KR102325436B1 - 가스 감지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 센서는 하나 이상의 게이트 전극을 포함하는 FET 소자; 복수의 센서를 포함하고, 상기 각 센서의 제1 전극은 상기 FET 소자의 복수의 게이트 전극 중 적어도 하나의 게이트 전극과 연결되는 센서 어레이부; 및 상기 FET 소자의 상기 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 이용하여 가스를 감지하는 제어부를 포함하고, 상기 각 센서는, 상기 FET 소자의 게이트 전극과 연결되는 제1 전극; 상기 제어부에 의해 제어되는 스위치를 통해 구동 전압을 인가받는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 감지막을 포함한다.

Description

가스 감지 센서{Gas Sensor}
본 발명은 가스 감지 센서에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)를 이용하여 공기 중의 가스를 검출하는 가스 감지 센서에 관한 발명이다.
최근 환경 문제의 원인이 되고 있는 유해 가스들을 비롯한 여러 가지 가스들을 감지하기 위해서 다양한 구조의 가스 센서가 개발되고 있다. 그 종류로는 대표적으로 반도체를 감지 물질로 갖는 저항형 가스 센서, 적외선을 이용한 가스 센서, 광학식 가스 센서 그리고 FET형 가스 센서가 있으며, 그 중에서 특히 소형화가 가능하고, 저전력으로 구동이 가능하며, 저잡음 증폭 회로와 같은 CMOS 회로와의 융합이 가능한 FET 소자를 이용한 가스 감지 센서에 대한 연구가 점차 증가하고 있다.
일반적으로 FET 소자를 이용한 가스 감지 센서는 기판 상부에 플로팅 게이트(Floating Gate)를 배치하고 측면에는 제어 게이트를 배치하여, 플로팅 게이트와 제어 게이트 상부를 동시에 덮는 가스 감지막 구조로 이루어진다.
이러한 경우, 가스 감지막을 FET 소자의 게이트 전극의 측면에 접촉하도록 배치해야하는 구조적 한계로 인하여, 여러 가지 가스를 검출할 수 있는 가스 감지막으로 구성된 센서 어레이를 제작하기 어려운 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하나의 FET 소자와 센서 어레이를 포함한 가스 감지 센서를 통해 공기 중의 가스를 검출하는 가스 감지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 센서는 하나 이상의 게이트 전극을 포함하는 FET 소자; 복수의 센서를 포함하고, 상기 각 센서의 제1 전극은 상기 FET 소자의 복수의 게이트 전극 중 적어도 하나의 게이트 전극과 연결되는 센서 어레이부; 및 상기 FET 소자의 상기 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 이용하여 가스를 감지하는 제어부를 포함하고, 상기 각 센서는, 상기 FET 소자의 게이트 전극과 연결되는 제1 전극; 상기 제어부에 의해 제어되는 스위치를 통해 구동 전압을 인가받는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 감지막을 포함한다.
또한, 상기 FET 소자는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함하고, 상기 제1 게이트 전극은 상기 드레인-소스 간 전류를 초기값으로 설정하는 기준 전압이 인가되고, 상기 제2 게이트 전극은 상기 각 센서의 제1 전극에 연결될 수 있다.
또한, 상기 FET 소자는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함하고, 상기 제1 게이트 전극은 상기 복수의 센서 중 적어도 하나의 제1 전극에 연결되고, 상기 제2 게이트 전극은 상기 복수의 센서 중 나머지의 제1 전극에 연결될 수 있다.
또한, 상기 FET 소자는 드레인 전극을 포함하고, 상기 드레인 전극은 OP-amp의 입력단에 연결되고, 상기 OP-amp의 출력단은 제어부에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 구동 전압이 상기 각 센서의 제2 전극에 순차적으로 인가되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
또한, 상기 각 센서의 감지막은 다른 센서의 감지막과 서로 다른 종류의 감지막일 수 있다.
