KR101946234B1 - 개선된 압력 센서 구조 - Google Patents

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Abstract

평면형 베이스(planar base), 측벽들 및 다이어프램(diaphragm) 판을 포함하는 마이크로전자기계 압력 센서 구조가 개시된다. 측벽들은 평면형 베이스로부터 측벽들의 상부 표면으로 원주 방향으로 연장된다. 평면형 베이스, 측벽들 및 다이어프램 판은 기준 압력에서 완전히 폐쇄된 갭(gap)을 형성하기 위해 서로 붙어 있고, 측벽들의 내부 표면들의 상부 에지는 다이어프램의 주변부를 형성한다. 다이어프램 판은 제 1 평면형 물질 층이 다이어프램의 주변부 위에 걸쳐 있는 하나 이상의 평면형 물질 층들을 포함한다. 측벽들의 상부 표면은 제 1 평면형 물질 층에 의해 커버되지 않은 적어도 하나의 격리 영역을 포함한다.

Description

개선된 압력 센서 구조{AN IMPROVED PRESSURE SENSOR STRUCTURE}
본 발명은 마이크로전자기계 디바이스들에 관한 것이고 특히, 독립 청구항들의 전제부들에 따른 개선된 압력 센서 구조 및 압력 센서에 관한 것이다.
압력은 표면의 영역에 대해 표면 상에 작용하는 힘의 비에 대응하는 물리적 양이다. 압력을 측정하기 위한 게이지(gauge)로서 이용될 수 있는 디바이스는 압력 센서이다.
마이크로 전자 기계 시스템들(MEMS)은, 적어도 일부 요소들이 일부 부류의 기계적 기능을 갖는 소형화된 기계 및 전자 기계 시스템들로서 정의될 수 있다. MEMS 디바이스들이 집적 회로들을 생성하기 위해 이용된 동일한 도구들로 생성될 수 있기 때문에, 마이크로기계들 및 마이크로전자 요소들은 다양한 유형들의 디바이스들을 작동하게 하기 위해 실리콘의 일부분 상에 제작될 수 있다.
도 1은 압력의 감지를 위한 마이크로전자기계 디바이스의 일 예시적인 구조를 도시한다. 마이크로전자기계 압력 센서들은 기준 압력을 제공하는 갭(gap)(12) 위에 걸쳐 있는 얇은 다이어프램(diaphragm)(10)을 포함할 수 있다. 다이어프램은 기준 압력과 센서를 둘러싸는 주변 압력 사이의 차로 인해 변형된다. 다이어프램 변위는 용량성 전기 신호 또는 피에조저항(piezoresistive) 감지로 해석될 수 있다.
MEMS 압력 센서 구조는 전형적으로, 물질의 패턴화(patterning)된 층들로 형성된다. MEMS 제작 프로세스는 층 증착들, 광학 리소그래피, 식각들 및 웨이퍼 결합의 조합들을 수반할 수 있다. 도 1은 마이크로전자기계 압력 센서의 일 예시적인 구조의 측면도 및 상면도를 보여준다. 도시된 압력 센서는 평면형 베이스(planar base)(11) 및 측벽층(13)에 의해 형성된 몸체 구조를 포함하는 절대 압력 센서이다. 측벽층에 의해 형성된 측벽들은 구멍을 형성하기 위해 평면형 베이스(11)로부터 멀리 연장되고, 상기 구멍의 깊이는 측벽층(13)의 두께에 대응한다. 압력 센서 구조들의 범주에서, 이 구멍은 측벽층(13)의 위에서 연장하는 다이어프램 판(16)에 의해 밀봉된다. 갭의 원주(circumferential) 개구부 위로 연장하는 갭의 다이어프램 판(16)의 일부는, 그 주변부가 개구부에 의해 정의되는 다이어프램(10)을 제공한다. 다이어프램(10)은 갭의 기준 압력에 대해 하나의 측이 노출되고 주변 압력에 대해 다른 측이 노출된다. 다이어프램(10)은 따라서, 기준 압력과 주변 압력 사이의 압력 차에 응답하여 변형된다. 이 변형의 정도는 갭의 측들 중 하나 상에 요소들에 대한 전극들을 배열시킴으로써 및 전극들로, 갭의 높이에서의 변형 유도 변화를 전기 신호로 전환시킴으로써 예를 들면, 용량성으로 검출될 수 있다.
MEMS 센서 구조의 물질 층들은 갭의 밀봉을 제공하여, 실제로 구멍이 다이어프램 판에 의해 밀봉된 후에 어떠한 외부 물질들도 갭을 관통할 수 없게 한다. 그러나, 센서 구조의 외부 표면들은 종종, 저항성 또는 용량성 누출 및 용량성 측정 결과들에 대한 다른 부유(stray) 효과들을 야기할 수 있는 주변 상태들에 노출된다.
미국 공개특허공보 2012/0043627호 (2012.2.23.) 미국 공개특허공보 2006-0283255호 (2006.12.21.) 미국 등록특허공보 6,564,643호 (2003.5.20.) PCT 공개특허공보 2013/003789호 (2013.1.3.) 유럽 공개특허공보 2,492,240호 (2012.8.29.) 유럽 공개특허공보 0,657,718호 (1995.6.14) 일본 공개특허공보 2010-187303호 (2010.8.26.)
본 발명의 목적은 주변 상태들에서의 변형들 특히, 습기의 변형들에 대해 점점 더 강건한(robust) 압력 센서 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 독립 청구항들의 특징부들에 따라 압력 센서 구조 및 압력 센서로 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에서 개시된다.
청구된 발명은 평면형 베이스 및 측벽층 및 다이어프램 판을 포함하는 마이크로전자기계 압력 센서 구조를 정의한다. 측벽층의 측벽들은 평면형 베이스로부터 측벽층의 대향 표면으로 원주형태로 연장된다. 평면형 베이스, 측벽층 및 다이어프램 판은 기준 압력에서의 완전히 폐쇄된 갭을 형성하기 위해 서로 붙어 있다. 측벽층 내의 측벽들의 내부 표면들의 상부 에지는 다이어프램의 주변부를 형성한다. 다이어프램 판은 하나 이상의 평면형 물질 층들을 포함하고 그 중 제 1 평면형 물질 층은 다이어프램의 주변부 위에 걸쳐 있다. 측벽층의 상부 표면은 다이어프램 판에 의해 커버(cover)되지 않은 적어도 하나의 격리 영역을 포함한다.
측벽층의 상부 표면 상의 격리 영역은 다이어프램의 전극 요소와 평면형 베이스의 전극 요소 사이의 절연을 개선하기 위해 수동적으로 적용될 수 있다. 한편, 격리 영역에는 용량성 측정 결과들에 대해 주변 습도에 의해 야기된 부유 효과들을 제거하거나 부분적으로 완화시키기 위해 전도 가드 요소(conducting guard element) 및 연산 증폭기 회로가 능동적으로 적용될 수 있다.
청구된 발명의 특징들 및 장점들과 그것의 실시예들은 실시예들의 상세한 설명으로 더 상세하게 설명된다.
다음에서, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여, 바람직한 실시예들과 관련되어, 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 마이크로전자기계 압력 센서의 일 예시적인 구조의 측면도 및 상면도를 도시한 도면.
도 2는 마이크로전자기계 압력 센서 구조의 일 실시예를 도시한 도면.
도 3은 구조가 측벽층의 주변부에 가까운 영역들 중 격리 영역을 포함하는 일 실시예를 도시한 도면.
도 4는 격리 영역 및 다이어프램 판을 적어도 부분적으로 둘러싸는 원주 가드 요소를 갖는 일 실시예를 도시한 도면.
도 5a 및 도 5f는 예시적인 용량성 변환기 회로 구성들을 도시한 도면들.
도 6은 RC 송신 라인을 통한 확산 커패시턴스 효과를 도시한 도면.
도 7은 격리 영역이 절연 물질의 층에 의해 커버되는 일 실시예를 도시한 도면.
도 8은 절연 물질의 층이 격리 영역 및 다이어프램 판의 제 1 평면형 물질 층의 적어도 일부를 커버하는 일 실시예를 도시한 도면.
도 9는 전도 물질의 층이 측벽층의 상부 표면 상에 측벽층의 외부 표면으로부터 절연 물질의 층 위의 갭을 향해 멀리까지 연장하는 일 실시예를 도시한 도면.
