KR20180020152A - 센서 장치 및 가스의 성분을 검출하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 평면(4)을 정의하는 평면 기판(3)과 전자기파를 안내하기 위한 도파관(2)을 구비하여 구성되는 센서 장치(1)에 관한 것이다. 도파관(2)은 기판 평면(4)에 평행하는 도파관 평면(4')에서 길이 방향으로 연장되고, 폭(W, w) 및 높이(h)를 갖추며, 폭(W, w) 대 높이(h) 비가 5 이상이다. 도파관(2)의 높이(h)는 전자기파의 파장보다 작다. 도파관(2)은, 도파관(2)의 폭(W, w)보다 더 작은 폭(Ws)을 갖춘, 도파관(2)의 길이 방향을 따라, 기판(3)으로부터 도파관(2)까지 연장되는 지지 구조체(5)에 의해 기판 상에 지지된다. 본 발명은 더욱이 가스의 성분을 검출하는 방법 및 센서 장치(1)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

센서 장치 및 가스의 성분을 검출하는 방법
본 발명은 전자기파(electromagnetic wave)를 안내(guiding)하기 위한 도파관(waveguide)을 구비하는 센서 장치, 및 가스와 같은 유체(fluid)의 성분을 검출하는 방법에 관한 것이다.
가시(visible) 또는 적외선(infrared)(IR) 파장 범위에서 다양한 가스의 흡수 대역(absorption bands)을 이용하는 광학 감지(optical sensing)는 확립된 방법이다. 흡수는, 캐비티(ㅍ)의 물리적 크기보다 더 긴 유효 상호작용 길이(effective interaction length)를 달성하기 위해, 거울(mirrors)로 캐비티(cavities)에서 측정될 수 있다. 이 접근은 거울의 광 손실에 의해 제한된다. IR에 대해, 소스는 종종 광대역 백열등(broadband incandescent lamp)이다. 스펙트럼 해상도(spectral resolution)를 얻기 위해, 광 스펙트럼 분석(optical spectral analysis)이 필요로 된다. 검출기(detectors)는 열 또는 반도체 기반의 광자 검출기(photon detectors)일 수 있다.
긴 광 경로 길이(long optical path-length)를 갖는 민감한 장치를 만들기 위해, 고품질 미러(high quality mirrors)가 이용되어야 하거나 물리적 경로(physical path), 따라서 장치 크기가 길어야만 한다. 많은 어플리케이션에 대해, 낮은 가스 유량(low gas flows)과 가스 챔버(gas chamber)의 큰 체적은 센서의 응답 속도를 제한한다.
US 2014/0264030 A1은 중간 적외선 감지(mid infrared sensing)를 위한 방법 및 장치를 개시한다.
WO 2008/125797 A1에는 도파관과 홈(grooves) 사이에서 에바네센트 결합(evanescent coupling)을 이용하는 도파관 장치를 개시한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 감소시키는 것이다. 특히, 가스의 성분을 검출하기에 충분한 감도(sensitivity)를 유지하면서 작게 될 수 있는 센서 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은,
기판 평면을 정의하는 평면 기판, 및
기판 평면에 평행하는 도파관 평면에서 길이 방향으로 연장되고, 길이 방향에 수직인 방향으로 도파관 평면에서 폭과, 길이 방향에 수직인 방향으로 도파관 평면 밖으로 높이를 갖춘, 전자기파를 안내하기 위한 도파관을 구비하여 구성되고,
폭 대 높이 비가 5 이상이고,
도파관의 높이가 전자기파의 파장보다 작으며,
도파관은, 도파관의 지지 지점에서, 도파관의 폭보다 더 작은 폭을 갖춘, 도파관의 길이 방향을 따라, 기판으로부터 도파관까지 연장되는 지지 구조체에 의해 기판 상에 지지되고,
도파관의 폭은 도파관의 길이 방향을 따라 변경되고,
지지 구조체의 폭은 도파관의 길이 방향을 따라 대응되게 변경되는 센서 장치에 관한 것이다.
따라서, 지지 구조체의 치수를 변경시키는 간단한 방법이 제공되고, 이는 또한 지지 구조체가 제거될 때의 지점까지 지지 구조체의 폭을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 지지체는 도파관의 길이를 따라 맞추어질 수 있다. 지지 구조체의 폭의 점진적인 변경은 도파관에서 전파하는 전자기파의 반사를 감소시키는 이점을 더 갖는다.
이에 의해, 가스의 성분을 검출하기 위해 양호한 감도를 유지하면서 소형화 될 수 있는 센서 장치가 제공된다. 도파관의 특징은, 도파관 코어(waveguide core) 외부에서 에바네센트 필드(evanescent field)를 갖는, 전자기파를 안내하는 것을 제공한다. 장치는, 도파관 및 지지체의 치수 특징에 기인하여, 감소된 광 손실을 갖는 평면 미세가공 기술(planar microfabrication technology)로 제조될 수 있다. 도파관의 상부 표면의 평탄도(planarity)는 매우 잘 제어될 수 있는 반면, 측면 쪽 표면상의 손실은 높은 폭 대 높이 비에 기인하여 감소될 수 있기 때문에, 광 손실(optical losses)이 감소될 수 있다.
폭 대 높이 비는 10 이상 또는 20 이상일 수 있다. 도파관의 지지 지점에서 지지 구조체의 폭은 도파관의 폭의 반보다 작거나, 도파관의 폭의 1/4보다 작거나, 또는 도파관의 폭의 1/10보다 작을 수 있다. 바람직하게는 도파관의 지지의 지점에서 지지 구조체의 폭은 지지 구조체를 통한 광 손실을 감소시키기 위해 작다. 지지 구조체는, 지지 구조체를 더욱 기계적으로 단단하게 만들기 위해, 지지체로부터 도파관으로 감소하는 단면 폭을 갖는 형상을 가질 수 있다.
