KR20030014531A - 수소이온농도 측정센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 취급이 용이하고, 휴대가 간편하며, 측정의 정확성이 유지되고, 수명이 연장되며, 용이하고 간편하며 저렴하게 제조할 수 있고, 충전용액의 양을 최소화할 수 있는 수소이온농도 측정센서를 제공한다. 그 측정센서는 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준 비교용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스; 측정용 홈의 표면에 제공되며 여기전압을 측정하기 위한 전압계에 연결되는 측정용 전극; 기준 비교용 홈의 표면에 제공되며 상기 전압계에 연결되는 기준용 전극; 측정용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하는 감응막; 기준 비교용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 대상 수용액과 접촉하는 한천; 각각의 홈에 충전되고, 각각의 전극과 접촉하며, 감응막과 한천에 독립적으로 접촉하는 충전용액; 및 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위해 베이스의 상부에 도포되는 밀봉부재로 구성된다.

Description

수소이온농도 측정센서{Semiconductor pH sensor}

본 발명은 수소이온농도 측정센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체공정을 이용하여 크기가 초소형이며 저렴하게 제조될 수 있고, 측정오차를 회피할 수 있는 수소이온농도 측정센서에 관한 것이다.

일반적으로, 수용액에 포함된 수소 이온 농도는 pH를 단위로 하여 1에서 14까지를 측정할 수 있다. 이 같은 수소이온농도를 측정하는데는 통상적으로 유리 전극을 이용하는 것이 가장 널리 이용되고 있다.

예컨대, 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 용도로 사용되고 있는 이온농도 측정장치는 기본적으로 수소이온농도를 측정하고자 하는 대상용액을 담기 위한 2개의 용기(1,2)를 구비한다. 2개의 용기중 하나의 용기(1)에는 기준전극인 하나의 전극(3)이 담겨지고, 다른 하나의 용기(2)에도 또한 감지부 역할을 하는 다른 하나의 전극(4)이 배치된다. 한편, 다른 하나의 용기(2)에 배치되는 전극(4)은 충전용액이 수용된 소다라임유리로 형성된 용기(5)에 담겨져 유지되어 있다. 또한, 각각의 용기(1,2)에 담겨진 수용액은 염다리(6)에 의해 도통된다. 물론, 각각의 전극(3,4)은 와이어에 의해 전압계(7)에 연결되어 있어 전압차를 측정할 수 있다.

또한, 도1b에 도시된 바와 같이, 공업적으로 사용되는 수소이온농도 측정장치는 측정될 수용액이 담겨진 하나의 용기(8)를 포함하고 있다. 그 용기에도 물론 2개의 전극이 배치되는 바, 이중 측정전극인 하나의 전극(9)은 충전용액이 수용되어 있으며 수소이온을 감지할 수 있는 소다라임유리로 형성된 제1용기(10)에 담겨져 있으며, 기준전극인 다른 하나의 전극(11) 또한 소다라임유리로 형성된 제2용기(12)에 담겨져 있다. 물론 각각의 전극(9,11)은 최종적으로 측정된 여기 전압차를 나타내는 전압계(13)에 연결되어 있다. 또한, 제2용기(12)의 말단에는용기(8)에 담겨진 수용액과 제1용기(10) 및 제2용기(12)에 담겨진 용액과의 전기적인 도통을 위해 염다리 역할을 하는 한천(14)이 구비되어 있다.

그러나, 종래의 가장 일반적인 유리 전극용 센서 형태의 수소이온농도 측정장치의 구성 및 그 측정방법에 의하면 여러 가지 문제점이 있는 것으로 나타났다. 먼저, 수용액에서 pH를 측정하기 위해서는 기준 전위를 위해 일정 용액을 포함하는 기준전극이 반드시 필요하며 이에 따라 구조상 상당히 큰 부피를 차지하므로, 다루기가 곤란할 뿐 아니라 휴대하기가 곤란한 문제점이 있다. 물론, 사용 환경조건에 따라 감응막으로 사용되는 전극의 재질이 변화하였으나 그 센서의 기본 구조와 크기는 그대로 유지되고 있는 문제점이 있다.

그리고, 감응막으로 사용되는 소다 라임 유리(Na2O=20% 내외)의 경우, 수용액과의 수화반응에 의해 감응막에서의 나트륨과 수용액에서의 수소이온이 반응하여 그 감응막의 표면 및 그 내부에서의 치환 반응에 의해 유리막 내부에서 나트륨의 결핍현상이 발생되므로, 이를 방지하기 위해 기준전극과 수용액을 전기적으로 도통하기 위해 한천과 같은 재질을 사용하고 있다. 그러나, 이 같은 재료들에 의해 기준전극을 포함하는 용액내로 수용액이 주입되므로 기준전극 용액의 농도변화가 초래되며, 결국 그 수명이 짧아져 빈번하게 교체해야 하는 문제점이 있다.

