WO2012138054A9 - 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터 - Google Patents

습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터 Download PDF

Info

Publication number
WO2012138054A9
WO2012138054A9 PCT/KR2012/001138 KR2012001138W WO2012138054A9 WO 2012138054 A9 WO2012138054 A9 WO 2012138054A9 KR 2012001138 W KR2012001138 W KR 2012001138W WO 2012138054 A9 WO2012138054 A9 WO 2012138054A9
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
humidity
layer
conductive material
gate
transistor
Prior art date
Application number
PCT/KR2012/001138
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012138054A3 (ko
WO2012138054A2 (ko
Inventor
윤준보
양현호
송석호
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to US14/110,059 priority Critical patent/US9664630B2/en
Publication of WO2012138054A2 publication Critical patent/WO2012138054A2/ko
Publication of WO2012138054A3 publication Critical patent/WO2012138054A3/ko
Publication of WO2012138054A9 publication Critical patent/WO2012138054A9/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G01N27/048—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance for determining moisture content of the material
    • 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
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • 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
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

Definitions

  • the present invention relates to a humidity sensor, a humidity sensing method, and a transistor therefor.
  • Humidity sensors can be used alone or in combination with sensors that obtain other kinds of information and can be applied to many industries. It can be applied to logistics services, transportation services and transportation networks to enhance related services. In addition, it can be applied to history management, production management, factory management and environmental network construction in agriculture, fisheries, livestock industry, distribution industry and manufacturing industry, and also applied to smart home, office network and building control for the purpose of making living space comfortable. Can be used. It can also be used to combat other hazardous industrial environments.
  • the most widely used measurement method in the humidity sensor is a method using a moisture sensitive film, which measures the electrical properties when water is adsorbed or desorbed on a moisture sensitive film made of organic materials such as polymers or inorganic materials such as ceramics.
  • the method has the advantage of being relatively simple. For example, humidity is detected by the moisture-sensitive film absorbing moisture and changing capacitance or resistance value.
  • a structure having only a moisture sensitive film and a sensing electrode is commonly used.
  • the signal may be distorted due to the parasitic capacitance when the manufacturing defect of the moisture-sensitive film is generated.
  • the polymer layer must absorb moisture, the reaction rate is slow and the humidity is high.
  • the disadvantage is that it takes a lot of time to detect the change.
  • the polymer is not only susceptible to organic solvents such as alcohol, but also may cause problems with electrodes and adhesion. Moreover, it is difficult to obtain stable characteristics in a high temperature and high humidity environment.
  • the present invention has been made in response to the problems and demands of the prior art, and an object thereof is to provide a humidity sensor and a humidity sensing method capable of detecting humidity quickly and accurately.
  • an object of the present invention is to provide a humidity sensor and a humidity sensing method capable of accurately detecting humidity in any medium.
  • an object of the present invention is to provide a humidity sensor capable of mass production, easy to process, high reliability and reproducibility, and a humidity sensing method using the same.
  • an object of the present invention is to provide such a humidity sensing transistor.
  • Humidity sensor is a conductive material that can be charged; A charger that charges the conductive material; And a meter for measuring the amount of change in charge charged in the conductive material.
  • a humidity sensor includes a source and a drain spaced apart from each other with a channel region interposed therebetween, an insulating layer formed on the channel region, a gate formed on the insulating layer, the gate, the source and the A transistor comprising a hydrophobic layer covering the drain and a conductive material layer formed on the hydrophobic layer and connected to the gate through a through hole formed in the hydrophobic layer; And a measuring device for measuring an amount of change in the drain current of the transistor.
  • the humidity sensor according to the embodiment of the present invention may further include a humidity sensing layer whose surface conductivity varies according to humidity between the hydrophobic layer and the conductive material layer.
  • Humidity sensing method comprises the steps of charging a conductive material to the charge; Measuring a charge change amount of the conductive material; And determining the humidity of the medium in contact with the conductive material from the charge change amount.
  • a humidity sensing method includes a source and a drain spaced apart from each other with a channel region interposed therebetween, an insulating layer formed on the channel region, a gate formed on the insulating layer, the gate, the source and Charging an electric charge to the gate of the transistor including a hydrophobic layer covering the drain and a conductive material layer connected to the gate and formed on the hydrophobic layer through a through hole formed in the hydrophobic layer; Measuring an amount of change in the drain current of the transistor; And determining the humidity of the medium in contact with the gate from the amount of change in the current.
  • a humidity sensing transistor includes: a source and a drain formed spaced apart from each other with a channel region interposed therebetween; An insulating layer formed on the channel region; A gate formed on the insulating layer; A hydrophobic layer covering the gate, the source and the drain; And a conductive material layer connected to the gate through the through hole formed in the hydrophobic layer and formed on the hydrophobic layer.
  • the transistor according to the embodiment of the present invention may further include a humidity sensing layer whose surface conductivity varies according to humidity between the hydrophobic layer and the conductive material layer.
  • a hysteresis phenomenon of a humidity sensor that detects humidity from resistance or capacitance change of a conventional moisture sensitive film, a slow response speed, a slow recovery time, an unstable characteristic in a high temperature and high humidity environment, and poor contact between a metal and a moisture sensitive film And when a long time has elapsed, it is possible to solve the problem of reduced reliability due to deterioration of the moisture-sensitive film.
  • all parts of the humidity sensor are made of a material used in a semiconductor process, thereby enabling mass production.
  • the polymer since the polymer is not used when manufacturing the humidity sensor, the process may be easy and may have high reliability and reproducibility.
  • the present invention can provide a humidity sensor and a humidity sensing method capable of measuring humidity in any medium.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a humidity sensor and a humidity sensing method according to the present invention.
  • Figure 2 shows an example of a transistor that can be used in the humidity sensor and the humidity sensing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 illustrates another example of a transistor that may be used in a humidity sensor and a humidity sensing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a structure of a humidity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 illustrates a correlation between a voltage and a drain current applied to a transistor used in a humidity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows the change over time of the drain current of the transistor used in the humidity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph measuring the drain current of a transistor as shown in FIG. 3 over time at different humidity levels.
  • FIG. 8 shows the amount of change in charge relaxation constant according to the relative humidity of the humidity sensing layer used in the transistor according to the embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a graph measuring the reaction rate of the humidity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the humidity sensor and humidity sensing method of the present invention utilizes a phonetic mitigating effect in which the charge charged in a conductive material such as metal disappears over the surface of the material in contact with the metal over time.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a humidity sensor and a humidity sensing method according to the present invention.
  • a conductive material 100 such as a metal
  • the charge in the conductive material 100 passes over the surface of the material 110 in contact with the conductive material 100. According to the discharge.
  • the rate at which the charge is discharged is determined by the resistance and capacitance of the surface of the material 110 in contact with the conductive material 100.
  • the surface conductivity of the material 110 increases. That is, among the two factors, the surface resistance of the conductive material 100 decreases as the humidity increases, so that charges charged in the conductive material 100 are quickly discharged to the surface of the material 110.
  • Equation 1 is the expression of the phone relaxation effect.
  • Q is the amount of charge remaining in the conductive material 100 after t hours
  • Rs is the surface resistance of the material 110 in contact with the conductive material
  • Cs is the capacitance of the material 110
  • Equation 1 indicates that the charge charged in the conductive material 100 decreases exponentially. At this time, it can be seen that the denominator value RsCs of the exponent of the exponential function is determined by the surface resistance and the capacitance of the material 110.
  • the charge relaxation constant (RsCs) may be obtained by charging the conductive material 100 using the inversion relaxation effect and measuring the amount of charge remaining in the conductive material 100 after a predetermined time t. .
  • the charge relaxation constant RsCs is a function of surface resistance and capacitance, it may be expressed as a function of humidity on the surface of the material 110. That is, the rate at which the charge charged in the conductive material 100 disappears depends on the humidity.
  • the humidity of the surface of the material 110 in contact with the conductive material 100 may be calculated by measuring the amount of change in the charge in the conductive material 100 for a predetermined time t. In this case, a factor in which charge disappears from the conductive material 100 may be further considered.
  • the conductive material 100 of FIG. 1 and the conductive material layer 700 in the following drawings may include a material that can be charged.
  • the conductive material 100 and the conductive material layer 700 may include a metal.
  • the metal a material having a small chemical change or the like may be used even with time.
  • a material such as gold (Au) may be used as the metal.
  • Au gold
  • Figure 2 shows an example of a transistor that can be used in the humidity sensor and the humidity sensing method according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a structure designed to accurately measure humidity according to an embodiment of the present invention. That is, the humidity sensor and the humidity sensing method according to the embodiment of the present invention may use a field effect transistor (FET).
  • FET field effect transistor
  • the field effect transistor includes a gate 500, a source 310 and a drain 320.
  • the source 310 and the drain 320 are spaced apart from each other with the channel region 330 interposed therebetween on the substrate 200.
  • the transistor according to the embodiment of the present invention may include a gate (through the gate 500, a hydrophobic layer 600 covering the source 310 and the drain 320, and a through hole 710 formed in the hydrophobic layer 600). It may further include a conductive material layer 700 connected to the 500 and formed on the hydrophobic layer 600.
  • the substrate 200 may be a silicon substrate, but is not limited thereto.
  • the substrate 200 may include any one of a general silicon substrate or an insulating layer embedded silicon (SOI).
  • SOI insulating layer embedded silicon
  • the substrate 200 may be a p-type or n-type silicon substrate depending on the type of the dopant to be doped.
  • the source 310 and the drain 320 are formed by doping an n-type impurity (Atomic Periodic Table 5 element) or a p-type impurity (Atomic Periodic Table Group 3 element) to the substrate 200.
  • the transistor according to the embodiment of the present invention may further include a source electrode 340 connected to the source 310 and a drain electrode 350 connected to the drain 320.
  • a channel region 330 is defined between the source 310 and the drain 320 in the substrate 200.
  • An insulating layer 400 is included on the channel region 330.
  • the insulating layer 400 is also formed on the source 310 and the drain 320, but this is only an example, and the insulating layer 400 may be formed only on the channel region 330.
  • the insulating layer 400 may include an insulating material such as silicon oxide or a high insulating material (High-K) between the gate 500 and the substrate 200.
  • the gate 500 is positioned on the insulating layer 400 and includes a conductive material such as a metal.
  • the hydrophobic layer 600 covers the gate 500, the source 310, and the drain 330. As such, by forming the hydrophobic layer 600 having a property of not bonding with water molecules, the semiconductor may be protected from external contaminants and moisture may be prevented from directly contacting the semiconductor. As a result, a transistor and / or a humidity sensor capable of operating stably can be manufactured.
  • the hydrophobic layer 600 may include, for example, silicon nitride.
  • a conductive material layer 700 connected to the gate 500 is formed on the hydrophobic layer 600.
  • the conductive material layer 700 may be connected to the gate 500 through a through hole 710 formed in the hydrophobic layer 600.
  • the humidity sensor according to the embodiment of the present invention uses the principle that the drain current of the transistor as shown in FIG. 2 varies depending on the amount of charge present in the gate portion. That is, when a voltage is applied to the gate 500 or the conductive material layer 700 of the transistor, a drain current flows. The drain current flows through the channel region 330 shown in FIG.
  • the drain current also decreases accordingly.
  • the rate at which charge is reduced in the gate 500 after applying a voltage to the gate 500 depends on the humidity of the medium in which the hydrophobic layer 600 in contact with the conductive material layer 700 is in contact. This is because the charge applied to the gate 500 does not diffuse through the surface of the insulating layer 400 and moves to the conductive material layer 700 through the through hole 710 and is discharged through the surface of the hydrophobic layer 600.
  • the humidity of the medium in contact with the transistor is measured by measuring a change amount of the drain current for a predetermined time after applying a voltage to the gate 500 or the conductive material layer 700. Able to know.
  • FIG. 3 illustrates another example of a transistor that may be used in a humidity sensor and a humidity sensing method according to an embodiment of the present invention.
  • the transistor according to FIG. 3 is for quickly and stably implementing a humidity sensor.
  • the transistor according to another embodiment of the present invention further includes a humidity sensing layer 800 in addition to the transistor shown in FIG. 2.
  • the humidity sensing layer 800 is positioned between the hydrophobic layer 600 and the conductive material layer 700 and has a wide material layer whose surface conductivity varies with humidity.
  • the humidity sensing layer 800 may be formed of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiNx), or aluminum oxide (Al 2 O 3 ). As such, the method further includes a humidity sensing layer 800 whose surface conductivity changes with humidity, so that charges of the conductive material layer 700 or the gate 500 may be discharged to the surface of the humidity sensing layer 800 more quickly. In addition, since the surface conductivity of the humidity sensing layer 800 varies with humidity, the humidity around the transistor may be more sensitively measured.
  • a device having a small capacitance value may be used as the insulating layer 400 or the resistance of the surface may be reduced so that the charge may quickly escape to the conductive material layer 710 through the through hole 710 connected to the gate 500. have.
  • the hydrophobic layer 600 and / or the humidity sensing layer 800 are contaminated by the hydrocarbons CH4 in the transistor and the humidity sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, their surface resistance characteristics may change. Therefore, in the transistor and the humidity sensor according to the embodiment of the present invention, the hydrocarbon may be removed by using a system capable of removing the hydrocarbon. Alternatively, the surfaces of the hydrophobic layer 600 and / or the humidity sensing layer 800 may be manufactured in a state in which the hydrocarbon is saturated to prevent a change in characteristics due to hydrocarbon contamination.
  • Humidity sensor is a humidity sensing unit 920 as shown in Figure 1, 2 or 3, the charger 910 for charging a charge to the humidity sensing unit 920 and the humidity sensing It may include a meter 930 for measuring the charge change amount of the unit 900.
  • FIG. 4 shows an example of the structure of the humidity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a transistor as shown in FIG. 2 or 3 is used as the humidity sensing unit 920.
  • a charger 910 for charging a charge in the humidity sensing unit 920 a MEMS switch (Microelectromechnical System Switch) for applying a voltage to the gate 500 of the transistor is illustrated in FIG. 4.
  • MEMS switch Microelectromechnical System Switch
  • the charger 910 may include any configuration that can apply voltage to the gate 500 for a certain interval and stop the application of the voltage.
  • the meter 930 may be a current meter that measures an amount of the drain current of the transistor.
  • the humidity sensor according to the exemplary embodiment of the present invention as shown in FIG. 4 stops the application of the voltage after applying the voltage to the gate 500 of the field effect transistor through the charger 910 for a predetermined time interval. . Thereafter, the drain current of the transistor is measured for a predetermined time to calculate a change amount of the drain current during the predetermined time from the voltage application. From this, the humidity of the medium in contact with the transistor can be calculated.
  • the gate 500 includes a conductive material layer 700 connected to the gate 500.
  • FIG. 5 illustrates a correlation between a voltage and a drain current applied to a transistor used in a humidity sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, it can be seen that the drain current changes according to the magnitude of the voltage applied to the gate 500 of the transistor.
  • the charger 910 of FIG. 4 may apply a voltage to the gate 500 of the transistor at the voltage V1 and stop the application of the voltage.
  • FIG. 6 shows the change over time of the drain current of the transistor used in the humidity sensor according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, it can be seen that the drain current is constant until the first time t1 when the voltage is applied. After the first time t1, the voltage supply of the charger 800 is stopped.
  • the charge present in the gate 500 during the first time t1 and the second time t2 from which the voltage is stopped is applied to the conductive material layer 700, for example, the hydrophobic layer 600 or It is diffused to the surface of the humidity sensing layer 800.
  • This decrease in drain current of the transistor is shown in FIG. At this time, the amount of the drain current is reduced depending on the humidity of the medium in contact with the transistor.
  • the humidity of the medium in contact with the transistor can be determined by measuring the change amount of the drain current for a predetermined time (for the first time t1 to the second time t2) after the application of the voltage.
  • This humidity measurement process can be repeated continuously, indicating a change in current as shown in FIG.
  • FIG. 7 is a graph measuring the drain current of a transistor as shown in FIG. 3 over time at different humidity levels.
  • the drain current rapidly decreases within 2-3 seconds after the voltage application stops. Considering that it takes several tens of seconds for the humidity sensing using the conventional humidity sensitive film, it can be seen that the speed of the humidity sensing according to the present invention is very fast.
  • FIG. 8 illustrates changes in charge relaxation constants according to relative humidity of the humidity sensing layer 800 used in the transistor according to the embodiment of the present invention.
  • the amount of change in the charge relaxation constant RsCs of the humidity sensing layer 800 is very large according to the change of relative humidity.
  • the charge relaxation constant of the humidity sensor including the humidity sensing layer 800 has a change amount of approximately 970 times according to the change in humidity. Therefore, when using the transistor or the humidity sensor according to an embodiment of the present invention it is possible to measure the humidity very precisely.
  • Figure 9 is a graph measuring the reaction rate of the humidity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the charge application to the gate 500 of the transistor is stopped at around 5.03 seconds.
  • the slope of the gate voltage decreases is very small.
  • the same transistor moves to a high-humidity medium and it can be seen that the charge on the gate begins to discharge very quickly after the move.
  • the same humidity sensor moves back to the medium with low humidity, and from 33.16 seconds, it shows the gate voltage decreasing rate for low humidity. That is, it can be seen that the humidity sensor according to the embodiment of the present invention recovers the humidity sensing speed within 1 second. That is, the humidity sensor according to the embodiment of the present invention can be seen that the recovery time to reach a state capable of measuring the humidity again after the humidity is very short. This process is repeated one more time in FIG. 9 and a similar recovery time can be found in the 59.24 second to 59.89 second intervals.
  • the present invention it is possible to implement a humidity sensor having a fast reaction rate and a fast recovery rate because it uses a surface reaction rather than a film to absorb moisture.
  • the humidity sensor since the humidity sensor is not used in the humidity sensor according to the present invention, it is possible to stably sense humidity even in a high temperature and high humidity environment.
  • the humidity sensor and the humidity sensing method according to the present invention can detect humidity in any environment and medium as long as the change in surface resistance occurs.
  • the conductivity of the surface is changed so that detection of ammonia and other polar molecular substances is also possible.
  • the sensor manufacturing process is entirely a semiconductor process. Therefore, miniaturization and mass production of the humidity sensor are possible. This allows for a high degree of reliability and reproducibility at low cost.
  • a charger such as a MEMS switch as a charger, it is possible to apply an accurate voltage to a transistor in a short time, thereby making it possible to measure humidity quickly and accurately.
  • the humidity can be detected in any environment and medium as long as the change in surface resistance occurs.
  • the conductivity of the surface is changed so that detection of ammonia and other polar molecular substances is also possible.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

본 발명 실시예에 따른 습도 센서는 전하가 충전될 수 있는 전도성 물질; 상기 전도성 물질에 전하를 충전하는 충전기; 및 상기 전도성 물질에 충전된 전하의 변화량을 측정하는 측정기를 포함한다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 26.03.2012]　습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터
본 발명은 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터에 관한 것이다.
습도 센서는 단독으로 사용되거나, 다른 종류의 정보를 획득하는 센서들과 함께 사용되어 여러 산업 분야에 적용될 수 있다. 물류 서비스, 운송 서비스 및 교통 네트워크 등에 적용되어 관련 서비스를 고도화할 수 있다. 또한, 농업, 수산업, 축산업, 유통업 및 제조업 등의 이력 관리, 생산 관리, 공장 관리 및 환경망 구축에 적용될 수 있고, 스마트 홈, 오피스 네트워크 및 빌딩 제어 등에 적용되어 주거 공간을 쾌적화하는 목적으로도 사용될 수 있다. 기타 유해 산업 환경에 대처하기 위한 목적으로 사용될 수도 있다.
상기와 같은 다양한 서비스에 접목시키기 위하여 습도 센서의 고감도화, 소형화, 저가격화 및 신뢰성 확보를 위한 연구가 진행되고 있다. 그 구조 면에서, 세라믹 소결이나 후막 형태의 구조에서 최근에는 반도체 공정 기술의 적용에 의한 미세 전자기계 집적 시스템 (Microelectromechanical system) 기술을 주로 활용한 초소형의 마이크로 센서 형태로 진화하고 있다.
현재, 습도 센서에서 가장 널리 사용되고 있는 측정 방법은 감습막을 이용하는 방법인데, 이는 통상 폴리머 등의 유기 물질이나 세라믹 등의 무기 물질로 이루어진 감습막에 수분이 흡착 또는 탈착될 때의 그 전기적 특성을 측정하는 방법으로 그 측정법이 비교적 간단한 장점이 있다. 예컨대, 감습막이 수분을 흡수하여 정전용량이나 저항 값이 변하는 것으로 습도를 검출하는 것이다. 상기와 같은 감습막을 이용한 습도 센서는 감습막과 감지 전극만이 구비된 구조가 흔히 사용된다.
그러나, 상기와 같은 감습막을 이용한 종래의 습도 센서는 감습막의 제조 불량이 발생하는 경우에 기생 정전용량의 영향으로 신호가 왜곡될 수 있으며, 폴리머 층이 습기를 흡수하여야 하므로 반응 속도가 느리고, 급격한 습도 변화를 감지하는데 많은 시간이 걸리는 단점이 있다. 또한, 폴리머는 알코올 등의 유기 용제에 약할 뿐 아니라 전극과 접착력 문제 등이 발생할 수 있다. 더욱이 고온 다습한 환경에서 안정한 특성을 얻는 것이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 빠르고 정확하게 습도를 검출할 수 있으며, 어떠한 매질에서도 적용될 수 있는 습도 센서의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점 및 요구에 대응하여 안출된 것으로, 빠르고 정확하게 습도를 검출할 수 있는 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 어떠한 매질에서도 습도를 정확하게 검출할 수 있는 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 대량 생산이 가능하고 공정이 용이하고 높은 신뢰성 및 재현성을 갖는 습도 센서 및 이를 이용한 습도 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 이러한 습도 센싱용 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서는 전하가 충전될 수 있는 전도성 물질; 상기 전도성 물질에 전하를 충전하는 충전기; 및 상기 전도성 물질에 충전된 전하의 변화량을 측정하는 측정기를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 센서는 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인, 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층, 상기 절연층상에 형성된 게이트, 상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층, 및 상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함하는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 측정기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 상기 소수성층과 상기 전도성 물질층 사이에 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 습도 감지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센싱 방법은 전도성 물질에 전하를 충전하는 단계; 상기 전도성 물질의 전하 변화량을 측정하는 단계; 및 상기 전하 변화량으로부터 상기 전도성 물질과 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 센싱 방법은 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인, 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층, 상기 절연층상에 형성된 게이트, 상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층, 및 상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함하는 트랜지스터의 상기 게이트에 전하를 충전하는 단계; 상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 단계; 및 상기 전류의 변화량으로부터 상기 게이트와 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 습도 센싱용 트랜지스터는 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인; 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성된 게이트; 상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및 상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터는 상기 소수성층과 상기 전도성 물질층 사이에 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 습도 감지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 감습막의 저항이나 정전용량 변화로부터 습도를 검출하는 습도 센서가 가지는 히스테리시스 현상, 느린 응답 속도, 느린 회복 시간, 고온 다습한 환경에서 불안정한 특성, 금속과 감습막 사이의 접촉 불량 및 오랜 시간이 경과된 경우에 감습막의 변질로 인한 신뢰성 저하 문제 등을 해결할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 습도 센서의 모든 부품이 반도체 공정에서 사용하는 재질로 만들어지므로 대량 생산이 가능하다. 또한 본 발명에 따르면 습도 센서를 제조할 때 고분자 중합체를 사용하지 않으므로 공정이 용이하고 높은 신뢰성과 재현성을 가질 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 어떠한 매질에서도 습도 측정이 가능한 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 전술한 바와 같이 습도 센싱을 가능케 하는 트랜지스터를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법의 기본적인 구조를 도시한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 일 예를 도시한다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 다른 예를 도시한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서의 구조를 도시한다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터에 인가되는 전압과 드레인 전류의 상관 관계를 나타낸다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터의 드레인 전류의 시간에 따른 변화를 나타낸다.
도7은 서로 다른 습도에서 도3에 도시된 것과 같은 트랜지스터의 드레인 전류를 시간에 따라 측정한 그래프이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터에 이용되는 습도 감지층의 상대 습도에 따른 전하 완화 상수의 변화량을 나타낸 것이다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서의 반응 속도를 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
종래의 방식과는 달리, 본 발명의 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 금속과 같은 전도성 물질에 충전된 전하가 시간이 지남에 따라 금속에 접촉한 물질의 표면으로 사라지는 전화 완화 효과를 이용한다.
도1은 본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법의 기본적인 구조를 도시한다. 도1에 도시된 바와 같이, 금속과 같은 전도성 물질(100)에 전하를 대전시키면 상기 전도성 물질(100) 내의 전하가 상기 전도성 물질(100)과 접촉한 물질(110)의 표면을 따라 시간이 지남에 따라 방전되게 된다.
이때, 전하가 방전되는 속도는 상기 전도성 물질(100)과 접촉한 물질(110) 표면의 저항(resistance)과 캐패시턴스(capacitance) 값에 의해 결정된다. 물질(110) 표면의 습도가 높아질수록 상기 물질(110)의 표면 전도도가 커지게 된다. 즉, 상기 두가지 인자 중에서 전도성 물질(100)의 표면 저항은 습도가 클수록 작아지므로 전도성 물질(100)에 대전된 전하가 상기 물질(110)의 표면으로 빠르게 방전된다.
따라서, 상기 물질(110)에 접한 매질의 습도가 클수록 상기 전도성 물질(100)에 충전된 전하는 빠르게 상기 물질(110)의 표면을 따라 방전되어 상기 전도성 물질(100) 내에 전하는 감소하게 된다. 이렇게 전도성 물질(100)에 충전해 놓은 전하가 방전되는 현상을 전화 완화 효과(charge relaxation effect)라고 한다.
아래 수학식1은 전화 완화 효과를 수식으로 표현한 것이다.
Figure PCTKR2012001138-appb-I000001
수학식1
여기서, Q0는 상기 전도성 물질(100)의 초기(t=0) 전하량,
Q는 t시간 경과 후에 상기 전도성 물질(100)의 잔존 전하량,
Rs는 전도성 물질에 접한 물질(110)의 표면 저항,
Cs는 상기 물질(110)의 캐패시턴스, 그리고
RsCs는 전하 완화 상수(Charge Relaxation Constant)를 나타낸다.
상기 수학식1은 전도성 물질(100)에 충전된 전하가 지수 함수적으로 감소하는 것을 나타낸다. 이때, 상기 지수 함수의 지수의 분모값(RsCs)은 상기 물질(110)의 표면 저항과 캐패시턴스에 의해서 결정됨을 알 수 있다.
이와 같은 전화 완화 효과를 이용하여 전도성 물질(100)에 전하를 충전하고 소정 시간(t) 후에 상기 전도성 물질(100)에 남아있는 전하량을 측정함으로써 상기 전하 완화 상수(RsCs)값을 획득할 수 있다.
상기 전하 완화 상수(RsCs)값은 표면 저항과 캐패시턴스의 함수이므로 상기 물질(110) 표면의 습도에 따른 함수로 표현될 수 있다. 즉, 전도성 물질(100)에 충전된 전하가 사라지는 속도는 습도에 따라 다르다.
따라서, 소정 시간(t) 동안에 상기 전도성 물질(100) 내의 전하의 변화량을 측정함으로써 상기 전도성 물질(100)이 접한 물질(110) 표면의 습도를 계산할 수 있다. 이때, 전하가 상기 전도성 물질(100)로부터 사라지는 요인을 더 고려할 수 있다.
도1의 전도성 물질(100) 및 이하의 도면에서 전도성 물질층(700)은 전하가 충전될 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전도성 물질(100) 및 전도성 물질층(700)은 금속을 포함할 수 있다. 금속으로서 시간의 경과에도 화학적 변화 등이 작은 물질이 사용될 수 있다. 예컨대, 금속으로서 금(Au)과 같은 물질이 사용될 수 있다. 그리하여, 장기간 오차 범위가 작은 습도 센싱이 가능할 수 있다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 일 예를 도시한다. 도2는 본 발명의 실시예에 따라 습도를 정확히 측정할 수 있도록 고안된 구조이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)를 이용할 수 있다.
상기 전계 효과 트랜지스터는 게이트(500), 소스(310) 및 드레인(320)을 포함한다. 상기 소스(310) 및 드레인(320)은 기판(200)에 채널 영역(330)을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터는 게이트(500), 소스(310) 및 드레인(320)을 덮는 소수성층(600), 및 소수성층(600)에 형성된 관통홀(710)을 통해 게이트(500)와 연결되고 소수성층(600)상에 형성된 전도성 물질층(700)을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판(200)은 실리콘 기판일 수 있으며, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 상기 기판(200)이 실리콘 기판일 경우에는 일반적인 실리콘 기판(bulk) 또는 절연층 매몰 실리콘(SOI) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 기판(200)은 도핑되는 불순물의 종류에 따라 p형 또는 n형 실리콘 기판이 될 수 있다.
상기 소스(310) 및 드레인(320)은 기판(200)에 n형 불순물(원자 주기율표 5족 원소) 또는 p형 불순물(원자 주기율표 3족 원소)을 도핑함으로써 형성된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터는 소스(310)와 연결된 소스 전극(340) 및 드레인(320)과 연결된 드레인 전극(350)을 더 포함할 수 있다.
상기 기판(200)에서 상기 소스(310)와 드레인(320) 사이에 채널 영역(330)이 정의된다. 상기 채널 영역(330) 상에 절연층(400)을 포함한다. 도2에는 상기 절연층(400)이 소스(310)와 드레인(320) 상에도 형성된 것이 도시되나 이는 단지 예시일 뿐이며 상기 절연층(400)은 상기 채널 영역(330) 상에만 형성되는 것도 가능하다. 상기 절연층(400)은 게이트(500)와 기판(200) 사이의 산화실리콘 또는 고절연 물질(High-K)과 같은 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 게이트(500)는 상기 절연층(400) 상에 위치하며 금속과 같은 전도성 물질을 포함한다.
상기 소수성층(600)은 상기 게이트(500), 소스(310) 및 드레인(330)을 덮는다. 이와 같이 물 분자와 결합되지 않는 성질을 갖는 소수성층(600)을 형성함으로써 반도체를 외부 오염 물질로부터 보호하고 수분이 반도체에 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 안정적으로 동작할 수 있는 트랜지스터 및/또는 습도 센서를 제작할 수 있다. 상기 소수성층(600)은 예컨대 실리콘 질화물(silicon nitride)을 포함할 수 있다.
상기 게이트(500)와 연결된 전도성 물질층(700)이 상기 소수성층(600) 상에 형성된다. 이때, 상기 전도성 물질층(700)은 상기 소수성층(600)에 형성된 관통홀(710)을 통해 상기 게이트(500)와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 도2에 도시된 바와 같은 트랜지스터의 드레인 전류가 게이트 부분에 존재하는 전하량의 변화에 따라 달라지는 원리를 이용한다. 즉, 상기 트랜지스터의 게이트(500) 또는 전도성 물질층(700)에 전압을 인가하면 드레인 전류가 흐르게 된다. 상기 드레인 전류는 도2에 도시된 채널 영역(330)을 통해 흐른다.
상기 게이트(500)에 전하량이 감소하면 드레인 전류도 이에 따라 감소하게 된다. 이때, 상기 게이트(500)에 전압을 인가한 후 상기 게이트(500)에서 전하가 감소하는 속도는 상기 전도성 물질층(700)에 접촉한 소수성층(600)이 접한 매질의 습도에 따라 달라진다. 게이트(500)에 인가된 전하는 절연층(400) 표면을 통해서 확산되지 못하며 관통홀(710)을 통해 전도성 물질층(700)으로 이동하여 소수성층(600)의 표면을 통해 방전되기 때문이다.
따라서, 상기 게이트(500) 또는 전도성 물질층(700)에 전압을 인가한 후 일정 시간 동안 상기 드레인 전류의 변화량을 측정함으로써 상기 트랜지스터에 접한 매질, 즉 상기 소수성층(600)에 접한 매질의 습도를 알 수 있다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 다른 예를 도시한다. 도3에 따른 트랜지스터는 습도 센서를 빠르고 안정적으로 구현하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜지스터는 도2에 도시된 트랜지스터에 습도 감지층(800)을 추가적으로 더 포함한다. 습도 감지층(800)은 소수성층(600)과 전도성 물질층(700) 사이에 위치하며 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 폭이 큰 물질층이다.
습도 감지층(800)은 예컨대, 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(SiNx) 또는 알루미늄 옥사이드(Al2O3)로 이루어질 수 있다. 이와 같이 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 습도 감지층(800)을 더 포함함으로써 전도성 물질층(700) 또는 게이트(500)의 전하가 더욱 빠르게 습도 감지층(800)의 표면으로 방전될 수 있다. 또한, 습도 감지층(800)의 표면 전도도가 습도에 따라서 변하는 폭이 크므로 트랜지스터 주변의 습도를 더욱 민감하게 측정할 수 있다.
이때, 게이트(500)와 연결된 관통홀(710)을 통해 전하가 빠르게 전도성 물질층(710)으로 빠져나갈 수 있도록 절연층(400)으로서 캐패시턴스 값이 작은 소자를 이용하거나 표면의 저항 성분을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터 및 습도 센서에서 소수성층(600) 및/또는 습도 감지층(800)이 하이드로 카본(CH4)에 의해 오염되는 경우 이들의 표면 저항 특성이 변할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터 및 습도 센서는 하이드로 카본을 제거할 수 있는 시스템을 이용하여 하이드로 카본이 제거될 수 있다. 또는, 소수성층(600) 및/또는 습도 감지층(800)의 표면을 하이드로 카본이 포화된 상태로 제조하여 하이드로 카본 오염에 따른 특성 변화를 방지할 수 있다.
도3에 도시된 트랜지스터를 이용하는 습도 센서의 동작 원리는 도2에 도시된 트랜지스터를 이용하는 습도 센서의 동작 원리와 동일하므로 그 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 도1, 도2 또는 도3에 도시된 것과 같은 습도 센싱부(920), 상기 습도 센싱부(920)에 전하를 충전하는 충전기(910) 및 상기 습도 센싱부(900)의 전하 변화량을 측정하는 측정기(930)를 포함할 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서의 구조의 일 예를 도시한다. 도4에서 상기 습도 센싱부(920)로 도2 또는 도3에 도시된 바와 같은 트랜지스터가 사용된 것을 도시한다. 상기 습도 센싱부(920)에 전하를 충전하는 충전기(910)로는 상기 트랜지스터의 게이트(500)에 전압을 인가하는 MEMS 스위치 (Microelectromechnical System Switch)가 도4에 예시된다. 이는 단지 예시일 뿐이며 상기 충전기(910)는 상기 게이트(500)에 일정 간격 동안에 전압을 가하고 전압의 인가를 정지할 수 있는 어떠한 구성이라도 포함할 수 있다.
상기 측정기(930)는 상기 트랜지스터의 드레인 전류의 양을 측정하는 전류 측정기일 수 있다.
따라서, 도4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서는 전계 효과 트랜지스터의 게이트(500)에 일정 시간 간격 동안에 상기 충전기(910)를 통해 전압을 인가한 후 전압의 인가를 멈춘다. 그 후, 상기 트랜지스터의 드레인 전류를 소정 시간 동안에 측정하여 상기 전압 인가로부터 상기 소정 시간 동안에 드레인 전류의 변화량을 계산한다. 이로부터 상기 트랜지스터가 접한 매질의 습도를 계산할 수 있다. 이때, 상기 게이트(500)는 상기 게이트(500)와 연결된 전도성 물질층(700)을 포함한다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터에 인가되는 전압과 드레인 전류의 상관 관계를 나타낸다. 도5에 도시된 바와 같이 트랜지스터의 게이트(500)에 인가되는 전압의 크기에 따라 드레인 전류가 변화함을 알 수 있다.
따라서, 도4의 충전기(910)는 전압 V1으로 트랜지스터의 게이트(500)에 전압을 인가하고 전압의 인가를 멈출 수 있다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터의 드레인 전류의 시간에 따른 변화를 나타낸다. 도6에 도시된 바와 같이 전압이 인가되는 제1시간(t1)까지는 드레인 전류가 일정함을 알 수 있다. 상기 제1시간(t1) 이후에 상기 충전기(800)의 전압 인가가 정지된다.
상기 전압의 인가가 멈추는 상기 제1시간(t1)부터 상기 제2시간(t2) 기간 동안 상기 게이트(500)에 존재하는 전하가 전도성 물질층(700)에 접한 물질, 예컨대 소수성층(600) 또는 습도 감지층(800)의 표면으로 확산된다. 이로 인하여 상기 트랜지스터의 드레인 전류가 감소하는 것이 도6에 도시된다. 이때, 상기 드레인 전류가 감소하는 양은 상기 트랜지스터가 접한 매질의 습도에 따라 달라진다.
따라서, 전압의 인가 후 소정 시간(제1시간(t1)부터 제2시간(t2) 동안) 동안에 드레인 전류의 변화량을 측정함으로써 상기 트랜지스터가 접한 매질의 습도를 결정할 수 있다.
이러한 습도 측정 과정은 지속적으로 반복될 수 있으며 이는 도6에 도시된 바와 같은 전류의 변화를 나타낸다.
도7은 서로 다른 습도에서 도3에 도시된 것과 같은 트랜지스터의 드레인 전류를 시간에 따라 측정한 그래프이다.
도7에서 알 수 있는 바와 같이, 11초 지점에서 상기 트랜지스터에 대한 전하 충전이 정지한다. 그 후, 드레인 전류는 트랜지스터가 위치한 매질의 습도에 따라 서로 다른 변화 곡선을 따른다. 습도가 높을수록 드레인 전류의 변화폭 및 변화 속도가 큼을 알 수 있다.
또한, 주목할 점은 전압 인가 정지 후 2~3초 이내에 드레인 전류가 빠르게 감소한다는 것이다. 종래 감습막을 이용한 습도 센싱의 경우 수십초가 소요된 것을 감안할 때, 본 발명에 따른 습도 센싱의 경우 그 속도가 매우 빠름을 알 수 있다.
이와 같이, 전하 충전 후 트랜지스터의 드레인 전류의 감소량을 측정함으로써 상기 트랜지스터에 접한 매질의 습도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터에 이용되는 습도 감지층(800)의 상대 습도(Relative humidity)에 따른 전하 완화 상수의 변화량을 나타낸 것이다. 도8 에 도시된 바와 같이 상대 습도의 변화에 따라 습도 감지층(800)의 전하 완화 상수(RsCs) 값의 변화량이 매우 큼을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 습도 감지층(800)을 포함하는 습도 센서의 전하 완화 상수는 습도의 변화에 따라 대략 970배에 달하는 변화량을 갖는다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터 또는 습도 센서를 이용할 경우 매우 정밀하게 습도를 측정할 수 있다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서의 반응 속도를 측정한 그래프이다. 도9에서 5.03초 부근에서 트랜지스터의 게이트(500)에 대한 전하 인가가 정지된다. 이때, 5.03초 내지 30.25초 구간에서 트랜지스터는 습도가 낮은 매질내에 위치하므로 게이트 전압이 감소하는 기울기가 매우 작다. 30.25초에 동일 트랜지스터는 습도가 높은 매질로 이동되며 이동 후 매우 빠른 속도로 게이트의 전하가 방전되기 시작함을 확인할 수 있다.
이후 32.98초 지점에서 동일 습도 센서는 다시 습도가 낮은 매질로 이동하게 되고 33.16초 지점에서부터 낮은 습도에 맞는 게이트 전압 감소 속도를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 1초 이내에 습도 감지 속도를 되찾음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 습도 측정 후 또 다시 습도를 측정할 수 있는 상태에 도달하는 회복 시간이 매우 짧음을 알 수 있다. 이러한 과정은 도9에서 1회 더 반복되며 59.24초 내지 59.89초 구간에서 유사한 회복 시간을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 습기를 흡수해야 하는 막이 아닌 표면 반응을 이용하므로 빠른 반응속도와 빠른 회복 속도를 갖는 습도 센서를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 습도 센서에서 감습막을 사용하지 않으므로 고온 다습한 환경에서도 안정적으로 습도를 센싱할 수 있다. 또한, 오랜 시간 동안에 신뢰적으로 동작하는 습도 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 표면 저항 변화량이 발생하는 조건이면 어떠한 환경 및 매질에서도 습도의 검출이 가능하다. 예컨대, 대기 중에 극성 분자가 존재하는 경우에는 표면의 전도도가 바뀌므로 암모니아 및 기타 극성 분자 물질의 검출도 가능하다.
본 발명에 따른 습도 센서에서 트랜지스터를 이용하는 경우 센서 제조 공정이 전부 반도체 공정으로 이루어진다. 따라서, 습도 센서의 소형화 및 대량 생산이 가능하다. 이에 따라 저 비용으로 고도의 신뢰성 및 재현성을 가질 수 있다. 또한, 하나의 기판상에 다른 반도체 소자들과 함께 집적하여 형성함으로써 회로 기판상의 습도를 검출하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 충전기로서 MEMS 스위치와 같은 충전기를 사용함으로써 트랜지스터에 짧은 시간에 정확한 전압을 인가할 수 있어 빠르고 정확하게 습도를 측정하는 것이 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 표면 저항 변화량이 발생하는 조건이면 어떠한 환경 및 매질에서도 습도의 검출이 가능하다. 예컨대, 대기 중에 극성 분자가 존재하는 경우에는 표면의 전도도가 바뀌므로 암모니아 및 기타 극성 분자 물질의 검출도 가능하다.

