KR101807749B1

KR101807749B1 - 습도 센서

Info

Publication number: KR101807749B1
Application number: KR1020170119843A
Authority: KR
Inventors: 유정훈; 이진민; 홍성민; 김원효
Original assignee: 인창전자주식회사; 전자부품연구원
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2017-12-13
Also published as: US20190086354A1

Abstract

본 발명의 정전 용량형 따른 습도 센서는, 기판, 하부 전극, 감습 유전체 및 상부 전극이 순차로 적층되어, 상기 감습 유전체의 유전율 변화에 따라 전극들 사이의 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 습도 센서에 있어서,
상기 감습 유전체는 상기 하부 전극 상에 세워진 원형 또는 C형 고리의 단면을 가지는 통 형상들 다수 개를 구비하며, 상기 상부 전극은 상기 감습 유전체의 상기 통 형상들 다수 개의 천장면에 접하는 원형 또는 C형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴을 구비할 수 있다.

Description

습도 센서{HUMIDITY SENSOR}

본 발명은 습도에 따른 정전 용량 변화로 습도를 감지하는 습도 센서에 관한 것으로, 특히, 습도 센서의 설치상 방향에 무관한 감도를 가지는 습도 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 센서(sensor)란, 온도·압력·소리·빛 등 여러 종류의 물리량을 검지·검출하거나 판별·측정하여 신호로 전달하는 기능을 갖춘 소자(素子), 또는 이러한 소자를 이용한 계측기를 일컫는 것으로, 특히 공기 중의 수증기를 검지·검출하는 센서를 습도 센서라 한다.

이러한 습도 센서는 다양한 구조로 제작되고 있으며, 습기를 검출하는 박막을 구성하고 이 박막이 습기에 노출되는 경우 전기 전도도가 변화하는 것을 이용하는 구조가 주로 사용되고 있다.

이때, 감습막으로서 폴리이미드(polyimide) 등의 폴리머(polymer) 박막이 이용되는 경우가 있으며, 이는 최근에 기존의 박막을 대체하기 위한 재료로 사용되고 있다. 다만, 폴리머 박막은 그 자체로는 전기적 특성을 얻기가 어려우므로, 또 다른 박막 위에 폴리머 박막을 형성하고 폴리머 박막의 변형에 의하여 아랫 부분의 박막의 형상이 변화하게 되어 전기적 특성이 변화하는 현상을 이용하고 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 정전용량형(capacitance type) 절대습도센서의 구조를 보여주는 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(11) 위에 SiO2, Si3N4, SiOxNy 등으로 이루어진 절연막(12)을 형성하고, 절연막(12) 위에 Al 또는 Pt과 같은 금속막을 증착 및 패터닝하여 감습소자용 하부전극(13)과 보상소자용 하부 전극(13')을 형성한다. 이어, 하부전극(13,13') 위에 폴리이미드 박막을 스핀 코팅 및 패터닝하여 감습소자용 감습막(14)과 보상소자용 감습막(14')을 형성하고, 약 200∼300℃ 사이의 온도에서 열처리한다.

그리고, 폴리이미드 감습막(14,14') 위에 상기 하부전극(13,13')과 같은 재질의 금속막을 증착 및 패터닝하여 콤(comb) 형태의 감습소자용 상부전극(15)과 보상소자용 상부전극(15')을 형성함으로써, 상부전극과 하부전극 사이에 폴리이미드 감습막이 형성된 평행판 커패시터 구조를 갖도록 한다.

수증기는 상부전극 사이에 노출된 폴리이미드 감습막과 직접 접촉하여 박막 내부로 침투하게 된다. 폴리이미드는 실온에서 비유전율(relative dielectric constant)이 3∼4 사이이며, 1kHz 주파수에서 유전손실(dissipation factor)값이 0.001∼0.003 정도로 안정된 유전체 성질을 갖는다.

폴리이미드 감습막이 커패시터의 유전체 역할을 하기 때문에 비유전율이 80인 물분자가 폴리이미드 박막 내부로 들어오면 폴리이미드 박막 내부에 물분자가 존재하여 각각 다른 유전상수를 갖는 유전체 혼합물이 형성된다. 따라서, 주위 습도 변화에 따라 유전체 혼합물의 비유전상수가 변하게 되어 습도변화를 검출할 수 있다.

마지막으로, 보상소자 감습막(14')과 상부전극(15') 상부에 수분이 감습막(14') 내부로 침투하지 못하도록 SiO2, Si3N4, SiOxNy 와 같은 세라믹 박막을 증착 및 패터닝하여 보호막(16)을 형성한다.

구현에 따라, 보상소자를 이용한 비교 구조를 생략할 수도 있으나, 보상소자를 이용한 비교 구조를 가지는 것이 정확도 면에서 유리하다.

