KR20200057649A - 차압 센서 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판, 기판의 주 표면 상에 형성된 다른 층, 및 멤브레인에 의해 서로 분리된 제1 캐비티와 제2 캐비티를 포함하는 차압 센서 디바이스에 관한 것이다. 제1 캐비티는 공기가 센서 디바이스의 외부 환경으로부터 유입될 수 있는 벤트 홀과 유체 연통하는 채널과 유체 연통된다. 채널은 다른 층 또는 기판 내에서 주 표면에 실질적으로 평행한 평면으로 연장된다.
Description
본 발명은 차압 센서 디바이스에 관한 것으로, 특히 기판, 및 채널을 포함하는 다른 층을 포함하는 차압 센서 디바이스에 관한 것이며, 또한 본 발명은 이러한 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
차압 센서는 2개의 격리된 액체들 또는 가스들 사이의 압력 차이를 측정한다. 차압 센서 (또는 트랜스듀서)는 액체들 또는 기체들의 압력 차이를 차압 값을 결정하기 위해 측정될 수 있는 전기 신호로 변환한다. 일반적으로 압전 저항성, 압전기 및 용량성과 같은 압력을 측정하기 위해 사용되는 3가지 상이한 변환 메커니즘이 있다. 센서의 압력 감지 디바이스는 전형적으로 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기술에 의하여 제조된다. 이 기술은 차압을 전기 신호로 변환하는 매우 작고 저렴한 디바이스를 제조하기 위해 에칭 및 접합 기술과 함께 상업용 반도체를 제조하는데 사용되고 있다.
일반적으로, 용량성 또는 저항성 차압 센서를 제조할 때, 압력 감지 다이(die)는 실리콘과 같은 반도체 물질로 형성된다. 다이는 다이싱(dicing)과 같은 방법에 의해 실리콘 웨이퍼로부터 형성되어 실리콘 구조물을 생성하며, 이 실리콘 구조물은 얇아져 캐비티를 생성하고 관련된 다이어프램을 한정한다. 압전 저항성 소자의 경우, 소자는 다이어프램의 표면에 형성되거나 배치되며, 다이어프램을 형성하는 얇아진 반도체 물질 상에 배치된 스트레인(strain)에 비례하는 저항을 나타내도록 구성된다. 압전 저항 소자에 연결된 전기 회로는 (전형적으로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridges)의 네트워크를 형성하는) 압전 저항 소자의 저항값에 부분적으로 기초하여 전기 신호를 생성한다. 따라서 전기 신호는 테스트 중인 매체의 압력을 나타낸다.
특정 종류의 차압 센서에서, 다이어프램(멤브레인)의 한 쪽에는 측정되어야 하는 가압된 액체 또는 가스 유형 매체가 공급되는 반면 멤브레인의 다른 쪽은 대기로 개방되어 있는 소위 게이지 유형 압력 센서가 또한 있다. 따라서, 테스트 매체의 압력은 대기압에 대해 측정된다. 대기로의 연결부는 일반적으로 벤트(환기) 홀로 불린다. 센서는 대기압을 감지하도록 벤트 홀을 갖고 있기 때문에 벤트 홀은 항상 막혀있지 않게 유지되어야 한다.
도 1은 본 기술 분야에 공지된 벤트 홀을 갖고 있는 이러한 차압 센서(10)의 예를 보여주고 있다. 도 1에서 보여지고 있는 바와 같이, 센서(10)는 기판(1) 및 하우징(2)을 갖고 있다. 실장 PCB와의 접촉을 위하여 표면 실장 디바이스(Surface Mounted Device)(SMD) 접촉 패드(3)가 기판(1)의 최하부에 제공되어 있다. 전기 전도성 패턴이 제공될 수 있는 다른 층(예를 들어, 유전체 층)(4)이 기판(1) 상에 형성되어 있다. 유전체 층(4) 위에는 미세 전자 기계 시스템(MEMS)(5) 및 주문형 반도체(ASIC)(6)가 형성되어 있다. 감지 멤브레인은 MEMS 최상부 표면 상에 또는 그에 의하여 형성된다. 겔 보호부(7)는 하우징(2) 내에 수평으로 위치되어 있다.
최상부로부터 유입 (아래쪽을 가리키는 넓은 화살표 참조)되는 유체 (액체 또는 기체)의 압력은, 기판(1)의 최하부 표면을 관통하여 형성되고 (그리고 콘택 패드(3) 사이에 위치되고) 기판(1)과 유전체 층(4)을 관통한 벤트 홀(8)로부터 캐비티로 연장된 채널에 연결된 벤트 홀(8)을 통한 공기 흐름 (아래쪽을 가리키는 얇은 화살표 참조)에 의하여 형성된 대기압에 대해 측정될 수 있으며, 여기서 캐비티 내에는 대기압이 형성된다. 그러나, 작동 가능한 디바이스의 제조를 완료하기 위해 센서(10)가 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 실장될 때, 벤트 홀이 막힐 위험이 있다. 또한, 외부 환경과 센서(10)의 벤트 홀을 연통시키는 대응 관통 홀이 PCB에 제공되어야 한다. PCB에 형성된 이 관통 홀은 또한 예를 들어 땜납 또는 일부 컨포멀 코팅(conformal coating)에 의해 의도치 않게 막힐 수 있다.
