KR20200025203A - 가스센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서는, 베이스기판, 베이스기판상에 멤브레인층, 멤브레인층상에 감지전극, 히터전극, 감지전극패드 및 히터전극패드를 일체의 멤브레인층의 동일 평면상에 단일공정으로 형성하고, 히터전극에 의한 발열의 효과적인 이용을 위해 외부 열방출을 방지하기 위한 멤브레인층의 제1 공동을 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면 감지물질의 히터전극에 의한 열전달 효율을 극대화 하고, 감지전극과 히터전극의 동일평면상의 배치를 통해 제조공정의 단순화 및 이를 통해 가스센서의 박형화 및 제조공정의 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 가스센서의 작동 및 구동의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

가스센서 및 그 제조방법{Gas sensor and manufacturing method of the same}

본 발명은 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주변 생활 환경에서는 다양한 종류의 유해성 가스 또는 가연성 가스가 존재한다. 가정 또는 주유소와 같은 사업장 등에서의 가스안전사고, 가스폭발사고 또는 가스유출로 인한 인명사고 등은 불완전한 차폐로 인하여 가스시설로부터 누출된 유해성 가스 또는 가연성 가스에 의한 경우가 많다. 이러한 가스는 무색, 무취인 경우가 많으므로 인간의 감각기관에 의존하여 가스의 유출 여부를 판단하는 것은 어려운 일이다. 따라서, 가스가 가지는 고유의 물리적 화학적 성질을 이용하여 가스의 존재 여부를 감지할 수 있는 가스센서가 개발되어 가스누설감지, 농도 측정, 가스경보, AQS(Air Quality System) 등에 사용되고 있다.

가스센서는 가스와 감응 물질 간의 상호 작용에 의해 가스의 종류와 양을 전기적인 신호로 검출하는 소자로서, 현재에 이르기까지 접촉연소 방식, 고체전해질 방식, 세리믹 반도체 방식, 전기화학적 방식 등을 이용한 센서들이 각각의 특징과 용도에 맞도록 개발, 사용되어 오고 있다. 최근에는 실리콘 반도체 패키지 공정과 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS) 기술을 접목하여 집적화, 소형화, 및 저가격화가 이루어지고 있다.

이 중에서, 반도체식 가스센서의 경우 특정 가스가 가스센서의 감지물질에 흡착할 때, 그 감지물질의 전기전도도가 변화하는데, 이러한 전기전도도의 변화를 측정함으로써 가스가 일정 농도 이상 존재하는지 판단하게 된다.

KR 10-1104306 B1

본 발명 가스센서의 일실시예에 따른 목적은 감지전극과 히터전극을 동일평면상에 배치함으로써 공정의 신뢰성을 보다 향상시키고, 박형구조를 통한 보다 효과적인 센싱기능을 구현할 수 있는 가스센서를 제공하기 위한 것이다.

또한, 멤브레인층의 부분적인 공동구조를 통해 히터전극의 발생되는 열의 단열을 효과적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 감지물질에 대한 열전달을 보다 신뢰성 있게 구현할 수 있는 가스센서를 제공하기 위한 것이다.

또한, 멤브레인층의 공동 구조에 대한 외부 스트레스를 효과적으로 분산 및 제어하기 위해 모서리 부분의 곡면구조를 적용함으로써 작동의 신뢰성 및 내구성을 효과적으로 향상시키기 위한 가스센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명 가스센서의 제조방법의 일실시예에 따른 목적은 멤브레인층 상의 도금층의 패터닝을 통해 감지전극, 히터전극, 감지전극패드 및 히터전극패드를 일체로 형성함으로써 공정 효율성 및 제조 신뢰성을 향상시키기 위한 가스센서의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서는, 베이스기판, 상기 베이스기판상에 형성된 멤브레인층, 상기 멤브레인층 내측영역에 형성된 감지전극, 상기 멤브레인층 상기 감지전극과 동일 평면상에 전기적 절연되도록 형성된 히터전극, 상기 감지전극의 전기적 연결을 위해 상기 멤브레인층 내측영역에 이격된 외측영역에 형성된 감지전극패드, 상기 히터전극의 전기적 연결을 위해 상기 멤브레인층 내측영역으로부터 이격된 외측영역에 상기 감지전극패드와 전기적 절연되도록 형성된 히터전극패드, 상기 멤브레인층상에 형성되되, 상기 감지전극이 노출되고, 상기 감지전극패드 및 상기 히터전극패드가 부분적으로 노출되도록 적층되는 절연층 및 상기 감지전극에 직접 접촉되도록 적층되는 감지물질을 포함한다.

여기서, 상기 히터전극은, 상기 멤브레인층 상에 상기 감지전극 외측을 감싸도록 형성되며, 상하 교대로 굴곡되어 일측 방향으로 연속되는 형상의 패턴을 갖을 수 있다.

또한, 상기 감지전극은, 상기 히터전극 내측에 형성되되, 상호 마주보는 방향으로 돌출된 적어도 하나 이상의 돌출전극을 포함할 수 있다.

