KR20170039700A - 센서 - Google Patents

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KR20170039700A
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chip
sensor chip
electronic
chips
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KR1020177005440A
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토마스 카이저
레나테 타페르
슈테판 하인츠
마르코 뉘베르트
Original Assignee
칼 프로이덴베르크 카게
에데체 일렉트로닉 디자인 켐니츠 게엠베하
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Abstract

본 발명은 센서(2, 2', 2")에 관한 것으로서, 상기 센서는 기능적 체적(3) 내에 배치된 전자 칩(4, 4', 4")과 센서 칩(5, 5', 5")을 포함하며, 이때 상기 체적의 길이는 최대 4 - 5㎜이고, 너비는 최대 2 - 3㎜이며, 그리고 높이는 최대 0.5 - 0.8㎜이다. 본 발명의 과제는 소형 센서를 제공하는 것이다.

Description

센서{SENSOR}
본 발명은 센서에 관한 것이다.
독일 특허 DE 10 2010 044 616 A1호에는 필터 인서트(filter insert)용 마이크로 시스템(microsystem)이 공지되어 있다.
독일 특허 DE 10 2009 040 707 A1호에는 이미 여과 매체(filter medium)에 센서가 설치된 필터 소자가 공지되어 있다.
공지되어 있는 상기 필터 소자들에서 단점으로 언급되는 것은, 하나 또는 다수의 물리적 크기를 검출하고 평가하기 위하여 센서들이 보통 상대적으로 크게 형성된다는 점이다. 이러한 필터 소자들의 제조에는 상대적으로 많은 비용이 든다. 또한, 상대적으로 큰 센서들의 경우 필터 소자에 장착하는 작업이 어렵다.
특히, 10 - 500Pa 범위의 매우 작은 압력차 검출은 선행 기술에서는 오직 상대적으로 큰 센서들에 의해서만 가능하고 많은 설치 공간을 필요로 한다.
또한, 이렇게 상대적으로 큰 센서를 필터 소자에 연결하는 작업은 실제로 상당히 어렵고 많은 비용이 든다. 이 외에도 이러한 센서의 콘택팅은 케이블에 의해 이루어지는 경우가 많다. 이러한 콘택팅 방식은 무엇보다도, 케이블의 취급이 복잡할 뿐만 아니라 최종 사용자(end user)에 의해서도 받아들여지지 않기 때문에 바람직하지 않다.
따라서 본 발명의 과제는 소형 센서(compact sensor)를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 앞서 언급한 과제는 청구항 1의 특징들에 의해서 해결된다.
먼저, 본 발명에 따라 드러나는 사실은 10 - 500Pa 범위의 가장 작은 압력차를 검출하기 위한 센서의 소형화 필요성이 존재한다는 것이다.
이어서, 소형화 및 바람직하게는 무선, 넌플러그인(Non-PlugIn) 방식의 에너지 공급이 센서를 효율적인 비용으로 통합할 수 있도록 한다는 사실이 드러났다. 그 외에도 이러한 센서의 통합 및 바람직하게는 무선, 넌플러그인 방식의 에너지 및 데이터 전송은 추가적인 설치 작업(installation work)을 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따라 구체적으로 드러나는 사실은, 이렇게 작은 기능적 체적(functional volume)을 갖는 센서를 특히 간단히 장착할 수 있다는 것이다. 또한, 상기 기능적 체적이 이와 같이 작은 크기로 선택되는 경우 재료도 절감할 수 있다.
따라서 도입부에 언급한 과제가 해결된다.
센서 칩 상에 전자 장치 및 멤브레인(membrane)을 배치하기 위해서는 180㎚ 기술을 이용할 수 있다. 이러한 방법은 센서 칩의 소형 구조를 허용함으로써 기능적 체적의 소형 구조까지도 허용한다.
기능적 체적 내에는 다수의 전자 칩 및/또는 다수의 센서 칩이 배치될 수 있다. 이리하여 다수의 물리적 크기가 측정될 수 있다.
상기 전자 칩은 다수의 아날로그 및/또는 디지털 인터페이스를 가질 수 있고, 이러한 인터페이스들에 의해서는 상이한 센서 칩들이 평가될 수 있다. 이에 의해 단일 전자 칩이 상이한 센서들 또는 센서 칩들과 결합될 수 있다.
