KR20210006333A - 센서 제조 방법 및 그러한 방법으로 제조된 센서 - Google Patents

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KR20210006333A
KR20210006333A KR1020207029057A KR20207029057A KR20210006333A KR 20210006333 A KR20210006333 A KR 20210006333A KR 1020207029057 A KR1020207029057 A KR 1020207029057A KR 20207029057 A KR20207029057 A KR 20207029057A KR 20210006333 A KR20210006333 A KR 20210006333A
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micro
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KR1020207029057A
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안톤 코크
로버트 윔머-테유벤바허
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머터리얼스 센터 레오벤 포르슝 게엠베하
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Abstract

본 발명은 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서(1)를 제조하기 위해, 아래의 단계, 즉: a) 기판(2)을 제공하는 단계; b) 복수의 전도성 구성요소(3)를 서로 정해진 간격으로 기판(2) 위에 배열하는 단계; c) 전도성 구성요소(3) 사이에서 산화 나노 와이어가 형성된 상태에서 전도성 구성요소를 산화하는 단계; d) 나노 와이어에 나노 입자가 증착되기 때문에, 센서(1)를 통해 CO2가 측정될 수 있는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서(1)에 관한 것으로서, 상기 센서는 기판(2), 이러한 기판(2) 위에 서로 정해진 간격을 두고 배열되어 있는 복수의 전도성 구성요소(3) 및 전도성 구성요소(3)의 산화를 통해 이러한 구성요소 사이에서 형성되는 산화 나노 와이어를 포함하며, 이러한 나노 와이어에 나노 입자가 증착되기 때문에 CO2가 센서(1)를 통해 측정될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

센서 제조 방법 및 그러한 방법으로 제조된 센서
본 발명은 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 기체에 존재하는 CO2-농도를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
기체, 특히 공기 중의 이산화탄소(CO2)의 함량을 측정하기 위한 관심은 다양한 이유에 근거한다. 한편, CO2는 지구 온난화의 원인이 되는 기체 가운데 하나로 간주된다. 다른 한편, 광역 도시권에서 높은 유해물질 배출로 인해 국부적으로 CO2의 농도를 정확하게 측정하는 것도 중요하다. 또한, 기체에 존재하는 CO2-함량 측정은 또 다른 응용 분야, 예를 들어 마취 상태로 수술할 때 호흡 기체의 CO2-함량이 컨트롤 되거나, 또는 호흡 기체에 존재하는 CO2-함량에 의거하여 여성의 배란기를 측정하기 위해서 중요하다.
기체 및 공기 중의 CO2-농도를 측정하기 위한 장치는 이미 오래전부터 선행 기술에 공지되어 있다. 최근에는 상대적으로 큰 사이즈로 구성된 공지된 장치를 작은 사이즈의 장치, 특히 소형화된 센서로 대체하는 경향이 있다. 예를 들어, 전술한 것에 따라 휴대 전화에 CO2-센서가 내장될 수 있다. 이로 인해, 다양한 가능성이 제공된다. 예를 들어, 휴대 전화 이용자가 임의의 지점, 예컨대 도시 지역과 주거 지역에서 언제든지 CO2-함량을 신속하게 검색하고, 목표 값과 비교할 수도 있다. 또한, 휴대 전화 이용자의 호흡 기체가 즉각적으로 신속하게 분석될 수 있다.
또한, 전술한 것에 대응하는 소형화된 센서를 제공하기 위해, 나노 와이어(nano wire) 및 나노 스트랜드(nano strand)로 작동하는 CO2-센서를 제조하는 것도 공지되어 있다. 일반적으로 종축에 대해 횡 단면에서 작은 나노 미터(nm)의 지름으로 형성된 나노 와이어를 사용함으로써 CO2가 민감하게 측정될 수 있다(S. Naama et al., CO2 gas sensor based on silicon nanowires modified with metal nanoparticles, Materials Science in Semiconductor Processing 38, 2015, 367). 이에 대응하여, 하나의 기체 또는 복수의 기체에 민감하게 반응하고, 측정을 위해 전류 회로에 내장된 소형 부품을 삽입함으로써 센서가 소형화될 수 있고, 그 이유는 민감한 유닛, 즉 공간에 적합한 나노 와이어 및 나노 스트랜드의 소형화가 요구되고 있기 때문이다.
