KR20010032103A - 마이크로-기계적 차압 감응 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 2개의 절대 압력 측정 장치(9a, 9b)가 단일 지지 기판, 특히 반도체 칩(1) 상에 모놀리식으로 집적된, 2개의 공간 또는 매체 사이의 압력차를 측정하기 위한 마이크로 기계적 차압 감응 장치에 관한 것이다. 상기 절대 압력 측정 장치(9a, 9b)는, 바람직하게는, 표면 마이크로 기계가공 기술에 의해 제조된다.

Description

마이크로-기계적 차압 감응 장치{MICROMECHANICAL DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR DEVICE}

차압의 측정, 다시 말해, 서로 분리된 2개의 공간(spaces) 또는 매체(media)의 압력 간의 차이를 측정하는 것은, 압력 센서의 다양한 적용에 있어 매우 중요하다. 이 경우, 일반적으로 2개의 분리된 압력 센서를 이용하여 2개의 압력 p₁과 p₂를 절대 압력 단위로 측정하고, 그런 다음, 얻어진 측정값들을 서로 차감(subtraction)하는 것만으로는 충분하지 않다. 그 이유는, 일반적으로 구입할 수 있는 절대 압력 측정 장치는 지나치게 낮은 측정 정밀도를 보유하여, 특히, 압력 범위가 넓거나 또는 높은 절대 압력이지만 압력차가 작은 경우, 압력차 Δp = p₂- p₁을 충분히 정확한 방식으로 산출하는 것에는 미치지 못한다는데 있다.

2개의 독립적인 절대 압력 센서를 이용하여 압력차 Δp = p₂- p₁을 측정하는 것은, (절대 압력 센서의 측정 범위에 비해) 차압이 작은 경우, 상당한 측정 오차를 초래한다. 예를 들어 절대 압력 센서의 측정 오차가 1%이면, 예컨대 5%의 측정 범위의 차압 Δp는 28%나 되는 오차를 초래한다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 반도체 차압 센서가 제안되었는데, 여기에서는 한쪽 면으로부터의 제1 압력 p₁과 다른쪽 면으로부터의 제2 압력 p₂에 의해 단일 압력 감응 격막(single pressure-sensitive diaphragm)이 작동된다. 결과적으로, 이러한 형태의 구성에서는, 압력차 Δp = p₂- p₁에 따라 격막(diaphragm)이 편향되고, 따라서 이 수치에 대응하여 측정이 가능하게 된다.

이런 형태의 차압 센서의 측정 정밀도는, 센서의 설계 즉, 격막과, 격막 편향의 감응과, 그리고 전기 및/또는 전자적인 계산(evaluation)에 의존된다.

그러나, 이러한 구성을 가진 접근방법의 본질적인 문제점은, 이러한 반도체 차압 센서가 소위 대량 마이크로 기계가공(bulk micromachining)을 이용하여 제조되어야만 한다는 것인데, 이 경우에는 격막 하부가 (예컨대, 엣칭에 의해) 제거된 채 기판 재료가 완성되야만 한다. 이에 상응하는 제조 공정은 일반적으로 최근의 CMOS 또는 쌍극 반도체 공정과 호환성이 없다. 따라서, 직접적으로 동일한 반도체 칩 상에서 압력 센서에 부가하여 복잡한 계산 회로를 집적하는 것이 곤란하다.

상기한 ″대량 마이크로 기계가공 구조″의 다른 기본적 결함은, 이러한 차압 센서가 장착 및/또는 하우징 조건에 대해 현저한 감도로 반응한다는 것이다. 이러한 문제점은 일반적으로, 실질적인 압력 센서 장치를 보유하는 시스템 웨이퍼가 지지 웨이퍼(support wafer)에 결합되는, 웨이퍼 결합 공정(2개의 웨이퍼가 서로 결합됨)에 의해 해소된다. 이와 같은 지지 웨이퍼는, 이들의 부품에 있어서, 반도체 물질 또는, 대안적으로, 열적으로 부합되는 유리나 세라믹으로 구성될 수 있다. 각각의 지지 웨이퍼는, 격막의 저면에 압력을 연결할 수 있도록, 시스템 웨이퍼와의 결합 공정 이전 혹은 이후에 패터닝되어야 한다. 이러한 패터닝이 웨이퍼 결합 이전에 행해질 경우에는 정렬상의 문제가 초래된다. 반면에, 이러한 패터닝이 웨이퍼 결합 이후에 수행되면, 민감한 격막이 매우 쉽게 손상되어 생산 수율(production yield)의 급격한 감소를 일으키거나 신뢰성 및/또는 압력 센서의 장기적 안정성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있으므로 극히 조심스럽게 다루어져야 한다.

