KR20100101046A - 가스 센서 - Google Patents

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KR20100101046A
KR20100101046A KR1020097018272A KR20097018272A KR20100101046A KR 20100101046 A KR20100101046 A KR 20100101046A KR 1020097018272 A KR1020097018272 A KR 1020097018272A KR 20097018272 A KR20097018272 A KR 20097018272A KR 20100101046 A KR20100101046 A KR 20100101046A
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KR
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gas
sensing
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gas sensing
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KR1020097018272A
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고이치 이카와
마사히토 기다
신이치로 기토
요시노리 츠지무라
다키오 고지마
Original Assignee
니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

실리콘 기판(2) 및 절연 코팅층(3)으로 구성되는 가스 감지층(4)과 베이스 부재(15) 사이에는 이들 사이의 접착을 개선하고 분리를 방지하기 위하여 접착층(7)이 형성된다. 상기 가스 감지층(4) 및 감지 전극(6)은 상기 가스 감지층(4) 상에서 상기 가스 감지층(4)을 마주보는 대향 표면(61) 및 상기 감지 전극 양측의 측 표면들의 접경에 의하여 전기적으로 접속되고, 따라서, 가스 센서는 특정 가스의 농도 변화에 따라 변화되는 상기 가스 감지층(4)의 전기적 특성을 적절하게 감지한다. 또한, 상기 감지 전극(6)은 상기 가스 감지층(4)에는 접촉되나, 상기 접착층(7)에는 접촉되지 않는다. 그러므로, 상기 접착층(7)은 완전한 절연층으로 될 필요가 없고, 상기 접착층으로서는 불완전 절연막 또는 도전성 막을 사용하는 것이 가능하며, 따라서 상기 접착층(7)에 대한 선택의 폭이 커진다.

Description

가스 센서{GAS SENSOR}
본 발명은 주요 성분으로서 금속 산화 반도체를 함유하는 가스 감지층을 포함하는 가스 센서에 관한 것이다.
가스 센서는, 촉매로서 백금(Pt)과 같은 귀금속을 지지하기 위하여 주석 산화물(SnO2)과 같은 금속 산화 반도체를 포함하며, 측정 가스에 의하여 변화되는 전기적 특성(저항과 같은)에 의하여 감지되는 측정 가스의 농도 변화를 감지하기 위하여 배열되는 것으로 주지되어 있다. 이러한 가스 센서의 제조 방법에서, 귀금속을 포함하는 액체 용액 내에서 금속 산화 반도체 분말을 함침한 이후에 하소함에 의하여, 귀금속이 금속 산화 반도체의 표면에 분산된 상태로 지지된다(참조. 예를 들면, 특허문헌 1).
금속 산화 반도체 상에 촉매로서 지지되는 기본 금속 산화물을 포함하는 가스 감지층을 사용함으로써, 황화수소 또는 메르캅탄에 의하여 유발되는 다양한 냄새에 높은 가스 감지도를 달성하는 것은 주지되어 있다(참조. 예를 들면, 특허문헌 2). 그러나, 기본 금속 산화물은 전기적 저항이 높고, 특허문헌 1에서와 같이 개별적으로 금속 산화 반도체 상에 지지되는 기본 금속 산화물의 구조는 가스 감지층의 전기적 저항을 증가시키며, 가스 센서의 회로 설계를 어렵게 한다. 가스 감지층의 전기적 저항의 증가는 금속 산화 반도체 분말의 가스 감지층을 소결함으로써 얻어지는 소결 생성물(가스 감지층)의 표면 상에 상기 기본 금속 산화물을 지지하는 구조에 의하여 방지할 수 있다(참조. 예를 들면, 특허문헌 3).
이러한 가스 센서의 가스 감지층은 정상 온도에서 측정 가스와 반응하지 않으며, 200~400℃로 가열될 때 활성화되어 상기 측정 가스와 반응한다. 그러므로, 일반적으로, 상기 가스 감지층이 형성되는 반도체 기판과 같은 기본 부재에는 열을 발생시키는 저항이 마련된다. 그러나, 상기 열발생 저항을 사용함에 따라 상기 가스 센서가 고온에서 구동될 때, 상기 가스 감지층과 기본 부재 사이의 열 팽창 차이로 인하여 상기 가스 감지층과 기본 부재 사이의 경계면이 분리될 가능성이 있다. 더욱이, 이러한 가스 센서에서는, 높은 신뢰성을 얻기 위하여 상기 가스 감지층과 기본 부재 사이에 기계적 접착 강도를 증가시켜야 한다는 당연한 필요성이 존재한다. 그러므로, 상기 가스 감지층과 기본 부재 사이에 형성되는 접착층을 갖는 다양한 구조가 제안된다. 그 일 예로는, 박막 저항의 형태로 백금(Pt)으로 형성된 히터와 하부 절연막과의 사이에 형성되는 하프늄 산화층으로 열 팽창을 완화시키도록 배열된 열 타입 센서(heat type sensor)가 제안된다(참조. 예를 들면, 특허문헌 4). 또 다른 예로는 기판 상의 전극층의 표면에 요철을 형성하고, 또한 상기 2개층의 물질 조성이 점진적으로 변화되도록 전기적으로 도전성이며 경사기능재료로 되 는 중간층을 상기 전극층과 가스 감지층 사이에 제공함으로써, 상기 전극층의 표면 영역을 증가시켜 열팽창 계수를 완화시키는 구조로 된 가스 센서가 제안된다(참조. 특허문헌 5).
특허문헌 1 : 일본국 공개특허공보 소63-279150호
특허문헌 2 : 일본국 특허공보 평06-27719호
특허문헌 3 : 일본국 특허공보 평05-51096호
특허문헌 4 : 일본국 공개특허공보 2001-91486호
특허문헌 5 : 일본국 공개특허공보 평09-33470호
그러나, 비록 특허문헌 4에서 제안된 바의 열 타입 센서의 구조가 큰 접촉 영역을 갖는 박막들 사이의 접착을 개선하는 데에는 효과적이라 하더라도, 이러한 구조는 후막의 가스 센서층과 기본 부재 사이에서는 접촉 영역이 작기 때문에 효과적이지 못하다. 특허문헌 5에서 제안된 바의 가스 센서는 상기 전극층을 불규칙하게 형성하고 상기 전극층 상에 도전성 중간층을 형성함으로써 상기 기본 부재와 가스 감지층 사이의 접착을 달성할 수 있다. 그러나, 상기 감지 전극과 가스 감지층 사이의 경계면에서 측정 가스의 가스 반응이 일어나고, 상기 전극층과 가스 감지층 사이에, 상기 가스 감지층과는 상이한 조성의 도전성 중간층을 형성함에 의하여 가스 감지도에 불리한 영향을 미칠 수가 있다.
그러므로, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 접착층을 사용함으로써 기본 부재로부터 가스 감지층의 박리현상을 방지하고, 가지 감지도에 바람직스럽지 못한 영향을 미치지 않으면서도 특정 가스의 농도 변화를 적절히 감지하기 위한 가스 센서를 제공하는 것이다.
