KR20110105409A - Micro gas sensor array - Google Patents

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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Abstract

마이크로 가스센서 어레이가 개시된다. 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 기판 상면의 제1 멤브레인 상에 형성되는 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 상기 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 이웃하는 제2 마이크로 히터 어레이 그룹과, 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 열적으로 분리시키는 제2 멤브레인 및 마이크로 히터 어레이 그룹 상부에 형성된 감지전극을 포함한다. 일 실시예에 따르면 가스센서 어레이 소자의 크기의 소형화, 구동 소비전력 절감, 열적 안정성, 신뢰성, 구조적인 안정성 등을 향상시킬 수 있다.A micro gas sensor array is disclosed. According to an embodiment, a micro gas sensor array includes a first micro heater array group formed on a first membrane on an upper surface of a substrate, a second micro heater array group adjacent to the first micro heater array group, and a first micro heater array. And a sensing electrode formed on the second membrane and the micro heater array group to thermally separate the group from the second micro heater array group. According to an embodiment, the size of the gas sensor array device can be reduced in size, driving power consumption, thermal stability, reliability, and structural stability.

Description

마이크로 가스센서 어레이{MICRO GAS SENSOR ARRAY}Micro Gas Sensor Array {MICRO GAS SENSOR ARRAY}

본 발명은 가스센서 어레이에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스센서 어레이 소자의 크기를 소형화할 수 있고, 열적 안전성을 높일 수 있는 마이크로 가스센서 어레이에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor array, and more particularly, to a micro gas sensor array capable of miniaturizing the size of the gas sensor array element and increasing thermal safety.

가스 센서는 크게 고체 전해질, 접촉 연소식, 전기 화학식, 반도체식으로 분류되나, 이 중에서 최근에 가장 많이 연구되고 있는 것이 반도체식 마이크로 가스센서이다. 이는 반도체식 마이크로 가스센서가 실리콘 칩 상에 제조되거나 집적됨으로써, 일반 IC와의 호환성이 뛰어나고, 저비용으로 제조할 수 있으며, 고효율의 동작 특성을 나타내기 때문이다.Gas sensors are classified into solid electrolytes, catalytic combustion, electrochemical formulas, and semiconductors. Among them, semiconductor micro gas sensors are most recently studied. This is because the semiconductor micro gas sensor is manufactured or integrated on a silicon chip, thereby making it compatible with general ICs, manufacturing at low cost, and exhibiting high efficiency of operation.

상기 반도체식 마이크로 가스센서는 특정 가스가 가스 센서의 감지 물질에 흡착될 때 그 감지 물질의 전기 전도도가 변화하는데, 상기 전기 전도도의 변화를 측정함으로써, 일정 농도 이상의 가스 유무를 검출하게 된다.The semiconductor micro gas sensor changes the electrical conductivity of the sensing material when a particular gas is adsorbed onto the sensing material of the gas sensor. By measuring the change of the electrical conductivity, the presence or absence of gas above a certain concentration is detected.

도 1은 종래의 반도체식 마이크로 가스센서의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor micro gas sensor.

도 1을 참조하면, 종래의 마이크로 가스센서는 실리콘 기판(10) 상부에 단열막(20)이 형성되어 있고, 단열막(20) 상부에 가열 전극 패턴(30)이 형성되어 있다. 또한 가열 전극 패턴(30)을 감싸며, 단열막(20) 상부에 절연막(40)이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 중앙 영역(11)의 절연막(40) 상부에 감지 전극 패턴(50)이 형성된다. 또한, 감지 전극 패턴(50)을 감싸며, 절연막(40) 상부에 감지막(60)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1, in the conventional micro gas sensor, a heat insulation layer 20 is formed on a silicon substrate 10, and a heating electrode pattern 30 is formed on the heat insulation layer 20. In addition, an insulating film 40 is formed on the insulating film 20 to surround the heating electrode pattern 30, and a sensing electrode pattern 50 is formed on the insulating film 40 of the central region 11 of the silicon substrate. . In addition, a sensing layer 60 is formed on the insulating electrode 40 to surround the sensing electrode pattern 50.

반도체식 마이크로 가스센서는 특정 가스가 반도체식 마이크로 가스센서의 감지막(60)에 흡착되어 원활한 동작을 하기 위해서는 특정 온도 이상의 온도를 유지해야하므로, 단열막(20) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(30)은 감지막(60)이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 온도까지 열을 발생시킨다.The semiconductor type micro gas sensor has to maintain a temperature above a certain temperature in order for a specific gas to be adsorbed on the sensing film 60 of the semiconductor type micro gas sensor to perform a smooth operation, the heating electrode pattern 30 formed on the insulating film 20 ) Generates heat to a temperature at which the sensing film 60 can exhibit optimal sensitivity.

가열 전극 패턴(30)에 의해 일정한 온도로 가열된 감지막(60)이 가스에 노출되면, 가스가 감지막(60)의 금속 산화물에 흡착되어 반응을 일으키게 되며 그로 인해 금속 산화물의 저항이 증가 또는 감소하게 된다. 상기 가스 흡착에 의해 발생하는 금속 산화물의 저항 변화를 감지 전극 패턴(50)이 측정하여 특정 가스를 검출하게 된다.When the sensing film 60 heated to a constant temperature by the heating electrode pattern 30 is exposed to the gas, the gas is adsorbed onto the metal oxide of the sensing film 60 to cause a reaction, thereby increasing or decreasing the resistance of the metal oxide. Will decrease. The sensing electrode pattern 50 measures a change in resistance of the metal oxide generated by the gas adsorption to detect a specific gas.

이와 같이 구성된 종래의 반도체식 마이크로 가스센서는 한 개의 마이크로 가스센서로 한 종류의 가스를 검출하기 때문에 다종의 가스를 검출하기 위해서는 복수 개의 가스 센서 소자들로 구성된 모듈을 사용해야 한다. 이 경우 복수 개의 가스 센서 소자가 사용되기 때문에 복잡한 회로 구성으로 인해 실장 밀도가 저하되며 부피가 증가하는 단점이 있다.Since the conventional semiconductor type micro gas sensor configured as described above detects one type of gas with one micro gas sensor, a module composed of a plurality of gas sensor elements must be used to detect various kinds of gases. In this case, since a plurality of gas sensor elements are used, the mounting density decreases and the volume increases due to a complicated circuit configuration.

또한, 복수 개의 가스 센서 소자를 각각 구동해야 하기 때문에 소비 전력이 증가하며, 가스 흐름의 불균일성을 초래하여 정확한 가스 농도의 검출이 어렵다는 단점이 있다.In addition, since a plurality of gas sensor elements must be driven respectively, power consumption increases, resulting in non-uniformity of gas flow, which makes it difficult to accurately detect the gas concentration.

또한, 도 1에 도시된 가열 전극 패턴은 선폭이 균일한 히터 형태로 사용되는 것이 일반적이므로 상기 히터의 중앙부분에 열이 집중되어 상기 히터 상면의 온도분포가 정규분포곡선 형태로 나타날 수 있다. 이와 같은 경우, 가열 전극 패턴 상부에 존재하는 감지 전극 패턴들이 각각 감지할 수 있는 온도조건들이 달라져서 가스센서의 신뢰성을 저하할 수 있는 문제점이 있다.
In addition, since the heating electrode pattern illustrated in FIG. 1 is generally used in the form of a heater having a uniform line width, heat is concentrated in a central portion of the heater so that a temperature distribution on the upper surface of the heater may appear in a normal distribution curve. In such a case, there is a problem in that the sensing conditions of the sensing electrode patterns on the heating electrode pattern are different, thereby reducing the reliability of the gas sensor.

