KR20140113437A - 센서 및 센싱 방법 - Google Patents
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Abstract
센서가 제공되고, 상기 센서는 센서 재료를 함유하는 센서 층으로서, 센서 재료의 전기 저항값이 센서 재료에서 흡착물의 흡착 시에 변하는, 센서 층과; 센서 층에 전기적으로 결합되고 센서 층을 가열하는 전류를 센서 층에 인가하도록 구성되는 회로를 포함한다.
Description
다양한 실시예들은 센서 및 센싱 방법에 관한 것이다.
센서들은 기체(gas)들과 같은 특정한 물질들의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다. 기체 센서들은 센서 성능에 역효과를 가질 수 있는 대기 습도에 민감할 수 있다. 센서 온도를 증가시킴으로써 기체 센서의 대기 습도에 대한 감도가 감소할 수 있다. 따라서, 기체 센서를 가열하는 것을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하는 것이다.
센서가 제공되고, 센서는: 센서 재료를 함유하는 센서 층으로서, 센서 재료의 전기 저항값은 센서 재료에서의 흡착물(adsorbate)의 흡착에 대해 변하는, 센서 층; 센서 층에 전기적으로 결합되고 센서 층에 센서 층을 가열하는 전류를 인가하도록 구성되는 회로를 포함한다.
도면들에서, 동일한 참조 문자들은 일반적으로 상이한 뷰들에 걸쳐 동일한 부분들을 칭한다. 도면들은 반드시 축적대로인 것은 아니며 대신 일반적으로 본 발명의 원리들을 설명하는 것이 강조된다. 다음의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 기술된다.
도 1은 기체 센서의 대기 습도에 대한 응답을 센서 온도의 함수로서 도시하는 도면이다.
도 2는 센서 온도에 대한 기체 센서의 재생 기간의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 3은 외부 히터를 구비하는 종래의 기체 센서를 도시하는 도면이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 센서를 도시하는 도면이다.
도 5는 다양한 실시예들에 따라 반도체 층 및 절연 층을 포함하는 기판을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 6은 다양한 실시예들에 따라, 기판 및 기판 내의 캐비티(cavity) 위에 부유(suspended)되어 있는 센서 층을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 7은 다양한 실시예들에 따라, 기판 및 기판 내의 캐비티 위에 부유되어 있는 캐리어 멤브레인(carrier membrane)에 부착되어 있는 센서 층을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 8은 다양한 실시예들에 따라, 센서 층 및 센서 층에 결합되는 전극들을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 9은 별개의 가열 층을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 10은 다양한 실시예들에 따라 센싱하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 1은 기체 센서의 대기 습도에 대한 응답을 센서 온도의 함수로서 도시하는 도면이다.
도 2는 센서 온도에 대한 기체 센서의 재생 기간의 의존성을 도시하는 도면이다.
도 3은 외부 히터를 구비하는 종래의 기체 센서를 도시하는 도면이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 센서를 도시하는 도면이다.
도 5는 다양한 실시예들에 따라 반도체 층 및 절연 층을 포함하는 기판을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 6은 다양한 실시예들에 따라, 기판 및 기판 내의 캐비티(cavity) 위에 부유(suspended)되어 있는 센서 층을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 7은 다양한 실시예들에 따라, 기판 및 기판 내의 캐비티 위에 부유되어 있는 캐리어 멤브레인(carrier membrane)에 부착되어 있는 센서 층을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 8은 다양한 실시예들에 따라, 센서 층 및 센서 층에 결합되는 전극들을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 9은 별개의 가열 층을 구비하는 센서를 도시하는 도면이다.
도 10은 다양한 실시예들에 따라 센싱하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
다음의 상세한 설명은 예를 통해 본 발명이 실행될 수 있는 특정한 세부사항들 및 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조한다. 이 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시하는 것이 가능하도록 충분히 상세하게 기술된다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구조, 논리 및 전기적인 변화들이 행해질 수 있다. 다양한 실시예들은 일부 실시예들이 새로운 실시예들을 형성하기 위하여 하나 이상의 다른 실시예들과 결합될 수 있으므로 반드시 상호 배타적인 것은 아니다. 다양한 실시예들은 방법들과 관련하여 기술되고 다양한 실시예들은 디바이스들과 함께 기술된다. 그러나, 방법들과 관련하여 기술되는 실시예들은 디바이스들에 유사하게 적용될 수 있고 역도 마찬가지인 것이 이해될 수 있다.
단어 "예시적인"은 본원에서 "예, 인스턴스(instance) 또는 실례의 역할을 하는"을 의미하는데 이용된다. 본원에서 "예시적인"으로 기술되는 임의의 실시예 또는 설계는 반드시 다른 실시예들 또는 설계들보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되지 않을 수 있다.
용어들 "적어도 하나" 및 "하나 이상의"은 1과 같거나 1보다 더 큰 임의의 정수, 1, 2, 3, 4 등을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
용어 "복수의"는 2와 같거나 2 이상의 임의의 정수, 즉 2, 3, 4, 5 등을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
피처(feature), 예를 들어 층을 측 또는 면 "위"에 형성하는 것을 기술하는 데 사용되는 단어 "위에"는 상기 피처, 예를 들어 층이 "상에 직접적으로" 예를 들어 수반되는 측 또는 면에 직접 접촉하여 형성될 수 있다는 것을 의미하는데 사용될 수 있다. 피처, 예를 들어 층을 측 또는 면 "위"에 형성하는 것을 기술하는 데 사용되는 단어 "위에"는 수반되는 측 또는 면 및 형성되는 층 사이에 하나 이상의 층들이 배열될 상태로 상기 피처, 예를 들어 층이 수반되는 측 또는 면 "상에 간접적으로" 형성될 수 있다는 것을 의미하는데 사용될 수 있다.
용어 "결합하는" 또는 "접속"은 간접 "결합하는" 또는 "접속" 및 직접 "결합하는" 또는 "접속" 이 둘을 모두 포함할 수 있다.
다음의 설명은 주로 그래핀(graphene)을 센서 재료로서 사용하는 센서들에 초점을 맞출 것이다. 그러나, 본원에서 아래에서 취해지는 고려사항들은 마찬가지로 다른 센서들 또는 센서 재료들에 적용될 수 있고, 예를 들어 일반적으로 전기 저항값(또는 비저항)이 센서 재료의 표면에서 흡착물(예를 들어, 기체 분자(들))의 흡착 시에 변경될 수 있는 센서 재료들, 예를 들어, 그래핀, 몰디브덴, 황화물, 텅스텐 황화물 등과 같은 2차원 재료들 또는 이산화 주석, 산화 아연, 이산화 티타늄 등과 같은 산화 금속들에 적용될 수 있음이 이해될 수 있다.
그래핀은 예를 들어 기체 센서의 제작에 사용될 수 있는 신규한 재료이다. 그래핀계 기체 센서의 측정 원리는 기체 분자들의 흡착 시에 그래핀 층의 전기 저항값의 변화에 기초한다. 실온에서, 이 기체 센서들은 또한 대기 습도에 민감할 수 있고, 이는 이에 따라 측정 결과들에 영향을 미칠 수 있다. 대기 습도에 대한 감도는 도 1로부터 도시되는 바와 같이, 센서 온도를 약 100°C 이상으로 증가시킴으로써 크게 감소될 수 있다.
