KR101303197B1

KR101303197B1 - 압력센서 및 압력센서의 제조방법

Info

Publication number: KR101303197B1
Application number: KR1020110106514A
Authority: KR
Inventors: 김광식; 이성범
Original assignee: 김광식
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: KR20130042300A

Abstract

본 발명은 압력센서의 구조에 관한 것으로, 특히 내부에 관통홀을 통해 인가되는 유체가 접촉하는 다이아프램부를 포함하는 압력인가 유닛과 상기 다이아프램부에 형성되는 휘스톤 브릿지 회로패턴을 구비하는 감지회로패턴, 상기 감지회로패턴의 일부에 적층되어 상기 감지회로패턴의 저항값을 상승시키는 카본패턴을 포함하여 구성된다.

Description

압력센서 및 압력센서의 제조방법{PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 압력센서의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 압력을 계측하는 센싱방식은 압력이 작용하는 방향과 수직으로 다이어프램을 위치시키고, 다이어프램 상에는 4개의 스트레인 게이지를 설치하여 압력에 의해 다이어프램이 미세하게 탄성변형되는 것을 전기 신호(통상 전압변위차)로 검출하는 것이다. 이때, 스트레인 게이지는 다이어프램의 중심에서 대칭되게 한 쌍씩이 부착되어 스트레인 게이지에서 얻어지는 전기적 신호를 회로기판(PCB) 상에서 구현되는 휘스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 통하여 다이어프램에 가해진 압력값을 정확하게 산출한다.

통상 압력센서에는 다이어프램이 포함되어 외부의 압력을 받는 입력부, 다이어프램의 스트레인 게이지와 전기적으로 연결되어 스트레인 게이지로부터 전기신호를 입력받아 휘스톤 브리지 회로를 거치게 하는 제1회로기판 및 제1회로기판과 전기적으로 연결되어 센서 외부의 제어수단에 압력값을 전송하는 제2회로기판이 구비된다.

예를 들면, 자동차의 제동장치 분야에서 안티 록 브레이크 시스템(Anti-lock brake system, ABS)에 사용되는 ESC 모듈에 장착되는 압력센서가 있다. 공지된 바와같이 ESC 모듈에는 솔레노이드 밸브, 펌프라인 등이 밀집되게 배치되며 ESC 모듈이 작동되는 경우 내부에는 브레이킹을 작동하기 위한 고압의 유체가 맥동되도록 구성된다. 이러한 ESC모듈은 장비의 소형화를 위하여 각 구성요소가 가능한 밀집되게 배치되어 있으며 내부에 이동되는 유체의 압력을 감시하는 압력센서 역시 제한된 단면적을 갖도록 요구된다.

도 1은 일반적으로 사용되는 압력센서의 압력인가유닛의 구조를 도시한 것이며, 도 2는 도 1의 압력인가 유닛의 구조를 도시한 것이다.

도시된 것과 같이, 상기 압력인가유닛(1)은 내부를 관통하는 관통홀(5)이 압력인가유닛(1)의 상부면(4)까지 이어지고, 상기 상부면(4)의 중심부에 다른 부위보다 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 다이아프램부(2)가 형성되어 센싱회로가 형성되게 된다.

추후, 유체가 상기 다이아프램부(2)를 내부에서 가압하게 되면, 상기 다이아 프램부(2)의 표면이 미세하게 상승하게 되면서 발생하는 저항값의 차이로 인해 센싱회로의 저항이 변경되는 것을 읽어 들여 압력을 감지하게 된다.

그러나 상술한 종래의 압력센서의 구조는 감지를 위한 회로패턴의 형성공정이 복잡하고 어려워 제조의 어려움이 발생하며, 제조원가도 매우 고가인 단점이 발생한다. 또한 다이아프램의 크기가 협소하여 원할한 저항값의 변화를 감지할만한 신뢰성이 확보되지 않은 문제가 발생하게 된다.

한국공개특허 제10-2011-0088173호

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유체인가로 인해 압력센서의 센싱엘리먼트인 감지전극패턴의 저항값의 변화를 극대화할 수 있도록 한정된 영역 내에 배치되는 회로패턴을 효율화하고, 상기 회로패턴상에 카본패턴을 형성하여 센싱효율을 향상시킬 수 있도록 하는 압력센싱소자를 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 감지회로패턴의 구조를 저항값을 극대화할 수 있도록 다이아프램부에 2개의 영역에 나누어 설계 배치하되, 각 영역에 배치되는 2개의 회로패턴이 상호 교차하여 균등한 이격간격을 가지도록 패터닝함과 동시에, 그 상부에 카본패턴층을 적층하여 보유하는 자체 저항값이 극대화될 수 있도록 하는 구조의 압력센싱엘리먼트를 구현할 수 있도록 한다.

