KR102416266B1 - 광음향 가스 센서를 위한 검출기 셀 및 광음향 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
광음향 가스 센서를 위한 검출기 셀은 제1 층 구조체, 제1 층 구조체에서 배열되고 멤브레인 구조체를 포함하는 제2 층 구조체, 및 제2 층 구조체에서 배열된 제3 층 구조체를 포함한다. 제1 층 구조체 및 제3 층 구조체는 캐비티를 밀폐형으로 봉입하고, 멤브레인 구조체는 캐비티에 배열된다.
Description
본 개시내용은 광음향 가스 센서(photoacoustic gas sensor)를 위한 검출기 셀(detector cell), 광음향 가스 센서들, 및 검출기 셀 및 광음향 가스 센서를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 웨이퍼 레벨 본딩된(wafer level bonded) 광음향 검출기 셀에 관한 것이다.
광음향 가스 센서들은 환경 조건들, 예를 들어, 유체, 특히 가스의 부분들을 측정하는데 이용될 수 있다.
높은 내구성을 갖고 수명에 걸쳐 강건한 광음향 가스 센서들 및 검출기 셀에 대한 요청이 존재한다. 검출기 셀 및 광음향 가스 센서들을 제조하기 위한 방법들에 대한 요청이 또한 존재한다.
실시예들은 광음향 가스 센서를 위한 검출기 셀을 제공한다. 검출기 셀은, 제1 층 구조체(first layer structure), 제1 층 구조체에서 배열되고 멤브레인 구조체(membrane structure)를 포함하는 제2 층 구조체, 및 제2 층 구조체에서 배열된 제3 층 구조체를 포함한다. 제1 층 구조체 및 제3 층 구조체는 캐비티(cavity)를 밀폐형으로 봉입하고(hermetically enclose), 멤브레인 구조체는 캐비티에 배열된다. 제1 층 구조체와 제3 층 구조체 사이에 캐비티를 봉입함으로써, 캐비티를 밀폐형으로 봉입하는 밀봉(sealing)은 높은 내구성 및 높은 강건성을 가질 수 있다.
실시예는 광음향 가스 센서를 제공하고, 광음향 가스 센서는, 그러한 검출기 셀, 및 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 방출하여, 캐비티의 상이한 서브캐비티들(sub-cavities)에서의 전자기 복사의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 멤브레인 구조체의 이동을 여기시키도록 구성된 전자기 소스(electromagnetic source)―상이한 서브캐비티들은 멤브레인 구조체의 상이한 측면들 상에 배열됨―를 포함한다.
실시예들은 칩 스케일 패키징된(chip-scaled packaged) 광음향 가스 센서들을 제공하고, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서들은, 검출기 셀 캐비티 내부의 멤브레인 구조체, 멤브레인 구조체의 제1 측면에서의 캐비티의 제1 서브캐비티, 및 멤브레인 구조체의 제2의 대향 측면에서의 캐비티의 제2 서브캐비티를 갖는 검출기 셀을 포함한다. 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서는, 전자기 복사를 방출하여, 제1 서브캐비티 및 제2 서브캐비티에서의 전자기 복사의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 멤브레인 구조체의 이동을 여기시키도록 구성된 전자기 소스를 포함한다.
실시예는 검출기 셀을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 제1 층 구조체를 제공하는 단계, 멤브레인 구조체를 갖는 제2 층 구조체를 제1 층 구조체에서 부착하는 단계, 및 제3 층 구조체를 제2 층 구조체에서 부착하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 층 구조체 및 제3 층 구조체가 캐비티를 밀폐형으로 봉입하여, 멤브레인 구조체가 캐비티에 배열되도록 수행된다.
실시예는 광음향 가스 센서를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 검출기 셀 캐비티 내부에 멤브레인 구조체를 갖는 검출기 셀, 멤브레인 구조체의 제1 측면에서의 캐비티의 제1 서브캐비티, 및 멤브레인 구조체의 제2의 대향 측면에서의 캐비티의 제2 서브캐비티를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 전자기 복사를 방출하여, 제1 서브캐비티 및 제2 서브캐비티에서의 전자기 복사의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 멤브레인 구조체의 이동을 여기시키도록 구성된 전자기 소스를 배열하는 단계를 포함한다.
또한 실시예들은 종속 청구항들에서 설명된다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하면서 실시예들이 설명될 것이다.
도 1은 실시예에 따른 검출기 셀의 개략적 측면도이다.
도 2a 는 실시예에 따른 추가 검출기 셀의 개략적 측면도이다.
도 2b는 도 2a의 검출기 셀의 개략적 투시 분해도이다.
도 3은 코팅 층(coating layer)을 갖는 실시예에 따른 검출기 셀의 개략적 측면도이다.
도 4a 내지 도 4k는 실시예에 따른 검출기 셀을 제조하기 위한 예시적인 처리 단계들이다.
도 5는 실시예에 따른 광음향 가스 센서의 개략적 블록도이다.
도 6은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 블록도이다.
도 7은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면도이다.
도 8은 실시예에 따른, 덮개(lid)를 갖는 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면도이다.
도 9는 적층 구성(stacked configuration)을 포함하는 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면이다.
도 1은 실시예에 따른 검출기 셀의 개략적 측면도이다.
도 2a 는 실시예에 따른 추가 검출기 셀의 개략적 측면도이다.
도 2b는 도 2a의 검출기 셀의 개략적 투시 분해도이다.
도 3은 코팅 층(coating layer)을 갖는 실시예에 따른 검출기 셀의 개략적 측면도이다.
도 4a 내지 도 4k는 실시예에 따른 검출기 셀을 제조하기 위한 예시적인 처리 단계들이다.
도 5는 실시예에 따른 광음향 가스 센서의 개략적 블록도이다.
도 6은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 블록도이다.
도 7은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면도이다.
도 8은 실시예에 따른, 덮개(lid)를 갖는 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면도이다.
도 9는 적층 구성(stacked configuration)을 포함하는 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면이다.
이하의 설명에서, 동일하거나 등가의 요소들, 또는 동일하거나 등가의 기능을 갖는 요소들은, 상이한 도면들에서 존재하는 경우에도, 동일하거나 등가의 참조 번호들에 의해 표시된다.
이하의 설명에서, 본 발명의 실시예들에 대한 보다 완전한 설명을 제공하기 위해 복수의 세부사항들이 개시된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이들 특정한 세부사항들 없이도 실시될 수 있다는 것이, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에 있어서, 본 발명의 실시예들을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조들 및 디바이스들은, 상세히 도시되지 않고, 블록도 형태로 도시된다. 또한, 이후로 설명되는 상이한 실시예들의 특징들은 특별히 다르게 언급되지 않는 한 서로 결합될 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 광음향 가스 센서들 및 그러한 광음향 가스 센서들에서 이용될 수 있는 검출기 셀들에 관한 것이다. 그러한 광음향 가스 센서는 타겟 가스(target gas), 즉, 분자들 또는 동일 또는 상이한 타입이 봉입되는 검출기 셀을 포함할 수 있다. 즉, 단일 가스 또는 가스들 또는 유체들의 조합이 봉입될 수 있다. 그러한 검출기 셀은 광음향 가스 센서의 하우징에 배열될 수 있고, 광음향 가스 센서는 전자기 복사의 소스를 포함한다. 광음향 가스 센서의 작동 원리에 관한 추가의 세부사항들이 개시된 실시예들과 관련하여 설명된다.
실시예들은 마이크로전자기계 구조체(microelectromechanical structure)(MEMS)인 검출기 셀에 관한 것이다. MEMS 구조체는 하나 이상의 반도체 재료, 예를 들어, 실리콘, 갈륨(gallium), 비화물(arsenide) 등과 같은 적어도 부분적으로 도핑되거나 도핑되지 않은 반도체 재료를 포함할 수 있다. 또한, 실리콘 질화물(SiN, Si3N4, 각각), 실리콘 산화물(SiO2) 등과 같은, 그로부터 도출된 재료들이 대안적으로 또는 추가적으로 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 금속 재료, 예를 들어, 구리, 금, 은, 백금 등과 같은 다른 재료들이 MEMS 구조체의 일부일 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 멤브레인 구조체에 관한 것일 수 있다. 그러한 멤브레인 구조체는 (종방향 연장부(longitudinal extension)가 그것에 수직인 측방향 연장부(lateral extension)보다 큰) 빔형 구조체(beam-like structure)로서 이해될 수 있지만, 서로 수직인 측방향 연장부들이 허용 범위 내에서 서로에 대해 동일한 평면 또는 2차원 구조체일 수도 있다. 그러한 구조체의 예는 원형 구조체(circular structure), 예를 들어, 둥근(round) 또는 원형 멤브레인, 또는 이차(quadratic) 멤브레인 구조체일 수 있다. 그러한 멤브레인 구조체는, 예를 들어, MEMS 마이크로폰들 또는 MEMS 라우드스피커들에서 이용되는 멤브레인 구조체와 유사하게 형성될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 검출기 셀(10)의 개략적 측면도이다. 검출기 셀(10)은 광음향 가스 센서에 이용가능하거나 통합가능할 수 있다. 즉, 검출기 셀(10)은 광음향 가스 센서의 컴포넌트를 형성할 수 있지만, 별도로 또는 개별적으로 구현될 수도 있다.
