KR102456377B1 - Manufacturing method of gas sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 가스센서의 제조 방법은 기판 상에 히터부를 형성하는 것, 기판의 일부를 제거하여 히터부의 하면을 노출하는 개구부를 형성하는 것, 히터부의 상면 상에 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 것 및 제1 전극 및 제2 전극의 사이에, 개구부와 수직적으로 중첩된 감지막을 형성하는 것을 포함하되, 감지막을 형성하는 것은 용액공정을 수행하여 산화 아연 나노막대를 성장시키는 것을 포함할 수 있다.A method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention includes forming a heater unit on a substrate, forming an opening exposing a lower surface of the heater unit by removing a portion of the substrate, and first spaced apart from each other on an upper surface of the heater unit Forming the electrode and the second electrode, and between the first electrode and the second electrode, including forming a sensing film vertically overlapped with the opening, wherein the sensing film is formed by performing a solution process to form the zinc oxide nanorods It may include growing.
Description
본 발명은 가스센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 프린팅 공정없이 용액공정을 이용하여 감지 물질을 센싱 위치에 단일 공정으로 직접 성장 시키는 것을 포함하는 가스센서의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor, and more particularly, to a method for manufacturing a gas sensor including directly growing a sensing material at a sensing position in a single process using a solution process without a separate printing process.
수소를 감지하기 위한 센서 기술로는 전기화학식, 반도체식, FET(field effect transistor)식, 접촉 연소식, 광학식 등의 방법이 활용되고 있다. 액체 전해질을 사용하는 전기화학식 센서의 경우는 감지농도가 비교적 높고, 수소 농도에 따른 응답특성이 선형성을 갖는다. 광학식 가스 센서는 수소 흡착에 따라 광 투과도가 변화하는 가스채색 물질을 사용한다. 광학식 가스 센서의 경우, 센서에 직접 전기가 흐를 필요가 없기 때문에 전기방전에 의한 수소 폭발의 위험이 적다. 접촉 연소식 가스 센서는 가는 백금(Pt) 연선 주위로 세라믹이 감싸는 구조를 가지며, 구조가 단순하다. 반도체식과 FET식의 경우에는 수소반응에 따른 전기적 특성의 변화를 이용한다. 특히, FET식은 낮은 농도에 대한 반응 특성이 좋고, 응답속도가 빠르다. 최근 산소 농도와 습도에 영향을 적게 받으면서, 수소농도 전 범위를 빠른 시간 내에 검지할 수 있는 가스 센서와 그 제조방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.As a sensor technology for detecting hydrogen, an electrochemical method, a semiconductor method, a field effect transistor (FET) method, a catalytic combustion method, an optical method, etc. are used. In the case of an electrochemical sensor using a liquid electrolyte, the sensing concentration is relatively high, and the response characteristic according to the hydrogen concentration has linearity. The optical gas sensor uses a gas-colored material whose light transmittance changes according to hydrogen adsorption. In the case of an optical gas sensor, there is little risk of hydrogen explosion due to electric discharge because electricity does not need to flow directly to the sensor. The catalytic combustion gas sensor has a structure in which a ceramic is wrapped around a thin platinum (Pt) strand, and the structure is simple. In the case of the semiconductor type and the FET type, the change in electrical characteristics according to the hydrogen reaction is used. In particular, the FET type has good response characteristics to low concentrations and has a fast response speed. Recently, while being less affected by oxygen concentration and humidity, research on a gas sensor capable of quickly detecting the entire range of hydrogen concentration and a method for manufacturing the same has been conducted.
나노 막대 기반의 가스센서들은 높은 온도의 성장 조건이 필요하여 제조 비용뿐만 아니라 성장에 필요한 기판 등의 제약 조건이 따른다. 본원 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 기판의 제약이 적고, 저온 공정이 가능한 가스 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.Nanorod-based gas sensors require high-temperature growth conditions, so not only manufacturing costs but also constraints such as substrates required for growth follow. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a gas sensor that has less substrate restrictions and can be processed at a low temperature.
또한, 본원 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 별도의 프린팅 공정없이 용액공정을 이용하여 나노 막대를 포함하는 감지막을 센싱 위치에 단일 공정으로 직접 성장 시킴으로써, 반응속도와 감도가 우수한 가스센서를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to produce a gas sensor with excellent reaction speed and sensitivity by directly growing a sensing film including nanorods at the sensing position in a single process using a solution process without a separate printing process. is to provide a way.
