KR200451774Y1 - structure of ion current sensor fabricated by micromaching - Google Patents

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Abstract

본 고안은 이온전류 센서 구조에 관한 것으로서, 마이크로머시닝기술로 실리콘 기판을 이방성 식각하여 하면에서부터 상면을 관통하는 개구부를 형성하여 검출가스의 유입이 용이하도록 구성하고, 이온 전류 검출 전극은 개구부의 연결다리에 위치하여 이온전류를 검출한다. 검출대상 톨루엔 가스가 개구부를 통과하여 유입되면 방전관 하단에서 발생하는 자외선에 의하여 이온전류가 발생되고 개구부의 연결다리위에 설치된 검출전극은 이온전류를 검출하는 구조로 구성되어, 종래 기술에 비하여 검출 감도 개선의 장점을 지니고 있는 톨루엔가스 검출 이온전류 센서 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an ion current sensor structure, which is anisotropically etched a silicon substrate by a micromachining technique to form an opening penetrating the upper surface from the lower surface to facilitate the inflow of the detection gas, the ion current detection electrode is connected to the opening bridge To detect the ion current. When the toluene gas to be detected flows through the opening, ion current is generated by ultraviolet rays generated at the lower end of the discharge tube, and the detection electrode provided on the connection leg of the opening is configured to detect the ion current, thereby improving detection sensitivity compared to the prior art. A toluene gas detection ion current sensor structure having the advantages of

마이크로머시닝, 이온전류센서, 검출전극, 이방성식각, 톨루엔가스, Micromachining, ion current sensor, detection electrode, anisotropic etching, toluene gas,

Description

마이크로 머시닝으로 제작된 이온전류 센서 구조 {structure of ion current sensor fabricated by micromaching}Structure of ion current sensor fabricated by micromaching

본 고안은 이온전류 센서 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방전관에서 발생된 자외선 에너지에 의해 톨루엔 검출 대상 가스가 이온화되고, 이온화된 이온과 전자에 의해서 발생하는 이온 전류를 검출하는 이온전류 센서 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an ion current sensor structure, and more particularly, to an ion current sensor structure in which a toluene detection gas is ionized by ultraviolet energy generated in a discharge tube and detects an ion current generated by ionized ions and electrons. It is about.

도1에 도시되어 있는 바와 같이 종래의 이온전류 센서는 방전관(30)과 방전관 외부 표면에 지지대 기판(10) 위에 수백 ㎛두께 이상의 일정 패턴형상으로 가공 제작된 금속 전극(20)으로 구성되어, 금속 전극에서 이온화된 이온전류를 검출하게 된다.As shown in FIG. 1, the conventional ion current sensor is composed of a discharge tube 30 and a metal electrode 20 fabricated in a predetermined pattern shape of several hundred μm or more on a support substrate 10 on an outer surface of the discharge tube. The ionized ion current is detected at the electrode.

종래기술은 유입되는 검출 대상 가스 흐름(50)이 방전관 주변으로 퍼지면서 흐르게 되어 유입된 가스의 일부가 방전관 하단(31)에 노출되는 구조로 구성되어 있다. 방전관의 자외선은 방전관 하단(31)에서 집중 방출되고 있음으로 도1과 같은 종래기술의 구조에서는 검출 대상 가스가 유입되더라도 유입된 가스의 일부만이 방전관 하단에 노출되어 이온화가 진행됨으로 검출감도가 낮은 문제점을 지니고 있다.The prior art is configured to have a structure in which a flow of gas to be detected 50 flows around the discharge tube so that a part of the introduced gas is exposed to the lower end 31 of the discharge tube. The ultraviolet rays of the discharge tube are concentrated at the lower end of the discharge tube 31. In the structure of the prior art as shown in FIG. It has

종래기술에서는 일정 두께로 제작되는 금속 판재 전극(20)은 수백㎛ 두께로 가공 제작되어 전기 저항 성분이 높기 때문에 미세한 전류 변화 신호 검출에 용이하지 않으며, 센서부의 소형화가 어려운 문제점을 지니고 있다. 이에 따라 이온전류 센서는 높은 검출 감도와 소형화될 수 있는 구조가 요구된다.In the prior art, the metal plate electrode 20 manufactured to a predetermined thickness is processed to a few hundred μm in thickness, and thus has high electrical resistance, so that it is not easy to detect a minute current change signal, and it is difficult to miniaturize the sensor unit. Accordingly, the ion current sensor requires a high detection sensitivity and a structure that can be miniaturized.

