KR20090002424A - 가스 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기판의 하부에 멤브레인 지지대가 별도로 구비되어 있어, 열에 의하여 멤브레인의 응력 변형을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 절연막 상부에 접착제층을 형성하고, 접착제층 상부에 감지 전극 패턴 및 감지막을 형성함으로써, 감지막의 고정을 우수하게 하여 장기간 사용으로 감지막이 분리되는 현상을 방지할 수 있고, 가스 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
가스센서, 지지대, 멤브레인, 식각, 균일

Description

가스 센서 및 그의 제조 방법 { Gas sensor and manufactutring method thereof }
도 1은 종래 기술에 따른 반도체식 가스센서의 단면도
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 단면도
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 단면도
도 4a와 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 5a 내지 5f는 도 4a에 도시된 일례의 구조물을 형성하는 세부공정을 설명하기 위한 단면도
도 6a 내지 6e는 도 4a에서 도 4b를 형성하기 위한 일례의 세부공정을 설명하기 위한 단면도
도 7은 본 발명에 따른 가스 센서의 기판 하부면의 형상을 설명하기 위한 개략적인 평면도
도 8은 본 발명에 따른 가스 센서의 기판 하부면의 다른 형상을 도시한 개략적인 평면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 멤브레인막
115 : 관통홀 120 : 가열 전극 패턴
130 : 절연막 140 : 감지 전극 패턴
150 : 감지막 160 : 접착제층
170 : 마스크층 200 : 지지대
본 발명은 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멤브레인 지지대가 별도로 구비하여, 열에 의하여 멤브레인의 응력 변형을 줄일 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 전지구적인 관심사인 환경문제는 그 대상에 따라 대기환경, 수질환경 및 토양환경으로 나누어 볼 수 있다.
이중, 대기환경문제의 원인이 되고 있는 대기 오염은 단시간 내에 불특정 다수에게 치명적인 위해를 줄 수 있을 뿐만 아니라, 장기적으로 이상 기후 현상의 원인이 되고 있다.
따라서, 대기 환경 오염원을 연속적으로 모니터링하여 오염 배출원에 대한 규제를 적극적으로 시행할 필요가 있다.
그리고, 다가오는 유비쿼터스 시대에 맞추어 실내 공기 질 또한 중요한 관심 사로 생각되고 있어 휴대용 가스센서의 개발이 요구되고 있다.
이런, 휴대용 가스센서는 전자산업의 발전과 소형화에 힘입어 저전력을 소모하고 작은 크기의 구조를 필요로 하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체식 가스센서의 단면도로서, 종래의 반도체식 가스센서는 중앙 영역에 관통홀(11)이 제거된 실리콘 기판(20)과; 상기 실리콘 기판(20) 상부에 형성된 멤브레인(Membrane)막(30)과; 상기 관통홀(11)이 존재하는 멤브레인막(30) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(40)과; 상기 가열 전극 패턴(40)을 감싸며, 상기 멤브레인막(30) 상부에 형성된 절연막(50)과; 상기 가열 전극 패턴(40)이 존재하는 절연막(50) 상부에 형성된 감지 전극 패턴(60)과; 상기 감지 전극 패턴(60)으로부터 이격된 외측의 절연막(50) 상부에 접착제(80)로 접착된 지지대(90)와; 상기 감지 전극 패턴(60)을 감싸며, 상기 절연막(50) 상부에 형성된 감지막(70)으로 구성된다.
상기 반도체식 가스센서는 관통홀(11)로 부상되어 있는 얇은 멤브레인(Membrane)막(30) 상부에 가스를 감지하기 위한 감지부(감지 전극 패턴 및 감지막)와 감지부를 일정 온도까지 올리기 위한 가열부(가열 전극 패턴)을 형성하여, 열 손실을 줄이는 구조를 적용하고 있다.
여기서, 상기 감지막으로 사용되는 금속산화물들은 SnO2, TiO2, WO3, ZnO 등의 물질들이 모재(母材)로 사용되고 있으며, 모재에 가스 감지의 감도를 높이기 위해 또는 여러 종류의 가스를 측정할 때 선택성을 높이기 위해 Pt, Pd, Au 등과 같 은 첨가물들을 첨가하게 된다.
