KR20200048289A - 공진기 센서 소자 - Google Patents

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이시훈
박광민
이민철
임재흥
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삼성전자주식회사
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Abstract

공진기 센서 소자는, 기판 상에 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되는 압전층; 상기 압전층 상에 배치되는 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 배치되며 소수성(hydrophobic) 물질을 포함하는 상부 패시베이션층; 및 상기 상부 패시베이션층 상에 배치되는 가스 감지층을 포함한다.

Description

공진기 센서 소자{Resonator Sensor Devices}
본 발명의 기술적 사상은 공진기 센서 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 박막 벌크 음향 공진기(film bulk acoustic resonator, FBAR)를 사용한 공진기 센서 소자에 관한 것이다.
휘발성 유기 화합물 또는 가스를 검출할 수 있는 센서 시스템의 필요성이 증가하고 있다. 특히 FBAR을 사용한 공진기 센서는 초소형화 및 모바일 시스템과의 집적 등에 유리하여 각광받고 있다. FBAR을 사용한 공진기 센서는 하부 전극, 압전층 및 상부 전극이 차례로 적층된 구조를 가지며, 양 전극에 전기적 에너지를 가하면 압전 효과에 의해 음향파(acoustic wave)가 발생하고, 이로 인해 공진이 발생하는 원리를 이용한다. 다양한 환경 조건 하에서 안정적인 감도를 보장하면서도 우수한 내구성을 가질 수 있는 센서들의 개발이 요구된다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 안정적인 감도를 보장하면서도 우수한 내구성을 가질 수 있는 공진기 센서 소자를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서소자는, 기판 상에 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되는 압전층; 상기 압전층 상에 배치되는 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 배치되며 소수성(hydrophobic) 물질을 포함하는 상부 패시베이션층; 및 상기 상부 패시베이션층 상에 배치되는 가스 감지층을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서소자는, 기판 상에 배치되며 소수성 물질을 포함하는 하부 패시베이션층; 상기 하부 패시베이션층 상에 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되는 압전층; 상기 압전층 상에 배치되는 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 배치되며 소수성 물질을 포함하는 상부 패시베이션층; 및 상기 상부 패시베이션층 상에 배치되는 가스 감지층을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서소자는, 기판 상에 배치되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되는 압전층; 상기 압전층 상에 배치되는 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 배치되며 소수성 물질을 포함하는 상부 패시베이션층; 및 상기 상부 패시베이션층 상에 배치되는 가스 감지층을 포함하고, 상기 상부 패시베이션층은 물에 대한 접촉각이 90˚보다 크다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 상부 패시베이션층 및 하부 패시베이션층이 소수성 물질을 포함할 수 있고, 패시베이션층 내에 수분 등이 흡수되어 발생할 수 있는 공진기 센서의 출력 주파수의 드리프트 현상이 방지될 수 있다. 따라서 상기 공진기 센서 소자는 다양한 환경에서도 안정적인 감도를 가질 뿐만 아니라 우수한 내구성을 가질 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 센서 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 센서 소자를 나타내는 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자를 나타내는 사시도이다.
도 4는 공진기 센서 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5는 공진기 센서 소자의 공진 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자를 나타내는 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자를 나타내는 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자를 나타내는 단면도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서의 주파수 변동을 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 센서 시스템(1)을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 센서 시스템(1)은 전자 소자(10) 및 센서 소자(20)를 포함할 수 있다. 전자 소자(10)는 센서 소자(20)와 유무선을 통해 연결될 수 있다. 센서 시스템(1)은 센서 소자(20)를 통해 냄새나 가스 등을 감지 또는 측정할 수 있고, "전자 후각 시스템(Electronic nose system)"으로 지칭될 수 있다.
