WO2013168922A1 - 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서 - Google Patents

정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서 Download PDF

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WO2013168922A1
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effect transistor
field effect
membrane
sensing mechanism
static charge
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PCT/KR2013/003727
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문원규
에드워드 웨스트제임스
성민
제엽
신금재
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포항공과대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a sensor using an energy conversion sensing mechanism that combines a static charge and a field effect transistor to convert a change in mechanical physical quantity into an electrical signal.
  • Reversible energy conversion means that the direction of energy conversion is bidirectional, and the conversion using the capacitor with the bias voltage presented above belongs to this, and the conversion using the piezoelectric phenomenon belongs to this.
  • piezoresistive type piezoelectric type, optical type, capacitive type and the like.
  • Piezoelectric and capacitive types are reversible energy conversions, so that the electrical signal corresponding to the final output is not free from the dynamics of the sensor.
  • Piezoresistive and optical types use irreversible energy conversion, so the dynamics of the sensor do not significantly affect the accuracy of the signal. Therefore, the piezoresistive type sensor has a low electrical impedance of the mechanical-electric conversion material itself, which eliminates the need for an additional interface circuit for measuring the signal of the piezoresistive sensor and the sensitivity according to the frequency. The advantage is that there is little change.
  • Piezoelectric type sensors have been applied to acoustic sensors such as microphones and hydrophones because they can obtain relatively large output signals without adding bias voltages. However, they are free from their inherent characteristics because they are reversible conversion methods. none. Therefore, as the microminiaturization proceeds, the size of the piezoelectric material to be used becomes small, and the amount of charge that can be generated due to the pressure is absolutely small. Therefore, the conventional circuit measurement method requires the sensitivity, frequency band, and signal-to-noise ratio required. You will not be satisfied. In particular, the increase in electrical impedance as it is miniaturized results in low frequency performance degradation.
  • Capacitive type sensors have been widely applied to micro pressure sensors, acoustic sensors, accelerometer sensors, etc., but because of the reversible energy conversion method like piezoelectric sensors, the capacitance of the sensor itself becomes considerably smaller due to miniaturization. The effect of desensitization caused by parasitic capacitance is large. To prevent this, the capacitive micro-sensor is implemented as a hybrid packaging method that integrates advanced and high-performance interface circuits in a single chip form or minimizes parasitic capacitance, and thus high-performance, low-noise CMOS. IC integration and packaging technologies are becoming key technology technologies.
  • the capacitive sensor cannot avoid the degradation of the sensitivity and noise characteristics in the low frequency region due to miniaturization.
  • High performance and optimization of the interface circuits have limitations in solving the problems of low frequency characteristics and sensitivity due to the mechanical-electrical conversion method of the sensor itself.
  • the optical type sensor directly measures the mechanical deformation of the sensor response by optical methods such as Mach-Zehnder interferometry and Fabry-Perot interferometry. Like the piezoresistive method, since this method is an irreversible energy conversion method, the limit of the output signal is not determined by the dynamic characteristics of the sensor. However, the optical sensor has a disadvantage in that it is difficult to align and calibrate the optics and the optics in spite of various advantages such as excellent sensitivity.
  • the capacitive type and piezoelectric type adopted in the conventional sensor have limitations in sensitivity and low frequency performance due to miniaturization, and optical type and piezoresistive type. (piezoresistive type) suffers from low frequency performance degradation due to miniaturization, but it is difficult to miniaturize itself or to reach a level where signal-to-noise ratio is required.
  • the present invention proposes a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor of a novel energy conversion method with little performance degradation due to miniaturization.
  • a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to an embodiment of the present invention is formed between a substrate, a source portion and a drain portion formed on the substrate and spaced apart from each other, and between the source portion and the drain portion. And a channel part spaced apart from the channel part and positioned above the channel part to generate a displacement in response to an external signal, and formed on the lower surface of the membrane to be spaced apart from the channel part to generate an electric field.
  • the channel portion and the electrostatic member may overlap each other.
  • the source portion, the channel portion, the drain portion, and the electrostatic member may form a field effect transistor.
  • the thickness of both ends of the membrane may be thicker than the thickness of the central portion of the membrane.
  • An insulating part may be formed between the channel part and the electrostatic member.
  • a shielding member may be formed on the upper surface of the membrane.
  • the substrate and the membrane may be formed of the same material.
  • a sensor using a sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to another embodiment of the present invention is formed on the substrate, the electrostatic member for generating an electric field, spaced apart from the electrostatic member, A membrane in which displacement occurs in response to an external signal, a source portion and a drain portion formed on the membrane and spaced apart from each other, and a channel portion formed between the source portion and the drain portion and spaced apart from the electrostatic member. Can be.
  • the channel portion and the electrostatic member may overlap each other.
  • the source portion, the channel portion, the drain portion, and the electrostatic member may form a field effect transistor.
  • the thickness of both ends of the membrane may be thicker than the thickness of the central portion of the membrane.
  • An insulating part may be formed between the channel part and the electrostatic member.
  • a shielding member may be formed on an upper surface of the membrane, and the substrate and the membrane may be formed of the same material.
  • An insulating film may be formed between the substrate and the electrostatic member, and the insulating film may extend between both ends of the substrate and the membrane.
  • a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor is a substrate, formed between the source and drain portions formed on the substrate and spaced apart from each other, between the source and drain portions A piezoelectric member in contact with the formed channel portion, the surface of the channel portion and having a bound charge, a membrane which is spaced apart from the piezoelectric member and is displaced in response to an external signal, the piezoelectric member And a transmission member formed between the membrane and amplifying and transmitting the external signal applied to the membrane to the piezoelectric member.
