KR20060098107A - 용량형 습도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용량형 습도센서에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 상부와 하부 전극의 정렬이 어긋나더라도 일정한 용량값을 확보할 수 있게 하는 용량형 습도센서에 관한 것으로서, 절연금속으로 이루어진 기판과, 상기 기판위에 형성되며, 고분자를 이용한 감습층과, 상기 감습층의 내측 바닥에 위치되며 리프트 오프 방식으로 형성되는 하부전극과 상기 감습층의 상층에 안치되며 습기 입자의 이동을 위해 작은 금속입자가 형성되어 있고 사각의 홀이 형성된 상부전극으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

용량형, 습도센서

Description

용량형 습도센서 {CAPACITIVE HUMIDITY SENSOR}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 습도센서를 나타낸 것

도 2는 도 1에서 도시한 습도센서의 단면도

본 발명은 용량형 습도센서에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 상부와 하부 전극의 정렬이 어긋나더라도 일정한 용량값을 확보할 수 있게 하는 용량형 습도센서에 관한 것이다.

일반적으로, 습도의 변화를 다른값을 갖는 전기적신호에 기초하여 검출하는 습도센서는 다양한 형태로 존재하며, 근래에는 습도센서는 자동차 및 기타 다른 분야에서 공기 정화 시스템 및 자동 냉난방 시스템의 최적화 제어를 위해 광범위하게 적용되고 있다.

이러한 습도센서로는 그 작동원리에 따라, 다공질세라믹 또는 전해질에서 수분에 의해 변화되는 전도율를 이용하는 저항센서와, 고분자 중합체 등에 수분이 흡착될 때에 발생되는 유전율의 변화를 이용하는 정전용량형 센서로 나뉜다.

저항형 습도센서는 저습도영역 및 고습도영역에서의 측정이 어렵고, 그 출력 또한 비선형이면서, 온도변화에 대한 변화폭이 크고, 수증기, 응결, 소금물 및 화학물질등에 영향을 크게 받으며, 센서에 직류를 인가하면, 감습재료의 전해작용 및 전극재료의 전리현상에 의해 영구적인 특성저하가 발생한다. 하지만, 정전용량형 습도센서는 고분자 재질에 흡착되는 물분자량에 따라 정전용량이 변화하는 원리를 이용하여 제조되는 센서로서, 그 습도측정범위가 1 ~ 100%로 넓고, 선형의 출력을 갖기 때문에 응용 회로가 간소하게 구현될 수 있으며, 측정 및 조절의 영역도 실온뿐만 아니라, 영하 40℃부터 100℃온도 범위에서 별도의 온도보상장치없이 동작 가능하며, 직류에서 작동되므로 마이크로 컴퓨터를 활용한 회로에 적용하기가 쉽다는 잇점이 있다.

특히, 최근에는 이러한 정전용량 습도센서의 제조기술은 반도체공정을 적용하으로써, 저비용화, 고신뢰성 및 높은 재현성을 갖는 우수한 정전용량형 습도센서를 대량생산하는 것을 가능하게 하였다.

그런데 이러한 유전상수 변화특성을 이용한 용량형 습도센서는 고분자 코팅 시 일정한 두께를 얻을 수 없어 용량값이 변화하여 정확한 측정이 어렵고, 상부전극의 입자를 형성할 때 입자의 크기 변화에 따른 히스테리시스 증가가 연계되며, 상부전극 두께 변화에 따라 습기의 이동경로 및 전기저항이 증가하여 소자 전기적 특성에 영향을 미치는 문제점을 갖고 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 제조된 소자의 특성을 미리 측정한 후에 레이저를 이용해 용량값을 맞추는 커팅작업을 하는 경우도 있으나 이러한 공정을 이용하기 위해 소요되는 비용이 막대할 뿐만 아니라 히스테리시스 개선에 한계가 있을 수 밖에 없으며, 모든 소자의 특성을 특정하고 레이저 커팅을 진행하는 과정, 그리고 레이저 커팅후 다시 소자의 특성을 측정하는데 소요되는 시간으로 인하여 생산시간이 지연된다는 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 상부와 하부 전극의 정렬이 어긋나도 용량값을 일정하게 확보할 수 있게 하는데 그 첫번째 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상부전극에 강제로 습기 이동경로를 형성함으로서 용량값을 일정하게 확보할 수 있게 하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 고분자 제조시 공정의 빠른 대처를 위해 공정이 채 택하고 있는 디자인방법에 상관없이 디자인할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

절연금속으로 이루어진 기판과, 상기 기판위에 형성되며, 고분자를 이용한 감습층과, 상기 감습층의 내측 바닥에 위치되며 리프트 오프 방식으로 형성되는 하부전극과 상기 감습층의 상층에 안치되며 습기 입자의 이동을 위해 작은 금속입자가 형성되어 있고 사각의 홀이 형성된 상부전극으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기판의 재질은 SiO2 등의 절연체인 것이 바람직하며, 소자의 특성상 하부전극의 패드와 상부전극의 패드가 동일한 기판에 형성되므로 비전도 상태를 유지하는 것이 바람직하며, 용량형 소자의 양 전극패드간의 간격이 기판 유전율과의 상관관계에 있어 기판에 의해 대전되는 현상이 감습층의 유전율보다 더 낮거나 감습층의 두께보다 10배 이상 넓게 위치해 있는 것이 바람직하다.

