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문제 정의
- Table 1은 로드셀의 탄성부로 사용되는 SUS630 재료에 대한 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 SUS630으로 다이아프램을 설계하기 위하여 응력/변형분포를 이론적으로조사하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 제작이 간단하고 우수한 전기적 · 기계적 특성을 가지는 로드셀을 제작하기 위하여 감지부인 스트레인 게이지를 히스테리시스 현상이 없고 선형성이 우수하며 소형 · 경량으로 대량생산이 가능한 단결정 실리콘을 사용하였다[3-5]. 단결정 실리콘 웨이퍼 기판 위에 이온 주입법으로 브리지형 압저항(piezo-resistor)[6]을 형성한 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정으로 두께 100 ㎛의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하고 표면에 다량의 크롬과 니켈을 함유하고 있어 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높은 스테인레스 재질의 SUS630(STS630, stainless steel grade 630) 다이아프램(diaphragm)에 접착하여 정격 하중 10 kgf/cm2, 분해능 1/1000급의 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀을 제작하기 위해 그 특성을 실험하였다.
- 응력 설계는 가능한 클수록 좋지만 최대 하중에 대해서 다이아프램이 소성변형을 일으키지 않는 범위에 있어야 한다. 재료가 가지는 강도와 인가된 최대 하중으로 발생된 응력과의 비를 안전계수(safety factor)라고 하고 안전계수가 1 이하이면 소성변형을일으키므로 다이아프램의 재료와 가공정밀도, 로드셀의 측정환경 등에 따라 다르게 설계한다. 다이아프램에서 고정단과 만나는 가장자리에서 응력에 의한 소성변형이 시작되므로 안전계수를 고려하여 다이아프램 가장자리에서 발생하는 최대 응력을 설계하고 다이아프램의 두께를 결정한다.
- 재료가 가지는 강도와 인가된 최대 하중으로 발생된 응력과의 비를 안전계수(safety factor)라고 하고 안전계수가 1 이하이면 소성변형을일으키므로 다이아프램의 재료와 가공정밀도, 로드셀의 측정환경 등에 따라 다르게 설계한다. 다이아프램에서 고정단과 만나는 가장자리에서 응력에 의한 소성변형이 시작되므로 안전계수를 고려하여 다이아프램 가장자리에서 발생하는 최대 응력을 설계하고 다이아프램의 두께를 결정한다.
- 2와 같이 직경이 40 mm이고 높이는 8 mm 이다. 탄성부인 다이아프램의 직경은 10 mm이고 두께는 식(6)을 이용하여 안전계수 2 이상일 때 다이아프램의 최소 두께는 175.05 ㎛이므로 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛ 두께별로 제작하여 특성을 실험하였다. 마이크로미터로 두께를 측정한 결과 목표 두께에서 최대 30㎛까지 차이를 보이고 있어 실험에서는 실제 측정치를 사용하였다.
- 압저항이 형성될 부분을 이온주입기를 이용하여 불순물을 주입하는데, 이는 균일한 저항을 형성시키고 정확한 불순물량을 주입하기 위한 것으로 붕소 원자를 8×1015/cm2, 70 keV의 가속 에너지로 이온주입 하였다.
- 실리콘 스트레인 게이지의크기는 14 mm × 1.2 mm, SUS630 다이아프램의가장자리에서 충분한 응력의 변화를 검출하기 위해 다이아프램의 직경(10 mm)보다 실리콘 스트레인 게이지의 길이(14 mm)를 크게 설계하였다.
- 인장응력을 받는 저항 R1과 R3의 중심을 다이아프램중앙에서 ±1.5 mm지점에 위치하도록 하여 4개의 저항이 동일한 간격을 갖도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 기존의 금속 박 스트레인 게이지의 감도의 한계를 극복하기 위해 고감도의 단결정 실리콘 스트레인 게이지를 사용하여 제작비를 절감하고, 스트레인 게이지 접착 시 정렬문제를 해결하기 위해 Fig. 3과 같이 다이아프램을 가로지르는 선형의 스트레인 게이지에 4개의 종방향 압저항을 압축응력과 인장응력이 발생하는 곳에 위치시켜 휘트스톤 브리지 회로로 구성할 수 있도록 설계하였다.
- 초기 세척 후 웨이퍼를 전기로(furnace)로 습식산화(wet oxidation) 방식으로 1100 ℃에서 53분간 5000 Å의 열산화막 (SiO2)을 성장시키고 마스크 #1을 이용하여 압저항을 사진 식각법 (photo lithography)으로 형성하고 BOE(Buffered Oxide Etcher)로 실리콘 산화막을 식각하였다. 압저항이 형성될 부분을 이온주입기를 이용하여 불순물을 주입하는데, 이는 균일한 저항을 형성시키고 정확한 불순물량을 주입하기 위한 것으로 붕소 원자를 8×1015/cm2, 70 keV의 가속 에너지로 이온주입 하였다.
