KR100358635B1 - Micro pyroelectric infrared sensor including an electrostatic chopper and method for forming thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쵸퍼가 내장된 실시간 초전형 적외선 센서 및 그 제조방법을 개시한다.The present invention discloses a real-time pyroelectric infrared sensor with a chopper and a manufacturing method thereof.
본 발명은 기판 위에 화학적 또는 물리적인 증착법으로 형성되는 초전체 박막과, 초전체 박막 위에 금속물질 또는 산화물질로 형성되는 전극과, 초전체 박막 외부에 마이크로머시닝 기술을 이용하여 3차원의 들뜬 구조를 가지며 고정자와 진동자로 분리되는 빗살무늬 형상의 실리콘과, 실리콘의 고정자 전면에 설치되는 적외선 입사필터를 포함한 것으로, 초전형 적외선 센서를 박막으로 제조함으로서 소자의 두께가 얇아져 소자의 체적 비열이 감소하고, 소자의 표면적이 작아짐에 따라 캐패시턴스가 감소하여 우수한 전압응답특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 초전형 적외선 센서 기능과 적외선 센서를 단락시키는 쵸퍼 기능을 하나로 패키징하여 동시에 수행할 수 있는 것이다.The present invention provides a three-dimensional excitation structure using a micromachining technique on a pyroelectric thin film formed on a substrate by a chemical or physical vapor deposition method, an electrode formed of a metal material or an oxide material on the pyroelectric thin film, and an outer surface of the pyroelectric thin film. It includes a comb-shaped silicon separated by a stator and a vibrator, and an infrared ray incidence filter installed on the front of the stator of silicon. By manufacturing a pyroelectric infrared sensor in a thin film, the thickness of the device is reduced and the volume specific heat of the device is reduced. As the surface area of the device decreases, the capacitance decreases to obtain excellent voltage response characteristics, and the pyroelectric infrared sensor function and the chopper function of shorting the infrared sensor can be packaged and performed simultaneously.
Description
본 발명은 초전형(Pyroelectrics) 적외선 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전체 박막 위에 빗살무늬 모양의 실리콘(Silicon)으로 3차원의 들뜬 구조를 형성하여 초전형 적외선 센서 기능과 적외선 센서를 단락시키는 쵸퍼 기능을 하나로 패키징하여 동시에 수행할 수 있는 쵸퍼(Chopper) 내장 초전형 적외선 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pyroelectrics infrared sensor, and more particularly, to form a three-dimensional hilarious structure of comb-shaped silicon on a pyroelectric thin film to short-circuit the pyroelectric infrared sensor function and the infrared sensor. The present invention relates to a built-in chopper pyroelectric infrared sensor that can simultaneously perform a chopper function in one package.
최근, 초전형 적외선 센서는 비접촉으로 물체의 검지나 온도검출을 할 수 있는 점을 살려서, 전자 레인지 조리물의 온도측정, 에어컨의 실내온도제어, 또는 자동문, 경보장치에서의 인체검지 등에 이용되고 있고, 앞으로도 그 이용범위는 확대되고 있다.In recent years, the pyroelectric infrared sensor has been used for non-contact detection and temperature detection of objects, temperature measurement of microwave cooking, indoor temperature control of air conditioners, or human body detection in automatic doors and alarm devices. The scope of use is expanding in the future.
초전형 적외선 센서는 리튬탄탈레이트(LiTaO3)단결정 등의 초전효과를 이용한 것이다. 초전체는 자발분극을 가지고 있고, 항상 표면전하가 발생하나, 대기 중에 있어서의 정상상태에서는 대기중의 전하와 결합되어, 전기적으로 중성을 유지하고 있다. 이에 적외선을 입사하면, 초전체의 온도가 변화하고, 이에 따라서 표면의 전하 상태도 중성상태가 파괴되어 변화한다. 이때에 표면에 발생하는 전하를 검출하고, 적외선 입사량을 측정하는 것이 초전형 적외선 센서이다. 일반적으로 물체는 그 온도에 따른 적외선을 방사하고 있고, 이 초전형 적외선 센서를 사용함으로써 물체의 존재나 온도를 검지할 수 있다.The pyroelectric infrared sensor utilizes pyroelectric effects such as lithium tantalate (LiTaO 3 ) single crystal. The pyroelectric body has spontaneous polarization and always generates surface charges, but in the normal state in the air, it is combined with the charges in the air and is electrically neutral. When an infrared ray is incident on it, the temperature of the pyroelectric material changes, and thus the state of charge on the surface is also destroyed and the neutral state changes. At this time, a pyroelectric infrared sensor detects electric charges generated on a surface and measures an infrared ray incident amount. In general, an object emits infrared rays according to its temperature, and by using this pyroelectric infrared sensor, the presence or temperature of an object can be detected.
