KR20000049146A - 센서 요소 - Google Patents

Abstract

지지판상에 장착된 적어도 하나의 입체 전극 배선을 가지며 가스 민감성 층내의 용량 및/또는 전도성 변화를 측정하기 위해 깊이(T)의 홈을 형성하는 가스 농도 검출용 센서 요소, 특히 전자 화학적 센서는 홈의 높이(h)내에 배치된다. 가스 민감성 층(14)의 높이(h)는 홈(26)의 깊이(T)보다 작다.

Description

센서 요소{Device for gas-sensoring electrodes}

화학적 센서에 평평한 전극 배선을 사용하는 방법에 대해 공지된 바 있다. 이 때의 가스 집중 현상은 가스에 민감한 물질 내부의 용량 변화나 전도성 변화를 검출하여 조사한다. 마찬가지로 화학적 센서들에 있어 민감도가 더 향상된 전극 배선의 입체 구조에 관해서도 이미 공지된 바 있다(Lin et al., 센서와 엑추에이터 5 (1991), 223-226). 입체 전극 배선의 제조방법에 대해 개시된 상기 Lin et al.,에 따르면, 상기 전극 배선은 먼저 실리콘기판 위로 금속 층을 스퍼터링 증착하고 이어서 그 위에 감광층이 증착 구성된다. 상기 감광층 패턴을 형성할 때 생긴 홈은 갈바닉 공법으로 채운다. 이로써 인버스 레지스트 구조로서 입체 전극구조가 생성된다. 상기 감광층을 제거한 후, 홈에 및 전극사이공간에 가스 민감성 성분을 충진시킨다.

본 발명은 센서 요소에 관한 것으로서, 특히 독립항의 전제부에 따른 가스 농도를 검출하기 위한 전자 화학적 검출 센서를 위한 센서 요소에 관한 것이다.

도 1a 내지 1h는 센서 요소를 길이방향으로 절개도시한, 입체 전극 배선 제조 공정절차를 개략적으로 도시한 순차도.

도 2는 소용돌이형태의 입체 4극-전극 배선을 이차원적으로 개략 도시한 도면.

도 3은 직각형태의 입체 2극-전극 배선을 이차원적으로 개략도시한 도면.

도 4는 나선형태의 입체 2극-전극 배선을 이차원적으로 개략도시한 도면.

도 5는 길이방향으로 절개도시된 상기 입체 전극 배선의 내벽을 촉매벽으로서 이용한 경우를 개략적으로 도시한 도면.

도 6은 길이방향으로 절개도시된 상기 입체 전극 배선을 촉매층 및 보호층을 위한 고정구조로서 사용한 경우를 개략도시한 도면.

도 7은 2 X 2-배선의 센서어레이를 도시한 도면.

도 8은 클로버잎-배선의 센서어레이를 도시한 도면.

도 9는 온도에 따른 측정을 위한 센서어레이를 도시한 도면.

본 발명의 효과

독립항에 나타난 요지들을 포함하고 있는 센서 요소는 종래기술과는 달리, 전극 배선의 입체구조를, 촉매역할을 하는 층을 위한 고정구조로서, 그리고/또는 보호층으로서 그리고 그 영역면에서 보아 촉매벽으로서 이용할 수 있다는 효과를 제공한다. 따라서 홈안으로 유입된 가스 민감성 물질이 이 홈에 완전히 충진되어 있지 않기 때문에 한편으로는 상기 가스 민감성 물질 위에 촉매층 및/또는 보호층을 덧씌우거나, 또는 다른 한편으로는 입체 전극 배선 영역에서 상기 가스 민감성 물질로 또는 다른 층들로 덮혀 있지 않는 영역을 촉매벽으로서 이용할 수 있는 가능성이 생긴다. 가스 민감성 물질에 보호층 및/또는 촉매로 작용하는 층들을 덧씌우도록 구성한 본 발명에 따른 실시예에서 상기 전극 배선의 입체 구조는 이 층들을 위한 고정구조로서 작용하며, 상기 센서 요소의 안정적인 구조를 보장한다. 본 발명의 실시예에서는, 즉 상기 입체 전극 배선의 내벽들이, 또한 홈을 이루는 벽들이 이른바 상기에서 가스 민감성 물질 코팅 층으로 완전히 덮혀 있지 않도록 구성한 실시예에서는, 상기 내벽들을 촉매벽으로서 이용한다. 가스 민감성 물질로 뒤덮힌 촉매 층들의 사용 및/또는 상기 입체 전극 배선의 내벽의 촉매벽으로서의 사용은, 상기 가스 민감성 물질이 측정할 가스에 대하여 완전 선택성이 없는 경우에 사용하면 특히 효과적이다. 이러한 경우에는 조사할 가스혼합물을 접촉반응시키는 것이 매우 바람직하다. 이 때 검출할 가스는 촉매로 변환되어 이 가스가 상기 가스 민감성 층에 의해 검출되고 가능한 한 선택적으로 결정될 수 있도록 하는 것이 좋다. 본 발명에 따라 상기 가스측정에 있어 가스 민감성 물질을 선택할 수 있는 선택성은 촉매로 작용하는 층 및/또는 촉매벽을 사용함으로써 향상시킬 수 있다. 특히 본 발명에 따르면, 검출할 특수가스로의 변환동작을 상기 촉매벽을 통해 수행하기 때문에 상기 촉매 층이나 촉매벽을 사용하는 것에 추가적으로 촉매 작용을 하는 층을 별도 증착할 필요가 없다.