경우에 따라, 기체에 존재하는 CO2를 측정하기 위해 사용되는 나노 와이어의 기능이 공지되어 있더라도, 바람직한 것은 단순한 방식과 적합한 민감성을 갖춘 CO2-센서를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
여기서 본 발명의 단초가 제공된다. 본 발명의 목적은 신뢰할 수 있는 센서, 즉 CO2에 민감한 그러한 센서를 단순한 방식으로 제조할 수 있는 전술한 방식의 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전술한 것에 대응하여 제조된 센서를 제공하는 것이다.
마지막으로, 본 발명의 목적은 기체에 존재하는 CO2-농도를 측정하기 위한 방법, 즉 확실하게 재현 가능한 측정 값을 제공하는 그러한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적은 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서를 제조하기 위해, 아래의 단계, 즉:
a) 기판을 제공하는 단계;
b) 복수의 전도성 구성요소를 서로 정해진 간격으로 기판 위에 배열하는 단계;
c) 전도성 구성요소 사이에서 산화 나노 와이어가 형성된 상태에서 전도성 구성요소를 산화하는 단계;
d) 나노 와이어에 나노 입자가 증착되기 때문에, 센서를 통해 CO2가 측정될 수 있는 단계를 포함하는 방법을 통해 해결된다.
본 발명에 따른 장점은 소형화된 센서가 제조될 수 있는 특히 단순한 방법이 제공된다는 것이며, 상기 센서는 특히 CO2에 반응 및 CO2에 민감하기 때문에, 기체, 예를 들어 주변 공기, 또한 내연 기관의 배기가스에 존재하는 CO2의 함량이 확실하게 측정될 수 있다. 이를 위해, 우선 첫 번째 단계에서 기판이 제공된다. 기본적으로, 임의의 물체가 기판으로 제공될 수 있다. 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)가 사용될 수도 있다. 또한, 기판은 나중에 휴대 전화에 장착되는 전자 칩(electronic chip)의 일부일 수도 있다. 상기 기판 위에는 복수의 전도성 구성요소가 서로 정해진 간격으로 배열된다. 다음 단계에서, 이러한 전도성 구성요소의 산화가 진행되며, 전류 회로에 내장되어 있거나, 또는 내장되는 나노 와이어 및 나노 스트랜드는 상기 전도성 구성요소 사이에서 형성된다. 마지막으로, 상기 나노 와이어에 나노 입자가 추가로 제공되기 때문에, 센서를 통해 CO2가 측정될 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 방법은 다수의 기판 위에서 임의의 전도성 구성요소가 증착될 수 있다는 사실을 통해 특징 되며, 이것은 주어진 공간적 제약, 예를 들어 전자 칩에 내장되는 것과 관련하여, 기하학적으로(geometric) 융통성 있는 방법을 제공하기 위한 것이다. 산화 작용 때문에 상기 나노 와이어 자체는 일반적으로 하나 또는 복수의 금속 산화물로 구성된 산화 나노 와이어가 제공될 수 있다. 나노 와이어에 나노 입자가 추가 증착됨으로써, CO2와 관련하여 후자의 민감성이 증가할 수 있다. 그렇게 제조된 센서로 인해, CO2가 확실하고 재현 가능하게 측정될 수 있고, 단순한 방식으로 제조될 수 있으며, 또한 측정 결과는 적어도 검사된 기체에 존재하는 습도와 무관하다.
상기 전도성 구성요소 사이에서 산화 나노 와이어가 형성되도록 하기 위해, 전도성 구성요소의 산화는 기본적으로 임의의 방식, 즉 당업자에게 알려진 방식으로 실시될 수 있다. 바람직하게는, 단계 c)에서 산화는 증가한 온도에서 실시된다. 산화는 공기 중에서 실시될 수 있다. 달리 표현하면: 공기 중에 존재하는 산소는 적어도 가능한 시간 내에 전도성 구성요소의 표면을 산화시키기에 충분하다. 당연히, 산화 작용하는 기체에 존재하는 산소 함량을 공기 중의 산소 함량보다 증가시킬 수도 있으며, 이때 순수한 산소가 사용될 수도 있다. 기체 혼합물의 사용, 예를 들어 산소를 포함하는 아르곤(argon) 같은 불활성 기체의 혼합물을 사용하는 것도 가능하다. 증가한 온도에서 산화를 진행시키기 위해, 바람직한 온도는 280℃ 초과, 특히 바람직하게는 280℃ 내지 420℃, 특히 더 바람직하게는 300℃ 내지 400℃이다. 대략 208℃의 온도에서 간격을 두고 배열된 전도성 구성요소 사이에서 나노 와이어 및 나노 스트랜드가 형성된다는 사실이 확인되었다. 상기 전도성 구성요소가 구리로 구성될 경우, 산화 시 우선 CU2O가 형성되며, 이때 CU2O-층이 형성된 상태에서 구리층의 두께가 감소한다. 이어지는 또 다른 결과로서, CU2O-층에서 CuO가 형성된다. 이어서, 전도성 구성요소 간의 간격이 연결된 상태에서 산화 나노 와이어가 CuO층으로부터 발생한다. 과정 진행 초기에 예외 없이 구리로 구성된 전도성 구성요소는 이러한 발생 과정 종료 시, 일반적으로 구리로 구성된 상태를 유지하며, 그 외에 구리 산화물로 형성된다. 대상 발명과 관련된 센서를 제조하기 위해, 대응하는 구성요소 제조를 위한 최적의 온도 창(temperature window)은 280℃ 내지 420℃, 특히 300℃ 내지 400℃의 온도 범위에 놓인다.
