KR102154291B1 - Hydrogen gas sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 수소센서는 i) 기판, ii) 기판 위에 위치하는 절연층, iii) 절연층 위에 위치하고 상호 이격된 제1 전극부 및 제2 전극부, iv) 절연층 위에 위치하고, 제1 전극부와 연결된 감지층, v) 절연층 위에 위치하고, 제2 전극부와 연결된 히터, 및 vi) 감지층의 외부 표면에 형성되어 수소와 접촉하도록 적용된 복수의 나노금속촉매 돌기들을 포함한다.The present invention relates to a hydrogen sensor and a method of manufacturing the same. The hydrogen sensor includes i) a substrate, ii) an insulating layer positioned on the substrate, iii) a first electrode unit and a second electrode unit positioned on the insulating layer and spaced apart from each other, iv) a sensing layer positioned on the insulating layer and connected to the first electrode unit , v) a heater positioned on the insulating layer and connected to the second electrode, and vi) a plurality of nanometal catalyst protrusions formed on the outer surface of the sensing layer and applied to contact hydrogen.

Description

수소센서 및 그 제조 방법 {HYDROGEN GAS SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Hydrogen sensor and its manufacturing method {HYDROGEN GAS SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 수소센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 높은 감도와 우수한 신뢰성을 가진 수소센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen sensor and a method of manufacturing the same. More specifically, it relates to a hydrogen sensor having high sensitivity and excellent reliability, and a method of manufacturing the same.

화석 연료 사용에 따른 환경 오염 및 자원 고갈에 따라 이를 대체할 수 있는 에너지가 주목받고 있다. 예를 들면, 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지로서 수소가 주목받고 있으며, 수소를 상용화하기 위한 다양한 연구개발이 이루어지고 있다. 그러나 일정 농도 이상의 수소가 공기 중에 노출되는 경우, 가연성으로 인해 쉽게 폭발하는 문제점이 있다. 그러므로, 수소 에너지를 쉽게 사용하기 위해서는 수소 누설을 빠르고 정확하게 감지할 필요가 있다.Energy that can replace it is attracting attention due to environmental pollution and resource depletion caused by the use of fossil fuels. For example, hydrogen is attracting attention as an energy that can replace fossil fuels, and various research and development are being conducted to commercialize hydrogen. However, when hydrogen of a certain concentration or more is exposed to the air, there is a problem that it easily explode due to flammability. Therefore, in order to easily use hydrogen energy, it is necessary to quickly and accurately detect hydrogen leakage.

수소 누설 등을 감지하기 위하여 수소센서가 사용되고 있다. 수소센서는 금속 또는 반도체의 수소와의 반응에 따른 전기신호의 변화를 이용하여 수소를 감지한다. 특히, 수소를 정확하고 빠르게 감지하기 위해서는 수소에 대해 높은 반응성을 가지는 구조 및 소재를 포함하는 수소센서가 필요하다.A hydrogen sensor is used to detect hydrogen leakage. The hydrogen sensor detects hydrogen by using a change in an electric signal according to a reaction of a metal or semiconductor with hydrogen. In particular, in order to accurately and quickly detect hydrogen, a hydrogen sensor including structures and materials having high reactivity to hydrogen is required.

수소 가스량의 변화를 정밀 측정할 수 있는 수소센서를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 수소센서의 제조 방법을 제공하고자 한다.We intend to provide a hydrogen sensor that can accurately measure the change in the amount of hydrogen gas. In addition, to provide a method of manufacturing the above-described hydrogen sensor.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서는 i) 기판, ii) 기판 위에 위치하는 절연층, iii) 절연층 위에 위치하고 상호 이격된 제1 전극부 및 제2 전극부, iv) 절연층 위에 위치하고, 제1 전극부와 연결된 감지층, v) 절연층 위에 위치하고, 제2 전극부와 연결된 히터, 및 vi) 감지층의 외부 표면에 형성되어 수소와 접촉하도록 적용된 복수의 나노금속촉매 돌기들을 포함한다.The hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention includes i) a substrate, ii) an insulating layer positioned on the substrate, iii) a first electrode portion and a second electrode portion positioned on the insulating layer and spaced apart from each other, iv) positioned on the insulating layer, A sensing layer connected to the first electrode unit, v) a heater positioned on the insulating layer and connected to the second electrode unit, and vi) a plurality of nanometal catalyst protrusions formed on the outer surface of the sensing layer and applied to contact hydrogen.

복수의 나노금속촉매 돌기들의 평균 입도는 0보다 크고 1000nm일 수 있다. 복수의 나노금속촉매 돌기들의 평균 입도는 50nm 내지 500nm일 수 있다. 복수의 나노금속촉매 돌기들 중 하나 이상의 나노금속촉매 돌기는 중공형일 수 있다. 복수의 나노금속촉매 돌기들은 팔라듐, 이리듐 및 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이 금속을 함유한 합금을 포함할 수 있다.The average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions may be greater than 0 and 1000 nm. The average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions may be 50nm to 500nm. At least one nanometal catalyst protrusion among the plurality of nanometal catalyst protrusions may be hollow. The plurality of nanometal catalyst protrusions may include at least one metal selected from the group consisting of palladium, iridium, ruthenium, and platinum, or an alloy containing the metal.

제1 전극부, 제2 전극부, 히터 및 감지층은 동일한 소재로 형성될 수 있다. 제1 전극부, 제2 전극부, 히터 및 감지층은 절연층의 바로 위에 동일한 높이로 제공될 수 있다. 히터는 i) 복수의 제1 히터부들, 및 ii) 상기 복수의 제1 히터부들과 교차하는 방향으로 뻗은 복수의 제2 히터부들을 포함할 수 있다. 복수의 제1 히터부들과 복수의 제2 히터부들은 각각 상호 교대로 연결될 수 있다. 감지층은, i) 복수의 제1 감지층들, 및 ii) 복수의 제1 감지층들과 교차하는 방향으로 뻗은 복수의 제2 감지층들을 포함할 수 있다. 복수의 제1 감지층들과 복수의 제2 감지층들은 각각 상호 교대로 연결될 수 있다. The first electrode part, the second electrode part, the heater, and the sensing layer may be formed of the same material. The first electrode part, the second electrode part, the heater, and the sensing layer may be provided at the same height directly above the insulating layer. The heater may include i) a plurality of first heater units, and ii) a plurality of second heater units extending in a direction crossing the plurality of first heater units. The plurality of first heater units and the plurality of second heater units may be alternately connected to each other. The sensing layer may include i) a plurality of first sensing layers, and ii) a plurality of second sensing layers extending in a direction crossing the plurality of first sensing layers. The plurality of first sensing layers and the plurality of second sensing layers may be alternately connected to each other.

기판의 두께는 300㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서는 히터 위에 위치하는 부동태층을 더 포함할 수 있다. 감지층과 복수의 나노금속촉매 돌기들은 일체로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서는 기판의 아래에 위치하는 또다른 절연층을 더 포함할 수 있다.The thickness of the substrate may be 300 μm to 500 μm. The hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention may further include a passivation layer positioned on the heater. The sensing layer and the plurality of nanometal catalyst protrusions may be integrally formed. The hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention may further include another insulating layer positioned under the substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 제조 방법은, i) 기판을 제공하는 단계, ii) 기판 위에 절연층을 제공하는 단계, iii) 절연층 위에 금속층을 제공하는 단계, iv) 금속층을 패터닝하여 전극, 히터 및 감지층을 제공하는 단계, v) 기판을 부분적으로 제거하는 단계, 및 vi) 감지층 위에 복수의 나노금속촉매 돌기들을 제공하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention includes i) providing a substrate, ii) providing an insulating layer on the substrate, iii) providing a metal layer on the insulating layer, iv) patterning the metal layer. Thus providing an electrode, a heater, and a sensing layer, v) partially removing the substrate, and vi) providing a plurality of nanometal catalyst protrusions on the sensing layer.