검출기 셀(10)은 층 구조체들의 적층으로서 배열된 제1 층 구조체(12), 제2 층 구조체(14) 및 제3 층 구조체(16)를 포함할 수 있다. 즉, 층 구조체(14)는 층 구조체(12)에서 배열될 수 있다. 층 구조체(16)는 층 구조체(14)에서 배열될 수 있다. 층 구조체(12)는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(12)는 2개의 층들(121 및 122)을 포함할 수 있고, 여기서 층들(121 및 122)은 동일하거나 상이한 재료들을 포함할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 층 구조체(14)는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(14)는 동일하거나 상이한 재료들을 갖는 층들(141 및 142)을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 층 구조체(16)는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(16)는 동일하거나 상이한 재료들을 갖는 층들(161 및 162)을 포함할 수 있다.
층 구조체(12, 14 및/또는 16)의 다수의 층들은 개별적으로 구현될 수 있고, 다른 층 구조체들의 다수의 층들과 관련하여 동일하거나 상이할 수 있다. 각각의 층 구조체(12, 14, 16)의 다수의 층들은, 예를 들어, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그보다 많은 갯수, 예를 들어, 7개 또는 10개일 수 있다.
층 구조체(14)는 멤브레인 구조체(18)를 포함할 수 있다. 멤브레인 구조체(18)는 하나 이상의 층, 예를 들어, 반도체 층, 반도체 층 및 도전성 층, 예를 들어, 멤브레인 구조체(18)의 1개 또는 2개의 측면의 적어도 부분들을 덮는, 도핑된 반도체 재료 또는 금속 재료를 포함할 수 있다. 멤브레인 구조체(18)는 캐비티(22)의 서브캐비티들(22a 및 22b)이 멤브레인 구조체(18)의 상이한 측면들 상에 배열되도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 서브캐비티(22a)를 형성하기 위해 층 구조체(12) 및/또는 층 구조체(14)에 리세스(recess)가 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 서브캐비티(22b)를 형성하기 위해 층 구조체(14) 및/또는 층 구조체(16)에 리세스가 형성될 수 있다. 즉, 실시예들은 서브캐비티들(22a 및 22b) 중 하나만을 갖는 구조체에 관한 것이고, 추가 실시예들은 서브캐비티(22a) 및 서브캐비티(22b)를 갖는 구조체들에 관한 것이다. 서브캐비티(22a)는 서브캐비티(22b)에 유체 접속(fluidically connected)될 수 있거나, 서브캐비티(22b)로부터 밀봉될 수 있다.
따라서, 층 구조체(12) 및 층 구조체(16)는 캐비티(22)를 밀폐형으로 봉입한다. 멤브레인 구조체(18)는 캐비티에 배열된다. 캐비티(22)를 밀폐형으로 봉입하기 위해, 층 구조체(12) 및 층 구조체(18)는 밀폐형으로 기밀한 기계적 접속(hermetically tight mechanical connection)을 형성하도록 서로 접속될 수 있다. 또한, 층 구조체들(14 및 16)은 서로에 대해 밀폐형으로 기밀한 기계적 접속을 형성하도록 서로 접속될 수 있다. 이는 멤브레인이 배열되는 캐비티를 그 자체가 호스팅(host)하는 구조체가 배열되는 캐비티와 비교하여 상이한 것이다. 실시예들에 따르면, 서로 기계적으로 접속하는 층 구조체들을 통해 직접 캐비티(22)를 생성할 수 있다. 층 구조체(14)는 검출기 셀(10)의 측벽(10A)의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
캐비티(22)는 유체, 예를 들어, 나중의 광음향 가스 센서를 위한 타겟 가스인 가스를 포함하거나 호스팅할 수 있다.
도 2a는 실시예에 따른 검출기 셀(20)의 개략적 측면도를 도시한다. 층 구조체들(12 및 16)은, 예를 들어, 반도체 재료들, 도전성 재료들 및/또는 절연 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(12)는 절연 재료로서 유리 재료 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 반도체 재료로서, 예를 들어, 실리콘 재료 또는 갈륨 비화물 재료가 이용될 수 있다. 도전성 재료로서, 예를 들어, 합금들을 포함하는, 금, 은, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속 재료가 이용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 도핑된 반도체 재료가 이용될 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(12)는 유리 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼로부터 얻어질 수 있다. 설명된 실시예들과 관련하여, 층 구조체(12)는 최하부 밀봉 웨이퍼(bottom sealing wafer)로서 지칭될 수 있다. 대조적으로, 층 구조체(16)는 최상부 밀봉 캡 웨이퍼(top sealing cap wafer)로서 지칭될 수 있고, 예를 들어, 반도체 재료 또는 절연 재료를 포함할 수 있다. 실리콘과 같은 반도체 재료는 층 구조체(16)에서의 리세스로서 서브캐비티(22b)를 생성하거나 획득하는 것을 허용할 수 있지만, 유리 재료는 그러한 구성을 배제하지 않고 재료의 증가된 경도(hardness)를 제공할 수 있다. 서브캐비티(22a)는 층 구조체(14)에서의 리세스로서 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.
층 구조체(14)는 본질적으로 Si-마이크로폰 구조체에 대응하는 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 구조체(18)는 다층(multi-layer) 구조체일 수 있다.
층 구조체들(12 및 14)은, 예를 들어, 웨이퍼 본딩 프로세스(wafer bonding process) 동안 서로 본딩될 수 있다. 예를 들어, 층 구조체들(12 및 14) 사이에, 경계 층(boundary layer) 또는 인터페이스(24)가 배열될 수 있다. 인터페이스(24)는 웨이퍼 본딩 프로세스의 결과일 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(12)에서 배열된 재료 및 층 구조체(14)의 재료는 각각 인터페이스(24)의 일부를 형성할 수 있다.
예를 들어, 층 구조체(12)는 코팅 층(26) 및 기판 층(substrate layer)(28)을 포함할 수 있다. 기판 층(28)은, 예를 들어, 실리콘 재료와 같은 도전성, 절연성 또는 반도체 재료를 포함할 수 있다. 적어도 층 구조체(14)에 대한 나중의 기계적 접속의 영역에서, 예를 들어, 금속 재료, 예를 들어, 금 재료, 대안적으로는, 알루미늄과 같은 다른 재료들 또는 다른 반사성 금속 또는 비금속 재료들 또는 구조체들을 포함하는 코팅 층(26)이 배열될 수 있다. 예를 들어, 금(Au) 및 알루미늄(Al)이 공융 본드(Eutektik bond)를 구현하기 위해 이용될 수 있다. 그러한 재료는, 동시에, 반사 특성들을 제공할 수 있다. 이것은 본딩을 위해 그리고 반사 표면을 위해 상이한 재료들을 이용하는 것을 배제하지 않는다. 또한, 실시예들은 이것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 유리 프릿(glass frit)이 본딩을 위해 이용될 수 있다. 코팅 층(26)으로서 임의의 반사성 구조체 또는 재료가 이용될 수 있다. 예를 들어, Au는 불활성(inert)이고 광학적으로 안정적일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 브래그(Bragg) 미러 구조체가 이용될 수 있다. 예를 들어, 그러한 구조체는 본 실시예들에 대한 Si/SiO2 재료로부터 얻어질 수 있다. 즉, 코팅 층(26)은 전자기 복사에 대해 반사성인 표면을 형성할 수 있고, 반사성 재료 및 반사성 구조체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
웨이퍼 본딩 프로세스 동안, 코팅 층(26)의 재료 및 층 구조체(14)의 재료는 인터페이스(24)를 형성할 수 있고, 그에 의해 기밀한 기계적 접속 및 따라서 밀폐형 밀봉의 일부를 제공한다.
코팅 층(26)은, 선택적으로, 캐비티, 서브캐비티(22a) 및/또는 서브캐비티(22b)의 영역에 배열될 수 있다. 이것은 반사 표면이, 예를 들어, 열 복사 또는 다른 전자기 복사를 반사하는 것을 허용할 수 있다.
코팅 층(26)은 전자기 복사에 대해 반사성인 표면을 제공할 수 있다. 코팅 층(26)은 멤브레인 구조체(18)에 대향하도록 층 구조체(12)의 표면에서 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 코팅 층(26)은 멤브레인 구조체(18)에 대향하도록 층 구조체(16)에서 배열될 수 있다. 코팅 층(26)은, 예를 들어, 도 2a의 최하부측으로부터, 차폐된(shielded) 서브캐비티 내로의 전자기 복사의 진입을 방지하는 것을 허용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 코팅 층(26)은 캐비티에 이미 진입한 전자기 복사(54)를 반사하도록 허용하여, 복사의 이탈(escape)을 방지할 수 있다.
동일하거나 상이한 방식으로, 층 구조체들(14 및 16) 사이에, 예를 들어, 금 재료, 알루미늄 재료 등을 포함하는 코팅 구조체 또는 코팅 층(32)이 배열될 수 있다. 예를 들어, 재료들의 조합, 예를 들어, 금/주석(AuSn)이 배열될 수 있다. 웨이퍼 레벨 본딩에 의해, 층 구조체들(14 및 16)은 층 구조체들(12 및 14)에 대해 설명된 바와 같이 서로 결합되거나 접속될 수 있다.
