KR20050076101A

KR20050076101A - One chip gas sensor for detecting multi gases fabricated over micro cavity and fabricating method of the same

Info

Publication number: KR20050076101A
Application number: KR1020040003909A
Authority: KR
Inventors: 김창교; 이주헌; 주영철; 박지황
Original assignee: 김창교; 이주헌
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-07-26

Abstract

본 발명은 마이크로 캐비티 상에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, <100> 방향성을 갖는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 절연층으로 이루어진 멤브레인; 상기 멤브레인의 하부에 상기 실리콘 기판을 소정 깊이로 식각하여 형성된 마이크로 캐비티; 상기 마이크로 캐비티 상에, 쌍으로 형성되어 있는 다수개의 미세전극선; 상기 마이크로 캐비티 상에, 상기 미세전극선과 전기적으로 분리되어 상기 다수개의 미세전극선을 감싸며 형성되어 있는 미세히터선; 상기 미세전극선과 상기 미세히터선을 각각 외부회로에 연결하기 위한 다수개의 전극패드; 및 상기 미세전극선의 한 쌍과 상기 미세히터선의 일부를 덮는 다수개의 감지막을 포함하여 구성된다. 따라서, 구조가 간단하면서도 다중가스를 동시에 감지할 수 있는 마이크로 캐비티 상에 형성된 단일칩 가스센서를 제공한다.The present invention relates to a single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on a micro cavity and a method for manufacturing the same, comprising: a silicon substrate having a <100> orientation; A membrane formed of an insulating layer formed on the silicon substrate; A micro cavity formed by etching the silicon substrate to a predetermined depth under the membrane; A plurality of microelectrode lines formed in pairs on the micro cavity; A fine heater line formed on the micro cavity to surround the plurality of micro electrode lines by being electrically separated from the micro electrode lines; A plurality of electrode pads for connecting the micro electrode lines and the micro heater lines to an external circuit, respectively; And a plurality of sensing films covering the pair of microelectrode lines and a portion of the micro heater line. Accordingly, the present invention provides a single-chip gas sensor formed on a micro cavity that is simple in structure and capable of simultaneously detecting multiple gases.

Description

One chip gas sensor for detecting multi gases fabricated over micro cavity and fabricating method of the same}

본 발명은 마이크로 캐비티 상에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 마이크로 가스센서의 구조에서 벗어나 단일칩에서 미세히터선과 다수개의 미세전극선을 가진 단일칩 가스센서로서 간단하면서도 다중가스를 동시에 감지할 수 있는 단일칩 가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on a micro-cavity and a method for manufacturing the same. More specifically, the microchip sensor has a fine heater line and a plurality of micro-electrode lines away from the structure of a conventional micro gas sensor. As a single-chip gas sensor, the present invention relates to a single-chip gas sensor that is simple and can detect multiple gases simultaneously.

또한, 사회가 점차 도시화와 산업화가 진행됨에 따라 가스의 수요가 급증하고 있으며 이에 따라 가스 누출에 의한 화재 및 인명 피해의 손실을 방지하고 다양한 원료를 사용하는 식품, 향료 산업과 의료 분야에 적용할 수 있는 기술로서 반도체 미세가공 기술을 이용하여 제작한 마이크로 캐비티 위에 브릿지 형태로 형성되어 있는 미세히터선과 다수개의 미세전극선으로 구성되어 있는 다중가스를 검지할 수 있는 마이크로 캐비티 상에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.In addition, as the society becomes increasingly urbanized and industrialized, the demand for gas is rapidly increasing, which prevents the loss of fire and human damage caused by gas leakage, and can be applied to the food, fragrance industry and medical field using various raw materials. A multi-gas detection unit formed on a micro cavity capable of detecting a multi-gas consisting of a micro heater line and a plurality of micro electrode lines formed in a bridge shape on a micro cavity manufactured using semiconductor micromachining technology. It is to provide a chip gas sensor and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 가스센서는 화학센서의 일종으로서 인간이 갖고 있는 5감 중 후각의 불완전성을 보완하고 그 기능을 확장시키는 고성능 인조 감각기관의 하나이다. 지상에 존재하거나 인간에 의해 개발된 무수한 센서들 중 가스센서가 기본이 되는 이유는 이는 모든 생명체를 유지하는데 필수 불가결의 요소인 공기를 대상으로 하기 때문이다. 지금까지 가스센서의 계속적인 개발에 의해 보다 낮은 가격으로 보다 높은 성능의 소자와 시스템의 획득이 가능하게 되었다. In general, the gas sensor is a kind of chemical sensor and is one of the high-performance artificial sensory organs that compensates for the incompleteness of the sense of smell and expands its function. Among the myriad of sensors on earth or developed by humans, gas sensors are the basis for targeting the air, an essential element for sustaining all life. To date, the continued development of gas sensors has enabled the acquisition of higher performance devices and systems at lower cost.

