KR100759013B1 - Non-contact infrared temperature sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비접촉식 적외선 온도 센서에 관한 것으로 써모 파일을 포함하는 센서부와, 상기 써모 파일을 보호하는 하우징과, 본딩된 상기 센서부와 상기 하우징의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이와 같이 열 전도성 패키징부를 통해 온도 센서 상측의 열을 하부로 전도 방출하여 순수한 외부 열원만을 통해 써모파일의 기전력을 생성시킬 수 있어 온도 계측의 정밀성을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a non-contact infrared temperature sensor, a thermally conductive packaging provided on at least a portion of a sensor unit including a thermo pile, a housing protecting the thermo pile, the bonded sensor unit, and an upper surface and a sidewall surface of the housing. It provides a non-contact infrared temperature sensor and a method for manufacturing the same. As such, the thermally conductive packaging unit conducts and radiates heat above the temperature sensor downward to generate electromotive force of the thermopile only through a pure external heat source, thereby improving precision of temperature measurement.
적외선, 온도 센서, 써모파일, 웨이퍼 본딩, 열 전도성 패키징부 Infrared, Temperature Sensors, Thermopile, Wafer Bonding, Thermally Conductive Packaging
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도.1 is an exploded perspective view of a non-contact infrared temperature sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도.2 is a sectional view of a non-contact infrared temperature sensor according to the first embodiment;
도 3은 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 저면도. 3 is a bottom view of the non-contact infrared temperature sensor according to the first embodiment.
도 4는 제 1 실시예에 따른 센서부의 평면도와 단면도.4 is a plan view and a sectional view of a sensor unit according to the first embodiment;
도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따른 센서부의 평면도와 단면도.5 is a plan view and a sectional view of a sensor unit according to a modification of the first embodiment;
도 6은 제 1 실시예에 따른 하우징부의 평면도와 단면도. 6 is a plan view and a sectional view of a housing part according to the first embodiment;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.7 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도.10 is an exploded perspective view of a non-contact infrared temperature sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 11은 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도. 11 is a sectional view of a non-contact infrared temperature sensor according to the second embodiment.
도 12는 제 2 실시예에 따른 하우징의 평면도, 저면도 및 단면도. 12 is a plan view, bottom view and cross-sectional view of the housing according to the second embodiment;
도 13은 제 2 실시예에 따른 센서부의 평면도, 저면도 및 단면도.13 is a plan view, a bottom view, and a sectional view of a sensor unit according to the second embodiment;
도 14 내지 도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.14 to 16 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
100, 500 : 센서부 200, 400 : 하우징100, 500:
300, 700 : 열 전도성 패키징부 600 : 투광부300, 700: thermally conductive packaging portion 600: light transmitting portion
본 발명은 비 접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 외부 패키징까지 반도체 공정을 기반으로 진행하여 빠른 응답과 주변 온도에 의한 영향을 최소화하여 온도 계측의 정밀성을 향상시킬 수 있는 비 접촉식 적외선 온도 센서 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a non-contact infrared temperature sensor and a method for manufacturing the same, which is based on a semiconductor process up to external packaging to minimize the influence of fast response and ambient temperature, thereby improving the precision of temperature measurement. An infrared temperature sensor element relates.
일반적으로 온도를 측정하기 위한 방법으로는 접촉식과 비접촉식의 크게 두가지로 나눌 수 있다. 접촉식 온도계로는 수은온도계, 알콜온도계, NTC온도계 및 공업용으로는 열전대(Thermocouple) 및 백금측온계 등이 있으며 직접 열원에 접촉할 수 없는 경우나 매우 빠른 온도계측을 위해서는 비접촉식 온도계인 써모파일(Thermopile)을 이용한 온도계를 사용하고 있다. In general, there are two types of methods for measuring temperature, contact and non-contact. Contact thermometers include mercury thermometers, alcohol thermometers, NTC thermometers, and thermocouples and platinum thermometers for industrial applications. I am using a thermometer using).
써모파일의 경우 최근 수은온도계를 대신하여 귓속형 체온계등의 온도 센서 소자로 널리 보급되고 있으며 온도의 정밀계측과 빠른 응답속도와 열원에 직접 닿지 않고도 계측할 수 있는 장점으로 인해 자동차 내부의 온도 측정 및 가전 기기의 온도측정 등의 다양한 분야로 그 응용범위가 급속히 확대되고 있다. Thermopile has recently been widely used as a temperature sensor element instead of mercury thermometer, and because of the precise measurement of temperature, fast response speed, and the advantage of being able to measure without touching the heat source, The application range is rapidly expanding to various fields such as temperature measurement of home appliances.
써모파일은 두가지 서로 다른 물질의 접점들 즉, 냉접점과 온접점 사이에 온도차가 생기면 온도차의 크기에 비례하는 기전력(thermoelectric power)이 발생한다는 제백효과(seebeck effect)를 이용하여 온도를 감지한다. The thermopile senses the temperature by using the Seebeck effect, in which a thermoelectric power in proportion to the magnitude of the temperature difference occurs when a temperature difference occurs between the contacts of two different materials, that is, the cold junction and the hot junction.
써모 파일을 포함하는 적외선 온도 센서 소자는 실리콘 웨이퍼 상에 써모커플을 박막으로 구현하여 제작하였다. 이에 써모 파일의 감도를 향상시키기 위해서는 입사되는 적외선 복사 에너지를 최대한 많은 양을 흡수하여야 하고, 또한, 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하여야 한다. An infrared temperature sensor element including a thermo pile was fabricated by implementing a thermocouple as a thin film on a silicon wafer. Therefore, in order to improve the sensitivity of the thermopile, the incident infrared radiation energy must be absorbed as much as possible, and the absorbed energy must be designed so as not to be lost.
또한, 좀더 정밀한 온도 측정을 위해서는 냉접점의 온도를 정확하게 보상해주는 것이 필수적이다. 하지만 종래의 써모 파일의 경우 외부로부터 입사되는 적외선은 온접점 영역뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼에도 닿아 실리콘 웨이퍼의 온도를 상승시키게 되고, 이로 인한 실리콘 웨이퍼의 열이 온접점으로 복사되어 외부 열원(피측정체)의 순수 온도보다 높은 온도로 잘못 인식되어 정밀한 온도 측정이 어려운 문제가 발생하였다. In addition, it is essential to accurately compensate the cold junction temperature for more accurate temperature measurements. However, in the case of the conventional thermo pile, the infrared rays incident from the outside touch the silicon wafer as well as the on-contact area to raise the temperature of the silicon wafer, and thus the heat of the silicon wafer is radiated to the on-contact point so that an external heat source (object to be measured) Because of the incorrect recognition of higher temperature than pure water temperature, it is difficult to make accurate temperature measurement.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 써모 파일이 마련된 소자부와, 이를 봉지하는 하우징 간을 실리콘 본딩법으로 본딩시키고, 이들의 측면에 열 전도도가 우수한 패키징을 마련하여 소자 상측의 열을 하부로 방출하여 정확한 온도 측정을 할 수 있는 비접촉식 적외선 온도 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Therefore, in order to solve the above problems, the present invention bonds a device portion provided with a thermopile and a housing encapsulating the same by a silicon bonding method, and provides a package having excellent thermal conductivity on the side thereof to provide heat at the upper side of the device. It is an object of the present invention to provide a non-contact infrared temperature sensor and a method of manufacturing the same that can be emitted to the bottom to make accurate temperature measurements.
