KR20060111296A - Hydrogen sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 종래 외부 환경에 대한 영향이 작고 수소 선택성이 높으며 소형화 할 수 있는 수소 센서 중 Pd 반응막이 수소와 결합할 경우 부피가 변화한다는 점에 착안하여 물리적 전극 변위에 의한 용량 변화로 수소의 농도를 측정하는 종래 캔틸레버형 센서는 생산성, 비용, 측정 용이성, 재현성, 변경 가능성 모두가 대단히 취약한 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 고정 전극을 두고, 그 상부에 견고한 지지 구조를 가지면서 상기 고정전극과의 거리가 가변될 수 있도록 상대전극, 다이어프램, 그리고 수소 농도에 따라 부피가 가변하는 Pd 반응막을 설치하여 커패시터를 구성하도록 한 후, 수소 농도에 따라 Pd 반응막의 부피 변화에 의해 변형되는 탄성을 가진 다이어프램에 의한 고정전극과 상대전극 사이의 정전용량 변화를 감지하여 수소 농도를 측정할 수 있도록 함으로써, 구조적으로 안정하면서 편차 없는 센서 구조물들을 대량으로 간단히 제조할 수 있으며, 원하는 적용 환경에 적합한 센서를 설계하기 위해 각 전극의 면적을 조절하는 방식을 이용할 수 있어 비용, 성능, 활용성, 신뢰성 및 정밀도 면에서 대단히 뛰어난 수소 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a hydrogen sensor and a method for manufacturing the same, and the physical electrode in light of the fact that the volume changes when the Pd reaction membrane is combined with hydrogen among the hydrogen sensor that has a small influence on the external environment, has high hydrogen selectivity and can be miniaturized. Conventional cantilever type sensors that measure the concentration of hydrogen by displacement due to displacement have had a problem that productivity, cost, ease of measurement, reproducibility, and changeability are all very weak. In view of the above problems, the present invention provides a Pd reaction membrane having a fixed electrode, a solid support structure on the top thereof, and a variable volume depending on the counter electrode, the diaphragm, and the hydrogen concentration so that the distance to the fixed electrode can be varied. After installing the capacitor to configure the capacitor, by detecting the change in capacitance between the fixed electrode and the counter electrode by the elastic diaphragm deformed by the volume change of the Pd reaction film according to the hydrogen concentration to measure the hydrogen concentration, Easily fabricate structurally stable, undeviated sensor structures in large quantities and cost, performance, usability, reliability, and precision through the ability to adjust the area of each electrode to design a sensor for the desired application. Has the effect of providing a very good hydrogen sensor.
Description
도 1은 연료 전지의 구조 및 동작 방식을 보이는 개념도.1 is a conceptual diagram showing the structure and operation of the fuel cell.
도 2는 수소센서의 권장 성능.2 is a recommended performance of the hydrogen sensor.
도 3은 일반적인 상용 수소 센서의 종류.3 is a type of a typical commercial hydrogen sensor.
도 4는 수소분압에 따른 Pd 박막의 스트레스와 광 투과율 특성을 보인 그래프도.Figure 4 is a graph showing the stress and light transmittance characteristics of the Pd thin film according to the hydrogen partial pressure.
도 5는 마이크로 캔틸레버를 이용한 수소센서의 동작 개념도 및 적용 예시도.5 is a conceptual view and application example of the operation of the hydrogen sensor using a micro cantilever.
도 6은 광학형 수소센서의 예를 보인 개념도.6 is a conceptual diagram illustrating an example of an optical hydrogen sensor.
도 7은 저항형 수소센서의 동작 개념도 및 적용 예시도.7 is a conceptual diagram and application example of the resistance-type hydrogen sensor.
도 8은 FET형 수소센서의 구조 개념도 및 적용 예시도.8 is a schematic conceptual view and application example of the FET-type hydrogen sensor.
도 9는 본 발명 일 실시예의 구조를 보인 단면도.9 is a sectional view showing a structure of an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명 다른 실시예의 구조를 보인 단면도.10 is a cross-sectional view showing a structure of another embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100: 외부 케이스 110: 하부 기판100: outer case 110: lower substrate
120: 고정전극 130: 상대전극120: fixed electrode 130: counter electrode
140: 다이어프램 150: 반응막140: diaphragm 150: reaction film
200: 외부 케이스 210: 하부 기판200: outer case 210: lower substrate
220: 고정전극 230: 상부 기판220: fixed electrode 230: upper substrate
240: 상부전극 250: 맴브레인층240: upper electrode 250: membrane layer
260: 반응막260: reaction membrane
본 발명은 수소 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 Pd 반응막의 물리적 부피 변화를 이용하여 전극간 거리가 가변하도록 함으로써 수소의 농도를 측정하는 수소센서를 간단하고 용이한 구조 및 공정으로 대량 생산할 수 있도록 한 수소 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen sensor and a method of manufacturing the same, and in particular, by using a physical volume change of the Pd reaction membrane to vary the distance between the electrodes by mass production of a hydrogen sensor for measuring the concentration of hydrogen in a simple and easy structure and process The present invention relates to a hydrogen sensor and a manufacturing method thereof.