반도체식 가스센서는 그 형태로 볼 때 벌크형→후막형→박막형→마이크로형으로 점차 소형화 되어가고 있음을 알 수 있으며 최근에는 이들 센서를 여러 개 조합한 센서 어레이에 대한 연구가 진행되고 있다.The semiconductor gas sensor has been gradually miniaturized into bulk type, thick film type, thin film type, and micro type. In recent years, research has been conducted on a sensor array combining several sensors.

그러나, 종래 마이크로 가스센서의 경우 개별가스를 검지하는 구조이거나 또는 다중가스를 감지하는 센서인 경우 다수개의 히터와 다수개의 감지부를 포함하여 복잡한 구조로 이루어져 있다는 문제점이 있다.However, in the case of the conventional micro gas sensor, there is a problem in that a structure for detecting individual gases or a sensor for detecting multiple gases has a complicated structure including a plurality of heaters and a plurality of sensing units.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 종래의 가스센서의 형태를 벗어난 단일칩에서 미세히터선과 다수개의 미세전극선을 가진 단일칩 가스센서로서 간단하면서도 다중가스를 동시에 감지할 수 있는 단일칩 가스센서의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, and is a single-chip gas sensor having a micro heater line and a plurality of micro electrode lines in a single chip that is out of the form of a conventional gas sensor. The purpose is to provide a structure of a single-chip gas sensor.

또한, 본 발명의 다른 목적은 마이크로 캐비티 위에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서 제조방법을 보다 단순화하도록 함으로써 다중가스를 동시에 감지할 수 있으며, 동시에 양산성을 확보하고 경제성을 갖추도록 하는 다중가스 검지용 단일칩 가스센서를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to simplify the manufacturing method of a single-chip gas sensor for multi-gas detection formed on the micro-cavity to be able to detect multiple gases at the same time, at the same time to ensure mass production and economical multi-gas The purpose is to provide a single-chip gas sensor for detection.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 장치는, <100> 방향성을 갖는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 절연층으로 이루어진 멤브레인; 상기 멤브레인의 하부에 상기 실리콘 기판을 소정 깊이로 식각하여 형성된 마이크로 캐비티; 상기 마이크로 캐비티 상에, 쌍으로 형성되어 있는 다수개의 미세전극선; 상기 마이크로 캐비티 상에, 상기 미세전극선과 전기적으로 분리되어 상기 다수개의 미세전극선을 감싸며 형성되어 있는 미세히터선; 상기 미세전극선과 상기 미세히터선을 각각 외부회로에 연결하기 위한 다수개의 전극패드; 및 상기 미세전극선의 한 쌍과 상기 미세히터선의 일부를 덮는 다수개의 감지막을 포함하는 마이크로 캐비티 위에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서를 포함한다.An apparatus for achieving the object of the present invention, the silicon substrate having a <100> direction; A membrane formed of an insulating layer formed on the silicon substrate; A micro cavity formed by etching the silicon substrate to a predetermined depth under the membrane; A plurality of microelectrode lines formed in pairs on the micro cavity; A fine heater line formed on the micro cavity to surround the plurality of micro electrode lines by being electrically separated from the micro electrode lines; A plurality of electrode pads for connecting the micro electrode lines and the micro heater lines to an external circuit, respectively; And a single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on a micro cavity including a pair of microelectrode lines and a plurality of sensing films covering a portion of the micro heater lines.