전자 소자(10)는 휘발성 유기 화합물에 의한 냄새 변화를 감지하거나 대기 중의 특정한 가스의 함유량 변화를 감지하는 기능을 포함하는 소자일 수 있다. 예를 들어, 전자 소자(10)는 스마트 폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 이동 전화기(mobile phone), 화상전화기, 전자북 리더기(e-book reader), 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라(camera), 또는 웨어러블 장치(wearable device) 중 적어도 하나이거나 이러한 다양한 전자 장치에 연결될 수 있는 전자 장치일 수 있다. 또한 전자 소자(10)는 온도 변화에 따른 냄새 변화를 감지하는 기능을 포함하는 스마트 가전제품일 수 있다. 예를 들어, 스마트 가전제품은 텔레비전, DVD(digital video disk) 플레이어, 오디오, 냉장고, 에어컨, 청소기, 오븐, 전자레인지, 세탁기, 공기 청정기, 셋톱 박스(set-top box), TV 박스, 게임 콘솔(game consoles), 전자 사전, 전자 키, 캠코더(camcorder), 또는 전자 액자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
센서 소자(20)는 휘발성 유기 화합물에 의한 냄새 변화를 감지하거나 대기 중의 특정한 가스의 함유량 변화를 감지하는 기능을 수행하는 소자일 수 있다. 예를 들어, 센서 소자(20)는 FBAR 타입의 공진기 센서를 포함할 수 있다. 센서 소자(20)는 전자 소자(10)와의 상호 통신을 수행하기 위하여 적절한 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 소자(20)와 전자 소자(10) 사이의 연결은 I2C, SPI, USB(Universal Serial Bus), HDMI(High-Definition Multimedia Interface) 및 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 중 어느 하나를 통해 연결되거나 유무선 통신 프로토콜을 통해 이루어질 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 센서 소자(20)를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 센서 소자(20)는 가스 센서(Gas Sensor)(GS), 환경 센서(Environmental Sensor)(ES) 및 구동 회로(Driving Circuit)(DC)를 포함할 수 있다. 센서 소자(20)는 냄새나 가스 등을 감지 및 측정할 수 있고, 이에 따라, "전자 후각 시스템(Electronic Nose System)"으로 지칭될 수 있다.
가스 센서(GS)는 공기 중의 가스를 감지함으로써 제1 센싱 결과(OUT1)를 출력할 수 있다. 환경 센서(ES)는 예를 들어, 온도, 습도, 대기압, 광 등과 같은 환경 인자를 감지함으로써 제2 센싱 결과(OUT2)를 출력할 수 있다. 구동 회로(DC)는 제1 및 제2 센싱 결과들(OUT1, OUT2)을 수신하고, 제2 센싱 결과(OUT2)를 기초로 제1 센싱 결과(OUT1)를 보정함으로써, 가스 센싱 신호(GSS)를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)는 각각 공진기를 포함하는 공진식 소자(resonance type device)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)는 각각 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)를 FBAR 센서라고 지칭할 수 있다. 이러한 FBAR 센서를 포함하는 센서 소자(20) 또는 시스템은 전자 후각 시스템으로 이용되어 인체에 해로운 다양한 종류의 가스들, 예를 들어, 휘발성 유기 화합물 또는 대기 중의 특정한 가스의 함유량 변화 등을 감지할 수 있다. 실시예들에 따라, 센서 소자(20)는 특정 가스에 각각 반응하는 폴리머들이 코팅된 다수의 FBAR들을 이용하여 구현될 수 있으며, 작은 크기의 모바일 제품에도 효율적으로 탑재될 수 있다.
구동 회로(DC)는 발진기(oscillator)(도시 생략)를 포함할 수 있고, 상기 발진기는 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES) 내의 공진기의 공진 주파수에 상응하는 주파수에서 동작하는 발진 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 발진기(도시 생략)는 가스 센서(GS)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉 제1 센싱 결과(OUT1)를 출력할 수 있고, 제2 발진기(도시 생략)는 환경 센서(GS)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉 제2 센싱 결과(OUT2)를 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 가스 센서(GS)는 FBAR 및 폴리머를 포함할 수 있고, 폴리머에 가스가 흡착되면, FBAR의 공진 주파수가 변경될 수 있다. 그러나, 가스 센서(GS)에 포함된 FBAR의 공진 주파수는 가스의 흡착 이외에 다른 환경 요소들, 예를 들어, 온도, 습도, 먼지(particles), 대기압, 광, 유량(flow) 등에 의해서도 변화될 수 있다. 다시 말해, 가스 센서(GS)의 제1 센싱 결과(OUT1)는 가스 감지 결과와 함께 다른 환경 요소들에 의한 영향을 포함할 수 있다. 따라서, 구동 회로(DC)에 포함된 보정 회로(도시 생략)는 가스 센서(GS)로부터 얻어진 제1 센싱 결과(OUT1)에서 환경 센서(ES)로부터 얻어진 제2 센싱 결과(OUT2)를 감산하여, 가스 감지 결과에 따른 가스 센싱 신호(GSS)를 생성할 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100)를 나타내는 사시도이다. 도 4는 공진기 센서 소자(100)를 나타내는 단면도이다. 도 4에서 도시의 편의상 패키지 기판(110) 및 커버 부재(130)와 같은 일부 구성요소가 생략되어 도시된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 공진기 센서 소자(100)는 패키지 기판(110), 기판(120), 적어도 하나의 공진기 센서(RS), 및 커버 부재(130)를 포함할 수 있다.
