KR100971962B1 - 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부와, 상기 패키지부의 수납 공간 내에 실장된 적외선 온도 센서와, 상기 패키지부의 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부 및 상기 적외선 필터부 상측 표면 영역에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측 영역의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층을 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이와 같이 세라믹 패키지부 상측에 적외선 필터부를 덮어 패키지부를 밀봉하고, 적외선 필터부 상측에 수광되는 적외선의 광량을 조절하기 위한 광각 조절층을 형성하여 적외선 온도 센서로 입사되는 적외선의 수광각을 좁혀 온도 감지 정확도를 향상시킬 수 있다.
온도 센서, 적외선, 수광각, 광각 조절층, 적외선 필터부
Description
본 발명은 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 적외선 필터 상에 적외선 투과량 조절을 위한 층이 형성된 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 온도를 측정하기 위한 방법으로는 접촉식과 비접촉식의 크게 두가지로 나눌 수 있다. 접촉식 온도계로는 수은온도계, 알콜온도계, NTC온도계 및 공업용으로는 열전대(Thermocouple) 및 백금측온계 등이 있으며 직접 열원에 접촉할 수 없는 경우나 매우 빠른 온도계측을 위해서는 비접촉식 온도센서소자를 이용한 온도계를 사용하고 있다.
이러한 온도 센서 모듈은 온도 센서와, 온도 센서를 감싸는 케이스를 구비한다. 이때, 케이스는 금속으로 제작하여 온도 센서를 보호하는 역할뿐만 아니라 외부 광이 수광되는 것을 막는 역할을 한다. 따라서, 케이스의 상측 영역에는 관통홀 이 형성되고, 상기 관통홀 내측에는 적외선을 수광하는 적외선 필터가 형성되었다. 이를 통해 외부의 적외선이 적외선 필터 영역만을 통해 써모 파일에 전달되었다.
이와 같은 종래의 구조는 관통홀 내측에 적외선 필터를 장착하여야 하기 때문에 그 제작 공정이 복잡하다. 또한, 금속성의 케이스의 상측에 관통홀을 형성하여야 하기 때문에 관통홀의 사이즈를 줄일 수 없고, 이로 인해 적외선 필터를 통해 유입되는 광의 수광각이 증대되는 문제가 발생하였다.
즉, 적외선 온도 센서는 수광각에 의해 결정되는 측정면적(Spot)으로부터 입사되는 적외선의 평균값에 비례하여 온도를 감지한다. 따라서, 측정면적보다 피측정체의 면적이 작게되면, 피측정체 외의 주변 적외선도 입사되어 센서의 감지 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다.
이에 종래에는 온도 센서 모듈의 수광각을 좁히기 위해 케이스부 내에 수광각 조절용 금속 패키지를 설치하거나 특수하게 제작된 실리콘 렌즈를 필터 대신 사용하였다. 하지만, 이는, 전체 패키지의 사이즈를 증가시키고, 제조 비용을 증가시키는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 적외선 필터 상측에 수광각 조절을 위한 광각 조절층을 형성하여 수광각을 좁혀 온도 감지 정확도를 향상시키고, 제작 공정을 단순화할 수 있으며, 소형화가 가능한 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부와, 상기 패키지부의 수납 공간 내에 실장된 적외선 온도 센서와, 상기 패키지부의 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부 및 상기 적외선 필터부 일측 표면 영역에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측 영역의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층을 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈을 제공한다.
상기 노출 영역의 크기는 상기 노출 영역을 통해 상기 적외선 온도 센서로 유입되는 광의 수광각이 3 내지 160도를 이루도록 설정되는 것이 바람직하다.
상기 적외선 필터부의 상기 일측 표면에 대응하는 타측 표면에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 하측 노출 영역을 갖는 하측 광각 조절층을 더 구비하고, 상기 하측 광각 조절층의 하측 노출 영역의 면적이 상기 광각 조절층의 노출 영역의 면적보다 작은 것이 효과적이다.
상기 광각 조절층은 각기 노출 영역을 갖고 적층된 복수의 층을 구비하는 것이 가능하다.
상기 광각 조절층은 광투과율이 40% 이하인 물질로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 광각 조절층은 Fe, Cu, Ag, Au, Ni, Al, Be, C, Ti, Pd, Pt, W, Cr 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 효과적이다.
상기 광각 조절층은 상기 노출 영역을 제외한 상기 적외선 필터 영역 상에 스퍼터링법, 증착법 및 CVD법 중 어느 하나의 방법을 통해 형성되는 것이 가능하다.
상기 패키지부와 상기 적외선 필터는 에폭시를 포함하는 접착 부재를 통해 접착 밀봉되고, 밀봉된 상기 수납 공간 내에는 질소 또는 아르곤 가스로 충진되는 것이 바람직하다.
