KR20200097068A - Gas sensing device and method thereof - Google Patents

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KR20200097068A
KR20200097068A KR1020190014364A KR20190014364A KR20200097068A KR 20200097068 A KR20200097068 A KR 20200097068A KR 1020190014364 A KR1020190014364 A KR 1020190014364A KR 20190014364 A KR20190014364 A KR 20190014364A KR 20200097068 A KR20200097068 A KR 20200097068A
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김인철
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a gas sensing device capable of maintaining a constant temperature of a heater wire irrespective of ambient temperature changes, and a method of manufacturing the same. The gas sensing device includes: a semiconductor type gas sensor including a substrate having a cavity, a first insulating layer formed on the substrate, a heating layer formed on the first insulating layer and including the heater wire, a second insulating layer formed on the heating layer, and a sensor layer formed on the second insulating layer and including a sensor wire for detecting gas; and a heater wire driving circuit connected to the heating layer and including a feedback control circuit using a bridge circuit and an operational amplifier.

Description

가스 센싱 디바이스 및 이의 제작 방법{GAS SENSING DEVICE AND METHOD THEREOF}Gas sensing device and manufacturing method thereof {GAS SENSING DEVICE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 가스 센싱 디바이스 및 이의 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensing device and a method of manufacturing the same.

각종 가스 농도를 측정하기 위한 가스 센서로서, 광학식, 전기화학식, 반도체식, 접촉연소식, 표면 음향파(Surface Acoustic Wave) 방식 등의 다양한 방식의 가스 센서가 개발되었다.As gas sensors for measuring various gas concentrations, various gas sensors such as optical, electrochemical, semiconductor, catalytic combustion, and surface acoustic wave methods have been developed.

이중, 반도체식 가스 센서는 가스에 접촉되면 전도도가 변하는 산화물을 이용하여 가스를 검출하는 센서로서, 반도체 공정을 통해 제조된다. 반도체식 가스 센서는 크기가 작고 감도가 높으며 응답 속도가 빠른 장점이 있다.Among them, the semiconductor gas sensor is a sensor that detects a gas using an oxide whose conductivity changes when it comes into contact with the gas, and is manufactured through a semiconductor process. The semiconductor gas sensor has the advantages of small size, high sensitivity, and fast response speed.

반도체식 가스 센서는 기판, 기판 상에 형성된 히터선 및 히터선 상에 형성된 센서선을 포함한다. 히터선은 센서선이 각 가스를 감지할 수 있는 온도로 가열되고, 센서선은 감지하고자 하는 가스의 농도에 따라 저항이 변하게 되며, 이러한 센서선의 저항 변화를 통해 가스가 감지된다.The semiconductor gas sensor includes a substrate, a heater wire formed on the substrate, and a sensor wire formed on the heater wire. The heater wire is heated to a temperature at which the sensor wire can detect each gas, and the resistance of the sensor wire changes according to the concentration of the gas to be detected, and the gas is detected through the change in resistance of the sensor wire.

그러나, 종래의 반도체식 가스 센서는 히터선을 가열할 때 일정한 전력을 가하여 히터선을 구동하게 되는데, 이때 측정하고자 하는 가스의 분위기 온도가 달라짐에 따라 히터선 주변으로의 냉각 효과가 발생하여 히터선의 온도가 일정하게 유지되지 못하는 문제점이 있었다.However, the conventional semiconductor gas sensor drives the heater wire by applying constant power when heating the heater wire. At this time, as the ambient temperature of the gas to be measured varies, a cooling effect around the heater wire occurs. There was a problem in that the temperature was not kept constant.

즉, 가스 측정 환경의 온도가 낮은 경우(겨울, 혹은 새벽 등)에는 주변으로의 열손실(복사, 대류 등)이 상대적으로 커짐으로써 히터선의 온도가 상대적으로 낮게 되고, 반대로 가스 측정 환경의 온도가 높은 경우(여름, 한낮 등)에는 열손실이 적어짐으로써 히터선의 온도가 상대적으로 높아지게 된다.That is, when the temperature of the gas measurement environment is low (winter, dawn, etc.), the heat loss (radiation, convection, etc.) to the surroundings becomes relatively large, so that the temperature of the heater wire becomes relatively low. When it is high (summer, midday, etc.), the heat loss decreases, resulting in a relatively high temperature of the heater wire.

이에 따라, 동일한 가스의 농도에서도 센서선의 저항이 달라지게 되고, 결국 가스의 농도 측정의 오차를 유발시키게 되어 가스의 감지 정확도의 하락을 초래한다.Accordingly, even at the same concentration of gas, the resistance of the sensor line varies, resulting in an error in measuring the concentration of the gas, resulting in a decrease in the detection accuracy of the gas.

