KR102280921B1 - 비냉각 마이크로 볼로미터에 대한 열 보호 메커니즘. - Google Patents

비냉각 마이크로 볼로미터에 대한 열 보호 메커니즘. Download PDF

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Abstract

비냉각 마이크로 볼로미터 픽셀에 대한, 태양 손상, 및 기타 열-관련 손상을 방지하기 위한 방법 및 장치. 특정 예에서, 비냉각 마이크로 볼로미터의 픽셀 중 적어도 일부는 픽셀(들)을 과도한 열 손상으로부터 보호하는 바이메탈릭 열적 단락 구조로 구성된다. 다른 예에서, 특정 임계값을 초과하는 온도에서 고도로 반사성인 써모크로익 막이 마이크로 볼로미터 픽셀 상에 적용되어 픽셀이 과도한 열에 의해 손상되는 것을 방지한다.

Description

비냉각 마이크로 볼로미터에 대한 열 보호 메커니즘.
열 보호 메커니즘이 개시된다.
비냉각 마이크로 볼로미터 검출기는 다양한 적외선 또는 열 화상 애플리케이션에 사용된다. 비냉각 마이크로 볼로미터 픽셀은 열원에 노출될 때 저항 및 기타 손상의 변화에 취약하다. 과도한 열은 기본적으로 픽셀의 응답을 변경하고 결과 이미지를 저하시킨다. 태양과 같은 극단적인 열원은 픽셀을 완전히 파괴할 수 있다. 통상적인 관행은 비냉각 마이크로 볼로미터 검출기가 태양에 직접 노출되는 것을 피하는 것이다. 태양 손상이 발생하면, 사용가능한 이미지를 얻기 위해 검출기를 다시 교정해야 할 수 있다.
삭제
양태 및 실시예는 비냉각 마이크로 볼로미터 픽셀에 대한 태양 손상 또는 다른 열 관련 손상을 방지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
특정 실시예에 따르면, 마이크로 볼로미터의 픽셀 중 적어도 일부는 픽셀을 과도한 열 손상으로부터 보호하기 위해 픽셀 구조의 일부의 변형을 유발하기 위해 이종 금속의 열 특성을 사용하는 바이메탈 열 단락 구조로 구성된다.
다른 실시예들에 따르면, 써모크로익 막(thermochroic membrane)이 마이크로볼로미터 픽셀 구조에 직접 적용된다. 이 써코크로익 막은 특정 임계값을 초과하는 온도에서 반사성이 높아, 과도한 열에 의해 픽셀이 손상되는 것을 방지한다.
일 실시예에 따르면, 비냉각 마이크로 볼로미터는 베이스 기판, 복수의 픽셀, 및 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치를 포함하고, 복수의 픽셀은 베이스 기판 상에 어레이로 배열되고, 각 픽셀은 적어도 2개의 제1 지지부에 의해 베이스 기판 위에 지지된 센서 층을 포함하고, 적외선 흡수 층은 적어도 하나의 제2 지지부에 의해 센서 층으로부터 지지되고 열적으로 격리되고, 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 픽셀 어레이의 대응하는 적어도 하나의 픽셀에 커플링되고, 바이메탈릭 스위치는 제1 재료의 제1 층 및 제2 재료의 제2 층을 포함하고, 대응하는 적어도 하나의 픽셀의 온도가 미리 결정된 임계값에 도달하는 것에 응답하여 대응하는 적어도 하나의 픽셀을 베이스 기판에 열적으로 단락시키도록 구성된다.
일 실시예에서, 비냉각 마이크로 볼로미터는 베이스 기판 상에 배치된 접지 접점을 더 포함하고, 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 접지 접점을 통해 접지에 대응하는 적어도 하나의 픽셀을 열적으로 단락시키도록 구성된다. 다른 실시예에서, 중립 상태에서 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 대응하는 적어도 하나의 픽셀의 적외선 흡수층과 평행하게 배치되고, 단락 상태에서 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 적외선 흡수층으로부터 편향되어 대응하는 적어도 하나의 픽셀을 베이스 기판에 열적으로 단락시킨다. 일 실시예에서 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 적외선 흡수층에 연결된다. 다른 실시예에서 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 제2 지지부에 연결된다. 일 실시예에서 제1 재료는 티타늄이고 제2 재료는 알루미늄이다. 다른 실시예에서 제1 재료는 티타늄이고 제2 재료는 실리콘 질화물이다. 다른 실시예에서 제1 재료는 알루미늄이고 제2 재료는 실리콘 질화물이다. 일 실시예에서 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 복수의 바이메탈릭 스위치를 포함하고, 복수의 바이메탈릭 스위치의 각각의 바이메탈릭 스위치는 복수의 픽셀 중 하나에 연결된다. 비냉각 마이크로 볼로미터는 복수의 픽셀들 상에 배치되고 베이스 기판에 결합된 캡 층을 더 포함할 수 있고, 캡 층은 베이스 기판의 제1 표면과 캡 층의 제2 표면 사이에 공동을 제공하도록 구성되고, 복수의 픽셀은 공동 내에 배치된다.
