KR20040092270A - 박막형 습도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막형 습도센서에 관한 것으로, 상호 이격되어 절연 기판 상부에 형성된 한 쌍의 하부 전극패드들과; 상기 하부 전극패드들과 전기적으로 연결되며, 상기 절연기판 상부에 형성된 히터 겸용 하부전극과; 상기 하부전극 상부에 형성된 다공성 산화물 감습막과; 상기 다공성 산화물 감습막 상부에 형성된 다공성 상부전극과; 상기 다공성 상부전극과 전기적으로 연결되며, 상기 절연성 기판 상부에 형성된 상부전극패드로 구성된다.

따라서, 본 발명은 오염물질을 신속하게 제거하여 열악한 환경에서도 초기의 습도감지 특성을 유지할 수 있으며, 장기간 사용이 가능하여 신뢰성이 우수하며, 더불어, 히터와 전극을 일체로 형성시켜 소자 크기를 줄일 수 있고, 제조공정을 단순화시킬 수 있어 제조비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

박막형 습도센서 {Thin film type humidity sensor}

본 발명은 박막형 습도센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감습막을 다공성 무기질막으로 구성하고, 히터와 전극을 일체화하여 구성함으로써, 오염물질을 신속하게 제거하여 열악한 환경에서도 초기의 습도감지 특성을 유지할 수 있으며, 장기간 사용이 가능하여 신뢰성이 우수한 박막형 습도센서에 관한 것이다.

일반적으로, 습도센서는 온실에서의 상추나 버섯과 같은 야채의 재배, 가전제품의 경우에는 가습기나 건조기, 음식물의 자동 조리, 자동차 내부나 빌딩 실내의 자동 습도조절 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.

이런 습도센서는 동작원리에 따라 써미스터형, 저항형과 캐패시터(정전용량)형 등으로 분류된다.

써미스터형은 서로 분리된 두개의 써미스터 소자를 적절한 패키징에 의해 한 소자에는 습기가 들어가게 하고, 다른 한쪽은 습기가 들어가지 못하도록 설계된다. 이때, 써미스터 소자에는 부온도계수(NTC, Negative temperature coefficient) 또는 정온도계수(PTC, Positive temperature coefficient)가 큰 특성을 갖는 재료들이 주로 사용된다.

부온도계수의 재료로는 반도성을 갖는 세라믹이 사용되고, 정온도계수를 갖는 재료로는 Pt와 Au 등의 금속이 사용된다.

써미스터를 이용한 절대습도센서의 동작원리는 소자양단에 인가전압을 가하여 소자의 온도를 약 200-300℃로 발열한 상태에서 주위 습도변화에 따라 습기에 노출된 써미스터 소자(감습소자)는 열을 뺏겨서 저항이 올라가거나 떨어지고, 밀폐된 소자(보상소자)는 저항의 변화가 일어나지 않기 때문에, 이들 소자들간의 저항차이를 전기적 출력으로 변환하여 습도변화를 알아낸다.

그러나, 절대습도 센서는 감습소자와 보상소자를 독립적으로 패키지 해야 하므로 제조 공정이 복잡하고, 습도 변화에 대한 써미스터 소자의 저항변화 폭이 작기 때문에 출력 신호가 작아 신호를 증폭해야 하고, 이에 따른 노이즈(Noise)를 막기 위하여 고가의 차폐 와이어(Shield wire)를 사용해야 되는 단점이 있다.

도 1a와 1b는 일반적인 저항형 폴리머 습도센서의 제조공정도로서, 도 1a에서, 기판(11) 상부에 제 1과 2 전극(12,13)으로 이루어진 IDT(Inter digital transducer) 전극패턴(15)을 형성한다.

그리고, 도 1b에서 상기 IDT 전극패턴(15)의 상부에 감지층(Sensing layer)(14)을 형성하면 저항형 폴리머 습도센서의 제조 공정이 완료된다.

도 2a 내지 2c는 일반적인 용량형 폴리머 습도센서의 제조공정도로서, 먼저, 기판(21) 상부에 하부전극(25)을 형성하고(도 2a), 상기 하부전극(25) 상부에 감지층(26)을 형성하며(도 2b), 상기 감지층(26)의 상부에 상부전극(27)을 형성하여 용량형 폴리머 습도센서의 제조를 완성한다.(도 2c)

전술된 저항형이나 캐패시터형은 폴리머 감습재료로 감지층을 형성하여, 폴리머 양단이나 상, 하부에 적절한 전극배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기흡착에 따른 전극간 저항변화나 캐패시턴스 변화를 읽어낸다.

이런 폴리머를 감습재료로 사용한 습도센서는 구조가 간단하여 값싸게 만들 수 있는 장점이 있으나, 폴리머가 유기물이기 때문에 사용온도가 60℃ 이상의 고온이 되면, 재료의 변형이 생겨서 감습막의 기능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 오일, 먼지와 같은 오염물질이 발생되는 열악한 환경에 장기간 노출되면 감습막 표면의 변질이나 오염에 의해 감습막 내부로의 수분 침투가 어렵게 되어 감습특성이 떨어지는 단점이 있다.

