KR102414116B1 - 단열구조를 갖는 가스센서와 가스센서 어레이 및 그 제조방법 - Google Patents

단열구조를 갖는 가스센서와 가스센서 어레이 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 히터전극에 의해 가열되어 가스를 감지하는 측정부, 상기 측정부에 대하여 이격된 고정부 및 상기 측정부와 고정부를 연결하는 적어도 하나 이상의 지지부를 포함하는 센서층, 및 상기 센서층의 아래에 위치하여 상기 고정부를 지지하고, 상기 측정부 및 지지부에 대응하는 위치에 캐비티가 형성된 기판을 포함하는 단열구조를 갖는 가스센서, 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

단열구조를 갖는 가스센서와 가스센서 어레이 및 그 제조방법{Gas sensor and gas sensor array having a heat insulating structure and manufacturing method thereof}
본 발명은 단열구조를 갖는 가스센서와 가스센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
가정 및 산업시스템에서의 가스누출에 의한 사고를 방지하기 위해서 유해 가스를 분류해내고 이를 경보하기 위한 가스 모니터링에 대한 중요성이 크게 증가하고 있다. 대부분의 가스는 무색 무취이므로, 인간의 오감으로 가스를 용이하게 감지하기 어렵다. 따라서 공기중의 가스를 측정하는 가스센서가 개발되고 있으며, 접촉산화식, 전기화학식, 반도체식 등의 다양한 가스센서가 개발되어 이용되고 있다.
다양한 가스센서 중에서, 반도체식 가스센서는 검출목표인 화합물에 따라 특정한 온도로 측정영역을 가열할 필요가 있으며, 정확한 측정을 위하여 온도를 일정하게 유지할 필요가 있다. 따라서 더 낮은 에너지를 투입하여 필요한 온도를 얻고, 필요한 온도를 일정하기 유지하기 용이한 반도체식 가스센서에 대한 요구가 존재한다.
KR 10-1104306 B1
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 히터센서에 의해 가열되고 가스를 감지하는 측정부와 기판에 연결되고 측정부와 이격된 고정부를 지지부로 연결하는 단열구조를 갖는 가스센서 및 가스센서 어레이와 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 적어도 둘 이상의 가스센서를 포함하는 가스센서 어레이에서, 적어도 둘 이상의 히터전극들을 직렬로 연결한 구조의 가스센서 어레이와 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 히터전극의 패드와 감지전극의 패드의 상부 또는 하부에 보조패드가 더 형성된 구조의 가스센서 및 가스센서 어레이와 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서는, 히터전극에 의해 가열되어 가스를 감지하는 측정부, 상기 측정부에 대하여 이격된 고정부 및 상기 측정부와 고정부를 연결하는 적어도 하나 이상의 지지부를 포함하는 센서층, 및 상기 센서층의 아래에 위치하여 상기 고정부를 지지하고, 상기 측정부 및 지지부에 대응하는 위치에 캐비티가 형성된 기판을 포함한다.
또한, 상기 센서층은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 측정부, 고정부, 지지부에 공통으로 포함되는 멤브레인, 상기 멤브레인 상에 형성되고, 상기 고정부에 패드가 위치하고, 상기 지지부에 연결라인이 위치하며, 상기 측정부에 가열패턴이 위치하는 히터전극, 및 상기 멤브레인 상에 형성되고, 상기 고정부에 패드가 위치하고, 상기 지지부에 연결라인이 위치하며, 상기 측정부에 측정패턴이 위치하는 감지전극을 포함한다.
또한, 상기 센서층은 상기 히터전극의 패드와 상기 감지전극의 패드의 상면 또는 하면에 형성되는 보조패드를 더 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서 어레이는, 히터전극에 의해 가열되어 가스를 감지하는 측정부, 상기 측정부에 대하여 이격된 고정부 및 상기 측정부와 고정부를 연결하는 적어도 하나 이상의 지지부를 포함하는 센서층 및 상기 센서층의 아래에 위치하며, 상기 측정부 및 지지부에 대응하는 위치에 캐비티가 형성되고, 상기 고정부를 지지하는 기판을 포함하는 단열구조를 갖는 가스센서가 적어도 둘 이상 형성되며, 상기 가스센서들의 상기 히터전극들은 서로 직렬로 연결된다.