실시예들은 캐비티에서의 예시적인 분자들(341 내지 34i)에 의해 도시된 바와 같이 유체, 예를 들어, 가스와 같은 타겟 매질(target medium)을 호스팅하는 것에 관한 것이다. 타겟 매질은, 예를 들어, CO2, CO, NO2, 또는 CH4(메탄) 및 SO2와 같은 임의의 다른 적절한 유체일 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 구조체(18)는, 예를 들어, 환기 구멍들(ventilation holes)(361 및 362)에 의해 구현되는, 서브캐비티(22a)와 서브캐비티(22b) 사이의 접속들을 포함할 수 있고, 여기서, 환기 구멍들의 갯수는 상이할 수 있는데, 예를 들어, 0개, 1개, 3개 또는 그 이상, 5개 또는 그 이상, 10개 또는 그 이상, 20개 또는 그 이상, 또는 훨씬 더 많은 갯수일 수 있다. 이것은 층 구조체들(12 및 14) 사이의 및/또는 층 구조체들(14 및 16) 사이의 접속을 상이하게 얻는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 층 구조체들(12 및 14) 및/또는 층 구조체들(14 및 16)은 공통 층 구조체(common layer structure)로서 형성될 수 있으며, 이것으로부터, 예를 들어, 에칭 프로세스를 이용하여 각각의 서브캐비티(22a 또는 22b)가 형성된다. 이것은 타겟 가스가 환기의 이용에 의해 각각의 서브캐비티(22a 또는 22b)에 도달할 수 있기 때문에 웨이퍼 레벨 본딩을 회피하도록 허용할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 웨이퍼 레벨 본딩 프로세스는 층 구조체들 사이의 정확하고 밀폐형으로 기밀한 접속을 허용할 수 있다. 코팅 층(32)은, 예를 들어, 밀봉 링(seal ring)으로서 이용될 수 있고, 예를 들어, 층 구조체(16)의 돌출부(protruding)(38)의 구조에 대응하는 링형(ring-like) 구조체를 가질 수 있다. 선택적으로, 예를 들어, 멤브레인 구조체(18) 및/또는 백플레이트 구조체(backplate structure)의 하나 이상의 도전성 층을 접속하기 위한 도전성 구조체들(42), 예를 들어, 본드 패드들(bond pads) 등이 배열될 수 있다. 도전성 구조체(42)는 간단한 프로세스들을 허용하는 코팅 층(32)과 비교할 때 동일한 재료들에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 코팅 구조체(32)는 제조 프로세스들을 심하게 변경하지 않고서도 도전성 구조체들(42)에 추가하여 쉽게 형성될 수 있다.
웨이퍼 레벨 본딩 프로세스들을 이용하는 것은 복수의 검출기 셀들을 병렬로 제작하거나 또는 생성하거나 또는 제조하고, 그 후에, 예를 들어, 다이싱 프로세스(dicing process)를 이용하여, 그들을 쉽게 분리하는 것을 허용할 수 있다.
층 구조체들(12, 14 및/또는 16)은 두께 방향(46)을 따라 각각 일부 또는 상이한 연장부들(441, 442, 443)을 가질 수 있다. 두께 방향(46)은 층 구조체(12)의 표면 법선(surface normal) N1, 층 구조체(14)의 표면 법선 N2 및/또는 층 구조체(16)의 표면 법선 N3에 평행할 수 있다. 표면 법선들(N1, N2 및/또는 N3)은, 층 구조체들(12, 14, 16)의 하나 이상의 층 각각을 주로 또는 기본적으로 형성하거나 또는 이전에 형성한 웨이퍼가 그것을 따라 연장되는 N 평면 방향들(N-plane directions)에 수직일 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(12)는 기판을 형성할 수 있다. 예를 들어, 최대 연장부(441) 또는 층 구조체(12)는 임의적일 수 있고, 여기서 특정한 안정성을 유지하면서 얇은 층 구조체(12)가 바람직할 수 있다. 이러한 경계들 내에서, 예시적인 연장부들(441)은 적어도 20㎛ 및 최대 1㎜, 적어도 50㎛ 및 최대 800㎛ 또는 적어도 70㎛ 및 최대 500㎛일 수 있다. 연장부(442)는, 예를 들어, 적어도 100㎛ 및 최대 1㎜, 적어도 250㎛ 및 최대 500㎛ 또는 적어도 250㎛ 및 최대 400㎛의 임의의 값을 가질 수 있다. 연장부(442)는 두께 방향(46)을 따라 멤브레인 구조체(18)의 두께(48) 및 서브캐비티(22a)의 두께 또는 높이(521)의 합산된 값이도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 두께(48)는 적어도 1㎛ 및 최대 10㎛, 적어도 2㎛ 및 최대 7㎛ 또는 적어도 3㎛ 및 최대 5㎛, 예를 들어, 4㎛의 범위일 수 있다. 예를 들어, 높이(521)는 적어도 100㎛ 및 최대 990㎛, 적어도 150㎛ 및 최대 700㎛ 또는 적어도 200㎛ 및 최대 500㎛의 범위, 예를 들어, 246㎛와 396㎛ 사이의 범위 내에 있을 수 있다. 대안적으로, 높이(521)는 연장부(442)를 갖는 층 구조체(14)의 시작 구조체를 이용하거나 또는 추가로 처리한 결과일 수 있다. 리세스, 서브캐비티(22a)를 생성함으로써 멤브레인 구조체(18)를 형성한 후에, 높이(521)는 원하는 두께(48)의 결과일 수 있다. 다른 값들 및 시퀀스들이 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연장부(443)는 임의의 적절한 값, 예를 들어, 적어도 50㎛ 및 최대 1㎜, 적어도 100㎛ 및 최대 500㎛ 또는 적어도 150㎛ 및 최대 300㎛를 가질 수 있다. 연장부(443)는, 예를 들어, 적어도 1㎛ 및 최대 500㎛, 적어도 2㎛ 및 최대 400㎛, 또는 적어도 5㎛ 및 최대 300㎛, 예를 들어, 적어도 10㎛ 및 최대 200㎛의 범위 이내일 수 있는 서브캐비티(22b)의 두께 또는 높이(522)를 초과한다. 연장부(443)는 서브캐비티(22b)의 강건한 인클로저(enclosure)를 허용할 수 있는데, 즉, 그것은 높이(522)와 비교할 때 더 큰 연장부(443)를 포함할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 가스들의 조합이 배열될 수 있다. 도시된 분자들(341,..., 34i)은, 단지 비제한적 예로써, CO2에 관련된다.
캐비티(22), 서브캐비티(22a 및/또는 22b)는 각각 음향적으로 격리될 수 있다. 즉, 멤브레인(18)은 각각의 서브캐비티(22a 및/또는 22b)의 외부에서의 음향 사운드(acoustic sound)에 대해 무시할만한 영향으로만 진동가능하거나 음향 사운드에 둔감하다.
층 구조체(12), 층 구조체(14) 및/또는 층 구조체(16)는 적어도 부분적으로 전자기 복사(54)에 대해 투과성(transparent)일 수 있다. 이것은 전자기 복사(54)가 캐비티(22), 서브캐비티(22a 및/또는 22b) 내로 각각 이동하여, 멤브레인(18)을 여기시켜서 진동하게 하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 층 구조체(14)는 전자기 복사(54)에 대해 투과성이다. 층 구조체들(12, 14, 및/또는 16)은 검출기 셀과 결합되도록 방출기(emitter)의 파장에 대해 투과성일 수 있다. 예를 들어, 층 구조체들(12, 14 및/또는 16)은 적외선 스펙트럼, 특히, 중간 파장 적외선 스펙트럼에 대해 투과성일 수 있다. 적외선 스펙트럼은 적어도 760nm 내지 최대 1mm의 파장을 포함할 수 있지만, 중간 파장 적외선 스펙트럼은 적어도 1㎛ 및 최대 100㎛, 적어도 2㎛ 및 최대 70㎛ 또는 적어도 3㎛ 및 최대 50㎛의 파장들을 포함할 수 있다.
검출기 셀(20)은, 검출기 셀(20)이 서브캐비티(22a) 및 서브캐비티(22b)에서의 전자기 복사에 대한 감도에 관하여 비대칭이도록 형성될 수 있다. 그러한 비대칭은 멤브레인(18)의 진동을 상쇄할 수 있는 서브캐비티(22a 및 22b) 둘다에서 멤브레인 구조체(18)에 대해 작용하는 동일한 힘들을 방지하기 위해, 전자기 복사(54)의 생성에 관하여 크기, 주파수 또는 시간 오프셋의 관점에서 상이한 힘들을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 비대칭을 구현함으로써, 전자기 복사(54)는 전자기 복사(54)에 대한 높은 감도를 포함할 수 있다. 나중에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 다른 수단들에 의해 상이한 높이들(521 및 522)을 갖는 것에 대안적으로 또는 추가적으로 비대칭이 생성될 수 있다. 즉, 비대칭은, 연장부들(521 및 522)이 상이하도록, 예를 들어, 1:1.1, 1:1.2 또는 1:1.5 또는 그보다 높은 수들이 되도록 구현함으로써 적어도 부분적으로 얻어질 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 서브캐비티들(22a 및 22b)은 상이하게 차폐될 수 있어서, 하나의 서브캐비티를 차폐하면서 다른 서브캐비티는 차폐하지 않게 되거나, 또는 전자기 복사(54)가 서브캐비티들(22a 및 22b)을 상이하게 관통하거나 뚫도록 상이한 정도로 차폐될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 타겟 가스(34)의 상이한 압력들은, 예를 들어, 서브캐비티들이 서로로부터 밀봉되는 구조체들에서 구현될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 비대칭을 얻기 위해, 서브캐비티들(22a 및 22b)은 서로로부터 밀봉될 수 있고, 상이한 가스들 또는 가스 농도들을 포함할 수 있다. 상이한 가스들을 이용함으로써, 검출기 셀은 2개의 가스에 민감하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 구조체(18)의 진동을 평가할 때 멤브레인 구조체(18)의 여기가 분명하게 구별될 수 있도록, 2개의 가스 모두의 흡수 특성이 파장 범위 또는 주파수 범위에서 분리될 수 있다.