다른 실시예에 따르면 비냉각 마이크로 볼로미터는 베이스 기판;
베이스 기판 상에 어레이로 배열된 복수의 픽셀들;
베이스 기판에 결합되고 베이스 기판 상에 배치되는 캡 층, 열적으로 민감한 보호 막을 포함하고, 캡 층은 베이스 기판과 캡 층 사이에 공동을 제공하도록 구성되고, 복수의 픽셀은 공동 내에 배치되고, 열적으로 민감한 보호 막은 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 서브-어레이에 걸쳐 캡 층 상에 배치되고, 열적으로 민감한 보호 막은 써모크로익 재료의 온도가 미리 결정된 임계값에 도달함에 따라 투과성 상태와 반사성 상태 사이에 전이하도록 구성된 써모크로익 스위치 재료를 포함하고, 써모크로익 재료는 투과성 상태에서 적외선에 투과성이고 반사성 상태에서 적외선에 반사성이다.
일 실시예에서 써모크로익 재료는 바나듐 산화물 재료이다. 일 실시예에서 바나듐 산화물 재료는 VO2이다. 비냉각 마이크로 볼로미터는 열적으로 민감한 보호 막 상에 배치된 커버 층을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서 캡 층 및 커버 층은 각각 실리콘 질화물로 만들어질 수 있다. 일 실시예에서 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 서브-어레이는 픽셀의 5 X 5 서브-어레이를 포함한다. 다른 실시예에서 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 서브-어레이는 픽셀의 3 X 3 서브-어레이를 포함한다.
이들 예시적인 양태 및 실시 형태의 또 다른 양태, 실시 형태 및 이점이 아래에서 상세하게 논의된다. 여기서 개시된 실시예는 여기서 개시된 원리 중 적어도 하나와 일치하는 임의의 방식으로 다른 실시예와 조합될 수 있으며, "실시예", "일부 실시예", "대체 실시예", "다양한 실시예", "하나의 실시예" 등에 대한 언급은 반드시 상호 배타적인 것은 아니며 특정 특징, 구조 또는 특성이 설명됨을 나타내도록 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있도록 의도된다. 여기서 이러한 용어의 출현이 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
삭제
적어도 하나의 실시예의 다양한 양태가 첨부 도면을 참조하여 아래에서 논의되며, 이는 스케일로 도시되지는 않는다. 도면은 다양한 양태 및 실시예의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하지만, 본 발명의 한계의 정의로 의도된 것은 아니다. 도면들에서, 다양한 도면들에 예시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 유사한 숫자로 표시된다. 도면들에서, 다양한 도면들에 예시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 유사한 숫자로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 구성 요소에 모든 구성 요소가 표시되는 것은 아니다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 양태에 따른 마이크로 볼로미터의 일 실시예의 개략적인 단면도이다;
도 2는 본 발명의 양태에 따른, 편향된 위치에 도시된, 바이메탈릭 스위치를 포함하는 마이크로 볼로미터의 일부의 단면도이다;
도 3a는 본 발명의 양태에 따른, 도 2의 바이메탈릭 스위치의 일례의 평면도이다;
도 3b는 도 3a에 도시된 점선을 따른 도 3a의 바이메탈릭 스위치의 단면도이다;
도 4는 본 발명의 양태에 따른, 도 3a 및 3b 및 표에 제공된 구조 및 치수에 대응하는 바이메칼릭 스위치의 실시예에 대한 온도의 함수로서 편향 범위(마이크로미터)를 나타내는 그래프이다;
도 5는 본 발명의 양태에 따른 열적으로 민감한 보호막을 포함하는 마이크로 볼로미터의 일부의 단면도이다;
도 6은 도 5의 마이크로 볼로미터의 일부의 확대도이다; 및
도 7은 도 5 및 6의 보호 막의 상이한 배열 및 재료를 구비한 마이크로 볼로미터의 실시예에서 픽셀 시간에 따른 온도 상승을 나타내는 그래프이다.
