KR101386594B1 - 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 실리사이드물질과 비귀금속물질을 통해 열전대 및 온도보상 회로를 구성하여 미세장치 내부와 같은 국소공간이나 유동장에 방해를 주지 않고 온도구배 측정이 필요한 부위에 직접 설치되어 넓은 온도 영역대를 계측할 수 있으며, 실리사이드물질과 비귀금속물질을 통해 센서의 민감도를 높이고 선형성을 확보하면서 귀금속 물질대비 경제적이고 성능이 우수하다.

Description

미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법{IMPLANTABLE TEMPERATURE SENSOR FOR MICRO DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세장치 내부와 같은 국소공간이나 유동장에 방해를 주지 않고 온도구배 측정이 필요한 부위에 직접 설치되어 넓은 온도 영역대를 계측할 수 있도록 한 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 공정을 이용한 미세가공공정(MEMS ; Micro Electro Mechanical System) 기술의 발달로 기존의 장치를 소형화 시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히 마이크로 레벨의 에너지 저장장치 및 동력발생 장치의 개발경향은 주로 새로운 개념의 제작 공정 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 향후 미세동력발생장치의 성능향상이나 모니터링을 위해서는 미세측정장비에 대한 개발이 필요하고 이를 통한 미세장치 내부 현상을 직접적이고 명확하게 읽을 수 있어야 한다.
미세장치의 성능평가를 위해서는 가장 핵심이 되는 요소는 엔탈피 산출이며, 특히 장치에 매립을 하여 직접 측정할 수 있는 온도센서를 통해 계측을 함으로써 장치 내부의 현상을 보다 정확히 예측할 수 있다.
그러나 일반적인 온도센서의 경우, 부피가 클 뿐만 아니라 자체 체적이 있음으로 해서 미세장치에 직접 설치를 할 경우 장치내부의 측정 공간에서 발생하는 물리적, 화학적 현상에 방해를 주게 되는 문제점이 있다.
따라서 이를 위해 가장 고려되어야 할 부분은 크게 소형화와 경제성을 들 수 있다.
먼저, 소형화와 관련해서는 첫째, 미세 장치 내부의 물리적, 화학적 현상에 방해를 주지 않도록 박막화가 이루어져야 하고, 둘째, 한정된 공간에서의 온도구배를 충분히 측정하기 위해 측정지점의 면적이 미세하여야 한다는 것이다.
다음으로 경제성 관점에서는 첫째, 고온에서 선형적이고 민감도가 높으며 상대적으로 구하기 쉬운 재료를 선정해야 하는 것과 둘째, 온도보정을 위한 회로구성이 단순해져야 한다는 것이다.
일반적으로 통용되는 온도센서는 저항형 온도센서(RTD), 써미스터, 열전대가 있는데, 저항형 온도센서의 경우 높은 선형성과 안정정을 보이나 600도씨 이상의 고온에서는 상대적으로 취약하며 센서 크기가 큼으로 해서 공간의 제약을 받는다. 한편 써미스터는 높은 응답성과 낮은 제작단가를 보이나 온도측정 범위가 수십도씨 내외로 좁으며 자체발열의 문제가 있어 주로 회로기판에만 한정적으로 적용되고 있다. 반면 열전대는 제작단가가 낮고 넓은 온도측정범위를 가지고 있으며, 국소부위를 측정하는데 적합한 장점이 있다.
본 발명과 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2010-0075961호(2010.07.02.) "초소형 고온 열전대 제조방법"이 있다.
열전대의 온도측정은 기준온도에서 측정점 온도까지 기전력 변화율로써 값을 얻을 수 있다. 하지만, 실제 장치에 부착된 열전대는 장치로부터 독립되어 있지 않기 때문에 빙점조(ice bath)를 별도로 설치하지 않는 이상 저온부를 기준온도(일반적으로 0℃)로 맞추기가 불가능하다.
