차압식 유량계를 실장을 위한 Single Capacitive Type Differential 압력 센서 개발
신규식1,2·송상우1·이경일1·이대성1·정재필2,†
1전자부품연구원 스마트센서 연구센터
2서울시립대학교 신소재공학과
Fabrication of Single Capacitive type Differential pressure sensor for Differential Flow meter
Kyu-Sik Shin1,2, Sangwoo Song1, Kyungil Lee1, Daesung Lee1, and Jae Pil Jung2,†
1Smart Sensor Research Center of Korea Electronics Technology Institute, 25, Saenari-ro, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 13509, Korea
2Department of Materials Science and Engineering, University of Seoul, 163, Seoulsiripdae-ro, Dongdaemun-gu, Seoul 02504, Korea (Received December 9, 2016: Corrected December 23, 2016: Accepted March 16, 2017)
초 록: 최근 계측기의 소형화, 전자화에 따라 차압식 유량계의 경우 기존에 기계가공을 통해 개발하던 센서부를 전자 식 MEMS 차압센서로 대체하려는 많은 노력이 있으나, MEMS 차압센서의 경우 고압이 인가시 실리콘 다이아프램의 파 괴 및 센서의 접합부의 파괴가 발생하는 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 proof pressure 이상의 압력에서 센서의 다이아프램이 파괴되지 않는 구조를 제안하였으며, 그에 따른 차압식 압력센서를 설계 및 제작하였다. 센서 동작압력(0- 3 bar)의 3배 이상의 압력에서 센서의 동작특성을 평가하였다. 개발된 센서는 3.0×3.0 mm이며, 0~3 bar 사이의 압력에서 LCR meter (HP 4284a)로 측정한 결과 3.67 pF at 0bar, 5.13 pF at 3 bar를 나타내었으며, 센서의 동작압력(0-3 bar)에서 0.37%의 hysteresis를 나타내는 압력센서를 개발하였다.
Abstract: In this paper, we have developed a differential pressure flow sensor designed as a single capacitive type. And the sensor was fabricated using a MEMS process. Differential pressure flow sensors are the most commonly used sensors for industrial applications. The sensing diaphragm and bonding joint of the MEMS pressure sensor are easily broken at high pressure. In this paper, we proposed a structure in which the diaphragm of the sensor was not broken at a pressure exceeding the proof pressure, and the differential pressure sensor was designed and manufactured accordingly. The operating characteristics of the sensor were evaluated at a pressure three times higher than the sensor operating pressure (0-3 bar).
The developed sensor was 3.0×3.0 mm and measured with a LCR meter (HP 4284a) at a pressure between 0 and 3 bar. It showed 3.67 pF at 0 bar and 5.13 pF at 3 bar. The sensor operating pressure (0-3 bar) developed a pressure sensor with hysteresis of 0.37%.
Key words: MEMS, sensor, differential pressure, packaging
1. 서 론
현대사회에는 석유화학, 에너지, 항공, 자동차 등 관련 산업이 발전되고 규모가 대형화됨에 따라 유체량의 효율 적인 관리 및 계측이 중요시 되고 있다. 유량은 압력, 온 도, 레벨 등과 함께 산업현장에서 가장 많이 측정되는 측 정량 중의 하나로 유량측정은 가장 측정하기 어려우며 측 정방법도 측정목적(정밀측정용, 공정용) 및 액체, 기체 증 기 유체의 물성(밀도, 점도, 비열, 온도, 압력, 전기전도도
등)에 따라 매우 다양하다.
일반적으로 전력을 제외하고는 모든 에너지의 공급은 유체의 형태로 공급되기 때문에 유량, 유속, 액위, 점도, 밀 도 등의 유체 측정은 프로세스 공업에 있어서 가장 중요 한 부분이 된다. 차압식 유량계는 산업계에서 가장 많이 사용되고 있으며 관로에 설치된 스로틀의 전후 압력차를 측정하여 유량을 산출하는 방식으로 액체, 증기, 가스, 압 축공기 등 사용용도가 다양하다는 특징을 가지고 있다.
현재 사용중인 차압식 유량계의 경우 스로틀 양쪽의 압
†
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© 2017, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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량생산에 의한 저가격화를 이룰 수 있으나 고압을 인가 시 압력에 의해 실리콘으로 제작된 센서의 다이아프램이 파괴될 가능성이 있다.
따라서 본 논문에서는 single capacitive type 차압센서 를 설계, 제작, 평가를 진행하였으며, 고압에서의 동작특 성을 확인하기 위하여, 일반적인 proof pressure(동작압력 의 2배)이상의 압력인 10 bar에서 센서 다이아프램이 파 괴되지 않았음을 확인하였다. 또한 0-10 bar 사이의 압력 하에서 센서의 동작특성을 확인하였다.
