KR20100102669A - 스크린된 샌드위치 구조를 갖는 열 방출을 감지하기 위한 장치, 및 상기 장치의 사용 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 방출 감지를 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는, 기판; 상기 기판에 고정되며 전기적으로 전도성인 물질을 갖는 보호 하우징 ― 상기 보호 하우징은 상기 기판과 떨어져 대향하는 상면을 가지며 상기 상면에 개구가 제공됨 ― ; 및 상기 보호 하우징 내에서 상기 기판 상에 고정된 스택을 포함하며, 상기 스택은 상기 열방출을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 열 감지기 소자를 갖는 적어도 하나의 감지기 지지대, 상기 전기적 신호를 독출하는 적어도 하나의 독출 회로를 갖는 적어도 하나의 회로 캐리어, 및 상기 감지기 소자를 커버링하는 적어도 하나의 커버를 포함하며; 상기 감지기 지지대는 상기 회로 캐리어와 상기 커버 사이에 배치되며; 상기 감지기 지지대와 상기 커버에 의해 형성된, 상기 스택의 적어도 하나의 제 1 스택 캐비티가 상기 감지기 지지대의 상기 감지기 소자와 상기 커버 사이에 존재하도록 상기 감지기 지지대와 상기 커버가 서로 서로의 상에 배치되며; 상기 회로 캐리어와 상기 감지 기판에 의해 형성된, 상기 스택의 적어도 하나의 제 2 스택 캐비티가 상기 감지기 지지대와 상기 회로 캐리어 사이에 존재하도록 상기 회로 캐리어와 상기 감지기 지지대가 배치되며; 상기 제 1 스택 캐비티 및/또는 제 2 스택 캐비티는 진공화되거나 진공화될 수 있으며; 상기 스택은 상기 기판과 떨어져 대향하는 스택 상면을 포함하며, 상기 스택 상면이 상기 보호 하우징 외부로부터 액세스가능하도록 상기 스택의 상기 스택 상면이 상기 개구와 맞물린다. 상기 장치는 운동 센서, 존재 센서 및/또는 열 화상 카메라에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 열 방출을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 차폐(shield)된 열 감지기 소자를 이용하여 열 방출을 감지하는 장치에 관련된다. 상기 장치에 추가하여 상기 장치의 사용이 구체화된다.
열 방출을 감지하기 위한 통상적인 장치(300)가 도7에 도시된다. 장치(300)는 기판(310)과 캐스팅 화합물(312)에 의해 기판에 부착된 센서(320)를 포함한다. 장치(300)는 또한 센서(320) 위에 배치되며 밀봉 실링(hermetically sealed)되고 본딩 접속(333)에 의하여 기판(310)에 부착된 보호 하우징(330)을 포함한다. 보호 하우징(330)은 보호 하우징(330)이 센서(320)와 직접 접촉하지 않고, 내부 공간(335)이 센서(320)와 보호 하우징(330) 사이에 형성되도록 하는 치수를 갖는다. 보호 하우징(330)은 센서(320)와 떨어져 배치된 상면(332)을 갖는다. 윈도우 개구(334)가 상면(332) 내에 제공되며, 윈도우 개구(334)는 보호 하우징(330) 외부로부터의 광이 센서(320)를 비칠 수 있도록 센서(320) 위에 배치된다. 유리 윈도우(331)가 개구(334) 내로 밀봉 실링되어 배치된다.
보호 하우징(330)은 금속으로 만들어져서 센서(320)가 보호 하우징(330)에 의해 전자기적으로 차폐된다. 유리 윈도우(331)가 또한 윈도우 개구(334)에 기밀(gas-tight)하게 삽입되며 내부 공간(335)이 진공화되거나 불활성 가스 또는 수소가 제공되도록 본딩 접속(333)이 기밀하게 형성된다. 이에 의해 센서(320)가 주변 영향들로부터 보호된다. 그러나, 장치(300)는 보호 하우징(330)의 큰 구조적 높이로 인하여 큰 공간 요구사항을 만족해야 한다는 단점을 갖는다. 장치의 제조에 있어 윈도우 개우(334)에 유리 윈도우(331)를 삽입 및 실링하는 것과 본딩 접속(333)을 밀봉 실링 구성하는 것 모두는 또한 복잡하고 많은 비용이 발생한다.
열 방출의 감지를 위한 장치가 예를들어 DE 100 04 216 A1에 설명되어 있다. 이 장치는 파이로디텍터(pyrodetector)로 지칭된다. 감지기 소자는 초전(pyroelectric) 감지기 소자가다. 초전 감지기 소자는 2개의 전극 층들과 상기 전극 층들 사이에 배치된 초전성 민감 물질의 초전 층을 포함하는 층상 구조를 갖는다. 이 물질은 지르코늄 티탄산 납(lead zirconate titanate: PZT)이다. 예를들어, 전극들은 열 방출을 흡수하는 백금 또는 크롬-니켈 합금으로 이루어진다. 열 감지기 소자는 실리콘(silicon)으로 이루어진 감지기 기판(실리콘 기판)과 연결된다. 감지기 소자와 감지기 기판을 다른 것과 전기적 및 열적으로 절연하기 위한 절연 층이 감지기 소자와 감지기 기판 사이에 배치된다. 절연 층은 감지기 소자의 베이스 표면을 가로질러 연장하는 진공화된(evacuated) 캐비티(cavity), 상기 캐비티의 지지 층, 및 지지 층과 캐비티의 커버를 포함한다. 지지 층은 폴리실리콘으로 이루어 진다. 커버는 보론-포스포레이트 실리케이트 유리(boron-phosphorous silicate galss: BPSG)로 이루어 진다. 독출(readout) 회로가 감지기 소자에 의해 생성된 전기적 신호를 독출, 처리 및/또는 릴레이하기 위하여 감지기 기판에 통합된다. 독출 회로는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 기술을 통해 구현된다.
