KR20160094312A - 풍속계를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
소정의 실시예에 따르면, 풍속을 측정하는 방법은 케이스 내부에 배열되고 바람으로부터 차폐된 제1 압력 센서에서 대기압을 측정하고, 케이스 내의 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하고, 대기압 및 공기압을 측정하는 것에 기초하여 케이스 내의 개구에서 풍속을 결정하는 것을 포함한다.
Description
일반적으로, 본 발명은 전자 디바이스에 관한 것으로서, 특정 실시예에서, 풍속계를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하나의 도메인으로부터의 신호를 다른 도메인으로 변환하는 트랜스듀서(transducer)가 때때로 센서에서 이용된다. 트랜스듀서를 포함하는 일반적인 센서는 압력 차이 및/또는 압력 변화를 전기 신호로 변환하는 압력 센서이다. 압력 센서는, 예를 들면, 대기압 감지, 고도 감지 및 날씨 모니터링을 포함하는 많은 응용을 갖는다.
MEMS(microelectromechanical system) 기반 센서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 생성된 트랜스듀서의 패밀리를 포함한다. MEMS 압력 센서와 같은 MEMS는 트랜스듀서에서의 물리적 상태의 변화를 측정하고, MEMS 센서에 접속되는 전자 장치에 의해 처리될 신호를 전송함으로써, 환경으로부터 정보를 수집한다. MEMS 디바이스는 집적 회로에 대해 이용된 것과 유사한 마이크로머시닝 제조 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
MEMS 디바이스는, 예를 들면, 발진기(oscillator), 공진기(resonator), 가속도계(accelerometer), 자이로스코프, 압력 센서, 마이크로폰 및/또는 마이크로-미러(micro-mirror)로서 기능하도록 설계될 수 있다. 많은 MEMS 디바이스는 물리적 현상을 전기 신호로 트랜스듀싱하기 위한 용량성 감지 기술을 이용한다. 그러한 응용에서, 센서에서의 캐패시턴스 변화는 인터페이스 회로를 이용하여 전압 신호로 변환된다.
압력 센서는 실링된 볼륨(sealed volume) 및 편향가능 멤브레인을 포함하는 용량성 MEMS 디바이스로서 구현될 수도 있다. 실링된 볼륨과, 일부 경우에 있어서 주변 환경과 같은 외부 볼륨 사이의 압력 차이는 멤브레인이 편향하도록 한다. 일반적으로, 멤브레인의 편향은 멤브레인과 감지 전극 사이의 거리에서의 변화를 초래하여, 캐패시턴스를 변화시킨다.
소정의 실시예에 따르면, 풍속(wind speed)을 측정하는 방법은, 케이스 내부에 배열되고 바람으로부터 차폐된 제1 압력 센서에서 대기압(atmospheric pressure)을 측정하고, 케이스에서의 개구(opening)에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압(air pressure)을 측정하고, 대기압 및 공기압을 측정하는 것에 기초하여 케이스 내의 개구에서 풍속을 결정하는 것을 포함한다.
본 발명 및 그 이점에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 함께 이하의 설명을 참조한다.
도 1은 실시예의 감지 디바이스의 시스템 블록도를 도시하는 도면.
도 2a 및 2b는 실시예의 감지 디바이스의 개략도를 도시하는 도면.
도 3은 동작시의 실시예의 감지 디바이스에 대한 풍속 측정의 도면.
도 4는 다른 실시예의 감지 디바이스의 시스템 블록도를 도시하는 도면.
도 5a 및 5b는 실시예의 센서 패키지의 단면도 및 상면도를 도시하는 도면.
도 6은 다른 실시예의 센서 패키지의 상면도를 도시하는 도면.
도 7은 감지 디바이스를 위한 실시예의 동작 방법의 블록도를 도시하는 도면.
도 8은 실시예의 처리 시스템의 시스템 블록도를 도시하는 도면.
도 9는 MEMS 압력 트랜스듀서의 단면을 도시하는 도면.
도 10은 다른 MEMS 압력 트랜스듀서의 단면을 도시하는 도면.
도 11은 다른 MEMS 압력 트랜스듀서의 단면을 도시하는 도면.
도 12는 또다른 MEMS 압력 트랜스듀서의 단면을 도시하는 도면.
도 13a 내지 13r은 추가적인 MEMS 압력 트랜스듀서에 대한 제조 프로세스 흐름의 단면을 도시하는 도면.
도 14는 압력 센서를 위한 인터페이스 회로의 상세 블록도를 도시하는 도면.
상이한 도면들에서의 대응하는 번호 및 심볼은, 달리 나타내지 않는 한, 대응하는 부분을 일반적으로 지칭한다. 도면은 실시예들의 관련 양상을 명료하게 나타내도록 도시되며, 실제 축적으로 도시될 필요는 없다.
도 1은 실시예의 감지 디바이스의 시스템 블록도를 도시하는 도면.
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도 3은 동작시의 실시예의 감지 디바이스에 대한 풍속 측정의 도면.
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도 5a 및 5b는 실시예의 센서 패키지의 단면도 및 상면도를 도시하는 도면.
도 6은 다른 실시예의 센서 패키지의 상면도를 도시하는 도면.
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도 9는 MEMS 압력 트랜스듀서의 단면을 도시하는 도면.
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도 11은 다른 MEMS 압력 트랜스듀서의 단면을 도시하는 도면.
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도 13a 내지 13r은 추가적인 MEMS 압력 트랜스듀서에 대한 제조 프로세스 흐름의 단면을 도시하는 도면.
도 14는 압력 센서를 위한 인터페이스 회로의 상세 블록도를 도시하는 도면.
상이한 도면들에서의 대응하는 번호 및 심볼은, 달리 나타내지 않는 한, 대응하는 부분을 일반적으로 지칭한다. 도면은 실시예들의 관련 양상을 명료하게 나타내도록 도시되며, 실제 축적으로 도시될 필요는 없다.
다양한 실시예의 생성 및 이용이 이하에 상세히 기술된다. 그러나, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예는 매우 다양한 특정 문맥에 적용가능함을 이해해야 한다. 기술된 특정 실시예는 다양한 실시예를 생성 및 이용하는 특정한 방식을 예시하는 것일 뿐이며, 제한된 영역으로 해석되어서는 안 된다.
다양한 실시예에 대하여 특정 문맥으로, 즉, 압력 트랜스듀서, 특히 MEMS 압력 트랜스듀서에 대한 설명이 행해진다. 본 명세서에서 기술된 다양한 실시예들 중 일부는 MEMS 트랜스듀서 시스템, MEMS 압력 트랜스듀서, MEMS 압력 트랜스듀서를 포함하는 센서 패키지, 센서 패키지를 포함하는 전자 디바이스, 및 풍속을 측정하기 위한 센서 패키지 구성을 포함한다. 다른 실시예에서, 본 기술 분야에 알려진 임의의 형태에 따른 임의의 유형의 트랜스듀서 또는 전자 디바이스를 수반하는 다른 응용들에 대해 양상들이 또한 적용될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 다양한 실시예에 따르면, MEMS 압력 센서를 이용하여 풍속계가 구현된다. 일반적으로, 풍속계는 피토관(pitot tube) 또는 풍력 발전 터빈(wind turbine)을 이용하여 구현된다. 그러한 디바이스는 특정 환경에서는 고가이거나 또는 부피가 클 수 있다. 따라서, 다양한 실시예는 소형 MEMS 압력 센서를 이용하여 구현된 풍속계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 제1 MEMS 압력 센서가 전자 디바이스 내부에 배열되고, 제2 MEMS 압력 센서가 전자 디바이스에서의 공기 또는 압력 포트에 배열된다. 제1 MEMS 압력 센서는 바람으로부터 차폐되고, 대기압을 측정하는데 이용되는 반면, 제2 MEMS 압력 센서는 전자 디바이스에서의 포트를 통해 노출되고, 바람으로부터의 공기압을 측정하는데 이용된다. 이들 2개의 압력 측정을 이용함으로써, 다양한 실시예에서, 바람에 의해 초래된 압력이 결정되고, 압력을 초래하는 풍속이 계산될 수 있다. 그러한 실시예에서, 제1 MEMS 압력 센서는 전자 디바이스에서의 포트와 간접적인 유체 통신(indirect fluid communication)하는 것으로서 지칭될 수 있고, 제2 MEMS 압력 센서는 전자 디바이스의 포트와 직접적인 유체 통신(direct fluid communication)하는 것으로서 지칭될 수 있다. 다양한 실시예에서, 풍속 이외에 풍향을 결정하기 위해 추가적인 MEMS 압력 센서가 포함될 수 있다. 이하, 다양한 특정 실시예가 본 명세서에서 기술된다.
