KR20200144592A - 가열되는 감지 층을 가진 가스 센서 - Google Patents

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마끄 벤다한
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위니베르시떼 덱스-마르세이유
상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크
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Abstract

본 발명은 가열되는 감지 층 센서에 관한 것이며, 이 센서는 감지 층(12)을 지지하는 절연 기판(10); 상기 감지 층(12)과 전기적으로 접촉하도록 구성된 2개의 인접하는 도전성 트랙들의 형태로 된 2개의 상보적 측정 전극들(E1, E2); 및 상기 감지 층의 활성 구역을 균일하게 가열하기 위해서 상기 절연 기판 상에 배치된 저항성 트랙의 형태로 된 가열 요소(14)를 포함하며, 상기 저항성 트랙은 연속적인 U-형상의 원호들을 포함하고; 2개의 도전성 전극 트랙들 중 제1 도전성 전극 트랙은 저항성 트랙의 U-형상의 원호들 중 적어도 하나를 통과하고, U-형상의 원호와 평행하게 설치되어 내포된 원호를 형성하고; 2개의 도전성 전극 트랙들 중 제2 도전성 전극 트랙은 제1 도전성 전극 트랙이 형성하는 내포된 원호를 통과한다.

Description

가열되는 감지 층을 가진 가스 센서{GAS SENSOR HAVING A HEATED SENSITIVE LAYER}
본 발명은 분자 센서들에 관한 것이며, 특히, 가열되는 감지 층을 사용하여서 동작하는 가스 센서들에 관한 것이다.
이러한 타입의 센서의 감지 층은 일반적으로 반도체 산화물을 포함하고, 이 반도체 산화물의 성질 및 동작 온도는 검출될 분자들에 따라서 선택된다. 이러한 감지 층의 저항률(resistivity)은 반도체 산화물 층에 의해 흡수되는 분자들의 농도에 의존하여서 변화한다.
도 1a 및 도 1b는 예를 들어서, 논문 [I Dewa Putu Hermida et al., "Development of Co Gas Sensing Based SnO2 Thin film", International Journal of Engineering & Technology IJET-IJENS Vol: 13 No:. 01] 및 논문 [George F. Fine et al., "Metal Oxide Semi-Conductor Gas Sensors in Environmental Monitoring", Sensors 2010, 10, 5469-5502] 에 기술된 바와 같은, 통상적인 가열되는 감지 층 센서의 평면도 및 축 AA를 따르는 단면도를 개략적으로 도시한다.
이 센서는 절연 기판(10)을 포함하며, 이 절연 기판은 그의 상부 표면 상에서 반도체 산화물 기반의 감지 층(12)을 지지하고 있다. 도전성 트랙들(E1 및 E2)의 형태로 된 2개의 상보적(complementary) 전극들이 이 감지 층(12)과 전기적으로 접촉한다. 전극들(E1 및 E2)은 이 전극들 간에 위치한 감지 층의 구역들의 저항률의 변화를 측정하도록 구성된다. 감지능력을 개선하기 위해서, 2개의 전극들의 인접하는 길이를 증가시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 이 전극 트랙들은 때로 도시된 바와 같이, 교차지형의 빗 구조(interdigitated combs)로서 형성된다.
각 전극은 감지 층의 활성 구역 외측에 있는, 센서의 둘레에 배치된 접촉 단자를 포함한다. 전극(E1)의 단자는 접지 전압(0V)으로 설정되고, 전극(E2)의 단자는 1차수(order of 1)V의 측정 전압(M)으로 설정된다. 센서는 2개의 전극들의 단자들 간에서 흐르는 전류를 측정함으로써 동작한다.
감지 층(12)을 가열하기 위해서, 저항성 트랙(14)이 제공되며, 이 저항성 트랙은 감지 층과 전기적으로 분리되며, 예를 들어서 기판(10)의 하단 표면 상에 배치된다. 이 저항성 트랙(14)은 감지 층의 활성 구역, 즉 전극들의 서로 마주보는 핑거들(facing fingers)간에 구역을 균일하게 가열하도록 구성된다. 이 저항성 트랙(14)은 때로 도시된 바와 같이 구불구불한(serpentine) 형상으로 된다. 목표된 온도를 달성하도록 조절된 전압(Vh)와 접지 전압(0V) 간에 저항성 트랙이 제공된다.
