KR101072290B1 - thermoelectric sensor using Ge material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서모파일형 열전센서에 관한 것으로서, 기판 및 기판 상면에 기판 및 기판 상면에 형성된 박막형 서모파일을 포함하여 이루어진 서모파일형 열전센서에 있어서, 상기 서모파일은 게르마늄(Ge)을 포함하는 일군의 반도체 열전대로 이루어진 것을 특징으로 하는 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 게르마늄(Ge)을 포함하는 일군의 반도체 열전대를 이루는 서모파일은 큰 제백계수, 낮은 열전도도, 낮은 저항을 갖는 열전재료로써 매우 우수한 물성을 가지는 것을 알 수 있으며, 이에 의해 고감도의 노이즈가 낮은 서모파일형 열전센서를 제공할 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to a thermopile type thermoelectric sensor, wherein in a thermopile type thermoelectric sensor including a substrate and a thin film type thermopile formed on a substrate and an upper surface thereof, the thermopile includes germanium (Ge). The thermopile type thermoelectric sensor using a germanium-based thermoelectric material, characterized in that consisting of a semiconductor thermocouple of the technical gist. Accordingly, it can be seen that the thermopile forming a group of semiconductor thermocouples containing germanium (Ge) has very excellent physical properties as a thermoelectric material having a large Seebeck coefficient, low thermal conductivity, and low resistance, thereby providing high sensitivity noise. There is an advantage to provide a low thermopile thermoelectric sensor.
서모파일 열전센서 열전재료 게르마늄 반도체 Thermopile thermoelectric sensor thermoelectric material germanium semiconductor
Description
본 발명은 열전센서에 관한 것으로서, 특히 게르마늄(Ge)을 포함하는 반도체 열전대를 사용하여 고감도의 노이즈가 낮은 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 열전변환기술에는 열전냉각과 열전발전의 두 가지 응용분야가 있다. 열전냉각은 전류를 가할 때 열전변환재료의 한쪽에서 다른 쪽으로 열이 이동되는 peltier 효과를 원리로 설명하고 있으며, 열전발전은 변환재료의 양단에 온도차를 가할 때 기전력이 생기는 제백효과를 원리로 설명한다. 열전냉각의 경우에는 에너지 이용의 측면보다는 냉각효과라는 측면에서 개발이 수행되므로 많은 응용분야가 도출되어 널리 연구가 이루어지고 있는 실정이며, 열전발전의 경우에는 그 대상이 전기의 발생이라는 점에서 기존의 발전방식과의 경쟁성 확보, 경제성 확보 및 응용분야 확보 등을 함께 충족할 수 없었기 때문에 거의 연구가 이루어지지 않고 있었다.In general, there are two application fields of thermoelectric conversion technology, thermoelectric cooling and thermoelectric power generation. Thermoelectric cooling explains the principle of the peltier effect in which heat is transferred from one side of the thermoelectric material to the other when an electric current is applied. Thermoelectric power generation uses the Seebeck effect of generating electromotive force when a temperature difference is applied across the materials. . In the case of thermoelectric cooling, since the development is carried out in terms of cooling effect rather than energy utilization, many applications have been derived and widely studied. In the case of thermoelectric power generation, the target is generation of electricity. Little research has been conducted because it could not satisfy the competitiveness with the power generation method, secure economic feasibility and secure application fields.
이러한 열전발전의 응용분야로써, 열감지형 적외선 이미지 센서는 2차원적으 로 배열된 미소한 감지소자에 적외선이 흡수될 때 생기는 소자의 국부적 온도 상승에 의한 물성 변화를 측정함으로써 적외선을 감지하는 것으로, 감지소자와 주위 구조물과의 단열효과가 센서의 감도와 응답도를 결정하게 된다.As an application field of thermoelectric power generation, a thermally sensitive infrared image sensor detects infrared rays by measuring a change in physical properties caused by local temperature rise of a device generated when infrared rays are absorbed by two-dimensionally arranged microscopic sensing elements. The insulation effect between the device and the surrounding structure determines the sensitivity and responsiveness of the sensor.
과거의 열감지 센서는 단열구조의 제작 자체가 어렵고, 또 제작이 가능하더라도 복잡한 패키지 방법으로 구현할 수밖에 없기 때문에 높은 감도를 얻을 수 없었다. 그러나 미세가공기술을 이용하면 이러한 단열 구조를 효과적으로 작은 면적에서 구현할 수 있다.In the past, the thermal sensor was difficult to manufacture a thermal insulation structure, and even if it can be manufactured, it was impossible to achieve high sensitivity because it had to be implemented in a complicated package method. However, microfabrication technology can effectively implement such a thermal insulation structure in a small area.
