MEMS氢传感器及氢感测系统的制作方法

mems氢传感器及氢感测系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月7日提交的申请号为10-2020-0114037的韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明的实施例总体上涉及一种mems(微机电系统(micro electro-mechanical systems))氢传感器及包括该mems氢传感器的系统，尤其涉及一种集成有感测元件和补偿元件的催化燃烧mems氢传感器。


背景技术：

4.氢传感器不仅对于氢电动车辆而且对于氢生产/运输/利用的所有领域中的安全管理都是必不可少的传感器。在储氢设备和燃料电池系统运行的地方安装并运行用于感测氢泄漏的监测系统和传感器。
5.已知的是，当氢气遇到火花或者遇到表面温度为135℃或更高的物体时会点燃并爆炸，其中在空气中氢气的浓度为4％或更高，火花为20uj或更高。这样，氢在安全性和处理上存在困难，因此已经开发并正在应用用于感测氢泄漏的传感器。
6.在氢电动车辆中，氢传感器安装在储存容器、管道系统的接头附近以及燃料电池堆的周围，并且将感测到的氢浓度值发送至车辆控制系统的装置，使得每个控制系统的装置立即采取措施以确保车辆安全。
7.氢传感器的氢感测技术分为催化剂、热传导、电化学、电阻、功函数(work function)、机械、光学和声学类型，并且对于用于氢电动车辆和氢系统的泄漏传感器，考虑到测量浓度/反应速率/耐久性，催化剂、热传导、电阻和机械氢感测技术是合适的。
8.在催化类型中，催化燃烧氢传感器通过利用当氢气接触催化剂并与氧气反应时产生的热量来测量加热器的电阻，并且mems结构的应用显示出快速的反应速率和高的气体选择性，因此目前应用于车辆。
9.然而，在催化燃烧氢传感器中，根据反应原理，可能产生反应湿气，因此在恶劣的车辆环境(-40℃至105℃)中，尤其是在低温下，感测元件的表面可发生冻结。为了解决该缺点，提供了附加的加热器以消除这种冻结，并且为了温度补偿，惠斯通电桥电路中配置有感测元件和补偿元件来测量氢浓度。
10.如图1a和图1b所示，在常规的催化燃烧氢传感器中，构成了感测元件40和补偿元件50中的每一个，并且由包括外部电阻器r1和r2在内的总共四个元件构成，由于芯片面积消耗大并且元件之间的电阻差低而难以补偿。另外，每个元件40具有四个端子，因此两个元件40和50具有八个端子，需要八个引线键合，并且需要测量电路20以及加热器驱动电路30，因此面积消耗大。
11.在背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此，可能包含不构成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

12.本发明的示例性实施例旨在提供一种单个的mems氢传感器和包括该mems氢传感器的系统，能够通过集成防冰功能、感测功能和补偿功能来降低成本并使元件之间的电阻差异最小化。
13.本发明的实施例的技术目的不限于上述目的，并且本领域技术人员从权利要求书的描述中可以清楚地理解未提及的其它技术目的。
14.本发明的示例性实施例提供一种微机电系统(mems)氢传感器，包括：感测元件，感测氢气；防冰元件，围绕感测元件；以及补偿元件，具有与感测元件的电阻值相同的电阻值。
15.在示例性实施例中，mems氢传感器可以进一步包括：催化剂层，形成在感测元件的上部，并与氢气反应。
16.在示例性实施例中，感测元件可以形成在mems氢传感器的中心，并且补偿元件可以形成在感测元件的第一方向上。
17.在示例性实施例中，防冰元件可以包括：第一防冰元件和第二防冰元件，在与第一方向交叉的第二方向上形成在感测元件的相对侧处。
18.在示例性实施例中，mems氢传感器可以进一步包括：多个电极极板，分别设置在感测元件、补偿元件、第一防冰元件和第二防冰元件的端部。
19.在示例性实施例中，mems氢传感器可以形成为包括惠斯通桥电路的全部的感测元件、补偿元件、第一防冰元件和第二防冰元件的单个元件。
20.本发明的示例性实施例提供一种mems氢传感器，包括：第一感测元件，感测氢气；第二感测元件，感测氢气；以及第一防冰元件和第二防冰元件，围绕第一感测元件和第二感测元件。
21.在示例性实施例中，第一防冰元件可以位于第一感测元件和第二感测元件的左侧；并且第二防冰元件可以位于第一感测元件和第二感测元件的右侧。
22.在示例性实施例中，mems氢传感器可以进一步包括：催化剂层，形成在第一感测元件和第二感测元件的上部。
