KR20240049925A - Temperature-Humidity Hybrid Sensor with Digital Output and Manufacturing Method Thereof - Google Patents

Temperature-Humidity Hybrid Sensor with Digital Output and Manufacturing Method Thereof Download PDF

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KR20240049925A
KR20240049925A KR1020220129416A KR20220129416A KR20240049925A KR 20240049925 A KR20240049925 A KR 20240049925A KR 1020220129416 A KR1020220129416 A KR 1020220129416A KR 20220129416 A KR20220129416 A KR 20220129416A KR 20240049925 A KR20240049925 A KR 20240049925A
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Abstract

본 발명은 디지털 출력 온습도 복합센서에 관한 것으로서, 보다 더 구체적으로 신호처리회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 상에 반도체 제조공정 또는 미세전자기계시스템(MEMS: Micro-ElectroMechanical Systems) 기술을 이용하여 온습도센서를 제작함으로써 소형화할 수 있고, 외부 온도 및 습도를 효율적으로 센싱할 수 있는 디지털 출력 온습도 복합센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a digital output temperature and humidity complex sensor, and more specifically, using a semiconductor manufacturing process or micro-electromechanical systems (MEMS) technology on a signal processing circuit (ROIC: Read-Out Integrated Circuit). This relates to a digital output temperature and humidity composite sensor that can be miniaturized by manufacturing a temperature and humidity sensor and can efficiently sense external temperature and humidity, and a method of manufacturing the same.

Description

디지털 출력 온습도 복합센서 및 그 제조방법{Temperature-Humidity Hybrid Sensor with Digital Output and Manufacturing Method Thereof}Temperature-Humidity Hybrid Sensor with Digital Output and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 디지털 출력 온습도 복합센서에 관한 것으로서, 보다 더 구체적으로 신호처리회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 상에 반도체 제조공정 또는 미세전자기계시스템(MEMS: MicroElectroMechanical Systems) 기술을 이용하여 온습도센서를 제작함으로써 소형화할 수 있고, 외부 온도 및 습도를 효율적으로 센싱할 수 있는 디지털 출력 온습도 복합센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a digital output temperature and humidity complex sensor, and more specifically, to a temperature and humidity sensor using a semiconductor manufacturing process or microelectromechanical systems (MEMS) technology on a signal processing circuit (ROIC: Read-Out Integrated Circuit). It relates to a digital output temperature and humidity composite sensor that can be miniaturized and efficiently sense external temperature and humidity and a method of manufacturing the same.

도 1은 종래 기술에 따른 디지털 출력 온습도 센서의 구조를 보여주는 사시도이다.Figure 1 is a perspective view showing the structure of a digital output temperature and humidity sensor according to the prior art.

도 1을 참조하면, 종래에는 실리콘 기판(400) 상부에 산화막(SiO2), 질화막(Si3N4)등으로 이루어진 절연막(410)을 형성한 후, 반도체 공정 등을 이용하여 ROIC(420)를 형성하고, ROIC(420) 상부의 일 영역에 습도센서(430)를 형성하는 방식을 취하고 있었다. Referring to FIG. 1, conventionally, an insulating film 410 made of an oxide film (SiO 2 ), a nitride film (Si 3 N 4 ), etc. is formed on the silicon substrate 400, and then ROIC 420 is formed using a semiconductor process, etc. was formed, and the humidity sensor 430 was formed in one area of the upper part of the ROIC 420.

도 2는 종래 기술에 따른 또 다른 디지털출력 온습도센서의 사시도이다. Figure 2 is a perspective view of another digital output temperature and humidity sensor according to the prior art.

도 2를 참조하면, ROIC(520)와 습도센서(530)를 별도로 제작하여 PCB 기판(500) 상에 형성한 후, 다이 본딩(Die Bonding) 및 와이어 본딩(Wire Bonding)을 통해 전기적인 연결을 하도록 제작하는 방식을 채용하고 있었다. Referring to FIG. 2, the ROIC 520 and the humidity sensor 530 are manufactured separately and formed on the PCB board 500, and then electrically connected through die bonding and wire bonding. A production method was adopted to do so.

이와 같이 종래 기술에 따른 디지털출력 온습도센서는 습도센서만 별도로 형성하여 사용하고 있었으며, 온도센서는 ROIC 내부에 있는 미리 구비되어 있는 온도센서를 이용하고 있어서 정밀한 온도 측정이 곤란하여 온도 특성이 좋지 않으며, 특히 고온에서 우수한 선형성을 위해 별도의 정밀 보정 프로세스가 필요하다는 문제점을 갖고 있었다.In this way, the digital output temperature and humidity sensor according to the prior art was used by forming only the humidity sensor separately, and the temperature sensor used a pre-equipped temperature sensor inside the ROIC, so it was difficult to measure the temperature accurately and the temperature characteristics were not good. In particular, there was a problem that a separate precision correction process was needed for excellent linearity at high temperatures.

또한, 도 1에서 예시한 종래 기술의 경우, 디지털출력 온습도센서는 하나의 실리콘 기판(400) 상부에 ROIC(420) 및 습도센서(430)가 위치해야 하기 때문에 전체 칩 사이즈가 크고, 소형으로 제작하는데 한계가 있다는 문제점이 있었다.In addition, in the case of the conventional technology illustrated in FIG. 1, the digital output temperature and humidity sensor requires the ROIC (420) and humidity sensor (430) to be located on the top of one silicon substrate (400), so the overall chip size is large and manufactured in a small size. There was a problem that there were limits to this.

더불어서, 또한, 도 1에서 예시한 종래 기술의 경우, 상기 습도센서(430)가 ROIC(420)와 단일(one-chip) 공정으로 제작되기 때문에 습도센서 제작을 위한 전극박막의 종류와 감습막 물질을 적용하는데 제약이 있기 때문에 우수한 감습특성을 갖고 있는 감습막을 형성하여 성능을 향상시키기 어렵다는 문제점이 있었다.In addition, in the case of the prior art illustrated in FIG. 1, since the humidity sensor 430 is manufactured in a one-chip process with the ROIC 420, the type of electrode thin film and moisture-sensitive film material for manufacturing the humidity sensor Because there are limitations in its application, there was a problem in that it was difficult to improve performance by forming a moisture-reducing film with excellent moisture-reducing properties.

그리고, 도 2에서 예시한 종래 기술의 경우, 습도센서(530)를 별도로 제작하여 적용하기 때문에 도 1의 예시에서와 같이 감습물질 및 감습층에 대한 제약은 상대적으로 덜하지만, ROIC(520)와 습도센서(530)를 별도로 제작하여 PCB 기판(500)상에 다이 본딩(Die Bonding)을 하고 ROIC(520)와 습도센서(530)를 와이어 본딩(Wire Bonding)을 통해 전기적인 연결을 하기 때문에 전체적으로 칩 사이즈가 대형화되는 문제점이 있었다.In addition, in the case of the prior art illustrated in FIG. 2, since the humidity sensor 530 is manufactured and applied separately, there are relatively fewer restrictions on the moisture sensitive material and moisture sensitive layer as in the example of FIG. 1, but the ROIC (520) and The humidity sensor 530 is manufactured separately and die bonded on the PCB board 500, and the ROIC 520 and the humidity sensor 530 are electrically connected through wire bonding. There was a problem with the chip size becoming larger.

위의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대해 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as background technology above are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as recognition that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 별도의 PCB 기판 또는 실리콘 기판의 채용없이 ROIC 기판 상에 온도센서와 습도센서를 형성함으로써 습도센서의 전극을 위한 금속 박막에 대한 선택성과 감습물질 등에 대한 제약성을 제거하고, 전체 칩 사이즈를 줄일 수 있는 디지털 출력 온습도 복합센서를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention was devised to solve the problems of the prior art described above. By forming a temperature sensor and a humidity sensor on an ROIC board without employing a separate PCB board or silicon board, the metal thin film for the electrode of the humidity sensor is selected. The purpose is to provide a digital output temperature and humidity complex sensor that can eliminate limitations on performance and moisture-sensitive materials and reduce the overall chip size.

