KR100258064B1 - Pd/nicr misfet type sensor for detecting dissolved hydrogen gas in transformer oil - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A low draft Pd/NiCr MISFET(metal-insulator- semiconductor field effect transistor) sensor monitoring hydrogen gas in insulation oil of a transformer is provided to perform a remote monitoring in real time and reducing production cost by accurately and continuously measuring the hydrogen concentration. CONSTITUTION: A buried oxide layer(101) is formed on a conduction type 1 semiconductor plate(100). A conduction type 1 semiconductor layer(102) is formed on the conduction type 1 semiconductor plate(100), electrically insulated from the buried oxide layer(101). A first source(202) and a first drain(201) are formed on the semiconductor layer(102). A first bottom gate insulation layer(203) and a first top gate insulation layer(204) are formed continuously on the semiconductor layer(102), between the first source(202) and the first drain(201). A first bottom gate metal(205) and a first top gate metal(206) are formed on the first top gate insulation layer(204). A second source(302) and a second drain(301) are formed at a determined region on the semiconductor layer(102), doped with high concentration of conduction type 2 impurities. A second bottom gate insulation layer(303) and a second top gate insulation layer(304) are formed continuously on the semiconductor layer(102) between the second bottom gate insulation layer(303) and the second top gate insulation layer(304). A second bottom gate metal(305) and a second top gate metal(306) are formed on the second top gate insulation layer(304). A diode(120) is formed between the sensing transistor(200) and the reference transistor(300), doped with high concentrated conduction type 2 impurities. A heater(110) surrounds the sensing transistor(200) and the reference transistor(300). The hydrogen gas in the insulation oil of the transformer(400) is monitored to electrically separate the sensing transistor(200), reference transistor(300), diode(120) and heater(110).

Description

변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 피디/엔아이씨알 엠아이에스에프이티형 센서Low-Draft PD / NCM-FS sensor to monitor hydrogen gas in transformer insulating oil

본 발명은 변압기 절연유중의 수소가스 발생을 감시하는 수소 센서에 관한 것으로서 특히, 변압기 절연유중의 용존수소를 원격 감시할 수 있는 변압기 절연유중의 수소발생을 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen sensor for monitoring the generation of hydrogen gas in the transformer insulating oil, and more particularly, to a low-draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring the hydrogen generation in the transformer insulating oil that can remotely monitor the dissolved hydrogen in the transformer insulating oil. It is about.

일반적으로 전력용 변압기에는 절연유가 충전되게 되는데 아-크 방전, 부분 방전 및 국부과열등과 같은 변압기 내부에서 이상이 발생되면 열 분해되어 가스가 발생되며, 더욱 진행되는 경우에는 폭발하게 되는 등의 심각한 문제가 발생되는 경우도 있다.In general, the power transformer is filled with insulating oil. When an abnormality occurs in the transformer such as arc discharge, partial discharge, and local overheating, it is thermally decomposed and gas is generated. Sometimes problems arise.

따라서 변압기 절연유중의 발생가스를 주기적으로 점검하여야 하는데, 이를 위해서는 채취한 절연유 시료를 분석할 수 있는 설비가 필요하다. 그중 가스크로마토그래피를 이용한 분석법이 있으나, 이 분석법으로 분석하는데는 상당한 시간 및 고도의 기술을 갖춘 전문인력이 요구되기 때문에 이러한 점을 보완하여 실시간 발생가스를 주기적으로 검지 및 점검을 할 수 있는 센서를 이용한 검지법이 요구된다.Therefore, the generated gas in the transformer insulating oil should be periodically checked. To this end, a facility for analyzing the collected insulating oil sample is required. Among them, there is an analysis method using gas chromatography. However, this analysis requires a considerable amount of time and a highly skilled manpower. The detection method used is required.

상기 변압기 절연유중 발생되는 가스는 대부분이 탄화수소계 가스이며, 변압기의 내부이상시 수소가스는 다른 가스와 동반하여 발생되고 내부 이상이 진전됨에 따라 발생되는 수소가스의 량은 비례적으로 증가되는 경향을 보이며, 또한 기타 가스의 량이 증가할 때도 수소가스가 증가되므로 수소가스만을 검지할 수 있는 센서를 이용하여 수소 발생량을 측정함으로써 변압기의 내부이상 유무를 진단할 수 있다.Most of the gas generated in the transformer insulating oil is a hydrocarbon-based gas, and when the internal abnormality of the transformer is generated, the hydrogen gas is generated together with other gases, and the amount of hydrogen gas generated as the internal abnormality progresses tends to increase proportionally. In addition, since the hydrogen gas increases even when the amount of other gas increases, it is possible to diagnose the internal abnormality of the transformer by measuring the amount of hydrogen generated using a sensor capable of detecting only hydrogen gas.

