KR102519644B1 - 가스 센싱 모듈 및 이를 포함하는 가스 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
실시 예에 따른 가스 센싱 모듈은 기판; 상기 기판 위에 배치되는 감지 전극 및 히터 전극; 상기 감지 전극 및 상기 히터 전극 상에 배치되는 감지층; 상기 기판 위에 배치되며, 상기 감지 전극 및 상기 히터 전극과 연결되는 상부 패드; 상기 기판 아래에 배치되는 하부 패드; 및, 상기 기판을 관통하며, 상기 상부 패드 및 상기 하부 패드를 전기적으로 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 감지층은, 분할 공극에 의해 복수의 감지 영역으로 구분되며, 상기 히터 전극은 단일 히터 전극이 상기 복수의 감지 영역에 공통으로 배치된다.
Description
본 발명은 가스 센싱 모듈에 관한 것으로, 특히 하나의 센싱 모듈에서 다수의 기판을 관통하는 연결부의 일부가 상기 기판의 외측을 통해 노출되어 있는 가스 센싱 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
가스센서는 아래와 같은 다양한 조건을 만족해야 하며, 상기 만족해야 하는 조건에는 얼마나 빨리 반응을 할 수 있는지를 보여주는 신속성, 얼마나 미세한 양이 검출이 되어도 반응할 수 있는지를 보여주는 민감성, 얼마나 오랫동안 동작을 할 수 있는지를 보여주는 내구성, 그리고 소비자가 얼마나 부담 없이 센서를 사용할 수 있는지를 보여주는 경제성 등이 포함된다.
또한, 기존의 반도체 공정 기술과 결합하기 위해서는 집적화, 나열화 하기 쉬운 특성을 갖고 있어야 한다. 실용적인 가스센서로는 산화주석(SnO2)을 재료로 해서 만들어진 가정용 가스 누출 경보기 등이 폭넓게 보급되어 있다. 동작원리로는 가스양의 변화에 따라서 저항 값이 변화하는 것을 이용한 반도체형과 일정 주파수를 갖고 진동하고 있는 진동자에 가스가 흡착되면 진동수가 바뀌는 것을 이용한 진동자형이 있다. 대부분의 가스센서는 회로가 간단하고 상온에서 안정적인 열 적인 특성을 보이는 반도체형을 이용하고 있다.
선행문헌 1에 의하면, 일반적으로 가스센서는 가스 센싱 물질이나 센싱 칩을 실장하는 구조의 패키지 구조를 가지고 있으며, 상면에 구비된 캡부재의 홀을 통해 가스 통기가 가능하도록 구성된다.
한편, 이러한 가스 센서는 일반적으로 휘발성 유기 화합물(VOCs)이나 알코올과 같이 특화된 가스에 대해 측정 가능하게 개발 및 제조되며, 통상적으로 측정 가능한 가스는 하나의 그룹화된 가스 타입에 한정되어 있다.
따라서, 다양한 그룹의 가스를 정밀하게 측정하기 위해서는 상기와 같은 가스 센서를 복수 개 제작하고, 그에 따라 상기 복수 개 제작된 가스 센서를 병립하여 사용하게 된다.
[선행문헌 1] 국내 등록실용신안 20-0196605호
본 발명에 따른 실시 예에서는, 새로운 구조의 가스 센싱 모듈 및 이를 포함하는 가스 센싱 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 하나의 가스 센서 모듈을 통해 다수의 그룹의 가스를 정밀하게 측정할 수 있는 가스 센싱 모듈 및 이를 포함하는 가스 센싱 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 하나의 히터를 공통으로 사용하여 서로 다른 가스를 센싱할 수 있는 가스 센싱 모듈 및 이를 포함하는 가스 센싱 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 기판의 외곽부에 연결부를 배치하여 전체 전극의 수 및 면적을 감소시킬 수 있는 구조의 가스 센싱 모듈 및 이를 포함하는 가스 센싱 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 감지층으로부터 연장되어 기판을 관통하는 공극을 형성하여, 복수의 가스 감지 영역 사이의 간섭을 최소화할 수 있는 가스 센싱 모듈 및 이를 포함하는 가스 센싱 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 감지층의 온도 유지를 위한 히터 구동 전력을 최소화할 수 있는 가스 센싱 모듈 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 외부에서 감지층으로 전달되는 열을 차단하면서, 상기 감지층에 공급되는 열이 외부로 방출됨에 따라 나타나는 문제를 해결할 수 있는 가스 센싱 모듈 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 감지층과 전극 사이의 기판 상에 공극을 형성하여, 상기 감지층과 상기 전극 사이에서의 열 전달을 차단할 수 있는 가스 센싱 모듈 및 이의 제조 방법을 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 가스 센싱 모듈은 기판; 상기 기판 위에 배치되는 감지 전극 및 히터 전극; 상기 감지 전극 및 상기 히터 전극 상에 배치되는 감지층; 상기 기판 위에 배치되며, 상기 감지 전극 및 상기 히터 전극과 연결되는 상부 패드; 상기 기판 아래에 배치되는 하부 패드; 및, 상기 기판을 관통하며, 상기 상부 패드 및 상기 하부 패드를 전기적으로 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 감지층은, 분할 공극에 의해 복수의 감지 영역으로 구분되며, 상기 히터 전극은 단일 히터 전극이 상기 복수의 감지 영역에 공통으로 배치된다.
또한, 상기 복수의 감지 영역은 상기 감지층을 관통하는 상기 분할 공극에 의해 구분된다.
또한, 상기 감지 전극은, 상기 복수의 감지 영역에 포함되는 제 1 감지 영역 내에 배치되는 제 1 감지 전극과, 상기 복수의 감지 영역에 포함되는 제 2 감지 영역 내에 배치되는 제 2 감지 전극을 포함한다.
또한, 상기 제 1 감지 전극은, 상기 제 2 감지 전극과 소정 간격 이격되어 배치된다.
또한, 상기 히터 전극은, 상기 제 1 감지 영역 상에 배치된 제 1 히팅부와, 상기 제 2 감지 영역 상에 배치된 제 2 히팅부를 포함하고, 상기 제 1 히팅부가 가지는 저항 값은, 상기 제 2 히팅부가 가지는 저항 값과 다르다.
또한, 상기 제 1 히팅부의 길이는, 상기 제 2 히팅부의 길이와 다르다.
또한, 상기 제 1 히팅부의 두께, 선폭 및 밀도 중 적어도 하나는 상기 제 2 히팅부의 두께, 선폭 및 밀도 중 적어도 하나와 다르다.
또한, 상기 감지층은, 상기 제 1 감지 영역 상에 배치된 제 1 영역과, 상기 제 2 감지 영역 상에 배치된 제 2 영역을 포함하며, 상기 제 1 영역은, 상기 제 2 영역과 접촉한다.
또한, 상기 분할 공극은, 복수 개로 형성된다.
또한, 상기 분할 공극은, 상기 감지층으로부터 연장되어 상기 기판을 관통한다.
또한, 상기 분할 공극은, 상기 감지층의 중심선 거리의 80 내지 95%의 거리를 가진다.
또한, 상기 기판은, 상기 감지층의 주변에 배치되는 공극을 더 포함한다.
또한, 상기 공극은 복수 개로 형성되며, 상기 감지층으로부터 일정 간격 이격되어 배치된다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 감지 전극은, 백금(Pt) 또는 금(Au)으로 구성된다.
또한, 상기 기판은, 세라믹 기판을 포함한다.
또한, 상기 기판 위에 배치되며, 상기 공통 히터 전극을 덮는 보호층을 더 포함한다.
또한, 상기 기판과 상기 감지층 사이에 배치되는 단열부를 더 포함하며, 상기 제 1 감지 전극, 상기 제 2 감지 전극 및 상기 공통 히터 전극의 적어도 일부는, 상기 단열부 위에 배치된다.
또한, 상기 기판 상에 배치되며, 적어도 하나 이상의 홀을 가지는 커버를 더 포함한다.
한편, 실시 예에 따른 가스 센싱 장치는 인쇄회로기판; 및 상기 인쇄회로기판에 부착되는 가스 센싱 모듈을 포함하고, 상기 가스 센싱 모듈은, 기판과, 상기 기판 위에 배치되는 감지 전극 및 히터 전극과, 상기 감지 전극 및 상기 히터 전극 상에 배치되는 감지층과, 상기 기판 위에 배치되며, 상기 감지 전극 및 상기 히터 전극과 연결되는 상부 패드와, 상기 기판 아래에 배치되는 하부 패드과, 상기 기판을 관통하며, 상기 상부 패드 및 상기 하부 패드를 전기적으로 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 감지층은, 상기 감지층을 관통하는 분할 공극에 의해 복수의 감지 영역으로 구분되며 상기 히터 전극은, 단일 히터 전극이 상기 복수의 감지 영역에 공통으로 배치되는 공통히터 전극을 포함한다.
또한, 상기 감지전극은, 상기 복수의 감지 영역에 포함되는 제 1 감지영역 내에 배치되는 제 1 감지전극과, 상기 복수의 감지 영역에 포함되는 제 2 감지 영역 내에 배치되는 제 2 감지 전극을 포함하며, 상기 공통 히터 전극은 상기 제 1 감지 영역 내에 배치되는 제1 히터부와 상기 제 2 감지 영역 내에 배치되는 제 2 히터부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 감지전극과 상기 제 2 감지 전극은 소정 간격으로 이격되어 배치된다.
또한, 상기 제 1 히터부의 저항 값은, 상기 제 2 히터부의 저항 값과 다르다.
또한, 상기 공통 히터 전극의 상기 제 1 히터부 및 제 2 히터부는, 길이, 두께, 선폭, 밀도 및 구성 물질 중 적어도 어느 하나가 상이하다.