도 1은 포트(112)를 포함하는 케이스(110) 내부에 압력 센서(102), 압력 센서(104), 집적 회로(IC)(106) 및 애플리케이션 프로세서(108)를 포함하는 실시예의 감지 디바이스(100)의 시스템 블록도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 감지 디바이스(100)는 압력 센서(102) 및 압력 센서(104)에 의해 구현된 풍속계를 포함하는 임의의 유형의 전자 디바이스일 수 있다. 압력 센서(102)는 포트(112)를 통해서, 케이스(110) 외부의 바람에 노출될 수 있다. 그러한 실시예에서, 압력 센서(102)는, 직접 커플링(103)의 실선에 의해 도시된 바와 같이, 포트(112)와 직접적인 유체 통신을 한다. 압력 센서(104)는 케이스(110) 내에 배열되는 것에 의해, 바람으로부터 차폐될 수 있다. 그러한 실시예에서, 압력 센서(104)는, 간접 커플링(105)의 파선에 의해 도시된 바와 같이, 포트(112)와 간접적인 유체 통신을 한다. 다양한 실시예에서, 압력 센서(104)는 바람으로부터 차폐되면서 대기압을 측정하고, 압력 센서(102)는 바람으로부터 차폐되지 않으면서 바람에 의해 초래된 포트(112)에서의 공기압을 측정한다. 케이스(110)는 디바이스 패키지 또는 구조체일 수 있다. 예를 들어, 케이스(110)는 일 실시예에서 모바일 전화를 위한 외부 케이스(outer case)이다.
다양한 실시예에서, IC(106)는 압력 센서(102)로부터 풍압 신호(wind pressure signal) Pwind를 수신하고, 압력 센서(104)로부터 대기압 신호 Patm을 수신한다. 풍압 신호 Pwind 및 대기압 신호 Patm은 압력 센서들(102, 104) 각각에서 MEMS 압력 트랜스듀서에 의해 생성되는 트랜스듀싱된 전기 신호일 수 있다. IC(106)는 풍압 신호 Pwind 및 대기압 신호 Patm을 수신하고, 그 신호들을 증폭하여, 증폭된 신호들을 I/O 버스(114)를 통해 애플리케이션 프로세서(108)에 제공한다. I/O 버스(114)를 통해 IC(106)로부터 수신된 증폭 신호들에 기초하여, 애플리케이션 프로세서(108)는 포트(112)에서의 풍속을 결정한다. 다른 실시예에서, 압력 센서(102) 및 압력 센서(104)는 애플리케이션 프로세서(108)에 연결되는 별도의 IC들에 연결될 수 있다. 그러한 실시예에서, IC(106)는 2개의 IC(도시되지 않음)로 분할된다.
다양한 실시예에서, IC(106)는 다양한 실시예를 위한 다양한 회로를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예가, 본 명세서에서 도 14를 참조하여 이하에 기술된다. 더욱이, 애플리케이션 프로세서(108)는 감지 디바이스(100)에서 일반적인 프로세서 또는 특정 애플리케이션 프로세서로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 애플리케이션 프로세서(108)는 다양한 실시예에서 센서 특정 처리 유닛, 범용 CPU(central processing unit), 마이크로프로세서, DSP(digital signal processor), 또는 FPGA(field programmable gate array)로서 구현될 수 있다. 다양한 실시예에서, 감지 디바이스(100)는 예를 들면, 아웃도어 전자 디바이스, 예를 들어, 자전거용과 같은 속도계, 모바일 전화, 태블릿 컴퓨터, 또는 스마트 워치와 같은 임의의 유형희 전자 디바이스일 수 있다.
일부 실시예에서, 감지 디바이스(100)는 추가적인 압력 센서(116) 및 추가적인 포트(118)를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 압력 센서(116)는, 직접 커플링(115)의 실선에 의해 도시된 바와 같이, 포트(118)와 직접적인 유체 통신한다. 압력 센서(116)는 추가적인 풍압 신호 Pwind2를 IC(106)에 제공하고, IC(106)는 대응하는 증폭 신호를 I/O 버스(114)를 통해 애플리케이션 프로세서(108)에 또한 제공한다. 추가적인 풍압 신호 Pwind2에 기초하여, 애플리케이션 프로세서(108)는 풍향을 또한 결정할 수 있다. 다른 실시예에서, 풍속 및 풍향, 즉, 속도(velocity) 측정의 정확성을 향상시키기 위해, 임의의 수의 추가적인 압력 센서 및 포트가 감지 디바이스(100)에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 압력 센서(116)는 애플리케이션 프로세서(108)에 연결되는 별도의 IC에 연결된다. 그러한 실시예에서, IC(106)는 둘 이상의 별도의 IC(도시되지 않음)로 분할된다.
다양한 실시예에서, 포트(112) 뿐만 아니라 포트(118)와 같은 추가적인 포트도 0.5mm 이하의 가로지르는 개구(opening)를 갖는다. 특정 실시예에서, 포트(112) 및 임의의 추가적인 포트들은 0.3mm 이하의 가로지르는 개구를 갖는다. 구체적으로, 포트(112) 및 임의의 추가적인 포트들은 직사각형 모양의 개구, 원형 모양의 개구, 또는 0.3mm 이하의 긴 치수를 갖는 불규칙한 모양의 개구를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 보다 큰 개구 또는 임의의 모양의 개구가 포함될 수 있다.
도 2a 및 2b는 감지 디바이스(100)의 구현일 수 있는 실시예의 감지 디바이스(120a, 120b)의 개략도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 감지 디바이스(120a)는 케이스(110) 내부에 압력 센서(102) 및 압력 센서(104)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 압력 센서(104)는 MEMS 압력 트랜스듀서로서 구현되고 케이스(110) 외부의 바람으로부터 차폐되는 대기압 센서이다. 다른 압력 센서(102)는 MEMS 압력 트랜스듀서로서 구현되고 케이스(110) 외부의, 그리고 구체적으로는 케이스(110)의 포트에서의 바람으로부터 차폐되지 않는, 즉, 바람에 노출되는 공기압 센서이다. 바람으로부터의 차폐를 구현하기 위해, 압력 센서(104)는 케이스(110)에서의 포트로부터 더 떨어져서 위치될 수 있으며, 포트와 압력 센서(104) 사이에 차단물(122)을 포함하여, 압력 센서(104)가 케이스(110)에서의 포트 또는 포트들과 간접적인 유체 통신하도록 할 수 있다. 다양한 실시예에서, 차단물(122)은 예를 들면, 배터리, 프로세서, 디스플레이, 또는 패키지 물질과 같은 다른 디바이스 구성요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 차단물(122)은 폼 배리어(foam barrier), 직물 배리어(cloth barrier), 다공성 구조물(porous structure), 또는 구조 패키지 벽(structural package wall)과 같은 특정 바람 차폐막을 포함할 수 있다. 도시의 간략성을 위해, 케이스(110) 내부의 다른 요소들은 도시되지 않는다. 본 명세서에서 도 4를 참조하여 후술되는 것과 같은 추가적인 요소들이 케이스(110) 내부에 포함될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 감지 디바이스(120b)는 케이스(110) 내부에, 압력 센서(116) 및 압력 센서(124)와 더불어, 압력 센서(102) 및 압력 센서(104)를 포함한다. 본 명세서에서 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 풍향을 또한 결정하기 위해 추가적인 압력 센서들이 포함될 수 있으며, 그로 인해 풍속 측정이 가능해진다. 따라서, 그러한 실시예에서, 압력 센서(116)는 케이스(110)에서의 추가적인 포트에서, 케이스(110) 외부의 바람에 노출될 수 있고, 압력 센서(124)는 케이스(110)에서의 또다른 포트에서, 케이스(110) 외부의 바람에 노출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 압력 센서(104)는 생략되고, 압력 센서(102) 및 압력 센서(116)가 풍속을 결정하는데 이용된다. 그러한 실시예에서, 압력 센서(102)는 바람을 향하게 하고, 압력 센서(116)는 바람을 외면하게 할 수 있다. 본 명세서에서 도 1을 참조하여 위에서 유사하게 기술된 바와 같이, 애플리케이션 프로세서(108)는 압력 센서(102) 및 압력 센서(116)로부터의 압력 신호들에서의 차이를 이용하여 풍속을 결정한다. 풍속은 바람을 향하게 되는 압력 센서(102)에 인접한, 도 1에서의 포트(112)와 같은, 케이스(110)에서의 포트에서 결정된다.
