KR20110062217A - 표면보호막이 적용된 환경측정용 센서 - Google Patents

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신규식
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Abstract

본 발명은 환경 측정용 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 환경 및 자체 발생된 열로부터 환경 측정용 센서를 보호할 수 있는 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 기판, 상기 기판상에 적층되며, 열을 발생하는 발열체, 상기 발열체로부터 일정 거리 이격되어 있으며, 상기 발열체로부터 발생되는 열을 감지하는 온도센서, 상기 발열체와 온도센서가 외부에 노출되는 것을 차단하며, SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층된 상부 보호막을 포함하는 환경 측정용 센서를 제안한다. 또한, 발열체에서 발생된 열의 하부 방열을 막기 위해 상기 기판의 일정 영역을 에칭하며, 에칭한 일정 영역인 멤브레인을 보호하기 위해 하부 보호막을 적층한다.
환경 측정용 센서, MEMS, 내열성, 절연성, 발수성, 발열체, 온도센서, 보호막, 외부환경, 물리적 충격

Description

표면보호막이 적용된 환경측정용 센서{Environmental measurement sensor}
본 발명은 환경측정용 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 환경 및 자체 발생된 열로부터 환경측정용 센서를 보호할 수 있는 방안에 관한 것이다.
환경측정용 센서는 바람에 의해 회전하는 3배식 풍속센서에서 최근의 풍향까지 감지 가능한 초음파식 센서로 발전하였다. 초음파식 센서는 성능이 우수하고 내환경이 뛰어나 기상관측용으로 적합하나 크기가 비교적 크고 가격이 높아, 센서 네트워크 또는 유비쿼터스 환경에 적용하기에는 부족한 면이 있다. 따라서 소형화 및 저가격화에 대한 개발요구가 높아지고 있는 현실에서 MEMS 기술을 이용한 환경 측정용 센서는 하나의 대안으로 기대되고 있다. MEMS 풍속센서는 공조기용 또는 휴대용 풍속센서로 활용되어 왔고 자동차의 흡기공기량을 측정하는 MAF(Mass Air Flow) 센서로 적용된 예가 있으나, 풍향과 풍속을 동시에 측정할 수 있는 초소형 MEMS 제품은 나오지 않았다.
환경 측정용 센서는 초소형화 및 저가격화, 감도가 높은 특징을 가지고 있으나, 센서의 특성상 감지부가 외부환경에 노출되어 공기 중의 먼지(황사), 비 또 는 눈 등에 의해 발열체 및 온도센서(thermopile)가 오염되거나 감도가 낮아져 오동작이 유발될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 먼지, 비 또는 눈과 같은 외부환경으로부터 환경 측정용 센서 칩을 보호할 수 있는 방안을 제안한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 외부의 물리적 충격으로부터 환경 측정용 센서 칩을 보호할 수 있는 방안을 제안한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소형화, 낮은 가격으로 환경 측정용 센서 칩을 개발하는 방안을 제안한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 풍속과 풍향을 동시에 측정할 수 있는 센서를 개발하는 방안을 제안한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 환경 측정용 센서는 기판, 상기 기판상에 적층되며, 열을 발생하는 발열체, 상기 발열체로부터 일정 거리 이격되어 있으며, 상기 발열체로부터 발생되는 열을 감지하는 온도센서, 상기 발열체와 온도센서가 외부에 노출되는 것을 차단하며, SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층된 상부 보호막을 포함하는 환경 측정용 센서를 제안한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 환경 측정용 센서는 기판, 상기 기판상에 적층되며, 열을 발생하는 발열체, 상기 발열체로부터 일정 거리 이격되어 있으며, 상기 발열체로부터 발생되는 열을 감지하는 온도센서, 상기 발열체에서 발생된 열의 하부 방열을 막기 위해 상기 기판의 일정 영역을 에칭하며, 에칭한 일정 영역인 멤브레인에 SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층된 하부 보호막을 포함하는 환경 측정용 센서를 제안한다.
본 발명의 환경 측정용 센서 칩은 MEMS 공정을 이용하여 낮은 가격과 소형화가 가능하며, 풍속과 풍향을 동시에 측정할 수 있다. 또한, 먼지, 비 또는 눈과 같은 외부환경으로부터 환경 측정용 센서 칩의 상부를 보호할 수 있으며, 외부의 물리적 충격으로부터 환경 측정용 센서 칩의 멤브레인을 보호할 수 있는 하부 보호막을 사용하고 있다.