도 2b는, 예를 들어, 코팅 구조체(32)의 둘레 코스(circumferential course), 즉, 밀봉 링을 도시하기 위한 검출기 셀(20)의 개략적 투시 분해도를 도시한다. 멤브레인 구조체(18)는, 예를 들어, 둥근 또는 원형 구조체로서 형성될 수 있다. 4개의 환기 구멍들(361 내지 364)이 도시되어 있지만, 다른 갯수, 예를 들어, 0개 또는 그 이상, 1개 또는 그 이상, 2개 또는 그 이상, 3개 또는 그 이상, 5개 또는 이상, 또는 더 많은 갯수가 구현될 수 있다. 즉, 멤브레인 구조체는 적어도 하나의 환기 구멍을 포함할 수 있다.
최하부 밀봉 웨이퍼에의 삽입: 최하부, 최상부, 좌측, 우측 등과 같은 용어들은 본 개시내용의 이해를 용이하게 하기 위해 이용된다. 구조체의 변화하는 배향에 기초하여, 적절한 용어들이 실시예들의 범위를 변경하지 않고서 변할 수 있다는 것이 명백하다.
즉, 최상부 밀봉 웨이퍼 및 최하부 밀봉 웨이퍼를 갖는 Si-마이크로폰 웨이퍼가 도시된다. 타겟 가스, 예를 들어, CO2의 0% 초과 및 최대 100%의 임의의 농도와 같은 전용 가스 분위기가, 본딩 단계, 예를 들어, 최종 본딩 단계 동안 봉입될 수 있다. 100%의 농도는 높은 감도를 제공할 수 있는데, 여기서 더 낮은 농도는 가스들의 조합을 허용할 수 있고, 따라서 다수의 감도들을 허용할 수 있다. 타겟 가스의 압력은 나중의 디바이스의 주변 압력과 비교할 때 더 높거나 더 낮을 수 있다. 예를 들어, 전자기 복사의 흡수를 향상시키거나 감소시키기 위해, 예를 들어, 압력은 적어도 10mbar 및 최대 5bar 또는 임의의 다른 적절한 값일 수 있다.
단계들은 후면 밀봉(backside sealing)(Au/Si 공융 본드)을 먼저 제공하고, 이어서 CO2 분위기 하에서 밀봉(캡 구조를 Si-MEMS 최상부측 상의 금속 링에 대해 AuSn 솔더링)하도록 구현될 수 있다. 그러한 단계들은 상이한 순서로 수행될 수 있다. 마이크로폰의 본드 패드들은 WLB 프로세스들 이후에 액세스가능한 채로 유지될 수 있다. 실리콘 웨이퍼들의 전체 단계는 가스 감지에서의 광학적 여기(optical excitation)를 위해 이용될 수 있는 중간 파장 적외선 스펙트럼에 대해 투과성일 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 검출기 셀(30)의 개략적 측면도를 도시한다. 검출기 셀(30)은 검출기 셀(20)과 유사하게 형성될 수 있다. 검출기 셀(20)과 비교할 때, 검출기 셀(20)의 코팅 층(26)일 수 있는 코팅 층(261) 옆에, 다른 코팅 층(262)이, 예를 들어, 멤브레인 구조체(18)에 대향하도록, 층 구조체(16)에서 또는 그 일부로서 배열될 수 있다. 코팅 층(261) 및 코팅 층(262) 둘다 선택적이지만, 검출기 셀(20) 및 검출기 셀(30)의 구성은, 캐비티의 일부가 캐비티에서의 타겟 매질(34)을 여기시키도록 적응된 광(light) 또는 전자기 복사로부터 반사 코팅에 의해 밀봉되는 것을 허용한다.
검출기 셀(10, 20 및/또는 30)과 관련하여 설명된 멤브레인 구조체(18)는 그 진동에 대해 평가될 수 있다. 검출기 셀(10, 20 및/또는 30)은 진동을 평가하도록 구성되는 회로를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 검출기 셀(10, 20 및/또는 30)은, 예를 들어, 도전성 구조체들(42)을 이용하여, 적합한 회로에 접속가능할 수 있다. 멤브레인 구조체(18)는, 예를 들어, 단일 백플레이트 구성(single-backplate configuration) 또는 이중 백플레이트 구성(dual-backplate configuration)으로 배열될 수 있다. 단일 백플레이트 구성은 도전성 표면을 갖는 멤브레인의 진동이 멤브레인에 인접하게 배열된 하나의 카운터 전극(counter electrode)에 관하여 평가되는 구성을 지칭할 수 있다. 이중 백플레이트 구성에서, 예를 들어, 진동가능한 멤브레인이 2개의 카운터 전극들 사이에 샌드위치될 수 있다. 즉, 층 구조체(14)는 멤브레인 구조체(18)를 위해 단일 백플레이트 구성 또는 이중 백플레이트 구성을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 검출기 셀(10, 20 및/또는 30)은 멤브레인 구조체(18)의 변형 또는 진동을 결정하기 위해 압전(piezoelectric) 또는 압전 저항(piezo-resistive) 소자를 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4k를 참조하면서, 검출기 셀(10, 20 및/또는 30)을 제조하기 위한 예시적인 처리 단계들이 이하에서 설명된다. 도면들은 그러한 제조 프로세스를 단계들의 특정 시퀀스 또는 순서로 제한하지 않고, 실시예들에 따른 검출기 셀을 제조하기 위해 그러한 단계들 전부가 필요한 것도 아니며, 또한 추가의 단계들도 가능하다는 점에 유의한다.
도 4a는 마이크로폰 구조체(18), 밀봉 링(32) 및 도전성 구조체(42)를 갖는 층 구조체(14)의 개략적 측면도를 도시한다. 도전성 구조체(42)는, 예를 들어, 금, 은, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속 재료를 이용한 금속화(metallization)일 수 있다. 멤브레인 구조체(18)는 단일 백플레이트 구조체 또는 이중 백플레이트 구조체일 수 있다. 본 개시내용의 도면들에서, 멤브레인 구조체 및 카운터 전극들은 실시예들의 이해를 용이하게 하기 위해 단일 블록으로서 표시된다. 층 구조체(14)는 실리콘 기반 마이크로폰 구조체와 유사할 수 있다. 예를 들어, 기판 후면 상의 네이티브(native) 절연 층, 예를 들어, SiO2는, 예를 들어, HF(플루오린화 수소) 침지(dip)를 이용하여 제거될 수 있다.
도 4b는 예를 들어, 본 단계에서 기판 층(28)을 포함하는 층 구조체(12)의 구성의 개략적 측면도를 도시한다. 기판 층(28)은, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼의 적어도 일부일 수 있지만, 다른 재료들을 포함할 수도 있다. 예로써, 기판 층(12)은 나중에 다이싱되거나 분리될 웨이퍼일 수 있다.
도 4c는 층 구조체(12)의 개략적 측면도를 도시한다. 도 4b와 비교하여, 코팅 층(26)은, 예를 들어, 완전한 웨이퍼 또는 적어도 그의 큰 구조체들 위에 배열되었다. 코팅 층(26)의 퇴적은 실리콘 웨이퍼 상에 금 등과 같은 금속 재료의 퇴적을 포함할 수 있다. 코팅 층(26)의 퇴적은 접착 층, 예를 들어, 주석(Ti)의 퇴적을 포함할 수 있다. 코팅 층(26)은 다수의 목적들을 위해 기능할 수 있다. 예를 들어, 그것은 웨이퍼 레벨 본딩(WLB)을 수행할 때 층 구조체(14)와 합금을 형성하는 기능을 할 수 있다. 또한, 그것은 광학 복사(optical radiation), 예를 들어, 전자기 복사(54)에 대한 반사 평면으로서 기능을 할 수 있다.
도 4d는 도 4c의 층 구조체(12) 및 도 4a의 층 구조체(14)의 구성에 대한, 2개의 층 구조체들을 결합하는 단계 이전의 개략적 측면도를 도시하는 한편, 도 4e는 웨이퍼 레벨 본딩 이후의 층 구조체들(12 및 14)의 개략적 측면도를 도시한다. 웨이퍼 레벨 본딩에 기초하여, 층 구조체들(12 및 14)의 기밀한 접속을 허용하는 인터페이스(24)가 얻어질 수 있다. 인터페이스(24)는 코팅 층(26)의 재료 및 층 구조체(14)의 반도체 재료, 예를 들어, 실리콘 재료를 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 설명된 공융 Au/Si 본드는, 예를 들어, 멤브레인 구조체(18)가 환기 구멍들을 포함할 때, 타겟 가스가 나중에 포함될 수 있기 때문에 진공 분위기 또는 임의의 다른 적합한 분위기 하에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 밀봉된 서브캐비티가 타겟 분위기 하에서 본딩될 수 있다.
도 4f는 층 구조체(16)의 개략적 측면도를 도시하고, 층 구조체(16)는 지형 구조(topographic structure)를 포함할 수 있다. 그 부분들에서, 합금, 예를 들어, 금/주석을 형성하는 재료들을 포함하는, 인터페이스 형성 재료(56), 예를 들어, 금 재료, 알루미늄 재료, 주석 재료 또는 은 재료 등이 도전성 층(26)에 대해 설명된 바와 같이 배열될 수 있다. 리세스들(581, 582 및/또는 583)이 배열될 수 있다. 리세스(582)는 나중에 적어도 부분적으로 서브캐비티(22b)를 제공할 수 있는 반면, 리세스들(581 및 583)은 나중의 다이싱이 용이하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 재료는, 라인 L에 의해 표시된 레벨에 도달할 때까지, 예를 들어, 에칭 또는 그라인딩(grinding)에 기초하여 제거될 수 있다. 리세스들(581, 582 및/또는 583)은 선택적일 수 있다. 예를 들어, 서브캐비티(22b)는 또한, 예를 들어, 도 2a에 도시된 연장부(442)에 관하여 층 구조체(14)의 중심에 멤브레인 구조체(18)를 배열할 때, 층 구조체(14)에서 리세스로서 형성될 수 있다.
