KR102649348B1 - 가스 감지 장치, 이를 포함하는 전자 장치 및 가스 감시 시스템 - Google Patents
가스 감지 장치, 이를 포함하는 전자 장치 및 가스 감시 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
가스 감지 장치, 이를 포함하는 전자 장치 및 가스 감지 시스템이 개시된다. 본 개시의 기술적 사상에 따른 가스 감지 시스템은, 구동 회로 칩, 및 구동 회로 칩 상에 배치된 가스 센서, 온도 센서 및 습도 센서를 포함하며, 온도 센싱 결과 및 습도 센싱 결과 중 적어도 하나를 기초로 가스 센싱 결과를 보정함으로써 가스 감지 신호를 생성한다. 가스 센서는 제1 공진기 및 제1 공진기 상에서 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 온도 센서는 제2 공진기 및 제2 공진기가 외부에 노출되지 않도록 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층을 포함하며, 습도 센서는 제3 공진기를 포함한다.
Description
본 개시의 기술적 사상은 가스 감지 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 공진형 가스 감지 장치, 이를 포함하는 전자 장치 및 가스 감지 시스템에 관한 것이다.
가스 감지 장치는 공진기(resonator)를 포함하는 가스 센서를 포함할 수 있고, 공진기는 예를 들어, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)로 구현될 수 있다. FBAR은 하부 전극, 압전층 및 상부 전극이 차례로 적층된 구조를 갖는 공진기로서, 하부 전극 및 상부 전극에 전기적 에너지를 가하면 압전 효과에 의해 음향파(acoustic wave)가 발생되고, 이로 인해 적층 방향을 따라 공진이 발생하는 원리를 이용한다. 가스 센서는 FBAR 상에 코팅된 폴리머와 같은 감지막을 더 포함할 수 있으며, 감지막에 흡착된 가스 분자에 따라 FBAR의 공진 주파수는 변경될 수 있다. 그러나, FBAR의 공진 주파수는 온도와 수분과 같은 환경 인자의 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 온도가 증가함에 따라 FBAR의 공진 주파수는 감소할 수 있고, 습도가 증가함에 따라 FBAR의 공진 주파수는 증가할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상은, 가스 센서의 가스 센싱 결과에서 환경 인자의 영향을 보정함으로써, 가스 센싱 정확도가 향상된 가스 감지 장치, 이를 포함하는 전자 장치 및 가스 감지 시스템을 제공한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 가스 감지 시스템은, 구동 회로 칩; 제1 공진기, 및 상기 제1 공진기 상에서 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 가스 센서; 제2 공진기, 및 상기 제2 공진기가 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 온도 센서; 및 제3 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 습도 센서를 포함하고, 상기 가스 감지 시스템은, 상기 온도 센서의 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센서의 습도 센싱 결과 중 적어도 하나를 기초로 상기 가스 센서의 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 가스 감지 장치는, 구동 회로 칩, 제1 공진기 및 상기 제1 공진기 상에서 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 제1 센서, 및 제2 공진기 및 상기 제2 공진기가 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 제2 센서를 포함하고, 상기 구동 회로 칩은, 상기 제2 센서의 제2 센싱 결과를 기초로 상기 제1 센서의 제1 센싱 결과를 보정함으로써, 제1 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된다.
또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 전자 장치는, 가스 감지 장치; 및 상기 가스 감지 장치에 전기적으로 연결된 어플리케이션 프로세서를 포함하고, 상기 가스 감지 장치는, 구동 회로 칩; 제1 공진기, 및 상기 제1 공진기 상에서 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 가스 센서; 제2 공진기, 및 상기 제2 공진기가 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 온도 센서; 및 제3 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 습도 센서를 포함한다.
본 개시의 기술적 사상에 따르면, 가스 감지 장치는 각각 공진기를 포함하는 가스 센서 및 환경 센서를 포함하고, 가스 센서의 센싱 결과에서 환경 센서의 센싱 결과를 보정함으로써, 가스 센싱 정확도를 향상시킬 수 있다. 이로써, 가스 센서를 이용하여 가스 및 냄새(aroma)를 감지하는 경우, 주변 온도 및 습도 변화에 의한 영향을 제거할 수 있다.
또한, 가스 감지 장치에 포함된 가스 센서 및 환경 센서는 각각 FBAR를 포함함으로써, 반도체 공정을 이용하여 집적화할 수 있고, 이에 따라, 저비용으로 소형화된 가스 감지 장치를 구현할 수 있다. 또한, 가스 감지 장치는 집적화된 멀티 센서 어레이를 포함함으로써, 환경 인자의 영향을 실시간으로 보정할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 도 2의 가스 센서를 예시적으로 나타내는 단면도이고, 도 3b는 도 2의 온도 센서를 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3a의 가스 센서의 공진 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 사시도이다.
도 8a는 도 6의 가스 센서 칩을 나타내는 단면도이고, 도 8b는 도 6의 온도센서 칩을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 11의 가스 감지 장치의 일 구현예를 나타낸다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 12의 XIII-XIII' 선에 따른 단면도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 11의 가스 감지 장치의 다른 구현예를 나타낸다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 14의 XV-XV' 선에 따른 단면도이다.
도 16은 본 개시의 실시예들에 따라 가스 감지 장치에서 환경 인자 보정을 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 전자 장치들을 각각 예시적으로 나타낸다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 가스 감지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 시스템의 가스 감지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 도 2의 가스 센서를 예시적으로 나타내는 단면도이고, 도 3b는 도 2의 온도 센서를 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3a의 가스 센서의 공진 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 사시도이다.
도 8a는 도 6의 가스 센서 칩을 나타내는 단면도이고, 도 8b는 도 6의 온도센서 칩을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 11의 가스 감지 장치의 일 구현예를 나타낸다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 12의 XIII-XIII' 선에 따른 단면도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 11의 가스 감지 장치의 다른 구현예를 나타낸다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 14의 XV-XV' 선에 따른 단면도이다.
도 16은 본 개시의 실시예들에 따라 가스 감지 장치에서 환경 인자 보정을 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 전자 장치들을 각각 예시적으로 나타낸다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 가스 감지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 시스템의 가스 감지 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(10)를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 가스 감지 장치(10)는 가스 센서(Gas Sensor)(GS), 환경 센서(Environmental Sensor)(ES) 및 구동 회로(Driving Circuit)(DC)를 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(10)는 냄새나 가스 등을 감지 및 측정할 수 있고, 이에 따라, "전자 후각 시스템(Electronic Nose System)"으로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 센서(GS), 환경 센서(ES) 및 구동 회로(DC)는 각각 반도체 칩으로 구현될 수 있고, 이에 따라, 가스 감지 장치(10)는 반도체 패키지로 구현될 수 있다.
가스 센서(GS)는 공기 중의 가스를 감지함으로써 제1 센싱 결과(OUT1)를 출력할 수 있다. 환경 센서(ES)는 예를 들어, 온도, 습도, 대기압, 광 등과 같은 환경 인자를 감지함으로써 제2 센싱 결과(OUT2)를 출력할 수 있다. 구동 회로(DC)는 제1 및 제2 센싱 결과들(OUT1, OUT2)을 수신하고, 제2 센싱 결과(OUT2)를 기초로 제1 센싱 결과(OUT1)를 보정함으로써, 가스 센싱 신호(GSS)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 제1 센싱 결과(OUT1)의 주파수 변화량이 △fOUT1이고, 제2 센싱 결과(OUT2)의 주파수 변화량이 △fOUT2이면, 가스 센싱 신호(GSS)의 주파수 변화량(△fGSS)는 제1 센싱 결과(OUT1)의 주파수 변화량과 제2 센싱 결과(OUT2)의 주파수 변화량의 차이에 대응할 수 있다(즉, △fGSS = △fOUT1-△fOUT2). 이로써, 가스 센서(GS)의 출력인 제1 센싱 결과(OUT1)에서 주변 환경으로 인한 영향을 제거함으로써, 가스 감지 장치(10)의 센싱 정밀도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 가스 센싱 신호(GSS)는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
f(가스) = f(측정) - f(환경)
여기서, f(측정)은 실제 센서의 출력, 즉, 가스 센서(GS)의 출력인 제1 센싱 결과(OUT1)와 환경 센서(ES)의 출력인 제2 센싱 결과(OUT2)를 포함할 수 있다. 여기서, f(환경)은 실험실에서 측정된 모델식을 통해 유추할 수 있고, 이에 따라, f(환경)은 f(환경_계산)이라고 할 수 있다. 일 실시예에서, f(환경_계산)은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
f(환경_계산) = A*fT + B*fH + C*fP + D*fU + E
여기서, A, B, C, D, E는 실험을 통해 생성된 계수들이며, fT는 온도 센서의 출력 값, fH는 습도 센서의 출력 값, fP는 압력 센서의 출력 값, fU는 조도 센서의 출력 값일 수 있다. 이와 같이, 다수의 환경 센서들로부터 획득한 값들을 통해, f(환경_계산)을 유추할 수 있으므로, f(환경_측정)이 f(환경_계산)에 대응하는 것으로 가정할 수 있다.
