KR20230000493A - 일체 구조를 갖는 기체 열전도 방식의 수소 센서 - Google Patents
일체 구조를 갖는 기체 열전도 방식의 수소 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 열악한 환경 내에서도 사용 가능하며, 센서의 부피를 대폭 축소할 수 있을 뿐만 아니라 습도에 의한 영향이 최소화되며 저가로 대량 생산이 용이한 일체 구조를 갖는 수소 센서를 개시한다.
Description
본 발명은 일체 구조를 갖는 기체 열전도 방식의 수소 센서에 관한 것이다.
새로운 청정 에너지로서 궁극적으로 수소를 이용한 에너지 생산에 대한 기술의 발전이 급속하게 진행됨에 따라 최근 수소 전기 자동차의 생산량이 빠르게 증가하고 있다.
수소 전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)는 차량에 저장된 수소와 대기 중의 공기의 결합으로 생성된 전기로 운행이 되는 100% 무공해 차량이다. 상기 수소 전기차는 기존 차량의 연료탱크 대신 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 장치를 구비한다.
수소 전기차는 연료전지스택, 수소공급장치, 공기공급장치, 열관리장치 및 수소저장장치를 구비한다.
이 중 수소공급 및 저장장치는 수소 전기차의 연료에 해당되는 수소를 저장하고 스택으로 정량을 이송하는 시스템이다. 이들은 공급되는 수소를 관리하기 위해 수소의 압력, 전체적인 온도 변화, 수소의 누설 등의 모니터링 및 관리가 요구된다.
수소 센서는 수소 가스의 누설을 감지하는 수소 가스 누설검지 센서와 수소 농도를 관리하는 수소농도센서로 나뉜다. 상기 수소 가스 누설검지 센서는 수소 전기차에서 수소 저장용기 부근, 수소 이송 배관계의 이음매 부근, 스택 주변, 그리고 차량 실내 등에 적용되고 있으며, 수소 농도 센서는 스택 출구 부근 또는 수소 희석 및 배기장치 부근에 적용되고 있다.
특히, 수소 가스 누설검지 센서는 수소 가스를 직접 탐지하는 기술로서, 수소 탱크 내 고압으로 압축시킨 수소에 의한 폭발 위험성을 대비해 꼭 필요한 센서이다.
수소 가스의 탐지 기술은 크게 열선형 반도체식, 접촉 연소식, 기체 열전도식이 있으며, 현재 연구개발 단계에 있는 방식으로는 광학식 및 FET(Field Effect Transistor) 방식, 복합재 투과 필름박막 방식 등이 있다.
열선형 반도체식은 금속산화물 반도체 표면에서 가스 흡착에 의한 전기 저항의 변화를 금속 배선 양단에 나타난 저항치 변화로서 측정하는 것이다. 또한, 접촉 연소식은 가연성 가스에 대하여 반응하는 검지 시편과 반응하지 않는 보상 시편 2개의 소자로 구성되어 가연성 가스에 노출될 때 검지 시편의 온도상승을 보상 시편과의 저항 차이에 의해서 측정하는 것이다. 또한, 기체 열전도식은 가스의 열 전도도의 차이에 의한 발열체의 온도 변화를 측정하는 것이다.
상기 방식은 수소 농도에 따라 달라지며, 도 1에 나타낸 바와 같이, 저농도의 수소 탐지는 열선형 반도체식이, 고농도의 수소 탐지는 접촉 연소식 방식이 사용되고 있다.
접촉 연소식 수소 센서는 고농도의 수소를 탐지할 수 있다는 이점이 있으나, 촉매의 열화로 인해 장기 신뢰성에 문제가 있다.
이에 대한 대안으로 고농도의 측정에 사용 가능한 기체 열전도식 수소 센서가 제안되었다. 가스나 수증기의 전도도는 물리적 성질이므로 촉매의 품질 저하 또는 독성화가 발생하지 않아 오랜 기간 동안 안정한 상태를 이룰 수 있다.
