KR19980080155A - 박막 부재를 구비한 센서 - Google Patents

Abstract

박막 부재(4)가 전기 저항의 온도 변동을 가져올 수 있는 박막 부재(4)를 포함한 센서(1)에 관한 것이다. 상기 박막 부재(4)는 지르콘 또는 산화 지르콘이 도핑된 플라틴막을 구비하고 있다. 상기 박막 부재(4)는 물질 흐름 센서를 구성할 수 있도록 멤브레인(3)의 상부에 탑재 가능하다.

Description

박막 부재를 구비한 센서

본 발명은 독립항의 계통에 따른 박막 부재를 구비한 센서에 관한 것이다.

EP 375 339에는 박막 부재를 구비한 센서에 관한 것이 공지되어 있다. 상기 박막 부재는 산화 금속 접착막에 의해 질화 실리콘 유전체 막 위에 고정되는 순(純) 플라틴막으로 이루어져 있다. 상기 질화 실리콘막은 브리지(bridge)로서 실리콘 기판 내 리세스부를 덮고 있다. 이 장치는 물질의 흐름을 감지하는 센서의 역할을 한다. 여기서 상기 브리지는 가열되고 경유하여 유입되는 공기를 통해 냉각되었음을 측정한다. 상기 브리지 부재의 온도 측정은 상기 플라틴막 저항의 온도에 따라 이루어진다.

특허청구범위 독립항에서 특징 지워진 요지들을 포함하는 본 발명에 따른 센서는 종래기술에 반하여, 박막 부재의 온도에 따른 장시간 안정성을 향상시키는 효과를 지닌다. 순플라틴막들은 소정의 노화율를 보일 수 있는데, 이 노화율에 의해서 전기 저항이 온도에 따라 변동하게 된다. 지르콘이나 산화지르콘의 함량이 적은 플라틴막을 사용함으로서 상기 전기 저항의 온도변동을 안정화시킨다.

독립항에서 실시된 방법들을 통해서 독립항에 따른 센서의 효과적인 재구성 및 개선이 가능하다. 지르콘 또는 산화지르콘의 함량을 0.1-1%의 부피비로 할 때 효과적이다. 단결정 실리콘이나 유전체 멤브레인막으로 이루어진 프레임을 사용함으로써 매우 안정된 물질흐름센서를 제조한다. 이 때 상기 멤브레인은 가열부재를 통해 가열하고 이러한 가열을 통해 물질흐름센서를 제조한다. 상기 멤브레인의 온도 측정을 위해서는 가열부재의 전기저항을 사용하든지 아니면 독립 온도측정부재를 이용할 수 있다. 멤브레인내의 전압을 조절하기 위해서 산화실리콘막 또는 질화실리콘막을 다수층으로 구성한다. 접착력을 향상시키기 위해서 이 때 상기 실리콘질화막을 재산과공정을 통해 그 표면을 다시금 산화막으로 변동시키는 것이 가능하다. 다른 막을 그 위에 도포함으로써 상기 박막 부재가 환경침해하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 센서의 평면도.

도 2는 도 1에 따른 상기 센서의 수평 단면도.

도 1에는 센서 부재의 평면도가 도시되어 있다. 상기 센서 부재는 단결정 실리콘으로 이루어진 프레임(2)을 구비하고 있다. 상기 프레임 내부에는 멤브레인(3)이 내장되어 있다. 상기 멤브레인(3) 위에는 박막 부재(4)가 구성되어 있는데, 이 박막 부재는 도전선(5)에 의해 결합영역(6)과 전기적으로 연결된다.

