KR20110077711A - 분위기 모니터용 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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atmosphere
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이유진
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김동제
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Abstract

분위기 모니터용 센서 및 그 제조방법이 제공된다. 제 1 도전성 전극 및 상기 제 1 도전성 전극과 마주보게 배치된 제 2 도전성 전극이 제공된다. 나선 구조의 가변 변위막은 그 일단이 상기 제 1 도전성 전극에 연결되고 그 타단이 상기 제 2 도전성 전극에 연결된다. 전기 측정부는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량 또는 저항을 측정하도록 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 연결된다.
센서, 분위기, 모니터, 경사입사 증착

Description

분위기 모니터용 센서 및 그 제조방법{Sensor for monitoring ambient and method of fabricating the same}
본 발명은 센서 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 나선 구조의 가변 변위막을 이용한 센서 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
기계 장치의 분위기, 예컨대 온도, 습도, 압력 등을 측정하기 위한 마이크로머시닝 기술을 이용한 센서들이 연구되고 있다. 예를 들어, 정전용량형 압력 센서는 인덕터와 압력에 따라 움직이는 다이아프램을 이용하여 압력 변화를 측정한다. 다른 예로, 온도 센서는 온도 감지형 저항체를 이용하여 온도 변화를 측정한다.
하지만, 종래의 센서들은 다이아프램 또는 온도 감지형 저항체를 별도로 제공해야 하므로, 제조 공정이 복잡하다. 또한, 종래 센서는 특정 분위기 변수만을 측정하는데 이용될 뿐 분위기 전반을 다기능적으로 측정하는 데 어려움이 있다.
따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 경제적이고 다기능적인 분위기 모니터용 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 형태에 따른 분위기 모니터용 센서가 제공된다. 제 1 도전성 전극 및 상기 제 1 도전성 전극과 마주보게 배치된 제 2 도전성 전극이 제공된다. 나선 구조의 가변 변위막(variable displacement film)은 그 일단이 상기 제 1 도전성 전극에 연결되고 그 타단이 상기 제 2 도전성 전극에 연결된다. 전기 측정부는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량(capacitance) 또는 저항(resistance)을 측정하도록 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 연결된다.
상기 센서의 일 관점에 따르면, 상기 가변 변위막은 전기 저항체이고, 상기 전기 측정부는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 저항을 측정할 수 있다.
상기 센서의 다른 관점에 따르면, 상기 가변 변위막은 전기 절연체이고, 상기 전기 측정부는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량을 측정할 수 있다.
상기 센서의 또 다른 관점에 따르면, 상기 가변 변위막은 가변 피치의 나선 구조 및/또는 가변 직경의 나선 구조를 가질 수 있다.
상기 센서의 또 다른 관점에 따르면, 상기 전기 측정기는 상기 저항 또는 상기 용량으로부터 분위기 중의 온도, 습도 및 압력 가운데 선택된 적어도 하나의 변화를 모니터할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따른 분위기 모니터용 센서가 제공된다. 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 제 1 도전성 전극이 제공된다. 제 2 도전성 전극은 상기 제 1 도전성 전극 상에 제공된다. 가변 변위막은 상기 제 1 도전성 전극으로부터 상기 제 2 도전성 전극에 연결되도록 나선 구조로 형성되고, 분위기 중의 온도, 습도 및 압력 가운데 선택된 적어도 하나의 변화에 따라서 그 변위가 변화된다. 전기 측정부는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 용량 또는 저항을 측정하도록 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 연결된다.
본 발명의 일 형태에 따른 분위기 모니터용 센서의 제조방법이 제공된다. 기판 상에 제 1 도전성 전극을 형성한다. 상기 제 1 도전성 전극 상에 나선 구조의 가변 변위막을 형성한다. 상기 가변 변위막 상에 제 2 도전성 전극을 형성한다. 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량 또는 저항을 측정하도록 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 전기 측정부를 연결한다.
상기 센서의 제조방법의 일 관점에 따르면, 상기 가변 변위막을 형성하는 단계는 경사입사 증착(glancing angle deposition)법을 이용할 수 있다.
상기 센서의 제조방법의 다른 관점에 따르면, 상기 가변 변위막을 형성하는 단계는 상기 기판으로 입사는 소스 기체의 입사각을 조절하여 상기 나선 구조의 직경을 위치에 따라 변화시키고 그리고/또는 상기 기판의 회전 각속도를 조절하여 상기 나선 구조의 피치를 위치에 따라 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센서의 제조방법의 또 다른 관점에 따르면, 상기 전기 측정부를 연결하는 단계는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 전압 전원부 및 전류 모니터부를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 분위기 모니터용 센서들에 따르면, 센서 내부 또는 외부의 분위기, 예컨대 온도, 습도 및/또는 압력을 단독 또는 병행하여 다기능적으로 모니터링하여 전기적으로 나타낼 수 있다.