또한, 상기 센서 어레이부는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서는 하나의 FET 소자; 복수의 센서를 포함하고, 상기 각 센서의 제1 전극은 상기 FET 소자의 게이트 전극에 연결되는 센서 어레이부; 상기 FET 소자의 상기 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 이용하여 가스를 감지하는 제어부를 포함하고, 상기 각 센서는, 상기 FET 소자의 게이트 전극과 연결되는 제1 전극; 상기 제어부에 의해 제어되는 스위치를 통해 구동 전압을 인가받는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 감지막을 포함한다.
또한, 상기 FET 소자는 드레인 전극을 포함하고, 상기 드레인 전극은 OP-amp의 입력단에 연결되고, 상기 OP-amp의 출력단은 제어부에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 구동 전압이 상기 각 센서의 제2 전극에 순차적으로 인가되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 가스 감지 방법은, 센서 어레이부를 구성하는 복수의 센서 중 하나의 센서에 구동 전압을 인가하는 단계; 상기 복수의 센서와 연결된 FET 소자의 제1 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 검출하는 단계; 및 상기 드레인-소스 간 전류의 변화를 이용하여 가스를 감지하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 각 센서는 서로 다른 종류의 감지막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 센서는 하나의 FET 소자를 활용하기 때문에 가스 센서 어레이의 신호 처리 및 해석이 간단하다.
또한, 센서를 별도의 기판에 집적하는 구조이므로 센서의 제작과 양산이 용이하고, 균일한 특성의 가스 센서 어레이 제작을 저렴하고 간단하게 할 수 있다.
또한, 가스 센서 어레이는 복수의 센서를 포함하고, 각 센서는 다양한 가스를 검출하도록 다양한 변형을 통해 제작될 수 있으므로 검출 가스의 선택비를 높일 수 있다.
또한, 하나의 FET 소자를 이용하여 커패시터 변화를 읽는 구조이므로 기존의 금속산화물 소재 기반의 가스 센서의 문제점인 센서별 편차 혹은 드리프트(drift) 특성 등에 대한 단점을 개선할 수 있다.
또한, Nano FET 소자는 나노 채널의 상, 하부에 두 개의 게이트 전극이 있으므로, 두 개의 게이트 전극 모두 센서에 연결하여 사용하여 가스 검출의 효율을 높일 수 있고, 둘 중 하나의 게이트 전극을 센서에 연결하고 나머지 하나의 게이트 전극에 기준 전압을 인가할 수 있으므로 나노 채널의 초기 동작 지점을 자유롭게 조절할 수 있다.
또한, 가스 센서 어레이부와 FET 소자는 분리되어 형성되므로, 가스 센서 어레이부의 기판만을 가열하여 가스 분자의 흡착이 효율적으로 이루어질 수 있도록 할 수 있고, 가스 반응 온도와 FET 소자 온도를 분리할 수 있어 온도에 따른 반도체 소자의 드리프트(drift) 특성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 평면도 및 정면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서의 정면도이다.
도 3 및 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 센서의 등가 회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 센서를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어레이부(10)의 센서를 나타낸 평면도 및 정면도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어레이부(10)의 센서를 나타낸 정면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어레이부(10)는 복수의 센서를 포함하고, PCB 기판(15), 히터(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 각 센서는 기판(11), 제1 전극(12), 제2 전극(13), 감지막(14)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 센서는 기판(11) 상부에 제1 전극(12)과 제2 전극(13)이 소정 간격(d)으로 이격되어 배치되고, 감지막(14)이 제1 전극(12)과 제2 전극(13) 사이에 배치되되 제1 전극(12)과 제2 전극(13)의 상부에 일부 걸쳐져 형성될 수 있다.
상기 기판(11)은 실리콘 기판일 수 있다. 기판(11)을 기반으로 하는 센서 어레이는 대중적으로 이용되는 웨이퍼(wafer)를 이용함으로써, 다른 구성과 효율적으로 결합이 가능하며, 대량 생산에 용이하고 공정이 단순한 장점이 있다.
제1 전극(12) 및 제2 전극(13)은 서로 다른 물질로 형성될 수 있고, 동일한 물질로 형성될 수도 있다. 제1 전극(12)은 게이트 전극(25)과 연결되고, 제2 전극(13)은 스위치(16)를 통해 구동 전압(Vrf)이 인가될 수 있다.