또한, 상기 관통공극은, 상기 제 1 감지 영역 상에 배치된 감지층과, 상기 제 2 감지 영역 상에 배치된 감지층을 서로 분리시킨다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 단일 히터 전극을 이용하여 멀티 가스를 측정할 수 있는 가스 센싱 모듈을 제공함으로써, 히터 공용 사용으로 인해 복수의 멀티 가스를 동시에 측정할 수 있으며, 멀티 가스 측정을 위해 필요한 어레이 개수에 따른 소비 전력을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 동일한 하나의 감지층을 사용하여 멀티 가스를 측정하도록 함으로써, 멀티 가스 측정을 위한 가스 센싱 모듈의 소형화나 슬림화를 달성할 수 있으며, 이에 따른 다양한 제품에 적용할 수 있는 센싱 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 단일 센서 소자의 멀티화가 가능하도록 함으로써, 복수의 기판이 아닌 하나의 단일 기판 상에서 복수의 가스를 동시에 측정할 수 있으며, 가스 센서 외에도 히터가 필요한 센서에 추가 적용하여 복합 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하나의 감지층에 각각의 감지 영역을 구분하는 공극을 형성함으로써, 상기 각각의 감지 영역 사이에서 발생하는 노이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 가스 센싱 모듈의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 세라믹 기판에 상기 감지 전극 및 히터 전극과 연결되는 관통 전극을 형성한 센싱 모듈을 제공함으로써, 와이어 본딩과 같은 공정을 제거하여 센싱 모듈 및 센싱 장치의 소형화나 슬림화를 달성할 수 있으며, 이에 따른 다양한 제품에 적용할 수 있는 센싱 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 감지층의 주변에 복수의 공극을 형성함으로써, 상기 감지층으로 전달되는 외부 열을 차단할 수 있으며, 이에 따라 상기 외부의 열이 상기 감지층으로 전달됨에 따라 나타나는 가스 감지 오류 현상을 제거하여 센서의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 센싱 모듈의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 기판의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 기판의 변형 예이다.
도 5는 도 1에 도시된 감지층의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 온도 변화에 따른 소비전력 변화량을 보여주는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 제 1 공극의 형상을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 평면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 중간층의 평면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 1 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 2 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 3 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15에 도시된 감지 영역의 평면도이다.
도 17은 도 15에 도시된 감지층의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히터 전극의 저항 변화 예를 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 장치의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 센싱 모듈의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 기판의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 기판의 변형 예이다.
도 5는 도 1에 도시된 감지층의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 온도 변화에 따른 소비전력 변화량을 보여주는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 제 1 공극의 형상을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 평면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 중간층의 평면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 1 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 2 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 3 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15에 도시된 감지 영역의 평면도이다.
도 17은 도 15에 도시된 감지층의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히터 전극의 저항 변화 예를 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 장치의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 가스 센싱 모듈의 평면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 기판의 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 기판의 변형 예이며, 도 5는 도 1에 도시된 감지층의 평면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈(100)에 대해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 가스 센싱 모듈(100)은 기판(110), 상부 패드(120), 하부 패드(125), 금속층(130), 히터 전극(135), 감지 전극(140), 감지층(145), 보호층(150) 및 연결부(155)를 포함한다
그리고, 상기 가스 센싱 모듈(100)은 제 1 공극(160) 및 제 2 공극(170)을 포함한다. 여기에서, 상기 제 1 공극(160)은 공극으로 명명할 수 있으며, 제 2 공극(170)은 분할 공극으로 명명할 수 있다.
상기 제 1 공극(160)은 상기 보호층(150) 및 상기 기판(110)을 관통하며 형성되고, 그에 따라 상기 감지층(145)과 소정 간격 이격된 위치에 형성된다.
제 2 공극(170)은 상기 감지층(145) 및 상기 기판(110)을 관통하며 형성되고, 그에 따라 상기 감지층(145)이 형성된 위치에 배치된다.
한편, 상기에서 제 1 공극(160) 및 제 2 공극(170)이 관통 형상을 가진다고 하였지만, 이는 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 제 1 공극(160) 및 제 2 공극(170)은 비관통 형상을 가질 수 있으며, 또한 관통 홀 또는 비 관통 홈 내에 별도의 단열 물질이 충진될 수도 있다. 이에 대해서는 하기에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
기판(110)은 전극 패드가 형성되는 가스 센싱 모듈(100)의 지지 기판이다. 상기 기판(110)은 절연 플레이트를 형성하며, 세라믹 기판일 수 있다.
바람직하게, 상기 기판(110)은 알루미나(Alumina), 산화 실리콘 또는 질화 실리콘(SiN)를 포함하는 세라믹 기판일 수 있다.
기판(110) 위에는 상부 패드(120)가 배치된다.
상기 상부 패드(120)는 통상적인 인쇄회로기판의 제조 공정인 어디티브 공법(Additive process), 서브트렉티브 공법(Subtractive Process), MSAP(Modified Semi Additive Process) 및 SAP(Semi Additive Process) 공법 등으로 형성 가능하며, 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 상부 패드(120)는 상기 기판(110) 위에 소정의 간격을 두고 복수 개 배치된다. 이때, 상기 상부 패드(120)의 수평 단면은 다양한 형상을 가질 수 있다. 여기에서, 상기 수평 단면의 형상은 상기 상부 패드(120)의 상면이 가지는 형상일 수 있다.
즉, 상기 상부 패드(120)의 수평 단면의 형상은 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형의 형상을 가질 수 있으며, 이와 다르게 곡면을 가지는 부채꼴의 형태 및 반원이나 타원을 포함하는 원의 형태로 변형할 수도 있다.
한편, 상기 상부 패드(120)의 수는 추후 설명할 감지층(145)에 의해 구분되는 감지 영역의 수에 의해 결정된다.
예를 들어, 상기 감지층(145)이 제 1 감지 영역과 제 2 감지 영역으로 구분되는 경우, 상기 상부 패드(120)는 상기 제 1 감지 영역에 배치된 한쌍의 감지 전극(140)과 연결되는 한쌍의 제 1 상부 패드와, 상기 제 2 감지 영역에 배치된 한쌍의 감지 전극(140)과 연결되는 한쌍의 제 2 상부 패드와, 상기 제 1 감지 영역 및 제 2 감지 영역에 공통으로 배치된 히터 전극과 연결되는 한쌍의 제 3 상부 패드를 포함한다.
즉, 상기 감지층(145)이 제 1 및 2 감지 영역으로 구분되는 경우, 상기 상부 패드(120)는 제 1 상부 패드(120a), 제 2 상부 패드(120b), 제 3 상부 패드(120c), 제 4 상부 패드(120d), 제 5 상부 패드(120e) 및 제 6 상부 패드(120f)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 내지 제 6 상부 패드(120a, 120b, 120c, 120d, 120e, 120f) 중 2개의 상부 패드는 하나의 공통 히터 전극과 연결되는 히터 전극 패드이고, 나머지 2개의 상부 패드는 제 1 감지 영역에 배치되는 감지 전극과 연결되는 제 1 감지 전극 패드이며, 다른 나머지 2개의 상부 패드는 제 2 감지 영역에 배치된 감지 전극과 연결되는 제 2 감지 전극 패드이다.
한편, 상기 기판(110) 아래에는 하부 패드(125)가 배치된다.
다시 말해서, 기판(110)의 상면에는 상부 패드(120)가 배치되고, 상기 기판(110)의 하면에는 하부 패드(125)가 배치된다.
이때, 상기 하부 패드(125)의 수평 단면의 형상은 인쇄회로기판에 부착되는 면의 형상에 따라 변형이 가능하며, 예를 들어 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형의 형상을 가질 수 있으며, 이와 다르게 곡면을 가지는 부채꼴의 형태 및 반원이나 타원을 포함하는 원의 형태로 변형할 수도 있다.
상기 하부 패드(125)는 상기 가스 센싱 모듈(100)을 인쇄회로기판(도시하지 않음)에 부착시키기 위한 부착 패드이다. 상기 하부 패드(125)는 금속 또는 금속 페이스트로 형성될 수 있다.
다시 말해서, 상기 하부 패드(125)는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 구리(C) 및 아연(Zn) 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 물질로 형성될 수 있다. 또한 상기 하부 패드(125)는 본딩력이 우수한 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 구리(C), 아연(Zn) 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속 물질을 포함하는 페이스트 또는 솔더 페이스트로 형성될 수 있다.
상기 하부 패드(125)의 표면에는 금속층(130)이 배치된다. 상기 금속층(130)은 상기 하부 패드(125)의 표면을 보호하면서, 상기 하부 패드(125)의 본딩력을 높일 수 있는 금속물질로 형성된다. 금속층(130)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 구리(C), 아연(Zn) 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속층(130)은 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함하는 금속물질로 형성될 수 있다.
한편, 상기 하부 패드(125)는 상기 기판(110)의 하면에 소정 간격을 두고 복수 개 배치된다.
즉, 하부 패드(125)는 제 1 하부 패드 내지 제 6 하부 패드(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
그리고, 제 1 하부 패드는 상기 제 1 상부 패드(120a)와 전기적으로 연결되고, 제 2 하부 패드는 상기 제 2 상부 패드(120b)와 전기적으로 연결되며, 제 3 하부 패드는 상기 제 3 상부 패드(120c)와 전기적으로 연결되고, 제 4 하부 패드는 상기 제 4 상부 패드(120d)와 전기적으로 연결되며, 제 5 하부 패드는 상기 제 5 상부 패드(120e)와 전기적으로 연결되고, 제 6 하부 패드는 상기 제 6 상부 패드(120f)와 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 금속층(130)은 상기 제 1 내지 6 하부 패드의 표면에 각각 배치된다.