따라서, 열전대의 경우, 전자보상회로를 통해 기준온도를 보상해주지만, 표준 열전대를 제외한 새로운 재료 조합의 온도센서와 같은 경우, 보상회로 개발에 드는 비용이 클 뿐만 아니라 저온부의 기준온도 유지를 위한 부가장치들로 인한 시스템 체적이 커지는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창작된 것으로서, 미세장치 내부와 같은 국소공간이나 유동장에 방해를 주지 않고 온도구배 측정이 필요한 부위에 직접 설치되어 넓은 온도 영역대를 계측할 수 있도록 이종물질에 의한 열전대 및 온도보상 회로를 갖는 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 미세장치 매립형 온도센서는 기판상에 이종물질로 이격되어 각각 길게 배치된 제 1열전대와 제 2열전대; 제 1열전대와 제 2열전대의 일측 끝단이 서로 접촉된 고온대; 제 1열전대의 타측 끝단에 배치된 저온대; 및 제 1열전대와 제 2열전대의 타측 끝단 사이에 배치된 RTD(Resistance Temperature Detector)방식의 온도보상부를 포함하되, 제 1열전대는 실리사이드 계열물질이고, 제 2열전대와 온도보상부는 귀금속 물질인 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에서 실리사이드 계열물질은 크롬실리사이드이고, 비귀금속 물질은 니켈인 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
본 발명의 다른 측면에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법는 기판 상에 제 1열전대를 형성하기 위한 제 1마스크를 통해 제 1감광막 패턴을 형성하는 단계; 제 1감광막 패턴이 형성된 전면에 제 1열전대물질을 증착하고 열처리를 진행하는 단계; 열처리를 진행한 후 제 1감광막 패턴이 제거되도록 전면식각하여 제 1열전대를 형성하는 단계; 제 1열전대를 형성한 후 제 2열전대 및 온도보상부를 형성하기 위한 제 2마스크를 통해 제 2감광막 패턴을 형성하는 단계; 제 2감광막 패턴이 형성된 전면에 제 2열전대물질을 증착하는 단계; 제 2열전대물질을 증착한 결과물을 전면식각하여 제 2감광막 패턴을 제거한 후 전면에 절연막을 증착하는 단계; 및 절연막을 증착한 후 제 3마스크를 통해 식각하여 접촉부위를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 1열전대물질은 실리사이드 계열물질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 실리사이드 계열물질은 크롬실리사이드인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 2열전대물질은 비귀금속 물질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 비귀금속 물질은 니켈인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 1열전대물질 및 제 2열전대물질은 스퍼터링방식으로 증착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 실리사이드물질과 비귀금속물질을 통해 열전대 및 온도보상 회로를 구성하여 미세장치 내부와 같은 국소공간이나 유동장에 방해를 주지 않고 온도구배 측정이 필요한 부위에 직접 설치되어 넓은 온도 영역대를 계측할 수 있다.
또한, 실리사이드물질과 비귀금속물질을 통해 센서의 민감도를 높이고 선형성을 확보하면서 귀금속 물질대비 경제적이고 성능이 우수하다.
또한, 저온부에 온도보상 회로를 하이브리드로 설치하여 보상온도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 실리사이드 계열물질의 물성치를 나타낸 테이블이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 니켈 RTD의 성능함수를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 크롬실리사이드-니켈에 의한 열전대의 성능함수를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 매립상태를 나타낸 도면이다.
도 6내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서를 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 실리사이드 계열물질의 물성치를 나타낸 테이블이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 니켈 RTD의 성능함수를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 크롬실리사이드-니켈에 의한 열전대의 성능함수를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서는 기판(10)상에 이종물질로 이격되어 각각 길게 제 1열전대(20)와 제 2열전대(30)가 배치된다. 이종물질로는 민감도가 높은 실리사이드 계열물질과 선형성이 보장되는 비귀금속 물질로써 제 1열전대(20)를 실리사이드 계열물질로 형성하고, 제 2열전대(30)를 비귀금속 물질로 형성한다. 기판(10)은 알루미나 기판을 사용한다.
길게 배치된 제 1열전대(20)와 제 2열전대(30)의 일측 끝단은 서로 접촉되어 200평방마이크로미터 이하의 크기의 고온대(40)를 이루고, 제 1열전대(20)의 타측 끝단에는 저온대(50)가 배치된다.
또한, 제 1열전대(20)와 제 2열전대(30)의 타측 끝단 사이에는 온도보상부(60)가 배치되어 기준접점온도를 용이하게 측정하여 온도센서의 온도보상을 손쉽게 할 수 있도록 한다.
