KR20060021982A - Thermopile sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멤브레인 구조의 고온부를 지지하는 실리콘지지대를 추가하여 구성한 써모파일 적외선 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a thermopile infrared sensor configured by adding a silicon support for supporting a high temperature portion of the membrane structure.
본 발명에 따른 써모파일 적외선 센서는, 실리콘 기판 상에 실리콘전극과 알루미늄으로 이루어상 열전쌍들을 포함하며, 멤브레인 구조의 중앙의 고온부와 상기 고온부의 양 측면에 형성된 저온부를 포함하는 써모파일 적외선 센서에, 상기 열전쌍들 사이에 상기 고온부와 저온부를 연결하는 실리콘 지지대를 더 형성한다.The thermopile infrared sensor according to the present invention includes a thermocouple composed of a silicon electrode and aluminum on a silicon substrate, and includes a high temperature part in the center of the membrane structure and a low temperature part formed on both sides of the high temperature part. A silicon support is further formed between the thermocouples to connect the high temperature part and the low temperature part.
멤브레인, 써모파일, 적외선 센서, 열전쌍, 제백효과, 지지대Membrane, Thermopile, Infrared Sensor, Thermocouple, Seebeck Effect, Support
Description
도 1은 일반적인 써모파일 적외선 센서의 평면도,1 is a plan view of a general thermopile infrared sensor,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 써모파일 적외선 센서의 평면도이다.2 is a plan view of a thermopile infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 > <Brief description of symbols for the main parts of the drawings>
11; 실리콘 기판 12; 열전쌍11;
13; 고온부 14; 저온부13;
15; 흡수체 16; 멤브레인15; Absorber 16; Membrane
21; 실리콘 지지대21; Silicone support
본 발명은 써모파일 적외선 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멤브레인 구조의 고온부를 지지하는 실리콘지지대를 추가하여 구성한 써모파일 적외선 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a thermopile infrared sensor, and more particularly to a thermopile infrared sensor configured by adding a silicon support for supporting a high temperature portion of the membrane structure.
써모파일 적외선 센서는 서로 다른 두 개의 전도체 또는 반도체에 대해 한 쪽을 접촉시키고 다른 한 쪽을 개방시킨 구조로 형성하고, 접촉부분과 개방부분에 온도차가 발생하면 그 온도차에 비례하여 열기전력(Themoelectric Power)이 발생한 다는 제백효과(seebeck effect)를 기본으로 하는 감지 소자이다.The thermopile infrared sensor is formed in a structure in which one side is contacted with two different conductors or semiconductors and the other side is opened, and if a temperature difference occurs between the contact portion and the open portion, the thermoelectric power is proportional to the temperature difference. Is a sensing element based on the seebeck effect.
써모파일 적외선 센서는 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열 커패시턴스(thermal capacitance)를 갖는 얇은 다이어프램(diaphragm) 위에 2개의 서로 다른 열전 재료(thermoelectric material)를 위치시킨다. 실리콘부는 기판 구조물에 연결되어 주위 온도와 동일한 온도를 유지하는 저온부(cold junction)를 이루며, 다이어프램 멤브레인부는 열적 고립을 위하여 최대한 얇게 제작되고 입력 적외선을 잘 흡수하기 위한 흑체(black body)를 포함하여 고온부(hot junction)를 이룬다. 적외선이 써모파일 적외선 센서의 고온부에 입사되면, 고온부에 형성된 흑체는 입사된 적외선을 흡수하고 저온부 부위의 온도 성분은 실리콘을 통하여 힛싱크(heat sink)되어 고온부와 저온부의 온도차에 의하여 기전력이 여기된다.Thermopile infrared sensors locate two different thermoelectric materials on a thin diaphragm with low thermal conductance and low thermal capacitance. The silicon portion is connected to the substrate structure to form a cold junction that maintains the same temperature as the ambient temperature. The diaphragm membrane portion is made as thin as possible for thermal isolation and includes a black body for absorbing the input infrared rays. (hot junction) When the infrared ray is incident on the high temperature portion of the thermopile infrared sensor, the black body formed at the high temperature portion absorbs the incident infrared rays and the temperature component of the low temperature portion is heat-sinked through the silicon to excite electromotive force by the temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion. .
결국, 써모파일 적외선 센서에 일정한 적외선 복사에너지가 입력될 때 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력되는 복사에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하느냐에 달려있다. 따라서, 되도록 많은 양의 복사에너지를 흡수해야 하며, 일단 흡수된 복사에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 써모파일 적외선 센서의 감도를 향상시키는 핵심문제이다. 이를 구현하기 위하여, 복사에너지를 받는 부분은 열적 고립을 위해 최대한 낮은 열전도도를 갖도록 매우 얇은 박막, 즉 멤브레인(membrane)으로 구성한다.As a result, the electromotive force that appears when a constant infrared radiation is input to the thermopile infrared sensor appears in proportion to the temperature difference between the low temperature portion and the high temperature portion, depending on how efficiently the radiation energy is input. Therefore, it is necessary to absorb as much radiation as possible, and to design such that once absorbed radiation is not lost, it is a key problem to improve the sensitivity of the thermopile infrared sensor. In order to achieve this, the radiating part consists of a very thin film, or membrane, to have the lowest thermal conductivity for thermal isolation.
종래의 써모파일 적외선 센서는 상부에 적외선 흡수층까지의 모든 상부 구조물을 형성한 후에, 실리콘 구조물 하부에서 뒷면 식각을 통해서 얇은 상부 구조물을 형성하여, 얇은 멤브레인 구조를 만들기 때문에 상부 구조물이 함몰하는 경우가 종종 발생하는 문제점이 있다. 이와 같이 상부 구조물이 함몰하면 고온부의 열전쌍들의 연결이 끊어져서 써모파일 적외선 센서가 동작되지 않는 등의 문제점이 발생한다.The conventional thermopile infrared sensor often forms a thin superstructure through the backside etching under the silicon structure after forming all the superstructures up to the infrared absorbing layer on the top, so that the superstructure is often recessed. There is a problem that occurs. As such, when the upper structure is recessed, the thermocouples are disconnected from the high temperature part, thereby causing problems such as the operation of the thermopile infrared sensor.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 멤브레인 구조의 고온부에 형성된 상부 구조물이 함몰되지 않도록 저온부와 고온부를 연결하는 실리콘지지대를 추가 구성한 써모파일 적외선 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems described above, the object is to provide a thermopile infrared sensor further comprises a silicon support connecting the low temperature portion and the high temperature portion so that the upper structure formed in the high temperature portion of the membrane structure is not recessed. have.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 써모파일 적외선 센서는,Thermopile infrared sensor according to the present invention for achieving the above object,
실리콘 기판 상에 실리콘전극과 알루미늄으로 이루어상 열전쌍들을 포함하며, 멤브레인 구조의 중앙의 고온부와 상기 고온부의 양 측면에 형성된 저온부를 포함하는 써모파일 적외선 센서에 있어서,In the thermopile infrared sensor comprising a thermocouple made of a silicon electrode and aluminum on a silicon substrate, and comprising a high temperature portion in the center of the membrane structure and a low temperature portion formed on both sides of the high temperature portion.
상기 열전쌍들 사이에 상기 고온부와 저온부를 연결하는 실리콘 지지대를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.And further forming a silicon support between the thermocouples to connect the hot and cold portions.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 써모파일 적외선 센서를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a thermopile infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 써모파일 적외선 센서의 평면도이다.1 is a plan view of a general thermopile infrared sensor.
이 써모파일 적외선 센서는 실리콘 기판(11)에 상부 실리콘층과 알루미늄으로 이루어진 열전쌍(12)을 포함하며, 이 열전쌍(12)은 외부의 전선에 연결될 패드 에 연결된다. 이 열전쌍(12)들은 직렬로 연결되고 고온부(13)와 저온부(14)로 구성된다. 고온부(13)는 일반적으로 흑체로 구성된 흡수체(15)를 포함하여 적외선 방사에너지가 흡수되며, 두께가 얇은 멤브레인(16) 구조로 형성하여 승온이 쉽도록 한다. 각각의 열전쌍(12)은 기전력을 여기하는데, 이 기전력의 여기는 고온부가 적외선 방사에너지를 충분히 흡수하고, 고온부에서 흡수된 방사에너지가 저온부로 열전달되지 않을 때 최대가 된다.The thermopile infrared sensor includes a
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 써모파일 적외선 센서의 평면도이다.2 is a plan view of a thermopile infrared sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 써모파일 적외선 센서는 SOI 실리콘 기판을 이용하여 제작하며, 이때 열전쌍(12)은 SOI 실리콘 기판 중 상부 실리콘층을 식각하여 실리콘 전극으로 형성한다. 본 발명의 써모파일 적외선 센서는 상부 실리콘층을 전부 실리콘 전극으로 형성하지 않고, 실리콘 전극의 중간에 고온부와 저온부를 연결하는 실리콘 지지대(21)를 식각하지 않고 남겨둔다.The thermopile infrared sensor according to the present invention is manufactured by using an SOI silicon substrate, and the
직렬로 연결된 열전쌍 중 실리콘 전극은 폭이 100um 정도이고, 알루미늄은 폭이 100um 정도이며, 중간 사이 공간은 100um 정도이다. 실리콘 지지대는 열전쌍이 5개씩 반복될 때마다 하나씩 구성하며, 이 실리콘 지지대(21)의 폭은 100um, 길이는 고온부와 저온부를 연결하도록 한다.Among the thermocouples connected in series, the silicon electrode has a width of about 100um, the aluminum has a width of about 100um, and the space between the middle is about 100um. The silicon support is configured one by one every five times the thermocouple is repeated, the width of the
흡수체는 금속박막을 산화처리 또는 염화처리하여 구성한 흑체로 구성한다.The absorber consists of a black body formed by oxidizing or chlorinating a metal thin film.
즉, SOI 실리콘 기판은 하부실리콘산화막과 하부실리콘층과 중간실리콘산화막과 상부실리콘층과 상부실리콘산화막으로 이루어지며, 고온부의 멤브레인은 하부실리콘산화막과 하부실리콘층이 식각되어 형성된다. 또한, 상부실리콘층이 식각되 어 실리콘전극을 이루며, 이 실리콘전극과 알루미늄전극이 연결되어 열전쌍을 이룬다. 이때, 본 발명은 상부실리콘층의 일부를 식각하지 않고 남겨두어서 고온부와 저온부를 연결하고 멤브레인을 지지하는 실리콘 지지대(21)를 형성한다.That is, the SOI silicon substrate is formed of a lower silicon oxide film, a lower silicon layer, an intermediate silicon oxide film, an upper silicon layer, and an upper silicon oxide film, and the membrane of the high temperature portion is formed by etching the lower silicon oxide film and the lower silicon layer. In addition, the upper silicon layer is etched to form a silicon electrode, and the silicon electrode and the aluminum electrode are connected to form a thermocouple. At this time, the present invention forms a
이 써모파일 적외선 센서에 적외선 복사에너지가 입력되면, 흡수체는 입력되는 복사에너지를 흡수하여 고온부의 온도가 상승하여 고온부와 저온부 간에 온도 차이가 발생한다. 그러면, 직렬 배치된 열전쌍들에 의하여 고온부와 저온부 사이에 여기 전압이 발생한다.When the infrared radiation energy is input to the thermopile infrared sensor, the absorber absorbs the input radiation energy and the temperature of the high temperature portion rises, thereby causing a temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion. Then, the excitation voltage is generated between the high temperature portion and the low temperature portion by the thermocouples arranged in series.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, it is intended to exemplarily describe the best embodiment of the present invention, but not to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 써모파일 적외선 센서는 고온부와 저온부를 연결하는 실리콘 지지대를 구성하여 상부 구조물이 함몰되는 것을 방지할 수 있는 잇점이 있다.
The thermopile infrared sensor according to the present invention described above has an advantage of preventing the depression of the upper structure by configuring a silicon support connecting the high temperature part and the low temperature part.
Claims (2)
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2016061592A (en) * | 2014-09-16 | 2016-04-25 | ヤマハファインテック株式会社 | Catalytic combustion type gas sensor |
| JP2016173250A (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-29 | ヤマハファインテック株式会社 | Infrared sensor |
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2004
- 2004-09-06 KR KR1020040070719A patent/KR20060021982A/en not_active Application Discontinuation
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