  • the channel portion and the piezoelectric member may overlap each other.
  • the source, channel, drain, and piezoelectric elements may form a field effect transistor.
  • the thickness of both ends of the membrane may be thicker than the thickness of the central portion of the membrane.
  • An insulating part may be formed between the transfer member and the substrate, a shielding member may be formed on an upper surface of the membrane, and the substrate, the membrane, and the transfer member may be formed of the same material.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor can measure the displacement or motion of the sensor by measuring the change in the electric field of the channel portion of the field effect transistor using the electrostatic charge member, Regardless of the strength and distribution of the external electric field, the electric field can be formed in proportion to the amount of charge and inversely proportional to the square of the distance, thereby improving sensitivity since it is not affected by the external electric field.
  • the senor using a conventional electrode was necessary a separate ground electrode to form an electric field
  • the sensor using a sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to an embodiment of the present invention is a separate ground electrode for forming an electric field Since this is not necessary, the configuration is simplified.
  • the field effect transistor since the field effect transistor is used, it is possible to maintain a low level of electrical impedance even in a very small size, thereby securing the sensitivity of the low frequency region.
  • a simple structure of the interface circuit can be sufficiently implemented, and using a semi-permanent electrostatic member or piezoelectric member, there is no need for a separate circuit for active biasing and thus additional power It can also reduce consumption.
  • an electric field generated by the bound charge of the electrostatic member or the piezoelectric member is applied to the field effect transistor.
  • a strong electric field can be formed using electrostatic charges and restraint charges as compared to a sensor using a field effect transistor using a conventional electrode, thereby ensuring high sensitivity.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a third embodiment of the present invention.
  • substrate 110 source portion
  • drain portion 130 channel portion
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
  • a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention is formed on a substrate 100, a substrate 100, and source portions spaced apart from each other ( 110 and the channel portion 130 formed between the drain portion 120, the source portion 110 and the drain portion 120, the membrane 200 and spaced apart from the channel portion 130, the membrane ( It is formed on the lower surface of the 200 and includes an electrostatic member 300 for generating an electric field.
  • the substrate 100 may be a semiconductor substrate formed of a semiconductor.
  • the semiconductor for forming the semiconductor substrate include silicon, gallium arsenide, gallium nitride, zinc oxide, indium phosphorus, silicon carbide, and the like.
  • substrate is arbitrary, it is usually formed in flat form.
  • the channel unit 130 is positioned to overlap with the electrostatic member 300, and the current flowing into the source unit 110 is drained through the channel unit 130 by the electric field generated by the electrostatic member 300. Flows into).
  • the static charge member 300 is spaced apart from the channel portion 130 and is positioned upward, and an insulating portion 20 is formed between the channel portion 130 and the static charge member 300.
  • the insulating part 20 may be formed of a material having insulating properties, and may be formed of a solid, liquid, or gas, and the insulating part 20 may be formed in a vacuum.
  • the electrostatic member 300 may be an electret, which is a member that permanently retains charge in the insulator and generates an electric field around it.
  • the electrostatic member 300 may be charged with a negative charge or may be charged with a positive charge.
  • the source unit 110, the channel unit 130, the drain unit 120, and the static charge member 300 form a field effect transistor. That is, the current flowing into the source part 110 flows into the drain part 120 through the channel part 130 by the electric field generated by the electrostatic member 300.
  • the membrane 200 may be formed of the same material as the substrate 100, and the thickness t1 of both ends 210 of the membrane 200 is thicker than the thickness t2 of the central portion 220 of the membrane 200. It is. Since the central portion 220 of the membrane 200 is formed of a thin film, the membrane 200 serves as a sensitive plate that is easily displaced in response to an external signal.
  • the electrostatic member 300 is formed on the lower surface of the central portion 220 of the membrane 200. Therefore, displacement occurs in the membrane 200 by the external signal 1 such as sound waves, and the electric field distance d between the electrostatic member 300 and the channel portion 130 due to the displacement of the membrane 200. Will change.
  • the resistance of the channel part 130 between the source part 110 and the drain part 120 is reduced.
  • the magnitude of the current flowing through the channel unit 130 is also changed.
  • the change in the electric field of the channel unit 130 may be measured by measuring the magnitude of the current flowing through the channel unit 130, and thus the displacement and the external signal of the membrane 200 may be measured.
  • the mechanical resonance frequency of the membrane 200 may be determined in consideration of the frequency band of the sound wave to be measured.
  • the insulating unit 20 may also determine the size of the material or the insulating unit 20 formed in the insulating unit in consideration of the frequency band and sensitivity of the sound wave to be measured.
  • a shielding member 400 is formed on the upper surface of the membrane 200 and may be grounded.
  • the shielding member 400 serves to shield the external electric field from flowing into the channel unit 130.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention measures the change in the electric field of the channel unit 130 of the field effect transistor by using the electrostatic charge member 300.
  • the displacement or movement of the sensor can be measured.
  • the amount and position of the free charges charged in the electrode are rearranged according to the potential of the electrode according to the strength and distribution of the external electric field, thereby being greatly influenced by the external electric field.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention using the electrostatic member 300 is proportional to the amount of charge and inversely proportional to the square of the distance regardless of the intensity and distribution of the external electric field. It is possible to form an electric field so that it is not affected by an external electric field.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention ignores the effect of the external electrode when the external electrode is spaced farther from the channel portion 130 than the electrostatic member 300. Since only the electric field formed by the electrostatic member 300 affects the channel unit 130, the sensing of the external signal is accurate and the sensitivity is improved.
