[논문]고온에서 안정한 저전력 마이크로히터 구조 최적화 연구

임운현; 이기근

doi:10.5370/kiee.2019.68.1.69

고온에서 안정한 저전력 마이크로히터 구조 최적화 연구
Study on Optimal Structure of Low Power Microheater to Remain Stability at High Temperature 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.68 no.1, 2019년, pp.69 - 76

임운현 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 이기근 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

Microheaters with different structures were fabricated and compared to find an optimal configuration enhancing the performances of $C_2H_2$ gas sensor. Three temperature sensors were integrated on the surface of the insulation layer over the microheater, and resistance changes were observed to check the generated heat from the microheater. A low operating voltage of 1mV was applied to the temperature sensor to minimize any influence of thermal heat from the resistance type temperature sensor, whereas high voltages in the range between 10 and 20V were applied to the microheater. A microheater structure generating maximum heat at low voltage was determined. The generated heat was verified by the temperature sensors on the top of the $Si_3N_4$ and infrared camera. A long term stability and accuracy of the microheater were observed. The developed microheater was applied to enhance the performances of $C_2H_2$ gas sensor and successfully confirmed that the developed microheater greatly contributes to the improvement of sensitivity and selectivity of gas sensor.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1 마이크로히터 및 온도센서가 집적된 3D 설계도 및 단면도 Fig. 1 3D overall and cross-sectional views of the developed micro-heater and temperature sensor
그림 그림 2 제작된 4가지 종류의 마이크로히터 상세 도면 Fig. 2 Specific drawings of the four different types of the proposed micro-heaters
그림 그림 3 COMSOL 시뮬레이션을 이용한 마이크로히터 최적 설계 및 표면 열전달 분포도 Fig. 3 Optimal design of microheater using COMSOL simulation and distribution of surface heat transfer
그림 그림 4 마이크로히터 및 온도센서 제작과정. (a) PR 패턴닝, (b) 백금/티타늄 금속 증착, (c) 리프트 오프 과정을 통한 마이크로히터 패턴 완성, (d) PECVD를 이용한 Si₃N₄ 절연층 증착, (e) 표면 온도 측정을 위한 온도센서 패턴, (f) 온도센서용 금속 증착, (g) 완성된 센서 Fig. 4 Micro heater and temperature sensor fabrication process. (a) PR patterning, (b) platinum/titanium metal deposition, (c) completion of the microheater pattern through lift off process, (d) deposition of Si₃N₄ insulating layer using PECVD, (f) metal deposition for temperature sensor, and (g) completed device
그림 그림 5 항온항습 챔버내 온도센서 측정 및 마이크로 히터 측정 셋업 Fig. 5 Temperature sensor placed in constant temperature and humidity chamber and micro-heater measurement setup
그림 그림 6 완성된 소자의 표면 광학 사진 Fig. 6 Optical view of the completed device
그림 그림 7 상부의 온도센서 SEM 및 마이크로히터 및 온도센서를 포함한 단면도 Fig. 7 SEM view of upper temperature sensor and crosssectional view of microheater and temperature sensor
그림 그림 8 온도에 따른 표면 온도센서의 저항 변화 Fig. 8 Variation of resistance of surface temperature sensor in terms of applied temperature
그림 그림 9 히터에 인가된 전압에 따른 마이크로히터의 표면온도 변화 추이 Fig. 9 Changes of the surface temperature of the microheater in terms of the voltages applied to the heater
그림 그림 10 제작된 히터에 전압인가에 따른 표면 온도 분포도 Fig. 10 Infrared temperature distribution in terms of the voltage applied to the heater
그림 그림 11 타입 3 마이크로히터의 반복성 결과 Fig. 11 Repeatability results of type 3 microheater
그림 그림 12 타입 3 마이크로히터 표면위에서 위치에 따른 열 전달 비교 결과 Fig. 12 Temperature variations on surface depending on positions of type 3 microheater
그림 그림 13 (a) 마이크로 히터를 집적한 C₂H₂ 가스센서 도식도, (b) Pt:ZnO nanorod 기반의 제작된 센서, (c) 마이크로히터 를 이용한 온도에 따른 가스 반응도 Fig. 13 (a) Schematic of microheater integrated with C₂H₂ sensor (b) fabricated Pt : ZnO nanorod-based sensor, and (c) temperature dependence of sensor performance

