KR101728592B1 - 서로 다른 폭을 가진 빔을 이용한 적외선 열 센서 - Google Patents

서로 다른 폭을 가진 빔을 이용한 적외선 열 센서 Download PDF

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멜렉시스 테크놀로지스 엔브이
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Abstract

적외선 복사를 검출하기 위한 적외선 열센서(10)가 설명된다. 상기 적외선 열센서는, 밀봉된 공동(3)을 함께 형성하는, 기판(1) 및 캡 구조체(2)를 포함한다. 막(4)은 복수의 빔(5)에 의해 내부에 매달리고, 각각의 빔은 상기 막과 상기 기판 사이의 온도차(ΔT)를 측정하기 위해 위에 또는 내에 배열되는 적어도 하나의 서모커플(6)을 포함한다. 적어도 2개의 빔은 서로 다른 길이(L)를 갖고, 각각의 서모커플은 동일한 일정 폭:길이 비를 가져서, 막과 기판 사이에서 측정되는 열저항이, 각각의 빔(5)에 대해 일정하게 되고, 그리고, 막과 기판 사이에 측정되는 전기 저항이 각각의 빔에 대해 일정하게 된다. 빔은 선형일 수 있고, 비-반경방향으로 배향될 수 있다.

Description

서로 다른 폭을 가진 빔을 이용한 적외선 열 센서 {INFRARED THERMAL SENSOR WITH BEAMS HAVING DIFFERENT WIDTHS}
발명은 적외선 열센서 분야에 관한 것으로서, 특히, 복수의 빔을 이용하여 공동 내에 매달린 막을 포함하는 적외선 열센서에 관한 것이다.
("웹"으로 또한 알려진) 복수의 빔을 이용하여 공동 내에 매달린 막("다이어프램"으로 또한 알려짐)을 포함하는, 그리고, 막 상에 일 단부가 위치하도록 상기 빔 상에 또는 상기 빔 내에 배열되는 서모커플을 가진, 적외선 열센서(센서 어레이가 사용될 때만 통상적으로 사용되는 용어이긴 하지만 "적외선 열 화소"라고 또한 알려짐)가 당 분야에 알려져 있다.
막은 적외선광 수신을 최대화하기 위해 가능한 크게 선택되는 것이 일반적이며, 빔은 막을 지지하기 위해 기계적으로 충분히 강하여야 하며, 막으로부터 빔을 통해 기판을 향해 열손실을 최소화시키기 위해 가능한 작고 길게 선택되는 것이 일반적이고, 비교적 저-열전도도 물질로 제조되는 것이 일반적이다.
작동 원리는 다음과 같다: 외부 물체(또는 대상)는 통상적으로 패키지 내 개구 또는 윈도를 통해 공동에 들어가는 적외선 복사를 방출하고, 막의 온도를 높여서, 벌크 온도보다 높은 온도차 ΔT를 야기하고, 이러한 온도차는 직렬로 연결된 복수의 서모커플인 서모파일을 이용하여 측정된다. 이러한 서모파일은 온도차를 표시하는 전압을 제공한다.
여러 다른 설계가 선행 기술에 설명되고 있다. 이들은 대체로 2개의 그룹 - 제 1 그룹에서는 공동 내 압력이 "고-진공" 상태(가령, 100mPa 미만)이고 제 2 그룹에서는 공동 내 압력이 훨씬 더 높아서 "고-진공이 아니거나" 또는 "저-진공"으로 불리며, 통상적으로 100Pa(1mbar)보다 높은 압력을 가짐 - 으로 나누어질 수 있다.
US2011/0174978호는 적외선 열센서를 설명하는데 그 중 일부 실시예는 본 문서에서 도 1(a) 내지 도 1(d)로 반복되며, 시장에서 가용한 적외선 열센서 중 일부 예를 예시한다. 우수한 성능의 열센서를 얻기 위해 여러 설계가 도시되지만, 여전히 추가의 최적화가 가능해 보인다. 우수한 검출기능 및/또는 응력 완화 기능을 가진 적외선 열센서의 중요성 측면에서, 여전히 개선 여지가 있다.
특히, 신호-잡음비 측면에서, 우수한 성능을 가진 적외선 센서 및/또는 적외선 열화소를 제공하는 것이 본 발명의 실시예의 일 목적이다.
응력이 감소된 적외선 센서 및/또는 적외선 열화소를 제공하는 것이 또한 본 발명의 실시예의 일 목적이다.
이 목적은 본 발명의 실시예의 방법 및 장치에 의해 실현된다.
본 발명은 적외선 복사를 검출하기 위한 적외선 열센서에 관한 것으로서, 상기 적외선 열센서는, 밀봉된 공동을 함께 형성하는, 기판 및 캡 구조체와, 윈도 또는 개구를 통해 적외선 복사를 수신하기 위해 상기 공동에 배열되는 막과, 상기 막을 매달기 위한 복수의 빔 - 각각의 빔은 적외선 복사로 인한 상기 막과 상기 기판 사이의 온도차(ΔT)를 측정하기 위해 위에 또는 내에 배열되는 적어도 하나의 서모커플을 포함함 - 을 포함하고,
상기 복수의 빔은 서로 다른 길이를 가진 적어도 2개의 빔을 포함하고, 상기 복수의 빔 상의 또는 내의 서모커플 각각은 실질적으로 동일한 일정 폭:길이 비를 가지며, 각각의 빔은 상기 공동의 측부 상의 제 1 앵커점과, 상기 막 상의 제 2 앵커점 사이에 직선 연결을 형성하고, 상기 빔은 상기 막의 중심에 대해 반경 방향으로부터 오프셋된 방향으로 배향된다.
다시 말해서, 막의 대향 측부 상에 위치하는 빔은 동선형(co-linear)이 아니다. 빔의 종방향 방향은, 예를 들어, 막의 중심과 제 1 또는 제 2 앵커점을 통해 그려지는 가상의 선에 대해 적어도 5도 또는 적어도 10도 또는 적어도 15도의 각도를 형성할 수 있다.
반경방향과는 다른 방향으로 빔을 배향하는 것이 유익한데, 이는 이러한 배열에 의해 막이 회전할 수 있고, 따라서 응력이 감소할 수 있기 때문이다. 응력은 예를 들어, 막과 벌크 사이의 온도차로 인한 막 및/또는 빔의 서로 다른 팽창 또는 압축에 의해 야기될 수 있다.
공동 내 막의 충전율은 50% 미만일 수 있다.
공동 내 압력은 500 Pa 내지 20 kPa 범위 내에 있을 수 있다.
주어진 막, 주어진 공동, 주어진 가스 매질 및 가스 압력에 대해 W/L의 실제값이 결정될 수 있다.
상기 복수의 빔 내 빔들은 서모커플을 제외하고 빔 부분을 통한 그리고 공동 내 가스 매질을 통한 전도 및 대류와 복사를 통한 기판과 막 사이의 열저항(RT1)과, 전도를 통한 서모커플을 통한 기판과 막 사이의 조합된 열저항(RT2)의 비는 0.9 내지 1.1 범위 내의 값이도록 선택될 수 있다.
상기 막은 기판과 평행인 평면에서 실질적으로 원형의 단면을 가질 수 있다.
상기 공동은 상기 기판과 평행인 평면에서 Nc개의 모서리를 가진 실질적으로 다각형의 단면을 가질 수 있고, 상기 빔의 개수(Nb)는 상기 모서리의 개수(Nc)의 배수로 선택될 수 있다.