이러한 문제점을 해결하기 위하여. 반도체식 가스 센서에 별도의 온도 센서를 추가하고 이를 가스의 농도 교정에 사용하는 방식이 제안되었으나, 별도의 온도 센서가 필요하게 되어 반도체식 가스 센서의 구조가 복잡해지게 되고, 제작 단가가 높아지는 문제점이 있었다.To solve this problem. A method of adding a separate temperature sensor to the semiconductor gas sensor and using it to calibrate the concentration of gas has been proposed, but a separate temperature sensor is required, which complicates the structure of the semiconductor gas sensor and increases the manufacturing cost. there was.

선행 문헌: 공개특허공보 제10-2014-0097714호Prior Document: Unexamined Patent Publication No. 10-2014-0097714

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로를 통해 주변의 온도 변화에 무관하게 히터선의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 가스 센싱 디바이스 및 이의 제작 방법을 제공하고자 한다. The present invention is to solve the above problems, a gas sensing device capable of maintaining a constant temperature of the heater wire regardless of the temperature change in the surroundings through a heater line driving circuit including a feedback control circuit using a bridge circuit and an operational amplifier And it is intended to provide a manufacturing method thereof.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problem to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는 캐비티를 가지는 기판, 상기 기판 상에 형성된 제 1 절연층, 상기 제 1 절연층 상에 형성되고, 히터선을 포함하는 발열층, 상기 발열층 상에 형성된 제 2 절연층 및 상기 제 2 절연층 상에 형성되고, 가스를 검출하기 위한 센서선을 포함하는 센서층을 포함하는 반도체식 가스 센서 및 상기 발열층과 연결되고, 브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로를 포함하는 가스 센싱 디바이스를 제공할 수 있다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, an embodiment of the present invention provides a substrate having a cavity, a first insulating layer formed on the substrate, a heat generating layer formed on the first insulating layer, and including a heater wire. A semiconductor gas sensor including a layer, a second insulating layer formed on the heating layer, and a sensor layer formed on the second insulating layer and including a sensor wire for detecting gas, and connected to the heating layer, A gas sensing device including a heater line driving circuit including a bridge circuit and a feedback control circuit using an operational amplifier may be provided.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 캐비티를 가지는 기판 상에 제 1 절연층을 형성하는 단계 상기 제 1 절연층 상에 히터선을 포함하는 발열층을 형성하는 단계 상기 발열층 상에 제 2 절연층을 형성하는 단계 상기 제 2 절연층 상에 가스를 검출하기 위한 센서선을 포함하는 센서층을 형성하여 반도체식 가스 센서를 생성하는 단계 및 브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로를 상기 발열층과 연결하는 단계를 포함하는 가스 센싱 디바이스의 제작 방법을 제공할 수 있다.In addition, another embodiment of the present invention includes forming a first insulating layer on a substrate having a cavity, forming a heating layer including a heater wire on the first insulating layer, and forming a second insulating layer on the heating layer. The step of forming a sensor layer including a sensor line for detecting gas on the second insulating layer to generate a semiconductor gas sensor, and a heater line including a feedback control circuit using a bridge circuit and an operational amplifier It is possible to provide a method of manufacturing a gas sensing device including the step of connecting a driving circuit with the heating layer.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로를 통해 주변의 온도 변화에 무관하게 히터선의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 가스 센싱 디바이스 및 이의 제작 방법을 제공할 수 있다.According to any one of the above-described problem solving means of the present invention, a gas capable of maintaining a constant temperature of a heater line regardless of a temperature change in the surroundings through a heater line driving circuit including a feedback control circuit using a bridge circuit and an operational amplifier. A sensing device and a manufacturing method thereof may be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 분해도이다.
도 2는 종래의 가스 센서의 가스 센서 구동 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서 구동 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 디바이스의 제작 방법의 흐름도이다.1 is an exploded view of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a gas sensor driving circuit of a conventional gas sensor.
3 is a view showing a gas sensor driving circuit according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a method of manufacturing a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 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. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" with another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, and one or more other features, not excluding other components, unless specifically stated to the contrary. It is to be understood that it does not preclude the presence or addition of any number, step, action, component, part, or combination thereof.

본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.In the present specification, the term "unit" includes a unit realized by hardware, a unit realized by software, and a unit realized using both. Further, one unit may be realized by using two or more hardware, or two or more units may be realized by one piece of hardware.

본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.In this specification, some of the operations or functions described as being performed by the terminal or device may be performed instead by a server connected to the terminal or device. Likewise, some of the operations or functions described as being performed by the server may also be performed by a terminal or device connected to the server.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 분해도이다. 도 1을 참조하면, 가스 센서는 반도체식 가스 센서로서, 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical System) 기술, 예컨대, 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정 등을 이용하여 제작될 수 있다.1 is an exploded view of a gas sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the gas sensor is a semiconductor gas sensor, and may be manufactured using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, for example, a photolithography process and an etching process.

