KR20200146015A - 광음향 가스 센서 및 압력 센서 - Google Patents

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요하네스 만츠
크리스토프 글라써
다비드 툼폴트
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인피니온 테크놀로지스 아게
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Abstract

MEMS 광음향 가스 센서는 제1 멤브레인, 및 제1 멤브레인과 대향하고 센싱 볼륨에 의해 제1 멤브레인으로부터 이격되는 제2 멤브레인을 포함한다. MEMS 광음향 가스 센서는 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인을 편향시키기 위해 센싱 볼륨과 통신하는 전자기 소스를 포함한다.

Description

광음향 가스 센서 및 압력 센서{PHOTOACOUSTIC GAS SENSOR AND PRESSURE SENSOR}
본 개시내용은 MEMS 광음향 가스 센서(photoacoustic gas sensor) 및 MEMS 압력 센서(pressure sensor)에 관한 것이다. 본 개시내용은 더 나아가 이중 멤브레인(double membrane) 광음향 분광계(photoacoustic spectrometer)(PAS) 센서에 관한 것이다.
노이즈, 사운드, 온도 및 가스들과 같은 환경 파라미터들(environmental parameters)의 센싱(sensing)은 모바일 디바이스들, 홈 오토메이션 및 자동차 섹터와 함께 더욱더 중요성을 얻는다. 유해한 가스 농도들은 특정 디바이스들의 오염 및 오동작으로 인해 발생할 수 있다. 동시에, 웰빙(well-being)은 공기 질에 강한 영향을 받는다. 따라서, 저렴한, 항상 이용 가능한 그리고 연결된 센서들에 의한 가스 검출은 다가오는 주제이다.
따라서 실시예들의 목적은 환경 파라미터들의 정밀한 측정들을 허용하는 디바이스들을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따르면, 초소형 전자 기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 광음향 가스 센서는 제1 멤브레인(membrane), 및 제1 멤브레인에 대향하고 센싱 볼륨(sensing volume)에 의해 제1 멤브레인으로부터 이격된 제2 멤브레인을 포함한다. MEMS 광음향 가스 센서는 센싱 볼륨과 통신하는 전자기 소스(electromagnetic source)를 포함한다. 움직임 또는 편향 둘 다를 위해 적응되는 두 개의 멤브레인들을 가지는 멤브레인 구조물을 사용함으로써, 멤브레인들이 서로를 향해 또는 서로로부터 멀어지도록 움직이도록, 움직임이 반대 방향들로 지향되고, 광음향 가스 센서로 환경 파라미터들을 정확하게 결정하도록 허용하는 높은 신호 진폭이 획득될 수 있다.
실시예들은 제1 멤브레인, 및 센싱 볼륨에 의해 제1 멤브레인으로부터 이격된 제2 멤브레인을 포함하는 MEMS 압력 센서를 제공한다. MEMS 압력 센서는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 정전용량(capacitance)을 측정하도록 구성된 회로를 포함한다. 다시, 반대 방향들로 편향되는 두 개의 편향 가능한 멤브레인들을 가짐으로써 환경 파라미터들, 즉 압력의 정밀한 측정들을 허용한다.
추가적인 실시예들은 종속항들에서 정의된다.
실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 본 명세서에서 설명되며, 여기서:
도 1은 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 개략적인 블록도를 보여준다.
도 2a는 프론트 볼륨(front volume)에 더하여 백 볼륨(back volume)을 가지는 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 일부분의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 2b는 프론트 볼륨을 통해 도착하는 교란들(disturbances)을 겪는 도 2a의 MEMS 광음향 가스 센서의 부분들의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 3은 소위 하부-포트 구성(bottom-port configuration)을 가지는, 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 4는 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 개략적인 측면도를 보여주며, 여기에서 전자기 소스는 반도체 기판(substrate)에 의해 지지된다.
도 5는 백플레이트(backplate) 구조물을 포함하는, 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 부분들의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 6은 실시예에 따른 추가적인 MEMS 광음향 가스 센서의 부분들의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 7은 적어도 제3 멤브레인을 포함하는 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 8은 고정 백플레이트 구조물들에 대한 멤브레인들의 편향을 독립적으로 측정하도록 구현된, 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 일부의 개략적인 측면도를 보여준다.
도 9는 회로를 포함하는 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서의 일부의 개략적인 측면도를 보여준다.
동일 또는 등가의 요소들, 또는 동일하거나 등가의 기능을 갖는 요소들은 다른 도면들에서 발생하는 경우에도 동일하거나 등가의 참조 번호들에 의해 이하의 설명에서 표시된다.
이하의 서술에서, 실시예들의 더 철저한 설명을 제공하기 위해 복수의 세부사항들이 제시된다. 그러나, 실시예들은 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 점이 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 다른 예시들에서, 잘 알려진 구조들 및 디바이스들은 실시예들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 상세하게 보다는 블록도 형태로 보여진다. 추가로, 이하에서 설명되는 상이한 실시예들의 특징들은, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 서로 조합될 수 있다.
