KR20200080481A

KR20200080481A - 가스 감지 센서

Info

Publication number: KR20200080481A
Application number: KR1020180169743A
Authority: KR
Inventors: 이국녕; 성우경; 김원효; 윤수미; 강혜림
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-07-07
Also published as: KR102345694B1

Abstract

일 실시예에 따른 가스 감지 센서는 기판, 상기 기판 상부에 배치되는 유전체층, 상기 유전체층 상부에 배치되는 FET 채널, 상기 FET 채널 상부에 배치되는 플로팅 게이트 전극, 상기 플로팅 게이트 전극과 연결되는 확장 게이트 전극 및 상기 확장 게이트 전극의 적어도 일 면에 배치되는 제2감지막을 포함할 수 있다.

Description

가스 감지 센서{Gas Sensor}

본 발명은 가스 감지 센서에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor FET)를 이용하여 가스의 양을 측정하는 가스 감지 센서 기술에 관한 발명이다.

반도체 기술이 개발됨에 따라 최근에는 반도체를 이용한 가스 센서가 많이 개발되고 활용되어 지고 있다.

반도체식 가스 감지 센서는 작고 가볍게 제작할 수 있는 장점이 존재하나, 특정 가스에 대한 고감도화 및 선택성 측면에서 기술적 한계가 존재하고, 검출 감도를 향상시키기 위해서는 가스 감지막 소재인 금속산화물의 비표면적을 크게 해야 하는 어려움이 존재한다.

또한, 가스감지막이 포함된 반도체식 가스 센서를 소자화하기 위해서는 감지막 양단에 전극을 형성하여 가스 분자의 흡착에 의해 유발되는 금속산화물의 저항 변화를 측정할 수 있도록 제작해야 하는데, 이러한 소자의 제작은 복잡해서 대량으로 제작하는데 어려움이 존재한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 를 이용한 가스 감지 센서가 개발되고 있다. FET 소자의 가스 감지 센서는 기판 상부에는 플로팅 게이트(Floating Gate)를 배치하고 측면에는 제어 게이트를 배치하여, 플로팅 게이트와 제어 게이트 상부를 동시에 덮는 가스 감지막 구조를 가지는 것이 일반적이다.

FET를 이용한 가스 감지 센서는, 가스분자의 흡착에 의해 가스감지막과 연결된 플로팅 게이트 전극의 일함수(Work function) 변화에 의해 전위가 바뀌게 되고 이러한 전압으로 인해 FET 소자 내부에서는 전류의 변화가 발생하며, 이 때 발생되는 전류의 변화를 통해 가스감지막에 흡착된 가스분자의 양을 측정하는 원리로 작동된다.

FET 가스 감지 센서의 경우 감지막 소재와 가스분자의 반응이 효율적으로 이루어져야 정확한 측정을 할 수 있는데, 그러기 위해서는 반응이 일어나는 곳의 환경을 고온 상태로 유지시켜줘야 한다.

그런데 종래 기술에 따른 FET 기반의 가스 감지 센서의 경우, 감지막 소재와 가스분자와의 반응을 향상시키기 위한 별도의 열선이 구비되어 있지 않기 때문에, 반응 속도를 높이기 위해 기판 전체를 가열하여 온도를 높이는 경우 FET 채널이 고온 상태로 작동하여 온도에 따른 드리프트(drift) 문제가 발생하는 단점이 존재하였다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같이 종래 기술이 가지고 있던 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로서, 가스 감지막이 있는 기판만을 별도로 가열하여 가스 반응 온도와 FET 소자의 온도를 별도로 제어할 수 있는 가스 감지 센서를 제공하기 위함이다.

또한, 기존 기판을 제외한 별도의 확장 게이트를 가지고 있는 기판을 이용하여 가스감지막의 반응 면적을 넓혀 보다 효율적으로 가스를 감지할 수 있는 가스 감지 센서를 제공하기 위함이다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 제2감지막의 적어도 일 면에 배치되는 기준 전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2감지막은 상기 확장 게이트 전극과 상기 기준 전극을 연결하는 구조로 배치될 수 있다.