가스 센서는 캐비티(12)를 가지는 기판(10), 기판(10) 상에 형성된 제 1 절연층(20), 제 1 절연층(20) 상에 형성되고, 히터선(30)을 포함하는 발열층(30, 40), 발열층(30, 40) 상에 형성된 제 2 절연층(50) 및 제 2 절연층(50) 상에 형성되고, 가스를 검출하기 위한 센서선(60)을 포함하는 센서층(60, 70)을 포함할 수 있다.The gas sensor is formed on the substrate 10 having the cavity 12, the first insulating layer 20 formed on the substrate 10, the first insulating layer 20, and includes a heater wire 30. The layers 30 and 40 are formed on the second insulating layer 50 and the second insulating layer 50 formed on the heating layers 30 and 40, and including a sensor line 60 for detecting gas. It may include a sensor layer (60, 70).

기판(10)은 기판(Si), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 석영(quartz), 갈륨-질소(GaN), 갈륨-비소(GaAs), 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethyleneterephthalate), 폴리에테르술폰(PES: Polyethersulfone), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN: Polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(PI: Polyimide) 중 어느 하나의 재질로 구성될 수 있다.The substrate 10 is a substrate (Si), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), quartz, gallium-nitrogen (GaN), gallium-arsenic (GaAs), polycarbonate (PC: Polycarbonate). ), polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN: Polyethylene Terephthalate), and polyimide (PI: Polyimide).

기판(10)은 그 일부분이 식각되어 형성된 캐비티(12)를 가질 수 있다. 이때, 캐비티(12)로 인해 후술하는 제 1 절연층(20)의 일부가 노출될 수 있다.The substrate 10 may have a cavity 12 formed by etching a portion thereof. In this case, a part of the first insulating layer 20 to be described later may be exposed due to the cavity 12.

제 1 절연층(20)은 기판(10)과 후술하는 발열층(30, 40)을 절연시킨다. 제 1 절연층(20)은 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)의 재질로 구성될 수 있다.The first insulating layer 20 insulates the substrate 10 from the heating layers 30 and 40 to be described later. The first insulating layer 20 may be made of a material of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxide (SiO 2 ).

발열층(30, 40)은 히터선(30) 및 히터선(30)과 연결된 제 1 금속층(40)을 포함할 수 있다. The heating layers 30 and 40 may include a heater wire 30 and a first metal layer 40 connected to the heater wire 30.

히터선(30)은 폴리실리콘 또는 백금(Pt)의 재질로 구성되고, 제 1 금속층(40)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au) 중 어느 하나의 재질로 구성될 수 있다.The heater wire 30 may be made of polysilicon or platinum (Pt), and the first metal layer 40 may be made of any one of aluminum (Al), copper (Cu), and gold (Au). .

여기서, 후술하는 히터선 구동 회로를 통해 히터선(30)이 가스의 분위기 온도에 따라 자체적으로 온도를 조절할 수 있도록 히터선(30)은 온도에 따라 저항이 변하는 재질인 폴리실리콘 또는 백금(Pt)으로 구성되는 것이 중요하다.Here, the heater wire 30 is made of polysilicon or platinum (Pt), which is a material whose resistance varies depending on the temperature so that the heater wire 30 can control its own temperature according to the ambient temperature of the gas through the heater wire driving circuit described later. It is important to be composed of.

제 2 절연층(50)은 발열층(30, 40)과 후술하는 센서선(60)을 절연시킨다. 제 2 절연층(50)은 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)의 재질로 구성될 수 있다.The second insulating layer 50 insulates the heating layers 30 and 40 from the sensor line 60 to be described later. The second insulating layer 50 may be formed of a material of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxide (SiO 2 ).

제 2 절연층(50)은 적어도 하나의 절개부(52)를 가지고, 절개부(52)를 통해 제 1 금속층(40)의 일부가 노출될 수 있다.The second insulating layer 50 may have at least one cutout 52, and a part of the first metal layer 40 may be exposed through the cutout 52.

센서층(60, 70)은 가스를 검출하기 위한 것으로서, 센서선(60) 및 센서선(60)과 연결된 제 2 금속층(70)을 포함할 수 있다. The sensor layers 60 and 70 are for detecting gas and may include a sensor line 60 and a second metal layer 70 connected to the sensor line 60.

