KR100331809B1 - 박막형 절대습도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도저항계수를 갖는 저항형 박막을 멤브레인막 상에 형성함으로써, 소자의 열용량을 작게하고 습도 발생에 의한 소자의 온도변화를 크게하여 센서의 감도를 향상시키고 응답 시간이 빠른 절대습도 센서를 제공하기 위한 것으로서, 2 개의 단일소자를 이용하여 감습소자와 보상소자를 패키지한 절대습도 센서에 있어서, 상기 단일소자는 기판 위에 형성된 멤브레인막과, 상기 멤브레인막 위에 형성되고 온도 저항 계수를 갖는 저항체 박막과, 상기 기판 양측 위에 형성되고 상기 저항체 박막 양측으로 접촉되어 전기적으로 연결되는 전극패드와, 상기 전극패드 양측이 노출되도록 상기 저항체 박막과 전극패드 위에 형성된 보호막과, 상기 보호막 위에 상기 저항체 박막과 대응되는 위치에 형성된 열전도막을 포함하여 구성되는데 있다.

Description

박막형 절대습도 센서{thin film type absolute humidity sensor}

본 발명은 습도 센서에 관한 것으로, 특히 온도저항계수를 갖는 저항체 박막을 형성하는 박막형 절대습도 센서에 관한 것이다.

습도 센서는 작게는 습도계에서부터 크게는 전자레인지의 음식물 요리를 위한 습도센서까지 그 사용 용도가 매우 다양하다.

현재까지 사용되고 있는 습도센서의 종류는 폴리이미드와 같은 유기물의 유전율 변화를 이용한 정전용량형 상대 습도센서와, MgCr₂O₄와 같은 반도체 세라믹의 저항 변화를 이용한 상대 습도센서와, 그리고 세라믹 써미스터를 이용하는 절대 습도센서 등이 있다.

이 중에서 전자레인지의 음식물 조리를 위한 습도센서로 두 개의 써미스터를 이용한 절대습도센서가 널리 이용되고 있다.

절대습도센서는 주위온도 변화에 영향을 받지 않아 안정된 습도를 검출할 수 있다는 장점이 있다.

전자레인지에서 절대습도 센서의 감습 원리는 음식물 조리시 음식물로부터 발생한 수증기가 써미스터의 열을 빼앗아 감에 의해 써미스터에 온도 변화가 발생하며, 그에 의한 저항 변화를 이용한다.

도 1 은 종래기술에 따른 절대습도센서의 구조를 나타낸 단면도로서, 도 1을 보면 유리막과 같은 보호막으로 도포된 세라믹 제 1, 2 써미스터(1)(2)와, 상기 제 1, 2 써미스터(1)(2)가 백금과 같은 귀금속 도선(3)에 의해 지지대(4)에 연결되어 공중에 떠 있는 구조로 되어 있다.

그리고 외부는 두 개의 제 1, 2 써미스터(1)(2)를 격리시키는 금속 실드 케이스(shield case)(5)에 의해 패키지 되어 있다.

그 중 제 1 써미스터(1)는 상기 금속케이스(5)에 미세한 구멍(hole)이 있어 수증기가 제 1 써미스터(1) 표면에 접촉할 수 있다.

그리고 제 2 써미스터(2)는 금속패키지(5)에 의해 드라이(dry) N₂로 밀폐되어 수증기가 접촉하지 못하게 되어 있다.

따라서 상기 두 개의 제 1, 2 써미스터(1)(2)와 외부저항으로 브릿지회로를 구성하면 음식물 조리에 의한 수증기 발생 시 발생된 수증기가 대기 중에 노출된 제 1 써미스터(1)의 열을 빼앗아 감으로써 노출된 제 1 써미스터(1)에서만 저항 변화가 발생하여 바이어스 전압에 의한 출력변화가 발생하고 그에 따라 습도를 감지하게 된다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 절대습도 센서는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 종래의 절대습도센서는 소자를 세라믹 써미스터로 사용하기 때문에 열용량이 커서 감도가 낮으며 응답 시간이 늦고 센서 크기가 커지는 단점이 있다.

