KR100474516B1 - Humidity sensor using cantilever and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판에 지지되어 부상되며, 하부전극, PZT막과 상부전극으로 이루어진 PZT 캐패시터를 포함하고 있는 캔틸레버와; 습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막으로 구성함으로써, 습도 감지막에서 흡수되는 습기량에 따라 캔틸레버의 휘어지는 변위 및 공진주파수의 감소와 같은 변화를 검출하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 효과가 발생한다.The present invention relates to an ultra-precision humidity sensor using a cantilever and a method of manufacturing the same, and includes a cantilever supported by a silicon substrate and floating thereon, the PZT capacitor comprising a lower electrode, a PZT film, and an upper electrode; The moisture absorption film formed on top of the cantilever, so that the mass can be increased by the absorption of moisture to cause the cantilever to bend, the bending displacement and the resonant frequency of the cantilever according to the amount of moisture absorbed by the humidity detection film By detecting a change such as a decrease in the effect of detecting the humidity with high accuracy occurs.
Description
본 발명은 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PZT 캔틸레버의 상부에 다공성막을 형성하여, 이 다공성막에 모세관 현상으로 침투되는 습기를 흡수하여 캔틸레버의 휘어짐에 의한 변위를 PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 캐패시터로 검출하거나 공진주파수 감소와 같은 변화를 측정하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-precision humidity sensor using a cantilever and a method of manufacturing the same. More specifically, a porous membrane is formed on an upper portion of a PZT cantilever, and the porous membrane absorbs moisture penetrated by capillary action, thereby displacing the cantilever. The present invention relates to an ultra-precision humidity sensor using a cantilever that can detect humidity with a PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) capacitor or to measure a change such as a decrease in resonance frequency and to detect humidity with high precision, and a manufacturing method thereof.
최근 산업이 고도화되면서, 전 산업체에서 정밀한 습도 측정 및 제어의 필요성이 요구되고 있고, 가정 및 사무실내에서도 쾌적한 분위기를 유지하기 위하여, 습도 제어가 요구되는 등, 습도 센서 분야는 급속히 확대되고 있다.Recently, as the industry is advanced, the humidity sensor is required to be precisely measured and controlled in all industries, and in order to maintain a comfortable atmosphere in homes and offices, humidity control is required.
특히, 냉동, 공조, 산업 및 군수용에서는 초 정밀한 습도 제어가 필요하고, 이를 위한 습도 센서의 개발이 요구되고 있다. In particular, in the refrigeration, air conditioning, industrial and military use, ultra-precise humidity control is required, and the development of a humidity sensor for this is required.
도 1은 종래의 저항형 습도센서의 평면도로서, 알루미나 기판(20)의 상부에 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt)과 같은 금속이 증착되어 형성된 제 1과 2 전극라인(21a,21b)과, 상기 제 1과 2 전극라인(21a,21b)의 상부에 SnO2, TiO2, WO3와 같은 고분자막으로 형성된 습도 검출용 감지막(22)으로 구성된다.FIG. 1 is a plan view of a conventional resistance humidity sensor, and includes first and second electrode lines 21a formed by depositing a metal such as aluminum (Al), gold (Au), or platinum (Pt) on an alumina substrate 20. And 21b) and a humidity detecting film 22 formed of a polymer film such as SnO 2 , TiO 2 , and WO 3 on the first and second electrode lines 21a and 21b.
이렇게 구성된 종래의 저항형 습도센서의 동작은 먼저, 상기 제 1 전극라인(21a)에 교류전류를 인가하면, 교류전류는 제 1 전극라인(21a)을 따라 흐르면서, 제 2 전극(21b)라인으로 넘어가 결국, 제 2 전극(21b)에서 인출된다.In the conventional resistive humidity sensor configured as described above, when an alternating current is applied to the first electrode line 21a, the alternating current flows along the first electrode line 21a to the second electrode 21b line. After that, it is withdrawn from the second electrode 21b.
그리고, 상기 습도 검출용 감지막(22)은 교류전류에 대해 저항체 역할을 수행하게 되는데, 상기 습도 검출용 감지막(22)에 습기가 흡수되면, 저항값이 변하게 되어, 그 저항 변화 자체를 이용하거나 제 2 전극(21b)에서 출력되는 교류전류 출력값을 변화시킴으로서, 종래의 저항형 습도센서는 습기를 감지하게 된다.In addition, the humidity detecting film 22 serves as a resistor against an alternating current. When moisture is absorbed into the humidity detecting film 22, the resistance value is changed, and the resistance change itself is used. Alternatively, by changing the AC current output value output from the second electrode 21b, the conventional resistance humidity sensor senses moisture.
