WO2018043792A1 - 마이크로 가스 센서 및 마이크로 가스 센서 모듈 - Google Patents

마이크로 가스 센서 및 마이크로 가스 센서 모듈 Download PDF

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WO2018043792A1
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temperature sensor
electrode pattern
pattern
micro gas
heater
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PCT/KR2016/011317
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박준식
박광범
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전자부품연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a micro gas sensor, and more particularly, to a micro gas sensor manufactured by MEMS technology including a heater and a temperature sensor, and a micro gas sensor module including the same.
  • the air quality system (AQS) of the vehicle has recently used a gas sensor in detecting the harmful gas contained in the outside air to automatically cut off the outside air into the vehicle.
  • gas sensors are used to improve air quality through air cleaners by detecting and monitoring indoor air quality (IAQ) in homes and offices when present in air pollutants.
  • the gas sensor As the gas sensor, a semiconductor gas sensor and a contact combustion gas sensor are frequently used.
  • the semiconductor gas sensor mainly detects gas by using a change in electrical conductivity that occurs when the gas comes into contact with the ceramic semiconductor surface. Since semiconductor gas sensors are often heated and used in the atmosphere, metal oxides (ceramic) stable at high temperatures are mainly used. Metal oxides often exhibit semiconductor properties and become N-type semiconductors when metal atoms are excessive or P-type semiconductors when metal atoms are deficient. Among the metal oxides, semiconductors having high electrical conductivity and high melting point and having thermally stable properties in the operating temperature range are used for gas sensors.
  • the semiconductor gas sensor immediately responds to toxic or flammable gas, there are many kinds of gases that can be detected by the semiconductor gas sensor.
  • the semiconductor gas sensor is commonly used after being heated to a high temperature to increase the selectivity of the gas. If the ambient temperature changes, the type of gas that is optimally reacted may vary, and the sensitivity of the gas sensor to the corresponding gas may vary.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to provide a micro gas sensor and a micro gas sensor module in which a plurality of micro gas sensors are integrated.
  • a micro gas sensor the substrate; First and second membranes disposed on both sides of the substrate, respectively; A heater electrode pattern and a temperature sensor pattern disposed separately in some regions on the first membrane; An insulating film disposed on the first membrane while covering the heater electrode pattern and the temperature sensor pattern; A sensing electrode pattern disposed in a portion of an upper portion of the heater electrode pattern among the entire region on the insulating film; And a sensing layer disposed on the insulating layer while covering the sensing electrode pattern to be electrically connected to the sensing electrode pattern.
  • a partial region located under the sensing electrode pattern may be removed from the entire region of the substrate and the second membrane.
  • the heater electrode pattern and the temperature sensor pattern may be arranged to have a wide cross-sectional area by each having a corrugation and an S shape.
  • the heater electrode pattern and the temperature sensor pattern, their relative position, the second temperature sensor pattern may be disposed inside the heater electrode pattern, or the second temperature sensor pattern may be disposed around the heater electrode pattern. have.
  • the micro gas sensor may further include a heater electrode pad electrically connected to the heater electrode pattern, and a part of the heater electrode pad may be exposed for wire bonding by partially removing the insulating layer.
  • the micro gas sensor may further include a temperature sensor pad electrically connected to the temperature sensor pattern, and a portion of the temperature sensor pad may be exposed for wire bonding by partially removing the insulating layer.
  • a micro gas sensor module includes a plurality of micro gas sensors manufactured by a MEMS process to include a heater, a sensing electrode pattern, and a sensing film electrically connected to the sensing electrode pattern; And a temperature sensor for measuring the temperature of the heater.
  • the temperature sensor may be disposed in the form of a temperature sensor pattern around the heater included in one or a plurality of the micro gas sensors.
  • the micro gas sensor module may further include a controller configured to measure the resistance of the temperature sensor and the power consumption of the heater.
  • the controller may adjust the power consumption of the heater based on the temperature of the heater using the measured resistance of the temperature sensor.
  • the temperature of the heater can be used to make the microgas sensor maintain the optimum sensitivity.
  • various types of gases may be sensed by a micro gas sensor module including a plurality of micro gas sensors.
  • a plurality of micro gas sensors with a temperature sensor can be integrated in one module through MEMS technology.
  • the temperature of the heater may be controlled using the resistance of the temperature sensor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a micro gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the heater electrode pattern and the temperature sensor pattern shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is an enlarged view according to another embodiment of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a plan view of a micro gas sensor according to the embodiment of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a plan view of a micro gas sensor module including a plurality of micro gas sensors according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a micro gas sensor module according to another embodiment of FIG. 6.
  • FIG. 8 shows the actual shape of the micro gas sensor module shown in FIG. 6.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • the meaning of the heater electrode pattern is the same as that of the heater
  • the meaning of the temperature sensor pattern is the same as the meaning of the temperature sensor
  • the meaning of the sensing electrode pattern is assumed to be used the same as the meaning of the sensing electrode.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a micro gas sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the micro gas sensor 100 may include a substrate 110, a first membrane 121, and a second membrane disposed on both sides of the substrate, respectively.
