KR101291745B1 - 전계 효과 트랜지스터형 센서 - Google Patents

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제엽
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판, 상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부, 상기 채널부와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 하부면에 상기 채널부와 이격되어 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 정전하 부재를 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 채널부의 전기장의 변화를 측정하여 센서의 변위 또는 운동을 측정할 수 있으므로, 외부 전기장의 세기 및 분포에 상관없이 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하게 전기장을 형성할 수 있어 외부 전기장의 영향을 받지 않아 감도가 향상된다.

Description

전계 효과 트랜지스터형 센서{FIELD EFFECT TRANSISTOR TYPE SENSOR}
본 발명은 전계 효과 트랜지스터형 센서에 관한 것이다.
멤스(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 기술을 이용한 초소형 센서는 반도체 공정 기술을 이용하므로 대량 생산에 따른 비용 절감 효과 및 표준화된 공정 기술을 바탕으로 한 품질 관리 등의 측면에서 강점을 가지고 있다. 또한 멤스 공정상의 초소형화가 가능하고 어레이(array) 형태의 칩 제작이 용이하여 센서의 고집적화를 통한 제품의 고성능화에도 유리하다. 더불어 공정 개발 정도에 따라 CMOS IC 기술과 쉽게 통합(integration)이 가능하므로 궁극적으로 신호처리 모듈이 포함된 고성능의 단일 칩 형태의 소자 개발이 가능하다.
기존 멤스 센서의 경우 초소형화에 따라 감도 및 주파수 특성, 잡음 특성이 저하되는 한계를 보여 왔다. 이는 센서의 기본 성능을 결정하는 데 있어서 가장 결정적인 요소인 기계-전기 변환 방식(Electromechanical transduction mechanism)의 한계에 기인하고 있다. 기존 멤스 센서에서 채택하고 있는 기계-전기 변환 방식은 크게 압저항형(piezoresistive type), 압전형(piezoelectric type), 광학형(optical type), 캐패시터형(capacitive type)이 있다.
압저항형(Piezoresistive type) 센서의 경우 기계-전기 변환 물질 자체의 전기적 임피던스(impedance)가 낮으므로 압저항형 센서의 신호 측정을 위한 부가적인 인터페이스(interface) 회로가 필요 없고 주파수에 따른 감도의 변화가 거의 없는 장점이 있다. 또한 새로운 압저항 물질의 개발에 따라 양산이 용이하도록 멤스 공정 기술상의 발전이 이루어졌고 이를 통해 초소형 압력 센서 및 마이크로폰에의 적용을 위한 다양한 연구가 이루어진 바 있다. 그러나 압저항 물질 자체의 낮은 기계-전기 변환 효율로 인하여 전체적인 감도가 다른 방식에 비하여 상대적으로 낮고 온도에 따라 센서의 감도의 변화가 크게 일어나는 등의 단점을 가지고 있다.
압전형(piezoelectric type) 센서의 경우 주로 초소형 마이크로폰, 하이드로폰과 같은 음향 센서 분야에서 적용되며, 멤스 구조물에 압전 물질인 PZT 구조를 증착하여 음파를 감지하게 된다. 그 밖에도 ZnO, AlN 또는 PZT 등의 압전 물질에 대한 멤스 공정 기술이 발전됨에 따라 매우 다양한 형태의 음향 센서들이 시도되었다.
압전형 마이크로폰의 경우 압전이 증착된 박막을 이용한 단일 칩 형태의 센서를 구현하기에 용이하므로, 구조적 측면에서 에어 갭 손실(air gap loss)로 인한 감도의 손실이 존재하는 캐패시터형 마이크로폰에 비해 보다 나은 음향 성능 구현이 용이할 것으로 예측되었다. 그러나 현재까지 보고된 압전형 마이크로폰 연구 결과에 따르면 다른 기계-전기 변환 방식과 비교하여 전반적으로 초소형화에 따라 감도가 많이 저하되는 단점이 있었다. 이는 압전 물질 자체의 물리적 성질로 인한 것으로 여겨지고 있다. 압전의 기계-전기 변환 구성 방정식은 변형율(strain)과 전기장(Electric field)가 결합된 형태이지만, 센서에서 실제 측정하는 물리량은 변형율(strain)을 적분한 형태의 변위(displacement) 또는 전기장을 적분한 형태의 전하(charge)이다. 따라서 압전의 크기가 초소형화되면 이러한 물리량이 극소화되어 기존의 회로적 측정 방식으로는 감도와 주파수 및 잡음 성능 측면에서 한계를 보이게 된다. 또한 압전형 감응 방식은 전기적 임피던스가 매우 높은 기계-전기 변환 방식으로서 초소형화에 따라 특히 저주파수 성능이 크게 저하되므로 적용 가능 주파수 영역이 초음파 영역으로 제한되게 된다.