상기 수납 공간 내에 실장된 써미스터부를 더 구비하는 것이 가능하다.
상기 적외선 온도 센서로 써모 파일을 사용하는 효과적이다.
상기 패키지부는 상기 수납 공간을 형성하는 바닥 시트부와 측벽 시트부 그리고, 상기 바닥 시트부의 하측면에 형성된 복수의 외부 단자와, 상기 바닥 시트부 내에 마련되고 그 일부가 상기 바닥 시트부의 상측면에 노출되고, 상기 복수의 외부 단자에 각기 접속된 복수의 콘택 패드부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 패키지부는 상기 바닥 시트부의 하측에 마련되고 상기 외부 단자에 접속된 열선을 갖는 가열 시트부를 더 구비하는 것이 효과적이다.
또한 본 발명에 따른 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부와, 적외선 필터부를 마련하는 단계와, 상기 패키지부의 수납 공간 내에 적외선 온도 센서를 실장하는 단계와, 상기 적외선 필터부 상에 상기 적외선 필터부의 일부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층을 형성하는 단계 및 상기 광각 조절층이 형성된 적외선 필터부로 상기 패키지부의 상측부를 덮어 밀봉하되, 상기 노출 영역 하측에 상기 적외선 온도 센서가 위치되도록 하는 단계를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈의 제작 방법을 제공한다.
상기 광각 조절층을 형성하는 단계는, 상기 적외선 필터부 상의 상기 노출 영역에 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마스크 패턴이 형성된 상기 적외선 필터부 상에 광 투과율이 40% 이하인 불투광성 물질을 형성하는 단계와, 리프트 오프 공정을 통해 상기 노출 영역 상의 상기 마스크 패턴 및 상기 불투광성 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 광각 조절층은 광 투과율이 40% 이하인 불투광성 물질을 인쇄 공정으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 불투광성 물질로 Fe, Cu, Ag, Au, Ni, Al, Be, C, Ti, Pd, Pt, W, Cr 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 효과적이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 세라믹 패키지부 상측에 적외선 필터부를 덮어 패키지부를 밀봉하고, 적외선 필터부 상측에 수광되는 적외선의 광량을 조절하기 위한 광각 조절층을 형성하여 적외선 온도 센서로 입사되는 적외선의 수광각을 좁혀 온도 감지 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 적외선 필터부 상측에 스퍼터, 증착, CVD 또는 인쇄 공정을 통해 박막 형태의 광각 조절층을 형성하여 모듈 전체의 크기 증대 없이 적외선의 수광각을 좁힐 수 있다.
또한, 본 발명은 세라믹 패키지부를 적외선 필터로 덮음으로 인해 모듈의 제작 공정을 단순화시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 분해 사시도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 결합 단면도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 수광각을 설명하기 위한 개념도이다. 도 4는 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 써모 커플의 평면도이고, 도 5는 일 실시예에 따른 써모 커플의 단면도이다. 도 6은 일 실시예에 따른 패키지부의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 일 실시예에 따른 적외선 필터부의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈은 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부(100)와, 패키지부(100) 내측에 실장된 적외선 온도 센서(200)와, 패키지부(100) 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부(300)와, 상기 적외선 필터부(300) 상측 표면 영역에 형성되어 적외선 온도 센서(200) 상측 영역을 노출시키는 노출 영역(O)을 갖는 광각 조절층(400)을 포함한다.
패키지부(100)는 수납 공간을 형성하는 바닥 시트부(110)와 측벽 시트부(120) 그리고, 바닥 시트부(110)의 하측면에 형성된 복수의 외부 단자(130)와, 바닥 시트부(110) 내에 마련되고 그 일부가 바닥 시트부(110)의 상측면으로 노출되고 복수의 외부 단자(130)에 각기 접속된 복수의 콘택 패드부(140)를 구비한다.
본 실시예에서는 복수의 세라믹 시트를 이용하여 패키지부(100)를 제작하여 패키지부의 크기를 소형화할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 복수의 외부 단자(130)와 콘택 패드부(140)가 형성된 바닥 시트부(110)를 마련하고, 중심에 관통공이 형성된 측벽 시트부(120)를 마련한다.