압력 센서(102, 116, 124)는 케이스(110)의 임의의 측 상에 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 압력 센서(102, 116, 124)는 서로에 대해 90° 방향으로 배열된다. 다양한 실시예에서, 임의의 수의 압력 센서가 포함될 수 있다. 예를 들어, 압력 센서가 케이스(110)의 6개의 면들, 또는 측들 각각에 포함될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 케이스(110)는 다른 수의 면들 또는 측들을 가질 수 있으며, 대응하는 수의 압력 센서를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 압력 센서(102, 104, 116, 124)가 포함된다. 다른 실시예에서, 단지 압력 센서(102, 104, 및 116 또는 124 중 하나)만이 전체 3개의 압력 센서를 위해 포함된다. 다양한 실시예에서, 케이스(110)는 특정 응용에 적합한 모양을 가질 수 있다. 케이스(110)에서의 포트는 케이스(110)의 모양에 따라 배열될 수 있다. 다양한 실시예에서 포트 및 압력 센서의 다양한 위치 및 방향이 고려된다.
다양한 실시예에서, 감지 디바이스(120b)는 압력 센서(104)를 위한 바람 차폐막 또는 바람 차폐막들을 또한 포함한다. 그러한 실시예에서, 바람 차폐막은 차단물(126)에 의해 도시된 바와 같이 압력 센서(104)를 둘러쌀 수 있다. 차단물(126)은 차단물(122)을 참조하여 기술된 임의의 요소를 포함할 수 있고, 압력 센서(104) 주변 또는 그 위에 배열되어, 압력 센서(104)가 케이스(110)에서의 포트들과 간접적인 유체 통신하도록 할 수 있다.
다양한 실시예에서, 압력 센서(102, 104, 116 또는 124)와 같은, 본 명세서에 기술된 임의의 압력 센서들은 약 50mm3 이하의 입방 체적(cubic volume)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 압력 센서는 5mm X 5mm 이하의 표면 치수를 가지며, 2mm 이하의 두께를 갖는다. 다른 실시예에서, 각각의 압력 센서는 보다 큰 면적 및 두께를 가질 수 있다. 각각의 압력 센서는 본 명세서에서 예를 들어, 도 4, 5a, 5b, 6을 참조하여 후술되는 바와 같은 패키징된 센서 디바이스를 포함할 수 있다.
도 3은 적용된 풍속 Sapp 및 측정된 풍속 Smeas를 보여주는, 동작시의 실시예의 감지 디바이스에 대한 풍속 측정의 도면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 측정된 풍속 Smeas는 일부 실시예에서 빠른 응답 시간 및 높은 정확성을 포함한다. 실시예의 감지 디바이스에 적용된 바람이 변화됨에 따라, 대응하는 측정은 적용되는 변화를 추적한다.
도 4는 감지 디바이스(100)의 구현일 수 있는 다른 실시예의 감지 디바이스(130)의 시스템 블록도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 감지 디바이스(130)는 포트(112)를 포함하는 케이스(110) 내부의 PCB(printed circuit board)(144)에 부착된 감지 패키지(132), 감지 패키지(134), 프로세서(136), 배터리(138), 통신 회로(140) 및 디스플레이(146)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 감지 디바이스(130)는 태블릿 컴퓨터, 스마트 워치, 속도계, 스마트 날씨 디바이스(smart weather device) 또는 모바일 전화와 같은 모바일 전자 디바이스일 수 있다. 센서 패키지(132, 134)는 본 명세서에서 도 1에서의 압력 센서(102, 104)를 참조하여 유사하게 전술한 바와 같이 기능하지만, 그 각각은 인터페이스 IC를 포함하는 패키징된 디바이스로서 구현된다. 예를 들어, 센서 패키지들(132, 134) 각각은 회로 보드에 접속되고 센서 패키지에 포함되는 인터페이스 IC 및 MEMS 압력 트랜스듀서를 포함한다. 센서 패키지(132)는 주변 환경에서의 바람을 포함하는 주변 환경에, 포트(112)를 통해서 직접 연결되는 반면, 센서 패키지(134)는 주변 환경에 간접적으로 연결되고, 감지 디바이스(130)에서의 차단물(122) 또는 다른 구성요소들에 의해 차폐될 수 있다.
다양한 실시예에서, 센서 패키지(132, 134)가 PCB(144)에 연결되고, 케이스(110) 내부에 포함된다. 예를 들어, 케이스(110)는 태블릿 컴퓨터 또는 모바일 전화의 본체(body)일 수 있다. 디스플레이(146)가 또한 PCB(144)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(136) 및 통신 회로(140)가 PCB(144)에 연결된다. 통신 회로(144)는 무선 통신 경로인 통신 경로(142)를 통해 통신한다. 예를 들어, 통신 회로(140)는 블루투스 트랜시버, WiFi 트랜시버, 또는 셀룰러 네트워크 트랜시버를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 통신 경로(142)는 유선 접속이다.
다양한 실시예에서, 센서 패키지(132)는 포트(112)에서의 바람으로부터의 공기압을 나타내는 전기 신호를 생성하고, 생성된 전기 신호를 PCB(144)를 통해 프로세서(136)에 제공한다. 센서 패키지(134)는 케이스(110) 내부의 대기압을 나타내는 전기 신호를 생성하고, 생성된 전기 신호를 PCB(144)를 통해 프로세서(136)에 제공한다. 프로세서(136)는 포트(112)에서의 풍속을 결정하기 위해, 본 명세서에서 도 1에서의 애플리케이션 프로세서(108)를 참조하여 전술한 바와 같이 동작할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 감지 디바이스(130)는 워크스테이션, 개인용 컴퓨터과 같은 유선 디바이스, 또는 예를 들면, 날씨 분석, 산업, 레크리에이션, 또는 항공 우주 응용과 같은 특정 응용을 위한 컴퓨팅 시스템이며, 통신 경로(142)는 유선 또는 무선 통신 경로일 수 있다.
다양한 실시예에서, 센서 패키지(132, 134)는 약 50mm3 이하의 입방 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 센서 패키지(132, 134)는 5mm X 5mm 이하의 표면 치수를 가지며, 2mm 이하의 두께를 갖는다. 다른 실시예에서, 센서 패키지들(132, 134) 각각은 보다 큰 또는 두께를 가질 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 명세서에서 도 4를 참조하여 전술한 센서 패키지(132) 또는 센서 패키지(134)의 구현일 수 있는 실시예의 센서 패키지(150)의 단면도 및 상면도를 도시한다. 구체적으로, 도 5a는 도 5b에서의 상면도에 의해 도시된 바와 같은 단면 A를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 센서 패키지(150)는 포트들(156a-156f) 중 임의의 것을 포함하는 패키지 커버(160) 내부의 회로 보드(158)에 부착된 MEMS 압력 트랜스듀서(152) 및 ASIC(application specific integrated crcuit)(154)을 포함한다. 그러한 실시예에서, MEMS 압력 트랜스듀서(152)는 센서 패키지(150)를 둘러싸는 주변 환경의 공기압을 측정하고, 측정된 공기압에 기초하여 트랜스듀싱된 전기 신호를 회로 보드(158)에서의 접속들을 통해 ASIC(154)에 제공한다.
