첨단 수송장비용 센서 및 응용시스템 개발 = Development on Sensors and Application System for Advanced Car

국문 초록 (Abstract)

자동차의 안전성 향상과 편리성은 정밀한 기계적 시스템과 첨단 전자 시스템의 조화에 의한 것이다. 현재 자동차의 전자 시스템 중 엔진의 고효율을 위해 엔진유입 공기량, 실린더의 압력, 엔진의 회전수 등을 검출하는 센서부와 사고의 원인인 타이어 펑크를 모니터링하는 시스템이 첨단 수송 장비의 핵심 부품이다. 따라서 이를 개발하기 위해서 1) 자동차용 Air Flow Sensor, 2) 자동차용 엔진 MAP Sensor, 3) 멀터센서 모니터링 시스템, 4) 자동차 실내 환경제어용 센서시스템 개발을 위한 연구를 수행하였다.
자동차용 엔진 공기유량센서를 제작하기 위해서 유한차분법과 SPICE로 시뮬레이션을 수행하고 이 결과로 센서를 설계하였다. 센서의 저항체를 제작하기 위해서 백금박막을 제작하고 각각 조건별로 특성을 조사하여 패터닝이 잘되고 저항값이 크고 온도계수가 큰 조건을 선택하여 센서를 제작하였다. 센서는 lift-off법으로 백금을 패터닝하고 PI-2723을 보호막으로 사용하였다. 구동회로는 정온도형으로 동작하도록 피이드백 회로를 사용하였고, 기준유량계 출력과 일치하도록 피이드백 회로의 출력전압을 증폭하였다. 유체의 온도와 유량을 변화시킬 수 있는 실험장비를 제작하고 기준유량계와 제작한 유량계의 출력을 동시 측정하여 실험결과를 비교하였다. 유량에 대한 실험에서는 증폭한 출력전압은 기준유량계 출력과 거의 일치하였고, 스텝응답과 과도응답에서도 기준유량계 출력과 거의 일치함을 보았다.
자동차용 엔진 MAP Sensor의 연구에서는 SDB 웨이퍼를 이용하여 절대압 압력센서를 제조하였다. 센서의 구조는 두 개의 휫스톤 브릿지 회로와 다이아프램으로 구성되어있다. 두 개의 휫스톤 브릿지중 하나는 다이아프램의 가장자리에 위치하고, 다른 하나는 다이아프램의 가운데 부분에 위치한다. 다이아프램의 공극은 10^-5 Torr의 진공에서 형성시켜 공극안의 공기로 인한 압력센서의 감도에 미치는 온도효과를 줄였다. 이것은 압력센서의 온도보상에 대한 부수적인 방법이다. 본 실험의 주된 온도 보상법은 두 브릿지의 오프셋 전압의 차를 이용한 방법이다. 이 방법을 이용하여 22 ∼ 100℃ 범위에서 온도 영향을 80 %이상 보상할 수가 있었다.
멀티센서 모니터링 시스템 연구에서는 첨단 수송장치용에 적합한 직접 디지털 출력을 갖는 압력 센서와 온도 센서를 멀티 센서에 적합한 형태로 제작하였다. 압력 센서는 PR 희생층과 금속 구조층으로 하는 표면 마이크로머시닝 기술을 이용하여 제작하였으며, 온도 센서는 n-well CMOS 공정을 이용한 substrate PNP BJT 트랜지스터를 이용하여 제작하였다. 이 두 센서를 함께 제작할 수 있는 공정을 개발하였으며 각각소자에 대하여 측정 셋업을 구성하여 측정하였다. 직접 디지털 압력 센서의 출력에 대한 기본적인 동작 특성을 확인하였으며, 제작된 온도 센서의 감도는 1.57 ㎷/℃ 이다. 자동차 실내환경제어용 센서시스템 개발에서는 표준 CMOS 공정기술과 실리콘미세가공기술을 이용하여 자동차 실내환경 제어용 센서시스템을 개발하기 위하여 마이크로 가스유량센서와 습도센서를 설계하고 제조공정을 수행하였다. 가스유량센서의 경우 설계된 칩의 크기는 3 × 3 ㎟이고, 히터 좌우에 6 쌍의 n-poly/p-poly 열전대를 구성하였다. 습도센서의 경우 칩의 크기가 0.8 × 1.2 ㎟이고 단일 n-poly 실리콘히터로만 구성되어 있는 매우 간단한 구조를 하고 있다. 최소의 열용량과 기판 및 페케지를 통한 열손실을 최소화하기 위하여 열적 및 기계적 특성이 우수한 NON 구조의 브릿지형 다이아프램을 실리콘 미세가공 기술을 이용하여 구현하였다. 또한 NON절연막의 열전도특성을 연구하기 위한 측정소자를 설계·제작하고 그 특성을 측정 중에 있다.