상기 하부전극의 형성은 리프트 오프 방식으로 형성할 수 있으며 하부전극의 두께는 저항에 문제가 발생하지 않게 하기 위해 두께를 150㎚ 내지 300㎚정도로 하고 재질은 크롬 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 감습층은 유전율 약 3.74 정도의 고분자로 형성되며, 고분자의 두께는 1.0㎛ 내지 1.5㎛로 하고, 겔의 형태로 회전도포한 후 열처리를 실시하여 경화한다.

상기 상부전극은 감습층의 유전성질을 이용하기 위해 금속을 이용하며, 습기가 감습층으로 이동할 수 있는 이동경로의 형성을 위해 금속의 입자를 작게 형성시키는 것이 바람직하고, 일정한 모양, 예컨대 사각형의 홀을 뚫어 격자형으로 구성함으로서 격자형 홀에서는 아래의 감습층이 보이게 형성하고 이 홀을 경우해 습기입자가 이동될 수 있게 구성한다. 이러한 상부전극의 형성은 스퍼터를 이용하여 형성할 수 있으며 두께는 약 50㎚ 내지 150㎚인 것이 바람직하다.

상기 구조를 갖는 용량형 습도센서의 용량값은 상부와 하부의 전극이 만나는 면적에 의해 좌우되는 바, 본 발명에서 용량형 습도센서의 용량값은 상부전극의 면적을 제일 작게 형성시켰고, 감습층인 고분자를 제일 크게 형성시켰으며, 하부전극의 면적은 고분자와 상부전극의 중간값을 갖는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 습도센서를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에서 도시한 습도센서의 단면도이다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 기판 위에 하부전극이 위치하고 하부전극은 감습층에 덮여 있으며, 감습층 위에는 상부전극이 안착되는 구조를 갖는다. 그리고 상부전극과 하부전극의 패드는 모두 기판위에 안착된다.

상기 상부전극은 격자형으로 홀이 형성되어 있어 습기입자의 이동경로의 역할을 하며, 홀은 격자모양 이외에도 원형 등으로 구성될 수 있으나, 홀의 총 면적은 동일하더라도 여러개의 홀을 갖는 것이 더 바람직하다.

이러한 구조를 갖는 용량형 습도센서의 작동은 상부전극과 하부전극의 양단에 전압을 인가하여 감습층이 갖는 유전값에 의해 용량값이 결정되며, 외부습도 변화에 의해 중간 감습층으로 습기입자가 유입되거나 반출되면 용량값이 변경되게 되며, 따라서 상, 하부 전극에 유기되는 전류값의 변동이 발생되는 바, 이러한 용량값의 변화를 습도로 역환산하게 되는 것이다.

이러한 본 발명을 통해 상부 전극과 하부 전극의 정렬이 어긋나도 용량값을 일정하게 확보할 수 있게 될 뿐만 아니라 이러한 3개층을 갖는 용량형 습도센서는 4층을 갖는 용량형 습도센서에 비해 현저히 히스테리시스가 감소된 특성을 갖고 이렇게 상부전극에 홀 구조를 갖는 용량형 습도센서는 상부전극에 홀이 없는 용량형 습도센서보다 히스테리시스가 더 감소된 특성을 갖게 된다. 뿐만 아니라 상부전극 의 면적이 감습층과 하부전극에 비해 작은 이유로 제조시 정렬이 틀어짐을 육안으로 확인시킬 수 있고 상부전극의 면적이 작은 것은 추후 용량값 변화에 따른 보정을 위해 상부전극을 레이저로 컷팅시 면적을 확인시킬 수 있어 작업성 측면에서 아주 뛰어나다.

Claims (1)

1. 절연금속으로 이루어진 기판과, 상기 기판위에 형성되며, 고분자를 이용한 감습층과, 상기 감습층의 내측 바닥에 위치되며 리프트 오프 방식으로 형성되는 하부전극과 상기 감습층의 상층에 안치되며 습기 입자의 이동을 위해 작은 금속입자가 형성되어 있고 사각의 홀이 형성된 상부전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 용량형 습도센서

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