KR101720570B1 - Gas Sensor Array and Method for Manufacturing There of - Google Patents

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KR101720570B1
KR101720570B1 KR1020160036188A KR20160036188A KR101720570B1 KR 101720570 B1 KR101720570 B1 KR 101720570B1 KR 1020160036188 A KR1020160036188 A KR 1020160036188A KR 20160036188 A KR20160036188 A KR 20160036188A KR 101720570 B1 KR101720570 B1 KR 101720570B1
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gas sensor
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김종백
이경훈
조병화
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

An aspect of the present invention relates to a gas sensor array and a method for manufacturing the same and, more specifically, relates to a semiconductor type micro gas sensor array and a method for manufacturing the same to detect various types of gas. According to an embodiment of the present invention, provided are a gas sensor array and a method for manufacturing the same, wherein an airborne type gas sensor array formed by micromachining technique on a silicon substrate is manufactured by a method for coating a detection material with electrohydrodynamic printing.

Description

가스센서 어레이 및 그 제조방법{Gas Sensor Array and Method for Manufacturing There of}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a gas sensor array,

본 발명의 일 측면은 가스센서 어레이와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 종류의 가스를 검출하기 위한 반도체식 마이크로 가스센서 어레이와 그 제조방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a gas sensor array and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor micro gas sensor array for detecting various kinds of gases and a manufacturing method thereof.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the embodiment of the present invention and do not constitute the prior art.

현대 사회에서 가스의 사용이 날로 늘어나면서 가스는 우리의 일상생활에 도움이 되기도 하지만 잘못 사용하였을 경우에는 심각한 피해를 입히기도 한다. 이에 점차 가스 피해를 사전에 예방하기 위하여 가연성 또는 유해성 가스를 조기에 감지하는 가스센서의 활용이 늘고 있다.As the use of gas increases day by day in modern society, gas can help us in our daily life, but it can cause serious damage if it is used incorrectly. In order to prevent gas damage in advance, the use of gas sensors that detect flammable or harmful gas early is increasing.

통상적으로 가스센서는 크게 고체 전해질, 접촉 연소식, 전기 화학식, 반도체식으로 분류된다. 이중에서 최근에 가장 많이 연구되고 있는 것은 반도체식 마이크로 가스센서이다. 이는 반도체식 마이크로 가스센서가 실리콘칩위에 제조되거나 집적됨으로써 일반IC와의 호환성과, 제조와 동작에 있어서 저비용, 고효율의 특성을 나타나기 때문이다.Typically, gas sensors are classified into solid electrolytes, contact combustion, electrochemical, and semiconductor. Of these, semiconductor micro gas sensors are the most studied recently. This is because the semiconductor micro gas sensor is manufactured or integrated on a silicon chip, thereby exhibiting compatibility with a general IC, and low cost and high efficiency in manufacturing and operation.

도 1은 종래의 마이크로 가스센서의 단면 예시도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 반도체식 마이크로 가스센서는 최저로부터 절연막(10), 실리콘 기판(12), 절연막(14)이 순차적으로 적층되어 있는 구조이며, 히터전극(18)상에는 절연막(20)이 증착되어 있으며 그 절연막(20)상에는 감지전극(22)과 가스 감지막(24)이 적층되어 있는 다층 구조이다.1 is a cross-sectional view of a conventional micro gas sensor. 1, a conventional semiconductor type micro gas sensor has a structure in which an insulating film 10, a silicon substrate 12 and an insulating film 14 are sequentially laminated from the lowest. On the heater electrode 18, an insulating film 20, And a sensing electrode 22 and a gas sensing film 24 are stacked on the insulating film 20.

이러한 종래 반도체식 마이크로 가스센서에서는 가스 감지막(24) 형성을 위해 마이크로 주사기를 이용하여 감지전극(22)의 중심부에 정확하게 감지물질을 드롭(drop)하여야 하는 공정상의 어려움이 있다. In such a conventional semiconductor micro gas sensor, there is a difficulty in a process of accurately dropping the sensing material to the center of the sensing electrode 22 using a micro-syringe to form the sensing film 24.

아울러 상술한 구조의 마이크로 가스센서는 다층 박막구조를 이루고 있다. 즉, 히터전극과 감지전극이 동일한 평면상에 형성된 것이 아니라, 적층된 복층 구조를 가지고 있다. 이러한 복층 구조의 가스센서는 제작과정에서 히터전극과 감지전극이 쇼트될 가능성이 있으며 제품의 불량률이 높아지는 문제가 많다.In addition, the micro gas sensor having the above-described structure has a multilayer thin film structure. That is, the heater electrode and the sensing electrode are not formed on the same plane but have a laminated multilayer structure. In such a gas sensor having a multi-layer structure, there is a possibility that the heater electrode and the sensing electrode are short-circuited during the manufacturing process, and the defective rate of the product is increased.

본 발명에 따른 일 측면은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 기판 위에 마이크로 가공공정(Micromachining) 기술로 형성된 공중 부유형 가스센서 어레이를 제공함에 있다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gas sensor array, comprising the steps of: forming a gas sensor array on a silicon substrate by a micromachining technique;

또한, 본 발명의 다른 목적은 전기수력학 프린팅으로 감지물질을 코팅하여 형성한 가스센서와 그 제작방법을 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a gas sensor formed by coating a sensing material with electrohydrodynamic printing and a method of manufacturing the same.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 전열 전극과 센서 전극이 동일 평면상의 동일한 층에 패턴되어 반도체식 가스 센서의 주된 문제점인 단락 현상을 방지하고, 감지 부위를 공중 부유시키고 면적을 최소화하여 소비 전력을 대폭 감소시킬 수 있는 구조를 가지는 가스센서와 그 제작방법을 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for preventing the short circuit phenomenon which is a main problem of the semiconductor type gas sensor by patterning the electrothermal electrode and the sensor electrode in the same layer on the same plane, And a method of manufacturing the same.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical object of the present invention is not limited to the above-mentioned technical objects and other technical objects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.

