KR101498594B1 - 접촉 연소식 가스센서 및 가스센서 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가연성 가스 감지를 위한 접촉 연소식 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조가 간단하며, 낮은 소비전력으로도 저농도의 가스를 효율적으로 감지할 수 있는 가스센서 및 이를 제조하는 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 접촉 연소식 가스센서는 가연성 가스가 접촉하며, 공급된 전류에 의해 발열하는 감지소자, 상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극, 상기 감지소자와 전극의 하단에 형성된 멤브레인 및 상기 멤브레인의 하단에 형성되며, 일부가 식각된 실리콘 기판을 포함한다.

Description

접촉 연소식 가스센서 및 가스센서 제조 방법{GAS SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 가연성 가스를 감지하기 위한 접촉 연소식 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조가 간단하며, 낮은 소비전력으로 저농도에서 고농도의 가연성 가스를 효율적으로 감지할 수 있는 접촉 연소식 가스센서 및 이를 제조하는 방안에 관한 것이다.
우리의 생활환경에는 대단히 많은 종류의 가스가 존재하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등의 문제가 잇따르고 있다. 인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량적으로 판별하거나 가스의 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적 성질 또는 화학적 성질을 이용한 가스 검출센서가 개발되어 가스의 누설탐지, 농도 측정 및 경보 등에 사용되고 있다.
일반적으로 가스 검출센서는 가스분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정한다. 종래 사용되어온 금속 산화물 반도체나 고체 전해질을 사용하는 가스 검출센서의 경우 200도 내지 260도 혹은 그 이상의 온도에서 센서가 동작하며, 유기물질을 사용하는 가스 검출센서는 전기 전도도가 매우 낮아 감도가 떨어진다는 문제점이 있다.
일반적으로 도시가스 및 버스, 승용차 등 차량용 연료 가스는 메탄이 주성분으로 구성되어 있으며, 이와 같은 가스의 누출을 감지하기 위해서는 접촉 연소식 가스센서를 사용한다. 접촉 연소식 가스센서는 발열체(히터)를 이용하여 촉매물질의 표면 온도가 일정하도록 발열되어야 하며, 이를 위해서는 접촉 연소식 가스센서는 수십 mW ~ 수 W 정도의 전력을 소모한다.
또한, 버스 및 승용차 등 차량의 경우 주행하지 않고, 주차(또는 정차)되어 있을 때에도 메탄가스의 누출을 감지하는 감지 시스템이 항상 작동되어야 하며, 이를 위해서는 주 전원 이외의 감지 시스템으로 전력을 공급하는 배터리(전원장치)가 필요하다.
따라서 배터리의 전력을 최소한으로 소모할 수 있는 저소비 전력 가스센서의 개발이 필수적으로 요구된다. 또한, 가스의 농도가 낮은 누출초기 단계에서도 메탄가스의 감지가 이루어져야 하며, 이를 위해 저농도에서 가스의 감지가 가능한 초고감도 센서의 개발이 필요하다. 그러나 현재 개발되고 있는 메탄 가스센서의 경우 수 백 ppm이상의 농도에서 가스를 감지할 수 있는 경우가 대부분이다.
도 1은 종래 일반적인 접촉 연소식 가스센서를 도시하고 있다. 도 1에 도시되어 있는 접촉 연소식 가스센서에 대해 알아보면, 기판의 중심부에 일정공간을 가지는 홈이 형성되어지고, 상기 홈 중앙의 일정 높이에 접촉 연소판이 형성되며, 상기 접촉 연소판의 하측면에 평면상 지그재그형태로 형성된 홈에 삽입되는 히터가 삽입되는 감지소자와; 상기 감지소자와 동일한 형태로 형성되는 보상소자와; 상기 감지소자와 보상소자가 각각 2개이상으로 동일한 소자간에 대칭되어지도록 배치하여 하나의 휘스톤브릿지 회로의 형태로 구성된다.
일반적으로 종래 접촉 연소식 가스센서는 제조 공정이 다소 복잡하고, 멤브레인 구조를 이용하여 소비전력을 낮추는 노력을 하였다. 그러나 작동온도를 유지하기 위하여 마이크로 발열체의 소비전력을 수십 mW보다 낮아지기는 어려운 실정이며, 촉매물질의 경우 마이크로 입자를 사용하는 경우가 많아 저농도의 메탄가스를 감지할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 소비 전력을 최소로 할 수 있는 가연성 가스 감지를 위한 접촉 연소식 가스센서를 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 저농도에서 고농도 범위의 메탄가스를 포함한 가스를 검출할 수 있는 접촉 연소식 가스센서를 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 제조공정이 단순하여 기존 대비하여 제조비용이 상대적으로 저렴한 접촉 연소식 가스센서를 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 접촉 연소식 가스센서는 가스가 접촉하며, 공급된 전류에 의해 발열하는 감지소자, 상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극, 상기 감지소자와 전극의 하단에 형성된 멤브레인 및 상기 멤브레인의 하단에 형성되며, 일부가 식각된 실리콘 기판을 포함한다.