본 발명에서 주 연구대상으로 한 서모파일은 열에 대응한 열기전력 발생을 이용하는 열전대의 원리를 이용해 적외선을 감지하는 것이다. 기본 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 열전대(물질A, 물질B)(10)를 소정 부위 내에서 고밀도로 배치하여 빛을 받는 영역을 고온접점(hot junction)(11), 방열구조를 가진 기판(13)을 냉접점(cold junction)(12)으로 하며 두 접점(junction)에서의 그 온도차에 의한 기전력을 측정하여 간접적으로 온도를 측정한다.In the present invention, the thermopile, which is the main research object, detects infrared rays by using a thermocouple using a thermoelectric generation corresponding to heat. As shown in FIG. 1, the thermocouple (substance A and material B) 10 is disposed at a high density within a predetermined area, and thus the region receiving light is provided by a
이 같은 서모파일은 입사된 적외선이 금속과의 접합에서 접합부와 비접합부의 온도 차이에 의하여 기전력이 발생하는 원리를 이용한 것이다. 최근 제품들은 마이크로머시닝 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 이방성 식각을 행하여 열을 제어하는 멤브레인 구조를 형성하고 그 위에 서로 다른 두 종류의 금속박막을 형성시켜서 소자를 구성한다.This thermopile uses the principle that the electromotive force is generated by the temperature difference between the junction part and the non-junction part when the incident infrared rays are bonded to the metal. Recent products use micromachining technology to form an anisotropic etch on a silicon substrate to form a heat-controlled membrane structure and to form two different types of metal thin films on the device.
현재는 감도를 높이기 위해서 여러 셀에 여러 개의 접합부를 형성하고 모노리식(monolithic)한 방향으로 제작된 열전대형 적외선 센서가 개발되고 있으며, 열 전대형 적외선 센서는 응답도가 초전도형보다 떨어지고 응답시간이 길다는 단점이 있으나 비교적 저온에서 고온까지 적외선 검출이 가능하다는 장점이 있다.At present, thermocouple type infrared sensors are manufactured in a monolithic direction by forming several junctions in multiple cells to increase sensitivity, and thermocouple type infrared sensors have a lower response time than superconducting type and have a longer response time. Although long, there is a disadvantage in that infrared detection is possible from a relatively low temperature to a high temperature.
발생한 열원에 대응하여 발생하는 열원과 센서온도와의 온도차는 서모센서의 기전력을 변화시키며 이것을 통해 온도를 측정하게 된다. 이때 센서의 최대 민감도는 일반적으로, Dmax=a·(α2/RT)(α는 서모파일의 두 재료의 제백계수, R은 서모파일의 저항, T는 온도)을 만족한다.The temperature difference between the heat source generated in response to the generated heat source and the sensor temperature changes the electromotive force of the thermo sensor, thereby measuring the temperature. In this case, the maximum sensitivity of the sensor generally satisfies Dmax = a · (α 2 / RT), where α is the Seebeck coefficient of the two materials of the thermopile, R is the resistance of the thermopile, and T is the temperature.
따라서 일단 재료적 측면에서 서모파일형 센서로서 최고의 성능을 갖기 위해서는 재료특성상 고감도 특성과 낮은 노이즈 특성이 조화되는 최적물성을 만족해야 하며 이러한 성능을 갖기 위해서는Therefore, in order to have the best performance as a thermopile type sensor in terms of materials, it is necessary to satisfy the optimum properties of high sensitivity and low noise in terms of material properties.
1.큰 제백계수(α)1. Large Seebeck coefficient (α)
2.낮은 열전도도(T)2.low thermal conductivity (T)
3.낮은 전기저항(R) 등의 물질 특성이 필요하다.3. Material properties such as low electrical resistance (R) are required.
제백계수, SAB(=│SA-SB│),란 μV/K로 나타내는 온도에 대한 열 기전력을 나타내는 상수로 물질 A와 B로 구성된 열전대의 값이다. 따라서 그 값이 크면 클수록 온도의 민감성을 증가하여 센서의 민감성은 증가한다. 또한 열전도도 역시 열전도도가 증가할 경우 열전성능을 나타내는 ZT(Z는 열전지수)값이 감소하여 서모파일의 열감도를 감소시키게 된다. 또한 물질의 저항은 서모파일에서 발생하는 저항열을 증가시킴으로서 센서부의 노이즈를 증가시키는 역할을 하게 된다.The Seebeck coefficient, S AB (= │S A -S B │), is a constant representing the thermal electromotive force with respect to the temperature in μV / K and is the value of a thermocouple composed of materials A and B. Therefore, the larger the value, the higher the sensitivity of the temperature increases the sensitivity of the sensor. In addition, thermal conductivity also decreases the thermal sensitivity of the thermopile by decreasing the value of ZT (Z is the number of thermocouples) indicating the thermal performance when the thermal conductivity increases. In addition, the resistance of the material increases the resistance heat generated in the thermopile, thereby increasing the noise of the sensor unit.
따라서 서모파일형 열전재료의 선택은 상술한 물성의 균형적 설계를 통해 최 적의 센서성능을 구현할 수 있다.Therefore, the thermopile-type thermoelectric material may be selected to realize optimal sensor performance through the balanced design of the above-described physical properties.
일반적으로 알려진 대표적 서모파일형 열전재료는 Bi로 대표되는 금속계 열전재료이다. 주로 사용되는 금속계 물질들은 Bi-Ag, Cu-Constantan, Bi-Bi/Sn alloy, BiTe/BiSbTe 등이 있다. 물론 최근에는 이들에 비해 제백계수 효과가 금속보다 큰 반도체형 서모파일이 주로 사용되고 있으나, 안정성이 요구되고 있는 분야에서는 금속형이 주류를 이루고 있다. 금속계 열전대의 기본적 특성은 낮은 비저항으로 인해 노이즈가 적은 장점이 있다. 그러나 제백계수 또한 낮기 때문에 감도가 떨어진다. 예를 들어 Cu의 경우는 제백계수가 거의 0으로 온도차에 의해 기전력이 발생하지 않는다. 금속계 물질 중에서는 Bi가 낮은 열전도도와 큰 제백계수로 인하여 서모파일용 열전재료로서 사용되고 있다.Generally known thermopile type thermoelectric material is a metal-based thermoelectric material represented by Bi. Metal-based materials mainly used are Bi-Ag, Cu-Constantan, Bi-Bi / Sn alloy, and BiTe / BiSbTe. Of course, recently, semiconductor type thermopiles having a greater Seebeck coefficient effect than metals are mainly used in comparison with these metals, but metal types have become mainstream in fields requiring stability. The basic characteristics of metal-based thermocouples are low noise due to low resistivity. However, sensitivity is also low because the Seebeck coefficient is also low. For example, in the case of Cu, the Seebeck coefficient is almost zero, and no electromotive force is generated by the temperature difference. Among the metallic materials, Bi is used as a thermoelectric material for thermopile due to its low thermal conductivity and large Seebeck coefficient.
이 같은 금속계 열전재료에 비해 Si로 대표되는 반도체형 열전재료는 제백계수가 커서 우수한 센싱 감도를 나타낼 뿐만 아니라 기존의 IC 공정에 직접적으로 적용할 수 있다는 장점으로 인하여 가장 폭 넓게 사용되고 있다.The semiconductor type thermoelectric material represented by Si, compared to the metal-based thermoelectric material, has been widely used due to the advantage that the Seebeck coefficient has a large sensing sensitivity and can be directly applied to an existing IC process.
또한 마이크로 머신닝에 의한 Si의 미세구조를 이용함으로써 신호전달단계에서의 손실이나 전달속도의 지연 등을 방지할 수 있고, 다수 열전대를 직렬화함으로써 고감도를 획득할 수 있다는 장점이 있다.In addition, by using the microstructure of Si by micromachining, it is possible to prevent loss in signal transmission step, delay of transmission speed, and the like, and high sensitivity can be obtained by serializing a plurality of thermocouples.
이것과 함께 열에 의해 자체적으로 발생하는 기전력 즉 전압으로 인해 출력회로의 구성이 비교적 간단하고 외부의 바이어스가 없어도 출력을 생성할 수 있다는 일반적 서모파일의 장점뿐만 아니라 기전력의 자체발생효과로 오프셋 및 드리프트 현상이나 잡음간섭 등이 작으며 외부전원의 공급이 없는 회로 설계도 가능하다. 또한 제작공정상에서도 기존의 표준 IC 공정에 의해 제작되므로 센서의 소형화, 균일화, 제조단가 감소에 의한 경제성 확보, VLSI형 신호처리부의 원칩화가 가능한 장점이 있다.Along with this, due to the electromotive force generated by itself, that is, voltage, the output circuit is relatively simple and the output can be generated even without external bias. It is also possible to design circuits with low noise interference and no external power supply. In addition, in the manufacturing process, since it is manufactured by the existing standard IC process, there is an advantage that the sensor can be miniaturized, uniformized, economical by reducing manufacturing cost, and one-chip VLSI type signal processing unit.
도 2는 최적화된 Si계 서모파일의 감도를 나타낸 것이다. 도 2에서와 같이 Si계 서모파일이 Bi-Sb계에 비해 고감도를 나타냈다. 그러나 높은 비저항으로 인하여 노이즈 특성이 나쁘다는 단점도 고려해야할 특징이다. 그럼에도 Si은 도핑 공정을 통하여 물질특성들을 쉽게 조절할 수 있기 때문에 감도/노이즈의 비를 최적화할 수 있는 도핑 양을 찾는 연구들을 통해 Si계의 제반 단점들이 극복되고 있다.Figure 2 shows the sensitivity of the optimized Si-based thermopile. As shown in FIG. 2, the Si-based thermopile exhibited higher sensitivity than the Bi-Sb-based. However, the disadvantage that the noise characteristic is bad due to the high specific resistance is also a feature to consider. Nevertheless, since Si can easily adjust the material properties through the doping process, studies on finding the doping amount to optimize the sensitivity / noise ratio have been overcome.
본 발명은 상기 문제점 및 필요성에 의해 안출된 것으로서, 게르마늄(Ge)을 포함하는 반도체 열전대를 사용한 것으로서, 고감도의 노이즈가 낮은 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서의 제공을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems and necessities, and uses a semiconductor thermocouple containing germanium (Ge), and aims to provide a thermopile type thermoelectric sensor using a germanium-based thermoelectric material with high sensitivity and low noise.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 기판 및 기판 상면에 기판 및 기판 상면에 형성된 박막형 서모파일을 포함하여 이루어진 서모파일형 열전센서에 있어서, 상기 서모파일은 게르마늄(Ge)을 포함하는 일군의 반도체 열전대로 이루어진 것을 특징으로 하는 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서를 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a thermopile-type thermoelectric sensor including a substrate and a thin film type thermopile formed on a substrate and an upper surface of the substrate, wherein the thermopile includes germanium (Ge). The thermopile type thermoelectric sensor using a germanium-based thermoelectric material, characterized in that consisting of a semiconductor thermocouple of the technical gist.
또한, 상기 열전대는, 게르마늄(Ge)에 갈륨(Ga)이 도핑된 p형 반도체와 게르마늄(Ge)에 아세닉(As)이 도핑된 n형 반도체의 접합으로 이루어지거나, 게르마늄(Ge)에 갈륨(Ga)이 도핑된 p형 반도체와 게르마늄(Ge)에 안티몬(Sb)이 도핑된 n형 반도체의 접합으로 이루어지거나, 또는 MnGeP2로 이루어진 p형 반도체와 MnGeAs2로 이루어진 n형 반도체의 접합으로 이루어진 것이 바람직하다.In addition, the thermocouple is made of a junction between a p-type semiconductor doped with germanium (Ge) and a n-type semiconductor doped with germanium (Ge) and an asceic (As) doped with germanium (Ge), or gallium to germanium (Ge). (Ga) as a junction of the n-type semiconductor formed of p-type semiconductor and MnGeAs 2 consisting of the made or the doped p-type semiconductor and germanium (Ge), antimony (Sb) junction of the doped n-type semiconductor, or MnGeP 2 It is preferable that it is made.
여기에서, 상기 게르마늄(Ge)에 도핑된 갈륨(Ga), 아세닉(As), 안티몬(Sb)은 게르마늄(Ge)에 대해 5~15% 농도로 도핑되는 것이 바람직하다.Here, the gallium (Ga), the ascetic (As), the antimony (Sb) doped in the germanium (Ge) is preferably doped at a concentration of 5 to 15% relative to the germanium (Ge).
또한, 상기 열전대 상층에는 절연층으로써, 갈륨아세나이드층 또는 아세나이 드층으로 이루어지는 것이 바람직하며, 기판으로써는 실리콘 웨이퍼 또는 갈륨아세나이드 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.In the thermocouple upper layer, an insulating layer is preferably formed of a gallium arsenide layer or an arsenide layer, and a silicon wafer or a gallium arsenide wafer is preferably used as the substrate.
상기 구성에 의한 본 발명은, 게르마늄(Ge)을 포함하는 일군의 반도체 열전대를 이루는 서모파일은 큰 제백계수, 낮은 열전도도, 낮은 저항을 갖는 열전재료로써 매우 우수한 물성을 가지는 것을 알 수 있으며, 이에 의해 고감도의 노이즈가 낮은 서모파일형 열전센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention by the above configuration, it can be seen that the thermopile forming a group of semiconductor thermocouples containing germanium (Ge) has a very excellent physical properties as a thermoelectric material having a large Seebeck coefficient, low thermal conductivity, low resistance, As a result, it is possible to provide a thermopile type thermoelectric sensor with high sensitivity and low noise.
<제1실시예>First Embodiment
먼저, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서에 사용될 게르마늄계 서모파일의 패키징 직전에 측정한 I(전류)-V(전압) 특성을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 각각 형광 불빛(HeNe)과 암실조건(Dark)에서 비교적 민감하게 변화된 특성을 나타냄을 알 수 있으며, 이에 의해 열전재료로써 성능이 우수할 것으로 기대된다.First, FIG. 3 shows I (current) -V (voltage) characteristics measured immediately before packaging of a germanium-based thermopile to be used in a thermopile type thermoelectric sensor using a germanium-based thermoelectric material according to a first embodiment of the present invention. . As shown, it can be seen that the characteristics of the fluorescent light (HeNe) and dark conditions (Dark) relatively relatively changed, respectively, thereby excellent performance as a thermoelectric material.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도를 나타낸 것이다. 일반적으로 열전센서는 서모파일을 지지하기 위해 열용량이 작고 열전도율이 낮은 기판과, 상기 기판 하측에 기판을 지지하는 프레임이 형성되며, 상기 기판 상층에는 일군의 열전대들이 접합형성되어 고온접점(hot junction) 및 냉접점(cold junction)이 배치되어 있으며, 두 접점(junction)에서의 온도차에 의한 기전력을 측정하여 간접적으로 온도를 측정할 수 있도록 한 것이다.Figure 4 shows a schematic cross-sectional view of the main part of the thermoelectric sensor according to the first embodiment of the present invention. In general, a thermoelectric sensor has a substrate having a low heat capacity and a low thermal conductivity to support a thermopile, and a frame supporting the substrate under the substrate, and a group of thermocouples are formed on the substrate to form a hot junction. And a cold junction (cold junction) is arranged, it is to measure the electromotive force by the temperature difference at the two junctions (junction) to be able to measure the temperature indirectly.
기판(10)으로써 p타입의 (100) 방향으로 성장된 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 그 상면에 게르마늄(Ge)에 갈륨(Ga)이 도핑된 p형 반도체(21)와 게르마늄(Ge)에 아세닉(As)이 도핑된 n형 반도체(22)의 접합으로 열전대가 이루어지며, 이러한 열전대가 다수쌍(60쌍) 접합연결되어 서모파일을 형성시켰다.As the
상기 서모파일을 이루는 열전대들은 실리콘 웨이퍼 상면에 대략 1000Å 정도의 박막형태로 증착되게 되며, 갈륨(Ga)은 게르마늄(Ge)에 대해 이온주입법을 통해 10% 농도로 도핑되었으며, 아세닉(As)은 게르마늄(Ge)에 대해 7% 농도로 도핑되었다.The thermocouples constituting the thermopile are deposited in a thin film form of about 1000 에 on the upper surface of the silicon wafer, and gallium (Ga) is doped to 10% concentration by ion implantation with germanium (Ge), and asic (As) Doped at 7% concentration for germanium (Ge).
그리고, 상기의 반도체 열전대 상측에 절연층으로써 갈륨아세나이드층(30) 및 그 상층에 아세나이드층(40)을 피복하여 두 접점 간에 대류 및 복사에 의한 열 전달을 차단시켰다. 그리고, 아세나이드층 상측에는 적외선을 흡수할 수 있는 흡수층(absorption layer)(50)을 증착시켜 고온접점에서의 효과적인 열전달이 이루어지도록 하였다.The
도 5는 상기와 같이 서모파일을 구성한 후 측정한 출력(전압)특성을 나타낸 것이다. 복사체와 서모파일 간의 거리에 따라 기본적으로 전압 감소의 거동은 동일하였으나, 거리가 멀어질수록 positive한 전압을 나타내는 특징을 나타냈다. 또한 기울기는 225℃를 기점으로 변화하는 2단 기울기의 특성을 나타냈다.Figure 5 shows the output (voltage) characteristics measured after configuring the thermopile as described above. The voltage reduction behavior was basically the same according to the distance between the radiator and the thermopile, but the longer the distance, the more positive the voltage was. In addition, the slope showed the characteristics of the two-stage slope, starting from 225 ° C.
<제2실시예>Second Embodiment
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단 면도를 나타낸 것이다. Figure 6 shows a schematic stage of the main part of the thermoelectric sensor according to the second embodiment of the present invention.
기판(10)으로써 p타입의 (100) 방향으로 성장된 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 그 상면에 게르마늄(Ge)에 갈륨(Ga)이 도핑된 p형 반도체(21)와 게르마늄(Ge)에 아세닉(As)이 도핑된 n형 반도체(22)의 접합으로 열전대가 이루어지며, 이러한 열전대가 다수쌍(60쌍) 접합연결되어 서모파일을 형성시켰다.As the
상기 서모파일을 이루는 열전대들은 실리콘 웨이퍼 상면에 대략 1000Å 정도의 박막형태로 증착되게 되며, 갈륨(Ga)은 게르마늄(Ge)에 대해 이온주입법을 통해 13% 농도로 도핑되었으며, 아세닉(As)은 7% 농도로 도핑되었다.The thermocouples constituting the thermopile are deposited on a silicon wafer in the form of a thin film of about 1000 Å, and gallium (Ga) is doped to 13% by ion implantation with germanium (Ge). Doped to 7% concentration.
그리고, 상기의 반도체 열전대 상측에는 적외선을 흡수할 수 있는 흡수층(absorption layer)(50)을 증착시켜 고온접점에서의 효과적인 열전달이 이루어지도록 하였다.In addition, an
도 7은 상기와 같이 서모파일을 구성한 후 흡수체의 온도에 따른 서모파일의 출력(전압)특성을 나타낸 것이다. 상기 제1실시예에 비해 제2실시예에서는 갈륨(Ga)의 도핑량을 증가시켰고, 절연층으로 갈륨아세나이드층 등을 사용하지 않고 흡수층만 내부에 구성한 것이다. 그 결과 제1실시예에서 나타난 2단 기울기의 변화가 크게 완화되었고, 상온에서 200℃까지의 온도에 대한 변화율도 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있으며, 보다 고감도의 열전센서로써 기능을 할 수 있음을 알 수 있었다.Figure 7 shows the output (voltage) characteristics of the thermopile according to the temperature of the absorber after configuring the thermopile as described above. Compared to the first embodiment, the doping amount of gallium (Ga) is increased in the second embodiment, and only the absorbing layer is formed therein without using the gallium arsenide layer as the insulating layer. As a result, the change of the two-stage slope shown in the first embodiment was greatly alleviated, and the change rate for the temperature from room temperature to 200 ° C. was also relatively large, and it could function as a more sensitive thermoelectric sensor. Could know.
<제3실시예>Third Embodiment
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 제3실시예는 서모파일의 적층구조가 실시예 1과 동일하되, 기판은(10) (100) 방향으로 성장된 갈륨아세나이드 웨이퍼를 사용하였으며, 서모파일을 이루는 열전대가 MnGeP2로 이루어진 p형 반도체(21)와 MnGeAs2로 이루어진 n형 반도체(22)의 접합으로 이루어진 것이다.8 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a thermoelectric sensor according to a third embodiment of the present invention. According to the third embodiment of the present invention, the stacking structure of the thermopile is the same as that of Example 1, but the substrate is a gallium arsenide wafer grown in the direction of (10) (100), and the thermocouple constituting the thermopile is MnGeP 2. It has been made by bonding the p-
도 9는 상기와 같이 서모파일을 구성한 후 흡수체의 온도에 따른 서모파일의 출력(전압)특성을 나타낸 것이다. 전체적 출력변화는 negative 하였으며, 200℃를 기점으로 기울기가 변화하는 2단형 출력변화를 보였다. 또한 상온에서 200℃까지의 출력변화는 가장 작은 민감도를 보이는 특징을 나타내었다.Figure 9 shows the output (voltage) characteristics of the thermopile according to the temperature of the absorber after configuring the thermopile as described above. The overall output change was negative and showed a two-stage output change with a slope change from 200 ℃. In addition, the output change from room temperature to 200 ℃ showed the smallest sensitivity.