본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서 제조방법은, 기판 상에 멤브레인을 형성하고, 상기 멤브레인 상에 적어도 하나의 히터전극과 적어도 하나의 감지전극을 형성하여 센서층을 형성하는 단계, 상기 히터전극에 의해 가열되는 영역에 대응하는 상기 기판의 일부에 캐비티를 형성하는 단계, 및 상기 센서층에서 상기 캐비티가 형성된 영역에 대응하되 상기 히터전극과 감지전극이 형성되지 않은 영역을 제거하여, 측정부와 지지부를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 센서층을 형성하는 단계는 기판 상에 멤브레인을 형성하고, 상기 멤브레인 상에 적어도 하나의 히터전극과 적어도 하나의 감지전극을 형성하되, 상기 히터전극의 패드와 상기 감지전극의 패드의 상면 또는 하면에 보조패드를 더 형성한다.
또한, 상기 센서층을 형성하는 단계는 기판 상에 멤브레인을 형성하고, 상기 멤브레인 상에 적어도 둘 이상의 히터전극과 적어도 둘 이상의 감지전극을 형성하되, 상기 적어도 둘 이상의 히터전극은 직렬로 연결되도록 형성하는 단열구조를 갖는 가스센서 제조방법.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 가스센서가 단열구조를 포함함에 의하여, 히터전극이 감지전극을 가열하는데 소모하는 전력량을 절감할 수 있어, 휴대용 가스측정장치에 활용될 수 있는 저전력형 가스센서를 제공할 수 있다.
또한, 적어도 둘 이상의 가스센서 어레이의 히터전극을 직렬로 형성함으로써, 복수의 히터전극에 공급되는 전력을 일괄적으로 제어할 수 있어, 가스센서의 온도제어가 용이하다.
또한, 히터전극의 패드 및 감지전극의 패드의 상부 또는 하부에 보조패드가 형성되어, 와이어-본딩(wire-bonding)과정에서 발생할 수 있는 패드의 파손률을 낮춰, 가스센서의 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 어레이를 나타낸 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 2a 내지 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 어레이의 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 어레이를 나타낸 평면도이며, 도 1b는 도 1a의 A-A'에 따른 단면도이다. 도 1a 및 도 1b의 히터전극(120)은 절연층(150)의 아래에 위치하여, 점선으로 표시하였다. 도 1a 및 도 1b는 동일한 구조의 가스센서가 3개 형성된 가스센서 어레이를 도시하며, 도면의 시인성을 위하여 왼쪽 가스센서는 측정부(21), 고정부(23) 및 지지부(22)를, 중앙 가스센서는 히터전극(120)을, 오른쪽 가스센서는 감지전극(130)을 참조번호를 이용하여 표시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서는, 히터전극(120)에 의해 가열되어 가스를 감지하는 측정부(21), 상기 측정부(21)에 대하여 이격된 고정부(23) 및 상기 측정부(21)와 고정부(23)를 연결하는 적어도 하나 이상의 지지부(22)를 포함하는 센서층(20) 및 상기 센서층(20)의 아래에 위치하여 상기 고정부(23)를 지지하고, 상기 측정부(21) 및 지지부(22)에 대응하는 위치에 캐비티(11)가 형성된 기판(10)을 포함한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 센서층(20)은 측정부(21), 고정부(23) 및 지지부(22)를 포함한다. 측정부(21), 고정부(23) 및 지지부(22)는 센서층(20)의 일부 영역을 지칭한다. 센서층(20)은 기판(10) 상에 멤브레인(110), 히터전극(120), 절연층(150), 감지전극(130)이 적층되어 형성되며, 온도센서전극이나 감지물질 등이 더 포함될 수 있다.
