KR20220140855A - Mems 가스 센서 및 이의 어레이, 가스 감지 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
MEMS 가스 센서(A) 및 이의 어레이(B), 가스 감지 및 제조 방법에 있어서, 상기 가스 센서(A)는 제1 표면에 캐비티(A1)가 개방되는 제1 기판(A2), 캐비티(A1) 개구부에 설정된 가스 감지 컴포넌트(A3)를 포함하며, 가스 감지 컴포넌트(A3)는 캐비티(A1) 개구 위에 설정된 지지 현수교(A31) 및 지지 현수교(A31) 위에 설정된 가스 감지부(A32)를 포함하며, 가스 감지부(A32)는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부(A321), 절연층(A322), 스트립 감지 전극부(A323) 및 가스 감응 물질부(A324)를 포함하며, 스트립 감지 전극부(A323)는 제1 감지 전극부(A323-1)와 제2 감지 전극부(A323-2)를 포함하며, 제1 감지 전극부(A323-1)와 제2 감지 전극부(A323-2) 사이에는 제1개구부(A325)가 설정되고, 가스 감응 물질부(A324)는 제1 개구부(A325) 위치에 설정되며, 가스 감응 물질부(A324) 제1단은 제1 감지 전극부(A323-1)와 연결되고, 가스 감응 물질부(A324) 제2단은 제2 감지 전극부(A323-2)와 연결된다.
Description
본 출원은 2020년 03월 26일 중국 특허청에 출원되어, 출원번호가 202010222341.9이고, 발명의 명칭은 "MEMS 가스 센서 및 이의 어레이, 가스 감지 및 제조 방법"인 중국 특허 출원의 우선권을 주창하며, 이의 전체 내용은 인용을 통하여 본 출원에 포함되어 있다.
본 출원은 가스 감지 기술 분야에 관한 것으로, 특히 MEMS 가스 센서 및 이의 어레이, 가스 감지 및 제조 방법을 관한 것이지만 이에 제한되지 않는다.
냄새 인식은 가스 센서의 중요한 응용 분야 중 하나이다. 금속 산화물 반도체식 가스 센서는 저전력, 저비용, 높은 집적도, 다양한 가스에 대한 응답성 등 뛰어난 특성으로 냄새 인식 장비에 널리 응용되고 있다. MOS(Metal-Oxide Semiconductor, 금속 산화물 반도체) 유형의 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System, 미세 전자 기계 시스템) 가스 센서는 주로 높은 기계적 강도를 가진 폐쇄막식 및 빠른 열응답 속도를 가진 부유막식을 기반으로 연구한다. 그러나 상술한 유형의 가스 센서는 여전히 전력 소모가 큰 문제를 가지고 있다.
아래에서는 본 공개된 주제에 대하여 간략히 설명하도록 한다. 본 요약은 청구범위의 보호 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 공개의 실시예는 MEMS 가스 센서 및 이의 어레이, 가스 감지 및 제조 방법을 제공한다.
한편으로, 본 공개의 실시예는 MEMS 가스 센서를 제공하며, 제1 표면에 캐비티가 개방되는 제1 기판, 캐비티 개구부에 설정되는 가스 감지 컴포넌트가 포함될 수 있으며, 여기에서,
상기 가스 감지 컴포넌트는 상기 캐비티 개구 제1 가장자리와 제2 가장자리에 설정되는 지지 현수교, 및 상기 지지 현수교에 설정되는 상기 캐비티의 한쪽에서 떨어진 가스 감지부를 포함하며, 여기에서, 상기 가스 감지부는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부, 절연층, 스트립 감지 전극부 및 가스 감응 물질부를 포함하며, 상기 스트립 감지 전극부는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부를 포함하고, 상기 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이에 제1 개구가 설정되며, 상기 가스 감응 물질부는 상기 제1 개구 위치에 설정되며, 상기 가스 감응 물질부의 제1 단은 상기 제1 감지 전극부와 연결되고, 상기 가스 감응 물질부의 제2 단은 상기 제2 감지 전극부와 연결된다.
다른 한편으로, 본 공개의 실시예는 또한 MEMS 가스 센서의 가스 감지 방법을 제공하며, 상기 MEMS 가스 센서는 상술한 임의의 하나의 MEMS 가스 센서이며; 상기 방법에는,
상기 MEMS 가스 센서 중의 임의의 하나 또는 다수의 가스 감지부를 선택하여 상기 가스 감지 컴포넌트 중의 스트립 가열 전극부에 가열 전압을 가하여 상기 가스 감지부 중 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이의 전압 값을 취득하는 것이 포함될 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 공개의 실시예는 또한 MEMS 가스 센서 어레이를 제공하며, 상기 센서 어레이는 다수의 상술한 임의의 한가지 MEMS 가스 센서를 포함할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 공개의 실시예는 또한 MEMS 가스 센서의 제조 방법을 제공하며, 상기 MEMS 가스 센서는 상술한 일 MEMS 가스 센서이며; 상기 방법에는,
제1 기판을 준비하며;
상기 제1 기판의 제1 표면에 지지막을 형성하며;
상기 지지막에 가스 감지부를 형성하며, 여기에는, 상기 가스 감지부는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부, 절연층, 스트립 감지 전극부 및 가스 감응 물질부를 포함하며, 상기 스트립 감지 전극부는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부를 포함하고, 상기 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이에 제1 개구가 설정되며, 상기 가스 감응 물질부는 상기 제1 개구 위치에 설정되며, 상기 가스 감응 물질부의 제1 단은 상기 제1 감지 전극부와 연결되고, 상기 가스 감응 물질부의 제2 단은 상기 제2 감지 전극부와 연결되며;
상기 지지막에 대하여 가공을 수행하여 지지 현수교를 취득하며, 또한 상기 제1 기판의 제1 표면에 하나 또는 다수의 캐비티를 형성하며, 상기 지지 현수교는 상기 캐비티 개구의 제1 가장자리와 제2 가장자리에 설정되는 것이 포함될 수 있다.
도면과 상세한 설명을 읽고 이해한 후에 기타 면을 이해할 수 있다.
도 1은 본 공개의 일 예시적 실시예 중 일 MEMS 가스 센서 구성 구조의 단면도이다.
도 2는 본 공개의 일 예시적 실시예 중 일 MEMS 가스 센서의 구성 구조의 조감도이다.
도 3은 본 공개의 예시적 실시예의 제1 기판에는 하나의 캐비티가 설정되어 있고, 하나의 캐비티 개구부에는 다수의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있는 도면이다.
도 4는 본 공개의 예시적 실시예의 제1 기판에는 다수의 캐비티가 설정되어 있고, 다수의 캐비티 개구부에는 다수의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있는 도면이다.
도 5는 본 공개의 예시적 실시예의 제1 기판에는 다수의 캐비티가 설정되어 있고, 각 캐비티 개구부에는 하나의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 공개의 예시적 실시예의 캐비티의 배열 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 공개의 예시적 실시예의 임의의 하나의 캐비티 중 가스 감지 컴포넌트 또는 가스 감지부의 배열 도면이다.
도 8은 본 공개의 예시적 실시예의 제1 캐비티의 다수의 가스 감지 컴포넌트와 제2 캐비티의 다수의 가스 감지 컴포넌트가 핀을 공유하는 도면이다.
도 9는 본 공개의 예시적 실시예의 일 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서의 구성 구조 도면이다.
도 10은 본 공개의 예시적 실시예의 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서 중 물고기 뼈 구조 도면이다.
도 11은 본 공개의 예시적 실시예의 가스 감응 물질층의 도면이다.
도 12는 본 공개의 예시적 실시예의 가스 감지 전극층의 도면이다.
도 13은 본 공개의 예시적 실시예의 격리막층의 도면이다.
도 14는 본 공개의 예시적 실시예의 히터층의 도면이다.
도 15는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 전압 입력/출력 도면이다.
도 16은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가열 회로 등가 도면이다.
도 17은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가스 감지 회로의 첫 번째 등가 도면이다.
도 18은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가스 감지 회로의 두 번째 등가 도면이다.
도 19는 본 공개의 예시적 실시예의 지지막 레이어의 도면이다.
도 20은 본 공개의 예시적 실시예의 기판 레이어의 도면이다.
도 21은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가스 감지 방법의 흐름도이다.
도 22는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 제조 방법 흐름도이다.
도 23은 본 공개의 예시적 실시예의 지지막에 가스 감지부, 가열 전극 핀, 제1 접지 핀, 감지 전극 핀 및 제2 접지 핀을 제조하는 방법 흐름도이다.
도 24는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 각 레이어를 제조하는 방법 흐름도이다.
도 25는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서 어레이 구성 블럭도이다.
도 2는 본 공개의 일 예시적 실시예 중 일 MEMS 가스 센서의 구성 구조의 조감도이다.
도 3은 본 공개의 예시적 실시예의 제1 기판에는 하나의 캐비티가 설정되어 있고, 하나의 캐비티 개구부에는 다수의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있는 도면이다.
도 4는 본 공개의 예시적 실시예의 제1 기판에는 다수의 캐비티가 설정되어 있고, 다수의 캐비티 개구부에는 다수의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있는 도면이다.
도 5는 본 공개의 예시적 실시예의 제1 기판에는 다수의 캐비티가 설정되어 있고, 각 캐비티 개구부에는 하나의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 공개의 예시적 실시예의 캐비티의 배열 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 공개의 예시적 실시예의 임의의 하나의 캐비티 중 가스 감지 컴포넌트 또는 가스 감지부의 배열 도면이다.
도 8은 본 공개의 예시적 실시예의 제1 캐비티의 다수의 가스 감지 컴포넌트와 제2 캐비티의 다수의 가스 감지 컴포넌트가 핀을 공유하는 도면이다.
도 9는 본 공개의 예시적 실시예의 일 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서의 구성 구조 도면이다.
도 10은 본 공개의 예시적 실시예의 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서 중 물고기 뼈 구조 도면이다.
도 11은 본 공개의 예시적 실시예의 가스 감응 물질층의 도면이다.
도 12는 본 공개의 예시적 실시예의 가스 감지 전극층의 도면이다.
도 13은 본 공개의 예시적 실시예의 격리막층의 도면이다.
도 14는 본 공개의 예시적 실시예의 히터층의 도면이다.
도 15는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 전압 입력/출력 도면이다.
도 16은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가열 회로 등가 도면이다.
도 17은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가스 감지 회로의 첫 번째 등가 도면이다.
도 18은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가스 감지 회로의 두 번째 등가 도면이다.
도 19는 본 공개의 예시적 실시예의 지지막 레이어의 도면이다.
도 20은 본 공개의 예시적 실시예의 기판 레이어의 도면이다.
도 21은 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 가스 감지 방법의 흐름도이다.
도 22는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 제조 방법 흐름도이다.
도 23은 본 공개의 예시적 실시예의 지지막에 가스 감지부, 가열 전극 핀, 제1 접지 핀, 감지 전극 핀 및 제2 접지 핀을 제조하는 방법 흐름도이다.
