KR102214389B1 - 온도를 측정하거나 가스를 검출하기 위한 서모파일 적외선 개별 센서 - Google Patents

온도를 측정하거나 가스를 검출하기 위한 서모파일 적외선 개별 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 가스 매질로 채워진 하우징 내에 있고, 광학기기 및 망상 멤브레인들을 갖는 적외선 센서 구조들을 갖는 개별 센서 셀들을 갖는 하나 이상의 센서 칩들을 갖는 서모파일 적외선 개별 센서에 관한 것이며, 망상 멤브레인들의 적외선-감지 영역들은, 각각의 경우에, 양호한 열 전도도를 갖는 캐리어 본체의 캐비티 위로 적어도 하나의 빔에 의해 걸쳐진다. 본 발명의 목적은 비접촉식 온도 측정들을 위한 모놀리식 Si-마이크로기계 기술을 사용하는 서모파일 적외선 센서를 특정하는 것으로 구성되고, 서모파일 적외선 센서는, 충분히 큰 수신기 표면의 경우에, 높은 응답 속도로 높은 신호를 출력하고, 정상 압력 또는 감소된 압력을 갖는 가스 매질에서 동작될 수 있고, 하우징을 밀봉하기 위한 복잡한 기술 없이 대량 생산 방식으로 생산 가능하다. 이는, 각각의 경우에, 개별 칩의 공통 캐리어 본체(1) 상의 멤브레인(12) 상의 서모파일 구조들(14, 15)을 갖는 적어도 하나의 적외선-감지 영역을 각각 갖는 복수의 개별 인접한 센서 셀들(18)을, 하우징에서 신호 출력을 갖는 단일 서모파일 센서 구조로 결합하는 것으로 인해 달성되고, 하우징은 기저판(3)으로 밀봉된 캡(7)과 공통 가스 매질(10)로 구성된다.

Description

온도를 측정하거나 가스를 검출하기 위한 서모파일 적외선 개별 센서
본 발명은 가스 매질로 채워진 하우징에서 모놀리식 실리콘 마이크로 기계 기술(monolithic silicon micromechanical technology)로 온도를 측정하거나 가스를 검출하고, 광학 유닛, 및 또한 망상 멤브레인들(reticulated membranes)을 갖는 적외선 센서 구조들을 갖는 개별 센서 셀들을 갖는 하나 이상의 센서 칩들을 갖는 서모파일 개별 센서(thermopile individual sensor)에 관한 것이며, 망상 멤브레인들의 적외선-감지 영역들 각각은 양호한 열 전도도(thermal conduction)를 갖는 캐리어 본체의 캐비티(cavity) 위의 적어도 하나의 빔(beam)에 의해 걸쳐진다(span).
실리콘 마이크로기계 기술로 제조된 서모파일 적외선 센서들은 매우 다양한 실시형태들로 존재한다. 예컨대, DE 101 44 343 A1에 서모파일 센서 칩이 설명되고, 이 서모파일 센서 칩은, 수직 또는 거의 수직 벽들과 함께, IR 수신 영역으로서 가능한 가장 큰 멤브레인을 가져서, 멤브레인 상의 IR-감지 영역을 사용하여 수신될 신호를 최대화한다. 멤브레인은, 또한 히트 싱크(heat sink)로 형성된 실리콘 캐리어 본체 내의 리세스 위에 걸쳐진다..
DE 103 21 639 A1에 추가의 솔루션이 제안되고, 여기서 서모파일 엘리먼트들의 핫 엔드들이 멤브레인 상에 위치되고 서모파일 엘리먼트들의 콜드 엔드들이 실리콘 캐리어 본체 상에 위치되는 서모파일 엘리먼트들이 제공된다.
이들 실시형태들은, 동질한 얇은 멤브레인이 많은 서모커플들(thermocouples), 예컨대, 서모파일 엘리먼트들을 운반하고, 센서 칩이 대기압 및 통상적으로 건조 공기 또는 건조 질소를 갖는 하우징에 하우징된다는 특징을 공통적으로 갖는다. 서모파일 센서 엘리먼트들에서 가능한 가장 큰 신호 전압을 획득하기 위해, 서모파일 센서 엘리먼트들의 서모커플은 가능한 길게 형성되어야 하는데, 왜냐하면 이와 같이 해야 서모커플들의 핫 엔드와 콜드 엔드 사이에 더 적은 열 전도 및 그에 따른 더 큰 온도 차이가 달성되기 때문이다.
