WO2019027120A1 - 가스 센서 - Google Patents

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WO2019027120A1
WO2019027120A1 PCT/KR2018/003339 KR2018003339W WO2019027120A1 WO 2019027120 A1 WO2019027120 A1 WO 2019027120A1 KR 2018003339 W KR2018003339 W KR 2018003339W WO 2019027120 A1 WO2019027120 A1 WO 2019027120A1
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WO
WIPO (PCT)
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unit
gas
gas sensor
heater
sensing unit
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/003339
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English (en)
French (fr)
Inventor
황인성
김무섭
이성은
이성희
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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
Priority claimed from KR1020170166905A external-priority patent/KR20190013410A/ko
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to US16/635,318 priority Critical patent/US20200158671A1/en
Publication of WO2019027120A1 publication Critical patent/WO2019027120A1/ko

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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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor that minimizes humidity influences.
  • the smartphone has adopted a type of environmental sensor, which is a type of temperature and humidity sensor, and smart phones and wearable devices, especially gas sensors are increasing attention.
  • MEMS Micro Electro-Mechanical Systems
  • wire bonding is performed in order to acquire an electric signal from the sensor element.
  • an electrode pad for wire bonding must be formed on the sensor element.
  • the substrate must also have separate electrode pads.
  • wire bonding is performed to connect the electrode pads inside the package and the electrode pads outside the package.
  • wire bonding has a structure that is very vulnerable to vibration and external environment, and various packaging methods such as flip chip bonding and BGA are recently emerging.
  • An object of the present invention is to provide a gas sensor capable of maintaining sensing sensitivity regardless of ambient humidity.
  • a plasma display panel including a substrate, a unit sensing unit disposed on the substrate, the unit sensing unit including a wiring electrode, a heater electrode, and a gas sensing material, And a cover disposed at an upper side of the unit sensing unit and including at least one hole, and a heater disposed between the unit sensing unit and the lid unit, wherein the heater unit surrounds the unit sensing unit, Is heated together with the heater electrode so as to lower the humidity of the gas.
  • the heater unit may comprise a porous substrate and a heating electrode deposited on the porous substrate.
  • the sidewall portion may surround the side of the porous substrate such that external material only reaches the unit sensing unit through the porous substrate.
  • the porous substrate may be coated with a catalyst that promotes decomposition of a specific material.
  • the porous substrate may comprise a plurality of layers.
  • an exothermic electrode may be deposited on at least one of the plurality of layers.
  • the average particle size of the pores included in any one of the plurality of layers may be different from the average particle size of the pores included in the one layer and the other layer.
  • different types of catalysts may be applied to each of the plurality of layers.
  • the heater incorporated in the gas sensor reduces the ambient humidity semi-permanently, the humidity influence of the gas sensor can be minimized.
  • gas selectivity can be given to the gas sensor.
  • gas species that can reach the unit sensing unit can be limited to gas that does not react with a specific catalyst, gas selectivity can be given to the gas sensor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional gas sensor.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a gas sensor according to the present invention.
  • 3A is a sectional view of the unit sensing unit.
  • 3B is a plan view of the unit sensing unit.
  • Figures 4 and 5 show a variant embodiment of the gas sensor according to the invention.
  • FIG. 6 is a graph showing a sensing signal of a gas sensor that does not include a heater portion.
  • FIG. 7 is a graph showing a sensing signal of a gas sensor according to the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the sensitivity improvement rate of the gas sensor according to the concentration of the ethanol gas.
  • the present invention relates to a gas sensor that minimizes the influence of humidity. Specifically, the gas sensor according to the present invention reduces the humidity around the gas sensor through heating, thereby keeping the gas sensor ambient humidity constant. Before describing the gas sensor according to the present invention, the conventional method for reducing the humidity influence of the gas sensor will be described.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional gas sensor.
  • the conventional gas sensor may include a substrate 10, a sensing unit 20, a moisture filter 30, and a protection cap 40.
  • the components constituting the gas sensor are formed on the substrate 10. On the substrate 10, wiring electrodes for connecting the gas sensor to the external power source and the control unit may be formed.
  • the sensing unit 20 generates a signal by reacting with a specific gas.