상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 방법은, <100> 방향성을 갖는 실리콘 기판 상에 절연층을 형성하고 이를 패터닝하는 패터닝 단계; 상기 식각 단계 후 남아있는 절연층 상에 미세히터선, 다수개의 미세전극선 및 다수개의 전극패드의 패턴부분에 금속층과 금을 증착하는 증착 단계; 상기 미세히터선, 상기 미세전극선 및 상기 전극패드의 패턴부분에 대하여 식각을 방지하기 위한 보호막 처리를 하는 보호막 처리 단계; 상기 보호막 처리 단계 후 상기 실리콘 기판을 소정 깊이로 식각하여 마이크로 캐비티를 형성하는 마이크로 캐비티 형성 단계; 및 상기 미세전극선의 한 쌍과 상기 미세히터선의 일부를 덮도록 다수개의 감지막을 도포하는 감지막 도포 단계를 포함하는 마이크로 캐비티 상에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서의 제조방법을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating an insulating layer on a silicon substrate having a <100> orientation and patterning the insulating layer; Depositing a metal layer and gold on the pattern portion of the fine heater line, the plurality of microelectrode lines, and the plurality of electrode pads on the insulating layer remaining after the etching step; A protective film treatment step of performing a protective film treatment to prevent etching of the micro heater line, the micro electrode line, and the pattern portion of the electrode pad; Forming a micro cavity by etching the silicon substrate to a predetermined depth after the protective film processing step; And a sensing film coating step of applying a plurality of sensing films to cover a pair of the microelectrode lines and a portion of the micro heater lines.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구성과 동작을 상세하게 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail the configuration and operation. This embodiment is not intended to limit the scope of the invention, but is presented by way of example only.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 캐비티 구조의 미세히터선과 다수개의 미세전극선을 가지는 단일칩 가스센서의 감지막이 형성되기 전 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 단일칩 가스센서에 감지막이 형성된 후 구조를 나타내는 사시도이다.1 is a plan view illustrating a structure before a sensing film of a single chip gas sensor having a micro heater structure and a plurality of micro electrode lines according to an embodiment of the present invention is formed, FIG. 2 is a perspective view of FIG. 3 is a perspective view showing the structure after the sensing film is formed in the single-chip gas sensor shown in FIG.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다중가스 검지용 단일칩 가스센서는 실리콘 기판(101) 위에 절연층(109)(구체적으로 예를 들어, 산화막(SiO₂), 실리콘 질화막(Si₃N₄), 산화막-질화막-산화막(SiO₂-Si₃N₄-SiO₂), 탄화규소막(SiC) 또는 다이아몬드박막)을 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 전기로(Electrical Furnace)를 이용하여 일정 두께로 성장시키고, 또한 이를 부분적으로 습식식각하여 마이크로 캐비티(102) 위에 멤브레인(104)을 형성한다.1, 2 and 3, the single-chip gas sensor for detecting multiple gases according to the present invention is an insulating layer 109 (specifically, for example, oxide film (SiO ₂ ), silicon on the silicon substrate 101) Nitride (Si ₃ N ₄ ), Oxide-nitride-Oxide (SiO ₂ -Si ₃ N ₄ -SiO ₂ ), Silicon Carbide (SiC) or Diamond Thin Films can be deposited by Chemical Vapor Deposition or Electrical Furnace) is grown to a certain thickness, and also partially wet etched to form a membrane 104 on the micro cavity 102.

미세전극선(106)은 마이크로 캐비티(102) 상에 두 개가 하나의 쌍을 이루어 가며 형성되어 있는데, 이와 같은 쌍은 다수개(본 발명의 일실시예에서는 4개)가 형성되어 있다. 상기 두 개가 하나의 쌍으로 이루어진 구조는 II 구조로 이루어져 있다.Two microelectrode lines 106 are formed in a pair of two on the micro cavity 102, and a plurality of such pairs (four in one embodiment of the present invention) are formed. The two-pair structure consists of a II structure.

미세히터선(105)은 마이크로 캐비티(102) 상에 미세전극선(106)과 전기적으로 분리되어 형성되어 있는데, 상기 다수개의 미세전극선(106)을 감싸며 전체적으로 하나로 연결되어 있는 구조로 형성되어 있다. 상기 미세히터선(105)은 굴절 패턴으로 이루어져 있다.The fine heater line 105 is formed to be electrically separated from the microelectrode line 106 on the micro cavity 102. The micro heater line 105 surrounds the plurality of microelectrode lines 106 and is formed in a structure that is connected as one whole. The fine heater line 105 is made of a refractive pattern.

그리고 상기 멤브레인(104)위에 굴절 패턴으로의 미세히터선(105)과 II자형 패턴의 다수개의 미세전극선(106)을 형성한 후 상기 미세히터선(105)과 다수개의 미세전극선(106) 상을 덮는 다수개(본 발명의 일 실시예에서는 '4' 개)의 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)을 형성한다.After forming the micro heater line 105 and the plurality of micro electrode lines 106 having the II-shaped pattern on the membrane 104, the micro heater lines 105 and the plurality of micro electrode lines 106 are formed on the membrane 104. A plurality of covering films ('4' in one embodiment of the present invention) are formed to cover the sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d.

상기 형성된 다수개의 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)은 동시에 다중 가스를 감지할 수 있도록 설계되어 있다.The formed plurality of sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d are designed to detect multiple gases at the same time.

상기 마이크로 캐비티(102)는 미세히터선(105)의 열 방출을 최소화함으로서 소비전력을 극소화하기 위한 구조이며, 마이크로 캐비티(102)의 형성은 습식식각을 이용한다.The micro cavity 102 is a structure for minimizing heat dissipation by minimizing heat dissipation of the fine heater line 105, and the formation of the micro cavity 102 uses wet etching.

상기 미세히터선(105), 상기 다수개의 미세전극선(106) 및 상기 전극패드(107, 108)의 하부면은 실리콘 기판(101)을 통해서 누설되는 전류와 전극패드(107, 108) 간의 절연을 위해서 절연층(109)이 형성되어 있다. 상기 절연층(109)으로는 실리콘 산화막(SiO₂), 실리콘 질화막(Si₃N₄), 산화막-질화막-산화막(SiO₂-Si₃N₄-SiO₂), 탄화규소막(SiC) 또는 다이아몬드박막 중 적어도 어느 하나 이상의 막으로 이루어 질 수 있다.The microheater line 105, the plurality of microelectrode lines 106, and lower surfaces of the electrode pads 107 and 108 may insulate between the current leaked through the silicon substrate 101 and the electrode pads 107 and 108. The insulating layer 109 is formed for this purpose. The insulating layer 109 may be a silicon oxide film (SiO ₂ ), a silicon nitride film (Si ₃ N ₄ ), an oxide film-nitride film-oxide film (SiO ₂ -Si ₃ N ₄ -SiO ₂ ), a silicon carbide film (SiC), or diamond At least one of the thin film may be made of.

도 3에서는 도 1의 구조에 각각의 감지물질을 다수개의 미세전극선(106) 위에 스크린 프린팅하여 형성하여 벌크화한 다수 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)을 나타낸다.3 shows a plurality of sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d formed by screen printing each sensing material on the plurality of microelectrode lines 106 in the structure of FIG. 1.

여기에서, 특정한 가스와 이에 따른 다수 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)의 반응을 설명하면 다음과 같다.Herein, the reaction of the specific gas and the plurality of sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d will be described below.