도 1은 그래핀계 기체 센서의 대기 습도에 대한 응답을 센서 온도의 함수로서 도시하는 도면(100)을 보여 준다.
상이한 곡선들은 40°C (곡선 101), 60°C (곡선 102), 80°C (곡선 103), 100°C (곡선 104), 110°C (곡선 105), 120°C (곡선 106), 130°C (곡선 107), 및 140°C (곡선 108)의 온도에 대해서, 노출 시간에 따른 센서 층의 저항의 변화로서 플롯팅된 센서 응답을 나타낸다.
포인트(110)는 센서가 습도에 노출하기 시작하는 시간에서의 제1 포인트를 나타내고("H2O 온(on)") 포인트(120)는 센서가 습도에 노출하는 것을 중단하는 시간에서의 제 2 포인트를 나타낸다("H2O 오프(off)"). 습도에 노출될 때, 센서의 저항은 증가하고, 습도 노출이 중단될 때 다시 감소한다.
확인될 수 있는 바와 같이, 대기 습도의 감도는 센서 온도를 증가시킴에 따라 감소하고 약 100°C 이상의 온도들에 대해서 충분히 작을 수 있다.
또한 다양한 다른 기체들에 대한 감도는 센서의 온도에 좌우될 수 있다. 게다가, 검출되는 기체 분자들의 탈착 및 이에 따른 기체 센서의 재생 기간은 도 2로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 센서의 온도와 상관될 수 있다.
도 2는 센서 온도에 대한 그래핀계 기체 센서의 재생 기간의 의존성을 도시하는 도면(200)을 나타낸다.
도면(200)에서의 제 1 곡선(201)은 22°C의 센서 온도에 대한 시간 대 플롯팅된 기체 센서의 정규화된 저항(R/R0)을 나타내고 도면(200)에서의 제 2 곡선(202)은 85°C의 센서 온도에 대한 시간 대 플롯팅된 기체 센서의 정규화된 전기 저항값(R/R0)을 나타낸다. 특정한 시점들에서, 기체 센서는 그래핀 센서 층에서 기체 분자들(즉 이 예에서의 NO2 분자들)의 흡착을 일으키고 결과적으로 센서의 전기 저항값의 변화, 즉 곡선들(201 및 202)에서의 급격한 강하들로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 도시된 예에서 R/R0 
1에서 값 <1로의 급격한 감소를 일으키는 기체, 즉 도시되는 예에서 NO2에 노출된다. 기체로의 노출이 중단된 후에, 흡착되는 기체 분자들은 센서 층의 표면으로부터 탈착되고 센서의 전기 저항값은 자체의 초기 값으로 점진적으로 복귀된다. 재생 기간은 도 2에 도시되는 바와 같이, 센서가 R/R0 
1에 다시 도달하는 데 필요한 시간 기간, 예를 들어 22°C 센서 온도의 경우에 시간 기간(t1) 또는 85°C 센서 온도의 경우에 시간 기간(t2)을 칭할 수 있다.
도 2에서의 2개의 상이한 곡선들(201 및 202)에서 확인될 수 있는 바와 같이, 재생 기간을 센서 온도를 증가시킴으로써, 짧아질 수 있는, 즉 t2 < t1이다. 도시된 예에서, 센서 층에서의 흡착물(즉 도시된 예에서 NO2 분자들)의 흡착은 센서의 저항의 감소로 이어진다. 그러나, 센서 층에서의 흡착물의 흡착은 센서의 저항을 증가시키는 것 또한 가능할 수 있다. 센서 층에서의 흡착물의 존재가 센서 층의 저항을 증가시키거나 또는 감소시키는지는 예를 들어 흡착물의 센서 재료의 전자 밀도 분포에 대한 영향, 예를 들어 흡착물이 도너(donor) 또는 액셉터(acceptor)인지에 좌우될 수 있다.
도 2의 예에 따른 센서의 재생 기간들(t1, t2)은 대략 이삼분이다. 그러나, 다른 예들에 따른 기체 센서의 재생 기간은 상이할 수 있고 예를 들어 더 짧은, 예를 들어 대략 수초일 수 있거나 훨씬 더 짧을 수 있다.
상술한 이유들로 인해 센서에 최대 100°C 이상의 열을 가하는 것이 유용할 수 있다.
종래의 기체 센서들에서, 센서의 가열은 예를 들어 도 3에서 개략적으로 도시되는 바와 같이, 아래에 배치되고 유전체에 의해 절연되는 금속 또는 실리콘 전도 트랙들에 의해 외부 히터에 의해 달성된다.
도 3은 기판(301)(예를 들어 실리콘 기판), 기판(301) 위에 배치되는 유전체 층(302)(예를 들어 산화 규소 층), 유전체 층(302) 위에 배치되는 센서 재료(예를 들어, 그래핀)를 포함하는 센서 층(303) 및 센서 층(303) 아래에 배열되고 유전체 층(302)에 의해 센서 층(303)과 절연되는 외부 히터(304)(예를 들어 하나 이상의 트랙들을 포함한다)를 포함하는 기체 센서(300)를 도시한다. 센서 층(303)은 센서 층(303)의 전기 저항값을 측정하도록 구성될 수 있는 회로(도시되지 않음)에 결합될 수 있다. 히터(304)는 히터(304)를 가열하고 따라서 센서(300)의 센서 층(303)을 가열하기 위하여 전류를 히터(304)에 인가하도록 구성될 수 있는 회로(도시되지 않음)에 결합될 수 있다.
도 3에서의 히터(304)와 같은 외부 히터에 의한 가열은 추가 금속 및 유전체 레벨을 구비하는 센서 칩에 대한 설계를 더 복잡하게 할뿐만 아니라 유전체를 통한 절연으로 인해 열의 손실이 크게 발생하게 된다.
그러므로, 설계가 덜 복잡한 센서(예를 들어 기체 센서) 가열을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 게다가, 열의 손실이 감소된 센서(예를 들어 기체 센서) 가열을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 센서(예를 들어, 화학적 센서, 예를 들어 기체 센서)의 가열은 센서 층 자체에 의해, 예를 들어 센서 재료로서 사용되는 그래핀 층에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 대응하는 전압을 인가함으로써, 전류는 센서 층(예를 들어 그래핀 층)을 통하여 흐를 수 있고, 이 전류는 대응하는 규모를 가질 때 센서 층(예를 들어, 그래핀 층)의 온도 증가를 발생시킬 수 있다. 그래핀은 예를 들어 그래핀 층의 파괴 없이 매우 높은 가열 출력이 발생될 수 있도록 최대 108A/㎠의 극도로 높은 전류용량(ampacity; 전류를 이동시키는 능력)를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층 또는 센서 재료(예를 들어 그래핀 층)은 센서 요소(예를 들어 기체 센서 요소) 역할을 할 수 있고 동시에 센서(예를 들어 기체 센서)의 가열 요소 역할을 할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 그래핀 층(또는 다른 센서 재료)을 디바이스 또는 구성요소(예를 들어 센서 칩) 내의 센서 요소 및 가열 요소 이 둘 모두로서 사용함으로써 별개의 가열이 절감될 수 있는 효과가 있을 수 있다.
