KR20230021132A - 마이크로-몰딩에 의해 전기 디바이스를 제작하는 방법 및 시스템 - Google Patents
마이크로-몰딩에 의해 전기 디바이스를 제작하는 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
고분해능 컴포넌트를 가지는 전기 디바이스의 시스템 및 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 전기 디바이스를 제작하는 방법이 기술된다. 고도전성 재료, 및 가까이 이격된 컴포넌트를 사용하여 컴포넌트를 제작함으로써 작은 점유공간의 전기 디바이스가 얻어질 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "Small-Footprint Antenna Structure with High-Aspect-Ratio Conductors"이고 2020 년 6 월 8 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/036,357, 및 발명의 명칭이 "Micro-Molded Gas Sensor"이고 2020 년 10 월 1 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/086,367에 대한 우선권을 주장한다. 미국 가특허 출원 번호 제 63/036,357 및 제 63/086,367의 개시 내용은 모든 점에서 그 전체 내용이 원용되어 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 마이크로-몰딩에 의해서 전기 디바이스를 제작하는 방법 및 시스템에 관한 것이고, 특히 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 고분해능 피쳐를 가지는 전기 디바이스를 제작하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
마이크로-몰딩은 소형 고정밀도 부품 및 컴포넌트를 마이크론 공차로 생성할 수 있는 제조 프로세스이다. 이러한 프로세스는 소망되는 부품의 형상인 캐비티를 가지는 몰드를 생성함으로써 시작될 수 있다. 열가소성 수지 또는 레진이 캐비티 내로 신속하게 주입되어, 부품 또는 컴포넌트를 고속으로 생성할 수 있다. 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 탄소 충진 액정 폴리머(liquid crystal polymer; LCP) 또는 유리 충진 나일론이 마이크로-몰딩 프로세스에서 사용될 수 있다. 부드러운 경도(durometer) 또는 탄성중합체 레진도 적용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 시스템 및 방법은 가스 센서, 안테나, 및 인덕터를 포함하는(비한정적임) 전기 디바이스를 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 설계하고 제작할 수 있게 한다. 많은 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스에서 사용되는 마이크로-몰딩 머신의 디자인 및 구조를 제공한다. 여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 머신은 높은 종횡비를 가지는 고분해능 전도체를 제작할 수 있다. 많은 실시형태는 고-종횡비 컴포넌트를 활용하여 콤팩트한 고성능 전기 디바이스를 다양한 구조로 생산한다. 여러 실시형태는 고분해능 및/또는 고-종횡비 컴포넌트를 낮은 비용으로 제작하는 방법을 제공한다. 일부 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스가 일관적이고 반복가능하며 단순화된 제조 프로세스를 제공한다.
여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 프로세스로 제작된 가스 센서 및/또는 가스 센서 소자는 낮은 전력 소모, 증가된 감도, 개선된 선택도, 증가된 일관성 및 제어가능성, 및 감소된 점유공간을 가진다. 많은 실시형태는 근거리장 안테나, 또는 원거리장 안테나를 포함하는(비한정적임) 소-점유공간 안테나의 마이크로-몰딩 제작을 제공한다. 여러 실시형태는 주어진 안테나 점유공간 및 도체 길이에 대해서 높은 인덕턴스 및 낮은 시리즈 저항을 가지는 콤팩트한 안테나 코일 구조체를 제공한다. 안테나 구조체의 높은 인덕턴스 및 낮은 시리즈 저항은 안테나 코일을 높은 도전성 재료로, 그리고 일부 실시형태에 따른 근접하게 이격된 고-종횡비 전도체(트레이스)로 제작함으로써 달성될 수 있다. 여러 실시형태는, 전기 디바이스의 전도성 컴포넌트가 금속성 나노입자를 포함하는(비한정적임) 나노입자로 제작될 수 있다는 것을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는 마이크로-몰딩형 가스 센서로서, 적어도 하나의 가스-센서 소자 - 적어도 하나의 가스-센서 소자는 나노-다공성 전도체를 포함하고, 상기 나노-다공성 전도체는 용융된 나노입자를 포함함 -; 적어도 하나의 가스-센서 소자의 제 1 단부에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 1 전극; 및 적어도 하나의 가스-센서 소자의 제 2 단부에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 2 전극을 포함하고, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 대응하는 제 1 전극 및 제 2 전극 쌍을 가지며, 상기 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 2 전극에 의해 측정된 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 전기적 특성은 상기 나노-다공성 전도체에 접촉하는 주변 가스에 응답하여 변하는, 마이크로-몰딩형 가스 센서를 포함한다.
다른 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는 제 1 가스-센서 소자 및 제 2 가스-센서 소자를 더 포함하고, 상기 제 1 가스-센서 소자는 제 1 나노입자 조성물을 포함하며, 상기 제 2 가스-센서 소자는 상기 제 1 나노입자 조성물과 다른 제 2 나노입자 조성물을 포함한다.
추가적인 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는 제 1 가스-센서 소자 및 제 2 가스-센서 소자를 더 포함하고, 상기 제 1 가스-센서 소자는 제 1 폼 팩터를 가지며, 상기 제 2 가스-센서 소자는 상기 제 1 폼 팩터와 다른 제 2 폼 팩터를 가진다.
또 다른 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자를 가열하기 위한 마이크로-히터를 더 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 상기 마이크로-히터는 복수 개의 마이크로-히터 세그멘트들 각각 내에 상이한 온도를 동시에 제공하도록 개별적으로 제어가능한 복수 개의 마이크로-히터 세그멘트를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는, 상기 적어도 하나의 제 1 전극에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 제 2 전극에 전기적으로 연결된 센서 제어기를 더 포함하고, 상기 센서 제어기는 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자에 전류를 제공하고, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 비저항을 측정하도록 동작가능하다.
또 다른 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 마이크로-히터; 및 상기 마이크로-히터 상에 배치된 전기 절연층을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 2 전극은 상기 전기 절연층 상에 배치되고, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 상기 대응하는 제 1 전극 및 제 2 전극 쌍 상에 배치된다.
또한, 추가적인 실시형태에서, 적어도 하나의 가스-센서 소자는 상기 마이크로-히터를 넘어 연장되지 않는다.
또 다른 실시형태에서, 상기 기판은 적어도 하나의 멤브레인을 내장하고, 상기 멤브레인은 약 1 마이크론 미만의 두께를 가진다.
추가적인 다른 실시형태에서, 상기 나노입자는 금속 나노입자, 금속-산화물 나노입자, 및 도핑된 금속-산화물 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또한, 다른 실시형태에서, 상기 금속-산화물 나노입자는, SnO2, TiO2, WO3, ZnO, In2O3, Cd: ZnO, CrO3, 및 V2O5 중 하나 이상이다.
또한, 또 다른 실시형태에서, 상기 금속-산화물 나노입자는 Al, Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Cu, Fe, Sb, Mo, Ce, Mn, Rh2O3, 또는 탄소 나노튜브로 도핑된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 약 1 μm 내지 약 20 μm의 범위에 속하는 높이, 및 약 1 μm 내지 약 50 μm의 범위에 속하는 폭을 가진다.
또 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 가스-센서 소자는 약 100 nm RMS 미만의 표면 조도를 가진다.
또한, 추가적인 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 높이와 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 폭 사이의 비율은 2보다 작지 않다.
또 다른 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 높이와 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 폭 사이의 비율은 0.5보다 크지 않다.
또한, 또 다른 실시형태에서, 적어도 두 개의 인접한 가스 센서 소자들 사이의 간극과 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 폭 사이의 비율은 4보다 크지 않다.
또 다른 추가적인 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는, 전류 또는 전압을 상기 전류 또는 전압 내에 주입하는 적어도 하나의 힘 전극, 및 전기적 특성에서의 변화를 측정하는 적어도 하나의 감지 전극을 더 포함한다.
또 다른 추가적인 실시형태는, 스탬프의 표면 상에 배치된 제 1 채널 및 상기 스탬프의 표면 상에 배치된 제 2 채널을 가지는, 상기 스탬프; 상기 제 1 채널에 연결된 제 1 인입 포트 및 상기 제 2 채널에 연결되고 상기 제 1 인입 포트와 별개인 제 2 인입 포트; 제 1 나노입자 잉크를 상기 제 1 인입 포트로 공급하기 위한 제 1 나노입자 잉크 공급부 및 제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트로 공급하기 위한, 상기 제 1 나노입자 잉크 공급부와 별개인 제 2 나노입자 잉크 공급부 - 상기 제 1 나노입자 잉크는 제 1 나노입자 조성물을 포함하고, 상기 제 2 나노입자 잉크는 상기 제 1 나노입자 조성물과 다른 제 2 나노입자 조성물을 포함함 -; 상기 제 1 나노입자 잉크를 상기 제 1 인입 포트 및 제 1 채널을 통해 펌핑 또는 불출하고, 상기 제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트 및 제 2 채널을 통해 펌핑 또는 불출하기 위한 펌프 또는 디스펜서; 및 상기 스탬프의 표면을 기판에 접촉시키기 위한 접촉 메커니즘을 포함한다.
다른 추가적인 실시형태에서, 상기 제 1 채널은 제 1 폼 팩터를 가지고 상기 제 2 채널은 상기 제 1 폼 팩터와 다른 제 2 폼 팩터를 가진다.
또한, 또 다른 실시형태에서, 상기 마이크로-몰딩 머신은 상기 제 1 채널 또는 제 2 채널에 연결된 인출 포트를 더 포함하고, 상기 펌프 또는 디스펜서는 대기압보다 작은 압력을 상기 인출 포트에 제공하도록 동작가능하다.
또 다른 실시형태는, 가스-센서 소자를 마이크로-몰딩하는 방법으로서,
기판면을 가지는 기판을 제공하는 단계;
지지 측면 및 채널 측면을 가지는 몰드층 및 상기 지지 측면과 접촉하며 배치된 지지층을 포함하는 스탬프를 제공하는 단계 - 상기 몰드층은 (i) 상기 채널 측면 상에 배치된 제 1 폼 팩터, 제 1 채널에 연결된 제 1 인입 포트, 및 상기 제 1 채널에 연결된 제 1 인출 포트를 가지는, 상기 제 1 채널; 및 (ii) 상기 채널 측면 상에 배치된 제 2 폼 팩터, 제 2 채널에 연결된 제 2 인입 포트, 및 상기 제 2 채널에 연결된 제 2 인출 포트를 가지는, 상기 제 2 채널을 포함함 -;
제 1 나노입자 조성물을 포함하는 제 1 나노입자 잉크 및 제 2 나노입자 조성물을 포함하는 제 2 나노입자 잉크를 제공하는 단계;
상기 몰드층을 상기 기판면과 접촉하게 배치하는 단계;
상기 제 1 나노입자 잉크를 상기 제 1 인입 포트를 통하여 상기 제 1 인입 포트 내로 및 펌핑 또는 불출하고, 상기 제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트를 통하여 상기 제 2 인입 포트 내로 펌핑 또는 불출하는 단계;
제 1 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체에 접촉하는 제 1 주변 가스에 응답하여 변하는 전도성을 가지는 상기 제 1 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체를 형성하도록, 상기 제 1 채널 내의 제 1 나노입자 잉크를 경화시키는 단계;
제 2 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체에 접촉하는 제 2 주변 가스에 응답하여 변하는 전도성을 가지는 상기 제 2 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체를 형성하도록, 상기 제 2 채널 내의 제 2 나노입자 잉크를 경화시키는 단계; 및
독립형(free-standing) 가스-센서 소자를 상기 기판면 상에 형성하도록, 상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-몰딩 방법을 포함한다.
또한, 또 다른 실시형태에서, 상기 제 1 나노입자 조성물은 상기 제 2 나노입자 조성물과 다르고, 상기 제 1 폼 팩터는 상기 제 2 폼 팩터와 같다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 1 나노입자 조성물은 상기 제 2 나노입자 조성물과 같고, 상기 제 1 폼 팩터는 상기 제 2 폼 팩터와 다르다.
또 다른 추가적인 실시형태에서, 상기 제 1 나노입자 조성물은 상기 제 2 나노입자 조성물과 다르고, 상기 제 1 폼 팩터는 상기 제 2 폼 팩터와 다르다.
또 다른 실시형태에서, 상기 지지층은 상기 몰드층보다 더 강성이 높다.
또 다른 추가적인 실시형태에서, 상기 채널은 상기 채널 측면으로부터 상기 몰드층 내로 들어가는 방향으로 높이를 가지고, 상기 높이는 상기 채널 측면 상의 채널의 폭보다 크다.
또한, 다른 실시형태에서, 상기 방법은, 경화시키는 단계를 가속화하도록, 상기 나노입자 잉크를 가열하거나 상기 나노입자 잉크를 전자기 방사선에 노출시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시형태는, 나노입자를 가열하거나 상기 나노입자를 전자기 방사선에 노출시킴으로써, 나노입자를 소결하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 추가적인 실시형태는, 펌핑 또는 불출하는 단계 도중에 인입 압력을 상기 인입 포트에 제공하고 인출 압력을 상기 인출 포트에 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 인입 압력은 상기 인출 압력보다 크다.
또 다른 실시형태에서, 나노입자 잉크를 펌핑 또는 불출하는 단계는, 나노입자 잉크가 상기 채널을 통하여 흐르게 하고, 상기 나노입자 잉크의 흐름은 적어도 부분적으로 상기 채널 내의 모세관 압력에 의해 구동된다.
또한, 또 다른 실시형태에서, 나노입자 잉크를 펌핑 또는 불출하는 단계는, 나노입자 잉크가 상기 채널을 통하여 흐르게 하고, 상기 나노입자 잉크의 흐름은, 압력을 상기 인입 포트에 인가하거나 진공을 상기 인출 포트에 인가함으로써 구동된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 스탬프는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함한다.
또 다른 추가적인 실시형태에서, 적어도 하나의 잉크 저장소가 스탬프 내에 내장된다.
또 다른 실시형태에서, 상기 몰드층은 나노입자를 내장함에 의하여, 또는 유리, 강철, 탄소, 및 나일론으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 섬유 메시를 포함함에 의하여 강화된다.
추가적인 구현형태 및 특징들이 후속하는 상세한 설명에서 부분적으로 진술되고, 본 명세서를 검토하는 당업자에게 부분적으로 명백하게 될 것이며, 또는 본 발명을 실시함으로써 학습될 수 있을 것이다. 본 발명의 속성 및 장점의 추가적인 이해는 본 명세서의 나머지 부분과 본 명세서의 일부를 구성하는 도면을 참조함으로써 실현될 것이다.
상세한 설명은 후속하는 도면을 참조하여 더 완전하게 이해될 것인데, 이들은 본 발명의 예시적인 실시형태로서 제공된 것이고, 본 발명의 범위를 완전하게 진술하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 가스-센서 소자의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 가스-센서 소자의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 내에 내장된 마이크로-히터 세그멘트의 평면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 상세 삽도의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 상이한 기판 두께를 가진 가스 센서를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다수의 가스-센서 소자를 내장한 가스 센서의 평면도를 도시한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 머신의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 제작 프로세스의 한 프로세스를 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서를 제작하는 마이크로-몰딩 프로세스 도중의 순차적인 구조체들의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 12a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 평면도를 도시한다.
도 12a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 단면도를 도시한다.
도 13a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 코일 안테나의 평면도를 도시한다.
도 13b는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 코일 안테나의 단면도를 도시한다.
도 14a는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 안테나 길이 L인 안테나의 평면도를 도시한다.
도 14b는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 안테나 길이 L인 안테나의 단면도를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열변형 릴리프(thermal strain relief)를 내장한 코일 안테나의 평면도를 도시한다.
도 16a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 마이크로-몰드 스탬프의 평면도를 도시한다.
도 16b 및 도 16c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰드 스탬프의 단면도를 도시한다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고-종횡비 안테나의 마이크로-몰딩 프로세스 도중의 순차적인 구조체들의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 18은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 안테나 시스템의 단면도를 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다층 고-종횡비 안테나의 전개 사시도를 도시한다.
본 발명의 피처 및 장점은 도면과 함께 아래에서 진술되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 더욱 명백해질 것인데, 도면에서 유사한 참조 기호는 전체적으로 대응하는 요소들을 식별한다. 도면에서, 유사한 부재 번호는 동일하고 기능적으로 유사하며, 및/또는 구조적으로 유사한 요소를 일반적으로 표시한다. 도면에서 다양한 소자들의 크기 변동이 너무 커서 척도에 맞게 도시할 수 없기 때문에 도면은 척도에 맞게 그려진 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 가스-센서 소자의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 가스-센서 소자의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 내에 내장된 마이크로-히터 세그멘트의 평면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 상세 삽도의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 상이한 기판 두께를 가진 가스 센서를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다수의 가스-센서 소자를 내장한 가스 센서의 평면도를 도시한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 머신의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 제작 프로세스의 한 프로세스를 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서를 제작하는 마이크로-몰딩 프로세스 도중의 순차적인 구조체들의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 12a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 평면도를 도시한다.
도 12a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 단면도를 도시한다.
도 13a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 코일 안테나의 평면도를 도시한다.
도 13b는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 코일 안테나의 단면도를 도시한다.
도 14a는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 안테나 길이 L인 안테나의 평면도를 도시한다.
도 14b는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 안테나 길이 L인 안테나의 단면도를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열변형 릴리프(thermal strain relief)를 내장한 코일 안테나의 평면도를 도시한다.
도 16a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 마이크로-몰드 스탬프의 평면도를 도시한다.
도 16b 및 도 16c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰드 스탬프의 단면도를 도시한다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고-종횡비 안테나의 마이크로-몰딩 프로세스 도중의 순차적인 구조체들의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 18은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 안테나 시스템의 단면도를 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다층 고-종횡비 안테나의 전개 사시도를 도시한다.
본 발명의 피처 및 장점은 도면과 함께 아래에서 진술되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 더욱 명백해질 것인데, 도면에서 유사한 참조 기호는 전체적으로 대응하는 요소들을 식별한다. 도면에서, 유사한 부재 번호는 동일하고 기능적으로 유사하며, 및/또는 구조적으로 유사한 요소를 일반적으로 표시한다. 도면에서 다양한 소자들의 크기 변동이 너무 커서 척도에 맞게 도시할 수 없기 때문에 도면은 척도에 맞게 그려진 것이 아니다.
이제 도면을 참고하면, 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 전기 디바이스를 제작하기 위한 시스템 및 방법이 설명된다. 많은 실시형태들이 마이크로-몰딩 프로세스에서 사용되는 마이크로-몰딩 머신의 디자인 및 구조를 제공한다. 여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 머신은 고-종횡비를 가지는 고분해능 전도체를 제작할 수 있다. 전도체는 전기 디바이스 가스 센서, 인덕터, 안테나를 포함하는(비한정적임) 전기 디바이스 내에 통합될 수 있다. 많은 실시형태는 마이크로-몰딩 머신이 적어도 하나의 스탬프를 포함한다는 것을 제공한다. 적어도 하나의 잉크 공급이 마이크로-몰딩 프로세스 도중에 스탬프로 공급된다. 여러 실시형태에 따른 다수의 잉크 공급부는 동일한 및/또는 상이한 잉크를 마이크로-몰딩 스탬프에 공급할 수 있다. 여러 실시형태에서, 마이크로-몰딩 머신은 동일한 및/또는 상이한 폼 팩터의 채널을 가진다.
많은 실시형태는 고-종횡비 전기 컴포넌트 및/또는 디바이스를 제작하는 마이크로-몰딩 프로세스를 제공한다. 여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 프로세스로 제작된 가스 센서 및/또는 가스 센서 소자는 더 낮은 전력 소모, 증가된 감도, 개선된 선택도, 증가된 일관성 및 제어가능성, 및 감소된 점유공간을 가진다. 일부 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스가 일관적이고 반복가능하며 단순화된 제조 프로세스를 제공한다. 특정 실시형태들에서, 가스 센서는 적어도 하나의 가스 센서 소자를 포함할 수 있다. 많은 실시형태는 다수의 가스-센서 소자가 동일하거나 상이한 재료를 포함하거나, 및/또는 동일하거나 상이한 폼 팩터를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 가스-센서 소자는 적어도 하나의 마이크로-히터 위의 감지 전극 상에 배치될 수 있다. 여러 실시형태는 가스-센서 소자가 주변 가스에 노출될 수 있다는 것을 제공한다. 특정 실시형태들에서, 마이크로-히터는 가스-센서 소자를 가열할 수 있다. 여러 실시형태는 감지 전극이 가스-센서 소자의 전기적 특성을 측정할 수 있다는 것을 제공한다. 가스-센서 소자는 용융된 나노입자(비한정적임)로 제작된 나노-다공성 전도체일 수 있다. 많은 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 전기적 특성은 나노-다공성 전도체에 접촉하는 주변 가스에 응답하여 변할 수 있다. 전기적 특성은 비저항, 커패시턴스, 인덕턴스, 위상, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음).
