KR100773025B1 - 반도체식 가스센서, 그 구동방법 및 제조방법 - Google Patents
반도체식 가스센서, 그 구동방법 및 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 재질 및 단면구조가 동일한 동시에 평면구조가 동일 또는 대칭이거나, 평면구조가 동일 또는 대칭이지는 않지만 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 히터를 구비하고, 그 2개의 히터 사이에 가스를 감지하는 감지체를 형성함으로써, 감지체의 가열 시 감지체의 온도분포를 균일하게 하고 감지체의 저항측정 시 두 히터를 감지전극으로 사용하여 별도의 감지선 또는 감지전극에 의해 발생되었던 열손실을 감소시킬 수 있는 반도체식 가스센서를 제공한다. 따라서, 감지체의 균일한 온도분포와 열손실의 감소는 반도체식 가스센서의 성능 및 신뢰성을 향상시키고, 또한 별도의 감지선 또는 감지전극이 필요 없기 때문에 가스센서의 구조를 단순화할 수 있다.
Description
도 1은 종래의 다양한 반도체식 가스센서의 구조도.
도 2는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서의 평면도.
도 3은 본 발명에 의한 반도체식 가스센서를 병렬로 구동시키기 위한 구동회로의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서를 직렬로 구동시키기 위한 구동회로의 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서의 다양한 히터 구조를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명이 적용된 벌크형 반도체식 가스센서의 구조도.
도 7은 본 발명이 적용된 후막형 반도체식 가스센서의 구조도.
도 8은 본 발명이 적용된 박막형 반도체식 가스센서의 구조도.
도 9는 본 발명이 적용된 멤스형 반도체식 가스센서의 구조도.
도 10은 본 발명에 의한 후막형 반도체식 가스센서의 제조방법을 설명하기 위한 제조공정도.
도 11은 본 발명에 의한 박막형 반도체식 가스센서의 제조방법을 설명하기 위한 제조공정도.
도 12는 본 발명에 의한 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법을 설명하기 위한 제조공정도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **
1, 2, 31, 32 : 히터 3, 33 : 감지체
4, 5, 6, 7, 38, 39 : 패드 10 : 반도체식 가스센서
11, 12, 13, 14, 15 : 스위치 20 : 감지회로
34, 35, 36, 37 : 단자선 40 : 기판
41 : 지지대 44 : 희생층
본 발명은 가스의 농도를 측정하는 가스센서에 관한 것으로서, 특히 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 히터를 사용하여 감지체의 온도분포를 균일하게 하고 열손실을 감소시킨 반도체식 가스센서, 그 구동방법 및 제조방법에 관한 것이다.
가스센서는 메탄 또는 프로판 등의 가연성 가스, CO 또는 수소 등의 독성 가스와 같은 각종 가스의 농도를 검출하는 센서로서, 가스감지 방식에 따라 접촉 연소식 가스센서, 반도체식 가스센서, 전기 화학식 가스센서, 열전도식 가스센서 등이 있다.
일반적으로 반도체식 가스센서는 산화주석 등의 세라믹 물질이 300도 이상의 온도에서 특정 가스에 노출될 때 전도성이 변하는 성질을 이용한다. 따라서 반도체 가스센서는 세라믹 물질로 형성된 감지체, 감지체를 가열하는 히터, 감지체의 전도성 변화를 감지하는 감지전극 및 감지선으로 구성되어 있다.
도 1은 종래 다양한 형태의 반도체식 가스센서를 나타낸다.
먼저, 도 1(a)는 일본의 FIS사에서 생산되는 벌크형 가스센서로서, 코일 형태로 형성된 히터, 코일의 중심부를 관통하는 감지선, 히터와 감지선을 감싸고 있는 감지체로 구성되어 있다. 벌크형 가스센서는 열손실을 최소화하기 위해 감지체가 히터선과 감지선의 3개 선에 의해 공중에 매달리게 된다. 벌크형 가스센서는 히터에서 발생된 열이 감지선을 통해 빠져 나가므로 감지체의 내부 온도가 낮아지게 되는데, 다공성의 산화주석으로 이루어진 감지체의 열전달률이 낮기 때문에 감지체의 표면과 내부 온도차이는 수십도 이상으로 크게 된다. 이러한 불균일한 온도분포는 센서의 가스감지 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 외기 온도변화 또는 습기 등에 따라 센서의 특성을 크게 변화시키는 문제점이 있다.
