KR101992022B1 - 반도체식 가스센서 - Google Patents

반도체식 가스센서 Download PDF

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KR101992022B1
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Abstract

본 발명은 반도체식 가스센서에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 동일층의 백금막으로 히터와 감지전극을 동시에 형성하므로 감지전극 아래에 별도의 금속이나 폴리실리콘 층으로 히터를 형성하는 기존의 MEMS 반도체식 가스센서에 비하여 제조공정이 간단한 효과를 보유하는, 반도체식 가스센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 의해 제안되는 실시예에 따라 (a) 2개의 감지전극 사이를 관통하는 히터의 폭을 조절함으로써 감지전극 사이의 감지체의 온도를 특히 균일하게 유지할 수도 있고, (b) 열손실이 크게 발생하는 브릿지를 기존의 4개에서 3개로 줄임으로써 감지부를 가열하기 위한 히터의 소모전력을 특히 감소시킬 수도 있으묘, (c) 감지부 및 4개의 브릿지가 열적 및 기계적 특성이 균일하여 감지부의 온도분포가 균일하고 내구성이 우수한 반도체식 가스센서 구현이 가능한 장점이 있다.

Description

반도체식 가스센서{SEMICONDUCTOR GAS SENSOR}
본 발명은 반도체식 가스센서에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 동일층의 백금막으로 히터와 감지전극을 동시에 형성하므로 감지전극 아래에 별도의 금속이나 폴리실리콘 층으로 히터를 형성하는 기존의 MEMS 반도체식 가스센서에 비하여 제조공정이 간단한 효과를 보유하는, 반도체식 가스센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 의해 제안되는 실시예에 따라 (a) 2개의 감지전극 사이를 관통하는 히터의 폭을 조절함으로써 감지전극 사이의 감지체의 온도를 특히 균일하게 유지할 수도 있고, (b) 열손실이 크게 발생하는 브릿지를 기존의 4개에서 3개로 줄임으로써 감지부를 가열하기 위한 히터의 소모전력을 특히 감소시킬 수도 있으며, (c) 감지부 및 4개의 브릿지가 열적 및 기계적 특성이 균일하여 감지부의 온도분포가 균일하고 내구성이 우수한 반도체식 가스센서 구현이 가능한 장점이 있다.
반도체식 가스센서는 SnO2, ZnO, In2O3, WO3 등의 금속산화물로 이루어진 감지체(24)가 여러가지 가스에 접촉될 시 산화 또는 환원되어 전기적 저항이 변하는 성질을 이용하여 가스를 감지하는 원리로 동작한다.
즉, 감지체의 저항을 측정함으로써 접촉된 가스의 농도를 추출하게 된다.
가스에 대한 감지도와 감지속도를 향상하기 위하여 감지체는 통상 수백℃의 온도로 가열하며, 따라서 반도체식 가스센서는 감지체를 가열하기 위한 히터가 반드시 구비되어야 한다.
또한, 감지체의 전기적 저항을 측정하기 위하여 감지체에 전기적으로 접촉된 2개의 감지전극이 반드시 구비되어야 한다.
감지체를 가열하는 히터의 소모전력이 크면 배터리를 사용하는 휴대용기기에서의 사용에 제한이 발생하므로, 반도체식 가스센서는 히터의 소모전력이 작은 것이 바람직하다.
히터(22)의 소모전력을 작게 하기 위해서는 감지체, 히터 및 감지전극 등 가열되는 성분의 체적이 작도록 미세가공되어야 하며, 이러한 이유로 최근에는 MEMS공정을 사용하여 반도체식 가스센서가 주로 제작되고 있다. 특히, MEMS공정을 사용하게 되면 센서의 크기가 작아 한 장의 웨이퍼에서 다량의 센서가 생산될 수 있고, 여러장의 웨이퍼를 동시에 가공을 할 수 있으므로 생산성이 높고 제조단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다.
그러나 기존의 통상적인 MEMS 반도체식 가스센서는 금속이나 폴리실리콘 층을 사용하여 히터가 형성되고, 그 위에 절연층과 감지전극과 감지체가 순차적으로 형성되어 있는 구조를 갖고 있다.
이와 같이 히터와 감지전극을 별도의 층으로 형성하게 되면, 공정이 복잡하게 되어 MEMS공정을 적용함에도 불구하고 제조단가를 더욱 낮추는데 어려움이 있다.
이와 같이 히터와 감지전극을 별도의 층으로 형성하는 가스센서에 관련하여서는, 공개특허공보 제10-2008-0067592호에는 가스 센서가 기재되어 있다.
상기 기술은, 반도체 산화물질로 형성되는 가스 감지 필름 및 산화물 입자로 형성되며 상기 가스 감지 필름 상에 배열되는 가스-침투성 보호층으로 이루어지는 가스 센서에 관한 것이다.
또한, 히터와 감지전극을 별도의 층으로 형성하는 다른 기술로서, 공개특허공보 제10-2011-0066849호에는 저전력소모형 반도체 가스 센서가 기재되어 있다.
상기 기술은, 저전력소모형 반도체 가스 센서의 구성 및 동작 방법에 관한 것으로서, 상온 상태에서 저차원 반도체 나노 소재에 가스를 흡착시켜 저차원 반도체 나노 소재의 저항 변화를 출력하고, 히터에 전력을 가하여 상기 저차원 반도체 나노 소재에 흡착된 가스를 탈착시켜 상기 저차원 반도체 나노 소재를 초기 저항 상태로 만든다.
이러한 상기 기술들은, 본 출원인이 제안하고자 하는 기술과 목적이 상이하고, 구조적으로 살펴보면, 해당 문헌의 도면 중 도 1과 도 2를 참조하면 히터와 감지 전극이 다른 층 상에 구성되어 있어서 구조적으로도 다른 구성임을 알 수 있다.
즉, 본 발명에서는 히터와 감지전극을 동일층으로 형성함으로써, 절연층을 2개로 구성하여 공정이 간단해지는 가스센서를 제안하는데, 이러한 가스센서의 구조에 따르면, 주변 히터에서 열이 발생되어 열이 골고루 분포되는 장점이 있다.
따라서, 본 발명과 같은 구조를 갖는 가스센서의 개발이 필요하다.
공개특허공보 제10-2008-0067592호(2008.07.21.) 공개특허공보 제10-2011-0066849호(2011.06.17.)
본 발명에서는 동일층의 백금막으로 히터와 감지전극을 동시에 형성함으로써 제조공정이 간단한 반도체식 가스센서를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 히터와 감지전극의 구성을 달리하여 감지체의 온도가 특히 균일하거나, 히터의 소모전력이 특히 작거나, 감지부의 온도분포가 특히 균일하고 내구성이 우수한 반도체식 가스센서를 제공하는 데 목적이 있다.
따라서, 감지전극 아래에 별도의 금속이나 폴리실리콘 층으로 히터를 형성하는 기존의 MEMS 반도체식 가스센서에 비해서 제조공정이 더욱 간단하고 성능이 우수한 반도체식 가스센서를 제공하게 된다.
