KR20200108252A - 막 전극, 상대 전극 및 적어도 하나의 스프링을 갖는 센서 - Google Patents

막 전극, 상대 전극 및 적어도 하나의 스프링을 갖는 센서 Download PDF

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Abstract

막 전극, 상대 전극 및 적어도 하나의 스프링을 갖는 센서가 개시된다.
특히, 예에 따른 센서는 구조물(12)과; 압력의 결과로 변형될 수 있고 구조물(12)과 접촉하는 막 전극(14)과; 상기 구조물(12)에 기계적으로 연결되고 갭(18)에 의해 상기 막 전극(14)으로부터 분리된 상대 전극(16)과; 상기 막 전극(14)과 상기 상대 전극(16) 사이에 탄성력을 가하도록 상기 막 전극(14)과 상기 상대 전극(16)에 기계적으로 연결된 적어도 하나의 스프링(20)을 포함할 수도 있다.

Description

막 전극, 상대 전극 및 적어도 하나의 스프링을 갖는 센서{SENSOR WITH A MEMBRANE ELECTRODE, A COUNTERELECTRODE, AND AT LEAST ONE SPRING}
본 문서는 막 전극, 상대 전극, 및 막 전극과 상대 전극 사이에 개재된 적어도 하나의 스프링을 갖는 센서(예를 들어, 예를 들어 마이크로폰용 음향 센서 및/또는 압력 센서)에 관한 것이다.
이 문헌은 또한 상기 센서와 같은 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
음향 센서와 같은 압력 센서는 적어도 2 개의 전극(예를 들어, 적어도 하나의 막 전극 및 적어도 하나의 상대 전극)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 막 전극은 (예를 들어, 소리에 의해 야기된) 압력의 결과로 결과적으로 변형될 수도 있다. 상대 전극은 변형 불가능하고 고정 구조물에 고정될 수도 있다. 막 전극(membrane electrode)은 막 테두리(membrane rim)에 대응하여 센서의 고정 구조물에 연결될 수도 있다.
막 전극은 예를 들어 막 전극과 상대 전극(counterelectrode) 사이의 정전기 인력(attractive electrostatic forces)에 대항한 균형을 맞추기 위해 인장 응력을 나타내도록 제조될 수도 있다.
압력에 의한 변형으로 인해, 막 테두리에 대응하여 높은 농도의 응력이 형성될 수도 있다. 따라서, 센서의 튼튼함이 일반적으로 저하된다.
조립 공정으로 인해, 상이한 패키지 재료의 열 팽창 및 재료 패키지의 시효(aging)는 막 전극과 상대 전극 사이에 추가적인 응력을 유발한다. 이러한 추가 응력은 막의 순응성을 변경하여 예를 들어 감도를 감소시킨다. 이로 인해 상당한 수율 손실이 발생한다.
막 전극의 테두리가 구조물에 고정되기 때문에, 막의 넓은 영역은 그들의 운동이 제한된다. 따라서, 전체 신호 진폭이 감소된다. 따라서 칩이 제한된 신호를 전달하거나 및/또는 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)가 감소한다. 일반적으로 센서는 필요한 것보다 크게 설계되어야 하므로 만족스러운 신호 및 SNR 값에 도달하기 위한 비용이 증가한다.
또한, 제조 동안의 공차로 인해 막 전극이 불완전한 위치 설정을 갖는다. 따라서, 구조물에 대해 막의 특정 위치를 적응시키기 위해 교정(calibration)을 수행하는 것이 종종 필요하다. 따라서 교정 없이 동일한 감도로 정확하게 작동하도록 공칭적으로 동일한 상이한 센서의 결과를 달성하는 것은 어렵다. 그러나 교정은 소프트웨어와 하드웨어 모두에서 복잡성을 수반한다.
추가로, 막의 응력은 또한 외부 온도에 따라 달라진다. 따라서 모든 기후 조건에서 항상 작동하는 센서를 얻는 것은 어렵다.
제한된 기계적 튼튼함은 현장 고장으로 이어질 수 있으며 추가 조치, 제한 및 비용이 필요하다. 따라서 더 두꺼운 막을 사용해야 한다.
따라서, 위에서 논의된 바와 같이 적어도 부분적으로 손상을 감소시키는 기술을 찾는 것이 의도된다.
일 예에 따르면, 구조물과; 압력의 결과로 변형될 수 있고 구조물과 접촉하는 막 전극과; 상기 구조물에 기계적으로 연결되고 갭에 의해 상기 막 전극으로부터 분리된 상대 전극과; 상기 막 전극과 상기 상대 전극 사이에 탄성력을 가하도록 상기 막 전극과 상기 상대 전극 사이에 있는 적어도 하나의 스프링을 포함하는 센서가 제공된다.
일 양태에 따르면, 센서는 막 전극을 구조물에 기계적으로 연결하는 가요성 막 연결부를 포함할 수도 있다.
일 예에 따르면,
기판 상에 제 1 요소를 마련하는 것―상기 제 1 요소는 막 전극과 상대 전극 사이에서 선택됨―과;
상기 제 1 요소와 접촉하도록 적어도 하나의 스프링 요소를 마련하는 것과;
상기 적어도 하나의 스프링 요소가 제 2 요소에 접촉하고 제 1 요소 및 제 2 요소에 탄성적으로 연결되도록 제 2 요소를 마련하는 것―상기 제 2 요소는 상대 전극 또는 막 전극이고, 상기 제 2 요소는 제 1 요소에 대해 막 전극과 상대 전극 사이에서 선택되지 않은 전극을 선택한 것인―을 포함하는
반도체 압력 센서 및/또는 음향 센서를 제조하는 방법이 제공된다.
도 1 및 도 2는 예들에 따른 센서를 도시한다.
도 3은 일 예에 따른 요소를 도시한다.
도 4 및 도 5는 예들에 따른 센서를 도시한다.
