PDF문서086_High sensitivity , high selectivity MEMS formaldehyde gas sensor technology.pdf

닫기

background image

Contact: Heejin Choi

Email: hjchoi2@etri.re.kr

Phone: +82. 42. 860. 4946

High sensitivity / high 

selectivity MEMS 

formaldehyde gas sensor 

technology


background image

2

TECHNOLOGY BRIEF

▣ Technology Overview

Formaldehyde gas sensor on MEMS heater

HCHO gas sensor, MEMS heater, high sensitivity, selectivity to HCHO

□ Keywords

MEMS heater

(1.5 x 1.5 mm2)

<Characteristics of MEMS formaldehyde gas sensor>

Monitor electrical resistance of elements depending on oxygen adsorption 

change through gas oxidation / reduction on detected substances (metal 

oxide)

Adsorption of oxidizing gas -> Decrease conductive electronics -> 

Increase conductivity of detected substance (for p-type material)

Adsorption of reducing gas -> Supply conductive electronics -> 

Decrease conductivity of detected substance (for p-type material)

Heating (150-300 degrees) is required for effective response of gas 

oxidation / reduction on the surface of metal oxide.

Conventional bulk heaters composed of metal line on alumina consume 

large amount of power. MEMS heater is developed for gas sensor 

having low power consumption.


background image

3

TECHNOLOGY BRIEF

MEMS formaldehyde gas sensor technology

▶ Specs of MEMS micro-heater 

▶ Specs of high sensitivity / high selectivity of HCHO detected materials

• Power consumption: 10~15mW at 300 degrees
• Size of micro-heater die: 1 x 1 mm2
• Heating area: < diameter 100 um

• High sensitivity: 25% at 50 ppb HCHO

(HCHO concentration to maintain standard air quality, 100 ppm (USA), 80 ppb 

(WHO/Japan/Korea/Canada))
• High selectivity: response to HCHO 1 ppm is at least 4 times higher than that of 

others such as alcohol, benzene, acetone, ammonia, carbon monoxide, nitrogen 

dioxide, and etc. under the same concentration 

• Environmental sensor, gas sensor, air quality monitoring for outdoors and 

indoors, weather station, IAQ (indoor air quality) system for vehicles, and etc.

▣ Technology Description

▣ Application Fields

MEMS microheater

(1.5 x 1.5 mm2)

<MEMS formaldehyde gas sensor>

< Formaldehyde detected substance 

SEM image and selective gas sensor >


background image

4

Competitive / substitution technology 

• Figaro Inc. and AMS Inc. commercialized gas sensor using semiconductor 

based bulk heater. Power consumption of 200 ~ 800 mW to operate gas 

sensor.

• SGX sensortech Inc., Citytech Inc., and Senko Inc. commercialized electrical 

chemical gas sensor, but its only limited to 6 months ~ 3 years of use.

• Optical gas sensor is specialized to sense hundreds to thousands of ppm 

for specific gas such as CO2, CH4. 

Excellence compared to competitive / substitution technology 

▣ Outstanding Features

▣ IPR Status

Korean patent 2 applicable

Competitive 

Technology

Excellence of new technology

Electrical chemical 

gas sensor

§

Although electro chemical gas sensor has excel ent

selectivity, there are constraints of needing to use

electrode from expensive metal.

§

This new technology makes mass production of

highly sensitive/selective HCHO sensor possible

based on metal oxide materials and MEMS

technology

Optical gas sensor

§

Although optical gas sensor is very accurate, its big

size and high price makes it hard to use.

§

Miniaturized sensor having minimal size of 1 x 1

mm2 through this technology, can be applicable to

mobile device or loT device.


background image

5

• Individual sensor (gas sensor, dust 

sensor, UV sensor) and multiple 

environmental sensor (temperature / 

humidity sensor) base on 

semiconductors to make MEMS and 

nano technology.  This helps develop a 

low-priced, low-powered, high 

performance, high credible, smal -

sized, and digital sensor.

• Air quality sensor technology is used 

not only in monitoring the 

environment, but also in other 

industries such as automobile, 

consumer electronics, processing 

industries, and medical / health care.

• Global competitiveness is very weak, 

but some smal  firms have 

commercialized some few products 

such as chemical gas sensor.

• Figaro Engineering: Commercialized 

the traditional Taguchi type sensor and 

has the most shares in the 

semiconductor gas sensor market.  

Recently, low-powered product based 

on MEMS micro heater has been 

released.

• SGX Sensortech: Bought e2v社 to enter 

not only electro chemical gas sensor 

market, but also in semiconductor gas 

sensor market.

• Not only Figaro engineering and SGX 

Sensortech, which research 

semiconductor gas sensors, but also 

firms such as FIS, Honeywel , Siemens, 

Aeroqual have actively researched to 

produce products due to higher 

demands to monitor air quality of 

indoors / outdoors.