  • (2nd membrane) 122 ;
  • a heater electrode pattern 130 and a temperature sensor pattern 140 disposed in a partial region on the first membrane 121;
  • An insulating film 150 disposed on the first membrane 121 while covering the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140;
  • a sensing electrode pattern 160 disposed in a portion of an upper portion of the heater electrode pattern among the entire region on the insulating film 150;
  • a sensing layer 170 disposed on the insulating layer 150 while covering the sensing electrode pattern 160 to be electrically connected to the sensing electrode pattern 160.
  • Si may be used as a material of the substrate 110.
  • the first membrane 121 and the second membrane 122 may be deposited using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) in the form of a SiNx thin film having a thickness of 1 to 2 ⁇ m on both sides of the substrate.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • the first membrane 121 and the second membrane 122 have an insulating film property, and in particular, the first membrane 121 may serve to support the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 on the upper side. .
  • the heater electrode pattern 130 may be deposited on the first membrane 121 in the form of a Ta thin film of 10 to 20 nm.
  • the temperature sensor pattern 140 may be deposited on the first membrane 121 in the form of a Pt thin film having a thickness of 100 to 300 nm.
  • Pt, Poly-Si, RuO 2, or the like may be used as the heater electrode pattern 130.
  • the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 including the sensing electrode pattern 160 are removed from the substrate 110 in the lower portion of the region in which they are disposed so that the remaining substrate remains unremoved. May be in an injured state by 100.
  • the first membrane 121 supports the upper heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140.
  • the micro gas sensor 100 may further include heater electrode pads 131p and 131n electrically connected to the heater electrode pattern 130.
  • the heater electrode pads 131p and 131n may be used to measure the temperature of the heater electrode pattern 130 or the power consumption of the heater electrode pattern 130.
  • the micro gas sensor 100 may further include temperature sensor pads 141p and 141n electrically connected to the temperature sensor pattern 140.
  • the temperature sensor pads 141p and 141n may be used to measure the resistance of the temperature sensor pattern 140.
  • the plurality of pads represent plus and minus poles, respectively.
  • the pads are preferably located on the same layer as the corresponding electrically connected pattern, ie between the first membrane 121 and the insulating film 150.
  • the present invention is not limited thereto, and pads and a corresponding pattern may be located on different layers.
  • the patterns, the pads, and the conductive lines connecting the patterns and the pads may be connected to each other to be formed by patterning by a deposition process.
  • FIG. 1 is a plan view of FIG. 1.
  • 2 illustrates the micro gas sensor 100 as viewed from above the sensing film 170 illustrated in FIG. 1.
  • an insulating film 150, a sensing electrode pattern 160, and a sensing film 170 disposed on the upper portion of the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 are illustrated in FIG. Omitted in.
  • the positions and numbers of the various patterns or pads in FIG. 1, which are cross-sectional views, and the positions and the numbers of the various patterns or pads in FIG. 2, which are plan views, are not exactly the same. Since the position and number of various patterns or pads shown in FIG. 1, which are cross-sectional views, vary according to the position of the cross section in FIG. 2, the position and number of various patterns and pads shown in FIG. 1 are just an example and various. It may look different.
  • FIG. 2 illustrates a heater electrode pattern 130 and a temperature sensor pattern 140 disposed in the center of the micro gas sensor 100, and are close to four corners of the circumference of the micro gas sensor 100.
  • the heater electrode pads 131n and 131p, the temperature sensor pads 141n and 141p, and the sensing electrode pads 161n and 161p which are disposed to be described above are shown.
  • FIG. 2 shows that the heater electrode pattern 130, the temperature sensor pattern 140, and the sensing electrode pattern 160 (not shown) are respectively corresponding pads, that is, the heater electrode pads 131n and 131p and the temperature sensor pads 141n. And 141p) and the sensing electrode pads 161n and 161p.
  • the heater electrode pads 131n and 131p may be disposed to have a larger area than the other pads.
  • the temperature sensor pads 141n and 141p or the sensing electrode pads 161n and 161p may be larger than the other pads. It can be manufactured in the form of a large area.
  • the heater electrode pattern 130 conducts current at both ends thereof to generate heat due to the resistance of the heater electrode pattern 130.
  • the resistance of the temperature sensor pattern 140 may vary by the heat. Therefore, the relative position of the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern is important because it is related to the change in physical quantity.
  • the temperature sensor pattern 140 is disposed inside the heater electrode pattern 130, or the temperature sensor pattern 140 is disposed around the heater electrode pattern 130. ) May be arranged.
  • the meaning of being disposed therein means that the heater electrode pattern 130 surrounds the entire outline of the temperature sensor pattern 140.
  • the meaning of being disposed in the vicinity means that the heater electrode pattern 130 is close to a part of the outline of the temperature sensor pattern 140.
  • the heater electrode pattern 130 may be in contact with the temperature sensor pattern 140 or may be spaced apart at a slight interval.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 illustrated in FIG. 2, and illustrates the temperature sensor pattern 140 disposed inside the heater electrode pattern 130.
  • FIG. 4 is an enlarged view according to another exemplary embodiment of FIG. 3 and illustrates a temperature sensor pattern 140 disposed around the heater electrode pattern 130.
  • the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 may be disposed on the first membrane 121 to have a wide cross-sectional area because each of the heater electrodes pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 has a pleat shape.
  • the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 illustrated in FIGS. 3 and 4 are not limited thereto, and the heater electrode pattern 130 and the temperature sensor pattern 140 are not limited thereto. It can be made pleated into other shapes.
  • FIG. 5 is a plan view of the micro gas sensor 100 according to the embodiment of FIG. 3.
  • the temperature sensor pattern 140 disposed around the heater electrode pattern 130.
  • the heater electrode pads 131n and 131p, the temperature sensor pads 141n and 141p, and the sensing electrode pads 161n and 161p may have their relative positions close to the four corners of the circumference of the micro gas sensor 100. It may be arranged in various ways.
  • the insulating film 150 may include a 500 nm SiO 2 thin film, a 250 nm SiNx thin film, and a 250 nm SiO 2 thin film that are sequentially deposited on the first membrane 121, the heater electrode pad 130, and the temperature sensor pad 140. have. That is, the insulating film 150 may be deposited on the first membrane 121 disposed on and covering the heater electrode pad 130 and the temperature sensor pad 140. As a result, the heater electrode pads 131n and 131p and the temperature sensor pads 141n and 141p may also be disposed under the insulating film 150.
  • the insulating layer 150 may be partially removed to expose some regions of the heater electrode pads 131p and 131n and the temperature sensor pads 141p and 141n for wire bonding.
  • Reactive ion etching (RIE) technology may be used to etch the insulating layer 150 for the exposure.
  • the sensing electrode pattern 160 may include a Ti thin film of 10-20 nm and a Pt thin film of 100-300 nm, and may be deposited on a portion of the upper portion of the heater electrode pattern 130 among the entire regions on the insulating film 150. have.
  • the sensing electrode pads 161p and 161n electrically connected to the sensing electrode pattern 160 may also be deposited on the insulating layer 150 in the same manner. Since the heater electrode pattern 130 is to increase the temperature at which the sensing electrode pattern 160 reacts with air, the heater electrode pattern 130 is preferably located close to the sensing electrode pattern 160.
  • the sensing electrode pattern 160 is positioned directly above the heater electrode pattern 130 through which heat of the heater electrode pattern 130 can be transferred to the sensing electrode pattern 160.
  • the sensing electrode pads 161p and 161n are preferably located close to the four corners of the micro gas sensor. This is for the wires bonded to the sensing electrode pads 161p and 161n to be easily drawn out. The same applies to the sensing electrode pads 131p and 131n and the temperature sensor pads 141p and 141n.
  • the sensing film 170 may be generated by applying the sensing material to the surface of the sensing electrode pattern 160 using a precision coating method, that is, a drop casting or inkjet process.
  • the sensing material used as the sensing film 170 metal oxides such as SnO 2 , TiO 2 , WO 3 , and ZnO may be used as the base material.
  • a catalyst such as Pt, Pd or Au may be added to the base material in order to increase the sensitivity of the gas sensor or increase the gas selectivity of the gas sensor.
  • the sensing film 170 may be formed by sintering the powder.
  • the sensing electrode pattern 160 may be used to measure the resistance change of the sensing film 170. Therefore, the sensing electrode pattern 160 is preferably electrically connected to the sensing film 170. As a result, the sensing layer 170 may cover the sensing electrode pattern 160 and be disposed on the insulating layer 150.
  • micro gas sensor module according to another embodiment of the present invention will be described. Descriptions overlapping with those of the gas sensor will be omitted. It is assumed that the meaning of the heater electrode pattern used herein is the same as the meaning of the heater, the meaning of the temperature sensor pattern is the same as the meaning of the temperature sensor, and the meaning of the sensing electrode pattern may be used the same as the meaning of the sensing electrode. .
  • FIG. 6 is a plan view of a micro gas sensor module including a plurality of micro gas sensors according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the micro gas sensor module 300 may include a plurality of micro gases including a heater electrode pattern 130, a sensing electrode pattern 160, and a sensing film 170 electrically connected to the sensing electrode pattern. Sensors 100, 200; And a temperature sensor 140 measuring the temperature of the heater electrode pattern.
  • the micro gas sensor module 300 may be manufactured using MEMS technology.
  • the temperature sensor 140 may be disposed in the form of a temperature sensor pattern 140 to measure the temperature of the heater electrode pattern 130 included in one or a plurality of the micro gas sensors.
  • the micro gas sensor module 300 may further include a controller (not shown) for measuring the resistance of the temperature sensor 140 and the power consumption of the heater electrode pattern 130.
  • the controller may adjust power consumption of the heater electrode pattern 130 based on the temperature of the heater electrode pattern 130 using the measured resistance of the temperature sensor 140.
  • FIG. 6 shows a micro gas sensor module 300 including one micro gas sensor 100 with a temperature sensor and three micro gas sensors 200 without a temperature sensor.
  • FIG. 7 is a plan view of a micro gas sensor module according to another embodiment of FIG. 6.
  • micro gas sensor module 300 comprising four micro gas sensors 100 with a temperature sensor.
