KR20120114554A

KR20120114554A - 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터

Info

Publication number: KR20120114554A
Application number: KR1020110032135A
Authority: KR
Inventors: 윤준보; 양현호; 송석호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-17
Also published as: WO2012138054A9; US9664630B2; WO2012138054A2; KR101322354B1; WO2012138054A3; US20140298904A1

Abstract

본 발명의 습도 센서는 전하가 충전될 수 있는 전도성 물질; 상기 전도성 물질에 전하를 충전하는 충전기; 및 상기 전도성 물질에 충전된 전하의 변화량을 측정하는 측정기를 포함한다.

Description

습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터{HUMIDITY SENSOR, HUMIDITY SENSING METHOD AND TRANSISTOR THEREFOR}

본 발명은 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터에 관한 것이다.

습도 센서는 단독으로 사용되거나, 다른 종류의 정보를 획득하는 센서들과 함께 사용되어 여러 산업 분야에 적용될 수 있다. 물류 서비스, 운송 서비스 및 교통 네트워크 등에 적용되어 관련 서비스를 고도화할 수 있다. 또한, 농업, 수산업, 축산업, 유통업 및 제조업 등의 이력 관리, 생산 관리, 공장 관리 및 환경망 구축에 적용될 수 있고, 스마트 홈, 오피스 네트워크 및 빌딩 제어 등에 적용되어 주거 공간을 쾌적화하는 목적으로도 사용될 수 있다. 기타 유해 산업 환경에 대처하기 위한 목적으로 사용될 수도 있다.

상기와 같은 다양한 서비스에 접목시키기 위하여 습도 센서의 고감도화, 소형화, 저가격화 및 신뢰성 확보를 위한 연구가 진행되고 있다. 그 구조 면에서, 세라믹 소결이나 후막 형태의 구조에서 최근에는 반도체 공정 기술의 적용에 의한 미세 전자기계 집적 시스템 (Microelectromechanical system) 기술을 주로 활용한 초소형의 마이크로 센서 형태로 진화하고 있다.

현재, 습도 센서에서 가장 널리 사용되고 있는 측정 방법은 감습막을 이용하는 방법인데, 이는 통상 폴리머 등의 유기 물질이나 세라믹 등의 무기 물질로 이루어진 감습막에 수분이 흡착 또는 탈착될 때의 그 전기적 특성을 측정하는 방법으로 그 측정법이 비교적 간단한 장점이 있다. 예컨대, 감습막이 수분을 흡수하여 정전용량이나 저항 값이 변하는 것으로 습도를 검출하는 것이다. 상기와 같은 감습막을 이용한 습도 센서는 감습막과 감지 전극만이 구비된 구조가 흔히 사용된다.

그러나, 상기와 같은 감습막을 이용한 종래의 습도 센서는 감습막의 제조 불량이 발생하는 경우에 기생 정전용량의 영향으로 신호가 왜곡될 수 있으며, 폴리머 층이 습기를 흡수하여야 하므로 반응 속도가 느리고, 급격한 습도 변화를 감지하는데 많은 시간이 걸리는 단점이 있다. 또한, 폴리머는 알코올 등의 유기 용제에 약할 뿐 아니라 전극과 접착력 문제 등이 발생할 수 있다. 더욱이 고온 다습한 환경에서 안정한 특성을 얻는 것이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 빠르고 정확하게 습도를 검출할 수 있으며, 어떠한 매질에서도 적용될 수 있는 습도 센서의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점 및 요구에 대응하여 안출된 것으로, 빠르고 정확하게 습도를 검출할 수 있는 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 어떠한 매질에서도 습도를 정확하게 검출할 수 있는 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 대량 생산이 가능하고 공정이 용이하고 높은 신뢰성 및 재현성을 갖는 습도 센서 및 이를 이용한 습도 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 이러한 습도 센싱용 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서는 전하가 충전될 수 있는 전도성 물질; 상기 전도성 물질에 전하를 충전하는 충전기; 및 상기 전도성 물질에 충전된 전하의 변화량을 측정하는 측정기를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 센서는 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인, 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층, 및 상기 절연층상에 형성된 게이트를 포함하는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 측정기를 포함한다.