23.在示例性实施例中，第一感测元件和第一防冰元件的电阻值可以相同；并且第二感测元件和第二防冰元件的电阻值可以相同。
24.在示例性实施例中，当感测到氢时，第一防冰元件和第二防冰元件的电阻值增加。
25.本发明的示例性实施例提供一种mems氢感测系统，包括：mems氢传感器，其包括：第一感测元件，感测氢气；第二感测元件，感测氢气；以及第一防冰元件和第二防冰元件，围绕第一感测元件和第二感测元件；温度传感器，感测外部温度；以及测量电路，利用温度传感器的温度感测值来补偿mems氢传感器的输出信号。
26.本技术可以提供集成防冰功能、感测功能和补偿功能的单个mems氢传感器，以降低成本并使元件之间的电阻差异最小化。
27.另外，可以提供本文件直接或间接识别的各种效果。
附图说明
28.为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下描述并结合附图，其中：
29.图1a和图1b示出用于描述传统的mems氢传感器的视图。
30.图2a示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的示意图。
31.图2b示出根据本发明示例性实施例的惠斯通电桥的电路图。
32.图3示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的测量系统的配置的示意图。
33.图4示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的详细平面图。
34.图5示出用于比较根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的感测面积的平面图。
35.图6a至图6k示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的制造方法。
36.图7示出根据本发明另一实施例的mems氢传感器的配置图。
37.图8a示出用于描述根据本发明的另一实施例的mems氢传感器的氢测量的电路配置的视图。
38.图8b示出用于描述根据本发明的另一示例性实施例的mems氢传感器的感测面积的视图。
39.图9a至图9c示出用于描述根据本发明的另一示例性实施例的mems氢传感器的效果的视图。
具体实施方式
40.在下文中，将参照示例性附图详细描述本发明的一些示例性实施例。应当注意的是，在将附图标记添加到每个附图的组成元件中时，即使它们在不同的附图上被指示，相同的组成元件也具有尽可能相同的附图标记。另外，在描述本发明的示例性实施例时，当确定相关的公知配置或功能的详细描述干扰了对本发明的示例性实施例的理解时，将省略其详细描述。
41.在描述根据本发明示例性实施例的组成元件时，可以使用诸如“第一”、“第二”、“a”、“b”、“(a)”、“(b)”的术语。这些术语仅用于将组成元件与其它组成元件区分开，并且组成元件的性质、顺序或次序不受这些术语的限制。另外，除非被不同地定义，否则本文所用的包括技术科学术语的所有术语均具有与本发明所属技术领域的技术人员(本领域技术人员)通常理解的含义相同的含义。通用字典中定义的术语应被解释为具有与相关技术的上下文中的术语相匹配的含义，除非在本说明书中明确定义，否则不应被解释为具有理想化或过于形式化的含义。
42.mems(微机电系统)传感器用作通过利用超紧凑型高灵敏度传感器以物理、化学和生物感测来监测和检测外部环境的工具。本发明的实施例公开了mems氢传感器，特别是公开了催化燃烧氢传感器。
43.在下文中，将参照图2a至图9c详细描述本发明的示例性实施例。
44.图2a示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的示意图。
45.现有技术中，如图1a所示，两个外部电阻器和两个氢传感器通常各自独立地配置在一个芯片上，但是，如图2a所示，根据本发明的示例性实施例，mems氢传感器形成为包括四个元件作为一个单个元件。即，根据本发明的示例性实施例，mems氢传感器可以通过将感测元件、补偿元件和防冰元件集成到一个元件中来减少芯片面积消耗，并且可以通过改变电极图案形状而无需进行用于单个器件制造的附加处理来集成感测功能、补偿功能和除冰功能，从而降低成本。另外，根据本发明的示例性实施例，mems氢传感器可以通过防止电阻
差异的发生来最小化由元件之间的电阻差异引起的变化。
