KR100463882B1 - 밀리미터파 감지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밀리미터파 감지 센서에 관한 것으로, 실리콘 기판의 상부에 형성된 제 1과 2 안테나와; 상기 제 1과 2 안테나의 사이에 상기 제 1과 2 안테나와 접촉되어 형성된 히터와; 상기 히터의 상부에 형성된 절연막과; 상기 절연막 상부에 형성된 온도센서와; 상기 온도센서에 연결되며, 온도에 따른 저항 변화를 전류로 측정할 수 있는 제 1과 2 전극단자와; 상기 제 1과 2 안테나 각각에 연결되며, 전압을 인가하여 상기 히터를 가열시킬 수 있는 제 3과 4 전극단자와; 상기 히터의 측면에 있는 상기 실리콘 기판의 상부에 형성되며, 상기 히터의 온도를 감지하는 써머커플 온도센서로 구성된다.
따라서, 본 발명은 히터의 온도를 써머커플(Thermocouple)로 측정하고, 이 측정된 온도에 대한 전압값을 온도센서의 전이온도에 대한 기준전압과 비교하여, 히터의 온도를 온도센서의 전이온도에 맞춤으로서, 센서의 감도를 증가시킬 수 있으며, 반도체 제조공정으로 밀리미터파 감지 센서를 제조함으로서, 제조공정이 용이하고 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 밀리미터파 감지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히터의 온도를 써머커플(Thermocouple)로 측정하고, 이 측정된 온도에 대한 전압값을 온도센서의 전이온도에 대한 기준전압과 비교하여, 히터의 온도를 온도센서의 전이온도에 맞춤으로서, 센서의 감도를 증가시킬 수 있으며, 반도체 제조공정으로 밀리미터파 감지 센서를 제조함으로서, 제조공정이 용이하고 대량생산할 수 있는 밀리미터파 감지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 밀리미터파는 빛에 아주 가까운 전파로서, 주파수 대역이 약 30~300㎓인 파(Wave)를 말하며, 파장이 짧고 회절이 적어 높은 해상도를 제공하고, 적외선과 달리 안개 및 구름과 같은 대기의 상태에 따른 영향을 적게 받는다.
이러한 특성으로 인해 자동차, 비행기, 군수장비 등에 사용되는 감지 시스템과, 위성통신 및 이동통신과 같은 통신에도 이용되고 있다.
이러한 밀리미터파를 감지하는 감지센서에는 정류기(Rectifier) 방식의 센서와 열 감지 방식의 센서(Thermal detector)가 있다.
정류기 방식의 센서는 다이오드와 같은 비선형 소자의 특성에 의한 저주파수대역으로의 변환 방식을 이용한다.
흔히, 비선형 소자로는 숏키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode)나 SIS(Superconductor Insulator Superconductor) 믹서(Mixer)가 사용되는데, 특히 SIS 믹서는 밀리미터파를 가장 민감하게 감지한다.
하지만, 밀리미터파에 동작하는 숏키 배리어 다이오드나 SIS 믹서는 제작이 어렵고, 특히 SIS 믹서는 초전도체를 사용하므로 극저온 냉각이 필요한 문제점이있다.
반면에, 열감지 방식의 센서는 온도의 변화에 따른 저항 변화나 유전율 변화를 이용하는데, 이러한 감지센서에는 볼로미터(Bolometer), 열전쌍(Thermocouple)센서, 초전기성 센서(Pyroelectric detector)와 같은 센서가 있다.
열감지 방식의 센서는 정류기 방식의 센서와 달리 검출신호가 초고주파 특성이 없기 때문에 측정이 용이하고 인터페이스가 간단하고, 상온에서 동작이 가능하므로 냉각이 필요 없는 장점이 있다.
밀리미터파가 적외선보다 파장이 길어서 열 효과(Thermal effect)가 작으므로, 열감지 방식에 있어서 입사된 파를 효과적으로 흡수하기 위해서 센서의 크기는 파장의 5-10배가 되어야 한다.
