Search

KR-20260061960-A - Pressure sensor with integrated piezoresistive sensor based on silver nanoparticles and manufacturing method thereof

KR20260061960AKR 20260061960 AKR20260061960 AKR 20260061960AKR-20260061960-A

Abstract

실버 나노 파티클 기반의 압저항 센서가 집적화된 압력 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 압력 센서의 제조방법은 압저항 센서의 패턴이 형성된 폴리머 다이어프램을 생성하는 단계, 패턴이 형성된 폴리머 다이어프램의 표면을 제1 건조 식각을 수행하는 단계, 제1 건조 식각된 폴리머 다이어프램의 표면에 패턴 중 전극 일부의 위치만 뚫린 마스크 판을 부착하는 단계, 부착된 마스크 판 중 뚫린 부분을 통해 실버 나노 파티클 용액을 투입하여 압저항 센서의 패턴을 형성하는 단계, 압저항 센서가 포함된 집적 폴리머 다이어프램에서 마스크 판을 탈착하는 단계, 집적 폴리머 다이어프램의 표면과 중앙에 구멍이 형성된 유리기판의 표면을 제2 건조 식각을 수행하는 단계 및 제2 건조 식각된 집적 폴리머 다이어프램과 유리기판의 각 부분을 접합하여 압력 센서를 생성하는 단계를 포함한다.

Inventors

  • 최영수

Assignees

  • 광주대학교산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (10)

  1. 압저항 센서의 패턴이 형성된 폴리머 다이어프램을 생성하는 단계; 상기 패턴이 형성된 폴리머 다이어프램의 표면을 제1 건조 식각을 수행하는 단계; 상기 제1 건조 식각된 폴리머 다이어프램의 표면에 상기 패턴 중 전극 일부의 위치만 뚫린 마스크 판을 부착하는 단계; 상기 부착된 마스크 판 중 뚫린 부분을 통해 실버 나노 파티클 용액을 투입하여 압저항 센서의 패턴을 형성하는 단계; 상기 압저항 센서가 포함된 집적 폴리머 다이어프램에서 상기 마스크 판을 탈착하는 단계; 상기 집적 폴리머 다이어프램의 표면과 중앙에 구멍이 형성된 유리기판의 표면을 제2 건조 식각을 수행하는 단계; 및 상기 제2 건조 식각된 집적 폴리머 다이어프램과 유리기판의 각 부분을 접합하여 압력 센서를 생성하는 단계; 를 포함하는 압력 센서의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압저항 센서를 형성하는 단계와 상기 마스크 판을 탈착하는 단계 사이에, 가열판을 이용하여 상기 형성된 압저항 센서를 경화하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압력 센서를 생성하는 단계 이후에, 상기 압력 센서에 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 투입하여 기 설정된 두께의 폴리머 층을 형성하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 폴리머 층을 형성하는 단계는, 상기 집적 폴리머 다이어프램 중 상기 유리기판과 미접합한 표면과 상기 유리기판의 구멍 내부에 상기 폴리머 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1 건조 식각을 수행하는 단계는, 산소 플라즈마 처리를 이용하여 상기 폴리머 다이어프램의 표면에 대한 특징을 발수성에서 친수성으로 변경하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 마스크 판을 부착하는 단계는, 상기 전극 중 상대적으로 넓은 면적에 해당하는 제1 부분이 뚫리고, 좁은 면적에 해당하는 제2 부분이 뚫리지 않은 마스크 판을 사용하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 압저항 센서의 패턴을 형성하는 단계는, 모세관 현상을 이용하여 상기 제1 부분으로 투입된 실버 나노 파티클 용액이 상기 제2 부분으로 투입되는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제2 건조 식각을 수행하는 단계는, 산소 플라즈마 처리를 이용하여 상기 집적 폴리머 다이어프램과 상기 유리기판의 각 표면을 상기 접합에 맞춤형 상태로 만들어주는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
  9. PDMS로 형성되고, 일부에 실버 나노 파티클 기반으로 형성된 압저항 센서가 집적되는 집적 폴리머 다이어프램; 및 중앙에 구멍이 형성되고, 상기 집적 폴리머 다이어프램의 하면에 접합되는 유리기판; 을 포함하는 압력 센서.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 집적 폴리머 다이어프램의 상면과 상기 유리기판의 구멍 내부에 기 설정된 두께로 형성되는 폴리머 층; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.