마이크로 볼로미터는 비냉각 열 센서 유형이다. 마이크로 볼로미터는 픽셀 어레이를 포함하고, 각 픽셀은 "브리지" 구조로 지칭될 수 있는 몇 개의 층으로 구성된다. 예를 들어, 도 1은 특정 실시예에 따른 복수의 픽셀(110)을 포함하는 마이크로 볼로미터(100)의 일부를 도시하는 단면도이다. 마이크로 볼로미터(100)는 픽셀 어레이(110)가 형성된 베이스 기판(120)을 포함한다. 베이스 기판(120)은 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있다. 도 1에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 베이스 기판(120)은 각 픽셀(110) 또는 픽셀 그룹에 대한 판독 집적 회로(ROIC)를 포함할 수 있다. ROIC는 아래에서 더 논의되는 바와 같이 각각의 픽셀(110)로부터 수신된 신호를 처리하고 이미지를 구성하는데 사용될 수 있는 출력 데이터를 제공한다. 또한 캡 웨이퍼라고도 하는, 캡 층(130)은 픽셀(110)의 어레이를 둘러싸고 캡슐화하여, 픽셀(110)이 배치된 베이스 기판(120)과 캡 층(130) 사이에 공동을 형성한다. 공동은 전형적으로 마이크로 볼로미터(100)의 수명율을 증가시키기 위해 진공 조건 하에서 유지된다. 특정 실시예에서 캡 층(130)은 실리콘 질화물(SiN)으로 만들어진다.
각각의 픽셀(110)은 적외선(IR) 흡수 재료 층(112) 및 열 센서(114) 또는 감지 회로를 포함하는 센서 층을 포함한다. IR 흡수 층(112)은 지지부(116)에 의해 센서 층(114) 위에 매달려 열적으로 격리된다. 센서 층(114) 자체는 지지부(118)에 의해 베이스 기판(120) 위에 지지된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 픽셀(110)은 소위 "브리지" 구조를 갖는다. 특정 예에서, IR 흡수 층(112)은 센서 층 기판(114) 위에 대략 2 미크론(μm)으로 현탁(suspended)될 수 있다. 마이크로 볼로미터(100)는 임의의 냉각을 거치지 않기 때문에, IR 흡수 재료(112)는 베이스 기판(120) 상의 ROIC로부터 열적으로 분리되어야 하고, 브리지-형 구조는 이것이 일어날 수 있게 한다.
특정 예에서, 지지부(118)는 픽셀에 대한 전기적 접점을 제공할 수 있다. 따라서, 도시된 예에서, 각각의 픽셀(110)은, 접지와 같은, 기준 전위에 연결될 수 있는 제1 지지부(118a) 및 베이스 기판(120) 상의 전기 접점(122)에 연결될 수 있는 제2 지지부(118b)를 포함하는 한 쌍의 지지부(118)를 포함하여 센서 층(114) 상의 감지 회로는 베이스 기판(120) 상의 ROIC에 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 예에서, 전기 접점(122)은 베이스 기판(120)을 통해 연장됨을 통해 포함한다. 이것은 각각의 픽셀(110) (또는 픽셀 그룹)과 관련된 ROIC가 외부 회로(미도시)에 연결될 수 있게 하여, 이미지 데이터 또는 다른 정보가 마이크로 볼로미터(100)로부터 이미지 프로세서, 메모리 또는 다른 전자 장치와 같은, 외부장치로 전송될 수 있도록 한다.
비냉각 마이크로 볼로미터는 마이크로 볼로미터(100)의 각 픽셀(110)의 저항과 수신된 열 방사선의 세기 사이의 알려진 관계를 통해 열 방사선으로부터 이미지를 생성한다. 만족스러운 이미징 해상도를 달성하기 위해, IR 흡수 층(112)에 사용된 재료는 온도의 미세한 변화의 결과로 저항의 큰 변화를 나타내어야 한다. 저항 변화와 IR 흡수 층(112)에 의해 흡수된 열 사이의 관계는 재료의 온도 저항 계수(TCR)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 특정 예에서, IR 흡수 층(112)이 들어오는 적외선으로 인해 가열됨에 따라, 재료의 저항이 감소한다. 이것은 온도 계수가 음수인 재료의 경우이다. 마이크로 볼로미터에서 적외선 감지 재료로 일반적으로 사용되는 두가지 재료는 비정질 실리콘과 바나듐 산화물이다.
최근의 연구에 따르면, 마이크로 볼로미터 픽셀이 직사광선에 노출될 때, 태양에너지로부터의 열은 마이크로 볼로미터 픽셀의 저항이 픽셀의 성능(예를 들어, 이미징 해상도)을 영구적으로 저하시키는 방식으로 변하게 하는 것으로 밝혀졌다. 마이크로 볼로미터에 대한 태양 손상은 태양이 종종 그러한 시스템의 시야에 있기 때문에 분산 조리개 이미징 시스템에 특히 문제가 될 수 있다. 따라서, 태양 손상을 피하거나 안화할 수 있는 메커니즘을 갖춘 마이크로 볼로미터를 제공하는 것이 매우 유리할 것이다.