도 6-9는 예들에 따른 요소를 도시한다.
도 10-17은 방법들에 따른 중간 단계를 도시한다.
도 18은 일 예에 따른 센서를 도시한다.
도 19는 일 방법에 따른 중간 단계를 도시한다.
도 1은 예들에 따른 센서(10)를 도시한다. 센서(10)는 압력 센서일 수도 있다. 압력 센서(10)는 (예를 들어, 마이크로폰용) 음향 센서 또는 (예를 들어, 대기압과 같은 외부 압력을 측정하기 위한) 압력 센서일 수도 있다. 센서(10)는 반도체 장치일 수도 있다. 센서(10)는 MEMS(Microelectromechanical System)일 수도 있다. 센서(10)는 매립된 장치(embedded device)일 수도 있다. 센서(10)는 온칩 장치일 수도 있다. 센서(10)는 패키지 내에 동봉될 수도 있다. 센서(10)는 구조물(12)을 포함할 수도 있다. 구조물(12)은 고정될 수도 있다. 구조물(12)은 칩 및/또는 패키지를 포함할 (또는 내에 수용될) 수도 있다.
센서(10)는 가변 커패시턴스(variable capacitance)를 갖도록 가변 거리(갭)에 2 개의 전극을 갖는 커패시터로서 동작할 수도 있다. 커패시턴스는 전극간의 거리에 따라 변할 수도 있다. 일반적으로 거리가 길수록 커패시턴스가 작아지고 그 역도 성립한다. 전극간의 거리와 커패시턴스 사이의 반비례가 일반적으로 수반된다.
센서(10)는 (예를 들어, 전도성 재료로 이루어진) 막 전극((membrane electrode: 14)을 포함할 수도 있다. 막 전극(14)은 가요성일 (예를 들어, 가요성 및/또는 탄성 재료로 이루어질) 수도 있다. 막 전극(14)은 압력(예를 들어, 압력 진동, 예를 들어, 소리)의 결과로 변형될 수도 있다. 막 전극(14)은 구조물(12)과 접촉할 수도 있다. 예를 들어, 막 전극(14)은 구조물(12)에 캔틸레버될 수도 있다. 막 전극(14)은 구조물(12)에 견고하지 않게 고정(예를 들어, 무-응력 막)될 수도 있다. 막 전극(14)은 예를 들어 스프링 또는 (가요성 막 연결부와 같은) 다른 탄성 요소에 의해 현수될 수도 있다. 막 전극(14)은 (노출 표면일 수도 있는) 제 1 표면(14a) 및 (비노출 표면일 수도 있는) 제 2 표면(14d)을 나타낼 수도 있다.
센서(10)는 (예를 들어, 전도성 재료로 이루어질) 상대 전극(counter electrode: 16)을 포함할 수도 있다. 상대 전극(16)은 강성 재료로 이루어질 수도 있다. 상대 전극(16)은 배면 전극(back plate)일 수도 있다. 상대 전극(16)은 구조물(12)에 기계적으로 연결(예를 들어, 구조물에 고정 및/또는 구조물에 의해 현수)될 수도 있다. 상대 전극(16)은 (비노출 표면일 수 있는) 제 1 표면(16b) 및 (노출 표면일 수 있는) 제 2 표면(16d)을 제공할 수도 있다.
상대 전극(16)은 막 전극(14)과 함께 작동하여 커패시터를 형성하는 것으로 이해될 수도 있다. 상대 전극(16)은 갭(18)에 의해 막 전극(14)으로부터 분리될 수도 있다.
상대 전극(16)은 e 홀(16c)을 포함할 수도 있다. 홀(16c)은 그 중에서도 특히 외부와 막 전극(14)의 적어도 하나의 표면(14a) 사이에서 상대 전극(16)을 통한 유체 연통을 허용할 수도 있다.
상대 전극(16)은 막 전극(14)과 함께 가변 커패시턴스를 갖는 커패시터로서 동작할 수도 있다. 갭(18)은 에어 갭일 수도 있다[다른 환경에 대해서는 다른 유체가 사용될 수도 있다; 예를 들어, 수중 환경(subaqueous environments)에서 갭(18)은 물로 채워질 수도 있다]. 갭(18)은 커패시터에서 유전체로서 작동할 수도 있으며, 이 경우 가변적이다. 얻어진 커패시터는 가변 갭(18)에 기초한 가변 커패시턴스를 가지며, 이는 예를 들어 압력에 기초하여 변할 수도 있다. 가변 커패시턴스를 갖는 커패시터는 또한 (예를 들어, 마이크로폰으로서 작동하기 위해) 오디오/음향/사운드 센서로서 사용될 수도 있으며: 예를 들어, 음향 진동은 갭(18)의 변경에 기초하여 측정될 수도 있다.
센서(10)는 두께 방향(도 1에서 수직) 및 두께 방향에 직교하는 수평 방향(도 1에서 수평 평면은 지면에 들어가고 나오는 방향 및 수평 방향을 따라 연장됨)을 따라 연장될 수도 있다. 센서(10)는 두께 방향보다 수평 평면에서 더 연장될 수도 있다. 막 전극(14) 및 상대 전극(16)은, 예를 들어 수평 평면에서, 주로 평면적으로 연장될 수도 있다. 갭(18)은 주로 수평으로 연장되는 체적을 가질 수도 있지만, 갭(18)의 높이는 적어도 두께 방향을 따라 변할 수도 있다. 막 전극(14)의 변형은 두께 방향의 변형―예를 들어 압력에 따라 갭(18)의 높이가 감소 및/또는 증가되는 것―으로 볼 수도 있다(그리고 커패시터의 커패시턴스는 이에 따라 변한다). 두께 방향으로 볼 때, 막 전극(14)과 상대 전극(16)은 서로 적어도 부분적으로 중첩될 수도 있다.