도파관은 적어도 길이 방향의 제1 부분을 따라 지지될 수 있고, 도파관 그리고 따라서 지지체의 폭이 감소되어 도파관이 적어도 길이 방향의 제2 부분을 따라 자유롭게 매달린다.
따라서, 도파관의 더 큰 부분이 주변 가스에 노출될 수 있고, 지지체를 통한 소정의 광 손실이 감소될 수 있다.
도파관 및 지지 구조체의 생산을 위한 유용한 방법은 에칭을 이용하는 것이다. 에칭을 이용할 때 반복성(repeatability)이 제한된다. 따라서, 에칭 방향으로 지지 구조체의 가능한 최소 치수(smallest possible dimension)에 대한 한계가 있다. 지지 구조체와 도파관 간의 접촉 영역(contact area)을 감소시키는 방법에 대해, 센서 장치가 길이 방향의 다수의 부분을 따라 자유롭게 매달리는 도파관으로 배열될 수 있어, 다수의 지지 필러(support pillars)가 형성되고, 지지 필러의 중심으로부터 인접하는 지지 필러의 중심까지의 거리는 길이 방향을 따라 변한다. 중심 대 중심 거리를 변화시킴으로써, 전파하는 파와 지지체에서 반사되는 파 사이의 원하지 않는 구조적 또는 파괴적인 간섭이 회피될 수 있다. 지지체의 중심 대 중심 거리는 랜덤화될 수 있다.
장치는 도파관을 편향시키기 위해 도파관의 자유롭게 매달리는 부분에 힘을 인가하는 수단을 포함할 수 있다.
따라서, 도파관을 통해 전파하는 전자기파는 도파관의 편향에 의해 변조될 수 있다. 힘은, 기판에 관하여 도파관을 편향시키기 위해, 적어도 도파관의 자유롭게 매달리는 제2 부분에서, 기판과 도파관 사이에 전위를 인가함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 힘은 열 작동(thermal actuation), 압전 작동(piezoelectric actuation) 등에 의해 인가될 수 있다.
도파관은 도파관의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 갭을 구비하여 구성될 수 있고, 적어도 하나의 갭은 전자기파의 파장 보다 더 작고, 바람직하게는 전자기 파의 파장의 1/5 보다 작거나 1/10 보다 더 작다.
따라서, 도파관에는 저손실(low loss)로 전자기 방사선의 전송을 여전히 허용하는 열 및/또는 전기 방해기(thermal and/or electrical hinder)가 제공될 수 있다. 이는 도파관의 하나의 부분에서 도파관의 다른 부분까지의 열 또는 전기적 교란(disturbances)의 전파를 방해하는데 이용될 수 있다.
장치는 방사선의 열원으로부터의 전자기파를 도파관으로 결합시키기 위해 위치된 방사선의 열원을 구비하여 구성될 수 있고, 방사선의 열원은 전자기파의 파장의 1/5보다 작은 연장을 갖는다.
이러한 작은 방사선의 열원은 도파관의 에바네센트 필드 내에 배치될 수 있는 이점을 가지며, 에미터(emitter)의 근거리-필드(near-field)와 도파관 모드 사이에서 강한 중첩을 생성한다. 이는 또한 파장에 관하여 작은 연장에 기인하여 방사선의 부분적으로 편광된 소스(partially polarized source)로서 작용한다. 이는 도파관에서 바람직한 전파 모드를 여기시키는데 이용될 수 있다.
방사선의 열원은, 도파관에서 바람직한 전파 모드를 여기(excite)시키도록, 도파관의 단면에서, 도파관으로부터 전자기파의 한 파장 내, 바람직하게는 도파관으로부터 전자기파의 파장의 1/5 내에 위치될 수 있다.
방사선의 열원은 도파관에 인접하거나 또는 방사선의 열원은 도파관으로부터 공간지워져 떨어질 수 있다.
도파관에 인접하는 방사선의 열원을 갖춘 이점은 도파관이 방사선 소스로부터 열을 전도하도록 작용하게 될 것이라는 점이다. 그에 의해 여기(excitation)의 열원의 여기 주파수(frequency of excitation)가 높을 수 있다. 한편, 도파관으로부터 공간지워져 떨어진 방사선의 열원을 갖추는 것은 열 질량(thermal mass)을 감소시키고 따라서 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
센서 장치는 도파관으로부터의 전자기파를 검출 엘리먼트에 결합하도록 위치된 검출 엘리먼트를 구비하여 구성될 수 있다. 검출 엘리먼트는 열 또는 반도체 기반의 광자 검출기(photon detectors)일 수 있다.
따라서, 도파관을 통해 전파된 전자기파는 도파관을 에워싸는 가스의 성분에 의한 소정의 흡수를 검출하기 위해 도파관으로부터 검출 엘리먼트에 결합될 수 있다.
검출 엘리먼트는, 도파관에서 바람직한 전파 모드를 검출하도록, 도파관의 단면에서, 도파관으로부터 전자기파의 한 파장 내, 바람직하게는 도파관으로부터 전자기파의 파장의 1/10 내에 위치될 수 있다.
따라서, 도파관에서 바람직한 전파 모드와 검출 엘리먼트 사이의 결합이 개선될 수 있다.
검출 엘리먼트는 도파관에 인접할 수 있고, 따라서 검출의 주파수 범위를 증가시킨다. 대안적으로, 검출 엘리먼트는 도파관으로부터 공간지워져 떨어질 수 있고, 따라서 엘리먼트의 열 질량(thermal mass)을 감소시킨다.
도파관은 주기 구조, 바람직하게는 도파관의 길이 방향으로 주기적인 구조를 구비하여 구성될 수 있다.