즉, 100GHz의 밀리미터파인 경우 센서의 크기는 15-20mm정도가 되어야 하는데 그 크기가 너무 커 어레이(Array) 센서로 사용하기에 부적합하다.
또한 열 질량(Thermal mass)이 커 응답속도가 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 열감지 소자인 볼로미터를 수 ㎛ 크기(마이크로 볼로미터)로 제작, 안테나와 결합하여 밀리미터파를 흡수하도록 하는 방법이 제안되었다.
종래의 안테나가 커플링된 마이크로 볼로미터를 도 1에 도시하였다. 종래의 안테나가 커플링된 마이크로 볼로미터는 볼로미터(1)와 안테나(2)와 평판 유전체(3)와 반구 유전체(4)로 이루어져 있다.
상기 안테나(2)는 밀리미터파를 흡수하여 마이크로 볼로미터에 전달하는 역할을 하고, 평판 유전체(3)는 안테나가 설치된 기판이고, 반구 유전체(4)는 평판 유전체(3)의 파가 수직으로 입사되도록 하여 표면파의 손실을 줄이는 역할을 한다.
이러한 종래의 마이크로 볼로미터는 반구 유전체(4)를 사용함으로 인해 제작상의 어려움과 단위 셀(Cell)의 크기가 커지는 문제점, 그리고 반구 유전체(4)의 유전체 손실에 의해 응답특성이 좋지 않은 문제점이 있다.
마이크로 볼로미터의 재료로는 보통 비저항이 높은 비스무스(Bismuth)를 사용하는데 안테나와 임피던스 매칭하기에 적합한 재료이다.
한편, 최근에는 마이크로 볼로미터의 재료로 응답특성이 높은 YBCO3와 같은 초전도체를 사용하는 연구가 진행되고 있다.
초전도체인 YBCO3는 온도계수가 1에 가까운 높은 재료이기 때문에 응답특성은 좋으나, 비스무스와 달리 비저항이 낮기 때문에 임피던스 매칭을 하기 어려운 문제점과 -188℃정도까지 냉각환경을 만들어 주어야 하는 문제점을 안고 있다.
임피던스 매칭의 문제점을 해결하기 위해 임피던스 매칭시키기 위한 NiCr을 안테나와 인터페이스(Interface)시키고, YBCO3로 온도변화를 감지하여 저항변화를 측정하는 센서구조가 사용되고 있다.
하지만, 이러한 센서는 여전히 극저온의 냉각환경을 만들어 주어야 하는 문제점이 남아 있다.
이러한 냉각문제를 해결하기 위한 센서가 하니웰(Honeywell) 특허(US Patent No. 5,450,053)의 산화바나듐(VO2)을 사용한 센서이다.
도 2는 하니웰 특허의 적외선 감지센서 평면도로서, 하니웰 특허의 센서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼를 에칭(Etching)하여 형성한 얇은 멤브레인(membrane)(5) 위에 안테나(6)에 직접 연결된 산화바나듐(7,8)으로 구성되어 있다.
상기 산화 바나듐은 높은 온도계수를 가지고, 상온에서도 동작하므로 초전도체의 냉각환경을 만들어 주어야 하는 문제점을 해결하는 볼로미터 재료이다.
하지만, 이러한 장점을 가지고 있는 산화 바나듐을 사용한 하니웰특허의 센서도 산화 바나듐의 저항은 재료의 조성과 열처리 과정에 따라 변함으로 인해 안테나와 임피던스 매칭하기 쉽지 않은 문제점이 있다.
