KR20050051884A - Micro gas sensor array and method for manufacturing the sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종 가스를 검출하기 위한 반도체식 마이크로 가스 센서 어레이에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 어레이는 실리콘 기판에 증착되는 제1절연막과; 산화성 가스와 환원성 가스를 각각 감지하기 위해 상기 제1절연막상에 패턴 형성되는 2쌍의 감지 전극들과; 상기 감지 전극들로 열을 전달하기 위해 상기 제1절연막상에 패턴 형성되는 히터 전극과; 상기 전극들 상에 증착되되, 상기 전극들에 와이어 본딩과 감지막 형성을 위해 필요한 만큼의 노출 홈이 식각 처리되어 있는 제2절연막과; 상기 감지 전극상의 노출 홈에 드롭(drop)되어 가스와 화학 반응하는 감지막;이 형성됨을 특징으로 한다.The present invention relates to a semiconductor micro gas sensor array for detecting heterogeneous gas. A gas sensor array according to an embodiment of the present invention includes a first insulating film deposited on a silicon substrate; Two pairs of sensing electrodes patterned on the first insulating film for sensing an oxidizing gas and a reducing gas, respectively; A heater electrode patterned on the first insulating layer to transfer heat to the sensing electrodes; A second insulating layer deposited on the electrodes, wherein the exposed grooves are etched as necessary for wire bonding and forming a sensing layer on the electrodes; And a sensing film that is dropped in the exposed groove on the sensing electrode and chemically reacts with the gas.
Description
본 발명은 가스센서에 관한 것으로, 특히 이종 가스를 검출하기 위한 반도체식 마이크로 가스 센서 어레이와 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor, and more particularly, to a semiconductor type micro gas sensor array for detecting heterogeneous gases and a manufacturing method thereof.
차량 외기의 오염도를 검출하기 위한 수단으로서 가스센서가 일반화되어 있다. 가스센서는 일반적으로 일산화탄소(CO:산화성 가스)를 감지하기 위한 센서와 산화질소(NOx:환원성 가스)를 감지하기 위한 센서로 구분되어지기 때문에, 일산화탄소(CO)와 산화질소(NOx) 계열의 이종 가스를 검지하기 위해서는 독립된 각각의 개별 가스센서가 필요하다.As a means for detecting the pollution degree of the outside air of a vehicle, the gas sensor is common. Gas sensors are generally classified into a sensor for detecting carbon monoxide (CO) and a sensor for detecting nitrogen oxide (NOx), so they are different types of CO and NOx. In order to detect the gas, each individual gas sensor is required.
예시적으로 일산화탄소(CO) 계열의 가스를 감지하기 위한 종래의 마이크로 가스센서의 단면을 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시한 가스센서의 구조는 다층 박막구조를 이루고 있다.For example, a cross section of a conventional micro gas sensor for detecting a carbon monoxide (CO) -based gas is shown in FIG. The structure of the gas sensor shown in FIG. 1 forms a multilayer thin film structure.
도 1을 참조해 보면, 종래의 마이크로 가스센서는 최저로부터 절연막(10), 실리콘 기판(12), 절연막(14)이 순차적으로 적층되어 있는 구조이며, 히터전극(18)상에는 절연막(20)이 증착되어 있으며 그 절연막(20)상에는 감지전극(22)과 감지막(24)이 적층되어 있는 구조이다.Referring to FIG. 1, the conventional micro gas sensor has a structure in which the insulating film 10, the silicon substrate 12, and the insulating film 14 are sequentially stacked from the lowest, and the insulating film 20 is disposed on the heater electrode 18. The sensing electrode 22 and the sensing film 24 are stacked on the insulating film 20.
상술한 구조의 마이크로 가스센서에서는 히터전극(18) 상에 절연물질을 증착하고 이어서 감지전극(22) 및 감지막(24) 등을 적층하는 다층 박막 구조를 가지기 때문에 그 제조 공정이 복잡한 단점을 가짐은 물론, 경제적 비용의 증가를 초래하는 문제점이 있다.In the micro gas sensor having the above-described structure, the manufacturing process is complicated because it has a multilayer thin film structure in which an insulating material is deposited on the heater electrode 18 and then the sensing electrode 22 and the sensing film 24 are laminated. Of course, there is a problem that causes an increase in economic costs.
