KR20050076524A - Thin film humidity sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 감습센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되고, 감습막 표면상에 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있었다. 특히 측정 특성이 뛰어난 용량형 습도 센서의 경우 감습층에 습기가 도달하도록 상부 전극이 다공성 결정 구조를 가진 재료로 되어 있으므로 오염되기 쉬워 측정 신뢰성이 악화된다. 이를 피하고자 벌크형 무기재료 감습층과 히터를 사용하는 경우도 있으나 전체 센서를 가열하기 위한 전력 소모가 심하고 응답속도가 느리며 재현성과 균일성이 나쁜 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 상대습도 센서에 히터를 내장하고 빠르고 고른 열전달 및 낮은 전류 소모를 위해 히터와 센서 하부의 기판을 제거하는 것으로 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있으며, 오염에 강한 귀금속으로 상부 전극을 형성하도록 하여 감습층에 습기가 원활히 도달할 수 있도록 하면서도 오염을 방지하고 감습의 정확도를 향상시킬 수 있어 전력 소모, 응답속도, 재현성과 균일성 및 신뢰성을 모두 개선할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a thin film type humidity sensor and a method of manufacturing the same, and the conventional humidity sensor using a polymer as a moisture sensitive material is limited in the use temperature range of about 10 ~ 60 ℃ limited its use, contaminants on the surface of the moisture film There is a problem that the life is short due to the adsorption of moisture. In particular, in the case of a capacitive humidity sensor having excellent measurement characteristics, since the upper electrode is made of a material having a porous crystal structure so that moisture reaches the moisture-sensitive layer, it is liable to be contaminated, thereby deteriorating measurement reliability. In order to avoid this, there is a case where a bulk inorganic moisture absorbing layer and a heater are used, but there is a problem in that power consumption for heating the entire sensor is severe, response speed is slow, and reproducibility and uniformity are bad. In view of the above problems, the present invention can effectively remove moisture and contaminants that penetrate the moisture absorption film by removing the heater and the substrate under the sensor for fast and even heat transfer and low current consumption. In addition, the upper electrode is formed of a precious metal that is resistant to contamination, so that moisture can reach the moisture-sensitive layer smoothly, while preventing contamination and improving the accuracy of humidity, thereby improving power consumption, response speed, reproducibility, uniformity and reliability. It can work.
Description
본 발명은 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 흡착된 오염물을 제거하기 위한 히터부를 센서부 하부에 장착하고 감습층 상부의 상부 전극 구조를 매쉬형으로 형성하며, 센서부 하부의 기판을 제거하여 외부 환경과 단열이 이루어지도록 한 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film type humidity sensor and a method of manufacturing the same. In particular, the heater unit for removing the adsorbed contaminants is mounted below the sensor unit, and the upper electrode structure above the moisture sensitive layer is formed in a mesh shape, and the substrate under the sensor unit is formed. The present invention relates to a thin film type humidity sensor and a method of manufacturing the same, which removes and insulates the external environment.
습도센서는 온실에서의 야채의 재배, 가습기나 건조기 및 자동조리기 등의 가전제품과, 자동차 및 빌딩내의 습도조절등 다양한 분야에서 사용되고 있다.Humidity sensors are used in various fields such as cultivation of vegetables in greenhouses, home appliances such as humidifiers and dryers and automatic cookers, and humidity control in automobiles and buildings.
이와 같은 습도센서는 그 동작원리에 따라서 써미스터형, 저항형, 용량형 등으로 분류된다. Such humidity sensors are classified into thermistor type, resistance type, and capacitance type according to their operation principles.
저항형이나 용량형은 주로 폴리머 등을 감습재료로 사용하여, 폴리머 양단이나 상하측에 적절한 전극 배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기 흡착에 따른 전극간 저항변화 또는 용량 변화를 이용하여 습도를 측정할 수 있게 되며, 이와 같은 종래 저항형 및 용량형 감습센서 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The resistance type or capacitance type mainly uses polymer as a moisture-sensitive material, and humidity can be measured using resistance change between electrodes or capacity change due to moisture adsorption into the polymer through proper electrode arrangement at both ends and top and bottom of the polymer. When described in detail with reference to the accompanying drawings, such a conventional resistive and capacitive humidity sensor and a method of manufacturing the same.