상기 전자 칩 및/또는 센서 칩에 의해서는 무선 인터페이스, 특히 RFID 인터페이스를 통해 또는 넌플러그인 방식의 접촉부 연결을 통해 무선 에너지 및/또는 데이터 전송이 가능하거나 이루어질 수 있다. 따라서 복잡한 배선이 더는 필요하지 않다.
트랜스듀서 엘리먼트(transducer element)를 갖는 센서 칩 및/또는 트랜스듀서 엘리먼트와 센서 프런트 엔드(sensor-front end)를 갖는 센서 칩은 전체적으로 특히 5Pa의 해상도로 10 - 500Pa 범위의 차압을 검출하기 위해 180㎚ CMOS 기술(CMOS technology)로 제조될 수 있다. 이렇게 하여 정확하고 효율적으로 압력을 측정할 수 있다.
이러한 배경에서 상기 트랜스듀서 엘리먼트는 트랜지스터(transistor) 또는 저항기(resistor)로서 실리콘 멤브레인 상에 형성될 수 있다. 이에 의해 매우 신뢰할 수 있는 어레인지먼트(arrangement)가 형성된다.
전자 칩 및 센서 칩은 회로 기판(circuit board) 상에 서로 나란히 배치될 수 있다. 이 때문에 매우 평평한 구조가 실현된다.
전자 칩과 센서 칩은 본딩 와이어(bonding wire)들에 의해 서로 전도성으로 연결될 수 있다. 따라서 상기 전자 칩과 센서 칩은 매우 가깝게 나란히 배치될 수 있다. 본딩 와이어들은 회로 기판과 떨어져서 마주보는, 칩들의 측면 상에 배치되기 때문에 상기와 같은 본딩 와이어의 사용은 간단한 제조를 허용한다.
전자 칩과 센서 칩은 콘택팅 힐들, 즉 소위 "범프(bump)"들을 사용하여 플립 칩 연결(flip chip connecting)을 통해 서로 전도성으로 연결될 수 있다. 이러한 콘택팅은 전기 장치들, 즉 특히 실리콘 기판상에 배치된 산화 피막(oxide film)들이 회로 기판과 마주보고, 그리고 상기 실리콘 기판의 순수 실리콘 측면이 상기 회로 기판과 떨어져서 마주보는 경우에 유의적이다.
센서 칩은 멤브레인 및 전자 장치들을 포함할 수 있다. 센서 칩은 실리콘 기판으로 이루어질 수 있고, 전자 장치상에 그리고/또는 전자 장치 내에 배치되어 있다. 따라서 센서 칩이 매우 소형으로 형성될 수 있다. 그뿐만 아니라 멤브레인이 실리콘 기판과 하나 이상의 또는 다수의 트랜스듀서 엘리먼트로만 이루어지는 것도 생각할 수 있다. 바람직하게 트랜스듀서 엘리먼트는 도핑된 영역이다.
이러한 배경에서 센서 칩은 멤브레인이 에칭된 실리콘 기판을 포함할 수 있으며, 이때 트랜스듀서 엘리먼트들을 제외하고 상기 멤브레인에는 전자 장치들 및/또는 산화 피막들이 없다. 상기 트랜스듀서 엘리먼트들은 바람직하게 n형 또는 p형 도핑 된 영역으로서 멤브레인 상에 그리고/또는 멤브레인 내에 형성되어 있다. 멤브레인의 에칭에 의해서도 마찬가지로 센서 칩의 소형 구조가 만들어지는데, 그 이유는 실리콘 기판 내에 본래 존재하는 재료가 멤브레인으로 사용되기 때문이다. 이 때문에 상기 멤브레인은 실리콘 멤브레인으로서 형성되어 있다.
약 10㎛의 두께를 갖는 전자 장치 또는 산화 피막들은 실리콘 기판에 도달할 때까지 에칭 제거(etch off)될 수 있으며, 이 경우 멤브레인을 형성하기 위하여 다른 측면에서 최대 500㎛ 깊이까지 실리콘 기판 내로 에칭된다.
전자 칩과 센서 칩은 회로 기판 상에 배치될 수 있고, 이러한 회로 기판에는 관통구가 형성되어 있으며, 이 경우 상기 관통구는 회로 기판, 센서 칩 그리고 상기 센서 칩을 둘러싸는 밀봉 림(sealing rim)에 의해 형성되거나 밀봉 방식으로 제한되어 있는 체적으로 유체를 안내하는 유일한 액세스이며, 이 경우 멤브레인의 제1 멤브레인 표면은 상기 체적과 마주한다. 상기 제1 멤브레인 표면에 마주 놓인 제2 멤브레인 표면은 대기(atmosphere) 또는 상기 체적으로부터 유체 밀봉 방식으로 분리된 다른 공간과 마주한다. 이리하여 2개의 멤브레인 표면에 상이한 압력이 작용하는 경우 센서 칩이 차압(differential pressure)을 측정할 수 있다.