  • the gas sensing material contained in the sensing unit 20 reacts with a specific gas to change its resistance value. Accordingly, the amount of current flowing in the sensing unit 20 can be changed, and this change in the amount of current becomes a gas sensing signal.
  • the sensing unit 20 is covered with a protection cap 40.
  • the protection cap (40) prevents external substances other than the gaseous state from entering the sensing unit (20).
  • the external gaseous substance may reach the sensing unit 20 through the hole 41 formed in the protective cap 40.
  • the gas sensing material provided in the sensing unit 20 may react with not only a specific gas but also water vapor. Due to this, when the humidity around the gas sensor is high, the sensitivity of the sensor may be lowered.
  • the conventional gas sensor includes a moisture filter 30.
  • the moisture filter 30 absorbs water vapor around the gas sensor to prevent water vapor around the gas sensor from reacting with the gas sensing material.
  • the amount of water vapor that the moisture filter 30 can absorb is limited. Therefore, when the humidity around the gas sensor is high, the water filter 30 becomes saturated and the original function can not be exhibited.
  • the present invention provides a structure capable of minimizing the humidity influence of the gas sensor regardless of the ambient humidity.
  • the present invention will be described in detail.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the gas sensor according to the present invention
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the unit sensing unit
  • FIG. 3B is a plan view of the unit sensing unit
  • FIGS. 4 and 5 are alternative embodiments of the gas sensor according to the present invention.
  • the conventional gas sensor includes a unit sensing unit 100, a substrate 210, a heater unit 230, and a protective cap 240.
  • the unit substrate 110 may be made of silicon, but not limited thereto, and all materials capable of supporting the following components can be utilized as a unit substrate. All the components of the unit sensing unit 100 are disposed on the unit substrate 110.
  • the heater electrode 122 may be disposed on the upper surface of the substrate.
  • the present invention is not limited thereto, and the heater electrode 122 may be disposed on the bottom surface of the substrate. This will be described later.
  • the heater electrode 122 may be formed of any one of platinum and tungsten. However, the present invention is not limited to this, and all materials that generate heat when a voltage is applied can be used as a heater electrode.
  • the heater electrode 122 serves to supply thermal energy to a sensing material, which will be described later.
  • the sensor according to the present invention can control the amount of thermal energy supplied to the sensing material by adjusting the voltage applied to the heater electrode 122, thereby controlling the temperature of the sensing material.
  • the insulating film 121 insulates the heater electrode 122 from other electrodes.
  • the insulating film 121 may be made of silicon oxide, but not limited thereto, and all materials capable of insulating the heater electrode 122 from other electrodes can be utilized.
  • the sensing electrode 132 may be disposed on the insulating film 121. At this time, the insulating film 121 insulates the heater electrode 122 and the sensing electrode 132 from each other.
  • the heater electrode 122 may be disposed on the lower surface of the unit substrate 110.
  • the sensing electrode 132 is disposed on the upper surface of the unit substrate 110.
  • the heater electrode 121 and the sensing electrode 131 are disposed with the unit substrate 110 interposed therebetween.
  • the sensing electrode 132 outputs a signal generated due to a change in the electrical property of the gas sensing material 131.
  • the output signal may be a resistance change, a current change, or the like.
  • a signal output from the sensor array according to an exemplary embodiment of the present invention refers to a signal output from the sensing electrode 132.
  • the gas sensing material 131 is disposed to cover the sensing electrode 132.
  • the main component of the gas sensing material 131 is tin oxide, and metals such as platinum, lead, and nickel, oxides thereof, polymers, and organic compounds may be mixed.
  • the sensing electrode 132 outputs a signal generated as oxygen adsorbed on the gas sensing material 131 is desorbed.
  • the sensitivity of the sensor becomes higher as the difference between the adsorption amount of oxygen and the desorption amount becomes larger.
  • the temperature of tin oxide must be increased.
  • the temperature at which the sensitivity of the sensor is maximized depends on the type of gas to be sensed.
  • the unit sensing unit 100 is disposed on the substrate 210.
  • the components constituting the gas sensor according to the present invention may be disposed on the substrate 210.
  • the unit sensing unit 100 is covered with a protection cap 240.
  • the protection cap 240 prevents external substances other than the gaseous state from entering the unit sensing unit 100.