즉, Si-캡이 접촉 위치에서 금-Sn 솔더(56)와 함께 형성될 수 있다. 2개 이상의 캐비티들을 가짐으로써, 최종 다이들의 싱귤레이션(singulation)이 그라인딩에 의해 수행될 수 있다. 이것은 구조체에서 균열들을 방지하는 것을 허용할 수 있다.
도 4f에 도시된 구조체를 얻기 위해, 리세스들(581 및 583)이, 예를 들어, 액션 프로세스(action process)를 이용하여 구조화될 수 있는 실리콘 웨이퍼가 이용될 수 있다. 리세스들(581 및 583)은, 예를 들어, 직사각형, 타원형 또는 원형의 코스를 갖는 동일한 리세스일 수 있다. 즉, 제1 캐비티(581, 583)의 구조화가 실리콘 웨이퍼(62) 내로 수행될 수 있다.
리세스(581 및/또는 583)의 생성 이전 또는 이후에, 리세스(582)가, 예를 들어, 에칭 프로세스를 이용하여 생성될 수 있다. 에칭은 습식 에칭 또는 건식 에칭 또는 다른 개념들로서 수행되어 재료를 제거할 수 있다. 즉, 제2 캐비티(582)의 구조화가 실리콘 웨이퍼(62) 내로 수행될 수 있다.
도 4i에 도시된 바와 같이, 인터페이스 형성 재료(56)가 웨이퍼(62)의 접촉 위치들 또는 접촉 영역들(64)에서 배열될 수 있다. 즉, 층 구조체들(14 및 16)이 서로 접촉하는 것으로 간주되는 영역들에서, 인터페이스 형성 재료(56)가 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 인터페이스 형성 재료(56)가 또한 층 구조체(14)에서 배열될 수 있다. 즉, 접촉 위치에서 AuSn의 퇴적이 수행된다. 선택적으로, 코팅 층(262)은 이전에 또는 이후에 또는 동시에 리세스(582)에 배열될 수 있다.
도 4e에 도시된 구조체 및 도 4i에 도시된 구조체는 모두 타겟 매질(34)을 포함할 수 있는 처리 챔버 내로 배열될 수 있다. 도 4e와 관련하여 설명되는 웨이퍼 레벨 본딩은 또한, 타겟 매질(34)을 갖는 분위기에서 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 대안적으로, 도 4e에 설명된 웨이퍼 레벨 본딩은 도 4j의 웨이퍼 레벨 본딩과 비교할 때 상이한 분위기 하에서 수행될 수 있다. 이것은 서로로부터 밀봉되는 상이한 서브캐비티들에서의 가스들의 상이한 매질들, 압력들 또는 농도들을 호스팅하는 것을 허용할 수 있다. 그러한 밀봉된 캐비티들 중 하나는 또한 저압 또는 진공을 포함할 수 있는데, 즉, 처리 챔버는 웨이퍼 레벨 본딩을 수행할 때 배기될 수 있다. 코팅 층(32) 및 인터페이스 형성 재료(56)에 기초하여, 웨이퍼 레벨 본딩을 수행함으로써, 층 구조체들(14 및 16)은 서로 기계적으로 접속될 수 있다. 층 구조체들(12 및 14)의 웨이퍼 레벨 본딩은 동시에 수행되거나, 층 구조체들(14 및 16)을 본딩한 이후에 수행될 수 있다는 점에 유의한다.
즉, 최상부 밀봉 웨이퍼(16)의 웨이퍼 본딩은 마이크로폰의 금속화(여기서: AuSn-Au 본드)에 대해 수행될 수 있다. 다른 본딩 기법들, 즉, 다른 재료들이 가능하다. 프로세스는 타겟 분위기, 예를 들어, CO2 하에서 수행될 수 있다. 검출될 타겟 가스에 따라, 또한 하나 이상의 상이한 분위기가 선택될 수 있다.
웨이퍼 레벨 본딩을 수행한 후, 단일 검출기 셀들은, 예를 들어, 도 4k와 유사한 구성이 얻어질 수 있도록 라인 L까지 측면(16A), 예를 들어, 최상부 측면으로부터 시작하여 층 구조체(16)의 일부를 제거함으로써 서로 분리될 수 있다. 층 구조체들(12 및/또는 16)은 그 구조체들이 기계적으로 강건하기 때문에 다이싱될 수 있다.
즉, 최종 디바이스는 최상부 및 최하부 밀봉 웨이퍼(12 및 16)를 갖는 Si-마이크로폰을 포함할 수 있다. 타겟 매질(CO2)은 Si-마이크로폰 후면 볼륨 뿐만 아니라, Si-캡과 Si-마이크로폰 최상부 측면 사이의 캐비티 내에 봉입된다. Si-캡의 설계, 예를 들어, 캐비티의 높이가 조절될 수 있다. 또한, 싱귤레이션 후의 결과적인 캡의 전체 형상은, WLB 프로세스 이전의 구조화 동안에 더 많은 DRIE(deep reactive ion etching processes)로, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 조절될 수 있다. 이중 백플레이트 Si-마이크로폰이 이용될 수 있으며, 또한 상이한 SiMiC (silicon microphone) 기술이 이용될 수 있다. 최하부 밀봉 웨이퍼는 용이한 처리를 가능하게 할 수 있다. 그러나, 이것은 토포그래피(topography)를 갖는 웨이퍼가 처리되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, Si 웨이퍼는 Ti 접착 층을 포함할 수 있는 Au로 코팅될 수 있다. HF 침지는 MEMS 후면 상에서 네이티브 SiO2를 제거하는데 이용될 수 있다. Au/Si 공융 본드는, 예를 들어, 대략 360℃를 이용하여 수행될 수 있다. 최상부 웨이퍼는 Si 캡 웨이퍼를 처리함으로써 처리될 수 있으며, 그것은 캐리어 웨이퍼 상에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 대략 320℃의 온도를 가함으로써, AuSn/Au 확산 본드가 수행될 수 있다. 그 후, 릴리스(release)가 수행될 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 광음향 가스 센서의 개략적 블록도를 도시한다. 광음향 가스 센서(50)는 검출기 셀(10)을 포함할 수 있고, 여기서 대안적으로 또는 추가적으로, 하나 이상의 상이한 검출기 셀, 예를 들어, 검출기 셀(20 및/또는 30)이 배열될 수 있다. 광음향 가스 센서는 검출기 셀의 캐비티의 서브캐비티들(22a 및 22b)에서의 전자기 복사의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 멤브레인 구조체(18)의 이동을 여기시키도록 전자기 복사(54)를 방출하도록 구성된 전자기 소스(66)를 포함할 수 있다.
광음향 가스 센서(50)는 멤브레인 구조체(18)의 진동을 평가하고/하거나 전자기 소스(66)를 제어하도록 구성된 제어 유닛(68)을 포함할 수 있다. 즉, 제어 유닛(68)은 검출기 셀(10) 및/또는 전자기 소스(66)와 통신할 수 있다. 제어 유닛(68)은, 예를 들어, 프로세서, 마이크로컨트롤러, FPGA(field programmable gate array) 및/또는 ASIC(application specific integrated circuit)을 포함할 수 있다.
검출기 셀(10), 검출기 셀(20) 및/또는 검출기 셀(30)은 웨이퍼 레벨 상에서의 처리에 의해 얻어질 수 있다. 실시예들은 광음향 가스 센서의 칩 스케일 패키징, 즉, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서들에 관한 것이다.
도 6은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60)의 개략적 블록도를 도시한다. 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60)는 검출기 셀(65)을 포함할 수 있다. 검출기 셀(65)은 멤브레인 구조체, 예를 들어, 검출기 셀 캐비티, 예를 들어, 캐피비(22) 내부의 멤브레인 구조체(18)를 가질 수 있다. 캐비티(22)의 서브캐비티들(22a 및 22b)은 멤브레인 구조체(18)의 상이한 측면들 상에 배열될 수 있다. 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60)는, 예를 들어, 가열에 기초하여, 간격(spacing)(74) 및 케이싱(casing)(76)을 포함할 수 있는 전자기 소스 또는 방출기(66), 및 전자기 복사(54)를 생성할 수 있는 방출 요소 E를 포함할 수 있다. 즉, 요소 E는 히터일 수 있다. 대안적으로, 요소 E는 흑체(black body) 등일 수 있다.
전자기 소스(66)는 서브캐비티(22a) 및 서브캐비티(22b)에서의 전자기 복사(54)의 설명된 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 멤브레인 구조체(18)의 이동을 여기시키도록 전자기 복사(54)를 방출하도록 구성될 수 있다. 칩 스케일 패키지 광음향 가스 센서는, 검출기 셀들에 대해 설명된 바와 같이 비대칭 에너지 흡수를 적어도 부분적으로 얻기 위해 서브캐비티들(22a 및 22b)이 상이한 크기들 및/또는 상이한 표면 비율들(surface ratios)을 갖도록 구현될 수 있다. 전자기 소스(66)는, 예를 들어, 각자의 제어 신호에 기초하여 전자기 복사(54)의 펄스 여기를 제공하도록 구현될 수 있다. 펄스화(pulsing)의 주파수 및/또는 신호의 파장은 멤브레인 구조체의 타겟 가스 및/또는 공진 주파수에 적응될 수 있다.