도 10은 기준 판이 제공된 마이크로전자기계 압력 센서 구조의 일 실시예를 도시한 도면.
도 11a 및 도 11d는 상이한 다이어프램 판 및 기준 판 구성들을 도시한 도면들.
도 12는 일 예시적인 습도 테스트로부터의 결과들을 도시한 도면.
도 13은 동일한 테스트 샘플 구성들에서의 보상된 커패시턴스를 도시한 도면.
도 14는 센서 구조들에서 부유 커패시턴스들을 감소시키기 위한 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도 15는 마이크로전자기계 압력 센서 구조의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도 16은 격리 영역들이 측벽층의 상부 표면 상의 요소들 사이에 트렌치(trench)들을 형성하는 또 다른 실시예의 양태들을 도시한 도면.
도 17은 마이크로전자기계 압력 센서의 일 실시예를 도시한 도면.
다음 실시예들은 예시적이다. 명세서가 "일", "하나의", 또는 "일부" 실시예(들)를 언급할 수 있을지라도, 이것은 반드시, 각각의 이러한 언급이 동일한 실시예(들)이거나, 특징이 단지 단일 실시예에 적용됨을 의미하지 않는다. 상이한 실시예들의 단일 특징들은 또 다른 실시예들을 제공하기 위해 조합될 수 있다.
다음에서, 본 발명의 특징들은, 본 발명의 다양한 실시예들이 구현될 수 있는 디바이스 아키텍처(architecture)의 단순한 예로 설명될 것이다. 단지, 실시예들을 도시하기 위해 적절한 요소들이 상세하게 설명된다. 압력 센서들의 다양한 구현들은 당업자에 일반적으로 공지되고 본 명세서에 구체적으로 설명될 수 없는 요소들을 포함한다.
압력 센서 구조의 실시예들은 도 1을 참조하여 더 상세하게 논의되는 요소들을 적용한다. 도 1은 마이크로전자기계 압력 센서의 예시적인 구조를 도시하고, 도시된 센서 구조의 측면도 및 상면도를 보여준다. 도시된 압력 센서 구조는 평면형 베이스(11) 및 측벽층(13)에 의해 형성된 몸체 구조를 포함한다. 평면형 베이스(11)는 실리콘 물질의 웨이퍼로부터 제조될 수 있지만, 다른 전도체, 반도체 또는 절연체 물질들은 보호의 범위 내에서 적용될 수 있다. 평면형 베이스(11)는 또한, 물질의 층들로 구성될 수 있다. 일례로서, 평면형 베이스의 표면 상의 층은 용량성 센서의 전극으로서의 역할을 하기 위해 전기적으로 전도될 수 있다. 또 다른 예로서, 평면형 베이스 전체가 전극으로서의 역할을 하기 위해 충분히 높은 전도성을 가질 수 있다. 평면형 베이스(11)는 근본적으로, 평면형 베이스(11)의 평면을 따라 연장하는 제 1 표면(14)을 갖는다. 상기 '근본적으로'는 여기서, 제 1 표면이 작은 표면 구조들(범프(bump)들 또는 구멍(cavity)들)을 수용할 수 있지만, 표면 영역의 90% 이상은 오차 내에서, 평면형 베이스(11)의 평면에 정렬되는 것을 의미한다.
측벽층(13)은 도 1에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 제 1 표면(14)에 수직인 방향으로, 제 1 표면(14)으로부터 멀리 연장되는 측벽들을 제공하는 비 연속 층이다. 제 1 표면(14)으로부터 가장 먼 측벽층의 표면은 측벽층의 상부 표면이다. 갭에 대향하는 측벽층의 표면 또는 표면들은 측벽층의 외부 표면이다. 측벽층(13)은 평면형 베이스(11)에 견고하게 붙어있고 따라서, 개방 공간을 그 안에 둘러싸도록 한다. 평면형 베이스(11)와 함께, 측벽층(13)의 측벽들은 구멍을 형성하고, 그것의 깊이는 측벽들의 높이, 및 측벽층(13)의 두께에 대응한다. 전형적으로, 측벽층은 매우 얇고, 따라서 상기 구멍은 대략 마이크로미터 정도로 매우 낮다. 측벽층은 이산화규소와 같은, 전기적으로 절연 물질일 수 있지만, 다른 전기적으로 절연 물질들이 보호 범위 내에서 적용될 수 있다. 예시적인 구조의 상면도에서, 측벽층(13)의 상부 표면(19)은, 측벽이 점선으로부터 밖으로 연장하도록 직사각형 둘레로 도시된다. 점선은 측벽들의 내부 표면들을 나타내고, 이들 내부 표면들의 상부 에지는 평면형 베이스(11) 및 측벽층(13)에 의해 형성된 구멍의 원주 개구부를 정의한다.
이 구멍은 측벽층(13) 상에서 연장하는 다이어프램 판(16)에 의해 밀봉된다. 용어 '다이어프램'은 본 명세서에서 그것의 주변부에서 고정되는 물질을 탄성적으로 변형시키는 필름을 말한다. 다이어프램 판(16)은 센서 구조에 다이어프램(10)을 제공하고 그것의 주변부에서 다이어프램을 고정시키는 평면형 오브젝트이다. 다이어프램 판(16)은 하나 이상의 물질 층들로 형성될 수 있다. 실리콘 물질은 종종 적어도 다이어프램 판의 하나의 층에서 이용되지만, 다른 전도체, 반도체 또는 절연체 물질들이 보호 범위 내에서 적용될 수 있다. 다이어프램 판(16)은, 초기에 평면형 베이스(11)의 제 1 표면(14)에 평행한 평면인 제 2 표면(18)을 통해 측벽층(13)에 연결된다. 용어 '초기에'가 본 명세서에서 센서의 제조 단계들에서의 요소들의 면적(dimensions)을 말함에 주의한다. 당업자는, 압력 센서의 동작 동안, 부분들이 그들의 초기 평면 형태에서 벗어나 변형할 수 있음을 이해한다.
평면형 베이스(11), 측벽층(13) 및 다이어프램 판(16)은, 제 1 표면(14), 제 2 표면(18) 및 측벽들(13)의 내부 표면들이 기준 압력에서의 완전히 폐쇄된 갭(12)을 형성하도록 서로 부착된다. 갭(12)은 단지 적은 양들의 잔여 가스들을 포함하기 위해 소기(evacuate)될 수 있지만, 그것은 또한, 선택된 기준 압력에서 선택된 가스 또는 다른 휘발성 물질로 채워질 수 있다.
갭(12)에 대한 원주 개구부 위로 연장하는 다이어프램 판(16)의 일부는 그 주변부가 개구부에 의해 정의되는 다이어프램(10)을 제공한다. 다이어프램(10)의 변형은 통합된 피에조저항기들 또는 스트레인 게이지 저항기들을 이용하여 다이어프램에서의 변형 유도 응력을 전기 신호로 전환시킴으로써 피에조저항 또는 유사한 스트레인 게이지 기반 방법으로 용량성으로 또는 대안적으로 검출될 수 있다. 이들 방법들 모두는 본 분야에서 개시되었으며 당업자에게 잘 알려져 있기 때문에, 이 텍스트에서 더 상세하게 논의되지 않을 것이다.
도 2는 도 1의 종래의 압력 센서 구조의 외부 표면들의 단면을 도시한다. 앞서 논의된 바와 같이, 전형적으로 평면형 베이스 및 다이어프램 판은 전도성 또는 유전 물질들의 층들이고 측벽들은 절연 물질의 층에 의해 제공된다. 측벽층은 심지어 대략 수 마이크로미터들일지라도, 매우 얇을 수 있다. 이것은, 다이어프램 판으로부터 평면형 베이스까지의 절연 거리가 동일하게 짧음을 의미한다. 따라서, 습한 조건에서, 표면 전도도, 및 절연체의 저항성 및 용량성 누출 전류가 증가할 것이고, 이것은 갭에 걸쳐 측정된 커패시턴스들에 대한 현저한 에러의 증가를 야기할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 해로운 누출들은 측벽층의 상부 표면에 대해 배열된, 하나 이상의 격리 영역들에 의해 제거되거나 적어도 완화된다. 상기 논의된 바와 같이, 다이어프램 판은 하나 이상의 평면형 물질 층들을 포함할 수 있고, 그들 중 하나는 다이어프램의 주변부 위에 걸치는 제 1 평면형 물질 층이다. 격리 영역은 본 명세서에서 다이어프램 판의 하나 이상의 물질 층들에 의해 커버되지 않은 측벽층의 상부 표면의 영역을 말한다.