도 24는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서의 각 레이어를 제조하는 방법 흐름도이다.
도 25는 본 공개의 예시적 실시예의 MEMS 가스 센서 어레이 구성 블럭도이다.
본 발명의 설명은 다수의 실시예를 설명하지만, 해당 설명은 예시적인 것이지 제한적인 것은 아니다. 다만 특별히 제한하는 상황을 제외하고, 임의의 실시예의 임의의 특징 또는 소자는 임의의 기타 실시예 중의 임의의 기타 특징 또는 소자와 결합시켜 사용할 수 있고, 또는 임의의 기타 실시예 중의 임의의 기타 특징 또는 소자를 대체할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, MEMS 가스 센서(A)를 제공하며, 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 표면에 캐비티(A1)가 개방되는 제1 기판(A2), 캐비티 개구부에 설정되는 가스 감지 컴포넌트(A3)가 포함될 수 있으며, 여기에서,
상기 가스 감지 컴포넌트(A3)는 상기 캐비티 개구 제1 가장자리(A21)와 제2 가장자리(A22)에 설정되는 지지 현수교(A31), 및 상기 지지 현수교(A31)에 설정되는 상기 캐비티의 한쪽에서 떨어진 가스 감지부(A32)를 포함하며, 여기에서, 상기 가스 감지부(A32)는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부(A321), 절연층(A322), 스트립 감지 전극부(A323) 및 가스 감응 물질부(A324)를 포함하며, 상기 스트립 감지 전극부(A323)는 제1 감지 전극부(A323-1)와 제2 감지 전극부(A323-2)를 포함하고, 상기 제1 감지 전극부(A323-1)와 제2 감지 전극부(A323-2) 사이에 제1 개구(A325) 가 설정되며, 상기 가스 감응 물질부(A324)는 상기 제1 개구(A325) 위치에 설정되며, 상기 가스 감응 물질부(A324)의 제1 단은 상기 제1 감지 전극부(A323-1)와 연결되고, 상기 가스 감응 물질부(A324)의 제2 단은 상기 제2 감지 전극부(A323-2)와 연결된다.
일 예시적 실시예에서, 캐비티(A1)는 하나 또는 다수를 포함할 수 있으며, 가스 감지 컴포넌트(A3)는 하나 또는 다수일 수 있으며, 상응하게, 각 캐비티(A1)에 설정되는 지지 현수교(A31)는 하나 또는 다수를 포함할 수 있으며; 본 명세서는 캐비티(A1), 지지 현수교(A31)의 수량에 대하여 제한하지 않는다.
일 예시적 실시예에서, 캐비티(A1)는 제1 기판(A2)의 한 표면에 설정되는 것을 제한하지 않으며, 제1 기판(A2)의 다수의 표면에 캐비티(A1)를 설정할 수 있으며, 또한 상응하게 서로 다른 표면의 캐비티(A1)에 하나 또는 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정할 수 있다.
본 공개의 실시예의 상기 MEMS 가스 센서는 MEMS 공정으로 제조되어 단일 공정 센서 제조 패키지를 구현하며, 가스 센서 일관 제조 과정을 크게 간소화할 수 있고, 비용을 크게 줄일 수 있으며, 효율을 향상시킬 수 있고, 제조 주기를 단축할 수 있으며, 센서의 일관성과 안정성을 향상시키는 데 유리할 수 있다. 스트립 지지 현수교 구조를 이용하여 센서의 유효 구역을 스트립 지지 현수교 구조에 제작하여, 구불구불한 모양, 나선형 또는 지그재그 히터 구조 및 서로 맞물린 전극 구조를 생략하며, 이는 가스 센서의 전력 소모를 크게 줄일 수 있고, 열 응답 속도를 향상시킨다. 캐비티의 양쪽 가장자리를 통하여 상술한 지지 현수교를 지지하며, 가스 감지 컴포넌트 중 가열 전극부에 전기를 제공한 후, 특히 가스 감응 물질을 더 높은 온도로 가열해야 할 때 여전히 더 좋은 지지성을 보장할 수 있다.
해당 실시예의 방안을 통하여, 지지 현수교를 가스 센서의 센싱 부분(즉, 가스 감응 물질부)로 이용하며, 열 품질이 작고 전력 소모가 낮다.
일 예시적 실시예에서, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 MEMS 가스 센서(A)는 다음과 같은 핀 연결 방식을 이용할 수 있으며, 상기 MEMS 가스 센서(A)는 상기 제1 기판(A2) 위에 설정되는 가열 전극 핀(A4), 제1 접지 핀(A5), 감지 전극 핀(A6) 및 제2 접지 핀(A7)을 포함하며, 여기에는,
상기 가열 전극 핀(A4)은 상기 스트립 가열 전극부(A321)의 제1 단과 연결되고, 상기 스트립 가열 전극부(A321)의 제2 단은 상기 제1 접지 핀(A5)과 연결되어, 가열 회로를 형성하는 데 이용되며;
상기 제1 감지 전극부(A323-1)의 제1 단은 상기 가스 감응 물질부(A324)의 제1 단과 연결되고, 상기 제1 감지 전극부(A323-1)의 제2 단은 상기 감지 전극 핀(A6)과 연결되며; 상기 제2 감지 전극부(A323-2)의 제1 단은 상기 가스 감응 물질부(A324)의 제2 단과 연결되고, 상기 제2 감지 전극부(A323-2)의 제2 단은 상기 제2 접지 핀(A7)과 연결되어 감지 회로를 형성하는 데 이용된다.
일 예시적 실시예에서, 상기 캐비티(A1)는 하나 또는 다수를 포함할 수 있으며; 여기에서,
임의의 하나의 캐비티(A1)의 캐비티 개구의 서로 다른 위치에 각각 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정할 수 있으며; 또는,
임의의 다수의 캐비티(A1) 중 각 캐비티의 캐비티 개구의 서로 다른 위치에 각각 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정할 수 있으며; 또는,
임의의 다수의 캐비티(A1) 중 각 캐비티의 캐비티 개구부에 하나의 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정할 수 있으며; 또는,
임의의 하나의 캐비티(A1)의 캐비티 개구부에 하나의 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정할 수 있다.
예를 들어, 일 예시적 실시예에서, 해당 기판 위에 하나의 가스 감지 컴포넌트가 설정된 캐비티가 포함될 수 있으며, 해당 하나의 캐비티에 단지 가스 감지 컴포넌트 하나만 설정하거나 해당 캐비티의 서로 다른 위치에 다수의 가스 감지 컴포넌트를 설정할 수 있다. 다른 일 예시적 실시예에서, 해당 기판 위에는 다수(두개 또는 두개 이상)의 가스 감지 컴포넌트가 설정된 캐비티가 포함될 수 있으며, 여기에서, 각 캐비티 안에 단지 가스 감지 컴포넌트 하나만 설정하거나 또는 각 캐비티 안에 다수의 가스 감지 컴포넌트를 설정할 수 있으며, 또는 상기 다수의 캐비티 안에, 그 중 일부 캐비티 안에 단지 가스 감지 컴포넌트 하나만 설정하고, 다른 일부 캐비티 안에 다수의 가스 감지 컴포넌트를 설정할 수 있다.
또 예를 들어, 다른 일 예시적 실시예에서, 해당 기판은 다수의 캐비티를 포함할 수 있으며, 그 중에서, 일부 캐비티 안에 하나 또는 다수의 가스 감지 컴포넌트를 설정할 수 있고, 다른 일부 캐비티 안에 가스 감지 컴포넌트를 설정하지 않을 수 있다.
다른 일 예시적 실시예에서, 가스 감지 컴포넌트가 다수의 캐비티에 걸쳐 있을 수 있는 경우를 배제할 수 없으며, 예를 들어, 다수의 캐비티(1) 위에 하나의 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정하며; 또는, 다수의 캐비티(1) 위에 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)를 설정하며; 여기에서, 각 가스 감지 컴포넌트(A3)는 모두 다수의 캐비티(A1) 위에 설정될 것이다.
도 2에 제1 기판(A2) 위에 하나의 캐비티(A1)가 설정되어 있고 하나의 캐비티(A1) 위에 하나의 지지 현수교(A31)가 설정되어 있는 예시적 실시예를 도시하며, 즉 본 예시적 실시예에서는, 하나의 캐비티(A1)의 캐비티 개구부에 하나의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 설정되어 있다.
도 3에 제1 기판(A2) 위에 하나의 캐비티(A1)가 설정되어 있고 하나의 캐비티(A1) 위에 다수의 지지 현수교(A31)가 설정되어 있는 예시적 실시예를 도시하며, 즉 본 예시적 실시예에서는, 하나의 캐비티(A1) 안에 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 설정되어 있다.
도 4에 제1 기판(A2) 위에 다수의 캐비티(A1)가 설정되어 있고 각 캐비티(A1) 위에 다수의 지지 현수교(A31)가 설정되어 있는 예시적 실시예를 도시하며, 즉 본 예시적 실시예에서는, 각 캐비티(A1) 안에 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 설정되어 있다. 도 4에서 세 개의 캐비티를 예로 들며, 다른 실시예에서 두 개의 캐비티를 설정하거나 세 개 이상의 캐비티를 설정할 수 있다.
도 5에 제1 기판(A2) 위에 다수의 캐비티(A1)가 설정되어 있고 각 캐비티(A1) 위에 하나의 지지 현수교(A31)가 설정되어 있는 예시적 실시예를 도시하며, 즉 본 예시적 실시예에서는, 각 캐비티(A1) 안에 하나의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 설정되어 있다. 도 5에 캐비티의 수량은 단지 예시일 뿐이며, 실제 수량은 수요에 따라 설정될 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에서, 캐비티(A1)의 개구 모양은 제한이 없으며, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 원형, 환형 또는 불규칙한 모양 등이 될 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에서, 다수의 캐비티(A1) 사이의 배열 방식은 평행 배열, 인라인 배열 및 사전 설정된 기하학적 배열(예를 들어, 어레이로 배열하거나 대칭 기하학적으로 배열 또는 비대칭 기하학적으로 배열할 수 있음) 중 임의의 하나 또는 다수가 포함될 수 있지만 이에 제한하지 않으며, 도 6a 내지 도 6d에 도시된 바외 같이, 도 6a는 캐비티 평행 배열의 예시이고, 도 6b는 캐비티의 인라인 배열의 예시이며, 도 6c 및 도 6d는 기하학적 배열의 예시이다. 도 6a 내지 도 6d에서 단지 캐비티가 직사각형인 경우만 예로 들어, 캐비티의 수량은 또한 예시일 뿐이며, 다른 실시예에서 캐비티의 수량과 모양은 모두 수요에 따라 설정될 수 있다. 임의의 하나의 캐비티(A1) 개구부의 다수의 지지 현수교(A31)의 배열 방식은 캐비티의 배열 형식의 다름에 따라 여러 가지 변화가 있을 수 있으며, 예를 들어 평행 배열 및 사전 설정된 도형 배열(상기 사전 설정된 기하학적 도형은 대칭이거나 비대칭일 수 있음)중 임의의 하나 또는 다수를 포함할 수 있지만 이에 한제한되지 않으며, 스트립 가스 감지 컴포넌트가 평행으로 배열되는 예시는 도 3 또는 도 4를 참조하고, 스트립 가스 감지 컴포넌트가 사전 설정된 도형으로 배열되는 예시는 도 7a 내지 도 7c(도면에는 단지 가스 감지 컴포넌트가 캐비티 안에 있는 도면을 도시)를 참조할 수 있으며, 여기에는, 도 7a 내지 도 7c에서 단지 캐비티가 직사각형인 경우만 예로 들어, 스트립 가스 감지 컴포넌트의 수량은 또한 예시일 뿐이며, 다른 실시예에서, 캐비티의 수량 및 스트립 가스 감지 컴포넌트의 수량은 모두 수요에 따라 설정될 수 있다.