시판 수소 센서는 보상 시편과, 검지 시편을 구비하고, 실리콘 미세 가공을 통해 열고립부(heat isolation)를 갖는 멤브레인을 구성하고, 이들을 개방 캡을 갖는 패키지에 폐쇄 캡을 갖는 패키지 내 각각 장착된다. 상기 구성을 갖는 수소 센서는 서로 다른 두 개의 개별 패키지를 함께 사용하게 되어 센서의 부피가 클 수 밖에 없다. .
특히, 누설검지를 위한 수소 센서는 수소 저장용기부근, 수소 이송 배관계의 이음매 부근, 스택 주변, 그리고 차량 실내 등에 적용되고 있어 실제 차량 내 제한된 공간 내에 장착하는데 한계가 있다. 또한, 두 개의 개별 패키지된 센서의 가격을 저가화하는데도 한계가 있다.
한편, 수소 센서는 외부 환경, 특히 습도가 높을 경우 수증기에 의해 열 전도도가 변화되어 계측 오차가 발생한다. 이에 수소 센서와 더불어 추가적인 습도 센서를 부착해서 습도에 대한 보정을 별도로 수행하는 방법이 제안되었으나 비용 증가라는 새로운 문제를 가져온다.
본 발명자들은 수소 기체의 열전도가 다른 기체에 비해 상대적으로 큰 원리를 이용하여 센서를 제작하되, 센싱부와 참조부를 하나의 칩으로 형성하여 동일 패키지 내에 설치할 경우 센서 부피의 축소와 함께 제작 공정을 단순화할 뿐만 아니라, 칩 내부에 습도의 영향을 받지 않는 온도에서 센싱이 가능하도록 발열 가능한 히터를 설치하여 수소 센서의 응답 특성과 정확성을 높일 수 있었다.
이에 본 발명의 목적은 일체 구조를 갖는 기체 열전도 방식의 수소 센서를 제공하는데 있다.
본 발명은 기체 열전도 방식으로 수소를 검지하기 위해, 내부의 칩을 수용하기 위해 스템 및 캡이 접합된 하우징을 구비하는 일체 구조를 갖는 수소 센서를 제공한다.
상기 칩은 기판, 상기 기판 상에 소정 간격으로 이격하여 형성되며, 센싱부 및 참조부 각각을 형성하는 두 개의 멤브레인, 상기 각 멤브레인의 중앙 영역에 형성되며 센싱 온도까지 가열하여 줄 열(Joule heat)을 발생시키기 위한 히터; 상기 멤브레인 및 히터와 소정 거리 이격하여 형성된 전극 패드; 및 상기 센싱부에 기체가 접촉될 수 있도록 상기 센싱부에 대응하는 스템의 소정 영역에 형성된 적어도 하나 이상의 개방홀을 포함한다.
상기 개방홀(H)의 직경(D)은 하기 식1을 만족한다.
[식1]
D < a+2T / (tan θ)
(상기 식에서,
D는 개방홀 직경,
a는 센싱부의 멤브레인 변의 길이,
T는 기판의 두께,
θ는 90도 이하이다)
상기 기판은 센싱부와 참조부가 열 고립(heat isolation) 구조를 갖도록 후면이 식각된 구조를 갖는다.
상기 멤브레인은 산화실리콘(SiOx), 질화실리콘(SiNx) 및 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy)를 적어도 하나 이상 포함하는 단층 또는 다층 박막일 수 있다.
상기 히터는 400℃ 이상으로 가열이 가능하다.
상기 칩과 캡으로 이루어진 내부 영역에 공기, 불활성 가스 중 어느 하나 이상이 주입된다.