도 2는 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1에서 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(21), 측벽층(23) 및 다이어프램 판(26) 요소들을 보여준다. 측벽층의 상부 표면(29)은 적어도 부분적으로 제 2 표면과 일치하는 원주 표면이다. 절연 거리(T)는 측벽층(23)의 두께에 의해 제공되고, IS는 거리(T)에 걸친 외부 표면 상의 저항성 및 용량성 누출 전류를 도시한다.
도 3은 도 2의 종래 기술 구조가 격리 영역(30)을 포함하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 앞에서 논의된 바와 같이, 측벽들의 내부 표면 또는 표면들의 상부 에지(32)는 다이어프램의 주변부를 형성한다. 한편, 격리 영역(30)은 측벽층(33)의 외부 표면으로부터 측벽층의 상부 표면 상의 갭을 쪽으로 0이 아닌 거리(L)만큼 연장한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 절연 층의 표면을 따라 다이어프램 판으로부터 평면형 베이스까지의 증가된 거리는 이제 격리 영역에 의해 제공된 거리(L) 및 측벽들을 형성하는 층의 두께(T)를 포함한다. 거리(L)는 본 명세서에서 격리 거리를 말하고, 그것은 본 명세서에서 측벽층의 상부 표면에 따르는 격리 영역의 규모를 표현한다.
이 증가된 거리에 의해, 저항성 및 용량성 누출 전류(IS)에서의 상당한 감소가 성취될 수 있음이 검출되었다. 예를 들면, 일 예시적인 0.535mm 폭의 센서 구조, 5μm 두께의 다이어프램 판, 및 측벽층의 1μm 두께의 절연체를 갖는 유한 요소 방법(FEM) 시뮬레이션들이 행해졌다. 결과들은, 저항성 및 용량성 누출 전류(IS)가 격리 거리들이 몇십 마이크로미터들의 단위일 때 10 이상의 숫자배 만큼 감소될 수 있음을 보여준다. 따라서, 전체 센서 구조의 사이징(sizing)에 대한 새로운 요구조건들을 근본적으로 제기하지 않거나 그것의 비용을 증가시키지 않는 단순한 구조 특징으로 원하는 개선이 달성된다.
도 4는 표면 전도도의 효과들이 또한, 격리 영역 및 다이어프램 판을 적어도 부분적으로 둘러싸는 원주 가드 요소에 의해 감소되는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 4는 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(41), 측벽층(43) 및 다이어프램 판(46) 요소들을 보여준다. 갭의 밀봉에 대해, 측벽층의 상부 표면의 부분이 항상 다이어프램 판(46)의 제 1 평면형 물질 층에 의해 커버됨을 알 수 있다. 도 4의 실시예에서, 측벽층의 상부 표면 상의 다이어프램 판 너머의 영역들은 격리 영역(40) 및 가드 요소(42)에 의해 커버된다. 격리 영역(40)은 다이어프램 판(46)으로부터 시작하고 그로부터 측벽층(43)의 외부 표면을 향해 비 제로 거리까지 연장한다. 바람직하게 가드 요소(42)는 원주적이고 다이어프램 판(46) 및 격리 영역(40)을 제한한다. 가드 요소는 측벽층(43)의 외부 표면으로부터 측벽층의 상부 표면 상의 갭을 향해 비 제로 거리까지 연장할 수 있다. 그러나, 다이어프램 판(46), 격리 영역(40) 및 가드 요소(42)를 제한하기 위해 또 다른 격리 영역을 포함하는 것이 또한 가능하다.
도 3의 실시예에서와 같이, 격리 영역(40)은 동작 동안 부유 전류들에 의해 교차될 절연 거리를 증가시킨다. 게다가, 누출 전류들로부터의 나머지 효과가 폐쇄 루프 연산 증폭기를 갖는 용량성 변환기 회로에 의해 제거되거나 적어도 상당히 완화될 수 있다는 것이 주목되었다. 측정된 커패시턴스는 평면형 베이스(41)와 다이어그램 판(46) 사이 및 평면형 베이스(41)와 가드 요소(42) 사이의 커패시턴스로부터 기인한다. 도 4의 센서 구조에서, 연산 증폭기 회로가 다이어프램 판(46) 또는 평면형 베이스(41) 중 하나의 전극과 동일한 전위로 가드 요소(42)를 유지하도록 배열되면, 연산 증폭기의 전압 출력은 단지 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이의 커패시턴스를 근본적으로 나타내도록 형성될 수 있다. 다이어프램 판으로부터 가드 요소까지 및 가드 요소로부터 평면형 베이스까지의 절연 표면들에 걸친 가능한 누출 전류들의 효과는 연산 증폭기의 개방 루프 이득배 만큼 감소될 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 센서 구조에서 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이의 절연 표면들에 걸친 가능한 누출 전류들의 효과를 감소시키기에 적합한 예시적인 용량성 변환기 회로 구성들을 도시한다. 구성들은 연산 증폭기(50), 평면형 베이스 전극을 위한 단자 입력부(51), 다이어프램 판 전극을 위한 단자 입력부(56), 가드 요소 전극을 위한 단자 입력부(52), 전압 소스(54) 또는 전류 소스(55), 및 기준 임피던스(57)를 포함한다. 이들 구성요소들은 다양한 습도들로 인한 절연 층의 표면 전도도의 변화들로부터의 현저한 영향 없이 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이의 커패시턴스를 나타내는 전압 출력을 얻기 위해 연결된다. 그러나, 청구항의 방식으로 연산 증폭을 적용하는 연산 증폭기 회로 구성들의 또 다른 변형들이 보호의 범위를 벗어나지 않고 적용될 수 있음이 당업자에게 명백하다.
도 5a 내지 도 5d는, 양의 비 반전 입력부가 공통 접지 또는 제로 전압 단자에 연결되는 예시적인 반전 연산 증폭기 회로들을 보여준다. 폐쇄 루프 피드백 회로의 거의 제로 차동 입력 전압 요구조건 때문에, 반전 입력부에서의 전압 전위가 비 반전 입력부에서의 전압 전위와 거의 같고, 가상 접지 가산점(virtual ground summing point)(58)을 생성한다.
도 5a에서, 가드 요소는 평면형 베이스와 같은 전위로 배열된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 평면형 베이스 단자(51)는 증폭기의 반전 입력부에서의 가상 접지 전위에 연결되고 가드 요소 단자(52)는 접지 전위에 있다. 이것으로 인해, 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 전압 및 전류는 무시가능하고 평면형 베이스와 다이어프램 판 사이에서 측정된 전력 가치(capacity value)들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다. 다이어프램 판 단자(56)는 전압 소스(54)에 연결되어, 가드 요소와 다이어프램 판 사이의 전류를 무시할 수 있고 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않게 한다. 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 커패시턴스는 접지와 가상 접지(58) 사이에 연결되고 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다.
또 다른 백그라운드(background)로서, 평면형 베이스 단자(51)와 다이어프램 판 단자(56) 사이의 커패시턴스를 CS로 나타내도록 두고 평면형 베이스 단자(51)와 가드 요소 단자(52) 사이의 커패시턴스를 CL로 나타내도록 두자. 또한, 전압 소스(54)가 실효 전압(effective voltage)(Ui)을 갖는 AC 전압 소스이고 피드백 회로 요소(57)가 CF와 같은 커패시턴스를 갖는 커패시터이며 증폭기의 개방 루프 이득이 A라고 가정하자. 증폭기의 출력 전압(UO)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018010101455-pat00001
CL의 효과는 따라서, 증폭기 개방 루프 이득의 양만큼 감소된다. 다이어프램 판 단자(56)와 가드 요소 단자(52) 사이의 커패시턴스는 또한, 출력 전압에 어떠한 영향도 미치지 않는데, 이는 그것이 이상적인 전압 소스가 전압의 변화 없이 이 커패시턴스로 전류를 공급할 수 있을지라도, 전압 소스(Ui)와 병렬로 연결되기 때문이다.