즉, 환경 측정용 센서 칩의 상부를 발수성과 접착력이 높은 재질로 보호막을 형성하며, 하부를 내열성이 높은 재질로 보호막을 형성함으로서 외부환경이나 물리적 충격으로부터 환경 측정용 센서 칩을 보호할 수 있게 된다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 발열체 및 온도센서를 외부환경으로부터 보호하기 위해 내열성, 절연성 및 발수성이 뛰어난 물질을 센서 칩의 표면 보호막으로 사용한다.
도 1은 발열체(100)와 온도센서(110-1, 110-2)를 포함하는 환경 측정용 센서의 원리를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 의하면 환경 측정용 센서는 발열체(100), 발열체(100)와 일정거리 이격되어 있는 온도센서(110-1, 110-2)를 포함한다.
발열체(100)는 센서의 중앙부에 위치하며, 설정된 온도로 발열한다. 일반적으로 발열체(100)는 공급된 전원을 이용하여 발열을 수행한다. 도 1에 의하면, 바람이 불지 않는 경우 발열체(100)로부터의 거리에 따른 온도 변화는 실선으로 도시되어 있다. 일반적으로 발열체(100)를 기준으로 좌우의 온도 변화는 동일하다. 즉, 발열체(100)의 상단 부위의 온도가 가장 높으며, 발열체로부터 거리가 멀어질수록 온도가 낮아지게 된다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 발열체(100)로부터 일정 거리 이격되어 있는 지점에 열을 전달받을 수 있는 온도센서(110-1, 110-2)가 배치된다. 도 1에 의하면, 발열체(100)로부터 이격되어 있는 두 개의 온도센서들(110-1, 110-2)은 발열체(100)를 기준으로 동일한 간격으로 이격되어 있다. 따라서 두 개의 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열은 동일하다. 온도센서(110-1, 110-2)는 열을 받으면, 열기전력을 발생시키는 기능을 수행한다.
그러나, 도 1의 점선에서와 센서의 상부에 좌측에서 우측으로 바람이 불면, 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열은 달라진다. 즉, 좌측에 위치하고 있는 온도센서(110-1)로 전달되는 열에 비해 우측에 위치하고 있는 온도센서(110-2)로 전달되는 열이 많아지게 된다. 이와 같이 센서는 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열의 차이로 인해 풍속과 풍향을 측정한다. 즉, 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열의 차이가 많으면 풍속이 강한 것으로 판단하며, 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열의 차이가 작으면 풍속이 약한 것으로 판단한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 측정용 센서 칩의 상단을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에 의하면, 환경 측정용 센서 칩의 중앙부에 4개의 발열체들(100-1 내지 100-4)과 각 발열체(100-1 내지 100-4)로부터 일정거리 이격되어 있는 4개의 온도센서(110-1 내지 110-4)가 위치하고 있다. 각 발열체(100-1 내지 100-4)는 동일한 크기의 전원을 공급받아 발열을 수행한다. 각 발열체(100-1 내지 100-4)로부터 일정거리 이격되어 있는 4개의 온도센서들(110-1 내지 110-4)은 전달받은 열에 의해 열기전력을 발생한다. 온도센서(110-1 내지 110-4)에서 발생한 열기전력은 센서의 다른 부분에서 크기가 측정된다.
부가하여 설명하면, 환경 측정용 센서 칩의 중앙부에는 사각형모양의 발열체(100-1 내지 100-4)가 있고, 그 주위에는 온도센서(110-1 내지 110-4)이 네 방향인 동서남북으로 나열되어 있다. 외부에서 바람이 서에서 동으로 유입되면 바람의 인입부인 서의 온도가 그 반대편의 온도인 동의 온도에 비해 낮아져 온도의 변화가 생긴다. 반면, 바람에 노출되지 않은 남북의 온도는 변화하지 않는다. 따라서 온도의 변화가 생기는 서와 동에서 온도차의 크기로 풍속의 세기를 알 수 있다. 또한 온도차가 있는 부분을 이용하면 외부에서 유입되는 바람의 방향을 센서 칩의 평면상에서 벡터분해를 통해 동??서풍과 남??북풍으로 구분하여 측정하고, 합벡터를 이 용하여 풍향까지 알 수 있다.
도 2는 4개의 발열체를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 센서의 중앙부에 하나의 발열체만 구성되도록 센서를 설계할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 측정용 센서 칩의 제작 공정을 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 환경 측정용 칩을 제작하는 공정에 대해 알아보기로 한다.
