KR100379479B1 - 절대습도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

정전용량형 절대습도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판의 일정 영역 위에 하부전극을 형성하고, 하부전극을 포함한 전면에 제 1 유전막을 형성한 다음, 제 1 유전막의 일정 영역 위에 공통전극을 형성한다. 이어, 공통전극을 포함한 전면에 제 2 유전막을 형성하고, 제 2 유전막의 일정 영역 위에 상부전극을 형성한 다음, 제 1 및 제 2 유전막의 일정 영역을 제거하여 하부전극 및 공통전극의 일부분을 노출시킨다. 그리고, 기판 하부에 전극들이 형성된 인쇄회로 기판을 접합하고, 노출된 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극과 이에 상응하는 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 각각 연결시켜준 후, 기판 전면을 덮도록 인쇄회로 기판 상부에 금속 쉴드 케이스를 형성하여 제작함으로써, 센서의 크기를 최소화할 수 있고, 제조 공정이 간단하고 신뢰도가 향상되어 공정 단가를 현격히 줄일 수 있고 대량생산에 적합한 효과를 볼 수 있다.

Description

절대습도센서 및 그 제조방법{absolute humidity sensor and method for fabricating the same}

본 발명은 정전용량형 절대습도센서 및 그 제조방법에 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 정전용량형 절대습도센서는 공정이 간단하고, 특성이 우수하여 음식물 조리를 위한 전자레인지 등 많은 분야에 응용이 되고 있다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 정전용량형 절대습도센서의 제작 공정을 보여주는 공정 단면도로서, 공정 순서대로 설명하면 다음과 같다.

도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(1) 위에 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y등으로 이루어진 절연막(2)을 형성하고, 절연막(2) 위에 Al 또는 Pt과 같은 금속막을 증착 및 패터닝하여 감습소자용 하부전극(3)과 보상소자용 하부전극(3')을 형성한다.

이어, 도 1b에 도시된 바와 같이 하부전극(3,3') 위에 폴리이미드 박막을 스핀 코팅 및 열처리를 한 후, 패터닝하여 감습소자용 유전막(4)과 보상소자용 유전막(4')을 형성한다.

여기서, 유전막(4,4')은 수분을 함유하면 유전 상수 값이 변하여 유전율이 바뀌는 폴리이미드 등으로 이루어진다.

그리고, 도 1c에 도시된 바와 같이 유전막(4,4') 위에 금속막을 증착 및 패터닝하여 콤 형태로 차후 감습소자에서 사용될 상부전극(5)과 차후 보상소자에서 사용될 상부전극(5')을 각각 형성한다.이때, 상부전극(5)(5')은 동일한 물질로 이루어지므로 공정에서는 차이점이 없다.

여기서, 상부전극(5,5')을 하부전극(3,3')과 달리 콤 형태로 형성하는 이유는 물분자가 원할히 유전막 내부로 통과할 수 있도록 하기 위함이다.

마지막으로, 도 1d에 도시된 바와 같이 감습소자(8)와 보상소자(9)가 형성된 절대습도센서 소자를 금속 쉴드 케이스(7)로 봉합하여 패키징하고, 감습소자(8)와 보상소자(9)의 전극(3,3',5,5')을 핀(pin)(10)에 와이어로 연결하여 정전용량형 절대습도센서의 제작을 완료한다.

여기서, 보상소자(9)에는 주위의 수분에 영향을 받지 않도록 드라이 N₂로 채우고 밀폐시켜서 기준 정전용량 값(폴리이미드 유전막이 수분을 함유하지 않는 경우의 정전용량 값)을 유지할 수 있도록 하고, 감습소자(8)에는 금속 쉴드 케이스(7)에 미세한 구멍(hole)을 형성하여 이 구멍으로 수분이 침투하면 폴리이미드 유전막의 유전 상수 값이 변하여 정전용량 값이 변하도록 한다.

그러나, 종래의 제조 방법에 의해 제작된 정전용량형 절대습도센서는 절대습도센서가 차지하는 면적이 넓고, 감습소자와 보상소자의 사이에 있는 금속 쉴드 케이스가 두 소자들을 완전히 격리시켜 주지 못하면 센서의 감도가 상당히 떨어진다.

