KR100951546B1 - Manufacturing Methods of Capacitive Type Humidity Sensors and the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 습도 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 하부 전극과 집적화된 패턴을 갖는 복수의 상부 전극 사이에 감습층으로 이루어진 정전 용량형 습도 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a humidity sensor, and more particularly, to a capacitive humidity sensor composed of a moisture sensitive layer between a lower electrode and a plurality of upper electrodes having an integrated pattern, and a manufacturing method thereof.
본 발명의 정전 용량형 습도 센서는 기판의 절연층상에 형성된 하부전극; 상기 하부 전극상에 도포되어 수분을 흡탈착하기 위한 감습층; 및 상기 감습층상에 형성된 복수의 상부 전극을 포함함에 기술적 특징이 있다.The capacitive humidity sensor of the present invention includes a lower electrode formed on an insulating layer of a substrate; A moisture sensitive layer applied on the lower electrode to absorb and desorb moisture; And a plurality of upper electrodes formed on the moisture sensitive layer.
본 발명의 정전 용량형 습도 센서의 제조방법은 절연층이 형성된 기판상에 하부 금속을 형성하는 단계; 상기 하부 금속상에 감습층을 형성하는 단계; 및 상기 감습층상에 복수의 상부 전극을 형성하는 단계를 포함함에 기술적 특징이 있다.Method of manufacturing a capacitive humidity sensor of the present invention comprises the steps of forming a lower metal on the substrate formed with an insulating layer; Forming a moisture sensitive layer on the lower metal; And forming a plurality of upper electrodes on the moisture sensitive layer.
습도, 센서, 감습층, 하부전극, 상부전극 Humidity, Sensor, Humidity Layer, Lower Electrode, Upper Electrode
Description
본 발명은 습도 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 하부 전극과 IDT 패턴을 갖는 복수의 상부 전극 사이에 감습층으로 이루어진 정전 용량형 습도 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a humidity sensor, and more particularly, to a capacitive humidity sensor composed of a moisture sensitive layer between a lower electrode and a plurality of upper electrodes having an IDT pattern, and a manufacturing method thereof.
본 발명의 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법은 각각 평행 구조와 IDT(InterDigiTated) 구조의 제조 또는 특성상 위에 기술한 문제점을 해결하고자 두 구조가 통합된 새로운 형태의 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The capacitive humidity sensor and its manufacturing method of the present invention are a new type of capacitive humidity sensor and a method of manufacturing the integrated structure to solve the problems described above due to the manufacture or characteristics of the parallel structure and IDT (InterDigiTated) structure respectively. It is about.
현재 상용화가 되어 생산 판매되고 있는 정전용량형 습도 센서는 평행 구조 또는 IDT 구조의 형태로 대부분을 차지하고 있다.Capacitive humidity sensors, which are commercially available for production and sale, now take up most of the parallel structure or IDT structure.
도 1은 종래에 따른 평형 구조의 정전 용량형 습도 센서의 입체 사시도이다.1 is a three-dimensional perspective view of a conventional capacitive humidity sensor of a balanced structure.
평형 구조의 정전 용량형 습도 센서는 가장 일반적인 형태로서, 기판(110)상 에 하부 전극(120)/감습층(130)/상부전극(140)을 차례로 적층한 커패시터 형태를 하고 있다.The capacitive humidity sensor having a balanced structure is the most common form and has a capacitor form in which a
작동 원리는 상부전극(140)에 형성된 다수의 기공(도시안됨)을 통하여 수분이 감습층(130)에 흡착되면, 감습층(130)의 유전율 변화를 가져오며, 이는 커패시터의 정전 용량의 변화를 유발함으로써, 습도의 변화를 감지하게 된다. The operating principle is that when moisture is adsorbed to the moisture
평형 구조의 용량형 습도 센서의 경우, 초기 정전 용량이 크므로 감습층에 흡착되는 수분에 의한 습도 변화를 감지하기 위해서는 상부 전극에 기공을 충분히 형성해야하며, 감습층과 상부전극 사이의 접착력을 고려해야 한다.In the case of the equilibrium capacitive humidity sensor, since the initial capacitance is large, in order to detect the change in humidity caused by moisture adsorbed to the moisture-sensitive layer, the pores should be sufficiently formed in the upper electrode, and the adhesion between the moisture-sensitive layer and the upper electrode should be considered. do.
도 2a 및 도 2b는 종래의 IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서의 평면도 및 단면도이다.2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of a capacitive humidity sensor of a conventional IDT structure.
