KR20220040634A - 일체형 가스센서 어셈블리 및 이의 제조방법 - Google Patents

일체형 가스센서 어셈블리 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20220040634A
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Abstract

본 발명에 따른 일체형 가스센서 어셈블리는, 산화물 감지재료를 소결하여 형성된 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 양면 중 어느 하나의 면에 구비되는 히터, 상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 형성된 면에 구비되어 상기 히터에 전기적으로 연결되는 제1히터용 전극 및 상기 베이스 기판의 양면 중 다른 하나의 면에 구비되는 감지용 전극을 포함한다.

Description

일체형 가스센서 어셈블리 및 이의 제조방법{Integrated Gas Sensor Assembly and Its Manufacturing Method}
본 발명은 일체형 가스센서 어셈블리 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히터, 감지용 전극 및 감지재료가 일체화된 형태로 형성되어 제조가 용이하며, 가스의 반응성 및 장치의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 일체형 가스센서 어셈블리 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체형 가스센서는 고온으로 가열된 감지재 표면에서 가스들의 산화 및 환원 반응으로 인하여 발생하는 전기 저항 변화를 감지하는 소자이다.
그리고 이와 같은 반도체형 가스센서는 그 제조 상의 특성 및 형태에 따라 비드 타입(Bead Type), 플래너 타입(Planer Type), MEMS 타입(Microelectromechanical Systems Type)으로 분류될 수 있다.
여기서 비드 타입은 Pt, Ni등의 발열체 코일/감지선을 이용하여 비드 형태로 제작하고, 감지물을 표면에 코팅 후열처리하여 제조된 가스센서를 말한다.
또한 플래너 타입은 알루미나 기판을 이용하여 아랫면은 히터, 윗면은 감지 전극을 스크린 프린터 방식으로 형성한 다음, 마찬가지로 스크린 프린터법으로 감지재를 도포 및 열처리하여 제조된 가스센서이다.
그리고 MEMS 타입은 Si 기반의 MEMS(Microelectromechanical systems) 공정을 이용하는 것으로, deep RIE 장비를 이용하여 SiN 멤브레인을 형성한 뒤, 히터(W, Pt)/절연층/감지전극(Au, Pt)를 포토리쏘를 이용한 패턴 공정, 전극 증착 공정, 식각 등의 반도체 공적을 이용하여 순차적으로 형성한 다음 감지물을 도포 및 열처리하여 제조된 가스센서이다.
이와 같은 종래의 가스센서들은, 도포 또는 코팅되는 감지재료가 900℃ 이상에서 소결되어야 입자 간 연결성(Necking)이 좋아지면서 안정성 및 신뢰성이 좋아진다.
특히 센서를 장기로 구동 시에는 외부 진동, 히터 열에 의한 감지물 열화 등으로 인하여 소결된 감지재료 간에 크랙(Crack)등이 발생하게 되며, 가스 감응 특성이 저하될 가능성이 있다. 이에 비해 고온에서 치밀하게 소결된 감지재료는 분말 입자들 간의 연결 및 기판과 접합(Adhesion)성이 좋아 장기 신뢰성이 향상된다.
다만, 현재 상용으로 사용되고 있는 플래너 타입(Planer Type), MEMS 타입(Microelectromechanical Systems Type) 가스센서는 사용되는 히터, 감지전극 소재 및 센서 기판의 사용온도 제약으로 인하여, 감지재료가 소결될 정도의 충분히 열처리를 하지 못하는 문제가 있다.
이는 소결체 그레인(Grain)들이 미처 연결되지 못하게 되며, 감지재료와 기판 간의 접합(Addhesion)이 좋지 않게 되므로, 가스센서의 감응 특성 및 장기적 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미친다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국공개특허 제10-2015-0031709호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 제조가 용이하며, 높은 소결도를 가지도록 하여 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 가스센서 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일체형 가스센서 어셈블리는, 산화물 감지재료를 소결하여 형성된 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 양면 중 어느 하나의 면에 구비되는 히터, 상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 형성된 면에 구비되어 상기 히터에 전기적으로 연결되는 제1히터용 전극 및 상기 베이스 기판의 양면 중 다른 하나의 면에 구비되는 감지용 전극을 포함한다.
