A Micro platform for micro gas sensor consisted of micro heater, insulator, and sensing electrode on 2 ${\mu}m$ thick $SiN_x$ membrane. Three types of micro platforms were designed and fabricated with membrane sizes. Total size of micro platform was 2.6 mm by 2.6 mm. Measured p...
A Micro platform for micro gas sensor consisted of micro heater, insulator, and sensing electrode on 2 ${\mu}m$ thick $SiN_x$ membrane. Three types of micro platforms were designed and fabricated with membrane sizes. Total size of micro platform was 2.6 mm by 2.6 mm. Measured power consumptions were 28 mW, 28 mW, and 32.5 mW for Type 1, Type 2, and Type 3. At this moment, temperatures of membranes on the platforms were $295^{\circ}C$, $297^{\circ}C$, and $296^{\circ}C$, respectively. Fabricated micro platform considered appropriate to apply for low power consumption micro gas sensor. Micro gas sensors were prepared by the sequence that $SnO_2$ nanopowder pastes were dropped on membrane of Type 1 platforms, dried in oven, heat-treated with micro heaters in platforms. One of the micro gas sensors was tested for gas response to 1157 ppm, 578 ppm, and 231 ppm of methane and 1.68 ppm, 0.84 ppm, and 0.42 ppm of $NO_2$.
A Micro platform for micro gas sensor consisted of micro heater, insulator, and sensing electrode on 2 ${\mu}m$ thick $SiN_x$ membrane. Three types of micro platforms were designed and fabricated with membrane sizes. Total size of micro platform was 2.6 mm by 2.6 mm. Measured power consumptions were 28 mW, 28 mW, and 32.5 mW for Type 1, Type 2, and Type 3. At this moment, temperatures of membranes on the platforms were $295^{\circ}C$, $297^{\circ}C$, and $296^{\circ}C$, respectively. Fabricated micro platform considered appropriate to apply for low power consumption micro gas sensor. Micro gas sensors were prepared by the sequence that $SnO_2$ nanopowder pastes were dropped on membrane of Type 1 platforms, dried in oven, heat-treated with micro heaters in platforms. One of the micro gas sensors was tested for gas response to 1157 ppm, 578 ppm, and 231 ppm of methane and 1.68 ppm, 0.84 ppm, and 0.42 ppm of $NO_2$.
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문제 정의
본 연구에서는 MEMS 공정을 진행하여 가스센서로 이용할 마이크로 플랫폼을 제조하고 마이크로 플랫폼의 마이크로 히터에 인가되는 소비 전력과 플랫폼 중심부 온도를 측정하여 특성을 조사하였으며 가스센서의 적용성을 확인하기 위해 제조된 마이크로 플랫폼에 감지 재료를 형성하여 마이크로 가스센서로 제작하고 메탄과 NO2 가스에 대한 감도를 측정하였다.
제안 방법
이는 챔버 부피와 주입 양, 가스농도로부터 계산하여 얻었다. 감도는 가스를 주입한 후 감지 전극의 저항 변화량을 가스를 주입하기 전 감지 전극의 저항값으로 나누어 계산 하였다. 감도를 계산한 결과 메탄의 경우 가스 농도에 따라 각각 0.
5 V씩 입력 전압을 상승시키면서 멤브레인의 온도와 전력을 측정하였다. 구입한 SnO2 나노파우더(American Element, SN-OX-03-NP-080N, 80 nm)를 제작된 마이크로 플랫폼의 감지 전극 위에 도포하고 SEM(JEOL, JSM-7600F) 사진을 촬영한 뒤, TO-5에 패키지하여 완성한 마이크로 가스센서의 메탄과 NO2 가스에 대한 감도를 측정하였다. 측정 방법은 마이크로 가스센서를 회로에 연결하여 1728 cc의 챔버 안에 위치시킨 후 메탄의 경우 3.