또한, 상기 제2감지막은 상기 확장 게이트 전극 및 상기 기준 전극의 적어도 일부를 감싸는 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 플로팅 게이트 전극과 상기 확장 게이트 전극을 전기적으로 연결하는 제1연결선(Wiring)을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기준 전극은 그라운드 전압을 포함하는 외부 기준 전압과 연결될 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 확장 게이트 전극의 적어도 일면에 배치되고 상기 제2감지막과 상기 확장 게이트 전극 사이에 배치되는 제 1절연체를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 기준 전극의 적어도 일면에 배치되고 상기 제2감지막과 상기 기준 전극 사이에 배치되는 제 2절연체를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 제2감지막 하부에 배치되는 열선을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 유전체층은 상기 FET 채널의 전압을 제어할 수 있는 제어 게이트 전극을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따른 가스 감지 센서는 FET 채널, 상기 FET 채널 상부에 배치되는 제어 전극, 상기 FET 채널 하부에 배치되는 유전체층, 상기 유전체층 하부에 배치되는 플로팅 게이트 전극, 상기 플로팅 게이트 전극 하부에 배치되는 절연체층, 상기 절연체층 하부에 배치되는 제1감지막 및 상기 제1감지막 하부에 배치되는 바닥 전극을 포함할 수 있다.

또한, 상기 바닥 전극은 가스 투과형 다공성 전극을 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 플로팅 게이트 전극과 제1연결선을 통해 연결되는 확장 게이트 전극 및 상기 확장 게이트 전극의 적어도 일 면에 배치되는 제2감지막을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 제2감지막의 적어도 일 측면에 배치되는 기준 전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 확장 게이트 전극과 상기 제2감지막 사이에 배치되는 제1절연체 및 상기 기준 전극과 상기 제2감지막 사이에 배치되는 제2절연체를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스 감지 센서는 상기 제2 감지막 하부에 배치되는 열선을 더 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서는 제1기판, 상기 제1기판 상부에 배치되는 FET 채널, 상기 FET 채널 상부에 배치되는 플로팅 게이트 전극을 포함하는 복수 개의 FET 소자를 포함하는 기준 기판 및 상기 FET 소자와 제1연결선을 통해 연결되는 확장 게이트 전극 및 상기 확장 게이트의 적어도 일 면에 배치되는 제2감지막을 포함하는 복수 개의 확장 기판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 확장 기판은 상기 제2감지막의 적어도 일 면에 배치되는 기준 전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 확장 기판은 상기 제2감지막 하부에 배치되는 열선을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 가스 감지 센서는 실리콘 나노(Nano) FET 소자를 이용하여 제작하기 때문에 감도가 우수한 균일한 특성의 소자를 양산하기 용이하다.

또한, 플로팅 게이트 전극 상부에 가스감지막에 위치하므로 다양한 가스감지막을 적용하기 용이하며, 센서 어레이를 구현하기 쉬워 검출 가스 선택비를 높일 수 있다.

또한, 가스분자의 탈착을 통한 센서의 초기화가 필요 없이 기판 제어 게이트 전압 조절로 센서의 동작 영역을 초기화하거나 설정할 수 있어 신호의 drift 특성을 개선할 수 있고 신호 처리를 간단하게 할 수 있다.

또한, 확장 게이트 전극 구조로 가스분자와 반응하는 표면적을 확장할 수 있어 가스 감지 능력을 향상시킬 수 있고 소자 제작이 용이하다.

또한, 가스감지막 하부에 가스감지막만을 가열하는 별도의 열선을 구비하고 있으므로, FET 소자와는 별개로 가스감지막 기판만을 가열할 수 있어 온도에 따른 반도체 소자의 드리프트(drift) 특성을 개선할 수 있다.

또한, 별도의 기준 전극이 존재하므로 전계 효과 소자에서 가스 검출 반응에 따른 신호 감도를 간단하게 제어할 수 있는 효과가 존재한다.