• Gas sensor based on semiconductors has been researched actively due to 

advantages such as variety of detected gas, easy manufacturing, and large 

market scale.

• Metal oxide sensing material is the most important factor of the sensor. N-type 

semiconductor (SnO2, ZnO, TiO2, WO3, In2O3, and etc), of which electrons act 

as charge carriers, has a fast reaction rate.  P-type semiconductor (CuO, NiO, 

CO3O4, and etc), of which holes act as charge carriers, is superior in operational 

stability because of large amount of absorbed oxygen on the surface.

• One-dimensional nano-material such as wire, rod, tube, and ribbon for sensing 

is being developed for high sensitivity, smal  size, and low power.

• Although nano gas sensor based on semiconductor is recognized as the most 

promising technology for the next generation gas sensors such as multi-gas 

sensor, e-nose, there are many conflicts such as target gas selectivity, 

environmental issues, operational stability that needs to be resolved for 

practical commercialization.

□ Korea

□ Global

▣ Technology Trend

<Semiconductor Gas Sensor Material Research Status>


background image

6

기술수요

적용처

• The whole gas sensor market is expected to

be $2.32 billion in 2018, and 20% is expected

to be semiconductor gas sensor. (Research &

Market, 2015)

• Compact / low-powered / low-priced MEMS

gas sensor entered the market in 2015, and

will expected to have $500 mil ion in 2017.

(IHS, 2013)

• The demand for compact / low-powered /

low-priced VOC (HCHO) gas sensor is

increasing rapidly, but a secure source of

supply has been difficult to find.

• World market for air purifier is expected to

increase 16% annual y from $3.8 billion in

2013 to an expected $9.2 bil ion in 2019.

(KISTI, 2015)

• An increase demand for gas sensor to monitor

air quality for loT service in smart home and

smart city.

Gas sensor is the number one

priority that needs to be developed than

proximity sensor, temperature sensor, or dust

sensor. (IHS, 2014)

▣ Market Trend

□ Market Leaders

Product name

Product 

photo

Core technology

Efficiency

Note

MLV-P2 (Ams AG, 

Austria)

• Semiconductor

• MEMS type

Various VOC nonselective detection: 

alcohol, aldehyde, ketone, organic acid, 

amine, aliphatic hydrocarbons etc. 

Power consumption: 34mW (@320degree 

celcius active)

Low reation time

H2 / selective of humidity

TO-39 header / 9x9mm2 PCB

No private ROIC

• Early stage of 

commercialization

• Deliver wiggins 

home monitoring 

system 

TGS8100 (Figaro, 

Japan)

• Semiconductor

• MEMS type

Detect ethanol, H

2, CO, isobutane

Not selective of gas in low concentration 

(~1ppm) 

Power consumption: 15mW 

3.2x2.5x1.0mm3

Ceramic package

No private ROIC

• Early stage of 

commercialization

HCHO gas sensor 

(Synkera, US)

• Semiconductor

• Bulk sensor

• (다공성) nano 

detecting 

material

Lowest detected 250ppb

Power consumption: 250mW

Not selective of CO gas

TO-39 package

No private ROIC

• Research 

prototype 

development 

stage

HCHO gas sensor 

(ETRI, Korea)

• Semiconductor

• MEMS type

• (다공성) nano 

detecting 

material

• Digital interface 

HCHO lowest detected 60ppb

Power consumption: 15mW

Highly selective for ethanol and CO gas

Environment friendly (85 degree / 85%RH / 

100h sensitivity change <10%)

Private ROIC

• Research 

prototype 

development 

stage

• Commercialization 

and 


background image

7

§

Low-powered MEMS heater manufacturing technology

§

Technology of Precursor production detecting formaldehyde

§

Heat treatment method of metal oxide for formaldehyde sensing 

material 

§

Paste formulation for formaldehyde sensing material

§

Highly sensitive / selective formaldehyde gas sensor 

characteristics analysis

▶ loT environmental sensor

• Measure air quality in enclosed work 

space: Use low-powered gas sensor to 

wirelessly monitor harmful gases in water / 

electricity / gas underground facilities.

• Safety management system in subway: 

Measure air quality and dust level in 

subway stations and provide the 

information on electronic display.

• Air quality management for healthcare in 

schools: Monitor air quality of classrooms.  

Automatic ventilation when the air quality 

is at a certain level to provide a healthier 

and more comfortable learning 

environment.

• Eco-friendly air purifier to prevent sick 

building syndrome:  Use highly selective 

air purifier to prevent formaldehydes 

caused by sick building syndrome from 

new buildings, apartments, or furniture.

▣ Applications and Effects

▣ Scope of Technology Transfer