구체적으로, 본 발명의 압력센서의 구조는 내부에 관통홀을 통해 인가되는 유체가 접촉하는 다이아프램부를 포함하는 압력인가 유닛; 상기 다이아프램부에 형성되는 휘스톤 브릿지 회로패턴을 구비하는 감지회로패턴; 상기 감지회로패턴의 일부에 적층되어 상기 감지회로패턴의 저항값을 상승시키는 카본패턴;을 포함하는 압력센서를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 상기 감지회로패턴은, 대향하여 형성되는 제1회로영역과 제2회로영역으로 구성되며, 상기 카본패턴은 상기 제1회로영역 및 제2회로영역 상에 각각 형성될 수 있다.

특히, 이 경우 상기 제1회로영역에 형성되는 회로패턴은, 제1회로패턴;과 상기 제1회로패턴과 균등한 이격간격을 형성하며 교차하는 방식으로 배치되는 제2회로패턴을 포함하여 구성될 수 있다.

아울러, 상기 제2회로영역에 형성되는 회로패턴은, 상기 제1 및 제2회로패턴과 동일한 구조로 대향되는 방향에 배치되는 제3 및 제4회로패턴을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1 내지 제4회로패턴은, 외부 단자와 연결하는 단자부 또는 적어도 1 이상의 고정저항을 구비하는 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상기 감지회로패턴은 상기 압력인가 유닛 표면에 형성되는 절연층 상에 형성될 수 있다.

상술한 구조의 압력센서는 다음과 같은 공정으로 제조될 수 있다.

구체적으로는 내부에 관통홀을 통해 인가되는 유체가 접촉하는 다이아프램부를 포함하는 압력인가 유닛의 상부면에 절연층을 형성하는 1단계; 상기 절연층 상에 상기 다이아프램부에 형성되는 휘스톤 브릿지 회로패턴을 구비하는 감지회로패턴을 형성하는 2단계; 상기 감지회로패턴이 형성된 회로영역 상에 카본패턴을 적층하는 3단계;를 포함하여 구성될 수 있다.

특히, 이 경우 상기 1단계의 절연층의 형성 또는 상기 감지회로패턴을 형성하는 2단계는 실크스크린방식을 통해 구현되도록 구현할 수 있다.

아울러, 상기 2단계는, 상기 압력인가유닛의 다이아프램부를 2분하여 회로패턴을 형성하되, 제1회로영역 및 제2회로영역의 각각에 균등한 간격으로 이격되는 수평회로패턴의 교차구조를 구비하도록 구현할 수 있다.

또한, 상기 3단계는, 상기 카본패턴은 상기 제1회로영역과 제2회로영역의 경계선을 중심으로 이격되도록 패터닝되어 적층되도록 형성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유체인가로 인해 압력센서의 센싱엘리먼트인 감지전극패턴의 저항값의 변화를 극대화할 수 있도록 한정된 영역 내에 배치되는 회로패턴 구조를 효율화하고, 상기 회로패턴상에 카본패턴을 형성하여 센싱효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 압력센서의 구조를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압력센서를 제조하는 공정도이며, 도 4는 도 3의 압력센서 유닛의 상부면의 공정을 도시한 공정개념도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 요부를 설명하기 위한 확대개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 압력센서의 제조공정도를 도시한 것이다.

도시된 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 압력센서는 내부에 관통홀을 통해 인가되는 유체가 접촉하는 다이아프램부를 포함하는 압력인가 유닛의 상부면에 절연층을 형성하는 1단계와 상기 절연층 상에 상기 다이아프램부에 형성되는 휘스톤 브릿지 회로패턴을 구비하는 감지회로패턴을 형성하는 2단계, 그리고 상기 감지회로패턴이 형성된 회로영역 상에 카본패턴을 적층하는 3단계를 포함하여 구성된다.