도1a 및 도1b는 종래 저항형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 두 저항패턴(2,3)을 형성하는 단계(도1a)와; 상기 두 저항패턴(2,3)의 상부측에 폴리머 감습층(4)을 형성하는 단계(도1b)로 이루어진다.1A and 1B are perspective views illustrating a manufacturing process procedure of a conventional resistance type polymer humidity sensor, as shown in FIG. 1A, wherein two resistance patterns 2 and 3 are formed on a substrate 1 (FIG. 1A); Forming the polymer moisture-sensitive layer 4 on the upper side of the two resistance patterns (2, 3) (Fig. 1b).
이와 같은 구조의 습도센서는 폴리머 감습층(4)의 내부로 습기가 흡착되면, 상기 두 저항패턴(2,3)의 저항성분이 변화되어 이를 검출하여 습도의 변화를 검출할 수 있게 된다.In the humidity sensor having such a structure, when moisture is adsorbed into the polymer moisture sensitive layer 4, the resistance components of the two resistance patterns 2 and 3 are changed to detect the change in humidity.
그러나, 상기 감습재료인 폴리머 감습층(4)은 폴리머를 사용하기 때문에 온도 제한이 발생하는데, 유기물인 폴리머는 사용온도가 60℃이상으로 상승하면 재료의 변형이 발생하며, 이와 같은 변형에 의해 감습의 기능이 저하될 수 있다.However, the polymer moisture-sensitive layer 4, which is the moisture-sensitive material, has a temperature limit because the polymer is used. When the polymer temperature of the organic material rises above 60 ° C., the deformation of the material occurs. May decrease the function of.
또한, 오일이나 다른 오염물이 발생되는 환경에서 장시간 노출되면 감습층(4)의 표면이 변질되거나, 표면이 막혀 습기가 침투할 수 없게 되어 그 감습특성이 저하된다. In addition, when exposed for a long time in an environment in which oil or other contaminants are generated, the surface of the moisture sensitive layer 4 is deteriorated, or the surface is blocked and moisture can not penetrate, and the moisture-sensitizing property is lowered.
무엇보다도 이러한 저항형 습도 센서는 측정값이 직선성을 가지지 않고 주위 환경에 영향을 받기 때문에 상대 습도를 정량적으로 측정하기 어려워 정밀한 상대습도 측정에는 적합하지 않다.Above all, these resistive humidity sensors are not suitable for precise relative humidity measurement because it is difficult to quantitatively measure relative humidity because the measured values are not linear and are affected by the surrounding environment.
도2a 내지 도2c는 종래 용량형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(21) 상에 일정한 면적을 가지는 하부전극(22)을 형성하는 단계(도2a)와; 상기 하부전극(22)의 상부에 폴리머 감습층(23)을 형성하는 단계(도2b)와; 상기 폴리머 감습층(23)의 상부에 상부전극(24)을 형성하는 단계(도2c)로 제조된다. 2A to 2C are cross-sectional views of a conventional manufacturing process of a capacitive polymer humidity sensor, as shown therein, forming a lower electrode 22 having a predetermined area on a substrate 21 (FIG. 2A); Forming a polymer moisture sensitive layer 23 on the lower electrode 22 (FIG. 2B); The upper electrode 24 is formed on the polymer moisture sensitive layer 23 (FIG. 2C).
상기 구조의 종래 용량형 폴리머 습도센서는 폴리머 감습층(23)에 유입되는 습기의 양에 따라 변화되는 커패시턴스의 크기를 측정하여 습도변화를 검출하게 된다. 이는 비교적 직선성을 가지는 출력 특성 때문에 전술한 저항형 습도 센서보다는 측정 정밀도가 높으며 상용화 하기 쉽지만 감습재료로서 폴리머를 사용하기 때문에 상기 설명한 바와 같이 오염문제 및 사용 온도범위의 제한 문제가 그대로 적용된다. The conventional capacitive polymer humidity sensor having the above structure detects a change in humidity by measuring a magnitude of capacitance that varies according to the amount of moisture introduced into the polymer moisture sensitive layer 23. Because of the relatively linear output characteristics, the measurement accuracy is higher than that of the above-described resistance type humidity sensor and is easy to commercialize, but since the polymer is used as a moisture sensitive material, the problem of contamination and limitation of the use temperature range are applied as described above.