이때, 바닥 시트부(110)는 세라믹 그린 시트를 제작한다. 상기의 세라믹 그린 시트는 세라믹 원료 분말을 슬러리 형태로 제작한 다음 상기 슬러리를 닥터 블레이드(Doctor blade)등의 방법으로 원하는 두께의 판 형상으로 제작한다. 그리고, 세라믹 그린 시트에 복수의 관통홀을 형성한다. 상기 관통홀 내측을 도전성 물질로 매립하여 복수의 콘택 패드부(140)를 제작한다. 그리고, 세라믹 그린 시트의 하측면에 상기 복수의 콘택 패드부(140)에 각기 대응하도록 복수의 도전성막을 형성하여 복수의 외부 단자(130)를 형성한다. 이때, 외부 단자(130)는 인쇄 공법으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 제작 공정을 통해 외부 단자(130)와 콘택 패드부(140)가 형성된 바닥 시트부(110)를 제작한다. 여기서, 바닥 시트부(110)의 상측 표면에 노출되는 콘택 패드부(140)의 면적은 관통홀의 면적에 의해 결정된다. 따라서, 콘택 패드부(140)의 상측 면의 면적(즉, 바닥 시트부(110)의 상측 표면에 노출된 면적)을 넓히기 위해 복수의 콘택 패드부(140) 상측에 콘택 패드부(140)에 전기적으로 접속된 판 형상의 복수의 패드를 더 형성할 수도 있다. 이를 통해 후속 와이어를 이용한 전기적 연결 공정 시 충분한 공정 마진을 확보할 수 있게 된다.
세라믹 그린 시트를 마련한 다음 세라믹 그린 시트의 중심 영역을 관통하는 관통공을 형성하여 측벽 시트부(120)를 제작한다. 이때 펀칭 공정을 통해 측벽 시트부(120)를 제작하되, 도 6에 도시된 바와 같이 측벽 시트부(120)는 띠 형상으로 제작된다.
본 실시예의 측벽 시트부(120)는 내부 공간의 측벽 역할을 한다. 따라서, 측벽 시트부(120)는 내부 공간 내에 실장되는 적외선 온도 센서(200)의 높이보다 더 높게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 측벽 시트부(120)는 복수의 세라믹 그린 시트를 적층하여 제작하는 것이 바람직하다. 이는 하나의 세라믹 그린 시트의 두께가 상기 적외선 온도 센서(200)의 높이보다 작기 때문이다. 물론 하나의 세라믹 그린 시트의 두께가 적외선 온도 센서(200)의 높이보다 클 경우에는 하나의 세라믹 그린 시트를 이용하여 측벽 시트부(120)를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이 제작된 바닥 시트부(110)의 가장자리 영역 상에 측벽 시트부(120)를 적층 시킨 다음 소성하여 본 실시예의 패키지부(100)를 제작한다. 물론 이에 한정되지 않고, 소성 공정 이후에 상기 바닥 시트부(110)의 하측면에 외부 단자(130)를 형성할 수도 있다.
상기와 같이 제작된 패키지부(100) 내측에는 적외선 온도 센서(200)가 실장된다. 적외선 온도 센서(200)는 수광된 적외선광을 통해 피 측정체의 온도를 측정한다. 이러한 적외선 온도 센서(200)로 본 실시예에서는 써모 파일을 사용한다. 물론, 본 실시예의 적외선 온도 센서(200)로 상기 써모 커플 대신 초전 소자 등을 포함하는 온도계측용 열전 변환 소자를 사용할 수도 있다.
하기에서는 도면을 참조하여 써모 파일에 관해 설명한다.
써모 파일은 반도체 기판(210)상에 마련된 복수의 냉접점(224) 및 온접점(222)과, 냉접점(224)과 온접점(222) 사이에 교대로 마련된 제 1 및 제 2 써모 커플선(226, 228)을 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2 써모 커플선(226, 228)에 각기 접속된 외부 전극(230a, 230b; 230)과, 상기 온접점(222) 상에 마련된 적외선 흡수층(240)을 포함한다. 그리고, 제 1 및 제 2 써모 커플선(226, 228)을 포함하 는 전체 구조상에 마련된 보호막(229)을 더 포함할 수도 있다. 그리고, 반도체 기판(210) 상부에 마련된 절연막(221)이 형성될 수도 있다.
이때, 상기 반도체 기판(210)은 몸체부(211)와, 몸체부(211) 중앙에 마련된 공동부(212)를 포함한다. 이에 공동부(212) 상측 영역의 상기 절연막(221) 상에 온접점(222)이 형성되고, 몸체부(211) 상측 영역의 상기 절연막(221) 상에 냉접점(224)이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 적외선 흡수층(240)은 상기 공동부(212) 상측 영역에 마련되는 것이 바람직하다. 이러한, 공동부(212)는 반도체 기판(210)의 중앙 영역을 제거하여 형성하되, 도면에 도시된 바와 같이 사각 기둥 형상으로 제작되고, 상부의 면적보다 하부의 면적이 더 넓은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 온접점(222)은 상기 공동부(212)의 가장자리 둘레를 따라 마련되는 것이 효과적이다. 물론 공동부(212)의 형상은 상술한 설명에 한정되지 않고, 사각 기둥을 포함하는 다각 기둥 형상, 원 기둥 형상 및 타원 기둥 형상이 가능하다. 그리고, 상부와 하부의 면적이 서로 동일할 수도 있고, 상부의 면적이 하부의 면적보다 더 넓을 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 반도체 기판(210)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고 반도체 특성의 모든 웨이퍼를 사용할 수 있다.