본 발명의 실시예들에 따른 가스센서의 제조방법은 기판 상에 히터부를 형성하는 것; 상기 기판의 일부를 제거하여 상기 히터부의 하면을 노출하는 개구부를 형성하는 것; 상기 히터부의 상면 상에 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 것; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 사이에, 상기 개구부와 수직적으로 중첩된 감지막을 형성하는 것을 포함하되, 상기 감지막을 형성하는 것은 용액공정을 수행하여 산화 아연 나노막대를 성장시키는 것을 포함할 수 있다.A method of manufacturing a gas sensor according to embodiments of the present invention includes forming a heater unit on a substrate; forming an opening exposing a lower surface of the heater unit by removing a portion of the substrate; forming first and second electrodes spaced apart from each other on an upper surface of the heater unit; and forming a sensing film vertically overlapping the opening between the first electrode and the second electrode, wherein forming the sensing film includes growing zinc oxide nanorods by performing a solution process can
본 발명에 따르면 용액공정을 이용하여 감지막을 형성함으로써 기판의 종류에 제약됨 없이 가스센서를 용이하게 제조할 수 있다. 반응 속도 및 소모 전력을 최소화하기 위해서는 센싱부가 열손실이 적은 얇은 멤브레인 형태가 바람직한데, 본 발명에서 제안하는 기술을 활용하면 상대적으로 기계적으로 취약한 멤브레인 위에 센싱 물질을 단일 공정으로 직접 성장할 수 있다. 또한, 감지막이 나노 막대를 포함함에 따라, 넓은 농도범위에서 가스의 감지가 가능하며, 반응 속도 및 감도가 우수하고 소비전력이 적은 가스 센서 및 그의 제조방법이 제공될 수 있다. 본 발명에서 제안하는 가스센서 제조방법에 따르면, 감지막 내의 나노 막대를 저온의 용액공정으로 형성할 수 있으므로, 기존의 반도체 공정과의 연동이 용이하고, 공정 비용이 감소된 가스 센서의 제조방법이 제공될 수 있다.According to the present invention, a gas sensor can be easily manufactured without being limited by the type of substrate by forming a sensing film using a solution process. In order to minimize the reaction speed and power consumption, a thin membrane type with low heat loss is preferable for the sensing unit. By using the technology proposed in the present invention, a sensing material can be directly grown on a relatively mechanically weak membrane in a single process. In addition, since the sensing film includes the nanorod, a gas sensor capable of detecting gas in a wide concentration range, excellent reaction speed and sensitivity, and low power consumption, and a method for manufacturing the same can be provided. According to the gas sensor manufacturing method proposed by the present invention, since the nano-rods in the sensing film can be formed by a low-temperature solution process, it is easy to interwork with the existing semiconductor process and the manufacturing method of the gas sensor with reduced process cost. can be provided.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가스센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 발열 저항체 및 도전성 지지대들을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 감지전극 및 감지막을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 감지막 내에 형성된 나노막대들을 설명하기 위한 도면으로, 감지막의 일부를 확대한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 촉매층을 설명하기 위한 도면으로, 나노막대를 폭 방향을 따라 절취한 단면도이다.
도 6 내지 도 9은 본 발명의 실시예들에 따른 가스센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 감지막을 주사전자현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 가스센서의 수소농도에 따른 감지 특성을 측정한 그래프이다.1 is a cross-sectional view for explaining a gas sensor according to embodiments of the present invention.
2 is a plan view for explaining a heating resistor and conductive supports according to embodiments of the present invention.
3 is a plan view illustrating a sensing electrode and a sensing film according to embodiments of the present invention.
4 is a view for explaining the nanorods formed in the sensing film according to embodiments of the present invention, and is an enlarged view of a part of the sensing film.
5 is a view for explaining a catalyst layer according to embodiments of the present invention, a cross-sectional view taken along the width direction of the nanorod.
6 to 9 are views for explaining a method of manufacturing a gas sensor according to embodiments of the present invention.
10 is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of a sensing film formed according to embodiments of the present invention.
11 is a graph of measuring the sensing characteristics according to the hydrogen concentration of the gas sensor manufactured according to the embodiments of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only this embodiment allows the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.Further, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the etched region shown at a right angle may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have a schematic nature, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention.