막 전극(14)은 상대 전극(16)의 표면(16b)과 대면할 수 있는 표면(14a)을 가지며, 표면(14a 및 16b)은 갭(18)에 의해 분리될 수도 있다. 표면(16b)은 내부(비노출) 표면일 수도 있다. 도 1에서 막 전극(14)은 상대 전극(16)보다 더 내부에 있지만, 다른 예에서는 표면의 상대 위치가 뒤바뀔 수도 있다.
센서(10)가 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에 [예를 들어, 갭(18) 내에] 개재된 적어도 하나의 스프링(20)을 제공하는 것이 유익하다고 인식되었다. 적어도 하나의 스프링(20)은 막 전극(14)과 상대 전극(16) 모두에 기계적으로 연결될 수도 있다. 적어도 하나의 스프링(20)은 막 전극(14)을 적어도 부분적으로 유지시킬 수도 있다. 적어도 하나의 스프링(20)과 막 전극(14)은 서로 고정 및/또는 서로 부착될 수도 있다. 적어도 하나의 스프링(20)과 상대 전극(16)은 서로 고정 및/또는 부착될 수도 있다. 일부 경우에, 상대 전극(16)은 적어도 하나의 스프링(20)을 통해 막 전극(14)을 적어도 부분적으로 유지시킬 수도 있다. 적어도 하나의 스프링(20)은 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에 탄성력을 가하는 탄성 부재일 수도 있다. 특히, 적어도 하나의 스프링(20)을 사용함으로써, 막 전극(14)의 테두리(rim)에서 인장 응력을 감소시키거나 회피할 수도 있다.
구조물(12)은 예를 들어 후면 에칭 층(25)을 포함할 수도 있는 기판(24)을 포함할 수도 있다. 구조물(12)은 (예를 들어, TEOS, 테트라에틸 오르토실리케이트와 같은 커버링 산화물로 이루어진) 커버부(26)를 포함할 수도 있다. 커버부(26)와 기판(24) 사이에서, 기판(24)의 일부 영역에 정지 층(28)(예를 들어, 정지 산화물 재료로 이루어진 정지 층)이 제공될 수도 있다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 구조물(12)은 [예를 들어, 전도 홀(conduct hole)에 얻어진 전도성 연결부를 통해] 막 전극(14)에 전기적으로 연결된 막 전극 단자(32)를 포함할 수도 있다. 구조물(12)은 (예를 들어, 전도 홀에 얻어진 다른 전도성 연결부를 통해) 상대 전극(16)에 전기적으로 연결된 상대 전극 단자(31)를 포함할 수도 있다. 단자들(31 및 32)은 (예를 들어, 단자 경로를 통해 및/또는 외부 패드를 통해) 내부 또는 외부 회로 및/또는 외부 장치 및 다른 구성요소에 전기적으로 연결될 수도 있다. 커버부(26) 및/또는 단자(31 및/또는 32)를 형성하는 금속층들 사이에서 접촉하도록 패시베이션 층(passivation layer: 33)이 제공될 수도 있다.
적어도 하나의 스프링(20)은 막 전극(14)에 [예를 들어, 표면(14a)에] 접촉하는 막 전극측 푸트(20a) 및/또는 상대 전극(16)에 [예를 들어, 표면(16b)에] 접촉하는 상대 전극측 푸트(20b)를 포함할 수도 있다. 푸트들(20a 및 20b) 중 적어도 하나가 각각의 막 전극(14) 또는 상대 전극(16)에 고정 및/또는 부착될 수도 있다. 스프링(20)의 주요 부분(20c)이 막 전극측 푸트(20a)와 상대 전극측 푸트(20b) 사이에서 기계적으로 연결될 수도 있다.
예로서, 복수의 스프링(20)이 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에 배치될 수도 있다. 예로서, 복수의 스프링(20)이 예를 들어 서로 일정한 거리로 어레이 및/또는 매트릭스로 배치된다. 예를 들어, 복수의 스프링(20)이 동일한 스프링 상수, 또는 상이한 스프링들(20) 사이에서 최대 1% 또는 5%로 변하는 스프링 상수를 갖도록 배치된다. 주요 부분(20c)은 탄성을 제공할 수도 있다. 스프링(20)의 주요 부분(20c)은 주로 비스듬한 방향으로 연장될 수도 있다. 상이한 스프링들(20)이 1% 또는 5% 공차 내에서 동일하거나 유사한 경사각을 가질 수도 있다. 경사도는 탄성을 제공할 수도 있다. 경사도는 스프링 상수에 영향을 줄 수도 있다. 스프링(20)의 주요 부분(20c)의 길이는 일반적으로 경사각보다 덜 중요하다.
가요성 막 연결부(22)가 막 전극(14)을 구조물(12)에 기계적으로 연결(예를 들어, 유지 및/또는 지지 및/또는 고정)하기 위해 제공될 수도 있다. 가요성 막 연결부(22)는 적어도 부분적으로는 막 전극(14)의 편향의 결과로서(예를 들어, 압력에 의해), (예를 들어, 두께 방향으로) 탄성 변형될 수도 있다. 가요성 막 연결부(22)는 측방 스프링을 포함할 수도 있다. 가요성 막 연결부(22)는 전기 전도를 허용할 수도 있다. 가요성 막 연결부(22)는 막 전극(14)의 동일한 재료로 얻어 질 수도 있다. 가요성 막 연결부(22)는 막 전극(14)의 일부를 변경함으로써 (예를 들어, 일부를 절단하는 것 또는 일부에 홀을 만드는 것에 의해) 얻어질 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극(14)은 작동 중에 제 1 위치[제 1 압력의 결과로서 두께 방향으로 제 1 높이에서의 갭(18)]와 제 2 위치[제 2 압력의 결과로서 두께 방향으로 제 2 높이에서의 갭(18)] 사이에서 변형되어서 제 1 커패시턴스와 제 2 커패시턴스 사이에서 변화할 수도 있다. 복수의 다른 위치들(예를 들어, 중간 위치들)이, 예를 들어 대응하는 복수의 압력의 결과로서 얻어져서, 복수의 대응하는 커패시턴스를 초래할 수도 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 갭(18)이 수평 평면을 따라 아주 균일하다는 의미에서, 또한 적어도 하나의 스프링(20)을 사용하는 것에 의해 및/또는 상기 스프링이 가요성 막 연결부(22)의 탄성 변형과 조합되는 효과에 의해, 보다 균일한 편향(균질한 막 편향)이 얻어진다.
