KR100396656B1 - 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법 - Google Patents

마이크로 절대 습도 센서 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로서, 습도를 감지하는 감지 소자와 감지된 습도를 보상하는 보상 소자를 갖고, 각 단일 소자는 기판 위에 희생층을 형성하는 제 1 단계와, 상기 희생층의 소정 영역을 관통되도록 식각하여 상기 식각된 부분에 다수 개의 지지대를 형성하는 제 2 단계와, 상기 지지대를 연결하고 소정 형상을 갖는 브릿지 형태의 저항체를 형성하는 제 3 단계와, 상기 희생층을 제거하는 제 4 단계로 이루어져, 표면 미세 가공 기술과 도금 기술을 이용하여 용이하게 저항체를 브릿지 형태로 구현함으로써 저항체의 열적 고립 효과가 우수하기 때문에 센서 감도의 향상과 빠른 응답속도를 실현할 수 있고, 실리콘 회로 기판에 직접 제조함으로써 소자의 집적화 및 제조 공정의 단순화가 가능하기 때문에 센서를 저렴하게 제조하고 대량 생산할 수 있다.

Description

마이크로 절대 습도 센서 제조 방법{Micro Absolute Humidity Sensor fabricating method}
본 발명은 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법에 관한 것이다.
습도 센서는 습도계서부터 전자 레인지의 음식물 요리를 위한 습도 센서까지 그 사용 용도가 매우 다양하다. 현재까지 사용되고 있는 습도 센서의 종류는 폴리이미드와 같은 유기물의 유전율 변화를 이용한 정전 용량형 습도 센서와와 같은 반도체 세라믹의 저항 변화를 이용한 상대 습도 센서 그리고 세라믹 써미스터를 이용한 습도 센서 등이 있다.
이 중에서 전자 레인지의 음식물 조리를 위한 습도 센서로는 두 개의 써미스터를 이용한 절대 습도 센서가 널리 이용되고 있다. 절대 습도 센서는 주위 온도의 변화에 영향을 받지 않으므로 안정하게 습도를 검출할 수 있다는 장점이 있다. 전자 레인지에서 절대 습도 센서의 감습 원리는 음식물 조리시 음식물로부터 발생한 수증기가 써미스터의 열을 빼앗아 감에 의해 써미스터의 온도 변화에 의한 저항 변화를 이용한다.
도 1 은 종래의 절대 습도 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
유리막과 같은 보호막으로 도포된 세라믹 써미스터(1, 2) 두 개가 백금과 같은 귀금속 도선(3)에 의해 지지핀(4)에 연결되어 공중에 떠 있는 구조로 되어 있으며 외부는 두 개의 세라믹 써미스터(1, 2)를 격리시키는 금속 쉴드 케이스(shieldcase : 5)에 의해 패키지 되어 있다. 그 중 한 써미스터(1)는 상기 금속 패키지(5)에 미세한 구멍(hole)이 있어 수증기가 상기 써미스터(1) 표면에 접촉할 수 있도록 대기 중에 노출되며, 다른 써미스터(2)는 금속 패키지(5)에 의해 드라이로 밀폐되어 수증기가 접촉하지 못하게 되어 있다.
따라서 상기 두 개의 써미스터(1, 2)와 외부 저항으로 브릿지 회로를 구성하면 음식물 조리에 의한 수증기 발생시 발생된 수증기가 대기 중에 노출된 써미스터(1)의 열을 빼앗아 감으로써 노출된 한 개의 써미스터(1)에서만 저항 변화가 발생하여 바이어스 전압에 의한 출력 변화가 발생하여 습도를 감지하게 된다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 절대 습도 센서는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 소자를 세라믹 써미스터로 사용하기 때문에 열용량이 커서 감도가 낮고 응답 시간이 늦고 센서 크기가 커지는 문제점이 있다.
