WO2011115321A1 - 마이크로 가스센서 어레이 - Google Patents

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WO2011115321A1
WO2011115321A1 PCT/KR2010/001928 KR2010001928W WO2011115321A1 WO 2011115321 A1 WO2011115321 A1 WO 2011115321A1 KR 2010001928 W KR2010001928 W KR 2010001928W WO 2011115321 A1 WO2011115321 A1 WO 2011115321A1
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WO
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micro
micro heater
layer
heater
gas sensor
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Application number
PCT/KR2010/001928
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English (en)
French (fr)
Inventor
박광범
김성동
박준식
Original Assignee
전자부품연구원
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor array, and more particularly, to a micro gas sensor array capable of miniaturizing the size of the gas sensor array element and increasing thermal safety.
  • Gas sensors are classified into solid electrolytes, catalytic combustion, electrochemical formulas, and semiconductors. Among them, semiconductor micro gas sensors are most recently studied. This is because the semiconductor micro gas sensor is manufactured or integrated on a silicon chip, thereby making it compatible with general ICs, manufacturing at low cost, and exhibiting high efficiency of operation.
  • the semiconductor micro gas sensor changes the electrical conductivity of the sensing material when a particular gas is adsorbed onto the sensing material of the gas sensor. By measuring the change of the electrical conductivity, the presence or absence of gas above a certain concentration is detected.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor micro gas sensor.
  • a heat insulation layer 20 is formed on a silicon substrate 10, and a heating electrode pattern 30 is formed on the heat insulation layer 20.
  • an insulating film 40 is formed on the insulating film 20 to surround the heating electrode pattern 30, and a sensing electrode pattern 50 is formed on the insulating film 40 of the central region 11 of the silicon substrate.
  • a sensing layer 60 is formed on the insulating electrode 40 to surround the sensing electrode pattern 50.
  • the semiconductor type micro gas sensor has to maintain a temperature above a certain temperature in order for a specific gas to be adsorbed on the sensing film 60 of the semiconductor type micro gas sensor to perform a smooth operation, the heating electrode pattern 30 formed on the insulating film 20 ) Generates heat to a temperature at which the sensing film 60 can exhibit optimal sensitivity.
  • the gas is adsorbed onto the metal oxide of the sensing film 60 to cause a reaction, thereby increasing or decreasing the resistance of the metal oxide. Will decrease.
  • the sensing electrode pattern 50 measures a change in resistance of the metal oxide generated by the gas adsorption to detect a specific gas.
  • the conventional semiconductor type micro gas sensor configured as described above detects one type of gas with one micro gas sensor
  • a module composed of a plurality of gas sensor elements must be used to detect various kinds of gases.
  • the mounting density decreases and the volume increases due to a complicated circuit configuration.
  • the heating electrode pattern illustrated in FIG. 1 is generally used in the form of a heater having a uniform line width, heat is concentrated in a central portion of the heater so that a temperature distribution on the upper surface of the heater may appear in a normal distribution curve. In such a case, there is a problem in that the sensing conditions of the sensing electrode patterns on the heating electrode pattern are different, thereby reducing the reliability of the gas sensor.
  • An object of the present invention is to provide a micro gas sensor array capable of simultaneously measuring a plurality of gases by forming a stack structure of a micro heater and a sensing electrode array having a wider uniform temperature distribution on one micro platform.
  • Micro gas sensor array for achieving the above object is a substrate; A micro heater array on which a micro heater is formed on each of a plurality of first membranes spaced apart from each other at regular intervals on an upper surface of the substrate; And a micro heater electrode pattern comprising a micro heater individual electrode pattern for driving each micro heater and a micro heater common electrode pattern to which the individual electrode patterns are connected.
  • a sensing electrode array including an insulating layer formed on the substrate and a sensing electrode having a comb pattern on the insulating layer.
  • the micro heater electrode pattern has a first micro heater electrode pattern having one end connected to the first corner side of the micro heater and the other end connected to the micro heater common electrode, and one end having a second corner side in a diagonal direction with the first corner side of the micro heater. It may include a second micro heater electrode pattern connected to the electrode pad is connected to the other end is applied to the power.
  • the first membrane may block heat transferred to the outside from the micro heater.
  • the first and second membranes 120 and 140 are formed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxynitride film (SiON), or a silicon oxide film (SiO 2 ) and a silicon nitride film formed on the silicon oxide film (SiO 2 ). It may be formed of any one of (SiN x ) laminated thin films.
  • the thickness of the first membrane and the second membrane may be 1 ⁇ 2um.
  • the micro heater includes a first micro heater group connected to one micro heater electrode pattern and the second micro heater electrode pattern, and a second micro heater group formed between the first micro heater group and having a wider line width than the first micro heater group. It may include.
  • the line width of the sensing electrode may be smaller than the line width of the first micro heater group.
  • the micro heater may use a platinum (Pt) thin film.
  • the thickness of the platinum thin film used for the micro heater may be 50 nm to 300 nm.
  • the micro gas sensor array according to an embodiment may further include a first bonding layer formed between the platinum thin film and the first membrane.
  • the first bonding layer either a tantalum (Ta) layer or a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer may be used.
  • Ta tantalum
  • Ta 2 O 5 tantalum oxide
  • the insulating layer may be formed of a silicon oxide film (SiO 2 ).
  • the insulating layer may be formed of a two-layer stacked structure of a silicon oxide (SiO 2 ) layer and a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer, and the thickness ratio of the two-layer stacked structure may be 1: 1.
  • the insulating layer may be formed of an ONO three-layer stacked structure of a silicon oxide (SiO 2 ) layer, a nitride film (Si 3 N 4 ) layer, and a silicon oxide film (SiO 2 ) layer, and the silicon oxide layer and the nitride film in the two-layer stacked structure.
  • the thickness ratio of the layer and the silicon oxide layer may be either 2: 1: 1 or 1: 2: 1.
  • the total thickness of the insulating layer may be 0.5 ⁇ m to 1.5 ⁇ m.
  • a second bonding layer formed of any one of titanium (Ti) and tantalum (Ta) may be further included between the insulating layer and the micro heater.
  • the size of the gas sensor array device can be reduced by connecting one end of the micro heater array and the sensing electrode array to the common electrode.
  • the micro heater by forming the micro heater on the first membrane, heat generated from the micro heater can be prevented from leaking to the outside, thereby reducing driving power consumption of the gas sensor.
  • the structural stability of the gas sensor can be improved by stacking the sensing electrodes in the same direction as the micro heater.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional micro gas sensor.
  • FIG. 2 is a plan view of a micro heater array that is part of a micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the top view of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a detailed structural diagram of the micro heater shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a plan view of a micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line BB ′ in the plan view of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a detailed structural diagram of the micro heater and the sensing electrode illustrated in FIG. 5.