또한, 상술한 구조의 마이크로 가스센서에서는 감지막(24) 형성을 위해 마이크로 주사기를 이용하여 감지전극(22)의 중심부에 정확하게 감지물질을 드롭(drop)하여야 하는 공정상의 어려움이 있다. 또한 상기 센서에서는 감지막(24)을 형성하는 감지물질과 절연막(20)이 증착에 의해 단순 접합된 형태를 가지므로 외부 진동 혹은 충격에 의해 감지막(24)이 절연막(20)에서 이탈될 소지가 많다.In addition, in the micro gas sensor having the above-described structure, there is a difficulty in the process of accurately dropping the sensing material at the center of the sensing electrode 22 by using a micro syringe to form the sensing film 24. In addition, since the sensing material and the insulating film 20 forming the sensing film 24 and the insulating film 20 are simply bonded by vapor deposition, the sensing film 24 may be separated from the insulating film 20 by external vibration or shock. There are many.
아울러 상술한 구조의 마이크로 가스센서에서는 열효율 개선을 위하여 다이아프레임 구조 또는 멤브레인 구조로서 실리콘 기판(12)을 배면 식각 처리하고 있기 때문에, 외부 충격 및 진동에 의해 센서 소자의 신뢰성이 저하될 우려가 높다.In addition, in the micro gas sensor having the above-described structure, since the silicon substrate 12 is etched back as a diaphragm structure or a membrane structure in order to improve thermal efficiency, there is a high possibility that the reliability of the sensor element is deteriorated by external shock and vibration.
한편 자동차 등에서는 일산화탄소(CO) 계열의 가스를 감지하기 위한 센서와 산화질소(NOx) 계열의 가스를 감지하기 위한 센서가 병존해야 하는 관계로, 상술한 구조를 가지는 독립된 각각의 개별 가스센서가 필요하다. 이러한 경우 독립된 가스센서의 제작에 따라 제작비용이 상승함은 물론, 2개의 센서 구동에 따라 소모전력 역시 증대되는 문제점이 있다. 아울러, 복잡한 회로구성으로 인해 실장밀도가 저하되고, 가스 흐름의 불균일성을 초래하여 정확한 가스 농도의 검출이 불가능한 단점을 가지게 된다.On the other hand, in automobiles, a sensor for detecting a carbon monoxide (CO) series gas and a sensor for detecting a nitrogen oxide (NOx) series gas must coexist, and each individual gas sensor having the above-described structure is required. Do. In this case, as well as the manufacturing cost increases according to the production of the independent gas sensor, there is a problem that the power consumption is also increased by driving the two sensors. In addition, due to the complicated circuit configuration, the mounting density is lowered, resulting in non-uniformity of the gas flow, which makes it impossible to accurately detect the gas concentration.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 산화성 가스와 환원성 가스를 감지하기 위한 각각의 가스센서를 단일소자로 구성함으로서 공정의 단순화와 실장밀도를 올림은 물론 전력소모를 극소화 할 수 있는 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to simplify the process and increase the mounting density by configuring each gas sensor for detecting oxidizing gas and reducing gas as a single device Of course, to provide a micro gas sensor array that can minimize the power consumption and its manufacturing method.
더 나아가 실리콘 기판 상에 히터전극과 감지전극을 형성하고 하나의 히터 선을 실리콘 기판 상에 직렬 또는 병렬로 구성하여 두 개의 가열부를 동시 구동시켜 전력 소모를 최소로 할 수 있는 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있으며,Furthermore, a micro gas sensor array capable of minimizing power consumption by simultaneously driving two heating units by forming a heater electrode and a sensing electrode on a silicon substrate and configuring one heater wire in series or in parallel on the silicon substrate, and its In providing a manufacturing method,
또한, 본 발명은 동일 온도에서 서로 다른 계열의 이종 가스를 각각 감지할 수 있는 감지막이 감지전극 상에 형성되어 있는 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있다.In addition, the present invention provides a micro gas sensor array and a method for manufacturing the same, the sensing film is formed on the sensing electrode capable of sensing different types of different gases at the same temperature.