둘째, 써미스터 소자를 도 1과 같이 도선(3)과 지지대(4)를 이용하여 공중에 띄우고 상기 귀금속 도선(3)과 지지대(4)를 스폿 웰딩(spot welding) 하기 때문에 그 제조 공정이 복잡하고 공정수가 많게 되어 가격이 비싸고 대량 생산에 불리한 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 온도저항계수를 갖는 저항형 박막을 멤브레인막 상에 형성함으로써, 소자의 열용량을 작게하고 습도 발생에 의한 소자의 온도변화를 크게하여 센서의 감도를 향상시키고 응답 시간이 빠른 절대습도 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래기술에 따른 절대습도센서의 구조를 나타낸 단면도

도 2 는 본 발명에 의한 박막형 절대습도 센서의 단일소자 구조를 나타낸 단면도

도 3 은 본 발명에 따른 박막형 절대습도 센서의 단면도

도 4 는 제작한 절대습도 센서를 이용한 습도 검출 회로의 실시 예

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6 : 기판 7 : 멤브레인막

8 : 저항체 박막 9 : 전극패드

10 : 보호막 11 : 열전도막

12 : 감습소자 13 : 보상소자

14 : 지지대 15 : 금속 케이스

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 절대습도 센서의 특징은 2 개의 단일소자를 이용하여 감습소자와 보상소자를 패키지한 절대습도 센서에 있어서, 상기 단일소자는 기판 위에 형성된 멤브레인막과, 상기 멤브레인막 위에 형성되고 온도 저항 계수를 갖는 저항체 박막과, 상기 기판 양측 위에 형성되고 상기 저항체 박막 양측으로 접촉되어 전기적으로 연결되는 전극패드와, 상기 전극패드 양측이 노출되도록 상기 저항체 박막과 전극패드 위에 형성된 보호막과, 상기 보호막 위에 상기 저항체 박막과 대응되는 위치에 형성된 열전도막을 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 온도저항계수(Temperature Coefficient of Resistance : TCR)를 갖는 Ti, Pt, VO₂와 같은 저항체 박막의 형성을 실리콘 마이크로 머시닝(micromachinning) 기술을 이용하여 멤브레인막 상에 형성함으로써 소자의 열용량을 작게하고 습도 발생에 의한 소자의 온도 변화를 크게하여 센서의 감도를 향상시키고 응답 시간이 빠른 절대습도 센서를 제작 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 박막형 절대습도 센서의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명에 의한 박막형 절대습도 센서의 단일소자 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2를 보면 실리콘 기판(6)상에 저응력 Si₃N₄, SiO_xN_y또는 SiO₂/Si₃N₄/SiO₂로 형성된 멤브레인막(7)과, 상기 멤브레인막(7) 위에 형성되고 Ti, Pt, VO₂와 같은 온도 저항 계수를 갖는 저항체 박막(8)과, 상기 기판(6) 양측 위에 형성되고 상기 저항체 박막(8) 양측으로 접촉되어 전기적으로 연결되는 전극패드(9)와, 상기 전극패드(9) 양측이 노출되도록 상기 저항체 박막과 전극패드 위에 형성된 보호막(10)과, 상기 보호막(10) 위에 상기 저항체 박막과 대응되는 위치에 형성되어 상부에서 수증기에 의해 일어나는 열손실을 저항체 박막(8)에 용이하게 전달하도록 Al, Au와 같은 금속 박막으로 형성된 열전도막(11)으로 구성된다.

이때 상기 보호막(10)은 절연 특성이 우수하며 Si₃N₄, SiO₂, SiO_xN_y, PSG 또는 폴리이미드 박막을 증착하여 형성한다.

이와 같이 구성된 단일소자로 절대습도 센서를 제작하기 위해서는 주위 습도변화에 영향을 받지 않는 보상(reference) 소자와, 주위의 습도변화를 감지하는 감습소자가 필요하다.

도 3 은 본 발명에 따른 박막형 절대습도 센서의 단면도로써, 도 3을 보면 똑같은 구조를 갖는 상기 단일소자 2 개를 이용하여 1 개는 습도 변화를 감지하는감습소자(12)로 다른 하나는 습도변화에 반응하지 않는 보상소자를 패키지한 절대습도 센서의 구조를 나타낸 것이다.