  • substrate 120 first membrane
  • micro heater 140 second membrane
  • micro heater common electrode 160 micro heater electrode
  • electrode pads 230,260,410 sensing electrode
  • FIG. 2 is a plan view of a micro heater array that is part of a micro gas sensor array according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A 'of the plan view shown in FIG.
  • the micro gas sensor array includes a plurality of micro heater arrays spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • the micro heater array may include a first micro heater array 130_A, a second micro heater array 130_B, a third micro heater array 130_C, and a fourth micro heater array 130_D.
  • the first micro heater array 130_A is connected to the micro heater 130, the micro heater electrode 160, the electrode pad 170 for supplying power, and the individual micro heater electrodes 160 that are spaced apart from each other at regular intervals.
  • the micro heater common electrode 150 may be included.
  • Other micro heater arrays 130_B, 130_C, 130_D also include the same component.
  • One micro heater 130 constituting the micro heater array may be formed on the first membrane 120. As described above, the micro heaters 130 formed on the region of the first membrane 120 are spaced apart from each other by a predetermined interval to form an array. As illustrated in FIG. 2, eight micro heaters may constitute an array in the first micro heater array 130_A, and eight micro heaters may constitute the array in the second micro heater array 130_B. The number of micro heaters constituting the micro heater array may be variously changed according to the sensing purpose of the gas sensor.
  • the first membrane 120 may have a thickness of about 1 ⁇ m to about 2 ⁇ m and may reduce power consumption for driving the gas sensor array by preventing heat generated from the micro heater 130 from being transferred to the outside.
  • the micro heater 130 is connected to the micro heater electrode 160.
  • the micro heater electrode 160 may be connected to the electrode pad 170 to which power is applied to drive the micro heater. Meanwhile, the micro heater electrode 160 is connected to the micro heater common electrode 170.
  • the micro heater electrode 160 is divided into a first micro heater electrode 161 and a second micro heater electrode 161.
  • One end of the first micro heater electrode 161 is connected to the first corner side of the micro heater 130, and the other end thereof is connected to the electrode pad 170.
  • one end of the second micro heater electrode 162 is connected to the first corner side and the second corner side of the diagonal direction in the micro heater 130, and the other end is connected to the micro heater common electrode 150. .
  • the micro heater common electrode 150 may be connected to the second micro heater electrodes of the eight micro heater electrode arrays described above. That is, each of the micro heaters included in the micro heater array has one end connected to the electrode pad 170 and the other end connected to the micro heater common electrode 160.
  • the number of micro heater electrodes required may be reduced in proportion to the number of the micro heaters 130 constituting the micro heater array. This makes it possible to miniaturize the gas sensor array device.
  • the micro heater common electrode 150 may be disposed on both sides of the micro heater array 130_A to minimize resistance variation of the micro heater common electrode 150 connected to each micro heater 130.
  • the micro heaters 120 are also connected to the individual electrode pads 170 so that the micro heater common electrode 150 and the individual micro heaters 120 can be individually operated at the same time.
  • the second membrane 140 may include the micro heater array groups (first to fourth micro heater arrays). There is a function of separating heat transfer between 130_A, 130_B, 130_C, 130_D, so that the second membrane 140 generates heat that may be generated while the first micro heater array 130_A is driven. ) To minimize the effect of temperature on the surrounding micro heaters.
  • the reason for blocking heat diffusion between the micro heater arrays through the second membrane 140 is to allow simultaneous measurement of various kinds of gases.
  • the gas to be measured through the first micro heater array 130_A is CO 2 and the gas to be measured through the second micro heater array 130_B is NO 2
  • about 400 ° C. is optimal for CO 2 .
  • Sensing operating temperature NO 2 is about 200 ⁇ 350 °C is the optimum sensing operating temperature. If the first micro heater array 130_A is heated to about 400 ° C. while affecting the second micro heater array 130_B which is driven to 300 ° C. by heat transfer, the micro micro-elements included in the second micro heater array 130_B may be affected.
  • the second membrane can perform this function.
  • the first to fourth micro heater arrays are only an example, and the micro heater array may be expanded according to the number of gas types to be detected.
  • the gas sensor array composed of 32 micro heaters shown in FIG. 2 may be attached laterally to form a gas sensor array composed of 64 micro heaters.
  • the one micro heater array can be driven at the same temperature, so that a total of eight kinds of gases can be simultaneously measured by expansion in the lateral direction. Will be.
  • the eight micro heaters included in the above-described first micro heater array 130_A may be separated into two parts.
  • the upper four micro heaters and the lower four micro heaters are separated, and a second membrane region is formed in the separated region.
  • the micro heater common electrode may be configured in two membrane regions to form a micro heater array thermally separated from each other.
  • a membrane is formed on the silicon substrate 110 from which the central region 101 is removed, and the silicon substrate is removed.
  • the micro heater 130 is formed on the first membrane 120 that rises to the central region 101, and the micro heater common electrode 150 pattern is formed on the second membrane 140.
  • the micro heater electrode 160 pattern is formed on the silicon substrate on which the central region 101 is not removed.
  • the membrane Membrane from which the silicon substrate 110 at the position where the micro heater 130 is formed, that is, the central region 101 of the silicon substrate 110 is removed.
  • the first and second membranes 120 and 140 are formed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxynitride film (SiON), or a silicon oxide film (SiO 2 ) and a silicon nitride film formed on the silicon oxide film (SiO 2 ). It may be formed of any one of (SiN x ) laminated thin films.
  • the thickness of the first membrane 120 and the second membrane 140 is about 1 ⁇ 2 ⁇ m to prevent the heat generated from the micro heater to be lost to the outside. If the thickness of the membrane membrane is too thin, the membrane membrane can be easily broken in the manufacturing process, which has a problem of low yield. In addition, if the thickness of the membrane membrane is too thick, the heat loss is increased, thereby increasing the power consumption for driving the micro gas sensor array. Therefore, the thickness of the membrane is preferably formed to about 1 ⁇ 2 ⁇ m.
  • FIG. 4 is a detailed structural diagram of the micro heater shown in FIG. 2.
  • the micro heater 300 used in the micro gas sensor array may be configured with heater groups having different line widths.
  • the temperature distribution of the micro heater forms a normal distribution curve in which the temperature is highest in the center portion of the micro heater and the temperature decreases toward the edge portion. Therefore, there is a problem in that the same micro heater does not have a uniform temperature distribution. That is, the type of gas that can be sensed by the sensing electrode corresponding to the center portion of the heater and the sensing electrode corresponding to the edge portion of the heater may be different.
  • the operating temperature distribution of the micro heater 300 may be made more uniform by varying the line width b of the edge portion of the micro heater and the line width a of the central portion. That is, the line width b of the edge portion of the micro heater 300 is narrower than the line width a of the center portion so that a uniform temperature distribution is formed in the entire region of the micro heater 300. Can be.
