KR20050058795A - Solid electrolyte carbondioxide sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20050058795A
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 고체전해질 이산화탄소 센서 중에서 벌크형 센서 구조는 히터와 온도계를 별도로 설치해야 하므로 구조가 복잡하고 부피가 크며, 센서를 가열하는데 전력 소모가 큰 문제점이 있고, 후막이나 박막형 센서 구조는 히터와 온도계를 센서에 장착하고 있지만 고체 참조전극을 비롯한 모든 센서 구조물을 가열하는 구조이므로 전력 소모가 크고 온도구배가 높아 수명이 짧고 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 센서 구조물이 위치할 일부 영역이 제거된 기판 상에 형성된 맴브레인 층에 탄산염 고체전해질을 위치시키고, 그 상부 영역 중 일부 영역에 고체 참조전극과 감지전극을 배치하며, 그 상부에 절연층으로 절연된 히터 및 온도계를 위치시키는 것으로 센서 구조물이 외부 환경과 열적으로 단열되면서 히터에 의해 제공되는 열을 효과적이고 균일하게 흡수하도록 한 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법을 제공함으로써 센서의 초기 구동시간과 발열을 위한 전력 소모를 줄이고 균일한 가열로인해 소자의 수명과 특성 및 신뢰성을 개선하는 효과가 있다. The present invention relates to a solid electrolyte carbon dioxide sensor and a method for manufacturing the same. Among the conventional solid electrolyte carbon dioxide sensors, the bulk sensor structure has to be installed separately from a heater and a thermometer, so that the structure is complicated and bulky, and power consumption is high in heating the sensor. In addition, the thick film or thin-film sensor structure has a heater and a thermometer mounted on the sensor, but because of the structure that heats all the sensor structure, including the solid reference electrode, there is a problem that the power consumption is large, the temperature gradient is high, the life is short, and the reliability is low. In view of the above problems, the present invention locates a carbonate solid electrolyte in a membrane layer formed on a substrate from which a portion of a region in which a sensor structure is to be located is removed, and arranges a solid reference electrode and a sensing electrode in a portion of the upper region. By placing a heater and thermometer insulated with an insulating layer on the top, the sensor structure is thermally insulated from the external environment while providing a solid electrolyte carbon dioxide sensor and a method of manufacturing the same, which effectively and uniformly absorbs the heat provided by the heater. It reduces the power consumption for the initial operation time and heat of the device, and improves the lifetime, characteristics and reliability of the device due to uniform heating.

Description

고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법{SOLID ELECTROLYTE CARBONDIOXIDE SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}SOLID ELECTROLYTE CARBONDIOXIDE SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

본 발명은 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 고체전해질로 가스 선택성과 제조특성이 좋은 탄산염을 사용하여 형성한 이산화탄소 센서 구조물을 부분 식각된 기판 상에 형성하여 상기 식각 영역에 위치하는 센서 구조물이 외부 환경과 단열되도록 한 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid electrolyte carbon dioxide sensor and a method of manufacturing the same. Particularly, a carbon dioxide sensor structure formed using a carbonate having good gas selectivity and manufacturing characteristics as a solid electrolyte is formed on a partially etched substrate and positioned in the etching region. The present invention relates to a solid electrolyte carbon dioxide sensor and a method of manufacturing the same so that the sensor structure is insulated from the external environment.

산업 사회로의 급격한 발전은 보다 많은 화석 연료의 사용으로 이어지게 되었으며, 그로인해 환경 오염 문제가 인간의 생존을 위협할 수준에 이르게 되었다. 이 중에서도 대기중의 CO2 증가는 매우 심각한 문제들을 야기하고 있는데 특히 지구 온난화를 발생시키는 주 원인으로 밝혀져 세계 각국은 다양한 방법으로 이를 줄이기 위한 노력을 강구하고 있다. 이에 국지적인 CO2농도를 연속적으로 측정하고, 그 발생원의 통제와 대처 방안을 강구함으로써 대기 및 작업환경의 보호와 개선책을 마련하는 일이 시급한 실정이며, 이를위한 기본 과제로 CO2의 농도를 측정할 수 있는 장치의 개발이 매우 필요하게 되었다.The rapid development into industrial society has led to the use of more fossil fuels, whereby environmental pollution has reached a level that threatens human survival. Among them, the increase of CO 2 in the atmosphere is causing serious problems, especially as a major cause of global warming, and countries around the world are making efforts to reduce it in various ways. The measuring .the CO 2 concentration in a row and, by seek control and troubleshooting of the source and the situation happens urgent to provide a protection and improvement of the air and the working environment, measuring the concentration of CO 2 as a primary task for this There is a great need for the development of devices.

CO2는 대기 중에서 화학적으로 매우 안전한 기체로서 그 농도를 측정하기가 어렵다. 이러한 CO2를 감지하기 위한 센서로는 광학식 센서를 가장 많이 사용하고 있는데, 이 방식은 방출된 빛(레이저)의 특수 파장의 빛이 공기중의 CO2에 의해 흡수되며, 이에 빛의 세기가 줄어든 양을 감지하여 CO2의 양을 측정하는 방식이다. 이 장치는 선택성과 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정을 위해서 밀폐된 공간이 필요하며 구성 요소들과 필터들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 문제점이 있었다. 특히 구동부 및 측정 소자가 매우 고가이며 제어를 위한 처리부의 구성이 복잡하므로 전체적인 측정 장비의 가격이 높을 수 밖에 없어 그 용도가 매우 다양함에도 불구하고 광범위하게 활용되고 있지 못하다.CO 2 is a chemically very safe gas in the atmosphere, and its concentration is difficult to measure. Optical sensors are most often used to detect CO 2. In this method, light of a specific wavelength of emitted light (laser) is absorbed by CO 2 in the air, which reduces the intensity of light. The amount of CO 2 is measured by detecting the amount. This device has the advantage of excellent selectivity, quantification and reproducibility, but requires a closed space for measurement and has a problem of being bulky and very heavy due to the physical size of components and filters. In particular, since the driving unit and the measuring device are very expensive, and the configuration of the processing unit for the control is complicated, the overall measuring equipment is inevitably expensive, and its use is not widely used despite its wide variety of uses.

