KR100351810B1

KR100351810B1 - 절대습도센서

Info

Publication number: KR100351810B1
Application number: KR1019990057196A
Authority: KR
Inventors: 이돈희; 부종욱
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 1999-12-13
Publication date: 2002-09-11
Also published as: CN1343308A; WO2001042775A1; JP2003516538A; KR20010055875A; EP1153284A1; US20020136664A1; AU2027901A

Abstract

전자레인지용 절대습도센서에 관한 것으로, 실리콘 기판과, 기판 위에 형성되고 대기 중에 노출된 수분을 감지하며 감지되는 수분의 양에 따라 저항값이 변하는 감습소자와, 기판 위에 형성되고 감습소자의 저항값을 보상하는 보상소자와, 보상소자 위에 덮혀있고 보상소자의 저항값이 변하지 않도록 대기 중에 노출된 수분을 차단하는 보호막으로 구성된다. 여기서, 감습소자 및 보상소자는 기판 위에 형성되는 절연막과, 절연막 위에 형성되어 수분을 흡습하는 폴리이미드 감습막과, 감습막의 하부 또는 상/하부에 각각 형성되는 콤 형태의 전극으로 구성된다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 세라믹 계통의 감습 재료보다 많은 양의 수분을 흡수할 수 있는 폴리이미드 박막을 감습 재료로, 실리콘 웨이퍼를 기판으로 이용하여 습도에 민감한 절대습도센서를 제작함과 동시에 실리콘 공정을 이용하여 센서를 집적화함으로써, 센서의 대량 생산을 용이하도록 한다.

Description

절대습도센서{absolute humidity sensor}

본 발명은 전자레인지용 절대습도센서에 관한 것이다.

습도센서는 습도계에서부터 전자레인지의 음식물 요리를 위한 습도센서에 이르기까지 그 사용 용도가 매우 다양하다.

현재까지 사용되고 있는 습도센서의 종류는 폴리이미드와 같은 유기물의 흡습에 의한 유전율 변화를 이용한 정전용량형 습도센서와 MgCr₂O₄와 같은 반도체 세라믹의 저항 변화를 이용한 상대습도센서, 그리고 세라믹 써미스터를 이용한 절대습도센서 등이 있다.

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

절대습도센서는 주위 온도 변화에 영향을 받지 않음으로 안정하게 습도를 검출할 수 있다는 장점이 있다.

전자레인지에서 절대습도센서의 감습 원리는 음식물 조리 시, 음식물로부터 발생한 수증기가 써미스터의 열을 빼앗아 감에 의해 써미스터의 온도 변화에 의한 저항 변화를 이용한다.

도 1은 종래의 절대습도센서의 구조를 보여주는 도면으로서, 유리막과 같은 보호막으로 도포된 세라믹 써미스터(1,2) 두 개가 백금과 같은 귀금속 도선(3)에 의해 지지 핀(pin)(4)에 연결되어 공중에 떠 있는 구조로 되어 있으며, 외부는 두개의 써미스터를 격리시키는 금속 쉴드 케이스(shield case)(5)에 의해 패키지되어 있다.

그 중 써미스터(1)는 상기 금속 쉴드 케이스(5)에 미세한 구멍(hole)이 있어 수증기가 써미스터(1) 표면에 접촉할 수 있도록 대기 중에 노출되어 센싱 엘리먼트(sensing element)로 되고, 다른 써미스터(2)는 금속 쉴드 케이스(5)에 의해 드라이(dry) N₂로 밀폐되어 수증기가 접촉하지 못하게 되어 있어 기준 엘리먼트(reference element)로 된다.

따라서, 상기 두 개의 써미스터(1,2)와 외부 저항으로 브릿지 회로를 구성하면 음식물 조리에 의한 수증기 발생 시, 발생된 수증기가 대기 중에 노출된 써미스터(1)의 열을 빼앗아감으로써, 노출된 한 개의 써미스터(1)에서만 저항 변화가 발생하여 바이어스 전압에 의한 출력 변화가 발생하여 습도를 감지하게 된다.

