KR100771526B1 - 가스 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 제 1 극성을 갖는 불순물이 도핑된 기판과; 상기 기판 상부에 상호 이격되어 있으며, 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 불순물이 확산된 소스 및 드레인과; 상기 소스 및 드레인 사이의 상기 기판 상부에 형성된 산화막과; 상기 산화막 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd로 이루어진 감지 전극과; 상기 감지 전극 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층으로 구성된다.
따라서, 본 발명은 감지 전극 상부에 감지 향상층을 형성하여 수소 가스의 감지 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 감지 향상층 상부에 다공질막을 형성하여, 이종 가스로부터 감지층을 격리시키고, 수소 가스만 통과시켜 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
가스센서, 감도향상층, 다공질막, 수소, 나노, 입자
Description
도 1은 종래 기술에 따른 반도체식 가스센서의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 가스 센서의 개략적인 단면도
도 3은 본 발명에 따른 가스 센서에 수소(H2)가 감지되는 동작을 설명하기 위한 개념도
도 4는 본 발명에 따른 가스 센서의 감도 향상층 상부에 다공질막이 형성된 상태를 도시한 단면도
도 5는 본 발명에 따른 가스 센서에 열전소자가 부착된 상태를 도시한 단면도
도 6은 본 발명에 따른 가스 센서의 제조 방법의 흐름도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 소스
120 : 드레인 130 : 산화막
140 : 감지전극 150 : 감도 향상층
160 : 다공질막
본 발명은 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감지 전극 상부에 감지 향상층을 형성하여 수소 가스의 감지 감도를 향상시킬 수 있으며, 감지 향상층 상부에 다공질막을 형성하여, 이종 가스로부터 감지층을 격리시키고, 수소 가스만 통과시켜 감도를 향상시킬 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 전지구적인 관심사인 환경문제는 그 대상에 따라 대기환경, 수질환경 및 토양환경으로 나누어 볼 수 있다.
이중, 대기환경문제의 원인이 되고 있는 대기 오염은 단시간 내에 불특정 다수에게 치명적인 위해를 줄 수 있을 뿐만 아니라, 장기적으로 이상 기후 현상의 원인이 되고 있다.
따라서, 대기 환경 오염원을 연속적으로 모니터링하여 오염 배출원에 대한 규제를 적극적으로 시행할 필요가 있다.
그리고, 다가오는 유비쿼터스 시대에 맞추어 실내 공기 질 또한 중요한 관심사로 생각되고 있어 휴대용 가스센서의 개발이 요구되고 있다.
이런, 휴대용 가스센서는 전자산업의 발전과 소형화에 힘입어 저전력을 소모하고 작은 크기의 구조를 필요로 하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체식 가스센서의 단면도로서, 종래의 반도체식 가스센서는 중앙 영역에 관통홀(11)이 제거된 실리콘 기판(20)과; 상기 실리콘 기판(20) 상부에 형성된 멤브레인(Membrane)막(30)과; 상기 관통홀(11)이 존재하는 멤브레인막(30) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(40)과; 상기 가열 전극 패턴(40)을 감싸며, 상기 멤브레인막(30) 상부에 형성된 절연막(50)과; 상기 가열 전극 패턴(40)이 존재하는 절연막(50) 상부에 형성된 감지 전극 패턴(60)과; 상기 감지 전극 패턴(60)으로부터 이격된 외측의 절연막(50) 상부에 접착제(80)로 접착된 지지대(90)와; 상기 감지 전극 패턴(60)을 감싸며, 상기 절연막(50) 상부에 형성된 감지막(70)으로 구성된다.
전술된 반도체식 가스센서는 관통홀(11)로 부상되어 있는 얇은 멤브레인(Membrane)막(30) 상부에 가스를 감지하기 위한 감지부(감지 전극 패턴 및 감지막)와 감지부를 일정 온도까지 올리기 위한 가열부(가열 전극 패턴)을 형성하여, 열 손실을 줄이는 구조를 적용하고 있다.
