KR20170064991A

KR20170064991A - 센서 장치

Info

Publication number: KR20170064991A
Application number: KR1020160144766A
Authority: KR
Inventors: 알빈 하이더
Original assignee: 이플러스이엘렉트로닉 게엠베하
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2017-06-12
Also published as: US10352773B2; DE102016218521A1; EP3176553B1; US20170160143A1; EP3176553A1

Abstract

적어도 하나의 평평한 제1 지지 부재 및 평평한 제2 지지 부재를 포함하는 시스템 지지부를 포함하는 센서 장치가 개시된다. 지지 부재들은 배치 평면에서 서로 이격되어 배치된다. 또한, 센서 장치는 지지 부재 상에 배치되는 집적 신호 처리 소자 및 상기 신호 처리 소자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지부를 포함한다. 신호 처리 소자에는 적어도 두 개의 온도 센서가 집적되며, 각각의 온도 센서는 하나의 지지 부재에 인접하게 배치된다.

Description

센서 장치{SENSOR APPARATUS}

본 발명은 센서 장치에 관한 것으로서, 특히 기후 파라미터 검출용 센서 장치에 관한 것이다.

유럽 특허 EP 2 657 691 A1은 집적 신호 처리 소자에 형성되는 정전 용량성 습도 센서를 포함하는 센서 장치를 개시한다. 신호 처리 소자는 집적 온도 센서를 더 포함한다. 이러한 종류의 센서 장치의 손상을 방지하고 센서 장치를 인쇄 회로 기판 등에 자동으로 장착하기 위하여, 상기 신호 처리 소자는 일반적으로 시스템 지지부(리드 프레임, leadframe)의 지지 부재(다이패드, die-pad) 상에 배치되고 적절한 봉지부(몰드)가 함께 구비된다. 상기 지지 부재 외에 추가적으로 신호 처리 소자의 전기 접촉을 위한 연결 컨택(리드, lead)이 상기 시스템 지지부에 구비된다. 패키지라고도 불리는 상기한 종류의 장치는 독일 특허 DE 20 2014 102 841 U1 에도 개시되어 있다.

본 발명의 과제는 활용성이 증대된 기후 파라미터 검출용 센서 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 1에 기재된 특징들을 가진 센서 장치에 의해서 달성된다.

본 발명에 따른 센서 장치의 바람직한 실시예들은 청구항 1의 종속항들에 개시된 방법들로부터 얻어진다.

본 발명에 따른 센서 장치는 적어도 하나의 평평한 제1 지지 부재와 평평한 제2 지지 부재를 포함하는 시스템 지지부를 포함하고, 상기 지지 부재들은 배치 평면에서 서로 이격되어 배치된다. 또한, 상기 지지 부재 상에 배치되는 집적 신호 처리 소자 및 상기 신호 처리 소자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지부가 구비된다. 상기 신호 처리 소자에는 적어도 두 개의 온도 센서가 집적되며, 각각의 온도 센서는 하나의 지지 부재에 인접하게 배치된다.

상기 신호 처리 소자의 서로 대향하는 가장자리 영역들은 상기 지지 부재 상에 배치될 수 있다.

이때 상기 신호 처리 소자와 상기 지지 부재 사이의 지지 영역에는 열 저항이 낮은 고정 물질이 배치될 수 있다.

또한, 상기 신호 처리 소자는 직사각형 단면을 가지고, 상기 신호 처리 소자의 서로 대향하는 가장자리 영역들은 직사각형의 종축을 따라 서로 대향하는 상기 지지 부재 상에 배치될 수 있다.

상기 지지 부재는 직사각형 단면을 가지고, 상기 지지 부재의 종축은 상기 신호 처리 소자의 종축에 대하여 직각으로 배치될 수 있다.

또한, 각각의 종축 방향에 따른 상기 지지 부재의 길이는 직사각형 종축에 대하여 수직 방향으로 상기 신호 처리 소자의 폭보다 길 수 있다.

또한, 상기 지지 부재 사이에는 배치 평면에서 간격이 있고, 상기 간격은 상기 지지 부재들 사이에 열적 디커플링이 이루어지도록 정해질 수 있다.

또한, 상기 지지 부재들 사이에 열전도율이 낮은 물질이 배치되는 것이 유리한 것으로 나타났다.