본 문서에 기재된 단어 그대로의 의미에서 기능적 체적은 각각 x, y 및 z 방향에서 전자 칩과 센서 칩의 연장부(= 길이)들의 합으로만 형성된다. 본딩 와이어들, 콘택팅 힐 및/또는 밀봉 림의 부분들은 기능적 체적에 기여하거나 이러한 기능적 체적을 확장하지 않는다. 특히, 본딩 와이어들, 콘택팅 힐들 및 밀봉 림의 부분들은 기능적 체적보다 돌출한다. 전자 칩과 센서 칩 사이에 배치된 밀봉 림의 일부는 x, y 또는 z 방향의 기능적 체적의 전체 연장부에서 제외된다. 개별 방향의 질량으로는 전자 칩과 센서 칩의 질량만 의미가 있다. 도 4에는 예시적으로 연장부 x 및 z의 계산 및 측정이 표시되어 있다.
이러한 배경에서 센서 칩은 5Pa의 해상도를 가질 수 있다. 또한, 상기 센서 칩은 1Pa - 5Pa 이하의 범위에 놓인 해상도를 가질 수 있다. 더 나아가, 상기 센서 칩은 5Pa 이상 - 10Pa 범위에 놓인 해상도를 가질 수 있다.
센서 데이터를 평가하기 위해, 전자 장치에 센서를 연결하는 작업이 필요하다. 이러한 연결은 대체로 케이블을 통해서 이루어진다.
도면에서
도 1은 센서의 개략도로서, 이 경우 센서는 단지 2개의 칩, 즉 하나의 전자 칩과 하나의 센서 칩을 구비하고, 이러한 칩들은 서로 연결되어 있으며, 그리고 기능적 체적을 규정하며,
도 2는 센서 칩의 개략도이며,
도 3은 전자 칩의 개략도이고,
도 4는 본딩 와이어들에 의해 서로 연결된 센서 칩과 전자 칩의 개략도로서, 이 경우 센서 칩의 실리콘 기판 상에 있는 산화 피막들 또는 다른 전자 장치들은 회로 기판과 떨어져서 마주보며,
도 5는 콘택팅 힐들에 의해 회로 기판과 서로 전도성으로 연결된 센서 칩과 전자 칩의 개략도로서, 이 경우 상기 센서 칩의 실리콘 기판상의 산화 피막들 또는 다른 전자 장치들은 회로 기판과 마주보며, 그리고
도 6은 회로 기판 상에 배치된 센서 칩을 위에서 바라본 투시 개략도로서, 이 경우 다수의 콘택팅 힐이 멤브레인을 둘러싸는 형태로 배치되어 있다.
도 1에 도시된 도면에서는 센서(2)가 하나 이상의 전자 칩(4) 및 하나 이상의 센서 칩(5)을 구비하며, 상기 칩들은 길이가 최대 4 - 5㎜이고, 너비가 최대 2 - 3㎜이며, 그리고 높이가 최대 0.5 - 0.8㎜인 기능적 체적(3) 내에 배치되어 있다.
x의 길이는 5㎜이고, y의 길이는 3㎜이며, 그리고 z의 길이는 0.8㎜이다.
상기 전자 칩(4)은 다수의 아날로그 및/또는 디지털 인터페이스를 가지며, 이러한 인터페이스들에 의해 상이한 센서 칩들이 평가될 수 있다.
전자 칩(4)과 센서 칩(5)에 의해 무선 에너지 및/또는 데이터 전송이 이루어진다. 이러한 것은 무선 인터페이스를 통해 또는 넌플러그인 방식의 접촉부 연결을 통해 이루어질 수 있다.
전자 칩(4)과 센서 칩(5)은 회로 기판(6) 상에 배치되어 있으며, 상기 회로 기판은 기능적 체적(3)보다 큰 베이스 면적을 갖는다.
센서 칩(5)은 5Pa의 해상도를 갖는다.