이때 상기 베이스 기판에는 도전성 페이스트가 충진된 비아홀이 형성되며, 상기 제1히터용 전극은 상기 비아홀에 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
그리고 본 발명은 상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 부착된 면과 반대측 면의 상기 비아홀에 대응되는 위치에 구비되는 제2히터용 전극을 더 포함할 수 있다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일체형 가스센서 어셈블리 제조방법은, 산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 베이스 기판을 형성하는 (a)단계, 상기 베이스 기판의 양면 중 어느 하나의 면에 히터를 부착하는 (b)단계, 상기 베이스 기판에 히터용 전극을 형성하는 (c)단계 및 상기 베이스 기판의 양면 중 다른 하나의 면에 감지용 전극을 형성하는 (d)단계를 포함한다.
이때 상기 (a)단계는, 산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 1차 소결체를 형성하는 (a-1)단계 및 상기 1차 소결체를 기 설정된 두께로 커팅하여 상기 베이스 기판을 형성하는 (a-2)단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 (a)단계는, 상기 베이스 기판의 소결 시 기공도를 조절하여, 비표면적을 변화시킴에 따라 가스 감응 특성을 향상시키도록 할 수 있다.
그리고 상기 (a)단계 및 상기 (b)단계 사이에는, 상기 베이스 기판에 비아홀을 형성하는 (ex-1)단계 및 상기 비아홀 내에 도전성 페이스트를 충진하여 경화시키는 (ex-2)단계가 더 포함될 수 있다.
또한 상기 (c)단계는, 상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 부착된 면의 상기 비아홀에 대응되는 위치에 제1히터용 전극을 형성하는 (c-1)단계 및 상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 부착된 면과 반대측 면의 상기 비아홀에 대응되는 위치에 제2히터용 전극을 형성하는 (c-2)단계를 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일체형 가스센서 어셈블리 및 이의 제조방법은, 900℃ 이상의 높은 온도에서 소결된 산화물 감지재료를 베이스 기판으로서 사용하므로, 산화물 감지재료의 별도의 열처리가 요구되지 않으며, 소결도가 95% 이상으로 높아 센서의 안정성 및 신뢰성이 크게 향상되는 장점을 가진다.
또한 본 발명은 종래 다른 감지센서 제조 과정에 비해 간단한 제조 과정을 가지며, 따라서 제조비용을 절감하고 생산률을 크게 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리 제조방법의 각 단계를 나타낸 도면;
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리를 제조하는 과정을 나타낸 도면; 및
도 5는 본 발명의 다른 실시예로서, 종래 다른 가스센서 플랫폼에 적용이 가능하도록 제작되는 감지재료 소결체의 모습을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리 제조방법의 각 단계를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리 제조방법은, 산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 베이스 기판을 형성하는 (a)단계, 베이스 기판의 양면 중 어느 하나의 면에 히터를 부착하는 (b)단계, 베이스 기판에 히터용 전극을 형성하는 (c)단계, 및 베이스 기판의 양면 중 다른 하나의 면에 감지용 전극을 형성하는 (d)단계를 포함한다.
그리고 도 2 내지 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
이하에서는 도 2 내지 도 4을 참조하여, 도 1에 나타난 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리 제조방법의 각 단계에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 도 2의 상부에 나타난 그림과 같이, 산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 베이스 기판(5)을 형성하는 (a)단계가 수행된다.
그리고 본 단계는 세부적으로 산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 1차 소결체(5)를 형성하는 (a-1)단계와, 1차 소결체(5)를 기 설정된 두께로 커팅하여 베이스 기판(10)을 형성하는 (a-2)단계를 포함할 수 있다.