2. 실험 방법
2.1. Single capacitive type 압력센서 설계
Fig. 1은 압력센서의 구조를 나타낸 그림이다. 다이아 프램이 형성된 SOI(silicon on insulator) wafer와 전극이 형 성된 glass wafer의 anodic bonding 을 통해 소자를 제작 하도록 설계하였다. 압력에 따른 다이아프램의 변형에 따 라 상부전극과 하부전극 사이의 간격변화에 따른 정전용 량 변화를 측정하도록 설계를 진행하였다. 또한 고압이 인가시 상부 다이아프램이 하부전극과 접촉하도록 설계 를 진행하여 측정범위 압력 이상이 인가가 되어도 다이 아프램이 파괴되지 않도록 설계를 진행하였다.
센서의 사이즈는 3×3 mm로 설계를 진행했으며, 센서 칩에서 다이아프램의 반지름 1 mm에 전극간격을 15 µm 으로 설계하였다.
2.2. Single capacitive type 압력센서 제작 및 Sensor Packaging 방법
압력에 따른 정전용량을 형성하는 전극은 저저항 실리 콘 SOI(silicon on insulator) wafer(top 45 µm/insulator 1 µm/
base Si 300µm, top resistivity 0.005 Ω·cm)의 top 면 및 glass wafer에 증착된 Au 증착면이 되도록 공정을 설계를 하였 다. 공정은 SOI wafer 공정, glass wafer 공정, SOI 및 glass wafer의 bonding 공정으로 나누어 진행하였다(Fig. 2).
SOI wafer의 top 면인 저저항 SOI에 photo resist (AZ4620)를 도포후 deep RIE(reactive ion etching)를 이용 하여 15 µm 식각을 진행하여 top side layer의 두께가 30µm가 되도록 공정을 진행하였다. PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 silicon oxide를 2000 Å 증착하여 3.3 bar 이상의 압력에서 SOI wafer 전극과 glass 표면에 형성된 전극이 서로 맞닿지 않
Fig. 2. Process flow of single capacitive differential 압력 센서
도록 passivation layer를 형성하였다.
Glass wafer (borofloat 33, 500 um thickness)의 경우 DFR (dry film resist)을 이용하여 sand blasting 공정을 이용하 여 관통 홀을 만든 후 SOI wafer와 정전용량을 형성하는 전극을 형성하기 위해 shadow mask를 이용하여 Cr/Au (300/2000 Å)을 sputtering 공정을 실시하였다. 가공된 SOI wafer와 glass wafer를 anodic bonding 공정을 이용하여 접 합하였다. 접합조건은 silicon wafer와 glass wafer사이에 열팽창계수가 맞는 온도인 350oC에서 -600 V의 전압을 가하여 anodic bonding6,9)을 하였다.
SOI wafer의 base 면(300 µm thickness)을 다이아프램을 형성하기 위해 SOI의 oxide면까지 Si deep RIE 공정을 이 용하여 식각을 진행하였다. SOI의 oxide layer는 etch stop 면으로 이용하였다. 또한 RIE를 이용하여 SOI wafer의 oxide면을 식각하여 SOI wafer의 전극인 top layer가 드러 나도록 하였다. 접합된 wafer의 glass면에는 Cr/Au(300/
2000 Å)를 증착하여 glass위의 정전용량 전극 면과 전기 적으로 연결하였다.
제작된 차압센서와 metal can package 사이의 열팽창계 수차이를 보정하기 위하여 센서의 하단에 glass dummy chip(thickness: 1 mm)을 제작하였다(Fig. 3). 압력의 전달 을 위해 sand blasting 공정을 이용하여 관통 홀을 형성하 였으며 센서의 glass에 형성되어 있는 전극과의 전기적 연 결을 위하여 Cr/Au (300/2000 Å)을 증착하였다. Glass dummy chip과 센서의 전기적 연결을 위해 conductive paste 를 이용하여 전기적 연결을 하였으며, 기계적 강도를 보 강하기 위하여 epoxy(A-400-1)를 이용하여 접합을 진행하 였다. 각 전극의 전기적 연결을 위하여 wire bonding을 진 행하였다.8)
3. 실험결과 및 고찰 3.1. 압력 센서 package 및 압력시험 결과
Fig. 4는 본 연구에서 개발한 Single capacitive differential
pressure 센서 (Fig. 4 (a)) 및 그 패키징 결과를 보인 것이 다. 센서 칩은 3.0×3.0 mm 크기로 하부에는 glass dummy chip을 붙인 캔 패키지 type 이다. 본 캔 패키지는 센서의 상부와 하부의 압력차이를 측정하기 위해, 패키지의 상 부 및 하부에 외부의 압력을 전달할 수 있도록 제작하였 다. 인가된 압력이 외부에 누출되지 않도록 하기 위해 laser 용접을 이용하여 접합하였으며(Fig. 4 (C)), 패키지 와 sensor chip 사이의 압력누설을 막기 위한 접합강도 보 강용으로, epoxy(A-400-1)를 이용하여 (Fig. 4(b)) 110oC에 서 30분 정도의 경화시켰다.