본 발명에 따른 써모 파일을 포함하는 센서부와, 상기 써모 파일을 보호하는 하우징과, 본딩된 상기 센서부와 상기 하우징의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서를 제공한다. Non-contact infrared temperature comprising a sensor unit including a thermo pile according to the present invention, a housing protecting the thermo pile, and a thermally conductive packaging unit provided on at least a portion of the sensor unit and the upper surface and the sidewall surface of the housing. Provide a sensor.
여기서, 반도체 기판 상에 써모 파일이 마련되고, 상기 반도체 기판을 관통하여 상기 써모 파일과 접속된 외부 전극 단자를 포함하는 상기 센서부와, 상기 센서부 상측에 마련되어 상기 써모 파일에 대응하는 오목부를 갖는 하우징과, 상기 센서부와 웨이퍼 본딩된 상기 하우징의 상부면의 일부와, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 마련된 상기 열 전도성 패키징부를 포함하는 것이 바람직하다. Here, a thermopile is provided on a semiconductor substrate, and has a sensor portion including an external electrode terminal penetrating the semiconductor substrate and connected to the thermopile, and a concave portion provided above the sensor portion and corresponding to the thermopile. And a portion of an upper surface of the housing bonded to the sensor portion and the wafer and the thermally conductive packaging portion provided on the sensor portion and the sidewall surface of the housing.
그리고, 제 1 반도체 기판 상부에 오목부가 형성되고, 상기 제 1 반도체 기판을 관통하는 전극 패드를 갖는 하우징과, 제 2 반도체 기판 하부에 상기 오목부에 대응하는 영역에 써모 파일이 마련되고, 상기 써모 파일과 상기 전극 패드을 연결하는 내부 전극이 마련된 센서부와, 웨이퍼 본딩된 상기 센서부의 상부면의 일부와, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 마련된 상기 열 전도성 패키징부를 포함할 수도 있다. 이때, 상기 센서부 상측에 본딩된 투광부를 더 포함하고, 상기 투광부의 상부면의 일부와 상기 투광부, 상기 센서부 및 상기 하우징의 측벽면에 상기 열 전도성 패키징부가 마련되는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 투광부의 표면에 반사 방지막 및 간섭 필터막이 형성되는 것이 효과적이다. A recess is formed in an upper portion of the first semiconductor substrate, a housing having electrode pads penetrating the first semiconductor substrate, and a thermo pile is provided in an area corresponding to the recess in the lower portion of the second semiconductor substrate. The sensor unit may include a sensor unit provided with an internal electrode connecting the pile and the electrode pad, a portion of an upper surface of the sensor bonded wafer, and the thermally conductive packaging unit provided on the sidewall surface of the sensor unit and the housing. In this case, it is further effective to further include a light-transmitting portion bonded to the upper side of the sensor, and the thermally conductive packaging portion is provided on a portion of the upper surface of the light-transmitting portion and the side wall of the light-transmitting portion, the sensor portion, and the housing. In addition, it is effective that an antireflection film and an interference filter film are formed on the surface of the light transmitting part.
상술한 상기 센서부와 상기 하우징은 웨이퍼 본딩을 통해 본딩되는 것이 바람직하다. The sensor unit and the housing described above are preferably bonded through wafer bonding.
상술한 상기 센서부와 상기 하우징은 Ag, Be, Cu, Au 및 이를 포함하는 합금 중 어느 하나를 주성분으로 하는 에폭시 또는 유리 페이스트를 이용하여 본딩되는 것이 바람직하다. The sensor unit and the housing described above are preferably bonded using an epoxy or glass paste mainly composed of one of Ag, Be, Cu, Au and an alloy containing the same.
상술한 상기 열 전도성 패키징부는 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 물질막을 반도체 박막 증착 방법을 통해 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 물질막은 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 효과적이다. The above-mentioned thermally conductive packaging unit is preferably formed of a material film having a thermal conductivity of 100 to 500 W / mK through a semiconductor thin film deposition method. In this case, it is effective to use at least one of Cu, Ag, Au, Ni, Al, and an alloy including the material film.
상기 센서부는 공동부가 마련된 반도체 기판과, 상기 공동부 상에 온접점이 마련되고, 상기 반도체 기판 상에 냉접점이 마련된 써모 파일과, 상기 온접점 상에 형성된 적외선 흡수층을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 반도체 기판을 가열하는 열선을 더 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 반도체 기판 상에 마련되어 써모 파일과 접속된 NTC 또는 PCT 소자를 더 포함하는 것이 바람직하다. The sensor unit preferably includes a semiconductor substrate provided with a cavity, a thermo pile provided with a cold contact on the cavity, and an infrared absorbing layer formed on the on contact. At this time, it is preferable to further include a heating wire for heating the semiconductor substrate. And it is preferable to further include the NTC or PCT element provided on the said semiconductor substrate and connected with the thermopile.
또한, 본 발명에 따른 써모 파일을 포함하는 센서부를 마련하는 단계와, 상기 써모 파일을 보호하는 하우징을 상기 센서부에 본딩하는 단계와, 본딩된 상기 하우징과 상기 센서부의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하는 단계를 포함하는 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 제공한다. In addition, providing a sensor unit including a thermo pile according to the present invention, bonding a housing protecting the thermo pile to the sensor unit, at least a top surface and a side wall surface of the bonded housing and the sensor unit It provides a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor comprising the step of forming a thermally conductive packaging portion.
상기 센서부와 상기 하우징은 반도체 웨이퍼에 제작하고, 실리콘 직접 본딩 방법을 통해 본딩하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 센서부와 상기 하우징을 본딩하는 공정은, 상기 센서부와 상기 하우징을 정렬 밀착시킨 다음 가압하여 이들 간을 본딩하는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 본딩 공정은 300 내지 1500도의 온도에서 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 물론 상기 본딩 공정은 진공 분위기에서 실시하고, 고전압을 인가하는 것이 효과적이다. 복수의 상기 센서부가 형성된 웨이퍼와, 복수의 상기 하우징이 형성된 웨이퍼간을 본딩하는 것이 바람직하다. The sensor unit and the housing are preferably manufactured on a semiconductor wafer and bonded by a silicon direct bonding method. At this time, in the process of bonding the sensor unit and the housing, it is effective to bond the sensor unit and the housing in close contact with each other and then press and bond them. In addition, the bonding process is preferably performed a heat treatment at a temperature of 300 to 1500 degrees. It is of course effective to carry out the bonding step in a vacuum atmosphere and apply a high voltage. It is preferable to bond between the wafer in which the said some sensor part was formed, and the wafer in which the said some housing was formed.