도 5b에서, 가드 요소는 다이어프램 판과 거의 동일한 전위로 배열된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 다이어프램 판 단자(56)는 증폭기의 반전 입력부에서의 가상 접지 전위에 연결하고 가드 요소 단자(52)는 접지 전위에 있다. 이것으로 인해, 가드 요소와 다이어프램 판 사이의 전압 및 전류는 무시가능하고 평면형 베이스와 다이어프램 판 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다. 평면형 베이스 단자(51)는 전압 소스(54)에 연결되어, 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 전류가 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않게 한다. 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 커패시턴스는 접지와 전압 소스 사이에 연결되고, 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다.
도 5c에서, 가드 요소는 또한, 다이어프램 판과 거의 동일한 전위로 배열된다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 다이어프램 판 단자(56)는 증폭기의 반전 입력부에서의 가상 접지 전위에 연결하고 가드 요소 단자(52)는 접지 전위에 있다. 이것으로 인해, 가드 요소와 다이어프램 판 사이의 전압 및 전류는 무시할 수 있고 평면형 베이스와 다이어프램 판 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다. 평면형 베이스 단자(51)는 증폭기(50)의 출력부에 연결되어, 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 전류가 무시할 수 있고 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않게 한다. 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 커패시턴스는 접지와 증폭기(50)의 출력부 사이에 연결되고, 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다.
도 5d에서, 가드 요소는 다시, 평면형 베이스와 거의 동일한 전위로 배열된다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 평면형 베이스 단자(51)는 증폭기의 반전 입력부에서의 가상 접지 전위에 연결하고 가드 요소 단자(52)는 접지 전위에 있다. 이것으로 인해, 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 전압 및 전류는 무시할 수 있고 평면형 베이스와 다이어프램 판 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다. 다이어프램 판 단자(56)는 증폭기(50)의 출력부에 연결되어, 가드 요소와 다이어프램 판 사이의 전류가 무시가능하고 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않게 한다. 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 커패시턴스는 접지와 가상 접지(68) 사이에 연결되고 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 전력 가치들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않는다.
도 5a 내지 도 5d에서, 가드 요소는 접지 전위에 연결된다. 평면형 베이스 또는 다이어프램 판의 단자들은 감지된 커패시턴스를 제공하고, 센서 단자들 중 하나는 증폭기 회로의 가상 접지에 연결된다. 이것은 서로로부터 가드 및 다이어프램 판 단자들을 통해 전류들을 격리시키는 동안, 가드 단자 및 센서 단자들 중 하나를 거의 동일한 전압으로 유지시키는 것을 가능하게 한다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 것들과 다른 이 원리의 많은 변형들을 이용하는 것은 본 발명의 범위내에 있다.
도 5e 및 도 5f는 예시적인 비 반전 연산 증폭기 회로들을 보여준다. 연산 증폭기(50)는 연산 증폭기의 출력부가 다시 직접적으로 반전 입력부에 연결되는 전압 팔로워(voltage follower)로서 이용된다. 반전 입력부에서의 전압 전위는 비 반전 입력부에서의 전압 전위와 거의 같다.
도 5e에서, 가드 요소는 다이어프램 판과 거의 동일한 전위로 배열된다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 다이어프램 판 단자(56)는 미리 정의된 또는 그렇지 않으면, 공지된 전류를 갖는 전류 소스(55)에 연결된다. 전류 소스(55)가 또한, 내부 임피던스들을 갖는 전류 및 전압 소스들의 조합으로 형성될 수 있음이 이해되고 여기서 전류는 일정하지 않지만 예로서, 션트 저항기 또는 다른 공지된 전류 측정 기술로 측정함으로써 공지된다. 다이어프램 판 및 가드 요소가 이제 거의 동일한 전위에 있기 때문에, 실제로 어떠한 전류도 그들 사이에 흐르지 않는다. 가드 요소와 평면형 베이스 사이의 전위 누출 또는 용량성 전류는 또한 실제로, 다이어프램 판 또는 평면형 베이스 사이의 전압 또는 전류에 어떠한 영향도 미치지 않는데, 이는 이 전류가 실제로 출력 전압에 영향을 미치지 않고 증폭기에 의해 제공되기 때문이다.
또 다른 백그라운드로서, 평면형 베이스 단자(51)와 다이어프램 판 단자(56) 사이의 커패시턴스를 CS로 나타내도록 두고 증폭기의 반전(-) 및 비 반전(+) 입력부들 사이의 커패시턴스를 Ci로 두자. 이 커패시턴스는 증폭기의 입력 커패시턴스 및 다이어프램 판 단자(56)와 가드 요소 단자(52) 사이의 커패시턴스 둘 모두를 포함한다. 또한, 전류 소스(55)가 주파수(f)에서 실효 전류(Ji)를 갖는 AC 소스이고 증폭기의 개방 루프 이득이 A라고 가정하자. 증폭기의 출력 전압(UO)은 다음으로서 기록될 수 있다.
Figure 112018010101455-pat00002
Ci의 효과는 따라서, 증폭기 개방 루프 이득(A)의 양만큼 감소된다. 평면형 베이스 단자(51)와 가드 요소 단자(52) 사이의 커패시턴스는 또한, 출력 전압에 어떠한 영향도 미치지 않는데, 이는 증폭기의 출력 단자와 접지 단자 사이에 연결되고 따라서, 출력 전압에 거의 어떠한 영향도 미치지 않기 때문이다.
도 5f에서, 가드 요소는 평면형 베이스와 거의 동일한 전위로 배열된다. 도 5f에 도시된 바와 같이, 평면형 베이스 단자(51)는 미리 정의된 또는 그렇지 않으면, 공지된 전류를 갖는 전류 소스(55)에 연결된다. 평면형 베이스 및 가드 요소가 이제 거의 동일한 전위에 있기 때문에, 실제로 어떠한 전류도 그들 사이에 흐르지 않는다. 가드 요소와 다이어프램 판 사이의 전위 누출 또는 용량성 전류는 또한 실제로, 다이어프램 판 또는 평면형 베이스 사이의 전압 또는 전류에 어떠한 영향도 미치지 않는데, 이는 이 전류가 실제로 출력 전압에 영향을 미치지 않고 증폭기에 의해 제공되기 때문이다.
도 5e 내지 도 5f에서, 가드 요소는 증폭기의 출력부에 연결되고, 상기 증폭기는 센서 단자들 중 하나의 전위에 밀접하게 따르도록 배열되고, 따라서 가드 단자와 하나의 센서 단자 사이의 전류를 무시할 수 있을 정도로 유지한다. 도 5e 및 도 5f에 주어진 것들과 다른 원리의 많은 변형들을 이용하는 것은 본 발명의 범위내에 있다.
도 5a 내지 도 5f의 모든 예들은, 동시에 가드 및 다이어프램 판 단자들을 통한 전류 경로들이 분리되도록 유지하는 동안 가드 단자의 전위를 센서 단자들 중 하나의 전위에 가깝게 유지하기 위해 피드백 구성에서 증폭기를 이용한다.
도 3 및 도 4의 구성들은 절연 측벽층의 표면들을 따라 저항성 및 용량성 누출을 감소시키기 위해 적합한 센서 구조들을 도시했다. 그것에 더하여, 또한 다른 부유 효과들이 용량성 압력 센서들에서 발생할 수 있다. 하나의 효과는 확산 커패시턴스 효과 또는 송신 라인 효과로서 불리울 수 있다. 이 효과는 측벽층의 유한 표면 저항률 및 측벽층에 걸친 커패시턴스에 의해 야기된다. 도 6은 RC 송신 라인(60)을 통한 이 확산 커패시턴스 효과를 도시한다. 도 6은 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(61), 측벽층(63) 및 다이어프램 판(66) 요소들을 보여준다. 송신 라인 이론에 따라, 무한 RC 송신 라인의 끝으로부터 보여진 등가의 병렬 커패시턴스(Cp) 및 저항(Rp)은 다음과 같다:
Figure 112018010101455-pat00003
여기서, r은 단위 길이 당 표면 저항이고, c는 단위 길이 당 절연체 커패시턴스이며 f는 측정 주파수이다. 이 등가의 커패시턴스 및 저항은 절연체 커패시턴스(62) 및 다이어프램과 평면형 베이스 사이의 센서 커패시턴스와 병렬로 결합된다.
