KR101512695B1 - 후처리 공정 없이 표준 cmos 공정만으로 제조 가능한 습도센서 - Google Patents

후처리 공정 없이 표준 cmos 공정만으로 제조 가능한 습도센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후처리 공정없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능하고 회로의 기생성분에 영향이 적어 회로의 복잡도를 떨어뜨리고 출력이 선형적으로 나타나는 습도센서를 제공하기 위한 것으로서, 표준 CMOS 집적회로의 탑 메탈(top metal)을 전극으로 사용하여 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지하는 습도 감지부와, 상기 습도 감지부에서 감지되는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 흐르는 전류를 선형적인 함수형태로 변환하는 로그 컨버터(log converter)를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

후처리 공정 없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능한 습도센서{A Humidity Sensor in a Standard CMOS Process without Post-Processing}
본 발명은 습도센서에 관한 것으로, 특히 후처리 공정없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능하고 회로의 기생성분에 영향이 적어 회로의 복잡도를 떨어뜨리고 출력이 선형적으로 나타나는 습도센서에 관한 것이다.
종래의 발표된 모든 집적회로로 제작된 습도센서는 특수한 감지 물질(sensing material)과, 상기 감지 물질에서 얻어진 정보를 사용자가 원하는 전기적 출력으로 변환하는 리드아웃(readout) 회로로 이루어져 있다. 예를 들어 기존 습도센서는 커패시터의 변화를 측정하는 집적회로와, 측정할 커패시터에 습도에 민감하게 반응하는 폴리이미드(polyimide)와 같은 물질을 후처리 공정으로 가공하여 커패시턴스가 습도에 따라 변하는 메커니즘을 통해 습도정보를 제공한다.
하지만 이는 추가적인 후처리 과정이 필요하고, 폴리이미드와 같이 일반적인 표준 CMOS 공정에서는 제공하지 않는 물질을 사용하기 때문에 제작시간과 비용이 표준 CMOS 공정만을 사용했을 때에 비해 매우 크다. 또한, 현재까지 만들어진 여러 습도센서들에 사용된 폴리이미드는 제작자의 필요에 따라 다르게 사용되고 제품마다 매우 다른 특성을 보이기 때문에 범용가능성이 떨어진다.
따라서 기존의 이 방식을 이용한 습도센서(일본공개특허공보 2001-194332 : 습도센서)의 경우 감지 물질에 축적되어 있는 전하의 과도적 이동을 측정하기 때문에, 상대습도가 낮은 경우나 회로의 기생 성분이 예측불가능 혹은 공정에 따라 달라질 경우에 출력으로부터 예산되는 상대습도 값이 부정확하게 된다. 또한 감지물질이 나타내는 상대습도에 대한 정보가 기하급수적으로 변하기 때문에 출력의 비선형적이 문제가 된다.
일본공개특허공보 2001-194332 : 습도센서
공개특허공보 1998-054936 : 반도체 습도센서 및 그의 제조방법
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 후처리 공정없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능하고 회로의 기생성분에 영향이 적어 회로의 복잡도를 떨어뜨리고 출력이 선형적으로 나타나는 습도센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 폴리이미드(polyimide)를 사용하지 않고 표준 CMOS 공정에 내재된 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면의 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지 물질(sensing material)로 이용하도록 구성된 습도센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후처리 공정없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능한 습도센서의 특징은 표준 CMOS 집적회로의 탑 메탈(top metal)을 전극으로 사용하여 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지하는 습도 감지부와, 상기 습도 감지부에서 감지되는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 흐르는 전류를 선형적인 함수형태로 변환하는 로그 컨버터(log converter)를 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 습도 감지부는 표준 CMOS 공정으로 제작된 집적회로를 통해 실리콘 디옥사이드 상에 탑 메탈을 전극으로 사용하는 적어도 2개 이상의 패드들 각각이 외부에 노출되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 로그 컨버터는 입력신호가 순방향 임피던스를 매개로 인가되는 반전입력단, 접지된 비반전입력단 및 출력단을 구비하는 증폭기와, 상기 증폭기의 반전입력단과 상기 증폭기의 출력단 사이에 설치된 리미터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 리미터는 제 1 다이오드 또는 상기 증폭기의 반전입력단에 공통 접속된 베이스와 컬렉터가 접속되고, 상기 증폭기의 출력단에 이미터가 접속되어 설치된 pnp형 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 습도센서는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면의 온도에 따라 변하는 표면 저항값(RS) 변화를 검출하고 로그 컨버터에서 출력되는 출력값과 결합하여 출력값을 보상하는 온도 보상부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 온도 보상부는 직렬로 연결되어 전류를 일정 수준으로 제한하는 정전류 소자와, 상기 정전류 소자 앞단에 병렬로 연결된 제 2 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 후처리 공정없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능한 습도센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 폴리이미드(polyimide)를 사용하지 않고 표준 CMOS 공정에 내재된 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면의 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지 물질(sensing material)로 이용하도록 구성하여 기존의 추가공정이 필요 없고, 출력값이 선형적인 출력값을 나타낼 수 있다.