더불어, 감습막 표면상의 오염물이나 습기를 제거하기 위한 히터를 구성할수 없기 때문에 장기적으로 사용할 경우에도 감습 특성이 저하되는 문제점을 야기시킨다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 감습막을 다공성 무기질막으로 구성하고, 히터와 전극을 일체화하여 구성함으로써, 오염물질을 신속하게 제거하여 열악한 환경에서도 초기의 습도감지 특성을 유지할 수 있으며, 장기간 사용이 가능하여 신뢰성이 우수한 박막형 습도센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 상호 이격되어 절연 기판 상부에 형성된 한 쌍의 하부 전극패드들과;

상기 하부 전극패드들과 전기적으로 연결되며, 상기 절연기판 상부에 형성된 히터 겸용 하부전극과;

상기 하부전극 상부에 형성된 다공성 산화물 감습막과;

상기 다공성 산화물 감습막 상부에 형성된 다공성 상부전극과;

상기 다공성 상부전극과 전기적으로 연결되며, 상기 절연성 기판 상부에 형성된 상부전극패드로 구성된 박막형 습도센서가 제공된다.

도 1a와 1b는 일반적인 저항형 폴리머 습도센서의 제조공정도

도 2a 내지 2c는 일반적인 용량형 폴리머 습도센서의 제조공정도

도 3은 본 발명에 따른 박막형 습도센서의 일부 절개 사시도

도 4는 본 발명에 따른 습도센서의 상대습도 변화에 대한 감습 특성을 도시한 도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 절연기판 110 : 히터 겸용 하부전극

111 : 다공성 산화물 감습막 112 : 상부전극패드

113 : 다공성 상부전극 119a,119b : 하부전극패드

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 박막형 습도센서의 일부 절개 사시도로서, 상호 이격되어 절연 기판(100) 상부에 형성된 한 쌍의 하부 전극패드들(119a,119b)과; 상기 하부 전극패드들(119a,119b)과 전기적으로 연결되며, 상기 절연기판(100) 상부에 형성된 히터 겸용 하부전극(110)과; 상기 하부전극(110) 상부에 형성된 다공성 산화물 감습막(111)과; 상기 다공성 산화물 감습막(111) 상부에 형성된 다공성 상부전극(113)과; 상기 다공성 상부전극(113)과 전기적으로 연결되며, 상기 절연성 기판(100) 상부에 형성된 상부전극패드(112)로 구성된다.

여기서, 상기 절연기판(100)은 전기적으로 절연기판이며, 알루미나(Al₂O₃)와 같은 산화물 세라믹 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 하부 전극패드들(119a,119b)은 금(Au)과 같은 비저항이 낮은 금속 전극막으로 형성하고, 이러한 하부 전극패드들(119a,119b)은 금속 전극막 한 쌍을 일정 간격을 두고 상호 대향되도록 스크린 인쇄법으로 형성하면 된다.

상기 히터 겸용 하부전극(110)은 RuO₂막과 같은 도전성 산화물로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 히터 겸용 하부전극(110)이 가열될 때, 가열하고자 하는 면적이 균일하게 가열될 수 있도록, '평판(Plane)' 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다공성 산화물 감습막(111)은 스핀코팅(Spin coating)이나 스크린(Screen printing) 등과 같은 방법을 이용하여 형성하며, 실리카(SiO₂) 또는 알루미나(Al₂O₃)와 같이 주위 온도 변화에 대한 저항 변화가 작고, 300℃ 이상의 고온에서도 사용 가능한 내열성과 화학적으로 안정한 금속 산화물계의 세라믹 재료로 구성한다.

그리고, 상기 다공성 상부전극(113)은 상기 다공성 산화물 감습막(111)으로 수분 침투를 용이하도록 스크린 인쇄법이나 스퍼터링과 같은 방법으로 형성하고, 금(Au)과 같은 금속 또는 RuO₂와 같은 도전성 산화물로 형성한다.

도 4는 본 발명에 따른 습도센서의 상대습도 변화에 대한 감습 특성을 도시한 도면으로서, 주위 온도 25℃에서 본 발명의 습도센서로 상대습도 변화에 대한 감습 특성을 측정한 결과, 상대습도가 증가함에 따라 캐패시턴스값은 증가하게 되어 특성이 우수한 것을 알 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 감습막을 다공성 무기질막으로 구성하고, 히터와 전극을 일체화하여 구성함으로써, 오염물질을 신속하게 제거하여 열악한 환경에서도 초기의 습도감지 특성을 유지할 수 있으며, 장기간 사용이 가능하여 신뢰성이 우수한 효과가 있다.

더불어, 히터와 전극을 일체로 형성시켜 소자 크기를 줄일 수 있고, 제조공정을 단순화시킬 수 있어 제조비용을 줄일 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 (5)

1. 상호 이격되어 절연 기판 상부에 형성된 한 쌍의 하부 전극패드들과;

   상기 하부 전극패드들과 전기적으로 연결되며, 상기 절연기판 상부에 형성된 히터 겸용 하부전극과;

   상기 하부전극 상부에 형성된 다공성 산화물 감습막과;

   상기 다공성 산화물 감습막 상부에 형성된 다공성 상부전극과;

   상기 다공성 상부전극과 전기적으로 연결되며, 상기 절연성 기판 상부에 형성된 상부전극패드로 구성된 박막형 습도센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 히터 겸용 하부전극은 도전성 산화물로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 히터 겸용 하부전극은 균일하게 가열할 수 있도록, '평판(Plane)' 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 다공성 산화물 감습막은,

   실리카(SiO₂) 또는 금속 산화물계의 세라믹 재료 중 선택된 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 다공성 상부전극은,

   금속 또는 도전성 산화물로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 습도센서.