기판(10)은 실리콘 재질로 형성될 수 있고, 결정방향 < 100 >의 실리콘 기판(10)일 수 있다. 기판(10)은 센서층(20)의 아래에 위치하여 고정부(23)를 지지하고 가스센서의 몸체가 된다. 멤브레인(110)층은 기판(10) 상에 형성되고, 히터전극(120), 감지전극(130) 등을 지지하며, 측정부(21), 고정부(23), 지지부(22)에 공통으로 포함된다. 멤브레인(110)은 약 1 ~ 3 (㎛) 두께의 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘질화산화물(SiONx) 또는 실리콘 질화물(Si3N4) 박막의 형태로 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD) 또는 스퍼터링 증착(sputtering deposition)을 사용하여 형성될 수 있다.
히터전극(120)은 멤브레인(110) 상에 형성되고, 고정부(23)에 패드가 위치하고, 지지부(22)에 연결라인이 위치하며, 측정부(21)에 가열패턴(120b)이 위치한다. 가열패턴(120b)은 히터전극(120)을 흐르는 전류에 의해 열이 집중적으로 발생하는 부분이고, 얇고 긴 다양한 형상의 패턴들이 이용될 수 있다. 히터전극(120)의 패드(120a)는 와이어-본딩(wire-bonding)등의 연결구조가 형성되는 부분으로, 외부 전류가 패드를 통하여 히터전극(120)으로 유입된다. 히터전극(120)의 연결라인(120c)은 패드와 가열패턴(120b)을 연결하는 부분이다. 히터전극(120)의 구체적인 디자인은 필요에 따라 변경될 수 있다.
감지전극(130)은 절연층(150) 상에 형성되고, 고정부(23)에 패드가 위치하고, 지지부(22)에 연결라인이 위치하며, 측정부(21)에 측정패턴(130b)이 위치한다. 측정패턴(130b)은 측정패턴(130b) 상에 형성되는 감지물질에 외부 가스(gas)가 접촉할 때 감지물질의 저항변화를 측정할 수 있도록 설계되는 빗살형태 등의 다양한 패턴들이 이용될 수 있다. 감지전극(130)의 패드(130a)는 와이어-본딩(wire-bonding)등의 연결구조가 형성되는 부분으로, 측정신호가 패드를 통하여 외부 회로로 전달된다. 감지전극(130)의 연결라인(130c)은 패드와 가열패턴(120b)을 연결하는 부분이다. 히터전극(120)의 구체적인 디자인은 필요에 따라 변경될 수 있다.
히터전극(120)과 감지전극(130)은 백금(Pt) 등의 열산화에 강한 금속이나 합금 등의 재질로 형성될 수 있으며, 약 0.1 ~ 0.2 (㎛)의 두께로 형성될 수 있다. 히터전극(120) 및 감지전극(130)은 일체로 증착 공정 및 패터닝 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 히터전극(120)과 감지전극(130)은 멤브레인(110) 상의 동일 층에 형성될 수도 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이 멤브레인(110) 상에 히터전극(120)-절연층(150)-감지전극(130)의 순서로 적층되어 형성될 수도 있다. 히터전극(120)의 가열패턴(120b)과 감지전극(130)의 측정패턴(130b)은 동일 층에 인접하여 형성될 수 있고, 또는 도 1b에 도시된 바와 같이 가열패턴(120b)이 형성된 위치에 측정패턴(130b)이 적층되어 형성될 수 있다.
감지전극(130)의 측정패턴(130b) 상에 감지물질(미도시)이 더 형성될 수 있다. 감지물질은 검출하려는 가스(gas)에 따라, 가스센서마다 다른 물질이 이용될 수 있다.
