KR20050005896A - 박막형 이산화탄소 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 가스 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 복수개의 리드들이 끼워져, 하면과 상면에 상기 복수개의 리드들이 각각 돌출되어 있는 케이스와; 실리콘 기판상에 멤브레인막이 형성되어 있고, 상기 멤브레인막 상부에 패터닝된 저항체 박막이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막의 패턴 일부를 감싸는 세라믹 담체 박막이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막과 전기적으로 연결되는 금속패드들이 형성되어 있고, 상기 실리콘 기판의 일부가 제거되어 상기 세라믹 담체 박막이 형성된 영역 하부에 있는 멤브레인막이 부상되어 각각 별개로 구성되어 있으며, 상기 케이스의 상면에 각각 이격되어 부착되며, 상기 복수개의 리드들과 전기적으로 본딩된 감지 소자 및 보상 소자와; 상기 감지 소자 및 보상 소자를 각각 분리시키며 상기 케이스의 상면에 접착되어 밀봉되고, 상기 감지 소자에 외부의 공기가 접촉될 수 있는 유통로를 갖으며, 상기 보상 소자를 외부 공기와 차단시키는 캡으로 구성된다.
따라서, 본 발명은 본 발명은 실리콘 마이크로머시닝 기술을 이용하여 멤브레인상에 저항체 박막과 담체를 형성함으로써, 소자의 열용량을 작게하여 사용 전력을 낮추고, 저항체의 저항변화를 크게 할 수 있어 센서의 감도를 높일 수 있으며 응답속도를 빠르게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 실리콘 공정을 이용하여 센서의 크기를 작게 할 수 있으며 조립공정이 간단하여 소자를 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 박막형 이산화탄소 가스 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코일히터 역할을 하며 온도저항계수를 갖는 저항체 박막과 이산화탄소 가스가 흡착되는 세라믹 담체 박막을 박막 미세 가공기술을 이용하여 멤브레인막 상에 형성함으로써, 소자의 열용량을 작게 할 수 있으며, 이산화탄소 가스 발생에 의한 소자의 온도 변화를 크게 하여 센서의 감도를 향상시키고, 응답시간이 빠른 박막형 이산화탄소 가스 센서에 관한 것이다.
일반적으로, CO2센서는 식물생장, 미생물 배양, 배기가스 분석, 냉동저장 등 그 사용 용도가 매우 다양하다.
현재, 주로 사용되고 있는 CO2센서의 종류는 CO2농도에 따라 전해질 양단에 있는 전극간 전기화학반응(산화환원 반응)을 통하여 전극간에 발생하는 전압이나 전류를 감지하는 전해질형과 4.24㎛ 적외선 파장의 광을 CO2가 흡수하는 원리를 이용하는 광학식 센서, 그리고 기체의 열전도도 차에 의한 발열체의 온도변화를 이용한 기체열전도식 등이 있다.
이 중에서 음식물 발효나 야채생장을 위한 CO2센서는 두 개의 발열체를 이용한 기체 열전도식 센서가 널리 이용되고 있다.
기체열전도식 센서는 주위온도 변화에 영향을 받지 않음으로 안정된 CO2농도를 검출할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술의 기체 열전도식 센서의 개략적인 구조를 도시한 단면도로서, 각각 내부에 코일 히터가 탑재된 한 쌍의 담체(11,12)와; 상기 담체(11,12)와 각각 도선(15,16)에 연결되고, 기판(40)에 관통되어 상기 한 쌍의 담체(11,12)를 공중에 부상시키는 지지핀(Pin)(21,22,23,24)과; 상기 담체(11,12)를 외부로부터 격리시키며 상기 기판(40)에 패키징되어 있고, 하나의 담체(11)를 대기 중에 노출시키는 미세한 홀(Hole)(31)이 형성된 금속 보호 케이스(30)로 구성된다.
여기서, 하나의 담체(11)는 금속 보호 케이스(30)에 홀에 의해 대기중의 CO2가 담체 표면에 접촉되고, 다른 하나의 담체(12)는 금속 보호 케이스(30)에 의해 밀폐되고, 그 밀폐된 내부에 N2가 충진되어 CO2가 담체 표면에 접촉되지 못하게 되어 있다.
따라서, 상기 한 쌍의 담체(11,12)와 외부저항으로 브리지 회로(Bridge circuit)를 구성하면, CO2발생시 발생된 CO2가 노출된 한쪽 담체의 열을 빼앗아 감으로써, 노출된 한 개의 담체에서만 저항 변화가 발생하여 바이어스 전압에 의한 출력변화가 발생하여 CO2농도를 감지하게 된다.
이러한 종래의 후막형 기체 열전도식 센서는 코일히터와 세라믹 담체를 소자로 사용하기 때문에, 열용량이 커서 감도가 낮고 응답 시간이 늦고 센서 크기가 커지는 문제점이 있다.