Fig. 5는 제작된 센서 패키지의 내압시험을 진행한 결 과를 보인 것이다. 패키지의 하부 압력전달 관을 epoxy로 Fig. 3. Process flow of single capacitive differential 압력 센서 packaging
Fig. 4. Single capacitive differential pressure sensor ((a) sensor chip, (b) sensor package structure, (c) sensor package.
sealing한 후 20 bar 정도의 압력을 유압전송기를 이용하 여 측정한 결과 20 bar의 압력에서 센서 패키지의 laser 용 접부 및 전극의 sealing부의 기름이 유출되지 않는 양호 한 내압 결과를 보였다. 이 결과로부터, 제작된 캔 패키 지의 경우 센서의 동작압력의 6배 이상의 압력에서 센서 에 유효한 압력을 전달할 수 있음을 확인하였다.
3.2. Single capacitive type 압력 센서 simulation 및 측정 결과
MEMS capacitive 압력센서의 경우 압력에 따른 다이아 프램의 기계적 변형에 의해서만 두 개의 전극 사이의 정 전용량이 변하기 때문에 압력에 따른 다이아프램의 변위 를 산출하였으며, 그 계산을 위한 변수를 Fig. 6에 나타내 었다.
압력센서 설계를 위한 기본공식은 다음과 같다.
여기서 y(r)은 다이아프램의 중심으로부터 r의 거리만 큼 떨어진 곳의 변위, P는 인가된 압력, a는 다이아프램 의 반경, D는 다이아프램의 강성값으로 다음과 같이 표 시할 수 있다.
여기서 ν는 Poisson’s Ratio, E는 Young’s modulus이다.
위 식을 이용하여 실제 정전용량을 구현하기 위한 평 균 변위는 다음과 같이 표현 될 수 있다.
여기서 b는 실제 capacitance를 형성하는 전극의 반경 을 나타낸다. 위 공식에서 압력에 의해 변하는 정전용량 을 형성하는 두 전극 사이의 간격을 계산할 수 있다.
따라서 압력에 따라 두 전극 사이의 간격을 이용하여 압력센서의 정전용량을 계산하는 식은 다음과 같다.
여기서 C는 정전용량, ε0 는 유전율, εr 는 유전상수, A 는 전극의 면적, d는 전극의 간격4,5) 으로 Table 1에 시뮬 레이션을 위한 상수 및 변수를 나타내었다.
위의 식을 이용하여 압력에 따라 변하는 single capacitive 차압센서의 정전용량을 계산하였으며, 실제 인가된 압력 에 따른 소자의 capacitance 변화를 측정하여 Fig. 7에 표 y r( ) P
64D--- a( 2–r2)2 y 0( ) a( 2–r2)2 a4 ---
=
=
D t3E 12 1 v( – 2) ---
=
y average( ) y 0( ) 1 b a---
⎝ ⎠⎛ ⎞2
– 1
3--- b a---
⎝ ⎠⎛ ⎞4 +
=
C εA ---d
=
Fig. 6. Design rule of single capacitive differential 압력 센서 (P: 인 가된 압력, a: 다이아프램 반경, b: 전극의 반경, r: 다이아프
램 중심으로 부터의 거리) Fig. 7. Capacitance changes as pressure difference.
시하였다. 압력센서의 측정주파수는 1 kHz 영역에서 LCR meter(HP 4284a)를 이용하여 측정하였으며, 실제 압력센 서의 단결정 Silicon의 변형을 확인하기 위하여 압력에 따 른 정전용량 값의 Hysteresis를 측정하였다. 측정결과 센 서의 감도는 0.487 pF/bar 정도로 확인이 되었으며, 시뮬 레이션 결과인 0.94 pF/bar에 비해서 약 1/2수준으로 확인 이 되었다.