위의 사항을 고려하여, 본 발명의 목적은 종래 기술과 비교하여 대기압이 보다 신뢰할 수 있는 방식으로 형성될 수 있고 유지될 수 있는 차압 센서 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명은 기판 (예를 들어, 다층 또는 벌크 세라믹 기판), 기판의 주 (최상부) 표면 상에 형성된 다른 층 및 멤브레인에 의하여 서로 분리된 제1 캐비티와 제2 캐비티를 포함하는 차압 (예를 들어, 게이지 압력) 센서 디바이스를 제공함으로써 위에서 언급된 문제를 다룬다. 예를 들어, 기판은 일부 반도체 기판 또는, 고온 또는 저온 동시 소성 세라믹 기판일 수 있다. 또한 일반적으로 인쇄 회로 기판은 이 용어에 포함되어 있다. 다른 층은 유전체 층일 수 있으며 또한 기판과 동일한 물질로 형성된 층일 수 있다. 제1 캐비티는 벤트 홀과 유체 연통하는 적어도 하나의 채널과 유체 (액체 또는 기체) 연통하며, 공기 (또는 다른 가스)는 이 벤트 홀을 통하여 센서 장치의 환경으로부터 (일부 기준 압력 저장조 또는 대기압에서의 공기로부터) 들어올 수 있다.
적어도 하나의 채널은 다른 층 또는 기판 내에서 주 표면에 실질적으로 평행한 평면으로 연장된다. 적어도 하나의 채널은 또한 기판 및/또는 다른 층의 최상부 표면에 도달할 수 있다. 특히, 기판은 복수의 서브-층을 포함하는 다층 기판일 수 있으며, 이 경우 적어도 하나의 채널은 기판의 복수의 서브-층 중 하나에 형성될 수 있다. 특히, 다른 층, 예를 들어, 유전체 층은 복수의 서브-층을 포함하는 다층 층일 수 있으며, 이 경우 적어도 하나의 채널은 다른 층의 복수의 서브-층 중 하나에 형성될 수 있다.
벤트 홀 및 채널의 제공에 의하여, 예를 들어 대기압이 제1 캐비티 내에 형성되고 유지될 수 있다. 이는 저장조로부터 다른 채널을 통해 제2 캐비티 내로 공급된 테스트 매체의 압력을 대기압에 대하여 측정할 수 있게 한다. 여기의 그리고 다음의 설명에서 대기압에 대한 제한은 필요하지 않다는 점이 주목되어야 한다. 실제로, 대기압은 대응하는 기준 압력 저장조에 의해 공급된 임의의 기준 압력으로 대체될 수 있다.
압력 차이는 멤브레인에 의하여 감지된다. 휘트스톤 브리지의 네트워크를 형성할 수 있는 레지스터, 예를 들어 압전 저항 소자는 멤브레인의 표면 상에 형성될 수 있다. 레지스트들 각각은 적용된 스트레인의 변화에 따라 달라지는 저항을 갖는다. 차압 센서 디바이스는 멤브레인에 의해 감지된 바와 같이 압력 변화를 나타내는 전기 신호를 생성하기 위한 MEMS 및 전기 신호를 추가로 처리하기 위한 ASIC을 더 포함할 수 있으며, 여기서 ASIC 및 MEMS는 기판의 주 표면 위에 형성된다.
종래 기술과 반대로, 벤트 홀을 통해 제1 캐비티를 외부 환경 (예를 들어, 대기압으로) 연결하는 채널은 주 표면에 평행한 평면에 형성되며, 이는 벤트 홀이 (주 (최상부) 표면과 반대인) 기판의 최하부 표면에 형성되지 않음을 의미한다. 이에 의하여, 벤트 홀의 막힘 위험은 종래 기술과 비교하여 상당히 감소된다. 실제로, 기판의 실장 표면, 즉 최하부 표면으로부터의 벤트 홀의 거리는 기판과 다른 층의 적층체의 두께 (수직) 방향을 따라 주 표면에 수직인 방향으로 임의로 선택될 수 있으며, 기판이 실장될 수 있는 실장 PCB의 일부 컨포멀 코팅(conformal coating)에 의한 막힘을 방지하기 위하여 이 거리는 충분히 크게 선택될 수 있다. 벤팅 홀과 대응하는 관통 구멍이 실장 PCB에 형성될 필요가 전혀 없다. 이에 의하여, 기판의 다른 쪽의 점유 공간(footprint)가 감소되기 때문에 공간이 절약된다.
