In this thesis, I studied on charge leakage of the MOSFET and made use of this leakage effect to the humidity sensor. Gate charge of the MOSFET moves to the near ground through the surface of the silicon dioxide. The charge dissipation speed depends on the gate oxide capacitance and oxide surface resistance. According to the relative humidity in the air, the silicon dioxide’s surface resistance changes greatly (10^14~10^17Ω), which results in differ-ent charge leakage speed at each relative humidity condition.
Using the surface resistance change in humidity sensing mechanism, the MOSFET humidity sensor has fast response time (0.18~0.65 sec). The MOSFET humidity sensor has cost effective merit, since the humidity sensing material (silicon dioxide) is CMOS process fabrication compatible material. Furthermore, the sensitivity of proposed humidity sensor (970 times characteristic value change at 21% to 67% R.H.) is superior to previous report10 (5 times characteristic value change at 18% to 72% R.H.).
Combining this humidity sensor with circuit and MEMS switch, proposed humidity sensor can measure the real time humidity condition in the air, which can’t do by the conventional humidity sensor
습도 센서는 기상 관측 용으로 오래 전부터 사용되어 왔고, 최근에는 생산 시설 관리, 쾌적한 생활을 위한 실내 관리 및 비닐 하우스 안에서의 작물 재배를 위한 습도 관리 등으로 그 사용이 확산되고 있다. 상용 습도 센서는 습도 검출 부와 센서 구동부가 분리되어 제작되고, 습도 검출 부분은 정밀 공학으로 제작되므로 가격이 비싸고, 크기가 크다.
이에 FET 습도 센서가 연구되기 시작하였는데, 그 이유는 FET는 반도체 공정을 이용하므로 대량 생산이 가능하고, 전기적인 신호가 출력 신호이므로 구동 회로와 결합이 용이하고 이와 더불어 반도체 공정을 이용하므로 소형화가 가능하기 때문이다.
기존 FET습도 센서는 두 전극 사이에 습기에 따라 유전 율이나 전도도가 바뀌는 흡습 층을 이용하여 습도를 검출하였다. 하지만 흡습 층 전체가 습기에 반응해야 하므로, 습도를 검출하는데 많은 시간이 걸리고, 흡습 층으로 독특한 물질을 사용하므로 추가적인 공정과 비용이 필요했다. 따라서 이 연구에서 나는 흡습 층이 아닌 표면의 전도도 특성 변화라는 현상을 활용하여, CMOS Process에서 널리 사용하는 물질인 실리콘 산화 막을 습도 검출물질로 활용하여 추가적인 공정과 비용이 필요하지 않고, 습도 검출 속도가 빠른 습도 센서를 제안하였다.
MEMS 스위치는 높은 On-Off 특성과 낮은 전력 소모로 인하여, 각광을 받고 있는 메모리 소자이지만, 동작 전압이 너무 높다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 선 충전 전극을 사용하여 동작 전압을 낮추었지만, 선 충전된 전하가 주변 부로 사라지는 현상이 발생하였고, 이런 현상은 MOSFET에서도 발견이 되었다. 이 현상의 원인을 찾아봤는데, 상당히 근본적인 현상임에도 불구하고, 기존의 연구가 없었기에 이 현상을 규명하기로 하였다.
실험 결과 전하는 표면으로 사라지고 전하가 사라지는 속도는 습도에 따라 크게 달라지는 것을 확인하여서 표면 전도도를 활용하여 습도 센서를 제작하면 물질적 이점(CMOS 공정에 호환 가능한 물질)과 표면만 습도에 반응하면 되므로 반응 속도도 빠를 것이라 예상하였다.
표면의 전기 전도도에 따라서 전하가 사라지는 현상으로 습도를 검출하기 위해선, 전하가 사라지는 속도를 예측 할 수 있어야 한다. 따라서, 전하가 사라지는 속력은 게이트 옥사이트의 커패시턴스 값(CS)과 표면 저항(RS)에 의한다는 모델링을 하고 검증을 한 결과 일치하는 것을 확인하였다. 습도에 따른 표면의 전기 전도도 값도 BET이론에 따라 예측을 한 결과 일치하는 것을 확인하여, 습도에 따라서 전하가 사라지는 속력을 예측하는 것이 가능하였다.
표면 전도도를 이용한 습도 센서는 민감도가 습도에 따라서(21%~67%) 특성이970배 바뀌는 것을 확인하였다. 동일한 습도 변화에서 기존 FET 습도 센서는 특성 값이5배 바뀌고, 사용 습도 센서는 2배가 바뀜을 감안할 때 상당히 민감도가 좋은 소자임을 알 수 있었다. 습도에 따른 반응 속도도 1초 이내의 특성(0.18~0.65초)가 나오는 것을 확인하여 이 습도계를 이용하면 실시간 습도 검출이 가능할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
본 논문에서는 반도체 및 MEMS Switch에서 전하가 표면을 통하여 사라지는 현상을 규명하고 이 원리를 이용하여 습도 센서를 제작하였다. 기존과는 다른 습도 검출 방법을 사용하여 물질적인 접근 용이성, 높은 민감도, 빠른 반응 속도를 가지는 습도 센서임을 검증하였다.
회로와 결합하고, 좀 더 정밀하게 전하를 공급하고 차단 시키는 소자를 활용하면, 기존 습도 센서를 대체할 수 있는 습도 센서가 될 것이라 생각한다.