본 실시예예서 실리사이드 계열물질로는 크롬실리사이드를 사용하고, 비귀금속 물질로는 니켈을 사용한다.
크롬실리사이드는 도 2에 도시된 바와 같이 높은 열기전력을 가지고 있으며, 1500℃ 이상의 고온에서 높은 안정성과 강성도를 가지는데, 이는 최대 1100℃의 성능을 보이는 귀금속 박막형 열전대와 비교하여 높은 성능을 보인다.
한편 니켈은 기준금속인 백금과의 열기전력을 분석해보면 100℃에서 -1.48 mV를 가짐으로써, 일반금속 중 가장 낮은 값인 백금-콘스탄탄의 열기전력인 -3.51 mV 다음으로 높은 음의 기전력을 보인다. 그러나 일반적으로 콘스탄탄의 경우 합금제작의 어려움이 있어 본 발명의 실시예에서는 양의 값을 가지는 크롬실리사이드와의 큰 기전력차를 유도해내기 위해 니켈을 사용하였으며, 니켈은 저온대역에서 선형적인 특성을 보이기 때문에 저온부의 온도만을 측정할 경우 충분하며 온도보상부(60)에서 기준온도측정용 RTD(Resistance Temperature Detector ; 측온저항체)로도 사용한다.
이와 같은 미세장치 매립형 온도센서를 이용한 온도측정은 기준온도에서 고온부(40)의 온도까지 기전력 변화율로써 값을 얻을 수 있다. 하지만, 실제 미세장치(미도시)에 부착된 제 1열전대(20)와 제 2열전대(30)는 미세장치로부터 독립되어 있지 않기 때문에 빙점조(ice bath)를 별도로 설치하지 않는 이상, 저온부(50)를 기준온도(일반적으로 0℃)로 맞추기가 불가능하다.
따라서 저온부(50)에 패터닝되어 있는 온도보상부(60)의 측온저항체를 통해 온도변화에 따른 물질의 고유저항 변화값을 측정하여 실제 저온부(50)의 온도를 측정한다.
본 실시예에서는 도 3에 도시된 니켈의 RTD 성능함수를 바탕으로 실제 저온부(50)의 온도를 측정하고, 이 값을 도 4에 도시된 크롬실리사이드-니켈 열전대의 성능함수를 바탕으로 측정된 제 1내지 제2열전대(20)(30)의 온도에 따른 기전력 변화값, 즉 지벡상수(Seebeck coefficient)에 단순히 더함으로써, 고온부(40)의 온도를 산출할 수 있다.
다시 설명하면 도 4의 성능함수를 통해 EMFTcold ∼ Thot=α(Thot-Tcold)를 만족하는 지벡상수(α)와 기전력(EMF)를 알 수 있다. 여기서 저온부(50)의 온도(Tcold)를 알면 최종적으로 원하는 값인 고온부(40)의 온도(Thot)를 알 수 있게 된다. 그러나, 실제 미세장치에 매립되는 온도센서의 경우, 저온부(50)가 빙점조에 위치하고 있지 않을 뿐만 아니라 고온부(40)에서 전도되어 오는 열에 의해 정확한 값을 알기가 어렵기 때문에 미세장치에 매립된 온도센서에서 측정되는 기전력은 실제로 EMFTcold ~ hot가 되므로 EMF0 ~ Tcold만큼을 더해주어야 한다. 기준온도로부터 저온부(50)의 온도까지에서 발생하는 기전력인 EMF0 ~ Tcold는 저온부(50)의 온도(Tcold)만 알면 도 4에 도시된 열전대 성능함수를 통해 그 값을 알 수 있다.
따라서, 저온부(50)의 온도(Tcold)는 도 3의 성능함수를 통해 파악함으로써 최종적인 고온부(40)의 온도(Thot)를 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 매립상태를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서(100)는 마이크로 수소개질기의 한 구성품으로 패터닝된 후 최종적으로 조립됨으로써 매립의 효과를 얻을 수 있다.
도 6내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법은 먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 제 1열전대(140)를 형성하기 위한 제 1마스크(미도시)를 통해 제 1감광막패턴(120)을 형성한다. 기판(110)은 알루미나 기판을 사용한다.