본 발명의 목적은 하나의 마이크로 플랫폼에 보다 넓은 균일한 온도분포를 갖는 마이크로 히터와 감지 전극 어레이를 적층구조로 형성함으로써 다종의 가스를 동시에 측정할 수 있는 마이크로 가스센서 어레이를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a micro gas sensor array capable of simultaneously measuring a plurality of gases by forming a stack structure of a micro heater and a sensing electrode array having a wider uniform temperature distribution on one micro platform.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 기판; 기판의 상면에 상호 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수의 제1 멤브레인(membrane) 상에 각각 마이크로 히터가 형성된 마이크로 히터 어레이; 및 각각의 마이크로 히터를 구동시키는 마이크로 히터 개별 전극패턴과 개별 전극패턴들이 연결된 마이크로 히터 공통 전극패턴을 포함하는 마이크로 히터 전극패턴;을 포함하는 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과, 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 이웃하는 제2 마이크로 히터 어레이 그룹과, 기판의 상면에 형성되어 제1 마이크로 어레이 그룹과 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 열적으로 분리시키는 제2 멤브레인과, 제1 및 제2 마이크로 어레이 그룹을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층 및 절연층 상부에 빗살무늬 형태의 감지전극을 포함하는 감지전극 어레이를 포함한다.Micro gas sensor array according to an aspect of the present invention for achieving the above object is a substrate; A micro heater array having micro heaters respectively formed on a plurality of first membranes spaced apart from each other at regular intervals on an upper surface of the substrate; And a micro heater electrode pattern including a micro heater individual electrode pattern for driving each micro heater and a micro heater common electrode pattern to which the individual electrode patterns are connected. The first micro heater array group including the first micro heater array group, A neighboring second micro heater array group, a second membrane formed on an upper surface of the substrate to thermally separate the first micro array group and the second micro heater array group, and surrounding the first and second micro array groups; It includes a sensing electrode array including an insulating layer formed on the upper portion and a sensing electrode of the comb-shaped pattern on the insulating layer.

마이크로 히터 전극패턴은 일단이 마이크로 히터의 제1 모서리측에 연결되고 타단이 마이크로 히터 공통전극과 연결되는 제1 마이크로 히터전극 패턴 및 일단이 마이크로 히터의 제1 모서리측과 대각선 방향의 제2 모서리 측에 연결되고 타단이 전원이 인가되는 전극패드에 연결된 제2 마이크로 히터전극 패턴을 포함할 수 있다.The micro heater electrode pattern has a first micro heater electrode pattern having one end connected to the first corner side of the micro heater and the other end connected to the micro heater common electrode, and one end having a second corner side in a diagonal direction with the first corner side of the micro heater. It may include a second micro heater electrode pattern connected to the electrode pad is connected to the other end is applied to the power.

제1 멤브레인은 마이크로 히터에서 외부로 전달되는 열을 차단할 수 있다.The first membrane may block heat transferred to the outside from the micro heater.

제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(140)은 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 상기 실리콘 산화막(SiO2) 상부에 형성되는 실리콘 질화막(SiNx)의 적층박막 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The first membrane 120 and the second membrane 140 are formed of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 ), a silicon oxynitride layer (SiON), or a silicon oxide layer (SiO 2 ) and the silicon oxide layer (SiO 2 ). It may be formed of any one of (SiN x ) laminated thin films.

제1 멤브레인 및 제2 멤브레인의 두께는 1~2um 일 수 있다.The thickness of the first membrane and the second membrane may be 1 ~ 2um.

마이크로 히터는 1 마이크로 히터전극 패턴 및 상기 제2 마이크로 히터전극 패턴과 연결되는 제1 마이크로 히터그룹과, 제1 마이크로 히터그룹 사이에 형성되어 제1 마이크로 히터그룹보다 선폭이 넓은 제2 마이크로 히터그룹을 포함할 수 있다.The micro heater includes a first micro heater group connected to one micro heater electrode pattern and the second micro heater electrode pattern, and a second micro heater group formed between the first micro heater group and having a wider line width than the first micro heater group. It may include.

감지전극의 선폭은 제1 마이크로 히터그룹의 선폭 보다 좁게 형성되리 수 있다.The line width of the sensing electrode may be smaller than the line width of the first micro heater group.

마이크로 히터는 백금(Pt) 박막을 사용할 수 있다.The micro heater may use a platinum (Pt) thin film.

마이크로 히터에 사용되는 백금박막의 두께는 500nm 내지 300nm일 수 있다.The thickness of the platinum thin film used for the micro heater may be 500 nm to 300 nm.

일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 백금박막과 제1 멤브레인 사이에 형성된 제1 접합층을 더 포함할 수 있다.The micro gas sensor array according to an embodiment may further include a first bonding layer formed between the platinum thin film and the first membrane.

제1 접합층은 탄탈(Ta)층 또는 산화탄탈(Ta2O5) 층 중 어느 하나가 사용될 수 있다.As the first bonding layer, either a tantalum (Ta) layer or a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer may be used.

절연층은 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성될 수 있다.The insulating layer may be formed of a silicon oxide film (SiO 2 ).

절연층은 실리콘 산화막(SiO2)층 및 실리콘 질화막(Si3N4)층의 2층 적층구조로 형성될 수 있으며, 상기 2층 적층 구조의 두께비율은 1:1일 수 있다.The insulating layer may be formed of a two-layer stacked structure of a silicon oxide (SiO 2 ) layer and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer, and the thickness ratio of the two-layer stacked structure may be 1: 1.

절연층은 실리콘 산화막(SiO2)층, 질화막(Si3N4)층 및 실리콘 산화막(SiO2)층의 ONO 3층 적층구조로 형성될 수 있으며, 상기 2층 적층구조에서 실리콘 산화막층과 질화막층 및 실리콘 산화막 층의 두께비율은 2:1:1 또는 1:2:1 중 어느 하나 일 수 있다.The insulating layer may be formed of an ONO three-layer stacked structure of a silicon oxide (SiO 2 ) layer, a nitride film (Si 3 N 4 ) layer, and a silicon oxide film (SiO 2 ) layer, and the silicon oxide layer and the nitride film in the two-layer stacked structure. The thickness ratio of the layer and the silicon oxide layer may be either 2: 1: 1 or 1: 2: 1.

절연층의 전체두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛일 수 있다.The total thickness of the insulating layer may be 0.5 μm to 1.5 μm.

절연층과 마이크로 히터 사이에는 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta) 중 어느 하나로 구성되는 제2 접합층을 더 포함할 수 있다.A second bonding layer formed of any one of titanium (Ti) and tantalum (Ta) may be further included between the insulating layer and the micro heater.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings.

본 발명의 일 실시예에 따르면 마이크로 히터 어레이 및 감지전극 어레이의 일단을 공통 전극에 연결함으로써 가스센서 어레이 소자의 크기를 소형화할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, the size of the gas sensor array device can be reduced by connecting one end of the micro heater array and the sensing electrode array to the common electrode.

또한, 마이크로 히터를 제1 멤브레인 상에 형성함으로써 마이크로 히터에서 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하여 가스센서의 구동 소비전력을 줄일 수 있다.In addition, by forming the micro heater on the first membrane, heat generated from the micro heater can be prevented from leaking to the outside, thereby reducing driving power consumption of the gas sensor.

또한, 제2 멤브레인 상에 공통전극을 형성함으로써, 일 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이 그룹들 간에 열전달을 차단하여 가스센서의 열적 안정성을 높일 수 있다.In addition, by forming the common electrode on the second membrane, it is possible to increase the thermal stability of the gas sensor by blocking the heat transfer between the micro heater array groups according to an embodiment.

또한, 마이크로 히터의 선폭 구조를 차별화함으로써 보다 넓은 영역에서 균일한 온도를 유지할 수 있게 하여 가스센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, by differentiating the line width structure of the micro heater, it is possible to maintain a uniform temperature in a wider area to improve the reliability of the gas sensor.

또한, 감지전극을 마이크로 히터와 동일한 방향으로 적층 형성함으로써 가스센서의 구조적인 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, the structural stability of the gas sensor can be improved by stacking the sensing electrodes in the same direction as the micro heater.