또한, 본 발명은 ROIC 기판 상에 온도센서와 습도센서를 동시에 형성함으로써 후속 패키징 작업을 단순화하여 제조 수율을 높이고 대량생산이 가능하며 생산 원가를 절감할 수 있는 디지털 출력 온습도복합센서를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a digital output temperature and humidity composite sensor that simplifies subsequent packaging work by simultaneously forming a temperature sensor and a humidity sensor on an ROIC substrate, increases manufacturing yield, enables mass production, and reduces production costs. There is a purpose.

또한 본 발명은 ROIC 기판 상에 습도센서와 함께 온도센서를 동시에 형성함으로써 온습도 데이터의 정밀 보정이 불필요하고, 온습도 센싱 성능이 우수한 디지털 출력 온습도 복합센서를 제공하는 또 다른 목적이 있다. In addition, the present invention has another purpose of providing a digital output temperature and humidity composite sensor with excellent temperature and humidity sensing performance, eliminating the need for precise correction of temperature and humidity data by simultaneously forming a temperature sensor and a humidity sensor on the ROIC substrate.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention. .

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 일측면에 의하면, ROIC 전극패드를 구비하는 ROIC 기판 상에 절연층을 형성하되, 상기 ROIC 전극패드의 상부 영역이 개방되도록 절연층을 패터닝하는 단계; 상기 ROIC 전극패드와 각각 접촉되는 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 동시에 형성하는 단계; 상기 ROIC 전극패드와 온도센서 전극, 상기 ROIC 전극패드와 습도센서 전극이 각각 연결되는 영역 상에 패드층을 형성하는 단계; 및 상기 패드층의 측부에 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 노출되는 영역을 커버하는 감습층을 형성하는 단계;를 포함하는 디지털 출력 온습도복합센서의 제조방법을 제공한다. According to one aspect of the present invention, which was devised to solve the problems of the prior art described above, an insulating layer is formed on an ROIC substrate having an ROIC electrode pad, and the insulating layer is patterned so that the upper region of the ROIC electrode pad is open. steps; simultaneously forming a temperature sensor electrode and a humidity sensor electrode in contact with the ROIC electrode pad; Forming a pad layer on an area where the ROIC electrode pad and the temperature sensor electrode, and the ROIC electrode pad and the humidity sensor electrode are respectively connected; and forming a moisture-sensitive layer on a side of the pad layer to cover an area where the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode are exposed.

본 발명에서 상기 절연층 형성 및 패터닝 단계는, 상기 절연층 상에 폴리이미드(Polyimid) 용액을 도포하는 단계; 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하는 단계; 포토레지스트 공정을 이용하여 ROIC전극패드의 상부가 개방될 영역을 패터닝하여 절연층 일부를 제거하는 단계; 및 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 후행 열처리하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다. In the present invention, forming and patterning the insulating layer includes applying a polyimide solution on the insulating layer; Preliminary heat treatment at 140°C to 150°C for 180 to 300 seconds using a hot plate; removing part of the insulating layer by patterning the area where the upper part of the ROIC electrode pad is to be opened using a photoresist process; and post-heat treatment at 300°C to 400°C for 50 to 70 minutes in a nitrogen atmosphere using heat treatment equipment.

본 발명에서 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 동시에 형성하는 단계는, 포토레지스트 공정으로 상기 절연층 상에 온도센서 전극, 습도센서 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계; 반도체 증착 장비를 이용하여 200~1,000nm의 두께로 온도센서 전극층 및 습도센서 전극층을 동시에 형성하는 단계; 및 리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하고, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 600 ~ 1000°C에서 1시간~4시간 동안 열처리하는 단계; 를 구비하는 것이 바람직하다. In the present invention, forming the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode simultaneously includes patterning the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode on the insulating layer through a photoresist process; Simultaneously forming a temperature sensor electrode layer and a humidity sensor electrode layer to a thickness of 200 to 1,000 nm using semiconductor deposition equipment; And removing the photoresist through a lift off process and heat treating for 1 to 4 hours at 600 to 1000°C in a nitrogen atmosphere using heat treatment equipment; It is desirable to have a.

본 발명에서 상기 패드층 형성단계는, ROIC 전극패드와, 습도센서 전극 및 온도센서 전극을 전기적인 연결을 위해 각 연결부위의 상부에 포토레지스트 공정을 이용하여 패터닝하는 단계; 반도체 증착장비를 이용하여 패드층을 형성하는 금속 박막을 증착한 후, 리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하는 단계; 및 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 350℃에서 30분 동안 열처리를 수행하는 단계; 를 구비하는 것이 바람직하다. In the present invention, the pad layer forming step includes patterning the ROIC electrode pad, the humidity sensor electrode, and the temperature sensor electrode using a photoresist process on the upper part of each connection portion to electrically connect the electrode pad, humidity sensor electrode, and temperature sensor electrode; Depositing a metal thin film forming a pad layer using semiconductor deposition equipment and then removing the photoresist through a lift off process; And performing heat treatment at 350°C in a nitrogen atmosphere for 30 minutes using heat treatment equipment; It is desirable to have a.

본 발명에서 상기 감습층을 형성하는 단계는, 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 노출되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계; 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 포토레지스트 공정을 이용하여 온도센서 전극 및 습도센서 전극상의 감습층이 형성될 영역을 패터닝하는 단계; 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 후행 열처리를 수행하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다. In the present invention, forming the moisture sensitive layer includes coating polyimide on areas where the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode are exposed; Preliminary heat treatment at 140°C to 150°C for 180 to 300 seconds using a hot plate, or prior heat treatment at 140°C to 150°C for 10 to 20 minutes using an oven; Patterning the area where a moisture-sensitive layer will be formed on the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode using a photoresist process; It is preferable to provide a step of performing post-heat treatment for 50 to 70 minutes at 300°C to 400°C in a nitrogen atmosphere using heat treatment equipment.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 타 측면에 의하면, ROIC 전극패드를 구비하는 ROIC 기판; 상기 ROIC 기판 상부에 형성되고, 상기 ROIC 전극패드의 상부가 개방되도록 패터닝된 절연층; 한 쌍의 ROIC 전극패드의 일측에 형성되는 온도센서 전극; 다른 한 쌍의 ROIC 전극패드의 일측에 형성되는 습도센서 전극; 상기 ROIC 전극패드와 온도센서 전극, 상기 ROIC 전극패드와 습도센서 전극을 각각 전기적으로 연결하는 패드층; 및 상기 패드층의 측부에 노출되는 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층; 을 포함하는 디지털 출력 온습도복합센서를 제공한다. According to another aspect of the present invention to solve the problems of the prior art described above, an ROIC substrate having an ROIC electrode pad; an insulating layer formed on the ROIC substrate and patterned to open the top of the ROIC electrode pad; A temperature sensor electrode formed on one side of a pair of ROIC electrode pads; A humidity sensor electrode formed on one side of another pair of ROIC electrode pads; A pad layer electrically connecting the ROIC electrode pad and the temperature sensor electrode, and the ROIC electrode pad and the humidity sensor electrode, respectively; and a moisture-sensitive layer formed to cover the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode exposed on the side of the pad layer. It provides a digital output temperature and humidity complex sensor including.

본 발명에서 상기 절연층은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되되, 100~500nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. In the present invention, the insulating layer is formed using polyimide, and is preferably formed to a thickness of 100 to 500 nm.

본 발명에서 상기 감습층은, 열경화성 폴리이미드(Polyimid)로 형성되되, 그 두께가 5.5 ㎛ ~ 6.5 ㎛ 의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. In the present invention, the moisture sensitive layer is formed of thermosetting polyimide, and the thickness is preferably within the range of 5.5 ㎛ to 6.5 ㎛.