CO2 농도를 측정하기 위한 또 다른 방식으로는 SnO2혹은 TiO2등의 반도체화합물을 이용한 반도체형 가스센서가 이용되고 있는데, 이는 가스입자가 반도체화합물의 표면에 흡착되었을 때 나타나는 저항변화를 통해 가스의 농도를 측정하는 원리이다. 이 경우, 박막형 소자형태의 센서제작이 가능하다는 장점이 있으나, 흡착되는 서로 다른 종류의 가스입자를 구분하기가 어렵기 때문에 가스 선택성이 현저히 떨어진다는 단점이 있어 CO2 만을 선별하여 측정하는 장비로 사용하기 어렵다.As another method for measuring CO 2 concentration, a semiconductor type gas sensor using a semiconductor compound such as SnO 2 or TiO 2 is used. It is a principle to measure the concentration. In this case, but the advantage of a sensor manufactured in thin-film devices form are possible, since it is difficult to distinguish between the gas particles of different types to be adsorbed there is disadvantage that the gas selectivity significantly less using the equipment for measuring and selects only CO 2 Difficult to do

따라서, 최근에는 고체전해질을 이용한 전기화학식 가스센서에 관한 관심이 증폭되고 있다. 이러한 고체전해질 물질을 이용한 센서는 전기 화학 반응을 통해 측정이 이루어지므로 특정한 가스만 선택적으로 감지할 수 있는 가스 선택성이 우수하고, 가스농도의 정량적인 측정이 가능하다. Therefore, in recent years, interest in electrochemical gas sensors using a solid electrolyte has been amplified. Since the sensor using the solid electrolyte material is measured through an electrochemical reaction, the gas selectivity that can selectively detect only a specific gas is excellent, and the gas concentration can be quantitatively measured.

이러한 전기화학식 이산화탄소 가스센서의 종류로는 크게 두 가지가 있다. 첫번째는 나시콘(NASICON : Na3Zr2Si2PO12) 이나 베타 알루미나(β-alumina : Na2Oㆍχ Al2O3 )라고 하는 나트륨이온(Na+) 전도체 물질을 고체전해질로 사용하는 것으로, 특성상 나시콘을 제일 많이 사용하고 있다. 하지만, 나시콘의 경우 5개의 원소가 함유된 물질이기 대문에 각 원소들의 함량등을 정확하게 조절해 주어야 하는 등 제조상의 어려움이 많을 뿐만 아니라, 소결온도가 1000℃ 정도로 높아 박막으로 사용할 때에는 많은 제약이 따른다.There are two kinds of electrochemical carbon dioxide gas sensors. The first is to use a sodium ion (Na +) conductor material called Nasicon (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) or beta alumina (β-alumina: Na 2 O · χ Al 2 O 3 ) as a solid electrolyte. Due to its characteristics, Nashikon is used the most. However, since Nashicon is a material containing five elements, there are many manufacturing difficulties, such as precisely controlling the content of each element. In addition, since the sintering temperature is about 1000 ° C. Follow.

두번째는 Na2CO3, Li2CO3, K2CO3와 같은 알칼리금속 탄산염을 고체전해질로 이용한 것으로, 고체전해질 내의 탄산염이 분해되어 생성된 알칼리이온에 의해 이온 전도가 이루어진다. 이 중에서 Li2CO3를 예로 들면 다음과 같이 탄산염이 분해된다.Second, alkali metal carbonates such as Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , and K 2 CO 3 are used as solid electrolytes, and ionic conduction is performed by alkali ions generated by decomposition of carbonates in the solid electrolyte. Among these, taking Li 2 CO 3 as an example, carbonates are decomposed as follows.

Li2CO3 → 2Li+ + CO3 2- Li 2 CO 3 → 2Li + + CO 3 2-

하지만, 탄산염 고체전해질은 이온전도도가 낮아 이산화탄소 가스에 대한 감도가 낮으며, 소결시 기공이 많은 구조를 갖게 되어 기계적 강도가 낮다는 단점이 있고, Na2CO3, K2CO3 의 탄산염은 물을 잘 흡수하여 이산화탄소 가스를 감지하는 특성이 저하되므로 사용이 대단히 제한된다는 문제점이 있다. 하지만, 이들과는 달리 Li2CO3 은 물에 대한 저항성이 강하기 때문에, 이를 이용하여 감도 및 기계적 강도에 관한 단점을 극복하고자 하는 많은 노력이 이루어 졌다.However, the carbonate solid electrolyte has a low ion conductivity, low sensitivity to carbon dioxide gas, and has a structure that has a lot of pores during sintering, so that the mechanical strength is low, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 carbonate is water Absorption of the carbon dioxide gas is well absorbed due to the deterioration of the characteristics there is a problem that the use is very limited. However, unlike these, since Li 2 CO 3 has a strong resistance to water, many efforts have been made to overcome the disadvantages related to sensitivity and mechanical strength by using it.

그 결과로 Li2CO3 에 Li3PO4를 첨가하면, 이온전도도를 증가 시킬 수 있음이 밝혀졌고, 여기에 Al2O3 를 첨가함으로써, 기계적 강도를 향상 시킬 수 있음도 알려지게 되어(솔리드 스테이트 이오닉스(Solid State Ionics) 100 (1997년) 275~281 페이지 참조) 상기와 같은 알칼리 탄산염을 고체전해질로 사용한 CO2 센서들이 등장하게 되었다.As a result, it has been found that the addition of Li 3 PO 4 to Li 2 CO 3 can increase the ionic conductivity, and it is also known that the addition of Al 2 O 3 can improve the mechanical strength (solid Solid State Ionics 100 (1997) see pages 275–281). CO 2 sensors have emerged using alkali carbonates as solid electrolytes.

도 1은 종래 참조 가스를 사용한 고체전해질 이산화 탄소 센서의 구조를 보이는 단면 사시도로서, 알칼리금속 탄산염을 고체전해질로 이용하여 CO2를 검출하기 위해 참조 가스(O2, CO2)를 이용하는 방식이다.1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of a carbon dioxide sensor for a solid electrolyte using a conventional reference gas, in which a reference gas (O 2 , CO 2 ) is used to detect CO 2 using an alkali metal carbonate as a solid electrolyte.

이는 고체전해질(Li2CO3)(1) 상부에 감지전극(Pt)(2)을 형성하고 하부에 전극(Pt)(3)을 형성하고, 상기 하부 전극(3) 부분에 밀폐된 공간을 두어 해당 공간에 제공하는 참조 가스를 제공하는 방법으로서, 그 구성 및 동작 원리는 다음과 같다. This is because the sensing electrode (Pt) (2) is formed on the solid electrolyte (Li2CO3) (1), the electrode (Pt) (3) is formed on the bottom, and the space is enclosed in the lower electrode (3) As a method of providing a reference gas to be provided in the above, its configuration and operation principle are as follows.

CO2[2], O2[2], 감지전극 ∥ 고체전해질 ∥ 참조전극, O2[1], CO2 [1]CO 2 [2], O 2 [2], sensing electrode ∥ solid electrolyte ∥ reference electrode, O 2 [1], CO 2 [1]

이는 도시된 구성을 간단하게 나타낸 것으로, [1]은 참조가스 쪽의 분압을 의미하고, [2]는 측정하고자 하는 쪽의 가스 분압을 의미한다. 상기와 같은 구성에서, 참조전극에서의 반응은 Li2CO3를 예로 하면 다음과 같다.This simply shows the configuration shown, [1] means the partial pressure of the reference gas side, [2] means the partial pressure of the gas to be measured. In the above configuration, the reaction at the reference electrode is as follows, taking Li 2 CO 3 as an example.