특정 실시예에 따르면, 열에 민감한 바이메탈릭 스위치는 마이크로 볼로미터 픽셀 구조에 통합되고 예를 들어, 픽셀의 온도가 특정 임계값에 도달하는 경우, 접지될 각각의 픽셀은, 예를 들어, 열적으로 단락되도록 구성된다. 마이크로 볼로미터(100)의 임의의 하나 이상의 픽셀(110)이 태양 또는 강력한 레이저 빔과 같은 잠재적으로 위험한 열원에 노출될 때, 예를 들어, IR 흡수 층(112)은 열을 흡수하고, 픽셀의 온도는 빠르게 상승한다. 특정 실시예에 따르면, 마이크로 볼로미터(100)의 임의의 또는 모든 픽셀(110)에는 픽셀의 온도가 특정 임계값 이상으로 상승하는 것을 방지하도록 구성된 열적으로 민감한 바이메탈릭 스위치가 제공될 수 있다. 임계값은 픽셀이 임계값 온도에서 영구적으로 손상되지 않도록 선택될 수 있다. 바이메탈릭 스위치의 재료는 스위치가 온도에 민감하도록, 임계값 온도에서 활성화되어 픽셀을 접지 또는 베이스 기판으로 단락시키도록, 열 "싱크(sink)"를 제공하고 픽셀의 온도가 상당히 더 상승하여 픽셀을 손상시키는 것을 방지한다.
도 2를 참조하면, 이러한 열적으로 민감한 바이메탈릭 스위치(200)의 예를 포함하는 픽셀(110a)이 도시되어 있다. 바이메탈릭 스위치(200)는 IR 흡수 층(112) 및/또는 열적 절연 지지부(116)에 부착된다. 중립 상태(즉, 정상 작동 온도 이하에서), 바이메탈릭 스위치(200)는 IR 흡수 층(112)와 평행하게 놓일 수 있다. 바이메탈릭 스위치(200)의 재료는 바이메탈릭 스위치(200)가 픽셀(110a)의 온도가 상승함에 따라 IR 흡수 층(112)으로부터 편향되거나 구부러지도록 선택될 수 있다. 특정 예에서, 바이메탈릭 스위치(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 픽셀(110a)의 온도가 특정 임계값에 도달할 때, 바이메탈릭 스위치(200)가 접지에 연결된 지지부(118a)와 접촉하기에 충분히 편향되도록 구성되고, 이에 의해 픽셀(110a)이 접지로 단락시킨다. 다른 예에서, 접지면 또는 접지 접점이 베이스 기판(120) 상에 제공될 수 있고, 바이메탈릭 스위치(200)는 픽셀(110a)의 온도가 임계값에 도달할 때 그 접지면 또는 접점(지지부(118a)는 아님)과 접촉하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 바이메탈릭 스위치(200)는 베이스 기판(120)과 직접 접촉하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 픽셀(110a)이 베이스 기판(120)에 단락되고 반드시 접지될 필요 없다.
바이메탈릭 스위치(200)의 구성은 그 치수 및 재료를 포함할 수 있다. 도 3a 및 3b를 참조하면, 바이메탈릭 스위치(200)의 일례가 도시되어 있다. 바이메탈릭 스위치(200)는 제1 재료(210)의 층 및 제2 재료(220)의 층을 포함한다. 일 예에서, 제1 재료(210)는 티타늄(Ti)이고 제2 재료(220)는 알루미늄(Al)이다. 다른 예에서, 제1 재료(210)는 알루미늄이고 제2 재료(220)는 실리콘 질화물이다. 특정 실시예에서, 바이메탈릭 스위치(200)의 재료로서 티타늄, 알루미늄 또는 실리콘 질화물을 선택하는 것이 유리할 수 있는데, 이들 재료는 마이크로 볼로미터(100)의 제조 공정에 일반적으로 사용되기 때문이다. 또한, 이들 재료는 바이메탈릭 스위치(200)가 마이크로 볼로미터(100)에 대한 전형적인 동작 범위보다 높은 임계 온도에서 바이메탈릭 스위치(200)가 픽셀(110a)을 편향시키고 접지하도록 단락시키지만 (바이메탈릭 스위치의 존재가 이미징 범위 또는 성능을 제한하지 않도록 한다), 픽셀(110a)에 심각한 또는 영구적인 손상이 발생하는 수준보다 훨씬 낮다. 그러나, 당업자는 본 개시의 이점을 고려하여, 바이메탈릭 스위치의 실시예가 티타늄, 알루미늄 또는 실리콘 질화물을 사용하는 것으로 제한되지 않고, 다른 재료가 선택될 수 있음을 이해할 것이다.