전원을 미세히터선(105)에 인가하면 미세히터선(105)을 형성하는 금속층의 두께와 길이에 따른 저항에 의해서 발열하게 되는데 이러한 열의 발생은 미세히터선(105)의 온도를 특정 온도까지 상승시키게 된다. 여기에서, 다수개의 미세전극선(106) 위에 형성된 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)의 온도 또한 동반 상승하여 유입되는 가스에 대해서 화학적 흡착 또는 탈착 반응이 원활하게 이루어지게 된다. 이로 인하여 다수개의 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)에 저항 변화가 발생하게 되는데, 이와 같은 저항 변화를 다수개의 미세전극선(106)에서 측정하게 된다.When power is applied to the fine heater line 105, heat is generated by resistance according to the thickness and length of the metal layer forming the fine heater line 105. The generation of this heat raises the temperature of the fine heater line 105 to a specific temperature. Let's go. Here, the temperature of the sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d formed on the plurality of microelectrode lines 106 also rises together, so that the chemical adsorption or desorption reaction is smoothly performed on the gas introduced therein. As a result, resistance changes occur in the plurality of sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d, and the resistance change is measured by the plurality of microelectrode lines 106.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단일칩 가스센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 설명도이다. 도 4의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 일실시예에 따른 단일칩 가스센서의 제조 공정을 순차적으로 도시한 것이다. 4 is an explanatory diagram sequentially illustrating a method of manufacturing a single chip gas sensor according to an embodiment of the present invention. 4 (a) to (e) sequentially illustrate a manufacturing process of a single-chip gas sensor according to an embodiment of the present invention.

실리콘 기판(101)은 소자 제작 후 최종 전극부분에 리드 접합에 있어서 와이어 본딩(wire bonding) 또는 전도성 은(Ag) 에폭시를 사용할 때 오옴성 접합(ohmic junction)을 얻기 위해서 <100> 방향성을 갖는 N형을 사용한다. 1㎛이상의 절연층(109)을 성장하여 누설 전류 차단 및 전극패드(107, 108) 간의 절연을 시키며, 상기 전극패드(107, 108)와 미세히터선(105), 다수개의 미세전극선(106)은 산화 반응이 적고 전기전도도가 높은 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au) 등과 같은 금속 재료로 증착한다.The silicon substrate 101 is N having a <100> orientation in order to obtain an ohmic junction when wire bonding or conductive silver epoxy is used in the lead bonding to the final electrode portion after fabrication of the device. Use a type. The insulating layer 109 of 1 μm or more is grown to insulate leakage current and to insulate the electrode pads 107 and 108, and the electrode pads 107 and 108, the fine heater line 105, and the plurality of fine electrode lines 106. Silver is deposited with a metal material such as nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), gold (Au), etc., which has a low oxidation reaction and high electrical conductivity.

먼저 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, <100> 방향성을 가진 N형 실리콘 기판(101)에 절연층(109)인 산화막(SiO₂), 실리콘 질화막(Si₃N₄), 산화막-질화막-산화막(SiO₂-Si₃N₄-SiO₂), 탄화규소막(SiC) 또는 다이아몬드 박막을 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 또는 전기로(Electrical Furnace)를 이용하여 1㎛이상 성장시킨다.First, as shown in FIG. 4A, an oxide film (SiO ₂ ), a silicon nitride film (Si ₃ N ₄ ), and an oxide film- which are insulating layers 109 are formed on an N-type silicon substrate 101 having a <100> orientation. A nitride film-oxide film (SiO ₂ -Si ₃ N ₄ -SiO ₂ ), silicon carbide film (SiC), or diamond thin film is grown to 1 μm or more using chemical vapor deposition or electric furnace.

도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 마이크로 캐비티(102)의 형성을 위해 건식 식각 장비 시스템인 반응성 이온식각법(Reactive Ion Etching)을 사용하여 절연층(109)을 패터닝한다.As shown in FIG. 4B, the insulating layer 109 is patterned using a reactive ion etching method, which is a dry etching equipment system, for forming the micro cavity 102.