실제는, 습도 관련 커패시턴스 변화가 충분히 작게, 전형적으로 1fF 미만으로 유지하는 것이 필요하다. 이를 성취하기 위해, 극도로 높은 표면 저항률이 요구된다. 측벽층의 표면 저항이 1015 옴/스퀘어(square)이고, 다이어프램 판(66)의 원주는 5mm이고, 측벽층의 두께는 1μm이고, 측벽 물질의 유전 계수는 3.9이며 측정 주파수는 100kHz인 일 예시적인 구성을 가정하자. 이들 값들을 이용하여, 수학식 (3)은 병렬 커패시턴스(0.83fF) 및 병렬 저항(1.9G 옴)을 제공한다. 이것은 커패시턴스 변화가 유지되어야 하는 레벨이다. 표면 저항이 1012 옴/스퀘어로 떨어지면, 커패시턴스는 25fF로 상승하고, 이것은 이미 25배로서 매우 많다. 부가된 병렬 커패시턴스는 후자의 예에서, 다이어프램 판(66)의 폭에 대한 효과적인 부가인 단지 0.14μm에 대응한다.
도 7은, 송신 라인 효과가 절연 물질의 층에 의해 격리 영역을 커버함으로써 감소되는 일 실시예를 도시한다. 절연 물질은 본 명세서에서 유전 물질들을 포함하는, 전기장들의 효과 하에서 전류를 도통하지 않는 임의의 물질을 말한다. 도 7은 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(71), 측벽층(73) 및 다이어프램 판(76) 요소들을 보여준다. 예시적인 센서 구조에서, 격리 영역은 측벽층(73)의 상부 표면을 부동태화(passivate)하는 절연 물질(74)로 완전하게 커버된다. 또한, 절연 물질의 층이 예를 들면, 측벽층의 외부 표면으로부터 다이어프램 판으로 연장하는 부분적 커버는 보호의 범위 내에서 적용될 수 있다.
도 3과 비교하면, RC 송신 라인(70)은 이제 절연 물질의 층의 표면으로 전달된다. 절연 물질의 측벽층(73) 및 층(74)의 조합의 증가된 두께는 단위 길이에 걸친 커패시턴스를 감소시키고, 그에 의해 송신 라인 효과를 완화시킨다. 예를 들면, 절연 물질의 층(74)이 측벽들의 높이보다 8배 두껍고 동일한 유전 계수를 가지면, 병렬 커패시턴스는 3배 만큼 감소될 수 있다. 습기가 절연 물질을 통해 분산할지라도, 다이어프램 판(76)과 절연 물질(74) 사이의 인터페이스에서의 표면 저항은 자유 표면의 부재 시에 높게 유지될 것이다.
이 감소는 주목할 만한 것이지만, 여전히 모든 애플리케이션들에 대해 충분하지 않을 수 있다. 도 7의 실시예에서, 절연 물질의 층 및 다이어프램 판의 제 1 평면형 물질 층은 같은 두께이다. 도 8은 절연 물질의 층이 측벽층(83)의 외부 표면으로부터 측벽층의 상부 표면 상의 갭을 향해 멀리까지 연장하고, 격리 영역 및 다이어프램 판의 적어도 일부를 커버하는 또 다른 실시예를 도시한다. 도 8은 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(81), 측벽층(83) 및 다이어프램 판(86) 요소들을 보여준다.
도 8의 구성에서, RC 송신 라인(80)은 또한 평면형 베이스(81)로부터 옮겨진다. 도 8의 구조에서, 다이어프램 판의 제 1 물질 층으로부터 형성된 용량성 결합은 더 복잡하고, 이는 다시 확산 효과를 감소시킨다. 다이어프램의 압력 응답에 영향을 미치거나 열 팽창 미스매치(mismatch)로 인한 굽힘 모멘트(bending moment)를 야기하는 것을 회피하기 위해, 절연 물질의 층은 그러나, 다이어프램의 영역으로 연장할 수 없다. 절연 물질의 층(84)의 에지는 바람직하게, 다이어프램의 두께보다 다이어프램의 주변부로부터 더 멀리 있다.
다시 도 7을 참조하면, 송신 라인 효과에 의해 야기된 확산 커패시턴스에 더하여, 병렬 커패시턴스(75)는 평면형 베이스(71)와 다이어프램 판(76) 사이의 절연 물질(74)을 통해 형성된다. 절연 물질이 예를 들면, 폴리머(polymer)이면, 유전 계수는 습기 흡수로 인해 달라질 수 있고 따라서, 커패시턴스(75)가 달라질 수 있다. 병렬 커패시턴스(85, 95)는 또한 도 8 및 도 9의 구조들로 도시된다.
도 9는 전도 물질의 층(99)이 측벽층의 상부 표면 상에 측벽층의 외부 표면들로부터 절연 물질의 층 위의 갭을 향해 멀리까지 연장하는 또 다른 실시예를 도시한다. 도 9는 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(91), 측벽층(93) 및 다이어프램 판(96) 요소들을 보여준다. 도 9는 또한, 도 8에서 더 상세하게 논의된 절연 물질의 층(94)을 보여준다. 도 9의 실시예에서, 절연 물질의 층(94)은 또한, 측벽층(93)의 외부 표면으로부터 측벽층의 상부 표면 상의 갭을 향해 멀리까지 연장하고, 격리 영역 및 다이어프램 판(96)의 적어도 일부를 커버한다.
도 9의 구조에서, 전도 층(99)은 도 4 및 도 5a 내지 도 5f에서의 가드 요소로 사전에 논의된 방식으로, RC 송신 효과를 감소시키기 위해 용량성 변환기 회로에 연결될 수 있다. 연산 증폭기 회로에 의해, 다이어프램 판(96)으로부터 전도성 물질의 차폐 층(99)까지의 커패시턴스(97) 및 전도성 물질의 층(99)으로부터 평면형 베이스(91)까지의 커패시턴스(98)는 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 커패시턴스 값들에 실제로 어떠한 영향도 미치지 않도록 형성될 수 있다. 절연 물질의 층(94)을 통해 커패시턴스(95)는 절연체 커패시턴스(92) 및 다이어프램 판과 평면형 베이스 사이의 센서 커패시턴스와 병렬로 연결된 채로 유지될 것이다.
실시예들은 상호 배타적이 아니며 다양한 방식들로 조합될 수 있다. 예를 들면, 도 9의 센서 구조는 가드 요소 및 전도성 물질의 층을 포함할 수 있고, 요소들은 서로 연결될 수 있으며 상기 정의된 바와 같이 연산 증폭기 회로들 중 임의의 회로와 함께 이용될 수 있다.
도 6 내지 도 9를 고려하여, RC 송신 라인(60, 70, 80)의 실효 병렬 커패시턴스와 저항(수학식 (3)의 Cp 및 Rp), 및 병렬 커패시턴스(75, 85, 95)가 다이어프램 판(63, 73, 83, 93)의 둘레의 길이에 비례함이 이해된다. 도 10은 폭 방향으로부터의 측면도 및 센서 구조의 상면도를 도시한다. 도 10은 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(101), 측벽층(103) 및 다이어프램 판(106) 요소들을 보여준다. 도 10의 센서 구조에는 다이어프램 판과 동일한 두께를 갖고, 다이어프램 판과 동일한 전기 속성들을 가지며 측벽층(103)의 상부 표면 상의 격리 영역 상에 연장하는 기준 판(100)이 제공된다. 기준 판은 이롭지만, 반드시 다이어프램 판과 동일한 물질이 아니다. 요소들의 에지들에서의 동일한 두께 및 동일한 상태들로 인해, 유사한 송신 라인 및 병렬 커패시턴스 효과들이 다이어프램 판(106) 및 기준 판(100)의 둘레들에서 나타난다.