제작한 센서의 감도와 계산된 센서의 감도차이가 발생 하는 원인을 분석하기 위해 압력센서 칩을 분석하였다.
Fig. 8은 압력센서의 단면을 나타낸 그림이다. 관찰결과 압력에 의한 변형을 일으키는 다이아프램의 두께 및 전 극 간격은 29 µm 및 15 µm 정도로 형성되었으며, 센서 소 자를 설계값과 비슷한 수준으로 제작된 것을 확인할 수 있다. 그러나, Si deep RIE시 식각 edge에서 수직이 아닌 곡면형태의 식각이 발생한 것이 관찰되었으며, 이러한 곡 면에 의해 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 압력센서 사이 의 오차가 발생한 것으로 추정하고 있다. 또한 실제 제작 된 다이아프램의 경우 고압이 인가될 때 다이아프램(상부 전극)과 하부전극 사이의 절연을 위해 형성된 silicon oxide layer의 영향이 simulation에 반영이 되어 있지 않은 영향 도 있다고 판단된다. 0 bar 에서의 초기 capacitance값의 차이는 simulation 시 고려되지 않은 패키징에 의한 parasitic capacitance에 기인한 것으로 판단된다.
센서의 구동압력 (0~3 bar) 내에서의 압력의 인가에 따른 센서의 hysteresis%를 계산한 결과 0.37%로 단결정 실리콘 에 의한 hysteresis가 거의 존재하지 않음을 확인하였다.
3.3. Single capacitive type 압력 센서의 proof pressure 하 에서의 거동
Fig. 9는 0~10 bar 사이의 압력 인가시 차압센서의 capacitance 변화를 측정한 것이다. Proof pressure의 경우 일반적으로 측정압의 2배이나 본 실험에서는 측정압의 3 배 이상인 10 bar 의 압력하에서의 hysteresis%를 확인하
기 위해 센서에 인가된 압력의 증가 및 감소에 따라 측정 을 진행하였다. 측정결과, 0-3 bar 사이에서는 일반적인 capacitive 압력 센서의 거동을 보이는 것으로 확인이 되 었으나 3 bar 이상에서는 변곡점이 생겼으며, 향후 다시 증가하는 현상을 보였다. 이러한 원인은 3 bar 이상에서 다이아프램에 형성되어 있는 상부전극과 하부전극이 서 로 접촉을 일으켜 압력에 따른 capacitance값이 포화 되었 기 때문인 것으로 판단되며, 그 이상의 압력에서는 상부 전극과 하부전극의 접촉면적의 상승에 의한 capacitance 의 증가에 기인한 것으로 판단된다. 7)또한 구동압력인 3 bar 이상에서는 hysteresis가 관찰이 되었으며, 이때 계산 된 hysteresis%는 2.15%로 확인되었다.
Fig. 10은 10 bar의 압력을 12시간 인가 후 센서의 구동 압력인 0-3 bar 사이에서의 압력에 따른 capacitance의 변 화를 관찰하였다. 5번의 압력을 연속으로 증가 및 감소시 Fig. 8. Cross section of Si deep RIE.
Fig. 9. Proof pressure test.
Fig. 10. Capacitance changes as pressure difference after proof pressure (10 bar, 12hours).
용되고 있는 유량 측정용 압력센서의 패키징 기술 및 그 평가를 실시하고자 하였다. 본 연구를 통해 차압식 유량 계용 single capacitive differential 압력 센서를 개발하기 위 하여 센서를 설계하고, 제조 공정을 개발하였다.
MEMS 공정을 이용하여 고압에서 실리콘 다이아프램 이 파괴되지 않는 압력센서구조를 제안하였으며, proof pressure 이상의 압력인 20 bar에서 센서를 평가할 수 있 는 패키징을 제작하였다.
제작된 압력센서의 압력에 따른 capacitance를 측정한 결과 센서의 감도는 0.487 pF/bar 정도로 측정 되었으며, 시뮬레이션 결과인 0.94 pF/bar에 비해서 약 1/2수준으로 확인이 되었다. 또한 proof pressure이상의 압력(10 bar)에 서 센서의 동작특성을 측정한 결과 3 bar 이상에서 2.15%
의 hysteresis%를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 동작 압력 (0-3 bar)에서의 hysteresis%인 0.37%의 약 6배로 확 인이 되었으며, 10 bar의 압력을 12시간 인가 후 센서의 동작압력에서 capacitance를 측정한 결과 2.8 bar 이하에 서만 실리콘 다이아프램이 안정적인 동작특성을 보였다.
감사의 글
이 연구는 2016년도 산업부의 재원으로 한국에너지 기
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