KR101907605B1 - Current sensing device based on Metal-Insulator Transition and conductive substrate and current control system for using the same - Google Patents

Current sensing device based on Metal-Insulator Transition and conductive substrate and current control system for using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 기판과 MIT 소자 기반의 전류감지소자로서, 전도성 기판에 흐르는 전류(I)와 전도성 기판 양단의 전압(V) 또는 저항(R)에 의해 IV×시간 또는 I2R×시간으로 정의되는 주울열과 전류감지소자의 외부온도를 전달받은 MIT물질박막이 전이 온도 이상이 되면 저항(RMIT)이 급격히 감소하는데 이러한 저항변화를 전도성 기판에 흐르는 전류의 크기를 측정하는데 활용할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a current sensing device based on a conductive substrate and an MIT device and is defined as IV × time or I 2 R × time by the current (I) flowing through the conductive substrate and the voltage (V) or resistance (R) The resistance (R MIT ) is rapidly reduced when the MIT material thin film that has received the Joule heat and the external temperature of the current sensing device exceeds the transition temperature. This resistance change can be utilized to measure the current flowing through the conductive substrate .

Description

전도성 기판과 MIT 소자 기반의 전류감지소자 및 그를 포함하는 전류 제어 시스템{Current sensing device based on Metal-Insulator Transition and conductive substrate and current control system for using the same}[0001] The present invention relates to a current sensing device based on a conductive substrate and an MIT device, and a current control system including the same,

본 발명은 전자장치에 사용되는 전류감지소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성 기판과 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자 기반의 전류감지소자 및 그를 포함하는 전류 제어 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a current sensing device used in an electronic device, and more particularly, to a current sensing device based on a conductive substrate and an MIT (Metal-Insulator Transition) device and a current control system including the same.

도선에 흐르는 전류를 감지하는 방법은 션트저항을 이용하는 방법, 도선에 형성된 자기장을 감지하는 방법(영상변류기, CT(current transformer)), Hall 효과를 이용한 방법 등이 있다. 션트저항을 이용한 방법은 비절연형으로 사용이 간단하지만 쇼트에 의한 과전류는 감지할 수 없다. 영상변류기는 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 주변에 감겨있는 코일에 유도전기장을 생성시킴으로써 전류를 감지하는 절연방식으로 누전차단기에도 사용된다. Hall 효과를 이용한 방법은 얇은 판상형의 반도체물질에 전류를 흘렸을 때 측정되는 홀 효과에 의해 발생된 홀 전압을 측정하는 절연방식이다. 영상변류기는 미약한 자기장을 증폭하기 위해 복잡한 주변회로가 필요하며, 센서로 큰 전류가 직접적으로 흐르지 않기 때문에 전자식 전력보호 시스템에 많이 사용되고 있다. 이외에도 코일의 자기장을 이용한 방법이 다양한 제품으로 개발되고 있다.Methods for detecting the current flowing through the wire include a method using a shunt resistor, a method for detecting a magnetic field formed in a wire (a current transformer, a CT), and a method using a Hall effect. The shunt resistor method is simple to use because it is non-isolated, but it can not detect overcurrent caused by short circuit. The current transformer is an insulation method that detects current by generating an induction electric field in a coil wound around a magnetic field generated by a current flowing in a wire, and is also used in an earth leakage breaker. The Hall effect method is an insulation method that measures Hall voltage generated by Hall effect measured when current is applied to a thin plate type semiconductor material. The video deflector requires a complicated peripheral circuit to amplify a weak magnetic field and is widely used in an electronic power protection system because a large current does not flow directly to the sensor. In addition, methods using magnetic fields of coils are being developed as various products.

MIT(Metal-Insulator Transition) 특성은 상온에서 절연특성이 뛰어나며 특정온도에서 10,000배 이상의 큰 저항차이로 급격하게 저항 감소를 보임으로 정온 감지소자로 사용할 수 있다. 특정온도 이하에서는 서미스터와 같은 지수함수적인 저항 감소를 보이며, 특정온도 이상에서는 금속 특성이 있다. 이러한 MIT의 특정온도에서 절연체-금속 전이 특성을 이용함으로써 전류가 흐를 때 발생하는 열을 감지하여 시스템을 보호할 수 있는 기술을 구현할 수 있다.The MIT (Metal-Insulator Transition) characteristic has excellent insulation properties at room temperature and can be used as a constant-temperature sensing device because it exhibits a rapid resistance reduction with a large resistance difference of 10,000 times or more at a specific temperature. Below a certain temperature, the resistance decreases exponentially like a thermistor. Utilizing the insulator-to-metal transition characteristics at these MIT specific temperatures, a technology can be implemented to sense the heat generated by current flow and protect the system.