상기의 열 전도성 패키징부는 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법 및 CVD법을 포함하는 반도체 박막 증착 방법을 통해 형성하는 것이 바람직하다. The thermally conductive packaging portion is preferably formed by a semiconductor thin film deposition method including a sputtering method, an evaporation method, and a CVD method.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like numbers refer to like elements in the figures.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도이고, 도 2는 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 저면도이다. 도 4는 제 1 실시예에 따른 센서부의 평면도와 단면도고, 도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따른 센서부의 평면도와 단면도이며, 도 6은 제 1 실시예에 따른 하우징부의 평면도와 단면도이다. 1 is an exploded perspective view of a non-contact infrared temperature sensor according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of the non-contact infrared temperature sensor according to the first embodiment, Figure 3 is a non-contact infrared temperature according to the first embodiment Bottom view of the sensor. 4 is a plan view and a cross-sectional view of the sensor unit according to the first embodiment, FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view of the sensor unit according to a modification of the first embodiment, and FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view of the housing unit according to the first embodiment.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서는 반도체 기판(110) 상에 마련된 써모파일(120)을 포함하는 센서부(100)와, 상기 센서부(100)의 써모파일(120)을 보호하는 하우징(200)과, 웨이퍼 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 상면과 측면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부(300)를 포함한다. 1 to 6, a non-contact infrared temperature sensor according to a first embodiment of the present invention includes a
상기 센서부(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)과, 반도체 기판(110)상에 마련된 써모 파일(120)과, 써모 파일(120)과 접속된 외부 전극(130a, 130b; 130)을 포함한다. As illustrated in FIG. 4, the
여기서, 써모 파일(120)은 상기 반도체 기판(110)상에 마련된 복수의 냉접점(124) 및 온접점(122)과, 상기 냉접점(124)과 온접점(122) 사이에 교대로 마련된 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)을 포함한다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)에 각기 접속된 외부 전극(130)과, 상기 온접점(122) 상에 마련된 적외선 흡수층(140)을 포함한다. 그리고, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)을 포함하는 전체 구조상에 마련된 보호막(129)을 더 포함할 수도 있다. 그리고, 반도체 기판(110) 상부에 마련된 절연막(121)이 형성될 수도 있다. The
이때, 상기 반도체 기판(110)은 몸체부(111)와, 몸체부(111) 중앙에 마련된 공동부(112)를 포함한다. 이에 상기 공동부(112) 상부의 상기 절연막(121) 상에 온접점(122)이 형성되고, 상기 몸체부(111) 상부의 상기 절연막(121) 상에 냉접점 (124)이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 적외선 흡수층(140)은 상기 공동부(112) 상에 마련되는 것이 바람직하다. 이러한, 공동부(112)는 반도체 기판(110)의 중앙 영역을 제거하여 형성하되, 도면에 도시된 바와 같이 사각 기둥 형상으로 제작되고, 상부의 면적보다 하부의 면적이 더 넓은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 온접점(122)은 상기 공동부(112)의 가장자리 둘레를 따라 마련되는 것이 효과적이다. 물론 상기 공동부(112)의 형상은 상술한 설명에 한정되지 않고, 사각 기둥을 포함하는 다각 기둥 형상, 원 기둥 형상 및 타원 기둥 형상이 가능하다. 그리고, 상부와 하부의 면적이 서로 동일할 수도 있고, 상부의 면적이 하부의 면적보다 더 넓을 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 반도체 기판(110)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.In this case, the
상기의 절연막(121)은 열 전도도가 낮은 박막을 사용하되, 본 실시예에서는 실리콘 질화막(SixNx), 실리콘 산화막(SiOx), 불화물계막(MgF2, CaF2, BaF2), 사파이어막(Al2O3), 실리콘 카바이드막(SiC) 및 폴리이미드와 같은 폴리머 계열의 물질막 중 적어도 어느 하나의 박막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 절연막(121)은 복수의 박막이 적층된 형태로 제작될 수도 있다. 상기의 절연막(121)은 상기 반도체 기판(110) 전면에 형성되어 그 상부에 온접점(122)과 냉접점(124)이 마련될 수도 있고, 반도체 기판(111)의 중앙영역에만 형성되어 온접점(122)은 절연막(121) 상에 마련되고, 냉접점(124)은 반도체 기판(111) 상에 마련될 수도 있다. As the insulating
상기의 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)은 직렬로 연결되고, 각 써모커플의 각 구성물질들은 큰 열기전력을 가지며, 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)은 열 기전력이 반대의 극성을 갖는 서로 다른 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)은 온접점(122)과 냉접점(124)에 교차하여 위치하고, 온접점(122)과 냉접점(124)은 열적으로 분리되어 있는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 온접점(122)과 냉접점(124) 사이에 교대로 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)이 직렬 연결된다. 예를 들어 제 1 온접점과 제 1 냉접점 사이에 제 2 써모 커플이 접속되고, 제 1 냉접점과 제 2 온접점 사이에 제 1 써모 커플이 접속되고, 제 2 온접점과 제 2 냉접점 사이에 제 2 써모커플이 접속된다. 여기서, 제 1 및 제 2 써모커플로(126, 128) 반도체막 및 금속박막을 사용하거나 제 1 금속박막 및 제 2 금속박막을 사용한다. 즉, 제 1 및 제 2 써모커플로 실리콘막 및 알루미늄막, 게르마늄막 및 알루미늄막, Cr막 및 Al막, Pt막 및 Rh막을 사용할 수 있다. 이때, 상기 실리콘막으로는 불순물이 도핑된 실리콘막을 사용할 수도 있고, 폴리 실리콘막을 사용할 수도 있다. 본 발명은 상기 써모 커플 대신 이에 한정되지 않고, 초전 소자 등을 포함하는 온도계측용 열전 변환 소자를 사용할 수도 있다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 써모커플(126, 128)을 적층하여 제작할 수도 있다. The first and
상술한 제 1 써모 커플(126)은 제 1 외부 전극(130a)과 접속되고, 제 2 써모 커플(128)은 제 2 외부 전극(130b)과 접속된다. The
이때, 상기 외부 전극(130)은 상기 써모 커플(126, 128)과 접속된 전극부(131)와, 상기 전극부(131)와 접속되어 외부 회로와 접속될 패드부(132)를 포함한다. 상기 전극부(131)는 도면에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 양측 가장자 리에 마련되고, 패드부(132)는 상기 전극부(131) 하측의 반도체 기판(110)을 관통하여 기판(110) 하측으로 노출연장된 형태로 마련된다. 즉, 패드부(132)는 상기 반도체 기판(110)과, 절연막(121)을 관통하여 마련된다. 이를 통해 본 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서는 도 3에 도시된 바와 같이 회부 회로와 접속될 패드부(132)가 센서의 하부 바닥면에 마련될 수 있다. 이때, 외부로 노출된 패드부(132)는 범프 형태로 마련되어 하부 회로와의 접속이 용이하도록 할 수 있다.In this case, the external electrode 130 includes an