본 발명에서 상기 패드층은, 알루미늄(Al)으로 형성되되, 0.8㎛ ~ 1.2㎛ 의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. In the present invention, the pad layer is preferably formed of aluminum (Al) with a thickness of 0.8 μm to 1.2 μm.

본 발명에서 상기 습도센서 전극 및 온도센서 전극은, 각각 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상의 금속을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. In the present invention, the humidity sensor electrode and the temperature sensor electrode are preferably formed using at least one metal selected from aluminum (Al), nickel (Ni), platinum (Pt), or gold (Au).

본 발명에서 상기 온도센서 전극은 지그재그 형태 또는 사행(蛇行) 구조를 갖는 측온저항체(RTD:Resistance Temperature Detector) 박막으로 형성하고, 상기 습도센서 전극은 IDT(InterDigiTated) 구조의 박막으로 형성되는 것이 바람직하다. In the present invention, the temperature sensor electrode is preferably formed of a RTD (Resistance Temperature Detector) thin film having a zigzag or meandering structure, and the humidity sensor electrode is preferably formed of a thin film of an IDT (InterDigiTated) structure. .

본 발명에서 상기 ROIC 기판은 그 4면의 측부에도 각각 절연층을 형성하는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable to form an insulating layer on each of the four sides of the ROIC substrate.

본 발명의 디지털 출력 온습도 복합센서에 의하면, 별도의 실리콘 기판 또는 PCB 기판의 채용없이 ROIC 기판 상에 온도센서와 습도센서를 형성함으로써 습도센서의 전극을 위한 금속 박막에 대한 선택성과 감습물질 등에 대한 제약성을 제거하고, 전체 칩 사이즈를 줄여 소형화된 디지털 출력 온습도 복합센서를 제공하는 효과가 있다. According to the digital output temperature and humidity composite sensor of the present invention, the temperature sensor and the humidity sensor are formed on the ROIC board without employing a separate silicon board or PCB board, thereby reducing the selectivity of the metal thin film for the electrode of the humidity sensor and the limitations on moisture absorbing materials. This has the effect of providing a miniaturized digital output temperature and humidity complex sensor by eliminating the overall chip size.

또한, 본 발명에 의하면, ROIC 기판 상에 온도센서와 습도센서를 동시에 형성함으로써 후속 패키징 작업을 단순화하여 제조 수율을 높이고 대량생산이 가능하며 생산 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, by simultaneously forming a temperature sensor and a humidity sensor on the ROIC substrate, subsequent packaging work is simplified, thereby increasing manufacturing yield, enabling mass production, and reducing production costs.

또한 본 발명에 의하면, ROIC 기판 상에 습도센서와 함께 온도센서를 동시에 형성함으로써 온습도 데이터의 정밀 보정이 불필요하고, 온습도 센싱 성능이 우수한 효과가 있다. In addition, according to the present invention, by simultaneously forming a temperature sensor and a humidity sensor on the ROIC substrate, precise correction of temperature and humidity data is unnecessary and excellent temperature and humidity sensing performance is achieved.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 종래 기술에 따른 디지털 출력 온습도센서의 사시도.
도 2는 종래 기술에 따른 디지털 출력 온습도센서의 사시도.
도 3a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도 복합센서의 단계별 제조 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도 복합센서의 광학현미경 사진.
도 9 내지 도 10은 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도 복합센서의 특성을 나타낸 그래프.
1 is a perspective view of a digital output temperature and humidity sensor according to the prior art.
Figure 2 is a perspective view of a digital output temperature and humidity sensor according to the prior art.
3A to 7C are step-by-step manufacturing flowcharts of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention.
Figure 8 is an optical microscope photograph of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention.
9 to 10 are graphs showing the characteristics of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately use the concept of terms to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle of definability. Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent the entire technical idea of the present invention, so at the time of filing the present application, various options that can replace them are available. It should be understood that equivalents and variations may exist.

도 3a 내지 도 7b는 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도 복합센서의 단계별 제조 흐름도이며, 신호처리회로(ROIC) 기판 상에 온도 센서 및 습도센서가 단일 공정으로 동시에 형성되는 모습을 단계별로 도시하고 있다. 3A to 7B are a step-by-step manufacturing flowchart of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention, showing step by step how a temperature sensor and a humidity sensor are simultaneously formed in a single process on a signal processing circuit (ROIC) board.

본 발명에서 베이스 기판은 외부에서 연결되는 온도센서 및 습도센서의 물리적인 신호를 전기적인 신호로 변환하기 위한 ROIC 기판(100)을 하부 베이스 기판으로 적용하며, 상기 ROIC 기판(100)은 그 내부에 구비되는 ROIC 회로보호 및 그 상부에 구비되는 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)과의 전기적인 차폐를 위해 ROIC 패드전극(110) 및 외부의 센싱 관련 장치와의 전기적인 연결을 위한 패드(미도시)를 제외한 모든 영역이 열경화 폴리머로 생성되는 절연층(200)으로 커버되는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the base substrate uses an ROIC substrate 100 as a lower base substrate for converting physical signals from an externally connected temperature sensor and humidity sensor into electrical signals, and the ROIC substrate 100 is installed inside the ROIC substrate 100. For electrical connection with the ROIC pad electrode 110 and external sensing-related devices for electrical shielding of the ROIC circuit protection and the temperature sensor electrode 220 and humidity sensor electrode 210 provided on top thereof. It is characterized in that all areas except the pad (not shown) are covered with an insulating layer 200 made of thermosetting polymer.

상기 ROIC 기판(100) 상부는 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 공정으로 제작되기 때문에 표면이 매우 거칠어 질 수 있으며, 이와 같은 ROIC 기판 상부 표면의 거칠음은 비표면적을 크게 해주기 때문에 습도센서를 제작하기에는 좋은 조건이 될 수 있다. Since the upper part of the ROIC substrate 100 is manufactured through a MEMS (MicroElectroMechanical Systems) process, the surface can become very rough. This roughness of the upper surface of the ROIC substrate increases the specific surface area, which is a good condition for manufacturing a humidity sensor. You can.

그리고 ROIC 기판(100)의 상부에는 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)과 각각 연결하기 위한 ROIC 전극패드(110)들이 복수의 쌍으로 형성될 수 있다. And, on the upper part of the ROIC substrate 100, a plurality of pairs of ROIC electrode pads 110 may be formed to connect the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210, respectively.

본 발명에서는 별도의 실리콘 기판 또는 PCB 기판 상부에 ROIC, 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 형성하는 것이 아니라, ROIC 기판(100) 상부에 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)을 동시에 형성하고, 패드층(230) 및 감습층(240)을 추가 형성함으로써 온습도 복합센서의 소형화가 가능해진다. In the present invention, rather than forming the ROIC, temperature sensor electrode, and humidity sensor electrode on a separate silicon substrate or PCB board, the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 are formed simultaneously on the ROIC substrate 100. And, by additionally forming the pad layer 230 and the moisture sensitive layer 240, miniaturization of the temperature and humidity composite sensor becomes possible.

도 3a 내지 도 3b는 ROIC 기판 상에 복수 쌍의 ROIC 전극패드가 형성된 모습을 도시하고 있다.Figures 3a and 3b show a plurality of pairs of ROIC electrode pads formed on an ROIC substrate.

본 발명에서 ROIC(ReadOut Integrated Circuits)란 반도체 장비 및 CMOS 공정을 통해 외부로부터 센서신호를 받아 ROIC 내부의 연산, 비교, 처리 등을 통해 디지털 신호로 변환시켜주는 소자를 의미하며, 특히 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 ROIC 기판(100)은 외부에 위치한 온도센서 및 습도센서의 아날로그 신호를 디지털 신호처리하기 위하여 그 내부에 회로를 구성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, ROIC (ReadOut Integrated Circuits) refers to a device that receives sensor signals from the outside through semiconductor equipment and CMOS processes and converts them into digital signals through calculation, comparison, and processing within the ROIC. In particular, the implementation of the present invention According to an example, the ROIC substrate 100 is characterized by configuring a circuit therein to digitally process analog signals from an external temperature sensor and a humidity sensor.