일 실시예에서, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)는 각각 공진기를 포함하는 공진식 소자(resonance type device)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)는 각각 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)를 FBAR 센서라고 지칭할 수 있다. 이러한 FBAR 센서를 포함하는 가스 감지 장치(10) 또는 시스템은 전자 후각 시스템으로 이용되어 인체에 해로운 다양한 종류의 가스들, 예를 들어, 일산화탄소(CO), 벤젠(Benzene), TVOC(Total Volatile Organic Compound) 등을 감지할 수 있다. 실시예들에 따라, 가스 감지 장치(10)는 특정 가스에 각각 반응하는 폴리머들이 코팅된 다수의 FBAR들을 이용하여 구현될 수 있으며, 작은 크기의 모바일 제품에도 효율적으로 탑재될 수 있다.
일 실시예에서, 가스 센서(GS)는 FBAR 및 폴리머를 포함할 수 있고, 폴리머에 가스가 흡착되면, FBAR의 공진 주파수가 변경될 수 있다. 그러나, 가스 센서(GS)에 포함된 FBAR의 공진 주파수는 가스의 흡착 이외에 다른 환경 요소들, 예를 들어, 온도, 습도, 먼지(particles), 대기압, 광, 유량(flow) 등에 의해서도 변화될 수 있다. 다시 말해, 가스 센서(GS)의 제1 센싱 결과(OUT1)는 가스 감지 결과와 함께 다른 환경 요소들에 의한 영향을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 센싱 결과(OUT1)에서 다른 환경 요소들에 의한 영향을 제거하도록 제1 센싱 결과(OUT1)를 보정하는 것이 요구된다.
일 실시예에서, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)는 개별적인 센서 다이들 또는 개별적인 센서 칩들로 구현될 수 있다. 다시 말해, 가스 센서(GS)와 환경 센서(ES)는 서로 다른 웨이퍼들 상에 각각 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 센서(GS)는 가스를 감지하기 위한 감지막이 노출되도록 구현될 수 있고, 환경 센서(ES)는 외부에 노출되지 않도록 밀폐형 구조를 가질 수 있다. 이로써, 환경 센서(ES)의 제2 센싱 결과(OUT2)는 가스에 의한 영향을 포함하지 않을 수 있다. 구동 회로(DC)는 제1 센싱 결과(OUT1)에서 제2 센싱 결과(OUT2)를 감산하여, 가스 감지 결과에 따른 가스 센싱 신호(GSS)를 생성함으로써, 가스 감지 장치(10)의 센싱 정밀도를 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 구동 회로(DC)는 어플리케이션 프로세서(Application Processor)에 대응할 수 있고, 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)는 어플리케이션 프로세서에 연결될 수 있다. 이에 따라, 어플리케이션 프로세서는 제1 및 제2 센싱 결과들(OUT1, OUT2)을 처리할 수 있고, 이때, 가스 감지 장치(10)는 가스 감지 시스템이라고 지칭할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 가스 감지 장치(10)는 가스 센서(GS) 및 환경 센서(ES)만을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 센싱 결과들(OUT1, OUT2)은 클라우드 서버 상의 알고리즘에 의해 처리될 수도 있다. 이때, 가스 센서(GS), 환경 센서(ES) 및 클라우드 서버는 가스 감지 시스템을 구성할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(20)를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 가스 감지 장치(20)는 가스 센서(110), 온도 센서(120), 및 구동 회로 칩(200)을 포함할 수 있고, 구동 회로 칩(200)은 제1 발진기(oscillator)(210), 제2 발진기(220) 및 보정 회로(calibration circuit)(270)를 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(20)는 도 1의 가스 감지 장치(10)의 일 구현 예일 수 있다. 가스 센서(110)는 도 1의 가스 센서(GS)의 일 예이고, 온도 센서(120)는 도 1의 환경 센서(ES)의 일 예일 수 있으며, 구동 회로 칩(200)은 도 1의 구동 회로(DC)의 일 예일 수 있다.
가스 센서(110), 온도 센서(120) 및 구동 회로 칩(200)은 다양한 방식에 따라 구현되고, 또한 다양하게 정의될 수 있다. 예컨대, 가스 센서(110) 및 온도 센서(120)는 구동 회로 칩(200)와 서로 다른 웨이퍼 상에 다른 공정으로 구현될 수 있으며, 또한 다양한 종류의 레벨(예컨대, 다이 레벨, 패키징 레벨 등)의 칩으로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 가스 센서(110) 및 온도 센서(120)는 각각 Micro Electro Mechanical System(MEMS) 공정에 의해 구현되는 하나 이상의 공진기를 포함하는 칩일 수 있다. 예를 들어, 구동 회로 칩(200)은 CMOS 공정에 의해 구현되는 다양한 회로들을 포함할 수 있으며, 이에 따라, "CMOS 칩" 또는 "반도체 칩"이라고 지칭할 수도 있다. 구동 회로 칩(200)이 발진 신호를 출력하기 위한 발진기 기능을 수행하는 경우, 구동 회로 칩(200)은 "발진기 칩"으로 지칭될 수도 있다.
일 실시예에 따라, 가스 센서(110) 및 온도 센서(120)는 각각 FBAR로 구현될 수 있으며, 가스 센서(110) 및 온도 센서(120)는 각각 FBAR의 구조에 따른 공진 주파수를 가질 수 있다. 가스 센서(110)는 도 3에 예시된 공진기 센서 소자(RS)와 같이 구현될 수 있다. 한편, 온도 센서(120)는 도 3에 예시된 공진기 센서 소자(RS)에서 감지막(112)이 제거된 구조를 가질 수 있다.. 공진기 센서 소자(RS)에 대해 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
제1 발진기(210)는 가스 센서(110)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제1 센싱 신호(SS1)를 출력할 수 있다. 제2 발진기(220)는 온도 센서(120)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제2 센싱 신호(SS2)를 출력할 수 있다. 보정 회로(270)는 제2 센싱 신호(SS2)를 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써 가스 센싱 신호(GSS)를 생성할 수 있다. 이때, 온도에 따른 주파수는 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. [수학식 3]
f(temp) = A*fSS2 + E
여기서, A는 온도 계수이고, E는 상수이며, fSS2는 제2 센싱 신호(SS2)의 주파수이다. 따라서, 수학식 3을 이용하여, 가스 센싱 신호(GSS)의 주파수(fGSS)는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
fGSS = fSS1 - (A*fSS2 + E)
이와 같이, 가스 센싱 신호(GSS)의 주파수(fGSS)는 가스의 흡착에 의한 주파수에 대응할 수 있고, 따라서, 가스 센서(110)의 센싱 결과에서 온도에 의한 영향이 제거된 센싱 결과를 얻을 수 있다.
도 3a는 도 2의 가스 센서(110)를 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 가스 센서(110)는 기판(SUB), FBAR(111) 및 감지막(112)을 포함할 수 있다. 기판(SUB)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소, 인듐 포스파이드 등의 반도체 기판을 포함할 수 있다. FBAR(111)는 하부 전극(111a), 압전층(111b), 상부 전극(111c), 및 상부 패시베이션층(111d)을 포함할 수 있다. 기판(SUB) 상에는 하부 패시베이션층(101)이 배치될 수 있다. 하부 패시베이션층(101)은 예를 들어, 실리콘 질화물(SiN), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 탄화물(SiC), 및 실리콘 산화탄화물(SiOC) 등을 포함할 수 있다.