그리고, 상기 감습층(23)에 습기가 도달하기 위해서 상기 상부전극(24)은 결정 구조가 다공성인 재료들을 이용하였으나, 이러한 다공성 재료들은 쉽게 오염될 수 있어 신뢰성이 취약해 질 수 밖에 없다.In addition, although the upper electrode 24 uses materials having a porous crystal structure in order to reach moisture on the moisture sensitive layer 23, these porous materials may be easily contaminated, and thus the reliability may be weak.
상기 오염물에 대한 문제점을 해결하기 위하여 칸탈 와이어 히터를 감습소자 주위에 탑재하여 감습재료 표면에 흡착된 수분 또는 오염물질을 제거할 수 있는 무기재료 세라믹 벌크형 감습센서도 개발되었으나, 이는 열용량이커서 전력소모가 크고, 응답속도가 느리며, 패키징에 어려움이 있을 뿐 아니라 불균형한 온도 전달에 의해 센서의 성능이 점차 열화되어, 그 재현성이나 균일성에 문제가 있기 때문에 극히 제한적으로 응용되고 있다.In order to solve the problem of the contaminants, an inorganic material ceramic bulk type humidity sensor which can remove moisture or contaminants adsorbed on the surface of the moisture absorbing material by mounting a cantal wire heater around the moisture absorbing element has been developed, but it has a large heat capacity and consumes power. Larger, slow response speed, difficulty in packaging, and due to unbalanced temperature transfer, the sensor's performance is gradually degraded, and its reproducibility and uniformity are problematic, and thus, it is extremely limited in application.
상기한 바와 같이 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 감습센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되고, 감습막 표면상에 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있었다. 특히 측정 특성이 뛰어난 용량형 습도 센서의 경우 감습층에 습기가 도달하도록 상부 전극이 다공성 결정 구조를 가진 재료로 되어 있으므로 오염되기 쉬워 측정 신뢰성이 악화된다. 이를 피하고자 벌크형 무기재료 감습층과 히터를 사용하는 경우도 있으나 전체 센서를 가열하기 위한 전력 소모가 심하고 응답속도가 느리며 재현성과 균일성이 나쁜 문제점이 있었다.As described above, the humidity sensor using the conventional polymer as the humidity sensitive material has a limited use temperature range of about 10 to 60 ° C., which limits its use range, and contaminants or moisture are adsorbed on the surface of the moisture sensitive film to shorten its lifespan. There was this. In particular, in the case of a capacitive humidity sensor having excellent measurement characteristics, since the upper electrode is made of a material having a porous crystal structure so that moisture reaches the moisture-sensitive layer, it is liable to be contaminated, thereby deteriorating measurement reliability. In order to avoid this, there is a case where a bulk inorganic moisture absorbing layer and a heater are used, but there is a problem in that power consumption for heating the entire sensor is severe, response speed is slow, and reproducibility and uniformity are bad.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 무기재료 감습막을 이용하는 센서를 히터가 형성된 기판 상에 배치하며, 상기 기판에 캐비티를 형성하여 상기 히터를 비롯한 센서를 외부 환경에 단열되도록 부유시켜 센서부분을 가열하는 경우 전력 소모를 줄이고 가열 균일성을 높일 수 있도록 하며, 상기 센서의 상부 전극을 오염물에 내성이 강한 귀금속 재료를 이용한 복잡한 패턴 구조로 형성하는 것으로 감습 성능을 향상시킬 수 있도록 한 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In view of the above problems, the present invention arranges a sensor using an inorganic material-sensitive film on a substrate on which a heater is formed, and forms a cavity in the substrate to float the sensor and the like to heat the sensor part such that the sensor and the like are insulated from the external environment. Thin film type humidity sensor and method for manufacturing the same to reduce the power consumption and improve heating uniformity, and to improve the humidity performance by forming the upper electrode of the sensor into a complex pattern structure using a precious metal material resistant to contaminants. The purpose is to provide.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정 영역이 제거된 기판과; 상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과; 상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 히터층과; 상기 히터층 상부에 형성되며, 상기 히터층의 패드 부분을 노출시키는 절연층과; 상기 상기 기판이 제거된 영역의 절연층 상부에 차례로 형성되는 하부 전극, 감습층, 그리고 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention is a substrate with a predetermined region removed; A membrane layer formed on the substrate; A heater layer formed on the membrane layer of the region where the substrate is removed; An insulating layer formed on the heater layer and exposing a pad portion of the heater layer; And a lower electrode, a moisture sensitive layer, and an upper electrode which are sequentially formed on the insulating layer of the region where the substrate is removed.