따라서, 본 발명에 적용되는 ROIC 기판(100)은 온도 센서 또는 습도 센서로부터 아날로그 신호(예: 커패시턴스값, 저항값 등)을 전달 받아서 처리할 수 있는 CDC(capacitance-to-digital converter)와 RDC(resistance-to-digital converter)를 구비할 수 있으며, 온도센서 및 습도센서와 각각 연결되는 두 쌍 이상의 포트(미도시)를 구비할 수 있다. Therefore, the ROIC substrate 100 applied to the present invention includes a capacitance-to-digital converter (CDC) and an RDC (RDC) that can receive and process analog signals (e.g., capacitance value, resistance value, etc.) from a temperature sensor or humidity sensor. resistance-to-digital converter) and two or more pairs of ports (not shown) connected to a temperature sensor and a humidity sensor, respectively.

한편, 전술한 바대로, ROIC 기판(100)의 상부에는 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)과 각각 연결하기 위한 ROIC 전극패드(110)들이 2쌍 이상 형성될 수 있다. Meanwhile, as described above, two or more pairs of ROIC electrode pads 110 may be formed on the ROIC substrate 100 to connect the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210, respectively.

도 4a 내지 도 4b는 상기 ROIC 기판 상에 절연층(200)을 도포한 후 전극패드(110)를 개방한 모습을 도시하고 있다.Figures 4a and 4b show the electrode pad 110 being opened after applying the insulating layer 200 on the ROIC substrate.

먼저, 본 발명에서는 ROIC 전극패드(110)를 구비하는 ROIC 기판(100) 상에 절연층(200)을 형성하되, 상기 ROIC 전극패드(110)의 상부 영역이 개방되도록 절연층(200)을 패터닝하는 단계를 거친다. First, in the present invention, an insulating layer 200 is formed on an ROIC substrate 100 having an ROIC electrode pad 110, and the insulating layer 200 is patterned so that the upper region of the ROIC electrode pad 110 is open. Go through the steps.

또한, 전술한 바대로, 상기 절연층(200) 형성 시, 상기 ROIC 기판은 그 4면의 측부에도 각각 절연층을 형성하여, ROIC 전극패드(110)가 형성되는 영역 및 외부 센싱관련 장치(예: 센싱데이터 디스플레이 장치 등)와 연결되는 포트(제2 ROIC 전극패드; 미도시)가 형성되는 영역을 제외하고는 절연상태를 유지하도록 할 수 있다. In addition, as described above, when forming the insulating layer 200, the ROIC substrate forms insulating layers on each of the four sides of the ROIC substrate, so that the area where the ROIC electrode pad 110 is formed and the external sensing-related device (e.g. : The insulating state can be maintained except for the area where the port (second ROIC electrode pad; not shown) connected to the sensing data display device, etc. is formed.

즉, 상기 ROIC 기판(100) 상에 전기적인 절연을 위한 절연층(200)을 형성한 후, 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)과의 전기적으로 연결되는 ROIC 전극패드(110) 및 ROIC 기판(100)의 ROIC 동작을 위한 포트(제2 ROIC 전극패드)를 노출되도록 패터닝을 한다.That is, after forming the insulating layer 200 for electrical insulation on the ROIC substrate 100, the ROIC electrode pad 110 is electrically connected to the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210. And patterning is performed to expose the port (second ROIC electrode pad) for ROIC operation of the ROIC substrate 100.

본 발명은 발명의 필요에 따라 상기 ROIC 동작을 위한 포트(제2 ROIC 전극패드)를 ROIC 기판(100)의 하부에 형성될 수 있을 것이다. In the present invention, a port (second ROIC electrode pad) for the ROIC operation may be formed in the lower part of the ROIC substrate 100 according to the needs of the invention.

상기 절연층(200)은 열경화 폴리머를 이용하여 형성할 수 있는데, 바람직하게는 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성할 수 있다. The insulating layer 200 can be formed using a thermosetting polymer, preferably polyimide.

예를 들면, 상기 ROIC 기판(100) 상에 폴리이미드를 도포한 후, 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 180초 내지 300초 동안 선행 열처리를 수행한 후, 포토레지스트 공정을 이용하여 ROIC 전극패드의 상부가 노출될 영역을 패터닝하여 절연층 일부를 제거하고, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 60분 동안 후행 열처리하여 절연층(200)을 형성할 수 있다. For example, after applying polyimide on the ROIC substrate 100, prior heat treatment is performed at 140°C to 150°C for 180 to 300 seconds using a hot plate, and then a photoresist process is performed. A portion of the insulating layer is removed by patterning the area where the upper part of the ROIC electrode pad will be exposed, and the insulating layer 200 is formed by post heat treatment at 300°C to 400°C for 60 minutes in a nitrogen atmosphere using heat treatment equipment. You can.

이 때, 폴리이미드는 공정의 단순화를 위해 포토레지스트 현상액에 패턴 형성을 할 수 있으며, 후행 열처리 후 절연층(200)은 100nm~500nm의 범위 내에서 두께를 형성하는 것이 바람직하다.At this time, polyimide can be patterned in a photoresist developer to simplify the process, and the insulating layer 200 after post-heat treatment is preferably formed to have a thickness within the range of 100 nm to 500 nm.

도 5a 내지 도 5b는 상기 ROIC 전극패드(110) 및 절연층(200) 상에 습도센서 전극(210) 및 온도센서 전극(220)이 동시에 형성되는 모습을 도시하고 있다. Figures 5a and 5b show the humidity sensor electrode 210 and the temperature sensor electrode 220 being formed simultaneously on the ROIC electrode pad 110 and the insulating layer 200.

즉, 본 발명은 상기 ROIC 전극패드(110)와 각각 접촉되는 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)을 동시에 형성하는 단계를 거치게 되는데 이를 자세하게 설명하자면 아래와 같다. That is, the present invention goes through the step of simultaneously forming the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210, which are in contact with the ROIC electrode pad 110, respectively. This will be described in detail as follows.

상기 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)을 동시에 형성하는 공정은, i) 포토레지스트 공정으로 상기 절연층 상에 온도센서 전극, 습도센서 전극을 패터닝(Patterning)하고, ii) 반도체 증착 장비를 이용하여 200~1,000nm의 두께로 온도센서 전극층 및 습도센서 전극층을 동시에 형성한 후, iii) 리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하고, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 600 ~ 1000°C에서 1시간~4시간 동안 열처리하는 공정을 거치게 된다. The process of simultaneously forming the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 includes i) patterning the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode on the insulating layer through a photoresist process, and ii) semiconductor deposition. After simultaneously forming the temperature sensor electrode layer and the humidity sensor electrode layer to a thickness of 200 to 1,000 nm using equipment, iii) remove the photoresist through a lift off process, and heat treatment equipment to 600 ~ 600 nm in a nitrogen atmosphere. It goes through a heat treatment process at 1000°C for 1 to 4 hours.

상기 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)은, 각각 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상의 금속을 이용하여 금속 박막 형태로 증착한 후 열처리하여 형성할 수 있다. The temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 are each deposited in the form of a metal thin film using at least one metal selected from aluminum (Al), nickel (Ni), platinum (Pt), or gold (Au). It can be formed by heat treatment afterward.

