KR20050005899A - 박막형 가스 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 가스 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판 상, 하부에 상, 하부 실리콘 질화막이 형성되어 있고; 상기 상부 실리콘 질화막에 각각 이격되어 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴이 형성되어 있고; 상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 기판과 하부 실리콘 질화막이 제거되어 상기 상부 실리콘 질화막이 부상되어 있고; 상기 센서 히터 전극패턴은 가스 감지용 담체막으로 덮혀져 있고; 상기 참고 히터 전극패턴은 비감응성 참고막으로 덮혀져 있도록 구성한다.
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 가스 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 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 박막형 가스 센서 및 그의 제조방법에 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 열체를 이용한 기체열전도식 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 대기중에 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, 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 박막형 가스 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 실리콘 기판 상, 하부에 상, 하부 실리콘 질화막이 형성되어 있고;
상기 상부 실리콘 질화막에 각각 이격되어 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴이 형성되어 있고;
상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 기판과 하부실리콘 질화막이 제거되어 상기 상부 실리콘 질화막이 부상되어 있고;
상기 센서 히터 전극패턴은 가스 감지용 담체막으로 덮혀져 있고;
상기 참고 히터 전극패턴은 비감응성 참고막으로 덮혀져 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 실리콘 기판 상, 하부에 상, 하부 실리콘 질화막이 형성되어 있고;
상기 상부 실리콘 질화막에 각각 이격되어 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴이 형성되어 있고;
상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 기판과 하부 실리콘 질화막이 제거되어 상기 상부 실리콘 질화막이 부상되어 있고;
상기 센서 히터 전극패턴에 대응된 상부 실리콘 질화막의 하부에는 가스 감지용 담체막이 증착되어 있고;
상기 참고 히터 전극패턴에 대응된 상부 실리콘 질화막의 하부에는 비감응성 참고막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 또 다른 양태(樣態)는, 실리콘 기판의 상, 하부에 실리콘 질화막을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 기판 상부에 있는 실리콘 질화막에 센서 히터 전극패턴과 참조 히터 전극패턴을 각각의 전극패드와 일체로 형성하고, 상기 센서 히터 전극패턴을 감싸는 가스 감지용 담체막을 증착하고, 상기 참조 히터 전극패턴을 감싸는 비감음성 참고막을 증착하는 단계와;
상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 질화막을 부상시키기 위하여, 그 하부의 실리콘 기판과 실리콘 질화막을 제거하는 단계로 구성된 박막형 가스 센서의 제조방법이 제공된다.
도 1은 종래 기술의 기체 열전도식 센서의 개략적인 구조를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 따른 박막형 가스 센서의 사시도
도 3은 도 2의 절개 사시도
도 4는 본 발명에 따른 박막형 가스 센서 칩이 패키징되는 상태를 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막형 가스 센서의 사시도
도 6은 도 5의 절개 사시도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 5의 박막형 가스 센서 칩이 패키징된 상태의 절개 사시도
도 8a 내지 8e는 본 발명에 따른 박막형 가스 센서의 제조 공정도
도 9는 본 발명에 따른 박막형 가스 센서에 적용할 수 있는 감지회로의 예시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 실리콘 기판 101,102 : 실리콘 질화막
110 : 센서 히터 전극패턴 111,112,121,122 : 전극패드
120 : 참조 히터 전극패턴 130 : 가스 감지용 담체막
131 : 비 감응성 참고막 150 : 박막형 가스 센서 칩
210 : 패키지 스템 211,231 : 관통홀
221 : 신호용 리드 230 : 패키지 캡
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 따른 박막형 가스 센서의 사시도로서, 실리콘 기판(100) 상, 하부에 실리콘 질화막(101,102)이 형성되어 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100) 하부의 실리콘 질화막(102) 및 실리콘 기판(100)의 중앙영역이 제거되어 실리콘 기판(100) 상부의 실리콘 질화막(101)의 중앙영역이 부상되어 있고, 상기 부상된 실리콘 질화막(101)의 상부에 각각 이격되어 센서 히터 전극패턴(110)과 참조 히터 전극패턴(120)이 형성되어 있다.
여기서, 부상된 실리콘 질화막(101)은 도 3을 참조하면, 부호 '101a'이다.
그리고, 상기 센서 히터 전극패턴(110)은 가스 감지용 담체막(130)으로 덮혀져 있고, 상기 참고 히터 전극패턴(120)은 비감응성 참고막(131)으로 덮혀져 증착되어 있다.
