KR102631601B1 - Sensing device for a catalytic combustion typed gas sensor and catalytic combustion typed gas sensor including the same - Google Patents
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Abstract
접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자는, 기판, 상기 기판 상에 형성되고, 상기 기판을 전기적으로 절연시키는 절연막 및 상기 절연막 상에 배치되며, 노출된 감지 가스가 산소 가스와 선택적으로 반응하여 발열하는 발열 반응에 대하여, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 발열하는 발열체로서 및 촉매로서 기능하는 발열 촉매 패턴부를 포함한다. 이로써, 별도의 촉매층이 생략될 수 있다.The sensing element for a contact combustion type gas sensor includes a substrate, an insulating film formed on the substrate, electrically insulating the substrate, and disposed on the insulating film, and the exposed sensing gas selectively reacts with oxygen gas to generate heat. For the reaction, it includes a heating element that generates heat by power supplied from the outside and a heat-generating catalyst pattern portion that functions as a catalyst. As a result, a separate catalyst layer can be omitted.
Description
본 발명의 실시예들은 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자 및 이를 포함하는 접촉 연소식 가스 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들은, 촉매 및 가열을 통하여 검출 가스의 발열 반응에 따른 온도 변화를 측정함으로써 감지 가스를 감지하는 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자 및 상기 감지 소자를 포함하는 접촉 연소식 가스 센서에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a sensing element for a contact combustion type gas sensor and a contact combustion type gas sensor including the same. More specifically, embodiments of the present invention include a sensing element for a contact combustion gas sensor that detects a sensing gas by measuring a temperature change due to an exothermic reaction of the sensing gas through a catalyst and heating, and a contact including the sensing device. It relates to combustion-type gas sensors.
촉매 연소식 가스 센서는 감지 영역과 참고 영역으로 구획된 기판 상에 절연막, 상기 절연막 상에 형성되고 검출 가스의 반응에 대하여 촉매로서 기능하는 촉매층, 상기 절연막 내부에 매립되고 상기 촉매층을 가열하여 활성화시키는 히터를 포함한다. 예를 들면, 상기 감지 영역 및 참고 영역 각각에 MEMS 칩의 형태로 구현될 수 있다. 이때, 상기 감지 영역 내에서 MEMS 칩의 상부에 촉매층이 별도로 형성될 수 있다.A catalytic combustion gas sensor includes an insulating film on a substrate divided into a sensing area and a reference area, a catalyst layer formed on the insulating film and functioning as a catalyst for the reaction of the detection gas, and a catalyst layer embedded in the insulating film and activated by heating the catalyst layer. Includes heater. For example, it may be implemented in the form of a MEMS chip in each of the sensing area and reference area. At this time, a catalyst layer may be separately formed on top of the MEMS chip within the sensing area.
상기 히터는, 발열 기능 뿐만 아니라 온도 센서로서의 기능을 가진다. 상기 히터는, 상기 감지 영역에 구비된 제1 히터 및 참고 영역에 구비된 제2 히터를 포함한다.The heater has not only a heat generating function but also a temperature sensor function. The heater includes a first heater provided in the sensing area and a second heater provided in the reference area.
한편, 촉매층은, 상기 제1 히터에 대응되는 위치이며 상기 절연막의 상부 표면 상에 형성된다. 상기 촉매층은, 한쪽편 온도센서 상부에 검출하고자 하는 가스와 반응하는 촉매 물질, 예를 들면, 알루미나 및 상기 알루미나 내부에 분포되는 나노 백금 물질을 포함한다.Meanwhile, the catalyst layer is located at a position corresponding to the first heater and is formed on the upper surface of the insulating film. The catalyst layer includes a catalyst material that reacts with the gas to be detected on one side of the temperature sensor, for example, alumina, and a nano platinum material distributed inside the alumina.