바이메탈릭 스위치(200)의 치수(길이, 폭, 두께)는 달성될 원하는 편향 범위 및 픽셀(110a)의 크기에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 바이메탈릭 스위치(200)는 온도의 증가가 바이메탈릭 스위치(200)의 편향을 유발하여 상기 논의된 단락 기능을 달성하기 위해 두께(T) 및 폭(W)이 충분히 얇아야 한다. 또한, 바이메탈릭 스위치(200)가 양호한 열 단락 경로를 제공할 수 있도록 두께 및 폭이 충분해야 한다. 특정 예에서, 바이메탈릭 스위치(200)의 두께는 0.004 μm 내지 0.175 μm의 범위에 있다. 특정 예에서, 바이메탈릭 스위치(200)의 폭은 3 μm이다. 또한, 바이메탈릭 스위치(200)의 길이(L)는, 도2에 도시된 바와 같이 완전히 편향된 상태에서, 충분해야 하고, 바이메탈릭 스위치(200)는 접지 지지부(118a)와 접촉하거나 베이스 기판(120) 상의 접지면/접점과 접촉한다. 따라서, 바이메탈릭 스위치(200)의 길이는 적어도 부분적으로 픽셀(110a)의 크기, 특히, IR 흡수 층(112)과 베이스 기판(120) 사이의 거리와 인접한 픽셀 사이의 "피치" 또는 간격에 의존할 수 있다. 픽셀 피치가 12 μm인 특정예에서, 바이메탈릭 스위치는 11 μm의 길이를 갖는다.
도 4는 바이메탈릭 스위치(200)의 다양한 예에 대한 온도의 함수로서 편향 (μm)을 나타내는 그래프이다. 각각의 예에서, 바이메탈릭 스위치는 11 μm의 길이 및 3 μm의 폭을 갖는다. 각각의 예에서, 제1 및 제2 재료(210, 220)는 각각 티타늄, 알루미늄 및 실리콘 질화물이며, 각 재료의 두께는 하기 표1에 제공된다. 라인(300)은 원하는 편향 레벨을 나타낸다. 도 4의 예에서, IR 흡수 층(112)이 베이스 기판(120) 위로 대략 3 μm위에 위치하는 픽셀(110a)의 예에 대응하여, 원하는 편향 레벨이 3 μm로 도시되어 있다. 그러나, 다른 예들에서, 원하는 편향 레벨은 예를 들어 픽셀(110a)의 상이한 치수 또는 바이메탈릭 스위치(200)의 상이한 위치에 따라 상이할 수 있다.
실험예 Ti 두께
(μm)		 Al 두께
(μm)		 SiN 두께
(μm)
1 0.035 0.07 N/A
2 0.035 0.14 N/A
3 0.018 0.04 N/A
4 0.035 0.035 N/A
5 0.02 0.035 N/A
6 0.02 0.02 N/A
7 N/A 0.07 0.035
8 0.02 0.035 N/A
9 N/A 0.035 0.02
10 0.02 N/A 0.02
11 0.035 N/A 0.02
도 4에 도시된 예는 바이메탈릭 스위치(200)의 다양한 구성이 원하는 열적 단락 기능을 달성하기 위해 적절한 온도 범위 내에서 충분히 편향될 수 있음을 입증한다.
추가의 양태 및 실시예는 직접적인 태양 에너지가 시야에 있을 때 마이크로 볼로미터가 손상되는 것을 방지하기 위해 마이크로 볼로미터 픽셀 구조에 적용될 수 있는 열적으로 민감한 보호막의 사용에 관한 것이다.
