KR100843169B1 - 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법 Download PDF

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sensing electrode
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박광범
박준식
이민호
김성동
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 마이크로 가스 센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 한 개의 기판상에 가스와 접촉하여 전기 전도도가 변화하는 복수 개의 감지물질과, 감지물질의 전기 전도도의 변화를 외부로 전달하는 복수 개의 감지 전극 패턴을 형성하고, 복수 개의 감지물질을 동시에 가열하도록 가열 전극 패턴을 형성하며, 감지 전극 패턴이 공통 접지되도록 접지 전극 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 가열 전극 패턴이 복수 개의 감지물질을 동시에 가열하기 때문에 소비전력의 소모를 줄일 수 있고, 복수 개의 감지 전극 패턴을 공통 접지시킴으로써 칩의 부피를 줄일 수 있으며, 동종 가스 및 다종 가스를 여러 개의 가스 센서를 통해 복수로 감지할 수 있어 가스 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
가스 센서, 히터, 접지, 멤브레인, CNT

Description

마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법{ Micro gas sensor array and Fabricating method the same }
도 1은 종래의 반도체식 마이크로 가스센서의 단면도.
도 2는 종래의 반도체식 마이크로 가스센서의 평면도.
도 3은 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제2 실시예를 나타내는 평면도.
도 5는 본 발명의 서로 대칭되어 형성된 제1 가스 센서 어레이 및 제2 가스 센서 어레이가 한 개의 기판상에 복수 개 형성된 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제3 실시예를 나타내는 평면도.
도 7은 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제4 실시예를 나타내는 평면도.
도 8a 및 도 8f는 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법을 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 실리콘 기판 110 : 제1 절연막
120 : 가열 전극 패턴 125 : 가열 전극 패드
130 : 제2 절연막 141 : 제1 감지 전극 패턴
142 : 제2 감지 전극 패턴 145 : 감지 전극 패드
150 : 감지물질 160 : 접지 전극 패턴
본 발명은 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현대 사회에서 가스의 사용은 우리의 일상 생활에 많은 도움이 되고 있으나, 가스를 잘못 사용하는 경우 심각한 피해가 발생하기도 한다.
그리고, 우리 주변에는 대단히 위험한 가스들도 많이 존재하고 있는데, 화학 공장등과 같은 산업현장뿐만 아니라 일반 가정이나 업소 등에도 이러한 위해(危害) 가스의 위험성은 점차 커지고 있는 실정이다.
따라서, 이러한 위해(危害) 가스의 누출을 사전에 감지하여 대처할 필요성이 요구되는데, 인간의 감각기관으로는 상기 위해(危害) 가스의 농도 및 종류를 거의 판별할 수 없기 때문에 위해(危害) 가스의 누출을 감지하는 가스 센서가 개발되어 왔다.
통상적으로 가스 센서는 크게 고체 전해질, 접촉 연소식, 전기 화학식, 반도체식으로 분류되나, 이 중에서 최근에 가장 많이 연구되고 있는 것이 반도체식 마이크로 가스센서이다.
이는 반도체식 마이크로 가스센서가 실리콘 칩 상에 제조되거나 집적됨으로써, 일반 IC와의 호환성이 뛰어나고, 저비용으로 제조할 수 있으며, 고효율의 동작 특성을 나타내기 때문이다.
상기 반도체식 마이크로 가스센서는 특정 가스가 가스 센서의 감지 물질에 흡착될 때 그 감지 물질의 전기 전도도가 변화하는데, 상기 전기 전도도의 변화를 측정함으로써, 일정 농도 이상의 가스 유무를 검출하게 된다.
도 1은 종래의 반도체식 마이크로 가스센서의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 종래의 반도체식 마이크로 가스센서는 중앙 영역(11)이 제거된 실리콘 기판(10) 상부에 제1 단열막(21)이 형성되어 있고, 상기 실리콘 기판(10) 하부에 제2 단열막(22)이 형성되어 있고, 상기 제거된 실리콘 기판의 중앙 영역(11)으로 부상된 제1 단열막(21) 상부에 가열 전극 패턴(30)이 형성되어 있고, 상기 가열 전극 패턴(30)을 감싸며, 상기 제1 단열막(21) 상부에 절연막(40)이 형성되어 있고, 상기 제거된 실리콘 기판의 중앙 영역(11)의 절연막(40) 상부에 감지 전극 패턴(50)이 형성되어 있고, 상기 감지 전극 패턴(50)을 감싸며, 상기 절연막(40) 상부에 감지막(60)이 형성되어 있다.
