KR20100109015A - 가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기 중의 시료 가스를 탐지하고 식별하는 장치 및 장치 내부의 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 두 가지 태양의 다중 탐지 시스템을 특징으로 한다. 본 발명의 다중 탐지 시스템은 가스 센서들이 다중화되어 다중화된 탐지가 가능하다는 장점이 있으며, 첫 번째 실시예에서는, 가스센서가 갖는 단점 중의 하나인 오탐지 감소 및 다양한 가스의 복합탐지를 위해, 다중 센서부를 IMS(Ion Mobility Spectrometry), PID(Photo Ionization Detector) 및 SAW (Surface Acoustic Wave) 센서를 어레이하여 구조화한다. 두 번째 실시예에서는 이온 검출을 위한 탐지 강도를 증가시키기 위하여 다중 센서부를 2개 이상의 동종의 센서를 어레이하며, 이때 다층으로 형성되는 고전압 전극과 이온 검출 전극쌍이 특정한 형태로 구조화되도록 한다. 또한, 두 번째 실시예에서는, MEMS(Micro electro mechanical system) 공정을 이용하여 신규한 다층의 이온 센서 가공방법을 개시한다.

Description

가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템{REINFORCED GAS SENSING SYSTEM IN A GAS DETECTOR }

본 발명은 대기 중의 가스 및/또는 실내공기 오염물질을 탐지하고 식별하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 발명가 중 1인은 대한민국 등록특허 제498265호, 제545455호 및 제609396호에 의해 등록받은 가스 식별장치에 관한 기술을 제안한 바 있다. 해당 기술들은 대기 중에 존재하는 가스를 탐지하고 식별하는 센서 장치로서 대기 중의 가스 시료 분자를 흡입하고 이를 이온화하여 검출하고 측정하며, 내부에 IMS(Ion Mobility Spectrometry) 센서를 이용하였다.

위와 같은 기술을 배경으로 하여, 상기 발명가와 다른 발명가 2인이 기술의 개량과 혁신에 대하여 공동으로 협의하고 연구 노력한 결과, 상기 개시된 기술들이 대기 중에 포함되는 독가스 등 화학 작용제를 주대상으로 삼고 있기 때문에, 유사시 또는 테러시에 사용될 수 있는 장점이 있으나, 오늘날 특히 실내 공기 오염 물 질로 문제가 되고 있는 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds; VOC)을 정확하게 탐지하기는 어렵다는 문제점을 도출하였다.

한편, 가스 센서가 갖는 단점 중에 가장 큰 문제가 되는 것은 잘못된 탐지(오탐지)인데, 종래의 센서는 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 탐지하지 못하거나 또는 유기물 기체도 이온화하는 과정에서 이를 잘못 탐지할 수도 있는 문제가 있었다. 또한, 대기 중의 공기를 시료로 하여 그 시료를 정확히 측정하기 위해서는 그 시료의 특성에 맞게 센서가 동작할 필요성이 있고, 또한 그 정확성을 더욱 향상시키기 위한 수단이 요청되었다.

더욱이 하나의 탐지 장치로 가스들을 복합적으로 탐지할 수 있는 장치는 종래에 알려져 있지 않았다. 즉, 가스를 복합적으로 탐지하면서 동시에 정확하게 탐지할 수 있는 장치는 존재하지 않았다.

본 발명의 발명가들은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 새로운 장치 및 탐지 시스템에 대한 요청에 부응하고자 예의 연구 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 대기 중의 다양한 가스를 하나의 장치로 탐지할 수 있는 센서 장치 및 센서 시스템을 제공하고자 함에 있다. 그와 같은 복합 가스 측정 시스템을 완성함으로써 탐지 영역을 확장하기 위하여 제1 다중 탐지 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 그와 같이 가스를 탐지함에 있어서 그 검출 한계를 증가시킬 수 있는 수단을 제공하여 탐지 영역을 확장하고자 함에 있다. 이를 위하여 제2 다중 탐지 시스템을 제공하고자 한다.

