KR20210153481A - 가스 센서, 센서 어레이 모듈 및 이를 포함하는 모바일 장치 - Google Patents
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Abstract
가스 센서는, 압전체 기판, 공진기, 센싱 필름 및 히터를 포함한다. 상기 공진기는 상기 압전체 기판의 상부 표면의 전극 영역에 형성되고, 상기 전극 영역의 제1 수평 방향으로의 중심 영역에 상기 제1 수평 방향으로 전파되는 표면 탄성파를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함한다. 상기 센싱 필름은 상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 중심 영역에 형성되고, 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함한다. 상기 히터는 상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 전극 영역을 둘러싸는 외곽 영역에 형성되고, 상기 센싱 필름을 가열하기 위한 히터 전극들 및 상기 히터 전극들에 연결되는 히터 패드들을 포함하고, 상기 히터 전극들 및 상기 히터 패드들은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이룬다.
Description
본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 센서, 센서 어레이 모듈 및 이를 포함하는 모바일 장치에 관한 것이다.
가스 센서는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들면, 가스 센서는 공기청정기에 탑재될 수 있고, 공기청정기 주변 공기의 질을 측정하는데 사용될 수 있다. 또한, 가스 센서는 모바일 폰과 같은 휴대 기기에 포함될 수 있고, 휴대 기기의 사용자가 주변 공기의 질을 인식하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 가스 센서는, 다양한 원리들에 따라 가스를 센싱하기 위한 가스 센싱 소자를 포함할 수 있고, 가스 센싱 소자는 가스의 센싱을 위하여 노출면을 가질 수 있다. 가스 센서의 사용 중 가스 센싱 소자에 가해지는 습도, 열, 가스 누적량 등에 기인하여, 가스 센싱 소자의 센싱 감도(sensing sensitivity)가 변동할 수 있고, 이에 따라 가스 센서의 정확도가 감소할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 효율적으로 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 가스 센서를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 일 목적은, 효율적으로 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 가스 센서를 포함하는 센서 어레이 모듈 및 모바일 장치를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서는, 압전체 기판, 공진기, 센싱 필름 및 히터를 포함한다.
상기 공진기는 상기 압전체 기판의 상부 표면의 전극 영역에 형성되고, 상기 전극 영역의 제1 수평 방향으로의 중심 영역에 상기 제1 수평 방향으로 전파되는 표면 탄성파를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함한다.
상기 센싱 필름은 상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 중심 영역에 형성되고, 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함한다.
상기 히터는 상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 전극 영역을 둘러싸는 외곽 영역에 형성되고, 상기 센싱 필름을 가열하기 위한 히터 전극들 및 상기 히터 전극들에 연결되는 히터 패드들을 포함하고, 상기 히터 전극들 및 상기 히터 패드들은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이룬다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 센서 어레이 모듈은, 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상부에 적층되는 구동 회로 칩 및 상기 구동 회로 칩의 상부에 배열되어 적층되는 가스 센서들을 포함한다.
상기 복수의 가스 센서들의 각각의 가스 센서는, 압전체 기판, 상기 압전체 기판의 상부 표면의 전극 영역에 형성되고, 상기 전극 영역의 제1 수평 방향으로의 중심 영역에 상기 제1 수평 방향으로 전파되는 표면 탄성파를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함하는 공진기, 상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 중심 영역에 형성되고, 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함하는 센싱 필름 및 상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 전극 영역을 둘러싸는 외곽 영역에 형성되고, 상기 센싱 필름을 가열하기 위한 히터 전극들 및 상기 히터 전극들에 연결되는 히터 패드들을 포함하고, 상기 히터 전극들 및 상기 히터 패드들은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이루는 히터를 포함한다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치는, 가스 출입 구멍을 포함하는 하우징 케이스, 상기 가스 출입 구멍을 통하여 외부에 개방되는 상기 하우징 케이스의 제1 내부 공간에 실장되고 하나 이상의 가스 센서들을 포함하는 센서 어레이 모듈, 상기 하우징 케이스의 제2 내부 공간에 실장되는 메인 보드, 상기 센서 어레이 모듈 및 상기 메인 보드를 전기적으로 연결하는 커넥터 및 상기 제1 내부 공간 및 상기 제2 내부 공간을 폐색하는 격벽을 포함한다. 상기 가스 센서들의 각각의 가스 센서는, 상기 압전체 기판, 상기 공진기, 상기 센싱 필름 및 상기 히터를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서는 압전체 기판의 상부 표면에 공진기와 함께 형성되는 대칭 구조의 히터를 포함하여 가스 센서의 사이즈를 증가시키지 않으면서 센싱 물질을 효율적으로 가열할 수 있다. 센싱 물질의 국부적인 가열에 의해 낮은 소모 전력으로 가스 센서의 열화를 효율적으로 방지하고 가스 센서 및 이를 포함하는 장치 및 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 수직 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터의 대칭 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 공진기의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 6은 가스 센서의 주파수 천이를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 8a는 도 7의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 8b는 도 8a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 10a는 도 9의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 10b는 도 10a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 11a는 도 9의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 11b는 도 11a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 13, 14 및 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도들이다.
도 16 내지 21은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도들이다.
도 22a, 22b 및 22c는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 열화 및 리제너레이션을 나타내는 도면들이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센싱 장치를 나타내는 블록도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 센서 어레이 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 25는 도 24의 센서 어레이 모듈의 수직 구조를 나타내는 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치를 나타내는 사시도이고, 도 27은 도 26의 모바일 장치의 레이아웃의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 사물 인터넷(IoT) 네트워크 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 수직 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터의 대칭 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 공진기의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 6은 가스 센서의 주파수 천이를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 8a는 도 7의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 8b는 도 8a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 10a는 도 9의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 10b는 도 10a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 11a는 도 9의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 11b는 도 11a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 13, 14 및 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도들이다.
도 16 내지 21은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도들이다.
도 22a, 22b 및 22c는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 열화 및 리제너레이션을 나타내는 도면들이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센싱 장치를 나타내는 블록도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 센서 어레이 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 25는 도 24의 센서 어레이 모듈의 수직 구조를 나타내는 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치를 나타내는 사시도이고, 도 27은 도 26의 모바일 장치의 레이아웃의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 사물 인터넷(IoT) 네트워크 시스템을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서를 나타내는 평면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 수직 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 가스 센서(10)는 압전체 기판(PZSUB), 압전체 기판(PZSUB)의 상부 표면의 전극 영역(ELREG)에 형성되는 공진기, 압전체 기판(PZSUB)의 상부 표면의 중심 영역(CTREG)에 형성되는 센싱 필름(SF) 및 압전체 기판(PZSUB)의 상부 표면의 외곽 영역(EGREG)에 형성되는 히터(HTR)를 포함할 수 있다.
중심 영역(CTREG)은 전극 영역(ELREG)의 제1 수평 방향(X)으로의 가운데 부분에 해당한다. 중심 영역(CTREG)은 전극 영역(ELREG)에 포함될 수도 있고, 중심 영역(CTREG)을 제외한 나머지 부분이 전극 영역(ELREG)에 해당할 수도 있다. 도시의 편의상 도 1 및 2에는 상기 공진기가 생략되어 있으며, 상기 공진기의 실시예들은 도 4 및 5를 참조하여 후술한다. 한편, 도시의 편의상, 도 1에는 본 발명의 실시예들에 따른 히터(HTR)의 기본적인 구조가 도시되어 있으며, 도 2에는 히터(HRT)가 생략되어 있다. 히터(HTR)의 실시예들은 도 7 내지 21을 참조하여 후술한다.
도 4 및 5를 참조하여 후술하는 바와 같이, 전극 영역(ELREG)에 형성되는 상기 공진기는 중심 영역(CTREG)에 제1 수평 방향(X)으로 전파되는 표면 탄성파(SAW, surface acoustic wave)를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함한다.
압전체 기판(PZSUB)의 상부 표면에 형성되는 센싱 필름(SF)은 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함한다. 센싱 필름(SF)에 포함되는 물질은, 센싱하고자 하는 가스의 종류, 즉, 타겟 가스의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 센싱 필름(SF)의 수용체(receptor)는 다양한 종류의 물질들을 포함할 수 있고, 상기 공진기의 공진 주파수는 센싱 필름(SF)이 센싱하는 가스의 종류 또는 가스의 농도에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 센싱 필름(SF)은 폴리머(polymer)로 구현될 수 있다.
압전체 기판(PZSUB)의 상부 표면의 외곽 영역(EGREG)에 형성되는 히터(HTR)는 센싱 필름(SF)을 가열하기 위한 히터 전극들(HE1~HE4) 및 히터 전극들(HE1~HE4)에 연결되는 히터 패드들(PHT1, PHT2)을 포함할 수 있다.