상기의 절연막(221)은 열 전도도가 낮은 박막을 사용하되, 본 실시예에서는 실리콘 질화막(SixNx), 실리콘 산화막(SiOx), 불화물계막(MgF2, CaF2, BaF2), 알루미늄 산화막(Al2O3), 실리콘 카바이드막(SiC) 및 폴리이미드와 같은 폴리머 계열의 물 질막 중 적어도 어느 하나의 박막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 절연막(221)은 복수의 박막이 적층된 형태로 제작될 수도 있다.
상기의 제 1 및 제 2 써모커플선(226, 228)은 직렬로 연결되고, 각 써모커플(220)의 각 구성물질들은 큰 열기전력을 가지며, 제 1 및 제 2 써모커플선(226, 228)은 열 기전력이 반대의 극성을 갖는 서로 다른 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 제 1 및 제 2 써모커플선(226, 228)은 온접점(222)과 냉접점(224)에 교차하여 위치하고, 온접점(222)과 냉접점(224)은 열적으로 분리되어 있는 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 바와 같이 복수의 온접점(222)과 냉접점(224) 사이에 교대로 제 1 및 제 2 써모 커플선(226, 228)이 직렬 연결된다. 예를 들어 제 1 온접점과 제 1 냉접점 사이에 첫번째 제 2 써모 커플선이 접속되고, 제 1 냉접점과 제 2 온접점 사이에 첫번째 제 1 써모 커플선이 접속되고, 제 2 온접점과 제 2 냉접점 사이에 두번째 제 2 써모커플선이 접속된다. 여기서, 제 1 및 제 2 써모커플선(226, 228)으로 반도체막 및 금속박막을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 및 제 2 써모커플선(226, 228)으로 실리콘막 및 알루미늄막, 게르마늄막 및 알루미늄막, Cr막 및 Al막, Pt막 및 Rh막을 사용할 수 있다. 이때, 상기 실리콘막으로는 불순물이 도핑된 실리콘막을 사용할 수도 있고, 폴리 실리콘막을 사용할 수도 있다.
제 1 및 제 2 써모커플선(226, 228)을 적층하여 제작될 수도 있다.
상술한 제 1 써모 커플선(226)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 외부 전극(230a)과 접속되고, 제 2 써모 커플선(228)은 제 2 외부 전극(230b)과 접속된다. 제 1 및 제 2 써모 커플선(226, 228)상의 보호막(229)의 일부를 제거하여 이와 접속된 제 1 및 제 2 외부 전극(230a, 230b)을 형성한다.
상술한 써모 파일은 단일의 실리콘 기판상에 복수개가 제작되고, 이들은 각기 절단 분리되어 칩형으로 제작된다.
본 실시예에서는 칩 형으로 제작된 써모 파일 즉, 적외선 온도 센서(200)를 패키지부(100)의 바닥 시트부(110)에 실장시킨다. 이때, 도전성 페이스트 또는 절연성 페이스트를 이용하여 칩 형태의 적외선 온도 센서(200)를 실장시킨다.
그리고, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 와이어(201)를 이용하여 패키지부(100)내에 실장된 적외선 온도 센서(200)의 제 1 및 제 2 외부 전극(230a, 230b)과 패키지부(100)의 콘택 패드부(140)간을 전기적으로 접속시킨다.
물론 본 실시예에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 패키지부(100) 내의 수납 공간에 적외선 온도 센서(200)의 온도를 보상하기 위한 써미스터부(500)를 더 구비할 수 있다. 이때, 써미스터부(500)로 NTC 또는 PTC를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 써미스터부(500)를 이용하여 적외선 온도 센서(200) 즉, 써모 파일의 냉접점 영역의 온도를 정확하게 보상한다.
이때, 써미스터부(500) 또한 패키지부(100)의 바닥 시트부(110)에 실장되고 와이어(201)를 통해 콘택 패드부(140)에 전기적으로 접속된다.
여기서, 써미스터부(500)와 적외선 온도 센서(200)는 와이어(201)를 통해 패키지부(100) 내에서 직렬, 병렬 또는 역병렬 접속될 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 써미스터부(500)와 적외선 온도 센서(200)는 패키지부(100)의 외부 단자(130)에 의해 직렬, 병렬 또는 역병렬 접속될 수도 있다.