위와 같은 목적들은 공기 중의 다양한 시료 가스의 이온 검출능력을 향상시킴과 동시에 탐지 감도를 증가시키는 것이다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 공기 중의 가스 화합물을 정량분석하여 식별하는 가스 식별 장치의 내부 가스 센서 시스템에 있어서,

상기 내부 가스 센서 시스템은, 가스 흡입부를 통해서 흡입되는 시료 가스를 2개 이상의 가스 센서부로 이루어지는 다중 센서부를 포함하여 이루어지며, 시료 가수는 다중 센서부의 각각의 가스 센서부를 시계열적으로 통과함으로써 시료 데이 터를 강화하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 다중 센서부는, 이종(異種)의 가스 센서부로 이루어져 있으며, 상기 가스 센서부는 각각 이온 이동도 분광(Ion Mobility Spectrometry; IMS) 센서, 광이온화 검출기(Photo Ionization Detector; PID) 센서, 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW) 센서 중 2개 이상을 포함하며, 시료 가스는 각각의 가스 센서부를 시계열적으로 통과하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직한 다른 실시예에 있어서, 상기 다중 센서부는, 동종(同種)의 가스 센서부를 다층으로 형성하여 이루어짐으로써, 탐지 신호의 감도를 강화하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 가스 센서부는 PID 센서이며, 각각의 가스 센서부는 고전압 전극의 전극 로드들이 이온 검출 전극의 전극 로드들을 감싸는 구조로 이루어져 전기장을 균일하게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 다층으로 형성된 상하(上下)의 가스 센서부의 각각의 고전압 전극 및 이온 검출 전극의 위치 및 전극 로드들의 관계는 서로 일치시키는 것이 좋다.

또한, 바람직한 실시예에 있어서, 상기 가스 센서부는 고전압 전극의 전극 로드들이 이온 검출 전극의 전극 로드들을 감싸는 구조를 패턴화하여, 실리콘 웨이퍼를 이용한 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기법에 의해 제작하는 것이 좋다.

위와 같은 과제 해결 수단에 의하여, 본 발명은, 대기 중의 다양한 가스를 오동작 없이 신뢰성 있게 탐지하고 식별할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과는, 이온검출전극으로의 전기장 형성이 효율적으로 형성되고, 이온 검출의 한계를 증가시키기 때문에, 보다 효과적으로 이온 검출이 가능하다는 장점이 있다.

본 발명의 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 등 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 감지 시스템의 개략적인 구성을 예시하고 있다. 이 시스템은 장치의 외부적인 시스템이 아니라, 가스 탐지 장치 내부의 각각의 구성요소의 시스템적인 작용관계를 설명하는 것이기 때문에, 흡입되는 공기의 가스 시료에 대한 내부 감지 시스템(내부의 가스 센서 시스템)에 관한 것이다.

가스 흡입부(19)는 측정하고자 하는 위치에서의 공기 시료를 흡입되고, 흡입 된 시료 가스는 다중 센서부(20)로 들어간다. 다중 센서부(20)는 제1 센서부(22), 제2 센서부(24) 및 제3 센서부(26)로 이루어질 수 있다. 도 1에서, 다중 센서부(20)는 3개의 센서부로 구성되어 있으나, 이는 예시하기 위한 것으로서 2개 이상의 센서부를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 각각의 센서부(22)(24)(26)는 독립된 영역으로 물리적으로 구분될 수 있다. 제1 실시예에 있어서, 각각의 센서부(22)(24)(26)는 시료 가스를 각각 다른 방법으로 탐지함으로써 다양한 가스에 대한 복합적인 탐지 영역으로 확장하여 시료 데이터를 강화한다. 제2 실시예에 있어서는 상기 센서부(22)(24)(26)는 검출의 한계를 증가시킴으로써 시료 가스의 탐지를 확장하여 시료 데이터를 강화한다.

메인회로부(80)는 상기 센서부(22)(24)(26)가 작동하는데 필요한 전기적인 회로를 제공하며, 센서부들의 동작에 최적화되어 설계될 수 있다. 메인회로부(80)의 구성은 하기에서 설명되는 센서부들의 구성 실시예에 따라 변형될 수 있다. 센서부(22)(24)(26)의 기능이 복합적인 탐지 영역으로 독립되어 있는 실시예의 경우에는 각각의 센서부에 가해지는 메인회로부(80)의 전압, 전류, 주파수값 등이 상이할 수 있으며, 그 경우에는 각 센서부에 따라서 메인회로부(80)에서도 기능상 독립된 회로 영역으로 구분될 수 있다. 상기 센서부(22)(24)(26)의 기능이 탐지를 강화하는 실시예인 경우에는, 상기 메인회로부(80)가 상시 센서부에 인가하는 전류, 전압 값들은 동일할 수 있다. 전원부(70)는 메인회로부(80)에 전원을 인가한다.

