KR101616959B1 - Fet 이온센서 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents

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Abstract

FET 이온센서 및 이를 이용한 시스템이 개시된다. 반도체로 구성된 채널 및 상기 채널의 상부에 배치되는 게이트 절연체층을 포함하는 본 발명의 FET 이온센서는, 이온분자가 상기 채널의 표면에 흡착되는 것에 의해 상기 게이트 절연체층이 대전되어, 상기 채널의 전기전도도가 변경된다.

Description

FET 이온센서 및 이를 이용한 시스템{FET ION DETECTOR AND SYSTEM BY USING THE SAME}
본 발명은 FET 이온센서 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 이온측정기는 흡입식과 접촉식으로 분류된다. 접촉식 이온측정기는, 광물 등에서 나오는 방사선에 의해 이온화되는 음이온을 측정하는 것으로 방사선 측정원리(Geiger-Muller tube)로 동작한다. 또한, 흡입식 이온측정기는 전기장을 이용한 평판 전극으로 이온의 전하량을 측정하여 이온의 양을 분석한다.
흡입식 이온 측정기는 크기가 다른 두 개의 원통형(혹은 평판형)의 전극을 이용하는 것으로서, 큰 원통형 전극 안에 작은 원통형 전극을 배치하는 커패시터 구조로 구성된다. 이러한 구조에서, 두 원통형 전극 사이에 높은 전압을 걸어서 전기장을 형성하여, 원통형의 전극 사이를 통과하는 공기 중에 존재하는 이온이 전기장의 방향에 따라 전극에 끌려가 쌓이는 전하량에 의해 발생되는 전압차이로 인한 미세한 전류신호를 증폭하여 이온의 양을 검출한다. 원통형 전극 끝에는 공기를 흡입하는 팬과 같은 흡입장치가 있어서 원통형의 전극관으로 빨려 들어오는 공기의 흐름을 일정하게 하여 유속을 결정하며, 이를 이온전하의 축적으로 발생되는 미세 전류신호와 함께 분석하여 단위 공기 부피당 존재하는 이온의 양을 산출한다. 그러나, 이러한 방법은 이온의 농도가 높을 때는 비교적 정확하지만, 낮은 농도의 이온일 경우에는 노이즈 신호와 구분이 어려워 정확성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
한편, 또 다른 방식으로서, 충전되는 안테나 전극을 이용하고, 이를 접지와 연결하는 저항과 저항에 걸리는 전압을 게이트 전압으로 하는 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 기반의 이온 밸런스(valence) 센서가 있다. 이 방식에서는, 안테나 전극의 충전에 따라 접지로 흐르는 미세 전류로 인해 저항 양단에 발생하는 전압으로 동작되는 FET 소자의 전류 변화로써, 안테나 전극에 충전되는 이온의 극성과 양을 측정한다. 이러한 방식은 간단한 회로구성으로 공기중의 이온 극성과 많은 양의 이온을 감지하는데 효과적이지만, 전하를 띤 입자 물질의 전하가 안테나 금속 전극으로 직접 전달되지 못하면(전극상에 얇게 형성되는 유기물의 절연 등으로) 접지로 흐르는 전류가 발생되지 않아 저항 양단의 전압 증가로 연계되지 않으므로 높은 감도의 센서를 구현하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 공기 내의 음이온을 간단하면서 정확한 방식으로 측정할 수 있는 FET 이온센서와, 이를 이용한 이온제공 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 반도체로 구성된 채널 및 상기 채널의 상부에 배치되는 게이트 절연체층을 포함하는 전계효과 트랜지스터(FET)로 이루어지는 본 발명의 일실시예의 이온센서는, 이온분자가 상기 채널의 표면에 흡착되는 것에 의해 상기 게이트 절연체층이 대전되어, 상기 채널의 전기전도도가 변경될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 채널의 전기전도도의 변경에 의해 이온분자의 양 또는 극성 중 하나 이상을 추정할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 기판 상부에서, 반도체로 구성된 채널; 상기 채널의 상부에 배치되는 게이트 절연체층; 및 상기 게이트 절연체층의 상부에 배치되는 플로팅 게이트 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 플로팅 게이트 전극은, 기판에 공급되는 게이트 전압의 스윕에 따라 상기 채널로 흐르는 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 기판 게이트 전압에 따른 상기 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 이용하여, 기판 게이트 전압을 소정 제1전압에서 제2전압으로 변경하여 준비상태에 진입할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2전압을 제어하여, 음이온의 이동 궤적을 조정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 이온분자가 상기 채널의 표면에 흡착되는 것에 의해 상기 게이트 절연체층이 대전되어, 상기 채널의 전기전도도가 변경되며, 이에 따른 드레인-소스간 전류의 변화에 의해 이온의 세기가 결정될 수 있다.