따라서, 구조는 원하는 방향으로 전파하는 전자기파를 향하도록 격자(grating)로서 기능할 수 있다. 예컨대, 여기의 열원으로부터의 전자기 에너지를 도파관에 결합할 때, 격자는 전자기파를 도파관의 방향으로 향하도록 하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 도파관으로부터의 전자기 에너지를 검출 엘리먼트에 결합할 때, 격자는 도파관으로부터 나오는 전자기파를 향하도록 하는데 이용될 수 있다.
주기 구조는, 도파관의 오목부 또는 개구부, 도파관의 치수의 변화, 도파관의 재료 변화, 또는 도파관 상에 증착된 구조와 같은, 회절 엘리먼트를 구비하여 구성될 수 있다.
주기 구조는, 다른 파장의 전송을 선택적으로 허용하면서, 특정 파장의 광을 도파관의 뒤쪽으로 또는 밖으로 향하게 하는 것에 의해, 파장 필터(wavelength filter)로서 이용될 수 있다.
방사선의 열원 및/또는 검출 엘리먼트는 주기 구조로 구성될 수 있다. 검출 엘리먼트는 전자기파의 파장의 1/5 보다 작은 연장을 가질 수 있다. 따라서, 검출 엘리먼트는 주기 구조에 통합될 수 있다.
이는 방사선의 열원 및/또는 검출 엘리먼트와 도파관 사이에서 전자기적 결합을 증가시키는데 이용될 수 있다.
도파관은 단결정 실리콘(single crystalline silicon)일 수 있고, 0.4-10㎛의 파장 범위, 또는 1.2-7㎛에서도 낮은 광 손실 및 높은 굴절율을 갖는다. 대안적으로, 도파관은 게르마늄, 실리콘 게르마늄(silicon germanium), 실리콘 질화물(silicon nitride), 사파이어 및 다이아몬드와 같은 다른 재료를 포함할 수 있다.
도파관은 제1 조성물의 재료일 수 있고, 지지 구조체는 제2 조성물의 재료일 수 있다. 제1 재료의 굴절률은, 전자기파의 파장에서, 제2 재료의 굴절률보다 더 높을 수 있다. 제1 조성물의 재료는, 예컨대 단결정 실리콘일 수 있고, 제2 조성물의 재료는 실리콘 다이옥사이드일 수 있다.
제1 조성물의 재료는 제2 조성물의 재료와 관계없이 선택될 수 있다.
상기한 바와 같이, 제1 조성물의 재료는 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 실리콘 질화물, 사파이어 및 다이아몬드로부터 선택될 수 있다.
따라서, 도파관과 지지체 사이의 광 손실이 감소될 수 있다
기판, 지지 구조체 및 도파관은 실리콘 기판, 실리콘 다이옥사이드 층 및 실리콘 장치 층을 포함하는 SOI 웨이퍼로 형성될 수 있고, SOI 웨이퍼의 실리콘 기판은 장치의 기판을 형성하고, SOI 웨이퍼의 실리콘 다이옥사이드 층은 장치의 지지체를 형성하며, SOI 웨이퍼의 실리콘 장치 층은 장치의 도파관을 형성한다.
도파관 및 지지체는 T-형상 단면 구조를 형성할 수 있다.
따라서, 도파관은 도파관과 지지체 사이의 광 손실을 줄이면서 지지될 수 있다.
전자기파의 파장은 0.4-10㎛의 범위 내, 바람직하게는 1.2-7㎛의 범위 내일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 전자기파의 파장은 3-7㎛의 범위 내이다. 3-7㎛의 파장 범위에서, 지지체의 영향을 최소화하는 것이 중요하다.
따라서, 전자기파는 도파관을 에워싸는 재료의 하나 이상의 성분을 검출하는데 이용될 수 있다. 도파관을 에워싸는 재료는, 예컨대 가스 또는 액체(liquid)일수 있다.
더욱이, 본 발명은 도파관과 접촉하는 가스의 적어도 하나의 성분을 검출하기 위한 여기에 개시된 바와 같은 센서 장치를 구비하여 구성되는 가스 센서 장치에 관한 것이다. 가스의 적어도 하나의 성분은 산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 산화이질소(dinitrogen oxide), 수증기(water vapor), 탄화수소(hydrocarbons), 암모니아(ammonia), 클로로플루오로탄소(chlorofluorocarbons) 및/또는 CFS:s를 구비한다. 대안적으로, 센서 장치는 도파관과 접촉하는 액체의 적어도 하나의 성분을 검출하기 위한 여기에 개시된 바와 같은 센서 장치를 구비하여 구성되는 액체 센서 장치일 수 있다.
더욱이, 본 발명은,
청구항 중 어느 한 항에 따른 센서 장치를 제공하는 단계와,
도파관과 접촉하는 가스를 제공하는 단계,
도파관의 제1 부분으로 전자기파를 전송하는 단계,
도파관 주위에서 전자기파의 에바네센트 파의 영역의 가스와 상호작용하는 전자기파를 허용하는 단계,
도파관의 제2 부분에서 전자기파를 검출하는 단계, 및
검출된 전자기파를 기초로 가스의 성분을 검출하는 단계를 갖추어 이루어지는 가스의 성분을 검출하는 방법에 관한 것이다.
따라서, 가스의 성분은 낮은 가스 체적 및/또는 낮은 가스 흐름에서도 검출될 수 있다.
대안적으로, 본 발명은 도파관과 접촉하는 액체의 성분을 검출하는 대응하는 방법에 관한 것이다.
센서 장치는 소스로부터의 전자기파를 도파관으로 결합하도록 위치된 방사선의 열원을 구비하여 구성되고, 소스는 전자기파의 파장의 1/5보다 작은 연장을 갖추며, 전자기파는 방사선의 열원을 교류로 여기시키는 것에 의해 제공되고, 교류는 소스에서 검출기로 열전도 및/또는 대류 경로의 열 컷-오프 주파수보다 더 높은 주파수를 갖으며, 그에 의해 전자기 방사선의 전파를 허용하면서 소스로부터 검출기로의 열파(heat waves)의 전파를 방지한다. 열은 도파관뿐만 아니라 기판 및 심지어 공기를 통해 전도 및/또는 대류될 수 있다.
