나지 않으므로 항상 tesb시에는 온도 변화후 20~30분 정도 뒤에 특성을 조사하였다.
- 압력 매체에 의한 압력센서 11의 손상을 방 지하기 위하여 압력 매체와 압력센서 cell사이에 스테인레스 박판(0.05mm)과 실리콘 오일을 둔 isolated type 압력센서를 제작하였으며, 온도 보상을 위해서 발신기용 전용 chip을 이용하였 고, 이 chip 고유의 특성을 그대로 이용하여 온도 보상을 행하였다. 그 결과로 제작된 압력 발 신기의 정확도는 ±1.
- 제작된 압력센서를 단위 cell로 sawing ma- chine으로 절단한 후, 그림 3에서 보는 바와 같은 구조로 조립을 하였다. 압력 매체에 의한 압력센서 cell의 손상을 방지하기 위하여 압력 매 체와 압력센서 cell 사이에 스테인레스 박판(0.05mm)을 두었다.
- 그림 5는 제조된 압력센서의 압력 및 온도 특성을 조사하기 위한 측정 장치의 개략도이다. 압력 특성을 조사하기 위해 질소 가스를 이용하여 압력을 증가시켜 대기압 이상 0~10 bar의 범위 에서 측정을 하였다. 또한 온도를 일정하게 유지 할 수 있는 항온조를 이용하여 상온에서 70 ℃ 까지의 온도 특성을 조사하였다.
- 이때 각 압저항체의 폭은 10 ㎛이고. 압저항체의 길이는 250 ㎛1로 설계하여, 압저항 체가 각각 3.3 kQ의 저항이 되도록 하였다.⑻
- 여기에서 Rg는 회로에서 R2, R3, R4, VR1의 합산 저항에 해당하여 gain을 조정하도록 하였다. Vme sensor pin2와 pin3에서 출력되는 차동 전압에 해당한다.
- 브릿지형 반도체 압력 센 서에서는 온도에 대한 보정이 필요하다. 이 회로 에서는 offset을 보정하기 위한 저항 R5-R10 중에서 R6을 온도 감지 저항으로 사용하고 R7 을 이용하여 그 기울기를 조정하도록 하였다. 또 한.
- 그리고, 주름이 잡힌 박판을 프라즈마 용접한다. 이때 용접시 발생되는 열에 의한 cell의 손상을 최소화하기 위하여 용접기의 온도 및 용접 시간을 조절하였다. 용접된 구조물 뒷면으로 실리콘 오일을 채워 놓고, 내부의 기포를 제거하기 위하여 1 torr 이 하의 진공 용기 내에 수분 정도 넣어 둔다.
- 양면의 질화막은 건식식각(plasma etching)법을 이용하여 식각한 후 BHF(buffered HF)를 이용하여 양면의 실리 콘 산화막을 식각한다• 앞면에 저항이 형성될 부분 의 실리콘 산화막을 제거하고. 이온 주입기를 이용하여 붕소 원자를 dose양 3xl015/cm2, 70 keV 의 가속 에너지로 이온 주입을 하였다. 그 후 1000 ℃에서 1시간 동안 wet 02 분위기에서 어닐링하여 주입된 이온들을 활성시켰다.
- 이때 형성된 압저항체의 면저항은 대략 136 Q/이다. 저항 형성이 끝난 후, 다이아프램을 형성하기 위한 뒷면 450 u m 실리콘 에칭시 앞면을 보호하기 위하여 1500 A 두께의 &3N4를 앞면에 LPCVD 법으로 증착 시킨 후, KOH 수용액으로 83 ℃에서 이방성 식 각을 약 5시간 행하였다. 이때 식각율은 1.
- 제작된 스테인레스 봉입형 반도체 압력센서에 있는 4개의 저항이 압력에 대해 변화하는 저항값을 각각 측정하여 보았다. 그림 9는 제작된 반도체 압력센서 cell에서 대표적인 소자 하나에 대한 특성을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 압력 발신기를 제작하기 위하 여서는 차동전압을 4~20 mA의 2선 출력으로 나타나도록 회로를 구성하여야 한다. 그림 4에서 보는 바와 같이 XTR105라는 전용 chip을 이용 하였다. 기본적으로 XTR105는 센서의 차동 전 압에 비례하여 4~20 mA라는 전류가 출력되도 록 하는 기능을 가지는 chip이다.