많은 실시형태에서, 마이크로-히터는 가스-센서 소자의 온도를 제어하기 위하여 가스-센서 소자에 열을 제공할 수 있다. 열은 가스 센서 소자의 비저항을 감소시키고 타겟 가스 분자와 감지 재료의 상호작용을 향상시킬 수 있고, 따라서 타겟 가스에 대한 센서 소자의 감도를 증가시킬 수 있다. 많은 실시형태에서, 가스-센서의 마이크로-히터는 개별적으로 제어가능한 마이크로-히터 세그멘트를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에 따른 개별적으로 제어가능한 마이크로-히터 세그멘트는 각각의 마이크로-히터 세그멘트에 상이한 온도를 동시에 제공하도록 개별적으로 제어가능할 수 있어서, 그 타겟 가스에 대한 각각의 감지 소자의 선택도가 더 양호해지게 한다. 일부 실시형태는 각각의 마이크로-히터 세그멘트가 상이한 가스-센서 소자와 연관되고 및/또는 이들과 접촉될 수 있다는 것을 제공한다. 이러한 실시형태에서, 다수의 마이크로-히터 세그멘트는 대응하는 가스-센서 소자를 상이한 온도로 동시에 가열할 수 있다. 많은 실시형태에 따른, 상이한 온도로 가열된 가스-센서 소자는 개별적이고 분리된 마이크로-히터 전극을 통해서 상이한 가스 및/또는 가스의 상이한 농도를 검출하도록 적용될 수 있다. 상이하게 제어가능하고 상이한 가스-센서 소자를 제공함으로써, 가스 센서는 상이한 가스 및/또는 상이한 가스 농도를 동시에 측정할 수 있고, 전자 코(electronic nose)를 포함하는(비한정적임) 감지 디바이스로서 사용될 수 있다.
가스 센서 소자의 점유공간을 감소시키면, 가스-센서 소자들의 온도 균일성을 희생하지 않고서도 많은 실시형태에 따른 마이크로히터의 총 면적이 감소될 수 있다. 마이크로히터의 전력 소모는 면적에 따라서 증가될 수 있고, 따라서 마이크로히터의 총 면적이 감소되면 결과적으로 가스 센서 전력 소모가 감소될 수 있고, 여러 실시형태에 따른 가스 센서를 배터리로 급전되는 전자제품 내에서 사용할 수 있게 한다.
많은 실시형태는 가스-센서의 가스-센서 소자가 선형 및 직선형 라인, 만곡형, 또는 나선을 포함하는(비한정적임) 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것을 제공한다. 가스-센서 소자는 정사각형, 사각형, 입방형, 원형, 또는 원통형을 포함하는(비한정적임) 상이한 단면을 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 가스-센서 소자 높이 H는 소자 폭 W보다 클 수 있다. 특정 실시형태에서, 가스-센서 소자 높이 H는 소자 폭 W보다 작을 수 있다.
많은 실시형태에 따른 다수의 상이한 가스-센서 소자는 동일하거나 상이한 나노입자로 제작된 전도체를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 따른 다수의 상이한 가스-센서 소자의 상이한 나노입자 조성물들은 상이한 가스 및/또는 가스 농도에 민감할 수 있다. 여러 실시형태에 따른 상이한 나노입자는 상이한 나노입자 재료, 상이한 나노입자 도핑, 상이한 나노입자 크기, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 일부 실시형태에 따른 상이한 가스-센서 소자의 나노-다공성 전도체는 나노포어(nanopore) 크기, 및 나노-다공성 전도체 내의 나노-포어의 양을 포함하는(비한정적임) 상이한 나노-다공성을 가질 수 있다. 일부 실시형태는 가스-센서 소자의 나노입자가 약 1 nm 내지 약 1 마이크론의 범위를 가지는 직경을 가질 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태는 가스 센서의 나노입자가 금속 나노입자, 금속-산화물 나노입자, 또는 도핑된 금속-산화물 나노입자를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음)는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따른 금속-산화물 나노입자는 SnO2, TiO2, ITO, CdSe, WO3, ZnO, In2O3, Cd: ZnO, CrO3, V2O5, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 일부 실시형태들에서, 금속-산화물 나노입자는 Al, Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Cu, Fe, Sb, Mo, Ce, Mn, Rh2O3, 또는 탄소 나노튜브(CNT)로 도핑되어 센서의 선택도를 개선할 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자들의 어셈블리는 비도전성 재료, 및/또는 유전체 재료를 포함하는(비한정적임) 재료를 포함할 수 있다. 실시형태들에 따른 비도전성 재료는 가스에 민감하고 나노-다공성 전도체 내의 도전성 재료의 응답에 영향을 줄 수 있고, 및/또는 나노-다공성 전도체를 구성하기 위해서 유용할 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자 잉크는 수성 분산제, 및/또는 유기 용매를 포함하는(비한정적임) 액체 용매 내의 서스펜션으로서 제공될 수 있다. 여러 실시형태에 따른 나노입자는 약 0.3 센티푸아즈 내지 약 300 센티푸아즈의 범위 내의 점성을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 나노입자는 상이한 도전성 또는 비도전성 재료로 제작된 상이한 나노입자를 포함하고, 가스-센서 소자 내에서 등방성으로 또는 이방성으로 분포될 수 있다.
많은 실시형태는 가스-센서의 기판이 유리, 폴리머, 반도체, 세라믹, 석영, 금속, 종이, 및/또는 사파이어를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음)는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 가스-센서용 기판은 인쇄-회로 보드(PCB) 기판, 또는 액정- 폴리머(liquid-crystal polymer; LCP) 재료일 수 있다. 일부 실시형태는 기판이 강성을 가지고, 탄성이 있으며 및/또는 실질적으로 평면일 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 기판은 디스플레이, 집적 회로, 전자 어셈블리, 또는 회로 보드 산업계에서 발견될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 기판은 CMOS 및/또는 MEMS 디바이스, 집적 회로, 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, 각도 측정 회로부, RF 회로, 및 송수신기를 포함할 수 있다.
많은 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 제작된 인덕터를 포함하는(비한정적임) 고-종횡비 안테나를 제공한다. 많은 실시형태는 고-종횡비 안테나가 유도 코일을 포함한다는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따른 유도 코일은 도전성 전기 재료의 나선형 및/또는 나선 구조를 가진다. 여러 실시형태에서, 전도체는 높은 종횡비를 가진다. 많은 실시형태에서, 고-종횡비 도체를 가지는 안테나는 주어진 도체 폭에 대하여 도체의 단면적을 증가시키고, 따라서 안테나의 전기 저항을 감소시킨다. 여러 실시형태는 안테나 점유공간이 크게 감소될 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태에서, 고-종횡비 전도체는 고성능 인덕터 및 근거리장 안테나를 포함하는(비한정적임) 안테나를 위한 다양한 구조 내에 배치된다. 일부 실시형태는 전기 배선 및/또는 트레이스가 기판 상에서 평면형 사각형, 원형, 및/또는 육각형의 나선을 포함하는(비한정적임) 구조로 배치되어 코일을 형성할 수 있다는 것을 제공한다. 많은 실시형태에 따른 안테나는 사각형, 삼각형, 사변형, 또는 만곡형 표면을 포함하는(비한정적임) 단면을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도체가 증가된 종횡비를 가지도록 코일은 기판에 대해서 수직인 방향으로 연장될 수 있다. 안테나는 안테나에 대해서 동작하거나 응답하는 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. 많은 실시형태는 고-종횡비 안테나가 튜닝된 안테나 시스템을 포함하는(비한정적임) 전자 회로 내에 통합될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 회로, 집적 회로(IC), 저항, 및 커패시터를 포함하는(비한정적임) 컴포넌트가 안테나 시스템 내에 통합될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 추가된 컴포넌트는 내부 및/또는 외부 코일 내에 배치될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 컴포넌트는 상이한 회로 평면 내에 배치될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 여러 코일들이 적층되어 코일의 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 많은 실시형태에서, 고-종횡비 안테나는 다층 안테나일 수 있다. 일부 실시형태에 따른 각각의 안테나 층은 인접한 층으로부터 절연체에 의해 분리되고, 전기 비아를 통하여 연결될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 다층 코일 구조체의 인덕턴스는 단일-층 코일과 비교할 때 개선될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 코일은 동일한 평면 및/또는 기판 상에 위치될 수 있다. 여러 실시형태에서, 코일은 동일한 축을 따라서 후속 평면 및/또는 기판에 배치될 수 있다. 코일의 디자인은 일부 실시형태에 따르면 대칭 및/또는 비대칭일 수 있다.
많은 실시형태에서, 고-종횡비를 가지는 안테나 코일은 작은 점유공간을 가지고, 높은 인덕턴스 및 낮은 시리즈 저항을 보여준다. 여러 실시형태는 안테나 구조체의 높은 인덕턴스 및 낮은 시리즈 저항이 안테나 코일을 높은 도전성 재료로, 그리고 근접하게 이격된 고-종횡비 트레이스로 제작함으로써 달성될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태는 고-종횡비 안테나의 전도성 트레이스가 전도성 입자, 금속성 나노입자, 전기적으로 비도전성(유전체) 입자, 및 반-도전성 입자를 포함하는(비한정적임) 입자로 제작될 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 입자는 상이한 도전성 및/또는 비도전성 재료로 제작된 나노입자를 포함한다. 여러 실시형태에서, 나노입자는 안테나 내에서 등방성으로 및/또는 이방성으로 분포될 수 있다. 금속성 나노입자의 예는 은, 구리, 금, 니켈, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 반-도전성 입자는 금속 산화물 입자를 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 많은 실시형태는 입자들이 액체 용매 내에서 서스펜션으로서 제공될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에 따른 나노입자는 약 1 nm 내지 약 5 μm의 직경에 속하는 직경을 가질 수 있다.
많은 실시형태는 고-종횡비 안테나 구조체가 기판 상에 배치된 코일 안테나를 포함하는(비한정적임) 복수 개의 안테나를 포함할 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태는 고-종횡비 안테나가 마이크로-몰드 스탬프를 사용하여 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 많은 실시형태에서, 고-종횡비 도체는 기판면 상에 적용된 마이크로-몰드 스탬프 내에 배치된 채널 내에서 경화된 나노입자 잉크로부터 구성될 수 있다. 이러한 프로세스는 안테나 및 인덕터가 소형 및 휴대용 전자 디바이스에 대해서 적절한 치수로 제조될 수 있게 한다. 여러 실시형태는 안테나 및 도체가 약 1 μm 내지 약 100 μm의 범위 내의 치수를 가진다는 것을 제공한다. 특정 실시형태들에서, 안테나는 1보다 큰 종횡비(도체 폭에 대한 도체 높이의 비율)를 가진다.
많은 실시형태는 고-종횡비 안테나를 제작하기 위한 마이크로-몰딩 프로세스를 제공한다. 여러 실시형태는 안테나를 제작할 때에 마이크로-몰딩 스탬프를 포함하는 마이크로-몰딩 머신을 포함한다. 특정 실시형태들에서, 마이크로-몰딩 스탬프는 기판 상에 나노입자를 포함하는 고-종횡비 도체를 인쇄하여 고-종횡비 안테나를 형성할 수 있다. 많은 실시형태는 마이크로-몰딩 스탬프의 양호하게 제어된 표면 조도 및 나노입자 잉크의 작은 크기가 도체의 표피 깊이보다 훨씬 고-종횡비의 더 작은 제곱-평균-제곱근 표면 조도를 가능하게 한다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 안테나 내에서 생성된 신호는 높은 주파수(1MHz 내지 1THz)에서 감소된 신호 감쇠를 가진다. 높은 주파수(1 MHz보다 큰 주파수)에서는 표피 효과가 커질 수 있다. 예를 들어, UHF 대역에서는 표피 깊이가 수 마이크론을 포함하고, 전류의 대부분이 도체의 표면의 표피 깊이의 약 5 배의 거리 내에서 흐를 수 있다. 따라서, 도체의 표면 조도는 저항에서의 측정가능한 변화를 초래할 수 있고, 이것은 이제 신호 감쇠가 증가되는 것을 초래한다. 일반적으로, 제곱-평균-제곱근 표면 조도는 신호의 추가적인 감쇠를 피하기 위해서 도체 내의 전기장의 표피 깊이보다 훨씬 작아야 한다. 일부 실시형태는 마이크로-몰딩 스탬프가 양호하게 제어된 표면 조도를 가지고 나노입자가 작은 크기를 가지는 것을 제공한다. 많은 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 인쇄된 전도체는 스크린-인쇄 및 잉크젯-인쇄를 포함하는(비한정적임) 종래의 제조 방법과 비교할 때 크게 감소된 제곱-평균-제곱근 표면 조도를 가진다. 여러 실시형태는 안테나의 표면 조도가 도체보다 훨씬 작을 수 있고, 안테나 내에서 생성된 신호가 높은 주파수(약 1 MHz 내지 약 1 THz의 주파수)에서 감소된 신호 감쇠를 가진다는 것을 제공한다.
많은 실시형태는 고-종횡비 안테나 및/또는 코일을 합리적인 비용으로 제조하는 마이크로-몰딩 방법을 제공한다. 여러 실시형태에서, 고-종횡비 도체를 가지는 안테나는 기판 상에 형성되거나 증착된 독립형(free-standing) 구조체로서 제작될 수 있다. 일부 실시형태는 기판이 인쇄 회로 보드(PCB) 기판일 수 있다는 것을 제공한다. 기판은 일부 실시형태에 따른 디스플레이, 집적 회로, 전자공학 어셈블리, 또는 회로 보드 산업계에서 발견될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 기판은 CMOS 및/또는 MEMS 디바이스, 집적 회로, 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, 각도 측정 회로부, RF 회로, 및 송수신기를 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 고-종횡비 안테나는 유전체 기판 상에 증착될 수 있다. 일부 실시형태에 따르면 전류의 대부분이 유전체 기판과 안테나 사이의 계면을 따라서 흐를 수 있다. 이러한 실시형태에서, 기판/안테나 계면의 표면 조도가 작으면 안테나 내의 저항이 대응하도록 작아질 수 있다. 여러 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나를 제작하기 위한 방법은 전기도금이 없이 작은 표면 조도를 가지는 부드러운 계면을 제공한다. 전기도금은 기판 상에 형성된 구조체들의 분해능을 감소시킬 수 있다. 일부 실시형태들에서, 하나의 도금 스텝에서 배치된 얇은 전기도금된 층이 온 도체 표면 상에 도전성 코팅을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 전도성 코팅은 도체의 입자 구조체를 차단하지 않도록 충분히 얇을 수 있다. 따라서, 도체 표면은 아래의 나노입자 구조체의 컨투어를 등각적으로 추종하고 도체의 나노입자 구조체를 노출시키는 울퉁불퉁한 비-평면형 입자 선명도(definition)를 가질 수 있다. 일부 실시형태는 얇은 전도성 층이 전도체의 공간 분해능에서의 손실을 제한하면서 전도체의 표피 통전을 개선할 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나 구조체는 신호 응답을 개선하는, 더 길고 더 응답성이 높은 안테나가 가능해지게 한다. 여러 실시형태에서, 안테나 권선은 서로 더 근접하게 형성될 수 있다. 일부 실시형태는 안테나 권선이 전기도금된 구조체보다 더 가깝게 형성될 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태에서, 고-종횡비 안테나 구조체는 더 작은 점유공간을 가지는 더 작은 면적 내의 안테나의 주어진 종횡비에 대하여, 도체 라인 간극이 감소되면서도 동일한 인덕턴스를 제공한다. 여러 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나는, 동일한 점유공간을 가지지만 종횡비가 낮은 안테나와 비교할 때, 안테나의 주어진 종횡비에 대하여, 감소된 도체 라인 간극 및 더 많은 권선수를 이용하여 증가된 인덕턴스 및 신호 감도를 제공한다. 여러 실시형태에서, 도체의 높은 종횡비는 종횡비에 비례하는 커패시턴스가 증가되게 한다.
많은 실시형태는 고도전성인 고-종횡비 코일 구조체가 고-주파수 전자 회로 디자인에서 고-Q, 저-손실 에어-코어 인덕터를 설계하고 제작하기 위해서 적용될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 코일 구조체는 스위치 모드 파워 서플라이, 무선 주파수(RF) 대역통과, 고역-통과, 및 저역-통과 필터, 저-손실 변압기, 유도성 각도 및 위치 센서, LC 또는 RLC 공진기를 포함하는(비한정적임) 영역 내에 인덕터로서 적용될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 인쇄된 인덕터 및/또는 코일은 이산 컴포넌트로서, 더 큰 분산형 소자 네트워크의 일부로서, 및/또는 여러 수동 컴포넌트를 포함하는 마이크로스트립으로서 통합될 수 있다. 일부 실시형태는 인쇄된 인덕터 및/또는 코일의 정확도가 높아서, 공진 주파수의 더 정확한 튜닝, 더 작은 점유공간, 서브-쿼터 파장 필터링, 및 더 높은 파워 커플링 효율을 포함하는(비한정적임) 이점이 제공될 수 있다는 것을 제공한다.
실시형태들의 특정한 구현형태들을 설명하였기 때문에, 본 발명의 개념을 포함하는 다른 구현형태들이 사용될 수 있다는 것이 이제 당업자에게 명백해질 것이다. 그러므로, 본 발명은 특정 구현형태로 한정되어서는 안되며, 다음 청구범위의 사상과 범위에 의해서만 한정되어야 한다.
장치 및 시스템이 특정 컴포넌트를 가지거나, 포함하거나 구비하는 것으로 설명되는, 또는 프로세스 및 방법이 특정한 단계를 가지거나, 포함하거나 구비하는 것으로 설명되는 명세서 전체에서, 추가적으로, 본질적으로 인용된 컴포넌트로 이루어지거나 이들로 이루어진 개시된 기술의 장치, 및 시스템이 존재하고, 본질적으로 인용된 처리 단계로 이루어지거나 이들로 이루어진 개시된 기술에 따른 프로세스 및 방법이 존재한다는 것이 고찰된다.
단계들의 순서 또는 특정 동작을 수행하는 순서가, 개시된 기술이 여전히 동작가능하다면 중요하지 않다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 일부 상황에서는 두 개 이상의 단계 또는 동작들이 동시에 수행될 수 있다. 본 발명은 그 일부 실시형태를 특정하게 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변형과 수정이 가해질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
가스-센서
가스 센서는 주변 가스를 검출하고 대기 중에 존재하는 가스 농도를 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 관심 대상인 가스는 유독성, 폭발성 또는 환경 가스를 포함할 수 있다. 가스 센서는 산업적 제조, 화학적-프로세스 제어, 성질 보존, 개인-건강 모니터링, 스마트-시티 모니터링, 실내/실외 공기 품질 제어, 및 국방을 포함하는 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있다.
가스 센서는 대응하는 가스-센서 소자가 감도를 가지는 타겟 가스에 노출된 가스-센서 소자의 속성 변화에 의존할 수 있다. 가스 센서는 감지된 가스를 전기화학적, 광학적, 음향학적, 온도측정형(thermometric) 또는 중량측정형(gravimetric) 신호로 변환하는 서로 다른 다양한 감지 아키텍처를 포함한다. 이들 중에서, 전기적으로 변환된 가스 센서는 널리 연구된 것들 중 하나 및 공통 센서 중 하나이다. 전기 가스 센서는 두 개의 메인 컴포넌트인 가스-센서 소자를 포함하는 감지 재료 및 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 가스-센서 소자 내의 감지 재료는 주변 분위기에 노출될 수 있고, 타겟 가스가 검출된다면 재료의 물리적 속성, 예컨대 도전성, 일함수, 또는 유전율 중 하나 이상에서의 변화를 겪게 된다. 감지 재료가 타겟 가스와 상호작용한 이후에, 트랜스듀서는 변화된 물리적 속성을 감지 재료의 전기적 특성, 예컨대 커패시턴스(C), 인덕턴스(L), 또는 저항(R)에서의 변화로 변환한다. 그러면, 회로는 감지 재료의 전기적 특성의 변화에 대응하는 전류(I) 또는 전압(V)에서의 크기, 주파수(F), 또는 위상(φ) 변동을 측정한다.
