KR100359836B1 - 써모파일 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감도를 향상시킨 써모파일 센서를 제공하기 위한 것으로서, 중앙부에 비어홀(via hole)을 갖는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 멤브레인과, 상기 멤브레인 위의 소정영역에 형성되는 열전쌍들과, 상기 열전쌍 상부에 열전쌍을 덮도록 형성되는 절연막과, 상기 열전쌍들 상부에 형성되는 흑체와, 상기 흑체를 포함한 상기 절연막 상부를 덮도록 형성되는 무반사 코팅막으로 구성된다. 무반사 코팅막의 재료는 열전도 계수가 낮은 폴리머 계열의 재료로 코팅함으로써 입사된 적외선에너지의 손실을 줄여 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

Description

써모파일 센서{thermopile sensor}

본 발명은 적외선 센서의 일종인 써모파일 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 써모파일 센서는 적외선 감지용으로 사용되는 센서로서, 서로 다른 두 개의 전도체, 또는 반도체를 한 쪽은 접촉 시키고, 다른 한 쪽은 떨어져 있을 때, 이 접촉 부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 그 온도차에 비례하여 열기전력(Thermoelectric Power)이 발생한다는 제벡효과(Seebeck effect)를 기본으로 하는 감지 소자이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 써모파일 센서의 구조는 다음과 같다.

써모파일 센서는 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열 커패시턴스(capacitance)를 갖는 얇은 다이어프램(diaphragm)위에 2개의 서로 다른 열전 재료(thermoelectric material)를 위치시킨 것이다. 실리콘부는 패키지에 부착되어 주위온도와 동일한 온도를 유지하는 저온부(cold junction)를 이루며, 멤브레인부는 열적고립을 위하여 최대한 얇게 제작되고 입력적외선을 잘 흡수하기 위한 흑체(black body)를 포함하여 저온부에 비하여 상대적으로 고온부(hot junction)를 이룬다. 적외선이 센서의 고온부에 입사될 때, 고온부에 형성된 흑체는 입사된 적외선을 흡수하게 되고, 저온부 부위의 온도 성분은 실리콘을 통하여 힛싱크(heat sink)되어 고온부와 저온부의 온도차에 의하여 기전력이 여기된다.

결국, 센서의 일정한 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려있다. 따라서, 되도록 많은 양의 에너지를 흡수해야 하며 일단 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 써모파일 센서의 감도를 향상시키는 핵심문제이다. 이를 구현하기 위해서, 복사에너지를 받는 부분은 열적고립을 위해 최대한 낮은 열전도도를 갖도록 매우 얇은 박막, 멤브레인(membrane)으로 구성한다. 보통 이 멤브레인은 낮은 스트레스를 갖는 실리콘나이트라이드(SiN)박막을 이용하여 구성하거나, 실리콘 옥사이드(SiO)와 SiN을 혼합하여 멤브레인을 구성하기도 한다. 최근에는 매우 낮은 열전도도를 가지는 폴리머계열의 재료를 사용하여 멤브레인을 구성하기도 하나 신뢰성 문제로 상업적으로는 많이 사용되고 있지는 않다.

그러나, 이러한 써모파일 센서를 최종적으로 패키지하는 과정에서 패키지 내부를 어떤 가스로 채우느냐에 따라 그 감도는 매우 차이가 나게 된다. 이는 그 가스를 통한 전도 열손실로 인하여 주로 발생하는 것으로 이를 방지하기 위하여 진공 패키지를 하기도 하나, 이는 매우 고가의 장비가 사용되는 것이며 신뢰성 문제 또한 커지게 되는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 멤브레인 자체의 열전도도 변화에 의한 감도향상 대책은 패키지 봉입 가스에 의해 지배받게 되어 그 실효성이 떨어지게 되고 그 한계에 부딪힌다. 실지로 폴리머계열인 폴리이미드 멤브레인만을 사용하는 경우는 SIN을 사용했을 경우에 비해 약 10∼20%정도의 감도향상효과를 가져오게 된다.