기본 부재 상에 형성되며, 테스트할 측정가스 중 특정의 또는 소정의 가스의 농도 변화에 따라 변화되는 전기적 특성을 갖는 금속 산화 반도체를 주요 성분으로서 포함하는 가스 감지층으로 이루어지는 가스 센서에 있어서, 본 발명 개시의 실시예 1에 의한 가스 센서는 상기 기본 부재 상에 형성되며 상기 가스 감지층의 전기적 특성 변화를 감지하기 위하여 배열되는 한 쌍의 감지 전극, 및 상기 가스 감지층에 접촉하는 접착층을 더욱 포함하며, 상기 감지 전극은 상기 가스 감지층에는 접촉되지만 상기 접착층에는 접촉되지 않는 것을 특징으로 하며; 또한, 상기 기본 부재는 두께 방향으로 연장되는 개구부가 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 상기 개구부를 마주보는 위치에 형성되는 분리벽부를 포함하는 절연층, 상기 분리벽부 상에 형성되는 열발생 저항, 및 상기 열발생 저항을 커버하기 위하여 상기 절연층 상에 형성되는 보호막을 포함하며, 상기 열발생 저항, 상기 감지 전극, 상기 접착층 및 가스 감지층은 상기 기본 부재의 보호층 상에 형성됨을 특징으로 한다.
상기 실시예 1에 의한 가스 센서는 상기 가스 감지층에는 접촉하지만 상기 접착층에 접촉되지 않는 감지 전극을 갖는 구조로 된다. 이러한 구조에 의하면, 상기 기본 부재와 상기 가스 감지층 사이의 접착을 효과적으로 개선할 수 있고, 동시에 특정 가스에 대하여 양호한 가스 감지도를 얻을 수 있다. 더욱이, 상기 접착층은 상기 감지 전극과의 접촉으로부터 벗어나게 되므로, 상기 접착층을 완전히 절연할 필요가 없고, 접착층으로서 불완전 절연막 또는 도전막을 사용할 수 있으므로 상기 접착층에 대한 선택의 폭이 넓어진다. 상기 접착층은 상기 감지 전극과 접촉하지 않으므로, 상기 감지 전극의 표면은 상기 가스 감지층과 안전하게 접촉하게 할 수 있고, 따라서 가스 감지도를 더욱 개선할 수 있다. 더욱이, 가스 감지층은 상기 보호층 상에 형성되어 상기 열발생 저항을 마주하게 되고, 상기 열발생 저항은 상기 반도체 기판에 형성되는 개구부를 마주하는 위치에 형성된다. 그러므로, 상기 열발생 저항은 상기 가스 감지층을 효과적으로 활성화되도록 가열할 수 있고, 상기 가스 센서는 특정 가스 특성의 농도 변화를 감지할 수 있다.
본 발명 개시의 가스 센서는 상기 절연층과 상기 보호층의 두께의 합이 2㎛보다 작거나 같고, 상기 보호층의 일 표면의 표면 조도(Ra)가 0.030㎛보다 작거나 같으며, 2㎛보다 두꺼운 가스 감지층이 상기 보호층의 표면 상에 형성되는 구조로 될 수도 있다.
이 가스 센서에서는 상기 절연층과 상기 보호층의 두께의 합이 2㎛보다 작거나 같다. 그러므로, 상기 열발생 저항에 의하여 발생되는 열의 양을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 상기 절연층과 상기 보호층은 박막 형성에 의하여 상기 반도체 기판 상에 형성되며, 따라서, 상기 가스 감지층이 상부에 형성되는 보호층의 표면은 거울 표면처럼 표면 조도(Ra)가 0.030㎛내외 이다. 그러나, 본 발명 개시에서, 상기 접착층은, 상술한 바와 같이, 상기 보호층 상에 형성된다. 이러한 배열은 상기 가스 감지층과 상기 베이스 부재(보호막) 사이의 접착을 개선하며, 2㎛보다 크거나 같은 두께를 갖는 가스 감지층이 거울 표면에 가까운 표면 상태로 상기 보호층의 표면 상에 접착이 확보된 상태로 형성될 수 있게 한다.
본 발명 개시의 가스 센서는 상기 접착층의 두께 방향으로 연장되는 구역에서 볼 때, 상기 접착층의 일 표면에 볼록부를 형성하는 표면 조도 피크부들의 높이 중에서 상기 보호층의 표면으로부터 가장 큰 5개의 피크 높이의 평균 또는 평균치가 상기 절연층과 상기 보호층의 두께의 합보다 큰 구조로 될 수 있다.
본 가스 센서에서, 상기 접착층의 두께 방향으로 연장되는 구역에서 볼 때, 상기 보호층의 표면으로부터 상기 접착층의 표면 조도 피크부의 높이 중에서 가장 큰 5개의 피크 높이의 평균이 상기 절연층과 상기 보호층의 두께의 합보다 큰 상기 표면 조건으로 인하여, 상기 접착층의 요철부는 더 커지고, 상기 가스 감지층의 접착은 앵커 효과에 의하여 개선될 수 있다. 본 발명 개시에서, 이러한 평균 또는 평균치는, 상기 접착층을 포함하는 가스 센서의 기본 부재를 두께 방향으로 이어지는 평면으로 절단함으로써 얻어지는 단면에서 볼 때, 상기 접착층 표면의 볼록부를 형성하는 조도 피크부의 높이 중에서 상기 보호층의 표면으로부터 가장 큰 5개의 피크 높이의 평균을 구함으로써 얻어지는 값에 의하여 정의되고, 주사 전자 현미경(scanning electron microscope)으로 소정배율로 확대된 값으로 정의된다.
본 발명 개시의 가스 센서는 상기 절연층과 상기 보호층의 두께의 합이 2㎛보다 작거나 같고, 상기 보호층의 일 표면의 표면 조도가 0.030㎛보다 작거나 같으며, 2㎛보다 크고 상기 합의 두 배와 같거나 이보다 큰 두께를 갖는 가스 감지층이 상기 보호층의 표면 상에 형성되는 구조로 될 수 있다.
이러한 가스 센서에서, 상기 절연층과 상기 보호층의 총 두께는 2㎛와 같거나 이보다 작다. 그러므로, 상기 열발생 저항에 의하여 발생되는 열의 양을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 상기 가스 감지층과 상기 기본 부재(보호층) 사이의 접착이 상기 접착층에 의하여 개선되므로, 0.030㎛와 같거나 작은 표면 조도(Ra)를 갖는 거울같은 표면 상태의 보호층 표면 상에, 접착이 보장된 상태로, 2㎛보다 크거나 같고 상기 합의 2배보다 크거나 같은 가스 감지층을 형성하는 것이 가능하다.
본 개시의 가스 센서는 적어도 상기 감지 전극들 사이에 접착층이 형성되는 구조로 될 수 있다.
이러한 가스 센서에서, 상기 접착층은 적어도 상기 감지 전극들 사이에 형성된다. 상기 감지 전극들 사이의 유극은 비교적 좁으므로, 상기 감지 전극들 사이에 위치되는 기본 부재의 표면과 상기 가스 감지층 사이의 접착을 개선하기가 곤란하다. 그러나, 본 발명 개시의 구조에 의하면, 상기 감지 전극들 사이에 위치되는 기본 부재의 표면과 상기 가스 감지층 사이의 접착을 효과적으로 개선하는 것이 가능하다.
본 발명 개시의 가스 센서는 감지 전극이 빗(comb)의 2개의 치부(teeth)같은 모양으로 형성되고, 상기 감지 전극의 치부는 1개 전극의 치부가 나머지 전극의 2개의 치부들 사이에 삽입되도록 배열되며, 상기 접착층이 상기 1개 전극의 치부와 나머지 전극의 치부들 사이에 형성되는 구조로 될 수 있다.