상기 트랜지스터 상에 상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및 상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 트랜지스터 상에 형성되어 전도성 물질층 또는 게이트를 둘러싸는 친수성층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센싱 방법은 전도성 물질에 전하를 충전하는 단계; 상기 전도성 물질의 전하 변화량을 측정하는 단계; 및 상기 전하 변화량으로부터 상기 전도성 물질과 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 센싱 방법은 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인, 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층, 및 상기 절연층상에 형성된 게이트를 포함하는 트랜지스터의 상기 게이트에 전하를 충전하는 단계; 상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 단계; 및 상기 전류의 변화량으로부터 상기 게이트와 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 습도 센싱용 트랜지스터는 기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인; 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성된 게이트; 상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및 상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터는 소수성층을 덮도록 상기 소수성층 상에 형성되고 전도성 물질층을 둘러싸는 친수성층을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래의 감습막의 저항이나 정전용량 변화로부터 습도를 검출하는 습도 센서가 가지는 히스테리시스 현상, 느린 응답 속도, 느린 회복 시간, 고온 다습한 환경에서 불안정한 특성, 금속과 감습막 사이의 접촉 불량 및 오랜 시간이 경과된 경우에 감습막의 변질로 인한 신뢰성 저하 문제 등을 해결할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 습도 센서의 모든 부품이 반도체 공정에서 사용하는 재질로 만들어지므로 대량 생산이 가능하다. 또한 본 발명에 따르면 습도 센서를 제조할 때 고분자 중합체를 사용하지 않으므로 공정이 용이하고 높은 신뢰성과 재현성을 가질 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 어떠한 매질에서도 습도 측정이 가능한 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 전술한 바와 같이 습도 센싱을 가능케 하는 트랜지스터를 제공할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법의 기본적인 구조를 도시한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 일 예를 도시한다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 다른 예를 도시한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서의 구조를 도시한다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터에 인가되는 전압과 드레인 전류의 상관 관계를 나타낸다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터의 드레인 전류의 시간에 따른 변화를 나타낸다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 또 다른 예를 도시한다.
도8은 서로 다른 습도에서 도7에 도시된 것과 같은 트랜지스터의 드레인 전류를 시간에 따라 측정한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

종래의 방식과는 달리, 본 발명의 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 금속과 같은 전도성 물질에 충전된 전하가 시간이 지남에 따라 사라지는 전화 완화 효과를 이용한다.

도1은 본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법의 기본적인 구조를 도시한다. 도1에 도시된 바와 같이, 금속과 같은 전도성 물질(100)에 전하를 대전시키면 상기 전도성 물질(100) 내의 전하가 시간이 지남에 따라 방전되게 된다.

이때, 방전되는 속도는 상기 전도성 물질(100)이 접한 매질의 유전율(permittivity) 및 도전율(conductivity)과 관계가 있다. 특정 매질의 유전율 및 도전율은 상기 매질의 습도에 따라 그 값이 변한다. 특히, 도전율은 습도가 증가할수록 커지는 상관관계가 있다. 이때, 습도에 따른 유전율의 변화는 상기 도전율의 변화량에 비해 매우 작다.

상기 매질의 습도가 클수록 상기 전도성 물질(100)에 충전된 전하는 빠르게 상기 매질로 확산되어 상기 전도성 물질(100) 내에 전하는 감소하게 된다. 이렇게 전도성 물질(100)에 충전해 놓은 전하가 방전되는 현상을 전화 완화 효과(charge relaxation effect)라고 한다.

아래 수학식1은 전화 완화 효과를 수식으로 표현한 것이다.

수학식1

여기서,

Q ₀ 는 상기 전도성 물질(100)의 초기(t=0) 전하량

Q는 t시간 경과 후에 상기 전도성 물질(100)의 잔존 전하량

ε은 상기 전도성 물질(100)에 접한 매질의 유전율

σ는 상기 전도성 물질(100)에 접한 매질의 도전율을 나타낸다.

상기 수학식1은 전도성 물질(100)에 충전된 전하가 지수 함수적으로 감소하는 것을 나타낸다. 이때, 상기 지수 함수의 지수의 분모값(τ)은 상기 매질의 유전율과 도전율에 의해서 결정됨을 알 수 있다.

이와 같은 전화 완화 효과를 이용하여 전도성 물질(100)에 전하를 충전하고 소정 시간(t) 후에 상기 전도성 물질(100)에 남아있는 전하량을 측정함으로써 상기 τ값을 획득할 수 있다.