  • the senor using a conventional electrode was required a separate ground electrode to form an electric field, but the sensor using a sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention is a separate ground to form an electric field
  • the configuration is simplified since no electrode is required.
  • the membrane of the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention is used as an acoustic sensitive plate
  • the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention are combined.
  • the sensor using the sensing mechanism can be used as a microphone or hydrophone.
  • Sensors with sensing mechanisms can also be used as accelerometers.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention is a method of directly using the field effect transistor as an energy conversion element, and is additionally used to read the state variable change of the energy conversion part.
  • the electric field generated by the static charge is applied directly to the gate of the field effect transistor so that the current of the field effect transistor changes directly by the change of the electric field generated by the static charge. to be. Therefore, this method can be classified as an irreversible energy conversion like an optical type or a piezoresistive type, so that the electric field change generated from the electrostatic charge is hardly affected by the current of the field effect transistor.
  • this method does not have characteristics such as deterioration of sensitivity due to miniaturization or low frequency performance like capacitive or piezoelectric methods.
  • the signal to be measured in the current flowing through the field-effect transistor is detected, making it possible to easily design and manufacture circuits such as preamps, and to produce a single chip of a sensor and a signal processing circuit based on a semiconductor process.
  • the device is decorated so that the physical quantity to be measured can change the strength of the electric field emitted from the electrostatic charge, it can measure a wide variety of physical quantities.
  • the deformation of the thin film changes the position of the electrostatic charge, which is the strength of the electric field acting on the gate of the adjacent field effect transistor.
  • the current flowing through the transistor changes. That is, the force causes the electric field to change through the deformation of the thin film in which the static charge is installed, and the relationship between the force and the deformation of the thin film becomes an important factor in determining the sensitivity of the sensor.
  • the device so that the electric field caused by the piezoelectric force is applied to the gate directly, and change the transistor current according to the force applied to the piezoelectric body.
  • the electrostatic charge of the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention plays a decisive role.
  • electrostatic is used as opposed to free electrons and generally refers to an isolated charge in immovable form in a solid crystal structure. Since free electrons can be easily changed in position by an external electric field, a new type of electric field is formed through interaction with an electric field by an electrode or the like present in the surrounding environment. However, since the electrostatic charge merely serves to add the electric field emitted by the electric field to the existing electric field, the electric field change due to the change of the position of the electrostatic charge is directly transmitted to the gate region of the field effect transistor.
  • the electrostatic member 300 is formed on the lower surface of the membrane, but the second electrostatic member 300 is formed on the membrane and the electrostatic member 300 is formed on the substrate 100. Embodiments are also possible.
  • FIG. 2 a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is substantially the same as the first embodiment shown in FIG. 1 except for the positions of the electrostatic member and the channel part, and thus the repeated description thereof will be omitted.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention is formed on the substrate 100 and the substrate 100 and generates an electrostatic member.
  • the channel unit 130 is formed between the unit 120, the source unit 110, and the drain unit 120 and is spaced apart from the electrostatic member 300.
  • the electrostatic member 300 and the channel part 130 overlap each other, and the insulating part 20 is formed between the electrostatic member 300 and the channel part 130, and the substrate 100 and the electrostatic member An insulating film 700 for shielding the electrostatic member 300 from the outside is formed between the 300.
  • the insulating layer 700 extends between both ends of the substrate 100 and the membrane 200.
  • the membrane 200 may be formed of the same material as the substrate 100, and the thickness t1 of both ends 210 of the membrane 200 is thicker than the thickness t2 of the central portion 220 of the membrane 200. It is. Since the central portion 220 of the membrane 200 is formed of a thin film, the membrane 200 serves as a sensitive plate that is easily displaced in response to an external signal.
  • the channel portion 130 is formed in the central portion 220 of the membrane 200. Therefore, since the displacement occurs in the membrane 200 by the external signal 1 such as sound waves, and the channel portion 130 moves by the displacement of the membrane 200, the channel portion 130 and the electrostatic member ( The electric field distance d between 300 is changed. Since the electric field of the electrostatic member 300 transmitted to the channel unit 130 is changed by the change of the electric field distance d, the resistance between the source unit 110 and the drain unit 120 is changed to thereby the channel unit 130. The magnitude of the current flowing through) also changes.
  • the change in the electric field of the channel unit 130 may be measured by measuring the magnitude of the current flowing through the channel unit 130, and thus the displacement and the external signal of the membrane 200 may be measured.
  • the electrostatic member is formed spaced apart from the channel portion, but the third embodiment in which the piezoelectric member is formed on the channel portion surface is also possible.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a sensor using a sensing mechanism combining a static charge and a field effect transistor according to a third embodiment of the present invention.
  • the third embodiment is substantially the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1 except that the piezoelectric member and the transmission member are formed, and thus the repeated description thereof will be omitted.
  • the sensor using the sensing mechanism combining the electrostatic charge and the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention is formed on the substrate 100, the substrate 100, and source portions spaced apart from each other ( 110 and a piezoelectric material 500 in contact with the surface of the channel portion 130 and the channel portion 130 formed between the drain portion 120, the source portion 110, and the drain portion 120. ), Spaced apart from the piezoelectric member 500, and positioned between the membrane 200 and the piezoelectric member 500 and the membrane 200 in which displacement occurs in response to an external signal 2, and the membrane 200. It includes a transmission member 600 for transmitting the displacement of the piezoelectric member 500.
  • the channel unit 130 is positioned to overlap the piezoelectric member 500, and the piezoelectric member 500 has a restrained charge inside thereof when an external signal 2 such as pressure, stress, or strain is applied thereto. bound charge) occurs.
