KR20190086415A - 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지 - Google Patents

감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지 Download PDF

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Abstract

감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지를 개시한다. 본 발명은 전기연결부를 통해 전극패턴을 형성한 기판과 전기적으로 연결된 반도체식 가스센서칩이 설치되되, 관통홀을 통해 유입되는 가스가 상기 반도체식 가스센서칩으로 모아지도록 측벽이 곡면으로 구성된 가스흐름 유도 가이드부와, 상기 가스흐름 유도 가이드부의 관통공에 설치된 다수의 가스 유통공을 형성한 가스 유통 필름과, 확대 크기 가스 유통공을 형성한 지지용 필름을 포함하고, 상기 가스 유통 필름과 지지용 필름은 적층되어 구성되되, 상기 확대 크기 가스 유통공 상에 상기 가스 유통공이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지{Gas sensor package for improving sensing efficiency}
본 발명은 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 가스 유통 필름의 다수의 가스유통공으로 유입된 가스흐름을 변경하여 가스센서칩으로 모아지게 하여 가스 감지속도를 향상시킬 수 있고, 외부 가스가 유입되는 가스유통공을 크기를 초미세하게 설계하여 반도체식 가스센서칩의 오염을 방지하여 감지효율을 우수하게 할 수 있는 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 생활환경 속에 많은 종류의 위험한 가스가 존재하고 있다. 산업현장뿐만 아니라 가정, 업소에서도 위해가스의 위험성은 커지고 있고, 위해가스에 노출된 신체에서 질병이 나타나거나, 가스폭발로 인하여 인적, 재산적 손실, 환경오염 등의 피해가 발생하고 있다.
가스센서는 가스의 농도를 검출하는 센서로서, 가스감지 방식에 따라 연소식 가스센서, 전기 화학식 가스센서, 열전도식 가스센서 및 반도체식 가스센서 등으로 구분된다.
반도체식 가스센서는 산화주석(SnO2) 등의 세라믹 물질이 섭씨 300도 이상의 온도에서 특정 가스에 노출될 때 저항이 변하는 성질을 이용한다. 이러한 반도체식 가스센서는 가스와 반응하는 가스 감지막, 가스 감지막을 가열하여 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 승온시키는 히터 전극, 및 가스 감지막의 저항변화를 측정하여 일정 농도 이상의 가스 유무를 감지하는 감지 전극을 포함한다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0031710호(특허문헌 1)에는 다수의 금속패턴을 포함하는 기판; 상기 기판에 실장되는 가스센싱소자; 및 상기 기판 및 상기 가스센싱소자를 포위하여 밀폐수용하며, 내부의 수용공간과 연통하는 가스이동홀을 포함하는 커버모듈;을 포함하는 가스센서 패키지가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 가스센서 패키지는 가스센서를 실장하는 기판 상부 전체를 커버하여 밀폐하는 커버모듈을 모듈화하여, 다수의 가스센서가 패키징되어 어레이된 기판에 커버모듈을 씌운후 절단하여 가스센서 패키지를 구현하여 제조공정을 단축하며, 가스가 센싱부에 접촉할 수 있는 공간을 확보하면서도 밀폐효율이 높은 가스센서 패키지를 구현할 수 있는 장점이 있으나, 커버모듈 내부의 수용공간의 일측 영역에 가스센싱소자가 기판에 실장되고 커버모듈 내부의 수용공간의 타측 영역이 빈공간으로 존재함으로, 커버모듈의 가스이동홀로 인입되는 가스가 커버모듈 내부의 수용공간의 빈공간에 분포되어 감지효율이 저하되는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0031710호
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 가스감지 능력을 증대시킬 수 있는 가스센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지는 전기연결부를 통해 전극패턴을 형성한 기판과 전기적으로 연결된 반도체식 가스센서칩이 설치되되, 관통홀을 통해 유입되는 가스가 상기 반도체식 가스센서칩으로 모아지도록 측벽이 곡면으로 구성된 가스흐름 유도 가이드부와, 상기 가스흐름 유도 가이드부의 관통공에 설치된 다수의 가스 유통공을 형성한 가스 유통 필름과, 확대 크기 가스 유통공을 형성한 지지용 필름을 포함하고, 상기 가스 유통 필름과 지지용 필름은 적층되어 구성되되, 상기 확대 크기 가스 유통공 상에 상기 가스 유통공이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 가스 유통 필름은 다공성 금속 기판, 다공성 실리콘 박막, 산화알루미늄 다공성 박막 중 하나로 