Li2CO3 → 2Li++ 2e- + CO2 [1] + ½ O2 [1] Li2CO3 → 2Li + + 2e - + CO 2 [1] + ½ O 2 [1]

감지전극에서의 반응은 다음과 같다. The reaction at the sensing electrode is as follows.

2Li++ 2e- + CO2 [2] + ½ O2 [2] → Li2CO 3 2Li + + 2e - + CO 2 [2] + ½ O 2 [2] → Li 2 CO 3

위 두 반응을 하나로 표현하면 다음과 같다. The two responses can be expressed as one:

CO2(2) + ½ O2[2] → CO2[1] + ½ O2[1]CO 2 (2) + ½ O 2 [2] → CO 2 [1] + ½ O 2 [1]

위와 같은 화학반응으로 출력 전압이 발생하고, 이 발생된 전압은 넌스트(Nernst) 식에 대입하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. The output voltage is generated by the above chemical reaction, and this generated voltage can be expressed as follows by substituting Nernst equation.

EMF = E0 - (RT/2F) × ln{P CO2[2] P ½ O2[2] / [P CO2[1] P ½ O2[1]]}EMF = E 0- (RT / 2F) × ln {P CO 2 [2] P ½ O 2 [2] / [P CO 2 [1] P ½ O 2 [1]]}

여기서 EMF는 기전력(electromotive force)이며, Eo는 반응물과 생성물이 모두 표준상태에 있을 때의 기전력으로 변하지 않는 상수이며, F는 페러데이 상수, P CO2, P O2 는 각각 CO2와 O2의 분압을 나타낸다. P CO2 [1], P O2[1]의 값은 이미 정해진 값으로, P O2[2]를 고정값으로 하면 CO2의 분압에 따라 기전력이 변하게 된다. 따라서 기전력을 측정함으로써 CO2의 분압을 알 수가 있다.Where EMF is the electromotive force, E o is a constant that does not change to the electromotive force when both reactants and products are in standard state, F is the Faraday constant, P CO 2 , PO 2 are the CO 2 and O 2 Indicates partial pressure. The values of P CO 2 [1] and PO 2 [1] are already defined values. If PO 2 [2] is set to a fixed value, the electromotive force changes according to the partial pressure of CO 2 . Therefore, the partial pressure of CO 2 can be known by measuring electromotive force.

하지만, 위와 같이 참조가스를 사용하게 되면 구조가 복잡해지고, 참조가스 내에서 산소와 이산화탄소의 분압이 변하지 않도록 완전히 밀폐된 구조를 가지도록 해야 하므로 실제 구현이 어렵다. However, when the reference gas is used as described above, the structure becomes complicated, and the actual implementation is difficult because the partial pressure of oxygen and carbon dioxide does not change in the reference gas.

그로인해 참조가스를 사용하지 않는 방법에 관해 많은 연구가 이루어졌으며, 도 2와 같은 구조의 고체 참조전극을 사용한 구조가 제안되었다(일렉트로케미컬 엔드 솔리드-스테이트 레터스(Electrochemical and Solid-State Letters), 2(4) (1999년) 201~204 페이지, 센서스 엔드 액추에이터스(Sensors and Actuators) B76 (2001년) 594~599 페이지 참조). 고체 참조전극으로는 LiMn2O4이외에도 LiCoO2 와 같은 Li 산화물이나 La0.9Sr0.1MnO3와 같은 페르프스카이트형(pervskite -type) 산화물 등이 사용된다.As a result, much research has been conducted on the method of not using a reference gas, and a structure using a solid reference electrode having a structure as shown in FIG. 2 has been proposed (Electrochemical and Solid-State Letters, 2). (4) (1999) pages 201-204, Sensors and Actuators B76 (2001) pages 594-599). In addition to LiMn 2 O 4 , a Li oxide such as LiCoO 2 or a pervskite-type oxide such as La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 may be used as the solid reference electrode.

상기 제시된 CO2 센서 구조는 도시된 바와 같이 상기 고체전해질(10) 하부에 고체 참조전극(11)을 형성하고, 상기 구조물 상부 및 하부에 금전극들(12, 13)을 형성하고 참조전극(11)이 노출되지 않도록 세라믹 실링(14)을 형성한 것이다. 사용된 고체 참조전극을 LiMn2O4로 사용한 경우를 예로 들어 설명한다.As illustrated, the CO 2 sensor structure forms a solid reference electrode 11 under the solid electrolyte 10, gold electrodes 12 and 13 on the upper and lower portions of the structure, and the reference electrode 11. The ceramic seal 14 is formed so that) is not exposed. The case where the used solid reference electrode is used as LiMn 2 O 4 will be described as an example.

먼저, 참조전극에서의 반응은 다음과 같다.First, the reaction at the reference electrode is as follows.

2LiMn2O4 → 2Li1-χMn2O4 + 2χLi+ + 2χe- 2LiMn 2 O 4 → 2Li 1- χ Mn 2 O 4 + 2χLi + + 2χe -

감지전극에서의 반응은 다음과 같다.The reaction at the sensing electrode is as follows.

2χLi+ + 2χe- + χCO2 + ½χO2 → χLi2CO 3 2χLi + + 2χe - + χCO 2 + ½χO 2 → χLi 2 CO 3

위 반응을 하나로 표시하면 다음과 같다. If the above reaction is expressed as one, it is as follows.

2LiMn2O4 + χCO2 + ½χO2 → χLi2CO3 + 2Li 1-χMn2O4 2LiMn 2 O 4 + χCO 2 + ½χO2 → χLi 2 CO 3 + 2Li 1 -χMn 2 O 4

위와 같은 화학반응으로 출력 전압이 발생하고, 이 발생된 전압은 넌스트 식에 대입하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. The output voltage is generated by the above chemical reaction, and this generated voltage can be expressed as follows by substituting the nonnest equation.

EMF = E0 + (RT/n1F) × ln(P CO2) + (RT/n2F) × ln(P O2 )EMF = E 0 + (RT / n 1 F) × ln (P CO 2 ) + (RT / n 2 F) × ln (PO 2 )

여기서 n1과 n2는 각각 CO2와 O2에 반응하는 전자의 수이다. 따라서 기전력을 측정함으로써 CO2의 분압을 알 수가 있다.Where n 1 and n 2 are the number of electrons reacting with CO 2 and O 2 , respectively. Therefore, the partial pressure of CO 2 can be known by measuring electromotive force.