상기 전도성 구성요소는 일반적으로 금속으로 형성되며, 상기 금속은 나중에 산화된다. 이를 위해, 구리 또는 아연이 특히 적합한 것으로 입증되었다. 두 개의 금속은 우선 원하는 형태로 쉽게 증착되고, 이어서 나노 와이어 형성을 위해 산화된다. 이때, 바람직하게는 두 방법 단계, 즉 한편으로 금속 증착 단계와 다른 한편 금속 산화 단계를 위해 중간 온도 창이 선택될 수 있다. 이것은 상기 센서가 큰 유닛의 일부일 경우 특히 중요하며, 예를 들어 상기 센서가 전자 칩에 배치될 경우에 상기 유닛은 매우 높은 온도에서 견디지 못한다.
상기 전도성 구성요소를 제공하기 위해, 임의의 방법이 사용되며, 이러한 방법은 복수의 전도성 구성요소를 미리 선택된 간격으로 상기 기판 위에 제공할 수 있다. 이를 위해, 선택된 영역, 방법에서 예를 들어 전기 화학적 증착 과정은 레이저 절제(laser ablation) 또는 스탬프-몰딩-공정(stamp-molding-process)처럼 물질 제거를 위한 과정에 해당한다. 특히 바람직하게는, 단계 b)에서 상기 전도성 구성요소는 기체 상(gas phase)으로부터 증착된다. 이를 위해, 일반적으로 마스크(mask)가 사용되며, 상기 마스크는 기판에 또는 기판 위에 배열된다. 마스크로서 사진 석판술(photolithographic) 방법으로 제조된 그러한 마스크가 제공된다. 중합체로 구성된 층은 기판에서 증착되며, 이에 따라 중합체는 나중에 전도성 구성요소가 형성되어야 하는 모든 영역에서 선택적으로 제거된다. 대응하는 영역에서 중합체가 제거되고 난 후, 예를 들어 기체 상으로부터 증착을 통해 전도성 구성요소가 제공될 수 있다. 또한, 상기 기판 위에 우선 접착층(bonding layer)이 증착될 수 있으며, 이에 따라 전도성 구성요소가 증착된다. 이어서, 상기 접착층은 상기 전도성 구성요소 하단에 놓이게 된다. 접착층은 단지 기판 위에서 증착된 전도성 구성요소를 접착하기 위해서만 제공되며, 따라서, 얇은 두께, 예를 들어 100nm 미만, 특히 50nm 미만, 특히 바람직하게는 10nm 미만의 두께로 제공될 수 있다. 이를 위해, 티타늄 또는 크롬과 같은 금속이 적합하다. 전도성 구성요소, 궁극적으로 나노 와이어를 형성하기 위해 필요한, 그리고 센서 기능의 일부분에 해당하는 그러한 전도성 구성요소는 750nm 미만, 바람직하게는 200nm 내지 600nm의 두께로 증착된다.
