KR20060089373A - 온도센서 - Google Patents

Abstract

기판상에 마련되며, 온도변화에 대해 일정한 저항값을 유지하도록 일정 크기의 온도계수(TCR)를 가지는 제1저항층과; 제1저항층에 직렬 연결되며, 온도변화에 따라 저항값이 변화하도록 가변되는 온도계수(TCR)를 가지는 제2저항층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 온도센서가 개시된다.

온도센서, 저항, 폴리실리콘, 온도계수

Description

온도센서{Temperature sensor}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 온도센서를 설명하기 위한 등가회로도,

도 3a 내지 도 3f는 도 1에 도시된 온도센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10..기판 20..절연층

30..온도센서 40..폴리실리콘층

41..제1저항층 43..제2저항층

45..전극패드 51,52,53..제1, 제2 및 제2전극단자

]60..전압공급부 70..전압측정부

80..제1보호막 90..제2보호막

본 발명은 온도센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에 적용 가능한 온도센서에 관한 것이다.

MEMS 기술은 기계적 부품들을 반도체공정을 이용하여 전기적 소자로 구현하는 기술로서, 이를 이용하면 수㎛ 이하의 초미세구조를 지닌 기계·장비를 설계할 수 있다는 점에서, 전자·기계·의료·방산 등 전 산업 분야에 엄청난 변혁을 불러올 것으로 예측하고 있다. 특히 최근 각광을 받고 있는 MEMS 기술로 제조된 센서들은, 일반적으로 초소형으로 제조될 수 있으므로, 휴대폰과 같은 각종 소형기기등에 내장되어 다양한 정보를 감지하여 제공한다.

한편, 온도 센서는 산업 전반에 걸쳐서 다양하게 이용되고 있다. 예를 들어 에어 컨디셔너, 냉장고 등 가전 제품에서 온도 제어를 위하여 이용될 뿐만 아니라, 반도체 산업과 같은 정밀 산업 등에서도 제품을 정밀하게 생산하기 위하여 필수적으로 이용되고 있다.

현재 사용되어 있는 온도계를 측정원리에 따라 분류하면 다음과 같다.

먼저, 열팽창을 이용한 온도계가 있다. 여기에는 기체온도계, 액체온도계, 바이메탈온도계가 있다. 이 중 액체온도계는 수은이나 등유를 사용하는 온도계가 있다. 액주(液 柱)가 붉은 온도계는 예전부터 대부분 알코올온도계(빨간 물감을 들인 알코올을 사용)이었으나, 액주 상부 공간에 응축이 일어나기 쉬워 지시에 오차가 생길 수 있기 때문에 30년 전부터 등유를 사용하게 되었다. 가정용 한란계와 체온계도 이 액체온도계의 하나이다. 또, 이 액체온도계를 사용한 최고최저온도계, 베크만 온도계가 있다. 바이메탈온도계는 열팽창계수가 서로 다른 2종류의 금속판, 즉 구리와 니켈의 박판 2장을 밀착시킨 바이메탈을 사용한다. 이 바이메탈온도계에서는 구리의 팽창계수가 니켈보다 크기 때문에 고온이 되면 니켈판 쪽으로 구부러 지고, 저온이 되면 구리판 쪽으로 구부러지는 원리를 이용하여 온도를 표시한다.

다음으로, 전기저항의 온도변화를 이용한 열저항성 온도계가 있다. 여기에는 저항온도계가 속하는데, 이것은 금속, 반도체의 전기저항값이 온도의존성을 가진다는 점을 이용한 온도계이다.

열전쌍온도계는 2종류의 다른 금속 또는 합금철사 양끝을 접촉시켜 전기가 흐르는 루프모양 회로를 만든다. 이렇게 접촉시킨 양끝에 온도차가 주어지면 그 양끝에 열기전력이 발생해서 전류가 흐른다. 이것을 펠티에효과(열전기효과)라고 하는데, 이를 응용한 온도계가 열전쌍온도계이다. 발생한 열기전력의 측정은 전위차계 또는 내부저항이 큰 밀리볼트계로 측정하며 온도-열기전력 보정에서 온도계측에 가장 널리 이용되고 있다. 그 이유는 감습부(感濕部)인 금속접합부 부피가 대단히 작으므로 열용량에 따른 오차가 적으며 열에 대한 응답성이 뛰어난 데에 있다. 이용되는 열정쌍으로서는 백금선, 백금로듐합금선, 구리선, 콘스탄탄선 등이 있다.