종래의 용량형 고분자 습도 센서는 폴리머의 고유한 특성에 의하여 민감도 등의 센서 특성이 결정된다. 그러나, 양 전극 사이에 감습막인 폴리머가 삽입된 샌드위치 구조로 되어 있어, 감습막의 민감도를 향상시키기 어렵다는 단점이 있다.

또한, 콤(comb) 형태의 감습소자용 상부전극(15) 패턴은 다음의 감도 불균일 문제를 야기한다. 상기 상부전극(15)은 습기를 투과시키기 어렵기 때문에, 상기 감습막(14)으로 습기가 이동하는데 장애물이 된다. 습기를 머금은 공기의 흐름이 콤(comb)의 빗살 방향인 경우와 빗살 방향에 수직인 경우, 상기 감습막(14)으로 습기가 이동하는 정도의 차이가 발생된다. 이에 따라, 도시한 습도 센서는 설치 위치의 공기 흐름에 대한 방향에 대하여 감도가 불균일하게 된다.

또한, 콤(comb) 형태의 감습소자용 상부전극(15) 패턴은 빗살 방향 및 이에 수직인 방향 모두에 대하여 유연성(flexibility)을 떨어뜨리는 문제를 야기한다.

대한민국 공개특허 제10-2009-0029383호

본 발명은 공기중 습도 감지에 대한 민감도(sensitivity)가 향상된 습도 센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 유연성(flexibility)이 높은 습도 센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 반응(응답)성(responsivity)이 뛰어난 습도 센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 센서의 설치 위치의 공기 흐름에 대한 방향에 무관한 민감도/반응성을 가지는 습도 센서를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 습도 센서는, 기판, 하부 전극, 감습 유전체 및 상부 전극이 순차로 적층되어, 상기 감습 유전체의 유전율 변화에 따라 전극들 사이의 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 습도 센서에 있어서,

상기 감습 유전체는 상기 하부 전극 상에 세워진 원형 또는 C형 고리의 단면을 가지는 통 형상들 다수 개를 구비하며, 상기 상부 전극은 상기 감습 유전체의 상기 통 형상들 다수 개의 천장면에 접하는 원형 또는 C형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴을 구비할 수 있다.

여기서, 상기 C형 고리 다수 개들은, 그 중심점에 대한 C형 고리 개구부 방향들의 총 벡터합이 0이 되도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 원형 또는 C형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위들의 분포 형태는 정다각형을 구성하는 변들이 동일한 개수로 분포된 형태일 수 있다.

여기서, 상기 원형 또는 C형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위의 폭은 상기 원형 또는 C형 고리 폭의 0.5배 내지 1배의 값을 가질 수 있다.

여기서, 상기 상부 전극의 원형 또는 C형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴들의 면적 공극률은 30% 내지 60%일 수 있다.

여기서, 상기 감습 유전체는 폴리이미드계 고분자로 이루어지며, 식각 깊이는 상기 감습 유전체 두께의 20% 내지 80%에 해당할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 정전 용량형 습도 센서를 실시하면, 공기중 습도 감지에 대한 민감도(sensitivity)를 증대할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 정전 용량형 습도 센서는 유연성(flexibility)이 높은 이점이 있다. 즉, 본 발명의 정전 용량형 습도 센서는, 습도 센싱 효율이 높으면서도 휨 외력에 대하여 유연하고 강인한 이점이 있다.

본 발명의 정전 용량형 습도 센서는 반응(응답)성(responsivity)이 뛰어난 이점이 있다. 이와 함께, 센서의 설치 위치의 공기 흐름에 대한 방향에 무관하게 일정한 반응(응답)성(responsivity)을 가지는 이점이 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 정전 용량형(capacitance type) 절대습도센서의 구조를 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 평면도.
도 4a는 도 3의 센싱 블록들 중 일부 영역에 대한 확대 구조를 도시한 평면도.
도 4b는 도 4a의 도시한 A 영역에 대한 측단면도.
도 4c는 도 4a의 도시한 B 영역에 대한 측단면도.
도 5a 및 5b는 도 3에 도시한 센싱 블록 일부 영역에 휨 동작이 가해졌을 때의 모습을 도시한 사시도.
도 6a는 감습 유전체 전부가 판 형태로 형성된 변형예의 일부 영역에 대한 확대 구조를 도시한 평면도.
도 6b는 도 6a의 도시한 A 영역에 대한 측단면도.
도 6c는 도 6a의 도시한 B 영역에 대한 측단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록 중 일부 영역의 상면 패턴을 확대 도시한 평면도.
도 8a는 도 7의 도시한 A 영역에 대한 측단면도.
도 8b는 도 7의 도시한 B 영역에 대한 측단면도.
도 9a 및 9b는 도 7에 도시한 센싱 블록 일부 영역에 휨 동작이 가해졌을 때의 모습을 도시한 사시도.
도 10 및 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 평면도.
도 12 및 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 평면도.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 평면도.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 발명의 사상에 따른 정전 용량형 습도 센서는, 기판, 하부 전극, 감습 유전체 및 상부 전극이 순차로 적층되어, 상기 감습 유전체의 유전율 변화에 따라 전극들 사이의 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 방식의 습도 센서이다.