급속한 산업화에 따라 에너지 소비량이 급증하면서, 현재 우리가 사용하고 있는 화석연료의 고갈이 가시적으로 다가오게 되었다. 2003년, 영국 정유회사 브리티시페트롤리엄(BP)은 화석연료의 가채 매장량이 원유는 40년, 천연가스는 62년, 석탄은 216년을 쓸 만큼 남아 있다고 분석했지만 중국, 인도와 같은 거대 에너지 소비국의 등장으로 이 보다는 더 짧아질 거라 예상되고 있다. 이에 화석연료를 대체할 에너지의 개발이 급속히 진행되는 가운데, 높은 폭발성을 이용하거나, 산소와의 결합을 통해 전기를 생성할 수 있는 수소에 대한 관심이 높아지고 있다. With the rapid industrialization, energy consumption has soared, and the depletion of the fossil fuels we are using now is tangible. In 2003, British refinery British Petroleum (BP) estimated that fossil fuel reserves remained 40 years of crude oil, 62 years of natural gas and 216 years of coal. It is expected to be shorter than this by appearance. As the development of energy to replace fossil fuels is rapidly progressing, interest in hydrogen that can generate electricity through high explosiveness or by combining with oxygen is increasing.
도 1은 수소를 이용하기 위한 방편으로 많은 연구가 진행되고 있는 연료전지 에 대한 기본적인 구조 및 동작 방식을 보인 개념도로서, 도시한 바와 같이 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생성한다. 하지만 수소는 폭발범위가 4~75%로 매우 넓고, 대기상에서 0.02mJ만의 에너지로도 점화가 되기 때문에, 연료전지를 사용하는데 있어 폭발위험은 매우 큰 문제가 되고 있다. 또한 확산 계수가 매우 높아(공기중에서 0.61 cm2/s) 대부분의 소재를 통하여 쉽게 쉽게 확산되어 특정 용기에 가둬 두는 것이 매우 어렵다. 그 결과 수소관련 장치나 관련 부속물들은 수소 누설에 대한 주의가 필요하다. 따라서 연료전지를 이용하기 위해서는 대략 1000ppm~4%의 수소농도를 감지할 수 있는 수소 누설센서가 반드시 설치되어야 한다. 또한 연료전지 내로 들어가는 수소의 질을 파악할 수 있는 수소센서도 필요한데, 연료전지 시스템 설계에 따라 수소의 농도가 40~99.9%까지 변할 수 있어 이를 감지할 수 있는 수소센서의 개발도 절실히 요구된다. 수소센서의 정확한 규격이 아직까지 통일화되지는 않았지만, 미국의 DOE(Department of Energy)에서 그림2와 같은 규격을 제시하고 있다.FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic structure and a method of operation of a fuel cell in which many studies are conducted as a means for using hydrogen. As shown in FIG. 1, electricity is generated through a chemical reaction between hydrogen and oxygen. However, since hydrogen has an explosion range of 4 to 75% and is ignited with only 0.02mJ of energy in the atmosphere, the explosion risk is a big problem in using fuel cells. In addition, the diffusion coefficient is very high (0.61 cm2 / s in air) and it is very difficult to easily diffuse through most materials and to be locked in a specific container. As a result, hydrogen-related devices or related accessories require attention to hydrogen leakage. Therefore, in order to use a fuel cell, a hydrogen leak sensor that can detect a hydrogen concentration of approximately 1000 ppm to 4% must be installed. There is also a need for a hydrogen sensor that can identify the quality of hydrogen entering the fuel cell. The concentration of hydrogen can vary from 40 to 99.9%, depending on the design of the fuel cell system. The exact specifications of the hydrogen sensor have not yet been unified, but the US Department of Energy (DOE) provides the specifications shown in Figure 2.
즉, 넓은 측정범위와 사용 온도 범위를 가지며 빠른 측정 속도가 요구되며, 사용 시간역시 안전용의 경우 대단히 길게 설정되어 있는 것을 알 수 있다.In other words, it has a wide measurement range and a temperature range of use, fast measurement speed is required, and it can be seen that the use time is also set very long for safety.
