KR100397928B1 - 전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서 - Google Patents

전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 검출전극과 기준전극간의 절연성을 향상시키기 수소이온농도 측정센서를 제공한다. 그 측정센서는 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스; 측정용 홈의 표면에 제공되는 검출전극 및 기준용 홈의 표면에 제공되는 기준전극; 각각의 전극간의 화학적 및 전기적인 절연을 위해 상기 베이스의 하부면에 코팅되며, 각각의 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공이 형성되는 절연층; 측정용 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공을 폐쇄하도록 절연층에 부착되는 감응막; 기준용 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공을 폐쇄하도록 상기 절연층에 부착되는 다공성 부재; 각각의 홈에 충전되고 각각의 전극과 접촉하며 감응막과 다공성 부재에 독립적으로 접촉하는 충전용액; 및 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위한 밀봉부재로 구성된다.

Description

전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서{Micro pH sensor with insulation layer between electrodes}
본 발명은 전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 검출전극과 기준전극간의 절연성을 향상시키기 위해 상호간의 전기적 및 화학적 절연을 위한 절연층을 구비하는 수소이온농도 측정센서에 관한 것이다.
일반적으로, 수용액에 포함된 수소 이온 농도는 pH를 단위로 하여 1에서 14까지를 측정할 수 있다. 이 같은 수소이온농도를 측정하는데는 통상적으로 유리 전극을 이용하는 것이 가장 널리 이용되고 있다. 그러나, 종래의 유리 전극용 수소이온농도 측정센서는 구조상 상당히 큰 부피를 차지하므로, 다루기가 곤란할 뿐 아니라 휴대하기가 곤란하며, 기준전극 용액의 농도변화가 초래되어 결국 그 수명이 짧아져 빈번하게 교체해야 하고, 고입력 저항 및 저 전류를 이용하여 미세한 신호를 감지해야 하기 때문에 구동 회로가 정밀하게 제어되어야 하는 문제점이 있었다.
이 같은 문제점들을 해결하기 위해, 최근에는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용하여 제작되는 초소형의 수소이온농도 측정센서에 대한 연구 및 제안이 활발하게 진행되고 있다.
이 같은 마이크로 수소이온농도 측정센서는 일반적인 유리전극을 사용하는 수소이온농도 측정센서에 비해 매우 작은 크기로 구현 할 수 있다는 특징을 지닌다. 예컨대, 일반적인 유리전극의 크기가 직경 10mm 길이 15cm 정도의 원기둥 형태로 제작되는 것에 비해 동일한 기능을 수행하기 위한 마이크로 수소이온농도 측정센서는 그 사이즈가 1mm x 2mm 정도의 크기로 구현이 가능하므로 매우 작은 크기로 제작 할 수 있음은 물론이고 실리콘웨이퍼를 사용하여 대량으로 제작할 수 있으며,저가로 대량생산이 가능하여 기존의 수소이온농도 측정장치의 가격의 대부분을 차지하는 유리전극을 효과적으로 대치 할 수 있으며 사용 및 보관상의 문제점도 해결할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이와 같은 전형적인 마이크로형 수소이온농도 측정센서의 경우 수소이온농도 검출용 검출전극(detector electrode)과 기준전극(reference electrode) 간의 거리가 100 내지 200㎛ 정도로 매우 근접되어 있어 여러 가지 문제점이 초래되고 있다. 즉, 각각의 전극 사이를 통해 기생저항 및 기생커패시던시(capacitance)가 발생되어 절연성 측면에서 문제가 발생된다. 또한, 베이스의 절연층으로 사용되고 있는 실리콘 산화층(SiO2)과 용액과의 수화반응이 발생되어 검출감도 및 검출값의 변화를 초래하는 문제점이 있다.
그리고, 전형적인 형태로서 실리콘 산화층(SiO2)을 절연층으로 사용하는 마이크로형 수소이온농도 측정센서는, 그 실리콘 산화층이 친수성 물질이므로 표면에 발생하는 OH기와 수화반응을 일으키게 되고 결과적으로 전기적 및 화학적 절연상태를 변화시키는 문제점을 초래하게 된다.
또한, 수소이온농도 측정센서의 경우 용액중의 수소이온의 변화를 검출하는 동작원리를 지니고 있으므로 이러한 수화반응에 의한 전기 화학적 절연상태의 변화는 센서부의 정상적인 동작에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
한편, 이와 같은 문제점을 배제하기 위해 질화실리콘(Si3N4)으로 형성된 보호층을 이용하는 방법이 제안되어 있으나, 이 같은 방식은 그 보호막 자체를 성장시키고 에칭하는 공정이 복잡하고 곤란하며 질화실리콘(Si3N4)의 경우 화학적 증착(CVD)공정에 의해 성장되므로 잔류응력에 의한 스트레스가 발생되어 MEMS공정에 악영향을 미치고 결과적으로 제품성의 저하를 초래하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기적 및 화학적으로 안정적인 절연을 이룰 수 있는 전극간 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 검출전극과 기준전극간의 절연성을 향상시킬 수 있는 전극간 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 동작 안정이 확보되고, 수명이 연장되며, 제조가 용이하고, 대량으로 생산될 수 있는 전극간 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 마이크로형 수소이온농도 측정센서의 전체적인 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서의 절연층의 구조를 보여주는 부분 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서의 절연층 형성공정을 보여주는 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 베이스 12: 측정용 홈
14: 기준용 홈 16: 검출전극
18: 기준전극 20,32: 감응막
22,34: 다공성 부재 24: 충전용액
28,36: 밀봉부재 30: 절연층
이 같은 목적들은, 용액의 수소이온농도를 측정하기 위한 센서에 있어서, 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스; 상기 측정용 홈의 표면에 제공되는 검출전극 및 기준용 홈의 표면에 제공되는 기준전극; 상기 각각의 전극간의 화학적 및 전기적인 절연을 위해 상기 베이스의 하부면에 코팅되며, 상기 각각의 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공이 형성되는 절연층; 상기 측정용 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공을 폐쇄하도록 상기 절연층에 부착되는 감응막; 상기 기준용 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공을 폐쇄하도록 상기 절연층에 부착되는 다공성 부재; 상기 각각의 홈에 충전되고 각각의 전극과 접촉하며 감응막과 다공성 부재에 독립적으로 접촉하는 충전용액; 및 상기 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위한 밀봉부재를 포함하는 전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서 및 그 제조방법에 대해 설명하기 전에 본 출원인에 의해 본 출원과 동일자로 출원되어 계류중인 기본적인 수소이온농도 측정센서의 전체적인 구성에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각 하부가 개방된 측정용 홈(12) 과 기준용 홈(14)이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스(10)와, 측정용 홈의 표면에 제공되는 검출전극(16) 및 기준용 홈(14)의 표면에 제공되는 기준전극(18)과, 측정용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하는 소다라임 유리와 같은 감응막(20)과, 기준용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 상기 대상 수용액과 접촉하는 한천과 같은 다공성 부재(22)와, 각각의 홈(12,14)에 충전되고 각각의 전극(16,18)과 접촉하며 감응막(20)과 다공성 부재(22)에 독립적으로 접촉하는 충전용액(24)과, 충전용액(24)이 각각의 홈(12,14)에 수용될 수 있는 공간을 안정적으로 확보하기 위해 베이스의 상부에 구비되는 벽부재(26)와, 각각의 홈에 충전된 충전용액(24)의 증발 및 건조를 방지하기 위해 벽부재(26)의 상부에 도포되는 밀봉부재(28)로 구성된다.
이와 같이 구성된 기본적인 마이크로형 수소이온농도 측정센서의 전기적 및 화학적인 절연성을 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서는 다은과 같이 구성된다. 설명의 명확성을 위해, 상기 기본적인 측정센서의 구성요소와 동일 내지는 유사한 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하였다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수소이온농도 검출센서의 측정용 홈(12) 과 기준용 홈(14)이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스(10)의 하부 면에는 절연층(30)이 부착된다. 특히, 이 절연층(30)은 측정용 홈(12)에 구비되는 검출전극과 기준용 홈(14)에 구비되는 기준전극간의 전기적 및 화학적 절연성을 향상시키기 위해 폴리아미드(polyamide)로 형성되는 것이 바람직하다. 절연층(30)은 측정용 홈(12)의 하부구멍(12a)과 기준용 홈(14)의 하부구멍(14a)에 각각 상응하는 2개의 관통공(30a)이 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 절연층(30)을 베이스(10)의 하부 면에 형성하는 방법으로는 스핀 코팅(spin coating)공정을 이용하여 베이스(10)의 하부 면에 피복시킨 후 경화시키는 방식이 바람직하다.
한편, 측정용 홈(12)에 형성되는 하부구멍(12a)과 연통하는 절연층(30)의 하나의 관통공(30a)은 예컨대, 라임소다 글래스와 같은 감응막(32)에 의해 폐쇄된다. 그 감응막(32)은 절연층(30)에 부착되는 방식으로 관통공(30a)을 폐쇄한다. 동일방식으로, 기준용 홈(14)의 하부구멍(14a)과 연통하는 절연층(30)의 다른 하나의 관통공(30a)은 다공성 부재(34)에 의해 폐쇄된다.