전기적으로 변환된 가스 센서는 다음 적어도 네 개의 상이한 디바이스 아키텍처로 범주화될 수 있다: 저항성, 용량성, 유도성, 및 전계-효과-기반 가스 센서 아키텍처. 전자 가스 감지 재료는 일반적으로 도체 또는 반도체이고, 타겟 가스에 노출되면 전기 속성 변화를 겪는다. 통상적인 가스-감지 재료는 금속-산화물 반도체, 통전 폴리머, 탄소 나노튜브, 및 2D 재료를 포함한다. 대부분의 상업적인 가스 센서는 금속-산화물 반도체 감지 층, 예를 들어 NiO, SnO2, TiO, WO3, Fe2O3 및 ZnO에 기반한다.
금속-산화물 가스 센서는 1 μm 내지 100 μm의 범위를 가지는 감지 층 두께를 가진 후막 디바이스 또는 수 nm 내지 1 μm의 범위를 가지는 감지 층 두께를 가진 박막 디바이스일 수 있다. 공칭적으로 동일한 재료의 박막 및 후막 금속-산화물-기반 가스 센서의 가스-감지 속성은 상이한 온도 범위에서 다양한 가스에 대하여 크게 다른 응답을 나타낸다.
박막 및 후막 층 금속-산화물 감지 필름을 증착하기 위해서 상이한 기법들이 현재 사용된다. 박막 증착을 위한 증착 방법은 물리적 기상 증착, 원자층 증착, 분자 기상 증착, 열적 화학적 기상 증착, 또는 플레임 분사 열분해(flame spray pyrolysis)와 같은 진공 증착 기법을 포함한다. 후막 증착 기술은 스크린-인쇄, 잉크젯-인쇄, 드롭-캐스팅(drop-casting), 및 전기동력학(electrohydrodynamic) 인쇄를 포함한다. 진보되고 효과적인 금속-산화물 가스 센서는 트랜스듀서 전극 상의 다공성 후막으로서 증착된 나노구조체인(nanostructured) 재료를 포함할 수 있다.
대부분의 상업적 가스 센서는 가스-센서 소자가 가스에 민감해지게 하기 위한 히터를 필요로 할 수 있다. 대부분의 가스 센서가 휴대용 애플리케이션을 위해서 의도되기 때문에, 가스 센서에 의한 전력 사용과 가스 센서의 물리적 크기가 중요한 성능 속성일 수 있다.
이전의 연구에서, Graf 등은 주석 산화물, 갈륨 산화물, 인듐 산화물, 또는 아연 산화물과 같은 광-밴드갭(wide-bandgap) 반도전성 산화물에 대해서 논의했다. (예를 들어 M. Graf, 등, Journal of Nanoparticle Research, 2006, 8, 823 - 839를 참조하는데, 이것은 본 명세서에 그 개시내용이 전체적으로 개시내용이 전체적으로 참조로 포함된다.) 일반적으로, 가스상 전자 도너 또는 억셉터가 금속 산화물 상에 흡착되고 표면 상태를 형성하는데, 이것은 전자를 반도체 금속 산화물로 치환할 수 있다. 억셉터 분자는 금속-산화물 반도체로부터 전자를 추출하고, 따라서 그 도전성을 감소시킬 수 있다. 반대의 내용이 전자-제공(electron-donating) 분자에 대해서도 성립한다. 따라서, 공간-전하 층이 형성될 수 있다. 도너/억셉터의 표면 농도를 변경함으로써, 금속-산화물 반도체 재료의 도전성이 분석물질의 가스-농도 변화에 응답하여 변하도록, 공간-전하 구역의 도전성이 변조될 수 있다. 그러면 화학적으로 유도된 이러한 변화가 도전성 측정을 하기 위한 간단한 전극 구조체를 이용하여 전기 신호로 변환될 수 있다.
가스-센서 소자는 기화에 의해 형성된 박막을 포함하거나, 금속-산화물 가스-센서 소자를 드롭 캐스팅 또는 스크린 인쇄함으로써 또는 용액 내의 금속 산화물 나노입자를 잉크젯 프린터를 사용하여 마이크로-히터 상에 증착시킴으로써 형성된 후막을 포함할 수 있다. 가스-센서 소자는 MIMIC(micro-molding in capillaries) 방법을 사용하여 구성될 수 있다. (예를 들어, M. Heule, 등, Adv. Mater., 2001, 13, 23, 1790-1793; 및 M. Heule 등, Sensors and Actuators B, 2003, 93, 1-3, 100-106을 참조한다; 이들은 그 전체로서 원용에 의하여 본 명세서에 통합된다.) 그러나, 이러한 가스 센서는 널리 변동하고 일관적이지 않은 성능을 가지고, 바람직한 것보다 많은 전력을 사용할 수 있다. 더욱이, 예를 들어 전자 코 내에 있는, 다양한 가스를 동시에 감지할 수 있는 가스 센서들이 유용할 수 있다.
많은 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스로써 제작된 가스 센서를 제공한다. 여러 실시형태에 따른 가스 센서는 더 작은 크기를 가지고, 감소된 전력 사용을 나타낸다. 여러 실시형태는 가스 센서가 성능에 있어서 더 일관적이 된다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 가스 센서는 더 다양한 가스-센서 소자를 포함한다. 여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 제작 프로세스는 간단하고 반복가능한 제조 프로세스이다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 프로세스로써 제작된 고분해능 가스-센서 소자를 가지는 시스템이 상세히 후술된다.
마이크로-몰딩 가스 센서
많은 실시형태는 가스 센서를 제작하기 위한 구조체 및 방법을 제공한다. 여러 실시형태에 따른 가스 센서는 더 낮은 전력 소모, 증가된 감도, 개선된 선택도, 증가된 일관성 및 제어가능성, 감소된 점유공간, 및 단순화된 제조 프로세스를 가진다. 가스 센서의 점유공간은 기판 위에서 가스 센서가 배치된 가스 센서의 면적이다. 적어도 하나의 가스-센서 소자는 일부 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 표면 상에 구성될 수 있다. 많은 실시형태는 가스-센서 소자가 상이한 재료를 포함하거나 및/또는 상이한 폼 팩터를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 가스-센서 소자는 적어도 하나의 마이크로-히터 위의 감지 전극 상에 배치될 수 있다. 감지 전극 상의 가스-센서 소자는 배타적으로 그리고 직접적으로 적어도 하나의 마이크로-히터 위에 있을 수 있다. 여러 실시형태는 가스-센서 소자가 주변 가스에 노출될 수 있다는 것을 제공한다. 특정 실시형태들에서, 마이크로-히터는 가스-센서 소자를 가열할 수 있다. 여러 실시형태는 감지 전극이 가스-센서 소자의 전기적 특성을 측정할 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스로 제작된 가스-센서의 구조체를 제공한다. 여러 실시형태에서, 가스-센서의 적어도 하나의 소자는 마이크로-몰딩 프로세스로써 제작될 수 있다. 마이크로-몰딩형 가스 센서는 적어도 하나의 가스-센서 소자를 포함할 수 있다. 가스-센서 소자는 용융된 나노입자(비한정적임)로 제작된 나노-다공성 전도체일 수 있다. 일부 실시형태에 따른 용융된 나노입자들은 소결되거나 결합된 나노입자일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 마이크로-몰딩형 가스 센서는 여러 개의 가스-센서 소자를 포함한다. 가스-센서 소자는 소자 길이 L, 소자 높이 H, 및 소자 폭 W를 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 가스-센서 소자 높이 H는 소자 폭 W보다 클 수 있다. 특정 실시형태들에서, 전극은 가스-센서 소자에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시형태는 이러한 전극을 가스-센서 전극이라고 부른다. 여러 실시형태에서, 추가적인 전류- 및/또는 전압-주입 힘 전극(force electrode)이 포함될 수 있다. 여러 실시형태에 따른 힘 전극은 가스-센서 소자에 연결되어 4-점 프로브 측정 구조를 제공할 수 있다. 이러한 실시형태는 측정 시에 감지 소자들 사이의 콘택 저항의 영향을 감소 또는 제거함으로써 가스-센서의 장기적인 안정성을 개선할 수 있다. 많은 실시형태에 따른 가스-센서 소자의 전기적 특성은 나노-다공성 전도체에 접촉하는 주변 가스에 응답하여 변할 수 있다. 전기적 특성은 비저항, 커패시턴스, 인덕턴스, 위상, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 여러 실시형태에서, 가스-센서는 전극에 전기적으로 연결된 센서 제어기를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 센서 제어기는, 가스-센서 소자로의 전극 및/또는 다른 전기 연결을 통해서 가스-센서 소자에 전류를 제공하고 해당 소자의 비저항을 측정하도록 동작가능할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 가스 센서는 실질적으로 동일할 수 있는(예를 들어, 제조 공차 안에 속함) 다수의 가스-센서 소자를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에 따른 다수의 실질적으로 동일한 가스-센서 소자는 가스 센서 측정치의 변이율을 감소시키고 일관성 및 정확도를 개선하도록 결합될 수 있는 리던던트 측정치를 제공할 수 있다. 일부 실시형태는 각각의 가스-센서 소자가 별개의 제 1 전극 및 별개의 제 2 전극에 의하여 센서 제어기로 연결될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태는 가스-센서 소자가 공통 제 1 전극 및/또는 공통 제 2 전극에 전기적으로 연결될 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태는 가스 센서가 기판 상의 적어도 하나의 마이크로-히터 상에 배치될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 마이크로-히터는 전기 마이크로-히터일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전기 마이크로-히터는 저항성 전도체, 또는 저항성 와이어를 포함하는(비한정적임) 적어도 하나의 마이크로-히터 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시형태는, 유전체 층, 또는 SiO2 층을 포함하는(비한정적임) 적어도 하나의 전기 절연층이 마이크로-히터 상에 배치될 수 있고 가스-센서 소자가 절연층 상에 배치될 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따른 절연층은 가스-센서-소자를 마이크로-히터 전극으로부터 전기적으로 절연시키고 보호할 수 있다. 여러 실시형태에서, 마이크로-히터는, 가스-센서 소자가 기판 상의 또는 위의 표면에 평행한 수평 방향으로 마이크로-히터에 의해서 둘러싸일 수 있도록, 하나 또는 두 직교 방향으로 가스-센서 소자를 넘어 연장될 수 있다. 여러 실시형태는, 표면이 그 위에 가스-센서 소자가 배치된 기판의 표면이거나, 가스-센서 소자가 그 위에 배치된 기판 상에 배치된 임의의 층의 표면일 수 있다는 것을 제공한다. 가스-센서 소자의 부분을 감지 전극 및/또는 힘 전극 사이에 위치된 마이크로히터에 의해서 균일하게 가열함으로써, 가스-센서 소자의 온도는 더 일관적이고 더 양호하게 제어될 수 있고, 일부 실시형태에 따르면 더 신뢰가능하고 일관적인 전기적 특성을 제공할 수 있다.
많은 실시형태에서, 마이크로-히터는 가스-센서 소자의 온도를 제어하기 위하여 가스-센서 소자에 열을 제공할 수 있다. 열은 가스 센서 소자의 비저항을 감소시키고 타겟 가스 분자와 감지 재료의 상호작용을 향상시킬 수 있고, 따라서 타겟 가스에 대한 센서 소자의 감도를 증가시킬 수 있다. 여러 실시형태에서, 가스-센서 소자는 주변 온도 및/또는 실온보다 높은, 예컨대 약 150 °C 내지 약 350°C의 온도를 포함하는(비한정적임) 상승된 온도에서 더 효과적으로 동작할 수 있다. 실시형태들에 따른 마이크로-히터는 센서 제어에 전기적으로 연결되고 이에 의해서 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서의 평면도가 도 1에 도시된다. 마이크로-몰딩형 가스 센서(99)는 적어도 하나의 가스-센서 소자(10)를 포함한다. 가스-센서 소자(10)는 용융된 나노입자를 포함하는 나노-다공성 전도체를 포함할 수 있다. 가스-센서 소자(10)는 소자 길이 L, 소자 높이 H, 및 소자 폭 W를 가질 수 있다. 적어도 제 1 전극(30A)은 가스-센서 소자(10)에, 예를 들어 가스-센서 소자(10)의 제 1 단부에서 전기적으로 연결될 수 있다. 적어도 제 2 전극(30B)은 가스-센서 소자(10)에, 예를 들어 가스-센서 소자(10)의 제 1 단부와 반대인 제 2 단부에서 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 전극(30A) 및 제 2 전극(30B)은 총괄하여 가스-센서 전극(30)이라고 불린다. 가스-센서 소자(10)의 전기적 특성은 나노-다공성 전도체에 접촉하는 주변 가스에 응답하여 변한다. 일부 실시형태들에서, 가스 센서(99)는 제 1 전극(30A)에 전기적으로 연결되고 제 2 전극(30B)에 전기적으로 연결된 센서 제어기(74)를 포함할 수 있다. 센서 제어기(74)는, 예를 들어 제 1 전극(30A) 및 제 2 전극(30B) 또는 가스-센서 소자(10)로의 다른 전기 연결을 통하여, 가스-센서 소자(10)에 전류를 제공하고 그 비저항을 측정하도록 동작가능할 수 있다.
도 1에서, 가스 센서(99)는 기판(20), 및 기판(20) 상에 배치된 마이크로-히터(90)를 포함할 수 있다. 전기 마이크로-히터(90)는 기판(20) 상에 배치된 저항성 전도체 또는 저항성 배선과 같은 적어도 하나의 마이크로-히터 전극(92)을 포함할 수 있다. 마이크로-히터(90)는 센서 제어(74)에 전기적으로 연결되고 이에 의해서 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서의 도 1의 단면 라인 A에 따라서 취해진 단면도가 도 2에 도시된다. 마이크로-몰딩형 가스 센서(99)는 적어도 하나의 가스-센서 소자(10)를 포함한다. 가스-센서 소자(10)는 용융된 나노입자(12)를 포함하는 나노-다공성 전도체를 포함할 수 있다. 용융된 나노입자(12)는 소결되거나 결합된(welded) 나노입자(12)일 수 있다. 가스-센서 소자(10)는 소자 길이 L, 소자 높이 H, 및 소자 폭 W를 가질 수 있다. 소자 높이 H는 소자 폭 W보다 클 수 있다.
도 2에서, 가스 센서(99)는 기판(20)을 포함할 수 있다. 저항성 전도체 또는 저항성 와이어와 같은 마이크로-히터 전극(92)을 포함하는 마이크로-히터(90)가 기판(20) 상에 배치될 수 있다. 전기 절연층(96)(예를 들어, SiO2와 같은 유전체)이 마이크로-히터(90) 상에 배치될 수 있고, 가스-센서 소자(10)는 절연층(96) 상에 배치될 수 있다. 절연층(96)은 가스-센서-소자(10)를 마이크로-히터 전극(92)로부터 전기적으로 절연시키고 보호한다. 마이크로-히터(90)는, 가스-센서 소자(10)가 기판(20) 상의 또는 위의 표면(22)에 평행한 수평 방향으로 마이크로-히터(90)에 의해서 둘러싸이도록, 가스-센서 소자(10)를 넘어 연장될 수 있다. 가스-센서 소자(10)를 마이크로-히터(90)로 둘러쌈으로써, 가스-센서 소자(10)의 온도가 더 일관적이고 더 양호하게 제어될 수 있고, 더 신뢰가능하고 일관적인 전기적 특성 측정치를 제공할 수 있다. 비록 도 1 및 도 2가 특정한 가스-센서 구조적 스킴 및 가스-센서 소자 조성물을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
많은 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스로 제작된 가스-센서가 서로 다른 가스-센서 소자들을 포함할 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태는 가스 센서 내의 다수의 상이한 가스-센서 소자가 단일 가스 센서 내의 상이한 가스 및/또는 가스 농도의 측정치를 제공할 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태는 가스 센서를 전자 코 내에 구현한다. 많은 실시형태에 따른 다수의 상이한 가스-센서 소자는 상이한 나노입자로 제작된 전도체를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 따른 다수의 상이한 가스-센서 소자의 상이한 나노입자 조성물들은 상이한 가스 및/또는 가스 농도에 민감할 수 있다. 여러 실시형태에서, 가스-센서 소자의 선택도는 타겟 가스 존재 시의 출력 신호 변화 및 상이한 가스가 존재할 경우의 출력 신호 변화의 비율에 의해서 특징지어질 수 있다.
많은 실시형태에서, 가스 센서의 다수의 상이한 가스-센서 소자는 상이한 나노입자로 제작될 수 있다. 여러 실시형태에 따른 상이한 나노입자는 상이한 나노입자 재료, 상이한 나노입자 도핑, 상이한 나노입자 크기, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 일부 실시형태에 따른 상이한 가스-센서 소자의 나노-다공성 전도체는 나노포어(nanopore) 크기, 및 나노-다공성 전도체 내의 나노-포어의 양을 포함하는(비한정적임) 상이한 나노-다공성을 가질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 가스-센서의 가스-센서 소자는 동일한 가스-센서의 다른 가스-센서 소자들과 동일한/또는 상이한 폼 팩터를 가질 수 있다. 폼 팩터의 예는 가스-센서 소자의 길이, 가스-센서 소자의 높이, 가스-센서 소자의 폭, 및 소자 형상을 포함한다(비한정적임).
많은 실시형태는 가스-센서 소자가 소자 폭 W보다 큰 소자 높이 H를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 소자 높이 H와 소자 폭 W 사이의 비율은 2에 달하고 그보다 클 수 있다. 여러 실시형태에서, 소자 높이 H와 소자 폭 W 사이의 비율은 4에 달하고 그보다 클 수 있으며, 8에 달하고 그보다 클 수 있고, 16에 달하고 그보다 클 수 있다. 특정 실시형태들에서, 소자 높이 H와 소자 폭 W 사이의 비율은 0.5 미만일 수 있고, 0.25 미만일 수 있다. 많은 실시형태에 따른, 소자 폭 W에 대한 증가된 소자 높이 H(예를 들어, 증가된 종횡비)를 가지는 가스-센서 소자는 증가된 가스-센서-소자 표면적을 가질 수 있다. 여러 실시형태는, 증가된 표면적을 가지는 가스-센서 소자가 기판에 걸쳐 감소된 면적 내에 서로 더 가깝게 배치될 수 있어서, 가스 센서의 점유공간을 감소시킨다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 소자 폭과 소자들 사이의 간극 사이의 비율은 4 미만일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 가스-센서 소자의 전기적 특성 응답은 적어도 부분적으로, 나노-다공성 전도체의 표면적을 포함하는(비한정적임) 가스-센서-소자-표면적에 따라 달라질 수 있다. 여러 실시형태에서, 대응하는 가스에 대한 가스-센서 소자의 응답이 증가될 수 있도록, 나노-다공성 전도체는 감지 재료 및 가스 사이의 계면 면적을 증가시킬 수 있다. 여러 실시형태는 고-종횡비 나노-다공성 가스-센서 소자를 포함하는 가스 센서가 증가된 감도 및 감소된 점유공간을 가진다는 것을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 상이한 가스-센서 소자를 가지는 가스-센서의 평면도가 도 3에 도시된다. 가스 센서(99)는 서로 다른 다수의 가스-센서 소자(10A, 10B, 10C)를 포함한다. 가스 센서(99) 내의 다수의 가스-센서 소자(10A-C)는 단일 가스 센서(99) 내의 상이한 가스 및/또는 가스 농도의 측정치를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제 1 가스-센서 소자(10A)는 제 2 가스-센서 소자(10B) 내의 나노입자와 다른 나노입자를 포함할 수 있다. 나노입자들은 상이한 가스 및/또는 가스 농도에 민감할 수 있다.