복수의 나노금속촉매 돌기들을 제공하는 단계는, i) 감지층 위에 수지 비드를 제공하는 단계, ii) 수지 비드 위에 금속촉매를 제공하는 단계, 및 iii) 열처리에 의해 수지 비드를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 수지 비드를 제공하는 단계에서, 수지 비드는 폴리스티렌(poly-styrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly-methylmethacrylate, PMMA) 및 폴리디메틸실록산(poly-dimethylsiloxane, PDMS)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 제조 방법은 히터 및 감지층을 포함하는 감지 영역에 대응하는 기판을 부분적으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 제조 방법은, i) 전극, 히터 및 감지층 위에 부동태층을 제공하는 단계, 및 ii) 부동태층을 패터닝하여 전극 및 감지층을 부분적으로 외부 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 전극, 히터 및 감지층은 절연층 위에 상호 동일한 높이로 함께 형성될 수 있다.Providing the plurality of nanometal catalyst protrusions includes i) providing a resin bead on the sensing layer, ii) providing a metal catalyst on the resin bead, and iii) removing the resin beads by heat treatment. can do. In the step of providing a resin bead, the resin bead is at least one selected from the group consisting of polystyrene (PS), poly-methylmethacrylate (PMMA), and polydimethylsiloxane (PDMS). It can be made of materials. The method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention may further include partially removing the substrate corresponding to the sensing region including the heater and the sensing layer. A method of manufacturing a hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention includes: i) providing a passivation layer on an electrode, a heater, and a sensing layer, and ii) partially exposing the electrode and the sensing layer by patterning the passivation layer. It may further include. The electrode, the heater, and the sensing layer may be formed together at the same height on the insulating layer.

복수의 나노금속촉매 돌기들을 제공하는 단계는, i) 알루미늄 박막을 제공하는 단계, ii) 알루미늄 박막의 양극산화에 의해 상호 이격된 미세홀들을 포함하는 템플릿(template)을 제공하는 단계, iii) 미세홀들에 금속촉매를 충전시키는 단계, 및 iv) 템플릿을 제거하여 나노금속촉매 돌기를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.Providing a plurality of nanometal catalyst protrusions includes: i) providing an aluminum thin film, ii) providing a template including microholes spaced apart from each other by anodization of the aluminum thin film, iii) fine Filling the holes with a metal catalyst, and iv) removing the template may include providing a nanometal catalyst protrusion.

수소 센서를 이용하여 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 나노금속촉매 돌기들을 이용하여 수소 감도를 크게 향상시킬 수 있다.Hydrogen concentration can be accurately measured using a hydrogen sensor. In addition, hydrogen sensitivity can be greatly improved by using nanometal catalyst protrusions.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소센서의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 수소센서의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 수소센서의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4 내지 도 13은 도 2의 수소센서의 제조 방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소센서의 개략적인 단면도이다.
도 15는 도 14의 또다른 나노금속촉매 돌기들의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.1 is a schematic plan view of a hydrogen sensor according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of the hydrogen sensor of FIG. 1.
3 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing the hydrogen sensor of FIG. 1.
4 to 13 are diagrams schematically showing each step of the method of manufacturing the hydrogen sensor of FIG. 2.
14 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen sensor according to a second embodiment of the present invention.
15 is a schematic flowchart of a method of manufacturing another nanometal catalyst protrusion of FIG. 14.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.When a part is referred to as being "on" another part, it may be directly on top of another part, or other parts may be involved in between. In contrast, when a part is referred to as being “directly above” another part, no other part is intervened.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for reference only to specific embodiments and is not intended to limit the invention. Singular forms as used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising" as used in the specification specifies a specific characteristic, region, integer, step, action, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, action, element, component and/or group It does not exclude the existence or addition of

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90ㅀ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.Terms indicating a relative space such as "below" and "above" may be used to more easily describe the relationship between one part and another part shown in the drawings. These terms are intended to include other meanings or operations of the device in use together with their intended meaning in the drawings. For example, if the device in the drawing is turned over, certain parts described as being "below" other parts are described as being "above" other parts. Thus, the exemplary term “down” includes both up and down directions. The device can be rotated by 90° or other angles, and terms denoting relative space are interpreted accordingly.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in a commonly used dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서(100)의 평면도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 수소센서(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수소센서(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.1 schematically shows a plan view of a hydrogen sensor 100 according to an embodiment of the present invention. The structure of the hydrogen sensor 100 of FIG. 1 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hydrogen sensor 100 can be modified in other forms.

도 1에 도시한 바와 같이, 수소센서(100)는 기판(10), 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)을 포함한다. 이외에, 수소센서(100)는 필요에 따라 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 수소센서(100)는 외부로부터 고립된 감지 영역(S)을 가진다. 따라서 감지 영역(S)만 히터(304)를 이용해 국부 가열하여 감지층(306)을 이용한 수소 감지 효율을 높일 수 있다.As shown in FIG. 1, the hydrogen sensor 100 includes a substrate 10, an electrode 302, a heater 304, and a sensing layer 306. In addition, the hydrogen sensor 100 may further include other components as necessary. The hydrogen sensor 100 has a sensing area S isolated from the outside. Accordingly, only the sensing region S is locally heated using the heater 304, thereby increasing the hydrogen sensing efficiency using the sensing layer 306.

기판(10) 위에는 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)이 형성된다. 전극(302)은 상호 이격된 제1 전극부(302a)와 제2 전극부(302b)를 포함한다. 제1 전극부(302a)는 감지층(306)과 연결되어 감지층(306)에 전력을 공급하고, 제2 전극부(302b)는 히터(304)와 연결되어 히터(304)에 전력을 공급한다. On the substrate 10, an electrode 302, a heater 304, and a sensing layer 306 are formed. The electrode 302 includes a first electrode portion 302a and a second electrode portion 302b spaced apart from each other. The first electrode part 302a is connected to the sensing layer 306 to supply power to the sensing layer 306, and the second electrode part 302b is connected to the heater 304 to supply power to the heater 304 do.

감지층(306)은 제1 감지층(306a) 및 제2 감지층(306b)을 포함한다. 제1 감지층(306a)은 x축 방향에 평행한 방향으로 뻗어 있고, 제2 감지층(306b)은 y축 방향에 평행한 방향으로 뻗어 있다. 즉, 제2 감지층(306b)은 제1 감지층(306a)과 교차하는 방향으로 뻗어 있다. 여기서, 복수의 제1 감지층들(306a)과 복수의 제2 감지층들(306b)이 상호 교대로 연결되어 감지층(306)을 형성한다. 즉, 감지층(306)은 지그재그 형상을 가진다. 여기서, 제1 감지층(306a)의 길이는 제2 감지층(306b)의 길이보다 작으므로, 좁은 면적에 실질적으로 긴 길이를 가지는 감지층(306)을 형성할 수 있다. 한편, 감지층(306)의 양단은 제1 전극부(302a)와 연결되어 외부로부터 전원을 공급받는다. 따라서 감지층(306)에 흐르는 전류 및 전압이 수소 감지에 의해 변동되는 경우, 수소센서(100)를 이용하여 수소농도를 측정할 수 있다.The sensing layer 306 includes a first sensing layer 306a and a second sensing layer 306b. The first sensing layer 306a extends in a direction parallel to the x-axis direction, and the second sensing layer 306b extends in a direction parallel to the y-axis direction. That is, the second sensing layer 306b extends in a direction crossing the first sensing layer 306a. Here, the plurality of first sensing layers 306a and the plurality of second sensing layers 306b are alternately connected to each other to form the sensing layer 306. That is, the sensing layer 306 has a zigzag shape. Here, since the length of the first sensing layer 306a is smaller than the length of the second sensing layer 306b, the sensing layer 306 having a substantially long length may be formed in a narrow area. Meanwhile, both ends of the sensing layer 306 are connected to the first electrode unit 302a to receive power from the outside. Therefore, when the current and voltage flowing through the sensing layer 306 fluctuates due to hydrogen detection, the hydrogen concentration may be measured using the hydrogen sensor 100.