상기 제1 및 제2 히터에 각각 전압이 인가될 경우 상기 제1 히터가 발열함으로써, 상기 감지 영역 내에 위치하는 촉매층이 활성화 될 수 있다. 이때, 촉매층을 이루는 촉매 물질은 감지 가스의 발열 반응에 대하여 촉매로서 기능할 수 있다. 이로써, 상기 발열 반응에 따라 제1 히터의 온도가 추가적으로 상승할 수 있다. When voltage is applied to each of the first and second heaters, the first heater generates heat, thereby activating the catalyst layer located in the sensing area. At this time, the catalyst material forming the catalyst layer may function as a catalyst for the exothermic reaction of the sensing gas. Accordingly, the temperature of the first heater may increase additionally according to the exothermic reaction.
한편, 촉매층이 형성되지는 않은 참고 영역에서는 발열 반응이 발생하지 않는다. 따라서, 상기 감지 영역 및 참고 영역에 각각 형성된 상기 제1 및 제2 히터들 간의 온도 차이가 발생하게 된다.Meanwhile, no exothermic reaction occurs in the reference area where the catalyst layer is not formed. Accordingly, a temperature difference occurs between the first and second heaters formed in the sensing area and the reference area, respectively.
또한, 상기 히터를 이루는 금속 물질은 온도가 증가함에 따라 저항이 증가한다. 이로써, 상기 제1 및 제2 히터들 간의 저항 변화에 대한 차이가 발생하게 된다. 상기 제1 및 제2 히터들 및 한 쌍의 고정 저항 소자들을 상호 연결한 휘스톤 브릿지 회로가 구성되고, 상기 회로 내의 출력 전압값이 검출되어 상기 감지 가스의 농도가 측정될 수 있다.Additionally, the resistance of the metal material that makes up the heater increases as the temperature increases. As a result, a difference in resistance change occurs between the first and second heaters. A Wheatstone bridge circuit is configured to interconnect the first and second heaters and a pair of fixed resistance elements, and the output voltage value within the circuit is detected to measure the concentration of the sensing gas.
하지만, 상기 감지 영역에 촉매층을 별도로 형성하기 위하여, 촉매 물질을 합성하고, 상기 촉매 물질을 감지 영역에 도포하고 경화시키는 공정이 추가로 요구된다.However, in order to separately form a catalyst layer in the sensing area, an additional process of synthesizing a catalyst material, applying the catalyst material to the sensing area, and curing the catalyst material is required.
나아가, 상기 촉매층이 절연막 상에 불균일하게 도포되어 상기 촉매층의 불균일도가 악화될 경우, 서로 다른 센서들 간에 성능 편차가 발생할 수 있다. 특히, 촉매층이 절연막 중 감지 영역 내에만 추가적으로 형성됨에 따라 MEMS 칩 상부에 발생하는 스트레스 불균형에 의한 파손 현상이 발생할 수 있다.Furthermore, if the catalyst layer is applied unevenly on the insulating film and the unevenness of the catalyst layer worsens, performance deviations may occur between different sensors. In particular, as the catalyst layer is additionally formed only within the sensing area of the insulating film, damage due to stress imbalance occurring at the top of the MEMS chip may occur.
본 발명의 실시예들은, 균일한 성능 및 우수한 내구성을 구현할 수 있는 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자를 제공한다.Embodiments of the present invention provide a sensing element for a contact combustion type gas sensor that can implement uniform performance and excellent durability.
본 발명의 실시예들은, 균일한 성능 및 우수한 내구성을 구현할 수 있는 접촉 연소식 가스 센서를 제공한다.Embodiments of the present invention provide a contact combustion gas sensor capable of achieving uniform performance and excellent durability.
