KR101990062B1 - 저항변이 금속산화물 기반 온도센서 - Google Patents

저항변이 금속산화물 기반 온도센서 Download PDF

Info

Publication number
KR101990062B1
KR101990062B1 KR1020180157632A KR20180157632A KR101990062B1 KR 101990062 B1 KR101990062 B1 KR 101990062B1 KR 1020180157632 A KR1020180157632 A KR 1020180157632A KR 20180157632 A KR20180157632 A KR 20180157632A KR 101990062 B1 KR101990062 B1 KR 101990062B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal oxide
layer
oxide layer
temperature sensor
resistance
Prior art date
Application number
KR1020180157632A
Other languages
English (en)
Inventor
이대석
이철준
Original Assignee
광운대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광운대학교 산학협력단 filed Critical 광운대학교 산학협력단
Priority to KR1020180157632A priority Critical patent/KR101990062B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101990062B1 publication Critical patent/KR101990062B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/186—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer using microstructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/183—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer characterised by the use of the resistive element

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Abstract

저항변이 금속산화물 기반 온도센서가 개시된다. 저항변이 금속산화물 기반 온도센서는 상부 전극; 온도에 따라 저항 변이(전류 변화)가 발생하는 금속 산화물을 사용하는 금속 산화물층(active layer); 상기 금속 산화물층의 상부 층; 상기 금속 산화물층의 하부 층; 및 하부 전극을 포함하는 온도 센서를 구비하며, 상기 금속 산화물층과 상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 전도 경로(conducting path)가 형성시키며, 이를 통해 온도에 따라 저항값이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들(sub-oxide, defect 등)을 억제하였다.
상기 금속 산화물층(active layer)의 상부 층과 하부 층의 양단에 형성된 얇은 전도 경로(conducting path)가 상기 금속 산화물층에 인가되는 전계 및 전류를 집중시킴으로써 상기 금속 산화물층을 국부화시켜 온도 센서의 소자동작에 불안정한 영향을 주는 요소들[금속 산화물층(active layer) 내 많은 서브-산화물(sub-oxide), 결함(defect)]을 억제하였으며, 이를 통해 기존 온도 센서 보다 안정적이고 2.5%/1℃ 저항변화를 갖는 민감도가 우수한 온도센서를 제공한다.

Description

저항변이 금속산화물 기반 온도센서{Resistance change metal oxide based temperature sensor}
본 발명은 저항변이 금속산화물 기반 온도센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항식 온도 센서에서, 온도(temperature)에 따라 저항값(resistance, Ω)이 변화하는 금속 산화물층(active layer, 박막)을 구조적으로 국부화시키고 온도 센서의 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들(sub-oxide, defect 등)을 억제하였으며, 기존 온도 센서 보다 안정적이고 민감도(sensitivity, 2.5%/1℃ 저항변화)가 우수한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서와 안정적인 온도센서 특성 확보 방법에 관한 것이다.
도체(conductor)에 있어서, 전기저항은 온도의 변화에 따라 변화된다. 이러한 특성을 이용, 단위온도 변화에 대한 저항 변동율을 안다면 변동되는 저항치 만으로 온도가 측정할 수 있게 된다. 단위온도에 대한 저항 변동율은 "온도계수"라고 하며, 온도 증가시 저항치가 증가하면 정의 온도계수 저항치가 감소하면 "부정의 온도계수"라고 한다. 주로 온도측정에 사용하는 금속 재질은 정의 온도계수를 갖고 있으며, 이중에서 온도측정에 사용되는 재질은 백금(Pt), 니켈(Nikel), 구리(Cu) 등이며 순수한 재질 일수록 온도계수는 커지고 그 값도 일정해진다.
온도 센서는 감지원리, 센서 종류, 및 측정 방법에 의해 분류되며, 측정 방법에 의한 분류가 널리 사용된다. 온도 센서는 측정 방법에 따라 접촉식 온도센서와 비접촉식 온도센서로 분류된다.
접촉식 온도 센서는 특정 대상물에 직접 열적으로 접촉시켜 열평형상태에 도달한 후 온도를 측정하며, 비접촉식 온도 센서는 비접촉식으로 측정 대상물에서 방사되는 자외선이나 주로 적외선을 검출하여 온도를 측정한다.