따라서, 더 작은 칩 영역들 상에서는 많은 애플리케이션들에 대한 충분히 높은 신호 전압들이 달성될 수 없고, 측정 작업들에서 신호-대-잡음비 또는 검출 한계는 요건들을 만족시키지 못한다. 이러한 칩이 예컨대 가스를 검출하는 데 사용되는 경우, 감지 센서 영역은 그 자체로만 이미 매우 크게, 예컨대, 1 x 1 mm 또는 더 크게 선택되어야 한다. 이 경우, 센서 칩들 자체가 또한 상당히 더 커지고, 이는 사용자에게 불리하다.
많은 애플리케이션들에 대해 단위 면적당 달성되는 신호 전압이 충분하지 않다는 것과, 큰 면적이 또한 높은 시간 상수(열 관성)를 가져서 반응 시간이 과도하게 느리게 한다는 것은 불리하다. 따라서, 많은 서모커플들을 갖는 동질하고 구조화되지 않은 멤브레인들에 의해서는, 요구되는 신호 전압이 낮은 반응 시간으로 달성될 수 없다.
단일 서모파일 센서가 WO 91 02229 A1에 제안되고, 여기서 단일 프리-플로팅(free-floating) 멤브레인은 칩 본체 내의 리세스 위에 배열되고, 멤브레인은 가능한 가장 긴 빔을 통해 히트 싱크(heat sink), 즉, 칩 본체의 에지에 연결된다. 칩 본체 내의 리세스의 생산을 위해 적용되는 에칭 방법으로 인해, 리세스의 경계를 정하는 경사진 벽들이 발생한다. 이 센서에서는, 멤브레인 상의 더 양호한 흡수체(absorber) 영역으로 인해, 더 작은 영역에서 더 큰 신호들이 달성될 수 있다. 그러나, 흡수체 영역을 둘러싸는 "정상 대기"(즉, 공기, 질소)의 열 전도도는 센서가 충분히 높은 신호를 달성하는 것을 막는다. 또한, 경사진 벽들은, 감지 영역에 비해 매우 크고 따라서 매우 비싼 전체 칩을 발생시키기 때문에 불리하다.
또한, DE 10 2010 042 108 A1에 모놀리식 실리콘 마이크로 기계(monolithic silicon micromechanics)의 서모파일 적외선 센서가 제안되고, 이는, 센서 칩 멤브레인에 슬롯들이 제공되고 IR 방사를 수신하는 내부 영역이 얇은 웹들 상의 흡수체 영역 상에 매달리게 하고, 얇은 웹들을 통해 몇몇의 서모커플들이 실리콘 에지("콜드(cold)" 접촉들)로부터 흡수체 영역("웜(warm)" 접촉들)으로 이어지도록 함으로써, 매우 작은 영역에서 상당히 더 높은 신호 전압을 달성할 수 있다. 내부 흡수체 영역의 절연을 향상시키기 위해, 센서 엘리먼트는 공기보다 더 낮은 열 전도도의, 공기보다 상당히 더 적은 매질을 갖는 하우징에 밀봉된다.
이러한 방식으로, 아주 작은 멤브레인들(흡수체 영역들)에 대해 상당히 높은 신호 레벨들이 달성될 수 있다. 그러나, 적어도 소위 NDIR 가스 센서들에서 통상적으로 필요한 0.5 x 0.5 mm...1 x 1 mm 영역으로 흡수 영역의 크기를 증가시키면, 이 경우 점점 더 느릿느릿 움직이게(sluggish) 되는 흡수체 영역은 긴 시간 상수를 발생시키고, 즉, 센서 칩의 응답 속도가 줄어들고, 센서는 많은 애플리케이션들에서 과도하게 느릴 것이다.
또한, US 4 472 239 A 및 US 4 654 622 A에 얇은 멤브레인 및 아래에 놓이는 캐리어 기판의 부분들을 에칭(etching out)하기 위한 슬롯들을 갖는 열 센서 구조들이 제안된다. 양자의 경우들에서, 아래에 놓인 리세스들은 단지 작은 깊이에만 도달하고, 이는, 위에 설명된 솔루션에서와 같이, 높은 진공 누설 기밀성 없는 비용-효율적인 하우징 솔루션들의 경우에는 낮은 감도들만을 허용한다.