상기 정전 용량형 습도 센서에 있어서, 상기 감습 유전체는 상기 하부 전극 상에 세워진 원형 또는 C형 고리의 단면을 가지는 통 형상들 다수 개로 이루어진다.

상기 정전 용량형 습도 센서에 있어서, 상기 상부 전극은 상기 감습 유전체의 상기 통 형상들 다수 개의 천장면에 접하는 원형 또는 C형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴으로 이루어진다.

먼저, 본 발명에 사상에 따른 습도 센서의 제조 방법에 대하여 살펴보겠다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 습도 센서는 기판, 하부 전극, 감습 유전체 및 상부 전극을 포함하여 이루어진다.

상기 기판은 상기 하부 전극, 상기 감습 유전체 및 상부 전극을 고정하고 지지하는 기판으로서 외부 충격에 강인한 유연성 기판으로 구성되는 것이 유리하다.

예컨대, 상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판 및 고분자 필름 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

예컨대, 상기 기판은 폴리우레탄 아크릴레이트(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Poly ethylene glycol diacrylate), 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르이미드(Polyether imide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에스터(Polyester) 및 폴리다이메틸실록산(PDMS:polydimethyl-siloxanes)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 두 개 이상의 복합체로 제작될 수 있다.

상기 하부 전극은 상기 기판 상에 형성되며, 아래에서 설명할 상부 전극과 함께 정전 용량에 따른 전기 신호를 출력한다. 구현에 따라, 상기 기판은 전극 패드를 포함하는 ROIC 기판이고, 상기 기판과 상기 하부 전극 사이에, 상기 ROIC 기판 상부에 형성되고, 상기 전극패드의 일부가 노출되도록 패터닝된 금속층; 및 상기 금속층 상부에 형성되고, 상기 전극패드의 일부가 노출되도록 패터닝된 절연층이 형성될 수 있다.

상기 하부 전극은 전자빔증착법(e-beam evaporator), 열증착법(thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(laser molecular beam epitaxy), 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition) 또는 스퍼터링증착법(sputtering), 진공증기증착법을 이용하여 상기 기판 상에 증착될 수 있다.

이 중, 스퍼터링 증착법은 거의 모든 종류의 금속박막을 양호하게 코팅할 수 있고, 스텝 커버리지(step coverage)도 높아 코팅막의 형상제한이 거의 없는 점에서 유리하다.

상기 하부 전극은 알루미늄이나 금과 같은 전도성이 우수한 금속재료를 사용하는 것이 비용 대비 유리하나, 보다 유연성을 요구하는 경우, 도전성 유연 재질(유기박막, 실리콘, 산화 도전막 등)로 구현될 수도 있다.

상기 감습 유전체는 흡착되는 물의 분자량에 따라 정전용량이 변화하는 고분자 층으로서, 0~100%RH 까지 측정범위가 넓고 습도에 따라 직선형의 선형적인 출력을 갖는다.

상기 감습 유전체는 친수성을 갖는 고분자 물질로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA:Poly methylmethacrylate), 폴리비닐알코올(PVA:Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(PEG:Poly ethylene glycol), 폴리이미드(Polyimide) 또는 셀룰로오스(cellulose)로 이루어질 수 있다.

이러한 고분자 물질은 재료자체에 흡습성을 존재하므로 센서특성을 재현하기 쉬운 장점이 있으나 내열성이 약해 고온의 장소에서 사용이 불가한 단점이 있다.

폴리이미드는 비교적 내열성이 우수하고 화학적으로 안정하여 높은 온도에서도 사용이 가능하며, 약 친수성인 카르보닐기(carbonyl group)를 분자구조 내에 갖고 있어 습도변화에 따른 감습감도가 우수하고, 습도에 대한 선형적인 민감성, 화학물질에 대한 저항성 및 좋은 히스테리시스의 성질을 가지고 있다. 따라서, 폴리이미드계 고분자를 상기 하부 전극 상에 코팅 등 적층하여 상기 감습 유전체를 형성하는 것이 유리하다.

예컨대, 하기 공정으로 상기 감습 유전체를 형성할 수 있다. 상기 하부 전극이 형성되면, 수분 감지층으로서 습식식각이 가능한(wet etchable) 고분자 용액을 상기 하부 전극 상면에 마이크로 두께로 스핀코팅을 이용하여 도포한다.

여기서, 상기 습식식각이 가능한(wet etchable) 고분자 용액으로는 폴리이미드 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 하부 전극층의 면적보다 넓은 면적으로 도포할 수 있다.

수분 감지층의 패턴이 형성되면 열처리를 진행한다. 열처리가 완료되면, 용매의 증발로 인하여 고분자 필름은 두께가 40% 정도 줄어들고, 열적 및 화학적으로 매우 안정한 상태로 변환된다.