여기서 산화물 감지재료는 SnO2, ZnO, In2O3, WOx의 조성을 포함하는 재료일 수 있으며, 이를 소결하기 위한 온도는 900℃ 이상일 수 있다. 또는 산화물 감지재료는 Pt, Au, Pd 등과 같은 귀금속 또는 금속이 포함된 조성이거나, SnO2/WO3, SnO2/Sb2O3, ZnO-SnO2의 복합 조성을 가질 수도 있다.
그리고 이에 따라 소결된 1차 소결체(5)를 기판으로서 사용하기 위해, 이를 기 설정된 두께로 커팅하여 베이스 기판(10)을 형성할 수 있으며, 이때 베이스 기판(10)의 두께는 500㎛ 이상일 수 있다.
또한 본 단계에서, 1차 소결체(5)의 기공도를 조절함에 따라 비표면적을 조절할 수 있으며, 또한 표면에 Sputtering, E-Beam Evaporation 등과 같은 증착 장비 또는 전기도금을 이용하여 가스센서에서 촉매로 사용되는 귀금속, 금속과 이종 재료의 코팅 등을 수행하여 그 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
한편 본 단계에서 베이스 기판(10)의 소결 시 기공도를 조절하여, 비표면적을 변화시킴에 따라 가스 감응 특성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 기공도를 조절하는 과정은, 크게 소결 온도/승온 속도를 조절하여 기공도를 조절하는 방식과, 이종 재료 첨가를 통해 기공도를 조절하는 방식으로 나뉘어질 수 있다.
소결 온도/승온 속도를 조절하는 방식의 경우, 산화물 감지재료의 소결 온도에 따라 소결 밀도를 조절하여 기공도를 조절하는 방식과, 소결 시 SPS(Spark Plazma Sintering), 마이크로 웨이브(Micro Wave)등과 같이 대상을 고속으로 승온시킬 수 있는 소결 장비를 이용하여 승온 속도를 높여 짧은 시간에 고온으로 유지하며 그레인(Grain) 성장을 억제함에 따라 그레인을 작게 만들어 기공도를 조절하는 방식과, 촉매 등의 첨가물을 첨가하여, 그레인 바운더리(Grain Boudary)에 들어가서 그레인의 성장을 막아 작은 그레인을 형성하여 기공도를 높이는 방식을 포함할 수 있다.
그리고 이종 재료 첨가를 통해 기공도를 조절하는 방식의 경우, 소결 온도 이하에서 휘발되는 고분자나 금속재료를 첨가 및 혼합하여, 감지재료 소결 온도 전에 휘발에 의해 발생한 기공을 이용하여 기공도를 조절하는 방식이 사용될 수 있다. 예컨대, 다양한 나노 크기의 PS(Polystyrene) 볼을 세라믹 분말에 혼합하여 소결시킬 경우, PS 볼이 휘발되어 기공이 발생함에 따라 기공도를 조절할 수 있게 된다.
이와 같은 방식들 외에도, 서로 다른 크기의 산화물 감지재료를 혼합하고, 그 비율을 조절함에 따라 기공도를 조절하는 방식이 사용될 수 있다.
뿐만 아니라, 베이스 기판(10)의 표면을 건식(dry) 또는 습식(wet)으로 에칭(etching)하여 상기 베이스 기판(10)의 표면적을 증가시킴으로써 가스 감응 특성을 향상시킬 수도 있다.
이와 같은 (a)단계를 수행한 뒤 (b)단계가 이루어지게 되나, 본 실시예에서는 도 2의 하부에 나타난 그림과 같이, (a)단계 및 (b)단계 사이에 베이스 기판(10)에 비아홀(11)을 형성하는 (ex-1)단계와, 비아홀(11) 내에 도전성 페이스트(12)를 충진하여 경화시키는 (ex-2)단계가 더 포함될 수 있다.
이와 같은 (ex-1)단계 및 (ex-2)단계는 베이스 기판(10)의 양면 모두에 히터용 전극(30a, 30b)를 형성하기 위한 것으로, 이에 대해서는 후술하도록 한다. 만일 히터용 전극(30a, 30b)가 베이스 기판(10)의 어느 한 면에만 형성될 경우, (ex-1)단계 및 (ex-2)단계는 생략될 수도 있다.