연결부(155)는 상기 기판(110)을 관통하며, 일단이 상기 상부 패드(120)과 연결되고, 타단이 상기 하부 패드(125)와 연결된다.
다시 말해서, 연결부(155)는 상기 기판(110)을 관통하며 배치되고, 그에 따라 상기 상부 패드(120)와 하부 패드(125)를 상호 전기적으로 연결한다.
상기 연결부(155)는 상기 기판(110)을 관통하는 관통 홀(도시하지 않음) 내부를 금속 물질로 충진하여 형성할 수 있다.
이때, 상기 연결부(155)는 상기 기판(110)을 관통하며 형성되며, 이에 따라 수직 단면은 다양한 기둥 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 연결부(155)의 수평 단면은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 연결부(155)의 수평 단면의 형상은 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형의 형상을 가질 수 있으며, 이와 다르게 곡면을 가지는 부채꼴의 형태 및 반원이나 타원을 포함하는 원의 형태로 변형할 수도 있다.
또한, 상기 연결부(155)와 상기 상부 패드(120)는 터미널 전극을 구성한다. 즉, 상기 상부 패드(120)는 상기 연결부(155) 상에 위치한다. 그리고, 상기 연결부(155)와 상기 상부 패드(120)가 상호 연결된 상태를 터미널 전극으로 칭할 수 있다. 이때, 도면 상에서는 상기 연결부(155)와 상기 상부 패드(120)가 서로 별개의 구성인 것으로 도시하였지만, 이는 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 연결부(155)와 상기 상부 패드(120)는 서로 일체로 형성될 수 있다.
다시 말해서, 상기 관통 홀을 채우면서 상기 기판(110) 위로 돌출되는 도금층을 형성하고, 상기 형성된 도금층을 상기 상부 패드(120)에 대응하게 식각을 진행하여, 상기 상부 패드(120)와 상기 연결부(155)가 일체로 구성된 터미널 전극을 형성할 수도 있다.
한편, 상기 관통 홀은 기계, 레이저 및 화학 가공 중 어느 하나의 가공 방식에 의해 형성될 수 있다.
상기 관통 홀이 기계 가공에 의해 형성되는 경우에는 밀링(Milling), 드릴(Drill) 및 라우팅(Routing) 등의 방식을 사용할 수 있고, 레이저 가공에 의해 형성되는 경우에는 UV나 CO2 레이저 방식을 사용할 수 있으며, 화학 가공에 의해 형성되는 경우에는 아미노실란, 케톤류 등을 포함하는 약품을 이용하여 상기 기판(110)을 개방할 수 있다.
한편, 상기 레이저에 의한 가공은 광학 에너지를 표면에 집중시켜 재료의 일부를 녹이고 증발시켜, 원하는 형태를 취하는 절단 방법으로, 컴퓨터 프로그램에 의한 복잡한 형성도 쉽게 가공할 수 있고, 다른 방법으로는 절단하기 어려운 복합 재료도 가공할 수 있다.
또한, 상기 레이저에 의한 가공은 절단 직경이 최소 0.005mm까지 가능하며, 가공 가능한 두께 범위로 넓은 장점이 있다.
상기 레이저 가공 드릴로, YAG(Yttrium Aluminum Garnet)레이저나 CO2 레이저나 자외선(UV) 레이저를 이용하는 것이 바람직하다. YAG 레이저는 동박층 및 절연층 모두를 가공할 수 있는 레이저이고, CO2 레이저는 절연층만 가공할 수 있는 레이저이다.
상기 관통 홀이 형성되면, 상기 관통 홀 내부를 금속 물질로 충진하여 상기 연결부(155)를 형성한다. 상기 연결부(155)는 상기 상부 패드(120)와 하부 패드(125)를 상호 전기적으로 도통시키기 위해 형성된다. 상기 연결부(155)를 형성하는 금속 물질은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있으며, 상기 금속 물질 충진은 무전해 도금, 전해 도금, 스크린 인쇄(Screen Printing), 스퍼터링(Sputtering), 증발법(Evaporation), 잉크젯팅 및 디스펜싱 중 어느 하나 또는 이들의 조합된 방식을 이용할 수 있다.
상기 기판(110) 위에는, 상기 상부 패드(120)과 연결되는 히터 전극(135) 및 감지 전극(140)이 각각 배치된다.
상기 히터 전극(135)은 상기 기판(110) 위에 배치되어 열을 발생하는 저항체이며, 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 또는 전도성 금속 산화물 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으며, 상기 금속 중에서 백금(Pt)으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 가스 센싱 모듈(100)은 고온(예를 들어, 250~300℃)에서 동작하기 때문에 온도를 상승시키기 위한 구성이 필요하며, 이에 따라 상기 히터 전극(135)은 외부에서 인가되는 전원에 의해 주울 열(Joule Heat)을 발생하여 상기 가스 센싱 모듈(100)의 온도를 상승시킨다.
이때, 상기 가스 센싱 모듈(100)은 다양한 종류의 가스를 센싱하는 가스 센싱 모듈일 수 있으며, 상기 센싱되는 가스의 종류에 따라 상기 가스 센싱 모듈이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 온도도 상이하다.
따라서, 본 발명에서는 상기 센싱 되는 가스의 종류에 따라 상기 히터 전극(135)의 온도를 제어할 수 있으며, 이에 따라 상기 가스 센싱 모듈(100)이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 특정 온도까지 상승되도록 한다. 이때, 상기 히터 전극(135)에서 발생하는 온도는 상기 인가되는 전원(Power)의 크기에 따라 조절될 수 있다. 또한, 상기 히터 전극(135)의 폭이나 길이 등의 변화를 통해 조절할 수도 있을 것이다.
이때, 본 발명에서의 히터 전극(135)은 공통 히터 전극(135)일 수 있다. 즉, 본 발명에서의 감지층(145)은 복수의 감지 영역으로 구분된다. 그리고, 상기 복수의 감지 영역에는 상기 감지 전극(140)이 각각 배치된다.
여기에서, 일반적인 가스 센서의 구조는, 상기 복수의 감지 영역에 각각 배치되는 감지 전극(140)과 함께 상기 히터 전극(135)도 상기 복수의 감지 영역 내에 독립적으로 배치되었다.
그러나, 본 발명에서는 상기와 같이 상기 복수의 감지 영역에 하나의 공통 히터 전극(135)을 배치한다. 이하에서는, 상기 히터 전극(135)을 공통 히터 전극(135)이라고 하여 설명하기로 한다.
이때, 상기 공통 히터 전극(135)은 상기 제 1 감지 영역 및 제 2 감지 영역 상에 배치되고, 양단이 상기 상부 패드(120)와 연결된다.
그리고, 상기 공통 히터 전극(135)은 상기 제 1 감지 영역 상에 배치된 제 1 히팅부와, 제 2 감지 영역 상에 배치된 제 2 히팅부를 포함한다. 그리고, 상기 제 1 히팅부와 상기 제 2 히팅부는, 서로 연결되어 있으며, 그에 따라 한쌍의 상부 패드(120)에 양단이 연결된다.
한편, 상기와 같이 가스 센싱 모듈은 감지되는 가스의 종류에 따라 요구되는 온도 조건이 서로 상이하다. 상기 공통 히터 전극(135)은 상기 서로 다른 온도 조건이 요구되는 상기 제 1 감지 영역과 제 2 감지 영역에 공통으로 열을 발생한다.
이때, 상기 제 1 감지 영역에 형성된 상기 제 1 히팅부와, 상기 제 2 감지 영역에 형성된 제 2 히팅부의 저항 조건이 서로 동일하다면, 상기 제 1 감지 영역과 제 2 감지 영역에서는 서로 동일한 가스만이 감지될 수 있다.
따라서, 본 발명에서의 상기 공통 히터 전극(135)은 상기 제 1 히팅부의 저항 값과, 상기 제 2 히팅부의 저항 값이 서로 상이하며, 그에 따라 상기 제 1 히팅부에서 발생하는 열과 상기 제 2 히팅부에서 발생하는 열이 서로 다르도록 한다.
이때, 본 발명의 제 1 실시 예에서는 상기 공통 히터 전극(135)의 밀도 변화에 따라 상기 저항 값을 변화시킨다. 다시 말해서, 상기 공통 히터 전극(135)의 제 1 히팅부의 밀도와, 상기 제 2 히팅부의 밀도는 서로 다르며, 그에 따라 상기 제 1 히팅부의 저항 값과 상기 제 2 히팅부의 저항 값은 서로 다르게 나타난다.
즉, 본 발명에서는 하나의 동일 감지층을 이용하여 서로 다른 복수의 가스를 감지하도록 한다. 상기 공통 히터 전극(135)은 상기와 같은 밀도 변화를 통해 상기 공통 히터 전극(135)의 저항 값을 변화시키고, 상기 동일 감지층에 서로 다른 온도를 부여할 수 있다. 이때, 상기 히터 전극(135)의 저항 값은 밀도 변화, 재료 변경, 선폭, 선의 두께 및 전극 선의 길이 변화 등의 방법으로 변경할 수 있다.
여기에서, 상기 밀도는 길이를 의미할 수 있다. 즉, 상기 감지층(145)의 제 1 영역 내에 배치되는 상기 제 1 히팅부의 길이는 상기 제 2 영역 내에 배치되는 제 2 히팅부의 길이와 다르다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 히팅부에 배치된 히터 전극의 길이는 상기 제 2 히팅부에 배치된 히터 전극의 길이보다 길 수 있다.
예를 들어, 상기 공통 히터 전극(135)의 상기 제 1 감지 영역 상에 배치된 감지층은 200℃의 온도를 가질 수 있고, 상기 제 2 감지 영역 상에 배치된 감지층은 250℃의 온도를 가질 수 있다.
즉, 본 발명에서는 하나의 공통 히터 전극(135)에 대해, 각각의 감지 영역 상에 배치되는 전극의 밀도를 서로 다르게 하여, 동일 전압이 입력되는 조건에서 각각의 감지 영역 상의 감지층이 서로 다른 온도를 가지도록 한다.
그리고, 상기 감지 전극(140)은 상기 기판(110) 위에 배치될 수 있다.
이때, 상기 감지 전극(140)은 상기 상부 패드(120)와 전기적으로 연결되어 있고, 그에 따라 상기 공통 히터 전극(135)에 의해 기화된 가스를 감지한다.
이때, 상기 감지 전극(140)은 상기 감지층(145)에 의해 구분된 감지 영역 상에 각각 배치된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 감지 영역이 제 1 감지 영역(A1)과 제 2 감지 영역(A2)으로 구분되는 경우, 상기 감지 전극(140)은 상기 제 1 감지 영역(A1) 상에 배치되는 한쌍의 제 1 감지 전극(140a, 140b)와, 상기 제 2 감지 영역(A2) 상에 배치되는 한쌍의 제 2 감지 전극(140c, 140d)를 포함한다.
그리고, 상기 한쌍의 제 1 감지 전극(140a, 140b)과, 상기 한쌍의 제 2 감지 전극(140c, 140d) 각각은, 서로 동일한 감지층(145)에 의해 덮이며, 상기 공통 히터 전극(135)에 의해 가열되어 기화된 가스를 감지한다.
이때, 상기 공통 히터 전극(135)의 밀도 변화에 따른 저항 값 변화에 따라 상기 제 1 감지 영역(A1) 상에 배치된 감지층의 온도와, 상기 제 2 감지 영역(A1) 상에 배치된 감지층의 온도는 서로 다르게 나타난다. 이에 따라, 상기 제 1 감지 전극(140a, 140b)는 제 1 온도를 가지는 감지층에 의해 덮이고, 상기 제 2 감지 전극(140c, 140d)은 상기 제 1 온도와는 다른 제 2 온도를 가지는 감지층에 의해 덮인다. 보다 명확하게, 상기 감지층(145)은 제 1 감지 영역 상에 배치되는 제 1 부분과, 제 2 감지 영역 상에 배치되는 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분이 가지는 온도와 상기 제 2 부분이 가지는 온도가 서로 다르다.
이에 따라, 상기 감지층(145)의 영역별 온도가 서로 다르기 때문에 각각의 영역에서의 가스의 반응도도 서로 다르게 나타난다. 상기 한쌍의 제 1 감지 전극(140a, 140b)과, 상기 한쌍의 제 2 감지 전극(140c, 140d) 각각은, 상기 제 1 감지 영역과 상기 제 2 감지 영역의 서로 다른 온도에서 기화된 가스에 의해 감지층의 반응도에 대응하여 서로 다른 가스를 각각 감지할 수 있다.
한편, 상기 감지층(145)은 금속 산화물, 금 나노입자, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanoTube), 풀러렌(fullerene) 및 이황화 몰리브덴(MoS2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 금속 산화물은 텅스텐 산화물(WOx), 주석 산화물(SnOx), 아연 산화물(ZnOx), 인듐 산화물(InOx), 티타늄 산화물(TiOx), 갈륨 산화물(GaOx) 및 코발트 산화물(CoOx) 중 둘 이상이 일정한 비율로 결합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 산화물은 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 금속 또는 산화 알루미늄(Al2O3)과 같은 금속 산화물을 보조 입자로 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속 산화물은 평균 직경의 크기가 1nm 내지 500nm 수준의 나노 입자일 수 있다. 또한 상기 금속 산화물은 나노 기둥으로 형성된 주상 구조를 가지는 박막일 수 있다.
상기 나노 입자는 표면적이 크고, 상기 감지 전극(140)과의 접촉력이 크게 향상될 수 있어 상기 감지층(145)에 접촉된 가스에 의한 전기저항의 변화가 보다 민감하게 체크될 수 있다.
그리고, 상기 감지층(145)은 제 2 공극(170)을 포함한다. 상기 제 2 공극(170)은 상기 감지층(145)을 복수의 감지 영역으로 구분하기 위해 형성된다. 상기 제 2 공극(170)은 상기 감지층(145)을 관통한다. 이때, 상기 제 2 공극(170)의 폭은, 상기 제 2 공극(170)이 형성되는 위치에서의 상기 감지층(145)의 폭보다 작다. 구체적으로, 상기 제 2 공극(170)은 감지 영역의 중심점을 통과하는 중심선의 길이 대비 80 내지 95%의 거리를 가지고 상기 감지층(145)을 분할하여 상기 감지 영역을 제 1 감지 영역과 제 2 감지 영역으로 구분할 수 있다. 다시 말해서, 상기 제 2 공극(170)은 상기 감지층(145)의 중심점을 통과하는 중심선의 길이 대비 80 내지 95%의 거리를 가지며, 상기 감지층(145)을 복수의 감지 영역으로 구분한다.
이에 따라, 상기 제 2 공극(170)을 중심으로 상기 감지층(145)은 제 1 감지 영역의 제 1 부분과, 제 2 감지 영역의 제 2 부분으로 구분되지만, 상기 제 1 부분과 제 2 부분의 적어도 일부분은 서로 연결되어 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 상기 감지층(145)의 제 1 부분과 상기 제 2 부분이 서로 연결되도록 함으로써, 상기 공통 히터 전극(135)이 하부의 기판(110) 상에 서로 연결되는 구조를 가질 수 있도록 하며, 이에 따라 기계적 강성을 높일 수 있다.
상기 기판(110) 위에는 보호층(150)이 형성된다.
상기 보호층(150)은 상기 기판(110) 위에 배치된 상부 패드(120) 및 히터 전극(135)을 덮으며 형성된다.
바람직하게, 상기 보호층(150)은 상기 감지 전극(140) 위에 배치된 감지층(145)을 제외한 영역, 다시 말해서, 상기 감지층(145)에 의해 덮이지 않은 감지 전극(140)의 일부분, 상기 히터 전극(135), 상기 상부 패드(120) 및 상기 기판(110)의 상면을 덮으며 형성된다.
이때, 상기 보호층(150)은 글래스 또는 산화물로 형성된 층일 수 있으며, 바람직하게 상기 히터 전극(135)에서 발생하는 열이 외부로 방출되는 것을 막기 위해 낮은 열 전도율(Low Thermal Conductivity)을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 단일 히터 전극을 이용하여 멀티 가스를 측정할 수 있는 가스 센싱 모듈을 제공함으로써, 히터 공용 사용으로 인해 복수의 멀티 가스를 동시에 측정할 수 있으며, 멀티 가스 측정을 위해 필요한 어레이 개수에 따른 소비 전력을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 동일한 하나의 감지층을 사용하여 멀티 가스를 측정하도록 함으로써, 멀티 가스 측정을 위한 가스 센싱 모듈의 소형화나 슬림화를 달성할 수 있으며, 이에 따른 다양한 제품에 적용할 수 있는 센싱 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 단일 센서 소자의 멀티화가 가능하도록 함으로써, 복수의 기판이 아닌 하나의 단일 기판 상에서 복수의 가스를 동시에 측정할 수 있으며, 가스 센서 이외의 히터가 필요한 센서에 추가 적용하여 복합 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하나의 감지층에 각각의 감지 영역을 구분하는 공극을 형성함으로써, 상기 각각의 감지 영역 사이에서 발생하는 노이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 가스 센싱 모듈의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 기판(110)에는 제 1 공극(160)과 제 2 공극(170)이 형성된다.
상기 제 1 공극(160)은 상기 감지층(145)에 의해 정의되는 감지 영역을 제외한 주변 영역에 형성된다.
그리고, 상기 제 2 공극(170)은 상기 감지 전극(140)에 의해 정의되는 감지 영역 내에 형성된다. 보다 명확하게, 상기 제 2 공극(170)은 상기 감지층(145)이 배치된 영역에 형성된다. 상기 제 2 공극(170)은 상기 기판(110)과 함께 상기 감지층(145)을 관통한다. 상기 제 2 공극(170)에 대해서는 상기에서 설명하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 기판(110) 상에는 상기 제 1 공극(160)이 형성된다. 상기 제 1 공극(160)은 상기 기판(110)의 상부 영역 중 감지 영역의 주위를 둘러싸며 배치된다.
바람직하게, 상기 제 1 공극(160)은 상기 보호층(150)의 상면에서부터 상기 기판(110)의 하면까지 관통하며 형성된다. 그리고, 상기 제 1 공극(160)은 상기 감지 영역을 둘러싸며 배치되어, 상기 감지 영역과 상기 주변 영역 사이에서의 열 전달을 최소화한다.
여기에서, 상기 감지 영역은 상기 감지층(145)이 배치된 영역이다. 따라서, 상기 제 1 공극(160)은 상기 감지층(145)의 주변 영역에 배치된다. 즉, 상기 감지 영역은 상기 감지층(345)이 배치된 영역의 주변 영역으로 정의된다.
따라서, 상기 제 1 공극(160)은 상기 감지층(145)과 소정 간격 이격된 둘레 영역을 둘러싸며 배치되는 복수의 단위 공극을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 기판(110) 중 상기 복수의 단위 공극 사이의 부분은 제거되지 않고 남아있게 되며, 그에 따라 감지 영역과 상기 주변 영역 사이의 연결 강도를 향상시키도록 한다.
상기 복수의 단위 공극은, 도 3에 도시된 바와 같이 "ㄷ" 형상을 가질 수 있으며, 상기 기판(110)의 상하 중심선을 기준으로 대칭 형상을 가지며 배치될 수 있다.