도 1은 일 실시예에 따른 FET 소자의 적층 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 가스 센서의 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 가스 센서의 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 가스 센서의 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 가스 센서의 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 가스 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다. .
도 7은 다른 실시예에 따른 가스 센서의 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예이며, 본 출원의 출원 시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않으며, 본 명세서에서 사용한 "제 1", "제 2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

도 1은 일 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)의 일부 구성인 FET 소자(10)의 단면도를 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 FET 소자(10)는, FET 소자(10)를 지지하는 기판(11), 기판 상부에 위치하는 유전체층(12), 유전체층(12) 상부에 위치하는 FET 채널(13), FET채널(13)의 일면에 위치하는 소스(Source) 전극(15), FET 채널(13)의 타단에서 FET채널(13)을 기준으로 소스 전극(15)과 대칭 구조로 형성되는 드레인(Drain) 전극(14), FET 채널(13) 상부에 위치하는 절연체층(16), 절연체층(16) 상부에 위치하는 플로팅 게이트 전극(Floating Gate Electrode)(17), 플로팅 게이트 전극(17)의 상부 또는 적어도 일 면에 위치하는 제1감지막(18)을 포함할 수 있다.

유전체층(12)은 FET 채널(13)의 전압을 제어할 수 있는 제어 게이트 전극을 포함할 수 있다. 따라서, 가스분자의 탈착을 통한 센서의 초기화를 하지 않고 제어 게이트의 전압 조절로 센서의 동작 영역을 설정하거나 초기화를 할 수 있어 센서 신호의 드리프트(drift) 특성을 개선할 수 있고 신호 처리를 효율적으로 할 수 있는 효과가 존재한다.

또한, 유전체층(12)은 FET 채널(13)의 동작 바이어스 전압을 제어하거나 리셋시킬 수 있도록 기판(11)과 센싱 채널을 절연하는 기능을 수행할 수 있다.

유전체층(12)은 산화규소(SiO2)를 포함하는 박막으로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, FET 소자(10)를 제작할 수 있도록 기판 상부에 절연체 역할을 할 수 있는 구성이면 이에 해당할 수 있으며, 유전체층(12)은 얇은 막으로 구성될 수도 있다.

절연체층(16)은 FET채널(13)의 상부에 배치되며, FET 채널(13)에서 전계 효과가 효과적으로 발생하도록 하는 기능을 할 수 있다.

절연체층(16)은 소스 전극(15)과 드레인 전극(14)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있으며, 게이트 절연체층(16)은 산화규소(SiO2)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

플로팅 게이트 전극(17) 절연체층(16) 상부에 형성되어, 가스를 감지하는 센싱 영역을 형성할 수 있다.

플로팅 게이트 전극(17)의 상부에는 가스 분자의 흡착이 일어나는 제1감지막(18)이 형성될 수 있다.

도 1에는 제1감지막(18)이 플로팅 게이트 전극(17)의 상부에 배치되는 것으로 도시하였지만, 제1감지막(17)이 배치되는 위치는 이에 한정되는 것은 아니고 플로팅 게이트 전극(17)의 적어도 일 면 또는 드레인 전극(14)과 소스 전극(15) 상단에 걸쳐 형성될 수 도 있다.

제1감지막(18)은 가스 분자가 흡착되어 제1감지막(18)의 산화물과 화학적 반응이 일어날 수 있다. 따라서, 제1감지막(18)은 가스 분자가 제1감지막(18)에 효율적으로 흡착될 수 있도록 여러 가지 종류의 금속 산화물이 포함될 수 있다.

FET 소자(10)는 플로팅 게이트 전극(17)의 음이온 대전 및 제전 특성을 이용하여 가스를 감지할 수 있다.

구체적으로FET 채널(13) 상부에 존재하는 제1감지막(18)의 표면에 음이온이 흡착되어 음이온의 전하량이 증가하면 플로팅 게이트 전극(17)의 총 전하량은 증가하게 되며, 이로 인해 FET채널(13)에 높은 전계 효과가 발생될 수 있다. 그리고 전계 효과가 발생한 경우 FET 채널(13)의 전기전도도(전기 저항)가 변화되므로, 이를 이용하여 가스 분자의 양을 검출할 수 있다.