이하에서, 환경 파라미터를 측정하는 것이 참조된다. 일부 실시예들은 특정한 가스의 농도 및/또는 가스 내의 특정한 물질(substance) 또는 재료(material)의 존재를 측정하는 것에 관한 것이다. 그러한 측정들은 광음향 가스 센서로서 구현된 초소형 전자 기계 시스템(MEMS)을 사용함으로서 수행될 수 있다. 이것은 또한 광음향 분광계(PAS) 센서로 지칭될 수 있다. 그러한 센서는 가스 센싱에 사용될 수 있고, 백 볼륨, 센싱 볼륨, 및 그 사이에 두 개의 멤브레인들을 포함할 수 있다. 적어도 어떤 농도로 또는 순수한 가스로서, 센싱 볼륨 내에 배열된 특정 타입의 가스는, 멤브레인들의 편향을 동적으로 일으키기 위해 방사선(radiation)을 사용하여 여기될 수 있다. 그러한 편향은 평가될 수 있고, 특정한 가스와 연관될 수 있는데, 즉, 그 안의 상이한 가스들 또는 상이한 농도들은 멤브레인들의 상이한 행동을 일으킬 수 있고, 상이한 행동은 측정되고, 따라서 멤브레인들 사이의 가스 또는 그것의 농도를 결론짓는 것을 허용한다.
도 1은 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(10)의 개략적인 블록도를 보여준다. MEMS 광음향 가스 센서(10)는, 적어도 부분적으로 반도체 재료의 사용에 의하여 형성될 수 있는 기판(12)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(12)은 실리콘 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기판(12)은 갈륨 아세나이드(gallium arsenide) 등과 같은 상이한 반도체 재료들을 포함할 수 있다. 기판(12)은 가산 프로세스들(additive processes), 예를 들어, 각각의 구조물들을 성장시키는 것의 사용에 의해 형성되거나 성형될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 감산 프로세스들(subtractive processes), 예를 들어, 더 큰 몸체로부터 기판(12)의 구조가 남아있도록 하는 에칭 프로세스들(etching processes)이 사용될 수 있다.
MEMS 광음향 가스 센서는 제1 멤브레인(141), 및 멤브레인(141)에 대향하는 제2 멤브레인(142)을 포함한다. 멤브레인들(141 및 142)은 센싱 볼륨(16)에 의해 서로 이격될 수 있다. 센싱 볼륨(16)은, 예를 들어, 확산(diffusion)에 기초하여 및/또는 프론트 볼륨(18)과 센싱 볼륨(16) 사이의 가스들의 저속 교환(slow exchange)에 기초하여, 가스 또는 그 안의 입자들이 센싱 볼륨(16) 외부의 프론트 볼륨(front volume)(18)으로부터 센싱 볼륨(16)으로 이동하는 것을 허용할 수 있고, 여기서 저속은 비-음향(non-acoustic)으로 이해되는 속도를 지칭한다.
MEMS 광음향 가스 센서(10)는 센싱 볼륨(16)과 통신하는 전자기 소스(22)를 포함한다. 전자기 소스는 센싱 볼륨(16) 내로 에너지(24)를 생성 및/또는 방출하도록 구성될 수 있고, 그에 의해 센싱 볼륨(16) 내에 가스 및/또는 입자들을 여기시킨다. 즉, 전자기 소스는 제1 멤브레인(141) 및/또는 제2 멤브레인(142)을 편향시키도록 구성 및/또는 배열될 수 있다. 양쪽 멤브레인들(141 및 142)은, 예를 들어 동일한 z방향을 따라서, 기판에 대해 편향 가능할 수 있다. 센싱 볼륨(16)을 여기시킴으로서, 멤브레인들(141 및 142)의 움직임들은 서로 대향하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 센싱 볼륨(16) 내부의 팽창 때문에, 멤브레인(141)은 음의 z방향을 따라 편향될 수 있는 반면, 동시에, 멤브레인(142)은 양의 z방향을 따라 편향된다. 대안적으로, 멤브레인(141)은 양의 z방향을 따라 이동할 수 있는 반면, 동시에, 멤브레인(142)은 음의 z방향을 따라 이동한다.
전자기 소스(22)는 설명된 움직임이 멤브레인들(141 및 142)의 진동으로 이해될 수 있도록 멤브레인들(141 및 142)의 동적 움직임을 생성하기 위해 에너지(24)를 동적으로 방출하도록 구성될 수 있고, 여기서 각자의 진동은 각자 다른 멤브레인(141 또는 142)에 관하여 반전된 방향을 나타내도록 생성된다.