상기 상부 전극은 귀금속 재질로 형성되며 상기 감습층을 노출 시킬 수 있는 패턴 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. The upper electrode may be formed of a noble metal material and have a pattern structure that may expose the moisture sensitive layer.
상기 감습층은 다공성의 활성탄, 제올라이트(zeolite), 알루미나 중 적어도 하나를 주 재료로 이용하여 형성된 것을 특징으로 한다. The moisture sensitive layer is formed using at least one of porous activated carbon, zeolite and alumina as a main material.
또한, 본 발명은 실리콘 기판 상에 맴브레인층을 형성하고, 그 상부에 전기적 접촉을 위한 패드부를 가지는 히터층을 형성하는 단계와; 상기 히터층 상부에 절연층을 형성하고, 상기 히터층의 패드부를 노출시키는 단계와; 상기 히터층 상의 패드부 상부에 차례로 하부 전극, 감습층을 형성하는 단계와; 상기 감습층 상부에 상부 전극을 형성하고 하부 감습층이 노출되는 다수의 영역을 패터닝하는 단계와; 상기 히터층 및 감습층이 형성된 영역의 기판을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention comprises the steps of forming a membrane layer on the silicon substrate, the heater layer having a pad portion for electrical contact thereon; Forming an insulating layer on the heater layer and exposing a pad part of the heater layer; Forming a lower electrode and a moisture sensitive layer in order on the pad part on the heater layer; Forming an upper electrode on the moisture sensitive layer and patterning a plurality of regions where the lower moisture sensitive layer is exposed; And etching the substrate in the region where the heater layer and the moisture sensitive layer are formed.
상기 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention as follows.
도 3은 본 발명 일 실시예의 단면도로서, 도시된 바와 같이 습도 센서가 형성된 영역의 기판(30) 일부가 제거된 구조임을 알 수 있다. 본 실시예에서 사용되는 기판(30)은 실리콘 기판이므로 실리콘 기판의 결정 구조에 따라 용이한 벌크 식각으로 상기 트랜치를 쉽게 형성할 수 있으며, 다른 종류의 기판을 이용하는 경우 다양한 식각 방법에 의해 다양한 구조로 식각될 수 있다.3 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention, and as shown, a portion of the substrate 30 in the region where the humidity sensor is formed is removed. Since the substrate 30 used in this embodiment is a silicon substrate, the trench can be easily formed by easy bulk etching according to the crystal structure of the silicon substrate, and in the case of using a different type of substrate, the trench 30 can be formed in various structures by various etching methods. It can be etched.
상기 일부가 제거된 기판(30)의 상부에는 습도 센서를 지지하기 위한 맴브레인층(31)이 위치하며, 그 상부에는 미엔다(meander) 구조의 히터층(32)이 배치된다. The membrane layer 31 for supporting the humidity sensor is positioned on an upper portion of the substrate 30 from which the portion is removed, and a heater layer 32 having a meander structure is disposed on the upper portion of the substrate 30.
상기 히터층(32) 상부에는 절연 및 상기 히터층(32)을 외부 습기나 오염으로부터 보호하기위한 절연층(33)이 형성되며, 상기 히터층(32)에 형성된 전극 연결용 패드 부분을 노출시키기 위해 관통홀이 형성되어 있다. An insulation layer 33 is formed on the heater layer 32 to protect the heater layer 32 from external moisture or contamination, and to expose a portion of the electrode connection pad formed on the heater layer 32. Through holes are formed for this purpose.
그리고, 그 상부에는 하부전극(34), 감습층(35), 상부 전극(36)이 차례로 형성되어 있으며, 본 실시예에서는 외부에 노출되는 연결 전극의 수를 줄이기 위해 상기 히터층(32)의 일측 패드 부분과 하부 전극(34)이 상기 관통홀을 통해 연결되는 구조를 취하였다. 물론, 상부 전극(36)이 상기 히터층(32)의 일측 패드와 연결될 수 있다. 상기 습도 센서의 일측 전극과 연결되는 히터층(32)의 패드는 외부 접지 전극과 연결되는 것이 바람직하다.In addition, a lower electrode 34, a moisture sensitive layer 35, and an upper electrode 36 are sequentially formed thereon, and in this embodiment, to reduce the number of connection electrodes exposed to the outside of the heater layer 32, One pad portion and the lower electrode 34 are connected to each other through the through hole. Of course, the upper electrode 36 may be connected to one side pad of the heater layer 32. The pad of the heater layer 32 connected to one electrode of the humidity sensor is preferably connected to an external ground electrode.