또한, 본 발명은
(S1) 기판 상에 절연막을 증착 후 식각하여 멤브레인을 형성하는 단계;
(S2) 상기 멤브레인 상에 도전성 박막을 형성 후 식각하여 히터를 형성하는 단계;
(S3) 상기 기판 상에 전극 재질을 증착 후 식각하여 전극 패드를 형성하는 단계;
(S4) 상기 멤브레인이 미 형성된 기판의 후면이 센싱부와 참조부가 열 고립(heat isolation) 구조를 갖도록 식각하는 단계;
(S5) 소정 영역에 하나 이상의 개방홀이 구비된 스템을 준비하는 단계;
(S6) 상기 스템 상에 칩을 장착하는 단계; 및
(S7) 상기 스템과 캡을 접합하는 단계를 포함하는, 일체 구조를 갖는 수소 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 기체 열전도 방식의 수소 센서는 수소 가스를 탐지할 수 있다.
이러한 수소 센서는 하나의 패키지 내에 센싱부 및 감지부를 구비하는 일체 구조를 가짐으로써 기존 두 개의 개별 패키지 된 센서 대비 부피를 대폭 축소하여 제한된 실내 공간 내에 장착이 매우 용이하다.
또한, 상기 수소 센서는 제작이 용이할 뿐만 아니라 생산비를 크게 낮출 수 있어 동종 제품 대비 경쟁력이 있다.
더불어, 센싱부와 참조부에 구비된 히터를 특정 온도 이상으로 히터의 온도를 올려줌으로써 습도에 대한 선택성을 높여 습도에 의한 영향을 배제시킬 수 있어 별도의 습도 보정을 위한 센서 없이도 사용이 가능하다.
도 1은 수소 농도에 따라 사용 가능한 수소 센서.
도 2는 본 발명에 따른 수소 센서의 단면도.
도 3(a)는 본 발명에 따른 칩의 정면도, (b) Q-Q'의 단면도.
도 4는 온도에 따른 유체의 열 전도도.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 (a) 칩의 정면도, (b) 사진.
도 6은 본 발명의 수소 센서의 특성을 확인하기 위해 구성된 회로.
도 2는 본 발명에 따른 수소 센서의 단면도.
도 3(a)는 본 발명에 따른 칩의 정면도, (b) Q-Q'의 단면도.
도 4는 온도에 따른 유체의 열 전도도.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 (a) 칩의 정면도, (b) 사진.
도 6은 본 발명의 수소 센서의 특성을 확인하기 위해 구성된 회로.
본 발명의 열전도 방식의 수소 센서는 센서 부피를 축소화함과 동시에 수소 이외의 외부 환경 요인, 특히 습도에 대해 영향을 받지 않도록 설계한 것이다.
센서 부피의 축소화는 센싱부(sensing element)와 참조부(reference element)를 하나의 칩으로 형성하여 동일 패키지 내에 설치함으로써 가능해지고, 외부 환경, 즉 습도에 의한 요인은 칩 내에 히터부를 설치함으로써 해결할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 일체 구조를 갖는 수소 센서를 도시한 단면도이고, 도 3은 칩의 (a) 정면도 및 단면도(b)이다.
도 2을 보면, 수소 센서는 내부의 칩(50)을 수용하기 위해 스템(10, stem) 및 캡(20)이 접합되어 하우징을 구성한다.
스템(10) 상에 다이 본딩으로 패키지를 이루고, 센서 내부는 외부의 기체 유입 방지를 위해 캡(20)으로 접합하는 구조를 갖는다.
스템(10)의 중앙부에 칩(50)이 형성되고, 복수 개의 커넥터핀(43)이 통과할 수 있도록 복수 개의 관통공을 구비한다.
캡(20)은 상기 스템(10) 상에 실장된 칩(50)을 덮기 위해 형성되며, 그 형상을 한정하지 않으나 원통형 모양을 가지며 스템(10)과 체결된다.
칩(50)은 기판(31) 상에 센싱부(30a) 및 참조부(30b)를 각각 형성하는 멤브레인(32a, 32b)과, 히터(33a, 33b), 및 전극 패드(34a, 34b, 34c)를 포함한다.
