KR20140084583A - 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 센서 및 그 제조 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 내구성이 향상된 가스 센서는, 기판상에 설치되며 복수의 관통 구멍이 형성되는 멤브레인; 상기 멤브레인의 상부와 하부에 형성되며 상기 복수의 관통 구멍을 통해 연결된 구조를 가지는 감지부; 상기 멤브레인 상부에 설치되어 상기 감지부를 가열시키는 가열부; 상기 감지부의 양단에 접촉되어 상기 감지부의 전기적 변화를 측정하는 감지 전극; 및 상기 가열부와 상기 감지 전극 사이의 전기적 절연을 위해 형성되는 절연막을 포함하여 이루어진다.

Description

가스 센서 및 그 제조 방법{GAS SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 센서의 내구성을 높이기 위한 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 각종 가스가 에너지원으로 널리 이용되기 시작하면서 공업 분야는 물론 가정용으로서도 가스 센서의 활용도가 높아지고 있다.
예를 들어, 가스 센서는 가스의 성분을 측정한 후 그 결과에 따라 장치를 제어하는데 사용하거나 위험경보를 발생하기 위한 목적으로 기체 속에 포함되어 있는 가스 성분량에 의한 검출 신호를 발생하는데 사용하고 있다.
한편, 도 1은 종래의 가스 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 가스 센서(10)는 기판(11)상의 멤브레인(Membrane)(12)위에 감지 전극(14)과 절연막(15)이 형성되고 그 상부에 감지부(17)가 형성되는 구조를 갖는다.
여기서, 멤브레인(12)의 상부에 형성되는 감지부(17)에는 가스 센서(10)의 멤브레인(12), 감지 전극(14) 및 절연막(15)의 부착성을 높이기 위한 첨가물이 추가되어 부착성을 향상시키는 방법이 사용된다.
이러한, 종래의 가스 센서(10)가 정상적으로 동작하기 위해서는 히터로 이루어진 가열부(13)를 이용하여 감지부(17)를 일정 온도로 가열해야만 한다.
이 때, 가스 센서(10)의 동작에 따른 가열부(13)에서 발생한 열로 인해 가열부(13), 멤브레인(12), 절연막(15) 및 감지 전극(14) 등의 구조물들에는 열팽창이 발생되고 각 구조물들의 열팽창 차이로 인해 멤브레인(12)을 포함한 구조물들에 열 변형이 발생된다. 그리고, 이러한 열 변형의 발생으로 인해 멤브레인(12) 상부에 위치한 감지부(17)는 다른 구조물에서 쉽게 분리되어 가스 센서(10)의 오작동을 발생시키는 문제점이 있다.
한편, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래기술에서 구조물들의 열 변형에 따른 감지부(17)가 쉽게 분리되는 것을 막기 위해 감지부(17)의 감지재료에 구조물에 잘 부착될 수 있도록 추가적인 재료를 더 혼합하여 부착성능을 높이는 방법이 사용되었다. 그러나, 상기 추가적인 재료의 혼합은 감지부(17)가 분리되는 것을 어느 정도 줄이는데 효과가 있는 반면에 감지부(17)의 가스 검출 특성을 저하시키는 역효과를 나타내는 문제점이 있다.