  • the line width of the first heater groups 310_1 and 310_2 is b
  • the line width of the second heater group 320 is a
  • the micro heater length is d
  • the interval between the line width and the line width is c
  • Heater line widths (a, b), length (d), and spacing (c) between line widths are adjusted to have a relationship of ⁇ 6, 6 ⁇ d / b ⁇ 12, 1 ⁇ m ⁇ c ⁇ 10 ⁇ m It is possible to implement a micro heater 300 that can maintain a temperature.
  • the micro heater 300 may be composed of a platinum (Pt) thin film having a thickness of 50nm to 300nm. Meanwhile, a first bonding layer may be formed between the micro heater 300 and the membrane film in order to improve the bonding force between the membrane formed under the micro heater 300 and the platinum thin film.
  • the first bonding layer may use any one of a tantalum (Ta) layer and a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer.
  • FIG. 5 is a plan view of a micro gas sensor array according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line B-B 'of the plan view shown in FIG.
  • the description related to the micro heater array is the same as that of FIG. 2, and the configuration of the sensing electrode formed on the micro heater array will be described below.
  • the sensing electrode array for measuring the resistance change of the metal oxide and the aforementioned micro heater array form a stacked structure (see FIG. 7).
  • the sensing electrode array may be divided into four sensing electrode arrays based on the sensing electrode common electrode 220 in the same manner as the micro heater arrays 130_A, 130_B, 130_C, and 130_D of FIG. 2.
  • the operating temperatures of the gases sensed by the four sensing electrodes are different.
  • the sensing electrodes included in the same sensing electrode array may be set to have the same operating temperature.
  • the four sensing electrode arrays may be included in the layout of the micro heater arrays 130_A, 130_B, 130_C, and 130_D shown in FIG. 2, respectively. That is, as shown in FIG. 2, the layout formed by the micro heater common electrodes 150 of FIG. 2 may include layouts formed by the sensing electrode common electrodes 250.
  • the sensing electrodes 230 are disposed at positions corresponding to the micro heater arrays formed to be spaced apart from each other at regular intervals. One end of the sensing electrode 230 is connected to the sensing electrode common electrode 250, and the other end thereof is connected to an electrode pad for supplying power.
  • the metal oxide may be formed on the sensing electrode 230 and may be adsorbed with a gas to measure a resistance change of the metal oxide.
  • a gold (Au) or platinum (Pt) film may be used as the material of the sensing electrode 230.
  • the sensing electrode 230 is formed on the insulating layer formed on the micro heater array. In order to increase the bonding force between the sensing electrode 230 and the insulating layer, a predetermined intermediate layer may be formed.
  • the intermediate layer is formed of Ni, Cr or NiCr (80:20), and when platinum (Pt) is used as the material of the sensing electrode 230
  • the intermediate layer may be formed of a tantalum (Ta) layer or a Ti layer.
  • the edge line width of the micro heater 130 and the line width on the middle region are different, and the edge line width is formed to be wider than the line width on the middle region.
  • the sensing electrodes 230 formed on the micro heater 130 may sense the gas to be detected under the same temperature condition, thereby improving the reliability of the gas sensor.
  • FIG. 7 is a plan view illustrating a laminated structure of a micro heater and a sensing electrode in the micro gas sensor array according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the sensing electrode pattern is formed on the micro heater layer in the same direction as the length direction of the micro heater 410. This is to minimize the formation of the horizontal boundary portion 430 of the sensing electrode 420 and the micro heater 410 as shown in FIG. Accordingly, the insulating layer 180 formed between the sensing electrode 420 and the micro heater 410 is destroyed due to the stress of the sensing electrode 420 film, so that the sensing electrode 420 and the micro heater 410 are electrically energized. Can be minimized.
  • the sensing electrode 420 may be formed so that one sensing electrode corresponds to one line width constituting the micro heater 410, and may be arranged in the shape of a comb as shown in FIG. 7.
  • the insulating layer 108 may be formed of a silicon oxide film (SiO 2 ) layer or a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) layer. have.
  • the thickness ratio of the compounds constituting the insulating layer may be adjusted.
  • the thickness ratio is controlled to be 1: 1. Can be.
  • the thickness ratio may be adjusted in a ratio of 2: 1: 1 or 1: 2: 1.
  • the insulating layer has a second bonding layer composed of either titanium (Ti) or tantalum (Ta) between 10 nm and 10 nm between the upper portion of the micro heater and the insulating layer to form a strong bond with the micro heater of the lower platinum thin film (Pt). 30 nm thick.
  • the total thickness of the insulating layer according to the above ratio may be maintained at 0.5 ⁇ m to 1.5 ⁇ m. If the insulating layer is thinner than 0.5 ⁇ m, the insulating layer 180 may be destroyed by thermal expansion of the micro heater 410. If the insulating layer is very thick beyond 1.5 ⁇ m of the insulating layer 180, the heat loss is increased to increase the microgas. Driving power consumption for driving the sensor array can be increased.
  • the line width Wb of the sensing electrode 420 may be narrower than the edge line width Wa of the micro heater 410 to minimize the boundary generated between the micro heater 410 and the sensing electrode 420. By minimizing the boundary, it is possible to prevent destruction of the insulating film formed between the micro heater and the sensing electrode.
  • the red region is the maximum heating portion, and the yellow region and the green region distributed around the maximum heating portion decrease in temperature away from the maximum heating portion.
  • the micro heater is formed on the first membrane (see FIGS. 2 and 3) (the membrane region of FIG. 8), the first membrane region 610 prevents heat generated from the micro heater from being transferred to the outside. As a result, it can be seen that the first membrane region 610 and the outer region 620 of the first membrane region are thermally blocked.
  • FIG. 8 illustrates a structure of a micro heater having heater groups having the same line width.
  • a maximum heating part is formed at the center of the micro heater, and the edge of the micro heater is at the edge. It can be seen that the temperature decreases gradually. Therefore, the micro heater structure shown in FIG. 8 is a structure in which heat is concentrated in the center.
  • FIG. 9 and 10 illustrate a microphone heater structure including first heater groups 310_1 and 310_2 and second heater groups 320 having different line widths as shown in FIG. 4.
  • the maximum heating part is formed in the edge direction from the center of the micro heater.
  • the temperature of the central root of the micro heater may be somewhat lower than that of FIG. 8, but shows a uniform temperature distribution in a wider area between the edge of the micro heater and the central root. Due to the uniform temperature distribution according to the structure of the micro heater, it is possible to improve the reliability of the gas sensor.
  • FIG. 10 shows that the width a of the region of the second heater group 320 is wider than that in FIG. 9 so that the maximum heat generating portion is formed at both sides of the edge of the micro heater, and heat transfer from the maximum heat generating portions of both sides is not smooth and uniform. Temperature distribution not shown.
  • the ratio of the line width b of the first heater groups 310_1 and 310_2 to the line width a of the second heater group 320 is in accordance with the uniformity of the heat distribution within the range of 2 ⁇ a / b ⁇ 6.
  • Various modifications may be made.