  • the number of micro gas sensors including a temperature sensor that can be integrated in one micro gas sensor module and the number of micro gas sensors not including a temperature sensor may be combined in various forms.
  • FIG. 8 shows the actual shape of the micro gas sensor module shown in FIG. 6.
  • the micro gas sensor module 300 illustrated in FIG. 8 includes four micro gas sensors 100 and 200.
  • the temperature of the heater may be used to maintain the optimum sensitivity of the gas sensor.
  • various types of gases may be sensed by a micro gas sensor module including a plurality of micro gas sensors.
  • a plurality of micro gas sensors with a temperature sensor can be integrated in one module through MEMS technology.

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Abstract

마이크로 가스 센서 및 마이크로 가스 센서 모듈이 개시된다. 마이크로 가스 센서는 기판, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인, 히터 전극 패턴과 온도 센서 패턴, 절연 막, 감지 전극 패턴 및 감지 막을 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 마이크로 가스 센서가 최적의 감도를 유지하도록 할 수 있다.

Description

마이크로 가스 센서 및 마이크로 가스 센서 모듈
본 발명은 마이크로 가스 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히터와 온도 센서를 포함하는 MEMS 기술로 제조된 마이크로 가스 센서 및 이를 포함하는 마이크로 가스 센서 모듈에 관한 것이다.
주변 생활 환경에는 많은 종류의 유해 또는 가연성 가스가 존재한다. 가정 또는 주유소와 같은 사업장 등에서의 가스 안전사고, 공사장, 탄광 및 공장 등에서의 가스 폭발 사고와 가스 유출로 인한 인명 사고 및 환경 오염 등은 불완전한 차폐 시설로부터 유출된 가연성의 또는 유독 가스들에 의한 경우가 많다. 이러한 가스들은 본질적으로 무색 무취인 경우가 많기 때문에 인간의 감각기관에 의존하여 유출 여부가 감지되는 데에는 한계가 있다. 따라서, 가스가 갖는 고유의 물리적 또는 화학적 성질을 이용하여 가스의 유출 여부를 감지할 수 있는 가스 센서가 개발되어 가스의 누설 감지, 농도 측정, 경보 등에 사용되고 있다.
또한 최근 차량의 유해가스 차단 시스템(air quality system, AQS)은 외부 공기에 포함된 유해 가스를 감지하여 차량 내로 외부 공기 유입을 자동으로 차단함에 있어서 가스 센서를 이용하고 있다. 이와 유사하게 공기 오염원에 존재하는 경우 가정과 사무실 등에서 실내의 공기질(indoor air quality, IAQ)을 감지 및 모니터링 함으로써 공기청정기를 통해 공기질을 개선하는 경우에도 가스센서가 사용되고 있다.
가스 센서로서 반도체식 가스 센서와 접촉 연소식 가스 센서가 많이 사용된다.
반도체식 가스센서는 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도 변화를 주로 이용하여 가스를 감지한다. 그리고 반도체식 가스센서는 대기 중에서 가열되어 사용되는 것이 많기 때문에 고온에서 안정한 금속산화물(세라믹)이 주로 사용된다. 금속산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 금속원자가 과잉인 경우에 N형 반도체가 또는 금속원자가 결핍인 경우에 P형 반도체가 된다. 이러한 금속산화물 중에서 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 반도체가 가스 센서에 이용되고 있다.
반도체식 가스 센서는 유독 가스 또는 가연성 가스에 대해 즉각적으로 응답을 나타내기 때문에, 반도체식 가스 센서에 의해 감지할 수 있는 가스의 종류가 많은 것이 장점이다. 그런데 반도체식 가스 센서는 가스의 선택성을 높이기 위해 고온으로 가열되어 사용되는 것이 보통이다. 그리고 주위 온도가 변하는 경우 최적으로 반응되는 가스의 종류가 달라지고, 해당 가스에 대한 가스 센서의 감도가 달라질 수 있다.
그런데 TO-5 등의 금속 캔 패키지(metal can package)에 개별적인 가스 센서 칩이 패키징 및 모듈화되어 사용되고, 다종의 가스를 측정하기 위해 다종의 가스 센서가 모듈화 되기 때문에, 기존의 가스 센서 모듈은 부피가 큰 것이 특징이다. 그리고 기존의 가스 센서 모듈은 반응 온도를 높이기 위한 히터를 포함하고 있기 때문에 가스 센서의 온도 특성을 고려할 필요가 있음에도 이를 제대로 고려하지 못하는 구성을 포함하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 가스의 종류 및 온도에 따라 최적의 성능을 발휘하는 마이크로 가스 센서 및 복수의 마이크로 가스 센서가 집적된 마이크로 가스 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 마이크로 가스 센서는, 기판; 상기 기판의 양쪽 면들 위에 각각 배치되는 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인; 상기 제1 멤브레인 위의 일부 영역에 따로 떨어져서 배치되는 히터 전극 패턴 및 온도 센서 패턴; 상기 히터 전극 패턴 및 상기 온도 센서 패턴을 덮으면서 상기 제1 멤브레인 위에 배치되는 절연 막; 상기 절연 막 위의 전체 영역 중에서 상기 히터 전극 패턴의 상부의 일부 영역에 배치되는 감지 전극 패턴; 및 상기 감지 전극 패턴과 전기적으로 연결되도록 상기 감지 전극 패턴을 덮으면서 상기 절연 막 위에 배치되는 감지 막을 포함한다.