본 발명의 일실시예의 FET 이온센서는, 상기 플로팅 게이트 전극 주위에 배치되며, 상기 게이트 절연체층의 상부에 형성되는 제어전극을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 기판 상부에서, 반도체로 구성된 채널; 상기 채널의 상부에 배치되는 게이트 절연체층; 및 상기 게이트 절연체층의 상부에 배치되는 유무기박막층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 유기박막층은, 광촉매 물질로 구성될 수도 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 음이온 센서 시스템은, 상기 FET 이온센서; 음이온을 포함하는 대기를 상기 FET 이온센서로 흡입하게 하는 팬; 및 상기 FET 이온센서의 전단에 배치되어, 상기 FET 이온센서로 유입되는 음이온에 상기 FET 이온센서를 노출하거나 차단하는 차단부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 차단부는, 상기 FET 이온센서를 차단하는 차단판; 및 상기 차단판을 회전하는 구동부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 차단판은, 금속 또는 대전이 용이한 유전체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예의 음이온 센서 시스템은, 음이온을 포함하는 대기를 상기 FET 이온센서로 흡입하게 하는 팬을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 대전된 공기분자에 의해 FET의 채널 표면의 대전으로 야기되는 전계효과로 동작하므로, 간단하게 음이온 측정 시스템을 구현하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 FET를 이용함으로써 음이온 측정 시스템을 소형화할 수 있고, 이를 이용하여 대기중 공기의 질, 실내 공개의 질, 및 생활공간에서의 권장량의 음이온 발생여부를 알려주는 인디케이터용 음이온 센서를 용이하게 구성하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FET 이온센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2a는 도 1의 FET 이온센서를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2b는 보호막이 더 포함된 일실시예를 나타낸 것이고, 도 2c는 실제 적용된 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 FET에서 공기 중의 음이온 양과 게이트 절연체층 표면의 음전하 충전량 관계를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4는 본 발명의 FET 채널의 히스테리시스 특성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 FET 이온센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FET 이온센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 음이온 센서 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예의 차단부의 구조를 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 FET 이온센서를 설명하기 위한 구성도로서, 본 발명의 이온센서(1)를 측면에서 바라본 구조를 나타낸 것이다. 본 발명의 FET 이온센서는, 나노(nano) 구조로 구현될 수 있다. 또한, 도 2a는 도 1의 FET 이온센서를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2b는 보호막이 더 포함된 일실시예를 나타낸 것이며, 도 2c는 실제 적용된 모습을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 FET 이온센서(1)는, 기판(10) 상에 배치되는 유전체층(11), 유전체층(11) 상부의 FET 채널(12), 채널(12)의 일단에 위치하는 소스(source)(13), 채널(12)의 타단에서 채널(12)을 기준으로 소스(13)와 대칭구조로 형성되는 드레인(drain)(14), 채널(12) 상부의 게이트 절연체층(15) 및 플로팅 게이트 전극(floating gate electrode)(16)을 포함할 수 있다.