  • the generated confinement charges create an electric field externally. Therefore, the current flowing into the source unit 110 flows into the drain unit 120 through the channel unit 130 by the electric field generated by the piezoelectric member 500.
  • the source unit 110, the channel unit 130, the drain unit 120, and the piezoelectric member 500 form a field effect transistor. That is, the current flowing into the source part 110 flows into the drain part 120 through the channel part 130 by the electric field generated by the piezoelectric member 500.
  • the membrane 200 and the transfer member may be formed of the same material as the substrate 100, and the thickness of both ends of the membrane 200 is thicker than the thickness of the central portion 220 of the membrane 200. Since the central portion 220 of the membrane 200 is formed of a thin film, the membrane 200 serves as a sensitive plate that is easily displaced in response to an external signal.
  • the transfer member 600 is formed on the lower surface of the central portion 220 of the membrane 200. The transfer member 600 amplifies the pressure due to the displacement of the membrane 200 and transmits the pressure to the piezoelectric member 500. Therefore, the displacement occurs in the membrane 200 by an external signal such as pressure, and the pressure is transmitted to the piezoelectric member 500 through the transfer member 600 by the displacement of the membrane 200. An electric field is generated. Therefore, since the electric field transmitted to the channel unit 130 is changed by the electric field generated in the piezoelectric member 500, the resistance of the channel unit 130 between the source unit 110 and the drain unit 120 is changed. The magnitude of the current flowing through the channel unit 130 is also changed.
  • the change in the electric field of the channel unit 130 may be measured by measuring the magnitude of the current flowing through the channel unit 130, and thus the stress or strain applied to the piezoelectric member 500 may be measured.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판, 상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부, 상기 채널부와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 하부면에 상기 채널부와 이격되어 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 정전하 부재를 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 채널부의 전기장의 변화를 측정하여 센서의 변위 또는 운동을 측정할 수 있으므로, 외부 전기장의 세기 및 분포에 상관없이 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하게 전기장을 형성할 수 있어 외부 전기장의 영향을 받지 않아 감도가 향상된다.

Description

정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서
본 발명은 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합하여 기계적 물리량의 변화를 전기적 신호로 바꾸어 주는 에너지 변환의 감지 메커니즘을 이용한 센서에 관한 것이다.
대부분의 디바이스(Device)들은 에너지 변환을 해주는 요소를 포함하고 있다. 특히 센서의 경우 대부분 전기적 출력이 요구되기 때문에 하나 이상의 에너지 변환이 디바이스 내부에서 이루어져야 한다. 예를 들어 널리 쓰이는 정전용량 형 마이크로폰의 경우 소리라는 압력파에 의하여 변형되는 박막의 변위가 그 박막과 주변에 위치한 전극과의 정전용량을 변화시키게 되고, 이 정전용량의 변화는 초기에 부가되었던 바이어스 전압에 의하여 평형 상태를 이루었던 전기적 상태에 변화를 가져와서 박막과 전극 사이에 전압 변화 또는 전하량 변화를 야기하게 된다. 이를 전기적 회로에 연결하여 정전용량 변화를 감지하면 그것으로부터 박막의 변위를 추정할 수 있고 이는 곧 음압의 추정과 연결되는 방식이다. 따라서 정전용량의 변화를 정확하게 전기적 출력으로 바꾸어주는 것이 중요하다. 전기적 소자의 전기적 상태 변화를 전기적 출력으로 바꾸기 위해서는 전류가 필요하고 이 때문에 정전용량 변화의 정확한 전기적 출력 신호로의 변환은 한계를 갖게 된다. 특히 가역성 에너지 변환을 이용하는 경우에는 이런 특성에서 벗어날 수 없다. 가역성 에너지 변환이란 에너지 변환 방향이 쌍 방향인 것을 의미하며 앞서 예로 제시한 바이어스 전압을 부가한 컨텐서를 이용하는 변환이 이에 속하며 압전 현상을 이용하는 변환도 이에 속한다.
현재 센서에 널리 쓰이고 있는 에너지 변환 방식을 살펴보면 크게 압저항 형(piezoresistive type), 압전 형(piezoelectric type), 광학 형(optical type), 정전용량 형(capacitive type) 등으로 분류할 수 있다. 압전 형과 정전용량 형은 가역성 에너지 변환이어서 최종 출력에 해당하는 전기적 신호가 센서의 동특성에서 자유롭지 못하다. 압저항 형이나 광학 형은 비가역성 에너지 변환을 이용하므로 센서의 동특성이 신호의 정확도에 크게 영향을 미치지 못한다. 따라서 압저항 형(Piezoresistive type) 센서의 경우 기계-전기 변환 물질 자체의 전기적 임피던스(impedance)가 낮으므로 압저항형 센서의 신호 측정을 위한 부가적인 인터페이스(interface) 회로가 필요 없고 주파수에 따른 감도의 변화가 거의 없는 장점이 있다. 또한 새로운 압저항 물질의 개발에 따라 양산이 용이하도록 멤스 공정 기술상의 발전이 이루어졌고 이를 통해 초소형 압력 센서 및 마이크로폰에의 적용을 위한 다양한 연구가 이루어진 바 있다. 그러나 압저항 물질 자체의 낮은 기계-전기 변환 효율로 인하여 전체적인 감도가 다른 방식에 비하여 상대적으로 낮고 온도에 따라 센서의 감도의 변화가 크게 일어나는 등의 단점을 가지고 있다.