- 압저항이 형성될 부분을 이온주입기를 이용하여 불순물을 주입하는데, 이는 균일한 저항을 형성시키고 정확한 불순물량을 주입하기 위한 것으로 붕소 원자를 8×1015/cm2, 70 keV의 가속 에너지로 이온주입 하였다. BOE로 기존의 실리콘 산화막을 제거하고 전기로에서 습식 분위기로 1000 ℃에서 1시간 동안 불순물을 확산시켜 주입된 이온들을 활성화 시키고 산화막을 형성하였다. 마스크 #2를 이용하여 사진 식각법으로 전극 접촉부를 형성하기 위해 실리콘 산화막을 BOE로 식각하였다.
- BOE로 기존의 실리콘 산화막을 제거하고 전기로에서 습식 분위기로 1000 ℃에서 1시간 동안 불순물을 확산시켜 주입된 이온들을 활성화 시키고 산화막을 형성하였다. 마스크 #2를 이용하여 사진 식각법으로 전극 접촉부를 형성하기 위해 실리콘 산화막을 BOE로 식각하였다. 전극으로 사용될 NiCr/Au을 진공증착하고 마스크 #3를 이용하여 사진 식각법으로 전극을 형성하고 Au 에천트/NiCr 에천트를 사용하여 전극을 식각하였다.
- 마스크 #2를 이용하여 사진 식각법으로 전극 접촉부를 형성하기 위해 실리콘 산화막을 BOE로 식각하였다. 전극으로 사용될 NiCr/Au을 진공증착하고 마스크 #3를 이용하여 사진 식각법으로 전극을 형성하고 Au 에천트/NiCr 에천트를 사용하여 전극을 식각하였다. 스트레인 게이지의 감도를 높이고 크리프 현상을 최소화 하기 위해 뒷면을 CMP 공정으로 가공하여 두께100 ㎛의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하였다.
- 전극으로 사용될 NiCr/Au을 진공증착하고 마스크 #3를 이용하여 사진 식각법으로 전극을 형성하고 Au 에천트/NiCr 에천트를 사용하여 전극을 식각하였다. 스트레인 게이지의 감도를 높이고 크리프 현상을 최소화 하기 위해 뒷면을 CMP 공정으로 가공하여 두께100 ㎛의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하였다.
- Fig. 7은 직경 10 mm, 두께 320 ㎛(±10 ㎛)의 SUS630 다이아프램에 두께 95 ㎛(±5 ㎛)의 실리콘 스트레인 게이지를 부착한 로드셀에 0 kgf/cm2 ~ 10 kgf/cm2의 범위에서 1 kg 단위로 하중을 증가시키면서 저항변화율을 각각 측정하였다.
- 가공된 SUS630 구조물과 실리콘 스트레인 게이지를 아세톤(5 min) - 메탄올(5 min) - DI water(5 min) 순서로 세척하고 실리콘 스트레인 게이지가 접착 될 부분을 지그를 이용하여 마킹한 후 내열 테이프를 이용하여 정위치에 M-bond 600/610으로 접착 후 오븐에서 80 ℃에서 30분간 경화하고 오븐 속에서 자연 냉각하였다. PCB기판을 록타이트 401로접착하고 PCB와 실리콘 스트레인 게이지의 전극 패드를 와이어본딩 하였다. 실리콘 스트레인 게이지가 위치한 부분은 광경화성 타입의 에폭시 접착제인 NOA 61로 도포하고 365 nm 파장의 자외선에서 15분간 경화하여 스트레인 게이지와 본딩된 와이어를 보호하도록 하였다.
- PCB기판을 록타이트 401로접착하고 PCB와 실리콘 스트레인 게이지의 전극 패드를 와이어본딩 하였다. 실리콘 스트레인 게이지가 위치한 부분은 광경화성 타입의 에폭시 접착제인 NOA 61로 도포하고 365 nm 파장의 자외선에서 15분간 경화하여 스트레인 게이지와 본딩된 와이어를 보호하도록 하였다. Fig.
- 주어진 하중에 따라 저항은 비례적으로 변화하고 전압변화로 출력된다. 본 연구에서는 다이어프램의 단위면적당 균일한 하중을 인가 하기 위한 이상적인 가압 방법으로 압축된 질소가스를 이용한 공압측정방식으로 하중을 인가하였다.
- 기존 금속 박 스트레인 게이지를 사용한 로드셀의 낮은 게이지율로 인한 감도의 한계를 극복하기 위해 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀을 제작하고 그 특성을 실험하였다. SUS630 다이아프램을 이용한 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀을 제작하고 인가 되는 하중에 대한 출력을 측정한 결과, 직경 10 mm, 실제측정두께 320 ㎛(±10 ㎛)의 SUS630 다이아프램에 10 kgf/cm2의 하중을 인가하고 입력전압 5 V에 대한 로드셀의 평균 출력전압은 144.
대상 데이터
- 본 연구에서는 제작이 간단하고 우수한 전기적 · 기계적 특성을 가지는 로드셀을 제작하기 위하여 감지부인 스트레인 게이지를 히스테리시스 현상이 없고 선형성이 우수하며 소형 · 경량으로 대량생산이 가능한 단결정 실리콘을 사용하였다[3-5].