접촉식 온도센서는 저항식 온도센서(백금 저항 온도 센서), 써미스터(NTC 써미스터, PTC 써미스터), 열전대(THERMOCOUPLE), 바이메탈이 사용되며, 비접촉식 온도계는 방사 온도계(복사 온도계)가 많이 사용된다.
써미스터(Thermistor: thermally sensitive resistor)는 금속산화물(metal oxide)을 소결하여 만들며 온도에 따라 저항치가 변하는 특성을 사용하며, NTC 써미스터, PTC 써미스터가 사용된다. NTC 써미스터는 주로 온도 감지, 온도 보상, 액위/풍속/진공검출, 돌입전류방지, 지연소자 등으로 사용되고 있으며, PTC 써미스터는 모터 기동, 자기소거, 정온 발열, 과전류 보호용으로 사용된다. 최근, 기술이 발달되면서 극저온, 저온, 고온용 써미스터들이 개발되고 그 응용범위도 폭넓게 확대되고 있다.
써미스터의 온도를 측정하는 방법은 물리량을 측정하는 방법이나 사용하는 재질에 따라 다르다.
써미스터(Thermistor)는 온도에 따라 반도체의 저항이 변하는 특성을 사용한 온도센서이다. 써미스터는 금속산화물 반도체를 사용하며, 이는 금속에 비해 비교적 큰 저항온도계수를 갖는 성질을 이용할 수 있기 때문이다. 써미스터의 저항온도계수(TCR: Temperature Coefficient of Resistance)는 일정하지 않고 온도에 따라 달라지는 특성을 갖고 있다. 온도가 증가하면 저항이 증가하는 타입을 정온도계수(PTC:positive temperature coefficient) 타입이라 하고, 온도가 증가에 따라 저항은 감소하는 타입을 부온도계수(NTC:negative temperature coefficient) 타입이라 한다.
온도가 오르면 저항값이 떨어지는 NTC 써미스터(negative temperature coefficient thermistor)는 주로 망간·코발트·니켈·철 등 전이금속산화물의 복합 소결체의 특성을 가지고 있다.
열전대(THERMOCOUPLE)는 두 종류 금속선의 접합점 양단에서 발생하는 기전력 변화를 사용한 것으로, 철강, 발전소, 중화학 공업 등의 공업용으로 많이 사용되고 있으며, 대체로 백금저항 온도 센서나 복사 온도계에 비해 정확도가 떨어진다. 그러나, 열전대는 IPTS(국제실용온도측도)에서 630~1064.43℃까지 표준온도측정기로 사용되도록 규정되어 있으며 열전대의 백금선과 로듐선에 보호관을 씌워 산화되지 않도록 사용한다.
방사 온도계(복사 온도계)는 비접촉식으로 측정대상물의 표면에서 발생하는 열방사(복사)를 사용하는 비접촉식 온도 센서이며, 단색 파장대 복사와 2개 파장대 복사를 사용하는 방식이 있다. 철강, 요업에 많이 사용하며, 최근 저온복사온도계가 실용화되어 열전대들을 대체하고 있다.
IC 온도 센서는 써미스터나 열전대의 단점 인 직선성, 감도, 기준 온도 등을 보완한 것이 IC 온도센서이다. IC 온도 센서는 온도에 따라 P-N 접합부의 전류 전압 특성이 변하는 원리를 사용한 것으로 전압 출력형과 전류 출력형 IC 온도 센서가 있다.
기타 온도 센서는 바이메탈, 감온 페라이트, 유리 온도계, 수정 온도계, NQR 온도계가 있으나 정밀도가 떨어지고 응용범위가 제한되어 있다. 다만, 수정온도계는 매우 고감도이므로 아직 특수 용도로 많이 사용되고 있다.
특히, 저항식 온도 센서는 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 부저항온도계수의 특성이 있는 전자회로용 소자로써, 열용량이 작아 미세한 온도변화에도 급격한 저항 변화가 생기므로 온도 제어용 센서로 많이 사용된다. 저항 변이식 온도센서는 온도에 따라 전기적 특성이 변화하는 금속산화물(metal oxide)을 사용한다.
공업계측용 온도센서는 열전쌍, 온도측정 저항체, 서미스터(NTC), 금속식 온도계가, 그리고 생활필수품 기기의 온도 센서는 서미스터(NTC, PTC, CTR) 감온 페라이트, 금속식 온도계가 많이 사용된다.