다이어프램 판과 평면형 베이스 사이에서 측정된 커패시턴스(CS)는 3개의 항들의 합을 포함한다: 다이어프램 커패시턴스, 지지 영역 커패시턴스 및 에지 커패시턴스. 다이어프램 커패시턴스는 다이어프램의 주변부 내의 다이어프램 영역(Ad)에 걸친 커패시턴스를 말한다. 지지 영역 커패시턴스는 다이어프램 판에 의해 커버되는 측벽층의 상부 표면의 부분(As)에 걸친 커패시턴스를 말한다. 에지 커패시턴스는 본 명세서에서 사전에 논의된 송신 라인 커패시턴스 및 부유 병렬 커패시턴스의 조합을 말한다. 이들 구성요소들 둘 모두가 판의 둘레의 길이에 의존하기 때문에, Cs에 대한 수학식은 다음으로서 기록될 수 있다:
Figure 112018010101455-pat00004
Ad는 다이어프램 영역이고, As는 측벽층의 상부 표면 상의 다이어프램 판의 지지 영역이고, T는 측벽들의 높이(측벽층의 두께)이고, Ls는 다이어프램 판의 주변부의 길이이고, εr은 측벽층 물질의 상대 유전 상수이고, ε0는 유전 상수이며, cE는 측벽들의 외부 주변부에 걸친 송신 라인에 의해 및 측벽층의 두께 내의 부유 커패시턴스에 의해 야기된 단위 길이 당 에지 커패시턴스이다.
대응적으로, 기준 판에 대해 측정된 커패시턴스(CR)는 다음으로서 기록될 수 있다:
Figure 112018010101455-pat00005
여기서, AR은 기준 판(100)의 영역이고 LR은 기준 판(100)의 주변부의 길이이다.
압력 센서 구조가 평면형 베이스(101)에 대한, 다이어프램 판(106)에 대한, 그리고 기준 판(100)에 대한 전기 리드(electrical lead)들을 포함할 때, 그들은 본 명세서에서 보상 센서 커패시턴스(Ccomp)로서 언급된, 출력량을 형성하는 전기 회로에 연결될 수 있다. 보상 센서 커패시턴스(Ccomp)는 다음으로서 기록될 수 있다:
Figure 112018010101455-pat00006
여기서, K는 기준 판 커패시턴스에 대한 가중치 계수이다. 수학식 (6)의 마지막 항은 측벽층의 외부 에지에 걸친 송신 라인의 기여 및 측벽층의 두께 내의 부유 커패시턴스를 포함한다. 이 기여는 가중치 계수(K)를 다이어프램 판(Ls)의 주변부의 길이 및 기준 판(LR)의 주변부의 길이의 비와 같게 되도록 조정함으로써 제거될 수 있다.
Figure 112018010101455-pat00007
도 10의 센서 구조는 기준 판 및 다이어프램 판이 그 크기가 같은 일 실시예를 보여준다. 판들의 원주 길이들은 같고, 즉 Ls=LR이며 그에 의해 K=1이다.
또 다른 양태에서, 수학식 (6)으로부터, 다이어프램 판(116)의 지지 영역(As)이 측벽층에 걸쳐 부가적인 커패시턴스를 도입함을 알 수 있다. 이 부가적인 커패시턴스의 크기는 대략 다이어프램 영역 커패시턴스일 수 있고, 따라서 그것은 압력 센서의 분해능(resolution), 선형성 및 열 안정성(thermal stability)을 용이하게 저하시킨다. 지지 영역 커패시턴스의 효과는 그러나, 수학식 (6)의 제 2 항이 제로가 되도록 또한 서로에 관하여 지지 영역(AS) 및 기준 판(AR)의 영역의 크기들을 조정함으로써 제거될 수 있다.
Figure 112018010101455-pat00008
가중치 계수(K)가 지지 영역(AS) 및 기준 판(AR)의 영역의 비와 같게 되도록 설정되면, 부유 효과들은 구조적으로 보상될 수 있고, 보상 센서 커패시턴스(Ccomp)는 다이어프램 휨(deflection)에서의 진(true) 변형들에 매우 정확하게 대응한다. 효율성의 상당한 개선이 매우 소형의 특히 두께 치수에서 소형의 센서 구조로 성취될 수 있다.
도 10의 실시예에서, 판들의 원주 길이들(Ls, LR)이 같지만, 기준 판 영역(AR)은 다이어프램 판의 지지 영역(As)보다 훨씬 크다. 이 유형의 구성으로, 수학식의 마지막 항이 제로가 되도록 K를 선택하는 것이 가능하다. 도 11a는, 격리 영역 상의 기준 판의 형성이 다이어프램 판의 형성으로부터 벗어나는 일 실시예를 도시하는 압력 센서 구조의 상면도를 보여준다. 이 방식으로, 판들의 영역들 및 둘레들 둘 모두의 비를 조정할 수 있고, 수학식 (6)의 제 2 및 제 3 항들을 제로로 조정할 수 있다.
도 11a 및 도 11c는 다이어프램 판(116) 및 기준 판(110)이 측벽층의 상부 표면 상에 위치된, 센서 구조의 상면도를 보여준다. 도 11a에서, 기준 판은 원주 형태, 더 구체적으로 다이어프램 판 위에 위치된 오목한 직사각형 또는 폐쇄 루프를 갖는다. 도 11b 및 도 11c에서, 기준 판은 휘어진(winding) 둘레를 갖는다. 도 11b에서, 기준 판의 둘레는 빗의 형태이다. 도 11c에서, 기준 판은 구불구불한(meandering) 길 형태를 갖는다.
도 11a 및 도 11c의 모든 구성들에서, 기준 판의 둘레 길이(LR)는 도 10에서의 둘레 길이와 동일하게 유지되지만, 기준 판의 영역(AR)은 도 10에서의 기준 판의 영역보다 작다. 보호의 범위가 도 11a 내지 도 11d의 예시적인 다이어프램 판 및 기준 판 구성들로 제한되지 않음이 당업자에게 명백하다. 복수의 상이한 형상들의 다이어프램 판 및 기준 판으로 원하는 비들이 달성될 수 있다.
예로서, 기계적 안정성이, 다이어프램이 평면형 베이스의 가운데에 대칭적으로 위치되는 대칭적 센서 구조를 갖는 것이 통상적으로 바람직하다. 일 양태에서, 도 11a 내지 도 11c의 기준 판(110)은 요구된 대칭성을 성취하기 위해 센서의 2개 또는 4개의 측들 상에 복제될 수 있다. 도 11d는 또 다른 대안을 도시하고, 여기서 기준 판은 다이어프램 판(116)을 둘러싸도록 배열되었다. 이들 경우들에서, 기준 판 둘레(LR)가 다이어프램 판 둘레(LS)보다 길게 되고 따라서, K는 1 미만이 됨이 이해된다. 도 11d에서, 기준 전극은 애뉼러 링(annular ring)으로서 센서 판을 둘러싼다. 이 경우에, K의 값은 0.5 미만인데, 이는 기준 판(110)의 내부 및 외부 둘레들 둘 모두가 다이어프램 판(116)의 둘레보다 길기 때문이다.
도 12는 일 예시적인 습도 테스트로부터의 결과들을 갖는 습도의 효과를 도시한다. 테스트는 2개의 테스트 샘플들로 행해졌고, 여기서 다이어프램 판(Ls)의 주변부의 길이 및 기준 판의 주변부의 길이의 비(LS/LR)는 0.5로 조정되었다. 2개의 테스트 샘플들에 대한 다이어프램 커패시턴스에 대한 측정된 값들은 도 12에서 CS1 및 CS2로 표시된다. 2개의 테스트 샘플들에 대한 기준 판 커패시턴스에 대한 측정된 값들은 각각, CR1 및 CR2로 표시된다. 이 실험에서의 측벽층의 물질은 폴리이미드(polyimide)였다. 이 물질의 물 흡수는 100% 상대 습도에서 1%이고, 이는 물질의 유전 계수를 30%까지 변화시킨다. 초기 커패시턴스 값은 20% 상대 습도에서 측정되었고, 또 다른 커패시턴스 값들은 60% 및 90% 상대 습도에서 측정되었다. 60% 및 90% 상대 습도에서 측정된 값들은 20% 상대 습도에서의 초기 커패시턴스 값에 관한 커패시턴스 변화로서 도시된다. 습도 때문에 다이어프램 판의 커패시턴스들이 30 내지 40fF까지 변화될 수 있고 기준 판의 커패시턴스들이 65 내지 70fF까지 변화될 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 동일한 테스트 샘플 구성들에서 수학식 (6)으로 상기 설명된 방식으로 보상된 커패시턴스를 보여준다. 가중치 계수(K=0.5)가 이용되었다. 보상을 통해, 최대 습도 유도 커패시턴스 변화는 4fF이고, 다른 포인트들에 대한 변화는 0.5fF 미만임이 보여진다. 이들 결과들은, 센서 및 기준 커패시턴스들의 가중된 차에 의한 보상이 적어도 9배 만큼 에러를 감소시킬 수 있지만, 주변 습도에 의존하여, 심지어 50배 만큼 보상할 수 있음을 확인시켜준다.