위에서 언급된 문제점은 또한 차압(게이지 압력) 센서 디바이스를 제조하는 방법에 의하여 해결될 수 있으며, 본 방법은 (예를 들어, 세라믹 물질 또는 PCB로 만들어지거나 이를 포함하는) 기판을 형성하는 단계; 기판의 주 (최상부) 표면 상에 (예를 들어, 유전체 물질 또는 기판과 동일한 물질로 형성될 수 있는) 다른 층을 형성하는 단계; 채널이 기판의 주 표면에 수직으로 배향된 다른 층 또는 기판의 (주 표면에 수직으로 배향된) 부 표면에 벤트 홀을 형성하도록 다른 층 또는 기판 내에 기판의 주 표면에 평행한 평면으로 적어도 하나의 채널을 형성하는 단계; 및 다른 층을 관통하며 채널에 연결된 관통 통로를 (예를 들어, 주 표면에 수직인 평면으로) 형성하는 단계를 포함한다. 관통 통로는 또한 일부 기준 압력이 형성되어야 하는 캐비티에 연결되어 있다.
센서 셀은 다른 층 및 기판 위에 형성될 수 있다. 센서 셀은 기준 압력을 제공하기 위한 제1 캐비티를 포함하고 있다. 따라서, 위에서 언급된 방법은 다른 층 위에 멤브레인을 형성함으로써 제1 캐비티를 다른 층 위에 형성하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 벤트 홀 (및 적어도 하나의 채널)을 통한 기준 압력 (예를 들어, 대기압)의 형성을 허용하기 위하여 관통 통로가 제1 캐비티에 연결되도록 관통 통로가 형성된다. 저항성 차압 센서 디바이스를 제조하기 위해 복수의 레지스터, 특히 복수의 압전 저항 소자가 멤브레인이 표면 상에 형성될 수 있다.
벤트 홀이 다른 층에 형성되는 경우, 다른 층을 형성하는 것은 제1 유전체 서브-층을 기판 (단일 층 또는 다층 기판) 상에 형성하는 것, 제1 유전체 서브-층 상에 희생 물질을 부분적으로 포함하는 제2 유전체 서브-층을 형성하거나 제2 유전체 서브-층에 인접한 희생 물질로 이루어진 희생층을 형성하는 것, 및 부분적으로 희생 물질을 포함하는 제2 유전체 서브-층 상에 또는 희생 물질로 이루어진 희생층 및 인접하는 제2 유전체 서브-층 모두에 제3 유전체 서브-층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우에, 채널의 형성은, 예를 들어 제3 유전체 서브-층의 형성 후에 어닐링 공정을 수행함으로써 희생 물질을 제거하는 것을 포함한다.
벤트 홀이 기판에 형성되는 경우, 기판을 형성하는 것은 제1 기판 서브-층을 형성하는 것, 제1 기판 서브-층 상에 희생 물질을 부분적으로 포함하는 제2 기판 서브-층을 형성하거나 제2 기판 서브-층에 인접한 희생 물질로 이루어진 희생층을 형성하는 것, 및 부분적으로 희생 물질을 포함하는 제2 기판 서브-층 상에 또는 희생 물질로 이루어진 희생층 및 인접하는 제2 기판 서브-층 모두에 제3 기판 서브-층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이 경우에, 채널의 형성은 제3 기판 서브-층의 형성 후에, 예를 들어 어닐링 공정을 수행함으로써 희생 물질을 제거하는 것을 포함한다.
대안적으로, 희생 물질의 형성없이 레이저 에칭, 화학적 에칭, 쏘잉(sawing) 등에 의해 기판 또는 다른 층에 채널 또는 복수의 채널이 형성된다.
실시예에 따르면, MEMS 또는 다른 압력 감지 요소와 ASIC 및 멤브레인이 다른 층 위에 형성되고, 멤브레인 (다른 층에 대한 방향으로) 아래에 위에서 언급된 제1 캐비티를 그리고 멤브레인 위에 제2 캐비티를 부분적으로 형성할 수 있는 하우징이 제공되며, 여기서 제2 캐비티는, 압력이 제1 캐비티 내에 형성된 기준 압력에 대해 측정될 테스트 매체를 수용하기 위해 제공된다. 또한, 인쇄 회로 기판은 주 (최상부) 표면과 반대쪽이며 적절한 접촉 패드를 구비할 수 있는 기판의 다른 주 (최하부) 표면에 접합될 수 있다.
본 발명의 부가적인 특징 및 장점이 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 설명에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 첨부 도면이 참조된다. 이러한 실시예는 본 발명의 전체 범위를 나타내지 않는 것으로 이해된다.
