KR100329807B1 - 반도체식 가스 센서의 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도성을 갖는 세라믹 물질의 박·후막을 이용한 가스 감지 소자에 관한 것으로서, 특히 전극의 배열 방법을 변화시켜 센싱 특성을 증진시킨 박·후막형 반도체식 가스 감지 소자에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 가스 센싱의 정확도를 향상시키고 재현성 있는 전극을 제공함과 아울러 회복 속도 및 응답 특성을 향상시키고자 하는데 있다. 본 발명은 기판(1)과, 상기 기판 상면에 소정의 패턴으로 형성되는 하부 전극(2')과, 상기 하부 전극이 형성된 기판의 상면에 형성되는 박·후막형 반도성 물질 감지막(3)과, 상기 감지막 상면에 소정의 패턴으로 형성되는 상부 전극(2')과, 상기 기판 하면에 형성되는 히터(4)와, 상기 히터가 형성된 기판의 하면에 형성되는 절연재(5)로 이루어지는 가스 센서를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 상·하부 전극(2', 2')은 I자 형태를 가진다. 또한, 상기 상·하부 전극은 박막 또는 후막 형태로 이루어지고, 상기 상부 전극(2')과 하부 전극(2')은 다른 재질로 이루어질 수 있다.

Description

반도체식 가스 센서의 전극 구조{ELECTRODE STRUCTURE OF THE SEMICONDUCTING TYPE GAS SENSOR}

본 발명은 반도성을 갖는 세라믹 물질의 박·후막을 이용한 가스 감지 소자에 관한 것으로서, 특히 전극의 배열 방법을 변화시켜 센싱 특성을 증진시킨 박·후막형 반도체식 가스 감지 소자에 관한 것이다.

종래의 반도체식 가스 센서는 전극이 감지막 하부에만 위치하거나 또는 상부에만 위치하는 등 동일면에 전극이 위치하는 형태(parallel electrode pattern)를 취하고 있다. 상기와 같이 전극이 동일면에 위치하는 경우에는 감지 과정에 있어 수분 또는 감지막보다 전도도가 낮은 이물질들과의 접촉에 의해 전극 사이에 감지막의 저항 변화를 정확히 감지하기가 곤란하다는 문제점이 있었다. 특히 감지막의 저항이 높을 때일수록 정확도를 유지하기가 어렵다.

종래의 반도체식 가스 센서는 F형 전극을 사용하는 바, F형 전극은 재현성 있는 제조가 어렵고, 전극의 패턴 형성과정에서 발생하는 전극 사이의 간격이 변화하기 쉽고 패턴의 형상이 복잡하여 동시에 제조한 센서들이라도 센서들간의 특성 변화가 발생할 소지가 높다.

센서의 특성 평가에 있어서 센서의 감도, 응답 특성 뿐 아니라 피측정 가스와 접촉 후 다시 공기 중에 노출되어질 때 감지막의 저항이 원래의 값으로 회복되는 속도는 막 자체의 특성에 좌우되지만 전극의 구조 또한 중요하다. 상기 관점에서, 종래의 반도체식 가스 센서는 상대적으로 회복 속도 및 응답 속도가 느리다는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 센싱의 정확도를 향상시키고 회복 속도 및 응답 특성을 향상시키고 아울러 재현성 있는 전극을 제공하고자 하는데 있다.

도 1a는 기판과 전극 사이에 F형 전극을 가지는 종래의 박·후막형 가스 센서에 대한 평면도이다.

도 1b는 도 1a의 가스 센서의 A-A 단면도이다.

도 2는 전극 상부에 전극이 형성된 종래의 가스 센서에 대한 개략도이다.

도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 센서에 대한 평면도이다.

도 3b는 도 3a의 가스 센서의 A-A 단면도이다.

도 4는 기판과 전극 사이에 I형 전극을 가지는 가스 센서에 대한 평면도이다.

도 5는 종래의 가스 센서와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 센서의 응답 특성을 비교하는 도면이다.

<도면에 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 기판 2 : F형 평행형 전극

2' : I형 하부 전극 2' : I형 상부 전극

2'': I형 평행형 전극 3 : 감지막

4 : 히터 5 : 절연재

6 : 열전대

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상면에 소정의 패턴으로 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극이 형성된 기판의 상면에 형성되는 박·후막형 반도성 물질 감지막과, 상기 감지막 상면에 소정의 패턴으로 형성되는 상부 전극과, 상기 기판 하면에 형성되는 히터와, 상기 히터가 형성된 기판의 하면에 형성되는 절연재로 이루어지는 가스 센서를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 상·하부 전극은 I자 형태를 가진다. 또한, 상기 상·하부 전극은 박막 또는 후막 형태로 이루어지고, 상기 상부 전극과 하부 전극은 다른 재질로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1a 및 1b는 기판(1)과 감지막(3) 사이의 동일한 면에 F형 전극(2)을 가지는 종래의 가스 센서를 보여준다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 박·후막형 반도체식 가스 센서는 감지 물질과 감지하려는 특정 가스와 접촉시 전자의 주고 받음 과정에서 발생된 감지막의 저항 변화를 위하여 전극을 필요로 하는바 도 1a및 1b는 감지막(3) 하부에 위치하는 전극(2)을 가지는 가스 센서를 보여준다.

도 2는 감지막(3) 상부에 F형 전극(2)이 위치하는 종래의 또 다른 가스 센서를 보여준다. 도 1a 내지 도 2의 가스 센서는 도시된 바와 같이 전극이 동일면 상에 위치하여 전술한 바와 같이 저항 감지의 정확성을 유지하기가 어렵다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상·하면 상에 I형 전극(2', 2')을 가지는 가스 센서를 보여준다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, I형 전극(2', 2')은 감지막(3)의 넓이 방향으로 감지막(3)의 상·하면에 일정한 간격을 두고 평행하게 배치되어 있다. 바람직한 실시예로서, WO₃-CuO 고용체 박막을 이용한 반도체식 NO_X가스 센서를 본 발명과 관련하여 설명하면 다음과 같다. 박·후막용 알루미나 기판(1) 후면에 소정의 패턴으로 팔라듐-은 후막 히터(4)를 실크스크린 프린팅법으로 형성하고, 고온용 알루미나 접착제를 도포하거나 알루미나 페이스트를 이용하여 히터를 매몰시켜 방열 및 절연재(5)를 형성함과 아울러 전면에 역시 소정의 패턴으로 전극 막을 입혀 한 쌍의 전극 중 한쪽 전극(2')을 형성하고 그 위에 WO₃-CuO 고용체 감지막(3)을 진공 증착법을 이용하여 약 2㎛ 두께가 되도록 한다. 스퍼터링이나 또는 다른 증착장비를 이용하여 그 이하의 얇은 막도 가능하지만 0.1㎛ 이하가 되면 장기 안정성이 떨어지는 경향이 있어 적당치 않다. 마지막으로 상기 감지막 위에 한쌍의 전극 중 다른 하나의 전극(2')을 형성하여 전극(2', 2')을 중심으로 감지막(3)이 사이에 들어가 있는 샌드위치 형태의 구조(cross electrode pattern)가 되도록 단위 센서 셀을 형성하였다. 전극 형성 방법은 스퍼터링이나 진공 증착법 등과 같은 박막형성 방법으로 가능하며, 또한 후막 형성법으로서 스크린 프린팅 방법도 가능하다. 본 발명에서는 백금막을 사용하였지만 전극의 재질은 하부 전극(2')의 경우 감지막 증착 후 고온에서 열처리하여야 할 경우 산화되지 않는 재질이 필요하나, 상부의 다른 한 쪽 전극(2')은 열처리가 필요 없을 경우 Ni, Al, Cu, W 등 증착이 용이한 어떤 재질도 가능하다. 도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전극은 I형을 가지나 반드시 이에 한정되지는 않고 전술한 바와 같은 양호한 재현성이 달성될 수 있는 범위 내에서는 단순한 다른 형태로의 변형도 본 발명이 의도하는 범위에 포함된다.

도 4는 도 1a의 전극 배열을 갖는 기존의 센서에서 전극의 형태만 I형으로 바꾼 센서의 평면도를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 동일면 전극 배열의 구조를 가지면서 I형 전극(2'') 형태를 가지는 가스 센서도 도 1a 내지 도 2에 도시된 종래의 가스 센서에 비하여 회복 속도면에서 우수함이 발견되었다.

도 5는 전술한 센서의 감지 특성을 보여준다. 동일면에 한쌍의 F형 전극(2)이 형성된 경우(F type parallel), 동일면에 한 쌍의 I형 전극(2'')이 형성된 경우(I type parallel) 및 센싱막의 앞·뒷면에 I형 전극(2', 2')이 위치하는 경우(I type cross pattern)의 3 종류의 센서에 대하여 1000ppm NO 가스를 약 2 분간 흘린 후 차단하였을 때 센싱 특성의 변화를 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, I형 크로스 전극(2', 2') 구조의 경우에 회복 속도가 I형 평행형 전극(2'') 구조의 경우보다 7000mV까지 회복되는 시간이 약 60초 정도 월등히 빠르며, 다시 I형 평행형 전극(2'') 구조는 F형 전극 구조(2)에 비하여 약 60초 정도 빠름을 알 수 있다. 그러나 전극의 형태와는 관계없이 각 센서의 감도는 300-310 사이의 값을 보였다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 가스 센서에 별도의 다른 장치의 도입이 없이 전극의 위치 및 형태만을 단순히 변경함으로써 가스 센싱의 정확도 및 회복 속도 및 응답 특성의 향상을 도모하고 아울러 재현성 있는 전극의 제공이 가능하다.

Claims (4)

1. 기판과, 상기 기판 상면에 형성되는 하부 전극과, 상기 하부 전극이 형성된 기판의 상면에 형성되는 박·후막형 반도성 물질 감지막과, 상기 감지막 상면에 형성되는 상부 전극과, 상기 기판 하면에 형성되는 히터와, 상기 히터가 형성된 기판의 하면에 형성되는 절연재를 포함하며, 상기 상·하부 전극은 I자 형태를 가지며 상기 감지막의 넓이 방향으로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 상·하부 전극은 박막 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 상부 전극과 하부 전극은 다른 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.