KR100392616B1 - Hybrid integrated circuit of gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
공기중의 여러 가지 가스의 존재 및 농도를 검출하기 위한 열화학적 감지 변환기는 이미 기술적으로 공지되어 있다. 상기 공지된 변환기는 감지 요소의 외표면에 인가되는 촉매(백금, 팔라듐또는 산화물)층으로 인해 보다 높은 측정 정확도를 제공함은 물론, 상기 감지 요소가 다양한 물질로 이루어지고 상이한 크기(치수)를 지니며 여러 가지 다른 촉매를 이용한다는 사실에 기초하여 볼때 광범위한 감지된 가스를 제공한다. 구조가 유사한 두 개의 감지 요소의 동일 기판상에 두 개의 실리콘 스테이지가 독립적으로 설치된다(전술한 기본적인 차이점을 지님). 400mm 두께의 절연 질화물층이 상기 스테이지의 실리콘 막에 부가된다. 상기 감지 요소의 중심부에는, 실리콘또는 니켈로 이루어지고 상기 감지 요소의 주변에 연결되는 알루미늄 전기 리드를 구비한 이중 굴곡 히터(double-meander heater)가 설치된다. 대향하여 연결되고 상이한 물질로 이루어진 두 개의 굴곡부 로 구성되는 열전쌍(thermocouple)이 상기 히터의 축에 대해 수직되게 상기 히터에 부가된다. 가스-침투 보호층으로 코팅될 수도 있는 촉매층이 위에서 부터 도포된다. 상기 감지 변환기는 온도에 따른 가스의 농도를 측정할 수 있다.Thermochemical sensing transducers for detecting the presence and concentration of various gases in the air are already known in the art. The known transducers provide higher measurement accuracy due to the layer of catalyst (platinum, palladium or oxide) applied to the outer surface of the sensing element, as well as the sensing element being made of various materials and having different sizes (dimensions). Based on the fact that they use several different catalysts, they provide a wide range of sensed gases. Two silicon stages are installed independently on the same substrate of two sensing elements of similar structure (with the basic differences described above). A 400 mm thick insulating nitride layer is added to the silicon film of the stage. At the center of the sensing element, a double-meander heater is provided which is made of silicon or nickel and has an aluminum electrical lead connected to the periphery of the sensing element. A thermocouple, consisting of two bent portions connected oppositely and made of different materials, is added to the heater perpendicular to the axis of the heater. A catalyst layer, which may be coated with a gas-penetrating protective layer, is applied from above. The sensing transducer can measure the concentration of gas with temperature.
그러나, 전술한 형태의 감지 변환기는 그 구조가 복잡하고 기술상으로 제조하기에 부적당하다.However, the sensing transducers of the type described above are complicated in structure and inadequate to be manufactured technically.
가스 분석기 캐리어를 위한 구조체가 이미 기술적으로 공지되어 있는데, 이러한 구조체를 사용하면, 대량생산에 적합한 SO 2 , H2S 및 벤젠과 같은 가스에 대해 기계적으로 강한 분석기 구조를 얻을 수 있다. 상기 구조체는 6×6mm 크기의 정방형 구조를 취하며, 이 정방형 구조내부에는 2×2mm 크기의 또다른 정방형 구조가 배치되고, 이들 두 개의 정방형 구조는 공통인 4개의 대각선을 따라 점퍼(jumpers)에 상호연결된다. 상기 중앙의 정방형 구조 및 일부 두 개의 대향 점퍼는 히터의 역할을 하는 백금층으로 코팅된다. 상기 중앙의 정방형 백금 코팅층은 나선형으로 이루어진다. 최종적인 저항기는 절연층으로 코팅된다. 백금또는 금으로 이루어진 두 개의 전극이 상기 중앙의 정방형 구조의 대향측에 부가되고, 자유 기판 점퍼를 따라 지향하는 두 개의 금속 스트립 전극이 상기 백금또는 금 전극에 부가된다. 상기 전극들사이의 상기 중앙의 정방형 구조에는 가스-감지 필름이 도포된다(FR,A,2,625,561).Structures for gas analyzer carriers are already known in the art, and using such structures, a mechanically strong analyzer structure can be obtained for gases such as SO 2 , H 2 S and benzene, which are suitable for mass production. The structure takes a 6 × 6 mm square structure, inside which is arranged another square structure of 2 × 2 mm, the two square structures having jumpers along four common diagonals. Are interconnected. The central square structure and some two opposing jumpers are coated with a layer of platinum acting as a heater. The central square platinum coating layer is helical. The final resistor is coated with an insulating layer. Two electrodes made of platinum or gold are added on opposite sides of the central square structure, and two metal strip electrodes directed along the free substrate jumper are added to the platinum or gold electrodes. A gas-sensitive film is applied to the central square structure between the electrodes (FR, A, 2, 625, 561).
그러나, 전술한 형태의 구조체는 그 구조가 복잡하고, 상기 중앙 기판부분의 불충분한 열 절연으로 인해 부적당한 선택성을 가지며, 저하된 제조능력을 지닌다.However, the structure of the type described above is complicated in structure, has inadequate selectivity due to insufficient thermal insulation of the central substrate portion, and has a deteriorated manufacturing capacity.
본 발명은 전자 공학, 특히 가스 센서용 하이브리드 집적회로(hybrid integrated circuit of a gas sensor)에 관한 것이다.The present invention relates to electronics, in particular a hybrid integrated circuit of a gas sensor.
도 1은 본 발명에 따른 가스 센서용의 하이브리드 집적회로를 나타낸 종평면도이다.1 is a longitudinal plan view of a hybrid integrated circuit for a gas sensor according to the present invention.
도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 절취한 종단면도이다.FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1.
도 3은 상기 집적회로의 구성 요소들에 대한 각각의 치수를 나타낸 도 1의 부분 평면도이다.3 is a partial plan view of FIG. 1 showing respective dimensions of components of the integrated circuit.
도 4는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ를 따라 절취한 종단면도이다.4 is a longitudinal cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 3.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 가스 센서용의 하이브리드 집적회로를 나타낸 종단면도이다.5 is a longitudinal sectional view showing a hybrid integrated circuit for a gas sensor according to another embodiment of the present invention.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술에 따른 문제점을 극복하고, 가스 센서의 선택성 및 제조능력을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 가스 센서용의 하이브리드 집적회로를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a hybrid integrated circuit for a gas sensor having a structure that can overcome the problems according to the prior art and improve the selectivity and manufacturing capacity of the gas sensor.
상기 목적을 달성하기 위해, 본원 발명의 일면에 따라, 필름 접합 패드를 구비하는 기계적으로 강한 주변부와, 상기 주변부로 부터 열적으로 절연되고 필름 히터, 가스-감지 필름 및 상기 가스-감지 필름의 저항을 측정하기 위한 회로인 필름 전극을 구비하는 중앙부로 구성된 기판을 포함하는 가스 센서용 하이브리드 집적회로로서, 상기 주변부 및 상기 중앙부가 점퍼를 통해 상호연결되고, 상기 필름 히터, 상기 가스-감지 필름 및 상기 필름 전극이 상기 점퍼상에 배치된 필름 도체를 통해 상기 접합 패드에 전기적으로 연결되는 가스 센서용 하이브리드 집적회로가 제공되고, 상기 가스 센서용 하이브리드 집적회로는, 상기 주변 기판부가 링 형상으로 구성되고, 그 중앙부가 120°각도로 벌어진 3 개의 점퍼에 의해 상기 주변부에 전기적으로 연결되는 디스크 형상으로 구성되고, 상기 점퍼는 상기 주변부와 연결되는 위치에서 120°각도로 배치된 분기부(分岐部)를 구비하고, 상기 중앙부의 직경대 상기 주변부의 내경의 비율은 0.2-0.4이고, 상기 회로의 중심에서 상기 분기부까지의 상기 점퍼의 길이대 상기 주변부의 내경의 비율은 0.6-0.8인 반면, 상기 점퍼의 폭은 0.05-0.15mm이며, 상기 점퍼 및 상기 중앙기판부의 두께가 0.15-0.25mm인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in accordance with an aspect of the present invention, a mechanically strong periphery having a film bonding pad, and thermally insulated from the periphery, the resistance of the film heater, gas-sensitive film and the gas-sensitive film A hybrid integrated circuit for a gas sensor comprising a substrate comprising a central portion having a film electrode which is a circuit for measuring, wherein the peripheral portion and the central portion are interconnected through jumpers, the film heater, the gas-sensitive film and the film. A hybrid integrated circuit for a gas sensor is provided, wherein an electrode is electrically connected to the bonding pad through a film conductor disposed on the jumper, wherein the peripheral substrate portion is configured in a ring shape, The center is electrically connected to the periphery by three jumpers at an angle of 120 ° And a jumper having a branch portion disposed at an angle of 120 ° at a position connected with the peripheral portion, the ratio of the diameter of the central portion to the inner diameter of the peripheral portion is 0.2-0.4, The ratio of the length of the jumper from the center of the circuit to the branch portion to the inner diameter of the peripheral portion is 0.6-0.8, while the width of the jumper is 0.05-0.15 mm, and the thickness of the jumper and the central substrate portion is 0.15-0.25. It is characterized by being mm.
상기 필름 히터는 상기 기판의 상기 중앙부의 표면상에 형성된 리세스속에 배치될 수도 있다.The film heater may be disposed in a recess formed on the surface of the central portion of the substrate.
상기 기판의 상기 주변부는 관통 구멍을 구비하고, 패키지의 내부 리드가 상기 기판의 상기 주변부의 구멍속에 배치되어 접합 패드에 전기적으로 연결되는 방식으로 상기 패키지의 금속 기판에 고정되며, 상기 패키지의 커버는 분석중에 매질을 허용하기 위한 구멍을 구비하는 것이 바람직하다.The periphery of the substrate has a through hole, the inner lead of the package is secured to the metal substrate of the package in such a way that it is disposed in the periphery of the periphery of the substrate and electrically connected to a bonding pad, and the cover of the package is It is desirable to have holes for allowing the medium during the analysis.
상기 링 형상의 주변 기판부 및 디스크 형상의 중앙 기판부를 제공함으로써, 본 발명에 따른 집적회로에 추가적인 강성을 부여할 수 있고, 상기 집적회로 내에서의 응력 레벨이 줄어든다.By providing the ring-shaped peripheral substrate portion and the disk-shaped central substrate portion, additional rigidity can be imparted to the integrated circuit according to the present invention, and the stress level in the integrated circuit is reduced.
120°각도로 벌어진 3 개의 점퍼에 의해 상기 주변 기판부가 상기 중앙 기판부에 상호연결됨으로써, 상기 중앙 기판부의 열 절연상태가 형성되고, 상기 중앙 기판부의 가열시 야기되는 기계적인 응력이 최적으로 보상된다.By interconnecting the peripheral substrate portion to the central substrate portion by three jumpers at an angle of 120 °, a thermal insulation state of the central substrate portion is formed, and mechanical stress caused during heating of the central substrate portion is optimally compensated. .
상기 중앙 기판부의 직경대 상기 주변부의 내경의 비율이 0.2-0.4가 되도록 선택되고, 상기 회로의 중심에서 상기 분기부까지의 상기 점퍼 길이대 상기 주변부의 내경의 비율이 0.6-0.8이 되도록 선택되는 한편, 상기 점퍼의 폭은 0.05-0.15mm이 되도록 선택되고, 상기 점퍼 및 상기 중앙 기판부의 두께가 0.15-0.25mm가 되도록 선택된다는 사실은 상기 중앙 기판부의 열 절연성의 향상 및 상기 집적회로 구성을 고려해 볼 때 본 발명에 따른 최적의 회로 결합구조로서 설명된다.The ratio of the diameter of the central substrate portion to the inner diameter of the peripheral portion is selected to be 0.2-0.4, and the ratio of the jumper length from the center of the circuit to the branch portion to the ratio of the inner diameter of the peripheral portion is selected to be 0.6-0.8 The width of the jumper is selected to be 0.05-0.15mm, and the fact that the thickness of the jumper and the central substrate portion is selected to be 0.15-0.25mm may be considered to improve the thermal insulation of the central substrate portion and the integrated circuit configuration. When described as the optimum circuit coupling structure according to the present invention.
전술한 비율(각각의 0.4 및 0.8)의 상한값은, 상기 중앙 기판부의 온도가 요구된 범위내에 존재하도록 해주는, 즉, 요구된 열 절연 레벨이 제공되도록 해주는 상기 점퍼의 허용가능한 열 저항값에 의해 결정된다.The upper limit of the aforementioned ratio (0.4 and 0.8, respectively) is determined by the allowable thermal resistance value of the jumper which allows the temperature of the central substrate portion to be within the required range, i.e., to provide the required level of thermal insulation. do.
전술한 비율(각각 0.2 및 0.6)의 하한값은, 상기 집적회로 구조의 강도가The lower limit of the ratio (0.2 and 0.6, respectively) indicates that the strength of the integrated circuit structure
있는 그대로 유지되게 해주는 상기 점퍼의 허용가능한 길이에 의해 결정된다.It is determined by the allowable length of the jumper, which allows it to remain as it is.
첨부도면을 참조하여, 실시예를 통해 본 발명이 이하에 상세히 설명된다.With reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail by way of examples.
첨부 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.In the accompanying drawings, like reference numerals refer to like elements.
도 1 및 도 2에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 CH4,CO 및 일부 다른 가스를 검출하기 위한 가스 센서용의 하이브리드 집적회로는, 예컨대, 1.3mm 폭을 갖는 링 형상의 기계적으로 강한 주변부 2(도 1 및 도 2참조)와, 상기 주변부 2로 부터 열적으로 절연되는 1.2mm의 직경을 갖는 디스크 형상의 중앙부 3의 형태로서 예컨대, Polycor로 제조되는 0.5mm 두께의 기판 1을 포함한다. 상기 주변부 2와 상기 중앙부 3은 Polikor로 제조되는 점퍼 4(도 1참조)에 의해 결합된다.As shown in FIGS. 1 and 2, a hybrid integrated circuit for gas sensors for detecting CH 4 , CO and some other gases according to the present invention is, for example, a ring-shaped mechanically strong periphery having a width of 1.3 mm. 2 (see FIGS. 1 and 2) and in the form of a disc-shaped central portion 3 having a diameter of 1.2 mm thermally insulated from the periphery 2, for example a 0.5 mm thick substrate 1 made of Polycor. The peripheral portion 2 and the central portion 3 are joined by a jumper 4 (see FIG. 1) made of Polikor.
상기 기판 1의 상기 주변부 2는 Ti(100 Ohm/sq.mm)-Au(5μm)의 구조를 갖는 필름 접합 패드 5를 구비한다. 상기 기판 1의 상기 중앙부 3은 예컨대, 탄탈륨 필름으로 이루어진 200 Ohm 400 mW 필름 히터 6, 감시되는 대기 조건에 따라 MgO 또는 CaO, Pd, Au 촉매 첨가물을 함유한 예컨대, SnO2로 이루어진 가스-감지 필름 7 및, 120°각도로 벌어져 있고 상기 주변부 2와 연결되는 위치에서 120°각도로 배치된 분기부(分岐部) 10를 구비하는 다수의 점퍼 4상에 제공되는 필름 도체 9에 의해 상기 주변부의 접합 패드 5에 전기적으로 연결되는 상기 가스-감지 필름 7의 저항을 측정하기 위한 회로인 필름 전극 8을 구비한다. 상기 중앙부 3의 직경대 상기 주변부 2의 내경의 비율은 0.2-0.4이고, 상기 회로의 중심에서 상기 분기부 10까지의 상기 점퍼 4의 길이대 상기 주변부 2의 내경의 비율은 0.6-0.8이며, 이러한 수치는 도 3 및 도 4를 통해 명백히 알수 있다. 상기 점퍼 4의 폭은 0.1mm이며, 상기 점퍼 4및 상기 기판 1의 상기 중앙부 3의 두께는 0.2mm이며, 이 수치는 그대로 유지되는 상기 집적회로의 강도와 함께 상기 중앙부 3의 향상된 열 절연성에 의해 결정된다.The peripheral portion 2 of the substrate 1 includes a film bonding pad 5 having a structure of Ti (100 Ohm / sq.mm) -Au (5 μm). The central part 3 of the substrate 1 is for example a 200 Ohm 400 mW film heater 6 consisting of a tantalum film, for example a gas-sensing film consisting of SnO 2 containing MgO or CaO, Pd, Au catalyst additives depending on the monitored atmospheric conditions. 7 and the periphery of the periphery by means of film conductors 9 provided on a plurality of jumpers 4 having a branch 10 arranged at an angle of 120 ° at a position that is connected to the periphery 2 at a 120 ° angle. And a film electrode 8 which is a circuit for measuring the resistance of the gas-sensitive film 7 electrically connected to the pad 5. The ratio of the diameter of the center portion 3 to the inner diameter of the peripheral portion 2 is 0.2-0.4, the ratio of the length of the jumper 4 from the center of the circuit to the branch portion 10 to the inner diameter of the peripheral portion 2 is 0.6-0.8, and The numerical value can be clearly seen through FIGS. 3 and 4. The width of the jumper 4 is 0.1 mm, and the thickness of the jumper 4 and the center 3 of the substrate 1 is 0.2 mm, and this value is maintained by the improved thermal insulation of the center 3 with the strength of the integrated circuit being maintained. Is determined.
상기 필름 히터 6(도 2 참조)는 10μm 깊이의 리세스 11를 저항성 페이스트(resistive paste)로 충전(充塡)한 다음 800℃에서 어니일링(annealing)함으로써, 상기 리세스 11속에 고착된다.The film heater 6 (see FIG. 2) is fixed in the recess 11 by filling recess 10 with a 10 μm depth with a resistive paste and then annealing at 800 ° C. FIG.
상기 기판 1의 상기 주변부 2(도 5 참조)는 패키지 14의 내부 리드 13이 배치되는 예컨대, 0.7mm 직경의 다수의 구멍 12를 구비한다. 본 발명에 따른 상기 하이브리드 집적회로의 상기 기판 1은 상기 패키지 14의 금속 기판 15 위에 고정된다.The peripheral portion 2 (see FIG. 5) of the substrate 1 has a plurality of holes 12, for example, 0.7 mm in diameter, in which the inner lead 13 of the package 14 is disposed. The substrate 1 of the hybrid integrated circuit according to the present invention is fixed on the metal substrate 15 of the package 14.
상기 패키지 14의 내부 리드 13은 상기 주변부 2의 상기 구멍 12속을 통과하고, 금제 와이어(golden wire) 16을 통해 본 발명에 따른 상기 하이브리드 집적회로의 접합 패드 17에 연결된다. 상기 패키지 14의 커버 18은 분석중에 예컨대, 부드러운 네트(soft net)에 의해 막힌 CH4의 존재를 위한 공기와 같은 매질의 유입을 허용하기 위한 2mm의 직경을 갖는 구멍 19를 구비한다.The inner lead 13 of the package 14 passes through the hole 12 of the periphery 2 and is connected to the bond pad 17 of the hybrid integrated circuit according to the invention via a golden wire 16. The cover 18 of the package 14 has a hole 19 with a diameter of 2 mm to allow the introduction of a medium, such as air, for example for the presence of CH 4 blocked by a soft net during analysis.
본 발명에 따른 가스 센서용 파워 하이브리드 집적회로의 작용은 다음과같다.The operation of the power hybrid integrated circuit for a gas sensor according to the present invention is as follows.
상기 필름 히터 6(도 1 참조)은 예컨대, 9 V의 전원 전압을 제공함으로써, 상기 기판 1의 상부 중앙부 3를 300-500℃까지 가열할 수 있고, ±5℃의 정확도내에서 사전 설정된 온도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 350℃에서, 상기 센서는 수소또는 기타 가스에 대한 적절한 선택성 및 감도를 갖는다.The film heater 6 (see FIG. 1) can heat the upper center 3 of the substrate 1 to 300-500 ° C., for example, by providing a power supply voltage of 9 V, and provides a preset temperature within an accuracy of ± 5 ° C. I can keep it. For example, at 350 ° C., the sensor has appropriate selectivity and sensitivity for hydrogen or other gases.
따라서, 본 발명의 가스 센서용 하이브리드 집적회로를 사용함으로써, 상기 기판 1의 상기 중앙부 3의 향상된 열 절연성에 기인한 보다 정확한 사전 설정 온도의 유지로 인하여 선택성을 증가시킬 수 있다. 이것은 상기 집적회로의 열 절연성 및 강도 파라미터와 관련한, 최적의 회로 구성에 의해 달성된다.Thus, by using the hybrid integrated circuit for the gas sensor of the present invention, the selectivity can be increased due to the maintenance of a more accurate preset temperature due to the improved thermal insulation of the central portion 3 of the substrate 1. This is achieved by an optimal circuit configuration with respect to the thermal insulation and strength parameters of the integrated circuit.
더욱이, 본 발명에 따른 가스 센서용 하이브리드 집적회로는 구성이 단순하기 때문에, 제조공정시 힘이 덜든다.Moreover, the hybrid integrated circuit for a gas sensor according to the present invention is simple in construction, thus reducing the force in the manufacturing process.
본 발명에 따른 전술한 실시예들을 기술함에 있어서, 협의의 특정용어는 명료성 차원에서 사용된다. 그러나, 본 발명은 선택된 특정용어에 한정되는 것은 아니며, 그러한 각 용어들은 유사한 방식으로 작동하고 동일한 기술적 문제점의 해결을 위해 사용되는 모든 등가의 요소들을 포함한다는 것을 명심해야 한다.In describing the above-described embodiments according to the present invention, specific terms of consultation are used for clarity. However, it is to be noted that the invention is not limited to the specific terminology selected, and that each such term includes all equivalent elements that operate in a similar manner and that are used to solve the same technical problem.
지금까지, 특정의 바람직한 실시예및 그 대체 실시예와 관련하여 본 발명이 상세히 개시되고 설명되었지만, 상기 본 발명에 대한 개시는 단지 본 발명의 적용예에 불과한 것이고, 본 발명을 수행하기 위한 최상 모드로서 본 명세서에 개시된 특정 실시예에 국한되는 것은 아니다.So far, the present invention has been disclosed and described in detail with reference to certain preferred embodiments and alternative embodiments thereof, but the above disclosure is merely an application of the present invention, and best mode for carrying out the present invention. It is not intended to be limited to the particular embodiments disclosed herein.
또한, 하기 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 사상이나 분야를 일탈하지 않는 범위내에서 본 발명이 다양하게 개조및 변경될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.In addition, one of ordinary skill in the art can easily understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the spirit or the scope of the present invention provided by the following claims. There will be.
본 발명은 소형의 가스 농도 감지 변환기에 사용될 수 있다.The invention can be used in small gas concentration sensing transducers.
Claims (3)
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