도 3은 두께 방향에 수직인 방향으로부터(도 3a) 및 수평 평면에 수직인 방향으로부터(도 3b)의 양자로 도시된 막 전극(14)의 예를 도시한다. 도 3a는 도 10과 동일하며 도 1의 센서를 제조하기 위한 중간 경과를 나타낸다고 인식된다. 대신, 도 3b는 막 전극(14)의 최종 구성을 나타낸다.
막 전극(14)은, 표면(14a)을 제공하고 그리고/또는 커패시터의 전극으로 사용되는 주요 부분(14')을 포함할 수도 있다. 가요성 막 연결부(22)는, 예를 들어 구조물(12)과 접촉하는 막 전극(14)의 부분(22b)[예를 들어, 부분(22b)은 구조물(12) 내에, 예를 들어 커버부(26)와 기판 또는 기판(24)의 정지 층(28) 사이에 끼워질 수도 있으며; 상기 부분(22b)은 구조물(12)에 캔틸레버될 수도 있음]에 대응하는 막 전극(14) 내의 절단부 또는 홀(22d)[예를 들어 막 전극(14)의 테두리(14r)와 동심인, 예를 들어 원호형 부분]에 의해 얻어질 수도 있다. 절단부 또는 홀(22d)은 막 전극(14)의 중심보다 막 전극(14)의 테두리(14r)에 더 가까울 수도 있다. 절단부 또는 홀(22d)은 막 전극(14)의 중심보다 막 전극(14)의 부분(22b)에 더 가까울 수도 있다. 이 예에서, 가요성 막 연결부(22)를 형성하는 절단부 또는 홀(22d)은 원호형(예를 들어, 아치형)일 수도 있고 및/또는 막 전극(14)의 주요 부분의 원주와 동심으로 절단될 수도 있다. 상기 절단부 또는 홀은 관통 절단부 또는 관통 홀일 수 있고, 두께 방향으로 막 전극의 전체 두께를 가로 지를 수도 있다.
막 전극(14)이 (예를 들어, 압력으로 인해) 변형될 때, 가요성 막 연결부(22)가 대응하여 변형될 수도 있으며: 예를 들어, 막 전극(14)의 절단부 또는 홀(22d)은 부분(22b)에 대해 주요 부분(14')의 보다 균일한 이동을 허용하여서, 수평 평면을 따라 갭(18) 내의 대체로 균일한 높이를 유지시킬 수도 있다(도 2 참조).
정지 층(28)이 막 전극(14)[및/또는 막 연결부(22)] 사이에 제공될 수도 있다.
도 1의 예에서, 막 전극(14)은 구조물(12)에 캔틸레버된다. 적어도 하나의 스프링(20)이 [예를 들어, 가요성 막 연결부(22)와 조합하여] 수평 평면에서 갭(18)의 높이를 균일하게 유지시킬 수도 있다. 도 1 및 도 3을 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 막 전극(14)의 부분(22b)이 구조물(12)에 직접 연결 및/또는 접촉될수도 있지만, 막 전극(14)의 테두리(14r)의 대부분 또는 전부가 구조물(22)에 기계적으로 연결되지는 않는다. 적어도 하나의 스프링(20)이 여전히 막 전극(14)과 상대 전극(16) 모두에 접촉할 수도 있다.
도 3의 예는 수평 방향(예를 들어, 도 2에서 오른쪽으로부터 왼쪽으로) 및 두께 방향(예를 들어, 도 2에서 수직)의 양 방향으로 이동을 허용할 수도 있다. 효과적인 전기 연결이 이루어진다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 절단부 또는 홀(22d)은 부분 절단부 또는 홀일 수 있고, 따라서 막 전극(14)은 [예를 들어 구조물(12)에 연결된 부분(22b)을 통해] 막 전극 단자(32)를 향한 전기 경로라고 생각할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 막 연결부(22)는 막 전극(14)과 구조물(12) 사이에 탄성력을 발휘하는 스프링(23)을 포함할 수도 있다(도 4). 예를 들어, 구조물(12)은 적어도 하나의 스프링(20)의 분할 부분(27)[상대 전극(16)의 일부일 수도 있고 아닐 수도 있음]을 포함할 수도 있다. 막 전극(14)은 스프링(23)에 탄성적으로 매달릴 수도 있다(또는 그에 의해 유지되거나 고정됨). 스프링(23)은 상기 논의된 적어도 하나의 스프링(20)의 적어도 하나 또는 일부 또는 모든 특징부를 가질 수도 있다(따라서 이러한 특징부는 여기에서 반복되지 않는다). 스프링(23)은 적어도 막 전극(14)의 이동의 부분적인 결과로서 탄성적으로 변형될 수도 있다. 스프링(23)이 제공될 때, 도 3에 도시된 절단부 또는 홀이 회피될 수도 있다. 스프링(23)은 분할 부분(27)을 통해 막 전극 단자(32)와 막 전극(14)의 연결을 허용할 수도 있다. 스프링(23)은 전기 전도성 재료일 수도 있다. 하나의 단일 스프링(23) 대신에 다수의 스프링이 사용될 수도 있다.
하이브리드 용액이 또한 얻어질 수도 있다: 막 전극(14)은 부분적으로 매달릴 수도 있고 인장 응력이 낮은 구조물(12)에 의해 부분적으로 지지될 수도 있다.