본 발명은 홈안에 유입된 가스 민감성 층의 높이(h) 또는 상기 홈의 깊이(T)를 변환할 수 있도록 제안하였다. 그러나 여기서 상기 높이(h)는 사실상 홈 어떤 부분에서든지 홈(T) 깊이보다는 작도록 구성해야만 한다.

본 발명의 바람직한 구성들은 종속항에 게재되어 있다.

본 발명을 도면과 첨부된 실시예를 참조하여 상술하기로 한다.

도 1a 내지 1h는 입체, 축소형 전극 배선을 제조하기 위한 공정단계 1a 내지 1h를 개략적으로 도시한 순차도이다. 단계 1a에서, 세척단계가 끝난 다음 평평한 지지판(2) 위로 갈바닉층(4)을 스퍼터링공법으로 증착한다. 상기 지지판(2)을 특히 제조할 센서 내부식성 매질에, 예를 들어 가스배출진단에 이용해야만 할 경우에는 지지판을 Al₂O₃으로 구성하여 갈바닉초기기판으로서 플라티늄 기판위에 증착가능하다. 내부식성에 대한 요구가 그리 크지 않다면 다른 기판, 예를 들어 실리콘기판이나 유리기판과 아울러 금, 은, 구리, 크롬 등등과 같은 금속을 갈바닉초기기판 제조에 이용할 수 있다. 만약 상기 센서에 평가전자회로를 통합시켜야만 할 경우에는 실리콘기판을 사용하는 것이 매우 효과적이다.

1b단계에서, 이어서 감광층(6)을 예를 들어 포토레지스트, 폴리이미드 또는 고체레지스트를 원심분리 증착시켜(액체레지스트의 경우에) 또는 적층하여(고체레지스트의 경우에) 상기 지지판(2) 전면에 증착한다. 상기 감광층(6)의 층두께는 액체레지스트의 경우에는 회전수만큼 그리고 고체레지스트의 경우에는 적층된 레지스트층의 개수만큼으로 조절한다. 바람직한 층두께는 10-101c단계에서, 제조할 금속 입체 전극 배선을 광리소그래픽 마스크를 써서 역으로 상기 감광층(6) 안으로 옮긴다. UV-깊이리소그래픽(depthlithography) 방법에 따르면 상기 레지스트는 직접적으로 마스크에 의해 노출된다. 다른 방법으로는 상기 포토레지스트 위에서 산화물, 질화물 또는 금속을 분리할 수도 있다. 이 물질들은 광리소그래픽 구조를 이 감광층(6)의 건식리소그래픽공정을 위한 마스크 역할을 한다. 상기와 같은 건식리소그래픽공정을 사용함으로써, UV-깊이리소그래픽 방법을 썼을 때보다 폭이 좁은 구조로 제조할 수 있다.

단계 1d에서, 레지스트홈(8) 안으로 금속을 분리시켜 넣는다. 이 때 상기 레지스트 홈(8)은 그 상단모서리에 찰 때까지 충진될 수 있다. 금속층(10)의 두께를 변화시켜서 센서감도를 원하는 대로 조절할 수 있다. 분리할 물질의 선택은 센서에 필요한 내부식도에 따라 달라진다. 따라서 플라티늄, 금, 은등은 내부식도가 높아야 할 때, 그리고 구리, 니켈 또는 그와 유사한 종류의 금속들은 내부식도가 낮아야 할 때 이용한다.

단계 1e에서, 상기 감광층(6)은 증착된 금속구조(10)로부터 제거된다. 이로써 자유로운 입체 전극구조가 유지된다. 사용한 감광층에 따라 알칼리성 용액, 예를 들면 칼륨하이드록시드-용액 또는 아세톤과 같은 유기성 용액매질을 사용할 수 있다.