다양한 실시예에서, MEMS 압력 센서는 포트들(156a, 156b, 156c, 156d, 156e, 156f) 중 하나 이상을 통해 센서 패키지(150)의 주변 환경에 유체적으로 연결된다. 포트들(156a, 156b)은 각각 패키지 커버(160)에서의 통풍 포트(ventilation port), 즉, 최상부 개구, 또는 회로 보드(158)에서의 통풍 포트, 즉, 최하부 개구일 수 있다. 더욱이, 패키지 커버(160)의 측들은 포트들(156c, 156d, 156e, 156f) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 포트들(156c, 156d, 156e, 156f)은 패키지 커버(160)에서의 통풍 구조체의 개구로서 형성되거나, 또는 패키지 커버(160)를 회로 보드(158)에 부착하는 본딩 재료에서와 같이, 패키지 커버(160)와 회로 보드(158) 사이의 분리된 구조체에 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 포트(156a, 156b, 156c, 156d, 156e, 156f)는 유체 신호(fluidic signal)의 전송을 허용하는 환경 또는 유체 포트로서 지칭될 수 있다. 유체 신호는 유체 및 가스의 전송 뿐만 아니라, 그러한 유체 매체를 통해 전달되는 신호, 구체적으로, 공기압 신호를 포함한다. 음향 신호가 또한 전송될 수 있다. 도 5b는 회로 보드(158)와 접촉하고 있는 패키지 커버(160)의 에지를 도시하며, 그렇지 않은 경우, 패키지 커버(160)에 의한 시야로부터 감추어질 센서 패키지(150)의 요소들을 보여주기 위한 시스루 구조체(see-through structure)로서 도시된다.
다양한 실시예에서, 포트(156a, 156b, 156c, 156d, 156e, 156f)의 크기 및 수를 설정하는 것은 패키지 커버(160) 내부의 공동(cavity)의 주파수 응답을 조절할 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 개구 및 보다 많은 수의 개구는 감지될 수 있는 신호의 고 주파수 한계를 증가시킨다. 반대로, 보다 작은 개구 또는 보다 적은 수의 개구는 감지될 수 있는 신호의 고 주파수 한계를 감소시킨다. 따라서, 포트(156a, 156b, 156c, 156d, 156e, 156f)의 구성은 압력 변화 또는 음향 신호와 같은 유체 신호에 대한 저역 통과 필터(low pass filter: LPF)로서 작용할 수 있다.
다양한 실시예에서, 센서 패키지(150)는 MEMS 압력 트랜스듀서(152) 및 ASIC(154) 이외에, 회로 보드(158)에 부착된 MEMS 마이크로폰(162)을 선택적으로 포함한다. MEMS 압력 트랜스듀서(152)는 커플링(170)을 통해 ASIC(154)에 전기적으로 연결되고, 선택적인 MEMS 마이크로폰(162)은 커플링(168)을 통해 ASIC(154)에 전기적으로 연결된다. 커플링(168, 170)은 회로 보드(158) 상에 또는 그 내부에 도전성 라인으로서 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 압력 트랜스듀서(152)는 회로 보드(158)에 부착된 단일의 미세제조된 다이 상에서 ASIC(154)과 함께 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 압력 트랜스듀서(152)는 ASIC(154) 상에 적층되어, ACIC(154)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, MEMS 압력 트랜스듀서(152)는 플립칩 본딩 또는 와이어 본딩을 통해 ASIC(154)에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 압력 트랜스듀서(152) 또는 선택적인 MEMS 마이크로폰(162)은 통합된 온도 센서(164, 166)를 각각 더 포함한다. 그러한 실시예에서, MEMS 압력 트랜스듀서(152)는 단일의 미세제조된 다이 상에서 함께 형성되는 통합된 온도 센서(164)를 포함한다. 통합된 온도 센서(164)는 MEMS 압력 트랜스듀서(152)와 동일한 기판 상에 별도로 형성되거나, 또는 MEMS 압력 트랜스듀서의 감지 구조체에 형성될 수 있다.
특정 실시예에서, 회로 보드(158)는, 제한적인 것은 아니지만, 래미네이트(laminate), 구리 피복 래미네이트(copper-clad laminate), 수지 함침 직물(resin impregnated cloth) 및 구리 포일(copper foil)을 포함하는 다양한 회로 보드 물질로 형성될 수 있다. 패키지 커버(160)는 금속 커버일 수 있다. 일부 특정한 실시예에서, 패키지 커버(160)는 구리, 강철 또는 알루미늄이다. 대안적인 실시예에서, 패키지 커버(160)는 폴리머 또는 유리로 형성된다.
도 6은 패키지 커버(160) 내부의 회로 보드(158)에 부착된 대기(atmospheric) MEMS 압력 트랜스듀서(172), 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174) 및 ASIC(154)을 포함하는 다른 실시예의 센서 패키지(151)의 상면도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 센서 패키지(151)는 센서 패키지(150)와 유사한 방식으로 동작하지만, 그 대신에 2개의 압력 트랜스듀서인 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172) 및 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)를 포함한다. 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)는 대기압을 측정하고, 국부적 압력 변화를 필터링하는 반면, 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)는 국부적 압력 변화를 측정한다. 다양한 실시예에서, 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)를 위한 필터링은, 예를 들면, ASIC(154)과 같은 LPF 회로로서 구현되거나, 또는 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)를 둘러싸는 바람 차폐물(173)로서 구현될 수 있다. 특정 실시예에서, 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)는 바람 차폐물(173)로서의 폼(foam), 직물(cloth), 메시(mesh), 또는 다공성 구조물에 의해 둘러싸인다. 그러한 실시예에서, 바람 차폐물(173)은 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)의 미세제조 다이의 일부로서 포함되거나, 또는 회로 보드(158) 상에서 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172) 주변에 부착될 수 있다.
다양한 실시예에서, 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)는 예를 들면, 바람에 의해 초래된 것과 같은, 공기압에서의 국부적 변화를, 그러한 신호를 필터링하지 않고서 측정한다. 일부 실시예에서, 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)는 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)와 동일하지만, 바람 차폐물이 없는, 감지 구조물로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, ASIC(154)은 상이한 컷오프 주파수를 갖는, 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172) 및 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)를 위한 상이한 LPF 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)는 10Hz 또는 100Hz 까지의 주파수를 통과시키는 필터에 연결되는 반면, 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)는 단지 0.5Hz 또는 1Hz 까지의 주파수를 통과시키는 필터에 연결될 수 있다. 특정한 실시예에서, 동적 MEMS 압력 트랜스듀서는 본 명세서에서 그 전체가 참조로 인용되는, 2014년 3월 31일에 출원된 "Dynamic Pressure Sensor" 라는 명칭의 계류중인 특허 출원 제 14/231068 호에 기술된 바와 같이 구현될 수 있다.
다양한 실시예에서, ASIC(154)은 커플링(176)을 통해 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172)에 전기적으로 연결되고, 커플링(178)을 통해 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)에 전기적으로 연결된다. 커플링(176, 178)은 회로 보드(158) 상에 또는 그 내부에 도전성 라인으로서 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172) 및 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174)는, 본 명세서에서 도 5b에서의 통합된 온도 센서(164)를 참조하여 전술한 바와 같은 통합된 온도 센서(180 또는 182)를 각각 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 센서 패키지(151)는 본 명세서에서 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 센서 패키지(132)의 구현일 수 있다. 특정 실시예에서, 센서 패키지(134)는, 센서 패키지(151)가 대기 MEMS 압력 트랜스듀서(172) 및 동적 MEMS 압력 트랜스듀서(174) 둘다를 포함하기 때문에 생략될 수 있다.
도 7은 감지 디바이스를 위한 실시예의 동작 방법(200)의 블록도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 동작 방법(200)은 단계들(202, 204, 206)을 포함하며, 풍속을 측정하는 방법을 구현한다. 그러한 실시예에서, 단계(202)는 케이스 내부에 배열되고 바람으로부터 차폐된 제1 압력 센서에서 대기압을 측정하는 것을 포함한다. 단계(204)는 케이스에서의 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 것을 포함한다. 단계(202, 204) 이후에, 단계(206)는 단계(202)에서 대기압을 측정하는 것 및 단계(204)에서 케이스에서의 개구에서 공기압을 측정하는 것에 기초하여, 케이스에서의 개구에서의 풍속을 결정하는 것을 포함한다. 본 명세서에서 기술된 바와 같이, 압력 측정은 다양한 실시예에서 MEMS 압력 트랜스듀서를 이용하여 수행될 수 있다. 동작 방법(200)에 따라 동작하는 감지 디바이스는 압력 트랜스듀서를 포함하는, 예를 들면, 아웃도어 디바이스와 같은, 임의의 유형의 전자 디바이스일 수 있다. 단계(202, 204)에서의 압력 측정은 MEMS 압력 트랜스듀서에서 생성되고, 단계(206)를 구현하는, 예를 들면, 마이크로프로세서 또는 DSP와 같은 처리 회로에 제공되는 트랜스듀싱된 전기 신호일 수 있다.