기판(SUB)의 일부 영역과 하부 패시베이션층(101) 사이에 캐비티(AC)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 캐비티(AC)와 수직 오버랩되는 영역에서 기판(SUB)은 하부 패시베이션층(101)과 접촉하지 않으며 캐비티(AC)와 수직 오버랩되지 않는 영역에서 기판(SUB)은 하부 패시베이션층(101)과 접촉할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 평면에서 볼 때 캐비티(AC)는 원형, 사각형, 삼각형, 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 하부 패시베이션층(101) 상에는 하부 전극(111a), 압전층(111b), 상부 전극(111c), 및 상부 패시베이션층(111d)이 순차적으로 적층된 적층 구조가 배치될 수 있다. 상부 패시베이션층(111d) 상에는 감지막(112)이 배치될 수 있다.
압전층(111b)은 박막 형태로 구현될 수 있으며, 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 수정(Quartz Crystal), PZT(Lead Zirconate Titanate) 또는 그 외의 다양한 종류들의 압전 물질들을 포함할 수 있다. FBAR(111)의 공진 주파수는 압전층(111b)의 두께 및 기타 설계 특성에 의해 결정될 수 있으며, 하부 전극(111a) 및 상부 전극(111c)으로 공진 주파수에 해당하는 RF(Radio Frequency) 전압이 인가되는 경우 FBAR(111)는 하부 전극(111a), 압전층(111b) 및 상부 전극(111c)이 적층된 방향을 따라 공진할 수 있다. 감지막(112)은 타겟(target) 가스를 감지하거나 측정하기 위해 FBAR(111) 상에 코팅(coating)될 수 있다.
도 4는 도 3a의 가스 센서(110)의 공진 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 음향 임피던스를 나타낸다. 이때, 제1 그래프(41)는 감지막(112)에 타겟 가스 분자가 감지되지 않은 경우, 가스 센서(110)의 공진 주파수를 나타내고, 제2 그래프(41)는 감지막(112)에 타겟 가스 분자가 감지된 경우, 가스 센서(110)의 공진 주파수를 나타낸다. 이와 같이, 감지막(112)에 타겟 가스 분자가 감지되면, 가스 센서(110)의 공진 주파수는 변화되고, 이에 따라, 제1 발진기(210)로부터 출력되는 발진 신호, 즉, 제1 센싱 신호(SS1)의 주파수도 변화된다. 따라서, 제1 센싱 신호(SS1)의 주파수를 검출함으로써 타겟 가스를 감지 또는 측정할 수 있다.
다시 도 3a를 참조하면, 감지막(112)에 포함된 물질은, 감지하는 가스의 종류, 즉, 타겟 가스의 종류에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 감지막(112)의 수용체(receptor)는 다양한 종류의 물질들을 포함할 수 있고, FBAR(111)의 공진 주파수는 감지막(112)이 감지하는 가스의 종류 또는 가스의 농도에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 감지막(112)은 폴리머(polymer)로 구현될 수 있다.
도 3b는 도 2의 온도 센서(120)를 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 3b를 참조하면, 온도 센서(120)는 기판(SUB) 및 FBAR(121)를 포함할 수 있고, FBAR(121)sms 하부 전극(121a), 압전층(121b), 상부 전극(121c) 및 상부 패시베이션층(121d)이 차례로 적층된 구조를 포함할 수 있고, 이에 따라, FBAR 온도 센서라고 지칭할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(20a)를 나타내는 평면도이다. 도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(20a)를 나타내는 단면도이다. 도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(20a)를 나타내는 사시도이다. 예를 들어, 가스 감지 장치(20a)는 도 2의 가스 감지 장치(20)의 일 구현 예에 대응할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 가스 감지 장치(20a)는 기판(300), 기판(300) 상에 배치된 구동 회로 칩(200), 구동 회로 칩(200) 상에 배치된 제1 센서 칩(CHIP1)(110a) 및 제2 센서 칩(CHIP2)(120a)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 가스 감지 장치(20a)는 다수의 칩들을 포함하는 패키지로 구현될 수 있고, 이에 따라, 가스 감지 패키지 또는 가스 감지 시스템이라고 지칭할 수도 있다.
기판(300)은 패키지 기판 또는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)(PCB)일 수 있다. 구동 회로 칩(200)은 기판(300) 상에 실장될 수 있고, 본딩 와이어(Bonding Wire)(BW)를 통해 기판(300)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 본딩 와이어(BW)는 구동 회로 칩(200) 상의 본딩 패드(Bonding Pad)(BP)와 기판(300) 상의 본딩 패드(BP)에 연결될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 기판(300) 상에 구동 회로 칩(200) 외의 다른 반도체 칩이 더 배치될 수 있다.
제1 센서 칩(110a)은 예를 들어, 도 2의 가스 센서(110)의 일 구현 예에 대응할 수 있고, 이하에서는 제1 센서 칩(110a)을 "가스 센서 칩"이라고 지칭하기로 한다. 가스 센서 칩(110a)은 구동 회로 칩(200) 상에 배치될 수 있고, 본딩 와이어(BW)를 통해 구동 회로 칩(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 본딩 와이어(BW)는 가스 센서 칩(110a) 상의 본딩 패드(BP)와 구동 회로 칩(200) 상의 본딩 패드(BP)에 연결될 수 있다. 가스 센서 칩(110a)은 외부에 노출된 감지막(112)을 포함할 수 있다.
제2 센서 칩(120a)은 예를 들어, 도 2의 온도 센서(120)의 일 구현 예에 대응할 수 있고, 이하에서는 제2 센서 칩(120a)을 "온도 센서 칩"이라고 지칭하기로 한다. 온도 센서 칩(120a)은 구동 회로 칩(200) 상에 배치될 수 있고, 본딩 와이어(BW)를 통해 구동 회로 칩(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 본딩 와이어(BW)는 온도 센서 칩(120a) 상의 본딩 패드(BP)와 구동 회로 칩(200) 상의 본딩 패드(BP)에 연결될 수 있다.
가스 감지 장치(20a)는 기판(300), 구동 회로 칩(200), 가스 센서 칩(110a) 및 온도 센서 칩(120a)의 상부에 배치된 케이스 부재(400)를 더 포함할 수 있다. 케이스 부재(400)에는 제1 홀(hole)(H1) 및 제2 홀(H2)이 형성될 수 있다. 제1 및 제2 홀들(H1, H2)을 통해 가스 감지 장치(20a) 내로 가스가 유입 또는 배출될 수 있고, 이로써, 가스 센서 칩(110a) 상의 감지막(112)이 타겟 가스를 감지할 수 있다. 케이스 부재(400)는 커버 부재 또는 하우징이라고 지칭할 수도 있다. 예를 들어, 케이스 부재(400)는 스테인리스 스틸(stainless steel) 또는 플라스틱으로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 케이스 부재(400)의 상면은 메쉬 형상으로 구현될 수 있고, 이에 따라, 가스의 유입 또는 배출이 더욱 활발하게 이루어질 수 있다.
도 8a는 도 6의 가스 센서 칩(110a)을 나타내는 단면도이다.
도 8a를 참조하면, 가스 센서 칩(110a)은 기판(SUB) 상에 배치된 FBAR(111), 및 FBAR(111) 상에 코팅된 감지막(112)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 센서 칩(110a)은 몰딩층(molding layer)(113)을 더 포함할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. FBAR(111) 및 감지막(112)은 도 3a에 예시된 실시예와 유사하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 몰딩층(113)은 감지막(112)의 적어도 일부가 노출되도록 기판(SUB), FBAR(111) 및 감지막(112) 상에 형성될 수 있다.
도 8b는 도 6의 온도 센서 칩(120a)을 나타내는 단면도이다.