도 1은 종래의 마이크로 가스센서의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 중 일부인 마이크로 히터 어레이의 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 평면도의 A-A' 단면도이다.
도 3은 도 2a에 도시된 마이크로 히터의 상세구조도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 평면도의 B-B' 단면도이다.
도 5는 도 4a에 도시된 마이크로 히터와 감지전극의 상세구조도이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 3에 도시된 마이크로 히터 구조의 변화에 따른 마이크로 히터 주변의 열 분포를 나타낸 것이다. 1 is a cross-sectional view of a conventional micro gas sensor.
2A is a plan view of a micro heater array that is part of a micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the plan view of FIG. 2A.
3 is a detailed structural diagram of the micro heater shown in FIG. 2A.
4A is a plan view of a micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
4B is a cross-sectional view taken along line BB ′ of the plan view shown in FIG. 4A.
FIG. 5 is a detailed structural diagram of the micro heater and the sensing electrode illustrated in FIG. 4A.
6 (a) to 6 (c) show heat distribution around the micro heater according to the change of the micro heater structure shown in FIG. 3.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 중 일부인 마이크로 히터 어레이의 평면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 평면도의 A-A' 단면도이다.FIG. 2A is a plan view of a micro heater array that is part of a micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A 'of the plan view shown in FIG. 2A.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 소정의 간격으로 상호 이격되어 있는 복수의 마이크로 히터 어레이를 포함한다.Referring to FIG. 2A, the micro gas sensor array according to the exemplary embodiment includes a plurality of micro heater arrays spaced apart from each other at predetermined intervals.

마이크로 히터 어레이는 제1 마이크로 히터 어레이(130_A), 제2 마이크로 히터 어레이(130_B), 제3 마이크로 히터 어레이(130_C) 및 제4 마이크로 히터 어레이(130_D)로 구성될 수 있다. 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)는 일정한 간격으로 상호 이격되어 있는 마이크로 히터(130), 마이크로 히터 전극(160), 전원을 공급하는 전극패드(170) 및 개별적인 마이크로 히터 전극(160)들이 모두 연결되어 있는 마이크로 히터 공통 전극(150)을 포함할 수 있다. 다른 마이크로 히터 어레이(130_B, 130_C, 130_D)들 또한 동일한 구성요소를 포함한다.The micro heater array may include a first micro heater array 130_A, a second micro heater array 130_B, a third micro heater array 130_C, and a fourth micro heater array 130_D. The first micro heater array 130_A is connected to the micro heater 130, the micro heater electrode 160, the electrode pad 170 for supplying power, and the individual micro heater electrodes 160 that are spaced apart from each other at regular intervals. The micro heater common electrode 150 may be included. Other micro heater arrays 130_B, 130_C, 130_D also include the same component.

마이크로 히터 어레이를 구성하는 하나의 마이크로 히터(130)는 제1 멤브레인(120) 상에 형성될 수 있다. 이와 같이 제1 멤브레인(120) 영역 상에 형성되는 마이크로 히터(130)는 소정의 간격만큼 상호 이격되어 배치되어 어레이를 형성한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)는 8개의 마이크로 히터가 어레이를 구성할 수 있으며, 제2 마이크로 히터 어레이(130_B) 또한 8개의 마이크로 히터가 어레이를 구성할 수 있다. 마이크로 히터 어레이를 구성하는 마이크로 히터의 개수는 가스센서의 센싱 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다.One micro heater 130 constituting the micro heater array may be formed on the first membrane 120. As described above, the micro heaters 130 formed on the region of the first membrane 120 are spaced apart from each other by a predetermined interval to form an array. As illustrated in FIG. 2A, eight micro heaters may constitute an array in the first micro heater array 130_A, and eight micro heaters may constitute the array in the second micro heater array 130_B. The number of micro heaters constituting the micro heater array may be variously changed according to the sensing purpose of the gas sensor.

제1 멤브레인(120)의 두께는 1~2㎛일 수 있으며, 마이크로 히터(130)에서 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 방지하여 가스센서 어레이를 구동하는 소비전력을 낮출 수 있다.The first membrane 120 may have a thickness of about 1 μm to about 2 μm and may reduce power consumption for driving the gas sensor array by preventing heat generated from the micro heater 130 from being transferred to the outside.

마이크로 히터(130)는 마이크로 히터 전극(160)과 연결되어 있다. 마이크로 히터 전극(160)은 전원이 인가되는 전극패드(170)와 연결되어 마이크로 히터를 구동시킬 수 있다. 한편, 마이크로 히터 전극(160)은 마이크로 히터 공통전극(170)에 연결되어 있다.The micro heater 130 is connected to the micro heater electrode 160. The micro heater electrode 160 may be connected to the electrode pad 170 to which power is applied to drive the micro heater. Meanwhile, the micro heater electrode 160 is connected to the micro heater common electrode 170.

마이크로 히터 전극(160)은 제1 마이크로 히터 전극(161)과 제2 마이크로 히터 전극(161)으로 구분된다. 제1 마이크로 히터 전극(161)은 일단이 마이크로 히터(130)의 제1 모서리측에 연결되어 있고, 타단이 전극패드(170)와 연결되어 있다. 한편, 제2 마이크로 히터 전극(162)은 일단이 마이크로 히터(130)에서 상기 제1 모서리측과 대각선 방향의 제2 모서리측에 연결되어 있고, 타단이 마이크로 히터 공통 전극(150)에 연결되어 있다.The micro heater electrode 160 is divided into a first micro heater electrode 161 and a second micro heater electrode 161. One end of the first micro heater electrode 161 is connected to the first corner side of the micro heater 130, and the other end thereof is connected to the electrode pad 170. Meanwhile, one end of the second micro heater electrode 162 is connected to the first corner side and the second corner side of the diagonal direction in the micro heater 130, and the other end is connected to the micro heater common electrode 150. .

마이크로 히터 공통 전극(150)은 전술한 8개의 마이크로 히터 전극 어레이의 제2 마이크로 히터 전극들과 연결될 수 있다. 즉, 마이크로 히터 어레이에 포함된 각각의 마이크로 히터들은 일단이 전극패드(170)와 연결되고 타단이 마이크로 히터 공통 전극(160)과 연결되어 있다. 마이크로 히터 공통 전극(150) 구조를 사용함으로써, 마이크로 히터 어레이를 구성하는 마이크로 히터(130)의 개수에 비례하여 필요로 하는 마이크로 히터 전극의 수를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 가스센서 어레이 소자를 소형화할 수 있다.The micro heater common electrode 150 may be connected to the second micro heater electrodes of the eight micro heater electrode arrays described above. That is, each of the micro heaters included in the micro heater array has one end connected to the electrode pad 170 and the other end connected to the micro heater common electrode 160. By using the structure of the micro heater common electrode 150, the number of micro heater electrodes required may be reduced in proportion to the number of the micro heaters 130 constituting the micro heater array. This makes it possible to miniaturize the gas sensor array device.

마이크로 히터 공통 전극(150)은 마이크로 히터 어레이(130_A)의 양쪽으로 배치시켜 각 마이크로 히터(130)에 연결되는 마이크로 히터 공통전극(150)의 저항 편차를 최소화 할 수 있다.The micro heater common electrode 150 may be disposed on both sides of the micro heater array 130_A to minimize resistance variation of the micro heater common electrode 150 connected to each micro heater 130.

본 발명의 마이크로 히터(130)는 마이크로 히터 공통 전극(150)과 동시에 개별적인 마이크로 히터(120)의 개별적인 동작을 구현할 수 있도록 각 마이크로 히터(120)들은 개별적인 전극패드(170)와도 연결되어 있다.In the micro heater 130 of the present invention, the micro heaters 120 are also connected to the individual electrode pads 170 so that the micro heater common electrode 150 and the individual micro heaters 120 can be individually operated at the same time.

