KR102174005B1 - Transistor-based gas sensor and gas detection method using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 가스 검출 방법에 관한 것으로, 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 게이트에 일정한 전압을 공급하는 전압원과, 상기 트랜지스터의 드레인에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류원을 포함하고, 상기 드레인의 전압을 검출전압으로 출력하도록 구성된다.The present invention relates to a transistor-based gas sensor and a gas detection method using the same, comprising a transistor, a voltage source supplying a constant voltage to a gate of the transistor, and a bias current source supplying a bias current to a drain of the transistor, It is configured to output the voltage of the drain as a detection voltage.

Description

트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 가스 검출 방법{Transistor-based gas sensor and gas detection method using the same}Transistor-based gas sensor and gas detection method using the same}

본 발명은 트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 검출 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스 농도에 따른 문턱 전압의 변화를 드레인 전압의 변화를 통해 검출하는 트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 가스 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transistor-based gas sensor and a detection method using the same, and more particularly, to a transistor-based gas sensor for detecting a change in a threshold voltage according to a gas concentration through a change in a drain voltage, and a gas detection method using the same. .

일반적으로 트랜지스터 기반 가스센서는 게이트 물질과 가스의 반응으로 문턱전압이 변화되는 정도를 드레인 전류 감지를 통해 판단한다. 즉, 드레인 전류의 변화 정도를 가스 농도로 판단한다.In general, a transistor-based gas sensor determines the degree to which a threshold voltage changes due to a reaction between a gate material and a gas through drain current detection. That is, the degree of change in the drain current is determined as the gas concentration.

예를 들어, 수소 분자는 Pt 게이트와 반응해 문턱전압을 낮추며, 따라서 고정된 전압 조건에서 드레인 전류는 증가하게 된다.For example, hydrogen molecules react with the Pt gate to lower the threshold voltage, thus increasing the drain current under a fixed voltage condition.

종래 트랜지스터 기반 가스센서의 구조는 매우 다양하지만, 공개특허 10-2018-0048417호(가스감지센서, 2018년 5월 10일 공개)의 [0046]문단에 기재된 바와 같이 가스감지센서의 게이트 전압의 스위핑 범위를 정하고, 양자점층과 이산화 탄소 가스 간의 에너지 공명으로 인한 드레인 전류-게이트 전압 특성 곡선에서 드레인 전류의 변동을 통해 가스를 감지하는 방식을 사용하고 있다.Although the structure of the conventional transistor-based gas sensor is very diverse, sweeping of the gate voltage of the gas detection sensor as described in paragraph [0046] of Korean Patent Publication No. 10-2018-0048417 (gas detection sensor, published May 10, 2018) A method of detecting the gas through the fluctuation of the drain current in the drain current-gate voltage characteristic curve due to the energy resonance between the quantum dot layer and the carbon dioxide gas is used.

공기 중에서의 전류와 가스노출로 인해 증가된 전류의 비를 감도(sensitivity)라고 하며 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.The ratio of the current in the air and the current increased due to gas exposure is called sensitivity, and can be expressed by Equation 1 below.

(수학식1)(Equation 1)

sensitivity = (ID(가스)-ID(공기))/ID(가스)sensitivity = (I D (gas)-I D (air))/I D (gas)

감도는 가스 농도가 높아짐에 따라 증가하고, 게이트 전압에 민감하게 변화되는 것을 도 1의 (a)와 (b)에 도시한 게이트 전압에 대한 드레인 전류의 그래프 및 게이트 전압에 대한 감도 그래프를 통해 확인할 수 있다.The sensitivity increases as the gas concentration increases, and it is confirmed through the graph of the drain current for the gate voltage and the sensitivity graph for the gate voltage shown in (a) and (b) of FIG. I can.