도 8b를 참조하면, 온도 센서 칩(120a)은 기판(SUB) 상에 배치된 FBAR(121), 밀폐층(encapsulation layer)(123), 및 FBAR(121)와 밀폐층(123) 사이의 에어 캐비티(air cavity)(AC)를 포함할 수 있다. 이때, 하부 전극(121a) 및 상부 전극(121c) 중 적어도 하나는 밀폐층(123)의 상부와 전기적으로 연결될 수 있다. FBAR(121)는 도 3b에 예시된 실시예와 유사하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 밀폐층(123)은 FBAR(121)가 외부에 노출되지 않도록 기판(SUB) 및 FBAR(121)의 상부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 밀폐층(123)은 실리콘 또는 유리로 구현될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 온도 센서 칩(120a)은 밀폐층(123)의 상부에 몰딩층을 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(40)를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 가스 감지 장치(40)는 도 2의 가스 감지 장치(20)의 일 변형 예일 수 있다.
도 9를 참조하면, 가스 감지 장치(40)는 가스 센서(110), 온도 센서(120), 가스 센서(130) 및 구동 회로 칩(200a)을 포함할 수 있고, 구동 회로 칩(200a)은 제1 내지 제3 발진기들(210, 220, 230) 및 보정 회로(270a)를 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(40)는 도 2의 가스 감지 장치(20)에 비해 가스 센서(130) 및 이에 대응하는 제3 발진기(230)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따르면, 가스 감지 장치(40)는 복수의 가스 센서들(110, 130)을 포함할 수 있고, 이에 따라, 다양한 가스들을 감지할 수 있다. 도 2를 참조하여 상술된 내용은 본 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
가스 센서(130)는 FBAR로 구현될 수 있으며, 가스 센서(130)는 FBAR의 구조에 따른 공진 주파수를 가질 수 있다. 이때, 가스 센서(130)는 가스 센서(110)와 실질적으로 유사하게 구현될 수 있다. 이하에서는, 가스 센서(110)를 "제1 가스 센서"로, 가스 센서(130)를 "제2 가스 센서"로 지칭하기로 한다. 제1 가스 센서(110)는 제1 타겟 가스를 감지하기 위한 제1 감지막(예를 들어, 도 12의 112)을 포함할 수 있고, 제2 가스 센서(130)는 제2 타겟 가스를 감지하기 위한 제2 감지막(예를 들어, 도 12의 132)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 감지막과 제2 감지막은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
제1 발진기(210)는 제1 가스 센서(110)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제1 센싱 신호(SS1)를 출력할 수 있다. 제2 발진기(220)는 온도 센서(120)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제2 센싱 신호(SS2)를 출력할 수 있다. 제3 발진기(230)는 제2 가스 센서(130)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제3 센싱 신호(SS3)를 출력할 수 있다.
보정 회로(270a)는 제2 센싱 신호(SS2)를 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써 제1 가스 센싱 신호(GSS)를 생성할 수 있다. 또한, 보정 회로(270a)는 제2 센싱 신호(SS2)를 기초로 제3 센싱 신호(SS3)를 보정함으로써 제2 가스 센싱 신호(GSS2)를 생성할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따르면, 제1 가스 센서(110)및 제2 가스 센서(130)에서 감지된 센싱 결과에서 온도에 의한 영향을 제거할 수 있으므로, 제1 가스 및 제2 가스의 센싱 결과에 대한 정확도가 더욱 향상될 수 있다.
도 9에서는, 보정 회로(270a)가 구동 회로 칩(200a)에 포함되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예들에서, 보정 회로(270a)는 어플리케이션 프로세서 또는 MCU(Micro Controller Unit)에 포함될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 제1 내지 제3 센싱 신호들(SS1 내지 SS3)은 어플리케이션 프로세서 또는 MCU에 제공될 수 있고, 어플리케이션 프로세서 또는 MCU가 제2 센싱 신호(SS2)를 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써 제1 가스 센싱 신호(GSS)를 생성하거나, 제2 센싱 신호(SS2)를 기초로 제3 센싱 신호(SS3)를 보정함으로써 제2 가스 센싱 신호(GSS2)를 생성할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(50)를 나타내는 블록도이다. 예를 들어, 가스 감지 장치(50)는 도 2의 가스 감지 장치(20)의 다른 변형 예일 수 있다.
도 10을 참조하면, 가스 감지 장치(50)는 제1 가스 센서(110), 온도 센서(120), 습도 센서(140) 및 구동 회로 칩(200b)을 포함할 수 있고, 구동 회로 칩(200b)은 제1 및 제2 발진기들(210, 220), 제4 발진기(240) 및 보정 회로(270b)를 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(50)는 도 2의 가스 감지 장치(20)에 비해 습도 센서(140) 및 이에 대응하는 제4 발진기(240)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따르면, 가스 감지 장치(50)는 온도 센서(120) 및 습도 센서(140)를 포함하는 복수의 환경 센서들을 포함할 수 있고, 이에 따라, 가스 감지의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다. 도 2를 참조하여 상술된 내용은 본 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
습도 센서(140)는 주변의 습도를 감지할 수 있고, FBAR로 구현됨으로써 FBAR의 구조에 따른 공진 주파수를 가질 수 있다. 이때, 습도 센서(140)는 제1 가스 센서(110)와 실질적으로 유사하게 구현될 수 있다. 제1 가스 센서(110)는 제1 타겟 가스를 감지하기 위한 제1 감지막(예를 들어, 도 12의 112)을 포함할 수 있고, 습도 센서(140)는 습도를 감지하기 위한 제3 감지막(예를 들어, 도 12의 142)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 감지막과 제3 감지막은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
제1 발진기(210)는 제1 가스 센서(110)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제1 센싱 신호(SS1)를 출력할 수 있다. 제2 발진기(220)는 온도 센서(120)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제2 센싱 신호(SS2)를 출력할 수 있다. 제3 발진기(240)는 습도 센서(140)의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호, 즉, 제4 센싱 신호(SS4)를 출력할 수 있다.
보정 회로(270b)는 제2 센싱 신호(SS2) 및 제4 센싱 신호(SS4)를 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써 제1 가스 센싱 신호(GSSa)를 생성할 수 있다. 제1 가스 센싱 신호(GSSa)의 주파수(fGSSa)는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
fGSSa = fSS1 - (A*fSS2 + B*fSS4 + E)
여기서, fSS1은 제1 센싱 신호(SS1)의 주파수이고, A는 온도 계수이고, fSS2는 제2 센싱 신호(SS2)의 주파수이며,B는 습도 계수이고, fSS4는 제4 센싱 신호(SS4)의 주파수이다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 제1 가스 센서(110)에서 감지된 센싱 결과에서 온도 및 습도에 의한 영향을 제거할 수 있으므로, 제1 가스의 센싱 결과에 대한 정확도가 더욱 향상될 수 있다.
도 10에서는, 보정 회로(270b)가 구동 회로 칩(200b)에 포함되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예들에서, 보정 회로(270b)는 어플리케이션 프로세서 또는 MCU에 포함될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 제1 및 제2 센싱 신호들(SS1, SS2) 및 제4 센싱 신호(SS4)는 어플리케이션 프로세서 또는 MCU에 제공될 수 있고, 어플리케이션 프로세서 또는 MCU가 제2 센싱 신호(SS2) 및 제4 센싱 신호(SS4)를 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써 제1 가스 센싱 신호(GSSa)를 생성할 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 장치(60)를 나타내는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 가스 감지 장치(60)는 제1 가스 센서(110), 온도 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정(drift compensation) 센서(160)를 포함할 수 있다. 여기서, 온도 센서(120), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)는 환경 센서들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 감지 장치(60)는 다수의 가스 센서들 또는 다수의 환경 센서들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 감지 장치(60)는 광 센서를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 감지 장치(60)는 온도 센서(120), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 감지 장치(60)는 제1 및 제2 가스 센서들(110, 130) 중 하나를 포함할 수도 있다.
가스 감지 장치(60)는 제1 가스 센서(110), 온도 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)는 각각 FBAR로 구현될 수 있고, 구동 회로 칩(200c) 상에 배치될 수 있다. 제1 가스 센서(110)는 제1 가스를 감지할 수 있고, 제2 가스 센서(130)는 제2 가스를 감지할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 가스 센서들(110, 130)은 서로 다른 웨이퍼들에 각각 형성될 수 있고, 이에 따라, 개별적인 반도체 다이들 또는 반도체 칩들로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 가스 센서들(110, 130)은 동일한 웨이퍼에 형성될 수 있고, 이에 따라, 단일 반도체 다이 또는 단일 반도체 칩으로 구현될 수 있다.