상기의 적외선 흡수층(140)은 도면에 도시된 바와 같이 온접점(122) 상에 마련되어 외부로부터의 적외선을 흡수하여 온접점(122)의 온도를 상승시킨다. 이러한 적외선 흡수층(140)은 Ni, Co, Fe, Se를 포함하는 천이 금속 또는 Al, Au, C, Bi, Ir, Ru, RuOx 및 IrOx 중 적어도 어느 하나를 사용하여 제작하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 도면에 도시된 바와 같이 상기 적외선 흡수층(140)과 온접점(122) 사이에 보호막(129)을 더 형성할 수도 있다. The
센서부(100)는 상술한 설명에 한정되지 않고, 센서부(100)의 온도 센싱 능력을 향상시키기 위한 다양한 요소들이 더 추가될 수 있다. The
즉, 도 5에 도시된 본 실시예의 변형예에 따른 센서부(100)는 반도체 기판(110)의 몸체부(111) 상에 별도의 열선(150)을 마련하여 몸체부(111)의 온도를 일정 레벨로 유지하여 냉접점(123)의 온도를 일정하게 할 수 있다. 이때, 상기 열선(150)은 반도체 기판(110)의 몸체부(111) 상부 영역에 다양한 형태로 마련되고, 열선(150)의 양 끝단에는 외부 전원과 연결될 별도의 열선 전원 입력단자(151a, 151b)가 마련된다. 이때, 상기 열선 전원 입력 단자(151a, 151b)는 앞서 설명한 써모파일(120)과 접속되는 외부 단자(130)와 동일한 구조로 제작되어 기판(110) 하측에 그 접속 패드가 배치되는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 열선(150)은 몸체부(111)와 절연막(121) 사이에 마련되어 상기 써모 파일(120)과 분리되는 것이 바람직하다. 물론 열선(150)은 몸체부(111) 내측에 마련될 수도 있다. 물론 열선(150)을 상기 몸체부(111)에 형성한 다음 이를 써모 파일(120)과 분리하기 위한 별도의 열 차단부를 더 형성할 수도 있다. That is, the
또한, 상기 몸체부(111)의 일측에는 별도의 NTC 소자(160)가 마련되어 냉접점 영역의 온도를 정확하게 보상해줄 수도 있다. 이때, 상기 NTC 소자(160)는 써모 파일(120)과 분리되어 몸체부(111)의 일부에 마련되는 것이 바람직하고, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)과 동일 면상에 마련되는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 NTC 소자(160)의 양 단자와 접속된 NTC 접속단자(161a, 161b)가 마련된다. 여기서 상기 도 5에서는 NTC 소자(160)와 써모파일(120)이 분리되어 있지만, 바람직하게는 상기 NTC 소자(160)는 상기 써모파일(120)과 직렬 접속되는 것이 효과적이다. 즉, 별도의 배선을 통해 상기 써모 파일(120)의 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)에 직렬 접속될 수도 있고, NTC 접속단자(161a, 161b)와 써모 파일(120)의 외부 단자(130) 간이 직렬 접속될 수도 있다.In addition, an
상술한 구조의 본 실시예에 따른 센서부(100)를 보호하는 하우징(200)은 도 6에 도시된 바와 같이 몸체부(210)와, 몸체부(210) 하측에 상기 써모파일(120)과 대응하는 오목부(220)를 포함한다. 그리고, 상기 하우징(200)의 상측면에는 반사 방지막(230)이 마련되어 있는 것이 바람직하다. 물론 상기 오목부(220)의 내측면에도 반사 방지막이 형성될 수도 있다. As shown in FIG. 6, the
여기서, 상기 하우징(200)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 상기 하우징(200)과 센서부(100)를 웨이퍼 본딩을 통해 결합시킬 수 있다. 따라서, 하우징(200) 상측부분에 조사된 적외선에 의해 발생한 열이 웨이퍼 본딩된 하우징(200)과 센서부(100)의 몸체부(111, 210)를 통해 아래로 빠르게 전도되고 외부로 방출될 수 있다. 즉, 실리콘 간의 완전한 본딩이 되어 열전도도가 상승되어 하우징 상측의 열을 신속하게 소자의 바닥면으로 전달할 수 있다. 본 실시예는 상기의 웨이퍼 본딩 즉, 실리콘 직접 본딩 방법을 통해 상기 하우징(200)과 센서부(100)를 본딩할 수도 있지만 이에 한정되지 않고, 높을 열전도성을 갖는 접착제를 이용하여 상기 하우징(200)과 센서부(100)를 결합시킬 수도 있다. Here, it is preferable to use a silicon wafer as the
상기 몸체부(210)는 센서부(100)와 동일한 직육면체 형태로 제작되는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고, 다면체 및 원기둥과 같은 다양한 형상이 가능하다. 그리고, 하우징(200)은 그 하측에 소정의 오목부(220)를 두어 외부의 적외선이 하우징(200)을 관통하는 거리를 줄이고, 써모 파일(120)을 열적으로 고립시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 오목부에 의해 적외선이 온접점에 집중되도록 하는 것이 효과적이다. 오목부(220)는 도면에 도시된 바와 같이 오목부(220)의 개구부의 면적이 바닥면의 면적보다 넓게 형성하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고, 개구부와 바닥면의 면적이 동일할 수도 있고, 개구부의 면적보다 바닥면의 면적이 더 넓을 수도 있다. 상기 오목부(220)는 상기 하우징(200)의 중앙 영역에 마련되고, 오목부(220)에 의해 그 두께가 얇아진 영역이 투과창으로 작용한다. 상기 반사 방지막(230)은 상기 투과창 영역 즉, 오목부(220)의 바닥면 상부 영역에만 마련될 수도 있다.The
본 실시예에서는 상술한 구조의 센서부(100)와 하우징(200)이 웨이퍼 본딩되어 결합된 구조물의 상부면의 일부와 측벽면 영역에 열 전도성 패키징부(300)가 형성된다. 열 전도성 패키징부(300)는 다양한 반도체 박막 형성 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하고, 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 다양한 물질막을 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 이러한 열 전도성 패키징부(300)로 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 이용하고, 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법, CVD법 등을 통해 형성하는 것이 바람직하다. In the present exemplary embodiment, the thermally
상기 열 전도성 패키징부(300)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(200) 상측의 투과창 즉, 오목부(220) 상부 영역을 제외한 상부면 상에 마련되고, 하우징(200)의 몸체부(210)와 센서부(100)의 몸체부(112) 측벽면을 감싸는 형상으로 마련되는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고, 열 전도성 패키징부(300)는 하우징(200) 상부면의 열을 소자의 측면을 통해 외부로 방출시키는 다양한 형상이 가능하다.As shown in FIGS. 1 and 2, the thermally
이러한 열 전도성 패키징부(300)를 통해 본 실시예에서는 정확한 열원의 온도를 정밀 계측할 수 있다. 즉, 일반적으로 외부로부터 유입된 적외선은 하우징(200)의 상부면에 먼저 조사되어 상부면의 온도를 상승시키고 이와 같은 열이 적외선 형태로 다시 써모파일(120)의 온접점에 복사되어 순수한 외부 열원의 온도보다 높은 온도로 인식되는 문제가 있었다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 하우징(200) 상부면의 일부와, 하우징(200)과 센서부(100)의 측벽면에 열 전도성 패키징부(300)가 마련되어 있을 경우, 하우징(200) 상부면에서 발생된 열은 열 전도성 패키징부(300)를 통해 빠르게 하부 영역까지 전도 및 방출될 수 있어 순수한 외부 열원만이 측정될 수 있다. In this embodiment, through the thermally
이와 같이 하우징 상부면의 열을 센서부 하부로 빠르게 전도, 방출하여 정밀한 온도 계측을 할 수 있는 비 접촉식 적외선 온도 센서는 박막의 증착 및 패터닝 공정을 포함하는 반도체 제조 공정을 통해 제작되는 것이 바람직하다. As such, the non-contact infrared temperature sensor capable of accurately conducting and releasing heat from the upper surface of the housing to the lower part of the sensor to measure the temperature is preferably manufactured through a semiconductor manufacturing process including a thin film deposition and patterning process. .