하나 이상의 실시예들의 효과는 추가 가열 구조의 제거로 인해 센서 요소를 현저하게 더 간소하게 설계하는 것이다. 하나 이상의 실시예들의 다른 효과는 센서 재료(예를 들어 그래핀) 자체에서의 열의 발생으로 인해 열 손실이 더 작아지는 것이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 센서(400)를 도시한다.
센서(400)는 센서 재료를 함유하는 센서 층(403)을 포함하고, 센서 재료의 전기 저항값은 센서 재료에서의 흡착물의 흡착 시에 변한다. 즉, 센서 재료의 전기 저항의 값은 센서 재료의 표면에 흡착물(예를 들어 기체 분자들)이 존재하는지(흡착되어 있는지)에 좌우될 수 있고 센서 재료의 표면에 있는(흡착되어 있는) 흡착물의 양(예를 들어, 기체 분자들의 수)에 더 좌우될 수 있다. 센서는 센서 층(403)에 전기적으로 결합되고 센서 층(403)을 가열하는 전류를 센서 층(403)으로 인가하도록 구성되는 회로(405)를 더 포함할 수 있다.
흡착물의 흡착 시의 센서 재료의 저항(또는 비저항)의 변화는 센서 층(403)의 전기 저항값에 대응하는 변화를 일으킬 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 회로(405) 및 센서 층(403) 사이의 전기 결합은 적어도 하나의 전기 접속(405a)을 포함할 수 있거나 이에 의해 달성될 수 있다. 적어도 하나의 전기 접속(405a)은 예를 들어 적어도 하나의 전기 도전성 트랙을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기 접속(405a)은 예를 들어 센서 층(403)에 결합되는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전극은 예를 들어 평면 전극을 포함하거나 평면 전극일 수 있거나, 기판(401) 내에 적어도 부분적으로 임베딩되거나 성크-인(sunk-in)될 수 있거나, 센서 층(403)에 의해 커버될 수 있거나, 센서 층(403) 위에 배치될 수 있다.
회로(405)는 하나 이상의 전기 및/또는전자 요소들 또는 구성요소들, 예를 들어 하나 이상의 수동 및/또는 능동 구성요소들, 및/또는 배선들, 예를 들어 하나 이상의 전기 도전성 트랙들, 및/또는 하나 이상의 커패시터들, 및/또는 하나 이상의 인덕터들, 및/또는 하나 이상의 다이오드들, 및/또는 하나 이상의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
회로(405)는 센서 층의 가열을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(405)는 센서 층(403)의 온도를 세팅 및/또는 제어하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403)은 센서 재료로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 재료는 약 106A/㎠보다 더 크거나 같은, 예를 들어 107A/㎠보다 더 크거나 같고, 예를 들어 108A/㎠보다 더 크거나 같은 전류용량을 가질 수 있으나 다른 값들 또한 가능할 수 있다. 하나 이상의 실시예들에 따르면, "전류용량" 또는 "전류 이동 능력"은 컨덕터 또는 디바이스가 즉각 또는 점진적인 악화를 겪기 전에 운반할 수 있는 최대량의 전류를 칭하는 것으로 이해될 수 있다. 예로서, 106A/㎠의 전류용량을 가지는 재료는 즉각 또는 점진적인 악화를 겪기 전에 ㎠당 최대 106암페어의 전류를 운반할 수 있는 재료인 것으로 이해될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서 재료는 2차원 재료를 포함할 수 있거나 2차원 재료일 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "2차원 재료"는 예를 들어 2차원 또는 평면 구조로 결정화되는 재료를 포함하거나 칭하는 것으로 이해될 수 있고, 여기서 상기 구조의 제 1 기하학 차원(예를 들어 두께)은 상기 구조의 제 2 기하학 차원(예를 들어 길이) 및/또는 제 3 기하학 차원(예를 들어 폭)보다 실질적으로 더 작은, 예를 들어 적어도 두 자릿수 더 작거나, 예를 들어 적어도 세 자릿수 더 작거나, 예를 들어 네 자릿수 더 작거나, 심지어 훨씬 더 작을 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 용어 "2차원 재료"는 여러 층들로 구성되는 재료로부터 도출되는 가장 얇은 가능 구조(하나의 개별 층), 예를 들어 그래핀에 대해서는 하나의 탄소 원자 두께 층 또는 MoS2에 대해서는 하나의 MOS2 단위 두께 층을 가지는 재료를 포함하거나 칭하는 것으로 이해될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 2차원 재료는 그래핀을 포함할 수 있거나 그래핀일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 그래핀은 기능화된 그래핀(functionalized graphene)을 포함할 수 있거나 기능화된 그래핀일 수 있다.
용어 "기능화된 그래핀"은 특정한 흡착물들, 예를 들어 특정한 원자들, 분자들 또는 이온들에 대한 선택을 달성하는 데 이바지할 수 있는 다른 재료(예를 들어 나노 입자들)의 데코레이션(decoration) 또는 인접 층을 가지는 화학적 변형 그래핀 또는 그래핀을 포함하거나 칭하는 것으로 이해될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 기능화된 그래핀은 나노입자들, 예를 들어 금속 나노입자들, 예를 들어 플래티늄(Pt) 나노입자들 또는 니켈(Ni) 나노입자들 또는 무기 화합물 입자들, 예를 들어 산화 금속 나노입자들, 예를 들어 이산화망간(M2O2) 나노입자들 또는 이산화 티타늄(TiO2) 나노입자들을 함유할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 기능화된 그래핀은 화학적 기능화된 그래핀을 포함할 수 있거나 화학적 기능화된 그래핀일 수 있다. 하나 이상의 실시예들에 따르면, 화학적 기능화된 그래핀은 하나 이상의 기능기(functional group)들, 예를 들어 하나 이상의 카르복실기(carboxyl group)들 및/또는 하나 이상의 아미노기들 등을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 2차원 재료는 2차원 반도체 재료, 즉 반도체 속성들을 가지는 2차원 재료를 함유하거나 2차원 반도체 재료일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 2차원 재료는 2차원 칼코제나이드 재료(chalcogenide material), 예를 들어 이황화 몰디브덴(molybdenum disulphide) 또는 이황화 텅스텐(tungsten disulphide)을 포함하거나 2차원 칼코제나이드 재료일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 재료는 산화 금속, 예를 들어 이산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO) 또는 이산화 티타늄(TiO2)을 함유하거나 이산화 주석, 산화 아연 또는 이산화 티타늄일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서 층(403)(예를 들어 그래핀 층)은 약 200㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 100㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 80㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 60㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 40㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 20㎚보다 작거나 같은, 약 0.5㎚에서 약 50㎚의 범위 내에, 예를 들어 약 0.34㎚(예를 들어, 센서 층(403)이 그래핀의 단일 단층으로 구성되는 경우)의 두께를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서(400)는 화학 센서로 구성될 수 있거나, 화학 센서일 수 있다. 예를 들어, 센서(400)는 기체들 및/또는 액체들에서 이용(또는 노출)될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서(400)는 기체 센서로 구성될 수 있거나, 기체 센서일 수 있다. 즉, 센서(400)는 기체 또는 기체들을 검출 또는 센싱하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 기체 센서는 가연성 및/또는 비가연성 기체들을 검출 또는 센싱하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 재료의 전자 밀도 분포는 센서 재료에서의 흡착물(예를 들어 기체 분자들)의 흡착 시에 변할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서(400)는 기판(401)을 포함할 수 있고, 센서(403)는 도시된 바와 같이, 기판(401) 위에 배치, 예를 들어 부착될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403)은 제 1 측(403a) 및 제 1 측(403a)에 대향하는 제 2 측(403b)을 가질 수 있고, 제 1 측(403a)은 도시된 바와 같이 기판(401)으로부터 멀어지게 향할 수 있고 제 2 측(403b)은 기판(401)을 향할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403)의 제 1 측(403a)은 흡착물에 노출될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 흡착물은 센서 층(403)의 제 1 측(403a)에서 흡착될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층의 제 2 측(403b)은 기판(401)에 부착될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 기판(401)은 절연 층(예를 들어 전기 절연 층)을 포함할 수 있거나 절연 기판(예를 들어 전기 절연 기판), 예를 들어 이산화 규소를 함유하거나 이산화 규소로 구성되는 기판, 예를 들어 유리 기판, 예를 들어 질화 규소를 함유하거나 질화 규소로 구성되는 기판, 예를 들어 산화 알루미늄을 함유하거나 산화 암루미늄으로 구성되는 기판일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 기판(401)은 약 1㎛ 내지 1000㎛의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 기판(401)은 반도체 층 및 반도체 층 의에 배치되는 절연 층(예를 들어 전기 절연 층)을 포함할 수 있고, 센서 층(403)은 절연 층 위에 배치될 수 있다(도시되지 않음, 예를 들어 도 5를 참조하라).