또한, 상기 멤브레인층상에 상기 감지전극과 상기 감지전극패드를 전기적으로 연결하도록 형성되는 감지전극배선 및 상기 멤브레인층상에 상기 히터전극과 상기 히터전극패드를 전기적으로 연결하도록 형성되는 히터전극배선을 포함하고, 상기 절연층은 상기 감지전극배선 및 상기 히터전극배선을 커버하도록 적층될 수 있다.

또한, 상기 감지전극패드는 상기 멤브레인층 일측방향 양단에 제1 감지전극패드 및 제2 감지전극패드로 형성되고, 상기 히터전극패드는 상기 멤브레인층 타측방향 양단에 제1 히터전극패드 및 제2 히터전극패드로 형성되고, 상기 감지전극과 상기 제1 감지전극패드와 전기적 연결되는 제1 감지전극배선, 상기 감지전극과 상기 제2 감지전극패드와 전기적 연결되는 제2 감지전극배선 및 상기 히터전극과 상기 제1 히터전극패드와 전기적 연결되는 제1 히터전극배선, 상기 히터전극과 상기 제2 히터전극패드와 전기적 연결되는 제2 히터전극배선을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 베이스기판은 상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이 영역에 대응되는 부분을 제1 공동으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 멤브레인층 및 상기 절연층은 상기 멤브레인층의 상기 내측영역과 상기 외측영역 사이의 영역에서, 상기 제1 및 제2 감지전극배선과 상기 제1 및 제2 히터전극배선을 지지하는 영역 이외의 영역을 제2 공동으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 베이스기판은 평면이 사각형의 형상으로 이루어 지고, 상기 제1 감지전극패드 및 상기 제2 감지전극패드는 상기 베이스기판 평면의 일측방향 양 모서리 부분에 각각 형성되고, 상기 제1 히터전극패드 및 상기 제2 히터전극패드는 상기 베이스기판 평면의 타측방향 양 모서리 부분에 각각 형성되며, 상기 제1 공동 및 상기 제2 공동은, 상기 베이스기판 평면상의 상기 제1 감지전극패드와 상기 제2 감지전극패드 사이, 상기 제1 히터전극패드와 상기 제2 히터전극패드 사이, 상기 제1 감지전극패드와 상기 제1 감지전극패드에 인접한 제1 히터전극패드 사이 및 상기 제2 감지전극패드와 상기 제2 전극패드에 인접한 상기 제2 히터전극패드 사이에 각각 형성되되, 외측방향으로 폭이 넓어지도록 형성되어 외측 방향 양끝 모서리가 곡선으로 형성되는 삼각형 형상을 이룰 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조방법은, 베이스기판을 준비하는 단계, 상기 베이스기판상에 멤브레인층을 형성하는 단계, 상기 멤브레인층상에 도금층을 형성하는 단계, 상기 멤브레인층상에 내측영역에 히터전극 및 감지전극을 상호 절연되도록 형성하고, 상기 멤브레인층 내측영역으로부터 이격된 외측영역에 상기 히터전극에 전기적 연결되는 히터전극패드 및 상기 감지전극과 상기 감지전극과 전기적 연결되는 감지전극패드를 상호 절연되도록 상기 도금층을 패터닝하는 단계, 상기 히터전극패드와 상기 감지전극패드의 일부 영역 및 상기 감지전극만이 노출되도록 상기 멤브레인층상에 절연층을 형성하는 단계 및 상기 노출된 감지전극상에 직접 접촉되도록 감지물질을 도포하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 금속층을 히터전극과 상기 히터전극에 전기적 연결되는 히터전극패드 및 상기 감지전극과 상기 감지전극과 전기적 연결되는 감지전극패드를 상호 절연되도록 패터닝하는 단계는, 상기 히터전극과 상기 히터전극패드를 전기적 연결하는 히터전극배선 및 상기 감지전극과 상기 감지전극패드를 전기적 연결하는 감지전극배선을 동시에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 히터전극패드와 상기 감지전극패드의 일부 영역 및 상기 감지전극만이 노출되도록 상기 멤브레인층상에 절연층을 형성하는 단계 이후에, 상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이에, 상기 히터전극배선 및 상기 감지전극배선을 지지하는 영역 이외의 멤브레인층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이에, 상기 히터전극배선 및 상기 감지전극배선을 지지하는 영역 이외의 멤브레인층을 제거하는 단계는, 상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이에, 상기 히터전극배선 및 상기 감지전극배선을 지지하는 멤브레인층에 대응되는 영역 이외의 상기 베이스기판 영역을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 가스센서의 감지전극과 히터전극의 효과적인 배치를 통해, 히터전극의 발열의 전달 효율성을 높이고, 히터전극과 감지전극의 제조상의 단일공정을 채택함으로써 효과적인 패턴가공이 가능한 효과가 있다.