도 5를 참조하면 마이크로 볼로미터 구조에 통합된 보호막(400)을 포함하는 마이크로 볼로미터(100a)의 일부의 단면도가 도시되어 있다. 도 6은 도 5의 마이크로 볼로미터(100a)의 일부의 확대도를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로 볼로미터(100a)는 대략 6.975 μm의 높이(H)를 가지며, 보호막(400)은 IR 흡수 층(112) 위의 거리(D)에서 캡 층(130) 위에 도포된다. 이 예에서, D는 약 1.6 μm이다. 보호막(400)은 태양 또는 예를 들어, 레이저와 같은, 다른 강력한 열원으로부터의 열에 대한 장벽으로서 작용하고 그러한 열원에의 노출로 인한 손상을 방지하기 위해, 바나듐 산화물과 같은, 써모크로익 스위치 재료를 포함할 수 있다. 바나듐 산화물과 같은, 써모크로익 스위치 재료는 재료가 특정 임계값 이상의 온도로 상승할 때 재료가 매우 반사되게 하는 재료 특성을 갖는다. 이러한 동일한 재료는 임계값 미만의 온도에서 투과성이 높다. 예를 들어, VO2는 대략 섭씨 67도(°C) 근처에서 금속-절연체 상 변화를 겪고, 따라서 이 온도 임계값 미만의 적외선에 대해 투과성이 높고 그 이상에 반사성이 높다. 따라서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로 볼로미터(100a)의 픽셀(110) 위에 이러한 써모크로익 재료의 코팅 또는 필름을 적용함으로써, 다르게는 마이크로 볼로미터(110)의 저항값을 변화시키고 잠재적으로 픽셀(110)을 손상시키는 과도한 태양열은 어레이의 이미징 성능을 손상시키지 않으면서 픽셀(110)에 대한 손상이 발생하기 전에 보호막(400)에 의해 반사될 수 있다. 바나듐 산화물의 다른 상 및 다른 써모크로익 스위치 재료는 상이한 온도 임계값에서 상 변화를 겪을 수 있다. 따라서, 특정 예에서, 보호막(400)의 재료는 재료가 특정 스펙트럼 범위에서 투과성으로부터 그 스펙트럼 범위에서 반사성으로 변하는 적합한 온도 임계값에 기초하여 선택될 수 있다. 특정 예에서, VO2와 같은, 바나듐 산화물 재료는 바람직한 선택일 수 있는데, 그 이유는 다른 바나듐 산화물 재료가 마이크로 볼로미터(100a)의 다른 구성 요소에 일반적으로 사용되고 마이크로 볼로미터(100a)를 제조하는 데 사용되는 CMOS 제조 공정에 쉽게 통합될 수 있기 때문이다.
특정 실시예에 따르면, 마이크로 볼로미터(100a)에서, 픽셀(100)은 2차원 어레이로서 행과 열로 배열된다. 도 5는 5개의 픽셀(110)의 행(또는 열)의 예를 도시한다. 특정 예에 따르면, 보호막(400)은 마이크로 볼로미터(100a)의 모든 픽셀(110)에 연속 필름으로서 적용될 수 있다. 다른 예에서, 보호막(400)은 픽셀(110)의 그룹(들) 위에 하나 이상의 개별 필름 "패치"로서 적용될 수 있다. 예를 들어, 보호막(400)은 3 x 3 픽셀(110) 또는 5 x 5 픽셀의 대응하는 하나 이상의 서브-어레이 위에 제공된 하나 이상의 필름을 포함할 수 있다.
도 5 및 6을 참조하면, 특정 예에서, 커버 층(140)은 보호막(400) 위에 적용되어 막(400)에 대한 구조적 지지 및 보호를 추가할 수 있다. 커버 층(140)은 캡 층(130)과 동일한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 커버 층(140)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
도 7은 보호 막(400)의 상이한 배열 및 재료에 대한 마이크로 볼로미터(100a)의 예의 픽셀(110)의 시간에 따른 온도 상승을 나타내는 그래프이다. 아래의 표 2 및 표3은 도 7에 도시된 예에 대응하는 파라미터를 제공한다. 표 2는 도 7에 도시되고 설명된 4개의 모든 예에 적용된다.
층 재료 전도도
(W/m-K)		 밀도
(g/cc)		 비열
(J/g-K)
130 SiN 1.24 1.38 0.9
400 VO2 varied 1.38 0.9
실험예 # 픽셀 배열 막 전도도
(W/m-K)		 안정된 상태 온도
(°C)
1 5 X 5 10 105.5
2 5 X 5 1 177.1
3 3 X 3 10 54.5
4 3 X 3 1 76.5
도 7을 참조하면, 마이크로 볼로미터(100a)의 픽셀(110)에 의해 적외선이 수신되고 흡수됨에 따라, 픽셀(110)의 온도가 상승한다. 그러나, 보호막(400)의 존재로 인해, 특정 임계값에서, 픽셀(110)은 "안정된 상태" 온도에 도달하며, 그 이상으로 픽셀(110)의 온도는 더 이상 상승하지 않는다. 표 3 및 도 7을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 정상 상태 온도는 보호막(400)이 적용되는 픽셀(110)의 배열 및 보호막(400)의 열 전도성을 포함하는, 다양한 요인에 의존한다.
실험예 1 (곡선 510에 해당)에서, VO2의 보호막(400)은 픽셀(110)의 5 X 5 어레이 위에 적용되었고, 보호막(400)은 미터-켈빈(W/mk) 당 10 와트의 전도도로 구성되었다. 픽셀들(100)에 의해 적외선이 수신됨에 따라, 보호막(400)의 써모크로익 스위치 재료가 실질적으로 투과성에서 실질적으로 반사성으로 변하는 임계 온도에 도달할 때까지, 픽셀(110)의 온도는 시간이 지남에 따라 증가하고, 보호막(400)은 픽셀들(100)로부터 적외선 복사를 반사시키기 시작하여, 픽셀들(110)의 온도의 추가적인 현저한 증가를 방지한다. 실험예 1에서 픽셀(110)은 대략 5 마이크로 초(μs) 후에 대략 105.5 °C의 안정된 상태 온도에 도달했다.