  • the protective cap 240 includes a side wall part formed on the substrate 210 and surrounding the unit sensing unit, and a cover part disposed above the unit sensing unit 100 and including at least one hole 241 . The gaseous foreign material can reach the unit sensing unit 100 through the holes 241.
  • the heater unit 230 is disposed between the unit sensing unit 100 and the lid unit.
  • the heater unit 230 generates heat together with the heater electrode 122 so as to lower the humidity around the unit sensing unit 100.
  • the heater unit 230 increases the temperature above the unit sensing unit 100 to prevent external steam from entering the sensor. Since the heater unit 230 does not absorb water vapor and reduces the humidity around the gas sensor, the humidity influence of the gas sensor can be reduced semi-permanently.
  • the heater 230 may include a support substrate 231 and a heating electrode 232 deposited on the support substrate 231. At least one hole may be formed in the support substrate 231.
  • the external gas that has entered the gas sensor through the holes 241 of the protective cap 240 can reach the unit sensing unit 100 through the holes formed in the support substrate 231.
  • the support substrate 231 may be formed of a porous substrate 231 '. Since the porous substrate 231 'includes a plurality of pores, it is possible to pass an external substance in a gaseous state.
  • the porous substrate 231 ' may be a porous alumina substrate.
  • the average particle diameter of the pores included in the porous substrate 231 ' can be adjusted when manufacturing the porous substrate 231'.
  • the kind of gas that can pass through the porous substrate 231' may be different. With this, gas selectivity can be given to the gas sensor.
  • the side walls of the protective cap 240 may surround the side surface of the porous substrate so that the external material reaches the unit sensing unit 100 only through the porous substrate 231 '.
  • the material that can reach the unit sensing unit 100 should be smaller than the pores included in the porous substrate.
  • the porous substrate 231 ' blocks molecules larger than pores contained in the porous substrate. This allows the present invention to impart gas selectivity to the gas sensor.
  • the present invention can impart gas selectivity to the gas sensor by utilizing the porous substrate and the catalyst.
  • a catalyst 233 may be applied to the porous substrate to promote decomposition of a specific substance.
  • the contact area between the catalyst 233 and the external material increases, and the performance of the catalyst 233 can be improved.
  • the gas decomposed by the catalyst 233 can not reach the unit sensing unit 100. This allows the present invention to impart gas selectivity to the gas sensor.
  • the present invention can impart gas selectivity to the gas sensor utilizing a plurality of porous substrates.
  • the porous substrate may be formed of a plurality of layers.
  • An exothermic electrode may be deposited on at least one of the plurality of layers.
  • the heating electrode is deposited on a plurality of layers, the humidity influence of the gas sensor can be greatly reduced.
  • the sizes of pores included in each of the plurality of layers 231a to 231e may be different from each other.
  • the average particle diameter of the pores included in one of the plurality of layers 231a to 231e and the average particle diameter of the pores contained in the other layer may be different from each other.
  • different kinds of catalysts 233a to 233c may be applied to each of the plurality of layers.
  • the gas selectivity of the gas sensor can be increased.
  • FIG. 6 is a graph showing a sensing signal of a gas sensor that does not include a heater unit
  • FIG. 7 is a graph showing sensing signals of a gas sensor according to the present invention.
  • the signal generated by the gas sensor was measured while varying the concentration of ethanol gas at a humidity of 70%.
  • Three kinds of sensors were used in the experiment. Specifically, a sensor (hereinafter referred to as a comparative example) in which a heater is not provided, a sensor (hereinafter referred to as Example 1) for applying a voltage of 1.2 V to the heater, a sensor for applying a voltage of 2.1 V )to be.
  • a sensor hereinafter referred to as a comparative example
  • Example 1 a sensor for applying a voltage of 1.2 V to the heater
  • Examples 1 and 2 Pd and SnO2 are included as gas sensing materials.
  • the concentration of ethanol gas is 5 ppm
  • the signals are clearly distinguished when the concentration of signal and ethanol gas is 10 ppm.
  • the concentration of ethanol and the signal of ethanol is 5 ppm, It does not.
  • the comparative example has poor sensitivity under high humidity conditions.
  • the gas sensor according to the present invention has a high sensitivity even in a high humidity condition.