절대습도 센서의 구조를 자세히 살펴보면 먼저, 같은 소자구조를 갖는 감습소자(12)와 보상소자(13)가 지지대(14)에 도선으로 연결되어 있고, 드라이(dir) N₂에서 금속으로 된 실드 케이스(shield case)(15)로 패키지 한다.

상기 패키지의 구조는 감습소자(12)와 보상소자(13)가 서로 분리되도록 한 구조를 갖으며 감습소자(12)가 위치하는 부분의 금속케이스(15)에는 구멍(hole)이 형성되어 패키지 내부와 외부가 서로 통해 있어 수분이 패키지 내부로 들어올 수 있도록 되어 있으며, 보상소자는 금속 케이스(15)에 의해 외부와 단절되어 있어 외부로부터 습기가 침투하지 못하는 구조로 되어 있다.

도 4 는 제작한 절대습도 센서를 이용한 습도 검출 회로의 실시 예를 나타낸 것이다.

상기 회로는 감습소자(12), 보상소자(13), 고정저항(R1), 가변저항(VR)으로 이루어진 브릿지회로와, 상기 브릿지회로에 인가되는 전원(V)으로 간단히 구성할 수 있다.

실시 예로 전자레인지에 절대습도 센서와 상기 회로를 이용하여 음식물 조리시 음식물로부터 발생한 수증기에 의한 습도 변화를 검출하는 방법은 다음과 같다.

전자레인지에서 음식물을 가열하면 수증기가 발생하고 발생한 수증기는 센서 금속 케이스(15)에 형성되어 있는 구멍을 통하여 감습소자(12)가 위치한 패키지 내부로 들어가 바이어스 전원에 의해 자체 가열(self-heating)되어 있는 감습소자(12)에 접촉하여 감습소자의 열을 빼앗아 가게된다.

따라서 감습소자에 열손실이 발생하여 그에 상당하는 만큼의 온도 감소가 발생하여 결국 감습소자의 저항체(8)만 온도를 감소시키게 한다.

이러한 저항체(8)의 온도 감소로 저항체(8)의 저항이 변화하여 브릿지회로의 출력 변화가 발생하게 되어 습도변화를 검출한다.

따라서 센서 주변의 습도 변화를 상기 절대습도 센서와 상기 회로로부터 쉽게 감지할 수 있다.

그리고 이를 이용하여 전자레인지와 같은 조리기기에서 음식물 요리시 가열에 의해 음식물로부터 발생되는 수증기를 검출하여 음식물의 자동요리 등에 응용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 박막형 절대습도 센서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, Ti, Pt, VO₂와 같은 온도저항계수를 갖는 저항체 박막을 열용량이 작은 멤브레인막 상에 형성함하여 센서의 감도가 크며 응답속도를 빠르게 향상시킬 수 있다.

둘째, 센서 소자의 상부에 Al과 같은 열전도성이 우수한 금속 박막을 형성하여 수증기의 접촉에 의한 소자의 열손실을 크게하여 저항체의 저항변화를 크게 함으로써 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

셋째, Ti, Pt, VO₂저항 박막을 마이크로 크기로 할 수 있어 소비전력을 줄이고 센서의 크기를 작게 할 수 있다.

넷째, 실리콘 공정을 이용하여 센서의 크기를 작게 할 수 있으며, 조립공정이 간단하여 대량생산을 할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 2 개의 단일소자를 이용하여 감습소자와 보상소자를 패키지한 절대습도 센서에 있어서, 상기 단일소자는

   기판 위에 형성된 멤브레인막과,

   상기 멤브레인막 위에 형성되고 온도 저항 계수를 갖는 저항체 박막과,

   상기 기판 양측 위에 형성되고 상기 저항체 박막 양측으로 접촉되어 전기적으로 연결되는 전극패드와,

   상기 전극패드 양측이 노출되도록 상기 저항체 박막과 전극패드 위에 형성된 보호막과,

   상기 보호막 위에 상기 저항체 박막과 대응되는 위치에 형성된 열전도막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막형 절대습도 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 멤브레인막은 Si₃N₄, SiO₂, SiO_xN_y, 또는 SiO₂/Si₃N₄/SiO₂중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막형 절대습도 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항체 박막은 Ti, Pt, 또는 VO₂중 어느 하나인 것을 특징으로 하는박막형 절대습도 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열전도막은 Al, Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막형 절대습도 센서.