펌프(30)는 대기 중의 시료를 원활하게 흡입할 수 있도록 도와주며, 흡입된 공기는 배출부(40)를 통해 밖으로 배출된다. CPU(50)는 센서부(22)(24)(26)의 동 작을 제어하며 또한 센서부(22)(24)(26)로부터 출력되는 각각의 신호 데이터를 인식해서 디지털화된 수치로 변환하여 분석하고 이를 출력부(60)를 통해서 출력하는 분석 알고리즘을 포함할 수 있다.

<제1 실시예 : 제1 다중 탐지 시스템>

본 발명의 제1 실시예는 상기 다중 센서부(20)를 이용한 제1 다중 탐지 시스템을 개시한다. 본 실시예는 다중 센서부(20)의 센서부(22)(24)(26)들을 시료 가스를 다양한 방법으로 탐지함으로써 복합적인 탐지가 가능하도록 한다. 시료 가스 중에 포함된 다양한 화합물을 탐지함으로써 시료 데이터를 양적으로 강화한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 센서부(22)는 이온 이동도 분광(Ion Mobility Spectrometry; IMS) 센서, 제2 센서부(24)는 광이온화 검출기(Photo Ionization Detector; PID) 센서, 제3 센서부(26)는 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW) 센서이며, 각 센서들이 어레이 되도록 하여 다양한 시료 공기를 탐지함으로써 오탐지를 감소시키고, 가스 탐지 시스템의 효능성을 향상시킨다.

IMS 센서(220)는 채취된 시료 가스에 대하여 방사능 동위원소 또는 자외선 영역의 빛을 이용하여 플라즈마 상태로 이온화하고, 형성된 이온은 대략 1,000Vdml 고전압으로 전기장이 형성된 드리프트 영역을 통과하며 다른 이온 이동도를 가지면서 드리프트되며, 드리프트 영역을 통과한 이온들이 컬렉터 쪽으로 모이고, 각각의 화합물의 이온질량들의 전기신호는 상기 CPU(50)로 전달되어, 변환, 해석된다.

상기 IMS 센서(220)를 거친 가스는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 측정하는 센 서에 의해 다시 탐지될 수 있다. 대기 중에 포함된 VOC를 탐지하는 상기 두 번째 센서는 PID 센서(240)일 수 있다. 이를 위하여 PID 센서(240)는 먼저 광에너지를 사용하여 VOC를 플라즈마 상태의 이온으로 형성하며, 일정한 에너지를 방출하는 자외선 램프를 이용하여 이온의 농도를 확인하고 분석하게 된다. 상기 PID 센서(240)는 기체상태인 VOC 시료들을 자외선 램프를 사용하여 이온화시킨 후, 이온들을 효과적으로 측정하여 VOC들의 농도를 통합적으로 측정한다. VOC들을 분석할 때, 공지된 방법인 흡수분광법, 형광분광법 등을 사용할 수도 있으나, 장치를 구성하는 비용이 상대적으로 많이 들고, 작은 크기로 만들기가 어렵기 때문에 본 발명은 상기와 같은 이온화 방법을 채택하였다.

자외선 램프에서 방전이 되어 자외선이 발생 되며, 이온화 장치와 이온측정 센서 사이에 VOC 시료들이 도입되는데, 시료도입은 소형 다이아프램 펌프를 사용하여 연속적으로 분석공간에 도입되도록 하였다. 도입된 시료는 자외선 램프에서 발생되는 자외선에 의해 이온화되며, 이때 고려되어야 할 사항 중의 하나는 이온화 에너지이다. 대부분의 VOC들은 6~10eV 정도의 이온화 에너지를 갖고 있다. 따라서 대상 시료들의 에너지보다는 높은 파장의 빛을 발생시키는 램프를 사용하여야 한다.

