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.
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.
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 an...
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.
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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문제 정의
본 논문에서는 기존 실리콘 기반의 압력센서를 대체할 기술로서 3차원 다이어프램의 제작이 용이하고 열악한 외부환경 등 다양한 환경조건에서도 적용이 가능한 LTCC 기술을 적용하여 정전용량형 압력센서를 제작하여 압력센서로의 적용 가능성 여부를 확인하였다.
본 논문에서는 기존 압력센서의 센서 특성과 사용범위 등의 한계를 극복하기 위하여 하이브리드 LTCC 기술을 기반으로 정전용량형 압력센서를 제작하는 효율적 방법을 연구하였다.
제안 방법
실험에 사용한 원료는 LTCC용 상용분말로서 세라믹 기판재료로 널리 사용되는 분말인 MLS-22C (NEG, Japan)을 사용하였으며, 슬러리 제조를 위한 용매는 톨루엔과 에탄올을 6:4의 무게비율로 혼합하여 사용하였다. 그리고 분산제는 기존 실험에서 우수한 분산상태를 나타내었던 BYK-111[7]을 사용하여 24시간 동안 1차 밀링하고, 결합제와 가소제를 첨가하여 2차 밀링을 통하여 슬러리를 제조하였다.
로 절단하였다. 또한 공동의 면적에 따른 센싱 특성을 평가하기 위하여 각각 25, 49 mm2의 두 종류를 제작하였다.
정전용량형 압력센서는 압력에 의해 다이어프램의 변위가 발생하고 이에 따라 정전용량값의 변화가 발생하는 원리이므로 그림 2에 도시한 바와 같이 공기압축기, 압력게이지, 압력센서를 측정하기 위하여 자체 제작한 지그, 그리고 정전용량 측정기 (Boonton 7200)로 구성된 압력 측정 시스템을 이용하여 0~30 psi의 압력을 가변하면서 센싱 특성을 측정하였다.
제작된 LTCC 기판은 아세톤, 메탄올, 탈이온수로 각 10분씩 초음파 세정기로 세척한 후 질소가스로 건조시켜 기판표면의 유기물들을 제거하였다. 정전용량형 압력센서를 구현하기 위하여 상하부 전극이 필요로 하므로, LTCC 기판의 상부에는 열증착방법을 사용하여 200 ㎚ 두께의 Au 전극을 증착하였으며, 하부는 상용 알루미늄 호일을 압착하였다.
제작된 LTCC 기판은 아세톤, 메탄올, 탈이온수로 각 10분씩 초음파 세정기로 세척한 후 질소가스로 건조시켜 기판표면의 유기물들을 제거하였다. 정전용량형 압력센서를 구현하기 위하여 상하부 전극이 필요로 하므로, LTCC 기판의 상부에는 열증착방법을 사용하여 200 ㎚ 두께의 Au 전극을 증착하였으며, 하부는 상용 알루미늄 호일을 압착하였다.
제작한 다이어프램은 X-ray diffraction method (XRD)와 Atomic Force Microscope (AFM)를 사용하여 결정화 상태와 표면상태를 확인하였으며, 광학현미경을 사용하여 다이어프램 구조를 확인하였다.
테이프 캐스팅 공정을 통하여 제작된 그린쉬트 1장의 두께는 100 ㎛ 두께로 제작하였으며, 3차원 다이어프램의 구현 및 기판으로 취급하기 용이하게 하기 위하여 상부층 1장과 펀칭공정을 통하여 제작된 공동을 가지는 하부층 3장의 그린쉬트를 적층하여 400 ㎛ 두께의 다이어프램을 제작하였으며 각 기판은 10×10 mm2로 절단하였다.
대상 데이터
3차원 LTCC 다이어프램에 대한 제작공정은 그림 1에 나타내었다. 실험에 사용한 원료는 LTCC용 상용분말로서 세라믹 기판재료로 널리 사용되는 분말인 MLS-22C (NEG, Japan)을 사용하였으며, 슬러리 제조를 위한 용매는 톨루엔과 에탄올을 6:4의 무게비율로 혼합하여 사용하였다. 그리고 분산제는 기존 실험에서 우수한 분산상태를 나타내었던 BYK-111[7]을 사용하여 24시간 동안 1차 밀링하고, 결합제와 가소제를 첨가하여 2차 밀링을 통하여 슬러리를 제조하였다.