예를 들어, 멤브레인들(141 및 142) 사이의 전압 또는 정전용량을 평가함으로써 대향하는 움직임들을 평가하는 것은 고정자 전극(stator electrode)에 대한 단지 하나의 이동가능한 또는 편향가능한 멤브레인의 움직임과 비교할 때 높은 상대적 움직임 크기를 가짐에 의해 센싱 볼륨(16)에 대한 정밀한 측정들을 허용할 수 있다. 동시에, 구조물은 예를 들어, 프론트 볼륨(18)을 통해 멤브레인 배열(141 및 142)로 이동할 수 있는 음향 노이즈에 대한 높은 강건성을 허용한다. 그러한 음향 노이즈, 예를 들어, 음압(sound pressure)은 동일한 방향을 따라 멤브레인들(141 및 142)의 편향을 일으킬 수 있고 따라서, 전자기 소스(22)에 의해 생성된 움직임으로부터 쉽게 판별될 수 있으며, 이는 간단한 보상을 허용한다.
멤브레인들(141 및 142)은 반도체 재료, 예를 들어, 실리콘 재료, 예를 들어, 결정질 또는 다결정질 실리콘을 포함할 수 있다. 반도체 재료는 구조물이 전극으로서 사용되는 것을 허용하는 전도성의 전기적 특성을 획득하기 위해 도핑된 반도체 재료일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전도성 층(layer)은 반도체 재료, 예를 들어 금속 재료, 예를 들어 금, 은, 알루미늄, 구리 등을 포함하는 층에 배열될 수 있다.
전자기 소스(22)는 전자기 에너지로서 에너지(24)를 생성 및/또는 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자기 소스(22)는 적외선 신호로서 에너지(24)를 방출하도록 구성되는 적외선 소스로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 전자기 소스(22)는 히터(heater)일 수 있다. 전자기 소스(22)는 전류에 응답하여 온도를 증가시키도록 구성된 전도성 재료, 예를 들어, 도핑된 실리콘 재료 또는 기판 재료의 표면에 배열된 전도성 재료를 포함할 수 있다.
도 2a는 MEMS 광음향 가스 센서(10)와 비교할 때, 프론트 볼륨(18)에 더하여 백 볼륨(26)을 가지는 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(20)의 일부의 개략적인 측면도를 보여준다. 프론트 볼륨(18)과 백 볼륨(26)의 차이는 측정될 유체들 또는 가스들뿐만 아니라 교란들이 프론트 볼륨(18)에서의 멤브레인들(141 및 142)에 도달할 수 있는 반면, 백 볼륨(26)을 통해, 적어도 부분적으로, 높은 양이 또는 완전히 차단될 수 있다는 점일 수 있다. 히터(22)는 MEMS 광음향 가스 센서(20)의 부분이지만 도 2a에 나타나지 않는다.
도 2a에서, 멤브레인들(141 및 142)은 또한 전자기 소스(22)를 통한 여기에 의해 획득될 수 있는 편향된 상태(14'1 및 14'2)로 보여진다.
백 볼륨(26) 내의 높은 압력들을 회피하기 위해, 백 볼륨(26)을 형성하는 기판(12)은 공기 흐름을 허용하는 하나 이상의 개구들(openings)을 포함할 수 있다.
다르게 말하면, 광음향 신호는 센싱 볼륨(16) 내부에서 압력을 생성할 수 있다. 이것은 멤브레인들의 움직임을 대향하는 방향들로 일으킬 수 있다.
도 2b는 프론트 볼륨(18)을 통해 도달하는 교란들(28)을 겪는 도 2a의 MEMS 광음향 가스 센서(20)의 부분들의 개략적인 측면도를 보여준다. 교란들(28)은 예를 들어 음압 등의 외부 압력을 포함할 수 있다. 교란들(28)은 동일한 방향, 예를 들어 양의 z방향을 따라 멤브레인들(141 및 142)의 편향(14'1 및 14'2)을 일으킬 수 있다. 이 움직임은, 도 2a의 대향하는 움직임과 비교하여, 멤브레인들(141 및 142) 사이의 측정 신호(32)의 측정된 값들에 대한 상당한 영향 없이 유지될 수 있다. 예를 들어, 도 2a와 비교하여, 도 2b의 움직임은 멤브레인들(141 및 142) 사이의 정전용량을 변경되지 않은 채로 남겨둘 수 있거나 또는 사소한 변화를 일으킬 수 있고, 여기서 도 2a의 움직임은 측정 신호(32)에서 쉽게 결정될 수 있는 상당한 변화를 일으킬 수 있다.
즉, 본 명세서에서 설명된 MEMS 광음향 가스 센서들의 특정한 설계는 음향 노이즈를 소거하는 데 사용될 수 있다. 실시예들은 소위 오픈 시스템 PAS 센서 개념들과 관련되고, 음향 노이즈에 대한 그러한 시스템들의 민감도를 줄인다.