또한, 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극의 금속 박막은, 증착 장비인 스퍼터(Sputter), E-Beam Evaporator 등을 이용하여 200nm~1000nm 정도의 금속 두께를 증착한 후 고온열처리 공정을 수행하여 습도센서 전극 및 온도센서 전극을 형성할 수 있다. In addition, the metal thin film of the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode is deposited to a metal thickness of about 200 nm to 1000 nm using deposition equipment such as a sputter or E-Beam Evaporator, and then subjected to a high temperature heat treatment process to form a humidity sensor. Electrodes and temperature sensor electrodes can be formed.

만약 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)을 백금(Pt)을 이용하여 형성하는 경우에는 E-Beam Evaporator를 이용한 증착방식 또는 스퍼터링(Sputtering) 증착방식을 이용하여 2,000 Å ~ 10,000Å 정도의 두께를 증착한 후 고온 열처리 공정을 선행하여 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 백금은 넓은 온도범위(-200 ~ 850℃)에 걸쳐 안정성, 직선성, 내화학성 등이 우수한 특징이 있다.If the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 are formed using platinum (Pt), the thickness is approximately 2,000 Å to 10,000 Å using a deposition method using an E-Beam Evaporator or a sputtering deposition method. It is desirable to form it by depositing a thickness of , followed by a high-temperature heat treatment process. Platinum has excellent stability, linearity, and chemical resistance over a wide temperature range (-200 to 850℃).

한편, 발명의 필요에 따라 상기 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)과, 절연층(200) 및 감습층(240)과의 접착력 향상을 위하여, 상기 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)의 상하부에 각각 접착층(Adhesion Layer, 미도시)을 100 Å ~ 500 Å 두께로 증착할 수 있을 것이다.Meanwhile, in order to improve the adhesion between the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 and the insulating layer 200 and the moisture sensitive layer 240 according to the needs of the invention, the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 220 An adhesive layer (not shown) may be deposited to a thickness of 100 Å to 500 Å on the upper and lower portions of the sensor electrode 210, respectively.

상기 접착층(미도시)은 산화마그네슘(MgO), 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 등을 이용하여 증착할 수 있으며, 온도센서 전극 및 습도센서 전극를 형성하는 금속 박막이 벌크 특성과 가까워지도록 1,000℃에서 1 ~ 4시간 정도 열처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.The adhesive layer (not shown) can be deposited using magnesium oxide (MgO), chromium (Cr), or titanium (Ti), and is heated at 1,000°C so that the metal thin film forming the temperature sensor electrode and humidity sensor electrode approaches bulk properties. It is desirable to perform the heat treatment process for about 1 to 4 hours.

그리고, 도 5a에서 확인할 수 있듯이 상기 온도센서 전극(220)은 지그재그 형태 또는 사행(蛇行) 구조를 갖는 측온저항체(RTD:Resistance Temperature Detector) 박막 구조로 형성하고, 상기 습도센서 전극(210)는 빗살 또는 양손의 손가락이 서로 엇갈린 형태인 IDT(Interdigitated) 구조의 박막 형태로 형성될 수 있다. And, as can be seen in Figure 5a, the temperature sensor electrode 220 is formed as a resistance temperature detector (RTD) thin film structure having a zigzag or meandering structure, and the humidity sensor electrode 210 has a comb tooth structure. Alternatively, it can be formed in the form of a thin film with an IDT (Interdigitated) structure in which the fingers of both hands are crossed.

이와 같이 본 발명에서는, 온도센서 전극(220)과 습도센서 전극(210)을 일체화하도록 마스크 설계 및 제작을 하여 단위공정 수를 줄여 공정이 단순화하고 제조 비용 절감 및 개별 칩의 크기를 소형화하여 대량 생산이 가능한 장점이 있다. As such, in the present invention, the mask is designed and manufactured to integrate the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210, thereby simplifying the process by reducing the number of unit processes, reducing manufacturing costs, and miniaturizing the size of individual chips for mass production. There are possible advantages to this.

도 6a 내지 도 6b는 습도센서 전극(210) 및 온도센서 전극(220) 각각과 ROIC 전극패드(110)의 전기적인 연결을 위해 패드층(230)을 형성하는 모습을 도시하고 있다. Figures 6a and 6b show the formation of a pad layer 230 for electrical connection between each of the humidity sensor electrode 210 and the temperature sensor electrode 220 and the ROIC electrode pad 110.

본 발명에서는 상기 ROIC 전극패드(110)와 온도센서 전극(220), 상기 ROIC 전극패드(110)와 습도센서 전극(210)이 각각 연결되는 영역 상에 패드층(230)을 형성하는 단계를 거친다. In the present invention, a pad layer 230 is formed on the area where the ROIC electrode pad 110 and the temperature sensor electrode 220, and the ROIC electrode pad 110 and the humidity sensor electrode 210 are respectively connected. .

좀 더 자세히 설명하자면, 상기 패드층(230) 형성단계는, i) ROIC 전극패드(110)와, 습도센서 전극(210) 및 온도센서 전극(220)의 전기적인 연결을 위해 각 연결부위의 상부에 포토레지스트 공정을 이용하여 패터닝하는 단계 ii) 반도체 증착장비를 이용하여 패드층(230)을 형성하는 금속 박막을 증착한 후, 리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하는 단계, iii) 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 350℃에서 30분 동안 열처리를 수행하는 단계를 거칠 수 있다. To explain in more detail, the pad layer 230 forming step is: i) the upper part of each connection portion for electrical connection between the ROIC electrode pad 110, the humidity sensor electrode 210, and the temperature sensor electrode 220; patterning using a photoresist process ii) depositing a metal thin film forming the pad layer 230 using semiconductor deposition equipment and then removing the photoresist through a lift off process, iii) Heat treatment may be performed at 350°C in a nitrogen atmosphere for 30 minutes using heat treatment equipment.

상기 패드층(230) 형성을 위한 금속박막으로는 알루미늄(Al)을 적용할 수 있으며, 반도체 포토 공정을 이용하여 패터닝하고, E빔 증착기(E-Beam Evaporator) 등 증착 장비를 이용하여 금속 박막을 증착하게 된다.Aluminum (Al) can be applied as a metal thin film for forming the pad layer 230, patterned using a semiconductor photo process, and formed into a metal thin film using deposition equipment such as an E-Beam Evaporator. It is deposited.

상기 패드층(230)의 두께는 금속박막 형성과 후발적으로 필요할 수 있는 와이어 본딩(Wire Bonding) 작업이 용이하도록 0.8㎛ ~ 1.2㎛ 의 범위 내에서 형성하는 것이 바람직하다.The thickness of the pad layer 230 is preferably within the range of 0.8㎛ to 1.2㎛ to facilitate metal thin film formation and wire bonding work that may be required later.

한편, 상기 패드층(230)은 발명의 필요에 따라 ROIC 전극패드(110)와 온도센서 전극(220)의 연결부위의 상부영역 및 ROIC 전극 패드(110)와 습도센서 전극(210)의 연결부위의 상부영역에 게터(미도시)를 더 형성하는 것도 가능하다. Meanwhile, the pad layer 230 is formed in the upper area of the connection area between the ROIC electrode pad 110 and the temperature sensor electrode 220 and the connection area between the ROIC electrode pad 110 and the humidity sensor electrode 210 according to the needs of the invention. It is also possible to further form a getter (not shown) in the upper area.

상기 게터(getter)를 형성하기 위한 물질로써 수분 및 산소 등과 반응성이 강하고 녹는점이 낮으며 쉽게 증발할 수 있는 금속을 사용하며, 이러한 금속의 흡착 작용에 의해 패드층(230) 내부로 침투한 수분이나 기체를 제거하는 기능을 수행할 수 있다. As a material to form the getter, a metal that is highly reactive with moisture and oxygen, has a low melting point, and can easily evaporate is used. Moisture or moisture that has penetrated into the pad layer 230 due to the adsorption effect of this metal is used. It can perform the function of removing gas.