히터(304)는 제1 히터부(304a) 및 제2 히터부(304b)를 포함한다. 제1 히터부(304a)는 x축 방향에 평행한 방향으로 뻗어 있고, 제2 히터부(304b)은 y축 방향에 평행한 방향으로 뻗어 있다. 즉, 제2 히터부(304b)는 제1 히터부(304a)과 교차하는 방향으로 뻗어 있다. 여기서, 복수의 제1 히터부들(304a)과 복수의 제2 히터부들(304b)이 상호 교대로 연결되어 히터(304)를 형성한다. 즉, 히터(304)는 지그재그 형상을 가진다. 따라서 좁은 면적에 실질적으로 긴 길이를 가지는 히터(304)를 형성할 수 있다. 상호 이웃한 제2 히터부들(304b)간의 간격(d304)은 5㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 제2 히터부들(304b)의 간격(d304)을 전술한 범위로 조절함으로써 히터(304)의 성능을 최적화할 수 있다. 한편, 히터(304)는 감지층(306)을 둘러싸면서 형성되므로, 감지층(306)을 감지 영역(S) 내에서 국부가열하여 감지층(306)의 수소 감지 효율을 높일 수 있다. 이하에서는 도 2를 통하여 도 1의 수소센서(100)의 구조를 개략적으로 설명한다.The heater 304 includes a first heater part 304a and a second heater part 304b. The first heater part 304a extends in a direction parallel to the x-axis direction, and the second heater part 304b extends in a direction parallel to the y-axis direction. That is, the second heater part 304b extends in a direction crossing the first heater part 304a. Here, the plurality of first heater parts 304a and the plurality of second heater parts 304b are alternately connected to each other to form the heater 304. That is, the heater 304 has a zigzag shape. Accordingly, it is possible to form the heater 304 having a substantially long length in a narrow area. The distance d304 between the adjacent second heater parts 304b may be 5 μm to 50 μm. The performance of the heater 304 may be optimized by adjusting the spacing d304 of the second heater parts 304b within the above-described range. Meanwhile, since the heater 304 is formed surrounding the sensing layer 306, the sensing layer 306 can be locally heated in the sensing region S to increase the hydrogen sensing efficiency of the sensing layer 306. Hereinafter, the structure of the hydrogen sensor 100 of FIG. 1 will be schematically described through FIG. 2.

도 2는 도 1의 수소센서(100)를 II-II'선을 따라 자른 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 확대원에는 감지층(306)을 확대하여 나타낸다. 도 2에서는 수소센서(100)의 단면뿐만 아니라 단면 뒤에 보이는 부분도 함께 도시한다. 따라서 감지층(306)은 지그재그 구조로 되어 있지만, 그 단면은 일직선으로 연결된 것처럼 나타난다. 도 2의 수소센서(100)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수소센서(100)의 단면 구조를 다양한 형태로 변형할 수 있다.FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the hydrogen sensor 100 of FIG. 1 taken along line II-II'. The sensing layer 306 is enlarged and shown in the enlarged circle of FIG. 2. In FIG. 2, not only the cross section of the hydrogen sensor 100 but also a portion visible behind the cross section is shown. Accordingly, the sensing layer 306 has a zigzag structure, but its cross section appears to be connected in a straight line. The cross-sectional structure of the hydrogen sensor 100 of FIG. 2 is for illustrative purposes only, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the cross-sectional structure of the hydrogen sensor 100 can be modified in various forms.

도 2에 도시한 바와 같이, 수소센서(100)는 기판(10), 절연층(20, 22), 전극(302), 히터(304), 감지층(306) 및 부동태층(40)을 포함한다. 이외에, 수소센서(100)는 필요에 따라 다른 소자들을 더 포함할 수 있다. 도 2의 확대원에는 감지층(306)의 표면을 확대하여 나타낸다. 도 2의 수소센서(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수소센서(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.As shown in FIG. 2, the hydrogen sensor 100 includes a substrate 10, an insulating layer 20, 22, an electrode 302, a heater 304, a sensing layer 306, and a passivation layer 40. do. In addition, the hydrogen sensor 100 may further include other elements as necessary. In the enlarged circle of FIG. 2, the surface of the sensing layer 306 is enlarged and shown. The structure of the hydrogen sensor 100 of FIG. 2 is for illustrative purposes only, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hydrogen sensor 100 can be modified in other forms.

기판(10)은 실리콘, 산화실리콘 또는 도핑된 실리콘으로 제조할 수 있다. 기판(10)의 두께(t10)는 300㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 기판(10)의 두께(t10)가 너무 큰 경우, 수소센서(100)의 부피가 커진다. 또한, 기판(10)의 두께(t10)가 너무 작은 경우, 수소센서(100)가 구조적으로 불안정할 수 있다. 따라서 기판(10)의 두께(t10)를 전술한 범위로 유지한다.The substrate 10 may be made of silicon, silicon oxide, or doped silicon. The thickness t10 of the substrate 10 may be 300 μm to 500 μm. When the thickness t10 of the substrate 10 is too large, the volume of the hydrogen sensor 100 increases. In addition, when the thickness t10 of the substrate 10 is too small, the hydrogen sensor 100 may be structurally unstable. Therefore, the thickness t10 of the substrate 10 is maintained within the above-described range.

기판(10) 위에는 절연층(20)이 위치하고, 기판의 아래에는 또다른 절연층(22)이 위치하여 기판(10)을 외부로부터 절연시킨다. 절연층(20) 위에는 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)이 위치한다. 전극(302)과 히터(304)는 좌우 대칭 구조로 형성된다. 전극(302)은 외부 전원과의 연결을 위하여 외부로 노출되어 있고, 감지층(306)은 수소와의 접촉을 위하여 외부로 노출된다.An insulating layer 20 is positioned on the substrate 10, and another insulating layer 22 is positioned below the substrate to insulate the substrate 10 from the outside. An electrode 302, a heater 304, and a sensing layer 306 are positioned on the insulating layer 20. The electrode 302 and the heater 304 are formed in a symmetrical structure. The electrode 302 is exposed to the outside for connection with an external power source, and the sensing layer 306 is exposed to the outside for contact with hydrogen.

도 2에 도시한 바와 같이, 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)은 절연층(20) 위에 동일한 높이를 가지면서 함께 위치한다. 즉, 수소센서(100)는 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)을 함께 형성할 수 있는 구조를 가지므로, 수소센서(100)의 제조 공정 및 제조 단가를 최소화할 수 있다. 또한, 별도의 히터를 형성한 적층형 구조에 비해 열적 변형 또는 기계적 변형을 최소화시킬 수 있다.As shown in FIG. 2, the electrode 302, the heater 304, and the sensing layer 306 are positioned together while having the same height on the insulating layer 20. That is, since the hydrogen sensor 100 has a structure capable of forming the electrode 302, the heater 304, and the sensing layer 306 together, the manufacturing process and the manufacturing cost of the hydrogen sensor 100 can be minimized. . In addition, it is possible to minimize thermal deformation or mechanical deformation compared to a stacked structure in which a separate heater is formed.

도 2의 확대원에 도시한 바와 같이, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)은 감지층(306)의 외부 표면에 형성되어 수소와 접촉할 수 있다. 따라서 히터(40)를 통하여 수소센서(100)의 온도를 적절하게 조절하여 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)과 수소가 잘 반응하도록 한다. 그 결과, 수소 센서(100)를 이용해 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있다. 여기서, 수소 센서(100)는 기체 형태 또는 수용액 형태의 수소 농도를 모두 측정할 수 있다.As shown in the enlarged circle of FIG. 2, a plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be formed on the outer surface of the sensing layer 306 to contact hydrogen. Therefore, the temperature of the hydrogen sensor 100 is appropriately controlled through the heater 40 so that the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 and hydrogen react well. As a result, the hydrogen concentration can be accurately measured using the hydrogen sensor 100. Here, the hydrogen sensor 100 may measure both the concentration of hydrogen in the form of a gas or an aqueous solution.

