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논문 상세정보

환경 모니터링을 위한 압력 센서 연구

A Study of Pressure Sensor for Environmental Monitoring

초록

본 연구에서는 환경 모니터링을 위한 정전용량형 압력센서를 저온동시소성세라믹 (LTCC) 기술을 이용하여 제작하였다. LTCC 기술은 실리콘 기반의 기술에 비하여 낮은 생산 단가, 높은 수율, 3차원 구조물의 용이한 제작성 등으로 인하여 센서 응용분야에서 중요한 역할을 담당하고 있으며, 특히 열악한 외부환경에 적합한 물질이다. 400 ${\mu}m$ 두께 삼차원 구조의 LTCC 다이어프램은 NEG사의 MLS 22C 상용 파우더를 이용하여 100 ${\mu}m$ 두께의 그린쉬트를 적층하고 동시소결하여 제작하였다. 제작한 다이어프램은 공동의 면적에 따른 센싱특성을 평가하기 위하여 각각 25, 49 $mm^2$의 두 종류를 제작하였다. 정전용량형 압력센서를 구현하기 위하여 상부에는 열증착기를 이용하여 Au 금속박막을 증착하였고 하부에는 상용 알루미늄막을 압착하였다. 압력에 따른 센싱특성을 평가하기 위하여 제작된 측정시스템을 이용하여 0~30 psi의 압력을 가변하여 압력센서의 정전용량 변화를 측정한 결과 두 센서 모두에서 선형적인 센싱 특성을 나타냄을 확인하였다.

Abstract

In this study, capacitive type pressure sensors based on low temperature co-fired ceramics (LTCC) technology for environmental monitoring were demonstrated. The LTCC is one of promising technology than is based one since it has many advantages (e.g., low cost production, high manufacturing yields and easy realizing 3D structure etc.) for sensor application. Especially, it has good mechanical and chemical properties for robust environmental application. The 3D LTCC diaphragm with thickness of 400 ${\mu}m$ were fabricated by laminating 4 green sheets using commercial powder (NEG, MLS 22C). To evaluate the sensing properties of the different cavity areas, two types of diaphragm which had different cavity areas with 25, 49 $mm^2$ respectively, were fabricated. To realize capacitive type pressure sensor, the Au top electrode was fabricated using thermal evaporator and the bottome electrode was compressed using aluminium foil. The sensing properties of the fabricated sensors showed linear characteristic under different pressure (0~30 psi) using pressure measurement system.

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LTCC 기술
LTCC 기술의 특징은?
실리콘 기반의 기술에 비하여 낮은 생산 단가, 높은 수율, 3차원 구조물의 용이한 제작성 등으로 인하여 센서 응용분야에서 중요한 역할을 담당하고 있으며, 특히 열악한 외부환경에 적합한 물질이다

본 연구에서는 환경 모니터링을 위한 정전용량형 압력센서를 저온동시소성세라믹 (LTCC) 기술을 이용하여 제작하였다. LTCC 기술은 실리콘 기반의 기술에 비하여 낮은 생산 단가, 높은 수율, 3차원 구조물의 용이한 제작성 등으로 인하여 센서 응용분야에서 중요한 역할을 담당하고 있으며, 특히 열악한 외부환경에 적합한 물질이다. 400 ${\mu}m$ 두께 삼차원 구조의 LTCC 다이어프램은 NEG사의 MLS 22C 상용 파우더를 이용하여 100 ${\mu}m$ 두께의 그린쉬트를 적층하고 동시소결하여 제작하였다.

압력
각 분야에서 압력의 연구는 어떻게 진행되어 왔는가?
1950년대 중반 실리콘의 압저항 (piezoresistivity) 현상의 발견과 microelectromechanical systems (MEMS) 기술을 이용한 실리콘 기반의 다이어프램 형태의 압력센서가 연구된 이후 1970년대에는 자동차용 분야에서, 1980년대에는 의료용 분야에서 상용화되는 등 압력센서는 넓은 산업적 응용범위로 인하여 광범위하게 적용되고 있으며, 소형이면서 감도가 높은 압력 센서를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