이에 필적할만한 열 방출 감지를 위한 장치는 DE 195 25 071 A1에 공지되어 있다. 열 방출 소자는 위에서 설명한 초전 감지기 소자와 유사하다. 감지기 소자는 다층 감지기 기판 상에 배치된다. 감지기 소자는 감지기 소자의 전극 층들중 하나를 통해 감지기 기판의 실리콘 층에 부착된다. 실리콘 층은 감지기 기판의 전기적 절연 막(membrane) 상에 배치된다. 예를들어, 상기 막은 Si3N4/SiO2/Si3N4 3중 층으로 이루어 진다. 상기 막은 또한 감지기 기판의 실리콘 기판 상에 가해진다. 실리콘 기판은 초전 감지기 소자의 베이스 표면에 본질적으로 대응하는 베이스 표면을 갖는 노출 윈도우(감지 윈도우)를 갖는다. 노출 윈도우는 실리콘 기판의 컷아웃(cutout)이다. 기판의 기판 물질(실리콘)이 상기 막까지 제거된다. 열 방출은 노출 윈도우를 통과하여 감지기 소자에 도달하며 이것은 평가가능한 전기적 신호를 야기한다. 이를 위해 상기 막은 열 방출에 대한 적절한 투과(transmission)를 특징으로 한다. 전기적 신호용 독출 회로가 감지기 소자로부터 측방으로 오프셋되어 실리콘 층으로 통합된다. 감지기 기판은 또한 독출 회로의 회로 기판으로서 동작한다.
공지된 장치들에서, 다수의 감지기 소자들(감지기 소자 어레이)이 제시될 수 있다. 감지기 소자들 각각의 전기적 신호는 개별적으로 독출될 수 있다. 이를 위해, 감지기 소자들의 각각의 전극 층들은 통상 본딩 와이어들을 통해 전기적으로 연결된다. 그러나, 이것은 감지기 소자들의 와이어링을 위하여 상당한 공간적 요구사항을 일으켜서, 그 결과 제한되고 비교적 낮은 감지기 소자 밀도(감지기 기판의 표면 세그먼트 당 감지기 소자들의 갯수)를 야기한다.
종래 기술과 비교하여 더 낮은 공간 요구사항을 제시하고 단순하고 가격 효과적으로 제조될 수 있는 열 방출 감지를 위한 장치를 구체화하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 열 방출 감지를 위한 장치가 특정되며, 상기 장치는, 기판; 상기 기판에 부착되며 전기적으로 전도성인 물질을 갖는 보호 하우징 ― 상기 보호 하우징은 상기 기판과 떨어져 대향하는 상면을 가지며 상기 상면에 개구가 제공됨 ― ; 및 상기 보호 하우징 내에서 상기 기판 상에 탑재(mount)된 스택을 포함하며, 상기 스택은 상기 열방출을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 열 감지기 소자를 갖는 적어도 하나의 감지기 기판, 상기 전기적 신호를 독출하는 적어도 하나의 독출 회로를 갖는 적어도 하나의 회로 기판, 및 상기 감지기 소자를 커버링하는 적어도 하나의 커버를 포함하며; 상기 감지기 기판은 상기 회로 기판과 상기 커버 사이에 배치되며; 상기 감지기 기판과 상기 커버에 의해 형성된, 상기 스택의 적어도 하나의 제 1 스택 캐비티가 상기 감지기 기판의 상기 감지기 소자와 상기 커버 사이에 존재하도록 상기 감지기 기판과 상기 커버가 서로 서로의 상에 배치되며; 상기 회로 기판과 상기 감지 기판에 의해 형성된, 상기 스택의 적어도 하나의 제 2 스택 캐비티가 상기 감지기 기판과 상기 회로 기판 사이에 존재하도록 상기 회로 기판과 상기 감지기 기판이 배치되며; 상기 제 1 스택 캐비티 및/또는 제 2 스택 캐비티는 진공화되거나 진공화될 수 있으며; 상기 스택은 상기 기판과 떨어져 대향하는 스택 상면을 포함하며, 상기 스택 상면이 보호 하우징 외부로부터 액세스가능하도록 상기 스택의 상기 스택 상면이 상기 개구와 맞물린다. 본 발명에 따르면, 상기 장치는 운동 센서, 존재 센서 및/또는 열 화상 카메라에 사용된다.
스택은 감지기 기판, 회로 기판 및 커버로 이루어진 컴팩트(compact)하고 공간절약적인 "샌드위치(sandwich)" 구조로서 구현된다. 감지기 소자는 커버에 의해 외부 손상의 영향에 대하여 보호된다. 외부 영향에는 예를들어 감지기 소자의 컴포넌트를 공격하거나 감지기 소자의 기능성에 악영향을 미치는 먼지, 습도 또는 부식 화학물질이 있다.