DE 199 54 091 A1 호 및 US 6 342 667 B에 서모파일 센서 셀들이 설명되고, 여기서 센서 구조 아래의 리세스는, 멤브레인의 주변 영역의 큰 삼각형 형태 또는 멤브레인의 중간의 십자가 형태의 슬롯 구조들을 통해 자유롭게 에칭(etch free)된다. 양자의 경우들 모두에서, 이는 습식 에칭 방법에 의해 수행되며, 이는 경사진 벽들로 인해 주변의 히트 싱크까지의 거리들이 멀어지는 것을 허용하지 않는다. 병렬로 배열된 복수의 서모커플들은 "핫(hot)" 접촉과 "콜드" 접촉 사이의 큰 온도 차이들을 방지하고, 따라서 더 높은 신호 감도들이 달성되는 것을 방지한다.
DE 198 43 984 A1에 적외선 방사 센서들의 셀들이 제안된다. 개별 셀들의 리세스들은 전체 기판을 관통하는 수직 벽들을 가지며, 기판은 리세스를 둘러싼다. 멤브레인은 리세스 위에 위치된다. 그러나, 복수의 다소 짧은 서모커플이 또한 제공되고, 이는 고감도를 허용하지 않는다. 리세스들은 마이크로기계 솔루션들에 의해, 예컨대, 멤브레인의 개구를 통해 에칭함으로써 생성되며, 여기서 에칭의 깊이는 50-200 ㎛일 수 있다. 여기에서 멤브레인 상의 센서 구조와 히트싱크 사이의 최대 200 ㎛의 짧은 거리는 불리한데, 이는, 가스의 열 전도도로 인해, 고감도가 달성되지 않는 결과를 갖는다.
또한, DE 40 91 364 C1에 얇은 멤브레인 및 슬롯형 구조(slotted structure)를 갖는 서모파일 센서 셀이 제안된다. 멤브레인 상의 흡수체 영역은 긴 빔 및 몇몇의 서모커플들을 통해 홀딩되며, 여기서 홀들 또는 슬롯들이 멤브레인에 위치된다. 서모커플들 및 130 ㎛의 폭을 갖는 빔은, 그러나 또한 넓은 슬롯들에 의해 기판 주변부 및 흡수체 영역으로부터 절연된다. 센서 구조 아래에 위치된 캐리어 기판은 후방측으로부터 습식-에칭되고, 이는 기판에 경사진 벽을 발생시킨다. 전체 어레인지먼트에는 보호 가스를 갖는 충전물이 제공된다.
원칙적으로, 이러한 솔루션을 사용하면 더 높은 온도 차이 및 감도들이 달성될 수 있다. 그러나, 넓은 슬롯들은 센서 셀의 최적의 영역 활용(채움 정도)을 방지한다. 캐리어 기판의 습식-에칭된 리세스는 외부로 향하는 경사진 벽들을 가지며, 이때 전체 센서 셀은 약 2 x 2 mm 크기가 되어야 한다. 외부로 경사진 기판 벽들은 작은 센서 셀들 또는 셀 간격들을 허용하지 않는다. 매달린 수신 영역의 큰 구조는 더 느린 응답 속도 및 높은 시간 상수를 발생시키고, 따라서 신속한 측정들을 요구하는 많은 측정 작업들이 불가능하다.
요약하면, 종래 기술에서 제안된 열 적외선 센서 셀들은, 흡수체의 충분한 열 절연 없이는 대면적 칩 기술로 인해 단위 면적당 과도하게 낮은 신호 레벨들을 달성하고, 또는 개별 흡수체 영역의 감지 면적이 충분히 큰 경우에는 과도하게 높은 시간 상수들을 갖고 따라서 측정 작업에서 과도하게 느릿느릿 움직이고 느리게 반응한다고 할 수 있다.
본 발명의 목적은, 충분히 큰 수신기 면적으로 높은 응답 속도로 높은 신호를 출력하고, 정상 압력 또는 감소된 압력에서의 가스 매질 하에서 동작될 수 있으며, 그리고 하우징 클로저(housing closure)를 위한 많은 부품 갯수들의 복잡한 기술들 없이 생산될 수 있는, 비접촉식 온도 측정들 또는 NDIR 가스 검출을 위한 모놀리식 실리콘 마이크로기계 기술의 서모파일 적외선 센서를 특정하는 것이다.
