The market of gas sensors for detecting and monitoring specific target gas is increasing. In particular, semiconductor gas sensors are getting attention due to low cost and high performances. Semiconductor gas sensors detect gas through conductometric change which occurs by an oxidation-reduction reaction between oxygen ions and the target gas on the surface of a sensing material. Microheater platforms have been applied for gas sensors since the reaction occurs actively at high temperature. Suspended membrane structures are mainly fabricated to increase the heat transfer efficiency and reduce heating power consumption. The suspended membrane structures have low durability for long-term uses, and high probability of yielding and fracture by heat or physical impact and thermal stress.
Anodic aluminum oxide (AAO) is a nanoscale porous material with a very large aspect ratio. AAO can be used as a structurally stable template for microheater platforms due to low heat loss transferred to the template. AAO template improves gas sensitivity by forming porous structures with a large surface area.
In this study, the characteristics of the sensing materials deposited on the AAO substrate were analyzed, and a microheater platform gas sensors using AAO with high energy efficiency and durability were fabricated. The sensing materials deposited on AAO formed large air pores and nanorods, which enhances gas response due to formation of grain boundaries and Knudsen diffusion. For application of MEMS fabrication process to AAO templates, micro-patterning was performed by deposition of chromium and silicon oxide layers, and microheater platforms with air gaps were fabricated. The fabricated microheater platform reached to a temperature of 250℃ with a 27.8 mW power consumption, and showed high stability for long-term operation and mechanical shock. Finally, pulsed heating operation was applied based on high stability, and power consumption was reduced to 9.3 mW.
가스의 종류와 농도를 실시간으로 감지할 수 있는 가스 센서는 다양한 분야에 활용되면서 그 시장의 규모가 커지고 있다. 그 중 제작비용이 저렴하면서 가스 감지 성능이 높은 금속산화물 기반 반도체식 가스 센서가 각광을 받고 있다. 금속산화물 기반 반도체식 가스 센서는 감지소재의 표면에서 발생하는 산소 이온과 가스의 산화-환원 반응을 통해 발생하는 전기적 변화를 통해 가스를 감지한다. 이 반응은 높은 온도에서 활발히 일어나기 때문에 감지 성능을 높이기 위해 마이크로히터를 센서에 집적하는 방식을 주로 사용되었다. 히터의 열전달 효율을 높이고, 에너지 소모를 낮추기 위해서 마이크로히터가 집적된 기판의 국소 부분을 에칭한 공중부유형 구조를 사용한다. 공중부유형 구조는 장시간 사용으로 인한 내구성이 낮고 높은 온도에서 발생하는 열 응력 집중으로 인한 항복이 일어나며, 열이나 물리적인 충격으로 인해 파단될 확률이 높아 구조적인 안정성이 낮다는 한계를 가진다.
양극산화알루미늄은 매우 큰 종횡비를 가지는 나노스케일의 다공성 소재로, 기공으로 인해 기판으로 전달되는 열손실이 적어 가열 효율이 높아 구조적으로 안정적인 마이크로히터 기판으로 사용될 수 있다. 또한 다공성의 구조로 인해 감지소재가 매우 큰 표면적을 가져 높은 민감도의 가스 감지가 가능하다.
본 연구에서는 양극산화알루미늄 기판에 증착된 감지소재의 특성을 분석하고, 양극산화알루미늄 기판을 이용하여 에너지 효율과 센서의 내구성을 높인 마이크로히터 플랫폼 가스 센서를 제작 및 분석하였다. 양극산화알루미늄에 증착된 감지소재는 기공의 크기와 나노로드의 지름이 큰 구조를 가졌으며, 결정립계의 형성과 크누센 확산으로 인해 가스 감도가 높아졌다. 양극산화알루미늄 기판에 MEMS 공정을 적용하기 위하여 크롬, 실리콘 옥사이드 층을 증착하여 패터닝을 진행하였으며, 공극이 형성된 마이크로히터 플랫폼을 제작하였다. 감지소재는 경사 입사 증착 방법을 이용하여 다공성의 박막을 형성하였다. 제작된 마이크로히터 플랫폼은 27.8 mW의 저전력으로 가스 감지가 용이한 250℃ 수준의 온도까지 상승하였으며, 장기간 구동과 물리적 충격에 높은 안정성을 보였다. 최종적으로, 안정성을 기반으로 펄스 히팅을 적용하여 소모 전력이 9.3 mW으로 감소하였다.