실험예 2 (곡선 520에 해당)에서, VO2의 보호막(400)은 픽셀(110)의 5 X 5 어레이 위에 유사하게 적용되었지만, 단지 1 W/m-K의 열 전도성으로 구성되었다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 예에서, 픽셀(110)은 대략 9 μs 후에 대략 177 °C의 안정된 상태 온도에 도달했다.
실험예 3 및 4에서, VO2의 보호막(400)은 픽셀(110)의 더 작은 3 X 3 어레이 상에 도포되었다. 실험예 3 (곡선 530에 해당)에서 보호막(400)은 10 W/m-K의 열 전도성으로 구성되었고(실험예 1에서와 같이), 실험예 4 (곡선 540에 해당)에서2 W/m-K의 열 전도성으로 구성되었다(실험예 2에서와 같이). 도 7에 도시된 바와 같이, 실험예 3에서 픽셀(110)은 대략 2 μs 후에 대략 54.5 도의 안정된 상태 온도에 도달했으며, 실험예 4에서 픽셀(110)은 대략 3 μs 후에 대략 76.5 도의 안정된 상태 온도에 도달했다.
이들 실험예들은 마이크로 볼로미터(100a)에서 픽셀(110)의 더 작은 서브-어레이에 보호막(400)을 적용함으로써 더 낮은 안정된 상태 온도가 달성될 수 있음을 보여준다. 따라서, 보호막(400)이 적용되는 픽셀 서브-어레이의 크기는 안정된 상태의 온도의 원하는 범위 도는 대략적인 목표 값에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다. 안정된 상태 온도는 마이크로 볼로미터(100a)의 열 이미징 범위 또는 성능을 제한하지 않을 정도로 충분히 높지만, 픽셀(110)이 입사 광에 손상되지 않도록 충분히 낮은 것이 바람직할 수 있다. 또한, 보호막(400)에 사용되는 써모크로익 스위치 재료의 열 전도성은 보호막(400)의 온도 분포의 균일성을 결정한다. 보호막(400)의 더 높은 열 전도성은 더 낮은 안정된 상태 온도를 초래하고, 다른 파라미터는 동일하다.
따라서, 양태 및 실시예는 비냉각식 마이크로 볼로미터에서 태양 손상 또는 다른 강렬한 열/광원으로부터의 손상을 방지할 수 있는 메커니즘을 제공한다. 이러한 메커니즘은 마이크로 볼로미터의 픽셀 구조에 통합되어 마이크로 볼로미터 외부의 추가 장치 없이 자동 보호 기능을 제공할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 특정 예에서 써모크로익 스위치 재료로 제조된 보호막은 마이크로 볼로이커의 제조 동안 픽셀 브리지 구조에 적용될 수 있다. 보호막의 존재는 마이크로 볼로미터가 써모크로익 스위치 재료의 작용을 통해 태양 노출에 의한 손상에 본질적으로 면역성이 있게 한다. 다른 예들에서, 바이메탈릭 스위치는 픽셀 브리지 구조에 통합되어 픽셀들을 기판에 열적으로 단락시키거나, 또는 과도한 열이 존재할 때 열 싱크로서 작용할 수 있는 다른 구조를 가질 수 있다. 따라서, 장면 또는 주위 온도의 증가는 써모크로익 막을 사용하여 과도한 에너지를 멀리 편향시키거나 바이메탈릭 스위치를 사용하여 픽셀을 열적으로 단락시켜 픽셀을 손상시킬 수 있는 과도한 열을 안화시키는 메커니즘을 활성화시키는데 사용될 수 있다. 이러한 보호 메커니즘을 통합하면 비냉각식 마이크로 볼로미터를 지상 및 공중 적용을 위한 DAS 시스템과 같이 태양 손상에 대한 취약성으로 인해 전통적으로 사용되지 않은 응용 분야에 사용할 수 있다.