이는, 각각의 경우에, 하나의 적외선-감지 영역을 각각 갖는 다수의 개별 인접한 센서 셀들이, 기저판으로 밀봉된 캡으로 구성되고 공통 가스 매질을 갖는 하우징의 신호 출력을 갖는 개별 서모파일 센서 구조를 형성하기 위해, 개별 칩의 공통 캐리어 본체 상의 멤브레인 상의 서모파일과 결합된다는 점에서, 처음에 언급된 타입의 서모파일 적외선 개별 센서에서 달성된다.
본 발명의 제1 실시예에서, 각각의 센서 칩의 개별 센서 셀들의 신호들은 직렬 회로, 병렬 회로에 의해 또는 직렬 및 병렬 회로의 조합으로 하나의 출력 신호를 형성하도록 결합되고, 단자를 통해 도출된다.
적외선-감지 영역들을 갖는 각각의 멤브레인 아래의 캐비티는 바람직하게는, 웨이퍼 후방측으로부터 파여진(drive in) 수직 또는 거의 수직 벽들을 갖는다.
대안적으로, 적외선-감지 영역들을 갖는 각각의 멤브레인 아래의 캐비티는, 멤브레인의 슬롯들을 통해 전방 측으로부터 에칭된 경사진 벽들을 가질 수 있다.
공통 가스 매질은 바람직하게는 정상 대기압 하의 크세논, 크립톤 또는 아르곤과 같이, 공기보다 상당히 더 큰 몰 질량을 갖는 가스이다.
가스 매질은 바람직하게는 정상 대기압보다 상당히 더 낮은 압력을 갖는 가스 또는 가스 혼합물이다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 센서 칩의 개별 센서 셀들 각각의 신호는 개별 전치 증폭기(preamplifier), 임피던스 변환기 또는 아날로그-디지털 변환기를 갖는 개별 전처리 채널을 통해 도통되며, 개별 센서 셀들의 개별 전처리 채널들 중 일부 또는 전부는 적어도 하나의 통합 기능 또는 저대역-통과 기능을 갖는다.
또한, 센서 칩의 개별 센서 셀들의 전처리된 신호들은, 출력 신호를 형성하기 위해, 멀티플렉서 및/또는 마이크로제어기와 같은 전자 합산 회로에서 유리하게 결합된다.
본 발명의 개량예에서, 개별 센서 셀들의 신호 처리 채널들 및 합산 유닛은 동일한 반도체 캐리어 본체 또는 센서 하우징 내부의 인접한 반도체 칩 상에 하우징된다.
대안적으로, 신호 전처리 채널들 및 합산 유닛 이외에, 온도 또는 전압 기준과 같은 또는 온도들 또는 가스 농도들을 컴퓨팅하기 위한 추가의 전자 신호 처리 유닛들은 동일한 반도체 캐리어 본체 또는 공통 가스 매질의 센서 하우징 내부의 인접한 반도체 칩 상에 하우징된다.
또한, 서모파일 구조들은, 비용-효율적인 제조를 보장하기 위해, CMOS 공정으로 적용된 n-도전성 및 p-도전성 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 게르마늄, 또는 실리콘과 게르마늄의 혼합된 형태, 또는 비스무스 또는 안티몬으로 구성된 적용된 열전기 금속 박막들로 구성된다.
본 발명은, 가스 검출기와 공통 바닥판 상의 공통 캡 아래에서 서로 인접한 적어도 2개의 서모파일 적외선 개별 센서들 ― 이들 각각은 하나의 센서 채널을 형성함 ― 의 사용에 특히 유리하게 적합하고, 각각의 센서 채널에 대해 상이한 파장의 개별 광 필터가 제공되고, 격벽(partition wall)은 각각의 경우에 인접한 센서 채널들 사이에 배열된다.
장기간 안정성 및 드리프트 저항(drift resistance)을 개선하기 위해, 센서 채널들 중 하나에 기준 필터가 장착된다.
센서 채널들을 형성하는 서모파일 적외선 개별 센서들은 유리하게도 NDIR 가스 검출을 위해 사용하기에 적합하다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 기반하여 이후에 더 상세히 설명될 것이며, 도면들의 개별 도형들은:
도 1a는 수직 벽들을 갖는, 하우징 내에 다중 구조 개별 칩을 갖는 본 발명에 따른 서모파일 개별 센서의 기본 구조를 도시하고, 도 1b는 경사진 벽들을 갖는, 하우징 내에 다중 구조 개별 칩을 갖는 본 발명에 따른 서모파일 개별 센서의 기본 구조를 도시한다.