도 2, 도 3, 도 4, 도 5에 도시된 예시에서 지지 현수교(A31)의 모양은 스트립 모양이다. 도 4와 도 5에 도시된 예시에서, 다수의 캐비티(A1)가 존재할 때 다수의 캐비티가 평행으로 배열되는 실시예를 도시한다. 도 3과 도 4에 도시된 예시에서, 하나의 캐비티 개구부에 다수의 지지 현수교(A31)가 포함되어 있을 때 다수의 지지 현수교(A31)가 평행으로 배열되는 실시예를 도시한다.
일 예시적 실시예에서, 하나의 캐비티 개구부에 다수의 지지 현수교(A31)가 포함되어 있을 때, 다수의 지지 현수교(A31)는 대칭으로 분포되어 전력 소모를 줄일 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 하나의 캐비티 개구부의 다수의 지지 현수교(A31)가 대칭으로 분포되어 있을 때 대칭 다각형, 원형, 타원형 또는 거울 대칭형 등을 둘러싸고 형성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 지지 현수교(A31)는 정다각형(예를 들어, 정삼각형, 정사각형 또는 정오각형 등)으로 설정될 수 있으며; 또 예를 들어, 다수의 지지 현수교(A31)를 호형으로 설정할 수 있으며, 다수의 호형의 지지 현수교는 원형 또는 타원형으로 구성할 수 있으며; 또 예를 들어, 다수의 지지 현수교는 어느 한 면을 축으로 하여 거울 대칭형으로 배열될 수 있으며; 또 예를 들어, 하나의 캐비티 개구부의 다수의 V자형 지지 현수교(A31)는 주뼈가 없는 물고기 뼈 모양으로 구성할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 다수의 캐비티 개구부의 지지 현수교(A31)는 또한 함께 하나 또는 다수의 모양(해당 모양은 기하학적 모양, 문자형 모양 및 상표, 상표의 약자 등과 같은 임의의 사전 설정된 패턴 중 적어도 하나 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않음)을 형성할 수도 있으며, 해당 모양은 대칭 모양일 수 있으며, 예를 들어, 두 개의 캐비티 개구부에 설정된 지지 현수교(A31)가 함께 물고기뼈(해당 물고기뼈에 주뼈가 설정됨)를 구성한다.
예를 들어, 다수의 캐비티가 있을 때, 다수의 캐비티 개구부의 다수의 지지 현수교(A31)는 거울 대칭으로 분포되어 거울 대칭형을 형성할 수 있으며, 예를 들어, 두 개의 캐비티가 설정되어 있을 때, 각 캐비티 개구부에 다수의 지지 현수교를 평행으로 배열하고, 두 개의 캐비티 개구부의 지지 현수교는 두 캐비티 사이에 기판과 수직한 면을 축으로 하여 대칭으로 배열된다. 두 캐비티 개구부의 지지 현수교는 물고기뼈와 비슷하게 배열된다.
상술한 예시적 실시예에서, 설명의 편의를 위하여, 지지 현수교의 배열을 예로 들어 설명을 수행하는 바, 가스 감지 컴포넌트 또는 가스 감지부의 배열은 지지 현수교의 배열과 동일하다. 도 1로 알 수 있는 바와 같이, 각 지지 현수교 위에 하나의 가스 감지부가 있다. 지지 현수교가 스트립일 때, 지지 현수교 위의 가스 감지부 중의 가열 전극부, 절연층, 감지 전극부도 스트립이다.
일 예시적 실시예에서, 상기 캐비티(A1)는 하나 또는 다수를 포함할 수 있으며, 임의의 하나의 캐비티(A1)의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)는 핀을 공유할 수 있거나, 또는 임의의 다수의 캐비티(A1)의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)는 핀을 공유할 수 있다. 핀을 공유하면 트레이스 공간을 절약할 수 있다. 상기 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 핀을 공유하는 것에는, 다음과 같은 방식 중의 하나 또는 가수가 포함될 수 있다.
상기 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)의 스트립 가열 전극부(A321)는 상기 제1 접지 핀(A5)을 공유하며;
상기 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)의 스트립 감지 전극부(A321)는 상기 제2 접지 핀(A7)을 공유하며;
상기 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)의 스트립 감지 전극부(A321)는 상기 감지 전극 핀(A6)을 공유한다.
일 예시적 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 임의의 다수의 캐비티(A1)는 제1 캐비티(A1-1)와 제2 캐비티(A1-2)를 포함할 수 있으며; 제1 캐비티(A1-1)와 제2 캐비티(A1-2)를 예로 들어 설명하면, 상기 임의의 다수의 캐비티(A1)의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 핀을 공유하는 것에는,
상기 임의의 다수의 캐비티 중의 제1 캐비티(A1-1)의 캐비티 개구부의 m개의 가스 감지 컴포넌트(A3)는 상기 임의의 다수의 캐비티 중의 제2 캐비티(A1-2)의 캐비티 개구부의 n개의 가스 감지 컴포넌트(A3)와 함께 제1 접지 핀(A5)와 제2 접지 핀(A7)을 공유하는 것이 포함될 수 있다. 예를 들어 m개 가스 감지 컴포넌트(A3) 중의 m개 스트립 가열 전극부가 n개의 가스 감지 컴포넌트(A3) 중의 n개 스트립 가열 전극부와 함께 상기 제1 접지 핀(A5)을 공유하며, m개의 가스 감지 컴포넌트(A3) 중의 m개 스트립 감지 전극부가 n개의 가스 감지 컴포넌트(A3) 중의 n개 스트립 감지 전극부와 상기 제2 접지 핀(A7)을 공유한다. 도 8에 도시된 핀의 모양과 트레이스의 방식은 예시일 뿐이며, 다른 실시예에서, 접지 핀의 모양 및 위치 중 적어도 하나가 달라질 수 있으며, 예를 들어, 접지 핀의 면적이 더 작아질 수 있고, 상응하게, 전극부와 접지 핀 사이의 전체 리드선 길이가 늘어날 수 있다. 리드선을 통하여 연결할 수 있는 것 외에 예시적 실시예에서, 전극부와 핀을 직접 연결할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, m과 n은 모두 양의 정수이며, m과 n은 같거나 다를 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 제1 접지 핀(A5)과 제2 접지 핀(A7)은 상기 제1 캐비티(A1-1)와 제2 캐비티(A1-2) 사이에 설정될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 제1 접지 핀(A5)과 제2 접지 핀(A7)은 모두 환형으로 구성될 수 있으며, 해당 환형은 다수의 캐비티(A1)(예를 들어, 제1 캐비티(A1-1) 및 제2 캐비티(A1-2)) 를 둘러싸서 설정할 수 있어, 다수의 캐비티 안의 가스 감지 컴포넌트(A3)가 제1 접지 핀(A5)과 제2 접지 핀(A7)과 연결하기 위한 것이다.
일 예시적 실시예에서, 상기 m개의 가스 감지 컴포넌트와 n개의 가스 감지 컴포넌트는 하나의 감지 전극 핀(A6)을 공유할 수 있다. 다른 일 예시적 실시예에서, 감지 전극 핀(A6)은 제1 감지 전극 핀과 제2 감지 전극 핀을 포함할 수 있으며; 상기 m개의 가스 감지 컴포넌트(A3)는 제1 감지 전극 핀을 공유할 수 있고 상기 n개의 가스 감지 컴포넌트는 제2 감지 전극 핀을 공유할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 제1 캐비티(A1-1)와 제2 캐비티(A1-2)는 각각 자신의 공유 감지 전극 핀(예를 들어, 제1 감지 전극 핀과 제2 감지 전극 핀)을 설정할 수 있고, 또한 하나의 감지 전극 핀을 공유할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 캐비티(A1-1)와 제2 캐비티(A1-2)가 하나의 감지 전극 핀(A6)을 공유하는 실시예의 도면을 도시한다.
하나의 예시적 실시예에서, 다수의 가스 감응 물질부(A324)가 이용한 가스 감응 물질은 모두 다를 수 있으며; 또는, 적어도 두개의 가스 감응 물질부(A324)가 이용한 가스 감응 물질은 동일한다.
일 예시적 실시예에서, 상기 가스 감응 물질은 산화 주석, 산화 인듐, 산화 텅스텐 및 산화 아연 중 하나 또는 다수를 포함할 수 있다.
아래는 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서의 예시적 실시예를 도시한다. 해당 예시적 실시예에서, 제1 기판 표면에 다수의 가스 감지 컴포넌트가 설정되며, 해당 다수의 가스 감지 컴포넌트는 물고기뼈처럼 배열된다.
일 예시적 실시예에서, 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서에는 두 개의 캐비티가 포함될 수 있으며; 각 캐비티 위에 다수의 가스 감지 컴포넌트, 즉 다수의 지지 현수교(A31)를 설정할 수 있으며, 예를 들어, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상이며, 가스 감지 컴포넌트의 수량은 수요에 때라 설정될 수 있거나, 또는 센서의 크기, 즉 제1 기판 면적에 따라 확정될 수 있으며; 각 지지 현수교(A31)에는 하나의 가스 감지부(A32)를 설정할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서는 다수의 가스 감지부(A32) 중의 다수의 스트립 가열 전극부(A321)와 대응되는 다수의 가열 전극 핀(A4)를 포함할 수 있어, 두 개의 캐비티를 설정하며; 또한 각 캐비티 개구부에 4개의 가스 감지 컴포넌트를 설정하는 것을 예로 들어, 하나의 캐비티 위에 4개의 지지 현수교(A31)가 설정되면, 4개의 스트립 가열 전극부를 상응하게 설정하며, 따라서 기판 표면에서, 해당 캐비티의 한쪽에 4개의 가열 전극 핀(A4)을 설정하고, 2개의 캐비티에 총 8개의 지지 현수겨(A31)를 설정하면, 8개의 스트립 가열 전극부를 상응하게 설정하며, 상응하게, 총 8개의 가열 전극핀(A4)을 설정한다. 가열 전극 핀(A4)의 수량은 가열 전극부의 수량에 따라 확정된다.