환경 측정용 센서 칩의 크기는 1.5mm X 1.5mm를 가지도록 제작한다. 환경 측정용 센서는 실리콘(Si)으로 제작한 기판 위에 저 응력 실리콘화막(SiN)을 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 증착한다. LPCVD는 저압 (200~700mm Torr)의 반응 용기 내에 단순한 열에너지에 의한 화학반응을 이용하여 박막을 증착하는 방법이다. 물론 LPCVD 이외에 다른 방법으로 SiN을 증착할 수 있다. 일반적으로 Si는 500㎛의 두께를 가지며, SiN은 1㎛의 두께를 가지도록 한다.
실리콘질화막 상단에 0.2㎛ 두께의 폴리실리콘(p-Si)을 패터닝하여 발열체로 구성하며, 폴리실리콘의 상단에 0.5㎛ 두께의 알루미늄(Al)과 폴리실리콘으로 온도센서를 형성한다. 마지막으로 실리콘산화막(SiO2)으로 페시베이션(passivation)한다. 즉, 산화방지막을 이용하여 발열체와 온도센서의 산화를 방지한다.
공기 중의 먼지(황사), 비 또는 눈 등과 같은 외부환경에 노출되어 오염 및 물리적 충격으로부터 센서의 발열체와 온도센서를 보호하기 위해 내열성과 절연성, 발수성을 갖는 물질로 상부 및 하부 보호막을 형성한다.
특히, 하부로 방열되는 열을 줄이기 위해 기판의 일정 영역을 에칭한 후, 에칭한 일정 영역인 멤브레인을 보호하기 위해 하부 보호막을 적층한다. 본 발명과 관련하여 SU-8과 테플론(Teflon), 폴리이미드(polyimide: PI)를 이용하여 상부 및 하부 보호막을 형성한다. SU-8은 감광성 저항물질인 포토레지스터의 일종이며, 테플론은 산과 고온에 강한 특성을 가지며, 폴리이미드의 주된 특성은 고온에서도 비교적 안정하다는 것이다.
도 3에 의하면 멤브레인의 상부 및 하부에 보호막이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이하, 도면을 이용하여 상부 보호막 및 하부 보호막의 특성에 대해 알아보기로 한다. 먼저 상부 보호막의 특성에 대해 알아본 후, 하부 보호막의 특성에 대해 알아보기로 한다.
상술한 바와 같이 상부 보호막은 먼지(황사), 비 또는 눈과 같은 외부환경으로부터 발열체 또는 온도센서를 보호한다. 도 4는 SU-8, Teflon, PI의 접촉각을 이용해 발수성을 비교한 것이다. 실리콘산화막이 있는 실리콘 웨이퍼 위에 SU-8, Teflon, PI를 스핀코팅한 후 물방울을 떨어뜨려 물방울의 접촉각을 측정한다. 측정 결과에 따르면 SU-8, Teflon, PI의 접촉각은 각각 75ㅀ, 118ㅀ, 63ㅀ으로 Teflon의 발수성이 가장 우수하다. 스핀코팅은 회전하는 원판위에 액체 방울을 떨어뜨려 넓게 펴는 방식이다.
SU-8, Teflon, PI 코팅막의 접착력을 비교하기로 한다. 실리콘산화막이 있는 실리콘 웨이퍼 위에 SU-,과 Teflon, PI를 스핀코팅한 후 각 코팅막에 테이프 테스트(tape test)를 진행한다. 테스트 결과, SU-8, PI의 코팅막은 그대로 붙어있어 계 면이 손상되지 않는 반면 Teflon 코팅막은 실리콘 웨이퍼와의 계면이 일부 분리되는 것으로 확인되었다.
상부 보호막은 외부환경으로부터 발열체와 온도센서를 보호해야하기 때문에 강한 접착력을 가진 SU-8 과 발수성이 높은 Teflon을 순차적으로 센서 칩 표면에 스핀코팅 방법을 이용하여 코팅하여 발수성과 접착력 테스트를 진행한다. 테스트 결과 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 접촉각이 118ㅀ로 매우 우수한 발수특성을 나타내었으며, 접착력 또한 우수한 것으로 확인된다.
도 6은 환경 측정용 센서 칩의 멤브레인 표면을 SU-8과 Teflon로 상부 보호막을 형성한 경우와 보호막이 없는 경우, 풍속의 측정한 도면이다. 상술한 바와 같이 상부 보호막은 SU-8과 Teflon을 순차적으로 코딩하였다.