마이크로 가스센서로 이용할 수 있는 저전력 마이크로 플랫폼을 세 가지 타입으로 구분하여 제작하였다. 마이크로 플랫폼의 크기는 가로, 세로 길이는 2.
측정 방법은 먼저 프로브 스테이션에 마이크로 플랫폼을 연결하였다. 마이크로 히터에 전원 공급기를 연결하여 전력을 공급 및 측정함과 동시에 적외선 열화상 카메라(Wuhan Guide Infrared, M8)의 방사율을 0.2로 설정하여 마이크로 플랫폼의 멤브레인의 온도를 측정하였다.
회로에 멀티미터(Fluke 287)를 연결하고 멀티미터와 컴퓨터를 적외선 통신 케이블로 연결하여 감지 전극의 저항값을 측정하였다. 메탄 농도가 10 %(Ar balanced), 그리고 NO2농도가 100.9 ppm(N2 balanced)인 가스 용기로부터 주사기를 사용하여 가스를 추출하여 챔버에 주입한 후 2 분간 마이크로 가스센서의 감지 전극의 저항 변화를 측정하여 감도를 계산하였으며 펌프를 이용하여 3 분 동안 챔버 안을 배기하였다.
5 V를 인가하여 멤브레인의 온도와 히터에 흐르는 전류를 측정하여 전력값을 계산하였다. 이후 순차적으로 0.5 V씩 입력 전압을 상승시키면서 멤브레인의 온도와 전력을 측정하였다. 구입한 SnO2 나노파우더(American Element, SN-OX-03-NP-080N, 80 nm)를 제작된 마이크로 플랫폼의 감지 전극 위에 도포하고 SEM(JEOL, JSM-7600F) 사진을 촬영한 뒤, TO-5에 패키지하여 완성한 마이크로 가스센서의 메탄과 NO2 가스에 대한 감도를 측정하였다.
따라서 멤브레인이 넓을수록 소비전력이 감소함을 알 수 있었다. 제작된 마이크로 플랫폼 Type 1에 SnO2 나노입자 페이스트를 도포하고 패키지하여 메탄과 NO2의 감도를 측정하였다. 메탄의 경우 1157 ppm, 578 ppm, 그리고 231 ppm의 농도에 대해 감도(ΔR/R0)는 각각 0.
제작된 마이크로 플랫폼의 가스센서 적용을 위한 실험을 수행하였다. Fig.
제작을 완료한 후 마이크로 플랫폼의 온도 대 전력 특성을 측정하였다. 측정 방법은 먼저 프로브 스테이션에 마이크로 플랫폼을 연결하였다.
구입한 SnO2 나노파우더(American Element, SN-OX-03-NP-080N, 80 nm)를 제작된 마이크로 플랫폼의 감지 전극 위에 도포하고 SEM(JEOL, JSM-7600F) 사진을 촬영한 뒤, TO-5에 패키지하여 완성한 마이크로 가스센서의 메탄과 NO2 가스에 대한 감도를 측정하였다. 측정 방법은 마이크로 가스센서를 회로에 연결하여 1728 cc의 챔버 안에 위치시킨 후 메탄의 경우 3.5 V를 인가하며 NO2의 경우 1.4 V를 인가하였다. 이는 가스마다 감지 재료와의 반응 온도가 다르기 때문이다.
제작을 완료한 후 마이크로 플랫폼의 온도 대 전력 특성을 측정하였다. 측정 방법은 먼저 프로브 스테이션에 마이크로 플랫폼을 연결하였다. 마이크로 히터에 전원 공급기를 연결하여 전력을 공급 및 측정함과 동시에 적외선 열화상 카메라(Wuhan Guide Infrared, M8)의 방사율을 0.
플랫폼의 히터에 입력 전압을 0.5 V를 인가하여 멤브레인의 온도와 히터에 흐르는 전류를 측정하여 전력값을 계산하였다. 이후 순차적으로 0.