도 2a에서, 채널(12), 소스(13), 드레인(14), 절연체층(15) 및 플로팅 게이트 전극(16)에 해당하는 센서소자를 S라 하고, 간략히 도시한 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 기판 게이트(10)와 유전체층(11) 상부에 센서소자(S)가 배치되는 구성이다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 FET 이온센서(1)는, 센서소자(S)의 일부와 유전체층(11)의 배경영역 상부에 보호막(17)이 더 배치될 수도 있다.
채널(12), 게이트 절연체층(15), 소스(13) 및 드레인(14)은, FET 구조로 구성되며, 게이트 절연체층(15)은 소스(13)와 드레인(14)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있으며, 게이트 절연체층(15)은 산화규소(SiO2)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판유전체층(11)은 음이온의 검출능을 높이기 위한 것으로서, 기판(10)의 Vg 바이어스 전압에 따라 FET 채널의 동작 바이어스전압을 제어하거나 리셋시킬 수 있도록 기판과 센싱 채널을 절연하는 기능을 수행하며, 예를 들어 SiO2으로 이루어진 박막일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, FET 소자를 제작할 수 있도록 기판 상부에 절연체 역할을 할 수 있는 얇은 막으로 구성될 수도 있다.
본 발명의 일예에서, 플로팅 게이트 전극(16)은 게이트 절연체층(15)의 상부에 형성되는 것으로서, 센싱영역을 형성할 수 있다.
FET의 센싱영역은, 위 구성과 같이 반도체 채널(12)로 이루어져 있으며, 이 반도체 채널(12)의 표면은 이온이 가지고 있는 전하에 의한 정전기력을 크게 전달받을 수 있는 게이트 절연체층(15)이 배치된다. 이온분자가 채널(12)의 표면에 흡착되면, 흡착된 게이트 절연체층(15)은 대전되고, 이온분자의 농도에 따라 게이트 절연체층(15)의 대전량도 증가하여 표면 전하량이 증가하게 되며, 이는 반도체 채널(12)에 높은 전계효과를 생성시킨다. 이에 의해 채널(12)의 전기전도도(전기저항)이 변경되며, 이를 이용하여 이온분자의 양을 분석할 수 있는 것이다. 이를 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 3은 p형 채널을 갖는 FET에서 공기 중의 음이온 양과 게이트 절연체층(15) 표면의 음전하 흡착량 관계를 설명하기 위한 일예시도로서, FET 이온센서(1)의 주위에 음이온 분자량이 증가하여 게이트 절연체층(15)의 상부에 음이온이 흡착될 경우, 채널(12)로 흐르는 드레인-소스간 전류(Ids)의 변화를 나타낸 것이다.
음이온이 없는 경우, 게이트 절연체층(15)은 음이온의 대전(帶電) 및 제전(除電)이 없는 전하 평형상태를 유지하며, 음이온 대전이 시작되면 Ids가 서서히 증가하므로, 도 3에서 A와 같은 기울기가 작은 상승곡선을 나타낸다. 그러나 음이온 분자량이 증가하여 채널(12)의 표면에 음이온이 대전되면 Ids가 급격하게 증가하므로, B와 같이 기울기가 큰 상승곡선을 나타낸다. 따라서, 도 3의 A와 B를 통해 전류변화 그래프의 기울기(Ids의 변화량)에 따라 이온검출장치(1)의 주변의 음이온량 증가 여부를 확인할 수 있다.
또한, 음이온 분자의 흡착이 충분이 진행되어 누적되는 음이온 흡착량과 제전량이 평형상태를 이루면, Ids는 도 3의 C와 같이 포화곡선을 나타내며, 음이온 흡착에 비해 게이트 표면상의 전하량이 제전 또는 누설전류(leakage current) 등의 이유로 감소하면 Ids는 도 3의 D와 같이 하강곡선을 나타내게 된다.
음이온 분자량이 감소하면 채널(12)의 표면에 대전된 전하가 서서히 제전됨에 따라 Ids가 서서히 감소하다가 평행상태를 이루지만, 대전 전하가 잔류하기 때문에 초기 Ids와 동일한 상태에 도달하지 않을 수도 있음을 알 수 있다.