이러한 가스 센서에서는, 상기 감지 전극이 빗의 치부와 같은 형상으로 형성되므로, 상기 감지 전극의 치부들은 하나의 전극의 1개 치부가 나머지 전극의 2개의 치부들 사이에 삽입되도록 배열되고, 상기 접착층은 상기 하나의 전극의 치부가 나머지 전극의 치부 사이에 형성되므로, 상기 감지 전극들의 사이에 위치되는 기본 부재의 표면과 상기 가스 감지층의 사이의 접착을 보다 효과적으로 개선할 수 있다.
본 발명 개시의 가스 센서는 상기 감지 전극들 사이의 영역과 상기 감지 전극을 에워싸는 영역에 연속적으로 접착층이 형성되는 구조로 될 수 있다.
상기 감지 전극들 사이 그리고 상기 감지 전극들 주위에 연속적으로 형성되는 접착층으로 인하여, 이 가스 센서는 상기 기본 부재와 상기 가스 감지층 사이에서의 접착을 보다 효과적으로 개선할 수 있다.
본 발명 개시의 가스 센서는 접착층이 절연층인 구조로 될 수 있다.
본 가스 센서에서, 절연층인 접착층으로 인하여, 상기 접착층은 상기 가스 감지층의 전기적 도전성에 영향을 미치지 않게 되고, 그러므로, 상기 가스 센서는 특정 가스에 대한 가스 감지도를 양호하게 제공될 수 있다.
본 발명 개시의 가스 센서는 상기 가스 감지층의 재료가 상기 접착층 재료의 입자들 사이에 개재되는 구조로 될 수 있다.
본 가스 센서에 있어서, 상기 가스 감지층의 재료가 상기 접착층 재료의 입자들 사이에 개재되는 구조로 인하여, 상기 접착층과 상기 가스 감지층 사이의 접착이 더욱 개선되고 상기 접착층과 상기 가스 감지층 사이의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명 개시의 가스 센서는, 상기 기본 부재 상에 형성되는 상기 가스 감지층이 상부에 위치되는 측부(가스 감지층의 측부)로부터, 상기 기본 부재 상에서, 상기 가스 감지층과 상기 접착층 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역이, 상기 가스 감지층이 상부에 위치되는 측부로부터, 상기 기본 부재 상에서, 상기 가스 감지층과 상기 접착층 및 상기 감지 전극들 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역의 50%보다 크거나 같은 구조로 될 수 있다.
가스 감지층이 상부에 위치되는 측부(가스 감지층의 측부)로부터 상기 기본 부재 상에서 상기 가스 감지층과 상기 접착층 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 상기 돌출 영역이, 상기 가스 감지층이 상부에 위치되는 측부로부터 상기 기본 부재 상에서 가스 감지층과 상기 접착층 및 상기 감지 전극들 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역의 50%보다 크거나 같은 구조로 인하여, 본 가스 센서는 상기 기본 부재와 상기 가스 감지층 사이의 접착을 더욱 신뢰성 있게 제공할 수 있다.
도 1은 가스 센서(1)의 평면도
도 2는 화살표 방향으로 본 도 1의 A-A선 단면도
도 3은 상기 가스 센서(1)에 포함되는 열발생 저항의 평면도
도 4는 화살표 방향으로 본 도 1의 B-B선 단면도
도 5는 화살표 방향으로 본 도 2의 C-C선 단면도
도 6은 가스 감지층(4) 근처에서 화살표 방향으로 본 도 1의 A-A선 단면의 부분적인 확대도
도 7은 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 8은 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 9는 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 10은 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 11은 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 12는 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 13은 가스 센서(1) 제조 방법에서 상기 가스 센서(1)의 수직 단면도
도 14는 접착층(7)의 제 1 변형예에서 상기 가스 센서(1)를 도시하기 위한, 화살표 방향으로 본 도 2의 C-C선 단면도
도 15는 접착층(7)의 제 2 변형예에서 상기 가스 센서(1)를 도시하기 위한, 화살표 방향으로 본 도 2의 C-C선 단면도
도 16은 감지 전극(6)의 일 변형예에서 상기 가스 센서를 도시하기 위한, 화살표 방향으로 본 도 2의 C-C선 단면도
도 17은 가스 감지층(4) 주위를 도시하기 위한, 화살표 방향으로 본 도 1의 A-A선 단면의 부분적인 확대도
도 18은 충격 테스트의 결과를 나타내는 그래프
도 19는 변형예에서 상기 가스 센서의 접착층의 상태를 도시하기 위하여 주사 전자 현미경에 의하여 취한 상기 가스 센서의 일 단면을 확대한 영상을 도시하기 위한 도면
다음은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스 센서를 도면을 참조하여 설명한 것이다. 우선, 가스 센서(1)의 구조는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 상하 방향은 도 2에서의 상하 방향이고, 좌우 방향은 도 1 내지 도 6에서의 좌우 방향이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 가스 센서(1)는 길이 2.6㎜ 및 폭 2㎜의 편평한 직사각형 형상을 갖는 직사각형 가스 센서이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 가스 센서(1)는 실리콘 기판(2)의 상부 표면 상에 형성되는 절연 코팅층(3), 상기 절연 코팅층(3) 내에 형성되는 열발생 저항(5), 및 상기 절연 코팅층(3)의 상부 표면 상에 형성되는 접착층(7) 및 가스 감지층(4)을 포함하는 구조를 갖는다. 가스 감지층(4)은 그 자체의 전기 저항이 테스트할 측정 가스 내 특정 가스 또는 소정 가스에 의하여 변화되는 특성을 갖는다. 이러한 가스 센서(1)에서, 가스 감지층(4)은 촉매로서 이산화주석(tin dioxide)내에 함유된 산화칼슘(calcium oxide) 0.2중량%를 포함한다. 이러한 가스 감지층(4)을 이용함으로써, 상기 가스 센서(1)는 측정 가스 혼합물 내에서 암모니아(NH3), 황화수소(hydrogen sulfide, H2S), 이황화 메틸(methyl disulfide, (CH3)2S2), 메틸 메르캅탄(methyl mercaptan, CH3SH), 및 트리메틸아민(trimethylamine, (CH3)3N)과 같은 특정 가스를 감지할 수 있다. 본 발명에서, “감지”라는 용어는 테스트할 측정 가스를 함유하는 특정 가스의 존재 유무만을 감지할 뿐만 아니라, 상기 특정 가스의 농도 변화까지도 감지함을 의미한다. 실리콘 기판(2)은 본 발명의 “반도체 기판”에 상응하며, 상기 실리콘 기판(2)과 절연 코팅층(3)(기본 부재,15)은 본 발명의 “기본 부재”에 상응한다. 더욱이, 절연 코팅층(3)은 본 발명의 “절연층”에 상응한다. 가스 센서(2)의 성분은 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(2)은 소정의 두께를 갖는 평판형 실리콘이다. 개구부(21)는 상기 실리콘 기판(2)을 부분적으로 제거함으로써 실리콘 기판(2)의 하부 표면 내에 형성되고, 절연층(32)의 일부분은 상기 개구부(21)에 의하여 분리 벽부(39)로서 노출된다. 그러므로, 이러한 가스 센서(1)에서, 개구부(21)를 포함하는 상기 실리콘 기판(2) 및 상기 절연층(3)은 다이아프램 구조를 갖는 기본 부재(15)를 구성한다. 이러한 개구부(21)는 절연층(33) 내에 매설된 상기 열발생 저항(5)이 개구부(21)의 개구측으로부터 본 평면도에서 분리 벽부(39) 내에 배치되도록 형성된다.