복수의 나노금속촉매 돌기들(50)은 벌크 형태로 형성되는 것이 아니라 나노 스케일의 미세 구조로 형성된다. 즉, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 평균 입도는 0보다 크고 1000nm일 수 있다. 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 평균 입도가 너무 큰 경우, 그 표면적의 증가가 미미하므로, 수소 감지 효과가 크지 못하다. 따라서 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 평균 입도를 전술한 범위로 조절할 필요가 있다. 좀더 바람직하게는, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 평균 입도를 50nm 내지 500nm로 조절할 수 있다. 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 평균 입도를 전술한 범위로 조절하여 수소센서(100)의 수소 감지 효과를 최적화할 수 있다. 한편, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)로 인하여 감지층(306)의 표면적이 크게 증가하므로, 좀더 저농도의 수소를 정밀하게 감지할 수 있다. 이를 위한 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 비표면적은 일반적인 평탄막의 약 1.5배 내지 5배일 수 있다. 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 비표면적이 너무 작은 경우, 수소 감도가 저하된다. 또한, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 비표면적이 너무 큰 경우, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 구조적인 안정성이 저하된다. 따라서 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 비표면적을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.The plurality of nanometal catalyst protrusions 50 are not formed in a bulk form, but are formed in a nano-scale microstructure. That is, the average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be greater than 0 and 1000 nm. When the average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 is too large, the increase in the surface area is insignificant, and thus the hydrogen sensing effect is not large. Therefore, it is necessary to adjust the average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 within the above-described range. More preferably, the average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be adjusted to 50 nm to 500 nm. The hydrogen sensing effect of the hydrogen sensor 100 may be optimized by adjusting the average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 within the above-described range. On the other hand, since the surface area of the sensing layer 306 is greatly increased due to the plurality of nanometal catalyst protrusions 50, it is possible to more accurately detect hydrogen having a lower concentration. For this, the specific surface area of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be about 1.5 to 5 times that of a general planar film. When the specific surface area of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 is too small, the hydrogen sensitivity decreases. In addition, when the specific surface area of the plurality of nano metal catalyst protrusions 50 is too large, the structural stability of the plurality of nano metal catalyst protrusions 50 is deteriorated. Therefore, it is preferable to adjust the specific surface area of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 within the above-described range.

내부가 빈, 즉 중공형 구조로 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 형성할 수 있다. 그 결과, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)의 제조 비용이 적게 소모될 뿐만 아니라 수소 감도를 좀더 향상시킬 수 있다. 한편, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)은 감지층(306)과 일체로 형성될 수도 있다. 따라서 감지층(306) 제조시 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 함께 제조하여 공정을 단순화할 수 있다. 이하에서는 도 3을 참조하여 도 2의 수소 센서(100)의 제조 공정을 좀더 상세하게 설명한다.A plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be formed with an empty interior, that is, a hollow structure. As a result, the manufacturing cost of the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 is reduced, and the hydrogen sensitivity can be further improved. Meanwhile, the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be integrally formed with the sensing layer 306. Therefore, when manufacturing the sensing layer 306, a plurality of nanometal catalyst protrusions 50 may be manufactured together to simplify the process. Hereinafter, a manufacturing process of the hydrogen sensor 100 of FIG. 2 will be described in more detail with reference to FIG. 3.

도 3은 도 1의 수소 센서(100)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 3의 수소 센서의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수소 센서의 제조 방법을 다른 형태로 변형시킬 수 있다. 도 4 내지 도 13은 도 3의 각 단계들을 나타내므로, 이하에서는 도 3 내지 도 13을 참조하여 도 3을 상세하게 설명한다.3 schematically shows a method of manufacturing the hydrogen sensor 100 of FIG. 1. The method of manufacturing the hydrogen sensor of FIG. 3 is for illustrative purposes only, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the manufacturing method of the hydrogen sensor can be modified into other forms. 4 to 13 show each step of FIG. 3, hereinafter, FIG. 3 will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 13.

도 3의 수소 센서의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계(S10), 기판 위에 절연층을 제공하는 단계(S20), 절연층 위에 금속층을 제공하는 단계(S30), 금속층을 패터닝하여 전극, 히터 및 감지층을 제공하는 단계(S40), 전극, 히터 및 감지층 위에 부동태층을 제공하는 단계(S50), 부동태층을 부분적으로 제거하는 단계(S60), 기판을 부분적으로 제거하는 단계(S70), 그리고 감지층 위에 복수의 나노금속촉매 돌기들을 제공하는 단계(S80)을 포함한다. 이외에, 수소 센서의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함하거나 전술한 단계들 중 일부 단계를 생략할 수 있다.The method of manufacturing the hydrogen sensor of FIG. 3 includes providing a substrate (S10), providing an insulating layer on the substrate (S20), providing a metal layer on the insulating layer (S30), and patterning the metal layer to provide an electrode and a heater. And providing a sensing layer (S40), providing a passivation layer on the electrode, the heater, and the sensing layer (S50), partially removing the passivation layer (S60), and partially removing the substrate (S70). And providing a plurality of nanometal catalyst protrusions on the sensing layer (S80). In addition, the method of manufacturing the hydrogen sensor may further include other steps or may omit some of the aforementioned steps.

먼저, 도 3의 단계(S10)에서는 기판(10)을 제공한다. (도 4에 도시) 기판(10)은 실리콘 또는 산화실리콘으로 제조할 수 있다. 실리콘은 n형으로 도핑될 수 있다. 기판(10)의 두께(t10)는 100㎛ 내지 1000㎛일 수 있다. 기판(10)의 두께가 전술한 범위를 가지므로, 수소 센서(100)(도 1에 도시)를 제조하기에 적합하다.First, in step S10 of FIG. 3, a substrate 10 is provided. The substrate 10 (shown in FIG. 4) may be made of silicon or silicon oxide. Silicon can be doped with n-type. The thickness t10 of the substrate 10 may be 100 μm to 1000 μm. Since the thickness of the substrate 10 has the above-described range, it is suitable for manufacturing the hydrogen sensor 100 (shown in Fig. 1).

도 3의 단계(S20)에서는 기판(10) 위에 절연층(20)을 제공한다. (도 5에 도시) 절연층(20)은 기판(10) 위에 증착되어 제공될 수 있다. 예를 들면, 절연층(20)을 저압화학기상증착법(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)을 사용해 증착할 수 있다. 한편, 기판(10) 아래에도 절연층(22)을 증착할 수 있다. 즉, 저압화학기상증착법을 사용하여 기판(10)의 상부 및 하부에 모두 절연층(20, 22)을 형성할 수 있다. 절연층(20, 22)의 소재로서 실리콘 질화물(SiNx)을 사용할 수 있다. 절연층(20)의 두께(t20)는 0.5㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 바람직하게는, 절연층(20)의 두께(t20)는 1㎛ 내지 5㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.5㎛ 내지 3㎛ 일 수 있다. 절연층(20)의 두께(t20)가 너무 작은 경우, 멤브레인 영역이 안정하지 못하고, 후면의 실리콘 기판 식각을 위한 마스크 층으로 사용하기에 충분한 두께를 확보할 수 없다. 또한, 절연층(20)의 두께(t20)가 너무 큰 경우, 실리콘 기판 식각을 위한 마스크층을 형성 및 가공에 있어서 비용이 많이 소모되고, 멤브레인의 내부 응력이 커져 그 구조가 불안정해진다. 따라서 절연층(20)의 두께(t20)를 전술한 범위로 조절한다.In step S20 of FIG. 3, an insulating layer 20 is provided on the substrate 10. The insulating layer 20 (shown in FIG. 5) may be deposited and provided on the substrate 10. For example, the insulating layer 20 may be deposited using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method. Meanwhile, the insulating layer 22 may be deposited under the substrate 10. That is, the insulating layers 20 and 22 may be formed on both the upper and lower portions of the substrate 10 by using a low pressure chemical vapor deposition method. Silicon nitride (SiN x ) may be used as the material of the insulating layers 20 and 22. The thickness t20 of the insulating layer 20 may be 0.5 μm to 10 μm. Preferably, the thickness t20 of the insulating layer 20 may be 1 μm to 5 μm, more preferably 1.5 μm to 3 μm. When the thickness t20 of the insulating layer 20 is too small, the membrane region is not stable, and sufficient thickness to be used as a mask layer for etching the silicon substrate on the rear surface cannot be secured. In addition, when the thickness t20 of the insulating layer 20 is too large, a large amount of cost is consumed in forming and processing a mask layer for etching a silicon substrate, and internal stress of the membrane increases, resulting in an unstable structure. Therefore, the thickness t20 of the insulating layer 20 is adjusted within the above-described range.

