MEMS 가스 센서 개발

MEMS 가스 센서 설계에 대한 내용입니다..

 

가장 설계 및 제작이 쉬운 멤스 칩이 가스 센서입니다.,

 

예전에는 세주실업이 MEMS 기술로 알코올 센서를 개발하여 경찰청 및 해외에 매출한 사례가 있으며, 최근에는 악취 등 환경 센서에 대한 관심이 매우 높고 시판이 한창되고 있습니다.

 

 

1. MEMS 가스 센서의 기본적 구조에 대한 설명입니다.

 

 

전체적인 구조가 멤브레인 구조이며, 4 개의 앵커로 멤브레인을 지탱하고 있습니다. 멤브레인 아래에는 공기층이 되며 히터를 통하여 쉽게 온도가 올라가고 유지토록 하는 구조입니다. 어느 정도의 일정한 온도에서 센싱이 잘 이루어집니다.  멤브레인은 기본적으로 5개층의 박막층으로 이루어져 있으며, 각 박막에 대한 물질은 위 그림과 같습니다.

 

 

2. MEMS 가스 센서의 시뮬레이션에 대한 설명입니다.

 

 

위 그림은 200 um × 200 um 크기의 정사각형 멤브레인 구조체에 열선으로 전력을 가해주었을 때 앵커를 통하여  열이 빠져나가는 형상을 모델링으로 나타내고 잇으며,  Pt 박막으로 된 열선의 길이, 선폭, 두께 파라미터를 넣어서 모의실험한 결과입니다. 약 15mW 정도의 전력으로 500 도 이상의 온도가 구현된 예입니다. (그림은 절대 온도로 나타나 있음.)

 

대부분 이 정도의 온도에서 가스 센싱 물질 (Sensing material) 이 반응을 나타내고 있습니다.

 

모의실험 단계에서 Cantilever 휨 정도, 항복 강도, 센싱 물질의 저항 변화별 농도, 신뢰성 (reliability) 실험 후 마스크 설계가 진행됩니다.

 

 

모의실험

 

예)  가) 도달 온도

        1) Sensing material 을 제외한 모든 층에 대한 모의 실험

 

        

 

             

        2) Sensing material 을 포함한 경우

 

      

 

 

나) 알코올 농도 변화별 저항 변화

 

 

 

주로 가스를 감지하는 물질로는 이산화주석이 사용됩니다.  위 그림을 참조로 하면,가스가 유입되지 않는 청정 상태에서는 이산화주석(SnO2)의 도너(Donor) 전자는 감지 물질의 표면에 흡착되는 산소 쪽으로 끌어 당겨져 전류 흐름을 방지합니다. 가스가 유입되면 흡착된 산소의 표면 밀도는 가스와 반응하여 감소하게 됩니다. 이 가스를 환원가스라고 합니다. 이 때 전자가 이산화주석(SnO2)에 방출되어 전류가 센서를 통해 자유롭게 흐르게 됩니다. 이러한 메카니즘 및 구조체 해석을 통하여 아래와 같이 알코올 농도 변화별 저항 변화를 시뮬레이션한 결과를 그래프로 나타내었습니다.

 

 

 

 

3. 레이아웃에 대한 간단한 설명입니다.

 

 

위 그림은 2 × 2 어레이형 MEMS 가스 센서의 마스크 레이아웃 설계를 실시한 예입니다. 마스크 설계 후 공정 순서를 고려하여 MEMS 가스 센서 박막 가공을 시작하게 됩니다.

또한, 패키지를 설계하여 패키지 내의 시간별 농도 실험도 진행됩니다. (설명 자료 생략)

 

 

모의실험 레이아웃 포함 설계 문의   e-mail : nano@nano-i.com

 

전화 : 070-8827-9577 , 010-4293-9577