KR100313905B1 - 볼로메터 센서 - Google Patents

Abstract

적외선 감지용 저항형 볼로메터 센서에 관한 것으로, 센서 내부에 마이크로 히터를 구성하여 VO₂감지 소자의 온도를 비저항 변화가 크게 발생하는 상전이 온도로 일정하게 유지시킴으로써, 센서의 감도를 크게 향상 시킬 수 있다. 그리고, 감지 소자의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 센서 내부의 온도를 감지하는 온도 센서와, 온도 센서의 출력신호를 인가 받아 센서 내부의 온도 변화를 판단하는 비교판단부와, 비교판단부의 출력신호에 따라 마이크로 히터에 인가되는 전압을 조절하여 센서 내부의 온도를 일정하게 유지하는 제어부가 더 포함하도록 구성함으로써, 센서의 온도를 항상 일정하게 유지하여 주위 온도 변화에 센서의 감도가 영향을 받지 않도록 한다.

Description

볼로메터 센서{bolometer sensor}

본 발명은 볼로메터 센서에 관한 것으로, 적외선 감지용 저항형 볼로메터 센서에 관한 것이다.

최근까지 적외선을 감지하기 위한 센서로서는 열전 효과를 이용한 열전대 센서(thermopile sensor), 초전 현상을 이용한 초전기 센서(Pyroelectric sensor), 여기에 바이어스를 걸어 유전율의 변화를 감지하는 강유전 볼로메터(Ferroelectric bolometer), 그리고 온도변화에 따른 저항의 변화를 감지하는 저항형 볼로메터 등이 많이 사용되어 왔다.

이 중에서 저항형 볼로메터는 감지소자(저항체)에 바이어스 전압을 인가하고, 이때 입사된 적외선을 흡수하여 변화된 감지소자의 온도변화에 따른 저항변화로 인한 출력전압의 변화를 이용하여 적외선을 감지하는 방식으로 다른 방식의 센서보다 감도가 높아 일반적으로 높은 감도가 요구되는 서멀 이미징 시스템(thermal imaging system)과 같은 곳에 응용되고 있으며, 최근에는 귓속의 온도를 읽어 인체의 체온을 정확히 측정하는 정밀 체온계와 같은 곳에 응용을 목적으로 많이 연구되고 있다.

온도이 변화를 감지하는 저항체로는 산화물인 바나디움 다이옥사이드(vanadium dioxide ; VO₂), 타이타늄 옥사이드(titanium oxide) 등이 있으며, 금속으로는 타이타늄(titanium), 플래티늄(platinum) 등과 같은 물질들이 있다.

이 중 반도체 산화물인 바나디움 다이옥사이드(VO₂)는 온도저항계수(Temperature coefficient of resistance, 이하 TCR로 칭함)가 -2 ∼ -4%/K로 Ti, Pt와 같은 금속 저항체에 비해 TCR이 10 ∼ 20배 정도 높아 고감도의 볼로메터 센서 개발에 유리하다.

도 1은 스퍼터링 방법으로 증착한 일반적인 VO₂박막의 온도 변화에 따른 비저항의 변화를 나타낸 그래프로서, VO₂산화물 박막은 도 1에 도시된 바와 같이 온도가 증가함에 따라 비저항이 감소하는데, 이것은 일반적인 산화물 반도체가 가지고 있는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 특성을 보여주는 것이다.

VO₂산화물 반도체의 온도-비저항 특성 중에서 특이한 점은 도 1에 도시된 바와 같이 55 ∼ 70℃ 부근의 온도에서 상전이가 일어나는데, 결정구조상으로 반도체 성질을 갖는 모노클리닉(Monoclinic) 구조에서 금속 성질을 갖는 테트라고날(Tetragonal) 구조로의 상전이가 발생한다.

이러한 상전이로 인하여 VO₂의 비저항은 급격히 감소한다.

상기의 상전이 온도는 박막의 제조 과정에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.

