KR20110066849A - 저전력소모형 반도체 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저전력소모형 반도체 가스 센서의 구성 및 동작 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서는, 상온 상태에서 저차원 반도체 나노 소재에 가스를 흡착시켜 저차원 반도체 나노 소재의 저항 변화를 출력하고, 히터에 전력을 가하여 상기 저차원 반도체 나노 소재에 흡착된 가스를 탈착시켜 상기 저차원 반도체 나노 소재를 초기 저항 상태로 만든다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 상온에서도 고감도 특성을 갖는 저차원 반도체 나노 소재를 이용하여 상온에서 가스를 감지하고 흡착된 가스의 탈착시에만 히터를 구동함으로써 가스 감지 특성을 향상시키고 전력소모를 줄이거나 응답속도를 빠르게 할 수 있는 이점이 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 상온에서도 고감도 특성을 갖는 저차원 반도체 나노 소재를 이용하여 상온에서 가스를 감지하고 흡착된 가스의 탈착시에만 히터를 구동함으로써 가스 감지 특성을 향상시키고 전력소모를 줄이거나 응답속도를 빠르게 할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로, 특히 미세기전집적시스템(MEMS) 기술을 이용한 반도체 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명은 지식 경제부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-006-04, 과제명 : 유비쿼터스 단말용 부품 모듈].
가스 센서에 대한 연구는 오래 전부터 이루어져 왔으며, 현재 많은 종류의 가스 센서가 상용화되어 있다.
그 중에서 반도체를 이용한 가스 센서는, 기체 성분이 반도체의 표면에 흡착하거나 또는 미리 흡착해 있던 산소 등과 같은 흡착 가스와 반응할 때 흡착 분자와 반도체 표면과의 사이에 전자 수수가 일어나고 이로 인하여 반도체의 도전율과 표면 전위 등이 변화하게 되는데, 이러한 변화를 검출하는 원리이다.
반도체 가스 센서는 측정 대기의 스펙트럼이나 이온 모빌리티(mobility)에 의한 전도성 측정을 통한 광학식 가스 센서나 전기 화학식 가스 센서에 비하여 그 구조가 간단하고 공정이 용이하며, 크기가 작고 전력 소모가 적은 이점들 이 있다.
하지만 다른 센서, 예를 들어 상용화된 온도나 습도 센서의 소모 전력이 mW 급인데 비해 반도체식 가스 센서는 원활한 가스 감지를 위하여 기판 뒷면에 주변 온도 상승을 위한 히터를 형성하여 사용하므로, 상용화된 반도체식 가스 센서의 소모 전력이 이보다 30 ~ 100 배 정도 더 커서 유비쿼터스 센서 네트워크를 이용한 다양한 서비스나 휴대용 단말에서의 적용에 어려움이 있어, 전력 소모가 적은 반도체 가스 센서가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 소모 전력이 현저히 줄어든 반도체 가스 센서를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 빠른 응답 특성을 갖는 반도체 가스 센서를 제공하는 데에 있다.
그 외의 본 발명에서 제공하고자 하는 목적은, 하기의 설명 및 본 발명의 실시 예들에 의하여 파악될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서는, 상온 상태에서 저차원 반도체 나노 소재에 가스를 흡착시켜 저차원 반도체 나노 소재의 저항 변화를 출력하고, 히터에 전력을 가하여 상기 저차원 반도체 나노 소재에 흡착된 가스를 탈착시켜 상기 저차원 반도체 나노 소재를 초기 저항 상태로 만드는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 상온에서도 고감도 특성을 갖는 저차원 반도체 나노 소재를 이용하여 가스 감지 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 상온에서도 고감도 특성을 나타내므로 주변 온도를 올리는 데 필요한 전력을 줄일 수 있는 이점이 있고, 상온에서 반응하여 흡착된 가스의 탈착에는 훨씬 적은 에너지로 짧은 시간내에 가능하므로 소모전력을 현저히 줄일 수 있고, 고온에서의 동작 시간을 줄임으로써 센서의 수명을 늘릴 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 저차원 반도체 나노 소재의 고감도 특성으로 인하여 감지 소재의 부피를 대폭 줄일 수 있어, 흡착된 가스를 탈착시키는 데 필요한 소모 전력을 현저히 줄이고 빠른 응답 특성을 나타낼 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 반도체 가스 센서의 저전력 특성으로 인하여 부가 회로가 필요 없으며, 제한된 전지 용량 내에서도 장시간 사용할 수 있는 이점이 있으며, 태양광 소자, 열전 소자 및 압전 소자 등의 에너지 변환 소자의 자가 충전 전원을 이용하여 구동할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 감지 전극 상에 증착된 산화 아연 나노 로드를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 측정 감도를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 측정 감도를 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 감지 전극 상에 증착된 산화 아연 나노 로드를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 측정 감도를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 측정 감도를 보여주는 그래프.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 및 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
전술한 바와 같이, 종래 이용되는 반도체 가스 센서는 고온에서 가스 감지와 흡착된 가스의 탈착이 이루어지므로 소자의 소모전력이 다른 센서들 (예를 들어 온도 센서나 습도 센서 등)에 비해 커서 유비쿼터스 센서 네트워크를 이용한 다양한 서비스에 적용하기 어려웠었고, 고온 동작으로 인해 소자의 수명이 줄어드는 문제점이 예상된다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 체적에 비하여 표면적이 크고 상온에서도 가스 감지 특성이 좋은 나노 분말(nano powder), 나노 선(nano wire), 나노 로드(nano rod), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 및 그라핀(graphene) 등의 저차원 나노 소재를 가스 감지 물질로서 사용하며, 가스의 탈착시에만 히터를 구동하는 반도체 가스 센서를 제공한다.