도 3은 현재 상용화된 일반적인 수소 센서들의 일부를 보인 것으로 접촉연소식(a)과 반도체식(b), 전기화학식(c) 센서가 있다. 하지만 접촉연소식 센서(a)는 원리상 대부분의 가연성가스와 반응하기 때문에 수소 누설센서로의 이용이 불가능하고, 연소 시에 산소가스가 필요하기 때문에 산소가스가 없는 연료전지 시스템 내에서도 사용할 수 없다. 반도체식 센서(b)도 원리상 수소선택성이부족하며, 산소가 스가 필요하기 때문에 이 역시 누설센서 및 시스템내부에 적용되는 센서로는 이용이 어렵다. 전기화학식 센서(c)는 수소선택성이 매우 우수하여 미량의 수소가스라도 감지할 수는 있지만, 수명이 짧아 대략 6개월 주기로 센서를 교체해야 하며, 고농도의 수소는 감지하기 어려운 단점이 있다. 또한 원리상 산소와의 반응을 전제로 하기 때문에 대기 중에서만 사용 가능하다. Figure 3 shows some of the current commercially available hydrogen sensors, there are contact combustion (a), semiconductor (b), electrochemical (c) sensor. However, the contact combustion sensor (a) cannot be used as a hydrogen leakage sensor because it reacts with most combustible gases in principle, and cannot be used even in a fuel cell system without oxygen gas because oxygen gas is required for combustion. The semiconductor sensor (b) also lacks hydrogen selectivity in principle, and since oxygen gas is required, this is also difficult to use as a leak sensor and a sensor applied in the system. Electrochemical sensor (c) is very good hydrogen selectivity can detect even a small amount of hydrogen gas, but the life is short, the sensor should be replaced every six months, there is a disadvantage that high concentration hydrogen is difficult to detect. In addition, since it is based on the reaction with oxygen in principle, it can be used only in the atmosphere.
따라서, 현재 상용화된 일반적인 수소센서는 연료전지에 적용하기 위한 누설 센서로 사용이 어렵기 때문에 연료전지에 사용할 수 있는 수소센서의 개발은 주로 Pd(팔라듐)을 이용하여 연구되었다. Pd가 수소가스에 노출되면 수소가스가 Pd 표면에서 해리되어 Pd 내로 흡수된다. Pd는 부피 비로 수소를 600배까지 녹일 수 있으며, 흡수된 수소는 Pd와 반응하여 PdHx의 수소화합물을 형성한다. x는 수소의 분압에 따라 결정되며, 이에 수소의 분압에 따라 PdHx의 기계적 특성 및 광학적 특성 그리고 전기적 특성이 변한다. 따라서 Pd수소화합물의 전기적, 기계적, 광학적 특성의 변화를 측정하여 수소의 농도를 측정할 수 있으며, 또한 다른 가스의 영향을 받지 않으면서 수소만의 농도를 측정할 수 있고, 진공이나 산소가 없는 분위기에서도 사용할 수 있는 장점이 있다.Therefore, the current commercially available hydrogen sensor is difficult to use as a leak sensor for applying to a fuel cell, so the development of a hydrogen sensor that can be used in a fuel cell has been mainly studied using Pd (palladium). When Pd is exposed to hydrogen gas, hydrogen gas dissociates from the surface of Pd and is absorbed into Pd. Pd can dissolve hydrogen up to 600 times in volume ratio, and the absorbed hydrogen reacts with Pd to form hydrogen compounds of PdHx. x is determined by the partial pressure of hydrogen, and thus the mechanical, optical and electrical properties of PdHx change according to the partial pressure of hydrogen. Therefore, it is possible to measure the concentration of hydrogen by measuring the change in the electrical, mechanical and optical properties of the Pd hydrogen compound, and also to measure the concentration of hydrogen alone without being affected by other gases, and vacuum or oxygen-free atmosphere. There is also an advantage that can be used.
도 4는 수소 분압에 따른 Pd 박막의 스트레스와 광 투과율의 변화를 보인 그래프도로서, 수소 분압이 높아질 수록 Pd 박막이 수소화합물을 형성하면서 부피가 팽창하여 기계적 스트레스가 급속하게 발생한다. 이러한 특성들을 이용하여 수소의 농도를 측정할 수 있는 다양한 센서들이 개발되어 앞서 설명한 연료 전지등에 사용되고자 연구되고 있다.4 is a graph showing the change in stress and light transmittance of the Pd thin film according to the partial pressure of hydrogen. As the partial pressure of hydrogen increases, the Pd thin film forms a hydrogen compound and the volume expands, thereby rapidly causing mechanical stress. Various sensors capable of measuring the concentration of hydrogen using these characteristics have been developed and studied for use in the fuel cell described above.