절연 코팅층(3)은 실리콘 기판(2)의 상부 표면 상에 형성되는 절연층(32) 및 보호층(35)으로 구성된다. 실리콘 기판(2)의 상부 표면 상에 형성되는 절연층(32)은 소정 두께로 형성된 질화 규소(silicon nitride, Si3N4)막이다. 이러한 절연층(32)은 하부 표면의 일부가 실리콘 기판(2)의 개구부(21) 내에 노출된다. 이러한 절연층(32)의 상부 표면 상에 형성된 절연층(33)은 소정 두께를 갖는 산화 실리콘(silicon oxide, SiO2)막이다. 이러한 절연층(33)에는, 열발생 저항(5), 상기 열발생 저항(5)에 전기를 공급하기 위한 리드부(lead section, 12), 등이 형성된다. 소정 두께의 질화 규소막으로 되는 보호층(35)은 절연층(33)의 상부 표면 상에 형 성된다. 보호층(35)은 상기 열발생 저항(5) 및 열발생 저항(5)에 전기를 공급하기에 충분한 리드부(12)을 커버하도록 형성된다. 따라서, 보호층(35)은 이들 부분들을 오염 및 손상으로부터 보호하는 역할을 한다. 이들 절연층(32)과 (33) 및 보호층(35)은 후술되는 바와 같이 박막 형성으로 형성된다. 상기 보호층(35) 표면(즉, 상기 가스 감지층(4)이 상부에 형성되는 표면)의 표면 조도(Ra)는 0.030㎛보다 작거나 같다(본 실시예에서, 0.002㎛). 따라서, 상기 보호층(35)의 표면은 거울 표면과 유사한 상태에 있다. 상기 보호층(35)의 표면 조도(Ra)는 케이엘에이-텐커(KLA-Tencor) 컴파니에 의하여 제조된 단계 측정 장치로써 측정할 수 있다(장치명: 서피스 프로파일러 알파-스텝 500(SURFACE PROFILER Alphar-Step 500).
열발생 저항(5)은 실리콘 기판(2) 개구부(21)의 상부 부분에 상응하는 위치에서 절연층(33) 내에, 예를 들면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 평면도에서 나선형 형상으로, 형성된다. 더욱이, 열발생 저항(5)에 전기를 공급하기 위하여 상기 열발생 저항(5)에 접속되는 리드부(12)는 절연층(33) 내에 매설된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 리드부(12)의 말단에는 외부 회로와의 접속을 위하여 접촉 패드(9)가 형성된다. 열발생 저항(5)과 리드부(12) 각각은 백금(Pt)층 및 탄탈륨(Ta)층을 포함하는 2-층 구조를 갖는다. 각각의 접촉 패드(9)는 상기 백금(Pt)층 및 탄탈륨(Ta)층으로 구성되는 유도 전극의 표면 상에 형성된 금(Au)으로 된 패드이다. 가스 센서(1)에는 한 싸의 접촉 패드(9)가 마련된다.
상기 감지 전극(6)에 전기를 공급하기 위한 감지 전극(6) 및 리드부(10)(참조. 도 4)은 실리콘 기판(2)에 평행한 동일 평면 내에, 상기 보호층(35)의 상부 표 면 상에 형성되므로, 감지 전극(6)은 열발생 저항(5) 바로 위쪽에 위치된다. 감지 전극(6) 및 리드부(10)는 보호층(35) 상에 형성된 탄탈륨(Ta)층, 및 상기 탄탈륨(Ta)층의 표면 상에 형성된 백금(Pt)층에 의하여 형성된다. 금(Au)으로 된 접촉 패드(11)는 리드부(10)의 말단에서 리드부(10)의 표면 상에 형성되고, 상기 접촉 패드(11)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 외부 회로와의 접속을 위하여 산화 반도체 접촉부(8)를 형성한다. 가스 센서(1)에는, 도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 상기 산화 반도체 접촉부(8)가 마련된다.
감지 전극(6)은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 빗-모양의 평면 형상을 갖는다. 감지 전극(6)의 빗 치부(67)는 서로 맞물리므로 하나의 전극의 치부(67)가 나머지의 치부들(67) 사이에 배치된다. 상기 접착층(7)은 제 1 감지 전극(6)의 치부(67)와 제 2 감지 전극(6)의 치부(67) 사이에서 상기 치부(67)로부터 상기 접착층(7)을 분리시키는 비접촉 유극 또는 사이 공간에 의하여 연속적으로 미엔더 형상(meander, 사행천 모양)으로 된다. 상기 감지 전극(6)은 상기 가스 감지층(4) 내에서 전기적 특성의 변화를 감지하기 위하여 쌍으로 배열된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 접착층(7)은 감지 전극(6)의 치부들(67) 사이의 영역에서뿐만 아니라 상기 감지 전극(6) 주위에서도 더욱 연속적으로 연장된다. 접착층(7)은 접착층(7)이 비접촉 유극 또는 사이 공간에 의하여 상기 감지 전극의 외부 경계로부터 분리되도록 형성된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 감지 전극(6) 각각은 가스 감지층(4)을 마주보는 대향 표면(61) 및 상기 표면(61)이 사이에 형성되는 측 표면을 가지며, 각 감지 전극(6)의 상기 대향 표면(61) 및 측 표면들은 상기 가스 감지 층(4) 상에 전체적으로 접경하므로, 각각의 감지 전극(6)은 상기 가스 감지층(4)에 전기적으로 접속된다. 이러한 방식으로, 각 전극(6)의 대향 표면(61) 및 측 표면들은 가스 감지층(4)에 완전히 접촉되므로, 가스 감지층(4)과 감지 전극(6) 사이의 경계면에서의 가스 반응이 접착층(7)을 포함하는 기타 부재에 의하여 전혀 방해받지 않게 된다. 더욱이, 열발생 저항(5)은 상기 가스 감지층(4)을 가열하여 상기 가스 감지층(4)을 빠르고 정확하게 활성화할 수 있다. 마찬가지로, 이러한 관점으로부터, 가스 센서(1)의 가스 감지도를 개선하는 것이 가능하다. 한 편, 보호층(35)을 마주보는 각 감지 전극(6)의 표면(62)은 보호층(35) 상에 접경한다. 인접한 감지 전극들(6) 사이에는 상기 기본 부재(15)와 상기 가스 감지층(4)의 접착을 개선하기 위하여, 그리고 상기 접착층(7)이 감지 전극(6)에 접촉되지 않는 비접촉 방식으로 기본 부재(15)로부터 가스 감지층(4)의 박리를 방지하기 위하여 상기 접착층(7)이 마련된다. 따라서, 감지 전극(6)은 가스 감지층(4)과는 접촉되지만, 접착층(7)과는 접촉되지 않는다.