이와 같이 종래의 반도체식 마이크로 가스센서에 있어서, 특정 가스가 마이크로 가스센서의 감지막(60)에 흡착되기 위해서는 특정 온도 이상의 온도를 유지해야하므로, 상기 제1 단열막(21) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(30)은 상기 감지막(60)이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 온도까지 열을 발생시킨다.
상기 가열 전극 패턴(30)에 의해 일정한 온도로 가열된 감지막(60)이 가스에 노출되면, 가스가 상기 감지막(60)의 금속산화물에 흡착되어 반응을 일으키게 되며, 그로 인해 금속 산화물의 저항이 증가 또는 감소하게 된다.
이때, 상기 가스 흡착에 의해 발생하는 금속 산화물의 저항 변화를 상기 감지 전극 패턴(50)이 측정하여 특정 가스를 검출하게 된다.
이러한 구조의 반도체식 마이크로 가스센서는, 상기 가열 전극 패턴(30)에서 발생하는 열을 효율적으로 방출하기 위해 상기 가열 전극 패턴(30)이 형성된 위치의 실리콘 기판(10) 즉, 실리콘 기판(10)의 중앙 영역(11)을 제거한 멤브레인(Membrane) 구조를 가진다.
도 2는 종래의 반도체식 마이크로 가스센서의 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 가열 전극 패턴(30)이 미앤더 라인(Meander Line) 형태로 형성되어 가열 전극 패드(31)에 연결되어 있고, 감지 전극 패턴(50)이 빗살무늬 전극의 형태로 형성되어 감지 전극 패드(51)에 연결되어 있으며, 상기 감지 전극 패턴(50)이 형성된 절연막(40) 상부에 감지막(60)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 가열 전극 패턴(30)은 열을 효율적으로 발생시키기 위하여 미앤더 라인 형태로 형성되며, 상기 감지 전극 패턴(50)은 빗살무늬 전극의 형태로 형성되어 마이크로 가스센서의 총 저항을 조절하게 된다.
그리고, 상기 절연막(40)은 상기 가열 전극 패턴(30) 및 감지 전극 패턴(50)을 전기적으로 절연시킨다.
이와 같이 구성된 종래의 반도체식 마이크로 가스센서는, 한 개의 마이크로 가스센서로 한 종류의 가스를 검출하기 때문에, 다종의 가스를 검출하기 위해서는 복수 개의 가스 센서 소자들로 구성된 모듈을 사용해야 한다.
이 경우, 복수 개의 가스 센서 소자가 사용되기 때문에 복잡한 회로 구성으로 인해 실장 밀도가 저하되며, 부피가 증가하는 단점이 있다.
그리고, 복수 개의 가스 센서 소자를 각각 구동해야 하기 때문에 소비 전력이 증가하며, 가스 흐름의 불균일성을 초래하여 정확한 가스 농도의 검출이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 개별 가스 센서 소자에 이상이 발생한 경우, 이상이 발생한 가스 센서 소자를 복구하기까지 전체 시스템이 정지하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 나노기술과 MEMS 기술을 접목하여 한 개의 칩상에 고감도의 가스 센서 어레이를 고밀도로 집적시킴으로써, 동시에 다종의 가스를 높은 신뢰성을 가지고 검출하는 마이크로 가스 센서 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 일 실시예는, 실리콘 기판 상부에 제1 절연막이 형성되어 있고; 상기 제1 절연막 상부에 가열 전극 패턴 및 상기 가열 전극 패턴에 전원을 인가하기 위한 가열 전극 패드가 형성되어 있고; 상기 가열 전극 패턴을 감싸며, 상기 제1 절연막 상부에 제2 절연막이 형성되어 있고; 상기 제2 절연막 상부에 상호 이격되는 복수 개의 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴이 일정한 간격으로 형성되어 있고; 상기 제2 절연막 상부의 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에, 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴을 감싸며 복수 개의 감지물질이 형성되어 있고; 상기 제2 절연막 상부에 상기 복수 개의 제1 감지 전극 패턴을 외부와 전기적으로 연결하는 복수 개의 감지 전극 패드가 형성되어 있고; 상기 제2 절연막 상부에 상기 복수 개의 제2 감지 전극 패턴과 연결되어 공통 접지시키는 접지 전극 패턴이 형성되어 이루어지며, 상기 가열 전극 패턴이 형성된 영역의 실리콘 기판이 제거되어 멤브레인(Membrane)구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 다른 실시예는, 실리콘 기판 상부에 형성된 제1 절연막과, 상기 제1 절연막 상부에 형성된 가열 전극 패턴과, 상기 제1 절연막 상부에 형성되며 상기 가열 전극 패턴에 전원을 인가하기 위한 가열 전극 패드와, 상기 가열 전극 패턴을 감싸며 상기 제1 절연막 상부에 형성된 제2 절연막과, 상기 제2 절연막 상부에 상호 이격되어 형성되며 일정한 