습도 센서(140)는 주변의 습도를 감지함으로써, 습도 센싱 결과를 출력할 수 있다. 압력 센서(150)는 대기압을 감지함으로써, 대기압 센싱 결과를 출력할 수 있다. 예를 들어, 압력 센서(150)는 기판과 FBAR의 사이에 밀폐형 캐비티를 가질 수 있고, 이로써, 대기압을 감지할 수 있다. 드리프트 보정 센서(160)는 FBAR의 노화(aging)를 감지함으로써, 드리프트 센싱 결과를 출력할 수 있다. 예를 들어, 드리프트 보정 센서(160)는 감지막이 코팅되지 않은 FBAR을 포함할 수 있다. FBAR의 노화에 따라, 센싱 결과에서 베이스라인(baseline)이 이동할 수 있으므로, 드리프트 센싱 결과를 이용하여 가스 센싱 결과에서 FBAR의 노화에 따른 영향을 제거할 수 있다.
구동 회로 칩(200c)은 제1 가스 센서(110), 온도 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)에 각각 대응하는 제1 내지 제6 발진기들(210 내지 260)을 포함할 수 있다. 제1 발진기(210)는 제1 가스 센서(110)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제1 센싱 신호(SS1)를 생성하고, 제2 발진기(220)는 온도 센서(120)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제2 센싱 신호(SS2)를 생성하며, 제3 발진기(230)는 제2 가스 센서(130)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제3 센싱 신호(SS3)를 생성할 수 있다. 또한, 제4 발진기(240)는 습도 센서(140)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제4 센싱 신호(SS4)를 생성하고, 제5 발진기(250)는 압력 센서(150)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제5 센싱 신호(SS5)를 생성하고, 제6 발진기(260)는 드리프트 보정 센서(160)의 공진 주파수 변화에 대응하는 제6 센싱 신호(SS6)를 생성할 수 있다.
또한, 구동 회로 칩(200c)는 보정 회로(270c)를 더 포함할 수 있고, 보정 회로(270c)는 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써, 제1 가스 센싱 신호(GSS1a)를 생성할 수 있다. 제1 가스 센싱 신호(GSS1a)의 주파수(fGSS1a)는 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
fGSS1a = fSS1 - (A*fSS2 - B*fSS4 - C*fSS5 - F*fSS6 - E)
여기서, fSS1은 제1 센싱 신호(SS1)의 주파수이고, C는 압력 계수이고, fSS5는 제5 센싱 신호(SS5)의 주파수이다. 또한, F는 드리프트 계수이고, fSS6는 제6 센싱 신호(SS6)의 주파수이다. 또한, 보정 회로(270c)는 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제2 센싱 신호(SS3)를 보정함으로써, 제2 가스 센싱 신호(GSS2a)를 생성할 수 있다. 이때, 제2 가스 센싱 신호(GSS2a)의 주파수(fGSS2a)는 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
fGSS2a = fSS3 - (A*fSS2 - B*fSS4 - C*fSS5 - F*fSS6 - E)
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 제1 및 제2 가스 센서들(110, 130)에서 감지된 센싱 결과에서 온도, 습도, 대기압 및 드리프트에 의한 영향을 제거할 수 있으므로, 제1 및 제2 가스의 센싱 결과에 대한 정확도가 더욱 향상될 수 있다.
도 11에서는, 보정 회로(270c)가 구동 회로 칩(200c)에 포함되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예들에서, 보정 회로(270c)는 어플리케이션 프로세서 또는 MCU에 포함될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 제1 내지 제6 센싱 신호들(SS1 내지 SS6)은 어플리케이션 프로세서 또는 MCU에 제공될 수 있고, 어플리케이션 프로세서 또는 MCU가 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제1 센싱 신호(SS1)를 보정함으로써 제1 가스 센싱 신호(GSS1a)를 생성하거나, 제1, 제4 내지 제6 센싱 신호들(SS1, SS4, SS5, SS6)을 기초로 제2 센싱 신호(SS3)를 보정함으로써 제2 가스 센싱 신호(GSS2a)를 생성할 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 11의 가스 감지 장치의 일 구현예(60a)를 나타낸다. 도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 12의 XIII-XIII' 선에 따른 단면도이다.
도 12 및 도 13을 함께 참조하면, 가스 감지 장치(60a)는 기판(300), 기판(300) 상에 배치된 구동 회로 칩(200d), 구동 회로 칩(200d) 상에 배치된 제1 센서 칩(CHIP1)(110a), 제2 센서 칩(CHIP2)(120a), 제3 센서 칩(CHIP3)(130a), 제4 센서 칩(CHIP4)(140a), 제5 센서 칩(CHIP5)(150a), 및 제6 센서 칩(CHIP6)(160a)을 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(60a)는 도 5 내지 도 7에 예시된 가스 감지 장치(20a)의 일 변형 예에 대응하며, 도 5 내지 도 7을 참조하여 상술된 내용은 본 실시예에도 적용될 수 있다.
제1 센서 칩(110a), 제2 센서 칩(120a), 제3 센서 칩(130a), 제4 센서 칩(140a), 제5 센서 칩(150a), 및 제6 센서 칩(160a)은 각각 도 11의 제1 가스 센서(110), 온도 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160)의 일 구현 예에 대응할 수 있다. 이하에서는, 제1 센서 칩(110a), 제2 센서 칩(120a), 제3 센서 칩(130a), 제4 센서 칩(140a), 제5 센서 칩(150a), 및 제6 센서 칩(160a)을 각각 온도 센서 칩(110a), 제1 가스 센서 칩(120a), 제2 가스 센서 칩(130a), 습도 센서 칩(140a), 압력 센서 칩(150a), 및 드리프트 보정 센서 칩(160a)이라고 지칭하기로 한다. 구동 회로 칩(200d)은 도 11의 구동 회로 칩(200c)의 일 구현 예에 대응할 수 있다.
온도 센서 칩(110a), 제1 가스 센서 칩(120a), 제2 가스 센서 칩(130a), 습도 센서 칩(140a), 압력 센서 칩(150a), 및 드리프트 보정 센서 칩(160a)은 서로 다른 웨이퍼들에 각각 형성될 수 있고, 이에 따라, 개별적인 반도체 다이들 또는 개별적인 반도체 칩들로 제조될 수 있다. 이때, 온도 센서 칩(110a), 제1 가스 센서 칩(120a), 제2 가스 센서 칩(130a), 습도 센서 칩(140a), 압력 센서 칩(150a), 및 드리프트 보정 센서 칩(160a)은 각각 FBAR를 포함할 수 있고, 이에 따라, "FBAR 센서 칩"이라고 지칭할 수 있다.
온도 센서 칩(120a)은 FBAR가 외부에 노출되지 않도록 밀폐된 구조를 가질 수 있고, 이에 따라, 밀폐층을 포함할 수 있다. 온도 센서 칩(120a)은 도 7b와 실질적으로 유사하게 구현될 수 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 제1 가스 센서 칩(110a)은 FBAR 상에 코팅된 제1 감지막(112)을 포함할 수 있고, 제1 감지막(112)은 외부에 노출됨으로써 제1 가스를 감지할 수 있다. 제2 가스 센서 칩(130a)은 FBAR 상에 코팅된 제2 감지막(132)을 포함할 수 있고, 제2 감지막(132)은 외부에 노출됨으로써 제2 가스를 감지할 수 있다.
습도 센서 칩(140a)은 FBAR 상에 코팅된 제3 감지막(142)을 포함할 수 있고, 제3 감지막(142)은 외부에 노출됨으로써 습도를 감지할 수 있다. 압력 센서 칩(150a)은 FBAR 상에 코팅된 제4 감지막(152) 및 FBAR 하부의 밀폐형 캐비티를 포함함으로써 대기압을 감지할 수 있다. 드리프트 보정 센서 칩(160a)은 FBAR의 노화(aging)에 따른 주파수 변화량을 보정하기 위하여, 감지막을 포함하지 않도록 구현될 수 있다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 11의 가스 감지 장치의 다른 구현예(70)를 나타낸다. 도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라, 도 14의 XV-XV' 선에 따른 단면도이다.