상기 지지 부재는 구리 합금 혹은 니켈-철 합금으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 지지 부재들 사이의 영역은 구조적으로 지지 부재보다 열 전도율이 낮도록 구성될 수 있다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 기체 민감성 센서가 상기 신호 처리 소자 상에 배치되어 상기 신호 처리 소자에 전기 전도적으로 연결된다.

이때 상기 봉지부는 직육면체 형태로 형성되어, 공동부를 제외하고, 상기 지지 부재 및 상기 신호 처리 소자를 포함하는 시스템 지지부를 포지티브 로킹(positive locking) 방식으로 둘러쌀 수 있다. 상기 공동부는 상기 센서에서부터 봉지부의 소정의 측면까지 신장된다.

또한, 상술한 특징을 가지는 센서 장치로 구성되는 시스템을 판 형태의 기판에 배치할 수 있다. 상기 기판은 지지 부재 영역에 열 전도부를 포함하며, 상기 열 전도부에 의해서 기판과 주변 환경 사이의 열 전달 특성이 개선될 수 있다.

또한, 상기 열 전도부는 적어도 하나의 금속층을 기판에 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 열 전도부는 열전도율이 높은 물질로 적어도 부분적으로 충전(充塡)되는 다수의 관통 컨택을 기판에 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 특별한 장점은 활용성이 증대될 수 있다는 점이다. 이에 따라, 상기 신호 처리 소자에 집적된 적어도 두 개의 온도 센서를 이용하여 온도 측정을 여러 번 실시할 수 있다. 예를 들어 신호 처리 소자 외부에서 두 가지 다른 온도가 측정될 수 있다. 또한, 신호 처리 소자의 비열을 검출할 수 있다. 또한 외부 열원이 기후 파라미터 측정에 끼치는 영향을 보상할 수 있다. 마지막으로, 상기 신호 처리 소자에 집적된 가열 장치를 사용하고 적어도 두 가지 온도를 측정함으로써, 상기 센서 장치 주변 공기의 흐름 속도를 추정할 수 있다.

이하 본 발명의 상세한 내용 및 장점을 도면을 함께 참조하여 본 발명에 따른 센서 장치의 실시예에 대한 설명으로써 상세히 설명한다.

도 1a 및 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1a 및 1b의 센서 장치의 지지 부재의 배치 평면의 평면도이다.
도 3은 도 1a 및 1b의 센서 장치의 측단면도이다.
도 4a 는 도 1a 및 1b의 센서 장치의 열 등가 회로도이다.
도 4b 는 도 1a 및 1b의 센서 장치의 간략한 열 등가 회로도이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 센서 장치를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 6a는 도 5의 시스템의 열 등가 회로도이다.
도 6b는 도 5의 시스템의 간략한 열 등가 회로도이다.

이하, 도 1a, 1b, 2, 3, 4a 및 4b를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 장치를 설명한다. 도 1a 및 1b는 각각 센서 장치의 사시도이고, 도 2는 상기 센서 장치의 지지 부재의 배치 평면의 평면도이고, 도 3은 상기 센서 장치의 측단면도이고, 도 4a 및 4b는 상기 센서 장치의 열 등가 회로도이다.

상기한 도면을 참고하여 설명하는 실시예들에서, 본 발명에 따른 센서 장치(10)의 각 구성 요소의 공간 상 방향을 설명하기 위하여 "상면" 및 "하면" 등 방향을 나타내는 용어가 사용된다. 기본적으로 상기 구성 요소들의 위치를 본 발명의 범위 내에서 다르게 배치하는 것이 가능하므로, 아래에서 사용하는 용어는 절대로 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명에 따른 센서 장치(10)는 시스템 지지부 혹은 리드 프레임을 포함한다. 본 실시예에서 상기 시스템 지지부는 전기 전도성 및 열 전도성이 있는 물질로 형성되는 두 개의 평평한 지지 부재(1.1, 1.2) 혹은 다이 패드(die-pad)를 포함한다. 본 실시예의 경우 상기 지지 부재(1.1, 1.2)는 구리 합금으로 형성되며, 또는 예를 들어 42 합금(alloy 42) 등 니켈-철 합금이 사용될 수도 있다. 전기 전도성이 없는 물질도 사용될 수 있지만 적어도 최소한의 열 전도성은 있어야 한다. 상기 두 지지 부재(1.1, 1.2)는 배치 평면에서 서로 이격되어 배치되고 각각 직사각형 단면을 가진다. 두 지지 부재 사이의 최소 간격은 약 1mm 인 것이 바람직하다. 도 3의 측단면도에 도시된 바와 같이, 상기 두 지지 부재(1.1, 1.2) 상에는 집적 신호 처리 소자(2) 혹은 ASIC(Application-specific integrated circuit)가 배치된다. 판 형태로 형성되는 상기 신호 처리 소자(2)는 직사각형 단면을 가지며, 상기 신호 처리 소자(2)의 가장자리 영역들은 상기 신호 처리 소자(2)의 직사각형 종축(L₂)을 따라 대향 배치되는 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 상에 배치된다. 상기 신호 처리 소자(2)의 직사각형 종축(L₂)은 도 2의 지지 부재 배치 평면도에 도시된 바와 같이 상기 두 지지 부재(1.1, 1.2)의 종축(L₁ _.1, L₁ _.2)에 대해 직각이다. 마찬가지로 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 종축(L_1.1, L_1.2) 방향에 따른 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 각각의 길이는 종축(L₂)에 대하여 수직 방향으로 상기 신호 처리 소자의 폭보다 약간 길다. 그에 따라, 상기 지지 부재(1.1, 1.2)는 도 2의 평면 단면도에서 각각의 종축(L₁ _.1, L₁ _.2)의 방향을 따라 상기 신호 처리 소자(2)보다 약간 돌출된다.

상기 신호 처리 소자(2)를 상기 지지 부재(1.1, 1.2)에 고정하기 위하여 상기 신호 처리 소자(2)와 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 사이의 지지 영역에는 고정 물질(7.1, 7.2)이 각각 배치되는데, 예를 들면 적절한 접착 물질이나 다이 본드(die-bond) 물질이 배치된다. 고정 물질(7.1, 7.2)로는 열 저항이 가능한 한 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명에 따른 센서 장치에서 상기 신호 처리 소자(2)는 일반적인 경우와 달리 일체로 형성되는 하나의 지지 부재 상에 배치되는 것이 아니라, "이격되어 배치"되고 다수의 구성 요소로 형성되는 지지 부재 상에 배치된다. 본 실시예의 경우 두 개의 지지 부재(1.1, 1.2)가 구비된다.

기체 민감성 센서(3)가 상기 신호 처리 소자(2)의 상면에 배치되어 신호 처리 소자(2)에 전기 전도적으로 연결된다. 본 실시예에서 상기 센서(3)는 습도 센서로 구성되며, 습도에 따라 다른 신호를 공급한다. 이 신호들은 상기 신호 처리 소자(2)에 의해 후속가공 가능한 습도 측정값으로 변환된다. 습도 센서로는, 평평한 베이스 전극 및 평평한 상부 전극을 포함하고 전극들 사이에 습도 민감성 폴리머가 배치되는 정전 용량성 습도 센서가 구비된다. 발생되는 습도 측정값들은 인접하게 배치되는 후속 전자 소자(미도시)에 의해서 다양한 방식으로 후속 가공될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치(10)에서 상기 신호 처리 소자(2) 및 상기 기체 민감성 센서(3)는 포지티브 로킹 방식으로 봉지부(4)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 상기 봉지부(4)의 몰딩 공정은 트랜스퍼 성형(transfer molding) 제조 공정 중 상기 센서 장치(10)가 직육면체 형태를 가지도록 실시된다. 상기 봉지부(4)의 물질로는 예를 들어 에폭시 레진이 사용된다. 열 저항이 가능한 한 낮은 봉지 물질이 사용되어 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 사이에서 열 절연체 역할을 하는 것이 기본적으로 바람직한 것으로 나타났다. 상기 신호 처리 소자(2) 및 상기 지지 부재(1.1, 1.2)의 두께가 비교적 두꺼운 본 실시예의 경우, 열전도율이 약 1 W/(m·K)인 봉지 물질이 사용되며, 이는 실질적으로 실리콘으로 형성되는 신호 처리 소자(2)의 열전도율의 약 300분의 1이다.