초전형 적외선 센서의 성능을 나타내는 인자들 중 전압응답특성, 노이즈 등의 값은 초전형 적외선 센서의 감지능력(Detectivity)을 결정하는 값들이다. 전압응답특성은 500K로 유지한 흑체를 정현파(Sine Wave)로 변조시켜 입사한 복사에너지로 나눈 RMS 전압으로 정의된다. 입사된 적외선을 충분히 흡수하기 위해 전극의 선택이 중요하며, 센서소자의 비열이 작을수록 우수한 초전형 센서 재료임을 알 수 있다. 초전형 센서의 감도를 높이기 위해서는 유전상수 값아 작고, 표면 전하에 의한 신호전압비가 커야 한다.그러나, 노이즈의 관점에서는 높은 유전상수 및 낮은 유전손실일 경우 노이즈가 줄어드는 특징을 가지고 있다.Among the factors representing the performance of the pyroelectric infrared sensor, the values of voltage response and noise are values that determine the detectability of the pyroelectric infrared sensor. The voltage response characteristic is defined as the RMS voltage divided by the radiant energy incident by modulating the blackbody maintained at 500K into a sine wave. The electrode selection is important to sufficiently absorb the incident infrared rays, and the smaller the specific heat of the sensor element, the better the pyroelectric sensor material. In order to increase the sensitivity of the pyroelectric sensor, the dielectric constant value should be small and the signal voltage ratio due to the surface charge should be large. However, in terms of noise, the noise is reduced in the case of high dielectric constant and low dielectric loss.
도 1은 종래의 초전형 적외선 센서의 구성을 도시한 단면도이다. 초전체(1)는 세라믹으로 형성하고, 적외선을 검지한다. 밀봉캔(2)은 초전체(1)를 덮어서 외란광 및 전자 노이즈로부터 보호하며, 이 밀봉캔(2)의 개구부(3)에 적외선 입사필터(4)를 장착하고 있다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional pyroelectric infrared sensor. The pyroelectric body 1 is made of ceramic and detects infrared rays. The sealing can 2 covers the pyroelectric material 1 to protect against disturbance light and electromagnetic noise, and the infrared ray incidence filter 4 is attached to the opening 3 of the sealing can 2.
이와 같은 종래 기술에 따른 적외선 소자는 도 2에 도시된 바와 같이, 전통적인 세라믹 제조 공정에 의해 제작되고 있다.Such an infrared device according to the prior art is manufactured by a conventional ceramic manufacturing process, as shown in FIG.
그런데 종래의 제조 공정은 대기중에 노출되어 있어 주변의 온·습도 조건에 따라 소자의 특성 차이가 심하게 발생되며, 센서 패키징 제조 공정 중 적외선 입사필터(4)를 밀봉캡(2)에 부착시키는 과정, 밀봉캡(2) 고정을 위한 접합(Welding) 과정에서 오염과 충격에 의한 개구부(3)의 불량이 발생되고 있다.However, the conventional manufacturing process is exposed to the air, the characteristics of the device is severely generated according to the ambient temperature and humidity conditions, the process of attaching the infrared incident filter 4 to the sealing cap (2) during the sensor packaging manufacturing process, In the welding process for fixing the sealing cap 2, defects of the opening 3 due to contamination and impact have occurred.
또한, 종래 기술에 따른 초전형 적외선 센서는 주변의 온도 변화만을 감지하는 기능으로 인하여 초전형 적외선 센서가 적용된 실내등은 사람이 들어오면 주변의 온도 변화가 발생되는 순간만 인식하여 증폭 회로에 신호를 전달한다. 신호 발생 시간이 짧기 때문에 이를 보완하기 위해 회로 보정을 통해 신호를 발생시키지만그 신호가 30∼60초에 불과하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 초전형 적외선 센서 앞 부분에 쵸퍼(5)를 장착하여 사람이 들어오고 나가는 동안 연속적인 신호를 발생시켜 문제점을 보완할 수 있지만, 적외선 센서 패키징 이외의 별도의 기구물이 외부에 장착되어야 하는 단점이 있었다.In addition, since the pyroelectric infrared sensor according to the prior art detects only the temperature change of the surroundings, the indoor light to which the pyroelectric infrared sensor is applied recognizes only the moment when the temperature change of the ambient occurs when a person enters and transmits a signal to the amplifying circuit. do. Since the signal generation time is short, a signal is generated through circuit correction to compensate for this, but the signal is only 30 to 60 seconds, and as shown in FIG. 3, the chopper 5 is mounted in front of the pyroelectric infrared sensor. This can compensate for the problem by generating a continuous signal while the person is coming in and out, but there was a disadvantage that a separate device other than the infrared sensor packaging should be mounted on the outside.