센서선(60)은 가스를 흡착하여 연소열에 의한 온도 변화에 따라 저항이 변하는 물질로서, SnO2, TiO2, WO3, ZnO 등의 금속산화물, 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 및 그라핀(graphene) 등으로 구성될 수 있다. The sensor wire 60 is a material whose resistance changes according to a temperature change due to combustion heat by adsorbing gas, and metal oxides such as SnO 2 , TiO 2 , WO 3 , ZnO, Carbon Nano Tube (CNT), and graphite It may be composed of graphene or the like.

또한 가스 센서의 감도를 높이거나 가스 센서의 가스 선택성을 높이기 위해, 상술한 기본 물질에 추가적으로 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 금(Au) 등과 같은 촉매가 첨가될 수 있다. In addition, in order to increase the sensitivity of the gas sensor or increase the gas selectivity of the gas sensor, a catalyst such as platinum (Pt), palladium (Pd), or gold (Au) may be added to the above-described basic material.

제 2 금속층(70)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au) 중 어느 하나의 재질로 구성될 수 있다.The second metal layer 70 may be made of any one of aluminum (Al), copper (Cu), and gold (Au).

도 2는 종래의 가스 센서의 가스 센서 구동 회로를 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 종래의 가스 센서의 센서선 구동 회로(200)를 나타내고, 도 2의 (b)는 종래의 가스 센서의 히터선 구동 회로(210)를 나타내고 있다.2 is a diagram showing a gas sensor driving circuit of a conventional gas sensor. 2A shows a sensor line driving circuit 200 of a conventional gas sensor, and FIG. 2B shows a heater line driving circuit 210 of a conventional gas sensor.

도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 히터선에 일정한 전류(Vh) 및 전압(Ih)을 인가하여 일정한 전력으로 히터선을 구동하였고, 이때, 센서선에 인가되는 전류(Vs) 및 전압(Is)에 의해 측정되는 저항으로부터 가스를 감지하였다. 2A and 2B, a heater line was driven with constant power by applying a constant current (V h ) and a voltage (I h ) to the heater line, and at this time, the current applied to the sensor line ( Gas was detected from the resistance measured by V s ) and voltage (I s ).

그러나, 전술한 바와 같이, 동일한 전류 및 전압을 히터선에 인가하여도 가스 측정 환경의 온도(또는 가스의 온도)에 따라 온도 편차가 발생하여 가스와 센서선 간의 화학 반응을 일으켜 동일한 가스 농도에서도 다른 저항이 측정되는 문제점이 있었다. However, as described above, even when the same current and voltage is applied to the heater line, temperature deviation occurs according to the temperature of the gas measurement environment (or the temperature of the gas), causing a chemical reaction between the gas and the sensor line, resulting in different gas concentrations. There was a problem in measuring the resistance.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서 구동 회로를 나타낸 도면이다. 도 3의 (a)는 가스 센서의 센서선 구동 회로(300)를 나타내고, 도 3의 (b)는 가스 센서의 히터선 구동 회로(310)를 나타내고 있다.3 is a view showing a gas sensor driving circuit according to an embodiment of the present invention. Fig. 3(a) shows the sensor line driving circuit 300 of the gas sensor, and Fig. 3(b) shows the heater line driving circuit 310 of the gas sensor.

본 발명의 가스 센싱 디바이스는 전술한 가스 센서와 히터선 구동 회로(310)를 포함한다.The gas sensing device of the present invention includes the above-described gas sensor and the heater line driving circuit 310.

본 발명에서는 주변의 온도 변화에 무관하게 히터선의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 브릿지 회로와 연산 증폭기(OP-Amp)를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로를 이용하여 히터선을 구동시킨다.In the present invention, the heater line is driven by using a heater line driving circuit including a bridge circuit and a feedback control circuit using an operational amplifier (OP-Amp) so that the temperature of the heater line can be kept constant regardless of changes in the surrounding temperature.

히터선 구동 회로(310)는 발열층, 예를 들어 히터선과 연결된 제 1 금속층과 연결될 수 있다.The heater line driving circuit 310 may be connected to a heating layer, for example, a first metal layer connected to the heater line.

히터선 구동 회로(310)는 브릿지 회로(312)와 연산 증폭기(314)를 이용한 피드백 제어 회로를 포함할 수 있다.The heater line driving circuit 310 may include a feedback control circuit using a bridge circuit 312 and an operational amplifier 314.

이때, 히터선은 브릿지 회로(312)의 제 3 변(arm)의 저항(Rh)으로 구성될 수 있다.In this case, the heater wire may be formed of the resistance R h of the third arm of the bridge circuit 312.