도 5는 특정한 기판 위에 형성된 Pd막이 수소분압에 따라 부피가 팽창하여 스트레스가 증가하며 기판에 변형을 일으킨다는 것에 착안하여 구성한 마이크로 캔틸레버형 수소센서를 보인 것이다. 이는 미세전자기계 시스템(MEMS) 기술을 이용하여 마이크로 캔틸레버를 만들고, 캔틸레버 위에 Pd 박막을 코팅한다. 코팅된 Pd는 수소가스를 흡수하여 변형이 생기고, 캔틸레버가 변형하면 수소센서의 정전용량(capacitance)이 변한다. 따라서, 상기 정전용량을 측정하는 것으로 수소의 농도를 측정할 수 있게 된다. FIG. 5 shows a micro-cantilever-type hydrogen sensor constructed by paying attention to the fact that the Pd film formed on a specific substrate expands in volume with hydrogen partial pressure, thereby increasing stress and causing deformation in the substrate. It uses microelectromechanical system (MEMS) technology to make microcantilevers and to coat Pd thin films on the cantilevers. The coated Pd absorbs hydrogen gas and causes deformation, and when the cantilever is deformed, the capacitance of the hydrogen sensor changes. Therefore, the concentration of hydrogen can be measured by measuring the capacitance.
상기 수소센서는 감도가 우수하고 전력소모가 매우 낮다는 장점이 있지만, 제작공정이 대단히 복잡하고, 허공에 부유한 지지층을 일측에서만 고정시키고 있는 구조이므로 수평을 맞추기 어려워 개별 소자들의 초기 옵셋 발생이 커지며, 농도에 따른 개별 소자들의 측정 편차도 대단히 커질 수 밖에 없다. 즉, 재현성이 낮아 대량생산에는 극히 취약하며 측정의 신뢰성 역시 개별 소자들마다 측정값에 차이를 보이며 물리적 피로도 누적에 따라 측정값이 가변될 수 있어 대단히 낮을 수 밖에 없다.The hydrogen sensor has the advantages of excellent sensitivity and very low power consumption, but the manufacturing process is very complicated, and since the structure of fixing the support layer floating in the air on only one side is difficult to level, the initial offset of individual devices increases. As a result, the measurement deviation of individual devices according to the concentration is also very large. In other words, the low reproducibility is extremely vulnerable to mass production, and the reliability of the measurement is also very low because the measurement value varies depending on the individual devices and the measurement value can vary according to the accumulation of physical fatigue.
도 6은 Pd와 수소가 반응하여 형성되는 수소화합물이 수소가스의 분압에 따라 빛에 대한 투과도가 변하는 특성을 갖고 있다는 점(도 4)에 착안한 광학형 수소센서의 개념을 보인 것이다. 도시한 바와 같이 광섬유 한쪽 끝 단에 Pd를 코팅하고, 다른 한쪽에서는 빛을 발생(레이저 다이오드 이용)시킨다. 광섬유를 통과한 빛은 Pd에서 반사되어 되돌아 오며, 이때 빛이 반사되는 양과 투과되는 양의 비율은 수소가스의 분압에 의해 결정된다. 따라서 반사되어 오는 빛의 양을 감지하여 수소 의 농도를 측정할 수 있다. 하지만 광섬유를 이용한 센서는 우수한 감지특성을 나타내지만, 매우 고가이면서 복잡한 구조의 광패키징 기술이 필요하여 상용화가 어려운 실정이다. FIG. 6 illustrates the concept of an optical hydrogen sensor based on the fact that the hydrogen compound formed by the reaction between Pd and hydrogen has a characteristic that the transmittance of light varies according to the partial pressure of hydrogen gas (FIG. 4). As shown, Pd is coated on one end of the optical fiber, and light is generated (using a laser diode) on the other end. Light passing through the optical fiber is reflected back from Pd, and the ratio of the amount of reflected light and the amount transmitted is determined by the partial pressure of hydrogen gas. Therefore, the concentration of hydrogen can be measured by detecting the amount of reflected light. However, although the sensor using the optical fiber shows excellent sensing characteristics, commercialization is difficult due to the need for an optical packaging technology having a very expensive and complicated structure.
