KR20200044944A - 분석 가스의 농도 측정용 가스 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전도율 원리를 기반으로 분석 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서에 관한 것이며, 상기 가스 센서는 제1 멤브레인 상에 배치되어 분석 가스를 가열하기 위한 하나 이상의 분석 가열 요소와, 제2 멤브레인 상에 배치되어 기준 가스를 가열하기 위한 하나의 기준 가열 요소와, 기준 가열 요소의 전기 저항에 상대적으로 분석 가스를 통해 야기되는 분석 가열 요소의 저항 변화량을 측정하기 위한 하나 이상의 평가 전자 시스템을 포함하며, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인은 상호 간에 인접하여 센서 기판 내에 배치되고, 일측에서 센서 기판 상에 배치되는 베이스 기판을 통해 제1 멤브레인과 베이스 기판 사이에는 측정 체적부가 형성될 수 있고 제2 멤브레인과 베이스 기판 사이에는 기준 체적부가 형성될 수 있다.

Description

분석 가스의 농도 측정용 가스 센서
본 발명은 열전도율 원리를 기반으로 분석 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서에 관한 것이며, 상기 가스 센서는, 제1 멤브레인 상에 배치되어 분석 가스를 가열하기 위한 하나 이상의 분석 가열 요소와, 제2 멤브레인 상에 배치되어 기준 가스를 가열하기 위한 하나의 기준 가열 요소와, 기준 가열 요소의 전기 저항에 상대적으로 분석 가스를 통해 야기되는 분석 가열 요소의 저항 변화량을 측정하기 위한 하나 이상의 평가 전자 시스템을 포함한다.
저항 측정 원리에 따라 작동하는 가스 센서의 경우, 측정할 가스 또는 가스 혼합물은 가스 감응 센서 요소의 전도율에 직접적인 영향을 미친다. 이런 저항 변화량은 가스 또는 가스 혼합물의 농도에 대한 측정 변수로서 이용된다. 이런 경우, 가스 감응 센서 요소는 센서 층 또는 가열 요소일 수 있다. 예컨대 하나 또는 복수의 가열 요소는 백금 히터들(platinum heater)의 형태로 멤브레인 상에 배치될 수 있다. 이런 가열 요소들은 정전류 또는 정출력으로 작동될 수 있고 주변 온도보다 더 고온일 수 있다.
예컨대 수소 농도의 측정을 위해, 260μW/cmK인 공기의 열전도율에 비해 1810μW/cmK인 수소의 보다 더 적합한 열전도율이 이용될 수 있다. 가열 요소의 주변에 수소가 있다면, 수소의 보다 더 높은 열전도율 및 이에 수반되는 보다 더 큰 열 소산으로 인해 가열 요소의 온도가 감소되고 그에 따라 가열 요소의 저항도 감소된다. 이런 저항 변화량, 내지 가열 요소를 정온도(constant temperature)에서 유지하기 위해 인가되어야 하는 추가 가열 출력은 수소의 농도에 대해 비례한다. 열전도율은 주변 온도에 따르기 때문에, 예컨대 추가 온도 센서에 의해 주변 온도가 측정될 수 있다.
또한, 가열 요소의 저항이 주변 온도의 변경 시 가열 요소의 재료의 온도 계수로 인해, 또는 상이한 작동 전압들로 인해 변동되는 점도 공지되어 있다. 적합한 평가 알로리즘들에 의해 예컨대 수소는 공기 중 습기와 구분될 수 있다.
가스 센서가 가스의 농도를 신뢰성 있게, 그리고 정밀하게 측정할 수 있도록 하기 위해, 주변 온도; 공기 중 습기; 및 상이한 작동 전압;의 변경 시, 가열 요소의 전기 저항의 변화량이 고려되어야 한다. 그 결과로 평가 전자 시스템은 복잡해지고 센서의 치수는 보다 더 커질 수 있다.
본 발명의 기초가 되는 과제는, 외부 조건들 또는 노화 효과들과 무관하게 적어도 하나의 가스의 정밀한 농도 측정을 실행할 수 있는 컴팩트한 가스 센서를 제안하는 것에 있다.
