KR101848226B1 - 향상된 압력 센서 구조 - Google Patents

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헤이키 쿠이스마
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Abstract

평면 기반(21), 측벽층(23), 및 다이아프램 판(20)을 포함하는 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조. 측벽층은 다이아프램 판과 접촉하여 평면 기반으로부터 멀리 연장하는 측벽들을 형성한다. 측벽층은 절연 재료의 제 1 층(28) 및 제 2 층(29), 및 전도체 재료의 제 3 층(27)인 적어도 세 개의 층들로 구성되고, 제 3 층은 제 1 층과 제 2 층 사이에 있다. 전도층은 절연 측벽층 내에 차폐 전극을 제공한다. 이러한 차폐 전극은 용량 측정 결과들에 대해 바람직하지 않은 효과들을 감소시키도록 적응된다.

Description

향상된 압력 센서 구조{AN IMPROVED PRESSURE SENSOR STRUCTURE}
본 발명은 마이크로 전자 기계 디바이스들에 관한 것이고, 특히 독립항들의 전제부들에 따른 개선된 압력 센서 구조 및 압력 센서에 관한 것이다.
압력은 표면적에 대한 표면상에 작용하는 힘의 비에 대응하는 물리량이다. 압력을 측정하기 위한 게이지로서 사용될 수 있는 디바이스는 압력 센서이다.
마이크로-전자-기계 시스템들, 즉, MEMS는 적어도 몇몇 소자들이 몇몇 종류의 기계적 기능을 갖는 소형화된 기계 및 전자-기계 시스템들로서 규정될 수 있다. MEMS 디바이스들이 집적 회로들을 생성하기 위해 사용된 동일한 툴들에 의해 생성되기 때문에, 마이크로머신들 및 마이크로 전자 요소들은 다양한 형태들의 디바이스들이 가능하도록 실리콘의 일 부분상에 제작될 수 있다.
도 1은 압력의 감지를 위한 마이크로 전자 기계 디바이스의 일 예시적인 구조를 도시한다. 마이크로 전자 기계 압력 센서들은 기준 압력에서 휘발성 재료를 포함하는 갭(12) 위를 가로지르는 얇은 다이아프램(10)을 포함할 수 있다. 다이아프램은 센서를 둘러싼 주변 압력과 기준 압력 사이의 차이에 의해 변형된다. 다이아프램 변위는 용량형 또는 압전 저항형 감지에 의한 전기 신호로 변환될 수 있다.
MEMS 압력 센서 구조는 일반적으로 재료들의 패턴화 층들로 형성된다. MEMS 제작 프로세스는 층 증착들, 광 리소그래피, 에칭들 및 웨이퍼 접합의 조합들을 포함할 수 있다. 도 1은 마이크로 전자 기계 압력 센서의 예시적인 구조의 측면도 및 상면도를 도시한다. 예시적인 압력 센서는 평면 기반(11) 및 측벽층(13)에 의해 형성된 본체 구조를 포함하는 절대 압력 센서이다. 측벽층(13)에 의해 형성된 측벽들은 평면 기반(11)으로부터 멀리 연장하여 공동을 형성하고, 공동의 깊이는 측벽층(13)의 두께에 대응한다. 압력 센서 구조들의 특정한 카테고리에서, 공동은 측벽층(13)상에 연장하는 다이아프램 판(16)에 의해 기밀 밀봉된다. 갭의 주변 개구 위에 연장하는 다이아프램 판(16)의 일 부분은 주변부가 개구에 의해 한정되는 다이아프램(10)을 제공한다. 다이아프램(10)은 하나의 측면에서 갭의 기준 압력에 대해 및 다른 측면에서 주변 압력에 대해 노출된다. 따라서, 이러한 다이아프램(10)은 기준 압력과 주변 압력 사이의 압력차에 응답하여 변형된다. 이러한 변형의 정도는, 예를 들면, 갭의 어느 하나의 측면들상에 요소들에 대해 전극들을 배치하고, 전극들에 의해 갭의 높이에서 변형이 유도된 변경을 전기 신호로 변환함으로써 용량적으로 검출될 수 있다.
도 1의 센서의 불리한 점은 그것이 측벽(13) 위에 병렬 정전 용량을 제공한다는 것이다. 추가의 병렬 정전 용량은 상대적인 민감성을 감소시키고, 1/C 함수의 선형성을 손상시키고, 센서의 온도 의존성을 증가시키는 경향이 있다. 구조는 또한 측벽(13)의 외부 에지 위에 누설 전류 및 부유 정전 용량에 대한 경로를 제공한다. 이러한 외부 에지는 센서의 외부면상에 위치되고, 장착 및 보호 재료들, 습도 및 화학 물질 오염과 같은 외부 상태들에 의해 영향을 받을 수 있다. 이들 효과들은 가변부를 다이아프램 판(16)과 평면 기반(11) 사이의 총 정전 용량이 되게 할 수 있고, 그에 의해 센서의 압력 판독이 결정될 때 에러를 야기한다.
독일 특허공보 제3737059호 미국 특허출원공개공보 제2005/0262947호
본 발명의 목적은 상기 불리한 점들 중 적어도 하나의 제거 또는 경감을 가능케 하는 압력 센서 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 독립항들의 특징화 부분들에 따라 압력 센서 구조 및 압력 센서에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에서 개시된다.
청구된 발명은 평면 기반, 측벽층 및 다이아프램 판을 포함하는 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조를 규정한다. 측벽층은 평면 기반으로부터 멀리 연장하여 다이아프램 판과 접촉하는 측벽들을 형성한다. 측벽층은 절연 재료의 제 1 층 및 제 2 층 및 전도성 재료의 제 3 층인 적어도 세 개의 층들로 형성되고, 제 3 층은 제 1 층과 제 2 층 사이에 있다.
