KR100486496B1 - 박막형 습도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막형 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 박막형 습도센서는 감습재료로 폴리머를 사용하여 사용온도범위가 60℃ 이상이면 그 폴리머가 변형되어 정확한 감습을 할 수 없는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기판에 형성된 복수의 저항패턴 또는 커패시터의 전극 패턴과, 감습막을 포함하는 박막형 습도센서에 있어서, 상기 저항 패턴의 일측 또는 커패시터 전극의 일측전극은 마이크로 히터로 형성하며, 상기 감습막은 무기재료 감습막이고, 상기 기판에 형성된 천공에 위치하여 공기중에 완전히 노출되는 구조로 구성하고, 기판에 적어도 하나가 마이크로 히터의 역할을 수행하는 복수의 저항체 패턴을 형성하거나, 커패시터 하부전극 패턴을 형성하는 단계와; 상기 복수의 저항체 패턴 또는 커패시터 하부전극 패턴의 상부에 무기재료 감습막을 형성하는 단계와; 상기 커패시터 하부전극 패턴에 대향하는 무기재료 감습막의 상부에 마이크로 히터의 역할을 수행하는 커패시터 상부전극을 형성하는 단계와; 상기 저항체 패턴 또는 커패시터 하부전극 패턴이 형성된 기판의 일부를 저면으로 부터 식각하여 상기 각 패턴의 저면측을 노출시키는 천공을 형성하는 단계를 통해 제조하여, 폴리머 감습막에 비하여 보다 고온에서 안정적으로 사용할 수 있게 되어, 그 사용 온도범위를 증가시켜, 보다 다양한 분야에 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

박막형 습도센서 및 그 제조방법{THIN FILM TYPE HUMIDITY SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 박막형 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 낮은 전력을 소모하며 넓은 온도대역에서 장기간 사용이 가능한 박막형 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

습도센서는 온실에서의 야채의 재배, 가습기나 건조기 및 자동조리기 등의 가전제품과, 자동차 및 빌딩내의 습도조절등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

이와 같은 습도센서는 그 동작원리에 따라 써미스터형, 저항형, 커패시터형 등으로 분류된다.

써미스터형은 서로 분리된 두개의 써미스터 소자를 적절한 패키징에 의해 한 소자에는 습기가 들어가게 하고 다른 한쪽은 습기가 들어가지 못하도록 설계되어, 그 두 써미스터 소자 재료의 저항차에 의해 습도를 측정하게 된다.

이때 써미스터 소자의 재료는 부온도계수(NTC, NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)나 정온도계수(PTC, POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)의 온도 특성을 가지는 재료가 사용된다.

상기 부온도계수는 반도성을 가지는 세라믹이 주로 사용되며, 정온도계수를 가지는 재료로는 Pt 또는 Au등의 금속이 사용된다.

써미스터형의 동작원리는 소자양단에 인가전압을 가하여 소자의 온도를 약 200~300℃로 가열한 상태에서 주위 습도변화에 따라 습기에 노출된 써미스터 소자는 열을 빼앗기게 되어 저항값이 커지거나, 작아지게 되며, 밀폐된 소자는 저항값의 변화가 없기 때문에 이들 소자간의 저항값 차이를 전기적 출력으로 변환하여 습도변화를 검출하게 된다.

또한, 저항형이나 커패시터형은 주로 폴리머 등을 감습재료로 사용하여, 폴리머 양단이나 상하측에 적절한 전극 배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기 흡착에 따른 전극간 저항변화 또는 커패시턴스 변화를 이용하여 습도를 측정할 수 있게 되며, 이와 같은 종래 저항형 및 커패시터형 습도센서 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 및 도1b는 종래 저항형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 두 저항패턴(2,3)을 형성하는 단계(도1a)와; 상기 두 저항패턴(2,3)의 상부측에 폴리머 센싱층(4)을 형성하는 단계(도1b)로 이루어진다.

이와 같은 구조의 습도센서는 폴리머 센싱층(4)의 내부로 습기가 흡착되면, 상기 두 저항패턴(2,3)의 저항성분이 변화되어 이를 검출하여 습도의 변화를 검출할 수 있게 된다.