이러한 종래의 저항형 습도센서는 습기속의 O-H기가 다공체인 습도 검출용 감지막(22)에 모세관현상으로 침투하여, 저항변화를 주게되면 습도를 검출할 수 있는데, 저습인 경우에는 저항변화가 극미하여 감지하기가 어렵고, 고습인 경우에는 습도 검출용 감지막(22)에 침투된 습기가 포화(Saturation)되어 더 이상의 습도를 감지할 수 없게 되는 문제점이 있었다.The conventional resistance type humidity sensor penetrates into the capillary phenomenon by the OH group in the moisture sensing membrane 22 for detecting the moisture, and when the resistance is changed, the humidity can be detected. In the case of low humidity, the resistance change is minimal. It is difficult to detect, and in the case of high humidity, there is a problem in that moisture penetrated into the humidity detecting film 22 is saturated and no more humidity can be detected.
또한, 이러한 다공체 습도 검출용 감지막을 이용한 종래의 저항형 습도센서는 습도변화에 따른 저항변화가 선형적인 특성을 유지하기가 어려워, 정밀하게 습도를 제어하기 어려운 한계가 있었다.In addition, the conventional resistance-type humidity sensor using the porous film for detecting the humidity of the porous body, it is difficult to maintain the linear characteristics of the resistance change according to the humidity change, there was a limit to difficult to control the humidity precisely.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, PZT 캔틸레버의 상부에 다공성막을 형성하여, 이 다공성막에 모세관 현상으로 침투되는 습기를 흡수하여 캔틸레버의 휘어짐에 의한 변위를 PZT 캐패시터로 검출하거나 공진주파수의 변화를 측정하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems described above, forming a porous membrane on the upper portion of the PZT cantilever, absorbs moisture penetrated by the capillary phenomenon to the porous membrane to convert the displacement caused by the bending of the cantilever to the PZT capacitor An object of the present invention is to provide an ultra-precision humidity sensor using a cantilever that can detect humidity by detecting a change in resonance frequency or by measuring a change thereof, and a manufacturing method thereof.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 실리콘 기판에 지지되어 부상되며, PZT 캐패시터를 포함하는 캔틸레버(70)와; A preferred aspect for achieving the above object of the present invention is a cantilever 70 which is supported and floated on a silicon substrate and comprises a PZT capacitor;
습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막(60)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서가 제공된다.There is provided an ultra-precise humidity sensor using a cantilever, which is composed of a humidity sensing film 60 formed on an upper portion of the cantilever so that the mass is increased by the absorption of moisture and the cantilever is generated to bend.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 실리콘기판의 상부에 실리콘 산화막, 하부전극, PZT막과 상부전극을 순차적으로 적층하는 제 1 단계와;Another preferred aspect for achieving the above object of the present invention is a first step of sequentially stacking a silicon oxide film, a lower electrode, a PZT film and an upper electrode on top of a silicon substrate;
상기 상부전극의 상부에 제 1 포토레지스트막을 형성하고, 사진식각공정을 수행하여, 상기 상부전극과 PZT막을 식각하는 제 2 단계와;Forming a first photoresist film on the upper electrode and performing a photolithography process to etch the upper electrode and the PZT film;
상기 상부전극과 PZT막을 감싸며, 상기 하부전극의 상부에 제 2 포토레지스트막을 형성하고, 상기 제 2 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 하부전극을 식각하는 제 3 단계와;Enclosing the upper electrode and the PZT layer, forming a second photoresist layer on the lower electrode, masking the second photoresist layer, and etching the lower electrode;
상기 상부전극 상부의 일측에 습도 감지막을 형성하고, 상기 습도 감지막의 바로 아래부위에 해당하는 실리콘기판을 식각하여, 상기 실리콘 산화막과 PZT 캐패시터를 부상시키는 제 4 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법이 제공된다. Using a cantilever comprising a fourth step of forming a humidity sensing film on one side of the upper electrode, and etching the silicon substrate corresponding to the lower portion of the humidity sensing film to float the silicon oxide film and the PZT capacitor. An ultra-precision humidity sensor and its manufacturing method are provided.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서의 제조 공정도로서, 먼저, 도 2a에서 실리콘기판(50)의 상부에 실리콘 산화막(51), 하부전극(52), PZT(Pb(Zr,Ti)O3)막(53)과 상부전극(54)을 순차적으로 적층한다.2A to 2F are manufacturing process diagrams of the ultra-precision humidity sensor using the cantilever according to the present invention. First, in FIG. 2A, the silicon oxide film 51, the lower electrode 52, and the PZT (Pb (Pb) are formed on the silicon substrate 50. The Zr, Ti) O 3 ) film 53 and the upper electrode 54 are sequentially stacked.