따라서, 산업/공업 전반에 걸쳐 사용되고 있는 가스 센서(10)의 중요도가 높아지고 있는 만큼 그 검출 성능을 유지하면서도 내구성이 향상되는 가스 센서(10)의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명의 실시 예는 기존의 멤브레인 상부에만 형성되는 감지부를 멤브레인의 상부와 하부에 관통 형성하여 감지부가 멤브레인에서 쉽게 분리되는 것을 방지함으로써 내구성을 향상시키는 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내구성이 향상된 가스 센서는, 기판상에 설치되며 복수의 관통 구멍이 형성되는 멤브레인; 상기 멤브레인의 상부와 하부에 형성되며 상기 복수의 관통 구멍을 통해 연결된 구조를 가지는 감지부; 상기 멤브레인 상부에 설치되어 상기 감지부를 가열시키는 가열부; 상기 감지부의 양단에 접촉되어 상기 감지부의 전기적 변화를 측정하는 감지 전극; 및 상기 가열부와 상기 감지 전극 사이의 전기적 절연을 위해 형성되는 절연막을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 멤브레인은, 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘 산화질화막(SiON) 중 어느 하나 또는 복수의 적층으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 복수의 관통 구멍은, 상기 멤브레인을 관통하는 원형 또는 복수의 꼭지점을 가지는 다각형 모양 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연막은, 상기 멤브레인에 형성된 복수의 관통 구멍과 동일한 모양으로 연장 형성되는 복수의 관통 구멍이 형성될 수 있다.
또한, 상기 가열부 및 감지 전극의 재료는 백금(Pt) 또는 금(Au)중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가열부와 상기 감지 전극은, 상기 절연막 하부의 동일 평면에 위치하거나, 또는 상기 가열부가 상기 절연막 하부에 위치하고 감지 전극이 절연막 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 기판은, 실리콘 재질로 상기 멤브레인의 하부로부터 상기 기판의 하단까지 일정 간격을 식각하여 케비티를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 내구성이 향상된 가스 센서 제조 방법은, a) 기판 상에 설치되는 멤브레인 상에 감지부를 가열을 위한 가열부와 상기감지부의 저항 변환을 측정하기 위한 감지 전극을 각각 형성하는 단계; b) 상기 가열부 및 상기 감지 전극을 전기적으로 절연시키기 위한 절연막을 형성하는 단계; c) 상기 절연막과 상기 멤브레인을 수직으로 관통하는 복수의 관통 구멍을 형성하는 단계; d) 상기 멤브레인의 하부에 있는 상기 기판의 일부를 식각하여 케비티를 형성하는 단계; 및 e) 액상의 감지재료를 상기 멤브레인의 상부와 하부에 도포하여 상기 복수의 관통 구멍을 통해 결합되는 감지부를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 c) 단계는, 상기 가열부 및 감지 전극의 상부 전면에 형성된 절면막의 각 일부를 식각하여, 상기 가열부에 전원을 인가하기 위한 가열부 윈도우를 형성하는 단계; 양측으로 형성된 상기 감지 전극의 단부에 상기 감지부가 연결될 수 있도록 감지부 윈도우를 형성하는 단계; 및 상기 감지 윈도우의 타단부에 감지부의 전기적 특성 변화를 외부에 연결하여 측정하기 위한 감지 전극 윈도우를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면, 멤브레인에 관통 구멍을 형성하여 감지부가 멤브레인 상부와 하부에 형성될 수 있도록 함으로써 감지부가 가스 센서의 구조물들의 열 변형에 의해 쉽게 분리되는 것을 방지하고 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 위와 같은 감지부의 부착구조를 통해 그 부착성능을 향상시킴으로써 종래의 감지부의 부착성능을 유지하기 위한 추가적인 재료의 혼합 없이 가스 검출 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 가스 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구성을 나타낸 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 상에 멤브레인 층을 형성하는 단계를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 멤브레인 상에 감지부 및 감지 전극을 형성하는 단계를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 구조물 상에 절연막을 형성하는 단계를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 각 구조물의 윈도우 및 관통 구멍을 형성하는 단계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 멤브레인하부의 기판 일부에 케비티를 생성하는 단계를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서 및 그 제조 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구성을 나타낸 A-A 단면도이다.
첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 기판(101)상에 설치되며 복수의 관통 구멍(106)이 형성되는 멤브레인(102), 상기 멤브레인(102)의 상부와 하부에 형성되며 상기 복수의 관통 구멍(106)을 통해 연결된 구조를 가지는 감지부(107), 상기 멤브레인(102)과 상기 감지부(107) 사이에 설치되어 상기 감지부(107)를 가열시키는 가열부(103), 상기 감지부(107)의 양단에 접촉되어 상기 감지부(107)의 전기적 변화를 측정하는 감지 전극(104), 상기 가열부(103)와 상기 감지 전극(104) 사이의 전기적 절연을 위해 형성되는 절연막(105) 및 이상의 구조물을 지지하는 기판(101)을 포함하여 이루어진다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 종래의 도 1과 같이 멤브레인(12) 상부에 위치한 감지부(17)가 열팽창에 의해 다른 구조물로부터 쉽게 분리되는 것을 방지하기 위해, 상기 도2 및 도3과 같이 멤브레인(102) 및 절연막(105)의 상부와 하부를 관통하는 관통 구멍(106)을 형성한다. 그리고, 감지부(107)를 형성할 때 감지부(107)가 멤브레인(102)의 상부와 하부에 함께 연장 형성될 수 있도록 하여 감지부(107)가 멤브레인(102)을 중심으로 상부와 하부에서 감싸는 견고한 부착구조를 형성한다. 따라서, 감지부(107)가 멤브레인(102)에 보다 안정적으로 부착될 수 있도록 하여 가스 센서(10)의 내구성을 높일 수 있다.
한편, 멤브레인(102)은 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘 산화질화막(SiON) 중 어느 하나 또는 복수의 적층으로 이루어진다.
그리고, 멤브레인(102)에 형성되는 복수의 관통 구멍(106)의 모양은 원형이나, 사각형, 육각형 등과 같이 복수의 꼭지점을 가지는 다각형 모양으로 형성될 수 있다.
이 때, 절연막(105)은 멤브레인(102)에 형성된 복수의 관통 구멍(106)과 동일한 모양으로 연장 형성되는 복수의 관통 구멍이 형성될 수 있다.
가열부(103) 및 감지 전극(104)의 재료는 백금(Pt) 또는 금(Au)중 어느 하나로 구성할 수 있다.
또한, 가열부(103)와 상기 감지 전극(104)은 기본적으로 상기 절연막(105) 하부의 동일 평면에 위치하거나, 또는 약간의 구조 변경으로 가열부(103)는 절연막(105)의 하부에 그대로 위치시키고 감지 전극(104)을 절연막(105)의 상부에 위치시키는 것도 가능하다.
기판(101)은 멤브레인(102)의 하부로부터 기판(101)의 하단까지 소정 간격을 식각하여 케비티(Cavity)를 형성한다.
한편, 다음의 도 4 내지 도 9를 통하여 본 발명의 실시 에에 따른 가스 센서(100)의 구조와 그 구조를 이루는 제조 방법(과정)을 상세히 설명한다.
먼저, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 상에 멤브레인 층을 형성하는 단계를 나타낸다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 기판(101)은 실리콘 재질의 기판이 사용된다.
멤브레인(102)은 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화산화막(SiNO) 중 하나의 층으로 형성되거나, 또는, 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화산화막(SiNO) 등의 복수의 적층 구조로 형성될 수도 있다.
다음, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 멤브레인 상에 감지부 및 감지 전극을 형성하는 단계를 나타낸다.
첨부된 도 5를 참조하면, 위 단계에서 기판(101) 상에 멤브레인(102) 층이 형성되면, 멤브레인(102)의 상부에 감지부(107)를 가열하기 위한 가열부(103)와 감지부(107)의 저항 변화를 측정하기 위한 감지 전극(104)을 각각 형성한다.
이 때, 가열부(103)와 감지 전극(104)의 형성에 사용되는 재료로는 백금(Pt) 또는 금(Au)이 사용될 수 있다. 백금과 금은 온도가 증가하더라고 쉽게 산소와 반응하여 산화되지 않으며, 다른 재료들과 쉽게 반응하지 않으므로 가열상태에서의 안정적인 측정을 위해 적합한 재료이다.
다음, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 구조물 상에 절연막을 형성하는 단계를 나타낸다.
