KR20010033808A - 마이크로 음향 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

마이크로 음향 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 음향 센서 어레이를 동작시키기 위한, 예를 들어 측정 매체의 물리적 특성을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 소정의 웨이브 모드를 가지는 표면 탄성파가 발생되어 검출되고, 상기 측정 매체의 물리적 특성에 대한 변수가 전파경로를 따라서 진행하는 상기 웨이브의 전파 거동에 기초하여 정해진다. 그 외에도, 측정 매체가 위치하는 기판(5; 22)의 표면에서 새지털 편파된 표면파가 세척 작용 트랜스듀서(20; 24)를 이용해 발생된다.

Description

마이크로 음향 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법 및 장치{Method and device for operating a microacoustic sensor array}
마이크로 음향 센서 어레이는 소위 음향(acoustic) SAW(surface acoustic wave) 성분 또는 표면파 성분(surface wave component)을 이용해 아주 다양한 물리적 값들, 특히 액체의 물리적 값들에 대한 센서로서 이용된다. 이 경우 유전율 및/또는 전도성과 같은 전기적 값들의 측정과, 예를 들어 밀도 및/또는 점도와 같은 기계적 값들의 측정과, 예를 들어 액체 속에 특정한 물질이 존재하는지의 여부와 같은 화학적 특성의 조사가 중요한 영역을 형성한다.
종래의 센서 어레이에 있어서 측정 원리는 예를 들어, J.Du, G.L.Hardling, P.R.Ogilvy 및 M.Lake의 논문 "러프파 음향 센서의 연구(A study of Love-wave acoustic sensors)"가 기술된 학술지 Sensors and Actuators A56(1996)의 211 내지 219 쪽에 근거한다. 여기에서 설명하는 측정 구성을 이용해, 수평으로 편파된 음향 전단파(horizontally polarized acoustic shear wave)를 이용하는, 소위 누설파(leaky wave) 또는 서피스 스키밍 벌크파(Surface Skimming Bulk Wave: SSB-wave) 또는 러브파(love wave)를 이용하는 센서가 실현될 수 있다. 이러한 음향 웨이브 모드(acoustic wave mode)들은 앞서 언급한 종래 기술에도 공지된 소위 교차지 트랜스듀서(IDT = interdigital transducer)를 이용해 발생 및 검출되므로, 전파경로(propagation path) 또는 측정경로상의 전파 거동(propagation behaviour)으로부터 원하는 센서 신호가 얻어질 수 있다.
측정 구성의 필요도에 의존하여 센서 소자들에 대한 다양한 소재들과 어레이가 이용되는, 예를 들어 센서 소자에 대한 일정한 기판 소재, 소정의 웨이브 전파 방향(predetermined wave propagation direction), 경우에 따라서는 상기 기판 소재 상의 특별한 층 구성 및 음향 전기 트랜스듀서로서 구성된 센서 소자들의 일정한 어레이가 이용된다. 이 경우 앞서 언급한 종래의 음향 웨이브 모드들 중 어느 하나 또는 다수가 발생하며, 이 웨이브 모드들은 가능한 측정 감도(possible measuring sensitivity), 전파 속도(propagation speed), 음향 전기 결합 계수(coupling coefficient) 및 횡효과(transverse effect) 등에 대한 감도와 관련하여 구별되고 고유한 측정 과제에 대해 적합한 특수한 형태의 센서를 결정한다.
위에서 설명한, 종래 기술에 공지된 음향 웨이브 모드에 있어서의 논의점은 이미 언급한 것처럼 수평 편파된 음향 전단파이고, 이 경우 음향 전기 트랜스듀서가 위치하는 기판의 표면을 따라서 전파되는 웨이브가 이용된다.
