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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011487&local_id=10012934
2005년도 신진연구인력연구장려금지원사업
Reports NRF is supported by Research Projects( 2005년도 신진연구인력연구장려금지원사업 | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 이지공(경남대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00044
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 07월 20일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research result report
  • Abstract
  • Semiconductor chemical sensors are one of the most promising areas for multifunctional miniature sensor development. More noteworthy is how to harmonize a fastidious and delicate semiconductor process with bulky and reactive sensors. This study presents the humidity sensing properties of carbon nitride films and the fabrication of an on-chip humidity sensitive FET (HUSFET) with Op amp systems. We also introduce specific poly-nitride etch stop technic for integration of the sensor on the system chip without any obstruction to a standard semiconductor process, and the humidity sensing mechanism and water absorption theory of carbon nitride films were also included.
    Carbon nitride films have been deposited by a reactive RF magnetron sputtering system. To examine the characteristics of the films, chemical, physical, and electrical analyses have been achieved with aid of different equipment. The chemical formula of the films was represented as C1-xNx with the range of x is 0.25 to 0.36. FTIR results revealed that by the water molecules attack, the weak C≡N/C=N bonds of the films broke up and formed C-HO and N-HO bonds which sported humidity sensing characteristics of the films. The films showed thermal stability up to 600 ℃ and high water absorption properties in low temperature.
    A micro humidity sensor system based on ETRI 0.8 ㎛ analog mixed CMOS process was simulated by Hspice and MATLAB, and designed by Cadence. The integrated sensor system (28 pin, and 2㎜×4㎜) consisted of Wheatstone-bridge HUSFET senor blocks, a resistive humidity sensor block, a diode temperature sensor, and Op amp blocks. Simulated Op amp revealed that DC gain was over 84 ㏈, unity gain bandwidth about 5.46 ㎒, and slew rate over 10 V/㎲. The impedance of a capacitive humidity sensor deposited on the Si wafer changed from 95.4 to 2.1 ㏀ with the relative humidity change 5 to 95 %, and the hysteresis of the films was about 4.2 %-FSO at the 50 %RH. The drain current of an n-type HUSFET increased from 0.88 to 0.99 ㎃ with relative humidity increase from 10 to 70 %RH and the sensitivity was 1.83 ㎂/%RH. The differential voltage of Wheatsotne-bridge resistive sensor was changed by 1 Vp-p with humidification and dehumidification.
    Simulation and empirical results suggests that carbon nitride can be a new humidity sensing material having many advantages, especially semiconductor on-chip sensor system with application for MEMS based smart/multi sensors and ubiquitous sensor network system. Poly-nitride etch stop technic also serves as an effective process for FET based sensor fabrications.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구를 통하여 질화탄소막의 감습특성을 분석하고 이를 이용하여 FET형 습도센서 (Humidity Sensitive FET, HUSFET)와 Op amp 시스템을 단일칩화하였다. 기존의 반도체 공정을 저해하지 않고 시스템과 센서를 함께 집적화하기 위해 독특한 poly-nitride 식각정지 기법을 고안하였다. 또한, 질화탄소막의 감습 기구와 수분흡착이론에 관한 모델도 제안하였다.
    감습 물질인 질화탄소막은 반응성 마그네트론 스퍼터링법에 의해 증착되었다. 성막된 박막의 성질을 규명하기 위해 다양한 분석 기기들을 이용하여 화학적, 물리적, 그리고 전기적 특성을 분석하였다. 성막된 막을 화학식 C1-xNx로 표현할 때 x의 범위는 0.25에서 0.36까지로 나타났다. FTIR 결과에 따르면, 수분의 공격에 의하여 약하게 결합하고 있는 C≡N/C=N 결합들이 그 결합을 끊고 C-HO와 N-HO의 결합을 이루는데 이는 질화탄소막이 습기와의 화학적 반응을 입증하는 것이다. 또한 질화탄소막은 600 ℃까지 열적안정성을 나타내었고, 저온영역에서 높은 수분 흡착율을 보였다.
    ETRI 0.8 ㎛ 아날로그 혼합 CMOS 공정을 기반으로 마이크로 습소센서를 제작하였고, 시뮬레이션은 Hspice와 MATLAB 그리고 레이아웃 설계는 Cadence를 사용하였다. 제작된 센서시스템은(28pin, 2㎜×4㎜) 휘스톤브리지 형태의 HUSFET 센서부, 저항형 센서부, 다이오드 온도센서, 그리고 Op amp부로 구성되어 있다. 시뮬레이션결과 Op amp는 약 84 ㏈의 직류이득과, 단일이득 대역폭은 약 5.46 ㎒, 그리고 10 V/㎲의 슬루율을 나타내었다. 실리콘 웨이퍼위에 증착된 캐패시터형 습도센서의 임피던스는 상대습도가 5 ~ 95 %로 증가할 때 95.4 ~ 2.1 ㏀으로 감소하는 특성을 나타내었으며, 히스테리시스는 상대습도 50 % 지점에서 약 4.2 %-FSO 정도로 낮게 나타났다. 제작된 n형 HUSFET의 드레인 전류는 상대습도가 10 ~ 70 %로 증가할 때 0.88 ~ 0.99 ㎃로 증가하였으며 1.83 ㎂/%RH의 감도를 보였다. 또한 휘스톤-브리지 저항형 습도센서의 차동전압은 가습과 감습 반응에서 약 1 Vp-p의 전압변동을 나타내었다.
    본 연구 결과를 통하여, 질화탄소막은 새로운 습도감지물질로 우수한 장점을 지녔음이 입증 되었으며, 특히 MEMS 기반의 스마트/멀티센서나 유비쿼터스 센서 네트웍 등에 응용하기 위한 반도체 단일칩 센서에 활용가치가 높다. Poly-nitride 식각정지 기법 또한 FET 기반의 센서제조에 있어 효과적인 공정방법이 될 것이다.
  • Index terms
  • HUSFET, humidity sensors, carbon nitride, CMOS, opamp
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