도 1(b)는 대부분의 가스센서 업체에서 생산하고 있는 후막형 가스센서로서, 알루미나(Al2O3) 등으로 이루어진 기판 밑면에 박막 히터가 위치하고, 윗면에는 세라믹 후막으로 이루어진 감지체와 감지체에 접촉된 감지전극이 위치하고 있다. 열손실을 최소화하기 위해 후막형 가스센서는 히터에 연결된 히터선과 감지전극에 연결된 감지선의 4개 선에 의해 공중에 매달리게 된다. 후막형 가스센서는 벌크형에 비하여 온도분포가 비교적 균일하지만, 감지선이 연결된 감지전극 부분에서 열이 빠져 나가므로 온도가 다소 낮게 되고, 기판의 밑면에 히터를 형성해야 하므로 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
도 1(c)는 박막형 가스센서로서, 알루미나 또는 실리콘 등으로 이루어진 기판 윗면에 박막으로 이루어진 히터, 부도체막, 감지체가 순차적으로 형성되고, 감지체 위에 감지전극이 형성되어 있다. 박막형 가스센서의 감지전극은 후막형에 비하여 근접된 이격거리를 두고 형성되며, 일반적으로 손가락이 깍지낀 형태(interdigital)로 구성된다. 열손실을 최소화하기 위해 후막형 가스센서와 마찬가지로 히터 및 감지전극에 연결된 4개의 선에 의해 공중에 매달리게 된다. 박막형 가스센서는 후막형과 마찬가지로 온도분포가 균일하지만 감지선이 연결된 감지전극 부분에서 열이 빠져 나가므로 온도가 다소 낮게 되고, 히터, 부도체막, 감지체 및 감지전극을 순차적으로 형성해야 하므로 센서의 구조가 복잡하다는 문제점이 있다.
도 1(d)는 최근 많이 연구되고 있는 미세가공(MEMS) 기술을 이용하여 제작되고 있는 멤스형 가스센서로서, 지그재그형 히터 사이에 감지선이 삽입되고 그 부분에 감지체가 형성되어 있다. 벌크형, 후막형 및 박막형 가스센서와 다르게 히터, 감지선 및 감지체가 미세가공되므로 전력소모가 작다는 장점이 있다. 또한, 히터, 감지선 및 감지체가 기판으로부터 분리되어 공중에 떠 있으므로 센서의 패드에 연결되는 선은 단지 전기적인 역할만 하게 되어 별도로 기판을 공중에 매달지 않아도 된다는 장점이 있다. 그러나, 감지체가 작아서 열용량은 작은 반면 상대적으로 감지선이 두껍기 때문에 감지체의 온도분포가 매우 불균일하게 된다는 문제점이 있 다.
우수한 가스 감지 성능과 신뢰성을 구현하기 위해서는 감지체의 온도분포가 균일해야 하는데, 상기한 바와 같이 종래 반도체식 가스센서는 열이 발생하는 히터에 인접한 감지체의 온도는 높은 반면 열이 빠져 나가는 감지선에 접촉된 감지체의 온도는 낮기 때문에 감지체의 온도분포가 균일하지 않다는 문제점이 있다. 더구나, 감지선으로의 열 손실은 반도체식 가스센서의 전력효율을 불량하게 하는 주요 원인이 된다. 특히, 멤스형 가스센서의 경우 감지체의 열용량이 매우 작으므로 감지선에 의한 감지체의 온도분포의 분균일 및 열손실이 더욱 심각하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 감지체의 온도분포를 균일하게 하고 열손실을 줄임으로써 반도체식 가스센서의 가스 감지 성능 및 신뢰성을 높이는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체식 가스센서의 제조공정을 단순화하고 그 제조비용을 절감시키는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 재질 및 단면구조가 동일하고 선택적으로 평면구조가 동일 또는 대칭인 2개의 독립된 히터 및 그 히터를 외부회로에 연결하는 패드를 구비하고, 상기 히터 사이에 감지체를 형성시킨 반도체식 가스센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 반도체식 가스센서에 있는 2개의 히터를 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결하고 가열모드와 감지모드를 교대로 반복함으로써 가스의 농도를 측정할 수 있는 반도체식 가스센서의 구동방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 반도체식 가스센서의 구조를 종래 다양한 형태의 반도체식 가스센서에 적용하여, 상기 구조가 적용된 벌크형 반도체식 가스센서, 후막형 반도체식 가스센서, 박막형 반도체식 가스센서 및 멤스형 반도체식 가스센서를 각각 제공한다.
즉, 본 발명은 코일형태의 제 1히터와, 상기 제 1히터와 재질 및 단면구조가 동일하고 상기 제 1히터의 중심을 관통하는 제 2히터와, 상기 제 1히터 및 상기 제 2히터 사이에 형성된 감지체와, 상기 제 1히터 및 상기 제 2히터로부터 인출된 단자선을 포함하여 구성된 벌크형 반도체식 가스센서;
재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 그 히터를 외부회로에 연결하는 패드가 기판 상에 부착되어 있고, 상기 히터 및 패드 위에 감지체 후막이 형성되어 있는 후막형 반도체식 가스센서;
기판상에 감지체 박막이 형성되고, 그 감지체 박막 위에 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 그 히터를 외부회로에 연결하는 패드가 형성되어 있는 박막형 반도체식 가스센서;
재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 그 히터 사이에 형성된 감지체가 상기 히터를 외부회로에 연결하는 패드의 지지에 의해 기판에서 떨어져 공중에 떠 있는 멤스형 반도체식 가스센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 구조가 적용된 후막형 반도체식 가스센서, 박막형 반도체식 가스센서 및 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법을 각각 제공한다.