상기 τ값은 유전율과 도전율의 함수이므로 상기 매질 내의 습도에 따른 함수로 표현될 수 있다. 즉, 전도성 물질(100)에 충전된 전하가 사라지는 속도는 습도에 따라 다르다.

따라서, 소정 시간(t) 동안에 상기 전도성 물질(100) 내의 전하의 변화량을 측정함으로써 상기 전도성 물질(100)이 접한 매질의 습도를 계산할 수 있다. 이때, 전하가 상기 전도성 물질(100)로부터 사라지는 요인을 더 고려할 수 있다.

도1의 전도성 물질(100) 및 이하의 도면에서 전도성 물질층(700)은 전하가 충전될 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전도성 물질(100) 및 전도성 물질층(700)은 금속을 포함할 수 있다. 금속으로서 시간의 경과에도 화학적 변화 등이 작은 물질이 사용될 수 있다. 예컨대, 금속으로서 금(Au)과 같은 물질이 사용될 수 있다. 그리하여, 장기간 오차 범위가 작은 습도 센싱이 가능할 수 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 일 예를 도시한다. 도2는 본 발명의 실시예에 따라 습도를 정확히 측정할 수 있도록 고안된 구조이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)를 이용할 수 있다.

상기 전계 효과 트랜지스터는 게이트(500), 소스(310) 및 드레인(320)을 포함한다. 상기 소스(310) 및 드레인(320)은 기판(200)에 채널 영역(330)을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된다.

이때, 상기 기판(200)은 실리콘 기판일 수 있으며, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 상기 기판(200)이 실리콘 기판일 경우에는 일반적인 실리콘 기판(bulk) 또는 절연층 매몰 실리콘(SOI) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 기판(200)은 도핑되는 불순물의 종류에 따라 p형 또는 n형 실리콘 기판이 될 수 있다.

상기 소스(310) 및 드레인(320)은 기판(200)에 n형 불순물(원자 주기율표 5족 원소) 또는 p형 불순물(원자 주기율표 3족 원소)을 도핑함으로써 형성된다.

상기 기판(200)에서 상기 소스(310)와 드레인(320) 사이에 채널 영역(330)이 정의된다. 상기 채널 영역(330) 상에 절연층(400)을 포함한다. 도2에는 상기 절연층(400)이 소스(310)와 드레인(320) 상에도 형성된 것이 도시되나 이는 단지 예시일 뿐이며 상기 절연층(400)은 상기 채널 영역(330) 상에만 형성되는 것도 가능하다. 상기 절연층(400)은 게이트(500)와 기판(200) 사이의 산화실리콘 또는 고절연 물질(High-K)과 같은 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 게이트(500)는 상기 절연층(400) 상에 위치하며 금속과 같은 전도성 물질을 포함한다.

본 발명에 따른 습도 센서는 도2에 도시된 바와 같은 트랜지스터의 드레인 전류가 게이트 부분에 존재하는 전하량의 변화에 따라 달라지는 원리를 이용한다. 즉, 상기 트랜지스터의 게이트(500)에 전압을 인가하면 드레인 전류가 흐르게 된다. 상기 드레인 전류는 도2에 도시된 채널 영역(330)을 통해 흐른다.

상기 게이트(500)에 전하량이 감소하면 드레인 전류도 이에 따라 감소하게 된다. 이때, 상기 게이트(500)에 전압을 인가한 후 상기 게이트(500)에서 전하가 감소하는 속도는 상기 게이트(500)에 접한 매질의 습도에 따라 달라진다.

따라서, 상기 게이트(500)에 전압을 인가한 후 일정 시간 동안 상기 드레인 전류의 변화량을 측정함으로써 상기 게이트(500)에 접한 매질의 습도를 알 수 있다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 다른 예를 도시한다. 도3에 따른 트랜지스터는 습도 센서를 빠르고 안정적으로 구현하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜지스터는 도2에 도시된 트랜지스터에 소수성층(600)을 추가적으로 더 포함한다. 상기 소수성층(600)은 상기 게이트(500), 소스(310) 및 드레인(330)을 덮는다. 이와 같이 물 분자와 결합되지 않는 성질을 갖는 소수성층(600)을 형성함으로써 반도체를 외부 오염 물질로부터 보호하고 수분이 반도체에 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 상기 소수성층(600)은 예컨대 실리콘 질화물(silicon nitride)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜지스터는 상기 게이트(500)와 연결되고 상기 소수성층(600) 상에 형성된 전도성 물질층(700)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전도성 물질층(700)은 상기 소수성층(600)에 형성된 관통홀(710)을 통해 상기 게이트(500)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 전도성 물질층(700)은 외부 매질과 접촉하는 넓은 표면적을 갖는 것이 바람직하다. 이는 전도성 물질층(700)이 외부 매질과 넓은 면적에서 접촉하면 전하가 더욱 빠르게 빠져나갈 수 있기 때문이다. 이렇게 함으로써 더욱 감도가 높은 습도 센서를 구현할 수 있다.