도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 진공증착법(Thermal Evaporation), 이온빔증착법(e-Beam Evaporation) 또는 스퍼터(Sputter) 시스템을 이용하여 미세히터선(105), 다수개의 미세전극선(106), 전극패드(107, 108)의 패턴 부분에 타이타늄(Ti) 또는 크롬(Cr)과 금(Au)을 증착한다. 상기 금속층은 시드층(seed layer)으로 사용되며, 타이타늄(Ti) 또는 크롬(Cr)의 증착 두께는 500Å이고 금(Au)은 500-800Å의 두께로 증착한다. 미세히터선(105)과 미세전극선(106)의 패턴의 폭은 10㎛이고, 미세히터선(105)과 미세전극선(106) 간의 거리도 10㎛로 설계된다.As shown in (c) of FIG. 4, the fine heater line 105 and the plurality of microelectrode lines 106 using a vacuum evaporation method, an ion beam evaporation method, or a sputter system. Titanium (Ti) or chromium (Cr) and gold (Au) are deposited on the pattern portions of the electrode pads 107 and 108. The metal layer is used as a seed layer, the deposition thickness of titanium (Ti) or chromium (Cr) is 500 Å and the gold (Au) is deposited to a thickness of 500-800 Å. The width of the pattern of the fine heater line 105 and the fine electrode line 106 is 10 μm, and the distance between the fine heater line 105 and the fine electrode line 106 is also designed to be 10 μm.

도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 미세히터선(105), 다수개의 미세전극선(106) 및 전극패드(107, 108)의 패턴 부분에 열적 스트레스와 감도를 보강하기 위해서 니켈(Ni)을 5-6㎛ 두께로 도금한다. 여기에서 이 과정은 추가적으로 구성할 수 도 있고, 구성하지 아니할 수 도 있다.As shown in (d) of FIG. 4, nickel (Ni) is used to reinforce thermal stress and sensitivity in the pattern portion of the fine heater line 105, the plurality of fine electrode lines 106, and the electrode pads 107 and 108. Is plated to a thickness of 5-6 μm. Here, this process may or may not be configured additionally.

도 4의 (d)가 이루어진 후 도 4의 (e)가 이루어지기 전, 즉 미세히터선(105), 다수개의 미세전극선(106) 및 전극패드(107, 108)의 패턴 부분에 대하여 KOH를 이용하여 습식식각을 하기 전에 미세히터선(105), 다수개의 미세전극선(106) 및 전극패드(107, 108)의 패턴 부분을 보호하기 위한 보호막 처리를 한다.After (d) of FIG. 4 is performed, but before (e) of FIG. 4 is performed, that is, KOH is applied to the pattern portion of the fine heater line 105, the plurality of microelectrode lines 106, and the electrode pads 107 and 108. Before the wet etching is performed, a protective film treatment is performed to protect the pattern portion of the fine heater line 105, the plurality of fine electrode lines 106, and the electrode pads 107 and 108.

도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 140-150㎛ 깊이의 마이크로 캐비티(102)의 형성을 위해 KOH를 사용하여 습식식각을 한다. 따라서 초기 500㎛의 실리콘 기판의 두께는 상, 하부면의 식각으로 인해 200-220㎛의 두께를 가지게 된다.As shown in (e) of FIG. 4, wet etching is performed using KOH to form the microcavity 102 having a depth of 140-150 μm. Therefore, the thickness of the silicon substrate of the initial 500㎛ has a thickness of 200-220㎛ due to the etching of the upper and lower surfaces.

도 4의 (e) 후에는 상기 미세전극선(106)의 한 쌍과 상기 미세히터선(105)의 일부를 덮도록 다수개의 감지막(201a, 201b, 201c, 201d)을 도포하는 감지막 도포 단계가 이루어 진다.After (e) of FIG. 4, a sensing film applying step of applying a plurality of sensing films 201a, 201b, 201c, and 201d to cover a pair of the microelectrode lines 106 and a portion of the microheater line 105. Is done.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다중가스 검지용 단일칩 가스센서에 있어서 주요 부분인 미세히터선(305, 405)과 다수개의 미세전극선(306, 406)의 패턴 변형에 따른 실시예를 도시한다.5 and 6 illustrate an embodiment according to the pattern modification of the micro heater lines 305 and 405 and the plurality of micro electrode lines 306 and 406, which are main parts of the single-chip gas sensor for detecting multiple gases of the present invention. .

도 5에 도시된 실시예에 있어서는, 멤브레인(104) 위에 굴절 패턴의 미세히터선(305)과 II자형 패턴의 두 쌍이 있는 미세전극선(306)이 형성되어 동시에 두 가지의 가스를 감지할 수 있도록 설계되었다. In the embodiment shown in FIG. 5, the micro-heater line 305 of the refraction pattern and the microelectrode line 306 having two pairs of the II-shaped pattern are formed on the membrane 104 to detect two gases at the same time. Designed.