둘째, 두 써미스터 소자간의 저항 편차가 작아야 하는데 세라믹 공정을 이용한 써미스터 제조 시에 그 저항 편차가 10∼20%로 크기 때문에 두 소자간의 저항을 맞추기 위해서 써미스터를 선별해야 하기 때문에 생산 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
셋째, 써미스터 소자를 도선과 지지핀을 이용하여 공중에 띄우고 도선과 지지핀을 스팟 웰딩(spot welding)하기 때문에 그 제조 공정이 복잡하여 가격이 비싸고 대량 생산에 불리한 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 온도 저항 계수를 갖는 저항체 박막을 실리콘 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 브릿지 형태를 갖는 멤브레인 상에 형성함으로써, 소자의 열용량을 작게 하고 습도 발생에 의한 소자의 온도 변화를 크게 하여 센서의 감도를 향상시키고 소형화가 가능한 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래의 절대 습도 센서의 구조를 나타낸 도면
도 2 는 본 발명에 따른 절대 습도 센서 소자의 구조 사시도
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명에 의한 제 1 실시 예로서 습도 센서 소자의 제작 공정 단면도
도 4a 내지 도 4d 는 본 발명에 의한 제 2 실시 예로서 습도 센서 소자의 제작 공정 단면도
도 5 는 동일한 구조를 갖는 감습 소자와 보상 소자를 패키지한 절대 습도 센서의 구조를 나타낸 도면
도 6 은 제작한 마이크로 습도 센서를 이용한 습도 검출 회로를 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2 : 세라믹 써미스터 3 : 도선
4 : 지지핀 5 : 쉴드 케이스/금속 패키지
6 : 실리콘 기판 7 : 금속 씨드층
8, 8' : 금속 지지대 9 : 금속 저항체
12 : 감습 소자 13 : 보상 소자
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법의 특징은 습도를 감지하는 감지 소자와 상기 감지된 습도를 보상하는 보상 소자를 갖는 절대 습도 센서에 있어서, 상기 각 단일 소자는 기판 위에 희생층을 형성하는 제 1 단계와, 상기 희생층의 소정 영역을 관통되도록 식각하여 상기 식각된 부분에 다수 개의 지지대를 형성하는 제 2 단계와, 상기 지지대를 연결하고 소정 형상을 갖는 브릿지 형태의 저항체를 형성하는 제 3 단계와, 상기 희생층을 제거하는 제 4 단계를 더 포함하여 이루어지는데 있다.
상기 제 1 단계 전에 상기 기판 위에 씨드층을 형성하는 단계와, 상기 지지대 하부 이외에 형성된 씨드층을 제거하는 단계를 더 포함하여 형성되기도 한다. 상기 저항체는 Ti, Pt, Al, Ni, Au 중 어느 하나로 형성된다.
그리고, 상기 제 1 단계 전에 상기 기판 위에 씨드층을 형성하는 단계와, 상기 지지대 위에 소정 형상을 저항체와 지지대를 분리시키는 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하여 형성되기도 한다.
상기 씨드층은 Au/Cr로 형성되고, 상기 희생층은 폴리이미드로 형성되며 300∼450℃에서 두께 2∼3㎛로 열처리하여 형성된다.
상기 지지대는 Au, Ni, Cu 중 어느 하나를 희생층 두께만큼 도금하여 형성되고, 상기 저항체는 Ti, Pt, Ni 중 어느 하나로 형성된다.
상기 절연막은,중 어느 하나로 형성되며, 상기 절연막은 절연막의 윗면이 아랫면보다 작고 소정 각도를 갖고 기울어져 형성된다.
상기 기판은 실리콘 또는 절연성 기판 중 어느 하나로 형성되고, 상기 실리콘은 상기 실리콘 위에나중 어느 하나가 형성된다.
발명의 특징에 따른 작용은 표면 미세 가공 기술과 도금 기술을 이용하여 금속 지지대 사이에 브릿지 형태로 연결된 저항체를 형성하기 때문에 열적 고립 효과가 우수한 구조를 갖는 고감도의 절대 습도 센서 소자를 제작할 수 있고, 폴리이미드를 희생층으로 사용함으로써 공정의 안정화와 대량 생산에 유리하고 또한 공정수가 적어 센서의 제조 단가를 낮추고 금속 지지대를 집적 패드로 사용할 수 있고, 저온 공정을 이용함으로써 CMOS 판독 소자가 형성되어 있는 기판과 같이 다른 소자가 형성되어 있는 기판과의 집적화가 매우 용이하다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 습도 센서 제조 방법의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 표면 미세 가공 기술을 이용한 절대 습도 센서 소자의 구조를 나타내었다.
본 발명에 의한 소자 구조는 유리(glass)와 같은 절연성 기판 또는 기판 표면에또는와 같은 절연막이 형성되어 있는 실리콘 기판(6)에 금속 씨드층(7)이 있고, 그 위에 브릿지를 띄우는데 필요한 2 개의 금속 지지대(metal post : 8, 8')가 형성되어 상기 금속 지지대(8, 8')를 사이에 두고 금속 저항체(9)가 형성되어 있는 구조로 되어 있다.
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명에 의한 제 1 실시 예로서 습도 센서 소자의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
공정도 단면은 도 2 의 A-A'선의 단면도이다.
먼저, 도 3a 에 도시된 바와 같이 유리 또는 실리콘 기판(6)위에 금속 지지대(8, 8')를 도금하기 위해 Au/Cr의 금속 씨드층(7)을 스퍼터링과 같은 박막 증착 방법으로 실리콘 기판(6) 전면에 증착하고, 그 위에 희생층(10)으로 사용할 폴리이미드 막을 스핀 코팅과 같은 방법으로 도포, 열처리한 후 일정 부분을 패터닝하여 금속 지지대(8, 8')가 위치할 곳의 금속 씨드층(7)이 노출되도록 한다.
이때 희생층(10)으로 사용할 폴리이미드의 열처리 온도는 300∼450℃범위이며 두께는 2∼3㎛가 되도록 한다. 상기 희생층(10) 형성 후, 전기 도금 방법을 이용하여 금(Au), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)와 같은 금속을 폴리이미드 희생층(10)의 두께만큼 증착하여 금속 지지대(8, 8')를 형성한다. 여기서 금속 지지대(8, 8')는 금속 패드의 역할도 하게 된다.
도 3b 에 도시된 바와 같이 상기 금속 지지대(8, 8') 형성 후, 그 위에 습도 센서 소자의 금속 저항체(9) 박막으로 Ti, Pt, Al, Ni, Au와 같은 금속 박막을 스퍼터링 같은 박막 증착 방법을 이용하여 증착하고 패터닝하여 금속 저항체(9)를 형성한다.
금속 저항체(9) 박막을 형성한 후, 도 3c 에 도시된 바와 같이플라즈마를 이용하여 희생층(10)인 폴리이미드를 건식 에칭 방법으로 제거하여 금속 저항체(9)가 금속 지지대(8, 8')에 의해 브릿지 형태로 연결되어 공중에 떠 있는 구조의 소자를 제작한다.
이후, 도 3d 에 도시된 바와 같이 금속 씨드층(7)을 Au/Cr 에칭 용액으로 일부 제거하여 금속 지지대(8, 8')간을 전기적으로 절연시켜 소자 제작을 완료한다.
도 4a 내지 도 4d 는 본 발명에 의한 제 2 실시 예로서 습도 센서 소자의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
상기 실시예는 소자의 구조는 기본적으로 제 1 실시 예와 같으나 제 1 실시 예의 금속 지지대(8, 8')와 금속 저항체(9) 사이에 절연막(11)을 형성시킴으로써 전기적 절연을 위하여 금속 씨드층(7)을 제거하지 않아도 된다.
먼저, 도 4a 에 도시된 바와 같이 유리 또는 실리콘 기판(6)위에 금속 지지대(8, 8')를 도금하기 위해 Au/Cr의 금속 씨드층(7)을 스퍼터링과 같은 박막 증착 방법으로 실리콘 기판(6) 전면에 증착하고, 그 위에 희생층(10)으로 사용할 폴리이미드 막을 스핀 코팅과 같은 방법으로 도포, 열처리한 후 일정 부분을 패터닝하여 금속 지지대(8, 8')가 위치할 곳의 금속 씨드층(7)이 노출되도록 한다.
이때 희생층(10)으로 사용할 폴리이미드의 열처리 온도는 300∼450℃범위이며 두께는 2∼3㎛가 되도록 한다. 상기 희생층(10) 형성 후, 전기 도금 방법을 이용하여 금(Au), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)와 같은 금속을 폴리이미드 희생층(10)의 두께만큼 증착하여 금속 지지대(8, 8')를 형성한다. 여기서 금속 지지대(8, 8')는 금속 패드의 역할도 하게 된다.
이어, 도 4b 에 도시된 바와 같이 상기 금속 지지대(8, 8')위에 절연막(11)으로,와 같은 절연 박막을 증착하고 일정 부분을 패터닝하여 금속 지지대(8, 8') 표면이 전기적으로 절연되도록 한다. 패터닝시에, 상기 절연막(11)을 금속 지지대 (8, 8')의 상부면보다 크게 형성하여 후공정인 금속 저항체(9) 박막 증착시 금속 저항체(9)와 금속 지지대(8, 8')가 서로 닿지 않도록 한다. 또한 상기 절연막(11) 패터닝시 건식 에칭 방법을 이용하여 모서리를 경사지게 에칭하여 금속저항체(9)의 단락(끊어짐)을 방지한다. 상기 절연막(11)의 증착 온도는 상기 희생층(10)의 열처리 온도를 넘지 않는 범위로 한다.
절연막(11)을 형성한 후, 도 4c 에 도시된 바와 같이 절연막(11) 위에 습도 센서 소자의 금속 저항체(9) 박막으로 Ti, Pt, 또는 Ni와 같은 금속 박막을 증착 패터닝하여 형성한다.
이어, 도 4d 에 도시된 바와 같이플라즈마를 이용하여 희생층(10)인 폴리이미드를 건식 에칭 방법으로 제거하여 금속 저항체(9)가 금속 지지대(8,8')에 의해 브릿지 형태로 연결되어 공중에 떠 있는 구조의 소자를 제작한다.
절대 습도 센서를 제작하기 위해서는 주위 습도 변화에 영향을 받지 않는 보상(reference)소자가 필요하다.
도 5 는 동일한 구조를 갖는 감습 소자와 보상 소자를 패키지한 절대 습도 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
동일한 구조를 가지는 단일 소자 2 개로, 1 개는 습도 변화를 감지하는 감습 소자(12)이고, 다른 하나는 습도 변화에 반응하지 않는 보상 소자(13)로 구성된다.
먼저 같은 소자 구조를 갖는 감습 소자(12)와 보상 소자(13)를 지지핀(4)에 와이어 본딩(wire bonding)하고 드라이분위기에서 금속으로 된 쉴드 케이스(5)로 패키지한다. 상기 패키지의 구조는 감습 소자(12)와 보상 소자(13)가 서로 분리되도록 한 구조를 가지며, 감습 소자(12)가 위치하는 부분의 금속 케이스(5)에는 구멍(hole)이 형성되어 패키지 내부와 외부가 서로 통해 있어 수분이 패키지 내부로 들어올 수 있도록 되어 있으며, 보상 소자는 금속 케이스(15)에 의해 외부와 단절되어 있어 외부로부터 습기가 침투하지 못하는 구조로 되어 있다.
도 6 은 제작한 마이크로 습도 센서를 이용한 습도 검출 회로의 일 예를 나타낸 것이다.