전술한 고체전해질을 이용하여 CO2의 분압을 측정하기 위해서는 이온 전도도를 높이기 위해 보통 300~500℃ 정도의 구동 온도가 보장되어야 하기 때문에 이를 센서 형태로 구체화 하기 위해서는 센서를 가열시킬 발열체(heater)가 필요하다.In order to measure the partial pressure of CO 2 using the solid electrolyte described above, in order to increase the ionic conductivity, Since the driving temperature must be guaranteed, in order to realize this in the form of a sensor, a heater is required to heat the sensor.

상기 도 2에 도시된 바와 같은 고체 참조전극을 이용한 CO2 센서는 도 3에 도시하는 벌크형이나 도 4에 도시하는 박막 및 후막형 센서 구조로 사용되고 있다. 즉, 현재 사용되는 박막 소자 형태의 CO2 센서는 대부분 도 3이나 도 4의 구조를 가지고 있다.The CO 2 sensor using the solid reference electrode as shown in FIG. 2 is used in the bulk type shown in FIG. 3 or the thin film and thick film type sensor structures shown in FIG. That is, currently used thin film element type CO 2 sensor has the structure of FIG. 3 or 4.

먼저, 도 3의 벌크형 센서를 보면, 벌크형 고체전해질(15) 하부에 LiMn2O4 고체 참조전극(16)을 위치시키고, 그 상하부에 전극(18)을 형성한 후 외부 전극과 연결하고 유리물질(17)로 실링한다. 여기에, 고체전해질(15)의 이온 전도도를 높이기 위한 히터(20)를 센서 외부에 별도로 설치해야 하므로 구조가 복잡해진다. 그리고 벌크 형태의 센서 구조물을 가열하기 위해서는 많은 전력과 시간이 소모되며, 센서에서 측정되는 기전력은 측정하고자 하는 가스의 농도가 동일하다고 해도 가열된 온도에 따라 다르게 나타날 수 있으므로 온도를 측정할 수 있는 온도계(21)를 외부에 별도로 설치해야 한다.First, referring to the bulk sensor of FIG. 3, the LiMn 2 O 4 solid reference electrode 16 is positioned below the bulk solid electrolyte 15, the electrodes 18 are formed on the upper and lower sides thereof, and then connected to an external electrode. Seal with (17). Here, since the heater 20 for increasing the ion conductivity of the solid electrolyte 15 must be separately installed outside the sensor, the structure becomes complicated. In addition, a lot of power and time are consumed to heat the bulk sensor structure, and the electromotive force measured by the sensor may be different depending on the heated temperature even if the concentration of the gas to be measured is the same. (21) should be installed separately from the outside.

도 4는 상기 도 3에 히터와 온도계를 한꺼번에 형성한 구조를 가진 것으로, 알루미나와 같은 기판(28) 위에 졸-겔 공정이나, 스핀코팅 방법과 같은 후막 또는 박막 증착 방법을 이용하여 LiMn2O4 고체 참조전극(26)과 고체 전해질(27)을 형성한 후 그 상부에 전극(27)을 배치한다. 그리고 백금과 같은 금속선을 기판(28) 밑에 위치시켜 히터 및 온도계(29)를 구현하므로 구조를 간단히 할 수 있다. 상기 금속선 온도계는 온도 변화에 따른 금속선 저항 변화 특성을 이용하여 저항 변화를 측정하는 것으로 온도 변화를 알 수 있도록 한 것이다.4 as having a structure in which a heater and a thermometer at the same time in FIG. 3, the sol on the substrate 28, such as alumina-using a gel process or a spin coating method such as a thick film or thin film forming method LiMn 2 O 4 After forming the solid reference electrode 26 and the solid electrolyte 27, the electrode 27 is disposed on the solid reference electrode 26. In addition, since the heater and the thermometer 29 are implemented by placing a metal wire such as platinum under the substrate 28, the structure may be simplified. The metal wire thermometer measures the resistance change by using the metal wire resistance change characteristic according to the temperature change so that the temperature change can be known.

하지만, 가장 발전한 형태인 후막형 및 박막형의 고체전해질 CO2 센서라 하더라도 도시된 바와 같이 히터가 기판 하부에 형성되므로 히터로부터의 열 에너지가 기판(28), 고체 참조전극(26)을 지나서야 고체전해질(25)에 도달하므로 많은 전력과 초기 구동시간이 소모되며 상기 센서가 고정 및 장착되는 부분까지 열이 확산되기 쉬우므로 온도분포의 불균형을 의미하는 온도구배가 높아져 사용이 진행될 수록 소자가 열화되고 신뢰도(reliability)가 악화된다.However, even in the most advanced thick-film and thin-film solid electrolyte CO 2 sensors, as shown, a heater is formed under the substrate, so that thermal energy from the heater passes through the substrate 28 and the solid reference electrode 26. Since it reaches (25), a lot of power and initial driving time are consumed, and heat is easily spread to the part where the sensor is fixed and mounted, so that the temperature gradient, which means the imbalance of the temperature distribution, is high, and the device deteriorates and reliability is increased. reliability is deteriorated.

상기한 바와 같이 종래 고체전해질 이산화탄소 센서 중에서 벌크형 센서 구조는 히터와 온도계를 별도로 설치해야 하므로 구조가 복잡하고 부피가 크며, 센서를 가열하는데 전력 소모가 큰 문제점이 있고, 후막이나 박막형 센서 구조는 히터와 온도계를 센서에 장착하고 있지만 고체 참조전극을 비롯한 모든 센서 구조물을 가열하는 구조이므로 전력 소모가 크고 온도구배가 높아 수명이 짧고 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다.As described above, since the bulk sensor structure of the conventional solid electrolyte carbon dioxide sensor has to separately install a heater and a thermometer, the structure is complicated and bulky, and there is a problem in that power consumption is high in heating the sensor. Although the thermometer is mounted on the sensor, the structure of heating all the sensor structures including the solid reference electrode has a problem that the power consumption is large and the temperature gradient is high, so the life is short and the reliability is low.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 센서 구조물이 위치할 일부 영역이 제거된 기판 상에 형성된 맴브레인 층 상에 탄산염 고체전해질을 위치시키고, 그 상부 영역 중 일부 영역에 고체 참조전극과 감지전극을 배치하며, 그 상부에 절연층으로 절연된 히터 및 온도계를 위치시키는 것으로 상기 탄산염 고체전해질이 외부 환경과 단열되면서 히터에 의해 제공되는 열을 효과적이고 균일하게 흡수하도록 한 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법를 제공하는데 그 목적이 있다.In view of the above problems, the present invention locates a carbonate solid electrolyte on a membrane layer formed on a substrate from which a portion of a region in which a sensor structure is located is removed, and arranges a solid reference electrode and a sensing electrode on a portion of the upper region. In order to provide a solid electrolyte carbon dioxide sensor and a method of manufacturing the same, by placing a heater and a thermometer insulated with an insulating layer on an upper portion thereof to effectively and uniformly absorb the heat provided by the heater while the carbonate solid electrolyte is insulated from the external environment. The purpose is.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 소정 영역이 제거된 기판과; 상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과; 상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 탄산염 고체전해질층과; 상기 탄산염 고체전해질층 상부에서 이격되어 형성된 고체 참조전극 및 감지전극과; 절연층을 통해 상기 전극들 및 탄산염 고체전해질층과 절연되며 상기 탄산염 고체전해질층 상부에 위치하는 금속 히터 및 온도계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention for achieving the above object, the substrate is removed a predetermined region; A membrane layer formed on the substrate; A carbonate solid electrolyte layer formed on the membrane layer of the region where the substrate is removed; A solid reference electrode and a sensing electrode formed to be spaced apart from the carbonate solid electrolyte layer; And a metal heater and a thermometer insulated from the electrodes and the carbonate solid electrolyte layer through the insulating layer and positioned above the carbonate solid electrolyte layer.