가스 검출 이온전류 센서는 방전관에서 발생시킨 자외선에너지로 대기 가스중에 포함된 검출 대상 톨루엔가스를 이온화시켜, 발생하는 이온과 전자를 검출 전극에서 이온전류로 흐르게 하여 이온전류의 변화 수준에 따라서 검출 대상 톨루엔가스의 존재를 검출하게 된다. 방전관(30)은 자외선 에너지를 방출하며 방전관 하단(31)으로 자외선 에너지가 집중 방출된다. 종래기술에서는 방전관 하단에 금속 판재의 검출 전극이 위치하나 검출 대상 가스 흐름(50)이 도1과 같이 방전관주변으로 퍼지면서 유입 되어, 유입된 방출대상 가스의 일부만이 방전관 하단에 노출되고 이온화되는 구조로 되어있어 검출 감도가 높지 않은 문제점을 지니고 있다. 본 고안에서는 종래기술의 문제점인 낮은 감도를 개선하고 소형화가 용이하도록, 실리콘 기판을 마이크로 머시닝기술에 의한 이방성 식각으로 개구부를 형성하고, 개구부를 통과한 검출 대상 가스가 자외선 에너지가 집중 방출되는 방전관 하단에 노출되고, 검출 박막전극이 방전관 하단의 개구부 연결다리에 위치하여 이온전류 검출 감도를 향상시킨 톨루엔가스 검출 이온전류 센서 구조에 관한 것이다.The gas detection ion current sensor ionizes the target toluene gas contained in the atmospheric gas with ultraviolet energy generated by the discharge tube, causes the generated ions and electrons to flow from the detection electrode to the ion current, according to the change level of the ion current. The presence of gas is detected. The discharge tube 30 emits ultraviolet light energy and the ultraviolet light is concentrated at the lower end of the discharge tube 31. In the prior art, although the detection electrode of the metal plate is located at the bottom of the discharge tube, the detection target gas flow 50 is introduced while being spread around the discharge tube as shown in FIG. It has a problem that the detection sensitivity is not high. In the present invention, an opening is formed by anisotropic etching by a micromachining technique of a silicon substrate to improve low sensitivity, which is a problem of the prior art, and a lower end of a discharge tube in which ultraviolet light is concentrated at a target gas passing through the opening. The present invention relates to a toluene gas detection ion current sensor structure in which a detection thin film electrode is positioned at an opening connecting bridge at a lower end of a discharge tube, thereby improving ion current detection sensitivity.

본 고안은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 구조로서, 검출 대상 가스가 자외선이 집중 방출되는 방전관 하단에 노출되기가 용이하고, 이온 전류 발생을 용이하게 검출하도록 검출 전극이 위치하는 구조이다.The present invention is a structure designed to solve the problems of the prior art, the gas to be detected is easy to be exposed to the lower end of the discharge tube in which the ultraviolet rays are concentrated, the structure in which the detection electrode is located to easily detect the generation of ion current.

먼저 면 방위(100)의 실리콘 기판(11)에 금속 박막의 검출 전극 패턴을 구성하고, 실리콘 기판을 반도체 마이크로머시닝 기술에 의한 이방성식각으로 상면과 하면을 관통하여 개구부(40)를 구성하며, 검출전극(21)이 개구부의 연결다리(12) 위에 위치한다. First, a detection electrode pattern of a metal thin film is formed on the silicon substrate 11 of the surface orientation 100, and the opening 40 is formed by penetrating the upper and lower surfaces of the silicon substrate by anisotropic etching by semiconductor micromachining technology. The electrode 21 is located on the connecting leg 12 of the opening.

실리콘 기판의 개구부, 방전관 하단 개구부 연결다리에 위치한 검출 박막 전극은 이온 전류 검출로 높은 검출 감도와 소형화를 제공한다.The detection thin film electrode located at the opening of the silicon substrate and at the lower opening of the discharge tube provides high detection sensitivity and miniaturization with ion current detection.

본 고안의 이온전류 센서 구조로 도 2는 검출 전극 도면이며, 도 3은 도 2의 수평방향ⓐ과 수직 방향ⓑ의 단면을 설명하기 위한 본 고안의 단면도이고, 도 4는 본 고안의 실시 예에 따른 톨루엔 검출 이온전류 센서 구조의 도면이다.As an ion current sensor structure of the present invention, Figure 2 is a detection electrode diagram, Figure 3 is a cross-sectional view of the present invention for explaining the cross-section of the horizontal direction ⓐ and vertical direction ⓑ of Figure 2, Figure 4 is Figure 2 shows the structure of a toluene detection ion current sensor.