감지막(14)은 가스 분자가 흡착되어 감지막(14)의 산화물과 화학적 반응이 일어날 수 있다. 따라서, 감지막(14)은 가스 분자가 감지막(14)에 효율적으로 흡착될 수 있도록 여러 가지 종류의 금속 산화물이 포함될 수 있고, 촉매 재료가 혼합된 혼합물이거나 나노 입자가 분산된 구조일 수 있다. 또한, 감지막(14)은 박막 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 각 센서는 감지막(14)과 기판(11) 사이에 절연체층(17)을 더 포함할 수 있다. 감지막(14)이 금속 소재로 된 경우 센서를 커패시터 구조로 형성하기 위해 부도체 특성이 큰 금속 산화물이 절연체(insulator)로 이용될 수 있다. 예를 들어, 수소(Hydrogen)를 감지하는 센서의 경우 감지막(14)은 팔라듐(Pd)으로 형성되고, 절연체층(17)는 탄탈륨옥사이드(TaO2)로 형성되어, 감지막(14)과 절연체층(17)는 박막 다층 구조로 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 4은 본 발명의 실시예에 따른 가스 감지ㄹ 센서(100)의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
가스 감지 센서(100)의 전체 동작 원리에 따르면, 도 3와 같은 등가 회로로 표현될 수 있다. 도 3를 참조하면, 센서는 감지막(14)에 흡착되는 가스분자에 의해 커패시턴스가 가변하는 제1 커패시터(Cn)으로 표현될 수 있고, FET 소자(20)는 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00001
)로 표현될 수 있다.
구체적으로, 제1 커패시터(Cn)와 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00002
)는 직렬 연결되고, 제1 커패시터(Cn) 일단에 구동 전압(Vrf)이 인가되고, 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00003
)의 일단에는 소스 전압(Vs)이 0[V]로 그라운드에 접지되며, 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00004
)에 걸리는 전압은 게이트 전극(21)에 인가되는 게이트 전압(Vg)이다.
감지막(14)에 가스 분자가 흡착이 되면 금속 산화물 계열의 감지막(14)의 물리적, 전기적 특성 변화가 유발되고, 이에 따라 제1 전극(12) 및 제2 전극(13) 사이의 커패시턴스(capacitance) 변화가 일어난다. 즉, 제1 커패시터(Cn)의 커패시턴스의 변화가 일어난다.
제1 커패시터(Cn)의 커패시턴스가 변화하면 외부에서 인가되는 구동 전압(Vrf)이 아래의 수학식1 및 2와 같은 관계에 따라 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00005
)에 전압 분배가 된다. 이에 따라 가스 검출은 게이트 전압(Vg)의 변화에 의한 드레인-소스간 전류(Ids)의 변화를 제어부(30)가 분석하는 방법으로 이루어진다. 아래의 수학식에서 Vrf는 외부에서 인가되는 구동 전압을 의미하고, Vn은 제1 커패시터(Cn)에 분배되는 전압을 의미하고, Vg는 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00006
)에 분배되는 전압을 의미할 수 있고 또는, 게이트 전극(21)에 인가되는 전압을 의미할 수 있다.
<수학식 1>
Vrf=Vn+Vg
<수학식 2>
CnVn=
Figure 112020017282220-pat00007
Vg
이때, 제1 커패시터(Cn)의 커패시턴스는 가스 분자의 흡착에 의해 변화율이 높은 것이 바람직하며, 구동 전압(Vrf)이 각 커패시터로 분배되는 전압의 분배비 변화가 클수록 가스 검출의 감도가 우수한 것이므로 초기의 센서의 커패시턴스와 FET 소자(20) 내부의 커패시턴스 크기는 비슷한 크기인 것이 바람직하다.
도 4은 센서 어레이부(10)에서 복수의 센서와 스위치가 병렬로 연결되고, 각 스위치를 통해 구동 전압(Vrf)이 인가되는 구동 회로를 도시한 것이다.