이를 위해, 본 발명에서는 평면적으로 중심부에 감지전극을 배치하고, 감지전극 주변에 히터를 배치함으로써 동일층의 백금막으로 히터와 감지전극을 동시에 형성하게 된다.
비록, 감지전극에는 히터가 배치되지 않아 열이 발생되지는 않지만, 감지전극 주변의 히터에서 발생된 열이 전달되어 감지전극 및 감지체는 특정한 온도로 유지할 수 있게 된다.
또한, 2개의 감지전극 사이를 관통하는 히터의 폭을 조절함으로써 감지전극 사이의 감지체의 온도를 특히 균일하게 유지하거나, 열손실이 크게 발생하는 브릿지를 기존의 4개에서 3개로 줄임으로써 감지부를 가열하기 위한 히터의 소모전력을 특히 감소하거나, 4개의 브릿지 및 감지부의 열적 및 기계적 특성이 균일하여 특히 내구성이 우수한 반도체식 가스센서를 구현하게 된다.
따라서, 기존의 히터와 감지전극을 별도의 층을 사용하여 형성하는 MEMS 반도체식 가스센서에 비해서 제조공정이 더욱 간단하고 성능이 우수한 반도체식 가스센서를 제공하게 된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 반도체식 가스센서는, 평면적으로 실리콘 기판의 내부에 캐비티가 형성되고, 캐비티 상에서 평면적으로 내부에 감지부가 형성되어 있으며, 복수 개의 브릿지가 실리콘 기판으로부터 감지부를 지지하고, 캐비티 주변의 실리콘 기판 상에는 복수 개의 패드가 형성되는 반도체식 가스센서에 있어서,
상기 감지부는 제1 절연층과, 상기 제1 절연층의 상면에 배치된 히터 및 2개의 감지전극과, 상기 히터의 상측에 형성된 제2 절연층과, 상기 2개의 감지전극 및 제2 절연층의 상측에 형성된 감지체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일예로서, 상기 복수 개의 브릿지는 4개로 구성되고, 상기 패드는 상기 브릿지와 동일한 개수로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 감지부의 제1 절연층 상의 평면적으로 중심영역에 2개의 감지전극이 형성되어 있고, 상기 감지전극 주변으로는 1개의 히터가 배치되되, 2개의 감지전극 사이를 히터가 통과하도록 배치하며, 상기 히터의 양단과 2개의 감지전극은 4개로 구성된 브릿지의 각각에 인출선을 통하여 패드에 연결되고, 상기 히터, 감지전극, 인출선 및 패드는 제1 절연층 상에 형성될 때, 이들의 상부 및 하부에 접착개선층을 포함하는 동일층의 백금막을 포함하여 형성되며, 상기 패드 및 2개의 감지전극에는 제2 절연층 및 상부의 접착개선층이 제거되어 백금막이 노출되되, 히터 및 인출선 상에는 제2 절연층이 덮여있고, 상기 감지부의 최상측에 감지체가 형성되어 2개의 감지전극과 전기적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 한다.
다른 일예로서, 상기 복수 개의 브릿지는 3개로 구성되고, 상기 패드는 브릿지와 동일한 개수로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 감지부의 제1 절연층 상의 평면적으로 중심영역에 2개의 감지전극이 형성되어 있고, 상기 감지전극 주변으로는 1개의 히터가 배치되되, 2개의 감지전극 중 1개의 감지전극은 연결선에 의하여 히터의 일측에 연결되며, 상기 히터의 양단과 히터에 연결되지 않은 다른 1개의 감지전극은 인출선을 통하여 패드에 연결되고, 상기 히터, 감지전극, 인출선, 연결선 및 패드는 제1 절연층 상에 형성될 때, 이들의 상부 및 하부에 접착개선층을 포함하는 동일층의 백금막을 포함하여 형성되며, 상기 패드, 2개의 감지전극 및 연결선 일부는 제2 절연층 및 상부의 접착개선층이 제거되어 백금막이 노출되되, 히터, 인출선 및 연결선의 나머지 일부 상에는 제2 절연층이 덮여있으며, 상기 감지부의 최상측에 감지체가 형성되어 2개의 감지전극과 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 일예로서, 상기 복수 개의 브릿지는 4개로 구성되되, 일직선상에 존재하는 2개가 1쌍으로서, 마주하는 브릿지 다른 1쌍과 동일한 구조를 갖는 동시에 상기 감지부를 중심으로 대칭적으로 배치되고, 상기 패드는 브릿지와 동일한 개수로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 감지부의 제1 절연층 상의 평면적으로 중심영역에 2개의 감지전극이 형성되어 있고, 상기 감지전극 주변으로는 동일한 구조의 2개의 히터가 배치되되, 상기 2개의 감지전극은 연결선에 의하여 각각 다른 히터의 일측에 연결되며, 2개의 히터의 각 양단이 4개의 브릿지의 제1 절연층 상에 형성되어 있는 각각의 인출선을 통하여 패드에 연결되고, 상기 히터, 감지전극, 인출선, 연결선 및 패드는 제1 절연층 상에 형성될 때, 이들의 상부 및 하부에 접착개선층을 포함하는 동일층의 백금막을 포함하여 형성되며, 상기 패드, 2개의 감지전극 및 연결선 일부는 제2 절연층 및 상부의 접착개선층이 제거되어 백금막이 노출되되, 히터, 인출선 및 연결선의 나머지 일부 상에는 제2 절연층이 덮여있으며, 상기 감지부의 최상측에 감지체가 형성되어 2개의 감지전극과 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 한다.
상술된 실시예들은 공통적으로,
상기 실리콘기판은 (100)결정면을 가지며, 캐비티의 면적은 200㎛ x 200㎛ ~ 1mm x 1mm 범위이고 깊이는 100~400㎛ 범위이며, 감지부의 면적은 100㎛ x 100㎛ ~ 500㎛ x 500㎛ 범위이고, 제1 절연층은 0.3~2㎛ 범위 두께의 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것으로 이루어진 층이며, 제2 절연층은 0.1~1㎛범위 두께의 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것으로 이루어진 층이고, 백금막의 두께는 0.05~0.3㎛ 범위이며, 접착개선층의 재질은 Ti, Cr, W, Ta, TiO2 및 Al2O3 중에서 선택되고, 두께는 0.01~0.05㎛ 범위이며, 감지체는 5~20㎛ 범위의 두께를 갖는 금속산화물이 주성분인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체식 가스센서는 히터와 감지전극을 별도의 층을 사용하여 형성하는 기존구조에 비해 동일층의 백금막으로 히터와 감지전극을 동시에 형성하므로, 제조공정이 간단하면서도 감지전극 주변에 형성된 히터로부터 전도되는 열에 의하여 균일하면서도 특정하게 감지체온도가 유지된다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 평면적으로 2개의 감지전극 사이에 관통하는 히터의 폭을 조정하면 감지전극 사이 감지체의 온도를 더욱 특정하고 균일하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
또, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 열손실이 크게 발생하는 브릿지를 기존의 4개에서 3개로 줄임으로써 감지부를 가열하기 위한 히터의 소모전력을 감소할 수 있다는 장점이 있다.
또, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 감지부에 동일한 구조의 2개의 히터가 형성되는 동시에 4개의 동일한 구조의 브릿지가 형성되므로, 감지부의 온도분포가 균일하고 내구성이 우수한 반도체식 가스센서 구현이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래 3개의 절연층을 갖는 반도체식 가스센서를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명과 같이 2개의 절연층을 갖는 반도체식 가스센서를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체식 가스센서에서 히터와 전극이 배열되는 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 일예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체식 가스센서에서 히터와 전극이 배열되는 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 일예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체식 가스센서에서 히터와 전극이 배열되는 것을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 일예를 나타낸 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명에 따른 반도체식 가스센서는, 실리콘 기판(1) 상에서 제작되며, 센서 외부로 금속와이어를 연결하기 위한 다수의 패드(11); 제1 절연층(21a)과 제2 절연층(21b)과 히터(22)와 2개의 감지전극(23)과 감지체(24)로 구성되는 감지부(2); 그리고 감지부(2)의 히터(22) 및 감지전극(23)을 패드(11)와 전기적으로 연결하기 위한 인출선(23a)을 포함하면서 제1 절연층(21a)과 제2 절연층(21b)으로 구성되는 다수의 브릿지(12);로 구성되어 있다. 감지부(2) 및 브릿지(12)의 아래의 실리콘은 일정 깊이로 제거되어 캐비티(13)를 형성하고 있으므로 감지부(2) 및 브릿지(12)는 공중에 떠 있는 반면, 패드(11)는 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1) 상에 형성되어 있다. 브릿지(12)는, 브릿지(12)를 구성하고 있는 인출선(23a)을 통하여 감지부(2)의 히터(22) 및 감지전극(23)을 패드(11)와 전기적으로 연결하는 역할 외에도 감지부(2)를 실리콘 기판(1)으로부터 기계적으로 지지하는 역할도 하게 된다.
제1 절연층(21a) 상에는 히터(22), 감지전극(23), 필요에 따라 감지전극(23)을 히터(22)의 한 지점에 연결하는 연결선(23b), 인출선(23a) 및 패드(11)가 동일층의 백금막으로 동일 패터닝 공정에 의해 형성되는데, 히터(22) 및 인출선(23a)은 제2 절연층(21b)으로 덮여 있는 반면, 패드(11) 및 2개의 감지전극(23)은 제2 절연층(21b)이 제거되어 있다. 따라서, 감지부(2)의 최상층에 형성된 감지체(24)는 2개의 감지전극(23)과 전기적으로 접촉하게 된다.
그러므로 2개의 감지전극(23)간의 전기적 저항을 측정하면 감지체(24)의 전기적 저항(이하 감지체저항이라고 칭함)을 알 수 있게 되며, 결국 가스농도를 추출할 수 있게 되는 것이다.
평면적으로 감지전극(23)은 감지부(2)의 중앙영역에 배치되며, 히터(22)는 감지전극(23) 주변에 배치된다. 히터(22)의 양단에 연결된 패드(11) 및 인출선(23a)을 통하여 전류를 공급하면 히터(22)의 전기적 저항(이하 히터저항이라고 칭함)으로 인하여 히터(22)에서 열이 발생하게 되며, 히터(22)에서 발생된 열은 제1 절연층(21a), 제2 절연층(21b), 백금막 및 감지체(24)를 통하여 전도되어 결국 감지부(2) 전체를 고르게 가열하게 된다.
따라서, 비록 히터(22)배치가 배제되어 직접적으로 열이 발생되지 않는 감지전극(23)의 위 및 감지전극(23) 사이의 감지체(24)는 주변에서 전도된 열에 의하여 균일하면서도 특정된 온도를 유지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 감지부(2)의 열은 주로 브릿지(12)를 경유하여 기판으로 전도되어 손실되므로, 브릿지(12)는 가급적 폭이 좁고 두께가 얇고 길이가 충분히 커서 열전도를 최소화 하는 것이 히터(22)의 소모전력 감소를 위해서 바람직하다.
본 발명에서는 실리콘 기판(1)으로서 (100)결정면을 갖는 실리콘웨이퍼를 사용하였다.
캐비티(13)의 면적은 통상 200㎛ x 200㎛에서 1mm x 1mm까지의 범위에서 선택될 수 있으며, 깊이는 100㎛에서 400㎛ 범위에서 선택할 수 있다.
감지부(2)의 면적은 통상 100㎛ x 100㎛ 에서 500㎛ x 500㎛범위에서 선택될 수 있다.
또, 제1 절연층(21a)은 재질로서 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, 두께는 0.3~2.0㎛ 범위에서 선택될 수 있다.
또, 제2 절연층(21b)은 재질로서 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것을 사용할 수 있으며, 두께는 0.1~1.0㎛ 범위에서 선택될 수 있다.
히터(22), 감지전극(23), 필요에 따라 연결선(23b), 인출선(23a) 및 패드(11)를 구성하는 백금막은 0.05~0.3㎛ 범위의 두께에서 선택될 수 있으며, 제1 절연층(21a) 및 제2 절연층(21b)과의 접착성을 높이기 위해서 백금막의 상부 및 하부에는 0.01~0.05㎛ 범위에서 선택되는 두께의 Ti, Cr, W, Ta, TiO2, Al2O3 등의 접착개선층이 사용될 수 있다.
당연히, 패드(11) 및 감지전극(23) 상의 접착개선층은 제거하여 순수한 백금막이 노출되도록 함으로써 금속와이어 및 감지체(24)와의 전기적 접촉성이 우수하도록 한다.
감지체(24)는 팔라듐, 백금 등의 촉매와 결합제 등이 혼합된 SnO2, ZnO, In2O3, WO3 등의 금속산화물을 주성분으로 하여 형성되며, 두께는 5~20㎛ 범위에서 선택될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 반도체식 가스센서는 통상의 MEMS(Micro Electromechanical System)공정을 사용하여 제작할 수 있다.
예를 들면, (100)결정면을 갖는 실리콘웨이퍼 상에 제1 절연층(21a)으로서 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법으로 0.5㎛ 두께의 질화실리콘을 증착한 후, 건식식각(Dry Etching) 방법을 사용하여 감지부(2) 및 브릿지(12) 형상이 남아있도록 캐비티(13)영역의 질화실리콘을 제거한다.
이때, 캐비티(13)영역의 각 변(캐비티의 사각형의 각 변)은 실리콘웨이퍼의 <110>방향에 정렬되도록 한다. 그 다음, 감광막으로 패턴을 형성하고 하부 접착개선층으로서의 0.02㎛ 두께의 Ti과 0.1㎛ 두께의 백금막, 상부 접착개선층으로서의 0.02㎛ 두께의 Ti를 스퍼터링(Sputtering)방법으로 순차적으로 증착한 다음, 리프트 오프(Lift-Off) 방법에 의해 제1 절연층(21a) 상에 히터(22), 감지전극(23), 필요에 따라 연결선(23b), 인출선(23a) 및 패드(11)를 동시에 형성한다.
