KR20170011512A - 열차폐 홀을 구비하는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서 - Google Patents

열차폐 홀을 구비하는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열차폐 홀을 구비한 써모파일 장치 및 그 온도센서에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 상부에 적층되는 다이어프램 막; 상기 다이어프램 막 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍; 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막; 및 상기 절연막 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체를 포함하되, 상기 다이어프램 막 및 상기 기판을 관통하는 다수개의 열차폐 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은, 열확산 및 방출을 차단하여 적외선 감지 또는 온도감지의 효율성을 높일 수 있는 써모파일 장치를 제공하고, 열순환 또는 열교환을 원활히 하여 열흡수 효율을 높임으로써, 적외선 또는 온도의 감지효율을 높일 수 있는 개선된 써모파일 장치를 구비한 고효율의 온도센서를 제공한다.

Description

열차폐 홀을 구비하는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서{THERMOPILE DEVICE WITH THERMOSHILED HOLE, AND THEREOF TEMPERATURE SENSOR}
본 발명은 써모파일 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열확산 및 방출을 차단하여 적외선 감지 또는 온도감지의 효율성을 높일 수 있는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서에 관한 것이다.
일반적으로, 온도를 측정하는 방법으로는 접촉식(contact type)과 비접촉식(non-contact type)으로 분류할 수 있는데, 비접촉식은 접촉이 불가능한 경우, 예를 들면 회전하는 측정대상물, 이동하는 측정대상물 또는 매우 고온이어서 접촉할 수 없는 측정대상물 등의 경우에만 한정하여 사용되어 왔으며, 이러한 비접촉식 온도측정장치는 고가이고 취급이 어렵다는 이유로 인해, 접촉식 측정장치가 보편적으로 사용되고 있다.
그러나, 최근에는 유아의 체열측정기 등을 비롯하여, 0∼300℃ 정도의 비교적 저온영역의 측정에 사용될 수 있는 간단하고 저가인 비접촉식 방사온도계에 대한 요구가 커지고 있다. 현재, 방사 에너지를 감지하는 센서로는 광기전력 효과(photovoltaic effect)나 광전도 효과(photoconductive effect)를 이용한 양자형(photonic type) 센서와 볼로미터(bolometer), 초전 센서(pyroelectric sensor), 써모파일 센서(thermopile sensor)와 같은 열형(thermal type) 센서가 있다.
이들 중, 양자형 센서는 입사파(incident radiation)가 전자를 여기(excite)시켜 센서의 전기적 특성을 변화시키는 것을 이용하는 것으로서, 일반적으로 선택된 파장범위에서 감지성능이 매우 뛰어나고 빠른 응답 특성(responsivity)을 가진다는 장점이 있지만, 고가이며 소정의 적외선 감도를 얻기 위해서는 액체질소온도 이하에서 동작시켜야 하는 단점이 있다.
한편, 상기 열형 센서 중에서 써모파일 센서는 기존에 확립되어 있는 반도체 공정으로 제작이 가능하며, 냉각이 필요없고 저가임에도 신뢰성 있다는 장점 때문에 이에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이 써모파일 센서란 두가지 서로 다른 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고 다른쪽은 떼어놓는(open) 구조로 형성하여 이 접점부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생한다는 지백효과(Seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지하는 센서를 말한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 써모파일 센서를 보여주는 평면도 및 단면도로서, 이를 참조하면, 먼저 산화막/질화막/산화막 또는 질화막/산화막/질화막으로 구성된 다이어프램 상에 열전쌍(thermocouple, 4)들이 직렬로 연결되고, 이 열전쌍의 각 구성물질들(elements)은 큰 열기전력(thermoelectric power)을 가지며, 하나의 열전물질의 열기전력이 다른 열전물질의 열기전력보다 크던가 양자가 반대의 극성(polarity)을 갖는 물질로 구성된다.
