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KR20160115830A - 반도체 스트레인 게이지 - Google Patents

반도체 스트레인 게이지 Download PDF

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KR20160115830A
KR20160115830A KR1020160035874A KR20160035874A KR20160115830A KR 20160115830 A KR20160115830 A KR 20160115830A KR 1020160035874 A KR1020160035874 A KR 1020160035874A KR 20160035874 A KR20160035874 A KR 20160035874A KR 20160115830 A KR20160115830 A KR 20160115830A
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센사타 테크놀로지스, 인크
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Abstract

본 발명은 반도체 스트레인 게이지 압력에 관한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 장치는, 압력 환경에 노출되도록 구성되어 있는 감지 요소로서, 적어도 하나의 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지를 구비하고, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지를 구비하는 것인 감지 요소; 캐리어 상에 배치되어 있고 상기 감지 요소에 전기적으로 결합되어 있는 전자 패키지로서, 상기 캐리어는 상기 감지 요소를 포함하는 포트 상에 배치되어 있는 것인 전자 패키지; 상기 감지 요소와 전자 패키지의 주위에 배치된 하우징; 및 상기 하우징에 연결되어 있고 상기 전자 패키지에 전기 접속되어 있는 커넥터를 포함한다.

Description

반도체 스트레인 게이지{SEMICONDUCTOR STRAIN GAUGE}
본 발명은 일반적으로 센서에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 반도체 스트레인 게이지에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로퓨즈드 실리콘 스트레인 게이지(MSG) 압력 센서는, 자동차 산업 전반에 걸쳐서 브레이크, 변속기 및 연료 압력 센서에서부터 탑승자 하중 힘 감지에까지 이르는 용례에 폭 넓게 사용된다. 이러한 압력 센서는 통상적으로 스테인리스 강 다이어프램에 유리 접합되어 있는 실리콘 스트레인 게이지 요소를 포함한다. 상기 센서는, 상기 강 다이어프램에 가해진 압력에 정비례하는 선형 전압 출력을 교정에 의해 제공하도록 만들어진 것이다.
본 발명의 몇몇 양태에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해, 이하에서는 혁신 사항을 간략히 요약하여 보여준다. 이러한 요약은, 본 발명의 넓은 범위의 개요는 아니다. 이러한 요약은, 본 발명의 핵심 또는 주요 요소를 파악하려는 것도 아니고, 본 발명의 범위를 기술하려는 것도 아니다. 이러한 요약의 유일한 목적은, 이하에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 전제부로서 본 발명의 몇몇 개념을 간략한 형태로 제시하는 것이다.
본 발명은 반도체 스트레인 게이지에 관한 방법 및 장치를 제공한다.
일 양태에서, 본 발명은 장치로서, 압력 환경에 노출되도록 구성되어 있는 감지 요소로서, 적어도 하나의 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지를 구비하고, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지를 구비하는 것인 감지 요소; 캐리어 상에 배치되어 있고 상기 감지 요소에 전기적으로 결합되어 있는 전자 패키지로서, 상기 캐리어는 상기 감지 요소를 포함하는 포트 상에 배치되어 있는 것인 전자 패키지; 상기 감지 요소와 전자 패키지의 주위에 배치된 하우징; 및 상기 하우징에 연결되어 있고 상기 전자 패키지에 전기 접속되어 있으며 외부 인터페이스를 구비하는 커넥터를 포함하는 장치를 특징으로 한다.
다른 양태에서, 본 발명은 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지로서, 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지, 4개의 압전 저항형 레지스터 및 측벽 상의 절연 층을 포함하는 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지를 특징으로 한다.
전술한 특징 및 이점과 그 밖의 특징 및 이점은, 이하의 상세한 설명을 읽고 관련 도면을 검토하는 것을 통해 분명해질 것이다. 전술한 개괄적인 설명과 이하의 상세한 설명은 모두, 청구되는 양태를 단지 설명하기 위한 것이며 제한하려는 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다.
이하의 도면과 함께 상세한 설명을 참조하는 것을 통해, 본 발명은 보다 완벽하게 이해될 것이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 예시적인 마이크로퓨즈드 실리콘 스트레인 게이지(MSG) 압력 센서를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 고농도 도핑 반도체 싱글 풀 휘트스톤 스트레인 게이지를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 반도체 싱글 풀 휘트스톤 스트레인 게이지의 평면도이다.
도 4는 절연 층을 포함하는 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지의 단면도이다.
이제 도면을 참조로 하여 본원에서 다뤄지고 있는 혁신 사항을 설명하는 데, 이 도면에서는 전반에 걸쳐 유사한 도면부호들이 유사한 요소들을 나타내는 데 사용되고 있다. 이하의 설명에서는, 본 발명을 완벽히 이해시키기 위해, 여러 구체적인 세부 사항들이 설명을 목적으로 제시되어 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 구체적인 세부 사항들 없이도 실시될 수 있음은 명백하다. 다른 예들에서는, 잘 알려진 구조 및 장치가 본 발명의 기술을 용이하게 하기 위해 블록선도 형태로 도시되어 있다.