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서(6)는 캐비티(cavity)를 포함할 수 있고, 여기서 센서 층(403)은 캐비티 위에 부유되어 있을 수 있다(도시되지 않음, 예를 들어 도 6을 참조할 것).
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서는 캐비티 위에 부유하고 있는 캐리어 멤브레인(또한 캐리어 기판 멤브레인으로 칭해진다)을 포함할 수 있고, 센서 층은 캐리어 멤브레인에 부착될 수 있다(도시되지 않음, 예를 들어 도 7을 참조하라).
하나 이상의 실시예들에 따르면, 회로(405)에 의해 인가되는 전류는 센서 층(403)을 통하여 흐르고 따라서 센서 층(403)을 가열할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 실질적으로 실온보다 더 높은 온도로, 예를 들어 그래핀을 함유하거나 그래핀으로 구성되는 센서 층의 경우에 예를 들어 적어도 약 50°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 60°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 80°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 100°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 110°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 120°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 130°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 140°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 150°C의 온도로, 예를 들어 약 100°C 내지 약 150°C의 범위 내의 온도로, 또는 산화 금속을 함유하거나 산화 금속으로 구성되는 센서 층의 경우에 예를 들어 적어도 약 400°C의 온도로, 예를 들어 적어도 약 800°C의 온도로, 예를 들어 약 400°C 내지 약 600°C의 범위 내의 온도로 센서 층(403)을 가열할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 회로(405)는 센서 층(403)의 전기 저항값을 측정하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 회로(405)는 전류를 사용하여 센서 층의 전기 저항값을 측정하도록 더 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 직류 전류(DC)를 포함할 수 있거나 DC일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 교류 전류(AC)를 포함할 수 있거나 AC일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 제 1 전류일 수 있고, 회로(405)는 제 1 전류와 상이한 제 2 전류를 센서 층(403)에 인가하고 제 2 전류를 사용하여 센서 층(403)의 전기 저항값을 측정하도록 더 구성될 수 있다.
제 1 전류는 가열 전류로 칭해질 수 있다. 제 2 전류는 측정 전류 또는 센싱 전류로 칭해질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 센서 층(403)을 통하여 흐를 수 있고, 센서 층(403)은 제 2 전류에 의해 실질적으로 가열되지 않는다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 제 1 전류보다 더 낮은, 예를 들어 제 1 전류보다 적어도 한 자리수 더 낮거나, 예를 들어 제 1 전류보다 적어도 두 자리수 더 낮거나, 예를 들어 제 1 전류보다 적어도 세 자리수 더 낮거나 제 1 전류보다 셋 이상의 자리수 더 낮은 암페어를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 직류 전류(DC)를 포함할 수 있거나 DC일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 교류 전류(AC)를 포함할 수 있거나 AC일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 회로(405)는 센서 층(403)에 제 1 전류 및 제 2 전류를 교대로 인가하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서는 센서 층(403)에 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 전극(예를 들어 적어도 2개의 전극들, 예를 들어 복수의 전극들)을 포함할 수 있다(도시되지 않음, 예를 들어 도 8을 참조하라).
도 5는 다양한 실시예들에 따른 센서(500)를 도시한다.
센서(500)는 도 4의 센서(400)와 어느 정도 유사하다. 특히, 동일한 참조 부호들은 도 4에서와 동일하거나 유사한 요소들을 표기할 수 있고 간소화를 위해 여기에서 다시 상세하게 기술되지 않을 것이다. 상기 설명이 참조된다.
센서(500)에서, 기판(401)은 반도체 층(401') 및 반도체 층(401') 위에 배치되는 절연 층(401'')을 포함하고, 여기서 센서 층(403)은 절연 층(401'') 위에 배치된다. 센서 층(403)은 절연 층(401'')에 부착될 수 있다.
반도체 층(401')은 반도체 재료를 포함할 수 있거나 반도체 재료로 구성될 수 있다. 반도체 층(401')은 실리콘 층일 수 있다. 반도체 층(401')은 실리콘 카바이드 층일 수 있다. 반도체 층(401')은 게르마늄 층일 수 있다. 반도체 층(401')은 화합물 반도체 층, 예를 들어 III-V 화합물 반도체 층, 예를 들어 질화 갈륨 층 또는 갈륨 비소 층일 수 있다.
절연 층(401'')은 절연 재료, 예를 들어 전기 절연 재료를 포함할 수 있거나 전기 절연 재료로 구성될 수 있다. 절연 층(401'')은 산화 층, 예를 들어 산화 규소 또는 산화 알루미늄 층일 수 있다. 절연 층(401'')은 질화물 층, 예를 들어 질화 규소 또는 질화 붕소 층 또는 열 전도가 낮은 탄소계 재료들, 예를 들어 나노결정질 다이아몬드일 수 있다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른 센서(600)를 도시한다.
센서(600)는 도 4의 센서(400)와 어느 정도 유사하다. 특히, 동일한 참조 부호들은 도 4에서와 동일하거나 유사한 요소들을 표기할 수 있고 간소화를 위해 여기에서 다시 상세하게 기술되지 않을 것이다. 상기 설명이 참조된다.
센서(600)에서, 기판(401)은 캐비티(406)를 가지며, 여기서 센서 층(403)이 캐비티(406) 위에서 부유한다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서 층(403)은 캐비티(406)의 주위를 따라 기판(401)에 부착될 수 있다.