또한, 감지 전극 패턴은 상기 감지막의 전기 저항 변화를 측정하기 위하여 형성된다.
그리고, 감지부가 원활하게 가스를 감지하기 위해서는 가열부에 의해 적정한 동작온도로 올려주어야 하며, 이때 가열부로 사용되는 물질들은 Pt, Poly-Si, RuO2등이 사용된다.
이런, 반도체식 가스센서는 가열부에 의해 일정 온도로 가열된 감지막이 가스에 노출되면 가스가 감지막의 금속산화물에 흡착되어 반응이 이루어져 금속산화물의 저항이 증가 또는 감소하게 된다.
이러한 종래의 반도체식 가스센서는 감지 물질을 도포하기 위한 방법으로 일정량의 액상 감지물질을 가열 부위에 떨어뜨린 후, 고온에서 감지물질을 소결함으로써 가스 센서를 제작하였다.
전술된 가스센서는 주기적인 가열부에 의한 온도상승으로 인하여, 멤브레인의 응축 및 팽창이 반복되어 멤브레인막의 균열을 초래하고, 결과적으로 내구성에 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기판의 하부에 멤브레인 지지대가 별도로 구비되어 있어, 열에 의하여 멤브레인의 응력 변형을 줄일 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 절연막 상부에 접착제층을 형성하고, 접착제층 상부에 감지 전극 패턴 및 감지막을 형성함으로써, 감지막의 고정을 우수하게 하여 장기간 사용으로 감지막이 분리되는 현상을 방지할 수 있고, 가스 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 제 1 양태(樣態)는,
기판과;
상기 기판 상부에 형성된 멤브레인막과;
상기 멤브레인막 상부에 형성된 가열 전극 패턴과;
상기 가열 전극 패턴을 감싸며 상기 멤브레인막 상부에 형성된 절연막과;
상기 절연막 상부에 형성된 접착제층과;
상기 접착제층 상부에 형성된 감지 전극 패턴과;
상기 감지 전극 패턴을 감싸며 상기 접착제층 상부에 형성된 감지막으로 구성되며,
상기 기판 하부 일부가 제거되어, 상기 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 제 2 양태(樣態)는,
기판과, 상기 기판 상부에 형성된 멤브레인막과, 상기 멤브레인막 상부에 형 성된 가열 전극 패턴과, 상기 가열 전극 패턴을 감싸며 상기 멤브레인막 상부에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상부에 형성된 접착제층과, 상기 접착제층 상부에 형성된 감지 전극 패턴과, 상기 감지 전극 패턴을 감싸며 상기 접착제층 상부에 형성된 감지막으로 구성되며, 상기 기판 하부 일부가 제거되어, 상기 감지막 하부에 있는 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 구조물을 준비하는 단계와;
상기 기판 하부를 선택적으로 식각하여, 상기 멤브레인막 영역의 일부를 하부로부터 부상시키는 단계로 구성된 가스 센서의 제조 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 단면도로서, 기판(100)과; 상기 기판(100) 상부에 형성된 멤브레인막(110)과; 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(120)과; 상기 가열 전극 패턴(120)을 감싸며 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 절연막(130)과; 상기 절연막(130) 상부에 형성된 감지 전극 패턴(140)과; 상기 감지 전극 패턴(140)을 감싸며 상기 절연막(130) 상부에 형성된 감지막(150)으로 구성되며, 상기 기판(100) 하부 일부가 제거되어, 상기 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 노출된 멤브레인막 영역은 상기 기판(100)의 두께(t1)보다 작은 두께(t2)를 갖는 기판 영역(105)에 의해 분리되어 있는 것이 바람직하다.
즉, 제거되지 않은 기판(100) 영역의 두께는 't1'이고, 일부가 제거된 기판(100) 영역의 두께는 't2'이다.
그러므로, 상기 노출된 멤브레인막 영역은, 상기 일부가 제거된 기판(100) 영역에 의해 분리된다.