이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-1386594에서는 "미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법"이 개시되어 있으며, 실리사이드물질과 비귀금속물질을 통해 열전대 및 온도보상 회로를 구성하여 미세장치 내부와 같은 국소공간이나 유동장에 방해를 주지 않고 온도구배 측정이 필요한 부위에 직접 설치되어 넓은 온도 영역대를 계측할 수 있으며, 실리사이드물질과 비귀금속물질을 통해 센서의 민감도를 높이고 선형성을 확보하면서 귀금속 물질대비 경제적이고 성능이 우수하다.
이와 관련된 선행기술2로써, 특허 등록번호 10-1519317 에서는 "온도센서 및 그 제조방법"을 제공한다.
도 1은 종래의 온도 센서의 단면이다.
온도센서는 센서부(100), 온도전달부(200), 제1 전극(300), 제2 전극(400), 광량측정부(500) 및 온도차단부(600)를 포함한다.
온도 센서는, 지연형광물질을 포함하는 유기발광층을 포함하는 센서부(100); 상기 센서부(100)의 하부에 위치하며, 외부온도를 상기 센서부(100)에 전달하는 온도전달부(200); 상기 센서부(100)의 상부에 위치하는 제1 전극(300); 상기 센서부(100)의 하부에 위치하되, 상기 온도전달부(200)와 이격하여 위치하는 제2 전극(400); 상기 제2 전극(400)의 하부에 위치하며, 상기 유기발광층에서 방출된 광량을 측정하는 광량측정부(500); 및 상기 온도전달부(200) 및 상기 제2 전극 사이에 위치하여 상기 온도전달부(200)로부터 상기 제2 전극(400)으로의 온도 전달을 차단하는 온도차단부(600)를 포함한다.
센서부(100)는 지연형광물질을 포함하는 유기발광층을 포함할 수 있다. 따라서, 온도전달부(200)를 통해 전달되는 온도에 따라 상기 유기발광층에서 방출되는 광량이 변화된다.
즉, 유기발광층에 지연형광물질을 포함하고 있는 바, 외부의 온도가 유기발광층에 전달될 경우, 이러한 외부의 온도에 의해 지연형광의 재계간전이 효율이 변화하여 유기발광층에서 방출되는 광량이 변화하게 된다. 즉, 유기발광층의 발광효율이 변화하게 된다. 따라서, 이러한 유기발광층의 광량 또는 발광효율의 변화를 광량측정부(500)를 통해 측정하여 온도의 변화를 감지할 수 있다. 예컨대, 광량측정부(500)를 통해 측정되는 광량의 변화량을 기설정된 기준에 대응시켜 온도 변화를 알 수 있다.
온도 센서는 전자 시스템 뿐만아니라 다양한 산업에 있어서 중요한 전자소자 중 하나로 사용되며, 안정적이고 민감도(sensitivity)가 우수한 온도센서가 요구된다. 다양한 온도 센서 중, 저항 변이식 온도센서는 특정 물질이 외부 열에 따른 저항변화를 감지하여 온도를 감지하는 센서다.
일반적으로, 저항 변이식 온도센서는 온도에 따라 전기적 특성이 변화하는 금속산화물(metal oxide)을 사용한다. 안정적이고 민감도(sensitivity)가 우수한 온도센서를 제작하기 위해 단일 금속 산화물의 특성만을 사용하는 것이 바람직하다.
그러나, 금속 산화물 내에 다른 phase의 금속 산화물(sub-oxides) 뿐만 아니라 defect와 같은 요소들은 안정적인 센서의 동작에 있어서 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 안정적이고 민감도가 우수한 온도센서를 제작하기 위해 불안정한 소자의 동작을 유발하는 요소(sub-oxide, defect 등)들의 영향을 줄이는 것이 중요하다.
따라서, 온도에 따라 저항이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들을 억제하고, 이를 통해 안정적이고 민감도가 우수한 온도 센서를 제조해야 된다.
특허 등록번호 10-1386594 (등록일자 2014년 04월 11일), "미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법" , 한국과학기술원 특허 등록번호 10-1519317 (등록일자 2015년 05월 04일), "온도센서 및 그 제조방법" , 한양대학교 산학협력단
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저항식 온도 센서에서, 온도에 따라 저항값이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 온도 센서의 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들(sub-oxide, defect 등)을 억제하였으며, 이를 통해 기존 온도 센서 보다 안정적이고 민감도(sensitivity, 2.5%/1℃ 저항변화)가 우수한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서를 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서는 상부 전극; 온도에 따라 저항 변이가 발생하는 금속 산화물을 사용하는 금속 산화물층(active layer); 상기 금속 산화물층의 상부 층; 상기 금속 산화물층의 하부 층; 및 하부 전극을 포함하는 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서를 구비하며,
상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 전도 경로(conducting path)가 형성시키며, 이를 통해 온도에 따라 저항값이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들(sub-oxide, defect 등)을 억제하였다.
본 발명에 따른 저항변이 금속산화물 기반 온도센서는, 저항식 온도 센서에서 온도(temperature)에 따라 저항 값(resistance)이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 온도 센서의 소자 동작에 불안정한 영향을 끼치는 요소들[금속 산화물층(active layer) 내 많은 서브-산화물(sub-oxide), 결함(defect) 등]을 억제하였으며, 이를 통해 기존 온도 센서 보다 안정적이고 민감도(sensitivity, 2.5%/1℃ 저항변화)가 우수한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서를 개발하였다.
도 1은 종래의 온도 센서의 단면이다.
도 2는 본 발명에 따른 국부화된 금속 산화물층(active layer)을 사용한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서의 구조를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속-절연체-전이(Metal-Insulator-Transition, MIT) 특성을 갖는 titanium oxide (TiOx) 기반 온도 센서의 대략적인 구조와 실제 제작된 소자의 단면 TEM 사진이다.
도 4는 금속 산화물층(active layer)을 (좌) 국부화하지 않은 소자의 Current (I)- Voltage(V) 특성과, (우) 국부화시킨 소자의 I-V 특성을 보인 도면이다.
도 5는 (좌) 제작된 소자의 온도에 따른 전기적 특성의 변화와, (우) 가역적 동작을 보인 그래프이다.
도 6은 (좌) 특정 전압에서 온도 변화에 따른 소자의 저항 변이 특성 감지 동작과, (우) 각 전압에서 감지된 저항 변화에 대한 균일성 및 민감도 특성을 보인 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명의 저항변이 금속산화물 기반 온도센서는, 저항식 온도 센서에서 온도(temperature)에 따라 저항값(resistance, Ω)이 변화하는 금속 산화물층(active layer, 박막)을 국부화시켜 온도 센서의 소자 동작에 불안정한 영향을 끼치는 요소들[금속 산화물층(active layer) 내 많은 서브-산화물(sub-oxide), 결함(defect) 등]을 억제하였으며, 이를 통해 기존 온도 센서 보다 안정적이고 민감도(sensitivity, 2.5%/1℃ 저항변화)가 우수한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서를 개발하였다.
도 2는 본 발명에 따른 국부화된 금속 산화물층(active layer)을 사용한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서의 구조를 보인 도면이다.
저항변이 금속산화물 기반 온도센서는 상부 전극; 소자에 국부적으로 온도를 감지하는 층으로 사용되며, 온도에 따라 저항 변이(전류 변화)가 발생하는 금속 산화물을 사용하는 금속 산화물층(active layer); 상기 금속 산화물층의 상부 층; 상기 금속 산화물층의 하부 층; 및 하부 전극을 포함하는 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서를 구비하며,
상기 금속 산화물층과 상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 전도 경로(conducting path)가 형성시키며, 이를 통해 온도에 따라 저항값이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들(sub-oxide, defect 등)을 억제하였다.
상기 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서는 국소적으로 금속 산화물층(active layer) 만을 온도 감지 동작에 사용하기 위해 상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 각각 전도 경로(conducting path)를 형성시켜 저항변이 금속산화물을 국부화하며, 이를 통해 기존 온도 센서보다 민감도(sensivity)가 높고 안정된 금속산화물 기반 온도센서를 제공한다.
저항변이 금속산화물 기반 온도센서의 상부 전극은 TiN 등을 사용하고, 하부 전극은 TiN, Pt, Au 중 어느 하나를 사용하였다.