본 발명에 따른 센서 장치(10)의 도시된 실시예에서 상기 직육면체는 길이와 폭이 같은 정사각형 단면을 가진다. 또한 상기 봉지부(4)에는 공동부(5)가 형성되어 측정 대상인 상기 센서 장치(10) 주변의 기체가 상기 센서(3)에 도달할 수 있도록 통로가 마련된다. 상기 공동부(5)는 상기 기체 민감성 센서(3)에서부터 상기 봉지부(4)의 소정의 상부 측면까지 신장하고 직육면체 형태의 봉지부(4)의 한 측면에서 개방된다. 이에 따라 상기 측면 개구부를 통해 상기 공동부(5) 내 있을 수 있는 유체가 빠져나갈 수 있고, 그 결과 공동부(5) 내의 유체로 인한 허위 측정이 방지될 수 있다.

본 실시예에서 상기 시스템 지지부는 리드(lead) 형태의 연결 컨택(1.3)을 더 포함한다. 상기 연결 컨택은 상기 봉지부(4)에 의해 완전히 둘러싸이지 않고 상기 직육면체 형태 봉지부(4)의 양측면에 자유롭게 접근 가능한 상태로 형성된다. 상기 연결 컨택(1.3)에 의해 상기 신호 처리 소자(2)가 전기적으로 컨택될 수 있고 도시되지 않은 후속 전자 소자 등에 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치(10)에서 상기 신호 처리 소자(2)에는 두 개의 온도 센서(6.1, 6.2)가 집적된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 온도 센서(6.1, 6.2)는 신호 처리 소자(2)의 서로 대향하는 가장자리 영역에 배치되고 그에 따라 상기 시스템 지지부의 두 지지 부재(1.1, 1.2) 중 하나에 인접 배치되는데, 즉, 지지 부재의 상부에 배치된다.

상기 온도 센서(6.1, 6.2) 각각은 다이오드의 순바이어스의 온도 의존성, 예를 들어 트랜지스터의 pn 전이의 온도 의존성을 검출하는 이른바 밴드갭 온도 센서(band gap temperature sensor)로 형성된다. 이때 도면에 도시된 것처럼 상기 온도 센서(6.1, 6.2)는 상기 신호 처리 소자(2)의 상면에 배치된다. 상기 온도 센서(6.1, 6.2)의 구체적인 형성 방식은 본 발명에 있어서 정해져 있는 것은 아니다. 다시 말해 신호 처리 소자(2) 내의 온도 센서(6.1, 6.2)를 다른 구조로 형성하는 것도 가능하다.

상기 온도 센서(6.1, 6.2) 및 온도 센서가 다수의 구성 요소로 이루어지는 시스템 지지부의 상기 지지 부재(1.1, 1.2)에 인접하게 배치되는 구성에 의해서, 예를 들어 본 발명에 따른 센서 장치(10)의 주변 온도 역시 추가적인 온도 센서 없이 측정할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 구체적인 적용 실시예를 참조하여 상술된다. 또한, 본 발명에 따른 센서 장치(10)의 더 많은 적용 방법이 존재하며, 해당 방법들은 아래에서 상세히 설명된다. 이에 따라 본 발명에 따른 센서 장치의 활용도가 늘어난다.

이러한 적용 예시를 기술하기에 앞서 이해를 위하여 먼저 도 4a를 참조하여 상기에서 설명한 센서 장치의 열 등가 회로도를 설명한다. 상기에서 설명한 본 발명에 따른 센서 장치(10)의 실시예들의 기하학 구조를 중심으로 상기 센서 장치(10)의 열 전달 과정에 대해 더 상세히 설명한다. 여기서 상기 센서 장치의 이러한 전체적인 열 모델을 얻기 위하여 무시해도 될 정도의 소정의 열전도 수치는 센서 장치의 실제 3차원 구조에서는 고려되지 않는다.

앞선 도면에서 아직 언급하지 않은 수치는 도 4a에서 다음과 같이 정의된다.

RTH_1.1:= 지지 부재(1.1)의 열 저항

RTH_1.2:= 지지 부재(1.2)의 열 저항

RTH₇ _.1:= 고정 물질(7.1)의 열 저항

RTH₇ _.2 := 고정 물질(7.2)의 열 저항

RTH₄ := 지지 부재(1.1)와 지지 부재(1.2) 사이의 봉지 물질의 열 저항

RTH₂ := 신호 처리 소자(2)의 열 저항

RTH_6.1 := 온도센서(6.1)와 신호 처리 소자(2)의 상면 사이의 열 저항

RTH_6.2 := 온도센서(6.2)와 신호 처리 소자(2)의 상면 사이의 열 저항

RTH₆ _.1':= 신호 처리 소자(2)의 상면과 온도 센서(6.1)의 상부 영역의 주변 사이의 열 전달 저항

RTH₆ _.2':= 신호 처리 소자(2)의 상면과 온도 센서(6.2)의 상부 영역의 주변 사이의 열 전달 저항

T_U := 센서 장치(10)의 주변 온도

매우 낮은 열전도율 내지 매우 높은 열 저항(RTH₄)을 가진 물질을 봉지부(4)에 사용함으로써 상기 센서 장치(10)의 시스템 지지부의 두 지지 부재(1.1, 1.2) 사이에는 매우 적은 열전도가 발생한다. 이는 실제 적용 시 상기 선택된 봉지 물질이 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 사이에서 열 절연체 역할을 하기 때문에 대체적으로 완전히 무시될 수 있다. 동시에 신호 처리 소자(2)의 상면과 온도 센서(6.1, 6.2) 영역의 주변 사이의 열 전달 저항(RTH₆ _.1') 및 열 전달 저항(RTH₆ _.2')이 매우 크기 때문에 상기 봉지 물질에 의한 상기 온도 센서(6.1, 6.2)와 주변 사이의 열 전달 역시 무시할 수 있다.

이에 따라, 도 1a, 1b, 2 및 3을 참조하여 설명한 본 발명에 따른 센서 장치의 실시예에 대하여 도 4b의 간략한 열 등가 회로도가 생성된다. 이때 간략한 열 등가 회로도에 유지되는 본 발명에 따른 센서 장치(10)의 수치는 다음과 같이 정의된다:

RTH₂ := 온도 센서들(6.1, 6.2) 사이의 신호 처리 소자(2)의 열 저항

RTH_8.1:= 온도센서(6.1)와 지지 부재(12.1)의 하면 사이의 열 저항

RTH_8.2 := 온도센서(6.2)와 지지 부재(12.2)의 하면 사이의 열 저항

본 발명에 따른 센서 장치(10)의 적용 예시의 상세한 설명을 위해서 도 4b의 간략한 열 등가 회도로가 참조된다.

도 5는 본 적용 예시로부터 도출되는 시스템의 개략적인 측단면도를 도시한다. 이때, 앞에서 설명한 센서 장치(10)는 판 형태의 기판(11)에 배치되고, 상기 기판은 FR4 물질로 형성되는 인쇄 회로 기판으로서 형성된다. 이때 상기 센서 장치(10)의 하면에 노출되는 지지 부재(1.1, 1.2)는 상기 기판(11)의 전기 전도성 컨택면(11.1, 11.2)에 배치되어 고정된다. 고정 공정은 솔더링 공정 및 공정을 위해 구비되는 솔더링 물질(12.1, 12.2)에 의해 실시된다. 또는 해당 연결부의 열 저항이 가능한 한 낮은 범위 안에서 접착 고정 방식 혹은 기타 고정 방식이 사용될 수도 있다.

상기 기판(11) 상의 컨택면(11.1, 11.2)은 상기 기판(11)의 상면의 일부에 배치되는 얇은 구리층으로 형성된다. 제1 및 제2 지지 부재(1.1, 1.2)의 컨택면(11.1, 11.2) 사이의 기판(11) 부분에는 개구부(11.3)가 구비되며, 본 실시예의 경우 상기 개구부는 구 형태이다.

상기 제1 지지 부재(1.1) 내지 제1 온도 센서(6.1) 하부 영역에서 상기 컨택면(11.1)은 상기 제1 지지 부재(1.1)의 기하학적 형태에 대응하여 직사각형으로 형성되는 기하학적 형태를 가진다.

반면 상기 제2 지지 부재(1.2) 내지 제2 온도 센서(6.2)의 하부 영역은 이와 다르게 형성된다. 상기 제2 지지 부재(1.2)에 인접한 상기 기판(11)의 내부 및 상부에는 다양한 열 전도부가 배치되고, 상기 열 전도부에 의해 상기 제2 온도 센서(6.2)와 상기 영역의 기판의 직접적인 주변 사이의 열 전달이 개선될 수 있다. 이에 따라 열 전도부를 통해서 달성하고자 하는 것은 온도 센서(6.2)와 기판의 직접적인 주변 사이의 열적 저항 내지 열 통과 저항이 가능한 한 낮도록 하는 것이다. 여기서 해당 경로의 최종 열 저항 및 열 전달 저항의 합계를 열적 저항 내지 열 통과 저항으로 간주한다.

본 실시예의 경우 상기 기판(11) 상부 및 내부에 포함되고 서로 병렬 배치되는 다수의 금속층(11.2, 13.1-13.1)이 열 전도부로 구비된다. 도시된 실시예에서, 기판(11)의 상면에 배치되면서 동시에 상기 제2 지지 부재(1.2)에 대한 컨택면을 형성하는 금속층(11.2) 외에 두 개의 금속층(13.1. 13.2)이 기판(11) 내부에 더 배치되고, 금속층(13.3)이 상기 기판(11)의 하면에 구비된다. 상기 금속층들(11.2, 13.1 내지 13.1) 각각은 센서 장치(10)의 지지면 내지 제2 지지 부재(1.2)의 컨택면(11.2)보다 훨씬 더 넓은 기판(11)의 일정 영역 이상 신장한다.

또한, 본 실시예에서, 열전도를 최적화하기 위한 열 전도부로서, 기판 상면에 대하여 수직으로 배치되는 관통 컨택(14)이 구비된다. 상기 관통 컨택은 금속층 영역에서 구형 단면을 가지는 천공으로 형성되며, 상기 기판(11)을 관통하고 열전도율이 높은 물질로 적어도 부분적으로 충전된다. 본 실시예의 경우 상기 관통 컨택(14)을 충전하는 물질로서 구리가 사용되며, 구리는 적어도 천공의 내면에 배치된다. 상기 천공을 완전히 구리로 충전하거나 혹은 기타 적절한 물질로 충전하는 것도 물론 가능하다. 이러한 방식으로 상기 관통 컨택(14)에 의해 기판(11)의 상면과 하면 사이의 열 전달이 잘 이루어질 수 있다.

또한, 본 실시예에서 언급한 열 전도부는 기판(11)의 상면 및 하면에서 덮이지 않은 금속층(11.2, 13.3)의 영역에 배치되는 다수의 금속성 솔더링 포인트(15)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 실시예에 구비되는 열 전도부 외에 상기 기판(11) 상에 SMD (surface mount device)를 장착할 수 있는 냉각체를 열 전도부로서 배치하여 제2 온도 센서(6.2)와 시스템 주변 사이의 열적 저항을 더 최소화할 수 있다.

이에 따라, 적용 상황에 맞추어 열 전도부는 다양하게 가변적으로 사용될 수 있다.

도 5의 시스템의 열 등가 회로도는 도 6a에 도시되며, 도 6a에서 다양한 수치는 다음과 같이 정의된다:

RTH₂ := 신호 처리 소자(2)의 열 저항

P_H := 신호 처리 소자(2)의 열 용량

RTH₈ _.1:= 신호 처리 소자(2)와 지지 부재(1.1)의 하부 컨택면 사이의 열 저항

RTH_8.2:= 신호 처리 소자(2)와 지지 부재(1.2)의 하부 컨택면 사이의 열 저항

RTH₁₂ _.1:= 지지 부재(1.1)의 하부 컨택면과 기판(11) 상 컨택 영역(11.1) 사이의 열 저항

RTH₁₂ _.2:= 지지 부재(1.2)의 하부 컨택면과 기판(11) 상 컨택 영역(11.2) 사이의 열 저항

RTH₁₁ := 지지 부재(1.1, 1.2)의 컨택 영역들(11.1, 11.2) 사이의 기판(11)의 열 저항

RTH₂ := 기판(11)이 주변에 열을 전달하는 지점 및 지지 부재(1.1) 사이의 열 저항

RTH₁₃ := 금속층(11.2, 13.1 내지 13.3) 및 관통 컨택(14)의 열 저항

RTH₁₁ := 기판(11) 내 열 전도부와 제2 컨택면(11.2)에 인접한 영역의 주변 사이의 열 전달 저항

RTH_11'' := 기판(11)과 제1 컨택면(11.1)에 인접한 영역의 주변 사이의 열 전달 저항

T_U := 제2 컨택면(11.2)에 인접한 영역에서의 센서 장치 근방의 주변 온도

T₁₁ := 기판(11)의 온도

실제로 도 6a에 따른 열 등가 회로도의 다양한 열 저항 값들을 관찰했을 때, 기판(11)의 열전도가 실질적으로 무시된다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 다시 도 5의 시스템에 대한 간략한 열 등가 회로도가 생성되며, 이는 도 6b에 도시된다. 상기 시스템의 간략한 열 등가 회로도에서 유지되는 수치는 다음과 같이 정의된다:

RTH₂ := 신호 처리 소자(2)의 열 저항

P_H := 신호 처리 소자의 열 용량

RTH_9.2:= 온도센서(6.2)와 주변 사이의 열 통과 저항

T_U := 센서 장치(10) 주변 온도

도 6b의 열 등가 회로도에 도시된 바와 같이, 두 온도 센서(6.1, 6.2) 사이에 형성되는 온도 차이는 도 5의 시스템 주위를 흐르는 공기의 흐름 속도의 영향을 받지 않는다. 열 통과 저항(RTH₉ _.2)이 해당 공기의 흐름 속도에 영향을 받는다 하더라도 상기 신호 처리 소자(2)의 열 저항(RTH₂)에 의한 온도 차이는 일정하게 유지된다. 이러한 온도 차이는 단지 예를 들어 디지털 부재의 신호처리에 의해 발생하는 열 용량 등 신호 처리 소자(2)에 의해 발생된 열 용량의 영향만 받는다. 이에 따라 신호 처리 소자(2)의 두 온도 센서(6.1, 6.2) 사이의 온도 차이를 측정함으로써 공지의 열 통과 저항(RTH_9.2)(공기 정지 상태)에서 도 5의 시스템의 직접적인 주변 온도(T_U)가 정해지며, 이에 대해서는 아래에서 더 상세히 설명한다.

이에 따라 상기와 같이 구성된 시스템의 경우 상기 신호 처리 소자(2) 내 열 저항(RTH₂) 및 상기 온도 센서(6.2)와 주변 환경 사이의 열 통과 저항(RTH_9.2)은 다음과 같이 주어진다:

RTH₂ = 35 K/W

RTH_9.2= 140 K/W (공기 정지 상태)

작동 시 상기 두 온도 센서(6.1, 6.2)에서 다음과 같은 온도(T₁, T₂)가 측정된다:

T₁ = 27℃

T₂ = 26℃

온도 차이(T) = T1-T2에 기초하여 옴의 열전도 법칙에 따라 다음과 같은 열류(Φ)가 상기 온도 센서(6.2)와 센서 장치(10) 주변 환경 사이에도 발생하는데, 즉, 아래의 식이 적용된다:

Φ = ΔT / RTH₂ = 1 K / 35 K/W = 0.028571 W

상기 동일한 열류(Φ)는 온도 센서(6.2)와 센서 장치(10)의 주변 사이에서도 발생하며, 다음의 식이 적용된다:

Φ=(T₂-T_U)/ RTH₉ _.2

이에 따라 최종적으로 주변환경 온도(T_U)는 다음과 같이 결정된다:

T_U = T₂-Φ·RTH₉ _.2= 26℃ - 0.028571 W·140K/W = 22℃

즉, 본 발명에 따른 구성을 가지는 센서 장치(10)에 따르면, 본 적용실시예에서, 상기 신호 처리 소자(2)에 집적되는 두 온도 센서(6.1, 6.2)를 이용한 온도 측정에 의해 센서 장치(30)에 인접하는 주변의 온도를 확정할 수 있으며, 별도의 혹은 추가적인 온도 센서는 필요하지 않다.

상기에서 설명한 실시예와 달리 열 통과 저항(RTH_9.2)이 일정하지 않아 이를 알 수 없는 경우, 예를 들어 기존의 공기 흐름 때문에 알 수 없는 경우에는, 소정의 열 용량을 각각의 열 통과 저항(RTH₉ _.2)에 대해 보상함으로써 역으로 계산하여 상기 주변 온도(T_U)를 확정할 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 상기한 실시예 외에도 물론 본 발명의 범위 내에서 기타 다른 바람직한 실시예 방법이 존재한다.

본 발명에 따른 센서 장치의 구체적인 구성에 대해서도 설명한 실시예 외에 기타 다른 구체화 방법이 더 존재한다.

즉, 예를 들면 센서 장치에 두 개 이상의 지지 부재를 구비하는 것도 가능하다.

이와 유사하게, 둘 이상의 온도 센서를 신호 처리 소자에 집적하는 것도 물론 가능하다.

Claims

적어도 하나의 평평한 제1 지지 부재(1.1) 및 평평한 제2 지지 부재(1.2)를 포함하고, 상기 지지 부재들(1.1, 1.2)은 배치 평면에 서로 이격되어 배치되는 시스템 지지부;
상기 지지 부재(1.1, 1.2) 상에 배치되는 집적 신호 처리 소자(2);
상기 신호 처리 소자(2)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지부(4); 및
상기 신호 처리 소자(2)에 집적되는 적어도 두 개의 온도 센서(6.1, 6.2)
를 포함하고,
각각의 온도 센서는 하나의 지지 부재에 인접하게 배치되는,
센서 장치.
제1항에 있어서,
상기 신호 처리 소자(2)의 서로 대향하는 가장자리 영역들은 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 상에 배치되는,
센서 장치.
제2항에 있어서,
상기 신호 처리 소자(2)와 상기 지지 부재들(1.1, 1.2) 사이의 지지 영역에는 열 저항이 낮은 고정 물질이 배치되는,
센서 장치.
제2항에 있어서,
상기 신호 처리 소자(2)는 직사각형 단면을 가지고, 상기 신호 처리 소자(2)의 가장자리 영역은 상기 직사각형의 종축을 따라 서로 대향하는 상기 지지 부재들(1.1, 1.2) 상에 배치되는,
센서 장치.
제4항에 있어서,
상기 지지 부재(1.1, 1.2)는 각각 직사각형 단면을 가지고 상기 지지 부재(1.1, 1.2)의 종축은 상기 신호 처리 소자(2)의 종축에 대하여 직각으로 배치되는,
센서 장치.
제5항에 있어서,
각각의 종축 방향에 따른 상기 지지 부재(1.1, 1.2)의 길이는 직사각형 종축에 대하여 수직 방향으로 상기 신호 처리 소자(2)의 폭보다 더 긴,
센서 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 부재들(1.1, 1.2)은 배치 평면에서 서로 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 간격은 상기 지지 부재들 사이에 열적 디커플링이 이루어지도록 정해지는,
센서 장치.
제7항에 있어서,
상기 지지 부재들(1.1, 1.2) 사이에는 열전도율이 낮은 물질이 배치되는,
센서 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 부재(1.1, 1.2)는 구리 합금 또는 니켈-철 합금으로 형성되는,
센서 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지 부재(1.1, 1.2) 사이의 영역은 구조적으로 상기 지지 부재(1.1, 1.2)보다 열 전도율이 낮도록 구성되는,
센서 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리 소자(2) 상에는 기체 민감성 센서(3)가 배치되어 상기 신호 처리 소자에 전기 전도적으로 연결되는,
센서 장치.
제11항에 있어서,
상기 봉지부(4)는 직육면체 형태로 형성되어, 공동부(5)를 제외하고, 상기 지지 부재(1.1, 1.2) 및 상기 신호 처리 소자(2)를 포함하는 시스템 지지부(2)를 포지티브 로킹(positive locking) 방식으로 둘러싸고, 상기 공동부(5)는 상기 센서(3)에서부터 상기 봉지부(4)의 소정의 측면까지 신장하는,
센서 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따라 구성되는 센서 장치를 포함하고 판 형태의 기판(11) 상에 배치되는 시스템에 있어서,
상기 기판(11)은 지지 부재(1.2)의 영역에 열 전도부를 포함하며, 상기 열 전도부에 의해서 상기 기판(11)과 주변 환경 사이의 열 전달 특성이 개선되는,
시스템.
제13항에 있어서,
상기 열 전도부는 적어도 하나의 금속층(13.1 내지 13.3)을 상기 기판(11)에 더 포함하는,
시스템.
제13항에 있어서,
상기 열 전도부는 열 전도율이 높은 물질로 적어도 부분적으로 충전(充塡)되는 다수의 관통 컨택(14)을 상기 기판(11)에 포함하는,
시스템.