KR100684925B1 - Humidity Sensor and Fabricating Method of the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 습도의 변화에 따른 고주파 시스템의 성능을 예측 및 제어할 수 있도록 높은 안정성과 감도를 갖으며, 구조적 복잡성 또한 야기하지 않으면서 고주파 시스템에 집적이 가능한 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 유리 기판, 상기 유리기판 상부에 형성되며, 중앙에 링(ring), 상기 링 외곽을 따라 일정간격을 형성하는 슬롯라인, 상기 슬롯라인에서 서로 반대방향으로 최단영역까지 연장된 한 쌍의 코플래나 웨이브 가이드(Coplanar Waveguide:CPW) 급전선으로 이루어진 공진기, 그리고 소수성(hydrophobic) 원소를 포함하지 않는 폴리이미드(polyimide)로 이루어져 상기 공진기를 덮고 있는 감습층(humidity sensing layer)으로 이루어지는 습도센서를 제공한다. 따라서 센서의 안정성 및 감도가 우수하고, 임피던스 매칭 등의 부가적 회로가 필요 없어 구조적 복잡성을 야기함 없이 용이하게 집적할 수 있으며, 간단한 제조과정을 통해 구현이 가능하여 저렴한 생산단가로 대량생산이 가능하다.The present invention relates to a humidity sensor having a high stability and sensitivity so as to predict and control the performance of a high frequency system according to a change in humidity, and capable of being integrated into a high frequency system without causing structural complexity and a manufacturing method thereof. The present invention is a glass substrate, formed on the glass substrate, a ring (ring) in the center, a slot line to form a predetermined interval along the outer ring, a pair of extending from the slot line to the shortest area in the opposite direction to each other A humidity sensor comprising a resonator composed of a coplanar waveguide (CPW) feeder and a moisture sensing layer covering the resonator, comprising a polyimide containing no hydrophobic elements. to provide. Therefore, the sensor's stability and sensitivity are excellent, and additional circuits such as impedance matching are not required, so it can be easily integrated without causing structural complexity, and it can be implemented through a simple manufacturing process, so that mass production is possible at a low production cost. Do.
습도센서, 폴리이미드, 고주파 공진기, CPW-to-slotline 링공진기, 마이크로스트립 패치형 안테나 Humidity Sensor, Polyimide, High Frequency Resonator, CPW-to-slotline Ring Resonator, Microstrip Patch Antenna
Description
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 CPW-to-slotline 링공진기와 마이크로 스트립 패치형 안테나 구조를 나타낸 사시도,1A and 1B are perspective views showing a CPW-to-slotline ring resonator and a micro strip patch antenna structure according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 감습재료의 합성과정을 나타낸 도면,2 is a view showing the synthesis process of the moisture-sensitive material according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 CPW-to-slotline 링공진기 구조를 이용한 습도센서의 사시도,3 is a perspective view of a humidity sensor using a CPW-to-slotline ring resonator structure according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 CPW-to-slotline 링공진기 구조를 이용한 습도센서의 제조과정을 나타낸 공정순서도,4 is a process flowchart showing a manufacturing process of a humidity sensor using a CPW-to-slotline ring resonator structure according to the present invention;
도 5는 도 4에서 제조된 CPW-to-slotline 링공진기 구조를 이용한 습도센서의 광학사진,5 is an optical photograph of a humidity sensor using a CPW-to-slotline ring resonator structure manufactured in FIG. 4;
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 CPW-to-slotline 링공진기 구조를 이용한 습도센서의 특성을 나타낸 그래프,6a to 6d is a graph showing the characteristics of the humidity sensor using a CPW-to-slotline ring resonator structure according to the present invention,
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치형 안테나 구조를 이용한 습도센서의 사시도,7 is a perspective view of a humidity sensor using a microstrip patch-type antenna structure according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치형 안테나 구조를 이용한 습도센서의 제조과정을 나타낸 공정순서도,8 is a process flowchart showing a manufacturing process of a humidity sensor using a microstrip patch-type antenna structure according to the present invention;
도 9는 도 8에서 제조된 마이크로 스트립 패치형 안테나 구조를 이용한 습도센서의 광학사진,9 is an optical photograph of a humidity sensor using a microstrip patch-type antenna structure manufactured in FIG. 8;
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치형 안테나 구조를 이용한 습도센서의 감도특성을 나타낸 그래프이다.10A and 10B are graphs illustrating sensitivity characteristics of a humidity sensor using a microstrip patch antenna structure according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 유리기판 2: 금속막1: glass substrate 2: metal film
3: CPW 급전선 4: 링3: CPW feeder 4: ring
5: 슬롯 라인 6: 감습층5: slot line 6: moisture layer
7: 마스크 11: 1/4 파장 변환기7: mask 11: 1/4 wavelength converter
12: 스트립 급전선 13: 미앤더 패치12: strip feeder 13: meander patch
본 발명은 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 가지 형태의 고주파 공진기 구조와 소수성 원소가 배제된 폴리이미드를 이용한 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a humidity sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a humidity sensor using two types of high frequency resonator structure and a polyimide excluding hydrophobic elements, and a manufacturing method thereof.