즉, 상온 상태에서 저차원 반도체 나노 소재에 가스를 흡착시켜 저차원 반도체 나노 소재의 저항 변화를 출력하고, 히터에 전력을 가하여 저차원 반도체 나노 소재에 흡착된 가스를 탈착시켜 저차원 반도체 나노 소재를 초기 저항 상태로 만드는 반도체 가스 센서를 제공한다.
본 발명에서 제공하는 이러한 반도체 가스 센서는 기존 방식에 비해 저전력 특성 및 빠른 응답 특성을 나타내는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서는, 기판(110) 상에 형성된 제 1 산화 실리콘 박막(120), 질화 실리콘 박막(130), 제 2 산화 실리콘 박막(140), 히터(150), 히터 전극 패드(160), 절연막(170), 감지 전극(180) 및 저차원 반도체 나노 소재(190)를 포함한다.
기판(110)은 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 실리콘 기판을 이용할 수 있으며, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 석영(quartz), 갈륨-질소(GaN) 또는 갈륨-비소(GaAs) 가 도핑된 기판을 이용할 수도 있다. 한편, 히터(150)가 형성된 기판(110)의 중앙 영역 후면은 식각되어 제거된다. 기판(110)의 후면을 식각함에 있어서는 포토레지스트 패턴을 이용한 건식 식각 공정을 이용할 수 있다.
제 1 산화 실리콘 박막(120), 질화 실리콘 박막(130) 및 제 2 산화 실리콘 박막(140)은 멤브레인(membrane)을 형성하며, 기판(110) 상에 순차적으로 적층된다.
상기 멤브레인은 기판(110)의 후면 식각 시에 식각 방지층의 역할을 하며, 또한 히터(150)의 지지대 역할을 한다. 또한, 상기 멤브레인은 히터(150)의 가열 시에 발열에 의한 소자의 변형이 일어나는 것을 방지하기 위한 것으로서, 산화 실리콘 박막 또는 질화 실리콘 박막으로 형성되거나, 산화 실리콘 박막 및 질화 실리콘 박막의 적층 구조로 형성될 수 있다. 본 도면에서는 멤브레인이 제 1 산화 실리콘 박막(120), 질화 실리콘 박막(130) 및 제 2 산화 실리콘 박막(140)의 적층 구조로 형성된 경우에 대해 도시하고 있는데, 이와 같이 멤브레인은 압축 응력을 갖는 산화 실리콘 박막과 신장 응력을 갖는 질화 실리콘 박막을 도 1과 같은 구조로 형성하는 것이 바람직하다. 물론, 멤브레인은 이들 중 어느 하나의 박막으로만 이루어질 수도 있다.
상기 멤브레인은 열산화법, 스퍼터링법 또는 화학 기상 증착법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
히터(150)는 가스 감지 특성 향상을 위하여 주변 온도를 상승시키는 역할을 하며, 금(Au), 텅스텐(W), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 등의 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 히터(150)는 기판(110) 중앙 영역의 멤브레인 상에 형성되며, 바람직하게, 인터디지털(inter-digital) 형태 또는 갭(gap) 형태로 형성된다.
히터(150)는 스퍼터링법(sputtering), 전자빔법(e-beam) 또는 기화법(evaporation) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 히터(150) 형성시에 접착력을 더 높이기 위하여 멤브레인 상에 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 등을 이용한 부착층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 상기 부착층은 스퍼터링법, 전자빔법 또는 기화법 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
히터(150)는 히터 전극 패드(160) 및 본딩 와이어에 의하여 외부 회로(미도시)와 연결될 수 있는데, 감지 소재에 흡착된 가스를 탈착시킬 때만 히터(150)를 가열하도록 외부 회로를 설정함으로써 전력 소모를 줄이고 빠른 응답 특성을 얻을 수 있다. 가스 탈착시뿐만 아니라 계속하여 히터(150)를 가열할 수 있음은 물론이다.
