KR20030029161A - 최적의 재료로 이루어진 유체 유동 및 특성 측정용의강건한 마이크로센서 - Google Patents
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Abstract
필요한 물리적 구조 및 열적 특성을 갖고 열악한 환경 조건에서 유체 유동 및 특성을 측정할 수 있는 강건한 센서가 개시된다. 센서 다이는 센서의 포화를 방지하는데 필요한 열전달 특성을 제공하도록 맞추어진 열전도도를 갖는 재료로 구성되어, 이전에 실리콘 기반 센서에서는 유용하지 않은 고압 및 종종 열악한 환경에서 높은 질량 플럭스 기류 및 유체 특성을 측정할 수 있다. 강건한 센서는 이면 전기 연결을 위한 내부 비아(via)를 더 구비하므로, 측정에서의 전기적 기계적 간섭을 방지한다. 결합된 이러한 모든 특징은 열악한 환경에서 넓은 동적 영역에서 안정되고 신속한 응답 동작을 할 수 있는 마이크로센서를 제공한다.
Description
미국특허 제5,401,155호에 기재된 것과 같은 열린 미세 브리지 구조(open microbridge structure)들은 내파열성이 있으므로 큰 압력 변동 여부에 관계없이 청결한 가스의 측정에 매우 적합하다. 하지만, 미세 브리지 구조의 열린 특징에 기인하여, 증기의 응축물이 미세 브리지 구조에 제어 불가능하게 존속하여 열적 반응 또는 출력을 변화시키므로, 구조는 출력 오류를 갖고 안정성이 열악해질 수 있다.
전형적인 미세 브리지 구조는 상면이 헤더 또는 기판에 접합되고 추가의 전기 리드 및/또는 전자소자를 지지하는 실리콘 다이 와이어를 구비한다. 와이어 접합을 위한 이와 같은 와이어는 통상 1밀(mil)의 금선이다. 이러한 와이어는 유체 내에 부유하는 입자를 유지하고, 액체 응축물을 유지하고, 탐탁지 않은 난류를 증가시키며 유동 응답을 변화시키는 경향이 있다. 또한, 와이어는 얇기 때문에 높은 유체 유량과 같은 높은 질량 플럭스에서, 그리고 센서를 세정하려 할 때 손상될 수 있다.
막에 기반한 센서는 유체에 노출된 개구가 없기 때문에 미세 브리지 구조의 일부 문제점을 극복한다. 보다 명확히는, 유체가 하부 구조에 진입할 수 있는 개구가 없다. 하지만, 막은 격리 공기 공간 위에 밀봉되고 차압에 의해 유도된 스트레스 신호 오류를 쉽게 가지므로, 막 기반 센서는 고압 용례에서 그 적용이 제한된다. 막의 물리적인 구성에 기인해, 막 기반 센서는 (막의 어느 한 쪽 면에서의) 압력차가 (높은 질량 플럭스 환경에서 일어날 가능성이 매우 높은 압력 수준인) 100PSI를 초과해 증가하면 변형되거나 파열된다. 또한 막 기반 센서 상면의 가열/감지요소는 다른 구성요소에 통상 와이어 본딩되어 유동 통로 내의 와이어가 부스러기를 모아 세정시 부서질 수 있는 문제를 남긴다.
다수의 상이한 재료를 사용하여 유체 유동 센서를 제조할 수 있지만, 재료의 선택은 센서의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 센서 기판을 구성하는 바람직한 재료는 다른 특성들 중에서 비교적 낮은 열전도도를 갖는다. 이러한 낮은 열전도도는 센서의 감도를 유지하는데 필요하다. 이와 같이 비교적 낮은 열전도도에 있어서, 다양한 감지요소에 가해지는 모든 가열/냉각은 감지될 유체에 의해 주로 발생한다. 다시 말하면, 열이 기판을 통해 과도하게 전달되어 신호 단락을 일으키지 않도록 하는 것이 중요하다. 전술한 미세 막 구조는 (부유 입자가 있는 응측 증기 등의) 열악한 환경에서 정밀한 열측정이 이루어질 수 있게 하는 설계 방안을 제공한다. 명확히 말하면, 히터/감지요소 바로 아래의 실리콘의 질량은 현저하게 감소되거나 제거되어 잠재적인 열손실을 제한한다. 하지만 이 구조에서도, 재료의 선택은 매우 중요하며, 낮은 열전도도 및 적절한 재료 강도는 여전히 매우 중요하다. 이 구조는 감지요소에 스트레스를 일으켜 출력 신호 변화 또는 오류를 제어할 수 없게 하는 (막에 걸친) 차압에 민감하다는 것이 단점이다.