상기 탄산염 고체전해질층은 Li2CO3, K2CO3, Na2CO 3를 포함하는 알칼리금속 탄산염 물질 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 참조전극은 LiMn2O4, LiCoO2을 포함하는 Li 함유 산화물과 La0.9Sr0.1MnO3 를 포함하는 페르프스카이트형(pervskite -type) 산화물을 포괄하는 산화물 중 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 한다.The carbonate solid electrolyte layer includes at least one of alkali metal carbonate materials including Li 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , and the reference electrode contains LiMn 2 O 4 and LiCoO 2 . And at least one of an oxide including a pervskite-type oxide including La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 .

또한, 본 발명은 기판 상하부에 맴브레인 물질을 성막한 후 그 상부에 탄산염 고체전해질층을 형성하는 단계와; 상기 탄산염 고체전해질층 상부 일부에 참조전극을 형성하고 열처리하는 단계와; 상기 형성된 구조물 상부 전면에 절연층을 형성하고 이후 형성될 감지전극을 위해 상기 탄산염 고체전해질층의 상부 절연층 일부를 패터닝하는 단계와; 상기 패터닝된 절연층을 금속으로 채워 감지전극을 형성하고 상기 탄산염 고체전해질층의 상부 절연층 상에 히터 및 온도계로 사용될 금속 패턴을 형성하는 단계와; 상기 기판을 후면 식각하여 상기 탄산염 고체전해질층의 적어도 일부 부분이 맴브레인층 상에서 부유하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention comprises the steps of forming a membrane material on the upper and lower substrates and then forming a carbonate solid electrolyte layer thereon; Forming a reference electrode on an upper portion of the carbonate solid electrolyte layer and performing heat treatment; Forming an insulating layer on the entire upper surface of the formed structure and patterning a portion of the upper insulating layer of the carbonate solid electrolyte layer for a sensing electrode to be formed thereafter; Filling the patterned insulating layer with metal to form a sensing electrode, and forming a metal pattern to be used as a heater and a thermometer on the upper insulating layer of the carbonate solid electrolyte layer; Back etching the substrate so that at least a portion of the carbonate solid electrolyte layer is suspended on the membrane layer.

상기와 같은 방법으로 실시되는 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS Embodiments of the present invention implemented as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5내지 도 6은 본 발명 일 실시예의 구조를 보이는 단면도로서, 도시한 바와 같이 일부 영역이 제거된 기판(30) 상에 형성된 맴브레인층(31) 상부에 차례로 탄산염 고체전해질층(32), 참조 전극(33), 감지 전극(35), 그리고 절연층(34)으로 절연된 히터 및 온도계(36)가 위치한다.5 to 6 are cross-sectional views showing the structure of an embodiment of the present invention, in which the carbonate solid electrolyte layer 32 is sequentially referred to the upper portion of the membrane layer 31 formed on the substrate 30 from which some regions are removed. The heater 33 and the thermometer 36 insulated by the electrode 33, the sensing electrode 35, and the insulating layer 34 are positioned.

상기와 같은 구조로 형성된 센서 구조물은 히터(36)가 가열해 주어야 하는 센서 영역이 한정되며 발생한 열이 확산되는 기판(30)의 크기가 줄어들기 때문에 상기 기판(30)을 통한 열의 발산이 작아 측정을 위해 상기 탄산염 고체전해질층(32)을 가열하는 시간이 줄어들고 소비 전력 역시 크게 줄어들게 된다. 이는 본 발명에서 제안하는 CO2 센서를 휴대용 장비에도 쉽게 적용할 수 있도록 하므로 본 발명의 활용성을 크게 높일 수 있다. 그리고, 히터(36)의 열이 절연층(34)을 통해 탄산염 고체전해질층(32)에 쉽게 전해지게 되며, 제거된 기판 영역이 주변 환경과 상기 센서를 열적으로 단열하여 주기 때문에 온도구배가 낮아 소자의 열화를 방지하고 신뢰성을 높일 수 있게 된다.In the sensor structure formed as described above, the sensor region to which the heater 36 is to be heated is limited, and since the size of the substrate 30 to which the generated heat is reduced is reduced, heat dissipation through the substrate 30 is small and measured. In order to reduce the time for heating the carbonate solid electrolyte layer 32, the power consumption is also greatly reduced. This makes it easy to apply the CO 2 sensor proposed in the present invention to a portable equipment, thereby greatly increasing the utility of the present invention. In addition, heat of the heater 36 is easily transmitted to the carbonate solid electrolyte layer 32 through the insulating layer 34, and the temperature gradient is low because the removed substrate region thermally insulates the surrounding environment and the sensor. It is possible to prevent deterioration of the device and to increase reliability.

상기 탄산염 고체전해질층(32)은 습기에 강하고 재료 조성이 편리한 Li2CO3, K2CO3, Na2CO3를 포함하는 알칼리금속 탄산염 물질을 이용하며, 도시된 구조에서 문제가 될 수 있는 물리적인 강도를 높이기 위해 Al2O3가 첨가되는 것이 바람직하다. 또한, 고체전해질 특유의 낮은 이온 전도도를 향상시키기 위해 Li3PO4가 첨가될 수 있다.The carbonate solid electrolyte layer 32 uses an alkali metal carbonate material including Li 2 CO 3 , K 2 CO 3 , and Na 2 CO 3 , which is resistant to moisture and convenient in material composition, which may be a problem in the illustrated structure. Al 2 O 3 is preferably added to increase the physical strength. In addition, Li 3 PO 4 may be added to improve the low ionic conductivity peculiar to the solid electrolyte.

상기 탄산염 고체전해질층(32) 상부에 형성되는 참조전극(33)은 산화물로 형성되는데, LiMn2O4, LiCoO2을 포함하는 Li 함유 산화물과 La0.9Sr 0.1MnO3 를 포함하는 페르프스카이트형(pervskite -type) 산화물 등을 이용할 수 있다.The reference electrode 33 formed on the carbonate solid electrolyte layer 32 is formed of an oxide, and is formed of a Lithium oxide containing LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , and a Perpsky type including La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 (pervskite-type) oxide and the like can be used.