마이크로 습도센서의 동작원리를 기술하고 마이크로 열센서를 구동하게 될 구동회로를 설계·검증하고 있으며 CMOS 회로화 하여 센서와 함께 집적된 센서시스템을 구현할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The improvement of safety and convenience in motor car lies on the harmony of a minute mechanical system and high-tech electric system. Nowadays the core part of the high-tech transport equipment is the system and the sensor part. The system monitors the flat tire that causes accidents and the sensor part detects the air amount of a engine intake, the pressure of the cylinder and the turn number of an engine for high efficiency of engine in car electronic system. In order to develop it, therefore we have studied 1) an air flow sensor for car engine, 2) a pressure sensor for car engine, 3) the system monitoring pressure of car tire.
We designed air flow sensor in use of a finite different method and SPICE simulation to make it. In order to make resistors in the sensor, we made platinum thin film and then we tested the characteristics of the thin film in various conditions. So we chose the condition which is patterning better, higher resistor value and higher temperature coefficient. The sensor of platinum thin film was patterned by lift-off method and passivated with PI-2723. We used the feedback circuit to make an operation circuit drive in constant temperature. We amplified the output voltage of the fabricated sensor in accordance with that of a reference flowmeter. We made an equipment to change fluid temperature and flow. We measured the output of the reference flowmeter and the fabricated flow sensor simultaneously, and compared them. In the experiment, the amplified output voltage nearly agree to the output of the reference flowmeter.
The absolute pressure sensor using SDB wafer has been fabricated. The structure of the sensor consists of two Wheatstone bridges and a diaphragm. One of the two Wheatstone bridges is located on the edge of diaphragm, and the other is located on the center of diaphragm. The diaphragm cavity is sealed in vacuum(∼10^-5 Torr) to reduce the effect of temperature due to the vapor in the cavity on the sensitivity of pressure sensor. This is the minor method of temperature compensation method. In this experiment the main compensation method is to use the differrence of the two bridge offset voltages. In this method the temperature effect in the range of 22 ℃ ∼ 100 ℃ was compensated over 80 %.
We produced a pressure sensor and a temperature sensor, which are suitable for a multi sensor, and have the direct digital output suitable for an advanced transporting equipment. The pressure sensor was fabricated using a surface micromachining technique with a sacrificial PR layer and a structural metal layer. The temperature sensor was fabricated using a substrate PNP BJT made by use of an n-well CMOS process. We developed the process that could produce these two sensors together, organized and estimated the setup about each element. The basic operating characteristics are identified about the direct digital output of the pressure sensor, and the sensitivity of the produced temperature sensor is 1.57㎷/℃ Micro gas-flow sensor and humidity sensor were designed and fabricated using a standard CMOS process technology and silicon micromachining techniques for an Interior Environment of Automotive. The chip size of designed gas-flow sensor is 3 × 3 ㎟ with six pairs of n-poly/p-poly thermocouples around the heater. For the case of the humidity sensor, the size is 0.8 × 1.2 ㎟ with single n-poly silicon heater and simplicity. A bridge type diaphragm of NON structure having an excellent mechanical and thermal properties, was implemented by silicon anisotropic etch. The thermal properties of NON insulator is investigating using by the measurement device that was designed and made specially. The operating principle of micro humidity sensor was described and the driving circuits of the micro thermal sensors were designed and verified. The circuits in CMOS will be integrated into the sensor system with the thermal sensor.