구체적으로, 제어부(30)에 의해 각 센서의 스위치는 순차적으로 구동할 수 있다. 이를 통해, 각 센서의 커패시턴스의 변화를 FET 소자(20)에서 검출할 수 있다. 제어부(30)는 모든 센서를 순차적으로 구동하는 과정을 주기적으로 수행하여, 실시간 가스 감시가 가능하도록 할 수 있다. 또는, 가스 감지가 필요한 상황이나 사용자 또는 외부로부터 입력받은 동작신호에 따라 스위치를 제어하여 각 센서들을 순차적으로 구동할 수 있다. 복수의 센서를 이용하여 가스를 감지하기 위해서는 각 센서의 커패시턴스 변화를 개별적으로 감지해야 한다.
하나의 FET 소자가 복수의 센서 중 하나의 센서와 순차적으로 연결됨으로써 하나의 FET 소자를 이용하여 각 센서에서 감지되는 커패시턴스의 변화를 검출할 수 있다. 이를 통해, 각 센서마다 각각 FET를 연결하지 않아도 된다. 센서의 수나 배열에 따라 복수의 FET 소자를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 2 개의 FET 소자가 각각 9개의 센서와 연결되어 18개의 센서로 이루어지는 센서 어레이를 이용한 가스 감지 센서를 구현할 수도 있다.
복수의 센서의 각 감지막(14)은 기존에 잘 알려진 여러 금속 산화물 소재를 활용할 수 있으며, 동일한 소재라 하더라도 감지막(14)의 두께를 달리하거나, 촉매의 혼합 비율을 다르게 하거나, 다공성 물질인 경우 구멍의 크기를 달리하는 등 다양한 요인들을 변경시킬 수 있다.
이를 통해, 다양한 변화 특성을 갖는 각 센서의 초기 값들을 저장한 후 혼합 가스 감지에 의한 센서 어레이 정보를 비교 분석하여 타겟 가스를 선택적으로 검출할 수 있다. 또한, 센서 어레이부(10)에서 센서 개수의 증감은 비교적 쉬우므로 각각의 센서별 특성 변화를 빅데이터화하여 기계 학습 알고리즘을 적용하거나 혼합 가스의 패턴을 분석하는 등의 방법으로 가스 검출 선택성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)는 센서 어레이부(10), FET 소자(20), 제어부(30)를 포함하고, OP-amp(41)를 더 포함할 수 있다. 앞서 도 1 내지 도 4을 참조하여 설명한 센서 어레이부(10)에 대한 중복적 설명은 생략하도록 한다.
센서 어레이부(10)의 복수의 센서는 PCB 기판(15)에 N X N 배열, 또는 A X B 배열로 배치될 수 있다. 감지하고자 하는 가스의 종류에 따라 각 가스를 감지할 수 있는 하나 이상의 센서를 이용할 수 있다. 하나의 센서가 하나의 가스 종류를 감지할 수 있고, 복수의 센서가 하나의 가스 종류를 감지할 수도 있다. 복수의 센서가 하나의 가스 종류를 감지하는 경우, 복수의 센서에서 감지되는 값의 평균값을 해당 가스의 감지값으로 판단할 수도 있다. 또한, 복수의 센서는 특정 가스를 감지하는 센서끼리 그룹을 이루어 동일한 열로 배치될 수 있고, 동일 소재의 감지막을 포함하는 센서끼리 그룹을 이루어 동일한 열로 배치될 수 있다.
또한, 사용자의 목적에 따라 스위치(16)를 제어하여 특정 금속 산화물 소재로 된 센서만을 작동시키거나, 특정 조건에 충족하는 센서만을 작동시키는 등 다양한 패턴으로 스위치(16)를 제어하여 가스를 검출할 수 있다.