종래의 절대습도센서는 소자를 세라믹 써미스터로 사용하기 때문에 열 용량이 커서 감도가 낮고, 응답시간이 늦으며, 센서의 크기가 커지는 단점이 있다.

또한, 써미스터 소자를 도 1과 같이 도선(3)과 지지 핀(4)을 이용하여 공중에 띄우고, 상기 귀금속 도선(3)과 핀(4)을 스폿 웰딩(spot welding)하며, 조립에서도 기준 엘리먼트(2)를 드라이 N₂로 밀폐해야 하기 때문에 그 제조 공정이 복잡하고, 공정 수가 많게 되어, 가격이 비싸고 대량 생산에 불리한 단점이 있다.

본 발명의 목적은 수분 흡수 특성이 우수하고, 공정이 간단하여 대량 생산이용이한 절대습도센서를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 절대습도센서를 보여주는 구조단면도

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 저항형 절대습도센서를 보여주는 구조사시도

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 정전용량형 절대습도센서를 보여주는 구조사시도

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 절대습도센서 패키지의 구조를 보여주는 도면

도 5는 본 발명에 따른 저항형 절대습도센서를 이용한 습도 검출 회로도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

6,11 : 실리콘 기판 7,12 : 절연막

8,8' : 전극 9,9',14,14' : 감습막

10,16 : 보호막 13,13' : 하부전극

15,15' : 상부전극 17 : 감습소자

18 : 보상소자 19 : 절대습도센서 소자

20 : 인쇄회로 기판 21 : 전극

22 : 쉴드 와이어 23 : 금속 쉴드 케이스

본 발명에 따른 절대습도센서는 실리콘 기판과, 기판 위에 형성되고 대기 중에 노출된 수분을 감지하며 감지되는 수분의 양에 따라 저항값이 변하는 감습소자와, 기판 위에 형성되고 감습소자의 저항값을 보상하는 보상소자와, 보상소자 위에 덮혀있고 보상소자의 저항값이 변하지 않도록 대기 중에 노출된 수분을 차단하는 보호막으로 구성된다.

또한, 감습소자 및 보상소자는 기판 위에 형성되는 절연막과, 절연막 위에 형성되어 수분을 흡습하는 감습막과, 감습막의 하부 또는 상/하부에 각각 형성되는 전극으로 구성된다.

여기서, 절연막 및 보호막은 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y중 어느 하나로 형성되고, 감습막은 200∼300℃의 온도로 열처리된 폴리이미드로 형성되며, 전극은 콤(comb) 전극을 사용한다.

그리고, 본 발명은 실리콘 기판 하부에 접합되고 전극이 형성된 인쇄회로 기판과, 감습소자 및 보상소자의 전극들과 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 연결시켜주는 와이어와, 감습소자 및 보상소자를 포함한 상기 인쇄회로 기판 전면을 덮도록 인쇄회로 기판 상부에 형성되는 금속 쉴드 케이스를 더 포함할 수도 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 세라믹 계통의 감습 재료보다 많은 양의 수분을 흡수할 수 있는 폴리이미드 박막을 감습 재료로, 실리콘 웨이퍼를 기판으로 이용하여 습도에 민감한 절대습도센서를 제작함과 동시에 실리콘 공정을 이용하여 센서를 집적화함으로써, 센서의 대량 생산을 용이하도록 한다.

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

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제 1 실시예

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 저항형(resistance type) 절대습도센서의 구조를 보여주는 사시도이다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(6) 위에 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y등으로 이루어진 절연막(7)을 형성하고, 절연막(7) 위에 Al 또는 Pt과 같은 금속막을 증착 및 패터닝하여 콤(comb) 형태로 한 쌍의 전극(8,8')을 형성한다.

그리고, 전극 형성 후, 전극 위에 폴리이미드 박막을 스핀 코팅 및 패터닝하여 감습소자용 감습막(9)과 보상소자용 감습막(9')을 형성한다.

여기서, 폴리이미드는 약 200℃ 이상에서 이미드화 되고, 열적 분해 온도(thermal decomposition temperature)가 약 450∼500℃ 정도로 뛰어난 열적 안정성을 가지며, 흡습 특성은 일 예로 상온, 80% 상대 습도 분위기에서 내부로 흡수된 물분자의 평형상태 값이 약 2.3wt%로 세라믹 계통의 감습 재료보다 많은 양의 물을 흡수한다.

또한, 폴리이미드 박막 내에서의 물분자 확산 계수는 실온에서 5 ×10^-9㎠/sec 정도로 빠른 응답 시간을 갖는다.

상기 폴리이미드 박막은 약 300℃ 이상의 고온에서 열처리 시, 막의 조직이 치밀해져 막 내로의 수분 침투가 어려워지기 때문에 감습소자로 사용하기 위해서는 폴리이미드막의 흡습량이 크도록 약 200∼300℃ 사이의 온도에서 열처리하는 것이 적합하다.

그리고, 감습막(9,9') 형성 후, 보상소자용 감습막(9') 상부에 수분이 감습막(9')으로 침투하지 못하도록 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y와 같은 세라믹 박막을 증착 및 패터닝하여 보호막(10)을 형성한다.

이와 같이 제작된 저항형 절대습도센서는 도 2b에 도시된 바와 같이 감습소자와 보상소자가 동일 실리콘 기판(6) 위에 형성되어 있음을 알 수 있다.

제 2 실시예

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 정전용량형(capacitance type) 절대습도센서의 구조를 보여주는 사시도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(11) 위에 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y등으로 이루어진 절연막(12)을 형성하고, 절연막(12) 위에 Al 또는 Pt과 같은 금속막을 증착 및 패터닝하여 감습소자용 하부전극(13)과 보상소자용 하부전극(13')을 형성한다.

이어, 하부전극(13,13') 위에 폴리이미드 박막을 스핀 코팅 및 패터닝하여 감습소자용 감습막(14)과 보상소자용 감습막(14')을 형성하고, 약 200∼300℃ 사이의 온도에서 열처리한다.

그리고, 폴리이미드 감습막(14,14') 위에 상기 하부전극(13,13')과 같은 재질의 금속막을 증착 및 패터닝하여 콤 형태의 감습소자용 상부전극(15)과 보상소자용 상부전극(15')을 형성함으로써, 상부전극과 하부전극 사이에 폴리이미드 감습막이 형성된 평행판 커패시터 구조를 갖도록 한다.

여기서, 상부전극(15,15')을 하부전극(13,13')과 달리 콤 형태로 형성하는 이유는 물분자가 원할히 폴리이미드 감습막 내부로 통과할 수 있도록 하기 위하여 폴리이미드 박막이 부분적으로 노출되기 위함이다.

따라서, 수증기는 상부전극 사이에 노출된 폴리이미드 감습막과 직접 접촉하여 박막 내부로 침투하게 된다.

폴리이미드는 실온에서 비유전율(relative dielectric constance)이 3∼4 사이이며, 1kHz 주파수에서 유전손실(dissipation factor)값이 0.001∼0.003 정도로 안정한 유전체 성질을 갖는다.

본 발명에서 폴리이미드 감습막이 커패시터의 유전체 역할을 하기 때문에 비유전율이 80인 물분자가 폴리이미드 박막 내부로 들어오면 폴리이미드 박막 내부에 물분자가 존재하여 각각 다른 유전상수를 갖는 유전체 혼합물이 형성된다.

따라서, 주위 습도 변화에 따라 유전체 혼합물의 비유전상수가 변하게 되어 습도변화를 검출할 수 있다.

마지막으로, 보상소자 감습막(14')과 상부전극(15') 상부에 수분이 감습막(14') 내부로 침투하지 못하도록 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y와 같은 세라믹 박막을증착 및 패터닝하여 보호막(16)을 형성한다.