절연된 측벽층 내의 전도성 소자는 용량형 측정 결과들에 바람직하지 않은 효과들을 상당히 감소시키기 위해 차폐 전극으로 사용될 수 있다.
청구된 발명 및 그의 실시예들의 특징들 및 이점들은 실시예들의 상세한 설명과 함께 더 상세히 기술된다.
본 발명은 상기 불리한 점들 중 적어도 하나의 제거 또는 경감을 가능케 하는 압력 센서 구조를 제공한다.
도 1은 마이크로 전자 기계 압력 센서의 일 예시적인 구조의 측면도 및 평면도.
도 2a 및 도 2b는 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조의 일 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 3f는 예시적인 용량형 변환기 회로 구성들을 도시하는 도면.
도 4는 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 일 예시적인 다이아프램의 상대적인 휨을 도시하는 도면.
도 7은 절대 정전 용량 변경의 변동을 치수비의 함수로서 도시하는 도면.
도 8은 상대적 정전 용량 변경을 동일한 치수비의 함수로서 도시하는 도면.
도 9는 1/C 특징들의 비선형성을 동일한 치수비의 함수로서 도시하는 도면.
도 10은 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조를 포함하는 마이크로 전자 기계 압력 센서를 도시하는 도면.
다음에서, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들과 관련하여 더 상세히 기술될 것이다.
다음의 실시예들은 예시적이다. 본 명세서는 "하나" 또는 "몇몇" 실시예(들)이라고 언급하지만, 이는 반드시 각각의 이러한 참조가 동일한 실시예(들)에 대한 것이거나, 또는 특징이 단지 단일한 실시예에 적용한다는 것을 의미하지는 않는다. 상이한 실시예들의 단수 특징들은 다른 실시예들을 제공하기 위해 조합될 수 있다.
다음에서, 본 발명의 특징들은 본 발명의 다양한 실시예들이 구현될 수 있는 디바이스 아키텍처의 단순한 예가 기술될 것이다. 실시예들을 예시하기 위해 연관된 소자들만이 상세히 기술된다. 압력 센서들의 다양한 구현들은 일반적으로 당업자들에게 알려지는 요소를 포함하고, 여기에 특별히 기술되지 않을 것이다.
압력 센서 구조의 실시예들은 도 1을 참조하여 더 상세히 논의되는 요소들을 적용한다. 도 1은 마이크로 전자 기계 압력 센서의 예시적인 구조를 도시하고, 예시적인 센서 구조의 측면도 및 평면도를 도시한다. 절대 압력 센서는 일반적으로 주변 환경으로부터 기밀 폐쇄되는 갭을 포함한다. 차압 센서에서, 다이아프램은 두 개의 별개의 압력들에 노출된다. 다른 압력이 대기압인 경우, 차압 센서는 과압 센서라고 불린다. 다른 압력이 다른 알려진 기준 압력인 경우, 차압 센서는 관계형 센서라고 불린다. 본 발명은 청구된 구성을 포함하는 절대 압력 센서 또는 차압 센서의 임의의 형태에 적용될 수 있다.
도 1의 예시적인 압력 센서 구조는 절대 압력 센서이다. 도시된 압력 센서 구조는 평면 기반(11) 및 측벽층(13)에 의해 형성된 본체 구조를 포함한다. 평면 기반(11)은 실리콘 재료의 웨이퍼로 제작될 수 있지만, 다른 전도체, 반도체, 또는 절연체 재료들이 보호의 범위 내에서 적용될 수 있다. 평면 기반(11)은 또한 재료의 층들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 평면 기반의 표면상의 층은 용량형 센서의 전극의 역할을 하도록 전기적으로 전도성일 수 있다. 다른 예로서, 전체 평면 기반은 전극의 역할을 하도록 충분히 높은 전도성을 가질 수 있다. 평면 기반(11)은 기본적으로 평면 기반(11)의 평면을 따라 연장하는 제 1 표면(14)을 갖는다. 상기 용어는 기본적으로 여기서 제 1 표면이 평면 기반(11)의 평면에 정렬된 허용 오차들 내에 있는 표면 면적의 90%가 넘는 작은 표면 구조들(범프들 또는 공동들)을 수용할 수 있다는 것을 의미한다.
측벽층(13)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 표면(14)으로부터 이롭게는 제 1 표면(14)에 수직한 방향으로 연장하는 측벽들을 제공하는 비연속적인 층이다. 제 1 표면(14)으로부터 가장 먼 측벽층의 표면은 측벽층의 상부면이다. 갭과 다른 측상의 측벽층의 표면 또는 표면들은 측벽층의 외부면이다. 측벽층(13)은 평면 기반(11)에 단단히 부착되고 따라서 그 위에 개방 공간을 제한한다. 평면 기반(11)과 함께, 측벽층(13)의 측벽들은 공동을 형성하고, 공동의 깊이는 측벽들의 높이 및 측벽층(13)의 두께에 대응한다. 일반적으로 측벽층은 매우 얇고. 따라서 공동은 마이크로미터 또는 심지어 1 미크론보다 적은 치수로 매우 낮다. 종래의 측벽층은 실리콘 이산화물과 같이 전기적으로 절연된 재료일 수 있지만, 다른 전기적으로 절연된 재료들이 적용될 수 있다. 예시적인 구조의 평면도에서, 측벽층(13)의 상부 표면(19)은 점선으로부터 외부로 연장하는 직사각형 경계선으로 도시된다. 점선은 측벽들의 내부면들로 표시되고, 이들 내부면들의 상부 에지는 평면 기반(11) 및 측벽층(13)에 의해 형성된 공동의 주변 개구를 한정한다.