간격으로 배치되어 있는 복수 개의 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴과, 상기 제2 절연막 상부의 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에, 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴을 감싸며 형성되는 복수 개의 감지물질과, 상기 제2 절연막 상부의 상기 복수 개의 제1 감지 전극 패턴에서 연장되어 형성된 복수 개의 감지 전극 패드로 이루어지는 제1 가스 센서 어레이 및 제2 가스 센서 어레이를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 가스 센서 어레이 및 제2 가스 센서 어레이는 상기 제2 감지 전극 패턴과 연결되는 접지 전극 패턴을 사이에 두고 대칭으로 형성되며, 상기 가열 전극 패턴이 형성된 영역의 실리콘 기판이 제거되어 멤브레인(Membrane)구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법의 실시예는, 실리콘 기판 상부에 제1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 절연막 상부에 가열 전극 패턴 및 상기 가열 전극 패턴에 전원을 인가하기 위한 가열 전극 패드를 형성하는 단계와, 상기 가열 전극 패턴을 감싸며, 상기 제1 절연막 상부에 제2 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제2 절연막 상부에 상호 이격되는 복수 개의 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴을 일정한 간격으로 형성하고, 상기 복수 개의 제1 감지 전극 패턴에서 연장되어 복수 개의 감지 전극 패드를 형성하며, 상기 복수 개의 제2 감지 전극 패턴과 연결되는 접지 전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제2 절연막 상부의 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에, 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴을 감싸며 복수 개의 감지물질을 도포하는 단계와, 상기 가열 전극 패턴이 형성된 영역의 실리콘 기판을 제거하여 멤브레인(Membrane)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 감지물질을 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에 도포하기 전에, 상기 제1 감지 전극 패턴및 제2 감지 전극 패턴을 감싸며 제2 절연막 상부에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)이 상호 이격된 영역에 형성된 절연층을 제거 하여 윈도우(Window)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제1 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 3a는 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 중앙 영역(101)이 제거된 실리콘 기판(100) 상부 및 하부에 제1 절연막(110)이 형성되어 있고, 상기 제거된 실리콘 기판의 중앙 영역(101)으로 부상된 제1 절연막(110) 상부에 가열 전극 패턴(120)이 형성되어 있고, 상기 가열 전극 패턴(120)을 감싸며, 상기 제1 절연막(110) 상부에 제2 절연막(130)이 형성되어 있고, 상기 가열 전극 패턴(120)을 사이에 두고 상기 제2 절연막(130) 상부에 복수 개의 제1 감지 전극 패턴(141) 및 제2 감지 전극 패턴(142)이 상호 이격되어 형성되어 있고, 상기 제2 절연막(130) 상부에 상기 제1 감지 전극 패턴(141) 및 제2 감지 전극 패턴(142)과 접촉하는 복수 개의 감지물질(150)이 도포되어 있고, 상기 제2 절연막(130) 상부에 상기 복수 개의 제2 감지 전극 패 턴(142)과 연결되어 형성되는 접지 전극 패턴(160)으로 이루어진다.
여기서, 상기 제1 절연막(110) 상부에는 상기 가열 전극 패턴(120)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 가열 전극 패드(125)가 형성되며, 제2 절연막(130) 상부에는 제1 감지 전극 패턴(141)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 감지 전극 패드(145)가 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이에 있어서, 상기 가열 전극 패드(125)에 전원이 인가되면 가열 전극 패턴(120)의 두께 및 길이에 따른 저항에 의해 열이 발생하는데, 이때 상기 가열 전극 패턴(120)은 감지물질(150)이 특정 가스를 흡착할 수 있는 온도까지 열을 발생시킨다.