결국, 상기 기판의 두께보다 작은 두께를 갖는 기판 영역은 하부로부터 부상된 멤브레인막 영역을 보다 견고하게 지지하기 위한 지지대 역할을 수행한다.
그러므로, 본 발명의 제 1 실시예의 가스 센서는 기판의 하부에 멤브레인 지지대가 별도로 구비되어 있어, 열에 의하여 멤브레인의 응력 변형을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 단면도로서, 기판(100)과; 상기 기판(100) 상부에 형성된 멤브레인막(110)과; 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(120)과; 상기 가열 전극 패턴(120)을 감싸며 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 절연막(130)과; 상기 절연막(130) 상부에 형성된 접착제층(160)과; 상기 접착제층(160) 상부에 형성된 감지 전극 패턴(140)과; 상기 감지 전극 패턴(140)을 감싸며 상기 접착제층(160) 상부에 형성된 감지막(150)으로 구성되며, 상기 기판(100) 하부 일부가 제거되어, 상기 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 접착제층(160)은 상기 절연막(130) 및 감지막(150)과의 접착성 을 우수하게 할 수 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예의 가스 센서는 절연막 상부에 접착제층을 형성하고, 접착제층 상부에 감지 전극 패턴 및 감지막을 형성함으로써, 감지막의 고정을 우수하게 하여 장기간 사용으로 감지막이 분리되는 현상을 방지할 수 있고, 가스 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
전술된 본 발명의 제 1 및 2 실시예의 가스센서의 기판(100)은 실리콘 기판이 바람직하고, 상기 멤브레인막(110)은 상기 실리콘 기판 상부에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 순차적으로 적층된 막이 바람직하다.
그리고, 상기 접착제층(160)은 글래스 프릿(Glass Frit)이 바람직하다.
도 4a와 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 먼저, 기판(100)과; 상기 기판(100) 상부에 형성된 멤브레인막(110)과; 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(120)과; 상기 가열 전극 패턴(120)을 감싸며 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 절연막(130)과; 상기 절연막(130) 상부에 형성된 접착제층(160)과; 상기 접착제층(160) 상부에 형성된 감지 전극 패턴(140)과; 상기 감지 전극 패턴(140)을 감싸며 상기 접착제층(160) 상부에 형성된 감지막(150)으로 구성되며, 상기 기판(100) 하부 일부가 제거되어, 상기 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 구조물을 준비한다.(도 4a)
그 후, 상기 기판(100) 하부를 선택적으로 식각하여, 상기 멤브레인막 영역의 일부를 하부로부터 부상시킨다.(도 4b)
그리고, 상기 기판 하부의 식각은 적어도 2번 이상의 식각 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 제 1 실시예의 제조 방법인 경우에는 도 4a의 공정에서, 상기 기판(100) 상부에, 형성된 멤브레인막(110)과; 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(120)과; 상기 가열 전극 패턴(120)을 감싸며 상기 멤브레인막(110) 상부에 형성된 절연막(130)과; 상기 절연막(130) 상부에 형성된 감지 전극 패턴(140)과; 상기 감지 전극 패턴(140)을 감싸며 상기 절연막(130) 상부에 형성된 감지막(150)으로 이루어진 구조물이 형성되어 있으면 된다.
도 5a 내지 5f는 도 4a에 도시된 일례의 구조물을 형성하는 세부공정을 설명하기 위한 단면도로서, 먼저, 기판(100) 상부에 멤브레인막(110)을 형성한다.(도 5a)
여기서, 상기 기판(100)은 실리콘 기판이 바람직하고, 상기 실리콘 기판 상부에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 순차적으로 적층된 막을 형성하여, 상기 멤브레인막(110)을 형성한다.