그리고, 빛에 따른 색온도계가 있다. 여기에는 광고온계(optical pyrometer;광학고온계라고도 한다)와 복사고온계가 있다. 광고온계는 피측정체의 색온도를 표준색온도와 비교측정함으로써 구하는 방법인데 700 ∼ 2500℃ 정도까지 측정할 수 있다. 복사고온계는 피측정체로부터 복사되는 열에너지를 렌즈 또는 오목거울로 집광하고 초점에 서미스터(주위온도에 민감한 저항기)를 놓아 서미스터의 온도상승에 따른 저항값의 변화를 기준으로 하여 온도를 측정한다. 복사고온계의 하나로서, 적외선에 대한 반도체감온소자를 사용한 서모그래피용 온도계가 있다. 이를 이용하여 인공위성에서 지구의 표면온도 분포나 인체의 피부온도 분포 등을 조사한다.

그 밖에 제게르콘온도계와 서모컬러온도계가 있다. 제게르콘온도계는 규산염과 금속산화물을 개어 만든 높이 10cm 정도의 심각뿔이다. 이것은 노(爐) 안의 각곳에 배치하고 가열하여 삼각뿔이 녹는 정도를 살펴 노 안의 온도분포를 조사하는 데에 사용된다. 서모컬러온도계는 시온도료(示溫塗料)라고도 불리는 서모컬러가 색이 변하는 원리를 이용한 온도계이다. 주로 코발트, 크롬 등의 착염(錯鹽)이 온도에 따라 가역적으로 색변화를 일으키는 현상을 이용한 온도계이며 이 재료를 점토와 개어 건조시킨 것을 서모클레이라고 한다. 최근 서모컬러온도계로서 액정(液晶)의 온도특성을 이용한 액정온도계도 나오고 있다.

위와 같이 다양한 측정원리에 따른 온도계들 중 열저항성 온도 측정법은, 도체에 있어서 전기저항이 온도의 변화에 따라 변화하는 점을 이용한 것이다. 즉, 단위 온도 변화에 대한 저항 변동율을 안다면 변동되는 저항치 만으로 해당온도를 측정할 수 있다는 점을 이용한 것이다. 여기서, 단위온도에 대한 저항 변동율은 온도계수(TCR: temperature coefficient of resistance)라 하며, 온도 증가시 저항치가 증가하면 정의 온도계수(positive TCR)라 하고, 저항치가 감소하면 부의 온도계수(negative TCR)라고 한다.

주로 온도 측정에 사용되는 금속재질은 정의 온도계수를 갖고 있으며 이중에서도 온도측정에 사용되는 재질은 백금, 니켈, 동 등이 주로 사용된다.

한편, MEMS 기술에서는 열 저항성 온도센서의 재질로서 폴리실리콘(Polysilicon)이 주로 사용되고 있다.

폴리실리콘의 경우, 양단에 전압을 인가하며, 폴리실리콘이 저항체로 작용하 여 온도변화에 따라서 측정되는 전류값이 다르게 나타난다. 따라서, 인가된 전압에 대응하여 측정되는 전류를 측정함으로써 온도를 측정할 수 있게 된다.

이러한 폴리실리콘의 경우, 다음과 같은 2가지 TCR 특성을 갖는다. 즉, 도핑(doping)에 의한 저항값을 나타내는 내부격자 저항(Intragrain resistance)에 의하면, 온도가 올라갈 수록 실리콘 격자간의 산란(phonon scattering)이 증가하여 저항값이 커지는 정의 온도계수(positive TCR)를 갖는다.