전술한 바와 같이 제1 멤브레인(120)이 개별적인 마이크로 히터들의 외부로의 열 확산을 막는 기능이 존재하는 반면, 제2 멤브레인(140)은 마이크로 히터 어레이 그룹들(제1 내지 제4 마이크로 히터 어레이(130_A,130_B,130_C,130_D) 간에 열 전달을 분리시키는 기능이 있다. 따라서 제2 멤브레인(140)은 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)가 구동되는 동안 발생할 수 있는 열을 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)로 전달되는 것을 막아서 주변의 마이크로 히터의 온도에 의한 영향을 최소화시킨다.As described above, while the first membrane 120 has a function of preventing thermal diffusion of the individual micro heaters to the outside, the second membrane 140 may include the micro heater array groups (first to fourth micro heater arrays). There is a function of separating heat transfer between 130_A, 130_B, 130_C, 130_D. Therefore, the second membrane 140 generates heat that may be generated while the first micro heater array 130_A is driven. ) To minimize the effect of temperature on the surrounding micro heaters.

이와 같이 제2 멤브레인(140)을 통해 마이크로 히터 어레이들 간의 열 확산을 차단시키는 이유는 다양한 종류의 가스를 동시에 측정할 수 있도록 하기 위함이다. 예컨대, 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)를 통해 측정하고자 하는 가스가 CO2이고, 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)를 통해 측정하고자 하는 가스가 NO2인 경우, CO2는 약 400℃가 최적의 감지 동작 온도이며, NO2는 약 200~350℃가 최적의 감지 동작 온도이다. 만약, 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)를 400℃ 정도로 가열시키는 동안 열전달에 의해 300℃로 구동시키는 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)에 영향을 주게 되면 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)에 포함된 마이크로 히터들 중에서 온도가 350℃를 초과하는 히터들이 존재할 우려가 있다. 따라서 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)를 통한 NO2 검지의 신뢰성을 그만큼 줄어들게 된다. 따라서, 마이크로 히터 어레이 그룹들 사이를 열적으로 차단할 필요가 있으며 본 발명에서는 제2 멤브레인이 이와 같은 기능을 수행할 수 있다.As such, the reason for blocking heat diffusion between the micro heater arrays through the second membrane 140 is to allow simultaneous measurement of various kinds of gases. For example, when the gas to be measured through the first micro heater array 130_A is CO 2 and the gas to be measured through the second micro heater array 130_B is NO 2 , about 400 ° C. is optimal for CO 2 . Sensing operating temperature, NO 2 is about 200 ~ 350 ℃ is the optimum sensing operating temperature. If the first micro heater array 130_A is heated to about 400 ° C. while affecting the second micro heater array 130_B driven by heat transfer to 300 ° C., the micros included in the second micro heater array 130_B may be affected. Among the heaters, there is a fear that heaters whose temperature exceeds 350 ° C exists. Therefore, the reliability of the NO 2 detection through the second micro heater array 130_B is reduced by that much. Therefore, there is a need to thermally block between the micro heater array groups, and in the present invention, the second membrane can perform this function.

한편, 제1 내지 제4 마이크로 히터 어레이는 일 실시예일 뿐이며, 마이크로 히터 어레이는 검지하고자 가스 종류의 가짓수에 따라 확장될 수 있다. 예컨대, 도 2a에 도시된 32개의 마이크로 히터들로 구성된 가스센서 어레이를 횡 방향으로 부착하여 64개의 마이크로 히터들로 구성된 가스센서 어레이를 형성할 수 있다. 8개의 마이크로 히터 어레이를 하나의 마이크로 히터 어레이로 할 때, 상기 하나의 마이크로 히터 어레이는 동일한 온도로 구동될 수 있는바, 상기 횡 방향으로의 확장에 의해 총 8가지 종류의 가스를 동시에 측정할 수 있게 된다. Meanwhile, the first to fourth micro heater arrays are only an example, and the micro heater array may be expanded according to the number of gas types to be detected. For example, the gas sensor array composed of 32 micro heaters shown in FIG. 2A may be attached laterally to form a gas sensor array composed of 64 micro heaters. When eight micro heater arrays are used as one micro heater array, the one micro heater array can be driven at the same temperature, so that a total of eight kinds of gases can be simultaneously measured by expansion in the lateral direction. Will be.

나아가, 전술한 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)에 포함된 8개의 마이크로 히터를 두 부분으로 분리할 수 있다. 예컨대, 도 2a에 도시된 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)에서 윗부분의 4개의 마이크로 히터와 아랫부분의 4개의 마이크로 히터를 분리하고, 상기 분리되는 영역에 제2 멤브레인 영역을 형성한 후, 상기 제2 멤브레인 영역에 마이크로 히터 공통 전극을 구성하여 열적으로 서로 분리된 마이크로 히터 어레이를 형성할 수 있다.
Furthermore, the eight micro heaters included in the above-described first micro heater array 130_A may be separated into two parts. For example, in the first micro heater array 130_A illustrated in FIG. 2A, the upper four micro heaters and the lower four micro heaters are separated, and a second membrane region is formed in the separated region. The micro heater common electrode may be configured in two membrane regions to form a micro heater array thermally separated from each other.

도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 마이크로 히터 어레이는 중앙영역(101)이 제거된 실리콘 기판(110)의 상부에 멤브레인이 형성되어 있고, 상기 제거된 실리콘 기판의 중앙영역(101)으로 부상된 제1 멤브레인(120) 상부에 마이크로 히터(130)가 형성되어 있고, 제2 멤브레인(140) 상부에 마이크로 히터 공통전극(150) 패턴이 형성되어 있다. 그리고, 중앙영역(101)이 제거되지 않은 실리콘 기판 상부에 마이크로 히터 전극(160) 패턴이 형성되어 있다. 마이크로 히터(130)에서 발생하는 열이 외부로 전달되는 것을 방지하기 위해 마이크로 히터(130)가 형성된 위치의 실리콘 기판(110) 즉, 실리콘 기판(110)의 중앙 영역(101)을 제거한 멤브레인(Membrane) 구조를 가진다.2B, in the micro heater array of the micro gas sensor array according to the exemplary embodiment of the present invention, a membrane is formed on the silicon substrate 110 from which the central region 101 is removed, and the silicon substrate is removed. The micro heater 130 is formed on the first membrane 120 that rises to the central region 101, and the micro heater common electrode 150 pattern is formed on the second membrane 140. The micro heater electrode 160 pattern is formed on the silicon substrate on which the central region 101 is not removed. In order to prevent heat generated from the micro heater 130 from being transferred to the outside, the membrane (Membrane) from which the silicon substrate 110 at the position where the micro heater 130 is formed, that is, the central region 101 of the silicon substrate 110 is removed. ) Has a structure.

제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(140)은 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 상기 실리콘 산화막(SiO2) 상부에 형성되는 실리콘 질화막(SiNx)의 적층박막 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The first membrane 120 and the second membrane 140 are formed of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 ), a silicon oxynitride layer (SiON), or a silicon oxide layer (SiO 2 ) and the silicon oxide layer (SiO 2 ). It may be formed of any one of (SiN x ) laminated thin films.

또한, 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(140)의 두께는 1~2㎛ 정도로 하여 마이크로 히터에서 발생하는 열이 외부로 손실되는 것을 방지한다. 멤브레인 막의 두께가 너무 얇으면 제조공정상에서 멤브레인 막이 쉽게 파괴될 수 있으며 이는 수율이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 상기 멤브레인 막의 두께가 너무 두꺼우면 열손실이 커져서 마이크로 가스센서 어레이를 구동시키는 소비전력을 증가시키는 문제가 있다. 따라서 멤브레인의 두께는 약 1~2㎛로 형성함이 바람직하다.
In addition, the thickness of the first membrane 120 and the second membrane 140 is about 1 ~ 2㎛ to prevent the heat generated from the micro heater to be lost to the outside. If the thickness of the membrane membrane is too thin, the membrane membrane can be easily broken in the manufacturing process, which has a problem of low yield. In addition, if the thickness of the membrane membrane is too thick, the heat loss is increased, thereby increasing the power consumption for driving the micro gas sensor array. Therefore, the thickness of the membrane is preferably formed to about 1 ~ 2㎛.