상기 공진기 및 히터(HTR)는 압전체 기판(PZSUB)의 상부 표면 위의 동일한 도전층(CLY)에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 공진기 및 히터(HTR)는 패터닝 공정의 적어도 일부를 공유할 수 있고 히터(HTR)의 형성과 관련된 제조 비용을 최소화할 수 있다. 히터(HTR)는 필요한 발열량에 기초하여 적절한 도전율 또는 저항비를 갖는 금속과 같은 도전성 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 센서(10)의 와이어 본딩 패드와 동일한 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 센서(10)에 형성되는 히터(HTR)는 히터 전극들(HE1~HE4) 및 히터 패드들(PHT1, PHT2)은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이루는 기본적인 구조를 갖는다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서(10)에 형성되는 히터(HTR)는 중심 영역(CTREG)을 지나고 제1 수평 방향(X)과 평행한 제1 중심선(CLX)에 대하여 대칭을 이루고, 중심 영역(CTREG)을 지나고 제1 수평 방향(X)과 수직한 제2 수평 방향(Y)과 평행한 제2 중심선(CLY)에 대하여 대칭을 이룬다.
도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, 이러한 폐쇄 도전 루프 구조 및 대칭 구조를 통하여, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서(10)에 포함되는 히터(HTR)는 중심 영역(CTREG)에 배치되는 센싱 필름(SF)을 효율적으로 가열할 수 있다.
일 실시예에서, 도 7 내지 21을 참조하여 후술하는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서(10)에 포함되는 히터(HTR)는 복수의 지그재그 패턴들을 포함할 수 있다. 이러한 지그재그 패턴을 이용하여 가스 센서의 사이즈를 증가시키지 않으면서 단위면적당 발열량을 증가시킬 수 있다. 실시예에 따라서, 각각의 지그재그 패턴은 서로 다른 단위면적당 발열량들을 발생하는 메인 지그재그 패턴 및 서브 지그재그 패턴을 포함할 수 있다. 단위면적당 발열량이 큰 메인 지그재그 패턴을 중심 영역(CTREG)에 가깝게 배치함으로써 히터(HTR)에 의해 발생되는 열을 센싱 필름(SF)에 집중시켜 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터의 대칭 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 왼쪽에는 본 발명의 실시예들에 따른 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)의 구조를 갖는 히터(HTR)가 도시되어 있고, 오른쪽에는 개방 도전 루프(open conduction loop)의 구조를 갖는 히터(HTR')가 도시되어 있다.
일정한 단면을 갖는 저항체의 저항은 수학식 1과 같고, Joule의 법칙에 따라서 단위시간당 저항(R)에서 열로 소비되는 전력(P)은 수학식 2와 같다.
[수학식 1]
R=L/(σ*S)
[수학식 2]
P=I2*R
수학식 1에서 R은 저항체의 저항 또는 저항값을 나타내고, L은 저항체의 길이를 나타내고, S는 저항체의 단면적을 나타내고, σ는 저항체의 도전율(conductivity)을 나타낸다. 수학식 2에서 P는 전력을 나타내고, I는 저항체를 통하여 흐르는 전류를 나타낸다.
본 발명의 실시예들에 따른 폐쇄 루프 구조 및 대칭 구조를 갖는 히터(HTR)의 제1 히터 패드(PHT1)에 전원 전압(VDD)을 인가하고 제2 히터 패드(PHT2)에 접지 전압(VSS)을 인가하는 경우 시계 방향 및 반시계 방향으로 동일한 전류(It)가 각각 흐르게 된다. 히터(HTR)의 제1 히터 패드(PHT1)부터 제2 히터 패드(PHT2)까지의 2개의 도전 경로들의 각 저항을 R이라 하면 히터(HTR)의 전력(P1)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
P=I2*R+I2*R= 2*I2*R
반면에, 개방 루프 구조의 히터(HTR')는 제1 히터 패드(PHT1)부터 제2 히터 패드(PHT2)까지의 1개의 도전 경로의 저항은 2*R이 되므로 개방 도전 루프 구조를 갖는 히터(HTR')의 전류(It')는 폐쇄 도전 루프 구조를 갖는 히터(HTR)의 전류(It)의 절반이 된다. 따라서, 히터(HTR)의 전력(P2)은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
P2=(I/2)2*(2*R)= (1/2)*I2*R=P1/4
결과적으로 동일한 히팅 전압들(VDD, VSS)을 사용하는 경우, 본 발명의 실시예들에 따라서 폐쇄 도전 루프 구조를 갖는 히터(HTR)는 개방 도전 루프 구조를 갖는 히터(HTR')와 비교하여 4배의 발열량을 발생할 수 있고 효율적으로 센싱 필름(SF)을 가열할 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 공진기의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 공진기들(RSN1, RSN2)의 각각은 IDT 전극들(ELIDT1, ELIDT2) 및 IDT 패드들(PEL1~PEL2)을 포함할 수 있다.
IDT 전극들(ELIDT1, ELIDT2)의 각각은 도 4에 도시된 바와 같이 서로 인터락킹된(interlocked) 빗살 형태의(comb-shaped) 전극들로 이루어진다. 이러한 전극들은 석영 등과 같은 압전체 기판의 표면에 증착되어 주기적인 구조를 형성한다. IDT 패드들(PEL1~PEL2)의 적어도 하나를 통하여 입력 신호 또는 입력 전압은 압전 효과를 통하여 주기적으로 분포되는 기계력(mechanical force)를 발생함으로써 압전체 기판의 상부 표면 또는 상부 영역에 제1 수평 방향(X)으로 전파되는 표면 탄성파(SAW, surface acoustic wave)로 변환될 수 있다. 이러한 표면 탄성파는 동일한 원리가 적용되어 IDT 패드들(PEL1~PEL2)의 적어도 다른 하나를 통하여 제공되는 출력 신호 또는 전압으로 변환될 수 있다.
표면 탄성파의 주파수는 압전체 기판의 표면에 증착되는 물질의 질량에 의해 영향을 받으며 이러한 영향은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Δf = k* (Δm*fo2)/A
수학식 5에서 Δf는 주파수 천이(frequency shift)를 나타내고, k는 가스 센서에 따라 결정되는 상수를 나타내고, A는 표면 탄성파가 전파되는 표면의 면적을 나타내고, Δm 는 상기 표면의 면적을 나타내고, fo는 공진기의 공진 주파수를 나타낸다.
중심 영역(CTREG)에 배치되는 센싱 필름(SF)의 센싱 물질과 결합하는 타겟 가스가 증가할수록 주파수 천이가 증가한다. 따라서 이러한 주파수 천이를 측정함으로써 타겟 가스의 농도가 검출될 수 있다.
일 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제2 중심선(CLY)을 따라 중심 영역(CTREG)의 양쪽 측면들에 각각 인접하는 제1 패드 영역(PDREG11) 및 제2 패드 영역(PDREG12)에 배치될 수 있다. 이 경우, 전극 영역(ELREG1)은 압전체 기판의 상부 평면과 수직한 수직 방향(Z)에서 볼 때 십자(cross) 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제1 중심선(CLX)을 따라 중심 영역(CTREG)의 양쪽 단부 영역들에 해당하는 제1 패드 영역(PDREG21) 및 제2 패드 영역(PDREG22)에 배치될 수 있다. 이 경우, 전극 영역(ELREG2)은 수직 방향(Z)에서 볼 때 제1 방향(X)으로 길게 신장되는 막대(rod) 형상을 가질 수 있다.
도 5 및 6을 참조하여, SAW 공진기의 예들을 설명하였으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터는 전극 영역의 다양한 형태에 따라서 적응적으로 변형될 수 있다.
도 6은 가스 센서의 주파수 천이를 나타내는 도면이다.
도 6에서, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 탄성 임피던스(acoustic impedance)를 나타낸다. 제1 그래프(41)는 센싱 필름(SF)에 타겟 가스 분자가 감지되지 않은 경우, 가스 센서의 공진 주파수를 나타내고, 제2 그래프(41)는 센싱 필름(SF)에 타겟 가스 분자가 센싱된 경우, 가스 센서(SF)의 공진 주파수를 나타낸다. 이와 같이, 센싱 필름(SF)에 타겟 가스 분자가 감지되면, 가스 센서의 공진 주파수는 변화되고, 이에 따라, SAW 공진기로부터의 출력 신호의 주파수도 변화된다. 따라서, 공진기의 출력 신호의 주파수를 검출함으로써 타겟 가스 및/또는 타겟 가수의 농도를 센싱 또는 측정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 7에는 도 4의 십자 형상을 갖는 전극 영역(ELREG1)에 상응하는 히터의 실시예가 도시되어 있다. 즉, 공진기의 IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제2 중심선(CLY)을 따라 중심 영역(CTREG)의 양쪽 측면들에 각각 인접하는 제1 패드 영역(PDREG11) 및 제2 패드 영역(PDREG12)에 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 히터(HTR1)는 히터 전극들에 상응하는 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1~ZZP4), 제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)를 포함할 수 있다.
제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)는 제2 중심선(CLY)을 따라 제1 패드 영역(PDREG11)의 측면 및 제2 패드 영역(PDREG12)의 측면에 각각 인접하여 배치된다.
제1 지그재그 패턴(ZZP1) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP2)은 제1 수평 방향(X)으로 제1 패드 영역(PDREG11)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다. 제3 지그재그 패턴(ZZP3) 및 제4 지그재그 패턴(ZZP4)은 제1 수평 방향(X)으로 제2 패드 영역(PDREG12)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다. 제1 지그재그 패턴(ZZP1) 및 제3 지그재그 패턴(ZZP3)은 제1 연결 도전 라인(CONL1)을 통하여 연결되고, 제2 지그재그 패턴(ZZP2) 및 제4 지그재그 패턴(ZZP4)은 제2 연결 도전 라인(CONL2)을 통하여 연결될 수 있다.