도 2는 또 다른 실시예에 따른 가스 검출 센서(100)일 단면을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 가스 검출 센서(100)는 FET 소자(10)와 확장 기판(20)을 포함할 수 있으며, 확장 기판(20)은 제2기판(22), 제2기판(22) 하부에 위치하는 열선(21), 제2기판(22) 상부에 위치하는 기준 전극(23)과 확장 게이트 전극(25) 및 기준 전극(23)과 확정 게이트 전극(25)을 연결하는 제2감지막(24)을 포함할 수 있으며, FET소자(10)와 확장 기판(20)은 본체 기판(30) 상부에 배치될 수 있다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만 가스 감지 센서(100)는 열선(21)과 확장 게이트 전극(23), 제2감지막(24), 기준 전극(25) 사이에 센서 어레이 패키지 역할을 할 수 있는 인쇄회로기판이 포함될 수 있으며, 도 2에서는 열선(21)을 제2기판(22)과 본체 기판(30) 사이에 위치하는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니고 본체 기판(30) 하부에 위치할 수 도 있다.

FET 소자(10)의 경우 도 1에서 상세하게 설명하였는바 이하 설명을 생략하고 확장 기판(20)에 대해서 설명하도록 한다. 다만, 편의상 도1에서 설명한 FET 소자(10)의 기판(11)은 제1기판(11)으로 지칭하기로 한다.

확장 게이트 전극(25)은 제2감지막(24)의 일면에 위치할 수 있으며, 동시에 FET 소자(10)의 플로팅 게이트 전극(17)과 제1연결선(31)을 통해 연결될 수 있다.

제1연결선(31)은 플로팅 게이트 전극(17)과 확장 게이트 전극(25)을 전기적으로 연결해주는 역할을 할 수 있으며, 전기적 연결을 위해 금(Au)를 포함하는 와이어링 선으로 구성될 수 있다.

플로팅 게이트 전극(17)과 확장 게이트 전극(25)은 제1연결선(31)을 통해 전기적으로 연결되므로 확장 게이트 전극(25)의 전위 변화가 발생한 경우 플로팅 게이트 전극(17)의 전위 변화도 동시에 발생할 수 있다.

그리고 플로팅 게이트 전극(17)의 전위 변화가 발생한 경우 FET 채널(13)에 내부에서 전계효과에 의해 전도도가 바뀌기 되므로 이 때 흐르는 전류의 변화를 측정하여 가스의 양을 감지할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 6을 통해 후술하도록 한다.

기준 전극(23)은 확장 게이트 전극(25)과 동일하게 제2기판(22) 상부에 위에 위치할 수 있다. 기준 전극(23)은 확장 게이트 전극(25)과 동일한 공정으로 형성될 수 있다.

또한, 기준 전극(23)은 도면에 도시하지는 않았으나 그라운드 전압과 연결되거나 외부의 기준 전압과 연결될 수 있다. 따라서, 기준 전극(23)이 외부 기준 전압과 연결되는 경우 사용 목적에 따라 기준 전극에는 다양한 전압이 인가될 수 있다.

또한, 기준 전극(23)은 도면에는 도시된 바와 같이 제2연결선(42)을 통해 소스 전극(15)과 연결될 수 있다.

기준 전극(23)은 제2감지막(24)의 적어도 일 면에 배치된다. 따라서, 제2감지막(23)에 가스 분자가 흡착되어 전극의 전위 변화가 발생한 경우 대전된 이온을 효과적으로 상쇄하여 리셋할 수 있다.

또한, 기준 전극(23)에는 FET 소자(10)의 게이트 전압과 동일한 전압이 인가될 수 있고, 플로팅할 수도 있으며, 접지될 수도 있는바 기준 전극(23)에는 필요에 따라 특정 전압을 인가할 수 있다. 따라서, 제2감지막(24)에 가스 분자의 흡착이 일어난 경우 확장 게이트 전극(25)의 전위가 효과적으로 변하기 때문에 가스 검출의 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 존재한다.