하기에서는 본 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명한다. The following describes a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor according to the present embodiment.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 7 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 반도체 기판(110)상에 써모 파일(120)이 형성된 센서부(100)를 마련하고, 센서부(100)의 써모 파일(120)에 대응하는 오목부(220)를 갖는 하우징(200)을 마련한다. Referring to FIG. 7, a
센서부(100)의 제조에 관해 설명하면 다음과 같다. 반도체 기판(110)의 상부면에 열 전도도가 낮은 박막을 사용하여 절연막(121)을 형성한다. 본 실시예에서는 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 복수층으로 증착하여 상기 절연막(121)을 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 신화막은 압축 응력(compress stress)을 가지고 질화막은 인장응력(tensile stress)를 갖고 있기 때문에 이들을 복수층으로 적층하 게 되면 서로의 스트레스를 보상할 수 있는 구조가 되어 기계적으로 안정적인 절연막을 형성할 수 있게 된다. 이때, 상기 절연막(121) 형성 전에 상기 반도체 기판(110)의 표면에 열선을 형성할 수도 있다. The manufacturing of the
상기 반도체 기판(110)을 패터닝 하여 공동부(112)를 형성한다. 이를 위해 절연막(121)이 형성된 반도체 기판(110)을 뒤집은 다음 그 표면에 감광막을 도포하고, 노광과 현상 공정을 실시하여 반도체 기판(110)의 중앙 영역을 개방하는 감광막 마스크 패턴(미도시)을 형성한다. 상기 감광막 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 노출된 반도체 기판(110)을 식각하여 공동부(112)를 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 반도체 기판(110)의 반대 영역에 마련된 절연막(121)이 식각 정지막이 되는 것이 효과적이다. 반도체 기판(110)의 식각은 KOH 수용액을 포함하는 에천트를 이용한 습식 식각을 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 습식 식각을 통해 기판 밑면에서 소정 각도 기울어진 측벽을 갖는 공동부(112)가 마련된다. 이때, 반도체 기판(110)의 몸체부(111) 양가장자리에 외부 전극(130)의 패드부(132)가 마련될 관통공을 함께 형성할 수도 있다. 그리고, 상기 공동부(112) 형성을 위해 상기 반도체 기판(110)의 하부면에 별도의 배리어막(미도시)이 형성될 수도 있다. The
상기 절연막(121) 상에 써모파일(120)을 형성하고, 써모 파일(120)과 접속되는 외부 전극(130)의 전극부(131)를 형성한다. 절연막(121) 상에 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)을 차례로 증착하고 패터닝하여 공동부(112) 상측에 온접점(122)이 마련되고 몸체부(111) 상측에 냉접점(124)이 마련되며, 냉접점(124)과 온접점(122) 사이에서 제 1 및 제 2 써모 커플(126, 128)이 교대로 직렬 접속된 써모 파 일(120)을 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 도전성 물질을 이용하여 기판(110)의 몸체부(111) 양가장자리에 써모 파일(120)과 접속되는 외부 전극(130)을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 외부 전극(130)의 전극부(131)와 패드부(132) 사이에 절연막(121)이 마련된 경우 이들 간의 접속을 위해 절연막(121)의 일부를 제거하는 공정을 더 수행할 수도 있다. 그리고, 상기 몸체부(111) 양가장자리에 마련된 관통공 내부를 도전성 물질로 매립하거나 그 측벽에 도전성 물질을 마련하여 반도체 기판(110)의 저면에 외부와 접속되는 패드를 갖는 외부 전극(130)을 형성할 수 있다. The
이때, NTC 또는 PCT 소자(160)도 함께 제작할 수도 있고, 여기서, 상술한 반도체 기판(110)의 공동부(112) 제작을 위한 기판 식각 공정은 상기 써모 파일(120) 형성 공정 후에 실시할 수도 있다. In this case, the NTC or the
다음으로, 써모 파일(120)이 마련된 절연막(121) 상에 보호막(129)을 형성한 다음 보호막(129) 상에 적외선 흡수층(140)을 형성한다. 적외선 흡수층(140)은 Al, Au, C, Bi, Ir, Ru, RuOx, IrOx 중 적어도 어느 하나를 상기 보호막(129) 상에 형성한 다음 이를 패터닝 하여 써모 파일(120)의 온접점(122) 영역을 덮는 형상으로 제작하는 것이 바람직하다. 상술한 제조 방법을 통해 도 7의 (b)에 도시된 바와 같은 센서부(100)를 제작한다. Next, the
한편, 하우징(200)의 제조 방법에 관해 설명하면 다음과 같다. 반도체 기판 즉 몸체부(210)의 하부영역 일부를 제거하여 오목부(220)를 형성한다. 즉, 반도체 기판의 하부면에 반도체 기판의 일부를 노출하는 감광막 패턴을 형성한 다음 이를 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 노출된 영역의 반도체 기판의 일부를 제 거하여 오목부(220)를 형성한다. 이때, 제거되는 반도체 기판의 폭은 전체 반도체 기판 폭의 10 내지 90%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 감광막 패턴은 앞서 설명한 공동부(112) 형성을 위한 감광막 패턴과 동일한 패턴인 것이 바람직하고, 그 개구부가 이보다 더 작거나 큰 감광막 패턴을 사용할 수도 있다. 이후, 반도체 기판의 상부면 상에 반사 방지막(230)을 형성하여 도 7의 (a)에 도시된 바와 같은 하우징을 제조하는 것이 바람직하다. 물론 상기 반사 방지막(230)은 오목부(220) 내측면에도 형성될 수도 있다.On the other hand, the manufacturing method of the
도 8을 참조하면, 웨이퍼 본딩 방법을 통해 반도체 기판(110) 상에 써모 파일(120)이 형성된 센서부(100)와, 써모 파일(120)에 대응하는 오목부(220)를 갖는 하우징(200)을 본딩한다. Referring to FIG. 8, a
센서부(100)의 몸체부(111)를 이루는 실리콘 웨이퍼와, 하우징의 몸체부(210)를 이루는 실리콘 웨이퍼를 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding; SDB) 방식을 이용하여 부착시키는 것이 바람직하다. It is preferable to attach the silicon wafer constituting the
이를 위해 소정의 지그에 센서부(100)의 상부면과 하우징(200)의 하부면이 서로 마주보도록 센서부(100)와 하우징(200)를 올려놓은 다음 이들을 정렬 밀착시킨 후 압력을 가하여 센서부(100)와 하우징(200)간을 본딩하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 본딩 공정은 진공상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 본딩 공정시 300 내지 1500도의 온도에서 열처리를 수행할 수도 있다. 즉, 진공 분위기와 약 800 내지 1200도의 온도하에서 상기 센서부(100)와 하우징(200)를 가압하여 이들을 본딩시킬 수 있고, 진공 분위기와 약 300 내지 500도의 온도하에서 상 기 센서부(100)와 하우징(200)을 가압하여 이들간을 본딩시킬 수도 있다. 300 내지 500도의 온도로 가압하는 경우 두 웨이퍼 사이에 100 내지 10000V의 고전압을 인가할 수도 있다.To this end, the
이와 같이 본 실시예에서는 하부의 중앙영역에는 오목부(220)가 마련되고, 가장자리 영역에 본딩될 몸체부(210)가 마련된 하우징(200)과, 상부의 중앙 영역에는 패턴(써머파일, 적외선 흡수층등)이 마련되고, 가장자리 영역에 본딩될 몸체부(111)가 마련된 센서부(100)간을 본딩하기 때문에 센서부(100)와 하우징(200)의 가장자리 영역의 실리콘들이 직접 본딩된다. 그리고, 센서부(100) 상측의 패턴들은 하우징(200) 내의 오목부(220)안에 들어가게 되어 웨이퍼 상에 소정의 패턴이 형성된 상태에서 웨이퍼 본딩을 실시할 수 있게 된다. 그리고 실리콘 재료끼리 완전 본딩이 이루어지게 되어 하우징(200) 상측의 열을 몸체부(111, 210)를 통해 센서부(100) 하측으로 빠르게 전달할 수 있고, 센서부(100)와 하우징(200)의 부착을 위한 별도의 접착부재를 사용하지 않을 수도 있다. As described above, in the present exemplary embodiment, the