  • FIG. 8 is a graph showing the sensitivity of the gas sensor according to the concentration of the ethanol gas
  • FIG. 9 is a graph showing the sensitivity improvement rate of the gas sensor according to the concentration of the ethanol gas.
  • Example 2 the sensitivity of Example 2 is the highest regardless of the ethanol concentration, and that the comparative example does not detect ethanol of 5 ppm or less.

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Abstract

본 발명은 습도 영향성을 최소화 하는 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 배선 전극, 히터 전극 및 가스 감지 물질을 구비하는 단위 센싱 유닛, 상기 기판 위에 형성되어 상기 단위 센싱 유닛을 에워싸는 측벽부 및 상기 단위 센싱 유닛의 상측에 배치되며 적어도 하나의 홀을 포함하는 덮개부를 구비하는 보호 캡 및 상기 단위 센싱 유닛과 상기 덮개부 사이에 배치되는 히터부를 포함하고, 상기 히터부는 상기 단위 센싱 유닛 주변의 습도를 낮추도록, 상기 히터 전극과 함께 발열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 제공한다.

Description

가스 센서
본 발명은 습도 영향성을 최소화 하는 가스 센서에 관한 것이다.
유해대기 오염물질 노출 및 환경성 질환 등이 사회적 이슈가 됨에 따라, 정부에서는 대기 정책 목적에 부합되는 대기오염물질군의 분류체계 개선 등을 통해 국민건강 증진을 위해 노력하고 있다.
최근 스마트폰에 환경센서의 일종인 온습도센서가 채용되고 있으며, 스마트폰이나 웨어러블 기기에서 특히 가스센서에 대한 관심이 높아지고 있다.
종래 가스센서는 사이즈, 소비전력, 안정성, 감도, 응답속도 등이 스마트폰 및 웨어러블 기기에 사용되기에 적합하지 않다. 이에, 개선 된 새로운 가스센서 및 패키지의 개발이 필수적이다.
이에 따라, 가스 센서 제조에 Micro Electro-Mechanical Systems(MEMS) 기술이 활용되고 있다. MEMS를 이용한 가스 센서에서는 센서 소자로부터의 전기신호를 취득하기 위해, 와이어 본딩을 진행하게 되는데, 와이어 본딩을 진행하기 위해서는 센서 소자에 와이어 본딩을 위한 전극 패드가 형성되어 있어야 하고, 센서소자가 부착 된 기판에도 별도로 전극 패드가 있어야 한다. 이 때 내부의 전극패드와 패키지 밖의 전극패드를 연결하기 위하여 와이어 본딩을 진행하게 된다. 이러한 와이어 본딩은 진동이나 외부 환경에 매우 취약한 구조를 갖기 때문에 최근 플립칩 본딩이나 BGA등의 다양한 패키징 방식이 등장하고 있다.
상술한 패키징 방식이 개발됨에 따라, 다양한 분야에 가스 센서를 적용하고자 하는 시도가 계속되고 있다. 다만, 가스 센서의 센싱 감도는 주변환경에 민감하기 때문에, 가스 센서를 다양한 분야에 적용하기에 어려움이 있다. 예를 들어, 가스 센서는 주변 습도에 따라 그 감도가 달라지기 때문에, 습도차이가 큰 환경에서는 사용이 어려운 실정이다.
본 발명은 주변 습도에 상관없이 센싱 감도를 유지할 수 있는 가스 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가스 선택성을 가지는 가스 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 배선 전극, 히터 전극 및 가스 감지 물질을 구비하는 단위 센싱 유닛, 상기 기판 위에 형성되어 상기 단위 센싱 유닛을 에워싸는 측벽부 및 상기 단위 센싱 유닛의 상측에 배치되며 적어도 하나의 홀을 포함하는 덮개부를 구비하는 보호 캡 및 상기 단위 센싱 유닛과 상기 덮개부 사이에 배치되는 히터부를 포함하고, 상기 히터부는 상기 단위 센싱 유닛 주변의 습도를 낮추도록, 상기 히터 전극과 함께 발열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 히터부는 다공성 기판 및 상기 다공성 기판 상에 증착되는 발열 전극으로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 측벽부는 외부 물질이 상기 다공성 기판을 통해서만 상기 단위 센싱 유닛에 도달하도록, 상기 다공성 기판의 측면을 에워쌀 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 다공성 기판에는 특정 물질의 분해를 촉진하는 촉매가 도포될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 다공성 기판은 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 층 중 적어도 하나의 층에 발열 전극이 증착될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 층 중 어느 하나의 층에 포함된 기공들의 평균 입경과 상기 어느 하나의 층과 다른 층에 포함된 기공들의 평균 입경은 서로 다를 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 층 각각에는 서로 다른 종류의 촉매가 도포될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 센서에 내장된 히터부가 반영구적으로 주변 습도를 감소시키기 때문에 가스 센서의 습도 영향성을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 단위 센싱 유닛에 도달할 수 있는 기체의 종류를 분자의 크기에 따라 제한할 수 있기 때문에 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 단위 센싱 유닛에 도달할 수 있는 기체의 종류를 특정 촉매와 반응하지 않는 기체로 제한할 수 있기 때문에 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있게 된다.
도 1은 종래 가스 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 센서의 단면도이다.
도 3a 는 단위 센싱 유닛의 단면도이다.
도 3b는 단위 센싱 유닛의 평면도이다.
도 4 및 5는 본 발명에 따른 가스 센서의 변형 실시 예이다.
도 6은 히터부를 포함하지 않는 가스 센서의 감지신호를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 가스 센서의 감지신호를 나타내는 그래프이다.
도 8은 에탄올 기체의 농도에 따른 가스 센서의 감도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 에탄올 기체의 농도에 따른 가스 센서의 감도 향상률을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
또한, 층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 습도의 영향을 최소화한 가스 센서에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 가스 센서는 가열을 통해 가스 센서 주변의 습도를 감소시켜, 가스 센서 주변 습도를 일정하게 유지한다. 본 발명에 따른 가스 센서에 대하여 설명하기에 앞서 가스 센서의 습도 영향성을 감소시키는 종래 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 종래 가스 센서의 단면도이다.
종래 가스 센서는 기판(10), 센싱부(20), 수분 필터(30) 보호 캡(40)을 구비할 수 있다.
가스 센서를 구성하는 구성요소들은 상기 기판(10)위에 형성된다. 기판(10) 위에는 가스 센서를 외부 전원 및 제어부와 연결하기 위한 배선전극들이 형성될 수 있다.
센싱부(20)는 특정 가스와 반응하여 신호를 발생시킨다. 센싱부(20)에 포함된 가스 감지 물질은 특정 가스와 반응하여 그 저항 값이 달라진다. 이에 따라, 센싱부(20)에 흐르는 전류량이 달라질 수 있는 데, 이러한 전류량 변화가 가스 감지 신호가 된다.
상기 센싱부(20)는 보호 캡(40)으로 덮인다. 상기 보호 캡(40)은 상기 센싱부(20)로 기체 상태 이외의 외부 물질이 진입하는 것을 방지한다. 기체 상태의 외부 물질은 보호 캡(40)에 형성된 홀(41)을 통해 상기 센싱부(20)로 도달할 수 있다.
다만, 상기 센싱부(20)에 구비된 가스 감지물질은 특정 가스뿐 아니라 수증기와도 반응할 수 있다. 이로 인하여, 가스 센스 주변 습도가 높은 경우, 센서의 감도가 떨어질 수 있다.
이를 방지하기 위해, 종래 가스 센서는 수분 필터(30)를 포함한다. 상기 수분 필터(30)는 가스 센서 주변 수증기를 흡수하여 가스 센서 주변 수증기가 가스 감지 물질과 반응하는 것을 방지한다. 하지만, 상기 수분 필터(30)가 흡수할 수 있는 수증기의 양은 제한되어 있다. 이 때문에, 가스 센서 주변 습도가 높을 경우, 수분 필터(30)가 포화되어 본래의 기능을 발휘할 수 없게 된다.
본 발명은 주변 습도에 상관없이 가스 센서의 습도 영향성을 최소화할 수 있는 구조를 제시한다. 이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 센서의 단면도이고, 도 3a 는 단위 센싱 유닛의 단면도이고, 도 3b는 단위 센싱 유닛의 평면도이고, 도 4 및 5는 본 발명에 따른 가스 센서의 변형 실시 예이다.
종래 가스 센서는 단위 센싱 유닛(100), 기판(210), 히터부(230) 및 보호 캡(240)을 구비한다.
단위 기판(110)은 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 후술할 구성요소들을 지지할 수 있는 모든 소재가 단위 기판으로 활용될 수 있다. 단위 센싱 유닛(100)의 모든 구성요소들은 단위 기판(110)위에 배치된다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 히터 전극(122)은 기판 상면에 배치될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 히터 전극(122)은 기판 하면에 배치될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
히터 전극(122)은 백금, 텅스텐 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 전압을 걸어줄 경우 열이 발생되는 모든 소재가 히터 전극으로 사용될 수 있다.
히터 전극(122)은 후술할 감지물질에 열 에너지를 공급하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 센서는 히터 전극(122)에 인가되는 전압을 조절하여, 감지물질에 공급되는 열 에너지의 양을 조절할 수 있고, 이를 통해, 감지물질의 온도를 조절할 수 있게 된다.
한편, 절연막(121)은 히터 전극(122)과 다른 전극들을 절연 시킨다. 절연막(121)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 히터 전극(122)과 다른 전극들을 절연시킬 수 있는 모든 소재들이 활용될 수 있다.
한편, 감지 전극(132)은 절연막(121) 위에 배치될 수 있다. 이때, 절연막(121)은 히터전극(122)과 감지 전극(132)을 절연 시킨다.
한편, 도시되지 않았지만, 히터 전극(122)은 단위 기판(110) 하면에 배치될 수 있으며, 이러한 경우, 감지 전극(132)은 단위 기판(110) 상면에 배치된다. 이때, 히터 전극(121)과 감지 전극(131)은 단위 기판(110)을 사이에 두고 배치된다.
감지 전극(132)은 가스 감지 물질(131)의 전기적 성질 변화로 인하여 발생되는 신호를 출력한다. 여기서, 출력되는 신호는 저항변화, 전류변화 등일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 어레이에서 출력되는 신호는 감지 전극(132)에서 출력되는 신호를 의미한다.
한편, 가스 감지 물질(131)은 감지 전극(132)을 덮도록 배치된다. 가스 감지 물질(131)의 주성분은 산화 주석으로 이루어지며, 백금, 납, 니켈 등의 금속 및 그 산화물, 고분자, 유기화합물 등이 혼합될 수 있다.
히터 전극(122)으로부터 가스 감지 물질(131)에 열 에너지가 가해지는 경우, 가스 감지 물질(131)의 자유 전자가 증가하며, 증가된 자유 전자에 의하여 대기중의 산소가 가스 감지 물질(131)에 흡착된다. 이에 따라, 가스 감지 물질(131)을 이루는 산화주석 입자에 전위장벽이 형성되어 입자간 전기전도도가 낮아진다.
이러한 상태에서, 가스 감지 물질(131)에 흡착된 산소가 특정 기체와 반응하는 경우, 가스 감지 물질(131)의 전기 전도도가 다시 증가한다. 감지 전극(132)은 가스 감지 물질(131)에 흡착되었던 산소가 탈착 됨에 따라 발생되는 신호를 출력한다.
상술한 바에 따르면, 센서의 감도는 산소의 흡착량 및 탈착량의 차이가 클수록 높아진다. 이를 위해, 산화 주석의 온도를 높여주어야 한다. 센서의 감도가 최대가 되는 온도는 센싱하고자 하는 기체의 종류에 따라 달라진다.
상기 단위 센싱 유닛(100)은 상기 기판(210) 상에 배치된다. 그 밖에도, 상기 기판(210) 상에는 본 발명에 따른 가스 센서를 구성하는 구성요소들이 배치될 수 있다.
상기 단위 센싱 유닛(100)은 보호 캡(240)으로 덮인다. 상기 보호 캡(240)은 상기 단위 센싱 유닛(100)으로 기체 상태 이외의 외부 물질이 진입하는 것을 방지한다. 구체적으로, 보호 캡(240)은 상기 기판(210) 위에 형성되어 상기 단위 센싱 유닛을 에워싸는 측벽부 및 상기 단위 센싱 유닛(100)의 상측에 배치되어 적어도 하나의 홀(241)을 포함하는 덮개부를 포함한다. 기체 상태의 외부 물질은 상기 홀(241)을 통해 상기 단위 센싱 유닛(100)으로 도달할 수 있다.
한편, 히터부(230)는 상기 단위 센싱 유닛(100)과 상기 덮개부 사이에 배치된다. 상기 히터부(230)는 단위 센싱 유닛(100) 주변의 습도를 낮추도록, 상기 히터 전극(122)과 함께 발열된다.
상기 히터부(230)는 상기 단위 센싱 유닛(100) 상측에서 온도를 높여 외부의 수증기가 센서 내로 유입되는 것을 방지한다. 상기 히터부(230)는 수증기를 흡수하지 않고, 가스 센서 주변 습도를 감소시키기 때문에, 반영구적으로 가스 센서의 습도 영향성을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 히터부(230)는 지지 기판(231) 및 상기 지지 기판(231) 상에 증착되는 발열 전극(232)으로 이루어질 수 있다. 상기 지지 기판(231)에는 적어도 하나의 홀이 형성될 수 있다. 상기 보호 캡(240)의 홀(241)을 통해 가스 센서로 들어온 외부 기체는 상기 지지 기판(231)에 형성된 홀을 지나 단위 센싱 유닛(100)에 도달할 수 있다.
한편, 도 4와 같이, 상기 지지 기판(231)은 다공성 기판(231')으로 이루어질 수 있다. 다공성 기판(231')은 복수의 기공들을 포함하기 때문에 기체 상태의 외부 물질을 통과시킬 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 다공성 기판(231')은 다공성 알루미나 기판(Anodic Alumina Oxide)일 수 있다.
한편, 상기 다공성 기판(231')에 포함된 기공들의 평균 입경은 다공성 기판(231') 제조 시 조절이 가능하다. 다공성 기판(231')에 포함된 기공의 크기에 따라 다공성 기판(231')을 통과할 수 있는 기체의 종류가 달라질 수 있다. 이를 이용하면, 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있다.
구체적으로, 상기 보호 캡(240)에 구비된 측벽부는 외부 물질이 상기 다공성 기판(231')을 통해서만 상기 단위 센싱 유닛(100)에 도달하도록, 상기 다공성 기판의 측면을 에워쌀 수 있다. 단위 센싱 유닛(100)에 도달 할 수 있는 물질은 상기 다공성 기판에 포함된 기공보다 작은 크기를 가져야 한다. 상기 다공성 기판(231')은 다공성 기판에 포함된 기공보다 큰 분자를 차단한다. 이를 통해, 본 발명은 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기 다공성 기판과 촉매를 활용하여 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 상기 다공성 기판에는 특정 물질의 분해를 촉진하는 촉매(233)가 도포될 수 있다. 상기 다공성 기판(230)에 촉매(233)가 도포될 경우, 상기 촉매(233)와 외부 물질과의 접촉면적이 커지며, 촉매(233)의 성능이 향상될 수 있다. 이로 인하여, 상기 촉매(233)에 의하여 분해되는 기체는 상기 단위 센싱 유닛(100)까지 도달할 수 없게 된다. 이를 통해, 본 발명은 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 복수의 다공성 기판을 활용하여 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있다. 구체적으로 상기 다공성 기판은 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 층 중 적어도 하나의 층에는 발열 전극이 증착될 수 있다. 다수의 층에 발열 전극을 증착시킬 경우, 가스 센서의 습도 영향성을 대폭 낮출 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 상기 복수의 층들(231a 내지 231e) 각각에 포함된 기공들의 크기는 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 층(231a 내지 231e) 중 어느 하나의 층에 포함된 기공들의 평균 입경과 상기 어느 하나의 층과 다른 층에 포함된 기공들의 평균 입경은 서로 다를 수 있다.
상기 단위 센싱 유닛(100)과 가까운 층일수록 평균 입경의 크기를 작게 할 경우, 극히 한정된 종류의 기체만 상기 단위 센싱 유닛(100)에 도달할 수 있게 된다. 이를 통해, 본 발명은 가스 센서에 가스 선택성을 부여할 수 있게 된다.