<제4실시예>Fourth Embodiment
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 제4실시예는 서모파일의 적층구조가 실시예 2와 동일하되, 서모파일을 이루는 열전대가 게르마늄(Ge)에 대해 갈륨(Ga)이 9.5% 도핑된 p형 반도체(21)와 게르마늄(Ge)에 대해 안티몬(Sb)이 11.6% 도핑된 n형 반도체(22)의 접합으로 이루어진 것이다.10 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a thermoelectric sensor according to a fourth embodiment of the present invention. According to the fourth embodiment of the present invention, the stacked structure of the thermopile is the same as that of the second embodiment, and the p-
도 11은 상기와 같이 서모파일을 구성한 후 흡수체의 온도에 따른 서모파일의 출력(전압)특성을 나타낸 것이다. 전체적 출력변화는 온도상승에 따라 positive에서 negative로 변화하였으며, 200℃까지 일정한 감소 기울기를 나타냈다. 또한 상온에서 200℃까지의 출력변화는 가장 큰 민감도를 보이는 특징을 나타내었다.11 shows the output (voltage) characteristics of the thermopile according to the temperature of the absorber after forming the thermopile as described above. The overall output change was changed from positive to negative with increasing temperature, and showed a constant decreasing slope up to 200 ℃. In addition, the output change from room temperature to 200 ℃ showed the most sensitive feature.
이하에서는 본 발명에 따른 제4실시예와 현재 상용되고 있는 제품을 비교하여 그 성능을 상대적으로 평가하고자 한 것이다. 본 발명에 따른 열전센서는 6개의 열전대로 제조하여 성능을 평가하였다.Hereinafter, to compare the fourth embodiment according to the present invention and the currently commercially available products to relatively evaluate the performance. The thermoelectric sensor according to the present invention was manufactured by six thermocouples to evaluate their performance.
평가대상 제품 : 미국 P사 TP336Product to be evaluated: US P company TP336
특징 : 열전대의 수 116Feature: Number of thermocouples 116
도 12는 현재 가장 많이 상용화되고 있는 미국 PerkinElmer사 서모파일 소자(TP336)의 출력전압을 도시한 것이다. 전체적으로 10-4V 이상의 출력전압을 나타내고 있다. 한편 본 발명에서 제작된 서모파일의 출력전압은 같은 온도 구간에서 10-5V의 출력전압을 나타낸다. 그러나 TP336 소자의 경우 소자 내에 포함되어 있는 전체 열전대의 개수는 116개로써 본 발명에 따른 서모파일의 소자 6개에 비하여 상당히 많다는 것을 알 수가 있다.FIG. 12 illustrates the output voltage of the US-based PerkinElmer Thermopile element TP336. Overall, the output voltage is over 10 -4 V. On the other hand, the output voltage of the thermopile manufactured in the present invention shows an output voltage of 10 -5 V in the same temperature range. However, in the case of the TP336 element, the total number of thermocouples included in the element is 116, which is considerably larger than the six elements of the thermopile according to the present invention.
도 13은 상용화된 미국 P사 서모파일과 본 발명을 통해 제작된 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서의 열전대 한 개당 출력되는 전압을 나타내었다. 도 13에서 Ga13 및 Ga10 샘플은 각각 열전대를 이루는 물질이 게르마늄(Ge)에 갈륨(Ga)이 13% 도핑된 p형 반도체와 게르마늄(Ge)에 아세닉(As)이 도핑된 n형 반도체(p-type:Ge doped with 13% Ga/n-type:As-doped Ge)와, 게르마늄(Ge)에 갈 륨(Ga)이 10% 도핑된 p형 반도체와 게르마늄(Ge)에 아세닉(As)이 도핑된 n형 반도체(p-type:Ge doped with 10% Ga/n-type:As-doped Ge)로 이루어진 서모파일이다.FIG. 13 shows the voltage output per thermocouple of a thermopile type thermoelectric sensor using a commercially available US P thermopile and a germanium-based thermoelectric material manufactured by the present invention. In FIG. 13, the Ga13 and Ga10 samples are p-type semiconductors doped with germanium (Ge) and 13% doped with gallium (Ga), respectively, and n-type semiconductors doped with acenic (As) in germanium (Ge). -type: Ge doped with 13% Ga / n-type: As-doped Ge) and p-type semiconductor with 10% doped gallium (Ga) in germanium (Ge) and ascenic (As) in germanium (Ge) It is a thermopile consisting of this doped n-type semiconductor (p-type: Ge doped with 10% Ga / n-type: As-doped Ge).
도 13에 나타난 바와 같이 같은 온도 구간에서 열전대 한 개당 출력전압은 Ga13 및 Ga10 소자의 경우 30℃에서는 기존의 미국 P사 소자에 비해 우수하였다. 반면에 온도가 올라감에 따라 그 출력전압/열전대 개수의 비가 TP336보다 감소하였다.As shown in FIG. 13, the output voltage per thermocouple at the same temperature range was superior to that of the US P company at 30 ° C for Ga13 and Ga10 devices. On the other hand, as the temperature rose, the ratio of the output voltage / thermocouple number decreased from TP336.