Pd와 수소가 반응하여 형성되는 수소화합물은 수소 농도에 따라 상이한 전기적 특성 변화를 나타내며, 이러한 전기적 특성 변화를 이용하는 센서들도 있는데, 도 7의 저항형 수소센서와, 도 8의 FET(Field Effect transistor) 수소 센서들이 대표적이다. 상기 저항형 수소센서는 기판 상에 후막의 Pd를 코팅하여 Pd수소화합물의 전기적 저항변화를 측정함으로써 수소의 농도를 산출할 수 있도록 한 것으로 현재 연구중(미국 특허 제5,338,708호)이다. 그리고, FET의 문턱전압을 측정하는 수소센서는 일반적인 MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET) 구조의 게이트 전극을 Pd 합금으로 형성한 것으로, 대기 중에 수소가스가 존재하면 Pd와 반응하여 게이트 금속의 전기적 특성이 변해 트랜지스터의 문턱전압이 크게 변하며, 이를 측정하면 수소가스의 농도를 알 수 있다는 것을 원리로 동작한다. 이를 간단히 MIS(Metal Insulator Semiconductor)구조로 하여 Pd금속의 전기적 특성 변화로 인해 발생하는 절연체의 정전용량 변화를 측정하여 수소센서로 사용하기도 한다.Hydrogen compounds formed by the reaction of Pd with hydrogen show different electrical property changes according to hydrogen concentration, and some sensors use such electrical property changes. The resistive hydrogen sensor of FIG. 7 and the field effect transistor of FET 8 of FIG. Hydrogen sensors are typical. The resistive hydrogen sensor is currently being studied (US Pat. No. 5,338,708) by coating a thick film of Pd on a substrate to calculate the hydrogen concentration by measuring the electrical resistance change of the Pd hydrogen compound. In addition, the hydrogen sensor for measuring the threshold voltage of the FET is formed of a gate electrode having a general metal insulator semiconductor FET (MISFET) structure of Pd alloy. When hydrogen gas is present in the atmosphere, the hydrogen sensor reacts with Pd to change electrical characteristics of the gate metal. The threshold voltage of the transistor changes greatly, and it works on the principle that the concentration of hydrogen gas can be known by measuring it. It is simply a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure that can be used as a hydrogen sensor by measuring the capacitance change of the insulator caused by the change in the electrical properties of the Pd metal.
앞서 살펴본 다양한 수소 센서들 중에서 수소의 농도에 따른 변화가 두드러진 센서로 Pd 반응막이 수소와 결합함에 따라 생성되는 수소 화합물의 부피 증가가 측정 요인이 되는 마이크로 캔틸레버형이 있다. 이는 앞서 살펴본 바와 같이 수소의 증가에 따른 물리적 변화에 민감하기 때문에 감도가 우수하고, 측정을 위해 소모되는 전류가 거의 없기 때문에 전력소모가 대단히 낮은 장점은 있지만, 현재 개 발된 구조로는 구조적 요인에 의한 문제점들이 발생할 수 밖에 없었다. 즉, 동작부의 일측만 기판 상에 고정되어 있으므로 제조가 어렵고 재현성이 극히 낮으며 소자들 간 특성 차이도 심하게 발생하여 동일한 농도의 수소에 대한 측정값이 서로 다르게 나타나게 된다. 그리고, 수소 농도 변화에 따른 측정값의 변화 정도 역시 개별 소자마다 상이하게 나타나게 되며, 동일 소자에서도 피로도 누적에 의한 측정값 변동이 발생하기 쉽다. 또한, 제한된 캔틸레버 구조를 가지고 있으므로 측정이 가능한 영역이 좁하질 수 밖에 없으며 다양한 형태로 변형하기가 어려워 적용하고자 하는 측정 대상이 한정되는 문제점도 있었다. Among the various hydrogen sensors described above, there is a microcantilever type in which a volume increase of a hydrogen compound generated as the Pd reaction layer is combined with hydrogen is a sensor that changes significantly with the concentration of hydrogen. As described above, the sensitivity is excellent because it is sensitive to the physical change caused by the increase of hydrogen, and the power consumption is very low because there is almost no current consumed for the measurement, but the currently developed structure is due to structural factors. Problems had to occur. That is, since only one side of the operation part is fixed on the substrate, manufacturing is difficult, reproducibility is extremely low, and the characteristic difference between the devices is also severely generated, so that the measured values of hydrogen of the same concentration appear differently. In addition, the degree of change in the measured value according to the change in hydrogen concentration is also different for each individual element, and even in the same element, the measured value fluctuations due to the accumulation of fatigue tend to occur. In addition, since it has a limited cantilever structure, the area that can be measured is inevitably narrowed, and it is difficult to deform into various forms, thereby limiting a measurement target to be applied.