더욱이, 본 발명은,
웨이퍼를 제공하는 단계,
웨이퍼에서 도파관을 제조하는 단계, 및
웨이퍼에서 지지 구조체를 제조하는 단계를 갖추어 이루어지는 여기에 개시되는 바와 같은 센서 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
재료의 평면 웨이퍼(planar wafer)를 이용함으로써, 센서 장치는 웨이퍼에서 소형화되고 일괄 제조(batch fabricated)될 수 있다. 따라서, 동시에 여러 장치로 웨이퍼를 제조함으로써 제조 비용이 감소될 수 있다.
방법은:
기판 층, 중간층 및 장치 층을 구비하는 웨이퍼를 제공하는 단계와,
장치 층에 도파관을 제조하는 단계, 및
중간층에 지지 구조체를 제조하는 단계를 갖추어 이루어질 수 있고,
기판 층은 장치의 기판을 형성한다.
그에 의해, 다른 층은 장치의 다른 구성요소(즉, 도파관, 지지 구조체 및 기판)의 간단한 제조를 제공한다. 다른 층은 센서 장치를 제조 및/또는 동작시키는 목적을 위해 최적화될 수 있고, 예컨대 장치 층의 재료는 적절한 광 특성을 갖기 위해 선택될 수 있으며, 중간층의 재료는 지지체를 통한 광 손실을 감소시키는 광학 특성을 갖기 위해 선택될 수 있다. 장치 및 중간층의 재료는 적절한 제조 선택성, 예컨대 장치가 습식 또는 건식 에칭에 의해 제조되는 경우 적절한 에칭 선택성을 갖는 재료 특성을 갖도록 선택될 수 있다.
도파관은 에칭에 의해 장치 층에 형성될 수 있고, 지지 구조체는 도파관을 언더-에칭하는 것에 의해 중간층에 형성된다.
따라서, 센서 장치는 일괄 처리(batch processing)에 적합한 비교적 간단한 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 도파관은, 보호 층을 증착하는 것에 의해, 재료의 에칭 선택성에 의해 언더 에칭으로부터 보호될 수있다
웨이퍼는 실리콘 기판, 실리콘 다이옥사이드 층 및 실리콘 장치 층을 구비하는 SOI 웨이퍼일 수 있고, SOI 웨이퍼의 실리콘 기판은 기판 층에 대응하고, SOI 웨이퍼의 실리콘 다이옥사이드 층은 중간층에 대응하며, SOI 웨이퍼의 실리콘 장치 층은 장치 층에 대응한다.
따라서, 웨이퍼의 재료는 여기에 개시된 바와 같은 센서 장치의 일괄 제조 및 동작에 적절하다. 실리콘 장치 층은 적외선 영역에서 적절한 광 특성을 갖추고, 중간 실리콘 다이옥사이드 층은 광 손실을 감소시키기에 적절한 광학 특성을 갖추며, 재료는, 예컨대 에칭 선택도가 매우 높은, BHF(buffered hydrofluoric acid)에 의해 실리콘 다이옥사이드를 에칭하는 것에 의해, 에칭 선택도를 제공한다.
도파관은 에칭으로부터 보호될 수 있고, 지지 구조체는 도파관을 제조한 후 에칭된다. 도파관은 에칭 중지 재료에 의해 또는 도핑(doping)에 의해 에칭으로부터 보호될 수 있다.
도 1은 기판에 의해 지지된 도파관의 단면도를 나타낸다.
도 2는 기판에 걸쳐 자유롭게 매달린 도파관의 단면도를 나타낸다.
도 3은 지지되어 자유롭게 매달리는 섹션을 갖춘 도파관의 일부분을 도시하는 상면도를 나타낸다.
도 4는 기판에 의해 지지된 다른 도파관의 단면도를 나타낸다
도 5는 방사선(radiation)의 열원(thermal source) 및 검출 엘리먼트(detecting element)를 나타낸다.
도 6은 주기 구조(periodic structure) 및 방사선의 소스를 갖춘 도파관의 일부분을 나타낸다
도 7은 도파관, 방사선의 열원 및 적어도 하나의 검출 엘리먼트를 구비하는 가스 센서 장치의 두 가지 예를 나타낸다.
도 8은 가스의 성분을 검출하는 방법을 나타낸다.
도 9는 센서 장치를 제조하는 방법을 나타낸다.
본 발명은 파장 λ를 갖는 전자기파(electromagnetic wave)를 안내하기 위한 도파관을 구비하는 센서 장치에 관한 것이다. 전자기파의 파장은 0.4-10㎛ 범위 내, 바람직하게는 1.2-7㎛ 범위 내이다. 도 1에 있어서, 일 실시 예에 따른 센서 장치(1)의 도파관(2)의 일부분의 단면이 도시된다. 장치는 센서 장치용 지지체(support)를 형성하는 기판(substrate; 3)을 포함한다. 기판은 재료의 평면 웨이퍼(planar wafer)의 형태이고 기판 평면(substrate plane; 4)을 정의한다. 도파관은 기판 평면(4)에 평행하는 도파관 평면(4'), 즉 도 1의 단면도에 수직 인 길이 방향으로 연장된다.
도파관은 길이 방향에 수직인 방향으로 도파관 평면에서 폭(W)을 가지며, 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 도파관 평면 밖으로 높이(h)를 갖는다. 도파관의 중요한 특징은 폭 대 높이 비(W/h)가 5 이상이라는 점이다. 이들 치수 특징에 기인하여, 도파관은, 실리콘과 같은, 재료의 웨이퍼로부터 평면 제조 기술로 제조될 수 있다. 따라서, 예컨대 도파관의 폭에 걸쳐 연장되는, 도파관의 주요 표면은 매우 매끄럽게(smooth) 만들어질 수 있다. 예컨대 도파관의 높이에 걸쳐 연장되는, 도파관의 비주요 표면(minor surfaces)은 도파관의 치수 특징에 기인하여 도파관의 광학 성능에 영향이 적다. 이러한 비주요 표면은 제조 문제에 기인하여 주요 표면보다 더 불규칙적이다.