압전 형(piezoelectric type) 센서의 경우 바이어스 전압을 부가하지 않고 비교적 큰 크기의 출력 신호를 얻을 수 있기 때문에 지금까지 마이크로폰이나 하이드로폰 등 음향 센서에 많이 적용되었으나 가역 변환 방식이므로 그 고유의 특성에서 자유로울 수 없다. 따라서 초소형화가 진행되면 사용하는 압전체의 크기가 미세하게 작아지므로 압력 등에 의하여 발생시킬 수 있는 전하량이 절대적으로 작아져 기존의 회로적 측정 방식으로는 요구되는 감도와 주파수 대역, 그리고 신호 대 잡음 비 등을 만족시킬 수 없게 된다. 특히, 초소형화 됨에 따른 전기적 임피던스의 증가는 저주파수 성능 저하라는 결과를 가져오게 된다.
정전용량 형(Capacitive type) 센서는 초소형 압력 센서, 음향 센서, 가속도계 센서 등에 널리 적용되어 왔으나, 압전 형 센서와 같이 가역성 에너지 변환 방식이므로 초소형화에 따라 센서 자체의 정전 용량(capacitance)이 상당히 작아지고 기생 정전용량(parasitic capacitance)에 의한 감도 저하 효과가 크게 나타나게 된다. 이를 방지하기 위해 정전용량 형 초소형 센서는 고도화 및 고성능화된 인터페이스 회로를 단일칩 형태로 통합하거나 기생 정전용량(parasitic capacitance)을 최소화하는 하이브리드 패키징(hybrid packaging) 방식으로 구현되고 있으며 따라서 고성능, 저잡음의 CMOS IC 인터그레이션(integration) 및 패키징(packaging) 기술이 중요한 요소 기술로 자리 잡고 있다. 그러나, 센서와 인터페이스 회로를 통합하여 감도를 보존하여도 정전용량 형 센서는 초소형화에 따른 저주파 영역의 감도 및 잡음 특성의 저하를 피할 수 없다. 인터페이스 회로의 고성능화와 최적화를 통해 센서의 기계-전기 변환 방식 자체에 기인하는 저주파 특성 및 감도 상의 문제점을 해결하는 데는 한계가 있다.
광학 형(Optical type) 센서는 센서 감응부의 기계적 변형을 마흐젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 패브리페로 간섭계(Fabry-Perot interferometry) 등의 광학적 방법으로 직접 측정하는 방식이다. 압저항 방식과 같이 이 방식은 비가역성 에너지 변환 방식이므로 센서의 동특성에 의하여 출력신호의 한계가 결정되지 않는다. 그러나, 광학형 센서는 뛰어난 감도 등 여러 장점에도 불구하고 센서 온도에 따른 감도의 변화 및 광학계(optics)의 정렬(aligning)과 보정(calibration)이 어려운 단점을 가지고 있다.
이와 같이, 종래의 센서에서 채택해왔던 정전용량 형(capacitive type)과 압전 형(piezoelectric type)은 초소형화에 따른 감도 및 저주파 성능 저하라는 한계를 가지고 있고, 광학 형(optical type)과 압저항 형(piezoresistive type)은 초소형화에 따른 저주파수 성능 저하는 없지만 소형화 자체가 힘들거나 신호 대 잡음 비가 요구되는 수준에 미치지 않는 등의 문제점을 안고 있다.
본 발명은 초소형화에 따른 성능 저하가 거의 없는 새로운 에너지 변환 방식의 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서를 제시하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판, 상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부, 상기 채널부와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 하부면에 상기 채널부와 이격되어 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재를 포함할 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있을 수 있다.
상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이룰 수 있다.
상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있을 수 있다.
상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재, 상기 정전하 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 멤브레인에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있으며 상기 정전하 부재와 이격되어 있는 채널부를 포함할 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있을 수 있다.
상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이룰 수 있다.
상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있을 수 있다.
상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있을 수 있으며, 상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있을 수 있다.
상기 기판과 상기 정전하 부재 사이에는 절연막이 형성되어 있을 수 있고, 상기 절연막은 상기 기판과 상기 멤브레인의 양단부 사이까지 연장되어 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판, 상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부, 상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부, 상기 채널부의 표면과 접촉하고 있으며 구속 전하(bound charge)를 가지고 있는 압전 부재, 상기 압전 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인, 상기 압전 부재와 상기 멤브레인 사이에 형성되어 있으며 상기 멤브레인에 가해진 상기 외부 신호를 상기 압전 부재에 증폭시켜 전달하는 전달 부재를 포함할 수 있다.
상기 채널부와 상기 압전 부재는 중첩되어 위치하고 있을 수 있다.
상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 압전 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이룰 수 있다.
상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 전달 부재와 상기 기판 사이에는 절연부가 형성되어 있을 수 있으며, 상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되고, 상기 기판, 상기 멤브레인 및 상기 전달 부재는 동일한 물질로 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 정전하 부재를 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 채널부의 전기장의 변화를 측정하여 센서의 변위 또는 운동을 측정할 수 있으므로, 외부 전기장의 세기 및 분포에 상관없이 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하게 전기장을 형성할 수 있어 외부 전기장의 영향을 받지 않아 감도가 향상된다.
또한, 종래의 전극을 이용한 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필수적이었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필요하지 않으므로 구성이 간단해진다.
또한, 전계 효과 트랜지스터를 이용하므로 초소형에서도 낮은 수준의 전기적 임피던스를 유지할 수 있어 저주파 영역의 감도를 확보할 수 있다.