상기 제 1 공극(160)은 도 1에 도시된 기판(110)만을 관통하며 형성되는 것이 아니라, 상기 기판(110)과 함께 상기 기판(110) 위에 배치된 보호층(150)도 관통하며 형성된다. 따라서, 상기 제 1 공극(160)에 의해, 상기 보호층(150) 영역에서부터 상기 기판(110)의 영역까지 열 차단 영역이 형성된다.
상기 제 1 공극(160)은 기계, 레이저 및 화학 가공 중 어느 하나의 가공 방식에 의해 상기 기판(110) 및 상기 보호층(150)을 개방하며 형성될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 감지층의 주변에 복수의 공극을 형성함으로써, 상기 감지층으로 전달되는 외부 열을 차단할 수 있으며, 이에 따라 상기 외부의 열이 상기 감지층으로 전달됨에 따라 나타나는 가스 감지 오류 현상을 제거하여 센서의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 의하면, 상기 공극에 의해 상기 감지층의 열이 외부로 방출되지 않음으로써, 상기 감지층이 항상 고온을 유지할 수 있도록 하며, 상기 감지층을 일정 온도로 유지시키기 위한 소비 전력을 최소화할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제 1 공극(160)은 복수 개로 형성될 수 있다.
다시 말해서, 상기 제 1 공극(160)은 상기 감지층(145)과 소정 간격 이격되어 상기 감지층(145) 의 주변 영역에 배치되는 제 1-1 공극(160a)과, 상기 제 1 공극(160a)과 소정 간격 이격되어 상기 제 1-1 공극(160a)의 주변 영역에 배치되는 제 1-2 공극(160b)과, 상기 제 1-2 공극(160b)과 소정 간격 이격되어 상기 제 1-2 공극(160b)의 주변 영역에 배치되는 제 1-3 공극(160c)을 포함할 수 있다.
상기 제 1-1 공극(160a)은 감지층(145)의 주위를 둘러싸며 배치되고, 상호 소정 간격 이격된 복수의 제 1 단위 공극을 포함한다. 상기 복수의 제 1 단위 공극 사이에는 상기 기판(110)이나 상기 보호층(150)이 그대로 남아있게 되며, 그에 따라 상기 감지 영역과 상기 주변 영역 사이의 연결 강도를 상승시킨다.
제 1-2 공극(160b)은 상기 제 1-1 공극(160a)과 소정 간격 이격된 위치에 형성되고, 그에 따라 상기 제 1-1 공극(160a)의 주위를 둘러싸며 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1-2 공극(160b)은 상기 제 1-1 공극(160a)과 마찬가지로 상호 소정 간격 이격된 복수의 제 2 단위 공극으로 구성된다.
제 1-3 공극(160c)은 상기 제 1-2 공극(160b)과 소정 간격 이격된 위치에 형성되고, 그에 따라 상기 제 1-2 공극(160b)의 주위를 둘러싸며 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1-3 공극(160c)은 상기 제 1-2 공극(160b)과 마찬가지로 상호 소정 간격 이격된 복수의 제 3 단위 공극으로 구성된다.
상기와 같은, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 감지층 주변에 소정 간격 이격된 복수의 공극(제 1-1 내지 제 1-3 공극)을 형성함으로써, 외부에서 발생한 충격 에너지가 상기 복수의 공극에 의해 상쇄되어 내부로 전달되는 것을 방지할 수 있으며, 센싱 모듈의 파손 문제를 해결할 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 감지층(145)은 상기 제 2 공극(170)에 의해 복수의 감지 영역으로 구분된다.
도 5에서는, 상기 감지 영역이 2개의 감지 영역으로 구분되는 것으로 도시하였으며, 이에 따라 상기 제 2 공극(170)은 상기 감지층(145)을 좌측 영역과 우측 영역으로 구분하기 위해 상기 감지층(145)의 중앙 영역에 사각 형상을 가지며 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 공극(170)은 원 형상, 타원 형상, 다각형 형상, 삼각 형상 등의 다양한 형상으로 변형 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 온도 변화에 따른 소비전력 변화량을 보여주는 그래프이다.
도 6의 (a)는 종래 기술에 따른 센싱 모듈의 시간에 따른 측정 온도의 변화를 보여주고, (b)는 본 발명에 따른 센싱 모듈의 시간에 따른 측정 온도의 변화를 보여준다.
상기와 같은 제 1 공극(160)이 기판(110)에 형성되어 있지 않은 경우, 감지 영역의 온도는 외부 온도에 영향을 많이 받았으며, 그에 따라 시간에 따른 측정 온도의 변화량은 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서, 종래에서는 기판 상의 감지부의 온도를 일정하게 유지하기 위해 상기 히터 전극에 지속적인 전원을 공급해야 했으며, 이에 따른 소비 전력이 증가하였다.
그러나, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 공극(160)이 기판(110)에 형성되어 있음에 따라 상기 감지 영역의 온도가 외부 온도에 영향을 받지 않고 일정하게 유지될 수 있도록 하며, 공극이 없는 기판에 대비하여 시간에 따른 측정 온도의 변화량은 미세한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 제 1 공극(160)에 의해 상기 기판의 감지영역의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 단열 효과를 가지며, 이에 따라 상기 히터 전극에 공급되는 전원을 감소시켜 전력 소모를 획기적으로 절감할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 제 1 공극의 형상을 보여주는 도면이다.
이때, 이하에서의 형상은 상기 제 1 공극(160)의 형상이라고 하였지만, 상기 연결부(155)를 형성하기 위한 관통 홀도 상기 제 1 공극(160)의 형상과 동일하게 형성할 수 있다.
도 7 내지 도 9은 제 1 공극(160)의 수직 단면의 형상을 보여준다.
상기 제 1 공극(160)의 형상은 상기 제 1 공극(160)의 형성 방법에 의해 결정될 수 있다. 상기 제 1 공극(160)은 식각 공정에 의해 형성될 수 있으며, 이와 다르게 샌드 블러스트나 레이저 가공과 같은 기계 가공에 의해 형성될 수 있다.
도 7를 참조하면, 상기 제 1 공극(160)은 습식 식각(wet etching)에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 공극(160)은 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 하부를 과에칭함에 따라 상부에서 하부로 갈수록 폭이 점차 증가하는 형상을 가질 수 있으며, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 기판(110)의 상부를 과에칭함에 따라 하부에서 상부로 갈수록 폭이 점차 증가하는 형상을 가질 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제 1 공극(160)은 드라이 식각(dry etching)에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 공극(160)은 도 8의 (a)와 같이 일반적인 드라이 식각에 따라 상부에서 하부로 갈수록 폭이 점차 감소하는 형상을 가질 수 있고, (b)에 도시된 바와 같이, 상부에서 하부로 갈수록 폭이 점차 증가하는 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 드라이 에칭으로 DRIE(Deep reactive-ion etching)이 이용될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 공극(160)은 곡면 형상을 가질 수 있다.
즉, 상기 제 1 공극(160)은 도 8의 (c)와 같이 기판의 내부 방향으로 오목한 곡면 형상을 가질 수 있고, (d)에 도시된 바와 같이, 기판의 외부 방향으로 볼록한 곡면 형상을 가질 수 있으며, (e)에 도시된 바와 같이 내부 방향으로 오목하면서 하부로 갈수록 폭이 점차 감소하는 곡면 형상을 가질 수도 있을 것이다.
또한, 도 9를 참조하면, 상기 제 1 공극(160)은 기계 가공에 의해 형성될 수 있다.
즉, 제 1 공극(160)은 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 샌드 블러스트 가공에 의해 형성될 수 있으며, 이에 따라 상부에서 하부로 갈수록 불규칙한 폭 변화를 갖는 형상을 가질 수 있다. 또한, 제 1 공극(160)은 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 레이저 가공에 의해 형성될 수 있으며, 이에 따라 상부에서 하부로 갈수폭 불규칙한 폭 변화를 가지는 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 제 1 공극(160)은 다양한 수평 단면을 가질 수 있다.
상기 제 1 공극(160)은 감지층(145)의 주변을 둘러싸는 원형 도넛 형상의 단위 공극들을 포함할 수 있다. 또한, 이와 다르게 상기 제 1 공극(160)은 감지층(145)의 주변을 둘러싸며 원형의 내부 형상 및 사각의 외곽 형상을 갖는 복수의 단위 공극들을 포함할 수 있다. 또한, 이와 다르게 상기 제 1 공극(160)은 감지층(145)의 주변을 둘러싸며 삼각 형상을 갖는 복수의 단위 공극들을 포함할 수 있다. 또한, 이와 다르게 상기 제 1 공극(160)은 감지층(145)의 주변을 둘러싸며, 직선의 사각 형상을 갖는 복수의 단위 공극들을 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 평면도이며, 도 12는 도 10에 도시된 중간층의 평면도이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 가스 센싱 모듈(200)은 기판(210), 중간층(215), 상부 패드(220), 하부 패드(225), 금속층(230), 히터 전극(235), 감지 전극(240), 감지층(245), 보호층(250) 및 연결부(255)를 포함한다 이때, 상기 설명한 바와 같이 상기 중간층(215)은 생략이 가능하며, 상기 중간층(215)이 생략되는 경우, 상기 감지 전극(240)과 상기 히터 전극(235)은 상기 기판(210) 바로 위에 배치되게 된다. 이하에서는, 도 10의 예를 참조하여 상기 중간층(215)이 포함된 구조를 바탕으로 설명하기로 한다.
여기에서, 상기 센싱 모듈(200)은 중간층(215)을 제외한 다른 부분의 구조는 도 1 에서 설명한 센싱 모듈(100)의 구조와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 센싱 모듈(200)에서, 상기 기판(210) 위에는 중간층(215)이 배치될 수 있다.