도 1은 종래 기술의 예에 따른 차압 센서 디바이스를 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 다른 층에 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 차압 센서 디바이스를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 기판에 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 차압 센서 디바이스를 도시하고 있다.
도 4는 벤트 홀이 다른 층에 형성된 차압 센서 디바이스의 제조 단계를 보여주고 있다.
도 5는 벤트 홀이 기판에 형성된 차압 센서 디바이스의 제조 단계를 보여주고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 다른 층에 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 차압 센서 디바이스를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 기판에 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 차압 센서 디바이스를 도시하고 있다.
도 4는 벤트 홀이 다른 층에 형성된 차압 센서 디바이스의 제조 단계를 보여주고 있다.
도 5는 벤트 홀이 기판에 형성된 차압 센서 디바이스의 제조 단계를 보여주고 있다.
본 발명은 차압 센서 디바이스, 예를 들어 테스트 매체의 압력이 일부 기준 압력에 대하여, 예를 들어 대기압(게이지 압력 센서 디바이스)에 대하여 측정되는 차압 센서 디바이스를 제공한다. 본 발명의 차압 센서 디바이스(100)의 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 차압 센서 디바이스(100)는 기판(110) 및 하우징(102)을 포함하고 있다.
기판(110)은 세라믹 물질, 특히 전자 전도성 세라믹 물질로 제조될 수 있다. 도핑된 산화지르코늄(예를 들어, 이트륨 및/또는 사마륨 및/또는 스칸듐으로 도핑 됨) 및/또는 도핑된 산화세륨(예를 들어 가돌리늄 및/또는 스칸듐으로 도핑됨)은 세라믹 물질의 예이다. 다른 금속, 특히 구리, 코발트 및/또는 다른 전이 금속 및/또는 금속 합금이 포함될 수 있다.
하우징(102)은 실리콘 또는 다른 반도체 물질, 글라스, 금속, 플라스틱, 세라믹 및 다른 적절한 물질과 같은 물질로 제조될 수 있다. 하우징(102)의 상부 표면 및 기판(110)의 밑면에는, 예를 들어 O-링 시일을 사용하여 시일이 형성될 수 있다. 하우징(102)은 일부 접착제, 땜납 또는 글라스 프릿(glass frit)을 통해 기판(110)에 부착될 수 있다.
다른 층(104)이 기판(110)의 (도 2에서 수평 방향으로 배향된) 최상부 주 표면 상에 형성되어 있다. 다른 층(104)은, 예를 들어 유전체, 예를 들어 일부 산화물 물질로 만들어지거나 이를 포함할 수 있다. 기판(110)의 주 최하부 표면 상에는 실장 PCB와 전기적으로 접촉하기 위한 접촉 패드(103)가 형성되어 있다.
MEMS(105) 및 ASIC(106)가 기판(110)의 최상부 주 표면과 유전체 층(103) 위의 하우징(102)에 제공되어 있다. 감지 브레인이 MEMS의 최상부 표면 상에 또는 이에 의하여 형성된다. 또한, 겔 보호부(107)가 하우징(102) 내에 제공되며 2개의 캐비티를 서로 분리시킨다. 예를 들어, 측정된 매체와 접촉하는 가요성 멤브레인은 스테인리스 강을 포함할 수 있다. 가요성 멤브레인은 매체의 최종 순압력 차이가 가요성 멤브레인의 표면에 힘을 가할 때 구부러지도록 구성되어 있다. 휘스톤 브리지의 네트워크를 형성할 수 있는 레지스터(R), 예를 들어 압전 저항 소자가 멤브레인이 표면 상에 형성될 수 있다.
멤브레인의 제1 표면에 제1 압력을 가함으로써, 반면에 동시에 제1 표면의 반대쪽의 멤브레인의 제2 표면에 제2 압력을 가함으로써, 멤브레인은 제1 표면과 제2 표면에 가해지는 압력들 간의 순 압력 차이를 나타내는 힘을 경험할 것이다. 압전 저항 소자는 멤브레인에 적용된 이 순 압력 차이를 나타내는 저항을 보일 것이다. MEMS(105)는 멤브레인(의 레지스터)에 의해 감지된 압력 변화를 나타내는 전기 신호를 ASIC(106)으로 출력한다. ASIC(106)은 필요에 따라 아날로그-디지털 변환 및/또는 증폭, 노이즈 필터링 등을 위한 전기 신호를 처리할 수 있다. 하우징(102)은 압력이 측정되는 거친 매체가 민감한 멤브레인과 ASIC(106) 그리고 MEMS(105)와 접촉하는 것을 방지하는, 오일이 채워진 격리 체적체와 같은 다른 압력 센서 구성 요소를 포함할 수 있다. 일부 적절한 코팅에 의하여 보호부가 또한 제공될 수 있다.