이는 가스마다 감지 재료와의 반응 온도가 다르기 때문이다. 회로에 멀티미터(Fluke 287)를 연결하고 멀티미터와 컴퓨터를 적외선 통신 케이블로 연결하여 감지 전극의 저항값을 측정하였다. 메탄 농도가 10 %(Ar balanced), 그리고 NO2농도가 100.
대상 데이터
1은 제작된 마이크로 플랫폼의 치수를 나타낸다. Type 1, Type 2, 그리고 Type 3의 멤브레인은 가로, 세로 길이가 각각 1.61 mm, 1.31 mm, 그리고 1.00 mm이다. 히터와 감지 전극 패턴의 모양은 모든 타입에 대해 동일하게 설계되었다.
가스센서 마이크로 플랫폼은 실리콘 웨이퍼를 이용하여 MEMS 공정기술로 제작되었다. 제작된 마이크로 플랫폼 각각은 멤브레인의 크기별로 3가지의 종류(Type 1, 2, 3) 가 있다.
두께 500 μm, 직경 4 inch 실리콘(100) 웨이퍼의 양면에 2 μm의 실리콘 질화막을 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, 공정 수행 : M2N사) 방법에 의하여 증착한다.
형성된 히터 위에 절연막을 증착한다. 절연막은 실리콘 산화막 500 nm, 실리콘 질화막 250 nm, 실리콘 산화막 250 nm의 순서로 증착한다. 히터의 전극 패드를 노출시키기 위해 사진 공정을 하고 건식식각을 한다.
성능/효과
5 mW로 측정되었다. Type 1과 Type 2의 소비전력은 거의 비슷하였으며 멤브레인의 면적이 가장 작은 Type 3의 소비전력이 다른 타입들의 그것에 비해 컸다. 따라서, 멤브레인 면적이 넓을 수록 멤브레인의 열전도율이 실리콘 벌크 부분보다 상대적으로 낮기 때문에 동일한 온도를 유지하기 위해 인가되는 전력이 감소함을 알 수 있었다.
37 μm이었다. 그리고 마이크로 플랫폼의 전력 대 온도 측정 결과 Type 1의 경우 히터 온도가 295 ℃일때 인가한 전력은 28 mW로 측정되었고 Type 2의 경우 히터 온도가 297 ℃일 때 인가한 전력은 28 mW로 측정되었으며, Type 3의 경우 히터 온도가 296 ℃일때 인가한 전력은 32.5 mW로 측정되었다. 따라서 멤브레인이 넓을수록 소비전력이 감소함을 알 수 있었다.
5 mW로 측정되었다. 따라서 멤브레인이 넓을수록 소비전력이 감소함을 알 수 있었다. 제작된 마이크로 플랫폼 Type 1에 SnO2 나노입자 페이스트를 도포하고 패키지하여 메탄과 NO2의 감도를 측정하였다.
5 ppm 이하의 농도에서 감도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제조된 마이크로 플랫폼이 마이크로 가스센서로 적용이 가능함을 알 수 있었다.
Type 1과 Type 2의 소비전력은 거의 비슷하였으며 멤브레인의 면적이 가장 작은 Type 3의 소비전력이 다른 타입들의 그것에 비해 컸다. 따라서, 멤브레인 면적이 넓을 수록 멤브레인의 열전도율이 실리콘 벌크 부분보다 상대적으로 낮기 때문에 동일한 온도를 유지하기 위해 인가되는 전력이 감소함을 알 수 있었다.
메탄에 대해 0.5 % LEL(250 ppm, 메탄의 LEL은 50,000 ppm) 이하의 농도에서 감도를 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, NO2에 대해서는 0.5 ppm 이하의 농도에서 감도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제조된 마이크로 플랫폼이 마이크로 가스센서로 적용이 가능함을 알 수 있었다.