상기 중간층(215)은 열 전도율이 낮은 물질로 형성되며, 그에 따라 상기 공통 히터 전극(235)에 의해 발생한 열이 외부로 방출되지 않도록 한다. 다시 말해서, 상기 중간층(215)은 상기 공통 히터 전극(235)에서 발생한 열이 외부로 방출되지 않도록 하는 단열부로 기능한다.
이를 위해, 상기 중간층(215)은 상기 공통 히터 전극(235) 아래에 배치될 수 있다. 바람직하게, 상기 중간층(215)은 상기 기판(210)의 상부 영역 중 감지 영역(감지층(245)이 올라가는 영역)에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 공통 히터 전극(235)은 상기 기판(210)의 감지 영역에 배치된 중간층(215) 위에 배치된다. 즉, 상기 기판(210)의 상부 영역 중 상기 중간층(215)이 배치된 영역이 감지 영역일 수 있고, 상기 중간층(215)이 배치된 영역을 제외한 영역(다시 말해서, 상부 패드(220)가 배치된 영역)이 주변 영역일 수 있다.
이때, 상기 공통 히터 전극(235) 중 상기 중간층(215) 위에 배치된 부분의 두께는 상기 상부 패드(220)와 연결되는 부분의 두께보다 얇을 수 있다. 즉, 상기 공통 히터 전극(235)은 상기 기판(210) 위에 배치된 부분과 상기 중간층(215) 위에 배치된 부분의 두께가 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 상기 공통 히터 전극(235)은 상기 감지층(245)이 배치된 위치로 갈수록 두께가 점차 얇아지며, 그에 따라 상기 감지층(245)이 배치된 부분의 공통 히터 전극(235)은 다른 부분에 배치된 부분의 히터 전극이 가지는 저항보다 낮게 설정된다. 또한, 상기 공통 히터 전극(235)은 상기 감지층(245)에 배치된 부분에서의 밀도가 서로 다르게 나타나며, 그에 따라 저항 값도 영역별로 서로 다르게 나타난다. 이에 대해서는 상기에서 설명하였으므로, 생략하기로 한다.
따라서, 상기 중간층(215) 위에 배치된 공통 히터 전극(235)은 다른 부분의 히터 전극보다 높은 온도를 발생하여 상기 감지층(245)을 가열한다.
한편, 상기 중간층(215)은 글래스 또는 산화물로 형성된 층일 수 있으며, 바람직하게 상기 공통 히터 전극(235)에서 발생하는 열이 외부로 방출되는 것을 막기 위하여 낮은 열 전도율(Low Thermal Conductivity)을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
한편, 제 1 실시 예에서는 제 2 공극(170)이 상기 감지층(145)과 상기 기판(110)을 관통하며 형성됐지만, 상기 제 2 실시 예에서는 상기 제 2 공극(270)이 상기 감지층(145) 및 상기 기판(210)과 함께 상기 중간층(215)에도 형성된다.
이때, 도 11에서는 상기 중간층(215)이 형성된 영역과 상기 감지층(245)이 형성된 영역이 서로 다르다고 하였지만, 이는 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 감지층(245)은 상기 중간층(215)과 동일한 면적을 가지며, 상기 중간층(215) 위에 배치된 공통 히터 전극(235)의 일부도 덮으며 배치될 수 있다.
또한, 도 12에서와 같이, 상기 중간층(215)에 형성된 제 2 공극(270)의 위치는, 상기 설명한 바와 같이 상기 감지층(245)에 형성된 제 2 공극(270)의 위치와 수직으로 정렬된다.
도 13은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 1 변형 구조를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 가스 센싱 모듈(200A)는 상부 패드(220), 감지 전극(240), 공용 히터 전극(235), 감지층(245), 제 1 공극(260) 및 제 2 공극(270)이 형성되는 부분은 이전 실시 예와 동일하다.
다만, 도 13에서는 감지층(245)의 감지 영역이 2개의 영역이 아닌 3개의 영역으로 구분되며, 그에 따라 상부 패드와 수, 공용 히터 전극의 배치 형태, 및 제 2 공극(270)의 형상이 이전 실시 예와 상이하다.
먼저, 상기 감지층(245)은 제 1 감지 영역(A1), 제 2 감지 영역(A2) 및 제 3 감지 영역(A3)으로 구분되며, 그에 따라 상기 제 2 공극(270)도 상기 감지층(245)을 3개의 영역으로 구분하기 위한 형상을 갖는다.
또한, 상기 상부 패드(220)는 제 1 상부 패드(220a), 제 2 상부 패드(220b), 제 3 상부 패드(220c), 제 4 상부 패드(220d), 제 5 상부 패드(220e), 제 6 상부 패드(220f), 제 7 상부 패드(220g), 제 8 상부 패드(220h)를 포함한다.
상기 제 1 상부 패드(220a) 및 상기 제 2 상부 패드(220b)는 제 1 감지 영역(A1) 상에 배치된 감지 전극과 연결된다.
상기 제 3 상부 패드(220c) 및 상기 제 4 상부 패드(220d)는 제 2 감지 영역(A2) 상에 배치된 감지 전극과 연결된다.
상기 제 5 상부 패드(220e) 및 상기 제 6 상부 패드(220f)는 제 3 감지 영역(A3) 상에 배치된 감지 전극과 연결된다.
그리고, 상기 제 7 상부 패드(220g) 및 상기 제 8 상부 패드(220h)는 상기 제 1 내지 3 감지 영역에 공통 배치된 공통 히터 전극(235)과 연결된다.
또한, 상기 감지 전극(240)은 제 1 감지 전극(240a), 제 2 감지 전극(240b), 제 3 감지 전극(240c), 제 4 감지 전극(240d), 제 5 감지 전극(240e), 제 6 감지 전극(240f)를 포함한다.
상기 제 1 감지 전극(240a) 및 상기 제 2 감지 전극(240b)은 상기 제 1 감지 영역(A1) 상에 배치된다. 그리고, 제 1 감지 전극(240a) 및 상기 제 2 감지 전극(240b)은 상기 제 1 상부 패드(220a) 및 상기 제 2 상부 패드(220b)와 각각 연결된다.
상기 제 3 감지 전극(240c) 및 상기 제 4 감지 전극(240d)은 상기 제 2 감지 영역(A2) 상에 배치된다. 그리고, 상기 제 3 감지 전극(240c) 및 상기 제 4 감지 전극(240d)은 상기 제 3 상부 패드(220c) 및 상기 제 4 상부 패드(220d)와 각각 연결된다.
또한, 상기 제 5 감지 전극(240e) 및 상기 제 6 감지 전극(240f)은 상기 제 3 감지 영역(A3) 상에 배치된다. 그리고, 상기 제 5 감지 전극(240e) 및 상기 제 6 감지 전극(240f)은 상기 제 5 상부 패드(220e) 및 상기 제 6 상부 패드(220f)와 각각 연결된다.
또한, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 각각의 감지 영역 상에 배치된 감지층(245)은 감지층의 일부분이 서로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 감지층(245)은 각각의 감지 영역 상에 배치된 감지층의 끝단이 서로 연결될 수 있다.
상기와 같이, 제 1 변형 구조에서는 상기 감지층(245)을 3개의 감지 영역으로 구분할 수 있고, 상기 각각의 감지 영역 상에 하나의 공통 히터 전극(235)을 배치할 수 있다. 그리고, 상기 공통 히터 전극(235)은 각각의 감지 영역 상에 배치되는 제 1 내지 제 3 부분으로 구분될 수 있으며, 상기 제 1 내지 3 부분은 밀도가 서로 다르게 적용되어 서로 다른 저항 값을 가질 수 있다.
도 14는 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 2 변형 구조를 나타낸 도면이다. 도 14를 참조하면, 가스 센싱 모듈(200B)는 상부 패드(220), 감지 전극(240), 공용 히터 전극(235), 감지층(245), 제 1 공극(260) 및 제 2 공극(270)이 형성되는 부분은 이전 실시 예와 동일하다.
다만, 도 14에서는 감지층(245)의 감지 영역이 3개의 영역이 아닌 4개의 영역으로 구분되며, 그에 따라 상부 패드와 수, 공용 히터 전극의 배치 형태, 및 제 2 공극(270)의 형상이 이전 실시 예와 상이하다.
먼저, 상기 감지층(245)은 제 1 감지 영역(A1), 제 2 감지 영역(A2), 제 3 감지 영역(A3) 및 제 4 감지 영역(A4)으로 구분되며, 그에 따라 상기 제 2 공극(270)도 상기 감지층(245)을 4개의 영역으로 구분하기 위한 형상을 갖는다. 바람직하게, 상기 제 2 공극(270)은 십자 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 상부 패드(220)는 제 1 상부 패드(220a), 제 2 상부 패드(220b), 제 3 상부 패드(220c), 제 4 상부 패드(220d), 제 5 상부 패드(220e), 제 6 상부 패드(220f), 제 7 상부 패드(220g), 제 8 상부 패드(220h), 제 9 상부 패드(220i) 및 제 10 상부 패드(220j)를 포함한다.
상기 제 1 상부 패드(220a) 및 상기 제 2 상부 패드(220b)는 제 1 감지 영역(A1) 상에 배치된 감지 전극과 연결된다.
상기 제 3 상부 패드(220c) 및 상기 제 4 상부 패드(220d)는 제 2 감지 영역(A2) 상에 배치된 감지 전극과 연결된다.
상기 제 5 상부 패드(220e) 및 상기 제 6 상부 패드(220f)는 제 3 감지 영역(A3) 상에 배치된 감지 전극과 연결된다.