기판(31)은 실리콘 기판(31)을 이용할 수 있으며, 필요한 경우 유리, 사파이어 또는 석영 기판이 사용될 수도 있다. 이때 상기 히터(33a, 33b)가 형성된 기판(31) 중앙 영역 후면은 식각되어 제거된 구조, 즉 센싱부와 참조부가 열 고립(heat isolation) 구조를 갖도록 한다.
멤브레인(32a, 32b, membrane)은 센싱부(30a) 및 참조부(30b)가 형성될 수 있도록 한 쌍으로 형성되며, 소정의 간격으로 이격되어 마주보고 위치한다.
센싱부(30a)를 형성하는 멤브레인(32a)과 참조부(30b)를 형성하는 멤브레인(32b)의 크기는 서로 같거나 다를 수 있으나, 동일한 것이 바람직하다.
멤브레인(32a, 32b)은 기계적 물성과 함께 내열성을 갖는 재질이 가능하며, 기판(31) 후면 식각 시에 식각 방지층이 역할을 하며, 히터(33a, 33b)의 지지대 역할을 한다. 또한, 상기 히터(33a, 33b)의 가열시에 발열에 의한 칩(50)의 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 바람직하기로, 상기 멤브레인(32a, 32b)은 산화실리콘(SiOx), 질화실리콘(SiNx) 및 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy)를 적어도 하나 이상 포함하여 적층된다. 일례로, 멤브레인(32a, 32b)은 산화실리콘/질화실리콘/산화실리콘과 같이 다층 박막 형태일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수소 센서는 외부 환경, 즉 습도에 의한 요인을 배제하기 위해, 칩(50) 내에 히터(33a, 33b)를 구비한다. 보다 구체적으로, 센싱부와 참조부에 구비된 히터를 특정 온도 이상으로 히터의 온도를 올려줌으로써 습도에 대한 선택성을 높여 습도에 의한 영향을 배제시킬 수 있다.
도 4는 온도에 따른 유체의 열 전도도를 도시한 그래프로, 다양한 유체의 열 전도도는 온도에 따라 증가하거나 저감하는 여러 특이적인 경향을 보인다. 이중 수증기(water)를 보면, 약 150℃ 정도까지 열 전도도가 증가하다가 이후 낮아지는 곡선을 나타내며, 약 350℃ 이상에서는 급속하게 기화되어 수증기가 열 전도도에 미치는 영향이 없음을 알 수 있다.
기체 열전도 방식의 수소 센서는 열 전도도의 차이를 통해 수소 가스를 검지하는 것으로, 상기 도 4의 온도 이상으로 가열할 경우 수소 센서에 대한 습기의 영향을 완전히 배제할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 칩(50) 내에 수증기의 기화 온도 이상으로 가열이 가능한 히터(33a, 33b)를 장착하고, 센싱 중 상기 히터(33a, 33b)의 작동으로 인해 줄 열(Joule heat)을 발생시켜 습도에 의한 수소 센서의 열 전도도 변화를 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
줄 열의 발생은 센싱부(30a) 및 참조부(30b) 모두에게 이루어질 수 있도록, 각각의 멤브레인(32a, 32b) 중앙 영역에 히터(33a, 33b)를 배치한다. 상기 줄 열은 히터(33a, 33b)의 양단에 전압을 인가하여 발생시킬 수 있으며, 수증기의 기화 온도 이상인 적어도 250℃, 바람직하기로 400℃ 이상으로 가열시킨다. 그 결과 이 온도에서 센싱을 안정적으로 수행할 수 있어, 본 발명의 수소 센서의 센싱 온도가 될 수 있다.
히터(33a, 33b)로 사용 가능한 재질로는 금속 또는 반도성 산화물이 가능하며, 바람직하기로 금속 재질일 수 있으며, 더욱 바람직하기로 금, 텅스텐, 백금 및 팔라듐 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 히터(33a, 33b)는 설계된 저항, 구체적으로 500 내지 1000Ω의 저항을 갖도록 전체 길이와 두께 및 형상이 조절되며, 바람직하게, 인터디지털(inter-digital) 형태 또는 갭(gap) 형태로 형성된다.