상기한 바와 같이 종래 외부 환경에 대한 영향이 작고 수소 선택성이 높으며 소형화 할 수 있는 수소 센서 중 Pd 반응막이 수소와 결합할 경우 부피가 변화한다는 점에 착안한 캔틸레버 구조의 센서는 감도와 소비전력 면에서 우수한 특성을 가지고 있으나, 구조적으로 취약하며 제조가 어렵고 소자별 편차가 심하기 때문에 이를 보정하기 위한 수단이 복잡해질뿐만 아니라 대량 생산이 어려워 비용이 높으며 제한된 캔틸레버 상부에만 Pd 반응막이 형성될 수 밖에 없어 측정 가능한 농도 영역이 좁은 문제점이 있었다. 즉, 종래의 물리적 전극 변위에 의한 용량 변화로 수소의 농도를 측정하는 센서는 생산성, 비용, 측정 용이성, 재현성, 변경 가능성 모두가 대단히 취약한 문제점이 있었다.As described above, the cantilever structure sensor, which has a small influence on the external environment, high hydrogen selectivity, and which can be miniaturized, changes in volume when the Pd reaction membrane is combined with hydrogen, has a sensitivity and power consumption. Although it has excellent characteristics, it is structurally fragile, difficult to manufacture, and there is a large variation in each device, which not only complicates the means for correcting it, but also makes it difficult to mass-produce, which is expensive, and only a limited amount of Pd reaction film can be formed only on the limited cantilever. There was a problem that the concentration region was narrow. That is, the conventional sensor for measuring the concentration of hydrogen by the change in capacity due to physical electrode displacement has a problem that all of productivity, cost, ease of measurement, reproducibility, and changeability are very weak.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 고정 전극을 두고, 그 상부에 견고한 지지 구조를 가지면서 상기 고정전극과의 거리가 가변될 수 있도록 상대전극, 다이 어프램, 그리고 수소 농도에 따라 부피가 가변하는 Pd 반응막을 설치하여 커패시터를 구성하도록 한 후, 수소 농도에 따라 Pd 반응막의 부피 변화에 의해 변형되는 탄성을 가진 다이어프램에 의한 고정전극과 상대전극 사이의 정전용량 변화를 감지하여 수소 농도를 측정할 수 있도록 함으로써, 구조적으로 안정하면서 공정 용이성을 대폭 개선한 수소 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In view of the above problems, the present invention includes a fixed electrode, a solid support structure on top thereof, and a Pd whose volume varies depending on the counter electrode, the diaphragm, and the hydrogen concentration so that the distance to the fixed electrode can be varied. After the reaction film is installed to form a capacitor, the hydrogen concentration can be measured by detecting the change in capacitance between the fixed electrode and the counter electrode by the elastic diaphragm deformed by the volume change of the Pd reaction film according to the hydrogen concentration. It is an object of the present invention to provide a hydrogen sensor and a method for producing the same, which are structurally stable and greatly improve the ease of processing.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정된 고정 전극과; 상기 고정 전극과 이격되어 적어도 양측면이 고정되며, 수소의 분압에 의해 위치가 가변되는 탄성을 가진 구동전극 및 Pd 반응막으로 이루어진 가변 전극부와; 상기 고정 전극 및 가변 전극부를 지지 혹은 보호하면서 상기 가변 전극부의 Pd 반응막을 외부 환경에 노출시키는 외부 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is fixed fixed electrode; A variable electrode part spaced apart from the fixed electrode and fixed at least on both sides thereof, the variable electrode part including an elastic driving electrode and a Pd reaction film whose position is changed by partial pressure of hydrogen; And an external structure that exposes the Pd reaction film of the variable electrode part to an external environment while supporting or protecting the fixed electrode and the variable electrode part.
상기 고정 전극은 상기 외부 구조물의 일측에 장착되는 기판 상에 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 상기 고정 전극 상부에 소정의 면적을 가지는 가변 전극부가 대향하여 위치하는 것을 특징으로 한다. The fixed electrode is formed to have a predetermined area on the substrate mounted on one side of the external structure, characterized in that the variable electrode having a predetermined area on the fixed electrode is located opposite.
상기 가변 전극부는 상기 외부 구조물에 의해 적어도 양측면이 고정되며, 이를 통해 고정 전극과 이격되어 고정되며 상기 Pd 반응막의 물리적 변형에 의해 상기 고정 전극과의 거리가 가변되는 격막 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.The variable electrode part is fixed to at least both sides by the external structure, and is spaced apart from the fixed electrode through this, and has a diaphragm structure in which a distance from the fixed electrode is varied by physical deformation of the Pd reaction film.
또한, 본 발명은 기판 상에 고정전극을 형성하는 단계와; 소정의 인장응력을 가지는 탄성부를 포함하는 구동전극을 형성하는 단계와; 상기 구동전극의 일면에 수소와 반응하여 부피가 변화되는 반응층을 형성하는 단계와; 상기 구동전극 및 반 응층을 상기 고정전극에서 일정 거리 이격시켜 각 전극들이 대향한 상태로 상기 구동전극의 적어도 양측 측면을 고정시키는 단계와; 상기 구조물을 보호하면서 외부 수소 환경에 노출될 수 있도록 상기 구조물을 소정의 통로가 형성된 외부 구조물로 패키징하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention comprises the steps of forming a fixed electrode on the substrate; Forming a driving electrode including an elastic portion having a predetermined tensile stress; Forming a reaction layer on one surface of the driving electrode to react with hydrogen to change a volume; Fixing at least two side surfaces of the driving electrode with each of the electrodes facing each other by separating the driving electrode and the reaction layer from the fixed electrode by a predetermined distance; Packaging the structure into an external structure having a predetermined passage so that the structure can be exposed to an external hydrogen environment while protecting the structure.
