KR101201896B1 - Capacitive Type Gas Sensors and Method for Fabricating the Same - Google Patents

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문제현
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Abstract

본 발명은 정전용량형 환경유해가스 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서는 절연기판; 상기 절연기판의 동일 평면 상에 일체형으로 형성된 금속전극 및 마이크로박막 히터 가열선; 및 상기 금속 전극 및 마이크로박막 히터 가열선 상에 코팅된 산화물 감지층을 포함하며, 이것은 금속층을 증착한 후, 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선이 서로 인터디지털 트랜스듀서를 이루도록 금속층을 식각하고, 이어서 산화물 감지층을 형성하는 것으로 제조된다. 이와 같은 정전용량형 환경유해가스 센서는 제조시 공정수월성을 확보할 수 있으며, 고감도, 고선택성, 고안정성 및 저전력의 우수한 특성을 가질 수 있다.The present invention relates to a capacitive environmental harmful gas sensor and a manufacturing method thereof. Capacitive environmental harmful gas sensor according to the present invention is an insulating substrate; A metal electrode and a micro thin film heater heating wire formed integrally on the same plane of the insulating substrate; And an oxide sensing layer coated on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire, which, after depositing the metal layer, etches the metal layer such that the metal electrode and the micro thin film heater heating wire form an interdigital transducer with each other, and then It is made to form an oxide sensing layer. Such a capacitive environmentally harmful gas sensor can secure process excellence during manufacturing, and can have excellent characteristics of high sensitivity, high selectivity, high stability, and low power.

센서, 정전용량형, 산화물 Sensor, Capacitive, Oxide

Description

정전용량형 환경유해가스 센서 및 그 제조방법{Capacitive Type Gas Sensors and Method for Fabricating the Same}Capacitive Type Gas Sensors and Method for Fabricating the Same

본 발명은 정전용량형 환경유해가스 센서 및 그 제조방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 복합 산화물 나노 구조체를 이용하고, 그 구조를 2차원으로 단순화시킨 정전용량형 환경유해가스 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive environmentally hazardous gas sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a capacitive environmentally hazardous gas sensor and a method for manufacturing the same, using a complex oxide nanostructure and simplifying the structure in two dimensions. It is about.

최근의 생활 환경오염 및 건강에 대한 관심의 증가로 각종 유해가스의 감지에 대한 필요성이 크게 증가하고 있다. 독성가스와 폭발성 가스 검지의 수요에 의해 계속된 발전을 이루어온 유해성 가스 센서는 오늘날에는 건강관리, 생활환경 모니터링, 산업건강 및 안전, 가전과 스마트 홈, 식량과 농업, 제조공정, 국방과 테러 등에 대한 인간 삶의 질 향상 등의 요구로 많은 수요가 발생하고 있다. 따라서 가스센서는 재해 없는 미래사회 구현을 위한 수단이 될 것이며, 환경 유해가스의 보다 정확한 측정과 제어가 요구되고 있다. With the recent increase in environmental pollution and health concerns, the need for detection of various harmful gases is greatly increased. Hazardous gas sensors, which have been developed continuously due to the demand for toxic and explosive gas detection, are now used in health care, living environment monitoring, industrial health and safety, home appliances and smart homes, food and agriculture, manufacturing processes, defense and terrorism. There is a great demand due to the demand for improving the quality of human life. Therefore, the gas sensor will be a means for realizing a disaster-free future society, and more accurate measurement and control of environmental harmful gases is required.

이러한 가스 센서가 실용화되기 위해서는 민감도가 높고, 고선택성, 장기안 정성, 고응답성의 특성을 가져야 하며, 또한 저소비전력, 집적화가 요구된다. 이러한 요건을 충족시키기 위해 다양한 센서 구조와 재료, 제조방법을 이용한 가스 센서 개발 노력이 이루어지고 있다. In order to use such a gas sensor, it is required to have high sensitivity, high selectivity, long-term stability, and high response, and low power consumption and integration. In order to meet these requirements, efforts have been made to develop gas sensors using various sensor structures, materials and manufacturing methods.

가스 센서 중 세라믹을 이용한 가스 센서로써 대표적인 것은 반도체식 가스 센서, 고체 전해질식 가스 센서, 접촉 연소식 가스 센서 등이 있는데, 이들은 각기 형태, 구조 및 재료면에서 구별되는 특징을 가진다. Among gas sensors, typical gas sensors using ceramics include semiconductor gas sensors, solid electrolyte gas sensors, and catalytic combustion gas sensors, which have distinctive features in form, structure, and material.

특히 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화티타늄(TiO2), 산화인듐(In2O3) 등과 같은 산화물 반도체 세라믹는 H2, CO, O2, CO2, NOx, 독가스, 휘발성 유기 가스, 암모니아, 환경 가스, 습도 등과 같은 환경 가스와 접촉하게 되면 금속 산화물 표면에서 일어나는 가스흡착 및 산화/환원 반응에 의해 전기 비저항이 변한다. 따라서, 이러한 특성을 이용한 저항형의 환경가스 센서에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 일부는 상업적 가스 센서로 활용되고 있다. Particularly, oxide semiconductor ceramics such as zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), and the like are H 2 , CO, O 2 , CO 2, it changes the NOx, toxic gas, a volatile organic gas, ammonia gas environment and a humidity environment when the gas comes into contact with electrical resistivity by the gas adsorption and the oxidation / reduction reaction occurring in the metal oxide surface, such as. Therefore, many researches on resistance type environmental gas sensors using these characteristics have been conducted, and some of them have been used as commercial gas sensors.

최근 벌크(bulk) 물질의 특성과 다른 산화물 나노 박막, 나노 입자, 나노 선, 나노 섬유, 나노 튜브, 나노 다공성, 나노 벨트 등의 나노 구조체의 새로운 물리적 특성을 이용한 가스 센서 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이들 나노 구조체 물질의 작은 크기(small size), 극히 큰 표면적(surface-to-volume ratio)은 빠른 반응 시간, 초고감도의 센서 제작을 가능하게 한다. 이런 새로운 물질은 빠른 응답 속도, 고민감도, 고선택성, 저전력의 우수한 특성을 갖는 가스 센서 개발을 가능케 할 수 있다. Recently, many studies have been conducted on the development of gas sensors using the properties of bulk materials and new physical properties of nanostructures such as other oxide nano-films, nanoparticles, nanowires, nanofibers, nanotubes, nanoporosity and nanobelts. It is becoming. The small size and extremely large surface-to-volume ratio of these nanostructure materials allows for fast response times and ultra-sensitive sensor fabrication. These new materials could enable the development of gas sensors with superior response speed, high sensitivity, high selectivity and low power.

그러나 이러한 나노 구조체의 산화물 반도체를 이용한 저항형 가스 센서의 경우, 아주 높은 감도를 얻을 수 있지만, 접촉저항의 불안정성, 외부 환경에 대한 불안정성 등으로 인해 고선택성, 장기 안정성, 재현성 있는 센서 개발이 어렵다는 단점이 있다. However, in the case of a resistive gas sensor using an oxide semiconductor of such a nanostructure, a very high sensitivity can be obtained, but it is difficult to develop a sensor with high selectivity, long-term stability, and reproducibility due to instability of contact resistance and instability to the external environment. There is this.

기존의 산화물 반도체 가스 센서는 기판, 산화물 센싱 소재, 센서의 전기적 신호를 감지하기 위한 금속전극 트랜스듀서, 마이크로 박막 히터로 구성된다. 마이크로 박막 히터는 박막의 상부 또는 하부면에 위치하여, 금속 트랜스듀서와 독립된 구조로 형성된다. 이는 공정을 매우 복잡하게 하는 요인이다.The conventional oxide semiconductor gas sensor is composed of a substrate, an oxide sensing material, a metal electrode transducer for sensing electrical signals of the sensor, and a micro thin film heater. The micro thin film heater is positioned on the upper or lower surface of the thin film and is formed in a structure independent of the metal transducer. This is a very complicated factor.

도 1은 종래의 멤브레인 구조를 갖는 금속 산화물 반도체 가스센서의 개략도이다. 도 1에 따른 가스센서는 다음과 같은 과정으로 제조된다. 즉, 지지기판(106) 상에 절연막 I(105)을 형성한 후 마이크로 박막 히터 가열선(103)을 형성하고, 이어 상기의 구조상에 절연막 II(104)를 형성한다. 이어 절연막 I(105)의 하부면이 노출되는 형태로 지지기판(106)을 식각한다. 여기서, 지지기판(106)의 식각은 지지기판을 통한 열손실 방지 및 열집적을 이루기 위함이다. 상기의 구조 상에 전극(102) 및 산화물층(101)을 증착하여 형성한다. 1 is a schematic diagram of a metal oxide semiconductor gas sensor having a conventional membrane structure. Gas sensor according to Figure 1 is manufactured by the following process. That is, after the insulating film I 105 is formed on the support substrate 106, the micro thin film heater heating line 103 is formed, and then the insulating film II 104 is formed on the above structure. Subsequently, the support substrate 106 is etched in such a manner that the lower surface of the insulating film I 105 is exposed. Here, the etching of the support substrate 106 is to prevent heat loss and heat accumulation through the support substrate. The electrode 102 and the oxide layer 101 are deposited on the above structure.

상기의 구조를 갖는 마이크로히터가 내장된 가스센서를 제작하고자 할 경우 마이크로히터부를 구현하기 위하여 다수의 리소그래피 공정이 필요함을 알 수 있다. 절연막 내부에 위치한 전기 가열선으로 전압을 인가하려면 추가적인 식각 및 금속 증착 작업을 통하여 전기적 접합을 이루어야 한다. 지지기판의 식각의 경우에도 매우 복잡한 공정이 요구된다. 멤브레인 형태의 마이크로히터의 경우 열집속이 뛰어난 장점이 있지만 실리콘 웨이퍼의 통상적인 두께인 600 마이크론을 식각해야 한다는 공정상의 난해함이 있다.When manufacturing a gas sensor having a micro heater having the above structure, it can be seen that a plurality of lithography processes are required to implement the micro heater unit. In order to apply voltage to an electric heating line located inside the insulating film, electrical bonding is performed through additional etching and metal deposition. Even in the case of supporting substrate etching, a very complicated process is required. Membrane-type microheaters have the advantage of excellent heat concentrating, but the process is difficult to etch 600 microns, which is the typical thickness of silicon wafers.

따라서, 기존의 산화물 반도체 소재로 구현된 가스 센서 특성의 장단점을 보완하고, 고민감도, 고선택성, 빠른 응답속도, 장기 안정성의 우수한 특성을 갖는 새로운 센서 소재 및 센서 개발이 절실히 요구되고 있다. Therefore, there is an urgent need for the development of new sensor materials and sensors that complement the advantages and disadvantages of gas sensor characteristics implemented with oxide semiconductor materials, and have excellent characteristics of high sensitivity, high selectivity, fast response speed, and long-term stability.

지금까지 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화티타늄(TiO2), 산화인듐(In2O3) 등과 같은 금속 산화물 반도체 세라믹, 박막 및 나노 구조체는 환경 가스와 접촉으로 인해 금속 산화물 표면에서 일어나는 가스흡착 및 산화/환원 반응에 의해 전기 비저항이 변하는 특성을 이용한 저항형의 환경가스 센서 개발을 위한 유력한 소재로 알려져 있다. Until now, metal oxide semiconductor ceramics, thin films and nanostructures such as zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), etc. It is known as a viable material for the development of a resistance type environmental gas sensor using the characteristic that the electrical resistivity changes due to gas adsorption and oxidation / reduction reaction occurring on the metal oxide surface due to contact with gas.

또한 BaTiO3-금속산화물(CaO, MgO, NiO, CuO, SnO2, MgO, La2O3, Nd2O3, Y2O3, CeO2, PbO, ZrO2, Fe2O3, Bi2O3, V2O5, Nb2O5, Al2O3 등)과의 혼합 산화물 세라믹, WO3-(ZnO, CuO, NiO, SnO2, MgO, Fe2O3), NiO-(V2O5, SrTiO3, ZnO, In2O3, BaSnO3), ZnO-(SnO2, In2O3), CoO-In2O3 등과 같은 이종의 혼합 금속 산화물 세라믹 센서 소재에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있으며, 이러한 복합 산화물 소재는 환경 가스와의 접촉으로 인해 금속 산화물 표면에서 일어나는 가스흡착 및 산화/환원 반응에 의해 정전용량 또는 임피던스가 변하는 특성을 가지며, 정전용량형(capacitive-type) 가스 센서의 개발을 위한 유력한 소재이다. BaTiO 3 -metal oxides (CaO, MgO, NiO, CuO, SnO 2 , MgO, La 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Y 2 O 3 , CeO 2 , PbO, ZrO 2 , Fe 2 O 3 , Bi 2 Mixed oxide ceramic with O 3 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3, etc., WO 3- (ZnO, CuO, NiO, SnO 2 , MgO, Fe 2 O 3 ), NiO- (V 2 O 5, SrTiO 3, ZnO , in 2 O 3, BaSnO 3), ZnO- (SnO 2, in 2 O 3), many studies of the heterogeneous mixed metal oxide ceramic material of the sensor, such as CoO-in 2 O 3 The complex oxide material has a characteristic of changing capacitance or impedance due to gas adsorption and oxidation / reduction reactions occurring on the surface of a metal oxide due to contact with environmental gases, and is capacitive-type. It is a potent material for the development of gas sensors.

정전용량형 가스 센서는 기존의 전기 저항형 산화물 반도체 가스 센서의 단점을 보완하기 위한 것으로 교류전압 구동으로서 저전력, 고민감도, 고선택성, 빠른 가스 반응 속도, 간단한 구조에 따른 제조 공정의 단순화 및 소형화가 가능하며, 특히 외부 환경에 대한 장기 안정성을 가지며, 집적화가 가능하다는 장점을 가진다. 부가적으로 전기용량의 증폭은 오실레이터 회로에 의해 쉽게 구현될 수 있으며, 신호처리회로가 간단하여 저가격화가 가능하다. The capacitive gas sensor is to compensate for the shortcomings of the conventional electrically resistive oxide semiconductor gas sensor. As it operates AC voltage, low power, high sensitivity, high selectivity, fast gas reaction speed, and simple structure make the manufacturing process simple and compact. It is possible, in particular, has the long-term stability to the external environment, has the advantage that the integration is possible. In addition, the amplification of the capacitance can be easily implemented by the oscillator circuit, and the signal processing circuit is simple, so that the cost can be reduced.

이에 본 발명자들은 정전용량형 가스 센서에 대한 것을 연구하면서, 금속전극과 마이크로박막 히터를 동일 평면 상에 일체형으로 형성시키는 경우, 구조의 단순화로 인하여 용이하게 제조될 수 있으며, 기존의 전기 저항형 산화물 반도체 가스 센서의 단점을 보완할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors, while studying a capacitive gas sensor, when the metal electrode and the micro thin film heater are integrally formed on the same plane, they can be easily manufactured due to the simplification of the structure, and the conventional electrically resistive oxide The present invention has been accomplished by discovering that the disadvantages of the semiconductor gas sensor can be compensated for.

본 발명의 기술적 과제는 기존의 산화물 반도체 가스 센서의 제작시 공정이 복잡하다는 문제를 해결하면서 고민감성, 고선택성, 빠른 응답속도 및 장기 안정성과 같은 우수한 가스 반응 특성을 갖는 정전용량형 환경유해가스 센서를 제공한다.The technical problem of the present invention is to solve the problem that the process of manufacturing a conventional oxide semiconductor gas sensor, the capacitive environmental harmful gas sensor having excellent gas response characteristics such as high sensitivity, high selectivity, fast response speed and long-term stability To provide.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 기존의 산화물 반도체 가스 센서의 제작시 공정이 복잡하다는 문제를 해결하면서 고민감성, 고선택성, 빠른 응답속도 및 장기 안정성과 같은 우수한 가스 반응 특성을 갖는 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법을 제공한다.Another technical problem of the present invention is to solve the problem that the process is complicated in the fabrication of the conventional oxide semiconductor gas sensor, while capacitive environmental hazards having excellent gas response characteristics such as high sensitivity, high selectivity, fast response speed and long-term stability It provides a method of manufacturing a gas sensor.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 According to an aspect of the present invention,

절연기판;Insulating substrate;

상기 절연기판의 동일 평면 상에 일체형으로 형성된 금속전극 및 마이크로박막 히터 가열선; 및A metal electrode and a micro thin film heater heating wire formed integrally on the same plane of the insulating substrate; And

상기 금속 전극 및 마이크로박막 히터 가열선 상에 코팅된 산화물 감지층을 포함하는 정전용량형 환경유해가스 센서를 제공한다.It provides a capacitive environmental harmful gas sensor comprising an oxide sensing layer coated on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire.

본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서는 금속전극 및 마이크로박막 히터 가열선과 동일 평면 상에, 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선의 전기적 간섭으로 인한 전기적 신호의 왜곡을 방지하는 기능을 수행하는 전기신호 필터링 회 로를 더 포함하는 것이 바람직하다.The capacitive environmentally harmful gas sensor according to the present invention is an electrical signal which performs a function of preventing distortion of an electrical signal due to electrical interference between a metal electrode and a micro thin film heater heating line on the same plane as the metal electrode and a micro thin film heater heating line. It is preferable to further include a filtering circuit.

또한, 본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서에서, 상기 절연기판은 산화물, 세라믹 및 절연층이 도포된 실리콘 기판 또는 유리기판으로 이루어진 군에서 선택된 것이 바람직하다.In addition, in the capacitive environmental harmful gas sensor according to the present invention, the insulating substrate is preferably selected from the group consisting of a silicon substrate or a glass substrate coated with an oxide, a ceramic and an insulating layer.

또한, 본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서에서, 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선은 2단자 구조의 인터디지털 트랜스듀서 형태인 것이 바람직하며, 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선은 Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 금속인 것이 바람직하다.In addition, in the capacitive environmentally harmful gas sensor according to the present invention, the metal electrode and the micro thin film heater heating wire are preferably in the form of a two-terminal interdigital transducer, and the metal electrode and the micro thin film heater heating wire are Pt. , Ni, W, Ti and Cr is preferably a metal containing at least one selected from the group consisting of.

본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서에서, 상기 센싱 소재는 p형 산화물 반도체와 n형 산화물 반도체가 혼합된 나노 결정의 복합 산화물 박막 또는 복합 산화물 나노 섬유인 것이 바람직하고, p형 산화물 반도체로는 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, V2O5, Nb2O5, Ta2O5, MnO3, WO3, Al2O3, Ga2O3, In2O2, SnO2, ABO3 perovskite(BaTiO3, 금속 도핑된 BaTiO3)으로 이루어진 군에서 선택되고, n형 산화물 반도체로는 NiO, CuO, Y2O3, La2O3, CeO2, Mn2O3, Co2O4, PdO, Ag2O, Bi2O3, Sb2O3, TeO2, Fe2O3 로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.In the capacitive environmentally harmful gas sensor according to the present invention, the sensing material is preferably a nanocrystalline composite oxide thin film or a composite oxide nanofiber in which a p-type oxide semiconductor and an n-type oxide semiconductor are mixed. ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 3 , WO 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 2 , SnO 2 , ABO 3 perovskite (BaTiO 3 , metal doped BaTiO 3 ), and the n-type oxide semiconductor is NiO, CuO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Mn 2 O 3 , Co 2 It is preferably selected from the group consisting of O 4 , PdO, Ag 2 O, Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , TeO 2 , Fe 2 O 3 .

또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 In order to solve another technical problem, the present invention

절연 기판 상에 금속층을 증착하는 단계;Depositing a metal layer on an insulating substrate;

동일 평면 상에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선이 서로 인터디지털 트 랜스듀서를 이루도록 금속층을 식각하는 단계; 및Etching the metal layer such that the metal electrode and the micro thin film heater heating wire form an interdigital transducer on the same plane; And

상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선 상에 감지층으로 나노결정 복합 산화물 박막 또는 복합 산화물 나노섬유 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a capacitive environmental harmful gas sensor comprising forming a nanocrystalline composite oxide thin film or a composite oxide nanofiber coating layer as a sensing layer on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire.

본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법에서, 상기 금속층을 식각하는 단계는 동일 평면 상에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선 이외에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선의 전기적 간섭으로 인한 전기적 신호의 왜곡을 방지하는 기능을 수행하는 전기신호 필터링 회로가 더 포함되도록 식각되는 것이 바람직하다.In the method of manufacturing a capacitive environmentally harmful gas sensor according to the present invention, the etching of the metal layer may include an electrical signal due to electrical interference between the metal electrode and the micro thin film heater heating wire in addition to the metal electrode and the micro thin film heater heating wire on the same plane. Etched to further include an electric signal filtering circuit that performs a function of preventing the distortion of the.

본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법에서, 상기 나노 결정 복합 산화물 박막은 스퍼터링법, 펄스레이저 증착법, e-빔 증착법, 졸-겔법 및 스프레이법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 10 내지 1000nm의 두께 범위로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 복합 산화물 나노 섬유 코팅층은 전기방사법으로 형성되며, 여기서 나노 섬유의 직경은 10nm 내지 100nm인 것이 바람직하다.In the method of manufacturing a capacitive environmentally hazardous gas sensor according to the present invention, the nanocrystalline composite oxide thin film is a method selected from the group consisting of sputtering method, pulse laser deposition method, e-beam deposition method, sol-gel method and spray method 10 to 10 It is preferably formed in a thickness range of 1000nm, the composite oxide nanofiber coating layer is formed by electrospinning method, wherein the diameter of the nanofibers is preferably 10nm to 100nm.

본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서는 금속전극과 마이크로박막 히터가 동일 평면 상에 형성됨에 따라서 공정횟수를 감소시킬 수 있고, 공정 수월성을 확보할 수 있다.The capacitive environmentally harmful gas sensor according to the present invention can reduce the number of processes as the metal electrode and the micro thin film heater are formed on the same plane, and can ensure process ease.

또한, 본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서는 환경유해 가스와의 접촉으로 인해 산화물 표면에서 일어나는 가스흡착 및 산화/환원 반응에 의해 정전용량이 변하는 특성을 갖는 나노 결정 복합 산화물 박막 및 복합 산화물 나노 섬유를 이용함에 따라 고감도, 고선택성, 고안정성 및 저전력의 우수한 특성을 갖는다.In addition, the capacitive environmentally hazardous gas sensor according to the present invention has a nanocrystalline composite oxide thin film and a composite oxide having a characteristic of changing capacitance due to gas adsorption and oxidation / reduction reactions occurring on the oxide surface due to contact with environmentally harmful gases. As the nanofibers are used, they have excellent properties of high sensitivity, high selectivity, high stability and low power.

이하, 본 발명은 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서를 나타낸 단면도이다.2 is a perspective view showing a capacitive environmental harmful gas sensor according to an embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view showing a capacitive environmental harmful gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서(200)는 절연기판(210); 상기 절연기판의 동일 평면 상에 일체형으로 형성된 금속전극(220) 및 마이크로박막 히터 가열선(230); 및 상기 금속 전극 및 마이크로박막 히터 가열선 상에 코팅된 산화물 감지층(240)을 포함한다.2 and 3, the capacitive environmental harmful gas sensor 200 according to the present invention is an insulating substrate 210; A metal electrode 220 and a micro thin film heater heating wire 230 integrally formed on the same plane of the insulating substrate; And an oxide sensing layer 240 coated on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire.

본 발명에 따른 환경유해가스 센서(200)를 구성하는 절연기판(210)은 Al2O3, MgO, SrTiO3 등의 산화물; Al2O3, Quartz 등의 세라믹; 절연층이 도포된 실리콘(SiO2/Si)기판; 및 유리기판으로 이루어진 군에서 어느 하나를 선택하는 것이 바람직하며, 상기 절연기판(210)은 0.1 내지 1 mm의 두께 범위를 갖는 것이 바람직하다.The insulating substrate 210 constituting the environmentally harmful gas sensor 200 according to the present invention includes oxides such as Al 2 O 3 , MgO, and SrTiO 3 ; Ceramics such as Al 2 O 3 and Quartz; A silicon (SiO 2 / Si) substrate coated with an insulating layer; And it is preferable to select any one from the group consisting of a glass substrate, it is preferable that the insulating substrate 210 has a thickness range of 0.1 to 1 mm.

본 발명에 따른 환경유해가스 센서(200)를 구성하는 상기 금속전극 트랜스듀 서(220)와 마이크로박막 히터 가열선(230)은 Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 100 내지 500nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.The metal electrode transducer 220 and the micro thin film heater heating wire 230 constituting the environmentally harmful gas sensor 200 according to the present invention are at least one selected from the group consisting of Pt, Ni, W, Ti, and Cr. It is preferable to include, it is preferable to have a thickness of 100 to 500nm.

본 발명에 따른 환경유해가스 센서(200)를 구성하는 상기 금속전극 트랜스듀서(220)와 마이크로박막 히터 가열선(230)은 2단자 구조의 인터디지털 트랜스듀서 형태를 갖는 것이 바람직하다.The metal electrode transducer 220 and the micro thin film heater heating wire 230 constituting the environmentally harmful gas sensor 200 according to the present invention preferably have a two-terminal interdigital transducer shape.

상기 마이크로박막 히터 가열선(230)은 센서의 전기적 신호를 감지하기 위한 기능과 박막 히터선 기능을 동시에 갖는다.The micro thin film heater heating wire 230 has a function for sensing an electrical signal of a sensor and a thin film heater wire function at the same time.

또한 마이크로박막 히터 가열선(203)의 양단에 DC 전압을 인가하기 위한 전극패드(270)를 포함한다. 또한, 가열선의 한쪽 전극패드(270)에 DC 전압을 차단하고, 센싱 신호의 전기적 신호의 왜곡을 방지하기 위해 전기신호 필터링 회로(250)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 전기신호 필터링 회로(250)의 한쪽에 연결된 AC 신호를 검지하는 전극패드(260)와 전극패드(260) 양단에서 센서 신호를 감지한다. Also included are electrode pads 270 for applying a DC voltage to both ends of the micro thin film heater heating wire 203. In addition, the DC voltage is blocked on one electrode pad 270 of the heating wire, and the electrical signal filtering circuit 250 is preferably included to prevent distortion of the electrical signal of the sensing signal. In addition, a sensor signal is sensed at both ends of the electrode pad 260 and the electrode pad 260 that detect an AC signal connected to one side of the electrical signal filtering circuit 250.

상기 전기적 신호의 왜곡을 방지하여 주는 전기신호 필터링 회로(250)로는 DC 바이어스 티를 선택할 수 있으며, 동일한 기능을 수행하는 어떠한 필터링 회로라도 채택은 가능하다. The DC bias tee may be selected as the electrical signal filtering circuit 250 that prevents distortion of the electrical signal, and any filtering circuit performing the same function may be adopted.

본 발명에 따른 환경유해가스 센서(200)를 구성하는 산화물 감지층(240)으로는 나노 결정 복합 산화물 박막 및 복합 산화물 나노 섬유 코팅층일 수 있으며, 이들은 p형 산화물 반도체와 n-형 산화물 반도체가 혼합된 나노 결정의 복합 산화물 박막 및 복합 산화물 나노 섬유인 것이 바람직하다.The oxide sensing layer 240 constituting the environmentally hazardous gas sensor 200 according to the present invention may be a nanocrystalline composite oxide thin film and a composite oxide nanofiber coating layer, and these may be mixed with a p-type oxide semiconductor and an n-type oxide semiconductor. It is preferred that the composite oxide thin film and composite oxide nanofibers of the nanocrystals.

또한 상기 나노 결정 복합 산화물 박막 및 복합산화물 나노 섬유는 n-형 산화물 반도체인 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, V2O5, Nb2O5, Ta2O5, MnO3, WO3, Al2O3, Ga2O3, In2O2, SnO2, ABO3 페로브스카이트(BaTiO3, 금속 도핑된 BaTiO3), p-형 산화물 반도체인 NiO, CuO, Y2O3, La2O3, CeO2, Mn2O3, Co2O4, PdO, Ag2O, Bi2O3, Sb2O3, TeO2, Fe2O3 로 이루어진 군에서 n-형 산화물 반도체와 p-형 산화물 반도체가 각각 어느 하나를 선택하여 혼합된 산화물인 것이 바람직하다.In addition, the nanocrystalline composite oxide thin film and the composite oxide nanofibers are n-type oxide semiconductors ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 3 , WO 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 2 , SnO 2 , ABO 3 perovskite (BaTiO 3 , metal doped BaTiO 3 ), p-type oxide semiconductors NiO, CuO, Y 2 O 3 , N-type oxide semiconductor in the group consisting of La 2 O 3 , CeO 2 , Mn 2 O 3 , Co 2 O 4 , PdO, Ag 2 O, Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , TeO 2 , Fe 2 O 3 It is preferable that the and p-type oxide semiconductors are selected and mixed oxides, respectively.

또한 상기 나노 결정 복합 산화물 박막은 두께가 10 내지 1000 nm인 것이 바람직하며, 상기 복합 산화물 나노 섬유의 직경이 10nm 내지 100nm인 것이 바람직하다.In addition, the nanocrystalline composite oxide thin film preferably has a thickness of 10 to 1000 nm, the diameter of the composite oxide nanofibers is preferably 10nm to 100nm.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서의 제작과정을 나타낸 공정도이다.Figure 4 is a process chart showing the manufacturing process of the capacitive environmental harmful gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하며, 본 발명에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법은 절연 기판 상에 금속층을 증착하는 단계(S11); 동일 평면 상에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선이 서로 인터디지털 트랜스듀서를 이루도록 금속층을 식각하는 단계(S12); 및 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선 상에 감지층으로 나노 결정 복합 산화물 박막 또는 복합 산화물 나노 섬유 코팅층을 형성하는 단계(S13)를 포함한다.Referring to Figure 4, the manufacturing method of the capacitive environmental harmful gas sensor according to the present invention comprises the steps of depositing a metal layer on an insulating substrate (S11); Etching the metal layer such that the metal electrode and the micro thin film heater heating wire form an interdigital transducer on the same plane (S12); And forming a nanocrystalline composite oxide thin film or a composite oxide nanofiber coating layer as a sensing layer on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire (S13).

상기 절연 기판(210) 상에 금속층을 증착하는 단계(S11)는 금속전극(220)과 마이크로박막 히터 가열선(230)을 형성시키기 위한 것으로, 상기 금속으로는 Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 100 내지 500nm의 두께를 갖도록 E-빔 증착법 또는 스퍼터링 증착법 등으로 증착하는 것이 바람직하다.The step (S11) of depositing a metal layer on the insulating substrate 210 is to form the metal electrode 220 and the micro thin film heater heating wire 230, and the metal is Pt, Ni, W, Ti and Cr. It is preferable to include one or more selected from the group consisting of, it is preferable to deposit by an E-beam deposition method or a sputtering deposition method to have a thickness of 100 to 500nm.

상기 금속층을 식각하는 단계(S12)는 동일 평면 상에 금속전극(22)과 마이크로박막 히터 가열선(230)이 서로 인터디지털 트랜스듀서를 형성되도록 식각하는 것이다. 이 경우, 식각은 이 분야의 일반적인 방법을 통해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 리프트 오프 또는 습식방법으로 식각되는 것이 바람직하다.The etching of the metal layer (S12) is to etch the metal electrode 22 and the micro thin film heater heating wire 230 to form an interdigital transducer on the same plane. In this case, the etching may be carried out by a general method in the art, preferably It is preferred to be etched by a lift off or wet method.

한편, 마이크로박막 히터 가열선(230)의 양단에 DC 전압을 인가하기 위한 전극패드(270)을 형성하며, 가열선의 한쪽 전극패드(270)에 DC 전압을 차단하고, 센싱 신호의 전기적 신호의 왜곡을 방지하기 위해 전기신호 필터링 회로(250)를 연결시키는 것이 바람직하다. 상기 전기적 신호의 왜곡을 방지하는 기능을 수행하는 전기신호 필터링 회로(250)는 금속전극(220)과 마이크로박막 히터 가열선(230)을 형성시키기 위해 금속층을 식각하는 경우에 함께 식각되는 것이 바람직하다.On the other hand, the electrode pad 270 for applying a DC voltage to both ends of the micro thin film heater heating wire 230 is formed, the DC voltage is cut off on one electrode pad 270 of the heating wire, the distortion of the electrical signal of the sensing signal In order to prevent this, it is preferable to connect the electrical signal filtering circuit 250. The electrical signal filtering circuit 250, which prevents distortion of the electrical signal, is preferably etched together when the metal layer is etched to form the metal electrode 220 and the micro thin film heater heating line 230. .

이와 같이, 금속전극, 마이크로박막 히터 가열선 또는 전기신호 필터링 회로가 동일 평면 상에 형성되기 때문에, 공정횟수가 감소하고 공정 수월성이 확보될 수 있다. As such, since the metal electrode, the micro thin film heater heating wire, or the electric signal filtering circuit is formed on the same plane, the number of processes can be reduced and process ease can be ensured.

이어, 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선 상에 감지층으로서 나노 결정 복합 산화물 박막 또는 복합 산화물 나노 섬유 코팅층을 형성하는 단계(S13)에서, 산화물로는 n-형 산화물 반도체와 p-형 산화물 반도체가 혼합된 것이 사용될 수 있으며, n-형 산화물 반도체로는 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, V2O5, Nb2O5, Ta2O5, MnO3, WO3, Al2O3, Ga2O3, In2O2, SnO2, 및 ABO3 페로브스카이트(BaTiO3, 금속 도핑된 BaTiO3)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, p-형 산화물 반도체로는 NiO, CuO, Y2O3, La2O3, CeO2, Mn2O3, Co2O4, PdO, Ag2O, Bi2O3, Sb2O3, TeO2, Fe2O3 로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.Subsequently, in the step (S13) of forming a nanocrystalline composite oxide thin film or a composite oxide nanofiber coating layer as a sensing layer on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire, n-type oxide semiconductors and p-type oxide semiconductors are used as oxides. And a mixture of these may be used, and n-type oxide semiconductors include ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 3 , WO 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 2 , SnO 2 , and ABO 3 perovskite (BaTiO 3 , metal doped BaTiO 3 ), and the p-type oxide semiconductors include NiO, CuO , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Mn 2 O 3 , Co 2 O 4 , PdO, Ag 2 O, Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , TeO 2 , Fe 2 O 3 Can be selected from.

상기 나노 결정 복합 산화물 박막은 스퍼터링법, 펄스레이저 증착법, E-빔 증착법, 졸-겔법, 스프레이법 등을 이용하여 10 내지 1000㎚의 두께로 증착될 수 있다.The nanocrystal composite oxide thin film may be deposited to a thickness of 10 to 1000 nm using a sputtering method, a pulsed laser deposition method, an E-beam deposition method, a sol-gel method, a spray method, or the like.

또한, 복합 산화물 나노섬유 코팅층은 복합 산화물 나노 섬유를 전기방사법으로 코팅하여 형성되며, 나노 섬유의 직경은 10 내지 100㎚인 것이 바람직하다.In addition, the composite oxide nanofiber coating layer is formed by coating the composite oxide nanofibers by an electrospinning method, and the diameter of the nanofibers is preferably 10 to 100nm.

도 1은 종래의 멤브레인 구조를 갖는 금속 산화물 반도체 가스센서의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a metal oxide semiconductor gas sensor having a conventional membrane structure.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서를 나타낸 사시도이다. 2 is a perspective view showing a capacitive environmental harmful gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a capacitive environmental harmful gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 정전용량형 환경유해가스 센서의 제작과정을 나타낸 공정도이다.Figure 4 is a process chart showing the manufacturing process of the capacitive environmental harmful gas sensor according to an embodiment of the present invention.