도 1의 (a)는 1% 농도의 수소에 20초간 노출시켰을 때 트랜스퍼 특성과 감도를 나타내며, 도 1의 (b)는 4% 농도의 수소에 20초간 노출시켰을 때 트랜스퍼 특성 및 감도를 나타낸다.Figure 1 (a) shows the transfer characteristics and sensitivity when exposed to 1% concentration of hydrogen for 20 seconds, Figure 1 (b) shows the transfer characteristics and sensitivity when exposed to 4% concentration of hydrogen for 20 seconds.

도 1을 참조하면 감도가 최대가 되는 게이트 전압은 가스의 농도에 따라 변경되기 때문에 검출하려는 가스의 농도 범위에 따라 게이트 전압을 결정해야 한다.Referring to FIG. 1, since the gate voltage at which the sensitivity is maximized is changed according to the concentration of the gas, the gate voltage must be determined according to the concentration range of the gas to be detected.

따라서 앞서 설명한 바와 같이 종래 트랜지스터 기반 가스센서는 게이트 전압의 스위핑 범위를 정하고, 해당 범위에서 게이트 전압을 조정하면서 가스의 농도 범위에 따른 최고의 감도를 찾아야 한다.Therefore, as described above, in the conventional transistor-based gas sensor, the sweeping range of the gate voltage is determined, and the highest sensitivity according to the concentration range of the gas must be found while adjusting the gate voltage within that range.

한 번 정해진 게이트 전압을 계속 사용할 수 있는 것은 아니며, 가스 농도가 변화되면 감도 역시 낮아지기 때문에 가스 농도의 변화에 따라 게이트 전압을 재조정해야 한다.Once the specified gate voltage can not be used continuously, the sensitivity also decreases when the gas concentration changes, so the gate voltage must be readjusted according to the change in the gas concentration.

따라서 종래 트랜지스터 기반 가스센서는 검출 가능한 가스 농도의 범위가 제한적이며, 넓은 측정 범위를 위해서는 게이트 전압을 변경하면서 측정해야 하는 불편함이 있었다.Therefore, the conventional transistor-based gas sensor has a limited range of detectable gas concentrations, and for a wide measurement range, it is inconvenient to measure while changing the gate voltage.

게이트 전압의 변경을 위해서 전압 변경을 위한 추가적인 회로 구성이 요구되어 센서 회로가 복잡해지며, 종래의 전류 검출 방식은 검출된 전류를 다시 전압으로 변환하는 변환회로가 추가적으로 요구되어 센서 회로의 구성이 더욱 복잡하게 되는 문제점이 있었다.In order to change the gate voltage, an additional circuit configuration for voltage change is required, which complicates the sensor circuit, and the conventional current detection method additionally requires a conversion circuit that converts the detected current back to voltage, making the configuration of the sensor circuit more complex. There was a problem to be done.

아울러 종래와 같이 드레인 전류를 검출하는 센싱 방법은 가스의 유무 판단에는 적합하지만, 전류가 가스 농도에 선형적으로 변화되지 않기 때문에 가스 농도를 결정하기 어려운 문제점이 있었다.In addition, the conventional sensing method for detecting the drain current is suitable for determining the presence or absence of gas, but there is a problem in determining the gas concentration because the current does not change linearly with the gas concentration.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 게이트 전압을 변경하지 않고도 넓은 농도범위의 가스를 검출할 수 있는 트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 가스 검출 방법을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a transistor-based gas sensor capable of detecting a gas in a wide concentration range without changing a gate voltage, and a gas detection method using the same.

또한, 본 발명의 다른 과제는, 게이트 전압을 고정하여 사용함으로써, 게이트 전압의 조정을 위한 부가 회로를 사용하지 않아 구성이 단순한 트랜지스터 기반 가스센서를 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a transistor-based gas sensor having a simple configuration without using an additional circuit for adjusting the gate voltage by using a fixed gate voltage.