또한, 고입력 저항 및 저 전류를 이용하여 미세한 신호를 감지해야 하기 때문에 구동 회로가 정밀하게 제어되어야 하는 단점이 있다.

한편, 전술된 바와 같은 유리전극형 수소이온농도 측정센서의 문제점을 다소 해결하기 위한 제안으로서 ISFET형 반도체 공정을 이용하여 이온감지 특성을 갖는이온 선택성 전극과 전계효과를 이용한 트랜지스터를 결합한 이온 센서로서 초소형으로 제작이 가능하고, 응답 특성이 빠르며, 반도체 제작공정으로 웨이퍼 상에서 많은 센서를 제작할 수 있는 것이 장점을 갖는 반도체형 수소이온농도 센서가 있다. 그러나, 이 같은 ISFET pH 센서의 경우, 감응막으로 주로 산화막, 질화막, 또는 금속 산화물계를 주로 사용하고 있으므로, 수용액에서의 측정시 표면에서 산화반응이 일어나 측정오차가 발생하며, 게이트 전극에 이물질의 흡착으로 인해 감도 변화가 심하고 또한 기준전극을 배치하는 것이 곤란하여 초기의 센서동작을 위한 보정이 필수적으로 행해야 함은 물론, 정확한 응답특성을 제공하지 못하는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 전체적인 사이즈가 초소형이고, 측정의 정확성이 향상되며, 수명이 연장되는 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반도체 공정을 이용하여 다량으로 제조할 수 있고, 충전용액의 양을 최소화할 수 있으며, 저렴하게 제조할 수 있는 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.

도 1a는 종래의 일반적인 수소이온농도 측정방식을 보여주는 개략도.

도 1b는 종래의 공업용 수소이온농도 측정방식을 보여주는 개략도.

도 2a는 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서의 구조를 보여주는 단면도.

도 2b는 도 2a의 측정센서의 사용상태도.

도 3은 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서에 의해 측정된 수소이온농도 대 발생여기 전압값 간의 관계를 보여주는 그래프.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

20: 베이스22: 측정용 홈

24: 기준비교용 홈26: 측정용 전극

28: 비교용 전극30: 감응막

32: 한천34: 충전용액

36: 전압계38: 밀봉부

이 같은 목적들은, 용액의 수소이온농도를 측정하기 위한 수소이온농도 측정센서에 있어서, 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준 비교용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스; 상기 측정용 홈의 표면에 제공되며 여기전압을 측정하기 위한전압계에 연결되는 측정용 전극; 상기 기준 비교용 홈의 표면에 제공되며 상기 전압계에 연결되는 기준용 전극; 상기 측정용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하는 감응막; 상기 기준 비교용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 상기 대상 수용액과 접촉하는 한천; 상기 각각의 홈에 충전되고, 상기 각각의 전극과 접촉하며, 상기 감응막과 한천에 독립적으로 접촉하는 충전용액; 및 상기 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위해 상기 베이스의 상부에 도포되는 밀봉부재를 포함하는 수소이온농도 측정센서에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서는 대체로 장방형 또는 정방형 구조의 베이스(20)를 구비한다. 베이스(20)는 실리콘웨이퍼로 형성되며, 특히 실리콘웨이퍼는 n-형 반도체로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 베이스(20)의 두께는 400-600㎛이다.

베이스(20)에는 2개의 홈이 형성된다. 즉, 베이스(20)의 일측에는 측정용 홈(22)이 형성되고, 타측에는 기준비교용 홈(24)이 형성된다. 각각의 홈(22,24)은 모두 이방성 식각공정으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 홈(22,24)은 MEMS(Micro Electric Mechanical System) 방식으로 하방을 향해 직경이 감소하여 결국 경사면을 이루도록 식각 형성되는 것이 바람직하다. 이 같은, 식각 방식에 의해 각각의 홈(22,24)의 상부는 사각형 또는 장방형을 이루는 반면 하부는 구멍이형성되는 바, 이 같은 형상은 식각공정 중 식각의 시간을 조절함으로써 이룰 수 있다.

한편, 측정용 홈(22)에는 측정전극(26)이 제공되며, 또한 기준비교용 홈(24)에는 기준전극(28)이 제공된다. 이 같은 각각의 전극(26,28)은 크롬(Cr) 과 은(Ag)을 증발시켜 각각의 홈(22,24)의 일측에 일정크기의 전극을 형성하였다. 각각의 전극(26,28)의 크기는 각각의 측정용 홈(22)과 기준비교용 홈(24)의 일측면의 약 2/3정도를 차지하거나 커버할 수 있는 크기를 지니는 것이 바람직하다. 이 것은, 후술되는 바와 같이 각각의 홈에 수용되는 필링용액과의 충분한 접촉면적을 확보하기 위함이다.