보호 하우징은 스택이 보호 하우징에 의해 외부로부터 전자기적으로 차폐되도록 전기 전도성 물질로 제조된다. 스택의 샌드위치 구조로 인하여 스택이 외부의 해로운 환경에 대해 비민감하게 된다는 점에서, 예를들어 먼지, 습기 또는 부식 화학물질로부터 보호 하우징이 스택을 보호하도록 보호 하우징이 구성될 필요가 없어진다. 따라서, 본 발명에 따른 보호 하우징은 상면에 개구가 제공될 뿐이며, 상기 개구에 스택이 맞물리게 된다. 스택은 단지 개구에 디핑(dip)되거나(따라서 부분적으로만 개구를 관통함), 개구에 완전히 삽입되거나(따라서 보호 하우징의 상면의 외부와 동일 레벨이 되도록 종단됨), 또는 개구를 통과하여 돌출하여 보호 하우징의 상면 외부 상에서 바깥으로 돌출될 수 있다.
따라서, 보호 하우징의 구조적인 높이는 스택의 구조적인 높이와 본질적으로 동일하여, 장치의 구조적 높이가 낮게 되는 이점이 있다. 스택이 또한 보호 하우징에 의해 밀봉 실링될 필요가 없으므로, 보호 하우징은 구현에 있어 간편할 수 있다. 따라서, 보호 하우징 내에, 스택이 보호 하우징 외부로부터 액세스가능한 개구가 단순히 제공되며, 보호 하우징을 기판 상에 부착할 때 불침투성(impermeability)이 가능해야 한다는 요구사항을 만족시킬 필요가 없다.
평가 회로가 예를들어 CMOS 기술을 통해 회로 기판에 직접 통합될 수 있다. 회로 기판이 감지기 소자의 단지 하나의 와이어링을 제공하는 것이 또한 착상가능하다. 와이어링을 통해, 감지기 소자가 회로 기판 내에 배치된 내부 ASIC(applied specific integrated circuit)에 접속되거나 외부 ASIC에 접속된다. 외부 ASIC이 또한 본딩될 수 있다. 외부 ASIC이 "플립 칩(filip-chip)" 기술(이하를 참조)을 이용하여 콘택되는 것이 유리하다. 스택 캐비티들은 감지기 소자가 회로 기판 및 커버로부터 열적으로 완전히 분리(decouple)되는 것을 보장한다.
감지될 열적 방출은 1㎛ 초과의 파장을 갖는다. 파장이 5 내지 15㎛ 범위에서 선택되는 것이 유리하다. 열 감지기 소자는 예를들어 시벡(Seebeck) 효과에 기초한다. 열 감지기 소자가 초전(pyroelectric) 감지기 소자인 것이 유리하다. 위에서 설명한 바와 같이, 초전 감지기 소자는 초전 민감 물질을 갖는 초전 층과 초전 층 양 면에 탑재된 전극 층들로 구성된다. 초전 민감 물질은 예를들어 리튬 니오베이트(LiNbO3) 또는 지르코늄 티탄산 납(lead zirconate titanate)과 같은 세라믹이다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 같은 초전 폴리머가 착상가능하다. 백금 또는 백금 합금이 전극 층들의 전극 물질로서 고려된다. 크롬-니켈 전극 또는 전기 전도성 산화물로 이루어진 전극이 또한 착상가능하다. 예를들어, 감지기 소자는 에지 길이가 25㎛ 내지 200㎛인 정방형 공간(footprint)을 차지한다.
열 방출을 감지하는데 이용되는 효과와 독립적으로, 이에 대응하는 효과를 트리거하는, 감지기 소자의 각각의 열 민감 물질에 의한 열 방출의 흡수가 요구된다. 상기 흡수는 열 민감 물질에 의해 직접 일어난다. 그러나, 열 방출이 하나의 전극, 또는 감지기 소자의 전극들 각각에 의해 흡수되는 것이 또한 착상가능하다. 열 방출이 감지기 소자에 바로 인접한 흡수 물질에 의해 흡수되고 이에 따라 흡수된 열 용량(heat quantity)이 대류 또는 열 전도를 통해 열 민감 물질로 방출되는 것이 또한 가능하다. 흡수 물질은 에너지 전송자(transmitter)로서 동작한다. 예를들어, 흡수 물질은 코팅으로서 감지기 소자에 직접 부가된다.
열 방출이 감지기 소자 상에 직접 도달하도록 열 방출의 감지를 위한 장치의 스택이 설계되는 것이 유리하다. 이를 위해, 특정 실시예에서, 감지기 기판, 회로 기판 및/또는 커버는 열 방출에 감지기 소자를 노출시키도록 열 방출에 대한 특정 투과를 갖는 적어도 하나의 노출 윈도우를 포함한다. 노출 윈도우는 커버에 통합, 감지기 기판에 통합, 및/또는 회로 기판에 통합된다. 감지기 소자 및 노출 윈도우는 감지기 소자의 노출이 감지기 기판과 떨어져 대향하는 감지기 소자의 전면(전면 노출)에서 발생하고/발생하거나 감지기 소자 쪽을 향하는 감지기 소자의 후면(후면 노출)으로부터 발생한다. 노출 윈도우는 감지기 소자 방향으로 특정 투과를 보인다. 투과는 광학적으로 높으며, 예를들어 50% 초과이며, 특히 70% 초과 95%까지의 양이다.