또한, 낮은 전기적 임피던스로 인해 간단한 구조의 인터페이스(interface) 회로만으로도 충분히 구현이 가능하며 반영구적인 정전하 부재(electret) 또는 압전 부재를 이용하므로 능동 바이어싱을 위한 별도의 회로가 필요 없고 이로 인한 추가적인 전력 소모도 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 정전하 부재(electret) 또는 압전 부재의 구속 전하(bound charge)에 의해 발생된 전기장이 전계 효과 트랜지스터에 인가되는 방식으로서, 종래의 전극을 이용한 전계 효과 트랜지스터를 이용한 센서와 비교하여 정전하와 구속 전하를 이용하여 강한 전기장을 형성할 수 있으므로 높은 민감도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 110: 소스부
120: 드레인부 130: 채널부
140: 초음파 흡음판 200: 멤브레인
300: 정전하 부재 400: 차폐 부재
500: 압전 부재 600: 전달 부재
700: 절연막 20: 절연부
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
그러면 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서에 대하여 도 1을 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판(100), 기판(100)에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부(110) 및 드레인부(120), 소스부(110) 및 드레인부(120) 사이에 형성되어 있는 채널부(130), 채널부(130)와 이격되어 상방에 위치하고 있는 멤브레인(200), 멤브레인(200)의 하부면에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재(300)를 포함한다.
기판(100)은 반도체로 형성된 반도체 기판일 수 있다. 반도체 기판을 형성하는 반도체의 예로는, 실리콘, 갈륨비소, 질화갈륨, 산화아연, 인듐인, 탄화실리콘 등을 들 수 있다. 기판의 형상은 임의이지만, 통상은 평판 형상으로 형성한다.
채널부(130)는 정전하 부재(300)와 중첩되어 위치하고 있으며, 소스부(110)로 유입된 전류는 정전하 부재(300)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통해 드레인부(120)로 흘러들어간다.
정전하 부재(300)는 채널부(130)와 이격되어 상방에 위치하고 있으며, 채널부(130)와 정전하 부재(300) 사이에는 절연부(20)가 형성되어 있다. 절연부(20)는 절연 특성을 가지는 물질로 형성되며, 고체, 액체, 기체로 형성될 수 있으며, 절연부(20)가 진공으로 형성될 수도 있다.
정전하 부재(300)는 일렉트릿(electret)일 수 있으며, 일렉트릿은 절연체 속에 영구적으로 전하를 보유하여 그 주위에 전기장을 발생시키는 부재이다. 이러한 정전하 부재(300)는 음전하로 대전될 수도 있고, 양전하로 대전될 수도 있다.
이러한 소스부(110), 채널부(130), 드레인부(120) 및 정전하 부재(300)는 전계 효과 트랜지스터를 이룬다. 즉, 소스부(110)에 유입된 전류는 정전하 부재(300)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통과하여 드레인부(120)로 흘러들어가게 된다.
멤브레인(200)은 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 멤브레인(200)의 양단부(210)의 두께(t1)는 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 두께(t2)보다 두껍게 형성되어 있다. 멤브레인(200)의 중앙부(220)는 박막으로 형성되어 있으므로, 멤브레인(200)은 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하기 쉬운 감응판의 역할을 한다. 이러한 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 하부면에 정전하 부재(300)가 형성되어 있다. 따라서, 음파와 같은 외부 신호(1)에 의해 멤브레인(200)에 변위가 발생하고, 이러한 멤브레인(200)의 변위에 의해 정전하 부재(300)와 채널부(130) 사이의 전계 거리(d)가 변하게 된다. 이러한 전계 거리(d)의 변화에 의해 채널부(130)에 전달되는 정전하 부재(300)의 전기장이 변하게 되므로 소스부(110)와 드레인부(120) 사이의 채널부(130)의 저항이 변화되어 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기도 변하게 된다.
따라서, 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기를 측정하여 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 멤브레인(200)의 변위 및 외부 신호를 측정할 수 있다.
이 때, 측정하고자 하는 음파의 주파수 대역을 고려하여 멤브레인(200)의 기계적 공진 주파수 즉, 멤브레인(200)의 두께 및 면적을 결정할 수 있다. 또한, 절연부(20)도 측정하고자 하는 음파의 주파수 대역 및 감도를 고려하여 절연부에 형성되는 물질 또는 절연부(20)의 크기 등을 결정할 수 있다.
멤브레인(200)의 상부면에는 차폐 부재(400)가 형성되어 있으며, 접지되어 있을 수 있다. 차폐 부재(400)는 외부 전기장이 채널부(130)로 유입되는 것을 막는 차폐 역할을 한다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 정전하 부재(300)를 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정하여 센서의 변위 또는 운동을 측정할 수 있다.
종래의 대전된 전극을 이용한 센서는 외부 전기장의 세기 및 분포에 따라 전극 내 대전된 자유 전하들의 양과 위치가 전극의 전위에 따라 재배치되므로 외부 전기장의 영향을 크게 받게 된다. 그러나, 정전하 부재(300)를 이용하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 외부 전기장의 세기 및 분포에 상관없이 전하량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하게 전기장을 형성할 수 있으므로 외부 전기장의 영향을 받지 않는다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 외부 전극을 정전하 부재(300)보다 채널부(130)에서 멀리 이격시키면 외부 전극에 의한 효과를 무시 할 수 있고 정전하 부재(300)에 의해 형성된 전기장만 채널부(130)에 영향을 주게 되므로 외부 신호의 센싱이 정확해져 감도가 향상된다.
또한, 종래의 전극을 이용한 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필수적이었으나, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 전기장 형성을 위해 별도의 접지 전극이 필요하지 않으므로 구성이 간단해진다.