실시예에 따르면, MEMS 광음향 가스 센서(20)는 멤브레인(141)의 기계적 강성(mechanical stiffness) 및 멤브레인(142)의 기계적 강성이 상이하게 구현되도록 적응되고, 즉, 기계적 강성들은 서로에 대해 달라질 수 있다. 예를 들어, 기계적 강성들은 프론트 볼륨(28)으로부터 센싱 볼륨(16)을 통해 백 볼륨(26)을 향해 이동하는 음향 신호, 예를 들어 교란(28)이, 예를 들어, ± 10%, ± 7% 또는 ± 5%의 허용 범위 내에서 멤브레인(141) 및 멤브레인(142)의 편향의 동일한 크기를 일으키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(142)에 대한 기계적인 힘을 줄이는 멤브레인(141) 및 센싱 볼륨(16)에 의한 음향 신호의 감쇄는, 멤브레인(141 및/또는 142)의 기계적 강성을 적어도 기준 힘 크기에 대해, 적어도 허용 범위 내에서, 동일한 편향을 갖도록 선택함으로써 쉽게 결정될 수 있고 고려될 수 있다.
다르게 말하면, 음향 신호의 압력은 멤브레인들의 움직임을 동일한 방향으로 일으킬 수 있다. 광음향 신호 및 음향 신호는 쉽게 구별될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(30)의 개략적인 측면도를 보여준다. 센싱 볼륨은, 예를 들어 소위 바텀-포트(bottom-port) 구성으로서 보여지는 볼륨들(18 및 26) 사이에 배열될 수 있고, 즉, 프론트 볼륨(18)이 백 볼륨(26), 센싱 볼륨(16) 각각의 아래에 배열된다. 좌측, 우측, 아래 또는 위와 같은 표현들은 단지 설명들을 위해 사용되고, 디바이스를 회전시킴으로써, 그러한 설명의 의미가 쉽게 변할 수 있다는 점이 유의되어야 한다. 예를 들어, MEMS 광음향 가스 센서(30)는 프론트 볼륨(18) 영역에 있는 하우징(34)을 폐쇄하도록 수정될 수 있고, 하우징(34)을 개방함으로써 가스들 및/또는 교란들이 백 볼륨(26)을 통해 멤브레인들(141 및 142)에 도달할 수 있고, 그에 의해 구성을 탑-포트(top-port) 구성으로 변경하고 프론트 볼륨 및 백 볼륨의 의미를 교환한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 멤브레인(141) 및/또는 멤브레인(142)은 개구들, 예를 들어, 환기 구멍들(361 내지 364)을 각각의 멤브레인(141 및 142)에 대해 하나 이상, 5개 이상, 10개 이상, 또는 훨씬 더 많이 포함할 수 있다.
멤브레인(141) 내의 임의적인(optional) 하나 이상의 개구들(361 및 362)은 프론트 볼륨(18)을 센싱 볼륨(16)과 유동적으로 결합할 수 있고, 즉, 유체, 즉 가스의 교환이 볼륨들(16 및 18) 사이에 발생하거나 일어날 수 있다. 가스 분자들의 교환은 예를 들어, 가스 분자들, 특히 MEMS 광음향 가스 센서에 검출되는 가스 분자들의 이동을 허용하는 개구들(361 및/또는 362)의 수 및/또는 사이즈에 의해 적응될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 멤브레인(142) 내의 하나 이상의 개구들(363 및 364)은 백 볼륨(26)을 센싱 볼륨(16)과 유동적으로 결합할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 개구들(361 내지 364)은 각각 음향 주파수들을 차단하기 위한 사이즈로 형성된다. 개구들의 개수 및 공통적인, 그룹별로 상이한 또는 심지어 개별적인 사이즈는 음향 주파수들을 차단하고 센싱 볼륨으로의 가스 확산을 허용하기 위해 최적화(optimization)가 획득되는 방식으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 신속한 가스 교환을 위한 하나 이상의 큰 개구들과 음향 주파수들의 양호한 차단을 위한 작은 개구들 사이에 트레이드오프가 만들어질 수 있다. 개구는 센싱 볼륨(16)에의 유체 교환을 허용하고 따라서 고품질을 갖는 측정들을 허용하기 위해 음향 단락들(acoustic short circuits)을 회피하면서 수정된 환경들에서 수정된 측정들을 허용한다.