감지기 기판, 회로 기판 및 커버의 물질들로서 임의의 물질들이 고려된다. 반도체 물질들(예를들어 원소 게르마늄 또는 다양한 반도체 화합물들)이 전기적 회로들 또는 모듈들의 통합 가능성으로 인하여 특히 적절하다. 특정 실시예에 따르면, 감지기 기판, 회로 기판 및/또는 커버는 실리콘을 포함한다. 실리콘 기판이 커버로서, 회로 기판으로서, 감지기 기판으로서 각각 이용된다. 임의의 구조들 및 기능성들이 CMOS 기술을 이용하여 기판들에 통합될 수 있다. 실리콘이 열 방출과 관련하여 낮은 흡수 계수를 보이기 때문에, 노출 윈도우가 실리콘 기판에 부가적으로 매우 용이하게 통합될 수 있으며, 실리콘 기판 자체는 노출 윈도우를 형성한다. 실리콘 기판의 대응하는 기능성들의 적절한 배치를 통해 열 방출이 감지기 소자 상에 방해없이(따라서 쉐도윙(shadowing)없이) 도달한다.
투과는 노출 윈도우를 구성하는 물질의 흡수 계수에만 의존하는 것이 아니다. 노출 윈도우의 두께가 또한 결정적이다. 노출 윈도우가 감지기 기판 또는 회로 기판의 박형화(thinned) 영역에 형성되는 것이 유리하다. 특정 실시예에서, 감지기 소자는 회로 기판의 회로 기판 리세스의 반대편에 또는 커버의 커버 리세스의 반대편에 배치된다. 회로 기판 리세스 및 커버 리세스는 각각 기판의 영역이거나, 각각 비교적 작은 두께를 갖는 커버의 영역이다. 이들 영역들에서, 회로 기판 및 커버가 예를들어 재료 제거를 통해 박형화된다. 리세스들은 각각 회로 기판으로 통합되거나 커버로 통합된 노출 윈도우를 포함하며 이를 통해서 열 방출이 감지기 소자에 도달한다. 감지기 소자는 각각의 리세스로부터 이격되는 것이 유리하다. 커버 리세스는 감지기 기판과 커버 사이의 제 1 스택 캐비티의 컴포넌트이다. 회로 기판 리세스는 감지기 기판과 회로 기판 사이의 제 2 스택 캐비티의 컴포넌트이다.
특정 실시예에서, 감지기 매체(medium)와 회로 매체와 커버가 접착 본딩을 통해, 특히 밀봉 접착 본딩을 통해 서로 영구적으로 접속된다. 감지기 기판과 회로 기판의 영구적 접속을 위해서 및/또는 감지기 소자와 커버의 영구적 접속을 위해서 접착 본딩이 형성된다. 진공화된 스택 캐비티가 형성되도록 접착 본딩이 설계된다. 스택 캐비티들 내에 위치하는 스택의 컴포넌트들(예를들어 감지기 소자)은 밀봉 접착 본딩에 의해 외부로부터 차폐된다. 따라서, 외부 환경과 어떠한 물질적 교환이 일어나지 않는다. 따라서, 본 장치는 공격적인 환경에서도 이용될 수 있다. 스택 캐비티들은 밀봉 접착 본딩으로 인하여 진공화될 수 있다. 이것은 감지될 열 방출에 대한 민감성을 증가시킨다.
감지기 기판과 커버 사이와 감지기 기판과 회로 기판 사이의 접착 본딩들은 순차적으로 또는 동시에 제조될 수 있다. 각 접착 본딩은 임의의 물질, 예를들어 접착제(adhessive)에 의해 형성될 수 있다. 접착 본딩을 이용하여 감지기 소자의 전극 층들과 독출 회로 사이에 전기적 콘택을 동시에 형성하는 것이 특히 유리하다. 이를 위해, 특정 실시예에서, 접착 본딩은 전기 전도성 물질을 포함한다. 이것은 특히 회로 기판과 감지기 기판 사이의 접착 본딩에 적용된다. 그러나, 감지기 소자에 대한 와이어링 컴포넌트들이 커버에 통합된 경우에는, 커버와 감지기 기판 사이에 전기 전도성 물질을 갖는 접착 본딩이 또한 유리할 수 있다.
"플립-칩" 기술로 알려진 기술이 접착 본딩을 제조하는데 적용될 수 있다. 이 기술은 탑재 및 접속 엔지니어링(AVT)의 분야로부터의 탑재 프로세스로 이해되며, 다른 분야는 차체하더라도, 마이크로전자공학 분야에서 하우징이 없는 형태로 반도체 마이크로칩 또는 집적 회로들을 콘택하기 위한 것으로 입증되어 왔다. 플립-칩 기술에서, 하나의 칩이 기판 쪽으로 아래로 대향하는 활성 콘택팅 면을 가지며 추가적인 접속 와이어링 없이 직접 탑재된다. 전기 전도성 물질로 이루어진 "범프(bump)들"로 알려진 것에 의해 탑재가 일어난다. 이것은 매우 짧은 도전체 길이를 야기한다. 이 기술이 본 발명에서 사용되며, 보다 컴팩트한 구조가 야기된다. 매우 짧은 도전체 길이로 인하여, 독출될 전기 신호와 간섭하는 원치않는 부가적인 누설 인덕턴스 및 표유 커패시턴스가 최소 레벨로 감소된다. 이러한 효과는 특히 콘택될 감지기 소자들의 갯수가 비교적 적게 된다는 점을 고려할 때 이점이 된다. 다수의 전기적 접속들이 플립-칩 기술을 이용하여 동시에 형성될 수 있으며, 이것은 매우 큰 시간 (따라서 비용) 절약을 야기한다.