상기 단면도를 통해 확인할 가장 중요한 본 발명의 특징은 습도 센서 부분(34, 35, 36)이 절연층(33)으로 보호된 히터층(32) 상부에 위치한다는 것과, 상기 히터층(32) 및 습도 센서 부분이 맴브레인층(31) 및 절연층(33)에 의해 부유하고 있다는 점이다. 이러한 기판(30)과 센서 부분의 단절은 외부 환경에 대한 단열 조건을 만들며, 이는 상기 히터층(32)이 가열해야 하는 영역을 단순히 습도 센서 부분 만으로 한정하는 역할을 한다. 또한, 상기 히터층(32)이 제공하는 열을 외부로 빼앗기지 않아 보다 균일한 가열이 가능해 진다. 이를 통해 적은 전력으로 빠르고 균일한 가열이 가능해진다. The most important feature of the present invention to be identified through the cross-sectional view is that the humidity sensor portions 34, 35, 36 are located above the heater layer 32 protected by the insulating layer 33, the heater layer 32 and the humidity. The sensor portion is suspended by the membrane layer 31 and the insulating layer 33. This disconnection of the substrate 30 and the sensor portion creates a thermal insulation condition for the external environment, which serves to limit the area to which the heater layer 32 is to be heated only to the humidity sensor portion. In addition, the heat provided by the heater layer 32 is not taken out to the outside, thereby enabling more uniform heating. This enables fast and uniform heating with low power.
상기 빠르고 균일한 가열은 상기 습도 센서의 재현성 및 균일성을 비약적으로 높이게 되는 바, 외부 오염물이나 습기에 따른 신뢰성 감소를 방지할 수 있게 되며, 측정 응답 속도를 높일 수 있게 된다.The rapid and uniform heating greatly increases the reproducibility and uniformity of the humidity sensor, thereby preventing a decrease in reliability due to external contaminants or moisture, and increasing the measurement response speed.
도 4는 도 3에 도시한 본 발명 실시예의 상부 평면도로서, 이를 통해 본 발명의 다른 특징인 상부전극(36)에 대해 살펴보도록 한다. 도시된 바와 같이 상기 상부전극(36)은 매쉬형 구조를 가지고 있는데, 이를 통해 외부 습기가 상기 패턴 구조에 의해 노출되는 감습층(35)에 원활하게 전달 되도록 할 수 있으며, 상기 구조적 변경에 의해 정전 용량을 쉽게 변화시킬 수도 있다. 이는 사용하고자 하는 용도에 적합한 습도 센서를 용이한 방법으로 제조할 수 있다는 것을 의미한다.FIG. 4 is a top plan view of the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, through which the upper electrode 36 which is another feature of the present invention will be described. As shown, the upper electrode 36 has a mesh type structure, through which external moisture can be smoothly transferred to the moisture sensitive layer 35 exposed by the pattern structure. The dose can also be easily changed. This means that a humidity sensor suitable for the intended use can be manufactured in an easy manner.
도시된 구조에서 하부 전극(34)의 일부가 히터층(32)의 일측 패드 부분 상부에 형성된 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 외부와 연결되는 전극이 3개로 줄어들었음을 알 수 있다. 이는 이후 본 발명의 구조물을 패키징하는 과정에서 필요한 외부 전극 결선을 보다 용이하게 한다.In the illustrated structure, it can be seen that a part of the lower electrode 34 is formed on one side of the pad portion of the heater layer 32, and through this, it can be seen that the number of electrodes connected to the outside is reduced to three. This makes it easier to connect external electrodes required in the process of packaging the structure of the present invention.
도 5는 상기와 같은 본 발명 일 실시예의 사시도를 보인 것으로 이를 통해 보다 입체적으로 본 발명의 구조를 이해할 수 있을 것이다. 도시된 점선 부분은 기판(30)에 형성된 캐비티를 나타내는 것이다. Figure 5 shows a perspective view of an embodiment of the present invention as described above will be able to understand the structure of the present invention in more three-dimensional through this. The dotted line portion shown represents the cavity formed in the substrate 30.