또한, 광학형(Optical type) 센서는 센서 감응부의 기계적 변형을 마흐젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 패브리페로 간섭계(Fabry-Perot interferometry) 등의 광학적 방법으로 직접 측정하는 방식이다. 그러나, 광학형 센서는 뛰어난 감도에도 불구하고 센서 온도에 따른 감도의 변화 및 광학계(optics)의 정렬(aligning)과 보정(calibration)이 어려운 단점을 가지고 있다.
또한, 캐피시터형(Capacitive type) 센서는 감응부에 커패시터(capacitor) 구조를 형성시키고 외부의 기계적 자극에 반응하는 정전 용량의 변화를 측정하는 방식으로써 초소형 압력 센서, 음향 센서, 가속도계 센서 등의 다양한 전계 효과 트랜지스터형 센서 분야에 적용되어 왔다. 그러나 캐패시터형 센서는 초소형화에 따라 센서 자체의 정전 용량(capacitance)이 상당히 작아지게 되므로 감응부 외의 기생 정전용량(parasitic capacitance)에 의한 감도 저하 효과가 크게 나타나게 된다. 이를 방지하기 위해 캐패시터형 초소형 센서는 고도화 및 고성능화된 인터페이스 회로를 단일칩 형태로 통합하거나 기생 정전용량(parasitic capacitance)을 최소화하는 하이브리드 패키징(hybrid packaging) 방식으로 구현되고 있으며 따라서 고성능, 저잡음의 CMOS IC 인터그레이션(integration) 및 패키징(packaging) 기술이 중요한 요소 기술로 자리 잡고 있다. 그러나, 센서와 인터페이스 회로를 통합하여 감도를 보존하여도 캐패시터형 센서는 초소형화에 따른 저주파 영역의 감도 및 잡음 특성의 저하를 피할 수 없다. 인터페이스 회로의 고성능화와 최적화를 통해 센서의 기계-전기 변환 방식 자체에 기인하는 저주파 특성 및 감도 상의 문제점을 해결하는 데는 한계가 있다.
이와 같이, 종래의 센서에서 채택해왔던 압전저항형(piezoresistive type), 압전형(piezoelectric type), 광학형(optical type), 캐패시터형(capacitive type)의 기계-전기 변환 방식은 초소형에 따른 감도 저하 및 저주파 성능 상의 한계를 가지고 있다.
본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초소형 및고감도의 전계 효과 트랜지스터형 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판, 상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부, 상기 채널부와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 하부면에 상기 채널부와 이격되어 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재를 포함할 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있을 수 있다.
상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이룰 수 있다.
상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있을 수 있다.
상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재, 상기 정전하 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 멤브레인에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있으며 상기 정전하 부재와 이격되어 있는 채널부를 포함할 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있을 수 있다.
상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이룰 수 있다.
상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있을 수 있으며, 상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있을 수 있다.
상기 기판과 상기 정전하 부재 사이에는 절연막이 형성되어 있을 수 있고, 상기 절연막은 상기 기판과 상기 멤브레인의 양단부 사이까지 연장되어 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판, 상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부, 상기 채널부의 표면과 접촉하고 있는 압전 부재, 상기 압전 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 압전 부재와 상기 멤브레인 사이에 형성되어 있으며 상기 멤브레인에 가해진 상기 외부 신호를 상기 압전 부재에 증폭시켜 전달하는 전달 부재를 포함할 수 있다.
상기 채널부와 상기 압전 부재는 중첩되어 위치하고 있을 수 있다.
상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 압전 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이룰 수 있다.
상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 전달 부재와 상기 기판 사이에는 절연부가 형성되어 있을 수 있으며, 상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되고, 상기 기판, 상기 멤브레인 및 상기 전달 부재는 동일한 물질로 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 정전하 부재를 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 채널부의 전기장의 변화를 측정하여 센서의 변위 또는 운동을 측정할 수 있으므로, 외부 전기장의 세기 및 분포에 상관없이 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하게 전기장을 형성할 수 있어 외부 전기장의 영향을 받지 않아 감도가 향상된다.