상기 측정 감도 외에도 특히 액체를 조사하기 위한 센서로서 SAW-소자를 이용할 때, 다른 주변 조건들, 예를 들어 오물, 액체 속의 침투 매체(aggresive medium) 및 횡방향 감도(transverse sensitivity)가 고려될 수 있다. 자동차 분야에서 이용되는 액상 매체(예를 들어, 오일, 연료, 브레이크액 등)에서 또는 바이오 센서(bio sensor) 어레이에서 이용할 때, 중요한 점은 오물에 대한 감도인데, 이는 상기 센서 표면상으로의 입자 퇴적은 질량 증가 때문에 측정 신호의 직접적인 오류를 초래할 수 있기 때문이다. 종종 상기 센서 소자의 규칙적인 교환이 묵인될 수 없는 곳에서 상기 센서를 실제로 이용할 때의 주된 문제는 센서 표면(sensor surface) 또는 기판 표면(substrate surface)에 측정 액체(measuring liquid)의 성분이 퇴적되는 위험에 있다.
본 발명은 특허청구범위의 독립항에 따른 마이크로 음향 센서 어레이를 동작시키기 위한, 특히 상기 센서 어레이에서 오물(dirts)의 제거를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 상기 센서 어레이를 통해 흐르는 액체의 밀도와 점도를 검출하기 위한 센서 어레이의 개략도.
도 2는 탄성 웨이브 모드의 발생 및 검출을 위한 교차지 트랜스듀서의 상세도.
도 3과 도 4는 제 1 모드형의 새지털 편파된 탄성 웨이브 모드의 발생을 위한 세척 작용 트랜스듀서로서 도 2에 따른 교차지 트랜스듀서 어레이를 도시한 도면.
도 5와 도 6은 도 5에 따른 러브 모드형에 대한 웨이브 가이드 층과 도 6에 따른 누설- 또는 SSBW-모드형에 대한 보호층을 가지는 도 4에 따른 실시예의 단면도.
도 7은 측정 신호로서 여러번 반사되는 전단파가 이용되는 제 2 모드형에 대한 센서 어레이의 다른 실시예의 단면도.
도 8은 도 7에 따른 세척 작용 트랜스듀서의 제 1 배열예.
도 9는 도 7에 따른 세척 작용 트랜스듀서의 제 2 배열예.
마이크로 음향 센서 어레이의 동작을 위해, 특히 상기 센서 어레이에서 오물의 제거를 위한 앞서 언급한 방법 및 그 방법의 실시를 위한 장치가 독립항 및 장치 청구항의 특징들을 가지는 본 발명에 의거하여 형성되는 것이 장점이 된다. 본 발명에 따르면, 외부의 보조 수단이 없이 동작하는 동안 전술한 종류의 센서 어레이의 세척을 달성할 수 있는 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 음향 전단 모드(acoustic shear modes)를 가지는 전술한 종류의 SAW-센서들에 이용되는 예를 들어, 일정한 수정, 리튬탄탈레이트 및 리튬니오베이트에서, 상기 전단 모드들 외에도 주로 새지털 편파를 가지는 다른 음향 전단 모드들이 발생하는 특성이 유용하다.
상기 기판 표면에 대해 직각 방향으로 연장해 있는 웨이브 모드들의 입자 운동(particle movement)에 기초하여 압축파(pressure wave)가 상기 표면에 위치하는 액체층 안으로 직접 보내지므로, 이 웨이브 모드들이 사실 센서 목적에 이용될 수는 없지만 기판 표면에서 세척 목적에는 이용될 수 있다. 액체 속에 그러한 초음파의 전송을 야기하고, 상기 액체 속에서 종래와 같은 이송(tranport) 현상이 발생되는 경우, 상기 현상은 기판 표면에 퇴적된 입자들의 분리(separation)의 가속을 위해 이용될 수 있다.
상기 센서 표면의 세척 외에도, 음파의 이용을 통해 상기 센서 표면에서 흡수되는 분자들의 탈착 프로세스 역시 지원되며, 이는 대개 화학 물질의 역흡착(reversible adsorption)에 기초하는 특히, 케모 센서(chemo-sensor)에서 이용될 수 있다.