이 실시예에 따른 제조방법에 따르면, 센서는 기판 상에 박막 증착 공정을 이용하여 연속적으로 제조될 수 있다. 따라서 센서의 제조공정이 간략화되어 경제적이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위 하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분위기 모니터용 센서(100)를 보여주는 개략도이다. 도 2는 도 1의 센서(100)의 가변 변위막(130)의 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140)이 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전성 전극(120)이 기판(110) 상에 제공되고, 제 2 도전성 전극(140)은 제 1 도전성 전극(120) 상에 이격 배치될 수 있다. 기판(110)이 바닥면에 배치된 경우, 제 1 도전성 전극(120)은 하부 전극, 제 2 도전성 전극(140)은 상부 전극으로 불릴 수도 있다. 다른 예로, 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140)은 상하로 마주보는 구조가 아니라 좌우로 마주보도록 배치될 수도 있다. 전술한 구조들에서 기판(110)은 생략되거나 다른 지지구조물에 의해서 대체될 수도 있다.
제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140)은 분위기 모니터용 센서(100)의 종류에 따라서 적절한 형상을 가질 수 있다. 분위기 모니터용 센서(100)가 용량 측정형인 경우, 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140)은 축전 용량을 크게 하기 위해서 넓은 판형을 가질 수 있다. 다른 예로, 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140)이 저항 측정형인 경우, 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140)은 판형 또는 막대형 등 다양한 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
제 1 도전성 전극(120)은 전기적인 접속을 위한 제 1 연결 패드(122)를 포함하고, 제 2 도전성 전극(140)은 전기적인 접속을 위한 제 2 연결 패드(142)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 연결 패드들(122, 142)은 도선(156)의 연결을 위해 제 공될 수 있고, 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140) 상의 적절한 위치에 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 1 연결 패드(122)는 제 1 도전성 전극(120)의 가장자리에 일체형 패턴으로 제공되고, 제 2 연결 패드(142)는 제 2 도전성 전극(140)의 가장자리에 일체형 패턴으로 제공될 수 있다.
예를 들어, 기판(110)은 절연성 물질, 반도체 물질 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140)은 적절한 도전 물질, 예컨대 금속막, 금속 실리사이드막, 금속 질화막 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
가변 변위막(variable displacement film, 130)은 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이에 제공될 수 있다. 예를 들어, 가변 변위막(130)은 나선 구조를 갖고, 그 일단은 제 1 도전성 전극(120)에 연결되고 그 타단은 제 2 도전성 전극(140)에 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가변 변위막(130)은 소정의 직경(D) 및 소정의 피치(P)를 가질 수 있다. 가변 변위막(130)의 직경(D) 및 피치(P)는 위치에 따라서 가변될 수도 있다. 따라서 가변 변위막(130)은 가변 직경 구조 또는 가변 피치 구조, 또는 이들의 결합 구조를 가질 수도 있다.
도 2에서 가변 변위막(130)은 원형 나선 구조로 도시되었다. 하지만, 이러한 구조는 예시적으로 도시되었고, 이 실시예의 범위가 이러한 예에 제하되는 것은 아니다. 예를 들어, 가변 변위막(130)은 타원형 나선 구조로 변형되거나 또는 다각형 나선 구조로 변형될 수도 있다. 따라서 이 실시예에서 나선 구조는 원형 나선 구조, 타원형 나선 구조 및 다각형 나선 구조를 포함하는 의미로 사용될 수 있 다.
가변 변위막(130)은 분위기, 예컨대 온도, 습도, 압력 등에 따라서 그 변위가 변할 수 있다. 예를 들어, 센서(100) 내부의 온도, 습도 및 압력의 변화에 따라서 가변 변위막(130)이 팽창 또는 수축될 수 있다. 다른 예로, 센서(100)의 내부를 밀봉하고, 센서(100)의 외부 압력이 변화되는 경우 가변 변위막(130)이 팽창 또는 수축할 수 있다. 이러한 가변 변위막(130)의 변형은 후술하는 바와 같이, 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이의 저항 또는 용량, 또는 이 둘 모두를 변화시킬 수 있다.
가변 변위막(130)은 센서(100)의 형태에 따라서, 전기 저항체이거나 또는 전기 절연체일 수 있다. 예를 들어, 센서(100)가 용량 측정형인 경우, 가변 변위막(130)은 전기 절연체일 수 있다. 다른 예로, 센서(100)가 저항 측정형인 경우, 가변 변위막(130)은 전기 저항체일 수 있다.
전기 측정부(150)는 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전기 측정부(150)는 도선(156)을 통해서 제 1 및 제 2 연결 패드들(122, 142)에 연결될 수 있다. 전기 측정부(150)는 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이의 전기적인 특성, 예컨대 저항 및/또는 용량을 측정하도록 적절한 구조로 제공될 수 있다.