발달된 미세가공(micro machining) 기술로 인해, 다양한 기능의 시스템을 하나의 칩상에 구현하고자 하는 SOC(system-on-a-chip) 연구가 활발하다. 고집적칩 또는 시스템에서 효과적인 정보 처리를 위해서 동작주파수는 지속적으로 증가하고 최소선폭은 지속적으로 감소하고 있다. 이러한 경향이 지속되는 한, 기생효과, 신 호지연 및 열문제는 필연적으로 증가한다. 이러한 부 영향 중, 기생 정전용량(parasitic capacitance)은 고주파 시스템의 주요한 손실의 원인이며, 이는 일반적인 가스의 상대유전율이 약 1인데 반해 물의 상대유전율은 약 80이므로, 습도에 크게 의존적이다. 따라서, 고주파 시스템의 성능을 예측 및 제어하기 위해서는 습도의 감지가 필요하다.Due to the advanced micro machining technology, SOC (system-on-a-chip) research is actively being conducted to implement various functional systems on a single chip. In order to effectively process information in a high density chip or system, the operating frequency is continuously increasing and the minimum line width is continuously decreasing. As long as this trend persists, parasitic effects, signal delays and thermal problems inevitably increase. Among these negative effects, parasitic capacitance is a major source of loss in high frequency systems, which is highly dependent on humidity because the relative dielectric constant of water is about 80, whereas the relative dielectric constant of water is about 80. Thus, sensing of humidity is required to predict and control the performance of high frequency systems.
기존의 습도센서는 크게 고분자를 이용하는 정전용량형, 세라믹을 이용하는 전도형 및 표면탄성파 소자를 이용하는 형태 등의 3가지 형태로 구분된다. 이들 대부분의 습도센서는 준직류 영역에서 동작한다. 따라서, 이러한 습도센서의 고주파 시스템으로의 집적을 위해서는 임피던스 매칭회로등의 부가적인 회로가 필요하며 이는 시스템의 구조적 복잡성과 생산단가의 증대를 야기하는 문제가 있다. 비록 표면탄성파를 이용하는 습도센서의 경우 최근 약 2 GHz에 육박하고 있다할 지라도, 이 역시 약 0.5 ㎛의 초정밀 미세가공을 필요로 하는 문제가 있다.Conventional humidity sensors are largely classified into three types: capacitive type using polymer, conductive type using ceramic, and type using surface acoustic wave device. Most of these humidity sensors operate in the quasi-DC region. Therefore, in order to integrate the humidity sensor into the high frequency system, an additional circuit such as an impedance matching circuit is required, which causes a problem of increasing the structural complexity and the production cost of the system. Although the humidity sensor using surface acoustic waves has recently approached about 2 GHz, it also has a problem of requiring ultra-precision micromachining of about 0.5 μm.