종종 새지털 편파를 가지는 상기 음향 웨이브 모드들은 상기 센서들을 위한 이미 언급한 전단 모드들에 대해 90°만큼 회전된 전파 방향에서 발생하므로, 특히 간단한 어레이가 가능해진다.
새지털 웨이브 모드로 발생되는 초음파의 주파수 증가는 운반 및 세척 프로세스에 긍정적으로 작용한다. 처음에 언급한 종래 기술에서 볼 때 음향 전기 트랜스듀서로서 종래의 IDT를 가지는 본 발명에 따라 이용되는 마이크로 센서들에 있어서 몇십 메가헤르쯔 내지 몇백 메가헤르쯔 범위의 초음파 주파수는 간단하게 실현될 수 있다. 왜냐하면 상기 트랜스듀서가 세척하려는, 통상적으로 단지 몇 ㎟ 크기의 기판 표면에 직접 제공될 수 있기 때문에, 큰 세척 효과를 얻기에 필요한 파워가 상대적으로 작아진다.
SH-APM-센서(SH-APM: Shear Horizontal Acoustic Plate Modes)를 가지는 센서 어레이의 일정한 실시예에서 적절한 압전 소재로 이루어진 박형의 플레이트 안에서 전파가능한, 수평 편파되는 플레이트 전단 모드(plate shear modes)가 이용된다. 이들 웨이브 모드는 상기 플레이트 표면에 제공되는 금속의 IDT를 통해 여자된다. 이러한 웨이브 모드에서 논의되는 것은 상기 플레이트 표면들 사이에서 여러번 반사하는 전단 모드이다. 측정 액체로 하나 또는 두개의 표면을 적실 때 커플링이 끈적 끈적해지므로, 웨이브 흡수(damping) 및 전파 속도는 측정 액체의 밀도-점도-프로덕트(product)에 의존적이다.
그 외에도 상기 SH-APM 센서를 가지는 센서 어레이들은 비중계(gravimetric)의 케모 센서 또는 바이오 센서로서 적합하고 음향 전기 효과의 이용하에서 도전성 액체의 조사에 적합하다. 일반적으로 여기에서 상기 센서 트랜스듀서(sensor transducer)의 반대편에 있는 기판 표면은 상기 측정 매체를 제공받는데, 이는 민감한 센서 트랜스듀서가 보호되기 때문이다. 그러므로, 상기 세척 작용 트랜스듀서는 본 실시예에서는 기판에서 적셔지는 쪽에 제공될 수 있다.
요약하면, 모든 실시예에서 양호한 센서 어레이가 얻어지며, 이들은 상기 센서 어레이에서 측정에 민감한 영역의 간단하고 합목적인 세척 과정을 허용한다. 측정 목적에 대해 수평 편파되는 음향 전단 모드를 발생하기 위한 상기 센서 트랜스듀서의 어레이와 관련하여 새지털 편파된 표면 탄성파를 여자하기 위한 세척 작용 트랜스듀서의 집적이 상기 센서 표면에서 세척 효과를 얻기 위해 이루어지는 것이 장점이 된다. 예를 들어 상기 러브 모드, 누설파 또는 SSB-파의 제 1 모드 타입을 가지는 센서 어레이의 경우에서는 상기 센서 트랜스듀서처럼 기판 표면상에 상기 세척 트랜스듀서가 배열되거나 SH-APM 센서의 제 2 모드 타입의 경우에서는 상기 센서 트랜스듀서의 건너편에 있는 기판 표면에 상기 세척 작용 트랜스듀서가 배열된다.
상황에 따라서는 상기 센서 소자와 세척 작용 트랜스듀서 위에 접착성을 줄이는 소재로 이루어진 보호층을 가지는 상기 센서 트랜스듀서 옆에 또는 센서 소자 내부에 하나 또는 다수의 세척 작용 트랜스듀서의 배열이 간단하게 만들어질 수 있다. 상기 센서 어레이에 있어서 흡수된 분자들의 탈착 공정의 가속 및 상기 센서 표면의 세척이 동작중에 외부의 기계적 작용 없이 이루어질 수도 있다. 그러므로 이용 기간이 증가하고 장시간 안정성 및 이용가능성이 확장된다.