도 3의 단면 라인 A에 따라 취해진, 일 실시형태에 따른 상이한 가스-센서 소자가 있는 가스-센서의 단면도가 도 4에 도시된다. 가스 센서(99)는 서로 다른 다수의 가스-센서 소자(10A, 10B, 10C)를 포함한다. 다수의 가스-센서 소자(10A-C)는 단일 가스 센서(99) 내의 상이한 가스 및/또는 가스 농도의 측정치를 제공할 수 있다. 제 1 가스-센서 소자(10A)는 제 1 나노입자(12A)를 포함할 수 있고, 제 2 가스-센서 소자(10B)는 제 1 나노입자(12A)와 다르고 상이한 가스 또는 가스 농도에 민감한 제 2 나노입자(12B)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 나노입자(12A, 12B)는 총괄하여 나노입자(12)라고 불린다. 제 3 가스-센서 소자(10C)는 상이한 나노입자(12)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 가스-센서 소자(10C)는 제 1 가스-센서 소자(10A)와 다른 폼 팩터를 가질 수 있다. 상이한 폼 팩터는 상이한 길이 L(도 3에 도시된 바와 같은 가스-센서 소자(10)로의 제 1 전극(30A) 및 제 2 전극(30B) 전기 연결들 사이의 길이), 상이한 단면(예를 들어, 상이한 소자 높이 H, 상이한 소자 폭 W, 또는 상이한 소자 형상)일 수 있다.
도 4에서, 소자 폭 W에 대하여 증가된 소자 높이 H(예를 들어, 증가된 종횡비)를 가지는 가스-센서 소자(10A 및 10B)는 증가된 가스-센서-소자 표면(15) 면적을 가질 수 있고, 가스-센서 소자(10)가 위치된 기판(20) 위의 감소된 면적 내에서 서로 더 가깝게 배치될 수 있으며, 가스 센서(99)의 점유공간을 감소시킨다. 가스-센서 소자(10)의 전기적 특성 응답은 적어도 부분적으로, 가스-센서-소자-표면(15) 면적, 예를 들어 나노-다공성 전도체의 표면적에 따라 달라질 수 있다. 가스-센서 소자의 나노-다공성 전도체는 가스-센서 소자의 감지 재료 및 가스 사이의 계면 면적을 개선할 수 있고, 대응하는 가스에 대한 응답이 증가된다. 비록 도 3 및 도 4가 특정한 가스-센서 구조적 스킴 및 다수의 상이한 가스-센서 소자 조성물을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
많은 실시형태에서, 가스-센서의 마이크로-히터는 개별적으로 제어가능한 마이크로-히터 세그멘트를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에 따른 개별적으로 제어가능한 마이크로-히터 세그멘트는 각각의 마이크로-히터 세그멘트 내에 상이한 온도를 동시에 제공하기 위한 센서 제어기를 포함함으로써(비한정적임) 개별적으로 제어가능해질 수 있다. 일부 실시형태는 각각의 마이크로-히터 세그멘트가 상이한 가스-센서 소자와 연관되고 및/또는 이들과 접촉될 수 있다는 것을 제공한다. 이러한 실시형태에서, 다수의 마이크로-히터 세그멘트는 대응하는 가스-센서 소자를 상이한 온도로 동시에 가열할 수 있다. 많은 실시형태에 따른, 상이한 온도로 가열된 가스-센서 소자는 개별적이고 분리된 마이크로-히터 전극을 통해서 상이한 가스 및/또는 가스의 농도를 검출하도록 적용될 수 있다. 여러 실시형태는, 상이한 마이크로-히터 세그멘트 내에 상이한 온도가 가능해지게 하기 위하여, 기판 및/또는 절연층이 상대적으로 높은 열적 저항을 가질 수 있다는 것을 제공한다. 상이하게 제어가능하고 상이한 가스-센서 소자를 제공함으로써, 가스 센서는 상이한 가스 및/또는 상이한 가스 농도를 동시에 측정할 수 있고, 전자 코를 포함할 수 있다.
가스 센서 소자의 점유공간을 감소시킴으로써, 마이크로히터의 총 면적이 가스-센서 소자의 온도 균일성을 희생하지 않으면서 많은 실시형태에 따라서 감소될 수 있다. 마이크로히터의 전력 소모는 면적에 따라서 증가할 수 있다. 마이크로히터의 총 면적이 감소되면 결과적으로 가스 센서 전력 소모가 감소될 수 있고, 여러 실시형태에 따른 가스 센서를 배터리로 급전되는 전자제품 내에서 사용할 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스-센서 내의 개별적으로 제어가능한 마이크로-히터 세그멘트의 평면도가 도 5에 도시된다. 마이크로-히터(90)는 각각의 마이크로-히터 세그멘트(91) 내에 상이한 온도를 동시에 제공하기 위하여 개별적으로 제어가능한(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 센서 제어기(74)에 의하여) 개별적으로 제어가능한 마이크로-히터 세그멘트(91)를 포함한다. 각각의 마이크로-히터 세그멘트(91)는 상이한 가스-센서 소자(10)와 연관되거나 열적 접촉 상태일 수 있고, 다수의 마이크로-히터 세그멘트(91)는 대응하는 가스-센서 소자(10)를 상이한 온도로 동시에 가열함으로써, 예를 들어 개별적이고 분리된 마이크로-히터 전극(92)(예를 들어, 제 1 마이크로-히터 전극(92A), 제 2 마이크로-히터 전극(92B), 제 3 마이크로-히터 전극(92C), 총괄하여 마이크로-히터 전극(92))을 통하여 상이한 가스 또는 가스의 농도를 검출할 수 있다. 기판(20), 절연층(96), 또는 양자 모두는 상이한 마이크로-히터 세그멘트(91) 내에 상이한 온도가 가능해지게 하기 위하여, 기판 및/또는 절연층이 상대적으로 높은 열적 저항을 가질 수 있다. 상이하게 제어가능하고 상이한 가스-센서 소자(10)를 제공함으로써, 가스 센서(99)는 상이한 가스 또는 상이한 가스 농도를 동시에 측정할 수 있고, 전자 코를 포함할 수 있다. 가스 센서 소자(10)의 점유공간을 감소시키면, 가스-센서 소자(10)의 온도 균일성을 희생하지 않고서도 마이크로히터(90)의 총 면적이 감소될 수 있다. 마이크로히터(90)의 전력 소모가 면적에 따라 증가하기 때문에, 이것은 가스 센서(99)의 전력 소모가 감소되게 하고, 이러한 가스 센서(99)가 배터리로 급전되는 전자장치 내에서 사용될 수 있게 한다. 비록 도 5는 가스-센서 스킴 내에 특정한 마이크로-히터가 포함되는 것을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
많은 실시형태에서, 가스 센서는 나노미터, 마이크론으로부터 수 십 마이크론까지의 범위에 속하는 소자를 가지는 마이크로-센서일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 가스-센서 소자는 약 1 마이크론 내지 약 50 마이크론의 범위를 가지는 소자 폭 W를 가질 수 있다. 특정 실시형태들에서, 가스-센서 소자는 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 범위를 가지는 소자 폭 W를 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 가스-센서 소자의 폭 W는 약 10 마이크론일 수 있다. 여러 실시형태는 가스-센서 소자가 약 100 나노미터 내지 약 20 마이크론의 범위를 가지는 소자 높이 H를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 가스-센서 소자는 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 범위를 가지는 높이 H를 가질 수 있다. 특정 실시형태들에서, 가스-센서 소자의 높이 H는 약 5 마이크론일 수 있다. 많은 실시형태에서, 가스-센서 소자는 기판 위에서 약 1 마이크론 내지 약 50 마이크론의 범위를 가지는 거리에 의해서 분리될 수 있다. 여러 실시형태는 가스-센서 소자가 기판 위에서 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 범위를 가지는 거리에 의해서 분리될 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 가스-센서 소자들은 기판 위에서 약 15 마이크론의 거리만큼 분리될 수 있다. 많은 실시형태는 가스-센서 전극이 약 10 nm 내지 약 5 마이크론의 범위를 가지는 두께를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 수 개의 실시형태에서, 가스-센서 전극은 약 100 nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 각각의 가스-센서 소자는 약 1 마이크론 내지 약 20 마이크론의 범위를 가지는 높이 H, 및 약 1 마이크론 내지 약 50 마이크론의 범위를 가지는 폭을 가질 수 있다.
여러 실시형태에 따른 가스-센서 소자 및 가스-센서 전극의 크기 및 분리는 잉크-젯, 드롭-캐스팅, 및/또는 스크린-인쇄 기법에 의해서 구성되지 않을 수도 있다. 또한, 박막 구조체는 감소된 표면적을 가지고, 따라서 감소된 감도를 가질 수도 있다. 많은 실시형태는 증가된 감도 및 감소된 점유공간을 가지는 가스 센서가 가능해지게 한다. 여러 실시형태는, 전기적 특성 측정치가 더 일관적이고 반복가능해질 수 있도록, 가스-센서 소자가 더 반복가능하게 그리고 전극들 사이의 용융된 나노입자를 포함하는(비한정적임) 감지 재료의 양 및 구조를 더 양호하게 제어하면서 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에 따른 개선된 제작 충실도 및 재현성은, 가스-센서 소자의 표면 속성의 더 양호한 제어를 초래할 수 있고, 이를 통하여 제작된 가스 센서의 전기 응답의 변이율을 감소시키고 제조 이후에 가스 센서의 교정 필요성을 완화시킨다.
많은 실시형태는 가스-센서의 가스-센서 소자가 선형 및 직선형 라인, 만곡형, 또는 나선을 포함하는(비한정적임) 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에 따른, 단일 제 1 전극 및 단일 제 2 전극이 있는 단일 가스-센서 소자는 상이한 나노-다공성 전도체에 각각 대응하는 여러 부분을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 다수의 가스-센서 소자는 상호 맞물릴 수 있고 및/또는 상이한 가스-센서 소자는 상호 맞물린 상이한 나노-다공성 전도체를 가질 수 있다. 가스-센서 소자는 정사각형, 사각형, 입방형, 원형, 또는 원통형을 포함하는(비한정적임) 상이한 형상 및/또는 단면을 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 고-종횡비 폼 팩터 및 소자 폭 W 또는 소자 높이 H보다 훨씬 큰 소자 길이 L을 포함하는(비한정적임) 선형 폼 팩터를 가지는 가스-센서 소자는 표면의 감소된 면적 내에 더 큰 가스-센서-소자 표면적을 가질 수 있다. 일부 실시형태에 따른 가스-센서 소자는 드롭-캐스팅, 스크린 인쇄, 또는 잉크-젯 인쇄를 사용하여 제공된 가스-센서 재료와 비교할 때 더 큰 가스-센서-소자 표면적을 가진다. 여러 실시형태에 따른, 더 큰 가스-센서-소자 표면적을 가지는 가스-센서 소자는, 특히 전자 코 내의 다수의 가스-센서 소자를 포함하는 가스 센서를 위하여 가스-센서 소자의 감도를 증가시키고, 가스 센서의 크기를 감소시킬 수 있다.
많은 실시형태는 가스-센서 소자의 나노입자가 약 1 nm 내지 약 1 마이크론의 범위를 가지는 직경을 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 나노입자는 약 10 nm 내지 약 500 nm의 범위를 가지는 직경을 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자는 약 100 nm 또는 약 100 nm보다 작은 직경을 가질 수 있다. 특정 실시형태들에서, 나노입자는 약 1 nm 내지 약 5 마이크론의 범위를 가지는 직경을 가진다.
많은 실시형태에서, 가스-센서 소자의 나노-다공성 전도체 내의 나노입자의 어셈블리는 동일하지 않을 수 있고 크기의 분포를 가질 수 있다. 여러 실시형태에 따른 나노입자 크기의 분포는 대략적으로 공칭 직경에 중심이 있는 직경의 분포를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 따라서, 실시형태들에 따라서 약 100 nm의 직경을 가지는 것으로 언급되는 나노입자는 실제로 실질적으로 약 100 nm의 평균을 가지는(예를 들어, 제조 공차 안에 속함) 직경들의 분포를 가지는 나노입자들의 어셈블리의 콜렉션일 수 있다. 여러 실시형태는 가스-센서 소자가 약 1 마이크론 RMS 미만의 표면 조도를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 특정 실시형태들에서, 가스-센서 소자는 약 150 nm RMS 미만, 약 100 nm RMS 미만 및/또는 약 50 nm RMS 미만의 표면 조도를 가질 수 있다.
많은 실시형태는 가스 센서의 나노입자가 금속 나노입자, 금속-산화물 나노입자, 또는 도핑된 금속-산화물 나노입자를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음)는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따른 금속-산화물 나노입자는 SnO2, TiO2, ITO, CdSe, WO3, ZnO, In2O3, Cd: ZnO, CrO3, V2O5, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 일부 실시형태들에서, 금속-산화물 나노입자는 Al, Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Cu, Fe, Sb, Mo, Ce, Mn, Rh2O3, 또는 탄소 나노튜브(CNT)로 도핑되어 센서의 선택도를 개선할 수 있다. 이러한 재료는 다양한 애플리케이션에서 관심 대상인 검출 가스를 검출하기 위하여 효과적으로 사용될 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자들의 어셈블리는 비도전성 재료, 반-도전성 및/또는 유전체 재료를 포함하는(비한정적임) 재료를 포함할 수 있다. 실시형태들에 따른 이러한 재료는 가스에 민감하고 나노-다공성 전도체 내의 도전성 재료의 응답에 영향을 줄 수 있고, 및/또는 나노-다공성 전도체를 구성하기 위해서 유용할 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자 잉크는 수성 분산제, 및/또는 유기 용매를 포함하는(비한정적임) 액체 용매 내의 서스펜션으로서 제공될 수 있다. 유기 용매의 예는 이소프로판올, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 또는 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르를 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 여러 실시형태에 따른 나노입자는 약 0.3 센티푸아즈 내지 약 300 센티푸아즈의 범위 내의 점성을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 나노입자는 상이한 도전성, 반-도전성 또는 비도전성 재료로 제작된 상이한 나노입자를 포함하고, 가스-센서 소자 내에서 등방성으로 또는 이방성으로 분포될 수 있다.
많은 실시형태는 가스-센서의 기판이 유리, 폴리머, 반도체, 세라믹, 석영, 금속, 종이, 및/또는 사파이어를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음)는 것을 제공한다. 기판을 포함하는 폴리머의 예는 캡톤(폴리이미드), PET, PMMA, Teflon(PTFE), 및 ETFE를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 반도체의 예는 Si, SiO2, Si3N4, SiC, GaAs, GaInP, InP, 및 이러한 재료의 임의의 조합을 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 여러 실시형태에서, 가스-센서용 기판은 FR2, FR4, 또는 액정- 폴리머(liquid-crystal polymer; LCP) 재료를 포함하는(비한정적임) 인쇄-회로 보드(PCB) 기판일 수 있다. 일부 실시형태는 기판이 강성을 가지고, 탄성이 있으며 및/또는 실질적으로 평면일 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 기판은 디스플레이, 집적 회로, 전자 어셈블리, 또는 회로 보드 산업계에서 발견될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 기판은 보유 CMOS 및/또는 MEMS 디바이스, 집적 회로, 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, 각도 측정 회로부, RF 회로, 및 송수신기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른, 다양한 크기의 가스-센서 소자를 가지는 가스 센서가 도 6에 도시된다. 가스 센서(99)는 나노미터, 마이크론, 또는 수 십 마이크론 범위에 있는 크기를 가지는 소자를 가지는 마이크로-센서일 수 있다. 예를 들어, 가스-센서 소자(10)는 약 1 마이크론 내지 약 50 마이크론의 범위를 가지는 또는 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 범위를 가지는 소자 폭 W를 가질 수 있다. 도 6에서, 하나의 가스 센서 소자(10)의 폭 W는 약 10 마이크론이다. 가스-센서 소자(10)는 약 100 나노미터 내지 약 20 마이크론의 범위를 가지는 또는 약 1 마이크론 내지 약 10 마이크론의 범위를 가지는 소자 높이 H를 가질 수 있다. 도 6에서, 하나의 가스-센서 소자(10)의 높이 H는 약 5 마이크론이다. 가스-센서 소자들(10)은 약 1 마이크론 내지 약 50 마이크론의 범위 또는 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 범위의 거리만큼 기판(20) 위에서 분리될 수 있다. 도 6에서, 가스-센서 소자들 사이의 분리 거리는 약 15 마이크론이다. 가스-센서 전극(30)은 약 10 nm 내지 약 5 마이크론의 범위를 가지는 두께를 가질 수 있다. 도 6에서, 가스-센서 전극의 두께는 약 100 nm이다. 가스-센서 소자(10)는 나노입자(94)로 제조될 수 있다. 나노입자(94)는 예를 들어 약 1 nm 내지 약 1 마이크론의 범위, 또는 약 10 nm 내지 약 500 nm의 범위를 가지는 직경 D의 범위를 가질 수 있다. 도 6에서, 나노입자(94)는 약 100 nm 또는 약 100 nm 미만, 예를 들어 약 1 nm 내지 약 5 마이크론의 직경을 가진다. 비록 도 6 이 특정한 가스-센서 구조적 치수 및 가스-센서 소자 조성물을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
많은 실시형태에서, 가스-센서는 상이한 두께의 섹션이 있는 기판을 가질 수 있다. 일부 실시형태에 따라서 더 얇은 섹션이 있는 기판은 마이크로-히터에 응답하여 더 빠른 온도 변화 및 더 양호한 열 제어 및 온도 분포를 가스-센서 소자에게 제공할 수 있다. 일 실시형태에 따라서 상이한 두께의 섹션을 가진 기판이 있는 가스-센서가 도 7에 도시된다. 기판(20)은 기판(20)의 에지보다 기판(20)의 중심에서 더 얇은 기판(21)을 가질 수 있다. 이러한 박형화된 기판(21)은, 예를 들어 기판(20) 전체의 열 손실을 줄임으로써, 마이크로-히터(90)에 응답하여 더 빠른 온도 변화 및 더 양호한 열 제어 및 온도 분포를 가스-센서 소자(10)에게 제공할 수 있다. 일부 실시형태들에서 더 얇은 기판(21)은 약 10 nm 내지 약 1 마이크론의 두께의 SiO2 또는 Si3N4 멤브레인을 포함할 수 있는데, 이것은 기판(20) 내의 애퍼쳐에 걸쳐서 서스펜딩될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 이러한 멤브레인은 열 손실을 추가적으로 줄이기 위한 개구를 포함할 수 있다.
많은 실시형태는 가스 센서가 마이크로-몰딩 머신(상세히 후술됨)을 사용하여 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 본 발명의 일 실시형태에 따라 기판 상에 또는 위에 배치된 가스 센서의 평면도가 도 8에 도시된다. 도 8에서, 가스-센서(99)는 다수의 가스-센서 소자(10)(예를 들어, 제 1 및 제 2 가스-센서 소자(10A, 10B))를 포함한다. 각각의 가스-센서 소자는 기판(20) 상의 마이크로-히터 전극(92) 위에 배치된 제 1 및 제 2 전극(30A, 30B)을 가스(절연층(96)은 도시되지 않음). 제 1 및 제 2 전극(30A, 30B)은 대응하는 가스-센서 소자(10)의 도전성 감지를 제공하고, 각각의 가스-센서 소자(10)의 나노-다공성 전도체를 통해 전류를 통전한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 추가적인 전류- 또는 전압-주입 힘 전극(31A, 31B)이 내장될 수 있다. 힘 전극(31A 31B)은 가스-센서 소자(10)에 연결되어 4-점 프로브 측정 구조를 제공할 수 있다. 그러면, 측정 시에 감지 소자(예를 들어, 제 1 및 제 2 전극(30A, 30B))사이의 콘택 저항의 영향을 감소 또는 제거함으로써 디바이스의 장기 안정성이 개선될 수 있다. 비록 도 7 및 도 8 이 특정한 가스-센서 구조체 및 조성물을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 프로세스에서 활용될 수 있는 마이크로-몰딩 머신의 시스템들이 상세히 후술된다.
마이크로-몰딩 머신
많은 실시형태는 마이크로-몰딩 프로세스에서 사용될 수 있는 마이크로-몰딩 머신을 제공한다. 여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 머신은 고-종횡비를 가지는 고분해능 전도체를 제작할 수 있다. 전도체는 전기 디바이스 가스 센서, 인덕터, 안테나를 포함하는(비한정적임) 전기 디바이스 내에 통합될 수 있다. 많은 실시형태는 마이크로-몰딩 머신이 마이크로-몰딩 머신의 적어도 하나의 표면 내에 임베딩된 다양한 피쳐를 가진다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 마이크로-몰딩 머신은 임베딩된 피쳐를 기판 상에 임프린트하기 위한 스탬프로서의 역할을 할 수 있다. 여러 실시형태에서, 마이크로-몰딩 머신은 마이크로-몰딩 프로세스 도중에 잉크를 공급하기 위한 적어도 하나의 잉크 공급부를 가진다.