다음으로, 도 3의 단계(S30)에서는 절연층(20) 위에 금속층(30)을 제공한다. (도 6에 도시) 금속층(30)은 절연층(20) 위에 스퍼터링 등의 방법을 통하여 형성될 수 있다. 금속층(30)의 소재로서 백금, 팔라듐, 이리듐 또는 루테늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이러한 금속을 함유한 합금 등을 사용할 수 있다. 따라서 후속 공정에서 금속층(30)으로부터 제조되는 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)의 소재도 금속층(30)의 소재와 동일하다.Next, in step S30 of FIG. 3, a metal layer 30 is provided on the insulating layer 20. The metal layer 30 (shown in FIG. 6) may be formed on the insulating layer 20 through a method such as sputtering. As a material of the metal layer 30, one or more metals selected from the group consisting of platinum, palladium, iridium, or ruthenium, or an alloy containing such metal may be used. Accordingly, the material of the electrode 302, the heater 304, and the sensing layer 306 manufactured from the metal layer 30 in a subsequent process is also the same as the material of the metal layer 30.

금속층(30)의 두께(t30)는 500Å 내지 5000Å일 수 있다. 바람직하게는, 금속층(30)의 두께(t30)는 1500Å 내지 3000Å일 수 있다. 금속층(30)의 두께(t30)를 전술한 범위로 제조하여 전기 전도도 및 신뢰도를 최적화한 전극(302)(도 7에 도시), 히터(304)(도 7에 도시) 및 감지층(306)(도 7에 도시)을 제조할 수 있다. 도 7에는 도시하지 않았지만 금속층(30)을 절연층(20) 위에 직접 증착하는 경우, 접착이 잘 안될 수 있다. 따라서 절연층(20) 위에 접착층을 증착시킨 후 금속층(30)을 증착할 수도 있다. 접착층으로는 Ti, Cr, TaOx, HfOx 등을 사용할 수 있다. 여기서, 접착층의 두께는 100Å 내지 500Å일 수 있다. 바람직하게는, 접착층의 두께는 200Å 내지 400Å일 수 있다. 접착층의 두께를 전술한 범위로 조절하여 절연층(20)과 금속층(30)의 접착 상태를 최적화할 수 있다.The thickness t30 of the metal layer 30 may be 500Å to 5000Å. Preferably, the thickness t30 of the metal layer 30 may be 1500Å to 3000Å. An electrode 302 (shown in FIG. 7), a heater 304 (shown in FIG. 7), and a sensing layer 306 having optimized electrical conductivity and reliability by manufacturing the thickness t30 of the metal layer 30 in the above-described range. (Shown in FIG. 7) can be manufactured. Although not shown in FIG. 7, when the metal layer 30 is directly deposited on the insulating layer 20, adhesion may be difficult. Therefore, the metal layer 30 may be deposited after depositing an adhesive layer on the insulating layer 20. As the adhesive layer, Ti, Cr, TaO x , HfO x , or the like can be used. Here, the thickness of the adhesive layer may be 100Å to 500Å. Preferably, the thickness of the adhesive layer may be 200Å to 400Å. By adjusting the thickness of the adhesive layer in the above-described range, the adhesive state of the insulating layer 20 and the metal layer 30 may be optimized.

도 3의 단계(S40)에서는 금속층(30)(도 6에 도시)을 패터닝하여 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)을 제공한다. (도 7에 도시) 즉, 금속층(30)(도 6에 도시)을 패턴이 형성된 포토레지스트로 덮고 노광 및 현상한 후 건식 식각 방식의 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)을 통하여 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)을 제조할 수 있으며, 리프트 오프(lift-off) 공정에 의해 형성할 수도 있다. 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306)은 함께 제조되므로, 절연층(20)의 바로 위에 상호 동일한 높이를 가지면서 모두 동일한 소재로 형성될 수 있다. 따라서 제조 공정이 간단한 이점이 있다.In step S40 of FIG. 3, the metal layer 30 (shown in FIG. 6) is patterned to provide an electrode 302, a heater 304, and a sensing layer 306. (Shown in FIG. 7) That is, the electrode 302 by covering the metal layer 30 (shown in FIG. 6) with a patterned photoresist, exposing and developing, and then performing reactive ion etching using a dry etching method, The heater 304 and the sensing layer 306 may be manufactured, and may be formed by a lift-off process. Since the electrode 302, the heater 304, and the sensing layer 306 are manufactured together, they may all be formed of the same material while having the same height as each other directly on the insulating layer 20. Therefore, there is an advantage that the manufacturing process is simple.

다음으로, 도 3의 단계(S50)에서는 전극(302), 히터(304) 및 감지층(306) 위에 부동태층(40)을 제공한다. (도 8에 도시) 여기서, 부동태층(40)의 두께(t40)는 1000Å 내지 8000Å일 수 있다. 바람직하게는, 부동태층(40)의 두께(t40)는 3000 내지 6000Å일 수 있다.Next, in step S50 of FIG. 3, a passivation layer 40 is provided on the electrode 302, the heater 304, and the sensing layer 306. (Shown in FIG. 8) Here, the thickness t40 of the passivation layer 40 may be 1000Å to 8000Å. Preferably, the thickness t40 of the passivation layer 40 may be 3000 to 6000Å.

도 3의 단계(S60)에서는 부동태층(40)을 부분적으로 제거한다. (도 9에 도시) 즉, 부동태층(40)을 반응성 이온 에칭법(Reactive ion etching, RIE)을 이용해 부분적으로 제거할 수 있다. 이로써 전극(302)과 감지층(306)을 외부로 노출시킬 수 있다. 여기서, 전극(302)은 외부 전원과의 전기적인 연결을 위해 외부 노출되고, 감지층(306)은 수소를 감지하기 위해 외부 노출된다. 히터(304)와 감지층(306)은 각각 별개의 전극(302)에 연결되어 작동된다. In step S60 of FIG. 3, the passivation layer 40 is partially removed. In other words, the passivation layer 40 can be partially removed using a reactive ion etching (RIE) method. Accordingly, the electrode 302 and the sensing layer 306 can be exposed to the outside. Here, the electrode 302 is externally exposed for electrical connection with an external power source, and the sensing layer 306 is externally exposed to detect hydrogen. The heater 304 and the sensing layer 306 are operated by being connected to separate electrodes 302, respectively.

다음으로, 도 3의 단계(S70)에서는 기판(10)을 부분적으로 제거한다. (도 10에 도시) 기판(10)은 화학적 에칭 또는 마이크로 머시닝 등의 방법을 사용하여 부분적으로 제거할 수 있다. Next, in step S70 of FIG. 3, the substrate 10 is partially removed. The substrate 10 (shown in Fig. 10) can be partially removed using a method such as chemical etching or micromachining.