한편, 초전형 적외선 센서의 개구부(3)를 단락시키기 위한 방법으로는 저속 모터를 이용한 방법과 압전체를 이용한 방법이 이미 알려져 있다.On the other hand, as a method for shorting the opening 3 of the pyroelectric infrared sensor, a method using a low speed motor and a method using a piezoelectric body are already known.
먼저, 저속 모터를 이용한 방법은 초전형 적외선 센서의 적외선 입사필터(4) 앞 부분에 저속 모터(미도시)를 장착하여 외부의 온도 변화 발생시 그 신호를 저속 모터에 입력하여 저속 모터가 회전하면서 초전형 적외선 센서를 단락시키는 구조이다.First, a method using a low speed motor is equipped with a low speed motor (not shown) in front of the infrared ray incidence filter 4 of the pyroelectric infrared sensor and inputs a signal to the low speed motor when an external temperature change occurs, thereby causing the low speed motor to rotate. It is a structure that shorts the typical infrared sensor.
그런데 이와 같은 구조에 있어서도, 저속 모터를 회전시키기 위해서 별도의 전압 및 모터의 회전 신호를 조절하기 위한 별도의 회로 보완이 이루어져야 하며 모터를 고정시키기 위한 지지대가 필요한 단점이 있었다.However, even in such a structure, in order to rotate the low speed motor, a separate circuit supplement for adjusting a separate voltage and a rotation signal of the motor must be made and a support for fixing the motor has a disadvantage.
다음으로 압전체를 이용한 다른 방법은 두 장의 압전체 사이에 금속판을 넣은 구조로, 금속판은 초전형 적외선 센서 앞 부분에서 외부 신호를 단락 시켜주는 역할을 한다.Next, another method using a piezoelectric material is a structure in which a metal plate is inserted between two piezoelectric elements, and the metal plate serves to short an external signal at the front of the pyroelectric infrared sensor.
그런데 초전형 적외선 센서를 단락시키기 위해서는 일정량의 변위를 가지고 진동해야 하기 때문에 금속판의 길이는 길어져야 하고, 금속판의 변위를 일정하게 하기 별도의 전압이 필요하며, 초전형 적외선 센서를 정확하게 단락 시키기 위해서 금속판의 진동 주파수는 작게 유지해하며, 바이몰프 구조의 쵸퍼를 고정하기 위한지지대를 별도로 장착해야 한다.However, in order to short-circuit the pyroelectric infrared sensor, it must vibrate with a certain amount of displacement, so the length of the metal plate must be long, a separate voltage is required to make the displacement of the metal plate constant, and the metal plate is required to accurately short-circuit the pyroelectric infrared sensor. Its vibration frequency should be kept small, and a support for fixing the bimorph structure chopper should be separately installed.
이처럼, 종래의 기술은 적외선 센서를 단락시키기 위해 별도의 구조물, 전압, 회로 보완, 지지대등 막대한 원 재료비의 상승이 요구되며, 기구물의 부피와 무게는 기존의 2∼3배 이상 커져야 한다. 또한 별도의 기구물을 장착하여 초전형 적외선 센서를 단락시키기 위해 쵸퍼와 개구부와의 거리 및 구조 설계 등 어려운 문제점들이 있다.As such, the prior art requires a huge increase in raw material costs such as separate structures, voltages, circuits, and supports to short-circuit the infrared sensor, and the volume and weight of the apparatus must be two to three times larger than the conventional one. In addition, there is a difficult problem such as the design of the distance between the chopper and the opening and the structural design to short-circuit the pyroelectric infrared sensor by installing a separate device.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 단점을 해결하기 위한 것으로, 초전형(Pyroelectrics) 적외선 센서를 유기금속화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)이나 스퍼터링법(Sputtering)에 의해 제작함으로서 주변의 온·습도 조건에 따라 소자의 특성 차이가 심하게 발생되는 것을 방지할 수 있는 초전형 적외선 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above disadvantages, by manufacturing a pyroelectrics infrared sensor by the organic organic chemical vapor deposition (MOCVD) or sputtering method (Sputtering) It is an object of the present invention to provide a pyroelectric infrared sensor that can prevent a serious difference in device characteristics depending on humidity conditions.