또한 정전용량형 습도센서의 감습재료로 빈번히 사용되는 폴리이미드는 마이크로전자산업에서 층간 및 패키징 물질로 널리 이용되어왔다. 이러한 용도를 위해서는 낮은 유전상수와 습기에 둔감한 성질이 요구되었다. 습도에 대한 폴리이미드의 특성과 유전상수에 영향을 미치는 인자로는 화학적 근접성 (chemical affinity), 유리전이온도 (glass transition temperature), 불소함량 (fluorine contents), 자유볼륨(free volume)등이 있다. 이러한 방법들 중, 폴리미이드의 단량체에 불소등의 7족 원소를 함유시키는 방법이 낮은 유전상수와 습도에 대한 둔감성을 확보하는 방안으로 널리 이용되어왔다. 그러나 상술한 바와 같이, 성분조정을 통해 습도에 대한 둔감성이 확보된 폴리이미드는 높은 감도의 습도센서를 위한 감습재료로 부적절하다.In addition, polyimide, which is frequently used as a moisture-sensitive material for capacitive humidity sensors, has been widely used as an interlayer and packaging material in the microelectronic industry. These applications required low dielectric constants and moisture insensitive properties. Factors affecting the characteristics and dielectric constant of polyimide with respect to humidity include chemical affinity, glass transition temperature, fluorine contents, and free volume. Among these methods, a method of incorporating a
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 습도의 변화에 따른 고주파 시스템의 성능을 예측 및 제어할 수 있도록 높은 안정성과 감도를 갖으며, 구조적 복잡성 또한 야기하지 않으면서 고주파 시스템에 집적이 가능한 습도센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems and has a high stability and sensitivity to predict and control the performance of the high frequency system according to the change in humidity, humidity that can be integrated in the high frequency system without causing structural complexity It is to provide a sensor and a method of manufacturing the same.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 습도센서는 유리 기판, 상기 유리기판 상부에 형성되며, 중앙에 링(ring), 상기 링 외곽을 따라 일정간격을 형성하는 슬롯라인, 상기 슬롯라인에서 서로 반대방향으로 최단영역까지 연장된 한 쌍의 코플래나 웨이브 가이드(Coplanar Waveguide:CPW) 급전선으로 이루어진 공진기, 그리고 소수성(hydrophobic) 원소를 포함하지 않는 폴리이미드(polyimide)로 이루어져 상기 공진기를 덮고 있는 감습층(humidity sensing layer)으로 이루어짐을 특징으로 한다. Humidity sensor according to the first embodiment of the present invention is formed on a glass substrate, the glass substrate, a ring in the center, a slot line to form a predetermined distance along the outer ring, the opposite direction in the slot line A damper layer covering the resonator comprising a resonator composed of a pair of coplanar waveguide (CPW) feed lines extending to the shortest region, and a polyimide containing no hydrophobic elements; humidity sensing layer).
본 발명의 제 1 실시예에 따른 습도센서의 제조방법은 유리기판 위에 금속막을 증착하는 단계, 상기 금속막 중앙에 링(ring)을 형성하고, 상기 링 외곽을 따라 일정 간격을 갖도록 슬롯라인을 형성하며, 상기 슬롯라인에서 서로 반대방향으로 금속막 최단영역까지 연장된 한 쌍의 코플래나 웨이브 가이드(Coplanar Waveguide:CPW) 급전선을 형성하여 공진기를 제조하는 단계, 상기 공진기를 포함하는 금속막 전면에 감습재료를 코팅하는 단계, 상기 코팅된 감습재료 영역중 상기 공진기에 대응되는 영역에 마스크를 형성하는 단계, 그리고 상기 마스크 영역을 제외한 나머지 영역의 감습재료를 제거한 후 마스크를 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.In the manufacturing method of the humidity sensor according to the first embodiment of the present invention, depositing a metal film on a glass substrate, forming a ring in the center of the metal film, and forming a slot line to have a predetermined distance along the outer edge of the ring. And manufacturing a resonator by forming a pair of coplanar waveguide (CPW) feed lines extending from the slot line to the shortest region of the metal film in a direction opposite to each other, on the front of the metal film including the resonator. Coating a moisture sensitive material, forming a mask in a region corresponding to the resonator of the coated moisture sensitive material region, and removing the mask after removing the moisture sensitive material in the remaining regions except for the mask region. It features.