한편, 이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 멤브레인을 음향 감응판으로 사용하는 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 마이크로폰 또는 하이드로폰(hydrophone)으로 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서에 검증 질량(proof mass)에 부착하는 경우 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 가속도계로 사용할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 전계 효과 트랜지스터를 에너지 변환 요소로 직접 사용하는 방식으로서, 에너지 변환부의 상태 변수 변화를 읽기 위하여 부가적인 전류를 흐르게 하거나 유도된 전하를 전류로 흘리는 방식이 아니라 정전하에서 발생되는 전기장을 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 직접 작용시켜 정전하에서 발생된 전기장의 변화에 의하여 전계 효과 트랜지스터의 전류가 직접적으로 변화하도록 하는 방식이다. 따라서 이 방식은 광학 형이나 압저항 형과 같이 비가역성 에너지 변환으로 분류될 수 있어 전계 효과 트랜지스터의 전류에 의해 정전하로부터 발생되는 전기장의 변화가 거의 영향을 받지 않는 방식이다. 따라서 원리적으로 이 방식은 정전용량 형이나 압전 형 방식들과 같이 초소형화에 따른 감도 저하나 저주파수 성능 저하와 같은 성질을 가지지 않는다. 뿐만 아니라 전계 효과 트랜지스터에 흐르는 전류에 측정하고자 하는 신호가 검출되므로 프리앰프 등의 회로를 손쉽게 설계 제작할 수 있고 반도체 공정을 기반으로 한, 센서와 신호처리 회로의 단일 칩 생산도 가능하다. 또한 측정하고자 하는 물리량이 정전하에서 방출되는 전기장의 세기를 바꿀 수 있도록 장치를 꾸며줄 경우 매우 다양한 물리량을 측정할 수 있다.
예컨대, 힘을 측정하는 경우, 박막에 정전하를 만들어 놓은 상태에서, 힘에 의해 박막이 변형될 경우 박막의 변형은 정전하의 위치를 변화시키게 되고 이는 인접한 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 작용하는 전기장의 세기를 변화시키게 되어 결과적으로 트랜지스터에 흐르는 전류가 변화하게 된다. 즉 힘에 의하여 정전하가 설치된 박막의 변형을 통하여 전기장의 변화를 야기하며 힘과 박막의 변형 간의 관계가 센서의 감도를 결정하는 중요한 요소가 된다.
또한, 힘을 받은 압전체에서 야기되는 전기장을 직접 게이트에 작용하도록 장치를 꾸며 압전체에 가해진 힘에 따라서 트랜지스터 전류가 변화하도록 하는 방식도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 정전하는 에너지 변환이 일어나게 하는 데 결정적인 역할을 한다. 여기서 정전하라 함은 자유전자에 반하는 의미로 사용하였으며 일반적으로 고체 결정 구조 안에 움직일 수 없는 형태로 고립되어 있는 전하를 의미한다. 자유전자는 외부의 전기장에 의하여 위치를 쉽게 변화할 수 있으므로 주변 환경에 존재하는 전극 등에 의한 전기장과 상호 작용을 통하여 새로운 형태의 전기장을 형성하게 된다. 그러나 정전하는 기존의 전기장에 자신이 내뿜는 전기장의 단순히 부가하는 역할만을 하기 때문에 정전하의 위치 변화 등에 의한 전기장의 변화를 그대로 직접 전계 효과 트랜지스터의 게이트 영역에 전달하게 된다.
한편, 상기 제1 실시예에서는 멤브레인의 하부면에 정전하 부재(300)가 형성되어 있으나, 멤브레인에 채널부(130)를 형성하고 기판(100) 위에 정전하 부재(300)를 형성하는 제2 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 단면도이다.
제2 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시예와 비교하여 정전하 부재와 채널부의 위치만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재(300), 정전하 부재(300)와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인(200), 멤브레인(200)에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부(110) 및 드레인부(120), 소스부(110) 및 드레인부(120) 사이에 형성되어 있으며 정전하 부재(300)와 이격되어 있는 채널부(130)를 포함한다.
정전하 부재(300)와 채널부(130)는 중첩되어 위치하고 있으며, 정전하 부재(300)와 채널부(130) 사이에는 절연부(20)가 형성되어 있으며, 기판(100)과 정전하 부재(300) 사이에는 정전하 부재(300)를 외부로부터 차폐시키기 위한 절연막(700)이 형성되어 있다. 이러한 절연막(700)은 기판(100)과 멤브레인(200)의 양단부(210) 사이까지 연장되어 형성되어있다.
멤브레인(200)은 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 멤브레인(200)의 양단부(210)의 두께(t1)는 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 두께(t2)보다 두껍게 형성되어 있다. 멤브레인(200)의 중앙부(220)는 박막으로 형성되어 있으므로, 멤브레인(200)은 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하기 쉬운 감응판의 역할을 한다. 이러한 멤브레인(200)의 중앙부(220)에 채널부(130)가 형성되어 있다. 따라서, 음파와 같은 외부 신호(1)에 의해 멤브레인(200)에 변위가 발생하고, 이러한 멤브레인(200)의 변위에 의해 채널부(130)가 움직이므로, 채널부(130)와 정전하 부재(300) 사이의 전계 거리(d)가 변하게 된다. 이러한 전계 거리(d)의 변화에 의해 채널부(130)에 전달되는 정전하 부재(300)의 전기장이 변하게 되므로 소스부(110)와 드레인부(120) 사이의 저항이 변화되어 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기도 변하게 된다.
따라서, 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기를 측정하여 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 멤브레인(200)의 변위 및 외부 신호를 측정할 수 있다.
한편, 상기 제1 실시예에서는 정전하 부재가 채널부와 이격되어 형성되어 있으나, 압전 부재를 채널부 표면에 형성하는 제3 실시예도 가능하다.