또한, 종래의 전극을 이용한 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필수적이었으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필요하지 않으므로 구성이 간단해진다.
또한, 전계 효과 트랜지스터를 이용하므로 초소형에서도 낮은 수준의 전기적 임피던스를 유지할 수 있어 저주파 영역의 감도를 확보할 수 있다.
또한, 낮은 전기적 임피던스로 인해 간단한 구조의 인터페이스(interface) 회로만으로도 충분히 구현이 가능하며 반영구적인 정전하 부재(electret) 또는 압전 부재를 이용하므로 능동 바이어싱을 위한 별도의 회로가 필요 없고 이로 인한 추가적인 전력 소모도 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
그러면 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서에 대하여 도 1을 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판(100), 기판(100)에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부(110) 및 드레인부(120), 소스부(110) 및 드레인부(120) 사이에 형성되어 있는 채널부(130), 채널부(130)와 이격되어 상방에 위치하고 있는 멤브레인(200), 멤브레인(200)의 하부면에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재(300)를 포함한다.
기판(100)은 반도체로 형성된 반도체 기판일 수 있다. 반도체 기판을 형성하는 반도체의 예로는, 실리콘, 갈륨비소, 질화갈륨, 산화아연, 인듐인, 탄화실리콘 등을 들 수 있다. 기판의 형상은 임의이지만, 통상은 평판 형상으로 형성한다.
채널부(130)는 정전하 부재(300)와 중첩되어 위치하고 있으며, 소스부(110)로 유입된 전류는 정전하 부재(300)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통해 드레인부(120)로 흘러들어간다.
정전하 부재(300)는 채널부(130)와 이격되어 상방에 위치하고 있으며, 채널부(130)와 정전하 부재(300) 사이에는 절연부(20)가 형성되어 있다. 절연부(20)는 절연 특성을 가지는 물질로 형성되며, 고체, 액체, 기체로 형성될 수 있으며, 절연부(20)가 진공으로 형성될 수도 있다.
정전하 부재(300)는 일렉트릿(electret)일 수 있으며, 일렉트릿은 절연체 속에 영구적으로 전하를 보유하여 그 주위에 전기장을 발생시키는 부재이다. 이러한 정전하 부재(300)는 음전하로 대전될 수도 있고, 양전하로 대전될 수도 있다.
이러한 소스부(110), 채널부(130), 드레인부(120) 및 정전하 부재(300)는 전계 효과 트랜지스터를 이룬다. 즉, 소스부(110)에 유입된 전류는 정전하 부재(300)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통과하여 드레인부(120)로 흘러들어가게 된다.
멤브레인(200)은 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 멤브레인(200)의 양단부(210)의 두께(t1)는 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 두께(t2)보다 두껍게 형성되어 있다. 멤브레인(200)의 중앙부(220)는 박막으로 형성되어 있으므로, 멤브레인(200)은 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하기 쉬운 감응판의 역할을 한다. 이러한 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 하부면에 정전하 부재(300)가 형성되어 있다. 따라서, 음파와 같은 외부 신호(1)에 의해 멤브레인(200)에 변위가 발생하고, 이러한 멤브레인(200)의 변위에 의해 정전하 부재(300)와 채널부(130) 사이의 전계 거리(d)가 변하게 된다. 이러한 전계 거리(d)의 변화에 의해 채널부(130)에 전달되는 정전하 부재(300)의 전기장이 변하게 되므로 소스부(110)와 드레인부(120) 사이의 채널부(130)의 저항이 변화되어 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기도 변하게 된다.
따라서, 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기를 측정하여 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 멤브레인(200)의 변위 및 외부 신호를 측정할 수 있다.
이 때, 측정하고자 하는 음파의 주파수 대역을 고려하여 멤브레인(200)의 기계적 공진 주파수 즉, 멤브레인(200)의 두께 및 면적을 결정할 수 있다. 또한, 절연부(20)도 측정하고자 하는 음파의 주파수 대역 및 감도를 고려하여 저연부에 형성되는 물질 또는 절연부(20)의 크기 등을 결정할 수 있다.