많은 실시형태는 마이크로-몰딩 머신이 적어도 하나의 스탬프를 포함한다는 것을 제공한다. 스탬프는 일부 실시형태에 따른 스탬프의의 표면 상에 배치된 제 1 채널 및 스탬프의 표면 상에 배치된 제 2 채널을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제 1 인입 포트는 제 1 채널에 연결될 수 있고, 제 1 인입 포트와 별개인 제 2 인입 포트가 제 2 채널에 연결될 수 있다. 일부 실시형태는 제 1 잉크를 제 1 인입 포트로 공급하기 위한 나노입자 잉크 공급부를 포함하는(비한정적임) 제 1 잉크, 및 제 2 잉크를 제 2 인입 포트로 공급하기 위한, 제 1 잉크 공급부와 별개인 나노입자 잉크 공급부를 포함하는(비한정적임) 제 2 잉크를 제공한다. 일부 실시형태들에서, 마이크로-몰딩 머신은 제 1 잉크를 제 1 인입 포트 및 제 1 채널을 통하여 펌핑 및/또는 불출하고, 제 2 잉크를 제 2 인입 포트 및 제 2 채널을 통하여 펌핑 및/또는 불출하기 위한 펌프 및/또는 디스펜서를 포함한다. 많은 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 머신은 스탬프의 표면을 기판에 접촉시키기 위한 접촉 메커니즘을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스탬프 내의 채널은 기판 상의 피쳐에 대해서 위치설정될 수 있어서, 피쳐들이 1 마이크론, 또는 10 마이크론을 포함하는(비한정적임) 규정된 위치 공차 내에서 기판 상의 특정한 위치에 배치되게 보장한다. 특정 실시형태들에서, 스탬프 내의 채널은 스탬프 및 기판 상의 레퍼런스 마커를 사용하여 기판 상의 피쳐에 대해서 광학적으로 위치설정될 수 있다. 여러 실시형태에서, 스탬프 내의 채널은 기계적 콘택에 의해서 기판 상의 피쳐에 대하여 위치설정될 수 있다.
여러 실시형태에서, 제 1 잉크는 나노입자를 포함하는 잉크일 수 있고 제 2 잉크는 나노입자를 포함하는 잉크일 수 있으며, 제 1 잉크 내의 나노입자 조성물은 제 2 잉크 내의 나노입자 조성물과 같거나 다를 수 있다. 일부 실시형태는 제 1 채널이 제 1 폼 팩터를 가질 수 있고 제 2 채널이 제 1 폼 팩터와 동일하거나 다른 제 2 폼 팩터를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 많은 실시형태에서, 마이크로-몰딩 머신은 제 1 채널 또는 제 2 채널에 연결된 인출 포트를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에 따른 펌프 및/또는 디스펜서는 대기압보다 작은 음의 공기 압력 또는 진공을 인출 포트에 제공할 수 있다.
여러 실시형태는 가스-센서가 마이크로-몰드 머신을 사용하여 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰드 머신의 평면도가 도 9a에 도시된다. 도 9a의 단면 라인 A에 따라서 취해진 마이크로-몰드 머신의 단면도가 도 9b에 도시된다. 도 9a의 단면 라인 B에 따라서 취해진 마이크로-몰드 스탬프의 단면도가 도 9c에 도시된다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 별개의 잉크 저장소가 있는 마이크로-몰드 머신의 평면도가 도 9d에 도시된다.
마이크로-몰드 머신(98)은 지지 측면(46) 및 채널 측면(48)을 가지는 몰드층(44)을 포함하는 마이크로-몰드 스탬프(40)를 포함할 수 있다. 지지층(42)은 지지 측면(46)과 접촉하며 배치된다. 지지층(42)은 몰드층(44)보다 더 강성이 높아서 몰드층(44)에 치수 안정성을 제공하고, 마이크로-몰드 스탬프(40)에 의해 형성되는 구조체에 대해서 개선된 분해능이 가능해지게 할 수 있다. 몰드층(44)은 몰드층(44) 내의 채널 측면(48) 상에 배치된 적어도 하나의 채널(50)(예를 들어, 도시된 바와 같은 마이크로-채널 또는 다수의 채널(50)을 포함할 수 있다. 인입 포트(52)가 채널(50)에 연결되고, 인출 포트(54)가 채널(50)에 연결된다. 채널(50)은 채널 측면(48)으로부터 멀어져서 지지 측면(46)을 향해서 몰드층(44) 내로 들어가는 방향으로 높이를 가진다(가스-센서 소자 높이 H에 대응함). 채널 높이는 채널 측면(48) 상의 채널(50)의 폭보다 클 수 있다(가스-센서 소자 폭 W에 대응함). 일부 실시형태들에서, 입구 및 인출 포트(52 및/또는 54)는 몰드층(44)의 채널 측면(48) 표면까지 연장될 수 있다. 인입 포트(52)는 나노입자 잉크(56)가 채널(50)에 진입할 경로를 제공하고, 인출 포트(54)는 나노입자 잉크가 채널(50)로부터 빼내질 경로를 제공한다. 몰드층(44)은 폴리디메틸실록산 폴리우레탄, 실온 가황(vulcanizing) 실리콘 고무, 또는 형성된 마스터, 예를 들어 실리콘 웨이퍼 내로 가공된 마스터 구조체, 또는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 상에 제작된 폴리머 구조체 상에, 예를 들어 포토리소그래피를 이용하여 캐스팅되고 경화된 광경화성 고무를 포함하는(비한정적임) 탄성중합체 재료를 포함할 수 있다. 지지층(42)은 몰드층(44)보다 더 강성이 높은 재료, 예를 들어 유리, 실리콘, 폴리메타크릴산 메틸, 폴리카보네이트, 또는 석영을 포함할 수 있고, 몰드층(44)보다 얇을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 몰드층(44)은 나노입자를 탄성중합체 재료 내에 포함시킴으로써, 또는 유리, 강철, 탄소, 또는 나일론을 포함하는(비한정적임) 제작된 섬유 메시를 포함시킴으로써 강화될 수 있다. 지지층(42)은 유리를 포함하는(비한정적임), 몰드층(44)보다 더 강성이 높은 재료를 포함할 수 있고 몰드층(44)보다 얇을 수 있다.
도 9a 내지 도 9d에서, 마이크로-몰딩 머신(98)은 마이크로-몰드 스탬프(40)의 표면 상에 배치된 제 1 채널(50A) 및 마이크로-몰드 스탬프(40)의 표면 상에 배치된 제 2 채널(50B)을 가지는 마이크로-몰드 스탬프(40)를 포함한다. (제 1 채널(50A) 및 제 2 채널(50B) 총괄하여 채널(50)이라고 불린다.) 일부 실시형태들에서, 채널(50)은 공통적이고 실질적으로 동일한 폼 팩터(도 9a 및 도 9d에 도시된 바와 같음)를 가진다. 일부 실시형태들에서, 제 1 채널(50A)은 제 1 폼 팩터를 가지고 제 2 채널(50B)은 제 1 폼 팩터와 다른 제 2 폼 팩터를 가진다(도 9b에 도시된 바와 같음). 제 1 인입 포트(52A)는 제 1 채널(50A)에 연결되고 제 2 인입 포트(52B)는 제 2 채널(50B)에 연결된다.
일부 실시형태들에서, 각각의 채널(50)은 별개이고 개별적인 인입 포트(52)(예를 들어, 제 1 인입 포트(52A) 및 제 2 인입 포트(52B)) 및 별개이고 개별적인 인출 포트(54)(예를 들어, 제 1 인출 포트(54A) 및 제 2 인출 포트(54B))를 가진다. 일부 실시형태들에서, 각각의 채널(50)로 연결되는 개별적인 입구 및 인출 포트(52, 54)는, 포트들의 임의의 쌍 사이의 최소 간극이 약 100 마이크론 내지 약 1 mm의 범위를 가지는 미리 정의된 거리 보다 커지도록, 스탬프 내에 위치설정될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 다수의 채널(50)은 인입 포트(52), 인출 포트(54), 또는 양자 모두를 공유한다. 공통 인입 포트(52)에 연결된 채널들(50)이 공통 나노입자(12) 재료를 공유한다면, 공통 인입 포트(52)는 구조적 단순성 및 제조가능성을 제공한다. 공통 인출 포트(54)는 나노입자(12) 재료를 공통 인출 포트(54)에 연결된 채널(50)로부터 빼내기 위한 구조적 단순성 및 제조가능성을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 공통 인입 포트(52) 및 인출 포트(54)에 연결된 채널은 단일 마이크로-몰드 스탬프(40)를 사용하여 공통 기판(20) 상에 구성된 다수의 별개의 가스-센서들의 일부인 가스 센서 소자에 대하여 나노입자 잉크를 증착하기 위해서 사용된다.
도 9a에서, 제 1 인입 포트(52A)는 나노입자 잉크(미도시) 공급부(잉크 저장소(58))로부터 공급되고 제 2 인입 포트(52B)는 동일한 나노입자 잉크 공급부(잉크 저장소(58))로부터 공급됨으로써, 동일한 나노입자가 제 1 인입 포트(52A) 및 제 2 인입 포트(52B) 양자 모두에 공급되고 제 1 채널(50A) 및 제 2 채널(50B) 양자 모두에 공급될 수 있게 한다.
도 9d에서, 제 1 인입 포트(52A)는 나노입자 잉크 공급부(제 1 잉크 저장소(58A))로부터 공급되고 제 2 인입 포트(52B)는 상이한 나노입자 잉크 공급부(제 2 잉크 저장소(58B))로부터 공급됨으로써, 상이한 나노입자(예를 들어, 제 1 나노입자(12A) 및 제 2 나노입자(12B), 미도시)가 제 1 인입 포트(52A) 및 제 2 인입 포트(52B)에 별개로 그리고 제 1 채널(50A) 및 제 2 채널(50B)에 별개로 공급될 수 있게 한다. (제 1 잉크 저장소(58A) 및 제 2 잉크 저장소(58B)는 총괄하여 잉크 저장소(58)라고 불린다. 인입 포트(52) 및 인출 포트(54)는 잉크 저장소(58)를 포함할 수 있다.)
도 9c에서, 펌프(70) 또는 디스펜서는 제 1 나노입자 잉크를 제 1 인입 포트(52A) 및 제 1 채널(50A)을 통하여 그리고 제 2 나노입자 잉크를 제 2 인입 포트(52B) 및 제 2 채널(50B)을 통하여 펌프 및/또는 불출한다. 일부 실시형태들에서, 제 1 및 제 2 나노입자 잉크는 동일한 나노입자 잉크 또는 상이한 나노입자 잉크일 수 있다. 펌프 또는 디스펜서(70)는 나노입자 잉크를 채널(50) 내에 모세관 동작만을 적용하는 것보다 더 빠른 속도로 그리고 감소된 비용으로 채우기 위한 압력을 제공할 수 있다. 접촉 메커니즘(예를 들어, 기계적 위치 마이크로-콘트롤러 및 위치 센서, 예를 들어 광학 센서를 채용하는, 도 9b에 도시되는 광학-메카트로닉 모션-제어 플랫폼(62))은, 마이크로-몰드 스탬프(40)의 표면(예를 들어, 채널 측면(48)을 표면(22)(예를 들어, 기판(20) 또는 절연층과 같은 기판(20) 상의 층) 상에 접촉시킬 수 있다. 따라서, 마이크로-몰딩 머신(98)은 상이한 나노입자 잉크를 실질적으로 동일한 채널(50)에 제공하고, 실질적으로 동일한 나노입자 잉크를 상이한 채널(50)(예를 들어, 상이한 폼 팩터를 가지는 채널(50))에 제공하며, 또는 상이한 나노입자 잉크를 상이한 채널(50)에 제공할 수 있다.
인입 포트(52)는 나노입자 잉크(56) 공급부로부터 공급될 수 있다. 펌프 및/또는 디스펜서(70)는 나노입자 잉크(56)를 인입 포트(52) 및 채널(50)을 통해서 펌핑 또는 불출한다. 펌프 또는 디스펜서(70)는 나노입자 잉크를 채널(50) 내에 모세관 동작만을 적용하는 경우에 가능한 것보다 더 빠른 속도로 그리고 감소된 비용으로 채우기 위한 압력을 제공할 수 있다. 도 11a 내지 도 11d에서, 펌프 또는 디스펜서(70)는 나노입자 잉크(56)(예를 들어, 분산제 또는 용매(57) 내의 나노입자(12)를 포함함)를 펌프 저장소(72) 및 잉크 저장소(58)로부터 압력 하에서는 마이크로-몰드 스탬프(40)의 인입 포트(52)로, 그리고 진공(또는 부분적인 진공 또는 감압) 하에서는 인출 포트(54)로 제공하여 나노입자 잉크(56)를 채널(50) 안으로 그리고 이를 통해서 빼낼 수 있다. 마이크로-몰드 스탬프(40)는 나노입자 잉크(56)의 볼륨 및 유량을 제어하기 위하여 나노입자 잉크(56) 저장소(58)를 포함할 수 있다. 인입 포트(52) 및 인출 포트(54)도 통합된 잉크 저장소(58)로서의 역할을 할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 나노입자 잉크(56)를 채널(50)을 통과하여 구동하는 압력은 마이크로-채널(50)의 나노입자 잉크(56)와 나노입자 잉크(56)와 접촉하는 표면적 사이의 힘에 의해서 초래된 모세관 압력일 수 있다.
비록 도 9a 내지 도 9d가 특정한 마이크로-몰딩 머신 구조적 스킴 및 조성물을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 전기 디바이스를 제조하는 데에 활용될 수 있는 마이크로-몰딩 제작 프로세스의 시스템 및 방법이 상세히 후술된다.
마이크로-몰딩 프로세스를 사용한 가스 센서의 제작
많은 실시형태는 전기 컴포넌트 및/또는 디바이스의 마이크로-몰딩 프로세스를 제공한다. 전기 컴포넌트 및/디바이스의 예는 가스 센서 소자, 안테나, 인덕터를 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 여러 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 제작 프로세스는 마이크로-몰딩 머신을 구현한다. 많은 실시형태는, 마이크로-몰딩 제작 프로세스가 다음 단계를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음)는 것을 제공한다:
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기판면을 가지는 기판을 제공하는 단계;
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지지 측면 및 채널 측면을 가지는 몰드층 및 상기 지지 측면과 접촉하며 배치된 지지층을 가지는 스탬프를 제공하는 단계;
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나노입자 잉크를 포함하는(비한정적임) 제 1 잉크 및 나노입자 잉크를 포함하는(비한정적임) 제 2 잉크를 제공하는 단계;
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기판면과 접촉하도록 몰드층을 배치하는 단계;
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제 1 나노입자 잉크를 제 1 인입 포트를 통하여 제 1 인입 포트 내로 펌핑 또는 불출하는 단계;
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제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트를 통하여 상기 제 2 인입 포트 내로 펌핑 또는 불출하는 단계;
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상기 제 1 채널 내의 제 1 나노입자 잉크를 경화하는 단계;
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상기 제 2 채널 내의 제 2 나노입자 잉크를 경화하는 단계;
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스탬프를 제거하여 독립형 컴포넌트를 기판면 상에 형성하는 단계.
여러 실시형태에서, 몰드층은 채널 측면 상에 배치된 제 1 폼 팩터, 제 1 채널에 연결된 제 1 인입 포트, 및 상기 제 1 채널에 연결된 제 1 인출 포트를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 몰드층은 상기 채널 측면 상에 배치된 제 2 폼 팩터를 가지는 제 2 채널, 상기 제 2 채널에 연결된 제 2 인입 포트, 및 상기 제 2 채널에 연결된 제 2 인출 포트를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 따른 몰드 스탬프는 폴리디메틸실록산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 및 폴리우레탄을 포함하는(비한정적임) 재료로 제조될 수 있다. 여러 실시형태는 제 1 채널의 제 1 폼 팩터 및 제 2 채널의 제 2 폼 팩터가 동일하거나 상이한 폼 팩터를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 많은 실시형태에서, 지지층은 몰드층보다 강성이 높을 수 있다. 여러 실시형태는 채널이 채널 측면으로부터 몰드층 내로 들어가는 방향으로 채널 측면, 또는 양자 모두 상의 채널의 폭보다 큰 높이를 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 스탬프 내의 피쳐들은 기판 상의 피쳐에 대해서 위치설정될 수 있어서, 마이크로-몰딩된 피쳐들이 1 마이크론, 또는 10 마이크론을 포함하는(비한정적임) 규정된 위치 공차 내에서 기판 상의 특정한 위치에 배치되게 보장한다. 특정 실시형태들에서, 스탬프 내의 피쳐는 스탬프 및 기판 상의 시각적 레퍼런스 마커를 사용하여 기판 상의 피쳐에 대해서 광학적으로 위치설정될 수 있다,
일부 실시형태는 제 1 나노입자 잉크 및 제 2 나노입자 잉크가 동일하거나 상이한 나노입자 잉크일 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 나노입자 잉크를 경화시키면 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체가 형성될 수 있다. 여러 실시형태에 따른 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체는 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체와 접촉한 주변 가스에 응답하여 변하는 전도성을 가질 수 있다. 여러 실시형태에 따라서 나노입자 잉크를 경화시키는 단계는 나노입자 잉크를 가열하는 것 및/또는 나노입자 잉크를 전자기 방사선에 노출시키는 것에 의하여 가속화될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 나노입자는 나노입자를 가열하는 것 및/또는 나노입자를 전자기 방사선에 노출시키는 것에 의해서 소결될 수 있다.
많은 실시형태는, 인입 압력을 인입 포트에 제공하고 인출 압력을 인출 포트에 제공하면, 인입 압력이 인출 압력보다 크다면 나노입자 잉크를 인입 포트를 통하여 인입 포트 내로 펌핑할 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 나노입자 잉크를 펌핑 및/또는 불출하면 나노입자 잉크가 채널을 통해서 흐를 수 있게 될 수 있고, 나노입자 잉크의 흐름이 적어도 부분적으로 채널 내의 모세관 압력에 의해서 구동될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 나노입자 잉크를 펌핑 및/또는 불출하면 나노입자 잉크가 채널을 통해 흐를 수 있게 될 수 있고, 나노입자 잉크의 흐름이 인입 포트에 압력을 인가하거나 및/또는 인출 포트에 진공을 인가함으로써 구동될 수 있다.
컴포넌트를 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰딩 프로세스를 이용하여 제작하는 프로세스가 도 10에 도시된다. 제작 프로세스는 컴포넌트에 대한 기판을 제공함으로써 시작된다(100). 마이크로-몰딩 스탬프가 컴포넌트를 배치하기 위하여 사용될 수 있다(105). 마이크로-몰딩 스탬프의 몰드층이 기판의 기판면과 접촉하여(예를 들어 등각적으로 접촉함) 배치될 수 있다(115). 액상 또는 가스상 용매 또는 분산제 내의 나노입자를 포함하는 나노입자 잉크가 제공될 수 있다(110). 나노입자를 포함하는 나노입자 잉크는 인입 포트를 통하여 채널 내로 펌핑될 수 있다(120). 나노입자가 채널을 통해 이동할 때에, 나노입자 잉크 내의 용매는 몰드층 내로 확산되어 나노입자가 채널 내에 단단하게 패킹되게 할 수 있다. 채널이 잉크로 완전히 젖게 되는 것은 소망되는 형상을 달성하는 것 및 용매의 고속 추출이 가능해지게 하는 것에 중요할 수 있는데, 이것은 사용되는 용매 및 스탬프의 표면 에너지를 주의하여 조절하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 프로세스는 경화(125)에 의해서 가속화될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 경화 프로세스는 나노입자 잉크를 열, 및/또는 전자기 방사선에 노출시키는 것을 포함한다(비한정적임). 전자기 방사선의 예는 제논 플래시, 적외선 방사선, 자외선 방사선, 또는 레이저 방사선을 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 경화 프로세스 도중에, 나노입자 잉크의 용매는 나노입자 잉크 및/또는 몰드층으로부터 빠져나오게 구동될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 빠져나온 용매는 마이크로-몰딩 스탬프의 몰드층에 의해서 흡수될 수 있다(적어도 부분적으로). 마이크로-몰딩 스탬프는 제거되어(130) 기판의 기판면 상에 독립형 가스-센서 소자를 형성할 수 있다. 독립형 가스-센서 소자는 기판 내에 형성되거나 지지 구조체 및/또는 벽을 가지지 않을 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자는 소결 및/또는 용융되어 가스-센서 소자를 형성할 수 있다(135). 일부 실시형태에 따라서 나노입자를 소결 및/또는 용융하는 것은 나노입자를 열, UV 방사선, 레이저 방사선, 또는 전자기 방사선에 노출시킴으로써 달성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 소결 프로세스는 질소, 헬륨, 아르곤, 수소, 이산화탄소를 포함하는(비한정적임) 보호 분위기 내에서 수행될 수 있다. 많은 실시형태는, 다수의 가스-센서 소자가 상이한 폼 팩터를 가지고 및/또는 상이한 나노입자를 포함하는 경우에도, 가스 센서가 단일 층 내에서 그리고 한 번의 일련의 단계에서 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 비록 도 10 이 마이크로-몰딩의 제작 프로세스의 특정한 단계를 예시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 스텝 및 방법이 활용될 수 있다.