도 2는 일반적인 볼로메터형 적외선 센서를 보여주는 구조단면도로서, 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 볼로메터 센서는 실리콘 기판(1) 표면에 두께 1㎛ 정도의 저응력 Si₃N₄박막이나 SiO₂/Si₃N₄/SiO₂와 같은 복합 박막을 멤브레인막(2)으로 형성하고, 그 위에 적외선 감지 박막(3)과 전극(4)을 형성한다.

이어, 감지 박막(3)과 전극(4) 위에 절연막(5)으로 소자를 패시베이션(passivation)한 다음, 절연막(5) 위에 적외선을 흡수하는 흡수체(6)를 형성함으로써, 제작된다.

그리고, 종래의 볼로메터 센서는 열적 고립(thermal isolation) 효과를 높이기 위하여 멤브레인막(2) 하부의 실리콘 기판(1)을 제거한 구조로 되어 있다.

이러한 센서의 구조는 감지 소자의 온도가 바이어스 전압에 의한 자체 가열(self heating)에 의해서 정해지기 때문에 VO₂소자의 온도를 TCR이 큰, 즉 비저항 변화가 크게 발생하는 상전이 온도 영역으로 유지하기가 곤란하며, 또한 주위 온도 변화에 따라 소자의 온도가 영향을 받아 감도도 변하게 되는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 감지 소자의 온도를 일정하게 유지시켜 센서의 감도를 향상시키고 주위 환경 변화에 대응 가능하게 하는 볼로메터 센서를 제공하는데 있다.

도 1은 스퍼터링 방법으로 증착한 일반적인 VO₂박막의 온도 변화에 따른 비저항의 변화를 나타낸 그래프

도 2는 일반적인 볼로메터형 적외선 센서를 보여주는 구조단면도

도 3은 본 발명에 따른 볼로메터 센서를 보여주는 구조단면도

도 4는 본 발명에 따른 볼로메터 센서의 VO₂감지 소자의 온도를 일정하게 유지하기 위한 블록 구성도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

7 : 실리콘 기판 8 : 멤브레인막

9 : 마이크로 히터 10 : 제 1 절연박막

11 : VO₂박막 12 : 전극패드

13 : 제 2 절연박막 14 : 흡수체박막

15 : 볼로메터 센서 16 : 온도 센서

17 : 비교판단부 18 : 제어부

본 발명에 따른 볼로메터 센서는 멤브레인과, 멤브레인 하부면에 멤브레인의 일정영역이 노출되도록 형성되는 기판과, 멤브레인 상부면에 형성되는 마이크로 히터와, 마이크로 히터의 상부에 형성되는 VO₂감지막과, VO₂감지막에 전기적으로 연결되는 전극패드와, VO₂감지막의 상부에 형성되는 흡수체막으로 구성된다.

여기서, 마이크로 히터와 감지막 사이에는 제 1 절연막이 형성되고, 감지막과 흡수체막 사이에는 제 2 절연막이 형성되며, 제 1, 제 2 절연막은 0.1 ∼ 1㎛인두께를 가지고, Si₃N₄, SiO₂, SiO_xN_y, PSG(Phosphorus Silicate Glass), 폴리이미드 박막 중 어느 하나로 이루어진다.

그리고, 본 발명은 센서 내부의 온도를 감지하는 온도 센서와, 온도 센서의 출력신호를 인가 받아 센서 내부의 온도 변화를 판단하는 비교판단부와, 비교판단부의 출력신호에 따라 마이크로 히터에 인가되는 전압을 조절하여 센서 내부의 온도를 일정하게 유지하는 제어부가 더 포함되어 구성된다.

이와 같이, 구성되는 본 발명은 센서 내부에 마이크로 히터를 구성하여 센서의 감도를 크게 향상시키고, 센서 패키지 내부에 구성된 온도 센서를 이용하여 소자의 온도를 판단하고, 이로부터 마이크로 히터의 전압을 조절함으로써, 센서의 온도를 항상 일정하게 유지하여 주위 온도 변화에 센서의 감도가 영향을 받지 않도록 한다.