앞서 참조한 열적 특성 외에도, 전체 유동 센서는 화학적 비활성, 내식성, 높은 온도 안정성, 전기 절연성 및 생체 친화성을 갖는 것이 매우 바람직하다. 이들 특성의 상당수는 적절한 재료 선택에 의해 달성되는 것이 명백하다. 또한, 이들 바람직한 특성은 센서 동작 환경의 견지에서 필요하다. 선택된 재료는 열악한 환경에서 동작할 수 있는 센서를 제공해야 한다.
따라서, 앞서 참조한 문제에 영향을 받지 않는 유동 센서를 개발하는 것이 바람직하다. 특히, 바람직한 센서는 미세 브리지 아래의 증기 축적에 의해 영향을 받지 않고, 가열 및 감지요소 부근에서 본딩 와이어에 노출되지 않는다. 바람직한 센서는 구조적으로 강건하므로 열악한 환경에서 동작할 수 있다. 또한, 신호 단락의 영향을 받지 않음으로 높은 질량 기류 및 액체 흐름을 감지할 수 있는 유동 센서를 개발하면 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 바람직한 유동 센서는 비교적 낮은 열전도도, 높은 온도 안정성, 높은 전기 절연성, 내식성, 화학적 비활성 및 생체 친화성을 갖는 강건한 기판 또는 다이를 포함한다. 그와 같은 구조로 설계되면, 고압에서 넓은 범위에 걸쳐 유량 및 열적 특성을 감지할 수 있다. 더욱이, 이러한 구조는 열악한 환경에서 고장 없이 동작하도록 적절한 비용으로 제공될 수 있다.
본 출원은 "강건한 유체 유동 및 특성 측정용 마이크로센서(Rugged Fluid Flow and Property Microsensor)"라는 명칭으로 1998년 12월 7일에 출원된 미국특허출원 제09/207,165호와, 1999년 1월 28일 출원된 미국특허출원 제09/239,125호의 일부계속출원으로 "마이크로센서 하우징(Microsensor Housing)"이라는 동일한 명칭으로 1999년 8월 5일 출원된 미국특허출원 제09/368,621호의 일부계속출원이다.
본 발명은 미세구조 형태로 실행되는 유체 유동 센서와 같은 여러 유체 온도 센서에 관한 것이다. 이하 편의상 "유동 센서"라는 용어로 이들 온도 센서를 통칭할 것이다. 독자는 이들 센서가 온도, 열전도도 및 비열과 같은 고유한 특성을 측정하도록 사용되고 강제 또는 자연 대류를 통해 열전달이 이루어 질 수 있음을 이해할 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 구조적으로 강건하여 열악한 환경에서 동작할 수 있는 중앙 가열요소 및 주변 센서를 갖는 마이크로브릭(Microbrick)TM또는 미세입자형(microfill type)의 센서에 관한 것이다. 이들 마이크로브릭TM또는 미세입자 센서는 웨이퍼 관통형(through-the-wafer) 연결을 통해 환경 손상 또는오염에 대해 매우 낮은 민감성을 제공한다. 센서 지지구조의 재료는 용도에 맞추어진 열전도도를 가짐으로써 열악한 환경에서 고감도 또는 높은 질량 플럭스 유체 유동(mass flux fluid flow) 측정에 요구되는 더욱 유용한 다용도 센서를 제공한다.
도면과 연계되는 바람직한 실시예의 설명을 통해 본 발명을 더욱 충분하고 완전하게 이해할 것이다.
도 1은 미세 막 히터 및 감지요소를 나타내는 마이크로센서 다이의 평면도이고,
도 2는 기판 구조를 포함하는 본 발명에 따른 조립된 유체 유동 센서의 횡단면도이고,
도 3은 마이크로센서 다이와 기판의 더욱 상세한 도면이고,
도 4는 다른 실시예에 따른 충전부가 있는 마이크로센서 다이 구조의 횡단면도이고,
도 5는 또 다른 실시예에 따른 플러그를 사용하는 마이크로센서 다이 구조의 횡단면도이며,
도 6은 한 유형의 유리 기반의 센서에 요구되는 이면 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 (감지요소 아래에 실질적으로 중실형인 구조를 갖는) 마이크로브릭TM또는 미세입자 구조와 웨이퍼 관통형 전기 상호연결부를 갖는 미세 구조 유동센서에 관해 상세히 개시한다. 본 구조에 의해 제공되는 다수의 이점 가운데, 열악한 환경을 비롯한 많은 상이한 용례에서 정밀하게 동작할 수 있는 강건한 센서가 안출될 수 있다.
상기 센서는 적절한 전기 절연을 제공하도록 히터 및 센서 요소 상부에 배치되는 평판하고 패시베이션되는 상면을 구비한다. 또한, 웨이퍼 관통형 상호연결을 갖는 다이는 전술한 부수적인 문제를 갖는 본딩 와이어의 필요성을 제거한다. 넓은 범위의 압력 수준에 견디고 열악한 환경에서 동작하기 위해, 다이 구조는 매우 강건하게 구성된다. 다이는 열전도도가 매우 낮은 재료로 구성됨으로써, 원치 않는 열 신호 단락의 가능성을 제거한다. 예컨대, 다이는 다양한 유리 재료, 알루미나 또는 이들의 조합을 이용하여 제작될 수 있다.