도3에 도시된 트랜지스터를 이용하는 습도 센서의 동작 원리는 도2에 도시된 트랜지스터를 이용하는 습도 센서의 동작 원리와 동일하므로 그 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 습도 센서는 도1, 도2 또는 도3에 도시된 것과 같은 습도 센싱부(920), 상기 습도 센싱부(920)에 전하를 충전하는 충전기(910) 및 상기 습도 센싱부(900)의 전하 변화량을 측정하는 측정기(930)를 포함할 수 있다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서의 구조의 일 예를 도시한다. 도4에서 상기 습도 센싱부(920)로 도2 또는 도3에 도시된 바와 같은 트랜지스터가 사용된 것을 도시한다. 상기 습도 센싱부(920)에 전하를 충전하는 충전기(910)로는 상기 트랜지스터의 게이트(500)에 전압을 인가하는 MEMS 스위치 (Microelectromechnical System Switch)가 도4에 예시된다. 이는 단지 예시일 뿐이며 상기 충전기(910)는 상기 게이트(500)에 일정 간격 동안에 전압을 가하고 전압의 인가를 정지할 수 있는 어떠한 구성이라도 포함할 수 있다.

상기 측정기(930)는 상기 트랜지스터의 드레인 전류의 양을 측정하는 전류 측정기일 수 있다.

따라서, 도4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 습도 센서는 전계 효과 트랜지스터의 게이트(500)에 일정 시간 간격 동안에 상기 충전기(910)를 통해 전압을 인가한 후 전압의 인가를 멈춘다. 그 후, 상기 트랜지스터의 드레인 전류를 소정 시간 동안에 측정하여 상기 전압 인가로부터 상기 소정 시간 동안에 드레인 전류의 변화량을 계산한다. 이로부터 상기 게이트(500)가 접한 매질의 습도를 계산할 수 있다. 이때, 상기 게이트(500)는 상기 게이트(500)와 연결된 전도성 물질층(700)을 포함한다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터에 인가되는 전압과 드레인 전류의 상관 관계를 나타낸다. 도5에 도시된 바와 같이 트랜지스터의 게이트(500)에 인가되는 전압의 크기에 따라 드레인 전류가 변화함을 알 수 있다.

따라서, 도4의 충전기(910)는 전압 V1으로 트랜지스터의 게이트(500)에 전압을 인가하고 전압의 인가를 멈출 수 있다.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서에 이용되는 트랜지스터의 드레인 전류의 시간에 따른 변화를 나타낸다. 도6에 도시된 바와 같이 전압이 인가되는 제1시간(t1)까지는 드레인 전류가 일정함을 알 수 있다. 상기 제1시간(t1) 이후에 상기 충전기(800)의 전압 인가가 정지된다.

상기 전압의 인가가 멈추는 상기 제1시간(t1)부터 상기 제2시간(t2) 기간 동안 상기 게이트(500)에 존재하는 전하가 상기 게이트(500)에 접한 매질로 확산된다. 이로 인하여 상기 트랜지스터의 드레인 전류가 감소하는 것이 도6에 도시된다. 이때, 상기 드레인 전류가 감소하는 양은 상기 게이트(500)가 접한 매질의 습도에 따라 달라진다.

따라서, 전압의 인가 후 소정 시간(제1시간(t1)부터 제2시간(t2) 동안) 동안에 드레인 전류의 변화량을 측정함으로써 상기 게이트(500)가 접한 매질의 습도를 결정할 수 있다.