도 6에 도시된 실시예에 있어서는, 멤브레인(104) 위에 굴절 패턴의 미세히터선(305)과 II자형 패턴의 세 개의 미세전극선(306)이 형성되어 동시에 세 가지의 가스를 감지할 수 있도록 설계되었다.In the embodiment shown in FIG. 6, the fine heater line 305 of the refraction pattern and the three fine electrode lines 306 of the II-shaped pattern are formed on the membrane 104 so as to detect three gases at the same time. It became.

본 발명에 의한 단일칩 가스센서는 얇은 멤브레인 위에 미세히터선과 다수개의 미세전극선을 형성한 후에 실리콘 기판을 식각하여 마이크로 캐비티를 형성하여 제작한다. The single chip gas sensor according to the present invention is manufactured by forming a micro cavity by etching a silicon substrate after forming a micro heater line and a plurality of micro electrode lines on a thin membrane.

마이크로 캐비티 위에 브릿지 형태로 있는 멤브레인에 감지부를 가열시키는데 필요한 미세히터선이 있고 다수개의 미세전극선에 다중 가스를 검지할 수 있도록 미세전극선의 수와 관계가 되는 수의 감지막을 도포하여 감지부에서 동시에 여러 가스를 감지하게 된다. 센서가 가스감지에 필요한 200℃이상의 고온을 얻기 위해 다수개의 미세전극선 주변을 동일 온도를 지닐 수 있도록 미세히터선이 감싸는 구조를 이용하였다. The micro-cavity has a micro heater line necessary for heating the sensing unit on the membrane in the form of a bridge, and a number of sensing films related to the number of micro electrode lines are applied to the plurality of micro electrode lines so as to detect multiple gases. Gas is detected. In order to obtain a high temperature of 200 ° C or higher necessary for gas detection, a structure in which a micro heater line is enclosed is used so that a sensor has the same temperature around a plurality of micro electrode lines.

전극패드는 실리콘 기판과의 절연 및 누설 전류 차단 등의 전기적 오동작을 막기 위해 실리콘 기판위에 형성된 절연층위에 금속층을 증착하여 형성하였고, 미세히터선과 다수개의 미세전극선 위에 진공증착법, 전자빔진공증착법, 스퍼터링법 또는 스크린프린트법 등으로 감지막을 형성하여 동시에 여러 가스를 감지할 수 있다.The electrode pad was formed by depositing a metal layer on an insulating layer formed on the silicon substrate to prevent electrical malfunction such as insulation and blocking of leakage current from the silicon substrate. Alternatively, a gas may be detected at the same time by forming a sensing film by a screen printing method.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. Or it may be modified.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 캐비티 위에 형성한 다중가스 검지용 단일칩 가스센서 및 그 제조방법에 의하면, 최적의 구동으로 빠른 응답속도와 저 소비전력 및 산업의 고도화로 인한 동시 다발적으로 발생된 다중가스를 동시에 감지할 수 있는 다중가스 검지용 단일칩 가스센서이며, 단일칩 가스센서의 크기 및 공정의 단순화로 양산성을 확보할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on the micro-cavity according to the present invention and a method for manufacturing the same, the simultaneous operation of the multi-gas detection is possible due to the rapid response speed, low power consumption and industrial advancement. It is a single-chip gas sensor for multi-gas detection that can detect the generated multiple gases at the same time, and has the effect of ensuring mass productivity by simplifying the size and process of the single-chip gas sensor.