단계 1f에서, 본 발명에 따른 바람직한 방법에 따라, 센서가 일정한 온도로 유지될 수 있도록 상기 지지판(2)의 배면(12)측 표면에 열전극을 구성할 수 있다. 상기 열전극(10')의 기하형태는 마스크구조로 정하고 그 성형공정은 단계 1a 내지 1e에 설명된 바와 같이 수행한다.

단계 1g에서, 상기 센서 및 가열장치(10')의 전극들(10)간에 도전성 결합을 차단하기 위해 상기 갈바닉 초기기판(4, 4')들을 제거한다. 상기 갈바닉 초기기판들은 예를 들어 습식 리소그래픽공정, 이방성 리소그래픽 또는 건식 리소그래픽 공정을 통해 리소그래핑되는 동안 제거된다.

단계 1h에서, 전극들(10)간의 공간들 안으로 실크스크린 방법을 써서 접착제를 채워넣는다. 이 접착제는 수백도의 온도에서 소결되어, 가스 민감성 물질이 함유된 층(14)을 이루게 된다. 상기 접착제는 소정 높이(h)가 될 때까지 채워진다. 이 높이는 상기 입체 전극(10)에 관련하여 홈의 깊이(T)보다는 낮다. 가스 민감성 층(14) 위로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전극들(10) 사이에 또 하나의 층들, 예를 들어 보호층 또는 촉매로 활성작용을 하는 층을 증착할 수도 있다. 가스 민감성(14) 층이 도포되지 않은 부분의 전극(10) 내벽들은 도 5에 도시된 바와 같이 플라티늄을 이용했을 경우에는 특히 촉매(K)용 전극물질로서 이용될 수도 있다.

이하의 도 2 내지 도 4 그리고 도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 전극 배선을 개략적으로 도시한 평면도이다. 상기 배선들은 효과적인 형태로 센서의 전체 면적을 이용하고 있다. 상기 도면에는 2차원으로 도시되어 있지만, 도시된 전극 배선은 실제로는 입체 형태를 지닌다. 기능적으로 같은 기능을 하는 부재에 대해서는 동일한 부재번호를 할당하였다.

도 2는 4극-기하형태를 지닌 입체 전극 배선을 도시한다. 네 개의 개별전극(18,20,22,24)이 도시되어 있으며 그에 따라 4극측정이 가능하다. 4극측정은 2극측정과는 달리, 발생한 접촉저항을 측정기술을 써서 인식하고 아울러 제거할 수도 있다는 효과를 제공한다. 도 2를 참조하면 상기 전극들(18,20,22,24)이 면적이용을 효과적으로 할 수 있도록 감긴 형태로 구성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 여기서 그 감는데 있어서의 조건은 언제나 이러한 전극들이 서로 마주보도록(상호대립되도록) 제한해야만 한다. 또는 누설전류가 발생하게 되면 이 누설전류가 센서의 감도를 감소시킨다. 도 2는 소용돌이구조의 전극 배선을 도시하고 있는데, 여기서 상기 네 개의 전극들(18,20,22,24)은 상호 응집되어 있다. 이러한 직각으로 진행되는 코일 형태 이외에도 전극을 원하는 기하형태로, 진동형태라든가 지그재그형으로 진행하도록 본 발명에 따라 구성할 수도 있다.

도 3은 2극형 기하형태를 지닌 전극(18',20')의 입체 전극 배선을 도시하고 있다. 상기 전극들은 소용돌이 형태로 배선되어 있으며 여기서 전극들은 직각형 내측나선형태로 진행한다.

도 4는 나선형 전극진행을 하는 2극형 기하형태를 지닌 전극(18',20')을 도시한다. 이상의 도면들에서와 마찬가지로 상기 전극구조는 지지판의 면적을 효과적으로 이용하는데 기여한다. 물론 상기 전극진행선 역시 기판위에서 열이 수평방향으로 고루 분배되도록 맞추어져 있으므로, 센서영역도 온도가 같은 표면에 정확히 증착될 수 있다.

도 5를 보면 상기 가스 민감성 층(14)의 충진높이(h)는 전극(10)들로 둘러싸인 홈(26)의 깊이(T)보다 낮음을 알 수 있다. 상기 가스 민감성 물질(14)에 의해 덮혀있지 않은 전극(10) 내벽(16)들은 특히 플라티늄을 전극물질로 사용했을 경우에는 활성 촉매적 역할을 한다. 검출할 가스는 내벽에서 촉매로 변환되어, 그 아래 놓인 가스 민감성 층(14)에 의해 검출된다.