도파관(2)은, 도파관의 길이 방향을 따라, 기판으로부터 도파관까지 연장되는 지지 구조체(support structure; 5)에 의해 기판(3) 상에 지지된다. 지지 구조체(5)는 도파관의 지지 지점에서, 도파관의 폭(W)보다 작은, 폭(Ws)을 갖는다. 따라서, 지지 구조체(5)를 통한 광 손실이 감소될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 지지체의 폭은 기판을 향해 점진적으로 증가하고, 기계적으로 보다 견고한 구조를 제공한다.
도파관의 높이(h)는 도파관이 안내에 대해 설계된 전자기파의 파장(λ)보다 작다. 따라서, 도파관에서 낮은 레벨의 광 손실을 갖는, 에바네센트 파(evanescent wave)로서 전파하는 에너지의 큰 부분을 갖춘, 전자기파를 안내하는데 이용될 수 있는 도파관이 제공된다.
도파관의 폭은 도파관의 길이 방향을 따라 변경될 수 있다. 이는 도 2에 도시되어 있고, 도파관이 위로부터 도시된다. 도 1에 도시된 단면은 도파관의 폭(W)을 갖는 평면 A---A에 대응한다. 장치를 제조하기 위한 미세가공 기술(microfabrication technologies), 예컨대 재료의 습식(wet) 또는 건식 에칭(dry etching)을 이용함으로써, 지지체의 폭은 도파관의 길이 방향을 따라 대응하여 변한다. 따라서, 도파관의 다른 부분에서, B---B에서, 도파관의 폭은, W 보다 작은, w이다. 이어, 지지 구조체(5)의 폭(Ws)은 도파관이 자유롭게 걸리게 되도록 감소된다. 도파관은 길이 방향의 다수의 부분을 따라 자유롭게 매달려서, 다수의 지지 필러(support pillars; 21)가 형성된다. 따라서, 지지 구조체(5)는 다수의 지지 필러(21)를 구비한다. 지지 필러의 중심으로부터 인접 지지 필러(21)의 중심까지의 거리(d), 예컨대 중심 대 중심 거리(center-to-center distance)는 길이 방향에 따라 변한다. 중심 대 중심 거리(d)를 변화시킴으로써, 전파하는 파와 지지체에서 반사되는 파 사이에서 원하지 않는 구조적 또는 파괴적인 간섭이 회피될 수 있다. 지지 필러 사이에서 중심 대 중심 거리(d)는 랜덤하게 될 수 있다.
도 3에는 도 2의 B-B 부분에 대응하는 센서 장치의 도파관(2)의 일부분의 단면이 도시된다. 도파관(2)의 폭은 w이고, 높이는 h이다. 기판(3)으로부터 연장되는 지지 구조체(5)는 도파관의 폭을 감소시키는 것에 의해 1과 비교할 때 감소되었다. 따라서, 길이 방향의 적어도 제1 부분을 따라 지지되는 도파관이 제공될 수 있고, 도파관은 길이 방향의 적어도 제2 부분을 따라 자유롭게 매달린다.
더욱이, 도 3에서는 센서 장치가 도파관의 자유롭게 매달리는 부분에 힘(force)을 인가하는 수단을 구비할 수 있음이 도시되어 있다. 이는 기판과 도파관의 자유롭게 매달리는 부분 사이에서 전위(voltage potential)를 인가하는 수단으로서 도시되어 있다. 이러한 힘은 도파관을 편향(deflect)시키는데 이용될 수 있고, 이는 도파관을 통해 전파되는 전자기파를 변조(modulate)하는데 이용될 수 있다.
도 2에 더욱 도시된 바와 같이, 도파관은 도파관의 길이 방향을 따라 하나 이상의 갭(gaps; 7)을 포함할 수 있다. 갭은 전자기파의 파장보다 작고, 바람직하게는 전자기파의 파장의 1/5 보다 작다. 갭은 열이나 전기(electricity)에 대한 장애물(obstacles)로서 이용될 수 있는 한편, 여전히 전자기파의 전파를 제공한다.
도파관 및 지지체는, 도 1에 도시된 바와 같이, T-형상 단면 구조를 형성한다. 일 실시 예에 따르면, 지지 구조체(5)는 도파관의 단면에서 균일한 폭을 가지며, 도 4에 도시된 바와 같이 T-형상을 형성한다.
도 5에는 도파관(2)의 섹션 상에 집적된 방사선의 열원(10)의 예가 도시된다. 방사선의 열원은 도파관을 가로 질러 연장되고 전류 소스를 연결하기 위한 한 쌍의 전기 연결 패드(electrical connecting pads; 11)에 연결된 와이어 소스(wire source)를 구비한다. 와이어는 도파관을 가로 질러 연장되는 길이 및 전자기파의 파장의 1/5 미만인 폭을 갖는다. 방사선의 열원은 소스로부터의 전자기파를 도파관으로 결합하도록 도파관의 표면 상에 위치된다. 따라서, 소스는 도파관에서 바람직한 전파 모드를 여기(excite)시키도록 도파관으로부터 전자기파의 한 파장 내에 위치된다.