본 실시예에서는 적외선 온도 센서(200)와 써미스터부(500)가 실장된 패키지부(100) 상에 적외선 광만을 투과시키는 적외선 필터부(300)를 부착시켜 패키지부(100)의 수납 공간을 밀봉한다. 이를 통해 패키지부(100)의 수납 공간 내측으로는 적외선 광 이외의 광이 들어오지 못하게 된다. 이는 수납 공간의 바닥면과 측벽은 세라믹 시트로 제작된 패키지부(100)에 의해 광이 입력되는 것이 차단된다. 그리고, 수납 공간의 상측에는 적외선 광을 투과시키는 적외선 필터부(300)에 의해 다른 광의 유입이 차단되고, 단지 적외선 광만이 유입되기 때문이다.
이때, 패키지부(100)와 적외선 필터부(300)를 소정의 접착부재를 이용하여 접착 밀봉한다. 이때, 에폭시등을 사용하여 패키지부(100)와 적외선 필터부(300)간을 접착 밀봉하는 것이 효과적이다. 이때, 패키지부(100) 내부의 실장 공간은 내부 소자들의 산화 방지를 위해 질소 또는 아르곤 등의 가스로 충진되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 적외선 필터부(300)로 적외선 필터층이 코팅된 단결정 실리콘을 사용하는 것이 효과적이다. 즉, 적외선 필터부(300)는 얇은 판 형상으로 제작되고, 그 하측 표면의 가장자리 영역이 패키지부(100)에 접착된다.
또한, 본 실시예에서는 적외선 필터부(300)의 상측 표면에 패키지부(100) 내측으로 수광되는 적외선의 수광량을 조절하기 위한 광각 조절층(400)이 형성된다.
본 실시예에서는 적외선 필터부(300)가 패키지부(100)의 상측면 상에 위치하기 때문에 패키지부(100)의 상측면 전체를 통해 적외선 광이 유입(또는 입사)될 수 있다. 이를 통해 도 3에 도시된 바와 같이 피측정체로부터 발산되는 적외선 이외 의 주변 영역(도 3의 K 영역 참조)의 적외선이 유입된다. 이로인해 적외선 온도 센서의 피측정체 감지 정확도를 저하시키는 문제가 발생한다.
따라서, 본 실시예에서는 적외선 필터부(300)의 상측 표면의 일부 영역에 광각 조절층(400)을 형성하여 적외선 필터부(300)를 통해 유입(또는 입사)되는 적외선량을 작게 하였다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 적외선 온도 센서(200)의 상측 영역의 적외선 필터부(300)의 상측 표면 영역을 제외한 나머지 영역의 적외선 필터부(300)의 상측 표면에 광각 조절층(400)을 형성하였다. 이를 통해 패키지부(100)의 상측 표면에 부착된 적외선 필터부(300)의 전체가 아닌 일부 영역만을 통해 적외선이 입사될 수 있게 된다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 적외선 필터부(300)의 적외선 수광각을 작게할 수 있다(θ2<θ1). 이는 적외선 온도 센서 모듈의 측정 영역을 작게하여, 적외선 온도 센서 모듈이 주변의 적외선의 영향을 받지 않고, 피측정체에서 발산되는 적외선만을 이용하여 온도를 측정할 수 있게 된다. 이를 통해 적외선을 이용한 온도 감지 정확도가 향상될 수 있다.
본 실시예에서는 적외선 필터부(300)의 상측 표면에 광 투과율이 낮은 물질을 증착하고, 적외선 온도 센서(200) 상측 영역의 광 투과율이 낮은 물질 일부를 제거하여 광각 조절층(400)을 형성한다. 이를 통해 적외선 온도 센서 모듈의 사이즈 증대 없이 적외선 측정 영역을 작게 할 수 있다.
여기서, 광각 조절층(400)이 제거된 영역, 즉, 적외선 필터부(300)의 노출 영역(O)의 사이즈에 따라 상기 적외선 측정 영역의 크기가 결정된다. 따라서, 본 실시예에서 광각 조절층(400)이 제거된 영역(즉, 노출 영역(O))의 크기는 주 피측 정체의 종류에 따라 가변되는 것이 바람직하다. 이는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈의 사용용도에 따라 노출 영역(O)의 크기가 가변됨을 의미한다. 물론 이에 한정되지 않고, 광각 조절층(400)의 노출 영역(O)의 크기는 그 하측에 위치하는 적외선 온도 센서(200)의 크기에 따라 변경될 수도 있다. 상기 노출 영역(0)의 크기는 적외선 필터부(300)에 의해 적외선 온도 센서(200)로 유입되는 광의 수광각(θ2)이 3 내지 160도를 이루도록 설정되는 것이 바람직하다. 광의 수광각(θ2)은 적외선 센서 모듈의 사용 목적에 따라 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어 4 내지 15도를 광의 수광각(θ2)으로 사용하거나, 80 내지 160도 를 수광각(θ2)으로 사용할 수 있다.
