Pressure sensor showing the MEMS silicon die and glass pedestal

압력 센서

압력 센서는 언제 어디서나 일상 생활을 지원하며 단순화 하게합니다. 자동차, 스마트폰, 의료 기기, 산업, 심지어 공기 중에서도 압력 측정이 사용되며 안전, 건강 및 프로세스 제어가 가능해집니다.

책임이 큰 소형 부품

현재 거의 20억 개의 압력 센서가 매년 생산되고 있습니다. 이 인상적인 수치는 압력 센서의 다용성 덕분입니다. 몇 밀리바의 압력을 최대 수천까지 감지할 수 있어 다양한 산업에서 중요한 역할을 합니다. 자동차 및 의료 부문은 물론 소비자, 산업, 항공 전자 및 기타 고급 응용 분야에서도 찾아볼 수 있습니다. 

Hand checking the pressure of a car tire
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자동차

타이어용 TPMS 시스템과 파워트레인 기능 모니터링부터 에어백 및 안전벨트 작동에 이르기까지 자동차 산업에서의 압력 센서는 성능과 안전성을 보장하는 다양한 작업을 수행합니다.

Two male hospital patients with ventilators and female doctor
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의학

의료 과학 분야는 최소 침습 수술(MIS), 동맥 검출 기법, 로봇 보철물 개발 및 환자의 생물학적 분석 개선과 같은 프로세스를 개선하기 위해 압력 센서에 점점 더 의존하고 있습니다.

Female hand operating a smart watch
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소비자 제품

스마트폰과 스마트 시계와 같은 기술은 훨씬 더 작고 가벼우며 민감한 압력 센서를 필요로 하는 시장의 일부입니다. 이 시장은 비용을 절감하는 동시에 새로운 센서를 필요로 하는 더 많은 기능과 함께 더욱 발전해 나갈 것입니다.

Pressure gauges in an industrial environment
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업종

산업용 센서는 압력을 아날로그 또는 디지털 신호로 변환하여 산업용 가스와 액체의 재고 또는 제어 수준을 정확하게 측정합니다. 이러한 압력 센서는 가장 열악한 화학적 및 열 환경에서 뛰어난 성능을 유지해야 합니다.

An airplane in the sky above the clouds
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항공 전자 공학

항공 분야에서 전자부품의 일관된 성능은 신뢰할 수 있는 압력 센서에 달려 있습니다. 항공기 수명이 다할 때까지 견고하고 신뢰할 수 있는 유리 패키징은 매우 가혹한 조건에서도 센서의 성능을 보호하고 최적화할 것입니다.

압력 센서가 자동차 부문을 이끄는 방법

압력 센서용 표준 설정 유리 제품

SCHOTT 유리 및 유리 웨이퍼는 원 유리로 부터 가공되든 구조화되든 관계 없이 높은 내화학성, 낮은 전기 및 열 전도성, 매우 정확한 압력 센서를 위한 뛰어난 구조성으로 이루어진 이상적인 조합을 제공합니다. 매우 평평하고 균질한 BOROFLOAT® 33 유리는 양극 접합에 대한 적합성 덕분에 MEMS 센서의 패키징에 이상적입니다. 매우 얇은 형식(0.3mm 이하)이 필요한 경우 MEMpax®를 사용할 수 있습니다. SCHOTT FLEXINITY® 구조화된 유리 기판 및 웨이퍼는 비용을 절감하면서 효율성을 높이는 맞춤형 구조로 기능성을 더욱 향상시킵니다.

압력 센서의 응용 범위를 보여주는 동영상
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SCHOTT-FLEXINITY®-Picture-Pressure Sensor MEMS-2021 04 20
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MEMS 다이의 제조 및 압력 센서에 사용되는 방법을 보여주는 동영상
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1. 소형 부품을 위한 거대한 시장

현재 거의 20억 개의 압력 센서가 매년 생산되고 있으며, 이 수치는 매년 약 7%씩 증가할 것으로 예상됩니다. 압력 센서의 가장 큰 시장은 자동차 부문으로, 현재 생산되는 유닛의 절반 이상을 사용하고 있습니다. 신차 한 대당 약 10개입니다. 압력 센서는 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)에서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 엔진과 변속기 오일과 같은 중요한 유체의 압력을 점검하는 데도 사용됩니다. 에어백 작동 및 차량 승원 감지와 같은 애플리케이션을 추가하여 안전 벨트 사용을 점검하면 자동차 안전을 위한 가장 중요한 구성품 중 하나가 됩니다.

2. 압력 센서 작동 방법

압력 센서는 복잡한 전자 장치와 강력한 패키징 소재를 상호작용성이 높게 조합한 것입니다. 압력 센서의 중심에는 적용된 압력으로 구부러지는 작고 매우 얇은 막을 포함하는 극도로 민감한 구조인 접합된 MEMS 실리콘 다이가 있습니다. 이러한 압력은 멤브레인 상부의 피에조레지스터에 의해 감지되고, 저항 변화를 통해 전기 신호로 변환됩니다. 이 전기 신호는 애플리케이션별 집적 회로(ASIC)에 의해 보정되고 평가됩니다. 