이하에서, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서의 단면도이다.
제3 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시예와 비교하여 압전 부재 및 전달 부재를 형성한 것만을 제외하고 실질적으로 동일한 바 반복되는 설명은 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서는 기판(100), 기판(100)에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부(110) 및 드레인부(120), 소스부(110) 및 드레인부(120) 사이에 형성되어 있는 채널부(130), 채널부(130)의 표면과 접촉하고 있는 압전 부재(Piezoelectric material)(500), 압전 부재(500)와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호(2)에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인(200), 압전 부재(500)와 멤브레인(200) 사이에 형성되어 있으며 멤브레인(200)의 변위를 압전 부재(500)에 전달하는 전달 부재(600)를 포함한다.
채널부(130)는 압전 부재(500)와 중첩되어 위치하고 있으며, 압전 부재(500)는 압력, 스트레스(stress) 또는 스트레인(strain)등의 외부 신호(2)가 가해지면 그 내부에 구속 전하(bound charge)가 발생한다. 발생된 구속 전하는 외부에 전기장을 형성한다. 따라서, 소스부(110)로 유입된 전류는 압전 부재(500)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통과하여 드레인부(120)로 흘러들어간다.
이러한 소스부(110), 채널부(130), 드레인부(120) 및 압전 부재(500)는 전계 효과 트랜지스터를 이룬다. 즉, 소스부(110)에 유입된 전류는 압전 부재(500)에서 발생한 전기장에 의해 채널부(130)를 통과하여 드레인부(120)로 흘러들어가게 된다.
멤브레인(200) 및 전달 부재는 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 멤브레인(200)의 양단부의 두께는 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 두께보다 두껍게 형성되어 있다. 멤브레인(200)의 중앙부(220)는 박막으로 형성되어 있으므로, 멤브레인(200)은 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하기 쉬운 감응판의 역할을 한다. 이러한 멤브레인(200)의 중앙부(220)의 하부면에 전달 부재(600)가 형성되어 있다. 전달 부재(600)는 멤브레인(200)의 변위에 의한 압력을 증폭시켜 압전 부재(500)로 전달시키는 역할을 한다. 따라서, 압력과 같은 외부 신호에 의해 멤브레인(200)에 변위가 발생하고, 이러한 멤브레인(200)의 변위에 의해 전달 부재(600)를 통해 압전 부재(500)에 압력이 전달되므로 압전 부재(500)에 전기장이 발생하게 된다. 따라서, 압전 부재(500)에 발생하는 전기장의 변화에 의해 채널부(130)에 전달되는 전기장이 변하게 되므로 소스부(110)와 드레인부(120) 사이의 채널부(130)의 저항이 변화되어 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기도 변하게 된다.
따라서, 채널부(130)를 흐르는 전류의 크기를 측정하여 채널부(130)의 전기장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 압전 부재(500)에 가해지는 스트레스 또는 스트레인을 측정할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims (23)

  1. 기판,
    상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부,
    상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부,
    상기 채널부와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인,
    상기 멤브레인의 하부면에 상기 채널부와 이격되어 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재
    를 포함하는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  3. 제2항에서,
    상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이루는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  4. 제2항에서,
    상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼운 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  5. 제4항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  6. 제2항에서,
    상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  7. 제2항에서,
    상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  8. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 전기장을 발생시키는 정전하 부재,
    상기 정전하 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인,
    상기 멤브레인에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부,
    상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있으며 상기 정전하 부재와 이격되어 있는 채널부
    를 포함하는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  9. 제8항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재는 중첩되어 위치하고 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  10. 제9항에서,
    상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 정전하 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이루는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  11. 제9항에서,
    상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼운 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  12. 제11항에서,
    상기 채널부와 상기 정전하 부재 사이에는 절연부가 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  13. 제9항에서,
    상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  14. 제9항에서,
    상기 기판과 상기 멤브레인은 동일한 물질로 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  15. 제9항에서,
    상기 기판과 상기 정전하 부재 사이에는 절연막이 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  16. 제15항에서,
    상기 절연막은 상기 기판과 상기 멤브레인의 양단부 사이까지 연장되어 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  17. 기판,
    상기 기판에 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 소스부 및 드레인부,
    상기 소스부 및 드레인부 사이에 형성되어 있는 채널부,
    상기 채널부의 표면과 접촉하고 있으며 구속 전하를 가지고 있는 압전 부재,
    상기 압전 부재와 이격되어 상방에 위치하고 있으며 외부 신호에 감응하여 변위가 발생하는 멤브레인,
    상기 압전 부재와 상기 멤브레인 사이에 형성되어 있으며 상기 멤브레인에 가해진 상기 외부 신호를 상기 압전 부재에 증폭시켜 전달하는 전달 부재
    를 포함하는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 채널부와 상기 압전 부재는 중첩되어 위치하고 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  19. 제17항에서,
    상기 소스부, 채널부, 드레인부 및 압전 부재는 전계 효과 트랜지스터를 이루는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  20. 제18항에서,
    상기 멤브레인의 양단부의 두께는 상기 멤브레인의 중앙부의 두께보다 두꺼운 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  21. 제20항에서,
    상기 전달 부재와 상기 기판 사이에는 절연부가 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  22. 제2항에서,
    상기 멤브레인의 상부면에는 차폐 부재가 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
  23. 제3항에서,
    상기 기판, 상기 멤브레인 및 상기 전달 부재는 동일한 물질로 형성되어 있는 정전하와 전계 효과 트랜지스터를 결합한 감지 메커니즘을 이용한 센서.
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