첨부된 도 6을 참조하면, 앞선 공정으로 가열부(103)와 감지 전극(104)이 형성되면, 가열부(103)와 감지 전극(104)을 전기적으로 절연시키기 위해 가열부(103) 및 감지 전극(104)의 상부 전면에 절연막(105)을 형성한다.
다만, 위의 설명과 같이 상기 도 2 및 도 6에서와 같이 절연막(105)의 하부에 가열부(103)와 감지 전극(104)이 동일 평편상에 있을 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 가열부(103)는 절연막(105)의 하부에 위치하고 감지 전극(104)은 절연막(105)의 상부에 위치하는 형태로 구성하여 두 구조물 간의 절연을 행할 수도 있다.
다음, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 각 구조물의 윈도우 및 관통 구멍을 형성하는 단계를 나타낸다.
첨부된 도 7과 도 2를 참조하면, 앞선 공정으로 절연막(105)이 형성되면, 가열부(103)와 감지 전극(104)의 상부 전면에 형성된 절연막(105)의 일부를 식각하여 가열부(103)에 전원을 인가하기 위한 가열부 윈도우(103-1)를 형성한다.
그리고, 양측으로 형성된 감지 전극(104)의 단부에 감지부(107)가 연결(접촉)될 수 있도록 감지부 윈도우(107-1)를 형성하고, 감지 전극(104)에 연결된 감지부(107)의 전기적 특성 변화를 외부에 연결하여 측정하기 위한 감지 전극 윈도우(104-1)를 형성한다.
여기서, 앞에서 언급된 다른 실시 예에서 가열부(103)가 절연막(105)의 하부에 위치하고 감지 전극(104)이 절연막(105)의 상부에 위치하는 경우에는 감지 전극 윈도우(104-1) 및 감지부 윈도우(107-1)를 별도로 만드는 공정을 생략할 수 있는 이점이 있다.
또한, 절연막(105)과 멤브레인(102)을 관통하는 복수의 관통 구멍(106)을 형성하며, 이 때, 형성되는 복수의 관통 구멍(106)의 모양은 원형이나, 사각형, 육각형 등과 같이 복수의 꼭지점을 가지는 다각형으로 형성될 수 있다.
다음, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 멤브레인하부의 기판 일부에 케비티를 생성하는 단계를 나타낸다.
첨부된 도 8을 참조하면, 앞선 공정으로 각 구조물별 윈도우 및 복수의 관통 구멍(106)이 형성되면, 멤브레인(102)의 하부 영역에 존재하는 실리콘 기판 일부를 기판(101)의 하단까지 식각하여 케비티(Cavity)(108)을 형성한다.
이렇게 함으로써 절연막(105)과 멤브레인(102)을 관통하는 복수의 관통 구멍(106)을 통해 멤브레인(102)의 하부에 까지 감지부(107)를 부착시킬 수 있는 공간이 형성된다.
또한, 멤브레인(102) 하부의 실리콘 기판(101) 일부를 식각하여 제거함으로써 가열부(103)에서 발행되는 열이 쉽게 실리콘 기판(101) 쪽으로 빠져나가는 것을 방지하여 가스 센서(10)의 구동 소비전력을 낮출 수 있는 장점을 갖는다.
다음, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 감지를 위한 감지부를 형성하는 단계를 타나낸다.
첨부된 도 9를 참조하면, 앞선 공정으로 복수의 관통 구멍(106) 및 멤브레인(102)의 하부에 감지부(107)의 부착공간이 형성되면, 감지부(107)를 복수의 관통 구멍(106)을 통해 멤브레인(102)의 상부와 하부에 연장 형성되도록 도포한다.
이 때, 감지부(107)를 형성하기 위해 준비된 재료는 액상(液狀)으로 준비되어 감지재료를 복수의 관통 구멍(106)이 형성된 멤브레인(102)의 상부에 도포하면 액상의 감지재료 일부가 복수의 관통 구멍(106)을 통해 아래쪽으로 빠져나가면서 감지재료의 점도와 표면장력에 의해 멤브레인(102)의 하부에도 흡착된다.