본 발명의 실시예들에 따른 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자는, 기판, 상기 기판 상에 형성되고, 상기 기판을 전기적으로 절연시키는 절연막 및 상기 절연막 상에 배치되며, 노출된 감지 가스가 산소 가스와 선택적으로 반응하여 발열하는 발열 반응에 대하여, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 발열하는 발열체로서 및 촉매로서 기능하는 발열 촉매 패턴부를 포함한다.A sensing element for a contact combustion gas sensor according to embodiments of the present invention includes a substrate, an insulating film formed on the substrate, an insulating film that electrically insulates the substrate, and disposed on the insulating film, and the exposed sensing gas is oxygen gas. It includes a heat generating catalyst pattern portion that functions as a catalyst and a heating element that generates heat by power supplied from the outside for an exothermic reaction that selectively reacts with and generates heat.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발열 촉매 패턴부는 팔라듐 또는 백금을 포함하는 백금계 금속 또는 상기 백금계 금속에 구리, 주석을 혼합한 합금을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the exothermic catalyst pattern portion may include a platinum-based metal containing palladium or platinum, or an alloy obtained by mixing the platinum-based metal with copper and tin.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판은 참고 영역 및 감지 영역으로 구분되고, 상기 발열 촉매 패턴부는 상기 감지 영역 상에 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the substrate is divided into a reference area and a sensing area, and the heat-generating catalyst pattern portion may be formed on the sensing area.
여기서, 상기 발열 촉매 패턴부는 상기 감지 영역의 중심을 기준으로 방사형으로 연장될 수 있다.Here, the heat-generating catalyst pattern portion may extend radially based on the center of the sensing area.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발열 촉매 패턴부를 덮고, 상기 감지 가스를 선택적으로 투과하는 투과 절연막이 추가적으로 구비될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a transparent insulating film that covers the heat-generating catalyst pattern portion and selectively transmits the sensing gas may be additionally provided.
여기서, 상기 투과 절연막은 다공성 재질을 갖고, 알루미나, 질화알루미늄, 지르코늄 산화물, 폴리이미드, PBI(polybenzimidazole) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.Here, the transparent insulating film has a porous material and may include at least one material selected from the group consisting of alumina, aluminum nitride, zirconium oxide, polyimide, and polybenzimidazole (PBI).
또한, 상기 투과 절연막은, 상기 발열 촉매 패턴부를 부분적으로 덮을 수 있다.Additionally, the transparent insulating film may partially cover the heat generating catalyst pattern portion.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발열 촉매 패턴부의 양 단부들에 연결된 한 쌍의 제1 전극 패드들을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it may include a pair of first electrode pads connected to both ends of the heat-generating catalyst pattern portion.
본 발명의 실시예들에 따른 접촉 연소식 가스 센서는, 감지 영역 및 참고 영역을 갖는 기판, 상기 기판 상에 형성되고, 상기 기판을 전기적으로 격리시키는 절연막, 상기 감지 영역 내 상기 절연막 상에 배치되며, 노출된 감지 가스가 산소 가스와 선택적으로 반응하여 발열하는 발열 반응에 대하여, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 발열하는 발열체로서 및 촉매로서 기능하는 발열 촉매 패턴부, 상기 참고 영역 내 상기 절연막 상에 배치되며, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 일차적으로 발열하는 발열체로서 및 상기 발열에 따른 저항 변화로부터 온도 변화를 감지하는 발열 온도 센싱부 및 상기 발열 온도 센싱부를 덮도록 상기 절연막 상에 형성되고, 상기 감지 가스로부터 상기 발열 온도 센싱부를 차단시키는 차단 절연막을 포함한다.A contact combustion gas sensor according to embodiments of the present invention includes a substrate having a sensing area and a reference area, an insulating film formed on the substrate and electrically isolating the substrate, and disposed on the insulating film in the sensing area. , an exothermic catalyst pattern portion that functions as a heating element and a catalyst that generates heat by a power supplied from the outside for an exothermic reaction in which the exposed sensing gas selectively reacts with oxygen gas, and is disposed on the insulating film in the reference area. It is formed on the insulating film to cover the heating temperature sensing unit and the heating temperature sensing unit as a heating element that primarily generates heat by power supplied from the outside and detects temperature changes from resistance changes due to the heat generation, and the sensing gas It includes a blocking insulating film that blocks the heating temperature sensing unit from.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 차단 절연막에는 상기 발열 촉매 패턴부의 상면을 노출시키도록 노출홀이 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, an exposure hole may be formed in the blocking insulating film to expose the upper surface of the heat generating catalyst pattern portion.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발열 촉매 패턴부를 덮도록 상기 절연막 상에 형성되고, 상기 감지 가스를 선택적으로 투과하는 투과 절연막이 추가적으로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a transparent insulating film may be additionally formed on the insulating film to cover the heat generating catalyst pattern portion and selectively transmits the sensing gas.