또한, 히터전극이 형성된 멤브레인층의 외부 단열을 위한 공동을 형성함으로써 히터전극 발열 효율을 효과적으로 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 멤브레인층에 의한 외부 열전달을 효과적으로 차단하고, 히터전극의 발열이 감지전극에 전달되는 효율을 높임으로써, 소비전력 효율성을 높이고, 센서의 제어과정에 신뢰성을 한 층 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 멤브레인층의 공동을 형성함에 있어, 모서리 부분을 라운딩 처리함으로써 멤브레인층의 공동에 의해 외부 충격이나 센서 진동등에 의해 발생될 수 있는 스트레스의 집중을 완화 및 효과적으로 분산시킴으로써 가스센서 내구성을 향상시킬 수 있어 제품수명을 보다 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 멤브레인층의 감지전극, 감지전극패드, 히터전극, 히터전극패드 및 감지전극배선과 히터전극배선을 일체로 동시에 형성함으로써 각각의 전기적 절연이나 패턴 형성의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 평면도;
도 2는 도 1의 AA'에 따른 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 히터전극 및 감지전극 패턴의 확대도;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 멤브레인층 공동의 평면형상을 부분확대한 부분확대도;
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 6은 도 5에 따른 가스센서의 단면도;
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 8은 도 7에 따른 가스센서의 단면도;
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 10은 도 9에 따른 가스센서의 단면도;
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 12는 도 11에 따른 가스센서의 단면도;
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 14은 도 13에 따른 가스센서의 단면도;
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 16은 도 15에 따른 가스센서의 단면도;
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 18은 도 17에 따른 가스센서의 단면도; 및
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서 제조공정상의 평면도이고, 도 20은 도 19에 따른 가스센서의 단면도;이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 하며, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 평면도, 도 2는 도 1의 AA'에 따른 단면도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 히터전극(41) 및 감지전극(31) 패턴의 확대도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 멤브레인층(20) 공동의 평면형상을 부분확대한 부분확대도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서는, 베이스기판(10), 상기 베이스기판(10)상에 형성된 멤브레인층(20), 상기 멤브레인층(20) 내측영역에 형성된 감지전극(31), 상기 멤브레인층(20) 상기 감지전극(31)과 동일 평면상에 전기적 절연되도록 형성된 히터전극(41), 상기 감지전극(31)의 전기적 연결을 위해 상기 멤브레인층(20) 내측영역에 이격된 외측영역에 형성된 감지전극(31), 상기 히터전극(41)의 전기적 연결을 위해 상기 멤브레인층(20) 내측영역으로부터 이격된 외측영역에 상기 감지전극(31)와 전기적 절연되도록 형성된 히터전극패드(42), 상기 멤브레인층(20)상에 형성되되, 상기 감지전극(31)이 노출되고, 상기 감지전극(31) 및 상기 히터전극패드(42)가 부분적으로 노출되도록 적층되는 절연층(60) 및 상기 감지전극(31)에 직접 접촉되도록 적층되는 감지물질(70)을 포함한다.

베이스기판(10)은 가스센서를 지지하는 구조물로써 단결정 실리콘(Si)기판을 사용할 수 있다. 베이스기판(10)은 후술하는 멤브레인층(20)을 형성하기 위해 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)공정으로 만들어지는 실리콘질화물(Si3N4)과 실리콘 산화물(SiO2)를 적층하여 사용할 수 있다. 이때의 멤브레인층(20)의 두께는 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 베이스기판(10)은 가스센서 전체를 지지함과 동시에, 중공의 형태를 갖도록 함으로써 가스센서 중앙부의 히터전극(41)의 발열시에 외부 방열을 효과적으로 차단할 수 있고, 가스센서의 경량화를 구현할 수 있다.

멤브레인층(20)은 베이스기판(10)상에 적층 형성된다. 멤브레인층(20)은 베이스기판(10)을 절연하는 기능과 더불어 층간 격리를 통해 배선의 다층화에 의한 배선들의 점유면적을 축소하고 센서를 소형화 할 수 있다. 멤브레인층(20)상에 후술하는 감지전극(31)과 히터전극(41) 및 이에 전기적 연결을 위한 패턴이 형성된다. 멤브레인층(20)상에 감지전극(31)과 히터전극(41)이 상호 절연되도록 이격되어 동일 평면상에 형성됨으로써, 단일공정만으로 함께 형성될 수 있어, 미세패턴을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 위치 및 형태의 패턴을 신뢰성 있게 구현할 수 있다.

멤브레인층(20)의 내측영역에는 감지전극(31)과 히터전극(41)이 형성된다. 여기서, 내측영역은, 도 1에 도시된 바와 같이 중앙부의 영역을 말할 수 있으며, 센서의 기능이나 크기 및 적용분야에 따라 적절한 설계의 변경이 가능함은 물론이다. 다만 본 발명의 일실시예에 따라 히터전극(41)의 발열의 효과적인 사용을 위한 제1 공동(51)을 형성하기 위해 적어도 외측영역과 내측영역의 이격공간을 두고, 그 사이공간으로 최소한의 전기적 배선의 적층영역 이외의 영역을 제1 공동(51)으로 구현함으로써 히터전극(41)의 발열에 대한 외부 방열을 최소화 할 수 있는 구조를 그 전제로 할 수 있다.