두 개의 캐비티를 설정하는 것을 예로 들어, 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서는 두 개의 감지 전극 핀(A6)을 포함할 수 있으며, 여기에서 각 캐비티 개구부의 가스 감지 컴포넌트 중의 스트립 감지 전극부(A323)는 하나의 감지 전극 핀(A6)을 공유하며, 즉 감지 전극 핀의 수량은 캐비티의 수량에 따라 확정될 수 있다. 또 다른 일 예시적 실시예에서, 해당 감지 전극 핀(A6)은 한 개만 설정할 수 있으며, 즉 모든 가스 감지 컴포넌트 중의 스트립 감지 전극부(A323)는 하나의 감지 전극 핀(A6)을 함께 공유한다.
일 예시적 실시예에서, 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서는 하나의 제1 접지 핀(A5)과 하나의 제2 접지 핀(A7)이 포함될 수 있으며; 두 개의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트 중의 스트립 감지 전극부(A323)는 모두 제2 접지 핀(A7)을 공유하고, 두 개의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트 중의 스트립 가열 전극부(A321)는 모두 제1 접지 핀(A5)을 공유한다.
일 예시적 실시예에서, 공간을 전략하기 위하여 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서의 하나의 제1 접지 핀(A5)과 하나의 제2 접지 핀(A7)은 모두 두 캐비티 사이의 위치에 설정될 수 있고, 또한 서로 다른 레이어에 설정될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서(A)는 위부터 아래로 순차적으로 가스 감응 물질층(1)(가스 감응 물질부(A324)가 있는 레이어), 가스 감지 전극층(2) (스트립 감지 전극부(A323), 감지 전극 핀(A6) 및 제2 접지 핀(A7)이 위치한 레이어), 격리막 레이어(3)(스트립 가열 전극부(A321)와 스트립 감지 전극부(A323) 사이의 절연층(A322)이 위치한 레이어), 히터층(4)(스트립 가열 전극부(A321), 가열 전극 핀(A4)과 제1 접지 핀(A5)이 위치한 레이어), 지지막 레이어(5)(지지 현수교(A31)가 위치한 레이어) 및 기판 레이어(6)(제1 기판(A2)이 위치한 레이어)를 포함한다.
일 예시적 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서 중의 물고기 뼈 구조(21)는 주뼈(211)(하나의 제1 접지 핀(A5)과 하나의 제2 접지 핀(A7)이 설정됨)와 상기 주뼈(211)의 양쪽에 배포되는 가지뼈(212)(가스 감지 컴포넌트로 구성되고, 각 가스 감지 컴포넌트는 지지 현수교(A31)와 지지 현수교(A31) 위에 설정되는 가스 감지부(A32)를 포함)를 포함할 수 있으며; 가지뼈의 수량에 제한이 없으며, 가스 감지 컴포넌트의 수량에 따라 결정되며, 예시적 실시예에서, 상기 주뼈(211)의 양쪽 중 각 한쪽에 4개의 가지뼈(212)가 포함될 수 있으며; 가스 감지 전극 핀(22)(즉, 감지 전극 핀(A6))은 제1 감지 전극부(A323-1)를 통하여 전극 감지 사이트(23)(즉, 제1 개구부(A325))의 가스 감응 물질부(A324)와 연결된다.
일 예시적 실시예에서, 해당 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서는 다수의 가열 전극 핀을 가진 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 MEMS 가스 센서가 될 수 있으며, 가열 전극 핀을 통하여 프로그래머블 후의 전압을 입력할 수 있다. 주뼈(211)와 가지뼈(212)의 너비는 실제 수요에 따라 스스로 정의할 수 있고, 가지뼈(212)의 수량도 실제 수요에 따라 스스로 정의할 수 있으며, 여기에는 제한하지 않는다. 도 9, 도 10에 도시된 바와 같이, 물고기 뼈 구조에 8개의 가지뼈(212)를 설정하는 실시예 방안을 도시하며, 후속 도면에서 모두 8개의 가지뼈(212)를 예로 들어 설명한다.
가스 센서의 공간과 용량이 일정한 경우, 가지뼈(212)의 수량이 많을수록 가지뼈(212)의 너비도 상응하게 작아진다.
일 예시적 실시예에서, 8개의 가스 감지부(A32)가 8개의 스트립 지지 현수교 위에 설치되어 8개의 가지뼈를 구성하며, 스트립 가지뼈는 가스 센서의 센싱 부분으로서, 열량이 작고 전력 소모가 적다.
일 예시적 실시예에서, 각 가지뼈(212), 즉 각 가스 감지 컴포넌트는 모두 하나의 독립적인 가스 센서로 사용될 수 있으며, 여기에는 임의의 하나의 가스 감지 컴포넌트가 손상되더라도 모두 다른 가스 감지 컴포넌트의 사용에 영향을 미치지 않고, 호환성이 좋다.
일 예시적 실시예에서, 가지뼈(212), 가스 감지 컴포넌트의 수량은 수요에 따라 설계될 수 있으며, 실시예 중의 수량은 단지 예시일 뿐이며, 상응하게 증가하거나 감소할 수 있으며, 가지뼈(212)의 수량을 증가시키면 프로그래머블 조합을 배수로 증가시킬 수 있어, 확장성이 좋다.
일 예시적 실시예에서, 가스 센서에 8개의 가스 감지 컴포넌트가 포함되는 것을 예로 들어, 8개의 가스 감지 컴포넌트 위에 설치된 가스 감응 물질(11)은 모두 다를 수 있으며, 즉 각 가스 감지 컴포넌트에 한 가지 가스 감응 물질을 설정하며, 총 8가지가 설정된다. 다른 일 예시적 실시예에서, 8개의 가스 감지 컴포넌트에서, 적어도 두 개의 가스 감지 컴포넌트에 설정된 가스 감응 물질(11)이 같을 수 있으며, 동일한 가스 감응 물질을 설정함으로써 감지 결과를 검증할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 가스 감응 물질층(1)은 8개의 서로 독립적인 가스 감응 물질부(A324), 즉 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1-7 및 1-8을 포함할 수 있으며, 같거나 또는 여러 가지 서로 다른 가스 감응 물질을 이용할 수 있으며, 실행 가능한 임의의 하나 또는 다수의 가스 감응 물질을 임의로 조합할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 전극 감지 사이트(23), 즉 도 1에서 제1 개구(A325)를 각 가지뼈(212)의 중간 위치 또는 도 1에 도시된 캐비티 단면의 수직 중앙선에 설정할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 가스 감응 물질(11)은 상기 전극 감지 사이트(23)의 위치에 커버할 수 있으며, 예를 들어 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이의 제1 개구부(A325) 위에 커버할 수 있거나, 또는 해당 제1 개구부(A325)의 내부에 채울 수 있으며, 각각 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부와 유효한 전기 연결을 보장하면 된다.
일 예시적 실시예에서, 도 12는 가스 감지 전극층(2)의 도면으로, 도면에서 주뼈(211)는 제1 공유지(24), 즉 제2 접지 핀(A7)이 될 수 있으며, 해당 제1 공유지(24)는 가스 감지 전극 핀(22)(도에서 제1 공중 가스 감지 전극 핀(221)과 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)이 포함)과 배합하여 가스 감지 전압을 출력할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 가스 감지 전극층(2)의 도면을 도시한다. 도 12로 알 수 있는 바와 같이, 하나의 주뼈(211)를 구성하는 데 이용되는 제1 공유지(24), 8개의 가지뼈(212)(주뼈 211의 각 한쪽에 각각 4개의 가지뼈(212)가 설정되어 있음)를 구성하는 데 이용되는 스트립 감지 전극부 및 가스 감지 전극 핀을 포함한다. 각 스트립 감지 전극부에는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부가 포함되며, 각 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이에 하나의 전극 감지 사이트가 있으며, 총 8개의 전극 감지 사이트(23)(주뼈(211) 한쪽에 설정된 231, 232, 233, 234 및 주뼈(211) 반대쪽에 설정된 235, 236, 237, 238을 포함하며, 상응하게 8개의 가스 감응 물질부(A324)를 설정)를 설정한다. 각 제2 감지 전극부는 모두 제1 공유지(24)와 연결되며, 4 개의 제1 감지 전극부마다 하나의 가스 감지 전극 핀(22)과 연결된다. 도면에 알 수 있는 바와 같이, 주뼈 한쪽에 있는 4개의 제1 감지 전극부는 제1 공중 가스 감지 전극 핀(221)과 연결되고, 주뼈 반대쪽에 있는 4개의 제1 감지 전극부는 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)과 연결된다. 도면에 도시된 가스 감지 전극층의 패턴은 단지 예시일 뿐이며, 기타 실시예에서 접지 핀의 크기, 감지 핀의 위치, 감지 전극부와 접지 핀 사이의 각도, 감지 전극부와 감지 핀의 트레이스 위치 등은 모두 조정될 수 있으며, 상응하게, 기타 레이어에 상응된 컴포넌트의 위치도 조정되어야 한다.
전극 감지 사이트 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238은 전술한 가스 감응 물질부(A324), 즉 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1-7 및 1-8가 각각 대응되어 커버될 수 있으며, 이러한 가스 감응 물질부(A324)는 각각 가스 감응 물질 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118을 이용할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 가스 감지 전극 핀(22)에 제1 공중 가스 감지 전극 핀(221)과 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)이 포함된 경우,
도 10, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 주뼈(211)의 제1 쪽의 가지뼈(212)의 가스 감응 물질(11)로 형성된 물질 저항은 병렬 저항을 구성하고, 상기 제1 공중 가스 감지 전극 핀(221)을 통하여 가스 감지 전압을 출력하며; 및/또는,
상기 주뼈(211)의 제2 쪽의 가지뼈(212) 위의 가스 감응 물질(11)로 형성된 물질 저항은 병렬 저항을 구성하고, 상기 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)을 통하여 가스 감지 전압을 출력한다.
일 예시적 실시예에서, 전극 감지 사이트 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238에 가스 감응 물질부(A324)를 설정한 후, 전극 감지 사이트 231, 232, 233, 234에 가지뼈를 통하여 제1공중 가스 감지 전극 핀(221)과 전기적 연결을 수행할 때, 가스 감응 물질부(A324) 중의 1-1, 1-2, 1-3, 1-4의 가스 감응 물질 111, 112, 113, 114가 평행으로 연결되는 4개의 물질 저항을 형성하며; 제1 공중 가스 감지 전극 핀(221)은 해당 평행으로 연결된 4개의 물질 저항의 전압 값을 출력할 수 있다. 전극 감지 사이트 235, 236, 237, 238에 가지뼈를 통하여 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)과 전기적 연결을 수행할 때, 가스 감응 물질부(A324) 중의 1-5, 1-6, 1-7, 1-8의 가스 감응 물질 115, 116, 117, 118가 다른 평행으로 연결되는 4개의 물질 저항을 형성하며, 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)은 해당 다른 평행으로 연결된 4개의 물질 저항의 전압 값을 출력할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 가스 감지 전극 핀(22)이 하나일 때, 상기 8개의 가지뼈(212) 위의 가스 감응 물질(A324)로 구성된 물질 저항은 평행 저항을 구성하고, 상기 가스 감지 전극 핀(22)을 통하여 가스 감지 전압을 출력한다.
가스 감지 전압을 출력한 후, 가스 센서가 감지를 완료한다. 일 예시적 실시예에서, 취득된 가스 감지 전압은 다른 파라미터, 예를 들어 가스 농도 등을 결합시켜 가스 성분의 판단을 수행할 수 있다. 또 다른 일 예시적 실시예에서, 초기 가스 감지 전압을 취득한 후, 개별로 단일의 가스 감응 물질 아래의 히터의 가열 온도를 하나씩 변경하여 가스 감지 전압 스펙트럼을 취득할 수 있으며, 파형 변화를 관찰하여 가스 센서가 감지하는 가스에 대하여 판단을 수행한다.
일 예시적 실시예에서, 도 13에 도시된 바와 같이, 격리막 레이어의 도면으로서, 상기 격리막 레이어(3)는 가스 감지 전극층(2)과 상기 히터층(4)를 격리하는 데 이용되며; 상기 격리막 레이어(3)는 제1 절연막(31)을 포함할 수 있으며; 상기 제1 절연막(31) 위에 제1 윈도우(311)와 제2 윈도우(312)를 설정할 수 있으며, 여기에서,
상기 제1 윈도우(311)는, 히터의 가열 전극 핀과 제1 접지 핀을 노출시키는 데 이용되며;
상기 제2 윈도우(312)는, 캐비티를 노출시키는 데 이용되며, 해당 제2 윈도우는 식각 윈도우로 이해할 수 있으며, 즉 캐비티를 식각하는 데 이용되는 윈도우이고, 다수의 서브 윈도우를 포함할 수 있으며; 제1 모양으로 설정될 수 있으며, 상기 제1 모양은 상기 물고기 뼈 구조(21)의 투각 부분이 상기 격리막 레이어(3)에 수직으로 투영되어 형성된 모양을 가질 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 제2 윈도우(312)는 습식식각에 이용되는 윈도우일 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 격리막 레이어(3)는 절연막이고, 히터층(3)과 가스 감지 전극층(2)을 격리하는 데 이용되며, 제1 원도우(311)는 히터의 전극 핀 윈도우이며, 히터의 Pad(핀)와 접지 핀을 노출시키는 데 이용되며, 제2 윈도우(312)는 식각 윈도우이다.
일 예시적 실시예에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 히터층(4)에는 상기 물고기 뼈 구조(21) 모양과 대응되는 물고기 뼈 모양의 가열 컴포넌트가 설정될 수 있으며; 상기 물고기 뼈 모양의 가열 컴포넌트는 제2 공유지(41)(즉, 제1 접지 핀(A5)), 히터(42)(즉, 스트립 가열 전극부(A321)) 및 가열 전극 핀(43)(즉, 가열 전극 핀(A4))을 포함할 수 있으며;
여기에는, 제2 공유지(41)는 두 개의 캐비티 사이에 설정되어 주뼈를 구성하는 데 이용되며, 8개의 히터(42)는 8개의 가지뼈에 위치한다.
8개의 히터(42)의 한쪽은 상기 제2 공유지(41)와 연결되고, 8개의 히터(42)의 다른 쪽은 각각 N개의 가열 전극 핀(43)과 연결된다.
일 예시적 실시예에서, 도 14는 물고기 뼈 모양의 가열 컴포넌트의 실시예의 도면을 도시한다. 여기에서, 상기 물고기 뼈 모양의 가열 컴포넌트 중의 주뼈의 각 쪽에 네개의 가지뼈를 설정할 수 있고, 각 가지뼈에 하나의 히터를 설정하며, 예를 들어, 주뼈의 제1 쪽에 421, 422, 423, 424의 히터를 설정할 수 있고, 주뼈의 제2 쪽에 425, 426, 427, 428의 히터를 설정할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 히터 421, 422, 423,424, 425, 426, 427, 428과 대응하게 설정되고 연결되는 8개의 가열 전극 핀은 431, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438이다.
일 예시적 실시예에서, 모든 히터는 하나의 접지를 공유하여 핀(Pad)의 수량을 효과적으로 줄였다.
본 예시적 실시예에서, 8개의 가스 감지 컴포넌트는 모두 11개나 12개의 Pad를 설정할 수 있으며, 즉, 총 11개나 12개의 전극 핀(8개의 가열 전극 핀, 1개 또는 2개의 가스 감지 전극 핀, 2개의 공중 접지 전극 핀 포함)이 필요하므로 인해 핀의 수량을 크게 줄이고 리드선과 관련 회로 설계에 유리한다. 본 예시적 실시예에서, 8개의 가스 감지 컴포넌트를 하나의 가스 센서에 접적하며, 여기에는 1개의 가스 감지 컴포넌트는 1개의 기존 가스 센서에 해당한다.
일 예시적 실시예에서, 각 히터는 서로 다른 너비로 설계될 수 있으며, 가열 전극 핀을 통하여 동일한 가열 전압을 가할 때 발생되는 줄의 열이 서로 다르기 때문에 서로 다른 너비의 가지뼈에 맞추어 같거나 다른 가열 온도를 취득할 수 있다.
일반적으로 반도체 가스 감응 물질은 다른 작동 온도에 따라 서로 다른 가스에 대한 감광도가 다르며, 동일한 센서는 300도에서 가스(A)에 대한 반응이 가장 좋고, 400도에서 가스(B)에 대한 반응이 가장 좋으며, 현재 응용 프로그램에서, 가스 센서가 히터에 하나의 고정된 전압을 가하여 가스 감응 물질이 일정한 온도에 도달하도록 하며, 만일 동시에 다수의 가스를 감지하려면 다수의 서로 다른 가스 센서를 설정해야 하며, 또한 서로 다른 전압을 공급해야 한다. 그러나 본 공개의 실시예의 상기 가스 센서를 채택하면 가열 전극 핀을 통하여 서로 다른 가스 감지 컴포넌트 중의 히터에 서로 다른 전압을 가할 수 있으며, 각 가스 감지 컴포넌트는 하나의 독립적인 가스 센서로 하여 다수의 가스를 측정할 때 이용률이 높고 비용이 낮다.
일 예시적 실시예에서, 입력된 가열 전압을 프로그래밍하여 2N가지의 서로 다른 민감 전압을 취득할 수 있으며, 다수의 가스 식별 응용에 유리할 수 있고, 가스 센서의 응용 범위를 넓히며, 또한 가스 센서의 활용도를 높일 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 8개의 가열 전극 핀 중의 임의의 하나 또는 다수의 가열 전극 핀을 조합하여 다수의 조합 방식을 취득할 수 있으며; 여기에서, 각 조합 방식 중의 가열 전극 핀은 각각 다른 가열 전압을 가하거나 적어도 두 개의 가열 전극 핀이 동일한 가열 전압을 가하면 28 가지의 전압을 가하는 방식을 취득할 수 있으며, 상응하게 28 가지의 가열 온도를 취득할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 15에 도시된 바와 같이, 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 MEMS 가스 센서의 전압 입출력 도면이다. 여기에서, VH1, VH2, VH3, VH4, VH5, VH6, VH7 및 VH8은 히터 위의 가열 전압이고, GND1은 가열 전압 공유지(즉, 제2 공중지(41))이며, VS1과 VS2는 물질 감응 전압(즉, 제1 공중 가스 감지 전극 핀(221)에서 출력되는 전압과 제2 공중 가스 감지 전극 핀(222)에서 출력되는 전압)이다. Vs1은 VS11, VS12, VS13, VS14의 전압 분량으로 구성될 수 있으며, 해당 4개의 전압 분량은 주뼈(211)의 제1 쪽의 4개의 가지뼈(212) 위의 가스 감응 물질로 구성된 물질 저항의 분압이다. Vs2은 VS25, VS26, VS27, VS28의 전압 분량으로 구성될 수 있으며, 해당 4개의 전압 분량은 주뼈(211)의 제2 쪽의 4개의 가지뼈(212) 위의 가스 감응 물질로 구성된 물질 저항의 분압이다. GND2는 VS1, VS2 공유지이다(즉, 제1 공유지(24)).
도 16은 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 MEMS 가스 센서의 가열 회로 등가 회로 도면이다. RH1, RH2, RH3, RH4, RH5, RH6, RH7, RH8은 히터의 저항으로, VHN (N=1,2,3,4…,8)에 전기가 공급될 때RHN (N=1,2,3,4…,8)에 줄 열을 발생시켜 가스 감응 물질을 일정한 작동 온도로 가열한다. 예를 들어 VH1에 전기가 공급될 때 RH1에 줄 열이 발생하여 가스 감응 물질(111)의 저항이 변하지만 다른 물질의 저항이 변하지 않게 하며; 또 예를 들어 VH1과 VH6에 동시에 전기가 공급될 때, VH1과 VH6에서 줄 열이 발생하여 각각 물질(111)과 116의 저항을 변화시킨다.
도 17은 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 MEMS 가스 센서의 가스 감지 회로의 첫 번째 등가 도면이며, 두 개의 감지 전극 핀이 있는 예시에 대응되며, VS1과 VS2는 감지 전압(즉, 물질 감응 전압)이고, VL1과 VL2는 측정 전압이며, RL1과 RL2는 매칭 저항이고, RS1, RS2, RS3, RS4, RS5, RS6, RS7, RS8은 각각 가스 감응 물질의 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 117, 118의 저항을 나타내며, RS1, RS2, RS3, RS4 중의 임의의 하나의 저항이 변할 때 VS1이 변하고 RS5, RS6, RS7, RS8 중의 임의의 저항이 변할 때 VS2가 변한다. 측정 전압(VL)은 매칭 저항(RL)을 통하여 가스 감지 전극 핀과 연결되며, 도 17에 도시된 바와 같이, VS1과 RL1의 양측 전압의 합은 VL1과 같고, VS2와 RL2의 양측 전압의 헙은 VL1과 같으며, VS1과 VS2는 센서의 출력 전압(이하 '출력 전압')이며, 사용될 때 VS1과 VS2를 측정하여 취득하거나 매칭 저항이 견디는 전압을 측정할 수 있다.