다양한 기술들이 "플립-칩" 기술을 구현하는데, 그리고 접착 본딩을 제조하는데 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 글루잉, 솔더링 및/또는 본딩의 그룹에서 선택된 방법이 접착 본딩을 제조하기 위해 구현된다. 접착 본딩 또는 공융(eutectic) 본딩이 착상가능하다. 솔더링의 경우에, 솔더로 이루어진 범프들(솔더 볼들)이 기판들의 한쪽 또는 양쪽 상에, 또는 장치의 서로 접속될 컴포넌트들 상에 각각 부가된다. 이 방법들은 접착제가 유기 화합물(솔벤트, 접착제 화합물 등)을 배출할 수 있기 때문에 글루잉(gluing)보다 바람직하다. 이것은 스택 캐비티들의 진공화를 고려할 때 특히 역할을 한다. 그러나, 이에 불구하고, 글루잉에 의존하는 것이 필요하거나 유리할 수 있다.
글루잉의 경우에, 다양한 변수들에 의존할 수 있으며, 글루잉이 전기적 비전도성 접착제에 의해 일어날 수 있다. 이를 위해, 범프들이 대응하는 기판의 콘택 표면들 상에 부가될 수 있다. 범프들은 예를들어 알루미늄 또는 금으로 이루어진다. 접착제의 접착 층이 뒤이어 기판에 부가될 수 있으며 대응하는 대응부(counterpart)가 잡착제 층 상에 배치된다. 접착제는 건조시 수축되며 전기적 콘택들이 형성된다.
등방성 전도성 접착제가 위와 유사하게 글루잉을 위해 사용될 수 있다. 도전성 접착제는 기판의 콘택 표면들 상에 부가된다. 뒤이어 대응부의 콘택 표면들을 접착 점들 상에 위치시킨 상태에서 대응부가 뒤이어 배치된다. 접착제는 UV 방사에 의해 또는 열적으로 경화될 수 있으며, 이에 따라 전기 전도성 접착 본딩이 제조된다.
이에 대한 대안으로서, 이방성 전도성 접착제가 사용된다. 이방성 전도성 접착제는 전기적 비전도성 접착제와 이 전기적 비전도성 접착제 내에 낮은 충전율로 포함된 전기 전도성 입자들로 만들어진 화합물 물질이다. 이방성 전도성 접착제는 기판의 콘택 표면들 상에 부가된다. 전기 전도성 입자들은 낮은 충전율로 인하여 부가 후에 서로 접속되지 않는다. 전기 전도성 접속이 형성되지 않는다. 대응부가 배치되는 경우에, 상기 입자들이 기판의 콘택 표면들과 대응부의 콘택 표면들 사이에 구속되어 콘택 표면들 간에 전기 전도성 접속이 형성될 때까지 전기적 비전도성 접착제가 변위된다.
본 방법의 특정 실시예에 따르면, 제 1 스택 캐비티 및/또는 제 2 스택 캐비티가 고정 접속 도중에 및/또는 후에 진공화(evacuate)된다. 예를들어, 스택의 컴포넌트들 간에 접착 본딩의 제조는 진공을 야기한다. 각각의 스택 캐비티가 접착 본딩의 형성에 따라 진공화된다. 스택 캐비티들이 초기에 형성되고 나중에 진공화되는 것이 또한 착상가능하다. 스택 캐비티들이 순차로 또는 동시에 진공화될 수 있다는 것이 본 발명에 부합된다. 동시 진공화를 위하여, 스택 캐비티들이 서로 등압으로(isobarically) 접속될 수 있다. 이것은 두 개의 스택 캐비티들이 동일한 압력에 있는 것을 의미한다.
본 장치는 단일의 감지기 소자를 포함할 수 있다. 그러나, 본 장치의 존재센서로서의 응용과 관련하여, 또는 특히 열 화상(imaging) 카메라와 관련해서, 다수의 감지기 소자들이 존재하는 것이 유리하거나 또는 요구될 수 있다. 따라서, 특정 실시예에서, 다수의 감지기 소자들을 갖는 적어도 하나의 감지기 어레이가 존재한다. 감지기 소자는 감지기 어레이의 하나의 픽셀이 된다. 예를들어, 감지기 어레이는 감지기 소자들의 열 배치 및/또는 행 배치에 의해 특징지워진다. 감지기 소자들은 행 배치 또는 열 배치로 주어진 방향에서 일차원적으로 분산된다. 2차원적 분산이 일정한 열 및 행 배치에 존재한다. 예를들어, 탐지기 어레이는 240 x 320 개의 개별 소자들로 이루어진다. 이것은 상대적으로 낮은 해상도의 QVGA 표준에 대응된다. 또한, 감지기 소자들이 랜덤하게 평면 분산된 것도 착상가능하다. 별도의 노출 윈도우가 감지기 소자들 각각에 제공될 수 있다. 그러나, 장치가 다수의 또는 모든 감지기 소자들에 대하여 단일 노출 윈도우를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 장치의 제조가 단순화될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 스택은 케이싱(casing)을 포함한다. 스택은 케이싱 내에 배치된다. 케이싱은 컴포넌트들을 갖는 스택을 외부 악영향(예를들어 습기) 또는 기계적인 파괴로부터 보호한다. 감지기 소자의 노출이 케이싱에 의해 부정적으로 영향받지 않는다는 점이 주지되어야 한다. 이를 위해, 열 방출에 대한 높은 투과를 갖는 노출 윈도우가 케이싱에 통합된다.