제조 공정에서 그에 필요한 세척 작용 트랜스듀서를 만들기 위한 다른 공정 단계들은 필요하지 않는데, 이는 상기 세척 작용 트랜스듀서는 어느 한 공정에서 센서 트랜스듀서와 함께 만들어질 수 있기 때문이다. 이러한 세척 작용 트랜스듀서는 상기 센서 표면에 직접 작용하며 종래의 센서 어레이에 비해 설치 공간이 필요없거나 단지 약간 더 많아질 뿐이다.
이들 및 본 발명의 선호되는 다른 구성들의 다른 특징들은 종속항을 포함하여 청구항 외에도, 상세한 설명 및 도면 외부로부터 도출되며, 상기 개별 특징들 각각은 본 발명의 실시예에서 그리고 다른 분야에서 독자적으로 또는 하위 결합(sub combination)의 형태인 여러 특징들로 실현될 수 있으며, 보호를 청구한 양호한 및 보호가능한 실시들을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 방법의 실시를 위한 센서 어레이의 실시예가 도면을 참조로 설명된다.
도 1에는 부분적으로 절개한 센서 어레이(1)가 도시되어 있으며, 여기에서 측정 액체(measuring liquid)는 그 밀도와 점도를 판정하기 위해 화살표(4)에 따라 입구(2)로부터 출구(3)로 흘러간다. 본 발명의 센서 어레이(1)의 주된 구성요소는 압전 소재로 이루어진 한쪽이 연마 가공된 기판(5)이며, 이 경우 수평 편파된 탄성 전단 모드가 센서 기본 소자(sensor basic component)에 의해 여자되어 전파될 수 있다. 기판 소재로서 Y-회전된 수정, 몇개의 리튬니오베이트 및 리튬탄탈레이트와 그에 상응하는 극성을 가지는 압전 세라믹들이 적합하다.
상기 기판(5)에서 극성을 가지는 표면에 도 2를 이용해 상술되는 금속 교차지 트랜스듀서(6: metallic interdigital transducer; IDTs)로 이루어진 장치가 위치한다. 이 교차지 전극(6)은 예를 들어, 알루미늄, 티탄, 크롬, 금 또는 백금으로 이루어지고 상황에 따라서는 실리콘 접착층에 위치하여 표면 탄성파의 발생 및 검출에 이용된다.
또한, 도 1에 따른 실시예에서 기판(5)의 표면상에 상기 IDT(6)가 있는 기본 소자들 옆에 또는 그 사이에 구불구불한 형상의 박막 온도 저항(15)이 배열되어 있는데, 이는 특히, 그 점도가 상당히 온도 의존적이므로 온도가 다른 중요한 측정 크기를 나타내기 때문이다. 박막 온도 저항(15)에 대한 소재로서 여기서는 상기 IDT(6)에 대한 소재, 즉 티탄/백금 또는 티탄/백금/티탄이 이용되는 것이 유리하며, 이 경우 상기 접착층은 티탄이 되거나 실리콘이 될 수도 있다.
도 2에는 상기 IDT(6) 중 어느 하나가 상세하게 도시되어 있으며, 핑거형 트랜스듀서(7: finger-shaped transducer)는 입구(9)에서 전압을 통해 여자할 때 파장(8)을 가지는 탄성파(중파)를 발생시킨다. 그러므로 표면 탄성파, 특히 전단파는 화살표(12)에 따라 구멍에서 화살표(11)의 편파 방향으로 발생한다. 여기에 도시되지 않은 실시예에 따르면 핑거형 트랜스듀서(7)는 그 주기 내에서도 2개의 개별 트랜스듀서로 또는 분할 트랜스듀서로 분할되므로, λ/8 트랜스듀서가 발생한다. 전기 주기(electric periode)와 기계 주기(mechanical periode) 사이에 계수 2가 존재하므로, 내부 반사 또는 소위 트리플-트랜짓-에코(triple-transit-echos; TTE)의 제거 또는 적어도 그의 감소가 달성될 수 있다.