패키지 기판(110)은 인쇄 회로 보드(printed circuit board, PCB), 인터포저(interposer), 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 세라믹 기판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 패키지 기판(110)은 기판(120) 또는 적어도 하나의 공진기 센서(RS)와의 전기적 연결을 위한 배선 라인(도시 생략) 및 비아 구조(도시 생략)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 패키지 기판(110) 상에 구동 반도체칩(도시 생략)이 더 배치될 수 있고, 상기 구동 반도체칩은 적어도 하나의 공진기 센서(RS)를 구동하기 위한 어플리케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 패키지 기판(110) 내부에 구동 회로부(도시 생략)가 더 형성될 수 있고, 상기 구동 회로부는 적어도 하나의 공진기 센서(RS)를 구동하기 위한 어플리케이션 프로세서를 포함할 수 있다.
패키지 기판(110) 상에 기판(120)이 배치될 수 있다. 기판(120)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소, 인듐 포스파이드 등의 반도체 기판을 포함할 수 있다.
기판(120) 상에는 적어도 하나의 공진기 센서(RS)가 배치될 수 있다. 적어도 하나의 공진기 센서(RS)는 특정한 종류의 휘발성 유기 화합물 또는 가스를 감지할 수 있다. 도 3에는 6개의 공진기 센서(RS)가 예시적으로 도시되었으며, 6개의 공진기 센서(RS)가 6가지 종류의 휘발성 유기 화합물 또는 가스를 감지할 수 있다. 그러나, 공진기 센서(RS)의 개수가 도시한 바에 한정되는 것은 아니다. 적어도 하나의 공진기 센서(RS)는 FBAR 타입의 공진기 센서를 포함할 수 있다.
선택적으로, 기판(120) 상에는 적어도 하나의 환경 센서(도시 생략)가 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 환경 센서는 습도 센서 또는 온도 센서를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 환경 센서는 기판(120) 상에 형성된 CMOS 회로로서 구현될 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
패키지 기판(110) 상에는 커버 부재(130)가 배치될 수 있다. 커버 부재(130)는 적어도 하나의 공진기 센서(RS)와 기판(120)을 모두 커버할 수 있다. 적어도 하나의 공진기 센서(RS)와 기판(120) 상에 에어 공간(도시 생략)이 배치되도록, 커버 부재(130)의 상면은 적어도 하나의 공진기 센서(RS)와 기판(120)과 이격되어 배치될 수 있다.
커버 부재(130)의 상면에는 복수의 개구부(130H)가 형성될 수 있고, 복수의 개구부(130H)를 통해 적어도 하나의 공진기 센서(RS)가 공진기 센서 소자(100) 외부의 분위기에 노출될 수 있다. 예를 들어, 대기 중에 존재하는 휘발성 유기 화합물 또는 가스가 복수의 개구부(130H)를 통해 상기 에어 공간 내부로 확산될 수 있고, 적어도 하나의 공진기 센서(RS)가 휘발성 유기 화합물 또는 가스를 감지하도록 구성될 수 있다.
기판(120) 상에는 적어도 하나의 공진기 센서(RS)가 배치될 수 있다. 적어도 하나의 공진기 센서(RS)는 하부 전극(132), 상부 전극(134), 압전층(140), 하부 패시베이션층(142), 상부 패시베이션층(144), 및 가스 감지층(160)을 포함할 수 있다.
기판(120) 상에는 하부 패시베이션층(142)이 배치될 수 있다. 하부 패시베이션층(142)은 소수성(hydrophobic) 물질을 포함할 수 있고, 주변 환경의 변화에 의해, 예를 들어 대기 중의 습기에 의하여 적어도 하나의 공진 센서(RS)의 성능이 변동되는 것을 방지하는 보호막으로 작용할 수 있다. 또한 하부 패시베이션층(142)은 기판(120)의 물질과 적어도 하나의 공진기 센서(RS)의 물질의 차이에 의해 발생할 수 있는 스트레스를 완화하는 스트레스 방지층으로 기능할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 소수성 물질은 소수성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 하부 패시베이션층(142)은 예를 들어, 실리콘 질화물(SiN), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 탄화물(SiC), 및 실리콘 산화탄화물(SiOC) 등을 포함할 수 있다.