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 습도센서는 유리기판, 상기 유리기판 상부에 형성된 파장 변환기, 상기 파장 변환기 일측에 연결된 스트립 급전선(strip feeding line), 상기 파장 변환기 상부에 형성된 미앤더 패치(meander patch)로 이루어진 스트립 패치형 안테나, 그리고 상기 미앤더 패치 상부에 형성되며, 소수성(hydrophobic) 원소를 포함하지 않는 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 감습층(humidity sensing layer)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.A humidity sensor according to a second embodiment of the present invention includes a glass substrate, a wavelength converter formed on the glass substrate, a strip feeding line connected to one side of the wavelength converter, and a meander patch formed on the wavelength converter. And a strip patch type antenna formed of a), and a humidity sensing layer formed on the meander patch and made of polyimide containing no hydrophobic elements.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 습도센서의 제조방법은 유리기판 위에 금속막을 증착하는 단계, 상기 금속막에 파장 변환기, 상기 파장 변환기 일측에 스트립 급전선(strip feeding line), 상기 파장 변환기 상부에 미앤더 패치(meander patch)를 형성하여 스트립 패치형 안테나를 제조하는 단계, 상기 스트립 패치형 안테나를 포함하는 금속막 전면에 감습재료를 코팅하는 단계, 상기 코팅된 감습재료 영역중 상기 스트립 패치형 안테나에 대응되는 영역에 마스크를 형성하는 단계, 그리고 상기 마스크 영역을 제외한 나머지 영역의 감습재료를 제거한 후 마스크를 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a humidity sensor, comprising depositing a metal film on a glass substrate, a wavelength converter on the metal film, a strip feeding line on one side of the wavelength converter, and an upper portion of the wavelength converter. Manufacturing a strip patch antenna by forming a meander patch, coating a moisture sensitive material on the entire surface of the metal film including the strip patch antenna, and a region corresponding to the strip patch antenna in the coated moisture absorbing material region Forming a mask in the mask, and removing the mask after removing the moisture absorbent material in the remaining regions except for the mask region.
따라서 센서의 안정성 및 감도가 우수하고, 임피던스 매칭 등의 부가적 회로가 필요 없어 구조적 복잡성을 야기함 없이 용이하게 집적할 수 있으며, 간단한 제조과정을 통해 구현이 가능하여 저렴한 생산단가로 대량생산이 가능하다.Therefore, the sensor's stability and sensitivity are excellent, and additional circuits such as impedance matching are not required, so it can be easily integrated without causing structural complexity, and it can be implemented through a simple manufacturing process, so that mass production is possible at a low production cost. Do.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 장점 및 특징은 실시 예들과 첨부된 도면을 통해 더욱 명백해 질 것이다.Advantages and features of the present invention having the above characteristics will become more apparent from the embodiments and the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 습도센서 및 그 제조방법의 제 1 및 제 2 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the first and second embodiments of the humidity sensor and its manufacturing method according to the present invention with reference to the accompanying drawings in detail as follows.
먼저, 본 발명에 따른 제 1 실시예에서 사용되는 CPW-to-slotline 링 공진기 및 제 2 실시예에서 사용되는 마이크로스트립 패치형 안테나의 구조는 각각 도 1a 및 도 1b와 같다.First, the structures of the CPW-to-slotline ring resonator used in the first embodiment and the microstrip patch antenna used in the second embodiment are as shown in FIGS. 1A and 1B, respectively.