이후, 제2 절연층(21b)으로서 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법으로 0.5㎛ 두께의 산화실리콘을 증착한 후, 습식식각(Dry Etching) 방법을 사용하여 감지부(2) 및 브릿지(12) 형상이 남아있도록 캐비티(13)영역의 산화실리콘을 제거하는 동시에 감지전극(23) 및 패드(11)상의 산화실리콘 및 접착개선층인 Ti도 순차적으로 제거한다.
이와 같이 가공된 실리콘웨이퍼를 80℃의 TMAH(Tetra Methyl Ammoni㎛ Hydroxide) 수용액에 담그게 되면, 제1 절연층(21a) 및 제2 절연층(21b)이 제거되어 있는 캐비티(13)영역의 실리콘이 식각되는 동시에 TMAH수용액의 비등방성 식각특성에 의하여 감지부(2)와 브릿지(12) 아래의 실리콘이 함께 식각되어 캐비티(13)가 형성되는 것이다.
이때, 캐비티(13)영역의 각 변이 실리콘웨이퍼의 <110>방향에 정렬이 정확하게 될수록 캐비티(13) 형성이 원활하게 된다. 마지막으로 감지부(2) 상에 페이스트 형태의 SnO2를 바른 후 건조함으로써 감지체(24)를 형성 할 수 있다.
또한, 상기에서 제1 절연층과 제2 절연층에 대해 각각 질화실리콘 또는 산화실리콘을 기재하고 있으나, 이는 본 발명을 쉽게 설명하기 위한 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니고, 실제로 각각의 제1 절연층과 제2 절연층은 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것을 재질로 선택할 수 있다.
상기와 같이 기술된 MEMS공정은 캐비티(13), 감지부(2), 브릿지(12), 히터(22), 감지전극(23), 감지체(24) 등의 각 구성요소를 미세가공할 수 있으므로 반도체식 가스센서를 균일하면서도 초소형으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 여러 장의 실리콘웨이퍼를 동시에 가공할 수 있으므로 생산성이 높고 제조단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 동일층의 백금막으로 히터(22)와 감지전극(23)을 동시에 형성하므로, 히터(22)와 감지전극(23)을 별도의 층을 사용하여 형성하는 기존의 MEMS 반도체식 가스센서에 비해서 제조공정이 더욱 간단하다는 장점이 있게 된다.
실시예 1. 2개의 감지전극(23) 사이로 히터(22)가 통과하는 배열구조
제1 실시예의 설명을 위하여 첨부된 도면의 도 3을 참조하면,
평면적으로 실리콘 기판(1) 내부에 실리콘이 일정 깊이로 제거된 캐비티(13)가 형성되어 있고, 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1) 상에는 4개의 패드(11)가 형성되어 있다.
캐비티(13) 내부에는 마름모 형태의 감지부(2)가 형성되어 있는데, 감지부(2)의 형태가 첨부된 도면과 같이 마름모로 도시되어 있는 것은, 본 발명을 쉽게 설명하기 위한 일예일 뿐, 도면이 본 발명에 의해 한정되는 것은 아니므로, 감지부(2)의 형태는 마름모로 한정되는 것이 아니다.
감지부(2)를 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1)과 연결하고 있는 막대형태의 4개의 브릿지(12)가 형성되어 있다.
결국, 감지부(2)와 브릿지(12)는 캐비티(13) 상에 떠 있게 되며, 4개의 브릿지(12)는 실리콘 기판(1)으로부터 감지부(2)를 지지하는 역할을 하게 된다. 감지부(2)에는 제1 절연층(21a) 상에 형성된 1개의 히터(22)와 2개의 감지전극(23)이 형성되어 있으며, 히터(22)의 양단 및 2개의 감지전극(23)은 4개의 브릿지(12)에 각각 형성되어 있는 인출선(23a)을 통하여 각 패드(11)에 연결된다.
2개의 감지전극(23)은 평면적으로 감지부(2)의 중심영역에 배치되고 감지부(2) 주변에는 히터(22)가 가급적 촘촘하게 배치되는 것이 바람직하다.
히터(22), 감지전극(23), 연결선(23b), 인출선(23a) 및 패드(11)는 상부 및 하부에 접착개선층이 포함된 동일층의 백금막을 사용하여 동시에 형성된다.
평면적으로 제1 절연층(21a)과 동일한 형태로 제2 절연층(21b)이 형성되어 있으며, 단지 점선으로 둘러싸인 영역은 제2 절연층(21b)이 제거되어 있다. 따라서,
2개의 감지전극(23)과 패드(11)에는 제2 절연층(21b)이 제거되어 있는 반면, 히터(22) 및 인출선(23a)에는 제2 절연층(21b)이 덮여 있다. 도 2와 관계해서 설명한 바와 같이, 제2 절연층(21b)이 제거된 2개의 감지전극(23)과 패드(11) 상에는 백금막 상부에 사용한 접착개선층은 제거됨은 자명하다.
따라서, 감지부(2)의 최상층에 형성되는 감지체(24)(도 3에 미도시)는 2개의 감지전극(23)에만 전기적으로 접촉되어 감지체저항을 측정할 수 있게 되는 것이다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서에서는 인출선(23a)을 통하여 히터(22)의 양단과 연결된 2개의 패드(11) 간에 전류를 공급하면 히터(22)에서 열이 발생하게 된다.
히터(22)에서 발생된 열은 제1 절연층(21a), 제2 절연층(21b) 및 감지체(24)를 통하여 전도되어 감지부(2) 전체를 고르게 가열하게 된다. 따라서, 비록 히터(22)배치가 배제되어 직접적으로 열이 발생되지 않는 감지전극(23) 위 및 감지전극(23) 사이의 감지체(24)라도 주변에서 전도된 열에 의하여 균일하면서도 특정된 온도를 유지할 수 있게 된다.
한편, 히터(22)는 평면적으로 2개의 감지전극(23) 사이를 관통하고 있는데, 감지전극(23) 사이의 히터(22)의 폭을 조절하면 감지전극(23) 사이의 감지체(24)의 온도를 특정하게 조절할 수 있다는 특징을 갖는다.
즉, 감지전극(23) 사이의 히터(22)의 폭이 상대적으로 넓으면 전기적 저항이 작아져 발열량이 작고, 감지전극(23) 사이의 히터(22)의 폭이 상대적으로 좁으면 전기적 저항이 커져 발열량이 커지므로 감지전극(23) 사이의 히터(22)의 폭을 조절함으로써 감지전극(23) 사이의 감지체(24) 온도를 더욱 특정하게 조절할 수 있게 되는 것이다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서 센서는 (100)결정면을 갖는 실리콘웨이퍼를 사용하여 제작되었으며, 면적이 1mm x 1mm이고 두께가 500㎛가 되도록 하였다. 캐비티(13)는 면적이 500㎛ x 500㎛이고 깊이가 200㎛이며, 감지부(2)는 면적이 200㎛ x 200㎛이고 브릿지(12)는 폭이 30㎛가 되도록 하였다.
또, 제1 절연층(21a)은 0.5㎛ 두께의 질화실리콘을 사용하였고, 제2 절연층(21b)은 0.5㎛ 두께의 산화실리콘을 사용하였다.