브릿지 회로(312)의 제 1 변의 저항(R1) 및 제 3 변의 저항(Rh) 사이의 제 1 노드(316)는 연산 증폭기(314)의 반전 입력단자에 연결되고, 브릿지 회로(312)의 제 2 변의 저항(R2) 및 제 4 변의 저항(R4) 사이의 제 2 노드(318)는 연산 증폭기(314)의 비반전 입력단자에 연결될 수 있다.The first node 316 between the resistance R 1 of the first side and the resistance R h of the third side of the bridge circuit 312 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 314, and the bridge circuit 312 The second node 318 between the resistor R 2 of the second side and the resistor R 4 of the fourth side of may be connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier 314.

또한, 연산 증폭기(314)의 출력 전압이 브릿지 회로(312)의 입력 전압이 되도록 연산 증폭기(314)의 출력 단자는 브릿지 회로(312)의 상단에 연결될 수 있다. 즉, 연산 증폭기(314)는 출력 전압을 반전 입력단자에 연결함으로써 피드백 회로를 구성한다.Further, the output terminal of the operational amplifier 314 may be connected to the upper end of the bridge circuit 312 so that the output voltage of the operational amplifier 314 becomes the input voltage of the bridge circuit 312. That is, the operational amplifier 314 configures a feedback circuit by connecting the output voltage to the inverting input terminal.

이 경우, R1:Rh = R2:R4의 비율이 유지되지 않게 되면 이에 상응하는 전압이 연산 증폭기(314)의 입력단자에 걸리게 된다. 즉, 주변 가스의 온도가 낮아 동일한 전력에도 히터선의 온도가 떨어지면 히터선의 저항(Rh)이 낮아지게 되고 이에 따라 연산 증폭기(314)의 비반전 입력단자에 걸리는 전압이 낮아져 상대적으로 연산 증폭기(314)의 출력 전압(Vo)이 크게 상승한다. In this case, when the ratio of R 1 : R h = R 2 : R 4 is not maintained, a corresponding voltage is applied to the input terminal of the operational amplifier 314. That is, when the temperature of the heater line falls even with the same power due to the low temperature of the surrounding gas, the resistance (R h ) of the heater line decreases, and accordingly, the voltage applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 314 is lowered. ), the output voltage (V o ) increases significantly.

이에 따라 브릿지 회로(312) 및 히터선(즉, 히터선의 저항(Rh))에는 보다 높은 전압이 걸려서 히터선을 추가로 가열하게 된다. 즉 온도가 낮아지면 히터선에 추가 전력이 가해져 온도를 높이게 된다.Accordingly, a higher voltage is applied to the bridge circuit 312 and the heater wire (that is, the resistance R h of the heater wire) to further heat the heater wire. That is, when the temperature decreases, additional power is applied to the heater wire to increase the temperature.

동일한 원리로 주변 가스의 온도가 높을 경우, 히터선의 저항(Rh)이 높아지게 되고 이에 따라 연산 증폭기(314)의 반전 입력단자에 걸리는 전압이 높아져 연산 증폭기(314)의 출력 전압(Vo)이 급감하게 된다. According to the same principle, when the temperature of the surrounding gas is high, the resistance (R h ) of the heater wire increases, and accordingly, the voltage applied to the inverting input terminal of the operational amplifier 314 increases, and the output voltage (V o ) of the operational amplifier 314 is increased. It will drop sharply.

이에 따라 브릿지 회로(312) 및 히터선(즉, 히터선의 저항(Rh))에 걸리는 전압이 낮아지게 되고, 히터선의 가열량이 감소하여 온도가 낮아지게 된다.Accordingly, the voltage applied to the bridge circuit 312 and the heater line (that is, the resistance R h of the heater line) decreases, and the heating amount of the heater line decreases, thereby lowering the temperature.

본 발명에 따르면, 히터선을 온도에 따라 저항이 변하는 재질로 구성하고, 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로(310)를 통해 히터선을 구동함으로써, 피드백 제어 회로에 따라 히터선의 온도 변화를 자동으로 보상하게 되어 항상 주변의 온도 변화에 무관하게 히터선의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.According to the present invention, the heater wire is made of a material whose resistance varies depending on temperature, and the heater wire is driven through the heater wire driving circuit 310 including a feedback control circuit, thereby controlling the temperature change of the heater wire according to the feedback control circuit. It is automatically compensated so that the temperature of the heater wire can be kept constant regardless of changes in the surrounding temperature.

즉, 센서선은 항상 일정한 온도에서 가스와 접촉하게 되고, 이에 따라 가스 온도에 상관없이 가스 농도에만 정확히 반응하는 저항값을 갖게 되고, 이에 따라 가스 센서의 가스 감지 정확도가 향상될 수 있다.That is, the sensor line always comes into contact with the gas at a constant temperature, and thus has a resistance value that accurately reacts only to the gas concentration irrespective of the gas temperature, thereby improving the gas detection accuracy of the gas sensor.