상기 박막 부재(4)에 있어서 중요한 것은 얇은 금속막인데, 이 막은 상기 멤브레인영역(3) 상부에서 저항루프를 이루도록 구성되어 있다. 두 개의 도전선(5)에 의해 이 저항루프의 각 단부는 각각 결합영역(6)과 연결된다. 상기 결합영역(6) 위로는 센서(1) 외부접촉용 배선이 고정되어 있다. 이로써 저항루프로서 구성된 박막 부재(4)를 통해서 전류를 보내고 이 때 발생된 전압강하를 측정하는 것이 가능하다. 이 동작은 반복적으로 이용가능하다. 큰 전류를 통해 상기 박막 부재는 가열장치로 이용되며 상기 멤브레인(3) 역시 주변온도 이상의 온도로 가열된다. 또한 매우 작은 전류가 상기 박막 부재(4)를 통하도록 인가할 수 있다. 이로써 이른바 상기 멤브레인(3)의 가열에는 작용하지 않도록 하고, 이 때 발생된 박막 부재(4)내에서의 전압강하만을 관찰할 수도 있다. 상기 박막 부재(4)가 소정의 물질로 이루어질 경우에는 그 전기적 저항은 온도에 따라 달라진다. 따라서 상기 멤브레인(3) 상부의 온도를 측정할 수 있게 된다. 또한 상기 박막 부재(4)를 상기 멤브레인(3)을 가열하는데에 이용할 수 있으며, 동시에 상기 박막 부재(4)의 전기적 저항을 측정함으로써 멤브레인(3) 상부의 온도를 측정할 수 있게 된다. 상기 멤브레인(3) 상부의 박막 부재(4) 또는 다수의 박막 부재들(4)은 특히 물질흐름센서로서 이용하면 효과적이다. 이를 위해서 상기 멤브레인(3)을 가열하고 경유하도록 유입되는 공기에 의한 작용을 받는 상기 멤브레인의 냉각정도를 측정한다. 이는 EP 375 395 399에 설명되어 있는 바와 같이 박막 부재(4)가 가열장치로서 작동되고 다른 박막 부재(4)는 온도센서의 역할을 하도록 함으로써 수행된다. 다른 방법으로서, 박막 부재(4)를 단지 하나만 구비해서 이 박막 부재가 동시에 멤브레인(3)을 가열하고 밀려들어오는 공기에 따라 상기 멤브레인(3)의 냉각정도를 측정할 수 있도록 하는 방법이 있다. 도 1에 따른 상기 장치는 물질흐름센서로서 이용가능하다.

이 때 전기 저항 및 상기 박막 부재(4)의 전기저항의 온도에 따른 변동을 정확히 알게 하는 것이 중요한 점이다. 또한 이 때 저항과 온도변동이 오랜 시간동안 변하지 않고 지속적으로 유지되도록 해야만 한다. 이러한 구성을 위해 상기한 바와 같은 박막 부재(4)는 소정의 질량만큼의 플라틴을 함유한다. 왜냐면 이 막들은 전기저항은 온도에 따라서 그 재생산성이 매우 우수하게 제조될 수 있기 때문이다. 이 온도변동은 시간으로 안정화시키기 위해서 상기 플라틴으로 이루어진 박막 부재의 제조방법에 따라 300°이상의 온도로 열처리한다. 그러나 순플라틴막의 경우에 있어서는 이상과 같은 열처리에도 불구하고 정확한 드리프트(drift), 다시 말하자면 저항의 시간에 따른 변동 및 그 온도변동이 발생한다. 이러한 드리프트는 매 시간과 상기 센서의 작동방법(작동 온도, 화학적 조건)에 따라 천분율에 달할수도 있다. 지르콘 또는 산화지르콘 함량이 적은 플라틴을 사용함으로써 이러한 드리프트를 더욱 감소시킬 수 있다. 온도변동에 기인한 센서의 측정정확도를 향상시킴으로써 상기한 전기 저항기의 온도변동을 조금 더 안정시킬 수 있게 된다. 이 때 상기 플라틴막의 도핑은 지르콘 또는 산화지르콘 함량이 0.01-10%에 해당하도록, 바람직하게는 0.1-1%(중량퍼센트)에 달하도록 함이 좋다. 순플라틴막들은 시간이 경과함에따라 그 알갱이크기를 변화시킨다는 연구결과가 있다. 따라서 지르콘 또는 산화지르콘 첨가물로 인해서 상기한 효과가 감소될 수도 있다.