여기서, 상기 가열 전극 패턴(120)은 복수 개의 감지물질(150)을 경유하도록 상기 복수 개의 감지물질(150) 하부에 형성되기 때문에, 소비전력을 줄일 수 있게 된다.
즉, 본 발명에서는 한 개의 가열 전극 패턴(120)이 복수 개의 감지물질(150)을 경유하도록 형성되어 복수 개의 감지물질(150)을 동시에 가열하기 때문에, 소비전력의 소모를 현저히 줄일 수 있게 된다.
상기 가열 전극 패턴(120)은 감지물질(150)을 일정한 온도로 가열하기 위해 Pt, Poly-Si, RuO2 등으로 형성한다.
상기 감지물질(150)은 가열 전극 패턴(120)에 의해 가스를 흡착하기 위한 최적의 온도로 승온되는데, 이때 특정 가스가 감지물질(150)의 금속 산화물에 흡착되어 감지물질(150)의 전기 전도도가 변하게 된다.
예를 들어, 산화 주석(SnO2)을 모재(母材)로 하는 감지물질(150)에 있어서, 환원성 가스인 CO가 흡착된다고 하면, 아래의 반응식 1과 같이 CO 가스는 감지물질(150)의 표면에 있는 산소와 반응하여 이산화탄소(CO2)를 만들고, 이 과정에서 전자의 교환이 이루어져 감지물질(150)의 전기 전도도가 변하게 된다.
2CO + O2 → 2CO2
즉, 환원성 가스인 CO가 산화 주석(SnO2)을 모재로 하는 감지물질(150)에 흡착되면, 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 전자를 SnO2 에 주게 된다. 이는 SnO2 층의 전도성을 증가시키며, 그로 인해 감지물질(150)의 전기 저항이 떨어지게 된다.
반면에, 산화성 가스인 NOx가 산화 주석(SnO2)을 모재로 하는 감지물질(150)에 흡착되면, SnO2는 전자를 NOx에 빼앗기게 되고, 그로 인해 감지물질(150)의 전기 저항이 증가하게 된다.
상기 감지물질(150)은 모재(母材)로서 산화 주석(SnO2), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐(In2O3), 산화 티타늄(TiO2) 등의 금속 산화물들이 사용 되며, 상기 모재에 가스 감지 감도를 높이기 위해 또는 여러 종류의 가스를 측정할 때 선택성을 높이기 위해 Pt, Pd, In, Al 등의 촉매를 첨가하여 사용한다.
여기서, 상기 감지물질(150)은 나노 와이어(Nano Wire) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube : CNT)의 형태로 제공된다.
이와 같이, 상기 감지물질(150)을 나노 와이어(Nano Wire) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube : CNT)의 형태로 사용하면, 표면적이 증가하여 가스의 감지 면적이 증가하며, 그로 인해 가스 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 제1 감지 전극 패턴(141)은 상기 감지물질(150)에 가스가 흡착됨에 따라 발생하는 감지물질(150)의 전기 전도도 변화를 측정하여 외부 회로로 전달시켜 준다.
즉, 상기 제1 감지 전극 패턴(141)의 일단이 감지물질(150)과 연결되어 감지물질(150)의 전기 전도도 변화를 검출하고, 제1 감지 전극 패턴(141)의 타단이 감지 전극 패드(145)와 연결되어 상기 검출한 감지물질(150)의 전기 전도도 변화를 외부 회로로 전달시켜 준다.
그리고, 제2 감지 전극 패턴(142)은 상기 제1 감지 전극 패턴(141)과 상호 이격되어 형성되는데, 제2 감지 전극 패턴(142)의 일단이 감지물질(150)과 연결되어 상기 제1 감지 전극 패턴(141)과 전기적으로 연결되며, 제2 감지 전극 패턴(142)의 타단이 접지 전극 패턴(160)과 연결되어 공통 접지된다.
이와 같이, 본 발명에서는 복수 개의 마이크로 가스 센서를 한 칩에 구현하 게 되는데, 이때 개별 마이크로 가스 센서마다 접지 라인을 형성하게 되면, 부피가 커지고 회로도 복잡해지므로, 복수 개의 제2 감지 전극 패턴(142)을 한 개의 접지 전극 패턴(160)에 연결하여 공통 접지되도록 함으로써, 칩의 부피를 크게 줄일 수 있게 된다.