도 10 및 도 11의 상기 실시예들에서, 다이어프램 판(106, 116) 및 기준 판(100, 110)의 둘레들에 따르는 상태들이 실제로 유사함이 가정되었다. 이 가정은, 다이어프램 판으로부터 기준 판까지의, 다이어프램 판으로부터 측벽층의 외부 표면의 상부 에지까지의, 그리고 기준 판으로부터 측벽층의 외부 표면의 상부 에지까지의 격리 거리가 충분히 큰, 적어도 판들의 두께보다 큰 경우에 행해질 수 있다. 그러나, 거리가 더 작고 심지어 위치에 따라 단위 길이 당 에지 커패시턴스(Ce)를 가변하게 하는 상이한 위치들에서 상이할 수 있을지라도, 비(K)의 최적 값은 항상 발견될 수 있어서 2개의 측정된 커패시턴스들(CS 및 CR)의 가중된 차에서의 에지 커패시턴스의 효과가 제로가 되게 한다. 수학식 (6)의 마지막 항을 제로가 되게 하는 대신에, 2개의 적분들의 가중된 차를 제로가 되게 함으로써 최적 값(K)을 얻을 수 있다:
Figure 112018010101455-pat00009
여기서, 적분들은 다이어프램 판 및 기준 판의 둘레들을 따라 각각 산출되고, Ce(x,y)는 표면 상의 위치의 함수로서 단위 길이 당 가변 에지 커패시턴스이다.
도 14는 센서 구조에서 부유 커패시턴스들을 감소시키기 위한 또 다른 실시예를 도시한다. 도 14는 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(141), 측벽층(143) 및 다이어프램 판(146) 요소들을 보여준다. 도 14는 또한, 이 예에서 측벽층의 상부 표면 상에 다이어프램 판(146)과 나란히 위치되는 기준 판(140)을 보여준다. 기준 판이 다이어프램 판을 제한하는 도 11d의 그것과 같이, 위치하는 기준 판의 다른 구성들이 또한 실현가능하다. 기준 판(140) 및 다이어프램 판(146)은 다이어프램 판(146)과 기준 판(140) 사이의 격리 영역의 지역(region)에 의해 형성되는 제 1 트렌치(148)에 의해 서로 분리된다. 제 2 트렌치(144, 149)는 다이어프램 판(146), 기준 판(140) 및 제 1 트렌치(148)를 제한하는 격리 영역의 일부에 의해 형성된다.
도 14에서, 제 2 트렌치의 일부(144)는 기준 판(140)에 인접하고 제 2 트렌치의 일부(149)는 다이어프램 판(146)에 인접한다. 일 대안적인 구성(11d)에서, 제 2 트렌치가 단지 기준 판(110)에 인접한 부분을 포함함에 주의한다. 가드 요소(142)는 측벽층(143)의 외부 표면들의 상부 에지를 향해 제 2 트렌치(144, 149)의 주변부로부터 측벽층의 상부 표면 상으로 연장한다. 도 14에서, 다이어프램 판에 인접한 제 2 트렌치의 부분(149)은 따라서, 다이어프램 판(146)과 가드 요소(142) 사이에 있다. 대응적으로, 기준 판에 인접한 제 2 트렌치의 부분(144)은 기준 판(140)과 가드 요소(142) 사이에 있다. 따라서, 대안적인 가드 요소 구성들을 통해, 제 1 및 제 2 트렌치들의 구성들이 달라짐이 이해된다.
제 1 트렌치(143) 또는 제 2 트렌치(144, 149), 또는 제 1 트렌치(148) 및 제 2 트렌치(144, 149) 둘 모두는 유사하게 비어 있거나 절연 물질로 커버될 수 있다. 바람직하게, 트렌치들(144, 148, 149)은 같은 폭을 갖고 유사하게 비어 있거나 절연 물질로 커버된다.
다이어프램 판, 기준 판(140)과 제 1 및 제 2 트렌치들(148, 144, 149)을 포함하는 이 구성은, 다이어프램 판(146) 및 기준 판(140)의 둘레들에 따르는 전기 상태들이 모든 위치들에서 가능한 유사함을 보장한다. 이것에 의해, 단위 길이 당 일정한 에지 커패시턴스를 제공하도록 비(K)에 대한 최적 값을 결정하기 위해 상기 수학식들을 이용하는 것이 용이하여, 에지 커패시턴스가 모든 위치들에서 습도의 함수로서 동일하게 변화하게 한다.
도 15는 마이크로전자기계 압력 센서 구조의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 15는 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1로 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(151), 측벽층(153) 및 다이어프램 판(156) 요소들을 보여준다. 도 1의 종래 기술 구조와 반대로, 센서 구조는, 다이어프램이 다이어프램의 폭을 따라 평면형 베이스와 다이어프램의 휨 사이의 최소화된 차를 지각할 정도의 좁은 직사각형일 수 있다. 다이어프램은 평면형 베이스의 평면의 방향으로 길이 및 폭을 갖고, 여기서 길이는 다이어프램의 가장 긴 정도의 방향이고, 폭은 다이어프램 판의 평면에서의 길이의 방향과 수직인 방향에 있다. 직사각형 압력 센서에서, 다이어프램의 길이는, 그것이 휨 형태의 웨이퍼와 매우 정확하게 정렬하는 것으로 인해, 다이어프램의 폭의 적어도 3배이다. 이것의 결과로서, 압력 센서 구조의 휨에 의해 야기된 총 에러는 상당히 감소되고 더 강건한 구조가 성취된다. 동시에, 더 긴 다이어프램은 검출을 위해 더 휘어진 영역을 제공하고 따라서, 디바이스의 감도를 상당히 개선시킨다.
도 15의 직사각형 센서 구조에서, 갭은 평면형 베이스(151)의 평면으로부터 떨어진 갭에서 연장하는 하나 이상의 구멍들(155)을 포함할 수 있다. 이러한 구멍들은 갭 부피를 증가시키고, 그에 의해 측정치들에 대해 필수적인 부정적인 부작용들을 야기하지 않고, 센서의 안정성을 증가시킨다.
센서 구조는 또한, 다이어프램 및 그것의 주변부 주위의 고정 구조들을 제공하는 다이어프램 판에 배열되는 하나 이상의 리세스(recess)들을 포함할 수 있다. 리세스 또는 리세스들은 로컬적으로 다이어프램 상에서 동작하고 층을 이룬(layered) 요소들의 휨 구조들 사이의 차들을 야기하는 다양한 효과들을 효율적으로 보상한다. 도 15에서, 다이어프램 판은 제 1 물질 층(157a) 및 제 2 물질 층(157b)을 포함하는 2-층 구조이다. 다이어프램 판의 외부 표면은 제 1 물질 층(157a)의 표면 부분들 및 제 2 물질 층(157b)의 표면 부분들에 의해 형성된다. 제 1 물질 층(157a)의 표면 부분들은 제 1 리세스의 주변부를 포함하는 평면형 표면 부분을 형성한다. 제 1 물질 층(157a)이 측벽층(153)과 동일한 물질일 때, 제 1 리세스는 요소 층들의 상이한 휨 형상들의 효과들을 효과적으로 제거한다. 제 2 물질 층(157b)의 표면 부분들은 제 2 리세스의 주변부를 포함하는 평면형 표면 부분을 형성한다. 제 3 리세스는 다이어프램 판(156)의 다른 측 상에 제공될 수 있다. 제 2 리세스, 또는 제 2 및 제 3 리세스는 함께 요소 층들의 상이한 휨 형상들의 효과들을 추가로 완화시킨다.
도 15의 센서 구조는 또한, 도 14에서 더 상세하게 논의된 기준 판(150), 가드 요소(152)와 제 1 및 제 2 트렌치들(158, 154, 159)을 포함할 수 있다. 이들 피쳐(feature)들의 조합된 기여는 강건하고 동시에 점점 더 정확한 마이크로전자기계 압력 센서 구조를 제공한다.