도 3은 유기물 기체의 이온화 구조를 나타내는 도면이다. 시료의 이온화는 자외선 램프에 의하여 이루어지며, 램프의 양면에 RF 전압을 인가하여 이때 방전되는 빛을 에너지원으로 사용한다. 발생하는 자외선의 에너지는 9.8eV, 10.6eV 등이 있으며, 램프를 구동하는 전원은 소형 100kHz급을 사용하며, 인가 전압은 800~ 1000V 정도이다. VOC와 같은 기체 시료의 이온화 공정에서 이온검출기로는 MCP (Microchannel Plate)나 SEM(Secondary Electron Multiplier)과 같은 고기능의 전자증폭장치를 사용한다. 이들 고감도 이온센서들은 진공에서만 작동이 가능하다. 따라서 대기압 상태에서 사용할 수 있는 패러데이 컴(Faraday cup) 형태의 센서가 사용된다. 그 형태는 여러 개의 가느다란 전극을 함께 사용하는 어셈블리 형태이며, 한 전극이 다른 전극을 감싸고 있는 형태이다.

한편, 시료 도입구는 테프론관 및 유리 모세관(capillary)를 사용하여 제작할 수 있으며, 효과적인 시료도입 및 사용된 시료들의 배출을 위해서 소형 다이아프램 펌프를 사용한다. 이 펌프를 사용하면 매우 적은 양의 기체 시료를 이온화 부위에 도입할수 있으며 이온화 부위를 통과한 기체들을 시스템의 외부로 배출시키는 역할까지 수행한다.

상기 PID 센서(240)를 거친 가스는 다시 공기 중에 있는 화학작용제를 탐지하는 세 번째 센서에 의해 다시 탐지될 수 있다. 이 세 번째 센서는 SAW 센서(260)가 적용될 수 있다.

SAW 센서(260)는 흡입된 시료의 화학적 물리적 성질을 음파로 변환시킨다. 이러한 SAW 센서(260)는 공기 중에 있는 독가스라든가 환경 가스 등의 화학 작용제를 흡착할 수 있는 폴리머가 도포된 압전 크리스탈로 구성된다. 이 압전 크리스탈은 2개에서 6개 사이의 압전 크리스탈로 구성될 수 있다. 그리고 각각의 압전 크리스탈에는 다른 종류의 화학가스를 탐지할 수 있는 폴리머가 도포되어 있다. 예를 들어 하나의 폴리머에는 물과 흡착할 수 있으며, 다른 폴리머에는 다른 종류의 화 합물과 흡착할 수 있는 폴리머가 도포되어 있다. 화합물과 선택적으로 흡착할 수 있는 폴리머로 도포되어 있는 압전 크리스탈은 화합물이 흡착되었을 때 폴리머의 질량이 변하는 값을 탐지한다. 즉 폴리머의 질량 변화는 압전 크리스탈의 공명 주파수를 변화시키며, 공명 주파수의 변화를 통해 화합물을 탐지하여 식별하게 된다. 이때 발생 된 공명 주파수는 사전에 데이터베이스 되어져 저장된 공명 주파수와 비교되어 화합물의 종류 및 농도를 알게 된다.

SAW 센서(260)의 선택성과 감도는 폴리머가 공기 중에 존재하는 화학가스와 얼마나 잘 흡착하는가 하는 성질에 의존한다. 탐지할 수 있는 화학가스는 헥산과 같은 매우 가벼운 유기화합물부터 매우 낮은 휘발도를 갖는 무거운 반 휘발성 유기화합물까지 매우 넓은 영역의 화학가스를 탐지할 수 있다. SAW 센서(260)가 화학가스를 탐지할수 있는 능력은 화학가스의 질량 및 증기압으로 결정된다. 특별한 화학가스와 반응하여 흡착할수 있는 폴리머가 사용된다.

이와 같은 시스템에 의해서, 탐지 장치 내로 흡입된 시료 가스는 시계열적으로 위와 같은 세 가지 서로 다른 센서에 의해 다중 탐지되기 때문에, 공기 중에 다양하게 존재하는 가스에 대한 복합적인 탐지가 가능해진다. 또한, 이러한 복합적인 탐지는 결국 탐지 대상의 대기에 존재하는 각종 위험 물질이나 오염 물질을 다양하게 포괄하여 정확한 탐지를 가능하게 하기 때문에, 결국 본 발명의 상기 제1 다중 탐지 시스템의 복합적인 탐지는 정확한 탐지와 맥락을 같이한다. 이것이 본 발명의 제1 다중 탐지 시스템이 시료 가스로부터 탐지되는 시료 데이터를 강화하는 것을 의미한다.