46.图2b示出根据本发明示例性实施例的惠斯通电桥(wheatstone bridge)的电路图。mems氢传感器通过利用将氧化催化剂涂覆于金属线线圈的感测元件和不涂覆氧化催化剂的补偿元件来构成惠斯通电桥。在图2b中，电阻器r1、r2、r3和r4可以被配置为如图2a所示的单个元件。
47.图3示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器100的测量系统的配置的示意图。测量电路200连接到作为单个元件的mems氢传感器100的端子1、2、3和4，并且在第一端子1和第四端子4之间施加电压，在第二端子2和第三端子3之间输出输出电压。可以通过元件中的惠斯通电桥电路的输出电压的变化来测量根据氢浓度的变化的感测元件的电阻的变化。
48.测量电路200可以测量mems氢传感器100的输出电压，以确定是否存在氢泄漏。测量电路200可以电连接到氢传感器100，并且可以是执行软件的命令的电路，从而执行稍后描述的各种数据处理和计算。测量电路200可以是例如安装在车辆中的中央处理单元(cpu)、电子控制单元(ecu)、微控制器单元(mcu)或其它子控制器。
49.根据本示例性实施例，如上操作的测量电路200可以以包括存储器和处理每个操作的处理器的独立硬件设备的形式来实现，并且可以以包括在诸如微处理器或通用计算机系统的其它硬件设备中的形式来驱动。
50.图4示出根据本发明实施例的mems氢传感器的详细配置图。
51.mems氢传感器100形成为包括防冰元件rl和r2、感测元件r3和补偿元件r4，并且包括电极极板，每个电极极板的一端连接到电压输入端子vin、输出电压va和vb以及接地电压端子gnd。即，电极极板对称地分别设置在mems氢传感器的外周上，以执行电连接，从而将电压施加到mems氢传感器。即，构成图2b的惠斯通电桥电路的四个电阻元件r1、r2、r3和r4中的每一个都可以通过利用诸如防冰、感测和补偿的功能来区分，以执行用于防止催化燃烧氢传感器的低温冻结的功能。
52.在这种情况下，感测元件r3设置在mems氢传感器的中心，补偿元件r4设置在感测元件的第一方向(例如，下部方向)上，防冰元件r1和r2沿第二方向(例如，左右方向)形成在感测元件r3的相对侧，该第二方向是与第一方向交叉的方向。
53.(表1)
[0054][0055]
表1示出利用单个元件的氢感测和补偿的示例。
[0056]
参照表1，可以看出，当外部温度增加时，各个电阻元件r1、r2、r3和r4的电阻值都增加。
[0057]
可以看出，当氢在室温下打开时，由于氢反应，r3的电阻值增加。
[0058]
可以看出，当外部温度增加并且氢处于打开状态时，电阻元件r1、r2、r3和r4中的每一个都增加，并且r3的电阻值通过氢反应而进一步增加。
[0059]
根据本发明的示例性实施例，在mems氢传感器中，防冰元件rl和r2以围绕用于感测氢的感测元件r3的形式在左侧和右侧形成为具有圆形形状，并且具有与感测元件r3相同的电阻值的补偿元件r4形成在感测元件r3的下部。
[0060]
如在图2b的惠斯通电桥电路中，当电阻元件r1和r3的电阻值相同并且电阻元件r2和r4的电阻值相同时，不产生电压差，因此vab＝0。此后，当在感测元件r3中感测到氢时，由于氢气在催化剂层中的反应而产生反应热，因此电阻元件r2的电阻值增加，导致输出电压va与vb之间产生电压差。因此，测量电路200测量电压差以判断氢是否泄漏。
[0061]
图5示出用于比较根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的感测面积的平面图。
[0062]
参照图5的视图501，常规的感测元件包括催化剂层41、防冰加热器42和催化活性加热器43，并且需要包括防冰加热器42和催化活性加热器43而没有催化剂层的补偿元件。
[0063]
视图502显示，根据简单地集成感测元件和补偿元件的结构，驱动第一侧作为感测元件，驱动第二侧作为补偿元件，从而可以通过仅在例如对应于感测元件的左侧部分处执行感测功能而缩小感测面积。
[0064]
视图503示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器，并且可以看出，感测元件的感测面积与常规的一样宽。即，在本发明的示例性实施例中，即使当感测元件和补偿元件集成在一起时，也可以像常规的一样确保大的感测面积。
[0065]
在下文中，将参照图6a至图6k详细描述根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的传感器制造方法。图6a至图6k示出根据本发明示例性实施例的mems氢传感器的制造过程。
[0066]
首先，如图6a所示，在通过背面抛光(back side polishing)工艺而具有预定范围的厚度的硅(si)基板601状态下，利用干氧化法在硅(si)基板601的上表面和下表面上形成具有预定厚度的第一氧化硅(sio2)膜602、603。
[0067]
随后，如图6b所示，在形成在硅基板601的上表面上的第一氧化硅膜602的上部和形成在硅基板601的下表面上的第一氧化硅膜603的下部上形成具有预定厚度的第一氮化硅(si3n4)膜604、605。
[0068]
接下来，如图6c所示，用于形成电极层606的金属材料沉积在硅基板601上部的第一氮化硅(si3n4)膜604上。在这种情况下，金属材料可以是钼。
[0069]
随后，如图6d所示，电极层606可以被图案化以具有与图4的平面图相同的图案。
[0070]
随后，如图6e所示，在图案化的电极层607上形成第二氧化硅膜608，并且在形成在硅基板601下表面上的第一氧化硅膜603和第一氮化硅(si3n4)膜605的下部形成具有预定厚度的第二氧化硅膜609。
[0071]
接下来，如图6f所示，在第二氧化硅膜608的上部和第二氧化硅膜609的下部分别形成具有预定厚度的第二氮化硅(si3n4)膜610、611。
[0072]
此后，如图6g所示，稍后通过背蚀刻执行用于形成膜结构的图案化。即，通过在硅基板601上部的结构中蚀刻将要形成膜结构的部分的相对端来形成孔612、613。
[0073]
随后，如图6h所示，通过在硅基板601上部的结构上执行用于形成电极极板的蚀刻工艺来暴露电极层607的一部分，从而形成孔614。
[0074]
如图6i所示，通过在用于形成电极极板的孔614中沉积预定厚度的金属材料来形成电极极板615。
[0075]
如图6j所示，通过利用干燥法蚀刻硅基板601、硅基板601的上表面上的第一氧化硅膜602以及硅基板601的下表面上的结构602、605、609、611，从而形成膜616。
[0076]
如图6k所示，通过在第二氮化硅(si3n4)膜610的上部沉积用于催化剂作用的铂(pt)来形成催化剂层617。
[0077]
图7示出根据本发明另一实施例的mems氢传感器的配置图。
[0078]
参照图7，根据本发明另一示例性实施例的mems氢传感器可以包括两个防冰元件r1和r4以及两个感测元件r2和r3来代替补偿元件。在这种情况下，防冰元件r1和感测元件r3的电阻值相同，并且防冰元件r4和感测元件r2的电阻值相同。此后，当由氢气产生反应热时，防冰元件r1和r4的电阻值增加，从而输出电压vab增加两倍。
[0079]
图8a示出用于描述根据本发明的另一实施例的mems氢传感器的氢测量的电路配置的视图。
[0080]
参照图8a，由于根据本发明的另一示例性实施例的mems氢传感器不包括补偿元件，因此可以替代地利用测量电路500和用于温度补偿的温度传感器600。
[0081]
图8b示出用于描述根据本发明的另一示例性实施例的mems氢传感器的感测面积的视图，并且图9a至图9c示出用于描述根据本发明的另一示例性实施例的mems氢传感器的效果的视图。
[0082]
参照图8b，在根据本发明另一示例性实施例的mems氢传感器中，感测面积可以随着感测元件r2和r3的数量的增加而增加。
[0083]
参照图9a，当感测元件的数量为一个或两个时，其示出了输出电压的变化，并且如在根据图7的本发明的另一示例性实施例的mems氢传感器中一样，当感测元件的数量为两个时，可以看出，与具有一个感测元件的情况相比，输出电压的变化更大。
[0084]
即，在两个感测元件的情况下，输出信号包括由外部温度引起的电阻变化值和由氢引起的电阻变化值。因此，为了补偿由外部温度引起的电阻变化，测量电路500可以在传感器工作温度环境中测量氢传感器的输出信号，并且可以通过利用温度传感器600所测量的温度感测值来补偿输出信号。
[0085]
即，测量电路500可以针对每个温度条件映射感测元件的电阻值，然后可以将通过从两个感测元件的输出值(由氢引起的电阻变化值+由外部温度引起的电阻变化值)中减去由温度传感器测量的值(例如，由外部温度引起的电阻变化)而获得的值输出为传感器输出信号。
[0086]
在图9b中，表示输出电压随着反应热的增加而增加，并且在图9c中，示出由于反应热引起的温度分布。即，作为输出电压vab根据催化剂层中的氢反应引起的反应热的增加而变化的分析结果，随着反应热的增加，感测元件的电阻值增加，并且因此，可以通过监测线性输出电压的变化来预测氢浓度。
[0087]