도 8은 압력 센서(222), 필터(224) 및 신호 프로세서(226)를 포함하는 실시예의 처리 시스템(220)의 시스템 블록도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 압력 센서(222)는 본 명세서에서 다른 도면들을 참조하여 기술된 바와 같은 둘 이상의 MEMS 압력 트랜스듀서를 포함한다. 압력 센서(222)는 디바이스 케이스에서의 포트와 같은 특정 지점에서 대기압 및 공기압을 측정한다. 다른 실시예에서, 압력 센서(222)는 디바이스 케이스에서의 2개의 포트에서 공기압을 측정할 수 있으며, 여기서 2개의 포트는 예를 들면, 반대의 방향을 향하고 있다. 압력 측정 신호가, 음향 신호 또는 다른 신호 잡음과 같은 고 주파수 신호를 제거할 수 있는 필터(224)를 통해 제공된다. 신호 프로세서(226)는 필터링된 측정 신호를 수신하고, 압력 측정에 기초하여 풍속을 결정한다.
소정의 실시예에 따르면, 신호 프로세서(226)는 2개의 공기압 측정들 사이의 차이의 제곱근에 기초하여 풍속을 계산할 수 있다. 특정한 예에서, 압력 센서(222)는 디바이스 케이스 내부로부터의 대기 압력 신호 Patm 및 디바이스 케이스에서의 포트에서 측정된 공기압 신호 Pwind를 제공한다. 신호 프로세서(226)는 이들 신호들을 수신하고, 수학식 
을 이용하여 풍속 S를 계산하며, 여기서 
는 공기의 밀도이다.
도 9는 기판(302), 측벽(304), 편향가능 멤브레인(306), 리지드 백플레이트(rigid backplate)(308) 및 공동(310)을 포함하는 MEMS 압력 트랜스듀서(300)의 단면을 도시한다. 백플레이트(308)는 구멍(perforation)(314)을 포함하는 스페이서(312)에 의해 멤브레인(306)으로부터 분리된다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 압력 트랜스듀서(300)는, 본 명세서에서 도 13a 내지 13r을 참조하여 이하에 기술되는 바와 같이, MEMS 마이크로폰과 유사한 방식으로 제조된다.
일부 실시예에서, 주변 환경에서의 압력 변화는 공동(310)과 주변 환경 사이에, 멤브레인(306)이 편향하도록 하는 압력 차이를 생성한다. 멤브레인(306)의 편향은 멤브레인(306)과 백플레이트(308) 사이의 거리를 변화시킨다. 거리에서의 변화는 2개의 플레이트 사이의 유효 캐패시턴스를 변화시키며, 판독 전극(readout electrode)(도시되지 않음) 상에 트랜스듀싱된 전기 신호를 생성한다. 트랜스듀싱된 전기 신호는 발생된 압력에서의 변화에 대응한다. 일부 실시예에 따르면, MEMS 압력 트랜스듀서(300)는 MEMS 마이크로폰으로서 구현될 수 있으며, LPF(low pass frequency) 응답이 디지털 또는 아날로그 필터에 의해 구현될 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, MEMS 압력 트랜스듀서(300)는 음향 잡음을 감소시키고, 압력 감지를 향상시키기 위해, 예를 들면, 폼(foam)과 같은 음향 머플링 물질(acoustically muffling material)로 덮이거나 또는 절연될 수 있다.
다양한 실시예에서, 구멍(314)의 크기(평면 면적) 및 갯수는 MEMS 압력 트랜스듀서(300)에 대한 주파수 응답의 고 주파수 컷오프 
에 영향을 미친다. 다른 실시예에서, 멤브레인(306)의 질량(mass) 또한 고 주파수 컷오프 
에 영향을 미친다. 또다른 실시예에서, 다른 요인들이 고 및 저 주파수 컷오프들 
및 
을 조절할 수 있다. 예를 들어, 공동의 볼륨, (공동의 반경에 의해 설정된) 멤브레인의 크기, 멤브레인의 두께 및 다른 특징들이 고 및 저 주파수 컷오프들 
및 
에 영향을 미칠 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 백플레이트(308)는 0.5㎛와 5㎛ 사이의 두께를 갖고, 구멍(314)은 0.5㎛와 10㎛ 사이의 직경을 갖고, 멤브레인(306)은 0.1㎛와 1㎛ 사이의 두께를 갖고, 공동(310)은 0.2mm와 2mm 사이의 직경 및 0.1mm와 1mm 사이의 두께를 갖고, 스페이서(312)에 의해 설정되는 백플레이트(308)와 멤브레인(306) 사이의 분리 거리는 0.5㎛와 5㎛ 사이이다.
도 10은 기판(322), 전극(326), 멤브레인(324) 및 공동(328)을 포함하는 다른 MEMS 압력 트랜스듀서(320)의 단면을 도시한다. 멤브레인(324)은 절연체(330)에 의해 전극(326)으로부터 분리된다. 본 명세서에서 MEMS 압력 트랜스듀서(300)를 참조하여 위에서 유사하게 기술된 바와 같이, 주변 환경에서의 압력 변화는 MEMS 압력 트랜스듀서(320)의 멤브레인(324)이 편향하게 하고, 전극(326) 및 멤브레인(324)에 연결된 접촉부(contact)에서 트랜스듀싱된 신호를 생성한다. 본 명세서에서 다른 도면들을 참조하여 전술한 바와 같이, 멤브레인(324)의 기계적인 특성은 고 및 저 컷오프 주파수들 
및 
을 조절함으로써 MEMS 압력 트랜스듀서(320)의 주파수 응답에 영향을 미친다.
도 11은 다른 MEMS 압력 트랜스듀서(340)의 단면을 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 압력 트랜스듀서(340)는 기판(342), 측벽(344), 멤브레인(346) 및 공동(348)을 포함하는 압저항(piezoresistive) 또는 압전(piezoelectric) 압력 센서이다. 압전 센서(piezo-sensor)(350)가 멤브레인(346) 상에 배치되거나 또는 멤브레인(346)에 포함된다. 압전 센서(350)는 압전 물질 또는 압저항 물질로서 구현될 수 있다.
다양한 실시예에서, 주변 환경에서의 압력 변화는 멤브레인(346)의 편향을 초래한다. 압저항 물질의 경우, 편향은 압전 센서(350)의 저항을 변화시키고, 저항은 판독 전극(도시되지 않음)에 의해 측정된다. 압전기 물질의 경우, 편향은 압전 센서(350)가 판독 전자장치(도시되지 않음)에 공급되는 전압을 생성하게 한다. 본 명세서에서 다른 도면들을 참조하여 전술한 바와 같이, 멤브레인(346)의 기계적인 특성은 고 및 저 컷오프 주파수들 
및 
을 조절함으로써 MEMS 압력 트랜스듀서(340)의 주파수 응답에 영향을 미친다.
도 12는 기판(362), 측벽(364), 공동(370), 편향가능 멤브레인(366), 및 상부 및 하부 전극들(368a, 368b)을 갖는 리지드 백플레이트를 포함하는 또다른 MEMS 압력 트랜스듀서(360)의 단면을 도시한다. 구조 층(369, 372, 373)은 상부 및 하부 전극들(368a, 368b)을 서로 간에 분리, 및 멤브레인(366)으로부터 분리한다. 일부 실시예에서, 구조 층(369, 372, 373)은 예를 들면, 산화물로 형성된다. MEMS 압력 트랜스듀서(360)와 유사한 구조, 및 그 제조에 대해서는, 본 명세서에서 그 전체가 참조로 인용되는, 2013년 6월 28일에 출원된 "MEMS Microphone with Low Pressure Region between Diaphragm and Counter Electrode" 라는 명칭의 계류중인 출원 제 13/931584 호, 및 본 명세서에서 그 전체가 참조로 인용되는, 2014년 3월 6일에 출원된 "MEMS Sensor Structure for Sensing Pressure Waves and a Change in Ambient Pressure" 라는 명칭의 계류중인 출원 제 14/198634 호에 기술되어 있다. 이들 계류중인 출원들은 MEMS 마이크로폰 구조 및 정적 MEMS 압력 센서를 기술한다. 본 명세서에서 다른 도면들을 참조하여 전술한 바와 같이, 멤브레인(366)의 기계적인 특성은 고 및 저 컷오프 주파수들 
및 
을 조절함으로써 MEMS 압력 트랜스듀서(360)의 주파수 응답에 영향을 미친다.