상기 과제는 독립 청구항들의 각각의 대상에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 구현예들은 각각의 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명의 일 양태에 따라서, 열전도율 원리를 기반으로 분석 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서가 제공된다. 가스 센서는 제1 멤브레인 상에 배치되어 분석 가스를 가열하기 위한 분석 가열 요소를 포함한다. 제2 멤브레인 상에는 기준 가스를 가열하기 위한 기준 가열 요소가 배치된다. 평가 전자 시스템은 기준 가열 요소의 전기 저항에 상대적으로 분석 가스를 통해 야기되는 분석 가열 요소의 전기 저항을 측정하기 위해 이용된다. 본 발명에 따라서, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인은 상호 간에 인접하여 센서 기판 내에 배치되며, 일측에서 센서 기판 상에 배치되는 베이스 기판을 통해 제1 멤브레인과 베이스 기판 사이에는 측정 체적부가 형성될 수 있고 제2 멤브레인과 베이스 기판 사이에는 기준 체적부가 형성될 수 있다.
가스 센서 내지 이 가스 센서의 칩 표면의 치수 설계를 가능하게 하도록, 결과적으로 수소 가스 또는 수증기 또는 기준 가스가 그 내로 전혀 유입되지 않거나 단지 정의된 양만이 유입되는 기준 체적부를 생성하기 위해, 추가 웨이퍼 내지 베이스 기판이 센서 기판의 하면 상에 부착된다. 검출할 가스와 관련하여 캡슐화된 기준 체적부를 포함한 이중 멤브레인 칩으로서의 가스 센서의 이용을 통해, 특히 가스 센서의 치수는 감소될 수 있다. 베이스 기판의 하면은 예컨대 접합면으로서, 또는 추가 기능성들을 위한 기판으로서 이용될 수 있다.
기준 체적부의 이용을 통해, 저항에서의 제조 기술상 변동은 보상될 수 있는데, 그 이유는 변동이 기준 체적부 및 측정 체적부에 같은 정도로 관계되기 때문이다. 이런 관계는 특히 가스 센서의 두 구성 부품들의 공동 제조 및 거의 동시적인 제조에서 기인할 수 있기 때문이다. 제2 멤브레인에 대한 제1 멤브레인의 인접한 배치를 기반으로, 가열 요소들 역시도 상기 변동에 의해 같은 정도로 관계된다. 또한, 온도 변화량, 및 예컨대 공기 중 습기와 같은 추가 매개변수들의 변화량은 두 체적부들의 두 가열 요소들에 직접 작용할 수 있으며, 그럼으로써 기준 측정 및 분석 측정의 한계 조건들에서의 편차들은 평가 전자 시스템에 의해 고려되지 않아도 되게 된다. 센서 기판은, 예컨대 규소와 같은 도핑 또는 비도핑 반도체, 유리, 플라스틱 또는 세라믹으로 구성될 수 있다.
본원의 가스 센서의 일 실시형태에 따라서, 측정 체적부 및/또는 기준 체적부는 적어도 일부 영역에서 센서 기판의 내부에, 그리고/또는 적어도 부분적으로 베이스 기판의 내부에 형성된다. 예컨대 기준 체적부와 측정 체적부는 재료 제거를 통해 센서 기판 내에 구성될 수 있고 베이스 기판에 의해 적어도 일부 영역에서 폐쇄될 수 있다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 기준 체적부 및/또는 측정 체적부는 적어도 일부 영역에서 베이스 기판 안쪽으로 돌출될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 기준 체적부는 개방된 체적부 또는 폐쇄된 체적부이다. 예컨대 기준 체적부는 제2 멤브레인 내의 개구부를 통해, 인접한 주변 환경과 유체 안내식으로 연결될 수 있다. 그 대안으로, 기준 체적부는 폐쇄될 수 있으면서 정의된 기준 가스를 포함할 수 있다. 이로써 분석 가스의 농도 측정은 보다 더 정밀하게 실행될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 분석 가스는 베이스 기판 내의 하나 이상의 개구부를 통해 측정 체적부 내로 유입될 수 있다. 가장 간단한 실시형태에서, 분석 가스는 하나의 보어를 경유하여 측정 체적부 내로 유입될 수 있다. 더 나아가, 유입 및 유출 개구부들 역시도 분석 가스의 지속적인 관류를 위해 이용될 수 있다. 개구부들은 예컨대 에칭 공정, 트렌치 공정, 레이저 가공, 밀링 가공 또는 보링 가공을 통해 베이스 기판 내에 구성될 수 있다. 이런 경우, 하나 이상의 개구부는 구조화되어 유동에 최적화된 방식으로 형성될 수 있다. 특히 하나 이상의 개구부는, 이 하나 이상의 개구부가 측정 체적부를 위한 입자, 습기 및 수분 유입 방지부를 형성하는 방식으로 형성될 수 있다. 이를 위해, 예컨대 하나 이상의 개구부의 방수 코팅층은 주변 습기의 고착을 감소시킬 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 개구부는, 이 하나 이상의 개구부를 통한 가스 흐름이 층류가 되는 방식으로 치수 설계되고 형성될 수 있다. 이로써, 가스 센서의 가열 요소들의 방열판 내지 열전도 방정식에 대해 재현 가능한 정의된 한계 조건이 실현될 수 있다. 또한, 이로써, 측정 결과들의 비교성 및 재현성은 향상될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 하나 이상의 가열 요소는 베이스 웨이퍼 내에 또는 상에 제공될 수 있다. 