캐비티(406)는 센서 층(403)에 열 절연(thermal isolation)을 제공할 수 있다. 즉, 캐비티(406)는 센서 층(403)에서 생성되는 열의 손실을 감소시키거나 방지하는 역할을 할 수 있다.
도 7은 다양한 실시예들에 따른 센서(700)를 도시한다.
센서(700)는 도 6의 센서(600)와 어느 정도 유사하다. 특히, 동일한 참조 부호들은 도 6에서와 동일하거나 유사한 요소들을 표기할 수 있고 간소화를 위해 여기에서 다시 상세하게 기술되지 않을 것이다. 상기 설명이 참조된다.
센서(700)에서, 센서 층(403)은 캐비티(406) 위에 부유하는 캐리어 멤브레인(407)에 부착된다. 캐리어 멤브레인(407)은 센서 층(403)을 향하는 제 1 측(407a) 및 제 1 측(407a)에 대향하고 기판(401)을 향하는 제 2 측(407b)을 가질 수 있다. 센서 층(403)은 캐리어 멤브레인(407)의 제 1 측(407a)에 부착될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 캐리어 멤브레인(407)은 캐비티(406)의 주위를 따라 기판(401)에 부착될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 캐리어 멤브레인(407)은 절연 재료(예를 들어 전기 절연 재료), 예를 들어 산화물(예를 들어 산화 규소, 예를 들어 SiO2) 또는 산화 알루미늄(Al2O2) 또는 질화물(예를 들어 질화 규소, 예를 들어 Si3N4) 또는 질화 보론(BN) 또는 열 전도성이 낮은 탄소계 재료들, 예를 들어 나노결정질 다이아몬드를 함유할 수 있거나 이들로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 캐리어 멤브레인(407)은 수 마이크론의 두께, 예를 들어 약 100㎛보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 50㎛보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 20㎛보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 10㎛보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 5㎛보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 1㎛보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 1㎛에서 약 100㎛의 범위 내에, 예를 들어 약 1㎛에서 약 50㎛의 범위 내에, 예를 들어 약 1㎛에서 약 20㎛의 범위 내에, 예를 들어 약 1㎛에서 약 10㎛의 범위 내에, 예를 들어 약 1㎛에서 약 5㎛의 범위 내에, 예를 들어 약 10㎛에서 약 50㎛의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
도 8은 다양한 실시예들에 따른 센서(800)를 도시한다.
센서(800)는 도 7의 센서(700)와 어느 정도 유사하다. 특히, 동일한 참조 부호들은 도 7에서와 동일하거나 유사한 요소들을 표기할 수 있고 간소화를 위해 여기에서 다시 상세하게 기술되지 않을 것이다. 상기 설명이 참조된다.
센서(800)는 센서 층(403)에 전기 결합될 수 있는 적어도 하나의 전극, 예를 들어 복수의 전극들을 포함한다. 적어도 하나의 전극(408)은 도시된 바와 같이 캐리어 멤브레인(407) 위에, 예를 들어 캐리어 멤브레인(407)의 제 1 측(407a) 위에 배치될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403)은 적어도 하나의 전극(408)과 컨택(예를 들어 물리적 컨택, 예를 들어 직접적인 물리적 컨택)될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403)은 적어도 하나의 전극(408) 위에 배치될 수 있다.
적어도 하나의 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 전극(408)은 적어도 부분적으로, 예를 들어 완전히 센서 층(403)에 임베딩될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 전극(408)은 적어도 하나의 전기 도전성 재료, 예를 들어 구리, 알루미늄, 금, 백금과 같은 금속 또는 금속 합금, 상술한 금속들 중 적어도 하나를 함유하는 합금, 전기 도전성 화합물, 예를 들어 질화 티타늄, 질화 탄탈륨 또는 전기 도전성 탄소를 포함할 수 있거나 이들로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 전극(408)은 센서 층(403)의 전기 저항값의 4 포인트 측정을 수행하도록 구성 및/또는 배열될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 전극(408)은 센서 층(403)의 전기 저항값의 2 포인트 측정을 수행하도록 구성 및/또는 배열될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 전극(408)은 회로(405)에 전기적으로 결합될 수 있다.
예를 들어 센서(800)와 유사한 구조를 가지는 다양한 실시예들에 따른 센서를 제조하는 방법은: 캐리어 기판, 예를 들어 캐리어 멤브레인(예를 들어 자유로이 부유하는 수 마이크론 두께의 산화 규소(예를 들어 SiO2) 또는 질화 규소(예를 들어 Si3N4) 멤브레인)을 제공하고; 캐리어 기판 위에 하나 이상의 전극 구조들 또는 전극들을 형성하고(전극 구조들 또는 전극들은 전기 도전성 재료, 예를 들어 금속 또는 금속 합금(예를 들어 Au 및/또는 Pt), 전기 도전성 화합물(예를 들어 TiN 및/또는 TaN) 또는 전기 도전성 탄소를 함유하거나 전기 도전성 재료로 구성될 수 있다); 하나 이상의 전극 구조들 또는 전극들 상에 센서 재료(예를 들어 그래핀, MoS2 또는 WS2와 같은 2차원 재료)를 포함하거나 센서 재료로 구성되는 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 센서 재료를 포함하거나 센서 재료로 구성되는 층은 센서 층으로 칭해질 수 있다.
하나의 예에서, 센서 층은 그래핀을 포함할 수 있거나 그래핀 층일 수 있다.
그래핀 층을 증착하기 위한 적절한 증착 프로세스는 그래핀 또는 산화 그래핀 현탁액의 증착 및 건조 또는 어닐링(annealing) 또는 이전에 임시 기판 상에 증착된 하나 이상의 그래핀 층들의 운반(transfer)을 포함할 수 있으나 이로 제한되지 않는다.
그래핀 층은 예를 들어 다음 프로세스들 중 하나 이상을 사용하여 형성될 수 있다:
a) 예를 들어, 모두의 내용이 이에 따라 전부 다 참조로서 통합되어 있는 S. Stankovich 등의, "Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide, Carbon 45 (2007) 1558", 또는 D. Li 등의 "Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets, Nature Nanotechnology 3 (2008) 101"로부터 공지되는 산화 그래핀(예를 들어 박리 산화 그래핀)의 화학적 환원;
b) 예를 들어, 모두의 내용이 이에 따라 전부 다 참조로서 통합되어 있는 X. Li 등의 "Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils, Science 324 (2009) 131", 또는 유럽 특허출원 공개번호 EP 2 055 673 A1, 또는 미국 특허출원 공개 번호 US 2009/0155561 A1로부터 공지되는 그래핀의 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD);
c) 예를 들어, 모두의 내용이 이에 따라 전부 다 참조로서 통합되어 있는 미국 특허 출원 공개번호 US 2011/0206934 A1, 또는 Z. Sun 등의 "Growth of graphene from solid carbon sources, Nature 468 (2010) 549"로부터 공지되는 고체상 탄소원들을 활용한 그래핀의 형성;
d) 예를 들어, 모두의 내용이 이에 따라 전부 다 참조로서 통합되어 있는 미국 특허 번호 US 7,015,142 B2, 또는 국제 특허 출원 공개번호 WO 2010/096646 A2로부터 공지되는 그래핀의 고체 상태 에피택셜 성장;
e) 예를 들어, 모두의 내용이 이에 따라 전부 다 참조로서 통합되어 있는 유럽 특허 출원 공개번호 EP 2 055 673 A1, 또는 K.S. Kim 등의 "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes, Nature 457 (2008) 706"로부터 공지되는 원하는 기판 상으로의 운반 프로세스와 결합되는 상술한 바와 같은 프로세스 b), c) 또는 d).
