Development of Battery-free SAW Integrated Microsensor for Real Time Simultaneous Measurement of Humidity and $CO_2$ component

습도와 CO

농도의 실시간 동시감지를 위한 무전원 SAW 기반 집적 센서 개발

임천배·이기근*·왕웬·양상식 아주대학교 전자공학과

Development of Battery-free SAW Integrated Microsensor for Real Time Simultaneous Measurement of Humidity and CO₂ component

Chun-Bae Lim, Kee-Keun Lee*, Wen Wang and Sang-Sik Yang Department of Electronics Engineering, Ajou University

초 록: 상대습도와 CO2기체의 실시간 동시 감지가 가능한 표면탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave) 기반의 무선,

무전원 센서가 개발 되었다. 본 소자는 41^o YX LiNbO3기판 위에 만들어졌으며, 반사 지연선의 구조로 이루어져 있다.

본 논문의 반사 지연선은 양방향 감지가 가능한 Interdigital transducer(IDT)와 10개의 리플렉터(reflector)로 이루어져 있 다. 감지 필름은 Teflon AF 2400과 친수성의 SiO2층이 이용 되었으며, 이는 각각 CO2와 상대 습도의 감지를 담당한다.

소자의 제작에 앞서 최적의 소자 설계 조건들을 도출하기 위해 Couple of mode(COM) 모델링이 실시 되었다. 시뮬레이 션 결과를 반영하여 소자의 제작이 진행 되었으며, 네트워크 분석기를 이용하여 무선 측정이 실시 되었다. 시간 영역에서 측정된 반사계수 S11은 높은 신호 대 잡음 비, 작은 신호 감쇠, 적은 허위 피크를 보였다. 제작된 소자는 각각 75~375ppm 의 CO2 범위와 20~80%의 상대 습도 범위에서 측정되었으며, 각각 2^o/ppm의 CO2 민감도, 7.45^o/%의 상대습도에 대한 민 감도를 보였고, 좋은 선형성과 반복성을 보였다. 또한 민감도 측정 과정에서 온도와 습도의 보상 과정을 거쳐 더욱 정확 한 민감도를 갖도록 하였다.

Abstract: A 440MHz wireless and passive surface acoustic wave (SAW) based chemical sensor was developed on a 41^o YX LiNbO3 piezoelectric substrate for simultaneous measurement of CO2 gas and relative humidity (RH) using a reflective delay line pattern as the sensor element. The reflective delay line is composed of an interdigital transducer (IDT) and several shorted grating reflectors. A Teflon AF 2400 and a hydrophilic SiO2 layer were used as CO2 and water vapor sensitive films. The coupling of mode (COM) modeling was conducted to determine optimal device parameters prior to fabrication. According to simulation results, the device was fabricated and then wirelessly measured using the network analyzer. The measured reflective coefficient S11 in the time domain showed high signal/noise (S/N) ratio, small signal attenuation, and few spurious peaks. In the CO2 and humidity testing, high sensitivity (~2^o/ppm for CO2 detection and 7.45^o/%RH for humidity sensing), good linearity and repeatability were observed in the CO₂ concentration ranges of 75~375ppm and humidity levels of 20~80%RH. Temperature and humidity compensations were also investigated during the sensitivity evaluation process.

Keywords: CO2, humidity, reflective delay line, wireless, SAW chemical sensor

1. 서 론

1970년대 이후부터 최근까지 표면탄성파(Surface Acoustic Wave)를 기반으로 한 가스 센서는 높은 민감도 와 빠른 반응시간, 안정성 등의 장점으로 인해 많은 연구 가 진행되고 있다.^1,2)전형적인 표면탄성파 기반 가스센 서는 압전기판 위에 두 개의 지연선 발진기(delay line oscillator)로 이루어져 있으며, 하나의 지연선은 가스 감 지 필름이 도포되고 다른 지연선은 가스 감지 대비층으 로 쓰인다. 감지방식은 가스 감지 필름에 의해 흡수된 특

정 가스는 표면탄성파의 속도의 변화를 야기하고, 이로 인한 지연선 발진기의 공진 주파수 변화량을 얻어냄으로 써 두 지연선의 비교를 통해 가스의 농도를 측정할 수 있 다. 그러나 많은 성공적인 연구에도 불구하고, 기존의 표 면탄성파 기반의 가스센서는 원하지 않는 환경요소의 간 섭 효과, 복잡한 측정 시스템의 문제 등으로 인해 어려움 을 겪고 있다.

