[스마트 센서 심포지움] 압력센서 개발은 진행형...MEMS 응용 필요

등록 2014.03.27 14:18:29

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Smart Sensor Symposium
압력센서 개발은 진행형…MEMS 응용 필요

김우정 맨텍 대표이사
반도체형 압력센서의 제품화 사례와 신뢰성 시험

정리 임근난 기자(fa@hellot.net)

압력센서는 25년 전에도 그렇고 지금도 연구개발은 계속되고 있다. 또한, 새로운 성능의 센서들이 출시되며 다양한 산업에 응용되고 있는 점을 고려할 때 투자해야 하는 분야로 인식되고 있다. 여기서는 국내 반도체 압력센서 실용화에 앞장서고 있는 맨텍이 반도체형 압력센서 기술을 바탕으로 제품화한 것과 이를 어떻게 신뢰성 확보하는지를 소개하겠다.

반도체형 압력센서 개발 현황

맨텍은 MEMS를 이용한 반도체형 압력센서 기술을 바탕으로 다양한 아이디어 제품을 연구, 개발하고 있다. 현재 맨텍이 생산하고 있는 주요 제품은 반도체형 압력 및 가스센서와 센서 응용 모듈 등이 있다.
먼저, 반도체형 압력 및 가스센서는 압력센서 셀, 봉입형 압력센서, 도시가스용 압력센서, MEMS형 가스센서, 하중 센서, 기울기 센서, 자동차용 압력센서 형태로 개발되어 납품되고 있다.
센서 응용 모듈에는 소방용 제연 시스템, 미압 트랜스미터, 듀얼 압력 트랜스미터, 공조용 차압센서, USB형 가스 측정기, NDIR C02 모듈, 화재감지 모듈, 고정밀 압력트랜스듀서, 수위측정용 압력센서 등이 있다.
또한, 압력센서는 고정도 압력센서, 자동차용 압력센서 및 압력 스위치, 고신뢰성 압력센서 등 3가지 형태로 양산하고 있다. 고정도 압력센서는 제품 개발 시 신뢰성과 안전성을 어떻게 확보하느냐에 초점을 맞췄다. 고정도 압력센서 양산을 위해 MEMS 압저항형 압력센서 제조 공정을 자체 개발했으며, 오일 주입 장착한 압력 발신기 회로, 스테인리스 스틸 박판 등도 개발했다. 또한, 정도 ±0.15%FS의 신뢰성과 압력 범위 0~5 psi gauge, 여기전압 7~ 30V의 성능을 갖췄다. 이 제품은 주로 방산용 압력센서 용도로 사용된다.
자동차용 압력센서 및 압력스위치는 MEMS 기술과 반도체 센서 기술을 이용한 핵심 부품의 구조해석 및 최적 형상화 설계로 개발됐다. 이 압력센서는 순수 국내 기술로 제작되어 수입 압력센서의 국산화 대체가 가능해 가격 경쟁력이 높다. 맨텍은 이 제품을 연간 10만 개 생산하고 있다.
마지막으로 고신뢰성 압력센서는 -55~175℃의 매우 넓은 온도 범위와 1,480,000 사이클의 뛰어난 내구성을 갖췄으며, 이런 특성 때문에 항공 분야에 주로 사용된다.

소형·집적화는 세계적 추세

국내 기술 동향을 보면, 반도체형 압력센서의 연구는 1990년부터 대학을 중심으로 진행됐다. 짧은 기간인 만큼, 최근 의료·산업·가전·방산용 센서의 수요가 많이 창출되고 있지만, 국내에서는 대부분 수입에 의존하고 있다. 또한, 제품 안정성과 신뢰도 확보를 위한 기술 개발도 미흡한 실정이다. 또한, 국내 수요가 많지 않아 MEMS형 압력센서 소자 업체 대부분은 사업을 포기하거나 고려하고 있다.
그러나 해외에서는 국가 차원에서 연구개발에 과감한 투자가 이루어지면서 의료·가전·산업·방산용 센서 등 다양한 종류의 압력소자 제작기술을 보유, 고부가가치화를 꾀하고 있다. 최근에는 소형·집적화된 압력센서 제작이 세계적인 추세이다.
국내 센서기술 발전을 위해 정부 차원의 과감한 투자가 필요한 시점이라고 본다.