다이는 소정 개수의 접착제에 의해 적절한 열팽창계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)를 갖는 기판에 부착된다. 열압축 접합, 솔더 범핑(solder bumping), 전도성 접착제 등에 의해 전기 접점을 형성한다. 바람직하게, 기판 관통형 전기 접점의 말단은 센서의 추가의 전자소자에 대한 부착을 위해 필요한 전기 전도성 마디(run)가 된다. 이에 따라, 추가의 소자에 대한 상호연결이 용이해 질 수 있다.
유체 배리어를 다이의 바닥에 제공하고 이면 접점에 대한 접근을 방지하도록 이면 충전 밀봉을 제공하기 위해, 기판은 다이와 짝지어진 표면에 패시베이션층을 추가로 구비한다. 산화규소층 및 질화규소층 양쪽은 다이를 구성하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 모든 유체 유동 용례에서 고장이 없는 확실한 유용성에 의해 사용자에게 이득을 줄뿐만 아니라 용이하게 제작되고 세정 유지보수가 용이해진다.
높은 질량 플럭스 감지 동작을 수행하는 능력은 센서의 물리적 특성에 크게 좌우된다. 이들 높은 질량 플럭스 감지 상황에서 동작할 수 있는 센서를 형성하기 위해 다이 기판은 열전도도가 낮아야 한다는 것이 가장 중요하다. 열전도도가 최소화됨으로써, 센서 가열/냉각 효과와의 간섭은 최소화되고 감지 능력이 강화된다. 특히, 다이 기판 재료의 특징에 의해 적절한 열전달 경로를 제어하여 다이 기판을 통해 히터로부터 센서로 열이 전달되는 것을 방지한다. 다양한 재료가 이러한 특징을 제공할 수 있다. 역사상 미세 브리지 센서 칩의 질화규소는 특정 수준의 열전도도를 제공하도록 사용되어 왔으며, 한편 용이하게 제조된다. 하지만, 취성 때문에 열악한 환경에서 사용하기 어렵다.
원하는 특징을 나타내는 더 최적의 재료는 유리이다. 하지만, 유리는 용이하게 미세 가공되지 않았기 때문에 이전에는 사용되지 않았다. 다른 가능한 기판 재료는 알루미나로, 전자소자 패키지 작업에 널리 사용되며 여러 바람직한 특징을 갖는 기판으로 기능하도록 가공될 수 있다. 하지만, 한가지 바람직하지 못한 특징은 열전도도가 높아 센서 칩의 감도를 심하게 감소시킨다는 점이다.
감광성 유리 및 내열유리(pyrex)를 포함하는 유리 재료가 최근 개발됨으로써 미세 가공이 극히 효과적으로 이루어질 수 있게 되었다. 따라서, 이러한 재료는 미세 가공된 유동 및 특성 센서를 위한 다이 기판의 대안을 제공할 수 있다. 본 발명은 최적화된 물리적 특징을 갖는 유동 및 특성 센서를 제조하도록 (감광성 유리, 용융 실리카 등의) 유리 또는 알루미나 재료의 특징을 이용한다. 유리 기반의센서를 마이크로브릭TM또는 미세입자 구조로 제공하면, 유체 특성 또는 높은 질량 플럭스 유체 유동을 감지하기 위한 센서로서, 압력-스트레스 유도된 오류 신호가 없는 강건한 센서를 제조할 수 있다.
최근의 유리의 발전에 기인하여, 이 재료를 다이 기판으로 사용하면 구조적 가공의 필요성의 정도를 감소시킨다. 더욱 구체적으로, 기판은 실질적으로 중실형인 구조를 갖는 마이크로브릭TM또는 미세입자 구조로 제조될 수 있다. 이러한 유형의 센서 다이에서, 가열 및 감지요소는 기판상에 직접 배치되며 이들 요소 아래에는 어떠한 추가의 공정 또는 구성 작업도 필요치 않다. 따라서, 기판은 그 자체가 감지요소 아래에 연속되어 더욱 강건한 센서 다이를 형성한다. 유리 기판 재료의 특징에 의해 마이크로브릭TM구조는 열악한 환경에서 효과적이다.