도 2는 4-폴드 구조의 센서 셀을 갖는 서모파일 센서 칩의 어레인지먼트를 갖는 서모파일 센서의 본 발명에 따른 개별 칩의 상면도를 도시한다.
도 3은 각각 직렬 회로인 9-폴드 구조 센서 셀을 갖는 본 발명에 따른 개별 칩의 상면도를 도시한다.
도 4는 전치 증폭기들 또는 임피던스 변환기들 및 전자 합산 엘리먼트들을 통해 개별 구조들의 신호들의 합산을 갖는 본 발명에 따른 서모파일 센서의 실시예를 도시한다.
도 5는, 예컨대, 가스를 검출하기 위한 다중채널 센서를 갖는 본 발명에 따른 추가의 서모파일 센서 구조를 도시한다.
도 6은 도 2의 세부사항 A의 확대된 예시를 도시한다.
개별 칩 상의 본 발명에 따른 서모파일 적외선 개별 센서의 개략적인 구조가 도 1a, b에 도시된다. 서모파일 개별 센서는, 예컨대 실리콘으로 제조된, 공통 프레임-형상 반도체 캐리어 본체(1) 상에 구성되고 센서 하우징 내에 위치되며, 센서 하우징은, 바닥판(2), 전기 단자들(4)을 갖는 기저 판(3) ― 전기 단자들(4) 각각은 단자 패드들(6)을 갖는 와이어 브리지(5)를 통해 프레임-형상 반도체 캐리어 본체(1)(도 2 및 3)에 연결됨 ―, 및 애퍼처 개구(8)와 광학 유닛(9)을 갖는 캡(7)으로 구성되고, 센서 하우징은 가스 매질(10)을 누설 밀봉 방식(leak-tight manner)으로 밀봉한다.
캐리어 본체(1)에는 캐비티(11)가 제공되고, 캐비티(11)에는 감지 영역(흡수체 영역)을 갖는 멤브레인(12)이 걸쳐져 있고, 빔(13)을 통해, 히트 싱크로서 사용되는 프레임-형상 반도체 캐리어 본체(1)에 연결된다.
가스 매질(10)은, 멤브레인(12) 상의 중심 감지 영역으로부터 캐리어 본체(1)로의 대류(convection)를 가능한 한 낮게 유지하기 위해, 공기 또는 질소의 열 전도도보다 더 낮은 열 전도도를 갖는 가스 또는 가스 혼합물이다. 가스 매질(10)은 바람직하게는 크세논, 크립톤 또는 아르곤과 같은 높은 몰 질량을 갖는 가스, 또는 정상 공기 압력에 비해 상당히 감소된 내부 압력을 갖는 가스이다. 이러한 경우, 센서 하우징은 주위에서 어떠한 가스 교환도 발생할 수 없도록 밀봉되어야 한다.
개별 칩의 캐리어 본체(1)로 구성된 센서 칩은 슬롯이 형성된 멤브레인(12) 및 빔 구조(13)를 갖는 다수의 개별 셀들(18)을 포함하고, 서모파일 구조들과 같은 서모커플들(13')이 빔 구조(13) 상에 하우징되고, 서모커플들(13')의 "핫" 접촉(14)은 멤브레인(12) 상에 위치되고, "콜드" 접촉(15)은 캐리어 본체(1) 상에 위치된다. 더욱이, 얇은 흡수체 층(16)(바람직하게는 1㎛보다 더 얇음)은, 감지 영역의 열 질량을 낮추고 응답 속도를 높게 하기 위해, 멤브레인(12) 상에 위치된다. 슬롯들(17)은 열 분리(thermal separation)(도 2, 3, 6)를 위해 멤브레인(12)과 빔들(13) 사이 그리고 이들과 캐리어 본체(1) 사이에 위치된다.
서모파일 구조의 서모커플들은, 그 자체로 상이한 열전기 극성(polarity)으로 알려진 열전기 물질들로 제조된다. 이들은 CMOS 공정으로 적용된 반도체 물질들, 예컨대, n-도전성 및 p-도전성 폴리실리콘, (도핑된) 비정질 실리콘, 게르마늄, 또는 실리콘과 게르마늄의 혼합된 형태, 또는 적용된 열전기 금속 박막들(예컨대, 특히 비스무스, 안티몬) 둘 모두일 수 있고, 두께는 각각의 경우에 1 ㎛ 미만이다.
빔들(13) 및 감지 영역을 갖는 멤브레인들(12)은 캐비티들(11) 위로 캐리어 본체(1) 상에 걸쳐진다. 이러한 캐비티들(11)은, 예컨대, 웨이퍼 후방측으로부터 건식 에칭(딥(deep) RIE)에 의해 파여져서 바람직하게는 수직 벽들(도 1a)을 가질 수 있고, 또는 캐리어 본체(1)를 형성하기 위해 반도체 기판 내의 전방측 관통 슬롯들(17)(도 2 및 3)로부터 희생 층들 또는 반도체 기판 그 자체를 에칭함으로써 멤브레인(12)을 통해 형성될 수 있다. 도 1b의 캐비티(11)의 경사진 벽들은 후자의 일 예이다.
슬롯이 형성된 멤브레인들(12)을 갖는 다수의 더 작은 셀들(18)(예컨대, 2, 4, 9 또는 16개의 셀들)이 서모파일 개별 센서의 영역 상에 매우 인접하게 위치되고, 셀들은 상호연결에 의해, 알려진 개별 엘리먼트 서모파일 칩들만큼 큰 수신 영역을 형성하고, 가스 매질(10)은 셀(18)당 높은 개별 신호 레벨을 가능하게 한다는 점에서, 본 발명에 따른 유리한 효과가 발생된다.
개개의 멤브레인들(12) 상의 개별 셀들(18) 및 그의 감지 영역들의 비교적 작은 치수들의 결과로서, 통상적인 크기의 비-세그먼트화된 서모파일 칩에서보다 상당히 더 낮은 시간 상수들 및 더 빠른 응답 속도들이 발생된다. 서모파일 칩의 모든 셀들(18)의 신호들의 합산은 결과적으로, 동일한 크기의 서모파일 칩에서 상당히 더 높은 신호 전압을 발생시킨다.
도 2 및 3은, 서모파일 개별 센서의 개별 셀들(18)의 어레인지먼트 및 상호연결을 예시하기 위해, 상면도로서 다수의 셀들(18)을 갖는 본 발명에 따른 서모파일 개별 센서를 도시한다. 이 경우에, 각각의 셀(18)은, 개별 셀들(18)의 기하학적 영역이 통상적으로 종래의 서모파일 개별 센서에서보다 상당히 더 작다는 것을 제외하고, 그 자체로 알려진 개별 서모파일과 같이 작동한다.
서모파일 개별 센서의 각각의 셀(18)은 + 및 - 단자(본드 패드들(5))를 갖는다. 서모파일로서 형성된 모든 셀들(18)은 효과적인 서모파일 개별 센서를 형성하도록 서로 상호연결된다. 바람직하게는, 배터리 블록 내의 개별 배터리들과 같이 개개의 + 및 - 단자들을 함께 연결함으로써, 이 경우에 서모파일 개별 센서의 모든 셀들(18)은 직렬로 연결된다. 그러나, 병렬 회로 또는 직렬 및 병렬 회로의 조합이 또한 가능하다.
도 2는 4-폴드 셀 구조를 도시하고, 도 3은 9-폴드 셀 구조를 도시한다.
본 발명의 추가의 실시예는, 셀들(18)(도 4)의 간단한 직렬 회로 대신에, 전치 증폭기들 또는 임피던스 변환기들(19) 및/또는 전자 합산 엘리먼트들(20) 또는 멀티플렉서들/마이크로제어기들의 사용으로 구성된다.
전치 증폭기들 또는 전치 증폭기 및 저역-통과 필터(19) 및 합산 엘리먼트(20) 또는 멀티플렉서를 갖는 이러한 신호 전자 유닛은 서모파일 개별 센서와 동일한 기판 상에 또는 하우징 내에 있지만 개별 칩 상에뿐만 아니라, 또는 하우징 외부에 하우징될 수 있다. 합산은 또한, 개별 셀들(18)의 사전-증폭, 필터링 및 멀티플렉싱된 신호들을 처리하는 마이크로프로세서에서 발생할 수 있다.
잡음-제한 저대역-통과 필터 또는 다운스트림 마이크로프로세서의 기능이 충분히 이해할 수 있기 때문에, 도 4에서 별개의 예시가 생략되었다.
합산 엘리먼트(20)는 바람직하게는 모든 셀들(18)에 대한 신호 멀티플렉서 및 마이크로프로세서를 갖는 다운스트림 A/D 변환기로 구성되고, 다운스트림 A/D 변환기는 모든 셀들(18)의 신호들을 저-잡음 방식으로 가산한다. 신호 처리의 적어도 일부의 구조가 편리하게 하우징에 하우징되는 데, 왜냐하면 그러면, 외부로부터의 전기 또는 전자기 간섭 영향들이 더 양호하게 억제될 수 있기 때문이다.
셀(18) 당 통합된 전치 증폭기(19) 또는 임피던스 변환기의 추가의 이점은 다음과 같이 구성된다.
따라서, 셀(18)의 더 많거나 더 얇은 서모커플들이 직렬로 연결되면, 신호가 증가하지만, 임피던스(서모커플, 저항기)가 또한 증가한다. 따라서, 많은(예컨대, 4, 9, 16개 이상의) 셀들(18)이 직렬로 연결되고, 신호가 전치 증폭기 또는 임피던스 변환기 없이 외부로 인출되면, 전체 서모파일 개별 센서의 매우 높은 임피던스들(내부 저항)이 발생한다. 임피던스가 증가함에 따라, 다운스트림 전자기기의 입력 회로의 전류 잡음에 의해 표시된 추가 잡음 소스 또는 외부 간섭 소스들의 잡음 간섭의 위험이 증가하고, 이는, 특히, 더 낮은 임피던스의 경우에 무시할 만하다. 효과들 둘 모두는 측정 정확도를 감소시킬 수 있다.
특히, NDIR 가스 검출(NDIR: non-dispersive infrared technology)의 경우, 하나의 서모파일 개별 센서로 이루어진 2 이상의 센서 채널들 각각을 하나의 하우징에 통합하는 것이 유리한데, 즉, 본 발명에 따른 2 또는 4개의 서모파일 적외선 개별 센서들은 하나의 하우징에 서로 인접하게 배열된다.
따라서, 다수의 가스들이 동시에 측정할 수 있다. 센서 채널들 중 하나에는 선택적으로 기준 필터가 장착되고, 이는 장기간 안정성과 드리프트 저항을 상당히 개선한다. 이어서, 다른 채널 또는 채널들은 하나 이상의 특정 가스들을 측정한다.
이러한 다중채널 서모파일 센서의 예로서, 도 5는 NDIR 가스 검출에 특히 적합한 이중 서모파일 센서를 도시한다.
본 발명에 따라, (채널 당) 하나의 서모파일 개별 센서를 형성하기 위해 다수의 셀들(18)이 다시 결합되고, 2개의 그러한 서모파일 개별 센서들(21, 22)은 공통 바닥판(27) 상의 공통 캡(26) 아래에서 서로 인접하게 배열되고, 각각의 채널에 대해 별개의 광 필터(23, 24)가 제공된다. 또한, 인접한 채널들 사이의 광 격벽(25)이 추천되고, 이는 인접한 채널들 사이의 적외선 방사의 광 크로스토크(optical crosstalk)를 방지한다. 이러한 목적으로, 격벽(25)은 적외선 방사를 흡수해야 하고, 적외선 방사를 투과시키거나 반사시킬 수 없다.
이 경우, 바닥판(27) 상의 공통 접지 핀(음극 단자)은 각각의 셀(18)과 연관될 수 있고, 양극 단자들은 개별 단자를 통해 각각 도출된다. 대안적으로, 다수의 채널들은 전치 증폭기 및 저대역-통과 필터를 통해 멀티플렉서로 인출되고, 하나의 출력 라인을 통해 계속해서(in succession) 판독될 수 있다.
결합된 서모파일 개별 셀들 모두는 또한 동일한 칩 상에 위치될 수 있거나 ― 이는 신호 처리를 간소화함 ― , 도 5에 도시된 바와 같이, 별개의 개별 칩 상에 하우징될 수 있다. 크기에 따라, 2 내지 4개뿐만 아니라 10개 이상의 개별 채널들이 또한 하나의 하우징에 위치될 수 있다. 격벽들(18)은 바닥판(27) 상에 뿐만 아니라 또는 캡(26)에 장착될 수 있다.