본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서는의 산화아연(ZnO) 나노 막대를 포함하는 감지막을 포함할 수 있다. 따라서, 감지막의 표면적이 증가할 수 있으며, 넓은 농도범위에서 가스의 감지가 가능하고, 반응 속도 및 감도가 우수한 가스 센서가 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 감지막은 멤브레인 형태의 기판 상에 형성될 수 있다. 이에 따라 열 손실 및 전력 손실이 적은 가스 센서가 제공될 수 있다.The gas sensor according to embodiments of the present invention may include a sensing film including zinc oxide (ZnO) nanorods. Accordingly, the surface area of the sensing film may be increased, and a gas sensor capable of detecting gas in a wide concentration range and having excellent reaction speed and sensitivity may be provided. In addition, the sensing film according to embodiments of the present invention may be formed on a substrate in the form of a membrane. Accordingly, a gas sensor having low heat loss and low power loss can be provided.
본 발명에 따르면 용액공정을 이용하여 감지막을 형성함으로써 기판의 종류에 제약됨 없이 가스센서를 용이하게 제조할 수 있다. 상술한 바와 같이, 반응 속도 및 소모 전력을 최소화하기 위해서는 센싱부가 열손실이 적은 얇은 멤브레인 형태가 바람직하다. 그러나, 멤브레인은 기계적으로 매우 취약하여, 그 상부에 감지막을 형성하는데에 기술적 어려움이 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 감지막을 멤브레인 상에 단일 공정으로 직접 성장할 수 있다. 본 발명의 보다 구체적인 기술적 과제 및 효과들은 이하 의 상세한 실시예들과 함께 후술한다.According to the present invention, a gas sensor can be easily manufactured without being limited by the type of substrate by forming a sensing film using a solution process. As described above, in order to minimize the reaction rate and power consumption, the sensing unit preferably has a thin membrane type with low heat loss. However, the membrane is mechanically very fragile, and there is a technical difficulty in forming a sensing layer thereon. According to embodiments of the present invention, the sensing film may be directly grown on the membrane in a single process. More specific technical problems and effects of the present invention will be described later together with the following detailed examples.
이하 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.With reference to the drawings below, embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가스센서를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 발열 저항체 및 도전성 지지대들을 설명하기 위한 평면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 감지전극 및 감지막을 설명하기 위한 평면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 감지막 내에 형성된 나노막대들을 설명하기 위한 도면으로, 감지막의 일부를 확대한 확대도이다.1 is a cross-sectional view for explaining a gas sensor according to embodiments of the present invention. 2 is a plan view for explaining a heating resistor and conductive supports according to embodiments of the present invention. 3 is a plan view illustrating a sensing electrode and a sensing film according to embodiments of the present invention. 4 is a view for explaining the nanorods formed in the sensing film according to embodiments of the present invention, and is an enlarged view of a part of the sensing film.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 가스센서는 기판(10), 기판(10) 상의 히터부(20), 히터부(20) 상의 감지전극(30) 및 감지전극(30)을 덮는 감지막(40)을 포함할 수 있다. 히터부(20)는 감지막(40)을 가열할 수 있다. 예컨대, 감지막(40)은 히터부(20)에 의해 150℃ 내지 250℃의 온도 범위를 갖도록 가열될 수 있다. 가열된 감지막(40)은, 특정 가스와 접촉함에 따라, 전기적 저항이 변화될 수 있다. 예컨대, 특정 가스는 수소(H)일 수 있다. 감지막(40)의 저항 변화는 감지전극(30)과 연결된 외부 소자를 통해 검출될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a gas sensor according to embodiments of the present invention includes a
구체적으로, 기판(10)은 히터부(20)를 지지할 수 있다. 기판(10)은, 예컨대, 알루미나(Al2O3), 유리, 실리콘(Si) 및/또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 기판(10)은 유연기판일 수 있다. 기판(10)은 히터부(20)의 하면(20b)을 노출하는 개구부(12)를 가질 수 있다. 예컨대, 개구부(12)는 기판(10)의 중앙 부분에 위치할 수 있다. 즉, 기판(10)은 히터부(20)의 하면(20b)의 외곽을 지지할 수 있으며, 히터부(20)의 하면(20b)의 중앙 부분을 노출할 수 있다. 개구부(12)는 히터부(20)에서 발생되는 열이 기판(10)을 통해 외부로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 기판(10)이 개구부(12)를 포함함에 따라, 가스센서를 구동하기 위한 소비전력이 낮아질 수 있다.Specifically, the