도 3에는 앞서 설명한, 표면을 따라 전파되는, 수평 편파되는 전단파가 측정에 이용되도록 상기 기판(5)에 배열되는 센서 트랜스듀서로서 교차지 트랜스듀서(6)의 어레이가 도시되어 있다. 여기에서 90°만큼, 또는 이용되는 웨이브 모드의 전파 방향에 상응하는 다른 각도로 회전되어 있는 다른 교차지 트랜스듀서(20)가 제공되며, 이것은 새지털 편파된 웨이브 모드의 여자를 위해 화살표(21)에 따른 전파 방향으로 이용되고 세척 작용 트랜스듀서로서 작용한다. 이 세척 작용 트랜스듀서(20)는 센서 트랜스듀서로서 작용하는 교차지 트랜스듀서(6)와 같은 상기 기판(5)의 마스크 평면에 위치한다.
그러므로, 도 3에 상응하게 상기 센서 트랜스듀서(6)의 양측에, 센서 전체 길이에 걸쳐 있는 세척 작용 트랜스듀서(20)가 배열될 수 있다. 상기 트랜스듀서(20)에 의해 여자되는 새지털 편파된 탄성 웨이브 모드들이 그 표면에서 화살표(21)를 따라 전파되고 초음파 에너지를 그 위에 위치하는 액체에 전송한다. 상기 세척 작용 트랜스듀서(20)의 트랜스듀서 주기와 상기 두 세척 작용 트랜스듀서(20) 사이의 간격 사이의 비율은, 센서 표면 전체에 세척 효과에 대한 충분한 에너지가 이용될 수 있도록 선택된다.
도 3에 따른 어레이의 특정 장점은 세척 작용 트랜스듀서(20)가 센서 트랜스듀서(6) 또는 그 전파경로를 가지는 활성 센서 표면의 영역에 위치하지 않는다는 것이다. 그러므로 상기 세척 작용 트랜스듀서(20)를 가지는 센서 소자는 도 3에 도시된 것처럼 지연선(delay line: 도시되지 않음)이나 공진기로서도 실현될 수 있다. 그 대신에, 상기 두 세척 작용 트랜스듀서(20)는 임피던스 정합을 개선하기 위해 본원에는 도시되지 않은 더 작은 트랜스듀서로 분할될 수 있다.
도 4에 도시된 제 2 실시예에서 하나 또는 다수의 세척 작용 트랜스듀서(20)가 상기 센서 트랜스듀서(6)들 사이에서 직각 방향으로 직접 지연 구간에 배열된다. 이러한 배열의 장점은 도 3에 따른 배열에 비해 세척하려는 표면에 대해 그 효과가 더 직접적이고 설치 공간의 필요성이 작다는 것이다. 도 3과 도 4에 따른 두 실시예에 있어서 세척 효과를 지원하기 위해 본원에는 도시되지 않은 음향학적으로 박형인, 트랜스듀서(6, 20) 위에 위치하는 접착성을 감소시키는 층이 예를 들어, 테프론 또는 IDT(6)의 보호를 위해 화학적으로 불활성인 다른 소재로 이루어진다.
도 5에는 러브 모드파의 적용을 위해 트랜스듀서(6, 20) 위에 웨이브 가이드 층(30)이 배열되어 있는 도 4에 따른 장치의 단면도가 도시되어 있다. 도 6에 따른 단면도에서는 보다 박형인 하나의 보호층(31)이 상기 트랜스듀서(6, 20) 위에 놓여 있는 경우에서 누설파 또는 SSBW-파의 적용을 위한 실시예가 도시되어 있다.