또, 백금막의 두께는 0.1㎛이고, 접착개선층으로서 0.02㎛의 Ti를 백금막 상하에 적용하였다.
히터(22) 및 인출선(23a)의 폭은 10㎛로 동일하게 하였으며, 평면적으로 2개의 감지전극(23) 사이를 관통하는 히터(22)의 폭 또한 10㎛로 하였다. 2개의 감지전극(23) 각각은 폭이 10㎛이고 길이 50㎛가 되도록 하였고, 평면적으로 감지부(2)의 중심영역에 70㎛ x 70㎛ 면적내에서 형성하였다.
감지체(24)로서는 팔라듐촉매를 0.5 Wt.%로 분포시킨 10㎛ 두께의 SnO2를 사용하여 형성하였다.
한편, 도 4는 본 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 일례를 보여준다. 감지전극(23) 1개는 접지를 시키고 다른 감지전극(23)은 기준저항 RL에 연결함으로써 결국, 2개의 감지전극(23) 사이에 존재하는 감지체저항 Rs의 한단은 접지에 연결하고, 다른 한단은 RL에 연결하는 효과를 갖게 된다. 감지체저항 Rs와 연결되지 않은 기준저항 RL의 나머지 한단에는 기준전압 Vcc가 인가되며, 따라서 기준저항 RL과 감지체저항 Rs 사이의 출력전압 Vout은 다음과 같이 결정된다.
Figure 112017105027221-pat00001
기준전압 Vcc와 기준저항 RL은 상수이므로 결국 측정된 출력전압 Vout으로부터 감지체저항 Rs를 추출할 수 있게 되는 것이다.
실시예 2. 1개의 감지전극(23)이 히터(22)에 연결되는 배열구조
제2 실시예를 설명하기 위하여 첨부된 도면의 도 5를 참조하면,
평면적으로 실리콘 기판(1) 내부에 실리콘이 일정 깊이로 제거된 캐비티(13)가 형성되어 있고, 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1) 상에는 3개의 패드(11)가 형성되어 있다.
캐비티(13) 내부에는 마름모 형태의 감지부(2)가 형성되어 있고, 감지부(2)를 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1)과 연결하고 있는 막대형태의 3개의 브릿지(12)가 형성되어 있다.
결국, 감지부(2)와 브릿지(12)는 캐비티(13) 상에 떠 있게 되며, 3개의 브릿지(12)는 실리콘 기판(1)으로부터 감지부(2)를 지지하는 역할을 하게 된다.
감지부(2)에는 제1 절연층(21a) 상에 형성된 1개의 히터(22)와 2개의 감지전극(23)이 형성되어 있으며, 감지전극(23) 1개는 연결선(23b)에 의하여 히터(22)의 한 지점과 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 히터(22)의 양단 및 히터(22)에 연결되지 않은 나머지 1개의 감지전극(23)은 3개의 브릿지(12)에 각각 형성되어 있는 인출선(23a)을 통하여 각 패드(11)에 연결된다.
2개의 감지전극(23)은 평면적으로 감지부(2)의 중심영역에 배치되고 주변으로 히터(22)가 촘촘하게 배치되는 것이 바람직하다.
히터(22), 감지전극(23), 연결선(23b), 인출선(23a) 및 패드(11)는 상부 및 하부에 접착개선층이 포함된 동일층의 백금막을 사용하여 동시에 형성된다.
평면적으로 제1 절연층(21a)과 동일한 형태로 제2 절연층(21b)이 형성되어 있으며, 단지 점선으로 둘러싸인 영역은 제2 절연층(21b)이 제거되어 있다.
따라서, 연결선(23b) 일부와 2개의 감지전극(23)과 패드(11)에는 제2 절연층(21b)이 제거되어 있는 반면, 연결선(23b) 일부와 히터(22)와 인출선(23a)에는 제2 절연층(21b)이 덮여 있다.
도 2와 관계해서 설명한 바와 같이, 제2 절연층(21b)이 제거된 2개의 감지전극(23)과 패드(11) 상에는 백금막 상부에 사용한 접착개선층이 함께 제거됨은 자명하다.
따라서, 감지부(2)의 최상층에 형성되는 감지체(24)(도 5에 미도시)는 2개의 감지전극(23)에만 전기적으로 접촉되어 감지체저항을 측정할 수 있게 되는 것이다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서에서는 인출선(23a)을 통하여 히터(22)의 양단에 연결된 2개의 패드(11) 간에 전류를 공급하면 히터(22)에서 열이 발생하게 된다.
히터(22)에서 발생된 열은 제1 절연층(21a), 제2 절연층(21b) 및 감지체(24)를 통하여 전도되어 감지부(2) 전체를 고르게 가열하게 된다. 따라서, 비록 히터(22)배치가 배제되어 직접적으로 열이 발생되지 않는 감지전극(23) 위 및 감지전극(23) 사이의 감지체(24)라도 주변에서 전도된 열에 의하여 균일하면서도 특정된 온도를 유지할 수 있게 된다.
반도체식 가스센서에서는 감지부(2)의 열적손실이 주로 브릿지(12)를 통한 기판으로의 열전도에 의해서 발생되므로, 브릿지(12) 갯수가 3개로서 적은 본 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 히터(22)구동에 필요한 소모전력이 작다는 장점이 있다.
또한, 2개의 감지전극(23)이 이웃하므로 감지전극(23)간의 간격을 작게 하고, 인터디지탈(Inter-digital)형태로 전극을 형성하여 감지체(24)와의 전기적 접촉면적을 크게 할 수 있다는 장점을 갖는다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서 센서는 (100)결정면을 갖는 실리콘웨이퍼를 사용하여 제작되었으며, 면적이 1mm x 1mm이고 두께가 500㎛가 되도록 하였다. 캐비티(13)는 면적이 500㎛ x 500㎛이고 깊이가 200㎛이며, 감지부(2)는 면적이 200㎛ x 200㎛이고 브릿지(12)는 폭이 30㎛가 되도록 하였다. 또, 제1 절연층(21a)은 0.5㎛ 두께의 질화실리콘을 사용하였고, 제2 절연층(21b)은 0.5㎛ 두께의 산화실리콘을 사용하였다.
또, 백금막의 두께는 0.1㎛이고, 접착개선층으로서 0.02㎛의 Ti를 백금막 상하에 적용하였다.
히터(22), 감지전극(23), 연결선(23b) 및 인출선(23a)의 폭은 10㎛로 동일하게 하였으며, 2개의 감지전극(23)은 평면적으로 감지부(2)의 중심영역에 70㎛ x 70㎛ 면적내에서 형성하였다.
감지체(24)로서는 팔라듐촉매를 0.5 Wt.%로 분포시킨 10㎛ 두께의 SnO2를 사용하여 형성하였다.
도 6의 (a)는 본 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 일례를 보여준다.
감지전극(23) 1개는 연결선(23b)에 의하여 히터(22)의 한 지점에 연결되고 다른 감지전극(23) 1개는 기준저항 RL에 연결함으로써, 2개의 감지전극(23) 사이에 존재하는 감지체저항 Rs의 한단은 히터(22)의 한 지점에 연결되고 다른 한단은 기준저항 RL에 연결되는 효과를 갖는다. 한편, 히터저항 RH의 한단은 접지되고 다른 한단에는 히터(22)전압 VH를 인가하여 감지체(24)를 특정온도로 가열한다.