그 후, 상기 멤브레인막(110) 상부에 가열 전극 패턴(120)을 형성한다.(도 5b)
이어서, 상기 가열 전극 패턴(120)을 감싸며, 상기 멤브레인막(110) 상부에 절연막(130)을 형성한다.(도 5c)
계속하여, 상기 절연막(130) 상부에 접착제층(160)을 형성한다.(도 5d)
연이어, 상기 접착제층(160) 상부에 감지 전극 패턴(140)을 형성한다.(도 5e)
그 다음, 상기 감지 전극 패턴(140)을 감싸며, 상기 접착제층(160) 상부에 감지막(150)을 형성한다.(도 5f)
여기서, 상기 감지막(150)은 Pt, Pd, Al2O3 등과 같은 첨가물들이 포함된 SnO2, TiO2, WO3 등의 금속 산화물 감지 물질을 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 6a 내지 6e는 도 4a에서 도 4b를 형성하기 위한 일례의 세부공정을 설명하기 위한 단면도로서, 도 4a 상태의 기판(100) 하부에 마스크층(170)을 형성한다.(도 6a)
이어, 상기 마스크층(170)을 패터닝한다.(도 6b)
그 다음, 상기 패터닝된 마스크층(171)에 노출된 기판(100) 하부의 일부를 식각한다.(도 6c)
연이어, 상기 식각된 기판 영역 내에 있는 마스크층을 제거한다.(도 6d)
그 후, 상기 마스크층(171)에 노출된 기판(100) 하부를 상기 기판(100) 하부면의 수직선상으로 균일하게 식각하여, 상기 멤브레인막(110)을 노출시킨다.(도 6e)
이때, 상기 마스크층(171)에 노출된 기판(100) 하부를 상기 기판(100) 하부면의 수직선상으로 균일하게 식각하면, 도 6c에서 식각된 기판 영역은 상기 멤브레인막(110)이 노출된다.
여기서, 균일하게 식각하기 위한 공정은 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 기술을 이용한다.
그리고, 도 6d에서 마스크층이 제거된 기판 영역은 상기 멤브레인막(110)이 노출되지 않는다.
즉, 상기 기판(100) 하부면의 수직선상으로 균일하게 식각하면, 1차 식각공정에서 식각된 기판 영역은 멤브레인막이 노출되고, 1차 식각공정에서 식각되지 않은 기판 영역은 1차 식각공정에서 식각된 기판 영역보다 두꺼워서, 전부 식각되지 않고 남아있게 된다.
그러므로, 최종 식각 공정이 완료된 상태에서, 상기 기판(100)의 두께(t1)보다 작은 두께(t2)를 갖는 기판 영역(105)이 남아있게 되고, 이 작은 두께(t2)를 갖는 기판 영역(105)은 멤브레인의 지지대 역할을 수행하는 것이다.
결국, 상기 노출된 멤브레인막 영역은 상기 기판(100)의 두께(t1)보다 작은 두께(t2)를 갖는 기판(105) 영역에 의해 분리되어 있게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 가스 센서의 기판 하부면의 형상을 설명하기 위한 개략적인 평면도로서, 기판(100) 하부 일부가 제거되어, 멤브레인막(110) 일부 영역 이 노출되어 있으며, 상기 노출된 멤브레인막 영역은 기판 영역(105)에 의해 분리되어 있다.
여기서, 상기 노출된 멤브레인막 영역을 분리하는 기판 영역(105)은 기판(100)보다 두께가 작은 영역이다.
따라서, 상기 기판의 두께보다 작은 두께를 갖는 기판 영역은 하부로부터 부상된 멤브레인막 영역을 보다 견고하게 지지하기 위한 지지대 역할을 수행한다.
도 8은 본 발명에 따른 가스 센서의 기판 하부면의 다른 형상을 도시한 개략적인 평면도로서, 기판(100) 하부면에는 멤브레인막(110)이 노출되는 복수개의 관통홀들(115)이 형성되어 있고, 상기 복수개 관통홀들(115) 사이에는 지지대(200)가 형성되어 있다.
이 지지대(200)는 상기 멤브레인막(110)을 보다 견고하게 지지하기 위한 것으로, 전술된 바와 같이 기판(100)과 동일한 재질로 형성할 수 있다.