가열되는 감지 층 센서의 구조체 및 이 구조체에서 사용되는 재료들은 집적 회로 기술들을 사용하여서 제조하기에 특히 매우 적합하다. 이로써, 센서 치수들은 감지 층이 단지 30 mW의 전력 소모량으로 350 ℃까지 가열될 수 있도록 소형이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 센서들의 감지 층들은 다른 기술들에서 제조되는 센서들에 비해서 신속하게 노화된다는 것이 주목되었다.
따라서, 집적 회로 제조 기술들을 사용하여서 생성된 가열되는 감지 층 센서의 수명을 늘리는 것이 요망된다.
이러한 요구는 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 가열되는 감지 층 센서에 의해 해결된다.
다른 이점들 및 특징들이 첨부된 도면들에서 나타나고 오직 예시적인 목적을 위해서만 제공되는 본 발명의 특정 실시예들의 다음의 설명으로부터 보다 확실하게 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 전술한 바와 같이, 통상적인 가열되는 감지 층 센서의 평면도 및 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 센서의 수명을 증가시키는 센서 가열 요소의 저항성 트랙의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 저항성 트랙의 다른 실시예 및 적합한 전극들의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3의 타입의 몇몇 구조체들에 대한 직렬 연결 기법들을 도시한다.
소형 크기의 가열되는 센서의 감지 층은, 특히 센서가 집적 회로 제조 기법들을 사용하여서 생성되는 때에, 도 1a에 도시된 영역(D) 내에서, 저항성 트랙에 보다 높은 전압(Vh)이 공급되는 측에 대해서 주로 열화가 발생하였음을 본 발명자들은 발견하였다. 본 발명자들은 이러한 효과는 감지 층이 저항하는 전계로 인한 것이라고 사료한다. 실제로, 저항성 트랙의 공급 전압(Vh)은 상대적으로 높을 수 있는데, 5.7 V에 달하며, 저항성 트랙과 전극들의 도전성 트랙들 간의 거리는 집적 회로 기술들에서는 특히 작을 수 있으며, 이로써 강한 전계가 저항성 트랙이 최고 전압에 있는 측에서, 저항성 트랙과 전극 간의 각 교차지점에서 확립된다. 실제로, 이러한 트랙 교차지점들에서, 최초 손상들이 감지 층에서 발생한다.
이러한 전계에 의해서 초래되는 열화를 방지하기 위해서, 저항성 트랙을 전극들로부터 멀어지게 이동시키는 것은 상기 문제를 해결하지 못하는데, 그 이유는 가열 효율이 떨어져서 저항성 트랙의 공급 전압을 높여야 할 것이기 때문이다.
도 2는 가열 효율을 저하시키지 않고서 전계를 감소시키는, 가열 요소의 저항성 트랙 구성(14')을 개략적으로 도시한다. 여기에서는 구불구불한(serpentine) 형태로 된 저항성 트랙은 각 단부에 전력 공급 단자들 이외에, 저항성 트랙의 길이를 따라서 규칙적으로 이격된 하나 이상의 중간 공급 지점들을 포함한다. 도 2에서, 저항성 트랙은 예를 들어서, 3개의 중간 공급 지점들을 포함하는데, 이로써 단부 단자들을 포함하여서 총 5개의 공급 지점들이 존재한다. 홀수 번째의 공급 지점들(odd ranked points)에는 전력 공급 전압들 중 제 1 공급 전압, 예를 들어서, 접지 전압(0V)이 공급되며 짝수 번째의 공급 지점들(even ranked points)에는 전력 공급 전압들 중 제 2 공급 전압인 고 전압(Vh')이 공급된다. 이를 위해서, 홀수 번째의 공급 지점들은 제 1 공급 전압에 의해서 공급되는 공통 저 저항률(low resistivity) 라인(20)에 연결되며, 짝수 번째의 공급 지점들은 제 2 공급 전압에 의해서 공급되는 공통 저 저항률 라인(22)에 연결될 수 있다.