본 발명은 2개의 서로 분리된 공간 또는 매체 간의 압력차를 측정하기 위한 마이크로-기계적인 차압 감응 장치에 관한 것이다.

도 1은 예시적 실시예의 개략 단면도를 도시한 것이다.

도 2는 제1 계산 회로 구성의 계통도이다.

도 3은 제2 게산 회로 구성의 계통도이다.

본 발명의 목적은, 기술적으로 간단한 방식으로 제조될 수 있고, 동시에 높은 생산 수율을 보유하며 높은 신뢰성 및 장기적 안정성을 갖춘 마이크로-기계적 압력 감응 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 2개의 절대 압력 측정 장치가 단일 지지 칩(single support chip) 상에 모놀리식으로 집적된(monolithically integrated) 차압 센서를 이용하여 달성된다. 2개의 절대 압력 측정 장치는 동시에, 또한, 바람직하게는 표면 마이크로 기계가공(surface micromachining)에 의해 제조된다.

2개의 절대 압력 측정 장치를 모놀리식으로 집적하고, 특히 이들의 압력 센서 격막을 하나의 동일한 지지 칩 상에 형성하므로, 2개의 절대 압력 측정 장치의 절대 오차가 본질적으로 동일한 크기를 갖고, 또한 동일한 부호를 갖는다. 결과적으로 측정 오차들이 상호 연관되고, 이는 신호 처리 계산 회로 구성의 입력에서의 계량 브릿지(measuring bridge) 내에 있는 동안에 2개의 측정된 압력값을 서로 차감함으로써 실질적으로 서로 제거된다.

본 발명에 따른 차압 센서의 특히 바람직한 실시예에서, 2개의 절대 압력 측정 장치 중 적어도 하나가 압력 연결부(굴뚝 혹은 호스 연결구)를 갖는데, 이를 통해, 내부에서 압력의 측정이 의도된 2개의 공간 중 하나가 상기 절대 압력 측정 장치에 연결될 수 있다. 이로써, 2개의 압력이 상기 절대 압력 측정 장치로 서로 분리 전달되는 것이 쉽게 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 차압 감응 장치의 특히 바람직한 실시예에서, 서로 분리된 2개의 도핑된 영역(doped regions)이 단일 반도체 칩에 형성된다. 반도체 칩(예컨대, Si 기판만으로 이루어지거나 또는 실리콘 에피택셜(Si epitaxial layer) 층을 보유한 실리콘 기판으로 이루어진 실리콘 칩)의 제1 주 영역(main area) 상에, 상기 반도체 칩의 제1 주 영역에 하향 도달되는, 제1 및 제2 컷아웃(cutout)을 가지는 절연 희생 층(insulating sacrificial layer)(예컨대, 필드 산화물층(실리콘 산화물층))이 배열된다. 제1 컷아웃은 제1 도핑 영역에 할당되고, 제2 컷아웃은 제2 도핑 영역에 할당되는데, 이들 컷아웃들은 각각 연관된 도핑 영역 내에 함께 배치되는 것이 바람직하다. 상기 2개의 컷아웃은 각각 전기적으로 전도성 있는 (예컨대, 도핑된 폴리 실리콘으로 이루어진) 격막으로 기밀식으로 덮여지고, 이로써 서로 분리된 2개의 챔버가, 반도체 칩의 제1 주영역, 연관된 격막(diaphragm) 및 컷아웃의 벽면에 의해 각각 경계가 정해진 채, 형성된다. 상기 챔버는, 예를 들어, 공기 또는 상이한 가스나 가스 혼합물로 충진되거나 진공상태가 제공된다. 각각의 격막은 연관된 도핑 영역과 더불어, 내부에서 격막 및 도핑 영역이 2개의 커패시터 플레이트를 구성하는 용량성(capacitive) 절대 압력 측정 장치를 형성한다. 2개의 절대 압력 측정 장치 중 적어도 하나에 대하여, 상기 절대 압력 측정 장치의 엣지 상에 직접 배치되고 상기 엣지에 기밀식으로 연결된 압력 연결부(예컨대, 굴뚝 또는 호스 연결구)가 할당되는 것이 유리하다. 바람직하게는, 2개의 절대 압력 측정 장치 모두에 각각 이와같은 압력 연결부가 제공된다.