필요한 경우, 상기 히터(33a, 33b)의 형성시 접착력을 더 높이기 위하여 멤브레인(32a, 32b) 상에 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 등을 이용한 부착층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 상기 부착층은 스퍼터링법, 전자빔법 또는 기화법 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
추가적으로, 습도에 의한 영향을 최소화하기 위해, 습도 센서를 더욱 구비할 수 있으며, 상기 측정된 습도 센서에 의해 수소 센서의 습도 보정을 수행할 수 있다.
전극 패드(34a, 34b, 34c)는 멤브레인(32a, 32b) 및 히터(33a, 33b)와 소정 거리 이격하여 형성되며, 상기 히터(33a, 33b)와 동일하거나 유사한 특성을 갖는 물질을 이용하여 제조한다. 상기 전극 패드(34a, 34b, 34c)는 히터(33a, 33b)에 전력을 전달하는 역할을 하며 전원 공급원과의 연결을 위한 본딩 와이어(41)가 접촉될 수 있다.
본딩 와이어(41)는 도전성 와이어일 수 있으며, 전극 패드(34a, 34b, 34c)와 인쇄회로기판(60)(도 4)이 전기적으로 연결되도록 한다. 따라서, 센싱부(30a)에서 센싱된 히터의 저항 신호가 전극 패드(34a, 34b, 34c)와 본딩 와이어(41)를 통해 인쇄회로기판(60)에 전달된다. 상기 본딩 와이어(41)는 골드 와이어, 알루미늄 와이어, 구리 와이어 등 공지된 것이 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 수소 센서는 센싱부(30a)에 기체가 유입되기 위한 적어도 하나 이상의 개방홀(H)이 형성된다. 이때 편의상 도 2에 도시한 개방홀(H)은 1개를 도시하였으나, 2개 이상 복수 개의 설치가 가능하다.
개방홀(H)은 기체 내 식별 대상인 수소 가스가 유입되기 용이하도록 센싱부(30a)에 대응하는 스템(10) 영역에 형성되고, 참조부(30b)에는 유입되지 않도록 한다. 이에, 스템(10)의 개방홀(H)을 통과한 기체는 수소 센서 내부로 유입되며, 도 2과 같이 기판(31) 하부 영역이 일정 각도를 갖도록 식각되고, 식각에 의해 격벽 형태로 패터닝된 기판(31)에 의해 기체의 참조부(30b) 내 유입이 차단된다.
개방홀(H)은 센싱부(30a)로의 유출입이 용이하도록 일정 수준의 직격을 가지며, 단수 또는 복수 개의 개방홀(H)이 설치되더라도 전체 개방홀(H) 형성 영역은 센싱부(30a)에 위치한 멤브레인(32a)의 너비를 넘지 않도록 한다.
보다 바람직하기로, 개방홀(H)의 직경(D)은 하기 식1을 만족한다.
[식1]
D < (a+2T) / tan θ
(상기 식에서,
D는 개방홀 직경,
a는 센싱부의 멤브레인 변의 길이,
T는 기판의 두께,
θ는 90도 이하이다)
기판(31)은 상부의 단면적이 넓고 하부로 내려갈수록 단면적이 작아지는 형상을 하고 있으며, 이때 스템(10)과 기판(31)이 이루는 각도(θ)는 기판(31)의 식각 공정을 통해 제어가 가능하다. 바람직하기로, θ는 90도 이하, 바람직하기로 54.74도 또는 85 내지 90도의 각도를 가지며, 구체적으로는 54.74도이다.
또한, a로 정의되는 멤브레인(32a) 변의 길이는 수평 방향에서의 멤브레인(32a)의 작은 변의 길이일 수 있다.