도 2는 센서 칩(5)을 개략도로 도시한다. 상기 센서 칩(5)은 10 - 500Pa 범위의 차압 검출을 가능하게 한다. 센서 칩(5)은 압력 변동을 전기 신호로 변환하는 트랜스듀서 엘리먼트(10)로만 이루어질 수 있거나 센서 프런트 엔드(11)를 갖는 트랜스듀서 엘리먼트(10)로 이루어질 수 있다.
트랜스듀서 엘리먼트(10)를 갖는 센서 칩(5) 및/또는 트랜스듀서 엘리먼트(10)와 센서 프런트 엔드(11)를 갖는 센서 칩(5)은 전체적으로 180㎚ COMS 기술로 제조된다.
상기 센서 프런트 엔드(11)는 전자 장치를 구비하거나 이러한 전자 장치로 형성될 수 있다.
트랜스듀서 엘리먼트(10)는 트랜지스터 또는 저항기로서 실리콘 멤브레인 상에 형성될 수 있다.
도 3은 전자 칩(4)을 개략도로 도시한다. 상기 전자 칩(4)은 추가 센서(12)들 또는 추가 센서 칩들에 연결을 위한 아날로그 및/또는 디지털 인터페이스들을 포함한다. 전자 칩(4)은 센서 프런트 엔드(13)를 포함한다. 전자 칩(4)은 신호 처리를 위한 마이크로 컨트롤러(14)를 포함한다. 전자 칩(4)은 메모리(15)를 포함한다. 전자 칩(4)은 비접촉식 전력 공급 및/또는 콘택 연결을 통한 전력 공급을 위한 RFID 프런트 엔드(16)를 포함한다.
도 4는 추가 센서(2')를 참고로, 전자 칩(4')과 센서 칩(5')이 회로 기판(6') 상에 서로 나란히 배치되어 있는 것을 보여준다. 상기 전자 칩(4')과 센서 칩(5')은 본딩 와이어(17)들에 의해 서로 전도성으로 연결되어 있다.
도 5는 추가 센서(2")를 참고로, 전자 칩(4")과 센서 칩(5")이 콘택팅 힐(18)들, 소위 "범프들" 사용 하에 플립 칩 연결을 통해 서로 전도성으로 연결되어 있는 것을 보여준다.
도 4와 도 5 모두에서 센서 칩(5', 5")은 멤브레인(19', 19") 및 전자 장치(20', 20")들을 포함하며, 이들은 산화 피막들을 포함할 수 있다. 상기 센서 칩(5', 5")은 각각 실리콘 기판(21', 21")을 포함하고, 이러한 기판에는 멤브레인(19', 19")이 에칭되어 있으며, 트랜스듀서 엘리먼트(10', 10")들을 제외하고 상기 멤브레인에는 전자 장치들 또는 산화 피막들이 없다.
전자 칩(4', 4")과 센서 칩(5', 5")은 회로 기판(6', 6") 상에 배치되어 있고, 이러한 회로 기판에는 관통구(6'a, 6"a)가 형성되어 있으며, 상기 관통구(6'a, 6"a)는 회로 기판(6', 6"), 센서 칩(5', 5") 그리고 이러한 센서 칩(5', 5")을 둘러싸는 밀봉 림(23', 23")에 의해 형성된 체적(22', 22")으로 유체를 안내하는 유일한 액세스이며, 이 경우 멤브레인(19', 19")의 제1 멤브레인 표면(19'a, 19"a)은 상기 체적(22', 22")과 마주한다.
전자 칩(4', 4")은 접착되어 있다. 전자 칩(4', 4")은 또한 전자 장치(20', 20")들을 구비한다. 체적(22', 22")은 오로지 회로 기판(6', 6"), 센서 칩(5', 5") 그리고 이러한 센서 칩(5', 5")을 둘러싸는 밀봉 림(23', 23")에 의해서만 밀폐되어 있다.
멤브레인(19', 19")의 2개의 상이한 측면 상에서는 상이한 압력 p1과 p2가 지배한다. 상기 두 측면이 서로 밀봉 방식으로 분리되어 있고 센서(2', 2")가 적합하게 배치되어 밀봉 방식으로 지지 되어 있는 경우 센서(2', 2")에 의해서는 두 측면의 차압이 측정될 수 있다. 이러한 것은 도면에서 파선으로 개략적으로 표시되어 있다.
밀봉 림(23', 23")은 바람직하게 밀봉 재료로 이루어지며, 이러한 밀봉 재료는 작은 틈새에도 밀봉 방식으로 주입될 수 있다.