이때, 상기 범위보다 작을 경우에는 적외선의 입사량이 작아지게 되어 정확한 온도 측정이 되지 않는 문제가 발생한다. 또한, 상기 범위보다 클 경우에는 적외선 수광각의 크기가 커지게 되어, 주변 적외선 광의 유입으로 인해 적외선 감지 센서(200)의 감지 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이 노출 영역(O)의 크기에 따라 이를 통해 적외선 온도 센서(200)로 유입되는 광의 수광각(θ2)이 변화한다. 즉, 노출 영역(O)의 크기(즉, 사이즈)를 크게 할 경우에는 수광각(θ2)이 커지고, 그 크기를 작게할 경우에는 수광각(θ2)이 작아지게 된다.
여기서, 수광각은 수직 단면을 절단한 상태에서 적외선 온도 센서의 중심점과 절단된 노출 영역의 양 끝단 사이의 각을 지칭한다. 그리고, 상기 수광각은 수직 절단 면에 의해 나타날 수 있는 최대 수광각을 의미한다. 본 실시예에서는 노출 영역(O)이 원형상으로 제작되기 때문에 수직 절단면에 상관없이 일정한 수광각을 얻게 된다. 물론 상기 수광각은 적외선 온도 센서의 중심점이 아닌 중심점의 바로 상측 영역(약 0.01 내지 10mm)과 노출 영역의 양 끝단 사이의 각일 수도 있다.
물론 노출 영역(O)의 크기는 적외선 온도 센서(200) 크기의 0.1 내지 10배 범위 내로 설정하는 것도 가능하다.
상기의 광각 조절층(400)으로 광 투과율이 낮은 물질을 사용하되, 광 투과율이 40% 이하인 물질을 사용한다. 이를 위해 본 실시예에서는 금속성의 물질을 사용하여 광각 조절층(400)을 사용한다.
즉, 본 실시예에서는 적외선 필터부(300)의 상측 표면의 노출 영역(O)을 제외한 영역에 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법 및 CVD법 중 어느 하나의 방법을 통해 금속성 물질을 형성하여 광각 조절층(400)을 형성한다. 이때, 상기 금속성 물질로는 Fe, Cu, Ag, Au, Ni, Al, Be, C, Ti, Pd, Pt, W, Cr 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 광각 조절층(400)의 형성 방법을 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 7의 (a)와 같이 적외선 필터부(300)를 마련한다. 이때, 적외선 필터부(300)를 세정을 실시할 수 있다. 이어서, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 적외선 필터부(300)의 노출 영역(O) 상에 감광막 마스크 패턴(301)을 형성한다. 이때, 감광막 마스크 패턴(301)은 적외선 필터부(300) 상에 감광막을 형성한다. 물론 감광막 형성 후 베이킹 공정을 수행할 수 있다. 또한, 감광막 형성전에 반사 방지막 을 형성할 수도 있다. 그리고, 노출 영역(O)을 차폐 또는 개방하는 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하고, 노광된 감광막을 현상하여 노출 영역(O) 상측에 감광막이 잔류하는 감광막 마스크 패턴(301)을 형성한다.
이어서, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 감광막 마스크 패턴(301)이 형성된 적외선 필터부(300) 상에 금속성 물질(401)을 증착한다. 본 실시예에서는 스퍼터링 공정을 통해 전체 구조 상에 금속성 물질(401)을 증착한다. 물론 앞서 언급한 바와 같이 금속성 물질 대신 광 투과율이 40% 이하인 불투광성 물질을 사용할 수 있다.
이어서, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이 리프트 오프 공정을 실시하여 적외선 필터부(300)의 노출 영역(O)의 감광막 마스크 패턴(301)과 금속성 물질을 제거하여 광각 조절층(400)을 형성한다.
이와 같이 본 실시예에서는 스퍼터링 공정을 통해 박막 형태의 금속성 물질(401)을 적외선 필터부(300) 상에 증착하여 전체 모듈의 크기 증가를 최소화할 수 있다. 여기서, 금속성 물질(401)의 증착 두께는 1000Å 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이는 금속성 물질(401)의 증착 두께가 얇을 경우에는 적외선을 효과적으로 차단하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 전체 모듈의 크기 증가를 최소화하기 위해 상기 금속성 물질(401)의 증착 두께는 1mm 이하로 하는 것이 바람직하다.