도 1, 2a, 2b 및 3에서 보여지는 것과 같이, 기판(12)은 개구(38)를 포함할 수 있고, 멤브레인들(141 및 142)이 개구(38)를 오버레이(overlay)하는 방식으로 멤브레인들(141 및 142)을 추가적으로 지지할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(40)의 개략적인 측면도를 보여주고, 여기서 전자기 소스(22)는 반도체 기판(12)에 의해 지지된다. 이것은 한편으로 콤팩트한 디바이스들을 얻는 것을, 다른 한편으로 에너지(24)가 방출되는 방향을 생성하는 것을 허용한다. 예를 들어, 반도체 기판은 에너지(24)를 위한 반사기(reflector) 또는 디렉터(director)로 작용할 수 있다. 임의적으로, 전자기 소스는 커버링 층(covering layer)(42), 예를 들어, 필터링되거나 통과될 특정 파장에 대해 효과적인 필터로 커버될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 커버링 층(42)은 전자기 소스(22)의 화학적 및/또는 전기적 및/또는 물리적 보호를 제공할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(50)의 부분들의 개략적인 측면도를 보여준다. MEMS 광음향 가스 센서(50)는 전극 구조물(44), 예를 들어, 이동 가능한 또는 편향 가능한 멤브레인들(141 및 142)과 비교했을 때 움직이지 않는다고 여겨질 수 있는 백플레이트 구조물을 포함할 수 있다. 백플레이트 구조물(44)은 센싱 볼륨(16) 내의 멤브레인들(141 및 142) 사이에 배열될 수 있다. 백플레이트 구조물(44)을 추가 전극으로서 구현함으로써, 두 개의 측정 신호들(321 및 322)이 독립적으로 멤브레인(141)과 백플레이트 구조물(44) 사이에서, 멤브레인(142)과 백플레이트 구조물(44) 사이에서 각각 측정될 수 있다. 이것은 측정들의 높은 정밀도를 허용할 수 있다. 백플레이트 구조물(44)은 음향 차단을 피하기 위해, 특히 멤브레인들(141 및 142)과 백플레이트 구조물(44) 사이의 압력들의 생성을 방지하기 위해, 개구들(36)과 비교했을 때 비교적 넓은 사이즈를 가질 수 있는 개구들(46)을 포함할 수 있다.
상이한 MEMS 광음향 가스 센서들과 관련하여 설명된 바와 같이, MEMS 광음향 가스 센서(50)는 보여지지 않는 전자기 소스(22)를 포함하고, 센싱 볼륨(16)이 제1 볼륨과 제2 볼륨, 예를 들어, 프론트 볼륨과 백 볼륨 사이에 배열되도록 추가로 배열될 수 있다.
도 6은 MEMS 광음향 가스 센서의 부분들의 개략적인 측면도를 보여주고, 즉, 전자기 소스(22)는 보여지지 않는다. MEMS 광음향 가스 센서(50)와 비교할 때, MEMS 광음향 가스 센서(60)는 멤브레인들(141 및 142) 사이에 기계적으로 결합된 커넥터들(connectors)(481 내지 483)을 포함할 수 있다. 커넥터들(481 내지 483)은, 예를 들어, 백플레이트 구조물(44)의 개구들(46)을 통하여 이동할 수 있다. 대안적으로, MEMS 광음향 가스 센서(60)는 백플레이트 구조물(44) 없이 구현될 수 있다. 양쪽 구성들에서, MEMS 광음향 가스 센서(60)는 커넥터들(481 내지 483)의 영역 내에서 적은 양의 편향을 허용한다.
임의적으로, 커넥터들은 복수의 부분 센싱 볼륨들(16a 내지 16d)로 센싱 볼륨(16)을 분할할 수 있다. 전자기 소스는 부분 센싱 볼륨들에 인접한 멤브레인들(141 및 142)의 인접하거나 이웃하는 부분들의 교대하는 보잉들(bowings)을 야기하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인들(141 및 142)은 부분 센싱 볼륨들(16a 내지 16d) 중 하나 안에서 서로를 향하여 편향될 수 있고, 인접한 부분 센싱 볼륨 안에서 서로로부터 멀어지게 편향될 수 있다. 교대하는 보잉들을 야기하기 위해, 전자기 소스는 진폭 및/또는 시간이 달라질 수 있는 과도 전력 신호(transient power signal), 예를 들어, 정현파 신호(sinusoidal signal) 또는 직사각형 절단 신호(rectangular chopped signal)를 제공하도록 제어될 수 있다. 다수의 부분 센싱 볼륨들(16a 내지 16d)은 임의적(arbitrary)일 수 있고, 예를 들어, 기계적인 파라미터들에 의해 선택될 수 있다. 예를 들어, 부분 센싱 볼륨들 내에서 최대 또는 최소 진폭의 보잉들이 발생하도록 커넥터들(481 내지 483) 사이의 거리가 선택될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 커넥터들(481 내지 483) 사이의 거리 및/또는 부분 센싱 볼륨(16a 내지 16d)의 사이즈는 부분 센싱 볼륨(16a 내지 16d)의 사이즈에 기초하여 획득되는 공진 주파수의 고려 하에서 선택될 수 있다. 임의의 수 및/또는 임의의 기하학적 구조로 배열될 수 있는 커넥터들(481 내지 483)은 전기적으로 절연성일 수 있거나, 대안적으로, 전기적으로 전도성일 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(70)의 개략적인 측면도를 보여준다. MEMS 광음향 가스 센서들(10, 20, 30, 40, 50 및 60)과 비교할 때, MEMS 광음향 가스 센서(70)는 멤브레인(142)과 대향하기 위하여 및 멤브레인들(141 및 142) 사이의 센싱 볼륨(161)에 더하여 추가적인 센싱 볼륨(162)을 형성하기 위하여 배열되는 제3 멤브레인(143)을 적어도 포함할 수 있다. 센싱 볼륨들(161 및 162)은, 예를 들어, 사이즈의 관점에서 및/또는 센싱 볼륨들(161 및 162)이 감지하는 재료들 또는 그 안에 포함되는 가스들의 관점에서 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 상이한 센싱 볼륨들(161 및 162)에서, 상이한 측정들이 수행될 수 있다. 임의적으로, MEMS 광음향 가스 센서(70)는 전자기 소스(22)와 비교했을 때 상이한 에너지 레벨 내에서, 상이한 파장 범위에서 또는 상이한 주파수들에서, 동시에 또는 상이한 시간들에서 각각의 에너지를 방출하도록 구성된 추가적인 전자기 소스를 포함할 수 있다.