위에 제기된 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 가스센서 어레이는 테두리부와 상기 테두리부 내측에 중공부를 가지는 서브스트레이트;를 포함할 수 있다. In order to achieve the above-mentioned object, the gas sensor array according to an aspect of the present invention may include a substrate having a rim and a hollow portion inside the rim.

또한, 상기 서브스트레이트의 상기 테두리부의 상면과 상기 중공부에 형성되는 제1 절연막;을 포함할 수 있다.And a first insulating layer formed on the upper surface of the rim portion of the substrate and the hollow portion.

또한, 상기 제1 절연막의 상면 중앙에 형성되되, 링부와 상기 링부를 둘러싸는 둘레부로 구성되는 감지부와 상기 감지부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 센서 전극부를 가지는 센서 전극 패턴;을 포함할 수 있다.And a sensor electrode pattern formed on the upper surface of the first insulating layer and having a sensing portion including a ring portion and a periphery portion surrounding the ring portion and a pair of sensor electrode portions electrically connected to the sensing portion have.

또한, 상기 제1 절연막의 상기 센서 전극 패턴과 동일 평면상에 형성되며, 상기 감지부를 가열하도록 상기 감지부를 둘러싸며 형성되는 가열부와 상기 가열부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 히터 전극부를 가지는 전열 전극 패턴;을 포함할 수 있다.The sensor electrode pattern of the first insulating layer is formed on the same plane as the sensor electrode pattern of the first insulating layer and has a heating part surrounding the sensing part to heat the sensing part and a pair of heater electrode parts electrically connected to the heating part. And an electrode pattern.

또한, 상기 센서 전극 패턴과 상기 전열 전극 패턴 상면에 형성되되, 상기 감지부, 상기 센서 전극부 및 상기 히터 전극부를 외부로 노출시키기 위한 노출부를 구비한 제2 절연막;을 포함할 수 있다.The sensor electrode pattern and the second insulating layer may be formed on the surface of the electrothermal electrode pattern and include an exposed portion for exposing the sensing portion, the sensor electrode portion, and the heater electrode portion to the outside.

그리고 상기 감지부를 외부로 노출시키기 위한 노출부에 임계값 이상의 전기장에 의하여 토출되어 코팅되는 감지물질;을 포함할 수 있다.And a sensing material that is coated on the exposed portion for exposing the sensing portion to the outside through an electric field of a threshold value or more.

여기서 상기 센서 전극부와 상기 히터 전극부는 상기 감지물질을 사이에 두고 서로 마주보며 배치될 수 있다.Here, the sensor electrode unit and the heater electrode unit may be disposed facing each other with the sensing material interposed therebetween.

실시예에 따라서 상기 감지물질은 전기수력학 프린팅(EHD)으로 코팅되어 형성될 수 있다.According to an embodiment, the sensing material may be formed by electrohydrodynamic printing (EHD) coating.

한편, 상기 노출부는 복수개이되, 상기 복수개의 노출부 각각에 다양한 감지물질이 코팅되는 것일 수 있다.The plurality of exposed portions may be coated with various sensing materials.

여기서 상기 감지부와 상기 가열부는 상기 제1 절연막 상의 중앙에 배치되고, 상기 한 쌍의 센서 전극부와 상기 한 쌍의 히터 전극부는 각각 상기 제1 절연막의 모서리에 배치될 수 있다.Here, the sensing unit and the heating unit may be disposed at the center of the first insulating film, and the pair of sensor electrode units and the pair of heater electrode units may be disposed at the edges of the first insulating film, respectively.

여기서 상기 전열 전극 패턴은 하나의 전열선이 상기 한 쌍의 히터 전극부 중 하나로부터 연장되어 상기 감지부를 이중의 원 형상으로 감싸고 다시 연장되어 다른 하나로 이어지는 것일 수 있다.Here, the heating electrode pattern may be one in which one heating wire extends from one of the pair of heater electrode parts and surrounds the sensing part in a double circular shape and extends again to another one.

또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 가스센서 어레이 제작방법은 서브스트레이트에 제 1절연막을 형성하는 제1절연막 형성단계;를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a gas sensor array, comprising: forming a first insulating layer on a substrate; and forming a first insulating layer on the substrate.

또한, 상기 제1 절연막의 상면의 동일 평면상에 센서 전극 패턴과 전열 전극 패턴을 형성하는 패턴 형성단계;를 포함할 수 있다.And forming a sensor electrode pattern and a heating electrode pattern on the same plane of the upper surface of the first insulating layer.

또한, 상기 센서 전극 패턴과 상기 전열 전극 패턴의 상면에 제2 절연막을 형성하는 제2절연막 형성단계;를 포함할 수 있다.The method may further include forming a second insulating layer on the sensor electrode pattern and the upper surface of the electrothermal electrode pattern.