또한, 마이크로 히터를 열전도가 적은 멤브레인 상에 구성하여 히터의 열 손실을 적게 하여 히터에 의한 소비전력을 작게 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 센서 소자에 히터를 내장하여 소자 온도를 VO₂상전이 온도 영역으로 일정하게 유지함으로써, 센서의 감도를 높이고 주위의 온도 변화에 영향을 적게 받는 히터 내장형 볼로메터 센서이다.

도 3은 본 발명에 따른 볼로메터 센서를 보여주는 구조단면도로서, 먼저 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(7) 위에 저응력의 Si₃N₄, SiO_xN_y, SiO₂/Si₃N₄/SiO₂등으로 이루어진 멤브레인막(8)을 형성하고, 이 멤브레인막(8) 위에 온도 유지를 위한 마이크로 히터(9)를 형성한다.

여기서, 마이크로 히터(9)는 백금과 같은 금속을 스퍼터링과 같은 박막 증착 장치를 이용하여 쉽게 형성할 수 있다.

이어, 마이크로 히터(9) 위에 제 1 절연박막(10)을 형성한다.

여기서, 제 1 절연박막(10)은 약 0.1 ∼ 1㎛인 두께로 형성하고, Si₃N₄, SiO₂, SiO_xN_y, PSG(Phosphorus Silicate Glass), 폴리이미드 박막 등으로 형성한다.

그리고, 제 1 절연박막(10) 위에 감지 소자인 VO₂박막(11)을 형성하고, VO₂박막(11)과 전기적으로 연결되도록 금속막을 증착하고 패터닝하여 전극패드(12)를 형성한다.

여기서, VO₂박막(11)은 두 가지 방법으로 형성할 수 있는데, 첫 번째 방법은 바나디움(vanadium) 금속 박막을 증착하고 패터닝한 후, 약 350도 ∼ 450도의 온도와 N₂+ O₂혼합 가스 분위기에서 열처리하는 방법이고, 두 번째 방법은 기판 온도를 300도 ∼ 450도로 유지하고 인-시투(in-situ)로 아르곤(Ar)과 산소 혼합 가스를 주입하면서 반응성 스퍼터링 방법을 사용하여 VO₂를 직접 증착한 후, 패터닝하는 방법이다.

상기의 열처리 온도 또는 기판 온도 범위에서 형성된 VO₂박막의 비저항은 열처리 온도가 증가함에 따라 0.2Ω㎝에서 5Ω㎝로 증가하며, TCR은 상기 열처리 온도 범위에서 -2.2 ∼ -4%/K의 값을 갖는다.

또한, 모노클리닉(monoclinic) 구조에서 테트라고날(tetragonal) 구조로의 상전이 온도는 박막 형성 조건에 따라 약 55 ∼ 70℃의 온도 범위에 있게 된다.

일 예로 도 1은 상기 VO₂박막 형성 방법 중에서 첫 번째 방법으로 형성한 VO₂박막의 온도 변화에 따른 비저항 변화를 나타낸 것으로, 약 65℃ 부근에서 상전이 온도를 갖는다.

이어, 도 3에 도시된 바와 같이 VO₂박막(11) 위에 제 2 절연박막(13)을 증착하는데, 제 1 절연박막(10)과 마찬가지로 Si₃N₄, SiO₂, SiO_xN_y, PSG(Phosphorus Silicate Glass), 폴리이미드 박막 등으로 형성한다.

그리고, 제 2 절연박막(13) 위에 외부로부터 입사되는 적외선을 흡수하기 위한 적외선 흡수체박막(14)을 형성한다.

여기서, 적외선 흡수체박막(14)은 NiCr, CrN, RuO₂, 금-블랙(Au-black)과 같은 적외선 흡수율이 높은 막을 형성한다.