그리고 본 실시예에서는 금속성 물질(401)을 적외선 필터부(300) 상측에 형성함으로 인해 적외선 필터부(300) 상측 표면으로 조사되는 적외선에 의한 열이 금속성 물질(401)에 의해 빠르게 전도되어 외부로 방출될 수 있다. 이를 통해 적외선 온도 센서(200)의 감도를 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 실시예의 적외선 필터부(300)로 단결정 실리콘을 사용한다. 따라서, 단결정 실리콘 웨이퍼내에 복수의 적외선 필터부(300)를 형성하고, 이 웨이퍼 상에 감광막 마스크 패턴과 금속성 물질을 증착하고, 리프트 오프 공정을 통해 광각 조절층(400)을 형성할 수 있다. 이 경우, 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 복수의 적외선 필터부(300)와 광각 조절층(400)을 순차적으로 형성한 다음, 절단(Sawing) 공정을 통해 광각 조절층(400)이 그 상측 표면에 형성된 적외선 필터부(300)를 분리시킨다. 이를 통해 광각 조절층(400)이 형성된 적외선 필터부(300)를 대량 생산할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 광각 조절층(400)은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 다양한 방법을 통해 적외선 필터부(300) 상에 형성될 수 있다.
도 8은 일 실시예의 변형예에 따른 적외선 필터부의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 적외선 필터부(300)를 마련한다. 이어서, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 적외선 필터부(300)의 상측 표면에 금속성 물질(401)을 증착한다. 이어서, 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 금속성 물질(401) 상측에 노출 영역(O)을 개방하는 감광막 마스크 패턴(301)을 형성한다. 이어서, 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 상기의 감광막 마스크 패턴(301)을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 통해 노출 영역(O)의 금속성 물질(401)을 제거하여 광각 조절층(400)을 형성한다. 그리고, 잔류하는 감광막 마스크 패턴(301)을 제거한다. 이를 통해 적외선 필터부(300)의 상측 표면 상에 광각 조절층(400)을 형성한다.
또한, 상술한 광각 조절층(400)은 상술한 방법들 뿐만 아니라 스크린 프린팅과 같은 다양한 인쇄 기법을 통해 상기 적외선 필터부(300)의 상측 표면상에 형성될 수도 있다.
또한, 본 실시예의 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 다양한 변형예가 가능하다.
도 9 내지 도 11은 일 실시예의 변형예들에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈의 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 일 변형예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈은 적외선 필터부(300)의 하측 표면 영역에 광각 조절층(400)이 형성될 수 있다. 즉, 광각 조절층(400)이 패키지부(100)의 수납 공간의 상측 영역내에 위치할 수도 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 상기 광각 조절층(400)이 상기 적외선 필터부(300)의 상측 표면과 하측 표면에 각기 마련될 수 있다. 이때, 상측 표면과 하측 표면에 위치하는 광각 조절층(400)의 노출 영역이 서로 동일한 것이 바람직하다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 이들 간의 노출 영역의 크기가 서로 다를 수도 있다. 예를 들어 하측 표면에 마련된 광각 조절층(400)의 크기가 상측 표면에 마련된 광각 조절층(400)의 크기보다 작을 수 있다. 이를 통해 수광각을 작게 할 수 있다.
또한, 도 10의 변형예와 같이 적외선 필터부(300) 상측에 복수의 광각 조절층(400a)이 형성될 수도 있다. 즉, 적외선 필터부(300) 상측에 제 1 면적의 노출 영역을 갖는 제 1 광각 조절층(400a)을 형성하고, 제 1 광각 조절층(400a) 상에 상 기 제 1 면적보다 넓은 제 2 면적의 노출 영역을 갖는 제 2 광각 조절층(400a)을 형성한다. 물론 상기 제 1 및 제 2 광각 조절층(400a, 400b) 각각의 노출 영역의 면적이 동일할 수도 있다. 이와 같이 복수의 광각 조절층(400a, 400b)을 적층하여 광각 조절층(400a, 400b)이 적층된 영역에서는 적외선 광이 입사되지 않고, 광각 조절층이 적층되지 않은 영역에서는 적외선 광이 입사되도록 할 수 있다. 또한, 복수의 광각 조절층(400a, 400b)의 일부만이 적층된 영역에서는 미량의 적외선 광(노출 영역(O)에 입사되는 광량의 50% 이하) 만이 입사되도록할 수 있다. 물론 본 실시예에서는 광각 조절층(400a, 400b)의 두께와 노출 영역의 면적을 조절하여 미량의 적외선 광이 입사되는 영역의 크기를 결정할 수 있다. 하지만 이에 한정되지 않고, 광각 조절층(400a, 400b)으로 사용되는 물질 특성을 이용하여 미량의 적외선 광이 입사되는 영역의 크기를 결정할 수 있다.