식 1을 만족하도록 개방홀(H)의 직경을 설계할 경우 수소 가스의 감지도가 높아질 수 있다.
개방홀(H)의 형상은 이의 수평 절단면이 원형, 사각형 또는 다각형일 수 있으며 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
한편, 칩(50)과 캡(20)으로 이루어진 내부 공간(A)에는 공기, 불활성 가스 중 어느 하나 이상이 주입될 수 있으며, 이 내부 공간(A)으로는 외부 기체가 유입되지 않도록 한다. 바람직하기로, 불활성 가스를 충진하여 다른 가스에 의한 노이즈를 최소화할 수 있다.
커넥터핀(43)은 복수 개로 형성되며, 인쇄회로기판(미도시)에 솔더링되어 접속됨으로써 상기 인쇄회로기판을 통한 전기적 신호를 외부 전자 장치에 전달할 수 있다. 상기 커넥터핀(43)은 니켈, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다.
필요한 경우, 상기 전극 패드(34a, 34b, 34c)의 소정 영역과 히터(33a, 33b) 또는 멤브레인(32a, 32b)을 덮는 형태로 절연막(미도시)이 형성될 수 있으나, 필수적인 요소는 아니다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소 센서는 센서를 집적화함으로써, 센서의 대량 생산을 용이하도록 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 수소 센서 내 칩의 제조방법은,
(S1) 기판(31) 상에 절연막을 증착 후 식각하여 멤브레인(32a, 32b)을 형성하는 단계;
(S2) 상기 멤브레인(32a, 32b) 상에 도전성 박막을 형성 후 식각하여 히터(33a, 33b)를 형성하는 단계;
(S3) 상기 기판(31) 상에 전극 재질을 증착 후 식각하여 전극 패드(34a, 34b, 34c)를 형성하는 단계; 및
(S4) 상기 멤브레인(32a, 32b)이 미 형성된 기판(31)의 후면이 센싱부와 참조부가 열 고립(heat isolation) 구조를 갖도록 식각하는 단계;를 포함한다.
먼저, 기판(31) 상에 절연막을 증착 후 식각하여 멤브레인(32a, 32b)을 형성한다(S1).
절연막은 멤브레인(32a, 32b)을 형성하기 위한 재질로서, 산화실리콘(SiOx), 질화실리콘(SiNx) 및 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy)를 적어도 하나 이상 포함하여 단층 또는 다층으로 적층한다. 적층 방법은 건식 방법이 사용될 수 있으며, 열산화법, 스퍼터링법 또는 화학 기상 증착법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 멤브레인(32a, 32b) 상에 도전성 박막을 형성 후 식각하여 히터(33a, 33b)를 형성한다(S2).
도전성 박막은 금속 또는 반도성 산화물, 바람직하기로 금, 텅스텐, 백금 및 팔라듐 중 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 도전성 박막의 형성은 스퍼터링법, 전자빔법 또는 기화법 등의 방법이 가능하다. 식각은 반도체 공정에서 사용하는 포토리소그래피 공정으로 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 기판(31) 상에 전극 재질을 증착 후 식각하여 전극 패드(34a, 34b, 34c)를 형성한다(S3).
전극 재질은 도전성이 있는 재질이면 어느 것이든 가능하고, 상기 히터(33a, 33b)와 동일하거나 유사한 특성을 갖는 물질을 이용하여 제조한다. 일례로, 금, 텅스텐, 백금 및 팔라듐 중 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 전극 재질의 증착은 스퍼터링법, 전자빔법 또는 기화법 등의 방법이 가능하다. 식각은 반도체 공정에서 사용하는 포토리소그래피 공정으로 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 멤브레인(32a, 32b)이 미 형성된 기판(31)의 후면이 센싱부와 참조부가 열 고립 구조를 갖도록 식각한다(S4).
식각은 포토레지스트 패턴을 이용한 건식 식각 공정을 이용할 수 있다. 일례로, 양면 노광기를 사용하여 실리콘 식각을 위한 개구부 패터닝을 시행하고 KOH, TMAH, EDP 등의 용액을 이용한 습식 이방성 식각을 하거나 실리콘 Deep RIE 장치를 이용한 건식 식각이 수행될 수 있다.
기판(31) 하부를 부분적으로 제거하여 열 고립 구조인 섬(island) 형태로 제작할 경우 수소 센서 내부로 유입되는 기체에 대한 감도를 더욱 높일 수 있다.
상기한 단계를 거쳐 제조된 칩(50)은,
(S5) 소정 영역에 하나 이상의 개방홀(H)이 구비된 스템(10)을 준비하는 단계;
(S6) 상기 스템(10) 상에 칩(50)을 장착하는 단계; 및
(S7) 상기 스템(10)과 캡(20)을 접합하여 수소 센서를 제작한다.
상기 (S5)에서 스템(10)의 개방홀(H)의 형성은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 다양한 타공 방법이 사용될 수 있다.
다음으로, 스템(10) 상에 칩(10)의 장착하며, 이와 함께 본딩 와이어(41)와 솔더링을 통해 접속시켜 커넥터핀(43)핀을 통해 외부와 전기적 연결을 수행한다.
(S7)의 접합은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 방법이 사용될 수 있다. 다만, 칩(50)과 캡(20)이 이루는 내부 영역에 필요한 경우 공기 또는 불활성 가스를 주입하는 단계를 더욱 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 칩(50)의 정면도이고, (b)는 사진이다.
도 5(a)와 같이 본 발명에 따른 수소 센서의 칩(50)은 센싱부(30a)와 참조부(30b)를 구비하고, 수소 센서는 도 5(b)와 같이 동전 보다 작은 부피로 제작 가능하다.
본 발명에 따른 수소 센서는 기체 열전도식 방법에 의해 수소 가스를 감지할 수 있다.
수소 가스의 감지는 수소 센서의 온도를 히터(33a, 33b)에 의해 상승시킨 후 진행된다. 상기 수소 가스를 포함하는 기체가 센싱부(30a)와 접촉하게 되면 수소의 열전도율의 차이에 의해 센싱부(30a)의 온도가 내려간다. 이에 따라 센싱부(30a) 영역 내 형성된 히터(33a)의 저항에는 변화가 발생하며, 참조부(30b) 영역 내 형성된 히터(33b)의 저항 대비 저항 변화를 측정하여 수소 가스의 감지뿐만 아니라 농도를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 수소 센서의 특성을 확인하기 위해 구성된 회로이다.
도 6을 보면, 수소 센서는 고정저항(R1, R2, R3), 가변저항(VR) 등 4개의 저항을 포함하는 브릿지 회로와 브릿지 회로에 인가되는 전원(V)으로 간단히 구성할 수 있다. 이때 히터(33a, 33b)의 저항을 800 Ω으로 만들었을 경우 센싱부(30a)와 참조부(30b)를 포함하는 브릿지 회로를 통해 수소 기체에 의한 저항 변화를 전기적 신호로 검출한다.
센싱부(30a)에 수소가 유입되며, 수소의 열전도율이 달라지고, 이에 따라 상기 센싱부(30a)의 온도가 내려가게 되며 이에 따라 히터의 저항에 변화가 생기게 되는 원리를 통해 수소 농도를 추정할 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 수소 센서는 빠른 응답 속도를 보였으며, 수소 감지 후 수소 농도가 낮아졌을 때 다시 원상 복귀 되는 회복시간(recovery time)은 약 수십초 내외로 필요한 것으로 나타났다. 이러한 응답속도의 특성은 고가격의 타 센서 대비 동등 또는 그 이상의 우수한 수치를 갖는다.