Description

실버 나노 파티클 기반의 압저항 센서가 집적화된 압력 센서 및 그 제조방법{Pressure sensor with integrated piezoresistive sensor based on silver nanoparticles and manufacturing method thereof} 본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고가의 장비가 필요하고 공정이 복잡한 MEMS 입력 센서의 단점을 개선한 실버 나노 파티클 기반의 압저항 센서가 집적된 압력 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 압력 센서는 기체나 액체의 기본적인 물리량의 하나인 압력을 전기신호로 변화시켜 압력을 검출하는 감지기로써, 종래의 기계식 감지방법에서 현재의 반도체 소자 제조기술과 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하는 초소형, 저전력형 센서 개발로 발전되고 있다. 현재 자동차를 비롯하여 의료, 헬스케어, 항공, 모바일, 웨어러블 기기, 가전제품, 환경 제어 등에 광범위하게 응용되고 있는 압력 센서는 측정하는 방식에 따라 크게 공진형, 압전형, 압저항형, 정전용량형, 광학형 등으로 나눌 수 있다. 이 중에서 주로 사용되는 압저항형 압력 센서의 경우, 센서를 압력 센서 구조물 내에 집적화할 수 있어 압력 센서 크기의 소형화 및 저전력 구동이 가능하게 한다는 장점을 가지고 있다. 한편 MEMS 압저항형 압력 센서는 일반적으로 주요기판으로 사용되는 실리콘을 반도체 공정을 활용하여 다이어프램 구조를 가진 센서로 제조하며, 압저항체로 실리콘을 부분 도핑하여 게이지 팩터가 우수한 센서를 형성하여 사용함으로써, 센서의 감도가 우수하고 소형화해서 사용화되고 있다. 하지만 이러한 MEMS 압력 센서를 제조하기 위해서는 고가의 장비가 필요하고, 공정이 복합하다는 단점을 가지고 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2, 도 3, 도4, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 본 명세서 및 도면(이하 '본 명세서')에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다. 또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에서, '투입'이라는 용어는 주입, 도포, 분사, 유입, 이입 등과 같이 어느 부분에 제공한다는 의미를 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 또한 도 1의 (a)는 압력 센서의 상부를 보여주는 도면이고, 도 1의 (b)는 압력 센서의 하부를 보여주는 도면이다. 도 6의 (a)는 마스크 판이 폴리머 다이어프램에 부착되기 이전 모습을 보여주는 도면이고, 도 6의(b)는 마스크 판이 폴리머 다이어프램에 부착된 모습을 보여주는 도면이다. 도 12의 (a)는 압력 센서의 상면에 PDMS를 투입하여 폴리머 층을 형성하는 모습을 보여주는 도면이고, 도 12의 (b)는 압력 센서의 유리 기판 내부에 PDMS를 투입하여 폴리머 층을 형성하는 모습을 보여주는 도면이다. 도 1 내지 도 12를 참조하면, 압력 센서(100)는 다이어프램 재료로 PDMS를 사용하여 작은 압력 변화에 대해서도 다이어프램이 변형됨에 따라 폴리머 표면에 스트레인이 발생된다. 이를 통해 압력 센서(100)는 스트레인에 의해 변화되는 저항값을 측정하여 정밀하게 압력의 크기를 측정한다. 압력 센서(100)는 집적 폴리머 다이어프램(10), 압저항 센서(20) 및 유리기판(30)을 포함하고, 폴리머 층(L)을 더 포함할 수 있다. 집적 폴리머 다이어프램(10)은 PDMS로 형성되고, 바람직하게는 사각 형상으로 형성될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 집적 폴리머 다이어프램(10)은 일부에 압저항 센서(20)을 포함한다. 압저항 센서(20)는 집적 폴리머 다이어프램(10)의 표면 중 일부에 집적되어 형성된다. 