본 발명에서는 가스와 접촉하여 저항 변화를 일으키는 가스 감지부와, 상기 가스 감지부가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도에 이르기까지 열을 발생하는 발열부와, 상기 가스 감지부의 저항 변화를 측정하는 감지 전극부로 이루어지는 하나의 셀(Cell)(170)이 한 개의 기판상에 복수 개가 형성되어 있어서, 동종의 가스를 여러 개의 셀(170)을 통해 복수로 감지할 수 있어 감지 대상 가스 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
즉, 동종의 가스를 여러 개의 셀(170)을 통해 복수로 감지하기 때문에, 어느 하나의 셀(170)에 이상이 생기더라도 다른 셀(170)들을 통해 가스를 계속 검출할 수 있어, 가스 검출의 연속성을 보장할 수 있다.
그리고, 여러 개의 셀(170)을 통해 검출한 결과를 서로 비교하여 신뢰도가 낮은 데이터는 버리고 신뢰도가 높은 데이터들을 취함으로써, 가스 검출의 정확도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 상기 여러 개의 셀(170)을 이용하여 다종의 가스를 동시에 측정할 수 있는데, 이때 검출하고자 하는 가스에 따라 감지물질에 첨가하는 첨가제를 다르게 하여 가스에 대한 선택성을 높일 수 있다.
여기서, 상기 셀(170)은 멤브레인(180) 영역에 형성되어 발열부에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제2 실시예를 나타내는 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 특정 가스와 접촉하여 저항 변화를 일으키는 복수 개의 감지물질(211)(221)과, 상기 복수 개의 감지물질(211)(221)을 경유하여 형성되며, 상기 감지물질(211)(221)이 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도에 이르기까지 가열하는 가열 전극 패턴(213)(223)과, 상기 감지물질(211)(221)의 저항 변화를 측정하여 외부 회로로 전달하며, 상기 감지 물질(211)(221)을 사이에 두고 상호 이격되어 형성된 복수 개의 감지 전극 패턴(215)(225)으로 이루어지는 제1 가스 센서 어레이(210) 및 제2 가스 센서 어레이(220)가 서로 마주보며 대칭적으로 형성되어 있다.
여기서, 상기 제1 가스 어레이(210) 및 제2 가스 센서 어레이(220)는 접지 전극 패턴(230)과 연결되어 공통 접지된다.
즉, 상기 감지 물질(211)(221)의 저항 변화를 외부 회로로 전달하기 위한 감지 전극 패드(217)(227)와 맞은편에 위치하는 제1 가스 센서 어레이(210) 및 제2 가스 센서 어레이(220)의 감지 전극 패턴(215-1)(225-1)들이 상기 제1 가스 센서 어레이(210) 및 제2 가스 센서 어레이(220) 사이에 위치하는 접지 전극 패턴(230)과 각각 연결되어 공통 접지되어 있다.
그리고, 상기 제1 가스 센서 어레이(210) 및 제2 가스 센서 어레이(220)의 감지 물질(211)(221)은 동일한 멤브레인(250) 영역에 형성된다.
본 실시예에서는 이와 같이, 한 개의 기판상에 복수 개의 셀(240)을 가지는 제1 가스 센서 어레이(210) 및 제2 가스 센서 어레이(220)를 대칭적으로 형성하며, 접지 전극 패턴(230)을 통해 공통 접지시킴으로써, 다종의 가스를 동시에 효율적으로 검출할 수 있게 된다.
다시 말하면, 동일한 감지물질이라 하더라도 동작 온도에 따라 여러 종류의 가스를 검출할 수 있는데, 본 발명의 경우 제1 가스 센서 어레이의 가열 전극 패턴(213)과 제2 가스 센서 어레이의 가열 전극 패턴(223)을 이용하여 서로 다른 온도로 동작하도록 할 수 있으며, 이를 통해 다종의 가스를 동시에 보다 효율적으로 검출할 수 있게 된다.
예를 들어, 감지물질로 산화 주석(SnO2)을 이용하는 경우, NO2 가스는 150℃에서 250℃의 비교적 낮은 온도에서 검출 감도가 높은데 반하여, CO 가스는 350℃에서 450℃의 온도에서 검출 감도가 높다.