기판(120)의 일부 영역과 하부 패시베이션층(142) 사이에 캐비티(120U)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 캐비티(120U)와 수직 오버랩되는 영역에서 기판(120)은 하부 패시베이션층(142)과 접촉하지 않으며 캐비티(120U)와 수직 오버랩되지 않는 영역에서 기판(120)은 하부 패시베이션(142)과 접촉할 수 있다. 캐비티(120U) 상부에 적어도 하나의 공진기 센서(RS)의 가스 감지 영역(도시 생략)이 배치될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 평면에서 볼 때 캐비티(120U)는 원형, 사각형, 삼각형, 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 예시적인 제조 공정에서, 기판(120) 상에 희생층(도시 생략)을 형성하고, 기판(120) 상에 상기 희생층을 커버하는 하부 패시베이션층(142)을 형성한 이후에, 예를 들어 습식 식각 공정 등에 의해 상기 희생층을 선택적으로 제거함에 의해 기판(120)과 하부 패시베이션층(142) 사이에 캐비티(120U)가 형성될 수 있다.
하부 패시베이션층(142) 상에는 하부 전극(132), 압전층(140), 상부 전극(134), 및 상부 패시베이션층(144)이 순차적으로 적층된 적층 구조가 배치될 수 있다. 상부 패시베이션층(144) 상에는 가스 감지층(160)이 배치될 수 있다. 상기 적층 구조는 캐비티(120U)와 수직 오버랩되도록 배치될 수 있다.
적어도 하나의 공진기 센서(RS)의 공진 주파수는 압전층(140)의 두께에 의해 결정될 수 있으며, 하부 전극(132) 및 상부 전극(134)을 통해 공진 주파수에 해당하는 RF(Radio Frequency) 전압이 인가되는 경우 적어도 하나의 공진기 센서(RS)는 하부 전극(132), 압전층(140), 및 상부 전극(134)이 적층된 방향(예를 들어, 기판(120)의 상면에 수직한 방향)을 따라 공진할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 하부 전극(132) 및 상부 전극(134)은 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 금속을 포함할 수 있다. 하부 전극(132)의 일부분과 상부 전극(134)의 일부분은 캐비티(120U)와 수직 오버랩되도록 배치될 수 있다.
압전층(140)은 하부 전극(132) 및 상부 전극(134) 사이에 배치될 수 있고, 알루미늄 질화물(AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PbZrTiO, PZT) 또는 그 외의 다양한 종류들의 압전 물질들을 포함할 수 있다.
상부 패시베이션층(144)은 소수성 물질을 포함할 수 있고, 주변 환경의 변화에 의해, 예를 들어 대기 중의 습기에 의하여 적어도 하나의 공진 센서(RS)의 성능이 변동되는 것을 방지하는 보호막으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)은 적어도 하나의 공진 센서(RS)의 작동 환경에 따라 출력 주파수에 변동이 생기는 드리프트(drift) 현상이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상부 패시베이션층(144)은 소수성을 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 소수성을 갖는 무기물은 실리콘 질화물(SiN), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 탄화물(SiC), 및 실리콘 산화탄화물(SiOC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)은 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정, 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 공정, 스핀 코팅 공정 등에 의해 하부 전극(132) 및 상부 전극(134) 상에 각각 형성될 수 있다. 하부 패시베이션층(142)은 상부 패시베이션층(144)과 동일한 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 하부 패시베이션층(142)은 상부 패시베이션층(144)과 동일한 공정에서 형성될 수도 있고, 하부 패시베이션층(142)이 먼저 형성된 후에 상부 패시베이션층(144)이 형성될 수도 있다. 또한 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)은 단일 물질층으로 도시되었으나, 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144) 각각은 복수의 물질층의 적층 구조로서 형성될 수도 있다.
상부 패시베이션층(144)은 기판(120)의 상면에 수직한 제1 방향을 따라 제1 두께를 가질 수 있고, 상기 제1 두께는 약 10 내지 300 nm일 수 있다. 하부 패시베이션층(142)은 상기 제1 방향을 따라 제2 두께를 가질 수 있고, 상기 제2 두께는 약 10 내지 300 nm일 수 있다. 상기 제1 두께는 제2 두께와 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)은 물에 대한 접촉각이 약 90˚보다 더 클 수 있다. 물에 대한 접촉각은 고체 표면 상에 물방울이 놓여졌을 때 물방울과 고체 표면이 이루는 각을 가리킨다. 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)은 소수성 물질을 포함하며, 이에 따라 물에 대한 접촉각이 약 90˚보다 더 크고 약 180˚보다 더 작을 수 있다.