이러한 접착층(7)은 기본 부재(15)와 가스 감지층(4) 사이의 접착을 개선하기 위한 층이며, 상기 접착층(7)은, 도 6에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 절연 금속 산화물 입자의 집적에 의하여 얻어지는 구조를 갖는다. 그러므로, 접착층(7)은 불규칙적인 또는 요철형으로 된 표면(rugged surface, 71)을 갖는다. 가스 감지층(4)의 재료는 접착층(7) 재료의 입자들 사이에 도입된다. 이러한 구조로써, 상기 기본 부재(15)와 더욱 두꺼운 막의 형태로 된 가스 감지층(4) 사이의 접착이 개선된다. 예를 들면, 상기 접착층(7)은 스퍼터링에 의하여 힐록 알루미늄막(hillock Al film) 을 형성하고, 다음으로 산화를 수행함으로써 형성된다.
이러한 접착층(7)은 도 5의 측단면도에서 나타낸 바와 같이 빗-형상 감지 전극들(6) 사이 영역 내로 연장되고, 감지 전극들(6)의 주변부와 접촉되지 않도록 형성된다. 더욱이, 도 2의 수직 단면도에 나타낸 바와 같이, 상기 접착층(7)은 상기 감지 전극(6)과 가스 감지층(4) 사이에는 형성되지 않는다. 상기 감지 전극(6)의 모든 외표면은 표면(62)을 제외하고는 상기 가스 감지층(4) 상에 접경된다. 상기 접착층(7)이 상기 인접한 감지 전극들(6) 사이에 마련되더라도, 상기 감지 전극(6)과 상기 접착층(7)은 서로 접촉되지 않는다. 이러한 구조는 상기 감지 전극(6)과 상기 가스 감지층(4) 사이의 경계면에서의 가스 반응에 아무런 영향을 미치지 않으면서 기본 부재(15)와 가스 감지층(4) 사이의 접착을 개선한다. 더욱이, 상기 가스 감지층(4)이 상기 가스 감지층(4)의 말단부로부터 종종 탈착되더라도, 본 실시예에 의한 접착층(7)은 감지 전극(6) 주위에 형성되며, 상기 접착층(7)의 상부 표면은 상기 가스 감지층(4)의 말단부와 접촉된다. 그러므로, 이러한 구조는 말단부로부터 가스 감지층(4)의 탈착을 방지할 수 있다.
접착층(7)은 상기 감지 전극(6)과 접촉되지 않는다. 그러므로, 전기적 도전성을 갖는 재료로 상기 접착층을 형성하는 것이 가능하다. 바람직하기로는, 상기 접착층(7)은 상기 감지 전극(6)과 가스 감지층(4) 사이 경계면에서의 가스 반응에 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)와 같은 절연 산화물로 형성될 수 있다.
이러한 구조의 가스 센서(1)를 제조하기 위한 제조 방법은 도 7 내지 도 13을 참고로 설명한다. 다음의 설명에서, 상기 제조 방법의 공정 중 상기 가스 센서(1)의 중간 생성물은 기판 플레이트(substrate plate)로 칭한다.
〈1〉 실리콘 기판(2)의 세척
우선, 세척액에 두께 400㎛의 실리콘 기판을 담금으로서 세척 작업을 수행한다.
〈2〉 절연층(32) 및 절연층(232)의 형성
다음으로, 실리콘 기판(2)의 상하부 표면 상에 소스 기체(source gas)로서 디클로로실란(dichlorosilane, SiH2Cl2), 암모니아(a㎜onia, NH3)를 이용하여 저압 화학기상증착(LP-CVD)에 의하여 절연층(32) 및 절연층(232)을 각각 형성함으로써, 절연층(32) 및 절연층(323) 각각을 200nm의 두께를 갖는 질화 규소(Si3N4)막으로 형성하게 된다(참조. 도 7).
〈3〉 절연층(33) 형성
그리고 나서, 소스 기체로서 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane, TEOS), 산소(Oxygen, O2)를 이용하여 플라즈마 화학기상증착(plasma CVD)에 의하여 절연층(32)의 표면 상에 절연층(33)을 형성함으로써, 100nm의 두께를 갖는 실리콘 산화물(silicon oxide, SiO2)막으로 절연층(33)을 형성하게 된다(참조. 도 7).
〈4〉 열발생 저항(5) 및 리드부(12)의 형성
다음으로, DC 스퍼터링 시스템을 이용하여, 절연층(33)의 표면 상에 20nm의 두께를 갖는 탄탈륨(Ta)층을 형성하고, 상기 탄탈륨층 상에 220nm의 두께를 갖는 백금(Pt)층을 형성한다. 스퍼터링 작업 후, 포토리소그래피에 의하여 저항의 패터닝 작업을 수행하고 왕수(aqua regia)로써 습식 에칭을 수행함으로써 열발생 저항(5) 및 리드부(12)의 패턴을 형성한다(참조. 도 8).
〈5〉 절연층(33)의 막 두께 증가
그 후, 상기 단계(3)에서와 같이 소스 기체로서 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane, TEOS), 산소(Oxygen, O2)를 이용하여 플라즈마 화학기상증착(plasma CVD)에 의하여 절연층(33), 열발생 저항(5) 및 리드부(12)의 표면 상에 새로운 절연층을 형성함으로써 절연층(33)의 막 두께를 증가시킴으로써, 도 9에 나타낸 바와 같이, 100nm의 두께를 갖는 실리콘 산화물(SiO2)막으로 상기 새로운 절연층을 형성하게 된다. 이러한 방식으로, 200nm의 두께를 갖는 절연층(33) 내에 열발생 저항(5) 및 리드부(12)를 매설한다.
〈6〉 보호층(35) 형성
또한, 상기 단계(2)에서와 같이 디클로로실란(SiH2Cl2), 암모니아(NH3)를 이용하여 저압 화학기상증착(LP-CVD)에 의하여 절연층(33)의 상부 표면 상에 보호층(35)을 형성함으로써, 200nm의 두께를 갖는 실리콘 산화물(Si3N4)막으로 보호층(35)을 형성한다(참조. 도 9).
〈7〉 접촉 패드(9)의 홀 형성
다음으로, 접촉 패드(9)를 형성하기 위한 부분에 접촉홀(13)을 개구시켜, 절 연층(35) 및 절연층(33)에 포토리소그래피 및 건식 에칭법에 의한 에칭에 의하여 저항의 패터닝 작업을 수행함으로써 리드부(12)의 말단부를 부분적으로 매설한다(참조. 도 9).
〈8〉 감지 전극(6) 및 리드부(10) 형성
그리고 나서, DC 스퍼터링 시스템을 이용하여, 보호층(35)의 표면 상에 20nm의 두께를 갖는 탄탈륨(Ta)층을 형성하고, 상기 탄탈륨층 상에 40nm의 두께를 갖는 백금(Pt)층을 형성한다. 상기 스퍼터링 작업 후, 포토리소그래피에 의하여 저항의 패터닝 작업을 수행하고 왕수(aqua regia)로써 습식 에칭을 수행함으로써 빗 형상의 감지 전극(6) 및 리드부(10)의 패턴을 형성한다(참조. 도 10).
〈9〉 접착층(7) 형성
상기 감지 전극(6) 및 보호층(35) 상에, 스퍼터링법에 의하여 접착층(7)을 형성하기 위한 힐록 알루미늄막을 침적한다. 그리고 나서, 포토리소그래피에 의한 저항 패터닝 작업 후, 주요 성분으로서 인산(phosphoric acid)을 이용한 습식 에칭 작업에 의하여 상기 감지 전극(6)의 상부 및 주위에서 불필요한 알루미늄막을 제거하고, Al2O3를 얻기 위한 산화를 수행함으로써, 빗-형상 감지 전극들(6) 사이 및 상기 감지 전극들(6) 주위의 보호층(35) 상에 접착층(7)을 형성한다(참조. 도 10).