도시된 구조를 보면 본 발명의 습도 센서 부분이 맴브레인층(31)과 절연층(33)을 통해 부유하고 있으며, 이를 통해 히터부(32)를 통해 제공하는 열을 손실없이 센서 부분에 전달할 수 있다는 것을 확인할 수 있을 것이다. Referring to the structure shown, the humidity sensor portion of the present invention is suspended through the membrane layer 31 and the insulating layer 33, through which the heat provided through the heater unit 32 can be transferred to the sensor portion without loss. You will see that.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도로서, 도시된 바와 같이 비교적 단순한 공정들을 통해 용이하게 형성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 센서 부분이 실리콘 기판(30) 상에 반도체 공정 만으로 형성될 수 있으므로, 다양한 제어 회로를 상기 실리콘 기판(30) 상에 집적할 수 있으며, 하나의 웨이퍼 상에서 다수의 습도 센서를 대량 생산할 수 있다는 것도 알 수 있다. 6A to 6E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an embodiment of the present invention, and it can be seen that they can be easily formed through relatively simple processes as shown. In addition, since such a sensor portion can be formed on the silicon substrate 30 only by a semiconductor process, various control circuits can be integrated on the silicon substrate 30, and a large number of humidity sensors can be mass produced on one wafer. It can also be seen that.
먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(30) 상부에 실리콘 질화막(SiNx), ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 등을 이용하여 맴브레인층(31)을 형성하고, 그 상부에 히터로 사용될 재료를 스퍼터링 방식으로 형성한 후 건식 식각으로 패터닝하여 히터층(32)을 형성한다. 상기 히터층(32)의 각 종단 부분에는 외부 연결을 위한 패드가 형성된다. 상기 히터층(32)은 칸탈, 백금, 텅스텐 실리사이드 등과 같은 재료를 이용할 수 있으며, 리프트 오프(lift-off)법으로도 형성 가능하다.First, as shown in FIG. 6A, a membrane layer 31 is formed on a silicon substrate 30 using a silicon nitride film (SiNx), an oxide-nitride-oxide (ONO), or the like, and a material to be used as a heater thereon. After the sputtering method is formed to form a heater layer 32 by patterning by dry etching. Each end portion of the heater layer 32 is formed with a pad for external connection. The heater layer 32 may be formed of a material such as cantal, platinum, tungsten silicide, or the like, and may also be formed by a lift-off method.
그 다음, 도 6b에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 절연과 히터층(32) 보호를 위해 옥사이드 절연막(SiO2)을 화학 기상 증착 법으로 증착한 후 상기 히터층(32)의 패드 부분을 노출시키기 위해 관통홀을 형성한다. 이는 선택적으로 실시될 수 있다는데 주의한다.Next, as shown in FIG. 6B, an oxide insulating film SiO 2 is deposited on the entire upper surface of the formed structure to protect the insulation layer and the heater layer 32 by chemical vapor deposition, and then the pad portion of the heater layer 32. Form through-holes to expose them. Note that this may be done selectively.
그 다음, 도 6c에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 하부 전극(34)을 증착 및 패터닝하거나 리프트-오프법으로 형성한다. 이미 전술했던 바와 같이 이 단계에서 상기 하부 전극이 상기 노출된 히터층(32)의 패드 부분과 관통홀을 통해 연결될 수 있으며, 이후 상부 전극을 형성하면서 상부 전극을 상기 히터층(32)의 노출된 패드 부분과 연결할 수 있다. 물론, 이렇게 연결하지 않고 별도의 패드 부분을 형성할 수도 있으나, 본 실시예에서는 외부와 연결되는 전극의 수를 줄이기 위해 위와 같은 방법을 이용한 것이다.Subsequently, as shown in FIG. 6C, the lower electrode 34 is deposited and patterned or lift-off on the upper surface of the formed structure. As described above, in this step, the lower electrode may be connected to the pad portion of the exposed heater layer 32 through a through hole, and then the upper electrode may be exposed while the upper electrode is formed while forming the upper electrode. Can be connected to the pad part. Of course, it is also possible to form a separate pad portion without this connection, in this embodiment is to use the above method to reduce the number of electrodes connected to the outside.