상기 탄성부를 포함하는 구동전극과 반응층은 기판 상에 차례로 구동전극을 면상으로 형성하고, 그 상부에 인장응력을 가지는 소재로 다이어프램 기능을 하는 맴브레인층을 형성한 후, 상기 맴브레인층 상에 Pd 반응막을 소정 크기의 면적을 가지는 패턴으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The driving electrode and the reaction layer including the elastic part sequentially form the driving electrode on a substrate, and form a membrane layer having a diaphragm function using a material having a tensile stress thereon, and then reacting the Pd on the membrane layer. And forming the film into a pattern having an area of a predetermined size.
상기와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention as follows.
도 9는 본 발명 일 실시예의 구조를 보인 단면도로서, 도시한 바와 같이 고정전극(120)이 형성된 하부 기판(110)으로 이루어진 하부 구조물과, 구동전극(130), 다이어프렘(130), Pd 반응막(150)으로 이루어진 상부 구조물 및 이를 물리적으로 지지하면서 외부의 오염 환경으로부터 보호하고 수소의 유동을 가능하게 하는 외부 케이스(100)로 이루어져 있다. 9 is a cross-sectional view showing a structure of an embodiment of the present invention, a lower structure consisting of a
여기서, 상기 구동전극(130), 다이어프렘(130), Pd 반응막(150)으로 이루어진 상부 구조물의 적어도 양측면이 상기 외부 케이스(100)에 의해 고정되거나, 혹은 별도의 지지물에 의해 상기 하부 구조물과 이격된 위치에서 고정되어 있어야 한다. 즉, 물리적인 안정성과 제작의 용이성면에서 양측면 혹은 전체 경계면이 모두 고정될 수도 있는 일종의 격막 구조로 상기 구동전극(130)을 포함하는 상부 구조물 이 형성된 것이다. 여기서, 다이어프렘(130)은 소정의 인장응력을 가지는 막으로, 일측에 형성된 Pd 반응막(150)이 수소와 결합하여 부피 변화가 생기면 상기 구동전극(130)의 위치를 변화시키고 수소 농도가 낮아져 부피가 줄어들면 상기 구동전극(130)의 위치를 원위치로 돌리는 기능을 하는 층을 의미하는 것이다. 이는 SiNx, SiO2/SiNx/SiO2와 같은 세라믹 계열이나 폴리머 계열의 탄성이 우수한 물질을 재료로 형성되는 것이 바람직하다.Here, at least both side surfaces of the upper structure including the driving
따라서, 상기 구조에서 센서부는 일정한 면적을 가지는 다이어프램 형태의 커패시터 구조이며, 상기 Pd 반응막(150)의 부피 변화에 따라 이동하는 구동전극(130)과 고정된 고정전극(120) 사이의 거리에 따라 변화되는 정전용량을 수소 농도로 측정할 수 있게 되는 것이다. 그리고, 측정을 위해서는 상기 전극들(120, 130) 사이의 정전 용량만을 얻으면 되므로 측정 전력은 극히 미약하다. Accordingly, in the structure, the sensor unit has a diaphragm-type capacitor structure having a predetermined area, and depends on a distance between the driving
도 10은 본원 발명의 다른 실시예를 보인 것으로, 그 기본 원리는 도 9와 동일하지만, 제조 공정을 더욱 용이하게 함과 아울러 대량 생산에 적합하도록 반도체 공정을 이용하도록 한 경우이다. FIG. 10 shows another embodiment of the present invention. The basic principle is the same as that of FIG. 9, but the semiconductor process is used to facilitate the manufacturing process and to be suitable for mass production.