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

2번 구조는 단일 금속선 에 평행하게 매우 얇은 금속선을 배치하여 얇은 금속선에 빠르게 열에너지가 채워지고, 그 열에너지가 열용량이 큰 단일 금속선에 전달되면서 빠른 온도 상승시간과 더불어 더 높은 온도 특성, 안 정적인 열 배급을 기대해보았다. 3, 4번 구조는 긴 금속선에 동 작영역에서는 단일 금속선이 병렬구조로 연결되어 있는 구조들이 며 각기 하나의 금속선의 크기를 조절하여 안정적이며 열용량이 큰 특성을 얻기 위해 시도된다. 4번 구조에 비교하여 3번 구조는 금속선이 좀 더 세밀하고 많은 턴으로 교차하고 있다.
본 논문에서는 매질의 영향 없이 표면에 효율적인 열에너지를 전달하기 위한 마이크로히터를 소개하였다. 여러 가지 구조를 통 해 열안정성과 열효율을 최적화하였으며, 절연층 위에서 안정적 인 열 공급이 가능하게 하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 탄화수소 가스센서에서의 특정 온 도유지 필요성과 센서의 동작영역에서 저전력 최대효율의 열생 성, 매질 간섭을 최소화 하면서 가스 선택성을 향상시키기 위한 150℃ 최대 도달 온도의 마이크로히터의 최적구조를 제안한다. 그림 1은 제안하는 마이크로히터의 표면도 및 단면도를 도식화한 그림이다.
마이크로히터가 절연층 표면에 전달하는 열을 확인하기 위해 동작영역을 세 구역으로 나누고 백금 온도센서를 형성하여 히터에서 발생한 열을 확인하기 위해 온도센서의 저항 변화를 확인하였다. 온도센서의 정확성을 검증 하기 위해 항온 챔버에서 저항-온도 변화의 선형성을 확인하였 다. 네 가지의 구조를 가진 마이크로히터에 각각 일정한 전압들 을 인가하여 온도의 변화를 측정하였다.