도 5는, 막 전극(14)이 제 1 및 제 2 상대 전극(16 및 17) 사이에 개재되고 제 1 및 제 2 갭(18 및 19)에 의해 제 1 및 제 2 상대 전극(16 및 17)으로부터 각각 이격되는 변형예를 도시한다. 제 1 상대 전극(16)(예를 들어, 가장 노출된 또는 외부의 것)과 막 전극(14) 사이에는 적어도 하나의 스프링(20)이 있을 수도 있는 반면, 막 전극(14)과 제 2 상대 전극(17)(예를 들어, 보다 내부의 또는 노출되지 않은 것) 사이에는 스프링이 제공되지 않는다. 일부 예에서, 스프링(20)이 막 전극(14)을 제 1 및 제 2 상대 전극(16 및 17) 모두와 연결하기 위해 제공될 수도 있다. 후자의 경우에, 막 전극(14)과 제 1 및 제 2 상대 전극(16 및 17)은 압력에 기초한 가변 커패시턴스를 갖는 2 개의 구별된 커패시터(예를 들어, 직렬로 2 개의 커패시터)로서 동작할 수도 있다.
도 6 내지 도 8은 수평 평면에서 스프링(20) 및 상대 전극(16)의 요소들의 예를 도시한다.
도 6에서, 스프링(20)의 막 전극측 푸트(20a)[막 전극(14)의 표면(14a)에 접촉할 수도 있음]는 막 전극(14)(도시되지 않음)에 접촉한다. 스프링(20)의 상대 전극측 푸트(20b)는 상대 전극(16)의 표면(16b)에 접촉한다. 도 6을 도 1, 도 2, 도 4 및 도 5와 비교하면 이해할 수 있는 바와 같이, 푸트(20a, 20b)는 주로 수평 방향으로 연장될 수도 있지만, 스프링(20)의 주요 부분(20c)은 주로 비스듬한 방향으로 연장될 수도 있다. 적어도 하나의 스프링(20)의 주요 부분(20c)의 길이가 일반적으로 중요하지 않다는 것이 인식되었다.
적어도 하나의 스프링(20)은 상대 전극(16)의 재료와 동일할 수 있는 전도성 재료(예를 들어 도핑된 반도체 재료 또는 금속 재료)로 이루어질 수도 있다. 예로서, 적어도 하나의 스프링(20) 및 상대 전극(16)이 서로 일체형일 수도 있다.
적어도 하나의 스프링(20)을 통한 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이의 단락을 피하기 위해, 막 전극(14)은 [예를 들어 표면의 일부 부분들에, 적어도 표면(14a)에] 비전도성 섬들(non-conductive islands)을 제공할 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 스프링(20)이 금속 또는 전도성 재료로 이루어지더라도, 상대 전극(16)과 막 전극(14) 사이에 단락이 발생하지 않는다. 적어도 하나의 스프링(20)을 위한 전형적인 재료는 폴리 실리콘 또는 SiNi일 수도 있다. 섬(들)의 사용에 추가하여 또는 대안으로서, 적어도 하나의 스프링(20)의 외부에 전기 절연 층이 적층될 수도 있다. 다른 변형예로서, 적어도 하나의 스프링(20)이 전기 절연 재료로 이루어질 수도 있다.
도 7은 도 1과 관련하여 상대 전극(16)이 위에서 보여지는 예를 도시한다(즉, 도 6과는 상이함). 적어도 하나의 스프링(20)이 이 예에서는 상대 전극(16)과 일체이며, 동일한 재료로 이루어진다. 막 전극측 푸트(20a)가 막 전극(14)[즉, 막 전극(14)의 노출 표면(14a)]에 접촉할 수도 있다.
도 8은 도 1과 관련하여, 상대 전극(16)이 아래에서 보여지고 요소(24, 25 및 14)는 도시되지 않는 다른 예를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 이 경우에 적어도 하나의 스프링(20)의 주요 부분(20c)은 나선형의 형상을 가지며, 그에 따라 적어도 하나의 스프링(20)의 탄성 특성을 증가시킨다. 다른 형상이 선택될 수도 있다.
도 9는 적어도 하나의 스프링이 적어도 하나의 바이모르프 스프링(bimorph spring: 30)인 예를 도시한다. 적어도 하나의 바이모르프 스프링(30)은 제조시 막 전극(14)을 상대 전극(16)으로부터 더욱 멀리 떨어져 있는 위치를 향해 [화살표(30')로 표시된 바와 같이 두께 방향으로] 이동시키는 스프링일 수도 있다[즉 갭(18)의 높이를 자연적으로 증가시킴]. 적어도 하나의 바이모르프 스프링(30)은 막 전극측 푸트(30b)[상대 전극(16)에 접촉함]와 막 전극측 푸트(30a)[막 전극(14)에 접촉함] 사이의 주요 부분(30c)이 서로 인접하게 배치된 몇 개의 중간 부분(a couple of intermediate portions)(예를 들어, 상이한 재료로 이루어짐)에 의해 형성되도록 구성될 수도 있다.
희생 층의 제거 후에 상대 전극(16)으로부터 구부러지는 바이모로프 스프링(30)을 사용하여 이동 범위가 대폭 증가될 수도 있다. 따라서, 높은 음압 레벨에 도달하는 데 있어서의 한계(종래 기술에서는 통상적임)가 극복된다.
도 9에서, 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이의 상대 위치는 이 예에서 도 1의 예와 반대이다. 이 반전은 위 또는 아래의 예들 중 어느 하나에 대해 수행될 수도 있다.
