[논문]과부하 방지용 마이크로머시닝 세라믹 박막형 압력센서의 제작과 그 특성

김재민; 정귀상

doi:10.5369/jsst.2003.12.5.199

초록
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본 논문에서는 Ta-N 스트레인게이지를 이용한 극한 환경용 세라믹 박막형 압력센서의 제작 및 특성에 관하여 연구하였다. 압력감지부로 Ta-N 스트레인게이지를 사용하였으며, SDB(Si-wafer Direct Bonding)와 전기화학적 식각정지법을 이용하여 매몰 cavity를 가지는 저가격 고수율의 Si 박막 다이어프램을 제작하였다. 또한, 실리콘 박막 다이어프램상에 박막형 스트레인게이지를 형성하여 세라믹 박막형 압력센서를 제작하였다. 제작된 세라믹 박막형 압력 센서는 기존의 스트레인 게이지를 이용한 로드셀에 비해서 온도특성이 우수하고 재현성, 소형화, 집적화 및 저가격화가 가능하기 때문에 고온, 고압 등의 각한 환경에서도 사용이 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes on the fabrication and characteristics of a ceramic thin-film pressure sensor based on Ta-N strain-gauges for harsh environment applications. The Ta-N thin-film strain-gauges are sputter-deposited onto a micromachined Si diaphragms with buried cavity for overpressure protectors....

This paper describes on the fabrication and characteristics of a ceramic thin-film pressure sensor based on Ta-N strain-gauges for harsh environment applications. The Ta-N thin-film strain-gauges are sputter-deposited onto a micromachined Si diaphragms with buried cavity for overpressure protectors. The proposed device takes advantages of the good mechanical properties of single-crystalline Si as diaphragms fabricated by SDB and electrochemical etch-stop technology, and in order to extend the operating temperature range, it incorporates relatively the high resistance, stability and gauge factor of Ta-N thin-films. The fabricated pressure sensor presents a low temperature coefficient of resistance, high-sensitivity, low non-linearity and excellent temperature stability. The sensitivity is $1.097-1.21\;mV/V{\codt}kgf/cm^2$ in the temperature range of $25-200^{\circ}C$ and the maximum non-linearity is 0.43%FS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 지금까지의 반도체식 압력 센서와 금속후막형 압력센서의 문제점뿐만 아니라 사용시 과부하에도 사용 가능한 세라믹 박막형 압력센서를 개발하였다. 수압부로 기존의 SUS 등의 금속 탄성체에 비해 크리프 현상이 없고' 직선성이 우수하며, 기계적 마모나 진동의 영향이 적으며, 미세가공이 용이한 Si 박막 다이어프램을 사용했다.
본 연구에서는 지금까지의 반도체식과 금속 후 막형 압력센서의 문제점을 해결하기 위해, 마이크로머시닝 및 박막기술을 이용하여 Si 다이어프램 상에 Ta-N 박막형 스트레인 게이지를 압력 감지 부로 이용한 박막형 압력센서를 제작하여 그 특성을 분석 . 평가하였다.

제안 방법

DC 반응성 스퍼터링법으로 3000 A 의 Ta-N 박막을 증착하여 박막형 스트레인 게이지를 형성하였다. 센서 설계시 스트레인 게이지의 형태와 위치를 고려하여 높은 출력을 얻을 수 있도록 압저항 하나의 크기는 30X100 ㎛² 저항은 250 Ω으로 설계하여 그림 2(b)와 같이 배열하였다.
2 ㎛ 이내의 두께 제어를 할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 크기와 깊이가 각각 850 X 50 ahi2 및 8㎛인 매몰 cavity를 갖는 handl ing 기 판을 먼저 준비 한 다음 , 25 /zm 의 두께를 갖는 n-epi. active기판과 직접 접합한 후, 고온 열처리를 행했다. TMAH 수용액 20 wt.
또한 알루미늄으로 스트레인 게이지를 휘스톤 브릿지와 연결하여 압력 감지부를 제조한 다음. 금으로 전극을 형 성 하고 압력센서 를제작하여 전기적 특성을 분석 및 평가했다.
전기화학적 식각정지법은 두께 제어기술 중 가장 안정적이며, 능동층의 두께를 정확하게 조절이 가능하다. 또 수십 A의 최종 표면 거칠기와 표준 편차 0.2 ㎛ 이내의 두께 제어를 할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 크기와 깊이가 각각 850 X 50 ahi2 및 8㎛인 매몰 cavity를 갖는 handl ing 기 판을 먼저 준비 한 다음 , 25 /zm 의 두께를 갖는 n-epi. active기판과 직접 접합한 후, 고온 열처리를 행했다.
19 FS로 고온에서도 감도 및 선형성이 매우 우수하였다. 또한, 과도한 압력에 의한 다이어프램의 손상을 방지하기 위하여 매몰 cavity를 갖는 SDB SOI 박막 다이어프램을 압력 센서 의 수압부로 사용할 경우 접 착제를 필요로 하지 않으며 크리프 현상이 적고. 재현성이 훨씬 우수함을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