먼저 도 2와 도 3을 참조하면 주지의 실리콘 기판(11)에 박막 증착 공정과 포토리소그래피 공정으로 일정 형상의 박막패턴 검출전극(21)을 실리콘 기판(11)에 제작하고, 제작된 실리콘 기판을 포토리소그래피와 마이크로머시닝 공정으로 이방성 식각하여 개구부와 개구부 상부에 연결다리(12)를 형성한다. 마이크로머시닝 공 정에 의한 이방성 식각에 의한 개구부(40)의 형상은 실리콘 기판의 면방위에 따라서 정해지며, 본 고안에서는 주지의 (100)면방위의 실리콘 기판을 사용하여 54.74도의 형상으로 이방성 식각을 한다. 검출전극(21)은 2∼15㎛ 두께로 전극 간의 피치 간격은 20 ㎛에서 1mm이하 것이 바람직하며, 도3과 같이 실리콘 기판을 상하로 관통하는 개구부 연결다리(12)위에 위치한다.First, referring to FIGS. 2 and 3, a thin film pattern detection electrode 21 having a predetermined shape is fabricated on a silicon substrate 11 by a thin film deposition process and a photolithography process on a known silicon substrate 11, and the fabricated silicon substrate is manufactured. Anisotropic etching is performed by photolithography and micromachining to form the connecting bridge 12 at the opening and the upper portion of the opening. The shape of the opening 40 by anisotropic etching by the micromachining process is determined according to the surface orientation of the silicon substrate. In the present invention, anisotropic etching is performed in a shape of 54.74 degrees using a well-known silicon substrate of (100) orientation. do. The detection electrode 21 has a thickness of 2 to 15 μm and a pitch interval between the electrodes is preferably 20 μm to 1 mm or less, and is positioned on the opening connecting leg 12 penetrating the silicon substrate up and down as shown in FIG. 3.

도 4와 같이 검출 대상 가스가 실리콘 기판(11) 개구부(40)를 통과하면 Kr 가스 방전관 하단(31)에 노출되어, 방전관 하단(31)에서 발생하는 자외선에 의해서 이온화 과정이 용이하게 발생하고, 방전관하단 개구부 연결다리(12)에 위치한 검출 전극(21)은 pA 범위의 이온 전류 수준 변화를 검출한다.As shown in FIG. 4, when the detection target gas passes through the opening 40 of the silicon substrate 11, it is exposed to the lower end of the Kr gas discharge tube 31, and an ionization process is easily generated by ultraviolet rays generated at the lower end of the discharge tube 31. The detection electrode 21 located at the lower connection tube 12 of the discharge tube detects a change in the ion current level in the pA range.

본 고안에 있어 실리콘 기판(11)의 개구부(40)를 통과한 검출 대상 톨루엔가스는 자외선에너지가 집중 방출되는 방전관 하단(31)에 노출되어 이온화가 용이하고, 방전관 하단(31) 개구부 연결 다리(12)에 설치된 검출전극(21)은 검출 전극 상부에서 발생된 pA 범위의 미소 이온전류검출이 용이하여, 종래 기술에 비하여 높은 감도 특성을 제공하는 효과가 있다. 또한 종래기술에 비하여 실리콘 기판과 박막 패턴을 사용하여 주지의 반도체 제조기술을 이용하여 소형화와 대량생산이 용이하다.In the present invention, the toluene gas to be detected passing through the opening 40 of the silicon substrate 11 is exposed to the lower end 31 of the discharge tube in which ultraviolet energy is concentrated and is easily ionized. The detection electrode 21 provided at 12 has an effect of easily detecting a small ion current in the pA range generated on the detection electrode, and providing a high sensitivity characteristic as compared with the prior art. In addition, it is easy to miniaturize and mass-produce using a known semiconductor manufacturing technology using a silicon substrate and a thin film pattern compared to the prior art.

본 고안의 실시예로 면 방위(100)의 실리콘 기판(11)개구부(40)상부에 형성되는 연결 다리(12)는 주지의 고농도의 보론(B) 원소의 도핑 층으로 엣치 스탑(etch stop)영역으로 구성한다. In an embodiment of the present invention, the connection leg 12 formed on the silicon substrate 11 opening 40 of the plane orientation 100 is a well-doped layer of boron (B) element, which is a well-known high concentration. Consists of areas.