이하에서는 가스 센서 및 가스 센싱 디바이스를 제작하는 과정에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a process of manufacturing a gas sensor and a gas sensing device will be described in detail.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4a를 참조하면, 기판(401) 상에 제 1 절연층(403)이 형성될 수 있다. 제 1 절연층(403)은 기판(401)을 산화시킴으로써 기판(401) 상에 제 1 절연층(403)이 코팅될 수 있다.Referring to FIG. 4A, a first insulating layer 403 may be formed on a substrate 401. The first insulating layer 403 may be coated with the first insulating layer 403 on the substrate 401 by oxidizing the substrate 401.

이와 달리, 제 1 절연층(403)은 물리 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition) 또는 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성될 수도 있다.Alternatively, the first insulating layer 403 may be formed using a physical vapor deposition (PVD) or a chemical vapor deposition (CVD).

여기서, 기판(401)은 기판(Si), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 석영(quartz), 갈륨-질소(GaN), 갈륨-비소(GaAs), 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethyleneterephthalate), 폴리에테르술폰(PES: Polyethersulfone), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN: Polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(PI: Polyimide) 중 어느 하나의 재질로 구성될 수 있다.Here, the substrate 401 is a substrate (Si), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), quartz, gallium-nitrogen (GaN), gallium-arsenic (GaAs), polycarbonate (PC : Polycarbonate), polyethylene terephthalate (PET: Polyethersulfone), polyethersulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN: Polyethylene Terephthalate), polyimide (PI: Polyimide).

제 1 절연층(403)은 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)의 재질로 구성될 수 있다.The first insulating layer 403 may be made of a material of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxide (SiO 2 ).

이어서, 도 4b를 참조하면, 기판(401)의 일부분을 식각하여 캐비티(405)가 형성될 수 있다. 캐비티(405)를 형성하기 위해, 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정이 수행될 수 있다.Subsequently, referring to FIG. 4B, a cavity 405 may be formed by etching a portion of the substrate 401. In order to form the cavity 405, a photolithography process and an etching process may be performed.

구체적으로, 포토레지스트 층을 마스크로 하여 기판(401)을 에칭할 수 있다. 여기서, 에칭 공정은 접촉 부분을 화학적으로 녹여 제거하는 공정으로, 용액을 이용하는 습식 에칭(wet etching)과 반응성 기체(reactive gas)를 이용하는 건식 에칭(dry etching) 중 어느 하나의 방식이 이용될 수 있다. Specifically, the substrate 401 may be etched using the photoresist layer as a mask. Here, the etching process is a process of chemically melting and removing the contact portion, and any one of wet etching using a solution and dry etching using a reactive gas may be used. .

이후, 도 4c를 참조하면, 제 1 절연층(403) 상에 히터선(407) 및 제 1 금속층(409)이 형성될 수 있다.Thereafter, referring to FIG. 4C, a heater wire 407 and a first metal layer 409 may be formed on the first insulating layer 403.

히터선(407) 및 제 1 금속층(409)은 포토레지스트 공정 및 도전층 형성 공정(예컨대, 도금 공정)이 수행될 수 있다.The heater wire 407 and the first metal layer 409 may be subjected to a photoresist process and a conductive layer forming process (eg, a plating process).

구체적으로, 포토레지스트 층이 형성된 부분 이외의 부분에 도전층이 형성되고, 이후 포토레지스트 층이 제거된다. 여기서, 도전층은 히터선(407) 및 제 1 금속층(409)으로 기능할 수 있다.Specifically, a conductive layer is formed in a portion other than the portion where the photoresist layer is formed, and then the photoresist layer is removed. Here, the conductive layer may function as the heater wire 407 and the first metal layer 409.

이어서, 도 4d를 참조하면, 히터선(407) 및 제 1 금속층(409) 상에 제 2 절연층(411)이 형성될 수 있다.Subsequently, referring to FIG. 4D, a second insulating layer 411 may be formed on the heater wire 407 and the first metal layer 409.

제 2 절연층(411)은 물리 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition) 또는 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성될 수도 있다.The second insulating layer 411 may be formed using a physical vapor deposition (PVD) or a chemical vapor deposition (CVD) method.

제 2 절연층(411)은 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)의 재질로 구성될 수 있다.The second insulating layer 411 may be formed of a material of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxide (SiO 2 ).

여기서, 제 2 절연층(411)에 적어도 하나의 절개부(413)가 형성될 수 있다. 제 2 절연층(411)의 식각을 위해 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 기술이 이용될 수 있다.Here, at least one cutout 413 may be formed in the second insulating layer 411. Reactive ion etching (RIE) technology may be used to etch the second insulating layer 411.