또한, 상기 제2 절연막의 상면에 와이어 본딩과 감지물질이 코팅되기 위한 노출부를 형성하기 위하여 상기 제2 절연막 상면의 설정된 위치를 식각 처리하는 노출부 형성단계;를 포함할 수 있다.And forming an exposed portion on the upper surface of the second insulating layer to etch the predetermined portion of the upper surface of the second insulating layer to form an exposed portion to be coated with the wire bonding and the sensing material.

그리고 상기 노출부에 전기수력학 방식으로 감지물질을 프린팅하는 감지물질 프린팅단계;를 포함할 수 있다.And a sensing material printing step of printing the sensing material on the exposed portion in an electrohydraulic manner.

여기서 상기 센서 전극 패턴과 상기 전열 전극 패턴의 와이어 본딩부는 상기 감지물질이 코팅되기 위한 노출부를 사이에 두고 서로 마주보도록 형성될 수 있다.The sensor electrode pattern and the wire bonding portion of the electrothermal electrode pattern may be formed to face each other with an exposed portion for coating the sensing material therebetween.

한편, 상기 감지물질 프린팅단계는, Meanwhile, in the sensing material printing step,

상기 감지물질이 코팅되기 위한 노출부에 감지물질이 토출되는 노즐을 위치시키는 노즐부 정렬단계;를 포함할 수 있다.And a nozzle aligning step of positioning a nozzle through which the sensing material is discharged to an exposed portion for coating the sensing material.

또한, 상기 노즐과 상기 노출부 사이에 전압을 인가하여 전기장을 형성시키는 전기장 형성단계;를 포함할 수 있다.And forming an electric field by applying a voltage between the nozzle and the exposed portion.

그리고 상기 전압을 임계전압 이상 상승시켜 감지물질 액적을 토출시키는 감지물질 토출단계;를 포함할 수 있다.And a sensing material discharging step of discharging the sensing material droplet by raising the voltage above a threshold voltage.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실리콘 기판 위에 마이크로 가공공정(Micromachining) 기술로 형성된 공중 부유형 가스센서 어레이를 제공할 수 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a sub-type gas sensor array formed by a micromachining technique on a silicon substrate.

또한, 전기수력학 프린팅으로 감지물질을 코팅하여 형성한 가스센서와 그 제작방법을 제공할 수 있다.Further, it is possible to provide a gas sensor formed by coating a sensing material with electrohydraulic printing and a method of manufacturing the same.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 히터와 센서 전극이 동일 층에 패턴되어 반도체식 가스 센서의 주된 문제점인 단락 현상을 방지하고, 감지 부위를 공중 부유시키고 면적을 최소화하여 소비 전력을 대폭 감소시킬 수 있는 구조를 가지는 가스센서와 그 제작방법을 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the heater and the sensor electrode are patterned in the same layer to prevent a short-circuit phenomenon, which is a main problem of the semiconductor type gas sensor, to float the sensing region and minimize the area, And a method of manufacturing the same.

이외에도, 본 발명의 효과는 실시예에 따라서 우수한 내구성을 가지는 등 다양한 효과를 가지며, 그러한 효과에 대해서는 후술하는 실시예의 설명 부분에서 명확하게 확인될 수 있다.In addition, the effects of the present invention have various effects such as excellent durability according to the embodiments, and such effects can be clearly confirmed in the description of the embodiments described later.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 일 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 마이크로 가스센서의 단면 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서를 나타낸다.
도 3은 도 2의 가스센서의 감지부위를 나타낸다.
도 4는 전기수력학 프린팅 기법에 의하여 감지물질을 코팅하는 과정을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이 제작방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5의 가스센서 어레이 제작방법을 나타내는 개념도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description of the invention given above, serve to provide a further understanding of the technical idea of the present invention. And should not be construed as limiting.
1 is a cross-sectional view of a conventional micro gas sensor.
Figure 2 shows a gas sensor according to an embodiment of the invention.
Figure 3 shows the sensing part of the gas sensor of figure 2;
FIG. 4 shows a process of coating a sensing material by an electrohydraulic printing technique.
5 is a flowchart showing a method of manufacturing a gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
6 is a conceptual view showing a method of manufacturing the gas sensor array of Fig.

이하, 본 발명의 일 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals even though they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.In addition, the size and shape of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms specifically defined in consideration of the constitution and operation of the present invention are only for explaining the embodiments of the present invention, and do not limit the scope of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서를 나타낸다. 도 3은 도 2의 가스센서의 감지 부위를 나타낸다.Figure 2 shows a gas sensor according to an embodiment of the invention. Figure 3 shows the sensing part of the gas sensor of figure 2;

본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이(100)는 테두리부(112)와 상기 테두리부(112) 내측에 중공부(111)를 가지는 서브스트레이트(110); 상기 서브스트레이트(110)의 상기 테두리부(112)의 상면과 상기 중공부(111)에 형성되는 제1 절연막; 상기 제1 절연막의 상면 중앙에 형성되되, 링부(122b)와 상기 링부(122b)를 둘러싸는 둘레부(122a)로 구성되는 감지부(122)와 상기 감지부(122)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 센서 전극부(121)를 가지는 센서 전극 패턴(120);A gas sensor array 100 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 110 having a rim 112 and a hollow portion 111 inside the rim 112; A first insulating layer formed on the upper surface of the rim portion (112) of the substrate (110) and the hollow portion (111); A sensing part 122 formed at the center of the upper surface of the first insulating film and composed of a ring part 122b and a peripheral part 122a surrounding the ring part 122b and a sensing part 122 electrically connected to the sensing part 122 A sensor electrode pattern 120 having a pair of sensor electrode portions 121;