따라서 정기적으로 가스농도의 측정이 이루어지고 있으며, 수소가스 실시간 측정장치, 예를들어 HYDRAN 201R을 사용하여 수소 발생량을 측정하기도 한다. 이 기술은 가이 비렌져(Guy Belanger)에 의해 개발된 것으로서 그 기술내용을 살펴보면 다음과 같다.Therefore, gas concentration is regularly measured, and hydrogen generation is also measured using a real-time hydrogen gas measuring device such as HYDRAN 201R. This technology was developed by Guy Belanger and the technical details are as follows.

제 1도는 변압기중의 절연유를 검지하는 전기화학적 구조를 보인다.1 shows an electrochemical structure for detecting insulating oil in a transformer.

변압기의 절연유(10)가 유입되는 채널(60)을 마련하고, 이 채널(60) 중간에 절연유중 수소가스의 통과를 허용하는 다공성 테프런 멤브레인(20)이 설치된다.A channel 60 through which the insulating oil 10 of the transformer is introduced is provided, and a porous Teflon membrane 20 is installed in the middle of the channel 60 to allow hydrogen gas in the insulating oil to pass therethrough.

그리고 채널(60)의 끝에는 소정간격을 갖는 제 1 및 제 2 다공성전극(40)(50)이 배치되며, 그 사이에 H2SO4등의 전해액(30)이 충전되어 있다. 이러한 구조에 있어서는 절연유(10)중에 용해되어 있던 수소가스가 테프런 멤브레인(20)을 통하여 제 1 다공성전극(40)에 접촉하고 일측 공동부(61)로 확산된다. 공동부(61)에 모인 수소가스는 제 1 다공성전극(40)의 표면에서 전기 화학적으로 산화된다.At the end of the channel 60, first and second porous electrodes 40 and 50 having predetermined intervals are disposed, and an electrolyte solution 30 such as H 2 SO 4 is filled therebetween. In this structure, the hydrogen gas dissolved in the insulating oil 10 contacts the first porous electrode 40 through the Teflon membrane 20 and diffuses into one cavity 61. The hydrogen gas collected in the cavity 61 is oxidized electrochemically on the surface of the first porous electrode 40.

이러한 전기적 산화는 제 2다공성전극(50)에 접촉된 산소의 전자감소(electro reduction) 와 관계 되어진다.This electrical oxidation is related to the electron reduction of oxygen in contact with the second porous electrode 50.

따라서, 전류흐름(i)이 양기되며, 이것은 전압 드롭 레지스트(Voltage Drop Resister : R)에 의해 검전된다.Thus, the current flow i is positive, which is detected by the voltage drop resist (R).

이상에서 설명된 기존의 수소검지방식은 전기 화학적인 방식의 것으로서 전해액의 화학적 상태 등에 의해 수소 검지상태가 가변될 수 있는 구조이기 때문에 전해액의 엄밀한 관리가 요구된다.Since the conventional hydrogen detection method described above is an electrochemical method and has a structure in which the hydrogen detection state can be changed by the chemical state of the electrolyte, a strict management of the electrolyte is required.

또한, 이러한 원리에 입각한 상기 장비는 실시간 절연유 검지중 수소발생을 모니터링할 수 있기는 하지만 매우 고가이기 때문에 사용자에 경비 부담이 있다.In addition, the equipment based on this principle can monitor the hydrogen generation during the detection of the insulating oil in real time, but it is very expensive, so there is a cost burden on the user.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 출원인은 선출원 특허 제 96-23699호를 통하여 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 고감도 저드레프트Pb/Pt 센서에 대하여 출원한 바 있다.In order to improve this problem, the present applicant has filed a high-sensitivity low-draft Pb / Pt sensor for monitoring hydrogen gas in the transformer insulating oil through Patent Application No. 96-23699.

상기 Pb/Pt 메이트 MISFET는 약 500ppm 이하의 저농도에서는 감도와 반응속도가 우수하지만 절연유중에서의 안정성과 온도변화에 따른 안정성, 특히 고농도에서의 가스감지에는 문제가 될 수 있다.The Pb / Pt mate MISFET has excellent sensitivity and reaction speed at low concentrations of about 500 ppm or less, but may be a problem for stability in insulating oil and stability due to temperature change, especially for gas detection at high concentrations.

따라서 본 발명의 목적은 높은 신뢰성을 가지며 제작단가가 저렴한 변압기 절연유내의 수소발생을 감지할 수 있는 변압기 절연유중의 수소 발생을 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a low-draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring the generation of hydrogen in the transformer insulating oil which can detect the hydrogen generation in the transformer insulating oil having high reliability and low cost.