압저항 센서(20)는 집적 폴리머 다이어프램(10)에 임의의 압력이 인가되어 변형이 이루어질 때 발생되는 스트레인을 기반으로 저항값을 측정하고, 측정된 저항값을 이용하여 압력의 크기를 측정한다. 여기서 압저항 센서(20)는 복수의 중복된 패턴을 형성될 수 있으며, 각 패턴은 두 개의 사각 모양을 하나의 선으로 연결되는 형상일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 이때 압저항 센서(20)는 패턴이 실버 나노 파티클 기반으로 형성된다. 실버 나노 파티클은 은으로 된 나노 입자를 의미하며, 바람직하게는 1nm 내지 100nm 일 수 있다. 한편 집적 폴리머 다이어프램(10)은 기 설정된 몰드(M)에 PDMS가 투입되고, 경화되어 생성될 수 있다. 즉 몰드(M)는 압저항 센서(20)의 패턴이 돌출되도록 형성됨에 따라 PDMS가 투입되어 경화되었을 때, 압저항 센서(20)의 패턴이 함몰된 형상의 패턴을 가진 폴리머 다이어프램이 생성되도록 할 수 있다. 유리기판(30)은 유리로 형성된 기판으로, 중앙에 구멍이 형성된다. 이때 유리기판(30)은 테두리가 요철 구조로 형성되어 전극(E)에 전선(미도시)이 쉽게 연결되도록 지원한다. 즉 유리기판(30)은 요철 구조 중 오목한 부분이 전극(E)과 대응되는 위치에 형성됨에 따라 전선과 전극(E) 간의 연결에 대한 편의성을 향상시켜준다. 유리기판(30)은 집적 폴리머 다이어프램(10)의 하면에 접합된다. 바람직하게는 유리기판(30)은 기 설정된 스트레인이 발생되더라도 손상이 발생되지 않는 강도를 가질 수 있다. 폴리머 층(L)은 집적 폴리머 다이어프램(10)의 상면과 유리기판(30)의 구멍 내부에 형성된다. 폴리머 층(L)은 PDMS가 상술된 부분에 투입되고, 경화되어 기 설정된 두께로 형성된다. 바람직하게는 폴리머 층(L)은 압력 센서(100)의 움직임에 제약을 주지 않으면서 방수 기능을 수행할 수 있다. 또한 폴리머 층(L)은 외부 환경에서 발생되는 노이즈(noise)를 줄여주는 역할을 할 수 있다. 이하, 압력 센서(100)가 제조되는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 먼저, 폴리머 다이어프램(40)을 제조하기 위한 몰드(M)를 생성한다(도 2). 몰드(M)는 일정한 크기의 압저항 센서가 집적화될 수 있도록 지원하는 폴리머 다이어프램(40)을 제조하기 위한 틀에 해당한다. 바람직하게는 몰드(M)는 사각 형상일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 몰드(M)가 준비되면 몰드(M)의 상부에 일정한 두께의 PDMS를 투입한 후, 경화시켜 폴리머 다이어프램(40)을 생성한다(도 3). 폴리머 다이어프램(40)은 몰드(M)와 분리된다(도 4). 이때 폴리머 다이어프램(40)은 몰드(M)와 분리된 일면에 압저항 센서(20)의 패턴이 형성된다. 폴리머 다이어프램(40)은 표면에 제1 건조 식각을 수행한다(도 5). 이때 폴리머 다이어프램(40)은 압저항 센서(20)의 패턴이 있는 표면이 식각될 수 있다. 제1 건조 식각은 산소(O2) 플라즈마 처리일 수 있으며, 수행 조건은 파워가 80W ~ 100W, 압력이 7.0*10-20torr ~ 8.0*10-20torr, 시간이 1분 ~ 2분, 산소 주입량이 15sccm ~ 25sccm 일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 폴리머 다이어프램(40)은 제1 건조 식각을 통해 표면에 대한 특징을 발수성에서 친수성을 변경할 수 있다. 여기서 폴리머 다이어프램(40)은 표면에 대한 특징이 친수성으로 변경됨에 따라 추후 수행되는 실버 나노 파티클 용액의 투입에 의한 압저항 센서(20)의 패턴 형성이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다. 폴리머 다이어프램(40)은 제1 건조 식각된 표면에 압저항 센서(20)의 패턴 중 전극 일부의 위치만 뚫린 마스크 판(P)을 부착한다(도 6). 여기서 마스크 판(P)은 PDMS로 형성될 수 있다. 또한 마스크 판(P)은 전극(E) 중 상대적으로 넓은 면적에 해당하는 제1 부분이 뚫리고, 좁은 면적에 해당하는 제2 부분이 뚫리지 않을 수 있다. 즉 마스크 판(P)은 두