본 발명의 FET 이온센서(1)는 위와 같은 채널(12)에 전계효과를 주도록 게이트 절연막 혹은 플로팅 게이트 전극 상에 음이온 대전 및 제전 특성을 이용하는 것으로써, 본 발명의 일실시예에서는, 게이트 절연체층(15)의 상단에 플로팅 게이트 전극(16)이 배치되는 구조이다. 따라서, 채널(12) 상부의 센싱영역표면에 흡착된 음이온 전하량이 증가하면 플로팅 게이트 전극(16)의 총 전하량에 의한 전위로 채널(12)의 전계효과를 통해 Ids 변화량을 이용하여 음이온을 검출할 수 있다.
위와 같은 플로팅 게이트 전극(16)에 의해, 본 발명의 일실시예의 채널(12)은 히스테리시스 특성을 가지게 된다.
도 4는 본 발명의 FET 채널의 히스테리시스 특성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 기판 게이트 전압 Vg의 스윕(sweep)에 따라 Ids는 히스테리시스(hysteresis) 특성을 나타내게 된다. 따라서, 기판(10)의 게이트 전압 Vg를 고정하고, 음이온의 세기에 따라 Ids를 모니터링하면, 음이온의 양을 측정할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 기판(10)의 게이트 전압 Vg를 -20 내지 -30V에서 유지한 후 0V로 내리면 플로팅 게이트의 음전하는 제거되어 리셋되고, 측정을 위해 적합한 문턱전압 혹은 특정 Ids 전압(가령, Ids=1nA, 혹은 2nA에서 측정을 하고자 한다면 그에 맞는 Vg를 설정)이 되도록 하는 게이트 전압, 일례로 0V(도 5a) 또는 -5V(도 5b)로 변경하면, FET 이온센서(1)가 리셋되어 초기화되며, 이 상태에서 음이온을 발생시켰을 때 음이온에 대한 FET 이온센서(1)의 반응을 실험한 것이다.
즉, 200s 시점에 Vg=-20V이고, 250s에서 Vg를 0 또는 -5V로 변경하여, 센서가 초기화(Ids = 1nA 값으로 되돌림)된 상태에서, 350s에서 음이온발생기(도시되지 않음)를 켜서, 음이온에 대한 반응을 측정한 것이다. 음이온의 세기에 대한 반응을 측정하기 위해 본 발명의 FET 이온센서(1)와 음이온 발생기(도시되지 않음)와의 거리를 10cm부터 50cm까지 조절하여 측정하였다.
도면에 도시된 바와 같이, 거리가 멀어 음이온이 도달하는 시간이 센서의 반응신호에 나타나며, 시간에 따른 Ids의 기울기와 진폭(amplitude)이 이온의 세기(거리)에 따라 잘 표현되고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 5a 및 도 5b를 비교하면, Vg가 -5V로 바이어스 전압이 인가된 경우 더 높은 감도로 반응하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 같은 이온상황에서 더 높은 Ids 진폭을 출력하고 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 FET 이온센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 FET 이온센서(2)는, 도 1의 FET 이온센서(1)와 그 기본적인 구성이 동일하고, 플로팅 게이트 전극(16) 대신에 유무기박막층(17)을 포함할 수 있다.
유무기박막층(17)은, 채널(12)의 표면에 음이온을 띤 입자가 대전되면 전하에 의한 정전기력을 채널(12)에 전달하기 용이하도록 수 nm 내지 수 um 이하의 두께일 수 있다. 또한 음이온 전하의 흡착으로 대전되었던 게이트 절연체층(15)의 상부의 누적 전하를 효과적으로 제전할 수 있도록 전도성 물질을 포함할 수 있으며, 추가적인 제전 없이 FET 이온센서(2)를 초기상태로 빠르게 복귀시킬 수 있다.