실시예에서는, 상부 전극은 TiN 등을 사용하고, 하부 전극은 Pt를 사용하였다.
금속 산화물은 TinO2n-1,
Figure 112018123148293-pat00001
, GaAs,
Figure 112018123148293-pat00002
,
Figure 112018123148293-pat00003
중 어느 하나를 사용하였다.
저항변이 금속산화물 기반 온도센서를 제작하기 위해, 온도(temperature)에 따라 저항 변이(resistance change)가 발생하는 금속 산화물(TinO2n-1,
Figure 112018123148293-pat00004
, GaAs,
Figure 112018123148293-pat00005
,
Figure 112018123148293-pat00006
등의 다양한 물질)을 사용한 금속 산화물층(active layer)에 적용되었다.
실시예에서는, 특히 안정적인 온도 센서가 동작하도록 금속 산화물층(active layer) 내 많은 서브-산화물(sub-oxide), 결함(defect)의 영향을 줄이기 위해, 온도 센서는 매우 국소적인 금속 산화물층(active layer) 만을 온도 감지 동작에 사용한다.
저항변이 금속산화물 기반 온도센서는 온도 감지를 위해 소자의 매우 국소적인 금속 산화물층(active layer) 만을 사용하기 위해, 금속 산화물층(active layer)의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 수 nm 정도의 각각 얇은 전도 경로(conducting path)를 형성된 구조를 사용하였다. 이는 금속 산화물층(active layer)의 상부 층과 하부 층의 양단에 형성된 얇은 전도 경로(conducting path)가 금속 산화물층(active layer)에 인가되는 전계 및 전류를 집중시킴으로써 금속 산화물층(active layer)을 국부화시킬 수 있다.
이와 같이, 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 온도 센서 소자동작에 불안정한 영향을 주는 요소들[금속 산화물층(active layer) 내 많은 서브-산화물(sub-oxide), 결함(defect) 등]을 억제하였으며, 이를 통해 기존 온도 센서 보다 안정적이고 민감도(sensitivity, 2.5%/1℃ 저항변화)가 우수한 온도센서를 제작하였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속-절연체-전이(Metal-Insulator-Transition, MIT) 특성을 갖는 titanium oxide (TiOx) 기반 온도 센서의 대략적인 구조와 실제 제작된 소자의 단면 TEM 사진이다.
실시예에서는, 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서는 금속-절연체-전이(Metal-Insulator-Transition, MIT) 특성을 갖는 titanium oxide (TiOx) 기반 온도 센서를 제작하였다.
제안된 국부화된 금속 산화물층(active layer)을 사용한 저항변이 금속산화물 기반 온도센서를 제작하기 위해, 금속 산화물층은 titanium oxide (TiOx)를 온도에 따른 저항 변이 특성을 갖는 금속 산화물층(active layer)을 사용하였다.
기존 온도 센서 보다 안정적이고 민감도(sensitivity)가 우수한 온도센서 제작을 위한 금속 산화물층(active layer)을 국부화하기 위해, 하나의 방법으로써 금속 산화물층(active layer)의 상부 층과 하부층의 양단에 oxygen vacancy로 구성된 수 nm 정도의 얇은 전도 경로(conducting path)를 형성하였다.
금속 산화물층(active layer)의 상부 층과 하부층의 양단의 oxygen vacancy로 구성된 전도 경로는 금속 산화물층의 하부층에 형성된 oxygen vacancy가 결핍된 산화물 층(oxide layer having deficient oxygen vacancies)과 금속 산화물층의 상부층에 형성된 oxygen vacancy가 풍부한 산화물 층(oxide layer having sufficient oxygen vacancies)을 사용하여 형성된다.
금속 산화물층의 하부층에 형성된 oxygen vacancy가 결핍된 산화물 층(oxide layer having deficient oxygen vacancies)은 박막(film) 내의 적은 양의 oxygen vacancy에 의해 금속 산화물층의 상부층에 비해 상대적으로 수 nm 정도의 매우 얇은 전도 경로(conducting path)를 형성시킬 수 있으며,
금속 산화물층의 상부층에 형성된 oxygen vacancy가 풍부한 산화물 층(oxide layer having sufficient oxygen vacancies)은 박막(film) 내의 충분한 oxygen vacancy에 의해 금속 산화물층의 하부층에 비해 상대적으로 넓은 전도 경로(conducting path)를 형성시킬 수 있다.
금속 산화물층(active layer)의 국부화를 위해, 상기 금속 산화물층의 하부층은 oxygen vacancy가 결핍된
Figure 112018123148293-pat00007
층(
Figure 112018123148293-pat00008
layer)을 사용하며, 상기 금속 산화물층의 상부층은 oxygen vacancy가 풍부한 TaOx-5 layer를 사용하였다.
TaOx-5의 경우 산소(oxygen)와의 반응성이 큰 Ta 물질과 금속 산화물층(active layer)과 반응시켜 형성시켰으며, 이렇게 형성된 산화물층의 경우 oxygen vacancy가 많이 함유되어 있다. 즉,
Figure 112018123148293-pat00009
층은 매우 얇은 전도 경로(conducting path)를, TaOx 층을 통해 금속 산화물층의 하부층에 비해 상대적으로 두꺼운 전도 경로(conducting path)를 형성시키며, 두 전도 경로(conducting path)는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 성막시킨 titanium oxide에는 다양한 phase의 titanium-oxide의 조성들이 관찰되었다. 따라서, 금속 산화물층(active layer)은 TixOy로 칭한다. 이러한 내제된 서브-산화물(sub-oxide)들은 온도 센서의 소자의 불안정한 동작을 야기한다. 온도 센서의 소자의 불안정한 동작을 야기하는 요소 인 서브-산화물(sub-oxide)을 억제하기 위해 제안된 금속 산화물층(active layer)의 국부화 효과를 명확하게 입증하기 위해, 많은 금속 산화물층(active layer)을 국부화시키지 않은 소자(Top electrode/TixOy/Bottom electrode)와 국부화시킨 소자(Top electrode/Ta/TixOy/
Figure 112018123148293-pat00010
/Bottom electrode)를 제작하여 온도 센서의 각각의 소자의 안정성을 우선적으로 평가하였다(도 4).
저항변이 금속산화물 기반 온도 센서에서 국부화시키지 않은 소자의 경우, 몇 번의 소자 동작에도 각기 다른 특성이 나타나는 불안정한 특성이 관찰되었다.
반면, 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서에서 국부화된 active layer를 갖는 소자의 경우, 수많은(~10만번) 소자의 동작에도 눈에 띄는 소자의 열화가 일어나지 않는 매우 우수한 소자의 안정성이 관찰되었다.
도 4는 금속 산화물층(active layer)을 (좌) 국부화하지 않은 소자의 Current (I)- Voltage(V) 특성과, (우) 금속 산화물층(active layer)을 국부화시킨 소자의 I-V 특성을 보인 도면이다.
저항변이 금속산화물 기반 온도 센서의 금속 산화물층(active layer)을 국부화하여 확보된 안정적인 소자동작을 기반으로, 온도 센서의 온도 감지 특성을 평가하기 위해 0℃에서 -40℃ (10℃ 간격)의 온도 상태에 따른 저항 변화 특성을 확인하였다.
도 5는 (좌) 제작된 소자의 온도에 따른 전기적 특성의 변화와, (우) 가역적 동작을 보인 그래프이다.
도 5-(좌)와 같이, 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서는 온도가 감소함에 따라 소자가 갖는 저항 값이 감소하였으며, 온도가 증가함에 따라 소자가 갖는 저항 값이 증가하고 다시 원래 상태의 온도(0℃)로 돌아올 때 소자의 열화 없이 안정적으로 돌아오는 가역적 동작을 확인하였다.
온도에 따른 저항 변화 특성과 가역적 동작을 기반으로 온도 변화에 따른 전류 값 변화(소자의 저항 변이)를 감지하는 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서를 제작하였다.
도 6은 (좌) 특정 전압에서 온도 변화에 따른 소자의 저항 변이 특성 감지 동작과, (우) 각 전압에서 감지된 저항 변화에 대한 균일성 및 민감도 특성을 보인 도면이다.
저항 변이 금속산화물 기반 온도 센서는 특정 전압(0.8 ~ 1 V)에서 온도 변화에 따른 저항 변이(전류 변화)를 감지하는 동작을 확인하였으며, 점진적인 온도변화를 감지하였다.
또한, 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서는 제작된 소자의 민감도 및 안정적인 온도 감지동작을 평가하기 위해 온도 변화에 따른 저항 변화의 비율(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)을 계산하였다.
참고로, TCR(Temperature Coefficient of Resistance, 저항온도계수)은 온도 센서의 민감도(sensitivity of temperature sensor)의 정보를 제공한다.
Figure 112018123148293-pat00011
여기서, R은 기준 저항(reference resistance), dT는 특정 온도 범위(specific temperature range), dR은 특정 온도 범위 이상의 저항의 크기 변화(change in magnitude of resistance over a specific temperature range)이다.
결과적으로, 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서(resistance change metal oxide based temperature sensor)가 감지하는 모든 온도범위에서 균일한 저항변화 특성 뿐만아니라 우수한 민감도(2.5%/1℃ 저항변화)를 가짐을 확인하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 상부 전극;
    온도에 따라 저항 변이(전류 변화)가 발생하는 금속 산화물을 사용하는 금속 산화물층(active layer);
    상기 금속 산화물층의 상부 층;
    상기 금속 산화물층의 하부 층; 및
    하부 전극을 포함하는 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서를 구비하며,
    상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 전도 경로(conducting path)가 형성시키며, 이를 통해 온도에 따라 저항값이 변화하는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시켜 소자 동작에 불안정한 영향을 주는 요소들(sub-oxide, defect 등)을 억제하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항변이 금속산화물 기반 온도센서의 상기 상부 전극은 TiN을 사용하며, 상기 하부 전극은 TiN, Pt, Au 중 어느 하나를 사용하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서는 국소적으로 금속 산화물층(active layer) 만을 온도 감지 동작에 사용하기 위해 상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부 층에 전도성 필라멘트(conducting filament)를 통해 각각 전도 경로(conducting path)를 형성하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는 금속-절연체-전이(Metal-Insulator-Transition, MIT) 특성을 갖는 titanium oxide (TiOx) 기반 온도 센서 인 것을 특징으로 하는 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 TinO2n-1,
    Figure 112018123148293-pat00012
    , GaAs,
    Figure 112018123148293-pat00013
    ,
    Figure 112018123148293-pat00014
    중 어느 하나를 사용하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물층은 titanium oxide (TiOx)를 온도에 따른 저항 변이 특성을 갖는 금속 산화물층(active layer)을 사용하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물층(active layer)의 국부화를 위해, 상기 금속 산화물층의 하부층은 oxygen vacancy가 결핍된
    Figure 112018123148293-pat00015
    층을 사용하며,
    상기 금속 산화물층의 상부층은 oxygen vacancy가 풍부한 TaOx-5 layer를 사용하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  8. 제7항에 있어서,
    TaOx-5의 경우 산소(oxygen)와의 반응성이 큰 Ta 물질과 금속 산화물층(active layer)과 반응시켜 형성시켰으며, 이렇게 형성된 산화물층의 경우 oxygen vacancy가 많이 함유되어 있으며, 즉,
    Figure 112018123148293-pat00016
    층은 매우 얇은 전도 경로(conducting path)를, TaOx 층을 통해 금속 산화물층의 하부층에 비해 상대적으로 두꺼운 전도 경로(conducting path)를 형성시키며, 두 전도 경로(conducting path)는 금속 산화물층(active layer)을 국부화시키는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물층의 상부 층과 하부층의 양단의 oxygen vacancy로 구성된 전도 경로는 상기 금속 산화물층의 하부층에 형성된 oxygen vacancy가 결핍된 산화물 층(oxide layer having deficient oxygen vacancies)과, 상기 금속 산화물층의 상부층에 형성된 oxygen vacancy가 풍부한 산화물 층(oxide layer having sufficient oxygen vacancies)을 사용하여 형성되고,
    금속 산화물층의 하부층에 형성된 oxygen vacancy가 결핍된 산화물 층(oxide layer having deficient oxygen vacancies)은 박막(film) 내의 적은 양의 oxygen vacancy에 의해 상기 금속 산화물층의 상부층에 비해 상대적으로 수 nm 정도의 매우 얇은 전도 경로(conducting path)를 형성시키며,
    금속 산화물층의 상부층에 형성된 oxygen vacancy가 풍부한 산화물 층(oxide layer having sufficient oxygen vacancies)은 막(film) 내의 충분한 oxygen vacancy에 의해 상기 금속 산화물층의 하부층에 비해 상대적으로 넓은 전도 경로(conducting path)를 형성시키는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는 저항변이 금속산화물 기반 온도 센서이며, 온도 변화에 따라 소자의 저항 변이에 의해 전류 값 변화를 감지하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물층(active layer)의 상부 층과 하부 층의 양단에 형성된 얇은 전도 경로(conducting path)가 상기 금속 산화물층에 인가되는 전계 및 전류를 집중시킴으로써 상기 금속 산화물층을 국부화시켜 온도 센서 소자동작에 불안정한 영향을 주는 요소들-금속 산화물층(active layer) 내 서브-산화물(sub-oxide), 결함(defect)-을 억제하였으며, 기존 온도 센서보다 안정적이고 2.5%/1℃ 저항 변화를 갖는 민감도가 우수한 온도센서를 제공하는, 저항변이 금속산화물 기반 온도센서.
KR1020180157632A 2018-12-07 2018-12-07 저항변이 금속산화물 기반 온도센서 KR101990062B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180157632A KR101990062B1 (ko) 2018-12-07 2018-12-07 저항변이 금속산화물 기반 온도센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180157632A KR101990062B1 (ko) 2018-12-07 2018-12-07 저항변이 금속산화물 기반 온도센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101990062B1 true KR101990062B1 (ko) 2019-06-17

Family

ID=67064728

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180157632A KR101990062B1 (ko) 2018-12-07 2018-12-07 저항변이 금속산화물 기반 온도센서

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101990062B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113237568A (zh) * 2021-04-23 2021-08-10 广州碳思科技有限公司 柔性温度传感器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60230027A (ja) * 1984-04-27 1985-11-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱流センサ
JPH06140204A (ja) * 1992-10-27 1994-05-20 Matsushita Electric Works Ltd 半導体薄膜サーミスタおよび赤外線検出素子
KR101386594B1 (ko) 2012-02-06 2014-04-17 한국과학기술원 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법
KR101519317B1 (ko) 2015-03-27 2015-05-18 한양대학교 산학협력단 온도센서 및 그 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60230027A (ja) * 1984-04-27 1985-11-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱流センサ
JPH06140204A (ja) * 1992-10-27 1994-05-20 Matsushita Electric Works Ltd 半導体薄膜サーミスタおよび赤外線検出素子
KR101386594B1 (ko) 2012-02-06 2014-04-17 한국과학기술원 미세장치 매립형 온도센서 및 그 제조방법
KR101519317B1 (ko) 2015-03-27 2015-05-18 한양대학교 산학협력단 온도센서 및 그 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113237568A (zh) * 2021-04-23 2021-08-10 广州碳思科技有限公司 柔性温度传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3796218B2 (ja) 高温回路構成
US9574947B2 (en) Sensor temperature sensing device
US6487515B1 (en) Method and apparatus for measuring thermal and electrical properties of thermoelectric materials
Yeager et al. A review of cryogenic thermometry and common temperature sensors
US20140208828A1 (en) Gas sensor with temperature control
US3211001A (en) Temperature sensing device
US20230258506A1 (en) Thermometer having a diagnostic function
JP2005514592A (ja) 流体混合物合成センサ
KR101990062B1 (ko) 저항변이 금속산화물 기반 온도센서
Baker Temperature sensing technologies
JP3310430B2 (ja) 計測装置および計測方法
US6863438B2 (en) Microstructured thermosensor
Liu et al. Methods and techniques of temperature measurement
US4772866A (en) Device including a temperature sensor
US5681111A (en) High-temperature thermistor device and method
KR19980080155A (ko) 박막 부재를 구비한 센서
US20230109145A1 (en) Heat flow switching element
Trivedi et al. A survey on platinum temperature sensor
KR100612203B1 (ko) 온도센서
EP3023804B1 (en) Magnetic induction measuring device and method
Hering et al. Temperature Measurement
US7880580B2 (en) Thermistor having doped and undoped layers of material
JP3468300B2 (ja) 薄膜熱電物質の熱的及び電気的特性を測定する方法及び装置
JP2021136436A (ja) 熱流スイッチング素子
EP3325958A1 (en) Sensor element for a chemical sensor and chemical sensor

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant