(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2015-0098066 (43) 공개일자 2015년08월27일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)G01N 27/12
(2006.01)G01N 27/16
(2006.01) (21) 출원번호 10-2014-0019170(22) 출원일자 2014년02월19일 심사청구일자 없음
(71) 출원인
한국전자통신연구원
대전광역시 유성구 가정로 218 (가정동) (72) 발명자
문승언
대전 유성구 노은로 71, 1409호 (노은동, 노은스 타돔아파트)
최낙진
대전시 유성구 송강로42번길 청솔아파트 205동 805호
이형근
대전 유성구 송림로 13, 502동 1701호 (하기동, 송림마을1단지아파트)
(74) 대리인 특허법인 고려 전체 청구항 수 : 총 1 항
(54) 발명의 명칭 전자 후각 소자 및 그 제조방법
(57) 요 약
본 발명은 전자 후각 소자의 구조를 제공한다. 이 전자 후각 소자는 리세스 영역이 제공된 제 1 영역 그리고 상 기 제 1 영역의 외곽을 점유하는 제 2 영역을 갖는 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 상기 리세스 영역과 연결되 는 다수의 구멍을 가지는 제 1 멤브레인, 상기 제 1 멤브레인 상에 제공되며, 상기 리세스 영역과 연결되는 다수 의 구멍을 가지는 발열저항체, 상기 제 1 멤브레인 상에 제공되어 상기 발열저항체를 덮으며 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지는 제 2 멤브레인, 상기 제 1 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 제공되는 감지전 극, 상기 제 2 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 제공되는 발열저항체 패드 및 감지전극 패드, 및 상기 제 1 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 교대로 제공되는 가스흡수체 및 가스센서를 포함할 수 있다.
대 표 도
- 도2이 발명을 지원한 국가연구개발사업 과제고유번호 10035570 부처명 지식경제부
연구관리전문기관 한국산업기술평가관리원
연구사업명 산업원천기술개발사업(ETRI연구개발지원사업)
연구과제명 스마트＆그린 빌딩용 자가충전 지능형 센서노드 플랫폼 개발 기 여 율 1/1
주관기관 한국전자통신연구원 연구기간 2010.03.01 ~ 2015.02.28
특허청구의 범위
청구항 1리세스 영역이 제공된 제 1 영역 그리고 상기 제 1 영역의 외곽을 점유하는 제 2 영역을 갖는 기판;
상기 기판 상에 제공되며, 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지는 제 1 멤브레인;
상기 제 1 멤브레인 상에 제공되며, 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지는 발열저항체;
상기 제 1 멤브레인 상에 제공되어 상기 발열저항체를 덮으며 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지 는 제 2 멤브레인;
상기 제 1 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 제공되는 감지전극;
상기 제 2 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 제공되는 발열저항체 패드 및 감지전극 패드; 및 상기 제 1 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 교대로 제공되는 가스흡수체 및 가스센서를;
포함하는 전자 후각 소자.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 전자 후각 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 미세기전집적시스템(MEMS) 기술을 이용한 전자 [0001]
후각 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
가스 센서를 이용한 인간의 후각을 모사하는 연구는 오래 전부터 이루어져 왔다. 전자 후각 시스템은 상용화된 [0002]
가스 센서와 더불어 컴퓨터 중앙 정보 처리 장치, 인식 데이터베이스, 그리고 신경망 회로를 모사한 신호 처리 알고리즘의 발전으로 인해 개발이 활발히 이루어지고 있다.
전자 후각 시스템에서 가스 센서는 특정 가스에 대한 선택성과 수 ppb(parts per billion) 농도의 가스도 측정 [0003]
할 수 있는 감도 특성을 포함해야한다. 그러므로, 도 1에 도시된 것과 같이 전자 후각 시스템은 측정가스 전처 리부(10), 가스압축기(20), 가스센서 어레이(30), 측정가스 제어부(40), 정보표시장치(50), 정보처리모듈(60), 및 전원장치(70) 등으로 구성된다.
실험실 수준에서는 전자 후각 시스템은 종래 기술을 적용한 큰 가스 농축기와 각각의 가스 센서로 구성된 가스 [0004]
센서 어레이를 결합하여 제작하지만, 샘플이 시간에 따라 변질되거나 환경이 변하는 조건 등에서와 같이 필드에 서 실시간으로 사용하고자 하는 경우에는 제약을 갖게 된다. 그러므로, 다양한 서비스에 이용되기 위해 가능한 전력소모가 적으면서도 크기가 작은 가스 농축기와 가스 센서 어레이가 요구된다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 휴대할 수 있으며 소모 전력이 현저히 줄고 소자 제작 공정이 쉬운 전 [0005]
자 후각 소자를 제공하는 데 있다.
과제의 해결 수단
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 전자 후각 소자 및 그 제조방법이 제시된다.
[0006]
본 발명에 따른 전자 후각 소자는 리세스 영역이 제공된 제 1 영역 그리고 상기 제 1 영역의 외곽을 점유하는 [0007]
제 2 영역을 갖는 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지는 제 1 멤 브레인, 상기 제 1 멤브레인 상에 제공되며, 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지는 발열저항체, 상기 제 1 멤브레인 상에 제공되어 상기 발열저항체를 덮으며 상기 리세스 영역과 연결되는 다수의 구멍을 가지
는 제 2 멤브레인, 상기 제 1 영역 내의 상기 제 2 멤브레인 상에 제공되는 감지전극, 상기 제 2 영역 내의 상 기 제 2 멤브레인 상에 제공되는 발열저항체 패드 및 감지전극 패드, 및 상기 제 1 영역 내의 상기 제 2 멤브레 인 상에 교대로 제공되는 가스흡수체 및 가스센서를 포함할 수 있다.
발명의 효과
본 발명의 일 예에 따르면, 전자 후각 소자는 멤브레인들에 다수의 구멍이 뚫려있으며 구멍을 통해 멤브레인의 [0008]
하부면을 일정두께 식각함으로써 전력 소모를 줄이고 수명일 늘릴 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, MEMS형 가스 농축기와 MEMS형 가스 센서 어레이를 하나의 기판에 구현함으로써 초소 [0009]
형 저전력 특성을 가질 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 기존의 전자 후각 소자를 나타낸 블록도이다.
[0010]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 후각 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 감지물질 및 기준물질의 형태를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 후각 소자를 나타낸 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 본 발명에 따른 전자 후각 소자를 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
[0011]
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 [0012]
것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양 한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 전자 후각 소자에 대해 상세히 설명하기로 한다.
[0013]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 후각 소자를 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 2의 감지물질 및 기준물질 [0014]
의 형태를 나타낸 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 후각 소자(1)는 복수개의 리세스 영역들(112)을 갖는 제 1 [0015]
영역(A) 그리고 제 1 영역(A)의 외곽을 이루는 제 2 영역(B)을 포함하는 기판(110)을 포함할 수 있다. 기판 (110) 상에는 리세스 영역(112)과 연결된 다수의 구멍을 각각 가지는 제 1 멤브레인(120)과 제 2 멤브레인(14 0)이 순차 적층되어 있을 수 있다. 제 1 멤브레인(120) 상에는 발열저항체(130)가 제공될 수 있다. 발열저항체 (130)는 기판(110)의 제 1 영역(A)에 한정되어 제공될 수 있다. 제 2 멤브레인(140) 상에는 감지전극(150), 발 열저항체 패드(160), 감지전극 패드(170), 가스 흡수체(190), 및 가스센서(200)가 제공될 수 있다. 감지전극 (150)과 가스흡수체(190) 그리고 가스센서(200)는 제 1 영역(A)에 제공될 수 있고, 발열저항체 패드(160)와 감 지전극 패드(170)는 제 2 영역(B)에 제공될 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 다른 예로, 기판(110)은 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘 [0016]
(MgO), 석영(quartz), 갈륨-질소(GaN), 갈륨-비소(GaAs), 폴리카보네이드(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI) 및 이들의 조합들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제 1 멤브레인(120)은 단일 또는 다층의 산화 실리콘막이나 질화 실리콘막을 포함할 수 있다. 제 1 멤브레인 [0017]
(120)은 열산화 증착법, 스퍼터링 증착법, 및 화학 기상 증착법중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 제 1 멤브레인(120)은 그 하면이 리세스 영역(112)에 의해 노출될 수 있다. 제 1 멤브레인(120)은 발열저항체(130)를 지지할 수 있으며, 리세스 영역(112)의 형성을 위한 식각 공정시 발열저항체(130)를 보호할 수 있다. 제 1 멤브 레인(120)은 리세스 영역(112)과 연결된 다수의 구멍을 포함할 수 있다. 제 1 멤브레인(12)의 구멍들은 사진공 정과 식각공정을 통해 형성될 수 있으며 기판(110)의 식각에 이용될 수 있다.
발열저항체(130)는 가령 금(Au), 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 이들의 조합들 중 어느 하나를 포함할 수 [0018]
있다. 다른 예로, 발열저항체(130)는 실리콘 또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 발열저항체(130)는 가스감지
특성을 향상하기 위해 주변온도를 상승시킬 수 있다. 발열저항체(130)는 다수의 구멍을 포함할 수 있다. 발열저 항체(130)의 구멍들은 사진공정과 식각공정을 통해 형성될 수 있으며 기판(110)의 식각에 이용될 수 있다. 발열 저항체(130)는 제 1 영역(A)에 제공될 수 있으며 인터디지털(inter-digital) 형태 또는 갭(gap) 형태일 수 있다. 발열저항체(130)는 스퍼터링 증착법, 전자빔 증착법, 및 기화 증착법 중 어느하나를 이용하여 형성할 수 있다.
발열저항체(130)의 접착력을 더 높이기 위해 제 1 멤브레인(120) 상에 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)을 이용한 부착 [0019]
층(미도시)을 포함할 수 있다. 부착층은 스퍼터링 증착법, 전자빔 증착법, 및 기화 증착법 중 어느 하나를 이용 하여 형성할 수 있다. 발열저항체(130)는 발열저항체 패드(160) 또는 본딩와이어에 의하여 외부회로와 연결될 수 있다.
제 2 멤브레인(140)은 단일 또는 다층의 산화 실리콘막이나 질화 실리콘막을 포함할 수 있다. 제 2 멤브레인 [0020]
(140)은 열산화 증착법, 스퍼터링 증착법, 및 화학 기상 증착법중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 제 2 멤브레인(140)은 발열저항체(130)와 감지전극(150) 사이에 위치하며 발열저항체(130)와 감지전극(150)을 전기적 으로 절연할 수 있다. 제 2 멤브레인(140)은 발열저항체(130)를 지지할 수 있다. 제 2 멤브레인(140)은 다수의 구멍을 포함할 수 있다. 제 2 멤브레인(140)의 구멍들은 사진공정과 식각공정을 통해 형성될 수 있으며 기판 (110)의 식각에 이용될 수 있다.
감지전극(150)은 가스센서(200)의 가스 흡착 및 탈착에 따른 저항이나 전압의 변화를 외부로 출력할 수 있다.
[0021]
감지전극(150)은 제 1 영역(A)에 제공될 수 있으며, 가스센서(200)의 양측 하단부에 제공될 수 있다. 감지 전극 (150)은 가령 백금(Pt), 알루미늄(Al), 금(Au), 및 전도성 금속 산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 감지전 극(150)은 스퍼터링 증착법, 전자빔 증착법, 및 기화 증착법중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 감지전극 (150)은 신호전달을 위한 감지전극 패드(170) 또는 본딩와이어에 의하여 외부회로와 연결될 수 있다.
감지전극(150) 상에 가스센서(200) 부분을 제외한 부분에 보호층(미도시)을 포함할 수 있다. 보호층은 실리콘 [0022]
또는 질화 실리콘을 포함할 수 있다. 보호층은 열산화 증착법, 스퍼터링 증착법, 및 화학 기상 증착법중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
발열저항체 패드(160) 및 감지전극 패드(170)는 상부면이 제 2 멤브레인(140)의 개구부(140a)에 의해 노출될 수 [0023]
있다. 발열저항체 패드(160) 및 감지전극 패드(170)는 스퍼터링 증착법, 전자빔 증착법, 및 기화 증착법중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 발열저항체 패드(160) 및 감지전극 패드(170)는 발열저항체(130) 및 감지전극 (150)과 같거나 유사한 물질을 포함할 수 있다. 가령, 발열저항체 패드(160)는 금(Au), 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 이들의 조합들 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 감지전극 패드(170)는 가령 백금(Pt), 알루미늄 (Al), 금(Au), 및 전도성 금속 산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
가스흡수체(190)는 가스센서(200)의 양 측에 일정한 간격을 두고 제공될 수 있다. 가스흡수체(190)는 가스를 일 [0024]
정 시간 흡착한 후 탈착하여 측정 신호를 증폭함으로써 센서의 감도를 높일 수 있다. 가스흡수체(190)는 가령, 하이퍼브랜치 카르보실란(hyperbrach carbosilane), 유기포스페이트(organophosphate), 및 니트로아로매틱 (nitro-aromatic) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
가스센서(200)는 반도체식 가스센서(210), 접촉연소식 가스센서(220), 및 전기화학식 가스센서(230) 중 적어도 [0025]
어느 하나를 포함할 수 있다. 반도체식 가스센서(210)와 접촉연소식 가스센서(220)는 가스를 흡착할 때의 온도 변화에 따른 저항 변화로 가스를 감지할 수 있다. 가령, 반도체식 가스센서(210) 및 접촉연소식 가스센서(220) 중 적어도 어느 하나는 금속 산화물, 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube), 및 그래핀(grapheme) 중 어느 하나에 백금 또는 팔라듐 등과 같은 귀금속을 첨가한 물질을 포함할 수 있다. 반도체식 가스센서(210) 및/또는 접촉연 소식 가스센서(220)는 솔-겔법, 전기방사법, 잉크젯 프린팅법, 스크린 프린팅법, 스퍼터링 증착법, 및 화학 기 상 증착법 중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
전기화학식 가스센서(230)는 기준물질(232), 고체전해질(234), 및 감지물질(236)을 포함할 수 있다. 기준물질 [0026]
(232)은 도 3에 도시된 것과 같이 인터디지털(22), 그리드형(24), 및 사각형(26) 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다. 기준물질(232)은 감지하려는 가스와 반응성이 없는 물질을 포함할 수 있다. 가령, 기준물질(232)은 백 금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 금(Au), 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 예 로, 기준물질(232)은 고체전해질(234)의 전해질 종류에 따라 Ag2SO4, Na2Ti6O13-TiO2, Li2TiO3-TiO2, LiMn2O4, LiCoO2-Co3O4, Na2ZrO3-ZrO3, 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 기준물질(232)은 열증착법, 스퍼터 링법, 스크린 프린팅법, 솔-겔법, 화학적 기상 증착법, 원자층 증착법, 및 잉크젯 프린팅법 중 어느 하나일 수
있다.
고체전해질(234)은 절연체이면서 전기가 통하는 물질을 포함할 수 있다. 고체전해질(234)의 내부에서 이온이 대 [0027]
략 10-6~10-2Ω-1cm-1의 속도로 이동할 수 있다. 고체전해질(234)은 Ag+, Cu+, NA+, Li+, 및 H+ 중 어느 하나의 양이온 또는 O2-, F-, Cl-, 및 I- 중 어느 하나의 음이온이 이동할 수 있다. 가령, 고체전해질(234)은 YSZ (yttria stabilized zirconia), K2CO3, NASICON(Na1+xZr2SixP3-xO12), β-Al2O3(Na2O·11Al2O3), Li3PO4, LISICON(Li2+2xZn1-xGeO4), LIPON(lithium phosphorous oxynitride), Li2CO3-MgO, Li2SO4, Li4SiO4, Li14ZnGe4O16, γ-Li3.6Ge0.6V0.4O4, Li3N, Li-β-alumina, Li1+xTi2-xMx(PO4)3 (M=Al, Sc, Y or La), LixLa2/3-xTiO3 (LLTO, lithium lanthalium titanium oxide), 및 LATP(lithium aluminum titanium phosphate) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
고체전해질(234)은 열증착법, 스퍼터링법, 스크린 프린팅법, 솔-겔법, 화학적 기상 증착법, 원자층 증착법, 및 잉크젯 프린팅법중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
감지물질(236)은 도 3에 도시된 것과 같이 인터디지털(22), 그리드형(24), 및 사각형(26) 중 어느 하나의 형상 [0028]
을 가질 수 있다. 감지물질(236)은 감지하려는 가스와의 반응에 의해 기전력 변화를 일으키는 금속과 감지하려 는 가스와 반응성이 없는 산화물을 포함할 수 있다. 가령, 감지물질(236)의 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리 듐(Ir), 텅스텐(W), 및 금(Au) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 감지물질(236)의 산화물은 고체 전해질(234)의 전해질 종류에 따라 Na2CO3 또는 혼합 Na2CO3 (예: Na2CO3-BaCO3, Na2CO3-Li2CO3, Li2CO3-BaCO3, Li2CO3-CaCO3 등), 및 Li2CO3 또는 혼합 Li2CO3 (예: Li2CO3-BaCO3, Li2CO3-SrCO3, Li2CO3-CaCO3 등) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전자 후각 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 다른 실시예에 따른 전자 후각 소자 [0029]
는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 후각 소자의 구조와 동일 또는 유사하다. 이에 따라, 다른 실시예에 대해 서는 일 실시예와의 차이점을 중심으로 기술한다.
도 4를 참조하면, 전자 후각 소자(2)는 가스흡수체(190) 및 가스센서(200)가 반대면에 서로 마주보며 제공될 수 [0030]
있다. 가스흡수체(190)와 가스센서(200)는 기판(110)을 기준으로 대칭일 수 있다. 가스흡수체(190)에 흡착된 가 스를 탈착하여 가스센서(200)로 이동시키기 위해, 기판(110)의 제 1 영역(A)을 일부 식각하여 가스흐름용 구멍 (250)을 형성할 수 있다. 가스 흐름용 구멍(250)은 가스흡수체들(190) 사이로부터 가스센서들(200) 사이까지 기 판(110)의 제 1 영역(A)을 식각하여 형성할 수 있다. 가스흐름용 구멍(250)은 원통형, 직육면체, 또는 원뿔형 형상일 수 있다. 가스흐름용 구멍(250)은 가스가 투과할 수 있는 반투과막이 코팅될 수 있다.
가스흡수체(190)가 있는 기판(110)의 상면 상의 제 2 영역(B)에는 발열저항체 패드(160)만이 제공되며 가스센서 [0031]
(200)가 있는 기판(110)의 하면 상의 제 2 영역(B)에는 발열저항체 패드(160)와 감지전극 패드(170)가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 후각 소자는 소모 전력을 최소화하면서 대량생산에 의한 낮은 가격으로 휴대용 [0032]
스마트 단말기나 초소형 센서 노드 등의 다양한 환경에서 적용할 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어 [0033]
나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상 태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
부호의 설명
1, 2: 전자 후각 소자 110: 기판 [0034]
120: 제 1 멤브레인 130: 발열저항체 140: 제 2 멤브레인 150: 감지전극 160: 발열저항체 패드 170: 감지전극 패드 190: 가스흡수체 200: 가스센서
232: 기준물질 234: 고체전해질 236: 감지물질 250: 가스흐름용 구멍