상기 전도성 구성요소의 간격은 일반적으로 또 다른 영역에서 자유롭게 선택될 수 있다. 물론, 이러한 간격이 측정되어야 하는 것은 정해진 시간 내에 충분한 기계적 안정성을 갖는 그러한 나노 와이어가 전도성 구성요소 사이에서 형성되도록 하기 위한 것이다. 따라서, 간격은 바람직하게는 대략 1㎛ 내지 6㎛, 특히 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛로 조절될 수 있다. 상기 간격이 주어진 최댓값보다 크지 않을 경우, 나노 와이어의 충분한 안정성이 개별 전도성 구성요소 사이에 제공된다. 이때, 각각의 나노 와이어는 기능이 상실되는 단점 없이 오버랩될 수 있고, 상기 전도성 구성요소 사이에서 촘촘한 망상 구조를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 제조된 센서는 바람직하게는 높은 온도, 예를 들어 300℃ 내지 400℃의 온도 창에서 작동된다. 이를 위해, 상기 센서에 발열체(heating element)가 제공되거나, 또는 이러한 발열체와 연결될 수 있기 때문에, 전도성 구성요소 및 이러한 전도성 구성요소와 연결된 나노 와이어가 있는 모든 영역은 대응하는 온도가 제공될 수 있다. 특히 바람직하게는, 단계 a)에서 상기 발열체를 포함하는 기판이 제공된다. 이때, 산화 과정과 나노 와이어의 형성은 이미 상기 발열체, 즉 추후에 증가한 측정 온도를 조절하기 위해 필요한 그러한 발열체를 통해 진행될 수 있는 장점이 제공된다. 특히, 상기 발열체는 마이크로 발열 판(micro heating plate)으로서 제공될 수 있다. 상기 마이크로 발열 판은 100㎛ x 100㎛ 미만의 치수를 구비할 수 있다. 두께는 20㎛보다 작게 선택될 수 있다. 그러한 구성요소를 마이크로 전기 화학적 시스템(MEMS)으로 부른다. 그러한 마이크로 발열 판이 제공될 경우, 산화를 위해 단계 c)에서 가열에 의해 증가한 온도는 마이크로 발열 판으로 조절된다. 상기 마이크로 발열 판은 특히 칩(chip) 위에 배열될 수 있다. 그러한 칩은 예를 들어 휴대 전화기에 사용될 수 있다. 대응하는 높은 측정 온도가 제공되도록 하기 위해, 상기 마이크로 발열 판은 주변과 절연되고, 단지 필요한 전기 접점(electrical contact)을 통해 칩의 구성 요소와 연결되기 때문에, 300℃ 내지 400℃의 높은 측정 온도에서 다른 유닛 또는 전자 칩 영역에 손상을 주지 않는다.
상기 CO2와 관련하여 나노 와이어를 민감하게 만드는 나노 입자는 일반적으로 20nm 미만, 특히 10nm 미만의 평균 치수를 구비한다. 상기 나노 입자는 예를 들어 산화지르코늄 및/또는 금을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 은으로 구성된 나노 입자가 사용될 수도 있다. 또한, 탄산바륨 또는 티탄산바륨으로 구성된 나노 입자 및 이러한 물질의 임의의 혼합물이 적합하다.
상기 나노 입자는 딥-코팅(dip-coating)과 같은 코팅 방법 또는 이와 유사한 방법을 통해 상기 나노 와이어에 도포된다. 또한, 더 높은 수준의 구조화가 달성될 수 있는 방법도 가능하다. 특히, 바람직하게는 잉크-젯-프린팅(ink-jet-printing)이 적합한 방법에 해당한다. 일반적으로, 상기 나노 입자는 유기 리간드(organic ligand)로 안정화되기 때문에, 이러한 유기 리간드를 연소시키기 위해 이에 대응하여 나노 입자의 온도도 증가 될 필요가 있다. 금속 나노 입자, 특히 금으로 구성된 그러한 나노 입자가 제공될 경우, 이러한 나노 입자는 스퍼터링(sputtering) 또는 증발과 이어지는 온도 처리(temperature treatment)를 통해 형성될 수 있으며, 그 이유는 온도 처리시 나노 입자에 증착된 물질의 분리가 조절되기 때문이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서를 통해 달성되며, 상기 센서는 기판, 이러한 기판 위에 서로 정해진 간격을 두고 배열되어 있는 복수의 전도성 구성요소 및 전도성 구성요소의 산화를 통해 이러한 구성요소 사이에서 형성되는 산화 나노 와이어를 포함하며, 이러한 나노 와이어에 나노 입자가 증착되기 때문에, 상기 센서를 통해 CO2가 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 센서는 튼튼하고, 쉽게 제조될 수 있으며 안정적인 구성을 통해 특징 되며, 이러한 센서로 인해 CO2가 확실하게 측정될 수 있다. 상기 센서는 특히 증가한 온도, 바람직하게는 300℃ 내지 400℃의 온도 창에서 작동되며, 습도에 대해 민감하게 반응하기 않는다. 따라서, 이와 관련한 별도의 보정이 필요 없다.
전도성 구성요소는 완전히 또는 부분적으로 산화된 구리 또는 완전히 또는 부분적으로 산화된 아연으로 형성될 수 있다. 전술한 이유에서, 구리뿐만 아니라, 아연은 상기 센서의 용이한 제조를 위해 특히 적합하다.