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Abstract

마이크로 가스센서 어레이가 개시된다. 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 기판 상면의 제1 멤브레인 상에 형성되는 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 상기 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 이웃하는 제2 마이크로 히터 어레이 그룹과, 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 열적으로 분리시키는 제2 멤브레인 및 마이크로 히터 어레이 그룹 상부에 형성된 감지전극을 포함한다. 일 실시예에 따르면 가스센서 어레이 소자의 크기의 소형화, 구동 소비전력 절감, 열적 안정성, 신뢰성, 구조적인 안정성 등을 향상시킬 수 있다.

Description

마이크로 가스센서 어레이
본 발명은 가스센서 어레이에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스센서 어레이 소자의 크기를 소형화할 수 있고, 열적 안전성을 높일 수 있는 마이크로 가스센서 어레이에 관한 것이다.
가스 센서는 크게 고체 전해질, 접촉 연소식, 전기 화학식, 반도체식으로 분류되나, 이 중에서 최근에 가장 많이 연구되고 있는 것이 반도체식 마이크로 가스센서이다. 이는 반도체식 마이크로 가스센서가 실리콘 칩 상에 제조되거나 집적됨으로써, 일반 IC와의 호환성이 뛰어나고, 저비용으로 제조할 수 있으며, 고효율의 동작 특성을 나타내기 때문이다.
상기 반도체식 마이크로 가스센서는 특정 가스가 가스 센서의 감지 물질에 흡착될 때 그 감지 물질의 전기 전도도가 변화하는데, 상기 전기 전도도의 변화를 측정함으로써, 일정 농도 이상의 가스 유무를 검출하게 된다.
도 1은 종래의 반도체식 마이크로 가스센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 마이크로 가스센서는 실리콘 기판(10) 상부에 단열막(20)이 형성되어 있고, 단열막(20) 상부에 가열 전극 패턴(30)이 형성되어 있다. 또한 가열 전극 패턴(30)을 감싸며, 단열막(20) 상부에 절연막(40)이 형성되어 있고, 실리콘 기판의 중앙 영역(11)의 절연막(40) 상부에 감지 전극 패턴(50)이 형성된다. 또한, 감지 전극 패턴(50)을 감싸며, 절연막(40) 상부에 감지막(60)이 형성되어 있다.
반도체식 마이크로 가스센서는 특정 가스가 반도체식 마이크로 가스센서의 감지막(60)에 흡착되어 원활한 동작을 하기 위해서는 특정 온도 이상의 온도를 유지해야하므로, 단열막(20) 상부에 형성된 가열 전극 패턴(30)은 감지막(60)이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 온도까지 열을 발생시킨다.
가열 전극 패턴(30)에 의해 일정한 온도로 가열된 감지막(60)이 가스에 노출되면, 가스가 감지막(60)의 금속 산화물에 흡착되어 반응을 일으키게 되며 그로 인해 금속 산화물의 저항이 증가 또는 감소하게 된다. 상기 가스 흡착에 의해 발생하는 금속 산화물의 저항 변화를 감지 전극 패턴(50)이 측정하여 특정 가스를 검출하게 된다.
이와 같이 구성된 종래의 반도체식 마이크로 가스센서는 한 개의 마이크로 가스센서로 한 종류의 가스를 검출하기 때문에 다종의 가스를 검출하기 위해서는 복수 개의 가스 센서 소자들로 구성된 모듈을 사용해야 한다. 이 경우 복수 개의 가스 센서 소자가 사용되기 때문에 복잡한 회로 구성으로 인해 실장 밀도가 저하되며 부피가 증가하는 단점이 있다.
또한, 복수 개의 가스 센서 소자를 각각 구동해야 하기 때문에 소비 전력이 증가하며, 가스 흐름의 불균일성을 초래하여 정확한 가스 농도의 검출이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 도 1에 도시된 가열 전극 패턴은 선폭이 균일한 히터 형태로 사용되는 것이 일반적이므로 상기 히터의 중앙부분에 열이 집중되어 상기 히터 상면의 온도분포가 정규분포곡선 형태로 나타날 수 있다. 이와 같은 경우, 가열 전극 패턴 상부에 존재하는 감지 전극 패턴들이 각각 감지할 수 있는 온도조건들이 달라져서 가스센서의 신뢰성을 저하할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 하나의 마이크로 플랫폼에 보다 넓은 균일한 온도분포를 갖는 마이크로 히터와 감지 전극 어레이를 적층구조로 형성함으로써 다종의 가스를 동시에 측정할 수 있는 마이크로 가스센서 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 기판; 기판의 상면에 상호 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수의 제1 멤브레인(membrane) 상에 각각 마이크로 히터가 형성된 마이크로 히터 어레이; 및 각각의 마이크로 히터를 구동시키는 마이크로 히터 개별 전극패턴과 개별 전극패턴들이 연결된 마이크로 히터 공통 전극패턴을 포함하는 마이크로 히터 전극패턴;을 포함하는 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과, 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 이웃하는 제2 마이크로 히터 어레이 그룹과, 기판의 상면에 형성되어 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 열적으로 분리시키는 제2 멤브레인과, 제1 및 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층 및 절연층 상부에 빗살무늬 형태의 감지전극을 포함하는 감지전극 어레이를 포함한다.
마이크로 히터 전극패턴은 일단이 마이크로 히터의 제1 모서리측에 연결되고 타단이 마이크로 히터 공통전극과 연결되는 제1 마이크로 히터전극 패턴 및 일단이 마이크로 히터의 제1 모서리측과 대각선 방향의 제2 모서리 측에 연결되고 타단이 전원이 인가되는 전극패드에 연결된 제2 마이크로 히터전극 패턴을 포함할 수 있다.
제1 멤브레인은 마이크로 히터에서 외부로 전달되는 열을 차단할 수 있다.
제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(140)은 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 상기 실리콘 산화막(SiO2) 상부에 형성되는 실리콘 질화막(SiNx)의 적층박막 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
제1 멤브레인 및 제2 멤브레인의 두께는 1~2um 일 수 있다.
마이크로 히터는 1 마이크로 히터전극 패턴 및 상기 제2 마이크로 히터전극 패턴과 연결되는 제1 마이크로 히터그룹과, 제1 마이크로 히터그룹 사이에 형성되어 제1 마이크로 히터그룹보다 선폭이 넓은 제2 마이크로 히터그룹을 포함할 수 있다.
감지전극의 선폭은 제1 마이크로 히터그룹의 선폭 보다 좁게 형성되리 수 있다.
마이크로 히터는 백금(Pt) 박막을 사용할 수 있다.
마이크로 히터에 사용되는 백금박막의 두께는 50nm 내지 300nm일 수 있다.
일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 백금박막과 제1 멤브레인 사이에 형성된 제1 접합층을 더 포함할 수 있다.
제1 접합층은 탄탈(Ta)층 또는 산화탄탈(Ta2O5) 층 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
절연층은 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성될 수 있다.