여기서, 상기 감지막으로 사용되는 금속산화물들은 SnO2, TiO2, WO3, ZnO 등의 물질들이 모재(母材)로 사용되고 있으며, 모재에 가스 감지의 감도를 높이기 위해 또는 여러 종류의 가스를 측정할 때 선택성을 높이기 위해 Pt, Pd, Au 등과 같은 첨가물들을 첨가하게 된다.
또한, 감지 전극 패턴은 상기 감지막의 전기 저항 변화를 측정하기 위하여 형성된다.
그리고, 감지부가 원활하게 가스를 감지하기 위해서는 가열부에 의해 적정한 동작온도로 올려주어야 하며, 이때 가열부로 사용되는 물질들은 Pt, Poly-Si, RuO2등이 사용된다.
이런, 반도체식 가스센서는 가열부에 의해 일정 온도로 가열된 감지막이 가스에 노출되면 가스가 감지막의 금속산화물에 흡착되어 반응이 이루어져 금속산화물의 저항이 증가 또는 감소하게 된다.
따라서 가스 흡착에 의해 발생하는 금속산화물의 저항 변화를 감지부에 형성된 감지 전극을 사용하여 측정함으로써 가스의 농도를 측정하게 된다.
이와 같은, 가스 센서는 감지막에 흡착된 가스를 감지하게 되는데, 현재, 감지막을 구비하고 있는 다양한 센서 구조가 개발되고 있다.
특히, 미량의 가스를 감지하기 위한 최적화된 센서 구조의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 감지 전극 상부에 감지 향상층을 형성하여 수소 가스의 감지 감도를 향상시킬 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 감지 향상층 상부에 다공질막을 형성하여, 이종 가스로부터 감지층을 격리시키고, 수소 가스만 통과시켜 감도를 향상시킬 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 제 1 양태(樣態)는,
제 1 극성을 갖는 불순물이 도핑된 기판과;
상기 기판 상부에 상호 이격되어 있으며, 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 불순물이 확산된 소스 및 드레인과;
상기 소스 및 드레인 사이의 상기 기판 상부에 형성된 산화막과;
상기 산화막 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd로 이루어진 감지 전극과;
상기 감지 전극 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층으로 구성된 가스 센서가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 제 2 양태(樣態)는,
기판 상부에 상호 이격되어 있는 소스 및 드레인을 형성하고, 그 소스 및 드레인 사이의 기판 상부에 산화막을 형성하는 단계와;
상기 산화막 상부에 Pt 또는 Pd 전극을 형성하는 단계와;
상기 Pt 또는 Pd 전극 상부에 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 가스 센서의 제조 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 센서의 개략적인 단면도로서, 제 1 극성을 갖는 불순물이 도핑된 기판(100)과; 상기 기판(100) 상부에 상호 이격되어 있으며, 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 불순물이 확산된 소스 및 드레인(110,120)과; 상기 소스 및 드레인(110,120) 사이의 상기 기판(100) 상부에 형성된 산화막(130)과; 상기 산화막(130) 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd로 이루어진 감지 전극(140)과; 상기 감지 전극(140) 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층(150)으로 구성된다.
여기서, 상기 감도 향상층(150)은 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 나노 복합재가 바람직하며, Pt 또는 Pd 입자가 흡착되어 있는 나노튜브 또는 Pt 또는 Pd 입자가 흡착되어 있는 나노카본인 것이 더 바람직하다.
그리고, 상기 제 1 극성은 P타입 또는 N타입이다.
이때, 상기 제 1 극성이 P타입이면, 상기 기판(100)은 P타입 기판이고, 상기 소스 및 드레인(110,120)은 N타입 불순물이 확산되어 형성된 것이다.