성능/효과
그림 5는 정전용량형 압력센서의 상하부의 광학 현미경 사진을 나타냈었다. LTCC 기술을 적용함으로서 식각 및 노광공정 등을 필요로 하는 실리콘 공정에 비하여 단순하고 저렴한 방법으로 400 um 두께의 다이어프램을 손쉽게 제작할 수 있었다.
인 두 종류의 센서를 제작하였으며, 제작한 압력센서의 센싱 특성을 평가한 결과 모든 센서에서 압력 변화에 따른 응답특성이 선형적으로 변화함을 확인하였다. 그리고 0~30 psi의 압력 측정범위에서 공동의 면적에 따라 각각 0.037, 0.054 pF/psi의 감도를 나타내었으며, 이는 압력센서의 설계 시 공동 면적의 변화가 주요한 변수임을 확인할 수 있었다. 또한, 다이어프램의 두께, 재질 등 동일한 압력에 대하여 다이어프램의 구조변화를 가져올 수 있는 여러 설계요소들을 적용함으로서 다양한 압력 범위에서 적용 가능한 센서를 구현할 수 있음을 확인하였다.
그림 3에서의 XRD 분석 결과 LTCC 기판은 분말원료인 Al2O3, SiO2, CaO, TiO2 등의 다결정상태를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 그림 4에서 기판의 표면상태는 연마공정을 거치지 않은 세라믹 기판의 특성상 평균자승 거칠기 (RMS roughness)는 수 nm에서 수십 nm 이상의 거칠기 분포를 나타내었다. 따라서 LTCC 다이어프램은 박막 공정을 수반하는 센서 제작 공정 등에 응용 시 별도의 연마공정이 없이도 가능함을 확인할 수 있었다.
5 pF까지 선형적으로 변화함을 확인할 수 있었다. 또한 감도는 측정범위에서 각각 0.037, 0.054 pF/psi를 나타냄으로서공동의 면적이 증가할수록 감도도 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 공동의 면적이 클수록 다이어프램의 변화가 커지게 됨으로서 나타난 결과로 판단되며, 공동의 면적은 센서를 설계하는데 있어서 주요한 변수가 됨을 확인할 수 있었다.
054 pF/psi의 감도를 나타내었으며, 이는 압력센서의 설계 시 공동 면적의 변화가 주요한 변수임을 확인할 수 있었다. 또한, 다이어프램의 두께, 재질 등 동일한 압력에 대하여 다이어프램의 구조변화를 가져올 수 있는 여러 설계요소들을 적용함으로서 다양한 압력 범위에서 적용 가능한 센서를 구현할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 공동의 면적에 따라 25, 49 mm2인 두 종류의 센서를 제작하였으며, 제작한 압력센서의 센싱 특성을 평가한 결과 모든 센서에서 압력 변화에 따른 응답특성이 선형적으로 변화함을 확인하였다. 그리고 0~30 psi의 압력 측정범위에서 공동의 면적에 따라 각각 0.
054 pF/psi를 나타냄으로서공동의 면적이 증가할수록 감도도 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 공동의 면적이 클수록 다이어프램의 변화가 커지게 됨으로서 나타난 결과로 판단되며, 공동의 면적은 센서를 설계하는데 있어서 주요한 변수가 됨을 확인할 수 있었다.
그림 6은 제작된 두 종류의 정전용량형 압력센서를 압력 측정시스템을 이용하여 압력에 따른 정전용량의 변화를 측정한 결과이다. 초기 정전용량값은 공동의 면적이 25, 49 mm2인 경우 각각 18.5, 19.9 pF이었으며, 인가 압력을 30 psi까지 변화시킴에 따라 각각 19.62, 21.5 pF까지 선형적으로 변화함을 확인할 수 있었다. 또한 감도는 측정범위에서 각각 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LTCC 기술의 특징은?
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.
각 분야에서 압력의 연구는 어떻게 진행되어 왔는가?
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 중 정정 용량 방식과 감압 저항 방식은 무엇을 응용한 것인가?
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.
참고문헌 (7)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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