절연층은 실리콘 산화막(SiO2)층 및 실리콘 질화막(Si3N4)층의 2층 적층구조로 형성될 수 있으며, 상기 2층 적층 구조의 두께비율은 1:1일 수 있다.
절연층은 실리콘 산화막(SiO2)층, 질화막(Si3N4)층 및 실리콘 산화막(SiO2)층의 ONO 3층 적층구조로 형성될 수 있으며, 상기 2층 적층구조에서 실리콘 산화막층과 질화막층 및 실리콘 산화막 층의 두께비율은 2:1:1 또는 1:2:1 중 어느 하나 일 수 있다.
절연층의 전체두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛일 수 있다.
절연층과 마이크로 히터 사이에는 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta) 중 어느 하나로 구성되는 제2 접합층을 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 마이크로 히터 어레이 및 감지전극 어레이의 일단을 공통 전극에 연결함으로써 가스센서 어레이 소자의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 마이크로 히터를 제1 멤브레인 상에 형성함으로써 마이크로 히터에서 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하여 가스센서의 구동 소비전력을 줄일 수 있다.
또한, 제2 멤브레인 상에 공통전극을 형성함으로써, 일 실시예에 따른 마이크로 히터 어레이 그룹들 간에 열전달을 차단하여 가스센서의 열적 안정성을 높일 수 있다.
또한, 마이크로 히터의 선폭 구조를 차별화함으로써 보다 넓은 영역에서 균일한 온도를 유지할 수 있게 하여 가스센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 감지전극을 마이크로 히터와 동일한 방향으로 적층 형성함으로써 가스센서의 구조적인 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 마이크로 가스센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 중 일부인 마이크로 히터 어레이의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 평면도의 A-A' 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 마이크로 히터의 상세구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 평면도의 B-B' 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 마이크로 히터와 감지전극의 상세구조도이다.
도 8 내지 도 10은 도 4에 도시된 마이크로 히터 구조의 변화에 따른 마이크로 히터 주변의 열 분포를 나타낸 것이다.
《도면의 주요 부호에 대한 설명》
110: 기판 120: 제1 멤브레인
130, 300: 마이크로 히터 140: 제2 멤브레인
130_A,130_B,130_C,130_D: 마이크로 히터 어레이 그룹
150: 마이크로 히터 공통전극 160: 마이크로 히터 전극
170: 전극패드 230,260,410: 감지전극
250: 감지전극 공통전극
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 중 일부인 마이크로 히터 어레이의 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 평면도의 A-A' 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 소정의 간격으로 상호 이격되어 있는 복수의 마이크로 히터 어레이를 포함한다.
마이크로 히터 어레이는 제1 마이크로 히터 어레이(130_A), 제2 마이크로 히터 어레이(130_B), 제3 마이크로 히터 어레이(130_C) 및 제4 마이크로 히터 어레이(130_D)로 구성될 수 있다. 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)는 일정한 간격으로 상호 이격되어 있는 마이크로 히터(130), 마이크로 히터 전극(160), 전원을 공급하는 전극패드(170) 및 개별적인 마이크로 히터 전극(160)들이 모두 연결되어 있는 마이크로 히터 공통 전극(150)을 포함할 수 있다. 다른 마이크로 히터 어레이(130_B, 130_C, 130_D)들 또한 동일한 구성요소를 포함한다.
마이크로 히터 어레이를 구성하는 하나의 마이크로 히터(130)는 제1 멤브레인(120) 상에 형성될 수 있다. 이와 같이 제1 멤브레인(120) 영역 상에 형성되는 마이크로 히터(130)는 소정의 간격만큼 상호 이격되어 배치되어 어레이를 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)는 8개의 마이크로 히터가 어레이를 구성할 수 있으며, 제2 마이크로 히터 어레이(130_B) 또한 8개의 마이크로 히터가 어레이를 구성할 수 있다. 마이크로 히터 어레이를 구성하는 마이크로 히터의 개수는 가스센서의 센싱 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
제1 멤브레인(120)의 두께는 1~2㎛일 수 있으며, 마이크로 히터(130)에서 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 방지하여 가스센서 어레이를 구동하는 소비전력을 낮출 수 있다.
마이크로 히터(130)는 마이크로 히터 전극(160)과 연결되어 있다. 마이크로 히터 전극(160)은 전원이 인가되는 전극패드(170)와 연결되어 마이크로 히터를 구동시킬 수 있다. 한편, 마이크로 히터 전극(160)은 마이크로 히터 공통전극(170)에 연결되어 있다.
마이크로 히터 전극(160)은 제1 마이크로 히터 전극(161)과 제2 마이크로 히터 전극(161)으로 구분된다. 제1 마이크로 히터 전극(161)은 일단이 마이크로 히터(130)의 제1 모서리측에 연결되어 있고, 타단이 전극패드(170)와 연결되어 있다. 한편, 제2 마이크로 히터 전극(162)은 일단이 마이크로 히터(130)에서 상기 제1 모서리측과 대각선 방향의 제2 모서리측에 연결되어 있고, 타단이 마이크로 히터 공통 전극(150)에 연결되어 있다.
마이크로 히터 공통 전극(150)은 전술한 8개의 마이크로 히터 전극 어레이의 제2 마이크로 히터 전극들과 연결될 수 있다. 즉, 마이크로 히터 어레이에 포함된 각각의 마이크로 히터들은 일단이 전극패드(170)와 연결되고 타단이 마이크로 히터 공통 전극(160)과 연결되어 있다. 마이크로 히터 공통 전극(150) 구조를 사용함으로써, 마이크로 히터 어레이를 구성하는 마이크로 히터(130)의 개수에 비례하여 필요로 하는 마이크로 히터 전극의 수를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 가스센서 어레이 소자를 소형화할 수 있다.
마이크로 히터 공통 전극(150)은 마이크로 히터 어레이(130_A)의 양쪽으로 배치시켜 각 마이크로 히터(130)에 연결되는 마이크로 히터 공통전극(150)의 저항 편차를 최소화 할 수 있다.
본 발명의 마이크로 히터(130)는 마이크로 히터 공통 전극(150)과 동시에 개별적인 마이크로 히터(120)의 개별적인 동작을 구현할 수 있도록 각 마이크로 히터(120)들은 개별적인 전극패드(170)와도 연결되어 있다.
전술한 바와 같이 제1 멤브레인(120)이 개별적인 마이크로 히터들의 외부로의 열 확산을 막는 기능이 존재하는 반면, 제2 멤브레인(140)은 마이크로 히터 어레이 그룹들(제1 내지 제4 마이크로 히터 어레이(130_A,130_B,130_C,130_D) 간에 열 전달을 분리시키는 기능이 있다. 따라서 제2 멤브레인(140)은 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)가 구동되는 동안 발생할 수 있는 열을 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)로 전달되는 것을 막아서 주변의 마이크로 히터의 온도에 의한 영향을 최소화시킨다.