절연층(220)이 형성된 기판(210)상부에 서로 엇갈린(IDT) 형태인 빗 모양으로 복수의 전극, 제1전극(230) 및 제2전극(240)을 형성한다. 전극 상부에는 감습층(250)을 형성한다.A plurality of electrodes, a
IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서의 경우, 평형 구조와 달리 초기 정전 용량이 작고, 감습층의 외부로 노출되어 있어, 많은 수분을 흡착할 수 있지만 전극의 표면적이 작아 습도 감지도가 평형 구조보다 낮다.In the case of the IDT structured capacitive humidity sensor, unlike the equilibrium structure, the initial capacitance is small and is exposed to the outside of the moisture sensitive layer, so that it can absorb a lot of moisture, but the surface area of the electrode is smaller, so the humidity sensitivity is lower than the equilibrium structure. .
따라서, 본 발명은 하부 전극상에 수분을 흡탈착 하기 위한 감습층 그리고 IDT 형태의 복수의 전극을 이용하여, 종래의 평형 구조와 IDT 구조의 단점을 모두 개선한 감도가 향상된 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a capacitive humidity sensor having improved sensitivity, which improves the disadvantages of the conventional balanced structure and the IDT structure by using a plurality of electrodes of a moisture absorbing layer and an IDT type for adsorbing and desorbing moisture on the lower electrode. It is an object to provide a method of manufacturing the same.
본 발명의 상기 목적은 기판의 절연층상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극상에 도포되어 수분을 흡탈착하기 위한 감습층; 및 상기 감습층상에 형성된 복수의 상부 전극을 이용한 정전 용량형 센서에 의해 달성된다.The object of the present invention is a lower electrode formed on the insulating layer of the substrate; A moisture sensitive layer applied on the lower electrode to absorb and desorb moisture; And a capacitive sensor using a plurality of upper electrodes formed on the moisture sensitive layer.
따라서, 본 발명의 정전 용량형 센서는 종래의 평형 구조 또는 IDT 구조에 있어서 각각의 단점을 모두 개선하여 감도가 향상되어 현저하고도 유리한 효과가 있다. Therefore, the capacitive sensor of the present invention has a significant and advantageous effect by improving the sensitivity by improving each of the disadvantages in the conventional balanced structure or IDT structure.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법 으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 3은 본 발명에 따른 정전용량형 습도센서의 평면도이며, 도 3a 내지 도 3c는 도 3의 영역별 단면을 도시한 것이다.3 is a plan view of a capacitive humidity sensor according to the present invention, and FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views of regions of FIG. 3.
도 3a은 도 3의 a-a' 영역의 단면을 도시한 것이다.3A is a cross-sectional view of a-a 'region of FIG. 3.
절연층(320)이 형성된 실리콘 기판(310) 중심부에 하부전극 패드(360)가 형성되어 있고, 2층의 감습층(341,342), 그리고 감습층 중간 양단에 상부전극 패드(381,391)가 형성되어 있다.The
도 3b는 도 3의 b-b' 영역의 단면을 도시한 것이다.3B is a cross-sectional view of the region b-b 'of FIG. 3.
도 3c는 도 3의 c-c' 영역을 확대한 것이다.FIG. 3C is an enlarged view of the region c-c 'of FIG. 3.
본 발명에 따른 IDT 패턴의 폭은 2 ~ 10㎛, 패턴간의 간격은 2 ~ 5㎛로 형성한다. The width of the IDT pattern according to the present invention is 2 ~ 10㎛, the interval between the patterns is formed to 2 ~ 5㎛.
도 4 내지 도 9는 본 발명에 따른 정전용량형 습도 센서의 공정 흐름도이다.4 to 9 are process flowcharts of the capacitive humidity sensor according to the present invention.