본 발명의 또 다른 목적은 감지전극 상에 형성되는 감지물질과 절연막 간의 접촉면적을 증대시켜 외부 충격에 강인성을 가짐은 물론 감도 특성을 향상시킬 수 있는 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있으며,It is still another object of the present invention to provide a micro gas sensor array and a method of manufacturing the same, which can increase the contact area between the sensing material formed on the sensing electrode and the insulating layer, thereby increasing the sensitivity characteristics as well as being robust to external impacts. ,
더 나아가 히터로부터 발열된 열이 감지막 이외의 외부로 손실되는 것을 최소화할 수 있는 구조의 마이크로 가스센서 어레이를 제공함에 있다.Furthermore, to provide a micro gas sensor array having a structure capable of minimizing the loss of heat generated from the heater to the outside of the sensing film.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는,Micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention for achieving the above object,
실리콘 기판에 증착되는 제1절연막과;A first insulating film deposited on the silicon substrate;
산화성 가스와 환원성 가스를 각각 감지하기 위해 상기 제1절연막상에 패턴 형성되는 2쌍의 감지 전극들과;Two pairs of sensing electrodes patterned on the first insulating film for sensing an oxidizing gas and a reducing gas, respectively;
상기 감지 전극들로 열을 전달하기 위해 상기 제1절연막상에 패턴 형성되는 히터 전극과;A heater electrode patterned on the first insulating layer to transfer heat to the sensing electrodes;
상기 전극들 상에 증착되되, 상기 전극들에 와이어 본딩과 감지막 형성을 위해 필요한 만큼의 노출 홈이 식각 처리되어 있는 제2절연막과;A second insulating layer deposited on the electrodes, wherein the exposed grooves are etched as necessary for wire bonding and forming a sensing layer on the electrodes;
상기 감지 전극상의 노출 홈에 드롭(drop)되어 가스와 화학 반응하는 감지막을 형성함을 특징으로 한다.Dropping in the exposed groove on the sensing electrode to form a sensing film that chemically reacts with the gas.
아울러 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 제조방법은,In addition, the micro gas sensor array manufacturing method according to an embodiment of the present invention,
실리콘 기판에 제1절연막을 증착하는 단계와;Depositing a first insulating film on the silicon substrate;
산화성 가스와 환원성 가스를 각각 감지하기 위해 상기 제1절연막상에 2쌍의 감지 전극들의 패턴을 형성하는 단계와;Forming a pattern of two pairs of sensing electrodes on said first insulating film for sensing an oxidizing gas and a reducing gas, respectively;
패턴 형성된 상기 감지 전극들로 열을 전달하기 위해 상기 제1절연막상에 히터 전극의 패턴을 형성하는 단계와;Forming a pattern of a heater electrode on the first insulating film to transfer heat to the patterned sensing electrodes;
상기 전극들 상에 제2절연막을 증착하고 상기 전극들에 와이어 본딩과 감지막을 형성하기 위해 필요한 위치의 제2절연막 일부를 식각 처리하여 노출 홈들을 형성하는 단계와;Depositing a second insulating film on the electrodes and etching exposed portions of the second insulating film at positions necessary for forming wire bonding and sensing films on the electrodes to form exposed grooves;
상기 감지 전극상의 노출 홈들에 가스와 화학 반응하는 감지물질을 드롭하여 감지막을 형성하는 단계와;Dropping a sensing material chemically reacting with gas into the exposed grooves on the sensing electrode to form a sensing film;
상기 감지 전극들이 형성되는 실리콘 기판의 배면 제1절연막을 부분 식각하여 이방성 에칭한 다이아프레임 구조로 성형하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.And forming an anisotropically etched diaphragm structure by partially etching the back surface of the first insulating layer of the silicon substrate on which the sensing electrodes are formed.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
우선 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 단면구성도를 도시한 것이며, 도 3은 도 2에 도시한 센서 어레이의 제조공정을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 그리고 도 4는 도 2에 도시한 마이크로 가스센서 어레이의 분해 사시도를, 도 5는 도 2에 도시한 센서 어레이의 히터 전극 및 감지전극의 병렬, 직렬패턴 평면 예시도를 도시한 것이며, 도 6은 도 2에 도시한 마이크로 가스센서 어레이의 부분 확대 단면도를 도시한 것이다.2 is a cross-sectional view of a micro gas sensor array according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a view for explaining a manufacturing process of the sensor array shown in FIG. 2. FIG. 4 is an exploded perspective view of the micro gas sensor array shown in FIG. 2, and FIG. 5 is a plan view illustrating a parallel and series pattern plane of the heater electrode and the sensing electrode of the sensor array shown in FIG. 2. A partially enlarged cross-sectional view of the micro gas sensor array shown in FIG. 2 is shown.
이하 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 구조와 그 제조공정에 대하여 상세 설명하기로 한다.Hereinafter, a structure and a manufacturing process of the micro gas sensor array according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 6.