구현된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 곡면은 상기 관통홀의 중심영역 방향으로 오목 형상 또는 볼록 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 가스 유통 필름과 지지용 필름은 한쌍의 지지용 필름 사이에 가스 유통 필름이 설치된 샌드위치 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가스 유통 필름의 다수의 가스유통공으로 유입된 가스가 가스흐름 유도 가이드부의 곡면의 측벽에서 흐름이 변경되어 반도체식 가스센서칩으로 모아지게 되어, 반도체식 가스센서칩에 가스가 머무는 시간을 길어짐으로써, 반도체식 가스센서칩의 감지막에서 가스를 감지하는 속도를 빠르게 하여 가스감지 능력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 가스유통공의 크기를 초미세한 크기로 설계하여, 가스센서 패키지 내부로 가스만 통과시키고, 수분, 이물질, 분진, 먼지 등을 통과하지 못하여 반도체식 가스센서칩의 오염을 방지하여 감지효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지의 단면도이고,
도 2는 도 1의 가스센서 패키지의 가스 유통 필름이 가스흐름 유도 가이드부 상면에 접착된 상태를 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 가스센서 패키지의 가스흐름 유도 가이드부가 오목한 곡면의 측벽을 가지는 상태를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 가스센서 패키지의 가스흐름 유도 가이드부가 볼록한 곡면의 측벽을 가지는 상태를 도시한 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 적용된 가스 유통 필름의 일례 사진도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 적용된 가스 유통 필름의 다른예 사진도,
도 7은 본 발명에 따른 가스센서 패키지의 가스 유통 필름에 지지용 필름이 적층된 상태를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 가스센서의 가스감지 능력을 극대화하기 위하여, 패키지로 유입된 가스가 반도체식 가스센서칩으로 모아져서 가스 감지 속도를 증가시키는 패키지 구조 및 반도체식 가스센서칩의 오염을 방지하기 위한 패키지 구조를 채용하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지의 단면도이고, 도 2는 도 1의 가스센서 패키지의 가스 유통 필름이 가스흐름 유도 가이드부 상면에 접착된 상태를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가스센서 패키지의 가스흐름 유도 가이드부가 오목한 곡면의 측벽을 가지는 상태를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 가스센서 패키지의 가스흐름 유도 가이드부가 볼록한 곡면의 측벽을 가지는 상태를 도시한 단면도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 적용된 가스 유통 필름의 일례 사진도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 적용된 가스 유통 필름의 다른예 사진도이고, 도 7은 본 발명에 따른 가스센서 패키지의 가스 유통 필름에 지지용 필름이 적층된 상태를 도시한 단면도이다.
본 발명에 의한 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지는 도 1에 도시한 바와 같이 기판(100), 반도체식 가스센서칩(150), 가스흐름 유도 가이드부(230), 가스 유통 필름(220)을 포함한다.
즉, 본 발명의 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지는 상면에 전극패턴이 형성된 기판(100); 상기 기판(100)의 상면에 실장된 반도체식 가스센서칩(150); 상기 반도체식 가스센서칩(150)과 전극패턴(미도시)을 전기적으로 연결하는 전기연결부(130); 측벽이 곡면으로 이루어진 관통홀(231)이 형성되고, 상기 기판(100) 상면 가장자리에 접착되어 상기 반도체식 가스센서칩(150)을 상기 관통홀(231) 내측에 위치하는 가스흐름 유도 가이드부(230); 및 상기 가스흐름 유도 가이드부(230)에 접착되고, 다수의 가스유통공(221)이 형성된 가스 유통 필름(220);을 포함하여 구성된다.
여기서, 관통홀(231)은 하측폭(W2)이 상측폭(W1)보다 좁은 것이 바람직하다.
반도체식 가스센서칩(150)은 산화성 가스 또는 환원성 가스와의 접촉을 통해 감지막의 전도성 변화로 가스를 감지한다.
즉, 반도체식 가스센서칩(150)은 히터전극, 감지막, 감지전극을 구비하고, 히터전극은 전원이 인가되면 두께와 길이에 따른 저항에 의해 발열을 하게 되고, 발생된 열은 감지막으로 전달되어 감지막을 승온시킨다.