환경상태나 안전에 대한 관심이 증대되면서 외부의 다양한 환경에서도 신뢰성 있게 동작 가능한 센서에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다[1]. 압력은 환경을 모니터링하기 위한 대표적인 물리량중의 하나로서, 1950년대 중반 실리콘의 압저항 (piezoresistivity) 현상의 발견과 microelectromechanical systems (MEMS) 기술을 이용한 실리콘 기반의 다이어프램 형태의 압력센서가 연구된 이후 1970년대에는 자동차용 분야에서, 1980년대에는 의료용 분야에서 상용화되는 등 압력센서는 넓은 산업적 응용범위로 인하여 광범위하게 적용되고 있으며, 소형이면서 감도가 높은 압력 센서를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 압력 센서를 실현하는 방식에는 정전 용량 방식, 감압 저항 방식, 전자 유도 방식, 압전 방식 등 다양한 원리가 이용되고 있으며, 사용 방식에 따라 구성 재료도 달라진다 [1-6].

압력 센서를 실현하는 방식
압력 센서를 실현하는 방식 중 정정 용량 방식과 감압 저항 방식은 무엇을 응용한 것인가?
모두 다이어프램을 사용하여 인가된 압력에 의하여 발생하는 다이어프램의 기계적 변위을 응용한 것이다

압력 센서를 실현하는 방식에는 정전 용량 방식, 감압 저항 방식, 전자 유도 방식, 압전 방식 등 다양한 원리가 이용되고 있으며, 사용 방식에 따라 구성 재료도 달라진다 [1-6]. 이중에서 가장 많이 사용되는 방식은 정정 용량 방식과 감압 저항 방식으로서 두 방식은 모두 다이어프램을 사용하여 인가된 압력에 의하여 발생하는 다이어프램의 기계적 변위을 응용한 것이다. 최근에는 실리콘 기반의 다이어프램 이외에 글래스, 알루미나, 저온 동시 소성세라믹 (LTCC)[2-4]과 같은 다이어프램을 이용한 연구들이 진행되고 있으며, 특히 LTCC기술을 이용한 3차원 다이어프램의 구현은 다른 물질들에 비하여 구조의 구현이 용이하고 집적화된 패키지에 적절하다는 등의 장점을 가지고 있다.

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저자의 다른 논문

참고문헌 (7)

  1. 1. K. G. Ong, C. A. Grimes, C. L. Robbins, R. S. Singh, "Design and application of a wireless, passive, resonant-circuit environmental monitoring sensor" Sens. Actuators A, 93, pp.33-43, 2001. 
  2. 2. D. Belavic, M. S. Zarnik, S. Mac다, M. Jerlah, M. Hrovat, M. Pavlin, "Capacitive Pressure Sensors Realized With LTCC Technology", Proc. of IEEE, pp.269-272, 2008. 
  3. 3. M. R. Gongora-Rubio, P. Espinoza-Vallejos, L. Sola-Laguna, J. J. Santiago-Aviles, "Overview of low temperature co-fired ceramics tape technology for meso-system technology (MsST)", Sens. Actuators A, 89, pp.222-241, 2001. 
  4. 4. Clayton B. Sippola, Chong H. Ahn, "A thick film screen-printed ceramic capacitive pressure microsensor for high temperature applications", J. Micromech. Microeng., 16, pp. 1086-, 2006. 
  5. 5. W. Wang, K. Lee, I. Woo, I. Park, S. Yang, "Optimal design on SAW sensor for wireless pressure measurement based on reflective delay line" Sens. Actuators A, 139, pp.2-6, 2007. 
  6. 6. K. Moeller, J. Besecker, G. Hampikian, A. Moll, D. Plumlee, J. Youngsman, J. M. Hampikian, " A PROTOTYPE CONTINUOUS FLOW POLYMERASE CHAIN REACATION LTCC DEVICE, Materials Science Forum Vols., 539-543, pp.523-528, 2007. 
  7. 7. 권혁중, 신효순, 여동훈, 김종희, 조용수, "상용 LTCC 소재의 슬러리 제조 공정에서 분산성 평가 및 최적화", 한국전기전자재료학회, 21권, pp.341- 347, 2008. 

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