히터 전극 패드(160)는 히터(150)에 전력을 전달하는 역할을 하며, 전원 공급원과의 연결을 위한 본딩 와이어(미도시)가 접촉될 수 있다. 바람직하게, 히터 전극 패드(160)는 소자의 양측으로 두 개가 형성된다. 예를 들어, 절연막(170)을 식각하여 히터(150)의 일부 표면을 노출시키고, 식각된 영역에 도전막을 매립하여 히터 전극 패드(160)를 형성할 수 있다.
한편, 히터 전극 패드(160)는 히터(150)와 동일한 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 스퍼터링법, 전자빔법 또는 기화법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
절연막(170)은 히터(150)와 히터 전극 패드(160)를 덮는 형태로 멤브레인 상에 형성된다. 이때, 히터 전극 패드(160) 상에 본딩 와이어 등이 접촉될 수 있도록 히터 전극 패드(160)의 상부는 노출되도록 절연막(170)이 형성된다. 절연막(170)은 실리콘 박막 또는 질화 실리콘 박막 등으로 형성하며, 열산화법, 스퍼터링법 또는 화학 기상 증착법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
감지 전극(180)은 감지 소재에서의 가스 흡착 및 탈착에 따른 저항 값 변화를 외부로 출력한다. 감지 전극(180)은 기판(110) 중앙 영역의 절연막(170) 상에 형성되며, 바람직하게는 기판의 중앙 영역을 지나도록 한 쌍이 형성된다. 감지 전극(180)은 백금(Pt), 알루미늄(Al) 또는 금(Au) 등을 이용하여 스퍼터링법, 전자빔법 또는 기화법 등의 방법에 의하여 형성할 수 있다. 감지 전극(180)의 양단에는 신호 전달을 위한 본딩 와이어(미도시)가 접촉된다.
저차원 반도체 나노 소재(190)는 가스를 흡착 또는 탈착시키는 가스 감지 소재로서, 감지 전극(180) 상에 또는 감지 전극(180)을 덮는 형태로 절연막(170) 상에 형성된다. 저차원 반도체 나노 소재(190)로는 나노 분말(nano powder), 나노 선(nano wire), 나노 로드(nano rod), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 및 그라핀(graphene) 등의 물질을 이용할 수 있으며, 솔-젤법, 드랍 코팅법, 스크린 프린팅법 또는 화학 기상 증착법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 감지 전극(180) 상에 산화 아연(ZnO) 나노 로드를 증착한 일 예를 도 2에 도시하였다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서는, 작은 부피로도 저온, 특히 상온에서 고감도 특성을 갖는 저차원 반도체 나노 소재를 이용하고, 흡착된 가스를 탈착시킬 때에만 히터를 가열시킴으로써 저전력 특성과 빠른 응답 특성을 갖는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 측정 감도를 보여주는 그래프이다.
실험을 위하여, 히터에 계속적으로 17mW의 전압을 인가한 상태에서 센서를 0.05ppm ~ 5ppm 농도의 이산화 질소(NO2) 가스에 3분씩 노출시키면서 NO2 가스 농도에 따른 센서 저항 변화를 측정하였고, 흡착된 가스의 탈착을 위하여 소모된 시간은 약 3분이었다. 이 때, 감지 물질로는 ZnO 나노 로드를 이용하였다.
일반적으로 ZnO 물질은 산소 공공(oxygen vacancy)의 존재로 인하여 n형 반도체이고 NO2 가스는 산화성 가스이므로 가스 농도가 증가할수록 빼앗기는 전도성 전자의 양이 커서 센서 저항 값의 변화가 더 커지게 되는데, 이를 도 3에서 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 히터는 CMOS 호환 MEMS 공정으로 만들어진 센서에 내장될 수 있는 초소형 소자로서, 짧은 시간 안에 원하는 온도에 도달할 수 있고 다양한 분위기에서 오랫동안 사용하여도 그 특성이 변하지 않는 내구성을 지닌다.
가스 센서가 대기 환경에 노출되었을 때 대기 중에서 가장 큰 구성비를 차지하는 질소나 산소와 가장 먼저 반응이 일어나는데, 질소는 비활성 가스로서 가스 센서 내의 감지 소재와는 아무런 반응이 일어나지 않고, 산소는 감지 소재 표면에서 흡착되어 O2 -, O2 - 및 O- 등의 이온 형태로 존재하게 되는데, 이 때 감지 소재로부터 전자를 빼앗아 가게 된다. 이렇게 전자가 빼앗긴 전자 공핍층은 수십 nm 정도인데 전도성 경로의 크기가 이와 비슷한 나노 소재의 경우 산화성 가스나 환원성 가스와 반응할 때 전체 전도성 경로의 크기에서 전기 전도가 가능한 영역의 변화가 매우 커서 산화성 가스나 환원성 가스에 노출되었을 때 매우 큰 저항 변화, 즉 고감도 특성이 나타나며 낮은 동작 온도에서도 이러한 특성을 보이게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 가스 센서의 측정 감도를 보여주는 그래프이다.