도 3은 도 2a에 도시된 마이크로 히터의 상세구조도이다.3 is a detailed structural diagram of the micro heater shown in FIG. 2A.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이에 사용되는 마이크로 히터(300)는 선폭이 서로 다른 히터그룹들로 구성될 수 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 마이크로 히터전극(410)과 연결되는 히터그룹(310_1), 제2 마이크로 히터전극(420)과 연결되는 히터그룹(310_2)(히터그룹 310_1과 히터그룹 310_2를 '제1 히터 그룹(310)'이라 함)과 상기 제1 히터 그룹 사이에 형성되는 제2 히터그룹(320)으로 구분될 수 있다.Referring to FIG. 3, the micro heater 300 used in the micro gas sensor array according to an embodiment may be configured with heater groups having different line widths. For example, as shown in FIG. 3, a heater group 310_1 connected to the first micro heater electrode 410 and a heater group 310_2 (heater group 310_1 and heater group 310_2 connected to the second micro heater electrode 420). May be divided into a second heater group 320 formed between the first heater group 310 and the first heater group.

종래의 마이크로 히터는 선폭이 균일하기 때문에 마이크로 히터의 온도분포는 마이크로 히터의 중앙부분에서 온도가 가장 높고, 가장자리 부분으로 갈수록 온도가 낮아지는 정규분포 곡선 형태를 이룬다. 따라서, 동일한 마이크로 히터에서도 균일한 온도 분포를 갖지 못하는 문제가 있다. 즉, 히터의 중앙부분에 대응하는 감지 전극과 히터의 가장자리 부분에 대응하는 감지 전극이 감지할 수 있는 가스의 종류가 서로 달라질 수 있다.Since a conventional micro heater has a uniform line width, the temperature distribution of the micro heater forms a normal distribution curve in which the temperature is highest in the center portion of the micro heater and the temperature decreases toward the edge portion. Therefore, there is a problem in that the same micro heater does not have a uniform temperature distribution. That is, the type of gas that can be sensed by the sensing electrode corresponding to the center portion of the heater and the sensing electrode corresponding to the edge portion of the heater may be different from each other.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 마이크로 히터의 가장자리 부분의 선폭(b)과 중앙부분의 선폭(a)을 달리하여 마이크로 히터(300)의 동작 온도 분포를 더욱 균일하게 할 수 있다. 즉, 마이크로 히터(300)의 가장자리 부분의 선폭(b)을 중앙부분의 선폭(a) 보다 좁게하여 정규분포 곡선 형태의 온도분포를 마이크로 히터(300) 전 영역에서 균일한 온도분포가 형성되도록 할 수 있다.As shown in FIG. 3, the operating temperature distribution of the micro heater 300 may be made more uniform by varying the line width b of the edge portion of the micro heater and the line width a of the central portion. That is, the line width b of the edge portion of the micro heater 300 is narrower than the line width a of the center portion so that a uniform temperature distribution is formed in the entire region of the micro heater 300. Can be.

예컨대, 제1 히터그룹(310_1,310_2)의 선폭을 b, 제2 히터그룹(320)의 선폭을 a, 마이크로 히터 길이를 d, 상기 선폭과 선폭간의 간격을 c라 하면, 2〈 a/b〈6, 6〈d/b〈12, 1㎛〈 c〈10㎛의 관계를 갖도록 히터의 선폭(a,b), 길이(d), 선폭간의 간격(c)을 조절하여 보다 넓은 면적에서 균일한 온도를 유지할 수 있는 마이크로 히터(300)를 구현할 수 있다.For example, if the line width of the first heater groups 310_1 and 310_2 is b, the line width of the second heater group 320 is a, the micro heater length is d, and the interval between the line width and the line width is c, 2 <a / b Heater line widths (a, b), length (d), and spacing (c) between line widths are adjusted to have a relationship of <6, 6 <d / b <12, 1µm <c <10µm It is possible to implement a micro heater 300 that can maintain a temperature.

마이크로 히터(300)는 50nm 내지 300nm 두께의 백금(Pt) 박막으로 구성될 수 있다. 한편, 마이크로 히터(300)의 하부에 형성된 멤브레인과 상기 백금박막과의 접합력을 향상시키기 위하여 마이크로 히터(300)와 멤브레인 막 사이에 제1 접합층을 형성할 수 있다. 상기 제1 접합층은 탄탈(Ta)층 또는 산화탄탈(Ta2O5) 층 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
The micro heater 300 may be composed of a platinum (Pt) thin film having a thickness of 50nm to 300nm. Meanwhile, a first bonding layer may be formed between the micro heater 300 and the membrane film in order to improve the bonding force between the membrane formed under the micro heater 300 and the platinum thin film. The first bonding layer may use any one of a tantalum (Ta) layer and a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 평면도의 B-B' 단면도이다.4A is a plan view of the micro gas sensor array according to the exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line B-B 'of the plan view shown in FIG. 4A.

도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 마이크로 히터 어레이와 관련된 설명은 도 2a의 설명과 같으며, 이하에서는 상기 마이크로 히터 어레이 상부에 형성되는 감지전극의 구성에 대하여 설명한다. 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 금속산화물의 저항변화를 측정하기 위한 감지전극 어레이와 전술한 마이크로 히터 어레이가 적층구조(도 5 참조)를 형성한다.4A to 4B, the description related to the micro heater array is the same as that of FIG. 2A, and the configuration of the sensing electrode formed on the micro heater array will be described below. In the micro gas sensor array according to the exemplary embodiment, the sensing electrode array for measuring the resistance change of the metal oxide and the aforementioned micro heater array form a stacked structure (see FIG. 5).

감지전극 어레이는 도 2a의 마이크로 히터 어레이(130_A,130_B,130_C,130_D)와 동일한 방식으로 감지전극 공통전극(220)을 기준으로 하여 4 가지의 감지전극 어레이로 구획될 수 있다. 상기 4가지의 감지전극들이 감지하는 가스의 동작 온도는 서로 다르다. 다만, 동일한 감지전극 어레이 내부에 포함된 감지전극들은 동작온도가 동일하게 설정됨이 바람직하다.The sensing electrode array may be divided into four sensing electrode arrays based on the sensing electrode common electrode 220 in the same manner as the micro heater arrays 130_A, 130_B, 130_C, and 130_D of FIG. 2A. The operating temperatures of the gases sensed by the four sensing electrodes are different. However, the sensing electrodes included in the same sensing electrode array may be set to have the same operating temperature.

상기 4 가지의 감지전극 어레이들은 각각 도 2a에 도시된 마이크로 히터 어레이(130_A,130_B,130_C,130_D)들의 레이아웃에 포함되어 배치될 수 있다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 마이크로 히터 공통전극(도 2a의 150) 들에 의해 형성되는 레이아웃이 감지전극 공통 전극(250)들에 의해 형성되는 레이아웃들을 포함할 수 있다.The four sensing electrode arrays may be included in the layout of the micro heater arrays 130_A, 130_B, 130_C, and 130_D shown in FIG. 2A, respectively. That is, as shown in FIG. 2A, the layout formed by the micro heater common electrodes 150 of FIG. 2A may include layouts formed by the sensing electrode common electrodes 250.