이후, 도 4e를 참조하면, 제 2 절연층(411) 상에 센서선(415) 및 제 2 금속층(417)이 형성될 수 있다.Thereafter, referring to FIG. 4E, a sensor line 415 and a second metal layer 417 may be formed on the second insulating layer 411.

센서선(415) 및 제 2 금속층(417)은 포토레지스트 공정 및 도전층 형성 공정(예컨대, 도금 공정)이 수행될 수 있다.The sensor line 415 and the second metal layer 417 may be subjected to a photoresist process and a conductive layer forming process (eg, a plating process).

구체적으로, 포토레지스트 층이 형성된 부분 이외의 부분에 도전층이 형성되고, 이후 포토레지스트 층이 제거된다. 여기서, 도전층은 센서선(415) 및 제 2 금속층(417)으로 기능할 수 있다.Specifically, a conductive layer is formed in a portion other than the portion where the photoresist layer is formed, and then the photoresist layer is removed. Here, the conductive layer may function as the sensor line 415 and the second metal layer 417.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센싱 디바이스의 제작 방법의 흐름도이다.5 is a flowchart of a method of manufacturing a gas sensing device according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 단계 S500에서 캐비티를 가지는 기판 상에 제 1 절연층이 형성된다.Referring to FIG. 5, in step S500, a first insulating layer is formed on a substrate having a cavity.

단계 S510에서 제 1 절연층 상에 히터선을 포함하는 발열층이 형성된다. 단계 S520에서 발열층 상에 제 2 절연층을 형성된다.In step S510, a heating layer including a heater wire is formed on the first insulating layer. In step S520, a second insulating layer is formed on the heating layer.

단계 S530에서 제 2 절연층 상에 가스를 검출하기 위한 센서선을 포함하는 센서층을 형성하여 반도체식 가스 센서이 생성된다.In step S530, a sensor layer including a sensor line for detecting gas is formed on the second insulating layer to generate a semiconductor gas sensor.

단계 S540에서 브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로가 발열층과 연결된다.In step S540, a heater line driving circuit including a bridge circuit and a feedback control circuit using an operational amplifier is connected to the heating layer.

도 5를 통해 설명된 가스 센싱 디바이스의 제작 방법은 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현되거나, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. The method of manufacturing the gas sensing device described with reference to FIG. 5 may be implemented in the form of a computer program stored in the medium, or may be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer such as a program module executed by a computer. I can. Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer, and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Further, the computer-readable medium may include a computer storage medium. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

10: 기판
12: 캐비티
20: 제 1 절연층
30: 히터선
40: 제 1 금속층
50: 제 2 절연층
52: 절개부
60: 센서층
70: 제 2 금속층
401: 기판
403: 제 1 절연층
405: 캐비티
407: 히터선
409: 제 1 금속층
411: 제 2 절연층
413: 절개부
415: 센서선
417: 제 2 금속층10: substrate
12: cavity
20: first insulating layer
30: heater wire
40: first metal layer
50: second insulating layer
52: incision
60: sensor layer
70: second metal layer
401: substrate
403: first insulating layer
405: cavity
407: heater wire
409: first metal layer
411: second insulating layer
413: incision
415: sensor wire
417: second metal layer

Claims (15)