그래핀 층은 예를 들어 몇 마이크로미터들, 예를 들어 약 1 ㎛의 크기(예를 들어 직경)을 가질 수 있는 예를 들어 복수의 미세결정(crystallite)들 또는 플레이크(flake)들을 포함할 수 있거나 미세결정들 또는 플레이크들로 구성될 수 있다. 미세결정들의 각각은 예를 들어 몇 개의 층들의 그래핀, 예를 들어 최대 5개의 층들, 예를 들어 단층, 이중층, 삼중층 등의 그래핀을 포함할 수 있거나 이로부터 구성될 수 있는 예를 들어 하나 이상의 플레이트릿(platelet)을 포함할 수 있거나 플레이트릿으로 구성될 수 있고, 여기서 단층의 그래핀은 약 0.34㎚의 두께를 가지는 2차원 구조를 가질 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 그래핀 층은 단일 단층의 그래핀일 수 있다.
그래핀 층은 또한 상술한 바와 같이, 특정한 원자들, 분자들 또는 이온들에 대한 선택을 달성하기 위해 기능화된 그래핀을 포함할 수 있거나 기능화된 그래핀으로 구성될 수 있다. 그래핀의 기능화는 그래핀이 캐리어 기판(예를 들어 캐리어 멤브레인) 상에 가해지기 전에 또는 후에 발생될 수 있다.
본원에서 기술되는 하나 이상의 실시예들에 따른 센서를 동작시키는 방법은 센서 층을 가열시키고 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 것을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에 따른 센서의 전기 회로소자 또는 배선은 센서 기능으로서 센서 층의(예를 들어 그래핀 층의) 전기 저항값의 2 포인트 측정 또는 4 포인트 측정 이 둘 모두로 구현될 수 있고, 이는 화학적 환경(예를 들어 센서 층의 표면에서의 흡착물들, 예를 들어 기체 분자들의 존재 및/또는 양)에 좌우될 수 있다. 가열 기능은 예를 들어 추가 전극 컨택들에 의해 구현될 수 있고, 여기서 저항의 4 포인트 측정의 결합이 가능할 수 있다. 센서 층의 전기 저항값을 측정하고 가열 파워을 센서 층에 도입하는 것은 각각의 경우에 직류(DC) 또는 교류(AC) 또는 이 둘 모두의 전류의 유형들의 결합을 적용함으로써 실현될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따른 센서는 일반적으로 기체들 내에 또는 액체들 내에 모두 있는 화학 센서로서 사용될 수 있다.
도 4 내지 도 8과 관련하여 위에 본원에서 기술되는 실시예들에 따르면, 센서의 가열 및 센싱 기능은 하나 또는 동일한 구조, 즉 예를 들어 상대적으로 암페어가 높은 가열 전류를 운반할 수 있는 고 전류용량을 가지는 센서 재료를 함유하는 센서 층(403)에 의해 구현될 수 있다. 그러므로, 별개의 가열 구조(예를 들어, 가열층)이 절약될 수 있고, 이는 센서 설계를 간소화할 수 있다. 게다가, 가열 손실들은 줄어들거나 방지될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서의 가열 및 센싱 기능은 또한 도 9에 도시되는 바와 같이, 분리된, 예를 들어 전기적으로 절연된 구조에 의해 구현될 수 있다.
도 9는 다양한 실시예들에 따른 센서(900)를 도시한다.
센서(900)는 도 7의 센서(700)와 어느 정도 유사하다. 특히, 동일한 참조 부호들은 도 7에서와 동일하거나 유사한 요소들을 표기할 수 있고 간소화를 위해 여기에서 다시 상세하게 기술되지 않을 것이다. 상기 설명이 참조된다.
센서(900)에서, 가열 구조 및 센서 구조는 별개의 구조들로서 구현될 수 있다. 즉, 센서(900)는 도시된 바와 같이, 센서 층(403) 및 센서 층(403)에 가까이 배치될 수 있는 별개의 가열 층(404)을 포함할 수 있다.
가열 층(404)은 예를 들어 가열 층(404) 및 센서 층(403) 사이에 배열되는 갭 및/또는 유전체 층에 의해 센서로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
가열 층(404) 및 센서 층(403) 사이의 갭 및/또는 유전체 층의 폭은 예를 들어 약 50㎛보다 작거나 같을 수 있고, 예를 들어 약 0.5㎛에서 약 10㎛의 범위 내에 있을 수 있다.
센서 층(403)은 예를 들어 본원에서 기술되는 센서 재료들 중 임의의 하나, 예를 들어 2차원 재료, 예를 들어 그래핀, 또는 2차원 반도체 재료, 예를 들어 MoS2 또는 WS2를 포함하거나 이로 구성될 수 있다.
가열 층(404)은 예를 들어 본원에서 기술되는 2차원 재료들 중 임의의 하나, 예를 들어 그래핀, 또는 2차원 반도체 재료, 예를 들어 MoS2 또는 WS2를 포함하거나 이로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서 층(403) 및 가열 층(404)은 동일한 재료를 포함하거나 동일한 재료로 구성될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 실시예들에서, 센서 층(403) 및 가열 층(404)은 모두 그래핀을 포함하거나 그래핀으로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 가열 층(404)은 기능화되지 않은 그래핀을 포함하거나 기능화되지 않은 그래핀으로 구성될 수 있고 센서 층(403)은 기능화된 그래핀을 포함하거나 기능화된 그래핀으로 구성될 수 있다.
센서(900)는 가열 층(404)에 전기적으로 결합되고 센서 층(403)을 가열하기 위해 가열 층(404)에 전류를 인가하도록 구성되는 회로(905)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 가열 층(404)에 인가되는 전류에 의해, 가열 층(404)이 가열될 수 있고, 이로 인해 센서 층(403)이 가열 층(404)에 가까이 있으므로 가열될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 회로(905) 및 가열 층(404) 사이의 전기 결합은 적어도 하나의 전기 접속(405b)을 포함할 수 있거나 이에 의해 달성될 수 있다. 적어도 하나의 전기 접속(405b)은 예를 들어 적어도 하나의 전기 도전성 트랙을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기 접속(405b)은 예를 들어 가열 층(404)에 결합되는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.
회로(905)는 하나 이상의 전기 및/또는 전자 요소들 또는 구성요소들, 예를 들어 수동 및/또는 능동 구성요소들, 및/또는 배선들, 예를 들어 하나 이상의 전기 도전성 트랙들, 및/또는 하나 이상의 커패시터들, 및/또는 하나 이상의 인덕터들, 및/또는 하나 이상의 다이오드들, 및/또는 하나 이상의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
회로(405)는 센서 층(403)의 가열을 제어하도록 구성될 수 있다. 회로(905)는 센서 층(403)의 전기 저항값을 측정하도록 더 구성될 수 있다.
이를 위해, 회로(905)는 부가적으로 예를 들어 적어도 하나의 전기 접속(405a)에 의해, 예를 들어 회로(405)에 대해 상술한 바와 유사하게, 센서 층(403)과 전기적으로 결합될 수 있다. 회로(905)는 예를 들어 상술한 바와 같이 회로(405)와 동일한 방식으로 센서 층(403)의 전기 저항값을 측정하기 위해 전류를 센서 층(403)으로 인가할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403) 및 가열 층(404)은 도시된 바와 같이, 동일한 평면에, 또는 실질적으로 동일한 평면에 배치될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403)은 도시된 바와 같이 가열 층(404) 사이에, 예를 들어 가열 층(404) 사이의 측방향으로, 예를 들어 가열층(404)의 제 1 부분(404') 및 가열 층(404)의 제 2 부분(404'') 사이에 배치될 수 있다.
가열 층(404)은 제 1 측(404a) 및 제 1 측(404a)에 대향하는 제 2 측(403b)을 가질 수 있고, 여기서 제 1 측(404a)은 기판(401)으로부터 멀어지게 향할 수 있고 제 2 측(404b)은 기판(404)을 향할 수 있다. 도시된 예에서, 가열 층(404)은 캐리어 멤브레인(407) 위에 배치될 수 있고, 여기서 가열 층(404)의 제 2 측(404b)은 캐리어 멤브레인(407)의 제 1 측(407a)을 향한다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403) 및 가열 층(404)은 단일 증착 프로세스, 예를 들어 그래핀 층을 형성하기 위하여 본원에서 상술되는 증착 프로세스들 중 임의의 하나에 의해 형성되었을 수 있다. 예를 들어, 센서 층(403) 및 가열 층(404)은 초기에 단일 인접 층으로서, 예를 들어 단일 인접 그래핀 층으로서 형성되었을 수 있고, 단일 인접 층은 서로 분리되는 센서 층(403) 및 가열 층(404)를 형성하기 위해 후속해서 패터닝(patterning)되었을 수 있다.
센서(900)의 효과는 가열 구조(가열 층(404))이 동일한 평면에 또는 실질적으로 동일한 평면에 센서 구조(센서 층(403))로서 배치될 수 있음이 확인될 수 있다. 그러므로, 센서의 설계는 도 3에 도시된 외부 히터(304)를 구비하는 종래의 센서(300)과 비교하여 간소화될 수 있다. 게다가, 센서 구조(센서 층(403)) 및 가열 구조(가열 층(404)) 둘 모두에, 동일한 재료가 예를 들어 단일 증착 프로세스에서 예를 들어 증착될 수 있는 그래핀이 사용될 수 있다. 그러나, 상이한 재료들, 예를 들어 기능화된 그래핀을 센서 재료로서, 기능화되지 않은 그래핀을 가열 재료로서 사용하는 것 또한 가능하다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층(403) 및 가열 층(404) 중 적어도 하나(즉 센서 층(403) 및/또는 가열 층(404))은 작은 두께, 예를 들어 약 200㎚보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 100㎚보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 80㎚보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 60㎚보다 작거나 같은 두께, 예를 들어 약 40㎚보다 작은 두께, 예를 들어 약 20㎚보다 작은 두께, 예를 들어 약 10㎚보다 작은 두께, 예를 들어 약 5㎚보다 작은 두께, 예를 들어 약 1㎚보다 작은 두께, 예를 들어 약 0.5㎚에서 약 50㎚의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
도 10은 다양한 실시예들에 따라 센싱하는 방법(100)을 도시하는 도면을 도시한다.
방법(1000)은: 센서 재료를 함유하는 센서 층을 가지는 센서를 제공하며, 여기서 센서 재료의 전기 저항값은 센서 재료에서의 흡착물의 흡착 시에 변하고(1020에서); 센서 층을 가열하는 전류를 센서 층에 인가하고(1040에서); 가열된 센서 층을 흡착물에 노출하고(1060에서); 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정(1080에서)하는 것을 포함할 수 있다.
센서는 예를 들어 본원에서 기술되는 하나 이상의 실시예들에 따라 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 직류 전류(DC)를 포함할 수 있거나 DC일 수 있다. 하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 교류 전류(AC)를 포함할 수 있거나 AC일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 재료는 2차원 재료를 포함할 수 있거나 2차원 재료일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 2차원 재료는 그래핀을 포함할 수 있거나 그래핀일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 그래핀은 기능화된 그래핀을 포함할 수 있거나 기능화된 그래핀일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 기능화된 그래핀은 나노입자들, 예를 들어 금속 나노입자들, 예를 들어 플래티늄 나노입자들 또는 니켈 나노입자들 또는 무기 화합물 입자들, 예를 들어 산화 금속 나노입자들, 예를 들어 이산화망간(M2O2) 나노입자들 또는 이산화 티타늄(TiO2) 나노입자들을 함유할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 2차원 재료는 반도체 2차원 재료를 포함할 수 있거나 반도체 2차원 재료일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 2차원 재료는 칼코제나이드 재료, 예를 들어 이황화 몰디브덴(MoS2) 또는 이황화 텅스텐(WS2)을 포함하거나 칼코제나이드 재료일 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서 층은 약 200㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 100㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 약 80㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 약 60㎚보다 작거나 같은, 예를 들어 약 40㎚보다 작은, 예를 들어 약 20㎚보다 작은, 예를 들어 약 10㎚보다 작은, 예를 들어 약 5㎚보다 작은, 예를 들어 약 1㎚보다 작은, 예를 들어 약 0.5㎚에서 약 50㎚의 범위 내의 두께를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에서, 센서는 화학 센서로 구성될 수 있다(또는 화학 센서일 수 있다).
하나 이상의 실시예들에서, 센서는 기체 센서로 구성될 수 있다(또는 기체 센서일 수 있다).
하나 이상의 실시예들에 따르면, 가열된 센서 층을 흡착물에 노출하는 것은 가열된 센서 층을 유체에 노출하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 가열된 센서 층을 흡착물에 노출하는 것은 가열된 센서 층을 기체에 노출하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 전류는 센서 층을 적어도 약 100°C의 온도로, 예를 들어 약 100°C에서 약 150°C의 범위 내의 온도로 가열할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 것은 전류를 사용하여 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 것을 포함할 수 있다.