즉, 도 10에 도시한 바와 같이, 히터(304)와 감지층(306)을 포함하는 감지영역(S)에 대응하는 기판(10)을 부분적으로 제거하여 절연층(20) 아래에 개구부(101)를 형성한다. 그 결과, 감지영역(S)에 대응하는 절연층(20)의 하부는 외부 노출된다. 따라서 히터(304)가 감지층(306)을 국부적으로 가열하여 감지층(306)의 수소 감도를 크게 향상시킬 수 있다.That is, as shown in FIG. 10, the substrate 10 corresponding to the sensing region S including the heater 304 and the sensing layer 306 is partially removed to form the opening 101 under the insulating layer 20. ) To form. As a result, the lower portion of the insulating layer 20 corresponding to the sensing region S is exposed to the outside. Accordingly, the heater 304 locally heats the sensing layer 306 to greatly improve the hydrogen sensitivity of the sensing layer 306.

도 3의 단계(S80)에서는 감지층(306) 위에 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 제공한다. 도 11 내지 도 13에 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 제공하는 단계들을 차례로 나타낸다.In step S80 of FIG. 3, a plurality of nanometal catalyst protrusions 50 are provided on the sensing layer 306. 11 to 13 show the steps of providing a plurality of nanometal catalyst protrusions 50 in sequence.

복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 제공하는 단계는 i) 감지층(306) 위에 수지 비드(52)를 제공하는 단계(도 11에 도시), ii) 수지 비드(52) 위에 금속촉매(54)를 제공하는 단계(도 12에 도시), 그리고 iii) 열처리에 의해 수지 비드(52)를 제거하는 단계(도 13에 도시)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 제공하는 단계는 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.The steps of providing the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 include i) providing a resin bead 52 on the sensing layer 306 (shown in FIG. 11), ii) a metal catalyst on the resin bead 52 ( 54) providing (shown in FIG. 12), and iii) removing the resin beads 52 by heat treatment (shown in FIG. 13). In addition, the step of providing the plurality of nanometal catalyst protrusions 50 as necessary may further include other steps.

먼저, 도 11에 도시한 바와 같이, 감지층(306) 위에 수지 비드(52)를 제공한다. 여기서, 수지 비드(52)는 폴리스티렌(poly-styrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly-methylmethacrylate, PMMA), 폴리디메틸실록산(poly-dimethylsiloxane, PDMS) 등의 수지를 사용하여 제조할 수 있다. 이러한 종류의 수지 비드(52)는 400℃ 이상에서 휘발되므로, 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)(도 13에 도시)을 제조하기에 적합하다. 수지 비드(52)는 예를 들면 수용성 용매 등의 용액내 수지비드를 현탁액(suspension) 형태로 분산시켜 스핀 코팅법(spin coating) 또는 딥코팅법(dip coating) 등으로 제조할 수 있다. 마스킹 등을 통하여 수지 비드(52)가 형성되는 부분을 제외한 나머지 부분은 전부 차단한 후 수지 비드(52)를 감지층(306) 위에 제공할 수 있다.First, as shown in FIG. 11, a resin bead 52 is provided on the sensing layer 306. Here, the resin bead 52 may be manufactured using a resin such as polystyrene (PS), poly-methylmethacrylate (PMMA), or polydimethylsiloxane (PDMS). . Since this kind of resin beads 52 volatilize at 400° C. or higher, it is suitable for manufacturing a plurality of nanometal catalyst protrusions 50 (shown in FIG. 13). The resin beads 52 may be prepared by dispersing resin beads in a solution such as an aqueous solvent in the form of a suspension, such as spin coating or dip coating. The resin bead 52 may be provided on the sensing layer 306 after blocking all of the remaining portions except for the portion where the resin bead 52 is formed through masking or the like.

다음으로, 도 12에 도시한 바와 같이, 금속촉매(54)를 수지 비드(52) 위에 제공한다. 금속촉매(54)는 스퍼터링 또는 진공증발증착 등의 방법으로 수지 비드(52) 위에 박막 형태로 제공될 수 있다. 또한, 금속촉매(54)는 상온 증착 등의 방법을 통해 형성될 수도 있다. 금속촉매(54)의 소재로서 수소와의 반응성이 우수한 팔라듐, 이리듐 및 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 전술한 금속을 함유한 합금을 사용할 수 있다.Next, as shown in FIG. 12, a metal catalyst 54 is provided on the resin beads 52. The metal catalyst 54 may be provided in the form of a thin film on the resin beads 52 by a method such as sputtering or vacuum evaporation. In addition, the metal catalyst 54 may be formed through a method such as room temperature deposition. As the material of the metal catalyst 54, one or more metals selected from the group consisting of palladium, iridium, ruthenium, and platinum having excellent reactivity with hydrogen, or an alloy containing the aforementioned metal may be used.

그리고 도 13에 도시한 바와 같이, 수지 비드(52)(도 12에 도시, 이하 동일)를 열처리하여 수지 비드(52)를 제거할 수 있다. 수지 비드(52)는 400℃ 이상의 온도에서 열처리되면서 휘발된다. 그 결과, 감지층(306) 위에 중공형으로 형성된 복수의 나노금속촉매 돌기들(50)을 제조할 수 있다.And, as shown in FIG. 13, the resin beads 52 can be removed by heat-treating the resin beads 52 (shown in FIG. 12, the same hereinafter). The resin beads 52 are volatilized while being heat-treated at a temperature of 400°C or higher. As a result, a plurality of nanometal catalyst protrusions 50 formed in a hollow shape on the sensing layer 306 may be manufactured.

수소 분자가 외부 노출된 나노금속촉매 돌기들(50)의 표면에 흡착되는 경우, 수소분자결합이 끊어지면서 나노금속촉매 돌기들(50) 내부로 확산 및 용해된다. 수소 가스의 농도에 따른 용해량도 달라지므로, 나노금속촉매 돌기들(50)의 저항이 수소 가스 농도에 따라 변하는 특성을 이용하여 수소농도를 측정할 수 있다. 도 13의 수소센서(100)의 나노금속촉매 돌기들(50)은 수소 분자에 대해서만 촉매 반응을 일으키므로, 수소 가스에 대한 선택성이 우수하며, 높은 감도와 넓은 감지 범위를 가진다.When hydrogen molecules are adsorbed on the surface of the nanometal catalyst protrusions 50 exposed to the outside, the hydrogen molecule bonds are broken and diffuse and dissolve into the nanometal catalyst protrusions 50. Since the dissolution amount according to the concentration of the hydrogen gas also varies, the hydrogen concentration can be measured using a characteristic in which the resistance of the nanometal catalyst protrusions 50 changes according to the concentration of the hydrogen gas. Since the nanometal catalytic protrusions 50 of the hydrogen sensor 100 of FIG. 13 cause a catalytic reaction only for hydrogen molecules, they have excellent selectivity for hydrogen gas, and have high sensitivity and a wide detection range.

도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조한 수소 센서(200)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 14의 수소 센서(200)의 구조는 도 2의 수소 센서(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명을 생략한다. 14 schematically shows a cross-sectional structure of a hydrogen sensor 200 manufactured according to a second embodiment of the present invention. Since the structure of the hydrogen sensor 200 of FIG. 14 is similar to the structure of the hydrogen sensor 100 of FIG. 2, the same reference numerals are used for the same parts, and detailed descriptions thereof are omitted.

도 14에 도시한 바와 같이, 수소 센서(200)의 감지층(306) 위에는 또다른 나노금속촉매 돌기들(85)이 형성된다. 여기서, 나노금속촉매 돌기들(85)은 양극산화공정을 통하여 제조한 템플릿(83)(도 14에 도시, 이하 동일) 위에 형성된다. 이하에서는 도 14를 통하여 템플릿(83)을 제조하기 위한 양극산화공정을 좀더 상세하게 설명한다.As shown in FIG. 14, further nanometal catalyst protrusions 85 are formed on the sensing layer 306 of the hydrogen sensor 200. Here, the nanometal catalyst protrusions 85 are formed on the template 83 (shown in FIG. 14, the same hereinafter) manufactured through an anodic oxidation process. Hereinafter, an anodizing process for manufacturing the template 83 will be described in more detail with reference to FIG. 14.