<제2 실시예 : 제2 다중 탐지 시스템>

제1 실시예가 대기 중에 존재하는 다양한 가스에 대한 복합적인 탐지를 가능하게 함으로써 시료 데이터를 강화하고 있는데 비하여, 본 실시예는 검출 한계를 확장함으로써 시료 데이터를 강화하는데 싣고 있다. 본 실시예의 시스템은 제1 다중 탐지 시스템과 마찬가지로 도 1에 도시된 시스템을 그대로 사용한다. 도 1에 있어서, 다중 센서부(20)는 제1 센서부(22), 제2 센서부(24) 및 제3 센서부(26)로 이루어지는데, 본 실시예에서 각각의 센서부(22)(24)(26)는 서로 동종의 센서가 다중으로 어레이 되는 구조로 구성된다. 예컨대 상기 제1 센서부(22)는 제1 PID 센서로, 제2 센서부(24)는 제2 PID 센서로, 제3 센서부(26)은 제3 PID 센서로 다층으로 이온 센서를 구성할 수 있다. 이와 같은 동종의 센서를 다중으로 어레이함으로써 이온 센서로부터 출력되는 신호가 합산되어 검출 한계가 증가되고 탐지 강도가 증가하여 결과적으로 탐지 영역이 확장된다. 본 실시예는 가공 방법에 의하여 다시 두 가지의 실시예로 세분화될 수 있다.

제2 실시예의 제1 하위 실시예는, 1개의 PID 센서(210)를 고전압 전극이 이온검출 전극을 감싸고 있는 형태로 제작하여, 이를 2개 이상의 층으로 다층 배열하여 흡입된 시료 가스가 다층의 PID 센서(210)를 통과하도록 하는 것이다. 도 4(a)에 도시되어 있는 바와 같이 얇은 금속 플레이트로 이루어지는 고전압 전극편(21)과 마찬가지로 동일한 두께의 얇은 금속 플레이트로 이루어지는 이온 검출 전극 편(23)을 기계적으로 가공하여 제작한다. 고전압 전극편(21)와 이온 검출 전극편(23)에는 머리빗과 같은 형태의 다수의 전극 로드(rod)가 구비되며, 고전압 전극편(21)의 전극 로드 사이로 이온 검출 전극편(23)의 전극 로드가 위치하도록 함으로써, 고전압 전극이 이온 검출 전극을 감싸고 있는 형태의 전극쌍을 이룬다. 이는 도 4(b)에 도시된 바와 같다. 편의상 이온 검출 전극편(23)은 빗금을 쳐서 나타내었다.

도 5는 도 4에 도시된 단층의 이온 센서가 2개 이상의 층으로 다중화되어 있는 것을 개념적으로 도시하고 있다. 이와 같이 다층으로 이온 센서를 다중화하면 전류의 세기가 증가하게 되고, 결과적으로 검출의 한계를 높여 줄 수 있다. 또한, 고전압 전극에서 이온 검출 전극으로의 전기장의 세기가 균일하게 형성될 수 있다. 고전압 전극에서 이온 검출 전극으로 전기장 형성이 효율적으로 형성되기 때문에, 이온 검출 효율을 증대시킬 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면 고전압 전극과 이온 검출 전극 사이가 횡적으로도(고전압 전극과 이온 검출 전극의 '凹凸' 삽입구조) 또한 종적으로도(2개 이상의 전극쌍 구조) 다중화가 가능하다.

한편, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 2개 이상의 다층의 이온 센서는 그 위치를 형성하여 고정 구조화된다. 고전압 전극편(21)에 형성된 홈(211)과 이온 검출 전극편(23)에 형성된 홈(231)은 위와 같은 형태 구조를 장치 내부에 고정하기 위한 수단이다.

제2 실시예의 제2 하위 실시예에 대해서 설명한다. 이 실시예는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기법을 이용하여 상기 제1 하위 실시예의 다층 구조를 구현한 것이다. 이와 같은 실시예에 따른 구조화 가공 공정을 통해서 다층 구조의 소형 이온 센서 제작이 가능하다. 이는 소형화, 고성능화 및 저가격화를 실현하기 위한 방법이다. 이온의 검출능력을 향상시키기 위해서 다양한 시도가 행해졌고, 본 실시예에서는 이온장치 내에 존재하는 이온 셀의 형태를 신규한 구조로 제작하고 이를 다층으로 더욱 구조화하여 이온이 통과하는 동안의 반응을 증가시키도록 하였다. 소형화된, 그리고 정밀한 모형의 이온 필터 셀을 제작하기 위하여 반도체 제조공정을 이용하였다.