제2감지막(24)은 제2기판(22)의 상부, 구체적으로 확장 게이트 전극(25)과 기준 전극(23)을 연결해주는 구조로 제2기판(22)의 상부에 배치될 수 있다.

도 3에서는 제2감지막(24)이 확장 게이트 전극(25)과 기준 전극(23)을 동시에 모두 덮는 구조로 도시되어 있지만, 제2감지막(24)이 배치되는 구조는 이에 한정되는 것은 아니고 확장 게이트 전극(25)과 기준 전극(23)의 일부를 덮는 구조로 배치될 수 도 있으며 확장 게이트 전극(25)과 기준 전극(23) 사이에만 배치될 수도 있다.

제2감지막(24)은 가스 분자가 제2감지막(24)의 금속 산물과 흡착되어 화학 반응이 일어날 수 있다. 따라서, 제2감지막(24)은 가스 분자가 제2감지막(24)에 효율적으로 흡착될 수 있도록 여러 가지 종류의 금속 산화물이 포함될 수 있다.

도 3은 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)일 단면을 도시한 도면이다.

도3에 도시되어 있는 가스 감지 센서(100)의 기본 구조는 도 2에 도시된 가스 감지 센서(100)의 구조와 동일하나, 확장 기판(20)에 절연체(26)가 포함될 수 있다.

구체적으로, 절연체(26)는 도 3에 도시된 바와 같이 확장 게이트 전극(25)과 제2감지막(24) 사이에 배치될 수 있으며, 절연체(26)는 질화규소(SiN) 등의 화합물을 포함할 수 있다.

비록 도3에서는 절연체가(26)가 확장 게이트 전극(25)과 제2감지막(24) 사이에 배치되는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니고, 기준 전극(23)과 제2감지막(24) 사이에 배치될 수 도 있으며, 확장 게이트 전극(25)과 제2감지막(24) 사이 및 기준 전극(23)과 제2감지막(24) 사이에 동시에 배치될 수 도 있다.

도 4는 또 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)의 구조를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 가스 감지 센서(100)는 제어 게이트 전극(52), 제어 게이트 전극(52) 하부에 위치하는 재1 절연체층(16), 제1 절연체층(16) 하부에 위치하는 FET 채널(13), FET 채널(13) 일 측면에 각각 위치하는 소스 전극(15)과 드레인 전극(14), FET 채널(13) 하부에 위치하는 유전체층(12), 유전체층(12) 하부에 위치하는 플로팅 게이트 전극(17), 플로팅 게이트 전극(17) 하부에 위치하는 제2절연체층(19), 제2절연체층(19) 하부에 위치하는 제1감지막(18) 및 제1감지막(18) 하부에 위치하는 바닥 전극(51)을 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 가스 감지 센서(100)의 구조의 구성 요소에 대한 설명은 도 1과 도2에서 자세히 설명하였는바 이에 대한 설명은 생략하고, 도 4와 같은 구조로 인해 발생되는 기능 및 효과에 대해서만 설명하도록 한다.

바닥 전극(51)은 가스 투과형의 다공성 전극을 포함할 수 있으며, 이러한 구조로 인해 바닥 전극(51)은 기준 전극(혹은 감지 전극)의 역할을 할 수 있다.

따라서, 제1 감지막(18)은 플로팅 게이트 전극(17)과 바닥 전극(51)을 통해 커패시터의 역할을 할 수 있고 가스 분자의 흡착으로 인해 커패시터의 용량 변화가 발생한 경우 전계효과를 유발하여 FET 채널(13)의 나노 채널 저항 변화가 발생하여 전류가 변하므로 이를 기초로 가스 분자의 양을 감지할 수 있다.

도 5는 다른 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)의 구조를 도시한 도면으로서, 구체적으로 도 4에 도시된 FET 소자(10)를 이용하여 제작된 가스 감지 센서(100)의 구조를 도시한 도면이다.

즉, 도 2에서와 마찬가지로 FET 소자(10)와 확장 기판(20)은 제1연결선(31)을 통해 연결될 수 있는데, 구체적으로 플로팅 게이트 전극(17)과 확장 게이트 전극(25)은 제1연결선(31)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 확장 기판(20)은 도 5에 도시된 바와 같이 절연체(26, 27)를 포함할 수 있는데, 절연체(26, 27)는 도 5에 도시된 바와 같이 확장 게이트 전극(25)과 제2감지막(24) 사이에 배치되는 제1절연체(26) 및 기준 전극(23)과 제2감지막(24) 사이에 배치되는 제2절연체(27)로 나뉘어질 수 있다.

다만, 절연체(26, 27)가 배치되는 구조는 이에 한정되는 것은 아니고 확장 게이트 전극(25)과 제2감지막(24) 사이 또는 기준 전극(23)과 제2감지막(24) 사이에 하나만 위치하는 구조로 배치될 수 있으며, 절연체(26, 27)는 질화규소(SiN) 등의 화합물을 포함할 수 있다.

도 6은 p형 채널을 갖는 FET소자 기반의 가스 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 플로팅 게이트 전극(17)의 전위가 변하는 경우, FET 채널(13)로 흐르는 드레인-소스간 전류(Ids)의 변화를 나타낸 것이다.

음이온이 없는 경우, 플로팅 게이트 전극(17)은 음이온의 대전(帶電) 및 제전(除電)이 없는 전하 평형상태를 유지한다.

그러나, 제1감지막(18) 또는 제2감지막(24)에 가스 분자의 흡착이 발생하여 음이온의 대전이 시작되면 Ids가 서서히 증가하므로, 도 3에 도시된 바와 같이 A와 같은 기울기가 작은 상승곡선을 나타낸다.

음이온의 대전은 FET 소자(10)의 상부에 위치하는 제1감지막(18)에 일어나는 가스분자의 흡착변화를 기준으로 판단할 수 있지만, 본 발명의 경우 확장 기판(20)에 존재하는 제2감지막(24)에 가스 분자의 흡착이 일어난 경우에도 전술한 바와 같이 플로팅 게이트 전극(17)의 전압의 변화가 발생할 수 있다. 따라서, 가스 분자의 감지 영역을 확장할 수 있어 가스 감지 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 존재한다.

구체적으로, 확장 기판(20)의 기준 전극(23)의 전압은 일정하게 유지 되고 있으므로, 가스 분자가 제2감지막(24)에 흡착하여 저항 변화를 일으키면 확장 게이트 전극(25)의 전압이 변한다. 그리고 확장 게이트 전극(25)의 전압이 변하면 확장 게이트 전극(25)와 연결되어 있는 플로팅 게이트 전극(17)의 전위 또는 전하량의 변화가 발생한다. 그리고 플로팅 게이트 전극(17)의 전위 또는 전하량이 변하는 경우 FET 채널(13)에 전계 효과가 발생하므로 FET 채널(13)로 흐르는 드레인-소스간 전류(Ids)가 변하므로 이를 기초로 하여 반응한 가스 분자의 양을 감지할 수 있다.

이를 도 6을 통해 살펴보면, 가스 분자의 흡착량이 증가하여 FET 채널(13)의 표면에 음이온이 대전되면 Ids가 급격하게 증가하므로, B와 같이 기울기가 큰 상승곡선을 나타낸다. 따라서, 도 6의 A와 B를 통해 전류변화 그래프의 기울기(Ids의 변화량)에 따라 가스 분자량의 증가 여부를 확인할 수 있다.

또한, 가스 분자의 흡착이 충분이 진행되어 누적되는 이온 흡착량과 제전량이 평형상태를 이루면, Ids는 도6의 C와 같이 포화곡선을 나타내며, 가스 분자의 흡착에 비해 게이트 표면상의 전하량이 제전 또는 누설전류(leakage current) 등의 이유로 감소하면 Ids는 도 6의 D와 같이 하강곡선을 나타내게 된다.

음이온 분자량이 감소하면 FET 채널(13)의 표면에 대전된 전하가 서서히 제전됨에 따라 Ids가 서서히 감소하다가 평행상태를 이루지만, 대전 전하가 잔류하기 때문에 초기 Ids와 동일한 상태에 도달하지 않을 수도 있음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 가스 감지 센서(100)의 구조를 설명하기 위한 구성도이다.

도 7에 따른 가스 감지 센서(100)는 복수 개의 FET 소자(10)와 복수 개의 확장 기판(20)을 포함하는 가스 감지 센서(100)를 도시화한 도면으로서, 도 7에 도시된 가스 감지 센서(100)는 가스 감지 센서 어레이라는 표현으로 지칭될 수 도 있다.

도 7에 도시된 FET 소자(10)와 확장 기판(20)은 도 3에서 설명한 FET 소자(10)와 확장 기판(20)과 동일한 구성 요소 및 동일한 기능을 하는 구성 요소이다. 따라서, 각각의 대한 설명은 도 2을 통해 자세히 하였는바 생략하도록 한다.

도 7에서는 2 X 2 배열 구조로 하나의 어레이에 FET 소자(10) 2개와 확장 기판(20)이 각각 2개씩 배치되는 것으로 도시하였지만, 하나의 어레이에 포함되는 FET 소자(10)의 개수와 확장 기판(20)의 개수는 이에 한정되는 것으로 설계상의 요구에 따라 다양한 개수로 구성될 수 있다. 즉, 3X3, 4X4 배열 등 다양한 형태 및 다양한 배치의 구성이 이루어질 수 있다.

도 7에 따른 가스 감지 센서(100)는, 열선이 확장 기판(20) 하부에 별도로 배치되어 있기 때문에, 확장 기판(20)만을 가열하여 가스 분자의 흡착이 효율적으로 발생할 수 있도록 구성할 수 있다.

지금까지 가스 감지 센서(100)의 다양한 구조 및 그 특성에 대해 알아보았다.

종래 기술에 따른 FET 기반의 가스 감지 센서의 경우, 가스분자의 반응을 향상시키기 위해 가스 감지막만을 별도로 가열하는 열선이 구비되어 있지 않기 때문에, 반응 속도를 높이기 위해 온도를 높이는 경우 기판 전체가 가열되어서 FET 채널 내에서 온도에 따른 전류가 흐르는(drift) 문제가 존재하였다.

그러나 일 실시예에 따른 가스 감지 센서(100)는 실리콘 나노(Nano) FET 소자를 이용하여 제작하기 때문에 감도가 우수한 균일한 특성의 소자를 양산하기 용이하며, 플로팅 게이트 전극 상부에 가스감지막이 위치하므로 다양한 가스감지막을 형성할 수 있는 효과가 존재한다.

또한, 가스분자의 탈착을 통한 센서의 초기화가 필요 없이 기판 제어 게이트 전압 조절로 센서의 동작 영역을 초기화하거나 설정할 수 있어 신호의 drift 특성을 개선할 수 있고 신호 처리를 간단하게 할 수 있으며, 가스분자와 반응하는 면적을 확장 게이트 전극 형태로 확장할 수 있으므로 감도의 추가적인 향상이 용이하고 소자 제작이 용이하다.

또한, 가스감지막 하부에 가스감지막만을 가열하는 별도의 열선을 구비하고 있기 때문에, FET 소자와는 별개로 가스감지막 기판만을 가열할 수 있어, 온도에 따른 반도체 소자의 drift 특성을 개선할 수 있으며, 별도의 기준 전극이 존재하므로 전계 효과 소자에서 가스 검출 반응에 따른 신호 감도를 간단하게 제어할 수 있는 효과가 존재한다.

지금까지 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 실시 예들 및 특허 청구 범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10: FET 소자
13: FET 채널
17: 플로팅 게이트 전극
18: 제1감지막
20: 확장 기판
21: 열선
23: 기준 전극
24: 제2감지막
25: 확장 게이트 전극
100: 가스 감지 센서

Claims

기판;
상기 기판 상부에 배치되는 유전체층;
상기 유전체층 상부에 배치되는 FET 채널;
상기 FET 채널 상부에 배치되는 플로팅 게이트 전극;
상기 플로팅 게이트 전극과 연결되는 확장 게이트 전극; 및
상기 확장 게이트 전극의 적어도 일 면에 배치되는 제2감지막;을 포함하는 가스 감지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2감지막의 적어도 일 면에 배치되는 기준 전극;을 더 포함하는 가스 감지 센서.
제2항에 있어서,
상기 제2감지막은,
상기 확장 게이트 전극과 상기 기준 전극을 연결하는 구조로 배치되는 가스 감지 센서.
제2항에 있어서,
상기 제2감지막은,
상기 확장 게이트 전극 및 상기 기준 전극의 적어도 일부를 감싸는 구조로 형성되는 가스 감지 센서.
제1항에 있어서,
상기 플로팅 게이트 전극과 상기 확장 게이트 전극을 전기적으로 연결하는 제1연결선(Wiring);을 더 포함하는 가스 감지 센서.
제2항에 있어서,
상기 기준 전극은 그라운드 전압을 포함하는 외부 기준 전압과 연결되는 가스 감지 센서.
제1항에 있어서,
상기 확장 게이트 전극의 적어도 일면에 배치되고 상기 제2감지막과 상기 확장 게이트 전극 사이에 배치되는 제 1절연체;를 더 포함하는 가스 감지 센서.
제1항에 있어서,
상기 기준 전극의 적어도 일면에 배치되고 상기 제2감지막과 상기 기준 전극 사이에 배치되는 제 2절연체;를 더 포함하는 가스 감지 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2감지막 하부에 배치되는 열선;을 더 포함하는 가스 감지 센서.
제1항에 있어서,
상기 유전체층은,
상기 FET 채널의 전압을 제어할 수 있는 제어 게이트 전극;을 포함하는 가스 감지 센서.
FET 채널;
상기 FET 채널 상부에 배치되는 제어 전극;
상기 FET 채널 하부에 배치되는 유전체층;
상기 유전체층 하부에 배치되는 플로팅 게이트 전극;
상기 플로팅 게이트 전극 하부에 배치되는 절연체층;
상기 절연체층 하부에 배치되는 제1감지막; 및
상기 제1감지막 하부에 배치되는 바닥 전극;을 포함하는 가스 감지 센서.
제11항 있어서,
상기 바닥 전극은,
가스 투과형 다공성 전극을 포함하는 전극.
제11항 있어서,
상기 플로팅 게이트 전극과 제1연결선을 통해 연결되는 확장 게이트 전극 및 상기 확장 게이트 전극의 적어도 일 면에 배치되는 제2감지막;을 더 포함하는 가스 감지 센서
제13항에 있어서,
상기 제2감지막의 적어도 일 측면에 배치되는 기준 전극;을 더 포함하고
상기 제2감지막은,
상기 확장 게이트 전극과 상기 기준 전극을 연결하는 구조로 배치되는 가스 감지 센서.
제14항 있어서,
상기 확장 게이트 전극과 상기 제2감지막 사이에 배치되는 제1절연체 및 상기 기준 전극과 상기 제2감지막 사이에 배치되는 제2절연체;를 더 포함하는 가스 감지 센서
제14항에 있어서,
상기 제2 감지막 하부에 배치되는 열선;을 더 포함하는 가스 감지 센서.
제1기판;
상기 제1기판 상부에 배치되는 FET 채널;
상기 FET 채널 상부에 배치되는 플로팅 게이트 전극;을 포함하는 복수 개의 FET 소자;를 포함하는 기준 기판; 및
상기 FET 소자와 제1연결선을 통해 연결되는 확장 게이트 전극 및 상기 확장 게이트의 적어도 일 면에 배치되는 제2감지막;을 포함하는 복수 개의 확장 기판;을 포함하는 가스 감지 센서.
제17항에 있어서,
상기 확장 기판은,
상기 제2감지막의 적어도 일 면에 배치되는 기준 전극;을 더 포함하는 가스 감지 센서.
제17항에 있어서,
상기 확장 기판은,
상기 제2감지막 하부에 배치되는 열선;을 더 포함하는 가스 감지 센서.
제17항에 있어서,
상기 기준 전극은 그라운드 전압을 포함한 외부 기준 전압과 연결되는 가스 감지 센서.