도 18은 갭(18)을 통해 두께 방향을 따라 연장된 수직 스프링으로 형성된 적어도 하나의(예를 들어, 복수의) 수직 스프링(들)(60)을 갖는 센서(10)의 다른 예를 도시한다. 상기 적어도 하나의 수직 스프링(60)은 유연한 재료로 만들어질 수도 있다. 여기서, 적어도 하나의 수직 스프링(60)은 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이의 수직 연결에 의해 얻어질 수도 있다.
일반적으로 위의 예들은 몇 가지 중요한 장점을 나타낸다. 막 전극(14)의 순응성은 일반적으로 인장 응력에 의해 규정되지 않으며 일반적으로 외력으로부터 영향을 받지 않는다. 대신에, 막 전극(14)의 순응성은 일반적으로 적어도 하나의 스프링(20, 30, 60)을 제조하는데 사용되는 재료의 설계 및 굽힘 강성에 의해 결정된다. 중요하게, 재료의 굽힘 강성은 특히 안정적인 매개변수이고: 센서의 특성은 시간에 따라 쉽게 변하지 않으며, 공칭적으로 동일한 센서는 동일하거나 유사한 거동을 할 것이다.
센서의 생산을 위해 더 높은 안정성과 수율에 도달할 수 있다. 동일한 공칭 매개 변수를 가진 상이한 센서들의 실제 매개 변수가 너무 많이 변하지 않아야 하기 때문에 교정 기능이 종종 회피될 수 있다.
시스템 비용도 줄일 수도 있다. 상대 전극(들)(18 및/또는 19)은 더 얇은 층 및 더 큰 음향 투명도로 설계될 수 있어서, 잡음 기여를 감소시키고 더 높은 SNR을 초래한다.
또한, 신뢰성이 향상된다. 입자의 침입의 경우, 막 전극(14)의 국부적 순응성이 변경될 수 있지만, 적어도 하나의 스프링(20, 30 또는 60)에 의해 발휘되는 탄성 작용으로 인해 전체 감도 변화가 제한된다.
여러 예에서, 막 전극(14)의 적어도 하나의 표면[예를 들어, 상대 전극(16)에 대면하지만 적어도 하나의 스프링에 의해 상대 전극으로부터 이격된 표면(14a)] 및/또는 상대 전극(16)의 적어도 하나의 표면[예를 들어, 막 전극(14)에 대면하지만 적어도 하나의 스프링에 의해 막 전극으로부터 이격된 표면(16b)]은 범프가 없는 표면일 수도 있으며: 범프 또는 다른 돌기가 불완전하게 필요할 수도 있다. 이는 적어도 하나의 스프링(20, 30 또는 60)이 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에 안전 거리를 유지시킬 수도 있기 때문이다. 따라서, 작동시 막 전극(14)과 상대 전극(16)이 서로 접촉해서, 의도하지 않은 정전기적 인력으로 인해 서로 붙은 상태로 유지되는 일이 일어나지 않을 것이다. 그럼에도 불구하고, 막 전극(14)이 상대 전극(16)에 접촉할 때 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에 적어도 약간의 갭을 유지시키고 안전성을 증가시키기 위해 적은 수의 범프가 제공될 수도 있다.
도 5의 예에서, 적어도 하나의 스프링(20)에 의해 제 1 상대 전극(16)으로부터 이격된 표면(14a)은 범프가 없는 반면, 표면(14b)은 제 2 갭(19)에서 제 2 상대 전극을 향해 돌출되는 범프(14b')를 나타낸다. 따라서, 범프(14b')는 막 전극(14)과 상대 전극(16)간의 우발적인 접촉의 경우에, 막 전극(14)이 정전기적 인력에 의해 상대 전극(16)에 완전히 붙어버리는 것을 회피시킬 수도 있다. 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이의 완전한 붙음을 피함으로써, 범프(14b')는 스프링이 존재하지 않는 갭(19)과 같은 갭에 유용할 수도 있다.
도 10-14는 상기와 같은 센서의 예들[예를 들어, 도 1의 센서(10)]을 제조하기 위한 방법의 제조 단계들을 도시한다.
우선(도 10), 기판(24)[정지 층(28)을 포함할 수도 있음]이 만들어질 수도 있다.
막 전극(14)이 기판(24) 및/또는 정지 층(28) 위에 배치되거나 이와 달리 마련될 수도 있다[가요성 막 연결부(22)가 도 3에서와 같이 절단부 또는 홀(22d)을 포함하는 경우, 절단부 또는 홀(22d)은 또는 막 전극(14)을 기판(24) 또는 정지 층(28)에 적용하기 전에, 또는 막 전극(14)을 기판(24) 또는 정지 층(28)에 적용한 후에 만들어지거나 배치될 수도 있다].
이어서, 커버 재료(26)(이후에 적어도 부분적으로 제거될 희생 재료일 수 있음)가 기판(24) 상에, 예를 들어 적어도 갭(18)을 구성할 영역 및/또는 구조물(12)의 외주부에 배치될 수도 있다(도 11). 커버 재료(26)는 커버링 산화물일 수도 있다.