둘째, 직접회로 자체가 감지 물질과 리드아웃(readout) 회로를 구성하기 때문에 값이 싸고 소형화된 습도센서를 대량으로 제작할 수 있다.
셋째, 감지 물질에 흐르는 전류(습도정보)가 회로의 기생성분에 영향을 받지 않고 순수하게 습도에 따라 변하기 때문에 정확한 측정이 가능한 효과가 있다.
넷째, 로그 컨버터(log converter)로 인해 로우 데이터(raw data)(습도에 따라 변하는 전류값)가 지수적으로 함수로 얻어졌을 때보다 상대적으로 선형적인 함수로 나타나기 때문에 ADC(A/D Converter)등의 인터페이스에 사용하기 용이하다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 습도센서의 구조를 나타낸 구성도
도 2a 내지 도 2d 는 도 1의 습도 감지부를 설명하기 위한 도면
도 3 은 습도정보로 변환되는 저항이 온도에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 그래프
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 습도센서의 구조를 나타낸 구성도
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 후처리 공정없이 표준 CMOS 공정만으로 제조 가능한 습도센서의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 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.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 습도센서의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 습도센서는 표준 CMOS 집적회로의 탑 메탈(top metal)을 전극으로 사용하여 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지하는 습도 감지부(100)와, 상기 습도 감지부(100)에서 감지되는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 흐르는 전류를 선형적인 함수형태로 변환하는 로그 컨버터(log converter)(200)로 구성된다.
이때, 상기 습도 감지부(100)는 도 2a 및 도 2b에서 도시하고 있는 것과 같이, 표준 CMOS 공정으로 제작된 집적회로를 통해 실리콘 디옥사이드 상에 탑 메탈을 전극으로 사용하여 각각이 외부에 노출되는 형태로 구성된다. 이에 따라, 두 전극(탑 메탈) 사이의 실리콘 디옥사이드의 표면에 습도(water)가 위치하면, 실리콘 디옥사이드의 표면에 전하이동이 습도에 따라 변하게 되어 전류를 측정할 수 있게 된다. 그리고 실리콘 디옥사이드의 표면에 흐르는 전류는 습도의 양에 따라 변하게 된다. 도 2c는 도 2b의 구조를 회로로 나타낸 도면으로, 외쪽 저항으로 표시된 부분이 습도 감지부(100)가 저항으로 모델링 된 모습을 표현하고 있고, 외부에 노출된 것을 도시하고 있다.
즉, 도 2d에서 도시하고 있는 것과 같이 습도에 따른 표면 저항값(RS) 변화는 물의 축적에서 다른 물의 축적으로 바이어(via) 전자들의 이동으로 전도가 발생되게 되며, 이를 수식으로 나타내면 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013093806251-pat00001
이때, RSO는 100% 상대습도에서의 표면 저항이고,
Figure 112013093806251-pat00002
는 전기 매스(mass)에 따른 상수, 실리콘 옥사이드 표면이 전기에너지이고, h는 상대 습도이고, C는 B.E.T 상수로서, H2O 실리콘 0.05이다.
이와 같은 구성을 통해, 상기 습도 감지부(100)에 흐르는 전류(습도정보)가 회로의 기생성분에 영향을 받지 않고 순수하게 습도에 따라 변하기 때문에 정확한 측정이 가능하다.