도 14 및 도 15를 함께 참조하면, 가스 감지 장치(70)는 기판(300), 기판(300) 상에 배치된 구동 회로 칩(200e), 구동 회로 칩(200e) 상에 배치된 센서 칩(CHIP1)(170), 온도 센서 칩(CHIP2)(120a), 및 드리프트 센서 칩(CHIP6)(160a)을 포함할 수 있다. 센서 칩(170)은 제1 가스 센서(110b), 제2 가스 센서(130b), 습도 센서(140b) 및 압력 센서(150b)를 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(70)는 도 5 내지 도 7에 예시된 가스 감지 장치(20a)의 다른 변형 예에 대응하며, 도 5 내지 도 7을 참조하여 상술된 내용은 본 실시예에도 적용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상부에 감지막이 코팅된 FBAR 센서들은 단일 센서 칩으로 구현될 수 있다. 제1 가스 센서(110b)는 제1 감지막(112)을 포함할 수 있고, 제2 가스 센서(130b)는 제2 감지막(132)을 포함할 수 있고, 습도 센서(140b)는 제3 감지막(142)을 포함할 수 있고, 압력 센서(150b)는 제4 감지막(152)을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 가스 센서들(110b, 130b), 습도 센서(140b) 및 압력 센서(150b)는 동일한 웨이퍼에 형성됨으로써, 센서 칩(170)으로 구현될 수 있다. 이때, 감지막을 포함하지 않는 온도 센서 칩(120a) 및 드리프트 센서 칩(160a)은 개별 센서 칩들로 구현될 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 가스 센서(110b), 제2 가스 센서(130b), 습도 센서(140b) 및 압력 센서(150b) 중 적어도 하나는 개별 다이 또는 칩으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 센서(110b), 제2 가스 센서(130b) 및 습도 센서(140b)는 하나의 칩으로 구현되고, 압력 센서(150b)는 다른 칩으로 구현될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 가스 센서들(110b, 130b)은 제1 웨이퍼에 형성됨으로써 하나의 칩으로 구현되고, 습도 센서(140b) 및 압력 센서(150b)는 제2 웨이퍼에 형성됨으로써 다른 칩으로 구현될 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 센서 칩(170)은 다양한 가스 센서들 및 환경 센서들을 더 포함할 수도 있다.
도 16은 본 개시의 실시예들에 따라 가스 감지 장치에서 환경 센서의 센싱 측정 결과와 센싱 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 주파수를 나타낸다. 제1 그래프(81)와 제2 그래프(82)는 모두 타겟 가스가 감지되지 않은 상황에서 시간에 따라 주파수 변화를 나타낸다. 제1 그래프(81)는 타겟 가스가 감지되지 않은 상황에서 환경 센서의 센싱 측정 결과를 나타내며, 예를 들어, 도 1의 환경 센서(ES)의 제2 센싱 결과(OUT2)에 대응할 수 있다(즉, fOUT2). 한편, 제2 그래프(82)는 타겟 가스가 감지되지 않은 상황에서 환경 센서의 센싱 계산 결과를 나타낸다
일 실시예에서, 환경 센서가 온도 센서, 습도 센서, 압력 센서, 조도 센서를 포함하는 경우, 환경 센서의 센싱 측정 결과는 제1 그래프(81)에 대응하고, 환경 센서의 센싱 계산 결과는 아래의 수학식 8와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
f(환경_계산) = A*fT + B*fH + C*fP + D*fU + E
여기서, f(환경_계산)은 제2 그래프(82)에 대응하고, A는 온도 계수, B는 습도 계수, C는 압력 계수, D는 조도 계수, E는 상수이다. 또한, fT는 온도 센서(예를 들어, 도 11의 12)의 출력이고, fH는 습도 센서(예를 들어, 도 11의 140)의 출력이며, fP는 압력 센서(예를 들어, 도 11의 150)의 출력이고, fU는 조도 센서의 출력이다. 복수 번의 센싱을 통해 온도 계수(A), 습도 계수(B), 압력 계수(C), 조도 계수(D) 및 상수(E)를 산출할 수 있다. 이와 같이, 환경 측정 결과(81)와 환경 계산 결과(82)는 시간에 따라 상당히 유사한 주파수를 가질 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 일부 실시예들에서, 환경 센서의 보정은 선형 관계 또는 비선형 관계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 환경 센서가 온도 센서, 습도 센서, 압력 센서, 조도 센서를 포함하는 경우, 환경 센서의 센싱 결과는 각 센서의 센싱 결과를 비선형적으로 반영할 수 있다. f(환경)은 다양한 환경 센서의 출력에 기초한 다양한 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, f(환경)은 다양한 환경 센서의 출력에 기초한 머신 러닝(machine learning)을 이용한 알고리즘으로 구현될 수도 있다.
제1 및 제2 그래프들(81, 82)에 따르면, 타겟 가스가 감지되지 않은 상황에서 가스 센서의 센싱 결과와 환경 센서의 센싱 결과가 실질적으로 유사한 것을 알 수 있다. 따라서, 환경 센서의 센싱 결과를 이용하여 가스 센서의 센싱 결과를 보정함으로써 가스 센싱 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 17a는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 일 예(500)를 나타낸다.
도 17a를 참조하면, 전자 장치(500)는 멀티 센서 어레이(510), 발진기 칩(520) 및 어플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)(530)를 포함할 수 있다. 멀티 센서 어레이(510)는 복수의 FBAR 센서들을 포함할 수 있고, 복수의 FBAR 센서들은 개별적인 센서 칩들 또는 다이들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 멀티 센서 어레이(510)는 도 11의 제1 가스 센서(110), 온도 센서(120), 제2 가스 센서(130), 습도 센서(140), 압력 센서(150) 및 드리프트 보정 센서(160) 중 적어도 두 개를 포함할 수 있다.
발진기 칩(520)은 발진기(521) 및 보정 회로(522)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발진기(521)는 멀티 센서 어레이(510)에 포함된 FBAR 센서들의 개수에 대응하는 복수의 발진기들을 포함할 수 있고, 복수의 발진기들은 대응하는 FBAR 센서들의 공진 주파수에 상응하는 주파수를 갖는 발진 신호들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 발진기(521)는 도 11의 제1 내지 제6 발진기들(210 내지 260)을 포함할 수 있다. 보정 회로(522)는 가스 센싱 결과에서 환경 센싱 결과를 보정할 수 있다. 이에 따라, 발진기 칩(520)은 환경 인자가 보정된 센서 신호(FOSC)를 출력할 수 있다. 일 예로서, 발진기 칩(520)로부터의 센서 신호(FOSC)는 어플리케이션 프로세서(530)로 제공될 수 있다.
도 17b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 다른 예(500a)를 나타낸다.
도 17b를 참조하면, 전자 장치(500a)는 멀티 센서 어레이(510) 및 어플리케이션 프로세서(530a)를 포함할 수 있다. 전자 장치(500a)는 도 17a의 전자 장치(500)의 변형 예에 대응할 수 있고, 중복된 설명은 생략하기로 한다. 발진기(520a)에 구비되는 각종 회로들(예컨대, 발진 회로 및 보정 회로)은 어플리케이션 프로세서(530a) 내부에 구현될 수 있으며, 발진기(520a)는 멀티 센서 어레이(510)에 연결되어 발진 신호(FOSC)를 출력할 수 있다.
도 17c는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 다른 예(500b)를 나타낸다.
도 17c를 참조하면, 전자 장치(500c)는 멀티 센서 어레이(510) 및 어플리케이션 프로세서(530b)를 포함할 수 있다. 전자 장치(500c)는 도 17a의 전자 장치(500)의 변형 예에 대응할 수 있고, 중복된 설명은 생략하기로 한다. 어플리케이션 프로세서(530b)는 멀티 센서 어레이(510)로부터 각종 센싱 신호들을 수신할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(530b)는 보정 모듈(531)을 포함할 수 있고, 보정 모듈(531)은 수신한 각종 센싱 신호들을 기초로 가스 센싱 결과를 보정함으로써 가스 센싱 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 보정 모듈(531)은 소프트웨어로 구현될 수 있고, 메모리에 로딩될 수 있다. 예를 들어, 보정 모듈(531)은 하드웨어로 구현될 수도 있다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 가스 감지 시스템(600)을 나타내는 블록도이다.
도 18을 참조하면, 가스 감지 시스템(600)은 가스 감지 장치(610) 및 어플리케이션 프로세서(620)를 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(610)는 멀티 센서 어레이(611), 하나 이상의 발진기들을 포함하는 발진기 블록(OSC BLOCK)(612) 및 발진기들에서 생성되는 발진 신호들에 대한 카운팅 동작에 기반하여 가스 감지 결과(Result_sen)를 생성하는 주파수 카운팅 로직(613)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 감지 장치(610)는 노이즈 리덕션(noise reduction) 회로 등을 더 포함할 수도 있다.
멀티 센서 어레이(611)은 다양한 종류의 센서들을 포함할 수 있다. 전술한 실시예에 따라, 멀티 센서 어레이(611)은 하나 이상의 종류의 가스들을 감지하기 위한 FBAR 가스 센서들 및 환경 인자를 보정하기 위한 적어도 하나의 FBAR 환경 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 멀티 센서 어레이(611)은 다른 다양한 종류의 공진기들을 포함하여도 무방하며, 일 예로서 멀티 센서 어레이(611)은 벌크 음향파 공진기(bulk acoustic wave resonator, BAW), 표면 음향파 공진기(surface acoustic wave resonator, SAW) 및 고정 실장형 공진기(solidly mounted resonator, SMR) 등 다양한 종류의 공진기들을 포함하여도 무방하다.
발진기 블록(612)은 복수의 발진기들을 포함할 수 있고, 복수의 발진기들은 멀티 센서 어레이(611)에 포함된 센서들에 각각 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 보정 회로(예를 들어, 도 2의 270)는 발진기 블록(612)에 포함될 수 있다. 보정 회로는 FBAR 환경 센서의 센싱 결과를 기초로 FBAR 가스 센서의 센싱 결과를 보정함으로써 가스 센싱 신호, 즉 보정된 발진 신호를 생성할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 일부 실시예들에서, 보정 회로는 주파수 카운팅 로직(613)에 포함될 수도 있다.
주파수 카운팅 로직(613)은 발진기 블록(612)으로부터의 다수의 발진 신호들 또는 보정된 발진 신호들에 대한 카운팅 동작에 기반하여 가스 감지 결과(Result_sen)를 생성할 수 있다. 일 실시예에 따라, 주파수 카운팅 로직(613)은 레퍼런스 신호(REF)를 이용하여 다수의 발진 신호들 또는 보정된 발진 신호들에 대한 카운팅 동작을 수행할 수 있다. 카운팅 결과는 전술한 가스 감지 결과(Result_sen)로서 출력될 수 있으며, 예컨대, 상기 가스 감지 결과(Result_sen)는 소정 개수의 비트들을 갖는 디지털 코드(N-bit Output)에 해당할 수 있다.
디지털 코드(N-bit Output)를 갖는 가스 감지 결과(Result_sen)는 외부의 장치에서 이용될 수 있다. 예컨대, 가스 감지 장치(610)가 스마트 폰 등의 모바일 장치에 채용되는 경우 어플리케이션 프로세서(620)가 모바일 장치 내에 구비되어 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있으며, 가스 감지 장치(610)로부터의 가스 감지 결과(Result_sen)는 어플리케이션 프로세서(620)로 제공될 수 있다. 어플리케이션 프로세서(620)는 가스 감지 결과(Result_sen)를 이용한 연산을 수행함으로써 감지된 가스들의 농도를 산출할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(620)는 가스 감지 결과(Result_sen)를 처리함으로써 가스 감지에 관련된 각종 화면을 디스플레이에 출력하는 등의 각종 동작들을 수행할 수 있다.
변형 가능한 실시예로서, 가스 감지 장치(610) 내에서 디지털 코드(N-bit Output)를 이용한 추가의 처리가 수행될 수도 있다. 예컨대, 전술한 가스들의 농도의 산출 동작 등 다양한 동작들이 가스 감지 장치(610) 내에서 수행되어도 무방할 것이다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 가스 감지 시스템의 가스 감지 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 19를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 감지 방법은 예를 들어, 도 18의 가스 감지 시스템(600)에서 시계열적으로 수행되는 단계들을 포함할 수 있다. 이하에서는 도 18 및 도 19를 함께 참조하여 가스 감지 방법에 대해 설명하기로 한다.
가스 감지 시스템(600)은 다수의 FBAR 센서들을 포함할 수 있고, FBAR 센서들은 각각 고유한 공진 주파수를 가질 수 있다. 다수의 FBAR 센서들은 적어도 하나의 가스 센서 및 적어도 하나의 환경 센서를 포함할 수 있다. 가스 감지 시스템(600)은 다수의 FBAR 센서들에 각각 대응하는 다수의 발진기들을 더 포함할 수 있다. 가스 감지 시스템(600)은 가스 센서로부터 제1 센싱 결과를 수신하고, 환경 센서로부터 제2 센싱 결과를 수신한다(S110). 다수의 FBAR 센서들에 구비되는 폴리머들의 특성에 따라, 발진기들은 서로 다른 종류의 가스들을 감지한 결과를 나타내는 발진 신호들을 생성할 수 있다. 가스 감지 시스템(600)은 제2 센싱 결과를 기초로 제1 센싱 결과를 보정함으로써, 가스 센싱 신호를 생성한다(S130).
가스 감지 시스템(600)은 가스 센싱 신호와 레퍼런스 신호(REF)를 연산한다(S150). 일 실시예에서, 레퍼런스 신호(REF)는 각 센서의 초기 주파수 값일 수 있고, 다수의 발진기들로부터 생성된 다수의 발진 신호들 각각에 대해 또는 보정된 발진 신호, 즉, 가스 센싱 신호에 대해 각 센서의 초기 주파수 값을 이용한 연산 동작이 수행될 수 있다. 각 센서의 초기 주파수 값과 가스 센싱 신호를 이용한 다양한 연산 동작이 수행될 수 있으며, 예를 들어, 각 센서의 초기 주파수 값과 가스 센싱 신호에 대한 AND/OR 연산이 수행되고, AND/OR 연산 결과로서 출력되는 신호(예컨대, 카운터 입력)를 카운팅하기 위한 카운팅 연산이 수행될 수 있다.
가스 감지 시스템(600)은 연산 결과에 따라 가스 감지 결과를 나타내는 디지털 코드(Result_sen)를 생성한다(S170). 디지털 코드(Result_sen)는 레퍼런스 신호(REF) 대비 발진 신호 또는 가스 센싱 신호의 주파수의 비에 관련된 값이 포함될 수 있으며, 가스 감지 시스템(600)은 디지털 코드(Result_sen)에 해당하는 가스 감지 결과를 출력할 수 있다.
가스 감지 시스템(600)은 디지털 코드(Result_sen)를 이용한 처리 동작을 수행하여 감지된 가스의 농도를 측정한다(S190). 가스 감지 시스템(600)으로부터의 가스 감지 결과는 다양한 방식에 따라 이용될 수 있으며, 일 실시예에 따라 가스 감지 결과는 가스 감지 시스템(600)이 채용된 디바이스 내의 어플리케이션 프로세서 등의 반도체 칩으로 제공될 수 있다. 어플리케이션 프로세서는 디지털 코드(Result_sen)를 이용한 처리 동작을 수행함으로써 가스 감지와 관련된 다양한 기능을 수행할 수 있으며, 일 실시예에 따라 감지된 가스의 농도가 측정될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (20)
- 가스 감지 시스템으로서,
기판 상에 배치된 구동 회로 칩;
제1 공진기, 및 상기 제1 공진기 상에서 상기 가스 감지 시스템의 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 가스 센싱 결과를 생성하는 가스 센서 칩;
제2 공진기, 상기 제2 공진기가 상기 가스 감지 시스템의 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층, 및 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이의 에어 캐비티(air cavity)를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 온도를 감지함으로써 온도 센싱 결과를 생성하는 온도 센서 칩; 및
제3 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 습도를 감지함으로써 습도 센싱 결과를 생성하는 습도 센서 칩을 포함하고,
상기 가스 감지 시스템은, 상기 가스 센싱 결과의 제1 주파수와, 상기 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센싱 결과 중 적어도 하나의 제2 주파수 사이의 주파수 변화량을 판단하고, 상기 주파수 변화량을 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 가스 감지 신호를 생성하도록 구성되고,
상기 밀폐층은 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이에 상기 에어 캐비티가 있도록 상기 제2 공진기를 밀폐하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 구동 회로 칩은, 상기 주파수 변화량을 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된 보정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 보정 회로는, 상기 가스 센싱 결과의 상기 제1 주파수의 변화량에서, 상기 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센싱 결과 중 적어도 하나의 상기 제2 주파수의 변화량을 감산함으로써 상기 주파수 변화량을 판단하고, 상기 주파수 변화량을 기초로 상기 가스 감지 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가스 센서 칩으로부터 제1 센싱 신호를 수신하고, 상기 온도 센서 칩으로부터 제2 센싱 신호를 수신하며, 상기 습도 센서 칩으로부터 제3 센싱 신호를 수신하는 어플리케이션 프로세서를 더 포함하고,
상기 어플리케이션 프로세서는, 상기 제2 센싱 신호 및 상기 제3 센싱 신호 중 적어도 하나를 기초로 상기 제3 센싱 신호를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가스 센서 칩으로부터 제1 센싱 신호를 수신하고, 상기 온도 센서 칩으로부터 제2 센싱 신호를 수신하며, 상기 습도 센서 칩으로부터 제3 센싱 신호를 수신하는 클라우드 서버를 더 포함하고,
상기 클라우드 서버는, 상기 제2 센싱 신호 및 상기 제3 센싱 신호 중 적어도 하나를 기초로 상기 제3 센싱 신호를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 공진기들은 각각 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 가스 감지 시스템으로서,
기판 상에 배치된 구동 회로 칩;
제1 공진기, 및 상기 제1 공진기 상에서 상기 가스 감지 시스템의 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하여 가스 센싱 결과를 생성하는 제1 감지막을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 가스 센서 칩;
제2 공진기, 상기 제2 공진기가 상기 가스 감지 시스템의 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층, 및 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이의 에어 캐비티(air cavity)를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 온도를 감지함으로써 온도 센싱 결과를 생성하는 온도 센서 칩; 및
제3 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 습도를 감지함으로써 습도 센싱 결과를 생성하는 습도 센서 칩을 포함하고,
상기 가스 감지 시스템은, 상기 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센싱 결과 중 적어도 하나를 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써 가스 감지 신호를 생성하고,
상기 밀폐층은 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이에 상기 에어 캐비티가 있도록 상기 제2 공진기를 밀폐하며,
상기 제2 공진기는, 하부 전극, 상기 하부 전극 상의 압전층, 및 상기 압전층 상의 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 제1항에 있어서,
제4 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 기압 센서 칩; 및
제5 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 광 센서 칩 중 적어도 하나를 더 포함하고,
상기 구동 회로 칩은, 상기 기압 센서 칩의 기압 센싱 결과 및 상기 광 센서 칩의 광 센싱 결과 중 적어도 하나를 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 제1항에 있어서,
제6 공진기를 포함하고, 상기 제6 공진기의 노화(aging)에 따른 환경 인자를 보정하기 위하여 상기 구동 회로 칩 상에 배치된 드리프트 보정 센서 칩을 더 포함하고,
상기 구동 회로 칩은, 상기 드리프트 보정 센서 칩의 센싱 결과를 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 감지 시스템. - 가스 감지 장치로서,
제1 공진기, 및 상기 제1 공진기 상에서 상기 가스 감지 장치의 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 제1 센싱 결과를 생성하는 제1 센서 칩;
제2 공진기, 상기 제2 공진기가 상기 가스 감지 장치의 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층, 및 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이의 에어 캐비티(air cavity)를 포함하고, 제2 센싱 결과를 생성하는 제2 센서 칩;
제3 공진기, 및 상기 제3 공진기 상에서 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제2 가스를 감지하는 제2 감지막을 포함하고, 제3 센싱 결과를 생성하는 제3 센서 칩; 및
상기 제2 센싱 결과를 기초로 상기 제1 센싱 결과를 보정함으로써, 제1 가스 감지 신호를 생성하고, 상기 제2 센싱 결과를 기초로 상기 제3 센싱 결과를 보정함으로써 제2 가스 감지 신호를 생성하는 구동 회로 칩을 포함하고,
상기 구동 회로 칩은, 상기 제1 센싱 결과에 의한 제1 주파수 변화량에서 상기 제2 센싱 결과에 의한 제2 주파수 변화량을 감산함으로써 주파수 변화량을 판단하고, 상기 주파수 변화량을 기초로 상기 제1 가스 센싱 신호를 생성하며,
상기 밀폐층은 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이에 상기 에어 캐비티가 있도록 상기 제2 공진기를 밀폐하고,
상기 구동 회로 칩은 기판 상에 배치되고, 상기 제1 센서 칩, 상기 제2 센서 칩, 및 제3 센서 칩은 상기 구동 회로 칩 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치. - 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 공진기들은 각각 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치. - 제11항에 있어서,
상기 제2 센서 칩은, 온도에 따라 상기 제2 센싱 결과를 출력하는 온도 센서 칩인 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치. - 제11항에 있어서,
상기 제2 공진기는, 하부 전극, 상기 하부 전극 상의 압전층, 및 상기 압전층 상의 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치. - 제11항에 있어서,
상기 구동 회로 칩은, 상기 제1 센싱 결과에 따른 상기 제1 주파수 변화량에서 상기 제2 센싱 결과에 따른 상기 제2 주파수 변화량을 감산함으로써 상기 주파수 변화량을 생성하고, 상기 주파수 변화량을 기초로 상기 제1 가스 감지 신호를 생성하는 보정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치. - 삭제
- 전자 장치로서,
가스 감지 장치; 및
상기 가스 감지 장치에 전기적으로 연결된 어플리케이션 프로세서를 포함하고,
상기 가스 감지 장치는,
기판 상에 배치된 구동 회로 칩;
제1 공진기, 및 상기 제1 공진기 상에서 상기 가스 감지 장치의 외부에 노출되도록 배치됨으로써 제1 가스를 감지하는 제1 감지막을 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 가스 센싱 결과를 생성하는 가스 센서 칩;
제2 공진기, 상기 제2 공진기가 상기 가스 감지 시스템의 외부에 노출되지 않도록 상기 제2 공진기의 상부에 배치된 밀폐층, 및 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이의 에어 캐비티(air cavity)를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 온도를 감지함으로써 온도 센싱 결과를 생성하는 온도 센서 칩; 및
제3 공진기를 포함하고, 상기 구동 회로 칩 상에 배치되어 습도를 감지함으로써 습도 센싱 결과를 생성하는 습도 센서 칩을 포함하고,
상기 전자 장치는, 상기 가스 센싱 결과의 제1 주파수와, 상기 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센싱 결과 중 적어도 하나의 제2 주파수 사이의 주파수 변화량을 판단하고, 상기 주파수 변화량을 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 가스 감지 신호를 생성하도록 구성되고,
상기 밀폐층은 상기 제2 공진기와 상기 밀폐층 사이에 상기 에어 캐비티가 있도록 상기 제2 공진기를 밀폐하는 것을 특징으로 하는 전자 장치. - 제18항에 있어서,
상기 구동 회로 칩은, 상기 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센싱 결과 중 적어도 하나를 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 장치. - 제18항에 있어서,
상기 어플리케이션 프로세서는, 상기 온도 센싱 결과 및 상기 습도 센싱 결과 중 적어도 하나를 기초로 상기 가스 센싱 결과를 보정함으로써, 상기 가스 감지 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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