본 연구에서 제작된 습도 센서는 MEMS 기술을 활용하여 Cavity구조를 형성하였으며 전극의 다양한 형태와 감습 물질(Polyimide;PI)의 두께를 각기 달리하여 제작되었으며 그 특성이 분석되었다. 센서의 구성요소 중 전극은 IDE(Interdigital electrode) Type으로써 여러 가지 구조는 정전용량에 직접적인 영향을 주는 유효면적과 센서의 ...
본 연구에서 제작된 습도 센서는 MEMS 기술을 활용하여 Cavity구조를 형성하였으며 전극의 다양한 형태와 감습 물질(Polyimide;PI)의 두께를 각기 달리하여 제작되었으며 그 특성이 분석되었다. 센서의 구성요소 중 전극은 IDE(Interdigital electrode) Type으로써 여러 가지 구조는 정전용량에 직접적인 영향을 주는 유효면적과 센서의 흡습의 형태를 변화시키고, PI는 물의 흡습 정도에 따라서 정전용량이 변화하는 특성을 가지는 물질로써 습도센서의 감도에 직접적인 영향을 준다. PI를 상부전극과 하부전극 사이의 감습 물질로 이용되었으며, 센서의 신뢰도를 높이기 위해 MEMS 공정을 이용해 Cavity 구조 안에 센서를 형성하였다.습도센서는 4' Si Wafer 위에 제작되었으며 최종 센서의 크기는 2x2㎟로 하였다. PI는 상용화된 감광액을 함유한 액상의 제품을 사용하여 두께조절 및 Patterning이 용이하도록 하였다. 상부전극과 하부전극의 형태에 따른 센서의 특성을 검토하기 위하여 다양한 종류의 전극 Pattern을 만든 후 센서를 제작하여 그 특성을 검토하였으며 그 결과를 토대로 최적조건으로 설계된 센서를 제작하였다. 센서의 신뢰성을 높이기 위한 Cavity의 두께는 PI의 두께와 일치되게 하였으며 Bare Si 위에 열 산화된 SiO2를 증착 후, KOH내에서 식각하여 Cavity 구조를 형성 하였다. 상부전극과 하부전극의 재료로는 Al이 적용되었으며 상부는 가지 모양의 IDE(interdigital electrode) 형태로, 하부는 평판 모양으로 설계 제작되었다. 하부전극과 감습물질 사이의 절연층을 형성하면 상부와 하부전극사이를 크게 하여 센서의 정전용량을 감소시키므로 감습 영역을 제외한 부분에만 절연을 시켰다. 센서구조 설계 시 정전용량과 습도에 대한 민감도를 높이기 위하여 PI를 0.3㎛의 두께로 하였다.제작된 센서의 특성은 Humidity generator chamber(Thunder Science사)와 LCR meter HP4284A를 이용하여 측정하였다. 25℃, 1atm, RH 10∼90%의 환경조건 하에서 1kHz frequency로 Capacitance 측정을 한 결과 습도변화에 대하여 선형적인 Capacitance 변화를 보였다.최적의 설계조건으로 설계된 센서의 특성은 Hysteresis 측정결과 56% RH에서 Maximum 1.3%의 error 값을 나타내었으며, 20%RH와 90%RH에서 2시간의 유지 시간동안 오차 범위 0.17%이하의 안정적인 Capacitance가 유지되었다. 정전 용량 형 습도센서는 자동차의 실내 습도 조절, 의료용 인큐베이터, 냉장고, 전자레인지 등 산업 전반에 응용될 수 있다.