신호 처리 채널들 및 전자 합산 유닛 이외에, 추가의 전자 신호 프로세싱 유닛들(예컨대, 온도 또는 전압 기준들 또는 물체 온도들 또는 가스 농도들을 계산하기 위한 계산 회로를 가짐)은 센서 하우징 내부의 동일한 반도체 캐리어 본체(1) 상에 하우징될 수 있다.
1 캐리어 본체
2 바닥판
3 기저판
4 단자
5 와이어 브리지
6 단자 패드
7 캡
8 애퍼처 개구
9 광학 유닛
10 가스 매질
11 캐비티
12 멤브레인
13 빔
13’ 서모커플들
14 핫 접촉
15 콜드 접촉
16 흡수체 층
17 슬롯
18 셀
19 전치 증폭기 또는 전치 증폭기 및 저대역-통과 필터
20 합산 엘리먼트
21 서모파일 개별 센서
22 서모파일 개별 센서
23 광 필터
24 광 필터
25 격벽
26 캡
27 바닥판

Claims (15)

  1. 서모파일 적외선 센서로서,
    가스 매질(gas medium)로 채워진 하우징 ― 상기 하우징은 기저판(base plate) 및 캡(cap)을 가짐 ―;
    상기 하우징의 애퍼처 개구에 배치된 광학 유닛;
    복수의 센서 셀들을 갖는 센서 칩 ― 상기 복수의 센서 셀들의 각각은 빔(beam)에 의해 캐비티 위로 걸쳐진 멤브레인 상에 배치된, 서모파일 구조들을 갖는 적외선-감지 영역을 가지며, 상기 복수의 센서 셀들은 공통 캐리어 본체 상에서 결합되어 서모파일 센서 구조를 형성함 ―;
    상기 하우징의 기저판을 관통하여 연장되는 단자
    를 포함하고,
    상기 복수의 센서 셀들의 신호들은, 직렬 회로, 병렬 회로, 또는 직렬 및 병렬 회로의 조합에 의해 결합되어, 출력 신호를 형성하고,
    상기 출력 신호는 상기 단자를 통해 직접 인출되는,
    서모파일 적외선 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 멤브레인 아래의 상기 캐비티는, 웨이퍼 후방측으로부터 파여진(drive in) 수직 벽들을 갖는,
    서모파일 적외선 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 멤브레인 아래의 상기 캐비티는, 상기 멤브레인의 슬롯들을 통해 전방측으로부터 에칭된 경사진 벽들을 갖는,
    서모파일 적외선 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 매질은 표준 기압(normal atmosphere pressure) 하에서 공기보다 더 높은 몰 질량을 갖는 가스인,
    서모파일 적외선 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 매질은, 표준 기압보다 더 낮은 압력을 갖는 가스 또는 가스 혼합물인,
    서모파일 적외선 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가스 매질은, 크세논, 크립톤, 또는 아르곤인,
    서모파일 적외선 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 출력 신호는 상기 단자를 상기 공통 캐리어 본체 상의 본드 패드에 연결하는 와이어 브릿지를 거쳐, 상기 단자를 통해 직접 인출되는,
    서모파일 적외선 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    제2의 복수의 센서 셀들에 의해 형성된 제2 센서 구조;
    상기 센서 구조와 상기 제2 센서 구조 사이에 배치된 파티션 벽;
    상기 파티션 벽의 제1 측에 배치되고 상기 센서 구조와 연관된 제1 광학 필터; 및
    상기 파티션 벽의 제2 측에 배치되고 상기 제2 센서 구조와 연관된 제2 광학 필터
    를 더 포함하고,
    상기 출력 신호는 제1 센서 채널을 형성하고, 상기 제2 센서 구조로부터의 제2 출력은 제2 센서 채널을 형성하는,
    서모파일 적외선 센서.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 서모파일 구조들은 CMOS 공정으로 적용된 n-도전성 및 p-도전성 폴리실리콘, 비정질 실리콘(amorphous silicon), 게르마늄, 또는 실리콘과 게르마늄의 혼합된 형태, 또는 비스무스(bismuth) 또는 안티몬(antimony)으로 구성된 열전기 금속 박막들(thermoelectric thin metal layers)로 구성되는,
    서모파일 적외선 센서.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 따른 서모파일 적외선 센서들을 포함하는 NDIR 가스 검출기.
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