이러한 공동은 측벽층(13)상에 연장하는 다이아프램 판(16)에 의해 기밀 밀봉된다. 용어 다이아프램은 여기서 그의 주변부에 고정된 탄성적으로 변형하는 재료의 막을 말한다. 다이아프램 판(16)은 센서 구조에 다이아프램(10)을 제공하고 그의 주변부에 다이아프램을 고정하는 평면 객체이다. 다이아프램 판(16)은 하나 이상의 재료층들로 구성될 수 있다. 실리콘 재료는 종종 적어도 다이아프램 판의 하나의 층에 사용되지만, 다른 전도체, 반도체, 또는 절연체 재료들이 보호의 범위 내에서 적용될 수 있다. 다이아프램 판(16)은 평면 기반(11)의 제 1 표면(14)에 처음에 평행한 평면인 제 2 표면(18)을 통해 측벽층(13)에 연결한다. 용어 "처음에"가 여기에서 센서의 제작 스테이지들에서 요소들의 크기들을 말하는 것이 주의된다. 당업자는 압력 센서부들의 동작 동안 그들의 처음 평면 형태 외로 변형할 수 있다는 것을 이해한다.
도 1의 구조에서, 평면 기반(11), 측벽층(13), 및 다이아프램 판(16)은 서로 부착되어서 제 1 표면(14), 제 2 표면(18) 및 측벽들(13)의 내부면들은 기준 압력에서 휘발성 재료를 포함하는 기밀 폐쇄된 갭(12)을 형성한다. 갭(12)은 작은 양의 잔여 가스들만을 포함하도록 배출될 수 있지만, 이는 또한 선택된 기준 압력에서 선택된 가스 또는 다른 휘발성 재료로 채워질 수 있다.
주변 개구를 통해 갭(12)으로 연장하는 다이아프램 판(16)의 일 부분은 주변부가 개구에 의해 한정되는 다이아프램(10)을 제공한다. 다이아프램(10)의 변형은 용량형으로 또는 대안적으로 다이아프램에서 변형-유도 압력을 포함된 압전 저항들 또는 압력-게이지 저항들에 의해 전기 신호로 변환함으로써 압전 저항형 또는 유사한 압력-게이지 기반 방법에 의해 검출될 수 있다. 이들 방법들 모두는 본 기술 분야에서 개시되었고 이는 당업자에게 잘 알려졌기 때문에 본 명세서에서 더 상세히 논의되지 않을 것이다.
도 1의 센서 구조의 불리한 점은 측벽(13)과 연관된 큰 일정한 정전 용량이 존재하는 경향이 있다는 것이다. 측벽(13)이 다이아프램 판의 외부 주변부에 위치되기 때문에, 그의 면적은 센서 캐퍼시터의 압력 감지부를 형성하는 벤딩 다이아프램(10)의 면적과 비교하여 중요하다. 또한, 측벽(13)의 절연 재료는 측벽(13)과 연관된 정전 용량을 크게 증가시키는 중요한 비유전율(이산화 실리콘의 경우 이는 4이다)을 갖는다. 이러한 측벽 정전 용량은 센서 정전 용량과 전기적으로 병렬이고 다이아프램 판(16)과 평면 기반(11) 사이의 정전 용량을 평가할 때 그에 추가될 것이다. 이는 상대 감도(제로 압력에서 정전 용량에 적용된 공칭 풀 스케일 압력에 의한 정전 용량 변경의 비)를 효율적으로 감소시키고 압력의 함수로서 정확히 선형이 아닌 1/C(역 정전 용량) 특징들을 렌더링한다.
또한, 센서 구조의 외부면들은 저항형 또는 정전 용량형 누설 및 정전 용량형 측정 결과들에 대한 다른 스트레이 효과들을 야기할 수 있는 환경 조건들에 종종 노출된다.
이들 효과들은 측벽층이 집적된 차폐 전극을 포함하는 구조에 의해 효과적으로 감소될 수 있다는 것이 현재 검출되었다. 따라서, 측벽들은 절연 재료인 제 1 층과 제 2 층, 및 그들 사이에 전도성 재료의 제 3 층인, 적어도 세 개의 층들로 구성된다. 제 3 층은 구조에 대해 집적 차폐 전극을 제공한다. 도 2a 및 도 2b는 이러한 구조의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2a는 기술된 구조의 측면도를 도시하고 도 2b는 동일한 도면의 평면도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b의 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조는 도 1과 함께 기술된 평면 기반(21) 및 다이아프램 판(20)을 포함한다. 예시적인 절대 압력 센서 구조는 또한 평면 기반(21) 및 다이아프램 판(20)에 접속된 측벽들(23)을 포함하여 기준 전압에서 휘발성 재료를 포함하는 기밀 폐쇄된 갭(22)을 형성한다. 차압 센서 구조에서, 기준 압력이 예를 들면 평면 기반(21) 내 채널을 통해 갭(22)으로 이어질 수 있다는 것이 주의된다. 도 2의 구조에서, 다이아프램 판(20)의 적어도 일부는 센서 구조를 둘러싸는 주변 압력과 기준 압력 사이의 차이에 의해 변형된다. 다이아프램 판(20)의 변위는 정전 용량성 감지에 의해 전기 신호로 변환될 수 있다. 정전 용량은 평면 기반(21)의 제 1 표면(24)과 다이아프램 판(20)의 제 2 표면(25) 사이에 형성된다. 측벽들(23)은 또한 갭(22)과 센서의 외부 사이에 가능한 유체 이동이 존재하지 않도록 갭(22)을 밀봉한다.