그리고 열전쌍들은 고온부(hot region)와 저온부(cold region)에 교차하여 위치하며, 온 접점(hot junction)과 냉 접점(cold junction)은 열적으로 분리(thermal isolation)되어 있다. 일반적으로 냉접점은 효율적인 힛싱크(heat sink)를 위하여 실리콘 기판 위에 위치하고, 온접점 부분에는 적외선을 흡수하는 흑체(black body)를 형성한다. 즉, 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열용량(thermal capacitance)을 갖는 얇은 다이어프램(diaphragm) 위에 두 개의 서로 다른 열전 물질(thermoelectric material)을 직렬로 위치시키는 것이다. 이러한 써모파일 센서는 직류방사(DC radiation)에 대하여 안정된 응답특성을 나타내며 넓은 적외선 스펙트럼에 응답하고 바이어스 전압이나 바이어스 전류가 필요없는 장점을 가지고 있다.
상기 써모파일 센서에 일정한 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려 있다. 따라서, 되도록 많은 양의 에너지를 흡수해야 하며 일단 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 써모파일 센서의 감도를 향상시키는 핵심문제이다.
대한민국 특허공개공보 제10-2002-0025681호(공개일자: 2002년04월04일)
본 발명에 따른 열차폐 홀을 구비하는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서는 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 열확산 및 방출을 차단하여 적외선 감지 또는 온도감지의 효율성을 높일 수 있는 써모파일 장치를 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 열순환 또는 열교환을 원활히 하여 열흡수 효율을 높임으로써, 적외선 또는 온도의 감지효율을 높일 수 있는 개선된 써모파일 장치를 구비한 고효율의 온도센서를 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, 기판; 상기 기판 상부에 적층되는 다이어프램 막; 상기 다이어프램 막 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍; 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막; 및 상기 절연막 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체를 포함하되, 상기 다이어프램 막 및 상기 기판을 관통하는 다수개의 열차폐 홀이 형성되는 것이다.
여기서, 상기 다이어프램 막은 단일막인 것이 바람직하고, 상기 다이어프램 막은 질화막인 것이 바람직하며, 상기 열차폐 홀은, 중심을 대칭으로 형성되는 적어도 한쌍의 홀인 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은, 베이스 기판; 베이스 기판 상부에 설치되는 메인 회로부; 상기 기판 상부 일부에 설치되는 것으로, 기판과, 상기 기판 상부에 적층되는 다이어프램 막과, 상기 다이어프램 막 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체를 포함하되, 상기 다이어프램 막 및 상기 기판을 관통하는 다수개의 열차폐 홀이 형성되는 써모파일 장치; 상기 베이스 기판 상부로 상기 메인 회로부 및 써모파일 장치를 덮는 패키지 커버; 및 상기 써모파일 장치 상부의 패키지 커버면에 설치되는 렌즈를 포함한다.
여기서, 상기 열차폐 홀은, 중심을 대칭으로 형성되는 적어도 한쌍의 홀인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열차폐 홀을 구비하는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 흡수된 열을 가두어 차폐시킴으로써 최대한 열확산 및 방출을 차단하여 적외선 감지 또는 온도감지의 효율성을 높일 수 있는 써모파일 장치를 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 복사 및 대기에 의해 흡수된 열을 열차폐 홀 내부로 차폐시키고, 열차폐 홀을 중심에 대칭을 형성하여 균일한 확산 및 분산에 의한 열 안정성을 높여 감지효율을 높일 수 있는 구조을 제공하고자 함이다.
셋째, 본 발명은 열전단 매질 및 면적을 최소화함으로써 열확산을 방지하고, 열차폐 홀이 배치에 따른 열순환 또는 열교환을 원활히 하여 열흡수 효율을 높임으로써, 적외선 또는 온도의 감지효율을 높일 수 있는 개선된 써모파일 장치를 구비한 고효율의 온도센서를 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 써모파일 센서를 보여주는 평면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치에서 열차폐 홀의 형성 모식도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 열차폐 홀을 구비한 써모파일 장치가 형성된 온도센서의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치(100)의 구성을 나타내는 측면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치(100)에서 열차폐 홀(180)의 형성 모식도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치(100)는, 기판(110); 상기 기판(110) 상부에 적층되는 다이어프램 막(120); 상기 다이어프램 막(120) 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍; 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막(150); 및 상기 절연막(150) 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체(170)를 포함하되, 상기 다이어프램 막(120) 및 상기 기판(110)을 관통하는 다수개의 열차폐 홀(180)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이처럼, 본 발명의 실시예는 종래의 써모파일 장치(100)와 달리, 상부 측면에서 하부의 기판(110) 일부 깊이까지 다수개의 열차폐 홀(180)을 구비하여, 흑체(170) 등에서 흡수된 열을 상기 홀에 가두어 차폐시킴으로써 최대한 열확산 및 방출을 차단하여 적외선 감지 또는 온도감지의 효율성을 높일 수 있는 장치를 제공한다.