본 발명에 따른 차압 감응 장치의 다른 바람직한 개선으로서, 계산 회로 구성(evaluation circuit arrangement)이 집적된 방식으로 반도체 칩 상에 형성되고, 이러한 계산 회로 구성이 2개의 절대 압력 측정 장치에 연결되며, 상기 절대 압력 측정 장치의 출력 신호를 수용하고 또한 이를 처리한다. 유리한 방식에서는, 계산 회로 구성의 입력 브릿지 내에 머무는 동안, 2개의 절대 압력 센서 장치의 2개의 출력 신호 간의 차이가 형성되고, 또한 이러한 차이 신호는 계산 회로에 의해 처리된다. 계산 회로 구성의 입력시, 가능한 한 빨리 압력 센서 신호를 뺄셈함으로 인하여, 계산 회로에 의해 초래되는 모든 오차가 오직 차이 신호 Δp 에 관한 것이고, 압력 p₁및 p₂각각의 측정에 관한 것이 아니게 된다.

2개의 모놀리식으로 집적된 절대 압력 센서 장치로부터 구성된 압력차 센서 장치의 눈금 보정(calibration)은 차압 특성 곡선에 유리하게끔 이루어진다. 이는, 유리하게는, 오프셋(offset) 및 감도(sensitivity)에 대한 2개의 절대 압력 센서 장치 내의 가능한 차이를 보상하는 것이 가능하게 한다.

본 발명에 따른 압력차 센서의 다른 바람직한 실시예 및 유리한 개선은 도 1 내지 3과 연계하여 이하에 설명되는 예시적 실시예로부터 유추된다.

도 1의 예시적 실시예에 따른 압력차 센서의 경우, 제1 압력 p₁및 제2 압력 p₂간의 차이를 측정하기 위한 서로 분리된 2개의, 상호 이격된 도핑 영역(doped region)(7a)(이하, ″제1 도핑 영역″이라 함) 및 도핑영역(7b)(이하, ″제2 도핑 영역″이라 함), 소위 ″도핑 웰(″doped well″)이 실리콘 층(1) 내에서 상기 실리콘 층(1)의 제1 주영역에 근접 형성된다. 실리콘 층(1)은 예컨대 실리콘 기판 또는 실리콘 기판 상에 도포된 실리콘 에피택셜 층(silicon epitaxial layer)이다. 상기 도핑 영역은 예를 들어 이식(implantation) 및/또는 확산(diffusion)의 방법으로 제조된다.

실리콘 층(1)의 제1 주영역(8) 상에 전기 절연층(2)이 도포되는데, 상기 전기 절연층은, 실리콘 층(1)의 제1 주영역(8)의 개방 영역인 제1 창(4a) 및 제2 창(4b)을 갖는다. 상기 전기 절연층은, 예를 들어, 필드 산화물층(실리콘 산화물층)으로 이루어진다. 상기 제1 창(4a) 및 제2 창(4b)은, 실리콘 층(1)에서 보는 바와 같이, 각각 제1 도핑 영역(7a) 및 제2 도핑 영역(7b) 상에 위치한다. 제1 창(4a) 및 제2 창(4b)은 각각, 예를 들어, 도핑된 폴리 실리콘(doped polysilicon)으로 본질적으로 이루어진 제1 전기 전도성 격막(3a) 및 제2 전기 전도성 격막(3b)으로 기밀식으로 덮여진다.

창(4a, 4b)의 측벽, 실리콘 층(1)의 주 영역, 및 격막(3a, 3b)에 의해 경계가 정해지는 ″챔버″는, 예를 들어, 공기 혹은 상이한 가스나 가스 혼합물로 충진되거나 또는 진공으로 된다.

다른 전기 절연층(6)(예컨대, 실리콘 산화물층 또는 실리콘 질화물층)이, 상기 격막(3a, 3b)이 창 영역(4a, 4b)내에서 자유롭게 남겨지도록 하는 방식으로, 상기 전기 절연층(2) 및 이와 격막(3a, 3b) 간의 겹쳐진 부분 상에 도포된다.

제1 격막(3a) 및 제1 도핑 영역(7a), 그리고 제2 격막(3b) 및 제2 도핑 영역(7b)은 각각, 압력 의존적인 커패시턴스(연관된 격막 상의 압력에 의존적인) C₁(p₁) 및 C₂(p₂)를 각각 보유하는, 제1 및 제2 ″플레이트″ 커패시터를 형성한다.도핑 영역(7a, 7b) 및 격막(4a, 4b)으로부터 각각 형성된 이와 같은 2개의 절대 압력 감응 장치(9a, 9b)의 압력 센서 영역의 엣지에서, 각각의 압력 연결부(5a, 5b), 예컨대, 플라스틱 굴뚝 또는 플라스틱 호스 연결구가 다른 전기 절연층(6) 상에 기밀식으로 고정된다. 이들 압력 연결부(5a, 5b)는 측정될 2개의 압력이 간단한 방식에 의해 각자로부터 각각 연관된 절대 압력 감응 장치(9a, 9b)로 분리 도입될 수 있도록 한다.

도 2에 개략적으로 도시되어 있는, 절대 압력 센서 장치(9a, 9b)의 2개의 출력 신호를 계산하는데 작용하는 회로 구성은, 신호 C₁- C₂를 계산하기 위한 소위 스위치드 커패시터 회로(switched capacitor circuit)이다. 이 경우, 2개의 커패시턴스 요소(C₁, C₂)는, 동-역위상 신호(in-antiphase signal)(S₁, S₂)에 의해 구동되고, 각 경우에 커패시턴스 요소(C₁, C₂)의 하나의 연결(connection)이 통과하는 스위치(S)를 거쳐 단순 적분기(10)(예컨대, 시그마-델타 변환기)로 도입되는데, 상기 적분기의 출력(11)은 다른 계산 회로로 연결된다. 이 회로 구성 및 다른 계산회로 구성은, 유리하게는, 하나의 동일한 실리콘 칩 상에서 차압 감응 장치와 통합된다. 표면-마이크로 기계가공 단계는 집적 회로의 제조 공정 단계와 호환 가능하므로, 이것이 간단히 구현될 수 있다.

도 3에 개략적으로 도시된, 절대 압력 센서 장치(9a, 9b)의 2개의 출력 신호를 계산하는데 작용하는 회로 구성은, 마찬가지로, 신호 C₁- C₂를 계산하기 위한 소위 스위치드 커패시터 회로이다. 그러나, 이 경우, 상기한 회로 구성과 달리, 2개의 커패시턴스 요소(C₁, C₂)는 동위상(in-phase) 신호(S₁, S₂)에 의해 구동되고, 2개의 분리된 스위치(Sa, Sb)를 거쳐 (예컨대, 시그마-델타 변환기의)미분 적분기(differential integrator)(10)로 도입되는데, 상기 적분기의 출력(11)은 다른 계산 회로로 연결된다. 도 2와 연관된 기술은 이러한 회로 구성과 차압 감응 장치를 하나의 동일한 실리콘 칩 상에 집적시키는 것에 관하여 적용 가능하다.

Claims (7)

1. 서로 분리된 2개의 공간 또는 매체 간의 압력차를 측정하는 마이크로-기계적 차압 감응 장치에 있어서, 2개의 절대 압력 측정 장치(9a, 9b)가 단일 지지 기판 상에 모놀리식으로 집적된 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 2개의 절대 압력 측정 장치 중 적어도 하나가 압력 연결부(5a, 5b)를 보유하고, 내부 압력(P₁, P₂)이 측정되어질 상기 2개의 공간 중 어느 하나가 상기 압력 연결부를 통해 상기 절대 압력 측정 장치(5a, 5b)에 연결되는 것이 가능한 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 지지 기판은, 서로 분리된 도핑 영역(7a, 7b)이 내부에 형성된 반도체 칩(1)이고,

   상기 반도체 칩(1)의 제1 주영역(8) 상에, 제1 컷아웃(4a) 및 제2 컷아웃(4b)을 보유한 절연 희생 층(2)이 배열되고,

   상기 제1 컷아웃(4a)은 상기 제1 도핑 영역(7a)에 할당되고, 상기 제2 컷아웃(4b)은 상기 제 2 도핑 영역(7b)에 할당되고,

   상기 2개의 컷아웃(4a, 4b)이 각각 전기 전도성 격막(3a, 3b)으로 기밀식으로 덮여지고, 이로써 서로 분리된 2개의 챔버가 형성되며, 그리고

   각각의 격막(3a, 3b)이 이에 연관된 도핑 영역(7a, 7b)과 더불어 용량성 절대 압력 측정 장치를 형성하고, 상기 격막(3a, 3b) 및 상기 도핑 영역(7a, 7b)이 상기 용량성 절대 압력 측정 장치 내에 2개의 커패시터 플래이트를 구성하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 챔버가 공기 또는 상이한 가스나 가스 혼합물로 충진되거나 또는 진공으로 제공되는 장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 반도체 칩(1) 상에 계산 회로 구성이 집적되고, 상기 계산 회로 구성이 상기 2개의 절대 압력 측정 장치에 연결되고, 상기 절대 압력 측정 장치의 출력 신호를 수용하며, 또한 처리하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 계산 회로 구성이 입력 브릿지를 구비하고, 상기 입력 브릿지가 상기 2개의 절대 압력 감응 장치의 2개의 출력 신호 간의 차이를 형성하고, 또한 그 내부에서 상기 계산 회로가 이 차이 신호만을 처리하는 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 마이크로 기계적 차압 감응 장치를 제조하는 방법에 있어서, 2개의 절대 압력 측정 장치(9a, 9b)가 표면 마이크로 기계가공에 의해 동시에 제조되는 방법.