우선 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 이종 가스를 감지하는 센서로서 도 2에 도시한 바와 같이 히터전극(34)과 감지전극(36)이 동일면상에 위치함을 특징으로 하고 있다.First, the micro gas sensor array according to the embodiment of the present invention is a sensor for detecting heterogeneous gas using a micro machining technology, in which the heater electrode 34 and the sensing electrode 36 are located on the same plane as shown in FIG. 2. It is characterized by.
도 2를 참조해 보면, 우선 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 어레이의 실리콘 기판(32)에는 제1절연막(30)이 증착되어 있다. 상기 제1절연막(30)은 실리콘 기판(32) 양측에 증착되는 관계로 상부 절연막과 하부 절연막으로 구분할 수도 있다.Referring to FIG. 2, first, a first insulating layer 30 is deposited on a silicon substrate 32 of a gas sensor array according to an exemplary embodiment of the present invention. Since the first insulating layer 30 is deposited on both sides of the silicon substrate 32, the first insulating layer 30 may be divided into an upper insulating layer and a lower insulating layer.
상기 제1절연막(30)상에는 산화성 가스와 환원성 가스를 각각 감지하기 위한 전극들(34,36)이 패턴 형성되어 있다. 패턴 형성되어 있는 전극으로서 우선 가스를 감지하기 위한 2쌍의 감지 전극(36)이 있으며, 감지 전극(36) 양측에는 감지 전극들로 열을 전달하기 위한 히터 전극(34)이 위치한다.On the first insulating layer 30, electrodes 34 and 36 for patterning oxidizing gas and reducing gas are respectively formed. As a patterned electrode, first, there are two pairs of sensing electrodes 36 for sensing a gas, and heater electrodes 34 for transferring heat to the sensing electrodes are positioned at both sides of the sensing electrode 36.
중요한 사실은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 어레이가 종전의 가스센서와는 달리 감지전극(36)과 히터전극(34)이 다층 박막을 형성하지 않고 동일면상에 위치한다는 것이다. 이러한 사실은 곧 센서 제조공정을 단순화시킬 수 있는 요인으로 작용한다.The important fact is that the gas sensor array according to the embodiment of the present invention, unlike the conventional gas sensor, the sensing electrode 36 and the heater electrode 34 are located on the same plane without forming a multilayer thin film. This fact is a factor that can simplify the sensor manufacturing process.
한편 상기 전극들(34,36)상에는 제2절연막(38)이 증착되되, 증착되는 제2절연막(38)에는 히터전극(34)의 와이어 본딩을 위해서, 그리고 감지전극(36)상에 감지막 형성을 위해서 노출 홈(42)이 식각 처리되어 있다. 이와 같이 식각 처리된 감지 전극(36)상의 노출 홈(42)에는 감지물질이 드롭(drop)되어 감지막(40)을 형성함으로서, 결과적으로 2개의 감지막(40)이 산화성 가스와 환원성 가스와 각각 화학 반응하는 이종 센서로서 동작할 수 있게 되는 것이다.On the other hand, a second insulating film 38 is deposited on the electrodes 34 and 36, and the second insulating film 38 is deposited for wire bonding of the heater electrode 34 and on the sensing electrode 36. The exposed grooves 42 are etched to form. As the sensing material is dropped into the exposed groove 42 on the etched sensing electrode 36 as described above, the sensing film 40 is formed. As a result, the two sensing films 40 are formed by the oxidizing gas and the reducing gas. It is possible to operate as a heterogeneous sensor that reacts with each chemical.
이하 상술한 구조를 가지는 마이크로 가스센서 어레이의 제조과정을 설명하면서 가스센서 어레이의 구조를 보다 명확하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the structure of the gas sensor array will be described more clearly while the manufacturing process of the micro gas sensor array having the above-described structure will be described.
도 3을 참조하면, 우선 제1공정으로서 <110> 방향성을 갖는 500㎛ 두께의 실리콘 기판(32) 양측에 1∼2㎛ 두께의 또는 계열의 제1절연막(30)을 증착하는데, 저압화학기상증착(LPCVD)법을 활용하여 최소 응력으로 상기 제1절연막(30)을 증착한다.Referring to FIG. 3, first, the first step is a thickness of 1 to 2 μm on both sides of a 500 μm thick silicon substrate 32 having a <110> orientation. or The first insulating layer 30 is deposited, and the first insulating layer 30 is deposited using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method with a minimum stress.
제2공정으로서, 상기 제1절연막(30) 상부에 히터전극(34)과 감지전극(36) 형성을 위한 중간 접합층으로서 Ta 또는 Ti를 100∼400Å의 두께로 증착한다(스퍼터링법 사용). 그리고 스퍼터링법을 사용하여 전극재 Pt를 1,000∼6,000Å의 두께로 증착하고, 감광제(Photoresist)를 도포한후 마스크를 이용하여 자외선(UV) 광노출장치로 노광(Lithography)하여 전극 패턴을 형성한다.As a second step, Ta or Ti is deposited to a thickness of 100 to 400 kPa as an intermediate bonding layer for forming the heater electrode 34 and the sensing electrode 36 on the first insulating film 30 (using a sputtering method). The electrode material Pt is deposited to a thickness of 1,000 to 6,000 Å using a sputtering method, a photoresist is applied, and then an electrode pattern is formed by lithography using an ultraviolet (UV) light exposure apparatus using a mask. .
노광에 의해 형성되는 전극 패턴을 예시하면 도 5에 도시한 바와 같다. 도 5에서 (a)는 히터전극(34)을 구성하는 히터선이 직렬로 구성되어 있는 패턴을 예시한 것이다. 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 일측의 히터전극(34)을 통해 유입되는 전원이 동일면상에 위치하는 2쌍의 감지 전극(36) 주변을 순차적으로 경유하여 타측으로 유출되는 패턴을 직렬 타입의 패턴으로 정의할 수 있다. 한편 도 5의 (b)는 히터전극(34)을 구성하는 히터선이 병렬 처리되어 있는 패턴을 예시한 것이다. 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 일측의 히터전극(34)을 통해 유입된 전원이 동일면상에 위치하는 2쌍의 감지 전극(36)을 동시에 흘러 타측으로 유출되도록 패턴 형성되어 있는 것을 병렬 타입의 패턴이라 정의할 수 있다.The electrode pattern formed by exposure is illustrated in FIG. 5. 5A illustrates a pattern in which heater wires constituting the heater electrode 34 are configured in series. As shown in (a) of FIG. 5, the power flowing in through the heater electrode 34 on one side is sequentially passed through the pair of sensing electrodes 36 positioned on the same surface, and flows out to the other side in series. Can be defined as a pattern of types. 5B illustrates a pattern in which heater wires constituting the heater electrode 34 are processed in parallel. As shown in (b) of FIG. 5, the power supply flowing through the heater electrode 34 on one side is patterned so that two pairs of sensing electrodes 36 positioned on the same plane flow out at the same time. It can be defined as a pattern of parallel type.
이와 같이 하나의 히터선, 즉 히터전극(34)을 직렬 혹은 병렬로 구성하여 두 쌍의 감지전극(36) 주변을 에워쌈으로서 종전의 가스센서와는 달리 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 어레이는 각각의 감지 전극(36) 가열을 위한 소비전력을 최소화할 수 있게 되는 것이다.As described above, unlike a conventional gas sensor, a gas sensor array according to an embodiment of the present invention is formed by enclosing a pair of heater wires, that is, heater electrodes 34 in series or in parallel and surrounding the two pairs of sensing electrodes 36. The power consumption for heating each sensing electrode 36 can be minimized.
다시 도 3을 참조하여 제3공정을 설명하면, 플라즈마보강화학기상증착(PECVD)법을 이용하여 상기 히터전극(34)과 감지전극(36) 상에 또는 의 제2절연막(38)을 2000∼20,000Å의 두께로 증착한다. 이와 같이 전극(34,36)상에 제2절연막(38)을 증착한후 히터 전극(34)에 와이어 본딩을 위해 필요한 노출 홈과 감지전극(36)상에 감지막 형성을 위해 필요한 노출 홈(42)을 형성하기 위해 제2절연막(38)의 일부를 반응이온식각(RIE) 장치로 2,000∼20,000Å 정도 식각 처리한다.Referring back to FIG. 3, the third process will be described on the heater electrode 34 and the sensing electrode 36 by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). or Second insulating film 38 is deposited to a thickness of 2000 to 20,000 Å. After the deposition of the second insulating film 38 on the electrodes 34 and 36, the exposure grooves necessary for wire bonding to the heater electrode 34 and the exposure grooves necessary for forming the sensing film on the sensing electrode 36 ( In order to form 42, a part of the second insulating film 38 is etched with a reaction ion etching (RIE) apparatus at about 2,000 to 20,000 Å.