도 15는 도 14의 또다른 나노금속촉매 돌기들(85)의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 편의상 설명을 위해 도 15의 단계(S902) 및 단계(S903)에서는 부분 단면도를 나타낸다. 도 15의 또다른 나노금속촉매 돌기들(85)의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 또다른 나노금속촉매 돌기들(85)의 제조 방법은 다른 형태로 변형될 수 있다.FIG. 15 schematically shows a flow chart of a method of manufacturing another nanometal catalyst protrusions 85 of FIG. 14. For convenience of explanation, a partial cross-sectional view is shown in steps S902 and S903 of FIG. 15. The method of manufacturing the other nanometal catalyst protrusions 85 of FIG. 15 is for illustrative purposes only, and the present invention is not limited thereto. Therefore, a method of manufacturing the other nanometal catalyst protrusions 85 may be modified in other forms.

도 15에 도시한 바와 같이, 또다른 나노금속촉매 돌기들(85)의 제조 방법은, 알루미늄 박막(82)을 제공하는 단계(S901), 알루미늄 박막(82)의 양극산화에 의해 상호 이격된 미세홀들(831)을 포함하는 템플릿(template)(83)을 제공하는 단계(S902), 미세홀들(831)에 금속촉매(84)를 충전시키는 단계, 그리고 템플릿(83)을 제거하여 나노금속촉매 돌기들(85)를 제공하는 단계를 포함한다. 이외에 필요에 따라 또다른 나노금속촉매 돌기들(85)의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수도 있다. As shown in FIG. 15, another method of manufacturing the nanometal catalyst protrusions 85 includes the step of providing an aluminum thin film 82 (S901), and fine spaced apart from each other by anodization of the aluminum thin film 82. Providing a template 83 including holes 831 (S902), filling the metal catalyst 84 in the micro holes 831, and removing the template 83 Providing catalyst protrusions 85. In addition, if necessary, the method of manufacturing the other nanometal catalyst protrusions 85 may further include other steps.

먼저, 단계(S901)에서는 베이스판(80) 위에 템플릿(template)으로 사용할 알루미늄 박막(82)을 제공한다. 알루미늄 박막(82)의 두께(t82)는 2㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 알루미늄 박막(82)의 두께(t82)가 너무 크면 박막 증착 시간 및 공정비용이 증가하고, 박막 내부 또는 표면에 기공이 생겨서 이후의 양극산화공정이 어려워질 수 있다. 또한, 양극산화 이후에 증착된 금속촉매가 양극산화표면에만 증착되어 나노금속촉매 돌기가 잘 형성되지 않는다. 또한, 알루미늄 박막(82)의 두께(t82)가 너무 작은 경우, 양극산화 이후에 증착되는 금속촉매가 연속 형성되어 나노금속촉매 돌기들이 형성되지 않는다. 따라서 알루미늄 박막(82)의 두께(t82)를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하며, 예를 들면 알루미늄 박막(82)의 두께(t82)는 2㎛일 수 있다. 여기서, 알루미늄 박막(82)의 알루미늄 순도는 99.9999%일 수 있다. First, in step S901, an aluminum thin film 82 to be used as a template is provided on the base plate 80. The thickness t82 of the aluminum thin film 82 may be 2 μm to 5 μm. If the thickness t82 of the aluminum thin film 82 is too large, a thin film deposition time and a process cost may increase, and pores may be formed inside or on the surface of the thin film, making it difficult to perform a subsequent anodization process. In addition, the metal catalyst deposited after the anodic oxidation is deposited only on the anodic oxidation surface, so that the nanometal catalyst protrusion is not well formed. In addition, when the thickness t82 of the aluminum thin film 82 is too small, the metal catalyst deposited after the anodic oxidation is continuously formed so that the nanometal catalyst protrusions are not formed. Therefore, it is preferable to adjust the thickness t82 of the aluminum thin film 82 within the above-described range. For example, the thickness t82 of the aluminum thin film 82 may be 2 μm. Here, the aluminum purity of the aluminum thin film 82 may be 99.9999%.

단계(S902)에서는 알루미늄 박막(82)을 양극산화한다. 즉, C2H2O4 등의 수용액에 알루미늄 박막(82)을 양극으로 하고, 백금 등을 음극으로 한 후 전압을 인가한다. 그 결과, 알루미늄 박막(82)이 양극산화되어 템플릿(83)으로 변환된다. 이 경우, 템플릿(83)에 미세홀들(831)이 형성되어 베이스판(80)의 표면이 드러날 정도로 양극산화공정을 진행하는 것이 바람직하다.In step S902, the aluminum thin film 82 is anodized. That is, in an aqueous solution such as C 2 H 2 O 4 , the aluminum thin film 82 is used as an anode, platinum or the like is used as a cathode, and then a voltage is applied. As a result, the aluminum thin film 82 is anodized and converted into a template 83. In this case, it is preferable to perform an anodization process such that the microholes 831 are formed in the template 83 to expose the surface of the base plate 80.

단계(S903)에서는 미세홀들(831)에 금속촉매(84)를 충전시킨다. 따라서 템플릿(83)에 금속촉매(84)가 충전되어 형성된다. 금속촉매(84)는 스퍼터링 또는 증착 등의 방법으로 제조할 수 있지만 이에 한정되지는 않으며, 증착 두께는 템플릿 두께의 10% 내지 20% 정도인 것이 바람직하다. In step S903, the metal catalyst 84 is filled in the micro holes 831. Accordingly, the template 83 is formed by filling the metal catalyst 84. The metal catalyst 84 may be manufactured by a method such as sputtering or evaporation, but is not limited thereto, and the evaporation thickness is preferably about 10% to 20% of the template thickness.

마지막으로, 단계(S904)에서는 템플릿(83)을 제거하여 나노금속촉매 돌기들(85)을 형성한다. 템플릿(83)은 크롬산, 인산 등의 산성 용액에 템플릿(83)을 담지하여 제거하거나 염소(Cl2) 또는 염화붕소(BClx) 등의 가스를 이용하여 선택적으로 식각함으로써 제거할 수 있다. 제조한 베이스판(80)과 나노금속촉매 돌기들(85)을 감지층(306)(도 14에 도시) 위에 부착하여 수소가스센서(200)(도 14에 도시)를 제조할 수 있다.Finally, in step S904, the template 83 is removed to form nanometal catalyst protrusions 85. The template 83 may be removed by supporting the template 83 in an acidic solution such as chromic acid or phosphoric acid, or selectively etching using a gas such as chlorine (Cl 2 ) or boron chloride (BClx). A hydrogen gas sensor 200 (shown in FIG. 14) may be manufactured by attaching the prepared base plate 80 and the nanometal catalyst protrusions 85 on the sensing layer 306 (shown in FIG. 14).

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.Although the present invention has been described as described above, it will be readily understood by those in the technical field to which the present invention pertains that various modifications and variations can be made without departing from the concept and scope of the following claims.