다양한 실시예에 따르면, 판독 회로(도시되지 않음)는 전극(368a, 368b) 상에서의 백플레이트 전압을 측정한다. 멤브레인(366)이 움질일 때, 판독 회로는 2개의 신호를 생성하는데, 1개의 신호는 멤브레인 움직임에 비례하고, 1개의 신호는 멤브레인 움직임에 반비례한다. 그러한 실시예에서, 판독 회로에서 생성되는 2개의 신호들의 차이는 멤브레인 움직임, 그에 따라서, 음향 신호 또는 공기에서의 압력 변화에 기인할 수 있는 인가된 공기압에 비례한다.
다른 실시예에서, 압력 측정 신호가 제2 메카니즘에 따른 동일한 구조에 의해 생성될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 공동(374)은 멤브레인(366)에 의해 형성된 실링된 볼륨(sealed volume)이다. 절대 압력 변화가 멤브레인(366)의 상부와 하부 사이의 거리에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 영향은 마이크로폰 시스템의 감도를 변화시킬 수 있지만, 일부 실시예에서 그것은 이로운 것일 수 있다. 멤브레인(366)의 상부와 하부 사이의 거리에서의 변화는 판독 회로(도시되지 않음)에서 생성될 수 있는, 전극(368a, 368b) 상의 백플레이트 전압들의 합산(sum)을 평가함으로써 측정될 수 있다. 그러한 실시예에서, 생성된 합산 신호는 대기압에 비례한다.
도 13a 내지 13r은 추가적인 MEMS 압력 트랜스듀서에 대한 제조 프로세스 흐름의 단면을 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 유사한 프로세스 흐름이, 본 명세서에서 기술된 다양한 다른 MEMS 압력 트랜스듀서에 대해 구현될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 도 13a는 실리콘 기판(402)으로 시작된다. 대안적인 실시예에서, 기판(402)은 실리콘 이외의 물질일 수 있다. 도 13b는 기판(402) 상에 퇴적(deposited) 또는 성장되어 패터닝된 산화물 범프(oxide bump)(404)를 도시한다. 도 13a 내지 13r을 참조하여 기술된 산화물은, 예를 들면, 실리콘 이산화물과 같은 반도체 산화물을 포함할 수 있다.
도 13c에 도시된 바와 같이 산화물의 다른 층이 퇴적 또는 성장되어 멤브레인 지지부(406)를 형성한다. 도시된 바와 같이, 산화물 범프는 멤브레인 지지부(406)에서의 범프 또는 주름(corrugation)을 초래한다. 도 13d에서, 폴리실리콘의 층이 퇴적되어 멤브레인(408)을 형성한다. 멤브레인(408)은 산화물 범프(404)로 인한 주름을 포함한다. 멤브레인(408)은 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(408)은 인(phosphorous)으로 도핑될 수 있다. 다음 단계에서, 도 13c에 도시된 바와 같이 멤브레인(408)이 패터닝된다. 전술한 바와 같이, 질량(mass) 및 강도(stiffness)에 영향을 미치는 멤브레인(408)의 두께는 고 및 저 주파수 컷오프 
및 
을 포함하는 주파수 응답, 및 MEMS 압력 트랜스듀서의 감도에 또한 영향을 미친다.
멤브레인(408)이 패터닝된 후, 도 13f에 도시된 바와 같이, 두꺼운 산화물이 퇴적되어 백플레이트 지지부(412)를 형성한다. 도 13g는 백플레이트 지지부(412)가 패터닝되어 홀(hole)(414)을 형성하게 되는 다음 단계를 도시한다. 그 다음, 도 13h에 도시된 바와 같이, 백플레이트(416)가 퇴적된다. 백플레이트(416)는 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘, 금속, 또는 다양한 다른 도전성 물질로 형성될 수 있다. 도 13h에 도시된 바와 같이, 홀(414)은 백플레이트(416)에 딤플(dimple)이 형성되게 한다.
도 13i에서, 백플레이트(416)가 구멍(418)으로 패터닝된다. 완성된 디바이스의 동작 동안에 멤브레인(408)을 대신할 수 있는 백플레이트(416)를 통해 공기 흐름을 허용하기 위해, 백플레이트(416)의 구조 전체를 통해 구멍(418)이 배치된다. 도 13j에 도시된 바와 같이 백플레이트 지지부(412)가 패터닝된다. 백플레이트(416)에서의 구멍의 크기(직경) 및 갯수는 특성 주파수 응답에서의 고 주파수 컷오프 
에 영향을 미친다. 백플레이트 지지부(412)를 패터닝한 후, 도 13k에 도시된 바와 같이 패시베이션층(420)이 퇴적된다. 패시베이션층(420)은 형성된 구조를 커버하고, 또한 백플레이트(416)에서의 구멍들(418) 사이에 놓이게 된다. 도 13l에 도시된 바와 같이, 금속화 접촉부(422)가 기판(402), 백플레이트(416) 및 멤브레인(408)과의 전기적 접촉을 위해 퇴적 및 패터닝된다.
다른 패시베이션층(424)이 도 13m에 도시된 바와 같이 퇴적되고, 도 13n에 도시된 바와 같이 접촉부(422)를 노출시키도록 패터닝된다. 도 13o에 도시된 바와 같이 공동(426)을 형성하기 위해 기판(402)에서 후면 에칭(backside etch)이 수행된다. 다양한 실시예에 따르면, BOSCH 에칭 프로세스가 수행되어 후면 에칭을 구현하여 공동(426)을 형성한다. 패시베이션층들(420, 424)의 최상부 상에, 도 13p에 도시된 바와 같이 일시적인 차폐층(428)이 퇴적되어, 릴리스(release) 단계 동안에 백플레이트(416) 및 멤브레인(408)을 차폐한다. 릴리스 단계가 수행되어, 도 13q에 도시된 바와 같이 백플레이트(416) 및 멤브레인(408)을 릴리스한다. 마지막으로, 도 13r에 도시된 바와 같이 일시적인 차폐층(428)이 제거되어 접촉부(422)를 노출시킨다.
도 13a 내지 13r에 기술된 실시예의 제조 시퀀스에 대한 다양한 변형이 고려된다. 더욱이, 구조는 많은 실시예에서 변형될 수 있으며, 제조 시퀀스에 대한 변형들이 예상될 것이다. 본 명세서에서 기술된 다양한 단계들 및 수반되는 도면들은 예시적인 것이다. 다양한 실시예에 따르면, 구조들은 경사형 측벽, 거친 표면 및 많은 치수를 포함할 수 있다.
도 14는 압력 센서(504) 및 IC(506)를 포함하는 압력 센서를 위한 인터페이스 회로(500)의 상세 블록도를 도시한다. 다양한 실시예에 따르면, 인터페이스 회로(500)는 도 1을 참조하여 기술된 IC(106) 또는 도 5a, 5b 및 6을 참조하여 기술된 ASIC(154)의 구현될 수 있다. 더욱이, 압력 센서(504)는 본 명세서에서 다른 도면들을 참조하여 기술된 MEMS 압력 트랜스듀서들 중 임의의 것에 따라 구현될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 압력 센서(504)는 바이어스 블록(512) 및 기준 블록(514)으로부터의 기준 전압 VREF로 바이어싱되며, 기준 블록(514)은 LDO(514)로서 지칭되는 로우-드롭아웃 레귤레이터(low-dropout regulator: LDO)일 수 있다. 압력 센서(504)는 감지되고 트랜스듀싱된 압력 변화를 증폭기(516)에 공급하고, 멀티플렉서(518)는 증폭된 압력 신호, (IC 또는 센서의) 온도 비례 전압 Vt, 또는 기준 단자(522) 및 LDO(514)에 연결되는 노드(520)로부터의 기준 전압을 선택한다. 멀티플렉서(518)의 출력은 ADC(analog to digital converter)(524)에 의해 디지털 신호로 변환되고, 필터(526)에 의해 필터링되고, 디지털 버스 인터페이스(528)에 의해 디지털 버스(530)와 인터페이싱된다. IC(506)는 LDO(532)에 의해 공급된 디지털 전압 기준, 디지털 로직 동작을 위한 상태 머신(534), 디지털 동작 또는 필터링을 위한 메모리(536), 및 임의의 디지털 블록을 클록킹(clock)하기 위한 발진기(538)를 또한 포함할 수 있다. IC(506)에는 기준 단자들 VDD 및 GND 뿐만 아니라, 디지털 버스(530)에 연결하기 위한 입/출력(I/O) 전압 공급부 VDD_IO가 공급된다.