한국등록특허 제10-1213471호(등록일 2012.12.12)Korean Registered Patent No. 10-1213471 (registered December 12, 2012)

본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 온도에 따른 저항 특성 변화가 있는 물질이 전기전도도가 있는 기판 위에 형성되어 있어 전도성 기판에 흐르는 전류에 의한 열을 바로 감지하여 외부로 감지신호를 주어 시스템을 보호할 수 있는 전도성 기판과 MIT 소자 기반의 전류감지소자 및 그를 포함하는 전류 제어 시스템을 제공하는 것이다.The present invention has been proposed in the background as described above. Since a substance having a resistance characteristic change with temperature is formed on a substrate having electrical conductivity, it senses heat due to a current flowing in a conductive substrate, A current sensing device based on an MIT device, and a current control system including the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 외부 전류 제어 시스템으로 전류감지신호를 전달하는 전류감지소자는, 베이스기판의 상부면에 형성되는 리드프레임과, 베이스기판의 상부면에 리드프레임과 이격되게 형성되는 제1, 제2 연결단자와, 리드프레임 상부면에 절연물질로 이루어진 접착제로 접착되는 전도성 기판과, 전도성 기판 상부면에 서로 이격되게 형성되며 제1, 제2 연결단자와 각각 와이어본딩으로 연결되는 제1, 제2 전극패드와,In order to achieve the above object, a current sensing device for transmitting a current sensing signal to an external current control system according to the present invention includes a lead frame formed on an upper surface of a base substrate, a lead frame formed on an upper surface of the base substrate, A first connecting terminal and a second connecting terminal formed on the top surface of the conductive substrate, the first and second connecting terminals being separated from each other by an adhesive made of an insulating material on an upper surface of the lead frame, First and second electrode pads connected by bonding,

상기 전도성 기판의 상부면에 형성되는 절연박막와, 절연박막의 상부면에 형성되며 전도성 기판에서 발생하는 주울열과 전류감지소자의 외부온도를 전달받아 전이 온도에서 저항(RMIT)이 급격히 감소하는 MIT물질박막과, MIT물질박막 상부면에 서로 이격되게 형성되는 제3, 제4 전극패드와, 베이스기판의 상부면에 리드프레임 및 제1, 제2 연결단자와 이격되게 형성되며 제3, 제4 전극패드와 각각 와이어본딩으로 연결되는 제3, 제4 연결단자를 포함한다.And an MIT material which is formed on the upper surface of the insulating thin film and receives the external temperature of the joule heat generated from the conductive substrate and the current sensing device and rapidly reduces the resistance R MIT at the transition temperature, A third electrode pad formed on the upper surface of the MIT material thin film so as to be spaced apart from each other, a third electrode pad formed on the upper surface of the base substrate and spaced apart from the lead frame and the first and second connection terminals, And third and fourth connection terminals respectively connected to the pads by wire bonding.

여기서, 제3 전극패드와 와이어 본딩으로 연결된 제3 연결단자는 소스전원에 연결되고, 제4 전극패드와 와이어 본딩으로 연결된 제4 연결단자는 전압분배용 고정저항(Rref)과 연결되고, 전도성 기판에서 발생하는 주울열은 전도성 기판에 흐르는 전류(I)와 전도성 기판 양단의 전압(V) 또는 저항(R)에 의해 IV×시간 또는 I2R×시간으로 정의되는 것을 특징으로 한다.Here, the third connection terminal connected to the third electrode pad by wire bonding is connected to the source power source, the fourth connection terminal connected by wire bonding to the fourth electrode pad is connected to the voltage distribution fixing resistor R ref , Joule heat generated in the substrate is characterized by IV × time or I 2 R × time by the current (I) flowing through the conductive substrate and the voltage (V) or resistance (R) across the conductive substrate.