이로써, 베이스 기판은 추가로 기능화될 수 있다. 예컨대 추가 가열 요소들 내지 히터 트랙들은 기준 체적부 및/또는 측정 체적부의 가열을 위해 이용될 수 있다. 이로써, 가스 센서는 보다 더 빠르게 작동 온도로 전환될 수 있거나, 또는 제빙(deicing)될 수 있다. 또한, 추가 가열을 통해 측정 체적부 내에서 공기 중 습기의 응축은 방지될 수 있다. 세라믹 기판의 경우, 소결된 가열 코일(sintered heating coil), 또는 후막 공정(thick-film process)을 통해 인쇄된 가열 코일이 높은 출력을 위해 이용될 수 있다. 추가 가열 요소들을 통해, 기준 체적부 및 측정 체적부 역시도 동일한 온도에서 유지될 수 있고 그에 따라 비교성은 향상될 수 있다. 가열 출력이 낮은 경우, 백금 저항 가열 요소를 포함하는 규소 기판 또는 유리 기판이 이용될 수 있다. 그 대안으로, 텅스텐, 은, 금, 구리 또는 알루미늄 소재의 저항 가열 요소를 포함하는, 예컨대 탄화규소와 같은 도핑 반도체들 역시도 이용될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 하나 이상의 가스 필터가 측정 체적부 내에 배치된다. 측정 체적부는 기능층으로 코팅될 수 있다. 기능층은 예컨대 의도되지 않는 특정한 가스 또는 입자와 적어도 일시적으로 결합할 수 있는 게터 재료(getter material)일 수 있다. 이로써, 분석 가스 내에서 간섭하거나 측정을 왜곡하는 성분들은 필터링될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 하나 이상의 가스 필터는 일측에서 베이스 기판 상에 배치된다. 베이스 기판 상에는, 정해진 가스 유형을 필터링하기 위해, 특별히 기능화된 층이 적층될 수 있다. 이로써, 의도되지 않는 가스들이 하나 이상의 개구부를 통해 측정 체적부 내로, 그리고 그에 따라 제1 멤브레인에 도달할 수 있는 점은 방지될 수 있다. 예컨대 게터 층 상에서는 특정한 가스들이 반응할 수 있고 예컨대 고체 구조 내로 유입될 수 있다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 가스 필터는, 예컨대 수증기 또는 기타 의도되지 않는 가스들 또는 입자들의 침입을 방지하기 위해, 측정 체적부의 하나 이상의 개구부를 씌우거나 덮을 수 있다. 이로써, 물과 수소의 분리가 보장될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 베이스 기판은 접합 수단을 통해 센서 기판과 연결될 수 있다. 베이스 기판은 예컨대 유리 프릿 본드(glass frit bond), 양극 본드(anodic bond), 공융 본드(eutectic bond)를 통해, 또는 땜납 이음부 및 접착 이음부를 통해 센서 기판 상에 배치될 수 있다. 따라서, 베이스 기판은 복수의 가능한 방법들을 통해 센서 기판과 연결될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 베이스 기판은 접착 이음부 또는 밀봉 수단을 수용하기 위한 접합면을 일측에 포함한다. 본원의 가스 센서의 감소된 치수 및 기판들의 높은 평면 평행성을 기반으로, 베이스 기판의 하면은 접합면으로서 이용될 수 있다. 특히 베이스 기판은 공기 중 습기 및 다른 환경 영향들에 대한 효과적인 밀봉을 위해 접착되거나 밀봉될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 베이스 기판에 대향하여 위치하는 센서 기판의 측면 상에는 캡 기판(cap substrate)이 배치된다. 본원의 가스 센서의 기계적 안정성을 높이기 위해, 추가 캡 기판은 센서 기판 상에 배치될 수 있다. 특히 캡 기판은, 가스 센서를 제조하기 위한 추가 처리 단계들을 위한 안정적인 베이스를 제공하기 위해, 이미 미리 센서 기판 상에 배치될 수 있다. 바람직하게 캡 기판은 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인의 영역에 공동부들을 포함한다. 공동부들은 예컨대 기준 체적부 및 측정 체적부와 동일하게 재료 제거를 통해 캡 기판 내에 구성될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 평가 전자 시스템의 적어도 일부분은 캡 기판 상에 또는 내에 배치된다. 캡 기판은, 전기 도체 트랙들 및 전기 부품들을 수용하기 위해 이용될 수 있다. 이로써, 가스 센서는 특히 컴팩트하게 형성될 수 있다. 이로써, 특히 외부 평가 전자 시스템은 생략될 수 있다. 예컨대 실리콘 도통 접속부들, 와이어 본딩부들 및 트렌치 그루브들이, 평가 전자 시스템을 형성하기 위한 캡 기판 및 센서 기판 내에 구성될 수 있다. 또한, 추가 가열 요소는 캡 기판 내에 또는 상에도 구성될 수 있다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 평가 전자 시스템은 적어도 부분적으로 베이스 기판 내에 또는 상에 배치될 수 있다.