한 예로, TiO2와 같은 광촉매 물질을 사용할 경우 이온센서 사용중 센서표면상에 흡착되는 유기물질들을 광조사(UV 조사)에 의한 광촉매 물질의 산화환원 반응으로 공기중에서 간편하게 제거하여 초기상태로 되돌릴 수 있으며, 하부의 채널 및 기판 게이트의 전압제어로 센서를 초기화할 수 있다.
유무기박막층(17)을 제외한 구성에 대해서는, 위에서 설명한 바와 같으므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FET 이온센서를 설명하기 위한 평면도로서, 이온센서를 상부에서 바라본 것을 나타낸 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예의 FET 이온센서(3)는, 도 1과 같은 구조에서, 제어전극(70)이 더 포함된 것이므로, 그 외 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제어전극(70)은 플로팅 게이트 전극(16)과 동일한 기판 상부층에 형성되며, 플로팅 게이트 전극(16)과 동일한 공정 과정으로 구성될 수 있으며, 센싱영역 주위에 배치되어, 대전된 이온을 효과적으로 제거하기 위한 것이다.
제어전극(70)은, 센서(3)의 동작시 기판 게이트 전압과 동일한 전압이 인가될 수 있고, 플로팅할 수도 있고, 접지할 수도 있으며, 센서(3)를 리셋할 때 기판 게이트의 역할과 별개로 센싱영역이 위치한 상부 인접한 위치에서 리셋 역할을 제공할 수 있다. 또한, 기판의 배경영역(11) 과 센싱영역 사이에 전기장을 형성시키는 전압을 인가할 수 있어서, 이온의 이동을 센서영역으로 유도할 수도 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 음이온 센서 시스템의 개략적인 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 음이온 센서 시스템은, 음이온 발생부(3), 차단부(4), FET 이온센서(1) 및 팬(5)을 포함하여 구성된다. 다만, 도 1의 실시예가 FET 이온센서(1)로서 배치되어 있으나, 도 6의 FET 이온센서(2) 또는 도 7의 이온센서(3)가 배치될 수도 있음은 자명하다. 본 발명의 음이온 센서 시스템은, 소정 하우징(도시되지 않음) 내에 포함되어, 해당 하우징이 음이온의 센싱이 요구되는 장소에 배치될 수 있다.
FET 이온센서(1)는, 위에서 설명한 바와 같이, 플로팅 게이트 전극(16)을 포함하는 것으로서, 기판(10)의 게이트 전압에 대한 히스테리시스 특성을 이용하여 리셋될 수 있다. 이때, FET 이온센서(1)는 음이온의 양에 의해 턴온될 수 있다.
본 발명은 음이온 발생부(3)를 포함하며, 필요시 센서의 작동여부확인이나 캘리브레이션을 위해 함께 사용할 수 있다.
본 발명은 차단부(4)에 의해 외부의 대기 음이온으로부터 FET 이온센서(1)로 유입되는 음이온을 차단하거나 노출할 수 있다.
차단부(4)는 구동부(41)와 차단판(42)으로 구성되어, 차단판(42)이 구동부(41)를 중심으로 개폐하며, 차단판(42)이 도 8a와 같이 배치되는 경우 음이온 발생부(3)에서 유입되는 음이온이 FET 이온센서(1)로 유입되는 것이 차단되고, 도 8b와 같이 배치되는 경우 음이온이 FET 이온센서(1)로 유입될 수 있다. 차단부(4)의 차단판(42)은 접지를 조절하는 금속판일 수도 있고 대전이 용이한 아크릴과 같은 유전체 등으로 이루어질 수도 있지만, 본 발명이 이러한 예에 한정되는 것은 아니다.
팬(5)은 음이온을 포함한 대기를 센서로 흡입하게 한다. 즉, 음이온을 포함하는 대기는, 팬(5)의 순환에 의해 도 8a 및 도 8b와 같이 화살표 방향으로 유동할 수 있다.