본 발명은 도핑이 된 실리콘과 같이 전도성이 있는 물질을 기판으로 사용하여 그 위에 MIT 특성을 가지는 물질을 박막화시켜 단일 소자로 제조된 것을 특징으로 한다. 전도성 기판은 실리콘의 경우 도핑원소(B, P등)를 사용하여 저항을 조절한다. 도핑양에 따라 실리콘의 비저항은 10-3 Ωcm ∼ 104 Ωcm의 범위를 가진다. MIT특성을 가지는 물질인 바나듐산화물은 고온에서 성장되며 도핑된 실리콘과 같이 전기전도성이 있는 기판 위에 박막으로 형성되어 2개의 전극을 가진 소자로 제작된다. 전도성 기판과 바나듐산화물은 절연층에 의해 분리되어 전기적으로 서로 간섭받지 아니한다. 전도성 기판에 흐르는 전류에 의해 발생된 주울열(Joule heat)이 MIT박막물질의 전이 온도(Tc)보다 높을 경우 MIT박막물질의 저항이 급격하게 감소하게 된다. 이러한 저항변화를 이용함으로써 릴레이 또는 트랜지스터와 같은 전류제어 장치를 제어한다.The present invention is characterized in that a conductive material such as doped silicon is used as a substrate and a material having an MIT characteristic is thinned thereon to form a single device. In the case of silicon, the conductive substrate uses a doping element (B, P, etc.) to control the resistance. Depending on the amount of doping, the resistivity of silicon has a range of 10 -3 ? Cm to 10 4 ? Cm. Vanadium oxide, which is a material with MIT characteristics, is grown at high temperatures and is formed as a thin film on an electrically conductive substrate such as doped silicon and is fabricated as a device with two electrodes. The conductive substrate and the vanadium oxide are separated by the insulating layer and are not electrically interfered with each other. When the Joule heat generated by the current flowing through the conductive substrate is higher than the transition temperature (Tc) of the MIT thin film material, the resistance of the MIT thin film material is drastically reduced. By using this resistance change, a current control device such as a relay or a transistor is controlled.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, MIT박막물질의 열감지 특성을 이용한 전류 제어방식은 시스템에 과전류가 흘렀을 경우 발생되는 열을 수십 또는 수 ms이내의 짧은 시간내에 감지하여 전류를 차단할 수 있는 감지신호를 전류 제어 시스템에 전달하여 시스템을 안전하게 보호하는 중요한 부품으로 사용 가능하다.As described above, according to the present invention, the current control method using the heat sensing characteristic of the MIT thin film material can detect the heat generated when the overcurrent flows in the system within a short time of several tens or several milliseconds, Can be used as an important part for safely protecting the system by transmitting the current to the current control system.

전도성 기판과 MIT 소자 기반의 전류감지소자로서, 전도성 기판에 흐르는 전류(I)와 전도성 기판 양단의 전압(V) 또는 저항(R)에 의해 IV×시간 또는 I2R×시간으로 정의되는 주울열과 전류감지소자의 외부온도를 전달받은 MIT물질박막이 전이 온도 이상이 되면 저항(RMIT)이 급격히 감소하는데 이러한 저항변화를 전도성 기판에 흐르는 전류의 크기를 측정하는데 활용할 수 있다.A current sensing device based on a conductive substrate and an MIT device which is characterized by a joule heat defined by IV × time or I 2 R × time by the current (I) flowing through the conductive substrate and the voltage (V) or resistance (R) across the conductive substrate The resistance (R MIT ) decreases rapidly when the MIT material thin film that receives the external temperature of the current sensing device exceeds the transition temperature. Such a resistance change can be used to measure the current flowing through the conductive substrate.

도 1 은 본 발명에 따른 전류감지소자(100)의 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 패키지로 제작된 전류감지소자를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 패키지로 제작된 전류감지소자의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 전류 제어 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 도핑된 실리콘 기판의 온도에 따른 저항 특성 곡선이다.
도 6 은 MIT 물질의 온도에 따른 저항 특성 곡선이다.
도 7 은 패키지 표면 온도에 따른 전류의 특성 곡선이다.
FIG. 1 is an exemplary view for explaining a structure of a current sensing device 100 according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a current sensing device fabricated from the package according to the present invention.
3 is an exemplary view for explaining the operation of the current sensing device fabricated with the package according to the present invention.
4 is an exemplary diagram illustrating a current control system according to the present invention.
5 is a resistance characteristic curve according to temperature of the doped silicon substrate.
6 is a resistance characteristic curve according to the temperature of the MIT material.
7 is a characteristic curve of the current according to the package surface temperature.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 실제 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. In the drawings, the thicknesses of the layer regions can be exaggerated relative to the actual thickness in order to make it clear.

본 발명에 따른 전류감지소자(100)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 베이스기판(101)의 상부면에 리드프레임(110)이 형성되고, 베이스기판(101)의 상부면에 리드프레임(110)과 이격되게 제1, 제2 연결단자(121, 122)가 형성된다. 리드프레임(110) 상부면에는 절연물질로 이루어진 접착층(131), 예컨대 절연에폭시로 접착되는 전도성 기판(140)이 형성된다. 전도성 기판(140) 상부면에는 제1, 제2 연결단자(121, 122)와 와이어본딩으로 연결되는 제1, 제2 전극패드(151, 152)이 형성된다. 1 to 3, a current sensing device 100 according to the present invention includes a lead frame 110 formed on an upper surface of a base substrate 101, First and second connection terminals 121 and 122 are formed so as to be spaced apart from the frame 110. On the upper surface of the lead frame 110, an adhesive layer 131 made of an insulating material, for example, a conductive substrate 140 adhered with an insulating epoxy, is formed. First and second electrode pads 151 and 152 connected to the first and second connection terminals 121 and 122 by wire bonding are formed on the upper surface of the conductive substrate 140.

전도성 기판(140)은 도핑물질이 도핑된 P 타입(예를 들어, 보론(Boron)) 또는 N 타입(예를 들어, 인(Phosphorous)) 실리콘 기판으로 구현될 수 있다. 전도성 기판(140)의 비저항은 0.001 Ωcm 에서 10,000 Ωcm의 범위를 갖도록 구현될 수 있다. 전도성 기판(140)의 크기를 조절함으로써, 전도성 기판(140)의 저항을 조절할 수 있다.The conductive substrate 140 may be implemented with a P-type (e.g., Boron) or N-type (e.g., Phosphorous) silicon substrate doped with a doping material. The resistivity of the conductive substrate 140 may be implemented to have a range of 0.001? Cm to 10,000? Cm. By adjusting the size of the conductive substrate 140, the resistance of the conductive substrate 140 can be adjusted.

여기서, 도 3을 참조하면, 제1 연결단자(121)를 통해 입력되는 전류는 전도성 기판(140)에 형성된 제1 전극패드(151)와 전도성 기판(140)과 제2 전극패드(152)를 거쳐 제2 연결단자(122)로 흐른다. 만일, 전도성 기판(140)에 과전류가 흐르게 되면, 전도성 기판(140)에서 주울열이 발생된다. 전도성 기판(140)에서 발생하는 주울열은 전도성 기판(140)에 흐르는 전류(I)와 전도성 기판(140) 양단의 전압(V) 또는 저항(R)에 의해 IV×시간 또는 I2R×시간으로 정의될 수 있다. 3, a current input through the first connection terminal 121 is electrically connected to the first electrode pad 151 formed on the conductive substrate 140, the conductive substrate 140 and the second electrode pad 152 And flows to the second connection terminal 122. If an overcurrent flows through the conductive substrate 140, Joule heat is generated in the conductive substrate 140. The joule heat generated in the conductive substrate 140 may be IV × time or I 2 R × time by the current I flowing through the conductive substrate 140 and the voltage V or the resistance R across the conductive substrate 140 . ≪ / RTI >

다시 도 1에서, 전도성 기판(140)의 상부면에는 절연박막(160)이 형성되며, 절연박막(160)의 상부면에는 MIT물질박막(170)이 형성된다. MIT물질박막(170)은, 전도성 기판(140)에서 발생하는 주울열과 전류감지소자의 외부온도를 전달받아 전이 온도에서 저항(RMIT)이 급격히 감소하는 MIT(Metal-Insulator Transition) 물질로 구현된다. 1, an insulating thin film 160 is formed on an upper surface of the conductive substrate 140, and an MIT material thin film 170 is formed on an upper surface of the insulating thin film 160. The MIT material thin film 170 is implemented as an MIT (Metal-Insulator Transition) material in which the joule heat generated in the conductive substrate 140 and the external temperature of the current sensing device are received and the resistance R MIT rapidly decreases at the transition temperature .

MIT(Metal-Insulator Transition) 물질 중 가장 대표적인 물질인 바나듐산화물(VOx)은 산소의 함량에 따라 다양한 상을 가지며 VnO2n1, V2nO5n2의 화학조성비를 갖는 바나듐산화물질, 예를 들어 V2O5, V2O3, V3O7, V4O7, V5O9, V6O11, V6O13, V7O13 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 바나듐산화물은 산소의 양에 따라 VO, V2O3, VO2, V2O5의 결정상이 만들어지며, 상온에서 V2O3는 금속저항을 가지며, VO2는 수 MΩ, V2O5는 수십 GΩ의 저항을 가진다. 특히 VO2는 70도 근방에서 절연체에서 금속으로 변하는 특성을 가지고 있다.Vanadium oxide (VO x ), which is one of the most representative materials of MIT (Metal-Insulator Transition) materials, is a vanadium oxide material having various phases depending on the content of oxygen and having a chemical composition ratio of V n O 2n1 and V 2n O 5n2 , V 2 O 5 , V 2 O 3 , V 3 O 7 , V 4 O 7 , V 5 O 9 , V 6 O 11 , V 6 O 13 , and V 7 O 13 . Vanadium oxide has a crystal phase of VO, V 2 O 3, VO 2, V 2 O 5 are made according to the amount of oxygen, at room temperature, V 2 O 3 has a metal resistance, VO 2 is MΩ, V 2 O 5 Has a resistance of several tens of GΩ. In particular, VO 2 has the property of changing from insulator to metal at around 70 ° C.

바나듐산화물 박막의 두께는 200nm 이하로 구현된다. MIT물질박막(170)은 바나듐산화물에 W, Cr, Ni, Zn, Al, Mo, Cu, Sn, Ce, Ru, Y 중 어느 하나가 도핑물질로 사용된 바나듐산화물로 구현된다. MIT물질박막(170)은 바나듐산화물의 보호를 위해 Si3N4, SiO2, Al2O3, h-BN, 폴리미드(Polyimide) 중 어느 하나로 구현된 보호막을 포함하여 구현될 수 있다.The thickness of the vanadium oxide thin film is 200 nm or less. The MIT material thin film 170 is formed of vanadium oxide in which one of W, Cr, Ni, Zn, Al, Mo, Cu, Sn, Ce, Ru and Y is used as a doping material in vanadium oxide. The MIT material thin film 170 may be formed to include a protective film formed of any one of Si 3 N 4 , SiO 2 , Al 2 O 3 , h-BN, and polyimide for protecting the vanadium oxide.

절연 박막(160)은 질화알루미늄(AlN), TiN, GaN, Si3N4, SiO2, Al2O3 중 적어도 하나를 포함하여 구현될 수 있다. 절연 박막(160)은 절연특성으로 인하여 전도성 기판(140)과는 전기적인 간섭이 없다. 질화알루미늄(AlN)의 경우 전도성 기판(140)위에 박막으로 증착되었을 때 뛰어난 결정성을 가지고 있어, 바나듐산화물의 급격한 저항 전이 특성을 유지 또는 향상시키는 효과가 있다. 반면 Si3N4, SiO2, Al2O3 은 바나듐산화물의 특성이 감소하는 효과를 보인다. 따라서 AlN/SiO2와 같이 질화물과 산화물의 적절한 조합으로 전도성 기판(140)과 MIT물질박막(170) 사이의 절연특성을 더 향상시킬 수도 있다.Insulating thin film 160 of aluminum nitride (AlN), TiN, GaN, Si 3 N 4, SiO 2, Al 2 O 3 Or the like. The insulating thin film 160 has no electrical interference with the conductive substrate 140 due to the insulating property. In the case of aluminum nitride (AlN), it has excellent crystallinity when deposited as a thin film on the conductive substrate 140, so that it has an effect of maintaining or improving the abrupt resistance transfer characteristic of the vanadium oxide. On the other hand, Si 3 N 4 , SiO 2 and Al 2 O 3 show the effect of reducing the properties of vanadium oxide. Thus, an appropriate combination of nitride and oxide, such as AlN / SiO 2 , may further improve the insulating properties between the conductive substrate 140 and the MIT material thin film 170.

MIT물질박막(170) 상부면에는 서로 이격되게 제3, 제4 전극패드(181, 182)가 형성된다. 제1, 제2 전극패드(151, 152)와 제3, 제4 전극패드(181, 182)는 AAu, Pt, Ni, Mo, W, Cu, Al, Cr, Ti, V, Zn, Sn, ITO, 또는 Graphene이 단층 또는 다층으로 구성될 수 있다. 일례로, MIT물질박막(170)과의 접착력을 높이고 접촉저항을 줄이기 위해 Ti, Cr을 전극패드와 MIT물질박막(170) 사이의 중간층으로 사용할 수 있다.On the upper surface of the MIT material thin film 170, third and fourth electrode pads 181 and 182 are formed to be spaced apart from each other. The first and second electrode pads 151 and 152 and the third and fourth electrode pads 181 and 182 may be formed of a material selected from the group consisting of Au, Pt, Ni, Mo, W, Cu, Al, Cr, Ti, ITO, or Graphene may be composed of a single layer or a multilayer. For example, Ti, Cr may be used as an intermediate layer between the electrode pad and the MIT material thin film 170 to increase the adhesion to the MIT material thin film 170 and reduce the contact resistance.

도 3을 참조하면, 제3 전극패드(181)는 베이스기판(101)의 상부면에 리드프레임(110) 및 제1, 제2 연결단자(121, 122)와 이격되게 제3, 제4 연결단자(123, 124)가 형성된다. 제3, 제4 연결단자(123, 124)는 제3, 제4 전극패드(181, 182)와 각각 와이어본딩으로 연결된다.3, the third electrode pad 181 is connected to the upper surface of the base substrate 101 through a lead frame 110 and first and second connection terminals 121 and 122, Terminals 123 and 124 are formed. The third and fourth connection terminals 123 and 124 are connected to the third and fourth electrode pads 181 and 182 by wire bonding, respectively.

여기서 도 3 및 도 4를 참조하면, 제3 전극패드(181)와 와이어 본딩으로 연결된 제3 연결단자(123)는 소스전원에 연결되고, 제4 전극패드(182)와 와이어 본딩으로 연결된 제4 연결단자(124)는 전압분배용 고정저항(Rref)과 연결될 수 있다. 전도성 기판(140)에서 발생하는 주울열에 의해 MIT물질박막(170)의 저항(RMIT) 변화가 생기며, 고정저항(Rref)에 걸리는 출력전압(Vout)도 변하게 된다. 출력전압(Vout)은 전류 제어 시스템의 A/D 컨버터 또는 마이크로컨트롤러의 A/D 입력포트에 입력되어 8bit 또는 16bit로 디지털 신호로 변환된다. 전류 제어 시스템은 출력전압(Vout)을 바탕으로 전류의 크기로 측정할 수 있으며, 디지털값으로 전류 제어도 가능하다. 3 and 4, the third connection terminal 123 connected to the third electrode pad 181 by wire bonding is connected to the source power, and the fourth connection pad 123 is connected to the fourth electrode pad 182 by wire bonding. The connection terminal 124 may be connected to a voltage-dividing fixed resistor R ref . The resistance R MIT of the MIT material thin film 170 is changed by the joule heat generated in the conductive substrate 140 and the output voltage V out applied to the fixed resistor R ref is also changed. The output voltage (V out ) is input to the A / D converter of the current control system or the A / D input port of the microcontroller and converted into a digital signal at 8 bits or 16 bits. The current control system can measure the magnitude of the current based on the output voltage (V out ), and can also control the current with a digital value.

전도성 기판은 도핑량에 따라 비저항의 값이 달라지며, 비저항이 다른 실리콘 기판의 온도에 따른 저항의 변화를 도 5에 보여주고 있다. 실리콘 기판의 저항이 클수록 적은 전류에도 쉽게 바나듐산화물(VO2)의 전이 온도에 도달하여 전류를 제어할 수 있는 감지신호를 생성할 수 있고, 저항이 작을 경우는 더 큰 전류를 흘려야 바나듐산화물(VO2)의 전이 온도에 도달하게 되어 대전류 제어에 적합한 기판이 될 수 있다. The resistivity of the conductive substrate varies depending on the amount of doping, and FIG. 5 shows a change in resistance depending on the temperature of the silicon substrate having a different resistivity. The larger the resistance of the silicon substrate is, the more easily it is possible to generate a sensing signal that can control the current by reaching the transition temperature of vanadium oxide (VO 2 ) easily even with a small current. When the resistance is small, 2 ), and can be a substrate suitable for high current control.

MIT물질박막으로 사용된 바나듐산화물(VO2)의 온도에 대한 저항값의 감소특성은 도 6에 나타나 있다. 온도에 대해 log로 표시된 저항은 상온에서 선형적으로 감소하며 75도 부근에서 급격하게 감소하여 85도에서 낮은 저항값으로 전이하게 된다. 온도를 내릴 경우는 75도부터 저항이 증가하기 시작하여 65도에서는 높은 저항값을 가지게 되고 이후 선형적으로 증가한다. 약 10도 정도 온도차이의 이력특성(hysteresis)을 보인다. 높은 저항에서 낮은 저항으로의 전이가 특정온도에서 급격하게 일어남으로 금속-절연체전이(Metal-Insulator Transition, MIT)현상으로 알려져 있으며, 정온 온도스위치로 사용이 가능하다. 본 발명에서는 전도성 기판에 흐르는 전류에 의한 주울열이 85도 이상이 되면 금속-절연체 전이에 의해 VO2는 금속 저항을 가지게 되어 외부에 연결된 릴레이, 또는 트랜지스트를 제어할 수 있는 신호를 발생시킬 수 있다. 저저항의 기판을 사용하게 되면 보다 높은 전류에서 신호를 발생시킬 수 있으며, 고저항의 기판을 사용하게 되면 낮은 전류에서도 바나듐산화물(VO2)을 전이시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있다. 또한 전도성기판(300)의 두께와 크기를 조절함으로써도 발생되는 열을 조절할 수 있다. The characteristic of reducing the resistance value against the temperature of vanadium oxide (VO 2 ) used as the MIT material thin film is shown in FIG. The logarithmic resistance to temperature decreases linearly at room temperature and decreases sharply at around 75 degrees, transitioning to a low resistance at 85 degrees. When the temperature is lowered, the resistance begins to increase from 75 ° C to 65 ° C, and then to a high resistance value, which then increases linearly. It shows hysteresis of temperature difference about 10 degrees. It is known as metal-insulator transition (MIT) phenomenon because the transition from high resistance to low resistance occurs rapidly at a certain temperature, and it can be used as a constant temperature switch. In the present invention, when the joule heat due to the current flowing through the conductive substrate is 85 degrees or more, VO 2 has a metal resistance due to the metal-insulator transition, thereby generating a signal capable of controlling an external relay or transistor have. Using low resistivity substrates can generate signals at higher currents, and using high resistivity substrates can generate enough heat to transfer vanadium oxide (VO 2 ) even at low currents. Also, the heat generated by adjusting the thickness and size of the conductive substrate 300 can be controlled.

도 7 은 패키지 표면 온도에 따라 전도성 기판에 흐르는 전류의 크기를 나타낸 그래프이다. x축은 SOT23-5 패키지의 표면온도(Ts)이다. 전도성 기판에서 발생되는 주울열과 환경온도의 합이 85도가 되었을 때 바나듐산화물(VO2)은 금속저항으로 전이하게 되며, 도 7에서와 같은 곡선으로 전류의 크기가 감소하게 되며 85도의 환경온도에서는 전류를 흘리지 않아도 금속상태로 전이되게 된다.7 is a graph showing the magnitude of the current flowing through the conductive substrate according to the package surface temperature. The x-axis is the surface temperature (Ts) of the SOT23-5 package. When the sum of the Joule heat and the environmental temperature generated from the conductive substrate is 85 degrees, the vanadium oxide (VO 2 ) is transferred to the metal resistance. The curves shown in FIG. 7 decrease the magnitude of the current. The metal is transformed into a metal state.

지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined only by the appended claims.

100: 전류감지소자
101: 베이스기판
110: 리드프레임
121, 122: 제1, 제2 연결단자
131: 접착층
140: 전도성 기판
151, 152: 제1, 제2 전극패드
160: 절연박막
170: MIT물질박막
181, 182: 제3, 제4 연결단자
100: Current sensing element
101: Base substrate
110: lead frame
121, 122: first and second connection terminals
131: Adhesive layer
140: conductive substrate
151, 152: first and second electrode pads
160: insulated thin film
170: MIT material thin film
181, 182: third and fourth connection terminals

Claims (8)