도 1은 변압기 절연유중의 수소가스를 검지하는 전기 화학적 방식의 종래 수소검지장치의 구성도1 is a configuration diagram of a conventional hydrogen detection device of the electrochemical method for detecting hydrogen gas in the transformer insulating oil

도 2는 본 발명에 따른 변압기 절연유중의 용존 수소가스를 감시하는 MISFET(Metal Insulator Semi-conductor Field Effect Transistor)형 수소센서의 개략적 구성도2 is a schematic configuration diagram of a metal insulator semi-conductor field effect transistor (MISFET) type hydrogen sensor for monitoring dissolved hydrogen gas in a transformer insulating oil according to the present invention.

도 3은 실험에 의해 얻어진 본 발명에 따른 수소센서의 수소압력(PH2) -게이트 전압변화(ΔV) 선도3 is a diagram of the hydrogen pressure (PH 2 ) -gate voltage change (ΔV) of the hydrogen sensor according to the present invention obtained by the experiment

도 4는 도 3의 결과를 수소압력 변화의 역수-게이트 전압의 제곱근의 역수관계선도4 is a reciprocal relationship diagram of the square root of the reciprocal-gate voltage of the hydrogen pressure change.

도 5는 본 발명에 따른 MISFET형 수소센서에서의 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터의 게이트전압 변화를 보인 선도5 is a diagram showing the gate voltage change of the sensing transistor and the reference transistor in the MISFET-type hydrogen sensor according to the present invention

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 변압기 절연유중의 수소 발생을 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서는 제 1 도전형의 반도체기판과; 상기 반도체기판에 형성된 매몰산화층과; 상기 매몰산화층의 상부에 의해 상기 반도체기판과 전기적으로 절연되도록 형성된 제 1도전형의 반도체층; 상기 반도체층의 소정부분에 소정거리 이격되어 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 제 1 소오스 및 제 1 드레인, 상기 제 1소오스와 제 1 드레인 사이의 상기 반도체층의 상부에 연속해서 형성된 제 1 하부 및 제 1 상부 게이트절연층, 상기 제 1 상부 게이트절연층의 상부에 형성된 제 1 하부 및 제 1 상부 게이트금속을 갖는 센싱 트랜지스터와; 상기 반도체층의 소정부분에 소정거리 이격되어 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 제 2 소오스 및 제 2 드레인, 상기 제 2 소오스와 제 2 드레인 사이의 상기 반도체층의 상부에 연속해서 형성된 제 2 하부 및 제 2 상부 게이트 절연층, 상기 제 2 상부 게이트절연층의 상부에 형성된 제 2 하부 및 제 2 상부 게이트금속을 갖는 레퍼런스 트랜지스터와; 상기 반도체층의 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터 사이에 제 2 도전형의 고농도로 도핑되어 형성된 다이오드와; 상기 반도체층의 소정 부분에 상기 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터의 주위를 에워싸도록 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 연결되게 형성되어 형성된 히터와; 상기 센싱 트랜지스터, 레퍼런스 트랜지스터, 다이오드 및 히터 각각의 소자를 전기적으로 분리하도록 상기 소자들 사이에 상기 매몰산화층과 연결되게 형성된 소자분리 영역을 구비한다.According to the present invention, a low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen generation in a transformer insulating oil according to the present invention comprises a semiconductor substrate of a first conductivity type; A buried oxide layer formed on the semiconductor substrate; A first conductive semiconductor layer formed to be electrically insulated from the semiconductor substrate by an upper portion of the buried oxide layer; A first source and a first drain formed at a predetermined distance from the predetermined portion of the semiconductor layer by being heavily doped with impurities of a second conductivity type, and are continuously formed on the semiconductor layer between the first source and the first drain A sensing transistor having a first lower gate and a first upper gate insulating layer and a first lower gate and a first upper gate metal formed on the first upper gate insulating layer; A second source and a second drain formed at a predetermined distance from the predetermined portion of the semiconductor layer by being heavily doped with impurities of a second conductivity type, and are continuously formed on the semiconductor layer between the second source and the second drain; A reference transistor having a second lower and second upper gate insulating layer, and a second lower and second upper gate metal formed on the second upper gate insulating layer; A diode formed by doping a high concentration of a second conductivity type between the sensing transistor and the reference transistor of the semiconductor layer; A heater formed on a predetermined portion of the semiconductor layer such that impurities of a second conductivity type are connected in high concentration so as to surround the sensing transistor and the reference transistor; The device isolation region is formed to be electrically connected to the buried oxide layer between the devices so as to electrically isolate the devices of the sensing transistor, the reference transistor, the diode, and the heater.