여기서, 기판(110)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이며 특별히 제한되지 않으며, 실리콘 기판(110) 등 일반적인 전자 장치 또는 소자에 사용되는 기판(110)이면 모두 가능하다.
그리고, 다이어프램 막(120)은, 단일층의 다이어프램 막(120)인 것이 바람직하고, 저응력 질화막(SixNx)인 것이 바람직하다. 다이어프램 막(120)을 형성하는 방법은 디클로로실란 기체와 암모니아 기체를 소정 비율의 유량비로 저압화학증착법을 통해 증착시키는 것이 바람직하다.
상기 복수의 열전쌍은 고온부와 저온부에 직렬로 교차하여 위치하는 것도 가능하고, 온접점과 냉접점은 열적으로 분리되어 있고, 제1 열전물질 p-타입 폴리실리콘을 사용하고, 제2 열전물질 알루미늄을 사용할 수 있다. 또한, 상기 절연막(150)은 폴리이미드로 이루어진 것일 수 있고, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 흑체(170)는 산화크롬으로 이루어진 것일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치(100)는 두 가지 서로 다른 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고 다른쪽은 떼어놓는(open) 구조로 형성하여 이 접점부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생하는 지백효과(Seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지하는 장치를 나타내고, 다이어프램 막(120) 및 상기 기판(110)을 관통하는 다수개의 열차폐 홀(180)을 형성함으로써, 흑체(170) 등에서 흡수된 열을 상기 홀에 가두어 차폐시킴으로 최대한 열확산 및 방출을 차단하여 적외선 감지 또는 온도감지의 효율성을 높일 수 있는 적외선 또는 온도 감지 센서장치를 제공한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치(100)는 열확산 및 방출을 차단하기 위한 열차폐 홀(180)을 형성하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 보 발명의 실시예에 따른 써모파일 장치(100)는, 열차폐 홀(180)은 중심을 대칭으로 다수개의 쌍으로 형성하는 것이 바람직한데, 이는 외부의 적외선 또는 열을 흡수하여 균일하게 흡수된 열을 분산시키고 외부로 열이 방출되는 것을 최소화하기 위한 구조이기 때문이다.
보다 구체적으로, 써모파일 장치(100)의 원리를 살펴보면, 상술한 바와 같이, 열전쌍의 각 구성물질들(elements)은 큰 열기전력(thermoelectric power)을 가지며, 하나의 열전물질의 열기전력이 다른 열전물질의 열기전력보다 크던가 양자가 반대의 극성(polarity)을 갖는 물질로 구성된다.
여기서 열전쌍들은 고온부(hot region)와 저온부(cold region)에 교차하여 위치하며, 온 접점(hot junction)과 냉 접점(cold junction)은 열적으로 분리(thermal isolation)되어 있다. 일반적으로 냉접점은 효율적인 힛싱크(heat sink)를 위하여 실리콘 기판(110) 위에 위치하고, 온접점 부분에는 적외선을 흡수하는 흑체(170)(black body)를 형성한다.
즉, 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열용량(thermal capacitance)을 갖는 얇은 다이어프램(diaphragm) 위에 두 개의 서로 다른 열전 물질(thermoelectric material)을 직렬로 위치시키는데, 써모파일 센서에 일정한 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려 있다.
따라서, 되도록 많은 양의 에너지를 흡수해야 하며 일단 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 써모파일 센서의 감도를 향상시키는 핵심문제이기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 도 4에 나타낸 바와 같이, 외부의 적외선을 흡수하는 전면의 측면부에 다수개의 열차폐 홀(180)을 형성함으로써, 복사 및 대기에 의해 흡수된 열을 홀 내부로 차폐시키고, 열차폐 홀(180)을 중심에 대칭을 형성하여 균일한 확산 및 분산에 의한 열 안정성을 높여 감지효율을 높일 수 있는 구조를 제안하는 것이다.