그러므로, 두 소자를 완전히 격리시키기 위해서는 패키징 공정이 복잡해지고, 수율이 저하되며, 생산 단가가 상승하여 대량 생산에 불리하다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 센서의 크기가 줄어들고,공정이 간단하며, 수율의 증가 및 생산 단가를 낮출 수 있는 절대습도센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 정전용량형 절대습도센서의 제작 공정을 보여주는 공정 단면도

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 정전용량형(capacitance type) 절대습도센서의 제조 공정을 보여주는 공정 단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 실리콘 기판 12 : 절연막

13 : 하부전극 14 : 보상소자용 유전막

15 : 공통전극 16 : 감습소자용 유전막

17 : 상부전극 18 : 금속 쉴드 케이스

19 : 핀 20 : 인쇄회로 기판

본 발명에 따른 절대습도센서는 기판과, 기판의 일정 영역 위에 형성되는 하부전극과, 하부전극을 포함한 전면에 형성되는 제 1 유전막과, 제 1 유전막의 일정 영역 위에 형성되는 공통전극과, 공통전극을 포함한 전면에 형성되는 제 2 유전막과, 제 2 유전막의 일정 영역 위에 형성되는 상부전극으로 구성된다.

여기서, 제 1 유전막은 수분에 영향을 받지 않는 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y등으로 형성되고, 제 2 유전막은 수분에 민감한 폴리이미드로 형성되며, 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극은 동일한 영역에서 차례로 적층되어 형성된다.

그리고, 본 발명의 절대습도센서는 기판 하부에 접합되고 전극들이 형성된 인쇄회로 기판과, 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극과 상응하는 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 각각 연결시켜주는 와이어와, 기판 전면을 덮도록 인쇄회로 기판 상부에 형성되는 금속 쉴드 케이스를 더 포함하여 구성된다.

여기서, 금속 쉴드 케이스에는 외부의 수분이 출입하는 구멍이 형성된다.

본 발명에 따른 절대습도센서 제조방법은 기판의 일정 영역 위에 하부전극을 형성하는 단계와, 하부전극을 포함한 전면에 제 1 유전막을 형성하는 단계와, 제 1 유전막의 일정 영역 위에 공통전극을 형성하는 단계와, 공통전극을 포함한 전면에 제 2 유전막을 형성하는 단계와, 제 2 유전막의 일정 영역 위에 상부전극을 형성하는 단계와, 제 1 및 제 2 유전막의 일정 영역을 제거하여 하부전극 및 공통전극의 일부분을 노출시키는 단계와, 노출된 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극을 외부의 회로와 전기적으로 연결시키는 단계로 이루어진다.

여기서, 상기 기판 위에 하부전극을 형성하기 전에 먼저 절연막을 형성할 수 있다.

또한, 상기 전기적 연결 단계는 기판 하부에 전극들이 형성된 인쇄회로 기판을 접합하는 단계와, 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극과 상응하는 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 각각 연결시켜주는 단계와, 기판 전면을 덮도록 인쇄회로 기판 상부에 금속 쉴드 케이스를 형성하는 단계로 이루어진다.

이와 같이 제작되는 본 발명은 감습소자와 보상소자를 서로 격리되도록 적층하여 제작함으로써, 센서의 크기를 최소화할 수 있고, 제작 공정이 간단하여 낮은 공정 단가로 최대의 수율을 올릴 수 있다.

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.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 정전용량형(capacitance type) 절대습도센서의 제조 공정을 보여주는 공정 단면도이다.

먼저, 도 2a에 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 보상소자용 하부전극(13)을 형성한다.

여기서, 실리콘 기판(11) 대신에 유리, 석영과 같은 절연성 기판을 사용할 수 있으며, 절연성 기판을 사용하는 경우에는 절연막이 필요 없다.

이어, 도 2b에 도시된 바와 같이 하부전극(13)을 포함한 전면에 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y등과 같이 수분에 영향을 받지 않는 보상소자용 유전막(14)을 증착한다.

그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이 보상소자용 유전막(14) 위에 금속막을 증착 및 패터닝하여 보상소자와 감습소자의 공통전극(15)을 형성한다.

여기서, 공통전극(15)은 보상소자용 하부전극(13)이 형성된 영역 상부에 위치하도록 형성한다.

이어, 도 2d에 도시된 바와 같이 공통전극(15)을 포함한 전면에 수분에 민감한 폴리이미드 박막을 스핀 코팅 및 열처리한 후, 패터닝하여 감습소자용 유전막(16)을 형성하고, 약 200∼300℃ 사이의 온도에서 열처리한다.

여기서, 폴리이미드 감습소자용 유전막(16)은 수분을 함유하면 유전상수 값이 변하여 유전율이 바뀐다.

그리고, 도 2e에 도시된 바와 같이 감습소자용 유전막(16) 위에 금속막을 증착 및 패터닝하여 콤 형태의 감습소자용 상부전극(17)을 형성한다.

여기서, 상부전극(17)은 공통전극(15) 및 보상소자용 하부전극(13)이 형성된 영역 상부에 위치하도록 형성한다.