CPW-to-slotline 링 공진기는 3.375 GHz에서 공진하도록 설계되었으며 도 1a에 도시된 바와 같이, 파이렉스 유리 (Pyrex glass) 기판(1) 상부에 진공증착을 통해 금속막(알루미늄 또는 구리)을 형성하고 이에 대해 사진묘화(photo lithography) 방식을 이용하여 CPW 급전구조(3)와 중앙의 링(4), CPW 급전구조(3)와 링(4)의 간격인 슬롯 라인(slotline)(5)을 정의함으로써 형성된다.The CPW-to-slotline ring resonator is designed to resonate at 3.375 GHz and as shown in FIG. 1A, a metal film (aluminum or copper) is formed on the Pyrex
그리고 마이크로스트립 패치형 안테나는 5.0 GHz에서 공진하도록 설계되었으며 도 1b에 도시된 바와 같이, 파이렉스 유리 기판(1)위에 진공증착을 통해 금속막(알루미늄 또는 구리)을 형성하고 이에 대해 사진묘화(photo lithography) 방식을 이용하여 1/4 파장 변환기(11), 50 옴(Ω) 급 스트립 급전선(12), 미앤더 패치(13)를 정의함으로써 형성된다.The microstrip patch-type antenna is designed to resonate at 5.0 GHz, and as shown in FIG. 1B, a metal film (aluminum or copper) is formed on the Pyrex
이때 실리콘 등의 물질 대신 파이렉스 글라스를 기판으로 사용함으로써, 실리콘산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4)등의 절연층과 기판의 기능을 동시에 만족 시킬 수 있다.At this time, by using Pyrex glass as a substrate instead of a material such as silicon, it is possible to satisfy the function of the insulating layer and the substrate such as silicon oxide film (SiO 2 ), silicon nitride film (Si 3 N 4 ).
또한, CPW-to-slotline 링공진기 및 마이크로 스트립 패치형 안테나 상에 감습물질을 형성함으로써 습도센서의 제작이 완료된다.In addition, the manufacturing of the humidity sensor is completed by forming a moisture sensitive material on the CPW-to-slotline ring resonator and the micro strip patch antenna.
이때 감습물질로는 높은 안정성과 감도를 위해 소수성원소가 배제된 단량체인 oxidianiline(ODA)와 m-pyromellitic dianhydride(PMDA)를 극성용매인 N-methly-2-pyrolidone(NMP)에 용해 시켜 얻어지는 폴리아믹산 (polyamic acid)를 열적 고분자화하여 얻어지는 폴리이미드 필름을 사용하였다.At this time, polyamic acid obtained by dissolving oxidianiline (ODA) and m-pyromellitic dianhydride (PMDA), which are hydrophobic elements-excluded monomers, for high stability and sensitivity in polar solvent N-methly-2-pyrolidone (NMP) A polyimide film obtained by thermally polymerizing (polyamic acid) was used.
본 발명에서 사용한 폴리이미드 필름의 상세한 합성과정은 도 2와 같다. 6.00 g의 ODA를 75 ml의 극성용매인 NMP에 녹인 혼합액을 제조한 후(S10), 6.54 g의 PMDA를 천천히 첨가하여(S20), 일정한 온도와 회전속도로 저어주어 폴리아믹산을 제조한다(S30). 제조된 폴리아믹산을 기판에 회전코팅하고 열적고분자화를 통하여 감습재료인 폴리이미드 필름을 제조한다(S40).Detailed synthesis process of the polyimide film used in the present invention is shown in FIG. 6.00 g of ODA was dissolved in 75 ml of polar solvent NMP to prepare a mixed solution (S10), and then 6.54 g of PMDA was added slowly (S20) to stir at a constant temperature and rotational speed to prepare a polyamic acid (S30). ). The coated polyamic acid is rotated on a substrate and thermally polymerized to prepare a polyimide film, which is a moisture sensitive material (S40).
상술한 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 습도센서 및 그 제조방법을 상세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the humidity sensor and the manufacturing method according to the first and second embodiments of the present invention described above in detail.