이후 열처리가 완료된 수분 감지층인 폴리이미드 필름상에 상기 상부 전극을 형성할 수 있다. 상기 상부 전극은 상기 하부 전극과 함께 상기 감습 유전체의 유전률 변화에 따른 정전용량을 측정하기 위한 전극이다.

예컨대, 상기 상부 전극은 상기 하부 전극과 동일한 공정을 이용하여 형성될 수 있다.

예컨대, 상기 상부 전극은 상기 감습 유전체 상에 전자빔증착법, 열증착법, 레이저분자빔증착법, 펄스레이저 증착법 또는 스퍼터링증착법 등을 이용하여 상기 감습 유전체 상에 증착될 수 있다.

상기 상부 전극은 거의 모든 종류의 금속박막을 양호하게 코팅할 수 있고, 스텝 커버리지(step coverage)도 높아 코팅막의 형상제한이 거의 없는 스퍼터링증착법을 이용하여 증착하는 것이 비용 대비 품질면에서 유리하다.

상기 상부 전극 및 이와 접하는 감습 유전체의 일부 또는 전부는 본 발명의 사상에 따른 패턴들을 가지고 있는데, 이는 감습 유전체의 공기 노출 면적을 넓히기 위한 것이다.

예컨대, 상기 상부 전극의 패턴들은 사진식각 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 패터닝된 상부 전극이 형성되면, 이를 마스크로 이용하여 노출된 감습 유전체의 전면을 산소 플라즈마로 식각하는 RIE 공정을 진행할 수 있다. RIE는 상부 전극의 사진식각 공정을 통하여 노출된 감습 유전체, 일예로서, 폴리이미드 필름 전면을 식각한다. 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하다.

다른 구현에서는, 본 발명의 상부 전극 및 감습 유전체의 고리형 단면을 형성하기 위해, 고리형 단면 내부의 감습 구멍을 타공 공정으로 형성할 수 있다.

예컨대, 상기 감습 구멍은 마이크로 머시닝(micro-machining) 공정을 통해 원형의 격자 패턴으로 타공될 수 있다.

예컨대, 상기 마이크로 머시닝 공정은 상기 상부 전극과 상기 감습 유전체를 동시에 식각하기 위한 공정으로 초음파 가공이나 레이저 가공, 또는 DRIE(Deep Reactive Ion Etch) 공정을 이용할 수 있다. 초음파 가공이나 레이저 가공을 이용할 경우 DRIE 공정보다는 상대적으로 저렴하고 간단하게 구멍을 타공할 수 있으나 구멍의 거칠기나 형상의 균일도 등이 DRIE 공정보다 낮은 이점이 있다.

구현에 따라, 상기 원통의 내벽 및 외벽을 포함한 상기 감습 유전체의 상면의 노출된 영역은, 수분 흡착성을 향상시키기 위해 친수성 처리될 수 있다. 예컨대, 상기 감습 유전체의 친수성 처리는 감습 구멍 내부로 자외선을 조사하여 개질하는 자외선 표면 개질 또는 산소, 질소, 아르곤, 육불화황 플라즈마를 감습구멍 내부로 공급하는 플라즈마 표면 개질을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 친수성 처리는 코로나 방전을 통한 개질과 같은 공지된 개질 방법을 사용할 수도 있다.

구현에 따라, 도 1 및 도 2와 같은 보상소자를 이용한 비교 구조를 생략할 수도 있으나, 보상소자를 이용한 비교 구조를 가지는 것이 정확도 면에서 유리하다.

이하, 상술한 공정으로 제작될 수 있는 본 발명의 사상에 따른 실시예들을 설명한다.

(실시예 1)

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 것이다.

전체 센서는 다수 개의 센싱 블록들을 포함할 수 있으며, 추가로 센싱 신호 검출 회로나 외부 연결용 전극 패드 등을 더 포함할 수 있다. 한편, 하나의 센서에 속한 다수개의 센싱 블록들 중 하나 이상은 기준 신호를 생성하기 위해 습기가 통과되지 않는 재질로 캡슐화될 수 있다. 하나의 센서에 속한 다수개의 센싱 블록들은 도 1 및 도 2와 유사한 구조를 가질 수 있다.

도 4a는 도 3의 센싱 블록들 중 일부 영역에 대한 확대 구조를 도시하고, 도 4b는 도 4a의 도시한 A 영역에 대한 측단면을 도시하고, 도 4c는 도 4a의 도시한 B 영역에 대한 측단면을 도시한다.

도시한 바와 같이, 하부 전극(130)과 접하는 감습 유전체(140)의 아래 영역(141)은 판(sheet) 형태를 가지고, 상기 판 형태 영역에서 상부 방향으로 원형 고리의 단면을 가지는 원통들이 확장되는 방식으로 감습 유전체(140)의 상부 영역(142)이 이루어질 수 있다.

