KR20150037129A - 마이크로 가스센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기 환경, 실내 환경을 모니터링하며, 관리하기 위한 마이크로 가스센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 마이크로 가스센서는 가스가 접촉하며, 공급된 전류에 의해 발열하는 감지소자, 상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극, 상기 감지소자와 전극의 하단에 형성되며, 상기 감지소자가 증착되는 부분은 요철 구조를 갖는 멤브레인 및 상기 멤브레인의 하단에 형성된 기판을 포함하며, 상기 감지소자 요철 구조임을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명의 마이크로 가스센서는 가스가 접촉하며, 공급된 전류에 의해 발열하는 감지소자, 상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극, 상기 감지소자와 전극의 하단에 형성되며, 상기 감지소자가 증착되는 부분은 요철 구조를 갖는 멤브레인 및 상기 멤브레인의 하단에 형성된 기판을 포함하며, 상기 감지소자 요철 구조임을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 마이크로 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기 환경, 실내 환경을 모니터링하며, 관리하기 위한 마이크로 가스센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
우리의 생활환경에는 대단히 많은 종류의 가스가 존재하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등의 문제가 잇따르고 있다. 인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량적으로 판별하거나 가스의 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적 성질 또는 화학적 성질을 이용한 가스 검출센서가 개발되어 가스의 누설탐지, 농도 측정 및 경보 등에 사용되고 있다.
일반적으로 가스 검출센서는 가스분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정한다. 종래 사용되어온 금속 산화물 반도체나 고체 전해질을 사용하는 가스 검출센서의 경우 200도 내지 260도 혹은 그 이상의 온도에서 센서가 동작하며, 유기물질을 사용하는 가스 검출센서는 전기 전도도가 매우 낮아 감도가 떨어진다는 문제점이 있다.
일반적으로 도시가스 및 버스, 승용차 등 차량용 연료 가스는 메탄이 주성분으로 구성되어 있으며, 이와 같은 가스의 누출을 감지하기 위해서는 접촉 연소식(마이크로) 가스센서를 사용한다. 접촉 연소식 가스센서는 발열체(히터)를 이용하여 촉매물질의 표면 온도가 일정하도록 발열되어야 하며, 이를 위해서는 접촉 연소식 가스센서는 수십 mW ~ 수 W 정도의 전력을 소모한다.
또한, 버스 및 승용차 등 차량의 경우 주행하지 않고, 주차(또는 정차)되어 있을 때에도 메탄가스의 누출을 감지하는 감지 시스템이 항상 작동되어야 하며, 이를 위해서는 주 전원 이외의 감지 시스템으로 전력을 공급하는 배터리(전원장치)가 필요하다.
도 1은 종래 일반적인 접촉 연소식 가스센서를 도시하고 있다. 도 1에 도시되어 있는 접촉 연소식 가스센서에 대해 알아보면, 기판의 중심부에 일정공간을 가지는 홈이 형성되어지고, 상기 홈 중앙의 일정 높이에 접촉 연소판이 형성되며, 상기 접촉 연소판의 하측면에 평면상 지그재그형태로 형성된 홈에 삽입되는 히터가 삽입되는 감지소자와; 상기 감지소자와 동일한 형태로 형성되는 보상소자와; 상기 감지소자와 보상소자가 각각 2개이상으로 동일한 소자간에 대칭되어지도록 배치하여 하나의 휘스톤브릿지 회로의 형태로 구성된다.
하지만, 종래의 가스센서는 멤브레인(일반적으로 두께가 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 범위를 갖는 SiNx박막멤브레인, SiO2 박막멤브레인, 또는 SiO2/SiNx/SiO2 (ONO라고도 함) 박막멤브레인)상에 나노감지재료(나노입자, 나노선, 전도성 고분자, 그래핀산화물 등)를 도포하여 제조하는 경우가 일반적이며, 이와 같은 마이크로 가스 센서의 경우 감지물 도포 방법이 dispensing이나 잉크젯 방법을 사용한다. 하지만, dispensing이나 잉크젯 방법을 사용하는 경우, 일괄공정으로 가스센서를 형성하기 어렵다는 문제점과 노즐이 막히는 문제점이 발생한다.