실험을 위하여, 센서를 0.05ppm ~ 5ppm 농도의 이산화 질소(NO2) 가스에 2분씩 노출시키면서 NO2 가스 농도에 따른 센서 저항 변화를 측정하였고, 감지 물질로는 ZnO 나노 로드를 이용하였다.
다만, 도 3에서와 달리 여기에서는 센서를 가스에 노출할 때에는 히터에 전력을 가하지 않은 상온 상태에서 실험을 하였으며, 감지 소재에 흡착된 NO2 가스를 탈착할 때에만 히터에 15mW의 전력을 가하였다.
또한, 센서를 챔버에 위치시키고 질소나 공기만을 주입하다가 NO2 가스를 조금씩 더 넣어주면서 저항 변화를 측정하였다.
도 4를 살펴보면 상온에서 NO2 가스가 주입되지 않았을 때에는 센서는 일정한 저항 값을 보이다가 NO2 가스에 노출되면서부터 센서 저항 값이 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, NO2 가스 주입을 멈추고 센서에 내장된 히터에 전력을 가하면 흡착되었던 NO2 가스가 탈착되면서 저항이 감소하는 것을 알 수 있다. NO2 가스의 탈착 과정은 2분씩 진행하였다. NO2 가스의 탈착이 완료되면 센서는 NO2 가스와의 반응 전의 초기 저항 상태를 보이는 것을 알 수 있다.
도 3과 도 4에서 센서의 가스 감지용 반응시간을 비교해보면, 가스 감지로 인한 변환된 저항값의 포화에 이르는 시간이 도 4에서의 동작 방식에서 훨씬 적으며, 흡착된 가스의 탈착용 동작 시간도 휠씬 짧음을 확인할 수 있고, 가스 감지용 동작 시간과 흡착된 가스의 탈착용 동작 시간이 같다고 가정할 때에도 센서의 전체 소모 전력이 약 1/2로 줄어드는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110: 기판 120: 제 1 산화 실리콘 박막
130: 질화 실리콘 박막 140: 제 2 산화 실리콘 박막
150: 히터 160: 히터 전극 패드
170: 절연막 180: 감지 전극
190: 저차원 반도체 나노 소재
130: 질화 실리콘 박막 140: 제 2 산화 실리콘 박막
150: 히터 160: 히터 전극 패드
170: 절연막 180: 감지 전극
190: 저차원 반도체 나노 소재
Claims (7)
- 상온 상태에서 저차원 반도체 나노 소재에 가스를 흡착시켜 저차원 반도체 나노 소재의 저항 변화를 출력하고, 히터에 전력을 가하여 상기 저차원 반도체 나노 소재에 흡착된 가스를 탈착시켜 상기 저차원 반도체 나노 소재를 초기 저항 상태로 만드는
저전력소모형 반도체 가스 센서.
- 제1항에 있어서,
멤브레인;
상기 멤브레인의 하부에 위치하며 상기 멤브레인의 하부와 기판사이가 노출되도록 중앙 영역이 식각된 기판;
상기 멤브레인 상의 중앙 영역에 형성되며 상기 저차원 반도체 나노 소재에 흡착된 가스의 탈착 시 구동되는 히터;
상기 히터를 덮는 형태로 상기 멤브레인 상에 형성된 절연막;
상기 절연막 상의 중앙 영역에 형성된 감지 전극; 및
상기 감지 전극 상에 형성된 상기 저차원 반도체 나노 소재
를 포함하는 저전력소모형 반도체 가스 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 저차원 반도체 나노 소재는 나노 분말(nano powder), 나노 선(nano wire), 나노 로드(nano rod), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 또는 그라핀(graphene)인
저전력소모형 반도체 가스 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 저차원 반도체 나노소재는,
솔-젤법, 드랍 코팅법, 스크린 프린팅법 또는 화학 기상 증착법에 의해 형성된 저전력소모형 반도체 가스 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 멤브레인은,
상기 히터의 가열시 발열에 의한 소자의 변형을 방지하는
저전력소모형 반도체 가스 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 멤브레인은,
산화 실리콘 박막 또는 질화 실리콘 박막으로 형성되거나, 산화 실리콘 박막 및 질화 실리콘 박막의 적층 구조로 형성된
저전력소모형 반도체 가스 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 멤브레인은,
산화 실리콘 박막 또는 질화 실리콘 박막의 단일 또는 다층 구조로 형성된
저전력소모형 반도체 가스 센서.
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Cited By (6)
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2010
- 2010-11-22 KR KR1020100116063A patent/KR20110066849A/ko not_active Application Discontinuation
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