도 18은 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 MEMS 가스 센서 중 가스 감지 회로의 두 번째 등가 도면으로, 하나의 감지 전극 핀의 예시에 대응되며, 이 때는 VS1과 VS2를 함께 연결하여 하나의 VS를 취득하고 또한 동일한 매칭 저항(RL)과 측정 전압(VL)을 사용하는 것과 상당하며, RS1, RS2, RS3, RS4, RS5, RS6, RS7, RS8 중 임의의 하나의 저항이 변경될 때 VS가 변경된다.
일 예시적 실시예에서, RHN(N=1,2,3,4…,8)에 전기를 공급하고, VHN (N=1,2,3,4…,8)이 높은 레벨1(1은 고정된 양의 전압 또는 다수의 서로 다른 고정된 양의 전압의 조합)으로 나타나며, 전기를 공급하지 않은것을 낮은 레벨 0으로 나타난다고 가정하면, 히터 입력 전압을 프로그래밍할 수 있으며, 예를 들어 1000000은 VH1만 높은 레벨인 것을 나타낼 수 있고, 10010001은 VH1, VH4와 VH8이 높은 레벨인 것을 나타낼 수 있으며, 0000000 내지 11111111의 총 28가지 경우, 물질 감응 저항이 8！ 가지 서로 다른 조합을 가지는 동시에 28 가지 서로 다른 VS 가 출력된다고 의미한다. VS1과 VS2, 또는 VS를 감지함으로써 감지의 목적을 이룰 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 28 가지 가열 온도는 8개의 가지뼈 위의 하나 또는 다수의 가스 감응 물질과 임의의 조합을 수행할 수 있어, 여러 가지 가스의 감지를 구현할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 19는 지지막 레이어의 도면으로서, 상기 지지막 레이어(5)에는 제2 절연막(51)을 설정할 수 있으며; 상기 제2 절연막(51)에는 식각 윈도우를 설정할 수 있다. 제2 모양(52)이 설정되며; 상기 제2 모양(52)은 제1 모양과 같을 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 지지막 레이어(5)는 마찬가지로 절연막일 수 있고, 제2 절연막(51)은 가지뼈(212)의 지지막이며, 지지 현수교로서 이용되며, 제2 모양(52)은 식각 윈도우이고, 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 MEMS 가스 센서의 구조 모양을 형성하고 습식 방식을 통하여 구조를 방출하는 데 이용된다.
일 예시적 실시예에서, 도 20에 도시된 바와 같이, 제1 기판은 실리콘 기판이 될 수 있으며, 상기 실리콘 기판(6)에는 두 개의 투각 홈을 설정할 수 있으며, 도 20 중의 제1 투각 홈(61)과 제2 투각 홈(62)에 도시된 바와 같이, 각각 전술한 제1 캐비티와 제2 캐비티에 대응될 수 있다.
상기 두 개의 투각 홈은 상기 물고기 뼈 구조(21)의 주뼈를 중심으로 서로 대칭으로 설정될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 실리콘 기판 레이어(6)는 <100>의 결정 방향의 실리콘 기판일 수 있고, 61과 62는 습식식각으로 형성된 투각 홈일 수 있다.
상술한 실시예의 상기 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서는 단지 한 가지 예시이며, 다른 예시적 실시예에서, 상술한 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서에 대하여 다양한 변형을 가할 수 있다. 일 예시적 실시예에서, 단지 도 9 중의 주뼈와 상부 가지뼈만 포함하거나 또는 도 9 중의 주뼈와 하부 가지뼈만 포함하는 반물고기 모양의 MEMS 가스 센서를 설정할 수 있다. 다른 일 예시적 실시예에서, 비대칭 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서를 설정할 수 있으며, 예를 들어 주뼈의 양쪽 가지뼈의 위치가 비대칭이거나 또는 주뼈의 양쪽 가지뼈의 수량이 서로 다를 수 있다. 본 공개의 실시예는 가지뼈와 주뼈 사이의 각도를 제한하지 않는다.
다른 한편으로, 본 공개의 실시예는 또한 MEMS 가스 센서의 가스 감지 방법(또는 감지 방법)을 제공하며, 상기 MEMS 가스 센서는 상술한 임의의 실시예의 상기 MEMS 가스 센서가 될 수 있으며, 즉 상술한 MEMS 가스 센서의 실시예 방안 중의 임의의 실시예는 모두 해당 가스 감지 방법 실시예에 적용되며, 여기서 더 이상 설명하지 않는다. 도 21에 도시된 바와 같이, 가스 감지를 수행할 때 상기 방법에는 단계 S11 및 단계 S12를 포함할 수 있다.
S11, 상기 MEMS 가스 센서 중의 임의의 하나 또는 다수의 가스 감지 컴포넌트(즉 가스 감지부)를 선택하여 상기 가스 감지 컴포넌트 중의 스트립 가열 전극부에 가열 전압을 가하며;
S12, 상기 가스 감지부 중 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이의 전압 값을 취득한다.
상술한 전압 값을 취득한 후에 센서는 감지를 완료한다. 취득한 전압 값에 따라 가스에 대한 감지을 구현할 수 있다.
여기에서, 다수의 스트립 가열 전극부에 가열 전압을 가할 때 임의의 두개의 스트립 가열 전극부의 전압이 같거나 다르다.
제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이의 전압 값을 취득하는 것은 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이의 전압 값을 직접 수집하는 것이거나 매칭 저항 양단의 전압을 수집하여 측량 전압을 결합하고 계산하여 취득할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상기 여러 가지 다른 가스는 2N (N은 가스 감지 컴포넌트의 수량이고, 하나의 가스 감지 컴포넌트는 하나의 지지 현수교, 및 위에 설정된 하나의 가스 감지부를 포함하며, N은 양의 정수) 가지의 가스를 포함할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 공개의 실시예는 또한 MEMS 가스 센서의 제조 방법을 제공하며, 상기 MEMS 가스 센서는 상술한 임의의 실시예의 상기 가스 센서이며; 본 실시예에서 말하는 "패터닝 공정"는 막층 증착, 감광액 도포, 마스크 프린팅, 현상, 식각 및 감광액 박리등의 처리를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 도 22에 도시된 바와 같이, 해당 방법에는 단계S21 내지 단계S24가 포함될 수 있으며;
S21, 제1 기판을 준비한다.
예시적 실시예에서, 상기 제1 기판은 예를 들어 실리콘 기판일 수 있다.
예를 들어, <100> 결정 방향의 단일면 또는 이중면 광택 실리콘 웨이퍼를 제1 기판으로 선택할 수 있으며;
S22, 상기 제1 기판의 제1 표면에 지지막을 형성한다.
일 예시적 실시예에서, 상기 제1 기판의 제1 표면에 지지막을 형성하는 것에는,
상기 제1 기판의 제1 면에는 제1 사전 설정된 두께의 제1 실리콘 화합물의 단층막 또는 복합막이 상기 지지막으로 증착되는 것이 포함될 수 있다.
예를 들어, 산화 실리콘막, 질화 실리콘막, 또는 산화 실리콘 레이어와 질화 실리콘 레이어로 구성된 복합막일 수 있고, 또한 한 세트의 산화 실리콘 레이어와 질화 실리콘 레이어일 수 있거나, 또는 다수 세트의 산화 실리콘 레이어과 질화 실리콘 레이어일 수 있다. 열산화, 플라즈마 증강 화학 가스 증착 또는 저압 화학 가스 증착 등의 방법으로 순차적으로 제1 기판의 제1 표면에 산화물 실리콘 레이어 및 질화물 실리콘 레이어 중 적어도 하나를 성장한다.
일 예시적 실시예에서, 상기 방법에는 또한 상기 제1 기판의 제1 면에 상기 지지막을 형성한 후, 상기 제1 기판의 제2 면(예를 들어 제1 표면과 상대되는 표면)에 제2 사전 설정된 두께의 제2 실리콘 화합물을 보호막으로 증착하는 것이 포함될 수 있다. 일 예시적 실시예에서, 상기 제1 면과 제2 면에 막을 형성하는 물질은 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 또한, 제1 면과 제2 면 위의 막은 동시에 형성될 수도 있고, 순차적으로 형성될 수도 있다.
S23, 상기 지지막에 가스 감지부를 형성하며, 여기에는, 상기 가스 감지부는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부, 절연층, 스트립 감지 전극부 및 가스 감응 물질부를 포함하며, 상기 스트립 감지 전극부는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부를 포함하고, 상기 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이에 제1 개구가 설정되며, 상기 가스 감응 물질부는 상기 제1 개구 위치에 설정되며, 상기 가스 감응 물질부의 제1 단은 상기 제1 감지 전극부와 연결되고, 상기 가스 감응 물질부의 제2 단은 상기 제2 감지 전극부와 연결된다.
일 예시적 실시예에서, 상기 지지막 위에 가스 감지부, 가열 전극 핀, 제1 접지 핀, 감지 전극 핀 및 제2 접지 핀을 형성할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 지지막에서 가스 감지부, 가열 전극 핀, 제1 접지 핀, 감지 전극 핀 및 제2 접지 핀을 형성하는 것에는 단계 S231 내지 단계 S234가 포함될 수 있으며;
S231, 상기 지지막에 가스 감지부 중의 스트립 가열 전극부, 가열 전극 핀과 제1 접지 핀을 형성한다.
선택적으로, 일 예시적 실시예에서, 또한 가열 전극부와 가열 전극 핀 사이 및 가열 전극부와 제1 접지 핀 사이 중 적어도 하나에 리드선을 형성할 수 있다. 리드선을 형성하는지 여부는 가열 전극부와 핀 사이의 거리에 따라 결정될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 상술한 단계 S231에는,
지지막 위의 하나 또는 다수의 제1 구역에 제3 사전 설정된 두께의 금속체를 상기 스트립 가열 전극부로 증착하고, 또한 상기 제1 구역 이외의 하나 또는 다수의 제2 구역에 제3 사전 설정된 두께의 금속체를 가열 전극 핀과 제1 접지 핀으로 증착하는 것이 포함될 수 있다.
선택적으로, 일 예시적 실시예에서, 또한 가열 전극 핀과 가열 전극부 사이 및 제1 접지 핀과 가열 전극부 사이 중 적어도 하나에 리드선을 형성할 수 있다.
예를 들어, 지지막에 금속 박막을 증착하고, 패터닝 공정을 통하여 금속 박막을 패터닝하여 히터 레이터 패턴를 형성하며, 가열 전극부 패턴, 가열 전극 핀 패턴 및 제1 접지 핀 패턴을 포함한다.
S232, 상기 제1 기판 위 상기 스트립 가열 전극부, 상기 가열 전극 핀과 제1 접지 핀의 상위 레이어에 격리막을 형성하며; 상기 스트립 가열 전극부 위의 격리막은 스트립 가열 전극부와 스트립 감지 전극부 사이의 절연층(스트립 절연층)을 구성한다.