이와 같이 제작된 정전용량형 절대습도센서는 도 3b에 도시된 바와 같이 감습소자와 보상소자가 동일 실리콘 기판(11) 위에 형성되어 있음을 알 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 고분자 절대습도센서의 패키지를 보여주는 것으로 상기 제 1 실시예의 저항형 절대습도센서의 일 예를 보여주는 도면이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실시예의 방법으로 제작하여 감습소자(17)와 보상소자(18)가 형성된 절대습도센서 소자(19)를 인쇄회로 기판(20)에 접합하고, 소자의 전극(8,8')을 인쇄회로 기판(20)의 전극(21)에 와이어 본딩한 후, 도 4b에 도시된 바와 같이 쉴드 와이어(shield wire)(22)를 인쇄회로 기판(20)에 연결하고, 수분이 들어올 수 있도록 구멍(hole)이 형성된 금속 쉴드 케이스(23)로 봉합하여 패키지를 완료한다.

도 5는 본 발명의 저항형 절대습도센서를 이용하여 주위 습도 변화를 검출하기 위한 응용회로로 감습소자(17), 보상소자(18), 고정저항(R1), 가변저항(VR)으로 이루어진 브릿지 회로와 브릿지 회로에 인가되는 전원(V)으로 간단히 구성할 수 있다.

일 예로 전자레인지에 절대습도센서와 상기 회로를 이용하여 음식물 조리 시, 음식물로부터 발생한 수증기에 의한 습도 변화를 검출하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 전자레인지에서 음식물을 가열하면 수증기가 발생하고, 발생한 수증기는 센서 금속 케이스(21)에 형성되어 있는 구멍을 통하여 금속 케이스(23) 내부로들어가 감습소자(17)와 보상소자(18)에 접촉하게 된다.

이 때, 감습소자(17)는 폴리이미드에 수분이 흡수되어 저항이 변하게 되나 보상소자(18)는 보호막(10)에 의해 수분이 흡수되지 않아 저항 변화가 발생하지 않게 된다.

이러한, 감습소자(17)의 저항 변화로 브릿지 회로의 출력 변화가 발생하게 되어 습도 변화를 검출할 수 있게 된다.

따라서, 센서 주변의 습도 변화를 상기 절대습도센서와 상기 회로로부터 쉽게 감지할 수 있으며, 이를 이용하여 전자레인지와 같은 조리기기에서 음식물 요리 시, 가열에 의해 음식물로부터 발생하는 수증기를 검출하여 음식물의 자동요리 등에 응용할 수 있다.

본 발명에 따른 고분자 절대습도센서는 세라믹 계통의 감습 재료보다 많은 양의 수분을 흡수할 수 있는 폴리이미드 박막을 감습 재료로, 실리콘 웨이퍼를 기판으로 이용하여 습도에 민감한 절대습도센서를 제작함과 동시에 실리콘 공정을 이용하여 센서를 집적화할 수 있다.

또한, 이를 이용한 패키지 공정이 간단하여 센서의 대량 생산을 용이하도록 한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims

실리콘 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 위에 형성되는 전극과, 상기 전극 상부에 형성되는 감습막으로 구성되는 절대 습도 센서에 있어서,

상기 감습막은 폴리이미드 박막을 스핀 코팅, 패터닝하여 형성하며, 이러한 감습막은 대기 중에 노출된 수분을 감지하고 감지되는 수분의 양에 따라 저항값이 변하는 감습소자와 상기 감습소자의 저항값을 보상하는 보상소자로 이루어지고, 상기 보상소자 위에 형성되어, 상기 보상소자의 저항값이 변하지 않도록 상기 대기 중에 노출된 수분을 차단하는 보호막으로 구성되는 습도 센서;

상기 습도 센서의 실리콘 기판 하부에 접합되고, 전극이 형성된 인쇄회로 기판;

상기 감습소자 및 보상소자의 전극들과 상기 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 연결시켜주는 와이어;

상기 감습소자 및 보상소자를 포함한 상기 인쇄회로 기판 전면을 덮도록 상기 인쇄회로 기판 상부에 형성되는 금속 쉴드 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
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제 1 항에 있어서, 상기 절연막의 상부에만 전극이 형성되는 경우 상기 전극은 콤(comb) 형태인 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
제 1 항에 있어서, 상기 감습막의 상/하부에 전극이 형성되며, 이 경우 상기 감습막의 상부에 형성되는 전극만 콤 형태인 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 SiO2, Si3N4, SiOxNy 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 금속 쉴드 케이스는 외부의 수분이 출입하는 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.