본 발명의 다른 목적은 마이크로머시닝(Micro-machining) 기술을 이용하여 초전체 박막 위에 빗살무늬 모양의 실리콘(Silicon)으로 3차원의 들뜬 구조를 형성하여 쵸퍼가 내장된 초전형 적외선 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to use a micro-machining technology to form a three-dimensional excitable structure of the comb-shaped silicon (Silicon) on the pyroelectric thin film and the chopper built-in pyroelectric infrared sensor and its manufacturing method To provide.
본 발명의 또 다른 목적은 초전형 적외선 센서를 박막으로 제조함으로서 소자의 두께가 얇아져 소자의 체적 비열이 감소하고, 소자의 표면적이 작아짐에 따라 캐패시턴스가 감소하여 우수한 전압응답특성을 갖는 고 감도의 초전형 적외선 센서를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to manufacture a pyroelectric infrared sensor with a thin film, so that the thickness of the device is reduced, the volume specific heat of the device is reduced, and the capacitance is reduced as the surface area of the device is reduced, thereby providing a high sensitivity ultra-high sensitivity having excellent voltage response characteristics. It is to provide a typical infrared sensor.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 이와 같은 목적을 실현하기 위한본 발명은 쵸퍼가 내장된 실시간 초전형 적외선 센서에 있어서, 기판 위에 화학적 또는 물리적인 증착법으로 형성되는 초전체 박막과, 초전체 박막 위에 금속물질 또는 산화물질로 형성되는 전극과, 초전체 박막 외부에 마이크로머시닝 기술을 이용하여 3차원의 들뜬 구조를 가지며 고정자와 진동자로 분리되는 빗살무늬 형상의 실리콘과, 실리콘의 고정자 전면에 설치되는 적외선 입사필터를 포함하는 쵸퍼 내장 초전형 적외선 센서를 제공한다.The present invention for realizing such an object The present invention for realizing such an object is a real-time pyroelectric infrared sensor with a chopper, a pyroelectric thin film and a pyroelectric thin film formed on the substrate by a chemical or physical vapor deposition method Electrode formed of metal material or oxide material on top, comb patterned silicon separated by stator and vibrator with three-dimensional excitation structure using micromachining technology on the outside of pyroelectric thin film, and installed in front of stator of silicon It provides a chopper built-in pyroelectric infrared sensor including an infrared incident filter.
또한, 본 발명은 쵸퍼가 내장된 실시간 초전형 적외선 센서 제조 방법에 있어서, 기판 위에 화학적 또는 물리적인 증착법을 이용해 초전체 박막을 형성하는 단계와, 초전체 박막에 금속물질 또는 산화물질의 전극을 형성하는 단계와, 초전체 박막 위에 마이크로머시닝 기술을 이용하여 3차원의 들뜬 구조를 갖는 실리콘을 성장시키는 단계와, 실리콘을 빗살무늬 형태를 갖는 고정자과 진동자로 분리 형성하는 단계와, 초전체 박막 위에 고정자와 진동자로 분리된 들뜬 구조의 빗살무늬 형상의 실리콘을 설치하는 단계와, 실리콘의 고정자 전면에 적외선 입사필터를 설치하는 단계를 포함하는 쵸퍼 내장 초전형 적외선 센서 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a real-time pyroelectric infrared sensor with a chopper, forming a pyroelectric thin film on the substrate by chemical or physical vapor deposition, and forming a metal material or oxide electrode on the pyroelectric thin film Growing silicon having a three-dimensional excited structure using micromachining technology on the pyroelectric thin film; separating silicon into stator and vibrator having a comb-shaped pattern; and stator and vibrator on the pyroelectric thin film. It provides a chopper-incorporated pyroelectric infrared sensor manufacturing method comprising the step of installing a silicon having a comb-like shape of the excited structure separated by the step, and installing an infrared incidence filter on the front of the stator of the silicon.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