또한, 상기 기판(100)은 실리콘이고, 상기 산화막(130)은 실리콘 산화막이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 가스 센서는 감지 향상층(150)의 Pt 또는 Pd 입자를 통해 많은 수의 수소 흡착 및 이온화가 이루어져 궁극적으로 출력 전류가 증가됨으로써, 저농도의 수소가스도 효율적으로 감지할 수 있으며, 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 센서에 수소(H2)가 감지되는 동작을 설명하기 위한 개념도로서, 소스(110)를 '-'전압, 드레인(120)을 '+'전압을 인가하고, 감지 전극(140)에 '+'전압을 인가하면, 소스(110)와 드레인(120) 사이에는 채널(101)이 형성되어, 소스(110)와 드레인(120) 사이에는 전류가 흐르게 된다.
즉, 감지 전극(140), 산화막(130)과 기판(100)은 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 구조가 되고, 상기 감지 전극(140)은 게이트 전극이 되는 것이다.
여기서, 본 발명의 가스 센서에 수소(H2)가 감지되지 않은 상태에서 드레인(120) 전류가 'A'라 하면, H2가 감지되면 드레인 전류는 'A'보다 크게 되고, 이 드레인 전류의 증가 정도에 따라 감지된 수소(H2)의 농도를 알 수 있게 된다.
한편, 상기 감도 향상층(150) 및 감지 전극(140)은 Pt 또는 Pd로 이루어져 있기 때문에, 수소(H2)가스가 Pt 또는 Pd에 흡착되어 이온화된다.
이때, 이온화된 수소 이온은 상기 감지 전극(140)과 상기 산화막(130) 사이 계면으로 이동하게 되고, 이로 인해 쌍극자층(Dipole layer)이 형성되어, 상기 소스(110)와 드레인(120) 사이에 이동하는 캐리어의 농도량에 영향을 주게 된다.
그러므로, 수소 흡착 이전에 비해 I-V 특성이나 C-V 특성에 변화를 가져오게 되고, 그 변화된 신호를 획득함으로써 수소 감지를 할 수 있게 된다.
결국, 전술된 바와 같이, 본 발명의 가스 센서는 감도 향상층이 구비되어 수소가스의 감도를 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 가스 센서의 감도 향상층 상부에 다공질막이 형성된 상태를 도시한 단면도로서, 본 발명의 가스 센서는 전술된 도 3의 감도 향상층(150) 상부에 다공질막(160)을 더 형성한다.
여기서, 상기 다공질막(160)의 공(空) 크기는 적어도 수소(H2) 분자를 통과시킬 수 크기인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 수소 분자만 통과시킬 수 있는 크기가 바람직하다.
그리고, 상기 다공질막(160)은 폴리이미드로 형성된 막이 바람직하다.
그러므로, 본 발명은 감지 향상층 상부에 다공질막을 형성하여, 일산화탄소, 에틸렌, 아세틸렌, 산소와 같은 이종 가스로부터 감지층을 격리시키고, 수소 가스만 통과시켜 감도를 향상시킬 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 가스 센서에 열전소자가 부착된 상태를 도시한 단면도로서, 기판(100)의 일부면에 히터를 형성하거나 또는 열전소자를 접합시키면, 감지전극 및 감도 향상층의 온도를 증가시킬 수 있으므로, 수소(H2)의 감도향상을 높일 수 있고, 측정 시간을 단축시킬 수 있으며, 이종 가스의 탈착을 유도할 수 있게 된다.
이때, 상기 열전소자는 기판(100)의 하부면에 양극본딩(Anodic bonding) 공정을 수행하여 접합시키는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명에 따른 가스 센서의 제조 방법의 흐름도로서, 먼저, 기판 상부에 상호 이격되어 있는 소스 및 드레인을 형성하고, 그 소스 및 드레인 사이의 기판 상부에 산화막을 형성한다.(S10단계)
그 후, 상기 산화막 상부에 Pt 또는 Pd 전극을 형성한다.(S20단계)
계속하여, 상기 Pt 또는 Pd 전극 상부에 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 형성한다.(S30단계)
상기 S30단계 후에, 상기 감도 향상층 상부에 다공질막을 형성하는 공정이 더 구비되는 것이 바람직하다.