그리고, 상기 감지전극(35)은 일반적인 금속 전극 형성 물질을 사용할 수 있으며, 상기 히터 및 온도계(36)를 형성하기 위한 금속(Pt, Mo 등)을 이용하도록 하면 동시에 형성될 수도 있다.In addition, the sensing electrode 35 may use a general metal electrode forming material, and may be simultaneously formed by using metal (Pt, Mo, etc.) for forming the heater and the thermometer 36.

도 6은 상기 도 5의 고체 참조전극(33)이 노출되도록 한 구조이며, 이를 통해 상기 히터 및 온도계(36)를 형성하는 공정을 용이하게 실시할 수 있다. 상기 고체 참조전극(33)의 노출 여부는 센서의 구동에 크게 영향을 미치지 않는다.FIG. 6 is a structure in which the solid reference electrode 33 of FIG. 5 is exposed, and thus, the process of forming the heater and the thermometer 36 may be easily performed. Whether the solid reference electrode 33 is exposed does not significantly affect driving of the sensor.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보이는 수순 단면도로서, 좌측은 단면도를 나타내고 우측은 동일한 공정에서의 상부 평면도를 나타낸 것이다. 7A to 7D are procedure cross-sectional views showing a manufacturing process of an embodiment of the present invention, the left side showing a cross-sectional view and the right side showing a top plan view in the same process.

먼저, 도 7a에 도시한 바와 같이, 기판(30) 상에 맴브레인층(31)을 성막한 후 그 상부에 탄산염 고체전해질층(32)을 형성한다. 상기 맴브레인층(31)은 저응력 질화막이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 센서 구조물을 기판이 없는 부분에서 지지하기 위한 부분이므로 실리콘 질화막이 형성된 기판을 이용하거나 산화물/질화물/산화물(ONO) 구조의 막이 형성된 기판을 이용할 수도 있다. 그리고, 상기 탄산염 고체전해질층(32)은 맴브레인층(31) 상에 탄산염을 졸-겔 공정, 스핀코팅 방법, 스퍼터링 증착 방법 중 하나로 증착하고, 500~800℃의 온도로 열처리한 후 센서 크기에 맞추어 패터닝하여 형성할 수 있다. First, as shown in FIG. 7A, after forming the membrane layer 31 on the substrate 30, the carbonate solid electrolyte layer 32 is formed thereon. The membrane layer 31 may be a low stress nitride film. However, in the present invention, since the sensor structure is a part for supporting the sensor structure in a portion without a substrate, a film having an silicon nitride film or a film having an oxide / nitride / oxide (ONO) structure is used. The formed substrate can also be used. In addition, the carbonate solid electrolyte layer 32 is deposited on the membrane layer 31 by one of a sol-gel process, a spin coating method, and a sputtering deposition method, and heat-treated at a temperature of 500 to 800 ° C. to a sensor size. It can be formed by patterning.

그 다음, 도 7b에 도시한 바와 같이 상기 탄산염 고체전해질층(32) 상부 일부에 고체 참조전극(33)을 형성한다. 상기 고체 참조전극(33)의 패턴 형태는 우측에 도시한 바와 같이 탄산염 고체전해질층(32) 상부로부터 상기 탄산염 고체전해질(32)이 위치하지 않은 맴브레인층(31)까지 연장되어 형성되며 외부 연결을 위한 패드 부분을 구비하도록 한다. 이는 졸-겔 공정이나, 스핀코팅 방법, 스퍼터링 등의 방법으로 참조전극 물질을 증착한 후 500~800℃의 온도로 열처리하는 것을 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 7B, a solid reference electrode 33 is formed on a portion of the carbonate solid electrolyte layer 32. As shown on the right side, the pattern of the solid reference electrode 33 extends from the top of the carbonate solid electrolyte layer 32 to the membrane layer 31 in which the carbonate solid electrolyte 32 is not located. It has a pad portion for. This may form a heat treatment to a temperature of 500 ~ 800 ℃ after depositing the reference electrode material by a sol-gel process, spin coating method, sputtering or the like.

그 다음, 도 7c에 도시한 바와 같이 상기 구조물 상부 전면에 절연층(34)을 형성하고 이후 형성될 감지전극을 위해 상기 탄산염 고체전해질층(33)의 상부 절연층 일부를 패터닝하여 상기 탄산염 고체전해질층(33)이 노출되도록 한다. 상기 패턴의 형태는 우측에 도시한 바와같이 격자형일 수 있으나, 빗살형일 수도 있고 그 외의 표면적이 넓어질 수 있는 다양한 형태를 가질 수 있다. 이러한 복잡한 구조를 통해 감지 성능의 향상을 기대할 수 있다. 그리고, 맴브레인층(31) 상부에 위치하는 고체 참조전극(33)의 일부분을 노출시키는데, 이는 외부 연결을 위한 전극 패드 역할을 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다. 상기 감지전극을 위한 패턴 구조물 역시 외부 전극 연결을 위한 패드 정의 부분을 포함하고 있어야 한다.Next, as shown in FIG. 7C, an insulating layer 34 is formed on the entire upper surface of the structure, and a portion of the upper insulating layer of the carbonate solid electrolyte layer 33 is patterned for the sensing electrode to be formed thereafter. Allow layer 33 to be exposed. The pattern may have a lattice shape as shown on the right side, but may have a comb-tooth shape or various shapes in which the surface area of the pattern may be widened. This complex structure is expected to improve detection performance. In addition, a portion of the solid reference electrode 33 positioned on the membrane layer 31 is exposed to serve as an electrode pad for external connection. The pattern structure for the sensing electrode should also include a pad definition portion for connecting the external electrode.

그 다음, 도 7d에 도시한 바와 같이 상기 패터닝된 절연층을 금속으로 채워 감지전극(35)을 형성하고 상기 탄산염 고체전해질의 상부 절연층 상에 히터 및 온도계(36)로 사용될 금속 패턴을 형성한 후 상기 기판을 후면 식각하여 상기 탄산염 고체전해질층(32)의 적어도 일부 부분이 맴브레인층(31) 상에서 부유하도록 한다. 상기 감지전극(35)과 히터 및 온도계(36)는 별도의 금속 공정을 통해 상이한 금속물질로 형성될 수 있으며, 히터 및 온도계(36)로 사용할 수 있는 금속물질(Pt, Mo)을 이용하여 단일 금속 공정으로 동시에 형성될 수 있어 공정 시간 및 비용을 줄일 수 있다. 이때 형성되는 감지전극(35)은 우측의 평면도에 도시한 바와 같이 격자형 감지 영역과 외부 연결을 위한 패드 부분으로 이루어진다. 그리고, 히터 및 온도계(36)는 미엔다(meander) 구조의 히터부(36a) 구조물과 상기 히터부와 전기적으로 이격된 부분에 형성된 온도계(36b) 구조물로 이루어진다.Next, as shown in FIG. 7D, the patterned insulating layer is filled with metal to form a sensing electrode 35, and a metal pattern to be used as a heater and a thermometer 36 is formed on the upper insulating layer of the carbonate solid electrolyte. Afterwards, the substrate is etched back so that at least a portion of the carbonate solid electrolyte layer 32 floats on the membrane layer 31. The sensing electrode 35 and the heater and the thermometer 36 may be formed of different metal materials through separate metal processes, and may be formed using a single metal material (Pt, Mo) that may be used as the heater and the thermometer 36. It can be formed simultaneously with a metal process, reducing process time and costs. In this case, the sensing electrode 35 formed includes a grating-type sensing region and a pad portion for external connection, as shown in the plan view on the right side. The heater and the thermometer 36 may include a heater part 36a structure having a meander structure and a thermometer 36b structure formed at a portion electrically spaced from the heater part.

그리고, 상기 기판(30)의 후면을 식각하는 과정은 다양한 공정 방식과 결과 구조를 이용할 수 있는데, 건식 식각을 통한 수직 식각을 실시할 수도 있으나 물리적인 지지 강도 및 공정 상 편의를 위해 경사를 가지도록 식각하는 벌크 마이크로 머시닝 공정을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 후면을 벌크 마이크로 머시닝 공정을 이용하여 식각하는 경우, 실리콘 기판(30)의 후면에 형성된 맴브레인층(31)을 패터닝하여 식각 영역을 정의하고, KOH 벌크 식각액을 이용하여 이방성 습식 식각하여 경사를 가지는 캐비티를 형성한다. In addition, the process of etching the rear surface of the substrate 30 may use a variety of process methods and resultant structures, but the vertical etching may be performed through dry etching, but may have a slope for physical support strength and process convenience. It is preferable to use a bulk micromachining process for etching. When the back side is etched using a bulk micromachining process, the membrane layer 31 formed on the back side of the silicon substrate 30 is patterned to define an etching region, and anisotropic wet etching is performed using a KOH bulk etchant to have a slope. Form a cavity.

상기 과정을 통해 센서 구조물의 대부분이 맴브레인층(31)에 지지되며 허공에 부유하게 되는데, 이를 통해 공기층으로 주변 환경(예를 들어, 상기 전체 센서 구조물을 지지및 장착하는 외부 구조물과의 접촉으로 인한 열 손실)과 단열을 실시할 수 있어 효율적이고 안정적인 탄산염 고체전해질층(32)의 가열이 가능해진다. 따라서, 센서의 초기 가열 시간이 줄어들고 소모 전력이 줄어들며 신뢰성이 높아진다.Through the above process, most of the sensor structure is supported by the membrane layer 31 and floats in the air. As a result, the air layer causes contact with the surrounding structure (for example, the external structure supporting and mounting the entire sensor structure). Heat loss) and heat insulation, thereby enabling efficient and stable heating of the carbonate solid electrolyte layer 32. Thus, the initial heating time of the sensor is reduced, power consumption is reduced, and reliability is increased.

상기한 바와 같이 본 발명 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법은 센서 구조물이 위치할 일부 영역이 제거된 기판 상에 형성된 맴브레인 층에 탄산염 고체전해질을 위치시키고, 그 상부 영역 중 일부 영역에 고체 참조전극과 감지전극을 배치하며, 그 상부에 절연층으로 절연된 히터 및 온도계를 위치시키는 것으로 센서 구조물이 외부 환경과 열적으로 단열되면서 히터에 의해 제공되는 열을 효과적이고 균일하게 흡수하도록 함으로써 센서의 초기 구동시간과 발열을 위한 전력 소모를 줄이고 균일한 가열로인해 소자의 수명과 특성 및 신뢰성을 개선하는 효과가 있다. As described above, the solid electrolyte carbon dioxide sensor of the present invention and a method of manufacturing the same include placing a carbonate solid electrolyte on a membrane layer formed on a substrate from which a portion of a sensor structure is removed, and a solid reference electrode on a portion of the upper region. By placing a sensing electrode and placing a heater and a thermometer insulated with an insulating layer on the upper part of the sensor, the sensor structure is thermally insulated from the external environment while effectively and uniformly absorbing the heat provided by the heater, and thus the initial driving time of the sensor. It reduces power consumption for overheating and improves device lifetime, characteristics and reliability due to uniform heating.

도 1은 종래 참조 가스를 사용한 고체전해질 이산화 탄소 센서의 구조를 보이는 절단 사시도.1 is a cut perspective view showing the structure of a solid electrolyte carbon dioxide sensor using a conventional reference gas.

도 2는 종래 참조 전극을 사용한 고체전해질 이산화탄소 센서의 구조를 보이는 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing the structure of a solid electrolyte carbon dioxide sensor using a conventional reference electrode.

도 3은 종래 벌크형 이산화탄소 센서의 구조를 보이는 부분 절단 사시도.Figure 3 is a partially cut perspective view showing the structure of a conventional bulk carbon dioxide sensor.

도 4는 종래의 후막 및 박막형 이산화탄소 센서의 구조를 보이는 단면도.Figure 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional thick film and thin film type carbon dioxide sensor.

도 5는 본 발명 일 실시예의 구조를 보이는 단면도.5 is a cross-sectional view showing a structure of an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명 다른 실시예의 구조를 보이는 단면도.Figure 6 is a cross-sectional view showing the structure of another embodiment of the present invention.

도 7a내지 도 7d는 본 발명 일 실시예의 제조과정을 보이는 수순단면도.7a to 7d is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an embodiment of the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

30: 기판 31: 맴브레인층30 substrate 31 membrane layer

32: 탄산염 고체전해질층 33: 참조전극32: carbonate solid electrolyte layer 33: reference electrode

34: 절연층 35: 감지 전극34: insulating layer 35: sensing electrode

36: 히터 및 온도계36: heater and thermometer

Claims (10)