측벽층(23)은 두 개의 층들(27, 28)이 전기적 절연 재료, 바람직하게는 실리콘 이산화물이고, 및 그들 사이의 하나의 층(29)이 전도성 재료, 바람직하게는 다결정 실리콘인 적어도 세 개의 층들을 포함하는 다층 구조이다. 제 1 층(28)의 하나의 표면은 평면 기반(21)상의 제 1 표면(24)에 연결되고, 제 1 층의 다른 표면은 제 3 층(27)에 연결된다. 제 2 층(29)의 하나의 표면은 다이아프램 판상의 제 2 표면(25)에 연결되고, 제 2 층의 다른 표면은 제 3 층(27)에 연결된다. 따라서, 절연 제 1 층(28), 차폐 전극을 제공하는 제 3 층(27), 및 측벽층(23)을 형성하는 제 2 층(29)은 그들이 적어도 부분적으로 중첩하도록 서로의 상부상에 적층된다. 갭(22)의 높이는 제 1 층(28), 제 2 층(29), 및 제 3 층(27)의 두께의 합에 의해 결정된다.
기술된 측벽들의 다층 구조에 의해, 측벽들(23)과 연관된 추가의 병렬 정전 용량은 여기서 다이아프램 판(26)과 제 3 층(27)에 의해 제공된 차폐 전극 사이에 존재하고 다이아프램 판(26)과 평면 기반(21) 사이에 존재하지 않도록 정렬된다. 기술된 바와 같이, 다이아프램 판(26)과 평면 기반(21) 사이에 측정된 정전 용량에 대한 이러한 추가의 정전 용량의 효과는 용량형 변환기 회로에 의해 최소화될 수 있고, 따라서 상대적 민감성 및 선형성에 대한 측벽들의 해로운 영향은 실제로 제거된다.
구조에서, 제 1 층(28), 중간 제 3 층(27), 및 제 2 층(29)은 제 1 절연층(28)이 제 3 층(27)을 지나서 수평으로 연장하고, 제 3 층(27)은 제 2 절연층(29)을 넘어서 수평으로 연장하도록 정렬 및 패터닝될 수 있다. 다시 말해서, 그의 구조적인 층들에 수직인(예를 들면, 제 1 표면(24)의 평면에 수직인) 평면을 갖는 센서 구조의 단면에서, 제 1 층(28)의 외부 주변부는 제 3 층(27)의 외부 주변부보다 갭으로부터 멀리 떨어져 있고, 제 3 층의 외부 주변부는 제 2 층의 외부 주변부보다 갭으로부터 더 멀리 떨어져 있다. 따라서, 동일한 단면에서, 제 1 층(28)의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리는 제 3 층(27)의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리(W1)보다 작을 수 있고, 제 3 층의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리(W1)는 제 2 층(29)의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리(W2)보다 작을 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상부로부터 볼 때, 이와 같이 제 1 절연(28) 층의 주변부는 제 3 층(27)의 에지를 지나서 보일 수 있고, 제 3 층(27)의 주변부는 제 2 층(29)의 에지를 지나서 보일 수 있다. 이롭게는, 제 2 층의 외부 주변부는 또한 제 2 층(29)의 주변부가 다이아프램 판(26)의 에지를 지나서 보일 수 있도록 다이아프램 판(26)을 지나서 연장한다. 측벽들이 다이아프램 판 없이 상부로부터 보여질 경우, 세 개의 층들(23, 27, 28)의 내부 및 외부 주변부들 모두의 모든 위치들에서, 제 1 층(28)의 부분은 제 3 층(27)의 외부 에지를 지나서 연장하는 것으로 보여질 수 있고, 제 3 층(27)의 부분은 측벽층(23)의 외부 에지를 지나서 연장하는 것으로 보여질 수 있다. 따라서, 실제로 다이아프램 판(26)과 평면 기반(21) 사이에 흐를 저항형 또는 진상 전류에 대한 쉬운 경로 및 단락이 없기 때문에, 외부 누설 전류 및 부유 정전 용량 효과들은 최소화된다. 센서의 주변부 주위의 모든 장소들에서 이러한 경로를 연장하고 방해하는 차폐층(27)이 존재한다.
상기 구조에서, 부유 및 병렬 정전 용량은 폐루프 연산 증폭기를 갖는 용량형 변환기 회로에 의해 제거되거나 적어도 상당히 감소될 수 있다. 장치에서, 측정된 정전 용량은 제 3 층(27)에 의해 생성된 차폐 전극(에 의해 덮여지지 않은 평면도에서) 없이 영역 위에 평면 기반(21)과 다이아프램 판(26) 사이에 정전 용량을 야기한다. 평면 기반(21)과 차폐 전극(27) 사이, 다이아프램 판(26)과 차폐 전극(27) 사이의 정전 용량들, 뿐만 아니라 에지(23) 위의 부유 정전 용량들 및 누설 저항들의 영향들은 효율적으로 제거될 수 있다. 도 2의 센서 구조에서, 연산 증폭기 회로가 다이아프램 판(20) 또는 평면 기반(21)의 전극과 동일한 전위로 차폐 전극(27)을 유지하도록 정렬되는 경우, 연산 증폭기의 전압 출력은 반드시 다이아프램 판의 중앙부와 평면 기반 사이의 정전 용량만을 나타내도록 만들어질 수 있다. 따라서, 다이아프램 판으로부터 차폐 전극(27)으로 및 차폐 전극(27)으로부터 평면 기반(21)으로의 절연 표면들 위에 가능한 누설 전류들 및 병렬 정전 용량들의 효과들은 연산 증폭기의 개방 루프 이득의 팩터에 의해 감소될 수 있다.