상기 게터는 Ba-Al, Zr-Al, Zr-Ni로 이루어진 금속합금(metal alloy)군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하거나 또는 Ba, Ti, V, Zr, Nb, Ta, Th, Ce로 이루어진 금속군 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 형성될 수 있을 것이다. The getter includes one or more metal alloys selected from the group consisting of Ba-Al, Zr-Al, and Zr-Ni, or a metal consisting of Ba, Ti, V, Zr, Nb, Ta, Th, and Ce. It may be formed of a material containing one or more selected from the group.

또 다른 한편으로 상기 패드층(230)은 발명의 필요에 따라 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)을 형성하기 위해 사용되는 금속박막의 종류 및 두께를 고려하여 별도의 패드층 형성이 없이도 온도센서 전극(220), 습도센서 전극(210)과 ROIC 전극패드(110)와의 전기적 연결에 문제가 없다면, 패드층(230) 형성 공정을 생략할 수도 있을 것이다. On the other hand, the pad layer 230 may be formed as a separate pad layer in consideration of the type and thickness of the metal thin film used to form the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 according to the needs of the invention. If there is no problem with the electrical connection between the temperature sensor electrode 220, the humidity sensor electrode 210, and the ROIC electrode pad 110, the pad layer 230 forming process may be omitted.

도 7a 내지 도 7b는 상기 습도센서 전극(210)과 온도센서 전극(220) 상에 감습층(240)을 형성한 모습을 도시하고 있다.Figures 7a and 7b show a moisture-sensitive layer 240 formed on the humidity sensor electrode 210 and the temperature sensor electrode 220.

본 발명은 상기 패드층(230)의 측부에 상기 온도센서 전극(220) 및 습도센서 전극(210)이 노출되는 영역을 커버하는 감습층(240)을 형성하는 단계를 거친다. The present invention goes through the step of forming a moisture sensitive layer 240 on the side of the pad layer 230 to cover the area where the temperature sensor electrode 220 and the humidity sensor electrode 210 are exposed.

좀 더 자세하게 설명하자면, 상기 감습층(240)을 형성하는 단계는, i) 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 노출되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계, ii) 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계, iii) 포토레지스트 공정을 이용하여 온도센서 전극 및 습도센서 전극상의 감습층이 형성될 영역을 패터닝하는 단계, iv) 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 후행 열처리를 수행하는 단계를 거칠 수 있다. To explain in more detail, the step of forming the moisture sensitive layer 240 includes i) coating polyimide on the area where the temperature sensor electrode and humidity sensor electrode are exposed, ii) hot plate ( Preliminary heat treatment at 140°C to 150°C for 180 to 300 seconds using a Hot Plate, or preheating at 140°C to 150°C for 10 to 20 minutes using an oven, iii) Photo patterning the area where the moisture-sensitive layer will be formed on the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode using a resist process; iv) performing post-heat treatment for 50 to 70 minutes at 300°C to 400°C in a nitrogen atmosphere using heat treatment equipment; You can go through the steps.

상기 감습층(240)은 열경화성 폴리머를 이용하여 형성될 수 있는데, 그 중 감광성 계열의 열경화성 폴리이미드를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 상기 ROIC 기판(100) 상부 영역에 폴리이미드를 코팅한 후, 선행 열처리를 하고, 포토레지스트 공정을 이용하여 감습층(240) 형성 영역을 패터닝하고 나머지 영역의 포토레지스터는 아세톤을 이용하여 제거하고 세정한 후, 후행 열처리를 수행하여 감습층(240)을 형성할 수 있다. The moisture sensitive layer 240 may be formed using a thermosetting polymer, but it is preferable to use a photosensitive thermosetting polyimide. After coating the upper area of the ROIC substrate 100 with polyimide, prior heat treatment is performed, the area where the moisture reduction layer 240 is formed is patterned using a photoresist process, and the photoresist in the remaining area is removed using acetone and cleaned. After this, post-heat treatment may be performed to form the moisture reduction layer 240.

본 발명에서 상기 감습층(240)은 후행 열처리 공정을 수행한 후 그 두께가 5.5 ㎛ ~ 6.5 ㎛ 의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. In the present invention, the moisture sensitive layer 240 is preferably formed to have a thickness within the range of 5.5 ㎛ to 6.5 ㎛ after performing a post-heat treatment process.

한편, 발명의 필요에 따라 상기 감습층(240)은 Poly(pyromellitic dianhydride - co-4, 4'-oxydianiline), amic acid solution 용액과 Polyimide Varnish를 1대1 또는 1대2 비율로 합성한 후 교반하여 적용하되, 스핀코터를 이용하여 3000RPM~ 5000RPM에서 100 Å ~ 500 Å(7um ~ 8um) 두께로 코팅하여 적용할 수도 있다. Meanwhile, according to the needs of the invention, the moisture sensitive layer 240 is prepared by synthesizing Poly(pyromellitic dianhydride - co-4, 4'-oxydianiline), amic acid solution, and Polyimide Varnish in a 1:1 or 1:2 ratio and then stirring. However, it can also be applied by coating with a thickness of 100 Å ~ 500 Å (7um ~ 8um) at 3000RPM ~ 5000RPM using a spin coater.

이 때, 감습층(240)과 절연층(200) 사이에 접착력 강화 물질로 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있는데, HMDS 계열의 용액을 도포하여 150Å 내지 200Å의 두께로 증착하는 공정을 추가할 수도 있다.At this time, a buffer layer (not shown) can be formed with an adhesion enhancing material between the moisture sensitive layer 240 and the insulating layer 200. A process of applying an HMDS-based solution and depositing it to a thickness of 150Å to 200Å can be added. It may be possible.

도 7c는 본 발명 디지털 출력 온습도 복합센서의 투시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도 복합센서의 광학현미경 사진이다.Figure 7c is a perspective view of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention, and Figure 8 is an optical microscope photograph of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention.

본 발명의 디지털 출력 온습도 복합센서는, ROIC 전극패드(110)를 구비하는 ROIC 기판(100)과, 상기 ROIC 기판(100) 상부에 형성되고, 상기 ROIC 전극패드(110)의 일부가 노출되도록 패터닝된 절연층(200)과, 한 쌍의 ROIC 전극패드의 일측에 형성되는 온도센서 전극(220)과, 다른 한 쌍의 ROIC 전극패드의 일측에 형성되는 습도센서 전극(210)과, 상기 ROIC 전극패드와 온도센서 전극, 상기 ROIC 전극패드와 습도센서 전극을 각각 전기적으로 연결하는 패드층(230) 및 상기 패드층의 측부에 노출되는 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층(240)을 포함하여 형성될 수 있다. The digital output temperature and humidity composite sensor of the present invention includes an ROIC substrate 100 having an ROIC electrode pad 110, is formed on the ROIC substrate 100, and is patterned so that a portion of the ROIC electrode pad 110 is exposed. an insulating layer 200, a temperature sensor electrode 220 formed on one side of a pair of ROIC electrode pads, a humidity sensor electrode 210 formed on one side of another pair of ROIC electrode pads, and the ROIC electrode A pad layer 230 that electrically connects the pad and the temperature sensor electrode, the ROIC electrode pad and the humidity sensor electrode, respectively, and a moisture sensitive layer 240 formed to cover the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode exposed on the side of the pad layer. ) can be formed including.

상기 절연층(200)은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되되, 100~500nm의 두께로 형성될 수 있고, 상기 감습층(240)은 열경화성 폴리이미드(Polyimid) 또는 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)로 형성되되, 그 두께가 5.5 ㎛ ~ 6.5 ㎛ 의 범위 내에서 형성될 수 있다. The insulating layer 200 is formed using polyimide, and may be formed to a thickness of 100 to 500 nm, and the moisture sensitive layer 240 is made of thermosetting polyimide or graphene oxide. However, the thickness may be within the range of 5.5 ㎛ to 6.5 ㎛.