또한, 본 발명의 수소 센서는 수소 가스 누설 검지를 위해 수소 전기차에서 수소 저장용기 부근, 수소 이송 배관계의 이음매 부근, 스택 주변, 그리고 차량 실내 등에 적용될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 수소 센서는 하나의 패키지 내에 센싱부 및 감지부를 구비하는 일체 구조를 가짐으로써 기존 두 개의 개별 패키지 된 센서 대비 부피를 대폭 축소하여 제한된 실내 공간 내에 장착이 매우 용이하다.
또한, 상기 수소 센서는 제작이 용이할 뿐만 아니라 생산비를 크게 낮출 수 있어 동종 제품 대비 경쟁력이 있다.
더불어, 내부에 장착된 히터에 의해 수소 센서에 대한 습도의 영향력을 배제시킬 수 있어 별도의 습도 보정을 위한 센서 없이도 사용이 가능하나, 필요한 경우 수소 센서의 설치 위치 주위에 설치가 가능하다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
10: 스템
20: 캡
30a: 센싱부 30b: 참조부
32a, 32b: 멤브레인 33a, 33b: 히터
34a. 34b, 34c: 전극 패드 41: 본딩 와이어
43: 커넥터핀 50: 칩
30a: 센싱부 30b: 참조부
32a, 32b: 멤브레인 33a, 33b: 히터
34a. 34b, 34c: 전극 패드 41: 본딩 와이어
43: 커넥터핀 50: 칩
Claims (7)
- 기체 열전도 방식으로 수소를 검지하기 위해, 내부의 칩을 수용하기 위해 스템 및 캡이 접합된 하우징을 구비하고,
상기 칩은
기판;
상기 기판 상에 소정 간격으로 이격하여 형성되며, 센싱부 및 참조부 각각을 형성하는 두 개의 멤브레인;
상기 각 멤브레인 중앙 영역에 형성되며 센싱 온도까지 가열하여 줄 열(Joule heat)을 발생시키기 위한 히터;
상기 멤브레인 및 히터와 소정 거리 이격하여 형성된 전극 패드; 및
상기 센싱부에 기체가 접촉될 수 있도록 상기 센싱부에 대응하는 스템의 소정 영역에 형성된 적어도 하나 이상의 개방홀;을 포함하는,
일체 구조를 갖는 수소 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 개방홀(H)의 직경(D)은 하기 식1을 만족하는, 일체 구조를 갖는 수소 센서:
[식1]
D < (a+2T)/ tan θ
(상기 식에서,
D는 개방홀 직경,
a는 센싱부의 멤브레인 변의 길이,
T는 기판의 두께,
θ는 90도 이하이다)
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 센싱부와 참조부가 열 고립(heat isolation) 구조를 갖도록 후면이 식각된 구조를 갖는, 일체 구조를 갖는 수소 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 멤브레인은 산화실리콘(SiOx), 질화실리콘(SiNx) 및 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy)를 적어도 하나 이상 포함하는 단층 또는 다층 박막인, 일체 구조를 갖는 수소 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 히터는 400℃ 이상으로 가열이 가능한, 일체 구조를 갖는 수소 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 칩과 캡으로 이루어진 내부 영역에 공기, 불활성 가스 중 어느 하나 이상이 주입된, 일체 구조를 갖는 수소 센서.
- (S1) 기판 상에 절연막을 증착 후 식각하여 멤브레인을 형성하는 단계;
(S2) 상기 멤브레인 상에 도전성 박막을 형성 후 식각하여 히터를 형성하는 단계;
(S3) 상기 기판 상에 전극 재질을 증착 후 식각하여 전극 패드를 형성하는 단계;
(S4) 상기 멤브레인이 미 형성된 기판의 후면이 센싱부와 참조부가 열 고립(heat isolation) 구조를 갖도록 식각하는 단계;
(S5) 소정 영역에 하나 이상의 개방홀(H)이 구비된 스템을 준비하는 단계;
(S6) 상기 스템 상에 칩을 장착하는 단계; 및
(S7) 상기 스템과 캡을 접합하는 단계를 포함하는, 일체 구조를 갖는 수소 센서의 제조방법.
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