이와 달리, 플러그형 구성을 이용하여 동일한 마이크로브릭TM구조를 달성할 수 있다. 이 방안에 따르면, 기판 재료는 가열 및 감지요소 아래의 구멍 또는 이들 요소를 완전히 관통하는 개구를 포함한다. 이어서 구멍은 적절한 재료의 충전재 또는 플러그로 재충전되어 미세입자 구조(고체 재료로 충전된 미세 구멍)를 형성한다. 기판을 적절한 충전재 또는 플러그와 결합시키면, 마이크로센서 다이의 열적 특성을 효과적으로 맞출 수 있다. 예컨대, 기판은 주로 알루미나로 제조되고 유리 플러그를 포함할 수 있다. 이어서, 가열요소는 플러그 요소상에 직접 배치됨으로써 필요한 열적 특성을 제공한다.
바람직한 실시예를 기재함에 있어서 유사한 구성요소는 유사한 참조번호로 지시한다.
도 1을 참조하면, 유체 유동 센서 다이(21)는 본체(13)를 포함한다. 본체(13)상에는 중앙 가열요소(19)를 둘러싸는 센서 요소(15, 17)가 증착되며, 전체가 백금과 같은 적절한 금속으로 이루어진다. 이러한 유형의 미세 구조 유체 유동 센서를 동작시키기 위한 장치 및 이론은 당업계에 알려져 있으므로 본 명세서에서 더 부연하지 않는다. 편의상, 이러한 구조를 전술한 바와 같이 "유동 센서"로 통칭할 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유동 센서는 적절한 열팽창계수(CTE)를 갖는 기판(23)에 접합되는 마이크로센서 다이(21)를 포함한다. 기판(23)용 재료는 알루미나, 멀라이트 또는 적절한 열팽창계수를 갖는 공지된 인쇄회로기판 재료를 포함한다. 감지 장치의 상면을 더욱 평탄화하고 유체 유동에 대한 저항과 입자 또는 응축물이 끼일 수 있는 틈을 최소화하기 위해, 마이크로센서 다이(21)를 둘러싸도록 상부 층 또는 깔개(25)가 기판(23)상에 배치된다. 상부 깔개(25)는 에폭시층, 모재, 또는 전술한 목적을 수행하는 소정의 적절하게 구성되고 배치되는 증착물 또는 구조층으로서 실행될 수 있다. 잠재적인 먼지 및 증기 트랩을 제거하도록, 기판(23), 다이(21) 및 상부 깔개(25) 사이에 적절한 에폭시 등으로 조인트를 추가로 밀봉하거나 평탄화할 수 있다.
도시된 바와 같이, 마이크로센서 다이(21)는 전기 전도체, 바람직하게는 금, 크롬/금 합금, 또는 크롬/금/팔라듐 합금으로 집합적으로 충전되고 복수의 전기 비아(electrical via, 29)로서 작용하는 관통공이 있는 본체(13)를 구비한다. 상호연결을 위한 방법으로 도시된 바와 같은 관통공을 사용하면, 유동 센서에는 다수의 장점이 제공된다. 특히, 어떠한 와이어 본드도 마이크로센서 다이(21)의 상면으로부터 상향 연장되지 않는다. 따라서, 감지되는 유동과 간섭하는 구조가 없게 된다. 기대되는 바와 같이, 이것은 난류를 제거하고 특정한 접합 구조상에서 스트레스를 피하게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 기판(23)은 알루미나, 멀라이트, 또는 마이크로센서 다이(21)에 적절하게 조화되는 열팽창계수(CTE)를 갖는 다른 공지의 재료로 이루어진 기판 본체(55)를 구비한다. 실리콘 마이크로센서 다이(21)와 짝지어지는 기판 구조(23)의 상면에는 열압축 솔더 범프 본드(51)가 위치된다.
실리콘은 복수의 널리 공지된 실리콘 공정 기술을 이용해서 용이하게 처리/가공될 수 있기 때문에 종종 매우 효과적인 마이크로센서 본체로 여겨진다. 매우 높은 질량 플러스 유체 유동 감지 및 높은 압력 적용과 같은 특정 용례에서, 미세 마루(microridge) 또는 미세 막과 같은 실리콘에 지지되는 구조는 특정한 단점을 갖는다. 특히, 실리콘의 단열 특징은 센서가 실리콘에 직접 조립되면 센서의 구조 및 동작 특징을 제한한다. 이러한 열적 특성을 처리하기 위해, 실리콘 기반 센서의 마이크로센서 본체는 미세 막형 구조로 형성되어 히터 및 감지 요소 아래의 열질량(thermal mass)을 제한하게 된다. 이는 실리콘 기반 센서의 물리적 강도를 명백하게 제한한다. 또한, 이러한 미세 막 구성은 출력 신호가 높은 플럭스 수준에 도달하기 전에 포화하기 때문에 높은 질량 플럭스를 감지하기에는 적절하지 않다.
열악한 환경에서 효과적으로 동작하기 위해, 유동 센서는 구조적으로 강건해야 한다. 전술한 바와 같이, 100PSI 부근에서 파열되는 막 구조는 강건한 센서를 형성하는데 필요한 구조적 특성을 나타내지 못한다. (고압 펄스, 초음파 세정 및 수격과 같은) 압력원에 기인하는 고압에 견딜 만큼 충분히 강건한 센서가 요구된다. 높은 질량 플럭스 유량을 감지하기 위해, 소정의 열전도도를 갖는 기판 재료를 갖는 것이 필요하다. (막의 경우에서와 같이) 열전도도가 너무 낮으면 출력 신호가 낮은 플럭스(-1g/cm2s)에서 포화되지만, 너무 높으면 출력 신호가 너무 작게 된다. 특정한 유리 재료는 (실리콘보다) 더 좋은 단열 특징을 제공하여 전술한 미세 기계적 유동 및 특성 센서의 감지 능력을 증가시킨다. 또한 유리를 사용하면 더욱 강건한 물리적 구조를 이룰 수 있다. 또한, 감지요소는 패시베이션층에 의해 보호되므로 증기 및 액체에 대한 민감성을 감소시킬 것이다. 이들 다양한 특성에 따라 여러 용례에서 사용될 수 있는 보다 다용도의 센서가 가능하다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 특정한 기술은 유리 기반의 기판의 효과적인 미세 가공을 제공한다.
도 3을 참조하면, 유리 기반의 기류 또는 유체 유동 센서를 위한 더 상세한 구조가 도시된다. 유리를 마이크로센서 본체 재료로 사용하면 센서의 능력을 강화하는 여러 특성이 제공된다. 이들 특성은 (1) 웨이퍼 관통 접점을 위한 자동 전기 절연, (2) 실리콘보다 낮은 열전도도, (3) 액체를 감지하기 위해 압력 펄스를 견디는데 필요한 환경 견고성, 및 (5) 구조적으로 강건한 센서 본체 구성을 사용하는 능력을 포함한다. 더욱이, 유리 기반의 센서는 화학적 비활성, 내식성 및 생체 친화성을 위한 모든 조건을 충족시킨다.
전술한 바와 같이, 유리는 다수의 접점 사이에 고유한 전기 절연을 제공한다. 이는 적은 절연성을 갖도록 성장된 더 고가의 실리콘 웨이퍼를 사용하지 않는다면 기판상에 산화규소막을 형성해야만 전기 절연이 달성되는 실리콘 기반의 센서와 비교된다. 이는 하나의 재료층과 하나의 필요한 공정 단계를 명백하게 제거한다. 산화물의 성장 단계는 시간이 많이 걸리고 상당히 고온에서 이루어지므로 이는 특히 유리하다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 유리 기반 센서 다이(121)의 횡단면도가 도시된다. 본 발명의 센서를 유리 기반 센서로 통칭하지만, 다른 적절한 물리적 특징을 갖는 다른 재료도 역시 사용할 수 있다. 예컨대, 센서 다이(121)를 형성하는 모재로 알루미나를 사용할 수 있다. 이들 다른 재료는 본 발명의 범위 및 사상에 속한다. 유리 본체(110)가 센서 다이(121)를 형성하는 기반으로 사용된다. 유리 본체(110)의 상면에는 질화규소(Si3N5)의 층(112)이 증착되고, 이 질화규소층(112)은 패시베이션 및 구조적 기능을 수행한다. 상기 패시베이션층(112) 위에는 전술한 바와 유사하고 당업자에 널리 공지된 히터 요소(114) 및 센서(116)가 구성된다. 이들 가열요소 및 감지요소는 백금과 같은 다양한 재료로 제작될 수 있다. 보호 패시베이션 코팅으로 작용하는 상부층(118)이 구조체의 전체 상면을 덮는다. 상부층(118)은 통상 질화규소(Si3N5)이다.
전술한 센서와 유사하게, 유리 본체(110)는 자신을 관통하는 복수의 전기 비아(129)를 갖는다. 이들 전기 비아는 통상 유리 본체(110)에 형성되는 구멍이며, 유리 본체(110)의 이면(120)에 대한 상호연결을 제공한다. 또한, 전기 비아는 감지 시스템의 추가의 요소에 대한 전기 연결을 가능하게 한다. 이들 전기 비아(129)의 제조는 도 4를 참조하여 이하 더 충분히 설명한다.
전기 비아(129) 내부에는 전기 전도 연결 재료(131)가 배치되어 실제 히터(114)와 센서(116)에 전기 연결을 제공한다. 이들 연결에 사용되는 재료는 유리 본체(110)의 열팽창 특성에 밀접하게 조화되도록 선택된다.