예를 들어, 전기 측정부(150)는 직렬로 연결된 전압 전원부(152) 및 전류 모니터부(154)를 포함할 수 있다. 이 경우, 전압 전원부(152)로부터 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140) 사이에 전압을 인가하고, 전류 모니터부(154)로부터 이들 사이의 전류를 측정할 수 있다. 전압 전원부(152)는 직류 전압 또는 교류 전압을 공급할 수 있다. 이러한 전기 측정부(150)의 구조는 예시적으로 도시되었고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다. 다른 예로, 전기 측정부(150)는 전류 전원부와 전압 모니터부를 포함할 수도 있다.
선택적으로, 전기 측정부(150)는 신호를 증폭하기 위한 증폭기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 증폭기는 측정된 신호가 미약할 때 이를 증폭하여 노이즈와 구분시키는 데 이용될 수 있다. 나아가, 전기 측정부(150)는 측정된 신호를 필터링하기 위한 필터부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3은 도 1의 센서(100)의 동작을 보여주는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 분위기의 변화로 가변 변위막(130)이 팽창될 수 있다. 예를 들어, 센서(100) 내부의 온도가 높아지거나 압력이 낮아진 경우 가변 변위막(130)이 팽창되면서 제 2 도전성 전극(140)이 제 1 위치(A1)에서 제 2 위치(A2)로 이동될 수 있다. 다른 예로, 센서(100) 내부가 밀봉되고 센서(100) 외부의 압력이 낮아진 경우, 가변 변위막(130)이 그 탄성에 의해서 상부로 팽창되면서 제 2 도전성 전극(140)이 제 1 위치(A1)에서 제 2 위치(A2)로 이동될 수 있다.
이러한 분위기 변화는 가변 변위막(130)의 변형을 초래할 수 있다. 가변 변위막(130)이 전기 저항체인 경우, 이러한 가변 변위막(130)의 변형은 가변 변위막(130)의 저항 변화를 초래할 수 있다. 이러한 저항 변화는 매우 작기 때문에, 전기 측정부(150) 내의 증폭기(미도시)에 의해서 증폭될 수 있다. 전기 측정부(150)는 이러한 저항을 측정할 수 있다. 나아가, 전기 측정부(150) 또는 별도의 제어부(미도시)에서 이 저항으로부터 센서(100) 내부 또는 외부의 분위기, 예컨대 온도, 습도, 또는 압력 변화를 모니터링할 수 있다.
다른 예로, 이러한 분위기 변화는 가변 변위막(130)의 변형을 초래하고, 결국 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이의 간격을 변화시킬 수 있다. 가변 변위막(130)이 전기 절연체인 경우, 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140)의 결합 구조는 커패시터로 기능할 수 있다. 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이의 간격이 제 1 간격(d1)에서 제 2 간격(d2)으로 커짐에 따라서 이러한 커패시터 구조의 용량이 감소될 수 있다. 아래의 수학식 1을 참조하면, 용량은 전극들 사이의 간격에 반비례함을 알 수 있다.
C = ε× A/d
여기에서, C는 용량을 나타내고, ε는 전극들 사이 매질의 유전상수를, A는 전극의 면적을, d는 전극 사이의 간격을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 이 실시예에 따른 센서(100)에 따르면, 센서(100) 내부 또는 외부의 분위기, 예컨대 온도, 습도 및/또는 압력을 단독 또는 병행하여 다기능적으로 모니터링하여 전기적으로 나타낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분위기 모니터용 센서의 제조방법을 보여주는 순서도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분위기 모니터용 센서의 제조방법을 보여주는 개략도이다. 이하에서, 이 실시예에 따른 센서의 제조 방법 은 도 1의 센서(100)를 더 참조하여 예시적으로 설명된다.
도 1 및 도 4를 같이 참조하면, 기판(110) 상에 제 1 도전성 전극(120)을 형성할 수 있다(S10). 예를 들어, 제 1 도전성 전극(120)은 기판(110) 상에 적절한 박막 증착 형성 공정, 예컨대 물리기상증착(physical vapor deposition)법, 화학기상증착(chemical vapor deposition) 또는 도금(plating)법을 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 5를 더 참조하면, 제 1 도전성 전극(120) 상에 나선 구조의 가변 변위막(130)을 형성할 수 있다(S20). 도 5에 도시된 바와 같이, 가변 변위막(130)은 경사입사 증착(glancing angle deposition; GLAD)법을 이용하여 나선 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 소스 기체들(162)의 기판(110)으로의 입사각(α)을 조절하여 나선 구조의 직경(D)을 조절할 수 있다. 기판(110)의 회전 각속도(ω)를 조절하면, 나선 구조의 피치(P)를 조절할 수 있다.