PCB 기판(15)에는 센서의 감지막(14)에 가스 분자의 흡착이 효율적이 이루어지도록 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 히터는 전기로 연결된 열선일 수 있고, 미세한 전류에도 쉽게 발열이 되는 소재로 이루어질 수 있으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
FET 소자(20)는 제1 게이트 전극(21), 제1 게이트 전극(21) 상부에 위치한 유전체층(22), 유전체층(22) 상부에 위치하는 FET 채널(23), FET 채널(23)의 일단에 위치하는 드레인(Drain) 전극(26), FET 채널(23)의 타단에 위치하는 소스(Source) 전극(27), FET 채널(23) 상부에 위치하는 절연체층(24), 절연체층(24) 상부에 위치하는 제2 게이트 전극(25)을 포함하고, 제2 게이트 전극(25), 드레인 전극(26) 및 소스 전극(27) 등의 상부에 패시베이션(Passivation, 28)을 더 포함할 수 있다. FET 소자(20)는 Nano FET 소자일 수 있다.
제1 게이트 전극(21)은 드레인-소스 간 전류를 초기값으로 설정하는 기준 전압(Vr)을 인가받아 FET 채널(23)을 초기화할 수 있다. 즉, 센서의 감지막(14)에 가스 분자의 탈착을 통한 센서의 초기화를 하지 않고, 제1 게이트 전극(21)에 인가되는 기준 전압(Vr)을 조절하여 센서의 동작 영역을 설정하거나 초기화를 할 수 있어, 센서 신호의 드리프트(drift) 특성을 개선할 수 있고, 신호 처리를 효율적으로 할 수 있다.
제1 게이트 전극(21)은 유전체층(22) 하부에 배치될 수 있고, 유전체층(22) 일부를 관통하여 유전체층(22) 상부의 일부를 덮고 있는 형태로 형성될 수 있다. 이는 FET 소자(20)와 센서 어레이부(10)의 전기적 연결, 각 소자에 배치 및 전압 인가 등을 용이하게 하기 위한 구조적 설계이나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
유전체층(22)은 제1 게이트 전극(21)에 의한 센서의 초기화 과정이 효과적으로 발생하도록 하는 기능을 할 수 있다. 유전체층(22)은 산화규소(SiO2)를 포함하는 박막으로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
절연체층(24)은 FET 채널(23)의 상부에 배치되며, FET 채널(23)에서 전계 효과가 효과적으로 발생하도록 하는 기능을 할 수 있다. 절연체층(24)은 드레인 전극(26)과 소스 전극(27)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있으며, 절연체층(24)은 산화규소(SiO2)로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 게이트 전극(25)은 절연체층(24) 상부에 형성되어, 센서 어레이부(10)로부터 게이트 전압(Vg)을 인가받는 영역을 형성할 수 있다. 즉, 제2 게이트 전극(25)은 센서 어레이부(10)의 각 센서의 제1 전극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 게이트 전극(21) 및 제 2 게이트 전극(25)은 편의상 기능에 따라 구분하여 설명하였으나, 제1 게이트 전극(21) 및 제2 게이트 전극(25) 모두 센서 어레이부(10)로부터 게이트 전압을 인가받을 수 있다. 예를 들어, 제1 게이트 전극(21)이 복수의 센서 중 일부와 연결되는 경우, 제2 게이트 전극(25)은 복수의 센서 중 제1 게이트 전극(21)과 연결되지 않은 나머지와 연결될 수 있다.
패시베이션(28)은 FET 소자(20)의 표면이나 각 전극의 접합부에 적당한 처리를 한 것으로, 유해한 환경을 차단하여 FET 소자(20) 특성의 안정화를 위한 것이다. 따라서, 패시베이션(28)은 전류 누설을 방지하는 물질로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
FET 소자(20)의 드레인 전극(26)은 OP-amp(41)의 입력 단자와 연결될 수 있다. 구체적으로, OP-amp(41)에서 입력 단자의 (+)극과 (-)극에는 동일한 전압이 걸리는 특성을 이용하여, OP-amp(41)의 (+)극에 전압 Vds를 인가하면 (-)극에도 전압 Vds가 걸리므로 드레인 전극(26)에는 드레인 전압(Vds)이 인가된다.