적어도 하나의 실시예의 여러 측면을 설명하였지만, 당업자에게는 다양한 변경, 수정 및 개선이 쉽게 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시의 일부로 의도되고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 본 명세서에서 논의된 방법 및 장치의 실시예는 전술한 설명에서 설명되거나 첨부 도면에 도시된 구성의 세부 사항 및 구성 요소의 세부사항에 적용되는 것으로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 명세서에서 개시된 기술 및 메커니즘은 다른 실시예에서 구현될 수 있고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 구현의 예는 단지 예시의 목적으로 여기에 제공되며 제한하려는 것이 아니다. "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "갖는", "함유하는", "관련하는" 및 이들의 변형의 여기에서의 사용은 이후에 열거된 항목 및 그의 등가물뿐만 아니라 추가의 항목을 포함하는 것으로 의도된다. "또는"에 대한 언급은 "또는"을 사용하여 기술된 임의의 용어가 설명된 단일 용어, 하나 이상, 및 모든 용어를 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 전방 및 후방, 좌측 및 우측, 상부 및 하부, 위로 및 아래로, 및 수직 및 수평에 대한 언급은 본 명세서 및 방법 또는 그 구성 요소를 임의의 하나의 위치 또는 공간 방향으로 제한하려는 것이 아니라 설명의 편의를 위한 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예일 뿐이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위의 적절한 구성 및 그 등가물로부터 결정되어야 한다.

Claims (17)

  1. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 어레이로 배열된 복수의 픽셀 - 각각의 픽셀은, 적어도 2개의 제1 지지부에 의해 상기 베이스 기판 위에 지지된 센서 층 및 적어도 하나의 제2 지지부에 의해 상기 센서 층 위에 지지되고 상기 센서 층으로부터 열적으로 격리된 적외선 흡수 층을 포함함 -; 및
    픽셀 어레이 중 대응하는 적어도 하나의 픽셀에 결합된 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치 - 상기 바이메탈릭 스위치는 제1 재료의 제1 층 및 제2 재료의 제2 층을 포함하고, 상기 바이메탈릭 스위치는, 상기 대응하는 적어도 하나의 픽셀의 온도가 미리 결정된 임계값에 도달하는 것에 응답하여 상기 대응하는 적어도 하나의 픽셀을 열적으로 단락시키도록 구성됨 -;
    를 포함하는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판 상에 배치된 접지 접점을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 상기 접지 접점을 통해 접지에 상기 대응하는 적어도 하나의 픽셀을 열적으로 단락시키도록 구성되는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  3. 제1항에 있어서,
    중립 상태에서, 상기 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는, 상기 대응하는 적어도 하나의 픽셀의 적외선 흡수층과 평행하게 배치되고,
    단락 상태에서, 상기 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는, 상기 적외선 흡수층으로부터 편향되어 상기 대응하는 적어도 하나의 픽셀을 상기 베이스 기판에 열적으로 단락시키는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 상기 적외선 흡수층에 결합된,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 상기 제2 지지부에 결합된,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료는 티타늄이고 상기 제2 재료는 알루미늄인,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료는 티타늄이고 상기 제2 재료는 실리콘 질화물인,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료는 알루미늄이고 상기 제2 재료는 실리콘 질화물인,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바이메탈릭 스위치는 복수의 바이메탈릭 스위치를 포함하고, 상기 복수의 바이메탈릭 스위치 각각은 상기 복수의 픽셀 중 대응하는 하나의 픽셀에 결합된,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀들 상에 배치되고 상기 베이스 기판에 결합된 캡 층을 더 포함하고, 상기 캡 층은 상기 베이스 기판의 제1 표면과 상기 캡 층의 제2 표면 사이에 공동을 제공하도록 구성되고, 상기 복수의 픽셀은 상기 공동 내에 배치되는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  11. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 어레이로 배열된 복수의 픽셀;
    상기 베이스 기판에 결합되고 상기 베이스 기판 상에 배치된 캡 층 - 상기 캡 층은 상기 베이스 기판 및 상기 캡 층 사이에 공동을 제공하도록 구성되고, 상기 복수의 픽셀은 상기 공동 내부에 배치됨 -; 및
    상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 픽셀의 서브-어레이 위로 상기 캡 층 상에 배치된 열적으로 민감한 보호 막 - 상기 열적으로 민감한 보호 막은, 써모크로익 스위치 재료의 온도가 미리 결정된 임계값에 도달하는 것에 반응하여 투과성 상태 및 반사성 상태 사이에서 전이하도록 구성된 상기 써모크로익 스위치 재료를 포함하고, 상기 써모크로익 스위치 재료는 상기 투과성 상태에서 적외선에 투과성이고 상기 반사성 상태에서 적외선에 반사성임 -;
    을 포함하는, 비냉각 마이크로 볼로미터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 써모크로익 스위치 재료는 바나듐 산화물 재료인,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 바나듐 산화물 재료는 VO2인,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 열적으로 민감한 보호 막 상에 배치된 커버 층을 더 포함하는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 캡 층 및 상기 커버 층은 각각 실리콘 질화물로 만들어지는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 픽셀의 서브-어레이는 픽셀의 5 X 5 서브-어레이를 포함하는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부의 픽셀의 서브-어레이는 픽셀의 3 X 3 서브-어레이를 포함하는,
    비냉각 마이크로 볼로미터.
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