또한, 도 11의 변형예에서와 같이 패키지부(100)의 바닥 시트부(110) 하측에 열선(160)을 갖는 가열 시트부(150)을 더 구비할 수 있다. 이를 통해 주변 온도의 변화에 상관 없이 써모 파일 즉, 적외선 온도 센서(200)의 온도를 일정하게 유지할 수 있어 피측정체의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
여기서, 열선(160)은 가열 시트부(150) 상에 페이스트를 도포하여 형성하고, 열선(160)의 일부는 외부 단자(130)에 접속되어 전원을 인가 받는다. 이때, 상기 페이스트로는 Pt, RuO2, Ni/Cr, Ag, Ag/Pd 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나의 물질을 주된 물질로 하는 페이스트를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 변형예는 도 11에 도시된 바와 같이 외부 단자(130)가 패키지부(100)의 측면 영역으로 연장될 수도 있다. 이를 통해 패키지부(100)가 회로 기판에 측면 실장될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 분해 사시도.
도 2는 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 결합 단면도.
도 3은 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 수광각을 설명하기 위한 개념도.
도 4는 일 실시예에 따른 적외선 온도 센서 모듈의 써모 커플의 평면도.
도 5는 일 실시예에 따른 써모 커플의 단면도.
도 6은 일 실시예에 따른 패키지부의 제작 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 일 실시예에 따른 적외선 필터부의 제작 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8은 일 실시예의 변형예에 따른 적외선 필터부의 제작 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9 내지 도 11은 일 실시예의 변형예들에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 패키지부 110 : 바닥 시트부
120 : 측벽 시트부 130 : 외부 단자
140 : 콘택 패드부 200 : 적외선 온도 센서
300 : 적외선 필터부 400 : 광각 조절층
500 : 써미스터
Claims (16)
- 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부;상기 패키지부의 수납 공간 내에 실장된 적외선 온도 센서;상기 패키지부의 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부;상기 적외선 필터부 일측 표면 영역에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측 영역의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층; 및상기 적외선 필터부의 상기 일측 표면에 대응하는 타측 표면에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 하측 노출 영역을 갖는 하측 광각 조절층을 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부;상기 패키지부의 수납 공간 내에 실장된 적외선 온도 센서;상기 패키지부의 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부; 및상기 적외선 필터부 일측 표면 영역에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측 영역의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층을 포함하고,상기 패키지부와 상기 적외선 필터부는 에폭시를 포함하는 접착 부재를 통해 접착 밀봉되고, 밀봉된 상기 수납 공간 내에는 질소 또는 아르곤 가스로 충진되는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부;상기 패키지부의 수납 공간 내에 실장된 적외선 온도 센서;상기 패키지부의 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부;상기 적외선 필터부 일측 표면 영역에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측 영역의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층; 및상기 수납 공간 내에 실장된 써미스터부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 상측부가 개방되고 수납 공간을 갖는 패키지부;상기 패키지부의 수납 공간 내에 실장된 적외선 온도 센서;상기 패키지부의 상측부를 덮어 상기 수납 공간을 밀봉하는 적외선 필터부; 및상기 적외선 필터부 일측 표면 영역에 형성되고 상기 적외선 온도 센서 상측 영역의 상기 적외선 필터부를 노출시키는 노출 영역을 갖는 광각 조절층을 포함하고, 상기 패키지부는,상기 수납 공간을 형성하는 바닥 시트부와 측벽 시트부 그리고, 상기 바닥 시트부의 하측면에 형성된 복수의 외부 단자와, 상기 바닥 시트부 내에 마련되고 그 일부가 상기 바닥 시트부의 상측면에 노출되고, 상기 복수의 외부 단자에 각기 접속된 복수의 콘택 패드부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 1에 있어서,상기 하측 광각 조절층의 하측 노출 영역의 면적이 상기 광각 조절층의 노출 영역의 면적보다 작은 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서,상기 노출 영역의 크기는 상기 노출 영역을 통해 상기 적외선 온도 센서로 유입되는 광의 수광각이 3 내지 160도를 이루도록 설정되는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서,상기 광각 조절층은 각기 노출 영역을 갖고 적층된 복수의 층을 구비하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,상기 광각 조절층은 광투과율이 40% 이하인 물질로 제작된 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 8에 있어서,상기 광각 조절층은 Fe, Cu, Ag, Au, Ni, Al, Be, C, Ti, Pd, Pt, W, Cr 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 9에 있어서,상기 광각 조절층은 상기 노출 영역을 제외한 상기 적외선 필터 영역 상에 스퍼터링법, 증착법 및 CVD법 중 어느 하나의 방법을 통해 형성되는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,상기 적외선 온도 센서로 써모 파일을 사용하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
- 청구항 4에 있어서,상기 패키지부는 상기 바닥 시트부의 하측에 마련되고 상기 외부 단자에 접속된 열선을 갖는 가열 시트부를 더 구비하는 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈.
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