- 제 1 실시 예 -First Embodiment
본 발명에 따른 CPW-to-slotline 링공진기 구조를 이용한 습도센서는 도 3에 도시된 바와 같이, 파이렉스 유리 기판(1), 상기 유리기판(1) 상부에 형성된 금속막(2), 상기 금속막(2)에 정의되며, 중앙에 링(ring), 상기 링 외곽에 간격을 형성하는 슬롯라인, 공진 주파수 전달을 위한 코플래나 웨이브 가이드(Coplanar Waveguide:CPW) 급전선(3)으로 이루어진 링 공진기, 소수성(hydrophobic) 원소를 포함하지 않는 폴리이미드(polyimide)로 이루어져 상기 공진기를 덮고 있는 감습층(humidity sensing layer)(6)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the humidity sensor using the CPW-to-slotline ring resonator structure according to the present invention includes a Pyrex
이때 링 및 슬롯라인은 도면에서 감습층(6)에 의해 가려져 보이지 않는 상태이다.At this time, the ring and the slot line are invisible by the moisture
상기 링 공진기의 링 평균둘레 (mean circumference)가 가이드 된 파장 (guided wave length)의 정수배에서 발생한다. 이는 수학식 1로 표현된다. 또한 가이드 된 파장은 수학식 2와 같이 표현되며, 공진주파수는 수학식 3에 의하여 계산된다.The mean circumference of the ring resonator occurs at an integer multiple of the guided wave length. This is represented by equation (1). In addition, the guided wavelength is expressed as
여기서,here,
n: 모드수n: number of modes
λg: 가이드 된 파장λ g : guided wavelength
r: 링의 평균 반지름r: average radius of the ring
f: 공진주파수f: resonant frequency
c: 빛의 속도c: speed of light
εeff: 기판의 유효 상대유전율ε eff : Effective relative dielectric constant of the substrate
다음으로, 상술한 링 공진기를 이용한 습도센서의 제조과정을 도 4를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.Next, a manufacturing process of the humidity sensor using the above-described ring resonator will be described with reference to FIG. 4.
먼저, 500㎛ 두께의 파이렉스 유리 기판(1) 위에 3 ㎛ 두께의 금속막(2) 즉, 알루미늄(또는 구리)을 진공 증착한다(a).First, a 3 μm
이후, 증착된 알루미늄을 사진묘화 (photolithography) 과정을 통하여 링 공진기의 형태(링, 슬롯라인, CPW 급전선)를 정의한다(b).Subsequently, the shape of the ring resonator (ring, slot line, CPW feed line) is defined through the photolithography process of the deposited aluminum (b).
그리고 감습층(6)인 폴리이미드를 회전코팅 후 건식식각과정을 위한 알루미늄 마스크(7)를 형성한다(c).In addition, after forming the polyimide, which is the moisture-
최종적으로 폴리이미드의 건식식각을 수행하고 알루미늄마스크를 제거하여 링 공진기형 습도센서를 제작한다(d).Finally, dry etching of the polyimide is performed, and the aluminum mask is removed to manufacture a ring resonator type humidity sensor (d).
상기 제작된 습도센서의 광학사진이 도 5에 도시되어 있다.An optical photograph of the manufactured humidity sensor is shown in FIG. 5.
이와 같이 제작된 본 발명에 따른 습도센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the humidity sensor according to the invention produced as described above are as follows.
먼저, 감습층(6) 즉, 폴리이미드는 흡수된 습도에 따라 상대유전율이 변경된다.First, the relative dielectric constant of the moisture
이어서 감습층(6)과 접촉되어 있는 링 공진기의 공진주파수도 상기 감습층 (6)의 유전율 변경에 의해 같이 변하게 된다.Subsequently, the resonant frequency of the ring resonator in contact with the moisture
따라서 외부의 시스템에서 CPW 급전선을 통해 공진주파수의 변경을 인식하고 결국 습도감지가 가능하게 된다.Therefore, the external system recognizes the change of the resonant frequency through the CPW feeder line and eventually detects the humidity.
상술한 본 발명에 따른 링 공진기형 습도센서의 감도, 히스테리시스 및 안정성등의 특성 분석을 온도 및 습도가 정밀 제어되는 환경챔버와 네트워크 분석기를 이용하여 실시하였다.Characterization of sensitivity, hysteresis and stability of the ring resonator type humidity sensor according to the present invention described above was performed using an environmental chamber and a network analyzer with precise temperature and humidity control.