일부 실시예에서, 필터(526)는 도 8에서의 필터(224) 및 신호 프로세서(226)를 참조하여 기술된 바와 같이 처리 또는 필터링을 구현할 수 있다. 예를 들어, 필터(526)는 역(inverse) 고역 통과 필터 또는 저역 통과 또는 고역 통과 디지털 필터들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 필터(526)는 아날로그 필터이고, 멀티플렉서(518)와 ADC(524) 사이에 연결되도록 재배열된다.
다른 실시예는 센서 및/또는 인터페이스 IC의 특정한 특징들을 구현하기 위해, 상이한 기능 구성요소들 및/또는 추가적인 기능 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, IC(506)는 감지된 압력 신호를 선형화하는데 이용되는 디지털 보정 알고리즘(digital correction algorithm)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 온도 비례 전압 Vt를 이용하여 온도 보정이 구현될 수 있다. 다양한 실시예에서, IC(506)는 판독된 것으로서 온도 정보 및/또는 팩토리 교정 데이터(factory calibration data)를 디지털 버스(530)에 또한 제공한다.
소정의 실시예에 따르면, 풍속을 측정하는 방법은 케이스 내부에 배열되고 바람으로부터 차폐된 제1 압력 센서에서 대기압을 측정하고, 케이스에서의 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하고, 대기압 및 공기압을 측정하는 것에 기초하여 케이스에서의 개구에서의 풍속을 결정하는 것을 포함한다.
다양한 실시예에서, 풍속을 결정하는 것은 대기압을 측정하는 것에 기초하여 제1 신호를 생성하고, 공기압을 측정하는 것에 기초하여 제2 신호를 생성하고, 제2 신호로부터 제1 신호를 감산함으로써 차분 신호를 생성하고, 차분 신호를 이용하여 풍속을 계산하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 풍속을 계산하는 것은 수학식 
을 이용하여 풍속 S를 계산하는 것을 포함하고, 여기서 제1 신호는 P1이고, 제2 신호는 P2이고, 공기의 밀도는 
이다.
다양한 실시예에서, 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 것은 케이스에서의 복수의 개구에 배열된 복수의 압력 센서에서 복수의 공기압을 측정하는 것을 포함한다. 그러한 실시예에서, 방법은 복수의 공기압을 측정하는 것에 기초하여 풍향을 결정하는 것을 더 포함한다. 복수의 개구의 각각의 개구는 복수의 개구의 다른 개구의 방향으로부터 약 90° 만큼 분리되는 방향을 향하도록 배열될 수 있다.
다양한 실시예에서, 제1 압력 센서 및 제2 압력 센서 각각은 약 50mm3 미만의 입방 체적을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 것은 케이스에서의 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 것을 포함하고, 개구는 0.3mm 미만의 직경을 갖는다. 설명된 기술의 구현은 전자 시스템 또는 하드웨어, 대응하는 방법, 또는 컴퓨터 액세스가능 매체 상의 컴퓨터 소프트웨어를 포함할 수 있다.
소정의 실시예에 따르면, 전자 디바이스는 포트를 포함하는 케이스, 포트에 인접하여 케이스 내부에 배열된 제1 MEMS 압력 센서, 케이스 내부에 배열되고 포트로부터 차폐된 제2 MEMS 압력 센서, 및 케이스 내부에 배열되고, 제1 MEMS 압력 센서 및 제2 MEMS 압력 센서에 전기적으로 연결된 애플리케이션 처리 회로를 포함한다. 애플리케이션 처리 회로는 제1 MEMS 압력 센서 및 제2 MEMS 압력 센서로부터 수신된 신호들에 기초하여 포트에서 풍속을 결정하도록 구성된다.
다양한 실시예에서, MEMS 압력 센서 및 제2 MEMS 압력 센서 각각은 50mm3 미만의 입방 체적을 포함한다. 전자 디바이스는 추가적인 포트에 인접하여 케이스 내부에 배열된 제3 MEMS 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자 디바이스는 복수의 추가적인 포트에 인접하여 케이스 내부에 배열된 복수의 추가적인 MEMS 압력 센서를 더 포함한다. 그러한 실시예에서, 애플리케이션 처리 회로는 제1 MEMS 압력 센서, 제2 MEMS 압력 센서 및 복수의 추가적인 MEMS 압력 센서로부터 수신된 신호들에 기초하여 풍향을 결정하도록 더 구성된다. 복수의 추가적인 포트의 각각의 추가적인 포트는 복수의 추가적인 포트의 다른 포트의 방향으로부터 약 90° 만큼 분리되는 방향을 향하도록 배열될 수 있다.
다양한 실시예에서, 포트는 0.3mm 미만의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 전자 디바이스는 케이스 내부에서 포트와 제2 MEMS 압력 센서 사이에 배열된 바람 차폐물을 더 포함한다. 제1 MEMS 압력 센서 및 제2 MEMS 압력 센서 각각은 용량성 압력 센서를 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서, 제1 MEMS 압력 센서 및 제2 MEMS 압력 센서 각각은 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰을 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 MEMS 압력 센서 및 제2 MEMS 압력 센서 각각은 압저항 또는 압전 압력 센서를 포함한다. 설명된 기술의 구현은 전자 시스템 또는 하드웨어, 대응하는 방법, 또는 컴퓨터 액세스가능 매체 상의 컴퓨터 소프트웨어를 포함할 수 있다.
소정의 실시예에 따르면, 전자 디바이스는 포트를 포함하는 케이스, 케이스 내부에 배열된 회로 보드, 케이스 내부에 배열되고 회로 보드에 부착되는 디스플레이, 회로 보드에 부착되고, 포트와 직접적인 유체 통신하는 제1 센서 패키지, 회로 보드에 부착되고, 포트와 간접적인 유체 통신하는 제2 센서 패키지, 및 회로 보드에 부착되고, 제1 센서 패키지 및 제2 센서 패키지에 전기적으로 연결되는 애플리케이션 프로세서를 포함한다. 제1 센서 패키지는 제1 압력 센서를 포함하고, 제2 센서 패키지는 제2 압력 센서를 포함한다.
다양한 실시예에서, 전자 디바이스는 포트와 제2 센서 패키지 사이에 바람 차폐물을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 전자 디바이스는 무선 통신 회로를 더 포함한다. 제1 센서 패키지는 음향 트랜스듀서를 더 포함할 수 있다. 전술한 기술의 구현은 전자 시스템 또는 하드웨어, 대응하는 방법, 또는 컴퓨터 액세스가능 매체 상의 컴퓨터 소프트웨어를 포함할 수 있다.
소정의 실시예에 따르면, 바람의 풍속을 측정하는 방법은 케이스에서의 제1 개구에 배열된 제1 압력 센서에서 제1 공기압을 측정하고, 제2 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 제2 공기압을 측정하고, 제1 공기압 및 제2 공기압을 측정하는 것에 기초하여 케이스에서의 제1 개구에서 풍속을 결정하는 것을 포함한다.
다양한 실시예에서, 풍속을 결정하는 것은 제1 공기압을 측정하는 것에 기초하여 제1 신호를 생성하고, 제2 공기압을 측정하는 것에 기초하여 제2 신호를 생성하고, 제2 신호로부터 제1 신호를 감산하여 차분 신호를 생성하고, 차분 신호를 이용하여 풍속을 계산하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 압력 센서에서 제2 공기압을 측정하는 것은 케이스에서의 복수의 개구에 배열된 복수의 압력 센서에서 복수의 공기압을 측정하는 것을 포함한다. 그러한 실시예에서, 방법은 복수의 공기압을 측정하는 것에 기초하여 풍향을 결정하는 것을 더 포함한다. 복수의 개구의 각각의 개구는 복수의 개구의 다른 개구의 방향으로부터 약 90° 만큼 분리되는 방향을 향하도록 배열될 수 있다. 소정의 실시예에서, 제1 개구는 바람을 향하고, 제2 개구는 바람을 외면한다. 전술한 기술의 구현은 전자 시스템 또는 하드웨어, 대응하는 방법, 또는 컴퓨터 액세스가능 매체 상의 컴퓨터 소프트웨어를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 기술된 다양한 실시예에 따르면, 이점들은 콤팩트 또는 통합형 풍속계를 포함할 수 있다. 일부 이점들은 보다 저렴한 풍속 측정 또는 향상된 정확도의 풍속 측정을 포함할 수 있다. 일부 이점들은 콤팩트 또는 모바일 전자 디바이스와 같은 다양한 전자 디바이스에 쉽게 포함될 수 있는 풍속계를 포함할 수 있다.