즉, 도 9와 같이 멤브레인(102)의 상부와 하부를 감싸는 형태로 감지부(107)가 견고히 형성된다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 멤브레인(102)에 관통 구멍을 형성하고 감지부(107)가 멤브레인(102)의 상부와 하부에 연장 형성될 수 있도록 하여 감지부(107)가 구조물들의 열 변형에 의해 쉽게 분리되는 것을 방지함으로써 가스 센서(10)의 내구성을 높일 수 있다.
또한, 위와 같은 부착구조로 감지부(107)의 부착성을 향상시킴으로써 종래에 감지부(107)의 부착성능을 유지하기 위한 추가적인 재료의 혼합 없이 가스 검출 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 가스 센서 101: 기판
102: 멤브레인 103: 가열부
104: 감지 전극 105: 절연막
106: 관통 구멍 107: 감지부
108: 케비티

Claims (9)

  1. 기판상에 설치되며 복수의 관통 구멍이 형성되는 멤브레인;
    상기 멤브레인의 상부와 하부에 형성되며 상기 복수의 관통 구멍을 통해 연결된 구조를 가지는 감지부;
    상기 멤브레인 상부에 설치되어 상기 감지부를 가열시키는 가열부;
    상기 감지부의 양단에 접촉되어 상기 감지부의 전기적 변화를 측정하는 감지 전극; 및
    상기 가열부와 상기 감지 전극 사이의 전기적 절연을 위해 형성되는 절연막
    을 포함하여 이루어지는 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은,
    실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화막(SiO2) 및 실리콘 산화질화막(SiON) 중 어느 하나 또는 복수의 적층으로 이루어지는 가스 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 관통 구멍은,
    상기 멤브레인을 관통하는 원형 또는 복수의 꼭지점을 가지는 다각형 모양으로 형성되는 가스 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 절연막은,
    상기 멤브레인에 형성된 복수의 관통 구멍과 동일한 모양으로 연장 형성되는 복수의 관통 구멍이 형성되는 가스 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부 및 감지 전극의 재료는 백금(Pt) 또는 금(Au)중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부와 상기 감지 전극은,
    상기 절연막 하부의 동일 평면에 위치하거나, 또는 상기 가열부가 상기 절연막 하부에 위치하고 감지전극이 절연막 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    실리콘 재질로 상기 멤브레인의 하부로부터 상기 기판의 하단까지 일정 간격을 식각하여 케비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 내구성이 향상된 가스 센서 제조 방법에 있어서,
    a) 기판 상에 설치되는 멤브레인 상에 감지부를 가열을 위한 가열부와 상기감지부의 저항 변환을 측정하기 위한 감지 전극을 각각 형성하는 단계;
    b) 상기 가열부 및 상기 감지 전극을 전기적으로 절연시키기 위한 절연막을 형성하는 단계;
    c) 상기 절연막과 상기 멤브레인을 수직으로 관통하는 복수의 관통 구멍을 형성하는 단계;
    d) 상기 멤브레인의 하부에 있는 상기 기판의 일부를 식각하여 케비티를 형성하는 단계; 및
    e) 액상의 감지재료를 상기 멤브레인의 상부와 하부에 도포하여 상기 복수의 관통 구멍을 통해 결합되는 감지부를 형성하는 단계
    를 포함하는 가스 센서 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 가열부 및 감지 전극의 상부 전면에 형성된 절면막의 각 일부를 식각하여, 상기 가열부에 전원을 인가하기 위한 가열부 윈도우를 형성하는 단계;
    양측으로 형성된 상기 감지 전극의 단부에 상기 감지부가 연결될 수 있도록 감지부 윈도우를 형성하는 단계; 및
    상기 감지 윈도우의 타단부에 감지부의 전기적 특성 변화를 외부에 연결하여 측정하기 위한 감지 전극 윈도우를 형성하는 단계
    를 포함하는 가스 센서 제조 방법.
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