전술된 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 형성하는 공정은,
첫째로, Pt 또는 Pd 입자를 용매에 분산시키고, Pt 또는 Pd 입자가 분산된 용매를 상기 감도 향상층에 코팅한 후, 상기 Pt 또는 Pd 입자를 제외한 상기 용매를 제거하면, 상기 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층이 Pt 또는 Pd 전극 상부에 형성된다.
둘째로, Pt 또는 Pd가 포함된 고상(固狀)의 염화물을 용매에 녹이고, 상기 염화물이 녹아있는 용매에 나노튜브를 분산시키고, 상기 나노튜브가 분산된 용매를 상기 감도 향상층에 코팅한 후, 열처리하여 상기 용매를 제거하면, 상기 Pt 또는 Pd 입자가 흡착되어 있는 나노튜브로 이루어진 감도 향상층이 Pt 또는 Pd 전극 상부에 형성된다.
상기 두번째 방법은 수열(Hydrothermal) 방법으로, 열처리를 하면 상기 나노 입자가 분포된 나노튜브를 얻을 수 있고, 이 나노 입자가 분포된 나노 튜브가 산화 막 상부에 형성되어 수소의 감지 감도를 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 상기 Pt 또는 Pd가 포함된 고상(固狀)의 염화물은 H2PtCl66H2O 또는 PdCl4이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 감지 전극 상부에 감지 향상층을 형성하여 수소 가스의 감지 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 감지 향상층 상부에 다공질막을 형성하여, 이종 가스로부터 감지층을 격리시키고, 수소 가스만 통과시켜 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
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.
Claims (7)
- 제 1 극성을 갖는 불순물이 도핑된 기판과;상기 기판 상부에 상호 이격되어 있으며, 제 1 극성과 반대의 제 2 극성을 갖는 불순물이 확산된 소스 및 드레인과;상기 소스 및 드레인 사이의 상기 기판 상부에 형성된 산화막과;상기 산화막 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd로 이루어진 감지 전극과;상기 감지 전극 상부에 형성되고, Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층으로 구성된 가스 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 감도 향상층 상부에 다공질막이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 감도 향상층은,Pt 또는 Pd 입자가 흡착되어 있는 나노튜브 또는 Pt 또는 Pd 입자가 흡착되어 있는 나노카본인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판의 일부면에,히터가 더 형성되어 있거나 또는 열전소자가 더 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 기판 상부에 상호 이격되어 있는 소스 및 드레인을 형성하고, 그 소스 및 드레인 사이의 기판 상부에 산화막을 형성하는 단계와;상기 산화막 상부에 Pt 또는 Pd 전극을 형성하는 단계와;상기 Pt 또는 Pd 전극 상부에 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 가스 센서의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 Pt 또는 Pd 전극 상부에 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 형성하는 단계 후에,상기 감도 향상층 상부에 다공질막을 형성하는 공정이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
- 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 형성하는 공정은,Pt 또는 Pd 입자를 용매에 분산시키고, Pt 또는 Pd 입자가 분산된 용매를 상기 감도 향상층에 코팅한 후, 상기 Pt 또는 Pd 입자를 제외한 상기 용매를 제거하여, 상기 Pt 또는 Pd 입자가 포함되어 있는 감도 향상층을 Pt 또는 Pd 전극 상부에 형성하는 공정을 수행하거나,또는, Pt 또는 Pd가 포함된 고상(固狀)의 염화물을 용매에 녹이고, 상기 염화물이 녹아있는 용매에 나노튜브를 분산시키고, 상기 나노튜브가 분산된 용매를 상기 감도 향상층에 코팅한 후, 열처리하여 상기 용매를 제거하여, 상기 Pt 또는 Pd 입자가 흡착되어 있는 나노튜브로 이루어진 감도 향상층을 Pt 또는 Pd 전극 상부에 형성하는 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
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| KR20190004980A (ko) * | 2017-07-05 | 2019-01-15 | 전자부품연구원 | 가스 분자 검출 센서 및 방법 |
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2006
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