KR20030077233A - 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판에 지지되어 부상되며, 하부전극, PZT막과 상부전극으로 이루어진 PZT 캐패시터를 포함하고 있는 캔틸레버와; 습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막으로 구성함으로써, 습도 감지막에서 흡수되는 습기량에 따라 캔틸레버의 휘어지는 변위 및 공진주파수의 감소와 같은 변화를 검출하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 효과가 발생한다.
Description
본 발명은 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PZT 캔틸레버의 상부에 다공성막을 형성하여, 이 다공성막에 모세관 현상으로 침투되는 습기를 흡수하여 캔틸레버의 휘어짐에 의한 변위를 PZT 캐패시터로 검출하거나 공진주파수 감소와 같은 변화를 측정하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 산업이 고도화되면서, 전 산업체에서 정밀한 습도 측정 및 제어의 필요성이 요구되고 있고, 가정 및 사무실내에서도 쾌적한 분위기를 유지하기 위하여, 습도 제어가 요구되는 등, 습도 센서 분야는 급속히 확대되고 있다.
특히, 냉동, 공조, 산업 및 군수용에서는 초 정밀한 습도 제어가 필요하고, 이를 위한 습도 센서의 개발이 요구되고 있다.
도 1은 종래의 저항형 습도센서의 평면도로서, 알루미나 기판(20)의 상부에 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt)과 같은 금속이 증착되어 형성된 제 1과 2 전극라인(21a,21b)과, 상기 제 1과 2 전극라인(21a,21b)의 상부에 SnO2, TiO2, WO3와 같은 고분자막으로 형성된 습도 검출용 감지막(22)으로 구성된다.
이렇게 구성된 종래의 저항형 습도센서의 동작은 먼저, 상기 제 1 전극라인(21a)에 교류전류를 인가하면, 교류전류는 제 1 전극라인(21a)을 따라 흐르면서, 제 2 전극(21b)라인으로 넘어가 결국, 제 2 전극(21b)에서 인출된다.
그리고, 상기 습도 검출용 감지막(22)은 교류전류에 대해 저항체 역할을 수행하게 되는데, 상기 습도 검출용 감지막(22)에 습기가 흡수되면, 저항값이 변하게 되어, 그 저항 변화 자체를 이용하거나 제 2 전극(21b)에서 출력되는 교류전류 출력값을 변화시킴으로서, 종래의 저항형 습도센서는 습기를 감지하게 된다.
이러한 종래의 저항형 습도센서는 습기속의 O-H기가 다공체인 습도 검출용 감지막(22)에 모세관현상으로 침투하여, 저항변화를 주게되면 습도를 검출할 수 있는데, 저습인 경우에는 저항변화가 극미하여 감지하기가 어렵고, 고습인 경우에는 습도 검출용 감지막(22)에 침투된 습기가 포화(Saturation)되어 더 이상의 습도를 감지할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 다공체 습도 검출용 감지막을 이용한 종래의 저항형 습도센서는 습도변화에 따른 저항변화가 선형적인 특성을 유지하기가 어려워, 정밀하게 습도를 제어하기 어려운 한계가 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, PZT 캔틸레버의 상부에 다공성막을 형성하여, 이 다공성막에 모세관 현상으로 침투되는 습기를 흡수하여 캔틸레버의 휘어짐에 의한 변위를 PZT 캐패시터로 검출하거나 공진주파수의 변화를 측정하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 실리콘 기판에 지지되어 부상되며, PET 캐패시터를 포함하는 캔틸레버(70)와;
습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막(60)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 실리콘기판의 상부에 실리콘 산화막, 하부전극, PZT막과 상부전극을 순차적으로 적층하는 제 1 단계와;
상기 상부전극의 상부에 제 1 포토레지스트막을 형성하고, 사진식각공정을 수행하여, 상기 상부전극과 PZT막을 식각하는 제 2 단계와;
상기 상부전극과 PZT막을 감싸며, 상기 하부전극의 상부에 제 2 포토레지스트막을 형성하고, 상기 제 2 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 하부전극을 식각하는 제 3 단계와;
상기 상부전극 상부의 일측에 습도 감지막을 형성하고, 상기 습도 감지막의 바로 아래부위에 해당하는 실리콘기판을 식각하여, 상기 실리콘 산화막과 PZT 캐패시터를 부상시키는 제 4 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서 및 그의 제조방법이 제공된다.
도 1은 도 1은 종래의 저항형 습도 센서의 평면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서의 제조 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 알루미나 기판 21a,21b : 전극라인
22 : 습도 검출용 감지막 50 : 실리콘 기판
51 : 실리콘 산화막 52 : 하부전극
53 : PZT막 54 : 상부전극
55,56 : 포토레지스트막 60 : 습도 감지막
70 : 캔틸레버
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도 센서의 제조 공정도로서, 먼저, 도 2a에서 실리콘기판(50)의 상부에 실리콘 산화막(51), 하부전극(52), PZT막(53)과 상부전극(54)을 순차적으로 적층한다.
여기서, 하부전극(52), PZT막(53)과 상부전극(54)은 PZT 캐패시터가 된다.