여기서, 상기 마이크로 가스 센서는, 상기 기판 및 상기 제2 멤브레인의 전체 영역 중에서, 상기 감지 전극 패턴 아래 부분에 위치하는 일부 영역이 제거될 수 있다.
여기서, 상기 히터 전극 패턴 및 상기 온도 센서 패턴은, 각각이 주름이 지고 S 형상을 가짐으로써, 넓은 단면적을 갖도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 히터 전극 패턴 및 상기 온도 센서 패턴은, 그들의 상대적인 위치가, 상기 히터 전극 패턴 내부에 상기 제2 온도 센서 패턴이 배치되거나, 상기 히터 전극 패턴 주변에 상기 제2 온도 센서 패턴이 배치될 수 있다.
여기서, 상기 마이크로 가스 센서는, 상기 히터 전극 패턴과 전기적으로 연결된 히터 전극 패드를 더 포함하고, 상기 절연 막이 일부 제거됨으로써 상기 히터 전극 패드의 일부가 와이어 본딩을 위해 노출되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 마이크로 가스 센서는, 상기 온도 센서 패턴과 전기적으로 연결된 온도 센서 패드를 더 포함하고, 상기 절연 막이 일부 제거됨으로써 상기 온도 센서 패드의 일부가 와이어 본딩을 위해 노출되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마이크로 가스 센서 모듈은, 히터, 감지 전극 패턴 및 상기 감지 전극 패턴과 전기적으로 연결된 감지 막이 포함되도록 MEMS 공정으로 제조되는 복수의 마이크로 가스 센서들; 및 상기 히터의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함한다.
여기서, 상기 온도 센서는, 하나 또는 복수의 상기 마이크로 가스 센서에 포함된 상기 히터 주변에 온도 센서 패턴 형태로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 마이크로 가스 센서 모듈은, 상기 온도 센서의 저항, 히터의 소비전력을 측정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 측정된 상기 온도 센서의 저항을 이용하여 상기 히터의 온도를 기초로 상기 히터의 소비전력을 조정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 히터의 온도를 이용하여 마이크로 가스 센서가 최적의 감도를 유지하도록 할 수 있다. 또한, 복수의 마이크로 가스 센서가 포함된 마이크로 가스 센서 모듈에 의해 여러 종류의 가스들이 감지될 수 있다. 또한, 온도 센서가 포함된 복수의 마이크로 가스 센서가 하나의 모듈 안에 MEMS 기술을 통해 집적될 수 있다. 또한, 온도 센서의 저항을 이용하여 히터의 온도를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마이크로 가스 센서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 히터 전극 패턴 및 온도 센서 패턴의 확대도이다.
도 4는 도 3과 다른 실시예에 따른 확대도이다.
도 5는 도 3의 실시예에 따른 마이크로 가스 센서의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 마이크로 가스 센서를 포함하는 마이크로 가스 센서 모듈의 평면도이다.
도 7은 도 6과 다른 실시예에 따른 마이크로 가스 센서 모듈의 평면도이다.
도 8은 도 6에 나타낸 마이크로 가스 센서 모듈의 실제 형상을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
발명 전체에서 히터 전극 패턴의 의미는 히터의 의미와 동일하게, 온도 센서 패턴의 의미는 온도 센서의 의미와 동일하게, 감지 전극 패턴의 의미는 감지 전극의 의미와 동일하게 사용될 수 있음을 전제로 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마이크로 가스 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마이크로 가스 센서(100)는, 기판(110), 기판의 양쪽 면들 위에 각각 배치되는 제1 멤브레인(1st membrane)(121) 및 제2 멤브레인(2nd membrane)(122); 제1 멤브레인(121) 위의 일부 영역에 배치되는 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140); 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)을 덮으면서 제1 멤브레인(121) 위에 배치되는 절연 막(150); 절연 막(150) 위의 전체 영역 중에서 히터 전극 패턴의 상부의 일부 영역에 배치되는 감지 전극 패턴(160); 및 감지 전극 패턴(160)과 전기적으로 연결되도록 감지 전극 패턴(160)을 덮으면서 절연 막(150) 위에 배치되는 감지 막(170)을 포함한다.
도 1을 참조하면, 기판(110)의 재료로 Si가 사용될 수 있다. 제1 멤브레인(121) 및 제2 멤브레인(122)은 기판의 양쪽 면에 1~2 μm 두께의 SiNx 박막 형태로 저압화학증기증착(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 이용하여 각각 증착될 수 있다. 제1 멤브레인(121) 및 제2 멤브레인(122)은 절연 막의 성질을 가지며 특히 제1 멤브레인(121)은 상부의 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)을 지지하는 역할을 할 수 있다.
그리고 히터 전극 패턴(130)은 10~20 nm의 Ta 박막 형태로 제1 멤브레인(121) 위에 증착될 수 있다. 그리고 온도 센서 패턴(140)은 100~300 nm의 Pt 박막 형태로 제1 멤브레인(121) 위에 증착될 수 있다. 또한 Pt, Poly-Si, RuO2 등이 히터 전극 패턴(130)으로 사용될 수 있다.
여기서 기판(110) 및 제2 멤브레인(122)의 전체 영역 중에서, 히터 전극 패턴(130), 온도 센서 패턴(140) 또는 감지 전극 패턴(160) 아래 일부 영역이 제거될 수 있다. 따라서, 감지 전극 패턴(160)을 포함하여 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)은, 그들이 배치되어 있는 영역의 아래 부분의 기판(110) 이 제거됨으로써, 제거되지 않고 남아있는 나머지 기판(100)에 의해 부상된 상태에 있을 수 있다. 이 경우 제1 멤브레인(121)이 상부의 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)을 지지한다.
도 1을 다시 참조하면, 마이크로 가스 센서(100)는 히터 전극 패턴(130)과 전기적으로 연결된 히터 전극 패드들(131p, 131n)을 더 포함할 수 있다. 히터 전극 패드들(131p, 131n)은 히터 전극 패턴(130)의 온도 또는 히터 전극 패턴(130)의 소비전력을 측정하는데 사용될 수 있다.
또한 마이크로 가스 센서(100)는 온도 센서 패턴(140)과 전기적으로 연결된 온도 센서 패드들(141p, 141n)을 더 포함할 수 있다. 온도 센서 패드들(141p, 141n)은 온도 센서 패턴(140)의 저항을 측정하는데 사용될 수 있다.
여기서 복수의 패드들은 플러스 극과 마이너스 극을 각각 나타낸다. 패드들은 전기적으로 연결된 해당 패턴과 동일한 층에, 즉 제1 멤브레인(121)과 절연 막(150) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 한정되지 않고 패드들과 해당 패턴이 서로 다른 층에 위치할 수도 있다. 일반적으로 패턴, 패드들 및 패턴과 패드를 연결시키는 도선은 그 일체가 연결되어 증착 공정에 의해 패터닝으로 형성될 수 있다.
도 2는 도 1의 평면도이다. 즉 도 2는 도 1에 나타낸 감지 막(170) 상부에서 바라 본 마이크로 가스 센서(100)를 나타낸다. 참고적으로 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)의 형상을 최상위에 나타내기 위해 그 상부에 배치된 절연 막(150), 감지 전극 패턴(160) 및 감지 막(170)이 도 2에서 생략되어 있다. 그리고 단면도인 도 1에서의 각종 패턴들 또는 패드들의 위치와 개수와 평면도인 도 2에서의 각종 패턴들 또는 패드들의 위치 및 개수는 정확히 일치하지 않게 나타나 있다. 도 2에서 단면의 위치에 따라 단면도인 도 1에 나타낸 각종 패턴들 또는 패드들의 위치 및 개수가 달라지기 때문에, 도 1에 나타낸 각종 패턴들 및 패드들의 위치 및 개수는 하나의 예시에 불과하고 여러 가지 다른 모습으로 나타날 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 마이크로 가스 센서(100)의 중앙에 배치된 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)을 나타내고, 마이크로 가스 센서(100)의 둘레의 4 개의 모서리에 근접하도록 배치된 히터 전극 패드들(131n, 131p), 온도 센서 패드들(141n, 141p) 및 감지 전극 패드들(161n, 161p)을 나타낸다. 또한 도 2는 히터 전극 패턴(130), 온도 센서 패턴(140) 및 감지 전극 패턴(160, 생략됨)이 각각의 해당 패드들 즉 히터 전극 패드들(131n, 131p), 온도 센서 패드들(141n, 141p) 및 감지 전극 패드들(161n, 161p)에 전기적으로 연결되어 있음을 나타내고 있다. 여기서 히터 전극 패드들(131n, 131p)은 다른 패드들보다 넓은 면적을 갖도록 배치될 수 있는데, 그 밖에 온도 센서 패드들(141n, 141p) 또는 감지 전극 패드들(161n, 161p)이 다른 패드들보다 넓은 면적의 형태로 제조될 수 있다.
히터 전극 패턴(130)은 그 양단으로 전류를 도통시켜 히터 전극 패턴(130)의 저항에 의한 열을 발한다. 그리고 그 열에 의해 온도 센서 패턴(140)의 저항이 변동될 수 있다. 따라서 히터 전극 패턴(130)과 온도 센서 패턴의 상대적인 위치는 물리량의 변화와 관련되어 있기 때문에 그 중요성이 크다. 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)의 상대적인 위치에 있어서, 히터 전극 패턴(130) 내부에 온도 센서 패턴(140)이 배치되거나, 히터 전극 패턴(130) 주변에 온도 센서 패턴(140)이 배치될 수 있다. 여기서 내부에 배치됨의 의미는 히터 전극 패턴(130)이 온도 센서 패턴(140)의 전체 외곽선을 감싸고 있는 것을 의미한다. 그리고 주변에 배치됨의 의미는 히터 전극 패턴(130)이 온도 센서 패턴(140)의 일부 외곽선과 근접해 있는 것을 의미한다. 구체적으로 히터 전극 패턴(130)은 온도 센서 패턴(140)과 접해 있거나 근소한 간격으로 떨어져서 위치할 수도 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)의 확대도로서 히터 전극 패턴(130) 내부에 배치된 온도 센서 패턴(140)을 나타내고 있다.