여기서, 상기 투과 절연막은 다공성 재질을 갖고, 알루미나, 질화알루미늄, 지르코늄 산화물, 폴리이미드, PBT 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.Here, the transparent insulating film has a porous material and may include at least one material selected from the group consisting of alumina, aluminum nitride, zirconium oxide, polyimide, and PBT.
또한, 상기 투과 절연막은, 상기 발열 촉매 패턴부를 부분적으로 덮을 수 있다.Additionally, the transparent insulating film may partially cover the heat generating catalyst pattern portion.
본 발명의 실시예들에 따른 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자는 발열 기능 및 감지 가스의 발열 반응에 대하여 촉매 기능을 동시에 구현할 수 있는 발열 촉매 패턴부를 포함함으로써, 별도의 촉매층이 생략될 수 있다. 이로써, 서로 다른 소자들에 각각 형성된 촉매층이 균일하게 도포되지 못하여 발생하는 촉매층의 불균일도가 악화되는 현상이 억제될 수 있다. 나아가, 감지 영역에만 형성되는 촉매층에 의해 감지 영역 및 참고 영역 사이에 생기는 스트레스 불균형에 따른 파손 현상이 억제될 수 있다. The sensing element for a catalytic combustion gas sensor according to embodiments of the present invention includes a heat generating catalyst pattern portion that can simultaneously implement a heat generating function and a catalytic function for an exothermic reaction of the sensing gas, so that a separate catalyst layer can be omitted. As a result, the worsening of the unevenness of the catalyst layer that occurs when the catalyst layer formed on each of the different devices is not uniformly applied can be suppressed. Furthermore, damage caused by stress imbalance between the sensing area and the reference area can be suppressed by the catalyst layer formed only in the sensing area.
나아가, 감지 소자는 멤스 칩 구조를 가짐에 따라 반도체 제조 공정을 통하여 대량으로 생산될 수 있다.Furthermore, because the sensing element has a MEMS chip structure, it can be mass-produced through a semiconductor manufacturing process.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 발열 촉매 패턴부의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 도 1의 발열 촉매 패턴부 및 투과 절연막의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a sensing element for a contact combustion gas sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view for explaining an example of the heat-generating catalyst pattern portion of FIG. 1.
FIG. 3 is a plan view illustrating an example of the heat-generating catalyst pattern portion and the transparent insulating film of FIG. 1 .
Figure 4 is a cross-sectional view for explaining a contact combustion type gas sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a cross-sectional view for explaining a contact combustion type gas sensor according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 감지 소자 및 접촉 연소식 가스 센서에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a sensing element and a contact combustion type gas sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.