소정 영역이 제거된 기판과; 상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과; 상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 탄산염 고체전해질층과; 상기 탄산염 고체전해질층 상부에서 이격되어 형성된 고체 참조전극 및 감지전극과; 절연층을 통해 상기 전극들 및 탄산염 고체전해질층과 절연되며 상기 탄산염 고체전해질층 상부에 위치하는 금속 히터 및 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.A substrate from which a predetermined region is removed; A membrane layer formed on the substrate; A carbonate solid electrolyte layer formed on the membrane layer of the region where the substrate is removed; A solid reference electrode and a sensing electrode formed to be spaced apart from the carbonate solid electrolyte layer; And a metal heater and a thermometer insulated from the electrodes and the carbonate solid electrolyte layer through an insulating layer and positioned above the carbonate solid electrolyte layer. 제 1항에 있어서, 상기 탄산염 고체전해질층은 Li2CO3, K2CO3, Na2CO3를 포함하는 알칼리금속 탄산염 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.The solid electrolyte carbon dioxide sensor of claim 1, wherein the carbonate solid electrolyte layer comprises at least one of an alkali metal carbonate material including Li 2 CO 3 , K 2 CO 3 , and Na 2 CO 3 . 제 1항에 있어서, 상기 탄산염 고체전해질층은 알칼리금속 탄산염 물질에 이온 전도도를 높이기 위해 Li3PO4가 첨가되고, 기계적 강도를 향상시키기 위해 Al2 O3가 첨가되는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.The method of claim 1, wherein the carbonate solid electrolyte layer is an Li 3 PO 4 was added to increase the ionic conductivity of the alkali metal carbonate material, a solid electrolyte carbon dioxide, characterized in that the Al 2 O 3 is added in order to improve the mechanical strength sensor. 제 1항에 있어서, 상기 참조전극은 LiMn2O4, LiCoO2을 포함하는 Li 함유 산화물과 La0.9Sr0.1MnO3 를 포함하는 페르프스카이트형(pervskite -type) 산화물을 포괄하는 산화물 중 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.The method of claim 1, wherein the reference electrode is at least one of an oxide containing LiMn 2 O 4 , a Li-containing oxide including LiCoO 2 , and a pervskite-type oxide including La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 . Solid electrolyte carbon dioxide sensor, characterized in that formed. 제 1항에 있어서, 상기 감지전극은 히터 및 온도계와 동일한 물질로 형성될 수 있으며, Pt, Mo를 포함한 금속물질인 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.The solid electrolyte carbon dioxide sensor of claim 1, wherein the sensing electrode may be formed of the same material as the heater and the thermometer, and may be a metal material including Pt and Mo. 제 1항에 있어서, 상기 감지전극은 감지 성능 향상을 위해 격자나 빗살형태를 가지는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.The solid electrolyte carbon dioxide sensor of claim 1, wherein the sensing electrode has a lattice or comb shape to improve sensing performance. 기판 상하부에 맴브레인 물질을 성막한 후 그 상부에 탄산염 고체전해질층을 형성하는 단계와; 상기 탄산염 고체전해질층 상부 일부에 참조전극을 형성하고 열처리하는 단계와; 상기 형성된 구조물 상부 전면에 절연층을 형성하고 이후 형성될 감지전극을 위해 상기 탄산염 고체전해질층의 상부 절연층 일부를 패터닝하는 단계와; 상기 패터닝된 절연층을 금속으로 채워 감지전극을 형성하고 상기 탄산염 고체전해질층의 상부 절연층 상에 히터 및 온도계로 사용될 금속 패턴을 형성하는 단계와; 상기 기판을 후면 식각하여 상기 탄산염 고체전해질층의 적어도 일부 부분이 맴브레인층 상에서 부유하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서 제조방법.Forming a carbonate solid electrolyte layer thereon by depositing a membrane material on upper and lower substrates; Forming a reference electrode on an upper portion of the carbonate solid electrolyte layer and performing heat treatment; Forming an insulating layer on the entire upper surface of the formed structure and patterning a portion of the upper insulating layer of the carbonate solid electrolyte layer for a sensing electrode to be formed thereafter; Filling the patterned insulating layer with metal to form a sensing electrode, and forming a metal pattern to be used as a heater and a thermometer on the upper insulating layer of the carbonate solid electrolyte layer; Back etching the substrate to cause at least a portion of the carbonate solid electrolyte layer to float on the membrane layer. 제 7항에 있어서, 상기 탄산염 고체전해질층을 형성하는 단계는 맴브레인층 상에 탄산염을 졸-겔 공정, 스핀코팅 방법, 스퍼터링 증착 방법을 포함하는 방법 중 하나로 증착하는 단계와; 500~800℃의 온도로 열처리한 후 센서 크기에 맞추어 패터닝하여 탄산염 고체전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서 제조방법.The method of claim 7, wherein the forming of the carbonate solid electrolyte layer comprises depositing carbonate on a membrane layer using one of a method including a sol-gel process, a spin coating method, and a sputter deposition method; After the heat treatment at a temperature of 500 ~ 800 ℃ patterned according to the sensor size to form a carbonate solid electrolyte layer comprising the step of forming a solid electrolyte carbon dioxide sensor. 제 7항에 있어서, 상기 감지전극과 히터 및 온도계는 단일 금속 공정을 통해 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서 제조방법.The method of claim 7, wherein the sensing electrode, the heater, and the thermometer are simultaneously formed through a single metal process. 제 7항에 있어서, 상기 기판을 후면 식각하는 단계는 실리콘 기판 후면에 형성된 맴브레인층을 패터닝하여 식각 영역을 정의하는 단계와; KOH 용액을 이용하여 실리콘 벌크 마이크로머시닝 공정으로 경사 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서 제조방법.The method of claim 7, wherein etching the substrate backside comprises: defining an etching region by patterning a membrane layer formed on a backside of a silicon substrate; Method for producing a solid electrolyte carbon dioxide sensor comprising the step of oblique etching in a silicon bulk micromachining process using a KOH solution.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009048290A1 (en) * 2007-10-11 2009-04-16 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Electrochemical sensor for detecting carbon dioxide having reduced initial operating time
KR100958695B1 (en) * 2008-01-07 2010-05-18 한국과학기술연구원 High-performance sensor for detecting carbon dioxide and manufacturing method thereof
US20170343503A1 (en) * 2014-12-22 2017-11-30 Robert Bosch Gmbh Sensor for Measuring the Carbon Dioxide Concentration in a Gas Mixture, and Method for Manufacture Thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009048290A1 (en) * 2007-10-11 2009-04-16 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Electrochemical sensor for detecting carbon dioxide having reduced initial operating time
KR100949468B1 (en) * 2007-10-11 2010-03-29 한국과학기술원 Electrochemical Sensor for Detecting Carbon Dioxide Having Reduced Initial Operating Time
KR100958695B1 (en) * 2008-01-07 2010-05-18 한국과학기술연구원 High-performance sensor for detecting carbon dioxide and manufacturing method thereof
US20170343503A1 (en) * 2014-12-22 2017-11-30 Robert Bosch Gmbh Sensor for Measuring the Carbon Dioxide Concentration in a Gas Mixture, and Method for Manufacture Thereof
US10690612B2 (en) * 2014-12-22 2020-06-23 Robert Bosch Gmbh Sensor for measuring the carbon dioxide concentration in a gas mixture, and method for manufacture thereof

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