상기 제1 절연막의 상기 센서 전극과 동일 평면상에 형성되며, 상기 감지부(122)를 가열하도록 상기 감지부(122)를 둘러싸며 형성되는 가열부(131)와 상기 가열부(131)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 히터 전극부(132)를 가지는 전열 전극 패턴(130);A heating unit 131 formed on the same plane as the sensor electrode of the first insulating film and surrounding the sensing unit 122 to heat the sensing unit 122, A heating electrode pattern 130 having a pair of heater electrode portions 132 connected to the heating electrode patterns 130;

상기 센서 전극 패턴(120)과 상기 전열 전극 패턴(130) 상면에 형성되되, 상기 감지부(122), 상기 센서 전극부(121) 및 상기 히터 전극부(132)를 외부로 노출시키기 위한 노출부를 구비한 제2 절연막; 및 상기 노출부 중에서 상기 감지부를 외부로 노출시키기 위한 노출부에 임계값 이상의 전기장에 의하여 토출되어 코팅되는 감지물질;을 포함하여 구성될 수 있다.The sensing electrode 122 and the heater electrode 132 are formed on the sensor electrode pattern 120 and the electrothermal electrode pattern 130 to expose the sensor electrode unit 121 and the heater electrode unit 132 to the outside. A second insulating film provided on the first insulating film; And a sensing material that is coated on the exposed portion of the exposed portion to expose the sensing portion to the outside through an electric field of a threshold value or more.

여기서 서브스트레이트(110)는 실리콘 웨이퍼로부터 형성될 수 있으며, 테두리부(112)와 중공부(111)는 블럭 형태의 서브스트레이트(110)에 식각 공정을 통하여 형성될 수 있다.Here, the substrate 110 may be formed from a silicon wafer, and the rim 112 and the hollow 111 may be formed in a block-shaped substrate 110 through an etching process.

제1 절연막, 센서 전극 패턴(120), 전열 전극 패턴(130), 제2 절연막은 차례로 적층되어 적층체를 구성할 수 있으며, 이 적층체의 일측과 타측은 테두리부(112)에 부착되고, 테두리부(112)에 부착된 일측과 타측을 제외한 적층체의 중앙부는 서브스트레이트(110)의 테두리부(112)의 일단과 타단을 브릿지 형태로 연결하는 구조(A)로 형성될 수 있다. The first insulating layer, the sensor electrode pattern 120, the heating electrode pattern 130, and the second insulating layer may be stacked in that order to form a laminate. One side and the other side of the laminate are attached to the rim 112, The central portion of the laminated body except for one side and the other side attached to the rim 112 may be formed as a structure A connecting one end and the other end of the rim 112 of the substrate 110 in the form of a bridge.

이러한 구성을 통하여 감지 부위(B)를 공중 부유시킬 수 있으며, 감지 부위(B)의 면적을 최소화하여 소비 전력을 대폭 감소시킬 수 있다.With this configuration, the sensing part B can be suspended in air, and the area of the sensing part B can be minimized, thereby greatly reducing power consumption.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이(100)는 전기가 통하는 전극이 두 개가 구비되어 있고, 그 위에 가스 감지물질을 코팅을 하는 구조로 이루어진다. 이러한 구조 하에서 해당 감지물질에 가스가 달라붙으면 감지물질 자체의 저항이 변하게 되며, 그 저항 변화를 측정하여 가스의 농도를 예측한다.The gas sensor array 100 according to an embodiment of the present invention includes two electrodes through which electricity can pass, and a gas sensing material is coated thereon. Under this structure, when the gas sticks to the sensing material, the resistance of the sensing material itself is changed, and the resistance change is measured to predict the concentration of the gas.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이(100)는 가스 감지물질이 동작하기 위해서는 일정한 온도가 필요하므로 센서 전극 패턴(120)뿐만 아니라 전열 전극 패턴(130)이 더 구비되며, 전열 전극에 의하여 감지물질을 예컨대 300도에서 400도 정도로 가열하고, 이렇게 가열된 상태에서 센서 전극이 피측정 대상인 가스를 측정할 수 있다.Since the gas sensor array 100 according to an embodiment of the present invention requires a certain temperature to operate the gas sensing material, the sensor electrode pattern 120 as well as the heating electrode pattern 130 are further provided. The sensing material can be heated to, for example, about 300 to 400 degrees, and the sensor electrode can measure the gas to be measured in the heated state.

종래의 기술에 의한 가스센서는 센서 전극 패턴(120)과 전열 전극 패턴(130)이 복층으로 이루어 지므로 제조공정 중에 상면과 하면에 쇼트가 일어날 가능성이 있다. 즉 상부의 전극에서 하부의 전극으로 감지물질이 스며드는 등의 원인에 의하여 쇼트가 일어날 수 있으며, 센서 자체가 고온에서 작동하므로 센서의 서브스트레이트 자체에 변형이 일어날 수 있는 문제가 있다.Since the sensor electrode pattern 120 and the electrothermal electrode pattern 130 are formed in a multilayer structure, there is a possibility that a short circuit occurs on the top and bottom surfaces of the gas sensor. That is, a short may occur due to a cause such as permeation of the sensing material from the upper electrode to the lower electrode, and since the sensor itself operates at a high temperature, there is a problem that deformation may occur in the substrate itself.