이와 같이, 상기 멤브레인막을 지지하기 위한 기판(100) 하부면의 패턴 형상은 다양하게 형성할 수 있는 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 기판의 하부에 멤브레인 지지대가 별도로 구비되어 있어, 열에 의하여 멤브레인의 응력 변형을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 절연막 상부에 접착제층을 형성하고, 접착제층 상부에 감지 전극 패턴 및 감지막을 형성함으로써, 감지막의 고정을 우수하게 하여 장기간 사용으로 감지막이 분리되는 현상을 방지할 수 있고, 가스 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (9)

  1. 기판과;
    상기 기판 상부에 형성된 멤브레인막과;
    상기 멤브레인막 상부에 형성된 가열 전극 패턴과;
    상기 가열 전극 패턴을 감싸며 상기 멤브레인막 상부에 형성된 절연막과;
    상기 절연막 상부에 형성된 접착제층과;
    상기 접착제층 상부에 형성된 감지 전극 패턴과;
    상기 감지 전극 패턴을 감싸며 상기 접착제층 상부에 형성된 감지막으로 구성되며,
    상기 기판 하부 일부가 제거되어, 상기 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    제거되지 않은 기판 영역과 일부가 제거된 기판 영역으로 구성되며,
    상기 노출된 멤브레인막 영역은,
    상기 일부가 제거된 기판 영역으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 하부 일부가 제거되어, 상기 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 것은,
    상기 기판 하부면에는 멤브레인막이 노출되는 복수개의 관통홀들이 형성되어 있고, 상기 복수개 관통홀들 사이에는 지지대가 형성되어 있는 것으로 구현되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 기판과, 상기 기판 상부에 형성된 멤브레인막과, 상기 멤브레인막 상부에 형성된 가열 전극 패턴과, 상기 가열 전극 패턴을 감싸며 상기 멤브레인막 상부에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상부에 형성된 접착제층과, 상기 접착제층 상부에 형성된 감지 전극 패턴과, 상기 감지 전극 패턴을 감싸며 상기 접착제층 상부에 형성 된 감지막으로 구성되며, 상기 기판 하부 일부가 제거되어, 상기 감지막 하부에 있는 멤브레인막 영역의 일부가 노출되어 있는 구조물을 준비하는 단계와;
    상기 기판 하부를 선택적으로 식각하여, 상기 멤브레인막 영역의 일부를 하부로부터 부상시키는 단계로 구성된 가스 센서의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 구조물을 준비하는 단계는,
    상기 기판 상부에 멤브레인막을 형성하는 단계와;
    상기 멤브레인막 상부에 가열 전극 패턴을 형성하는 단계와;
    상기 가열 전극 패턴을 감싸며, 상기 멤브레인막 상부에 절연막을 형성하는 단계와;
    상기 절연막 상부에 접착제층을 형성하는 단계와;
    상기 접착제층 상부에 감지 전극 패턴을 형성하는 단계와;
    상기 감지 전극 패턴을 감싸며, 상기 접착제층 상부에 감지막을 형성하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 하부를 선택적으로 식각하여, 상기 멤브레인막 영역의 일부를 하 부로부터 부상시키는 단계는,
    상기 기판 하부에 마스크층을 형성하는 단계와;
    상기 마스크층을 패터닝하는 단계와;
    상기 패터닝된 마스크층에 노출된 기판 하부의 일부를 식각하는 단계와;
    상기 식각된 기판 영역 내에 있는 마스크층을 제거하는 단계와;
    상기 마스크층에 노출된 기판 하부를 상기 기판 하부면의 수직선상으로 균일하게 식각하여, 상기 멤브레인막을 노출시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 멤브레인막은,
    상기 실리콘 기판 상부에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 순차적으로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 균일하게 식각하기 위한 공정은,
    반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 기술을 이용하는 것을 특징으 로 하는 가스 센서의 제조 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 하부를 선택적으로 식각하여, 상기 멤브레인막 영역의 일부를 하부로부터 부상시키는 단계는,
    상기 기판 하부면에 상기 멤브레인막이 노출되는 복수개의 관통홀들을 형성하고, 상기 복수개 관통홀들 사이에 상기 제거되지 않은 기판의 두께보다 작은 두께를 갖는 기판 영역으로 상기 멤브레인막의 지지대를 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
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