그리고, 상기 제 7 상부 패드(220g) 및 상기 제 8 상부 패드(220h)는 상기 제 4 감지 영역(A4) 상에 배치된다.
그리고, 상기 제 9 상부 패드(220i) 및 제 10 상부 패드(220j)는 상기 제 1 내지 4 감지 영역(A1~A4)에 공통 배치된 공통 히터 전극(235)과 연결된다.
또한, 상기 감지 전극(240)은 제 1 감지 전극(240a), 제 2 감지 전극(240b), 제 3 감지 전극(240c), 제 4 감지 전극(240d), 제 5 감지 전극(240e), 제 6 감지 전극(240f), 제 7 감지 전극(240g) 및 제 8 감지 전극(240h)를 포함한다.
상기 제 1 감지 전극(240a) 및 상기 제 2 감지 전극(240b)은 상기 제 1 감지 영역(A1) 상에 배치된다. 그리고, 제 1 감지 전극(240a) 및 상기 제 2 감지 전극(240b)은 상기 제 1 상부 패드(220a) 및 상기 제 2 상부 패드(220b)와 각각 연결된다.
상기 제 3 감지 전극(240c) 및 상기 제 4 감지 전극(240d)은 상기 제 2 감지 영역(A2) 상에 배치된다. 그리고, 상기 제 3 감지 전극(240c) 및 상기 제 4 감지 전극(240d)은 상기 제 3 상부 패드(220c) 및 상기 제 4 상부 패드(220d)와 각각 연결된다.
또한, 상기 제 5 감지 전극(240e) 및 상기 제 6 감지 전극(240f)은 상기 제 3 감지 영역(A3) 상에 배치된다. 그리고, 상기 제 5 감지 전극(240e) 및 상기 제 6 감지 전극(240f)은 상기 제 5 상부 패드(220e) 및 상기 제 6 상부 패드(220f)와 각각 연결된다.
또한, 상기 제 7 감지 전극(240g) 및 상기 제 8 감지 전극(240h)은 상기 제 4 감지 영역(A4) 상에 배치된다. 그리고, 상기 제 7 감지 전극(240g) 및 상기 제 8 감지 전극(240h)은 상기 제 7 상부 패드(220g) 및 상기 제 8 상부 패드(220h)와 각각 연결된다.
또한, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 각각의 감지 영역 상에 배치된 감지층(245)은 끝단이 서로 연결될 수 있으며, 그에 따라 상부 기판 상에 지지 영역(S)이 형성될 수 있다.
상기와 같이, 제 2 변형 구조에서는 상기 감지층(245)을 4개의 감지 영역으로 구분할 수 있고, 상기 각각의 감지 영역 상에 하나의 공통 히터 전극(235)을 배치할 수 있다. 그리고, 상기 공통 히터 전극(235)은 각각의 감지 영역 상에 배치되는 제 1 내지 제 4 부분으로 구분될 수 있으며, 상기 제 1 내지 4 부분은 밀도가 서로 다르게 적용되어 서로 다른 저항 값을 가질 수 있다.
도 15는 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈의 제 3 변형 구조를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 15에 도시된 감지 영역의 평면도이며, 도 17은 도 15에 도시된 감지층의 평면도이다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 가스 센싱 모듈(200C)는 상부 패드(220), 감지 전극(240), 공용 히터 전극(235), 감지층(245), 제 1 공극(260) 및 제 2 공극(270)이 형성되는 부분은 이전 실시 예와 동일하다.
다만, 상기 도 14에서는 상기 제 2 공극(270)이 각각의 감지 영역 위에 배치된 상기 감지층(245)의 적어도 일부가 서로 연결되도록 하는 지지 영역(S)을 포함하였다.
그러나, 제 3 변형 구조에서는, 상기 제 2 공극(270)이 상기 지지 영역(S)을 포함하지 않으며, 그에 따라 상기 각각의 감지 영역(A1~A4) 상에 배치된 감지층(245)이 서로 분리되어 있다.
따라서, 상기 감지층(245)은 상기 제 2 공극(270)에 의해 상기 제 1 감지 여역 상에 배치되는 제 1 영역과, 상기 제 2 감지 영역 상에 배치되는 제 2 영역과, 상기 제 3 감지 영역 상에 배치되는 제 3 영역과, 상기 제 4 감지 영역 상에 배치되는 제 4 영역으로 분리된다.
상기와 같이. 본 발명의 변형 구조에서는, 상기 감지층(245)이 각각의 영역별로 분리된 구조를 가짐으로써, 감지층이 감지 영역(또는 온도 영역)별로 구분되어 독립적인 배치 구조를 가지며, 이에 따라 가스 감지 감도를 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 도 16을 참조하면, 중간층(215)이 포함되는 경우, 상기 중간층(215)은 상기 제 2 공극(270)에 의해 제 1 중간층(215a), 제 2 중간층(215b), 제 3 중간층(215c) 및 제 4 중간층(215d)으로 분리된다.
또한, 도 17을 참조하면, 상기 감지층(245)은 상기 제 2 공극(270)에 의해 제 1 감지층(245a), 제 2 감지층(245b), 제 3 감지층(245c) 및 제 4 감지층(245d)로 분리되며, 그에 따라 상호 연결되지 않는다.
한편, 본 발명에서 상기 감지 영역이 4개의 영역으로 구분되는 경우, 각각의 영역은 상기 공통 히터 전극(135, 235)의 저항 값 변화를 통해 서로 다른 온도를 가질 수 있으며, 예를 들어 표 1과 같은 가스를 감지할 수 있다.
| 제 1 감지 영역 | 제 2 감지 영역 | 제 3 감지 영역 | 제 4 감지 영역 | |
| 온도 조건 | 200℃ | 250℃ | 300℃ | 350℃ |
| 감지 가스 | 에탄올 | HCHO | 톨루엔 | 수소 |
상기와 같이, 본 발명에서는 상기 감지층(245)을 4개의 영역으로 구분하고, 상기 구분된 영역에 서로 다른 밀도를 가지는 공통 히터 전극(135, 235)을 배치할 수 있다.
그에 따라, 제 1 감지 영역에서는 에탄올에 반응하는 감지 조건을 형성하고, 제 2 감지 영역에서는 HCHO에 반응하는 감지 조건을 형성하며, 제 3 감지 영역에서는 톨루엔에 반응하는 감지 조건을 형성하고, 제 4 감지 영역에서는 수소에 반응하는 감지 조건을 형성할 수 있다. 여기에서, 상기 각각의 감지 영역에 형성되는 감지 조건은 변경 가능하며, 그에 따라 각각의 감지 영역에서 감지되는 가스의 종류도 변경 가능하다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히터 전극의 저항 변화 예를 보여주는 도면이다.
상기 이전 실시 예에서의 공통 히터 전극(135, 235)은 전극의 밀도 변화(또는 길이 변화)를 통해 각각의 영역별로 서로 다른 저항 값이 나타나도록 하였다.
도 18을 참조하면, 상기 공통 히터 전극(135, 235)은 상기 각각의 영역에 동일한 밀도를 가지며 배치될 수 있다.
다만, 상기 공통 히터 전극(135, 235)은 각각의 영역에 배치된 전극의 선폭이나 두께가 다를 수 있다. 이때, 상기 공통 히터 전극(135, 235)의 선폭이나 두께가 감소하면, 그에 따른 저항 값을 증가하고, 상기 선폭이나 두께가 증가하면 그에 따른 저항 값은 감소하게 된다.
즉, 상기 공통 히터 전극(135, 235)의 영역별 두께나 선폭의 변화를 통해 저항 값을 변화시켜 상기 제 1 감지 영역에서는 에탄올에 반응하는 감지 조건을 형성하고, 제 2 감지 영역에서는 HCHO에 반응하는 감지 조건을 형성하며, 제 3 감지 영역에서는 톨루엔에 반응하는 감지 조건을 형성하고, 제 4 감지 영역에서는 수소에 반응하는 감지 조건을 형성할 수 있다. 여기에서, 상기 각각의 감지 영역에 형성되는 감지 조건은 변경 가능하며, 그에 따라 각각의 감지 영역에서 감지되는 가스의 종류도 변경 가능하다.
즉, 상기 감지 영역이 제 1 내지 4 감지 영역을 포함하는 경우, 상기 공통 히터 전극(135, 235)은 제 1 감지 영역 상에 배치되는 제 1 히팅부와, 제 2 감지 영역 상에 배치되는 제 2 히팅부와, 제 3 감지 영역 상에 배치되는 제 3 히팅부와, 제 4 감지 영역 상에 배치되는 제 4 히팅부를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 히팅부는 제 1 폭(W1)을 가지며 상기 제 1 감지 영역 상에 배치될 수 있다. 그리고 상기 제 2 히팅부는 상기 제 1 폭(W1)보다는 큰 제 2 폭(W2)을 가지며 상기 제 2 감지 영역 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 3 히팅부는 상기 제 1 폭(W1) 및 제 2 폭(W2)보다는 큰 제 3 폭(W3)을 가지며 상기 제 3 감지 영역 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 4 히팅부는 상기 제 1 내지 3 폭(W1, W2, W3)보다는 큰 제 4 폭(W4)을 가지며 배치될 수 있다.
상기와 같이, 각각의 영역에 배치된 공통 히터 전극(135, 235)의 폭을 다르게 적용하여, 각각의 영역에서 발생하는 온도가 감지 가스에 반응하는 조건을 가지도록 할 수 있다.
또한, 상기 밀도나 선폭의 변화 이외에도, 각각의 영역에 배치되는 공통 히터 전극(135, 235)의 재료를 변화시켜 상기 저항 값을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 공통 히터 전극(135, 235)은 백금(Pt), 텅스텐(W) 및 그래핀으로 구성될 수 있으며, 그에 따라 제 1 감지 영역 상의 공통 히터 전극(135, 235)은 백금으로 구성되고, 제 2 감지 영역 상의 공통 히터 전극(135, 235)은 텅스텐으로 구성되며, 제 3 감지 영역 상의 공통 히터 전극(135, 235)은 그래핀으로 구성될 수 있다.