히터전극(34)과 감지전극(36)상에 노출 홈(42)을 식각 처리한 이후 제4공정으로서, 열손실을 최소화하면서 히터전극(34)으로부터 발열된 열이 감지막(40)에 전달될 수 있도록 감지전극(36)들이 형성된 실리콘 기판(32)의 배면 제1절연막(30)을 이방성 에칭하여 다이아프레임 구조를 형성하는 제4공정을 거친다.As a fourth process after etching the exposed grooves 42 on the heater electrode 34 and the sensing electrode 36, heat generated from the heater electrode 34 is transferred to the sensing layer 40 while minimizing heat loss. A fourth process of forming a diaphragm structure by anisotropically etching the first insulating film 30 on the back surface of the silicon substrate 32 on which the sensing electrodes 36 are formed may be performed.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이를 다이아프레임 구조로 성형하는 이유는 열손실 감소에 따른 저전력 구현, 소자의 신뢰성 확보 및 감도를 증대시키기 위함이다.The reason for forming the micro gas sensor array according to the embodiment of the present invention to the diaphragm structure is to realize low power according to the reduction of heat loss, to secure the reliability of the device and to increase the sensitivity.
이와 같이 마이크로 가스센서 어레이를 다이아프레임 구조로 성형하기 위해서는 우선 마이크로 머시닝 공정을 이용하여 감광제(Photoresist)를 도포하고 마스크를 이용하여 자외선(UV) 광노출장치로 노광(Lithography)하여 패턴을 형성한 후, 반응이온식각(RIE) 장치로 각 감지 전극(36)이 형성된 실리콘 기판(32)의 배면 제1절연막(30)을 4등분으로 식각한다. 그리고 기지 실리콘을 KOH 또는 TMAH 산용액을 이용하여 이방성 에칭함으로서 다이아프레임 구조를 성형한다.In order to form the micro gas sensor array into a diaphragm structure, a photoresist is first applied using a micromachining process, and a pattern is formed by lithography using an ultraviolet light exposure apparatus using a mask. In addition, the first insulating layer 30 of the back surface of the silicon substrate 32 on which the sensing electrodes 36 are formed is etched into quadrants using a reactive ion etching (RIE) apparatus. The diaphragm structure is formed by anisotropically etching the known silicon using KOH or TMAH acid solution.
이후 마지막 공정으로서의 제5공정을 설명하면, 감지전극(36)상에 식각 처리되어 있는 노출 홈(42)에 감지물질이 충진될 수 있도록 감지물질(50)을 마이크로 피펫(60)으로 흡입한후 그 노출 홈(42)에 드롭(drop)함으로서 감지전극(36)상에 감지막(40)을 형성한다.Since the fifth process as a final process, the sensing material 50 is sucked into the micropipette 60 so that the sensing material can be filled in the exposed groove 42 etched on the sensing electrode 36. By dropping the exposed grooves 42, the sensing film 40 is formed on the sensing electrode 36.
도 6을 참조해 보면, 감지전극(36)상에 형성되어 있는 노출 홈(42)에 감지물질이 드롭되어 감지막(40)을 형성하게 되는데, 이때 본 발명의 가스센서 어레이는 종전의 가스센서와는 달리 노출 홈(42)의 측면이 감지물질을 집진시키는 가이드 벽으로서 작용한다. 이는 곧 감지물질과 제2절연막(38)의 접촉면적을 증가시키는 요인으로 작용함으로서 종전의 가스센서 보다 외부 충격에 강인성을 갖는다. 상기 노출 홈(42)의 형상은 원 혹은 다각형 형상을 가질 수 있다.Referring to FIG. 6, the sensing material is dropped into the exposure groove 42 formed on the sensing electrode 36 to form the sensing film 40. In this case, the gas sensor array of the present invention is a conventional gas sensor. Unlike the side of the exposed groove 42 acts as a guide wall for collecting the sensing material. This acts as a factor to increase the contact area between the sensing material and the second insulating film 38, which is more resistant to external impact than the conventional gas sensor. The exposed groove 42 may have a circular or polygonal shape.
상술한 바와 같은 공정에 의해 제조되는 마이크로 가스센서 어레이의 분해사시도를 도시한 것이 도 4에 도시되어 있다.An exploded perspective view of the micro gas sensor array produced by the process as described above is shown in FIG. 4.