일 실시형태에 따른 제작 프로세스 도중의 고-종횡비 가스-센서의 연속적인 단면도가 도 11a 내지 도 11d에 도시된다. 도 11a 내지 도 11d에서, 가스-센서 소자(10)는 기판(20), 마이크로-몰드 스탬프(40), 및 제공된 액상 또는 가스상 용매 또는 분산제(57) 내의 나노입자(12)를 포함하는 나노입자 잉크(56)를 제공함으로써 구성될 수 있다. 마이크로-몰드 스탬프(40)의 몰드층(44)은 도 11a에 도시된 바와 같이, 표면(22)(예를 들어, 기판(20)의 표면 또는 절연층(96))과 접촉하여(예를 들어, 등각적 접촉) 배치된다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 나노입자(12)를 포함하는 나노입자 잉크(56)는 인입 포트(52)를 통해서 채널(50) 내로, 예를 들어 펌프(70)에 의하여 펌프 저장소(72)로부터 펌핑될 수 있다. 펌핑은 적어도 부분적으로 인입 포트(들)(52) 및 인출 포트(들)(54) 사이에 압력차를 제공함으로써 제공될 수 있다. 나노입자(12)가 채널(50)을 통해 이동할 때, 나노입자 잉크(56) 내의 용매(57)는 몰드층(44) 내로 확산되고, 입구- 및 출구 저장소(58)로부터 더 많은 잉크를 빼냄으로써, 나노입자(12)가 채널(50) 내에 단단하게 패킹되게 한다. 이러한 프로세스는 구조체 내의 평균 포어 크기가 대략적으로 잉크 내의 나노입자(12)의 포어 크기가 되고, 모든 용매가 추출되어, 최종적으로 채널 형상의 완전한 몰딩이 초래될 때까지 계속된다. 채널이 잉크로 완전히 젖게 되는 것은 소망되는 형상을 달성하는 것 및 용매의 고속 추출이 가능해지게 하는 것에 중요할 수 있는데, 이것은 사용되는 용매 및 스탬프의 표면 에너지를 주의하여 조절하는 것에 의해서 달성될 수 있다.
도 11c에서, 경화 프로세스는, 예를 들어 나노입자 잉크(56) 및/또는 몰드층(44)을 열 및/또는 제논 플래시, 자외선 방사선, 또는 레이저 방사선을 포함하는(비한정적임) 전자기 방사선(60)에 노출시킴으로써 가속화되고 및/또는 가능해질 수 있고, 적어도 부분적으로, 마이크로-몰드 스탬프(40)의 몰드층(44)에 의해서 흡수될 수 있는 용매(57)를 밖으로 빼낸다. 그러면, 마이크로-몰드 스탬프(40)는 제거되어 표면(22) 상에 가스-센서 소자(10)(선택적으로 고-종횡비를 가짐)를 형성한다. 그러면, 나노입자(12)는, 나노입자(12)를 열, UV 방사선, 또는 레이저 방사선에 노출시킴으로써 소결되거나 용융되어 가스-센서 소자(10)를 형성할 수 있다. 소결 프로세스는 질소, 헬륨, 아르곤, 수소, 이산화탄소를 포함하는(비한정적임) 보호 분위기 내에서 수행될 수 있다. 가스-센서 소자(10)는 독립형일 수 있고, 예를 들어 기판 내에 형성되거나 지지 구조체 또는 벽을 가지지 않을 수 있다(밑의 표면(22)은 제외함). 비록 도 11a 내지 도 11d가 가스-센서를 제작하는 마이크로-몰딩 프로세스의 특정한 단계를 예시하지만, 임의의 단계 및 방법이 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 스텝 및 방법이 활용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안테나의 디자인에서 활용될 수 있는 고-종횡비 도체가 있는 고-종횡비 안테나의 시스템이 상세히 후술된다.
안테나
안테나는 전압 및 전류를 전자기장에 커플링하여 공간적으로 분리된 전자 디바이스들 사이의 통신 또는 전력 전송을 가능하게 한다. 매우 다양한 안테나가 상이한 애플리케이션, 예를 들어 무선, 텔레비전, WiFi, 레이더, 및 무선 전력 전송(wireless power transfer; WPT)을 위해서 사용될 수 있다. 안테나는 상이한 크기 및 구성을 가질 수 있고, 다양한 주파수, 예를 들어 3 kHz 내지 300 GHz에서 동작할 수 있다. 전자기 스펙트럼의 상이한 대역은 상이한 애플리케이션, 예를 들어 무선, 텔레비전, 및 셀룰러 화상 전화(스마트 폰)를 위해서 예비된다. 완전한 안테나 시스템은 전도체의 하나의 세트("송신기") 내에 흐르고 있는 전압 및 전류로부터의 전기 에너지를 자기장 또는 유도성 커플링을 통하여 전도체의 다른 세트("수신기") 내에 유도된 전압 및 전류로 무선으로 커플링함으로써 동작한다.
원거리장(방사성) 안테나 시스템은, 수신용 안테나가 존재하는지와 무관하게, 송신기로부터의 거리가 먼 경우에도 전파되는 전자기 파를 생성하는 경향이 있다. 이에 반해, 근거리장(비-방사성) 안테나 시스템은 강한 에버네슨트 필드를 송신기 바로 근접하여 생성하고, 인접한 수신기에 유도식으로 커플링되기에 적합 하지만 전력을 전파되는 자유-공간 전자기 모드로 방사하지 않는다. 안테나가 원거리장(방사성) 레짐에서 효율적으로 동작하기 위하여, 안테나(들)의 물리적 치수는 통상적으로 대략 송신되는 파장 정도이거나, 접시형(dish) 안테나와 같은 방향성 안테나에 대해서는 훨씬 더 크다. 원거리장 안테나는 주파수 및 안테나 타입에 따라서 수 마이크론 내지 수 백 미터의 범위를 가질 수 있다. 근거리장 안테나는 파장보다 훨씬 작을 수 있지만 안테나 크기와 같은 정도의 크기의 거리에 걸쳐서만 효과적으로 동작하는 경향이 있고, 더 나아가 저-손실 도체, 주의 깊은 공진 튜닝, 및 송신기 및 수신기 사이의 정밀한 정렬을 요구하는 경향이 있다. 상이한 많은 안테나 설계들, 예를 들어 루프 안테나, 쌍극자 안테나, 마이크로스트립 안테나, 모노폴 안테나, 어레이 안테나, 및 원추형 안테나가 사용되는 중이다.
매우 다양한 근거리장 안테나가 상이한 애플리케이션, 예를 들어 스마트 폰과 같은 전자 디바이스들 사이의 근 거리장 통신(NFC), 무선 주파수 식별(RFID) 태그 및 리더기, 무선 전력 전송, 적층된 IC들 사이의 데이터 전송을 위하여 사용되고, 다양한 주파수, 예를 들어 약 1 kHz 내지 약 1 THz에서 동작하는 많은 상이한 크기 및 구성을 포함한다. 근거리장 안테나는 데이터 또는 전력을 수신 및/또는 전송하도록 구성될 수 있고, 근거리장 디바이스는 배터리와 같은 외부 전력원에 의해 급전될 수 있거나, RFID의 경우에서와 같이 근거리장으로부터 캡쳐된 전력에 의해서 직접 급전될 수도 있다.
전자기 스펙트럼의 상이한 대역은 상이한 애플리케이션, 예를 들어 무선, 텔레비전, 및 셀룰러 화상 전화(스마트 폰)를 위해서 예비된다. 근거리장 RFID 시스템은 통상적으로 저 주파수 범위(LF, 125 KHz - 134 KHz) 또는 고 주파수 범위(HF, 3 MHz - 30 MHz) 대역에서 동작하고, 예컨대 13.56 MHz RFID 시스템이다. 그러나, 초고주파수 범위(UHF, 300 MHz - 3 GHz) 대역에서의 근거리장 RFID의 동작도 역시 가능하다.
근거리장 코일 안테나
안테나 시스템은 하나의 송신 안테나 및 하나의 수신 안테나를 포함할 수 있다. 현대의 안테나 시스템은 적어도 하나의 개별적인 안테나를 각각 활용하는 복수의 송신기 및 수신기를 포함할 수 있다. 일부 안테나는 이러한 시스템 내에서 송신기 및 수신기 양자 모두로서의 기능할 수 있다. 근거리장 안테나 시스템은 두 개의 안테나, 예컨대 코일-타입 안테나들 사이의 유도성 커플링에 의존하여 전기 신호 및/또는 전력을 송신할 수 있다. 전기 신호가 하나의 코일을 통해 전달될 때, 전자기장이 그 근거리장 구역 내에서 유도될 수 있는데, 이것은 두 개의 코일들 사이의 상호 인덕턴스에 비례하는 전압 또는 전류를 다른 코일 내에 유도할 수 있다. 상호 인덕턴스는 코일들이 동심으로 배향되고 가능한 가깝게 배향될 때에, 그리고 각각의 코일 자체가, 예를 들어 그 점유공간 내의 권선수를 최대화함으로써 최대 인덕턴스를 가지는 경우에 최대화될 수 있다. 내부 공간 주위의 트레이스들의 각각의 회전은 권선이라고 알려져 있다. 근거리장 안테나가 동작할 수 있는 거리를 더 개선하기 위하여, 각각의 코일을 동작 주파수에서의 공진 동작을 위하여 튜닝하고, 저항성 손실을 최소화하여 고-품질-인자(고-Q) 동작을 가능하게 하는 것이 유용할 수 있다. 이것은 코일의 치수에 대한 정밀한 제어를 요구할 수 있다.
근거리장 안테나는 전자기 에너지를 원거리장 내에 방사시키는 것에 의존하지 않음으로써, 이들이 매우 낮은 송신 손실을 가지고 작동될 수 있고 주로 자기 자신의 저항성 손실에 의해서 한정되게 한다. 그러면, 근거리장 안테나가 RFID, 근거리 통신, 및 무선 저력 전송을 위해 바람직하게 된다. 또는, 좀 더 일반적으로는 데이터 또는 전력 송신을 위해 디바이스 사이에 직접적인 전기적 연결을 구축하는 것이 불가능하거나 소망되지 않는 임의의 애플리케이션, 예컨대 적층된 집적 회로(IC)의 경우에 바람직하게 된다.
휴대용 전자 디바이스 응 작고 가벼운 것이 바람직하다. 결과적으로, 이러한 휴대용 전자 디바이스 내의 코일 안테나 및 인덕터는 성능을 유지하기 위해서 작지만 근접하게 이격된 저-저항 도체인 것이 바람직하다. 마이크로전자 분야의 많은 애플리케이션의 경우, 임의의 주어진 안테나 점유공간 및 도체 길이에 대하여 가능한 높은 인덕턴스(가능한 많은 권선수) 및 가능한 작은 시리즈 저항을 가지는 콤팩트한 안테나 코일을 생산하는 것이 바람직할 수 있다. 인쇄 회로 보드 및 집적 회로와 같은 기판 내에 또는 위에 작은 전도체를 제작하기 위한 기법은 소거 기법 및 부가 기법을 포함한다. 소거 기법은 광화학 가공, 에칭, 레이저 절삭, 및 가공을 포함할 수 있다. 부가 기법은 마스킹된 물리적 증착(예를 들어 진공 증착), 전기도금, 3D 인쇄, 잉크젯 인쇄, 및 도전성 잉크 또는 페이스트의 스크린 인쇄를 포함할 수 있다. 그러나, 잉크젯 인쇄 및 스크린 인쇄는 서브-밀리미터 스케일에서 제한된 분해능 및 제한된 재현성을 가지고 단면 형상이 열악하게 제어된다. PCB 제조를 위해 사용되는 것과 같은, 에칭 마스크의 패터닝에 후속하는 화학적 에칭으로 이루어진 광화학 가공은 마스킹된 도체 에지의 등방성 과소절삭을 초래할 수 있다. 과소절삭은 도체 및 이들을 분리하는 갭의 달성가능한 형태를 제한할 수 있어서, 도체 분해능을 줄인다. 패터닝된 금속 시드-층 상의 전기도금은 트레이스의 도전성을 개선할 수 있지만, 금속 증착이 공칭적으로 등방성 방식으로 진행되어 도체 트레이스들 사이의 최소 갭을 여전히 제한하기 때문에 도체 분해능이 감소된다는 문제를 겪게 된다. 마지막으로, 금속에 대한 대체예로서의 전도성 폴리머는 도전성이 제한될 수 있고, 예를 들어 구리 또는 은의 도전성보다 몇 자릿수 더 아래이다.
앞서 소개된 연구에서, Ko 등은 기판을 나노입자 솔루션으로 코팅하고 이러한 코팅을 구조화된 폴리디메틸실록산 몰드로 임프린트함으로써 전도체를 패터닝하기 위한 방법을 기술했다. (예를 들어, Ko, 등, Nano Letters, 2007, vol. 7, No. 7 pp. 1869-1877을 참조하는데, 이것은 본 명세서에 그 개시내용이 전체적으로 참조로 포함된다.) Makihata 및 Pisano는 은 나노입자 잉크를 사용한 인쇄를 설명했다. (예를 들어 Makihata et al., The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 103, 1709-1719를 참조하는데, 이것은 본 명세서에 그 개시내용이 전체적으로 참조로 포함된다.)
많은 실시형태는 다양한 전기 회로 및 무선 디바이스의 성능을 개선하기 위하여 콤팩트한 고-Q 안테나 구조체 및/또는 인덕터 코일을 설계하고 제작하는 방법을 제공한다. 여러 실시형태는 고도전성 재료의 코일을 근접하게 이격된 고-종횡비 트레이스로써 제작함으로써, 높은 인덕턴스 및 낮은 시리즈 저항을 가지는 콤팩트한 안테나 코일을 제공한다.
많은 실시형태에 따른 고-종횡비 코일은 고-Q 저-손실 에어-코어 인덕터의 제작에 적용될 수 있다. 고-Q 저-손실 에어-코어 인덕터는 고-주파수 전자 회로 설계에서 중요한 역할을 한다. 많은 실시형태는 고-종횡비 코일 구조체를 스위치 모드 파워 서플라이, 무선 주파수(RF) 대역통과, 고역-통과, 및 저역-통과 필터, 저-손실 변압기, 유도성 각도 및 위치 센서, 그리고 LC 또는 RLC 공진기를 포함하는(비한정적임) 영역 내에 인덕터로서 구현한다. 여러 실시형태에 따른 인쇄된 인덕터 및/또는 코일은 이산 컴포넌트로서, 더 큰 분산형 소자 네트워크의 일부로서 또는 여러 수동 컴포넌트를 포함하는 마이크로스트립으로서 통합될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 인쇄된 인덕터/코일의 정확도가 높아서, 공진 주파수의 더 정확한 튜닝, 더 작은 점유공간, 서브-쿼터 파장 필터링, 더 높은 파워 커플링 효율을 포함하는(비한정적임) 이점이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안테나의 디자인에서 활용될 수 있는 고-종횡비 도체가 있는 고-종횡비 안테나의 시스템이 상세히 후술된다.
고-종횡비 안테나
근거리장 안테나의 공통 타입은 도전성 전기 재료의 나선형 또는 나선 배열체를 포함하는 유도 코일이다. 이러한 전도체는 다양한 단면 프로파일을 가지는 와이어, 예를 들어 원통형 와이어, 사각형 와이어, 또는 평면형 전도체일 수 있다. 많은 실시형태는 전도체로서 고-종횡비 전도체를 구현한다. 실시형태들에 따른 이러한 배선 및 트레이스는 기판 상에서 평면형 사각형, 원형, 또는 육각형의 나선을 포함하는(비한정적임) 구조로 배치되어 코일을 형성할 수 있다. 코일은 약 1 x 1 μm2 내지 약 1 x 1 m2의 외부 치수를 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 코일은 코일화된 도체, 예컨대 에어-코어 인덕터에 의해서 점유되지 않는 내부 공간을 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 코일의 내부 공간은 자기 코어에 의해 점유되어 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 도체가 증가된 종횡비를 가지도록 코일은 일부 실시형태에 따라서 기판에 대해서 수직인 방향으로 연장될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 여러 코일들이 적층되어 코일의 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 여러 실시형태에서는, 다수의 동축적으로 위치된 코일이 동일한 축 주위에 배치될 수 있다. 이러한 코일은 동일한 평면 또는 기판 상에 위치되거나 동일한 축을 따라서 후속 평면 또는 기판에 배치될 수 있다. 코일의 디자인은 대칭적이거나 비대칭적일 수 있다.
두 개의 근거리장 안테나 사이의 신호 송신의 품질 및 대역폭은 그들의 상호 인덕턴스, 송신 안테나를 통과하는 전류의 크기, 및 코일이 구동되는 주파수에 따라 달라진다. 상호 인덕턴스는 두 개의 안테나 사이의 물리적 분리 및 배향, 및 그들 각각의 자기-인덕턴스에 의해 결정될 수 있다. 안테나의 반경은 신호가 수신될 것으로 기대되는 거리에 맞춰 튜닝되어야 한다. 예를 들어, 약 10 mm의 외부 치수를 가지는 코일 안테나의 쌍은 분리 거리가 약 12 mm일 경우에 최선의 송신을 제공할 수 있다. 상호 인덕턴스는 코일 각각의 권선수가 증가함에 따라 증가된다. 안테나는 낮은 전기 저항을 가져야 한다. 저항이 높아지면 필드 및 신호 강도가 감쇠되고, 및 디바이스 내에 원치 않는 전력 소모 및 과열이 생길 수 있다.
많은 실시형태는 고성능 인덕터 및 근거리장 안테나를 포함하는(비한정적임) 안테나를 위한 다양한 구조 내에 배치된 고-종횡비 전도체를 제공한다. 일부 실시형태들에서, 고-종횡비 도체를 가지는 안테나는 기판 상에 형성되거나 증착된 독립형(free-standing) 구조체로서 제작될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 고-종횡비 도체는 기판면 상에 적용된 스탬프 내에 배치된 채널 내에서 경화된 나노입자 잉크로부터 구성될 수 있다. 여러 실시형태는, 이러한 프로세스가 안테나 및 인덕터가 소형 휴대용 전자 디바이스에 대해 적합한 크기로 제작되게 할 수 있다는 것을 제공한다. 특정 실시형태에서, 안테나 및 도체는 약 1 μm 내지 약 100 μm의 범위 내의 치수를 가진다.
많은 실시형태는, 고-종횡비 안테나의 기판이 유리, 폴리머, 캡톤(폴리이미드), PET, PMMA, Teflon(PTFE), ETFE, 세라믹, LTCC(low temperature co-fired ceramic), 반도체, Si, SiO2, Si3N4, SiC, GaAs, GaInP, InP, 석영, 금속, 종이, 및/또는 사파이어를 포함하는(비한정적임) 임의의 적절한 기판 일 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 기판은 FR2 또는 FR4를 포함하는(비한정적임) 인쇄-회로 보드(PCB) 기판일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 기판은 강성을 가지고, 탄력적이거나 평면형일 수 있다. 여러 실시형태는 기판이 디스플레이, 집적 회로, 전자 어셈블리, 또는 회로 보드 산업계에서 발견될 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 기판은 CMOS 및/또는 MEMS 디바이스, 집적 회로, 마이크로프로세서, 마이크로콘트롤러, 각도 측정 회로부, RF 회로 송수신기를 포함할 수 있다.