- 로드셀에서 탄성부를 포함한 구조물은 SUS630 압출바를 가공 정밀도 3/100 (mm)으로 기계가공하여 제작하였으며 구조물 전체 크기는 Fig. 2와 같이 직경이 40 mm이고 높이는 8 mm 이다. 탄성부인 다이아프램의 직경은 10 mm이고 두께는 식(6)을 이용하여 안전계수 2 이상일 때 다이아프램의 최소 두께는 175.
- 2 mm, SUS630 다이아프램의가장자리에서 충분한 응력의 변화를 검출하기 위해 다이아프램의 직경(10 mm)보다 실리콘 스트레인 게이지의 길이(14 mm)를 크게 설계하였다. 실리콘 스트레인 게이지를 제조하기 위하여 사용된 웨이퍼는 결정면이 (100)이고 비저항이 10 Ω-㎝인 4 인치(inch) n형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. Fig.
- 제작된 SUS630 다이아프램 구조물과 스트레인 게이지를 접착후 조립하였다. 사용된 접착제는 기존의 스트레인 게이지를 접착할 때 가장 우수한 접착력과 응력전달특성이우수한 고온에서 사용이 가능한 열경화성 타입의 이형제 에폭시인 M-bond 600/610을 사용하였고, Fig. 5는 로드셀의 단면을 나타내고 있으며 대표적인 공정순서는 다음과 같다.
성능/효과
- 실리콘 스트레인 게이지에서 압저항의 길이(650 ㎛)와 다이아프램 가장자리에서 직각으로 가공되지 못하는 오차를 고려하여 압축응력을 받는 저항 R2와 R4의 중심은 다이아프램 중앙에서 ±4.5 mm지점에 위치시켜 결과적으로 저항은 가장자리에서 175 ㎛거리에 있도록 하였다.
- 8은 실리콘 스트레인 게이지를 부착한 로드셀에 5 V의 입력 전원을 공급하고 10 kgf/cm2의 하중을 인가하였을 때 다이아프램 두께에 따른 출력전압의 변화량을 측정한 결과이다. 다이아프램의 두께에 따른 두 개의 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀의 두께별 평균 측정 감도는 220 ㎛일 때 28.84 mV/kg이고 320 ㎛일때 14.48 mV/kg, 420 ㎛일때 8 mV/kg으로측정되었다.
- SUS630 다이아프램을 이용한 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀을 제작하고 인가 되는 하중에 대한 출력을 측정한 결과, 직경 10 mm, 실제측정두께 320 ㎛(±10 ㎛)의 SUS630 다이아프램에 10 kgf/cm2의 하중을 인가하고 입력전압 5 V에 대한 로드셀의 평균 출력전압은 144.8 mV를 얻을 수 있었으며 저항의 위치가 달라 직접적인 비교는 힘들지만 식 (7)을 통해 계산한 금속 박 스트레인 게이지식 로드셀의 출력전압 대비 34.15배의 높은 감도를 보이고 있다.
- Fig. 9에 제작된 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀의 최대 비직선성은하중 5 kgf/cm2 일때 가장 크게 나타나며 다이아프램 두께별로 220 ㎛는 1.3 %FS이고 320 ㎛는 0.31 %FS, 420 ㎛는 0.18%FS로 측정되었으며 다이아프램의 두께가 얇을수록 감도는 우수하지만 이와 더불어 선형성오차도 크게 증가함을 알 수 있다.
- 15배의 높은 감도를 보이고 있다. 다이 아프램두께별평균측정감도는 220 ㎛일때 28.84 mV/kg, 320㎛일때 14.48 mV/kg, 420 ㎛일때 8 mV/kg 으로측정되었다.
- 075 %이다. 폴리이미드를 베이스로 사용하는 금속 박 스트레인 게이지와 비교 했을때 상대적으로 두꺼운 실리콘 스트레인 게이지의 두께(95㎛)로 인하여 두께가 얇으면서 변형률이 큰 220 ㎛의 다이아프램에서는 크리프 현상이 크게 나타났다. 다이아프램의 두께가 얇을 수록 로드셀의 감도는 크지만 반면 오차도 크게 나타나고 있으며 감도는 다소 떨어지지만 420 ㎛일때 가장 좋은 특성을 보였다.
- 폴리이미드를 베이스로 사용하는 금속 박 스트레인 게이지와 비교 했을때 상대적으로 두꺼운 실리콘 스트레인 게이지의 두께(95㎛)로 인하여 두께가 얇으면서 변형률이 큰 220 ㎛의 다이아프램에서는 크리프 현상이 크게 나타났다. 다이아프램의 두께가 얇을 수록 로드셀의 감도는 크지만 반면 오차도 크게 나타나고 있으며 감도는 다소 떨어지지만 420 ㎛일때 가장 좋은 특성을 보였다.
후속연구
- 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀의 감도에 비해 큰 오차 특성은 다이아프램의 가공오차를 줄이는 등의 보완과 실리콘 스트레인 게이지를 더 얇게 가공하거나, 실리콘 스트레인 게이지와 SUS 다이아프램과의 이상적인 접착을 가능하게 한다면 더욱 더 우수한 로드셀 제작이 가능할 것으로 보인다.
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