이후 도 7에 도시된 바와 같이 제 1감광막 패턴(120)이 형성된 전면에 제 1열전대물질로 실리사이드 계열물질인 크롬실리사이드(130)를 스퍼터링 방법으로 증착하고 400℃의 퍼니스에서 30분동안 열처리를 진행하여 결정화시킨다.
도 8에 도시된 바와 같이 제 1감광막패턴(120)이 제거되도록 결과물에 대해 전면식각을 실시하여 제 1열전대(140)를 형성한다.
도 9에 도시된 바와 같이 제 1열전대(140)가 형성된 결과물에 제 2열전대 및 온도보상부를 형성하기 위한 제 2마스크(미도시)를 통해 제 2감광막패턴(150)을 형성한다.
이후 도 10에 도시된 바와 같이 결과물 전면에 제 2열전대물질로써 비귀금속 물질인 니켈(160)을 스퍼터링 방법으로 증착한다.
도 11에 도시된 바와 같이 니켈(160)을 증착한 후 결과물에 대해 전면식각을 수행하여 제 2감광막패턴(150)을 제거한 후 전면에 절연막(170)을 증착한다.
절연막(170)은 실리콘산화막을 PEVCD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증착한다.
도 12에 도시된 바와 같이 절연막(170)을 증착한 후 제 3마스크(미도시)를 통해 식각하여 접촉부위를 BOE(Buffered Oxide Etchant) 식각을 통해 노출시킨다.
이와 같은 방법으로 도 1에 도시된 바와 같이 미세장치 매립형 온도센서를 형성하여 미세장치 내부와 같은 국소공간이나 유동장에 방해를 주지 않고 온도구배 측정이 필요한 부위에 직접 설치되어 넓은 온도 영역대를 계측할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 기판 20 : 제 1열전대
30 : 제 2열전대 40 : 고온부
50 : 저온부 60 : 온도보상부
100 : 매립형 온도센서 110 : 기판
120 : 제 1감광막패턴 130 : 크롬실리사이드
140 : 제 1열전대 150 : 제 2감광막패턴
160 : 니켈 170 : 절연막

Claims (11)

  1. 기판상에 이종물질로 이격되어 각각 길게 배치된 제 1열전대와 제 2열전대;
    상기 제 1열전대와 상기 제 2열전대의 일측 끝단이 서로 접촉된 고온대;
    상기 제 1열전대의 타측 끝단에 배치된 저온대; 및
    상기 제 1열전대와 상기 제 2열전대의 타측 끝단 사이에 배치된 RTD(Resistance Temperature Detector)방식의 온도보상부를 포함하되,
    상기 제 1열전대는 실리사이드 계열물질이고, 상기 제 2열전대와 상기 온도보상부는 비귀금속 물질인 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 실리사이드 계열물질은 크롬실리사이드이고, 상기 비귀금속 물질은 니켈인 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 기판 상에 제 1열전대를 형성하기 위한 제 1마스크를 통해 제 1감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 1감광막 패턴이 형성된 전면에 제 1열전대물질을 증착하고 열처리를 진행하는 단계;
    상기 열처리를 진행한 후 상기 제 1감광막 패턴이 제거되도록 전면식각하여 상기 제 1열전대를 형성하는 단계;
    상기 제 1열전대를 형성한 후 제 2열전대 및 온도보상부를 형성하기 위한 제 2마스크를 통해 제 2감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 2감광막 패턴이 형성된 전면에 제 2열전대물질을 증착하는 단계;
    상기 제 2열전대물질을 증착한 결과물을 전면식각하여 상기 제 2감광막 패턴을 제거한 후 전면에 절연막을 증착하는 단계; 및
    상기 절연막을 증착한 후 제 3마스크를 통해 식각하여 접촉부위를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제 1열전대물질은 실리사이드 계열물질인 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 실리사이드 계열물질은 크롬실리사이드인 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제 2열전대물질은 비귀금속 물질인 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 비귀금속 물질은 니켈인 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 제 1열전대물질 및 상기 제 2열전대물질은 스퍼터링방식으로 증착하는 것을 특징으로 하는 미세장치 매립형 온도센서의 제조방법.
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