감지전극(31)은 감지전극패드(32)를 통해 전기적인 연결이 형성되고, 양 구성의 전기적 연결을 위해 감지전극배선(33)이 형성될 수 있다. 감지전극(31)은 특정 가스가 가스센서의 감지물질(70)에 흡착될 때, 그 감지물질(70)에 전기전도도가 변화하는데, 이러한 전기전도도의 변화를 감지물질(70)과 접촉되어 있는 감지전극(31)을 통해 측정함으로써 가스센서를 통한 가스 농도를 측정할 수 있다. 감지전극(31)은 감지물질(70)의 전기전도도의 변화를 효과적으로 측정하기 위해 감지전극(31) 표면의 산화가 잘 일어나지 않고, 다른 물질과의 화학적 반응에 민감하지 않는 안정적인 재료를 선택하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 감지전극(31)은 일방향으로 연장되어 상호 마주보는 막대형상의 두 패턴과, 상호 마주보는 방향으로 교호적으로 돌출된 감지전극(31)의 돌출전극(31a)를 형성시킴으로써 막대형상으로 일방향으로 연장된 두 개의 외측면 전체를 히터전극(41)이 감싸고, 내측으로 다수개의 돌출전극(31a)가 형성되어 감지물질(70)에 접촉면적을 효과적으로 늘릴 수 있는 구조를 갖고 있다. 이를 통해, 감지물질(70)을 히터전극(41)에 의해 효과적으로 가열함과 동시에, 감지물질(70)이 특정가스에 의해 변화되는 전기전도도를 감지전극(31)을 통해 신뢰성 있게 측정이 가능한 것이다.

히터전극(41)은 히터전극패드(42)를 통해 전기적인 연결이 형성되고, 양 구성간의 전기적 연결을 위해 히터전극배선(43)이 형성될 수 있다. 히터전극(41)은 전기적인 발열을 통해 감지물질(70)을 일정한 온도로 유지시켜 준다. 이는, 감지전극(31)에 적층되는 감지물질(70)을 정상적으로 동작시키기 위해서는 통상 온도 300 내지 500도까지 온도를 상승시켜 주어야 하므로, 이에 필요한 열을 공급하는 것이다. 히터전극(41)은 고온 동작에서도 산화되지 않고 다른 물질과 쉽게 화확적인 반응을 일으키지 않는 안정적인 특성을 갖는 것을 선택하여 적용하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 히터전극(41)은 제한된 공간상에 효과적인 발열면적을 갖기 위해 상하부로 연장되되 상하로 절곡되면서 연속적으로 형성되는 지그재그 또는 요철 형상과 유사하게 배치될 수 있다. 히터전극(41)은 감지전극(31)과 절연되도록 이격된 상태로 배치되되, 감지전극(31) 외측면을 감싸도록 형성되어, 감지물질(70)에 대한 열전달의 신뢰성을 보다 높일 수 있는 이점이 있다. 또한, 히터전극(41)과 감지전극(31)을 멤브레인층(20)의 동일 평면상에 배치함으로써, 감지물질(70)에 대한 열전달을 위한 거리 및 방향성을 효과적으로 확보할 수 있어, 감지물질(70)의 히팅을 위한 설계의 신뢰성을 안정적으로 구현할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 구체적인 구조의 일례로, 도 1 및 도 2에 도시된 도면을 통해 설명한다.

베이스기판(10)을 포함한 가스센서의 평면상 구조는 사각형의 구조를 갖고, 멤브레인층(20)의 외측방향의 각 모서리에 제1 감지전극패드(32a), 제2 감지전극패드(32b), 제1 히터전극패드(42a) 및 제2 히터전극패드(42b)를 배치한다. 이는 감지전극(31)과 히터전극(41)에 전기적인 연결을 필요로 하는 구조이므로, 각 모서리의 배치 순서 및 방향 등은 멤브레인층(20) 내측영역에 배치되는 감지전극(31)과 히터전극(41)의 배열 및 구조에 따라 적절한 전기적 연결구조로 구현될 수 있음은 물론이다.

도시된 도면에서는, 상부 양측 모서리 부분에 제1 감지전극패드(32a)와 제2 감지전극패드(32b)를 배치하고, 하부 양측 모서리 부분에 제1 히터전극패드(42a)와 제2 히터전극패드(42b)를 배치한다. 멤브레인층(20) 중앙영역인 내측영역에는 감지전극(31)과 히터전극(41)을 배치하며, 이에 대한 구체적인 설명은 도 3을 통해 이미 상술하였으므로 생략하기로 한다.