이러한 도시된 구성을 사용하면, 전압(Vh')은 오직 2개의 전력 공급 단자들을 사용할 시에 요구되는 전압(Vh)에 대해서 4로 나누어질 수 있으며, 이와 동시에 동일한 가열 전력을 제공하다. 실제로, 이러한 구불구불한 구조의 각 세그먼트는 총 저항의 1/4을 가지며, 그의 양단 간에서 통상적인 공급 전압의 1/4을 경험한다: 전류는 통상적인 구성과 동일하며, 이로써 소모된 전력은 동일하다. 이로써, 전계는 저항성 트랙에서 사용되는 세그먼트들의 개수만큼 나누어질 수 있다.
센서의 제조를 단순화시키기 위해서, 전극들의 트랙들과 저항성 트랙이 동일한 면에 있게 하는 것이 바람직하다. 이로써 단일 마스크 레벨을 사용하여서 트랙들을 형성할 수 있다. 이 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 공급 단자들이 센서의 에지들 상에 위치하여서, 센서의 활성 구역을 통해서 전력 공급 트랙들을 라우팅하거나 이러한 활성 구역 내에 비아들을 배치시키는 것을 피하는 것이 바람직하다. 이로써, 전력 공급 단자들은 센서의 활성 구역 외측에 배열된 금속 트랙들 및 비아들에 연결될 수 있다.
도 3은 다른 센서 실시예를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서는, 저항성 트랙(14')은 2개의 구불구불한 세그먼트(serpentine segment)들을 포함하며, 이 2개의 세그먼트들은 본 실시예에서는 전압(Vh')이 공급되는 중앙 공급 지점을 통과하는 수직 축에 대해서 대칭적이다. 각 세그먼트가 도시된 바와 같이, 홀수 개의 호들(arcs)을 갖는다면, 본 실시예에서는 0V에 있는 단부 공급 지점들이 중앙 공급 지점과 동일한 센서의 에지 상에 위치한다.
이러한 구성을 사용하면, 저항성 트랙의 중앙 섹션이 2개의 세그먼트들 각각에 대한 전류를 반송하며, 이로써 세그먼트들 각각보다 2배 많은 전류를 경험한다. 이 중앙 섹션이 저항성 트랙의 나머지 부분과 동일한 저항을 갖는다면, 이 중앙 섹션은 이 나머지 부분보다 4배 많은 전력을 소모할 것이다. 가열 전력을 균일화하기 위해서, 이러한 중앙 섹션의 크기는 저항성 트랙의 나머지 부분의 저항의 1/4을 제공하도록 조절될 수 있다.
도 3은 또한 전극들(E1 및 E2)이 저항성 트랙(14')과 동일한 면에서 형성될 수 있도록, 전극들(E1 및 E2)의 예시적인 라우팅 구성(routing configuration)을 도시한다. 이러한 전극 라우팅은 감지 층이 경험하는 전계를 더 줄이도록 추가적으로 더 구성된다.
도 1b에 도시된 바와 같은, 통상적인 전극 라우팅 구성은, 제로에 가까운 곡률 반경으로 다수 회 방향을 전환한다. 이는 각 라우팅 방향 전환 지점에서의 전계의 국부적 강화(local accentuation)를 낳는다.
이러한 국부적 강화 효과를 줄이기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극들(E1, E2)의 트랙들 및 저항성 트랙(14')은 예를 들어서, 원호 형상들과 같은 제로가 아닌 곡률 반경을 따라서 그 라우팅 방향이 전환된다. 저항성 트랙(14')의 구불구불한 경로는 연속하는 "U" 형상의 원호들로 형성될 수 있다. 전극들과 관련하여서는, 수많은 직각 및 날카로운 단부들을 갖는 빗-형상의 경로들을 피하도록 설계된다. 이로써, 2개의 전극들(E1, E2)의 트랙들은 저항성 트랙(14')과 평행하게 유지되며 각 원호를 통과한다. 원호를 나갈 때에는, 저항성 트랙으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 전극, 본 실시예에서는 전극(E2)는 종단되고, 저항성 트랙에 인접한 전극, 본 실시예에서는 전극(E1)은 원호 내로 다시 돌아오도록 전극(E2)의 선단부를 도는 U-턴부를 형성한다. 이러한 라우팅 구성은 빗 패턴들을 사용하지 않고서도 전극들의 마주보는 길이들을 증가시키는 것을 돕는다.
이러한 전극 레이아웃 기법을 사용하면, 전극 트랙들(E1, E2)의 쌍은 구불구불한 각 원호에 대해서 형성된다. 이 전극 트랙 쌍의 각 트랙의 시작 지점은 센서의 에지 상의 단자에 연결되고, 이 단자로부터 트랙은 전력을 공급 받을 수 있으며 각 트랙은 필요하다면 센서의 활성 구역 외측에 있는 비아들을 통해서, 다른 원호들의 피어 트랙들(peer tracks)에 연결될 수 있다.
도시된 바와 같이, 저항성 트랙(14')의 시작점에서, 전극들(E1, E2)의 쌍은 저항성 트랙과 동일한 측에서 시작하며, 제 1 원호를 따라서 서로 평행하게 외측으로부터 다음 원호까지 연장되며, 여기서 상술한 패턴이 시작된다. 이 패턴은 저항성 트랙의 단부에서 대칭적일 수 있다.
도 3의 구성은 전극들의 트랙들 및 저항성 트랙이 감지 층과 접촉하면서 동일한 면에 있는 것을 가능하게 한다. 저항성 트랙(14')이 감지 층과 전기적으로 접촉하면, 이 저항성 트랙은 감지 층에서의 스퓨리어스 전류들(spurious currents)을 생성할 수 있으며 이러한 전류들은 전극들로부터의 측정을 방해할 수 있다.
이를 방지하기 위해서, 국부적 절연체가 감지 층과 저항성 트랙 간에 설치되거나 감지 층이 전극들 상에 국부적으로 설치될 수 있다. 이는 감지 층을 가열하는 효율에 불리한 영향을 줄 것이다.
도 3에 도시된 전극들의 전력 공급 구성은 저항성 트랙이 감지 층과 전기적으로 접촉할 때에 저항성 트랙에 의해서 생성되는 스퓨리어스 전류들의 영향을 억제한다. 저항성 트랙과 인접하는 전극(E1)의 트랙들은 접지되고(0V), 더 멀리 떨어진 전극(E2)의 트랙들에는 측정 전압(M)이 공급된다. 이로써, 전극(E1)의 트랙들과 저항성 트랙(14') 간의 감지 층에서 흐르는 경향이 있는 임의의 전류도 접지부로 이어지며 전극(E2)의 트랙들에 도달하지 않는다.
이러한 상황들에서, 도 3의 트랙 구조체는 이 구조체 위 또는 아래에 위치된 감지 층과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 이 구조체 위 감지 층을 위치하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이러한 구성이 보다 큰 표면적을 외부에 노출시키기 때문이다.
도 3의 구성은 좀 더 통상적인 구조체로 사용될 수 있는데, 이 경우에 저항성 트랙(14')은 전극들(E1, E2)과 다른 면에 배치된다. 따라서, 이러한 구조체는 낮은 전계의 이점들을 역시 제공한다. 저항성 트랙의 면 상으로 돌출된 전극 트랙들의 레이아웃이 저항성 트랙 주변에 규정된 주변부(margin) 외측에서 유지되도록, 달리 말하면, 전극 트랙들을 저항성 트랙과 교차시키는 것이 센서의 활성 구역 내에서의 피해지도록, 저항성 트랙 및 전극들의 비율 및 위치가 유지될 수 있다.
도 4는 도 3에서 도시된 타입의 몇몇 구조체들을 직렬로 연결하기 위한 예시적인 기법들을 도시한다. 도 3에서 도시된 타입의 2개의 구조체들이 전극(E2)의 측방향 섹션을 공통적으로 사용하여서 결합될 수 있다. 이로써, 의도된 용도의 필요들을 다루기 위한 세그먼트들의 개수와 대등한 배수만큼 저항성 트랙 공급 전압(Vh')을 감소시킬 수 있다.
이러한 구성은 상이한 구조체들을 서로 연결시킴으로써, 또는 상이한 구조체들을 개별적으로 사용함으로써 전체 구조체들을 단일 센서로 사용하는 것을 가능하게 하며, 이로써(예를 들어서, 각 구불구불한 구조체의 온도에 기초하여서) 몇 개의 상이한 신호들을 제공하는 "다중센서" 구성, 예를 들어서, "전자 코(electronic nose)" 디바이스를 달성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 집적 회로 제조 기술에 의해 획득되는 가열되는 감지 층 센서로서,
    감지 층을 지지하는 절연 기판;
    상기 감지 층과 전기적으로 접촉하도록 배치된 2개의 인접하는 도전성 전극 트랙들의 형태로, 2개의 도전성 전극들 사이에 상기 감지 층의 저항을 측정하는 2개의 상보적 측정 전극들; 및
    상기 감지 층의 활성 구역을 가열하기 위하여 상기 절연 기판 상에 배치된 저항성 트랙의 형태로 된 가열 요소;를 포함하며,
    상기 저항성 트랙은 길이에 걸쳐서 이격된 적어도 3개의 전력 공급 지점들을 포함하여, 상기 저항성 트랙은 상기 전력 공급 지점들 사이에 복수의 세그먼트로 나누어지고,
    상기 저항성 트랙은 연속적인 U-형상의 원호들을 포함하고;
    상기 2개의 도전성 전극 트랙들 중 제1 도전성 전극 트랙은 상기 저항성 트랙의 U-형상의 원호들 중 적어도 하나를 통과하고, 상기 U-형상의 원호와 평행하게 설치되어 내포된 원호를 형성하고;
    상기 2개의 도전성 전극 트랙들 중 제2 도전성 전극 트랙은 상기 제1 도전성 전극 트랙에 의해 형성된 상기 내포된 원호를 통과하는, 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항성 트랙의 면 상으로 돌출된, 상기 2개의 도전성 전극 트랙들의 레이아웃은 상기 저항성 트랙 주변에 규정된 주변부 외측에서 유지되는, 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저항성 트랙과 상기 2개의 도전성 전극 트랙들은 동일한 면에 있는, 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 감지 층의 활성 구역 내에서의 상기 저항성 트랙 및 상기 2개의 도전성 전극 트랙들의 방향 전환들은 제로가 아닌 곡률 반경을 가지는, 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2개의 도전성 전극 트랙들은,
    (ⅰ) 상기 제2 도전성 전극 트랙은 상기 U-형상의 원호를 나올 때에 종단되며;
    (ⅱ) 상기 제1 도전성 전극 트랙은, 상기 U-형상의 원호를 나올 때에, 상기 U-형상의 원호로 다시 들어가도록 상기 제2 도전성 전극 트랙의 단부 둘레의 U-턴부를 형성하도록 구성되는, 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저항성 트랙은 상기 2개의 도전성 전극 트랙들과 동일 면에 있으며 또한 상기 감지 층과도 전기적으로 접촉하고;
    상기 저항성 트랙과 상기 제1 도전성 전극 트랙 간의 상기 감지 층에서 흐르는 임의의 전류가 상기 2개의 도전성 전극 트랙들 간에 흐르는 전류를 방해하지 않도록, 상기 제1 도전성 전극 트랙은 접지 전압으로 설정되는, 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저항성 트랙은 상기 감지 층을 350 ℃까지 가열하도록 구성되는, 센서.
  8. 가열되는 감지 층 센서로서,
    감지 층을 지지하는 절연 기판;
    상기 감지 층과 전기적으로 접촉하도록 배치된 2개의 인접하는 도전성 전극 트랙들의 형태를 하고 2개의 도전성 전극들 사이에 상기 감지 층의 저항을 측정하도록 구성된 2개의 상보적 측정 전극들; 및
    상기 감지 층과 전기적으로 접촉하도록 배치된 저항성 트랙을 포함하는 가열 요소;를 포함하며,
    상기 2개의 도전성 전극 트랙들 중 제1 도전성 전극 트랙은, 상기 저항성 트랙과 상기 2개의 도전성 전극 트랙들 중 제2 도전성 전극 트랙의 사이에서, 상기 저항성 트랙과 평행하게 설치되고;
    상기 제1 도전성 전극 트랙의 일 단부는 상기 저항성 트랙의 일 단부와 전기적으로 연결되는, 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 감지 층의 활성 구역 내에서의 상기 저항성 트랙 및 상기 2개의 도전성 전극 트랙들의 방향 전환들은 제로가 아닌 곡률 반경을 가지는, 센서.
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