그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용하는 열차폐 홀(180)은 다이어프램 막(120) 및 기판(110)을 완전히 관통하는 열차폐 홀(180)을 형성함으로써, 흡수된 열의 외부로 방출되는 것을 차단하고 홀 내부에 가두는 기능을 수행하여 차폐효율을 높일 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 열차폐 홀(180)을 구비한 써모파일 장치(100)가 형성된 온도센서의 구성을 나타내는 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 온도센서는, 베이스 기판(200); 베이스 기판(110) 상부에 설치되는 메인 회로부(300); 상기 기판(110) 상부 일부에 설치되는 것으로, 기판(110)과, 상기 기판(110) 상부에 적층되는 다이어프램 막(120)과, 상기 다이어프램 막(120) 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막(150)과, 상기 절연막(150) 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체(170)를 포함하되, 상기 다이어프램 막(120) 및 상기 기판(110)을 관통하는 다수개의 열차폐 홀(180)이 형성되는 써모파일 장치(100); 상기 베이스 기판(110) 상부로 상기 메인 회로부 및 써모파일 장치(100)를 덮는 패키지 커버(400); 및 상기 써모파일 장치(100) 상부의 패키지 커버면에 설치되는 렌즈(450)를 포함하여 구성된다.
즉, 도 5에서 예시된 온도센서의 구성에 따른 적외선 또는 온도의 측정장치는 외부의 적외선이 렌즈(450)를 투과하여 써모파일 장치(100)에 포커싱되고 써모파일 장치(100)의 열흡수에 의한 기전력 발생 신호를 메인 회로부(Read Out IC)(300)에서 획득하여 외부로 감지된 적외선 또는 온도의 측정값을 표시하는 장치를 제공한다.
이와 같은 본 발명의 실시예는, 상술한 바와 같이, 써모파일 장치(100)에 열차폐 홀(180)을 구비하여, 외부의 적외선이 렌즈를 투과하여 써모파일 장치(100)에 조사되는 경우, 써모파일 장치(100)의 흑체(170) 및 열전쌍으로 열을 흡수하게 되는데, 열확산을 방지하고 열차폐 홀(180)의 배치에 따라 열순환 또는 열교환을 원활히 하여 열흡수 효율을 높임으로써, 적외선 또는 온도의 감지효율을 높일 수 있는 개선된 써모파일 장치(100)를 구비한 고효율의 온도센서를 제공한다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 써모파일 장치 110: 기판
120: 다이어프램 막 130: 열전쌍
150: 절연막 170: 흑체
180: 열차폐 홀 200: 베이스 기판
300: 메인 회로부 400: 패키지 커버
450: 렌즈

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 적층되는 다이어프램 막;
    상기 다이어프램 막 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍;
    상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막; 및
    상기 절연막 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체를 포함하되,
    상기 다이어프램 막 및 상기 기판을 관통하는 다수개의 열차폐 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 열차폐홀을 구비하는 써모파일 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이어프램 막은 단일막인 것을 특징으로 하는 열차폐홀을 구비하는 써모파일 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이어프램 막은 질화막인 것을 특징으로 하는 열차폐홀을 구비하는 써모파일 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열차폐 홀은,
    중심을 대칭으로 형성되는 적어도 한쌍의 홀인 것을 특징으로 하는 열차폐홀을 구비하는 써모파일 장치.
  5. 베이스 기판;
    베이스 기판 상부에 설치되는 메인 회로부;
    상기 기판 상부 일부에 설치되는 것으로, 기판과, 상기 기판 상부에 적층되는 다이어프램 막과, 상기 다이어프램 막 상부의 일부 영역에 형성되어 온도를 감지하는 복수의 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 상부에 형성되는 것으로, 외부의 적외선을 흡수하는 흑체를 포함하되, 상기 다이어프램 막 및 상기 기판을 관통하는 다수개의 열차폐 홀이 형성되는 써모파일 장치;
    상기 베이스 기판 상부로 상기 메인 회로부 및 써모파일 장치를 덮는 패키지 커버; 및
    상기 써모파일 장치 상부의 패키지 커버면에 설치되는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
  6. 청구항 6에 있어서,
    상기 열차폐 홀은,
    중심을 대칭으로 형성되는 적어도 한쌍의 홀인 것을 특징으로 하는 온도센서.
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