〈10〉 접촉 패드(11),(9) 형성
DC 스퍼트링 시스템을 이용하여, 상술한 바의 전극부가 형성된 기판 플레이트의 전극측 상부에서 상기 기판 플레이트의 표면 상에 400nm의 두께를 갖는 금(Au)층을 형성하였다. 상기 스퍼터링 작업 후, 포토리소그래피 및 습식 에칭 작업에 의하여 저항의 패터닝 작업을 수행함으로써 상기 접촉 패드(11) 및 (9)를 형성하였다(참조. 도 11).
〈11〉 개구부(21) 형성 (다이어프램 형성)
다음으로, 포토리소그래피에 의하여 저항의 패터닝 작업을 수행하고, 건식 에칭 작업에 의하여 마스크로 작용하는 절연막을 형성한다. 그리고 나서, 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(tetramethyla㎜onium hydroxide, TMAH) 용액 내에 상기 기판 플레이트를 침지하여, 실리콘 기판(2)의 하부 표면 내에 개구부를 형성하기 위하여, 그리고 열발생 저항(5)의 위치에 상응하는 위치에 분리 벽부(39)를 형성하기 위한 절연층(32) 부분을 노출시키기 위하여, 실리콘 기판(2)의 이방성 식각에 의하여 개구부(21)를 형성한다(참조. 도 12).
〈12〉 가스 감지층(4)의 형성
또한, 주요 성분으로서 산화주석(tin oxide)을 포함하는 산화 반도체 페이스트 및 산화 칼슘의 첨가물을 후막 인쇄(thick film printing)에 의하여 상기 감지 전극(6) 및 접착층(7)에 도포함으로써 가스 감지층(4)을 형성하여, 30㎛의 두께를 갖는 페이스트층을 형성한다(참조. 도 12). 반도체 산화물 페이스트는 다음의 공정에 의하여 분리된다. 우선, 충분한 첨가 및 교반에 의하여 염화 주석(tin chloride, SnCl2)을 순수에 용해시킴으로써 수산화 주석(tin hydroxide)을 분리한 후 암모니아수를 떨어뜨린다. 그리고 나서, 암모늄 이온 및 염소 이온을 제거하기 위하여 침전된 분말을 순수로 여러 차례 세척하고 건조시킨다. 건조 후, 침전 분말 및 수산화 칼슘(calcium hydroxide, Ca(OH)2)을 순수에 분산시키고, 이어서 충분히 교반 및 건조시킨다. 이 경우, 침전 분말에 첨가된 수산화 칼슘의 양은 산화 칼슘(CaO)의 중량%가 0.2중량%와 같아지도록 결정된다. 건조 후, 800℃에서 5시간 동안 하소를 수행하고, 5g의 양으로 얻어진 분말을 1시간 동안 모르타르 그라인더(mortar grinder) 또는 자동 모르타르(automatic mortar)를 이용하여 분쇄한다. 그 후, 유기 용제를 혼합하고, 상기 모르타르 그라인더(또는 포트 밀(pot mill))를 이용하여 4시간 동안 더욱 분쇄한다. 결합제 및 점도 개질제를 혼합하여 4시간 동안 분쇄를 더욱 수행함으로써, 25℃에서 140Pa·s의 점도를 갖는 페이스트를 제조한다.
〈13〉 기판 플레이트 하소
열처리로에서 650℃로 1시간 동안 상기 기판 플레이트를 하소함으로써 감지 전극(6), 접착층(7) 및 가스 감지층(4)이 형성된 상기 기판 플레이트를 얻는다.
〈14〉 기판 플레이트 절단
상기 기판 플레이트를 다이싱 소오(dicing saw)에 의하여 절단함으로써 2.6㎜×2㎜의 평면 크기를 갖는 가스 센서(1)를 얻는다. 상술한 바의 측정 장치로써 측정한 결과, 이러한 가스 센서(1)의 가스 감지층(4)의 두께(평균 두께)는 약 15㎛이다. 이러한 측정에 의하여, 절연층(32)와 절연층(33) 및 보호층(35) 두께의 총 합(600nm)의 두 배보다 크거나 같은 두께를 갖는 가스 감지층(4)이 0.3㎛보다 작거 나 같은 표면 조도(Ra)를 갖는 보호층(35)의 표면 상에 연속적으로 팽팽하게 형성되는 것이 확인된다.
상술한 바의 가스 센서(1) 제조 방법에서, 단계(2)의 “절연층(32) 및 절연층(232)의 형성” 이전에 실리콘 기판(2) 상에 열적으로 산화된 막을 선택적으로 형성할 수도 있다. 또한, 단계(7)의 “접촉 패드(9)의 홀 형성”에서 상기 접촉홀(13)이 형성되지만, 선택적으로 단계(8)의 “감지 전극(6) 및 리드부(10) 형성” 이후에 접촉홀(13)을 형성할 수도 있다. 더욱이, 선택적으로 단계(9)의 “접착층(7) 형성”에서 힐록 알루미늄을 Al2O3 로 산화하는 작업은 생략할 수도 있다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의한 가스 센서(1)에서는, 가스 감지층(4)을 마주보는 감지 전극(6)의 대향 표면 및 상기 감지 전극(6)의 측 표면이 상기 가스 감지층(4)에 접경함으로써, 상기 감지 전극(6)과 가스 감지층(4) 사이의 접촉 영역을 확보할 수 있다. 더욱이, 감지 전극(6)은 접착층(7)에 접촉되지 않는다. 이러한 구조는 기본 부재(15)와 가스 감지층(4) 사이의 접착을 효과적으로 개선하는 반면 특정 가스의 감지에 감지도가 좋은 기체를 제공할 수 있다.
또한, 감지 전극(6)은 빗 형상으로 형성되고, 감지 전극(6)의 치부는 하나의 전극의 치부(67) 중 하나가 나머지 전극의 치부(67) 2개 사이에 배치되도록 맞물리며, 상기 하나의 전극의 치부(67)와 나머지 전극의 치부(67) 사이에 상기 접착층이 형성된다. 이러한 배열은 감지 전극들(6) 사이에 놓인 기본 부재(15)의 표면과 가 스 감지층(4) 사이의 접착을 효과적으로 개선할 수 있다.
더욱이, 본 실시예의 가스 센서(1)는 기본 부재(15)와 가스 감지층(4) 사이의 접착을 개선하는 신규한 효과를 제공할 수 있고 동시에 양호한 가스 감지도를 얻을 수 있다. 또한, 가스 감지층(4)에 공급되는 전류 또는 가스 감지층(4)에 인가되는 전압이 감소되더라도, 특정 가스의 농도 변화를 충분히 감지할 수 있으므로, 본 실시예의 가스 센서(1)는 가스 센서의 회로 설계를 용이하게 하고 비용을 낮추는 2차적인 효과를 제공할 수 있다. 상기 열발생 저항(5)은 실리콘 기판(2) 내에 형성되는 개구부(21)를 마주보는 위치에 형성되므로, 상기 열발생 저항(5)은 상기 가스 감지층(4)을 효과적으로 가열할 수 있고, 따라서 측정 가스 중 특정 가스의 농도 변화를 감지할 수 있는 조건으로 상기 가스 센서를 활성화하게 된다.