MEMS 실리콘 다이의 전반적인 성능의 핵심은 실리콘 아래의 페데스탈로, 압력 전달 유체나 가스를 멤브레인 쪽으로 유도하는 매우 정확한 스루홀(through-hole)을 제공합니다. 유리는 전기 및 열 전도율이 낮고, 내화학성이 높으며, 구조성이 뛰어나고, 실리콘과 일치하는 열팽창 계수(CTE)가 있으므로 이러한 페데스탈에 이상적인 소재입니다.

3. 양극 접합 원리

고성능 압력 센서의 정확성, 신뢰성 및 수명의 핵심은 붕규산 유리 패키징 구성품과 기능성 실리콘 장치 간의 결합입니다. 이 접합은 약 400°C의 온도 및 최대 2,000V의 전압에서 양극 접합 공정에 의해 웨이퍼 레벨에서 유리와 실리콘의 화학 성분을 결합시켜 전기화학적으로 형성됩니다. 이 접합은 강력하고 안정적이어야 하며, 다이 패키징 용액에서 요구되는 높은 전기적, 열적 및 화학적 저항성에 기여해야 합니다.  

Prof. Dr-Ing. Roy Knechtel, 독일 슈말칼덴 응용과학 대학교
Prof. Dr-Ing. Roy Knechtel, 독일 슈말칼덴 응용과학 대학교
유리 웨이퍼는 MEMS 압력 센서에 더 높은 안정성과 정밀도를 제공합니다.

Prof. Dr-Ing. Roy Knechtel 교수 겸 박사가 MEMS 기반의 압력 센서를 위한 효과적인 패키징의 중요성과 유리가 이상적인 소재인 이유에 대해 설명합니다.

MEMS* 기반 압력 센서의 주요 시장은 자동차, 의료, 산업 및 소비자 응용 분야입니다. 현재와 미래의 요구사항은 이러한 부문 내에서 응용 분야마다 다릅니다. 자동차, 의료 및 산업 부문에서 제품 개발자들은 정밀도, 장기적 안정성 및 견고성을 향상시키는 데 주력하고 있으며, 열악한 환경도 고려합니다.
대량 소비자 응용 분야의 경우, 저렴한 비용으로 소형화에 대한 수요를 증가시키는 것이 과제입니다.

(*마이크로 전자 기계 시스템)

기계적 응력에 민감한 실리콘 MEMS 다이의 패키징은 시스템의 전반적인 성능을 함께 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 이른바 첫 번째 레벨 패키징의 경우 다음과 같은 세 가지 주요 작업이 있습니다.

  • 최종 모듈 및 시스템 레벨 패키지에 스트레스 디커플링 및 전자적 절연 제공
  • 완벽하게 밀폐된 기준 압력 활성화
  • 추가 보호 기능 제공 (예: 거친 매체).
유리는 이상적이고 본질적인 특성 포트폴리오 덕분에 많은 압력 센서 유형에서 첫 번째로 선택하는 패키지 소재입니다. 유리는 낮은 전기 전도성을 제공하며 실리콘에 완벽하게 밀폐하여 접합될 수 있습니다. 유리의 광학 투과율은 접합 결과를 모니터링하고 광학적인 적용을 가능하세 합니다. 유리는 고유한 장점의 결합을 보완하며 합리적인 비용으로 높은 정밀도로 구조화할 수 있습니다.

압력 센서 시스템 성능 개선에 대한 요구가 증가함에 따라 유리 패키징 솔루션은 지속적인 과제에 직면해 있습니다. 다이가 작을수록 웨이퍼당 다이의 수가 더 많아집니다. 이를 위해서는 구조화된 압력 센서 페데스탈 웨이퍼의 직경과 홀 위치 지정 시 보다 엄격한 공차가 필요합니다. 전체 장치 두께는 줄이되 응력 분리 기능은 유지하려면 가능한 한 얇은 유리에서 구현하는 것이 가장 좋습니다.

초고정밀 FLEXINTY® 포트폴리오의 구조화된 유리와 함께, 잘 알려진 BOROFLOAT® 33의 광택 및 표면 결함이 없는 초박형 "자매" 소재인 MEMpax®와 결합된 고성능 유리 기반 솔루션은 이제 미래의 압력 센서 시장 수요를 충족시키기 위해 사용할 수 있습니다.

SCHOTT와 슈말칼덴 대학교는 MEMpax® 유리 구조화 및 양극 웨이퍼 접합을 하나의 중요한 예로 들면서 유리 소재 가공과 프로세스 통합에 대한 포괄적인 이해를 구축할 것입니다. 신뢰할 수 있는 실험 데이터 및 시뮬레이션을 사용함으로써 자동차 산업과 같이 확립된 가치 사슬에서 새로운 유리 소재 및 구성품 옵션을 사용할 기회를 가질 수 있는 확신을 가질 수 있습니다. 일반적으로 결과는 다양한 MEMS 기술에서 유리 웨이퍼를 새롭게 적용할 수 있는 매우 우수한 도태를 제공합니다.