구체적으로는, 도 3에 도시된 것과 같이, (a) 금속재질의 베이스 부재를 바탕으로 내부에 관통홀(110)이 형성되는 압력인가 유닛(100)의 하우징 구조를 형성한다. 상기 관통홀(110)은 추후 유체가 유입되어 전달되는 가이드 역할을 수행한다. 상기 금속재질의 베이스 부재는 서스(SUS) 재질을 이용할 수 있다. 상기 관통홀(110)의 말단과 맞닿은 부분의 다이아프램부(130)은 상대적으로 상기 압력인가유닛(130)의 다른 부분 보다 얇은 구조로 형성되어 있으며, 이는 유체가 인입되는 경우 미세하게 상부 방향으로 표면이 상승하여 표면 저항이 변하게 되는 기능을 하게 된다. 이러한 표면 저항의 변화값을 감지하여 센싱을 하게 되는 것이다.

(b) 이후, 상기 압력인가유닛(100)의 상부면에 절연층(140)을 형성한다. 상기 절연층(140)은 증착이나 실크스크린 인쇄방식으로 구현할 수 있다. 절연막(140)은 SiO₂ 등의 물질을 적용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 절연물질이 적용될 수 있다.

(c)~(d)에 도시되 것과 같이, 상기 절연막(140) 상에 감지회로패턴(151)을 형성하는 공정이 수행될 수 있다. 상기 감지회로패턴(151)은 저항막 필름(piezoresistive film)을 증착하고, 이를 패터닝하거나, 또는 절연막상에 회로패턴을 인쇄하는 방식으로 구현할 수 있다. 특히 바람직하게는 본 발명에 따른 감지회로패턴은 실크스크린 방식으로 인쇄할 수 있도록 한다. 이는 별도의 스퍼터링을 위한 장비없이도 간편하게 원하는 형상의 패턴을 구현할 수 있게 된다.

그리고, 상기 감지회로패턴 상에 카본패턴층(C)을 적층하여 구현할 수 있다.

이후, 인쇄회로기판(160)을 장착하는 장착부(160)을 형성하고, 상기 감지회로패턴과 신호처리부(170) 등과 와이어본딩(180)을 수행하게 된다.

도 4를 통해 상술한 (b)~(d)의 공정을 상세하게 설명하기로 한다.

도 4의 공정도는 본 발명에 따른 압력인가유닛(100)의 상부면에 가해지는 공정단계를 설명한 것이다.

(a)에 도시된 것과 같이, 우선 압력인가유닛(100)의 상부면에는 다이아프램부(130)가 원형의 영역을 구비하게 되며, 그 상부면에는 절연층(140)이 형성된다.

(b) 이후, 상기 다이아프램부(130)의 표면에 스크린인쇄 방식으로 회로패턴을 인쇄한다. 이 경우 상기 감지회로패턴은 휘스톤브리지 구조를 가지도록 인쇄하되, 도시된 것과 같이, 다이아프램부(130)의 중심을 기준으로 양쪽으로 제1회로영역(131)과 제2회로영역(132)로 구분하고, 각 회로영역에 한쌍의 회로패턴이 구현될 수 있도록 인쇄하는 것이 더욱 바람직하다.

(c) 이후, 상기 제1회로영역(131) 및 제2회로영역(132) 상에 카본패턴(C)을 적층한다.

도 5를 통해 도 4에서 상술한 감지회로패턴의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

상기 감지회로패턴은, 상기 압력인가유닛(100)의 상부면의 절연층(140) 상에 인쇄되는 방식으로 구현되며, 특히 상기 감지회로패턴이 인쇄되는 다이아프램부(130)는 다이아프램부를 양분하는 중심선(X)을 기준으로 대향하여 형성되는 제1회로영역(131)과 제2회로영역(132)으로 구성된다. 각 회로영역에는 각각 한 쌍의 회로패턴이 형성되게 된다. 물론 본 실시예에서는 각 회로영역에 형성되는 회로패턴의 형상을 동일하게 형성하는 것을 일예로 설명한다.

따라서, 상기 제1회로영역(131)에 형성되는 회로패턴을 중심으로 감지회로패턴의 구조를 설명하면, 제1회로패턴(210)이 메인회로선에서 분지된 서브회로패턴(211, 212)가 형성되도록 패터닝되며, 여기에 상기 제1회로패턴과 균등한 이격간격(d₁, d₂, d₃)을 형성하며 제2회로패턴(310)이 교차하는 방식으로 인쇄되게 된다. 이 경우 메인회로선과 서브회로패턴사이의 간격(d₄, d₅, d₆, d₇) 역시 상기 제1회로패턴과 균등한 이격간격(d₁, d₂, d₃)과 동일한 간격을 유지하는 것이 바람직하다. 이를 통해 저항의 병렬연결 효과를 구현할 수 있게 하기 위함이다.