상기 다각형이 정사각형일 수 있다.
상기 빔의 개수(Nb)는 4의 홀수배로서, 적어도 12개이고, 상기 빔 중 4개는 상기 정사각형 공동의 모서리에 앵커점을 갖고, 나머지 12개의 빔은 상기 4개의 빔의 대향 측부 상에 위치한다.
상기 빔의 개수(Nb)는 4의 짝수배일 수 있다.
각각의 서모커플은 서로 위에 배치된 형태의, p형 폴리실리콘 저항기와 조합된 n형 폴리실리콘 저항기로 구성될 수 있다.
모든 서모커플이 직렬로 연결되어 조합된 전압 신호를 제공할 수 있다.
각각의 빔은 서로 옆에 2개 이상의 서모커플을 갖고, 각각의 서모커플은 서로 위에 배치된 형태의, p형 폴리실리콘 저항기와 조합된 n형 폴리실리콘 저항기로 구성될 수 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 적어도 하나의 적외선 열센서를 포함하는 적외선 센서 시스템에 또한 관련된다.
본 발명은 물체 온도 결정을 위해 아서 설명한 바의 적외선 열센서의 용도에 또한 관련된다.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 선행 기술의 적외선 열화소의 4개의 실시예를 보여주며, 정사각형 막이 2개의 빔에 의해 매달리고, 빔 길이는 막 크기의 길이의 1배, 2배 또는 3배다.
도 2는 적외선 열센서를 그 주구성요소와 함께 도시한 개략적 단면도다.
도 3은 외부 물체(또는 대상)가 윈도 또는 개구를 통해 막을 향해 적외선 복사를 어떻게 전송하는지를 예시한다.
도 4는 빔 상에 위치한 서모커플이 전압 신호에서 온도차를 어떻게 변환시키는 지를 보여준다.
도 5는 빔 상에 서모커플을 배열하는 여러가지 가능한 방식들을 보여준다.
도 6은 긴 빔이 짧은 빔보다 폭이 넓도록, 16개의 빔을 가진 발명에 따른 적외선 열센서의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 4개의 빔이 대각선으로 배열된, 총 12개의 빔을 가진, 본 발명에 따른 적외선 열센서의 다른 실시예를 도시한다.
도 8은 도 7에 도시되는 적외선 열센서의 변형예로서, 빔이 직선형이지만 서로 반경방향으로 다른 방향으로 배향된다.
도면은 도식적인 것으로서 제한적인 것이 아니다. 도면에서, 요소들 중 일부의 크기는 과장되었고, 예시적인 용도로 축적에 맞게 그려지지 않았다. 청구항 내 임의의 도면 부호는 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 서로 다른 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 요소들을 나타낸다.
본 문서에서 "고-진공"을 언급하는 경우에 100mPa보다 낮은 압력을 의미한다.
본 발명의 실시예에서 "빔"이라는 용어가 사용되는 경우에, 빔 물질만을 의미하는 것이 아니라 서모커플 물질 역시 의미하며, 어떤 경우에는 서모커플 레그를 포함한 전체 빔을 의미한다. 기계적 형태를 설명할 때, 통상적으로, 서머커플 물질을 포함한, 전체 빔을 의미하지만, 전기적 및/또는 열적 형태를 설명할 때, 한편으로 빔 물질과, 다른 한편으로 서머커플 레그 물질 간에 구분이 통상적으로 이루어진다.
본 발명에서, "충전비" 또는 "충전 인자"라는 용어는 기판에 실질적으로 평행한 평면에서 결정될 수 있는, (빔 고려없이) 공동 내에 존재하는 단면의 표면적에 비해 막에 의해 걸쳐져 있는 표면적으로 결정될 수 있다. 통상적으로 간주되는 단면 표면적은 막이 매달린 평면 내 공동의 단면 표면이다.
본 발명에서, 1바 단위는 105 Pa = 100,000 Pa에 해당하고, 1mbar는 100 Pa에 해당한다.
본 발명의 실시예의 특징 및 장점을 예시하기 위해, 선행 기술에서 알려진 일부 적외선 센서가 논의된다. 도 1(a) 내지 도 1(d)는 선행 기술의 적외선 열화소의 4개의 실시예를 나타내며, 모두 정사각형/직사각형 둘레와, 빔에 의해 차지하는 공간을 빼고 공동의 공간을 완전히 채우는 실질적으로 정사각형/직사각형의 막(중간부)과, 빔의 양 측부 상의 작은 간격을 가진다. 막은 2개의 폭좁은 빔에 의해 매달리고, 각각의 빔은 서모파일을 형성하도록 직렬로 연결되는 3개의 서모커플을 지닌다. 도 1(a)의 실시예의 빔 길이는 막의 측부의 길이의 1배와 실질적으로 동일하고, 빔의 양 측부 상에 작은 간격이 존재한다. 도 1(b)는 도 1( a)의 열 화소의 변형예를 보여주며, 각 빔의 길이가 막의 측부의 길이의 2배다. 도 1(c)는 도 1(b)의 화소의 변형예를 보여주고, 빔의 길이는 역시 막의 측부의 길이의 2배이고, 빔은 구불구불한 형태를 취한다. 도 1(d)는 또 다른 변형예로서, 빔의 길이가 막의 길이의 1배 더하기 폭의 2배이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 여러가지 설계에 접하는 독자를 위해, 어느 길이의 빔이 최적 설계용으로 선택되어야하는지가 명확하지 않다.
빔 및 서모커플이 "최적 센서"를 얻기 위해 어떻게 설계되어야하는지에 관한 질문은, 막이 공동보다 실질적으로 작은 - 가령, 50% 이하의 충전비를 갖는 - 영역을 갖는, 및/또는 비-직사각형 형상(가령, 원형 형상)을 갖는 센서에 대한 답변의 경우 더 어려워진다. 이는 발명자가 마주치는 문제점이다. 발명자가 마주치는 다른 문제점은, 막과 벌크 사이의 온도차로 인한 응력의 문제점이다.
본 발명에 의해 제안되는 해법을 논의하기 전에, 예시적인 열센서(10)의 기본 구조가 도 2를 참조하여 설명된다. 본 발명의 실시예가 예시적 열센서의 모든 특징에 의해 엄격하게 제한되지 않지만, 본 발명의 실시예의 원리는 도시되는 바와 같이 열센서에 쉽게 적용될 수 있다. 도 2는 기판(1)("벌크"라고도 불림)을 포함하는 적외선 열화소(10)를 보여주며, "다이어프램" 또는 "막"(4)으로 불리는 비교적 얇은 구조체(4)가 형성되고, 이는 소위 "빔"(5)("웹"이라고도 함)을 이용하여 기판(1)에 연결된다. 빔(5) 아래 그리고 막(4) 아래의 기판 물질은 알려진 기술을 이용하여, 가령, 에칭 기술에 의해, 완전히 제거되어, 막(4)과 빔(5) 아래에 공동(3a)을 남긴다. 적외산광(IR)에 대해 투과성인 물질로 제조된, 그리고 공동(3b)을 갖는, 캡 구조체(2)가, 막(4) 위에 위치하고, 기판(1)에 대해 밀봉되어, 막(4) 및 빔(5)이 닫힌 공동(3)(공동(3a, 3b)의 조합) 내에 캡슐화된다. 공동(3) 내부의 압력 "p"와 공동(3) 내부의 가스 조성은 대체로, 사용되는 밀봉 기술에 의해 결정될 수 있으나, 적외선 열센서의 성능 및 설계에 중요한 영향을 미친다. 실제로, 2개의 중요 밀봉 기술 - (1) 공동(3)에 "고-진공" 압력을 제공하는 금속 또는 공융층 본딩, 또는, (2) 약 10 내지 100mbar(1kPa 내지 10kPa)의 통상 압력으로 나타나는 글래스-프릿(glass-frit) 웨이퍼 본딩 - 이 적외선 열 센서에 통상적으로 사용된다. "에어"가 가스 조성으로 사용될 수 있지만, 일부 선행 기술의 장치는 성능 개선을 위해, 가령, 크립톤 가스와 같은, 저-열전도도의 특별한 가스를 이용한다. 대부분의 캡 구조(2)는 적외선광을 막(4)에 도달시키기 위해 "개구부"(2)("개구" 또는 "윈도"로 또한 알려짐)를 제외하곤, 불투과성 물질(21)로 덮인다.