OP-amp(41)의 출력 단자와 입력 단자의 (-)극 사이에는 저항(42)이 연결되고, OP-amp(41)의 출력 단자는 제어부(30)에 연결될 수 있다. 게이트 전압(Vg) 변화로 드레인-소스 간 전류(Ids) 변화가 발생하면, 전류 Ids는 드레인 전극(26)을 통해 OP-amp(41)의 입력 단자의 (-)극으로 흐르고 저항(42)을 지나 OP-amp(41)의 출력 단자로 흐르게 된다. 따라서, OP-amp(41)의 출력 단자에는 전류(Ids)와 저항(42)값의 곱인 전압을 검출할 수 있고, 제어부(30)는 OP-amp(41)의 출력 단자에서 검출한 전압 변화 분석을 통해 가스를 감지할 수 있다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하여 설명한 가스 감지 센서(100)과 중복된 설명은 생략하도록 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 FET 소자(20)는, 기판(21), 기판(21) 상부에 위치하는 드레인(Drain) 전극(26), 드레인 전극(26)과 이격되어 기판(21) 상부에 위치하는 소스(Source) 전극(27), 드레인 전극(26)과 소스 전극(27) 사이에 위치하는 절연체층(24), 절연체층(24) 상부에 위치하는 게이트 전극(25)을 포함하고, 드레인 전극(26) 및 소스 전극(27) 등의 상부에 패시베이션(28)을 더 포함할 수 있다. 도 5를 참조하여 설명한 FET 소자(20)와 달리 도 6에 도시된 FET 소자(20)는 하나의 게이트 전극(25)을 포함한다. 즉, 하나의 게이트 전극(25)에 게이트 전압(Vg)이 인가되면 드레인 전극(26)과 소스 전극(27) 사이에는 FET 채널(23)이 형성되어 전계 효과가 발생하고, 상기 FET 채널(23)은 기판(21)의 일부 영역에 형성될 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)의 동작 원리를 설명한다.
감지막(14)에 가스 분자가 흡착하기 전, 각 센서에 구동 전압(Vrf)를 순차적으로 인가하면서 초기의 FET 소자(20)의 값을 저장해둔다. 이때, FET 소자(20)의 값이란 드레인-소스 간 전류(Ids)일 수 있고, OP-amp(41)의 출력 단자에서 측정되는 전압일 수 있으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 감지막(14)에 가스 분자가 흡착하여, 제1 커패시터(Cn)의 커패시턴스가 변화하고, 센서의 제1 커패시터(Cn)와 FET 소자(20)의 제2 커패시터(
Figure 112020017282220-pat00008
)의 전압 분배에 따라 게이트 전극(25)에 게이트 전압(Vg)이 인가된다.
이때, 드레인 전극(26)은 OP-amp(41)의 입력 단자와 연결되어 드레인 전압(Vds)이 인가되고, 소스 전극(27)은 접지 상태로 0[V]가 인가된다. 게이트 전압(Vg)의 변화에 따라 드레인-소스 간 전류(Ids)도 변화하게 되는데 이는, FET 소자의 기본 동작 원리에 대한 것이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
드레인-소스 간 전류(Ids)는 OP-amp(41) 입력 단자의 (-)극으로 흘러 저항(42)을 지나 OP-amp(41)의 출력 단자로 흐르게 되고, 제어부(30)는 OP-amp(41)의 출력 단자에서 전류 Ids의 변화를 분석하거나, 전압의 변화를 분석하여 가스를 감지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)는 하나의 FET 소자에 두 개의 게이트 전극이 형성되므로 하나의 게이트 전극은 센서와 연결되어 게이트 전압의 변화를 통해 가스를 감지할 수 있고, 다른 게이트 전극은 기준 전압(Vr)이 인가되어 FET 채널을 초기화할 수 있다. 즉, 가스 분자의 탈착을 통한 센서의 초기화 과정 없이 다른 게이트 전극에 인가되는 기준 전압(Vr)을 조절하여 센서의 동작 영역을 설정하거나 초기화를 할 수 있고, 이를 통해 하나의 게이트 전극과 복수의 센서 중 하나의 센서는 순차적으로 연결됨으로써 하나의 FET 소자를 이용하여 복수의 센서에서 감지되는 커패시턴스의 변화를 검출을 통해 가스를 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 방법은, 센서 어레이부를 구성하는 복수의 센서 중 하나의 센서에 구동 전압을 인가하는 단계, 상기 복수의 센서와 연결된 FET 소자의 제1 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 검출하는 단계 및 상기 드레인-소스 간 전류의 변화를 이용하여 가스를 감지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감지 방법의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 6의 가스 감지 센서에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 가스 감지 센서