如上所述，本发明的实施例可以通过单个元件的惠斯通电桥电路的配置来降低成本并使元件之间的电阻差异最小化，并且可以通过改变图案而无需附加的工艺来增加感应面积而在不增加成本的情况下制造单个元件的mems氢传感器。
[0088]
以上描述仅是本发明实施例的技术思想的示例，并且本发明实施例所属领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本特征的情况下进行各种修改和改变。
[0089]
因此，本发明中公开的示例性实施例并非旨在限制本发明的技术思想，而是用于解释它们，并且本发明的技术思想的范围不受这些示例性实施例的限制。本发明的保护范围应由所附权利要求书来解释，并且等同范围内的所有技术思想应被解释为包括在本发明的范围内。

技术特征：
1.一种微机电系统即mems氢传感器，包括：感测元件，感测氢气；防冰元件，围绕所述感测元件；以及补偿元件，具有与所述感测元件的电阻值相同的电阻值。2.根据权利要求1所述的mems氢传感器，进一步包括：催化剂层，位于所述感测元件的上部上，并与所述氢气反应。3.根据权利要求2所述的mems氢传感器，其中，所述催化剂层是铂。4.根据权利要求1所述的mems氢传感器，其中，所述感测元件位于所述mems氢传感器的中心，并且所述补偿元件位于所述感测元件的第一方向上。5.根据权利要求4所述的mems氢传感器，其中，所述防冰元件包括：第一防冰元件和第二防冰元件，在与所述第一方向交叉的第二方向上位于所述感测元件的相对侧。6.根据权利要求5所述的mems氢传感器，进一步包括：多个电极极板，分别位于所述感测元件、所述补偿元件、所述第一防冰元件和所述第二防冰元件的端部。7.根据权利要求5所述的mems氢传感器，其中，所述mems氢传感器形成为单个元件。8.根据权利要求7所述的mems氢传感器，其中，所述感测元件、所述补偿元件、所述第一防冰元件和所述第二防冰元件是惠斯通桥电路的四个电阻。9.一种微机电系统即mems氢传感器，包括：第一感测元件，感测氢气；第二感测元件，感测所述氢气；以及第一防冰元件和第二防冰元件，围绕所述第一感测元件和所述第二感测元件。10.根据权利要求9所述的mems氢传感器，其中，所述第一防冰元件位于所述第一感测元件和所述第二感测元件的一侧；并且所述第二防冰元件位于所述第一感测元件和所述第二感测元件的相对侧。11.根据权利要求10所述的mems氢传感器，进一步包括：催化剂层，位于所述第一感测元件和所述第二感测元件的上部。12.根据权利要求11所述的mems氢传感器，其中，所述催化剂层是铂。13.根据权利要求10所述的mems氢传感器，其中，所述第一感测元件和所述第一防冰元件的电阻值相同；并且所述第二感测元件和所述第二防冰元件的电阻值相同。14.根据权利要求13所述的mems氢传感器，其中，所述第一防冰元件和所述第二防冰元件的电阻值响应于感测到氢气而增加。
15.一种微机电系统即mems氢感测系统，包括：mems氢传感器，包括：第一感测元件，感测氢气；第二感测元件，感测所述氢气；以及第一防冰元件和第二防冰元件，围绕所述第一感测元件和所述第二感测元件；温度传感器，感测外部温度；以及测量电路，利用来自所述温度传感器的温度感测值来补偿所述mems氢传感器的输出信号。16.根据权利要求15所述的mems氢感测系统，其中，所述第一防冰元件位于所述第一感测元件和所述第二感测元件的一侧；并且所述第二防冰元件位于所述第一感测元件和所述第二感测元件的相对侧。17.根据权利要求16所述的mems氢感测系统，其中，所述mems氢传感器进一步包括：催化剂层，位于所述第一感测元件和所述第二感测元件的上部。18.根据权利要求17所述的mems氢感测系统，其中，所述催化剂层是铂。19.根据权利要求16所述的mems氢感测系统，其中，所述第一感测元件和所述第一防冰元件的电阻值相同；并且所述第二感测元件和所述第二防冰元件的电阻值相同。20.根据权利要求19所述的mems氢感测系统，其中，所述第一防冰元件和所述第二防冰元件的电阻值响应于感测到氢气而增加。

技术总结
本发明公开一种MEMS氢传感器和氢感测系统，具体地，涉及一种MEMS氢传感器和包括MEMS氢传感器的系统。本发明的示例性实施例提供一种微机电系统(MEMS)氢传感器，包括：感测元件，感测氢气；防冰元件，围绕感测元件；以及补偿元件，具有与感测元件的电阻值相同的电阻值。具有与感测元件的电阻值相同的电阻值。具有与感测元件的电阻值相同的电阻值。


技术研发人员：金东求 金炫秀 俞一善
受保护的技术使用者：起亚株式会社
技术研发日：2021.06.02
技术公布日：2022/3/8