본 실시예에 따른 센서부(100)와 하우징(200)은 각기 단일의 웨이퍼 상에 복수개가 동시에 형성되고, 이들이 각기 개개로 절단되어 제작되는 것이 바람직하다. 이후, 앞서 설명한 웨이퍼 본딩을 위한 장치에 개개로 절단된 센서부(100)와 하우징(200)을 배치한 다음 이들을 각각 본딩하는 것이 효과적이다. 물론 이에 한정되지 않고, 각기 복수의 센서부(100)와 하우징(200)이 형성된 웨이퍼를 절단하지 않은 상태에서 복수의 센서부(100)가 형성된 웨이퍼와 복수의 하우징(200)이 형성된 웨이퍼를 웨이퍼 본딩 공정을 통해 본딩시킨 다음 본딩된 센서부(100)와 하우징 (200)을 개개의 소자별로 절단할 수도 있다. A plurality of
물론 상술한 센서부(100)와 하우징(200)은 웨이퍼 본딩을 통해 본딩하는 것이 바람직하지만 필요에 따라 열전도 특성이 우수한 접착제를 이용하여 본딩할 수도 있다. 즉, Ag, Be, Cu, Au 및 이를 포함하는 합금 중 어느 하나를 주성분으로 하는 에폭시(epoxy) 또는 유리 페이스트(glass paste)를 사용할 수 있다. Of course, the above-described
도 9를 참조하면, 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 상부면 및 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부(300)를 형성한다. Referring to FIG. 9, the thermally
열 전도성 패키징부(300) 형성을 위해 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)을 소정의 지그 상에 위치시키고, 상기 하우징(200) 상부면의 중앙 영역을 차폐하는 마스크(미도시)를 마련한 다음 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 물질막을 스퍼터링(sputting)법, 증착(evaporation)법, CVD법 등을 통해 상기 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 표면영역에 증착하여 열 전도성 패키징부(300)를 형성하는 것이 바람직하다. 이를 통해 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 상부면의 일부와 측벽면에 열 전도성 패키징부(300)가 마련된다. In order to form the thermally
이때, 상기 마스크를 통해 차폐되는 영역은 적외선이 쉽게 투과할 수 있는 하우징(200)의 오목부(220) 영역인 것이 바람직하다. 이는 마스크를 통해 차폐되는 영역에는 열 전도성 패키징부(300)가 형성되지 않게 되어 적외선의 투과가 더욱 용이해진다. 이를 통해 적외선은 하우징(200)의 오목부(220)를 투과하여 오목부(220) 하부에 마련된 적외선 흡수층(140)에 흡수되어 온접점(122)의 온도를 상승시키게 된다. 이때, 적외선에 의해 하우징(200) 상측의 온도는 상승하게 되지만 열 전도성 패키징부(300)에 의해 상승된 열은 모두 아래로 전도 방출되어 정확한 온도를 검출할 수 있게 된다. 상기의 마스크는 상술한 패턴에 한정되지 않고, 센서부(10)의 적외선 흡수 영역에 많은 양의 적외선이 도달할 수 있게 하는 다양한 형상의 패턴이 가능하다. 그리고, 열 전도성 패키징부(300)로는 Cu, Ag, Au, Ni, Al 및 이를 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하고, 열 전도성 패키징부(300)의 두께는 0.1 내지 1000㎛로 하는 것이 바람직하다. 상기 열 전도성 패키징부(300)는 건식 도금 방법을 이용하여 형성할 수도 있다. In this case, the area shielded by the mask is preferably an area of the
상술한 설명에서는 복수의 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)을 이들을 지지하는 지그 상에 배치한 다음 마스크를 정렬 배치한 후 열 전도성 패키징부(300)를 형성함에 관해 설명하였다. 즉, 개개로 절단되고 본딩된 센서부(100)와 하우징(200)의 외측면에 열 전도성 패키징부(300)를 형성하였지만 본 실시예는 이에 한정되지 않고, 앞서 언급한 바와 같이 복수의 센서부(100)가 형성된 웨이퍼와 복수의 하우징(200)이 형성된 웨이퍼 간을 본딩한 다음 본딩된 웨이퍼의 일부를 제거하여 개개의 소자간을 분리한다. 예를 들어 본딩된 웨이퍼의 전체 두께가 1일 경우 인접한 소자 사이 영역의 웨이퍼를 0.6 내지 0.95 두께만큼 제거하여 소자간을 분리한다. 이후, 하우징(200) 상부에 마스크를 형성하고 전체 구조상에 열 전도성 패키징부(300)를 형성한 다음 절단 공정을 통해 소자간 분리된 영역을 기준으로 웨이퍼를 절단하여 개개의 소자를 제작할 수 있다. In the above description, the plurality of bonded
이와 같이, 본 발명은 비접촉식 적외선 온도 센서를 구성하는 복수의 구조물을 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작하고, 이들을 웨이퍼 본딩을 통해 결합시키고, 결합된 구조물들의 상부면과 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하여 온도 센서의 온도 계측의 정밀성을 극대화할 수 있다. 물론 상기 구조물의 구조는 앞서 설명한 실시예에 한정되지 않고, 써모파일의 열적 고립 그리고, 반도체 제조 공정을 이용하여 제작될 수 있는 다양한 구조가 가능하다. 하기에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서에 관해 설명한다. 후술되는 설명중 상술한 설명과 중복되는 설명은 생략하고, 상기 제 2 실시예의 설명은 상술한 제 1 실시예에 적용될 수 있다. As such, the present invention fabricates a plurality of structures constituting the non-contact infrared temperature sensor using a silicon wafer, combines them through wafer bonding, and forms thermally conductive packaging on a portion of the top and sidewall surfaces of the joined structures. The precision of temperature measurement of the temperature sensor can be maximized. Of course, the structure of the structure is not limited to the above-described embodiment, thermal isolation of the thermopile, and various structures that can be produced using a semiconductor manufacturing process is possible. Hereinafter, a non-contact infrared temperature sensor according to a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, descriptions overlapping with the above description will be omitted, and the description of the second embodiment may be applied to the above-described first embodiment.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 분해 사시도이고, 도 11은 제 2 실시예에 따른 비접촉식 적외선 온도 센서의 단면도이다. 도 12는 제 2 실시예에 따른 하우징의 평면도, 저면도 및 단면도이다. 도 13은 제 2 실시예에 따른 센서부의 평면도, 저면도 및 단면도이다. 10 is an exploded perspective view of a non-contact infrared temperature sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the non-contact infrared temperature sensor according to the second embodiment. 12 is a plan view, bottom view and cross-sectional view of the housing according to the second embodiment. 13 is a plan view, a bottom view, and a sectional view of a sensor unit according to a second embodiment.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비 접촉시 적외선 온도 센서는 오목부(412)와 전극 패드(420, 430)를 포함하는 하우징(400)과, 써모 파일(520)을 포함하는 센서부(500)와, 적외선을 투과하는 투광부(600)와, 웨이퍼 본딩된 투광부(600), 센서부(500) 및 하우징(400)의 상부면과 측벽면의 적어도 일부에 마련된 열 전도성 패키징부(700)를 포함한다. 10 to 13, the non-contact infrared temperature sensor according to the second embodiment of the present invention includes a