먼저, 실리콘 기판(310)에 절연층(320)을 형성한다. 절연층(320)으로는 산화막 또는 질화막을 형성할 수 있으며, 2000Å ~ 4000Å 두께로 형성하여, 후 공정으로 형성되는 하부 전극(330)과 전기적으로 절연상태를 유지하는 것이 바람직하다 (도 4).First, the
절연층(320)이 형성되면, 하부 전극(330)을 형성한다. 하부 전극(330)으로는 금(Au)과 같은 전도성이 우수한 금속을 포함한 소재를 사용하여 500Å ~ 1500Å의 두께를 갖는 박막으로 형성한다(도 5). 이때, 박막의 형성은 통상의 반도체 공정에서 사용하는 스퍼터링 또는 진공증기증착 등의 박막형성법을 이용할 수 있다. 금을 이용하여 절연층(320)상에 증착할 경우, 절연층(320)과 접착력 향상을 위하여 버퍼층(미도시)으로 크롬층을 50Å ~ 150Å의 두께로 먼저 증착하는 것이 바람직하다.When the
하부 전극(330)이 형성되면, 감습층(341)을 형성한다. 본 발명에 따른 감습층(341)은 폴리이미드를 사용할 수 있다. 폴리이미드를 코팅한 후, 히팅처리 한다(도 6). 히팅이 완료되면, 사진공정을 이용하여 패터닝하고, 200℃ ~ 400℃의 온도로 1시간 동안 열경화 공정을 수행한다(도 7).When the
감습층(341)이 형성되면, 상부 전극(350)을 형성한다. 상부 전극(350) 역시 하부 전극(330)과 동일하게 금(Au)과 같은 전도성이 우수한 금속을 포함한 소재를 이용하여 300 ~ 600 두께의 두께를 갖는 박막을 형성한다. 또한, 감습층과의 접착력 향상을 위하여 버퍼층으로 크롬층(미도시)을 50Å ~ 150Å의 두께로 증착한다.When the moisture
상부 전극(350)이 형성되면, 사진공정을 이용하여 패터닝을 한다. 본 발명에 따른 상부 전극(350)의 패턴의 형태는 전극의 표면적 및 수분과 접촉하는 감습층의 표면적 향상을 위하여 빗살 또는 손가락이 서로 엇갈린 형태인 IDT의 형태로 형성하는 것이 바람직하다(도 8).When the
상부 전극(350)의 패턴이 완성되면, 도금 처리하여 상부 전극의 두께를 마이 크로 오더로 증가시킨다(370,도 9). When the pattern of the
상부 전극(350)의 형성이 완료되면, 다시 감습층(342)인 폴리이미드를 코팅한 후, 열처리하여 경화시킨다(도 10).When the formation of the
이 후, 다이싱 한 후, 낱개의 소자를 형성한 후, 패키징하여 최종적으로 정전 용량형 습도센서를 완성한다.Thereafter, after dicing, the individual elements are formed, and then packaged to finally complete the capacitive humidity sensor.
도 11은 본 발명에 따른 기판상에 형성된 정전 용량형 습도 센서의 실사 이미지이다. 공정 조건에 따라 웨이퍼 상에 다양한 면적의 습도 센서가 형성되었음을 알 수 있다.11 is a photorealistic image of a capacitive humidity sensor formed on a substrate according to the present invention. It can be seen that humidity sensors of various areas are formed on the wafer according to the process conditions.
도 12는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도 센서의 와이어 본딩된 실사 이미지이다. 다이싱 후, 패키징이 완료된 습도 센서의 형성된 하부 전극패드(360) 및 상부전극 패드(381,391)에 와이어(410)가 본딩 처리된 것을 알 수 있다.12 is a wire bonded photorealistic image of the capacitive humidity sensor according to the present invention. After dicing, it can be seen that the
도 13 및 도 14는 종래와 본 발명에 따른 정전 용량형 습도 센서의 정전용량 특성 그래프이다.13 and 14 are graphs of capacitance characteristics of a capacitive humidity sensor according to the related art and the present invention.
도 13은 본 발명에 따른 평행형 구조를 갖는 정전 용량형 습도 센서의 정전용량의 변화를 나타낸 그래프이다. 13 is a graph showing a change in capacitance of the capacitive humidity sensor having a parallel structure according to the present invention.
본 발명의 IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서를 평행형 구조로 형성하기 위하여 상부 전극인 한 쌍의 IDT 구조의 전극을 쇼트시켜 하나의 전극으로 형성한다. 쇼트된 상부전극은 감습층을 중심으로 하부전극과 함께 평행형 구조의 정전 용량형 습도센서가 된다. In order to form the capacitive humidity sensor of the IDT structure of the present invention in a parallel structure, a pair of IDT structures, which are upper electrodes, is shorted to form one electrode. The shorted upper electrode becomes a capacitive humidity sensor having a parallel structure with the lower electrode around the moisture sensitive layer.