도 1 및 도 2를 참조하면, 히터부(20)가 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 히터부(20)는 절연층(26), 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)를 포함할 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 절연층(26) 내에서 기판(10)의 두께방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 절연층(26)은 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)를 둘러쌀 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 서로 마주볼 수 있다. 예컨대, 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 서로 평행하게 배치될 수 있다. 발열 저항체(24)는 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)의 사이에 배치될 수 있다. 1 and 2 , the
좀 더 구체적으로, 절연층(26)은 평판의 형태를 가질 수 있다. 절연층(26)은 상면(20t) 및 상면(20t)에 대향하는 하면(20b)을 가질 수 있다. 절연층(26)은 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)를 전기적으로 분리시킬 수 있다. 다시 말해서, 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 절연층(26)의 내부에서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 절연층(26)은, 예컨대, 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.More specifically, the insulating
발열 저항체(24)가, 절연층(26)의 내에서, 기판(10)의 개구부(12) 상에 위치할 수 있다. 발열 저항체(24)는 감지막(40)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 즉, 발열 저항체(24)는 감지막(40)과 개구부(12)의 사이에 위치할 수 있다. 발열 저항체(24)는 박막의 형태로 형성될 수 있으며, 소정의 저항을 가질 수 있다. 발열 저항체(24)는, 예컨대, 폴리 실리콘, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 발열 저항체(24)는 외부 전원이 인가됨에 따라 주울열을 발생시킬 수 있다. 발열 저항체(24)는, 발생하는 열을 감지막(40)에 효과적으로 전달할 수 있도록, 평면적 관점에서 감지막(40)과 유사한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 발열 저항체(24)는 평면적 관점에서 원의 형태를 가질 수 있다.The
제1 도전성 지지대(22a)가 절연층(26)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a)는 절연층(26)의 하면(20b)과 인접하게 배치될 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a)는 절연층(26)의 하면(20b)과 발열 저항체(24)의 사이에 배치될 수 있다. 제2 도전성 지지대(22b)가 절연층(26)의 상부에 배치될 수 있다. 제2 도전성 지지대(22b)는 절연층(26)의 상면(20t)과 인접하게 배치될 수 있다. 제2 도전성 지지대(22b)는 절연층(26)의 상면(20t)과 발열 저항체(24)의 사이에 배치될 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 평판의 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 평면적 관점에서 사각형의 형태를 가질 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 금속을 포함할 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 절연층(26)의 휨을 방지할 수 있다. 또한, 제1 도전성 지지대(22a) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 발열 저항체(24)에서 발생된 열이 감지막(40)에 전달되는 것을 도울 수 있다.The first
도 1, 도 3을 참조하면, 감지전극(30)이 히터부(20) 상에 배치될 수 있다. 감지전극(30)은 박막의 형태로 형성될 수 있다. 감지전극(30)은, 예컨대, 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 감지전극(30)은 서로 이격되어 배치된 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)을 포함할 수 있다. 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)은 감지막(40)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예에 따르면, 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b) 평면적 관점에서 사각형의 형태를 가질 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다. 도시되지는 않았지만, 다른 예에 따르면, 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)은, 빗(Comb)의 형태를 가질 수도 있다. 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)은 외부 소자와 연결될 수 있다. 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)의 사이에는 소정의 기전력이 인가될 수 있다. 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)은 감지막(40)의 저항 변화에 따른 전기적 신호를 외부 소자로 출력할 수 있다.1 and 3 , the
도 1, 도 3, 도 4를 참조하면, 감지막(40)이 히터부(20) 상에 배치될 수 있다. 감지막(40)은 감지전극(30)의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 구체적으로, 감지막(40)은 제1 전극(30a)의 적어도 일부를 덮을 수 있고, 또한 제2 전극(30b)의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 예컨대, 감지막(40)의 평면적 형상은 원형일 수 있다. 예컨대, 감지막의 상부 표면은 라운드질 수 있다. 감지막(40)은 그 내부에 나노막대들(nanorods, 42)을 포함할 수 있다. 나노막대들(42)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 감지막(40) 내에서 서로 엇갈리게 배열될 수 있다. 나노막대들(42)은 서로 연결되어 그물 형상을 이룰 수 있다. 나노막대들(42)은 산화 아연(ZnO)을 포함할 수 있다. 나노막대들(42)의 폭(W)은, 예컨대, 50nm 내지 500nm의 범위를 가질 수 있다. 나노막대들(42)의 길이(L)는, 예컨대, 1000nm 내지 1500nm의 범위를 가질 수 있다. 1, 3, and 4 , the
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 촉매층을 설명하기 위한 도면으로, 나노막대를 폭 방향을 따라 절취한 단면도이다.5 is a view for explaining a catalyst layer according to embodiments of the present invention, a cross-sectional view taken along the width direction of the nanorod.