많은 실시형태에서, 고-종횡비 안테나의 전도성 트레이스가 전도성 입자, 금속성 나노입자, 전기적으로 비도전성(유전체) 입자, 또는 반-도전성 입자를 포함하는(비한정적임) 입자로 제작될 수 있다. 나노 입자의 예는 은, 구리, 금, 니켈, 나노 입자, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 몇 가지 실시형태들에서, 나노 입자는 소결될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 나노입자는 도체에 의해 코팅될 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자는 전기도금에 의한 박막 금속 코팅에 의해서 코팅될 수 있다. 전기도금은 표면 위에 금속성 코팅을 제공할 수 있지만, 코팅 재료를 기판면 상에 형성된 구조체의 공간 분해능을 감소시키는 방식으로 기판면 상에 증착시킬 수도 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자는 전기도금되지 않는다. 반-도전성 입자의 예는 금속 산화물을 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 여러 실시형태에서, 입자는 수성 분산제, 유기 용매, 이소프로판올, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 또는 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르를 포함하는(비한정적임) 액체 용매 내의 서스펜션으로서 제공될 수 있다. 특정 실시형태에 따른 나노입자는 약 1 nm 내지 약 5 μm의 직경에 속하는 직경을 가질 수 있다. 일부 실시형태는 적절한 잉크가 약 0.3 센티푸아즈 내지 약 3000 센티푸아즈의 범위를 가지는 점성을 가질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 나노입자는 상이한 도전성 및/또는 비도전성 재료로 제작된 상이한 나노입자를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 나노입자는 안테나 내에서 등방성으로 또는 이방성으로 분포될 수 있다.
많은 실시형태는 고-종횡비 안테나 구조체를 제공한다. 여러 실시형태에서, 안테나는 기판 상에 코일을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 평면도가 도 12a에 도시된다. 고-종횡비 안테나 구조체(10)는 기판면(22)을 가지는 기판(20)을 포함한다. 안테나(30)는 기판면(22) 상에 배치된다. 안테나(30)는 기판면(22) 상에서 평면형 사각형, 원형, 또는 육각형의 나선이어서 코일을 형성할 수 있다.
도 12a의 섹션 라인 A를 따라 취해진 본 발명의 일 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나의 단면도가 도 12b에 도시된다. 고-종횡비 안테나 구조체(10)는 기판면(22)을 가지는 기판(20)을 포함한다. 안테나(30)는 기판면(22) 상에 배치된다. 안테나(30)는 사각형 단면, 또는 삼각, 사변형, 또는 만곡형 표면을 포함하는(비한정적임) 임의의 다른 바람직한 단면을 가질 수 있다. 안테나(30)는 안테나(30)에 대해서 동작하거나 응답하는 회로에 응답하는 회로(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나(30)는 용융된 나노입자(12)로 제조될 수 있다. 안테나(30)의 전도체는 기판면(22)과 접촉하는 도체 폭 W 및 기판면(22)으로부터 벗어나게 연장되는 방향으로의 도체 높이 H를 가지는 베이스(32)를 가진다. 안테나(30)는 기판(20) 상의 베이스(32)로부터의 지지체를 제외하고는 지지체가 없이 기판면(22) 상에서 독립형일 수 있다. 도체 높이 H는 도체 폭 W보다 클 수 있다. 일부 실시형태들에서, 안테나(30)는 도체를 따라서 적어도 하나의 포인트 상에 용융된 나노입자(12)의 노출된 도체 표면(35)을 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 도체 표면(35)은 용융된 나노입자(12) 상에 배치된 도전 재료로 코팅될 수 있다. 노출된 도체 표면(35)은 안테나(30)의 외부 에지 또는 표면 밖에 있을 수 있고, 선택적으로는 베이스(32)를 제외한다. 다양한 실시형태들에서, 안테나(30)의 전도체는 기판(20) 상의 전도체의 길이에 걸쳐서 크기, 높이, 폭, 종횡비, 조성물, 및 밀도가 변할 수 있다.
많은 실시형태에서, 기판면 상에 배치된 안테나의 베이스는 50 마이크론 미만의 도체 폭 W를 가질 수 있다. 여러 실시형태는, 도체 폭 W가 25 마이크론 미만, 10 마이크론 미만, 5 마이크론 미만, 또는 2 마이크론 미만이라는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따라서 기판면으로부터 멀어지게 연장되는 안테나의 도체 높이 H는 5 마이크론보다 클 수 있다. 특정 실시형태들에서, 도체 높이 H는 10 마이크론보다 크고, 20 마이크론보다 크며, 50 마이크론보다 크거나, 100 마이크론보다 클 수 있다. 많은 실시형태들에서, 안테나는 1보다 큰 종횡비(도체 폭 W에 대한 도체 높이 H의 비율)를 가진다. 일부 실시형태들에서, 안테나의 종횡비는 2.8보다 크거나, 5보다 크거나 10보다 크거나, 20보다 클 수 있다. 일부 실시형태는 2.8 보다 큰 종횡비를 가지는 안테나가 약 2.5 마이크론의 도체 폭 W 및 약 7 마이크론의 및 도체 높이를 가질 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태는 고-종횡비 전도체를 내장하는 코일 안테나를 제공한다. 여러 실시형태에서, 코일 안테나는 코일 안테나의 일단부로부터 코일 안테나의 타단부로 연장되는 도체 길이 L을 가진다. 일부 실시형태에 따른 코일 안테나는 안테나의 권선들 사이에서 분리 거리 D를 가진다. 많은 실시형태에서, 고-종횡비 안테나 구조체는 감소된 면적 및/또는 볼륨 내에서 안테나의 더 많은 개수의 권선 N을 제공하여, 주파수의 범위 내의 전자기 방사선에 대한 개선된 감도를 제공할 수 있다. 주파수 범위의 예는 867 MHz보다 낮은 주파수를 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 이러한 감도는 휴대용 전자 디바이스 내의 작은 폼 팩터에서 유용할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 코일 안테나의 평면도가 도 13a에 도시된다. 도 13a에서, 고-종횡비 코일 안테나(10)는 기판(20)의 기판면(22) 상에 배치된 코일 안테나(30)를 포함한다. 안테나(30)는 기판(20) 상의 제 2 부분(38)에 인접한 기판(20) 상의 제 1 부분(36)을 가진다. 제 1 부분(36) 및 제 2 부분(38)은 기판면(22) 위에서 거리 D만큼 이격된다.
도 13a에서, 안테나(30)의 도체 길이 L은 안테나의 제 1 단부(30A)로부터 안테나의 제 2 단부(30B)까지 연장되고, 안테나(30)의 권선들(안테나(30)의 제 1 및 제 2 부분(36, 38)에 대응함) 사이의 분리 거리 D가 작아진다. 따라서, 고-종횡비 안테나 구조체(10)는 감소된 면적 또는 볼륨 내에서 기판(20) 상의 안테나(30)의 더 많은 개수의 권선 N을 제공하여, 주파수의 소망되는 범위 내의 전자기 방사선에 대한 개선된 감도를 제공할 수 있다.
도 13a의 섹션 라인 A를 따라 취해진 본 발명의 일 실시형태에 따른 고-종횡비 코일 안테나의 단면도가 도 13b에 도시된다. 코일 안테나(30)는 기판(20)의 기판면(22) 상에 배치된다. 제 1 부분(36) 및 제 2 부분(38)은 기판면(22) 위에서 거리 D만큼 이격된다. 거리 D는 도체 높이 H보다 크지 않을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제 1 부분(36)은 제 2 부분(38)으로부터 50 마이크론 미만의 거리 D 만큼 분리된다. 여러 실시형태에서, 제 1 부분(36) 및 제 2 부분(38) 사이의 거리 D는 25 마이크론 미만, 20 마이크론 미만, 15 마이크론 미만, 10 마이크론 미만, 및 5 마이크론 미만이다. 많은 실시형태는 안테나(30)의 권선이 서로 근접하게 이격되어, 기판(20) 우의 작은 면적 내에 안테나(30)의 큰 도체 길이 L이 가능해지게 한다는 것을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 안테나(30)(예를 들어, 코일)는 하나의 권선을 가진다. 여러 실시형태에서, 코일은 도 13a에 도시된 바와 같이 하나 이상의 인접한 제 1 및 제 2 부분(36 및 38)에서 여러 권선수를 가진다. 특정 실시형태들에서, 안테나(30)는 불연속적인 모서리에서 함께 결합된 직선형 선분들을 가진다. 여러 실시형태에서, 안테나(30) 내의 전도체의 모서리는 직교하는(90 도) 모서리이다. 일부 실시형태들에서, 모서리들은 직교하지 않는다. 비-직교하는 각도의 예들은 60 도, 120 도, 또는 150 도를 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 여러 실시형태는 안테나(30)가 직선형 선분을 가진다는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따르면, 안테나(30)는 만곡형 세그멘트를 가지거나 전체적으로 만곡된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나 길이 L인 안테나의 평면도가 도 14a에 도시된다. 안테나의 제 1 단부로부터 안테나의 제 2 단부까지 안테나 길이 L을 가지는 안테나(30)가 기판(20)의 기판면(22) 상에 배치된다. 도 14a의 섹션 라인 A를 따라 취해진 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 단면도가 도 14b에 도시된다. 안테나(30)는 안테나 베이스(32), 안테나 폭 W, 및 안테나 높이 H를 가진다.
여러 실시형태는 코일 안테나가 (신속한) 온도 변화 도중에 세그멘트가 돌출변형(buckling)되는 것을 방지하기 위한 열변형 릴리프(thermal strain relief)를 내장하는 세그먼트들을 가질 수 있다는 것을 제공한다. 신속한 온도 변화는 소결 또는 안테나의 동작 도중에 일어날 수 있다. 일부 실시형태에 따른 열변형 릴리프는 이러한 세그멘트를 다수의 더 짧은 세그멘트로 분할하여 돌출변형을 방지할 수 있다. 열변형 릴리프를 내장하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 코일 안테나가 도 15에 도시된다. 열변형 릴리프(37)는 코일 안테나의 세그멘트 내에 내장되어 이러한 세그멘트를 더 짧은 여러 세그멘트로 분할함으로써, (신속한) 온도 변화 도중에 세그먼트들의 돌출변형을 방지한다. 비록 도 12 내지 도 15가 특정한 고-종횡비 안테나의 구조적 스킴 및 조성물을 예시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른, 안테나의 설계 및 제작에서 활용될 수 있는 마이크로-몰딩 프로세스를 사용하여 고-종횡비 도체가 있는 고-종횡비 안테나를 제작하기 위한 시스템 및 방법이 상세히 후술된다.
마이크로-몰딩 프로세스를 사용한 고-종횡비 안테나의 제작
많은 실시형태는, 고-종횡비 마이크로스트립 안테나가 밀리미터파 안테나, 및 마이크로파 안테나를 포함하는(비한정적임) 고주파수(약 100 MHz보다 높은 주파수) 애플리케이션을 위하여 사용될 수 있다는 것을 제공한다. 통상적으로, 마이크로스트립 안테나는 에칭 마스크를 포토리소그래피를 사용하여 생성하고 금속을 후속하여 에칭함으로써 제조된다. 이것은 이러한 회로가 그 위에서 처리될 수 있는 기판의 선택을 제한할 수 있는 다단계 프로세스이다. 통상적으로, 금속 에칭 단계가 생산 프로세스의 조기에 일어나서 기판 상에 존재하는 IC와 같은 복잡한 구조체 또는 디바이스에 손상을 입히거나 열화시키는 것을 피해야 한다. 금속 에칭은 안테나 도체의 실현가능한 종횡비도 역시 제한할 수 있는데, 그 이유는 도체 두께가 피쳐 간극보다 작아야 하기 때문이다. 더욱이, 공통 금속 에칭 기술은 에칭 프로세스의 등방성 성질에 의해서 제한될 수 있는데, 이것은 고-종횡비 구조체에 대해서 달성될 수 있는 폼 정확도(form accuracy)를 제한할 수 있다. 반면에, 금속을 진공 상태의 마스킹된 기판 상에 기화시키고 그 후에 마스크를 제거하기 위한 리프트-오프 단계를 수행하여, 고-종횡비 구조체를 형성하는 것은 복구될 수 없는 재료의 대부분을 낭비할 것인 반면에, 금속의 박막을 기회시키고 그 후에 금속의 전기화학적 증착을 수행하면 피쳐 간극 및 충실도가 제한될 수 있다.
많은 실시형태는 고-종횡비 안테나 구조체가 기판 상에 배치된 코일 안테나를 포함하는(비한정적임) 복수 개의 안테나를 포함할 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에 따른 복수 개의 안테나는 위상-배열 안테나(phased-array antenna)를 형성할 수 있다.
여러 실시형태는 고-종횡비 안테나가 마이크로-몰드 스탬프를 사용하여 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로-몰드 스탬프의 평면도가 도 16a에 도시된다. 도 16a의 단면 라인 A에 따라서 취해진 마이크로-몰드 스탬프의 단면도가 도 16b에 도시된다. 도 16a의 단면 라인 B에 따라서 취해진 마이크로-몰드 스탬프의 단면도가 도 16c에 도시된다. 마이크로-몰드 스탬프(40)는 지지 측면(46) 및 채널 측면(48)을 가지는 몰드층(44)을 포함할 수 있다. 지지층(42)은 지지 측면(46)과 접촉하며 배치된다. 지지층(42)은 몰드층(44)보다 더 강성이 높아서 몰드층(44)에 치수 안정성을 제공하고, 마이크로-몰드 스탬프(40)에 의해 형성되는 구조체에 대해서 개선된 분해능이 가능해지게 할 수 있다. 몰드층(44)은 몰드층(44) 내의 채널 측면(48) 상에 배치된 적어도 하나의 채널(50)을 포함할 수 있다. 인입 포트(52)가 채널(50)에 연결되고, 인출 포트(54)가 채널(50)에 연결된다. 채널(50)은 채널 측면(48)으로부터 지지 측면(46)을 향해 몰드층(44) 내로 들어가는 방향으로 채널 측면(48) 상의 채널(50)의 폭(도체 폭 W에 대응함)보다 큰 폭 보다 큰 높이(도체 높이 H에 대응함)를 가진다. 일부 실시형태들에서 입구 및 인출 포트(52 및/또는 54)는 몰드층(44)의 채널 측면(48) 표면까지 연장될 수 있다. 인입 포트(52)는 나노입자 잉크(56)가 채널(50)에 진입할 경로를 제공하고, 인출 포트(54)는 나노입자 잉크가 채널(50)로부터 빼내질 경로를 제공한다. 몰드층(44)은 실리콘 마스터, 석영 마스터, 또는 유리 마스터를 포함하는(비한정적임) 포토리소그래피에 의해 형성된 마스터 상에 캐스트되고 경화된 폴리디메틸실록산을 포함하는(비한정적임) 탄성중합체 재료를 포함할 수 있다. 여러 실시형태들에서, 몰드층(44)은 나노입자를 탄성중합체 재료 내에 포함시킴으로써, 또는 유리, 강철, 탄소, 또는 나일론을 포함하는(비한정적임) 제작된 섬유 메시를 포함시킴으로써 강화될 수 있다. 지지층(42)은 유리를 포함하는(비한정적임), 몰드층(44)보다 더 강성이 높은 재료를 포함할 수 있고 몰드층(44)보다 얇을 수 있다.
도 16c에서, 펌프 또는 디스펜서(70)는 나노입자 잉크를 펌프 저장소(72)로부터 압력 하에서는 마이크로-몰드 스탬프(40)의 인입 포트(52)로, 그리고 진공(또는 부분적인 진공 또는 감압) 하에서는 인출 포트(54)로 제공하여 나노입자 잉크(56)를 채널(50) 안으로 그리고 이를 통해서 빼낼 수 있다. 마이크로-몰드 스탬프(40)는 나노입자 잉크(56)의 볼륨 및 유량을 제어하기 위하여 나노입자 잉크 저장소(58)를 포함할 수 있다. 인입 포트(52) 및 인출 포트(54)도 통합된 잉크 저장소(58)로서의 역할을 할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 채널을 통과해서 잉크를 구동하는 압력은 나노입자 잉크(56) 및 잉크와 접촉한 미세채널(50)의 표면적 사이의 힘에 의해서 초래된 모세관 압력일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나를 제작하는 프로세스가 도 10에 도시된다. 제작 프로세스는 고-종횡비 안테나를 위한 기판을 제공함으로써 시작된다(100). 마이크로-몰드 스탬프가 안테나를 배치하기 위하여 사용될 수 있다(105). 마이크로-몰드 스탬프의 몰드층이 기판의 기판면과 접촉하여(예를 들어 등각적으로 접촉함) 배치될 수 있다(115). 액상 또는 가스상 용매 또는 분산제 내의 나노입자를 포함하는 나노입자 잉크가 제공될 수 있다(110). 나노입자를 포함하는 나노입자 잉크는 인입 포트를 통하여 채널 내로 펌핑될 수 있다(120). 나노입자가 채널을 통해 이동할 때에, 나노입자 잉크 내의 용매는 몰드층 내로 확산되어 나노입자가 채널 내에 단단하게 패킹되게 할 수 있다. 프로세스는 경화(125)에 의해서 가속화될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 경화 프로세스는 나노입자 잉크를 열, 및/또는 전자기 방사선에 노출시키는 것을 포함한다(비한정적임). 전자기 방사선의 예는 제논 플래시, 적외선 방사선, 자외선 방사선, 또는 레이저 방사선을 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 경화 프로세스 도중에, 나노입자 잉크의 용매는 나노입자 잉크 및/또는 몰드층으로부터 빠져나오게 구동될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 빠져나온 용매는 마이크로-몰드 스탬프의 몰드층에 의해서 흡수될 수 있다(적어도 부분적으로). 특정 실시형태들에서, 밖으로 구동된 용매는 몰드층을 통해서 스탬프 주위의 환경 내로 확산될 수 있다. 스탬프를 둘러싸는 환경의 예는 공기, 진공, 또는 질소 및 아르곤을 포함하는(비한정적임) 불활성 기체를 포함한다(하지만 이들로 한정되지 않음). 마이크로-몰드 스탬프는 제거되어(130) 기판의 기판면 상에 고종횡비 도체를 가지는 독립형 안테나를 형성할 수 있다. 그러면, 독립형 안테나가 나노입자를 열, UV 방사선, 또는 레이저 방사선에 노출시킴으로써 소결될 수 있다(135). 많은 실시형태는 안테나가 단일 층 내에 그리고 한 번의 일련의 단계 내에서 구성될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에 따른 안테나의 제작 프로세스는 반복된 증착 및 패터닝 단계를 피한다.
일 실시형태에 따른 제작 프로세스 도중의 고-종횡비 안테나의 연속적인 단면도가 도 17a 내지 도 17d에 도시된다. 일부 실시형태에 따른 고-종횡비 안테나 구조체는 기판(20), 및 마이크로-몰드 스탬프(40)를 도 17a에 도시된 바와 같이 제공함으로써 구성될 수 있다. 마이크로-몰드 스탬프(40)의 몰드층(44)은, 도 17a에 도시된 바와 같이 기판(20)의 기판면(22)과 접촉하여(예를 들어 등각적 접촉) 배치된다. 액상 또는 가스상 용매 또는 분산제(57) 내의 나노입자(12)를 포함하는 나노입자 잉크(56)는 인입 포트(52)를 통해서 채널(50) 내로, 예를 들어 도 17b에 도시된 바와 같이 펌프에 의하여 펌핑될 수 있다. 나노입자(12)가 채널(50)을 통해 이동할 때, 나노입자 잉크(56) 내의 용매는 몰드층(44) 내로 확산되어 나노입자(12)가 채널(50) 내에서 단단하게 패킹되게 한다. 도 17c에서, 이러한 프로세스는 나노입자 잉크(56) 및/또는 몰드층(44)을 열 및/또는 전자기 방사선(60)(예를 들어, 제논 플래시, 적외선 방사선, 자외선 방사선의 또는 레이저 방사선)에 노출시킴으로써 가속화 및/또는 이네이블될 수 있다. 이러한 프로세스는 마이크로-몰드 스탬프(40)의 몰드층(44)에 의해 적어도 부분적으로 흡수될 수 있거나 몰드층을 통하여 스탬프 주위의 환경 내로 확산될 수 있는 용매(57)를 외부로 내보낼 수 있다. 그러면, 마이크로-몰드 스탬프(40)가 제거되어 도 17d의 기판(20)의 기판면(22) 상에 고종횡비 도체(30)를 가진 독립형 안테나를 형성할 수 있다. 그러면, 독립형 안테나(30)가 나노입자(12)를 열, UV 방사선, 또는 레이저 방사선에 노출시킴으로써 소결될 수 있다. 안테나(30)는 단일 층 내에 그리고 한 번의 일련의 단계 내에서 구성될 수 있다.