또한, 에칭된 실리콘층은 V홈 모양을 하고 있는데, 이는 공간을 두어 다른 소자에 의한 열적 방해를 방지하기 위한 열 격리(Thermal isolation) 공간을 두기 위한 것이나, 이러한 V홈 모양은 안테나의 후면 복사(Back radiation)를 막지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 전술된 종래 기술의 밀리미터파 센서는 응답특성, 즉, 센싱 감도가 저하되고, 제조 공정이 복잡한 단점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 히터의 온도를 써머커플로 측정하고, 이 측정된 온도에 대한 전압값을 온도센서의 전이온도에 대한 기준전압과 비교하여, 히터의 온도를 온도센서의 전이온도에 맞춤으로서, 센서의 감도를 증가시킬 수 있으며, 반도체 제조공정으로 밀리미터파 감지센서를 제조함으로서, 제조공정이 용이하고 대량생산할 수 있는 밀리미터파 감지 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 실리콘 기판의 상부에 형성된 제 1과 2 안테나와;
상기 제 1과 2 안테나의 사이에 상기 제 1과 2 안테나와 접촉되어 형성된 히터와;
상기 히터의 상부에 형성된 절연막과;
상기 절연막 상부에 형성된 온도센서와;
상기 온도센서에 연결되며, 온도에 따른 저항 변화를 전류로 측정할 수 있는 제 1과 2 전극단자와;
상기 제 1과 2 안테나 각각에 연결되며, 전압을 인가하여 상기 히터를 가열시킬 수 있는 제 3과 4 전극단자와;
상기 히터의 측면에 있는 상기 실리콘 기판의 상부에 형성되며, 상기 히터의 온도를 감지하는 써머커플 온도센서로 구성된 밀리미터파 감지 센서가 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 밀리미터파 감지 장치의 사시도이다.
도 2는 하니웰 특허의 적외선 감지센서 평면도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 밀리미터파 감지 센서의 기본적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 밀리미터파 감지 센서의 상면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 밀리미터파 감지 센서의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 볼로미터(Bolometer) 2,6,31,32 : 안테나
3 : 평판 유전체 4 : 반구 유전체
5 : 멤브레인(Membrane) 7,8 : 산화바나늄
40 : 온도센서 41 : 히터
61,62,81,82 : 전극단자 70 : 써머커플 온도센서
100 : 실리콘 기판 110,111 : 절연막
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 적용되는 밀리미터파 감지 센서의 기본적인 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 안테나(31,32), 히터(41)와 바나듐옥사이드 박막으로 이루어진 온도센서(40)로 구성되어 있으며, 안테나(31,32)로 수신된 밀리미터파가안테나(31,32)의 급전부에 임피던스 매칭된 히터(41)에 의해 소모되면서 열을 발생하고, 온도센서의 저항변화로 수신되는 밀리미터파를 감지하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 밀리미터파 감지 센서의 상면도로서, 실리콘 기판(100)의 상부에 형성된 제 1과 2 안테나(31,32)와; 상기 제 1과 2 안테나(31,32)의 사이에 상기 제 1과 2 안테나(31,32)와 접촉되도록 형성된 히터(41)와; 상기 히터(41)의 상부에 형성된 절연막(도시되어 있지 않음.)과; 상기 절연막 상부에 형성된 온도센서(40)와; 상기 온도센서(40)에 연결되며, 온도에 따른 저항 변화를 전류로 측정할 수 있는 제 1과 2 전극단자(61,62)와; 상기 제 1과 2 안테나(31,32) 각각에 연결되며, 전압을 인가하여 상기 히터(41)를 가열시킬 수 있는 제 3과 4 전극단자(81,82)와; 상기 히터(41)의 측면에 있는 상기 실리콘 기판(100)의 상부에 형성되며, 상기 히터(41)의 온도를 감지하는 써머커플 온도센서(70)로 구성된다.
여기서, 상기 히터(41)는 폴리실리콘층으로 형성하고, 상기 온도센서(40)는 바나듐옥사이드(VOX)층으로 형성하는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 써머커플 온도센서(70)의 일측 전극단자(71)는 금속층으로 형성하고, 타측 전극단자(72)는 폴리실리콘층으로 형성한다.
도 5는 본 발명에 따른 밀리미터파 감지 센서의 단면도로서, 실리콘 기판(100) 상부의 중심영역에 폴리실리콘층으로 이루어진 히터(41)가 형성되어 있고, 상기 히터(41)의 양측면의 일부를 노출시키고, 전면에 상기 실리콘 기판(100)과 히터(41)의 상면에 제 1 절연막(110)이 형성된다.