상기 제1 기판 위 상기 스트립 가열 전극부, 상기 가열 전극 핀 및 제1 접지 핀의 상위 레이어에 격리막을 형성하는 것에는,
상기 제1 기판 위 상기 스트립 가열 전극부, 상기 가열 전극 핀 및 제1 접지 핀의 상위 레이어에 제4 사전 설정된 두께의 제3 실리콘 화합물을 격리막으로 증착하는 것이 포함될 수 있다. 예를 들어, 단계 S231에서 상기 제3 사전 설정된 두께의 금속체의 상위 레이어에 절연 박막을 증착한다. 일 예시적 실시예에서, 패터닝 공정을 통하여 절연 박막을 패터닝하여 격리막 레이어 패턴, 즉 절연층 패턴을 형성할 수 있다.
S233, 상기 스트립 가열 전극 위의 절연층에 스트립 감지 전극부를 형성하고 또한 상기 격리막 위 비절연층의 구역에서 감지 전극 핀과 제2 접지 핀을 형성하며; 여기에서, 상기 스트립 감지 전극부는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부를 포함하며; 상기 제1 감지 전극부와 상기 제2 감지 전극부 사이에는 제1 개구가 설정되어 있다.
제조할 때, 상기 가열 전극 핀과 제1 접지 핀 상위 레이어의 격리막을 식각하여, 상기 가열 전극 핀과 상기 제1 접지 핀을 노출시킨다.
일 예시적 실시예에서, 또한 감지 전극 핀과 감지 전극부 사이 및 제2 접지 핀과 감지 전극부 사이 중 적어도 하나에 리드선을 형성하는 것이 포함될 수 있다.
상기 스트립 가열 전극 위의 절연층에 스트립 감지 전극부를 형성하고 또한 상기 격리막 위 비절연층의 구역에서 감지 전극 핀과 제2 접지 핀을 형성하는 것에는,
상기 절연층의 제1 부분에는 제5 사전 설정된 두께의 전도체를 상기 제1 스트립 감지 전극부로 증착하고, 상기 절연층의 제2 부분에는 제5 사전 설정된 두께의 전도체를 상기 제2 스트립 감지 전극부로 증착하며, 상기 제1 부분과 제2 부분 사이의 부분은 상기 제1 개구를 구성하는 것이 포함될 수 있다. 선택적으로, 제1 스트립 감지 전극부와 제2 스트립 감지 전극부를 동시에 증착할 수 있으며; 여기에서, 상기 절연층은 상기 제1 부분, 상기 제2 부분과 제3 부분을 포함하며, 상기 제3 부분은 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 위치하며, 상기 제1 개구에 대응된다.
예를 들어, 단계 S232에서 형성된 격리막의 상위 레이어에 금속 박막을 증착하고, 패터닝 공정을 통하여 금속 박막에 대하여 패터닝하여 스트립 감지 전극부 패턴, 감지 전극 핀 패턴과 제2 접지 핀 패턴을 포함하는 가스 감지 전극층 패턴을 형성한다. 여기에서, 상기 스트립 감지 전극부 패턴의 기판에서의 투영과 상기 스트립 가열 전극부의 기판에서의 투영 위치는 전부 일치하거나 대부분 구역이 일치하여 스트립 가열 전극부가 감지 전극부 사이의 가스 감응 물질에 가열을 수행할 수 있도록 보장한다.
일 예시적 실시예에서, 상기 스트립 가열 전극 위의 절연층에 스트립 감지 전극부를 형성하고, 또한 상기 격리막 위 비절연층의 구역에 감지 전극 핀과 제2 접지 핀을 형성한 후, 상기 방법에는,
상기 가열 전극 핀과 상기 제1 접지 핀을 노출시키기 위하여, 상기 가열 전극 핀과 제1 접지 핀 상위 레이어의 격리막에 대하여 가공을 수행하는 것이 포함될 수 있다. 일 예시적 실시예에서, 광각 공정 및 건식식각 공정 중 적어도 하나로 상기 가열 전극 핀과 제1 접지 핀 위의 격리막에 대하여 식각을 수행할 수 있다.
S234는 상기 제1 개구 사이에 가스 감응 물질을 형성한다.
상기 가스 감응 물질부는 가스법, 액상법 또는 고상법을 이용하여 제조될 수 있다. 본 단계는 단계 24 이후, 즉 캐비티 식각 이후에 제조할 수도 있다.
S24, 상기 지지막에 대하여 가공을 수행하여 지지 현수교를 취득하고 상기 제1 기판의 제1 표면에 하나 또는 다수의 캐비티를 형성하며, 상기 지지 현수교는 상기 캐비티 개구의 제1 가장자리와 제2 가장자리에 설정된다.
일 예시적 실시예에서, 상기 지지막에 대하여 가공을 수행하여 지지 현수교을 취득하는 것에는, 상기 지지막에 건식식각 공정(예를 들어, 반응 이온 식각)을 이용하여 적어도 두 개의 투각 모양을 방출하여 두 개의 투각 모양 사이에 상기 지지 현수교를 형성한다.
일 예시적 실시예에서, 상기 제1 기판의 제1 표면에 하나 또는 다수의 캐비티를 형성하는 것에는, 상기 제1 기판에서 사전 설정된 화합물의 이방성 식각액을 이용하여 상기 캐비티를 방출하는 것이 포함될 수 있다.
예를 들어, 식각할 때, 상기 캐비티가 제1 기판을 관통하게 하거나, 또는 상기 캐비티의 깊이를 제어하여 상기 가스 감지 컴포넌트와 상기 캐비티의 하단면 사이에 단열을 위한 빈 공간을 남겨 둘 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 식각할 때, 격리막과 지지막을 한꺼번에 층별로 식각할 수 있으며, 지지막을 식각할 때, 반응 이온 식각 공정이나 이온 빔 식각 공정을 먼저 이용하여 지지막을 식각할 수 있고, 가스 감지 컴포넌트를 지지하기 위한 지지 현수교 패턴(예를 들어, 가스 감지 컴포넌트의 정투영 위치에 있는 패턴) 및 캐비티 경계를 정의하고, 실리콘 기판을 노출시켜 식각 윈도우를 형성하며, 그 후 테트라메틸-수산화암모늄이나 수산화칼륨과 같은 실리콘의 이방성 습식 식각액을 이용하거나, 또는 등방성 습식 식각액을 이용하거나, 또는 등방성 건식 부식성 가스를 이용하여 식각 윈도우를 통하여 실리콘 기판을 부식시켜 지지 현수교 아래의 실리콘 기판을 비워 캐비티를 형성할 수 있다. 식각에 이용된 물질과 방법에 따라, 캐비티의 측벽의 모양도 다를 수 있으며(또는 수직이거나 기울어지거나 구부러진다), 예를 들어 이방성 부식 캐비티의 단면은 역사다리꼴 또는 "V"자형일 수 있고, 등방성 부식 캐비티의 단면은 타원형에 근사한다. 상술한 방법을 통하여 한 번에 하나 또는 다수의 캐비티를 식각할 수 있다. 캐비티 개구부의 상기 가스 감지 컴포넌트를 지지하기 위한 스트립 지지막은 지지 현수교로 보류된다.
아래는, 일 예시적 실시예를 통하여 상술한 물고기 뼈 모양의 MEMS 가스 센서를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 해당 예시적 실시예에서, 도 24에 도시된 바와 같이, 순차적으로 실리콘 기판, 지지막 레이어, 히터층, 격리막 레이어, 가스 감지 전극층 및 가스 감응 물질층을 제조하는 것에는 단계 S31 내지 단계 S39를 포함할 수 있다.
S31, 실리콘 기판을 선택하여 제1 기판을 제작하며; 해당 제1 기판은 실리콘 기판 레이어를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않으며; 상기 실리콘 기판에는 단일 광택 또는 이중 광택 실리콘 웨이퍼가 포함될 수 있다.
본 예시적 실시예에서, <100> 결정 방향의 단일 광택 또는 이중 광택 실리콘 웨이퍼를 선택하여 기판으로 할 수 있다.
S32, 상기 제1 기판의 제1 면에 제1 사전 설정된 두께의 제1 실리콘 화합물의 단층막 또는 복합막을 지지막으로 증착하여 지지막 레이어를 형성하며; 상기 제1 기판의 제2 면에 제2 사전 설정된 두께의 제2 실리콘 화합물을 보호막으로 증착한다.
상기 제1 사전 설정된 두께는 1.5 μm 내지 2.5 μm를 포함할 수 있으며, 상기 제1 실리콘 화합물은 산화 실리콘 및 질화 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며; 상기 제2 사전 설정된 두께는 200 nm 내지 500 nm를 포함할 수 있으며; 상기 제2 실리콘 화합물은 질화 실리콘을 포함할 수 있다.
실리콘 웨이퍼의 전면(즉, 상술한 제1 면, 일반적으로 광택 면, 또는 비광택 면)에 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition, 플라즈마 증강 화학 기상 증착) 또는 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition, 저압 화학 기상 증착)로 제1 실리콘 화합물(예를 들어, 산화실리콘 및 질화 실리콘)의 단일막이나 복합막을 지지막으로 증착할 수 있으며, 총 두께(즉, 상술한 제1 사전 설정된 두께)는 2 μm가 될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 실리콘 웨이퍼의 뒷면(즉, 상술한 제2 면, 일반적으로 비광택 면, 또는 광택 면)에 PECVD 또는 LPCVD를 이용하여 200 nm 내지 500 nm(제2 사전 설정된 두께)의 제2 실리콘 화합물(예를 들어, 질화 실리콘)을 습식식각의 보호막으로 증착할 수 있다. 해당 보호막은 제1 기판의 한 면 또는 다수의 면에 설정될 수 있다.
S33, 지지막에 제3 사전 설정된 두께의 금속체를 히터로 증착하여 하터 레이어를 형성한다.
상기 제3 사전 설정된 두께는 150 nm 내지 250 nm를 포함할 수 있으며; 상기 금속체 물질은 백금을 포함할 수 있다.
광각 공정과 금속 도금 공정을 이용하여 지지막에 제3 사전 설정된 두께(예를 들어, 200 nm)의 금속체(예를 들어, 백금)를 증착하여 히터층을 형성한다.
상기 광각 공정은 자외선 광각일 수 있고, 도금 공정은 전자 빔 증발 도금 또는 자기 제어 스퍼트링 도금일 수 있다.
S34, 상기 히터층에 제4 사전 설정된 두께의 제3 실리콘 화합물을 격리막으로 증착하여 격리막 레이어를 형성한다.
상기 제4 사전 설정된 두께는 350 nm 내지 500 nm를 포함할 수 있으며; 상기 제3 실리콘 화합물은 질화 실리콘을 포함할 수 있다.
PECVD를 이용하여 제4 사전 설정된 두께(예를 들어, 350nm 내지 500nm)의 제3 실리콘 화합물(예를 들어, 질화 실리콘)을 격리막으로 증착할 수 있다.
S35, 격리막에 제5 사전 설정된 두께의 전도체를 가스 감지 전극으로 증착하여, 가스 감지 전극층을 형성한다.