감지전극(230)은 일정한 간격으로 상호 이격되어 형성된 마이크로 히터 어레이와 대응되는 위치에 배치된다. 감지전극(230)은 일단이 감지전극 공통 전극(250)과 연결되어 있고, 타단은 전원을 공급하는 전극패드와 연결된다. 감지전극(230) 상부에 금속산화물로 구성될 수 있으며, 가스와 흡착되어 상기 금속산화물의 저항변화를 측정할 수 있다. 감지전극(230)의 재료는 금(Au) 또는 백금(Pt) 막이 이용될 수 있다. 또한 감지전극(230)은 마이크로 히터 어레이 상부에 형성된 절연층의 상부에 형성된다. 감지전극(230)과 절연층 사이의 접합력을 높이기 위하여 소정의 중간층을 형성할 수 있다.The sensing electrodes 230 are disposed at positions corresponding to the micro heater arrays formed to be spaced apart from each other at regular intervals. One end of the sensing electrode 230 is connected to the sensing electrode common electrode 250, and the other end thereof is connected to an electrode pad for supplying power. The metal oxide may be formed on the sensing electrode 230 and may be adsorbed with a gas to measure a resistance change of the metal oxide. As the material of the sensing electrode 230, a gold (Au) or platinum (Pt) film may be used. In addition, the sensing electrode 230 is formed on the insulating layer formed on the micro heater array. In order to increase the bonding force between the sensing electrode 230 and the insulating layer, a predetermined intermediate layer may be formed.

감지전극(230)의 재료로서 금(Au)을 사용하는 경우, 상기 중간층은 Ni, Cr 또는 NiCr(80:20)으로 형성하고, 감지전극(230)의 재료로서 백금(Pt)을 사용하는 경우, 상기 중간층을 탄탈(Ta)층 또는 Ti층으로 형성할 수 있다. 이와 같이 감지전극(230)로서 금속을 사용하고, 마이크로 히터 어레이와 적층되는 구조를 적용함으로써 마이크로 히터의 온도분포를 보다 균일하게 분포시킬 수 있는 장점이 있다.When gold (Au) is used as the material of the sensing electrode 230, the intermediate layer is formed of Ni, Cr or NiCr (80:20), and when platinum (Pt) is used as the material of the sensing electrode 230 The intermediate layer may be formed of a tantalum (Ta) layer or a Ti layer. As such, by using a metal as the sensing electrode 230 and applying a structure stacked with the micro heater array, the temperature distribution of the micro heater can be more uniformly distributed.

한편, 도 4b를 참조하면 마이크로 히터(130)의 가장 자리 선폭과 중간 영역 상의 선폭이 차이가 있으며, 가장자리 선폭이 중간영역 상의 선폭 보다 넓게 형성되어 있다. 이와같이 마이크로 히터(130)의 선폭 차이로 인하여 마이크로 히터(130)의 온도분포에서 균일한 온도분포를 나타내는 영역이 마이크로 히터 상면 전체에 나타날 수 있다. 따라서 마이크로 히터(130) 상부에 형성되는 감지전극(230)들은 동일한 온도 조건에 의해 검지대상의 가스를 센싱할 수 있어 가스센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Meanwhile, referring to FIG. 4B, the edge line width of the micro heater 130 and the line width on the middle region are different, and the edge line width is wider than the line width on the middle region. As such, due to the difference in the line widths of the micro heaters 130, a region showing a uniform temperature distribution in the temperature distribution of the micro heaters 130 may appear on the entire micro heater upper surface. Therefore, the sensing electrodes 230 formed on the micro heater 130 may sense the gas to be detected under the same temperature condition, thereby improving the reliability of the gas sensor.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이에서 마이크로 히터와 감지전극의 적층구조를 나타내는 평면도이다.5 is a plan view illustrating a laminated structure of a micro heater and a sensing electrode in the micro gas sensor array according to the exemplary embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 마이크로 히터 층의 상부에 마이크로 히터(410)의 길이방향과 동일한 방향으로 감지전극 패턴이 형성된다. 이는 도 5에 도시된 바와 같이 감지전극(420)과 마이크로 히터(410)의 수평 경계부분(430) 형성을 최소화하기 위함이다. 이에 따라 감지전극(420) 막의 응력으로 인하여 감지전극(420)과 마이크로 히터(410) 사이에 형성된 절연층(180)이 파괴되어 감지전극(420)과 마이크로 히터(410)가 전기적으로 통전되는 현상을 최소화할 수 있다.Referring to FIG. 5, the sensing electrode pattern is formed on the micro heater layer in the same direction as the length direction of the micro heater 410. This is to minimize the formation of the horizontal boundary portion 430 of the sensing electrode 420 and the micro heater 410 as shown in FIG. Accordingly, the insulating layer 180 formed between the sensing electrode 420 and the micro heater 410 is destroyed due to the stress of the sensing electrode 420 film, so that the sensing electrode 420 and the micro heater 410 are electrically energized. Can be minimized.

감지전극(420)은 마이크로 히터(410)를 구성하는 하나의 선폭에 하나의 감지전극이 대응되도록 형성될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 빗살무늬 형태로 배열될 수 있다.The sensing electrode 420 may be formed so that one sensing electrode corresponds to one line width constituting the micro heater 410, and may be arranged in the shape of a comb as shown in FIG. 5.

감지전극(420)의 재료로는 금(Au) 또는 백금(Pt)이 사용될 수 있으며, 절연층(108)은 실리콘 산화막(SiO2)층, 실리콘 질화막(Si3N4)층이 형성될 수 있다. 절연층을 구성하는 상기 화합물들의 두께 비율을 조절할 수 있다. 상기 절연층(108)이 실리콘 산화막(SiO2)층과 상기 실리콘 산화막층의 상부에 형성되는 실리콘 질화막(Si3N4)층의 2층 구조로 구성될 경우, 두께비율을 1:1로 조절할 수 있다.Gold (Au) or platinum (Pt) may be used as a material of the sensing electrode 420, and the insulating layer 108 may be formed of a silicon oxide film (SiO 2 ) layer or a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer. have. The thickness ratio of the compounds constituting the insulating layer may be adjusted. When the insulating layer 108 is formed of a two-layered structure of a silicon oxide (SiO 2 ) layer and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer formed on the silicon oxide layer, the thickness ratio is controlled to be 1: 1. Can be.

또한, 실리콘 산화막(SiO2)층의 상부에 실리콘 질화막(Si3N4)층을 형성하고, 상기 실리콘 질화막(Si3N4)층의 상부에 실리콘 산화막(SiO2)층을 형성하여 ONO 3층 구조를 형성하는 경우, 두께비율을 2:1:1 또는 1:2:1의 비율로 조절할 수 있다. 절연층은 하부의 백금(Pt) 박막의 마이크로 히터와 강한 접합을 이루기기 위해 마이크로 히터 상부와 절연층 사이에 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta) 중 어느 하나로 구성되는 제2 접합층을 10㎚ 내지 30㎚ 두께로 형성할 수 있다.Further, a silicon nitride (Si 3 N 4) of the silicon nitride film to form a layer, and (Si 3 N 4) to the upper portion of the layer to form a silicon oxide film (SiO 2) layer ONO 3 on top of the layer of silicon oxide (SiO 2) When forming the layer structure, the thickness ratio may be adjusted in a ratio of 2: 1: 1 or 1: 2: 1. The insulating layer has a second bonding layer composed of either titanium (Ti) or tantalum (Ta) between 10 nm and 10 nm between the upper portion of the micro heater and the insulating layer to form a strong bond with the micro heater of the lower platinum thin film (Pt). 30 nm thick.

상기와 같은 비율에 따른 절연층 전체 두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛로 유지될 수 있다. 절연층이 상기 0.5㎛ 보다 얇으면 마이크로 히터(410)의 열팽창에 의해 절연층(180) 파괴될 우려가 있으며, 절연층(180)의 1.5㎛를 넘어서 매우 두꺼운 경우에는 열손실을 증가하여 마이크로 가스센서 어레이를 구동하기 위한 구동 소비전력이 증가할 수 있다.The total thickness of the insulating layer according to the above ratio may be maintained at 0.5 μm to 1.5 μm. If the insulating layer is thinner than 0.5 μm, the insulating layer 180 may be destroyed by thermal expansion of the micro heater 410. If the insulating layer is very thick beyond 1.5 μm of the insulating layer 180, the heat loss is increased to increase the microgas. Driving power consumption for driving the sensor array can be increased.