그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이(100)는 센서 전극 패턴(120)과 전열 전극 패턴(130)을 동일 평면상의 하나의 층에 위치시켜 전술한 문제를 해소하였다.However, in the gas sensor array 100 according to an embodiment of the present invention, the sensor electrode pattern 120 and the electrothermal electrode pattern 130 are disposed in one layer on the same plane to solve the above-described problem.

가스센서는 선택성이 중요하다. 이 선택성은 다양한 가스들을 구분하기 위해서 복수의 가스센서 중 어느 하나는 특정 가스에 잘 반응하고 다른 하나는 다른 특정한 가스에 잘 반응 하도록 하는 것이다. 즉, 가스센서를 선택성 있게 만드는 기술이 중요한데, 그 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이(100)는 여러 개의 서로 다른 센서를 어레이로 구성하여 하나의 가스를 측정하게 해서 패턴을 확인하는 방법이 적용된다. Selectivity is important for gas sensors. This selectivity allows one of the plurality of gas sensors to react well to a particular gas and the other to react well to another specific gas to distinguish the various gases. That is, a technology for making the gas sensor selective is important. According to the method, the gas sensor array 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of different sensors arrayed to measure one gas, Is applied.

본 실시예에 따른 가스센서 어레이(100)에 의하면 어떠한 패턴이 나오면 어떠한 종류의 가스가 얼마큼 있는지를 예측할 수 있는 것이다.According to the gas sensor array 100 according to the present embodiment, it is possible to predict what kind of gas is present when there is a certain pattern.

실시예에 따라서 상기 센서 전극부(121)와 상기 히터 전극부(132)는 상기 감지물질을 사이에 두고 서로 마주보며 배치되는 구조를 가질 수 있으며, 실시예에 따라서 상기 전극부와 상기 가열부(131)는 상기 제1 절연막 상의 중앙에 배치되고, 상기 한 쌍의 센서 전극부(121)와 상기 한 쌍의 히터 전극부(132)는 각각 상기 제1 절연막의 모서리에 배치되도록 구성될 수 있다.The sensor electrode unit 121 and the heater electrode unit 132 may be arranged to face each other with the sensing material interposed therebetween. According to the embodiment, the electrode unit and the heating unit 131 may be disposed at the center of the first insulating layer and the pair of sensor electrode portions 121 and the pair of heater electrode portions 132 may be disposed at the edges of the first insulating layer.

실시예에 따라서는 상기 노출부는 복수개이되, 상기 복수개의 노출부 각각에 다양한 감지물질이 코팅될 수 있다.In some embodiments, the plurality of exposed portions may be coated with various sensing materials.

또한 상기 전열 전극 패턴(130)은 하나의 전열선이 상기 한 쌍의 히터 전극부(132) 중 하나로부터 연장되어 상기 감지부(122)를 이중의 원 형상으로 감싸고 다시 연장되어 다른 하나로 이어지도록 구성될 수 있다.The heating electrode pattern 130 is formed so that one heating wire extends from one of the pair of heater electrode parts 132 to surround the sensing part 122 in a double circular shape and extends again to another one .

도 4는 전기수력학 프린팅 기법에 의하여 감지물질을 코팅하는 과정을 나타낸다. 도 4(a)는 전기장의 세기가 임계값에 미달된 경우를 나타내고, 도 4(b)는 임계값을 넘어선 경우를 나타낸다.FIG. 4 shows a process of coating a sensing material by an electrohydraulic printing technique. Fig. 4 (a) shows the case where the intensity of the electric field is below the threshold value, and Fig. 4 (b) shows the case where the intensity exceeds the threshold value.

본 발명의 특징 중 하나는 감지물질이 노출부에 전기수력학 프린팅(EHD)으로 코팅되는 것이다. EHD 프린팅은 전기장(E)의 힘으로 액적을 토출하는 기술이다.One of the features of the present invention is that the sensing material is coated on the exposed portion with electrohydraulic printing (EHD). EHD printing is a technique for ejecting droplets by the force of an electric field (E).

도 4(a)를 참조하면 분사 노즐(200)과 플랫폼(210) 사이에 일정 전압을 인가하면 전기장(E)이 발생하는데, 인가된 전압이 커지면 이 전기장(E)의 힘도 커지게 되며, 전기장(E)의 세기가 임계값을 넘어서게 되어 액체의 표면장력을 넘어서면, 도 4(b)와 같이 원뿔(Cone)의 형태(C)가 된다. 참고로, 여기서 플렛폼(210)은 가스센서가 어레이 형태로 배열한 플레이트를 의미할 수 있다.Referring to FIG. 4A, when a constant voltage is applied between the injection nozzle 200 and the platform 210, an electric field E is generated. When the applied voltage is increased, the force of the electric field E is also increased, When the intensity of the electric field E exceeds the threshold value and exceeds the surface tension of the liquid, it becomes the shape C of the cone as shown in Fig. 4 (b). For reference, the platform 210 may refer to a plate in which gas sensors are arranged in an array form.

그리하여 노즐(200)의 크기보다 작은 액적을 토출할 수 있는데, 이를 이용하여 수십 마이크로 이내의 크기를 가지는 MEMS 가스 센서 플랫폼(210) 위에 가스 감지물질을 코팅할 수 있다.Thus, a droplet smaller than the size of the nozzle 200 can be discharged. By using this, the gas sensing material can be coated on the MEMS gas sensor platform 210 having a size of several tens of micros.

이러한 EHD 프린팅 방식은 여러 설정된 지점에 액적을 토출할 수 있어, 다수의 전극을 가진 가스 센서 어레이 제작에 적합하다.Such an EHD printing method is capable of discharging droplets at various set points, and is suitable for manufacturing a gas sensor array having a plurality of electrodes.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이 제작방법을 나타내는 순서도이다. 도 5의 방법으로 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이를 제작할 수 있으며, 다른 실시예에 따른 가스센서 어레이의 제작도 가능하다.5 is a flowchart showing a method of manufacturing a gas sensor array according to an embodiment of the present invention. The gas sensor array according to the embodiment of the present invention shown in Fig. 2 can be manufactured by the method of Fig. 5, and the gas sensor array according to another embodiment can be manufactured.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이 제작방법은 서브스트레이트(110)에 제 1절연막을 형성하는 제1절연막 형성단계(S100); 상기 제1 절연막의 상면의 동일 평면상에 센서 전극 패턴(120)과 전열 전극 패턴(130)을 형성하는 패턴 형성단계(S110);A method of fabricating a gas sensor array according to an embodiment of the present invention includes forming a first insulating layer on a substrate 110 (S100); A pattern forming step (S110) of forming a sensor electrode pattern (120) and a heating electrode pattern (130) on the same plane of the upper surface of the first insulating film;

상기 센서 전극 패턴(120)과 상기 전열 전극 패턴(130)의 상면에 제2 절연막을 형성하는 제2절연막 형성단계(S120); 상기 제2 절연막의 상면에 와이어 본딩과 감지물질이 코팅되기 위한 노출부를 형성하기 위하여 상기 제2 절연막 상면의 설정된 위치를 식각 처리하는 노출부 형성단계(S130); 및A second insulating layer forming step (S120) of forming a second insulating layer on the sensor electrode pattern (120) and the electrothermal electrode pattern (130); An exposed portion forming step (S130) of etching a predetermined position of the upper surface of the second insulating layer to form an exposed portion for coating the sensing material on the upper surface of the second insulating layer; And

상기 노출부에 전기수력학 방식으로 감지물질을 프린팅하는 감지물질 프린팅단계(S140);를 포함하여 구성될 수 있다.And a sensing material printing step (S140) of printing the sensing material on the exposed portion in an electrohydraulic manner.

여기서 상기 센서 전극 패턴(120)과 상기 전열 전극 패턴(130)의 와이어 본딩부는 상기 감지물질이 코팅되기 위한 노출부를 사이에 두고 서로 마주보도록 형성될 수 있다.Here, the wire bonding portions of the sensor electrode pattern 120 and the heating electrode pattern 130 may be formed to face each other with an exposed portion for coating the sensing material therebetween.

실시예에 따라서 상기 감지물질 프린팅단계(S140)는, 상기 감지물질이 코팅되기 위한 노출부에 감지물질이 토출되는 노즐(200)을 위치시키는 노즐부 정렬단계; 상기 노즐과 상기 노출부 사이에 전압을 인가하여 전기장(E)을 형성시키는 전기장 형성단계; 및According to an embodiment of the present invention, the sensing material printing step S140 may include a nozzle aligning step of positioning the nozzle 200 in which a sensing material is discharged to an exposed part for coating the sensing material. Forming an electric field (E) by applying a voltage between the nozzle and the exposed portion; And

상기 전압을 임계전압 이상 상승시켜 감지물질 액적을 토출시키는 감지물질 토출단계;를 포함하여 구성될 수 있다.And a sensing material discharging step of discharging a sensing material droplet by raising the voltage above a threshold voltage.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이 제작방법은 전기수력학 프린팅(EHD) 방법을 사용하여 각각 다른 종류의 감지물질을 여러 곳의 설정된 위치에 패터닝할 수 있는 기술을 가스센서 어레이 제작공정에 적용한다.A method of fabricating a gas sensor array according to an embodiment of the present invention includes a technique of patterning different kinds of sensing materials at predetermined positions using electrohydrodynamic printing (EHD) To be applied.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이 제작방법을 더욱 구체적으로 설명하면, 본 실시예에 따른 가스센서 어레이는 실리콘 기판 위에 마이크로 가공공정(Micromachining) 기술로 형성될 수 있다. 또한 가스센서 어레이 상에 전기수력학 프린팅으로 감지물질을 코팅함으로써 제작될 수 있다.The method of fabricating a gas sensor array according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. The gas sensor array according to this embodiment can be formed on a silicon substrate by a micromachining technique. It can also be fabricated by coating the sensing material with an electrohydrodynamic printing on a gas sensor array.

도 6은 도 5의 가스센서 어레이 제작방법을 나타내는 개념도이다.6 is a conceptual view showing a method of manufacturing the gas sensor array of Fig.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서 어레이 제작방법은 그 첫 단계(도 6a)로, 실리콘(Si) 기판 위에 제1 절연막(140)을 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 증착할 수 있다. 여기서 제1 절연막(140)은 실리콘 질화막(Si2N3)을 포함할 수 있다. 그 다음 단계(도 6b)로서, 증착한 제1 절연막(140) 위에 백금을 패턴하여 마이크로 전열 전극 패턴(130)과 센서 전극 패턴(120)을 동일 평면상에 같은 층에 형성할 수 있다. Referring to FIG. 6, a method of fabricating a gas sensor array according to an embodiment of the present invention includes a first step of forming a first insulating layer 140 on a silicon (Si) substrate by chemical vapor deposition (CVD) CVD). Here, the first insulating layer 140 may include a silicon nitride layer (Si 2 N 3 ). As a next step (FIG. 6B), the micro electrothermal electrode pattern 130 and the sensor electrode pattern 120 may be formed on the same layer on the same plane by patterning platinum on the deposited first insulating layer 140.

다음 단계(도 6c)로서 백금 패턴(120, 130) 위에 제2 절연막(150)을 증착한 후 센서 전극의 감지 부위(B)와 각 전극의 패드를 노출 시키기 위한 노출부(160)를 형성하기 위해서 리소그라피 및 RIE 공정을 수행할 수 있다. 여기서 제2 절연막(150)은 실리콘 산화막(SiO2)을 포함할 수 있다.6C, a second insulating layer 150 is deposited on the platinum patterns 120 and 130, and then the sensing portion B of the sensor electrode and the exposed portion 160 for exposing the pad of each electrode are formed Lithography and RIE processes can be performed. Here, the second insulating layer 150 may include a silicon oxide layer (SiO 2 ).

그 다음 단계(도 6d)로서, 습식 식각을 통하여 제1 절연막(140), 제2 절연막(150)에 리소그라피 및 RIE 공정으로 식각 구멍(170, Etch hole)을 패터닝하고, 다음 단계(도 6e)로서, 제1 절연막(140), 전열 전극 패턴(130)과 센서 전극 패턴(120), 제2 절연막(150)이 순차로 적층한 적층체의 공중 부유를 위해 실리콘 기판(110)에 리소그라피 및 RIE 공정으로 식각 구멍(Etch hole)을 패터닝하여 중공부(111)와 테두리부(112)를 형성할 수 있다. 6D), the first insulating layer 140 and the second insulating layer 150 are patterned by a lithography and an RIE process through an etch hole 170 (etch hole), followed by a subsequent step (FIG. 6E) A silicon substrate 110 is subjected to lithography and RIE (Silicon On Insulator) process for floating the laminated body in which the first insulating film 140, the heating electrode pattern 130, the sensor electrode pattern 120 and the second insulating film 150 are sequentially stacked. An etch hole may be patterned to form the hollow portion 111 and the rim portion 112.

그 다음 단계(도 6f)로서, 가스센서 어레이 위의 노출부(160)에 전기수력학 프린팅 방식을 통하여 금속 산화물 나노 구조체가 담긴 감지물질(180)을 분사하여 가스센서 어레이를 완성한다.6F, the sensing material 180 containing the metal oxide nanostructure is sprayed onto the exposed portion 160 on the gas sensor array through an electrohydrodynamic printing method to complete the gas sensor array.

제작된 가스센서 어레이는 전열 전극 패턴(130)과 센서 전극 패턴(120)이 동일 층에 패턴되어 반도체식 가스센서의 주된 문제점인 단락 현상을 방지하고, 감지 부위(B)를 공중 부유시키고 면적을 최소화하여 소비 전력을 대폭 감소시킬 수 있다.In the fabricated gas sensor array, the heating electrode pattern 130 and the sensor electrode pattern 120 are patterned in the same layer to prevent a short-circuit phenomenon which is a main problem of the semiconductor type gas sensor, The power consumption can be greatly reduced.

또한 본 발명의 제작방법으로 전기수력학 프린팅을 통한 다종 금속 산화물 나노 구조체 코팅 방식을 통해 고감도, 고선택성의 가스 센서 어레이를 제작할 수 있다.In addition, a highly sensitive and highly selective gas sensor array can be manufactured through the multi-type metal oxide nanostructure coating method through electrohydraulic printing by the manufacturing method of the present invention.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. The above description is only illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. The embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

100: 가스센서 어레이
110: 서브스트레이트
111: 중공부
112: 테두리부
120: 센서 전극 패턴
121: 센서 전극부
122: 감지부
122a: 둘레부
122b: 링부
130: 전열 전극 패턴
131: 가열부
132: 히터 전극부
A: 브릿지 형태로 연결하는 구조
B: 감지 부위
E: 전기장
200: 노즐
210: 플랫폼100: Gas sensor array
110: substrate
111: hollow portion
112:
120: Sensor electrode pattern
121: Sensor electrode part
122:
122a:
122b: ring portion
130: electrothermal electrode pattern
131:
132: heater electrode portion
A: Structure to connect in bridge form
B:
E: Electric field
200: nozzle
210: Platform

Claims (9)