압력센서는 신뢰성이 중요

MEMS 기술 기반 반도체형 압력센서 제작을 위한 맨텍의 핵심 기술로는 보정 및 신호처리 기술, MEMS 소자 패키징 기술, MEMS 설계 및 제작 기술, 성능시험 및 평가 기술 등이 있다.
맨텍은 이러한 4가지 핵심 기술을 바탕으로 국산화를 통한 압력센서를 양산하고 있으며, MEMS형 압력, 가스, 기울기 센서의 양산화 제작 기술 등을 보유하고 있다. 또한, 정밀도 0.1%FS, 1mbar~250bar, -55~175℃ 범위의 보정 시스템 및 기술도 가지고 있다.
이처럼 맨텍은 압력센서 관련 다양한 영역에서 접근하며 제품개발을 하고 있으나, MEMS 소자 패키징 기술과 성능시험 및 평가기술 등은 아직 국내 수요가 많지 않아 MEMS 투자 대비 이윤 창출이 어려운 상황이다.
그러나 자동차, 항공, 방산 분야에 신뢰성 등을 많이 요구하고 있기 때문에 연구는 계속해야 한다고 본다. 현재 자동차용, 방산용 센서 성능 시험을 마치고 관련 업체에 납품 중이다.
다음으로, 압력센서 제작에 들어가면, 우선 기본적으로 시뮬레이션을 통한 구조 설계를 해야 한다. 여기에는 압력 인가시의 유한요소 응력 해석과 설계된 모델의 진동모드 해석으로 진행된다. 맨텍은 연구소와 협조해서 공동개발을 많이 하고 있다. 특수한 사양이 필요한 경우는 전자부품연구원 등과 협의하며 별도 개발하는 체제를 가지고 있다.
또한, 압력센서 제작 공정은 1)Ini-tial Wafer 2)Nitride depo 3)Top Nitride remove 4)Ion Implantation 5)Resister patterning 6)PE Oxide depo 7)Oxide open 8)Backside nitride pattern 9)Backside Si Wet etch 10)Backside Nitride remove 11)Si/Glass anodic bonding 등의 흐름으로 진행된다.
다음으로 센서 신호처리 회로가 있다. 이 회로는 반도체형 압력센서 신호를 정밀계측 Amp를 통해 증폭하고 CPU에 내장된 ADC를 통해 그 값을 읽어 현재의 압력을 검출한다. 최근 국내에도 수입된 신호처리 회로들이 많이 들어와 있다. 맨텍은 수입된 회로에서 충족되지 못한 부분들은 자체 회로를 만들어 사용한다.
또한, 압력센서 제작에는 보정이라는 데이터 입력 프로그램이 있다. 보정 프로그램을 통해 온도와 차압, 정압, 압력 등을 인지하게 된다.
마지막으로 신뢰성 시험이다. 맨텍은 신뢰성 충족을 위해 성능시험 측정과 환경시험 측정을 실시하고 있다.
성능시험 항목 중 정확도는 ±0.25%FS가 되어야 하며, 허용압력은 사용압력×2, 파괴압력은 사용압력×3, 공급전압은 18~32VDC 등의 기준에 만족해야 한다.
또한, 환경시험 항목 중 고온 동작시험은 125℃에서 120분간 동작, 저온 동작시험은 -45℃에서 120분간 동작할 수 있어야 하며, 충격시험은 최대 가속도(40g), 지속시간(15~23ms), 크로스오버 주파수(45Hz) 기준 등에 만족해야 한다.

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