통상적으로 히터저항 RH는 수십 ~ 수백 Ω인 반면 감지체저항 Rs는 수십 KΩ 이상으로서 히터저항 RH에 비해 매우 크므로 감지체저항 Rs와 히터(22)가 연결된 지점에서의 전압 V1은 감지체저항 Rs가 연결되는 지점의 위치에 의해 결정된다.
본 실시예에서는 히터(22)의 정 중간위치에서 감지전극(23), 즉 감지체저항 Rs가 연결되므로 V1은 VH/2의 값을 갖게 되나, 연결된 지점의 위치는 이에 한정된 것은 아니다. 감지체저항 Rs와 연결되지 않은 기준저항 RL의 나머지 한단에는 기준전압 Vcc가 인가되며, 따라서 기준저항 RL과 감지체저항 Rs사이의 출력전압 Vout은 다음의 [수학식 2]와 같이 결정된다.
Figure 112017105027221-pat00002
기준전압 Vcc와 V1, 그리고 기준저항 RL은 상수이므로 결국 측정된 출력전압 Vout으로부터 감지체저항 Rs를 추출할 수 있게 되는 것이다.
도 6의 (b)는 본 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 다른 일례를 보여준다.
감지전극(23) 1개는 연결선(23b)에 의하여 히터(22)의 한 지점에 연결되고 다른 감지전극(23) 1개는 기준저항 RL에 연결함으로써 2개의 감지전극(23) 사이에 존재하는 감지체저항 Rs의 한단은 히터(22)의 한 지점에 연결되고 다른 한단은 기준저항 RL에 연결되는 효과를 갖게 된다. 감지체저항 Rs와 연결되지 않은 기준저항 RL의 나머지 한단에는 기준전압 Vcc가 인가되어 있다.
한편, 평상시에는 히터저항 RH의 한단은 접지되어 있고, 다른 한단은 스위치 S1에 의하여 히터(22)전압 VH에 연결되어 감지체(24)를 특정온도로 가열하게 된다. 감지체저항 Rs를 측정하기 위해서는 감지체(24)의 온도가 거의 변하지 않을 정도의 짧은 시간 동안 스위치 S1을 개방한다. 이러한 동작을 하는 전기회로는 용이하게 구현할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
히터저항 RH는 수십 ~ 수백 Ω인 반면 감지체저항 Rs는 수십 KΩ 이상으로서 히터저항 RH에 비해 매우 크므로 스위치 S1이 개방되는 동안 기준저항 RL과 감지체저항 Rs사이의 출력전압 Vout은 다음의 [수학식 3]과 같이 결정된다.
Figure 112017105027221-pat00003
기준전압 Vcc와 기준저항 RL은 상수이므로 결국 측정된 출력전압 Vout으로부터 감지체저항 Rs를 추출할 수 있게 되는 것이다. 출력전압 Vout을 측정한 후에는 히터저항 RH를 스위치 S1에 의하여 히터(22)전압 VH에 다시 연결함으로써 감지체(24)를 계속 가열하게 된다. 결국, 충분한 시간동안 감지체(24)를 가열하는 동작과 감지체(24)의 온도가 변하지 않을 정도의 짧은 시간동안 감지체저항 Rs를 측정하는 동작이 반복하도록 전기회로를 구성하면 주기적으로 감지체저항 Rs를 추출할 수 있게 되는 것이다.
실시예 3. 2개의 감지전극(23)이 히터(22)에 연결되는 배열구조
제3 실시예를 설명하기 위하여 첨부된 도면의 도 7을 참조하면,
평면적으로 실리콘 기판(1) 내부에 실리콘이 일정 깊이로 제거된 캐비티(13)가 형성되어 있고, 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1) 상에는 4개의 패드(11)가 형성되어 있다.
캐비티(13) 내부에는 마름모 형태의 감지부(2)가 형성되어 있고, 감지부(2)를 캐비티(13) 주변의 실리콘 기판(1)과 연결하고 있는 막대형태의 4개의 형성되어 있다. 4개의 브릿지(12)는 동일한 구조를 가질 뿐만 아니라, 감지부(2) 및 캐비티(13)를 중심으로 대칭적으로 배치되어 있는 특징을 갖는다.
결국, 감지부(2)와 브릿지(12)는 캐비티(13) 상에 떠 있게 되며, 4개의 브릿지(12)는 실리콘 기판(1)으로부터 감지부(2)를 지지하는 역할을 하게 된다.
감지부(2)에는 제1 절연층(21a) 상에 2개의 감지전극(23) 및 대칭으로 배치되어 동일한 구조를 갖는 2개의 히터(22)가 형성되어 있다. 2개의 감지전극(23) 각각은 연결선(23b)에 의하여 2개의 히터(22)의 한 지점에 각각 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 감지전극(23)을 인출하는 브릿지(12) 및 패드(11)는 형성되어 있지 않고, 2개의 히터(22)의 양단 만이 동일한 구조를 갖는 4개의 브릿지(12)에서 인출선(23a)을 통하여 각 패드(11)에 연결되어 있다.
2개의 감지전극(23)은 평면적으로 감지부(2)의 중심영역에 배치되고 주변으로 히터(22)가 촘촘하게 배치되는 것이 바람직하다.
히터(22), 감지전극(23), 연결선(23b), 인출선(23a) 및 패드(11)는 상부 및 하부에 접착개선층이 포함된 동일층의 백금막을 사용하여 동시에 형성된다.
평면적으로 제1 절연층(21a)과 동일한 형태로 제2 절연층(21b)이 형성되어 있으며, 단지 점선으로 둘러싸인 영역은 제2 절연층(21b)이 제거되어 있다. 따라서, 연결선(23b) 일부와 2개의 감지전극(23)과 패드(11)에는 제2 절연층(21b)이 제거되어 있는 반면, 연결선(23b) 일부와 히터(22)와 인출선(23a)에는 제2 절연층(21b)이 덮여 있다.
도 2와 관계해서 설명한 바와 같이, 제2 절연층(21b)이 제거된 2개의 감지전극(23)과 패드(11) 상에는 백금막 상부에 사용한 접착개선층이 함께 제거됨은 자명하다. 따라서, 감지부(2)의 최상층에 형성되는 감지체(24)(도 7에 미도시)는 2개의 감지전극(23)에만 전기적으로 접촉되어 감지체저항을 측정할 수 있게 되는 것이다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서에서는 패드(11)를 통하여 2개의 히터(22) 각각의 양단에 전류를 공급하면 열이 발생하게 된다. 히터(22)에서 발생된 열은 제1 절연층(21a), 제2 절연층(21b) 및 감지체(24)를 통하여 전도되어 감지부(2) 전체를 고르게 가열하게 된다.
따라서, 비록 히터(22)배치가 배제되어 직접적으로 열이 발생되지 않는 감지전극(23) 위 및 감지전극(23) 사이의 감지체(24)라도 주변에서 전도된 열에 의하여 균일하면서도 특정된 온도를 유지할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 감지전극(23)을 기판상의 패드(11)로 인출하지 않으므로, 평면적으로 2개의 감지전극(23)을 동일한 전기적 저항값을 갖는 2개의 히터(22)가 완전히 둘러싸게 되어 감지부(2)의 열적분포가 특히 균일하다는 장점이 있다.
또, 4개의 브릿지(12)가 동일한 구조를 갖고 2개의 히터(22)가 동일한 저항값을 가지므로, 각 인출선(23a)에 흐르는 전류는 동일하게 되어 각 인출선(23a)은 동일하게 발열된다.
따라서, 4개의 브릿지(12)는 열적 및 기계적으로 동일한 특성을 갖게 되어 감지부(2)를 균형있게 지지하게 되므로 감지부(2) 및 브릿지(12)의 내구성이 우수하게 된다.
또한, 열이 발생하지 않아 감지부(2)의 열이 전도되어 손실만 되는 감지전극(23)용 브릿지(12)가 없는 반면, 인출선에서 동일하게 발열되는 4개의 브릿지(12)가 감지부(2)로부터 기판으로의 열전도를 억제하므로 감지부(2)의 온도는 더욱 균일하게 된다.
결국, 본 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 감지부(2)의 온도분포가 균일하고 내구성이 우수하다는 장점이 있다. 또한, 2개의 감지전극(23)이 이웃하므로 감지전극(23)간의 간격을 작게 하고, 인터디지탈(Inter-digital)형태로 전극을 형성하여 감지체(24)와의 전기적 접촉면적을 크게 할 수 있다는 장점을 갖는다.
본 실시예에 따른 반도체식 가스센서 센서는 (100)결정면을 갖는 실리콘웨이퍼를 사용하여 제작되었으며, 면적이 1mm x 1mm이고 두께가 500㎛가 되도록 하였다. 캐비티(13)는 면적이 500㎛ x 500㎛이고 깊이가 200㎛이며, 감지부(2)는 면적이 200㎛ x 200㎛이고 브릿지(12)는 폭이 30㎛가 되도록 하였다.
또, 제1 절연층(21a)은 0.5㎛ 두께의 질화실리콘을 사용하였고, 제2 절연층(21b)은 0.5㎛ 두께의 산화실리콘을 사용하였다.
또, 백금막의 두께는 0.1㎛이고, 접착개선층으로서 0.02㎛의 Ti를 백금막 상하에 적용하였다.
히터(22), 감지전극(23), 연결선(23b) 및 인출선(23a)의 폭은 10㎛로 동일하게 하였으며, 2개의 감지전극(23) 은 평면적으로 감지부(2)의 중심영역에 70㎛ x 70㎛ 면적내에서 형성하였다.
감지체(24)로서는 팔라듐촉매를 0.5 Wt.%로 분포시킨 10㎛ 두께의 SnO2를 사용하여 형성하였다.
도 8은 본 실시예에 따른 반도체식 가스센서의 감지체저항을 측정하는 전기회로의 일례를 보여준다.
RH1의 저항값을 갖는 히터(22)의 한 지점에 연결선(23b)에 의하여 연결된 감지전극(23)과 RH2의 저항값을 갖는 다른 히터(22)의 한 지점에 또 다른 연결선(23b)에 의하여 연결된 감지전극(23) 사이에는 감지체저항 Rs가 형성되어 있다.
평상시 히터저항 RH2의 한단은 접지되고 다른 한단은 스위치 S2에 의하여 히터(22)전압 VH2에 연결되어 있다. 동시에 히터저항 RH1의 한단은 스위치 S3에 의하여 접지에 연결되고 다른 한단은 스위치 S1에 의하여 히터(22)전압 VH1에 연결되어 있다.
따라서, 평상시 히터저항 RH1 및 RH2에는 각각 히터(22)전압 VH1및 VH1가 인가되어 있으므로 감지체(24)는 특정온도로 가열되어 있다. 한편, 기준저항 RL의 한단에는 기준전압 Vcc가 인가되어 있으며, 스위치 S1은 히터저항 RH1에 VH1대신 기준저항 RL의 다른 한단과도 연결될 수 있도록 또한 동작한다.
감지체저항 Rs를 측정하기 위해서는 감지체(24)의 온도가 거의 변하지 않을 정도의 짧은 시간 동안 스위치 S2 및 S3를 개방하고, 동시에 스위치 S1을 동작시켜 히터저항 RH1을 VH1에서 개방하는 동시에 기준저항 RL에 연결한다.
이러한 동작을 하는 전기회로는 용이하게 구현할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 히터저항 RH1 및 RH1는 수십 ~ 수백 Ω인 반면 감지체저항 Rs는 수십 KΩ 이상으로서 RH1 및 RH1에 비해 매우 크므로 스위치 S2 및 S3가 개방되는 동시에 스위치 S1에 의하여 히터저항 RH1을 기준저항 RL에 연결하는 동안에는 기준저항 RL과 감지체저항 Rs사이의 출력전압 Vout은 다음의 [수학식 4]와 같이 결정된다.
Figure 112017105027221-pat00004
기준전압 Vcc와 기준저항 RL은 상수이므로 결국 측정된 출력전압 Vout으로부터 감지체저항 Rs를 추출할 수 있게 되는 것이다. 출력전압 Vout을 측정한 후에는 스위치 S1, S2 및 S3는 평상시대로 복귀하여 감지체(24)를 계속 가열하게 된다.
결국, 충분한 시간동안 감지체(24)를 가열하는 동작과 감지체(24)의 온도가 변하지 않을 정도의 짧은 시간동안 감지체저항 Rs를 측정하는 동작이 반복하도록 전기회로를 구성하면 주기적으로 감지체저항 Rs를 추출할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에서는 2개의 히터(22)가 동일한 구조로 형성되므로 RH1과 RH2는 동일한 값을 가지며, VH1과 VH2는 역시 동일한 값을 갖는다.
이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.
1 : 실리콘 기판
11 : 패드
12 : 브릿지
13 : 캐비티
2 : 감지부
21a : 제1 절연층
21b : 제2 절연층
21c : 제3 절연층
22 : 히터
23 : 감지전극
23a : 인출선
23b : 연결선
24: 감지체

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 평면적으로 실리콘 기판의 내부에 캐비티가 형성되고, 캐비티 상에서 평면적으로 내부에 감지부가 형성되어 있으며, 복수 개의 브릿지가 실리콘 기판으로부터 감지부를 지지하고, 캐비티 주변의 실리콘 기판 상에는 복수 개의 패드가 형성되는 반도체식 가스센서에 있어서,
    상기 감지부는 제1 절연층과, 상기 제1 절연층의 상면에 배치된 히터 및 2개의 감지전극과, 상기 히터의 상측에 형성된 제2 절연층과, 상기 2개의 감지전극 및 제2 절연층의 상측에 형성된 감지체를 포함하며,
    상기 복수 개의 브릿지는 4개로 구성되고, 상기 패드는 상기 브릿지와 동일한 개수로 구성되며,
    상기 감지부의 제1 절연층 상의 평면적으로 중심영역에 2개의 감지전극이 형성되어 있고,
    상기 감지전극 주변으로는 1개의 히터가 배치되되, 2개의 감지전극 사이를 히터가 통과하도록 배치하며,
    상기 히터의 양단과 2개의 감지전극은 4개로 구성된 브릿지의 각각에 인출선을 통하여 패드에 연결되고,
    상기 히터, 감지전극, 인출선 및 패드는 제1 절연층 상에 형성될 때, 이들의 상부 및 하부에 접착개선층을 포함하는 동일층의 백금막을 포함하여 형성되며,
    상기 패드 및 2개의 감지전극에는 제2 절연층 및 상부의 접착개선층이 제거되어 백금막이 노출되되, 히터 및 인출선 상에는 제2 절연층이 덮여있고,
    상기 감지부의 최상측에 감지체가 형성되어 2개의 감지전극과 전기적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는, 반도체식 가스센서.
  4. 삭제
  5. 평면적으로 실리콘 기판의 내부에 캐비티가 형성되고, 캐비티 상에서 평면적으로 내부에 감지부가 형성되어 있으며, 복수 개의 브릿지가 실리콘 기판으로부터 감지부를 지지하고, 캐비티 주변의 실리콘 기판 상에는 복수 개의 패드가 형성되는 반도체식 가스센서에 있어서,
    상기 감지부는 제1 절연층과, 상기 제1 절연층의 상면에 배치된 히터 및 2개의 감지전극과, 상기 히터의 상측에 형성된 제2 절연층과, 상기 2개의 감지전극 및 제2 절연층의 상측에 형성된 감지체를 포함하며,
    상기 복수 개의 브릿지는 3개로 구성되고, 상기 패드는 브릿지와 동일한 개수로 구성되며,
    상기 감지부의 제1 절연층 상의 평면적으로 중심영역에 2개의 감지전극이 형성되어 있고,
    상기 감지전극 주변으로는 1개의 히터가 배치되되, 2개의 감지전극 중 1개의 감지전극은 연결선에 의하여 히터의 일측에 연결되며,
    상기 히터의 양단과 히터에 연결되지 않은 다른 1개의 감지전극은 인출선을 통하여 패드에 연결되고,
    상기 히터, 감지전극, 인출선, 연결선 및 패드는 제1 절연층 상에 형성될 때, 이들의 상부 및 하부에 접착개선층을 포함하는 동일층의 백금막을 포함하여 형성되며,
    상기 패드, 2개의 감지전극 및 연결선 일부는 제2 절연층 및 상부의 접착개선층이 제거되어 백금막이 노출되되, 히터, 인출선 및 연결선의 나머지 일부 상에는 제2 절연층이 덮여있으며,
    상기 감지부의 최상측에 감지체가 형성되어 2개의 감지전극과 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는, 반도체식 가스센서.
  6. 삭제
  7. 평면적으로 실리콘 기판의 내부에 캐비티가 형성되고, 캐비티 상에서 평면적으로 내부에 감지부가 형성되어 있으며, 복수 개의 브릿지가 실리콘 기판으로부터 감지부를 지지하고, 캐비티 주변의 실리콘 기판 상에는 복수 개의 패드가 형성되는 반도체식 가스센서에 있어서,
    상기 감지부는 제1 절연층과, 상기 제1 절연층의 상면에 배치된 히터 및 2개의 감지전극과, 상기 히터의 상측에 형성된 제2 절연층과, 상기 2개의 감지전극 및 제2 절연층의 상측에 형성된 감지체를 포함하며,
    상기 복수 개의 브릿지는 4개로 구성되되, 동일한 구조를 갖는 동시에 상기 감지부를 중심으로 대칭적으로 배치되고, 상기 패드는 브릿지와 동일한 개수로 구성되며,
    상기 감지부의 제1 절연층 상의 평면적으로 중심영역에 2개의 감지전극이 형성되어 있고,
    상기 감지전극 주변으로는 동일한 구조의 2개의 히터가 배치되되, 상기 2개의 감지전극은 연결선에 의하여 각각 다른 히터의 일측에 연결되며,
    2개의 히터의 각 양단이 4개의 브릿지의 제1 절연층 상에 형성되어 있는 각각의 인출선을 통하여 패드에 연결되고,
    상기 히터, 감지전극, 인출선, 연결선 및 패드는 제1 절연층 상에 형성될 때, 이들의 상부 및 하부에 접착개선층을 포함하는 동일층의 백금막을 포함하여 형성되며,
    상기 패드, 2개의 감지전극 및 연결선 일부는 제2 절연층 및 상부의 접착개선층이 제거되어 백금막이 노출되되, 히터, 인출선 및 연결선의 나머지 일부 상에는 제2 절연층이 덮여있으며,
    상기 감지부의 최상측에 감지체가 형성되어 2개의 감지전극과 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는, 반도체식 가스센서.
  8. 청구항 3, 청구항 5, 청구항 7 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    실리콘기판은 (100)결정면을 가지며,
    캐비티의 면적은 200㎛ x 200㎛ ~ 1mm x 1mm 범위이고 깊이는 100~400㎛ 범위이며,
    감지부의 면적은 100㎛ x 100㎛ ~ 500㎛ x 500㎛ 범위이고,
    제1 절연층은 0.3~2㎛ 범위 두께의 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것으로 이루어진 층이며,
    제2 절연층은 0.1~1㎛범위 두께의 질화실리콘, 산화실리콘 또는 질화실리콘과 산화실리콘이 적층된 것 중 어느 하나의 것으로 이루어진 층이고,
    백금막의 두께는 0.05~0.3㎛ 범위이며,
    접착개선층의 재질은 Ti, Cr, W, Ta, TiO2 및 Al2O3 중에서 선택되고, 두께는 0.01~0.05㎛ 범위이며,
    감지체는 5~20㎛ 범위의 두께를 갖는 금속산화물이 주성분인 것을 특징으로 하는, 반도체식 가스센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007132762A (ja) * 2005-11-09 2007-05-31 Nippon Ceramic Co Ltd ガスセンサの構造
JP2010122106A (ja) 2008-11-20 2010-06-03 Sumitomo Electric Ind Ltd 熱電式ガスセンサ

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100773025B1 (ko) * 2004-02-27 2007-11-05 이엠씨마이크로시스템 주식회사 반도체식 가스센서, 그 구동방법 및 제조방법
EP1950558B1 (en) 2007-01-16 2019-04-03 NGK Spark Plug Co., Ltd. Gas sensor
KR20110066849A (ko) 2009-12-11 2011-06-17 한국전자통신연구원 저전력소모형 반도체 가스 센서
KR102163115B1 (ko) * 2016-04-05 2020-10-07 한국전자기술연구원 브리지형 마이크로 가스센서 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007132762A (ja) * 2005-11-09 2007-05-31 Nippon Ceramic Co Ltd ガスセンサの構造
JP2010122106A (ja) 2008-11-20 2010-06-03 Sumitomo Electric Ind Ltd 熱電式ガスセンサ

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