본 실시예의 검출 장치는 시료 주입장치, 이온화 장치(ion source), 반응장치(reaction region), 이온 출입장치, 이동 장치(drift region), 이온 검출기 등으로 구성될 수 있다. 이와 같은 수단들은 제1 실시예의 경우에도 공통적으로 포함될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(1) 위에 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 기법을 이용하여 금 박막층(3)을 형성한다. 이때, 실리콘 웨이퍼(1)와 금 박막층(3)의 표면의 접착력을 향상시키기 위하여 티타늄(Ti)를 이용하여 접합층(adhesion layer)(2)를 만든다. 이 접합층(2)도 CVD 방법으로 형성한다. 형성된 금속 층의 높이는 각각 접합층(2)이 대략 400Å, 금 박막층(3)이 대략1300Å 정도로 형성한다. 도면에서 나타낸 각 레이어의 두께는 설명의 편의를 위하여 과장해서 표현하였으며, 특히 금박막층(3)과 접합층(2)의 두께가 그러하다.

도 6과 같이 실리콘 웨이퍼(1) 위에 금속박막이 형성되면 사진 공정(photolithography) 단계로 이행한다. 도 7에 도시된 바와 같다. 금 박막층(3) 위로 감광물질(photoresist)을 균일하게 도포하여 감광막(4)을 형성하였다. 포토마스크(photo-mask)(5)에 소망하는 패턴을 형성하여 상기 감광막(4) 위에 위치시킨 후 자외선을 조사한다. 본 실시예에서 상기 감광막(4)에 형성된 패턴의 디자인은, 상기 제1 하위 실시예에서 설명한 바와 같은 형태를 갖도록 함이 중요하다. 즉 상기 패턴은 고전압 전극 영역(6)과 이온 검출 전극 영역(6)으로 나누어져 만들어지며, 여기서 고전압 전극 영역(6)의 다수의 전극 로드는 이온 검출 전극 영역(6)의 다수의 전극 로드를 각각 감싸는 구조, 즉 고전압 전극 영역(6)의 전극 로드의 '凹' 형태의 홈에 이온 검출 전극 영역(6)의 '凸' 형태의 전극 로드가 삽입되도록 하고, 이러한 구조에서 고전압 전극 영역(6)의 전극 로드들과 이온 검출 전극 영역(6)의 전극 로드들 사이의 인접한 영역(8)은 시료 가스가 지나가는 영역이 되며, 이 영역이 노출되어 있으며 자외선이 조사된다. 감광막(4)은 특정 파장에서만 반응하는 물질이므로 자외선이 조사되면 마스크에 의해 가려진 부분을 제외한 노출된 부분의 감광막(4)만 반응하여 분해하게 된다.

위와 같이 패턴된 마스크(5)를 이용하여 자외선 조사하여 노광한 후 불필요한 감광막(4)을 제거하고 소정의 식각 공정을 거친다. 식각 공정을 통해 원하지 않는 금속층의 부분을 제거하며, 또한 상기 시료 가스가 통과하는 영역(8) 밑의 실리콘층(1)도 제거한다. 이 영역(8)은 식각한 가스 흐름 통로를 의미한다. 도 8 및 도 9에 개략적으로 나타나 있다. 식각 공정은 일반적으로 건식 식각과 습식 식 각으로 구분할 수 있으나, 본 발명에서는 정밀한 이온전극의 패턴이 무엇보다도 중요하므로 플라즈마를 이용한 건식 식각을 제안한다. Inductively Coupled Plasma 식각 공정을 이용하며, 식각 공정에 사용하는 반응가스는Ar과 CF₄가스를 사용하도록 한다.

도 9는 위와 같은 공정을 거쳐 제작된 단층의 이온 센서의 전극쌍의 단면도이다. 다수의 전극 로드들을 갖는 고전압 전극(9)이 이온 검출 전극(10)의 다수의 전극 로드들을 감싸는 구조로 이루어진다. 시료 가스는 가스 흐름 통로로 형성된 영역(8)을 통해 전극쌍 사이의 공간으로 인입된다.