따라서, 제1 가스 센서 어레이(210)에서는 가열 전극 패턴(213)을 통해 감지물질을 150℃에서 250℃로 가열하여 NO2 가스를 검출하고, 제2 가스 센서 어레이(220)에서는 가열 전극 패턴(223)을 통해 감지물질을 350℃에서 450℃로 가열하여 CO 가스를 검출한다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 가스 센서 어레이(310) 및 제2 가스 센서 어레이(320)가 서로 대칭으로 형성되며, 접지 전극 패턴(330)에 의해 공통 접지되어 이루어지는 가스 센서 모듈(350)을 한 개의 기판(300)상에 복수 개 형성하여 더 많은 종류의 가스를 동시에 검출할 수 있다.
여기서, 제1 가스 센서 어레이(310) 및 제2 가스 센서 어레이(320)의 복수 개의 셀들은 동일한 멤브레인(340) 상에 형성된다.
도 6은 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제3 실시예를 나타내는 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 복수 개의 감지물질(450)이 가열 전극 패턴(420)을 사이에 두고 상기 가열 전극 패턴(420)의 위아래에 번갈아 가며 위치하게 되며, 상기 복수 개의 감지물질(450)은 멤브레인(460) 영역에 형성된다.
이러한 구성을 갖기 위해서는, 상기 감지물질(420)에 연결된 제1 감지 전극 패턴(441) 및 제2 감지 전극 패턴(442)의 길이를 교대로 달리 형성하면 된다.
도 3을 참조하면, 가스와 접촉하여 저항 변화를 일으키는 가스 감지부와, 상기 가스 감지부가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도에 이르기까지 열을 발생하는 발열부와, 상기 가스 감지부의 저항 변화를 측정하는 감지 전극부로 이루어지는 복수 개의 셀(Cell)(170)들이 서로 인접하여 형성되기 때문에, 상기 가스 감지부의 감지물질을 도포할 때 이웃 셀에 접촉할 염려가 있다.
따라서, 본 실시예에서는 복수 개의 감지물질(450)을 가열 전극 패턴(420)을 사이에 두고 상기 가열 전극 패턴(420)의 위아래에 번갈아 가며 위치시킴으로써, 감지물질(450)의 도포시 다른 감지물질과 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 도 7에 도시한 바와 같이, 복수 개의 감지물질(511)(521)을 가열 전극 패턴(513)(523)을 사이에 두고 상기 가열 전극 패턴(513)(523)의 위아래에 번갈아 가며 위치시킨 제1 가스 센서 어레이(510) 및 제2 가스 센서 어레이(520)를 한 개의 기판상에 서로 대칭적으로 형성할 수도 있다.
이때, 상기 제1 가스 센서 어레이(510) 및 제2 가스 센서 어레이(520)의 감지 전극 패턴(515-1)(525-1)은 상기 제1 가스 센서 어레이(510) 및 제2 가스 센서 어레이(520) 사이에 위치하는 접지 전극 패턴(530)과 각각 연결되어 공통 접지된다.
여기서, 상기 제1 가스 센서 어레이(510) 및 제2 가스 센서 어레이(520)의 복수 개의 감지물질(511)(521)은 멤브레인(550) 영역에 형성된다.
도 8a 및 도 8f는 본 발명의 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(600)의 상부 및 하부에 제1 절연막(610)을 형성한다(도 8a).
상기 실리콘 기판(600)의 상부 및 하부에 형성되는 제1 절연막(610)은 실리콘 질화물(SiNx)의 단일막 또는 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 질화물(SiNx)의 이 중막으로 이루어진다.
여기서, 상기 실리콘 산화막(SiO2)은 100 ~ 300㎚의 두께로 증착하고, 실리콘 질화막(SiNx)은 500 ~ 2000㎚의 두께로 증착한다.
그리고, 상기 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘 질화막(SiNx)은 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD)법을 활용하여 최소 응력을 가지도록 증착한다.
다음으로, 상기 실리콘 기판(600) 상부에 형성된 제1 절연막(610)의 상부에 가열 전극 패턴(620)을 형성한다(도 8b).
상기 가열 전극 패턴(620)은 감지물질(미도시)이 특정 가스를 흡착하는 최적의 온도까지 감지물질을 가열하기 위한 것으로, Pt, Poly-Si, RuO2 등으로 이루어진다.