전자기 복사(54)는 인간의 능력들과 비교할 때 심하게(harshly) 또는 완전히(completely) 비가시적인 파장들을 포함하는 경우에도 광(light)이라고 지칭될 수 있다. 예를 들어, 검출기 셀(65)은 검출기 셀(10, 20 및/또는 30)에 대해 설명된 바와 같이 구현될 수 있다. 대안적으로, 서브캐비티들(22a 및 22b)이 서로로부터 밀봉되는 구성이 구현될 수 있다. 타겟 매질(34)이 적어도 하나의 서브캐비티(22a 및/또는 22b)에 배열될 수 있다. 가능한 다른 서브캐비티는 상이한 타겟 매질을 포함할 수 있거나, 타겟 매질을 포함하지 않을 수 있는데, 즉, 그것은 배기될 수 있다.
설명되는 바와 같이, 비대칭 에너지 흡수는 전자기 복사(54)로부터 서브캐비티(22a) 및 서브캐비티(22b) 내로 입력되는 비대칭 에너지에 기초할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 비대칭 에너지 흡수는 서브캐비티(22a) 및 서브캐비티(22b)로부터의 비대칭 에너지 손실에 기초할 수 있다. 그러한 에너지 손실은, 예를 들어, 캐비티들을 둘러싸는 상이한 크기의 벽 구조체들 및/또는 상이한 열 전도율을 가짐으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 에너지 손실은 서브캐비티들(22a 및 22b) 내로의 전자기 에너지 또는 전자기 복사의 에너지 입력에 기초할 수 있다. 따라서, 에너지 손실은, 예를 들어, 에너지 손실로 인한 냉각(cooling)에 의해 타겟 매질(34)에서의 결과적인 압력의 감소로 이어질 수 있는 열 손실 경로와 관련될 수 있다.
칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60)는 검출기 셀(65), 전자기 소스(66) 및/또는 제어 유닛(68)이 배열될 수 있는 기판(72)을 포함할 수 있다. 기판(72)은 반도체 재료 또는 유리 재료 또는 세라믹 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 낮은 열 손실을 허용하기 위해, 전자기 소스(66)는 이격 구조체(74)에 의해 기판(72)으로부터 이격되고/되거나 케이싱(76)에 의해 캡슐화될 수 있다. 전자기 소스(66)는 케이싱(76)과 함께 방출기를 형성할 수 있다. 방출기는, 예를 들어, 제어 유닛(68)에 의해 얻어진 측정 결과들에서의 모호성들을 회피하기 위해, 검출기 셀(65)을 향해 방출될 파장을 필터링하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐비티에서의 유체, 예를 들어, 타겟 매질(34)은 유체가 공진하는 타겟 주파수를 포함할 수 있다. 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서는, 예를 들어, 하우징(76) 및/또는 이격 구조체(74)의 일부로서의, 또는 방출 요소 E와 검출기 셀(65) 사이에 배열된 필터 구조체를 포함하도록 구현될 수 있다. 필터 구조체는 타겟 주파수에 대응하는 파장과 비교할 때, 더 많은 양, 즉, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 50% 또는 그 이상으로 타겟 주파수에 대응하지 않는 파장을 감쇠시키도록 전자기 복사(54)를 필터링하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 필터 구조체가 케이싱(76)에 통합되거나, 필터 구조체가 케이싱(76)을 구현한다.
칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60)는 적어도 전자기 소스(66) 및 검출기 셀(65)에 대한 인클로저를 형성하는 하우징(78)을 포함할 수 있고, 추가 컴포넌트들, 예를 들어, 제어 유닛(68)이 배열될 수 있다. 즉, 칩 스케일 패키지 광음향 가스 센서(60)는 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 캐비티(86)를 적어도 부분적으로 형성하는 덮개(78)를 포함할 수 있다. 캐비티(86)는 적어도 검출기 셀(65) 및 전자기 소스(66)를 호스팅할 수 있다. 덮개(78)는 전자기 복사에 대해 반사성일 수 있다. 인클로저는 환경 매질(environmental medium)(84), 예를 들어, 공기 또는 다른 매질이 인클로저의 내부(86) 내로 이동하는 것을 허용하기 위한 환기부 또는 개구(82)를 포함할 수 있다. 즉, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서는 타겟 매질, 즉, 환경 매질(84)을 통과시키기 위한 유입구(inlet)를 포함할 수 있다. 따라서, 환경 매질(84)은 전자기 복사를 겪을 수 있고, 전자기 복사로부터 적어도 일부 특정 파장 범위들에서의 에너지를 흡수할 수 있다. 그 부재 시에 멤브레인 구조체(18)의 거동에 대한 지식으로, 즉, 교정(calibration)에 기초하여, 환경 매질(84)의 내용이 결정될 수 있다. 즉, 타겟 매질(34)의 적어도 존재 또는 농도는 환경 매질(84)에서 결정될 수 있다.
즉, WLB 검출기 유닛을 포함하는 가스 센서 셀이 개시된다. 적외선 방출기는 동일한 하우징 내에서 검출기 유닛의 판독을 위한 대응하는 ASIC을 갖는 검출기 유닛 옆에 패키징될 수 있다.
소스(66)와 측면(78A) 사이의 거리(88)는 작고, 예를 들어, 바람직하게는, 최대 1mm, 500㎛ 또는 100㎛의 0이 아닌(non-zero) 값일 수 있다. 그러한 작은 거리(88)는 전자기 복사(54)가 본질적으로 검출기 셀에 측면으로부터 도달하여 타겟 매질(34)을 여기시키도록 허용할 수 있다. 이것은 서브캐비티들(22a 및 22b) 내로의 동일하거나 비슷한 에너지 입력을 허용할 수 있다.
선택적으로, 차폐물(shielding)(92)이 전자기 소스(66)와 검출기 셀(65) 사이에 배열될 수 있다. 차폐물(92)은 검출기 셀(65)을 전자기 복사(54)로부터 부분적으로 차폐하여, 적어도 부분적으로 비대칭 에너지 흡수를 얻게 하도록 구성될 수 있다. 차폐물(92)은 서브캐비티(22a)를 적어도 부분적으로 차폐하고/하거나 서브캐비티(22b)를 적어도 부분적으로 차폐할 수 있다. 예를 들어, 두 서브캐비티들 중 하나만이 차폐되거나, 서브캐비티들이 상이한 정도로 차폐된다.
도 7은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 개략적 측면도를 도시한다. 거리(88)는, 예를 들어, 도 6과 관련하여 설명된 것보다 더 큰 거리를 갖는 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60)와 비교할 때 더 클 수 있다. 설명된 실시예들을 제한하지 않는 예시적인 값은 0.5mm와 5mm 사이, 0.75mm와 3mm 사이, 또는 1mm와 2.5mm 사이, 예컨대, 1.6mm일 수 있다. 거리(88)는, 방출기로부터 이격되는 주 측면(78A)과 검출기 셀(65) 사이에서 덮개(78)의 둘레 측면(78B)에 의해 측정될 수 있다. 큰 거리(88)는 주 측면(78A)에서 검출기 셀(65)을 향한 전자기 복사(54)의 산란을 허용할 수 있다. 대조적으로, 도 6에 도시된 작은 거리는 전자기 복사(54)가 검출기 셀(65)을 향해 측방향으로 이동하도록, 주 측면(78A)에서 검출기 셀(65)을 향한 전자기 복사(54)의 산란을 방지할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 가스 센서 유닛은 WLB 검출기 유닛을 포함할 수 있다. 적외선 방출기는 동일한 하우징 내에서 검출기 유닛의 판독을 위한 대응하는 ASIC을 갖는 검출기 유닛 옆에 패키징될 수 있다. 검출기 최상부 측면으로부터 센서 유닛의 덮개까지의 거리는 검출기 유닛의 최상부 측면에 대한 광학적 액세스를 갖도록 충분히 클 수 있다. 광은 주 광학 차폐(main optical shielding)(모듈 패키지) 내에서 산란되고 반사되어 주 입사각을 결정하는 것을 어렵게 만든다.
제어 유닛(68), 즉, 회로는 전자기 복사(54)에 대해 비투과성인(intransparent) 재료(94)로 덮일 수 있다. 그러한 배열은 선택적이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 또한 선택적으로, 제어 유닛 또는 회로(68)는 전자기 복사(54)에 대해 둔감할 수 있어서, 두 경우들에서, 전자기 복사(54)는 제어 유닛(68)의 동작을 손상시키지 않는다.
도 8은 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(80)의 개략적 측면도를 도시한다. 덮개(78)는 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(70)와 관련하여 설명된 바와 같이 형성될 수 있지만, 칩 스케일 광음향 가스 센서(60)에 대해 설명된 바와 같이 형성될 수도 있다. 검출기 셀(65)과 비교할 때, 칩 스케일 광음향 가스 센서(85)의 검출기 셀(85)은 서브캐비티들(22a 또는 22b) 중 하나, 예를 들어, 서브캐비티(22b)를 덮거나 또는 차폐하는 반사 코팅(262)을 완전히 또는 적어도 50% 초과, 70% 초과, 또는 90% 초과의 양으로 포함한다. 그러한 반사 코팅(262)은, 예를 들어, 마이크로폰 칩의 단일 백플레이트 구성 또는 이중 백플레이트 구성의 전극(96)에 도포되어, 최상부 볼륨의 최하부 인터페이스를 통해 광이 빛나는 것을 방지, 즉, 전자기 복사(54)가 서브캐비티(22b)를 통해 서브캐비티(22a)로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
즉, WLB는 최상부 밀봉 캡 웨이퍼, 즉, 층 구조체(16)의 내부 또는 외부 표면들의 반사 코팅을 포함할 수 있다. 따라서, 상부 가스 볼륨(22b) 내로의 직접적인 광학 액세스가 회피될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(90)의 개략적 측면을 도시한다. 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(60, 70 또는 80)와 비교할 때, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서(90)는 적층 구성을 포함할 수 있다. 상이한 서브패키지들(981 및 982)이 서로에 대해 적층될 수 있고, 따라서 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서들(60, 70 및 80)과 비교할 때 상이한 수직 연장부로 연장될 수 있다. 적층 배열로 요구되는 표면을 감소시키지만, 높이가 증가될 수 있다. 서브패키지(981)는, 예를 들어, 필터를 포함하는 전자기 소스(66)를 포함할 수 있다. 두께 방향(48)을 따라, 서브패키지(982)는 서브패키지들(981 및 982)의 기판(721)과 기판(722) 사이에 배열되는 이격 구조 또는 스페이서 또는 열적 분리 요소(thermally decoupling element)(102)로 이격될 수 있다. 열적 분리 요소(102)는 낮은 열 전도율(thermal conductance)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 재료 등이 이용될 수 있다.