감도 및 히스테리시스의 측정은 30 ℃의 온도에서 상대습도를 30%에서 90%까지 20%씩 변화시키면서 수행하였으며, 안정성 측정은 30 ℃의 온도와 상대습도 40%를 유지하면서 240분 동안 매 30분마다 기록되었다.Sensitivity and hysteresis were measured at a temperature of 30 ° C with a relative humidity of 20% from 30% to 90%, and stability measurements were taken every 30 minutes for 240 minutes while maintaining a temperature of 30 ° C and a relative humidity of 40%. Recorded.
도 6a 내지 도 6d는 이렇게 측정된 링 공진기형 습도센서의 특성을 나타낸다. 즉 도 6a는 상대습도의 변화에 따른 공진주파수 변화의 형태로 나타낸 센서의 감도로서 -181 kHz/%RH이고, 도 6b는 상대습도의 변화에 따른 삽입손실 변화의 형태로 나타낸 센서의 감도로서 -4.95 mdB/%RH이다.6a to 6d show the characteristics of the ring resonator type humidity sensor thus measured. 6A shows the sensitivity of the sensor in the form of a change in resonant frequency according to the change in relative humidity, -181 kHz /% RH, and FIG. 6B shows the sensitivity of the sensor in the form of a change in insertion loss according to the change in relative humidity. 4.95 mdB /% RH.
그리고 도 6c는 상대습도를 30%에서 90%까지 증가시키고 다시 90%에서 30%로 감소시키면서 측정된 히스테리시스로서 0.0013%이고, 도 6d는 안정성에 관한 그래프로서 0.002%를 나타내므로 기존의 정전용량형, 세라믹을 이용하는 전도형 및 표면탄성파 소자를 이용하는 형태의 습도센서의 히스테리시스가 약 1%이고 안정성이 약 0.1%인데 반하여 매우 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다.(히스테리시스 및 안정성은 낮을수록 우수함)6c is a hysteresis measured while increasing the relative humidity from 30% to 90% and again from 90% to 30%, and FIG. 6d shows 0.002% as a graph of stability. The hysteresis of the conductivity sensor using ceramics and the surface acoustic wave device is about 1% and the stability is about 0.1%, whereas the hysteresis is very good (the lower the hysteresis and the better the stability).
- 제 2 실시 예 - Second Embodiment
본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치형 안테나 구조를 이용한 습도센서는 도 7에 도시된 바와 같이, 파이렉스 유리 기판(1)위에 마이크로 스트립 급전선(12), 1/4 파장 변환기(11), 미앤더 패치(13)로 구성된 안테나 구조와, 감습층(6) 물질인 폴리이미드로 구성된다.As shown in FIG. 7, the humidity sensor using the microstrip patch type antenna structure according to the present invention has a
다음으로 상술한 마이크로 스트립 패치형 안테나를 이용한 습도센서의 제작과정을 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Next, a manufacturing process of the humidity sensor using the aforementioned micro strip patch antenna will be described with reference to FIG. 8.
먼저, 500 ㎛ 두께의 파이렉스 유리 기판(1)위에 3 ㎛ 두께의 금속막(2) 즉, 알루미늄(또는 구리)을 진공 증착한다(a').First, a 3 탆
이어서 상기 증착된 알루미늄을 사진묘화 (photo lithography) 과정을 통하여 마이크로 스트립 패치형 안테나의 형태를 정의한다(b').Subsequently, the shape of the microstrip patch antenna is defined through the photolithography process of the deposited aluminum (b ').
그리고 감습층(6) 물질인 폴리이미드를 회전코팅 후 건식식각과정을 위한 알루미늄 마스크(7)를 형성한다(c').In addition, the polyimide, which is the material of the moisture
최종적으로 폴리이미드의 건식식각을 수행하고 알루미늄마스크를 제거하여 패치형 안테나 구조를 이용한 습도센서 제작이 완료된다(d').Finally, the dry etching of the polyimide is performed, and the aluminum mask is removed to manufacture a humidity sensor using a patch antenna structure (d ').