제1 감지전극패드(32a)와 감지전극(31)을 전기적 연결시키는 제1 감지전극배선(33a), 제2 감지전극패드(32b)와 감지전극(31)을 전기적 연결시키는 제2 감지전극배선(33b)이 각각 멤브레인층(20)와 내측영역과 외측영역 사이를 가로질러 형성된다. 멤브레인층(20) 상에 히터전극(41)이 발열되어 감지물질(70)에 전달되지만, 멤브레인층(20)을 통해 반대측 방향으로도 열이 전달되어 전력소비의 효율성이 떨어지는 문제를 방지하기 위해, 멤브레인층(20) 상에 제1 공동(51)을 형성한다. 제1 공동(51)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 제1 감지전극배선(33a), 제2 감지전극배선(33b), 제1 히터전극배선(43a) 및 제2 히터전극배선(43b) 사이의 공간을 삼각형 형상으로 각각 제1 공동(51)으로 형성한다. 그러므로, 제1 감지전극배선(33a), 제2 감지전극배선(33b), 제1 히터전극배선(43a) 및 제2 히터전극배선(43b)을 지지하는 멤브레인층(20) 만으로 내측영역과 외측영역이 연결되도록 형성된다. 이때, 연결지지구조의 외부충격이나 진동에 의한 완충작용을 위해, 제1 및 제2 감지전극배선(33a, 33b)과 제1 및 제2 히터전극배선(43a, 43b)을 직선형이 아닌 좌우측으로 지그재그 형태로 설계하거나, 스프링 형태의 요철형상의 구조를 적용함으로써 전기적 연결의 단락을 효과적으로 방지함과 동시에 가스센서 구조의 내구성이나 신뢰성을 효과적으로 유지시킬 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 멤브레인층(20)의 제1 공동(51)은 삼각형 형상으로 형성하되, 각 모서리 부분의 스트레스 집중을 완화 또는 분산시키기 위해서 각 모서리 부분을 곡선으로 라운드 지게 형성할 수 있다. 제1 공동(51)의 구조상 모서리 부분에 외부충격 등이 집중될 수 있기 때문이다. 이와 더불어, 상술하였듯이, 베이스기판(10)의 경우에도 멤브레인층(20)의 제1 공동(51)에 대응되거나 보다 넓은 영역을 제2 공동(52)으로 형성할 수 있다. 베이스기판(10)은 가스센서의 지지구조물 역할을 하게 되므로, 그 제거되는 영역은 제1 공동(51)을 포함하면서, 전체적인 지지구조를 고려하여 제2 공동(52) 영역을 설정하는 것이 바람직할 것이다.

절연층(60)은 도전성을 갖는 감지물질(70)이 도포되었을 때, 히터전극(41)과 감지전극(31)의 전기적인 단락등의 문제를 방지하기 위해 히터전극(41)을 커버하도록 적층되고, 감지전극(31)은 감지물질(70)과의 접촉을 위해 절연층(60)상에 노출되도록 형성한다. 감지전극패드(32)나 히터전극패드(42)의 경우에도 외부 전원과의 전기적 연결을 위해 일부 영역이 노출되도록 절연층(60)이 적층되는 것이 바람직하다. 절연층(60)의 소재로는 실리콘산화물(SiO2), 실리콘질화물(Si3N4), 실리콘산화질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 통해 선택될 수 있고, 가스센서의 절연특성을 고려하여 동등 절연재질이 적용될 수 있음은 물론이다.

도 5 내지 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조방법을 각 공정의 단면도와 평면도를 통해 도시한 도면이다. 이하에서는 도면을 기초로 가스센서의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조방법은, 베이스기판(10)을 준비하는 단계, 상기 베이스기판(10)상에 멤브레인층(20)을 형성하는 단계, 상기 멤브레인층(20)상에 도금층(30)을 형성하는 단계, 상기 멤브레인층(20)상에 내측영역에 히터전극(41) 및 감지전극(31)을 상호 절연되도록 형성하고, 상기 멤브레인층(20) 내측영역으로부터 이격된 외측영역에 상기 히터전극(41)에 전기적 연결되는 히터전극패드(42) 및 상기 감지전극(31)과 상기 감지전극(31)과 전기적 연결되는 감지전극(31)를 상호 절연되도록 상기 도금층(30)을 패터닝하는 단계, 상기 히터전극패드(42)와 상기 감지전극(31)의 일부 영역 및 상기 감지전극(31)만이 노출되도록 상기 멤브레인층(20)상에 절연층(60)을 형성하는 단계 및 상기 노출된 감지전극(31)상에 직접 접촉되도록 감지물질(70)을 도포하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조방법을 설명함에 있어, 상술한 가스센서의 각 구성에 대한 중복되는 설명은 생략하며, 상술한 가스센서의 각 구성에 대한 설명은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조방법의 대응구성에도 그대로 적용될 수 있다.

먼저, 도 5 및 도 6은 베이스기판(10)을 제조하는 단계를 나타낸다. 도 5는 본 제조방법의 평면도이고, 도 6은 도 5의 AA'의 단면도를 나타낸다.