따라서 폭발성 가스와 유독성 가스를 조기에 감지하여 신속히 사고에 대응하고, 습도, 알코올 및 악취성 가스를 환경적 제어를 통해서 생활의 불편 요소를 사전에 제거할 수 있는바, 산업, 환경, 의료 분야에서 쉽게 적용할 수 있을 것이다.Therefore, it can detect explosive gas and toxic gas at an early stage and respond to accidents, and can remove the inconveniences of life through environmental control of humidity, alcohol and odorous gas in the industrial, environmental and medical fields. It will be easy to apply.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 캐비티 상에 형성한 미세히터선과 다수개의 미세전극선을 가지는 단일칩 가스센서의 감지막이 형성되기 전 구조를 나타내는 평면도,1 is a plan view showing a structure before a sensing film of a single chip gas sensor having a micro heater line and a plurality of micro electrode lines formed on a micro cavity according to an embodiment of the present invention is formed;

도 2는 도 1의 사시도,2 is a perspective view of FIG.

도 3은 도 1에 도시된 단일칩 가스센서에 감지막이 형성된 후 구조를 나타내는 사시도,3 is a perspective view illustrating a structure after a sensing film is formed in the single chip gas sensor illustrated in FIG. 1;

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단일칩 가스센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도,4 is a cross-sectional view sequentially showing a manufacturing method of a single chip gas sensor according to an embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단일칩 가스센서를 나타낸 평면도,5 is a plan view showing a single chip gas sensor according to another embodiment of the present invention;

도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단일칩 가스센서를 나타낸 평면도이다.6 is a plan view illustrating a single chip gas sensor according to another exemplary embodiment of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ><Explanation of Signs of Major Parts of Drawings>

101 : 실리콘 기판 102 : 마이크로 캐비티101: silicon substrate 102: micro cavity

104 : 멤브레인 105 : 미세히터선104: membrane 105: fine heater wire

106 : 미세전극선 107, 108 : 전극패드106: fine electrode line 107, 108: electrode pad

109 : 절연층 201a, 201b, 201c, 201d : 감지막109: insulating layer 201a, 201b, 201c, 201d: sensing film

305, 405 : 미세히터선 306, 406 : 미세전극선305, 405: fine heater line 306, 406: fine electrode line

Claims

A silicon substrate having a <100> orientation;

A membrane formed of an insulating layer formed on the silicon substrate;

A micro cavity formed by etching the silicon substrate to a predetermined depth under the membrane;

A plurality of microelectrode lines formed in pairs on the micro cavity;

A fine heater line formed on the micro cavity to surround the plurality of micro electrode lines by being electrically separated from the micro electrode lines;

A plurality of electrode pads for connecting the micro electrode lines and the micro heater lines to an external circuit, respectively; And

A single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on a micro cavity comprising a plurality of sensing films covering a pair of the micro electrode lines and a portion of the micro heater lines.

The method of claim 1,

The insulating layer formed on the silicon substrate includes a silicon oxide film (SiO ₂ ), a silicon nitride film (Si ₃ N ₄ ), an oxide film-nitride film-oxide film (SiO ₂ -Si ₃ N ₄ -SiO ₂ ), and a silicon carbide film (SiC) Or a single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on a micro cavity, characterized in that the film is made of at least one of diamond films.

The single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on the microcavity according to claim 1, wherein the microcavity has a polygonal structure.

The single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on the micro cavity of claim 1, wherein the pair of microelectrode lines has a II-shaped structure, and the pattern of the micro heater lines has a curved structure.

A patterning step of forming and patterning an insulating layer on the silicon substrate having a <100> orientation;

Depositing a metal layer and gold on a pattern portion of a single micro heater line, a plurality of micro electrode lines, and a plurality of electrode pads on the remaining insulating layer after the etching step;

A protective film treatment step of performing a protective film treatment to prevent etching of the micro heater line, the micro electrode line, and the pattern portion of the electrode pad;

Forming a micro cavity by etching the silicon substrate to a predetermined depth after the protective film processing step; And

And a sensing film coating step of applying a plurality of sensing films to cover the pair of microelectrode lines and a part of the micro heater lines.

The method of claim 5,

A plating step of plating a nickel on the pattern portion of the fine heater line, the fine electrode line and the electrode pad in the middle of the deposition step and the protective film processing step,

The sensing film coating step is a method of manufacturing a single-chip gas sensor for detecting multiple gases formed on a micro cavity, characterized in that at least one of the screen printing method, vacuum deposition method, electron beam deposition method or sputtering method.