상부 패시베이션층(144)은 상부 전극(134)의 상면의 실질적으로 전체 면적을 커버할 수 있다. 하부 패시베이션층(142)은 캐비티(120U)와 대면하는 하부 전극(132)의 바닥면 전체를 커버할 수 있고, 이에 따라 캐비티(120U)의 내벽에 하부 전극(132)의 바닥면이 노출되지 않을 수 있다. 상부 패시베이션층(144) 및 하부 패시베이션층(142)에 의해 상부 전극(134)과 하부 전극(132)이 에어 공간(또는 주변 분위기)에 직접 노출되지 않을 수 있다.
도시되지는 않았지만, 하부 전극(132)과 상부 전극(134)에 각각 연결되는 본딩 패드(도시 생략)가 더 형성될 수 있다. 상기 본딩 패드 상에는 예를 들어 본딩 와이어(도시 생략)가 더 배치되어, 외부 장치를 공진기 센서(RS)에 전기적으로 접속할 수 있다.
가스 감지층(160)은 상부 패시베이션층(144) 상에 배치될 수 있고, 상부 전극(134)과 가스 감지층(160) 사이에 상부 패시베이션층(144)이 개재될 수 있다. 가스 감지층(160)은 특정한 종류의 휘발성 유기 화합물 또는 가스를 흡수할 수 있는 가스 흡착층일 수 있다. 예를 들어, 가스 감지층(160)은 메탄올, 에탄올, n-프로판올, i-프로판올, 아세톤, 톨루엔, 포름알데히드, 아세트알데히드, 또는 벤젠과 같은 휘발성 유기 화합물 또는 암모니아, 이산화탄소, 일산화질소, 또는 황화수소와 같은 가스 중 적어도 하나의 타겟 물질을 선택적으로 흡착할 수 있는 반응 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이 6개의 공진기 센서(RS)가 형성될 때, 6개의 공진기 센서(RS) 내의 가스 감지층(160) 각각은 메탄올, 에탄올, n-프로판올, i-프로판올, 아세톤, 톨루엔, 포름알데히드, 아세트알데히드, 벤젠, 암모니아, 이산화탄소, 일산화질소, 및 황화수소 중 서로 다른 6개의 타겟 물질을 선택적으로 흡착할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 가스 감지층(160)의 상기 반응 물질은 폴리머, 다공성 금속 산화물 입자, 금속 산화물 나노튜브, 탄소 나노튜브 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
아래에서는 도 5를 참조하여 공진기 센서 소자(100)의 구동 원리에 대하여 개략적으로 설명하도록 한다.
도 5는 공진기 센서 소자(100)의 공진 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제1 그래프(41)는 가스 감지층(160)에 타겟 물질이 흡착되지 않은 경우 공진기 센서(RS)의 공진 주파수를 나타내고, 제2 그래프(42)는 가스 감지층(160)에 타겟 물질이 흡착된 경우의 공진기 센서(RS)의 공진 주파수를 나타낸다.
벌크 음향파 공진기 모델에서, 아래 수식 (1)에 표현되는 바와 같이 공진기 센서(RS)에 유도된 질량 변화에 따라서 공진 주파수 변화가 얻어질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Δf 와 f0는 각각 공진기 센서(RS)의 주파수 변동 및 공진 주파수를 의미하고, μq 및 ρq 는 압전층(140) 물질의 전단 모듈러스(shear modulus) 및 압전층(140) 물질의 밀도를 의미하며, A는 가스 감지 영역의 면적, Δm은 변동된 질량을 의미한다. 즉, 수식 (1)에 따르면, 공진기 센서(RS)의 질량 변화, 예를 들어 가스 감지층(160)에 흡착된 타겟 물질의 질량 변화에 따라 공진기 센서(RS)의 주파수 변동이 발생할 수 있다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 가스 감지층(160)에 타겟 물질이 흡착된 경우 공진기 센서(RS)의 공진 주파수가 변화될 수 있고, 이에 따라 발진기로부터 출력되는 발진 신호, 즉 센싱 신호의 주파수도 변화될 수 있다. 따라서, 발진기로부터의 출력 신호 또는 센싱 신호의 주파수를 검출함으로써 타겟 물질의 흡착 여부를 감지할 수 있고, 또한 타겟 물질의 흡착량을 산출할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100)에서 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)이 소수성 물질을 포함하고, 하부 전극(132) 및 상부 전극(134)의 바닥면 및 상면 전체를 커버함에 따라 공진기 센서 소자(100)는 센싱 정밀도가 향상될 수 있다.
공진기 센서 소자는 다양한 환경에서도 특정한 타겟 물질에 대하여 정밀한 감도를 가질 필요가 있다. 예를 들어 공진기 센서 소자 주변의 온도 또는 습도가 변화되더라도 공진기 센서 소자의 출력 신호의 주파수에 변동이 없어야 한다. 그러나 종래의 공진기 센서 소자는 패시베이션층 내부로 습기가 침투하여, 즉 패시베이션층 내부에 흡착된 수분의 질량 변화에 의해 공진기 센서 소자의 출력 주파수가 변동되는 드리프트 현상이 발생하는 문제가 있다. 드리프트 특성이 나타나는 공진기 센서는 주변 환경의 변화에 따라 불안정한 감도를 나타낼 수 있고, 또한 사용 기간이 길어짐에 따라 감도의 저하가 발생하여 사용 연한이 단축될 수 있다.
반면 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100)에 따르면, 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)이 소수성 물질을 포함할 수 있고, 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144) 내부에 흡착되는 수분의 양이 현저히 작을 수 있다. 따라서, 상기 드리프트 현상이 방지될 수 있고, 공진기 센서 소자(100)의 주변 온도 또는 습도가 변화하더라도 공진기 센서 소자(100)는 안정적인 감도를 가질 수 있다. 또한 사용 기간 경과에 따른 감도 저하 역시 방지되어, 공진기 센서 소자(100)는 우수한 내구성을 가질 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100A)를 나타내는 단면도이다. 도 6에서, 도 1 내지 도 5에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 6을 참조하면, 공진기 센서(RSA)는 하부 방습 캡핑층(172) 및 상부 방습 캡핑층(174)을 더 포함할 수 있다. 하부 방습 캡핑층(172)은 기판(120)과 하부 패시베이션층(142) 사이에 배치될 수 있고, 캐비티(120U)에 의해 하부 방습 캡핑층(172)의 표면이 노출될 수 있다. 상부 방습 캡핑층(174)은 상부 패시베이션층(144)과 가스 감지층(160) 사이에 배치될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기판(120) 상에는 순차적으로 하부 방습 캡핑층(172), 하부 패시베이션층(142), 하부 전극(132), 압전층(140), 상부 전극(134), 상부 패시베이션층(144), 상부 방습 캡핑층(174), 및 가스 감지층(160)이 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 하부 패시베이션층(142) 및 상부 패시베이션층(144)은 알루미늄 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 산화탄화물 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 하부 방습 캡핑층(172) 및 상부 방습 캡핑층(174)은 불소계 폴리머, 메틸기를 포함하는 폴리머, 지방족 폴리머, 방향족 폴리머와 같은 소수성을 갖는 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 소수성을 갖는 폴리머는 불소계 폴리머, 메틸기를 포함하는 폴리머, 지방족 폴리머, 방향족 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 소수성을 갖는 불소계 폴리머는 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF), 퍼플루오로알콕시알칸 (Perfluoroalkoxy alkane, PFA), 플루오르화 에틸렌프로필렌 (Fluorinated ethylene propylene, FEP), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 (Ethylene Tetra fluoro Ethylene ETFE), 및 폴리클로로트리플루오로에틸렌 (polychlorotrifluoroethylene, PCTFE) 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 소수성을 갖는 메틸기를 포함하는 폴리머는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리이소프렌(Polyisoprene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리스티렌(Polystyrene) 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 소수성을 갖는 지방족 폴리머는 올레산 (oleic acid), 스테아르산(stearic acid), 1-데칸티올 (1-decanethiol), 1-언데칸티올 (1-undecanethiol), 1- 도데케인티올 (1-dodecanethiol), 1-테트라데칸티올 (1-tetradecanethiol), 1-펜타데칸티올 (1-pentadecanethiol), 1-헥사데칸티올 (1-hexadecanethiol), 1-옥타데칸티올 (1-octadecanethiol), 헥사데실트리클로로 실란 (hexadecyltrichlorosilane), n-옥타데실트리에톡시실란 (n-octadecyltriethoxysilane), n-옥타데실디메틸클로로실란 (n-octadecyldimethylchlorosilane), n-옥타데실메톡시디클로로실란 (n-octadecylmethoxydichlorosilane), 헥사데실트리메톡시실란 (hexadecyltrimethoxysilane), 트리아콘틸디메틸클로로실란 (triacontyldimethylchlorosilane), 및 트리아콘틸드리클로로실란 (triacontyltrichlorosilane) 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 소수성을 갖는 방향족 폴리머는 페놀(phenol), 벤젠(benzene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene) 등의 방향족 탄화수소를 포함하는 방향족 폴리머일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100A)에 따르면, 상부 전극(134)과 가스 감지층(160) 사이에 상부 패시베이션층(144)과 상부 방습 캡핑층(174)이 순차적으로 배치되고, 또한 하부 전극(132)과 캐비티(120U) 사이에 하부 패시베이션층(142)과 하부 방습 캡핑층(172)이 순차적으로 배치될 수 있다. 따라서 상부 패시베이션층(144)과 상부 방습 캡핑층(174), 또는 하부 패시베이션층(142)과 하부 방습 캡핑층(172) 내부에 흡착되는 수분의 양이 현저히 작을 수 있다.