베이스기판(10)을 준비하는 단계는, 가스센서의 지지구조물을 이루는 베이스기판(10)을 준비하는 단계이다. 베이스기판(10)의 소재나 특성인 이미 상술하였으므로 여기서는 생략하기로 한다.

다음, 도 7 및 도 8은 베이스기판(10)에 멤브레인층(20)을 형성하는 단계를 나타내는 평면도(도 7) 및 이에 대응되는 단면도(도 8)이다. 멤브레인층(20)은 후술하는 감지전극(31), 히터전극(41), 감지전극(31) 및 히터전극패드(42)를 일체로 형성하는 것으로, 하나의 도금층(30)의 패터닝을 통해 하나의 공정으로 형성할 수 있다. 기타, 멤브레인층(20)의 구성에 대한 설명은 상술한 가스센서의 멤브레인층(20)과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

다음, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 멤브레인층(20)상에 도금층(30)을 형성하는 단계이다. 도 9는 도금층(30)을 형성하는 단계의 가스센서의 전체 평면도이고, 도 10은 도 9의 AA'에 대한 단면도이다. 도금층(30)은 전기적 전도성을 갖는 금속재질로 형성될 수 있으며, 스퍼터링이나 기타 증착 방법에 의한 박막의 도금층(30)을 형성할 수 있다. 도금층(30)의 두께 및 소재에 따라 도금층(30)을 패터닝 하는 방법도 이에 맞게 적용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 백금(Pt)을 스퍼터링 박막 증착기술을 이용하여 도금층(30)을 형성할 수 있고, 도금층(30)과 멤브레인층(20)의 접착력을 향상시키기 위해 접합층(도면 미도시)을 추가로 형성할 수 있다.

다음, 도 11 및 도 12는 멤브레인층(20)상의 도금층(30)을 패터닝하여 감지전극(31), 히터전극(41), 감지전극(31) 및 히터전극패드(42)를 하나의 공정으로 형성시키는 공정의 평면도 및 단면도를 나타내고 있다. 여기서, 감지전극(31)과 히터전극(41)은 멤브레인층(20)의 내측영역, 도시된 도면에 의하면 중앙부분의 영역에 형성되도록 패터닝한다. 감지전극(31)과 전기적 연결을 이루는 감지전극패드(32)와 히터전극(41)과 전기적 연결을 이루는 히터전극패드(42)는 각각 도 11의 평면도상에서 멤브레인층(20)의 외측영역인 각 모서리 부분에 각각 제1 감지전극패드(32a), 제2 감지전극패드(32b) 및 제1 히터전극패드(42a), 제2 히터전극패드(42b)로 형성할 수 있다.

또한, 감지전극(31)과 제1 감지전극패드(32a)를 전기적 연결하는 제1 감지전극배선(33a)과 감지전극(31)과 제2 감지전극패드(32b)를 전기적 연결하는 제2 감지전극배선(33b)을 함께 형성할 수 있다. 히터전극(41)도 감지전극(31)과 마찬가지로, 제1 히터전극패드(42a)와 전기적 연결을 이루는 제1 히터전극배선(43a) 및 제2 히터전극패드(42b)와 전기적 연결을 이루는 제2 히터전극배선(43b)을 함께 형성할 수 있다. 이 경우, 감지전극(31)과 히터전극(41), 제1 감지전극패드(32a), 제2 감지전극패드(32b), 제1 히터전극패드(42a) 및 제2 히터전극패드(42b)는 멤브레인층(20)상 동일평면상에서 내측영역과 외측영역으로 이격되어 배치되고, 각각의 전기적 단락을 방지하기 위해 이격되어 절연시키도록 형성된다.

도 13 및 도 14는 가스센서 제조공정상의 절연층(60)을 적층하는 도 13의 평면도와 도 14는 도 13의 AA'에 따른 단면도이다. 가스의 센싱을 위해 도포되는 감지물질(70)의 도전성으로 인해 히터전극(41)과의 절연을 위해 히터전극(41)을 커버하도록 절연층(60)이 형성된다. 또한, 감지전극패드(32) 및 히터전극패드(42)의 전기적 연결을 위한 일부영역을 제외하고 절연층(60)이 전체적으로 도포된다. 여기서, 감지전극(31)은 감지물질(70)과의 직접적으로 접촉되도록 하기 위해 절연층(60)상에 노출되도록 형성된다.

도 15 및 도 16은 멤브레인층(20)상에 제1 공동(51)이 형성되도록 일부영역을 제거하는 단계를 나타내는 평면도(도 15) 및 이에 대응되는 단면도(도 16)이다.

먼저, 멤브레인층(20) 내측영역에 배치된 히터전극(41)은 전기적인 발열을 통해 특정가스에 의한 전기전도도가 변화되기 위한 감지물질(70)의 기준온도를 유지하도록 한다. 이 때, 히터전극(41)의 발열이 감지물질(70)에 전달되는 이외에, 반대 방향의 멤브레인층(20)을 통해 외부로 열이 빠져나가지 못하도록 멤브레인층(20)의 일부영역을 제거하여 제1 공동(51)을 형성하는 단계이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 공동(51)은 제1 감지전극배선(33a), 제2 감지전극배선(33b), 제1 히터전극배선(43a) 및 제2 히터전극배선(43b)을 지지하는 멤브레인층(20)을 제외한, 각 사이영역에 대응되는 형상인 삼각형 형상으로 멤브레인층(20)을 제거할 수 있다. 특별히 형상이나 제거영역의 넓이가 제한되는 것은 아니지만, 히터전극(41)의 열전달을 최소화 하기 위해, 감지전극배선(33)과 히터전극배선(43)을 지지하는 멤브레인층(20) 부분 이외의 부분을 제거하는 것이 바람직하다.

제1 공동(51)이 삼각형 형상으로 제거되는 경우에도, 각 모서리리 부분의 취약부분에서 스트레스의 집중이나 크랙이 발생될 수 있으므로, 제1 공동(51)의 양측 모서리 부분을 곡선으로 라운드지게 처리함으로써 외부충격 등에 의한 스트레스를 효과적으로 분산시킬 수 있다.

도 17 및 도 18은 베이스기판(10)의 제2 공동(52)을 형성하는 단계의 평면도(도 17) 및 이에 대응되는 도 17의 AA'에 대한 단면도(도18)이다. 베이스기판(10)의 제2 공동(52)의 형성은 가스센서의 지지구조를 유지하기 위한 최소한의 영역을 제외하고 이루어지되, 멤브레인층(20)의 제1 공동(51) 영역보다는 넓게 하여 히터전극(41)의 열방출 차단을 효과적으로 구현할 수 있다. 베이스기판(10)의 제2 공동(52)의 형성은 멤브레인층(20)이 형성되어 지지구조가 갖추어 지면, 이후에 어느 공정에서라도 하부 베이스기판(10)의 제2 공동(52)을 위한 베이스기판(10) 일부 영역을 제거할 수 있으므로, 도면의 순서에 반드시 그 공정의 순서가 제한되는 것은 아니다. 적어도, 베이스기판(10)상에 멤브레인층(20)이 형성된 이후라면 베이스기판(10)의 제2 공동(52) 형성이 가능할 것이다.

마지막으로, 도 19 및 도 20은 절연층(60)이 형성되지 않고 노출된 감지전극(31) 영역상에 감지물질(70)을 도포하는 단계의 평면도(도 19) 및 대응되는 단면도(도 20)를 도시한 도면이다. 감지물질(70)이 감지전극(31)에 직접적으로 접촉되도록 형성됨으로써, 특정가스에 의한 감지물질(70)의 전기전도도의 변화를 감지전극(31)에서 신뢰성 있게 측정 및 센싱할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 가스센서 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 가스센서 10: 베이스기판
20: 멤브레인층 30: 도금층
31: 감지전극 31a: 돌출전극
32: 감지전극패드 32a: 제1 감지전극패드
32b: 제2 감지전극패드 33: 감지전극배선
33a: 제1 감지전극배선 33b: 제2 감지전극배선
41: 히터전극 42: 히터전극패드
42a: 제1 히터전극패드 42b: 제2 히터전극패드
43: 히터전극배선 43a: 제1 히터전극배선
43b: 제2 히터전극배선 51: 제1 공동
52: 제2 공동 60: 절연층
70: 감지물질

Claims (12)