센서의 적절한 동작 동안, 차폐 전극(27)은, 바람직하게는 센서에 접속된 전기 회로의 접지 또는 가상 접지에 일정한 전위 또는 다이아프램 판(26)과 차폐 전위(27) 사이 및 평면 기반(21)과 차폐 전극(27) 사이에 흐르는 전류들을 다이아프램 판(26)과 평면 기반(21) 사이에 흐르는 전류로부터 분리하도록 허용하는 임의의 다른 전위에 접속될 수 있다. 다시 말해서, 다이아프램 판(26)과 제 3 층(27) 사이, 및 평면 기반(21)과 제 3 층(27) 사이의 전기 임피던스들은 다이아프램 판(26)과 평면 기반(21) 사이의 측정된 정전 용량에 영향을 주지 않도록 적응될 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 센서 구조에서 바람직하지 않은 효과들을 감소시키기에 적절한 예시적인 용량형 변환기 회로 구성들을 도시한다. 구성들은 연산 증폭기(30), 평면 기반 전극에 대한 단자 입력(31), 다이아프램 판 전극에 대한 단자 입력(36), 차폐 전극, 전압 소스(34) 또는 전류 소스(35)에 대한 단자 입력(32), 및 기준 임피던스(37)를 포함한다. 이들 구성 요소들은 측벽층들 위의 병렬 정전 용량으로부터 및 변하는 습도에 의한 절연 층의 표면 전도성의 변화들로부터 주목할만한 영향이 없이 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 정전 용량을 나타내는 전압 출력을 획득하기 위해 접속된다. 그러나, 청구된 방식에서 연산 증폭을 적용하는 연산 증폭기 회로 구성들의 다른 변경들이 보호의 범위를 벗어나지 않고 적용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다.
도 3a 내지 도 3d는 양의 비반전 입력이 공통 접지 또는 제로 전압 단자에 접속되는 예시적인 반전 연산 증폭기 회로들을 도시한다. 폐루프 피드백 회로의 거의 0인 차동 입력 전압 요구 조건 때문에, 반전 입력에서 전압 전위는 비반전 입력에서의 것과 거의 동등하고, 가상 접지 합계 지점(38)을 생성한다.
도 3a에서, 차폐 전극은 평면 기반과 동일한 전위로 정렬된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 평면 기반 단자(31)는 증폭기의 반전 입력에서 가상 접지 전위에 접속되고 차폐 전극 단자(32)는 접지 전위에 있다. 이에 의해, 차폐 전극과 평면 기반 사이의 전압 및 전류는 무시할 수 있고, 평면 기반과 다이아프램 판 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다. 다이아프램 판 단자(36)는 차폐 전극과 다이아프램 판 사이의 전류가 무시할 수 있고, 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없도록 전압 소스(34)에 연결된다. 차폐 전극과 평면 기반 사이의 정전 용량은 접지와 가상 접지(38) 사이에 접속되고, 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다.
다른 배경으로서, 평면 기반 단자(31)와 다이아프램 판 단자(36) 사이의 정전 용량을 CS로 표시하고, 평면 기반 단자(31)와 차폐 전극 단자(32) 사이의 정전 용량을 CL로 표시한다. 전압 소스(34)는 유효 전압(Ui)를 갖는 AC 전압 소스이고, 피드백 회로 요소(37)가 CF와 동등한 정전 용량을 갖는 캐퍼시터이고, 증폭기의 개방 루프 이득이 A라는 것을 또한 가정하자. 증폭기의 출력 전압(UO)은
Figure 112016077957208-pct00001
로 기재될 수 있다. 따라서, CL의 영향은 증폭기 개방 루프 이득의 양만큼 감소된다. 다이아프램 판 단자(36)와 차폐 전극 단자(32) 사이의 정전 용량은 또한, 이상적인 전압 소스로서 전압에서 변경 없이 이러한 정전 용량에 전류를 공급할 수 있는 전압 소스(Ui)와 병렬로 접속되기 때문에, 출력 전압에 영향이 없다.
도 3b에서, 차폐 전극은 다이아프램 판과 거의 동일한 전위로 정렬된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 다이아프램 판 단자(36)는 증폭기의 반전 입력에서 가상 접지 전위에 접속하고, 차폐 전극 단자(32)는 접지 전위에 있다. 이에 의해, 차폐 전극과 다이아프램 판 사이의 전압 및 전류는 무시할만하고, 평면 기반과 다이아프램 판 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다. 차폐 전극과 평면 기반 사이의 전류가 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없도록 평면 기반 단자(31)는 전압 소스(34)에 접속된다. 차폐 전극과 평면 기반 사이의 정전 용량은 접지와 전압 소스 사이에 접속되고, 따라서 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다.
도 3c에서, 차폐 전극은 또한 다이아프램 판과 거의 동일한 전위로 정렬된다. 도 3c에서 도시된 바와 같이, 다이아프램 판 단자(36)는 증폭기의 반전 입력에서 가상 접지 전위에 연결하고, 차폐 전극 단자(32)는 접지 전위에 있다. 이에 의해, 차폐 전극과 다이아프램 판 사이의 전압 및 전류는 무시할만하고, 평면 기반과 다이아프램 판 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다. 평면 기반 단자(31)는 차폐 전극과 평면 기반 사이의 전류가 무시할만하고 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 정전 용량 값들에 실제로 영향이 없도록 증폭기(30)의 출력에 접속된다. 차폐 전극과 평면 기반 사이의 정전 용량은 증폭기(30)의 출력과 접지 사이에 접속되고, 따라서 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다.
도 3d에서, 차폐 전극은 다시 평면 기반과 거의 동일한 전위로 정렬된다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 평면 기반 단자(31)는 증폭기의 반전 입력에서 가상 접지 전위에 연결하고, 차폐 전극 단자(32)는 접지 전위에 있다. 이에 의해, 차폐 전극과 평면 기반 사이의 전압 및 전류는 무시할만하고, 평면 기반과 다이아프램 판 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다. 다이아프램 판 단자(36)는 차폐 전극과 다이아프램 판 사이의 전류가 무시할만하고 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없도록 증폭기(30)의 출력에 접속된다. 차폐 전극과 평면 기반 사이의 정전 용량은 접지와 가상 접지(68) 사이에 접속되고, 따라서 다이아프램 판과 평면 기반 사이에 측정된 전기 용량 값들에 실제로 영향이 없다.