적어도 하나의 홀(26a)(예를 들어, 관통 홀)이 예를 들어 커버 재료(26)의 선택된 위치[예를 들어, 적어도 하나의 스프링(20)를 수용할 위치]에서 수행될 수도 있다. 적어도 하나의 홀(26a)은 원뿔형이거나 경사질 수도 있다(다른 형상이 가능할 수 있음). 다수의 홀(26a)은 동일하거나 매우 유사한 스프링 상수를 갖는 스프링(20)을 얻기 위해 서로 동일하거나 서로에 대해 최대 1% 또는 5% 로 변하는 측벽 각도를 갖는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 홀(26a)은 에칭(예를 들어, 건식 또는 습식 TEOS 에칭을 사용함) 또는 다른 제거 기술에 의해 얻어질 수도 있다. 적어도 하나의 홀(26a)은 적어도 하나의 스프링(20)이 접할 표면(14a)을 적어도 부분적으로 노출시킬 수도 있다. 표면(14a)의 노출 부분은 예를 들어 표면(14a)의 비전도성 섬(island)에 해당할 수도 있다: 스프링이 전도성 및/또는 고도로 도핑된 재료로 이루어진 경우, 상기 섬은 막 전극(14)을 상대 전극(16)으로부터 절연시킬 것이다. 비도전성 섬은 예를 들어 홀(26a)의 생성 후에 배치될 수도 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 스프링(20)이, 예를 들어 적어도 하나의 홀(26a)에 걸쳐서, 특히 적어도 하나의 홀(26a)의 표면(들) 상에, 재료를 배치하는 것에 의해 마련될 수도 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 막 전극(14)에 인접한 스프링(20) 부분은 스프링(20)의 막 전극측 푸트(20a)를 구성할 것이다. 푸트(20a)에 대해 다른 쪽에 있는 (그리고 수평 방향으로 돌출할 수도 있는) 스프링(20) 부분은 적어도 하나의 스프링(20)의 상대 전극측 푸트(20b)를 구성할 것이다. 구멍의 경계를 따라 비스듬하게 연장된 스프링(20)의 중간 부분은 적어도 하나의 스프링(20)의 주요 부분(20c)을 구성할 것이다.
상대 전극측 푸트(20b)[예를 들어, 두께 방향으로 상대 전극측 푸트(20b)의 상측]가 노출될 수도 있다. 따라서, 상대 전극측 푸트(20b)의 상측과 커버 재료 층(26)은 두께 방향으로 그들의 상부면(26e)에서 서로 동일 높이가 되는 결과가 만들어질 수도 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 동일 높이가 된 상부 표면(26e)은 적어도 하나의 스프링(20)에 대한 상대 전극(16)의 기계적 접촉을 준비하는 후속 단계에 사용될 것이다. 상부 표면(26e)을 보다 동일 높이로 하게 위해, 화학 기계적 폴리싱(polishing)이 수행될 수도 있다.
후속 단계에서는, 상대 전극(16)이 적어도 하나의 스프링(20) 상에, 예를 들어 상대 전극측 푸트(20b) 상에, 접촉하도록 준비 및/또는 구성될 수도 있다. 그 후, 커버 재료(26)의 나머지 영역(들)[예를 들어, 적어도 갭(18)에 의해 취해질 체적을 차지하는 영역]이 에칭되거나 그와 다른 방식으로 제거되어 도 1의 구조를 얻을 수도 있다.
상대 전극(16)과 적어도 하나의 스프링(20)은 동일 재료로 만들어질 수도 있다(도 19 참조).
위와 아래의 방법에서, 막 전극(14)은 제 1 요소일 수도 있고 상대 전극(16)은 제 2 요소일 수도 있다. 그러나, 기판(24) 위에 배치될 제 1 요소는 상대 전극(16)이고, 막 전극(14)이 기판(24) 위에 배치될 제 2 요소이도록 동작이 역전될 수도 있다.
도 14 내지 도 17은 도 5와 같은 이중 상대 전극 센서를 제조하는 방법을 도시한다.
도 14는 제 2 (보다 내부) 상대 전극(17)이 기판(24) 및/또는 커버 층(26) 위에 배치되는 단계를 도시한다.
도 15에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 2 상대 전극(17) 위에 커버 재료(예를 들어, 커버링 산화물)(26b)의 제 2 층이 배치될 수도 있다. 그 후, 막 전극(14)이 커버 재료(26b)의 제 2 층 위에 배치될 수도 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 커버 재료(커버링 산화물)의 제 3 층(26c)이 막 전극(14) 위에 배치될 수도 있다. 그 후, 예를 들어 커버 재료의 제 3 층(26c) 상에 홀(26a)(예를 들어, 원추형 홀 또는 경사 홀)을 마련한 후, 적어도 하나의 스프링(20)이 배치된다.
그 후, 도 17에 도시된 바와 같이, 제 1 (보다 외부) 상대 전극(16)이 적어도 하나의 스프링(20) 및 커버 재료(26c)의 제 3 층의 위에 배치될 수도 있다. 그 후, 커버 재료(26, 26b 및 26c)의 층들이 적어도 부분적으로 에칭되거나 다른 방식으로 제거될 수도 있다. 동일 재료로 이루어진 적어도 하나의 스프링(20)과 제 1 상대 전극(16)을 제조하려는 경우, 도 13의 변형예의 절차와 유사한 절차가 수행될 수도 있다. 기본적으로, 도 16의 단계(f)에 도달할 때, 도 12 및 도 13을 참조하여 논의된 경과 중 임의의 경과가 수행될 수도 있다.
바이모르프 스프링(들)(30)이 사용될 때, 커버 재료(26)가 제거된 후에 바이모르프 스프링(들)(30)이 구부러져서 갭(18)의 높이를 자발적으로 증가시키는 이점이 얻어진다.
도 18은 가요성 재료로 이루어진 수직 스프링(60)(예를 들어, 두께 방향으로 연장됨)을 갖는 다른 예를 도시한다. 여기서, 스프링은 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이의 수직 연결에 의해 얻어질 수도 있다.
도 18의 예를 만들기 위해, 다음 단계들 중 적어도 하나가 수행될 수도 있다:
1) 커버 재료(26) 내로 적어도 하나의 수직 홀을 에칭하는 단계;
2) 적어도 하나의 수직 홀을 커버 재료보다 에칭에 대해 더 튼튼한 재료로 채우고, 그에 따라 막 전극(14)으로부터 두께 방향으로 연장되는 적어도 하나의 기둥(pillar)을 생성하는 단계;.