그 후에, 상부전극(54)의 상부에 제 1 포토레지스트막(55)을 형성하고, 사진식각공정을 수행하여, 상기 상부전극(54)과 PZT막(53)을 식각한다.(도 2b)
연이어, 상기 상부전극(54')과 PZT막(53')을 감싸며, 상기 하부전극(52)의 상부에 제 2 포토레지스트막(56)을 형성하고(도 2c), 상기 제 2 포토레지스트막(56)으로 마스킹하여, 상기 하부전극(52)을 식각한다.(도 2d)
그 다음, 상기 상부전극(54') 상부의 일측에 습도 감지막(60)을 형성하고(도 2e), 마지막으로, 상기 습도 감지막(60)의 바로 아래부위에 해당하는 실리콘기판(50)을 건식식각하여, 상기 실리콘 산화막과 PZT 캐패시터를 부상시켜, 캔틸레버(70)를 형성한다.(도 2f)
이 때, 도 2a의 공정에서, 실리콘 산화막(51) 대신에 실리콘 질화막을 형성하여, 부상된 캔틸레버를 형성할 수도 있다.
여기서, 습도 감지막(60)은 다공성막으로 형성하는 것이 바람직하며, 다공성막 중, 고분자막 또는 금속산화막으로 형성하는 것이 가장 바람직하다.
그리고, 이러한 다공성막은 그레인 사이즈가 0.1 ~ 5㎛를 갖는 다공성막이 바람직하며, 1000 ~ 5000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 초정밀 습도 센서는 실리콘 기판에 지지되어 부상되며,PZT 캐패시터를 포함하고 있는 캔틸레버와; 습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막으로 구성함으로서, 습도 감지에 따른 질량 증가에 다른 캔틸레버의 휘어짐(bending)의 변위 및 공진주파수의 변화를 측정하여, 초 정밀하게 습도를 감지할 수 있는 것이다.
더 상세히 설명하면, 본 발명의 초정밀 습도 센서는 습도 감지막(60)에 습기가 흡수되어 습도가 감지되면, 습도 감지막(60)은 질량이 증가하게 되고, 이 질량이 증가된 습도 감지막(60)은 캔틸레버(70)를 하부로 휘어지게 하며, 휘어진 변위는 PZT 캐패시터를 이용하여 감지하게 된다.
따라서, 습도를 초정밀하게 감지할 수 있게 된다.
여기서, 습도 감지막(60)이 습도를 흡수하여 질량이 증가된 상태의 캔틸레버(70) 공진주파수는 습도 감지막(60)이 습도를 흡수하지 않은 상태의 캔틸레버(70) 공진주파수에 비하여, 공진주파수 변화가 발생한다.
이런 공진주파수의 변화가 발생되는 이유는, 일정한 공진주파수로 진동하는 캔틸레버에 습기가 흡착하게 되면, 캔틸레버상에 질량이 증가하게 되어 궁극적으로 캔틸레버가 진동하는 속도가 감소하게 되며, 따라서, 공진주파수는 감소되는 것이다.
물론, 상기 습도감지막의 질량 변화량에 따라 캔틸레버의 공진주파수 변화량 및 휘어짐의 변화량이 미리 결정되어 있어야 캔틸레버의 공진주파수 변화량 및 휘어짐의 변화량으로 습도감지막에 흡수된 습기의 질량 변화량을 알 수 있다.
그 다음, 이 습기의 질량으로 하기 식(1)에 의하여, 몰(Mole)수를 알 수 있다.
몰수(n) = 습기질량/분자량 ----------- (1)
이렇게 계산된, 습기의 몰수(n)는 하기 식(2)의 이상 기체 상태 방정식을 이용하여, 단위체적(V)에 분포된 습기의 압력(P)을 계산할 수 있다.
P x V = n x RT ---------------------- (2)
여기서, V는 밀폐된 공간의 체적이고, R은 기체상수, T는 온도이다.
그러므로, 이 공진주파수 변화를 측정하여 단위체적당 흡수된 습도를 계산할 수 있으므로, 마이크로 단위의 캔틸레버에 형성된 습도 감지막으로 습도를 초정밀하게 감지할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 PZT 캐패시터를 포함하는 캔틸레버의 상부에 습도 감지막을 형성하여, 습도 감지막에서 흡수되는 습기량에 따라 캔틸레버의 휘어지는 변위 및 공진주파수의 변화를 검출하여 습도를 초정밀하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (7)
- 실리콘 기판에 지지되어 부상되며, PET 캐패시터를 포함하는 캔틸레버(70)와;습기의 흡수로 질량이 증가되어, 상기 캔틸레버가 휘어지는 변위와 공진주파수의 변화를 발생시킬 수 있도록, 상기 캔틸레버의 상부에 형성된 습도 감지막(60)으로 구성된 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 PZT캐패시터는 하부전극, PZT막과 상부전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 습도 감지막은 다공성 고분자막 또는 다공성 금속산화막인 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 습도 감지막은 그레인 사이즈가 0.1 ~ 5㎛를 갖는 다공성막인 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 습도 감지막의 두께는 1000 ~ 5000Å인 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서.
- 실리콘기판의 상부에 실리콘 산화막, 하부전극, PZT막과 상부전극을 순차적으로 적층하는 제 1 단계와;상기 상부전극의 상부에 제 1 포토레지스트막을 형성하고, 사진식각공정을 수행하여, 상기 상부전극과 PZT막을 식각하는 제 2 단계와;상기 상부전극과 PZT막을 감싸며, 상기 하부전극의 상부에 제 2 포토레지스트막을 형성하고, 상기 제 2 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 하부전극을 식각하는 제 3 단계와;상기 상부전극 상부의 일측에 습도 감지막을 형성하고, 상기 습도 감지막의 바로 아래부위에 해당하는 실리콘기판을 식각하여, 상기 실리콘 산화막과 PZT 캐패시터를 부상시키는 제 4 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 습도 감지막은 다공성 고분자막 또는 다공성 금속산화막인 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 이용한 초정밀 습도센서의 제조방법.
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