상기 제5 사전 설정된 두께는 150 nm 내지 250 nm를 포함할 수 있으며; 상기 금속체는 백금 또는 금을 포함할 수 있다.
단계 S233의 상기 공정을 이용하여 가스 감지 전극층을 제작할 수 있으며, 즉 격리막에 제5 사전 설정된 두께(예를 들어, 200 nm)의 전도체를 감지 전극으로 증착할 수 있으며, 감지 전극 물질은 백금이나 금이 될 수 있다.
S36, 상기 히터의 가열 전극 구역을 노출시키기 위하여 상기 격리막에 가공을 수행한다.
히터의 가열 전극 구역을 노출시키기 위하여 감광 공정과 건식식각 공정으로 가공할 수 있다. 여기에서, 건식식각 공정은 반응 이온 식각(RIE) 또는 감응 결합 플라즈마 식각(ICP-Etch)이 될 수 있다.
S37, 사전 설정 가공 공정으로 상기 격리막에 상기 물고기 뼈 구조의 주뼈와 가지뼈를 가공하여 시각 윈도우를 형성한다.
상기 사전 설정 가공 공정은 감광 공정 및 건식식각 공정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉 감광 공정과 건식식각 공정(RIE 또는 ICP-Etch)을 이용하여 물고기 뼈 모양의 프로그래머블 가스 센서의 주뼈와 가지뼈 구조를 형성할 수 있다.
S38, 사전 설정된 화합물의 이방성 식각액을 이용하여 식각 윈도우를 통하여 실리콘 기판에 투각 홈을 형성한다.
상기 사전 설정된 화합물은 수산화칼륨(KOH) 또는 테트라메틸수산화암모늄(TMAH) 용액을 포함할 수 있다. 즉 수산화칼륨이나 테트라메틸수산화암모늄 용액 등 실리콘의 이방성 식각액을 이용하여 주뼈와 가지뼈 구조를 방출할 수 있으며, 동시에 실리콘 기판에 투각 홈을 형성할 수 있다.
S39, 상기 전극 감지 사이트에 가스 감응 물질을 로딩한다.
일 예시적 실시예에서, 단계 S39는 단계 S37 또는 단계 S38 전에 실행될 수 있다.
전극 감지 사이트에는 산화 주석, 산화 인듐, 산화 텅스텐 또는 산화 아연과 같은 반도체 가스 감응 물질을 로딩할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 공개의 실시예는 또한 MEMS 가스 센서 어레이(B)를 제공하며, 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 MEMS 가스 센서 어레이는 다수의 상술한 실시예 중의 상기 MEMS 가스 센서를 포함한다.
일 예시적 실시예에서, 해당 가스 센서 어레이(B)는 다수의 가스 센서 장비에 의하여 구성될 수 있으며, 여기에서 적어도 하나의 가스 센서 장비는 본 공개의 실시예의 상기 가스 센서(A)이다.
상술한 것은 단지 본 공개의 실시예일 뿐, 본 공개의 보호 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 공개의 실시예의 기술 방안에 대하여 개시된 범위 내에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이는 본 출원의 보호범위 내에 포함되어야 한다.
Claims (15)
- 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서에 있어서,
제1 표면에 캐비티가 개방되는 제1 기판, 캐비티 개구부에 설정되는 가스 감지 컴포넌트가 포함되며;
상기 가스 감지 컴포넌트는 상기 캐비티 개구 제1 가장자리와 제2 가장자리에 설정되는 지지 현수교, 및 상기 지지 현수교에 설정되는 상기 캐비티의 한쪽에서 떨어진 가스 감지부를 포함하며, 여기에서, 상기 가스 감지부는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부, 절연층, 스트립 감지 전극부 및 가스 감응 물질부를 포함하며, 상기 스트립 감지 전극부는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부를 포함하고, 상기 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이에 제1 개구가 설정되며, 상기 가스 감응 물질부는 상기 제1 개구 위치에 설정되며, 상기 가스 감응 물질부의 제1 단은 상기 제1 감지 전극부와 연결되고, 상기 가스 감응 물질부의 제2 단은 상기 제2 감지 전극부와 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제1항에 있어서,
또한 상기 제1 기판에 설정되는 가열 전극 핀, 제1 접지 핀, 감지 전극 핀 및 제2 접지 핀을 포함하며,
상기 가열 전극 핀은 상기 스트립 가열 전극부의 제1 단과 연결되며, 상기 스트립 가열 전극부의 제2 단은 상기 제1 접지 핀과 연결되며;
상기 제1 감지 전극부의 제1 단은 상기 가스 감응 물질부의 제1 단과 연결되며, 상기 제1 감지 전극부의 제2 단은 상기 감지 전극 핀과 연결되며;
상기 제2 감지 전극부의 제1 단은 상기 가스 감응 물질부의 제2 단과 연결되며, 상기 제2 감지 전극부의 제2 단은 상기 제2 접지 핀과 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제2항에 있어서,
상기 캐비티는 하나 또는 다수를 포함하며;
임의의 하나의 캐비티의 캐비티 개구의 서로 다른 위치에 각각 가스 감지 컴포넌트를 설정하며; 또는,
임의의 다수의 캐비티 중 각 캐비티의 캐비티 개구의 서로 다른 위치에 각각 가스 감지 컴포넌트를 설정하며; 또는,
임의의 다수의 캐비티 중 각 캐비티의 캐비티 개구부에 하나의 가스 감지 컴포넌트를 설정하며; 또는,
임의의 하나의 캐비티의 캐비티 개구부에 하나의 가스 감지 컴포넌트를 설정하는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 캐비티는 하나 또는 다수를 포함하며, 임의의 하나의 캐비티의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트가 핀을 공유하거나, 또는 임의의 다수의 캐비티의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트가 핀을 공유하며, 상기 다수의 가스 감지 컴포넌트가 핀을 공유하는 것에는,
상기 다수의 가스 감지 컴포넌트의 스트립 가열 전극부는 상기 제1 접지 핀을 공유하며;
상기 다수의 가스 감지 컴포넌트의 스트립 감지 전극부는 상기 제2 접지 핀을 공유하며;
상기 다수의 가스 감지 컴포넌트의 스트립 감지 전극부는 상기 감지 전극 핀을 공유하는 방식 중 하나 또는 다수를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제4항에 있어서,
상기 임의의 다수의 캐비티의 캐비티 개구부의 다수의 가스 감지 컴포넌트가 핀을 공유하는 것에는,
상기 임의의 다수의 캐비티 중의 제1 캐비티의 캐비티 개구부의 m개의 가스 감지 컴포넌트는 상기 임의의 다수의 캐비티 중의 제2 캐비티의 캐비티 개구부의 n개의 가스 감지 컴포넌트와 함께 제1 접지 핀과 제2 접지 핀을 공유하며, m과 n은 모두 양의 정수인 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제5항에 있어서,
상기 m개의 가스 감지 컴포넌트는 제1 감지 전극 핀을 공유하며, 상기 n개의 가스 감지 컴포넌트는 제2 감지 전극 핀을 공유하며; 또는,
상기 m개의 가스 감지 컴포넌트는 n개의 가스 감지 컴포넌트와 하나의 감지 전극 핀을 공유하는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제3항에 있어서,
상기 MEMS 가스 센서는 다수의 가스 감지 컴포넌트를 포함하는 경우,
다수의 가스 감응 물질부에 이용되는 가스 감응 물질은 모두 다르며; 또는,
적어도 두 개의 가스 감응 물질부에 이용되는 가스 감응 물질은 같은 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 표면에 제1 캐비티와 제2 캐비티가 개방되어 있고, 각 캐비티 개구부에 각각 다수의 가스 감지 컴포넌트가 설정되어 있고, 상기 제1 캐비티와 제2 캐비티 사이에 층별로 제1 접지 핀과 제2 접지 핀이 설정되며, 상기 다수의 가스 감지 컴포넌트 중의 다수의 가열 전극부가 상기 제1 접지 핀과 연결되며, 상기 다수의 가스 감지 컴포넌트 중의 다수의 제2 감지 전극부가 상기 제2 접지 핀과 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제3항에 있어서,
상기 캐비티는 다수를 포함할 때, 상기 다수의 캐비티는 평행 배열, 인라인 배열 및 사전 설정된 기하학적 배열 중 임의의 하나 또는 다수의 방식에 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제3항 또는 제9항에 있어서,
임의의 하나의 캐비티 안에 다수의 가스 감지 컴포넌트를 포함할 때, 상기 다수의 가스 감지 컴포넌트는 평행 배열, 및 사전 설정된 기하학적 배열 중 임의의 하나 또는 다수의 방식에 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 제10항에 있어서,
상기 캐비티는 다수를 포함하며, 각 캐비티의 개구부는 다수의 가스 감지 컴포넌트를 포함할 때, 다수의 캐비티의 다수의 가스 감지 컴포넌트는 거울 대칭으로 분포되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서. - 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서의 가스 감지 방법에 있어서,
MEMS 가스 센서는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 상기 MEMS 가스 센서이며; 상기 방법에는,
상기 MEMS 가스 센서 중의 임의의 하나 또는 다수의 가스 감지부를 선택하여 상기 가스 감지부 중의 스트립 가열 전극부에 가열 전압을 가하여 상기 가스 감지부 중 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이의 전압 값을 취득하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서의 가스 감지 방법. - 제12항에 있어서,
다수의 스트립 가열 전극부에 가열 전압을 가할 때 임의의 두개의 스트립 가열 전극부의 전압이 같거나 다른 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서의 가스 감지 방법. - 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서 어레이에 있어서,
상기 센서 어레이는 다수의 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항의 상기 MEMS 가스 센서가 포함되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서 어레이. - 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서의 제조 방법에 있어서,
MEMS 가스 센서는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 상기 MEMS 가스 센서이며; 상기 방법에는,
제1 기판을 준비하며;
상기 제1 기판의 제1 표면에 지지막을 형성하며;
상기 지지막에 가스 감지부를 형성하며, 여기에서, 상기 가스 감지부는 순차적으로 적층되는 스트립 가열 전극부, 절연층, 스트립 감지 전극부 및 가스 감응 물질부를 포함하며, 상기 스트립 감지 전극부는 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부를 포함하고, 상기 제1 감지 전극부와 제2 감지 전극부 사이에 제1 개구가 설정되며, 상기 가스 감응 물질부는 상기 제1 개구 위치에 설정되며, 상기 가스 감응 물질부의 제1 단은 상기 제1 감지 전극부와 연결되고, 상기 가스 감응 물질부의 제2 단은 상기 제2 감지 전극부와 연결되며;
상기 지지막에 대하여 가공을 수행하여 지지 현수교를 취득하며, 또한 상기 제1 기판의 제1 표면에 하나 또는 다수의 캐비티를 형성하며, 상기 지지 현수교는 상기 캐비티 개구의 제1 가장자리와 제2 가장자리에 설정되는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가스 센서의 제조 방법.
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