- 사용된 웨이퍼는 결정방향이〈100〉이고 Si (15um)/SiO2(lum)/Si(450um)구조의 양면경 면 처리된 4인치 SDB(silicon direct bonding wafer)를 습식 열산화로 3500 A의 산화(Si6) 막을 형성하고, 그 위에 LPCVDUow pressure chemical vapor deposition)법으로 양면을 1500 A의 질화(SiaNQ막을 형성하여 사용하였다. 그림 2는 제조공정 순서를 압력센서의 단면으 로 나타낸 것이다.
- 실리콘 압저항형 절대압 센서 제조에 사용된 마스크는 총 4장으로, 저항 형성용 마스크. 접촉 창(contact open) 형성용 마스크, 금속 전극 형성용 마스크, 그리고 다이아프램 형성을 위한 뒷면 실리콘 식각용 마스크로 구성된다.
이론/모형
- 준비된 기판 위에 양면 마스크 정렬기(aligner)를 이용하여 앞면의 저항체 및 뒷면의 다이아프램 패턴을 사진식각법 (photolithography)으로 형성하였다. 양면의 질화막은 건식식각(plasma etching)법을 이용하여 식각한 후 BHF(buffered HF)를 이용하여 양면의 실리 콘 산화막을 식각한다• 앞면에 저항이 형성될 부분 의 실리콘 산화막을 제거하고. 이온 주입기를 이용하여 붕소 원자를 dose양 3xl015/cm2, 70 keV 의 가속 에너지로 이온 주입을 하였다.
- 그림 2는 제조공정 순서를 압력센서의 단면으 로 나타낸 것이다. 준비된 기판 위에 양면 마스크 정렬기(aligner)를 이용하여 앞면의 저항체 및 뒷면의 다이아프램 패턴을 사진식각법 (photolithography)으로 형성하였다. 양면의 질화막은 건식식각(plasma etching)법을 이용하여 식각한 후 BHF(buffered HF)를 이용하여 양면의 실리 콘 산화막을 식각한다• 앞면에 저항이 형성될 부분 의 실리콘 산화막을 제거하고.
성능/효과
- 05mm)과 실리콘 오일을 둔 isolated type 압력센서를 제작하였으며, 온도 보상을 위해서 발신기용 전용 chip을 이용하였 고, 이 chip 고유의 특성을 그대로 이용하여 온도 보상을 행하였다. 그 결과로 제작된 압력 발 신기의 정확도는 ±1.0% F.S로 나타났다.
- SDB 웨이퍼를 이용하여 압저항형 절대압 센 서를 제조하고 이를 압력 발신기에 응용하였다. 본 연구에서는 SDB 웨이퍼를 이용하여 다이아 프램 두께의 균일성을 이루었고, 이온주입법으로 저항을 형성하여 도핑 농도를 균일하게 하였기 때문에 센서 cell들의 감도를 일정 범위 내에 유 지할 수 있었다. 따라서 감도를 조정하기 위한 외부 저항의 범위를 최소화할 수 있었다.
- 그림 9는 제작된 반도체 압력센서 cell에서 대표적인 소자 하나에 대한 특성을 나타내고 있다. 압력센서에 인가되는 게이지압을 변화시켰을 때 다아아프램의 변에 수직한 저항체 Rii, R12와 평행한 저항체 Rti, Rt2에 대한 저 항 변화율을 나타낸 것으로 대기압 에서 이미 1기압 정도의 압력을 받고 있음을 알 수 있고, 1 V 인가 전압에 대해서, 측정 압력 범 위에서 각각의 브릿지 저항들이 모두 ±20 S/bar 정도로 변화하고, 선형성은 약 0.3% FS(fulll scale) 범위 내에 있음을 알 수 있다.
- 이러한 특성은 각 소자마다 그 특성이 조금 다르지만 대체적으로 -0.07% FS/℃정도의 특성이 나타남을 알 수 있었다. 이러한 특성은 일반적으로 각 소자마다 재현성을 가지므로 이에 상응하는 각각의 온도 보상을 통하여 그 특성을 원하는 사양 내에 들게 할 수 있다.
- 제작된 봉입형 압력 트랜스미터의 특성은 압 력센서 cell을 오일에 넣고 박판 다이아프램으로 봉입할 경우 실험적으로 박판 다이아프램의 두께 가 0.4 mm까지는 박판에 주어진 압력을 손실 없이 그대로 오일 내에 있는 cell에 전달하지만, 온도에 의한 내부 오일 팽창으로 offset 전압의 변동이 심하고, 압력과 온도에 대한 응답 특성 및 히스테리시스 특성이 매우 불안하다는 결론을 얻을 수 있었다. 따라서, 박판 다이아프램은 가능한 얇고 충분한 주름이 주어져야 할 것이다.
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