도 1은 종래의 초전형 적외선 센서의 구성을 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional pyroelectric infrared sensor;
도 2는 종래의 초전형 적외선 센서 제조 공정도,2 is a manufacturing process diagram of a conventional pyroelectric infrared sensor,
도 3은 종래의 쵸퍼가 장착된 적외선 센서를 도시한 정면도,3 is a front view showing an infrared sensor equipped with a conventional chopper,
도 4는 본 발명에 따른 쵸퍼 내장 초전형 적외선 센서의 정면도,Figure 4 is a front view of the chopper embedded pyroelectric infrared sensor according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 초전체 박막 위에 빗살무늬 모양의 들뜬 구조로 형성된 실리콘의 평면도,5 is a plan view of silicon formed of a comb-patterned excited structure on the pyroelectric thin film according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 초전형 적외선 센서를 기판 위에 형성하는 공정을 도시한 공정도.6 is a process chart showing a process of forming a pyroelectric infrared sensor according to the present invention on a substrate.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 ; 기판 11 ; 초전체10; Substrate 11; Pyroelectric
12 ; 전극 13 ; 고정자12; Electrode 13; Stator
14 ; 진동자 15 ; 실리콘14; Oscillator 15; silicon
16 ; 적외선 입사필터16; Infrared incident filter
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 쵸퍼 내장 초전형 적외선 센서의 정면도이다.Figure 4 is a front view of the chopper embedded pyroelectric infrared sensor according to the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기판(10) 위에 화학적 또는 물리적인 증착법으로 초전체(11) 박막이 형성되어 있고, 초전체(11) 박막 위에 금속물질 또는 산화물질의 전극(12)이 형성되어 있으며, 초전체(11) 박막 외부에 마이크로머시닝 기술을 이용하여 3차원의 들뜬 구조를 가지며 고정자(13)와 진동자(14)로 분리되는 빗살무늬 형상의 실리콘(15)이 형성되어 있다.즉,고정자(13)의 형태는 진동자(14)의 이탈 방지를 위해 ㄷ자 형태로 진동자(14)를 양쪽에서 떠 받치고 있으며, 고정자(13)와 진동자(14) 사이에 정전기력을 발생시키도록 고정자(13)와 진동자(14)에 교류 전압과 직류 전압을 각각 인가하면, 교류 전압의 정현파(SINE파)에 의해 고정자(13)와 진동자(14) 사이에 발생된 정전기력에 의해 인력과 척력이 발생하여 빗살무늬의 진동자(14)가 고정자(13) 위에서 미세 변위를 하게 된다. 이때 인가되는 정전기력이 증가할수록 미세변위 또한 증가하게 된다.한편, 실리콘(15)의 고정자(13) 전면에 적외선 입사필터(16)가 부착되어 있다.As shown in FIG. 4, according to a preferred embodiment of the present invention, a thin film of the pyroelectric body 11 is formed on the substrate 10 by chemical or physical vapor deposition, and a metal material or an oxide is formed on the thin film of the pyroelectric material 11. A vaginal electrode 12 is formed, and has a three-dimensional excited structure using micromachining technology on the outer surface of the pyroelectric layer 11 and has a comb-shaped silicon 15 separated by the stator 13 and the vibrator 14. That is, the shape of the stator 13 supports the vibrator 14 on both sides in a c-shape in order to prevent the vibration of the vibrator 14, and an electrostatic force is formed between the stator 13 and the vibrator 14. When an alternating current and a direct current voltage are applied to the stator 13 and the vibrator 14 so as to generate a, respectively, the electrostatic force generated between the stator 13 and the vibrator 14 by the sine wave (SINE wave) of the alternating voltage Attraction and repulsion create comb Here 14 is the fine displacement on the stator (13). At this time, as the applied electrostatic force increases, the fine displacement also increases. Meanwhile, the infrared ray incident filter 16 is attached to the front of the stator 13 of the silicon 15.