상기 전도성 구성요소는 바람직하게는 750nm의 두께, 특히 바람직하게는 200nm 내지 600nm의 두께로 형성되어 있다. 전술한 두께는 전도성 구성요소의 간격이 대략 1㎛ 내지 6㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛일 경우, 바로 반대쪽에 놓여 있는 전도성 구성요소에 대해 나노 와이어를 산화시키고, 형성하는 물질을 충분히 제공하기 위해 충분하다.
전도성 구성요소를 위해 구리 또는 아연이 산화될 경우, 나노 와이어는 일반적으로 산화구리 또는 산화아연으로 형성된다.
특히 바람직하게는, 상기 센서에 발열체가 제공된다. 이로 인해, 높은 온도에서도 CO2-농도가 측정될 수 있다. 상기 발열체는 관련 전도성 구성요소 및 나노 와이어가 원하는 온도, 예를 들어 300℃ 내지 400℃의 온도 창에 놓이도록 배열된다. 이를 위해, 전도성 구성요소를 지지하는 기판은 발열체를 지지하는 또 다른 지지 요소와 연결될 수 있다. 또한, 전도성 구성요소를 증착하기 전에, 상기 기판에 발열체를 제공하는 것도 가능하다. 이때, 특히 마이크로 발열 판, 바람직하게는 전술한 치수를 갖는 그러한 마이크로 발열 판이 제공될 수 있다. 상기 마이크로 발열 판으로 인해, 전도성 구성요소가 특히 300℃ 초과의 온도로 가열될 수 있다. 마이크로 발열 판이 기판과 연결되거나, 또는 이러한 기판에 내장된 상태에서 전도성 구성요소가 상기 기판 위에 배열될 경우, 상기 마이크로 발열 판 또는 경우에 따라 또 다른 종류의 발열체는 아래의 세 가지 목적, 즉:
i) 나노 와이어를 형성하기 위해 증가한 온도를 조절;
ii) 나노 입자의 유기 리간드를 연소시키기 위해 나노 입자의 도포 이후, 증가한 온도를 조절;
iii) 주변 온도보다 높은 측정 온도를 조절하는 목적을 달성하기 위해 제공된다.
상기 나노 입자는 증발, 스퍼터링 또는 이와 유사한 것을 통해 형성되고, 증가한 온도에서 그러한 나노 입자가 분리될 경우, 네 번째 목적이 추가된다.
상기 마이크로 발열 판은 특히 CMOS-칩 위에 배열될 수 있다. 전술한 것에 대응하여, 일반적으로 본 발명에 따른 센서를 포함하는 칩이 형성될 수 있다. 또한, 개별 칩이 복수의 센서를 구비할 수도 있다.
본 발명의 범위에서, 본 발명에 따른 센서는 특히 250℃ 초과 온도에서 기체에 존재하는 CO2에 대해 매우 민감하게 반응한다는 사실이 확인되었다. 전술한 것에 대응하여, 본 발명의 또 다른 측면은 기체에 존재하는 CO2-농도를 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 본 발명에 따른 센서가 사용되고, 250℃ 초과, 특히 300℃ 초과 온도에서 측정이 실시된다.
본 발명의 또 다른 특징, 장점 및 영향은 실시 예와 관련하여 도면을 통해 상세하게 설명된다. 도면 설명은 아래와 같다:
도 1은 기판 위에 있는 전도성 구성요소을 사진 석판술에 따라 제조하는 단계를 도시하고 있고;
도 2a 및 도 2b는 기판 위에 있는 전도성 구성요소의 가능한 형태를 도시하고 있고;
도 3은 전도성 구성요소의 주사 전자 현미경 촬영 및 전도성 구성요소 사이에서 형성된 나노 와이어를 확대하여 도시하고 있고
도 4는 CO2-센서의 구조를 도시하고 있고;
도 5는 칩에 내장된 마이크로 발열 판을 주사 전자 현미경 사진을 도시하고 있고;
도 6은 칩에 내장된 CO2-센서의 구조를 개략적으로 도시하고 있고;
도 7은 CO2-측정을 그래프로 도시하고 있다.
본 발명에 따른 센서(1)는 기본적으로 임의의 기판(2) 위에서 제조될 수 있다. 다음에서는 두 개의 표본적인 제조의 예가 설명된다.