이와 같이, 히터(HTR1)에 포함되는 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1~ZZP4), 제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)는 하나의 폐쇄 도전 루프를 형성하고, 제1 중심선(CLX) 및 제2 중심선(CLY)의 각각에 대하여 대칭을 이룬다.
도 8a는 도 7의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 8b는 도 8a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 8a 및 8b는 예시적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP1)만을 도시하고 있다. 제2 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP2, ZZP3, ZZP4)의 구조는 실질적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP1)과 실질적으로 동일하고 히터(HTR1)의 대칭 구조를 통하여 이해할 수 있으므로 도시 및 설명을 생략한다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 제1 지그재그 패턴(ZZP1)은 복수의 열 도전 라인들(LNC), 복수의 제1 행 도전 라인들(LNR1) 및 복수의 제2 행 도전 라인들(LNR2)을 포함한다.
열 도전 라인들(LNC)은 제1 수평 방향(X)과 수직한 제2 수평 방향(Y)으로 길게 신장되고 제1 수평 방향(X)으로 배열된다. 제1 행 도전 라인들(LNR1)은 인접하는 열 도전 라인들(LNC)의 제1 단부들(E1)을 연결하고 제2 행 도전 라인들(LNR2)은 인접하는 열 도전 라인들(LNC)의 제2 단부들(E2)을 연결한다.
지그재그 패턴을 형성하도록, 각각의 열 도전 라인 및 상기 각각의 열 도전 라인과 인접하는 하나의 열 도전 라인의 제1 단부들(E1)은 하나의 제1 행 도전 라인(LNR1)을 통하여 연결되고, 상기 각각의 열 도전 라인 및 상기 각각의 열 도전 라인과 인접하는 다른 하나의 열 도전 라인의 제2 단부들(E2)은 하나의 제2 행 도전 라인(LNR2)을 통하여 연결된다.
예를 들어, 제1 수평 방향(X)으로 순차적으로 인접하여 배열되는 3개의 열 도전 라인들(21, 22, 23)예 대하여 살펴보면, 열 도전 라인(22) 및 열 도전 라인(22)과 오른쪽으로 인접하는 하나의 열 도전 라인(23)의 제1 단부들(E1)은 하나의 제1 행 도전 라인(LNR1)을 통하여 연결되고, 열 도전 라인(22) 및 열 도전 라인(22)과 왼쪽으로 인접하는 다른 하나의 열 도전 라인(21)의 제2 단부들(E2)은 하나의 제2 행 도전 라인(LNR2)을 통하여 연결된다.
이와 같은, 지그재그 패턴들을 통하여 면적 대비 히터의 발열량을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 제1 방향(X)으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들 사이의 제1 방향(X)으로의 라인 피치(line pitch)(LPT)는, 제1 지그재그 패턴(ZZP1)에 포함되는 모든 열 도전 라인들에 대하여 균일할 수 있다. 결과적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP1)은 균일한 단위면적당 발열량을 발생할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다.
도 9에는 도 2의 십자 형상을 갖는 전극 영역(ELREG1)에 상응하는 히터의 실시예가 도시되어 있다. 즉, 공진기의 IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제2 중심선(CLY)을 따라 중심 영역(CTREG)의 양쪽 측면들에 각각 인접하는 제1 패드 영역(PDREG11) 및 제2 패드 영역(PDREG12)에 배치될 수 있다.
도 9를 참조하면, 히터(HTR2)는 히터 전극들에 상응하는 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1a~ZZP4a), 제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)를 포함할 수 있다.
제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)는 제2 중심선(CLY)을 따라 제1 패드 영역(PDREG11)의 측면 및 제2 패드 영역(PDREG12)의 측면에 각각 인접하여 배치된다.
제1 지그재그 패턴(ZZP1a) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP2a)은 제1 수평 방향(X)으로 제1 패드 영역(PDREG11)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다. 제3 지그재그 패턴(ZZP3a) 및 제4 지그재그 패턴(ZZP4a)은 제1 수평 방향(X)으로 제2 패드 영역(PDREG12)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다.
이와 같이, 히터(HTR1)에 포함되는 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1a~ZZP4a), 제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)는 하나의 폐쇄 도전 루프를 형성하고, 제1 중심선(CLX) 및 제2 중심선(CLY)의 각각에 대하여 대칭을 이룬다.
한편, 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1a~ZZP4a)의 각각은 메인 지그재그 패턴(ZZM) 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)을 포함할 수 있다.
메인 지그재그 패턴(ZZM)은 중심 영역(CTREG)에 인접하여 배치되고 제1 단위 면적당 발열량을 발생한다. 서브 지그재그 패턴(ZZS)은 중심 영역(CTREG)으로부터 메인 지그재그 패턴(ZZM)보다 먼 위치에 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량보다 작은 제2 단위 면적당 발열량을 발생한다.
일 실시예에서, 메인 지그재그 패턴(ZZM) 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)의 서로 다른 단위면적당 발열량들은 도 10a 내지 11b를 참조하여 설명하는 바와 같이 메인 지그재그 패턴(ZZM)에 포함되는 열 도전 라인들의 라인 피치 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)에 포함되는 열 도전 라인들의 라인 피치를 서로 다르게 함으로써 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 메인 지그재그 패턴(ZZM) 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)의 서로 다른 단위면적당 발열량들은 도 11a 및 11b를 참조하여 설명하는 바와 같이 메인 지그재그 패턴(ZZM)에 포함되는 열 도전 라인들의 라인 폭 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)에 포함되는 열 도전 라인들의 라인 톡을 서로 다르게 함으로써 구현될 수 있다.
이와 같이, 센싱 필름(SF)이 배치되는 중심 영역(CTREG)에 가깝게 배치되는 메인 지그재그 패턴(ZZM)의 제1 단위 면적당 발열량을 중심 영역(CTREG)에서 더 멀게 배치되는 서브 지그재그 패턴(ZZS)의 제2 단위면적당 발열량보다 크게 설정함으로써 중심 영역(CTREG)에 배치되는 센싱 필름(SF)을 집중적 또는 국부적으로 가열할 수 있고 가스 센서의 소모 전력을 감소할 수 있다.
도 10a는 도 9의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 10b는 도 10a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 10a 및 10b는 예시적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP1a)만을 도시하고 있다. 제2 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP2a, ZZP3a, ZZP4a)의 구조는 실질적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP1a)과 실질적으로 동일하고 히터(HTR2)의 대칭 구조를 통하여 이해할 수 있으므로 도시 및 설명을 생략한다.
도 10a 및 10b를 참조하면, 제1 지그재그 패턴(ZZP1a)은 메인 지그재그 패턴(ZZM) 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)을 포함할 수 있다. 메인 지그재그 패턴(ZZM) 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)의 구조는 도 8a 및 8b를 참조하여 설명한 바와 같으므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 메인 지그재그 패턴(ZZM)에 포함되는 제1 방향(X)으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들(LNC) 사이의 제1 방향(X)으로의 제1 라인 피치(LPT1)는 서브 지그재그 패턴(ZZS)에 포함되는 제1 방향(X)으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들(LNC') 사이의 제1 방향(X)으로의 제2 라인 피치(LPT2)보다 작을 수 있다.
메인 지그재그 패턴(ZZM)에 포함되는 각각의 열 도전 라인(LNC)의 제1 방향(X)으로의 제1 라인 폭(line width)(LW1)은 서브 지그재그 패턴(ZZS)에 포함되는 각각의 열 도전 라인(LNC')의 제1 방향(X)으로의 제2 라인 폭(LW2)과 동일할 수 있다.
서브 지그재그 패턴(ZZS)에 포함되는 행 도전 라인들(LNR1', LNR2')의 제1 수평 방향(X)으로의 각각의 길이는 라인 피치의 증가에 상응하여 메인 지그재그 패턴(ZZM)에 포함되는 행 도전 라인들(LNR1, LNR2)의 제1 수평 방향(X)으로의 각각의 길이보다 증가한다.
라인 피치가 증가할수록, 전류가 흐르는 도전 라인의 단위면적당 길이는 감소하고, 수학식 1에 따라서 단위면적당 저항이 감소한다. 또한, 수학식 2에 따라서 라인 피치를 증가할수록 단위면적당 발열량이 감소한다. 결과적으로 상대적으로 작은 제1 라인 피치(LNP1)를 갖는 메인 지그재그 패턴(ZZM)의 제1 단위면적당 발열량은 상대적으로 큰 제2 라인 피치(LNP2)를 갖는 서브 지그재그 패턴(ZZS)의 제2 단위면적당 발열량보다 크다.
이와 같이, 상대적으로 큰 제1 단위면적당 발열량을 발생하는 메인 지그재그 패턴(ZZM)을 중심 영역(CTREG)에 더 가깝게 배치하고 상대적으로 작은 제2 단위면적당 발열량을 발생하는 서브 지그재그 패턴(ZZS)을 중심 영역(CTREG)에 더 멀게 배치함으로써 중심 영역(CTREG)에 배치되는 센싱 필름(SF)을 집중적 또는 국부적으로 가열할 수 있고 가스 센서의 소모 전력을 감소할 수 있다.