상기 제작된 습도센서의 광학사진이 도 9에 도시되어 있다. An optical photograph of the manufactured humidity sensor is shown in FIG. 9.
이와 같이 제작된 본 발명에 따른 습도센서의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.Briefly describing the operation of the humidity sensor according to the present invention produced as follows.
먼저, 감습층(6) 즉, 폴리이미드는 흡수된 습도에 따라 상대유전율이 변경된다.First, the relative dielectric constant of the moisture
이어서 감습층(6)과 접촉되어 있는 스트립 패치형 안테나의 공진주파수도 상 기 감습층(6)의 유전율 변경에 의해 같이 변하게 된다.Subsequently, the resonance frequency of the strip patch antenna that is in contact with the moisture
따라서 외부의 시스템에서 스트립 급전선을 통해 공진주파수의 변경을 인식하고 결국 습도감지가 가능하게 된다.Therefore, the external system recognizes the change of the resonant frequency through the strip feed line, and eventually the humidity can be detected.
상술한 본 발명에 따른 스트립 패치형 안테나 구조의 습도센서의 감도를 온도 및 습도가 정밀 제어되는 환경챔버와 네트워크 분석기를 이용하여 상대습도변화에 따른 공진주파수와 반사손실 (return loss)의 형태로 측정하였다. 도 10a와 도 10b는 각각 상대습도의 변화에 따른 공진주파수와 반사손실의 형태로 측정된 습도센서의 감도를 나타낸다.The sensitivity of the humidity sensor of the strip patch-type antenna structure according to the present invention was measured in the form of resonance frequency and return loss according to relative humidity change using an environmental chamber and a network analyzer in which temperature and humidity are precisely controlled. . 10A and 10B show the sensitivity of the humidity sensor measured in the form of resonant frequency and return loss according to the change of relative humidity, respectively.
이때 본 발명에 따른 습도센서의 공진주파수는 도 10a에 도시된 바와 같이, -108 kHz/%RH임을 알 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 습도센서의 반사손실 형태로 나타난 감도는 -5.50 mdB/%RH임을 알 수 있다.At this time, it can be seen that the resonance frequency of the humidity sensor according to the present invention is -108 kHz /% RH as shown in FIG. 10A. And it can be seen that the sensitivity shown in the form of the return loss of the humidity sensor according to the present invention is -5.50 mdB /% RH.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 습도센서 및 그 제조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.Referring to the effects of the humidity sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention described above are as follows.
첫째, 감습재료로 소수성 원소가 배제된 폴리이미드를 사용함으로써 세라믹 또는 상용 폴리이미드보다 각각 센서의 안정성 및 감도가 우수하다.First, by using a polyimide excluding hydrophobic elements as a moisture sensitive material, the stability and sensitivity of the sensor are superior to that of ceramic or commercial polyimide, respectively.
둘째, 준직류 영역에서 동작하는 기존의 습도센서는 고주파 시스템으로의 집적을 위해서 임피던스 매칭 등의 부가적 회로가 필요하지만, 본 발명에서는 간단한 설계 변수의 수정으로 고주파 시스템과 동일한 동작주파수에서 동작하는 고주파 공진기를 사용함으로써 고주파 시스템의 성능을 예측 및 제어하는 데 기본적인 자료를 제공하는 습도센서를 시스템의 구조적 복잡성을 야기함 없이 집적할 수 있다.Second, the existing humidity sensor operating in the quasi-DC region requires an additional circuit such as impedance matching to integrate into a high frequency system, but in the present invention, a simple design parameter is modified to operate at a high frequency operating at the same operating frequency as the high frequency system. The use of resonators allows the integration of humidity sensors, which provide basic data for predicting and controlling the performance of high frequency systems, without incurring the structural complexity of the system.
셋째, 기존의 습도센서보다 훨씬 간단한 제조과정을 통해 구현이 가능하여 저렴한 생산단가로 대량생산이 가능하다.Third, it can be implemented through a much simpler manufacturing process than the existing humidity sensor, so mass production is possible at a low production cost.
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