도 5를 참조하면, 감지막(40)은 나노막대들(42)의 표면 상에 형성된 촉매층(44)을 더 포함할 수 있다. 촉매층(44)은 나노막대들(42)의 표면의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 예컨대, 촉매층(44)은 나노막대들(42)의 표면을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 일 예에 따르면, 촉매층(44)은 금속 나노 입자를 포함할 수 있다. 촉매층(44)은, 예컨대, 납(Pd) 나노 입자 또는 백금(Pt) 나노 입자를 포함할 수 있다. 다른 예에 따르면, 촉매층(44)은 금속 산화물 나노 입자를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서는 하부 절연막(52) 및 보호막(54)을 더 포함할 수 있다. Referring back to FIG. 1 , the gas sensor according to embodiments of the present invention may further include a lower insulating
하부 절연막(52)이 히터부(20) 및 기판(10)의 사이에 배치될 수 있다. 예컨대, 하부 절연막(52)은 히터부(20)의 하면(20b)을 완전히 덮을 수 있다. 하부 절연막(52)은 히터부(20)를 지지하며, 히터부(20)에 기계적 강도를 제공할 수 있다. 하부 절연막(52)은 히터부(20)에서 발생된 열이 히터부(20)의 하면으로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 하부 절연막(52)은 단열막일 수 있다. 하부 절연막(52)은, 예컨대, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A lower insulating
보호막(54)이 히터부(20)의 상면(20t) 상에 배치될 수 있다. 보호막(54)은 감지전극(30)의 일부를 덮을 수 있다. 구체적으로, 보호막(54)은 제1 전극(30a)의 일부를 덮을 수 있고, 또한, 제2 전극(30b)의 일부를 덮을 수 있다. 보호막(54)은 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)의 다른 일부를 노출할 수 있다. 보호막(54)은 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b) 사이의 히터부(20)의 상면(20t)을 노출할 수 있다. 보호막(54)은, 예컨대, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A
본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 제조 방법을 도면들을 참조하여 설명한다. A method of manufacturing a gas sensor according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 6 내지 도 9은 본 발명의 실시예들에 따른 가스센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.6 to 9 are views for explaining a method of manufacturing a gas sensor according to embodiments of the present invention.
도 6을 참조하면, 기판(10) 상에 히터부(20)를 형성할 수 있다. 히터부(20)를 형성하는 것은 기판(10) 상에 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)를 순차적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 히터부(20)를 형성하는 것은 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)를 덮는 절연층(26)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제1 도전성 지지대(22a), 발열 저항체(24) 및 제2 도전성 지지대(22b)는 금속 증착 공정 및 패터닝 공정에 의해 형성될 수 있다. 금속 증착 공정은, 예컨대, 스퍼터링 공정, 전자빔 증착 공정을 포함할 수 있다. 패터닝 공정은 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 포함할 수 있다. 절연층(26)은 증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 예에 따르면, 절연층(26)은 다층으로 적층된 절연 박막을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the
일 예에 따르면, 히터부(20)를 형성하기 이전, 기판(10) 상에 하부 절연막(52)을 형성할 수 있다. 즉, 하부 절연막(52)은 기판(10) 및 히터부(20)의 사이에 형성될 수 있다. 하부 절연막(52)은 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. According to an example, before forming the
도 7을 참조하면, 기판(10)의 일부를 제거하여 히터부(20)의 하면(20b)을 노출하는 개구부(12)를 형성할 수 있다. 개구부(12)의 평면적 형상은 원형일 수 있으나 이와는 달리 사각형이거나 또는 일 방향으로 긴 라인 형상일 수 있다. 개구부(12)를 형성하는 것은 기판(10) 상에 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 개구부(12)는 발열 저항체(24)의 아래에 위치할 수 있다.Referring to FIG. 7 , an