서브패키지(982)는 검출기 셀(65)을 포함할 수 있다. 제어 유닛(68)이 서브패키지(981 또는 982)에 배열될 수 있다. 전자기 복사(54)는 서브패키지(981)로부터 서브패키지(982)로 이동할 수 있다. 예를 들어, 기판(722)은 개구(104) 또는 낮은 열 전도율의 구역을 포함할 수 있다.
즉, 실시예들은 하우징(패키지)에 의해 봉입된 적외선 방출기, 광학 필터 및 검출기 유닛(예를 들어, Si-마이크로폰)을 포함하는 폐쇄형 광음향 가스 감지 셀(closed photoacoustic gas sensing cell)에 관한 것이다. 검출기 유닛(마이크로폰)은 관심있는 가스의 정의된 분위기(예를 들어, 특정 백분율 CO2, 타겟 농도에서의 타겟 가스) 하에서 밀폐형으로 밀봉된 패키지에 봉입될 수 있다. 검출기 유닛의 패키지는 수명, 예를 들어, 적어도 5년 및 가능하게는 15년까지의 범위 동안 밀폐형으로 밀봉될 수 있다. 이러한 요건은 패키징 프로세스 및 대응하는 구조체들을 제공하는 본 명세서에 설명된 실시예들로 해결될 수 있다. 원하는 분위기 하에서의 웨이퍼 레벨 본딩(WLB) 프로세스들은, 전체 패키징 프로세스가 여전히 웨이퍼 레벨 상에 있는 모든 디바이스들 상에서 수행될 수 있기 때문에, 유닛 당 패키징 비용을 감소시킬 수 있다. 즉, 단일 디바이스들을 개별적으로 채우는 것이 방지될 수 있다. WLB 프로세스들은 표준 패키징 방법에 비해 가스 감지 검출기 유닛의 폼 팩터(form factor)를 더 감소시킬 수 있고, 따라서, 소형 스케일의 PCB(printed circuit board)들, 예를 들어, 모바일 전화 애플리케이션들에의 통합을 위한 추가의 가능성들을 가능하게 한다.
밀폐형으로 밀봉된 가스 검출기 유닛은 웨이퍼 레벨 프로세스들에 의해 형성될 수 있고, 그에 의해 유닛은 마이크로폰 웨이퍼, 멤브레인 영역 위의 캡으로서 작용하는 최상부 밀봉 웨이퍼 및 최하부 밀봉 웨이퍼를 포함할 수 있다. 최하부 및 최상부 밀봉 웨이퍼는 외부로부터의 (마이크로폰 멤브레인 위의) 상부 또는 (마이크로폰 멤브레인 아래의) 하부 가스 볼륨의 광학적 차폐를 위한 반사 코팅을 구비할 수 있다. 이러한 패키징에 의해, 마이크로폰 전면 측 위의 최상부 밀봉 웨이퍼에서의 캐비티 및 마이크로폰 웨이퍼의 두께에만 의존하거나 또는 그러한 두께에 적어도 본질적으로 의존하여, 매우 작은 봉입된 가스 볼륨이 실현될 수 있다. 단일 두께에 대해 언급된 값들은 프로세스 제한들을 제한하지 않는다. 적외선 광원에 의한 펄스 여기는 봉입된 가스 볼륨 내의 마이크로폰 멤브레인의 위와 아래 사이의 압력차를 초래할 수 있고, 따라서 적외선 광의 강도에 의존하는 음향 신호를 초래할 수 있다.
ASIC은 광 비투과성인 재료, 예를 들어, 구체 최상부(globe top)로 덮여질 수 있거나 광대역 광에 대해 강건할 수 있다. 가스 교환은 광학적 차폐에서의 개구들을 통해 제공될 수 있고, 광학 경로에 따라, 가스 교환 확산 시간을 향상시키기 위해 환기가 조절될 수 있다. 검출기 유닛 외부의 광학 경로를 통해 흡수되는 더 많은 광(더 높은 주변 CO2 농도)을 통해, 검출기 셀 내의 광음향 압력은 더 작을 수 있고, 즉, 역(inverse) 신호가 ASIC에서 얻어질 수 있다. WLB 광음향 검출기 유닛은, 예를 들어, 초핑된(chopped) MEMS 적외선 방출기, 전자기 소스, 가스의 파장 선택적 가열을 위한 광학 필터, WLB 프로세스들 및 하우징을 이용하는 밀폐형으로 밀봉된 MEMS 마이크로폰을 포함하는 광음향 센서에 포함될 수 있다. 시스템은 적외선 방출기의 입력 전력 뿐만 아니라, WLB 검출기 유닛의 음향 판독을 제공하는 내부 ASIC에 의해 동작될 수 있다.
실시예들은 웨이퍼 레벨 본딩 프로세스들을 이용하여 전용 가스 분위기 하에서 생성된 밀폐형으로 밀봉된 MEMS 마이크로폰들에 기초한다. 작은 밀폐형으로 봉입된 가스 볼륨은 광음향 압력을 생성하는데 유익할 수 있다. (마이크로폰 멤브레인, 서브캐비티들 위 및 아래의) 2개의 볼륨들 사이의 비율은, 초핑된 적외선 광에 대한 검출기 유닛의 응답에 중요할 수 있다는 것이 언급된다. (예를 들어, 최상부 볼륨의 내부 부분의 금속 코팅에 의한) 볼륨들 중 하나의 광학적 차폐는 검출기 감도를 향상시킬 수 있다. 일반적으로, WLB PAS(photoacoustic sensor) 검출기 셀의 높이는, MEMS 마이크로폰 위의 캐비티의 높이 뿐만 아니라, 3개의 웨이퍼들(층 구조체들)의 두께에 의해 정의되거나 적어도 영향을 받을 수 있다. 따라서, 이것은 가능하게는 각각의 3개의 웨이퍼들에 대한 프로세스 윈도우들에 의해 배타적으로 정의되는 높이 범위를 갖는 밀폐형으로 밀봉된 WLB PAS 검출기 셀을 설계하기 위한 칩 크기의 해결책을 형성할 수 있다. 이것은 작은 WLB PAS 검출기 셀들을 제공하는 것을 허용할 수 있다.
오염이 건강 영향(health effect)이고, 공기 오염으로 인한 건강 문제가 증가함에 따라, 실시예들은 폼 팩터 뿐만 아니라, 밀폐형으로 폐쇄된 광음향 검출기 유닛에 대한 생산 비용을 감소시키는 것을 허용한다. 검출기 셀들은 독립형 제품일 수 있지만, 광음향 가스 센서들 내에 포함될 수도 있다. 이것은 NDIR(non-dispersive infrared sensor) 검출기들에 비해 이점들을 제공할 수 있다. 실시예들은, 예를 들어, 최상부 또는 최하부 웨이퍼로서의 검출기 유닛의 WLB 프로세스 내에 통합되는 적외선 소스에 관한 것이다. 광학 필터 웨이퍼는 최상부 또는 최하부 밀봉 웨이퍼로서 이용될 수 있다. 즉, 전자기 소스(66)를 제조하기 위한 프로세스는 MEMS 마이크로폰을 생성하는 것과 유사할 수 있다. 따라서, 구조체(74 및/또는 76)는 필터링 특성들을 포함할 수 있다.
일부 양태들이 장치의 맥락에서 설명되었지만, 이러한 양태들은 대응하는 방법의 설명도 또한 나타내며, 블록 또는 디바이스는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 대응한다는 것이 명백하다. 유사하게, 방법 단계의 맥락에서 설명된 양태들은 대응하는 장치의 대응하는 블록 또는 항목 또는 특징의 설명도 또한 나타낸다.
전술한 실시예들은 본 발명의 원리들을 예시할 뿐이다. 본 명세서에서 설명되는 배열들 및 세부사항들의 수정들 및 변경들이 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것임을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서에서의 실시예들의 서술 및 설명을 통해 제공되는 특정 세부사항들에 의해서가 아니라, 계류중인 특허 청구항들의 범위에 의해서만 한정되는 것을 의도한다.