Claims (19)

  1. 전하가 충전될 수 있는 전도성 물질;
    상기 전도성 물질에 전하를 충전하는 충전기; 및
    상기 전도성 물질에 충전된 전하의 변화량을 측정하는 측정기를 포함하는 습도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 금속 물질인 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  3. 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인,
    상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층,
    상기 절연층상에 형성된 게이트,
    상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층, 및
    상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함하는 트랜지스터; 및
    상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 측정기를 포함하는 습도 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 게이트에 전하를 충전하는 하는 충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전기는 MEMS 스위치인 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수성층은 실리콘 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 물질층은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수성층과 상기 전도성 물질층 사이에 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 습도 감지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 습도 감지층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 또는 알루미늄 옥사이드로 이루어진 것을 특징으로 하는 습도 센서.
  10. 전도성 물질에 전하를 충전하는 단계;
    상기 전도성 물질의 전하 변화량을 측정하는 단계; 및
    상기 전하 변화량으로부터 상기 전도성 물질과 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함하는 습도 센싱 방법.
  11. 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인,
    상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층,
    상기 절연층상에 형성된 게이트,
    상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층, 및
    상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함하는 트랜지스터의 상기 게이트에 전하를 충전하는 단계;
    상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 단계; 및
    상기 전류의 변화량으로부터 상기 게이트와 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함하는 습도 센싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 게이트에 전하를 충전하는 단계는 MEMS 스위치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 습도 센싱 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 트랜지스터는,
    상기 소수성층과 상기 전도성 물질층 사이에 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 습도 감지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱 방법.
  14. 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인;
    상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층;
    상기 절연층상에 형성된 게이트;
    상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및
    상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함하는 습도 센싱용 트랜지스터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 소수성층은 실리콘 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전도성 물질층은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
  17. 제14 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수성층과 상기 전도성 물질층 사이에 습도에 따라서 표면 전도도가 변하는 습도 감지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 습도 감지층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 또는 알루미늄 옥사이드로 이루어진 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 습도 감지층은 하이드로 카본이 포화된 상태인 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
PCT/KR2012/001138 2011-04-07 2012-02-15 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터 WO2012138054A2 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/110,059 US9664630B2 (en) 2011-04-07 2012-02-15 Humidity sensor, humidity sensing method and transistor therefor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2011-0032135 2011-04-07
KR1020110032135A KR101322354B1 (ko) 2011-04-07 2011-04-07 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터