감습 유전체(140)가 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하므로, 이 경우, 감습 유전체(140)의 아래 20% 내지 80% 정도는 판 형태로 남아 있고, 상부 80% 내지 20% 정도는 원형 고리의 단면을 가지는 원통들의 형태로 존재한다.

도시한 바와 같이, 상기 감습 유전체(140)에 속하는 상기 원통들의 상면에 원형 고리형 상부 전극들(150)이 형성되는데, 상기 원형 고리형 상부 전극들(150)은 정전 용량 측정을 위한 단자에 도전적으로 연결되어야 한다. 이를 위해, 서로 이웃한 2개의 상기 원형 고리형 상부 전극들은 동일 재질의 상호 연결 부위(151)에 의해 연결된다. 상기 상호 연결 부위(151)를 지지하기 위해, 그 아래에 감습 유전체(140)도 남아 있다. 상기 상부 전극들(150)은 센서 블록의 어느 한 변에 단자 연결을 위한 영역(150')을 형성할 수 있다.

상기 상호 연결 부위에 남아 있는 감습 유전체(140)는 습도 센서의 방향에 따른 불균일을 야기할 수 있으므로 상기 상호 연결 부위(151)의 폭은 좁을수록 유리하다. 그러나, 상부 전극(150)의 도전성 및 휨에 대한 기계적 강도 및 유연성 확보 측면에서는 상기 상호 연결 부위(151)의 폭은 어느 정도 확보되어야 한다. 상기 상호 연결 부위(151)의 폭은 상기 상부 전극(150)의 원형 고리의 폭의 0.5배 내지 1배의 값을 가지는 것이 상술한 기계적 목적 및 식각 공정 적용의 용이성 측면에서 유리하다.

구현에 따라, 상기 습도 센서 블록이 형성되는 기판(110)은 전극 패드를 포함하는 ROIC 기판이고, 상기 기판(110)과 상기 하부 전극(130) 사이에, 상기 ROIC 기판 상부에 형성되고, 상기 전극패드의 일부가 노출되도록 패터닝된 금속층(미도시); 및 상기 금속층 상부에 형성되고, 상기 전극패드의 일부가 노출되도록 패터닝된 절연층(120)이 형성될 수 있다.

상기 상부 전극(150)의 원형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴들의 면적 공극률은 30 ~ 60%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 면적 공극률은 도 3에 도시한 상면 영역 대비 상기 상부 전극(150)이 형성되지 않은 영역의 비율을 의미한다. 상기 패턴들의 면적 공극률은 30 ~ 60%이 되면, 검출 감도를 위한 축전 용량을 충분히 확보하면서도 투습율을 양호하게 유지할 수 있고, 더욱이, 휨 외력에 대한 변형의 여유를 충분히 줄 수 있는 이점이 있다.

상술한 바와 같이 본 실시예의 습도 센서의 감습 유전체의 상면 및 상부 기판은 다수 개의 원형 고리형들로 이루어진 패턴을 가진다. 상기 패턴에 따라, 상기 감습 유전체는 정밀하게 공기 중 습기를 머금을 수 있으면서도, 상기 상부 기판은 커패시터 용량을 충분이 확보할 수 있는 유효 면적을 가질 수 있게 된다. 그 결과 습도 센서의 민감도(sensitivity)가 향상된다.

상술한 바와 같이 본 실시예의 습도 센서의 감습 유전체는 상부 일부 영역이 다수 개의 원형 고리형들로 이루어진 형태로 식각된 형상을 가진다. 상기 식각된 형상은 상기 감습 유전체와 공기의 접촉 면적을 최대화할 수 있다. 그 결과, 습도 센서의 반응(응답)성(responsivity)이 향상된다.

도 5a 및 5b는 도 3에 도시한 센싱 블록 일부 영역에 휨 동작이 가해졌을 때의 모습을 도시한다. 도시한 바와 같이 중공(155)이 형성된 원통(즉, 원형 고리의 단면을 가지는 통)들로 이루어진 구조는, 상기 중공(155)이 휨 힘에 의하여 타원형으로 변형되면서 전체 구조가 휘어질 수 있는 여유를 가질 수 있다. 즉, 습도 센서 적층 구조 자체의 유연성(flexibility)이 높아진다. 이에 따라, 휘는 힘에 의해 어느 정도의 변형이 있어도 상부 전극(150)의 절단을 방지할 수 있다.

한편, 도 6a 내지 도 6c에 도시한 바와 같은 다른 구현에서는 감습 유전체(140-1) 전부가 판 형태로 형성되고, 상부 전극(150-1) 만이 본 발명의 사상에 따른 패턴을 가질 수 있다.

(실시예 2)

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록 중 일부 영역의 상면 패턴을 확대 도시한 것이다.

도 8a는 도 7의 도시한 A 영역에 대한 측단면을 도시하고, 도 8b는 도 7의 도시한 B 영역에 대한 측단면을 도시한다.