도 4에서 최상단에 위치하는 참조부호 38은 제2절연막을 나타낸 것으로 제2절연막(38) 중앙에는 2개의 노출 홈(42)이 형성되어 있다. 이러한 노출 홈(42)에 감지물질(50)이 드롭되어 감지막(40)을 형성하는 것이다. 제2절연막(38) 상단에 형성되어 있는 3개의 노출 홈중 좌측에 위치한 홈은 히터전극(34)의 와이어 본딩을 위한 노출 홈이며 그 우측에 위치하는 두 개의 노출 홈은 감지전극(36)의 와이어 본딩을 위한 노출 홈이다. 반면 하단 좌측에 위치하는 두 개의 노출 홈은 또 다른 감지전극(36)의 와이어 본딩을 위한 노출 홈이며, 우측에 위치하는 마지막 노출 홈은 히터선의 와이어 본딩을 위한 노출 홈이다.In FIG. 4, reference numeral 38 positioned at the uppermost end represents a second insulating film, and two exposed grooves 42 are formed in the center of the second insulating film 38. The sensing material 50 is dropped into the exposed groove 42 to form the sensing film 40. The groove located on the left side of the three exposed grooves formed on the upper portion of the second insulating film 38 is an exposed groove for wire bonding of the heater electrode 34, and the two exposed grooves located on the right side thereof are wires of the sensing electrode 36. Exposed groove for bonding. On the other hand, the two exposed grooves located on the lower left side are exposed grooves for wire bonding of another sensing electrode 36, and the last exposed grooves on the right side are exposed grooves for wire bonding of the heater wire.
한편 도 4에서 두 번째 상단에 위치하는 참조부호 34는 히전 전극의 패턴을 도시한 것이다. 물론 36은 감지전극의 패턴을 나타내고 있다.Meanwhile, reference numeral 34 positioned at the second upper portion in FIG. 4 illustrates a pattern of the dielectric electrode. Of course, 36 represents the pattern of the sensing electrode.
그리고 도 4에서 참조부호 30은 실리콘 기판(32)상에 증착된 상부 제1절연막과 하부 제1절연막을 나타내고 있으며, 참조부호 32는 에칭된 상태의 실리콘 기판을 나타내고 있다.In FIG. 4, reference numeral 30 denotes an upper first insulating film and a lower first insulating film deposited on the silicon substrate 32, and reference numeral 32 denotes a silicon substrate in an etched state.
참고적으로 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이에 사용되는 감지물질에 대하여 보충 설명하면,For reference, supplementary description for the sensing material used in the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention,
우선 2쌍의 감지전극(36) 상에 위치하여 동일 온도에서 이종 가스를 감지할 수 있는 각각의 감지물질은 를 모물질로 하며 , , , , 및 ZnO 등의 첨가제를 포함하고 있으며, 소자의 접합성 및 경시변화를 개선시키기 위해 , 등의 바인더를 첨가할 수 있으며, 가스감도특성을 향상시키기 위해 Pt, Pd 및 Ru 등의 귀금속 촉매를 0.5∼5wt% 첨가할 수도 있다.First, each sensing material that is located on the two pairs of sensing electrodes 36 and can detect different gases at the same temperature is Is the parent substance , , , , And additives such as ZnO, and to improve the bonding property and the change over time of the device. , Binders, such as these, can be added, and 0.5-5 wt% of noble metal catalysts, such as Pt, Pd, and Ru, can also be added in order to improve gas sensitivity characteristics.
상기 감지물질은 유기용제와 혼합되어 졸-겔법에 의해 제조된 점도 특성 50∼800mmPa·s를 가지며 감지 전극(36)상에 드롭되어 450∼650℃에서 소성 처리되어 감지막(40)을 형성하여 CO와 NOx계열의 이종 가스를 감지한다.The sensing material is mixed with an organic solvent and has a viscosity characteristic of 50 to 800 mmPa · s prepared by the sol-gel method. The sensing material is dropped onto the sensing electrode 36 and calcined at 450 to 650 ° C. to form the sensing film 40. Detects heterogeneous gases of CO and NOx.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 감도특성을 보여 주는 그래프를 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 소모전력 특성을 보여주는 그래프를 도시한 것이다.7 is a graph showing the sensitivity characteristics of the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is a graph showing the power consumption characteristics of the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention. will be.
도 8에 도시한 그래프를 참조해 볼 때, 히터전극과 감지전극이 다층 박막 구조를 가지는 종래의 가스센서에 비해 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 어레이의 전력소모가 낮게 나타난 것을 알 수 있다.Referring to the graph shown in FIG. 8, it can be seen that the power consumption of the gas sensor array according to the embodiment of the present invention is lower than that of the conventional gas sensor having the heater electrode and the sensing electrode having a multilayer thin film structure.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가스센서는 히터전극과 감지전극이 동일면상에 형성되어 있고, 가열부인 하나의 히터 선이 직렬 또는 병렬로 구성되어 두 개의 가열부로 동작하고 있기 때문에 그에 따른 전력 소모량이 최소화될 수 있는 것이며, 감지전극 상에 형성되는 감지물질과 절연막 간의 접촉면적이 증대되는 구조를 가짐으로서 외부 충격에 보다 강인한 특성을 나타낸다.As described above, in the gas sensor according to the embodiment of the present invention, since the heater electrode and the sensing electrode are formed on the same plane, and one heater wire, which is a heating part, is configured in series or in parallel to operate as two heating parts. The power consumption can be minimized, and since the contact area between the sensing material formed on the sensing electrode and the insulating layer is increased, the power consumption is more robust to external shock.
상술한 바와 같이 본 발명은 산화성 가스와 환원성 가스를 감지하기 위한 각각의 마이크로 가스센서를 단일소자로 구성함으로서 공정의 단순화와 실장밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention has the advantage of simplifying the process and improving the mounting density by configuring each micro gas sensor for detecting the oxidizing gas and the reducing gas as a single device.
또한 본 발명은 히터전극과 감지전극을 동일면상에 형성하고 가열부인 하나의 히터 선을 직렬 또는 병렬로 구성하여 두 개의 가열부를 동시 구동시킴으로서 전력 소모를 최소로 할 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage that the power consumption can be minimized by forming the heater electrode and the sensing electrode on the same surface and by simultaneously driving two heating units by configuring one heater wire in series or in parallel.
또한 본 발명은 노출 홈을 통해서 감지전극 상에 형성되는 감지물질과 절연막 간의 접촉면적을 증대시켜 외부 충격에 강인성을 가짐은 물론 감도 특성을 향상시킬 수 있는 센서를 제공하는 이점이 있으며, 히터로부터 발열된 열이 감지막 이외의 외부로 손실되는 것을 최소화함으로서 온도 제어를 위한 전력손실을 최소화할 수 있으며 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of providing a sensor that can increase the contact area between the sensing material and the insulating film formed on the sensing electrode through the exposed groove to have a toughness against external impact as well as to improve the sensitivity characteristics, and generates heat from the heater. By minimizing the loss of heat to the outside of the sensing film, it is possible to minimize power loss for temperature control and to improve the sensitivity of the sensor.
한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서는 두 개의 이종 센서가 단일 소자로 구현된 마이크로 가스센서 어레이를 예시하였으나, 산화성 가스와 환원성 가스를 각각 감지하기 위한 독립된 가스센서로서 제조될 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.On the other hand, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, which are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. For example, in the embodiment of the present invention, the two heterogeneous sensors are illustrated as a micro gas sensor array implemented as a single element, but may be manufactured as independent gas sensors for sensing oxidizing gas and reducing gas, respectively. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined only by the appended claims.
도 1은 종래의 마이크로 가스센서의 단면 예시도.1 is a cross-sectional view of a conventional micro gas sensor.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 단면구성도.Figure 2 is a cross-sectional view of the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2에 도시한 센서 어레이의 제조공정을 설명하기 위한 도면.3 is a view for explaining a manufacturing process of the sensor array shown in FIG.
도 4는 도 2에 도시한 마이크로 가스센서 어레이의 분해 사시도.4 is an exploded perspective view of the micro gas sensor array shown in FIG. 2.
도 5는 도 2에 도시한 센서 어레이의 히터 전극 및 감지전극의 병렬, 직렬패턴 평면 예시도.5 is a diagram illustrating a parallel and series pattern plane of a heater electrode and a sensing electrode of the sensor array shown in FIG. 2.
도 6은 도 2에 도시한 마이크로 가스센서 어레이의 부분 확대단면도.FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view of the micro gas sensor array shown in FIG. 2. FIG.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 감도특성을 보여 주는 그래프 예시도.Figure 7 is a graph illustrating the sensitivity characteristics of the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 소모전력 특성을 보여주는 그래프 예시도.8 is a graph illustrating the power consumption characteristics of the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10,14 : 절연막 12 : 실리콘 기판10,14 insulating film 12 silicon substrate
18 : 히터전극 20 : 감지전극18: heater electrode 20: detection electrode
22 : 감지막22: detection film
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