그 다음, 도 6d에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 다공성 활성탄, 제올라이트(zeolite), 알루미나등을 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 혹은 분사(dispensing) 방법으로 형성한 후 패터닝하여 감습층(35)을 형성하고, 그 상부에 상부 전극(36)을 형성한후 매쉬 구조로 건식 식각한다. 상기 감습 재료는 무기재료이며, 이를 통해 폴리머와 같은 온도 제한 없이 습도를 측정할 수 있어 본 발명의 활용 범위가 더욱 넓어지게 된다.Next, as illustrated in FIG. 6D, porous activated carbon, zeolite, alumina, etc. are formed on the entire surface of the upper part of the formed structure by spin coating, dip coating, or dispensing. Subsequently, the patterned layer 35 is formed, the upper electrode 36 is formed on the upper portion thereof, and dry etching is performed in a mesh structure. The moisture-sensitive material is an inorganic material, through which the humidity can be measured without a temperature limit such as a polymer, thereby widening the application range of the present invention.
그 다음, 도 6e에 도시한 바와 같이 상기 형성된 히터층(32) 및 습도 센서부의 하부에 위치한 기판(30)을 실리콘 식각액(KOH, TMAH 용액등)으로 습식각하여 트랜치(37)를 형성한다.Next, as illustrated in FIG. 6E, the trench 37 is formed by wet etching the formed heater layer 32 and the substrate 30 positioned below the humidity sensor unit with a silicon etchant (KOH, TMAH solution, etc.).
상기와 같이 본 발명에 따른 습도 센서는 그 크기, 소비 전류, 응답 속도, 특정 정밀도 및 신뢰성 면에서 대단히 뛰어난 성능을 발휘하게 된다. 도 7은 상기와 같은 본 발명 일 실시예를 제조하여 측정한 습도 센서의 감습 특성을 나타낸 것이다. As described above, the humidity sensor according to the present invention exhibits excellent performance in terms of size, current consumption, response speed, specific precision, and reliability. Figure 7 shows the humidity characteristics of the humidity sensor measured by manufacturing an embodiment of the present invention as described above.
도시한 바와 같이 대단히 선형적이므로 신호 처리에 유리한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있을 것이다. As shown in the drawing, it is very linear, and thus it can be seen that it has advantageous properties for signal processing.
상기한 바와 같이 본 발명 박막형 습도 센서 및 그 제조 방법은 상대습도 센서에 히터를 내장하고 빠르고 고른 열전달 및 낮은 전류 소모를 위해 히터와 센서 하부의 기판을 제거하는 것으로 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있으며, 오염에 강한 귀금속으로 상부 전극을 형성하도록 하여 감습층에 습기가 원활히 도달할 수 있도록 하면서도 오염을 방지하고 감습의 정확도를 향상시킬 수 있어 전력 소모, 응답속도, 재현성과 균일성 및 신뢰성을 모두 개선할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention is a thin film type humidity sensor and a method of manufacturing the same. The moisture and contaminants penetrated into the moisture absorbing film by removing the heater and the substrate under the sensor for fast and even heat transfer and low current consumption. Can be effectively removed, and the upper electrode is made of noble metal that is resistant to contamination, so that moisture can reach the moisture-sensitive layer smoothly, while preventing contamination and improving the accuracy of humidity, thereby reducing power consumption, response speed, reproducibility and uniformity. This has the effect of improving both sex and reliability.
도1a 및 도1b는 종래 습도센서의 일실시예에 따른 제조공정 수순사시도.Figure 1a and Figure 1b is a manufacturing process procedure perspective view according to an embodiment of the conventional humidity sensor.
도2a 내지 도2c는 종래 습도센서의 다른 실시예에 따른 제조공정 수순사시도.Figure 2a to 2c is a manufacturing process procedure perspective view according to another embodiment of the conventional humidity sensor.
도3은 본 발명 일 실시예의 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view of one embodiment of the present invention.
도4는 도 3에 도시한 일 실시예의 상부 평면도.4 is a top plan view of the embodiment shown in FIG.
도5는 본 발명 일 실시예의 사시도.Figure 5 is a perspective view of one embodiment of the present invention.
도6a 내지 도 6e는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도.Figure 6a to 6e is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an embodiment of the present invention.
도7은 본 발명 일 실시예의 측정 결과를 보이는 그래프도.Figure 7 is a graph showing the measurement results of one 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: 히터층 33: 절연층32: heater layer 33: insulation layer
34: 하부전극 35: 감습층34: lower electrode 35: moisture sensitive layer
36: 상부전극 37: 캐비티36: upper electrode 37: cavity
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