그리고 상기 로그 컨버터(200)는 입력신호가 순방향 임피던스를 매개로 인가되는 반전입력단, 접지된 비반전입력단 및 출력단을 구비하는 증폭기와, 상기 증폭기의 반전입력단과 상기 증폭기의 출력단사이에 설치된 리미터로 구성된다. 이때, 상기 리미터는 제 1 다이오드로 구성되지만, 이에 한정되지 않으며, 상기 증폭기의 반전입력단에 공통 접속된 베이스와 컬렉터가 접속되고, 상기 증폭기의 출력단에 이미터가 접속되어 설치된 pnp형 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
이와 같은 구성을 통해, 상기 로그 컨버터(200)는 로우 데이터(raw data)인 습도에 따라 변하는 전류값이 지수적으로 함수를 얻었을 때보다 상대적으로 선형적인 함수로 출력을 나타낼 수 있게 된다. 또한, 상기 리미터를 통해 상기 증폭기의 반전입력단에 매우 큰 표면저항(매우 작은 표면 전류)이 발생하게 되어 로그 컨버터(200)에서 발생되는 누설 전류도 함께 차단할 수 있게 된다.
한편, 상기 습도 감지부(100)를 통해 감지되는 실리콘 디옥사이드의 표면에 나타내는 표면 저항값(RS) 변화는 위에서 설명하고 있는 습도에 따라 변화되기도 하지만, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 상기 습도 감지부(100)의 온도(temperature)에 따라서도 변화되는 것을 알 수 있다. 도 3 은 습도정보로 변환되는 저항이 온도에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 그래프이다.
따라서 상기 습도 감지부(100)는 습도에 따라 변화뿐만 아니라 온도에 따른 변화까지도 적용하여 실리콘 디옥사이드의 표면에 흐르는 전류를 측정하여야만 보다 정확한 측정이 가능할 것이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 습도센서의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 습도센서는 표준 CMOS 집적회로의 탑 메탈(top metal)을 전극으로 사용하여 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지하는 습도 감지부(100)와, 상기 습도 감지부(100)에서 감지되는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 흐르는 전류를 선형적인 함수형태로 변환하는 로그 컨버터(log converter)(200)와, 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면의 온도에 따라 변하는 표면 저항값(RS) 변화를 검출하고 로그 컨버터(200)에서 출력되는 출력값과 결합하여 출력값을 보상하는 온도 보상부(300)로 구성된다.
이때, 상기 습도 감지부(100) 및 로그 컨버터(200)는 위에서 설명하고 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 온도 보상부(300)는 직렬로 연결되어 전류를 일정 수준으로 제한하는 정전류 소자와, 상기 정전류 소자 앞단에 병렬로 연결된 제 2 다이오드로 구성된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 표준 CMOS 집적회로의 탑 메탈(top metal)을 전극으로 사용하여 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 전하이동이 습도에 따라 변하는 것을 감지하는 습도 감지부와,
    상기 습도 감지부에서 감지되는 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면에 흐르는 전류를 선형적인 함수형태로 변환하는 로그 컨버터(log converter)와,
    실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)의 표면의 온도에 따라 변하는 표면 저항값(RS) 변화를 검출하고 로그 컨버터에서 출력되는 출력값과 결합하여 출력값을 보상하는 온도 보상부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 습도센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 습도 감지부는 표준 CMOS 공정으로 제작된 집적회로를 통해 실리콘 디옥사이드 상에 탑 메탈을 전극으로 사용하는 적어도 2개 이상의 패드들 각각이 외부에 노출되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 습도센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 로그 컨버터는
    입력신호가 순방향 임피던스를 매개로 인가되는 반전입력단, 접지된 비반전입력단 및 출력단을 구비하는 증폭기와,
    상기 증폭기의 반전입력단과 상기 증폭기의 출력단사이에 설치된 리미터로 구성되는 것을 특징으로 하는 습도센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 리미터는 제 1 다이오드 또는 상기 증폭기의 반전입력단에 공통 접속된 베이스와 컬렉터가 접속되고, 상기 증폭기의 출력단에 이미터가 접속되어 설치된 pnp형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 습도센서.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 보상부는
    직렬로 연결되어 전류를 일정 수준으로 제한하는 정전류 소자와,
    상기 정전류 소자 앞단에 병렬로 연결된 제 2 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 습도센서.
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