도시한 바와 같이, 하부 전극(230)과 접하는 감습 유전체(240)의 아래 영역은 판(sheet) 형태를 가지고, 상기 판 형태 영역에서 상부 방향으로 원형 고리의 단면을 가지는 원통들이 확장되는 방식으로 감습 유전체(240)가 이루어질 수 있다.

그런데, 도시한 중공(255)이 형성된 원통들의 내벽은 원형이지만, 외벽은 육각형으로 되어 있음을 알 수 있다. 상부 전극이 육각형 외벽을 가지는 본 실시예의 경우 정전용량형 구조에서 대전 면적을 충분히 확보할 수 있는 이점이 있다. 감습 유전체(240)가 육각형 외벽을 가지는 본 실시예의 경우 미세 패턴에 대한 식각 공정 적응성이 우수한 이점이 있다. 다시 말해, 중공(255)이 형성된 원통들이 매우 미세한 구조의 습도 센서를 식각 공정으로 제작하기 용이하다.

감습 유전체(240)가 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하므로, 이 경우, 감습 유전체(240)의 아래 20% 내지 80% 정도는 판 형태로 남아 있고, 상부 80% 내지 20% 정도는 원형 고리의 단면을 가지는 육각형 외벽을 가지는 원통들의 형태로 존재한다.

다른 구현에서는 감습 유전체 전부가 판 형태로 형성되고, 상부 전극 만이 본 발명의 사상에 따른 패턴을 가질 수 있다.

도시한 바와 같이, 상기 감습 유전체(240)에 속하는 상기 원통들의 상면에 내벽이 원형이고 외벽이 육각형인 원형 고리형 상부 전극들(250)이 형성되는데, 상기 각 고리형 상부 전극(250)은 이웃한 것과 서로 접하는 방식으로 도전적으로 연결된다.

상기 상부 전극(250)의 원형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴들의 면적 공극률은 30 ~ 60%인 것이 바람직하다.

도 9a 및 9b는 도 7에 도시한 센싱 블록 일부 영역에 휨 동작이 가해졌을 때의 모습을 도시한다. 도시한 바와 같이 중공(255)이 형성된 원통(즉, 육각형 외벽을 가지는 원형 고리의 단면을 가지는 통)들로 이루어진 구조는, 상기 중공(200)이 휨 힘에 의하여 타원형으로 변형되면서 전체 구조가 휘어질 수 있는 여유를 가질 수 있다. 또한, 서로 연결된 육각형 외벽들은 보다 높은 인장 저항을 제공한다. 이에 따라, 휘는 방향으로 가해지는 힘이 상당이 큰 경우에도 상부 전극(250)의 절단을 방지할 수 있다.

(실시예 3)

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 것이다.

하부 전극과 접하는 감습 유전체의 아래 영역은 판(sheet) 형태를 가지고, 상기 판 형태 영역에서 상부 방향으로 원형의 단면을 가지는 원통들이 확장되는 방식으로 감습 유전체가 이루어질 수 있다.

감습 유전체가 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하므로, 이 경우, 감습 유전체의 아래 20% 내지 80% 정도는 판 형태로 남아 있고, 상부 80% 내지 20% 정도는 원형의 단면을 가지는 원통들의 형태로 존재한다.

다른 구현에서는 감습 유전체 전부가 판 형태로 형성되고, 상부 전극 만이 원통형 패턴을 가질 수 있다.

도시한 바와 같이, 상기 감습 유전체에 속하는 상기 원통들의 상면에 원형 상부 전극들(350)이 형성되고, 서로 이웃한 2개의 상기 원형 상부 전극들(350)은 동일 재질의 상호 연결 부위(351)에 의해 연결된다. 상기 상호 연결 부위(351)를 지지하기 위해, 그 아래에 감습 유전체도 남아 있다.

도시한 상기 원형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위들(351)은, 전체 개수의 1/3은 0도의 각도로 형성되며, 다른 1/3은 60도의 각도로 형성되며, 나머지 1/3은 120도의 각도로 형성된다. 즉, 정삼각형을 구성하는 3변들이 동일한 개수로 분포된 형태를 가진다. 이에 따라, 본 실시예의 감습 유전체 패턴을 따르는 습도 센서는 설치 위치의 공기 흐름에 대한 방향에 무관한 감도를 가질 수 있다.

상기 상부 전극(350)의 원형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴들의 면적 공극률은 30 ~ 60%인 것이 바람직하다.

(실시예 4)

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 것이다.

하부 전극과 접하는 감습 유전체의 아래 영역은 판(sheet) 형태를 가지고, 상기 판 형태 영역에서 상부 방향으로 원형 고리의 단면을 가지는 원통들이 확장되는 방식으로 감습 유전체가 이루어질 수 있다.

감습 유전체가 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하므로, 이 경우, 감습 유전체의 아래 20% 내지 80% 정도는 판 형태로 남아 있고, 상부 80% 내지 20% 정도는 원형 고리의 단면을 가지는 원통들의 형태로 존재한다.