막(4)의 크기 및/또는 형상은 원칙적으로 다양한 이유 - 예를 들어, 가능한 많은 복사광 흡수, 에어를 통한 과다 열손실 방지, 막이 작으면 빔이 긴 문제, 시야범위 - 로 선택될 수 있다. 소정의 시야 범위와 관련한 막의 최적화를 위해, 개구(22)가 또한 통상적으로 고려된다. 개구(22)와 막(4) 사이의 거리가 또한 영향을 미친다. 이 거리가 길수록, 개구(22) 및 막(4)이 동일 시야 범위에 대해 클 수 있다. 그러나, 본 발명의 경우, 공동(3)(및 개구(22)와 압력 및 가스 조성) 및 막(4)(크기 및 형상)이 미리 결정되고, 빔(5) 및 서모커플(6)만이 결정될 수 있다고 가정한다. 따라서 발명자의 임무는 예를 들어, 신호-잡음비 및/또는 응력 측면에서, 적절한, 가령, 가장 적절한 빔 및 서모커플의 세트를 찾아내는 것이다. 도시되는 센서(10)는 막(4)의 둘레가 공동(3)에 의해 형성되는 원주 내에 위치하고 그로부터의 거리에 위치하는 타입의 것으로서, 이 거리는 빔(5)에 의해 브리징되는데, 이와 같은 구조는 일부 선행 기술의 장치 - 막(4)은 공동의 둘레보다 큰 둘레를 갖고, 막은 벌크 및 막 사이의 거리에 걸쳐 빔에 의해 지지되는 것보다 기판 상에 "기대고 있음" - 에 대조된다.
도 3은 검출되어야할 또는 온도(Tobject)를 결정하여야할 대상인 외부 물체(7) 및 도 2의 예시적 적외선 열센서를 보여준다. 0 켈빈보다 높은 온도를 가진 모든 물체는 적외선 복사를 방출할 것이다. 물체의 온도(Tobject)에 따라, 물체(7)에 의해 전송되는 그리고 센서(10)에 의해 수신되는 적외선 복사량이 변할 것이다. 따라서, 복사량을 측정함으로써, 물체와 센서 간의 온도차가 결정될 수 있다. 선택적 사항으로써, 알려진 기술을 이용하여 기판(1)의 절대 온도를 또한 결정함으로써, 물체(7)의 절대 온도가 결정될 수 있다. 적외선 복사(IR)는 공동을 이용하여 벌크(1)로부터 실질적으로 열적으로 분리된 막(4) 상에서 흡수된다. 막(4)은 이러한 적외선 복사의 흡수로 인해 온도상승할 것이다. 온도차는 예를 들어, 약 20℃의 환경에서 약 60℃의 온도를 가진 물체의 경우 20mK 수준일 수 있다. 이러한 적외선 복사는 통상적으로, 벌크 물질(1)이 적외선 복사로 인해 온도상승하지 않도록, 개구층(21)에 의해 주변 벌크(1)로부터 차단된다. 벌크 물질은 막(4)의 치수에 비해 매우 크고, 환경 온도와 동일한 실질적으로 일정한 온도를 갖는 히트 싱크로 보일 수 있다. 기판(1)은 가령, 실리콘일 수 있고, 또는 다른 적절한 반도체 물질일 수 있다.
물체(7)가 센서(10)의 환경보다 온도가 높을 경우, 물체(7)로부터 센서로 방출되는 적외선 복사가 더 많을 것이고, 그 역도 성립한다. 이러한 적외선 복사는 막(4)에 의해 흡수될 것이고, 따라서, 막(4)의 온도가 약간 상승할 것이다. 벌크(1)의 온도가 실질적으로 일정하고 주변 온도와 동일하기 때문에, 막(4)의 온도는 기판(1)의 온도보다 ΔT 크기만큼 증가할 것이고, 이러한 온도차 ΔT가 측정될 수 있고, 이는 물체(7)에 의해 방출되는 적외선 복사의 표시이며, 이는 또한 물체(7)의 온도 표시에 해당한다.
도 4를 참조하면, 막(4)과 벌크(1) 사이의 온도차 ΔT는 막(4)과 벌크(1) 사이에 서모커플(6)을 배치함으로써 측정될 수 있다. 당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 서모커플(6)은 통상적으로 서로 다른 재료로 이루어진 2개의 서모커플-레그(61, 62)를 포함하며, Seebeck 효과로 인한 전압차 ΔV를 발생시킬 것이며, 이러한 전압차 ΔV는 서모커플의 두 노드 사이의 온도차 ΔT에 의존하고, (그리고 서모커플-레그에 사용되는 물질에 의존하며, 그러나 물질은 미리 결정되어 있음), "서모커플 레그"로 또한 알려져 있는 서모커플 와이어(61, 62)의 길이 및/또는 폭에 대해 독립적이다(전류가 흐르지 않는다고 가정함). 단일 서모커플에 의해 발생되는 전압 ΔV는 통상적으로 매우 작다(가령, 40℃의 온도차 ΔT에 대해 마이크로볼트 수준).
서모커플 레그(61, 62)는 예를 들어, n형 및 p형 폴리실리콘으로 구성될 수 있다. 단일 서모커플(6)에 의해 생성되는 전압 ΔV는 다음의 방식으로 연산된다:
Figure 112014124083197-pat00001
Figure 112014124083197-pat00002
이때, Thot는 막(4)의 온도이고, Tcold는 벌크(1)의 온도이며, ρ는 폴리실리콘의 열저항이고, ρ0 및 cst는 상수값으로서, 양의 부호는 p형 실리콘에 대해 선택되고 음의 부호는 n형 실리콘에 대해 선택된다. 서모커플(6)의 레그(61, 62)를 함께 연결함으로써, 전압차가 합산된다. 복수의 서모커플(6)을 직렬로 연결함으로써(이러한 직렬 연결이 '서모파일'로 알려져 있음'), 더 큰 전압차가 생성된다.
서모커플(6)은 도핑 레벨에 따라 소정의 전기저항을 또한 가진다. 모든 서모커플(6)들을 직렬로 배치함으로써, 이러한 전기저항들이 직렬로 배치될 것이다. 따라서 전체 전기저항은 각각의 서모커플(6)의 전기 저항의 합일 것이다. 서모파일에 의해 발생되는 열잡음('Johnson 잡음'으로도 알려짐)은 총 전기저항의 제곱근에 비례한다.