도 8을 참조하면, 히터부(20)의 상면(20t) 상에 서로 이격된 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)을 형성할 수 있다. 제1 전극(30a) 및 제2 전극은 증착공정, 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 이용하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 8 , the
이어서, 도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 전극(30a)과 제2 전극(30b)의 사이에, 개구부(12)와 수직적으로 중첩되는 감지막(40)을 형성할 수 있다. 감지막(40)은 제1 전극(30a)의 일부 및 제2 전극(30b)의 일부를 덮을 수 있다. 감지막을 형성하는 것은 용액 공정(solution process)을 수행하여 나노막대(42)를 성장시키는 것을 포함할 수 있다. Next, referring to FIGS. 8 and 9 , a
구체적으로, 용액 공정을 수행하는 것은, 전구체 조성물(40p)을 준비하는 것, 히터부(20) 상에 전구체 조성물(40p)을 도포하는 것 및 전구체 조성물(40p)을 열처리(H) 하는 것을 포함할 수 있다. Specifically, performing the solution process includes preparing the
먼저, 전구체 조성물(40p)을 준비할 수 있다. 전구체 조성물(40p)은 제1 전구체 및 제2 전구체를 포함하는 수용액일 수 있다. 제1 전구체는 아민기 (-NH)를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 전구체는 에탄올아민(HO(CH2)2NH2), 에틸렌디아민(C2H4(NH2)2), 디에틸렌트리아민((NH2CH2CH2)2NH), 헥사메틸렌 테트라아민((CH2)6N4) 또는 테트라메틸렌디아민(C4H12N2)을 포함할 수 있다. 제2 전구체는 아연(Zn)을 포함할 수 있다. 제2 전구체는, 예컨대, 질산아연 육수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2·6H2O)을 일 수 있다. 제1 전구체 및 제2 전구체는 전구체 조성물(40p) 내에서 1:1의 중량비를 가질 수 있다. 전구체 조성물(40p)의 몰농도는 0.1㏖/L 내지 1㏖/L일 수 있다. 일 예에 따르면, 전구체 조성물(40p)은 50℃ 내지 100℃의 온도범위를 갖도록 준비될 수 있다.First, the
히터부(20) 상에 전구체 조성물(40p)을 도포할 수 있다. 전구체 조성물(40p)을 도포하는 것은 스핀 코팅 공정, 잉크젯 프린팅 공정 또는 스프레이 공정을 통해 수행될 수 있다. The
전구체 조성물(40p)을 열처리(H) 할 수 있다. 열처리(H)는 50℃ 내지 100℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 열처리(H)는 한 시간 내지 수 시간 동안 수행될 수 있다. 일 예에 따르면, 히터부(20) 상에 전구체 조성물(40p)을 도포하는 것과 전구체 조성물(40p)을 열처리(H) 하는 것은 동일한 챔버 내에서 인시츄(in-situ)로 수행될 수 있다. 열처리(H)가 수행되는 동안, 감지전극(30) 상에 나노막대(42)가 성장될 수 있다. 나노막대(42)의 길이(L)는 열처리(H) 시간에 따라 조절될 수 있다. 일 예에 따르면, 나노막대(42)의 길이(L)가 1um이상이 되도록 열처리 시간을 조절할 수 있다.The
일 예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 감지막(40) 내의 나노막대(42) 상에 촉매층(44)을 더 형성할 수 있다. 촉매층(44)을 형성하는 것은 스퍼터링 공정, 물리적 기상 증착 공정 또는 화학적 기상 증착 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 스퍼터링 공정을 수행하여 납(Pb) 나노입자를 포함하는 촉매층(44)을 형성할 수 있다. 이때, 아르곤(Ar) 가스의 압력은 10 내지 100 mTorr일 수 있고 파워는 10 내지 50 Watts일 수 있고 증착시간은 1 내지 5분일 수 있다. 촉매층(44) 내의 납 나노 입자의 직경은 수 내지 수십nm의 범위를 가질 수 있다.According to an example, as shown in FIG. 5 , a
일 예에 따르면, 용액공정은 전구체 조성물(40p)을 감지전극(30) 상에 도포하는 것 대신 감지전극(30)을 전구체 조성물(40p)에 담구는 것을 포함할 수 있다. 감지전극(30)은 전구체 조성물에 한시간 내지 수 시간 동안 침지될 수 있다. 감지전극(30)이 전구체 조성물(40p)에 침지되는 동안 전구체 조성물(40p)은 온도는 50℃ 내지 100℃의 범위로 유지될 수 있다. 본 예에 따르면 열처리(H) 공정은 생략될 수도 있다.According to an example, the solution process may include immersing the
상술한 바와 같이 본 발명의 실시에들에 따른 용액 공정은 100℃ 이하의 온도 범위에서 단일 공정으로 수행될 수 있다. 따라서, 기판의 제약이 적고, 공정 비용이 감소될 수 있다. As described above, the solution process according to embodiments of the present invention may be performed as a single process in a temperature range of 100° C. or less. Accordingly, there are few restrictions on the substrate, and the process cost can be reduced.