도 6에는 본 발명의 다른 하나의 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 가스 민감성 층위로 두 개의 다른 층들이 증착된다. 상기 높이(h)에까지 충진된 가스 민감성 층(14)은 다른 하나의 층(28)으로 덮힌다. 이 다른 하나의 층은 검출할 가스를 촉매로 변환시키는 역할을 한다. 이로써 이 가스가 상기 층(14)에 나타나는 것이다. 상기 촉매로 작용하는 층(28) 위로 하나의 보호층 또는 커버층(30)이 도포된다. 이 보호층은 그 아래에 놓인 층들(28,14)을 습기나 먼지와 같은 외부 영향으로부터 보호한다. 상기 입체 전극 배선은 여기서도 역시 촉매로 작용하는 층(28)과 커버층(30)을 위한 고정구조로서 작용한다.

도 7은 입체 축소형 전극 배선들을 2 X 2-부분으로 모아놓은 도면이다. 상기 개별전극들은 30.1 내지 30.8로 도시하였다.

도 8은 입체 전극 배선을, 코일 배선 형태로 구현된 중간축이 달린 4개의 구조로 모아놓은 도면이다. 이로써 상기 4개의 개별센서들은 장소를 떠나 작동한다. 다시 말하면 예를 들어 가스흐름의 영향을 보상할 수 있도록 작동한다. 물론 클로버잎-구조의 다른 전극 배선도 원하는 기하형태를 갖도록, 예를 들어 원형, 타원형 나선형태로 구성가능하다.

도 9는 정의된 온도구배(T)에 따른 개별 센서들의 배선을 도시한다. 이 실시형태는 센서별로 개별적으로 검출함으로써 온도에 따른 측정을 가능케한다. 상기 온도구배(T)는 상기 지지판(2) 배면측에 달린 가열장치를 통해 결정한다.

도 7 내지 도 9에 도시된 센서어레이의 구성은 특히 입체 구조형태로 인해 가능하게 된 축소화를 가능케한다. 상기 어레이 배선을 통하여 장소에 제한되지 않는, 장소를 떠난 측정이 가능하고, 여러 가지 가스의 검출 또한 역시 여러 가지 가스 민감성 성분을 사용함으로써 가능하다.

Claims (10)

1. 지지판상에 장착된 하나이상의 입체 전극 배선을 가지며 가스 민감성 층내의 용량 및 전도성 변화를 측정하기 위해 깊이(T)의 홈을 형성하고, 홈의 높이(h)내에 배치되는 가스 농도 검출용 센서 요소, 특히 전자 화학적 센서에 있어서,

   상기 가스 민감성 층(14)의 높이(h)는 상기 홈(26)의 깊이(T)보다 작은 것을 특징으로 하는 센서 요소.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈(26)내에는 상기 가스 민감성 층(14)위에, 촉매로 작용하는 하나의 층(28)이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 요소.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 홈(26)내에는 가스 민감성 층(14)위에 또는 촉매로 작용하는 층(28)위에, 하나의 보호층(30)이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 요소.
4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(10)들은 인터디지탈구조 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 요소.
5. 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 배선은 4개의 개별 전극(18,20,22,24)으로 이루어져 있으며, 이 개별 전극들은 4극 측정을 행하는 것을 특징으로 하는 센서 요소.
6. 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지판(2)은 세라믹 물질, 유리, 산화 알루미늄 또는 실리콘/실리콘 다이옥사이드-혼합물로 이루어지거나 또는 이 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 센서 요소.
7. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(10)은 플라티늄, 금, 은, 구리 또는 니켈로 구성되거나 이 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 센서 요소.
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 따른 센서 요소중 두 개이상의 센서 요소를 포함하는 센서 어레이.
9. 상기 항 중 어느 한 항에 따른 센서 요소 또는 센서 어레이를 포함하는 가스 농도 검출용 전자 화학적 검출 센서.
10. 입체 전극 배선이 구비된 센서 요소, 특히 제 1 항 내지 7 항 중 어느 한 항에 따른 센서 요소의 제조방법에 있어서, 갈바닉 초기화층이 지지판 위에서 분리되고, 감광층을 상기 갈바닉 초기화층 위에 증착하고, 감광층을 구성하고, 이 때 형성된 레지스트 홈을 갈바닉적으로 소정 높이가 될 때까지 충진시키고, 상기 감광층을 제거하고, 경우에 따라서는 열전극을 상기 지지판 배면측에 구성하고, 상기 갈바닉 초기화층을 상기 감광층을 제거함으로써 형성된 높이(T)의 전극홈 내부에서 리소그래핑하고, 가스 민감성 물질을 높이(h)가 될 때까지 상기 전극홈내로 충진시키는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 요소 제조방법.