이하의 설명에서, 용어 "또는"은 배타적인 "또는"보다는 포함적인 "또는"을 의미하고자 하는 의도를 갖고 있다. 즉, 달리 명시되어 있지 않거나 혹은 문맥상 분명하지 않다면, "X가 A 또는 B를 채용한다"는 자연스러운 포함적 치환들 중 어느 것이라도 의미하고자 하는 의도를 갖고 있다. 즉, X가 A를 채용하거나, X가 B를 채용하거나, 또는 X가 A와 B 양자 모두를 채용한다면, 상기한 사례들 중 어느 것에 속하더라도 "X가 A 또는 B를 채용한다"는 충족된다. 또한, 본 명세서와 첨부 도면에서 사용되고 있는 바와 같이, 관사 "a"와 "an"은, 달리 명시되어 있지 않거나 혹은 문맥상 단수 형태를 지칭하고 있음이 분명하지 않다면, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 압력 센서(100)가 하우징(110) 내에 수용되어 있는 상태로 도시되어 있다. 하우징(110)은 스프링 가이드(120)를 포함하고, 이 스프링 가이드는 다수의 스프링(130)을 포함할 수 있다. 스프링(130)은 스프링 가이드(120)의 상단부에서부터 돌출될 수 있다. 도 1b는 축선 A-A를 따라 취한 도 1a에 도시된 압력 센서(100)의 단면도이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 압력 센서(100)는 종축을 중심으로 배치되어 있다. 감지 요소 다이어프램(140)이 외부 환경(예컨대, 가압 환경)에 통해 있는 내부 보어 구멍(150)을 통해 외부 환경에 노출되어 있다. 내부 보어 구멍(150)은 축선 A-A를 중심으로 중앙에 배치되어 있고, 압력 포트(160) 내에 마련되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이 축선을 따라 배치되어 있는 종축에 대해 대략 수직하게 그리고 상기 압력 포트(160) 상에, 인쇄 회로 기판(PCB)(170)이 장착되어 있다. 일반적으로, PCB(170)는 적절한 겔(180)을 그 사이에 두고서 압력 포트(160) 상에 배치되어 있다. 지지 링(190)이 PCB(170)의 주위에 둘레방향으로 배치되어 있고, PCB(170)의 센터링을 유지하는 역할을 하는 한편, 스프링(130)은 스프링 리테이너(200)와 협력한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, PCB(170)는 유리 기판(210)에 대해 호스트이고, 이 유리 기판에는 적어도 하나의 스트레인 게이지(220)가 실장되어 있다. 각 스트레인 게이지(220)는 접합 와이어(230)에 의해 PCB(170)에 전기적으로 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 예시적인 고농도 도핑 반도체 싱글 풀 휘트스톤 스트레인 게이지(220)는 스틸 포트(160)의 상면(240)에 유리 접합되어 있는데, 여기서 "P"는 스틸 포트(160)에 가해지는 압력의 방향을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 싱글 풀 휘트스톤 스트레인 게이지(220)의 상면도에는, 4개의 압전 저항형 레지스터[250(R2), 260(R3), 270(R1), 280(R4)]가 포함되어 있다. 추가적으로, 일 실시형태에서 스트레인 게이지(220)는 5개의 패드(290, 300, 310, 320, 330)를 포함한다. 일 실시형태에서, 패드(290, 330)는 브리지 출력부이고, 패드(310)는 접지부이며, 패드(300, 320)는 전압 공급부이다. 이러한 5개의 패드 실리콘 게이지 구성을 통해, 접지 패드(310)가 가운데에 위치하여, 압력이 스틸 포트(160)에 가해질 때, 인장 상태의 레지스터(250)와 압축 상태의 레지스터(280)를 연결하고 이와 동시에 인장 상태의 레지스터(260)와 압축 상태의 레지스터(270)를 연결하는 것이 가능해지며, 이에 따라 압력 변화를 감지하도록 휘트스톤 브리지가 형성된다. 이러한 5 패드 실리콘 게이지 구성을 통해 또한, 2개의 하프 브리지를 이용하는 것에 비해 비용이 감소된다. 또한, 이러한 5 패드 실리콘 게이지 구성을 통해, 대칭인 두 쌍의 레지스터에 기인하는 압력 비선형성이 감소된다. 추가적으로, 5개의 동일 방향의 평행한 패드가 존재하는 상기한 5 패드 실리콘 게이지 구성을 통해, 와이어 본딩 프로세스가 용이해진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지(220)는 일반적으로 유리(340)에 의해 스틸 압력 포트(160)에 접합된다. 유리의 절연 저항과 화학적 망상조직 접합은 특정 온도 범위에 알맞다. 환경 온도가 임계 레벨까지 증가되고 센서가 계속 파워를 공급받는 경우, 유리에서 이온의 이주와 축적이 현저하게 나타나는 데, 이는 에피택셜(EPI) 층이 유리와 직접 접촉해 있기 때문이며; 이로써 반도체 실리콘 게이지 저항이 변화될 수 있고 그 결과 센서 출력의 드리프트가 야기될 수 있다. 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지(220)는 게이지를 가로막고 이동성 이온의 이주를 차단하는 절연 층(350)을 게이지의 측벽 상에 포함한다. 그 결과, 절연 층(350)을 포함함으로써, 센서 신호의 드리프트가 현저히 감소된다. 실시형태에서, 절연 층(350)은 실리콘 모노니트라이드(SiN) 또는 실리콘 니트라이드(Si3N4)일 수 있다.
다른 실시형태에서, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지(220)는 3 패드 하프 브리지, 4 패드 풀 브리지, 6 패드 풀 브리지 등으로 구성될 수 있다. 이들 실시형태 각각은 측벽 니트라이드 증착/절연 층을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태는 표현 "일 실시형태" 또는 "실시형태"를 그 파생어들과 함께 사용하여 기술될 수 있다. 이들 용어는, 실시형태와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 실시형태에 포함되는 것임을 의미한다. 발명의 상세한 설명의 여러 곳에 보이는 구절 "일 실시형태에서"가 모두 동일한 실시형태를 나타내는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 참조로 하여 본 발명을 구체적으로 보여주고 기술하였지만, 당업자라면 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 바와 같은 본원의 정신 및 범위를 벗어나지 않고서도, 형태 및 세부 사항에 있어서의 다양한 변형이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 변형은 본원의 범위에 의해 커버되도록 되어 있다. 이와 같이, 본원의 실시형태에 대한 상기 설명은 제한을 의도하고 있지 않다. 오히려, 본 발명에 대한 제한은 이하의 청구범위에 제시되어 있다.

Claims (20)

  1. 압력 환경에 노출되도록 구성되어 있는 감지 요소로서, 적어도 하나의 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지를 구비하고, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지를 포함하는 것인 감지 요소;
    캐리어 상에 배치되어 있고 상기 감지 요소에 전기적으로 결합되어 있는 전자 패키지로서, 상기 캐리어는 상기 감지 요소를 포함하는 포트 상에 배치되어 있는 것인 전자 패키지;
    상기 감지 요소와 전자 패키지의 주위에 배치된 하우징; 및
    상기 하우징에 연결되어 있고 상기 전자 패키지에 전기 접속되어 있으며 외부 인터페이스를 구비하는 커넥터
    를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 측벽 상에 절연 층을 더 포함하는 것인 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 절연 층은 실리콘 모노니트라이드(SiN)를 포함하는 것인 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 절연 층은 실리콘 니트라이드(Si3N4)를 포함하는 것인 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지는:
    제1 브리지 출력 패드;
    제1 전압 공급 패드;
    접지 패드;
    제2 전압 공급 패드; 및
    제2 브리지 출력 패드를 포함하는 것인 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접지 패드는 상기 제1 전압 공급 패드와 상기 제2 전압 공급 패드의 사이에 배치되는 것인 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지는 4개의 압전 저항형 레지스터를 더 포함하는 것인 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 브리지 출력 패드, 상기 제1 전압 공급 패드, 상기 접지 패드, 상기 제2 전압 공급 패드 및 상기 제2 브리지 출력 패드는 동일한 방향으로 평행하게 배열되어 있는 것인 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지는 측벽 증착을 갖는 2개의 하프 브리지를 포함하는 것인 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 3 패드 하프 브리지, 4 패드 풀 브리지, 또는 6 패드 풀 브리지 중의 하나를 포함하는 것인 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 측벽 니트라이드 증착/절연 층을 더 포함하는 것인 장치.
  12. 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지로서,
    5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지;
    4개의 압전 저항형 레지스터; 및
    측벽 상의 절연 층
    을 포함하는 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 절연 층은 실리콘 모노니트라이드(SiN)를 포함하는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 절연 층은 실리콘 니트라이드(Si3N4)를 포함하는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  15. 제12항에 있어서, 상기 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지는:
    제1 브리지 출력 패드;
    제1 전압 공급 패드;
    접지 패드;
    제2 전압 공급 패드; 및
    제2 브리지 출력 패드
    를 포함하는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  16. 제15항에 있어서, 상기 접지 패드는 상기 제1 전압 공급 패드와 상기 제2 전압 공급 패드의 사이에 배치되는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제1 브리지 출력 패드, 상기 제1 전압 공급 패드, 상기 접지 패드, 상기 제2 전압 공급 패드 및 상기 제2 브리지 출력 패드는 동일한 방향으로 평행하게 배열되어 있는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  18. 제12항에 있어서, 상기 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지는 측벽 증착을 갖는 2개의 하프 브리지를 포함하는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  19. 제12항에 있어서, 상기 5 패드 싱글 풀 휘트스톤 브리지는 3 패드 하프 브리지, 4 패드 풀 브리지, 또는 6 패드 풀 브리지 중의 하나로 대체되는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지는 측벽 니트라이드 증착/절연 층을 더 포함하는 것인 고농도 도핑 반도체 스트레인 게이지.
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