테스트는 발열체에 4.6V를 인가한 후 2㎧간격으로 20㎧까지 풍속을 증가하였을 때 온도센서의 출력 값을 측정한다. 테스트 결과 상부 보호막이 적용된 센서의 출력 값은 적용되지 않은 센서에 비해 낮은 감도를 보였지만, 풍속 감지 시 외부환경에 의한 오동작 및 단락, 단선 등의 문제를 일으키지 않는 장점이 있는 것으로 확인되었다.
상술한 테스트 결과, 상부 보호막은 환경 측정용 센서의 발열체 및 온도센서의 보호에 유용할 것으로 확인되었다.
이하, 하부 보호막을 적용한 환경 측정용 센서 칩의 특성에 대해 알아보기로 한다. 하부 보호막은 외부의 물리적 충격으로부터 센서의 멤브레인을 보호하기 위하여 사용된다. 도 7은 온도 사이클을 준 후, 발열체에 전압을 인가하여 발열체의 열 충격으로 인한 변형된 모습을 비교한 도면이다.
환경 측정용 센서 칩의 멤브레인 하단에 SU-8, Teflon, PI를 각각 채워 넣고 10℃에서 1시간, 80℃에서 1시간동안 급격하게 변화된 온도에 노출시킨다. 10℃에서 1시간, 80℃에서 1시간을 1사이클로 정의하기로 하며, 1사이클을 연속하여 3회 반복함으로써 온도 변화에 노출시켜 테스트한다. 각 환경 측정용 센서 칩의 발열체에 전압을 인가한 결과 SU-8의 경우에 발열체의 일부분에 온도가 집중되어 부풀어 오르는 현상을 확인된다. 그러나 Teflon은 멤브레인과 열 확장 계수(thermal expansion coefficient)의 차이가 커서 멤브레인이 파괴되었으며, PI는 전체적으로 안정된 온도분포를 보였으며 변형 또한 일어나지 않은 것으로 확인된다. 따라서 PI가 외부의 온도변화와 발열체의 발열에 따른 변형을 일으키지 않아 하부 보호막으로 적용하는데 우선할 수 있음을 확인할 수 있다. PI 및 Teflon, SU-8의 물리적 특성은 표 1과 같다.
SU-8 Teflon PI Membrane
Modulus of elasticity(㎬) 4.4 1.6 3.5 191.5
Poisson ratio 0.22 0.39 0.34 0.23
Thermal conductivity(W/mK) 0.2 0.26 0.12 2.3
Thermal expansion coefficient(ppm/℃) 52 260 35 1.93
도 8은 환경 측정용 센서 칩의 멤브레인 아래에 SU-8과 Teflon, PI를 각각 채워 넣고 발열체에 5V의 전압을 인가한 후 온도센서의 응답속도 및 출력전압을 측정하여 비교한 도면이다. 측정결과 PI가 채워진 온도센서의 응답속도는 16.0㎳로 가장 빨랐으며 SU-8은 48.8㎳, Teflon은 100㎳ 순으로 측정된다. 또한 온도센서의 출력전압으로는 PI가 61.0㎷으로 가장 높았고 SU-8은 46.0㎷, Teflon은 29.0㎷ 순으로 측정된다. 이것은 PI의 낮은 열전도성(thermal conductivity)에 의해 발열체에서 발생한 열이 외부로 전달되는 것을 막기 때문에 온도센서의 응답속도가 상대적으로 빠른 것이라고 판단된다.
상술한 바와 본 발명은 환경 측정용 센서 칩의 멤브레인의 상부 및 하부를 보호할 수 있는 보호막을 이용하여 환경 측정용 센서 칩의 성능을 향상시키는 방안에 대해 알아보았다.
다시 한번 설명하면, 공기 중의 먼지(황사), 비 또는 눈과 같은 외부환경으로부터 발열체 및 온도센서를 보호하기 위해 SU-8과 Teflon, PI를 상부 보호막으로 적용하여 발수성 및 접착력을 테스트하였다. 이 특성을 평가한 결과 Teflon의 접촉각은 118ㅀ로 우수한 발수성을 보였고 가장 강한 접착력을 보인 것은 SU-8로 확인된다. 그러나 상부 보호막은 강한 접착력과 높은 발수성을 동시에 가져야 하기 때문에 SU-8과 Teflon을 순차적으로 스핀코팅 방법을 사용하여 상부 보호막으로 적용하는 것이 바람직하다. 또한 SU-8과 Teflon로 형성된 상부 보호막이 있는 것과 없는 것에 따라 풍속을 측정한 결과, 풍속을 감지하는데 있어서 큰 차이가 없는 것을 확인된다.