그리고, 상기 제 1 절연막(110)에 의해 노출된 히터(41)를 감싸며, 상기 실리콘 기판(110)의 양측방향으로 각각 연장되어 제 1과 2 안테나(31,32)가 형성되어 있다.
또한, 상기 히터(41)의 중심 영역에는 상기 제 1과 2 안테나(31,32)와 각각 이격되어 바나듐옥사이드로 이루어진 온도센서(40)가 형성되어 있고, 상기 온도센서(40)의 양측면과 상부면을 감싸되, 상기 상부면의 두 영역을 노출시키고 제 2 절연막(111)이 형성되어 있다.
상기 제 2 절연막(111)에 의해 노출되는 온도센서(40)의 두 영역에 전술된 온도에 따른 저항 변화를 전류로 측정할 수 있는 제 1과 2 전극단자(61,62)가 형성되어 있다.
그러므로, 본 발명은 일반적인 반도체 제조공정으로 밀리미터파 감지 센서를 제조함으로서, 제조공정이 용이하고, 대량생산할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 밀리미터파 감지 센서의 구동을 설명하면, 히터의 온도를 써머커플로 측정하고, 이 측정된 온도에 대한 전압값을 온도센서의 전이온도(바나듐옥사이드는 전이온도가 68℃)에 대한 기준전압과 비교하여, 히터의 온도가 낮을 경우, 구동트랜지스터를 구동시키고, 히터에 더 많은 전류를 흐르게 하거나, 온도가 높을 경우 히터로 제공되는 전류를 차단시켜, 히터의 온도를 온도센서의 전이온도에 맞추어줌으로서, 센서의 감도를 증가시킬 수 있게 된다.
따라서, 온도센서의 전이온도에 해당하는 기준전압(VR)을 비교기의 비반전단자에 인가하고, 히터의 온도를 측정하는 써머커플 온도센서의 출력을 반전단자에 인가한다.
만일, 히터의 온도가 온도센서의 전이온도에 미치지 못할 경우, 써머커플 온도센서의 출력이 낮기 때문에, 비교기의 출력이 하이(High)가 출력되어, 구동 트랜지스터(Tr)는 동작되고, 히터에 전류가 흐르게 되고, 점차 히터의 온도가 상승하게 된다.
그리고, 상기 히터(200)의 온도가 높으면, 비교기의 출력이 로우(Low)가 되어 전류를 차단한다.
또한, 상기 히터의 온도가 온도센서의 전이온도에 근접하면 비교기의 두 입력단자의 차이가 작아져 비교기의 출력전압이 낮아지기 때문에 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명은 히터의 온도를 써머커플로 측정하고, 이 측정된 온도에 대한 전압값을 온도센서의 전이온도에 대한 기준전압과 비교하여, 히터의 온도를 온도센서의 전이온도에 맞춤으로서, 센서의 감도를 증가시킬 수 있으며, 반도체 제조공정으로 밀리미터파 감지 센서를 제조함으로서, 제조공정이 용이하고 대량생산할 수 있는 효과가 발생한다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (4)
- 실리콘 기판의 상부에 형성된 제 1과 2 안테나와;상기 제 1과 2 안테나의 사이에 상기 제 1과 2 안테나와 접촉되어 형성된 히터와;상기 히터의 상부에 형성된 절연막과;상기 절연막 상부에 형성된 온도센서와;상기 온도센서에 연결되며, 온도에 따른 저항 변화를 전류로 측정할 수 있는 제 1과 2 전극단자와;상기 제 1과 2 안테나 각각에 연결되며, 전압을 인가하여 상기 히터를 가열시킬 수 있는 제 3과 4 전극단자와;상기 히터의 측면에 있는 상기 실리콘 기판의 상부에 형성되며, 상기 히터의 온도를 감지하는 써머커플 온도센서로 구성되며,상기 써머커플 온도센서의 일측 전극단자는 금속층으로 형성되어 있고, 타측 전극단자는 폴리실리콘층으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 감지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 온도센서는 바나듐옥사이드(VOX)층으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 감지 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 히터는 폴리실리콘층으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 감지 센서.
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