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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자를 설명하기 위한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a sensing element for a contact combustion gas sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자(100)는 기판(110), 절연막(120) 및 발열 촉매 패턴부(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the
기판(110)은, 실리콘 기판, 지르코늄 기판 등과 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 상기 기판(110)은 감지 영역(101, 도 4 참고) 및 참고 영역(106, 도 4 참고)을 포함한다. 상기 감지 영역(101) 및 참고 영역(106)은 수평 방향을 따라 상호 이격되게 정의된다. The
상기 감지 영역(101)에는 발열 촉매 패턴부(130)가 형성된다. 반면에, 상기 참고 영역(106)에는 발열 온도 센싱부가 형성되고, 발열 촉매 패턴부는 생략된다.A heat-generating
상기 기판(110)은 예를 들면, 200 내지 400 μm의 두께를 가질 수 있다. 상기 기판(110)에는 바닥부가 제거되어 절연막(120)의 하면을 부분적으로 노출되는 개구(103)가 형성된다. 이로써, 상기 기판(110)은 멤브레인 구조를 가질 수 있다.The
상기 절연막(120)은 상기 기판(110) 상에 형성된다. 즉, 상기 절연막(120)은 상기 기판(110)의 상면에 형성된다. 상기 절연막(120)은 상기 기판(110)을 전기적으로 격리시킨다. 예를 들면, 상기 절연막(120)은 상기 기판(110)을 그 상부에 형성되는 발열 촉매 패턴부(130)로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다.The insulating
상기 절연막(120)은 산화막(Oxide)/질화막(Nitride)/산화막(Oxide)으로 이루어진 ONO 적층 구조를 가질 수 있다.The insulating
발열 촉매 패턴부(130)는 상기 절연막(120) 상에 배치된다. 상기 발열 촉매 패턴부(130)는 감지 영역(103) 내에 형성된다. 이와 반대로, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는 참고 영역에는 생략된다. The heat generating
상기 발열 촉매 패턴부(130)는, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 일차적으로 발열하는 발열체로서 기능한다. 또한, 상기 발열 촉매 패턴부(130)은, 노출된 가스들 중 감지 가스가 선택적으로 반응하여 이차적으로 발열하는 발열 반응에서의 촉매로서 기능할 수 있다.The heat-generating
상기 발열 촉매 패턴부(130)는, 팔라듐 또는 백금을 포함하는 백금계 금속 또는 상기 백금계 금속에 구리, 주석을 혼합한 합금을 포함할 수 있다. 이로써, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는, 우수한 발열체로서 뿐만 아니라 상기 발열 반응에서 우수한 촉매로서 기능할 수 있다.The heat-generating
한편, 상기 감지 가스에 관한 발열 반응이 발생할 경우, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는 증가된 온도를 가질 수 있다. 이때, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는 금속 재질로 이루어짐에 따라 증가된 저항값을 가질 수 있다. 따라서, 상기 발열 촉매 패턴부(130)에 대한 저항 변화를 감지함으로써, 상기 감지 소자는 상기 감지 가스의 유무 또는 그 농도를 측정할 수 있다.Meanwhile, when an exothermic reaction related to the sensing gas occurs, the exothermic
본 발명의 실시예에 따른 감지 센서는 발열 촉매 패턴부를 포함하고, 상기 발열 촉매 전극는 일차적으로 발열체로의 기능, 촉매로서의 기능 및 온도 변화에 따른 저항 변화체로서 기능할 수 있다. 이로써, 상기 발열체와는 독립적으로 촉매층이 생략될 수 있다. 따라서, 상기 촉매층의 불균일성에 따른 서로 다른 감지 소자들 간에 성능 편차가 억제될 수 있다. 특히, 촉매층이 절연막 중 감지 영역 내에만 추가적으로 형성됨에 따라 MEMS 칩 상부에 발생하는 스트레스 불균형에 의한 파손 현상이 억제될 수 있다.The detection sensor according to an embodiment of the present invention includes a heat-generating catalyst pattern portion, and the heat-generating catalyst electrode may primarily function as a heating element, a catalyst, and a resistance changer according to temperature changes. Accordingly, the catalyst layer can be omitted independently of the heating element. Accordingly, performance deviations between different sensing elements due to non-uniformity of the catalyst layer can be suppressed. In particular, as the catalyst layer is additionally formed only within the sensing area of the insulating film, damage due to stress imbalance occurring at the top of the MEMS chip can be suppressed.
도 2는 도 1의 발열 촉매 패턴부의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.FIG. 2 is a plan view for explaining an example of the heat-generating catalyst pattern portion of FIG. 1.
도 2를 참고하면, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는 연속적으로 연결되고 상기 감지 영역의 중심을 기준으로 방사형으로 연장될 수 있다. 이로써, 발열 촉매 패턴부(130)는 감지 영역 전체를 고르게 가열하는 한편, 상기 감지 가스에 노출되는 영역을 증가시킬 수 있다. 이로써, 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 포함하는 감지 소자(100)는 우수한 감도를 확보할 수 있다.Referring to FIG. 2, the heat-generating
도 3은 도 1의 발열 촉매 패턴부 및 투과 절연막의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.FIG. 3 is a plan view illustrating an example of the heat-generating catalyst pattern portion and the transparent insulating film of FIG. 1 .