제안 방법

동작영역에서 단 일저항을 가진 금속선을 가짐으로써 저항과 전압의 간단한 관계 에 의해 줄 발열을 기대해 볼 수 있다. 2번 구조는 단일 금속선 에 평행하게 매우 얇은 금속선을 배치하여 얇은 금속선에 빠르게 열에너지가 채워지고, 그 열에너지가 열용량이 큰 단일 금속선에 전달되면서 빠른 온도 상승시간과 더불어 더 높은 온도 특성, 안 정적인 열 배급을 기대해보았다. 3, 4번 구조는 긴 금속선에 동 작영역에서는 단일 금속선이 병렬구조로 연결되어 있는 구조들이 며 각기 하나의 금속선의 크기를 조절하여 안정적이며 열용량이 큰 특성을 얻기 위해 시도된다.
온도센서의 정확성을 검증 하기 위해 항온 챔버에서 저항-온도 변화의 선형성을 확인하였 다. 네 가지의 구조를 가진 마이크로히터에 각각 일정한 전압들 을 인가하여 온도의 변화를 측정하였다. 그 결과 구조 3의 마이 크로히터에서 10, 15, 20V를 인가하였을 때 50, 95, 141℃의 온 도 증가를 이뤘으며, 가장 안정적이고 전압에 따른 온도 증가가 최적화되었음을 알 수 있다.
00385로 높아 미세한 온도의 변화에 따라서 선형적으로 그 저항값이 변한다. 동작영역의 표면에서 동일한 온도가 형성되 는지 확인하기 위하여 구역을 3개로 나누었고, GND를 공유하는 온도센서를 각 구역에 배치하여 표면에 형성되는 온도를 센서 저 항의 확인만으로 정확하게 계산할 수 있게 한다.
따라서 마이 크로히터의 가열효과를 정확하게 확인하기 위해서는 먼저 표면에 증착된 온도센서의 선형성을 먼저 확인해두어야 한다. 따라서 온 도센서에 저항미터를 연결하고 항온 항습 챔버 시스템을 이용해 온도를 변화시키며 시간에 따른 온도 변화를 관측한다. 그림 8은 온도의 변화에 따른 센서의 저항변화를 나타낸 그래프이다.
여러 가지 구조를 통 해 열안정성과 열효율을 최적화하였으며, 절연층 위에서 안정적 인 열 공급이 가능하게 하였다. 마이크로히터가 절연층 표면에 전달하는 열을 확인하기 위해 동작영역을 세 구역으로 나누고 백금 온도센서를 형성하여 히터에서 발생한 열을 확인하기 위해 온도센서의 저항 변화를 확인하였다. 온도센서의 정확성을 검증 하기 위해 항온 챔버에서 저항-온도 변화의 선형성을 확인하였 다.
마이크로히터에 전압을 인가한 상태에서 적외선 온도 측정기 를 통해 히터 표면에서의 온도를 관찰하였다. 그림 10의 적외선 측정결과에서 볼 수 있듯이 표면에서 고르게 열에너지가 동작영 역에 전달되고 계산된 표면온도와 거의 동일한 측정값을 보임을 확인하였다.
3번 구조 는 4번 구조에 비해 병렬선의 저항이 높다. 매질의 간섭을 줄이 기 위해 마이크로 히터 상부에는 절연층이  형성되었고, 절연층 표면의 온도를 확인하기 위하여 동작영역을 3구역으로 다 시 나누고, 그라운드를 공유하는 3개의 백금 온도센서를 배열하 여 표면의 온도를 저항변화로 정확히 계산할 수 있도록 하였다.
이것은 의사 무작위 테스트를 수행하고 그것으로 잡아내기 어려운 고장을 결정 테스트로 해결하는 방식이다[4]. 무작위 저항 고장에 대한 패턴만을 FSM을 이용해서 가해주고 나머 지 고장은 의사 무작위 패턴생성으로 잡아주는 방식을 채택하였다[5]. 히터가 다운 스케일링되면서 더 빠른 응답 시간, 배터리를 이용한 구동가능, 저전력을 이용한 높은 온도 구현이 가능해졌다.
MEMS 기술의 발전은 히터의 소형화 저전력에 큰 영향을 끼쳤다[1-4]. 본 논문에서 채택하는 방법은 혼합 테스트 구조이다. 이것은 의사 무작위 테스트를 수행하고 그것으로 잡아내기 어려운 고장을 결정 테스트로 해결하는 방식이다[4].
제한된 영역에서 최대 의 온도 전환을 이룸과 동시에 안정적인 온도 지속성을 얻기 위 해 다양한 구조의 히터들이 설계되었다. 본 연구에서는 4가지 구 조의 마이크로히터의 성능을 비교한다(그림 2). 1번 구조는 단일 금속선으로 동작영역을 채운 직렬형 구조이다.
본 논문에서는 매질의 영향 없이 표면에 효율적인 열에너지를 전달하기 위한 마이크로히터를 소개하였다. 여러 가지 구조를 통 해 열안정성과 열효율을 최적화하였으며, 절연층 위에서 안정적 인 열 공급이 가능하게 하였다. 마이크로히터가 절연층 표면에 전달하는 열을 확인하기 위해 동작영역을 세 구역으로 나누고 백금 온도센서를 형성하여 히터에서 발생한 열을 확인하기 위해 온도센서의 저항 변화를 확인하였다.
그림 10의 적외선 측정결과에서 볼 수 있듯이 표면에서 고르게 열에너지가 동작영 역에 전달되고 계산된 표면온도와 거의 동일한 측정값을 보임을 확인하였다. 온도센서의 저항변화로 계산된 표면온도와 실제값이 일치한지 확인하였다. 제작된 타입 3번의 마이크로 히터에 동일 한 전압을 여러 번 반복적으로 인가해주면서 동일 시간 동일 저 항특성을 보이는지 확인해보았다(그림 11).
제작된 구조 3 마이 크로 히터위에 C2H2 센서가 제작되었다(그림 13). 이미 측정된 마이크로 히터의 저장된 데이터를 이용하여 히터에 전압이 인가 되었으며 온도가 안정된 상태에서 C2H2 가스센서의 반응정도를 관찰하였다. 전압은 5~25V 사이에서 인가되었으며 다양한 센서 표면온도를 형성시켰다.
마지막으로 Reactive Ion Etching (RIE) 시스템을 이용하여 절연층에 덮힌 마이크로 히터의 전극 부분을 드라이 에칭하여 표면이 드러나게 한다. 이와 같이 제작 이 끝난 후 다이싱 컷을 통해 각각의 샘플로 제작하였으며, 각 전극의 패드를 Au 와이어 본딩을 이용하여 PCB 기판에 패키징 하였다.
온도센서의 저항변화로 계산된 표면온도와 실제값이 일치한지 확인하였다. 제작된 타입 3번의 마이크로 히터에 동일 한 전압을 여러 번 반복적으로 인가해주면서 동일 시간 동일 저 항특성을 보이는지 확인해보았다(그림 11). 거의 오차 없이 상승 시간과 최대온도가 일정함을 볼 수 있다.
쿼 츠 기판위에 Pt를 이용하여 다양한 구조의 히터를 설계하였으며 그 위에 Si3N4가 1.5μm 위치시켰다.
그 결과 구조 3의 마이 크로히터에서 10, 15, 20V를 인가하였을 때 50, 95, 141℃의 온 도 증가를 이뤘으며, 가장 안정적이고 전압에 따른 온도 증가가 최적화되었음을 알 수 있다. 표면의 각 구역에서 동일한 온도가 형성되는지 확인하기 위해 온도센서들의 저항변화를 비교했으며 1℃ 이하의 온도 차이를 보이는 것을 확인하였으며 동작영역에서 고르게 열에너지가 전달됨을 적외선 열 측정을 통해 다시 검증하였다.
I/V 미터에서는 히터의 가열에 따른 온도의 변 화를 확인하기 위하여 온도센서의 저항변화를 측정하며 1mV의 셋업 전압을 인가해준다. 히터에 전압을 가하지 않은 상태로 I/V 미터를 작동시켜 초기 저항을 확인하고 DC 서플라이를 구동하 여 시간에 따른 온도상승과 최고 도달 온도를 확인할 수 있게 하였다.