가스 센싱 디바이스에 있어서,
캐비티를 가지는 기판, 상기 기판 상에 형성된 제 1 절연층, 상기 제 1 절연층 상에 형성되고, 히터선을 포함하는 발열층, 상기 발열층 상에 형성된 제 2 절연층 및 상기 제 2 절연층 상에 형성되고, 가스를 검출하기 위한 센서선을 포함하는 센서층을 포함하는 반도체식 가스 센서; 및
상기 발열층과 연결되고, 브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로
를 포함하는 가스 센싱 디바이스.
In the gas sensing device,
A substrate having a cavity, a first insulating layer formed on the substrate, a heating layer formed on the first insulating layer and including a heater wire, a second insulating layer formed on the heating layer, and on the second insulating layer A semiconductor type gas sensor formed on the surface and including a sensor layer including a sensor line for detecting gas; And
A heater line driving circuit connected to the heating layer and including a feedback control circuit using a bridge circuit and an operational amplifier
Gas sensing device comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 브릿지 회로의 제 1 변(arm)의 저항 및 제 3 변의 저항 사이의 제 1 노드는 상기 연산 증폭기의 반전 입력단자에 연결되고,
상기 브릿지 회로의 제 2 변의 저항 및 제 4 변의 저항 사이의 제 2 노드는 상기 연산 증폭기의 비반전 입력단자에 연결되는 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 1,
A first node between the resistance of the first arm and the resistance of the third side of the bridge circuit is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier,
The gas sensing device, wherein a second node between the resistance of the second side and the resistance of the fourth side of the bridge circuit is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier.
제 2 항에 있어서,
상기 히터선은 상기 브릿지 회로의 상기 제 3 변의 저항으로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 2,
The gas sensing device, wherein the heater wire is composed of a resistance of the third side of the bridge circuit.
제 2 항에 있어서,
상기 연산 증폭기의 출력 전압이 상기 브릿지 회로의 입력 전압이 되도록 상기 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 브릿지 회로의 상단에 연결된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 2,
The gas sensing device, wherein the output terminal of the operational amplifier is connected to an upper end of the bridge circuit so that the output voltage of the operational amplifier becomes the input voltage of the bridge circuit.
제 1 항에 있어서,
상기 히터선은 폴리실리콘 또는 백금(Pt)의 재질로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 1,
The heater wire is made of a material of polysilicon or platinum (Pt), gas sensing device.
제 1 항에 있어서,
상기 발열층은 상기 히터선과 연결된 제 1 금속층을 포함하는 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 1,
The heating layer is to include a first metal layer connected to the heater wire, gas sensing device.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 금속층은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au) 중 어느 하나의 재질로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 6,
The first metal layer is made of any one of aluminum (Al), copper (Cu), and gold (Au).
제 1 항에 있어서,
상기 센서층은 상기 센서선과 연결된 제 2 금속층을 더 포함하는 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 1,
The sensor layer further comprises a second metal layer connected to the sensor line.
제 8 항에 있어서,
상기 센서선은 금속산화물, 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 그라핀(graphene), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 금(Au) 중 적어도 하나의 재질로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 8,
The sensor wire is made of at least one of metal oxide, carbon nanotube (CNT), graphene, platinum (Pt), palladium (Pd), and gold (Au), gas sensing device.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 금속층은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au) 중 어느 하나의 재질로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 8,
The second metal layer is made of any one of aluminum (Al), copper (Cu), and gold (Au).
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 절연층 및 상기 제 2 절연층은 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)의 재질로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스.
The method of claim 1,
The first insulating layer and the second insulating layer is made of a material of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxide (SiO 2 ), a gas sensing device.
가스 센싱 디바이스의 제작 방법에 있어서,
캐비티를 가지는 기판 상에 제 1 절연층을 형성하는 단계;
상기 제 1 절연층 상에 히터선을 포함하는 발열층을 형성하는 단계;
상기 발열층 상에 제 2 절연층을 형성하는 단계;
상기 제 2 절연층 상에 가스를 검출하기 위한 센서선을 포함하는 센서층을 형성하여 반도체식 가스 센서를 생성하는 단계; 및
브릿지 회로와 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어 회로를 포함하는 히터선 구동 회로를 상기 발열층과 연결하는 단계
를 포함하는 것인, 가스 센싱 디바이스의 제작 방법.
In the manufacturing method of the gas sensing device,
Forming a first insulating layer on a substrate having a cavity;
Forming a heating layer including a heater wire on the first insulating layer;
Forming a second insulating layer on the heating layer;
Forming a sensor layer including a sensor wire for detecting gas on the second insulating layer to generate a semiconductor gas sensor; And
Connecting a heater line driving circuit including a feedback control circuit using a bridge circuit and an operational amplifier to the heating layer
That includes, a method of manufacturing a gas sensing device.
제 12 항에 있어서,
상기 브릿지 회로의 제 1 변(arm)의 저항 및 제 3 변의 저항 사이의 제 1 노드는 상기 연산 증폭기의 반전 입력단자에 연결되고,
상기 브릿지 회로의 제 2 변의 저항 및 제 4 변의 저항 사이의 제 2 노드는 상기 연산 증폭기의 비반전 입력단자에 연결되는 것인, 가스 센싱 디바이스의 제작 방법.
The method of claim 12,
A first node between the resistance of the first arm and the resistance of the third side of the bridge circuit is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier,
A method of manufacturing a gas sensing device, wherein a second node between the resistance of the second side and the resistance of the fourth side of the bridge circuit is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier.
제 13 항에 있어서,
상기 히터선은 상기 브릿지 회로의 상기 제 3 변의 저항으로 구성된 것인, 가스 센싱 디바이스의 제작 방법.
The method of claim 13,
The heater wire is a method of manufacturing a gas sensing device consisting of the resistance of the third side of the bridge circuit.
제 13 항에 있어서,
상기 연산 증폭기의 출력 전압이 상기 브릿지 회로의 입력 전압이 되도록 상기 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 브릿지 회로의 상단에 연결된 것인, 가스 센싱 디바이스의 제작 방법.
The method of claim 13,
The method of manufacturing a gas sensing device, wherein the output terminal of the operational amplifier is connected to an upper end of the bridge circuit so that the output voltage of the operational amplifier becomes an input voltage of the bridge circuit.
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