상기 패드층(230)은, 알루미늄(Al)으로 형성되되, 0.8㎛ ~ 1.2㎛ 의 두께로 형성될 수 있고, 상기 습도센서 전극(210) 및 온도센서 전극(220)은, 각각 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상의 금속을 이용하여 형성될 수 있다. The pad layer 230 is made of aluminum (Al) and can be formed to a thickness of 0.8㎛ to 1.2㎛, and the humidity sensor electrode 210 and temperature sensor electrode 220 are each made of aluminum (Al). , may be formed using any one or more metals of nickel (Ni), platinum (Pt), or gold (Au).

상기 온도센서 전극(220)은 지그재그 형태 또는 사행(蛇行) 구조를 갖는 측온저항체(RTD:Resistance Temperature Detector) 금속 박막으로 형성하고, 상기 습도센서 전극(210)은 IDT(InterDigiTated) 구조의 금속 박막으로 형성될 수 있다. The temperature sensor electrode 220 is formed of a resistance temperature detector (RTD) metal thin film having a zigzag or meandering structure, and the humidity sensor electrode 210 is formed of a metal thin film of an IDT (InterDigiTated) structure. can be formed.

상기 ROIC 기판(100)은 그 하부 및 4면의 측부에도 각각 절연층(230)을 형성할 수 있다. The ROIC substrate 100 may have an insulating layer 230 formed on its lower portion and on its four sides.

도 8의 광학현미경 이미지를 참조하면, ROIC 기판상에 형성된 온도센서 전극, 습도센서 전극, 패드층 및 감습층을 형성한 모습을 도시하고 있는데, 이해의 편의상 온도센서 전극(220) 상부에는 감습층을 형성하지 않았고, 습도센서 전극(210) 상부에만 감습층을 형성한 모습을 도시하고 있다. 이와 같은 과정을 완료한 후 최종적으로 웨이퍼 다이싱(Dicing)을 통해 개별 소자를 형성한 후 추가 패키징 작업을 수행하여 제품을 완성하게 된다.Referring to the optical microscope image of FIG. 8, it shows the temperature sensor electrode, humidity sensor electrode, pad layer, and moisture loss layer formed on the ROIC substrate. For convenience of understanding, a moisture loss layer is placed on top of the temperature sensor electrode 220. is not formed, and a moisture-sensitive layer is formed only on the upper part of the humidity sensor electrode 210. After completing this process, individual devices are formed through wafer dicing, and additional packaging operations are performed to complete the product.

도 9 내지 도 10은 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도 복합센서의 특성을 나타낸 그래프이다.9 to 10 are graphs showing the characteristics of the digital output temperature and humidity composite sensor according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도센서의 수분의 흡착/탈착(변화)에 따른 정전용량을 나타낸 그래프이다. Figure 9 is a graph showing the capacitance according to the adsorption/desorption (change) of moisture of the digital output temperature and humidity sensor according to the present invention.

도 9에서 볼 수 있듯이 본 발명의 디지털 출력 온습도 복합센서는 시간이 지남에 따라 일정한 정전용량을 보이고 있어, 매우 신뢰성이 우수한 습도센서의 기능을 담보하고 있음을 확인할 수 있다. As can be seen in Figure 9, the digital output temperature and humidity composite sensor of the present invention shows a constant capacitance over time, confirming that it functions as a highly reliable humidity sensor.

또한, 본 발명은 수분의 양의 증감에 따라 정전용량이 일정하게 증감하는 선형적 특성을 보이고 있는데, 특정 상대습도를 기준으로 습도가 증가하거나 감소하거나 하는 경우, 일정한 정전용량을 보임으로써, 높은 신뢰성을 담보하고 있음을 확인할 수 있다. In addition, the present invention shows linear characteristics in which the capacitance increases and decreases consistently as the amount of moisture increases and decreases. When the humidity increases or decreases based on a specific relative humidity, it shows a constant capacitance, thereby providing high reliability. It can be confirmed that it is guaranteed.

도 10은 본 발명에 따른 디지털 출력 온습도센서의 온도의 변화에 따른 저항값을 나타낸 그래프이다. Figure 10 is a graph showing the resistance value according to the change in temperature of the digital output temperature and humidity sensor according to the present invention.

본 발명의 디지털 출력 온습도 복합센서는 온도의 증감에 따라 저항값이 일정하게 증감하는 선형적 특성을 보이고 있는데, 이 또한 온도센서로서 높은 신뢰성을 담보하고 있음을 확인할 수 있다. The digital output temperature and humidity composite sensor of the present invention exhibits linear characteristics in which the resistance value increases and decreases consistently as the temperature increases, and it can be confirmed that this also ensures high reliability as a temperature sensor.

이와 같이 본 발명은 기존에 센서와 ROIC를 별도로 제작하여 와이어 본딩(Wire bonding) 등을 통해 연결하는 방식을 벗어나, ROIC 칩 상에 온도센서와 습도센서를 동시에 형성함으로써 ROIC칩 내부 온도센서를 사용하는 기존 제품들과 비교하여 센싱 성능이 우수하고, 후속 패키징 작업을 단순화하여 수율이 높고 생산원가를 절감할 수 있는 소형 디지털 출력 온습도복합센서를 제공할 수 있는 장점이 있다. In this way, the present invention goes beyond the existing method of manufacturing the sensor and ROIC separately and connecting them through wire bonding, etc., by simultaneously forming a temperature sensor and a humidity sensor on the ROIC chip, thereby using the temperature sensor inside the ROIC chip. Compared to existing products, it has the advantage of providing a small digital output temperature and humidity complex sensor that has excellent sensing performance and simplifies subsequent packaging work, resulting in high yield and reduced production costs.

또한 본 발명은 ROIC 칩 상에 온도센서 전극과 습도센서 전극을 형성함으로써 습도센서의 전극을 형성하기 위한 금속 박막에 대한 선택성과 감습물질 채택 등에 대한 제한성을 받지 않고 자유로이 온습도 복합센서를 제조할 수 있는 장점이 있다. In addition, the present invention forms a temperature sensor electrode and a humidity sensor electrode on an ROIC chip, so that a temperature and humidity composite sensor can be freely manufactured without restrictions on the selectivity of the metal thin film for forming the electrode of the humidity sensor and the adoption of moisture sensitizing materials. There is an advantage.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.Although the present invention has been described above in relation to specific embodiments of the present invention, this is only an example and the present invention is not limited thereto. A person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains may change or modify the described embodiments without departing from the scope of the present invention, and within the scope of equivalency of the technical idea of the present invention and the scope of the patent claims described below. Various modifications and variations are possible.

100: ROIC 기판
110: ROIC 전극패드
200: 절연층
210: 온도센서 전극
220: 습도센서 전극
230: 패드층
240: 감습층
400: 실리콘 기판
410: 절연막
420, 520: ROIC
430, 530: 습도센서
500: PCB 기판
510: 전극패드
100: ROIC substrate
110: ROIC electrode pad
200: insulating layer
210: Temperature sensor electrode
220: Humidity sensor electrode
230: Pad layer
240: Humidification layer
400: Silicon substrate
410: insulating film
420, 520: ROIC
430, 530: Humidity sensor
500: PCB board
510: Electrode pad

Claims (12)