한편, 써모파일의 열전달경로는 여러 가지가 있는데, 이 중에서 패키지 가스 자체의 자연대류에 의한 열전달은 거의 무시할 수 있는 것으로 알려져 있어 감도 향상 대책의 고려대상은 되지 않는다. 복사에 의한 열전달의 경우는 그 복잡성 때문에 많이 알려져 있지 않으며 대부분 전도에 의한 열전달에 관한 연구가 많이 되어있을 뿐이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 종래 기술에 따른 써모파일 센서에 있어서 멤브레인 위에 무반사 코팅을 함으로써 향상된 감도를 가진 써모파일 센서를 제공하기 위한 것이다.

도 1a는 종래의 써모파일 센서를 나타낸 구조단면도

도 1b는 종래의 써모파일 센서를 나타낸 구조평면도

도 2는 본 발명에 의한 써모파일 센서의 제 1 실시 예를 나타낸 구조단면도

도 3은 본 발명에 의한 써모파일 센서의 제 2 실시 예를 나타낸 구조단면도

도 4는 무반사 코팅(AR)에 의한 투과율 향상을 나타낸 단면도

도 5는 무반사 코팅(AR)에 의한 투과율 향상을 나타낸 그래프

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 써모파일 센서는 중앙부에 비어홀(via hole)을 갖는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 멤브레인과, 상기 멤브레인 위의 소정영역에 형성되는 열전쌍들과, 상기 열전쌍 상부에 열전쌍을 덮도록 형성되는 절연막과, 상기 열전쌍들 상부에 형성되는 흑체와, 상기 흑체를 포함한 상기 절연막 상부를 덮도록 형성되는 무반사 코팅막으로 구성된다.그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 또 다른 써모파일 센서는 중앙부에 비어홀(via hole)을 갖는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 멤브레인과, 상기 멤브레인 위의 소정영역에 형성되는 열전쌍들과, 상기 열전쌍들을 포함한 상기 멤브레인 상부 소정영역에 형성되는 무반사 코팅막과, 상기 무반사 코팅막 상부에 형성되는 흑체를 포함하여 구성된다.그리고 상기 무반사 코팅막은 열전도 계수가 낮은 폴리머 계열로 형성함으로써 입사된 적외선에너지의 손실을 줄여 무반사 효과를 높일 수 있으며, 상기 멤브레인은 폴리머 계열 또는 Si0-SiN 혼합재료로 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 써모파일 센서의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2내지 도 3은 본 발명에 따른 써모파일 센서의 구조단면도이다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 써모파일 센서는 중앙부에 비어 홀을 갖는 실리콘기판 위에 멤브레인을 형성하고, 멤브레인 위의 소정영역에 열전쌍들을 형성한다. 이 열전쌍과 전극 패드를 연결하고, 열전쌍들 위에 절연막을형성한다. 그리고, 흑체 상부에 흑체의 전면을 뒤덮도록 무반사 코팅막을 형성하는 것으로 구성된다. 이어, 이러한 써모파일 센서를 패키지한다.

여기서, 일반적으로 흑체는 금속을 이용한 박막을 사용하므로 열전쌍과 흑체 사이에는 절연막을 형성한다. 한편, 흑체 상부에 형성되는 무반사 코팅막은 멤브레인 전면을 덮도록 형성하고, 무반사 코팅막 형성시 코팅재료는 열전도에 의한 힛싱크(Heat Sink)로의 에너지 손실을 줄이기 위해서 폴리이미드, 파이얼린 등의 열전도 계수가 낮은 폴리머 계열을 사용한다. 이와 같은 코팅에 의한 효과를 얻기 위해서는 멤브레인 구조의 재료의 굴절률 특성과 코팅재료의 굴절률 특성 그리고 흡수율, 반사율 등의 광학적 특성을 고려하여 무반사 코팅을 한다. 이 때, 가능하면 적외선을 가장 많이 흡수하는 흑체부의 흑체 구성재료의 굴절률을 고려하여 코팅재료를 선정하거나 전체 멤브레인부에서 흑체 면적이 작을 경우는 절연막의 굴절률에 가중치를 두는 것이 좋다.

본 발명에 따른 써모파일 센서의 또 다른 실시 예는 도 3 도시한 바와 같다.