MEMS 광음향 가스 센서(70)는, MEMS 광음향 가스 센서들(10, 20, 30, 40, 50 및/또는 60)처럼, 반도체 재료의 적층 및 구조화에 의해 동일한, 단일 칩으로 형성될 수 있다.
실시예에 따르면, 센싱 볼륨들(161 및 162)은 서로와 인접하게 배열될 수 있고, 멤브레인(142)에 의해 분할될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 센싱 볼륨들(161 및 162)은, 예를 들어, 각각의 센싱 볼륨들이 그 센싱 볼륨과 배타적으로 연관되는 한 쌍의 멤브레인들로 둘러싸임에 따라 두 개의 센싱 볼륨들(161 및 162)이 서로 독립적으로 여기될 수 있도록, 추가적인 제4 멤브레인을 배열함으로써 서로 이격되어 배열될 수 있다. 대안적으로, 제4 또는 심지어 더 많은 수의 멤브레인들을 배열함으로써, 더 많은 수의 센싱 볼륨들이 생성될 수 있다.
하나 이상의 센싱 볼륨들(161 및 162)에서 백플레이트 구조물이 배열될 수 있다.
도 8은 MEMS 광음향 가스 센서(80)의 일부의 개략적인 측면도를 보여주며, 여기에서도 전자기 소스(22)는 역시 보여지지 않는다. 본 명세서에서 설명된 다른 MEMS 광음향 가스 센서들과 비교할 때, MEMS 광음향 가스 센서(80)는 부동의 백플레이트 구조물(441)에 대한 멤브레인(141)의 편향을 독립적으로 측정하도록, 그리고 추가적인 부동의 백플레이트 구조물(442)에 대한 멤브레인(142)의 편향을 추가적으로 측정하도록 구현될 수 있다. 각각의 멤브레인(141 및 142)의 아래 또는 위에서의 각각의 연관된 백플레이트 구조물(441 및 442)의 위치는 각각 독립적으로 선택될 수 있다. 이것은 측정 결과들을 평가할 때의 높은 선택도를 허용할 수 있다. 이것은 또한 별도의 제조 프로세스들에서 예를 들어 상부의 제1 그룹(멤브레인(142), 부동의 백플레이트 구조물(442) 및 인접한 기판(122))을 제조하는 것, 및 예를 들어 하부의 제2 그룹(멤브레인(141), 부동의 백플레이트 구조물(441) 및 인접한 기판(121))이 제조되는 것을 허용한다. 그룹들은, 예를 들어, 다음으로 결합 프로세스로 다같이 결합될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 MEMS 광음향 가스 센서(90)의 일부의 개략적인 측면도를 보여준다. 예를 들어, MEMS 광음향 가스 센서(90)는 MEMS 광음향 가스 센서(10)를 포함할 수 있고, 여기서, 대안적으로 또는 추가적으로, 본 명세서에서 설명된 임의의 다른 MEMS 광음향 가스 센서가 배열될 수 있다. 추가적으로, MEMS 광음향 가스 센서(90)는 회로, 예를 들어 멤브레인들(141 및 142)의 편향들에 의해 생성된 측정 신호(32)와 같은 적어도 하나의 신호를 처리하도록 구성된 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로컨트롤러(microcontroller) 또는 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC) 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA)와 같은 프로세서를 포함한다. 예를 들어, 회로(52)는 측정 신호(32)를 센싱 볼륨(16) 내의 유체의 특성들과 연관시키도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 MEMS 광음향 가스 센서들과 관련하여 설명된다. 추가적인 실시예들에 따르면, MEMS 압력 센서가 제공된다. MEMS 광음향 가스 센서들과 관련하여 설명된 바와 같이, 실시예들에 따른 MEMS 압력 센서는 그 사이에 센싱 볼륨을 형성하기 위해 서로 이격되는 제1 및 제2 멤브레인을 포함할 수 있다. 압력 센서는 예를 들어, 회로(52)를 사용하여, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 정전용량을 측정하도록 구성된 회로를 포함할 수 있다. 즉, 대향하는 방향들로의 멤브레인들(141 및 142)의 편향을 평가하는 대신에, 동일한 방향을 따른 편향이 또한 평가될 수 있으며, 여기서 이 편향은 센싱 볼륨(16)에 작용하는 압력과 연관될 수 있다.