도 3a 내지 도 3d에서, 차폐 전극 단자는 접지 전위에 연결된다. 평면 기반 또는 다이아프램 판의 단자들은 감지된 정전 용량을 제공하고, 센서 단자들 중 하나는 증폭기 회로의 가상 접지에 접속된다. 이는 차폐 및 다이아프램 판 단자들을 통과하는 전류들을 서로 절연시키는 동안 차폐 전극 단자 및 센서 단자들 중 하나를 거의 동일한 전압으로 유지하게 한다. 본 발명 내에서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 것들과 다른 이러한 원리의 많은 변형들을 사용한다.
도 3e 및 도 3f는 예시적인 비-반전 연산 증폭기 회로들을 도시한다. 연산 증폭기(30)는 연산 증폭기의 출력이 반전 입력에 직접 다시 접속하는 전압 팔로워로서 사용된다. 반전 입력에서 전압 전위는 비-반전 입력에서의 전압 전위와 거의 동등하다.
도 3e에서, 차폐 전극은 다이아프램 판과 거의 동일한 전위로 정렬된다. 도 3e에 도시된 바와 같이, 다이아프램 판 단자(36)는 미리 규정되거나 그와 달리 알려진 전류를 갖는 전류 소스(35)에 연결된다. 전류 소스(35)가 또한 내부 임피던스들을 갖는 전류 및 전압 소스들의 조합으로 구성될 수 있고, 전류는 일정하지 않지만, 예를 들면, 분로 저항 또는 다른 알려진 전류 측정 기술로 측정되는 것으로 알려진다는 것이 이해된다. 다이아프램 판과 차폐 전극이 여기서 거의 동일한 전위이기 때문에, 실제로 그들 사이에 전류가 흐르지 않는다. 차폐 전극과 평면 기반 사이의 잠재적인 누설 또는 진상 전류는 또한, 이러한 전류가 실제로 출력 전압에 영향이 없이 증폭기에 의해 제공되기 때문에, 다이아프램 판 또는 평면 기반 사이의 전압 또는 전류에 실제로 영향이 없다.
다른 배경으로서, 평면 기반 단자(31)와 다이아프램 판 단자(36) 사이에 정전 용량을 Cs로 및 증폭기의 반전(-) 및 비반전(+) 입력들 사이에 정전 용량을 Ci로 표시하자. 이러한 정전 용량은 증폭기의 입력 정전 용량 및 다이아프램 판 단자(36)와 차폐 전극 단자(32) 사이의 정전 용량 모두를 포함한다. 전류 소스(35)가 주파수 f에서 유효 전류(Ji)를 갖는 AC 소스이고, 증폭기의 개방 루프 이득이 A라는 것을 또한 가정하자. 증폭기의 출력 전압(UO)은 다음과 같이 기재될 수 있다:
Figure 112016077957208-pct00002
따라서, Ci의 영향은 증폭기 개방 루프 이득(A)의 양만큼 감소된다. 평면 기반 단자(31)와 차폐 전극 단자(32) 사이의 정전 용량은 또한, 그가 증폭기의 출력 단자와 접지 단자 사이에 접속되기 때문에 출력 전압에 영향이 없고 따라서 출력 전압에 대한 효과가 거의 없다.
도 3f에서, 차폐 전극은 평면 기반과 거의 동일한 전위로 정렬된다. 도 3f에 도시된 바와 같이, 평면 기반 단자(31)는 미리 규정되거나 또는 그 외 알려진 전류를 갖는 전류 소스(35)에 접속된다. 평면 기반 및 차폐 전극은 여기서 거의 동일한 전위를 갖기 때문에, 특히 그들 사이에 전류가 흐르지 않는다. 차폐 전극과 다이아프램 판 사이의 잠재적인 누설 또는 진상 전류는, 이러한 전류가 출력 전압에 실제로 영향을 끼치지 않고 증폭기에 의해 제공되기 때문에 다이아프램 판과 평면 기반 사이의 전압 또는 전류에 실제로 효과가 없다.
도 3e 및 도 3f에서, 차폐 전극 단자는 센서 단자들 중 하나의 전위에 밀접하게 따라가도록 정렬되는 증폭기의 출력에 연결되어 차폐 전극 단자와 하나의 센서 단자 사이의 전류를 무시할만하게 유지한다. 본 발명 내에서 도 3e 및 도 3f에서 주어진 원리와 다른 이러한 원리의 변형들을 사용한다.
도 3a 내지 도 3f의 모든 예들은 차폐 전극 단자의 전위를 센서의 단자들 중 하나의 전위에 가깝게 유지하면서, 동시에 가드와 다이아프램 판 단자들을 통과하는 전류 경로들을 분리되게 유지하도록 피드-백 구성에서 증폭기를 사용한다.