위 설명으로부터 총 신호 ΔV가 어떻게 발생되는지 그리고 총 잡음이 어떻게 발생되는지 한눈에 알아볼 수 있으나, 실제로 우수한 적외선 열센서(10)를 설계하는 것 또는 기존 적외선 열센서(10)의 SNR을 개선시키는 것이 전혀 단순치 않은데, 그 이유는, 공동(3)(가령, 크기 및 형상) 및 압력이 고정되어 있음에도 불구하고, 막(4)(가령, 재료, 크기, 및 형상) 및 빔(5)(가령, 재료, 개수, 길이, 폭) 및 서머커플(6)(가령, 재료, 개수, 길이, 폭)이 막(4)의 열거동에 영향을 미치고, 따라서, 온도차 ΔT에 영향을 미치며, 이는 다시 전압차 ΔV에 영향을 미치게 되기 때문이다. 따라서, 빔의 특정 설계 변화가 SNR에 어떠한 영향을 미치는지를 예측하는 것이 전혀 쉽지 않으며, 그 이유는 빔(5)의 전기적, 열적, 그리고 (더 작은 정도로) 기계적 형태 사이의 상호작용 때문이다.
도 5(a) 내지 5(c)는 빔(5) 상에 또는 내에 서모커플(6)이 배열되는 여러가지 가능한 방식들을 보여주지만, 발명은 이러한 예에 제한되지 않으며, 다른 배열들이 또한 사용될 수 있다. 이 도면은 축적에 맞게 그려진 것이 아니다. 도 5(c)의 빔은 단일 서모커플(6)을 갖고, 서로 옆에 2개의 서모커플 레그(61, 62)가 배열된다. 도시되는 예에서, 빔은 폭(wb1)을 갖고, n형 및 p형 폴리실리콘 저항기(61, 62)를 포함하여 서모커플(6)을 형성하지만, 폴리실리콘 주위로 나이트라이드 및 옥사이드와 같은 추가의 부동태화 물질(63)이 또한 존재하여, 실제 빔을 형성한다. 부동태화 물질(63)은 통상적으로 서모커플 레그(61, 62) 물질보다 높은 열저항을 가진다. 이러한 부동태화 물질의 폭(Wex)는 (종방향으로) 빔의 열전도도를 최소화시키기 위해 가능한 작게 선택되는 것이 바람직하고, 예를 들어, 제조 과정에서 빔과 막의 언더-에칭 중 서모커플의 에칭을 피하기 위해 약 1.5마이크로미터로 선택될 수 있다. 표준 CMOS 프로세스에서, 서모커플 레그 Htc의 전형적인 높이는 약 0.3 마이크로미터이고, 빔 Hb1의 전형적인 높이는 가령, 약 7 마이크로미터다. 서모커플 레그의 폭(Wtc1, Wtc2)는 동일한 것이 바람직하고, 큰 범위 내에서, 예를 들어, 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터의 범위 내에서, 심지어 이 범위를 벗어나서도, 설계에 의해 선택될 수 있다.
도 5(b)에 제시되는 바와 같이, 2개의 서모커플 레그(61, 62)가 서로 위에 배열될 수도 있고, 이 경우에 빔(5)의 폭은 도 5(c)의 빔의 폭(Wb1)보다 작은 폭(Wb2)으로 감소할 수 있고, 이때, 서모커플 레그의 폭(Wtc)이 동일하다고 가정한다. 이는 이러한 방식으로, 서모커플을 배제한 빔 물질(63)의 열 저항이 감소하고, 따라서, 서모커플을 포함한 빔의 총 열저항도 감소하기 때문에 유리하며, 이는 도 5(b)의 서모커플 레그(61, 62)가 도 5(ㅊ)의 것들과 동일 치수를 가지기 때문이다. 서모커플 레그의 작은 두께를 고려할 때, 폭(Wb2)의 현저한 감소가 높이(Hb2)의 작은 증가와 균형을 이룬다.
한 단계 더 진행하여, 도 5(a)에 예시되는 바와 같이, 2개의 서모커플(6a), 6b)이 단일 빔(5) 상에 또는 내에 배열되고, 각각의 서모커플은 서로 위에 위치한 2개의 레그를 가진다. 제시되는 바와 같이, 이렇게 함으로써, 빔 폭은 폭(Wb2)의 2배 미만의 폭(Wb3)으로 더 감소할 수 있고, 따라서, 빔의 열저항(서모커플 제외), 따라서, 서모커플을 포함한 빔의 총 열저항이 더 증가될 수 있다. 도시되지 않지만, 다른 간격 Wd 및 서모커플 폭 Wtc를 더함으로써 단일 빔 상에서 서로 옆에 3개 이상의 서모커플을 배치하는 것이 또한 가능하다.
전기적 관점에서, (가령, 나이트라이드 및/또는 옥사이드를 포함하는) 빔 물질(63)은 전기 절연체이고, 따라서, 총 빔의 전기저항은 단지 서모커플 레그(61, 62)에 의해서 결정된다. 서모커플 레그의 길이, 폭, 높이가 도 5(a) 내지 5(c) 각각에서 실질적으로 동일하기 때문에, 이러한 서모커플에 의해 발생되는 열잡음 역시 실질적으로 동일하다. 완성도를 위해, 도 5(b)의 상측 서모커플 레그의 폭이, 실제로는 처리 제한사항으로 인해, 하측 서모커플 레그의 것보다 약간 작지만, 이러한 경우에 서모커플 레그의 평균 폭 Wtc가 바로 서모커플 폭으로 간주된다.
기계적 관점에서 볼 때, 빔이 7마이크로미터의 전형적 높이를 가질 수 있고, 발명은 이에 제한되지 않으며, 서모커플 레그(61, 62)의 두께는 통상적으로 0.3 마이크로미터에 지나지 않으며, 따라서, 도 5(a)의 빔의 높이 Hb3는 도 5(b)의 빔의 높이 Hb2와 동일하고, 이는 통상적으로 도 5(c)의 빔의 높이 Hb1보다 약간 클 뿐이다. 도 5(a)의 빔의 폭 Wb3가 도 5(b)의 빔의 폭 Wb2의 2배보다 약간 작기 때문에, 기계적으로는 약간 약할 뿐이다. 마찬가지로, 도 5(b)의 일 빔은 도 5(c)의 빔보다 약간 약할 뿐이다.
제 1 형태에서, 본 발명은 적외선 복사를 검출하기 위한 적외선 열센서(10)에 관한 것이다. 적외선 열센서(10)는 앞서 설명한 바와 예시적 시스템의 특징 및 장점들을 포함할 수 있으나, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 적외선 열센서는 밀봉 공동(3)을 함께 형성하는 기판(1) 및 캡 구조체(2)를 포함한다. 막(4)이 공동(3) 내에 배열되어, 윈도 또는 개구(22)를 통해 적외선 복사(IR)를 수용한다. 적외선 열센서(10)는 더욱이, 막(4)을 매달기 위한 복수의 빔(5)을 포함하며, 복수의 빔을 구성하는 각각의 빔(5)은 검출될 입사 적외선 복사선에 의해 야기되는 기판(1)과 막(4) 간의 온도차(ΔT)를 측정하기 위해 위에 배열되는 적어도 하나의 서모커플(6)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 빔(5)은 서로 다른 길이를 가진 적어도 2개의 빔을 포함한다. 더욱이 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 빔의 각각의 서모커플(6)은 실질적으로 동일한 일정 폭 대 길이비를 가진다.