도 6은 투시도로서 콘택팅 힐(18)들이 멤브레인(19")을 둘러싸는 것을 도시한다. 상기 콘택팅 힐(18)들은, 기계적 응력이 센서 칩(5") 또는 멤브레인(19")에 일정하게 공급되도록 정확하게 배치되어야 한다.
센서 칩(5, 5', 5")과 전자 칩(4, 4', 4") 간의 인터페이스는 기능적 체적(3) 내에 놓일 수 있다.

Claims (16)

  1. 길이가 최대 4 - 5㎜이고, 너비가 최대 2 - 3㎜이며, 그리고 높이가 최대 0.5 - 0.8㎜인 기능적 체적(functional volume)(3) 내에 배치된 전자 칩(electronic chip)(4, 4', 4")과 센서 칩(sensor chip)(5, 5', 5")을 포함하는, 센서(2, 2', 2").
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능적 체적(3) 내에 다수의 전자 칩(4, 4', 4") 및/또는 다수의 센서 칩(5, 5', 5")이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자 칩(4, 4', 4")은 다수의 아날로그 및/또는 디지털 인터페이스를 가지며, 이러한 인터페이스들에 의해 여러 센서 칩들이 평가될 수 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 칩(4, 4', 4") 및/또는 상기 센서 칩(5, 5', 5")을 이용하여 무선 인터페이스를 통한 또는 넌플러그인(Non-PlugIn) 방식의 접촉부 연결을 통한 무선 에너지 및/또는 데이터 전송이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    트랜스듀서 엘리먼트(transducer element)(10, 10', 10")를 갖는 상기 센서 칩(5, 5', 5") 및/또는 트랜스듀서 엘리먼트(10)와 센서 프런트 엔드(sensor-front end)(11)를 갖는 상기 센서 칩(5)이 전체적으로 180㎚ CMOS 기술(CMOS technology)로 제조된 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  6. 제5항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 엘리먼트(10)는 트랜지스터(transistor) 또는 저항기(resistor)로서 실리콘 멤브레인(silicon membrane) 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 칩(5, 5', 5")에 의해 10 - 500Pa 범위의 압력차가 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센서 칩(5, 5', 5")은 5Pa의 해상도를 갖는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  9. 제7항에 있어서,
    상기 센서 칩(5, 5', 5")은 1Pa - 5Pa 이하의 범위에 놓인 해상도를 갖는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  10. 제7항에 있어서,
    상기 센서 칩(5, 5', 5")은 5Pa 이상 - 10Pa 범위에 놓인 해상도를 갖는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 칩(4, 4', 4")과 상기 센서 칩(5, 5', 5")은 회로 기판(circuit board)(6, 6', 6") 상에 서로 나란히 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 칩(4, 4')과 상기 센서 칩(5, 5')은 본딩 와이어(bonding wire)(17)들에 의해 서로 전도성으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 칩(4")과 상기 센서 칩(5")은 콘택팅 힐(contacting hill; 소위 범프(bump))(18)들을 사용하여 플립 칩 연결(flip chip connecting)에 의해 서로 전도성으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 칩(5, 5', 5")은 멤브레인(19', 19") 및 전자 장치(electronic device)(20', 20")들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 칩(5', 5")은 멤브레인(19', 19")이 에칭된 실리콘 기판(silicon substrate)(21', 21")을 포함하고, 트랜스듀서 엘리먼트(10', 10")들을 제외하고 상기 멤브레인에는 전자 장치들 및/또는 산화 피막(oxide film)들이 없는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 칩(4, 4', 4")과 상기 센서 칩(5, 5', 5")은 회로 기판(6, 6', 6") 상에 배치되어 있고, 상기 기판에는 관통구(6'a, 6"a)가 형성되어 있으며, 이 경우 상기 관통구(6'a, 6"a)는 상기 회로 기판(6, 6', 6"), 센서 칩(5, 5', 5") 그리고 이러한 센서 칩(5, 5', 5")을 둘러싸는 밀봉 림(sealing rim)(23', 23")에 의해 형성된 체적(22', 22")으로 유체를 안내하는 유일한 액세스이며, 이 경우 멤브레인(19', 19")의 제1 멤브레인 표면(19'a, 19"a)이 상기 체적(22', 22")과 마주하는 것을 특징으로 하는, 센서(2, 2', 2").
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