음이온 발생부(3)는, 음이온을 발생하는 것으로서, 캘리브레이션(calibration)을 위한 음이온을 발생할 수 있다. 음이온 발생부(3)는 팬(5)에 의해 형성되는 유로의 선단에 배치되며, 캘리브레이션을 위하여 방출된 음이온이 FET 이온센서(1)에 유입되어 음이온이 검출될 수 있다. 다만, 이는 선택적인 것으로, 음이온 발생부(3)가 포함되지 않을 수도 있다.
또한, 센싱 표면에 흡착되는 공기중 흡착물을 광촉매효과를 통해 제거할 수 있도록 하는 광원이 더 추가될 수도 있다.
본 발명에서, FET 이온센서(1)는, 게이트 전압 Vg의 스윕 히스테리시스 특성을 고려하여 최대값(Vg high, 예 Vg=-30V)이 설정되고, 이후 Vg=0V로 낮아진 후 Ids=1nA가 되는 소정 Vg 값으로 게이트 전압 Vg를 맞출 수 있다. 이때, 리셋과 FET 이온센서(1)의 감도를 고려하여 Ids가 1nA 내외인 수준의 값(혹은 필요에 따라 Ids= 수 nA가 되도록 하는 Vg 값)으로 게이트 전압 Vg가 설정될 수 있다. 이에 의해 FET 이온센서(1)는 준비상태가 된다.
또는, 이때 Vg는 문턱전압을 맞추거나 혹은 기판의 배경영역과 센싱영역 상에 전기장을 형성시켜 센서로 접근하는 이온이 센싱영역상에 더 많이 오도록 하거나 더 적게 오도록 제어하는 것도 가능하다. 즉 Vg 전압은 문턱전압의 설정기능 이외에 채널 전위에 비해 기판 전위를 더 높거나 낮게 제어함으로써 이온의 이동 궤적을 센서쪽으로 혹은 센서와 다른 방향으로 제어하는 전기장을 형성시키는 기능을 수행할 수 있다.
즉, 예를 들어, Vg가 0V 인 경우 기판의 배경영역과 센싱영역 상에 전기장이 형성되지 않으므로 FET로 접근하는 이온이 일직선 궤적 이루며 흡착하지만, Vg가 -10V인 경우에는 기판의 배경영역과 센싱영역 상 전기장이 형성되어 센싱영역 쪽으로 음이온이 소정 궤적을 이루며 이동할 수 있다. 또한, Vg가 10V인 경우에는 이와 반대로 음이온이 센싱영역과 반대쪽으로 소정 궤적을 이루며 이동할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수준의 전압을 인가함으로써 음이온이 센싱영역으로 더 많이 흡착되게 하거나 또는 더 적게 흡착되게 할 수 있을 것이다.
이후, 차단부(4)의 차단판(42)을 동작하여 음이온이 FET 이온센서(1)에 유입되도록 하며, 음이온에 대한 Ids의 변화를 관찰할 수 있으며, Ids의 기울기와 진폭을 이용하여 음이온의 세기를 측정할 수 있다. 이때, 도시되지 않은 제어부를 통해, 캘리브레이션 데이터를 이용하여 정량적인 판단을 수행할 수도 있으며, 정성적인 판단을 수행할 수도 있다.
음이온의 측정이 완료되면, Vg를 다시 스윕하여 센서를 리셋할 수 있다.
한편, 본 발명의 차단부(4)는 도 8a 및 도 8b와 같은 구조에 한정되는 것이 아니다. 즉, 다양한 방식으로 개폐되어 센서(1)에 전달되는 이온의 진입을 차단하거나 허용할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예의 차단부의 구조를 설명하기 위한 일예시도로서, 도 8a 및 도 8b의 구성에서 차단부의 구조만이 변경된 것을 나타낸 것이며, 그 외 구성에 대해서는 도시를 생략하였다. 또한 도 9a는 차단부(4)가 열린 상태를 나타내고, 도 9b는 차단부(4)가 닫힌 상태를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b에서, 차단판(42)은 센서(1)의 전단에서 개폐되고 있음을 알 수 있다. 다만, 본 발명이 이와 같은 예에 한정되는 것은 아니며, 차단부와 관련한 다양한 실시예가 적용될 수 있음은 자명하다.
