Study on Porous Silicon Sensors to Measure Low Alcohol Concentration

저농도 알코올 측정을 위한 다공질 실리콘 센서에 관한 연구

In this work, a capacitance-type alcohol gas sensor using porous silicon layer is developed to apply for breath alcohol measurement and its characteristics are estimated at room temperature. Current alcohol sensors using metal oxides such as tin-oxide are not only difficult to measure low alcohol concentration, but also should heat at $200\;to\;400^{\circ}C$ to improve the sensitivity. But the sensor using porous silicon layer has good sensitivity even at room temperature by very large effective surface area and suitable structure to fabricate integrated micro sensors. In the experiment, the capacitance was measured for the range of 0 to $0.5\%$ alcohol concentration with the interval of $0.05\%$, in which alcohol solution was kept at 25, 36, and $45^{\circ}C$ by a heater. As the result, good linearity was observed and the capacitance increased about 1.1, 2.6 and $4.6\%$ per the increment of $0.1\%$ alcohol concentration each temperature, respectively, at the frequency of 120 Hz.

본 연구에서는 음주 측정에 적용할 수 있는 다공질 실리콘층으로 된 저농도의 캐퍼시턴스형 알코올 가스 측정용 센서를 제작하고, 상온에서 그 특성을 측정하였다. 기존의 $SnO_2$등의 금속 산화물 반도체를 이용한 센서는 저농도의 알코올을 정확하게 검지하기에 어려울 뿐만 아니라 감도를 높이기 위해 $200\~400^{\circ}C$로 가열이 필요하였다. 이에 비해 다공질 실리콘층을 이용한 센서는 넓은 표면적을 갖고 있어 상온에서도 감도가 양호할 뿐만 아니라 집적화 센서로 제작이 용이한 점을 갖고 있다. 실험은 증류수에 희석한 알코올 수용액을 체온과 같은 $36^{\circ}C$를 비롯하여 25와 $45^{\circ}C$로 유지한 상태에서 0에서 $0.5\%$의 농도범위에 대해서 $0.05\%$의 간격으로 120 Hz와 1 kHz의 두 주파수에서 측정하였다. 그 결과, 양호한 선형성과 함께 120 Hz의 주파수에서 측정하였을 때, $0.1\%$의 알코올 농도의 증분마다 $25,\;36,\;45^{\circ}C$의 알코올 수용액의 온도에 대해 각각 1.1, 2.6 및 $4.6\%$로 캐퍼시턴스의 증가율을 보였다.