승온된 감지막은 유입되는 가스에 대해 화학적 흡착 또는 탈착 반응이 원활하게 수행하면서 감지막에 저항변화가 발생되고, 감지막의 저항변화를 감지전극에서 측정함으로써, 가스 감지가 이루어진다.
여기서, 히터전극은 금(Au), 텅스텐(W), 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 등의 금속, 실리콘, 전도성 금속 산화물 등을 사용할 수 있고, 감지막은 가스를 흡착하여 저항 변화가 일어나는 소재를 사용하며, 산화물 반도체(SnO2, ZnO, WO3, Fe2O3 등)에 촉매류(Pt, Pd, Ag, Ni 등)가 첨가된 조성 물질로 형성된다.
*그리고, 감지전극은 금속 또는 전도성 금속 산화물로 사용할 수 있다.
기판(100)은 상면에 전극패턴이 형성되어 있고, 반도체식 가스센서칩(150)이 실장된다.
여기서, 기판(100)은 BT레진, 세라믹, 금속 중 하나의 소재로 제조될 수 있다.
그리고, 반도체식 가스센서칩(150)과 전극패턴은 전기적으로 연결된다.
즉, 반도체식 가스센서칩(150)의 히터전극은 전극패턴과 연결되어 전원을 공급받으며, 감지전극도 전극패턴과 연결되어 감지전극에서 감지된 감지신호를 분석장치로 송신한다.
그리고, 전기연결부(130)는 와이어 또는 도전성 리본으로, 반도체식 가스센서칩과 전극패턴을 와이어 본딩하거나 또는 도전성 리본으로 전기적 연결할 수 있다.
가스 유통 필름(220)은 가스흐름 유도 가이드부(230)의 측벽에 도 1과 같이, 고정되거나, 도 2와 같이, 가스흐름 유도 가이드부(230) 상면에 접착된다.
여기서, 가스 유통 필름(220)의 다수의 가스유통공(221)은 가스흐름 유도 가이드부(230)의 관통홀(231)에 대향되는 영역에만 형성할 수 있다.
그리고, 가스 유통 필름(220)은 5~20㎛ 크기의 다수의 가스유통공(221)이 형성된 필름으로 구현할 수 있다. 여기서, 다수의 가스유통공(221)은 필름에 균일하게 배열된 상태로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 다수의 가스유통공(221)의 크기는 5~20㎛이므로, 수분, 이물질, 분진, 먼지 등을 통과하지 못하여 감지막의 오염을 방지하여 감지효율을 높일 수 있다.
이때, 다수의 가스유통공(221)의 크기가 5㎛미만인 경우, 가스유통공(221)의 크기가 미세하여 가스유통공(221)을 형성하는 공정에서 막힌 가스유통공(221)이 형성될 수 있고 가스유통공(221)을 균일화시킬 수 없는 단점이 있다.
그리고, 다수의 가스유통공(221)의 크기가 20㎛ 초과하는 경우, 미세한 수분, 이물질, 분진, 먼지가 가스유통공(221)을 통과될 수 있어, 감지효율이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명에서는 다수의 가스유통공(221)을 가지는 가스 유통 필름(220)을 다공성 금속 기판, 다공성 실리콘 박막, 산화알루미늄 다공성 박막 중 하나로 구현할 수 있다.
실리콘 박막 및 산화알루미늄 박막을 에칭하여, 다수의 가스유통공(221)을 균일하게 형성할 수 있다.
즉, 도 5a 및 도 5b와 같은 다공성 실리콘 박막을 제조할 수 있고, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 산화알루미늄 다공성 박막을 제조할 수 있다.
이러한 가스 유통 필름(220)의 두께는 다수의 가스유통공(221)을 에칭 공정으로 원활하게 형성하기 위하여, 50㎛ 미만인 것이 바람직하다.
가스흐름 유도 가이드부(230)는 하측폭(W2)이 상측폭(W1)보다 좁고 측벽이 곡면으로 이루어진 관통홀(231)이 형성되어 있다.
그리고, 가스흐름 유도 가이드부(230)는 기판(100) 상면 가장자리에 접착되어 반도체식 가스센서칩(150)을 관통홀(231) 내측에 위치시킨다.
여기서, 가스흐름 유도 가이드부(230)의 곡면은 관통홀(231)의 중심영역 방향으로 오목하거나 볼록하게 형성할 수 있다.