이러한 습도 측정 과정은 지속적으로 반복될 수 있으며 이는 도6에 도시된 바와 같은 전류의 변화를 나타낸다. 도2 또는 도3에 도시된 것 같은 트랜지스터 소자를 습도 센싱에 이용하는 경우에 전하가 게이트(500) 또는 전도성 물질층(700)에 접한 매질뿐 아니라 상기 게이트 또는 전도성 물질층에 접한 소자의 다른 영역으로도 사라질 수 있다. 이와 같이 매질을 통한 전화 완화 효과 이외에 기생적으로 발생하는 소자 내의 전자 사라짐 현상으로 인해 습도 센서의 민감도가 감소될 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 소자내의 전자 사라짐 현상을 최소화하여 습도 센서의 민감도를 높일 수 있는 트랜지스터를 제공한다. 도7은 본 발명의 실시예에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법에 사용될 수 있는 트랜지스터의 또 다른 예를 도시한다. 도7에 도시된 트랜지스터 또한 도3의 습도 센싱부(920)로 이용될 수 있음은 물론이다.

다른 실시예에 따른 트랜지스터는 도3에 도시된 것과 같은 트랜지스터의 소수성층(600) 상에 형성되고 전도성 물질층(700)을 둘러싸는 친수성층(800)을 더 포함할 수 있다.

이와 같이 친수성층(800)으로 습도 측정을 위한 매질과 접하는 표면을 제외하고 전도성 물질층(700)을 둘러싸도록 함으로써 게이트(500) 또는 전도성 물질층(700)의 전하가 소자 내로 사라지는 양을 줄일 수 있다.

상기 친수성층(800)은 예컨대 옥사이드(oxide) 계열의 부도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 친수성층(800)은 SiO₂ 또는 Al₂O₃와 같은 옥사이드 계열의 물질을 포함할 수 있다.

또한, 상기 친수성층(800)의 친수성(hydrophilicity)을 높이기 위해 친수성층(800)은 특정 모양으로 패터닝될 수 있다. 상기 친수성층(800)은 친수성이 시간이 지남에 따라 감소하여 소수성으로 변할 수 있다. 따라서, 친수성을 지속적으로 유지하기 위해 상기 친수성층(800) 표면에는 O₂ 플라즈마 처리 등이 수행될 수 있다. 또한, 친수성을 유지시키기 위해 아세톤(acetone)과 같은 용액을 표면에 흘려주는 아세톤 용액 처리를 상기 친수성층(800) 표면에 수행할 수도 있다.

이와 같이, 트랜지스터에 친수성층(800)을 포함시킴으로써 습도의 변화에 대해 더욱 민감하게 동작하는 습도 센서 및 습도 센싱 방법을 구현할 수 있다.

도8은 서로 다른 습도에서 도7에 도시된 것과 같은 트랜지스터의 드레인 전류를 시간에 따라 측정한 그래프이다.

도8에서 알 수 있는 바와 같이, 8초 지점에서 상기 트랜지스터에 대한 전하 충전이 정지한다. 그 후, 드레인 전류는 매질의 습도에 따라 서로 다른 변화 곡선을 따른다. 습도가 높을수록 드레인 전류의 변화폭 및 변화 속도가 큼을 알 수 있다.

또한, 주목할 점은 전압 인가 정지 후 0.1초 내지 0.4초 이내에 드레인 전류가 빠르게 감소한다는 것이다. 종래 감습막을 이용한 습도 센싱의 경우 수십초가 소요된 것을 감안할 때, 본 발명에 따른 습도 센싱의 경우 그 속도가 매우 빠름을 알 수 있다.

이와 같이, 전하 충전 후 트랜지스터의 드레인 전류의 감소를 측정함으로써 상기 트랜지스터에 접한 매질의 습도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다.