도 2a 및 도 2b의 센서 구조에서, 갭(22)의 높이는 제 1 층(28), 제 2 층(29), 및 제 3 층(27)의 두께들의 합으로 결정된다. 이는 갭 높이가 매우 작은, 예를 들면, 1 미크론 이하 정도일 필요가 있는 애플리케이션들에서 비현실적으로 작은 층 두께들을 초래할 수 있다. 도 4는 이러한 애플리케이션들에 대해 더 적합한 다른 실시예의 측면도를 도시한다. 구조의 평면도는 도 2b에 도시된 상면도에 대응한다. 이러한 실시예에서, 제 1 층(28)은 평면 기반(21)의 제 1 표면 위에 연장하고 그의 상부상에 내부 전극층(400)을 갖는다. 내부 전극층(400)은 제 3 층(27)의 차폐 전극에 의해 둘러싸인 절연된 제 1 층(28)상에 연장한다. 내부 전극층은 이롭게는 차폐 전극 내 거의 전체 영역을 채우도록 연장하지만, 예를 들면, 좁은 트렌치(402)에 의해 제 3 층(27)의 차폐 전극으로부터 전기적으로 절연된다. 내부 전극층의 범위는 구조층들을 지나는 단면에서, 제 1 층상의 내부 전극층(400) 및 제 3 층의 폭은 트렌치(402)와 유사한 전기적으로 절연된 영역의 폭의 배수(적어도 10 배)가 되도록 정렬될 수 있다. 내부 전극층에 의해, 유전체 갭은 내부 전극층(400)의 대향면들과 다이아프램 판(20) 사이에 효과적으로 형성된다. 따라서, 센서의 정전 용량은 이와 같이 더 이상 제 1 및 제 3 층(28, 27)의 두께에 의해서가 아닌 단지 제 2 층(29)의 두께에 의해서만 결정된다.
이롭게는, 내부 전극층(400)은 차폐층(27)과 동일한 두께를 갖고 동일한 전도성 재료로 구성된다. 전기적으로 절연된 영역이 트렌치인 경우, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 단지 제 3 층만을 통과하여 또는 제 3 층 및 제 1 층을 통과하여 평면 기반으로 연장할 수 있다. 경우들 중 어느 것에서, 다이아프램(20)과 내부 전극층(400) 사이의 측정된 정전 용량은 내부 전극층(400)과 평면 기반(21) 사이에 일정한 정전 용량에 직렬로 결합되게 된다. 몇몇 경우들에서, 이는 구현에 대해 추가의 복잡성을 야기할 수 있다. 도 5는 전극층이 접촉 개구(501)를 통해 평면 기반(21)과 전기 접촉되도록 적응되는 다른 실시예를 도시한다. 이롭게는, 접촉 개구는 작고, 즉, 단면에서, 내부 전극층(400)의 폭은 접촉 개구(501)의 폭의 배수이다(적어도 10배). 범위 내에서, 더 큰 접촉 개구들을 사용하는 것이 또한 가능하지만, 이는 측벽층들의 제작 프로세스를 복잡하게 하는 경향이 있다.
제 1 및 제 3 층들(27, 28)의 두께들을 선택하는 자유도 및 층(29)의 두께를 증가시키기 위한 가능성은 측벽층들의 제작을 더 쉽게 만든다. 또한, 유전층들(28, 29)의 두께들이 증가될 수 있기 때문에, 차폐 전극(27), 평면 기반(21), 차폐 전극(27), 및 다이아프램 판(26) 사이의 정전 용량들이 감소될 것이다. 이는 잡음 이득을 감소시키고, 그에 의해 센서 구조에서 차폐 전극과 함께 사용된 폐루프 증폭기 회로에 의한 전기 잡음을 감소시킨다.
도 1의 센서 구조의 다른 불리한 점은 벤딩 다이아프램(10)과 평면 기반(11) 사이의 정전 용량은 측벽(13)에서 지지대에 가깝고 인가된 압력에 의한 다이아프램의 벤딩이 미미한 다이아프램(10)의 에지에 연관된 부분을 갖는다는 것이다.
도 2a 및 도 2b의 예시적인 실시예들은(도 4 및 도 5에 또한 적용된) 또한 이러한 불리한 점이 완화되도록 측벽(23)의 층들을 정렬하기 위한 방식을 도시한다. 도 2a에서, W2는 주위 압력 변경들에 응답하여 실제로 편향시키는 다이아프램 판(20)의 부분을 의미하는 다이아프램의 폭을 표시한다. 도 2a의 W2는 다이아프램의 단면 폭, 즉, 그들이 다이아프램 판(20)에 접속하는 측벽들의 상부면에서 두 개의 대향점들에서 제 2 층의 대향하는 측벽들 사이의 거리에 대응한다. W1은 다이아프램의 차폐되지 않은 폭 또는 용량형 폭을 표시한다. 도 2a의 W1은 제 3 층에서 갭의 대응하는 단면 폭, 즉, 센서 구조의 동일한 단면으로부터 결정된, 주변을 둘러싸는 제 3 층(27)의 대향하는 내부 주변부들 사이의 거리에 대응한다. W2가 W1보다 클 때, 제 3 층(27)의 일 부분은 다이아프램 판(20)의 벤딩 다이아프램과 평면 기반(21) 사이에 있다. 이는 벤딩 다이아프램(20)과 평면 기반(21) 사이의 벤딩이 매우 작은 다이아프램의 일 부분(25)의 정전 용량이 측정된 센서 정전 용량으로부터 배제되는 것을 의미한다.
도 6 내지 도 9는 일 예시적인 테스트 센서 구조로 만들어진 시뮬레이션들의 결과들을 도시하고, 직사각형 다이아프램의 크기는 0.2 × 1 ㎜이고, 다이아프램 판의 두께는 5 ㎛이고, 갭(측벽들)의 높이는 0.5 ㎛이다. 도 6은 대향하는 측벽들 사이에 연장하는 다이아프램의 폭을 따라 상대적인 벤딩의 예를 도시한다. 도 7은 W1/W2 비의 함수로서 절대 정전 용량 변화의 변동을 도시한다. 도 8은 W1/W2 비의 함수로서 상대 정전 용량 변화를 도시한다. 더 구체적으로, 도 8은 정전 용량 변화와 제로 압력에서 정전 용량 사이의 비의 변화를 보여준다. 도 9는 W1/W2 비의 함수로서 1/C 특징들의 비선형성을 도시한다.