즉, 도 3 및 도 4와 같이, 가스흐름 유도 가이드부(230)의 측벽이 오목한 곡면(231a) 및 볼록한 곡면(231b)으로 이루어진 경우, 가스 유통 필름(220)의 다수의 가스유통공(221)으로 유입된 가스는 가스흐름 유도 가이드부(230)의 오목한 곡면 (231a) 및 볼록한 곡면(231b)으로 이루어진 측벽에서 흐름이 변경되어 반도체식 가스센서칩(150)으로 모아지게 됨으로써, 반도체식 가스센서칩(150)의 감지막에서 가스를 감지하는 속도를 빠르게 하여 가스감지 능력을 높일 수 있는 것이다.
이런 가스흐름 유도 가이드부(230)는 세라믹 소재로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 다공성 금속 기판, 다공성 실리콘 박막, 산화알루미늄 다공성 박막 중 하나로 이루어진 다수의 가스유통공(221)을 가지는 가스 유통 필름(220)에 다수의 가스유통공(221)보다 큰 크기를 가지는 다수의 확대크기 가스유통공(225a)이 형성된 지지용 필름(225)을 적층할 수 있다.
여기서, 다수의 확대크기 가스유통공(225a)의 크기는 다수의 가스유통공(221)의 크기보다 10 ~ 1000배 크게 설계하거나, 또는 다수의 확대크기 가스유통공(225a)의 크기를 100㎛ 이상으로 설계할 수 있다.
그리고, 가스 유통 필름(220)과 지지용 필름(225)의 적층구조는 패키지 측면에서, 가스 유통 필름(220)이 외기에 접하고, 지지용 필름(225)은 반도체식 가스센서칩(150)에 대향되는 것이, 오염물의 침투를 근본적으로 차단할 수 있다.
이러한 지지용 필름(225)은 가스 유통 필름(220)보다 두께가 더 두껍게 하여, 지지용 필름(225)의 취급성을 보완할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에서는 지지용 필름(225)/가스 유통 필름(220)/지지용 필름(225)의 적층구조로 구현할 수도 있다. 이경우, 한쌍의 지지용 필름(225) 사이에 가스 유통 필름(220)이 개재된 샌드위치 구조로, 단일의 가스 유통 필름(220)보다 취급성 및 내구성을 증대시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 가스센서 패키지는 미래에 초소형 장치에 장착되어 가스를 감지할 수 있는 초소형 크기로 제작되어 사용될 수 있으며, 이는 본 발명이 미래지향적이고 혁신적인 패키지 구조를 가지는 것을 의미한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100: 기판 130: 전기연결부
150: 반도체식 가스센서칩 220: 가스 유통 필름
221,225a: 가스 유통공 225: 지지용 필름
230: 가스흐름 유도 가이드부 231: 관통홀

Claims (4)

  1. 전기연결부(130)를 통해 전극패턴을 형성한 기판(100)과 전기적으로 연결된 반도체식 가스센서칩(150)이 설치되되,
    관통홀(231)을 통해 유입되는 가스가 상기 반도체식 가스센서칩(150)으로 모아지도록 측벽이 곡면으로 구성된 가스흐름 유도 가이드부(230)와,
    상기 가스흐름 유도 가이드부(230)의 관통공(231)에 설치된 다수의 가스 유통공(221)을 형성한 가스 유통 필름(220)과, 확대 크기 가스 유통공(225a)을 형성한 지지용 필름(225)을 포함하고,
    상기 가스 유통 필름(220)과 지지용 필름(225)은 적층되어 구성되되,
    상기 확대 크기 가스 유통공(225a) 상에 상기 가스 유통공(221)이 형성된 것을 특징으로 하는 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유통 필름(220)은 다공성 금속 기판, 다공성 실리콘 박막, 산화알루미늄 다공성 박막 중 하나로 구현된 것을 특징으로 하는 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 곡면은 상기 관통홀(231)의 중심영역 방향으로 오목 형상 또는 볼록 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유통 필름(220)과 지지용 필름(225)은 한쌍의 지지용 필름(225) 사이에 가스 유통 필름(220)이 설치된 샌드위치 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지.
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JP2008107105A (ja) * 2006-10-23 2008-05-08 Yazaki Corp ガスセンサ
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KR20150031710A (ko) 2013-09-16 2015-03-25 엘지이노텍 주식회사 가스센서패키지 및 그 제조방법

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