도 1 및 도 3을 참고하면, 상기 감지 소자(100)는 투과 절연막(150)을 더 포함할 수 있다.Referring to Figures 1 and 3, the
상기 투과 절연막(150)은, 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 덮도록 구비된다. 상기 투과 절연막(150)은 발열 촉매 패턴부(130)를 전체적으로 덮을 수 있다. 이때, 상기 투과 절연막(150)은 상기 감지 가스를 선택적으로 투과시키는 구조를 가질 수 있다. 상기 투과 절연막(150)은 발열 촉매 패턴부(130)를 외부 충격이나 이물질로부터 보호하는 동시에 감지 가스를 선택적으로 투과시킬 수 있다.The transparent
여기서, 상기 투과 절연막(150)은 다공성 재질을 갖고, 알루미나, 질화알루미늄, 지르코늄 산화물, 폴리이미드, PBI(polybenzimidazole) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.Here, the transparent
상기 투과 절연막(150)이 포어(pore)를 갖는 다공성 재질을 가짐으로, 상기 투과 절연막(150)을 통하여 상기 감지 가스가 용이하게 투과할 수 있다.Since the transparent
이와 다르게, 상기 투과 절연막(150)은, 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 부분적으로 덮으면서 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 부분적으로 노출시킬 수 있다. Alternatively, the transparent
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는, 전극 패턴들(133) 및 상기 전극 패턴부들(133) 각각의 양 단부들에 연결된 한 쌍의 제1 전극 패드들(131)을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat generating
상기 제1 전극 패드들(131)을 통하여 상기 발열 촉매 패턴부(130)에 포함된 전극 패턴들(133)에 전압이 인가됨으로써, 전극 패턴부들(133)이 발열할 수 있다. 이와 동시에 상기 전극 패턴부(133)를 포함하는 발열 촉매 패턴부(130)가 촉매로서 활성화 될 수 있다. When voltage is applied to the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서를 설명하기 위한 단면도이다.Figure 4 is a cross-sectional view for explaining a contact combustion type gas sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서(20)는, 기판(110), 절연막(120), 발열 촉매 패턴부(130), 발열 온도 센싱부(140) 및 차단 절연막(160)을 포함한다. 상기 기판 및 절연막은 도 1을 참고로 전술하였으므로 생략하기로 한다.Referring to FIGS. 1 and 4, the contact combustion gas sensor 20 according to an embodiment of the present invention includes a
발열 촉매 패턴부(130)는, 상기 감지 영역(101) 내 상기 절연막(120) 상에 배치된다. 상기 발열 촉매 패턴부(130)는, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 일차적으로 발열하는 발열체로서 및 노출된 가스들 중 감지 가스가 선택적으로 반응하여 이차적으로 발열하는 발열 반응에서의 촉매로서 기능한다.The heat generating
발열 온도 센싱부(140)는, 상기 참고 영역(106) 내 상기 절연막(120) 상에 배치된다. The heating
상기 발열 온도 센싱부(140)는, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 일차적으로 발열하는 발열체로서 기능한다. 또한, 상기 발열 온도 센싱부(140)는, 상기 참고 영역(106)의 온도를 감지한다. The heating
상기 발열 온도 센싱부(140)는 상기 발열 촉매 패턴부(130)와 동일한 물질 또는 동일한 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 발열 온도 센싱부(140)는 상기 발열 촉매 패턴부(130)와 다르게, 차단 절연막(150)으로 덮혀져 있다. 따라서, 상기 차단 절연막(150)은 상기 발열 온도 센싱부(140)를 외부의 감지 가스로부터 차단시킬 수 있다.The heating
상기 차단 절연막(160)은 상기 참고 영역(106) 내에 상기 발열 온도 센싱부(140)를 덮도록 형성된다. 따라서, 상기 발열 온도 센싱부(140) 및 상기 발열 촉매 패턴부(130)가 동일한 물질로 이루어짐에도 불구하고, 상기 발열 온도 센싱부(140)는 감지 가스에 노출되지 않음에 따라 촉매로서 기능할 수 없다.The blocking insulating
한편, 상기 차단 절연막(160)은 상기 감지 영역(101) 내에서 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 부분적으로 노출시킬 수 있도록 노출홀(165)이 형성될 수 있다. 이때, 발열 촉매 패턴부(130)는 노출된 노출부 및 상기 차단 절연막(160)에 의하여 덮혀진 커버부를 포함할 수 있다. 상기 노출부는 상기 커버부보다 큰 선폭을 가질 수 있다. 이로써, 상기 발열 촉매 패턴부(130)는 상대적으로 우수한 내구성을 확보할 수 있다.Meanwhile, an