또한, 상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴(110,120) 각각의 양단은 상기 실리콘 질화막(102)에 형성된 전극패드(111,112,121,122)에 연결되어 있다.
여기서, 상기 가스 감지용 담체막(130)은 CO2감지용 담체막이고, 상기 비감응성 참고막(131)은 CO2비감응성 참조막이다.
이 때, CO2감지용 담체막과 CO2비감응성 참조막이 필요한 이유는 측정하고자 하는 외부 환경에서 CO2농도가 바뀌었을 때, 이 CO2농도의 변화에 따라 CO2담체막만 감응하고, CO2비감응성 참고막은 CO2의 농도 변화에 민감하게 변화하지 않게 하고자 하는 것이다.
이러한, CO2농도의 변화에 따른 감응도의 차이는 일정한 온도로 히팅(Heating) 되어져 있는 센서 히터 전극패턴과 참조 히터 전극패턴의 온도 변화를 유발하고, 이러한 온도 변화에 의해서 각 전극의 저항 값이 변하는 특성을 이용하여 CO2농도를 측정 할 수 있게 된다.
전술된 CO2감응성 담체막으로 사용될 수 있는 물질로는 Pd, Li, La와 Pt 중 선택된 어느 하나가 도핑된 SnO2와 ZrO2, LiTiO3, Al2O3, 리튬실리케이트 등이 있으며, 또한 아미노 그룹(Amino group) 기능성 폴리머(Polymer)인 APDMS (aminoalkylpoly dimethlsiloxane), PEI(poly ethyleneimine), PPI(Polypropyleneimine) 등이 있다.
그리고, CO2비감응성 참고막으로는 SiO2, Si3N4등을 사용할 수 있다.
또한, 센서 히터 전극과 참조 히터 전극으로 사용할 수 있는 물질은 Pt, Pt/Ti, Pt/Ta, Ir, Mo와 W 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 박막형 가스 센서 칩이 패키징되는 상태를 도시한 사시도로서, 본 발명의 박막형 가스 센서 칩(150)을 신호용 리드(221)가 외부로 돌출된 패키지 스템(Package stem)(210)에 본딩하고, 관통홀(231)이 형성된 패키지 캡(230)으로 상기 패키지 스템(210)을 덮어서 밀봉한다.
여기서, 신호용 리드(221)는 가스 센서 칩(150)과 전기적으로 접속되어 있다.
이로써, 상기 패키지 캡(230)의 관통홀(231)로 공기가 유통되어, 박막형 가스 센서 칩으로 접촉되게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막형 가스 센서의 사시도로서, 본 발명의 다른 실시예에서도 도 3과 동일하게 실리콘기판(100)과 하부 실리콘 질화막(102)이 제거되어, 실리콘 기판(100) 상부에 있는 실리콘 질화막(101)의 중앙영역은 부상되어 있고, 그 실리콘 질화막(101)의 중앙영역에는 센서 히터 전극패턴(110)과 참조 히터 전극패턴(120)이 형성되어 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 질화막(101)의 중앙영역(101a) 하부, 즉 센서 히터 전극패턴(110)이 형성된 실리콘 질화막(101)의 하부에는 가스 감지용 담체막(130)이 형성되어 있고, 상기 참조 히터 전극패턴(120)이 형성된 실리콘 질화막(101)의 하부에는 비감응성 참고막(131)이 형성되어 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 5의 박막형 가스 센서 칩이 패키징된 상태의 절개 사시도로서, 박막형 가스 센서 칩이 패키지 스템(210)에 본딩되고,부상된 실리콘 질화막의 하부에 있는 가스 감지용 담체막과 비감음성 참고막에 공기가 접촉되도록, 상기 패키지 스템(210)에는 관통홀(211)이 형성되어 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막형 가스 센서 칩의 패키지에서는 , 가스의 유통 경로는 패키지 캡에 형성되지 않고 칩이 본딩되는 패키지 스템에 형성된다.
이러한 구조는 패키지 캡에 관통홀이 형성된 경우 보다 센서 칩이 외부 환경에 비교적 안전하게 보호될 수 있다는 장점이 있다.
도 8a 내지 8e는 본 발명에 따른 박막형 가스 센서의 제조 공정도로서, 먼저, 도 8a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)의 상, 하부에 실리콘 질화막(101,102)을 형성한다.
그 후, 상기 실리콘 기판(100) 상부에 있는 실리콘 질화막(101)에 센서 히터 전극패턴(110)과 참조 히터 전극패턴(120)을 각각의 전극패드와 일체로 형성하고(도 8b), 상기 센서 히터 전극패턴(110)을 감싸는 가스 감지용 담체막(130)을 증착하고(도 8c), 상기 참조 히터 전극패턴(120)을 감싸는 비감음성 참고막(131)을 증착한다.(도 8d)
마지막으로, 상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴(110,120)의 하부에 있는 실리콘 질화막(101)을 부상시키기 위하여, 그 하부의 실리콘 기판(110)과 실리콘 질화막(102)을 제거한다.
이로서, 상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴(110,120)의 하부에 있는 실리콘 질화막(101)의 영역(101a)은 부상된다.
여기서, 도 6과 같은 본 발명의 다른 실시예의 박막형 가스 센서 칩을 구현하기 위해서는 상기 도 8b의 공정 후에 상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴(110,120)의 하부에 있는 실리콘 질화막(101)의 영역(101a)은 부상시킨 후, 그 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴(110,120)에 대응하는 실리콘 질화막(101) 하부 영역에 가스 감지용 담체막과 비감음성 참고막을 증착하면 된다.
도 9는 본 발명에 따른 박막형 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.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 마이크로머시닝 기술을 이용하여멤브레인상에 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.
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 (9)
- 실리콘 기판 상, 하부에 상, 하부 실리콘 질화막이 형성되어 있고;상기 상부 실리콘 질화막에 각각 이격되어 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴이 형성되어 있고;상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 기판과 하부 실리콘 질화막이 제거되어 상기 상부 실리콘 질화막이 부상되어 있고;상기 센서 히터 전극패턴은 가스 감지용 담체막으로 덮혀져 있고;상기 참고 히터 전극패턴은 비감응성 참고막으로 덮혀져 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 감지용 담체막은 CO2감지용 담체막이고,상기 비감응성 참고막은 CO2비감응성 참조막인 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 CO2감응성 담체막의 물질은,Pd, Li, La와 Pt 중 선택된 어느 하나가 도핑된 SnO2와 ZrO2, LiTiO3, Al2O3,리튬실리케이트, APDMS (aminoalkylpoly dimethlsiloxane), PEI(poly ethyleneimine), PPI(Polypropyleneimine) 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 CO2비감응성 참고막은,SiO2또는 Si3N4로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 가스센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 센서 히터 전극과 참조 히터 전극의 물질은,Pt, Pt/Ti, Pt/Ta, Ir, Mo와 W 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막형 가스센서.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 박막형 가스센서의 칩은,신호용 리드가 외부로 돌출된 패키지 스템(Package stem)에 본딩되어 있고, 관통홀이 형성된 패키지 캡이 상기 패키지 스템을 덮어서 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 실리콘 기판 상, 하부에 상, 하부 실리콘 질화막이 형성되어 있고;상기 상부 실리콘 질화막에 각각 이격되어 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴이 형성되어 있고;상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 기판과 하부 실리콘 질화막이 제거되어 상기 상부 실리콘 질화막이 부상되어 있고;상기 센서 히터 전극패턴에 대응된 상부 실리콘 질화막의 하부에는 가스 감지용 담체막이 증착되어 있고;상기 참고 히터 전극패턴에 대응된 상부 실리콘 질화막의 하부에는 비감응성 참고막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 제 7 항에 있어서,상기 박막형 가스 센서 칩은,신호용 리드가 외부로 돌출된 패키지 스템에 본딩되어 있고, 상기 패키지 스템은 상기 부상된 실리콘 질화막의 하부에 있는 가스 감지용 담체막과 비감음성 참고막이 공기에 접촉되도록 관통홀이 형성되어 있으며, 상기 패키지 스템을 패키지 캡이 덮어서 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 가스 센서.
- 실리콘 기판의 상, 하부에 실리콘 질화막을 형성하는 단계와;상기 실리콘 기판 상부에 있는 실리콘 질화막에 센서 히터 전극패턴과 참조히터 전극패턴을 각각의 전극패드와 일체로 형성하고, 상기 센서 히터 전극패턴을 감싸는 가스 감지용 담체막을 증착하고, 상기 참조 히터 전극패턴을 감싸는 비감음성 참고막을 증착하는 단계와;상기 센서 히터 및 참조 히터 전극패턴의 하부에 있는 실리콘 질화막을 부상시키기 위하여, 그 하부의 실리콘 기판과 실리콘 질화막을 제거하는 단계로 구성된 박막형 가스 센서의 제조방법.
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