한편, 상기 복수의 층 각각에는 서로 다른 종류의 촉매(233a 내지 233c)가 도포될 수 있다. 이러한 경우, 상기 복수의 층 각각에 도포된 촉매에 의하여 분해되지 않는 기체만이 단위 센싱 유닛(100)에 도달할 수 있기 때문에, 가스 센서의 가스 선택성을 높일 수 있게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 가스 센서의 습도 영향성에 대하여 설명한다.
도 6은 히터부를 포함하지 않는 가스 센서의 감지신호를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 가스 센서의 감지신호를 나타내는 그래프이다.
가스 센서의 습도 영향성을 측정하기 위해, 70%의 습도 조건에서 에탄올 기체의 농도를 변화시키며 가스 센서에서 발생되는 신호를 측정하였다. 실험에는 세 종류의 센서를 사용하였다. 구체적으로, 히터부가 없는 센서(이하, 비교 예), 히터부에 1.2V의 전압을 인가하는 센서(이하, 실시 예1), 히터부에 2.1V의 전압을 인가하는 센서(이하, 실시 예2)이다. 여기서, 비교 예, 실시 예1 및 2 모두 가스 감지물질로서 Pd, SnO2을 포함한다.
도 6을 참조하면, 에탄올 기체의 농도가 5ppm일 때 신호와 에탄올 기체의 농도가 10ppm일 때 신호는 확실하게 구분되지만, 에탄올 기체가 없을 때 신호와 에탄올 기체의 농도가 5ppm 일 때 신호는 잘 구분되지 않는다. 이를 통해, 비교 예는 고습도 조건에서 감도가 좋지 않는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 에탄올 기체의 농도가 5ppm일 때 신호와 에탄올 기체의 농도가 10ppm일 때 신호가 확실하게 구분될 뿐 아니라, 에탄올 기체가 없을 때 신호와 에탄올 기체의 농도가 5ppm 일 때 신호 또한 확실하게 구분된다. 이를 통해, 본 발명에 따른 가스 센서는 고습도 조건에서도 높은 감도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 히터부에 인가한 전압이 높을수록(실시 예1 및 2 비교) 외부 물질에 대한 반응속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.
한편, 에탄올 기체의 농도를 점진적으로 증가시키면서 비교 예, 실시 예1 및 2의 감도 및 감도 향상율을 측정하였다.
도 8은 에탄올 기체의 농도에 따른 가스 센서의 감도를 나타내는 그래프이고, 도 9는 에탄올 기체의 농도에 따른 가스 센서의 감도 향상율을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 에탄올 농도에 상관없이 실시 예2의 감도가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, 비교 예는 5ppm 이하의 에탄올을 감지하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 실시 예1 및 2의 경우 에탄올 기체의 농도가 5ppm일 때 감도가 최대인 것을 확인할 수 있고, 비교 예의 경우, 에탄올 농도에 상관없이 감도가 일정한 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 배선 전극, 히터 전극 및 가스 감지 물질을 구비하는 단위 센싱 유닛;
    상기 기판 위에 형성되어 상기 단위 센싱 유닛을 에워싸는 측벽부 및 상기 단위 센싱 유닛의 상측에 배치되며 적어도 하나의 홀을 포함하는 덮개부를 구비하는 보호 캡; 및
    상기 단위 센싱 유닛과 상기 덮개부 사이에 배치되는 히터부를 포함하고,
    상기 히터부는,
    상기 단위 센싱 유닛 주변의 습도를 낮추도록, 상기 히터 전극과 함께 발열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히터부는,
    다공성 기판; 및
    상기 다공성 기판 상에 증착되는 발열 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측벽부는,
    외부 물질이 상기 다공성 기판을 통해서만 상기 단위 센싱 유닛에 도달하도록, 상기 다공성 기판의 측면을 에워싸는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 기판에는 특정 물질의 분해를 촉진하는 촉매가 도포되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 기판은 복수의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 층 중 적어도 하나의 층에 발열 전극이 증착되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 층 중 어느 하나의 층에 포함된 기공들의 평균 입경과 상기 어느 하나의 층과 다른 층에 포함된 기공들의 평균 입경은 서로 다른 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 층 각각에는 서로 다른 종류의 촉매가 도포되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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