비록 도 16a 내지 도 16c 및 도 17a 내지 도 17d는 고-종횡비 안테나의 마이크로-몰딩 제작 프로세스의 특정한 단계를 예시하지만, 임의의 단계 및 방법이 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 스텝 및 방법이 활용될 수 있다. 고-종횡비 안테나를 회로 컴포넌트와 통합시키기 위한 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 시스템 및 방법이 상세히 후술된다.
고-종횡비 안테나의 통합
많은 실시형태는 고-종횡비 안테나가 튜닝된 안테나 시스템을 포함하는(비한정적임) 전자 회로 내에 통합될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 회로, 집적 회로(IC), 저항, 및 커패시터를 포함하는(비한정적임) 컴포넌트가 안테나 시스템 내에 통합될 수 있다. 일부 실시형태에 따른 추가된 컴포넌트는 내부 및/또는 외부 코일 내에 배치될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 컴포넌트는 상이한 회로 평면 내에 배치될 수 있다.
코일 안테나로부터 신호를 수신하기 위하여, 나선 도체 트레이스의 양자 모두의 단부는 외부 회로에 전기적으로 연결될 필요가 있을 수 있어서, 안테나 나선의 하나 또는 양자 모두의 단부로의 면외(out-of-plane) 회로 연결부를 요구한다. 많은 실시형태는 신호의 여기 및/또는 코일 안테나로부터의 수신을 가능하게 하는 안테나 시스템 디자인을 제공한다. 여러 실시형태는 제작된 도전성 트레이스를 코일 위 또는 아래에 내장한다. 일부 실시형태에 따른 도전성 트레이스는 가장 안쪽의 코일을 코일 외부의 공평면 구역(coplanar region)으로 연결할 수 있다. 여러 실시형태에서, 도전성 트레이스는 가장 바깥의 코일을 코일 내부의 공평면 구역으로 연결할 수 있다. 많은 실시형태는 전기 연결이 코일을 형성하는 트레이스 또는 배선 위 또는 아래에 제조될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 전기 연결은 배선 결합에 의해서, 또는 별개의 도체를 코일의 위 또는 아래에 증착시킴으로써 이루어질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전기 연결은 고-종횡비 안테나의 코일 루프들 사이의 단락을 방지하기 위하여 전기 절연(유전체) 층과 함께 이루어질 수 있다. 많은 실시형태는 고-종횡비 도체가 있는 안테나가 전도체, 유전체, 다른 구조체, 다른 고-종횡비 구조체, 층, MEMS 디바이스, CMOS 디바이스, 또는 구조화된 층을 포함하는(비한정적임) 적어도 하나의 컴포넌트 상에 배치될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태는 안테나가 집적 회로 제어기, 고-종횡비 안테나를 통해 제공된 신호에 응답하는 회로에 전기적으로 연결될 수 있다는 것을 제공한다.
많은 실시형태에서, 고-종횡비 안테나는 어떤 구조체 상에 배치된 안테나 부분 및 그 외의 구조체 상에 배치된 안테나 부분을 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 고-종횡비 안테나의 두 개의 단부는 안테나의 두 개의 상이한 부분에 연결된다. 일부 실시형태들에서, 안테나의 하나의 부분은 전도체 위에 배치될 수 있고, 안테나의 및 다른 부분은 전기적으로 절연성인 유전체 위에 배치될 수 있다. 이러한 구조체는 전도체가 하나의 단부에 전기적으로 연결되지만 안테나의 다른 단부에는 연결되지 않게 할 수 있다. 여러 실시형태에 따르면 독립적 전기 연결이 안테나의 상이한 단부까지 이루어질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 독립적 전기 연결은 안테나 및 전기 회로, 예컨대 코일 안테나의 안에 또는 밖에 있는 집적 회로 사이에서 이루어질 수 있다. 일부 실시형태에 따른 독립적 전기 연결은 안테나의 다른 부분으로의 원치 않는 전기 연결을 피할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 고-종횡비 안테나는 봉합재, 유전체 봉합재, 또는 금속 코팅을 포함하는(비한정적임) 재료로 코팅될 수 있다. 봉합재의 예는 경화가능 폴리머를 포함하는(비한정적임) 폴리머, 에폭시, 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 저온 소성 세라믹(LTCC) 시트를 포함할 수 있다(하지만 이들로 한정되지 않음). 일부 실시형태에 따른 코팅은 안테나를 환경적인 오염물로부터 보호할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 봉합재 코팅 층은 기계적으로 더 견실한 안테나의 구조체를 형성할 수 있다. 여러 실시형태에서, 봉합재 층은 안테나의 전자기적 속성을, 예컨대 자신의 도전성을 개선함으로써 향상시킬 수 있다. 실시형태들에 따른 봉합재 층은 안테나를 평탄화하거나 안테나 위에 등각적 코팅을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나 시스템이 도 18에 도시된다. 일부 실시형태들에서, 고-종횡비 안테나(30)는 기판(20)의 기판면(22) 상에 배치될 수 있다. 여러 실시형태에서, 고-종횡비 도체가 있는 안테나(30)가 기판(20) 상의 구조체(26) 위에 배치될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 안테나(30)는 안테나(30)로의 전기 연결을 제공하는 전도성 기판 콘택(24) 상에 배치될 수 있다. 기판 콘택(24)은 기판(20) 위에서 연장되거나, 선택된 면적만을 커버할 수 있다. 안테나(30)의 제 1 및 제 2 부분(36, 38)은 기판(20) 상의 상이한 구조체, 예를 들어 전도체(24) 및 전기 절연 유전체(26) 위에 배치될 수 있다. 이러한 구조체는, 전도체가 안테나(30)의 제 1 부분(36)에 전기적으로 연결되지만 안테나(30)의 제 2 부분(38)에는 연결되지 않게 할 수 있어서, 안테나(30)의 다른 부분으로의 원치 않는 전기 연결이 없이, 독립적 전기 연결이 코일 안테나(30)의 제 1 단부(30A)(도 13a에 도시됨) 및 코일 안테나(30)의 제 2 단부(30B)(도 13a에 도시됨)에 이루어지게 하거나, 코일 안테나(30) 내부의 또는 코일 안테나(30) 외부의 전기 회로(28)에 이루어지게 할 수 있다. 따라서, 고-종횡비 안테나(30)는 제 1 구조체 상에 배치된 제 1 안테나 부분(36)(예를 들어, 기판 콘택(24)을 포함할 수 있고, 제 2 안테나 부분(38)은 제 1 구조체와 다른 제 2 구조체(예를 들어, 유전체(26)) 상에 배치된다. 안테나(30)는 보호를 위하여 봉합재(80)로 코팅될 수 있다.
많은 실시형태에서, 고-종횡비 안테나는 다층 안테나일 수 있다. 일부 실시형태에 따른 각각의 안테나 층은 인접한 층으로부터 절연체에 의해 분리되고, 전기 비아를 통하여 연결될 수 있다. 여러 실시형태는, 코일 안테나의 외부 및 내부 구역 사이의 도전성 경로가 반대의 손대칭성(chirality)의 제 2 코일에 의해서 이루어질 수 있다는 것을 제공한다. 일부 실시형태에 따른 반대 손대칭성의 제 2 코일은 제 1 코일의 위 또는 아래에 제 1 코일에 동심으로 배치될 수 있다. 일부 실시형태는, 제 1 및 제 2 코일 안테나가 코일의 가장 안쪽과 가장 바깥쪽 범위에 있는 연결점들을 제외하고 절연체에 의해서 서로 전기적으로 고립될 수 있다는 것을 제공한다. 여러 실시형태에서, 비아는 하나의 안테나 층 내의 전도체를 다른 안테나 층 내의 전도체와 연결한다. 이러한 실시형태에서, 코일을 외부 회로부에 연결하기 위한 공평면형 포인트를 제공하면서, 다층 코일 구조체의 인덕턴스는 단일-층 코일과 비교할 때 크게 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다층 고-종횡비 안테나가 도 19에서 전개도로 도시된다. 코일의 외부 및 내부 구역 사이의 도전성 경로는, 제 1 코일에 동심적이고 제 1 코일 위에(도 19에 도시된 바와 같음) 또는 아래에 배치되며, 그로부터 코일의 가장 안쪽과 바깥쪽의 범위에 있는 단일 연결점을 제외하고 모든 면적에서 절연체(21)에 의해 전기적으로 고립된, 반대 손대칭성의 제 2 코일에 의해서 이루어질 수 있다. 도 19에서 쇄선으로 표시된 비아는 하나의 안테나 층 내의 전도체를 다른 안테나 층 내의 전도체와 전기적으로 연결할 수 있다. 이러한 방식으로, 코일을 외부 회로부에 연결하기 위한 공평면형 포인트를 제공하면서, 다층 코일 구조체의 인덕턴스는 단일-층 코일과 비교할 때 크게 개선될 수 있다. 비록 도 18 및 도 19가 특정한 소자 및 컴포넌트를 고-종횡비 안테나 내에 구현하는 것을 도시하지만, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 적절한 임의의 구성 및 디자인이 활용될 수 있다.
균등론
전술된 설명으로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 전술된 개념은 본 발명의 실시형태에 따른 다양한 구성에서 구현될 수 있다. 따라서, 비록 본 발명이 일부 특정한 양태에서 설명된 바 있지만, 추가적인 많은 수정예 및 변형예가 당업자들에게 명백해질 것이다. 그러므로, 본 발명이 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 어떤 경우에도 예시적인 것이지 한정적인 것이 아니라고 간주되어야 한다.
Claims (35)
- 마이크로-몰딩형 가스 센서로서,
적어도 하나의 가스-센서 소자 - 적어도 하나의 가스-센서 소자는 나노-다공성 전도체를 포함하고, 상기 나노-다공성 전도체는 용융된 나노입자를 포함함 -;
적어도 하나의 가스-센서 소자의 제 1 단부에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 1 전극; 및
적어도 하나의 가스-센서 소자의 제 2 단부에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 2 전극을 포함하고,
상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 대응하는 제 1 전극 및 제 2 전극 쌍을 가지며,
상기 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 2 전극에 의해 측정된 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 전기적 특성은 상기 나노-다공성 전도체에 접촉하는 주변 가스에 응답하여 변하는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는 제 1 가스-센서 소자 및 제 2 가스-센서 소자를 더 포함하고,
상기 제 1 가스-센서 소자는 제 1 나노입자 조성물을 포함하며,
상기 제 2 가스-센서 소자는 상기 제 1 나노입자 조성물과 다른 제 2 나노입자 조성물을 포함하는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는 제 1 가스-센서 소자 및 제 2 가스-센서 소자를 더 포함하고,
상기 제 1 가스-센서 소자는 제 1 폼 팩터를 가지며,
상기 제 2 가스-센서 소자는 상기 제 1 폼 팩터와 다른 제 2 폼 팩터를 가지는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자를 가열하기 위한 마이크로-히터를 더 포함하는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 마이크로-히터는 복수 개의 마이크로-히터 세그멘트들 각각 내에 상이한 온도를 동시에 제공하도록 개별적으로 제어가능한 복수 개의 마이크로-히터 세그멘트를 포함하는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는,
상기 적어도 하나의 제 1 전극에 전기적으로 연결되고 상기 적어도 하나의 제 2 전극에 전기적으로 연결된 센서 제어기를 더 포함하고,
상기 센서 제어기는 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자에 전류를 제공하고, 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 비저항을 측정하도록 동작가능한, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는,
기판;
상기 기판 상에 배치된 마이크로-히터; 및
상기 마이크로-히터 상에 배치된 전기 절연층을 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 제 1 전극 및 상기 적어도 하나의 제 2 전극은 상기 전기 절연층 상에 배치되고,
상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 상기 대응하는 제 1 전극 및 제 2 전극 쌍 상에 배치된, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 상기 마이크로-히터를 넘어 연장되지 않는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 기판은 적어도 하나의 멤브레인을 내장하고,
상기 멤브레인은 약 1 마이크론 미만의 두께를 가진, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자는 금속 나노입자, 금속-산화물 나노입자, 및 도핑된 금속-산화물 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택된, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 금속-산화물 나노입자는, SnO2, TiO2, WO3, ZnO, In2O3, Cd: ZnO, CrO3, 및 V2O5 중 하나 이상인, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 금속-산화물 나노입자는 Al, Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Cu, Fe, Sb, Mo, Ce, Mn, Rh2O3, 또는 탄소 나노튜브로 도핑된, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 약 1 μm 내지 약 20 μm의 범위에 속하는 높이, 및 약 1 μm 내지 약 50 μm의 범위에 속하는 폭을 가지는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스-센서 소자는 약 100 nm RMS 미만의 표면 조도를 가지는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 높이와 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 폭 사이의 비율은 2보다 작지 않은, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서, 여기에서 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 높이와 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 폭 사이의 비율은 0.5보다 크지 않은, 마이크로-몰딩형 가스 센서.
- 제 1 항에 있어서,
적어도 두 개의 인접한 가스 센서 소자들 사이의 간극과 상기 적어도 하나의 가스-센서 소자의 소자 폭 사이의 비율은 4보다 크지 않은, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩형 가스 센서는,
전류 또는 전압을 상기 전류 또는 전압 내에 주입하는 적어도 하나의 힘 전극, 및 전기적 특성에서의 변화를 측정하는 적어도 하나의 감지 전극을 더 포함하는, 마이크로-몰딩형 가스 센서. - 마이크로-몰딩 머신으로서,
스탬프의 표면 상에 배치된 제 1 채널 및 상기 스탬프의 표면 상에 배치된 제 2 채널을 가지는, 상기 스탬프;
상기 제 1 채널에 연결된 제 1 인입 포트 및 상기 제 2 채널에 연결되고 상기 제 1 인입 포트와 별개인 제 2 인입 포트;
제 1 나노입자 잉크를 상기 제 1 인입 포트로 공급하기 위한 제 1 나노입자 잉크 공급부 및 제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트로 공급하기 위한, 상기 제 1 나노입자 잉크 공급부와 별개인 제 2 나노입자 잉크 공급부 - 상기 제 1 나노입자 잉크는 제 1 나노입자 조성물을 포함하고, 상기 제 2 나노입자 잉크는 상기 제 1 나노입자 조성물과 다른 제 2 나노입자 조성물을 포함함 -;
상기 제 1 나노입자 잉크를 상기 제 1 인입 포트 및 제 1 채널을 통해 펌핑 또는 불출하고, 상기 제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트 및 제 2 채널을 통해 펌핑 또는 불출하기 위한 펌프 또는 디스펜서; 및
상기 스탬프의 표면을 기판에 접촉시키기 위한 접촉 메커니즘
을 포함하는, 마이크로-몰딩 머신. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 채널은 제 1 폼 팩터를 가지고 상기 제 2 채널은 상기 제 1 폼 팩터와 다른 제 2 폼 팩터를 가지는, 마이크로-몰딩 머신. - 제 18 항에 있어서,
상기 마이크로-몰딩 머신은 상기 제 1 채널 또는 제 2 채널에 연결된 인출 포트를 더 포함하고,
상기 펌프 또는 디스펜서는 대기압보다 작은 압력을 상기 인출 포트에 제공하도록 동작가능한, 마이크로-몰딩 머신. - 가스-센서 소자를 마이크로-몰딩하는 방법으로서,
기판면을 가지는 기판을 제공하는 단계;
지지 측면 및 채널 측면을 가지는 몰드층 및 상기 지지 측면과 접촉하며 배치된 지지층을 포함하는 스탬프를 제공하는 단계 - 상기 몰드층은 (i) 상기 채널 측면 상에 배치된 제 1 폼 팩터, 제 1 채널에 연결된 제 1 인입 포트, 및 상기 제 1 채널에 연결된 제 1 인출 포트를 가지는, 상기 제 1 채널; 및 (ii) 상기 채널 측면 상에 배치된 제 2 폼 팩터, 제 2 채널에 연결된 제 2 인입 포트, 및 상기 제 2 채널에 연결된 제 2 인출 포트를 가지는, 상기 제 2 채널을 포함함 -;
제 1 나노입자 조성물을 포함하는 제 1 나노입자 잉크 및 제 2 나노입자 조성물을 포함하는 제 2 나노입자 잉크를 제공하는 단계;
상기 몰드층을 상기 기판면과 접촉하게 배치하는 단계;
상기 제 1 나노입자 잉크를 상기 제 1 인입 포트를 통하여 상기 제 1 인입 포트 내로 및 펌핑 또는 불출하고, 상기 제 2 나노입자 잉크를 상기 제 2 인입 포트를 통하여 상기 제 2 인입 포트 내로 펌핑 또는 불출하는 단계;
제 1 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체에 접촉하는 제 1 주변 가스에 응답하여 변하는 전도성을 가지는 상기 제 1 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체를 형성하도록, 상기 제 1 채널 내의 제 1 나노입자 잉크를 경화시키는 단계;
제 2 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체에 접촉하는 제 2 주변 가스에 응답하여 변하는 전도성을 가지는 상기 제 2 나노-다공성 용융된 나노입자 전도체를 형성하도록, 상기 제 2 채널 내의 제 2 나노입자 잉크를 경화시키는 단계; 및
독립형(free-standing) 가스-센서 소자를 상기 기판면 상에 형성하도록, 상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 제 1 나노입자 조성물은 상기 제 2 나노입자 조성물과 다르고,
상기 제 1 폼 팩터는 상기 제 2 폼 팩터와 같은, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 제 1 나노입자 조성물은 상기 제 2 나노입자 조성물과 같고,
상기 제 1 폼 팩터는 상기 제 2 폼 팩터와 다른, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 제 1 나노입자 조성물은 상기 제 2 나노입자 조성물과 다르고,
상기 제 1 폼 팩터는 상기 제 2 폼 팩터와 다른, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 지지층은 상기 몰드층보다 더 강성이 높은, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 채널은 상기 채널 측면으로부터 상기 몰드층 내로 들어가는 방향으로 높이를 가지고, 상기 높이는 상기 채널 측면 상의 채널의 폭보다 큰, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 방법은,
경화시키는 단계를 가속화하도록, 상기 나노입자 잉크를 가열하거나 상기 나노입자 잉크를 전자기 방사선에 노출시키는 단계를 더 포함하는, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 방법은,
나노입자를 가열하거나 상기 나노입자를 전자기 방사선에 노출시킴으로써, 나노입자를 소결하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 방법은,
펌핑 또는 불출하는 단계 도중에 인입 압력을 상기 인입 포트에 제공하고 인출 압력을 상기 인출 포트에 제공하는 단계를 더 포함하고,
상기 인입 압력은 상기 인출 압력보다 큰, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
나노입자 잉크를 펌핑 또는 불출하는 단계는, 나노입자 잉크가 상기 채널을 통하여 흐르게 하고,
상기 나노입자 잉크의 흐름은 적어도 부분적으로 상기 채널 내의 모세관 압력에 의해 구동되는, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
나노입자 잉크를 펌핑 또는 불출하는 단계는, 나노입자 잉크가 상기 채널을 통하여 흐르게 하고,
상기 나노입자 잉크의 흐름은, 압력을 상기 인입 포트에 인가하거나 진공을 상기 인출 포트에 인가함으로써 구동되는, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 스탬프는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
적어도 하나의 잉크 저장소가 상기 스탬프 내에 내장된, 마이크로-몰딩 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 몰드층은 나노입자를 내장함에 의하여, 또는 유리, 강철, 탄소, 및 나일론으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 섬유 메시를 포함함에 의하여 강화된, 마이크로-몰딩 방법.
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