가스센서가 검출하고자 하는 가스(gas)의 종류에 따라, 가스(gas)를 검출하는 측정부(21)를 특정한 온도까지 가열할 필요가 있으며, 특정한 온도로 가열하기 위하여 히터전극(120)을 이용한다. 가스센서가 소모하는 전력의 대부분은 히터전극(120)을 이용하여 측정부(21)를 가열하는 것에 이용되므로, 측정부(21)에서 열이 외부로 방출되지 못하도록 차단할 필요가 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 측정부(21)는 히터전극(120)의 가열패턴(120b) 및 감지전극(130)의 측정패턴(130b)이 형성된 부분을 말한다. 측정부(21)는 기판(10)에 직접 접촉되어 열이 기판(10)으로 방출되지 않도록, 기판(10)에 형성된 캐비티(11)에 대응하는 위치에 구비된다. 다시말하면, 측정부(21)의 열이 곧바로 기판(10)으로 방출되지 않도록, 기판(10)의 캐비티(11)가 센서층(20)의 측정부(21)에 대응하는 위치에 형성된다. 또한, 캐비티(11)는 측정부(21) 및 지지부(22)까지 포함하는 위치에 형성될 수도 있다. 기판(10)의 열전도도보다 공기의 열전도도가 작기 때문에, 측정부(21)의 아래에 직접 접촉되는 기판(10) 영역을 제거하여 캐비티(11)를 형성함으로써 단열구조를 형성하는 것이다.
나아가, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 센서층(20)은, 감지전극(130)의 측정패턴(130b)과 히터전극(120)의 가열패턴(120b)이 형성된 부분인 측정부(21)가 기판(10)에 의해 지지되는 고정부(23)와 이격되어 있고, 측정부(21)에 일단이 연결되고 고정부(23)에 타단이 연결되는 적어도 하나 이상의 지지부(22)가 구비되어, 측정부(21)가 고정부(23)에 대하여 현수(suspend)되는 단열구조를 갖는다.
고정부(23)와 측정부(21)를 연결하는 지지부(22)가 하나 있고, 하나의 지지부(22) 상에 히터전극(120)의 연결라인(120c)과 감지전극(130)의 연결라인(130c)이 모두 형성되는 단열구조도 가능하며, 지지부(22)가 측정부(21)를 중심으로 일정 간격으로 이격되어 둘 이상 형성되는 단열구조도 가능하다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 지지부(22)가 측정부(21)를 중심으로 방사방향으로 90도 각도로 이격되어 형성되는 단열구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 측정부(21)가 가스센서의 중앙에 위치하고, 고정부(23)가 측정부(21)를 둘러싸도록 이격되어 가스센서의 모서리에 위치하고, 지지부(22)가 측정부(21)와 고정부(23)를 연결하도록 배치될 수 있다.
다시 말하면, 지지부(22)는 히터전극(120)의 연결라인(120c) 또는 감지전극(130)의 연결라인(130c)을 따라 측정부(21)와 고정부(23)를 연결하도록 형성될 수 있다. 측정부(21)에 가열패턴(120b) 또는 측정패턴(130b)이 형성되고, 기판(10)에 의해 지지되는 고정부(23)에 히터전극(120)의 패드(120a) 또는 감지전극(130)의 패드(130a)가 형성되며, 히터전극(120)의 연결라인(120c) 또는 감지전극(130)의 연결라인(130c)이 측정부(21)에서 고정부(23)로 연결되므로, 센서층(20)에서 히터전극(120)의 연결라인(120c) 또는 감지전극(130)의 연결라인(130c)이 형성되지 않은 영역(H)을 제거하고 남은 부분이 지지부(22)가 된다.
따라서, 측정부(21)가 지지부(22)에 의하여 고정부(23)와 일정간격 이격된 상태에서 고정부(23)에 매달리는 구조가 되면, 측정부(21)의 가열패턴(120b)에서 발생하는 열이 센서층(20) 전체를 통해 기판(10)으로 전달되지 않고, 지지부(22)를 통하여 고정부(23)로 전달되므로 열전달면적이 감소하여 열 방출량이 감소하고 가열패턴(120b)에서 소모하는 전력량 또한 감소한다. 센서층(20)을 구성하는 재질의 열전도도보다 공기의 열전도도가 작기 때문에, 측정부(21)에 직접 접촉되는 센서층(20)을 최소화하여 단열구조를 형성하는 것이다.