도 4는 도 3과 다른 실시예에 따른 확대도로서 히터 전극 패턴(130) 주변에 배치된 온도 센서 패턴(140)을 나타내고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)은, 각각이 주름이 지고 S 형상을 가짐으로써, 넓은 단면적을 갖도록 제1 멤브레인(121) 위에 배치될 수 있다. 도 3 및 도 4에 나타낸 히터 전극 패턴(130) 및 온도 센서 패턴(140)은 하나의 실시예이기 때문에 이에 한정되지 않고, 단면적이 넓게 형성될 수 있는 S 형상이 포함되도록 도 3 또는 도 4와는 그 밖의 다른 형상으로 주름지게 제조될 수 있다.
도 5는 도 3의 실시예에 따른 마이크로 가스 센서(100)의 평면도이다.
도 5는 히터 전극 패턴(130) 주변에 배치된 온도 센서 패턴(140)을 나타내고 있다. 또한 히터 전극 패드들(131n, 131p), 온도 센서 패드들(141n, 141p) 및 감지 전극 패드들(161n, 161p)은 마이크로 가스 센서(100)의 둘레의 4 개의 모서리에 근접하도록 그 상대적인 위치가 다양하게 배치될 수 있다.
절연 막(150)은, 제1 멤브레인(121), 히터 전극 패드(130) 및 온도 센서 패드(140) 위에 차례로 증착되는 500nm의 SiO2 박막, 250 nm의 SiNx 박막 및 250nm의SiO2 박막을 포함할 수 있다. 즉 절연 막(150)은, 히터 전극 패드(130) 및 온도 센서 패드(140)를 덮음과 동시에 그 위에 배치된 제1 멤브레인(121)에 증착될 수 있다. 그리고 결과적으로 히터 전극 패드들(131n, 131p) 및 온도 센서 패드들(141n, 141p)도 절연 막(150) 밑에 놓일 수 있다.
여기서, 절연 막(150)이 일부 제거됨으로써 히터 전극 패드들(131p, 131n) 및 온도 센서 패드들(141p, 141n)의 일부 영역들이 와이어 본딩을 위해 노출될 수 있다. 상기 노출을 위해 절연 막(150)의 식각에 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 기술이 이용될 수 있다.
감지 전극 패턴(160)은 10~20nm의 Ti 박막 및 100~300nm의 Pt 박막을 포함하는 형태로 절연 막(150) 위의 전체 영역 중에서 히터 전극 패턴(130)의 상부의 일부 영역에 증착될 수 있다. 또한 감지 전극 패턴(160)과 전기적으로 연결된 감지 전극 패드들(161p, 161n)도 위와 같은 방법으로 절연 막(150) 위에 증착될 수 있다. 히터 전극 패턴(130)은 감지 전극 패턴(160)이 공기와 반응하는 온도를 높이기 위한 것이므로 감지 전극 패턴(160)과 가까이 위치하는 것이 바람직하다. 따라서 히터 전극 패턴(130)의 열이 감지 전극 패턴(160)에 전달될 수 있는 히터 전극 패턴(130)의 바로 상부에 감지 전극 패턴(160)이 위치하는 것이 바람직하다. 감지 전극 패드들(161p, 161n)은 마이크로 가스 센서의 4개의 모서리 부근에 근접해서 위치하는 것이 바람직하다. 이는 감지 전극 패드들(161p, 161n)에 본딩된 와이어들이 쉽게 밖으로 인출되기 위함이다. 이는 감지 전극 패드들(131p, 131n) 및 온도 센서 패드들(141p, 141n)에도 마찬가지로 적용되는 사항이다.
감지 막(170)은, 감지 재료를 감지 전극 패턴(160)의 표면에 정밀 도포 방법, 즉 drop casting 또는 잉크젯 공정을 사용하여 도포함으로써 생성될 수 있다.
감지 막(170)으로 사용되는 감지 재료로서 SnO2, TiO2, WO3, ZnO 등의 금속산화물들이 기본 물질로 사용될 수 있다. 또한 가스 센서의 감도를 높이거나 가스 센서의 가스 선택성을 높이기 위해, 기본 물질에 추가적으로 Pt, Pd 또는 Au 등과 같은 촉매가 첨가될 수 있다. 기본 재료매가 나노 수준의 미세한 분말 형태로 감지 전극 패턴(160) 위에 도포된 후에, 분말을 소결시킴으로써 감지 막(170)이 형성될 수 있다.
감지 전극 패턴(160)은 감지 막(170)의 저항 변화를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 감지 전극 패턴(160)은 감지 막(170)과 전기적으로 연결되어 있는 것이 바람직하다. 결과적으로 감지 막(170)은 감지 전극 패턴(160)을 덮음과 동시에 절연 층(150) 위에 배치될 수 있다.