또한, 이 경우 각 회로패턴에는 외부 단자와 접속되는 접속단자(213, 313)이 형성되며, 고정저항(314)을 구비하는 구조로 구현되어, 대향하는 제2회로영역(132)에 동일한 구조로 형성되는 한쌍의 회로패턴과 휘스톤 브릿지의 구조를 구비하게 된다. 또한, 회로패턴의 분지된 패턴이 균일한 간격을 가지도록 배치됨으로써, 저항의 병렬연결의 효과를 극대화할 수 있게 하며,

나아가 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 도 5에서의 상기 제1회로영역(131) 및 제2회로영역(132) 상에 각각 형성되어 상기 제1 내지 제4회로패턴을 덮는 구조로 형성되는 카본패턴(C)으로 인해 자체 저항값이 극대화하게 되며, 이는 유체로 인해 전달되는 압력으로 다이아프램부의 표면이 상승하여 표면적의 변화가 발생하는 경우, 저항값의 변화가 커져 센싱효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 압력인가유닛
110: 관통홀
120: 하우징
130: 다이아프램부
131: 제1회로패턴영역
132: 제2회로패턴영역
140: 절연층
150: 감지회로패턴
160: 장착부
170: 신호처리부
180: 와이어본딩
210: 제1회로패턴
211, 212: 서브회로패턴
213, 313: 접속단자
C: 카본패턴

Claims

내부에 관통홀을 통해 인가되는 유체가 접촉하는 다이아프램부를 포함하는 압력인가유닛;
상기 다이아프램부에 형성되는 감지회로패턴;
상기 감지회로패턴 상에 적층되어 상기 감지회로패턴의 저항값을 상승시키는 카본패턴;
을 포함하고,
상기 감지회로패턴은,
대향하여 형성되는 제1회로영역과 제2회로영역으로 구성되고, 상기 카본패턴은 상기 제1회로영역 및 제2회로영역 상에 각각 형성되며,
상기 제1회로영역에 형성되는 회로패턴은,
제1회로패턴과, 상기 제1회로패턴과 균등한 이격간격을 형성하며 교차하는 방식으로 배치되는 제2회로패턴을 포함하고,
상기 제2회로영역에 형성되는 회로패턴은,
상기 제1 및 제2회로패턴과 동일한 구조로 대향되는 방향에 배치되는 제3 및 제4회로패턴을 포함하는 압력센서.
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청구항 1에 있어서,
상기 제1 내지 제4회로패턴은,
휘스톤 브릿지 회로패턴을 형성하며,
외부 단자와 연결하는 단자부 또는 적어도 1 이상의 고정저항을 구비하는 압력센서.
청구항 5에 있어서,
상기 감지회로패턴은 상기 압력인가 유닛 표면에 형성되는 절연층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
내부에 관통홀을 통해 인가되는 유체가 접촉하는 다이아프램부를 포함하는 압력인가 유닛의 상부면에 절연층을 형성하는 1단계;
상기 절연층 상에 상기 다이아프램부에 형성되는 휘스톤 브릿지 회로패턴을 구비하는 감지회로패턴을 형성하는 2단계;
상기 감지회로패턴이 형성된 회로영역 상에 카본패턴을 적층하는 3단계;
를 포함하고,
상기 감지회로패턴은,
대향하여 형성되는 제1회로영역과 제2회로영역으로 구성되고, 상기 카본패턴은 상기 제1회로영역 및 제2회로영역 상에 각각 형성되며,
상기 제1회로영역에 형성되는 회로패턴은,
제1회로패턴과, 상기 제1회로패턴과 균등한 이격간격을 형성하며 교차하는 방식으로 배치되는 제2회로패턴을 포함하고,
상기 제2회로영역에 형성되는 회로패턴은,
상기 제1 및 제2회로패턴과 동일한 구조로 대향되는 방향에 배치되는 제3 및 제4회로패턴을 포함하도록 형성하는 압력센서의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 1단계의 절연층의 형성 또는 상기 감지회로패턴을 형성하는 2단계는 실크스크린방식을 통해 구현되는 압력센서의 제조방법.
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