최근에는 무선 센서 시스템이 주목되면서, 반사 지연선 (Reflective delay line)의 표면탄성파 센서가 물리와 화학 센서에 많이 응용되고 있다. 반사 지연선의 표면탄성파

*Corresponding author E-mail: [email protected]

센서는 파의 진행 방향에 IDT(Interdigital Transducer)와 여러 개의 리플렉터(Reflector)로 이루어져 있으며, 리플 렉터 사이에 가스 감지 필름이 증착되어 있다. Springer 등은 반사 지연선을 이용한 무선 표면탄성파 센서 응용 에 대하여 보고 하였다.³⁾ Wang 등은 반사 지연선 구조를 이용한 CO2가스 센서에 대하여 최초 보고 하였고, 높은 감도와 좋은 선형성을 보였다. CO2는 화산의 폭발, 삼림 화재, 화력 발전, 자동차등의 연소를 통하여 주로 발생하 며 이와 같은 환경을 실시간으로 감지하고 즉각적으로 대 처할 수 있는 무선 센서 시스템의 개발이 요구된다. 그러 나 위의 논문에서 개발된 소자는 훌륭한 성능이 입증 되 었음에도 불구하고 다중 환경요소에 대한 고려를 하지 못 하여 한정된 조건에서만 응용이 가능하다. 그러므로 더 욱 정확한 정보를 위해 습도, 온도와 같은 다중 간섭 요 소에 대한 정보와 그에 대한 보상이 필요하다.

본 논문에서는 이를 고려한 습도, CO2, RF ID 태그가 집적된 440 MHz 중심 주파수의 무선 표면탄성파 기반 화 학 센서를 소개하고 있다. 압전기판은 빠른 전달속도 (4792 m/s), 높은 기계결합상수(K²: ~17.2%)의 특성을 가 진 41^o YX LiNbO₃를 사용하였다.⁵⁾ CO₂ 감지필름은 Teflon AF 2400(from Dupont)를 사용하였고, 이는 CO2에 대하여 매우 높은 용해도와 투과성, 선택성을 가진다.⁶⁾ 습도감지를 위한 필름은 친수성의 SiO2를 사용하였고, 이 는 상대습도에 대한 높은 민감도와 빠른 응답시간을 보 이고 열적, 화학적으로 안정성이 뛰어나다.⁷⁾습도센서 집 적의 또 다른 이유는 CO2 감지필름인 Teflon AF 2400의 습도에 대한 영향을 보상하여 정확한 CO2의 농도를 알아 내기 위해서이다.

Fig. 1은 본 논문의 표면탄성파 집적센서 시스템의 개 략도를 나타내고 있다. IDT가 네트워크 분석기 (interrogation unit)로부터 송신된 전자기파를 안테나를 통 하여 수신하면, 기판의 전파 방향을 따라 표면탄성파가 양방향으로 생기게 된다. 전파하는 표면탄성파는 각각의 리플렉터(reflector)와 감지 필름으로부터 부분적으로 반 사된다. 반사된 표면탄성파는 IDT에 의해 전자기파로 재 변환 되어 안테나를 통해 네트워크 분석기로 재송신된다.

네트워크 분석기의 시간 영역에서는 반사된 피크들이 IDT 로부터의 거리에 따라 각각 배열된다. 리플렉터와 감지 필

름의 적절한 배열에 의해 RFID 태그와 가스, 습도의 정 보를 추출할 수 있다.

ID 태그는 연속되는 4개의 반사기로 구성되어 바코드 의 형태로 나타낼 수 있다. CO2 가스와 상대습도의 감지 필름 위로의 흡착은 질량적재효과(mass loading effect)에 의하여 표면탄성파의 속도변화를 야기하고, 따라서 리플 렉터 피크의 변화를 야기한다. 이 변화량은 가스농도, 상 대습도의 변화에 따라 선형성을 지닌다. 이를 이용하여 CO₂농도, 상대습도의 정보를 얻을 수 있다. 최적의 설계 조건들을 얻어내기 위해 COM (Coupling of Mode) 모델 링을 실시 하였다. 또한 온도보상을 위해 차이의 방법 (Method of Difference: MOD)을 이용하였다.⁸⁾

2. 이론적 배경

일반적으로 표면탄성파의 전파속도는 여러 가지 요소 에 의해 변화된다. 그 중에서 감지에 가장 효과적인 매개 변수는 질량적재 (mass loading, m), 도전율 (conductivity, σ), 탄성 (elasticity, c) 효과이다. 질량적재 효과는 QCM (Quartz Crystal Microbalance)과 유사한 형태의 방식으로 목표 기체의 흡착된 양에 따라 공진 주파수, 표면탄성파 속도 등의 변화를 감지할 수 있는 매개 변수이다. 도전율 변화는 전도성 물질인 감지 필름이 외부의 환경(기체, 액 체 등)과 반응하여 산화환원 반응 또는 전하 이동의 과정 을 통하여 발생되는 결과이다. 이는 표면탄성파 센서에 전 파속도의 변화와 신호의 감쇠를 야기한다. 탄성 변화는 중합체(polymer)의 필름을 사용하는 경우에 중요한 매개 변수이며, 증기 (vapor) 혹은 목표 기체가 흡착 되었을 때 필름의 물리적 성질인 bulk modulus(K)와 shear modulus(G)가 변화된다. 이는 표면탄성파의 속도와 신호 감쇠를 야기한다. 이 매개변수들이 전파속도에 미치는 효 과를 식으로 나타내면 다음과 같다.⁹⁾

(1)

여기서 cm은 질량감도계수, ce는 탄성 계수, f0는 중심주 파수, ∆(m/A)는 단위면적당 질량의 변화를 나타내고, K² 는 기계결합상수를 나타낸다. 는 감지필름의 두께를 나

∆v v₀

--- –c_mf₀∆ m A( ⁄ ) 4c_ef₀(∆hG′) K²

---2∆ σ_s² σ_s²+v₀²C_s² --- –

+

=

Fig. 1. Schematic diagram of wireless chemical sensor system.

타내고, σs는 필름의 면 전도율 (sheet conductivity), C_s(=εs+ε0)는 기판의 단위길이당 전기용량을 나타낸다. 또 한 매개변수들의 신호감쇠효과는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

위의 식 (1), (2)를 보면 질량적재의 효과는 오직 전파 속도의 변화만을 야기하고, 필름의 전도율과 탄성의 변 화는 전파 속도와 신호 감쇠를 야기하는 것을 잘 나타내 고 있다. 본 논문에서는 전파속도 변화에 따른 위상 각 변 화를 센서의 출력 값으로 사용하였다. 또한 본 논문에서 의 감지 필름인 SiO2(dielectric constant=3.9)와 Teflon AF 2400(dielectric constant =1.9)은 유전체이므로 전도율의 변화로 인한 효과는 무시할 수 있다. 결과적으로 센서의 민감도는 감지 필름의 질량적재와 탄성 변화만 영향을 준 다고 할 수 있다.

센서의 기본적인 동작원리는 CO2 가스, 증기에 민감한 감지 필름이 목표 기체/증기를 물리/화학적으로 흡수하게 되고, 이로 인해 질량적재효과와 탄성변화가 발생하게 된 다. 이는 표면탄성파의 속도 변화를 야기하고, 감지필름 을 사이에 둔 두 리플렉터의 반사 신호의 도달 시간차 (∆τ⁾가 변하게 된다. 이 차이를 이용하여 특정 기체의 농 도를 감지할 수 있게 된다. 이를 식으로 나타내면

(3) 로 표현할 수 있다. 여기서 ∆Φ는 피크의 도달 시간차 (∆τ⁾에 따른 위상각 변화를 의미하고, l은 두 리플렉터 사 이의 거리를 뜻한다. 또한 f0는 중심주파수 440 MHz를 의 미하고 ∆v는 질량적재효과와 탄성 변화에 따른 표면탄성 파의 속도변화를 의미한다.

3. SAW 소자에 대한 COM 시뮬레이션

COM 모델링은 표면탄성파 소자의 설계에 있어 매우 효과적이고 유연한 방법이다.¹⁰⁾반사 지연선의 설계를 위 해 각각의 리플렉터와 IDT가 분석 되었다. 그리고 mixed P-matrix와 FFT program을 사용하여 시간영역에서의 반

사계수 S11을 도출 하였다. IDT와 리플렉터를 위한 COM 방정식은 그림 2과 같이 표면탄성파의 전후 방향과 그것 들의 결합 상호작용을 다룬다. R(x)와 S(x)는 전후 방향 의 두 탄성파의 크기를 나타낸다. Fig. 2의 IDT 부분을 이 용하여 COM 모델링에서 세 개의 등식이 연립될 수 있고, 그 결과 P-matrix의 모든 매개 변수가 아래와 같이 표현될 수 있다.

(4)

여기서 L은 IDT의 길이를 나타낸다. 리플렉터는 shorted grating 리플렉터가 사용되었으며, 이는 높은 반사 도를 가지고 허위 신호들의 세기를 줄일 수 있다. Fig. 2 의 리플렉터 부분에서 Shorted grating 리플렉터를 위한 COM 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(5)

여기서 δ는 디튜닝 요소를 나타내고, κ는 반사도를 나 타낸다. 식 (5)에 대한 2×2 P-matrix는 아래와 같이 나타 낼 수 있다.

(6)

그 이후 종속관계를 이용하여 각각의 IDT 부분의 P- matrix와 IDT와 첫번째 리플렉터의 전달 행렬을 종속시 켜 통합형 PTIDT로 표현할 수 있다.¹¹⁾또한 리플렉터를 위 한 P matrix도 통합형 PTref로 종속시킬 수 있다. 결과적으 로 전체 소자의 어드미턴스 행렬은 아래와 같이 표현할 수 있다.

(7)

여기서

,

∆α ---k 4c_ef₀

v_o²

---∆ hG''( ) K²

---2∆ v₀C_sσs σs

2+v_o²C_s² --- +

=

∆Φ 2πf₀∆τ 2πf₀ 2l v₀ ---

× ∆v

v₀ ---

⎝ ⎠⎛ ⎞

×

=

=

S 0( ) R L( ) I

P_IDT11P_IDT12P_IDT13 P_IDT21P_IDT22P_IDT23 P_IDT31P_IDT32P_IDT33

R 0( ) S L( ) V

=

dR x( )

---ds =–iδR x( ) iκS x+ ( ) dS x( )

---dx =–iκ*R x( ) iδS x+ ( )

⎩⎪

⎨⎪

⎧

S 0( ) R L( )

P_ref11P_ref12 P_ref21P_ref22

R 0( ) S L( )

=

Y y₁₁y₁₂ y₂₁y₂₂

=

y₁₁ P_TIDT33 P_Tref11P_TIDT32P_TIDT23 1–P_Tref11P_TIDT22 --- +

=

Fig. 2. SAW schematic and variables for COM theory of the IDTs and reflectors.

, ,

최종적으로 반사계수 S11은 어드미턴스 행렬을 사용하 여 아래와 같이 나타낼 수 있다.

(8)

여기서 YG는 공급원과 부하의 어드미턴스를 나타낸다.

결국 주파수 영역의 반사계수 S11은 FFT 프로그램을 통하 여 시간영역으로 변환될 수 있어 원하는 결과를 얻어낼 수 있다.

센서 제작을 위해 중심 주파수는 440 MHz, 압전기판은 41^o YX LiNbO3, 리플렉터는 10개의 shorted grating 리플렉 터로 선정하여 시뮬레이션이 실시 되었다. Fig. 3은 20개 의 핑거(finger) 개수, 50λ의 전파 구경(aperture), 10개의 리 플렉터를 가지는 소자에 대한 반사계수 S11의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과를 통해 뚜렷하고 선명한 반사 피크와 높은 신호 대 잡음 비를 관찰할 수 있었다.

4. 제 작

Fig. 4는 소자의 제작 공정도를 나타내고 있다. 압전기 판은 500 µm 두께의 41^o YX LiNbO₃가 사용되었다. 습도 의 감지와 보상을 위해 50 nm의 SiO2층이 IDT의 왼쪽 편 에 증착되었으며, plasma enhance chemical vapor deposition (PECVD)를 이용하였다. PECVD를 이용하여 증착된 SiO2는 비정질, 다공성의 특징을 지니므로 습도에 대한 민감도가 높다. 그 이후 electron beam evaporator에 의해 150nm의 알루미늄이 증착되었다. 증착한 알루미늄 에 사진 공정을 통하여 IDT와 리플렉터의 형태를 현상하

y₁₂ P_Tref13P_TIDT32 1–P_Tref11P_TIDT22 ---

= y₂₁ P_Tref31P_TIDT23

1–P_Tref11P_TIDT22 ---

=

y₂₂ P_Tref33 P_TIDT22P_Tref13P_Tref31 1–P_Tref11P_TIDT22 --- +

=

S₁₁ (Y_G–y₁₁)×(Y_G+y₂₂) y+ ₁₂×y₂₁ Y_G+y₁₁

( )×(Y_G+y₂₂) y– 12×y₂₁ ---

=

Fig. 3. Simulated S11 in (a) frequency and (b) time domain.

Fig. 4. Fabrication procedure of the SAW gas sensor.

고 습식 식각을 통하여 패턴 하였다. Teflon AF 필름은 매 우 비활성적인 표면특성을 보인다. 그러므로 Teflon 필름 의 접착력 향상을 위하여 50 nm의 금 층이 리프트-오프 (lift-off) 방법에 의하여 패턴 되었다.

그 이후 투명한 필름 마스크를 정렬시킨 다음 열려있 는 부분을 통하여 Teflon AF 필름이 분사 코팅 되었다. 또 한 무선 측정을 위하여 두 개의 이차원 다이폴 안테나 (10 cm×10 cm)를 제작하였다. 8 mm두께의 RO4003 기판 (dielectric constant k=3.38)을 이용하였고, 중심 주파수는 440 MHz, 대역폭은 21 MHz의 특성을 지니고 있다.

5. 결과 및 고찰

5.1 제작된 소자

Fig. 5는 제작된 소자의 광학 현미경 사진이다. IDT의 핑거(finger) 개수는 40개, 핑거의 폭은 2.5 µm이다. 또한 IDT의 두께는 150 nm이고 전파 구경은 ~1mm(100 λ)이다.

열 개의 shorted grating 리플렉터가 진행 방향의 양단에 나열 되어 있고, 그 중 4개는 ID 태그로, 2개는 CO2감지 기로, 또 다른 2개는 습도 감지기로, 나머지 2개는 온도

보상 부분으로 이루어져 있다. IDT와 첫 번째 반사기의 거리는 반사 피크의 도달시간이 ~1.2 µs가 되는 2.67 mm 로 설계하여 제작하였는데, 이는 1 µs 이내의 주변 환경 적인 잡음 요소로부터의 적절한 격리를 시키기 위함이다.

5.2 제작된 소자의 무선측정

온도 25^oC, 상대 습도 5%, 가스를 주입하지 않은 상태 에서 10 dBm의 RF 전력이 소자에 인가되었다. Fig. 6은 무 선 실험에서 측정된 시간 영역에서의 반사피크이며, 각 피 크가 의미하는 바를 나타내고 있다. 10개의 반사기에 의 한 피크와 2개의 Teflon AF/Au, Au층의 피크를 합하여 총 12개의 피크를 관찰할 수 있었다. 또한 시간영역에서 측 정된 S11은 시뮬레이션 된 결과와 거의 일치 하였으며 큰 신호 대 잡음 비, 뚜렷한 피크를 보였다. 첫 번째 반사피 크는 약 1.2 µs에 나타났으며 S11의 크기는 약 51 dB였다.

4비트의 ID 태그를 나타내는 첫 4개의 ON 반사 피크는 뚜 렷하고 명확한 분리가 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

5.3 가스 감지 및 습도 측정 측정장비 구성

무선 측정을 위해 제작된 2개의 다이폴 안테나가 사용 되었다. 하나는 네트워크 분석기의 S11포트에 연결되고, 다른 하나는 제작된 센서에 연결되었다. Fig. 7은 측정장 비의 구성을 나타낸다. 측정을 위해 네트워크 분석기, 챔 버, 가스 센서, 온도계와 습도계, 온도 조절기가 사용되었 다. 제작된 센서는 안테나와 함께 챔버 내부에 있으며 각 각의 피크가 외부의 네트워크 분석기에서 감지되는 것을 사진으로 확인할 수 있다.

습도 측정

대기중의 습기는 표면탄성파 소자 자체의 위상변화와 비교적 높은 Teflon AF 필름의 H2O 투과성으로 인한 위 상변이를 야기한다. 그러므로 가스 감지 실험에 앞서, 습 도 센서를 이용하여 습도에 대한 민감도와 각 습도에 대 한 Teflon AF의 기본 위상변이를 체크하였다. 실질적인 CO₂의 민감도 추정을 위해 주어진 습도 하에서의 기본 Fig. 5. Optical microscope views of the fabricated devices.

Fig. 6. Measured and simulated S11 in time domain of the

fabricated gas sensor under no gas infusion. Fig. 7. Wireless measurement setup of the SAW gas sensor system.

위상 변이를 감하기 위함이다. 실험은 상대 습도 20%에 서 80%까지 5%RH 간격으로 측정 되었고, 80%의 상대 습도에서부터 시작하여 N2기체를 이용하여 상대 습도를 하강시키며 측정하였다. 제작된 센서의 습도에 대한 민 감도는 Fig. 8에 나타내었고, 민감도는 7.45^o/^oC 이며 좋은 선형성을 보였다.

CO₂측정

먼저 주어진 CO2 농도(300 ppm, 225 ppm, 150 ppm) 하 에서 제작된 센서의 응답 실험이 진행되었다. 반사피크 S11은 온도 20^oC, 상대습도 5%, 1기압, 무선 측정거리 20 cm의 환경에서 측정되었다. 주어진 CO2농도 하에서 의 CO2 흡수에 따른 시간 별 위상 각 변화는 Fig. 9(a)에 나타내었다. 위상 각의 기록은 매 5초마다 이루어졌다.

CO₂노출에 대한 응답 시간은 포화상태의 80%까지 도달 하는 시간으로 설정하였고, 그에 따른 평균 응답 시간은 40초였다. 또한 CO2제거에 대한 회복 시간은 초기값의 70%까지 도달하는 시간으로 설정하였고, 평균 회복 시간 은 약 10초였다.

측정된 결과로부터 초기값, 흡수, 포화단계, 회복 구간 이 명확하게 관찰되었다. 또한 센서의 반복성 실험을 위 해 각각 300 ppm, 225 ppm, 150 ppm의 CO2가스 펄스를 연 속적으로 인가하였다. 연속되는 각각의 농도의 CO2가스 펄스에 따라 센서의 반응도 연속적으로 이루어짐을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 결과로부터, 제작된 센서는 단기 간의 응답과 좋은 반복성을 보이는 소자임이 증명되었다.

그 이후, 센서의 CO2에 대한 민감도를 측정하기 위해 75 ppm부터 375 ppm까지 75 ppm의 간격으로 CO2농도를 변화시켜가며 실험을 실시하였다. 1기압, 온도 20^oC 의 고정된 환경과 다양한 습도의 환경에서 S11이 측정 되 었다. Fig. 9(b)는 각각의 CO2 농도에서 관찰된 반사피 크의 위상 각 변화량 (∆Φ)을 나타낸다. 여기서 위상 각 변화량은 각각의 CO2 농도에서의 포화량을 말한다. 측 정된 결과는 좋은 선형성을 보였고 CO2농도에 대한 민 감도는 약 ~2^o/ppm을 보였다. 또한 Fig. 9(b)는 습도 측

정의 결과를 토대로, 습도로 인한 위상 각 변화량을 뺀 실질적인 CO2에 대한 결과만을 나타내었다. 대체적으 로 만족할 만한 습도 보상의 결과를 보였다.

주변 환경의 온도에 따른 센서의 응답 변화를 보상하 기 위해, 센서의 최 우측에 온도 보상을 위한 부분을 집 적하였다. 두 반사기 사이의 거리는 CO2감지 부분의 반 사기 사이의 거리와 일치하게 하였고, CO2감지 부분과 동일한 두께의 Au층을 증착하였다. 온도 보상은 차이의 방법(Method of Difference)으로 실시하였으며, 온도와 CO₂ 농도의 두 영향을 받는 CO2감지 부분과 온도만의 영향을 받는 온도 보상 부분의 위상 차를 이용하여 온도 에 대한 영향을 제거할 수 있다.⁸⁾ Fig. 10은 1기압, 상대 습도 5%에서 온도 보상을 실시한 CO2 농도에 대한 위상 각 변화량을 나타낸다.

결과로부터 작은 CO2농도에서는 온도 보상이 어느 정 도 가능하나, CO2 농도가 커질수록 온도에 대한 영향이 크게 나타남을 알 수 있다. 위와 같은 현상은 CO2감지 필 름인 Teflon AF 2400의 영향인 것으로 판단되며, 감지 필 름이 Au층과 다른 열팽창 계수를 가지기 때문에 일어난 결과로 사료된다.

6. 결 론

상대 습도와 CO2가 실시간, 동시에 감지되는 새로운 무 Fig. 8. Sensitivity evaluation of the humidity sensor.

Fig. 9. (a) Typical response profile obtained from three consecutive 200sec on-off exposures at room temperature. (b) The sensitivity evaluation and humidity compensation of the fabricated SAW gas sensor toward CO2.

선 표면탄성파(SAW) 기반의 화학 센서가 제작되고 측정 되었다. 네트워크 분석기의 시간영역 S11을 통하여 제작 된 센서의 무선 감지가 실시되었다. 무선 실험을 통하여 제작된 센서의 무전원, 수동형의 특성이 증명되었으며, 각각의 피크는 인식하기 쉽도록 적절히 분리되었다. 습 도 실험을 통하여 각 상대 습도에 대한 위상 변화는 뚜렷 하게 관찰 되었고, 좋은 선형성을 보였다.

다양한 습도 측정으로부터 얻은 상대 습도에 대한 민 감도는 약 7.45^o/%RH였다. 또한 CO2실험을 통하여 제 작된 소자는 단기간에 빠른 반응을 보이고, 좋은 반복성 을 가지는 특성을 보였다. 다양한 농도 측정으로부터 얻 은 CO2에 대한 민감도는 2^o/ppm였다. 표면탄성파 소자 자 체가 가진 여러 주변환경에 민감한 특성을 상쇄하고 실 질적인 감도 측정을 위해 습도 보상과 온도 보상이 고려 되었으며, 일정 범위의 CO2농도 내에서 적절한 습도 보 상과 온도 보상이 모두 이루어졌다. 위 결과들을 통하여 제작된 센서는 높은 민감도와 신뢰성을 지닌 소자라고 말 할 수 있다.

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Fig. 10. Sensor response towards different CO₂ concentration under various temperatures.