10: 센서 어레이부
20: FET 소자
30: 제어부
41: OP-amp

Claims (12)

  1. 하나 이상의 게이트 전극을 포함하는 FET 소자;
    복수의 센서를 포함하고, 상기 각 센서의 제1 전극은 상기 FET 소자의 복수의 게이트 전극 중 적어도 하나의 게이트 전극과 연결되는 센서 어레이부; 및
    상기 FET 소자의 상기 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 이용하여 가스를 감지하는 제어부를 포함하고,
    상기 각 센서는,
    상기 FET 소자의 게이트 전극과 연결되는 제1 전극;
    상기 제어부에 의해 제어되는 스위치를 통해 구동 전압을 인가받는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 감지막; 및
    상기 감지막 하부에 배치되는 절연체층을 포함하고,
    상기 감지막에 상기 가스 흡착시 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 커패시턴스(Capacitance) 변화가 발생하고, 상기 제1 전극과 연결된 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 변화가 발생하고,
    상기 FET 소자는 드레인 전극을 포함하고,
    상기 드레인 전극은 OP-amp의 입력단에 연결되고,
    상기 OP-amp의 출력단은 제어부에 연결되고,
    상기 제어부는 상기 OP-amp의 출력단에 입력되는 전류를 감지하여 가스를 분석하는 가스 감지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 FET 소자는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함하고,
    상기 제1 게이트 전극은 상기 드레인-소스 간 전류를 초기값으로 설정하는 기준 전압이 인가되고,
    상기 제2 게이트 전극은 상기 각 센서의 제1 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 FET 소자는 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함하고,
    상기 제1 게이트 전극은 상기 복수의 센서 중 적어도 하나의 제1 전극에 연결되고, 상기 제2 게이트 전극은 상기 복수의 센서 중 나머지의 제1 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 감지 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동 전압이 상기 각 센서의 제2 전극에 순차적으로 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각 센서의 감지막은 다른 센서의 감지막과 서로 다른 종류의 감지막인 것을 특징으로 하는 가스 감지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서 어레이부는 히터를 더 포함하는 가스 감지 센서.
  8. 하나의 FET 소자;
    복수의 센서를 포함하고, 상기 각 센서의 제1 전극은 상기 FET 소자의 게이트 전극에 연결되는 센서 어레이부;
    상기 FET 소자의 상기 게이트 전극의 전압 변화에 따른 드레인-소스 간 전류를 이용하여 가스를 감지하는 제어부를 포함하고,
    상기 각 센서는,
    상기 FET 소자의 게이트 전극과 연결되는 제1 전극;
    상기 제어부에 의해 제어되는 스위치를 통해 구동 전압을 인가받는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 감지막; 및
    상기 감지막 하부에 배치되는 절연체층을 포함하고,
    상기 감지막에 상기 가스 흡착시 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 커패시턴스(Capacitance) 변화가 발생하고, 상기 제1 전극과 연결된 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압의 변화가 발생하고,
    상기 FET 소자는 드레인 전극을 포함하고,
    상기 드레인 전극은 OP-amp의 입력단에 연결되고,
    상기 OP-amp의 출력단은 제어부에 연결되고,
    상기 제어부는 상기 OP-amp의 출력단에 입력되는 전류를 감지하여 가스를 분석하는 가스 감지 센서.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동 전압이 상기 각 센서의 제2 전극에 순차적으로 인가되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 센서.
  11. 삭제
  12. 삭제
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