또한 , 격자 바운더리(grain boundary) 사이의 경계(barrier)에 대한 저항값을 나타내는 격자 바운더리 저항(Grain boundary resistance)에 의하면, 온도가 높아지면 저항값이 작아지는 부의 온도계수(negative TCR)를 갖는다.

따라서, 폴리실리콘의 경우 도핑 농도 및 결정(grain)의 크기를 적절히 제어하여 TCR값 조절과 면저항 값 조절이 가능하다. 상기와 같이 저항형(Resistive type) 온도센서를 사용할 경우, 온도측정감도와 그 정확도가 우수하기 때문에 MEMS 기술에서 많이 사용되고 있으나, 저항형 온도센서는 많은 전력을 소모하기 때문에, 무선기기, 모바일기기 등에 적용하기에는 많은 문제점이 있다.

또한, 출력전류값을 측정하고, 그 측정된 전류를 전압으로 변화시키는 작업이 필료하므로 복잡한 구성을 갖게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전력을 많이 소비하지 않으면서도 온도를 측정할 수 있는 온도센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도센서는, 기판상에 마련되며, 온도변화에 대해 일정한 저항값을 유지하도록 일정 크기의 온도계수(TCR)를 가지는 제1저항층과; 상기 제1저항층에 직렬 연결되며, 온도변화에 따라 저항값이 변화하도록 가변되는 온도계수(TCR)를 가지는 제2저항층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1저항층의 양단에 마련되는 제1 및 제2전극단자와; 상기 제2저항층의 일단에 마련되는 제3전극단자;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1저항층은 상기 제2저항층보다 기본 저항값이 더 큰 것이 좋다.

또한, 상기 제1저항층과 상기 제2저항층은 서로 다른 횟수의 도핑공정을 통해 형성된 것이 좋다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도센서 제조방법은, 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 폴리실리콘을 증착한 후, 전체면에 걸쳐 소정 물질로 1차 도핑하는 단계; 및 상기 1차 도핑된 폴리실리콘층의 소정 영역을 2차 도핑하는 단계; 및 상기 1차 도핑된 부분의 일부영역과 상기 2차도핑된 영역이 남도록 패터닝하여 제1 및 제2저항층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2저항층에 전극단자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 2차 도핑단계는, 상기 1차 도핑된 폴리실리콘층 상에 제1보호막을 증착한 뒤 상기 제1저항층에 대응되는 부위를 패터닝하여 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 폴리실리콘층을 도핑하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2저항층 형성단계는, 상기 제1보호막과 상기 노출된 폴리실리콘 전체면에 걸쳐서 제2보호막을 증착하는 단계; 상기 제1 및 제1저항층에 대응되는 부위를 제외하고 상기 제2보호막의 소정 영역을 패터닝하여 상기 기판을 노출시키는 단계; 및 상기 제1 및 제2보호막을 제거하여 상기 제1 및 제2저항층을 노출시키는 단계;를 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 전극단자 형성단계는, 상기 제1 및 제2저항층과 상기 노출된 절연층 상에 금속물질을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 금속물질을 패터닝하여 제1 및 제2저항층의 일부영역에 전극단자를 마련하는 단계;를 포함하는 것이 좋다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 저항형 온도센서를 나타내 보인 개략적인 도면이다.

도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 절연층(20)이 증착되어 있다. 상기 절연층(20) 상부에 온도센서(30)가 형성되어 있다. 온도센서(30)는 제1저항층(41)과 제2저항층(43)을 구비하며, 이 저항층들(41,43)은 단일층의 폴리실리콘층(40)으로서 일체로 구성된다. 즉, 제1 및 제2저항층(41,43) 각각은 폴리실리콘 물질로 형성되며, 서로 직렬 연결되도록 절연층(20) 상에 동일 두께로 형성된다. 상기 제1저항층(41)은 온도변화에 따라 저항값이 거의 변하지 않는 대략 일정한 온도계수(TCR)를 가진다. 그리고, 상기 제2저항층(43)은 온도변화에 따라 저항값이 크게 변하는 온도계수(TCR)를 가진다. 이와 같이 각 저항층(41,43)이 서로 다른 온도계수를 가지도록 하기 위해서는, 후술하겠지만 제조과정에서 폴리실리콘층(40)에 소정 도핑첨 가물질을 1차 또는 2차 도핑(doping) 공정을 통에 각각 다르게 도핑할 수 있다. 본 실시예에서는 제1저항층(41)이 2차 도핑되어 형성되고, 제2저항층(43)은 1차 도핑되어 형성된다. 즉, 첨가물질이 많을 수록 일정한 온도계수를 갖게 된다.