이와 같은 본 발명의 제조방법은 기판(10) 위에 화학적 또는 물리적인 증착법을 이용해 초전체(11) 박막을 형성하는 단계와, 초전체(11) 박막에 금속물질 또는 산화물질의 전극(12)을 형성하는 단계와, 초전체(11) 박막 위에 마이크로머시닝 기술을 이용하여 3차원의 들뜬 구조를 갖는 실리콘(15)을 성장시키는 단계와, 실리콘(15)을 빗살무늬 형태를 갖는 고정자(13)와 진동자(14)로 분리 형성하는 단계와, 초전체(11) 박막 위에 고정자(13)와 진동자(14)로 분리된 들뜬 구조의 빗살무늬 형상의 실리콘(15)을 설치하는 단계와, 실리콘(15)의 고정자(13) 전면에 적외선 입사필터(16)를 설치하는 단계로 이루어진다.Such a manufacturing method of the present invention comprises the steps of forming a pyroelectric 11 thin film on the substrate 10 by chemical or physical vapor deposition, and forming a metal or oxide electrode 12 on the pyroelectric 11 thin film And growing silicon 15 having a three-dimensional excited structure on the pyroelectric film 11 using micromachining technology, and stator 13 and vibrator having a comb-tooth shaped shape of silicon 15. Forming a comb-shaped silicon 15 separated by the stator 13 and the vibrator 14 on the pyroelectric film 11, and forming a silicon 15 on the pyroelectric film 11; It consists of installing an infrared ray incident filter 16 on the front of the stator (13).
이와 같은 본 발명은 마이크로머시닝 쵸퍼 기능과 마이크로머시닝 적외선 센서 기능을 동시에 가질 수 있다.Such a present invention may simultaneously have a micromachining chopper function and a micromachining infrared sensor function.
기판(10)은 실리콘 웨이퍼 또는 MgO 등의 재료로 된 단결정으로 (100) 또는 (001)면을 가진다. 이 기판(10)을 단결정으로 하는 이는 그 상부에 접촉 성막되는 초전체(11) 박막이 기판(10)의 결정방향으로 성장하도록 하기 위함이다.The substrate 10 is a single crystal made of a material such as silicon wafer or MgO and has a (100) or (001) plane. This substrate 10 is made to be a single crystal in order to allow the thin film of the pyroelectric material 11 to be formed in contact thereon to grow in the crystal direction of the substrate 10.
초전체(11)는 PZT 또는 PbTiO3등의 재료를 사용하며,유기금속화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD) 또는 유기금속 분해법(Metal Organic Decomposition : MOD)등의 화학적 증착법이나 스퍼터링법(Sputtering)등의 물리적인 증착법에 의해 기판(10) 위에 초전체(11) 박막을 형성한다.The pyroelectric material 11 is made of a material such as PZT or PbTiO 3 , and chemical vapor deposition or sputtering such as organic organic chemical vapor deposition (MOCVD) or organic organic decomposition (MOD). The pyroelectric 11 thin film is formed on the substrate 10 by a physical vapor deposition method such as).
전극(12)은 금속 물질인 니켈-크롬(Ni-Cr) 및 Pt 전극을 사용하거나 산화 물질인 RuO2전극을 사용한다.The electrode 12 uses nickel-chromium (Ni-Cr) and Pt electrodes, which are metallic materials, or RuO 2 electrodes, which are oxidizing materials.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 초전체 박막 위에 빗살무늬 모양의 들뜬 구조로 형성된 실리콘의 평면도이다.On the other hand, Figure 5 is a plan view of silicon formed in a comb-pattern-shaped excited structure on the pyroelectric thin film according to the present invention.
도시된 바와 같이, 실리콘(15)은 고정자(13)와 진동자(14)로 이루어지며, 고정자(13)는 초전체(11) 박막 양단에 길이방향으로 기판(10)에 고정된 상태를 유지하면서, 초전체(11)를 기준으로 서로 대면하는 면은 오목볼록 형상을 이루고 있다. 진동자(14)의 양면은 고정자(13)의 오목볼록 형상과 대응하는 형상으로 이루어지며, 진동자(14)의 가장자리가 고정자(13)에 의해 떠받쳐지는 구조로 설계되어 진동자(14)가 고정자(13) 사이에서 진동할 수 있는 구조를 이루고 있다. 이를 위해 진동자(14))와 대면하는 고정자(13)의 측벽 하부는 진동자(14)측 방향으로 완만하게 경사를 유지하면서 돌출된 형상을 이루고 있다.As shown, the silicon 15 is composed of a stator 13 and a vibrator 14, the stator 13 is fixed to the substrate 10 in the longitudinal direction at both ends of the thin film of the pyroelectric material 11 The surfaces of the pyroelectric body 11 that face each other form a concave convex shape. Both sides of the vibrator 14 is formed in a shape corresponding to the concave convex shape of the stator 13, the edge of the vibrator 14 is designed to be supported by the stator 13 so that the vibrator 14 is a stator ( 13) has a structure that can vibrate between. To this end, the lower part of the side wall of the stator 13 facing the vibrator 14 forms a protruding shape while gently inclining toward the vibrator 14 side.