본 명세서에 설명된 PAS 센서들은 센싱 볼륨 및 백 볼륨을 포함할 수 있고, 임의적으로, 프론트 볼륨을 포함할 수 있다. 백 볼륨과 센싱 볼륨 사이에 멤브레인이 위치된다. 센싱 볼륨과 환경(프론트 볼륨) 사이에 제2 멤브레인이 위치된다. 멤브레인들의 움직임은, 예를 들어, 커넥터들의 사용에 의해, 또는 중간의 공기 또는 유체에 의해 기계적으로 결합될 수 있다. 멤브레인들의 배열에 의해, 광음향 신호는 음향 노이즈로부터 구별될 수 있다. 음향 노이즈를 소거하기 위해 사용되는 제2 디바이스를 갖는 솔루션과 비교했을 때, 실시예들은 동일한 디바이스로 정밀한 측정들을 획득함으로써 정정을 위해 사용되는 추가적인 디바이스들에 대한 필요성을 회피하는 것을 허용한다. 임의적으로, 전자기 소스, 예를 들어 적외선 이미터, 및 두 개의 멤브레인들은 하나의 칩에서 실현되어 소형 패키지 사이즈를 야기할 수 있다.
실시예들은 쉽게 구축될 수 있고 센서들의 기능을 향상시킬 수 있는 셋업(setup)으로 연결되는, 아마도 주요한 세 개의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 제1 컴포넌트는 멤브레인들을 위한 캐비티(cavity)를 생성하기 위한 보쉬 홀(Bosch hole)을 갖는 벌크 실리콘 프레임이다. 제2 컴포넌트는 제1 컴포넌트의 캐비티 또는 홀 상에 정렬되는 제1 멤브레인 또는 얇은 구조물일 수 있다. 추가의 제3 컴포넌트는 제1 컴포넌트와 관련하여 설명된 캐비티 또는 홀 상에 정렬된 제2 멤브레인 또는 얇은 구조물일 수 있다. 이 멤브레인은 제1 멤브레인 위에 위치된다.
임의적으로, 추가적인 컴포넌트들이 더해질 수 있다. 그들 중에서, 더 정교한 판독을 위해 멤브레인들 사이에 백플레이트 구조물이 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 접속 요소들, 예를 들어 커넥터들은 음향 노이즈의 영향 하에서 멤브레인들의 균일한 움직임을 향상시키기 위해 멤브레인들 사이에 배열될 수 있다.
실시예들은 용량성의(capacitive), 압전의(piezo) 또는 유도의(inductive) 판독에 의해 실현되는 멤브레인 움직임의 검출을 허용한다. 센싱 볼륨 내로의 가스 확산은 양쪽 멤브레인들 내의 환기 구멍들에 의해 실현될 수 있다. 동일한 환기 구멍들은 정적 압력 보상을 위해 사용될 수 있다. 임의적으로, 이미터는 멤브레인들의 스택 측면에서 동일한 칩 위에 배치된다.
본문에서 추가적으로: 설명된 실시예들은 광음향 분광계(PAS) 센서의 센싱 서브파트, 즉, 컴포넌트를 형성할 수 있다. 셋업은 또한 저속 과도 압력 센서로서 사용될 수 있다. 타겟화된 PAS 센서에서, 판독은 압력 감지 멤브레인을 통해 실현될 수 있다. 노이즈로부터 원하는 센서 신호를 구별하기 위해, 두 멤브레인들을 사용하여, 차동 판독(differential readout)이 구현될 수 있다. 실시예들은 차례로 위치되는(나란히 배열되는 것과 대조적으로) 두 개의 멤브레인들을 통해 차동 판독을 실현하기 위한 개념, 센서들 및 방법들에 관한 것이다. 센싱 볼륨은 멤브레인들 사이에 배열될 수 있다. 음향 노이즈는 동일한 방향으로 멤브레인들의 편향을 일으킬 수 있고, 반면 광음향 신호는 대향하는 방향들로 편향을 일으킬 수 있다. 이것에 의해, 노이즈 신호 및 센서 신호는 구별될 수 있다.
실시예들은 작고 소형화된 PAS 센서들을 획득하는 것을 허용한다. 그러한 센서들은 음향 노이즈, 예를 들어, 음성, 음악, 주변 노이즈 등을 갖는 환경들에서 사용될 수 있다.
일부 양태들이 장치의 맥락에서 설명되었음에도 불구하고, 이러한 양태들은 또한 대응하는 방법의 설명을 나타내는 것이 명백하고, 여기서 블록 또는 디바이스는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 대응한다. 비슷하게, 방법 단계의 맥락에서 설명된 양태들은 또한 대응하는 장치의 대응하는 블록 또는 항목 또는 특징의 설명을 나타낸다.
위에서 설명된 실시예들은 단지 본 개시내용의 원리들을 위한 예시일 뿐이다. 본 명세서에서 설명되는 배열들 및 상세들의 수정들 및 변경들이 이 분야의 다른 통상의 기술자들에게 명백할 것임이 이해된다. 따라서, 본 명세서의 실시예들의 서술 및 설명의 방식을 통해 제시되는 특정 상세들에 의해서가 아니라, 임박한 특허 청구항들의 범위에 의해서만 한정되는 것을 의도한다.