%. 80℃에서 전기화학적 식각정지법으로 매몰 cavity를 갖는 SDB SOI기판을 형성하여 25 ㎛ 두께의 박막 다이어프램을 제조하였다 5).
또한. 감지부로는 비교적 큰 전기저항값과 게이지율을 가지며 기판의 종류에 관계없이 접착성이 우수한 Ta-N 스트레인 게이지를 사용하였다.
따라서. 본 연구에서 마이크로머시닝과 박막기술로 제작된 박막형 압력센서는 200℃ 이상의 고온. 습도, 진동 등의 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소형.
것이다. 세라믹 박막형 압력센서의 수압 부로 미세가공이 용이하며 기계적 특성이 우수한 Si 다이어프램을 사용했고 정확한 두께 제어가 가능한 SDB SOI기판을 사용하였다.
본 연구에서는 지금까지의 반도체식 압력 센서와 금속후막형 압력센서의 문제점뿐만 아니라 사용시 과부하에도 사용 가능한 세라믹 박막형 압력센서를 개발하였다. 수압부로 기존의 SUS 등의 금속 탄성체에 비해 크리프 현상이 없고' 직선성이 우수하며, 기계적 마모나 진동의 영향이 적으며, 미세가공이 용이한 Si 박막 다이어프램을 사용했다. 또한.

성능/효과

46 mV/V . kgf/cirf이며 , 비선형성은 0.1 ~0.19 FS로 고온에서도 감도 및 선형성이 매우 우수하였다. 또한, 과도한 압력에 의한 다이어프램의 손상을 방지하기 위하여 매몰 cavity를 갖는 SDB SOI 박막 다이어프램을 압력 센서 의 수압부로 사용할 경우 접 착제를 필요로 하지 않으며 크리프 현상이 적고.
TCRe 약 -2000 ppm/℃이므로 16배정도 온도 특성이 개선되었다〔14〕. 따라서, 본 연구에서 제안된 세라믹 박막형 압력센서가 Si 압저항형압력센서 에 비 해서 온도특성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 과도한 압력에 의한 다이어프램의 손상을 방지하기 위하여 매몰 cavity를 갖는 SDB SOI 박막 다이어프램을 압력 센서 의 수압부로 사용할 경우 접 착제를 필요로 하지 않으며 크리프 현상이 적고. 재현성이 훨씬 우수함을 확인할 수 있었다. 따라서.

후속연구

경량, 고감도, 고신뢰성. 저가격의 박막형 압력 센서로 대단히 유용하게 사용 가능할 것으로 기대된다.
이러한 반도체식 압력 센서의 문제점을 해결하기 위하여 '90년대부터 300℃까지 사용 가능한 유전체 분리형 SOI 압력 센서가 개발되었지만 가격이 비싸다(4). 한편, 기계적 탄성 성질이 stainless steel보다도 훨씬 우수하며 미세가공이 용이한 Si 다이어프램상에 압력 감지 부로 세라믹 박막형 스트레인 게이지를 이용하여 압력 및 하중센서를 제작할 경우, 히스테리시스가 거의 없고 선형성과 신뢰성이 우수하며 소형, 경량, 집적화 및 대량생산이 가능할 것이다. 〔5.

참고문헌 (15)

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G. S. Chung, K. D. Kang and S. K. Choi, 'Fabrication of SOl structures with buried cavities for microsystems by SDB and Electrochemical Etch-stop', J. Korean sensors society, vol. 11, pp. 54-59, 2002

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