본 연구에서 제작된 습도 센서는 MEMS 기술을 활용하여 Cavity구조를 형성하였으며 전극의 다양한 형태와 감습 물질(Polyimide;PI)의 두께를 각기 달리하여 제작되었으며 그 특성이 분석되었다. 센서의 구성요소 중 전극은 IDE(Interdigital electrode) Type으로써 여러 가지 구조는 정전용량에 직접적인 영향을 주는 유효면적과 센서의 흡습의 형태를 변화시키고, PI는 물의 흡습 정도에 따라서 정전용량이 변화하는 특성을 가지는 물질로써 습도센서의 감도에 직접적인 영향을 준다. PI를 상부전극과 하부전극 사이의 감습 물질로 이용되었으며, 센서의 신뢰도를 높이기 위해 MEMS 공정을 이용해 Cavity 구조 안에 센서를 형성하였다.습도센서는 4' Si Wafer 위에 제작되었으며 최종 센서의 크기는 2x2㎟로 하였다. PI는 상용화된 감광액을 함유한 액상의 제품을 사용하여 두께조절 및 Patterning이 용이하도록 하였다. 상부전극과 하부전극의 형태에 따른 센서의 특성을 검토하기 위하여 다양한 종류의 전극 Pattern을 만든 후 센서를 제작하여 그 특성을 검토하였으며 그 결과를 토대로 최적조건으로 설계된 센서를 제작하였다. 센서의 신뢰성을 높이기 위한 Cavity의 두께는 PI의 두께와 일치되게 하였으며 Bare Si 위에 열 산화된 SiO2를 증착 후, KOH내에서 식각하여 Cavity 구조를 형성 하였다. 상부전극과 하부전극의 재료로는 Al이 적용되었으며 상부는 가지 모양의 IDE(interdigital electrode) 형태로, 하부는 평판 모양으로 설계 제작되었다. 하부전극과 감습물질 사이의 절연층을 형성하면 상부와 하부전극사이를 크게 하여 센서의 정전용량을 감소시키므로 감습 영역을 제외한 부분에만 절연을 시켰다. 센서구조 설계 시 정전용량과 습도에 대한 민감도를 높이기 위하여 PI를 0.3㎛의 두께로 하였다.제작된 센서의 특성은 Humidity generator chamber(Thunder Science사)와 LCR meter HP4284A를 이용하여 측정하였다. 25℃, 1atm, RH 10∼90%의 환경조건 하에서 1kHz frequency로 Capacitance 측정을 한 결과 습도변화에 대하여 선형적인 Capacitance 변화를 보였다.최적의 설계조건으로 설계된 센서의 특성은 Hysteresis 측정결과 56% RH에서 Maximum 1.3%의 error 값을 나타내었으며, 20%RH와 90%RH에서 2시간의 유지 시간동안 오차 범위 0.17%이하의 안정적인 Capacitance가 유지되었다. 정전 용량 형 습도센서는 자동차의 실내 습도 조절, 의료용 인큐베이터, 냉장고, 전자레인지 등 산업 전반에 응용될 수 있다.
This paper presents a capacitive-type humidity sensors with a cavity structure that has been fabricated by MEMS technology. The humidity sensor changes for capacitance when the sensing material which is polyimide absorbs or desorbs water vapor. The structure of this humidity sensors consist of a cav...
This paper presents a capacitive-type humidity sensors with a cavity structure that has been fabricated by MEMS technology. The humidity sensor changes for capacitance when the sensing material which is polyimide absorbs or desorbs water vapor. The structure of this humidity sensors consist of a cavity substrate, bottom electrode, polyimide film and interdigital top electrode. At first we made 6 kinds of electrode patterns. Because the electrode patterns influence the water absorption and desorption of a sensor. The largest capacitance and the high sensitivity sensor of the 6 patterns had the flat bottom electrode and the interdigital top electrode. The cavity structure of substrate is to protecting the sensing material and improving reliability. With the pre-experiment results, we re-designed the developed sensor structure had branch interdigital top electrode, 0.3μm PI and flat bottom electrode. Further developed sensor, experimental results showed a linear functionality with the relative humidity from 10% to 90%RH. The typical hysteresis result had maximum 1.3% error rate at 56%RH. At the 20%RH and 90%RH, the sensor maintained the capacitance value in 0.17% range for 2hours.
This paper presents a capacitive-type humidity sensors with a cavity structure that has been fabricated by MEMS technology. The humidity sensor changes for capacitance when the sensing material which is polyimide absorbs or desorbs water vapor. The structure of this humidity sensors consist of a cavity substrate, bottom electrode, polyimide film and interdigital top electrode. At first we made 6 kinds of electrode patterns. Because the electrode patterns influence the water absorption and desorption of a sensor. The largest capacitance and the high sensitivity sensor of the 6 patterns had the flat bottom electrode and the interdigital top electrode. The cavity structure of substrate is to protecting the sensing material and improving reliability. With the pre-experiment results, we re-designed the developed sensor structure had branch interdigital top electrode, 0.3μm PI and flat bottom electrode. Further developed sensor, experimental results showed a linear functionality with the relative humidity from 10% to 90%RH. The typical hysteresis result had maximum 1.3% error rate at 56%RH. At the 20%RH and 90%RH, the sensor maintained the capacitance value in 0.17% range for 2hours.
주제어
#정전용량 형 습도센서 폴리이미드 멤스 capacitive humidity sensor polyimide MEMS
학위논문 정보
저자
이장섭
학위수여기관
연세대학교 공학대학원
학위구분
국내석사
학과
기계시스템 전공
지도교수
김용준
발행연도
2007
총페이지
vii, 60장
키워드
정전용량 형 습도센서 폴리이미드 멤스 capacitive humidity sensor polyimide MEMS
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