Claims (11)

절연기판;Insulating substrate; 상기 절연기판의 동일 평면 상에 일체형으로 형성된 금속전극 및 마이크로박막 히터 가열선; 및A metal electrode and a micro thin film heater heating wire formed integrally on the same plane of the insulating substrate; And 상기 금속 전극 및 마이크로박막 히터 가열선 상에 코팅되어 형성되고 p형 산화물 반도체와 n형 산화물 반도체가 혼합된 나노 결정의 복합 산화물 박막 또는 복합 산화물 나노 섬유로 구성된 산화물 감지층을 포함하는 정전용량형 환경유해가스 센서.A capacitive environment including an oxide sensing layer formed of a nanocrystal composite oxide thin film or a composite oxide nanofiber formed by coating on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire and mixed with a p-type oxide semiconductor and an n-type oxide semiconductor. Hazardous Gas Sensors. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 금속전극 및 마이크로박막 히터 가열선과 동일 평면 상에, 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선의 전기적 간섭으로 인한 전기적 신호의 왜곡을 방지하는 기능을 수행하는 전기신호 필터링 회로를 더 포함하는 것인 정전용량형 환경유해가스 센서.And an electrical signal filtering circuit on the same plane as the metal electrode and the micro thin film heater heating line, the electrical signal filtering circuit performing a function of preventing distortion of an electrical signal due to electrical interference between the metal electrode and the micro thin film heater heating line. Hazardous Gas Sensors. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 절연기판은 산화물, 세라믹 및 절연층이 도포된 실리콘 기판 또는 유리기판으로 이루어진 군에서 선택된 것인 정전용량형 환경유해가스 센서.The insulating substrate is a capacitive environmental harmful gas sensor is selected from the group consisting of a silicon substrate or a glass substrate coated with an oxide, a ceramic and an insulating layer. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선은 2단자 구조의 인터디지털 트랜스듀서 형태인 정전용량형 환경유해가스 센서.The metal electrode and the micro thin film heater heating wire is a capacitive environmental harmful gas sensor in the form of a two-terminal interdigital transducer. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선은 Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 정전용량형 환경유해가스 센서.The metal electrode and the micro thin-film heater heating wire is a capacitive environmental harmful gas sensor that includes one or more selected from the group consisting of Pt, Ni, W, Ti and Cr. 삭제delete 제 1항에 있어서.The method of claim 1. 상기 p형 산화물 반도체는 ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, V2O5, Nb2O5, Ta2O5, MnO3, WO3, Al2O3, Ga2O3, In2O2, SnO2, ABO3 perovskite(BaTiO3, 금속 도핑된 BaTiO3)으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 n형 산화물 반도체는 NiO, CuO, Y2O3, La2O3, CeO2, Mn2O3, Co2O4, PdO, Ag2O, Bi2O3, Sb2O3, TeO2, Fe2O3 로 이루어진 군에서 선택되는 것인 정전용량형 환경유해가스 센서.The p-type oxide semiconductor is ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 3 , WO 3 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 2 , SnO 2 , ABO 3 perovskite (BaTiO 3 , metal doped BaTiO 3 ), the n-type oxide semiconductor is NiO, CuO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Mn 2 A capacitive environmentally hazardous gas sensor selected from the group consisting of O 3 , Co 2 O 4 , PdO, Ag 2 O, Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , TeO 2 , Fe 2 O 3 . 절연 기판 상에 금속층을 증착하는 단계;Depositing a metal layer on an insulating substrate; 상기 절연 기판의 동일 평면 상에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선이 서로 인터디지털 트랜스듀서를 이루도록 일체형으로 금속층을 식각하는 단계; 및Etching the metal layer integrally so that the metal electrode and the micro thin film heater heating wire form an interdigital transducer with each other on the same plane of the insulating substrate; And 상기 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선 상에 감지층으로 나노 결정 복합 산화물 박막 또는 복합 산화물 나노 섬유 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법.And forming a nanocrystalline composite oxide thin film or a composite oxide nanofiber coating layer as a sensing layer on the metal electrode and the micro thin film heater heating wire. 제 8항에 있어서,9. The method of claim 8, 상기 금속층을 식각하는 단계는 동일 평면 상에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선 이외에 금속전극과 마이크로박막 히터 가열선의 전기적 간섭으로 인한 전기적 신호의 왜곡을 방지하는 기능을 수행하는 전기신호 필터링 회로가 더 포함되도록 식각되는 것인 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법.The etching of the metal layer further includes an electrical signal filtering circuit that performs a function of preventing distortion of an electrical signal due to electrical interference between the metal electrode and the micro thin film heater heating line in addition to the metal electrode and the micro thin film heater heating line on the same plane. Method for producing a capacitive environmental harmful gas sensor that is etched as possible. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,10. The method according to claim 8 or 9, 상기 나노 결정 복합 산화물 박막은 스퍼터링법, 펄스레이저 증착법, e-빔 증착법, 졸-겔법 및 스프레이법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 10 내지 1000nm의 두께 범위로 형성되는 것인 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법.The nanocrystalline composite oxide thin film is a capacitive environmentally harmful gas sensor is formed in a thickness range of 10 to 1000nm by a method selected from the group consisting of sputtering, pulsed laser deposition, e-beam deposition, sol-gel method and spray method Manufacturing method. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,10. The method according to claim 8 or 9, 상기 복합 산화물 나노 섬유 코팅층은 전기방사법으로 형성되며, 여기서 나노섬유의 직경은 10nm 내지 100nm인 정전용량형 환경유해가스 센서의 제조방법.The composite oxide nanofiber coating layer is formed by an electrospinning method, wherein the diameter of the nanofibers 10nm to 100nm manufacturing method of the capacitive environmental harmful gas sensor.
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