더불어, 소자를 도 1과 같이 도선과 지지핀을 이용하여 공중에 띄우고 상기 귀금속 도선과 핀을 스팟 웰딩(Spot welding)하기 때문에 그 제조 공정이 복잡하고 공정수가 많아지므로 가격이 비싸고 대량 생산에 부적합한 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 히터용 저항체 박막과 CO2가스가 흡착되는 세라믹 담체 박막을 열용량이 작은 멤브레인막 상에 형성하여 센서의 감도를 크고 응답속도를 빠르게 향상시킬 수 있는 박막형 이산화탄소 가스 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 히터용 저항체 박막과 세라믹 담체 박막을 마이크로 크기로 형성할 수 있어, 소비전력을 줄이고 센서의 크기를 작게 할 수 있는 박막형 이산화탄소 가스 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 기판을 이용하여 센서를 제조함으로써, 대량 생산을 할 수 있는 박막형 이산화탄소 가스 센서를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 복수개의 리드들이 끼워져, 하면과 상면에 상기 복수개의 리드들이 각각 돌출되어 있는 케이스와;
실리콘 기판상에 멤브레인막이 형성되어 있고, 상기 멤브레인막 상부에 패터닝된 저항체 박막이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막의 패턴 일부를 감싸는 세라믹 담체 박막이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막과 전기적으로 연결되는 금속패드들이 형성되어 있고, 상기 실리콘 기판의 일부가 제거되어 상기 세라믹 담체 박막이 형성된 영역 하부에 있는 멤브레인막이 부상되어 각각 별개로 구성되어 있으며, 상기 케이스의 상면에 각각 이격되어 부착되며, 상기 복수개의 리드들과 전기적으로 본딩된 감지 소자 및 보상 소자와;
상기 감지 소자 및 보상 소자를 각각 분리시키며 상기 케이스의 상면에 접착되어 밀봉되고, 상기 감지 소자에 외부의 공기가 접촉될 수 있는 유통로를 갖으며, 상기 보상 소자를 외부 공기와 차단시키는 캡으로 구성된 박막형 이산화탄소 가스 센서가 제공된다.
도 1은 종래 기술의 기체 열전도식 센서의 개략적인 구조를 도시한 단면도
도 2는 본 발명에 따른 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서의 감지 소자를 도시한 단면도
도 3은 본 발명에 따른 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서의 감지 소자와 보상소자가 패키징된 상태를 도시한 단면도
도 4는 본 발명에 따른 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서에 적용할 수 있는 감지회로의 예시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 실리콘 기판 107 : 멤브레인막
108 : 저항체 박막 109 : 세라믹 담체 박막
110a,110b : 금속 패드 130 : 케이스
131 : 리드 150a : 감지 소자
150b : 보상 소자 170 : 캡
171 : 유통로
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서의 감지 소자를 도시한 단면도로서, 실리콘 기판(100)상에 멤브레인막(107)이 형성되어 있고, 상기 멤브레인막(107) 상부에 패터닝된 저항체 박막(108)이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막(108)의 패턴 일부를 감싸는 세라믹 담체 박막(109)이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막(108)과 전기적으로 연결되는 금속패드들(110a,110b)이 형성되어 있고, 상기 실리콘 기판(100)의 일부가 제거되어 상기 세라믹 담체 박막(109)이 형성된 영역 하부에 있는 멤브레인막(107)이 부상되어 있다.
여기서, 코일히터 역할을 하며 온도저항계수를 갖는 저항체 박막(108)과 이산화탄소 가스가 흡착되는 세라믹 담체 박막(109)은 통상적인 박막 미세 가공기술을 이용하여 멤브레인막 상에 형성할 수 있다.
전술된 상기 멤브레인막(107)은 저응력 특성을 갖는 SiO2/Si3N4/SiO2로 이루어진 적층막, Si3N4막과 SiOxNy막 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 저항체 박막(108)은 코일히터 역할을 하는 온도저항계수를 갖는 RuO2, Ti와 Pt 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세라믹 담체 박막(109)은 CO2가스가 흡착되는 Al2O3, ZrO2, LiTiO3와 리튬실리케이트 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서는 전술된 감지 소자와 주위 환경변화에 영향을 받지 않는 보상(Reference) 소자가 도 3과 같이 함께 패키징되어야 이산화탄소를 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서의 감지 소자와 보상소자가 패키징된 상태를 도시한 단면도로서, 복수개의 리드들(131)이 끼워져, 하면과 상면에 상기 복수개의 리드들이 각각 돌출되어 있는 케이스(130)와; 상기 케이스(130)의 상면에 각각 이격되어 부착되며, 상기 복수개의 리드들(131)에 전기적으로 본딩되는 감지 소자 및 보상 소자(150a,150b)와; 상기 감지 소자 및 보상 소자(150a,150b)를 각각 분리시키고, 상기 케이스의 상면에 접착되어 밀봉되고, 상기감지 소자(150a)에 외부의 공기가 접촉될 수 있는 유통로(171)를 갖으며, 상기 보상 소자(150b)를 외부 공기와 차단시키는 캡(170)으로 구성된다.
여기서, 상기 감지 소자(150a)는 상기 캡(170)의 유통로(171)에 의해서 외부의 CO2와 접촉되며, 상기 보상 소자(150b)는 외부와 밀폐되며, 내부에 N2가 충진되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 박막형 이산화탄소(CO2) 가스 센서에 적용할 수 있는 감지회로의 예시도로서, 가스, 즉, CO2의 농도가 변하면 담체에 흡착된 CO2에 의하여 감지소자의 온도가 변하고, 감지소자의 저항 값이 변화된다.
따라서, 그 저항값의 변화는 +, - 단자 양단에 전위차로 나타나고, 이 값을 측정함으로써 CO2의 농도를 측정할 수 있게 된다.
도 3의 본 발명의 박막형 이산화탄소 가스 센서와 도 4의 회로를 이용하여 김치발효시 발생되는 CO2농도와 김치발효도를 검출하는 방법을 설명하면 하기와 같다.
먼저, 김치가 발효되면 가열하면 CO2가 발생하고, 발생한 CO2는 가스 센서의 케이스(130)에 형성되어 있는 유통로(171)를 통하여 감지소자(150a)가 위치한 패키지 내부로 들어가 바이어스 전원(V)에 의해 자체 가열(Self-heating) 되어 있는 감지소자(150a)에 접촉하여, 감지소자의 열을 빼앗아 가게 된다.
따라서, 감지소자에 열손실이 발생하여 그에 상당하는 만큼의 온도 감소가발생하여 결국 감지소자의 저항체 만의 온도를 감소시키게 한다.
이러한, 저항체의 온도 감소로 저항체의 저항이 변화하여 브리지회로의 출력 변화가 발생하게 되어 CO2농도 변화를 검출할 수 있다.
따라서, 센서 주변의 CO2농도 변화를 상기 CO2센서와 상기 회로로부터 쉽게 감지할 수 있으며 이를 이용하여 김치 발효시 발생되는 CO2농도 검출을 통한 김치발효를 자동으로 조절할 수 있는 김치냉장고에 응용할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 본 발명은 코일히터 역할을 하며 온도저항계수를 갖는 저항체 박막과 이산화탄소 가스가 흡착되는 세라믹 담체 박막을 박막 미세 가공기술을 이용하여 멤브레인막 상에 형성함으로써, 소자의 열용량을 작게 할 수 있으며, 이산화탄소 가스 발생에 의한 소자의 온도 변화를 크게 하여 센서의 감도를 향상시키고, 응답시간이 빠른 박막형 이산화탄소 가스 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 실리콘 공정을 이용하여 센서의 크기를 작게 할 수 있으며 조립공정이 간단하여 소자를 대량생산할 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 (4)
- 복수개의 리드들이 끼워져, 하면과 상면에 상기 복수개의 리드들이 각각 돌출되어 있는 케이스와;실리콘 기판상에 멤브레인막이 형성되어 있고, 상기 멤브레인막 상부에 패터닝된 저항체 박막이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막의 패턴 일부를 감싸는 세라믹 담체 박막이 형성되어 있고, 상기 저항체 박막과 전기적으로 연결되는 금속패드들이 형성되어 있고, 상기 실리콘 기판의 일부가 제거되어 상기 세라믹 담체 박막이 형성된 영역 하부에 있는 멤브레인막이 부상되어 각각 별개로 구성되어 있으며, 상기 케이스의 상면에 각각 이격되어 부착되며, 상기 복수개의 리드들과 전기적으로 본딩된 감지 소자 및 보상 소자와;상기 감지 소자 및 보상 소자를 각각 분리시키며 상기 케이스의 상면에 접착되어 밀봉되고, 상기 감지 소자에 외부의 공기가 접촉될 수 있는 유통로를 갖으며, 상기 보상 소자를 외부 공기와 차단시키는 캡으로 구성된 박막형 이산화탄소 가스 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인막은,SiO2/Si3N4/SiO2로 이루어진 적층막, Si3N4막과 SiOxNy막 중 선택된 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 저항체 박막은,RuO2, Ti와 Pt 중 선택된 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 이산화탄소 가스 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 담체 박막은,Al2O3, ZrO2, LiTiO3와 리튬실리케이트 중 선택된 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 이산화탄소 가스 센서.
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