상기 본 발명에 있어서 센싱 트랜지스터의 제 1 하부 게이트금속이 NiCr으로 이루어지고, 제 1 상부 게이트금속이 파라듐(Pd)으로 이루어지는 것이 성능면에서 유리하며, 또한 절연유의 직접 접촉에 의한 소자의 열화를 방지하는 다공성 멤브레인층이 상기 적층의 최상위층에 마련하는게 필요하다.In the present invention, it is advantageous in terms of performance that the first lower gate metal of the sensing transistor is made of NiCr, and the first upper gate metal is made of palladium (Pd), and deterioration of the device due to direct contact of insulating oil is prevented. It is necessary to provide a porous membrane layer to prevent the top layer of the stack.

또한, 상기 제 1 및 제 2 하부 게이트절연층이 SiO2로 이루어지고, 제 1 및 제 2 상부 게이트절연층이 Si3N4로 이루어지는 것이 바람직하다.The first and second lower gate insulating layers may be made of SiO 2 , and the first and second upper gate insulating layers may be made of Si 3 N 4 .

그리고 소자분리 영역이 산화막으로 이루어지거나, 또는 식각영역으로 이루어지는 것이 바람직하다.It is preferable that the device isolation region is formed of an oxide film or an etching region.

상기 본 발명의 변압기 절연유내의 수소발생을 감시하는 MISFET형 수소센서에 있어서 상기 센싱 트랜지스터의 NiCr과 파라듐층은 절연유중의 수소가 접촉되어 분극되게 되는 기능층으로서 센싱 트랜지스터의 역할에 의해 접촉된 수소 분극량의 변화에 상응하는 게이트 전압변화를 유기하며, 상기 레터런스 트랜지스터는 센싱 트랜지스터의 특성변화를 감시하기 위한 것으로서 규정된 바이어스 전류와 게이트 전압에 의해 기준출력을 상시 소오스와 드레인을 통해 발생하게 되는데, 기준전압은 상기 센싱 트랜지스터로부터의 출력과 함께 차동 증폭시킴으로써 소자의 여러조건 변화에 따른 특성 변화에 따른 소자의 감도 저하를 감안한 순수 센싱 출력만을 얻을 수 있도록 한다.In the MISFET-type hydrogen sensor for monitoring hydrogen generation in the transformer insulating oil of the present invention, the NiCr and the palladium layer of the sensing transistor are functional layers in which hydrogen in the insulating oil contacts and is polarized, and is contacted by the role of the sensing transistor. Induces the gate voltage change corresponding to the change in polarization amount, and the reference transistor monitors the characteristic change of the sensing transistor. The reference transistor generates the reference output through the source and drain at all times by the prescribed bias current and gate voltage. In addition, the reference voltage is differentially amplified together with the output from the sensing transistor so that only a pure sensing output is obtained in consideration of deterioration of the sensitivity of the device due to a change in characteristics caused by various conditions of the device.

따라서 안정성과 500ppm의 고농도에서도 비교적 안정된 출력값을 나타내는 감지성을 향상시킨 Pd/NiCr 게이트 MISFET형 센서를 제조할 수 있다.Therefore, a Pd / NiCr gate MISFET sensor with improved stability and a relatively stable output value even at a high concentration of 500 ppm can be manufactured.

소자의 설계 및 마스크 제작은 Pd/Pt 게이트 MISFET형 센서와 동일하게 했으며, 단지 제조공정중에서 센싱게이트의 금속만 Pd/Pt에서 Pd/NiCr으로 교체하였다.The device design and mask fabrication were the same as the Pd / Pt gate MISFET sensor, and only the metal of the sensing gate was replaced from Pd / Pt to Pd / NiCr during the manufacturing process.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

제 2도는 본 발명에 따른 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서의 개략적 구조도이다.2 is a schematic structural diagram of a low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen gas in a transformer insulating oil according to the present invention.

상기 센서는 P형 실리콘기판(100)에 매몰산화층(101)에 의해 전기적으로 절연되도록 부착된 P형 실리콘층(102)의 표면에 센싱 트랜지스터(200), 레퍼런스 트랜지스터(300), 히터(110) 및 온도관찰용 다이오드(120)로 구성된다. 상기에서 센싱 트랜지스터(200), 레퍼런스 트랜지스터(300), 히터(110) 및 다이오드(120)가 구성된 P형 실리콘층(102)은 변압기의 절연유(400)에 직접 접촉된다.The sensor may include a sensing transistor 200, a reference transistor 300, and a heater 110 on the surface of the P-type silicon layer 102 attached to the P-type silicon substrate 100 to be electrically insulated by the buried oxide layer 101. And a diode 120 for temperature observation. The P-type silicon layer 102 including the sensing transistor 200, the reference transistor 300, the heater 110, and the diode 120 is in direct contact with the insulating oil 400 of the transformer.

상기 센싱 및 레퍼런스 트랜지스터(200)(300)에는 n+드레인(201)(301)과 n+소오스(202)(302)를 각각 갖춘다. 각 채널의 위에는 SiO2의 하부 게이트절연층(203)(303)과 Si3N4의 상부 게이트절연층(204)(304)이 형성된다. 그리고 센싱 트랜지스터(200)의 상부 게이트절연층(204)의 위에는 NiCr과 파라듐으로 형성된 게이트금속(205)(206)이 형성된다. 또한 레퍼런스 트랜지스터(300)의 상부 게이트절연층(304)의 위에는 NiCr과 금(Au)으로 형성된 게이트금속(305)(306)이 형성된다.The sensing and reference transistors 200 and 300 are provided with n + drains 201 and 301 and n + source 202 and 302, respectively. Lower gate insulating layers 203 and 303 of SiO 2 and upper gate insulating layers 204 and 304 of Si 3 N 4 are formed on each channel. The gate metal 205 and 206 formed of NiCr and palladium are formed on the upper gate insulating layer 204 of the sensing transistor 200. In addition, gate metals 305 and 306 formed of NiCr and gold (Au) are formed on the upper gate insulating layer 304 of the reference transistor 300.

그리고 위의 구조에서 상기 트랜지스터(200)(300)들이 변압기의 절연유(400)에 직접 접촉되도록 되어 있는데, 절연유에 의한 소자의 열화가 우려되는 경우 소자들의 위에 다공질 절연층을 코팅할 수 있다. 이 절연층은 기존에 사용되던 테프런 멤브레인과 같은 소재로서 절연유(400)중의 수소이온이 통과하여 상기 센싱 트랜지스터(200)의 게이트금속(205(206)에 접촉되게 하는 필터로서의 기능을 가지게 된다.In the above structure, the transistors 200 and 300 are in direct contact with the insulating oil 400 of the transformer. When the deterioration of the device by the insulating oil is concerned, the porous insulating layer may be coated on the devices. The insulating layer is the same material as a conventional Teflon membrane, and has a function as a filter for allowing hydrogen ions in the insulating oil 400 to pass through and contact the gate metal 205 206 of the sensing transistor 200.

그리고 본 발명에서와 같이 Pd/Pt 게이트를 가지는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) FET는 수소에 대해 높은 민감도를 가지는데, Pd 게이트금속(206)이 수소에 장시간 노출될 때 Pd 게이트금속(206)에 물집 모양의 이상변형(Blister formation)이 야기되며, 장시간 사용으로 인하여 감도가 드리프트(drift)되는 문제가 있다. 드리프트에는 유기 수소 드리프트(Hydrogen induced drift)와 소자 고유의 드리프트(intrinsic drift)가 있다. 그런데 이러한 드리프트는 상기와 같은 본 발명에 의해 해소되게 되는데, 먼저 유기 수소 드리프트는 게이트금속(205)(206)과 SiO2의 하부 게이트절연층(203)의 사이에 Si3N4의 상부 게이트절연층(204)을 개재시킴으로써 해소된다.In addition, as in the present invention, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) FET having a Pd / Pt gate has high sensitivity to hydrogen, and when the Pd gate metal 206 is exposed to hydrogen for a long time, it blisters to the Pd gate metal 206. Blister formation is caused, and the sensitivity is drift due to long time use. Drift includes organic hydrogen induced drift and intrinsic drift. However, this drift is solved by the present invention as described above. First, the organic hydrogen drift is the upper gate insulation of Si 3 N 4 between the gate metal 205 (206) and the lower gate insulating layer 203 of SiO 2 . It is eliminated by interposing the layer 204.

그리고 MISFET 소자 고유의 드리프트는 상기와 같은 레퍼런스 트랜지스터를 적용함으로써 보상이 가능하게 된다. 또한 물집 모양의 이상변형의 발생은 높은 수소압력(Low hydrogen)하에서 수소가 유기된 게이트금속(206)의 Pd 게이트금속(206) 하부에 NiCr 게이트금속(205)을 접촉시킴으로써 억제할 수 있다.The drift inherent in the MISFET device can be compensated by applying the above-described reference transistor. In addition, the occurrence of blister-like abnormal deformation can be suppressed by contacting the NiCr gate metal 205 to the lower portion of the Pd gate metal 206 of the gate metal 206 in which hydrogen is induced under high hydrogen pressure.

따라서, 본 발명에 있어서 센싱 트랜지스터(200)의 SiO2하부 게이트절연층(203)과 Si3N4상부 게이트절연층(204)으로 형성된 이중의 게이트절연층과 Pd 게이트금속(206)과 NiCr 게이트금속(205)에 의한 2중의 게이트금속은 중요한 기능층이다.Accordingly, in the present invention, the double gate insulating layer formed of the SiO 2 lower gate insulating layer 203 and the Si 3 N 4 upper gate insulating layer 204 of the sensing transistor 200, the Pd gate metal 206, and the NiCr gate are provided. The double gate metal by the metal 205 is an important functional layer.