또한, 가스농도에 따라 선형의 변화를 가지는 요소를 검출하여, 검출된 가스 농도를 용이하고 정확하게 판정할 수 있는 트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 가스 검출 방법을 제공함에 있다.In addition, it is to provide a transistor-based gas sensor capable of easily and accurately determining the detected gas concentration by detecting an element having a linear change according to the gas concentration, and a gas detection method using the same.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 트랜지스터 기반 가스센서는, 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 게이트에 일정한 전압을 공급하는 전압원과, 상기 트랜지스터의 드레인에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류원을 포함하고, 상기 드레인의 전압을 검출전압으로 출력하도록 구성된다.A transistor-based gas sensor according to an aspect of the present invention for solving the above problems includes a transistor, a voltage source supplying a constant voltage to a gate of the transistor, and a bias current source supplying a bias current to a drain of the transistor. And outputting the voltage of the drain as a detection voltage.

본 발명의 실시예에서, 상기 트랜지스터는, 고전자 이동도 트랜지스터일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the transistor may be a high electron mobility transistor.

본 발명의 실시예에서, 상기 전압원은, 상기 트랜지스터의 소스와 접지 사이에 위치하는 저항과, 상기 트랜지스터의 게이트가 접지된 구조인 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the voltage source may have a structure in which a resistor positioned between a source and a ground of the transistor and a gate of the transistor are grounded.

본 발명의 실시예에서, 상기 트랜지스터, 전압원 및 전류원을 포함하는 회로를 한 쌍으로 구성하고, 한 쌍의 회로 중 일측을 가스에 노출되는 접촉부, 한 쌍의 회로 중 다른 일측을 가스에 노출되지 않는 비접촉부로 하여, 비접촉부에 대한 접촉부의 드레인 전압 변화를 검출전압으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a circuit including the transistor, a voltage source, and a current source is configured as a pair, one of the pair of circuits is exposed to gas, and the other of the pair of circuits is not exposed to gas. By making the non-contact part, the change in the drain voltage of the contact part with respect to the non-contact part can be used as the detection voltage.

본 발명의 다른 측면에 따른 트랜지스터 기반 가스센서를 이용한 가스 검출 방법은, 트랜지스터 기반 가스센서를 이용하여 가스를 검출하는 방법에 있어서, 상기 트랜지스터의 게이트 전압과 상기 트랜지스터의 드레인 전류를 일정하게 유지한 상태에서, 가스의 농도에 따른 상기 트랜지스터의 문턱전압 변화를 상기 트랜지스터의 드레인 전압을 이용하여 검출할 수 있다.A gas detection method using a transistor-based gas sensor according to another aspect of the present invention is a method of detecting gas using a transistor-based gas sensor, wherein the gate voltage of the transistor and the drain current of the transistor are kept constant. Here, a change in the threshold voltage of the transistor according to the gas concentration may be detected using the drain voltage of the transistor.

본 발명의 실시예에서, 상기 문턱전압의 변화는 트랜지스터의 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)에 의해 드레인 전압의 변화로 나타나는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the change in the threshold voltage may be caused by a change in the drain voltage due to drain induced barrier lowering (DIBL) of the transistor.

본 발명의 실시예에서, 문턱전압이 감소할 때, 상기 드레인 전압은 증가하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the threshold voltage decreases, the drain voltage may increase.

본 발명은 게이트 전압과 드레인 전류를 고정한 상태에서, 드레인 전압의 변화를 검출하여 가스 농도에 따른 문턱 전압의 변화를 측정할 수 있어, 게이트 전압의 변경 없이도 넓은 농도 범위의 센싱이 가능한 효과가 있다.The present invention can measure a change in a threshold voltage according to a gas concentration by detecting a change in a drain voltage in a state in which the gate voltage and the drain current are fixed, thereby enabling sensing of a wide concentration range without changing the gate voltage.

또한, 본 발명은 게이트 전압의 스위핑을 위한 추가적인 회로를 사용하지 않으며, 전압을 직접 검출하기 때문에 종래와 같이 검출된 전류를 전압으로 변환하는 변환회로를 생략할 수 있어 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention does not use an additional circuit for sweeping the gate voltage, and since it directly detects the voltage, it is possible to omit the conversion circuit for converting the detected current into a voltage as in the prior art, thereby simplifying the structure. have.

아울러, 본 발명은 드레인 전압을 검출하여 문턱전압을 유추할 수 있으며, 이러한 변화는 선형의 변화를 나타내는 것으로 가스 농도를 더 용이하고 정확하게 판정할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the threshold voltage can be inferred by detecting the drain voltage, and this change represents a linear change, and thus the gas concentration can be more easily and accurately determined.

도 1은 종래 트랜지스터 기반 가스센서의 트랜스퍼 특성 및 감도 특성 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜지스터 기반 가스센서의 회로도이다.
도 3은 드레인 전압과 문턱 전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 바이어스 전류원(30)을 가변에 따른 검출전압(VOUT)의 특성 그래프이다.
도 5는 1%농도의 수소와 4%농도의 수소를 검출한 본 발명의 드레인 전압, 즉 검출전압(VOUT)의 비교 그래프이다.
도 6은 본 발명을 이용한 구체적인 가스 센서 회로의 일실시 회로도이다.1 is a graph of transfer characteristics and sensitivity characteristics of a conventional transistor-based gas sensor.
2 is a circuit diagram of a transistor-based gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a graph for explaining changes in drain voltage and threshold voltage.
4 is a graph of the characteristics of the detection voltage VOUT according to the bias current source 30 being varied.
5 is a comparison graph of the drain voltage of the present invention, that is, the detection voltage VOUT, in which hydrogen at a concentration of 1% and hydrogen at a concentration of 4% are detected.
6 is a circuit diagram of a specific gas sensor circuit using the present invention.

이하, 본 발명 트랜지스터 기반 가스센서 및 이를 이용한 가스 검출 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a transistor-based gas sensor and a gas detection method using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art, and the embodiments described below may be modified in various other forms, and The scope is not limited to the following embodiments. Rather, these embodiments are provided to make the present invention more faithful and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　The terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates another case. Also, as used herein, "comprise" and/or "comprising" specify the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and/or groups thereof. And does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, actions, members, elements and/or groups. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the corresponding listed items.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.In the present specification, terms such as first and second are used to describe various members, regions and/or parts, but it is obvious that these members, parts, regions, layers and/or parts are not limited by these terms. . These terms do not imply any particular order, top or bottom, or superiority, and are only used to distinguish one member, region or region from another member, region or region. Accordingly, the first member, region, or region to be described below may refer to the second member, region, or region without departing from the teachings of the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing embodiments of the present invention. In the drawings, for example, depending on manufacturing techniques and/or tolerances, variations of the illustrated shape can be expected. Accordingly, the embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in the present specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜지스터 기반 가스센서의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a transistor-based gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜지스터 기반 가스센서는, 트랜지스터(10)와, 상기 트랜지스터(10)의 게이트에 일정한 게이트 전압을 제공하는 전압원(20)과, 상기 트랜지스터(10)의 드레인에 일정한 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원(30)을 포함하고, 상기 드레인의 전압을 검출전압(VOUT)으로 하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2, a transistor-based gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention includes a transistor 10, a voltage source 20 providing a constant gate voltage to a gate of the transistor 10, and the transistor 10. And a bias current source 30 providing a constant bias current to a drain of the drain, and the voltage of the drain is a detection voltage VOUT.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트랜지스터 기반 가스센서의 구성과 작용에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the transistor-based gas sensor according to a preferred embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail.

트랜지스터 기반 가스센서는 정확한 가스 농도를 측정하기 위해서 가스 농도에 선형적으로 변화하는 요소인 문턱전압의 변화를 직접 측정하는 것이 바람직하다.In the transistor-based gas sensor, it is desirable to directly measure the change in threshold voltage, which is a factor that changes linearly in gas concentration in order to accurately measure gas concentration.

본 발명에서는 트랜지스터(10)의 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering) 현상을 이용하여 문턱전압의 변화를 드레인 전압의 변화로부터 유추하고, 이를 기반으로 가스 농도를 검출하는 구성이다.In the present invention, a change in a threshold voltage is inferred from a change in a drain voltage by using a drain induced barrier lowering (DIBL) phenomenon of the transistor 10, and a gas concentration is detected based on this.

이를 위하여 상기 트랜지스터(10)의 소스(12)를 접지하고, 소스(12)와 게이트(11)의 사이에 전압원(20)을 연결한다.To this end, the source 12 of the transistor 10 is grounded, and a voltage source 20 is connected between the source 12 and the gate 11.

또한, 드레인(13)에는 바이어스 전류원(30)을 부가하고, 드레인(13) 전압을 검출전압(VOUT)으로서 출력하도록 회로를 구성한다.Further, a bias current source 30 is added to the drain 13, and a circuit is configured to output the voltage of the drain 13 as the detection voltage VOUT.

상기 트랜지스터(10)는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that the transistor 10 uses a high electron mobility transistor (HEMT).

도 3은 드레인 전압과 문턱 전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph for explaining changes in drain voltage and threshold voltage.

도 3을 참조하면, HEMT인 트랜지스터(10)의 DIBL 특성에 따라 드레인 전압이 1V 증가할 때 문턱전압이 1V 감소하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the threshold voltage decreases by 1V when the drain voltage increases by 1V according to the DIBL characteristics of the transistor 10 which is an HEMT.

또한, 트랜지스터(10)의 트랜스퍼 특정은 수소 농도가 증가할수록 좌측 이동(left-shift)되며, 드레인 전압이 감소할수록 우측 이동(right-shift)되는 특성을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the transfer specification of the transistor 10 shifts left as the hydrogen concentration increases, and moves right-shift as the drain voltage decreases.

따라서 전압원(20)과 바이어스 전류원(30)을 이용하여 게이트 전압과 드레인 전류를 고정하면, 가스 검출에 의해 문턱전압이 높아지고, 문턱전압의 증가에 따른 트랜스퍼 특성의 변화는 좌측 이동으로 나타나며, 이때 드레인 전압인 검출전압(VOUT)은 감소하게 된다. Therefore, if the gate voltage and the drain current are fixed using the voltage source 20 and the bias current source 30, the threshold voltage increases due to gas detection, and the change in the transfer characteristic according to the increase of the threshold voltage appears as a left shift. The detection voltage VOUT, which is a voltage, decreases.

가스 농도에 따라 상기 검출전압(VOUT)의 감소 정도가 변화하게 되며, 이는 선형의 변화를 나타내기 때문에 가스 농도의 검출이 용이하게 된다.The degree of reduction of the detection voltage VOUT varies according to the gas concentration, and since this indicates a linear change, the gas concentration can be easily detected.

도 4는 바이어스 전류원(30)을 가변에 따른 검출전압(VOUT)의 특성 그래프이다.4 is a graph of the characteristics of the detection voltage VOUT according to the bias current source 30 being varied.

도 4의 (a)에는 본 발명의 전압원(20)을 -5.6V로 고정한 상태에서, 바이어스 전류원(30)의 전류를 각각 10㎂와 100㎂로 고정한 상태에서 드래인 전압(Drain voltage)인 검출전압(VOUT)의 변화를 나타내었다. 이때 가스는 수소가스이며 농도는 1% 농도에 노출시켰다.In Figure 4 (a), when the voltage source 20 of the present invention is fixed at -5.6V, the current of the bias current source 30 is fixed at 10 ㎂ and 100 ㎂, respectively, and the drain voltage is detected. It shows the change of voltage (VOUT). At this time, the gas was hydrogen gas and the concentration was exposed to 1% concentration.

도 4의 (b)에는 (a)와 동일 조건에서 수소 농도만 4%로 변화시켰을 때의 검출전압(VOUT)의 그래프이다.4B is a graph of the detection voltage VOUT when only the hydrogen concentration is changed to 4% under the same conditions as in (a).

도 4를 참조하면, 드레인(13)의 바이어스 전류원(30)의 바이어스 전류인 드레인 전류를 10㎂에서 100㎂로 변경한 상태에서, 드레인(13)의 전압인 검출전압(VOUT)의 변화량은 거의 차이 없음을 확인할 수 있다.4, in a state in which the drain current, which is the bias current of the bias current source 30 of the drain 13, is changed from 10 µA to 100 µA, the amount of change in the detection voltage VOUT, which is the voltage of the drain 13, is almost It can be seen that there is no difference.

도 4의 (a)에서 확인할 수 있는 것처럼 수소 1% 농도에서는 드레인 전류를 10㎂와 100㎂로 각각 고정한 상태에서 드레인 전압은 0.06V 감소한다.As can be seen in (a) of FIG. 4, at a concentration of 1% hydrogen, the drain voltage decreases by 0.06V while the drain current is fixed at 10 ㎂ and 100 ㎂, respectively.

또한, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 수소 4% 농도에서는 드레인 전류를 각각 10㎂와 100㎂로 고정한 상태에서 드레인 전압은 0.2V 감소하는 것을 확인할 수 있다. In addition, as shown in (b) of FIG. 4, it can be seen that at the concentration of 4% hydrogen, the drain voltage decreases by 0.2V while the drain current is fixed at 10 µA and 100 µA, respectively.

따라서 바이어스 전류원(30)의 바이어스 전류인 드레인 전류는 그 값을 필요에 따라 다양하게 적용하여 사용할 수 있다.Therefore, the drain current, which is the bias current of the bias current source 30, can be used by applying its value in various ways as necessary.

도 5는 1%농도의 수소와 4%농도의 수소를 검출한 본 발명의 드레인 전압, 즉 검출전압(VOUT)의 비교 그래프이다.5 is a comparison graph of a drain voltage of the present invention, that is, a detection voltage VOUT, in which hydrogen at a concentration of 1% and hydrogen at a concentration of 4% are detected.

도 5를 통해 수소의 농도가 높을수록 검출전압(VOUT)의 변화량이 더 큰 것을 알 수 있으며, 따라서 수소의 농도 검출이 가능하게 된다.5, it can be seen that the higher the concentration of hydrogen, the larger the amount of change in the detection voltage VOUT is, and thus, the concentration of hydrogen can be detected.

이처럼 본 발명은 가스의 농도에 따른 문턱전압의 변화를 드레인 전압의 변화를 통해 검출함으로써, 더 넓은 범위의 다이나믹 레인지를 갖으며, 안정성이 높은 검출 방법을 제공할 수 있다.As described above, the present invention detects a change in a threshold voltage according to a gas concentration through a change in a drain voltage, thereby providing a detection method having a wider dynamic range and high stability.

도 6은 본 발명을 이용한 구체적인 가스 센서 회로의 일실시 회로도이다.6 is a circuit diagram of a specific gas sensor circuit using the present invention.

도 6을 참조하면, 접촉부(100)와 비접촉부(200)를 앞서 설명한 본 발명의 트랜지스터 기반 가스센서의 구조로 구성하고, 비접촉부(200)에 대한 접촉부(100)의 출력전압(VOUT)을 비교 출력하도록 함으로써, 노이즈를 제거할 수 있다.6, the contact portion 100 and the non-contact portion 200 are configured in the structure of the transistor-based gas sensor of the present invention described above, and the output voltage VOUT of the contact portion 100 to the non-contact portion 200 is By making comparison output, noise can be removed.

상기 접촉부(100)의 트랜지스터(10)는 가스에 노출되어, 가스의 농도에 따라 문턱전압이 변경되는 것이고, 비접촉부(200)의 트랜지스터는 가스에 노출되지 않아 일정한 문턱전압을 갖는 것으로 한다.The transistor 10 of the contact portion 100 is exposed to gas and the threshold voltage is changed according to the concentration of the gas, and the transistor of the non-contact portion 200 is not exposed to gas and thus has a constant threshold voltage.

접촉부(100)와 비접촉부(200) 각각의 구성에서 전압원을 사용하지 않고, 저항(R)을 이용하여 트랜지스터(10)의 게이트와 소스 사이에 전압차를 제공할 수 있다. In each configuration of the contact portion 100 and the non-contact portion 200, a voltage difference may be provided between the gate and the source of the transistor 10 by using the resistor R without using a voltage source.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It is apparent to those of ordinary skill in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified and modified within the scope of the technical gist of the present invention. will be.

10:트랜지스터 20:전압원
30:바이어스 전류원10: transistor 20: voltage source
30: bias current source

Claims (7)

트랜지스터;
상기 트랜지스터의 게이트에 일정한 전압을 공급하는 전압원; 및
상기 트랜지스터의 드레인에 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류원을 포함하고,
상기 드레인의 전압을 검출전압으로 출력하되,
상기 바이어스 전류원의 드레인 전류를 가변하여 드레인 전압 검출 특성을 조정하고,
상기 드레인 전압은 상기 트랜지스터의 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)에 의해 문턱전압의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 기반 가스센서.transistor;
A voltage source supplying a constant voltage to the gate of the transistor; And
And a bias current source supplying a bias current to a drain of the transistor,
Outputting the voltage of the drain as a detection voltage,
Variable drain current of the bias current source to adjust the drain voltage detection characteristic,
The drain voltage is a transistor-based gas sensor, characterized in that for detecting a change in the threshold voltage by DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) of the transistor. 제1항에 있어서,
상기 트랜지스터는,
고전자 이동도 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 기반 가스센서.The method of claim 1,
The transistor,
Transistor-based gas sensor, characterized in that the high electron mobility transistor. 제1항에 있어서,
상기 전압원은,
상기 트랜지스터의 소스와 접지 사이에 위치하는 저항과, 상기 트랜지스터의 게이트가 접지된 구조인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 기반 가스센서.The method of claim 1,
The voltage source is,
A transistor-based gas sensor having a structure in which a resistance positioned between a source and a ground of the transistor and a gate of the transistor are grounded. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터, 전압원 및 전류원을 포함하는 회로를 한 쌍으로 구성하고,
한 쌍의 회로 중 일측을 가스에 노출되는 접촉부, 한 쌍의 회로 중 다른 일측을 가스에 노출되지 않는 비접촉부로 하여,
비접촉부에 대한 접촉부의 드레인 전압 변화를 검출전압으로 하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 기반 가스센서.The method according to any one of claims 1 to 3,
A circuit including the transistor, a voltage source and a current source is configured as a pair,
One side of the pair of circuits is a contact part exposed to gas, and the other side of the pair of circuits is a non-contact part not exposed to gas,
Transistor-based gas sensor, characterized in that the change in the drain voltage of the contact portion to the non-contact portion as a detection voltage. 트랜지스터 기반 가스센서를 이용하여 가스를 검출하는 방법에 있어서,
상기 트랜지스터의 게이트 전압과 상기 트랜지스터의 드레인 전류를 일정하게 유지한 상태에서,
가스의 농도에 따른 상기 트랜지스터의 문턱전압 변화를 상기 트랜지스터의 드레인 전압을 이용하여 검출하되,
바이어스 전류원의 드레인 전류를 가변하여 드레인 전압 검출 특성을 조정하고,
상기 드레인 전압은 상기 트랜지스터의 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)에 의해 문턱전압의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.In a method for detecting gas using a transistor-based gas sensor,
In a state where the gate voltage of the transistor and the drain current of the transistor are kept constant,
A change in the threshold voltage of the transistor according to the concentration of gas is detected using the drain voltage of the transistor,
By varying the drain current of the bias current source to adjust the drain voltage detection characteristic,
The drain voltage is a gas detection method, characterized in that for detecting a change in the threshold voltage by DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) of the transistor. 삭제delete 제5항에 있어서,
문턱전압이 감소할 때, 상기 드레인 전압은 증가하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.The method of claim 5,
When the threshold voltage decreases, the drain voltage increases.
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