다른 구현에서는 감습 유전체 전부가 판 형태로 형성되고, 상부 전극 만이 원형 고리의 단면을 가지는 원통들의 패턴을 가질 수 있다.

도시한 바와 같이, 상기 감습 유전체에 속하는 상기 원통들의 상면에 원형 고리형 상부 전극들(450)이 형성되고, 서로 이웃한 2개의 상기 원형 고리형 상부 전극들(450)은 동일 재질의 상호 연결 부위(451)에 의해 연결된다. 상기 상호 연결 부위(451)를 지지하기 위해, 그 아래에 감습 유전체도 남아 있다.

상기 상호 연결 부위(451)의 폭은 상기 상부 전극(450)의 원형 고리의 폭의 0.5배 내지 1배의 값을 가지는 것이 기계적 목적 및 식각 공정 적용의 용이성 측면에서 유리하다.

도시한 상기 원형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위들(451)은, 전체 개수의 1/3은 0도의 각도로 형성되며, 다른 1/3은 60도의 각도로 형성되며, 나머지 1/3은 120도의 각도로 형성된다. 즉, 정삼각형을 구성하는 3변들이 동일한 개수로 분포된 형태를 가진다. 이에 따라, 본 실시예의 감습 유전체 패턴을 따르는 습도 센서는 설치 위치의 공기 흐름에 대한 방향에 무관한 감도를 가질 수 있다.

상기 상부 전극(450)의 원형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴들의 면적 공극률은 30 ~ 60%인 것이 바람직하다.

(실시예 5)

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 것이다.

하부 전극(530)과 접하는 감습 유전체(540)의 아래 영역은 판(sheet) 형태를 가지고, 상기 판 형태 영역에서 상부 방향으로 C형 고리의 단면을 가지는 원통들이 확장되는 방식으로 감습 유전체(540)가 이루어질 수 있다.

감습 유전체(540)가 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하므로, 이 경우, 감습 유전체(540)의 아래 20% 내지 80% 정도는 판 형태로 남아 있고, 상부 80% 내지 20% 정도는 C형 고리의 단면을 가지는 원통들의 형태로 존재한다.

다른 구현에서는 감습 유전체(540) 전부가 판 형태로 형성되고, 상부 전극(550) 만이 C형 고리의 단면을 가지는 원통들의 패턴을 가질 수 있다.

도시한 바와 같이, 상기 감습 유전체(540)에 속하는 상기 원통들의 상면에 C형 고리형 상부 전극들(550)이 형성되는데, 상기 C형 고리형 상부 전극들(550)은 정전 용량 측정을 위한 단자에 도전적으로 연결되어야 한다. 이를 위해, 서로 이웃한 2개의 상기 C형 고리형 상부 전극들(550)은 동일 재질의 상호 연결 부위(551)에 의해 연결된다. 상기 상호 연결 부위(551)를 지지하기 위해, 그 아래에 감습 유전체(540)도 남아 있다.

상기 상호 연결 부위(551)의 폭은 상기 상부 전극(550)의 C형 고리의 폭의 0.5배 내지 1배의 값을 가지는 것이 기계적 특성 및 식각 공정 적용의 용이성 측면에서 유리하다.

감습 유전체(540)의 두께가 상당한 경우, 식각 공정으로는 원형 고리의 단면을 가지는 원통들을 형성하는 것보다 C형 고리의 단면을 가지는 원통들을 형성하는 것이 보다 용이하다. 물론, 실시예 1에서 설명한 바와 같은 별도의 천공 공정을 이용하여 원형 고리의 단면을 가지는 원통들을 형성할 수도 있지만, 추가 공정은 추가 비용의 단점이 있다.

도 13에 도시한 습도 센서는 상부 전극(550')을 구성하는 C형 고리의 개구부들(559')이 위 방향과 아래 방향으로 서로 교번하도록 구성됨에 도 12와 차이가 있다.

상부 전극(550')의 중공(555') 보다 상기 C형 고리의 개구부들(559')을 통해 원통의 내면으로 공기가 더 많이 유입될 수 있기 때문에, 상기 C형 고리의 개구부들(559')은 습도 센서의 방향에 따른 불균일을 야기할 수 있다. 상기 불균일을 억제하기 위해, 도시한 습도 센서의 경우, 상기 C형 고리의 개구부들(559')의 개구 방향들을 위 방향과 아래 방향으로 서로 교번하여 분포하는 패턴을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 C형 고리 다수 개들은 그 중심점에 대한 C형 고리 개구부(559') 방향들의 총 벡터합이 0이 된다.

(실시예 6)

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전 용량형 습도 센서를 구성하는 하나의 센싱 블록의 상면 패턴을 도시한 것이다.

하부 전극과 접하는 감습 유전체의 아래 영역은 판(sheet) 형태를 가지고, 상기 판 형태 영역에서 상부 방향으로 C형 고리의 단면을 가지는 원통들이 확장되는 방식으로 감습 유전체가 이루어질 수 있다.