대상 데이터

주변의 낮은 열 에너지를 가진 물질로의 열의 흐름은 주변 매질과의 열전달, 열 대류, 열방사의 합으로 알려져 있으며 일정온도를 유지키위한 주 변층의 선택이 중요하다. 본 연구에서는 히터에서 많이 사용되고 있는 Si₃N₄ 및 SiO₂ 층을 주변 층으로 선택하였다.
구조 3의 마이크로히터에서 10, 15, 20V를 인가하였을 때 50, 95, 141℃의 온도 증가를 이뤘으며, 가장 안정적이고 전압에 따 른 온도 증가가 최적화되었음을 알 수 있다. 제작된 구조 3 마이 크로 히터위에 C2H2 센서가 제작되었다(그림 13). 이미 측정된 마이크로 히터의 저장된 데이터를 이용하여 히터에 전압이 인가 되었으며 온도가 안정된 상태에서 C2H2 가스센서의 반응정도를 관찰하였다.

이론/모형

형성된 패턴위에 E-beam evaporator를 이용하여 Pt/Ti 박막을 증착한 후 리프트 오프 과정을 거쳐 패턴을 형성한다. 절 연층을 형성하기 위해서는 PECVD 방식을 이용하여 Si3N4를 웨 이퍼 상부 전체에 증착하였다. 절연층이 형성된 웨이퍼 위에 표 면온도를 측정하기 위한 온도센서를 마이크로히터의 패턴형성과 동일한 방식으로 형성한다.

성능/효과

구조 3의 마이크로히터에서 10, 15, 20V를 인가하였을 때 50, 95, 141℃의 온도 증가를 이뤘으며, 가장 안정적이고 전압에 따 른 온도 증가가 최적화되었음을 알 수 있다. 제작된 구조 3 마이 크로 히터위에 C2H2 센서가 제작되었다(그림 13).
네 가지의 구조를 가진 마이크로히터에 각각 일정한 전압들 을 인가하여 온도의 변화를 측정하였다. 그 결과 구조 3의 마이 크로히터에서 10, 15, 20V를 인가하였을 때 50, 95, 141℃의 온 도 증가를 이뤘으며, 가장 안정적이고 전압에 따른 온도 증가가 최적화되었음을 알 수 있다. 표면의 각 구역에서 동일한 온도가 형성되는지 확인하기 위해 온도센서들의 저항변화를 비교했으며 1℃ 이하의 온도 차이를 보이는 것을 확인하였으며 동작영역에서 고르게 열에너지가 전달됨을 적외선 열 측정을 통해 다시 검증하였다.
특히 3번 구조에서 인가전압에 따라 동작온 도가 표면 위에 일정하게 유지되었으며, 동일한 전력에서 최고 도달온도를 얻을 수 있었다. 시뮬레이션 결과는 실험결과와 비교 되었으며 뒷장에서 언급한 바와 같이 3번 구조에서 안정한 히터 성능이 관찰되었다.
그림 13은 온도에 따른 C2H2 센서의 반 응률을 보인다. 온도에따라 반응률에 큰 차이가 있었으며 180oC 에서 최적화된 온도를 얻을 수 있었다. 결론적으로 본 논문에서 제작된 마이크로 히터의 성능은 인가 전압에 따라 선형성을 지닌 온도변화가 절연체 표면에서 관찰되었으며 이를 이용하여 가스센 서 성능 및 선택성 향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.
외부로부터 전압/전류가 인가 되었으며 시뮬레이션 상으로 단일 금속선으로 구선된 1번 히터는 동일전압에 가장 낮은 열효율을 보였으며, 병렬형 구조를 가진 3 번 히터가 약 350℃의 가장 높은 온도 및 고른 열안정성을 띄는 것으로 확인되었다.
타입 3, 4 는 각 병렬 저항의 크기가 다른 금속선의 배열을 하였고, 병렬연 결로 인한 각각의 금속선에 열 충전이 일어나 높은 최고 온도를 유지하였고, 또한 3번 구조는 4번 구조에 비해 병렬선의 저항이 높아 각 금속선당 줄 발열이 더 빠르게 일어났다. 인가전압이 상 승함에 따라 최대 도달 온도가 안정적으로 지속됨을 확인할 수 있었으며, 안정적이면서 높은 열전달을 하는 3번 구조의의 히터 가 가장 이상적인 센서 구조라는 것을 확인할 수 있다.
외부로부터 전압/전류가 인가 되었으며 시뮬레이션 상으로 단일 금속선으로 구선된 1번 히터는 동일전압에 가장 낮은 열효율을 보였으며, 병렬형 구조를 가진 3 번 히터가 약 350℃의 가장 높은 온도 및 고른 열안정성을 띄는 것으로 확인되었다. 특히 3번 구조에서 인가전압에 따라 동작온 도가 표면 위에 일정하게 유지되었으며, 동일한 전력에서 최고 도달온도를 얻을 수 있었다. 시뮬레이션 결과는 실험결과와 비교 되었으며 뒷장에서 언급한 바와 같이 3번 구조에서 안정한 히터 성능이 관찰되었다.
3개의 온도센서는 그라운드를 공유하며 각자의 초기저항이 조금씩 다르다. 하지만 온도계수가 동일하며 초기저항을 고려해 저항의 변화를 확인해보면 각 표면 당 전달되는 온도의 차이는 1℃이내라는 것을 확인할 수 있다.
무작위 저항 고장에 대한 패턴만을 FSM을 이용해서 가해주고 나머 지 고장은 의사 무작위 패턴생성으로 잡아주는 방식을 채택하였다[5]. 히터가 다운 스케일링되면서 더 빠른 응답 시간, 배터리를 이용한 구동가능, 저전력을 이용한 높은 온도 구현이 가능해졌다. 센서에 열에너지를 전달하는 방법은 센서 외부로부터 감지물질 표면위에 열을 전달하는 방식과 내부에서 열전도에 의해서 직접 적으로 센서에 열을 가하는 방식이 있다.