이와 같이 제2 멤브레인(140)을 통해 마이크로 히터 어레이들 간의 열 확산을 차단시키는 이유는 다양한 종류의 가스를 동시에 측정할 수 있도록 하기 위함이다. 예컨대, 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)를 통해 측정하고자 하는 가스가 CO2이고, 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)를 통해 측정하고자 하는 가스가 NO2인 경우, CO2는 약 400℃가 최적의 감지 동작 온도이며, NO2는 약 200~350℃가 최적의 감지 동작 온도이다. 만약, 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)를 400℃ 정도로 가열시키는 동안 열전달에 의해 300℃로 구동시키는 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)에 영향을 주게 되면 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)에 포함된 마이크로 히터들 중에서 온도가 350℃를 초과하는 히터들이 존재할 우려가 있다. 따라서 제2 마이크로 히터 어레이(130_B)를 통한 NO2 검지의 신뢰성을 그만큼 줄어들게 된다. 따라서, 마이크로 히터 어레이 그룹들 사이를 열적으로 차단할 필요가 있으며 본 발명에서는 제2 멤브레인이 이와 같은 기능을 수행할 수 있다.
한편, 제1 내지 제4 마이크로 히터 어레이는 일 실시예일 뿐이며, 마이크로 히터 어레이는 검지하고자 가스 종류의 가짓수에 따라 확장될 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 32개의 마이크로 히터들로 구성된 가스센서 어레이를 횡 방향으로 부착하여 64개의 마이크로 히터들로 구성된 가스센서 어레이를 형성할 수 있다. 8개의 마이크로 히터 어레이를 하나의 마이크로 히터 어레이로 할 때, 상기 하나의 마이크로 히터 어레이는 동일한 온도로 구동될 수 있는바, 상기 횡 방향으로의 확장에 의해 총 8가지 종류의 가스를 동시에 측정할 수 있게 된다.
나아가, 전술한 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)에 포함된 8개의 마이크로 히터를 두 부분으로 분리할 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 제1 마이크로 히터 어레이(130_A)에서 윗부분의 4개의 마이크로 히터와 아랫부분의 4개의 마이크로 히터를 분리하고, 상기 분리되는 영역에 제2 멤브레인 영역을 형성한 후, 상기 제2 멤브레인 영역에 마이크로 히터 공통 전극을 구성하여 열적으로 서로 분리된 마이크로 히터 어레이를 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 마이크로 히터 어레이는 중앙영역(101)이 제거된 실리콘 기판(110)의 상부에 멤브레인이 형성되어 있고, 상기 제거된 실리콘 기판의 중앙영역(101)으로 부상된 제1 멤브레인(120) 상부에 마이크로 히터(130)가 형성되어 있고, 제2 멤브레인(140) 상부에 마이크로 히터 공통전극(150) 패턴이 형성되어 있다. 그리고, 중앙영역(101)이 제거되지 않은 실리콘 기판 상부에 마이크로 히터 전극(160) 패턴이 형성되어 있다. 마이크로 히터(130)에서 발생하는 열이 외부로 전달되는 것을 방지하기 위해 마이크로 히터(130)가 형성된 위치의 실리콘 기판(110) 즉, 실리콘 기판(110)의 중앙 영역(101)을 제거한 멤브레인(Membrane) 구조를 가진다.
제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(140)은 실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 상기 실리콘 산화막(SiO2) 상부에 형성되는 실리콘 질화막(SiNx)의 적층박막 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 제1 멤브레인(120) 및 제2 멤브레인(140)의 두께는 1~2㎛ 정도로 하여 마이크로 히터에서 발생하는 열이 외부로 손실되는 것을 방지한다. 멤브레인 막의 두께가 너무 얇으면 제조공정상에서 멤브레인 막이 쉽게 파괴될 수 있으며 이는 수율이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 상기 멤브레인 막의 두께가 너무 두꺼우면 열손실이 커져서 마이크로 가스센서 어레이를 구동시키는 소비전력을 증가시키는 문제가 있다. 따라서 멤브레인의 두께는 약 1~2㎛로 형성함이 바람직하다.
도 4는 도 2에 도시된 마이크로 히터의 상세구조도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이에 사용되는 마이크로 히터(300)는 선폭이 서로 다른 히터그룹들로 구성될 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 마이크로 히터전극(410)과 연결되는 히터그룹(310_1), 제2 마이크로 히터전극(420)과 연결되는 히터그룹(310_2)(히터그룹 310_1과 히터그룹 310_2를 '제1 히터 그룹(310)'이라 함)과 상기 제1 히터 그룹 사이에 형성되는 제2 히터그룹(320)으로 구분될 수 있다.
종래의 마이크로 히터는 선폭이 균일하기 때문에 마이크로 히터의 온도분포는 마이크로 히터의 중앙부분에서 온도가 가장 높고, 가장자리 부분으로 갈수록 온도가 낮아지는 정규분포 곡선 형태를 이룬다. 따라서, 동일한 마이크로 히터에서도 균일한 온도 분포를 갖지 못하는 문제가 있다. 즉, 히터의 중앙부분에 대응하는 감지 전극과 히터의 가장자리 부분에 대응하는 감지 전극이 감지할 수 있는 가스의 종류가 서로 달라질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 마이크로 히터의 가장자리 부분의 선폭(b)과 중앙부분의 선폭(a)을 달리하여 마이크로 히터(300)의 동작 온도 분포를 더욱 균일하게 할 수 있다. 즉, 마이크로 히터(300)의 가장자리 부분의 선폭(b)을 중앙부분의 선폭(a) 보다 좁게하여 정규분포 곡선 형태의 온도분포를 마이크로 히터(300) 전 영역에서 균일한 온도분포가 형성되도록 할 수 있다.
예컨대, 제1 히터그룹(310_1,310_2)의 선폭을 b, 제2 히터그룹(320)의 선폭을 a, 마이크로 히터 길이를 d, 상기 선폭과 선폭간의 간격을 c라 하면, 2〈 a/b〈6, 6〈d/b〈12, 1㎛〈 c〈10㎛의 관계를 갖도록 히터의 선폭(a,b), 길이(d), 선폭간의 간격(c)을 조절하여 보다 넓은 면적에서 균일한 온도를 유지할 수 있는 마이크로 히터(300)를 구현할 수 있다.
마이크로 히터(300)는 50nm 내지 300nm 두께의 백금(Pt) 박막으로 구성될 수 있다. 한편, 마이크로 히터(300)의 하부에 형성된 멤브레인과 상기 백금박막과의 접합력을 향상시키기 위하여 마이크로 히터(300)와 멤브레인 막 사이에 제1 접합층을 형성할 수 있다. 상기 제1 접합층은 탄탈(Ta)층 또는 산화탄탈(Ta2O5) 층 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 평면도의 B-B' 단면도이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 마이크로 히터 어레이와 관련된 설명은 도 2의 설명과 같으며, 이하에서는 상기 마이크로 히터 어레이 상부에 형성되는 감지전극의 구성에 대하여 설명한다. 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 금속산화물의 저항변화를 측정하기 위한 감지전극 어레이와 전술한 마이크로 히터 어레이가 적층구조(도 7 참조)를 형성한다.