이제 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 가스 센서 모듈에 대해 설명하기로 한다. 상기 가스 센서에 관한 설명과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 여기서 사용되는 히터 전극 패턴의 의미는 히터의 의미와 동일하게, 온도 센서 패턴의 의미는 온도 센서의 의미와 동일하게, 감지 전극 패턴의 의미는 감지 전극의 의미와 동일하게 사용될 수 있음을 전제로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 마이크로 가스 센서를 포함하는 마이크로 가스 센서 모듈의 평면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 마이크로 가스 센서 모듈(300)은, 히터 전극 패턴(130), 감지 전극 패턴(160) 및 상기 감지 전극 패턴과 전기적으로 연결된 감지 막(170)을 포함하는 복수의 마이크로 가스 센서들(100, 200); 및 상기 히터 전극 패턴의 온도를 측정하는 온도 센서(140)를 포함한다. 여기서, 마이크로 가스 센서 모듈(300)은 MEMS 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
여기서, 온도 센서(140)는, 하나 또는 복수의 상기 마이크로 가스 센서에 포함된 상기 히터 전극 패턴(130)의 온도를 측정하기 위해 온도 센서 패턴(140) 형태로 배치될 수 있다.
또한 상기 마이크로 가스 센서 모듈(300)은 온도 센서(140)의 저항, 히터 전극 패턴(130)의 소비전력을 측정하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그리고 제어부는 측정된 온도 센서(140)의 저항을 이용하여 상기 히터 전극 패턴(130)의 온도를 기초로 상기 히터 전극 패턴(130)의 소비전력을 조정할 수 있다.
도 6은 온도 센서가 포함된 하나의 마이크로 가스 센서(100)와 온도 센서가 포함되지 않은 3 개의 마이크로 가스 센서들(200)을 포함하고 있는 마이크로 가스 센서 모듈(300)을 나타내고 있다.
도 7은 도 6과 다른 실시예에 따른 마이크로 가스 센서 모듈의 평면도이다.
도 7은 온도 센서가 포함된 4개의 마이크로 가스 센서들(100)을 포함하고 있는 마이크로 가스 센서 모듈(300)을 나타내고 있다. 여기서 하나의 마이크로 가스 센서 모듈 내에 집적될 수 있는 온도 센서가 포함된 마이크로 가스 센서의 개수와 및 온도 센서가 포함되지 않는 마이크로 가스 센서의 개수는 다양한 형태로 조합될 수 있다.
도 8은 도 6에 나타낸 마이크로 가스 센서 모듈의 실제 형상을 나타낸다.
도 8에 도시된 마이크로 가스 센서 모듈(300)은 4 개의 마이크로 가스 센서(100, 200)를 포함하고 있다.
지금까지의 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 히터의 온도를 이용하여 가스 센서가 최적의 감도를 유지하도록 할 수 있다. 또한, 복수의 마이크로 가스 센서가 포함된 마이크로 가스 센서 모듈에 의해 여러 종류의 가스들이 감지될 수 있다. 또한, 온도 센서가 포함된 복수의 마이크로 가스 센서가 하나의 모듈 안에 MEMS 기술을 통해 집적될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판의 양쪽 면들 위에 각각 배치되는 제1 멤브레인 및 제2 멤브레인;
    상기 제1 멤브레인 위의 일부 영역에 배치되는 히터 전극 패턴 및 온도 센서 패턴;
    상기 히터 전극 패턴 및 상기 온도 센서 패턴을 덮으면서 상기 제1 멤브레인 위에 배치되는 절연 막;
    상기 절연 막 위의 전체 영역 중에서 상기 히터 전극 패턴의 상부의 일부 영역에 배치되는 감지 전극 패턴; 및
    상기 감지 전극 패턴과 전기적으로 연결되도록 상기 감지 전극 패턴을 덮으면서 상기 절연 막 위에 배치되는 감지 막을 포함하는, 마이크로 가스센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 히터 전극 패턴 및 상기 온도 센서 패턴은,
    각각이 주름이 지고 S 형상을 가짐으로써, 넓은 단면적을 갖도록 배치되는, 마이크로 가스 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 히터 전극 패턴 및 상기 온도 센서 패턴의 상대적인 위치는,
    상기 히터 전극 패턴 내부에 상기 온도 센서 패턴이 배치되거나,
    상기 히터 전극 패턴 주변에 상기 온도 센서 패턴이 배치되도록 결정되는, 마이크로 가스 센서.
  4. 히터, 감지 전극 및 상기 감지 전극과 전기적으로 연결된 감지 막이 포함되도록 MEMS 공정으로 제조되는 복수의 마이크로 가스 센서들; 및
    상기 히터의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는, 마이크로 가스 센서 모듈.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    하나 또는 복수의 상기 마이크로 가스 센서에 포함된 상기 히터 주변에 온도 센서 패턴 형태로 배치되는, 마이크로 가스 센서 모듈.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 온도 센서의 저항, 히터의 소비전력을 측정하는 제어부를 더 포함하는, 마이크로 가스 센서 모듈.
PCT/KR2016/011317 2016-08-29 2016-10-10 마이크로 가스 센서 및 마이크로 가스 센서 모듈 WO2018043792A1 (ko)

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