후속연구

온도에따라 반응률에 큰 차이가 있었으며 180oC 에서 최적화된 온도를 얻을 수 있었다. 결론적으로 본 논문에서 제작된 마이크로 히터의 성능은 인가 전압에 따라 선형성을 지닌 온도변화가 절연체 표면에서 관찰되었으며 이를 이용하여 가스센 서 성능 및 선택성 향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	히터가 다운 스케일링되어 생긴 장점은?	무작 위 저항 고장에 대한 패턴만을 FSM을 이용해서 가해주고 나머 지 고장은 의사 무작위 패턴생성으로 잡아주는 방식을 채택하였 다[5]. 히터가 다운 스케일링되면서 더 빠른 응답 시간, 배터리를 이용한 구동가능, 저전력을 이용한 높은 온도 구현이 가능해졌다. 센서에 열에너지를 전달하는 방법은 센서 외부로부터 감지물질 표면위에 열을 전달하는 방식과 내부에서 열전도에 의해서 직접 적으로 센서에 열을 가하는 방식이 있다.
	마이크로히터의 특성에 영향을 미치는 요소는?	마이크로히터의 특성에 영향을 미치는 요소는 크게 초기저항, 구조, 열안정도 및 열전달성이 있다. 금속은 줄 발열의 원리에 따 라 그 열량을 계산할 수 있으며 그 양은
	가스센서의 선택성 향상 기술에는 어떠한 것이 있는가?	다양한 방법으 로 가스센서의 선택성 향상 기술이 보고되고 있다. 주요한 방법 으로는 최적화된 감지물질 표면위에 촉매, 도핑 물질을 첨가하여 선택성을 향상시키거나, 동작온도에 따라 특정가스에만 민감히 반응하는 온도를 찾아 센서를 구동시킨다. 또한 여러 가스들에 동시 반응하는 감지물질에서 특정온도에서 가스들 간의 반응비를 미리 알아 소프트웨어를 이용하여 원치 않는 타가스의 반응비를 뺌으로써 선택성을 높이는 기술 및 감지물질 표면위에 원하는 가 스만 통과시키는 얇은 필터막을 증착하여 선택성 향상에 기여한 다. 따라서 가스센서의 감도 및 선택성 향상 측면에서 마이크로 히터를 센서와 집적하여 일정한 동작온도를 유지시키는 일은 매 우 중요하다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증