도 2에는 도 1의 II-II선을 따라 절개한 수평단면도가 도시되어 있다. 이 수평단면도에서는 이러한 센서의 제조방법에 대해 설명하고 있다. 단결정 실리콘(2)으로 이루어진 프레임내에 성장되어 있는 멤브레인(3)의 구성을 위해 우선 기판형태의 실리콘기판을 마련한다. 이제 상기 멤브레인(3)용으로서 이 기판형태의 실리콘기판의 표면 위에서 상기 멤브레인(3)용 유전체 막들(11,12,13)을 분리해낸다. 상기 유전체 막들(11,12,13)에 등을 진 쪽으로부터 나오도록 리세스부(10)를 식각함으로써 프레임(2)를 형성한다. 상기 유전체막들(11,12,13)은 특히 매우 간단한 방법으로 실리콘과 함께 작용할 수 있는 물질로 구성하면 효과적이다. 일예로서 여기에 제시된 하부막(11)은 열 산화실리콘막의 크기가 약 1/2 마이크로미터에 해당하도록 구성한다. 이 때 상기 산화실리콘막(11)이 실리콘기판과 비교해 볼 때 압축응력을 갖도록 하는 것이 중요하다. 반면 상기 질화실리콘막(12)은 인장응력을 갖는다. 분리조건, 상기 막들(11,12) 및 다른 막들을 고려하여 분리조건 및 두께를 잘 선택함으로써 상기 멤브레인(3)은 실제적으로 응력을 안받게 되거나 아주 미미한 인장응력만을 갖게 된다. 이렇게 함으로써 매우 조야한 멤브레인(3)을 제조하게 된다. 일반적인 방법으로는 질화실리콘막을 그 크기가 0.4 마이크로미터가 되도록 분리해낸다. 금속막들의 질화실리콘 상부 접착이 좋지 않기 때문에 다른 공정단계에서 산성분이 함유된 질화막을 높은 온도에서 질화실리콘막(12)(10nm의 크기)의 얇은 막표면위에 증착함으로써 산화실리콘으로 변화시킨다. 재산화된 산화실리콘은 이후에 증착되는 금속막을 위한 접착층의 역할을 하게 된다. 다음 단계에서 도핑된 지르콘 또는 산화지르콘 함량이 적은 플라틴으로 이루어진 박막을 증착한다. 이 공정은 예를 들어 도핑된 해당 플라틴타겟으로부터 나와 금속막에 스퍼터링하는동안 수행된다. 나아가 재산화된 산화실리콘(13)위로의 접착이 충분치 않게 제조되었을 경우에는 미리 또 하나의 매우 얇은 접착막(크기가 몇 nm)을 증착한다. 이때 사용하는 물질로서는 산화금속 또는 금속실리사이드를 대부분 사용한다. 특히 이 때 이 질화물 또는 산화물의 금속들은 탄탈, 중석, 몰리브덴, 코발트와 같이 높은 온도에서 내열성을 갖는 금속이다. 지르콘 또는 산화지르콘이 도핑된 상기 플라틴막의 두께는 몇백 나노미터에 달한다. 그 다음 단계에서는 저항루프로서 구성된 플라틴막으로 이루어진 상기 박막 부재(4)를 구조화하기 위해 상기한 플라틴막 구조화작업을 실시한다.

도 2에는 상기 박막 부재(4)의 수평단면도가 도시되어 있다. 상기 박막 부재(4)는 상기 프레임(2)에 까지 연장되어 있다. 도전선(5)과 결합영역(6) 역시 도핑된 플라틴막으로 구조화할 수 있는데, 이 때 수평단면을 넓게 함으로써 상기 도전선(5)의 저항이 박막 부재(4)의 저항보다는 분명히 작도록 해야한다. 또한 상기 도전선(5)의 전기저항을 더욱 감소시키거나 또는 상기 결합영역(6)을 위한 금속막들을 형성할 필요가 있을 경우 이 금속막들을 부가적으로 또는 상기 도핑된 플라틴막에 대한 부가물로서 이용할 수 있다. 상기 멤브레인(3)의 상측 위에서 예를 들어 산화실리콘으로 이루어진 하나의 보호막(14)을 분리해낸다. 이 보호막은 상기 박막 부재(4)가 화학적인 반응을 일으키지 않도록 보호하는 역할을 한다.이러한 화학적인 영향은 플라틴 속으로 화합시켜 기초를 마련하는 동안 예를 들어 상기 박막 부재(4) 전기저항의 열감지성에 영향을 미칠 수 있다.

Claims (8)

1. 박막 부재(4)가 전기 저항의 온도변동을 가져올 수 있는 박막 부재(4)를 포함하는 센서(1)에 있어서,

   상기 박막 부재(4)는 지르콘 또는 산화지르콘이 도핑된 플라틴막을 구비하 는 것을 특징으로 하는 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 지르콘 또는 산화지르콘의 도핑량은 0.01 내지 10 %에 해당하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 실리콘으로 이루어진 프레임(2)과 유전체 멤브레인(3)으로 구성되어 있으며, 상기 박막 부재는 상기 멤브레인 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 박막 부재(4)는 가열 부재로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 멤브레인(3)의 온도는 상기 가열 부재의 또는 하나 또는 다수개의 다른 박막 부재들의 전기저항을 측정함으로써 측정 가능한 것을 특징으로 하는 센서.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 멤브레인(3)은 제 1 산화실리콘막(11) 및 그 위에 설치된 질화실리콘막(12)을 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 질화실리콘막(12)의 표면은 산화공정에 의해서 산화실리콘막(13)으로 변화되는 것을 특징으로 하는 센서.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 박막 부재(4)는 코팅커버막(14)으로 보호되는 것을 특징으로 하는 센서.