1. 베이스기판;
   상기 베이스기판상에 형성된 멤브레인층;
   상기 멤브레인층 내측영역에 형성된 감지전극;
   상기 멤브레인층 상기 감지전극과 동일 평면상에 전기적 절연되도록 형성된 히터전극;
   상기 감지전극의 전기적 연결을 위해 상기 멤브레인층 내측영역에 이격된 외측영역에 형성된 감지전극패드;
   상기 히터전극의 전기적 연결을 위해 상기 멤브레인층 내측영역으로부터 이격된 외측영역에 상기 감지전극패드와 전기적 절연되도록 형성된 히터전극패드;
   상기 멤브레인층상에 형성되되, 상기 감지전극이 노출되고, 상기 감지전극패드 및 상기 히터전극패드가 부분적으로 노출되도록 적층되는 절연층; 및
   상기 감지전극에 직접 접촉되도록 적층되는 감지물질;을 포함하는 가스센서.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 히터전극은,
   상기 멤브레인층 상에 상기 감지전극 외측을 감싸도록 형성되며,
   상하 교대로 굴곡되어 일측 방향으로 연속되는 형상의 패턴을 갖는 가스센서.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 감지전극은,
   상기 히터전극 내측에 형성되되, 상호 마주보는 방향으로 돌출된 적어도 하나 이상의 돌출전극을 포함하는 가스센서.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 멤브레인층상에 상기 감지전극과 상기 감지전극패드를 전기적으로 연결하도록 형성되는 감지전극배선; 및
   상기 멤브레인층상에 상기 히터전극과 상기 히터전극패드를 전기적으로 연결하도록 형성되는 히터전극배선;을 포함하고,
   상기 절연층은 상기 감지전극배선 및 상기 히터전극배선을 커버하도록 적층되는 가스센서.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 감지전극패드는 상기 멤브레인층 일측방향 양단에 제1 감지전극패드 및 제2 감지전극패드로 형성되고,
   상기 히터전극패드는 상기 멤브레인층 타측방향 양단에 제1 히터전극패드 및 제2 히터전극패드로 형성되고,
   상기 감지전극과 상기 제1 감지전극패드와 전기적 연결되는 제1 감지전극배선, 상기 감지전극과 상기 제2 감지전극패드와 전기적 연결되는 제2 감지전극배선;
   상기 히터전극과 상기 제1 히터전극패드와 전기적 연결되는 제1 히터전극배선, 상기 히터전극과 상기 제2 히터전극패드와 전기적 연결되는 제2 히터전극배선;을 더 포함하는 가스센서.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 베이스기판은
   상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이 영역에 대응되는 부분을 제1 공동으로 형성하는 가스센서.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 멤브레인층 및 상기 절연층은 상기 멤브레인층의 상기 내측영역과 상기 외측영역 사이의 영역에서, 상기 제1 및 제2 감지전극배선과 상기 제1 및 제2 히터전극배선을 지지하는 영역 이외의 영역을 제2 공동으로 형성하는 가스센서.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 베이스기판은 평면이 사각형의 형상으로 이루어 지고,
   상기 제1 감지전극패드 및 상기 제2 감지전극패드는 상기 베이스기판 평면의 일측방향 양 모서리 부분에 각각 형성되고,
   상기 제1 히터전극패드 및 상기 제2 히터전극패드는 상기 베이스기판 평면의 타측방향 양 모서리 부분에 각각 형성되며,
   상기 제1 공동 및 상기 제2 공동은, 상기 베이스기판 평면상의 상기 제1 감지전극패드와 상기 제2 감지전극패드 사이, 상기 제1 히터전극패드와 상기 제2 히터전극패드 사이, 상기 제1 감지전극패드와 상기 제1 감지전극패드에 인접한 제1 히터전극패드 사이 및 상기 제2 감지전극패드와 상기 제2 전극패드에 인접한 상기 제2 히터전극패드 사이에 각각 형성되되, 외측방향으로 폭이 넓어지도록 형성되어 외측 방향 양끝 모서리가 곡선으로 형성되는 삼각형 형상을 이루는 가스센서.
9. 베이스기판을 준비하는 단계;
   상기 베이스기판상에 멤브레인층을 형성하는 단계;
   상기 멤브레인층상에 도금층을 형성하는 단계;
   상기 멤브레인층상에 내측영역에 히터전극 및 감지전극을 상호 절연되도록 형성하고, 상기 멤브레인층 내측영역으로부터 이격된 외측영역에 상기 히터전극에 전기적 연결되는 히터전극패드 및 상기 감지전극과 상기 감지전극과 전기적 연결되는 감지전극패드를 상호 절연되도록 상기 도금층을 패터닝하는 단계;
   상기 히터전극패드와 상기 감지전극패드의 일부 영역 및 상기 감지전극만이 노출되도록 상기 멤브레인층상에 절연층을 형성하는 단계 및
   상기 노출된 감지전극상에 직접 접촉되도록 감지물질을 도포하는 단계를 포함하는 가스센서의 제조방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속층을 히터전극과 상기 히터전극에 전기적 연결되는 히터전극패드 및 상기 감지전극과 상기 감지전극과 전기적 연결되는 감지전극패드를 상호 절연되도록 패터닝하는 단계는,
    상기 히터전극과 상기 히터전극패드를 전기적 연결하는 히터전극배선 및
    상기 감지전극과 상기 감지전극패드를 전기적 연결하는 감지전극배선을 동시에 형성하는 단계를 더 포함하는 가스센서의 제조방법.
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 히터전극패드와 상기 감지전극패드의 일부 영역 및 상기 감지전극만이 노출되도록 상기 멤브레인층상에 절연층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이에, 상기 히터전극배선 및 상기 감지전극배선을 지지하는 영역 이외의 멤브레인층을 제거하는 단계를 더 포함하는 가스센서의 제조방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이에, 상기 히터전극배선 및 상기 감지전극배선을 지지하는 영역 이외의 멤브레인층을 제거하는 단계는,
    상기 멤브레인층의 내측영역과 외측영역 사이에, 상기 히터전극배선 및 상기 감지전극배선을 지지하는 상기 멤브레인층 영역 이외의 영역에 대응되는 상기 베이스기판 영역을 제거하는 단계를 더 포함하는 가스센서의 제조방법.

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