감지전극 어레이는 도 2의 마이크로 히터 어레이(130_A,130_B,130_C,130_D)와 동일한 방식으로 감지전극 공통전극(220)을 기준으로 하여 4 가지의 감지전극 어레이로 구획될 수 있다. 상기 4가지의 감지전극들이 감지하는 가스의 동작 온도는 서로 다르다. 다만, 동일한 감지전극 어레이 내부에 포함된 감지전극들은 동작온도가 동일하게 설정됨이 바람직하다.
상기 4 가지의 감지전극 어레이들은 각각 도 2에 도시된 마이크로 히터 어레이(130_A,130_B,130_C,130_D)들의 레이아웃에 포함되어 배치될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로 히터 공통전극(도 2의 150) 들에 의해 형성되는 레이아웃이 감지전극 공통 전극(250)들에 의해 형성되는 레이아웃들을 포함할 수 있다.
감지전극(230)은 일정한 간격으로 상호 이격되어 형성된 마이크로 히터 어레이와 대응되는 위치에 배치된다. 감지전극(230)은 일단이 감지전극 공통 전극(250)과 연결되어 있고, 타단은 전원을 공급하는 전극패드와 연결된다. 감지전극(230) 상부에 금속산화물로 구성될 수 있으며, 가스와 흡착되어 상기 금속산화물의 저항변화를 측정할 수 있다. 감지전극(230)의 재료는 금(Au) 또는 백금(Pt) 막이 이용될 수 있다. 또한 감지전극(230)은 마이크로 히터 어레이 상부에 형성된 절연층의 상부에 형성된다. 감지전극(230)과 절연층 사이의 접합력을 높이기 위하여 소정의 중간층을 형성할 수 있다.
감지전극(230)의 재료로서 금(Au)을 사용하는 경우, 상기 중간층은 Ni, Cr 또는 NiCr(80:20)으로 형성하고, 감지전극(230)의 재료로서 백금(Pt)을 사용하는 경우, 상기 중간층을 탄탈(Ta)층 또는 Ti층으로 형성할 수 있다. 이와 같이 감지전극(230)로서 금속을 사용하고, 마이크로 히터 어레이와 적층되는 구조를 적용함으로써 마이크로 히터의 온도분포를 보다 균일하게 분포시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 6을 참조하면 마이크로 히터(130)의 가장 자리 선폭과 중간 영역 상의 선폭이 차이가 있으며, 가장자리 선폭이 중간영역 상의 선폭 보다 넓게 형성되어 있다. 이와같이 마이크로 히터(130)의 선폭 차이로 인하여 마이크로 히터(130)의 온도분포에서 균일한 온도분포를 나타내는 영역이 마이크로 히터 상면 전체에 나타날 수 있다. 따라서 마이크로 히터(130) 상부에 형성되는 감지전극(230)들은 동일한 온도 조건에 의해 검지대상의 가스를 센싱할 수 있어 가스센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이에서 마이크로 히터와 감지전극의 적층구조를 나타내는 평면도이다.
도 7을 참조하면, 마이크로 히터 층의 상부에 마이크로 히터(410)의 길이방향과 동일한 방향으로 감지전극 패턴이 형성된다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이 감지전극(420)과 마이크로 히터(410)의 수평 경계부분(430) 형성을 최소화하기 위함이다. 이에 따라 감지전극(420) 막의 응력으로 인하여 감지전극(420)과 마이크로 히터(410) 사이에 형성된 절연층(180)이 파괴되어 감지전극(420)과 마이크로 히터(410)가 전기적으로 통전되는 현상을 최소화할 수 있다.
감지전극(420)은 마이크로 히터(410)를 구성하는 하나의 선폭에 하나의 감지전극이 대응되도록 형성될 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 빗살무늬 형태로 배열될 수 있다.
감지전극(420)의 재료로는 금(Au) 또는 백금(Pt)이 사용될 수 있으며, 절연층(108)은 실리콘 산화막(SiO2)층, 실리콘 질화막(Si3N4)층이 형성될 수 있다. 절연층을 구성하는 상기 화합물들의 두께 비율을 조절할 수 있다. 상기 절연층(108)이 실리콘 산화막(SiO2)층과 상기 실리콘 산화막층의 상부에 형성되는 실리콘 질화막(Si3N4)층의 2층 구조로 구성될 경우, 두께비율을 1:1로 조절할 수 있다.
또한, 실리콘 산화막(SiO2)층의 상부에 실리콘 질화막(Si3N4)층을 형성하고, 상기 실리콘 질화막(Si3N4)층의 상부에 실리콘 산화막(SiO2)층을 형성하여 ONO 3층 구조를 형성하는 경우, 두께비율을 2:1:1 또는 1:2:1의 비율로 조절할 수 있다. 절연층은 하부의 백금(Pt) 박막의 마이크로 히터와 강한 접합을 이루기기 위해 마이크로 히터 상부와 절연층 사이에 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta) 중 어느 하나로 구성되는 제2 접합층을 10㎚ 내지 30㎚ 두께로 형성할 수 있다.
상기와 같은 비율에 따른 절연층 전체 두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛로 유지될 수 있다. 절연층이 상기 0.5㎛ 보다 얇으면 마이크로 히터(410)의 열팽창에 의해 절연층(180) 파괴될 우려가 있으며, 절연층(180)의 1.5㎛를 넘어서 매우 두꺼운 경우에는 열손실을 증가하여 마이크로 가스센서 어레이를 구동하기 위한 구동 소비전력이 증가할 수 있다.
또한, 감지전극(420)의 선폭(Wb)은 마이크로 히터(410)의 가장자리 선폭(Wa) 보다 좁게하여 마이크로 히터(410)와 감지전극(420) 사이에 발생하는 경계를 최소화시킬 수 있다. 상기 경계를 최소화하여 마이크로 히터와 감지전극 사이에 형성된 절연막의 파괴를 막을 수 있다.
도 8 내지 도 10은 도 4에 도시된 마이크로 히터 구조의 변화에 따른 마이크로 히터 주변의 열 분포를 나타낸 것이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 적색영역이 최대 발열부이고, 최대 발열부 외곽에 분포된 노란색영역, 초록색 영역은 상기 최대 발열부에서 멀어질수록 온도가 감소함을 나타낸 것이다. 또한, 상기 마이크로 히터가 제1 멤브레인(도 2 및 도 3 참조)(도 8의 멤브레인 영역)상에 형성되므로 상기 제1 멤브레인 영역(610)이 마이크로 히터에서 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 차단하여 제1 멤브레인 영역(610)과 상기 제1 멤브레인 영역의 외부영역(620)이 열적으로 차단되어 있음을 알 수 있다.