도 11a는 도 9의 히터에 포함되는 지그재그 패턴의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 11b는 도 11a의 지그재그 패턴의 수직구조를 나타내는 단면도이다.
도 11a 및 11b는 예시적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP1a')만을 도시하고 있다. 이하, 도 10a 및 10b와 중복되는 설명을 생략한다.
도 11a 및 11b에 도시된 바와 같이, 메인 지그재그 패턴(ZZM')에 포함되는 각각의 열 도전 라인(LNC)의 제1 방향(X)으로의 제1 라인 폭(LW1)은 서브 지그재그 패턴(ZZS')에 포함되는 각각의 열 도전 라인(LNC')의 제1 방향(X)으로의 제2 라인 폭(LW2)보다 작을 수 있다. 이와 같이, 라인 피치의 증가와 함께 라인 폭을 증가시킴으로써 서브 지그재그 패턴(ZZS')의 단위면적당 발열량을 더욱 감소할 수 있다.
라인 폭이 증가할수록, 전류가 통과하는 도전 라인의 단면적이 증가하고, 수학식 1에 따라서 단위면적당 저항이 감소한다. 또한, 수학식 2에 따라서 라인 폭을 증가할수록 단위면적당 발열량이 감소한다. 결과적으로 상대적으로 큰 제2 라인 폭(LW2')을 갖는 도 11a 및 11b의 서브 지그재그 패턴(ZZS')의 단위면적당 발열량은 상대적으로 작은 제2 라인 폭(LW2)을 갖는 도 10a 및 10b의 서브 지그재그 패턴(ZZSa)의 단위면적당 발열량보다 더욱 감소한다.
도 10a 내지 11b를 참조하여 설명한 바와 같이, 지그재그 패턴의 라인 피치 및/또는 라인 폭을 조절하여 상기 지그재그 패턴의 단위면적당 발열량을 조절할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도이다. 이하, 도 7 내지 11b와 중복되는 설명을 생략한다.
도 12를 참조하면, 히터(HTR3)는 히터 전극들에 상응하는 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1b~ZZP4b), 제1 히터 패드(PHT1) 및 제2 히터 패드(PHT2)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 지그재그 패턴들(ZZP1b~ZZP4b)의 각각은 메인 지그재그 패턴(ZZM) 및 서브 지그재그 패턴(ZZS)을 포함할 수 있다.
도 9의 히터(HTR2)에 포함되는 서브 지그재그 패턴(ZZS)과 비교하여, 도 12의 히터(HTR3)에 포함되는 서브 지그재그 패턴(ZZS)은 지그재그 패턴을 포함하지 않고, 제1 방향(X)으로 길게 연장된 하나의 행 도전 라인을 포함한다. 따라서, 도 12의 서브 지그재그 패턴(ZZS)은 도 9의 서브 지그재그 패턴(ZZS)보다 현저하게 감소된 단위면적당 발열량을 발생할 수 있다.
도 13, 14 및 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도들이다.
도 13, 14 및 15에는 도 2의 십자 형상을 갖는 전극 영역(ELREG1)에 상응하는 히터의 실시예가 도시되어 있다. 즉, 공진기의 IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제2 중심선(CLY)을 따라 중심 영역(CTREG)의 양쪽 측면들에 각각 인접하는 제1 패드 영역(PDREG11) 및 제2 패드 영역(PDREG12)에 배치될 수 있다.
도 13, 14 및 15의 히터들(HTR4, HTR5, HTR6)은, 히터 패드들의 위치를 제외하고는 각각 도 7, 9, 12의 히터들(HTR1, HTR2, HTR3)과 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 13, 14 및 15를 참조하면, 제1 히터 패드(PHT3) 및 제2 히터 패드(PHT4)는 제1 중심선(CLX)을 따라 전극 영역(ELREG)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치될 수 있다. 이 경우 제1 지그재그 패턴들(ZZP1, ZZP1a, ZZP1b)의 각각 및 제2 지그재그 패턴들(ZZP2, ZZP2a, ZZP2b)의 각각은 하나의 연결 도전 라인(CONL3)을 통하여 연결될 수 있고, 제3 지그재그 패턴들(ZZP3, ZZP3a, ZZP3b)의 각각 및 제4 지그재그 패턴들(ZZP4, ZZP4a, ZZP4b)의 각각은 다른 하나의 연결 도전 라인(CONL4)을 통하여 연결될 수 있다.
히터들(HTR4, HTR5, HTR6)은 모두 전술한 바와 같은 폐쇄 도전 루프 구조 및 대칭 구조를 가짐으로써 가스 센서의 사이즈를 증가시키지 않으면서 센싱 물질을 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 히터들(HTR4, HTR5, HTR6)은 지그재그 패턴들을 포함하여 단위면적당 발열량을 효율적으로 증가하고 지그재그 패턴들의 라인 피치 및/또는 라인 폭을 조절하여 센싱 필름(SF)을 효율적으로 가열함으로써 소모 전력을 감소할 수 있다.
도 16 내지 21은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서에 포함되는 히터를 나타내는 평면도들이다.
도 16에는 도 5의 막대 형상을 갖는 전극 영역(ELREG2)에 상응하는 히터의 실시예가 도시되어 있다. 즉, 공진기의 IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제1 중심선(CLX)을 따라 전극 영역(ELREG)의 양쪽 단부 영역들에 해당하는 제1 패드 영역(PDREG21) 및 제2 패드 영역(PDREG22)에 배치될 수 있다.
도 16을 참조하면, 히터(HTR7)는 히터 전극들에 상응하는 제1 지그재그 패턴(ZZP21)과 제2 지그재그 패턴(ZZP22), 제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)를 포함할 수 있다.
제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)는 제1 중심선(CLX)을 따라 전극 영역(ELREG2)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다.
제1 지그재그 패턴(ZZP1) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP2)은 제2 수평 방향(X)으로 전극 영역(ELREG2)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다.
이와 같이, 히터(HTR7)에 포함되는 제1 지그재그 패턴(ZZP21), 제2 지그재그 패턴(ZZP22), 제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)는 하나의 폐쇄 도전 루프를 형성하고, 제1 중심선(CLX) 및 제2 중심선(CLY)의 각각에 대하여 대칭을 이룬다.
도 8a 및 8b를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 방향(X)으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들 사이의 제1 방향(X)으로의 라인 피치는, 제1 지그재그 패턴(ZZP21) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP22)에 포함되는 모든 열 도전 라인들에 대하여 균일할 수 있다. 결과적으로 제1 지그재그 패턴(ZZP21) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP22)은 균일한 단위면적당 발열량을 발생할 수 있다.
도 16과 유사하게 도 17에는 도 5의 막대 형상을 갖는 전극 영역(ELREG2)에 상응하는 히터의 실시예가 도시되어 있다. 즉, 공진기의 IDT 패드들(PEL1~PEL4)은, 제1 중심선(CLX)을 따라 전극 영역(ELREG)의 양쪽 단부 영역들에 해당하는 제1 패드 영역(PDREG21) 및 제2 패드 영역(PDREG22)에 배치될 수 있다.
도 17을 참조하면, 히터(HTR8)는 히터 전극들에 상응하는 제1 지그재그 패턴(ZZP21)과 제2 지그재그 패턴(ZZP22), 제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)를 포함할 수 있다.
제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)는 제1 중심선(CLX)을 따라 전극 영역(ELREG2)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다.
제1 지그재그 패턴(ZZP21) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP22)은 제2 수평 방향(X)으로 전극 영역(ELREG2)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치된다.
이와 같이, 히터(HTR7)에 포함되는 제1 지그재그 패턴(ZZP21), 제2 지그재그 패턴(ZZP22), 제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)는 하나의 폐쇄 도전 루프를 형성하고, 제1 중심선(CLX) 및 제2 중심선(CLY)의 각각에 대하여 대칭을 이룬다.
한편, 제1 지그재그 패턴(ZZP21)은, 제1 메인 지그재그 패턴(ZZM1), 제1 서브 지그재그 패턴(ZZS1) 및 제2 서브 지그재그 패턴(ZZS2)를 포함할 수 있다. 제1 메인 지그재그 패턴(ZZM1)은 제2 수평 방향(Y)으로 중심 영역(CTREG)에 인접하여 배치되고 제1 단위 면적당 발열량을 발생한다. 제1 서브 지그재그 패턴(ZZS1) 및 제2 서브 지그재그 패턴(ZZS2)은 제1 수평 방향(X)으로 제1 메인 지그재그 패턴(ZZM1)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량보다 작은 제2 단위 면적당 발열량을 발생한다.
한편, 제2 지그재그 패턴(ZZP22)은, 제2 메인 지그재그 패턴(ZZM2), 제3 서브 지그재그 패턴(ZZS3) 및 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS4)를 포함할 수 있다. 제2 메인 지그재그 패턴(ZZM2)은 제2 수평 방향(Y)으로 중심 영역(CTREG)에 인접하여 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량을 발생한다. 제3 서브 지그재그 패턴(ZZS3) 및 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS4)은 제1 수평 방향(X)으로 제2 메인 지그재그 패턴(ZZM2)의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되고 상기 제2 단위 면적당 발열량을 발생한다.
도 10a 내지 10b를 참조하여 설명한 바와 같이, 라인 피치 및/또는 라인 폭을 조절하여 제1 및 제2 메인 지그재그 패턴들(ZZM1, ZZM2)의 제1 단위면적당 발열량은 제1 내지 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS1~ZZS4)의 제2 단위면적당 발열량보다 클 수 있다. 이와 같이, 상대적으로 큰 제1 단위면적당 발열량을 발생하는 1 및 제2 메인 지그재그 패턴들(ZZM1, ZZM2)을 중심 영역(CTREG)에 더 가깝게 배치하고 상대적으로 작은 제2 단위면적당 발열량을 발생하는 제1 내지 제4 서브 지그재그 패턴들(ZZS1~ZZS4)을 중심 영역(CTREG)에 더 멀게 배치함으로써 중심 영역(CTREG)에 배치되는 센싱 필름(SF)을 집중적 또는 국부적으로 가열할 수 있고 가스 센서의 소모 전력을 감소할 수 있다.
도 17의 히터(HTR8)에 포함되는 제1 내지 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS1~ZZS4)과 비교하여, 도 18의 히터(HTR9)에 포함되는 1 내지 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS1~ZZS4)은 지그재그 패턴을 포함하지 않고, 제1 방향(X)으로 길게 연장된 하나의 행 도전 라인을 포함한다. 따라서, 도 18의 1 내지 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS1~ZZS4)은 도 17의 1 내지 제4 서브 지그재그 패턴(ZZS1~ZZS4)보다 현저하게 감소된 단위면적당 발열량을 발생할 수 있다.
도 19, 20 및 21의 히터들(HTR10, HTR11, HTR12)은, 히터 패드들의 위치를 제외하고는 각각 도 16, 17, 18의 히터들(HTR7, HTR8, HTR9)과 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 19, 20 및 21을 참조하면, 제1 히터 패드(PHT5) 및 제2 히터 패드(PHT6)는 제2 중심선(CLX)을 따라 제1 지그재그 패턴(ZZP21)의 측면 및 제2 지그재그 패턴(ZZP22)의 측면에 각각 인접하여 배치될 수 있다. 이 경우 제1 지그재그 패턴(ZZP21) 및 제2 지그재그 패턴(ZZP22)의 양쪽 단부들은 2개의 도전 라인들(CONL5, CONL6)을 통하여 연결될 수 있다.
히터들(HTR10, HTR11, HTR12)은 모두 전술한 바와 같은 폐쇄 도전 루프 구조 및 대칭 구조를 가짐으로써 가스 센서의 사이즈를 증가시키지 않으면서 센싱 물질을 효율적으로 가열할 수 있다. 또한, 히터들(HTR10, HTR11, HTR12)은 지그재그 패턴들을 포함하여 단위면적당 발열량을 효율적으로 증가하고 지그재그 패턴들의 라인 피치 및/또는 라인 폭을 조절하여 센싱 필름(SF)을 효율적으로 가열함으로써 소모 전력을 감소할 수 있다.
도 22a, 22b 및 22c는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 열화 및 리제너레이션을 나타내는 도면들이다.
센싱 물질과 타겟 가스의 화학 반응을 센싱 원리로 사용하는 가스 센서의 특성 상, 센싱 물질은 외부에 노출되게 된다. 특히 상온에서 동작하는 공진형 가스 센서의 경우, 수분 등 환경의 영향을 받아 가스 센서의 열화가 발생하게 된다.
특히, 표면 탄성파(SAW, surface acoustic wave)를 이용한 상온 동작 공진형 가스 센서의 경우, 수분 등 환경의 영향으로 센서의 공진 주파수 값의 변화가 발생하게 된다.
가스 센서의 신뢰성 평가 항목 중 반복성은 동일 가스 센서가 동일 조건에서 동일한 반응을 반복적으로 나타내는지 평가하는 항목이다. 모든 가스 센서는 온도, 습도 등 다양한 환경의 영향을 받기 때문에 시간이 지남에 따라 열화가 발생하고 반복성이 저하된다.
도 22a는 노출 환경에 따른 가스 센서의 가스 반응성 열화를 나타내는 도면이다. 하나의 샘플은 dry N2 분위기, 다른 하나는 wet N2 분위기에서 에이징(aging)한 2개의 샘플을 각각 1, 5, 14일 방치한 후, 동일 농도의 톨루엔(toluene)에 반응시킨 결과, Dry N2 분위기에서 에이징한 샘플의 경우, 반응량이 120에서 110 Hz 으로 감소 하였으나, wet N2 분위기에서 에이징한 샘플의 경우, 105에서 70 Hz로 반응량 감소량이 약 3배 증가한 것으로 나타났다. 이는 Wet N2 분위기에서 수분에 의한 센싱 물질의 수화(hydration) 때문인 것으로 예상된다. 이러한 경우, 센싱 필름 표면에 소수성(hydrophobic) 레이어를 추가로 코팅하는 방법을 사용할 수 있으나, 수분만을 선택적으로 막기 어렵고, 타겟 가스의 감도도 같이 떨어질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 주기적으로 또는 비주기적으로 센싱 물질을 가열하여 표면의 수분을 제거하고, 가스 반응량을 리제너레이션(regeneration)시킬 수 있다. 수화의 경우는 가역적인 화학적 열화이므로 열화의 원인을 제거해 줌으로써 열화를 막을 수 있다.
도 22b는 센싱 물질을 수화에 의한 열화를 막기 위해 히팅에 따른 가스 반응량을 측정한 결과를 나타낸다. 히팅은 200℃에서 2분간 열판(hot plate) 위에서 진행하였다. T1은 제작 초기, T2는 첫번째 리제너레이션 후, T3는 7일간 상온에 방치 후, T4 두번째 리제너레이션 후의 시점들을 각각 나타낸다. 이와 같이 가스 반응량을 측정한 결과, 리제너레이션 후, 반응량이 회복되는 것을 알 수 있다.
도 22c는 주기적인 리제너레이션에 의해 가스 센서의 반복성이 개선되는 것을 보여준다. 일주일에 1회, 200℃에서 2분간 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 히터를 이용하여 샘플을 가열해준 결과, 한달 후에도 반응량이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
히터를 내장한 가스 센서의 구조는 다양하게 연구되고 있다. 일반적으로 패키지에 히터를 형성하는데, 이러한 경우에는 센싱 물질을 원하는 온도까지 가열하기 위해 센서 패키지 전체에 열을 가해야 하므로, 전력 소모가 클 뿐 아니라, 주변의 다른 소자의 신뢰성에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라서, 압전체 기판(PZSUB)의 표면에 멤스(MEMS) 히터를 내장하게 되면, 기존 소자의 사이즈를 유지하면서, 센싱 물질 만을 국부적으로 가열할 수 있으므로 전력 소모를 크게 단축시킬 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센싱 장치를 나타내는 블록도이다.
도 23을 참조하면, 가스 센싱 장치(60)는 온도 센서(110), 제1 가스 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정(drift compensation) 센서(160)를 포함할 수 있다. 여기서, 온도 센서(120), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)는 환경 센서들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 센싱 장치(60)는 다수의 가스 센서들 또는 다수의 환경 센서들을 더 포함할 수 있다.
가스 센싱 장치(60)는 온도 센서(110), 제1 가스 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)는 각각 SAW 센서로 구현될 수 있고, 구동 회로 칩(200) 상에 배치될 수 있다. 제1 가스 센서(120)는 제1 가스를 센싱할 수 있고, 제2 가스 센서(130)는 제2 가스를 센싱할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 가스 센서들(120, 130)은 서로 다른 웨이퍼들에 각각 형성될 수 있고, 이에 따라, 개별적인 반도체 다이들 또는 반도체 칩들로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 가스 센서들(120, 130)은 동일한 웨이퍼에 형성될 수 있고, 이에 따라, 단일 반도체 다이 또는 단일 반도체 칩으로 구현될 수 있다.
습도 센서(140)는 주변의 습도를 센싱함으로써, 습도 센싱 결과를 출력할 수 있다. 압력 센서(150)는 대기압을 센싱함으로써, 대기압 센싱 결과를 출력할 수 있다. 예를 들어, 압력 센서(150)는 기판과 SAW 장치의 사이에 밀폐형 캐비티를 가질 수 있고, 이로써, 대기압을 센싱할 수 있다. 드리프트 보정 센서(160)는 SAW 장치의 열화(degeration) 또는 노화(aging)를 센싱함으로써, 드리프트 센싱 결과를 출력할 수 있다. 예를 들어, 드리프트 보정 센서(160)는 센싱 필름이 코팅되지 않은 SAW 장치를 포함할 수 있다. 드리프트 센싱 결과를 이용하여 가스 센싱 결과에서 SAW 장치의 열화에 따른 영향을 제거할 수 있다.
구동 회로 칩(200)은 온도 센서(110), 제1 가스 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)에 각각 대응하는 제1 내지 제6 구동기들(210 내지 260)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제6 구동기들(210 내지 260)은 각각 제어 신호들(CT1~CT6)에 기초하여 센서들에 각각 포함되는 공진기 및 히터를 구동할 수 있다.
제1 구동기(210)는 온도 센서(110)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제1 센싱 신호(SS1)를 생성하며, 제2 구동기(220)는 제1 가스 센서(120)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제2 센싱 신호(SS2)를 생성하고, 제3 구동기(230)는 제2 가스 센서(130)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제3 센싱 신호(SS3)를 생성할 수 있다. 또한, 제4 구동기(240)는 습도 센서(140)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제4 센싱 신호(SS4)를 생성하고, 제5 구동기(250)는 압력 센서(150)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제5 센싱 신호(SS5)를 생성하고, 제6 구동기(260)는 드리프트 보정 센서(160)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제6 센싱 신호(SS6)를 생성할 수 있다.
또한, 구동 회로 칩(200)는 보정 회로(270)를 더 포함할 수 있고, 보정 회로(270)는 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제2 센싱 신호(SS2)를 보정함으로써, 제1 가스 센싱 신호(GSS1a)를 생성할 수 있다. 또한, 보정 회로(270)는 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제3 센싱 신호(SS3)를 보정함으로써, 제2 가스 센싱 신호(GSS2a)를 생성할 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 가스 센서들(110, 130)에서 센싱된 센싱 결과에서 온도, 습도, 대기압 및 드리프트에 의한 영향을 제거할 수 있으므로, 제1 및 제2 가스의 센싱 결과에 대한 정확도가 더욱 향상될 수 있다.
도 23에서는, 보정 회로(270)가 구동 회로 칩(200)에 포함되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예들에서, 보정 회로(270)는 어플리케이션 프로세서(AP) 또는 시스템 온 칩(SoC)에 포함될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 제1 내지 제6 센싱 신호들(SS1 내지 SS6)은 AP 또는 SoC에 제공될 수 있고, AP 또는 SoC가 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제2 센싱 신호(SS2) 및 제2 센싱 신호(SS3)를 보정할 수 있다.
이 때, 정밀한 보정을 위해서는 가스 센서들과 환경 센서들이 가능한 동일한 동작 조건 하에서 센싱 신호들을 발생하는 것이 요구된다.
본 발명의 실시예들에 따라서, 가스 센서들, 온도 센서 및 습도 센서의 각각은 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 동일한 구조의 히터를 포함할 수 있다. 상기 가스 센서들, 상기 온도 센서 및 상기 습도 센서에 각각 포함되는 상기 히터들을 동시에 구동하여 상기 습도 센서들, 상기 온도 센서 및 상기 습도 센서에 대한 동일한 온도 조건을 형성할 수 있고, 더욱 정밀한 보정을 수행할 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 센서 어레이 모듈을 나타내는 평면도이고, 도 25는 도 24의 센서 어레이 모듈의 수직 구조를 나타내는 단면도이다. 도 25는 도 24의 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 24 및 25를 참조하면, 가스 센싱 장치(60a)는 센서 어레이 모듈로서 구현될 수 있다. 센서 어레이 모듈(60a)은 베이스 기판(300), 기판(300)의 상부에 적층되는 구동 회로 칩(200a), 구동 회로 칩(200a)의 상부에 배열되어 적층되는 제1 센서 칩(CHIP1)(110a), 제2 센서 칩(CHIP2)(120a), 제3 센서 칩(CHIP3)(130a), 제4 센서 칩(CHIP4)(140a), 제5 센서 칩(CHIP5)(150a), 및 제6 센서 칩(CHIP6)(160a)을 포함할 수 있다.
제1 센서 칩(110a), 제2 센서 칩(120a), 제3 센서 칩(130a), 제4 센서 칩(140a), 제5 센서 칩(150a), 및 제6 센서 칩(160a)은 각각 도 23의 온도 센서(110), 제1 가스 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)의 일 구현 예에 대응할 수 있다.
온도 센서 칩(110a), 제1 가스 센서 칩(120a), 제2 가스 센서 칩(130a), 습도 센서 칩(140a), 압력 센서 칩(150a), 및 드리프트 보정 센서 칩(160a)은 서로 다른 웨이퍼들에 각각 형성될 수 있고, 이에 따라, 개별적인 반도체 다이들 또는 개별적인 반도체 칩들로 제조될 수 있다. 이때, 온도 센서 칩(110a), 제1 가스 센서 칩(120a), 제2 가스 센서 칩(130a), 습도 센서 칩(140a), 압력 센서 칩(150a), 및 드리프트 보정 센서 칩(160a)은 각각 전술한 바와 같은 SAW 공진기 및 히터를 포함할 수 있다.
온도 센서 칩(120a)은 SAW 공진기가 외부에 노출되지 않도록 밀폐된 구조를 가질 수 있다. 제1 가스 센서 칩(110a)은 압전체 기판 상에 코팅된 제1 센싱 필름(112)을 포함할 수 있고, 제1 센싱 필름(112)은 외부에 노출됨으로써 제1 가스를 센싱할 수 있다. 제2 가스 센서 칩(130a)은 압전체 기판 상에 코팅된 제2 센싱 필름(132)을 포함할 수 있고, 제2 센싱 필름(132)은 외부에 노출됨으로써 제2 가스를 센싱할 수 있다.
습도 센서 칩(140a)은 압전체 기판상에 코팅된 제3 센싱 필름(142)을 포함할 수 있고, 제3 센싱 필름(142)은 외부에 노출됨으로써 습도를 센싱할 수 있다. 압력 센서 칩(150a)은 압전체 기판 상에 코팅된 제4 센싱 필름(152) 및 밀폐형 캐비티를 포함함으로써 대기압을 센싱할 수 있다.
센서 칩들은 센서 칩들에 형성된 패드들, 구동 회로 칩들에 형성된 패드들 및 베이스 기판에 형성된 패드들(BP)을 본딩 와이어(BW) 등을 이용하여 연결함으로써 외부의 장치와 연결될 수 있다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치를 나타내는 사시도이고, 도 27은 도 26의 모바일 장치의 레이아웃의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 26 및 27을 참조하면, 모바일 장치(2000)는 하우징 케이스(HCS), 디스플레이 패널(DPNN), 카메라 모듈(CAM), 메인 보드(2010), 센서 어레이 모듈(2020), 배터리, 등을 포함할 수 있다. 하우징 케이스(HCS)는 상면이 개방되고, 디스플레이 패널(DPNN)은 하우징 케이스(HSC)의 상면을 폐색하도록 배치되어 이미지를 표시할 수 있다. 하우징 케이스(10)의 하부에는 USB, 헤드셋 및/또는 이어폰 단자(2040) 등이 형성될 수 있다.
또한, 하우징 케이스(10)의 하부에는 가스 출입 구멍(2050)이 형성될 수 있다. 센서 어레이 모듈(2020)은 가스 출입 구멍(2050)을 통하여 외부에 개방되는 하우징 케이스(HSC)의 제1 내부 공간에 실장되고 하나 이상의 가스 센서들을 포함할 수 있다. 하우징 케이스(HSC)의 제2 내부 공간에 실장되는 메인 보드(2010)는 커넥터(CNN2)를 통하여 센서 어레이 모듈(2020)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하우징 케이스(HSC)의 상기 제1 내부 공간 및 상기 제2 내부 공간은 격벽(2030)을 이용하여 서로 폐색될 수 있다. 센서 어레이 모듈(2020)은 전술한 바와 같이 폐쇄 도전 루프 구조를 갖는 히터를 포함하는 적어도 하나의 가스 센서를 포함할 수 있다.
메인 보드(2010), 카메라 모듈(CAM), 배터리는 하우징 케이스(HSC) 안에 장착될 수 있다. 카메라 모듈(CAM)은 커넥터(CNN1)를 통하여 메인 보드(2010)와 전기적으로 연결될 수 있다. 메인 보드(2010)에는 시스템 온 칩(SOC) 등의 다양한 구성 요소들이 집적될 수 있다.
도 28은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 27 및 28을 참조하면, 메인 보드(2010)에 실장되는 프로세서(예를 들어, SoC)는 모바일 장치(2000)의 동작 상태에 기초하여 히팅 제어 신호를 발생할 수 있다(S100)
상기 프로세서는 상기 히팅 제어 신호를 커넥터(CNN2)를 통하여 센서 어레이 모듈(2020)로 전송할 수 있다(S200).
센서 어레이 모듈(2020)은 상기 히팅 제어 신호에 기초하여 센서 어레이 모듈(2020)에 포함되는 가스 센서의 히터를 이용하여 상기 가스 센서의 센싱 필름을 가열함으로써 상기 가스 센서의 센싱 감도를 증가할 수 있다(S300).
실시예들에 따라서, 상기 프로세서는 다음과 같은 히터 구동 조건들을 설정하고, 상기 조건들 중 적어도 하나가 충족되었을 때 상기 히팅 제어 신호를 활성화할 수 있다.
1. 가스 센서의 감도가 기준 감도 이하로 감소한 경우
2. 가스 센서 구동 후 일정 시간이 지난 경우
3. 기준 시간 이상 모바일 장치를 사용하지 않은 경우
4. 새벽 시간과 같이 정해진 시간이 경우
5. 모바일 장치가 충전 중인 경우
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 사물 인터넷(IoT) 네트워크 시스템을 나타내는 도면이다.
도 29의 IoT 네트워크 시스템(3000)은 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서를 포함하는 엔티티를 포함할 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, IoT 네트워크 시스템(3000)은 복수의 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314)을 포함할 수 있다.
사물 인터넷(IoT, Internet of Things)은 유/무선 통신을 이용하는 사물 상호 간의 네트워크를 의미할 수 있고, IoT 네트워크 시스템, USN(Ubiquitous Sensor Network) 통신 시스템, MTC(Machine Type Communications) 통신 시스템, MOC(Machine Oriented Communication) 통신 시스템, M2M(Machine to Machine) 통신 시스템 또는 D2D(Device to Device) 통신 시스템 등으로 지칭될 수 있다. 예를 들면, IoT 네트워크 시스템(3000)은 IoT 기기, 액세스 포인트(AP), 게이트웨이, 통신망, 서버 등을 포함할 수 있다. 또한 IoT 네트워크 시스템은 IoT 네트워크 시스템 내의 2개 이상의 구성 요소 간의 정보 교환(통신)을 위해, 비제한적인 예시로서 UDP(User Datagram Protocol), TCP(Transmission Control Protocol) 등의 전송 프로토콜, 6LoWPAN (IPv6 Low-power Wireless Personal Area Networks) 프로토콜, IPv6 인터넷 라우팅 프로토콜, 그리고 CoAP(constrained application protocol), HTTP(hypertext transfer protocol), MQTT(message queue telemetry transport), MQTT-S(MQTT for sensors networks) 등의 애플리케이션 프로토콜을 이용할 수 있다.
무선 센서 네트워크(wireless sensor network(WSN))에서 복수의 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314) 각각은 싱크 노드 또는 센서 노드로 사용될 수 있다. 싱크 노드는 기지국(base station)으로 지칭될 수도 있고, 무선 센서 네트워크(WSN)와 외부 네트워크(예컨대, 인터넷)를 연결하는 게이트웨이의 역할을 할 수 있으며, 각 센서 노드로 태스크(task)를 부여하고 각 센서 노드에 의해 센싱된 이벤트(event)를 수집할 수 있다. 센서 노드는 감각 정보(sensory information)의 처리와 수집(gathering)을 수행할 수 있는 무선 센서 네트워크(WSN) 내의 노드일 수 있고, 무선 센서 네트워크(WSN) 내에서 서로 접속된 노드들 사이에서 통신을 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전술한 바와 같은 가스 센서가 센서 노드에 포함될 수 있다.
복수의 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314)은 자체 전력을 사용하여 동작하는 능동 IoT 기기와 외부에서 무선으로 가해진 전력에 의하여 동작하는 수동 IoT 기기를 포함할 수 있다. 능동 IoT 기기는, 비제한적인 예시로서 냉장고, 에이컨, 전화기, 자동차 등을 포함할 수 있고, 수동 IoT 기기는, 비제한적인 예시로서 RFID(Radio Frequency Identification) 태그(tag)나 NFC 태그를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314)은 QR 코드, RFID 태그, NFC 태그 등과 같은 수동 통신 인터페이스를 포함할 수 있고, 모뎀, 송수신기 등과 같은 능동 통신 인터페이스를 포함할 수도 있다. 복수의 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314)은 센서, 예컨대 전술한 바와 같은 가스 센서를 이용하여 데이터를 수집하거나 수집된 데이터, 예컨대 상태 정보를 유/무선 통신 인터페이스을 통하여 외부로 전송할 수도 있고, 유/무선 통신인터페이스를 통하여 제어정보 및/또는 데이터를 송신 및/또는 수신할 수도 있다.
일부 실시예들에서, IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314) 각각은 각 IoT 기기의 특성에 따라 그룹을 형성할 수 있다. 예를 들면, IoT 기기들은 홈가젯 그룹(3311), 가전제품/가구 그룹(3312), 엔터테인먼트 그룹(3313), 또는 이동수단 그룹(Vehicle; 3314) 등으로 그룹핑 될 수 있고, IoT 기기는 복수의 그룹에 공통으로 포함될 수도 있다. 예를 들면, 홈가젯 그룹(3311)은 심박수 센서 패치(patch), 혈당측정용 의료기기, 조명기구, 습도계, 감시카메라, 스마트워치(Smart Watch), 보안키패드, 온도조절장치, 방향장치, 창문 블라인드(window blind) 등을 포함할 수 있다. 가전제품/가구 그룹(3312)은 로봇청소기, 세탁기, 냉장고, 에어컨(air conditioner), 공기 청정기, 텔레비전과 같은 가전제품 및 센서를 포함한 침대와 같은 가구를 포함할 수 있다. 엔터테인먼트 그룹(3313)은 텔레비전, 스마트폰 등 멀티미디어 영상장치 및 통신장치를 포함할 수 있다.
IoT 네트워크 시스템(3000)은 엑세스 포인트(Access Point; AP)(3310)를 더 포함할 수 있다. 복수의 IoT 기기들(3311, 3312, 3313)은 엑세스 포인트(3310)를 통하여 통신망에 연결되거나 다른 IoT 기기에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 엑세스 포인트(3310)는 하나의 IoT 기기에 내장될 수도 있다. 예를 들면, 엑세스 포인트(3310)는 텔레비전에 내장될 수 있고, 사용자는 텔레비전을 디스플레이를 통하여 엑세스 포인트(3310)에 연결된 적어도 하나의 IoT 기기를 모니터링(monitoring)하거나 제어할 수 있다. 또한, 엑세스 포인트(3310)는 모바일 폰에 포함될 수 있고, 모바일 폰은 IoT 기기이면서 동시에 다른 IoT 기기에 연결되는 엑세스 포인트(3310)로서 기능할 수 있으며, 이동 통신망 또는 근거리 무선 네트워크를 통하여 통신망에 연결될 수 있다.
IoT 네트워크 시스템(3000)은 게이트웨이(3320)를 더 포함할 수 있다. 게이트웨이(3320)는 엑세스 포인트(3310)를 외부 통신망(예를 들면, 인터넷망이나 공중 통신망)에 접속하도록 프로토콜을 변경할 수 있다. IoT 기기들(3311, 3312, 3313)은 게이트웨이(3320)를 통하여 외부 통신망에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 게이트웨이(3320)는 엑세스 포인트(310)에 통합되어 구성될 수 있다. 다른 경우에는, 엑세스 포인트(3310)가 제1게이트웨이의 기능을 수행하고 게이트웨이(3320)는 제2 게이트웨이의 기능을 수행할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 게이트웨이(3320)는 IoT 기기들 중 하나에 포함될 수 있고, 예컨대 모바일 폰은 IoT 기기이면서 동시에 다른 IoT 기기에 연결되는 게이트웨이(3320)의 기능을 수행할 수 있다.
IoT 네트워크 시스템(3000)은 적어도 하나의 통신망(3330)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 통신망(3330)은 인터넷 및/또는 공중 통신망(Public communication network)을 포함할 수 있고, 공중 통신망은 이동통신망(mobile cellular network)을 포함할 수 있다. 통신망(3330)은 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314)에서 수집된 정보가 전송되는 채널을 제공할 수 있다.