일 예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 용액 공정을 수행하기 전에 히터부(20) 상에 마스크(62)를 형성할 수 있다. 마스크(62)는, 예컨대, 포토 레지스트일 수 있다. 마스크(62)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 용액 공정을 수행한 이후 제거될 수 있다. 마스크(62)에 의해 노출된 영역에 선택적으로 감지막(40)이 형성될 수 있다. 일 예에 따르면, 마스크(62)는 히터부(20)의 상면을 덮되, 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b) 사이의 히터부(20)의 상면을 노출할 수 있다. 이에 따라, 감지막(40)은 제1 전극(30a) 및 제2 전극(30b)의 사이에 형성될 수 있고, 제1 전극(30a) 및 제2 전극을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 감지막(40)은 제1 전극(30a)의 일부 및 제2 전극(30b)의 일부를 덮을 수 있다. 일 예에 따르면, 앞서 설명한 것과 달리, 감지막(40)을 형성하고자 하는 영역 상에 마스크(62)를 형성하고, 이를 식각 방지막으로 사용하는 식각 공정을 수행하여 원하는 영역에 감지막(40)을 형성할 수도 있다. 이때, 식각 공정은 아세트산(Acetic acid)과 같은 유기 용액을 이용하여 수행될 수 있다According to an example, as shown in FIG. 8 , a mask 62 may be formed on the
일 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 히터부(20) 상에 보호막(54)을 형성할 수 있다. 보호막은 감지전극(30)의 일부를 덮을 수 있고, 감지막(40)을 노출할 수 있다. 보호막(54)은 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.According to an example, as shown in FIG. 1 , a
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 감지막을 주사전자현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이다. 도 11은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 가스센서의 수소농도에 따른 감지 특성을 측정한 그래프이다. 10 is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of a sensing film formed according to embodiments of the present invention. 11 is a graph of measuring the sensing characteristics according to the hydrogen concentration of the gas sensor manufactured according to the embodiments of the present invention.
테트라메틸렌디아민(C4H12N2)과 질산아연 육수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2·6H2O)을 1:1비율로 교반하여 0.05㏖/L 몰농도를 갖는 수용액인 전구체 조성물을 제조하였다. 전구체 조성물을 감지전극 상에 도포하고 100℃에서 두 시간 동안 열처리하여 나노막대를 포함하는 감지막을 형성하였다. 도 10을 참조하면, 감지막 내에 그물 형상을 이루는 나노막대들이 형성된 것을 확인할 수 있다. Tetramethylenediamine (C 4 H 12 N 2 ) and zinc nitrate hexahydrate (Zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O) were stirred in a 1:1 ratio to form an aqueous solution having a molar concentration of 0.05 mol/L. A precursor composition was prepared. The precursor composition was applied on the sensing electrode and heat-treated at 100° C. for two hours to form a sensing film including nanorods. Referring to FIG. 10 , it can be seen that nanorods forming a net shape are formed in the sensing film.
감지막을 200℃의 온도 유지시키면서, 수소 가스에 노출시켰다. 수소 가스의 농도를 변화시키면서 감지전극의 양 단에 인가되는 센서신호를 측정하였다. 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서는, 도 11에 도시된 바와 같이, 10ppm 내지 5000ppm 범위 수소 가스를 검출할 수 있다.The sensing film was exposed to hydrogen gas while maintaining the temperature at 200°C. The sensor signal applied to both ends of the sensing electrode was measured while changing the concentration of hydrogen gas. As shown in FIG. 11 , the gas sensor according to embodiments of the present invention may detect hydrogen gas in a range of 10 ppm to 5000 ppm.