벤트 홀(108)은 다른 층(104)에 형성되며 도 2에서 수평으로 연장되고 유입부(120)에 연결된 채널 또는 복수의 채널(109)에 의해 연결되어 있다. 채널(들)(109)은 유전체 층(104)이 형성된 기판(110)의 주 최상부 표면에 실질적으로 평행한 평면으로 유전체 층(104) 내에 형성되어 있다. 채널(들)(9)은 벤트 홀(108) 및 유입부(120)와 유체 연통되어 있다. 이에 의해, 벤트 홀(108)이 외부 환경으로의 유입부를 나타내는 경우, 대기압이 형성되고 (도 2의 화살표 참조) 멤브레인에 의하여 의해 부분적으로 만들어진 캐비티들 중 하부 캐비티 내에 유지될 수 있다. 대안적으로, 대기압과 다른 임의의 기준 압력을 제공하는 임의의 저장조는 벤트 홀(108)에 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 차압 센서 디바이스(200)의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 차압 센서 디바이스(200)는 적어도 3개의 서브-층(211, 212 및 213)과 하우징(102)을 포함하는 다층 기판(210)을 포함하고 있다. 다른 층(104)(예를 들어, 유전체 층)이 다층 기판(210) 상에 형성되어 있다. 하우징(202)은 MEMS(205), ASIC(206) 및 겔 보호부(207)를 수용하고 있다. 도 2에 보여지고 있는 실시예의 설명의 맥락에서 위에서 언급된 것과 유사한 다양한 구성 요소의 물질이 선택될 수 있다. 휘트스톤 브리지의 네트워크를 형성할 수 있는 레지스터(R), 예를 들어 압전 저항 소자는 MEMS(205)의 최상부 표면 상에 또는 그의 최상부 표면에 의해 형성된 멤브레인(M)의 표면 상에 형성될 수 있다. 멤브레인(M)은 제1 캐비티(C1)를 제2 캐비티(C2)로부터 분리한다. 테스트(측정) 매체는 제2 캐비티(C2)에 도입될 수 있으며, 테스트 매체의 압력은 제1 캐비티(C1) 내로 도입된 기준 매체의 압력에 대해 측정될 수 있다. 기준 매체는 대기압을 갖는 공기일 수 있다.
도 2에 보여지고 있는 실시예와 다르게, 하나 이상의 채널(209)은 기판(210)의 최상부 주 표면에 평행한 평면으로 기판(210)의 하나 이상의 서브-층(211, 212, 213) 내에 형성되며 유입부(220)에 연결되어 있다. 또한, 채널(들)(209)은 기판(210)의 (주 표면에 수직으로 배향된) 부(minor) 표면에 형성된 벤트 홀(208)에 연결되어있다. 벤트 홀(208)이 자연 환경으로 향하면, 대기압이 형성되며 제1 캐비티(C1) 내에서 유지될 수 있다.
위에서 설명된 실시예에서, 벤트 홀 및 벤트 홀에 연결되고 기판의 최상부 주 표면에 평행하게 연장된 하나 이상의 채널이 벤트 홀의 막힘 위험을 방지하거나 적어도 감소시키는 방식으로 제공된다. 다음 설명에서, 차압 센서 디바이스, 예를 들어 도 2 및 도 3에 각각 보여지고 있는 차압 센서 디바이스(100 및 200) 중 하나를 제조하는 예시적인 절차가 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된다.
본 발명의 실시예에 따른 차압 센서 디바이스는 기판 및 기판 상에 형성된 다른 층을 포함하고 있다. 차압 센서 디바이스의 능동 구성 요소는 기판과 유전체 층 위에 형성된다. 다음 설명에서, 다른 층은 예시적인 목적을 위하여 유전체 층인 것으로 가정된다. 도 4에서 기판 및 기판 상에 형성된 유전체 층을 포함하는 다층 적층체의 형성이 보여지고 있으며, 여기서 기준 압력을 제공하기 위한 벤트 홀이 유전체 층에 형성된다. 도 5에서는 기판 및 기판 상에 형성된 다른 층을 포함하는 다층 적층체의 형성이 보여지고 있으며, 여기서 기준 압력을 제공하기 위한 벤트 홀이 기판에 형성된다.
도 4에 도시된 실시예에서, 기판(301)이 제공된다(도 4의 최상부 열 참조). 기판(301)은 세라믹 물질, 특히 전자 전도성 세라믹 물질을 포함할 수 있거나, 이 물질로 구성될 수 있다. (예를 들어, 이트륨 및/또는 사마륨 및/또는 스칸듐으로 도핑된) 도핑된 산화지르코늄 및/또는 (예를 들어, 가돌리늄 및/또는 스칸듐으로 도핑된) 도핑된 산화 세슘이 세라믹 물질의 예이다. 다른 금속, 특히 구리, 코발트 및/또는 다른 전이 금속 및/또는 금속 합금이 포함될 수 있다. 기판(301)은 벌크 기판 또는 다층 기판의 형태로 제공될 수 있다.