이와 같은 고정자(13)와 진동자(14)는 기판(10) 위에 실리콘(15) 막을 형성하는 과정과 그 표면에 빗살무늬 형상을 갖는 마스크 패턴을 노광 및 현상하는 과정과, 현상된 패턴을 바탕으로 하여 불필요한 부분을 제거하는 식각(etching) 공정 등을 포함한 마이크로 리소그래피(Microlithography) 기술 및 열처리나 다른 종류의 원자도핑(Doping)등의 성질을 바꾸는 개질 과정을 반복하여 실리콘의 패턴을 빗살무늬 모양의 들뜬 구조로 제조한다.The stator 13 and the vibrator 14 may have a process of forming a silicon 15 film on the substrate 10, exposing and developing a mask pattern having a comb-shaped pattern on the surface thereof, and based on the developed pattern. Microlithography technology including etching process to remove unnecessary parts, and modification process to change the properties such as heat treatment or other kinds of atomic doping are repeated to excite silicon pattern Manufactured by structure.
도 6은 본 발명에 따른 초전형 적외선 센서를 기판 위에 형성하는 공정을 도시한 공정도이다.도 6에 도시된 바와 같이, 초전형 적외선 센서는 기계적인 움직임이 없고 회로의 집적화가 가능하여 실리콘 기판 세척 공정, 실리콘 기판의 희생 층 증착 공정, 실리콘 기판의 식각 공정을 통해 구조물의 공간을 확보함으로서 패키징 내에 집적화된 회로를 내장하게 되어 있다. 다결정 실리콘으로 다이아프램 층 증착 공정 및 희생층 에칭 공정으로 실리콘에 홀(HOLE)을 성형시켜 센서 신호를 회로에 전달 및 초전체(PZT)와 회로를 분리시켜 회로에서 발생되는 방사열을 차단시키는 역할을 한다. 초전체(PZT) 박막의 변화된 전하량을 감지하기 위해 다결정 실리콘 위에 하부 전극 증착, 초전체(PZT) 증착, 상부 전극 증착 및 전극 및 초전체(PZT)층을 패터닝한다. 특히, 초전체(PZT) 박막을 보호하기 위해 페시베이션층 증착 및 에칭 공정후 전극 및 전극 패드 증착시켜 초전형 적외선 센서 제조한다.쵸퍼 기능을 하는 고정자와 진동자 실리콘은 도 6에서 제조된 초전형 적외선 센서에 희생층을 증착시키고, 그 위에 실리콘을 증착 및 식각공정, 희생층 에칭에 의해 칸틸레버 구조의 고정자를 제조한 다음 다시 실리콘을 증착 및 식각공정, 희생층 에칭에 의해 2중 구조의 칸틸레버 구조의 고정자와 진동자형 실리콘을 도 4에서 도시된 바와 같이 형성한다. 적외선 투과용 입사필터의 고정은 고정자 실리콘 상부에 고정시킨다.6 is a process diagram illustrating a process of forming a pyroelectric infrared sensor according to the present invention on a substrate. As shown in FIG. 6, the pyroelectric infrared sensor has no mechanical movement and can be integrated in a circuit to clean a silicon substrate. In order to secure the space of the structure through a process, a sacrificial layer deposition process of a silicon substrate, and an etching process of a silicon substrate, integrated circuits are integrated in the packaging. Diaphragm layer deposition process and sacrificial layer etching process using polycrystalline silicon to form a hole (HOLE) in the silicon to transfer the sensor signal to the circuit and to isolate the circuit from the pyroelectric (PZT) to block the heat generated from the circuit do. Lower electrode deposition, pyroelectric (PZT) deposition, upper electrode deposition and electrode and pyroelectric (PZT) layers are patterned on the polycrystalline silicon to detect the changed charge amount of the PZT thin film. In particular, a pyroelectric infrared sensor is manufactured by depositing electrodes and electrode pads after the passivation layer deposition and etching process to protect the PZT thin film. The stator and the vibrator silicon having a chopper function are manufactured as shown in FIG. A cantilever structure is formed by depositing a sacrificial layer on the sensor, depositing and etching silicon on the sensor, and preparing a stator having a cantilever structure by etching the sacrificial layer, and then depositing a silicon cantilever by depositing, etching, and sacrificial layer etching. The stator and oscillator silicon of the structure are formed as shown in FIG. Fixing the incident filter for infrared transmission is fixed on the stator silicon.