다시 말하면, 센서층(20)에서 지지부(22) 이외의 영역(H)이 제거된 만큼 열전달면적이 줄어들어, 측정부(21)의 가열패턴(120b)에서 발생하는 열이 측정부(21)의 외부로 방출되기 어렵게 된다. 그러므로, 가스센서가 소모하는 전력량의 대부분을 차지하는 가열에 소모되는 전력량이 절감되어, 휴대용 장치에 이용가능한 저전력 가스센서를 제조할 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 다시 참조하면, 히터전극(120)의 패드(120a) 및 감지전극(130)의 패드(130a)는 센서층(20)의 고정부(23)에 위치한다. 센서층(20)의 고정부(23)는 아래에 배치된 기판(10)에 의해 지지된다. 히터전극(120)의 패드(120a) 및 감지전극(130)의 패드(130a)의 상면 또는 하면에는 보조패드(140)가 형성될 수 있다. 보조패드(140)는 히터전극(120) 또는 감지전극(130)을 형성하는 과정에서 동시에 형성될 수도 있고, 별도로 형성될 수도 있으며, 히터전극(120) 또는 감지전극(130)과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
종래, 히터전극(120) 또는 감지전극(130)의 패드(130a)의 두께가 얇아서 와이어-본딩(wire-bonding)등의 공정에서 패드가 파손되어 접촉불량 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 보조패드(140)가 히터전극(120) 또는 감지전극(130)의 상부 또는 하부에 형성됨에 따라, 와이어-본딩(wire-bonding)등의 공정에서 패드의 파손 등에 의한 불량률을 감소시켜 가스센서 제조시 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 가스센서 어레이는 적어도 둘 이상의 상술한 단열구조의 가스센서를 포함할 수 있다. 나아가, 가스센서들의 히터전극(120)들은 서로 직렬로 연결될 수 있다.
인접한 가스센서의 히터전극(120)의 패드(120a)를 일체로 형성함으로써, 히터전극(120)을 직렬로 형성할 수도 있고, 가스센서마다 히터전극(120)을 별도로 형성하고, 인접한 히터전극(120)의 패드(120a)를 연결하도록 보조패드(140)를 형성함에 따라 히터전극(120)을 직렬로 형성할 수도 있다.
가스센서 어레이에 포함되는 가스센서들은 각각 히터전극(120)을 가지며, 각 히터전극(120)마다 각각 전력을 인가하는 경우, 각 히터전극(120)이 발생하는 온도에 따라 인가되는 전력을 별도로 조절해야 하므로 프로세서의 처리량이 늘어나고, 제어과정이 복잡해지는 문제가 있다.
그러나, 본 발명의 일실시예와 같이 인접한 가스센서들의 히터전극(120)을 직렬로 연결하는 경우, 직렬로 연결된 히터전극(120)들의 온도를 일괄적으로 조절할 수 있어 제어가 단순해지며, 히터전극(120)의 패드(120a)에 형성되는 와이어-본딩(wire-bonding)의 개수가 줄어들어 공정이 단순해지며 불량률이 감소하는 이점이 있다. 또한 와이어-본딩(wire-bonding)의 수가 감소함에 따라 가스센서의 패키징 구조 자체를 단순화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예와 같이, 인접한 가스센서들의 히터전극(120)을 직렬로 연결하고, 가스센서의 측정부(21)가 지지부(22)에 의해 고정부(23)와 이격되어 현수(suspend)되는 구조를 이용하는 경우, 단열구조에 의해 측정부(21)의 가열에 필요한 전력소모가 감소되고 나아가 측정부(21)의 온도제어가 단순해지므로, 휴대용 가스측정 장치에 사용되기 적합한 가스센서 어레이를 제공할 수 있다.