또한, 감지전극(420)의 선폭(Wb)은 마이크로 히터(410)의 가장자리 선폭(Wa) 보다 좁게하여 마이크로 히터(410)와 감지전극(420) 사이에 발생하는 경계를 최소화시킬 수 있다. 상기 경계를 최소화하여 마이크로 히터와 감지전극 사이에 형성된 절연막의 파괴를 막을 수 있다.
In addition, the line width Wb of the sensing electrode 420 may be narrower than the edge line width Wa of the micro heater 410 to minimize the boundary generated between the micro heater 410 and the sensing electrode 420. By minimizing the boundary, it is possible to prevent destruction of the insulating film formed between the micro heater and the sensing electrode.

도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 3에 도시된 마이크로 히터 구조의 변화에 따른 마이크로 히터 주변의 열 분포를 나타낸 것이다. 6 (a) to 6 (c) show heat distribution around the micro heater according to the change of the micro heater structure shown in FIG. 3.

도 6(a) 내지 도 6(c)를 참조하면, 적색영역이 최대 발열부이고, 최대 발열부 외곽에 분포된 노란색영역, 초록색 영역은 상기 최대 발열부에서 멀어질수록 온도가 감소함을 나타낸 것이다. 또한, 상기 마이크로 히터가 제1 멤브레인(도 2a 및 도 2b 참조)(도 6(a)의 멤브레인 영역)상에 형성되므로 상기 제1 멤브레인 영역(610)이 마이크로 히터에서 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 차단하여 제1 멤브레인 영역(610)과 상기 제1 멤브레인 영역의 외부영역(620)이 열적으로 차단되어 있음을 알 수 있다.6 (a) to 6 (c), the red region is the maximum heating portion, and the yellow region and the green region distributed around the maximum heating portion decrease in temperature away from the maximum heating portion. will be. In addition, since the micro heater is formed on the first membrane (see FIGS. 2A and 2B) (membrane region of FIG. 6A), the first membrane region 610 transfers heat generated from the micro heater to the outside. It can be seen that the first membrane region 610 and the outer region 620 of the first membrane region are thermally blocked by being blocked.

도 6(a)는 선폭이 동일한 히터그룹들로 구성된 마이크로 히터의 구조를 나타내고 있으며, 마이크로 히터의 전극라인 양 끝단에 동일한 전압을 인가했을 때 마이크로 히터 중앙에 최대 발열부가 형성되며, 상기 마이크로 히터 중앙에서 가장자리로 갈수록 온도가 감소함을 알 수 있다. 따라서, 도 6(a)에 도시된 마이크로 히터 구조는 중앙에 열이 집중되는 구조이다.FIG. 6 (a) shows the structure of a micro heater composed of heater groups having the same line width, and when the same voltage is applied to both ends of the electrode line of the micro heater, a maximum heating part is formed at the center of the micro heater. It can be seen that the temperature decreases from edge to edge. Therefore, the micro heater structure shown in FIG. 6 (a) is a structure in which heat is concentrated in the center.

도 6(b) 및 도 6(c)는 도 3에 도시된 바와 같이 선폭이 각각 다른 제1 히터그룹(310_1,310_2)과 제2 히터그룹(320)으로 구성되는 마이크 히터 구조를 나타낸 것이다. 제1 히터그룹(310_1,310_2)의 선폭을 b, 제2 히터그룹(320)의 선폭을 a 라 할 때, 상기 도 6(a)는 a/b=1 이지만, 도 6(b)는 a/b=4.6, 도 6(c)는 a/b=9.4의 관계에 있다.6 (b) and 6 (c) show a microphone heater structure including first heater groups 310_1 and 310_2 and second heater groups 320 having different line widths as shown in FIG. 3. When the line width of the first heater groups 310_1 and 310_2 is b and the line width of the second heater group 320 is a, FIG. 6 (a) is a / b = 1, but FIG. 6 (b) is a /b=4.6 and FIG. 6 (c) have a relationship of a / b = 9.4.

도 6(b)는 최대 발열부가 마이크로 히터의 중심에서 가장자리 방향으로 넓게 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 마이크로 히터의 중심부근의 온도는 도 6(a) 보다 다소 낮을 수 있지만, 마이크로 히터의 가장자리와 중심부근 사이에 보다 넓은 영역에서 균일한 온도분포를 보인다. 이와 같은 마이크로 히터의 구조에 따른 균일한 온도분포로 인하여 가스센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.6 (b) it can be seen that the maximum heating portion is formed in the edge direction from the center of the micro heater. The temperature near the center of the micro heater may be somewhat lower than that of FIG. Due to the uniform temperature distribution according to the structure of the micro heater, it is possible to improve the reliability of the gas sensor.

도 6(c)는 제2 히터그룹(320)의 영역의 폭(a)이 도 6(b)에서 보다 넓어져서 마이크로 히터의 가장자리 양쪽에서 최대 발열부가 형성되고, 상기 양쪽의 최대 발열부로부터의 열전달이 원활하지 않아 균일하지 않은 온도분포를 보인다.FIG. 6C shows that the width a of the region of the second heater group 320 is wider than that in FIG. 6B so that the maximum heat generating portion is formed at both edges of the micro heater, Heat transfer is not smooth and shows uneven temperature distribution.

즉, 도 6(a), 도 6(b) 및 도 6(c)를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 마이크로 히터의 구조는 제1 히터그룹(310_1, 310_2)의 선폭(b)과 제2 히터그룹(320)의 선폭(a)이 소정의 비율로 형성됨이 바람직할 것이다. 예컨대, 2〈 a/b〈6 인 경우에 마이크로 히터의 열분포가 균일하게 형성될 수 있다. 도 6의 (b)에서는 a/b=4.6 인 경우의 마이크로 히터의 열분포를 도시한 것이다. 한편, 제1 히터그룹(310_1, 310_2)의 선폭(b)과 제2 히터그룹(320)의 선폭(a)의 비율은 2〈 a/b〈6 의 범위 내에서 열분포의 균일한 정도에 따라 다양하게 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
That is, the structure of the micro heater of the micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention through FIGS. 6 (a), 6 (b) and 6 (c) has the line widths of the first heater groups 310_1 and 310_2. It is preferable that line width (a) of (b) and the second heater group 320 is formed at a predetermined ratio. For example, when 2 <a / b <6, the heat distribution of the micro heater may be uniformly formed. FIG. 6B shows the heat distribution of the micro heater when a / b = 4.6. On the other hand, the ratio of the line width b of the first heater groups 310_1 and 310_2 to the line width a of the second heater group 320 is in accordance with the uniformity of the heat distribution within the range of 2 <a / b <6. Various modifications may be made.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present invention. Should be interpreted.

110: 기판 120: 제1 멤브레인
130, 300: 마이크로 히터 140: 제2 멤브레인
130_A,130_B,130_C,130_D: 마이크로 히터 어레이 그룹
150: 마이크로 히터 공통전극 160: 마이크로 히터 전극
170: 전극패드 230,260,410: 감지전극
250: 감지전극 공통전극110: substrate 120: first membrane
130, 300: micro heater 140: second membrane
130_A, 130_B, 130_C, 130_D: micro heater array group
150: micro heater common electrode 160: micro heater electrode
170: electrode pads 230,260,410: sensing electrode
250: sensing electrode common electrode

Claims (19)

기판;
상기 기판의 상면에 상호 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수의 제1 멤브레인(membrane);
상기 제1 멤브레인 상에 각각 마이크로 히터가 형성된 마이크로 히터 어레이; 및
상기 각각의 마이크로 히터를 구동시키는 마이크로 히터 개별 전극패턴과 상기 개별 전극패턴들이 연결된 마이크로 히터 공통 전극패턴을 포함하는 마이크로 히터 전극패턴;을 포함하는 제1 마이크로 히터 어레이 그룹;
상기 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 이웃하는 제2 마이크로 히터 어레이 그룹;
상기 기판의 상면에 형성되어 상기 제1 마이크로 어레이 그룹과 상기 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 열적으로 분리시키는 제2 멤브레인;
상기 제1 및 제2 마이크로 어레이 그룹을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층; 및
상기 절연층 상부에 빗살무늬 형태의 감지전극을 포함하는 감지전극 어레이
을 포함하는 마이크로 가스센서 어레이.Board;
A plurality of first membranes spaced apart from each other at regular intervals on an upper surface of the substrate;
Micro heater arrays each having a micro heater formed on the first membrane; And
A first micro heater array group including a micro heater electrode pattern including a micro heater individual electrode pattern for driving each of the micro heaters and a micro heater common electrode pattern to which the individual electrode patterns are connected;
A second micro heater array group neighboring the first micro heater array group;
A second membrane formed on an upper surface of the substrate to thermally separate the first micro array group and the second micro heater array group;
An insulating layer formed on the substrate and surrounding the first and second micro array groups; And
Sensing electrode array including a sensing electrode in the form of a comb pattern on the insulating layer
Micro gas sensor array comprising a. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 히터 전극패턴은
일단이 마이크로 히터의 제1 모서리측에 연결되고 타단이 상기 마이크로 히터 공통전극과 연결되는 제1 마이크로 히터전극 패턴; 및
일단이 상기 마이크로 히터의 제1 모서리측과 대각선 방향의 제2 모서리 측에 연결되고 타단이 전원이 인가되는 전극패드에 연결된 제2 마이크로 히터전극 패턴
을 포함하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the micro heater electrode pattern
A first micro heater electrode pattern having one end connected to a first edge side of the micro heater and the other end connected to the micro heater common electrode; And
A second micro heater electrode pattern having one end connected to a first corner side of the micro heater and a second corner side in a diagonal direction, and the other end connected to an electrode pad to which power is applied;
Micro gas sensor array comprising a. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인은
상기 마이크로 히터에서 외부로 전달되는 열을 차단하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the first membrane is
The micro gas sensor array to block the heat transmitted to the outside from the micro heater. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인은
실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 상기 실리콘 산화막(SiO2) 상부에 형성되는 실리콘 질화막(SiNx)의 적층박막 중 어느 하나로 형성되는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the first membrane and the second membrane is
Is formed of any one of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxynitride film (SiON) or a silicon oxide film (SiO 2 ) and a laminated thin film of a silicon nitride film (SiN x ) formed on the silicon oxide film (SiO 2 ). Micro gas sensor array. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인은
두께가 1~2㎛ 인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the first membrane and the second membrane is
Micro gas sensor array of which the thickness is 1 ~ 2㎛. 제2항에 있어서, 상기 마이크로 히터는
상기 제1 마이크로 히터전극 패턴 및 상기 제2 마이크로 히터전극 패턴과 연결되는 제1 마이크로 히터그룹과, 상기 제1 마이크로 히터그룹 사이에 형성되어 상기 제1 마이크로 히터그룹보다 선폭이 넓은 제2 마이크로 히터그룹을 포함하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 2, wherein the micro heater
A second micro heater group formed between the first micro heater group connected to the first micro heater electrode pattern and the second micro heater electrode pattern and the first micro heater group, and having a wider line width than the first micro heater group. Micro gas sensor array comprising a. 제6항에 있어서, 상기 마이크로 히터는
상기 제1 히터그룹의 선폭(b), 상기 제2 히터그룹의 선폭(a), 상기 마이크로 히터 길이(d) 및 상기 마이크로 히터의 선폭 간의 간격(c) 사이에
2〈 a/b〈6,
6〈 d/b〈12,
1㎛〈 c〈10㎛
의 구조적인 관계를 가지는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 6, wherein the micro heater
Between the line width (b) of the first heater group, the line width (a) of the second heater group, the micro heater length (d) and the interval (c) between the line width of the micro heater
2 <a / b <6,
6 <d / b <12,
1 µm <c <10 µm
Micro gas sensor array having a structural relationship of. 제7항에 있어서, 상기 감지전극의 선폭은
상기 제1 마이크로 히터그룹의 선폭 보다 좁은 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 7, wherein the line width of the sensing electrode is
Micro gas sensor array that is narrower than the line width of the first micro heater group. 제6항에 있어서,
상기 마이크로 히터는 백금(Pt) 박막인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 6,
The micro heater is a micro gas sensor array that is a thin film of platinum (Pt). 제9항에 있어서,
상기 백금박막의 두께는 500nm 내지 300nm인 것인 마이크로 가스센서 어레이.10. The method of claim 9,
The thickness of the platinum thin film is a micro gas sensor array of 500nm to 300nm. 제9항에 있어서,
상기 백금박막과 상기 제1 멤브레인 사이에 형성된 제1 접합층을 더 포함하는 마이크로 가스센서 어레이.10. The method of claim 9,
And a first bonding layer formed between the platinum thin film and the first membrane. 제11항에 있어서, 상기 제1 접합층은
탄탈(Ta)층 또는 산화탄탈(Ta2O5) 층 중 어느 하나인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 11, wherein the first bonding layer is
And a tantalum (Ta) layer or a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer. 제1항에 있어서, 상기 절연층은
실리콘 산화막(SiO2)으로 형성되는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the insulating layer
Micro gas sensor array is formed of a silicon oxide (SiO 2 ). 제1항에 있어서, 상기 절연층은
실리콘 산화막(SiO2)층과 상기 실리콘 산화막(SiO2)층 상부에 형성되는 실리콘 질화막(Si3N4)층으로 형성되는 2층의 적층구조인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the insulating layer
2. A micro gas sensor array comprising a stacked structure of two layers formed of a silicon oxide film (SiO 2 ) layer and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer formed on the silicon oxide film (SiO 2 ) layer. 제14항에 있어서,
상기 실리콘 산화막(SiO2)층과 실리콘 질화막(Si3N4)층의 두께비율은 1:1인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 14,
And a thickness ratio of the silicon oxide layer (SiO 2 ) layer and the silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) layer is 1: 1. 제1항에 있어서, 상기 절연층은
실리콘 산화막(SiO2)층, 상기 실리콘 산화막(SiO2)층 상부에 형성되는 실리콘 질화막(Si3N4)층 및 상기 실리콘 질화막(Si3N4)층 상부에 형성되는 실리콘 산화막(SiO2)층으로 형성되는 3층의 적층구조인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1, wherein the insulating layer
Silicon oxide (SiO 2) layer, and the silicon oxide film (SiO 2) layer of silicon nitride film is formed on the upper (Si 3 N 4) layer and the silicon nitride film (Si 3 N 4) layer of silicon oxide film formed on the upper (SiO 2) Micro gas sensor array that is a laminated structure of three layers formed in a layer. 제16항에 있어서, 상기 절연층은
실리콘 산화막(SiO2)층, 상기 실리콘 질화막(Si3N4)층 및 상기 실리콘 산화막(SiO2)층의 두께비율은 2:1:1 또는 1:2:1인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 16, wherein the insulating layer
The thickness ratio of the silicon oxide film (SiO 2 ) layer, the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer and the silicon oxide film (SiO 2 ) layer is 2: 1: 1 or 1: 2: 1. 제1항에 있어서,
상기 절연층과 상기 마이크로 히터 사이에 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta) 중 어느 하나로 구성되는 제2 접합층을 더 포함하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1,
And a second bonding layer formed of any one of titanium (Ti) and tantalum (Ta) between the insulating layer and the micro heater. 제1항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 것인 마이크로 가스센서 어레이.The method of claim 1,
The thickness of the insulating layer is 0.5 ㎛ to 1.5 ㎛ micro gas sensor array.
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