본원의 가스 센서의 또 다른 실시형태에 따라서, 캡 기판은 기준 체적부를 향한 하나 이상의 연결 개구부를 포함한다. 이로써, 기준 체적부는, 가스 센서의 주변 환경과 압력 보상을 실행할 수 있도록 하기 위해, 개방된 방식으로 형성될 수 있다.
하기에서는 매우 간소화된 개략도들에 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들이 더 상세하게 설명된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 가스 센서의 개략도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 가스 센서의 개략도이다.
도 3은 제3 실시예에 따른 가스 센서의 개략도이다.
도면들에서 동일한 구조적인 요소들은 각각 동일한 도면부호들을 갖는다.
도 1에는, 제1 실시예에 따른 가스 센서(1)의 개략도가 도시되어 있다. 가스 센서(1)는 제1 멤브레인(2)과 제2 멤브레인(4)을 포함한다. 제1 멤브레인(2) 상에는 분석 가열 요소가 배치된다. 제2 멤브레인(4) 상에는 기준 가열 요소가 위치 설정된다. 제1 멤브레인(2)과 제2 멤브레인(4)은 센서 기판(6)의 재료 제거를 통해 형성된다. 센서 기판(6)의 하면 상에는 베이스 기판(8)이 접합 수단(10)을 통해 고정된다. 제1 멤브레인(2)과 베이스 기판(8) 사이에는, 측정 체적부(12)가 포함된다. 개구부(14)를 통해서는 분석 가스가 측정 체적부(12) 내로 안내되어 분석될 수 있다.
제2 멤브레인(4)과 베이스 기판(8) 사이에는, 기준 체적부(16)가 형성된다. 제2 멤브레인(4) 내의 개구부(18)를 통해서는 가스 센서(1)의 주변 환경과 기준 체적부(16) 사이에 유체 안내식 연결부가 존재한다. 이로써, 예컨대 기준 체적부(16) 내에서 압력 보상이 가능해질 수 있다. 센서 기판(6)의 상면 상에는 캡 기판(20)이 배치된다. 캡 기판(20)은 제1 멤브레인(2) 및 제2 멤브레인(4)의 영역에 리세스들을 포함한다. 베이스 기판(8)의 하면 상에는 가스 센서(1)의 주변 환경으로부터 개구부(14)를 밀봉하기 위한 밀봉 수단(22)이 제공된다. 베이스 기판(8) 내에는, 기준 체적부(16) 및 측정 체적부(12)를 가열하기 위한 추가 가열 요소(24)가 통합된다.
도 2에는, 제2 실시예에 따른 가스 센서(1)의 개략도가 도시되어 있다. 제1 실시예에 따른 가스 센서(1)와 달리, 베이스 기판(8)의 하면은 가스 필터(26)에 의해 덮인다. 이런 경우, 가스 필터(26)는 분석할 가스를 측정 체적부(12) 내로 공급하는 공급 라인(14)을 덮는다. 이로써, 예컨대 측정 체적부(12) 내로의 수증기의 침입이 방지될 수 있다. 공급 라인(14)은 실시예에 따라서는 상호 간에 평행하게 배치되는 4개의 개구부들의 형태로 형성된다.