도 8은 절연 물질의 층이 측벽층의 외부 표면으로부터 측벽층의 상부 표면 상의 갭을 향해 멀리까지 연장하고, 격리 영역 및 다이어프램 판의 적어도 일부를 커버하는 일 실시예를 도시했다. 도 9는 전도 물질의 층이 또한, 절연 물질의 층 위로 연장하는 일 실시예를 도시했다. 도 16은 이들 피쳐들을, 격리 영역들이 측벽층의 상부 표면 상의 요소들 사이에 트렌치들을 형성하는 구조로 조합하는 또 다른 실시예의 양태들을 도시한다. 도 16은 센서 구조의 폭 방향으로부터 상기 센서 구조를 보여주는 측면도이고, 도 1에서 상기 더 상세하게 설명된 평면형 베이스(161), 측벽층(163) 및 다이어프램 판(166) 요소들을 보여준다. 도 16은 또한, 도 14에서 더 상세하게 논의된 기준 판(160), 가드 요소(162)와 제 1 및 제 2 트렌치들(168, 164, 169)을 보여준다. 절연 물질은 제 1 및 제 2 트렌치들(168, 164, 169)을 충전(fill)하고 기준 판(160) 및 부분적으로 다이어프램 판(166)을 커버하는 측벽층(163)의 외부 표면들로부터 층(165)으로서 연장된다. 상기 논의된 바와 같이, 가중된 차의 보상을 용이하게 하기 위해, 전도 물질의 층(167)은 절연 물질의 층(165) 위로 연장하고 제 1 트렌치(168) 및 제 2 트렌치(164, 169)를 커버한다.
도 17은 마이크로전자기계 압력 센서(170)의 일 실시예를 도시한다. 압력 센서는 상기 설명된 대안적인 센서 구조들 중 임의의 구조일 수 있는 센서 구조(171)를 포함한다. 압력 센서는 또한, 전기 회로 부분(172)을 포함한다. 센서 구조(171) 및 전기 회로 부분(172)은 플라스틱 물질(173)로 몰딩(molding)된 별개의 다이들일 수 있다. 폴리머 유전 층(174)은 재구축된 웨이퍼에 증착될 수 있다. 다이들의 전지 단자들(175)에 대한 접촉부에는 유전 층(174) 상의 개구부들을 통해 증착된 필름 층들이 제공된다. 전기 회로는 평면형 베이스에 대한, 가드 층에 대한 그리고 다이어프램 판에 대한 전기 리드들에 연결될 수 있다. 전기 회로는 또한, 도 4 및 도 5a 내지 도 5f로 논의된 바와 같이, 가드 요소를 평면형 베이스 또는 제 1 평면형 층 중 하나와 동일한 전위로 유지하고, 이들 단자들을 통한 전류 경로들을 분리된 채로 유지하기 위해 연결된 피드백 구성에서 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 전기 회로는 또한, 평면형 베이스에 대한, 전도 물질의 층에 대한 그리고 다이어프램 판에 대한 전기 리드들에 연결될 수 있다. 전기 회로는 도 4 및 도 5a 내지 도 5f로 논의된 바와 같이, 전도 물질의 층을 평면형 베이스 또는 제 1 평면형 층 중 하나와 동일한 전위로 유지하고, 가드 및 다이어프램 판 단자들을 통한 전류 경로들을 분리된 채로 유지하기 위해 연결된, 피드백 구성에서 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
기술 진보에 의해, 본 발명의 기본 개념이 다양한 방식들로 구현될 수 있음이 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명 및 본 발명의 실시예들은, 상기 예들로 한정되지 않지만, 그들은 청구항들의 범위 내에서 달라질 수 있다.
10: 다이어프램
11, 21, 41, 61, 71, 81, 91, 101, 141, 151, 161: 평면형 베이스
12: 갭
13, 23, 33, 43, 63, 73, 83, 93, 103, 143, 153, 163: 측벽층
14: 제 1 표면
16, 26, 46, 66, 76, 86, 96, 106, 116, 146, 156, 166: 다이어프램 판
18: 제 2 표면 29: 상부 표면
30: 격리 영역 32: 상부 에지
42, 142, 152, 162: 가드 요소 50: 연산 증폭기
51, 52, 56: 단자 입력부 54: 전압 소스
55: 전류 소스 57: 기준 임피던스
60, 70: RC 송신 라인
74, 94, 165: 절연 물질의 층
75, 85, 95, 97: 병렬 커패시턴스 99, 167: 전도 물질의 층
100, 110, 140, 150, 160: 기준 판
143, 148, 158, 168: 제 1 트렌치
144, 149, 154, 159, 164, 169: 제 2 트렌치 155: 구멍
157a; 제 1 물질 층 157b: 제 2 물질 층
170: 마이크로전자기계 압력 센서 171: 센서 구조
172: 전기 회로 부분 173: 플라스틱 물질
174: 폴리머 유전 층 175: 유전 단자들

Claims (12)

  1. 평면형 베이스(planar base), 측벽층 및 다이어프램(diaphragm) 판을 포함하는 마이크로전자기계 압력 센서 구조에 있어서,
    상기 측벽층은 상기 평면형 베이스로부터 상기 측벽층의 상부 표면으로 원주 방향으로 연장하는 측벽들을 형성하고,
    상기 평면형 베이스, 상기 측벽층 및 상기 다이어프램 판은 기준 압력에서 완전히 폐쇄된 갭(gap)을 형성하기 위해 서로 부착되며,
    상기 갭의 위로 연장하는 상기 다이어프램 판의 일부는 다이어프램을 제공하고;
    상기 측벽층의 상부 표면은 절연 물질로 되어 있고 상기 다이어프램 판에 의해 커버(cover)되지 않은 적어도 하나의 격리 영역을 포함하고,
    상기 격리 영역은 절연 물질의 층으로 적어도 부분적으로 커버되고,
    상기 절연 물질의 층은 상기 다이어프램의 영역으로 연장되지 않는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격리 영역은 상기 측벽층의 외부 표면으로부터 상기 측벽층의 상부 표면 상의 상기 갭을 향해 비 제로 거리까지 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 물질은 상기 측벽층의 외부 표면으로부터 상기 다이어프램 판으로 상기 측벽층의 상부 표면 상에 층으로서 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연 물질의 층 및 상기 다이어프램 판은 같은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연 물질의 층은 상기 격리 영역과, 상기 다이어프램 판의 제 1 평면형 물질 층의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측벽층의 외부 표면으로부터 상기 갭을 향해 멀리까지 상기 절연 물질의 층 위로 연장하는 전도 물질의 층을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 격리 영역은 상기 다이어프램 판의 주변부로부터 상기 측벽층의 외부 표면을 향해 비 제로 거리까지 상기 측벽층의 상부 표면 상에서 연장하고,
    가드 요소(guard element)는 상기 격리 영역의 주변부로부터 상기 측벽층의 외부 표면을 향해 상기 측벽층의 상부 표면 상에서 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가드 요소는 상기 격리 영역의 주변부로부터 상기 측벽층의 외부 표면까지 상기 측벽층의 상부 표면 상에서 연장하는 것을 특징으로 하는, 마이크로전자기계 압력 센서 구조.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 압력 센서 구조를 포함하는, 압력 센서.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항의 압력 센서 구조를 포함하는 압력 센서에 있어서,
    상기 압력 센서는 평면형 베이스에 대한, 가드 요소에 대한, 그리고 다이어프램 판에 대한 전기 리드들에 연결된 전기 회로를 포함하고,
    상기 전기 회로는 상기 가드 요소를 상기 평면형 베이스 또는 상기 다이어프램 판 중 하나와 동일한 전위로 유지하기 위해, 및 상기 가드 요소 및 상기 다이어프램 판을 통한 전류 경로를 서로 분리시키기 위해 연결된 피드백 구성에서 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 평면형 베이스에 대한, 전도 물질의 층에 대한, 그리고 다이어프램 판에 대한 전기 리드들에 연결된 전기 회로를 포함하고,
    상기 전기 회로는 상기 전도 물질의 층을 상기 평면형 베이스 또는 상기 다이어프램 판 중 하나와 동일한 전위로 유지하기 위해, 및 상기 전도 물질의 층을 통한 전류 경로 및 다이어프램 판을 통한 전류 경로를 서로 분리시키기 위해 연결된 피드백 구성에서 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 연산 증폭기는 반전 연산 증폭기, 또는 비 반전 연산 증폭기인 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
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