도 4의 최상부로부터 두 번째 행에서 보여지는 제조 단계에서, 유전체 층(302)이 기판(301) 상에 형성된다. 유전체 층(302)은 일부 산화물 층일 수 있다. 도 4의 최상부로부터 3번째 행에 나타나 있는 바와 같이, 부분 희생층(303)이 유전체 층(302) 상에 형성된다. 부분 희생층(303)은 추가 진행 중에 제거될 희생 물질(303a)의 일부분 (도 4에서 점들로 표시됨)을 포함하고 있다. 특히, 부분 희생층(303)은 제거되고 다층 적층체의 에지 (도 4에 보여지고 있는 구성에서 좌측)로 연장될 물질을 포함하고 있다. 희생 물질은 증착 파라미터의 적절한 도핑 또는 적응에 의해 형성될 수 있다. 실시예에 따르면, 부분 희생층(303)을 형성하는 것은 유전체 층(302) 상에 희생 물질(303a)의 층을 형성하는 것 및 유전체 층(302) 상에 유전체 물질의 다른 층(303b)을 그 층(303a)에 인접하게 형성하는 것을 포함하고 있다.
이어서, 다른 희생층(304)이 부분적인 희생층(303) 상에 형성된다 (도 4의 밑에서 두 번째 행 참조). 부가적으로, 층들은 다른 유전체 층(304) 상에 그리고 그 위에 형성될 수 있다.
전체 제조 공정의 일부 단계에서, 부분 희생층(303)의 희생 물질이 제거된다 (도 4의 마지막 행 참조). 예를 들어, 희생 물질의 제거는 일부 가열 /(단시간) 어닐링 절차(320)에 의해 달성될 수 있다. 희생 물질은 (예를 들어, 세라믹) 기판(301)의 경화 동안에 제거될 수 있다. 부분 희생층(303)의 희생 물질을 제거함으로써 벤트 홀(305)과 채널(306)이 형성된다. 유전체 서브-층들 중 임의의 (그리고 특히, 하나 이상) 층은 희생 물질을 구비할 수 있다는 것은 물론이다.
희생 물질의 적절한 선택에 의하여 하나 이상의 채널이 형성될 수 있다는 점이 주목된다. 전체 제조 공정의 후반 단계에서, 관통 통로(307)가 하나 이상의 채널(306)에 대한 오버레이 층을 관통하여 (예를 들어, 유전체 층(304)을 관통하여) 형성된다. 여기 및 다음에 사용된 용어와 관련하여, 채널(들)에 연결되는 관통 통로(307)는 또한 벤트 홀 (여기서는 벤트 홀(305))에 연결된 채널의 일부인 것으로 간주될 수 있다. 관통 통로, 채널(들)(306) 및 벤트 홀(305)에 의하여, 기준 압력이 압력 센서 디바이스의 캐비티 내에 형성될 수 있으며, 여기서 테스트 매체의 압력이 결정될 수 있는 압력이 제공된다.
이어서, 차압 센서 디바이스의 다른 구성 요소가 유전체 층(304) 위에 형성된다 (도 2 참조).
도 5는 대안적인 제조 공정의 단계를 도시하고 있다. 기판의 제1 층(401)이 제공된다 (도 5의 최상부 행 참조). 기판은 세라믹 물질, 특히 전자 전도성 세라믹 물질을 포함할 수 있거나 이 물질로 구성될 수 있다. (예를 들어, 이트륨 및/또는 사마륨 및/또는 스칸듐으로 도핑된) 도핑된 산화지르코늄 및/또는 (예를 들어, 가돌리늄 및/또는 스칸듐으로 도핑된) 도핑된 산화 세슘이 세라믹 물질의 예이다. 다른 금속, 특히 구리, 코발트 및/또는 다른 전이 금속 및/또는 금속 합금이 포함될 수 있다. 기판은 다층 기판의 형태로 제공된다.
기판의 제2 층(402)은 도 5의 최상부으로부터 제2열로 보여진 제조 단계에서 제1 층(401) 상에 형성된다. 이어서, 다른 층(403)이 층(402) 상에 형성된다 (도 5의 최상부로부터 제3 행 참조). 부분 희생층(403)은 도 5에서 점으로 표시되는, 예를 들어 도핑에 의해 형성된 희생 물질을 포함하고 있다. 실시예에 따르면, 층(503)을 형성하는 것은 층(402) 상에 희생 물질(403a)의 층을 형성하는 것 및 층(402) 상에 기판 물질의 다른 층(403b)을 그 층(403a)에 인접하게 형성하는 것을 포함한다. 기판의 희생 물질은 전체 제조 공정의 후반 단계에서 제거될 것이다.
추가로 개발된 제조 단계에서, 기판의 다른 층(404)이 희생 물질을 포함하는 층(403) 상에 형성된다 (도 5의 최상부로부터 4번째 행 참조). 그후, 유전체 층(405)이 층(404) 상에 형성된다. 유전체 층(405)은 단일 층 또는 다층 층일 수 있다.
전체 제조 공정의 일부 단계에서, 부분적인 희생층(403)의 희생 물질이 제거된다 (도 5의 마지막 행 참조). 예를 들어, 희생 물질의 제거는 일부 가열 /(단시간) 어닐링 절차에 의해 달성될 수 있다. 희생 물질은 (예를 들어, 세라믹) 기판의 경화 중에 제거될 수 있다. 부분적인 희생층(403)의 희생 물질의 제거에 의하여, 벤트 홀(406) 및 채널(407)이 형성된다. 기판의 서브-층들 중 임의의 서브-층 (및 특히 하나 이상)이 희생 물질을 구비하고 있을 수 있음은 물론이다.
희생 물질의 적절한 선택에 의하여 하나 이상의 채널이 형성될 수 있다는 점이 주목된다. 전체 제조 공정의 후반 단계에서, 관통 통로(408)가 유전체 층(405)과 층(404)을 관통하여 하나 이상의 채널(407)까지 형성된다. 관통 통로(408), 채널(들)(407) 및 통기 구멍(406)에 의하여, 기준 압력이 압력 센서 디바이스의 캐비티 내에 형성될 수 있으며, 여기서 테스트 매체의 압력이 결정될 수 있는 압력이 제공된다.
본 발명의 실시예는 압력 감지 다이어프램의 변형을 검출하기 위해, 예를 들어 압전 저항 소자를 이용하는 것으로 설명된 반면에, 임의의 적합한 유형의 압력 감지 기술이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 구현될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 감지 요소는 반드시 MEMS에 의해 제공될 필요는 없다. 다른 예는 세라믹 멤브레인을 포함한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 압력 센서 디바이스는 당업자에 의해 이해될 바와 같은 용량성, 전자기, 압전, 광학 또는 열 압력 감지 기술을 구현할 수 있다.
앞서 논의된 모든 실시예는 제한으로서 의도된 것이 아니라, 본 발명의 특징 및 장점을 설명하는 예의 역할을 한다. 위에서 설명된 특징들 중 일부 또는 전부가 또한 상이한 방식으로 조합될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
Claims (15)
- 차압 센서 디바이스에 있어서,
기판(110, 210);
상기 기판(110, 210)의 주 표면 상에 형성된 다른 층(104, 204, 405);
멤브레인(M)에 의하여 서로 분리된 제1 캐비티(C1) 및 제2 캐비티(C2)를 포함하며,
상기 제1 캐비티(C1)는 벤트 홀(108, 208, 305, 406)과 유체 연통하는 채널(109, 209, 306, 407)과 유체 연통하고,
상기 채널(109, 209, 306, 407)은 상기 기판(110, 210)의 상기 주 표면에 실질적으로 평행한 평면으로 상기 다른 층 또는 상기 기판(110, 210) 내에서 연장되는 것을 특징으로 하는 차압 센서 디바이스(100, 200). - 제1항에 있어서, 상기 제2 캐비티와 테스트 매체의 저장조와 유체 연통하는 다른 채널을 더 포함하는 차압 센서 디바이스(100, 200).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판(110, 210)의 주 표면과 반대인 상기 기판(110, 210)의 다른 주 표면에 접합된 인쇄회로기판을 더 포함하는 차압 센서 디바이스(100, 200).
- 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 주문형 반도체(ASIC)(106, 206) 및/또는 미세 전자 기계 시스템(MEMS)(105, 205) 또는 다른 압력 감지 소자를 더 포함하며, 상기 MEMS는 상기 멤브레인(M)에 의해 감지된 압력 변화를 나타내는 전기 신호를 상기 ASIC으로 출력하도록 구성되고, 상기 ASIC는 증폭 및/또는 아날로그-디지털 변환 및/또는 노이즈 필터링에 의해 전기 신호를 처리하도록 구성된 차압 센서 디바이스(100, 200).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 레지스터, 특히 복수의 압전 저항 소자가 상기 멤브레인(M)의 표면 상에 형성되어 있는 차압 센서 디바이스(100, 200).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 대기압이 상기 제1 캐비티(C1) 내에 형성될 수 있도록 상기 벤트 홀(108, 208, 305, 406)은 상기 차압 센서 디바이스(100, 200)의 환경과 유체 연통되어 있는 차압 센서 디바이스(100, 200).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(210)은 복수의 서브-층(sub-layer)을 포함하는 다층 기판이며, 상기 채널(209, 407)은 상기 복수의 서브-층 중 하나에 형성된 차압 센서 디바이스(200).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다른 층(104)은 복수의 서브-층을 포함하며, 상기 채널(109, 306)은 상기 복수의 서브-층 중 하나에 형성된 차압 센서 디바이스(100, 200).
- 차압 센서 디바이스(100, 200)를 형성하는 방법에 있어서,
기판(110, 210)을 형성하는 것;
상기 기판(110, 210)의 주 표면 상에 다른 층(104, 204, 405)을 형성하는 것;
채널(109, 209, 306, 407)이 상기 기판(110, 210)의 주 표면에 수직으로 배향된 상기 다른 층(104, 204, 405) 또는 상기 기판(110, 210)의 부 표면에 벤트 홀(108, 208, 305, 406)을 형성하도록 상기 다른 층(104, 204, 405) 또는 상기 기판(110, 210) 내에 상기 기판(110, 210)의 주 표면에 평행한 평면으로 상기 채널(109, 209, 306, 407)을 형성하는 것; 및
상기 다른 층(104, 204, 405)을 관통하며 상기 채널(109, 209, 306, 407)에 연결된 관통 통로를 형성하는 것을 포함하는 방법. - 제9항에 있어서, 멤브레인(M)을 상기 다른 층(104, 204, 405) 위에 형성함으로써 제1 캐비티(C1)를 상기 다른 층(104, 204, 405) 위에 형성하는 것을 더 포함하며, 상기 관통 통로는 상기 제1 캐비티(C1)에 연결되도록 형성되는 방법.
- 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 채널(109, 306)은 상기 다른 층(104) 내에 형성되며;
상기 벤트 홀(108, 305)은 상기 다른 층(104, 204) 의 상기 부 표면 내에 형성되고;
상기 다른 층(104)을 형성하는 것은 제1 다른 서브-층(302)을 상기 기판(110, 301) 상에 형성하는 것, 부분적으로 희생 물질을 포함하는 제2 다른 서브-층(303)이나 제2 다른 서브-층에 인접한 희생물질을 포함하는 희생층을 상기 제1 다른 서브-층(302) 위에 형성하는 것, 및 부분적으로 희생 물질을 포함하는 상기 제2 다른 서브-층(303) 상에 또는 희생 물질을 포함하는 상기 희생층 및 인접하는 상기 제2 다른 서브-층 모두에 제3 다른 서브-층(304)을 형성하는 것을 포함하며; 그리고
상기 다른 층(104) 내에 상기 채널(109, 306)을 형성하는 것은 상기 제3 다른 서브-층(304)의 형성 후에 상기 희생 물질을 제거하는 것을 포함하는 방법. - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 채널(209, 407)은 상기 기판(110, 210) 내에 형성되며;
상기 벤트 홀(208, 406)은 상기 기판(210) 의 상기 부 표면 내에 형성되고;
상기 기판(210)을 형성하는 것은 제1 기판 서브-층(401)을 형성하는 것, 부분적으로 희생 물질을 포함하는 제2 기판 서브-층(403)이나 제2 기판 서브-층에 인접한 희생 물질을 포함하는 희생층을 상기 제1 기판 서브-층(401) 위에 형성하는 것, 및 부분적으로 희생 물질을 포함하는 상기 제2 기판 서브-층(403) 상에 또는 희생 물질을 포함하는 상기 희생층 및 인접하는 상기 제2 기판 서브-층 모두에 제3 기판 서브-층(404)을 형성하는 것을 포함하며; 그리고
상기 기판(210) 내에 상기 채널(209, 407)을 형성하는 것은 상기 제3 기판 서브-층(404)의 형성 후에 상기 희생 물질을 제거하는 것을 포함하는 방법. - 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(110, 210)의 상기 주 표면에 반대 쪽인 상기 기판(110, 210)의 다른 주 표면에 콘택 패드를 형성하는 것;
인쇄 회로 기판을 다른 주 표면에 접합시키는 것; 및
상기 다른 층(104, 204, 405) 위에 주문형 반도체(ASIC)와 미세 전자 기계 시스템(MEMS)을 형성하는 것을 더 포함하는 방법. - 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 레지스터, 특히 복수의 압전 저항 소자를 상기 멤브레인(M)의 표면 상에 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
- 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 획득될 수 있는 차압 센서 디바이스(100, 200).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP18206582.1A EP3654005B1 (en) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | Differential pressure sensor device |
| EP18206582.1 | 2018-11-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200057649A true KR20200057649A (ko) | 2020-05-26 |
| KR102679631B1 KR102679631B1 (ko) | 2024-07-01 |
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|---|---|
| US20200158587A1 (en) | 2020-05-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |