SUS630 다이아프램을 이용한 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀 = Silicon strain gauge type load cell with SUS630 diaphragm

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Load cell is a force sensor and a transducer that is used to convert a physical force into electrical signal for weighing equipment. Most conventional load cells are widely used metal foil strain gauge for sensor element when force being applied spring element in order to converts the deformation to electrical signals. The sensitivity of these load cell is limited by low gauge factor, hysteresis and creep. but silicon-based sensors perform high reliability. This paper presents the basic design and development of the silicon strain gauge type load cell with SUS630 diaphragm. Structure analysis of load cell was researched by theory to optimize the load cell diaphragm design and to determine the position of peizo-resistor on silicon strain gauge. The load cell consists of two parts, silicon strain gauge and SUS630 structure with diaphragm. Piezo-resistors are integrated in the four points of silicon strain gauge processed by ion implantation. The thickness of the silicon sensing chip was polished by CMP under 100 ㎛. SUS630 was designed for loads up to 10 kg with 200 ㎛, 300 ㎛ and 400 ㎛ diaphragm of 10mm diameter. Load cell was successfully tested, The variation of ΔR(%) of four points on the diaphragm is linearity properties and good sensitivity. We can also measure linearity, hysteresis and creep of silicon strain gauge type load cell.

국문 초록 (Abstract)

로드셀(Load cell)은 외부에서 가해지는 물리적인 하중의 변화를 감지하여 이를 전기적인 신호로 변환하는 장치로 하중 측정이 요구되는 상업용 전자저울에서 부터 자동차, 선박, 항공, 공업계측, 제동제어 등 그 용도가 다양하고 폭넓게 사용되고 있는 센서 중의 하나이다.
현재 가장 많이 상용화 되어있는 스트레인 게이지 방식의 로드셀은 외부에서 가해지는 하중의 변화에 비례적으로 변하는 탄성부와 이를 전기적인 신호로 바꿔주는 감지부인 스트레인 게이지로 구성된다. 기존의 스트레인 게이지를 이용한 로드셀의 경우 구조 및 제작이 간단하고 고온 및 고압 등 극한 환경에서도 사용이 가능하지만 감지부로 주로 사용되는 금속 박 스트레인 게이지(metal foil strain gauge)는 저항으로 비저항이 100 Ω 미만의 금속을 사용하며 게이지율이 낮고 감도와 분해능이 떨어지며 스트레인 게이지와 탄성부와의 접착 문제에서 오는 크리프(creep) 현상, 탄성부의 재료가 갖는 히스테리시스(hysteresis) 등으로 인하여 신뢰성 및 안정성이 떨어져, 소형화, 집적화, 다기능화 및 대량생산에 어려움이 있었다.
최근에는 반도체 공정기술과 마이크로머시닝 기술로 제작된 실리콘 압력센서를 활용한 고감도의 로드셀 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 실리콘 압력센서는 게이지율(gauge factor)이 크고 히스테리시스가 적으며 집적회로 제조 공정기술을 적용할 수 있는 단결정 실리콘을 사용하여 대량생산이 가능하다.
실리콘 압력센서는 크게 외부 압력에 의해 변형 정도가 달라짐에 따라 정전용량의 변화를 이용한 정전용량형과 저항체가 응력에 따라 저항값이 바뀌게 됨을 이용한 압저항형으로 구분된다. 용량형 압력센서는 감도 및 온도 특성이 우수하나 출력신호로 정전용량을 이용하기 때문에 신호처리에 어려움이 많다. 반면에 압저항형 압력센서는 용량성 압력센서보다 선형성이 우수하고 출력신호 처리가 매우 용이하다.
압저항형 압력센서는 일반적으로 4개의 압저항을 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)로 구성해서 압력에 의해 발생한 응력에 비례하는 압저항의 저항값 변화를 검출한다. 그러나 휘트스톤 브리지를 이용하는 압력센서에는 여러 가지 원인, 특히 센서를 구성하는 재료들의 열평창계수 차이에 의해 발생하는 4개 저항의 특성 차이 때문에 오프셋(off-set)이 발생하며 그 오프셋이 온도 변화에 영향을 주고 압저항 및 압저항계수가 온도의존성을 갖는 것이 문제가 되고 있다. 특히 확산이나 이온주입법에 의해 만들어진 압저항체는 높은 온도 의존성을 가져 정밀성 및 신뢰성이 높은 압력센서를 제작하는데 문제가 되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 압력센서의 온도를 보상해야 되는데 이에는 센서에 보상 저항을 연결하여 보상을 하는 수동적인 방법과 신호처리 회로에서 보상을 하는 능동적인 방법, 시스템에 마이크로프로세서를 사용하여 보상하는 소프트웨어적인 보상법 등이 있다.
본 연구에서는 제작이 간단하고 우수한 전기적·기계적 특성을 가지는 로드셀을 제작하기 위하여 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하여 그 위에 이온주입법으로 브리지형 압저항체를 형성한 후 CMP 공정으로 두께 100㎛의 실리콘 스트레인 게이지를 제작하고 표면에 다량의 크롬과 니켈을 함유하고 있어 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높은 스테인레스 재질의 SUS630 다이아프램 구조물에 접착하여 정격 하중 10kg, 분해능 1/1000급의 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀을 제작하기 위해 그 특성을 실험하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 序 論 1
• Ⅱ. 理 論 3
• 2-1. 스트레인 게이지 3
• 2-1-1. 응력과 변형 3
• 2-1-2. 탄성과 소성 6
• 2-1-3. 스트레인 게이지 7
• 2-2. 압저항 효과 8
• 2-3. 브리지 회로 13
• 2-4. 실리콘의 온도 특성 15
• 2-5. 다이아프램 19
• 2-6. 로드셀의 오차 23
• Ⅲ. 實 驗 25
• 3-1. 다이아프램의 설계 및 가공 25
• 3-2. 압저항의 설계 및 위치선정 26
• 3-3. 실리콘 스트레인 게이지 설계 및 마스크 제작 29
• 3-4. 실리콘 스트레인 게이지의 제작 30
• 3-5. 로드셀 조립 34
• 3-6. 하중 측정 36
• Ⅳ. 結果 및 考察 38
• 4-1. 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀의 특성 38
• 4-1-1. 저항변화 38
• 4-1-2. 출력전압 40
• 4-1-3. 변형분포 42
• 4-2. 실리콘 스트레인 게이지식 로드셀의 오차 44
• 4-2-1. 온도 특성 44
• 4-2-2. 비직선성 45
• 4-2-3. 히스테리시스 46
• 4-2-4. 크리프 47
• Ⅴ. 結 論 48
• 參考 文獻 50
• 英文 抄錄 52