Claims (18)

  1. MEMS 광음향 가스 센서로서,
    제1 멤브레인(141);
    상기 제1 멤브레인(141)과 대향하고 센싱 볼륨(sensing volume)(16)에 의해 상기 제1 멤브레인(141)과 이격되는 제2 멤브레인(142); 및
    상기 센싱 볼륨(16)과 통신하는 전자기 소스(22)
    를 포함하는, 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141)은 상기 센싱 볼륨(16)과 제1 볼륨(18) 사이에 배치되고, 상기 제2 멤브레인(142)은 상기 센싱 볼륨(16)과 제3 볼륨(28) 사이에 배치되는, 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 볼륨(18)은 프론트 볼륨(front volume)이고 상기 제3 볼륨(28)은 백 볼륨(back volume)이고; 또는
    상기 제1 볼륨(18)은 백 볼륨이고 상기 제3 볼륨(28)은 프론트 볼륨인, 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141)의 제1 강성(stiffness) 및 상기 제2 멤브레인(142)의 제2 강성은, 상기 프론트 볼륨(18)으로부터 상기 센싱 볼륨(16)을 통하여 상기 백 볼륨(28)으로 이동하는 음향 신호(28)가 허용범위 내에서 상기 제1 멤브레인(141) 및 상기 제2 멤브레인(142)의 동일한 크기의 편향을 일으키도록 선택되는, 센서.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141)은 유동적으로(fluidly) 상기 제1 볼륨(18) 및 상기 센싱 볼륨(16)을 결합하는 적어도 하나의 제1 개구(361)를 포함하고, 상기 제2 멤브레인(142)은 상기 제3 볼륨(28) 및 상기 센싱 볼륨(16)을 유동적으로 결합하는 적어도 하나의 제2 개구(363)를 포함하는, 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 개구(361) 및 상기 적어도 하나의 제2 개구(363)는 음향 주파수들을 차단하도록 각각 사이즈가 정해지고, 가스 분자들의 이동을 허용하기 위해 상기 제1 볼륨(18) 및 상기 센싱 볼륨(16)을 유동적으로 결합하도록 구현되는, 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141) 및 상기 제2 멤브레인(142)의 사이에, 상기 제1 멤브레인(141) 및 상기 제2 멤브레인(142)으로부터 이격하여 배치되는 백플레이트(44)를 더 포함하는, 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141)과 상기 제2 멤브레인(142) 사이에 기계적으로 결합되는 하나 이상의 커넥터들(48)을 더 포함하는, 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 커넥터들(48)은 전기적으로 전도성인, 센서.
  10. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 커넥터들(48)은 전기적으로 절연성인, 센서.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 커넥터들(48)이 상기 센싱 볼륨(16)을 복수의 부분 센싱 볼륨들(16a 내지 16d)로 분할하고, 상기 전자기 소스(22)는 인접한 부분 센싱 볼륨들에서 상기 제1 멤브레인(141) 및 상기 제2 멤브레인(142)의 교대하는 보잉들(bowings)을 야기하도록 구성되는, 센서.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141)은 그를 통한 개구(38)를 가지는 반도체 기판(12)에 의해 지지되고, 상기 제1 멤브레인(141)이 상기 개구(38)를 오버레이하는, 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전자기 소스(22)는 상기 반도체 기판(12)에 의해 지지되는, 센서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 소스(22)는 적외선 소스인, 센서.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 소스(22)는 히터인, 센서.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센싱 볼륨(16)은 제1 센싱 볼륨(161)이고, 상기 센서는 적어도 상기 제1 멤브레인(141) 및 상기 제2 멤브레인(142)과 함께 스택의 일부를 형성하고 상기 스택 내에 제2 센싱 볼륨(162)을 정의하는 제3 멤브레인(143)을 적어도 포함하는, 센서.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 멤브레인(141)의 제1 편향(14'1) 및 상기 제2 멤브레인(142)의 제2 편향(14'2)에 의해 생성된 적어도 하나의 신호(32)를 처리하도록 구성되는 회로(52)를 더 포함하는, 센서.
  18. MEMS 압력 센서로서,
    제1 멤브레인(141);
    센싱 볼륨(16)에 의해 상기 제1 멤브레인(141)으로부터 이격되는 제2 멤브레인(142); 및
    상기 제1 멤브레인(141)과 상기 제2 멤브레인(142) 사이의 정전용량을 측정하도록 구성되는 회로(52)
    를 포함하는, 센서.
KR1020200066495A 2019-06-19 2020-06-02 광음향 가스 센서 및 압력 센서 KR20200146015A (ko)

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EP19181350.0A EP3754325B1 (en) 2019-06-19 2019-06-19 Photoacoustic gas sensor
EP19181350.0 2019-06-19

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