그러나, 상기 감습재료인 폴리머 센싱층(4)을 폴리머로 사용함으로써, 그 폴리머가 유기물이기 때문에 사용온도가 60℃이상으로 상승하면 재료의 변형이 발생하며, 이와 같은 변형에 의해 감습의 기능이 저하될 수 있다.

또한, 오일이나 다른 오염물이 발생되는 환경에서 장시간 노출되면 센싱층(4)의 표면이 변질되거나, 표면이 막혀 습기가 침투할 수 없게 되어 그 감습특성이 저하된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 칸탈 와이어 히터를 감습소자 주위에 탑재하여 감습재료 표면에 흡착된 수분 또는 오염물질을 제거할 수 있는 무기재료 세라믹 벌크형 습도센서도 개발되었으나, 이는 열용량이 커서 전력소모가 크고, 응답속도가 느리며, 패키징에 어려움이 있는 것으로, 그 재현성이나 균일성에 문제가 있기 때문에 극히 제한적으로 응용되고 있다.

도2a 내지 도2c는 종래 커패시터형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(21) 상에 일정한 면적을 가지는 하부전극(22)을 형성하는 단계(도2a)와; 상기 하부전극(22)의 상부에 폴리머 센싱층(23)을 형성하는 단계(도2b)와; 상기 폴리머 센싱층(23)의 상부에 상부전극(24)을 형성하는 단계(도2c)로 제조된다.

상기 구조의 종래 커패시터형 폴리머 습도센서는 폴리머 센싱층(23)에 유입되는 습기의 양에 따라 변화되는 커패시턴스의 크기를 측정하여 습도변화를 검출하게 된다.

이때 역시 감습재료로서 폴리머를 사용하기 때문에 상기 설명한 바와 같이 오염문제 및 사용 온도범위의 제한 문제가 그대로 적용된다.

상기한 바와 같이 종래 박막형 습도센서는 감습재료로 폴리머를 사용하여 사용온도범위가 60℃ 이상이면 그 폴리머가 변형되어 정확한 감습을 할 수 없는 문제점과 아울러 오염에 의해 장시간 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 넓은 사용온도범위를 가지며, 오염의 발생을 방지하여 장 기간 사용할 수 있는 박막형 습도센서 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적은 감습재료로 보다 넓은 온도범위에서 사용할 수 있는 무기재료를 사용하며, 마이크로 히터의 열손실을 최소화하기 위해 그 무기재료 감습막에 접하는 기판영역을 제거함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3a 내지 도3c는 본 발명 박막형 습도센서의 일예인 저항형 박막 습도센서의 제조공정 수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(31)의 상부에 저항패턴(32)과, 마이크로 히터(33)를 형성하는 단계(도3a)와; 상기 저항패턴(32)과 마이크로 히터(33)의 상부에 무기재료 감습막(34)을 형성하는 단계(도3b)와; 상기 무기재료 감습막(34)의 하부와 그 주변 일부의 실리콘 기판(31)을 저면으로 부터 식각하여 제거하는 단계(도3c)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 도3a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(31)의 상부에 칸탈, 백금 또는 텅스텐실리사이드를 증착하고, 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 패터닝하여 저항패턴(32)과 마이크로 히터(33)를 형성한다.

이때, 상기 실리콘 기판(31) 상에는 도면에는 나타내지 않았지만 절연막이 형성된 것이며, 이는 각 패턴과 실리콘 기판(31)을 전기적으로 분리하는 역할을 한다. 또한, 상기 저항패턴(32)은 하나의 전극과, 그 전극에 연결되며, 다수의 절곡부를 가지는 선형 패턴이며, 상기 마이크로 히터(33)는 두 전극을 연결하며, 상기 저항패턴(32)의 절곡부를 따르는 절곡부를 가지는 형상을 나타내고 있으나, 이에 제한되지 않고 응용 가능한 모든 형상으로 제작할 수 있다.

상기 마이크로 히터(33)는 열에 의해 오염물질이나 습기를 제거하는 역할을 한다.

그 다음, 도3b에 도시한 바와 같이 상기 형성된 저항패턴(32)과 마이크로 히터(33)의 상부측 및 그 주변부의 실리콘 기판(31) 상에 무기재료 감습막(34)을 스핀코팅, 딥코팅 또는 디스펜싱방법으로 형성한 후 패터닝하여 형성한다.

상기 무기재료 감습막(34)은 제올라이트 파우더를 주로하고, 여기에 실리카(SiO₂) 졸 또는 점도가 있는 유기물 용액(VEHICLE)을 혼합하여 형성한다.

이때, 실리카 졸 또는 유기물 용액의 첨가량은 무기재료 감습막(34)의 형상을 유지할 수 있는 정도이면 되는 것으로, 그 첨가량은 제작자의 의도에 따라 변경 가능하다.

그 다음, 도3c에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(31)을 배면측으로 부터 식각하여 상기 저항패턴(32)과 마이크로 히터(33)의 절곡부 저면 및 무기재료 감습막(34)의 저면을 모두 노출시킨다.

이때, 상기 저항패턴(32), 마이크로 히터(33) 및 무기재료 감습막(34)은 상기 실리콘 기판(31)에 위치하는 저항패턴(32) 및 마이크로 히터(33)의 전극과 연결되는 부분에 의해 지지 된다.

이와 같이 실리콘 기판(31)을 식각하여 저항패턴(32), 마이크로 히터(33) 및 무기재료 감습막(34)의 저면을 노출시키면, 상기 마이크로 히터(33)에서 발생되는 열의 손실을 최소화 할 수 있게 된다.

즉, 마이크로 히터(33)의 저면에 실리콘 기판(31)이 접한 상태이면 그 마이크로 히터(33)에서 발생한 열이 실리콘 기판(31)을 통해 손실되어 일정 온도 이상으로 감습막을 가열하기 위해서는 상대적으로 큰 전력이 소모된다.

그러나, 본 발명에서와 같이 마이크로 히터(33)와 무기재료 감습막(34)의 배면을 모두 노출시키면, 열의 손실을 최소화하여 보다 적은 전력의 사용으로 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

도4는 상기 본 발명 저항형 습도센서의 25℃에서의 감습특성을 나타낸 그래프로서, 넓은 저항 범위에서 고른 선형성을 나타낸다.

상기 무기재료 감습막(34)은 종래 폴리머와는 달리 비교적 높은 온도에서 변형없이 사용가능하여, 습도센서를 넓은 온도범위에서 사용할 수 있도록 하며, 낮은 전력을 사용하는 히터를 사용하여 그 무기재료 감습막(34)에 부착되는 오일등의 오염물질을 제거하여 습도센서의 수명을 증가시킬 수 있게 된다.

도5a 내지 도5d는 본 발명의 다른 실시예인 커패시터형 박막 습도센서의 제조공정 수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(51)의 상부에 패드(PAD1)에 연결되는 하부전극(52)을 형성함과 아울러 이후에 형성될 상부전극 연결용 패드(PAD2, PAD3)를 형성하는 단계(도5a)와; 상기 하부전극(52)의 상부에 무기재료 감습막(53)을 형성하는 단계(도5b)와; 상기 무기재료 감습막(53) 상에서 절곡부를 가지며 상기 패드(PAD2, PAD3)에 연결되는 상부전극(54)을 형성하는 단계(도5c)와; 상기 하부전극(52)의 저면과 그 주변부에 위치하는 실리콘 기판(51)을 제거하는 단계(도5d)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도5a에 도시한 바와 같이 절연막이 증착된 기판(51)의 상부에 금속을 증착하고, 패터닝하여 하부전극(52)과, 상기 하부전극(52)에 연결되는 패드(PAD1)를 형성한다.

이와 동시에 상기 하부전극(52)의 상하측으로 이격된 위치에 독립적인 패드(PAD2, PAD3)를 형성한다.

그 다음, 도5b에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 무기재료 감습막을 증착하고, 이를 패터닝하여 상기 하부전극(52)의 상부에 위치하는 무기재료 감습막(53)을 형성한다.

그 다음, 도5c에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고, 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 그 금속을 패터닝하여 상기 무기재료 감습막(53)의 상부에 다수의 절곡부를 가지는 상부전극(54) 패턴을 형성한다.

이때, 상기 무기재료 감습막(53)의 상부에 위치하는 상부전극(54)의 절곡부 패턴은 상기 형성한 패드(PAD2, PAD3)에 연결된다.