도 7에는 SH-APM-센서를 가지는 센서 어레이의 실시예가 도시되어 있으며, 이 경우 기판(22)의 2개의 표면 사이에서 여러번 반사되는 전단파(비교 화살표 23)가 센서 트랜스듀서(6)에 이용된다. 이 경우 도 1에 따른 실시예와의 차이점으로는 상기 센서 트랜스듀서(6)가 기판(22)에서 측정 매체의 반대쪽에 있는 표면에 위치한다는 것이다. 여기에서 상기 기판(22)의 측정 표면에서 세척 효과를 얻기 위해, 도 8에 따르면 측정 매체 안에 위치하는 측정 구간 옆에, 그리고 도 9에 따르면 그 위에 하나 또는 다수의 세척 작용 트랜스듀서(24)가 새지털 편파를 가지는 웨이브 모드를 여자하기 위해 제공된다. 이 세척 작용 트랜스듀서(24)는 여기에서도 예를 들면, 임피던스를 이유로 다수의 작은 트랜스듀서로 분할될 수 있다. 또한, 도 7에 따른 세척 작용 트랜스듀서(24) 위에 접착성을 줄이는 층(25) 또는 보호층이 제공될 수 있다.

Claims (10)

  1. 센서 기본 소자에서 음향 전기 트랜스듀서(6)를 이용해 설정된 웨이브 모드를 가지는 표면 탄성파가 발생 및 검출되며 전파경로를 따라 전파 작용으로부터 측정 매체의 물리적 특성에 대한 크기가 산출되는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 측정 매체가 위치하는 센서 기본 소자의 표면 영역에서 새지털 편파된 표면파가 발생되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 매체로 적셔지는 표면의 세척을 위해 새지털 편파된 표면파가 특정 세척 공정에서 이용되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 매체로 적셔지는 표면의 세척을 위해 새지털 편파된 표면파가 센서 어레이의 동작중에 이용되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음향 전기 트랜스듀서가 기판(5)에 배열된 IDT(6)로 형성되고 그 핑거형 트랜스듀서는 필요한 웨이브 모드가 적절한 공진기 주파수로 발생될 수 있도록 형성되며, 측정을 위해 음향 전기 트랜스듀서로서 센서 트랜스듀서가 제공되고 상기 센서 트랜스듀서(6)의 전파경로 내에 세척 작용 트랜스듀서(20; 24)가 제공되며, 상기 새지털 편파된 웨이브 모드는 제 1 전파경로에 대해 90° 각도로 또는 웨이브 모드의 전파 방향에 일치하는 다른 각도로 회전되어 전파하는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 세척 작용 트랜스듀서(20)는 센서 트랜스듀서(6)들 사이로 연장되어 있는 전파경로 양측에 배열되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 하나 이상의 세척 작용 트랜스듀서(20)는 지연 구간으로서 작용하는 전파경로 안에서 센서 트랜스듀서(6)들 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항 에 있어서, 상기 기판(22)은 SH-APM-센서의 구성요소로서 형성되어 있으며, 상기 센서 트랜스듀서(6)는 기판(22)에서 상기 측정 매체의 반대쪽에 있는 표면상에 배열되고, 상기 세척 작용 트랜스듀서(24)는 기판(22)에서 측정 매체로 적셔지는 맞은 편 표면상에 배열되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 세척 작용 트랜스듀서(20; 24)는 측정 매체에 대해 접착성을 줄이는 층(25)을 구비하는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세척 작용 트랜스듀서(20; 24)는 임피던스 정합을 위해 일정수의 작은 트랜스듀서로 분할되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(5; 22)상에서 측정 매체를 향하는 쪽에 센서 트랜스듀서 및 세척 작용 트랜스듀서(6, 20; 24)와 동일한 소재로 이루어진 하나 이상의 온도 센서가 배열되는 것을 특징으로 하는 음향 전기 센서 어레이를 동작시키기 위한 방법.
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