도시한 바와 같이, 하부 기판(210)상에 고정전극(220)을 형성한 구조물을 별도로 제조한후, 일반적인 후막 벌크 식각을 이용하는 방법으로 상부 기판(230), 구동전극(240), 다이어프램 동작을 하는 맴브레인층(250), Pd 반응막(260)으로 이루어진 구조물을 형성한다. 그리고, 이를 외부 환경에서 보호하면서 수소의 출입은 가능하도록 다수의 홀들이 형성된 외부 케이스(200)로 보호한다.As shown, after separately manufacturing a structure in which the fixed
즉, 구체적으로 상부 부분의 제조 과정을 보면, 단결정 실리콘 기판(230) 상부에 차례로 구동전극(240), 맴브레인층(250), Pd 반응막(260)을 형성한 후, 상기 단결정 실리콘 기판(230)의 후면을 벌크 식각하여 상기 구동전극(240)의 일부를 노출시킨다. 물론, 상기 단결절 실리콘 기판(230) 대신 다른 종류의 기판을 이용하고, 수직한 식각을 실시하는 방법으로도 동일한 기능을 하는 구조물을 형성할 수 있으나, 물리적인 안정성과 공정 용이성 면에서 상기 방법과 같은 후면 벌크 식각 기법을 이용하는 것이 좋다.That is, in detail, in the manufacturing process of the upper portion, the driving
상기 맴브레인층(250)은 SiNx, SiO2/SiNx/SiO2와 같은 세라믹 계열이나 폴리머 계열의 탄성이 우수한 물질을 재료로 형성될 수 있으며, 상기 Pd 반응막(260)의 부피 변화에 따라 늘어났다가 다시 원형상태로 복원되는 적절한 인장응력을 가질 수 있는 다른 종류의 재료들도 사용될 수 있다.The
이러한 구조들을 상당히 용이하게 구현 가능하며, 대량 생산도 간단히 실시할 수 있으므로 비용을 크게 낮출 수 있게 된다. 또한, 이미 반도체 공정에서 성막 공정에 대한 많은 개선이 이루어져 있으므로 대단히 정밀한 전극, 탄성을 제공하는 다이어프램 구조물, 그리고 Pd 박막의 두께, 면적에 대한 재현성이 뛰어나므로 원하는 성능의 편차 없는 센서들을 대량으로 생산할 수 있다.These structures are fairly easy to implement, and mass production can be simplified, resulting in significant cost savings. In addition, many improvements have been made to the film-forming process in the semiconductor process, so the highly accurate electrode, the diaphragm structure providing elasticity, and the reproducibility of the thickness and area of the Pd thin film can be produced in large quantities to produce sensors without variation in desired performance. have.
전술한 바와 같은 본원 발명의 구조를 가지는 수소 센서는 다양한 이점들을 제공하는데, 우선 각 전극의 면적을 조절하기 용이하고, 동일한 구조를 단일 외부 케이스(100) 내에 집적하기 용이하므로 면적 및 갯수를 조절하여 수소 농도가 높은 곳에서 민감한 센서나 수소 농도가 낮은 곳에서 민감한 센서등과 같은 다용도로 사용될 수 있는 센서를 설계하기 용이하다. 또한, 구동전극이 움직일 수 있도록 구성된 다이어프렘 구조물이 고정 전극에 이격된 상태로 양쪽 측면이 고정되도록 하여 물리적인 강도를 높일 수 있으며, 수소반응에 의한 급격한 반응막이 부피 변화에도 상기 다이어프렘 구조물이 스트레스를 분산하기 때문에 구동전극이 박리되는 경우도 거의 없어 소자 신뢰성 및 수명을 높일 수 있다. 그리고, 본원 발명은 정전용량의 변화로 수소 농도를 측정하는 것이므로 상기 센서를 구동시키기 위한 별도의 전력이 소모되지 않는다. The hydrogen sensor having the structure of the present invention as described above provides various advantages, first of all, it is easy to adjust the area of each electrode, and it is easy to integrate the same structure in a single
상기한 바와 같이 본 발명 수소 센서 및 그 제조 방법은 고정 전극을 두고, 그 상부에 견고한 지지 구조를 가지면서 상기 고정전극과의 거리가 가변될 수 있도록 상대전극, 다이어프램, 그리고 수소 농도에 따라 부피가 가변하는 Pd 반응막을 설치하여 커패시터를 구성하도록 한 후, 수소 농도에 따라 Pd 반응막의 부피 변화에 의해 변형되는 탄성을 가진 다이어프램에 의한 고정전극과 상대전극 사이의 정전용량 변화를 감지하여 수소 농도를 측정할 수 있도록 함으로써, 구조적으로 안정하면서 편차 없는 센서 구조물들을 대량으로 간단히 제조할 수 있으며, 원하는 적용 환경에 적합한 센서를 설계하기 위해 각 전극의 면적을 조절하는 방식을 이용할 수 있어 비용, 성능, 활용성, 신뢰성 및 정밀도 면에서 대단히 뛰어난 수소 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.As described above, the hydrogen sensor of the present invention and the method of manufacturing the same have a fixed electrode, and have a solid support structure on the top thereof, and have a volume according to the counter electrode, the diaphragm, and the hydrogen concentration so that the distance to the fixed electrode can be varied. After the variable Pd reaction film is installed to form a capacitor, the hydrogen concentration is measured by detecting the change in capacitance between the fixed electrode and the counter electrode by the elastic diaphragm deformed by the volume change of the Pd reaction film according to the hydrogen concentration. In this way, it is possible to easily manufacture large quantities of structurally stable and undeviated sensor structures, and to adjust the area of each electrode in order to design a sensor suitable for a desired application environment. To provide hydrogen sensors with superior reliability and precision There.
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20050422 |
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PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |