KR100585664B1 - 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 감습센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되고, 감습막 표면상에 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있었다. 특히 측정 특성이 뛰어난 용량형 습도 센서의 경우 감습층에 습기가 도달하도록 상부 전극이 다공성 결정 구조를 가진 재료로 되어 있으므로 오염되기 쉬워 측정 신뢰성이 악화된다. 이를 피하고자 벌크형 무기재료 감습층과 히터를 사용하는 경우도 있으나 전체 센서를 가열하기 위한 전력 소모가 심하고 응답속도가 느리며 재현성과 균일성이 나쁜 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 상대습도 센서에 히터를 내장하고 빠르고 고른 열전달 및 낮은 전류 소모를 위해 히터와 센서 하부의 기판을 제거하는 것으로 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있으며, 오염에 강한 귀금속으로 상부 전극을 형성하도록 하여 감습층에 습기가 원활히 도달할 수 있도록 하면서도 오염을 방지하고 감습의 정확도를 향상시킬 수 있어 전력 소모, 응답속도, 재현성과 균일성 및 신뢰성을 모두 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

박막형 습도 센서 및 그 제조 방법{THIN FILM HUMIDITY SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도1a 및 도1b는 종래 습도센서의 일실시예에 따른 제조공정 수순사시도.

도2a 내지 도2c는 종래 습도센서의 다른 실시예에 따른 제조공정 수순사시도.

도3은 본 발명 일 실시예의 단면도.

도4는 도 3에 도시한 일 실시예의 상부 평면도.

도5는 본 발명 일 실시예의 사시도.

도6a 내지 도 6e는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도.

도7은 본 발명 일 실시예의 측정 결과를 보이는 그래프도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

30: 기판 31: 맴브레인층

32: 히터층 33: 절연층

34: 하부전극 35: 감습층

36: 상부전극 37: 캐비티

본 발명은 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 흡착된 오염물을 제거하기 위한 히터부를 센서부 하부에 장착하고 감습층 상부의 상부 전극 구조를 매쉬형으로 형성하며, 센서부 하부의 기판을 제거하여 외부 환경과 단열이 이루어지도록 한 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법에 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 따라서 써미스터형, 저항형, 용량형 등으로 분류된다.

저항형이나 용량형은 주로 폴리머 등을 감습재료로 사용하여, 폴리머 양단이나 상하측에 적절한 전극 배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기 흡착에 따른 전극간 저항변화 또는 용량 변화를 이용하여 습도를 측정할 수 있게 되며, 이와 같은 종래 저항형 및 용량형 감습센서 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 감습층(4)을 형성하는 단계(도1b)로 이루어진다.

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

그러나, 상기 감습재료인 폴리머 감습층(4)은 폴리머를 사용하기 때문에 온도 제한이 발생하는데, 유기물인 폴리머는 사용온도가 60℃이상으로 상승하면 재료의 변형이 발생하며, 이와 같은 변형에 의해 감습의 기능이 저하될 수 있다.

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

무엇보다도 이러한 저항형 습도 센서는 측정값이 직선성을 가지지 않고 주위 환경에 영향을 받기 때문에 상대 습도를 정량적으로 측정하기 어려워 정밀한 상대습도 측정에는 적합하지 않다.

도2a 내지 도2c는 종래 용량형 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 감습층(23)을 형성하는 단계(도2b)와; 상기 폴리머 감습층(23)의 상부에 상부전극(24)을 형성하는 단계(도2c)로 제조된다.

상기 구조의 종래 용량형 폴리머 습도센서는 폴리머 감습층(23)에 유입되는 습기의 양에 따라 변화되는 커패시턴스의 크기를 측정하여 습도변화를 검출하게 된다. 이는 비교적 직선성을 가지는 출력 특성 때문에 전술한 저항형 습도 센서보다는 측정 정밀도가 높으며 상용화 하기 쉽지만 감습재료로서 폴리머를 사용하기 때문에 상기 설명한 바와 같이 오염문제 및 사용 온도범위의 제한 문제가 그대로 적 용된다.

그리고, 상기 감습층(23)에 습기가 도달하기 위해서 상기 상부전극(24)은 결정 구조가 다공성인 재료들을 이용하였으나, 이러한 다공성 재료들은 쉽게 오염될 수 있어 신뢰성이 취약해 질 수 밖에 없다.

상기 오염물에 대한 문제점을 해결하기 위하여 칸탈 와이어 히터를 감습소자 주위에 탑재하여 감습재료 표면에 흡착된 수분 또는 오염물질을 제거할 수 있는 무기재료 세라믹 벌크형 감습센서도 개발되었으나, 이는 열용량이커서 전력소모가 크고, 응답속도가 느리며, 패키징에 어려움이 있을 뿐 아니라 불균형한 온도 전달에 의해 센서의 성능이 점차 열화되어, 그 재현성이나 균일성에 문제가 있기 때문에 극히 제한적으로 응용되고 있다.

상기한 바와 같이 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 감습센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되고, 감습막 표면상에 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있었다. 특히 측정 특성이 뛰어난 용량형 습도 센서의 경우 감습층에 습기가 도달하도록 상부 전극이 다공성 결정 구조를 가진 재료로 되어 있으므로 오염되기 쉬워 측정 신뢰성이 악화된다. 이를 피하고자 벌크형 무기재료 감습층과 히터를 사용하는 경우도 있으나 전체 센서를 가열하기 위한 전력 소모가 심하고 응답속도가 느리며 재현성과 균일성이 나쁜 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 무기재료 감습막을 이용하는 센서를 히터가 형성된 기판 상에 배치하며, 상기 기판에 캐비티를 형성하여 상기 히터를 비롯한 센서를 외부 환경에 단열되도록 부유시켜 센서부분을 가열하는 경우 전력 소모를 줄이고 가열 균일성을 높일 수 있도록 하며, 상기 센서의 상부 전극을 오염물에 내성이 강한 귀금속 재료를 이용한 복잡한 패턴 구조로 형성하는 것으로 감습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정 영역이 제거된 기판과; 상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과; 상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 히터층과; 상기 히터층 상부에 형성되며, 상기 히터층의 패드 부분을 노출시키는 절연층과; 상기 기판이 제거된 영역의 절연층 상부에 차례로 형성되는 하부 전극, 그리고 감습층과; 상기 감습층 상부에 형성되는 매쉬형 구조의 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 상부 전극은 귀금속 재질로 형성되며 상기 감습층을 노출 시킬 수 있는 패턴 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 감습층은 다공성의 활성탄, 제올라이트(zeolite), 알루미나 중 적어도 하나를 주 재료로 이용하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 실리콘 기판 상에 맴브레인층을 형성하고, 그 상부에 전기적 접촉을 위한 패드부를 가지는 히터층을 형성하는 단계와; 상기 히터층 상부에 절연층을 형성하고, 상기 히터층의 패드부를 노출시키는 단계와; 상기 히터층 상의 패드부 상부에 차례로 하부 전극, 감습층을 형성하는 단계와; 상기 감습층 상부에 상부 전극을 형성하고 하부 감습층이 노출되는 다수의 영역을 패터닝하는 단계와; 상기 히터층 및 감습층이 형성된 영역의 기판을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명 일 실시예의 단면도로서, 도시된 바와 같이 습도 센서가 형성된 영역의 기판(30) 일부가 제거된 구조임을 알 수 있다. 본 실시예에서 사용되는 기판(30)은 실리콘 기판이므로 실리콘 기판의 결정 구조에 따라 용이한 벌크 식각으로 상기 트랜치를 쉽게 형성할 수 있으며, 다른 종류의 기판을 이용하는 경우 다양한 식각 방법에 의해 다양한 구조로 식각될 수 있다.

상기 일부가 제거된 기판(30)의 상부에는 습도 센서를 지지하기 위한 맴브레인층(31)이 위치하며, 그 상부에는 미엔다(meander) 구조의 히터층(32)이 배치된다.

상기 히터층(32) 상부에는 절연 및 상기 히터층(32)을 외부 습기나 오염으로부터 보호하기위한 절연층(33)이 형성되며, 상기 히터층(32)에 형성된 전극 연결용 패드 부분을 노출시키기 위해 관통홀이 형성되어 있다.

그리고, 그 상부에는 하부전극(34), 감습층(35), 상부 전극(36)이 차례로 형성되어 있으며, 본 실시예에서는 외부에 노출되는 연결 전극의 수를 줄이기 위해 상기 히터층(32)의 일측 패드 부분과 하부 전극(34)이 상기 관통홀을 통해 연결되는 구조를 취하였다. 물론, 상부 전극(36)이 상기 히터층(32)의 일측 패드와 연결될 수 있다. 상기 습도 센서의 일측 전극과 연결되는 히터층(32)의 패드는 외부 접 지 전극과 연결되는 것이 바람직하다.

상기 단면도를 통해 확인할 가장 중요한 본 발명의 특징은 습도 센서 부분(34, 35, 36)이 절연층(33)으로 보호된 히터층(32) 상부에 위치한다는 것과, 상기 히터층(32) 및 습도 센서 부분이 맴브레인층(31) 및 절연층(33)에 의해 부유하고 있다는 점이다. 이러한 기판(30)과 센서 부분의 단절은 외부 환경에 대한 단열 조건을 만들며, 이는 상기 히터층(32)이 가열해야 하는 영역을 단순히 습도 센서 부분 만으로 한정하는 역할을 한다. 또한, 상기 히터층(32)이 제공하는 열을 외부로 빼앗기지 않아 보다 균일한 가열이 가능해 진다. 이를 통해 적은 전력으로 빠르고 균일한 가열이 가능해진다.

상기 빠르고 균일한 가열은 상기 습도 센서의 재현성 및 균일성을 비약적으로 높이게 되는 바, 외부 오염물이나 습기에 따른 신뢰성 감소를 방지할 수 있게 되며, 측정 응답 속도를 높일 수 있게 된다.

도 4는 도 3에 도시한 본 발명 실시예의 상부 평면도로서, 이를 통해 본 발명의 다른 특징인 상부전극(36)에 대해 살펴보도록 한다. 도시된 바와 같이 상기 상부전극(36)은 매쉬형 구조를 가지고 있는데, 이를 통해 외부 습기가 상기 패턴 구조에 의해 노출되는 감습층(35)에 원활하게 전달 되도록 할 수 있으며, 상기 구조적 변경에 의해 정전 용량을 쉽게 변화시킬 수도 있다. 이는 사용하고자 하는 용도에 적합한 습도 센서를 용이한 방법으로 제조할 수 있다는 것을 의미한다.

도시된 구조에서 하부 전극(34)의 일부가 히터층(32)의 일측 패드 부분 상부에 형성된 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 외부와 연결되는 전극이 3개로 줄어들었 음을 알 수 있다. 이는 이후 본 발명의 구조물을 패키징하는 과정에서 필요한 외부 전극 결선을 보다 용이하게 한다.

도 5는 상기와 같은 본 발명 일 실시예의 사시도를 보인 것으로 이를 통해 보다 입체적으로 본 발명의 구조를 이해할 수 있을 것이다. 도시된 점선 부분은 기판(30)에 형성된 캐비티를 나타내는 것이다.

도시된 구조를 보면 본 발명의 습도 센서 부분이 맴브레인층(31)과 절연층(33)을 통해 부유하고 있으며, 이를 통해 히터부(32)를 통해 제공하는 열을 손실없이 센서 부분에 전달할 수 있다는 것을 확인할 수 있을 것이다.

도 6a 내지 도 6e는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도로서, 도시된 바와 같이 비교적 단순한 공정들을 통해 용이하게 형성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 센서 부분이 실리콘 기판(30) 상에 반도체 공정 만으로 형성될 수 있으므로, 다양한 제어 회로를 상기 실리콘 기판(30) 상에 집적할 수 있으며, 하나의 웨이퍼 상에서 다수의 습도 센서를 대량 생산할 수 있다는 것도 알 수 있다.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(30) 상부에 실리콘 질화막(SiNx), ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 등을 이용하여 맴브레인층(31)을 형성하고, 그 상부에 히터로 사용될 재료를 스퍼터링 방식으로 형성한 후 건식 식각으로 패터닝하여 히터층(32)을 형성한다. 상기 히터층(32)의 각 종단 부분에는 외부 연결을 위한 패드가 형성된다. 상기 히터층(32)은 칸탈, 백금, 텅스텐 실리사이드 등과 같은 재료를 이용할 수 있으며, 리프트 오프(lift-off)법으로도 형성 가능하다.

그 다음, 도 6b에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 절연과 히터층(32) 보호를 위해 옥사이드 절연막(SiO₂)을 화학 기상 증착 법으로 증착한 후 상기 히터층(32)의 패드 부분을 노출시키기 위해 관통홀을 형성한다. 이는 선택적으로 실시될 수 있다는데 주의한다.

그 다음, 도 6c에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 하부 전극(34)을 증착 및 패터닝하거나 리프트-오프법으로 형성한다. 이미 전술했던 바와 같이 이 단계에서 상기 하부 전극이 상기 노출된 히터층(32)의 패드 부분과 관통홀을 통해 연결될 수 있으며, 이후 상부 전극을 형성하면서 상부 전극을 상기 히터층(32)의 노출된 패드 부분과 연결할 수 있다. 물론, 이렇게 연결하지 않고 별도의 패드 부분을 형성할 수도 있으나, 본 실시예에서는 외부와 연결되는 전극의 수를 줄이기 위해 위와 같은 방법을 이용한 것이다.

그 다음, 도 6d에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 다공성 활성탄, 제올라이트(zeolite), 알루미나등을 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 혹은 분사(dispensing) 방법으로 형성한 후 패터닝하여 감습층(35)을 형성하고, 그 상부에 상부 전극(36)을 형성한후 매쉬 구조로 건식 식각한다. 상기 감습 재료는 무기재료이며, 이를 통해 폴리머와 같은 온도 제한 없이 습도를 측정할 수 있어 본 발명의 활용 범위가 더욱 넓어지게 된다.

그 다음, 도 6e에 도시한 바와 같이 상기 형성된 히터층(32) 및 습도 센서부의 하부에 위치한 기판(30)을 실리콘 식각액(KOH, TMAH 용액등)으로 습식각하여 트 랜치(37)를 형성한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 습도 센서는 그 크기, 소비 전류, 응답 속도, 특정 정밀도 및 신뢰성 면에서 대단히 뛰어난 성능을 발휘하게 된다. 도 7은 상기와 같은 본 발명 일 실시예를 제조하여 측정한 습도 센서의 감습 특성을 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이 대단히 선형적이므로 신호 처리에 유리한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법은 상대습도 센서에 히터를 내장하고 빠르고 고른 열전달 및 낮은 전류 소모를 위해 히터와 센서 하부의 기판을 제거하는 것으로 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있으며, 오염에 강한 귀금속으로 상부 전극을 형성하도록 하여 감습층에 습기가 원활히 도달할 수 있도록 하면서도 오염을 방지하고 감습의 정확도를 향상시킬 수 있어 전력 소모, 응답속도, 재현성과 균일성 및 신뢰성을 모두 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 소정 영역이 제거된 기판과;

   상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과;

   상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 히터층과;

   상기 히터층 상부에 형성되며, 상기 히터층의 패드 부분을 노출시키는 절연층과;

   상기 기판이 제거된 영역의 절연층 상부에 차례로 형성되는 하부 전극, 그리고 감습층과;

   상기 감습층 상부에 형성되는 매쉬형 구조의 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상부 전극은 귀금속 재질로 형성되며 상기 감습층을 노출 시킬 수 있는 패턴 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하부 전극 혹은 상부 전극은 상기 노출되는 히터층의 일측 패드와 전기적으로 접촉되어 외부에 노출되는 전극이 3개인 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 감습층은 다공성의 활성탄, 제올라이트(zeolite), 알루미나 중 적어도 하나를 주 재료로 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서.
5. 삭제
6. 실리콘 기판 상에 맴브레인층을 형성하고, 그 상부에 전기적 접촉을 위한 패드부를 가지는 히터층을 형성하는 단계와;

   상기 히터층 상부에 절연층을 형성하고, 상기 히터층의 패드부를 노출시키는 단계와;

   상기 히터층 상의 패드부 상부에 차례로 하부 전극, 감습층을 형성하는 단계와;

   상기 감습층 상부에 상부 전극을 형성하고 하부 감습층이 노출되는 다수의 영역을 패터닝하는 단계와;

   상기 히터층 및 감습층이 형성된 영역의 기판을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서 제조 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 하부 전극 또는 상부 전극을 형성하는 단계는 상기 노출된 히터층의 패드부 중 하나와 상기 하부 전극 혹은 상부 전극을 전기적으로 접촉하도록 형성하여 전기적 접촉을 위한 패드부의 수를 줄이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서 제조 방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 히터층은 칸탈, 백금, 텅스텐 실리사이드 중 적어도 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 습도 센서 제조 방법.

Images