10. 기판 20, 22. 절연층
30. 금속층 40. 부동태층
50, 85. 나노금속촉매 돌기들 52. 수지 비드
54, 84. 금속촉매 80. 베이스판
82. 알루미늄 박막 83. 템플릿
100, 200. 수소센서 101. 개구부
302. 전극 302a, 302b. 전극부
304. 히터 304a, 304b. 히터부
306. 감지층 831. 미세홀
S. 감지영역10. Substrate 20, 22. Insulation layer
30. Metal layer 40. Passive layer
50, 85. Nanometal catalyst protrusions 52. Resin beads
54, 84. Metal catalyst 80. Base plate
82. Aluminum thin film 83. Template
100, 200. Hydrogen sensor 101. Opening
302. Electrodes 302a, 302b. Electrode part
304. Heater 304a, 304b. Heater
306. Sensing layer 831. Microhole
S. Sensing area

Claims (20)

기판,
상기 기판 위에 위치하는 절연층;
상기 절연층 위에 위치하고 상호 이격된 제1 전극부 및 제2 전극부;
복수의 제1감지층 및 상기 각 제1감지층의 끝단에서 상기 제1감지층과 교차하는 방향으로 형성되어 각 제1감지층을 연결시키며, 상기 복수개의 제1감지층의 일단과 타단을 상호 교대로 연결시키는 제2감지층을 포함하며, 상기 절연층 위에 위치하고, 상기 제1 전극부와 연결된 감지층;
복수의 제1히터부 및 상기 복수의 제1히터부의 끝단에서 각 제1히터부와 교차하는 방향으로 형성되어 상기 각 제1히터부를 연결시키며, 상기 복수개의 제1히터부의 일단과 타단을 상호 교대로 연결시키는 제2히터부를 포함하며, 상기 절연층 위에 위치하고, 상기 제2 전극부와 연결되고, 상기 감지층의 3면을 이격된 상태로 둘러싸도록 배치되는 히터;
상기 감지층의 상측에 부착되는 베이스 판; 및
상기 베이스판의 상측 표면에 형성되어 수소와 접촉하도록 적용된 복수의 나노금속촉매 돌기들;
을 포함하는 수소센서.Board,
An insulating layer on the substrate;
A first electrode part and a second electrode part located on the insulating layer and spaced apart from each other;
It is formed in a direction crossing the first sensing layer at the ends of the plurality of first sensing layers and each of the first sensing layers to connect the first sensing layers, and one end and the other end of the plurality of first sensing layers are interconnected. A sensing layer comprising second sensing layers alternately connected to each other, positioned on the insulating layer, and connected to the first electrode unit;
A plurality of first heaters and ends of the plurality of first heaters are formed in a direction crossing each first heater to connect each of the first heaters, and one end and the other end of the plurality of first heaters are alternately mutually A heater including a second heater connected to each other, positioned on the insulating layer, connected to the second electrode, and disposed to surround three surfaces of the sensing layer in a spaced state;
A base plate attached to the upper side of the sensing layer; And
A plurality of nanometal catalyst protrusions formed on the upper surface of the base plate and applied to contact hydrogen;
Hydrogen sensor comprising a. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노금속촉매 돌기들의 평균 입도는 0보다 크고 1000nm인 수소센서.The method of claim 1,
The hydrogen sensor having an average particle size of the plurality of nanometal catalyst protrusions is greater than 0 and 1000 nm. 제2항에 있어서,
상기 복수의 나노금속촉매 돌기들의 평균 입도는 50nm 내지 500nm인 수소센서.The method of claim 2,
A hydrogen sensor having an average particle size of 50 nm to 500 nm of the plurality of nano metal catalyst protrusions. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노금속촉매 돌기들 중 하나 이상의 나노금속촉매 돌기는 중공형인 수소센서.The method of claim 1,
At least one nano-metal catalyst protrusion among the plurality of nano-metal catalyst protrusions is a hollow type hydrogen sensor. 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노금속촉매 돌기들은 팔라듐, 이리듐 및 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 상기 금속을 함유한 합금을 포함하는 수소센서.The method of claim 1,
The plurality of nano-metal catalyst protrusions are palladium, iridium, and a hydrogen sensor comprising at least one metal selected from the group consisting of ruthenium and platinum or an alloy containing the metal. 제1항에 있어서,
상기 제1 전극부, 상기 제2 전극부, 상기 히터 및 상기 감지층은 동일한 소재로 형성된 수소센서.The method of claim 1,
The first electrode part, the second electrode part, the heater, and the sensing layer are formed of the same material. 제1항에 있어서,
상기 제1 전극부, 상기 제2 전극부, 상기 히터 및 상기 감지층은 상기 절연층의 바로 위에 동일한 높이로 제공된 수소센서.The method of claim 1,
The first electrode part, the second electrode part, the heater, and the sensing layer are provided at the same height on the insulating layer. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기판의 두께는 300㎛ 내지 500㎛인 수소센서.The method of claim 1,
The thickness of the substrate is 300㎛ to 500㎛ hydrogen sensor. 제1항에 있어서,
상기 히터 위에 위치하는 부동태층을 더 포함하는 수소센서.The method of claim 1,
Hydrogen sensor further comprising a passivation layer positioned on the heater. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기판의 아래에 위치하는 또다른 절연층을 더 포함하는 수소센서.The method of claim 1,
Hydrogen sensor further comprising another insulating layer positioned under the substrate. 기판을 제공하는 단계,
상기 기판 위에 절연층을 제공하는 단계,
상기 절연층 위에 금속층을 제공하는 단계,
상기 금속층을 패터닝하여 전극, 히터 및 감지층을 제공하는 단계,
상기 기판을 부분적으로 제거하는 단계, 및
상기 감지층 위에 복수의 나노금속촉매 돌기들을 제공하는 단계
를 포함하고,
상기 복수의 나노금속촉매 돌기들을 제공하는 단계는,
베이스 판 상에 알루미늄 박막을 제공하는 단계;
상기 알루미늄 박막의 양극산화에 의해 상호 이격된 복수개의 미세홀들을 포함하는 템플릿(template)을 제공하는 단계;
상기 미세홀들에 금속촉매를 충전시키는 단계;
상기 템플릿을 식각하여 제거함으로써 상기 베이스 판 상에 나노금속촉매 돌기들을 형성하는 단계; 및
상기 나노금속촉매 돌기들이 형성된 베이스 판을 상기 감지층 상에 부착하는 단계;
를 포함하는 수소센서의 제조 방법.
Providing a substrate,
Providing an insulating layer over the substrate,
Providing a metal layer over the insulating layer,
Patterning the metal layer to provide an electrode, a heater, and a sensing layer,
Partially removing the substrate, and
Providing a plurality of nanometal catalyst protrusions on the sensing layer
Including,
The step of providing the plurality of nanometal catalyst protrusions,
Providing an aluminum thin film on the base plate;
Providing a template including a plurality of microholes spaced apart from each other by anodizing the aluminum thin film;
Filling the microholes with a metal catalyst;
Forming nanometal catalyst protrusions on the base plate by etching and removing the template; And
Attaching a base plate in which the nanometal catalyst protrusions are formed on the sensing layer;
Method of manufacturing a hydrogen sensor comprising a.
삭제delete 삭제delete 제14항에 있어서,
상기 기판을 부분적으로 제거하는 단계는,
상기 히터 및 상기 감지층을 포함하는 감지 영역에 대응하는 기판을 부분적으로 제거하는 단계인 수소센서의 제조 방법.The method of claim 14,
The step of partially removing the substrate,
A method of manufacturing a hydrogen sensor, comprising partially removing a substrate corresponding to a sensing region including the heater and the sensing layer. 제14항에 있어서,
상기 전극, 상기 히터 및 상기 감지층 위에 부동태층을 제공하는 단계, 및
상기 부동태층을 패터닝하여 상기 전극 및 상기 감지층을 부분적으로 외부 노출시키는 단계
를 더 포함하는 수소센서의 제조 방법.The method of claim 14,
Providing a passivation layer on the electrode, the heater, and the sensing layer, and
Partially exposing the electrode and the sensing layer to the outside by patterning the passivation layer
Method of manufacturing a hydrogen sensor further comprising a. 제18항에 있어서,
상기 전극, 상기 히터 및 상기 감지층은 상기 절연층 위에 상호 동일한 높이로 함께 형성되는 수소센서의 제조 방법.The method of claim 18,
The method of manufacturing a hydrogen sensor in which the electrode, the heater, and the sensing layer are formed at the same height on the insulating layer. 삭제delete
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