발명자의 놀라운 발견에 따르면, 측정 신호 - 가령, 서모커플에 의해 형성되는 서모파일에 의해 제공되는 전압 - 의 신호잡음비 SNR은, 이러한 빔들의 모든 서모커플에 대해 일정하게 W/L을 선택함으로써, 서로 다른 빔 길이를 가진 적외선 열센서의 주어진 설계에 대해 상당한 장점을 갖는다. 이는, 고-진공 적외선 열센서(10)의 최고 성능이, 기계적 강도 손실없이, 막 면적을 "가능한 크게"(높은 충전비)를, 그리고 빔을 "가능한 길게", 그리고 "가능한 좁게"(높은 열저항) 선택함으로써 얻어진다는 기존의 믿음과 상당 부분 배치된다.
이러한 거동을 설명하려 시도할 때, 다음의 사항들이 고려될 수 있고, 그러나 본 발명의 실시예가 이에 제한되지는 않는다. 모든 빔에 대해 서모커플의 W/L을 일정하게 유지함으로써, 막과 기판 간에 측정되는 열저항이 각 빔에 대해 또한 실질적으로 일정하며, 이와 동시에, 막과 기판 간 측정되는 전기 저항이 각 빔에 대해 실질적으로 일정하다. 실질적으로 일정한 W/L을 갖는 서모커플을 가진 빔을 선택함으로써, 각각의 빔은 실질적으로 동일한 열저항을 갖고, 따라서, 각 빔은 사용시 막으로부터 기판을 향해 실질적으로 동일한 양의 열을 전도하게 된다. 이는 막과 벌크 간의 온도차 ΔT를 가능한 크게 하는 것을 돕고, 각각의 서모커플의 단부들에 걸친 온도차를 실질적으로 일정하게 하는 것을 돕는다. 그러므로, 각각의 서모커플은 실질적으로 동일한 전압 신호를 제공하고, 전체 측정 신호에 대한 서로 다른 서모커플의 기여도가 각각의 서모커플에 대해 동일하기 때문에 더욱 신뢰가능한 측정치를 얻을 수 있다.
이와 동시에, 일정한 W/L을 가진 서모커플은 각각의 서모커플에 대해(따라서 각각의 총 빔에 대해서도) 실질적으로 일정한 전기저항을 제공한다. ("Johnson 잡음"으로도 알려진) 열잡음이 전기저항의 제곱근에 비례하기 때문에, 이는 각각의 서모커플이 동일한 방식으로 총 신호의 총 잡음에 기여함을 의미한다.
막에 걸친 온도가 모든 서모커플에 대해 동일하다고 가정할 때, 이는 다음과 같이 직관적으로 이해될 수 있다: 긴 빔이 비례하여 폭넓지 않을 경우, 그러나 모든 빔이 일정한 폭을 가질 경우, 긴 빔 상의 서모커플의 전기 저항이 또한 (짧은 빔의 경우보다) 높을 것이고, 따라서, 이에 의해 생성되는 잡음이 클 것이며, 이때, 이러한 서모커플에 의해 제공되는 전압 신호가 증가하지 않을 것이고(동일 온도차), 따라서, 이러한 신호들의 잡음은 신호보다 더 증가할 것이고, 따라서, SNR은 일정 W/L의 빔들을 갖는 구조체에 비해 낮을 것이다. 다시 말하자면, 각각의 서모커플에 대해 W/L을 일정하게 선택하는 것은, 유익한데, 그 이유는, 주어진 총 전기저항에 대하여(그리고 따라서 동일 잡음 레벨에 대하여), 일정 W/L을 갖는 빔 세트의 열저항이 일정 W를 갖는 빔 세트의 경우보다 높게 실현될 수 있고, 따라서, 막과 벌크 간의 온도차가 높을 것이기 때문이다. 서모커플의 수가 두 세트 모두에 대해 동일하게 유지되기 때문에, 이는 잡음이 동일하게 유지될 때 신호가 증가하고 따라서 SNR이 증가함을 의미한다.
실제로, 서모커플의 W/L을 일정하게 유지함으로써, 모든 서모커플의 열저항이 동일하게 세팅되지만, (부동태화 물질(63) 및 서모커플 레그(61, 62) 물질을 포함한) 총 빔의 열저항이 대략 일정할 뿐이고, 왜냐하면, 1) 빔의 폭이 통상적으로 (에칭 손상을 피하기 위한 부동태화 두께와는 다른) 서모커플의 폭과 대략 동일하기 때문이고, 2) 서모커플 물질의 열전도도가 빔 물질의 열전도도보다 훨씬 높지만 빔 물질의 열전도도가 정확히 0은 아니기 때문이다.
설명하자면, 발명은 이에 제한되지 않지만, 본 발명의 예시적 실시예 및/또는 표준적 그리고 선택적 특징들의 예가 추가적으로 설명될 것이다. 일반적으로, 본 발명의 실시예는 예 및/또는 예시적 실시예에 설명되는 하나 이상의, 또는 모든, 특징들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 빔의 개수 Nb 및 그 길이 및 폭은 예를 들어, 막 크기, 압력과 같은 적외선 열센서를 형성하는 다른 파라미터 중 하나 이상의 함수로 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 공동 내 막의 충전율은 50% 미만일 수 있고, 예를 들어, 40% 미만일 수 있다. 일례에서, 충전율은 가령, 약 30%일 수 있다. 전형적인 예 - 실시예는 이에 제한되지 않음 - 는 약 400 마이크로미터의 길이 크기를 가진 정사각형 공동 내에 위치하는 약 255 마이크로미터 직경의 원형 막을 갖춘 적외선 열센서일 수 있고, 따라서, 충전율은 (파이*R*R)/(W*W) = 약 32% 다. 이러한 막은 사용되는 개구가 충분히 클 경우, 우수한 시야범위(FOV)를 제공한다. 앞서 표시한 바와 같이, 공동 내 압력은 통상적으로, 사용되는 제조 기술에 좌우될 수 있다. 500Pa 내지 20kPa 범위 내에 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 빔의 우수한, 가령, 최적의, 설계는, 길이에 대한 폭의 비를 고려할 때, 지정된 각각의 압력에 대해서, 그리고 또한 저-진공에서 작동하는 센서의 경우에 대해서 발견할 수 있다. 서모파일의 신호가 비교적 작고 증폭될 필요가 있을 경우, 원본 신호의 SNR이 매우 중요하다. 압력 범위는 5 내지 200mbar 사이일 수 있고, 예를 들어, 10 내지 100mbar(즉, 1kPa 내지 10kPa) 사이일 수 있다. 이러한 압력은, 예를 들어, 기판에 캡을 밀봉하기 위한 기술로 글래스-프릿 웨이퍼 본딩이 사용될 때 나타날 수 있다. 이러한 프로세스의 주된 장점은, 금속 또는 공융층 과정에 비해 단순한(저렴한) 프로세스를 이용할 수 있게 하면서 고도의 신뢰도 및 안정한 밀폐 밀봉을 제공할 수 있다는 점이다. 이러한 기술 및 관련 장치는 소비자 전자장치 및 자동차와 같은 대형 시장에서 매우 적절하다. 5mbar (500Pa) 또는 그 이상의 압력에서, 막은 빔 및 서모커플(열전도)을 통해 상당한 양의 열을 잃지만, 막 표면(복사 및 대류 및 전도)을 통해서도 잃는다. 본 발명은 이러한 종류의 장치에서 특히 유익하다.