본 발명은 상술한 바의 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들면, (9) “접착층(7) 형성”에서, 스퍼터링에 의하여 힐록 알루미늄막을 도포하고, 포토리소그래피에 의하여 저항 패터닝 작업을 수행한 이후에, 주요 성분으로서 인산을 포함하는 습식 에칭 작업에 의하여 상기 감지 전극(6) 주위의 원치 않는 알루미늄막을 제거하여, Al2O3를 얻기 위하여 산화를 수행함으로써, 접착층(7)을 형성한다. 그러나, 선택적으로 적심법(dip method), 전기영동법(electrophoresis method), 액막 전이법(liquid film transfer method), 연무 전달법(mist transport method), 스크린 인쇄법(screen printing method) 및 스핀 코팅법(spin coating method)과 같은 기타 방법을 이용하여 상기 접착층(7)을 얻는 것도 가능하다. 더욱이, 감지 전극(6) 및 리드부(10)를 형성한 이후 접착층(7)을 형성하는 대신, 선택적으로 감지 전극(6) 및 리드부(10)의 형성 이전에 접착층(7)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 예를 들면, 접착층(7)이 되는 졸 용액층(sol solution layer)을 막 형태로 상기 보호층(35) 상에 형성한다. 그 후, 감지 전극(6) 및 리드부(10)를 형성하기 위한 부분을 에칭 또는 기타 방법에 의하여 제거하고, 다음으로 상기 제거된 부분에 감지 전극(6) 및 리드부(10)를 형성한다.
상기 절연 코팅층(3)은 비록 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물로 구성되는 다층 구조로 형성되지만, 선택적으로 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물의 단일층 구조로 형성할 수도 있다. 상술한 바의 실시예에서, 열발생 저항(5)은 절연층(33) 내에 매설된다. 그러나, 본 발명은 이러한 배열에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 열발생 저항(5)은 절연층(32) 내에 매설될 수도 있다.
가스 감지층(4)의 주요 성분으로서, 본 실시예에서는 금속 산화 반도체인 산화 주석을 채택한다. 그러나, 선택적으로 산화 아연(zinc oxide, ZnO), 산화 니켈(nickel oxide, NiO), 산화 티탄(titan oxide, TiO2), 및 산화 바나듐(vanaium oxide, VO2)과 같은 기타 금속 산화 반도체를 이용할 수도 있다. 상기 금속 산화 반도체에 첨가되는 기본 금속 산화물로서는: 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 베릴륨(Be)과 같은 알칼리토금속의 산화물; 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)와 같은 알칼리 금속의 산화물; 및 스칸듐(Sc), 이 트륨(Y) 및 란타노이드와 같은 희토류의 산화물;을 채택할 수 있다.
접착층(7)의 형상은 상술한 바의 실시예에 한정되지 않는다. 상기 접착층(7)은, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 아래와 같은 변형 중 한 가지로 구성될 수 있다. 다음의 변형예 각각에서, 접착층(7)의 구성을 제외한 가스 센서(1)의 구성은 상술한 바의 제 1 실시예에서와 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다. 상하 방향은 도 14 내지 도 16에서의 상하 방향이고, 좌우 방향은 도 14 내지 도 16에서의 좌우 방향이다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 제 1 변형예에 의한 접착층(7)은, 평면도에서 도시된 바와 같이, 줄무늬 또는 직사각형 형상으로 형성되고, 하나의 감지 전극(6)의 치부(67)와 나머지 감지 전극(6)의 치부 사이에 일렬로 배열되면서 서로 분리되는 다수개의 단편들(segment)로 구성된다. 상기 접착층(7)은 감지 전극(6)과 접촉되지 않도록 배열된다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 제 2 변형예에 의한 접착층(7)은, 평면도에서 도시된 바와 같이, 줄무늬 또는 직사각형 형상으로 형성되고, 하나의 감지 전극(6) 및 나머지 감지 전극(6)을 에워싸도록 어레이로 배열되면서 서로 분리되는 다수개의 단편들(segment)로 구성된다. 상기 접착층(7)은 감지 전극(6)과 접촉되지 않도록 배열된다.
다음은 도 16을 참조하여 상기 감지 전극(6)의 변형예를 설명한 것으로, 접착층(7)은 생략된다. 이 변형예에서의 감지 전극(6)은, 빗과 비슷한 형상 대신에, 도 16에 나타낸 바와 같이, 평행한 전극 형태로 대칭되게 형성되며, 각각은 소정의 간격으로 나머지 전극의 상부편을 마주보는 상부편 및 구부러진 하부편을 갖는다. 이 경우, 접착층(7)으로는 상술한 바의 형상 및 구조 중 임의의 것을 채택할 수 있다.
상술한 바의 실시예 및 변형예에서, 바람직하기로는, 상기 기본 부재(15) 상에서 상기 가스 감지층 측으로부터 돌출된, 상기 가스 감지층(4)과 접착층(7) 사이의 접촉 표면의 돌출 영역은 상기 기본 부재(15) 상에서 상기 가스 감지층 측으로부터 돌출된, 가스 감지층(4), 접착층(7) 및 감지 전극(6)의 접촉 표면의 돌출 영역에 대하여 50%보다 크거나 같다. 이러한 구조에 의하면, 상기 기본 부재(15)와 가스 감지층(4) 사이의 접착을 더욱 견고하게 달성할 수 있다. 상술한 바의 실시예에서, 상기 가스 센서(1)는 상기 기본 부재(15) 상에서 상기 접착층(7)과 상기 가스 감지층(4) 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역이 상기 기본 부재(15) 상에서 상기 접착층(7) 및 상기 감지 전극(6)과 접촉되는 상기 가스 감지층(4)의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역의 68%에 해당하는 구조로 된다.
다음은 도 17을 참조하여 가스 감지층(4)과 기본 부재(15)의 두께에 대한 변형예를 설명한 것이다. 이 변형예에서는, 도 17에 나타낸 바와 같이, 절연층(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)의 두께의 합보다 상기 접착층(7)이 더 두껍게 형성되고, 불규칙성 또는 요철 정도가 더 크게 형성된다. 접착층(7)의 불규칙성 정도는 접착층(7)의 두께가 증가할수록 증가되는 경향이 있다.
이 변형예의 가스 센서(1)를 제조하기 위한 제조 방법은, 「〈9〉접착층(7) 형성」에서 상기 힐록 알루미늄막의 막 도포 양을 조절함으로써 접착층(7)의 두께를 증가시키고 접착층(7)의 불규칙성 정도를 증가시키는 것을 제외하고는, 상술한 바의 실시예에서의 제조 방법과 동일하다. 상기 절연층(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)은 박막의 형태로 형성되며 그 두께는 2㎛보다 작거나 같고, 더욱 구체적으로는 600nm이다. 상기 접착층(7)은 상기 절연층(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)보다 두껍게 형성되므로, 접착층(7)은 박막으로 형성된 상기 절연층(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)의 편향을 방지할 수 있다.
이러한 변형예의 가스 센서(1)에서 접착층(7)의 상태를 확인하기 위하여, 접착층(7)을 포함하도록 실리콘 기판(2)의 두께 방향으로 가스 센서(1)를 절단하였고, 상기 두께 방향으로 연장되는 교차 평면에 의하여 얻어지는 접착층(7)의 단면을 실제 크기보다 10,000배 큰 배율로 확대하여 주사 전자 현미경으로 관찰하였다. 도 19는 상기 주사 전자 현미경에 의하여 얻어진 접착층(7)의 확대 사진 영상을 나타낸다. 도 19로부터, 접착층(7)의 표면이 요철부를 갖는 불규칙한 표면(71)으로 형성됨이 확인된다. 접착층(7)의 불규칙성 정도를 확인하기 위하여, 보호층(35)의 표면으로부터 접착층(7)의 요철부를 형성하는 피크부의 높이(보호층(35)의 표면에 수직인 방향으로 직선 거리) 중에서 가장 높은 또는 큰 5개의 피크부(81~85)의 평균 높이를 계산하였다. 결과적으로, 이 평균은 절연층(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)의 총 두께보다 크다. 이러한 방식으로, 절연막(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)의 총 두께보다 큰 접착층(7)의 상기 평균을 형성함으로써, 가스 감지층(4)과 기본 부재(15) 사이의 접착을 더욱 개선할 수 있다. 이 변형예에서, 가스 감지 층(4)의 두께(평균 두께)는 상술한 바의 실시예에서 약 15㎛와 같았고, 돌출층(35)의 표면 조도(Ra)는 0.002㎛였다.
도 18에 나타낸 그래프를 참조하여, 가스 센서(1)의 충격 테스트 결과를 아래에 설명한다. 절연막(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)의 총 두께는 0.6㎛(600nm)이었고, 접착층(7)은 알루미나(Al2O3)로 형성되었으며, 접착층(7)의 불규칙성 정도가 적당하게 조절된 5개의 표본을 준비하여 충격 테스트를 수행하였다. 충격 테스트 후, 상술한 바의 계산 방법에 의하여 상기 5개의 표본 각각에 대하여 보호층(35)의 표면으로부터 접착층(7) 돌출부의 5개의 피크부(81~85)의 평균 높이를 계산하였다. 그 결과, 이들 표본에 형성된 접착층(7)의 평균 높이는: 0.010㎛, 0.672㎛, 1.168㎛, 1.238㎛, 및 2.067㎛이다. 상기 충격 테스트는 아벡스 코포레이션(AVEX corporation)에 의하여 제조된 충격 테스트기 에스엠-110-엠피(SM-110-MP, 모델명)를 사용하여 수행하였다.
이 충격 테스트 결과에 의하면, 접착층(7)의 상술한 바 평균 두께가 0.010㎛인 경우, 상기 가스 감지층(4)은 기본 부재(15)로부터 2214G까지 분리되지 않았다. 접착층(7)의 평균 두께가 0.672㎛인 경우, 상기 가스 감지층(4)은 기본 부재(15)로부터 2500G까지 분리되지 않았다. 접착층(7)의 평균 두께가 1.168㎛인 경우, 상기 가스 감지층(4)은 기본 부재(15)로부터 3000G까지 분리되지 않았다. 접착층(7)의 평균 두께가 1.238㎛인 경우, 상기 가스 감지층(4)은 기본 부재(15)로부터 2806G까지 분리되지 않았다. 접착층(7)의 평균 두께가 2.067㎛인 경우, 상기 가스 감지 층(4)은 기본 부재(15)로부터 2794G까지 분리되지 않았다. 그러므로, 절연층(32)과 절연층(33) 및 보호층(35)의 총 두께보다 큰 두께를 평균 두께를 갖는 접착층(7)을 포함하는 가스 센서는 2500G보다 크거나 같은 충격을 견딜 수 있고, 가스 감지층(4)과 기본 부재(15) 사이의 접착은 비약적으로 개선될 수 있다.
본 발명은 반도체 가스 센서에 적용가능하다.

Claims (10)

  1. 기본 부재 상에 형성되며, 측정 가스에서 특정 가스의 농도 변화에 따라 변화되는 전기적 특성을 갖는 금속 산화 반도체를 주요 부품으로서 포함하는 가스 감지층으로 이루어지고;
    상기 가스 감지층은:
    상기 기본 부재 상에 형성되며, 상기 가스 감지층의 전기적 특성 변화를 감지하기 위하여 배열되는 한 쌍의 감지 전극; 및
    상기 가스 감지층에 접촉하는 접착층을 더욱 포함하며;
    상기 감지 전극은 상기 가스 감지층에는 접촉되지만 상기 접착층에는 접촉되지 않음을 특징으로 하며; 그리고
    상기 기본 부재는:
    두께 방향으로 연장되는 개구부가 형성된 반도체 기판,
    상기 반도체 기판 상에 형성되며, 상기 개구부를 마주보는 위치에 형성되는 분리 벽부를 포함하는 절연층,
    상기 분리 벽부 상에 형성되는 열발생 저항, 및
    상기 열발생 저항을 커버하기 위하여 상기 절연층 상에 형성되는 보호막을 포함하며;
    상기 감지 전극, 상기 접착층 및 가스 감지층은 상기 기본 부재의 보호층 상에 형성됨을 특징으로 하는, 가스 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 절연층과 상기 보호층의 두께의 합은 2㎛보다 작거나 같고, 상기 보호층의 일 표면의 표면 조도(Ra)는 0.030㎛보다 작거나 같으며, 2㎛보다 큰 두께를 갖는 가스 감지층은 상기 보호층의 표면 상에 형성됨을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 접착층의 두께 방향으로 연장되는 단면에서 볼 때, 상기 보호층의 일 표면으로부터 상기 접착층의 일 표면의 볼록부를 형성하는 표면 조도 피크부들의 높이 중 가장 큰 5개의 피크 높이의 평균은 상기 절연층 및 상기 보호층의 두께의 합보다 큼을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 절연층 및 상기 보호층의 두께의 합은 2㎛보다 작거나 같고, 상기 보호층의 일 표면의 표면 조도는 0.030㎛보다 작거나 같으며, 2㎛보다 크고 상기 합의 2 배보다 크거나 같은 두께를 갖는 가스 감지층은 상기 보호층의 표면 상에 형성됨을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 한 항에 있어서, 상기 접착층은 적어도 상기 감 지 전극들 사이에 형성됨을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 한 항에 있어서, 감지 전극은 빗 형상으로 형성되며, 상기 전극들 중 하나의 1개 치부는 상기 전극들 중 나머지의 치부들 사이에 삽입되고, 상기 접착층은 전극들 중 하나의 치부들과 상기 전극들 중 나머지의 치부들 사이에 형성됨을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 한 항에 있어서, 상기 접착층은 상기 감지 전극들 사이 및 상기 감지 전극 주위에 연속적으로 형성됨을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 한 항에 있어서, 상기 접착층은 절연층임을 특징으로 하는 가스 센서.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 한 항에 있어서, 상기 가스 감지층의 재료는 상기 접착층 재료의 입자들 사이에 삽입됨을 특징으로 하는 가스 센서.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 한 항에 있어서, 상기 기본 부재 상에 형성되는 상기 가스 감지층이 상부에 위치되는 가스 감지층의 측부로부터 상기 가스 감지층과 상기 접착층 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역은, 상기 기본 부재 상에 형성되는 상기 가스 감지층이 상부에 위치되는 가스 감지층의 측부로부터 상기 가스 감지층과 상기 접착층 및 상기 감지 전극들 사이의 접촉 표면을 돌출시킴으로써 얻어지는 돌출 영역의 50%보다 크거나 같음을 특징으로 하는 가스 센서.
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