Kr가스로 충진 된 방전관(30)에 10.6eV의 방사 에너지를 발생시키고 톨루엔가스가 포함된 대기 가스가 유입되도록 하고, 검출 전극에 120V의 전압으로 인가하여 검출 이온 전류의 변화를 pA 단위로 측정된다. 톨루엔이 함유된 가스의 경우 톨루엔이 함유되지 않은 상태의 기준 신호 레벨에 비하여 10％이상의 신호 레벨의 변화를 검출할 수 있다. 이 값은 ms 간격으로 반복되어 유입되는 가스에 대해서도 민감 특성을 유지하며 반복 정밀성을 유지한다.10.6 eV of radiant energy is generated in the discharge tube 30 filled with Kr gas, and atmospheric gas containing toluene gas is introduced, and a change of the detected ion current is measured in pA by applying a voltage of 120 V to the detection electrode. . In the case of a gas containing toluene, a change in signal level of 10% or more can be detected as compared to the reference signal level in a state in which no toluene is contained. This value maintains sensitivity and repeatability even with incoming gas repeated at intervals of ms.

본 고안의 구조로 제작된 검출 전극의 특성은 종래 기술의 검출 감도 수준을 10％이상으로 개선하고, 반복되어 유입되는 가스에 대하여 높은 감도 특성을 유지할 수 있다.The characteristics of the detection electrode manufactured by the structure of the present invention can improve the detection sensitivity level of the prior art to 10% or more, and can maintain a high sensitivity characteristic with respect to the gas repeatedly introduced.

본 고안은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 자외선 발생 소자, 전극의 패턴의 배치를 포함하여 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 도면에 한정되는 것은 아니다.The present invention can be replaced, modified and changed by including the arrangement of the ultraviolet generating element, the pattern of the electrode within the scope without departing from the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs It is not limited to one figure.

도 1은 종래기술의 이온전류 센서 구조도면.1 is a structural diagram of an ion current sensor of the prior art.

도 2는 본 고안의 톨루엔가스 검출 이온전류 센서 구조를 도시한 도면.2 is a view showing a toluene gas detection ion current sensor structure of the present invention.

도 3은 본 고안의 톨루엔가스 검출 이온전류 센서 구조로 도2의 수평방향ⓐ과 수직방향ⓑ 단면구조를 설명하기 위한 도면.3 is a view for explaining the horizontal direction ⓐ and vertical direction ⓑ cross-sectional structure of Figure 2 to the toluene gas detection ion current sensor structure of the present invention.

도 4는 본 고안의 톨루엔가스 검출 이온전류 센서 구조로 방전관이 개구부 위에 위치한 구조도면.Figure 4 is a structural view of the discharge tube is located above the opening to the toluene gas detection ion current sensor structure of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

10:전극지지대10: electrode support

11: 실리콘 기판11: silicon substrate

12: 실리콘 기판 개구부에 형성된 연결다리12: connecting bridge formed in the opening of the silicon substrate

20:기계 가공된 금속 검출전극20: machined metal detection electrode

21:박막 패턴 검출전극21: thin film pattern detection electrode

30: 방전관30: discharge tube

31: 방전관 하단31: bottom of discharge tube

40: 개구부40: opening

50: 검출 가스흐름방향50: detection gas flow direction

Claims (3)

톨루엔가스 검출 이온전류 센서 구조에 있어, 면 방위(100)의 실리콘 기판(11)의 상면과 하면을 관통하는 개구부(40)가 형성되고, 개구부 연결다리(12)에 두께 2～15㎛로 전극 간의 피치 간격 20㎛에서 1mm이하의 백금전극으로 구성된 검출전극(21)이 위치하며, Kr가스 방전관(30)의 하단(31)이 검출전극(21) 위에 설치되는 구조인 톨루엔가스 검출 이온전류 센서.In the toluene gas detection ion current sensor structure, an opening 40 penetrating through the upper and lower surfaces of the silicon substrate 11 in the plane orientation 100 is formed, and the electrode connecting leg 12 has a thickness of 2 to 15 µm. Toluene gas detection ion current sensor having a structure in which a detection electrode 21 composed of platinum electrodes of 1 mm or less at a pitch interval of 20 μm is disposed, and a lower end 31 of the Kr gas discharge tube 30 is provided on the detection electrode 21. . 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 상면과 하면을 관통하는 개구부는 면 방위(100)의 실리콘기판에 이방성식각으로 형성된 구조인 톨루엔가스 검출 이온전류 센서.The toluene gas detection ion current sensor according to claim 1, wherein the openings penetrating the upper and lower surfaces of the silicon substrate are formed by anisotropic etching on the silicon substrate in the plane orientation (100). 삭제delete
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