케이싱은 임의의 물질로 만들어진 하우징일 수 있다. 케이싱이 캐스팅 화합물인 것이 유리하다. 이를 위하며, 사출 몰딩법 또는 몰딩 법의 그룹에서 선택된 방법이 케이싱을 배치하기 위하여 구현된다. 이들 방법들은 비용 이유로 인하여 특히 이득이 된다. 비가교(unlinked) 또는 부분 교차가교(cross-linked) 플라스틱이 스택 상에 부가된다. 부가 후에, 상기 플라스틱은 UV 광에 노출됨으로써 열적으로 야기되거나 경화된다. 예를들어, 노출 윈도우의 통합을 위하여 플라스틱의 배치 후에 또는 플라스틱의 경화 후에 제거되는 마스크가 사용된다. 예를들어, 이것은 탄성 삽입물을 갖는 트랜스퍼(transfer) 몰딩을 통해 달성된다. 플라스틱의 경화를 적용한 후에 케이싱에 남아 있는 열 방출에 대하여 높은 투과를 갖는 물질로 이루어진 노출 윈도우를 사용하는 것이 또한 착상가능하다.
보호 하우징의 전기 전도성 물질이 금속인 것이 바람직하다.
보호 하우징이 우수한 제조 비용을 가지면서 충분한 내구성을 갖는 것이 달성된다는 이점이 있다.
스택이 보호 하우징의 개구에 고정되도록 보호 하우징의 개구가 형성되고/되거나 보호 하우징의 상면이 스택의 상면과 동일 레벨에서 종단되도록 보호 하우징이 제조되는 것이 또한 바람직하다.
장치의 구조적 높이가 낮도록 스택이 개구 내에 원추형으로(countersunk) 배치되는 것이 유리하다. 따라서, 장치의 공간 요구사항이 작게 된다. 열 방출 감지를 위한 장치의 기능성이 높도록 스택이 개구를 통해 용이하게 액세스가능하게 또한 배치된다. 또한, 스택과 보호 하우징 사이에 설계로 인하여 제공된 갭이 작다는 이점이 있다. 따라서, 스택은 보호 하우징에 의해 효과적으로 보호되고 차폐된다.
보호 하우징은 바람직하게는 베이스를 가지며, 보호 하우징은 베이스를 이용하여 기판에 부착된다. 베이스와 기판 사이의 접속의 실행이 안정하게만 이뤄지므로 상기 접속이 통상의 강도 요구사항을 만족시킨다는 이점이 있다. 접속이 밀봉 실링되어 실행되는 것은 필요하지 않다.
또한, 캐비티가 보호 하우징과 스택 사이에서 보호 하우징 내부에 형성되도록 보호 하우징이 스택과 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 추가적인 전자 모듈들 및 전자 회로들이 보호 하우징 내부에 제공될 수 있으며 내부 공간에서 전자기적으로 차폐될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 본 장치는 운동 센서로서, 존재 센서로서, 또는 열 화상 카메라로서 이용된다. 단일 감지기 소자를 갖는 장치가 운동 센서의 경우에 충분할 수 있다. 본 장치는 존재 센서의 경우에 다수의 감지기 소자들을 구비할 수 있다. 본 장치는 열 화상 카메라의 경우에 예를들어 240 x 320 개의 감지기 소자들(QVGA 표준) 또는 그 이상의 다수의 감지기 소자들을 구비할 수 있다. 이것은 감지기 소자들의 단순하고 공간절약적인 와이어링을 통해 가능하다.
요약하면,
- 열 방출 감지를 위한 장치가 컴팩트하고,
- 스택이 전자기적으로 차폐되고 외부로부터 용이하게 액세스가능하고,
- 전자 모듈들 및 회로들에 부가적으로 전자기적 차폐가 제공될 수 있고,
- 보호 하우징과 기판 사이에 밀봉 실링된 접속이 제공될 필요가 없고, 보호 하우징의 개구로 유리 윈도우가 삽입되거나 밀봉 실링될 필요가 없고 보호 하우징의 내부 공간이 진공화되거나 불활성 가스로 채워질 필요가 없기 때문에, 장치의 제조가 간편하고 가격효과적이다라는 본 발명의 이점들이 강조되어야 한다.
이하에서 다수의 실시예들과 관련 도면을 이용하여 열 방출 감지를 위한 장치가 제시된다. 도면은 개략적이며 실측 이미지를 보여주는 것은 아니다.
도1은 스택의 측단면도이다.
도2는 커버를 보여주는, B-B 단면을 따른 도1의 스택을 도시한다.
도3은 감지기 기판을 보여주는, A-A 단면에 따른 도1의 스택을 도시한다.
도4는 회로 기판을 보여주는, A-A 단면에 따른 도1의 스택을 도시한다.
도5는 감지기 기판 상의 감지기 소자를 도시하는 측단면도이다.
도6은 열 방출 감지를 위한 본 발명에 따른 장치의 측단면도이다.
도7은 종래의 열 방출 감지를 위한 장치의 측단면도이다.
도1은 스택의 측단면도이다.
도2는 커버를 보여주는, B-B 단면을 따른 도1의 스택을 도시한다.
도3은 감지기 기판을 보여주는, A-A 단면에 따른 도1의 스택을 도시한다.
도4는 회로 기판을 보여주는, A-A 단면에 따른 도1의 스택을 도시한다.
도5는 감지기 기판 상의 감지기 소자를 도시하는 측단면도이다.
도6은 열 방출 감지를 위한 본 발명에 따른 장치의 측단면도이다.
도7은 종래의 열 방출 감지를 위한 장치의 측단면도이다.
도1 내지 도6으로부터 명확한 바와 같이, 열 방출 감지를 위한 장치는 기판(210)을 포함하며 상기 기판(210) 상에 스택(10)이 배치된다. 스택(10)은 기판(210)과 떨어져 대향하는 스택 상면(225)을 가지며 스택(10)은 캐스팅 화합물(20)에 의해 기판(210)에 부착된다.
장치(1)는 또한 스택(10)이 하우징되는 보호 하우징(220)을 또한 포함한다. 보호 하우징(220)은 금속으로 만들어져서 스택(10)이 보호 하우징(220)에 의해 외부로부터 전자기적으로 보호된다.
보호 하우징(220)은 기판(210)과 떨어져 대향하여 배치되는 상면(223)을 포함한다. 스택(10)과 스택(10)의 상면(225)에 의해 맞물려있는(engaged) 개구(221)가 상면(223)에 제공되어, 보호 하우징(220)의 상면(223)과 스택(10)의 상면(225)이 서로 같은 레벨로 종결된다.
개구(221)의 주변 외곽은 스택 상면(225) 상에서 스택(10)이 약간의 이격으로 보호 하우징(220)의 상면(223)과 인접하도록 또한 형성된다.
보호 하우징(220)은 또한 상면(225)으로부터 기판(210) 쪽으로 떨어져서 대향하는 베이스(222)를 포함하며, 베이스(222)는 플랜지(flange)로서 형성된다. 베이스(222)는 접속 수단, 예를들어 솔더(solder)에 의해 기판(210)에 부착된다.
보호 하우징(220) 내부에서, 내부 공간(224)이 스택(10) 주변에 제공되며, 내부 공간(224)은 보호 하우징(220)에 의해 전자기적으로 차폐된다.
스택(10)에는 열 방출을 전기적 신호들로 변환하는 열 감지기 소자(111)의 감지기 어레이(110)를 갖는 감지기 기판(11); 전기적 신호를 독출하는 독출 회로(121)를 갖는 회로 기판(12); 및 감지기 소자들을 커버하는 적어도 하나의 커버(13)가 제공되어 있으며, 감지기 기판과 커버는 서로 서로의 상에 배치되어 감지기 기판과 커버에 의해 국한된 스택의 제 1 스택 캐비티(14)가 감지기 기판의 감지기 소자들과 커버 사이에 배치되고, 회로 기판과 감지기 기판에 의해 국한된 스택의 적어도 하나의 제 2 스택 캐비티(15)가 감지기 기판과 회로 기판 사이에 제공되도록 회로 기판과 감지기 기판이 배치되며, 제 1 스택 캐비티 및/또는 제 2 스택 캐비티가 진공화된다.
감지기 소자들은 2개의 전극 층들(112)과 상기 전극 층들 사이에 배치된 초전 층(113)을 갖는 박막형의 초전 감지기 소자들이다. 초전 층은 약 1㎛ 두께의 층이며, 초전성 민감 물질로서 PZT로 이루어진다. 전극 층들은 약 20㎚ 층 두께를 갖는 백금 및 크롬-니켈 합금으로 이루어진다.
독출 회로는 회로 기판 상에 배치된 독출 소자(ASIC의 형태인)를 포함한다. 일 실시예에 따르면(미도시), 독출 소자는 회로 기판에 통합된다.
감지기 기판, 회로 기판 및 커버는 각각 실리콘 기판이다. 감지기 소자들은 회로 기판의 회로 기판 리세스(124)의 반대편의 제 2 스택 캐비티 내에 배치된다. 회로 기판 리세스의 영역에, 공통 노출 윈도우(17)가 배치되며 공통 노출 윈도우(17)를 통하여 열 방출이 감지기 소자들에 도달한다. 노출은 전면으로부터 발생한다. 대안적인 실시예에 따르면(미도시), 노출은 후면으로부터 발생한다. 이를 위하여 적절한 노출 윈도우가 커버와 감지기 기판에 각각 형성된다.
커버 리세스(131)는 커버(14)에 존재한다. 그러나, 이 커버 리세스는 도1의 점선으로 표시된 바와 같이 생략될 수 있다.
감지기 기판 및 커버와 감지기 기판 및 회로 기판이 밀봉 접착 본딩(16)에 의해 서로서로 영구적으로 접속된다. 제 1 실시예에 따르면, 접착 본딩은 솔더(solder)로 이루어진다. 기판들(실리콘 기판들)은 서로서로 솔더링된다. 이에 대한 대안으로서, 접착 본딩은 접착제를 갖는다. 기판들은 서로 글루잉(glue)된다.
감지기 소자들의 전기적 와이어링(123)이 회로 기판과 감지기 기판 사이에서 접착 본딩에 의해 제공된다. 감지기 소자들의 전기적 신호들이 와이어링을 통해, 독출 회로를 통해, 각각 독출된다. 이에 대한 대안으로서, 와이어링이 "플립-칩(flip-chip)"에 의해 발생될 수 있다.
접착 본딩의 제조 도중에, 음(negative)의 압력이 형성된 스택 캐비티들 내에 형성되도록 진공이 가해진다. 스택 캐비티들은 이들의 형성시 진공화된다. 이에 대한 대안으로서, 스택 캐비티들은 접착 본딩들을 형성한 후에 진공화된다.
스택의 제조 후에, 스택에 캐이싱(casing: 20)이 제공된다. 이를 위해, 사출 성형 방식으로 스택에 비가교(unlinked) 플라스틱이 가해지며 뒤이어 교차가교(cross-linked)된다. 이에 대한 대안으로서, 몰딩 프로세스가 실행된다. 따라서, 커버의 노출 윈도우가 자유로운 상태가 되는(즉 커버링되지 않는) 것이 보장된다.