도 19는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가스 센싱 모듈의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 19를 참조하면, 가스 센싱 모듈(300)은, 기판(310), 중간층(315), 상부 패드(320), 하부 패드(325), 금속층(330), 히터 전극(335), 감지 전극(340), 감지층(345), 보호층(350), 연결부(355)를 포함한다. 한편, 상기 중간층(315)은 도 1에서와 같이 생략될 수 있으며, 보다 높은 단열성을 가지도록 상기 기판(310) 위에 선택적으로 배치될 수 있다.
도 19에 도시된 가스 센싱 모듈(300)은 도 10에 도시된 가스 센싱 모듈(200)과 상부 패드(320) 및 연결부(355)를 제외한 다른 구성은 동일하다. 이에 따라, 상기 상부 패드(320) 및 연결부(355)를 제외한 다른 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 연결부(355)는 상기 기판(310)을 관통하며, 일단이 상기 상부 패드(320)과 연결되고, 타단이 상기 하부 패드(325)와 연결된다.
다시 말해서, 연결부(355)는 상기 기판(310)을 관통하며 배치되고, 그에 따라 상기 상부 패드(320)와 하부 패드(325)를 상호 전기적으로 연결한다.
상기 연결부(355)는 상기 기판(310)을 관통하는 관통 홀(도시하지 않음) 내부를 전도성 물질로 충진하여 형성할 수 있다.
이때, 상기 관통 홀은 상기 기판(310)의 외곽부에 형성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 관통 홀은 상기 기판(310)의 모서리 영역에 각각 형성될 수 있다. 따라서, 상기 관통 홀은 상기 기판(310)의 외곽에 형성되어 상기 기판(310)의 외측으로 노출된다.
따라서, 상기 연결부(355)는 상기 기판(310)의 외곽부에 형성되며, 바람직하게 상기 기판(310)의 모서리 영역에 각각 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 연결부(355)의 일부는 상기 기판(310)의 외측으로 노출된다. 이때, 상기 노출되는 부분은 상기 연결부(355)의 상면 또는 하면이 아닌 측면이다.
또한, 상부 패드(320)는 판 형상을 갖는 상기 기판(310)의 4개의 모서리 영역에 각각 배치될 수 있다. 즉, 상기 상부 패드(320)도 상기 연결부(355)와 같이 상기 기판(310)의 상부 영역의 외곽부에 배치된다. 이에 따라, 상기 상부 패드(320)의 측면은 기판(310)의 외측으로 노출될 수 있다.
상기와 같이, 연결부(355)와 같은 관통 전극를 기판의 외곽부에 배치하여 상기 관통 전극의 일부가 외부로 노출되도록 함으로써, 전체 관통 전극의 면적 비율을 감소할 수 있으며, 이에 따라 상기 관통 전극을 구성하는 전도성 물질이나 전도성 페이스트의 사용량을 감소할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센싱 장치의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 센싱 장치(400)는, 인쇄회로기판(190) 및 상기 인쇄회로기판(390) 위에 배치되는 센싱 모듈(100)을 포함한다.
이때, 상기 센싱 모듈(100)은 상기 인쇄회로기판(190) 위에 직접 부착될 수 있으며, 바람직하게 상기 하부 패드(125) 및 금속층(130)이 상기 인쇄회로기판(190) 위의 패드(도시하지 않음)에 플립 칩 공정으로 직접 부착될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 인쇄회로기판(190)과 상기 센싱 모듈(100)을 별도의 와이어 본딩 공정 없이 직접 연결할 수 있으며, 이에 따라 제품 부피를 소형화할 수 있을 뿐 아니라, 제품 단가를 낮출 수 있다.
또한, 센싱 모듈(100)의 상부 영역에는 커버(180)가 배치되며, 상기 커버(180)는 도 20에 도시된 바와 같이 홀을 포함하지 않을 수 있다. 이와 다르게, 가스의 내부 유입을 보다 원활히 하기 위해, 상기 커버(180)의 적어도 어느 일 영역에는 홀이 형성될 수 있다.
즉, 도 20에 도시된 바와 같이 커버(180)는 상기 센싱 모듈(100)의 상부 영역을 모두 덮으며 배치될 수 있다. 이때, 상기 인쇄회로기판(190)과 상기 센싱 모듈(100) 사이에는 일정 공간이 형성되며, 그에 따라 상기 공간 및 상기 제 1 공극(160)을 통해 상기 감지층(145)로 외부 가스가 유입될 수 있으며, 이에 따라 상기와 같이 커버에 별도의 홀을 형성하지 않아도 된다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 단일 히터 전극을 이용하여 멀티 가스를 측정할 수 있는 가스 센싱 모듈을 제공함으로써, 히터 공용 사용으로 인해 복수의 멀티 가스를 동시에 측정할 수 있으며, 멀티 가스 측정을 위해 필요한 어레이 개수에 따른 소비 전력을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 동일한 하나의 감지층을 사용하여 멀티 가스를 측정하도록 함으로써, 멀티 가스 측정을 위한 가스 센싱 모듈의 소형화나 슬림화를 달성할 수 있으며, 이에 따른 다양한 제품에 적용할 수 있는 센싱 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 단일 센서 소자의 멀티화가 가능하도록 함으로써, 복수의 기판이 아닌 하나의 단일 기판 상에서 복수의 가스를 동시에 측정할 수 있으며, 가스 센서 이외의 히터가 필요한 센서에 추가 적용하여 복합 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하나의 감지층에 각각의 감지 영역을 구분하는 공극을 형성함으로써, 단일 기판 상에 형성된 복수의 감지 영역 사이에서 발생하는 노이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 가스 센싱 모듈의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 세라믹 기판에 상기 감지 전극 및 히터 전극과 연결되는 관통 전극을 형성한 센싱 모듈을 제공함으로써, 와이어 본딩과 같은 공정을 제거하여 센싱 모듈 및 센싱 장치의 소형화나 슬림화를 달성할 수 있으며, 이에 따른 다양한 제품에 적용할 수 있는 센싱 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 감지층의 주변에 복수의 공극을 형성함으로써, 상기 감지층으로 전달되는 외부 열을 차단할 수 있으며, 이에 따라 상기 외부의 열이 상기 감지층으로 전달됨에 따라 나타나는 가스 감지 오류 현상을 제거하여 센서의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 센싱 모듈
110: 기판
115: 중간층
120: 상부 패드
125: 하부 패드
130: 금속층
135: 히터 전극
140: 감지 전극
145: 감지층
150: 보호층
155: 연결부
160: 제 1 공극
170: 제 2 공극
180: 커버
180: 외부 기판
110: 기판
115: 중간층
120: 상부 패드
125: 하부 패드
130: 금속층
135: 히터 전극
140: 감지 전극
145: 감지층
150: 보호층
155: 연결부
160: 제 1 공극
170: 제 2 공극
180: 커버
180: 외부 기판
Claims (21)
- 기판;
상기 기판 상에 배치된 한 쌍의 제1 내지 제3 상부 패드;
상기 기판 상에 배치되고, 제1 및 제2 감지 영역을 포함하는 감지층;
상기 기판 상의 상기 제1 감지 영역에 배치되고, 상기 한 쌍의 제1 상부 패드에 각각 연결된 한 쌍의 제1 감지 전극;
상기 기판 상의 상기 제2 감지 영역에 배치되고, 상기 한 쌍의 제2 상부 패드에 각각 연결된 한 쌍의 제2 감지 전극; 및
상기 기판 상의 상기 제1 및 제2 감지 영역에 배치되고, 양단이 상기 한 쌍의 제3 상부 패드에 각각 연결된 공통 히터 전극;을 포함하고,
상기 감지층은 상기 감지층을 관통하는 제2 공극에 의해 상기 제1 및 제2 감지 영역으로 구분되고,
상기 공통 히터 전극은
상기 제1 감지 영역에 배치된 제1 히팅부 및 상기 제2 감지 영역에 배치되고 상기 제1 히팅부와 연결된 제2 히팅부를 포함하는, 가스 센싱 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 감지층과 이격된 상기 감지층의 주변 영역에 구비되고, 상기 상호 이격된 복수의 단위 공극을 포함하는 제1 공극을 포함하는 가스 센싱 모듈. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1 히팅부의 저항 값은 상기 제2 히팅부의 저항 값과 다르며,
상기 제1 히팅부의 길이, 두께 및 선폭 중 적어도 하나는,
상기 제2 히팅부의 길이, 두께 및 선폭 중 적어도 하나와 다른, 가스 센싱 모듈. - 제2항에 있어서,
상기 감지층의 상기 제1 및 제2 감지 영역과 상기 감지층의 주변 영역은 서로 연결된 가스 센싱 모듈. - 제2항에 있어서,
상기 기판 상에 배치된 보호층을 포함하고,
상기 제1 공극은 상기 보호층을 관통하는, 가스 센싱 모듈. - 제 1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판 상에 배치된 중간층을 더 포함하고,
상기 감지층은 상기 중간층 상에 배치된, 가스 센싱 모듈. - 삭제
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| JP2013174627A (ja) | 2013-06-14 | 2013-09-05 | Tdk Corp | ガスセンサ |
| JP2014153135A (ja) | 2013-02-07 | 2014-08-25 | Panasonic Corp | ガスセンサ及び匂い判別装置 |
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-
2016
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20160922 |
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Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20210923 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20160922 Comment text: Patent Application |
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| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20220928 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20230328 |
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