또한, 상부전극(17)을 하부전극(13)과 달리 콤 형태로 형성하는 이유는 물분자가 원할히 폴리이미드 유전막 내부로 통과할 수 있도록 하기 위하여 폴리이미드 박막을 부분적으로 노출시키기 위함이다.

따라서, 수증기는 상부전극 사이에 노출된 폴리이미드 유전막과 직접 접촉하여 폴리이미드 유전막 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.

폴리이미드 유전막은 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.

이어, 도 2f에 도시된 바와 같이 외부 회로와의 전기적 연결을 위하여 제 1 및 제 2 유전막(14,16)의 일정 영역을 제거하여 하부전극(13) 및 공통전극(15)의 일부분을 노출시킨다.

마지막으로, 도 2g에 도시된 바와 같이 감습소자와 보상소자가 상하로 적층되어 형성된 절대습도센서를 인쇄회로 기판(20)에 접합하고, 소자의 하부전극(13), 공통전극(15), 그리고 상부전극(17)과 그에 상응하는 인쇄회로 기판의 핀(19)들을 전기적으로 연결되도록 각각 와이어 본딩한다.

그리고, 기판(11) 전면을 덮도록 인쇄회로 기판(20) 상부에 수분이 들어올 수 있도록 구멍(hole)이 형성된 금속 쉴드 케이스(18)로 봉합하여 패키지를 완료한다.

이와 같이 제작되는 본 발명은 반도체 실리콘 기술을 이용하여 감습소자와 보상소자를 상하로 적층함으로써 소자가 차지하는 면적을 줄였으며, 패키징시에 두 소자를 완전히 격리시키기 위하여 감습소자와 보상소자의 간격을 멀게 할 필요가 없다.

또한, 감습소자의 유전막은 수분에 민감한 재료를 사용하지만 보상소자의 유전막은 수분에 영향을 받지 않는 막을 사용함으로써, 두 소자를 격리시킬 필요가 없어 패키징이 쉽고 공정이 간단하며, 수율을 최대한으로 올릴 수 있어 공정 단가를 크게 줄이고 대량 생산에 유리하다.

본 발명에 따른 정전용량형 절대습도센서 및 그 제조방법은 센서의 크기를 최소화할 수 있고, 제조 공정이 간단하고 신뢰도가 향상되어 공정 단가를 현격히 줄일 수 있고 대량생산에 적합한 효과를 볼 수 있다.

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 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (10)

1. 기판;

   상기 기판의 일정 영역 위에 형성되는 하부전극;

   상기 하부전극을 포함한 전면에 형성되는 제 1 유전막;

   상기 제 1 유전막의 일정 영역 위에 형성되는 공통전극;

   상기 공통전극을 포함한 전면에 형성되는 제 2 유전막; 그리고,

   상기 제 2 유전막의 일정 영역 위에 형성되는 상부전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판과 하부전극 사이에는 절연막이 형성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 절연막은 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유전막은 SiO₂, Si₃N₄, SiO_xN_y중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유전막은 폴리이미드로 형성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극은 콤(comb) 형태인 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판 하부에 접합되고, 전극들이 형성된 인쇄회로 기판;

   상기 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극과 상응하는 상기 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 각각 연결시켜주는 와이어;

   상기 기판 전면을 덮도록 상기 인쇄회로 기판 상부에 형성되는 금속 쉴드 케이스를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 절대습도센서.
8. 기판의 일정 영역 위에 하부전극을 형성하는 제 1 단계;

   상기 하부전극을 포함한 전면에 제 1 유전막을 형성하는 제 2 단계;

   상기 제 1 유전막의 일정 영역 위에 공통전극을 형성하는 제 3 단계;

   상기 공통전극을 포함한 전면에 제 2 유전막을 형성하는 제 4 단계;

   상기 제 2 유전막의 일정 영역 위에 상부전극을 형성하는 제 5 단계;

   상기 제 1 및 제 2 유전막의 일정 영역을 제거하여 상기 하부전극 및 공통전극의 일부분을 노출시키는 제 6 단계; 그리고,

   상기 노출된 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극을 외부의 회로와 전기적으로 연결시키는 제 7 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대습도센서 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 단계는 상기 기판 위에 절연막을 형성한 후, 상기 절연막의 일정 영역 위에 하부전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 절대습도센서 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 7 단계는

    상기 기판 하부에 전극들이 형성된 인쇄회로 기판을 접합하는 단계;

    상기 하부전극, 공통전극, 그리고 상부전극과 상응하는 상기 인쇄회로 기판의 전극들을 전기적으로 각각 연결시켜주는 단계;

    상기 기판 전면을 덮도록 상기 인쇄회로 기판 상부에 금속 쉴드 케이스를 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대습도센서 제조방법.