이와 같이 구성된 진동자(14)는 정전기력에 의해 고정자(13) 사이에서 상하 또는 좌우로 진동하면서 외부입력 신호를 단락시켜주는 쵸퍼(Chopper) 기능을 하게 된다. 한편, 입사되는 적외선에 의해 복사열이 발생되어 초전체(11)에 흡수되었을 때 초전체(11)에서는 기전력이 발생되며 이 기전력의 차이 신호를 회로에서 인식하여 고정자(13)에 전압을 인가한다. 따라서, 인가된 전압에 의해 고정자(13)는 정전기력이 발생되고, 이에 의해 진동자(14)가 진동하면서 초전체(11) 박막 위의 전극을 최대/최소로 단락시키게 된다.The vibrator 14 configured as described above functions as a chopper to short-circuit an external input signal while vibrating up and down or left and right between the stators 13 by the electrostatic force. On the other hand, when radiant heat is generated by the incident infrared rays and absorbed by the pyroelectric element 11, electromotive force is generated in the pyroelectric element 11, and the difference signal of the electromotive force is recognized by the circuit and the voltage is applied to the stator 13. Accordingly, the stator 13 generates an electrostatic force by the applied voltage, thereby causing the vibrator 14 to vibrate and short-circuit the electrodes on the thin film of the pyroelectric 11 to the maximum / minimum.
이처럼, 본 발명에 따르면 초전형 적외선 센서 기능과 적외선 센서를 단락시키는 쵸퍼 기능을 동시에 수행할 수 있다.As such, according to the present invention, the pyroelectric infrared sensor function and the chopper function of shorting the infrared sensor can be simultaneously performed.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시키지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.In the above description, it should be understood that those skilled in the art can make modifications and changes to the present invention without changing the gist of the present invention as merely illustrative of a preferred embodiment of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 초전형(Pyroelectrics) 적외선 센서를유기금속화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)이나 스퍼터링법(Sputtering)에 의해 제작함으로서 주변의 온·습도 조건에 따라 소자의 특성 차이가 심하게 발생되는 것을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, a Pyroelectrics infrared sensor is manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or sputtering (sputtering). It is possible to prevent the characteristic difference from occurring badly.
또한, 마이크로머시닝(Micro-machining) 기술을 이용하여 초전체 박막 위에 빗살무늬 모양의 실리콘(Silicon)으로 3차원의 들뜬 구조를 형성하여 초전형 적외선 센서 기능과 적외선 센서를 단락시키는 쵸퍼 기능을 하나로 패키징하여 동시에 수행할 수 있다.또한, 초전형 적외선 센서를 박막으로 제조함으로서 소자의 두께 대비 면적의 크기를 소형화시킴으로 노이즈 부분에 해당하는 캐패시턴스를 줄일 수 있고, 온도에 민감한 우수한 초전 소자를 제작할 수 있으며, 다결정의 벌크 형태에서 단결정의 박막 형태로 제작하므로서 우수한 전압응답특성을 얻을 수 있다.또한, 초전형 적외선 센서 앞 부분에 빗살무늬의 초퍼를 장착하므로서 빗살무늬 초퍼가 실시간 단락 기능을 하므로서 적외선 센서의 물체 감지가 실 시간으로 이뤄져 별도의 초퍼 기구물 없이 보다 광범위하게 실시간 구동 가능한 적외선 센서를 얻을 수 있다.In addition, by using micro-machining technology, a three-dimensional excitation structure is formed of comb-shaped silicon on a pyroelectric thin film to package a pyroelectric infrared sensor function and a chopper function that shorts an infrared sensor. In addition, by manufacturing the pyroelectric infrared sensor in a thin film, the size of the area compared to the thickness of the device can be reduced, thereby reducing the capacitance corresponding to the noise portion and manufacturing a superior temperature sensitive pyroelectric device. It is possible to obtain excellent voltage response characteristics by fabricating from polycrystalline bulk to monocrystalline thin film. In addition, the comb-shaped chopper is equipped with a comb-shaped chopper in front of the pyroelectric infrared sensor, and the comb-shaped chopper has a real-time short circuit function. Detection in real time ensures that no chopper Wide it can be obtained in real time drivable infrared sensor.
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