본 발명에 따르면 용액공정을 이용하여 감지막을 형성함으로써 기판의 종류에 제약됨 없이 가스센서를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 넓은 농도범위에서 가스의 감지가 가능하며, 반응 속도 및 감도가 우수하고 소비전력이 적은 가스 센서 및 그의 제조방법이 제공될 수 있다.According to the present invention, a gas sensor can be easily manufactured without being limited by the type of substrate by forming a sensing film using a solution process. In addition, a gas sensor capable of detecting gas in a wide concentration range, excellent in reaction speed and sensitivity, and low in power consumption, and a method for manufacturing the same can be provided.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (10)
상기 절연막 상에 히터부를 형성하는 것;
상기 기판의 일부를 제거하여 상기 히터부의 하면을 노출하는 개구부를 형성하는 것;
상기 히터부의 상면 상에 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 것; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 사이에, 상기 개구부와 수직적으로 중첩된 감지막을 형성하는 것을 포함하되,
상기 감지막을 형성하는 것은 용액공정을 수행하여 나노막대를 성장시키는 것을 포함하며,
상기 용액공정을 수행하기에 앞서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이의 상기 히터부의 상면을 노출하는 마스크를 형성하는 것을 더 포함하고,
상기 용액공정을 수행하는 것은 전구체 조성물을 준비하는 것, 상기 마스크에 의해 노출된 상기 히터부의 상면 상에 상기 전구체 조성물을 제공하는 것, 상기 전구체 조성물에 대한 열처리 공정을 수행하여 상기 나노막대를 성장시키는 것을 포함하고,
상기 용액공정 후 상기 마스크를 제거하는 것을 포함하는 수소 가스 센서의 제조 방법.forming an insulating film on the substrate;
forming a heater on the insulating film;
forming an opening exposing a lower surface of the heater unit by removing a portion of the substrate;
forming first and second electrodes spaced apart from each other on an upper surface of the heater unit; and
Between the first electrode and the second electrode, comprising forming a sensing layer vertically overlapped with the opening,
Forming the sensing film includes growing nanorods by performing a solution process,
Prior to performing the solution process, further comprising forming a mask exposing the upper surface of the heater unit between the first electrode and the second electrode,
Performing the solution process includes preparing a precursor composition, providing the precursor composition on the upper surface of the heater exposed by the mask, and performing a heat treatment process on the precursor composition to grow the nanorods including that,
Method of manufacturing a hydrogen gas sensor comprising removing the mask after the solution process.
상기 히터부를 형성하는 것은:
제1 도전성 지지대를 형성하는 것;
상기 제1 도전성 지지대 상의 발열 저항체를 형성하는 것;
상기 발열 저항체 상에 제2 도전성 지지대를 형성하는 것; 및
상기 제1 도전성 지지대, 상기 발열 저항체 및 상기 제2 도전성 지지대를 덮는 절연층을 형성하는 것을 포함하는 수소 가스 센서의 제조 방법.The method of claim 1,
Forming the heater unit comprises:
forming a first conductive support;
forming a heating resistor on the first conductive support;
forming a second conductive support on the heating resistor; and
and forming an insulating layer covering the first conductive support, the heating resistor, and the second conductive support.
상기 열처리 공정은 50℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 수행되는 수소 가스 센서의 제조 방법.The method of claim 1,
The heat treatment process is a method of manufacturing a hydrogen gas sensor is performed in a temperature range of 50 ℃ to 100 ℃.
상기 열처리 공정은 상기 나노막대가 1000nm 내지 1500nm의 길이를 가질 때까지 수행되는 수소 가스 센서의 제조 방법.The method of claim 1,
The heat treatment process is a method of manufacturing a hydrogen gas sensor is performed until the nanorod has a length of 1000nm to 1500nm.
상기 감지막은 상기 제1 전극의 상면 및 상기 제2 전극의 상면을 덮는 수소 가스 센서의 제조 방법.The method of claim 1,
The sensing film is a method of manufacturing a hydrogen gas sensor covering the upper surface of the first electrode and the upper surface of the second electrode.
상기 나노막대 상에 촉매층을 형성하는 것을 더 포함하는 수소 가스 센서의 제조 방법.The method of claim 1,
The method of manufacturing a hydrogen gas sensor further comprising forming a catalyst layer on the nanorods.
상기 촉매층을 형성하는 것은 스퍼터링 공정, 물리적 기상 증착 공정 및 화학적 기상 증착 공정 중 적어도 하나를 포함하는 수소 가스 센서의 제조 방법.8. The method of claim 7,
Forming the catalyst layer is a method of manufacturing a hydrogen gas sensor comprising at least one of a sputtering process, a physical vapor deposition process, and a chemical vapor deposition process.
상기 촉매층은 상기 나노막대를 둘러싸는 수소 가스 센서의 제조 방법.8. The method of claim 7,
The catalyst layer is a method of manufacturing a hydrogen gas sensor surrounding the nanorod.
상기 히터부의 상면, 상기 제1 전극의 상면 및 상기 제2 전극의 상면 상에 보호막을 형성하는 것을 더 포함하는 수소 가스 센서의 제조 방법.The method of claim 1,
The method of manufacturing a hydrogen gas sensor further comprising forming a protective film on an upper surface of the heater unit, an upper surface of the first electrode, and an upper surface of the second electrode.
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