즉, 본 발명은 산화막이 형성된 기판에 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패 턴을 형성하는 단계와, 상기 기판과의 접착을 용이하게 하는 금속을 증착하는 단계와, 상기 감광막 패턴 위에 히터 및 패드 물질을 증착하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 제거하여 히터 및 패드를 형성하는 단계와, 상기 히터 및 패드 위에 감지체 후막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 후막형 반도체식 가스센서의 제조방법;
산화막이 형성된 기판에 감지체 박막을 형성하는 단계와, 상기 감지체 박막 위해 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 기판과의 접착을 용이하게 하는 금속을 증착하는 단계와, 상기 감광막 패턴 위에 히터 및 패드 물질을 증착하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 제거하여 히터 및 패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 박막형 반도체식 가스센서의 제조방법;
희생층이 형성된 기판을 제공하는 단계와, 상기 희생층 위에 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 감광막 패턴 위에 히터 및 패드 물질을 형성하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 제거하여 히터 및 패드를 형성하는 단계와, 상기 패드를 지지하는 부분을 제외하고 상기 희생층을 제거하는 단계와, 상기 히터에 감지체를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 재질 및 단면구조가 동일한 동시에 평면구조가 동일 또는 대칭이거나, 평면구조가 동일 또는 대칭이지는 않지만 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 히터를 구비하고, 그 2개의 히터 사이에 가스를 감지하는 감지체를 형성함으로써, 감지체의 가열 시 감지체의 온도분포를 균일하게 하고 감지체의 저항측정 시 두 히터를 감지전극으로 사용하여 별도의 감지선 또는 감지전극에 의해 발생되었던 열손실을 감소시키는 것을 요지로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서의 평면도를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체식 가스센서(10)는 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 히터(1, 2), 두 히터(1, 2) 사이에 형성된 감지체(3) 및 히터(1, 2)를 외부회로에 연결할 수 있는 패드(4, 5, 6, 7)로 구성되어 있다. 도 2에서는 평면구조가 동일한 히터(1, 2)를 도시하였으나, 두 히터(1, 2)의 재질 및 단면구조가 동일하다면 평면구조는 달라도 무방하다. 다만, 후술하는 바와 같이, 히터의 평면구조가 다르면 가스센서를 직렬로 동작시키는 것은 상관 없으나 병렬로 동작시키는 경우 본 발명의 효과를 달성하기 어렵게 된다.
다음, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기와 같이 구성된 반도체식 가스센서를 구동시키는 방법에 대하여 설명한다.
반도체식 가스센서의 구동방법은 감지체(3)를 가열하여 가스에 민감한 상태로 만드는 가열모드와 감지체(3)의 전도성 변화를 감지하는 감지모드를 교대로 반복하여 가스의 농도를 측정함으로써 반도체식 가스센서를 구동시키는 것이다. 가열모드에서 두 히터(1, 2)에 동일한 전류를 흘려서 감지체(3)를 가열하게 되는데, 두 히터(1, 2)에 전류를 공급하는 방법에는 병렬 및 직렬 방법이 있다.
도 3은 본 발명에 의한 반도체식 가스센서를 병렬구조로 구동시키기 위한 가 스센서 구동회로를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체식 가스센서 구동회로는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서(10), 가열모드 및 감지모드를 스위칭하기 위한 스위치(11, 12, 13), 감지체(3)의 저항을 측정하여 가스를 감지하는 감지회로(20)를 포함한다.
도 3(a)는 병렬구조의 가열모드를 나타낸다. 두 히터(1, 2)를 병렬구조로 하여 가열시키기 위해서는 두 히터(1, 2)의 재질 및 단면구조가 동일해야 할 뿐만 아니라 평면구조(길이, 형상)가 동일하거나 대칭적이어야 한다. 만약, 병렬로 구동시킬 때, 히터의 재질 및 단면구조는 동일하나 평면구조가 다르게 되면, 두 히터(1, 2)의 저항이 동일하지 않게 되기 때문에 두 히터(1, 2)에 동일한 전류가 흐르지 않고, 동일한 전류가 흐르지 않으면 두 히터(1, 2)의 발열량이 다르므로 감지체(3)의 온도분포가 불균일하게 된다.
가열모드에서는 전원(Vh)이 히터(1, 2)에 히터가열을 위한 전력을 공급할 수 있도록 패드(4)의 스위치(11)와 패드(6)의 스위치(12)가 전원(Vh)에 연결되고, 동시에 패드(5)의 스위치(13)는 접지되어 있는 패드(7)에 연결된다. 이와 같은 연결상태에서 히터(1, 2)의 재질, 단면구조 및 평면구조가 같기 때문에 두 히터(1, 2)에 흐르는 전류가 동일하다. 따라서, 감지체(3)는 균일한 온도분포를 갖게 되며, 일정시간이 경과하면 소정의 온도에 도달하게 된다.
감지체(3)가 소정의 온도에 도달하면 반도체식 가스센서는 가열모드에서 도 3(b)와 같이 감지모드로 전환된다. 감지모드에서는 스위치(11, 12)가 개방되고 동시에 스위치(13)가 감지회로(20)에 연결된다. 이와 같은 연결 상태에서는 수 kΩ 이상의 저항을 갖는 감지체(3)를 통해 미약한 전류가 흐르게 되므로 감지모드로 전환하게 되면 두 히터(1, 2)와 감지체(3)는 냉각되기 시작한다. 가스의 감지는 감지체(3)가 가열되어 있을 때만 가능하므로, 감지회로(20)는 가열모드에서 감지모드로 전환된 직후 가장 빠른 시간 내에 감지체(3)의 저항(Rs)을 측정해야 한다. 감지회로(20)는 히터(1)과 히터(2)간의 전압과 전류를 측정하여 감지체(3)의 저항을 추출할 수 있다. 전기적으로 감지체(3)의 저항을 추출할 수 있는 방법은 여러 가지가 있지만, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 일정전압(Vcc)에 연결된 고정저항(R1)을 히터(1)의 패드(5)에 연결하여 감지회로(20), 히터(1), 감지체(3), 히터(2)로 연결된 하나의 폐루프를 형성하고, 감지회로(20)의 출력단자에서 전압(Vout)을 측정함으로써 감지체(3)의 저항을 알 수 있다. 즉, 출력단자에서 측정된 전압(Vout)은 다음의 식에 따라 감지체의 저항(Rs)에 관련된 정보로 이용된다.
