[논문]TPMS 적용을 위한 가변 정전 용량형 압력센서 개발

최범규; 김도형; 오재근

doi:10.5369/jsst.2005.14.4.265

[국내논문] TPMS 적용을 위한 가변 정전 용량형 압력센서 개발
The development of a variable capacitive pressure sensor for TPMS(tire pressure monitoring system) 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.14 no.4, 2005년, pp.265 - 271

최범규 (서강대학교 기계공학과) , 김도형 (서강대학교 기계공학과) , 오재근 (서강대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a variable capacitive pressure sensor is fabricated for TPMS (Tire Pressure Monitoring System). This study is for developing sensors which consecutively measure the tire pressure given as 30 psi from the industrial standard. For improving non-linearity of the prior capacitive pressure sensors, it is suggested that touch mode capacitive pressure sensor be applied. In addition, initial capacitance is designed as small as possible for the conformity to the wireless sensor. ANSYS, commercial FEA package, is used for designing and simulating the sensor. The device is progressed by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) fabrication and packaged with PDMS. The result is obtained sensitivity, 1 pF/psi, through a pressure test. The simulation result is discrepant from experiment one. Wafer's uniformity is presumed as the main reason of discrepancy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

금은 낮은 모듈러스와 산화가 잘 안되는 성질 때문에 열압축 접합(Themocompression bonding)에서 주로 사용하는 물질이다^[11]. 2개의 금속막을 이용하고, 금속막 패턴의 제작을 통해 압력센서의 압력누설에 대한 문제점을 해결하고자하였다.
0-31 psi의 압력에서 해석을 수행하였으며, 대변형을 이용한 설계를 하였다. 기존의 참고문헌을 비교한 결과 비슷한 결과를 얻었으며, 이에 대한 분석을 통해 본 연구를 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 TPMS 적용을 위한 가변 정전용량형 압력센서에 대해 연구하였다. ANSYS를 이용하여 설계하였고, 이를 바탕으로 가압챔버 실험을 하였다.
본 연구에서는 TPMS에 적용시키기 위해 압력센서를 개발하였다. 앞서 언급한 바와 같이 터치 모드 방식의 압력센서를 이용하였다.
본 연구에서는 웨이퍼의 편평도를 일정하게 하기 위해서 CMP 공정을 이용하여 편평도를 맞추었다. CMP공정을 처음 공정을 준비하는 단계에 사용하였다.

제안 방법

사용되어진 요소는 박막 요소로 많이 사용되어지고 있는 8node Shell 93 element를 사용하였다. 0-31 psi의 압력에서 해석을 수행하였으며, 대변형을 이용한 설계를 하였다. 기존의 참고문헌을 비교한 결과 비슷한 결과를 얻었으며, 이에 대한 분석을 통해 본 연구를 진행하였다.
1) 터치 모드 방식의 정전용량형 압력센서의 설계 및 실험을 진행하였다. 설계 및 실험에 있어서 터치 모드를 확인할 수 있었다.
2) MEMS 기술을 이용하여 센서를 제작하였다. 다양한 공정 기술을 이용하여 공정의 최적화 설계를 할 수 있을 것으로 판단된다.
3) 압력실험을 통해 압력에 따른 캐패시턴스의 변화를 확인하였다. 압력실험의 결과로 미루어볼 때, 타이어 내부에서도 동작할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 TPMS 적용을 위한 가변 정전용량형 압력센서에 대해 연구하였다. ANSYS를 이용하여 설계하였고, 이를 바탕으로 가압챔버 실험을 하였다. 본 공정을 통한 센서제작 및 센서의 특성 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
앞서 언급한 바와 같이 터치 모드 방식의 압력센서를 이용하였다. ANSYS를 이용한 설계와 PDMS를 이용한 패키징을 통해 센서를 제작하였다. 또한 가압챔버를 제작하여, 이를 이용한 압력실험을 진행하였다.
38 μm로, gap의 크기는 20 μm로 측정되었다. PCB기 판을 제작하여 PDMS패키징을 진행시키고, 가압챔버 제작을 통해 압력실험을 진행하였다. 패키지 부분의 문제를 해결하기 위해 진행한 본 공정에서 Au-Au eutectic bonding 패턴은 gap에 의해 생성된 공간의 압력 누설를 방지하는 역할을 담당하는데 형성되었다.
ANSYS를 이용한 설계와 PDMS를 이용한 패키징을 통해 센서를 제작하였다. 또한 가압챔버를 제작하여, 이를 이용한 압력실험을 진행하였다.
압력센서의 압력실험을 위해 가압챔버를 제작하였다. 무선센서의 특성을 고려하여 금속이 아닌 아세탈을 이용하여 제작하였다. 아세탈은 아크릴과 비숫한 종류의 재료이며, 비슷한 물성치를 갖는다.
CMP공정을 처음 공정을 준비하는 단계에 사용하였다. 본 Eutectic bonding 공정은 금속막(Ti/Au)의 두께를 1 μm로 하였고, 370°C에서 1.4MPa의 압력을 인가하여 3시간동안 진행하였다.
압력센서의 압력실험을 위해 가압챔버를 제작하였다. 무선센서의 특성을 고려하여 금속이 아닌 아세탈을 이용하여 제작하였다.
897 MPa이 나왔는데, 이는 항복강도보다 작은 값이므로 안전하다고 판단된다. 위의 데이터를 이용하여 아세탈을 이용한 가압챔버를 제작하였다.
1%에 해당함을 확인할 수 있었다. 입력에 따른 캐패시턴스의 변화를 근사화된 식을 이용하여 예측하였다. Fig.
제작된 시편을 이용하여 압력에 따른 캐패시턴스를 측정하였다. 캐패시턴스 측정은 측정이 가능한 멀티미터를 이용하여 측정한다.