하나의 실시예들에 따르면, 전류는 제 1 전류일 수 있고, 여기서 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 것은 제 1 전류와 상이한 제 2 전류를 센서 층에 인가하는 것과 제 2 전류를 이용하여 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 센서 층이 제 2 전류에 의해 실질적으로 가열되지 않도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 제 1 전류보다 더 낮은 암페어를 가질 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 1 및 제 2 전류들을 센서 층에 인가하는 것은 제 1 및 제 2 전류들을 센서 층에 교대로 인가하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 1 및 제 2 전류들을 센서 층에 교대로 인가하는 것은 제 1 및 제 2 전류들을 교대 펄스들로서 인가하는 것을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 1 전류(예를 들어 가열 전류)의 펄스 지속기간은 약 1㎲에서 약 100ms의 범위 내에 있을 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류(예를 들어 측정 전류)의 펄스 지속기간은 약 1㎲에서 약 100ms의 범위 내에 있을 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 직류 전류(DC)를 포함할 수 있거나 DC일 수 있다. 하나 이상의 실시예들에 따르면, 제 2 전류는 교류 전류(AC)를 포함할 수 있거나 AC일 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 그래핀 층은 센서의 센서 층 그리고 동시에 센서(예를 들어 화학 센서, 예를 들어 기체 센서)의 가열 요소 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 그래핀 층을 가열하기 위해 그래핀 층에 전류가 인가될 수 있다. 전류를 그래핀 층에 인가할 때 그래핀 층에 의해 발생되는 가열 파워는 그래핀 층(및/또는 센서)을 적어도 100°C의 온도로, 예를 들어 약 100°C에서 약 150°C의 범위 내의 온도로, 또는 더 높은 온도로 가열하는 데 충분할 수 있다. 예를 들어, 그래핀 층이 얇고 자유로이 부유하는 캐리어 멤브레인(예를 들어 산화물 멤브레인)에 부착되는 예에서, 그래핀 층에 의해 발생되는 가열 파워는 그래핀 층(및/또는 센서)을 섭씨 수백도의 온도로 가열하는 데 충분할 수 있다. 센서를 특정한 온도로 가열하기 위해 인가되는 가열 파워는 일반적으로 특정한 센서 설계에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 그래핀 층이 캐비티 위에서 부유하는 얇은 산화물 멤브레인에 부착되는 센서를 특정한 온도로 가열하는 것은 상이하게 설계된 센서, 예를 들어 유리 기판에 또는 반도체 기판 위에 배치되는 산화물 층에 그래핀 층이 부착되는 센서를 동일한 온도로 가열하는 것보다 더 낮은 가열 파워에 의해 달성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 센서는: 그래핀을 함유하는 센서 층; 센서 층에 전기적으로 결합되고 센서 층을 가열하는 전기 가열 전류를 센서 층에 인가하도록 구성되는 회로를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서 층은 그래핀으로 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 센서는 화학 센서, 예를 들어 기체 센서일 수 있다.
본 발명의 다양한 양태들이 특히 특정 실시예들을 참조하여 도시되고 기술되었을지라도, 첨부된 청구항들에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고도 그 안에서 형태 및 세부사항들에서의 다양한 변경들이 행해질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 나타나고 청구항들의 등가의 의미 및 범위 내에 해당하는 모든 변경들은 따라서 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (27)
- 센서로서,
센서 재료를 포함하는 센서 층 - 상기 센서 재료의 전기 저항값은 상기 센서 재료에서 흡착물의 흡착 시에 변함 - 과,
상기 센서 층에 전기적으로 결합되고 상기 센서 층을 가열하는 전류를 상기 센서 층에 인가하도록 구성되는 회로를 포함하는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 센서 재료는 약 106A/㎠보다 더 크거나 동일한 전류용량(ampacity)을 포함하는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 센서 재료는 2차원 재료를 포함하는
센서.
- 제 3 항에 있어서,
상기 2차원 재료는 그래핀을 포함하는
센서.
- 제 3 항에 있어서,
상기 2차원 재료는 칼코제나이드 재료를 포함하는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 센서 층은 약 200㎚보다 작거나 동일한 두께를 가지는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
화학 센서로서 구성되는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
기체 센서로서 구성되는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
기판을 더 포함하고, 상기 센서 층은 상기 기판에 부착되는
센서.
- 제 9 항에 있어서,
상기 기판은 캐비티(cavity)를 포함하고, 상기 센서 층은 상기 캐비티 위에 부유(suspended)하는
센서.
- 제 10 항에 있어서,
상기 캐비티 위에 부유하는 캐리어 멤브레인(carrier membrane)을 더 포함하고, 상기 센서 층은 상기 캐리어 멤브레인에 부착되는
센서.
- 제 11 항에 있어서,
상기 캐리어 멤브레인은 전기적 절연 재료를 포함하는
센서.
- 제 4 항에 있어서,
상기 그래핀은 기능화된 그래핀(functionalized graphene)을 포함하는
센서.
- 제 13 항에 있어서,
상기 기능화된 그래핀은 나노입자들을 포함하는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전류는 상기 센서 층을 적어도 약 100℃의 온도로 가열하는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 회로는 상기 전류를 사용하여 상기 센서 층의 전기 저항값을 측정하도록 더 구성되는
센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전류는 제 1 전류이고,
상기 회로는 상기 제 1 전류와 상이한 제 2 전류를 상기 센서 층에 인가하고, 상기 제 2 전류를 사용하여 상기 센서 층의 전기 저항값을 측정하도록 더 구성되는
센서.
- 제 17 항에 있어서,
상기 회로는 상기 제 1 전류 및 상기 제 2 전류를 상기 센서 층에 교대로 인가하도록 구성되는
센서.
- 센서로서,
센서 재료를 포함하는 센서 층과,
상기 센서 층에 인접하게 배치되는 가열 층 - 상기 가열 층은 2차원 재료를 포함함 - 과,
상기 가열 층에 전기적으로 결합되고 상기 센서 층을 가열하는 전류를 상기 가열 층에 인가하도록 구성되는 회로를 포함하는
센서.
- 제 19 항에 있어서,
상기 2차원 재료는 그래핀을 포함하는
센서.
- 제 20 항에 있어서,
상기 센서 재료는 그래핀을 포함하는
센서.
- 제 19 항에 있어서,
상기 센서 재료는 기능화되지 않은 그래핀을 포함하고 상기 2차원 재료는 기능화된 그래핀을 포함하는
센서.
- 제 19 항에 있어서,
상기 센서 층 및 상기 가열 층은 동일한 평면에 배치되는
센서.
- 센싱 방법에 있어서,
센서 재료를 포함하는 센서 층을 구비하는 센서를 제공하는 단계 - 상기 센서 재료의 전기 저항값은 상기 센서 재료에서 흡착물의 흡착 시에 변함 - 와,
상기 센서 층을 가열하는 전류를 상기 센서 층에 인가하는 단계와,
상기 가열된 센서 층을 흡착물에 노출시키는 단계와,
상기 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 단계를 포합하는
센싱 방법.
- 제 24 항에 있어서,
상기 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 단계는 상기 전류를 사용하여 상기 가열된 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 단계를 포함하는
센싱 방법.
- 제 24 항에 있어서,
상기 전류는 제 1 전류이고, 상기 가열된 센서 층의 전류를 측정하는 단계는 상기 제 1 전류와 상이한 제 2 전류를 상기 센서 층에 인가하는 단계와, 상기 제 2 전류를 사용하여 상기 센서 층의 전기 저항값을 측정하는 단계를 포함하는
센싱 방법.
- 제 26 항에 있어서,
상기 제 1 전류 및 상기 제 2 전류를 상기 센서 층에 인가하는 단계는, 상기 제 1 전류 및 상기 제 2 전류를 상기 센서 층에 교대로 인가하는 단계를 포함하는
센싱 방법.
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