멤브레인(200)의 상부면에는 차폐 부재(400)가 형성되어 있으며, 접지되어 있을 수 있다. 차폐 부재(400)는 외부 전기장이 채널부(130)로 유입되는 것을 막는 차폐 역할을 한다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 정전하 부재(300)를 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정하여 센서의 변위 또는 운동을 측정할 수 있다.
종래의 대전된 전극을 이용한 센서는 외부 전기장의 세기 및 분포에 따라 전극 내 대전된 자유 전하들의 양과 위치가 전극의 전위에 따라 재배치되므로 외부 전기장의 영향을 크게 받게 된다. 그러나, 정전하 부재(300)를 이용하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 외부 전기장의 세기 및 분포에 상관없이 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하게 전기장을 형성할 수 있으므로 외부 전기장의 영향을 받지 않는다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 외부 전극을 정전하 부재(300)보다 채널부(130)에서 멀리 이격시키면 외부 전극에 의한 효과를 무시 할 수 있고 정전하 부재(300)에 의해 형성된 전기장만 채널부(130)에 영향을 주게 되므로 외부 신호의 센싱이 정확해져 감도가 향상된다.
또한, 종래의 전극을 이용한 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필수적이었으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필요하지 않으므로 구성이 간단해진다.
한편, 이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과트랜지스터형 센서의 멤브레인을 음향 감응판으로 사용하는 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과트랜지스터형 센서는 마이크로폰 또는 하이드로폰(hydrophone)으로 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과트랜지스터형 센서에 검증 질량(proof mass)에 부착하는 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 효과트랜지스터형 센서는 가속도계로 사용할 수도 있다.
한편, 상기 제1 실시예에서는 멤브레인의 하부면에 정전하 부재(300)가 형성되어 있으나, 멤브레인에 채널부(130)를 형성하고 기판(100) 위에 정전하 부재(300)를 형성하는 제2 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서의 단면도이다.
제2 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시예와 비교하여 정전하 부재와 채널부의 위치만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재(300), 정전하 부재(300)와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인(200), 멤브레인(200)에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부(110) 및 드레인부(120), 소스부(110) 및 드레인부(120) 사이에 형성되어 있으며 정전하 부재(300)와 이격되어 있는 채널부(130)를 포함한다.
정전하 부재(300)와 채널부(130)는 중첩되어 위치하고 있으며, 정전하 부재(300)와 채널부(130) 사이에는 절연부(20)가 형성되어 있으며, 기판(100)과 정전하 부재(300) 사이에는 정전하 부재(300)를 외부로부터 차폐시키기 위한 절연막(700)이 형성되어 있다. 이러한 절연막(700)은 기판(100)과 멤브레인(200)의 양단부(210) 사이까지 연장되어 형성되어있다.
멤브레인(200)은 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 멤브레인(200)의 양단부(210)의 두께(t1)는 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 두께(t2)보다 두껍게 형성되어 있다. 멤브레인(200)의 중앙부(220)는 박막으로 형성되어 있으므로, 멤브레인(200)은 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하기 쉬운 감응판의 역할을 한다. 이러한 멤브레인(200)의 중앙부(220)에 채널부(130)가 형성되어 있다. 따라서, 음파와 같은 외부 신호(1)에 의해 멤브레인(200)에 변위가 발생하고, 이러한 멤브레인(200)의 변위에 의해 채널부(130)가 움직이므로, 채널부(130)와 정전하 부재(300) 사이의 전계 거리(d)가 변하게 된다. 이러한 전계 거리(d)의 변화에 의해 채널부(130)에 전달되는 정전하 부재(300)의 전기장이 변하게 되므로 소스부(110)와 드레인부(120) 사이의 저항이 변화되어 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기도 변하게 된다.
따라서, 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기를 측정하여 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 멤브레인(200)의 변위 및 외부 신호를 측정할 수 있다.
한편, 상기 제1 실시예에서는 정전하 부재가 채널부와 이격되어 형성되어 있으나, 압전 부재를 채널부 표면에 형성하는 제3 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서의 단면도이다.
제3 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시예와 비교하여 압전 부재 및 전달 부재를 형성한 것만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 센서는 기판(100), 기판(100)에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부(110) 및 드레인부(120), 소스부(110) 및 드레인부(120) 사이에 형성되어 있는 채널부(130), 채널부(130)의 표면과 접촉하고 있는 압전 부재(Piezoelectric material)(500), 압전 부재(500)와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호(2)에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인(200), 압전 부재(500)와 멤브레인(200) 사이에 형성되어 있으며 멤브레인(200)의 변위를 압전 부재(500)에 전달하는 전달 부재(600)를 포함한다.