테두리부와 상기 테두리부 내측에 중공부를 가지는 서브스트레이트;
상기 서브스트레이트의 상기 테두리부의 상면과 상기 중공부에 형성되는 제1 절연막;
상기 제1 절연막의 상면 중앙에 형성되되, 링부와 상기 링부를 둘러싸는 둘레부로 구성되는 감지부와 상기 감지부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 센서 전극부를 가지는 센서 전극 패턴;
상기 제1 절연막의 상기 센서 전극 패턴과 동일 평면상에 형성되며, 상기 감지부를 가열하도록 상기 감지부를 둘러싸며 형성되는 가열부와 상기 가열부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 히터 전극부를 가지는 전열 전극 패턴;
상기 센서 전극 패턴과 상기 전열 전극 패턴 상면에 형성되되, 상기 감지부, 상기 센서 전극부 및 상기 히터 전극부를 외부로 노출시키기 위한 노출부를 구비한 제2 절연막; 및
상기 감지부를 외부로 노출시키기 위한 노출부에 임계값 이상의 전기장에 의하여 토출되어 코팅되는 감지물질;
을 포함하는 가스센서 어레이.A substrate having a rim portion and a hollow portion inside the rim portion;
A first insulating layer formed on the upper surface of the rim portion of the substrate and the hollow portion;
A sensor electrode pattern formed at the center of the upper surface of the first insulating layer, the sensor electrode pattern having a sensing portion formed of a ring portion and a periphery portion surrounding the ring portion, and a pair of sensor electrode portions electrically connected to the sensing portion;
And a heater electrode pattern formed on the same plane as the sensor electrode pattern of the first insulating layer and having a heater portion surrounding the sensing portion to heat the sensing portion and a pair of heater electrode portions electrically connected to the heating portion, ;
A second insulating layer formed on the sensor electrode pattern and the electrothermal electrode pattern and having an exposed portion for exposing the sensing portion, the sensor electrode portion, and the heater electrode portion to the outside; And
A sensing material that is coated on the exposed portion for exposing the sensing unit to the outside by an electric field of a threshold value or more;
≪ / RTI > 제1항에 있어서,
상기 센서 전극부와 상기 히터 전극부는 상기 감지물질을 사이에 두고 서로 마주보며 배치된 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이.The method according to claim 1,
Wherein the sensor electrode portion and the heater electrode portion are disposed facing each other with the sensing material interposed therebetween. 제1항에 있어서,
상기 감지물질은 전기수력학 프린팅(EHD)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이.The method according to claim 1,
Wherein the sensing material is coated with electrohydrodynamic printing (EHD). 제1항에 있어서,
상기 노출부는 복수 개이되, 상기 복수 개의 노출부 각각에 다양한 감지물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이.The method according to claim 1,
Wherein the plurality of exposed portions are coated with various sensing materials. 제1항에 있어서,
상기 감지부와 상기 가열부는 상기 제1 절연막 상의 중앙에 배치되고, 상기 한 쌍의 센서 전극부와 상기 한 쌍의 히터 전극부는 각각 상기 제1 절연막의 모서리에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이.The method according to claim 1,
Wherein the sensing unit and the heating unit are disposed at the center of the first insulating film, and the pair of sensor electrode units and the pair of heater electrode units are disposed at corners of the first insulating film, respectively. 제1항에 있어서,
상기 전열 전극 패턴은 하나의 전열선이 상기 한 쌍의 히터 전극부 중 하나로부터 연장되어 상기 감지부를 이중의 원 형상으로 감싸고 다시 연장되어 다른 하나로 이어지는 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이.The method according to claim 1,
Wherein the heating electrode pattern includes one heating wire extending from one of the pair of heater electrode portions to surround the sensing portion in a double circular shape and extending again to the other. 서브스트레이트에 제 1절연막을 형성하는 제1절연막 형성단계;
상기 제1 절연막의 상면의 동일 평면상에 센서 전극 패턴과 전열 전극 패턴을 형성하는 패턴 형성단계;
상기 센서 전극 패턴과 상기 전열 전극 패턴의 상면에 제2 절연막을 형성하는 제2절연막 형성단계;
상기 제2 절연막의 상면에 와이어 본딩과 감지물질이 코팅되기 위한 노출부를 형성하기 위하여 상기 제2 절연막 상면의 설정된 위치를 식각 처리하는 노출부 형성단계; 및
상기 노출부에 전기수력학 방식으로 감지물질을 프린팅하는 감지물질 프린팅단계;
를 포함하는 가스센서 어레이 제작방법.A first insulating film forming step of forming a first insulating film on the substrate;
A pattern forming step of forming a sensor electrode pattern and a heating electrode pattern on the same plane of the upper surface of the first insulating film;
A second insulating layer forming step of forming a second insulating layer on the sensor electrode pattern and the electrothermal electrode pattern;
Forming an exposed portion on the upper surface of the second insulating layer to etch the upper surface of the second insulating layer in order to form an exposed portion to be coated with the wire bonding and the sensing material; And
A sensing material printing step of printing the sensing material on the exposed part in an electrohydraulic manner;
Wherein the gas sensor array comprises a plurality of gas sensor arrays. 제7항에 있어서,
상기 센서 전극 패턴과 상기 전열 전극 패턴의 와이어 본딩부는 상기 감지물질이 코팅되기 위한 노출부를 사이에 두고 서로 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이 제작방법.8. The method of claim 7,
Wherein the sensor electrode pattern and the wire bonding portion of the electrothermal electrode pattern are formed to face each other with an exposed portion for coating the sensing material therebetween. 제7항에 있어서,
상기 감지물질 프린팅단계는,
상기 감지물질이 코팅되기 위한 노출부에 감지물질이 토출되는 노즐을 위치시키는 노즐부 정렬단계;
상기 노즐과 상기 노출부 사이에 전압을 인가하여 전기장을 형성시키는 전기장 형성단계; 및
상기 전압을 임계전압 이상 상승시켜 감지물질 액적을 토출시키는 감지물질 토출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서 어레이 제작방법.8. The method of claim 7,
The sensing material printing step may include:
A nozzle aligning step of positioning a nozzle through which a sensing material is discharged to an exposed portion for coating the sensing material;
Forming an electric field by applying a voltage between the nozzle and the exposed portion; And
A sensing material discharging step of discharging a sensing material droplet by raising the voltage above a threshold voltage;
Wherein the gas sensor array comprises a plurality of gas sensor arrays.
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