KR20030086228A - 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 축전형 압력 센서는, 상부에 형성된 전극을 갖는 유리 플레이트를 구비하여 구성된다. 격막이 반도체 물질로 형성되고, 전극의 적어도 일부를 포함하는 밀봉된 공동을 정의하기 위하여 유리 기판에 접착됨에 따라 결정될 압력을 나타내는 캐패시턴스를 결정하기 위하여 전기 신호가 통과될 수 있는 축전 요소(capacitive element)를 정의한다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}

압력 센서는 의료 기구, 엔진 제어와 타이어 압력 측정과 같은 자동차 산업, 산업 공정 제어 및 항공 전자 산업 등의 중요한 분야를 포함한 크고 점점 더 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 실리콘 기반의 압력 센서에서 가장 일반적으로 사용되는 변환 원리는 축전형(capacitive) 감지 및 압전저항형(piezoresistive) 감지이다.

압전저항형 센서는 일반적으로 축전형 센서보다 더 안정적이라고 생각된다. 압전저항형 센서의 또 다른 장점은 우수한 선형성(linearity)을 갖고 입력에 비례하는 출력 신호를 제공한다는 것이다. 반면에, 축전형 센서는 압전저항형 센서에 비해 작은 전력을 소비한다는 점에서 장점을 갖는다. 그러나 축전형 센서는 비선형의 직접적인 출력 신호를 갖고 전자파 장애에 더 민감하다. 축전형 실리콘 센서는 크기를 작게할 수 있고, 표면 마이크로머시닝(surface micromachining)에 의해서 용이하게 제조할 수 있다. 그러나, 축전형 실리콘 센서는 그다지 안정적이지 못하고, 대부분의 응용에 있어서 축전형 실리콘 센서의 압력에 민감한 격막(diaphragm)이 겔(gel) 또는 다른 유연성있는 물질에 의해 압력 매체로부터 보호되어야 한다.이것은 격막의 상부에 부가된 덩어리(mass)에 의한 진동 감도의 증가를 초래한다. 실리콘 압력 센서 및 관성 센서(inertial sensor)의 고도하며 충분히 검증된 제조 방법은 유럽특허공보 EP-A-742581 및 EP-A-994330 에 개시되어 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 상기한 문제점을 극복할 수 있는, 압력 측정을 위한 축전형 실리콘 센서 배열(arrangement)을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 축전형 절대 압력(absolute pressure) 센서의 제1실시예의 단면도,

도 2는 도 1에 도시된 압력 센서의 상부 평면도로서, 도 1에 의한 단면도는 A-A 선에 따른 도면,

도 3은 도 1의 압력 센서의 단면도로서, 더 향상된 기계적 안정성을 위한 제2유리층과, 제1유리층을 통과하는 압력 도입부(inlet port)를 구비하는 것을 나타낸 도면,

도 4는 도 3의 일예로서, 압력에 노출되었을 때 격막이 더 활발한 피스톤 운동을 할 수 있도록, 격막에 돌기된 중앙 섹션을 갖춘 것을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 축전형 압력 센서의 제2실시예의 단면도로서, 압력 센서의 유리층에 전기적 상호연결부(interconnection)를 갖춘 것을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 높은 정확도를 위한 예에서 사용될 수 있는, 2개의 정합(matched) 캐패시터를 사용한 축전형 측정 브리지(bridge)를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 따른 2개의 정합 캐패시터를 갖는 칩의 단면도로서, 첫번째 캐패시터는 압력 도입부(inlet)를 구비하고, 두번째 캐패시터는 밀봉되고 정합된 기준(matched reference)으로 사용되는 것을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 따른 차동측정장치를 나타낸 도면,

도 9a 내지 도 9g는 도 4에 도시된 센서를 제조하기 위해 사용될 수 있는 공정 시퀀스이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상부에 형성된 전극을 갖는 유리 플레이트와; 반도체 물질로 형성되고, 상기 전극의 적어도 일부분을 포함하는 밀봉된 공동(cavity)을 정의하기 위하여 상기 유리 기판에 접착됨에 따라 결정될 압력을 나타내는 캐패시턴스를 결정하기 위하여 전기 신호가 통과될 수 있는 축전 요소(capacitive element)를 정의하는 격막을 구비하여 구성된 축전형 압력 센서를 제공한다.

상기 센서는 캐패시터의 이동성 전극(movable electrode)으로서 기능하는 압력에 민감한 격막과, 상기 캐패시터의 갭으로서 기능하고 바람직하게는 양극 접착에 의해 밀봉된 온칩(on-chip) 진공 기준 공간(vacuum reference volume) 및, 유리 상에 있는 상기 캐패시터의 반대편 전극을 갖는다. 이들은 유리 상의 금속 상호연결부(interconnect)와, 유리 상의 금속과 실리콘 부분 상의 금속 사이에 위치한 프레스 콘택트(press contact) 및, 밀폐되어 밀봉된 공동을 밀봉된 영역 외부의 금속상호연결부 및 배선 접착 영역으로 가로질러 연결하기 위한 실리콘 기판에 매립된 도전체(conductor)로 구성된 도전 시스템(conduction system)에 의해 밀봉된 공동의 외부에 연결된다.

더 높은 측정 정확도가 압력에 민감한 캐패시터로써 동일한 칩 상에 제2 매칭 캐패시터(matching capacitor)를 결합하고, 두 캐패시턴스 값의 상대적 차이를 측정함으로써 달성될 수 있다. 높은 정확도는 두 캐패시터들에 대한 패키징 스트레스(packaging stress)의 효과가 거의 동일함에 기인해서, 두 캐패시턴스 값의 온도 및 시간에 대한 영점의 양호한 매칭과 트래킹(tracking)에 의해서 얻어진다.

본 발명은 마이크로시스템(microsystem) 기술(MST) 및 미세전기기계 시스템(MEMS)에 널리 알려진 건식 식각과, 이방성(anisotropic)의 선택적 식각, 유리의 박막 도금(thin-film metallization) 및, 양극 접착(anodic bonding) 등의 모뎀(modem) 실리콘 벌크(bulk) 마이크로머시닝 공정과 결합된 실리콘 플래너(planar) 공정을 이용함으로써 제조할 수 있다.

(실시예)

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 센싱 장치가 도 1 및 도 2에 도시된다.

상기 센서는 단단한 지지용 테(101;support rim)를 갖는 기판(100) 상에 형성된 실리콘 부(10)와, 제1 도전형의 테(101)의 일부분인 표면층 및, 얇고 유연성이 있는 격막(103)을 갖는다.

실리콘 기판(10)은 제1 도전형의 에피택셜층(102) 하부에 매립된 제2 도전형의 도핑된 도전체(conductor)(106) 및, 금속 상호연결부(108, 109)를 구비하는 전기적 도전 시스템을 포함한다. 매립된 도전체(106)와 금속 상호연결부(108, 109)는 제2 도전형의 플러그 확산 영역(105a, 105b;plug diffusion)을 매개로, 그리고 표면 패시베이션(passivation)층(111)에 형성된 접촉 구멍(contact hole)을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 홈이 격막을 지나 연장되는 영역의 실리콘부에 식각된다.

제1유리부(120)는 그 표면에 금속 상호연결부에 의해 형성되고, 실리콘 격막(103)과 대향하는 플레이트 전극을 형성하는 박막 표면 도전 시스템(121)을 갖는다. 제1유리부(120)는 실리콘부(10)에 양극 접착됨으로써 완전히 밀봉된 링(130;ring)을 형성한다. 실리콘부에 식각된 홈은 축척화된(scaled) 진공 기준 공간(115)을 형성한다.

기판(10)과 제1유리부(120)는 제1유리부(120) 상에 제1전극으로서 기능하는 금속층(121)과 함께 축전형 센싱 장치를 형성한다. 이러한 전극은 밀봉된 영역(130) 하부의 전극(121), 상호연결부(108)와, 매립된 도전체(106) 사이에 형성된 프레스 콘택트을 매개로 밀봉된 공동(cavity)의 외부에 위치한 배선 접착 패드(109)와 전기적으로 연결된다. 밀봉된 공동(115)은 캐패시터 내에서 전기적 절연 갭(isolation gap)으로서 기능한다. 유연성 있는 격막(103)은 가변 캐패시터의 제2전극이 되고, 표면층(101)을 통해 밀봉된 공동 외부에 있는 배선 접착 패드(112)(도 1에는 도시되지 않았음)에 전기적으로 연결된다.

이러한 센싱 기능은 압력이 격막(103)을 반대편 전극(121) 방향으로 누르도록 작용할 때, 캐패시터 내의 갭(115)이 작아져 캐패시턴스가 증가하는 것에 의해 제공된다.

바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 구멍(126)을 갖는 제2유리 기판(125)이 밀봉부(127)와 함께 실리콘 기판에 접착된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 센싱 장치는 실리콘 격막의 중앙 부분을 강화하기 위한 중앙 돌기 구조(104)를 갖도록 변형될 수 있다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이, 센싱 장치는 유리부(120) 상의 배선 접착 패드(129)와, 유리부 상의 상호연결부와 실리콘부 사이의 부가적인 프레스 콘택트(123)를 갖도록 변형될 수 있다.

상기 예들에서는 하나의 캐패시터를 갖는 압력 센서들이 개시되었다. 낮은 장기 표류(long term drift)와 함께 높은 전체 측정 정확도가 요구되는 응용을 위해 상기 장치들이 변형될 수 있다.

2개의 캐패시터가 구비된 센싱 장치가 도 7에 개시된다. 이러한 센싱 장치에 있어서, 하나의 캐패시터가 상기에서 설명한 바와 같이 압력에 민감한 캐패시터로 제조된다. 그리고, 다른 캐패시터가 압력 도입부를 갖고 있지 않기 때문에 압력에 민감하지 않다는 점을 제외하고는 전자의 캐패시터와 동일하다. 결과적으로 격막(233)에는 어떠한 압력 차이도 감지되지 않는다. 2개의 캐패시터는 압력이 인가되지 않을 때 캐패시턴스 값의 최선의 매치(match)를 달성하기 위하여 동일하다.

도 8에 도시된 바와 같이, 센싱 장치는 2개의 도입부(326,336) 및, 공통의 진공 기준 공간(315,335)을 갖는 차동(differential) 압력 센서로서 만들어질 수있다.

도 9a 내지 도 9g는 (도 4에 도시된) 본 발명에 따른 장치의 제조 공정의 시퀀스를 도시하고 있다. 시퀀스의 간단성은 복잡하지 않고, 결과적으로 저비용의 제조 공정이 될 수 있게 한다는 것을 알 수 있다.

본 예에 있어서, 제조 공정은 <1-0-0> 의 방위를 갖는 p형 실리콘기판(100)으로 시작한다(도 9a 참조). 도 9b를 참조하면, 기판에 n영역(101, 104)을 형성하기 위해 표준 리소그래피(lithography) 방법과, 이온 주입 및, 인(P)과 같은 n형 도핑의 고온 확산이 사용된다. 다음 단계는 붕소(B)의 주입과 드라이브 인(drive-in) 확산에 의한 p형 영역(106)을 형성하는 것이다. 도 9c를 참조하면, n형 에피택셜층(102)이 매립된 p형 영역(106)을 형성하기 위해 실리콘 기판의 상부면에 성장된다. 이어서, 도 9d에 도시된 바와 같이, 건식 식각 및/또는 습식 식각에 의해 에피택셜층(102)의 표면에 홈이 형성된다. 도 9d에서 두 번의 식각 단계가 수행된다. 하나는 도 9e에 도시된 바와 같이 이후에 형성될 프레스 콘택트(108)를 위한 간격을 형성하는 것이고, 다른 하나는 캐패시터 내의 갭을 형성하기 위한 것이다(도 9g의 참조부호 D 참조). 이어서, 붕소(B)를 이용하여 형성된 콘택트 확산 영역(105a, 105b)이 매립된 도전체(106)의 양 끝단에 형성된다. 도 9e에 도시한 바와 같이, 접촉 구멍이 패시베이션층(111)에 형성되고, 이어서 알루미늄 등의 금속을 이용한 금속 상호연결부 및 배선 접착 영역(109)이 형성된다. 도 9f에 도시한 바와 같이, 기판의 반대편에 식각 마스크를 이용한 이방성의 선택적 식각이 수행된다. 이러한 전기화학적 식각은 기판(100)과 n영역(101,104) 및 n형 에피택셜층(102) 간의 pn 접합 까지 수행된다. 여기서, 압력에 민감한 격막이 에피택셜층(102)의 일부분으로 형성된 얇고 유연성 있는 영역과, 단단한 중앙 섹션(104)으로 형성된다.

이어서, 이미 금속 전극과 박막 상호연결부(121)가 형성된 유리 기판(120)을 진공상태에서 실리콘 기판(100)에 양극 접착한다. 그러면 도 9g 및 도 4에 도시된 바와 같이 양극 접착된 밀봉 영역(130) 및 실리콘 기판의 표면에 식각된 홈에 의해 형성된 밀봉된 공동(115)을 갖는 구조가 형성되어 압력 센서의 제조가 완성된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 우수한 매체 적합성을 갖고, 안정적이며 신뢰할 수 있는 압력 센서가 제공된다. 또한 본 발명의 제조 공정 기술은 자동차 산업 등의 대용량 응용 분야에 유익하도록 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (16)

1. 상부에 형성된 전극을 갖는 유리 플레이트와;

   반도체 물질로 형성되고, 상기 전극의 적어도 일부를 포함하는 밀봉된 공동을 정의하기 위하여 상기 유리기판에 접착됨에 따라 결정될 압력을 나타내는 캐패시턴스를 결정하기 위하여 전기 신호가 통과될 수 있는 축전 요소(capacitive element)를 정의하는 격막을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 축전형 압력 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 격막이 상기 반도체 물질을 마이크로머시닝(micro-machining)함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 물질이 실리콘인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 물질이 단단한 지지용 테(support rim)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 압력 센서.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 커넥터(connector)가 상기 전극 및 상기 격막에 각각 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 전극용 상기 전기 커넥터가 상기 반도체 물질 내에 형성된 도핑된 도전체에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 격막용 상기 전기 커넥터가 상기 반도체 물질에 의해서 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유리 기판과 상기 반도체 물질 사이의 밀봉이 양극 접착(anodic bonding)에 의해서 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 도입부를 형성하는 구멍을 갖는 제2유리기판이, 반도체 물질의 층이 유리기판의 2개의 층 사이에 샌드위치되도록(sandwiched) 상기 반도체 물질에 접착되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격막이 단단한 중앙 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 부가적인 프레스 콘택트가 다른 장치들과의 상호 작용을 위하여 상기 공동의 외부에 제공되는 것을 특징으로 하는압력 센서.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른, 적어도 2 개 이상의 축전형 압력 센서를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 압력 센서 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 각 압력 센서들의 상기 격막이 반도체 물질의 단일 섹션(section)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 시스템.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 각 압력 센서가 동일한 유리 플레이트를 공유하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 시스템.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 압력 센서가 압력 도입부를 갖춤에 따라 상기 시스템이 차동 압력 센서 장치가 되도록 된 것을 특징으로 하는 압력 센서 시스템.
16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 압력 센서가 압력 도입부를 갖추지 않음에 따라 이 센서가 기준 센서가 되도록 된 것을 특징으로 하는 압력 센서 시스템.