채널부(130)는 압전 부재(500)와 중첩되어 위치하고 있으며, 압전 부재(500)는 압력, 스트레스(stress) 또는 스트레인(strain)등의 외부 신호(2)가 가해지면 그 내부에 구속 전하(bound charge)가 발생한다. 발생된 구속 전하는 외부에 전기장을 형성한다. 따라서, 소스부(110)로 유입된 전류는 압전 부재(500)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통과하여 드레인부(120)로 흘러들어간다.
이러한 소스부(110), 채널부(130), 드레인부(120) 및 압전 부재(500)는 전계 효과 트랜지스터를 이룬다. 즉, 소스부(110)에 유입된 전류는 압전 부재(500)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통과하여 드레인부(120)로 흘러들어가게 된다.
멤브레인(200) 및 전달 부재는 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 멤브레인(200)의 양단부의 두께는 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 두께보다 두껍게 형성되어 있다. 멤브레인(200)의 중앙부(220)는 박막으로 형성되어 있으므로, 멤브레인(200)은 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하기 쉬운 감응판의 역할을 한다. 이러한 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 하부면에 전달 부재(600)가 형성되어 있다. 전달 부재(600)는 멤브레인(200)의 변위에 의한 압력을 증폭시켜 압전 부재(500)로 전달시키는 역할을 한다. 따라서, 압력과 같은 외부 신호에 의해 멤브레인(200)에 변위가 발생하고, 이러한 멤브레인(200)의 변위에 의해 전달 부재(600)를 통해 압전 부재(500)에 압력이 전달되므로 압전 부재(500)에 전기장이 발생하게 된다. 따라서, 압전 부재(500)에 발생하는 전기장의 변화에 의해 채널부(130)에 전달되는 전기장이 변하게 되므로 소스부(110)와 드레인부(120) 사이의 채널부(130)의 저항이 변화되어 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기도 변하게 된다.
따라서, 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기를 측정하여 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 압전 부재(500)에 가해지는 스트레스 또는 스트레인을 측정할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100: 기판 110: 소스부
120: 드레인부 130: 채널부
140: 초음파 흡음판 200: 멤브레인
300: 정전하 부재 400: 차폐 부재
500: 압전 부재 600: 전달 부재
700: 절연막 20: 절연부

Claims (23)

  1. 기판,
    상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부,
    상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부,
    상기 채널부와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인,
    상기 멤브레인의 하부면에 상기 채널부와 이격되어 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재
    를 포함하는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  3. 제2항에서,
    상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이루는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  4. 제2항에서,
    상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼운 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  5. 제4항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  6. 제2항에서,
    상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  7. 제2항에서,
    상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  8. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재,
    상기 정전하 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인,
    상기 멤브레인에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부,
    상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있으며 상기 정전하 부재와 이격되어 있는 채널부
    를 포함하는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  9. 제8항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  10. 제9항에서,
    상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이루는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  11. 제9항에서,
    상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼운 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  12. 제11항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  13. 제9항에서,
    상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  14. 제9항에서,
    상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  15. 제9항에서,
    상기 기판과 상기 정전하 부재 사이에는 절연막이 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  16. 제15항에서,
    상기 절연막은 상기 기판과 상기 멤브레인의 양단부 사이까지 연장되어 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  17. 기판,
    상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부,
    상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부,
    상기 채널부의 표면과 접촉하고 있는 압전 부재,
    상기 압전 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인,
    상기 압전 부재와 상기 멤브레인 사이에 형성되어 있으며 상기 멤브레인에 가해진 상기 외부 신호를 상기 압전 부재에 증폭시켜 전달하는 전달 부재
    를 포함하는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 채널부와 상기 압전 부재는 중첩되어 위치하고 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  19. 제17항에서,
    상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 압전 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이루는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  20. 제18항에서,
    상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼운 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  21. 제20항에서,
    상기 전달 부재와 상기 기판 사이에는 절연부가 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  22. 제2항에서,
    상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
  23. 제17항에서,
    상기 기판, 상기 멤브레인 및 상기 전달 부재는 동일한 물질로 형성되어 있는 전계 효과 트랜지스터형 센서.
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