또한, 절연층(30)에는 그 절연층(30)에 감응막(32) 및 다공성 부재(34)를 견고하고 안정적으로 부착시킴은 물론, 그들간의 틈새를 밀폐시키기 위해 에폭시와같은 밀봉부재(36)가 도포된다.
이하, 도 3을 참조로 하여 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서의 제조방법 중 일부, 특히, 절연층의 형성과정을 상세히 설명한다.
먼저, 작업자는 반도체 제조라인 또는 유사한 반도체 취급 라인에 실리콘웨이퍼로 형성된 베이스를 준비한다(S100). 그리고, 그 베이스의 전체 표면을 열산화 처리한다(S110).
이후, 베이스에 측정용 홈 및 기준용 홈을 형성하기 위해, 베이스의 소정의 위치에 TMAH 에칭을 실시한다(S120). 그리고, 에칭에 의해 베이스에 형성된 측정용 홈 및 기준용 홈에 형성된 산화물을 제거한다(S130). 이후, 각각의 측정용 홈 과 기준용 홈에 절연 산화물을 형성하도록 그 각각의 홈에 대해 열산화를 실행한다(S140). 이때, 그 상화층의 두께는 약 1㎛ 정도로 설정되는 것이 바람직하다.
특히, 이후에는 베이스의 하부면에 절연층을 도포한다(S150). 절연층의 도포방식은 반도체용 스핀 코팅(spin coating)방식으로 실행되는 것이 바람직하다. 이때 스핀 코팅기의 회전속도는 300rpm으로 설정되고, 절연층의 재료로는 폴리아미드가 바람직하며, 그 두께는 약 1.5㎛로 설정되는 것이 바람직하다.
이후, 베이스의 하부면에 스핀코팅에 의해 도포된 절연층의 경화를 실행한다(S160). 이 같은 경화는 약 70℃의 온도의 오븐에서 2시간 정도 실행되는 것이 바람직하다. 다음으로, 이와 같이 도포되어 경화된 절연층을 검사한다(S170). 이 같은 검사는 주로 그 절연층의 상태뿐 아니라 전기적 또는 화학적으로 완전한절연기능을 수행할 수 있는 지를 검사한다.
이후에는 물론, 통상적인 마이크로형 수소이온농도 측정센서의 제조에 필요한 후속공정들이 실행된다. 즉, 감응막 및 다공성부재 부착공정, 에폭시 도포공정, 벽부재 부착공정, 충전용액 충전공정, 밀봉부재 도포 공정 등과 같은 후속 공정들이 일반적으로 실행되어 수소이온농도 측정센서를 제조할 수 있는 것이다.
결과적으로, 마이크로형 수소이온농도 측정센서를 제조하기 위한 기존의 제조공정의 변화 및 변경 없이 전술된 바와 같은 간단한 추가공정 만으로 각각의 전극간의 완전한 절연을 제공하는 절연층을 획득할 수 있는 것이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서에 의하면, 베이스의 하부면에 폴리아미드로 형성된 별도의 절연층이 제공되어 측정전극과 기준전극간의 전기적 및 화학적으로 완전한 절연을 획득할 수 있으므로 측정의 정확성 및 제품성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 동작 안정성이 확보되고, 수명이 연장되며, 제조가 용이하고, 대량으로 생산될 수 있어 경제성이 향상되는 이점이 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (3)

  1. 용액의 수소이온농도를 측정하기 위한 센서에 있어서,
    각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스;
    상기 측정용 홈의 표면에 제공되는 검출전극 및 기준용 홈의 표면에 제공되는 기준전극;
    상기 각각의 전극간의 화학적 및 전기적인 절연을 위해 상기 베이스의 하부면에 코팅되며, 상기 각각의 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공이 형성되는 절연층;
    상기 측정용 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공을 폐쇄하도록 상기 절연층에 부착되는 감응막;
    상기 기준용 홈의 하부구멍과 연통하는 관통공을 폐쇄하도록 상기 절연층에 부착되는 다공성 부재;
    상기 각각의 홈에 충전되고 각각의 전극과 접촉하며 감응막과 다공성 부재에 독립적으로 접촉하는 충전용액; 및
    상기 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위한 밀봉부재를 포함하는 전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 절연층에는 상기 감응막 및 다공성 부재의 부착은 물론 그들간의 틈새를 밀폐시키기 위한 밀봉부재가 더 도포되는 것을 특징으로 하는수소이온농도 측정센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 폴리아미드이고, 상기 절연층은 반도체 스핀 코팅공정에 의해 상기 베이스에 코팅되는 것을 특징으로 하는 수소이온농도 측정센서.
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