이를 위해 본 발명의 접촉 연소식 가스센서 제조 방법은 실리콘 기판 상단에 SiNx를 증착하는 단계, 상기 SiNx의 상단에 SnO2, WO2, TiO2 중 어느 하나를 적층하여 감지소자를 형성하는 단계, 적층한 상기 SnO2, WO2, TiO2 의 양단에 Cr과 Au으로 구성된 합금 또는 Ti과 Pt로 합금 중 어느 하나의 합금으로 전극을 형성하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 일부를 식각하는 단계를 포함한다.
기존의 MEMS 공정을 이용한 접촉연소식 가스센서의 경우 멤브레인상에 마이크로 발열체(히터)부분과 촉매감지부분 구분되어 있어 제조공정이 다소 복잡하고, 소비전력을 수십 mW이하로 낮추기 어렵고, 저농도에서 고농도 범위의 가연성 가스를 고감도로 감지하기 어려운 점이 단점이 있다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 접촉 연소식 가스센서는 발열체 부분과 감지부분이 일체로 형성되어 있어 구조가 간단한 반면 1mW이하의 낮은 전력으로도 저농도 뿐만 아니라 고농도의 가연성가스를 효율적으로 감지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 접촉 연소식 가스센서를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 접촉 연소식 가스센서를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 접촉 연소식 가스센서를 제조하는 과정을 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 접촉 연소식 가스센서를 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 접촉 연소식 가스센서에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 2에 의하면, 접촉 연소식 가스센서는 전극, 멤브레인, 감지소자 및 기판을 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 접촉 연소식 가스센서에 포함될 수 있음은 자명하다.
기판(202)은 LPCVD(저압화학증기증착)공정을 이용하여 양단에 SiNx(204, 206)가 1μm ~ 2μm 증착된 실리콘 웨이퍼를 이용한다.
감지(촉매)소자(208)는 SnO2, WO2, TiO2와 같은 반도체 세라믹 소자를 이용하며, 공정 및 열처리를 통해 저항값은 수백 kΩ ~ 수십 MΩ 범위 내의 값을 갖도록 한다. 또한 감지소자(208)는 반도체 식각 공정 등을 이용하여 일정한 수 μm ~ 수십 μm의 선폭과 수 nm ~ 수 μm의 두께를 갖는 막(film)으로 제조하거나, 반도체 식각 및 나노선 성장 공정을 이용하여 수 nm ~ 수백 nm의 일정한 직경을 갖는 나노선(nano wire) 형상으로 제조한다. 감지소자(208)는 제조하는 막이 두꺼운 경우 스크린 프린팅 공정을 이용하여 반도체 식각 공정 없이 제조할 수 있다.
본 발명과 관련하여 감지소자(208)는 발열체 기능도 동시에 수행한다. 즉, 기존 가스센서의 경우 가스를 가지는 감지소자와 감지소자가 일정한 온도를 유지하도록 발열하는 발열 부분이 분리되어 있었으나, 본 발명은 가스를 감지하는 부분과 발열하는 부분을 하나로 형성함으로써 제조가 간단하며, 이로 인해 제조비용 역시 절감된다.
제조된 막이나 나노선(감지소자)의 그 양 끝단에 전극(210)을 형성한다. 전극(210)의 재질은 Cr/Au 로 형성된 합금 또는 Ti/Pt로 형성된 합금이다.
또한, 감지소자(208)의 배면은 멤브레인(204)을 형성하며, 멤브레인(204)은 SiNx의 식각 및 Si 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정을 이용하여 SiNx 멤브레인(204)을 형성한다.
전극을 통해 일정한 선폭과 두께를 갖는 막이나 일정한 직경을 갖는 나노선으로 구성된 감지소자에 직접 전류를 인가하여 발열(P=I2R)시키면서, 온도를 유지한다. 이와 같은 상태에서 접촉 연소식 마이크로 가스센서는 외부에서 들어오는 가연성 가스(메탄, 프로판, 부탄, 수소 등)와 접촉하였을 때 연소가 일어나도록 유도되고, 그로 인해 발생되는 열용량 변화(△Q)를 측정하게 된다. 이와 같이 본 발명에서 제안하는 접촉 연소식 가스센서는 기존의 구조보다 매우 간단하며, 1mW 이하의 저전력에서 구동되며, 수십 ppm 이하에서 수천 ppm정도의 농도를 갖는 가연성 가스를 측정 검지할 수 있게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 발열체 부분과 감지 부분을 구분하지 않고 형성함으로써 접촉 연소식 가스센서는 제작이 용이하면서도 소비전력이 낮으며, 특히 낮은 농도에서도 고감도의 가스 감지 특성을 갖게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 접촉 연소식 가스센서를 제작하는 과정을 도시한 흐름도이다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명에서 제안하는 접촉 연소식 가스센서를 제작하는 과정에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
S300단계는 실리콘 기판의 양단에 SiNx를 증착한다. SiNx를 LPCVD 공정을 이용하여 1μm ~ 2μm 증착된 실리콘 기판을 사용한다.
S302단계는 SiNx가 증착된 일면 상단에 감지소자를 증착한다. 감지소자는 SnO2, WO2, TiO2와 같은 반도체 세라믹 소자를 이용하며, 공정 및 열처리를 통해 수백 kΩ ~ 수십 MΩ 범위 내의 저항값을 갖도록 한다. 감지소자는 반도체 식각 공정 등을 이용하여 일정한 수 μm ~ 수십 μm의 선폭과 수 nm ~ 수 μm의 두께를 갖는 막(film)으로 제조하거나, 반도체 식각 및 나노선 성장 공정을 이용하여 수 nm ~ 수백 nm의 일정한 직경을 갖는 나노선(nano wire) 형상으로 제조하다. 감지소자는 제조하는 막이 두꺼운 경우 스크린 프린팅 공정에 의해 반도체 식각 공정 없이 제조할 수 있다.
S304단계는 제조된 막이나 나노선(감지소자)의 그 양 끝단에 전극을 형성한다. 전극의 재질은 Cr/Au 합금 또는 Ti/Pt 합금으로 형성된다.
S306단계는 감지소자의 배면에 멤브레인을 형성한다. 멤브레인은 기판 중 감지소자나 전극이 형성되지 않은 면에 증착된 SiNx의 식각 및 기판 자체를 선택적으로 식각하는 Si 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining) 공정을 이용하여 SiNx 멤브레인을 형성한다. 상술한 과정을 통해 본 발명에서 제안하는 접촉 연소식 가스센서를 제조한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
200: 접촉 연소식 가스센서 202: 실리콘 기판
204: 멤브레인 206: SiNx 증착층
208: 감지소자 2010: 전극

Claims (6)

  1. 공급되는 전류에 의해 발열하며 발열 상태에서 가스 접촉시 연소가 일어나도록 유도되는 감지소자와;
    상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극과;
    상기 감지소자와 전극의 하단에 형성된 멤브레인; 및
    상기 멤브레인의 하단에 형성되며, 일부가 식각된 실리콘 기판;을 포함함을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 감지소자는 SnO2, WO2, TiO2 중 어느 하나로 구성되며, 상기 전극은 Cr과 Au으로 구성된 합금 또는 Ti과 Pt로 구성된 합금 중 어느 하나임을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 멤브레인의 재질은 SiNx임을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 전극으로 전류를 공급하며, 상기 감지소자에 접촉하는 가스의 연소 시 발생하는 열용량의 변화를 이용하여 접촉하는 가스의 종류 및 농도를 측정함을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  5. 실리콘 기판의 양단에 SiNx를 증착하는 단계;
    상기 양단에 증착된 SiNx 중 어느 한 면에 증착된 SiNx의 상단에 SnO2, WO2, TiO2 중 어느 하나를 적층하여 감지소자를 형성하는 단계;
    적층한 상기 SnO2, WO2, TiO2 의 양단에 Cr과 Au으로 구성된 합금 또는 Ti과 Pt로 합금 중 어느 하나의 합금으로 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 일부를 식각하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 감지소자를 형성하는 단계는,
    스크린 프린팅 공정 또는 나노선 성장 공정, 반도체 식각 공정 중 어느 하나의 공정을 이용하며,
    상기 감지소자는 전극으로부터 제공받은 전력에 의해 발열하며, 접촉하는 가스를 감지함을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서 제조 방법.
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