도 2a 내지 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서의 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서 어레이의 제조방법은, 기판(10) 상에 멤브레인(110)을 형성하고, 상기 멤브레인(110) 상에 적어도 하나의 히터전극(120)과 적어도 하나의 감지전극(130)을 형성하여 센서층(20)을 형성하는 단계, 상기 히터전극(120)에 의해 가열되는 영역에 대응하는 상기 기판(10)의 일부에 캐비티(11)를 형성하는 단계 및 상기 센서층(20)에서 상기 캐비티(11)가 형성된 영역에 대응하되 상기 히터전극(120)과 감지전극(130)이 형성되지 않은 영역을 제거하여, 측정부(21)와 지지부(22)를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 센서층(20)을 형성하는 단계는, 기판(10) 상에 멤브레인(110)을 형성하고, 상기 멤브레인(110) 상에 적어도 하나의 히터전극(120)과 적어도 하나의 감지전극(130)을 형성하되, 상기 히터전극(120)의 패드(120a)와 상기 감지전극(130)의 패드(130a)의 상면 또는 하면에 보조패드(140)를 더 형성할 수 있다.
또한, 상기 센서층(20)을 형성하는 단계는, 기판(10) 상에 멤브레인(110)을 형성하고, 상기 멤브레인(110) 상에 적어도 둘 이상의 히터전극(120)과 적어도 둘 이상의 감지전극(130)을 형성하되, 상기 적어도 둘 이상의 히터전극(120)은 직렬로 연결되도록 형성할 수 있다.
이하에서 각 단계를 도면을 참조하여 설명한다.
도 2a는 기판(10) 상에 멤브레인(110)을 형성하고, 멤브레인(110) 상에 히터전극(120)을 형성하는 단계를 나타낸 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'에 따른 단면도이다.
먼저, 결정방향 < 100 > 인 실리콘 기판(10)을 준비하고, 실리콘 기판(10)의 일면에 약 1 ~ 3 (㎛) 두께의 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘질화산화물(SiONx) 또는 실리콘 질화물(Si3N4) 박막의 형태로 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition: LPCVD) 또는 스퍼터링 증착(sputtering deposition)을 사용하여 멤브레인(110)을 형성한다.
다음으로, 멤브레인(110) 상에 히터전극(120)을 형성한다. 히터전극(120)은 약 0.1 ~ 0.2 (㎛)의 두께로 백금(Pt) 등의 열산화에 강한 금속이나 합금 등의 재질로 증착 및 패터닝 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 히터전극(120)의 가열패턴(120b)은 가스센서의 중앙부에 위치하고, 히터전극(120)의 패드(120a)는 가스센서의 가장자리에 배치된다. 히터전극(120)의 연결라인(120c)은 가열패턴(120b)과 패드를 연결하는 경로를 따라 형성된다.
적어도 둘 이상의 가스센서를 어레이 형태로 제조하는 경우, 인접한 가스센서의 히터전극(120)들은 동시에 형성될 수 있다. 인접한 히터전극(120)의 패드(120a)는 일체로 형성되어, 적어도 둘 이상의 히터전극(120)이 직렬로 연결되도록 형성될 수 있다.
히터전극(120)을 형성하는 과정에서, 감지전극(130)의 보조패드(140b)를 함께 형성할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 감지전극(130)의 패드(130a)가 형성될 위치에 감지전극(130)의 보조패드(140b)를 형성하고, 이후의 공정에서 감지전극(130)의 보조패드(140b)의 상부에 감지전극(130)의 패드(130a)가 형성될 수 있다. 즉, 히터전극(120)의 패드(120a)와 감지전극(130)의 패드(130a)의 상면 또는 하면에 보조패드(140)를 더 형성할 수 있다.
도 3a는 절연층(150)을 형성하는 단계를 나타낸 평면도이며, 도 3b는 도 3a의 A-A'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 히터전극(120) 및 감지전극(130)의 보조패드(140b)를 덮도록 절연층(150)을 형성한다. 절연층(150)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(Si3N4) 등의 절연성 물질로 형성된다. 히터전극(120) 및 감지전극(130)의 보조패드(140b) 상에 절연층(150)이 형성된 다음, 히터전극(120)의 패드(120a) 및 감지전극(130)의 보조패드(140b)에 대응하는 위치의 절연층(150)을 제거하여 오프닝(opening, P)을 형성하여, 히터전극(120)의 패드(120a) 및 감지전극(130)의 보조패드(140)를 노출시킨다. 절연층(150)의 일부를 제거하는 공정은 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 등의 방법을 사용할 수 있다.