외부 전류 제어 시스템으로 전류감지신호를 전달하는 전류감지소자로서,
베이스기판의 상부면에 형성되는 리드프레임;
상기 베이스기판의 상부면에 상기 리드프레임과 이격되게 형성되는 제1, 제2 연결단자;
상기 리드프레임 상부면에 절연물질로 이루어진 접착제로 접착되는 전도성 기판;
상기 전도성 기판 상부면에 서로 이격되게 형성되며, 상기 제1, 제2 연결단자와 각각 와이어본딩으로 연결되는 제1, 제2 전극패드;
상기 전도성 기판의 상부면에 형성되는 절연박막;
상기 절연박막의 상부면에 형성되며, 상기 전도성 기판에서 발생하는 주울열과 전류감지소자의 외부온도를 전달받아 전이 온도에서 저항(RMIT)이 급격히 감소하는 MIT물질박막;
상기 MIT물질박막 상부면에 서로 이격되게 형성되는 제3, 제4 전극패드;
상기 베이스기판의 상부면에 상기 리드프레임 및 제1, 제2 연결단자와 이격되게 형성되며 상기 제3, 제4 전극패드와 각각 와이어본딩으로 연결되는 제3, 제4 연결단자를 포함하며,
상기 제3 전극패드와 와이어 본딩으로 연결된 제3 연결단자는 소스전원에 연결되고, 상기 제4 전극패드와 와이어 본딩으로 연결된 제4 연결단자는 전압분배용 고정저항(Rref)과 연결되고,
상기 전도성 기판에서 발생하는 주울열은 전도성 기판에 흐르는 전류(I)와 전도성 기판 양단의 전압(V) 또는 저항(R)에 의해 IV×시간 또는 I2R×시간으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전류감지소자.
A current sensing device for transmitting a current sensing signal to an external current control system,
A lead frame formed on an upper surface of the base substrate;
First and second connection terminals formed on an upper surface of the base substrate so as to be spaced apart from the lead frame;
A conductive substrate adhered to an upper surface of the lead frame with an adhesive made of an insulating material;
First and second electrode pads spaced from each other on the upper surface of the conductive substrate and connected to the first and second connection terminals by wire bonding;
An insulating thin film formed on an upper surface of the conductive substrate;
A MIT material thin film formed on an upper surface of the insulating thin film and having a resistance R MIT sharply reduced at a transition temperature by receiving Joule heat generated from the conductive substrate and an external temperature of the current sensing device;
Third and fourth electrode pads spaced from each other on the upper surface of the MIT material thin film;
And third and fourth connection terminals formed on an upper surface of the base substrate so as to be spaced apart from the lead frame and the first and second connection terminals and respectively connected to the third and fourth electrode pads by wire bonding,
A third connection terminal connected to the third electrode pad by wire bonding is connected to a source power source and a fourth connection terminal connected to the fourth electrode pad by wire bonding is connected to a voltage dividing fixed resistor R ref ,
Joule heat generated from the conductive substrate is defined as IV 占 time or I 2 R 占 time by the current (I) flowing through the conductive substrate and the voltage (V) or resistance (R) across the conductive substrate. Sensing element.
제1항에 있어서,
상기 전도성 기판은,
도핑물질이 도핑된 P 타입 또는 N 타입 실리콘 기판이며, 비저항은 0.001 Ωcm 에서 10,000 Ωcm의 범위를 가지는 전류감지소자.
The method according to claim 1,
The conductive substrate may include:
A P-type or N-type silicon substrate doped with a doping material, wherein the resistivity has a range of 0.001? Cm to 10,000? Cm.
제1항에 있어서,
상기 절연박막은,
질화알루미늄(AlN), TiN, GaN, Si3N4, SiO2, Al2O3 중 적어도 하나를 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는 전류감지소자.
The method according to claim 1,
Wherein the insulating thin film comprises:
Wherein at least one of aluminum nitride (AlN), TiN, GaN, Si3N4, SiO2, and Al2O3 is included.
제1항에 있어서,
제1, 제2, 제3, 제4 전극패드는,
Au, Pt, Ni, Mo, W, Cu, Al, Cr, Ti, V, Zn, Sn, ITO, 또는 Graphene이 단층 또는 다층으로 구성되는 전류감지소자.
The method according to claim 1,
The first, second, third, and fourth electrode pads,
Wherein at least one of Au, Pt, Ni, Mo, W, Cu, Al, Cr, Ti, V, Zn, Sn, ITO or Graphene is a single layer or multilayer.
제1항에 있어서,
상기 MIT물질박막은 바나듐산화물로서, V2O5, V2O3, V3O7, V4O7, V5O9, V6O11, V6O13, V7O13 중 어느 하나로 구현되는 전류감지소자.
The method according to claim 1,
The MIT material thin film is a vanadium oxide which is selected from the group consisting of V 2 O 5 , V 2 O 3 , V 3 O 7 , V 4 O 7 , V 5 O 9 , V 6 O 11 , V 6 O 13 and V 7 O 13 A current sensing device implemented as one.
제5항에 있어서,
상기 MIT물질박막은,
상기 바나듐산화물에 W, Cr, Ni, Zn, Al, Mo, Cu, Sn, Ce, Ru, Y 중 어느 하나가 도핑물질로 사용된 바나듐산화물로 구현된 전류감지소자.
6. The method of claim 5,
The MIT material thin film,
Wherein the vanadium oxide is formed of vanadium oxide in which any one of W, Cr, Ni, Zn, Al, Mo, Cu, Sn, Ce, Ru and Y is used as a doping material.
제5항에 있어서,
상기 MIT물질박막은,
상기 바나듐산화물의 보호를 위해 Si3N4, SiO2, Al2O3, h-BN, 폴리이미드(Polyimide) 중 어느 하나로 구현된 보호막을 포함하는 전류감지소자.
6. The method of claim 5,
The MIT material thin film,
And a protection layer formed of any one of Si 3 N 4 , SiO 2 , Al 2 O 3 , h-BN, and polyimide for protecting the vanadium oxide.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 전류감지소자를 포함하며, 상기 MIT물질박막의 저항(RMIT) 변화에 의해 전압분배용 고정저항(Rref)에 걸리는 출력전압(VOUT) 신호를 입력받아 동작하는 전류 제어 시스템.A current detection device according to any one of claims 1 to 7, wherein an output voltage (V OUT ) signal applied to the voltage-dividing fixed resistor (R ref ) is changed by a change in resistance (R MIT ) of the MIT material thin film A current control system that receives and operates.
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