먼저, 50 %RH에서 정전용량의 변화를 살펴보면, 135pF에서 160pF로 약 25pF 이 증가하고, 90 %RH에서는 185pF에서 220pF으로 약 35pF 정도 증가함을 알 수 있다.First, looking at the change in capacitance at 50% RH, it can be seen that about 25pF increases from 135pF to 160pF, and about 35pF increases from 185pF to 220pF at 90% RH.
IDT 구조의 전극 패턴의 형상에 따른 정전 용량의 특성을 살펴보면, 패턴의 폭이 넓고, 전극 패턴간의 간격이 좁을수록, 하부 전극과 대응되는 상부전극의 면적이 증가하므로 정전 용량이 증가함을 알 수 있다. Looking at the characteristics of the capacitance according to the shape of the electrode pattern of the IDT structure, it can be seen that the larger the width of the pattern, the narrower the interval between the electrode patterns, the capacitance increases because the area of the upper electrode corresponding to the lower electrode increases. have.
도 14는 본 발명에 따른 IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서의 정전용량의 변화를 나타낸 그래프이다.14 is a graph showing a change in capacitance of the capacitive humidity sensor of the IDT structure according to the present invention.
여기서, 측정을 위하여 한 쌍의 IDT 구조의 상부전극만을 +/-단자로 연결하여 측정하였다. 이 경우, 도 10에서 도시한 바와 같이 상부전극 전면에 감습층을 추가로 코팅함으로써, IDT 구조의 전극 사이에 감습층이 형성되어, 전체적으로 커패시터의 형태를 하게 된다. Here, only the upper electrodes of a pair of IDT structures were connected to +/- terminals for measurement. In this case, as shown in FIG. 10, by further coating the moisture sensitive layer on the entire upper electrode, the moisture sensitive layer is formed between the electrodes of the IDT structure, thereby forming a capacitor as a whole.
그래프를 살펴보면, 앞서 나타낸 평행형 구조의 정전 용량 그래프와 달리 초기 정전용량이 상대적으로 적은 것을 알 수 있다. Looking at the graph, it can be seen that the initial capacitance is relatively small unlike the capacitance graph of the parallel structure shown above.
먼저, 50%RH에서 정전 용량의 변화를 살펴보면, 15pF에서 50pF로 약 35pF이 증가하고, 90%RH에서는 20pF 에서 80pF으로 약 60pF 정도 증가함을 알 수 있다.First, looking at the change in capacitance at 50% RH, it can be seen that about 35pF increases from 15pF to 50pF, and about 60pF increases from 20pF to 80pF at 90% RH.
그리고 IDT 전극 패턴의 형상에 따른 정전 용량의 특성을 살펴보면, 상부 전극의 패턴의 폭과 갭이 작을수록 더 많은 패턴이 형성되고, 이는 전극의 면적을 증대시키므로 이와 비례하여 정전 용량이 증가함을 알 수 있다.And the characteristics of the capacitance according to the shape of the IDT electrode pattern, the smaller the width and the gap of the pattern of the upper electrode, the more patterns are formed, which increases the area of the electrode, so that the proportional increase in capacitance Can be.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
도 1은 종래의 평판 전극형 습도 센서의 분해 사시도,1 is an exploded perspective view of a conventional flat electrode type humidity sensor;
도 2a 및 2b는 종래의 IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서의 평면도 및 단면도,2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of a capacitive humidity sensor of a conventional IDT structure,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도 센서의 부위별 단면도 및 평면도,3A to 3B are cross-sectional views and plan views of portions of a capacitive humidity sensor according to the present invention;
도 4 내지 도 10은 본 발명에 따른 정전 용량형 습도 센서의 공정 흐름도,4 to 10 is a process flow diagram of a capacitive humidity sensor according to the present invention,
도 11은 기판상에 형성된 본 발명에 따른 정전 용량형 습도 센서의 실사 이미지,11 is a live-action image of the capacitive humidity sensor according to the present invention formed on a substrate,
도 12는 본 발명에 따른 정전 용량형 습도 센서의 와이어 본딩 처리된 실사 이미지,12 is a wire-bonded photorealistic image of the capacitive humidity sensor according to the present invention;
도 13은 종래의 IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서의 특성 그래프,13 is a characteristic graph of a capacitive humidity sensor of a conventional IDT structure,
도 14는 종래의 IDT 구조의 정전 용량형 습도 센서의 특성 그래프.14 is a characteristic graph of a capacitive humidity sensor of a conventional IDT structure.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
310:기판 320:절연층310: substrate 320: insulating layer
330:하부전극 341,342:감습층330:
350:상부전극 350: upper electrode
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