또한, 측정용홈(22)의 하부구멍은 감응막(30)에 의해 폐쇄된다. 이 감응막(30)은 소다 라임 유리로 형성되는 것이 바람직하다. 이 소다 라임 유리는 일반적으로 pH센서로 사용되는 적합한 성분 및 범위인 SiO₂: Na₂O : CaO = 70: 20 :10로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 감응막(30)의 두께는 약100㎛를 지니는 것이 바람직하며, 또한 그 감응막(30)은 에폭시에 의해 측정부의 하부면에 부착되는 것이 바람직하다.

한편, 기준비교용 홈(24)의 구멍은 종래의 유리전극형 수소이온농도 측정장치의 염다리 역할을 하는 한천(32)에 의해 폐쇄된다. 그 한천은 감응막(30)과 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 한천(32)은 비교용 홈(24)의 하부에 약1/3정도 충전되는 것이 바람직하다.

또한, 각각의 홈에는 용액이 충전된다. 즉, 측정용 홈(22) 및 기준용 홈(24)에는 용액(34)이 충전된다. 이 충전용액(34)은 약 1몰(1Mole)의 KCl용액인 것이 바람직하다. 물론, 이 같은 각각의 홈의 용액의 충전은, 용액의 누출을 방지하기 위해 측정용 홈(22)을 폐쇄하고 있는 감응막(30)과 비교용 홈(24)을 막고있는 한천(32)이 충분히 밀착될 수 있도록 24시간 이상 자연건조를 거친 후 실행되는 것이 바람직하다.

물론, 각각의 전극(26,28)에는 그 전극들로부터 최종적으로 측정된 여기 전압차를 표시하기 위한 전압계(36)가 연결된다.

최종적으로, 각각의 홈(22,24)에 충전된 용액(34)이 증발되어 건조되거나 누출되는 것을 방지하기 위해 각각의 홈(22,24)의 상부 또는 전체저긴 센서의 상부면 전체가 밀봉부(36)로 밀폐된다. 그 밀봉부의 재료는 에폭시(epoxy)인 것이 바람직하다.

전술된 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소이온농도 측정센서는 전체적으로 약 2mm의 폭을 지니며, 그 두께는 약 1mm인 것으로 나타났다. 이에 따라, 종래의 유리관식 수소이온농도 측정장치에 비해 현저히 작은 사이즈를 지니게 된다.

전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서를 도2b에 도시된 바와 같은 방식으로 측정될 용액, 즉, 기준용액(L)을 측정한 결과가 도 3에 그래프로 도시되어 있는바, 도 3에 도시된 그래프는 표준 용액에서 측정된 pH 당 발생된 전압값이다. 보다 상세히 설명하면, 표준용액의 pH가 1인 것에서부터 pH가13인 표준 용액까지의 용액에 대해 본 발명에 따른 수소이온농도측정센서로 측정한 결과, 각각의 표준용액에 대해 약80 내지 90mV 정도의 비교적 일정한 전압차가 발생하며 선형적인 값을 나타냄을 알 수 있다. 이와 같이, 각각의 기준용액에 대해 여기된 측정전압이 비례적으로 변하게 됨에 따라, 수소이온농도의 측정센서로서의 역할을 충분히 실행할 수 있는 것으로 이해된다.

결과적으로, 본 발명에 수소이온농도 측정센서에 의하면, 전체적인 사이즈가 초소형이므로 취급이 용이하고 휴대가 간편한 반면, 측정의 정확성이 유지됨은 물론 수명이 연장되어 제품성 및 적용성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 용이하고 간편하게 대량으로 제조할 수 있고, 충전용액의 양을 최소화할 수 있으며, 저렴하게 제조할 수 있어 경제성이 향상되는 장점이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (4)

1. 용액의 수소이온농도를 측정하기 위한 수소이온농도 측정센서에 있어서,

   각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준 비교용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스;

   상기 측정용 홈의 표면에 제공되며 여기전압을 측정하기 위한 전압계에 연결되는 측정용 전극;

   상기 기준 비교용 홈의 표면에 제공되며 상기 전압계에 연결되는 기준전극;

   상기 측정용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하는 감응막;

   상기 기준 비교용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 상기 대상 수용액과 접촉하는 한천;

   상기 각각의 홈에 충전되고, 상기 각각의 전극과 접촉하며, 상기 감응막과 한천에 독립적으로 접촉하는 충전용액; 및

   상기 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위해 상기 베이스의 상부에 도포되는 밀봉부재를 포함하는 수소이온농도 측정센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 홈은 이방성 식각에 의해 하방을 향해 직경이 감소하도록 형성되며, 상기 각각의 전극은 크롬 과 은의 증발에 의해 각각의 홈의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 수소이온농도 측정센서.
3. 제 1항에 있어서, 상기 감응막은 소다 라임 유리로 형성되며, 상기 감응막은 에폭시에 의해 측정홈의 하부면에 부착되는 것을 특징으로 하는 수소이온농도 측정센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 충전용액은 상기 각각의 전극과의 전위차의 발생을 방지하는 염화칼륨(KCl)용액인 것을 특징으로 하는 수소이온농도 측정센서.