3) 나머지 커버 재료를 에칭하는 단계(에칭에 대해 더 튼튼한 적어도 하나의 기둥이 에천트에 저항함);
4) [스프링(60)이 부착되어 있는] 상대 전극(16)을 에칭된 부분에 적용하는 단계―상기 상대 전극(16)이 적어도 하나의 기둥에 접촉함(그에 따라 스페이서로서 작용함)―;
5) 적어도 하나의 기둥을 에칭하는 단계[일부 경우에, 기둥은 상대 전극(16)의 일부로서 남아 있을 수도 있음].
스프링(60)의 형상은 다양할 수 있지만, 길고 곧은 캔틸레버, 링 구조물, 나선형 구조물 또는 임의의 다른 형상일 수도 있다.
상기 논의된 바와 같은 재료를 제거하는 예가, 상기 단계들 중 적어도 하나에 대해 에칭(예를 들어, 건식 에칭 또는 습식 에칭)에 의해 수행될 수도 있다. 에칭은 상기 단계들 중 적어도 하나에 대한 이방성 에칭 또는 등방성 에칭일 수도 있다. 상기 단계들 중 적어도 하나에 대해, TEOS 에칭이 사용될 수도 있다.
재료를 제거하기 위해, 상기 단계 중 적어도 하나는 예를 들어 화학적 기계적 폴리싱의 단계를 포함할 수도 있다.
재료(예를 들어, 커버링 재료)를 삽입할 때, 상기 단계 중 적어도 하나는 리소그래피 단계, 예를 들어 포토 리소그래피 단계를 포함할 수도 있다.

Claims (20)

  1. 센서(10)에 있어서,
    구조물(12)과;
    압력의 결과로 변형될 수 있고 구조물(12)과 접촉하는 막 전극(14)과;
    상기 구조물(12)에 기계적으로 연결되고 갭(18)에 의해 상기 막 전극(14)으로부터 분리된 상대 전극(16)과;
    상기 막 전극(14)과 상기 상대 전극(16) 사이에 탄성력을 가하도록 배치된 상기 막 전극(14)과 상기 상대 전극(16) 사이의 적어도 하나의 스프링(20)을 포함하는
    센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 막 전극(14)을 상기 구조물(12)에 기계적으로 연결하는 가요성 막 연결부(22)를 포함하는
    센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가요성 막 연결부(22)는 적어도 상기 막 전극(16) 또는 상기 막 전극(16)의 주요 부분의 굴곡 또는 이동 또는 변형의 부분적인 결과로 탄성적으로 변형되도록 구성되는
    센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가요성 막 연결부(22)는 상기 구조물(12)과 접촉하는 막 전극(14)의 부분(22b)에 대응하는 절단부 또는 홀(22d)을 포함하는
    센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가요성 막 연결부(22)의 절단부 또는 홀(22d)은 아치형이거나 및/또는 막 전극(14)의 테두리(14r)와 동심인
    센서.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가요성 막 연결부(22)는 상기 막 전극(14)과 상기 구조물(12)을 기계적으로 연결하는 스프링(22, 23)을 포함하는
    센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 전극(14)은 상기 제 1 및 제 2 상대 전극(16, 17) 사이에 개재되고, 제 1 및 제 2 갭(18, 19)에 의해 상기 제 1 및 제 2 상대 전극(16, 17)으로부터 각각 이격되는
    센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링(30)은 바이모르프 스프링인
    센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 전극(14)은 상기 구조물(12)에 캔틸레버되는
    센서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링(20)은 상기 막 전극(14)에 접촉하는 막 전극측 푸트(20a, 30a) 및 상기 상대 전극(16)에 접촉하는 상대 전극측 푸트(20b, 30b)를 포함하는
    센서.
  11. 제 1 항 내지 제 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링(20)은 복수의 스프링을 포함하는
    센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 스프링(20)은 스프링(20)의 어레이 또는 매트릭스인
    센서.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 전극(14)과 상기 구조물(12) 사이의 기계적 연결부는 응력이 없는
    센서.
  14. 제 1 항 내지 제 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 전극(14)은 적어도 하나의 비전도성 섬(island)을 제공하며, 상기 적어도 하나의 스프링(20)은 적어도 하나의 비전도성 섬에 접촉하여, 적어도 하나의 스프링(20)이 상기 막 전극(14)으로부터 전기적으로 절연되는
    센서.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링(20)은 상기 갭(18)에 경사진 부분(22c)을 포함하는
    센서.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    칩 또는 패키지로서 구현되는
    센서.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 센서를 포함하는
    마이크로폰 장치.
  18. 반도체 압력 센서 및/또는 음향 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    기판(24) 상에 제 1 요소(14, 16)를 마련하는 것―상기 제 1 요소(14, 16)는 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에서 선택됨―과;
    상기 제 1 요소(14, 16)와 접촉하도록 적어도 하나의 스프링 요소(20, 30)를 마련하는 것과;
    상기 적어도 하나의 스프링 요소(20, 30)가 제 2 요소(14, 16)에 접촉하고 제 1 요소 및 제 2 요소에 탄성적으로 연결되도록 제 2 요소(14, 16)를 마련하는 것―상기 제 2 요소(14, 16)는 제 1 요소에 대해 막 전극(14)과 상대 전극(16) 사이에서 선택되지 않은 전극을 선택한 것인―을 포함하는
    센서 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 요소(14)를 마련한 후, 상기 제 1 요소(14, 16) 위에 희생 재료(26)를 배치하는 것과;
    선택된 위치(26a)에서 희생 재료(26)를 제거하는 단계;
    선택된 위치(26a) 위에 스프링 요소 재료를 배치하는 단계;
    상기 스프링 요소 재료 위에 제 2 요소 재료를 배치하는 단계; 및
    남아있는 희생 재료(26)를 제거하는 단계
    중 적어도 하나에 의해 적어도 하나의 스프링 요소(20) 및 제 2 요소(16)를 마련하는 것을 더 포함하는
    센서 제조 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 스프링 요소 재료와 제 1 요소 재료 또는 제 2 요소 재료는 동일 재료인
    센서 제조 방법.
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