도 4a는 감지전극(130)을 형성하는 단계를 나타낸 평면도이며, 도 4b는 도 4a의 A-A'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 절연층(150) 상에 감지전극(130)을 형성한다. 감지전극(130)은 약 0.1 ~ 0.2 (㎛)의 두께로 백금(Pt) 등의 열산화에 강한 금속이나 합금 등의 재질로 증착 및 패터닝 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 감지전극(130)의 측정패턴(130b)은 가스센서의 중앙부에 위치하고, 다시 말하면 히터센서의 가열패턴(120b)에 대응하는 위치의 절연막 상에 위치한다.
감지전극(130)의 패드(130a)는 가스센서의 가장자리에 배치되되, 히터전극(120)의 패드(120a)와 다른 위치에 배치된다. 이전에 히터전극(120)을 형성하는 단계에서 함께 형성된 감지전극(130)의 보조패드(140b) 상에 감지전극(130)의 패드(130a)가 형성된다. 따라서 감지전극(130)의 패드(130a) 하면에 감지전극(130)의 보조패드(140b)가 연결되어 패드의 총 두께가 증가된다. 감지전극(130)의 연결라인(130c)은 측정패턴(120b)과 감지전극(130)의 패드(130a)를 연결하는 경로를 따라 형성된다.
감지전극(130)을 형성하는 과정에서, 히터전극(120)의 보조패드(140a)를 함께 형성할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 히터전극(120)의 패드(120a) 상면에 히터전극(120)의 보조패드(140a)를 형성하여, 히터전극(120)의 패드(120a)와 히터전극(120)의 보조패드(140a)가 연결되어 패드의 총 두께가 증가된다.
도 5a는 기판(10)에 캐비티(11)를 형성하는 단계를 나타낸 평면도이며, 도 5b는 도 5a의 A-A'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 일부 영역을 제거하여 캐비티(11)를 형성한다. 캐비티(11)는 가열패턴(120b) 및 측정패턴(130b)이 형성된 측정부(21)와 히터전극(120)의 연결라인(120c) 및 감지전극(130)의 연결라인(130c)이 형성된 지지부(22)에 대응하는 영역에 형성될 수 있다. 캐비티(11)는 습식 또는 건식 식각이나 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 등의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 실리콘 기판(10)의 결정방향에 의하여, 도 5b에 도시된 바와 같이 상단(11a)이 좁고 하단(11b)이 넓은 형태로 캐비티(11)가 형성될 수 있다.
도 6a는 센서층(20)의 일부영역을 제거하는 단계를 나타낸 평면도이며, 도 6b는 도 6a의 A-A'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 센서층(20)의 일부 영역을 제거하여 지지부(22)와 측정부(21)를 형성한다. 구체적으로, 센서층(20)에서 캐비티(11)가 형성된 영역에 대응하되 히터전극(120)과 감지전극(130)이 형성되지 않은 영역(H)을 제거하여, 측정부(21)와 지지부(22)를 형성한다. 센서층(20)에서 제거되는 영역(H)의 넓이가 넓고 지지부(22)의 폭이 좁을수록 측정부(21)의 열이 지지부(22)를 통해 방출되는 양이 감소하여 전력소모량이 감소한다.