상기 회로는 감습 소자(12), 보상 소자(13), 고정 저항(R1)과, 가변 저항(VR)으로 이루어진 브릿지 회로와, 브릿지 회로에 인가되는 전원(V)으로 간단히 구성된다.
일 예로 전자 레인지에 습도 센서와 상기 회로를 이용하여 음식물 조리시 음식물로부터 발생한 수증기에 의한 습도 변화를 검출하는 방법은 다음과 같다.
전자 레인지에서 음식물을 가열하면 수증기가 발생하고 발생한 수증기는 센서의 금속 패키지(5)에 형성되어 있는 구멍을 통하여 감습 소자(12)가 위치한 패키지 내부로 들어가 바이어스 전원(V)에 의해 자체 가열(self-heating)되어 있는 감습 소자(12)에 접촉하여 열을 빼앗아 가게 된다.
따라서 감습 소자(12)에 열 손실이 발생하여 그에 상당하는 만큼의 온도 감소가 발생하여 결국 감지 소자의 금속 저항체(8)만의 온도를 감소시키게 한다. 이러한 금속 저항체(9) 박막의 저항이 변화하여 브릿지 회로의 출력 변화가 발생하게 되어 습도 변화를 검출할 수 있다. 따라서 센서 주변의 습도 변화를 상기 절대 습도 센서와 상기 회로로부터 쉽게 감지할 수 있으며, 이를 이용하여 전자 레인지와 같은 조리 기기에서 음식물 요리시 가열에 의해 음식물로부터 발생하는 수증기를 검출하여 음식물의 자동 요리 등에 응용한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 표면 미세 가공 기술과 도금 기술을 이용하여 용이하게 저항체를 브릿지 형태로 구현할 수 있어 저항체의 열적 고립 효과가 우수한 습도 센서 소자를 제작할 수 있으며, 이로 인한 센서 감도의 향상과 빠른 응답속도를 실현하는 효과가 있다.
둘째, 도금 기술을 이용한 금속 지지대의 형성 방법은 실리콘 회로 기판에의 직접 적용이 가능하기 때문에 소자의 집적화가 가능하며 제조 공정이 간단하여 센서의 가격을 저렴하게 제조할 수 있으며 대량 생산에 유리하다.
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 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 습도를 감지하는 감지 소자와 상기 감지된 습도를 보상하는 보상 소자를 갖는 절대 습도 센서에 있어서, 상기 각 단일 소자는
    기판 위에 희생층을 형성하는 제 1 단계와,
    상기 희생층의 소정 영역을 관통되도록 식각하여 상기 식각된 부분에 다수 개의 지지대를 형성하는 제 2 단계와,
    상기 지지대를 연결하고 소정 형상을 갖는 브릿지 형태의 저항체를 형성하는 제 3 단계와,
    상기 희생층을 제거하는 제 4 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단계 전에 상기 기판 위에 씨드층을 형성하는 단계와,
    상기 지지대 하부 이외에 형성된 씨드층을 제거하는 단계를 더 포함하여 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단계 전에 상기 기판 위에 씨드층을 형성하는 단계와,
    상기 지지대 위에 소정 형상을 갖고 저항체와 지지대를 분리시키는 절연막을형성하는 단계를 더 포함하여 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 씨드층은 Au/Cr로 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 희생층은 폴리이미드로 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 희생층은 300∼450℃에서 두께 2∼3㎛로 열처리하여 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 지지대는 Au, Ni, Cu 중 어느 하나를 희생층 두께만큼 도금하여 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 또는 절연성 기판 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 저항체는 Ti, Pt, Al, Ni, Au 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 절연막은,중 어느 하나로 형성됨을 것을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 저항체는 Ti, Pt, Ni 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 절연막은 절연막의 윗면이 아랫면보다 작고 소정 각도를 갖고 기울어져 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 실리콘은 상기 실리콘 위에나중 어느 하나가 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 절대 습도 센서 제조 방법.
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