또한 멤브레인 상에 박막감지 재료가 형성된 마이크로 가스센서의 경우 박막자체의 구조로 인해 표면의 굴곡없이 평평하며 이로 인해 감지면적이 크지 않아 감도가 낮다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 박막(마이크로)가스 센서에서 가스의 농도를 감지하는 감도를 증가시키는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 기존 나노 감지물 도포 과정에 발생하는 노즐의 막힘 현상을 배제할 수 있는 방안을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 마이크로 가스센서는 가스가 접촉하며, 공급된 전류에 의해 발열하는 감지소자, 상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극, 상기 감지소자와 전극의 하단에 형성되며, 상기 감지소자가 증착되는 부분은 요철 구조를 갖는 멤브레인 및 상기 멤브레인의 하단에 형성된 기판을 포함하며, 상기 감지소자 요철 구조임을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명의 마이크로 가스센서 제조 방법은 실리콘 기판의 상단에에 SiNx, SiO2, SiO2/SiNx/SiO2(ONO) 중 어느 하나를 증착하여 멤브레인을 형성하는 단계, 형성된 상기 멤브레인의 일부를 식각하여 요철 구조를 형성하는 단계, 형성된 상기 요철 구조의 상단에 SnO2, WO2, TiO2, In2O3, CuO와 같은 반도체 세라믹 소자, 전도성 고분자, 그라핀 중 어느 하나를 증착하여 요철 구조 형상을 갖는 감지소자를 형성하는 단계, 증착한 상기 감지소자의 양단에 Cr과 Au으로 구성된 합금 또는 Ti과 Pt로 합금 중 어느 하나의 합금으로 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 제안하는 가스센서는 멤브레인 영역을 요철구조 영역과 요철구조과 없는 영역으로 구분하며, 요철구조 영역에는 감지물질 박막을 형성하고, 요철구조가 없는 영역에는 히터를 구분하여 형성시킴으로 가스센서의 내구성을 높일 수 있다.
또한, 감지물질 박막을 요철구조로 형성시킴으로 감지소자의 표면적을 증가시킴으로써 가스 검출 감도를 높일 수 있으며, 감지물질 박막이 요철구조로 형성됨으로써 표면적으로 증가시켜 멤브레인 층과 접착력을 높일 수 있다.
또한, 감지물질 박막과 히터를 분리하여 형성함으로 감지물질 박막의 저항 변화를 측정하기 위한 박막 전극을 히터(발열체)와 같은 평면에 형성할 수 있게 함으로서 공정을 단순화 할 수 있으며, 필요한 경우 마이크로 가스 센서의 작동 시 요철형 감지물질 박막을 직접 발열하도록 하여 감지소재가 발열체, 감지소재, 감지전극의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
도 1은 종래 접촉 연소식 가스센서를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서의 평면도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서의 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서를 제조하는 과정을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 다른 감지물질 박막을 직접 가열 측정하는 방안을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서의 평면도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서의 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서를 제조하는 과정을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 다른 감지물질 박막을 직접 가열 측정하는 방안을 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서를 도시하고 있다. 이하 도 2와 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서에 대해 상세하게 알아보기로 한다. 특히 도 2는 마이크로 가스센서를 도시한 평면도이며, 도 3은 단면도이다.
도 2 내지 도 3에 의하면, 마이크로 가스센서는 기판, 온도센서, 전극, 감지소자(감지물질), 멤브레인을 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 마이크로 가스센서에 포함될 수 있음은 자명하다.
본 발명은 상술한 목적을 구현하기 위하여 멤브레인 영역 일부에 감지물질 박막이 형성되는 요철구조 영역과 요철구조가 없는 영역으로 구분된다.
기판(실리콘 기판, 202)은 LPCVD(저압화학증기증착)공정을 이용하여 상단과 하단에 동시에 SiNx(204)가 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 증착된 실리콘 웨이퍼를 이용한다. 또는 기판(202)은 습식 산화(wet oxidation) 공정이나 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, 플라즈마화학증기증착) 공정을 이용하여 상단에 SiO2가 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 증착된 실리콘 웨이퍼를 이용한다. 또는 기판(202)은 PECVD 공정을 이용하여 상단에 SiO2/SiNx/SiO2(ONO라 한다)가 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 증착된 실리콘 웨이퍼를 이용한다.
감지(촉매)소자(208)는 SnO2, WO2, TiO2, In2O3, CuO와 같은 반도체 세라믹 소자, 전도성 고분자, 그라핀 등을 이용한다. 또한, 감지 소자는 상술한 물질 중 적어도 두 개의 물질의 조합으로 사용되기 하며, 감지 소자의 표면에 Pt, Pd 또는 Au 등의 귀금속 물질을 추가하여 박막 공정과 열처리 공정을 통해 수십 ㎚ 크기 이하로 islands 형태로 형성하는 도핑 공정을 통해 감지 능력을 향상시킨다.