특히, SiO2의 하부 게이트절연층(203)은 소자의 열화를 억제하여 소자 고유의 드리프트를 지연시키며, Si3N4의 상부 게이트절연층(204)은 상기 하부 게이트절연층(203)과 NiCr 게이트금속(205) 사이의 결합력을 증가시키는 것으로서 산소성분이 없어야 한다는 점이 중요하다.In particular, the lower gate insulating layer 203 of SiO 2 suppresses deterioration of the device to delay drift inherent to the device, and the upper gate insulating layer 204 of Si 3 N 4 forms the lower gate insulating layer 203 and NiCr. It is important that there is no oxygen component to increase the bonding force between the gate metals 205.

이상의 구조에서 상기 Pd 게이트금속(206)은 대기로부터 특히, 산소로부터 보호되어야 하는데 산소가 접촉하게 되면 PdO로 산화되는데 이에 의하면 감도가 급격히 저하되게 된다.In the above structure, the Pd gate metal 206 should be protected from the atmosphere, in particular, from oxygen. When oxygen comes into contact, the Pd gate metal 206 is oxidized to PdO.

히터(110)는 상기 P형 실리콘층(102)에 n+ 확산영역(111)이 센싱 트랜지스터(200)와 레퍼런스 트랜지스터(300)의 주위를 에워싸도록 연결되게 형성된다.The heater 110 is formed such that the n + diffusion region 111 is connected to the P-type silicon layer 102 so as to surround the sensing transistor 200 and the reference transistor 300.

상기 히터(110)는 상기 센싱 트랜지스터(200)와 레퍼런스 트랜지스터(300)의 동작온도를 높여 수소에 대한 검지 감도를 향상시킨다.The heater 110 increases the operating temperature of the sensing transistor 200 and the reference transistor 300 to improve the detection sensitivity for hydrogen.

상기 다이오드(120)는 센싱 트랜지스터(200)와 레퍼런스 트랜지스터(300)의 사이에 P형 실리콘층(102)와 n+ 확산영역(121)으로 형성된다.The diode 120 is formed of a P-type silicon layer 102 and an n + diffusion region 121 between the sensing transistor 200 and the reference transistor 300.

상기 다이오드(120)는 센싱 트랜지스터(200)와 레퍼런스 트랜지스터(300)의 동작온도를 측정 및 관찰한다.The diode 120 measures and observes operating temperatures of the sensing transistor 200 and the reference transistor 300.

상기 센싱 트랜지스터(200), 레퍼런스 트랜지스터(300), 히터(110) 및 다이오드(120)는 P형 실리콘기판(100)에 매몰산화층(101)에 의해 전기적으로 절연되도록 부착된 P형 실리콘층(102)의 표면에 형성되므로 P형 실리콘기판(100)과 전기적으로 분리된다.The sensing transistor 200, the reference transistor 300, the heater 110, and the diode 120 are P-type silicon layer 102 attached to the P-type silicon substrate 100 to be electrically insulated by the buried oxide layer 101. It is formed on the surface of the) is electrically separated from the P-type silicon substrate (100).

그리고 센싱 트랜지스터(200), 레퍼런스 트랜지스터(300), 히터(110) 및 다이오드(120)의 사이에 소자분리산화막(103)이 상기 매몰산화층(101)과 연결되게 형성되어 각각의 소자들을 절연시킨다.In addition, an isolation layer 103 is formed between the sensing transistor 200, the reference transistor 300, the heater 110, and the diode 120 to be connected to the buried oxide layer 101 to insulate the respective devices.

상기와 같이 매몰산화층(101) 및 소자분리산화막(103)에 의해 상기 센싱 트랜지스터(200), 레퍼런스 트랜지스터(300), 히터(110) 및 다이오드(120)가 각각 전기적으로 절연되어 인접하는 소자들의 전기장에 영향을 받는 것을 방지한다.As described above, the sensing transistor 200, the reference transistor 300, the heater 110, and the diode 120 are electrically insulated by the buried oxide layer 101 and the device isolation oxide film 103, respectively, so that electric fields of adjacent devices are electrically insulated from each other. To prevent them from being affected.

그리고 상기 센싱 트랜지스터(200), 레퍼런스 트랜지스터(300), 히터(110) 및 다이오드(120) 사이를 소자분리산화막(103) 뿐만 아니라 상기 매몰산화층(101)이 노출되도록 식각하여 분리할 수 있다.In addition, the sensing transistor 200, the reference transistor 300, the heater 110, and the diode 120 may be separated by etching to expose the buried oxide layer 101 as well as the device isolation oxide film 103.

상기 센싱 트랜지스터(200)의 동작과정을 살펴보면, 다음과 같다.Looking at the operation of the sensing transistor 200 as follows.