상술한 하우징(400)은 도 12에 도시된 바와 같이 몸체부(411)와 오목부(412)를 포함하는 반도체 기판(410)과, 반도체 기판(410)의 가장자리 영역을 관통하여 마련된 전극 패드(420, 430)를 포함한다. 상기 도 12의 (a)는 하우징의 평면도이고, (b)는 저면도이고, (c)는 단면도이다. 12, the
상기 오목부(412)는 반도체 기판(410)의 상측 중앙 영역 일부를 제거하여 제작하되, 개구부의 면적이 오목부(412) 바닥면의 면적보다 넓게 제작하는 것이 바람직하다. 그리고, 전극 패드부(420, 430)는 몸체부(411)을 관통하는 관통홀을 마련하고 그 내부에 전기 전도성 물질을 매립하여 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 하우징(400)의 하부에 노출된 전극 패드(420, 430)부 영역에 범프가 마련될 수도 있다. 여기서, 상기 반도체 기판으로는 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. The
상술한 센서부(500)는 도 13에 도시된 바와 같이 반도체 기판(510)과, 반도체 기판 하부에 마련된 써모 파일(520)과, 써모 파일(520)과 접속되는 내부 전극(531, 532)을 포함한다. 상기 도 13의 (a)는 센서부의 평면도이고, (b)는 저면도이고, (c)는 단면도이다. As illustrated in FIG. 13, the
여기서, 써모 파일(520)은 도면에 도시된 바와 같이 앞서 설명한 실시예와 동일한 구조로 마련되는 것이 바람직하다. 상술한 실시예에서는 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)이 동일 면상에서 마련되었지만, 본 실시예에서는 이에 한정되지않고, 상기 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)이 적층된 구조로 마련될 수 있다. 즉, 절연막(521) 상에 복수의 제 1 써모 커플(526)이 공동부(512)의 일부와 중첩되도록 마련되고, 제 1 써모 커플(526) 상측에 분리막(미도시)이 형성되고, 상기 분리막 상에 복수의 제 2 써모 커플(528)이 마련될 수도 있다. 이때, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)은 공동부(512) 상에서 소정의 콘택이 마련되고, 이 콘택이 온접점(522)이 되고, 몸체부(511) 상에서 콘택이 마련되고, 이 콘택이 냉접점(524)이 될 수 있다. 그리고, 적층구조의 복수의 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)은 교대 로 직렬 접속되는 것이 바람직하다. 그리고, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)의 일부는 연장되어 반도체 기판(510)의 양 가장자리에 마련된 내부 전극(531, 531)에 접속되는 것이 바람직하다. Here, the
본 실시예에서는 상기 써모 파일(520)을 기준으로 그 하측에 하우징(400)의 오목부(412)가 마련되어 열적으로 고립될 수 있고, 그 상측에는 반도체 기판(510)의 공동부(512)가 마련되어 외부로부터 조사되는 적외선을 온접점(522) 상에 마련된 적외선 흡수층(540)에 집중시킬 수 있다. 이때, 상기 공동부(512)의 내 측벽면에 광반사 특성이 우수한 물질을 코팅하여 적외선 흡수층(540)으로 흡수되는 적외선의 양을 증대시킬 수 있다. In the present exemplary embodiment, the
상술한 투광부(600)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 얇은 판 형상으로 제작하여 센서부(500) 상측에 마련되는 것이 바람직하다. 이러한 투광부(600)로 본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 투광부(600)에는 서로 다른 물질의 표면에서 발생할 수 있는 광의 반사를 방지하는 반사 방지막(미도시)이 코팅될 수도 있다. 또한, 특정한 파장의 광만을 투과하는 간섭 필터막(미도시)이 그 표면에 코팅될 수도 있다. 본 실시예에서는 필요에 따라 상기 투광부(600)를 생략할 수도 있다. It is preferable that the above-mentioned
본 실시예에서는 상기 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)를 순차적으로 웨이퍼 본딩을 통해 결합하여 실리콘 간의 완전한 본딩이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 통해 투광부(600), 센서부(500) 및 하우징(400) 간의 열전도도를 상승시켜 외부로부터 조사된 자외선에 의해 투광부(600)의 표면에서 발생한 열을 하우징(400) 하부로 신속하게 전달할 수 있어 자외선이 조사된 투광부(600) 영역에서 발생한 열로 인한 온도 센서의 정밀도가 떨어지는 문제를 해결할 수 있다. In the present embodiment, it is preferable to combine the
상술한 열 전도성 패키징부(700)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 웨이퍼 본딩된 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)의 상부면의 일부와 측벽면 영역에 마련되는 것이 바람직하다. 투광부(600) 상부면에 마련되는 열 전도성 패키징부(700)는 하부 센서부(500)의 몸체부(411)와 대응하는 패턴으로 마련되어 적외선의 유입이 최대가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같은 열 전도성 패키징부(700)로 인해 투광부(600) 상측의 열을 외부로 빠르게 방출시킬 수 있어 온도 센서의 온도 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. The above-described thermally
하기에서는 상술한 바와 같이 하우징, 센서부 및 투광부가 순차로 적층 본딩되고, 이를 감싸는 열 전도성 패키징부가 마련된 비접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor in which a housing, a sensor unit, and a light-transmitting unit are laminated and sequentially bonded and a thermally conductive packaging unit surrounding the same will be described.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 비 접촉식 적외선 온도 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 14 to 16 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-contact infrared temperature sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 14를 참조하면, 오목부(412)와 전극 패드(420, 430)를 갖는 하우징(400)을 마련하고, 오목부(412)에 대응하는 영역에 써모 파일(520)이 마련된 센서부(500)와, 자외선을 투과하는 투광부(600)를 마련한다. Referring to FIG. 14, a
상기 하우징(400)은 소정의 패터닝 공정을 통해 반도체 기판(410)의 일부를 제거하여 오목부(411)를 형성하고, 반도체 기판(410) 양가장자리 영역을 관통하는 관통홈을 형성한 다음 이를 전기 전도성 물질로 매립하여 전극 패드(420, 430)를 형성한다. 상기에서 반도체 기판(410) 상에 중앙 영역을 개방하는 마스크를 마련한 다음 마스크를 이용한 식각을 실시하여 노출된 반도체 기판(410)의 일부를 제거하여 오목부(411)를 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 반도체 기판(410) 상에 이의 양측 가장자리 영역 일부를 개방하는 마스크를 마련한 다음 이를 이용한 식각 공정을 실시하여 노출된 반도체 기판(410)을 제거하여 관통홈을 형성하고, 관통홈 내부에 전도성물질을 매립하거나 관통홈의 측벽의 일부에 전도성물질을 도포하여 전극 패드(420, 430)를 형성한다. 이를 통해 상부면의 일부에 오목부(411)가 마련된 하우징(400)이 제작된다. The