SU-8과 Teflon, PI를 하부 보호막으로 적용하기 위해 그 특성을 평가한 결과, PI로 보호막을 형성한 발열체의 경우 외부의 급격한 온도 변화에 노출되어도 열 충격에 의한 변형이 발생하지 않으며, 안정된 발열특성을 나타내는 것으로 확인된다. 또한 발열체의 입력전압에 따른 온도센서의 응답속도 측정결과 PI를 이용한 하부 보호막의 경우, 가장 높은 응답속도를 나타내며, PI의 낮은 열 전도성에 의한 발생한 것이라고 판단된다.
상술한 테스트 결과 SU-8과 Teflon을 환경 측정용 센서의 상부 보호막으로 사용하고, PI를 하부 보호막으로 적용하여 환경 측정용 센서를 외부환경 및 물리적 충격으로부터 보호하는 것이 바람직하다.
하지만, 상술한 SU-8과 Teflon, PI 이외에 내열성과 절연성 발수성을 갖는 물질이라면, 상부 보호막 또는 하부 보호막으로 사용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 환경 측정용 센서 칩의 측면을 도시하고 있으며,
도 2는 본 발명에 따른 환경 측정용 센서 칩의 상단을 개략적으로 도시하고 있으며,
도 3은 본 발명에 따른 환경 측정용 센서 칩의 공정을 도시하고 있으며,
도 4는 본 발명에 따른 상부 보호막이 형성된 환경 측정용 센서 칩의 발수성 테스트 결과를 도시하고 있으며,
도 5는 본 발명에 따른 상부 보호막이 형성된 환경 측정용 센서 칩의 접착력 테스트 결과를 도시하고 있으며,
도 6은 본 발명에 따른 상부 보호막이 형성된 환경 측정용 센서 칩의 풍속 측정 결과를 도시하고 있으며,
도 7은 본 발명에 따른 하부 보호막이 형성된 환경 측정용 센서 칩의 온도 변화에 따른 변형 결과를 도시하고 있으며,
도 8은 본 발명에 따른 하부 보호막이 형성된 환경 측정용 센서 칩의 발열체의 응답 속도를 도시하고 있다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판상에 적층되며, 열을 발생하는 발열체;
    상기 발열체로부터 일정 거리 이격되어 있으며, 상기 발열체로부터 발생되는 열을 감지하는 온도센서;
    상기 발열체와 온도센서가 외부에 노출되는 것을 차단하며, SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층된 상부 보호막을 포함하는 환경 측정용 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 온도센서는,
    상기 온도센서의 개수는 적어도 n(n:4 이상의 자연수)개이며, 상기 발열체 주위를 360도/n의 각도 단위로 배치됨을 특징으로 하는 환경 측정용 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 발열체에서 발생된 열의 하부 방열을 막기 위해 상기 기판의 일정 영역을 에칭하며, 에칭한 일정 영역인 멤브레인에 하부 보호막을 적층함을 특징으로 하는 환경 측정용 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 하부 보호막은,
    상기 SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층됨을 특징으로 하는 환경 측정용 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 SU-8, Teflon, PI 중 적어도 두 개의 물질을 순차적으로 적층하는 경우, 상기 두 개의 물질 중 발수성이 높은 물질을 마지막으로 적층함을 특징으로 하는 환경 측정용 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 온도 센서와 상기 상부 보호막 사이에 실리콘산화막이 적층되어 있음을 특징으로 하는 환경 측정용 센서.
  7. 기판;
    상기 기판상에 적층되며, 열을 발생하는 발열체;
    상기 발열체로부터 일정 거리 이격되어 있으며, 상기 발열체로부터 발생되는 열을 감지하는 온도센서;
    상기 발열체에서 발생된 열의 하부 방열을 막기 위해 상기 기판의 일정 영역 을 에칭하며, 에칭한 일정 영역인 멤브레인에 SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층된 하부 보호막을 포함하는 환경 측정용 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 온도 센서의 상부에 실리콘산화막이 적층되며, 상기 실리콘산화막의 사부에 SU-8, Teflon, PI 중 적어도 어느 하나 이상으로 적층된 상부 보호막을 더 포함하는 환경 측정용 센서.
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