본 발명의 소정의 실시예에 따르면, 복수의 빔 내 빔들은 서모커플 통과없이 빔 부분을 통한, 그리고 공동 내 가스 매질을 통한 전도 및 대류와 복사를 통한 기판과 막 사이의 열저항(RT1)과, 전도를 통해 서모커플을 통한 기판과 막 사이의 조합된 열저항(RT2)의 비가 0.9 내지 1.1 의 범위 내의 값이도록 선택될 수 있다. 열저항의 비는 일부 예에서 0.95 내지 1.05 사이일 수 있고, 다른 예에서 심지어 0.99 내지 1.01 범위 내일 수 있다.
한편으로 막으로부터 서모커플 레그를 통해 기판까지의 열 전달은, 다른 방식의 열 전도의 합, 특히, 사용시, 전도를 이용한 (서모커플 물질을 제외한) 빔 물질 자체를 통한 열 전도와, 에어(또는 다른 가스 매질)를 통한 전도 및 대류 및 복사에 의한 막 표면을 이용한 열 전도의 합과 대략 동일하다. 전도를 이용한 빔 물질 자체를 통한 열 전도는 이러한 관계를 충족시키지 못하는 빔 구조를 가진 동일한 적외선 센서(가령, 동일 공동, 동일 막, 동일 압력)에 비해, 개선된 SNR을 제공할 수 있다. 위 조건은 적외선 열 센서의 빔&서모커플 구조를 구현 또는 개선하기 위한 설계 규칙, 또는 적어도 경험 규칙을 추가로 제공할 수 있다. 가령, 적외선 열센서의 서모커플의 - 일정 W/L 비를 고려할 때 - 그리고 빔의 개수 Nb, 길이, 및 폭과 같은 파라미터들의 추가 파라미터 선택에 대한 추가적인 토대를 형성할 수 있다.
막(4)은 기판(1)과 평행한 평면의 단면에서 실질적으로 원형일 수 있다. 원형 막을 이용하면, 균일한 시야범위를 제공하는 장점이 있다. 이는 (열적으로 그리고 기계적으로) 대칭성을 제공하며, 이는 막에 대한 온도의 균일성을 또한 개선시킬 수 있다. 추가로, 원형 막은 언더에칭의 이유로 유리할 수 있다.
공동은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 공동은 기판과 평행한 평면에 Nc개의 모서리를 지닌 실질적으로 다각형 단면을 가질 수 있다. 빔의 개수 Nb는 모서리의 개수 Nc의 복수로 선택될 수 있다. 규칙적인 다각형 형상을 가진 공동을 이용하는 것이 장점인데, 왜냐하면, 설계가 수월하다는 점이 발견되었기 때문이다. 추가로, 이러한 구조는 더 균일한 온도, 열 소산, 등을 제공하며, 이는 SNR의 추가적 개선을 도울 수 있다. 다각형 형상은 정사각형일 수 있으나, 실시예는 이에 제한되지 않는다.
빔의 개수 Nb는 임의의 적절한 개수의 빔일 수 있다. 이 개수는 공동의 형상, 막의 형상, 등에 맞게 적응될 수 있다.
일 특정 예(도 7 참조)에서, 공동이 4개의 모서리를 가질 때, 4의 홀수 배수, 가령, 적어도 12개의 빔이 제공될 수 있다. 빔은 실질적으로 공동의 대각선 상에 위치할 수 있다. 다른 빔은 상기 대각선의 대향 측부 상에 대칭으로 위치할 수 있다. 일부 선호 실시예에서, 빔의 개수는 가령, 4x3=12, 또는 4x5=20, 또는 4x7=28일 수 있고, 빔은 정사각형 공동 내 원형 막에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 대각선의 대향 측부에 대칭으로 대각선 상에 빔을 선택하는 것이 유리할 수 있는데, 그 이유는 이러한 위치가 기판 에지와 막 사이에 최대 거리를 제공하기 때문이며, 따라서, 빔이 비교적 길고 폭넓을 수 있으며, 이것이 기계적 안정성을 위해 좋기 때문이다. 대안으로서, 빔이 대각선 상에 놓이지 않고 약간 빗겨나서, 가령, 약간 병진운동되거나 및/또는 회전하여(도 8 참조), 기판으로부터 또는 기판을 향해 이동하기보다, 응력 및/또는 열팽창으로 인해 막을 회전시킬 수 있게 된다. 이러한 경우에, 레이아웃은 회전 대칭으로 선택되는 것이 바람직하다 - 즉, 동일한 레이아웃을 평면도가 가령 90도 또는 180도 회전할 때 얻을 것이다. 빔은 선형일 수 있고, 그러나, 다른 형상을 가질 수 있으며, 가령, 약간 휘어질 수 있다. 선형("직선형"이라고도 불림) 빔이 우수한 기계적 안정성, 설계의 용이성(레이아웃, 연산, 시뮬레이션), 및 공정 상의 이유(가령, 에칭)를 위해 유리할 수 있다.
일 특정 예(도 6 참조) - 실시예는 이에 제한되지 않음 - 에서, 빔의 개수는 적어도 16개일 수 있고, 빔은 동일 길이의 8개의 빔 그룹으로 나누어질 수 있으며, 각 그룹의 빔은 정사각형 공동의 대각선의 대향 측부 상에 대칭으로 위치한다. 빔을 대각선에 가까이 배치함으로써, 빔의 길이가 (다른 위치에 비해) 상대적으로 길고 폭이 증가하여, 동일한 전기저항 및 열저항을 유지할 수 있고, 따라서, 빔이 기계적으로 더 강해지게 된다. 대안으로서, 빔이 대각선 상에 위치하지 못하지만 약간 달리 위치할 수 있고, 가령, 약간 병진운동하거나 및/또는 그로부터 회전할 수 있어서, 기판으로부터 또는 기판을 향해 이동하는 것보다, 응력 및/또는 열팽창으로 인해 막을 회전시킬 수 있다.
앞서 설명되는 모든 실시예에서, 빔은 공동의 일 측부에서의 제 1 앵커점(또는 연결점)과, 막 상의 제 2 앵커점 사이에 직선 연결을 형성할 수 있고, 따라서, 막의 대향 측부 상에 위치하는 빈들이 동선형으로 배향되지 않고, 또는 다시 말해서 반경 방향으로 배향되지 않는다. 직선 연결이란, 빔이 실질적으로 선형임을 의미한다. 동선형으로 빔을 배향하지 않음으로써, 그리고, 막의 중심 "c"로부터 가령, 5도 내지 25도의 각도 하에 이들을 배향시킴으로서, 막 회전에 의해 센서 내 응력이 감소할 수 있다. 이는 12개의 빔을 이용하여 정사각형 공동 내에 장착되는 원형 막을 가진 열센서에 대한 도 8에서 예시되며, 그러나 동일한 원리가 다른 막(가령, 정사각형)을 가진, 그리고 다른 개수의 빔을 가진, 다른 센서에도 적용될 수 있다.
사용되는 서모커플은 모든 적절한 타입의 서모커플일 수 있다. 일례 - 실시예는 이에 제한되지 않음 - 는 서로 옆에 및/또는 서로 위에 배치되는 p형 폴리실리콘 저항기와 조합된 n형 폴리실리콘 저항기로 구성되는 서모커플이다. 예시적 실시예에서, 각각의 빔은 정확히 하나의 서모커플, 또는, 정확히 2개의 서모커플, 또는 정확히 3개의 서모커플, 또는, 정확히 4개의 서모커플을 갖지만, 그보다 많은 서모커플을 가질 수도 있다. 일부 실시예에서, 각각의 서모커플의 서모커플 레그(즉, 저항기)가 서로 옆에 보다 서로 위에 위치하는 것이 유리할 수 있는데, 이는 이러한 빔의 폭이 서로 옆에 위치하는 동일 서모커플 레그를 가진 빔의 폭보다 작기 때문이고, 따라서, 전자의 빔(서모커플이 서로 위에 배치됨)의 총 열저항이 후자의 빔(서모커플이 서로 옆에 배치됨)의 총 열저항보다 작기 때문이다. (서모커플의 길이에 의해 결정되는) 전기 저항은 양 빔 모두에 대해 동일하지만, (서모커플 레그가 서로 위에 배치되는 빔의 경우) 기계적 강도는 약간 낮고, 그러나 많은 설계에서, (특히 저-진공의 경우에) 빔 상에서의 기계적 조건은 도달하는 것 이상이고, 따라서, 빔은 열적 및 전기적 형태에 대해 최적화될 수 있다. 따라서, 서로 위에 서모커플 레그를 배치함으로써, 열저항이 감소할 수 있고, 전기저항은 실질적으로 동일하게 유지된다. 이는 센서의 SNR 증가를 더 도울 수 있고, 이는 서모커플을 통한 열소산이 (빔 물질을 통한, 그리고 복사, 전도, 대류를 이용하여 에어를 통한) 서모커플 외부의 열 소산에 더 가까워질 수 있기 때문이다. 모든 서모커플들이 조합 전압 신호를 제공하기 위해 직렬로 연결될 수 있다. 서모커플들의 직렬 연결은 "서모파일"로 알려져 있다. 각각의 서모커플에서의 온도차가 동일할 경우, 조합 전압 신호가 개별 전압 신호보다 n배 크고, 하지만 SNR은 동일한데, 이는 전기 저항이 동일 팩터 N과 곱해지기 때문이다. 이들을 직렬로 연결하는 장점은 신호가 추가 공정 이전에 증폭될 필요가 덜하다는 점이다. 각각의 빔은 서로 옆에 2개 이상의 서모커플을 가질 수 있고, 각각의 서모커플은 서로 위에 배치되는 p형 폴리실리콘 저항기와 조합된 n형 폴리실리콘 저항기로 구성된다. 각각 단일 서모커플을 갖는 빔의 개수의 2배(2xNb)보다, 각각 2개(이상)의 서모커플을 갖는 빔들의 수(Nb)를 갖는 것이 유리한데, 이는 2개의 빔을 단일 빔으로 조합함으로써, 에칭 중 서모커플의 손상을 방지하기 우해 빔의 어느 한 측부 상에 사용되며, 따라서, 일 빔의 폭이 상기 2개의 빔의 폭의 합보다 작을 수 있고, 따라서, 총 열저항이 낮을 것이다.
다음에서, 3개의 특정 예가 설명될 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 열센서의 예를 보여준다. 도 6은 축적에 따라 그려졌다. 그럼에도 불구하고, 일부 파라미터(즉, 길이에 대한 폭의 비)는 핵심적 역할을 할 수 있으나, 다른 파라미터들의 구체적 값이 변경될 수 있다. 예시적인 센서(10)의 가장 중요한 파라미터가 "설계-1"이라는 제목 하에 표 1에 나열되어 있다. 이러한 센서의 시뮬레이션된 거동은 표 2에서 발견될 수 있으며, (에어를 통한) 복사 및 대류 및 전도를 통해 막(4)으로부터 열 소산, 그리고 빔(5) 및 서모커플(6)을 통한 열소산을 고려하는 시뮬레이션에 의해 결정될 수 있다. 이러한 센서(10)는 도 5(a)의 서모커플 배열을 이용하고, 2개의 서모커플은 동일 빔 상에 그리고 서로 옆에 위치하고, 각각의 서모커플의 레그는 서로 위에 위치한다.
설계1
(W/L=일정)		 설계2
(W=일정)
압력(mbar) 10 10
온도 환경(K) 300 300
온도 측정 물체(K) 360 360
센서 크기(um) 400*400 400*400
막아래공동크기(um) 120 120
막위공동높이(um) 125 125
막 직경(um) 357 357
슬릿없는막면적 9986 99986
슬릿면적 10567 10567
슬릿면적/슬릿없는막면적 0.1057 0.1057
#서모커플 32 32
빔 길이(um) 83.8-56.4 83.8-56.4
서모커플 폭(um) 8.9-6.1 7.5
표 1로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 센서(10)는 각각의 서모커플 레그에 대한 폭:길이 비 W/L이 모든 빔에 대해 실질적으로 일정하게 유지되도록 구현된다. 특히, 공동의 대각선에 더 가까이 위치하는 긴 빔(그리고 따라서 서모커플)은 83.8um의 길이 및 8.9um의 폭을 갖고, 반면 짧은 빔 및 서모커플은 56.4um의 길이 및 6.1um의 폭을 갖는다. 모든 빔에 대하여, W/L이 실질적으로 일정하고, 본 경우에 약 9.33 +/- 1% 허용공차와 동일하다. 그럼에도 불구하고, 논의될 성능 상의 장점은 5% 허용공차 마진 내에서 또는 3% 허용공차 마진 내에서 이미 실질적으로 얻어지는 것으로 판단된다.
모든 빔에 대해 "W/L이 실질적으로 일정한" 효과를 결정하기 위해, 모든 서모커플이(따라서, 서모커플 역시 - 앞서 설명한 바와 같이, 서모커플의 어느 측부 상에서 1.5un 더 넓도록 선택됨) 동일 폭(본 경우에 7.5um)을 가지는 제 2 설계("설계-2")에 대한 시뮬레이션이 이루어졌다. 설계-2의 빔 폭은, 총 전기저항이 두 설계 모두에 대해 실질적으로 동일하도록, 따라서, 잡음 레벨이 실질적으로 동일하도록, 따라서, 비교를 용이하게 하도록, 선택된다.