Publications (3)

Publication Number Publication Date
WO2012138054A2 WO2012138054A2 (ko) 2012-10-11
WO2012138054A3 WO2012138054A3 (ko) 2012-11-29
WO2012138054A9 true WO2012138054A9 (ko) 2013-01-24

Family

ID=46969635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2012/001138 WO2012138054A2 (ko) 2011-04-07 2012-02-15 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9664630B2 (ko)
KR (1) KR101322354B1 (ko)
WO (1) WO2012138054A2 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101512695B1 (ko) * 2013-10-17 2015-04-17 한국과학기술원 후처리 공정 없이 표준 cmos 공정만으로 제조 가능한 습도센서
EP3062097A1 (fr) * 2015-02-27 2016-08-31 EM Microelectronic-Marin SA Capteur d'humidité avec module thermique
KR20190090103A (ko) 2018-01-22 2019-08-01 광운대학교 산학협력단 에어로졸 증착 공정에 의한 초 민감도 습도 감지 필름 제조 방법
CN209326840U (zh) 2018-12-27 2019-08-30 热敏碟公司 压力传感器及压力变送器
KR20190110489A (ko) 2019-08-16 2019-09-30 광운대학교 산학협력단 에어로졸 증착 공정에 의한 초 민감도 습도 감지 필름 제조 방법
KR102279284B1 (ko) 2020-01-16 2021-07-16 광운대학교 산학협력단 에어로졸 증착 공정에 의한 초 민감도 습도 감지 필름 제조 방법
KR20200013740A (ko) 2020-01-16 2020-02-07 광운대학교 산학협력단 에어로졸 증착 공정에 의한 초 민감도 습도 감지 필름 제조 방법

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4158807A (en) * 1977-04-25 1979-06-19 Massachusetts Institute Of Technology Gapped gate charge-flow transistor with a thin film sensor having two modes of conduction within the gapped gate used to sense a property of the ambient environment
GB8322418D0 (en) * 1983-08-19 1983-09-21 Emi Ltd Humidity sensor
KR950002080B1 (ko) * 1992-11-27 1995-03-10 주식회사금성사 초소형 집적화 습도 센서의 신호처리회로
JPH0882612A (ja) 1994-09-14 1996-03-26 Oki Electric Ind Co Ltd 電気容量式湿度センサ
JP4162344B2 (ja) * 2000-01-07 2008-10-08 セイコーインスツル株式会社 湿度センサ
US6724612B2 (en) * 2002-07-09 2004-04-20 Honeywell International Inc. Relative humidity sensor with integrated signal conditioning
US7462512B2 (en) * 2004-01-12 2008-12-09 Polytechnic University Floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing
US7566971B2 (en) * 2005-05-27 2009-07-28 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method thereof
CN101950732B (zh) * 2005-11-09 2014-12-10 株式会社半导体能源研究所 半导体器件及其制造方法
KR101019576B1 (ko) * 2008-11-14 2011-03-08 포항공과대학교 산학협력단 산화 알루미늄 다공층을 갖는 습도 센서 및 이의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US9664630B2 (en) 2017-05-30
KR101322354B1 (ko) 2013-10-25
WO2012138054A3 (ko) 2012-11-29
KR20120114554A (ko) 2012-10-17
WO2012138054A2 (ko) 2012-10-11
US20140298904A1 (en) 2014-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012138054A9 (ko) 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터
US10126263B2 (en) Wide dynamic range fluid sensor based on nanowire platform
WO2012099446A2 (ko) 연장된 게이트 전극이 형성된 전계효과 트랜지스터형 신호변환기를 이용한 투명성 이온 감지 센서칩 및 이의 제조방법
US20110031986A1 (en) Sub-Threshold Capfet Sensor for Sensing Analyte, A Method and System Thereof
EP2203738B1 (en) Improved structure for capacitive balancing of integrated relative humidity sensor and manufacturing method
WO2013049463A2 (en) Double gate ion sensitive field effect transistor
CA2572485A1 (fr) Sensor for detecting and/or measuring concentration of electric charges contained in an atmosphere, corresponding uses and method for making same
WO2004040291A1 (en) Chemical-sensitive floating gate field effect transistor
US20120138458A1 (en) Cell-based transparent sensor capable of real-time optical observation of cell behavior, method for manufacturing the same and multi-detection sensor chip using the same
CN108847424B (zh) 薄膜晶体管、传感器、生物检测装置和方法
EP3671199B1 (en) Negative capacitance semiconductor sensor
KR20200080481A (ko) 가스 감지 센서
Zhao et al. Floating-Gate Ion Sensitive Field-Effect Transistor for Chemical and Biological Sensing
Li et al. Integrated low voltage ion sensing organic field effect transistor system on plastic
US9285349B2 (en) Analyte detectors and methods for their preparation and use
KR20210012454A (ko) 트리플 게이트 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서
JP6670432B2 (ja) 統合型イオン検出装置および方法
Huang et al. Solution processed highly uniform and reliable low voltage organic FETs and facile packaging for handheld multi-ion sensing
JP5188567B2 (ja) 湿度センサ及びガス状の媒体の湿度を測定する方法
US9103773B2 (en) Capacitive element sensor and method for manufacturing same
KR102557583B1 (ko) 산화막 식각률 모니터링 장치 및 그 모니터링 방법
Bartic et al. Organic-based transducer for low-cost charge detection in aqueous media
Chaudhary et al. Fabrication and characterization of Al gate n-MOSFET, on-chip fabricated with Si 3 N 4 ISFET
WO2015088055A1 (ko) 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서, 그 바이오센서의 제조방법, 그 바이오센서를 갖는 분석시스템 및 분석방법
Noh et al. Light effect characterization of ISFET based pH sensor with Si 3 N 4 gate insulator

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12767749

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14110059

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12767749

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2