이에 따라, 소스 기체들(162)의 입사각(α) 또는 기판(110)의 회전 각속도(ω)를 단독으로 또는 병행하여 조절함으로써, 가변 변위막(130)의 직경(D) 및/또는 피치(P)를 가변 변위막(130)의 위치에 따라서 가변시킬 수 있다. 이러한 가변 변위막(130)의 직경(D) 및/또는 피치(P)는 분위기 변화에 따른 가변 변위막(130)의 변형 민감도를 조절하는 데 이용될 수 있다.
이어서, 제 1 도전성 전극(120) 및 제 2 도전성 전극(140) 사이에 전기 측정부(150)를 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 도선(50)을 이용하여, 전압 전원부(152) 및 전류 모니터부(154)를 제 1 및 제 2 연결 패드들(122, 142)에 연결할 수 있다. 제 1 및 제 2 도전성 전극들(120, 140)의 결합 구조는 저항 및/또는 커패시터로 기능할 수 있다.
전술한 실시예에 따른 제조방법에 따르면, 센서(100)는 기판(100) 상에 박막 증착 공정을 이용하여 연속적으로 제조될 수 있다. 따라서 센서(100)의 제조공정이 간략화되어 경제적이다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분위기 모니터용 센서를 보여주는 개략도이고;
도 2는 도 1의 센서의 가변 변위막의 부분 확대도이고;
도 3은 도 1의 센서의 동작을 보여주는 개략도이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분위기 모니터용 센서의 제조방법을 보여주는 순서도이고; 그리고
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분위기 모니터용 센서의 제조방법을 보여주는 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 분위기 모니터용 센서
110: 기판
120: 제1 도전성 전극
122: 제1 연결 패드
130: 가변 변위막
140: 제2 도전성 전극
142: 제2 연결 패드
150: 전기 측정부
152: 전압 전원부
154: 전류 모니터부

Claims (14)

  1. 제 1 도전성 전극;
    상기 제 1 도전성 전극과 마주보게 배치된 제 2 도전성 전극;
    일단이 상기 제 1 도전성 전극에 연결되고 타단이 상기 제 2 도전성 전극에 연결되며, 나선 구조의 가변 변위막; 및
    상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량 또는 저항을 측정하도록 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 연결된 전기 측정부를 포함하는, 분위기 모니터용 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 변위막은 전기 저항체이고, 상기 전기 측정부는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 저항을 측정하는, 분위기 모니터용 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 변위막은 전기 절연체이고, 상기 전기 측정부는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량을 측정하는, 분위기 모니터용 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 변위막은 가변 피치의 나선 구조를 갖는, 분위기 모니터용 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 변위막은 가변 직경의 나선 구조를 갖는, 분위기 모니터용 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 측정기는 전압 전원부 및 전류 모니터부를 포함하는, 분위기 모니터용 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 측정기는 상기 저항 또는 상기 용량으로부터 분위기 중의 온도, 습도 및 압력 가운데 선택된 적어도 하나의 변화를 모니터하는, 분위기 모니터용 센서.
  8. 기판;
    상기 기판 상의 제 1 도전성 전극;
    상기 제 1 도전성 전극 상의 제 2 도전성 전극;
    상기 제 1 도전성 전극으로부터 상기 제 2 도전성 전극에 연결되도록 나선 구조로 형성되고, 분위기 중의 온도, 습도 및 압력 가운데 선택된 적어도 하나의 변화에 따라서 그 변위가 변화되는 가변 변위막; 및
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 용량 또는 저항을 측정하도록 상 기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 연결된 전기 측정부를 포함하는, 분위기 모니터용 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가변 변위막은 가변 피치의 나선 구조 또는 가변 직경 구조의 나선 구조를 갖는, 분위기 모니터용 센서.
  10. 기판 상에 제 1 도전성 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 도전성 전극 상에 나선 구조의 가변 변위막을 형성하는 단계;
    상기 가변 변위막 상에 제 2 도전성 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이의 용량 또는 저항을 측정하도록 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 전기 측정부를 연결하는 단계를 포함하는, 분위기 모니터용 센서의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 변위막을 형성하는 단계는 경사입사 증착(glancing angle deposition)법을 이용한, 분위기 모니터용 센서의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가변 변위막을 형성하는 단계는 상기 기판으로 입사는 소스 기체의 입 사각을 조절하여 상기 나선 구조의 직경을 위치에 따라 변화시키는 단계를 포함하는, 분위기 모니터용 센서의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가변 변위막을 형성하는 단계는 상기 기판의 회전 각속도를 조절하여 상기 나선 구조의 피치를 위치에 따라 변화시키는 단계를 포함하는, 분위기 모니터용 센서의 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기 측정부를 연결하는 단계는 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극 사이에 전압 전원부 및 전류 모니터부를 연결하는 단계를 포함하는, 분위기 모니터용 센서의 제조방법.
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