본 발명은 예시된 실시예를 참조하여 설명되었지만, 그러한 설명은 제한적인 의미로서 해석되도록 의도하지 않는다. 본 기술 분야의 당업자라면, 그러한 설명을 참조함으로써, 예시적인 실시예의 다양한 변형 및 조합 뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 대해 명확하게 알 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 임의의 그러한 변형 또는 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (28)
- 풍속을 측정하는 방법으로서,
케이스 내부에 배열되고 바람으로부터 차폐된 제1 압력 센서에서 대기압을 측정하는 단계와,
상기 케이스 내의 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 단계와,
상기 대기압 및 상기 공기압을 측정하는 것에 기초하여 상기 케이스 내의 상기 개구에서 풍속을 결정하는 단계를 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 풍속을 결정하는 단계는,
상기 대기압을 측정하는 것에 기초하여 제1 신호를 생성하는 단계와,
상기 공기압을 측정하는 것에 기초하여 제2 신호를 생성하는 단계와,
상기 제2 신호로부터 상기 제1 신호를 감산함으로써 차분 신호(a difference signal)를 생성하는 단계와,
상기 차분 신호를 이용하여 상기 풍속을 계산하는 단계를 포함하는
풍속 측정 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 풍속을 계산하는 단계는 수학식을 이용하여 풍속 S를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 제1 신호는 P1이고, 상기 제2 신호는 P2이고, 공기의 밀도는
인
풍속 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 단계는 상기 케이스 내의 복수의 개구에 배열된 복수의 압력 센서에서 복수의 공기압을 측정하는 단계를 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 복수의 공기압을 측정하는 것에 기초하여 풍향을 결정하는 단계를 더 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 복수의 개구 중 각각의 개구는 상기 복수의 개구 중 다른 개구의 방향으로부터 약 90°만큼 분리되는 방향을 향하도록 배열되는
풍속 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 압력 센서 및 상기 제2 압력 센서 각각은 약 50 mm3 미만의 입방 체적을 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 단계는 상기 케이스 내의 상기 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 공기압을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 개구는 0.3 mm 미만의 직경을 갖는
풍속 측정 방법.
- 포트를 포함하는 케이스와,
상기 포트에 인접하여 상기 케이스 내부에 배열된 제1 MEMS 압력 센서와,
상기 케이스 내부에 배열되고 상기 포트로부터 차폐된 제2 MEMS 압력 센서와,
상기 케이스 내부에 배열되고, 상기 제1 MEMS 압력 센서 및 상기 제2 MEMS 압력 센서에 전기적으로 연결된 애플리케이션 처리 회로를 포함하되,
상기 애플리케이션 처리 회로는 상기 제1 MEMS 압력 센서 및 상기 제2 MEMS 압력 센서로부터 수신된 신호들에 기초하여 상기 포트에서 풍속을 결정하도록 구성되는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 MEMS 압력 센서 및 상기 제2 MEMS 압력 센서 각각은 약 50 mm3 미만의 입방 체적을 포함하는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 전자 디바이스는 추가적인 포트에 인접하여 상기 케이스 내부에 배열된 제3 MEMS 압력 센서를 더 포함하는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 전자 디바이스는 복수의 추가적인 포트에 인접하여 상기 케이스 내부에 배열된 복수의 추가적인 MEMS 압력 센서를 더 포함하고,
상기 애플리케이션 처리 회로는 상기 제1 MEMS 압력 센서, 상기 제2 MEMS 압력 센서 및 상기 복수의 추가적인 MEMS 압력 센서로부터 수신된 신호들에 기초하여 풍향을 결정하도록 더 구성되는
전자 디바이스.
- 제 12 항에 있어서,
상기 복수의 추가적인 포트 중 각각의 추가적인 포트는 상기 복수의 추가적인 포트 중 다른 포트의 방향으로부터 약 90°만큼 분리되는 방향을 향하도록 배열되는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 포트는 0.3 mm 미만의 직경을 갖는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 전자 디바이스는 상기 케이스 내부에서 상기 포트와 상기 제2 MEMS 압력 센서 사이에 배열된 바람 차폐물을 더 포함하는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 MEMS 압력 센서 및 상기 제2 MEMS 압력 센서 각각은 용량성 압력 센서를 포함하는
전자 디바이스.
- 제 16 항에 있어서,
상기 제1 MEMS 압력 센서 및 상기 제2 MEMS 압력 센서 각각은 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰을 포함하는
전자 디바이스.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 MEMS 압력 센서 및 상기 제2 MEMS 압력 센서 각각은 압저항 또는 압전 압력 센서를 포함하는
전자 디바이스.
- 포트를 포함하는 케이스와,
상기 케이스 내부에 배열된 회로 보드와,
상기 케이스 내부에 배열되고 상기 회로 보드에 부착되는 디스플레이와,
상기 회로 보드에 부착되고, 상기 포트와 직접적인 유체 통신하는 제1 센서 패키지 - 상기 제1 센서 패키지는 제1 압력 센서를 포함함 - 와,
상기 회로 보드에 부착되고, 상기 포트와 간접적인 유체 통신하는 제2 센서 패키지 - 상기 제2 센서 패키지는 제2 압력 센서를 포함함 - 와,
상기 회로 보드에 부착되고, 상기 제1 센서 패키지 및 상기 제2 센서 패키지에 전기적으로 연결되는 애플리케이션 프로세서를 포함하는
전자 디바이스.
- 제 19 항에 있어서,
상기 전자 디바이스는 상기 포트와 상기 제2 센서 패키지 사이에 바람 차폐물을 더 포함하는
전자 디바이스.
- 제 19 항에 있어서,
상기 전자 디바이스는 무선 통신 회로를 더 포함하는
전자 디바이스.
- 제 19 항에 있어서,
상기 제1 센서 패키지는 음향 트랜스듀서를 더 포함하는
전자 디바이스.
- 바람의 풍속을 측정하는 방법으로서,
케이스 내의 제1 개구에 배열된 제1 압력 센서에서 제1 공기압을 측정하는 단계와,
제2 개구에 배열된 제2 압력 센서에서 제2 공기압을 측정하는 단계와,
상기 제1 공기압 및 상기 제2 공기압을 측정하는 것에 기초하여 상기 케이스 내의 상기 제1 개구에서 풍속을 결정하는 단계를 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 23 항에 있어서,
상기 풍속을 결정하는 단계는,
상기 제1 공기압을 측정하는 것에 기초하여 제1 신호를 생성하는 단계와,
상기 제2 공기압을 측정하는 것에 기초하여 제2 신호를 생성하는 단계와,
상기 제2 신호로부터 상기 제1 신호를 감산하여 차분 신호를 생성하는 단계와,
상기 차분 신호를 이용하여 풍속을 계산하는 단계를 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 23 항에 있어서,
상기 제2 압력 센서에서 제2 공기압을 측정하는 단계는 상기 케이스 내의 복수의 개구에 배열된 복수의 압력 센서에서 복수의 공기압을 측정하는 단계를 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 25 항에 있어서,
상기 복수의 공기압을 측정하는 것에 기초하여 풍향을 결정하는 단계를 더 포함하는
풍속 측정 방법.
- 제 25 항에 있어서,
상기 복수의 개구 중 각각의 개구는 상기 복수의 개구 중 다른 개구의 방향으로부터 약 90°만큼 분리되는 방향을 향하도록 배열되는
풍속 측정 방법.
- 제 23 항에 있어서,
상기 제1 개구는 바람을 향하고, 상기 제2 개구는 상기 바람을 외면하는
풍속 측정 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2018101002767; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20180629 Effective date: 20191031 |