유사한 방식으로, 센서 장치는 도파관으로부터의 전자기파를 검출 엘리먼트에 결합하도록 위치된 검출 엘리먼트(detecting element)를 구비한다. 도 5는, 구조가 방사선의 열원과 유사하므로, 볼로메트릭 검출 엘리먼트(bolometric detecting element)를 예시하는데 이용될 수 있다. 도파관에서 전파의 바람직한 모드를 검출하기 위해, 검출 엘리먼트는, 도파관의 단면에서, 도파관으로부터 전자기파의 한 파장 내, 바람직하게는 도파관으로부터 전자기파의 파장의 1/5 내에 위치된다. 검출 엘리먼트는 도파관에 인접(abutting)하거나 또는 도파관으로부터 공간지워져 떨어져 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도파관(2)은, 주기(p)를 갖춘 절개 개구부(cut-out openings; 9)의 형태로 다수의 회절 엘리먼트(diffractive elements)로서 도시된 바와 같이, 도파관의 길이 방향으로 주기적인 구조(8)를 구비할 수 있다. 대안적으로, 회절 엘리먼트는 도파관의 오목부(recesses) 또는 개구부(openings), 도파관의 치수의 변화, 도파관의 재료 변화, 또는 도파관 상에 증착(deposited)된 구조를 구비할 수 있다. 주기 구조(8)는 방사선의 소스(10)를 포함할 수 있고, 주기 구조는 주기를 갖춘 격자(grating)가 도파관의 길이 방향으로 전자기 에너지를 향하게 하도록 구성될 수 있는 것으로서 기능할 수 있다. 마찬가지로, 검출 엘리먼트는 주기 구조로 구성될 수 있다.
도파관(2)의 재료는 단결정 실리콘(single crystalline silicon)일 수 있고, 0.4-10㎛의 파장 범위에서 우수한 광학 특성을 가지며, 1.2-7㎛의 파장 범위에서 더 양호한 광학 특성을 갖는다. 도파관은 제1 조성물의 재료이고, 지지 구조체(5)는 제2 조성물의 재료인 것으로 생각된다. 바람직하게는, 전자기파의 파장에서, 제1 재료의 굴절률(index of refraction)은 제2 재료의 굴절률보다 더 높다. 따라서, 지지 구조체(5)는 예컨대, 굴절률의 차이에 기인하여 도파관에서 지지 구조로의 광 손실을 감소시킬 수 있는, 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)일 수 있다.
일례에 따르면, 센서 장치의 기판(3), 지지 구조체(5) 및 도파관(2)은 실리콘 기판(silicon substrate), 실리콘 다이옥사이드 층(silicon dioxide layer) 및 실리콘 장치 층(silicon device layer)을 구비하는 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼로 형성된다. SOI 웨이퍼의 실리콘 기판은 장치의 기판을 형성하고, SOI 웨이퍼의 실리콘 다이옥사이드 층은 장치의 지지 구조체(5)를 형성하며, SOI 웨이퍼의 실리콘 장치 층은 장치의 도파관을 형성한다.
도 7에는 가스의 적어도 하나의 성분을 검출하기 위한 센서 장치를 구 비하는 가스 센서 장치(gas sensor device)의 두 가지 예가 도시된다. 도 7a는 가스의 하나의 성분을 검출하는 가스 센서 장치를 도시한다. 센서 장치는, 이중 나선형(double spiral)으로 형성된, 앞에서 개시한 바와 같이, 지지 구조체(5) 상에, 도파관(2)을 구비하고, 따라서 작은 영역 상에 매우 긴 도파관을 제공한다. 대안으로서, 도파관은 구불구불한 형상(meander shape) 또는 다른 나선형 형상을 가질 수 있다. 센서 장치는 도파관의 제1 부분에서 방사선의 열원(10) 및 도파관의 제2 부분 상에서 검출 엘리먼트(13)를 더 구비한다. 방사선 소스(radiation source)는, 도파관에 결합되는, 특정 주파수의 전자기파를 발생시키기 위해 전류원(12)에 의해 구동된다. 전자기파는 도파관을 따라 전파하고, 도파관을 에워싸는 공간에서 에바네센트 파로서 전파하는 에너지의 대부분을 갖는다. 이 공간에서, 그리고 도파관을 따른 에바네센트 파의 영역에서, 전자기파의 파장에 대응하는 흡수(absorption)의 피크(peak)를 갖춘 가스의 소정 성분은 전파 파(propagating wave)로부터 에너지를 흡수할 것이다. 선택된 주파수에서 전자기파의 에너지의 양은 검출 엘리먼트에 의해 검출될 것이고 가스의 성분의 양 및/또는 존재의 척도(measure)가 될 것이다.
도 7b에는 가스의 3개의 상이한 성분(가스 1, 가스 2 및 가스 3)을 검출하기 위한 유사한 가스 센서 장치가 도시된다. 가스 센서 장치는 방사선의 열원이, 가스의 하나 이상의 성분에 대한 흡수 피크에 대응하는, 여러 파장의 전자기파를 방출하도록 구성된다는 점에서 도 7a에 도시된 것과는 다르다. 도파관에 따른 전자기파의 에바네센트 파의 영역에서 가스(가스 1, 가스 2 및 가스 3)의 세 가지 성분 중 어는 것의 존재(및 양)는 에너지의 흡수로서 검출될 것이다. 가스의 각 성분은 전용 검출 엘리먼트(13, 13', 13")에 의해 검출될 수 있다. 검출 엘리먼트는, 전자기파를 전파하는 선택된 파장을 탭 오프(tap off)하도록, 격자와 같은, 파장 선택 장치(wavelength selecting devices)에 의해 도파관에 결합될 수 있다.
개시된 바와 같은 센서 장치를 갖는 경우, 가스의 성분을 검출하는 방법이 도 8에 예시된다. 방법(800)은 여기에 개시된 바와 같은 센서를 제공하는 단계(801), 도파관과 접촉하는 가스를 제공하는 단계(802), 및 전자기파를 도파관의 제1 부분으로 전송하는 단계(803)를 갖추어 이루어진다. 전자기파는 도파관을 통해 전파하고, 도파관을 따라 에바네센트 파로서 전파하는 전자기 에너지의 대부분을 갖는다. 이 에바네센트 파는, 전자기파의 특정 주파수에서 에너지를 흡수하는, 도파관 주변의 영역에서 가스와 상호작용한다(804). 그 후, 전자기파는 도파관의 제2 부분에서 검출 엘리먼트에 의해 검출된다(805). 흡수의 특정 스펙트럼으로부터 가스의 성분이 검출될 수 있다(806).
센서 장치(1)는 소스로부터의 전자기파를 도파관으로 결합하도록 위치된 도 5에 도시된 바와 같은 방사선의 열원(10)을 구비한다. 소스는 전자기파의 파장의 1/5 보다 작은 연장(extension)을 갖는다. 전자기파는 방사선의 열원을 교류로 여기(exciting)시키는 것에 의해 제공되고, 교류는 소스에서 검출기로 열전도(heat conduction) 및/또는 대류 경로(convection path)의 열 컷-오프 주파수(thermal cut-off frequency)보다 더 높은 주파수를 갖으며, 그에 의해 전자기 방사선의 전파를 허용하면서 소스로부터 검출기로의 열파(heat waves)의 전파를 방지한다.
가스의 성분은, 예컨대 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 산화이질소(dinitrogen oxide), 수증기(water vapor), 탄화수소(hydrocarbons), 암모니아(ammonia) 및/또는 클로로플루오로탄소(chlorofluorocarbons)를 구비할 수 있다.
도 9에는 센서 장치를 제조하는 방법(a)이 개시된다. 방법은 기판 층, 중간층 및 장치 층을 구비하는 웨이퍼를 제공하는 단계(b)를 포함한다. 웨이퍼는 실리콘 기판, 실리콘 다이옥사이드 층 및 실리콘 장치 층을 구비하는 SOI 웨이퍼일 수 있다. 도파관은 에칭 마스크(etch mask)로서 포토레지스트를 갖는 건식 에칭(dry etching) 및 리소그래피(lithography)에 의해 장치 층에 제조된다(c) 및 (d). 지지 구조체(5)는 습식 등방성 에칭(wet isotropic etching), 예컨대 도파관의 언더-에칭(under-etching)에 의해 중간층(intermediate layer)에 제조된다(e). 마지막으로, 포토레지스트 에칭 마스크(photoresist etch mask)가 제거된다(f). 도파관의 폭에 따라, 도면의 좌측 및 우측에 의해 도시된 바와 같이, 지지 구조체(5)의 폭이 제어될 수 있고, 도파관은 도파관에 따른 부분에서 자유롭게 매달리게 될 수 있다. 웨이퍼의 기판 층은 장치의 기판을 형성한다. SOI 웨이퍼의 실리콘 기판은 기판 층에 대응하고, SOI 웨이퍼의 실리콘 다이옥사이드 층은 중간층에 대응하며, SOI 웨이퍼의 실리콘 장치 층은 장치 층에 대응한다.
대안적으로, 도파관 및 지지 구조체(5)는 도파관을 제조하고 에칭 중지 재료(etch stop material)를 증착함으로써 에칭으로부터 도파관을 보호하는 것에 의해 제조될 수 있다. 그 후, 지지 구조체(5)가 에칭될 수 있다. 더욱이 대안으로서, 웨이퍼에 도파관을 형성하기 위한 재료는 도파관 및 주변 재료의 에칭을 위한 에칭 선택도를 제공하도록 도핑될 수 있다.

Claims (31)

  1. 기판 평면(4)을 정의하는 평면 기판(3), 및
    기판 평면(4)에 평행하는 도파관 평면(4')에서 길이 방향으로 연장되고, 길이 방향에 수직인 방향으로 도파관 평면에서 폭(W, w)과, 길이 방향에 수직인 방향으로 도파관 평면 밖으로 높이(h)를 갖춘, 전자기파를 안내하기 위한 도파관(2)을 구비하여 구성되고,
    폭(W, w) 대 높이(h) 비가 5 이상이고,
    도파관의 높이(h)가 전자기파의 파장보다 작으며,
    도파관은, 도파관의 지지 지점에서, 도파관(2)의 폭(W, w)보다 더 작은 폭(Ws)을 갖춘, 도파관(2)의 길이 방향을 따라, 기판으로부터 도파관(2)으로 연장되는 지지 구조체(5)에 의해 기판 상에 지지되고, 도파관(2)의 폭(W, w)은 도파관(2)의 길이 방향을 따라 변경되고, 지지 구조체(5)의 폭(Ws)은 도파관(2)의 길이 방향을 따라 대응되게 변경되는 것을 특징으로 하는 센서 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    도파관(2)이 적어도 길이 방향의 제1 부분을 따라 지지되고, 도파관(2) 그리고 따라서 지지 구조체(5)의 폭이 감소되어 도파관(2)은 적어도 길이 방향의 제2 부분을 따라 자유롭게 매달리는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    도파관(2)이 길이 방향의 다수의 부분을 따라 자유롭게 매달려, 다수의 지지 필러(21)가 형성되고, 지지 필러(21)의 중심으로부터 인접 지지 필러(21)의 중심까지의 거리가 길이 방향을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    장치가 도파관을 편향시키기 위해 도파관(2)의 자유롭게 매달리는 부분에 힘을 인가하는 수단을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    도파관(2)이 도파관(2)의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 갭(7)을 구비하여 구성되고, 적어도 하나의 갭이 전자기파의 파장 보다 작고, 바람직하게는 전자기 파의 파장의 1/5 보다 작은 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치가 소스로부터의 전자기파를 도파관(2)으로 결합시키도록 위치된 방사선의 열원(10)을 구비하여 구성되고, 소스는 전자기파의 파장의 1/5보다 작은 연장을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    방사선의 열원은, 도파관(2)에서 바람직한 전파 모드를 여기(excite)시키도록, 도파관(2)의 단면에서, 도파관(2)으로부터 전자기파의 한 파장 내, 바람직하게는 도파관(2)으로부터 전자기파의 파장의 1/5 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    방사선의 열원이 도파관(2)에 인접하거나 또는 방사선의 열원이 도파관(2)으로부터 공간지워져 떨어지는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  9. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치가 도파관(2)으로부터의 전자기파를 검출 엘리먼트에 결합하도록 위치된 검출 엘리먼트(13, 13', 13")를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    검출 엘리먼트는, 도파관(2)에서 바람직한 전파 모드를 검출하도록, 도파관(2)의 단면에서, 도파관(2)으로부터 전자기파의 한 파장 내, 바람직하게는 도파관(2)으로부터 전자기파의 파장의 1/10 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    검출 엘리먼트가 도파관(2)에 인접하거나 또는 검출 엘리먼트가 도파관(2)으로부터 공간지워져 떨어지는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  12. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    도파관(2)은 주기 구조(8), 바람직하게는 도파관(2)의 길이 방향으로 주기적인 구조를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    주기 구조는, 도파관(2)의 오목부 또는 개구부, 도파관(2)의 치수의 변화, 도파관(2)의 재료 변화, 또는 도파관(2) 상에 증착된 구조와 같은, 회절 엘리먼트(9)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  14. 제12항 또는 제13항, 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항, 및/또는 7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    방사선의 열원(10) 및/또는 검출 엘리먼트(13, 13', 13")는 주기 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  15. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    도파관(2)은 제1 조성물의 재료이고, 지지 구조체(5)는 제2 조성물의 재료인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    검출 엘리먼트(13, 13', 13")는 전자기파의 파장의 1/5보다 작은 연장을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    제1 재료의 굴절률은, 전자기파의 파장에서, 제2 재료의 굴절률보다 더 높은 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  18. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판(3), 지지 구조체(5) 및 도파관(2)은 실리콘 기판, 실리콘 다이옥사이드 층 및 실리콘 장치 층을 포함하는 SOI 웨이퍼로 형성되고, SOI 웨이퍼의 실리콘 기판은 장치의 기판을 형성하고, SOI 웨이퍼의 실리콘 다이옥사이드 층은 장치의 지지 구조체(5)를 형성하며, SOI 웨이퍼의 실리콘 장치 층은 장치의 도파관(2)을 형성하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  19. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    도파관(2) 및 지지 구조체(5)는 T-형상 단면 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  20. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기파의 파장은 0.4-10㎛의 범위 내, 바람직하게는 1.2-7㎛ 내, 더욱 바람직하게는 3-7㎛의 범위 내인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  21. 가스와 같은, 유체의 적어도 하나의 성분을 검출하기 위한 상기 청구항 중 어느 한 항에 따른 센서 장치(1)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    가스의 적어도 하나의 성분이 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 산화이질소(dinitrogen oxide), 수증기(water vapor), 탄화수소(hydrocarbons), 암모니아(ammonia), 클로로플루오로탄소(chlorofluorocarbons) 및/또는 CFS:s를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 센서 장치.
  23. 유체의 성분을 검출하는 방법(800)으로,
    청구항 제1항 내지 제22중 어느 한 항에 따른 센서 장치를 제공하는 단계(801)와,
    도파관과 접촉하는 유체를 제공하는 단계(802),
    도파관(2)의 제1 부분으로 전자기파를 전송하는 단계(803),
    도파관(2) 주위에서 전자기파의 에바네센트 파의 영역의 유체와 상호작용하는 전자기파를 허용하는 단계(804),
    도파관(2)의 제2 부분에서 전자기파를 검출하는 단계(805), 및
    검출된 전자기파를 기초로 가스의 성분을 검출하는 단계(806)를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체의 성분을 검출하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    센서 장치(1)가 소스로부터의 전자기파를 도파관(2)으로 결합하도록 위치된 방사선의 열원(10)을 구비하여 구성되고, 소스는 전자기파의 파장의 1/5보다 작은 연장을 갖추며,
    전자기파는 방사선의 열원을 교류로 여기시키는 것에 의해 제공되고, 교류는 소스에서 검출기로 열전도 및/또는 대류 경로의 열 컷-오프 주파수보다 더 높은 주파수를 갖으며, 그에 의해 전자기 방사선의 전파를 허용하면서 소스로부터 검출기로의 열파의 전파를 방지하는 것을 특징으로 하는 유체의 성분을 검출하는 방법.
  25. 청구항 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 센서 장치를 제조하는 방법으로,
    웨이퍼를 제공하는 단계,
    웨이퍼에서 도파관(2)을 제조하는 단계, 및
    웨이퍼에서 지지 구조체를 제조하는 단계를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    기판 층, 중간층 및 장치 층을 구비하는 웨이퍼를 제공하는 단계와,
    장치 층에 도파관(2)을 제조하는 단계, 및
    중간층에 지지 구조체를 제조하는 단계를 갖추어 이루어지고,
    기판 층은 장치의 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    도파관(2)이 에칭에 의해 장치 층에 형성되고, 지지 구조체는 도파관(2)을 언더-에칭하는 것에 의해 중간층에 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    웨이퍼는 실리콘 기판, 실리콘 다이옥사이드 층 및 실리콘 장치 층을 구비하는 SOI 웨이퍼이고, SOI 웨이퍼의 실리콘 기판은 기판 층에 대응하고, SOI 웨이퍼의 실리콘 다이옥사이드 층은 중간층에 대응하며, SOI 웨이퍼의 실리콘 장치 층은 장치 층에 대응하는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
  29. 제25항에 있어서,
    도파관(2)은 에칭으로부터 보호되고, 지지 구조체는 도파관(2)을 제조한 후 에칭되는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    도파관(2)은 에칭 중지 재료에 의해 에칭으로부터 보호되는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    도파관(2)은 도핑에 의해 에칭으로부터 보호되는 것을 특징으로 하는 센서 장치를 제조하는 방법.
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