감습 유전체가 폴리이미드 필름인 경우 식각 깊이는 폴리이미드 필름 전체 두께의 20% 내지 80% 정도가 바람직하므로, 이 경우, 감습 유전체의 아래 20% 내지 80% 정도는 판 형태로 남아 있고, 상부 80% 내지 20% 정도는 C형 고리의 단면을 가지는 원통들의 형태로 존재한다.

다른 구현에서는 감습 유전체 전부가 판 형태로 형성되고, 상부 전극 만이 C형 고리의 단면을 가지는 원통들의 패턴을 가질 수 있다.

도시한 바와 같이, 상기 감습 유전체에 속하는 상기 원통들의 상면에 C형 고리형 상부 전극들(650)이 형성되는데, 상기 C형 고리형 상부 전극들(650)은 정전 용량 측정을 위한 단자에 도전적으로 연결되어야 한다. 이를 위해, 서로 이웃한 2개의 상기 C형 고리형 상부 전극들(650)은 동일 재질의 상호 연결 부위(651)에 의해 연결된다. 상기 상호 연결 부위(651)를 지지하기 위해, 그 아래에 감습 유전체도 남아 있다.

상기 상호 연결 부위의 폭은 상기 상부 전극(650)의 C형 고리의 폭의 0.5배 내지 1배의 값을 가지는 것이 기계적 특성 및 식각 공정 적용의 용이성 측면에서 유리하다.

상부 전극(650)의 중공(655) 보다 상기 C형 고리의 개구부들(659)을 통해 원통의 내면으로 공기가 더 많이 유입될 수 있기 때문에, 상기 C형 고리의 개구부들(659)은 습도 센서의 방향에 따른 불균일을 야기할 수 있다. 상기 불균일을 억제하기 위해, 본 실시예의 습도 센서의 경우, 상기 C형 고리의 개구부들(659)의 개구 방향들이 방사상으로 균일하게 분포하는 패턴을 가질 수 있다. 360도 1회전에 대한 모든 각도에 대하여 균일하게 분포하는 패턴이 가장 바람직하지만, 제작 공정의 용이성 측면에서 360도를 소정 정수 개로 나눈 각도들로 상기 C형 고리의 개구부들(651)의 개구 방향들이 균일하게 분포하는 패턴을 가지는 것이 유리하다. 이 경우, 상기 C형 고리 다수 개들은 그 중심점에 대한 C형 고리 개구부(651) 방향들의 총 벡터합이 0이 된다.

도시한 상기 C형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위들(651)은, 전체 개수의 1/2은 0도의 각도로 형성되며, 다른 1/2은 90도의 각도로 형성된다. 즉, 정사각형을 구성하는 4변들이 동일한 개수로 분포된 형태를 가진다. 이에 따라, 본 실시예의 감습 유전체 패턴을 따르는 습도 센서는 설치 위치의 공기 흐름에 대한 방향에 무관한 감도를 가질 수 있다.

상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

110 : 기판
120 : 절연층
130, 230, 330, 430, 530, 630 : 하부 전극
140, 240, 340, 440, 540, 640 : 감습 유전체
150, 250, 350, 450, 550, 650 : 상부 전극
151 : 상호 연결 부위
155 : 중공
559, 559', 659 : 개구부

Claims

기판, 하부 전극, 감습 유전체 및 상부 전극이 순차로 적층되어, 상기 감습 유전체의 유전율 변화에 따라 전극들 사이의 정전용량의 차이를 감지하여 습도를 측정하는 습도 센서에 있어서,
상기 감습 유전체는 상기 하부 전극 상에 세워진 원형 또는 C형 고리의 단면을 가지는 통 형상들 다수 개를 구비하며,
상기 상부 전극은 상기 감습 유전체의 상기 통 형상들 다수 개의 천장면에 접하는 원형 또는 C형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴을 구비하는 습도 센서.
제1항에 있어서,
상기 C형 고리 다수 개들은, 그 중심점에 대한 C형 고리 개구부 방향들의 총 벡터합이 0이 되도록 형성된 습도 센서.
제1항에 있어서,
상기 원형 또는 C형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위들의 분포 형태는 정다각형을 구성하는 변들이 동일한 개수로 분포된 형태인 습도 센서.
제1항에 있어서,
상기 원형 또는 C형 고리 다수 개들의 상호 연결 부위의 폭은 상기 원형 또는 C형 고리 폭의 0.5배 내지 1배의 값을 가지는 습도 센서.
제1항에 있어서,
상기 상부 전극의 원형 또는 C형 고리 다수 개들이 서로 연결되는 패턴들의 면적 공극률은 30% 내지 60%인 습도 센서.
제 1항에 있어서,
상기 감습 유전체는 폴리이미드계 고분자로 이루어지며, 식각 깊이는 상기 감습 유전체 두께의 20% 내지 80%에 해당하는 습도 센서.