5 ppm 이하의 농도에서 감도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제조된 마이크로 플랫폼이 마이크로 가스센서로 적용이 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
제조된 마이크로 플랫폼이 마이크로 가스센서로 적용 가능함을 알 수 있었다. 차후 연구를 통해, 제조된 마이크로 플랫폼의 장기 안정성 연구와 다양한 마이크로 가스센서의 연구, 그 장기 안정성에 대한 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
감지 재료를 형성하며 감지 재료의 신호를 외부로 전달해주는 역할을 하는 플랫폼에 요구되는 특징은?
가스 모니터링에 사용되는 가스센서는 장시간 구동되며 여러 개의 센서를 동시에 사용하는 것이 한 두 개를 사용하는 것 보다 데이터의 신뢰성을 더욱 높일 수 있다. 따라서 감지 재료를 형성하며 감지 재료의 신호를 외부로 전달해주는 역할을 하는 플랫폼은 오랜 시간 동안 구동하는데 부담이 가지 않는 낮은 전력이 요구되며 크기를 최소화 할 수 있도록 소형화가 가능해야 한다. MEMS 공정은 이와 같은 목적을 가능하게 하기 때문에 가스센서를 제작하기 위해 최근에 많이 사용되었다.
가스 모니터링에 사용되는 가스센서의 데이터 신뢰성을 높일 수 있는 방법은?
가스 모니터링에 사용되는 가스센서는 장시간 구동되며 여러 개의 센서를 동시에 사용하는 것이 한 두 개를 사용하는 것 보다 데이터의 신뢰성을 더욱 높일 수 있다. 따라서 감지 재료를 형성하며 감지 재료의 신호를 외부로 전달해주는 역할을 하는 플랫폼은 오랜 시간 동안 구동하는데 부담이 가지 않는 낮은 전력이 요구되며 크기를 최소화 할 수 있도록 소형화가 가능해야 한다.
MEMS 공정을 이용한 가스센서 제작을 예를들어 설명하시오.
MEMS 공정은 이와 같은 목적을 가능하게 하기 때문에 가스센서를 제작하기 위해 최근에 많이 사용되었다. 예를 들어, 마이크로 히터를 실리콘 질화막 팔에 매달린 형태로 식각하여 형성한 경우[1], 가스 채널을 마이크로 종행 구조로 형성하여 크로마토그래피 분석으로 휘발성유기화합물 가스 검지를 한 경우[2], 마이크로 히터와 감지 전극을 어레이 형태로 제작한 경우[3], 마이크로 히터를 폴리이미드층에 삽입하여 제작한 경우[4]가 있다.
참고문헌 (5)
J. Cerda Belmonte, J. Puigcorbe, J. Arbiol, A.Vila, J.R. Morante, N. Sabate, I. Gracia, and C. Cane, "Hightemperature low-power performing micromachined suspended micro-hotplate for gas sensing applications", Sensors and Actuators B., vol. 114, pp. 826-835, 2006.
Jean-Baptiste Sanchez, Franck Berger, Michel Fromm, and Marie-Helene Nadal, "A selective gas detection micro-device for monitoring the volatile organic compounds pollution", Sensors and Actuators B., vol. 119, pp. 227-233, 2006.
B. H. Weiller, J. D. Fowler, D. Briand, N. F. de Rooij, C. J. Taylor, M. L. Homer, and M. A. Ryan, "Space applications of micro hot plate chemical sensors", IMCS The 11th International Meeting on Chemical Sensors, Brescia, Italy, 2006.
D. Briand, S. Colin, J. Courbat, S. Raible, J. Kappler, N.F. de Rooij, "Metal oxide gas sensors on polyimide micro-hotplates", IMCS The 11th International Meeting on Chemical Sensors, Brescia, Italy, 2006.
Kwang-Yong Choi, Joon-Shik Park, Kwang-Bum Park, Hyun Jae Kim, Hyo-Derk Park, and Seong-Dong Kim, "Low power micro-gas sensors using mixed $SnO_2$ nanoparticles and MWCNTs to detect $NO_2, NH_3$ , and xylene gases for ubiquitous sensor network applications", Sensors and Actuators B., vol. 150, pp. 65-72, 2010.
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