도7에서는 도3과 같은 트랜지스터에 친수성층(800)을 더 포함하는 것을 도시하고 있다. 하지만, 상기 친수성층(800)은 도2와 같은 트랜지스터에도 포함되어 습도 센싱의 민감도를 높일 수 있다. 예컨대, 상기 친수성층(800)은 도2에 도시된 바와 같은 트랜지스터의 소스(310) 및 드레인(320)을 덮도록 상기 소스(310) 및 상기 드레인(320) 상에 형성되고 게이트(500)의 측면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면 습기를 흡수해야 하는 막이 필요가 없으므로 빠른 반응 속도와 빠른 회복 속도를 갖는 습도 센서를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 습도 센서에서 감습막을 사용하지 않으므로 고온 다습한 환경에서도 안정적으로 습도를 센싱할 수 있다. 또한, 오랜 시간 동안에 신뢰적으로 동작하는 습도 센서를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 습도 센서 및 습도 센싱 방법은 대기 중에서 뿐 아니라 도전율이 변화하는 조건이면 어떠한 환경 및 매질에서도 습도의 검출이 가능하다. 예컨대, 기름과 같은 매질 내에서도 습도의 검출이 가능하다. 이 밖에도 대기 중에 유해 물질 등도 검출하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 습도 센서에서 트랜지스터를 이용하는 경우 센서 제조 공정이 전부 반도체 공정으로 이루어진다. 따라서, 습도 센서의 소형화 및 대량 생산이 가능하다. 이에 따라 저 비용으로 고도의 신뢰성 및 재현성을 가질 수 있다. 또한, 하나의 기판상에 다른 반도체 소자들과 함께 집적하여 형성함으로써 회로 기판상의 습도를 검출하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면 충전기로서 MEMS 스위치와 같은 충전기를 사용함으로써 트랜지스터에 짧은 시간에 정확한 전압을 인가할 수 있어 빠르고 정확하게 습도를 측정하는 것이 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 전도성 물질 200: 기판
310: 소스 320: 드레인
330: 채널 400: 절연층
500: 게이트 600: 소수성층
700: 전도성 물질층 710: 관통홀
800: 친수성층 910: 충전기
920: 습도 센싱부 930: 측정기

Claims

전하가 충전될 수 있는 전도성 물질;
상기 전도성 물질에 전하를 충전하는 충전기; 및
상기 전도성 물질에 충전된 전하의 변화량을 측정하는 측정기를 포함하는 습도 센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 물질은 금속 물질인 것을 특징으로 하는 습도 센서.
기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인, 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층, 및 상기 절연층상에 형성된 게이트를 포함하는 트랜지스터; 및
상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 측정기를 포함하는 습도 센서.
제3항에 있어서,
상기 게이트에 전하를 충전하는 하는 충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제4항에 있어서,
상기 충전기는 MEMS 스위치인 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터 상에 상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및
상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제6항에 있어서,
상기 소수성층은 실리콘 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제6항에 있어서,
상기 전도성 물질층은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소스 및 상기 드레인을 덮도록 상기 소스 및 상기 드레인 상에 형성되고 상기 게이트의 측면을 둘러싸는 친수성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제9항에 있어서,
상기 친수성층은 SiO₂ 또는 Al₂O₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제6항에 있어서,
상기 소수성층을 덮도록 상기 소수성층 상에 형성되고 상기 전도성 물질층을 둘러싸는 친수성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
제11항에 있어서,
상기 친수성층은 SiO₂ 또는 Al₂O₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센서.
전도성 물질에 전하를 충전하는 단계;
상기 전도성 물질의 전하 변화량을 측정하는 단계; 및
상기 전하 변화량으로부터 상기 전도성 물질과 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함하는 습도 센싱 방법.
기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인, 상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층, 및 상기 절연층상에 형성된 게이트를 포함하는 트랜지스터의 상기 게이트에 전하를 충전하는 단계;
상기 트랜지스터의 드레인 전류의 변화량을 측정하는 단계; 및
상기 전류의 변화량으로부터 상기 게이트와 접한 매질의 습도를 결정하는 단계를 포함하는 습도 센싱 방법.
제14항에 있어서,
상기 게이트에 전하를 충전하는 단계는 MEMS 스위치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 습도 센싱 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 트랜지스터는,
상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및
상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱 방법.
제16항에 있어서,
상기 트랜지스터는,
상기 소수성층을 덮도록 상기 소수성층 상에 형성되고 상기 전도성 물질층을 둘러싸는 친수성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱 방법.
기판에 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인;
상기 채널 영역 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층상에 형성된 게이트;
상기 게이트, 상기 소스 및 상기 드레인을 덮는 소수성층; 및
상기 소수성층에 형성된 관통홀을 통해 상기 게이트와 연결되고 상기 소수성층상에 형성된 전도성 물질층을 포함하는 습도 센싱용 트랜지스터.
제18항에 있어서,
상기 소수성층은 실리콘 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
제18항에 있어서,
상기 전도성 물질층은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
제18 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소수성층을 덮도록 상기 소수성층 상에 형성되고 상기 전도성 물질층을 둘러싸는 친수성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
제21항에 있어서,
상기 친수성층은 SiO₂ 또는 Al₂O₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.
제21항에 있어서,
상기 친수성층 표면은 O₂ 플라즈마 처리되거나 아세톤 용액 처리된 것을 특징으로 하는 습도 센싱용 트랜지스터.