스택을 형성하기 위하여, 감지기 어레이를 갖는 감지기 기판, 독출 회로를 갖는 회로 기판 및 커버가 제공되고 설명된 바와 같이 서로서로 영구적으로 접속된다. 따라서, 이러한 제조는 웨이퍼 레벨에서 발생된다. 이를 위해, 실리콘 웨이퍼들에 다수의 대응하는 기능성들(감지기 어레이들, 독출 회로들, 커버 리세스들)이 제공된다. 감지기 기판, 회로 기판 및 커버가 웨이퍼 레벨에서 제공된다. 이들 기능화된 실리콘 웨이퍼들은 위에서 설명된 바와 같이 서로서로 영구적으로 접속된다. 다수의 개별 스택들을 갖는 웨이퍼 스택이 제조된다. 접속 후에, 개별 스택들은 웨이퍼 스택을 소잉(sawing)함에 의해 개별화되며 각각 케이싱이 제공된다.
본 장치는 운동(movement) 센서 또는 존재(presence) 센서에 이용된다. 다수의 스택들 각각 또는 각각 하나의 스택을 갖는 장치들이 열 화상 카메라의 응용을 위하여 제공된다.
Claims (15)
- 열 방출의 감지를 위한 장치(1)로서,
기판(210);
상기 기판에 부착되며 전기적으로 전도성인 물질을 갖는 보호 하우징(220) ― 상기 보호 하우징(220)은 상기 기판과 떨어져 대향하는 상면(223)을 가지며 상기 상면(223)에 개구(221)가 제공됨 ― ; 및
상기 보호 하우징 내에서 상기 기판 상에 탑재된 스택(10)을 포함하며,
상기 스택(10)은 상기 열방출을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 열 감지기 소자(111)를 갖는 적어도 하나의 감지기 기판(11), 상기 전기적 신호를 독출하는 적어도 하나의 독출 회로(121, 122)를 갖는 적어도 하나의 회로 기판(12), 및 상기 감지기 소자를 커버링하는 적어도 하나의 커버(13)를 포함하며;
상기 감지기 기판(11)은 상기 회로 기판(12)과 상기 커버(13) 사이에 배치되며;
상기 감지기 기판(11)과 상기 커버(14)에 의해 형성된, 상기 스택(10)의 적어도 하나의 제 1 스택 캐비티(14)가 상기 감지기 기판(11)의 상기 감지기 소자(111)와 상기 커버(14) 사이에 존재하도록 상기 감지기 기판(11)과 상기 커버가 서로 서로의 상에 배치되며;
상기 회로 기판(12)과 상기 감지 기판(11)에 의해 형성된, 상기 스택(10)의 적어도 하나의 제 2 스택 캐비티(15)가 상기 감지기 기판(11)과 상기 회로 기판(12) 사이에 존재하도록 상기 회로 기판(12)과 상기 감지기 기판(11)이 배치되며;
상기 제 1 스택 캐비티(14) 및/또는 제 2 스택 캐비티(15)는 진공화되거나 진공화될 수 있으며;
상기 스택(10)은 상기 기판(210)과 떨어져 대향하는 스택 상면(225)을 포함하며, 상기 스택 상면(225)이 상기 보호 하우징(220) 외부로부터 액세스가능하도록 상기 스택(10)의 상기 스택 상면(225)이 상기 개구(221)와 맞물리는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 감지기 기판(11), 상기 회로 기판(12) 및/또는 상기 커버(13)는 상기 감지기 소자(111)가 열 방출에 노출되는 동안에 상기 열 방출에 적합한 특정 투과를 갖는 적어도 하나의 노출 윈도우(17)를 포함하는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 감지기 기판(11), 상기 회로 기판(12) 및/또는 상기 커버(13)는 실리콘을 포함하는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지기 소자(111)가 상기 회로 기판(12)의 회로 기판 리세스(124)의 반대편 또는 상기 커버(13)의 커버 리세스(131)의 반대편에 배치되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지기 기판(11)과 상기 회로 기판(12) 및/또는 상기 감지기 기판(11)과 상기 커버(13)가 밀봉 접착 본딩(16)에 의해 서로 영구적으로 접속되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 접착 본딩(16)은 전기 전도성 물질을 포함하는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 감지기 소자들(111)을 갖는 적어도 하나의 감지기 어레이(110)가 제공되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스택(10)은 래핑(wrapping)(20)을 포함하며 상기 래핑(20)을 이용하여 상기 스택(10)이 상기 기판(210) 상에 고정되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 래핑(20)은 캐스팅(casting) 화합물을 포함하는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보호 하우징(220)의 상기 전기 전도성 물질은 금속을 포함하는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스택(10)이 개구(221) 내로 끼워지도록 상기 개구(221)가 형성되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보호 하우징(220)의 상면(223)이 상기 스택 상면(225)과 서로 같은 레벨로 종결되도록 상기 보호 하우징(220)이 제조되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보호 하우징(220)은 베이스(222)를 포함하며 상기 베이스(222)를 이용하여 상기 보호 하우징(220)이 상기 기판(210)에 부착되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
캐비티(224)가 상기 보호 하우징(220)과 상기 스택(10) 사이에서 상기 보호 하우징(220) 내부에 형성되도록 상기 보호 하우징(220)이 상기 스택(10)과 이격되어 배치되는,
열 방출 감지를 위한 장치. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 열 방출 감지를 위한 장치를 운동 센서, 존재 센서 및/또는 열 화상 카메라로서 사용하는 용도.
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