IoT 네트워크 시스템(3000)은 통신망(3330)에 연결된 서버(3340)를 더 포함할 수 있다. 통신망(3330)은 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314)에서 센싱된 데이터들을 서버(3340)에 전송할 수 있다. 서버(3340)는 전송된 데이터를 저장하거나 분석할 수 있고, 분석된 결과를 통신망(3330)을 통하여 전송할 수 있다. 서버(3340)는 IoT 기기들(3311, 3312, 3313, 3314) 중 적어도 하나와 연관된 정보를 저장할 수 있고, 서버(3340)는 저장된 정보를 기준으로 관련 IoT 기기에서 전송된 데이터를 분석할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서는 압전체 기판의 상부 표면에 공진기와 함께 형성되는 대칭 구조의 히터를 포함하여 가스 센서의 사이즈를 증가시키지 않으면서 센싱 물질을 효율적으로 가열할 수 있다. 센싱 물질의 국부적인 가열에 의해 낮은 소모 전력으로 가스 센서의 열화를 효율적으로 방지하고 가스 센서 및 이를 포함하는 장치 및 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 가스 센서 및 가스 센서를 포함하는 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예들은 컴퓨터(computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), MP3 플레이어, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(internet of things;) 기기, IoE(internet of everything:) 기기, e-북(e-book), VR(virtual reality) 기기, AR(augmented reality) 기기 등과 같은 전자 기기에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (20)
- 압전체 기판;
상기 압전체 기판의 상부 표면의 전극 영역에 형성되고, 상기 전극 영역의 제1 수평 방향으로의 중심 영역에 상기 제1 수평 방향으로 전파되는 표면 탄성파를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함하는 공진기;
상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 중심 영역에 형성되고, 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함하는 센싱 필름; 및
상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 전극 영역을 둘러싸는 외곽 영역에 형성되고, 상기 센싱 필름을 가열하기 위한 히터 전극들 및 상기 히터 전극들에 연결되는 히터 패드들을 포함하고, 상기 히터 전극들 및 상기 히터 패드들은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이루는 히터를 포함하는 가스 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 히터는,
상기 중심 영역을 지나고 상기 제1 수평 방향과 평행한 제1 중심선에 대하여 대칭을 이루고,
상기 중심 영역을 지나고 상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향과 평행한 제2 중심선에 대하여 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 히터 전극들은 복수의 지그재그 패턴(zigzag pattern)들을 포함하고,
상기 복수의 지그재그 패턴들의 각각의 지그재그 패턴은,
상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향으로 길게 신장되고 상기 제1 수평 방향으로 배열되는 열 도전 라인들;
각각의 열 도전 라인 및 상기 각각의 열 도전 라인과 인접하는 하나의 열 도전 라인의 제1 단부들을 각각 연결하는 제1 행 도전 라인들; 및
상기 각각의 열 도전 라인 및 상기 각각의 열 도전 라인과 인접하는 다른 하나의 열 도전 라인의 제2 단부들을 각각 연결하는 제2 행 도전 라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 방향으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들 사이의 상기 제1 방향으로의 라인 피치(line pitch)는, 상기 각각의 지그재그 패턴에 포함되는 모든 열 도전 라인들에 대하여 균일한 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제3 항에 있어서,
상기 각각의 지그재그 패턴은,
상기 중심 영역에 인접하여 배치되고 제1 단위 면적당 발열량을 발생하는 메인 지그재그 패턴; 및
상기 중심 영역으로부터 상기 메인 지그재그 패턴보다 먼 위치에 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량보다 작은 제2 단위 면적당 발열량을 발생하는 서브 지그재그 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제5 항에 있어서,
상기 메인 지그재그 패턴에 포함되는 상기 제1 방향으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들 사이의 상기 제1 방향으로의 제1 라인 피치는 상기 서브 지그재그 패턴에 포함되는 상기 제1 방향으로 인접하는 2개의 열 도전 라인들 사이의 상기 제1 방향으로의 제2 라인 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제5 항에 있어서,
상기 메인 지그재그 패턴에 포함되는 각각의 열 도전 라인의 상기 제1 방향으로의 제1 라인 폭(line width)은 상기 서브 지그재그 패턴에 포함되는 각각의 열 도전 라인의 상기 제1 방향의 제2 라인 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 IDT 패드들은, 상기 제2 중심선을 따라 상기 중심 영역의 양쪽 측면들에 각각 인접하는 제1 패드 영역 및 제2 패드 영역에 배치되고,
상기 전극 영역은 상기 압전체 기판의 상부 평면과 수직한 수직 방향에서 볼 때 십자(cross) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제8 항에 있어서,
상기 히터 패드들은,
상기 제2 중심선을 따라 상기 제1 패드 영역의 측면 및 상기 제2 패드 영역의 측면에 각각 인접하여 배치되거나, 상기 제1 중심선을 따라 상기 전극 영역의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제8 항에 있어서,
상기 히터 전극들은,
상기 제1 수평 방향으로 상기 제1 패드 영역의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되는 제1 지그재그 패턴 및 제2 지그재그 패턴; 및
상기 제1 수평 방향으로 상기 제2 패드 영역의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되는 제3 지그재그 패턴 및 제4 지그재그 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 지그재그 패턴들의 각각의 지그재그 패턴은,
상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향으로 길게 신장되고 상기 제1 수평 방향으로 배열되는 열 도전 라인들;
각각의 열 도전 라인 및 상기 각각의 열 도전 라인과 인접하는 하나의 열 도전 라인의 제1 단부들을 각각 연결하는 제1 행 도전 라인들; 및
상기 각각의 열 도전 라인 및 상기 각각의 열 도전 라인과 인접하는 다른 하나의 열 도전 라인의 제2 단부들을 각각 연결하는 제2 행 도전 라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 지그재그 패턴들의 각각의 지그재그 패턴은,
상기 중심 영역에 인접하여 배치되고 제1 단위 면적당 발열량을 발생하는 메인 지그재그 패턴; 및
상기 중심 영역으로부터 상기 제1 지그재그 패턴들보다 먼 위치에 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량보다 작은 제2 단위 면적당 발열량을 발생하는 서브 지그재그 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 IDT 패드들은, 상기 제1 중심선을 따라 상기 전극 영역의 양쪽 단부 영역들에 해당하는 제1 패드 영역 및 제2 패드 영역에 배치되고,
상기 전극 영역은 상기 압전체 기판의 상부 평면과 수직한 수직 방향에서 볼 때 상기 제1 방향으로 길게 신장되는 막대(rod) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 히터 전극들은,
상기 제2 수평 방향으로 상기 전극 영역의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되는 제1 지그재그 패턴 및 제2 지그재그 패턴을 포함하는 것을 특징을 하는 가스 센서. - 제14 항에 있어서,
상기 제1 지그재그 패턴은,
상기 제2 수평 방향으로 상기 중심 영역에 인접하여 배치되고 제1 단위 면적당 발열량을 발생하는 제1 메인 지그재그 패턴; 및
상기 제1 수평 방향으로 상기 제1 메인 지그재그 패턴의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량보다 작은 제2 단위 면적당 발열량을 발생하는 제1 서브 지그재그 패턴 및 제2 서브 지그재그 패턴을 포함하고,
상기 제2 지그재그 패턴은,
상기 제2 수평 방향으로 상기 중심 영역에 인접하여 배치되고 상기 제1 단위 면적당 발열량을 발생하는 제2 메인 지그재그 패턴; 및
상기 제1 수평 방향으로 상기 제2 메인 지그재그 패턴의 양쪽 측면들에 각각 인접하여 배치되고 상기 제2 단위 면적당 발열량을 발생하는 제3 서브 지그재그 패턴 및 제4 서브 지그재그 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 공진기 및 상기 히터는 상기 압전체 기판의 상부 표면 위의 동일한 도전층에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 베이스 기판;
상기 베이스 기판의 상부에 적층되는 구동 회로 칩; 및
상기 구동 회로 칩의 상부에 배열되어 적층되는 가스 센서들을 포함하고,
상기 복수의 가스 센서들의 각각의 가스 센서는,
압전체 기판;
상기 압전체 기판의 상부 표면의 전극 영역에 형성되고, 상기 전극 영역의 제1 수평 방향으로의 중심 영역에 상기 제1 수평 방향으로 전파되는 표면 탄성파를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함하는 공진기;
상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 중심 영역에 형성되고, 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함하는 센싱 필름; 및
상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 전극 영역을 둘러싸는 외곽 영역에 형성되고, 상기 센싱 필름을 가열하기 위한 히터 전극들 및 상기 히터 전극들에 연결되는 히터 패드들을 포함하고, 상기 히터 전극들 및 상기 히터 패드들은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이루는 히터를 포함하는 센서 어레이 모듈. - 제17 항에 있어서,
상기 구동 회로 칩의 상부에 상기 가스 센서들과 함께 배열되어 적층되는 온도 센서 및 습도 센서를 더 포함하고,
상기 온도 센서 및 상기 습도 센서의 각각은 상기 가스 센서들의 상기 히터와 동일한 구조의 히터를 포함하고,
상기 가스 센서들, 상기 온도 센서 및 상기 습도 센서에 각각 포함되는 상기 히터들을 동시에 구동하여 상기 습도 센서들, 상기 온도 센서 및 상기 습도 센서에 대한 동일한 온도 조건을 형성하는 것을 특징으로 하는 센서 어레이 모듈. - 가스 출입 구멍을 포함하는 하우징 케이스;
상기 가스 출입 구멍을 통하여 외부에 개방되는 상기 하우징 케이스의 제1 내부 공간에 실장되고 하나 이상의 가스 센서들을 포함하는 센서 어레이 모듈;
상기 하우징 케이스의 제2 내부 공간에 실장되는 메인 보드;
상기 센서 어레이 모듈 및 상기 메인 보드를 전기적으로 연결하는 커넥터; 및
상기 제1 내부 공간 및 상기 제2 내부 공간을 폐색하는 격벽을 포함하고,
상기 가스 센서들의 각각의 가스 센서는,
압전체 기판;
상기 압전체 기판의 상부 표면의 전극 영역에 형성되고, 상기 전극 영역의 제1 수평 방향으로의 중심 영역에 상기 제1 수평 방향으로 전파되는 표면 탄성파를 발생하는 IDT(interdigital transducer) 전극들 및 상기 IDT 전극들에 연결되는 IDT 패드들을 포함하는 공진기;
상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 중심 영역에 형성되고, 타겟 가스와 반응하는 센싱 물질을 포함하는 센싱 필름; 및
상기 압전체 기판의 상부 표면의 상기 전극 영역을 둘러싸는 외곽 영역에 형성되고, 상기 센싱 필름을 가열하기 위한 히터 전극들 및 상기 히터 전극들에 연결되는 히터 패드들을 포함하고, 상기 히터 전극들 및 상기 히터 패드들은 폐쇄 도전 루프(closed conduction loop)를 이루는 히터를 포함하는 모바일 장치. - 제19 항에 있어서,
상기 모바일 장치는 상기 메인 보드에 실장되는 적어도 하나의 프로세서를 더 포함하고,
상기 프로세서는 상기 모바일 장치의 동작 상태에 기초하여 히팅 제어 신호를 발생하여 상기 커넥터를 통하여 상기 센서 어레이 모듈로 전송하고,
상기 센서 어레이 모듈은 상기 히팅 제어 신호에 기초하여 상기 히터를 이용하여 상기 센싱 필름을 가열함으로써 상기 가스 센서들의 센싱 감도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 모바일 장치.
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