상기 가열 전극 패턴(620)은 복수 개의 감지물질을 동시에 가열할 수 있도록 형성하는데, 이를 위해 복수 개의 감지물질이 도포되는 각 영역 또는 그 인접 영역을 경유하도록 상기 제1 절연막(610) 상부에 형성한다.
이 경우, 한 개의 가열 전극 패턴(620)에 전압을 인가하여 복수 개의 감지물질을 동시에 가열할 수 있기 때문에, 마이크로 가스 센서 어레이의 소비전력을 현저히 줄일 수 있게 된다.
이어서, 상기 가열 전극 패턴(620)을 감싸며 상기 제1 절연막(610) 상부에 제2 절연막(630)을 형성한다(도 8c).
상기 제2 절연막(630)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어지는 것이 바람직하며, 200 ~ 2000㎚의 두께로 증착한다.
상기 제2 절연막(630)은 상기 가열 전극 패턴(620)과 이후에 형성될 감지 전극 패턴(미도시)을 전기적으로 절연시키는 역할을 한다.
연이어, 상기 제2 절연막(630) 상부에 복수 개의 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)과, 접지 전극 패턴(650)을 형성한다(도 8d).
상기 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)과, 접지 전극 패턴(650)은 백금(Pt) 또는 금(Au)으로 이루어지며, 100 ~ 600㎚의 두께로 증착하여 형성한다.
즉, 상기 제2 절연막(630) 상부에 Pt 또는 Au를 증착하고, 감광제(Photoresist)를 도포한 후, 마스크를 이용하여 식각함으로써, 각 전극 패턴을 형성한다.
여기서, 상기 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)은 일정 간격을 두고 상호 이격되어 형성되는데, 상기 상호 이격된 영역에 후술할 감지물질이 도포된다.
그리고, 상기 복수 개의 제1 감지 전극 패턴(641)은 복수 개의 감지 전극 패 드(미도시)와 각각 전기적으로 연결되며, 상기 복수 개의 제 2 감지 전극 패턴(642)은 상기 접지 전극 패턴(650)과 각각 전기적으로 연결되어 공통 접지된다.
다음으로, 상기 제2 절연막(630) 상부의 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)이 상호 이격된 영역에 감지물질(660)을 도포한다(도 8e).
이때, 상기 감지물질(660)은 상기 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)과 접촉하도록 도포하여, 상기 감지물질(660)이 가스와 접촉함으로써 발생하는 전기 전도도의 변화를 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)이 측정할 수 있도록 한다.
상기 감지물질(660)의 모재(母材)로는 산화 주석(SnO2), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐(In2O3), 산화 티타늄(TiO2) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 산화물을 사용하며, 상기 모재에 가스 감지 감도 및 선택성을 높이기 위해 Pt, Pd, In, Al 등의 귀금속을 분산시켜 첨가제로 사용한다.
여기서, 상기 감지물질(660)은 나노 와이어(Nano Wire) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube : CNT)의 형태로 제공되며, 여기에 유기 비이클(Organic Vehicle)을 혼합하여 페이스트를 형성한 후, 상기 제2 절연막(630) 상에 도포하게 된다.
이와 같이, 상기 감지물질(660)을 나노 와이어(Nano Wire) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube : CNT)의 형태로 사용하면, 표면적이 증가하여 가스 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 감지물질(660)은 i) 잉크젯 프린팅(Ink Jet Printing) 방식, ii) 디스펜싱(Dispensing) 방식, iii) 스크린 프린팅(Screen Printing) 방식 등을 사용하여 도포할 수 있다.
한편, 상기 감지물질(660)을 도포하기 전에, 상기 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)을 감싸며 제2 절연막(630) 상부에 절연층(Electric Isolation Layer)을 형성한 후, 상기 제1 감지 전극 패턴(641) 및 제2 감지 전극 패턴(642)이 상호 이격된 영역의 절연층을 제거하여 윈도우(Window)를 형성함으로써, 감지물질(660)이 상기 윈도우가 형성된 영역에만 도포될 수 있도록 하는 과정을 더 수행할 수 있다.
이어서, 상기 가열 전극 패턴(620)이 형성된 영역의 실리콘 기판(600)을 제거하여 멤브레인(Membrane) 구조(605)를 형성한다(도 8f).
상기 실리콘 기판(600)은 건식 식각 방식을 이용하여 식각하는데, 특히 Deep - RIE(Reactive Ion Etching)법으로 식각한다.