도 6 내지 도 9는 에지들 근처의 영역들에서 생성된 정전 용량의 일부가 절대 민감성(압력당 정전 용량 변화)에 대해 약간 추가된 값을 갖고, 센서의 상대적 민감성(압력당 제로 압력에서 정전 용량당 정전 용량 변화)에 대한 해로운 영향을 갖는 것을 보여준다. 도 6은 측벽들 근처의 다이아프램의 부분들에서, 다이아프램의 벤딩이 매우 작은 것을 보여준다. 도 7은 W1/W2 = 0.4일 때, 정전 용량 변화는 여전히 W1/W2 = 1에서 최대값의 약 80%(~2,5/3,2)인 것을 보여준다. 도 8로부터, 동일한 비 W1/W2 = 0.4에 의해, 상대적 정전 용량 변화는 약 2의 팩터(~ 1,75/0,9)만큼 개선되었다는 것이 보여질 수 있다. 도 9로부터, 동일한 비 W1/W2 = 0.4에 의해, 비선형 에러가 6%보다 많은 것으로부터 0.6%까지 감소되었다는 것이 보여질 수 있다. 따라서, 비 W1/W2를 1보다 작게 되도록 감소시킴으로써, 상대적 민감성 및 선형성은 절대 달성가능한 정전 용량 변화를 상당히 손상시키지 않아야 할 필요 없이 제어 가능하게 개선될 수 있다.
도 10은 청구된 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조(91)를 포함하는 마이크로 전자 기계 압력 센서(90)의 일 실시예를 도시한다. 압력 센서는 또한 전기 회로부(92)를 포함한다. 센서 구조(91) 및 전기 회로부(92)는 별개의 다이들일 수 있다.
전기 회로부(92)는 전기 리드들(93)에 의해 평면 기반에, 가드층에, 및 다이아프램 판에 접속될 수 있다. 전기 회로는 또한 차폐 전극을 평면 기반 또는 제 1 평면층과 동일한 전위로 유지하고, 도 2a, 도 2b, 도 4, 도 5, 및 도 3a 내지 도 3f와 함께 논의되는 이들 단자들을 통해 전류 경로들을 분리되게 유지하기 위해 접속된 피드-백 구성에서 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
기술이 진보함에 따라, 본 발명의 기본 아이디어는 다수의 방식들로 구현될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명 및 그의 실시예들은 상기 예들로 제한되지 않고, 그들은 청구항들의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (16)

  1. 평면 기반, 측벽층, 및 다이아프램 판을 포함하는 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조에 있어서,
    상기 측벽층은 상기 평면 기반으로부터 멀리 연장하여 상기 다이아프램 판과 접촉하는 측벽들을 형성하고,
    상기 측벽층은 절연 재료의 제 1 층 및 제 2 층, 및 전도성 재료의 제 3 층의 적어도 세 개의 층들로 형성되고, 상기 제 3 층은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 있고,
    상기 제 1 층은 상기 제 3 층을 지나서 수평으로 연장하고, 상기 제 3 층은 상기 제 2 층을 지나서 수평으로 연장하는 것을 특징으로 하고,
    횡단면에서, 상기 절연재료의 제1층의 외부 주변부는 상기 제 3 층의 외부 주변부를 지나서 수평으로 연장하고, 상기 제 3 층의 외부 주변부는 상기 절연재료의 제2층의 외부 주변부를 지나서 수평으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    횡단면에서, 상기 제 1 층의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리는 상기 제 3 층의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리보다 작고, 상기 제 3 층의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리는 상기 제 2 층의 반대의 내부 주변부들 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 측벽층과 접촉하지 않는 다이아프램 판의 일 부분이 다이아프램을 제공하고,
    상기 제 3 층 레벨에서 갭의 횡단면 폭과 상기 다이아프램의 대응하는 횡단 폭 사이의 비는 1보다 작은 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비는 0.3 내지 0.7의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 비는 0.4인 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및/또는 상기 제 2 층은 이산화 실리콘으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽들 내 전도성 재료의 내부 전극층으로서, 상기 내부 전극층은 상기 제 3 층으로부터 전기적으로 절연되는, 상기 전도성 재료의 내부 전극층을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 절연은 상기 내부 전극층에 둘러싸는 전기적으로 절연된 영역에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연된 영역은 상기 내부 전극층 및 상기 제 1 층을 통해 상기 평면 기반에 연장하는 트렌치인 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 전극층은 접촉 개구를 통해 상기 평면 기반과 전기 접촉하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 전자 기계 압력 센서 구조.
  13. 제 1 항의 압력 센서 구조를 포함하는, 압력 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 상기 평면 기반, 차폐 전극, 및 상기 다이아프램 판에 대한 전기 리드들에 접속된 전기 회로를 포함하고,
    상기 전기 회로는 상기 평면 기반 또는 상기 다이아프램 판과 동일한 전위로 상기 차폐 전극을 유지하고, 상기 차폐 전극 및 상기 다이아프램 판을 통한 전류 경로를 서로 분리하기 위해 접속된 피드-백 구성에서 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 상기 평면 기반, 상기 전도성 재료의 층, 및 상기 다이아프램 판에 대한 전기 리드들에 접속된 전기 회로를 포함하고,
    상기 전기 회로는 전도성 재료의 층을 상기 평면 기반 또는 상기 다이아프램 판과 동일한 전위로 유지하기 위해, 및 상기 전도성 재료를 통과하는 전류 경로 및 상기 다이아프램 판을 통과하는 전류 경로를 서로 분리하기 위해 접속된 피드-백 구성의 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 연산 증폭기는 반전 연산 증폭기 또는 비반전 연산 증폭기인 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
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