중앙부에 비어 홀을 갖는 실리콘기판 위에 멤브레인을 형성하고, 멤브레인 위의 소정영역에 열전쌍들을 형성한다. 이 열전쌍과 전극 패드를 연결하고, 열전쌍들 위에 무반사 코팅막을 형성한다. 그리고, 코팅막 상부에 흑체를 형성하는 것으로 구성된다.

여기서, 도 2와 같이 흑체부 위에 코팅막을 얹을 수도 있지만, 흑체부를 제외한 멤브레인부의 면적이 흑체부의 면적보다 큰 경우는 도 3과 같이 흑체부를 코팅막 위에 올려 흑체부는 자체 흡수율에 의한 적외선 에너지를 흡수하고 나머지 멤브레인부는 무반사 코팅막 효과에 의한 에너지 흡수 증가를 얻을 수 있다.또한, 이 때 중간의 절연막을 생략할 수 있는 공정상의 편리함이 있다. 멤브레인 구성재료를 폴리이미드, 파이얼린 등 열전도율이 낮은 것을 사용해야 열전도에 의한 감도저하보다 복사에너지 흡수효율에 의한 감도상승률이 큼에 따라 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

실제로 Si0-SiN 혼합재료로 구성된 멤브레인을 기준으로 하였을 때, 폴리머계열인 폴리이미드를 사용하여 코팅하였을 경우에 감도는 약 30%이상 상승하였으며, 폴리이미드만을 사용하여 멤브레인을 제작한 경우보다 약 10%정도의 감도향상 효과를 거둘 수 있다. 멤브레인을 폴리이미드로만으로 구성하였을 경우에는 공정상의 문제로 멤브레인의 주름이 유발되는 경우가 있을 수 있으나 코팅개념에 의할 경우에는 기존의 멤브레인 위에 새로운 막을 입혀 더운 단단해 지는 효과가 있어 주름이 유발되는 경우는 있을 수 없도록 제작하는 것이 가능하다.

도 4는 무반사 코팅(AR)에 의한 투과율 향상을 나타낸 단면도이다.

무반사 코팅을 함으로써 입사된 적외선 에너지의 반사를 막아 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 5는 무반사 코팅을 했을 경우와 그렇지 않은 경우의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 무반사 코팅을 했을 경우에는 그렇지 않은 경우보다 적외선 에너지의 투과율이 높아 에너지 흡수율이 높다. 따라서, 복사에너지의 효율을 복사에너지의 효율을 극대화시킴으로써 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 써모파일 센서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 멤브레인을 폴리이미드나 파이얼린 등과 같은 열전도 계수가 낮은 폴리머 계열을 구성재료로 사용함으로써 적외선에너지 사용효율을 높여 센서의 감도가 향상된다.

둘째, 멤브레인위에 무반사 코팅을 함으로써 입사에너지의 반사에 의한 손실을 최대한으로 줄여 센서의 감도가 향상된다.

셋째, 멤브레인위에 무반사 코팅을 함으로써 감도향상외에 코팅막에 의한 기계적인 강도증가로 센서의 강도가 향상된다.

Claims (7)

1. 중앙부에 비어홀(via hole)을 갖는 기판과,

   상기 기판 위에 형성되는 멤브레인과,

   상기 멤브레인 위의 소정영역에 형성되는 열전쌍들과,

   상기 열전쌍 상부에 열전쌍을 덮도록 형성되는 절연막과,

   상기 열전쌍들 상부에 형성되는 흑체와,

   상기 흑체를 포함한 상기 절연막 상부를 덮도록 형성되는 무반사 코팅막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 써모파일 센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 중앙부에 비어홀(via hole)을 갖는 기판과,

   상기 기판 위에 형성되는 멤브레인과,

   상기 멤브레인 위의 소정영역에 형성되는 열전쌍들과,

   상기 열전쌍들을 포함한 상기 멤브레인 상부 소정영역에 형성되는 무반사 코팅막과,

   상기 무반사 코팅막 상부에 형성되는 흑체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 써모파일 센서.
6. 제 1항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 무반사 코팅막은 열전도 계수가 낮은 폴리머 계열인 것을 특징으로 하는 써모파일 센서.
7. 제 1항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인은 폴리머 계열 또는 Si0-SiN 혼합재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 써모파일 센서.