제조의 예 1
본 발명에 따른 센서(1)는 실리콘 기판 위에 배열될 수 있다. 이를 위해, 웨이퍼(wafer)가 사용될 수 있으며, 상기 웨이퍼는 2cm x 2cm 크기의 조각으로 절단된다. 상기 웨이퍼의 두께는 대략 700㎛일 수 있다. 대응하는 기판(1)은 일반적으로 열에 의해 산화된 300nm의 층 두께를 갖는 이산화규소를 구비한다. 이러한 산화 층은 복수의 센서(1)가 평행하게 상기 기판 위에 배열될 때 중요한 역할을 할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 기판(2)이 제공될 때 상기 센서(1)가 제조될 수 있다. 이어서, 사진 석판술 및 금속 증착 또는 선택적으로 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)를 통해 전도성 구성요소(3)가 상기 기판(2) 위에 배열된다. 이것은 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 임의의 기하학적 패턴이 제공될 수 있다. 도 2a 및 2b는 제한되지 않은 실시 예를 도시하고 있다.
예를 들어, 구리 또는 아연이 금속으로서 사용될 수 있다. 상기 금속은 도 2a 및 도 2b에서 알 수 있듯이, 우선 기판(2) 위에서 전도성 구성요소(3)를 형성하고 있다. 구리 또는 아연의 증착은 진공 상태에서 Leybold GmbH 회사의 Univex Evaporator 450으로 실시될 수 있다. 금속 층의 일반적인 층 두께는 200nm 내지 600nm이다. 또한, 전도성 구성요소(3)를 증착하기 전에, 특히 금속, 예컨대 티타늄 또는 크롬으로 구성된 더욱 얇은 접착층을 증착하는 것도 가능하다. 접착층으로 인해, 전도성 구성요소(3)에서 전압이 억제 또는 적어도 감소 되고, 접착력이 개선될 수 있다. 이어서, 또 다른 단계에서 상기 전도성 구성요소(3)의 열 산화(thermal oxidation)가 실시되기 때문에, 나노 와이어 및 나노 스트랜드는 인접해 있는 전도성 구성요소(3) 사이에서 형성된다. 도 2a에서 알 수 있듯이, 간격(A)은 예를 들어 2㎛ 내지 4㎛이다. 금속으로서 구리 또는 아연을 위한 개별 공정 단계와 관련하여 일반적인 공정 매개변수는 아래의 표 1과 2에서 알 수 있다.
산화구리-나노 와이어의 공정 매개변수
단계 1: 전자빔 리소그래피
PMMA Resist AR-P 672,08(ALLRESIST)
스핀 코팅(spin coating)시 회전[U/min] 2000
증착 시간[s] 60
열 후처리 온도[℃] 180
열 후처리 시간[s] 300
개발자 AR600-55(ALLRESIST)
개발 시간[s] 15
스토퍼 AR600-60(ALLRESIST)
정지 시간 60
단계 2: 열 증발
금속 1 티타늄
금속 1의 두께[nm] 5
금속 2 구리
금속 2의 두께[nm] 500
단계 3: Lift-off
용매 아세톤
시간[h] 4
단계 4: 열 산화
산화 온도[℃] 335
산화 시간[h] 5
상대 습도[%] 대략 4
산화아연-나노 와이어의 공정 매개변수
단계 1: 전자빔 리소그래피
PMMA Resist AR-P 672,08(ALLRESIST)
스핀 코팅(spin coating)시 회전[U/min] 1000
증착 시간[s] 60
열 후처리 온도[℃] 150
열 후처리 시간[s] 180
개발자 AR600-56(ALLRESIST)
개발 시간[s] 20
스토퍼 AR600-60(ALLRESIST)
정지 시간 30
단계 2: 열 증발
금속 1 티타늄
금속 1의 두께[nm] 5
금속 2 아연
금속 2의 두께[nm] 250
단계 3: Lift-off
용매 아세톤
시간[h] 12
단계 4: 열 산화
산화 온도[℃] 400
산화 시간[h] 3-5
도 3은 나노 와이어를 통해 연결된 전도성 구성요소(3)의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) 촬영을 도시하고 있다. 단면에서 알 수 있듯이, 개별 나노 와이어는 전도성 구성요소 사이의 자유 거리 또는 간격(A)을 지나 뻗어 있다.