Vout = Vcc×Rs/(R1 + Rs)
상기 식에서 알 수 있는 바와 같이, Vout은 Rs의 변화에 따르게 된다.
이와 같이 가열모드와 감지모드를 교대로 반복하여 반도체식 가스센서를 구동시키면 가스의 농도를 측정할 수 있다. 특히, 가열모드 시 두 히터(1, 2)에서 발생하는 열이 고르게 감지체(3)를 가열하므로 감지체의 온도분포가 균일하게 되어 가스 감지 능력이 우수해지고, 전원(Vh)의 크기를 달리하게 되면 감지체(3)의 온도가 달라지고 감지체(3)의 온도에 따라 각 가스에 대한 감지도가 달라지므로 다양한 가스의 농도를 측정할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서를 직렬구조로 구동시키기 위한 가 스센서 구동회로를 나타낸다.
도 4에서 도시된 가스센서 구동회로는 도 3에서 도시된 가스센서 구동회로와 거의 유사하나, 전원(Vh)이 공급되는 위치가 다르다. 즉, 가열모드 시 도 3에서는 전원(Vh)이 패드(4, 6)에 연결되었으나, 도 4에서는 전원(Vh)이 패드(5)에 연결된다.
도 4(a)는 직렬구조의 가열모드를 나타낸다. 두 히터(1, 2)를 직렬구조로 하여 가열시키기 위해서는 두 히터(1, 2)의 재질 및 단면구조는 동일해야 하지만, 평면구조는 동일하거나 대칭될 필요는 없다. 그 이유는 히터(1, 2)가 직렬로 연결되면 두 히터(1, 2)에 동일한 전류가 흐르게 되고, 히터(1, 2)의 재질 및 단면구조만 동일하다면 단위 길이당 히터의 저항이 동일하게 되어 단위 길이당 발열량이 동일하기 때문이다. 가열모드에서는 스위치(15)가 전원(Vh)에 연결되고 동시에 스위치(14)가 닫히면서 히터(1)와 히터(2)가 연결된다.
이와 같은 연결상태에서 히터(1, 2)의 재질 및 단면구조가 같기 때문에 두 히터(1, 2)에 동일한 전류가 흐르면서, 감지체(3)는 균일한 온도분포를 갖게 되며, 일정시간이 경과하면 감지체(3)는 소정의 온도에 도달하게 된다.
감지체(3)가 소정의 온도에 도달하면 반도체식 가스센서는 가열모드에서 도 4(b)와 같이 감지모드로 전환된다. 감지모드에서는 스위치(14)이 개방되고 동시에 스위치(15)가 감지회로(20)에 연결된다. 가열모드에서 감지모드로 전환된 직후 가장 빠른 시간 내에 감지회로(20)는 감지체(3)의 저항(Rs)에 관계하는 전압(Vout)을 측정한다.
가열모드를 유지하는 시간 및 감지모드로 전환한 후 측정이 허용되는 시간은 센서의 열적 시상수에 따라 결정된다. 열적 시상수는 가열되거나 냉각되는데 소요되는 시간으로서, 일반적으로 히터(1, 2) 및 감지체(3)의 구조와 물리적 크기에 관련된다.
예를 들어, 히터 및 감지체의 크기가 수십에서 수백 마이크론인 경우 열적 시상수가 수십 msec이므로, 가열모드를 100 msec 이상 유지하면 감지체의 온도를 일정하게 할 수 있다. 또한, 감지모드로 전환한 후 수백 usec 이내에 측정하면 감지체가 아직 냉각되지 않은 상태에서 감지체의 저항을 측정할 수 있다. 최근의 전자회로기술은 수 nsec 이내의 짧은 시간에서도 스위칭 및 신호처리가 가능하므로, 가열모드에서 감지모드로 전환한 후 수백 usec 이내에서 감지체의 저항을 측정하는 것은 충분히 가능하다. 감지모드에서 감지체의 저항을 측정하고 나면 즉시 가열모드로 전환하게 되므로, 실질적으로 감지체는 일정한 온도를 유지하게 된다.
이와 같이, 가열모드와 감지모드를 교대로 반복하면서 반도체 가스센서를 구동시키게 되면 가스의 농도를 연속적으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 감지체의 온도분포가 균일하므로 온도에 따른 가스분별력 내지 가스 감지 성능이 우수하게 되고, 전원(Vh)의 크기를 달리하면 다양한 가스의 농도를 측정할 수 있게 되는 것이다. 또한, 히터가 감지전극으로서의 역할을 하게 되어 열손실을 초래하는 별도의 감지선 또는 감지전극이 필요하지 않기 때문에 가스센서의 열효율이 높게 된다는 장점도 있다.
도 5는 본 발명에 의한 반도체식 가스센서에 적용될 수 있는 여러 가지 히터 의 평면적 구조를 보여주고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 히터(1, 2)의 구조는 감지체(3)에 열에너지를 집중시키기 위하여 히터를 지그재그형으로 구성하여 감지체(3) 내에 밀집시키는 것이 바람직하다.
도 5(a)와 같이 좌우 대칭인 구조 또는 도 5(b)와 같이 중심점을 기준으로 대칭인 구조의 경우에는 직렬뿐만 아니라 병렬로 가스센서를 구동할 수 있고, 도 5(c)와 같은 구조의 경우에는 2개의 히터(금속선)가 평면적으로 대칭이거나 동일하지 않지만, 두 히터의 재질 및 단면구조(폭, 두께)는 동일하므로 직렬구조로 가스센서를 구동하여 감지체의 온도를 균일하게 할 수 있다.
지금까지 기술한 본 발명에 의한 반도체식 가스센서의 구조는 종래 다양한 형태의 반도체식 가스센서에도 그대로 적용할 수 있다. 이하, 상기 센서의 구조가 적용된 벌크형 반도체식 가스센서, 후막형 반도체식 가스센서, 박막형 반도체식 가스센서 및 멤스형 반도체식 가스센서 및 그 제조방법에 대하여 각각 설명한다.
도 6 내지 도 9는 본 발명이 적용된 다양한 형태의 반도체식 가스센서의 구조를 나타낸 것으로, 각 도에 있어서 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 있음에 유의한다.
도 6은 본 발명이 적용된 벌크형 반도체식 가스센서의 구조를 보여준다.
도 6에서 도시된 바와 같이, 벌크형 반도체식 가스센서는 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 히터(31, 32) 즉, 도 6에서, 코일형태의 제 1히터(31) 및 제 1히터(31)와 재질 및 단면구조가 동일하고 제 1히터(31)의 중심을 관통하는 제 2히터(32)와, 제 1히터(31) 및 제2히터(32) 사이에 형성된 감지체(33)와, 제 1히터(31) 및 제2히터(32)로부터 인출된 단자선(34, 35, 36, 37)로 구성되어 있다.
히터(31, 32)의 재질로는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 니켈, 금 등이 사용될 수 있다. 감지체의 재질로는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 등 금속산화물이 사용될 수 있다. 단자선(34, 35)은 제 1히터(31)에서, 단자선(36, 37)은 제 2히터(32)에서 인출되어, 4개의 단자선이 감지체(33)를 공중에 매달아 열손실을 최소화하고 단자선(34, 35) 중 하나와 단자선(36, 37) 중 하나는 외부의 감지회로에 연결되어 가스의 농도를 측정하는데 사용된다.
도 1(a)에 도시한 종래의 벌크형 가스센서와 달리 도 6에 도시한 벌크형 가스센서는 열이 빠져 나가는 독립된 감지선이 없으므로, 감지체의 온도분포가 균일하고 열손실이 작다는 장점이 있다.
도 7은 본 발명이 적용된 후막형 반도체식 가스센서의 구조를 보여준다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용된 후막형 가스센서는 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터(31, 32) 및 그 히터(31, 32)를 외부회로 즉 감지회로에 연결하는 네 개의 패드(도 7은 후막형 가스센서의 단면도를 나타낸 것으로, 2개의 패드(38, 39)만이 도시되어 있음에 유의한다)가 기판(40) 상에 부착되어 있고, 2개의 히터(31, 32) 및 패드(38, 39) 위에 감지체(33)가 후막으로 형성되어 있다.
기판(40)의 재질로는 유리, 알루미나 및 산화막이 표면 형성된 실리콘 등이 사용될 수 있다. 히터(31, 32) 및 패드(38, 39)의 재질로는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 금, 니켈 및 실리콘 등이 사용될 수 있이고, 감지체(33)의 재질로는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 등 금속산화물이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 기판(40)으로서 산화막이 형성된 0.4mm 두께의 실리콘기판을 사용하였고, 두께가 0.1um인 백금으로 2개의 히터 및 네 개의 패드를 동시에 형성하였다. 그리고 두 히터의 폭은 20um로 동일하고 히터간의 간격은 10um, 패드의 면적은 100um x 100um로 하였다. 감지체는 산화주석으로 형성하였고, 면적은 약 500um x 500um, 두께는 20um로 하였다.
도 1(b)에 도시된 종래의 후막형 가스센서와 달리 열이 빠져 나가는 독립된 감지전극이 없으므로 본 발명에 의한 후막형 가스센서는 감지체의 온도분포가 균일하다는 장점을 가질 뿐 만 아니라, 기판 밑면에 히터를 형성하는 공정이 필요 없으므로 제조공정이 단순해진다는 장점을 갖는다.
도 8은 본 발명이 적용된 박막형 반도체식 가스센서의 구조를 나타낸다.
도 8에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 박막형 가스센서는 기판(40) 상에 박막형태의 감지체(33)가 형성되어 있고, 그 감지체(33) 위에는 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터(31, 32)와 그 히터(31, 32)를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드(도 8은 박막형 가스센서의 단면도를 나타낸 것으로, 2개의 패드(38, 39)만이 도시되어 있음에 유의한다)가 형성되어 있다.
기판(40)의 재질로는 유리, 알루미나 및 표면에 산화막이 형성되어 있는 실 리콘 등이 사용될 수 있고, 히터(31, 32)및 패드(38, 39)의 재질로는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 금, 니켈 및 실리콘 등이 사용될 수 있다. 또한, 감지체(33)의 재질로는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 등 금속산화물이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 기판(40)으로서 산화막이 형성된 0.4mm 두께의 실리콘기판을 사용하였고, 2개의 히터 및 네 개의 패드는 0.1um 두께의 백금으로 동시에 형성하였다. 두 히터의 폭은 20um로 동일하고 히터간의 간격은 10um, 패드의 면적은 100um x 100um로 하였다. 감지체는 산화주석으로 이루어져 있고, 그 두께는 0.2um로 하였다.
도 1(c)에서 도시한 종래의 박막형 센서와는 달리 열이 빠져 나가는 독립된 감지전극이 없으므로, 본 발명의 후막형 가스센서는 감지체의 온도분포가 균일하다는 장점을 가질 뿐 만 아니라, 기판 상에 히터를 형성하는 공정이 필요 없으므로 제조공정이 단순해진다는 장점을 갖는다.
도 9는 본 발명이 적용된 멤스형 가스센서의 구조를 보여준다.
도 9에서 도시된 바와 같이, 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터(31, 32)와 그 히터(31, 32) 사이에 형성된 감지체가 기판(40)에서 떨어져 공중에 떠 있고, 2개의 히터(31, 32)는 기판(40)에 고정된 네 개의 패드(도 9는 멤스형 가스센서의 단면도를 나타낸 것으로, 2개의 패드(38, 39)만이 도시되어 있음에 유의한다)를 통하여 지지되고 있다. 패드(38, 39)와 기판(40) 사이에는 지지대(41)가 형성되어 있다.
기판(40)의 재질로는 유리, 실리콘 및 플라스틱 등이 사용될 수 있고, 히터(31, 32) 및 패드(38, 39)의 재질로는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 금, 니켈 및 실리콘 등이 사용될 수 있다. 또한, 감지체(33)의 재질로는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 등 금속산화물이 사용될 수 있고 지지대(41)의 재질로서 산화물, 폴리머, 금속 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 기판으로서 0.4mm 두께의 에폭시기판을 사용하였고, 두 히터 및 패드는 두께가 5um인 니켈로 동시에 형성하였다. 두 히터의 폭은 20um이고 패드의 면적은 500um x 500um로 하였다. 또한, 지지대(41)는 구리를 사용하여 100um 높이로 하였다. 감지체는 산화주석으로 이루어져 있고, 감지체의 면적은 약 170um x 120um, 두께는 20um로 하였다.
마찬가지로 도 1(c)에 도시한 종래의 멤스형 가스센서와는 달리 열이 빠져 나가는 독립된 감지선이 없으므로, 본 발명의 멤스형 가스센서는 감지체의 온도분포가 균일하다는 장점이 있다.
다음, 도 10 내지 도 12를 참조하여 상기 설명한 후막형 가스센서, 박막형 가스센서 및 멤스형 가스센서의 제조방법을 각각 설명한다. 도 10 내지 도 12에서, 도면의 동일한 부분에 대해서 도 6 내지 도 9에서 사용한 도면부호를 그대로 사용하고 있음에 유의한다.
도 10은 도 6에 도시한 후막형 가스센서의 제작공정을 보여준다.
먼저, 도 10(a)와 같이 표면에 산화막이 형성된 실리콘 기판(40)에 감광막을 코팅한 후 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴(42)을 형성한다. 감광막 패턴(42)은 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터와 그 히터를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드가 동일 평면상에 형성될 수 있도록 구성되어 있다.
그 다음, 도 10(b)와 같이 기판(40)과의 접착을 용이하게 하는 접착금속으로서의 타이타늄 200Å(20nm)를 증착하고 이어서 히터 및 패드 물질(43)로서의 백금 0.1um를 증착한 후, 아세톤을 이용하여 감광막 패턴(42)을 제거하면 도 10(c)와 같이 백금으로 이루어진 히터(31, 32) 및 패드(38, 39)가 형성된다. 마지막으로, 히터(31, 32) 및 패드(38, 39) 위에 감지체 후막(33)으로서 산화주석으로 이루어진 페이스트를 실크프린트법을 이용하여 코팅하면 도 10(d)와 같이 본 발명이 제공하는 후막형 반도체식 가스센서가 제작된다.
도 11은 도 7에서 도시된 박막형 가스센서의 제작공정을 보여준다.
먼저, 도 11(a)와 같이 표면에 산화막이 형성된 실리콘 기판(40)에 박막 형태의 감지체(33)를 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 SnCl4 용액을 스핀코팅한 후에 공기 분위기에서 600도로 가열하여 0.2um두께의 산화주석으로 이루어진 감지체를 형성하였다. 다음, 도 11(b)와 같이 감지체 박막(33) 위에 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴(42)를 형성한다. 감광막 패턴(42)은 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터와 그 히터를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드가 동일 평면상에 형성될 수 있도록 구성되어 있다.
감지체 박막(33) 위에 감광막 패턴(42)이 형성되면, 도 11(c)와 같이 접착금 속으로서의 타이타늄 200Å와 히터 및 패드 물질로서의 백금 0.1um를 순차적으로 증착한다. 마지막으로 아세톤을 이용하여 감광막 패턴(42)을 제거하면 도 11(d)와 같이 백금으로 이루어진 히터(31, 32) 및 패드(38, 39)가 형성되면서 본 발명이 제공하는 박막형 반도체식 가스센서가 제작된다.
도 12는 도 9에서 도시된 멤스형 가스센서의 제작공정을 보여준다.
먼저, 도 12(a)와 같이 희생층(44)이 형성된 기판(40)을 준비한다. 희생층(44)의 재질로서 산화물, 폴리머, 금속 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 희생층(44)으로서 동박이 100um 두께로 형성된 인쇄회로기판을 사용하였다. 그 다음, 희생층(44) 위에 감광막을 코팅한 후 도 12(b)와 같이 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴(42)을 형성한다. 감광막 패턴(42)은 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터와 그 히터를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드가 동일 평면상에 형성될 수 있도록 구성되어 있다.
그 다음, 12(c)와 같이 감광막 패턴(42) 위에 히터 및 패드 물질인 금속을 전기도금한다. 본 발명의 실시예에서는 두께가 5um가 되도록 니켈을 전기도금하거나 두께가 2um가 되도록 백금을 도금하였다. 다음, 도 12(d)와 같이 감광막 패턴(42)을 제거하여 히터(31, 32) 및 패드(38, 39)를 형성하고, 도 12(e)와 같이 패드(38, 39)의 아래에 있는 부분만을 제외하고 희생층(44)을 제거한다.
도 12(d)의 기판을 희생층만을 식각하는 용액에 담그면, 도 12(e)와 같이 폭이 좁은 히터(31, 32)의 아래쪽에 있는 희생층은 모두 제거되어 히터(31, 32)만이 공중에 떠 있는 구조가 되지만, 폭이 넓은 패드(38, 39)에는 희생층이 남게 되면서 지지대(41)를 형성하게 되어 패드(38, 39)를 기판(40)에 고정하게 된다. 본 발명의 실시예에서는 구리로 이루어진 희생층을 선택적으로 식각하기 위하여 10wt%의 Na2S2O8 수용액을 사용하였다.
마지막으로, 산화주석으로 이루어진 페이스트 상태의 감지체(33)를 히터(31, 32) 사이에 묻히면 도 12(f)와 같이 본 발명이 제공하는 멤스형 가스센서가 제작된다.
이와 같이 희생층(44)을 이용하여 히터(31, 32) 및 감지체(33)를 기판(40)으로부터 공중에 띄우는 공정은 종래 멤스형 가스센서에서 별도의 사진공정을 통하여 처리하던 것을 대체하는 것이다. 따라서, 본 발명에서 제공하는 멤스형 가스센서는 단지 한 개의 마스크만을 이용하여 제작될 수 있으며, 특히 가격이 매우 저렴한 인쇄회로기판을 기판을 사용하므로 제조 단가가 매우 낮아진다는 장점이 있다.
상기와 같이, 본 발명은 동일한 재질 및 동일한 구조를 갖는 2개의 독립된 히터를 구비하고 그 히터 사이에 감지체가 형성된 가스센서를 제공함으로써, 감지체의 가열 시 감지체의 온도분포를 균일하게 하는 효과가 있다.
또한, 감지체의 저항 측정 시 두 히터를 감지전극으로 사용하기 때문에 열이 빠져나가는 감지선 또는 감지전극이 필요 없어서 감지체의 열손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이러한 감지체의 균일한 온도분포 및 열손실 감소는 가스센서의 가스 감지 성능 및 신뢰성을 향상시키고, 또한 감지선 또는 감지전극의 불필요는 센서의 구조 및 제조공정을 단순하게 하는 효과가 있다.
Claims (33)
- 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 상기 각각의 히터를 외부회로에 연결하는 패드가 구비되고, 상기 2개의 히터 사이에서 상기 각각의 히터에 접촉하도록 감지체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서.
- 제 1항에 있어서,상기 2개의 독립된 히터는 그 평면구조가 동일하거나 대칭인 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서.
- 제 1항에 있어서,상기 히터 및 패드는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 니켈, 금, 실리콘 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서.
- 제 1항에 있어서,상기 감지체는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서.
- 제 1항의 반도체식 가스센서에 있는 2개의 히터를 전기적으로 직렬 연결하고 가열모드와 감지모드를 교대로 반복하는 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서의 구동방법.
- 제 2항의 반도체식 가스센서에 있는 2개의 히터를 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결하고 가열모드와 감지모드를 교대로 반복하는 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서의 구동방법.
- 제 5항 또는 제 6항에 있어서,상기 가열모드는 상기 2개의 히터에 동일한 전류를 흘려서 감지체를 가열시키는 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서의 구동방법.
- 제 5항 또는 제 6항에 있어서,상기 감지모드는 상기 2개의 히터를 전기적으로 분리한 후 상기 2개의 히터를 감지전극으로 하여 감지체의 저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서의 구동방법.
- 코일형태의 제 1히터와,상기 제 1히터와 재질 및 단면구조가 동일하고 상기 제 1히터의 중심을 관통하는 제 2히터와,상기 제 1히터 및 상기 제 2히터 사이에 형성된 감지체와,상기 제 1히터 및 상기 제 2히터로부터 인출된 단자선을 포함하여 구성된 것 을 특징으로 하는 벌크형 반도체식 가스센서.
- 제 9항에 있어서,상기 히터는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 니켈, 금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 벌크형 반도체식 가스센서.
- 제 9항에 있어서,상기 감지체는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 벌크형 반도체식 가스센서.
- 제 9항에 있어서,상기 단자선은 상기 감지체를 공중에 매달거나 상기 감지체를 외부회로에 연결하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 벌크형 반도체식 가스센서.
- 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 상기 각각의 히터를 외부회로에 연결하는 패드가 기판 상에 부착되어 있고, 상기 2개의 히터들 및 패드 위에서 상기 각각의 히터에 접촉하도록 감지체 후막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 후막형 반도체식 가스센서.
- 제 13항에 있어서,상기 기판은 산화막이 형성된 실리콘기판, 유리기판 또는 알루미나기판인 것 을 특징으로 하는 후막형 반도체식 가스센서.
- 제 13항에 있어서,상기 히터 및 패드는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 니켈, 금, 실리콘 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 후막형 반도체식 가스센서.
- 제 13항에 있어서,상기 감지체는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 후막형 반도체식 가스센서.
- 기판상에 감지체 박막이 형성되고, 그 감지체 박막 위에서 상기 감지체 박막과 접촉하고 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 그 히터를 외부회로에 연결하는 패드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 반도체식 가스센서.
- 제 17항에 있어서,상기 기판은 산화막이 형성된 실리콘기판, 유리기판 또는 알루미나기판인 것을 특징으로 하는 박막형 반도체식 가스센서.
- 제 17항에 있어서,상기 히터 및 패드는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 니켈, 금, 실리콘 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 반도체식 가스센서.
- 제 17항에 있어서,상기 감지체는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 반도체식 가스센서.
- 재질 및 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터 및 그 히터 사이에서 상기 각각의 히터에 접촉하도록 형성된 감지체가 상기 히터를 외부회로에 연결하는 패드의 지지에 의해 기판에서 떨어져 공중에 떠 있는 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서.
- 제 21항에 있어서,상기 기판은 산화막이 형성된 실리콘기판, 유리기판 또는 에폭시기판인 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서.
- 제 21항에 있어서,상기 히터 및 패드는 백금, 백금/이리듐 합금, 니크롬, 칸탈, 탄탈륨, 니켈, 금, 실리콘 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서.
- 제 21항에 있어서,상기 감지체는 산화주석, 산화인듐, 산화아연, 산화텅스텐, 산화철, 산화지르코늄 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서.
- 산화막이 형성된 기판에 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴을 형성하는 단계와,상기 기판과의 접착을 용이하게 하는 금속을 증착하는 단계와,상기 감광막 패턴 위에 히터 및 패드 물질을 증착하는 단계와,상기 감광막 패턴을 제거하여 히터 및 패드를 형성하는 단계와,상기 히터 및 패드 위에 감지체 후막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 후막형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 제 25항에 있어서,상기 감광막 패턴은 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터와 그 히터를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드가 동일 평면상에 형성될 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 후막형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 산화막이 형성된 기판에 감지체 박막을 형성하는 단계와,상기 감지체 박막 위해 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴을 형성하는 단 계와,상기 기판과의 접착을 용이하게 하는 금속을 증착하는 단계와,상기 감광막 패턴 위에 히터 및 패드 물질을 증착하는 단계와,상기 감광막 패턴을 제거하여 히터 및 패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 제 27항에 있어서,상기 감광막 패턴은 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터와 그 히터를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드가 동일 평면상에 형성될 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 희생층이 형성된 기판을 제공하는 단계와,상기 희생층 위에 히터 및 패드를 결정하는 감광막 패턴을 형성하는 단계와,상기 감광막 패턴 위에 히터 및 패드 물질을 형성하는 단계와,상기 감광막 패턴을 제거하여 히터 및 패드를 형성하는 단계와,상기 패드를 지지하는 부분을 제외하고 상기 희생층을 제거하는 단계와,상기 히터에 감지체를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 제 29항에 있어서,상기 희생층은 산화물, 폴리머, 금속 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 제 29항에 있어서,상기 기판은 구리막이 코팅된 에폭시기판으로서 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 제 29항에 있어서,상기 감광막 패턴은 단면구조가 동일한 2개의 독립된 히터와 그 히터를 외부회로에 연결하는 네 개의 패드가 동일 평면상에 형성될 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법.
- 제 29항에 있어서,상기 희생층을 제거하는 단계는 상기 기판을 식각 용액에 담궈서 폭이 좁은 히터의 아래쪽에 있는 희생층은 모두 제거하고 폭이 넓은 패드의 아래쪽에 있는 희생층은 잔존시킴으로써 상기 히터를 상기 기판으로부터 떠 있는 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 멤스형 반도체식 가스센서의 제조방법.
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