다음으로, 위와 같이 제작된 단층의 이온 센서를 서로 접합하여 다층으로 형성하는 것이다. 이는 도 9의 이온 센서를 2개 이상의 층으로 형성하는 것을 의미한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 아래층 이온 센서의 실리콘층에 실리콘 접합부(11)을 형성하고 이를 위층의 실리콘 웨이퍼의 하단의 실리콘층(1)에 열을 가하여 결합시킨다. 결합시 각 패턴들의 구조화된 모양이 동일하고 배열이 정확히 맞아야 한다. 3층의 다층 구조로 완성된 이온 센서는 도 11에 도시된 바와 같다. 전극층(12)이 3층으로 적층되어 있으며, 위 아래로 고전압 전극과 이온 검출 전극의 위치가 정확히 일치함으로써 고전압 전극도 다층 구조이며, 이온 검출 전극도 다층 구조이며, 또한 고전압 전극과 이온 검출 전극의 다수의 전극 로드들의 인접하는 관계('凹-凸' 형태로 삽입ㆍ감싸는 구조)도 다층화된다.

위와 같은 반도체 공정기술은 재생산성이 높기 때문에, 제2 실시예의 상기 제1 하위 실시예의 구조와 같은 다층 이온 센서를 대량으로 소형으로 경제적으로 제작할 수 있다.

한편, 본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서의 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 첨언한다.

도 1은 본 발명에 따른 내부 가스 센서 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 센서부의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 3은 유기물 기체의 이온화 구조를 나타내는 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 있어서 1개의 이온 센서부의 전극쌍을 이루는 고전압 전극과 이온 검출 전극의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 5는 도 4의 전극쌍이 2층으로 구조화되는 실시예를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 있어서 실리콘 웨이퍼 위에 금속 박막을 CVD 증착하는 공정을 나타내는 도면이다.

도 7은 도 6 이후의 사진 공정을 나타내는 도면이다.

도 8은 도 7 이후의 식각 공정을 나타내는 도면이다.

도 9는 도 6 내지 도 8의 공정을 거친 후 완성된 단층의 이온 센서의 전극쌍을 나타내는 도면이다.

도 10은 도 9의 단층의 이온 센서를 2층으로 접합하는 공정을 나타내는 도면이다.

도 11은 본 발며의 제2 실시예에 있어서 다층으로 구조화된 이온 센서의 단면도이다.

※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시 된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

Claims (6)

1. 공기 중의 가스 화합물을 정량분석하여 식별하는 가스 식별 장치의 내부 가스 센서 시스템에 있어서,

   상기 내부 가스 센서 시스템은, 가스 흡입부를 통해서 흡입되는 시료 가스를 2개 이상의 가스 센서부로 이루어지는 다중 센서부를 포함하여 이루어지며, 시료 가수는 다중 센서부의 각각의 가스 센서부를 시계열적으로 통과함으로써 시료 데이터를 강화하는 것을 특징으로 하는, 가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다중 센서부는, 이종(異種)의 가스 센서부로 이루어져 있으며, 상기 가스 센서부는 각각 이온 이동도 분광(Ion Mobility Spectrometry; IMS) 센서, 광이온화 검출기(Photo Ionization Detector; PID) 센서, 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave; SAW) 센서 중 2개 이상을 포함하며, 시료 가스는 각각의 가스 센서부를 시계열적으로 통과하는 것을 특징으로 하는, 가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다중 센서부는, 동종(同種)의 가스 센서부를 다층으로 형성하여 이루어짐으로써, 탐지 신호의 감도를 강화하는 것을 특징으로 하는, 가스 식별장치의 강 화된 가스 센서 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 가스 센서부는 PID 센서이며, 각각의 가스 센서부는 고전압 전극의 전극 로드들이 이온 검출 전극의 전극 로드들을 감싸는 구조로 이루어져 전기장을 균일하게 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   다층으로 형성된 상하(上下)의 가스 센서부의 각각의 고전압 전극 및 이온 검출 전극의 위치 및 전극 로드들의 관계는 서로 일치하는 것을 특징으로 하는, 가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 가스 센서부는 고전압 전극의 전극 로드들이 이온 검출 전극의 전극 로드들을 감싸는 구조를 패턴화하여, 실리콘 웨이퍼를 이용한 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기법에 의해 제작하는 것인, 가스 식별장치의 강화된 가스 센서 시스템.

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