도 8은 선폭이 동일한 히터그룹들로 구성된 마이크로 히터의 구조를 나타내고 있으며, 마이크로 히터의 전극라인 양 끝단에 동일한 전압을 인가했을 때 마이크로 히터 중앙에 최대 발열부가 형성되며, 상기 마이크로 히터 중앙에서 가장자리로 갈수록 온도가 감소함을 알 수 있다. 따라서, 도 8에 도시된 마이크로 히터 구조는 중앙에 열이 집중되는 구조이다.
도 9 및 도 10은 도 4에 도시된 바와 같이 선폭이 각각 다른 제1 히터그룹(310_1,310_2)과 제2 히터그룹(320)으로 구성되는 마이크 히터 구조를 나타낸 것이다. 제1 히터그룹(310_1,310_2)의 선폭을 b, 제2 히터그룹(320)의 선폭을 a 라 할 때, 상기 도 8은 a/b=1 이지만, 도 9는 a/b=4.6, 도 10은 a/b=9.4의 관계에 있다.
도 9는 최대 발열부가 마이크로 히터의 중심에서 가장자리 방향으로 넓게 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 마이크로 히터의 중심부근의 온도는 도 8 보다 다소 낮을 수 있지만, 마이크로 히터의 가장자리와 중심부근 사이에 보다 넓은 영역에서 균일한 온도분포를 보인다. 이와 같은 마이크로 히터의 구조에 따른 균일한 온도분포로 인하여 가스센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 10은 제2 히터그룹(320)의 영역의 폭(a)이 도 9에서 보다 넓어져서 마이크로 히터의 가장자리 양쪽에서 최대 발열부가 형성되고, 상기 양쪽의 최대 발열부로부터의 열전달이 원활하지 않아 균일하지 않은 온도분포를 보인다.
즉, 도 8, 도 9 및 도 10을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 마이크로 히터의 구조는 제1 히터그룹(310_1, 310_2)의 선폭(b)과 제2 히터그룹(320)의 선폭(a)이 소정의 비율로 형성됨이 바람직할 것이다. 예컨대, 2〈 a/b〈6 인 경우에 마이크로 히터의 열분포가 균일하게 형성될 수 있다. 도 9 에서는 a/b=4.6 인 경우의 마이크로 히터의 열분포를 도시한 것이다. 한편, 제1 히터그룹(310_1, 310_2)의 선폭(b)과 제2 히터그룹(320)의 선폭(a)의 비율은 2〈 a/b〈6 의 범위 내에서 열분포의 균일한 정도에 따라 다양하게 변형되어 실시될 수 있을 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판의 상면에 상호 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수의 제1 멤브레인(membrane);
    상기 제1 멤브레인 상에 각각 마이크로 히터가 형성된 마이크로 히터 어레이; 및
    상기 각각의 마이크로 히터를 구동시키는 마이크로 히터 개별 전극패턴과 상기 개별 전극패턴들이 연결된 마이크로 히터 공통 전극패턴을 포함하는 마이크로 히터 전극패턴;을 포함하는 제1 마이크로 히터 어레이 그룹;
    상기 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 이웃하는 제2 마이크로 히터 어레이 그룹;
    상기 기판의 상면에 형성되어 상기 제1 마이크로 히터 어레이 그룹과 상기 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 열적으로 분리시키는 제2 멤브레인;
    상기 제1 및 제2 마이크로 히터 어레이 그룹을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층; 및
    상기 절연층 상부에 빗살무늬 형태의 감지전극을 포함하는 감지전극 어레이
    을 포함하는 마이크로 가스센서 어레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 히터 전극패턴은
    일단이 마이크로 히터의 제1 모서리측에 연결되고 타단이 상기 마이크로 히터 공통전극과 연결되는 제1 마이크로 히터전극 패턴; 및
    일단이 상기 마이크로 히터의 제1 모서리측과 대각선 방향의 제2 모서리 측에 연결되고 타단이 전원이 인가되는 전극패드에 연결된 제2 마이크로 히터전극 패턴
    을 포함하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인은
    상기 마이크로 히터에서 외부로 전달되는 열을 차단하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인은
    실리콘 질화막(Si3N4), 실리콘 산화질화막(SiON) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 상기 실리콘 산화막(SiO2) 상부에 형성되는 실리콘 질화막(SiNx)의 적층박막 중 어느 하나로 형성되는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인은
    두께가 1~2㎛ 인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  6. 제2항에 있어서, 상기 마이크로 히터는
    상기 제1 마이크로 히터전극 패턴 및 상기 제2 마이크로 히터전극 패턴과 연결되는 제1 마이크로 히터그룹과, 상기 제1 마이크로 히터그룹 사이에 형성되어 상기 제1 마이크로 히터그룹보다 선폭이 넓은 제2 마이크로 히터그룹을 포함하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로 히터는
    상기 제1 히터그룹의 선폭(b), 상기 제2 히터그룹의 선폭(a), 상기 마이크로 히터 길이(d) 및 상기 마이크로 히터의 선폭 간의 간격(c) 사이에
    2〈 a/b〈6,
    6〈 d/b〈12,
    1㎛〈 c〈10㎛
    의 구조적인 관계를 가지는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  8. 제7항에 있어서, 상기 감지전극의 선폭은
    상기 제1 마이크로 히터그룹의 선폭 보다 좁은 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 히터는 백금(Pt) 박막인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 백금박막의 두께는 50nm 내지 300nm인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 백금박막과 상기 제1 멤브레인 사이에 형성된 제1 접합층을 더 포함하는 마이크로 가스센서 어레이.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 접합층은
    탄탈(Ta)층 또는 산화탄탈(Ta2O5) 층 중 어느 하나인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  13. 제1항에 있어서, 상기 절연층은
    실리콘 산화막(SiO2)으로 형성되는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  14. 제1항에 있어서, 상기 절연층은
    실리콘 산화막(SiO2)층과 상기 실리콘 산화막(SiO2)층 상부에 형성되는 실리콘 질화막(Si3N4)층으로 형성되는 2층의 적층구조인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 실리콘 산화막(SiO2)층과 실리콘 질화막(Si3N4)층의 두께비율은 1:1인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  16. 제1항에 있어서, 상기 절연층은
    실리콘 산화막(SiO2)층, 상기 실리콘 산화막(SiO2)층 상부에 형성되는 실리콘 질화막(Si3N4)층 및 상기 실리콘 질화막(Si3N4)층 상부에 형성되는 실리콘 산화막(SiO2)층으로 형성되는 3층의 적층구조인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  17. 제16항에 있어서, 상기 절연층은
    실리콘 산화막(SiO2)층, 상기 실리콘 질화막(Si3N4)층 및 상기 실리콘 산화막(SiO2)층의 두께비율은 2:1:1 또는 1:2:1인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 절연층과 상기 마이크로 히터 사이에 티타늄(Ti) 또는 탄탈(Ta) 중 어느 하나로 구성되는 제2 접합층을 더 포함하는 것인 마이크로 가스센서 어레이.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 것인 마이크로 가스센서 어레이.
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