종래의 이온카운터는 전기장 형성을 위한 두 개의 평형판 구조의 전극과 전류 증폭 장치 및 공기흡입장치가 요구되지만, 본 발명의 시스템에 의하면, 대전된 공기분자에 의해 FET의 채널 표면의 대전으로 야기되는 전계효과로 동작하므로, 간단하게 음이온 측정 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 FET를 이용함으로써 음이온 측정 시스템을 소형화할 수 있고, 이를 이용하여 대기중 공기의 질, 실내 공기의 질, 및 생활공간에서의 권장량의 음이온 발생여부를 알려주는 인디케이터용 음이온 센서를 용이하게 구성할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1, 2: FET 이온센서 3: 음이온 발생부
4: 차단부 5: 팬

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 기판 상부에서, 반도체로 구성된 채널;
    상기 채널의 상부에 배치되는 게이트 절연체층; 및
    상기 게이트 절연체층의 상부에 배치되는 플로팅 게이트 전극을 포함하고,
    상기 플로팅 게이트 전극은,
    상기 기판에 공급되는 게이트 전압(기판 게이트 전압)의 스윕에 따라 상기 채널로 흐르는 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 제공하고,
    상기 기판 게이트 전압에 따른 상기 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 이용하여, 기판 게이트 전압을 소정 제1전압에서 제2전압으로 변경하여 준비상태에 진입하는 FET 이온센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2전압을 제어하여, 음이온의 이동 궤적을 조정하는 FET 이온센서.
  7. 제3항에 있어서,
    이온분자가 상기 채널의 표면에 흡착되는 것에 의해 상기 게이트 절연체층이 대전되어, 상기 채널의 전기전도도가 변경되며, 이에 따른 드레인-소스간 전류의 변화에 의해 이온의 양과 극성이 결정되는 FET 이온센서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 플로팅 게이트 전극 주위에 배치되며, 상기 게이트 절연체층의 상부에 형성되는 제어전극을 더 포함하는 FET 이온센서.
  9. 기판 상부에서, 반도체로 구성된 채널;
    상기 채널의 상부에 배치되는 게이트 절연체층; 및
    상기 게이트 절연체층의 상부에 배치되는 유무기박막층을 포함하고,
    상기 유무기박막층은,
    상기 기판에 공급되는 게이트 전압(기판 게이트 전압)의 스윕에 따라 상기 채널로 흐르는 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 제공하고,
    상기 기판 게이트 전압에 따른 상기 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 이용하여, 기판 게이트 전압을 소정 제1전압에서 제2전압으로 변경하여 준비상태에 진입하는 FET 이온센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유무기박막층은, 광촉매 물질로 구성되는 FET 이온센서.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항의 FET 이온센서; 및
    상기 FET 이온센서의 전단에 배치되어, 상기 FET 이온센서로 유입되는 음이온에 상기 FET 이온센서를 노출하거나 차단하는 차단부를 포함하고,
    상기 FET 이온센서는,
    상기 기판에 공급되는 게이트 전압(기판 게이트 전압)의 스윕에 따라 상기 채널로 흐르는 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 제공하고,
    상기 기판 게이트 전압에 따른 상기 드레인-소스간 전류의 히스테리시스 특성을 이용하여, 기판 게이트 전압을 소정 제1전압에서 제2전압으로 변경하여 준비상태에 진입하는 음이온 센서 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 차단부는,
    상기 FET 이온센서를 차단하는 차단판; 및
    상기 차단판을 개폐하는 구동부를 포함하는 음이온 센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 차단판은, 금속 또는 대전이 용이한 유전체로 이루어지는 음이온 센서 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    음이온을 포함하는 대기를 상기 FET 이온센서로 흡입하게 하는 팬을 더 포함하는 음이온 센서 시스템.
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