대상 데이터

제작에 앞서 ANSYS 를 이용하여 해석을 하였으며, 캐패시턴스값을 예측하였다. 본 공정에서는 반지름(a)를 1500 μm, 두께(비를 35 μm, Gap(g)을 20 ptm로 하여 해석 및 제작을 하였다. Fig.
본 연구에서는 ANSYS 유한요소 패키지를 이용하여 FEA® 실시하였다. 사용되어진 요소는 박막 요소로 많이 사용되어지고 있는 8node Shell 93 element를 사용하였다. 0-31 psi의 압력에서 해석을 수행하였으며, 대변형을 이용한 설계를 하였다.

데이터처리

가압챔버 제작을 위해 ANSYS를 이용하여 구조해석을 실시하였다. 챔버 내부의 크기는 π x (14)² x 20 cm³으로 하였으며, 챔버의 두께는 3 cm로 설계하였다.
제작에 앞서 ANSYS 를 이용하여 해석을 하였으며, 캐패시턴스값을 예측하였다. 본 공정에서는 반지름(a)를 1500 μm, 두께(비를 35 μm, Gap(g)을 20 ptm로 하여 해석 및 제작을 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 ANSYS 유한요소 패키지를 이용하여 FEA® 실시하였다. 사용되어진 요소는 박막 요소로 많이 사용되어지고 있는 8node Shell 93 element를 사용하였다.
본 연구에서는 Au-Au eutectic bonding을 이용하였다. 금은 낮은 모듈러스와 산화가 잘 안되는 성질 때문에 열압축 접합(Themocompression bonding)에서 주로 사용하는 물질이다^[11].
터치 모드 방식의 센서는 다음과 같은 지배방정식(Governing equation)을 이용하여 설계한다^[5],[9].

성능/효과

4) 터치 이후의 캐패시턴스 변화가 작게 나타났다. 이는 웨이퍼의 편평도 때문에 발생한 것으로 판단된다.
5) 재료의 기생 캐패시턴스 성분으로 인해 초기 캐패시턴스 값이 크게 증가한 것으로 판단된다. 이를 개선하기 위해 재료의 교체가 필요할 것으로 판단된다.
이는 Si(100)의 항복강도인 7 GPa보다 매우 작은 값을 가지므로 위의 압력에서도 견딜 수 있는 센서임을 확인하였다. 또한, 터치 면적은 전체 면적의 7.1%에 해당함을 확인할 수 있었다. 입력에 따른 캐패시턴스의 변화를 근사화된 식을 이용하여 예측하였다.
웨이퍼는 500 μm 土 25 μm의 편평도 차이로 제작된다. 본 공정에서 최초에 CMP 를 이용하여 300 μm로 가공하였으나, 실제 측정한 결과 300 μm ± 4 μm로 측정되었다. 실리콘 웨이퍼는 300 μm를 목표로 하여 가공하였으나, 파이렉스 글라스 웨이퍼 의 경우 가공을 하지 못하였다.
압력 실험에 의해 제작된 압력센서는 압력에 따라 캐패시턴스 값이 변하는 것이 확인되었다.
또한 초기 캐패시턴스 값에서 터치 전까지 캐패시턴스의 변화량은 예상된 바와 같이 나타났으나, 터치 이후의 캐패시턴스의 변화량은 예상과 다른 결과를 가져왔다. 즉, 터치 이후의 압력변화에 의해 박막변형이 거의 일어나지 않은 것을 알 수 있었다. 해석을 통해 예측된 캐패시턴스 값과 실제 측정한 캐패시턴스값이 다른 이유는 웨이퍼의 편평도 문제 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

2) MEMS 기술을 이용하여 센서를 제작하였다. 다양한 공정 기술을 이용하여 공정의 최적화 설계를 할 수 있을 것으로 판단된다.
초기 캐패시턴스가 크게 나온 이유는 실리콘과 같은 재료의 기생 캐패시턴스 성분 때문이라 판단된다. 따라서 이를 개선하기 위해서는 쿼츠 웨이퍼와 같은 기생 캐패시턴스 성분이 없는 재료를 사용해야 할 것으로 판단된다. 또한 초기 캐패시턴스 값에서 터치 전까지 캐패시턴스의 변화량은 예상된 바와 같이 나타났으나, 터치 이후의 캐패시턴스의 변화량은 예상과 다른 결과를 가져왔다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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상세보기
W. B. Kim, Q. Wang, K. D. Jung, J. S. Hwang, and C. Y. Moon, 'Application of au-sn eutectic bond ing in hermetic RF MEMS wafer level packaging', Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces, 2004. Proceedings. 9th International Symposium, pp. 2 15-2 19, 2004

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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