또한, 상기 폴리실리콘층(40)은 제2저항층(43)에 연결되는 전극패드층(45)을 가진다. 상기 전극패드층(45)도 제1저항층(41)과 마찬가지로 2차 도핑처리되어 일정한 온도계수, 바람직하게는 제1저항층(41)과 동일한 온도계수를 가질 수 있다.

또한, 상기 제1저항층(41)의 양단 상부에는 제1 및 제2전극단자(51,52)가 마련된다. 그리고, 상기 전극패드층(45)의 상부에는 제3전극단자(53)가 형성된다.

상기 제1 및 제2저항층(41,43)은 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 직렬로 연결된다. 그리고, 각 저항층(41,43)은 각 전극단자들(51,53)을 통해 전압공급부(60)로부터 소정 크기의 전압이 인가되도록 연결된다.

따라서, 상기 전압공급부(60)에서 각 저항층(41,42)으로 전압이 인가될 때, 상기 각 전극단자(51,52)에 걸리는 전압을 전압측정부(70)에서 측정하면, 온도변화에 따라서 가변되는 전압값을 산출할 수 있게 된다. 즉, 상기 제2저항층(43)은 온도에 따라 가변되는 저항값을 가지므로, 제2저항층(43)에 걸리는 전압값이 변하게 되고, 제1저항층(41)에서는 저항이 변하지 않게 된다. 따라서, 제1저항층(41)의 양단에 걸리는 전압의 변화량으로부터 제2저항층(43)에 전압의 변화량을 검출하고, 검출된 전압을 통해서 제2저항층(43)의 저항 변화값을 산출할 수 있다. 그리고, 변화된 저항값으로부터 온도를 산출해낼 수 있게 된다.

여기서, 상기 제1저항층(41)의 기본 저항값을 상기 제2저항층(43)보다 크게 갖도록 형성함으로서, 전압공급부(60)에서 작은 전압을 인가하더라도, 제1저항층(41)에서 기본적으로 큰 출력값을 얻을 수 있으므로, 제2저항층(43)의 온도변화에 따른 변화량을 정밀하게 측정할 수 있게 된다. 따라서, 온도센서를 구동시키기 위한 전력소비를 줄일 수 있게 된다.

상기 제2저항층(43)의 온도계수(TCR)는 부(negative)의 값을 갖거나, 정(positive)의 값을 갖도록 소정 도핑첨가물을 적절히 선택하여 형성할 수 있다.

상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 온도센서 제조방법을 살펴보기로 한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 상면에 절연층(20)을 증착한다. 상기 절연층(20)을 증착한 뒤, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(20)의 상면 전체에 걸쳐서 폴리실리콘(polysilicon)물질을 증착하여 폴리실리콘층(40)을 형성한다. 그리고 나서, 폴리실리콘층(40) 전체를 소정 도핑첨가물질로 1차 도핑한다.

다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 1차 도핑된 폴리실리콘층(40) 위에 제1보호막(80)을 증착한 뒤, 패터닝하여 소정 영역의 폴리실리콘층(40)을 노출시킨다.

다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 노출된 폴리실리콘층(40)과 제1보호막(80)에 대해서 2차로 소정 도핑물질로 도핑처리한다.

그리고 나서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘층(40)의 2차 도핑된 부분과 제1보호막(80) 전체에 걸쳐서 제2보호막(90)을 증착한 뒤 패터닝하여 일부영 역을 제거한다. 이 때, 상기 폴리실리콘층(40)과 제2보호막(80)도 일부 일부영역을 제외하고 제거된다.

상기 상태에서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2보호막(80)(90)을 동시에 제거하여 폴리실리콘층(40)을 노출시킨다. 노출된 폴리실리콘층(40)은 제1 및 제2저항층(41,43)과 전극패드층(45)을 포함한다.

다음으로, 도 3f에 도시된 바와 같이, 노출된 폴리실리콘층(40)과 절연층(20)의 상부표면 전체에 걸쳐서 금속물질로 증착한 뒤, 패터닝하여 상기 폴리실리콘(40)의 일부영역에만 금속물질을 남겨둔다. 그러면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제 3전극단자(51,52,53)가 폴리실리콘층(40) 상부 소정 영역에 형성된다.

한편, 상기와 같은 제조공정 중에, 폴리실리콘층(40)을 1차 및 2차로 도핑하는 과정에서, 도핑첨가물로는 일반적으로 산업전반에서 널리 알려진 다양한 도핑 첨가물질이 사용될 수 있다.

그리고, 1차 도핑된 제2저항층(43)은 온도변화게 따라서 그 저항값이 크게 변하도록 제조되는 반면에, 2차 도핑처리된 제1저항층(1)은 바람직하게는 온도변화에 따라 저항값이 거의 변하지 않거나, 변하더라도 오차 범위 내에서 미세하게 변하도록 제작된다.

지금까지, 온도변화에 따라 저항값이 변화하는 폴리실리콘물질을 이용한 저항형 온도센서를 제안하고, 이의 구체적인 예를 도시하고 설명하였다. 본 저항형 온도센서는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에 적용이 가능하며, 적용시 우수한 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른, 저항형 온도센서는 온도측정감도와 그 정확도가 우수할 뿐만 아니라, 전력 소모량을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 본 저항형온도센서는, 구동체를 이용하지 않았기 때문에 교정(calibration)과 제조공정이 용이하다.

Claims (8)

1. 기판상에 마련되며, 온도변화에 대해 일정한 저항값을 유지하도록 일정 크기의 온도계수(TCR)를 가지는 제1저항층과;

   상기 제1저항층에 직렬 연결되며, 온도변화에 따라 저항값이 변화하도록 가변되는 온도계수(TCR)를 가지는 제2저항층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 온도센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1저항층의 양단에 마련되는 제1 및 제2전극단자와;

   상기 제2저항층의 일단에 마련되는 제3전극단자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 온도센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1저항층은 상기 제2저항층보다 기본 저항값이 더 큰 것을 특징으로 하는 저항성 온도센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1저항층과 상기 제2저항층은 서로 다른 횟수의 도핑공정을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 저항성 온도센서.
5. 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;

   상기 절연층 상에 폴리실리콘을 증착한 후, 전체면에 걸쳐 소정 물질로 1차 도핑하는 단계; 및

   상기 1차 도핑된 폴리실리콘층의 소정 영역을 2차 도핑하는 단계; 및

   상기 1차 도핑된 부분의 일부영역과 상기 2차도핑된 영역이 남도록 패터닝하여 제1 및 제2저항층을 형성하는 단계; 및

   상기 제1 및 제2저항층에 전극단자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도센서 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 2차 도핑단계는,

   상기 1차 도핑된 폴리실리콘층 상에 제1보호막을 증착한 뒤 상기 제1저항층에 대응되는 부위를 패터닝하여 노출시키는 단계; 및

   상기 노출된 폴리실리콘층을 도핑하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도센서 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2저항층 형성단계는,

   상기 제1보호막과 상기 노출된 폴리실리콘 전체면에 걸쳐서 제2보호막을 증착하는 단계;

   상기 제1 및 제1저항층에 대응되는 부위를 제외하고 상기 제2보호막의 소정 영역을 패터닝하여 상기 기판을 노출시키는 단계; 및

   상기 제1 및 제2보호막을 제거하여 상기 제1 및 제2저항층을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도센서 제조방법.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극단자 형성단계는,

   상기 제1 및 제2저항층과 상기 노출된 절연층 상에 금속물질을 증착하는 단계; 및

   상기 증착된 금속물질을 패터닝하여 제1 및 제2저항층의 일부영역에 전극단자를 마련하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도센서 제조방법.

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