따라서, 공진기 센서 소자(100A)의 드리프트 현상이 방지될 수 있고, 공진기 센서 소자(100A)의 주변 온도 또는 습도가 변화하더라도 공진기 센서 소자(100A)는 안정적인 감도를 가질 수 있다. 또한 사용 기간 경과에 따른 감도 저하 역시 방지되어, 공진기 센서 소자(100A)는 우수한 내구성을 가질 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100B)를 나타내는 단면도이다. 도 7에서, 도 1 내지 도 6에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 7을 참조하면, 공진기 센서(RSB)는 상부 방습 캡핑층(174)을 더 포함할 수 있고, 상부 패시베이션층(144)과 가스 감지층(160) 사이에 상부 방습 캡핑층(174)이 더 배치될 수 있다.
예시적인 제조 공정에서, 기판(120) 상에 폴리실리콘을 사용하여 희생층(도시 생략)을 형성한 후 하부 패시베이션층(142), 하부 전극(132), 압전층(140), 상부 전극(134), 상부 방습 캡핑층(174), 및 상부 패시베이션층(144)을 순차적으로 형성할 수 있다. 이후 상기 희생층을 제거하여 상기 희생층이 제거된 공간에 캐비티(120U)를 형성할 수 있다. 상기 희생층의 제거 공정은 에천트 용액을 사용한 습식 식각 또는 플루오르를 포함하는 식각 가스를 사용한 건식 식각 공정일 수 있다. 예를 들어, 하부 패시베이션층(142)은 상기 희생층의 물질과 식각 선택비를 갖는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 상기 희생층의 제거 공정에서 제거되거나 손상되지 않을 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서 소자(100C)를 나타내는 단면도이다. 도 8에서, 도 1 내지 도 7에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 8을 참조하면, 공진기 센서(RSC)는 캐비티(120UA)를 포함하는 기판(120A) 상에 배치될 수 있다. 기판(120A)은 캐비티(120UA)를 포함할 수 있고, 캐비티(120UA)의 상부(upper portion)는 하부 절연층(122)에 의해 둘러싸일 수 있다. 하부 절연층(122)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 캐비티(120UA)는 기판(120A)의 일부분을 이방성 식각 공정, 레이저 드릴링 공정, 등에 의해 제거함에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 캐비티(120UA)는 기판(120A)의 배면 식각 공정에 의해 형성될 수 있고, 도시된 것과는 달리, 캐비티(120UA)는 바닥면까지 연장되어 캐비티(120UA)가 기판(120A)을 관통할 수도 있다.
하부 패시베이션층(142)은 캐비티(120UA)를 대면하는 하부 전극(132)의 바닥면의 전체 면적 상에 배치될 수 있고, 하부 전극(132)과 하부 절연층(122) 사이에는 배치되지 않을 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서(EX-11, EX-21)의 주파수 변동을 나타내는 그래프들이다. 비교를 위하여, 도 9에는 비교예에 따른 공진기 센서(CO-11)의 주파수 변동이 함께 도시된다.