다음으로, 도시하지 않았지만, 측정부(21)의 측정패턴(130b) 상에 감지물질(미도시)을 형성하는 단계와, 감지전극(130) 및 히터전극(120)의 패드(130a, 120a)에 와이어-본딩(wire-bonding)을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 단열구조를 갖는 가스센서 또는 가스센서 어레이 제조방법은, 단일 가스센서를 제조하거나 복수의 가스센서를 동시에 어레이 형태로 제조하는 경우에 동일하게 적용될 수 있음을 밝힌다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 기판 11: 캐비티
20: 센서층 21: 측정부
22: 지지부 23: 고정부
110: 멤브레인 120: 히터전극
120a: 히터전극의 패드 120b: 가열패턴
120c: 히터전극의 연결라인 130: 감지전극
130a: 감지전극의 패드 130b: 측정패턴
130c: 감지전극의 연결라인 140a: 히터전극의 보조패드
140b: 감지전극의 보조패드 150: 절연층

Claims (7)

  1. 기판, 상기 기판 상에 형성된 센서층을 포함하는 가스센서에 있어서,
    상기 센서층은
    상기 기판 상에 형성된 멤브레인;
    상기 멤브레인 상에 형성된 히터전극;
    상기 멤브레인 상에 형성된 감지전극을 포함하며,
    상기 센서층은
    상기 히터전극의 가열패턴과 상기 감지전극의 측정패턴이 형성되는 상기 가스센서의 중앙 부분인 측정부, 상기 히터전극의 패드와 상기 감지전극의 패드가 형성되는 상기 가스센서의 가장자리 부분인 고정부, 상기 히터전극의 연결라인과 상기 감지전극의 연결라인이 형성되고 상기 측정부와 고정부를 연결하는 부분인 지지부를 포함하도록 구성되며,
    상기 히터전극의 연결라인은 상기 히터전극의 패드와 가열패턴을 연결하고,
    상기 감지전극의 연결라인은 상기 감지전극의 패드와 측정패턴을 연결하고,
    상기 지지부는
    상기 센서층에서 상기 히터전극 또는 감지전극이 형성되지 않은 부분이 제거되고 남은 부분이고,
    상기 기판은
    상기 측정부, 지지부, 및 상기 센서층에서 상기 지지부 이외의 제거된 영역을 포함하는 영역에 대응하는 상기 기판의 부분이 제거되어 형성되는 캐비티를 포함하는, 단열구조를 갖는 가스센서.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서층은
    상기 히터전극의 패드와 상기 감지전극의 패드의 상면 또는 하면에 형성되는 보조패드를 더 포함하는 단열구조를 갖는 가스센서.
  4. 청구항 1의 가스센서가 복수개 형성되며,
    상기 복수개의 가스센서의 히터전극들은 서로 직렬로 연결되는 단열구조를 갖는 가스센서 어레이.
  5. 가스센서 제조방법에 있어서,
    기판 상에 멤브레인을 형성하고,
    히터전극의 가열패턴을 상기 가스센서의 중앙 부분에 형성하고, 히터전극의 패드를 상기 가스센서의 가장자리 부분에 형성하며, 히터전극의 연결라인이 상기 히터전극의 패드와 가열패턴을 연결하도록 형성하고,
    감지전극의 측정패턴을 상기 가스센서의 중앙 부분에 형성하며, 감지전극의 패드를 상기 가스센서의 가장자리 부분에 형성하고, 감지전극의 연결라인이 상기 감지전극의 패드와 측정패턴을 연결하도록 형성하여,
    상기 멤브레인, 히터전극, 감지전극을 포함하는 센서층을 형성하는 단계;
    상기 가스센서의 중앙 부분 및 상기 히터전극의 연결라인과 상기 감지전극의 연결라인이 형성된 부분을 포함하는 영역에 대응하는 상기 기판의 일부에 캐비티를 형성하는 단계; 및
    상기 캐비티가 형성된 영역에 포함되고, 상기 히터전극과 감지전극이 형성되지 않은 상기 센서층의 일부 영역을 제거하여, 상기 히터전극의 가열패턴과 상기 감지전극의 측정패턴이 형성된 부분인 측정부와 상기 히터전극의 연결라인과 상기 감지전극의 연결라인이 형성된 부분인 지지부를 형성하는 단계를 포함하는, 단열구조를 갖는 가스센서 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 센서층을 형성하는 단계는
    상기 히터전극의 패드와 상기 감지전극의 패드의 상면 또는 하면에 보조패드를 더 형성하는 단열구조를 갖는 가스센서 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 센서층을 형성하는 단계는
    상기 멤브레인 상에 적어도 둘 이상의 히터전극과 적어도 둘 이상의 감지전극을 형성하되, 상기 적어도 둘 이상의 히터전극은 직렬로 연결되도록 형성하는 단열구조를 갖는 가스센서 제조방법.
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