이러한 특성은 게르마늄(Ge)의 제백계수가 온도가 증가함에 따라 감소하는 negative 거동을 보이기 때문이다. 한편 TP336에서 사용되는 열전재료는 온도가 증가함에 따라 제백계수가 증가하는 금속계 재료가 사용되었을 것으로 추정된다.This characteristic is because the Seebeck coefficient of germanium (Ge) shows negative behavior that decreases with increasing temperature. On the other hand, the thermoelectric material used in the TP336 is estimated to have used a metal-based material that increases the Seebeck coefficient with increasing temperature.
Ga13 소자의 특성이 Ga10보다 좋은데 이것은 게르마늄(Ge) 소자의 특성이 아직 합금원소 농도에 대해 최적화되지 않았음을 의미한다. 따라서 Ga의 농도를 더 증가시키거나 보다 적절한 첨가원소를 사용할 경우 기존에 비해 더욱 우수한 서모파일 특성이 얻어질 것으로 기대된다. 더욱이 이 같은 상대적 측정은 본 발명이 필터 등의 사용을 통한 집열효과의 극대화가 이루어지지 않은 상태로 측정된 것으로 이것에 대한 보다 보정된 패키징 기술이 도입될 경우 기존 제품의 성능보다 우수한 신 열전센서를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.The properties of Ga13 devices are better than Ga10, which means that the properties of germanium (Ge) devices are not yet optimized for alloying element concentrations. Therefore, it is expected that better thermopile characteristics can be obtained when the Ga concentration is further increased or when an appropriate element is used. In addition, the relative measurement is measured in the state that the present invention is not maximized the heat collection effect through the use of a filter, etc. If a more corrected packaging technology is introduced for this new thermoelectric sensor that is superior to the performance of existing products It is expected to be developed.
도 1 - 종래의 서모파일에 대한 기본 구조를 나타낸 도.1 is a diagram showing the basic structure of a conventional thermopile.
도 2 - 종래의 최적화된 Si계 서모파일의 감도를 나타낸 도.2 shows the sensitivity of a conventional optimized Si-based thermopile.
도 3 - 본 발명의 제1실시예에 따른 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서에 사용될 게르마늄계 서모파일의 패키징 직전에 측정한 I(전류)-V(전압) 특성을 나타낸 도.3-I (current) -V (voltage) characteristics measured immediately before the packaging of the germanium-based thermopile to be used in the thermopile type thermoelectric sensor using a germanium-based thermoelectric material according to a first embodiment of the present invention.
도 4 - 본 발명의 제1실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도.4-schematic cross-sectional view of an essential part of a thermoelectric sensor according to a first embodiment of the present invention;
도 5 - 본 발명의 제1실시예에 따라 서모파일을 구성한 후 측정한 출력(전압)특성을 나타낸 도.5 is a diagram showing the output (voltage) characteristics measured after configuring the thermopile according to the first embodiment of the present invention.
도 6 - 본 발명의 제2실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도.6-schematic cross-sectional view of an essential part of a thermoelectric sensor according to a second embodiment of the present invention;
도 7 - 본 발명의 제2실시예에 따라 서모파일을 구성한 후 측정한 출력(전압)특성을 나타낸 도.7 is a diagram showing the output (voltage) characteristics measured after configuring the thermopile according to the second embodiment of the present invention.
도 8 - 본 발명의 제3실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도.8 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a thermoelectric sensor according to a third embodiment of the present invention.
도 9 - 본 발명의 제3실시예에 따라 서모파일을 구성한 후 측정한 출력(전압)특성을 나타낸 도.9 is a diagram showing the output (voltage) characteristics measured after configuring the thermopile according to the third embodiment of the present invention.
도 10 - 본 발명의 제4실시예에 따른 열전센서의 주요부에 대한 개략적인 단면도.10 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a thermoelectric sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
도 11 - 본 발명의 제4실시예에 따라 서모파일을 구성한 후 측정한 출력(전압)특성을 나타낸 도.11 shows output (voltage) characteristics measured after configuring a thermopile according to a fourth embodiment of the present invention.
도 12 - 현재 상용화되고 있는 서모파일의 출력전압을 나타낸 도.12 shows the output voltage of a thermopile currently in use.
도 13 - 상용화된 서모파일과 본 발명을 통해 제작된 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서의 열전대 한 개당 출력되는 전압을 비교한 도.Figure 13 is a comparison of the output voltage per thermocouple of a thermopile type thermoelectric sensor using a commercially available thermopile and a germanium-based thermoelectric material produced by the present invention.
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