Claims (29)
- 광음향 가스 센서를 위한 검출기 셀로서,
제1 층 구조체(12);
상기 제1 층 구조체에 배열되고 멤브레인 구조체(18)를 포함하는 제2 층 구조체(14); 및
상기 제2 층 구조체(14)에 배열된 제3 층 구조체(16)를 포함하고,
상기 제1 층 구조체(12) 및 상기 제3 층 구조체(16)는 캐비티(22)를 밀폐형으로 봉입하고, 상기 멤브레인 구조체(18)는 상기 캐비티(22)에 배열되고,
전자기 복사(54)에 대해 반사성인 표면(26)이, 상기 멤브레인 구조체(18)를 대향하는 상기 제1 층 구조체(12)의 표면 또는 상기 멤브레인 구조체(18)를 대향하는 상기 제3 층 구조체(16)의 표면에 배열되는, 검출기 셀. - 제1항에 있어서,
상기 제2 층 구조체(14)는 상기 검출기 셀의 측벽(10A)의 적어도 일부를 형성하는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 층 구조체(14)는 전자기 복사(54)에 대해 투과성인, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 캐비티(22)는 음향적으로 격리되는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 층 구조체(12) 및 상기 제2 층 구조체(14)는 웨이퍼 레벨 본딩에 의해 서로 부착되고/되거나, 상기 제2 층 구조체(14) 및 상기 제3 층 구조체(16)는 웨이퍼 레벨 본딩에 의해 서로 부착되는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 층 구조체(12)와 상기 제2 층 구조체(14) 사이의 상기 캐비티(22)의 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 제2 층 구조체(14)와 상기 제3 층 구조체(16) 사이의 제2 서브캐비티(22b)의 전자기 복사(54)에 대한 감도에 관하여 비대칭인, 검출기 셀. - 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 표면은 반사성 재료 및 반사성 구조체 중 적어도 하나를 포함하는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 멤브레인 구조체(18)의 주 측면의 표면 법선(N2)에 평행한 방향(46)을 따른, 상기 제1 층 구조체(12)와 상기 제2 층 구조체(14) 사이의 제1 서브캐비티(22a)의 제1 연장부(521) 및 상기 제2 층 구조체(14)와 상기 제3 층 구조체(16) 사이의 제2 서브캐비티(22b)의 제2 연장부(522)는 상이한, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 층 구조체와 상기 제3 층 구조체 사이에 타겟 매질(34)을 갖는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 층 구조체(12), 상기 제2 층 구조체(14) 및 상기 제3 층 구조체(16) 중 적어도 하나는 중간 파장 적외선 스펙트럼에 대해 투과성인, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 멤브레인 구조체(18)의 이동을 측정하기 위해,
상기 제2 층 구조체(14)가 상기 멤브레인 구조체(18)를 위한 단일 백플레이트 구성 또는 이중 백플레이트 구성을 포함하거나; 또는
상기 검출기 셀이 압전 소자 또는 압전 저항 소자를 포함하는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 멤브레인 구조체는 적어도 하나의 환기 구멍(36)을 포함하는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 멤브레인 구조체(18)의 제1 측면에서의 상기 캐비티(22)의 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 멤브레인 구조체(18)의 제2 측면에서의 상기 캐비티(22)의 제2 서브캐비티(22b)가 서로로부터 밀봉되고, 상이한 가스들 또는 가스 농도들을 포함하는, 검출기 셀. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 캐비티(22)의 일부는 상기 캐비티(22)에서 유체를 여기시키도록 적응된 광으로부터 반사 코팅에 의해 밀봉되는, 검출기 셀. - 광음향 가스 센서로서,
제1항 또는 제2항에 따른 검출기 셀(10; 20; 30); 및
전자기 복사(54)를 방출하여, 상기 멤브레인 구조체(18)의 상이한 측면들 상에 배열된 상기 캐비티(22)의 상이한 서브캐비티들(22a, 22b)에서의 상기 전자기 복사(54)의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 상기 멤브레인 구조체(18)의 이동을 여기시키도록 구성된 전자기 소스(66)를 포함하는, 광음향 가스 센서. - 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서로서,
제1항 또는 제2항에 따른 검출기 셀(65)로서, 검출기 셀 캐비티(22) 내부의 멤브레인 구조체(18), 상기 멤브레인 구조체(18)의 제1 측면에서의 상기 캐비티(22)의 제1 서브캐비티(22a), 및 상기 멤브레인 구조체(18)의 제2의 대향 측면에서의 상기 캐비티(22)의 제2 서브캐비티(22b)를 가지는 상기 검출기 셀(65); 및
전자기 복사(54)를 방출하여, 상기 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 제2 서브캐비티(22b)에서의 상기 전자기 복사의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 상기 멤브레인 구조체(18)의 이동을 여기시키도록 구성된 전자기 소스(66)를 포함하는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 삭제
- 제17항에 있어서,
상기 비대칭 에너지 흡수는 상기 전자기 복사(54)로부터 상기 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 제2 서브캐비티(22b) 내로의 비대칭 에너지 입력에 기초하고/하거나; 상기 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 제2 서브캐비티(22b)로부터의 비대칭 에너지 손실에 기초하고, 상기 에너지 손실은 상기 서브캐비티들로의 상기 전자기 에너지의 에너지 입력에 기초하는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제17항에 있어서,
상기 전자기 소스와 상기 검출기 셀 사이의 차폐물을 포함하고, 상기 차폐물(92)은 상기 비대칭 에너지 흡수를 적어도 부분적으로 얻기 위해, 상기 검출기 셀을 상기 전자기 복사(54)로부터 부분적으로 차폐하도록 구성되는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제17항에 있어서,
상기 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 제2 서브캐비티(22b)는 상기 비대칭 에너지 흡수를 적어도 부분적으로 얻기 위해, 상이한 크기들(521, 522) 및/또는 상이한 표면 비율들을 갖는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제17항에 있어서,
상기 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 캐비티(86)를 적어도 부분적으로 형성하는 덮개(78)를 갖고, 상기 캐비티(86)는 적어도 상기 검출기 셀 및 상기 전자기 소스(66)를 호스팅하고, 상기 덮개(78)는 상기 전자기 복사(54)에 대해 반사성이고, 타겟 매질(84)을 통과시키도록 유입구(82)를 포함하는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제22항에 있어서,
상기 덮개(78)는 상기 덮개(78)의 둘레 측면(78B)에 의해 상기 전자기 소스(66)로부터 이격되는 주 측면(78A)을 포함하고, 상기 주 측면과 상기 전자기 소스(66) 사이의 거리(88)는 상기 주 측면(78A)에서 상기 검출기 셀을 향한 상기 전자기 복사(54)의 산란을 허용하도록 구현되거나; 또는 상기 주 측면(78A)과 상기 전자기 소스(66) 사이의 거리(88)는 상기 전자기 복사(54)가 상기 검출기 셀을 향해 측방향으로 이동하도록, 상기 주 측면(78A)에서의 상기 검출기 셀을 향한 상기 전자기 복사(54)의 산란을 방지하도록 구현되는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제17항에 있어서,
상기 멤브레인 구조체의 이동을 평가하기 위한 회로(68)는 상기 전자기 복사(54)에 대해 비투과성이고/이거나 상기 전자기 복사(54)에 대해 둔감한 재료(94)로 덮여지는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제17항에 있어서,
상기 전자기 소스(66)는 상기 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 제1 서브패키지(981)를 형성하고; 상기 검출기 셀은 상기 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서의 제2 서브패키지(982)를 형성하고; 상기 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서는 상기 제1 서브패키지(981)의 기판(721)과 상기 제2 서브패키지(982)의 기판(722) 사이의 열적 분리 요소(102)를 포함하는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 제17항에 있어서,
상기 캐비티(22)에서의 유체는 상기 유체가 공진하는 타겟 주파수를 포함하고, 상기 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서는 상기 전자기 소스(66)와 상기 검출기 셀 사이에, 상기 전자기 복사(54)를 필터링하도록 구성된 필터 구조체를 포함하여, 상기 타겟 주파수에 대응하는 파장과 비교될 때 더 큰 양으로 상기 타겟 주파수에 대응하지 않는 파장을 감쇠시키는, 칩 스케일 패키징된 광음향 가스 센서. - 검출기 셀을 제조하기 위한 방법으로서,
제1 층 구조체(12)를 제공하는 단계;
멤브레인 구조체(18)를 갖는 제2 층 구조체(14)를 상기 제1 층 구조체(12)에서 부착하는 단계;
제3 층 구조체(16)를 상기 제2 층 구조체(14)에서 부착하는 단계; 및
전자기 복사(54)에 대해 반사성인 표면(26)을, 상기 멤브레인 구조체(18)를 대향하는 상기 제1 층 구조체(12)의 표면 또는 상기 멤브레인 구조체(18)를 대향하는 상기 제3 층 구조체(16)의 표면에 배열하는 단계
를 포함하고,
제1 층 구조체(12) 및 상기 제3 층 구조체(16)가 캐비티(22)를 밀폐형으로 봉입하여, 상기 멤브레인 구조체(18)가 상기 캐비티에 배열되도록 하는, 방법. - 제27항에 있어서,
상기 제2 층 구조체(14)를 상기 제1 층 구조체(12)에서 부착하는 단계 및/또는 상기 제3 층 구조체(16)를 상기 제2 층 구조체(14)에서 부착하는 단계는 웨이퍼 레벨 본딩을 포함하는, 방법. - 광음향 가스 센서를 제조하기 위한 방법으로서,
제1항 또는 제2항에 따른 검출기 셀로서, 검출기 셀 캐비티(22) 내부의 멤브레인 구조체(18), 상기 멤브레인 구조체(18)의 제1 측면에서의 상기 캐비티의 제1 서브캐비티(22a), 및 상기 멤브레인 구조체(18)의 제2의 대향 측면에서의 상기 캐비티의 제2 서브캐비티(22b)를 가지는 상기 검출기 셀을 제공하는 단계; 및
전자기 복사(54)를 방출하여, 상기 제1 서브캐비티(22a) 및 상기 제2 서브캐비티(22b)에서의 상기 전자기 복사의 비대칭 에너지 흡수에 기초하여 상기 멤브레인 구조체(18)의 이동을 여기시키도록 구성된 전자기 소스(66)를 배열하는 단계를 포함하는, 방법.
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