ROIC 전극패드를 구비하는 ROIC 기판 상에 절연층을 형성하되, 상기 ROIC 전극패드의 상부 영역이 개방되도록 절연층을 패터닝하는 단계;
상기 ROIC 전극패드와 각각 접촉되는 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 동시에 형성하는 단계;
상기 ROIC 전극패드와 온도센서 전극, 상기 ROIC 전극패드와 습도센서 전극이 각각 연결되는 영역 상에 패드층을 형성하는 단계; 및
상기 패드층의 측부에 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 노출되는 영역을 커버하는 감습층을 형성하는 단계;
를 포함하는 디지털 출력 온습도복합센서의 제조방법.
Forming an insulating layer on an ROIC substrate having an ROIC electrode pad, patterning the insulating layer so that an upper region of the ROIC electrode pad is open;
simultaneously forming a temperature sensor electrode and a humidity sensor electrode each in contact with the ROIC electrode pad;
Forming a pad layer on an area where the ROIC electrode pad and the temperature sensor electrode, and the ROIC electrode pad and the humidity sensor electrode are respectively connected; and
forming a moisture-sensitive layer on a side of the pad layer to cover an area where the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode are exposed;
A method of manufacturing a digital output temperature and humidity composite sensor including.
제1항에 있어서, 상기 절연층 형성 및 패터닝 단계는,
상기 절연층 상에 폴리이미드(Polyimid) 용액을 도포하는 단계;
핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하는 단계;
포토레지스트 공정을 이용하여 ROIC전극패드의 상부가 개방될 영역을 패터닝하여 절연층 일부를 제거하는 단계; 및
열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 후행 열처리하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the insulating layer forming and patterning steps include:
Applying a polyimide solution on the insulating layer;
Preliminary heat treatment at 140°C to 150°C for 180 to 300 seconds using a hot plate;
removing part of the insulating layer by patterning the area where the upper part of the ROIC electrode pad is to be opened using a photoresist process; and
Post-heat treatment at 300°C to 400°C for 50 to 70 minutes in a nitrogen atmosphere using heat treatment equipment;
A method of manufacturing a digital output temperature and humidity composite sensor comprising:
제1항에 있어서, 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 동시에 형성하는 단계는,
포토레지스트 공정으로 상기 절연층 상에 온도센서 전극, 습도센서 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계;
반도체 증착 장비를 이용하여 200~1,000nm의 두께로 온도센서 전극층 및 습도센서 전극층을 동시에 형성하는 단계; 및
리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하고, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 600 ~ 1000°C에서 1시간~4시간 동안 열처리하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서의 제조방법.
The method of claim 1, wherein forming the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode simultaneously comprises:
Patterning a temperature sensor electrode and a humidity sensor electrode on the insulating layer using a photoresist process;
Simultaneously forming a temperature sensor electrode layer and a humidity sensor electrode layer to a thickness of 200 to 1,000 nm using semiconductor deposition equipment; and
Removing the photoresist through a lift off process and heat treating it at 600 to 1000°C in a nitrogen atmosphere for 1 to 4 hours using heat treatment equipment;
A method of manufacturing a digital output temperature and humidity composite sensor comprising:
제1항에 있어서 상기 패드층 형성단계는,
ROIC 전극패드와, 습도센서 전극 및 온도센서 전극의 전기적인 연결을 위해 각 연결부위의 상부에 포토레지스트 공정을 이용하여 패터닝하는 단계;
반도체 증착장비를 이용하여 패드층을 형성하는 금속 박막을 증착한 후, 리프트 오프(lift off) 공정으로 포토레지스트를 제거하는 단계; 및
열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 350℃에서 30분 동안 열처리를 수행하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도 복합센서의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the pad layer forming step includes:
Patterning the upper part of each connection portion using a photoresist process to electrically connect the ROIC electrode pad, the humidity sensor electrode, and the temperature sensor electrode;
Depositing a metal thin film forming a pad layer using semiconductor deposition equipment and then removing the photoresist through a lift off process; and
Performing heat treatment at 350°C in a nitrogen atmosphere for 30 minutes using heat treatment equipment;
A method of manufacturing a digital output temperature and humidity composite sensor comprising:
제1항에 있어서, 상기 감습층을 형성하는 단계는,
상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 노출되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계;
핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계;
포토레지스트 공정을 이용하여 온도센서 전극 및 습도센서 전극상의 감습층이 형성될 영역을 패터닝하는 단계;
열처리 장비를 이용하여 질소 분위기의 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 후행 열처리를 수행하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서의 제조방법.
The method of claim 1, wherein forming the moisture loss layer comprises:
Coating polyimide on areas where the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode are exposed;
Preliminary heat treatment at 140°C to 150°C for 180 to 300 seconds using a hot plate, or prior heat treatment at 140°C to 150°C for 10 to 20 minutes using an oven;
Patterning the area where a moisture-sensitive layer will be formed on the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode using a photoresist process;
Performing post-heat treatment at 300°C to 400°C in a nitrogen atmosphere for 50 to 70 minutes using heat treatment equipment;
A method of manufacturing a digital output temperature and humidity composite sensor comprising:
ROIC 전극패드를 구비하는 ROIC 기판;
상기 ROIC 기판 상부에 형성되고, 상기 ROIC 전극패드의 상부가 개방되도록 패터닝된 절연층;
한 쌍의 ROIC 전극패드의 일측에 형성되는 온도센서 전극;
다른 한 쌍의 ROIC 전극패드의 일측에 형성되는 습도센서 전극;
상기 ROIC 전극패드와 온도센서 전극, 상기 ROIC 전극패드와 습도센서 전극을 각각 전기적으로 연결하는 패드층; 및
상기 패드층의 측부에 노출되는 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층;
을 포함하는 디지털 출력 온습도복합센서.
ROIC substrate having ROIC electrode pads;
an insulating layer formed on the ROIC substrate and patterned to open the top of the ROIC electrode pad;
A temperature sensor electrode formed on one side of a pair of ROIC electrode pads;
A humidity sensor electrode formed on one side of another pair of ROIC electrode pads;
A pad layer electrically connecting the ROIC electrode pad and the temperature sensor electrode, and the ROIC electrode pad and the humidity sensor electrode, respectively; and
a moisture-sensitive layer formed to cover the temperature sensor electrode and the humidity sensor electrode exposed on the side of the pad layer;
Digital output temperature and humidity complex sensor including.
제6항에 있어서,
상기 절연층은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되되, 100~500nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서.
According to clause 6,
A digital output temperature and humidity composite sensor, wherein the insulating layer is formed using polyimide and is formed to a thickness of 100 to 500 nm.
제6항에 있어서,
상기 감습층은 열경화성 폴리이미드(Polyimid)로 형성되되, 그 두께가 5.5 ㎛ ~ 6.5 ㎛ 의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서.
According to clause 6,
A digital output temperature and humidity composite sensor, wherein the moisture layer is formed of thermosetting polyimide and has a thickness within the range of 5.5 ㎛ to 6.5 ㎛.
제6항에 있어서, 상기 패드층은,
알루미늄(Al)으로 형성되되, 0.8㎛ ~ 1.2㎛ 의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서.
The method of claim 6, wherein the pad layer is:
A digital output temperature and humidity composite sensor made of aluminum (Al) with a thickness of 0.8㎛ to 1.2㎛.
제6항에 있어서,
상기 습도센서 전극 및 온도센서 전극은, 각각 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상의 금속을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서.
According to clause 6,
A digital output temperature and humidity composite sensor, wherein the humidity sensor electrode and the temperature sensor electrode are each formed using at least one metal selected from aluminum (Al), nickel (Ni), platinum (Pt), or gold (Au).
제6항에 있어서,
상기 온도센서 전극은 지그재그 형태 또는 사행(蛇行) 구조를 갖는 측온저항체(RTD:Resistance Temperature Detector) 박막으로 형성하고,
상기 습도센서 전극은 IDT(InterDigiTated) 구조의 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서.
According to clause 6,
The temperature sensor electrode is formed of a resistance temperature detector (RTD) thin film having a zigzag or meandering structure,
A digital output temperature and humidity composite sensor, wherein the humidity sensor electrode is formed of a thin film with an IDT (InterDigiTated) structure.
제6항에 있어서,
상기 ROIC 기판은 그 4면의 측부에도 각각 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력 온습도복합센서.
According to clause 6,
A digital output temperature and humidity composite sensor, characterized in that the ROIC substrate forms an insulating layer on each of its four sides.
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