상기의 센서부(500)는 반도체 기판(510)의 하부에 절연막(521)을 형성하고, 기판(510) 상부에 마스크를 형성한 다음 노출된 영역의 반도체 기판(510)을 제거하여 공동부(512)를 형성한다. 이후, 반도체 기판(510)을 뒤집은 다음 절연막(521)의 상부에 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)을 증착 패터닝하고, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)과 각기 접속되는 내부 전극(531, 532)을 기판(510)의 양가장자리에 각기 형성한다. 이후, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)의 온접점(522) 상에 적외선 흡수층(540)을 형성하여 센서부(500)를 제작하는 것이 바람직하다. 이때, 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)과 적외선 흡수층(540) 사이에 보호막(529)이 마련될 수도 있다. 보호막(529)이 마련될 경우 보호막(529)의 일부를 제거하여 제 1 및 제 2 써모 커플(526, 528)과 접속되는 내부 전극(531, 532)을 형성한다. 이를 통해 상기 내부 전극(531, 532)이 하우징(400)의 전극 패드(420, 430)와 접속될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 공동부(512)는 써모파일을 형성한 후 식각하여 제조 할 수도 있다. The
상술한 투광부(600)는 반도체 기판을 판 형상으로 절단하여 제작하는 것이 바람직하다. It is preferable that the above-mentioned
도 15를 참조하면, 상술한 하우징(400)과, 센서부(500)와, 투광부(600)를 웨이퍼 본딩을 통해 결합시킨다. Referring to FIG. 15, the
이들 각각의 웨이퍼 본딩 방법은 다양하게 수행될 수 있다. 즉, 하우징(400)과 센서부(500)를 먼저 본딩한 다음 투광부(600)를 본딩하거나, 하우징(400)과 센서부(500) 및 투광부(600)를 한꺼번에 본딩 시킬 수도 있다. 상술한 본딩 방법은 앞서 설명한 실시예와 중복됨으로 생략한다. Each of these wafer bonding methods can be performed in various ways. That is, the
한편, 상술한 설명에서는 센서부(500)의 내부 전극(531, 532)과 하우징(400)의 전극 패드(420, 430)를 각기 제작한 다음 웨이퍼 본딩시 이들이 전기적으로 접속되도록 하였다. 하지만 이에 한정되지 않고, 웨이퍼 본딩을 통해 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)를 본딩한 다음 상기 센서부(500)의 써모파일(520)을 노출하는 비아홀(미도시)을 형성한 다음 이를 전기 전도성 물질로 매립하여 내부 전극(531, 532)과 전극 패드(420, 430)를 동시에 제작할 수도 있다. Meanwhile, in the above description, the
도 16을 참조하면, 본딩된 하우징(400), 센서부(500) 및 투광부(600)의 상부면 및 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부(700)를 형성한다. Referring to FIG. 16, the thermally
이는 상기 본딩된 투광부의 상에 마스크를 마련한 다음 스퍼터링법, 증착법 및 CVD법을 이용하여 100 내지 500 W/mK의 열 전도성을 갖는 다양한 물질막을 증착하여 투광부의 상부면의 일부와 본딩된 하우징, 센서부 및 투광부의 측벽면에 열 전도성 패키징부를 형성하는 것이 바람직하다. This is achieved by forming a mask on the bonded light-transmitting part, and then depositing various material films having a thermal conductivity of 100 to 500 W / mK by sputtering, vapor deposition, and CVD to bond a portion of the upper surface of the light-transmitting part to a housing and a sensor. It is preferable to form a thermally conductive packaging part on the side wall surface of the part and the light transmitting part.
이때, 마스크를 통해 차폐되는 영역은 센서부의 몸체부 상측 영역인 것이 바람직하다. 이를 통해 적외선의 투과를 방해하지 않는 최대 면적을 갖도록 하는 것이 효과적이다. At this time, the area shielded through the mask is preferably the upper region of the body portion of the sensor unit. This is effective to have a maximum area that does not interfere with the transmission of infrared rays.
상술한 바와 같이 본 발명은 반도체 기판상에 써모 파일이 마련된 센서부와, 반도체 기판으로 제작된 하우징을 웨이퍼 본딩을 통해 본딩하여 별도의 접착 부재를 사용하지 않을 수 있고, 실리콘 간의 완전한 본딩을 통해 센서부와 하우징간의 열전도도가 상승되어 하우징 상측의 열을 신속하게 소자의 바닥면으로 전달할 수 있다. As described above, the present invention may bond a sensor unit having a thermopile on a semiconductor substrate and a housing made of the semiconductor substrate through wafer bonding, so that a separate adhesive member may not be used, and the sensor may be bonded through silicon. The thermal conductivity between the part and the housing is increased to quickly transfer heat from the upper side of the housing to the bottom surface of the device.
또한, 본딩된 센서부와 하우징의 상부면과 측벽면의 일부에 열 전도성 패키징부를 형성하여 적외선에 의해 먼저 조사되는 상부의 열을 이를 통해 방출할 수 있고, 이처럼 센서부와 하우징 주변부의 열을 신속하게 방출하여 순수한 외부 열원만을 측정할 수 있어 정밀한 온도 계측을 할 수 있다. In addition, a thermally conductive packaging portion may be formed on the bonded sensor portion and a part of the upper surface and the sidewall surface of the housing, thereby dissipating heat from the upper portion irradiated first by infrared rays, thereby rapidly dissipating heat from the sensor portion and the housing peripheral portion. It can emit precisely and measure only pure external heat source, so it can measure temperature precisely.
또한, 상기 하우징 내에 오목부를 마련하고, 온접점이 마련된 센서부 하부에 공동부를 형성하여 센서부의 써모파일을 열적으로 고립시켜 센서의 센싱능력을 향상시킬 수 있다. In addition, it is possible to improve the sensing capability of the sensor by providing a recess in the housing, by forming a cavity in the lower portion of the sensor portion provided with an on-contact point to thermally isolate the thermopile of the sensor.
또한, 적외선이 조사되는 써모 파일 상측 방향에 경사면을 갖는 공동부를 마련하여 적외선을 온접점에 집중시킬 수 있어 온도 측정 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, by providing a cavity having an inclined surface in the upper direction of the thermo pile irradiated with infrared rays, it is possible to concentrate the infrared rays at the on-contact point to improve the temperature measurement efficiency.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.Although the invention has been described with reference to the accompanying drawings and the preferred embodiments described above, the invention is not limited thereto, but is defined by the claims that follow. Accordingly, one of ordinary skill in the art may variously modify and modify the present invention without departing from the spirit of the following claims.
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