도 3에는, 제3 실시예에 따른 가스 센서(1)의 개략도가 도시되어 있다. 제1 실시예에 따른 가스 센서(1) 및 제2 실시예에 따른 가스 센서(1)와 달리, 제3 실시예에 따른 가스 센서(1)는 폐쇄된 기준 체적부(16)를 포함한다. 기준 체적부(16) 내에는 기준 가스가 포함되며, 이 기준 가스는 측정 체적부(12) 내의 분석 가스의 측정 시 비교를 위해 사용될 수 있다. 여기서, 기준 체적부(16)는 캡 기판(20)을 통해 폐쇄된다.
캡 기판(20)은 실시예에 따라서, 캡 기판(20) 상에 배치되는 전자 회로(28)를 포함한다. 전자 회로(28)의 일부분은 캡 기판(20) 내에 통합된다. 이런 경우, 전자 회로(28)는 평가 전자 시스템(28)을 형성한다. 평가 전자 시스템(28)은 제2 멤브레인(4) 상에 배치된 기준 가열 요소 및 제1 멤브레인(2) 상에 배치된 분석 가열 요소에, 정의된 온도를 설정하기 위한 정의된 전압 및 정의된 전류를 인가한다.
측정 체적부(12) 내로 분석 가스를 도입하는 것을 통해, 분석 가열 요소의 열은 예컨대 보다 더 빠르게 소산될 수 있으며, 그럼으로써 평가 전자 시스템(28)을 통해, 정의된 온도를 유지할 수 있도록 하기 위해, 가열 출력이 증가되어야만 한다. 기준 체적부(16)의 요구되는 가열 출력과 측정 체적부(12)의 가열 출력의 비교를 기반으로, 측정 체적부(12) 내에서 측정할 가스의 농도가 검출될 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 열전도율 원리를 기반으로 분석 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서(1)로서, 제1 멤브레인(2) 상에 배치되어 분석 가스를 가열하기 위한 하나 이상의 분석 가열 요소와; 제2 멤브레인(4) 상에 배치되어 기준 가스를 가열하기 위한 하나의 기준 가열 요소와; 기준 가열 요소의 전기 저항에 상대적으로 분석 가스를 통해 야기되는 분석 가열 요소의 저항 변화량을 측정하기 위한 하나 이상의 평가 전자 시스템(28);을 포함하는 상기 가스 센서에 있어서,
    제1 멤브레인(2)과 제2 멤브레인(4)은 상호 간에 인접하여 센서 기판(6) 내에 배치되고, 일측에서 센서 기판(6) 상에 배치되는 베이스 기판(8)을 통해 제1 멤브레인(2)과 베이스 기판(8) 사이에는 측정 체적부(12)가 형성될 수 있고 제2 멤브레인(4)과 베이스 기판(8) 사이에는 기준 체적부(16)가 형성될 수 있으며, 기준 체적부(16)는 제2 멤브레인(4) 내의 개구부(18)를 통해, 인접한 주변 환경과 유체 안내식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
  2. 제1항에 있어서, 측정 체적부(12) 및/또는 기준 체적부(16)는 적어도 일부 영역에서 센서 기판(6)의 내부에, 그리고/또는 적어도 부분적으로 베이스 기판(8)의 내부에 형성되는, 가스 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기준 체적부(16)는 개방된 체적부 또는 폐쇄된 체적부인, 가스 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 분석 가스는 베이스 기판(8) 내의 하나 이상의 개구부(14)를 통해 측정 체적부(12) 내로 유입될 수 있는, 가스 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 가열 요소(24)가 베이스 기판(8) 내에 또는 상에 제공될 수 있는, 가스 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 가스 필터(26)가 측정 체적부(12) 내에 배치되는, 가스 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 가스 필터(26)가 일측에서 베이스 기판(8) 상에 배치되는, 가스 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 베이스 기판(8)은 접합 수단(10)을 통해 센서 기판(6)과 연결될 수 있는, 가스 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 베이스 기판(8)은 접착 이음부 또는 밀봉 수단(22)을 수용하기 위한 접합면을 일측에 포함하는, 가스 센서.
  10. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 베이스 기판(8)에 대향하여 위치하는 센서 기판(6)의 측면 상에는 캡 기판(20)이 배치되는, 가스 센서.
  11. 제10항에 있어서, 평가 전자 시스템(28)의 적어도 일부분이 캡 기판(20) 상에 또는 내에 배치되는, 가스 센서.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 캡 기판(20)은 기준 체적부를 향한 하나 이상의 연결 개구부(18)를 포함하는, 가스 센서.
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