또한, 상기 상부전극(54)은 커패시터의 상부전극으로서의 역할 뿐만 아니라, 마이크로 히터의 역할을 수행할 수 있도록 전압의 인가에 따라 열을 발생시키는 절곡된 패턴의 형상을 가진다.

그 다음, 도5d에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판(51)을 저면측으로 부터 식각하여 상기 하부전극(52) 및 무기재료 감습막(53)이 공기중에 완전히 노출될 수 있도록 한다.

이때 식각에 사용하는 식각용액은 KOH를 사용한다.

상기 패드(PAD2, PAD3)에 전압이 인가되면, 그 상부전극(54)의 절곡된 형상에 의해 열이 발생하여 상기 무기재료 감습막(53)에 흡착된 오염물질을 제거할 수 있게 되며, 이때 상기 실리콘 기판(51)의 식각에 의해 상기 무기재료 감습막(53)이 공기중에 노출된 상태이므로 열손실을 줄여 저전력을 사용하여 원하는 온도의 상승을 가져올 수 있게 된다.

또한, 종래 커패시터형 박막 습도센서는 습기가 감습막에 도달하기 용이하도록 다공성 상부전극을 채택하였으나, 본 발명에서는 무기재료 감습막(53)이 공기중에 노출되는 구조이므로 다공성 전극이 아닌 일반 금속전극으로도 구현이 가능하게 된다.

도6은 상기 도5a 내지 도5d에 보인 본 발명의 감습특성을 보인 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 선형성이 우수한 감습특성을 나타낸다.

상기한 바와 같이 본 발명은 감습막을 무기재료로 사용하여, 폴리머 감습막에 비하여 보다 고온에서 안정적으로 사용할 수 있게 되어, 그 사용 온도범위를 증가시켜, 보다 다양한 분야에 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 감습막의 하부측 기판을 식각하여, 감습막을 공기중에 완전히 노출시킴으로써, 저소비전력을 사용하여 그 감습막에 흡착되는 오염물질을 제거하여 그 수명을 보다 향상시킴과 아울러 소비전력을 절감하는 효과가 있다.

도1a 및 도1b는 종래 저항형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순 사시도.

도2a 내지 도2c는 종래 커패시터형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순 사시도.

도3a 내지 도3c는 본 발명 박막형 습도센서의 일실시 제조공정 수순 사시도.

도4는 상기 도3c의 감습특성을 나타낸 그래프.

도5a 내지 도5d는 본 발명 박막형 습도센서의 다른 실시 제조공정 수순 사시도.

도6은 상기 도5d의 감습특성을 나타낸 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

31,51:실리콘 기판 32:저항패턴

33:마이크로 히터 34,53:무기재료 감습막

52:하부전극 54:상부전극

Claims (5)

1. 기판에 형성된 복수의 저항패턴 또는 커패시터의 전극 패턴과, 감습막을 포함하는 박막형 습도센서에 있어서, 상기 저항 패턴의 일측 또는 커패시터 전극의 일측전극은 마이크로 히터로 형성하며, 상기 감습막은 무기재료 감습막이며, 상기 저항패턴 또는 커패시터의 전극 패턴 및 무기재료 감습막은 상기 기판에 형성된 천공에 위치하여 공기중에 노출되게 구성된 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 기판에 적어도 하나가 마이크로 히터의 역할을 수행하는 복수의 저항체 패턴을 형성하거나, 커패시터 하부전극 패턴을 형성하는 단계와; 상기 복수의 저항체 패턴 또는 커패시터 하부전극 패턴의 상부에 무기재료 감습막을 형성하는 단계와; 상기 커패시터 하부전극 패턴에 대향하는 무기재료 감습막의 상부에 마이크로 히터의 역할을 수행하는 커패시터 상부전극을 형성하는 단계와; 상기 저항체 패턴 또는 커패시터 하부전극 패턴이 형성된 기판의 일부를 저면으로 부터 식각하여 상기 각 패턴의 저면측을 노출시키는 천공을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 무기재료 감습막은 제올라이트 파우더에 실리카 졸 또는 점성이 있는 유기 용액을 첨가하여 재료를 형성하고, 이를 스핀코팅, 딥코팅 또는 디스펜싱법 중 선택된 하나의 방법으로 코팅하고 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서 제조방법.