본 발명에서 제안하는 요철구조 영역은 형성되는 감지물질 박막의 표면적으로 증가시켜 가스 검출 감도를 증가시키는 목적으로, 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 범위를 갖는 SiNx 박막 멤브레인, SiO2 박막 멤브레인, 또는 SiO2/SiNx/SiO2(ONO라고도 함)박막 멤브레인을 각각 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 반응이온에칭(Reactive Ion Etching, RIE)공정인 식각공정을 이용하여 초정밀 초미세 요철구조를 형성한다. 이때의 요철 깊이는 수십 ㎚ ~ 수백 ㎚이다. 이와 같이 형성된 요철 표면에 수십 ㎚ ~ 수백 ㎚ 감지박막을 증착, 패터닝하여 감지소자의 표면적을 증가시켜 가스 검출 감도를 향상시킨다. 또한 감지물질 박막(감지소자)이 증착되는 멤브레인 표면 형상을 요철구조 함으로써 감지물질 박막과 멤브레인(또는 감지전극)의 접촉 면적을 증가시켜 감지물질이 제조과정 또는 동작과정에서 멤브레인(또는 감지전극)에서 이탈되는 탈착현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하는 감지소자(208)는 발열체 기능도 동시에 수행할 수 있다. 즉, 기존 가스센서의 경우 가스를 가지는 감지소자와 감지소자가 일정한 온도를 유지하도록 발열하는 발열 부분이 분리되어 있었으나, 본 발명은 가스를 감지하는 부분과 발열하는 부분을 하나로 형성함으로써 제조가 간단하며, 이로 인해 제조비용 역시 절감된다.
제조된 감지소자(208)의 그 양 끝단에 전극(210)을 형성한다. 전극(210)의 재질은 Cr/Au 로 형성된 합금 또는 Ti/Pt로 형성된 합금이다.
본 발명에서 제안하는 마이크로 가스센서는 감지소자(208) 주변에 Pt 또는 Au 박막을 형성하여 식각 패터닝하여 발열체나 온도센서를 형성한다.
즉, 요철구조가 없는 영역에는 감지물질 박막이 가스와 원활하게 표면 반응할 수 있도록 일정한 온도까지 가열하기 위해 백금(Pt) 박막 히터를 형성한다. 요철구조가 없는 영역에 박막 히터를 형성함으로써 요철 구조가 없는 평평한 구조의 박막 히터 패턴을 형성할 수 있게 함으로써 높은 온도로 가열되는 박막 히터에 가해지는 열팽창에 의한 열 스트레스를 최소화할 수 있게 함으로써 히터의 내구성을 높일 수 있다.
또한, 기판의 하부 일부가 KOH 또는 TMAH를 이용한 습식 식각공정 및 Si Deep RIE 식각공정에 의해 완전히 제거된 케비티(cavity)를 생성하여 요철구조 영역 상부에 감지물질 박막과 요철구조가 없는 영역 상부에 히터가 존재하는 멤브레인 영역을 형성한다. 멤브레인의 형성은 발열체의 열효율을 높이는 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 마이크로 가스센서를 제작하는 과정을 도시한 흐름도이다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명에서 제안하는 마이크로 가스센서를 제작하는 과정에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
S400단계는 실리콘 기판의 상단에 SiNx(박막층)를 증착한다. SiNx를 LPCVD 공정을 이용하여 수백㎚ ~ 수㎛(바랍직하게는 0.2㎛ 내지 2㎛) 증착된 실리콘 기판을 사용한다.
S402단계는 반도체 공정을 이용하여 Photoresist patterning(PR) 한 후에, 요철이 격자 모양 등으로 생기도록 Reactive Ion Etching(RIE)공정을 이용하여 식각하는데 이때의 식각 깊이는 수십 ㎚ ~ 수백 ㎚(바람직하게는 0.02㎛ 내지 1.5㎛)이다.
S404단계는 요철이 형성된 SiNx의 상단에 감지소자를 증착한다. 감지소자는 SnO2, WO2, TiO2, In2O3, CuO와 같은 반도체 세라믹 소자 또는 전도성 고분자, 그라핀 등을 이용하며, 공정 및 열처리를 통해 수십 kΩ ~ 수십 MΩ 범위 내의 저항값을 갖도록 한다. 증착은 요철 부분을 전부 덮도록 하며, 이후 주변 부위는 식각함으로써 상술한 바와 같이 요철 형상의 감지 영역을 형성한다.
본 발명은 감지소자의 그 양 끝단에 전극을 형성한다. 전극의 재질은 Cr/Au 합금 또는 Ti/Pt 합금으로 형성된다. 또한, 감지소자의 주변에 Pt 또는 Au 박막을 형성한 후 식각 패터닝하여 발열체(히터)나 온도센서를 형성한다.
S406단계는 감지소자의 배면에 멤브레인을 형성한다. 즉, 기판의 하부 일부가 KOH 또는 TMAH를 이용한 습식 식각공정 및 Si Deep RIE 식각공정에 의해 완전히 제거된 캐비티(cavity)를 생성하여 요철구조 영역 상부에 감지물질 박막과 요철구조가 없는 영역 상부에 히터가 존재하는 멤브레인 영역을 형성한다.
한편, 동일 구조의 마이크로 가스센서의 동작 방법은 경우에 따라 도 5와 같이 상기의 마이크로 가스센서의 감지물질 측정 전극에 정전류 전원을 인가하여 감지물질 박막을 직접 가열시키고 동일 감지물질 측정 전극을 통해 감지물질 박막 양단에 발생한 전압 변화를 측정한 후, V(전압)=I(전류) x R(저항) 수식을 적용하여 감지물질 박막의 저항 변화를 측정할 수 있으며, 이때 감지물질 박막 주변에 형성된 박막 히터를 감지물질 박막의 온도 변화를 측정하기 위한 온도센서로 사용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
200: 마이크로 가스센서 202: 실리콘 기판
204: SiNx 증착층(멤브레인)멤브레인 208: 감지소자(감지물질)
210: 전극 212: 히터(온도 센서)
204: SiNx 증착층(멤브레인)멤브레인 208: 감지소자(감지물질)
210: 전극 212: 히터(온도 센서)
Claims (6)
- 가스가 접촉하며, 공급된 전류에 의해 발열하는 감지소자;
상기 감지소자의 양 측면에 형성되며, 상기 감지소자로 전류를 공급하는 전극;
상기 감지소자와 전극의 하단에 형성되며, 상기 감지소자가 증착되는 부분은 요철 구조를 갖는 멤브레인; 및
상기 멤브레인의 하단에 형성된 기판;을 포함하며,
상기 감지소자 요철 구조임을 특징으로 하는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 감지소자는 SnO2, WO2, TiO2, In2O3, CuO와 같은 반도체 세라믹 소자, 전도성 고분자, 그라핀 중 어느 하나로 구성되며, 상기 전극은 Cr과 Au으로 구성된 합금 또는 Ti과 Pt로 구성된 합금 중 어느 하나임을 특징으로 하는 마이크로 가스센서.
- 제 2항에 있어서, 상기 멤브레인의 재질은 SiNx, SiO2, SiO2/SiNx/SiO2(ONO) 중 어느 하나임을 특징으로 하는 마이크로 가스센서.
- 제 3항에 있어서, 상기 전극으로 전류를 공급하며, 상기 감지소자에 접촉하는 가스에 의해 발생하는 전압의 변화를 이용하여 접촉하는 가스의 종류 및 농도를 측정함을 특징으로 하는 마이크로 가스센서.
- 실리콘 기판의 상단에 SiNx, SiO2, SiO2/SiNx/SiO2(ONO) 중 어느 하나를 증착하여 멤브레인을 형성하는 단계;
형성된 상기 멤브레인의 일부를 식각하여 요철 구조를 형성하는 단계;
형성된 상기 요철 구조의 상단에 SnO2, WO2, TiO2 , In2O3 , CuO와 같은 반도체 세라믹 소자, 전도성 고분자, 그라핀 중 어느 하나를 증착하여 요철 구조 형상을 갖는 감지소자를 형성하는 단계;
증착한 상기 감지소자의 양단에 Cr과 Au으로 구성된 합금 또는 Ti과 Pt로 합금 중 어느 하나의 합금으로 전극을 형성하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 가스센서 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 감지소자를 형성하는 단계는,
상기 감지소자와 일정 거리 이격된 위치에 Pt 또는 Au 박막을 형성한 후 식각 패터닝하여 발열체(히터)나 온도센서를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 마이크로 가스센서 제조 방법.
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