도 3에서 알 수 있듯이, 상기 나노 와이어는 이어서 또는 경우에 따라 센서(1) 제조의 나중 단계에서 나노 입자와 민감하게 반응한다. 나노 입자는 특히 산화지르코늄(ZrO2) 및/또는 금(Au)을 포함할 수 있다. 대응하는 나노 입자는 시중에서 구입할 수 있고, 20nm 미만의 평균 입자 크기를 구비할 수 있다. 상기 센서(1)는 기체에 존재하는 CO2-함량을 측정하기 위해 적합하며, 측정은 증가한 온도, 특히 200℃ 초과 온도, 예를 들어 300℃ 내지 400℃의 온도 창에서 실시된다. 이를 위해, 상기 센서(1)는 또 다른 지지 요소(5)를 구비할 수 있으며, 상기 지지 요소는 발열체 및 마이크로 발열 판(4)을 구비 및/또는 지지한다. 상기 발열체와 함께 이러한 지지 요소(5)는 접착 또는 접착제(7)를 통해 기판(2)과 이러한 기판 위에 배열된 전도성 구성요소(3) 및 센서(1)와 연결될 수 있다. 또한, 열 소자(6)가 제공될 수도 있다. 이것은 도 4에 도시되어 있다. 상세하게 설명되어 있지 않지만, 필요할 경우 개별 구성 요소는 이러한 구성 요소의 측정 및 작동을 위해 전기 접촉할 수 있다.
제조의 예 2
제조의 예 1에 대응하여, 기본적으로 임의의 기판(2)이 상기 센서(1)를 제조하기 위해 적합하다. 변형된 바람직한 실시 형태에 따라, 상기 센서(1)는 이미 마이크로 발열 판(4)과 함께 형성된 칩, 특히 CMOS-칩 위에 제공된다. 마이크로 발열 판(4)을 포함하는 또 다른 베이스(base)도 제공될 수 있다. 도 5는 상기 마이크로 발열 판(4)이 내장된 칩과 관련하여 주사 전자 현미경으로 촬영된 평면도를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 구조를 개략적으로 다시 설명하고 있다. 상기 마이크로 발열 판(4) 위에는 열 분배를 위한 소자(8)가 배열되어 있으며, 상기 소자는 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 협의의 의미에서 상기 센서 배열은 열 절연된 상태로 배열된다. 도 5에서 알 수 있듯이, 전반적인 구조는 거미줄처럼 생긴 전기 연결을 통해서만 그 밖의 칩과 연결되며, 그렇지 않을 경우 자립적으로 지지하도록 제공된다. 이로 인해, 상기 마이크로 발열 판(4)은 칩에 내장된 상태에도, 예를 들어 즉각적으로 400℃의 온도로 가열될 수 있으며, 이때 칩의 그 밖의 구성요소는 열의 영향을 받지 않는다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 상기 마이크로 발열 판(4)의 하단에 실리콘 제거로 인해 발생한 홈이 제공된다. 대응하는 물질 제거는 에칭 공정을 통해 달성된다. 마이크로 발열 판(4)과 함께 자립적 지지로 고안된 전체 센서 배열은 주변으로부터 충분히 절연된다. 열 소자(6)가 제공될 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다.
측정 결과
본 발명에 따른 센서를 통해, 특히 300℃ 내지 400℃의 온도 창에서 CO2-함량이 저항 측정으로 인해 특히 민감하게 측정될 수 있다. 이때, 측정 결과는 검사된 기체에 존재하는 습도와 무관하다. 이것은 다양한 목적을 달성하기 위해 보정이 불필요하다는 것을 의미한다.
도 7에서 알 수 있듯이, 전술한 두 개의 제조의 예 가운데 하나의 제조의 에에 따라 제조된 상기 센서(1)는 CO2-농도의 변화에 민감하게 반응한다. 도 7에 도시되어 있듯이, 측정 시 작동 온도는 300℃이다. 여기서 알 수 있는 것처럼, 측정 결과는 단지 수용 가능한 적은 양에서만 습도의 영향을 받으며, 이때 습도는 점선에 대응하여 25% 내지 75%에서 변화되었다. 또한, 250ppm 내지 2000ppm의 관련 농도 범위에서 측정 결과는 직사각형 형태로 도시된 CO2-펄스와 상관관계를 갖는다. CO2-분자가 존재할 경우, 기체에 민감한 산화 층과 CO2-분자 사이에서 전하 운송자 교체(전자-이송)가 이루어진다. 이러한 센서 층의 전기 저항은 증가하는 CO2-농도와 함께 증가한다.
본 발명에 따른 센서(1)는 단순한 방식으로 제조될 수 있으며, 튼튼하고, 특히 높은 온도에서 기체에 존재하는 CO2-농도를 측정하기 위해 적합하다. 특히, 그러한 센서(1)는 전자 칩에 내장, 예를 들어 마이크로 발열 판(4)과 결합 될 수 있다. 상기 마이크로 발열 판(4)은 제조가 진행되는 동안, 전도성 구성요소(3)의 산화 및 증착된 나노 입자의 유기 구성요소의 연소를 위해 사용될 수 있으며, 이로써 용이한 제조가 달성된다. 또한, 상기 마이크로 발열 판(4)은 작동 시 CO2-함량 측정을 위해 원하는 높은 온도를 보장한다. 상기 센서(1)와 함께 마이크로 발열 판(4)의 절연된 배열로 인해, 대응하는 센서 배열은 전자 칩에 내장될 수 있으며, 그 이유는 주변에 영향을 주지 않는 단지 국부적으로 높은 온도가 도달하기 때문이다.
본 발명에 따른 센서(1)는 전술한 응용 분야와 함께 일련의 또 다른 사용 목적, 예컨대 건물 내의 유해 기체 모니터링, 사람의 작업 환경 검사 또는 기계의 상태 모니터링을 위해 제공될 수도 있으며, 이때 기계는 작동 또는 또 다른 공정을 통해 기계의 상태와 연관될 수 있는 기체를 배출하는 그러한 기계에 해당한다.

Claims (25)

  1. 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서(1)를 제조하기 위해, 아래의 단계, 즉:
    a) 기판(2)을 제공하는 단계;
    b) 복수의 전도성 구성요소(3)를 서로 정해진 간격으로 기판(2) 위에 배열하는 단계;
    c) 전도성 구성요소(3) 사이에서 산화 나노 와이어가 형성된 상태에서 전도성 구성요소를 산화하는 단계;
    d) 나노 와이어에 나노 입자가 증착되기 때문에, 센서(1)를 통해 CO2가 측정될 수 있는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 c)에서 산화는 증가한 온도, 바람직하게는 280℃ 초과, 특히 바람직하게는 280℃ 내지 420℃, 특히 더 바람직하게는 300℃ 내지 400℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전도성 구성요소(3)는 구리 또는 아연으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 b)에서 전도성 구성요소(3)는 기체 상으로부터 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 b)에서 상기 기판(2) 위에 접착층이 증착되며, 이에 따라 전도성 구성요소(3)가 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    전도성 구성요소(3)는 750nm 미만, 바람직하게는 200nm 내지 600nm 미만의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    간격(A)은 대략 1㎛ 내지 6㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서 발열체를 포함하는 기판(2)이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발열체는 마이크로 발열 판(4)인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    산화를 위해 단계 c)에서 증가한 온도는 마이크로 발열 판(4)의 가열로 인해 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 마이크로 발열 판(4)은 칩 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로 발열 판(4)은 열 절연되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d)에서 20nm 미만, 특히 10nm 미만의 평균 치수를 갖는 나노 입자가 나노 와이어에 증착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    나노 입자는 산화지르코늄 및/또는 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 기체에 존재하는 CO2의 농도를 측정할 수 있는 센서(1)로서, 상기 센서는 기판(2), 이러한 기판(2) 위에 서로 정해진 간격을 두고 배열되어 있는 복수의 전도성 구성요소(3) 및 전도성 구성요소(3)의 산화를 통해 이러한 구성요소 사이에서 형성되는 산화 나노 와이어를 포함하며, 이러한 나노 와이어에 나노 입자가 증착되기 때문에 CO2가 센서(1)를 통해 측정될 수 있는 센서(1).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전도성 구성요소(3)는 완전히 또는 부분적으로 산화된 구리 또는 완전히 또는 부분적으로 산화된 아연으로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서(1).
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 전도성 구성요소(3)는 750nm 미만, 바람직하게는 200nm 내지 600nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서(1).
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 구성요소(3) 사이의 간격(A)은 대략 1㎛ 내지 6㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 센서(1).
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 와이어는 일반적으로 산화구리 또는 산화아연으로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서(1).
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(2)은 발열체를 구비하는 것을 특징으로 하는 센서(1).
  21. 제20항에 있어서,
    상기 발열체는 마이크로 발열 판(4)인 것을 특징으로 하는 센서(1).
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전도성 구성요소(3)는 마이크로 발열 판(4)을 통해 특히 300℃ 초과의 온도로 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는 센서(1).
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 마이크로 발열 판(4)은 CMOS-칩 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 센서(1).
  24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 센서(1)를 포함하는 전자 칩.
  25. 기체에 존재하는 CO2-농도를 측정하기 위해, 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 센서(1)가 사용되고, 250℃ 초과, 특히 300℃ 초과의 온도에서 측정이 실시되는 방법.
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