도 9를 참조하면, 비교예에 따른 공진기 센서(CO-11)는 일반적인 패시베이션층(예를 들어 실리콘 산화물을 포함하는 패시베이션층)을 포함하도록 제조되었다. 실시예 1에 따른 공진기 센서(EX-11)는 도 3 및 도 4를 참조로 설명한 공진기 센서(RS)와 동일한 구조를 가지며, 하부 및 상부 패시베이션층(142, 144)으로서 알루미늄 질화물을 포함하도록 제조되었다. 실시예 2에 따른 공진기 센서(EX-21)는 도 6을 참조로 설명한 공진기 센서(RSA)와 동일한 구조를 가지며, 하부 및 상부 패시베이션층(142, 144)으로서 알루미늄 산화물을 포함하고, 하부 및 상부 방습 캡핑층(172, 174)으로서 불소계 폴리머를 포함하도록 제조되었다. 실시예들에 따른 공진기 센서(EX-11, EX-21) 및 비교예에 따른 공진기 센서(CO-11)는 외부로부터의 가스 또는 휘발성 유기 화합물의 공급이 없는 밀폐된 환경에 놓여지고, 동일한 온도 및 습도(예를 들어 20℃의 온도와 80%의 상대 습도)에서 시간에 따른 공진 주파수의 변화가 측정되었다.
도 9에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 공진기 센서(CO-11)는 시간이 경과함에 따라 변화하는 주파수 변동 값, 즉 상당한 드리프트 특성을 나타냈다. 예를 들어, 비교예에 따른 공진기 센서(CO-11)는 약 338 kHz의 주파수 변동 값을 나타냈다. 드리프트 특성은 일정한 환경 하에서 시간이 경과함에 따라 센서 출력이 변동하는 현상을 가리킨다. 드리프트 특성이 나타나는 공진기 센서는 주변 환경의 변화에 따라 불안정한 감도를 나타낼 수 있고, 또한 사용 기간이 길어짐에 따라 감도의 저하가 발생하여 사용 연한이 단축될 수 있다.
반면, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공진기 센서(EX-11, EX-21)는 시간이 경과하더라도 주파수 변동 값이 미미했으며, 드리프트 현상이 현저히 방지되었음을 확인할 수 있다. 예를 들어, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 공진기 센서(EX-11, EX-21)는 각각 10 kHz 및 5 kHz의 현저히 낮은 주파수 변동 값을 나타냈다.
이는 비교예에 따른 공진기 센서(CO-11)에서 패시베이션층 내에 수분이 침투하고 흡착됨에 따라 공진기 센서의 출력 주파수의 변동이 커지는 반면, 예시적인 실시예들에 따른 공진기 센서(EX-11, EX-21)에서 소수성 물질으로 구성된 하부 및 상부 패시베이션층(142, 144) 내에 수분 침투 및 흡착이 효과적으로 방지될 수 있고 이에 따라 공진기 센서의 출력 주파수의 변동이 거의 없기 때문임을 알 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 공진기 센서 소자 120: 기판
132: 하부 전극 134: 상부 전극
140: 압전층 142: 하부 패시베이션층
144: 상부 패시베이션층 160: 가스 감지층
172: 하부 방습 캡핑층 174: 상부 방습 캡핑층

Claims (10)

  1. 기판 상에 배치되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치되는 압전층;
    상기 압전층 상에 배치되는 상부 전극;
    상기 상부 전극 상에 배치되며 소수성(hydrophobic) 물질을 포함하는 상부 패시베이션층; 및
    상기 상부 패시베이션층 상에 배치되는 가스 감지층을 포함하는 공진기 센서 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 하부 전극 사이에 배치되며, 소수성 물질을 포함하는 하부 패시베이션층을 더 포함하는 공진기 센서 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판과 상기 하부 패시베이션층 사이에 캐비티가 형성되고,
    상기 캐비티는 상기 하부 전극, 상기 압전층, 및 상기 상부 전극과 수직 오버랩되는 것을 특징으로 하는 공진기 센서 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 패시베이션층은 상기 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 제1 두께를 가지며,
    상기 제1 두께는 10 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는 공진기 센서 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 패시베이션층은 소수성을 갖는 무기물을 포함하며,
    상기 소수성을 갖는 무기물은 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 산화탄화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 패시베이션층과 상기 가스 감지층 사이에 배치되는 상부 방습 캡핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기 센서 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 방습 캡핑층은 소수성을 갖는 폴리머를 포함하고,
    상기 소수성을 갖는 폴리머는 불소계 폴리머, 메틸기를 포함하는 폴리머, 지방족 폴리머, 방향족 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진기 센서 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하부 전극의 바닥면 상에 배치되며 소수성 물질을 포함하는 하부 패시베이션층; 및
    상기 하부 패시베이션층의 바닥면 상에 배치되는 하부 방습 캡핑층을 더 포함하는 공진기 센서 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상부 패시베이션층은 상기 상부 전극의 전체 상면을 커버하는 것을 특징으로 하는 공진기 센서 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상부 패시베이션층은 물에 대한 접촉각이 90˚보다 큰 것을 특징으로 하는 공진기 센서 소자.
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