또한, 기판(123)은 마이크로센서 다이(121)의 이면에 부착되도록 형성된다. 기판(123)은 유리 기판(110)의 열적 특성과 밀접하게 조화되도록 선택된 재료로 제조되는 기판 본체(155)를 포함한다. 예컨대, 기판(123)은 코바(kovar)-시일 글래스, 알루미나, PCB 등일 수 있다. 기판 본체(155)의 상면에는 복수의 금속 접점(170)과 함께 글레이징층(glazing layer, 160)이 배치된다. 추가의 구성요소에 적절한 전기 연결을 제공하도록 다양한 관통공 또는 비아(180)가 기판 본체(155)에 제공될 수 있다.
동작 가능한 센서를 제공하기 위해, 센서 다이(121)는 모든 적절한 전기 연결이 적절하게 정렬되도록 기판(123)에 부착된다. 이와 같은 부착은 열압축이나 솔더 범핑 또는 z-축 접착제(z-axis adhesive)와 같은 다른 적절한 부착 기구를 통해 용이하게 달성될 수 있다.
유리 본체(110)는 실질적으로 중실형인 블록 재료임을 알 수 있다. 즉, 유리 본체(110)에는 센서 다이(121)에 부착된 구성요소에 전기적 상호연결을 제공하는 기존의 전기 비아(129) 이외에 다른 개구나 구멍이 없다. 가장 두드러지게는, 히터(114)와 감지요소(116) 바로 아래의 유리 본체(110)의 영역은 실질적으로 중실형이다. 이 구성은 극히 용이하게 제조되는 구조를 제공하며 필요한 공정 단계를 최소화시킨다고 할 수 있다. 이 유형의 구조는 본체(110)를 위해 선택된 재료의성질에 기인해 효과적으로 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는, 낮은 열전도성을 갖는 유리 기반 재료를 활용하여, 동작 가능한 유체 유동 센서를 제작할 수 있다. 통상 마이크로브릭TM으로 참조되는 이 유형의 구조는 매우 강건하고 환경적으로 견고한 센서를 제공한다. 이 센서는 고압 수준에 파열되지 않고 견딜 수 있다는 점이 가장 중요하다.
전술한 바와 같이, 유리 본체(110)용의 적절한 재료를 사용하면, 마이크로브릭TM구조를 달성할 수 있다. 대체로, 이러한 구조는 실리콘이 기판 재료로 사용되면 높은 열전도도에 기인하여 양호하게 작동하지 않는다. 따라서, 실리콘에서, 열전달 통로가 기판 재료 자체를 통해 너무 쉽게 형성되어 통상 낮은/신호 출력을 초래한다. 전술한 바와 같이, 이렇게 되면 감지요소(116)의 감도가 히터(114)에 대해 감소되므로 유체 유동 감지를 위해서는 극히 바람직하지 못하다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시된다. 이와 같이 수정된 미세 막 구성에서, 마이크로센서 다이(221)도 역시 유리 본체(210)에 기반한다. 도 3에 도시된 실시예에서와 같이, 패시베이션층(112)이 유리 본체(210)의 상면 바로 위에 증착된다. 이 패시베이션층 위에 히터(114)와 한 쌍의 감지요소(116)가 제작된다. 감지요소와 다른 모든 적절한 구성요소 사이에 전기적 상호연결을 제공하는 상면 상호연결부(119)가 포함된다. 보호층(118)이 이들 요소{히터(114), 감지요소(116) 및 상호연결부(119)}의 상부에 코팅된다.
유리 본체(210)는 히터(114)와 감지요소(116) 아래에 중앙 충전부(212)를 포함함을 알 수 있다. 본 실시예에서, 충전부(212)는 히터(114)와 감지요소(116) 사이에 추가의 단열을 제공하여 마이크로센서 다이(221)의 동작을 더욱 강화한다. 전술한 바와 같이, 유리 본체(210)용으로 선택된 유리 재료는 실리콘보다 더 많은 장점과 보다 좋은 단열을 제공한다. 하지만 유리는 모든 재료가 사실상 그러하듯이 약간의 열전달 특성을 갖는다. 전술한 바와 같이, 통과 가열(transit heating)의 영향은 유리보다 더 우수한 열전도 특성을 갖는 충전부(212)의 재료를 활용함으로써 추가로 감소시킬 수 있다. 따라서, 히터(115) 및 감지요소(115)에 바로 인접한 전체 구조는 매우 낮은 열전도 특성을 갖는다. 따라서, 높은 질량 플럭스 유체 유량 조건에서 센서의 감도는 크게 증가된다.
도 5를 참조하면, 마이크로센서 다이(321)의 또 다른 구성이 도시된다. 이러한 특정 구성에서, 마이크로센서 다이(321)는 도 4에 도시된 유리 본체(210)와 다소 유사한 구성의 본체(310)에 기반한다. 하지만, 이 예에서, 본체(310)는 유리, 실리콘 또는 알루미나 양쪽을 포함하는 다른 재료로 제조될 수 있다. 마이크로센서 다이(321)의 열적 특성을 추가로 맞추기 위해, 적절한 구성의 플러그(312)를 활용한다. 플러그(312)는 완전히 또는 전적으로 본체(310)를 통해 연장하며, 원하는 열적 특성을 갖는 재료로 선택된다. 히터(114)와 감지요소(116)는 플러그(312) 바로 위에 구성되는 것을 알 수 있다. 예컨대, 본체(310)는 알루미나로 구성될 수 있으며, 플러그(312)는 적절한 유리 재료로 구성될 수 있다. 이 점에서, 중실 구조가 히터(114)와 감지요소(116) 아래에 유지되며, 열적 특성은 밀접하게 제어된다.
도 5에 도시된 구성은 알루미나 또는 실리콘이 본체 재료로 사용되면 특히 적용 가능하다. 알려진 바와 같이, 알루미나는 널리 공지된 방법에 의해 적절한 구성으로 가공 및 제작될 수 있다. 더욱이, 알루미나는 유리 또는 실리콘보다 화학적 비활성이 더 크다. 따라서, 알루미나만을 사용하는 것은 특정 용례에서 장점이 있다. 더욱이, 알루미나는 온도 저항성이 더 크므로 훨씬 더 높은 온도에 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 적절한 플러그 재료를 사용하면, 필요한 열전도도를 달성하여 원하는 동작 특성을 갖는 열 센서를 이룰 수 있다. 이러한 플러그 또는 미세입자는 센서의 특징을 적절하게 "조절"하거나 맞추도록 다른 재료와 함께 유사하게 사용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 3의 바람직한 센서 다이(121)를 형성하기 위한 이면 공정의 블록 다이아그램이 도시된다. 보다 구체적으로, 도 6은 적절하게 유리 본체(110)를 구성하는데 사용되는 공정을 개략적으로 설명한다. 또한, 유리 본체(110)는 원료의 알몸 블록(bare block)으로 존재한다(1단계). 2단계에서, 유리 본체(110)의 상면에 적절한 형상의 마스크(180)가 배치된다. 마스크(180)는 미세구조 공정에서 통상 사용되는 표준 크롬 재료로 구성될 수 있다.
이어서, 마스크 씌운 기판을 UV 방사선(182)에 노출시킨다. 공지된 바와 같이, UV 방사선은 유리 본체(110)의 마스크 씌운 영역은 접촉하지 않지만, 마스크로 차폐되지 않은 부분에는 영향을 준다. 도 6에 구체적으로 도시된 바와 같이, 마스크는 5개의 원형 개구를 갖도록 구성된다. 따라서, UV 방사선은 이들 원형 영역에서 유리 본체(110)와 충돌할 수 있다.
이어서, 3단계에서, 노출된 영역이 결정화된다. 이 결정화는 유리 본체(110)의 다음 공정을 용이하게 해준다. 더욱 구체적으로, 유리는 UV에 노출된 영역이 식각 가능한 상태가 된다. 4단계에서 실제 식각이 발생하여 UV에 노출된 영역이 제거된다. 이렇게 되면, 유리 본체(110)에 구멍이 형성되고 이어서 다음 공정으로 처리될 수 있다. 이 지점에서, 이면 공정이 완료되고 유리 본체(110)는 다음 공정으로 처리되어 최종적으로 유리 기반의 센서 다이(121)를 형성한다.
도 3을 다시 참조하면, 필요한 전면 공정은 히터(114), 센서(116) 및 모든 적절한 코팅 및 연결부를 형성한다. 더욱 구체적으로, 바람직한 전면 제고 공정은 다음과 같다: (1) 유리 본체(110)의 상면에 패시베이션층(질화규소)(112)을 증착한다. (2) 패시베이션층에 백금을 증착하여 전기 접점 및 센서/가열요소를 형성한다. (3) 백금 코팅을 코팅하고 백금 코팅을 이온 밀링하여 원하는 백금 패턴을 얻는다. (4) 최종적으로, 상부 패시베이션층(118)을 전체 구조에 증착한다.
내열유리(Pyrex)로 구성요소를 제조하기 위해 유사한 공정을 사용할 수 있다. 이들 다른 공정은 기판의 레이저 가공, 화학적 식각 또는 물리적 가공을 통해 필요한 구멍을 얻는다.
본 발명은 많은 장점을 제공하며 바람직한 실시예의 상세한 구조는 무수한 문제에 다수의 해법을 제시한다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 특정한 요소의 고유한 장점들이 선택된 센서 용례에 요망되지 않는 경우 바람직한 실시예의 여러 구조를 유사물로 대신할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 의해서만 한정된다. 이와 같이 기재된 본 발명을 청구한다.
Claims (32)
- 물리적 특성을 감지하는 센서 다이에 있어서,전면과 이면을 갖고, 기판이 상기 전면에서 이면으로 연장된 복수의 개구를 갖는 실질적으로 중실형인 절연성 센서 본체;상기 전면에 연결된 적어도 하나의 감지요소; 및상기 복수의 개구를 채우는 연결 재료를 구비하며,상기 복수의 감지요소는 상기 이면의 대응하는 연결 재료에 전기적으로 연결되고, 상기 연결 재료는 상기 연결 재료의 전기 기판과의 연결을 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지요소는 히터 및 열 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지요소는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지요소는 환경 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지요소는 히터, 제1 열 센서, 및 제2 열 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 센서 본체는 감광성 유리 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 센서 본체는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 센서 본체는 고융점 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 센서 본체는 고절연성 실리콘인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제7항에 있어서, 상기 세라믹은 알루미나인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제8항에 있어서, 상기 세라믹은 용융 실리카인 고융점 유리인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제6항에 있어서, 상기 감광성 유리는 포튜란(Foturan)인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 감지요소는 상기 전면에 코팅된 백금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 실질적으로 중실형인 센서 본체는 제1 및 제2 재료로 이루어지며, 상기 제1 재료는 상기 복수의 감지요소 바로 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제1항에 있어서, 상기 실질적으로 중실형인 센서 본체는 상기 복수의 감지요소 바로 아래에 위치하는 제1 재료로 구성되는 플러그를 포함하며, 상기 플러그는 상기 실질적으로 중실형인 센서 본체의 나머지를 구성하는 제2 재료로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제15항에 있어서, 상기 플러그는 실질적으로 원통형인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제14항에 있어서, 상기 제1 재료는 유리이며, 상기 제2 재료는 알루미나인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 제15항에 있어서, 상기 제1 재료는 유리이며, 상기 제2 재료는 알루미나인 것을 특징으로 하는 센서 다이.
- 감지회로에 부착되도록 구성되어 유체의 물리적 특성을 측정하는 센서에 있어서,실질적으로 중실형인 절연성 센서 본체 및 복수의 감지요소로 이루어지는데, 상기 복수의 감지요소는 기판의 전면에 위치하고 전기 신호가 상기 기판의 이면에 전달될 수 있도록 복수의 다이 비아(die via)와 연결되는, 센서 다이; 및상기 이면과 병렬되게 상기 센서 다이에 부착되고 복수의 기판 비아(substrate via)를 통해 상기 감지요소에 대한 추가 부착을 위해 구성되는데, 상기 기판 비아는 상기 감지회로에 전기 접촉을 허용하도록 상기 다이 비아와 접촉하는, 센서 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 감지요소를 덮는 패시베이션층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제20항에 있어서, 상기 패시베이션층은 질화규소인 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 복수의 감지요소는 히터 및 열 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 복수의 감지요소는 히터, 제1 열 센서 및 제2 열 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 센서 본체는 감광성 유리로 제조되는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제20항에 있어서, 상기 감지요소는 상기 센서 본체의 제1 주요 표면에 코팅되는 백금 구조이며 상기 패시베이션층에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 비아는 상기 전면으로부터 이면으로 연장되는 센서 본체 내의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 센서 본체에 위치하고 상기 다이 비아와 연결되어 상기 감지요소에 적절한 상호연결을 제공하는 복수의 상호연결 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제19항에 있어서, 상기 센서 본체는 상기 감지 요소 아래에 위치하는 제1 재료로 이루어진 플러그 및 상기 기판의 나머지를 형성하고 상기 플러그를 둘러싸는 제2 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
- 제28항에 있어서, 상기 제1 재료는 유리이며 상기 제2 재료는 알루미나인 것을 특징으로 하는 센서.
- 유리 기반의 특성 센서를 형성하기 위한 방법에 있어서,미리 정해진 마스크 패턴을 갖고 미리 정해진 광신호를 선택적으로 차단하는 재료로 구성된 마스크를 이용하여 유리 다이 기판을 형성하는 단계;상기 마스크 씌운 유리 다이 기판에 방사선을 조사하여 상기 유리 다이 기판의 차폐되지 않은 부분을 노광시키는 단계;상기 유리 다이 기판을 어닐링하여 상기 마스크를 제거하고 상기 마스크에 의해 차폐되지 않은 유리 다이 기판의 부분을 결정화시키는 단계;상기 유리 기판의 결정화된 부분을 식각하는 단계; 및상기 유리 다이 기판의 미리 정해진 영역을 전도성 재료로 코팅하여 전기 신호를 위한 전도성 통로를 제공하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 특성 센서 형성 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 식각 공정은 상기 기판의 전면으로부터 상기 기판의 이면으로 연장된 구멍을 제공하는 것을 특징으로 하는 특성 센서 형성 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 구멍은 상기 유리 다이 기판을 통해 전기 접촉 연결점을 제공하는 비아(via)를 구성하는 것을 특징으로 하는 특성 센서 형성 방법.
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