이와 같이, Deep - RIE(Reactive Ion Etching)법을 이용하여 실리콘 기판(600)을 식각하면, 상기 실리콘 기판(600)을 수직으로 식각할 수 있기 때문에 습식 식각(Wet Etching)하는 경우에 비하여 마이크로 가스 센서 어레이의 부피를 줄일 수 있게 된다.
이때, 상기 실리콘 기판(600) 상부에 형성된 제1 절연막(610)은 식각 방지 층(Etching Stop Layer)으로 작용한다.
그리고, 상기 가열 전극 패턴(620)이 형성된 영역의 실리콘 기판(600)을 제거하여 멤브레인(Membrane) 구조(605)를 형성하면, 상기 가열 전극 패턴(620)에서 발생하는 열을 외부로 효율적으로 방출할 수 있으며, 가열 전극 패턴(620)에서 발생하는 열이 실리콘 기판(600)으로 전달되어 손실되는 것을 최소화할 수 있으므로, 소비전력을 줄일 수 있게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 본 발명에서는 감지물질을 나노 와이어(Nano Wire) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube : CNT)의 형태로 사용함으로써, 가스의 감지 면적을 넓혀 가 스 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에서는 한 개의 가열 전극 패턴이 가스 센서 어레이의 복수 개의 감지물질을 경유하도록 형성되어 복수 개의 감지물질을 동시에 가열하기 때문에, 소비전력의 소모를 현저히 줄일 수 있다.
셋째, 본 발명은 마이크로 가스 센서 어레이에 있어서, 각 개별 마이크로 가스 센서의 제2 감지 전극 패턴을 한 개의 접지 전극 패턴에 연결하여 공통 접지시킴으로써, 칩의 부피를 크게 줄일 수 있으며 패키징을 보다 손 쉽게 할 수 있다.
넷째, 본 발명은 한 개의 기판상에 복수 개의 마이크로 가스 센서를 형성함으로써, 동종의 가스를 여러 개의 센서를 통해 복수로 감지할 수 있어 가스 측정의 신뢰도를 높일 수 있으며, 다종의 가스를 동시에 측정할 수 있다.

Claims (16)

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  9. 실리콘 기판 상부에 제1 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연막 상부에 가열 전극 패턴 및 상기 가열 전극 패턴에 전원을 인가하기 위한 가열 전극 패드를 형성하는 단계;
    상기 가열 전극 패턴을 감싸며, 상기 제1 절연막 상부에 제2 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제2 절연막 상부에 상호 이격되는 복수 개의 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴을 일정한 간격으로 형성하고, 상기 복수 개의 제1 감지 전극 패턴에서 연장되어 복수 개의 감지 전극 패드를 형성하며, 상기 복수 개의 제2 감지 전극 패턴과 연결되는 접지 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 절연막 상부의 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에, 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴을 감싸며 복수 개의 감지물질을 도포하는 단계; 및
    상기 가열 전극 패턴이 형성된 영역의 실리콘 기판을 제거하여 멤브레인(Membrane)을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 감지물질의 도포는, 나노 와이어(Nano Wire) 또는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube : CNT)의 형태로 이루어진 감지물질에 유기 비이클을 혼합하여 페이스트를 형성한 후, 상기 페이스트를 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에 도포하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 절연막은 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD)법으로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가열 전극 패턴은 Pt, Poly-Si, RuO2 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 감지물질은 산화 주석(SnO2), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐(In2O3), 산화 티타늄(TiO2) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 모재(母材)에 Pt, Pd, In, Al 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 첨가제를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 감지물질의 도포는 잉크젯 프린팅(Ink Jet Printing) 방식, 디스펜 싱(Dispensing) 방식 및 스크린 프린팅(Screen Printing) 방식 중에서 선택된 어느 하나의 방식으로 도포하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 감지물질을 상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴의 상호 이격된 영역에 도포하기 전에,
    상기 제1 감지 전극 패턴및 제2 감지 전극 패턴을 감싸며 제2 절연막 상부에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 감지 전극 패턴 및 제2 감지 전극 패턴이 상호 이격된 영역에 형성된 절연층을 제거하여 윈도우(Window)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 제거는, Deep - RIE(Reactive Ion Etching)법으로 상기 실리콘 기판을 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 마이크로 가스 센서 어레이의 제조방법.
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