다음으로, 도 3의 상부에 나타난 그림과 같이, 베이스 기판(10)의 양면 중 어느 하나의 면에 히터(20)를 부착하는 (b)단계와, 베이스 기판(10)에 히터용 전극(30a)를 형성하는 (c)단계가 수행된다.
(b)단계에서 부착되는 히터(20)는 베이스 기판(10)을 구성하는 산화물 감지재료를 가열하기 위한 구성요소이다.
그리고 (c)단계는 세부적으로 베이스 기판(10)의 양면 중 히터(20)가 부착된 면의 비아홀(11)에 대응되는 위치에 제1히터용 전극(30a)를 형성하는 (c-1)단계와, 베이스 기판(10)의 양면 중 히터(20)가 부착된 면과 반대측 면의 비아홀(11)에 대응되는 위치에 제2히터용 전극(30b, 도 4 참조)를 형성하는 (c-2)단계를 포함할 수 있으며, 도 3의 상부에 도시된 그림은 이 중 (c-1)단계를 수행하는 과정을 나타낸 것이다.
다음으로, 도 3의 하부에 도시된 바와 같이 베이스 기판(10)의 양면 중 히터(20)가 부착되지 않은 다른 하나의 면에 감지용 전극(40)를 형성하는 (d)단계가 수행된다.
감지용 전극(40)는 산화물 감지재료의 표면에서 가스들의 산화 및 환원 반응으로 인하여 발생하는 전기 저항 변화를 감지할 수 있도록 하는 구성요소이다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(10)의 양면 중 히터(20)가 부착된 면과 반대측 면의 비아홀(11)에 대응되는 위치에 제2히터용 전극(30b)를 형성함에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스센서 어셈블리 제조 과정이 완료된다.
도 2 내지 도 4에 나타난 예시에서는 (c-1)단계가 (d)단계보다 후에 수행되는 것으로 하였으나, 이는 본 실시예에 제한되는 것이 아니며 (c-1)단계가 (d)단계 또는 (c-1)단계 보다 이전에 수행될 수도 있음은 물론이다.
즉 각 단계에 임의로 부여된 알파벳은 시간적 순서를 의미하는 것이 아니며, 이들은 각 단계가 동시에 또는 알파벳 순서와 다른 순서로 수행될 수도 있다.
이상과 같은 과정에 의해 제조된 일체형 감지센서 어셈블리는, 산화물 감지재료를 소결하여 형성된 베이스 기판(10), 베이스 기판(10)의 양면 중 어느 하나의 면에 구비되는 히터(20), 베이스 기판(10)의 양면 중 히터(20)가 형성된 면에 구비되어 히터(20)에 전기적으로 연결되고, 비아홀(11)에 대응되는 위치에 구비되는 제1히터용 전극(30a), 베이스 기판(10)의 양면 중 다른 하나의 면에 구비되는 감지용 전극(40) 및 베이스 기판(10)의 양면 중 히터(20)가 부착된 면과 반대측 면의 비아홀(11)에 대응되는 위치에 구비되는 제2히터용 전극(30b)를 포함한다.
또한 이에 따라 제조된 본 발명의 일체형 감지센서 어셈블리는 베이스 기판(10)에 포함된 산화물 감지재료가 절연체의 역할을 수행할 수 있으며, 이에 따라 히터(20)는 전기적으로 독립된 상태를 가질 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 900℃ 이상의 높은 온도에서 소결된 산화물 감지재료를 베이스 기판(10)으로서 사용하므로, 산화물 감지재료에 대한 별도의 열처리가 요구되지 않으며, 그 소결도가 95% 이상으로 높아 센서의 안정성 및 신뢰성이 크게 향상될 수 있다. 또한 소결 시 기공도를 조절하여, 비표면적을 변화시킴에 따라 가스 감응 특성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라 본 발명은 종래 다른 감지센서 제조 과정에 비해 간단한 제조 과정을 가지며, 따라서 제조비용을 절감하고 생산률을 크게 높일 수 있는 장점을 가진다.
한편 도 5는 본 발명의 다른 실시예로서, 종래 다른 가스센서 플랫폼에 적용이 가능하도록 제작되는 감지재료 소결체(100)의 모습을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 감지재료 소결체(100)는 산화물 감지재료가 소결된 소결패널(110)과, 소결패널(110)의 일면에 형성된 감지 및 본딩용 전극(120)을 포함한다.
이와 같은 감지재료 소결체(100)는 종래의 다른 가스센서 플랫폼, 즉 플래너 타입의 가스센서(P) 또는 MEMS 타입의 가스센서(M)에 다이싱될 수 있으며, 이를 위해 감지 및 본딩용 전극(120)가 각 가스센서의 히터용 전극(e)에 접촉된 상태로 본딩될 수 있다.
즉 본 발명은 감지재료 소결체(100)의 형태로 형성되어 종래의 다른 가스센서 플랫폼에 적용될 수 있도록 함에 따라, 범용성을 보다 확장시킬 수 있는 장점을 가진다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
5: 1차 소결체
10: 베이스 기판
11: 비아홀
12: 도전성 페이스트
20: 히터
30a: 제1히터용 전극
30b: 제2히터용 전극
40: 감지용 전극
100: 감지재료 소결체
110: 소결패널
120: 감지 및 본딩용 전극

Claims (8)

  1. 산화물 감지재료를 소결하여 형성된 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 양면 중 어느 하나의 면에 구비되는 히터;
    상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 형성된 면에 구비되어 상기 히터에 전기적으로 연결되는 제1히터용 전극; 및
    상기 베이스 기판의 양면 중 다른 하나의 면에 구비되는 감지용 전극;
    를 포함하는,
    일체형 가스센서 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판에는 도전성 페이스트가 충진된 비아홀이 형성되며,
    상기 제1히터용 전극은 상기 비아홀에 대응되는 위치에 구비되는,
    일체형 가스센서 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 부착된 면과 반대측 면의 상기 비아홀에 대응되는 위치에 구비되는 제2히터용 전극을 더 포함하는,
    일체형 가스센서 어셈블리.
  4. 산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 베이스 기판을 형성하는 (a)단계;
    상기 베이스 기판의 양면 중 어느 하나의 면에 히터를 부착하는 (b)단계;
    상기 베이스 기판에 히터용 전극을 형성하는 (c)단계; 및
    상기 베이스 기판의 양면 중 다른 하나의 면에 감지용 전극을 형성하는 (d)단계;
    를 포함하는,
    일체형 가스센서 어셈블리 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    산화물 감지재료를 기 설정된 온도 조건에서 소결하여 1차 소결체를 형성하는 (a-1)단계; 및
    상기 1차 소결체를 기 설정된 두께로 커팅하여 상기 베이스 기판을 형성하는 (a-2)단계;
    를 포함하는,
    일체형 가스센서 어셈블리 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 베이스 기판의 소결 시 기공도를 조절하여, 비표면적을 변화시킴에 따라 가스 감응 특성을 향상시키도록 하는,
    일체형 가스센서 어셈블리 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (a)단계 및 상기 (b)단계 사이에는,
    상기 베이스 기판에 비아홀을 형성하는 (ex-1)단계; 및
    상기 비아홀 내에 도전성 페이스트를 충진하여 경화시키는 (ex-2)단계;
    가 더 포함되는,
    일체형 가스센서 어셈블리 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 부착된 면의 상기 비아홀에 대응되는 위치에 제1히터용 전극을 형성하는 (c-1)단계; 및
    상기 베이스 기판의 양면 중 상기 히터가 부착된 면과 반대측 면의 상기 비아홀에 대응되는 위치에 제2히터용 전극을 형성하는 (c-2)단계;
    를 포함하는,
    일체형 가스센서 어셈블리 제조방법.
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