마지막으로, 소자의 열 손실을 적게 하기 위하여 마이크로 히터(9)와 VO₂박막(11)이 형성된 하부의 실리콘 기판(7)을 에칭하여 멤브레인막(8)이 공중에 떠 있도록 제작한다.

도 4는 본 발명에 따른 볼로메터 센서의 VO₂감지 소자의 온도를 일정하게 유지하기 위한 블록 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, VO₂박막(11)의 온도를 일정하게 유지하기 위한 본 발명의 기본적인 구성은 감지 소자인 VO₂박막(11)과 마이크로 히터(9)가 함께 형성된 볼로메터 센서 패키지 내에 볼로메터 센서(15)의 내부 온도를 감지하는 온도 센서(16)가 형성되고, 이 온도 센서(16)로부터의 신호(S1)을 인가 받아 센서 내부의 온도를 판단하는 비교판단부(17)와, 비교판단부(17)로부터의 신호(S2)를 인가 받아 마이크로 히터(9)에 인가되는 전압을 조절하고 볼로메터 센서(15)를 구동시키는 제어부(18)로 구성된다.

일 예로 센서는 작동 초기에 제어부(18)에 의해 마이크로 히터(9)에 전압을 인가하고 가열하여 감지 소자인 VO₂박막(11)의 상전이 온도 영역으로 유지하여 센서가 고감도로 유지하게 한다.

센서가 작동 중에 주위 환경의 온도 변화로 소자 온도가 변하게 되면 동일한 센서 패키지 내에 실장된 온도 센서(16)가 센서(15) 내부의 온도 변화에 해당하는 출력 변화 신호를 비교판단부(17)에 보내고, 비교판단부(17)에서는 온도 센서(16)의 신호로부터 센서(15) 내부의 온도 변화를 판단하여 그 신호를 제어부(18)에 보내게 된다.

비교판단부(17)로부터 신호를 받은 제어부(18)는 마이크로 히터(9)에 인가되는 전압을 조절함으로써, 센서(15) 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 한다.

즉, 제어부(18)는 VO₂박막(11)의 온도를 초기와 같이 일정하게 유지되도록 한다.

본 발명에 따른 볼로메터 센서에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 동일한 소자에 마이크로 히터와 감지 소자가 함께 형성되어 있어 감지 소자의 온도를 비저항 변화가 큰 온도로 일정하게 유지할 수가 있어 볼로메터 센서의 감도를 높일 수 있다.

또한, 마이크로 히터의 온도 조절 기능으로 센서가 외부 환경 변화에 의해 감도가 변하지 않는 매우 안정적인 센서 제조가 가능하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (7)

1. 멤브레인;

   상기 멤브레인 하부면에 멤브레인의 일정영역이 노출되도록 형성되는 기판;

   상기 멤브레인 상부면에 형성되는 마이크로 히터;

   상기 마이크로 히터의 상부에 형성되는 감지막;

   상기 감지막에 전기적으로 연결되는 전극패드; 그리고,

   상기 감지막의 상부에 형성되는 흡수체막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 히터와 감지막 사이에는 제 1 절연막이 형성되고, 상기 감지막과 흡수체막 사이에는 제 2 절연막이 형성되는 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연막은 0.1 ∼ 1㎛인 두께를 가지고, Si₃N₄, SiO₂, SiO_xN_y, PSG(Phosphorus Silicate Glass), 폴리이미드 박막 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   센서 내부의 온도를 감지하는 온도 센서;

   상기 온도 센서의 출력신호를 인가 받아 상기 센서 내부의 온도 변화를 판단하는 비교판단부;

   상기 비교판단부의 출력신호에 따라 상기 마이크로 히터에 인가되는 전압을 조절하여 상기 센서 내부의 온도를 일정하게 유지하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 감지막은 VO₂박막인 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은 Si₃N₄, SiO_xN_y, SiO₂/Si₃N₄/SiO₂중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 흡수체는 NiCr, CrN, RuO₂, 금-블랙(Au-black) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼로메터 센서.