시뮬레이션 결과가 표 2에 제시된다:
설계 1
(W/O = 일정)		 설계 2
(W= 일정)
감도(uV/K) 19.024 18.487
전기저항(KOhm) 84.054 83.889
빔 열저항(m2K/W) 11133 10763
SNR(dB) 54.2112 53.9711
표 2로부터 알 수 있듯이, 일정 W/L의 서모커플을 가진 빔의 열저항은 고정 W/L의 서모커플을 가진 빔의 열저항보다 높다. 막, 공동, 압력, 등이 두 설계 모두 똑같이 크기 때문에, 이는 설계-1의 막의 온도차가 설계-2의 경우보다 큼을 의미하고, 이는 0.24dB(로그 단위)의 SNR 개선으로 나타난다. 설계-1의 센서의 감도는 설계-2에 비해 약 3% 증가한다. 다른 파라미터들도 두 설계 모두에 대해 우수한 SNR의 도출을 위해 이미 선택된 것임을 고려할 때, 모든 빔에 대해 실질적으로 일정한 W/L을 단지 선택함으로써 SNR의 3%의 추가적 개선을 얻을 수 있다는 사실은 놀라울 뿐이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 열센서(10)의 다른 예를 보여준다. 열센서(10)는 정사각형 공동(3), 원형 막(4), 및 12개의 빔을 가지며, 3개의 빔(5a, 5b, 5c)이 공동의 각 모서리에 조직되어, 모서리마다 3개의 빔이 위치하며, 즉, 빔(5a)이 정사각형 공동(3)의 대각선 상에 위치하고, 나머지 2개의 빔(5b, 5c)보다 길다. 나머지 2개의 빔은 대각선의 대향 측부 상에 위치한다. 상기 빔의 서모커플의 길이 및 폭은 실질적으로 Wa/La가 Wb/Lb와 (5% 허용공차 내에서, 가령, 3% 허용공차 내에서, 가령, 1% 허용공차 내에서) 실질적으로 같도록 선택되고, 이때, Wa는 빔(5a) 상의 각각의 서모커플 레그의 폭이고, Wb는 빔(5b, 5c) 상의 각각의 서모커플 레그의 폭이다. 동일 위치에 놓이지만 서로 다른 길이에 대해 동일한 폭을 가진, 12개의 빔을 가진 동일 센서에 비교할 때, 개선된 SNR을 나타냄이 또한 발견되었다.
도 8은 정사각형 공동의 모서리에 4개의 빔이 연결되는 형태로 선형 빔을 가지는 도 7의 적외선 열센서의 변형예로서, 모든 빔은 앞서 설명한 바와 같이 일정 W/L을 갖지만, 추가적으로, 빔들 중 적어도 일부가, 바람직하게는 모든 빔이, 비-반경방향으로 배향되어, 가령, 막과 벌크 사이의 온도차로 인한 막 및 빔의 열팽창으로 인해, 막을 회전하게 하고, 따라서, 응력을 감소시킨다. 이는, 센서 생산 중에서만이 아니라, 실제 사용 중에도, 특히, 센서가 추가적인 기계적 응력을 받고 있을 때, 가령, 가속에 의해 야기되는 추가적인 기계적 응력을 받고 있을 때(가령, 당에 떨어지는 핸드헬드 장치에 센서가 사용될 때), 파괴 가능성을 또한 감소시킨다.
제 2 형태에서, 본 발명은 적외선 센서 시스템에 또한 관련된다. 본 발명의 실시예에 따른 이러한 시스템은, 제 1 형태에서 설명된 바와 같은, 적어도 하나의 적외선 열센서를 포함한다. 다른 특징들은 당 업자들이 알고 있는 것과 같을 수 있다. 이러한 시스템의 예는 물체의 온도 측정을 위한 이러한 적외선 열센서를 가진 모바일 장치 또는 포터블 장치다. 이러한 모바일 장치의 예는, 가령, PDA, 랩탑, 모바일 폰, 스마트폰, 등이다.
제 3 형태에서, 본 발명은 물체의 온도 결정을 위해 앞서 설명한 바와 적외선 열센서의 용도에 또한 관련된다.
1 기판(벌크) 11 에지
2 캡 21 개구층
22 개구 3 공동
31 측부 4 막
41 슬릿 5 빔(웹)
51 서모커플을 지닌 빔 52 서모커플없는 빔
6 서모커플 61 n형 폴리실리콘 저항기
62 p형 폴리실리콘 저항기 63 부동태화층
7 물체 10 적외선 열화소
ΔT 막과 기판(벌크) 간의 온도차
D 직경 H 높이
L 길이 W 폭

Claims (15)

  1. 적외선 복사를 검출하기 위한 적외선 열센서(10)에 있어서, 상기 적외선 열센서는,
    밀봉된 공동(3)을 함께 형성하는, 기판(1) 및 캡 구조체(2)와,
    개구(22)를 통해 적외선 복사를 수신하기 위해 상기 공동(3)에 배열되는 막(4)과,
    상기 막(4)을 매달기 위한 복수의 빔(5) - 각각의 빔은 적외선 복사로 인한 상기 막(4)과 상기 기판(1) 사이의 온도차(ΔT)를 측정하기 위해 위에 배열되는 적어도 하나의 서모커플(6)을 포함함 - 을 포함하고,
    상기 복수의 빔(5)은 서로 다른 길이(La, Lb)를 가진 적어도 2개의 빔(5a, 5b)을 포함하고,
    상기 복수의 빔(5) 상의 또는 내의 서모커플 각각은 동일한 일정 폭(Wa, Wb):길이(La, Lb) 비를 가지며,
    각각의 빔(5)은 상기 공동(3)의 측부(31) 상의 제 1 앵커점과, 상기 막(4) 상의 제 2 앵커점 사이에 직선 연결을 형성하며,
    상기 빔(5)은 상기 막의 중심에 대해 반경 방향으로부터 오프셋된 방향으로 배향되는
    적외선 열센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동 내 막의 충전율은 50% 미만인
    적외선 열센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동(3) 내 압력은 500Pa 내지 20kPa 범위 내에 있는
    적외선 열센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 빔 내 빔들은, 서모커플을 제외하고 빔 부분을 통한 그리고 공동(3) 내 가스 매질을 통한 전도 및 대류와 복사를 통한 기판(1)과 막(4) 사이의 열저항(RT1)과, 전도를 통한 서모커플(6)을 통한 기판(1)과 막(4) 사이의 조합된 열저항(RT2)의 비가 0.9 내지 1.1 범위 내의 값이 되도록 선택되는
    적외선 열센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 막(4)은 기판(1)과 평행인 평면에서 원형의 단면을 갖는
    적외선 열센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동(3)은 상기 기판(1)과 평행인 평면에서 Nc개의 모서리를 가진 다각형 단면을 갖고, 상기 빔(5)의 개수(Nb)는 상기 모서리의 개수(Nc)의 배수로 선택되는
    적외선 열센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다각형이 정사각형인
    적외선 열센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 빔(5)의 개수(Nb)는 4의 홀수배로서, 적어도 12개이고, 상기 빔 중 4개는 상기 정사각형 공동(3)의 모서리에 앵커점을 갖고, 나머지 12개의 빔은 상기 4개의 빔의 대향 측부 상에 위치하는
    적외선 열센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔의 개수(Nb)는 4의 짝수배인
    적외선 열센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    각각의 서모커플(6)은 서로 위에 배치된 형태의, p형 폴리실리콘 저항기와 조합된 n형 폴리실리콘 저항기로 구성되는
    적외선 열센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    모든 서모커플이 직렬로 연결되어 조합된 전압 신호를 제공하는
    적외선 열센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    각각의 빔(5)은 서로 옆에 2개 이상의 서모커플을 갖고, 각각의 서모커플(6)은 서로 위에 배치된 형태의, p형 폴리실리콘 저항기와 조합된 n형 폴리실리콘 저항기로 구성되는
    적외선 열센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    모든 서모커플이 직렬로 연결되어, 적외선 복사의 효과를 표시하는 조합된 전압 신호(S)를 제공하는
    적외선 열센서.
  14. 제 1 항에 따른 적어도 하나의 적외선 열센서(10)를 포함하는 적외선 센서 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 적외선 열센서가 물체의 온도 결정에 사용되는
    적외선 열센서.
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