한편, 상기 발열 촉매 패턴부(130), 발열 온도 센싱부(140) 및 한 쌍의 고정 저항 소자들(미도시)을 상호 연결한 휘스톤 브릿지 회로가 구성될 수 있다. 상기 회로 내의 출력 전압값이 검출되어 상기 감지 가스의 농도가 측정될 수 있다. Meanwhile, a Wheatstone bridge circuit may be configured by interconnecting the heating
이로써, 상기 발열 촉매 패턴부 및 발열 온도 센서부가 주변 온도에 따라 변화하는 드리프트 노이즈(drift noise) 또는 상기 회로에서 발생하는 전기적 노이즈(noise)가 감소될 수 있다. 이는, 발열 촉매 패턴부 및 발열 온도 센싱부 사이의 온도편차 값이 용이하게 출력될 수 있기 때문이다. As a result, drift noise that changes depending on the surrounding temperature of the heating catalyst pattern portion and the heating temperature sensor portion or electrical noise generated in the circuit can be reduced. This is because the temperature difference value between the exothermic catalyst pattern portion and the exothermic temperature sensing portion can be easily output.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서를 설명하기 위한 단면도이다.Figure 5 is a cross-sectional view for explaining a contact combustion type gas sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 연소식 가스 센서(20)는, 기판(110), 절연막(120), 발열 촉매 패턴부(130), 발열 온도 센싱부(140), 투과 절연막(150) 및 차단 절연막(160)을 포함한다. 상기 기판(110), 절연막(120), 발열 촉매 패턴부(130) 및 발열 온도 센싱부(140)은 도 1 및 도 4를 참고로 전술하였으므로 생략하기로 한다.Referring to FIGS. 1 and 5, the contact combustion gas sensor 20 according to an embodiment of the present invention includes a
투과 절연막(150)은 감지 영역 내에 상기 발열 촉매 패턴부를 덮도록 형성된다. 상기 투과 절연막(150)은 상기 감지 가스를 선택적으로 투과시키는 구조를 가질 수 있다.A transparent
여기서, 상기 투과 절연막(150)은 다공성 재질을 갖고, 알루미나, 질화알루미늄, 지르코늄 산화물, 폴리이미드, PBI(polybenzimidazole) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.Here, the transparent
상기 투과 절연막(150)이 포어(pore)를 갖는 다공성 재질을 가짐으로, 상기 투과 절연막(150)을 통하여 상기 감지 가스가 용이하게 투과할 수 있다.Since the transparent
이와 다르게, 상기 투과 절연막(150)은, 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 부분적으로 덮으면서 상기 발열 촉매 패턴부(130)를 부분적으로 노출시킬 수 있다. Alternatively, the transparent
상기 차단 절연막(160)은 상기 참고 영역(106) 내에 상기 발열 온도 센싱부(140)를 덮도록 형성된다. 따라서, 상기 발열 온도 센싱부(140) 및 상기 발열 촉매 패턴부(130)가 동일한 물질로 이루어짐에도 불구하고, 상기 발열 온도 센싱부(140)는 감지 가스에 노출되지 않음에 따라 촉매로서 기능할 수 없다.The blocking insulating
100 : 감지 소자 101 : 감지 영역
106 : 참고 영역 110 : 기판
120 : 절연막 130 : 발열 촉매 패턴부
140 : 발열 온도 센싱부 150 : 투과 절연막
160 : 차단 절연막 200 : 접촉 연소식 가스 센서100: sensing element 101: sensing area
106: Reference area 110: Substrate
120: Insulating film 130: Heat generating catalyst pattern portion
140: heating temperature sensing unit 150: transparent insulating film
160: blocking insulating film 200: contact combustion type gas sensor
Claims (13)
상기 기판 상에 형성되고, 상기 기판을 전기적으로 절연시키는 절연막; 및
상기 절연막 상에 감지 가스와 접촉할 수 있도록 단일막으로 배치되며, 접촉하는 감지 가스가 산소 가스와 선택적으로 반응하여 발열하는 발열 반응에 대하여, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 발열하는 발열체로서 및 상기 발열 반응에 대한 촉매로서 복수로 기능하는 발열 촉매 패턴부;
를 포함하는 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자.Board;
an insulating film formed on the substrate and electrically insulating the substrate; and