여기서, 하부전극(52), PZT막(53)과 상부전극(54)은 PZT 캐패시터가 된다.Here, the lower electrode 52, the PZT film 53, and the upper electrode 54 become PZT capacitors.
그 후에, 상부전극(54)의 상부에 제 1 포토레지스트막(55)을 형성하고, 사진식각공정을 수행하여, 상기 상부전극(54)과 PZT막(53)을 식각한다.(도 2b)Thereafter, the first photoresist film 55 is formed on the upper electrode 54, and a photolithography process is performed to etch the upper electrode 54 and the PZT film 53 (FIG. 2B).
연이어, 상기 상부전극(54')과 PZT막(53')을 감싸며, 상기 하부전극(52)의 상부에 제 2 포토레지스트막(56)을 형성하고(도 2c), 상기 제 2 포토레지스트막(56)으로 마스킹하여, 상기 하부전극(52)을 식각한다.(도 2d)Subsequently, the upper electrode 54 'and the PZT film 53' are wrapped to form a second photoresist film 56 on the lower electrode 52 (FIG. 2C), and the second photoresist film is formed. By masking 56, the lower electrode 52 is etched (FIG. 2D).
그 다음, 상기 상부전극(54') 상부의 일측에 습도 감지막(60)을 형성하고(도 2e), 마지막으로, 상기 습도 감지막(60)의 바로 아래부위에 해당하는 실리콘기판(50)을 건식식각하여, 상기 실리콘 산화막과 PZT 캐패시터를 부상시켜, 캔틸레버(70)를 형성한다.(도 2f)Next, a humidity sensing film 60 is formed on one side of the upper electrode 54 '(FIG. 2E), and finally, a silicon substrate 50 corresponding to a portion directly below the humidity sensing film 60. Dry etching to float the silicon oxide film and the PZT capacitor to form a cantilever 70 (FIG. 2F).
이 때, 도 2a의 공정에서, 실리콘 산화막(51) 대신에 실리콘 질화막을 형성하여, 부상된 캔틸레버를 형성할 수도 있다.At this time, in the process of Fig. 2A, instead of the silicon oxide film 51, a silicon nitride film may be formed to form a floating cantilever.
여기서, 습도 감지막(60)은 다공성막으로 형성하는 것이 바람직하며, 다공성막 중, 고분자막 또는 금속산화막으로 형성하는 것이 가장 바람직하다.Here, the humidity sensing film 60 is preferably formed of a porous film, and most preferably formed of a polymer film or a metal oxide film among the porous films.
그리고, 이러한 다공성막은 그레인 사이즈가 0.1 ~ 5㎛를 갖는 다공성막이 바람직하며, 1000 ~ 5000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.And, such a porous membrane is preferably a porous membrane having a grain size of 0.1 to 5㎛, it is preferable to form a thickness of 1000 ~ 5000Å.
따라서, 본 발명의 초정밀 습도 센서는 실리콘 기판에 지지되어 부상되며, PZT 캐패시터를 포함하고 있는 캔틸레버와; 습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막으로 구성함으로서, 습도 감지에 따른 질량 증가에 다른 캔틸레버의 휘어짐(bending)의 변위 및 공진주파수의 변화를 측정하여, 초 정밀하게 습도를 감지할 수 있는 것이다.Accordingly, the ultra-precision humidity sensor of the present invention is supported by a silicon substrate and floated, and includes a cantilever including a PZT capacitor; By the absorption of moisture, the mass is increased, so that the cantilever is bent to generate a displacement, by forming a humidity sensing film formed on the upper portion of the cantilever, the displacement of the bending of the cantilever different from the increase in mass according to the humidity detection and By measuring the change in the resonant frequency, it is possible to detect the humidity with high precision.
더 상세히 설명하면, 본 발명의 초정밀 습도 센서는 습도 감지막(60)에 습기가 흡수되어 습도가 감지되면, 습도 감지막(60)은 질량이 증가하게 되고, 이 질량이 증가된 습도 감지막(60)은 캔틸레버(70)를 하부로 휘어지게 하며, 휘어진 변위는 PZT 캐패시터를 이용하여 감지하게 된다.In more detail, in the ultra-precision humidity sensor of the present invention, when moisture is absorbed by the humidity sensing film 60 and the humidity is sensed, the humidity sensing film 60 increases in mass, and the humidity sensing film in which the mass is increased ( 60 bends the cantilever 70 downward, and the deflected displacement is sensed using a PZT capacitor.
따라서, 습도를 초정밀하게 감지할 수 있게 된다.Therefore, the humidity can be detected with high precision.
여기서, 습도 감지막(60)이 습도를 흡수하여 질량이 증가된 상태의 캔틸레버(70) 공진주파수는 습도 감지막(60)이 습도를 흡수하지 않은 상태의 캔틸레버(70) 공진주파수에 비하여, 공진주파수 변화가 발생한다. Here, the resonant frequency of the cantilever 70 in the state where the humidity sensing film 60 absorbs humidity and the mass is increased is compared with the resonant frequency of the cantilever 70 in which the humidity sensing film 60 does not absorb humidity. Frequency change occurs.
이런 공진주파수의 변화가 발생되는 이유는, 일정한 공진주파수로 진동하는 캔틸레버에 습기가 흡착하게 되면, 캔틸레버상에 질량이 증가하게 되어 궁극적으로 캔틸레버가 진동하는 속도가 감소하게 되며, 따라서, 공진주파수는 감소되는 것이다.The reason for the change of the resonance frequency is that when moisture is adsorbed to the cantilever vibrating at a constant resonant frequency, the mass increases on the cantilever and ultimately, the speed at which the cantilever vibrates decreases. It is reduced.
물론, 상기 습도감지막의 질량 변화량에 따라 캔틸레버의 공진주파수 변화량 및 휘어짐의 변화량이 미리 결정되어 있어야 캔틸레버의 공진주파수 변화량 및 휘어짐의 변화량으로 습도감지막에 흡수된 습기의 질량 변화량을 알 수 있다.Of course, the amount of change in the resonant frequency of the cantilever and the amount of deflection of the cantilever should be determined in advance according to the amount of change in the humidity sensing film, so that the amount of change in the amount of moisture absorbed in the humidity sensing film may be determined by the amount of change in the resonant frequency of the cantilever and the amount of deflection.
그 다음, 이 습기의 질량으로 하기 식(1)에 의하여, 몰(Mole)수를 알 수 있다.Then, the number of moles can be known by the following formula (1) as the mass of this moisture.
몰수(n) = 습기질량/분자량 ----------- (1)Number of moles (n) = moisture mass / molecular weight ----------- (1)
이렇게 계산된, 습기의 몰수(n)는 하기 식(2)의 이상 기체 상태 방정식을 이용하여, 단위체적(V)에 분포된 습기의 압력(P)을 계산할 수 있다.The mole number n of moisture calculated as described above can be calculated using the ideal gas state equation of the following formula (2), and the pressure P of moisture distributed in the unit volume V.
P x V = n x RT ---------------------- (2)P x V = n x RT ---------------------- (2)
여기서, V는 밀폐된 공간의 체적이고, R은 기체상수, T는 온도이다.Where V is the volume of the enclosed space, R is the gas constant and T is the temperature.
그러므로, 이 공진주파수 변화를 측정하여 단위체적당 흡수된 습도를 계산할 수 있으므로, 마이크로 단위의 캔틸레버에 형성된 습도 감지막으로 습도를 초정밀하게 감지할 수 있게 되는 것이다.Therefore, since the humidity absorbed per unit volume can be calculated by measuring the change of the resonance frequency, the humidity sensing film formed on the cantilever in micro units can detect the humidity with high precision.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 PZT 캐패시터를 포함하는 캔틸레버의 상부에 습도 감지막을 형성하여, 습도 감지막에서 흡수되는 습기량에 따라 캔틸레버의 휘어지는 변위 및 공진주파수의 변화를 검출하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention forms a humidity sensing film on the upper portion of the cantilever including the PZT capacitor, and detects the bending displacement of the cantilever and the change of the resonance frequency according to the amount of moisture absorbed by the humidity sensing film, thereby making the humidity extremely accurate. There is a detectable effect.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
도 1은 도 1은 종래의 저항형 습도 센서의 평면도이다. 1 is a plan view of a conventional resistance humidity sensor.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서의 제조 공정도이다. 2a to 2f is a manufacturing process diagram of the ultra-precision humidity sensor using a cantilever according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
20 : 알루미나 기판 21a,21b : 전극라인20: alumina substrate 21a, 21b: electrode line
22 : 습도 검출용 감지막 50 : 실리콘 기판22: detection film for humidity detection 50: silicon substrate
51 : 실리콘 산화막 52 : 하부전극 51 silicon oxide film 52 lower electrode
53 : PZT막 54 : 상부전극53: PZT film 54: upper electrode
55,56 : 포토레지스트막 60 : 습도 감지막55,56 photoresist film 60 humidity sensor film
70 : 캔틸레버70: cantilever
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