절연유(400)중의 수소가 분리되어 Pd 게이트금속(206)에 흡착되면, 흡착된 수소원자가 얇은 NiCr 게이트금속(205)에 확산되어 상부 게이트 절연층(204)과의 계면에 분극(Polarized)되어 표면에 분극층(Dipole layer)이 형성된다.When the hydrogen in the insulating oil 400 is separated and adsorbed to the Pd gate metal 206, the adsorbed hydrogen atoms diffuse into the thin NiCr gate metal 205 and are polarized at the interface with the upper gate insulating layer 204. Dipole layer is formed on the substrate.

그리고 분극층은 외부로부터 인가되는 게이트 전압의 강하를 유도한다. 이와같은 게이트 전압의 강하는 센싱 트랜지스터(200)의 드레인 전류의 변화를 유도하게 된다.The polarization layer induces a drop in the gate voltage applied from the outside. This drop in gate voltage induces a change in the drain current of the sensing transistor 200.

실험에 의하면, Au/Pd, Al/Pd 그리고 La/Pd의 이중층을 게이트로 사용했을때에도 수소의 분극이 나타났으나 Pd/NiCr 게이트에 비해 감도가 낮다는 결과가 나타났고, 500ppm의 H2에서 Pd/Ni Cr 게이트의 게이트전압 변화크기는 0.21V였다.According to experiments, Au / Pd, Al / Pd and La / a double layer of Pd, even when used as a gate showed the result that the sensitivity is lower than the receive nateu or Pd / NiCr gate polarization of hydrogen in H 2 of 500ppm The gate voltage change size of the Pd / Ni Cr gate was 0.21V.

제 3도는 실험에 의해 얻어진 본 발명의 소자를 150℃와 250℃에서 동작시킨 상태에서 측정된 수소압력(PH2)-게이트 전압변화(ΔV) 선도이다. 이러한 제 3도의 결과는 제 4도에 도시된 바와 같은 선도로 변환이 가능한데 수소압력 변화의 역수와 게이트 전압의 제곱근의 역수가 소정 기울기의 일차함수의 관계를 가짐을 보인다.3 is a diagram of hydrogen pressure (P H2 ) -gate voltage change (ΔV) measured when the device of the present invention obtained by experiment was operated at 150 ° C and 250 ° C. The result of FIG. 3 shows that the inverse of the hydrogen pressure change and the inverse of the square root of the gate voltage have a relationship between the first function of a predetermined slope.

한편, 상기 레퍼런스 트랜지스터(300)는 소자의 고유 드리프트를 감시하기 위한 것으로서 센싱 트랜지스터(200)와 동일 기판에 게이트를 제외한 나머지 요소가 동일 소재로 동일 과정을 통하여 형성되어 있기 때문에 센싱 트랜지스터(200)와 동일한 고유 드리프트를 가진다.On the other hand, the reference transistor 300 is for monitoring the inherent drift of the device, because the sensing transistor 200 and the remaining elements other than the gate on the same substrate is formed of the same material through the same process and the sensing transistor 200 and Have the same inherent drift.

제 5도는 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터의 시간 경과에 따른 게이트 전압 드리프트를 보인다. 따라서 본 발명 MISFET형 수소 센서를 이용하여 변압기 절연유중의 수소농도를 측정함에 있어서, 상기 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터의 출력을 치동 증폭함으로써 고유 드리프트에 의한 출력 변동에 관계없이 실제 수소농도를 측정할 수 있게 된다.5 shows the gate voltage drift over time of the sensing transistor and the reference transistor. Therefore, in the measurement of the hydrogen concentration in the transformer insulating oil using the MISFET-type hydrogen sensor of the present invention, by actually amplifying the output of the sensing transistor and the reference transistor, it is possible to measure the actual hydrogen concentration irrespective of the output fluctuation caused by inherent drift. do.

이상과 같은 본 발명은 종래와 같이 전기 화학적인 방법이 아닌 반도체 소자에 의해 수소농도를 측정하도록 하는 것으로써 여러가지 측면에서의 장점을 기대할 수 있다.The present invention as described above can expect the advantages in various aspects by measuring the hydrogen concentration by a semiconductor device rather than the conventional electrochemical method.

먼저, 구조가 간단하기 때문에 유지보수가 용이하고, 그 특성이 안정되어 정밀한 수소 농도의 측정이 가능하다. 그리고 지속적으로 수소 농도를 측정할 수 있기 때문에 실시간 원거리에서의 감시가 가능하다. 또한, 가격면에서도 매우 저렴함은 물론 대량생산이 가능하므로 경제적인 측면에서의 큰 이익이 기대된다.First, because of its simple structure, maintenance is easy, and its characteristics are stable, enabling accurate hydrogen concentration measurement. And since the concentration of hydrogen can be measured continuously, real-time remote monitoring is possible. In addition, it is very inexpensive in terms of price and mass production is possible, so it is expected that a large profit in terms of economy.

Claims (6)

제 1 도전형의 반도체기판과;A first conductive semiconductor substrate; 상기 반도체기판에 형성된 매몰산화층, 상기 매몰산화층의 상부에 상기 반도체기판과 전기적으로 절연되도록 형성된 제 1 도전형의 반도체층과;A buried oxide layer formed on the semiconductor substrate and a first conductive semiconductor layer formed on the buried oxide layer to be electrically insulated from the semiconductor substrate; 상기 반도체층의 소정부분에 소정거리 이격되어 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 제 1 소오스 및 제 1 드레인, 상기 제 1 소오스와 제 1 드레인 사이의 상기 반도체층의 상부에 연속해서 형성된 제 1 하부 및 제 1 상부 게이츠절연층, 상기 제 1 상부 게이트절연층의 상부에 형성된 제 1 하부 및 제 1 상부 게이트금속을 갖는 센싱 트랜지스터와;A first source and a first drain formed by being doped at a predetermined distance from the predetermined portion of the semiconductor layer at a high concentration, and continuously formed on the semiconductor layer between the first source and the first drain; A sensing transistor having a first lower and first upper gate insulating layer and a first lower and first upper gate metal formed on the first upper gate insulating layer; 상기 반도체층의 소정부분에 소정거리 이격되어 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 도핑되어 형성된 제 2 소오스 및 제 2 드레인, 상기 제 2 소오스와 제 2 드레인 사이의 상기 반도체층의 상부에 연속해서 형성된 제 2 하부 및 제 2 상부 게이트절연층, 상기 제 2 상부 게이트절연층의 상부에 형성된 제 2 하부 및 제 2 상부 게이트금속을 갖는 레퍼런스 트랜지스터와;A second source and a second drain formed at a predetermined distance from the predetermined portion of the semiconductor layer by being heavily doped with impurities of a second conductivity type, and are continuously formed on the semiconductor layer between the second source and the second drain; A reference transistor having a second lower and second upper gate insulating layer, and a second lower and second upper gate metal formed on the second upper gate insulating layer; 상기 반도체층의 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터 사이에 제 2 도전형의 고농도로 도핑되어 형성된 다이오드와;A diode formed by doping a high concentration of a second conductivity type between the sensing transistor and the reference transistor of the semiconductor layer; 상기 반도체층의 소정부분에 상기 센싱 트랜지스터와 레퍼런스 트랜지스터의 주위를 에워싸도록 제 2 도전형의 불순물이 고농도로 연결되게 형성되어 형성된 히터와;A heater formed on a predetermined portion of the semiconductor layer such that impurities of a second conductivity type are connected in high concentration so as to surround the sensing transistor and the reference transistor; 상기 센싱 트랜지스터, 레퍼런스 트랜지스터, 다이오드 및 히터 각각의 소자를 전기적으로 분리하도록 상기 소자들 사이에 상기 매몰산화층과 연결되게 형성된 소자분리영역을 구비하는 변압기 절연유내의 수소가스를 감지하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서.Low draft Pd / NiCr MISFET for sensing hydrogen gas in a transformer insulating oil having a device isolation region formed between the devices connected to the buried oxide layer to electrically isolate the devices of the sensing transistor, the reference transistor, the diode, and the heater. Type sensor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 센싱 트랜지스터의 제 1 하부 게이트금속이 NiCr으로 이루어지고, 제 1 상부 게이트금속이 파라듐(Pd)으로 이루어지는 변압기 절연유내의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서.A low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen gas in a transformer insulating oil wherein the first lower gate metal of the sensing transistor is made of NiCr and the first upper gate metal is made of palladium. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 상부 게이트금속의 상부에 절연유의 접촉에 의한 소자의 열화를 방지하는 다공성 멤브레인층이 형성된 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서.A low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen gas in a transformer insulating oil having a porous membrane layer formed thereon to prevent deterioration of the device due to contact of the insulating oil on top of the first upper gate metal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 및 제 2 하부 게이트절연층이 SiO2로 이루어지고, 제 1 및 제 2 상부 게이트절연층이 Si3N4로 이루어지는 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서.A low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen gas in a transformer insulating oil wherein the first and second lower gate insulating layers are made of SiO 2 and the first and second upper gate insulating layers are made of Si 3 N 4 . . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소자분리영역이 산화막으로 이루어진 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서.A low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen gas in a transformer insulating oil in which the device isolation region is formed of an oxide film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소자분리영역이 식각영역으로 이루어진 변압기 절연유중의 수소가스를 감시하는 저 드래프트 Pd/NiCr MISFET형 센서.A low draft Pd / NiCr MISFET sensor for monitoring hydrogen gas in a transformer insulating oil in which the device isolation region is an etching region.
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