It is disposed as a single layer on the insulating film so as to be in contact with the sensing gas, and is a heating element that generates heat by power supplied from the outside in response to an exothermic reaction in which the sensing gas in contact selectively reacts with oxygen gas and generates heat. An exothermic catalyst pattern portion that functions multiple times as a catalyst for the reaction;
A sensing element for a contact combustion gas sensor comprising a.
상기 발열 촉매 패턴부는 상기 감지 영역 상에 형성된 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자.The method of claim 1, wherein the substrate is divided into a reference area and a detection area,
A sensing element for a contact combustion type gas sensor, wherein the exothermic catalyst pattern portion is formed on the sensing area.
상기 기판 상에 형성되고, 상기 기판을 전기적으로 격리시키는 절연막;
상기 감지 영역 내 상기 절연막 상에 감지 가스와 접촉할 수 있도록 단일막으로 배치되며, 접촉하는 감지 가스가 산소 가스와 선택적으로 반응하여 발열하는 발열 반응에 대하여, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 발열하는 발열체로서 및 상기 발열 반응에 대한 촉매로서 복수로 기능하는 발열 촉매 패턴부;
상기 참고 영역 내 상기 절연막 상에 배치되며, 외부로부터 공급되는 전원에 의하여 일차적으로 발열하는 발열체로서 및 상기 발열에 따른 저항 변화로부터 온도 변화를 감지하는 발열 온도 센싱부; 및
상기 발열 온도 센싱부를 덮도록 상기 절연막 상에 형성되고, 상기 감지 가스로부터 상기 발열 온도 센싱부를 차단시키는 차단 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스 센서.A substrate having a sensing area and a reference area;
an insulating film formed on the substrate and electrically isolating the substrate;
A heating element is disposed as a single layer on the insulating film within the sensing area so as to be in contact with the sensing gas, and generates heat by power supplied from the outside in response to an exothermic reaction in which the sensing gas in contact selectively reacts with oxygen gas to generate heat. An exothermic catalyst pattern portion that functions multiple times as a catalyst for the exothermic reaction and as a catalyst for the exothermic reaction;
A heating temperature sensing unit disposed on the insulating film in the reference area, which is a heating element that primarily generates heat by power supplied from the outside, and which detects a temperature change from a change in resistance due to the heat generation; and
A contact combustion type gas sensor comprising a blocking insulating film formed on the insulating film to cover the heating temperature sensing unit and blocking the heating temperature sensing unit from the sensing gas.
The catalytic combustion gas sensor according to claim 11, wherein the transparent insulating film partially covers the exothermic catalyst pattern portion.
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|---|---|---|---|
| KR1020230072274A KR102631601B1 (en) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | Sensing device for a catalytic combustion typed gas sensor and catalytic combustion typed gas sensor including the same |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |