KR0141771B1 - 가스센서 및 그의 가스 검지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스센서 및 그의 가스 검지방법에 관한 것으로,종래 복합가스센서는 그 구조와 제조공정이 복잡하여 경제성이 떨어지며, 또한 감지막의 어느하나가 퇴화(degradation)될 경우전체 패턴이 달라지므로 신뢰성을 갖추기 어려울 뿐더러 하나의 소자 위에 여러가지 감지막이 나열되기 때문에 소자의 소형화가 어렵고 여러 감지막을 동시에 가열해 주어야 하므로 히터의 소비전력이 높은 단점이 있다. 또한, 종래 어레이 가스센서는 개별가스 각각에 대한 패턴을 인식함으로써 개별가스를 구별할 수 있으나 이러한 여러종류의 가스들이 혼재해 있을 경우 인식이 어려운 문제점이 있었다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 간단한 구조의 단일 가스센서를 제조하여 그 가스센서의 히터전압을 주기적으로 변환시키고, 그에 따라 감지되는 가스의 감도특성으로 여러가지 가스를 동시에 검지할 수 있도록 하는 가스센서 및 그의 가스검지방법을 제공하는 것이다.

Description

가스센서 및 그의 가스 검지방법

제1도는 종래 어레이 복합가스센서의 구조도.

제2도는 종래 가스센서의 NH₃, H₂S, C₁₀H₂₀O, C₈H₁₈에 대한 감도 패턴도.

제3도는 본 발명 가스센서의 단면 구조도.

제4도는 본 발명에 있어 히터전압에 따른 센서의 표면온도 표시도.

제5도는 본 발명 가스센서의 온도변화에 따른 (CH₃)₃N, CH₃SH, S₂H₅OH 가스의 감도특성도.

제6도의 (a)는 본 발명에 있어 히터 전압 변화도.

(b)는 (a)에 의한 감지부의 온도 변화도.

제7도의 (a) 내지 (c)는 본 발명 가스센서의 가스감지 패턴도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11:알루미나기판12:히터

13:전극14:감지막

본 발명은 가스센서 및 그의 가스 검지방법에 관한 것으로, 특히 간단한 구조의 단일가스센서를 제조하여 이를 이용해 여러가지 가스를 검지할 수 있도록 하는 가스센서 및 그의 가스검지방법에 관한 것이다.

일반적으로 가스센서는 여러가지 산화물반도체(SnO₂,ZnO등)를 이용하여 가스를 흡탈착 반응에 따른 전기전도도 변화에 의해 가스를 감지하고, 원하는 가스에 대한 선택성과 감도를 높이기 위하여 Pt, Pd등 귀금속 촉매를 첨가하기도 하였다.

그러나 단일 감지막을 이용하여 여러가지 가스를 동시에 감지하기 어렵기 때문에 여러가지 감지막을 하나의 기판위에 형성한 어레이(Array)가스센서를 이용하여 패턴인식법에 의한 신호처리를 통하여 여러가지 가스를 감지하였다.

제1도는 종래 어레이 복합가스센서의 구조도로서, 이에 도시된 바와 같이 알루미나기판(1) 뒷면에 히터(2)가 형성되고, 상기 알루미나기판(1)전면에 전극(3)이 형성되며, 그 전극(3) 위에 감지막(4)이 형성되어 구성되는 것으로, 상기 감지막(4)은 SnO_2,, SnO₂, SnO₂(Pd), ZnO, ZnO(Pt), WO₃, WO₃(Pt)로 각기 6종류로 구성된다.

이와 같이 구성되는 종래 어레이 복합가스센서는 먼저, 알루미나기판(1)의 뒷면에 백금(Ot)을 이용하여 히터(2)를 형성하고, 상기 알루미나기판(1) 전면에는 전극(3)을 형성한다.

그런다음 상기 전극(3) 위에 SnO_2,, SnO₂, SnO₂(Pd), ZnO, ZnO(Pt), WO₃, WO₃(Pt)의 감지막(4)을 형성하는데, 이 감지막(4)들은 모두 각각의 형성공정과 열처리공정이 필요하다.

이와 같이 형성된 어레이 복합가스센서는 기판(1)하부에 형성된 히터(2)를 적당한 온도로 일정하게 가열해 주면서 상기 기판(1) 상부에 형성된 감지막(4)의 저항변화를 제2도와 같이 측정하게 된다.

제2도의 (a) 내지 (d)는 NH₃, H₂S, C₁₀H₂₀O, C₈H₁₈가스에 대한 6가지 감지막(4)의 감도(Gi/Go; Gi는 10ppm 가스에 노출되었을 때의 전도도, Go는 공기상태의 전도도)패턴도를 나타낸 것으로,종래 어레이 복합가스센서는 이러한 패턴인식을 통하여 여러가지 가스를 감지하였다.

그러나 상기와 같은 종래 복합가스센서는 그 구조와 제조공정이 복잡하여 경제성이 떨어지며, 또한 감지막의 어느 하나가 퇴화(degradation)될 경우 전체 패턴이 달라지므로 신뢰성을 갖추기 어렵다.

그리고 하나의 소자 위에 여러가지 감지막이 나열되기 때문에 소자의 소형화가 어렵고 여러 감지막을 동시에 가열해 주어야 하므로 히터의 소비전력이 높은 단점이 있다.

또한, 어레이 가스센서는 개별가스 각각에 대한 패턴을 인식함으로써 개별가스를 구별할 수있으나 이러한 여러종류의 가스들이 혼재해 있을 경우 인식이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 간단한 구조의 단일 가스센서를 제조하여 그 가스센서의 히터전압을 주기적으로 변환시켜 가스의 감도특성에 다라 여러가지 가스를 동시에 검지할 수 있도록 하는 가스센서 및 그의 가스검지방법을 제공함에 그 목적이 있다.

일반적으로 감지막 표면에서 전자(electron)교환을 통해 감지막의 저항변화를 유발하는 여러 가스들은 각기 센서표면에서 일어나는 반응량이 온도에 따라 다르다고 알려져 있으며, 감지막의 종류와 촉매의 종류등 가스센서에 따라 반응량이 다르다.

본 발명은 이러한 특성을 이용하여 여러가지 가스를 검지하고자 한다.

본 발명은 기판하부에 히터부, 상부에는 전극과 감지부를 구비한 가스센서부와, 상기 가스센서부의 히터부에 주기적인 전압을 인가하는 전압인가부와, 상기 감지부의 저항변화패턴을 감지하여 특정가스를 검지해 내는 검지부로 구성되는 것으로, 이를 첨부한 도면을 실시예로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명 가스센서의 단면구조도로서, 이에 도시한 바와 같이 알루미나기판(11)하부에 히터(12)가 형성되고, 상기 알루미나기판(11) 상부에 전극(13)이 형성되며, 상기 전극(13) 위에 감지부(14)가 형성되어 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 가스센서는 다음과 같이 제조되어 진다.

먼저, 알루미나(Al₂O₃)기판(11) 후면에 백금(Pt)을 이용하여 히터(12)를 스크린 프린팅(Screen Printing) 방법으로 형성한 후 상기의 알루미나기판(11)전면에 백금 페이스트(Pt Paste)를 이용하여 전극(13)을 형성한다.

이후 1100℃에서 1시간 동안 열처리하여 상기 히터(12)와 전극(13)을 소결시킨다.

그런다음 상기 전극(12) 위에 감지막(14)을 상기 전극(13)과 같은 방법으로 형성한 후 600℃에서 1시간 동안 소결한다.

이 때, 상기 감지막(14)은 SnO₂에 Pd 촉매를 1wt% 첨가한 물질을 이용하여 형성한다.

그 다음 상기 히터(12)와 전극(13)에 백금을 와이어(wire)로 사용해 리드선(Lead Wire)을 형성한다.

이와 같이 제조되는 본 발명 단일 가스센서의 동작 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명 가스센서의 히터(12)에 전압을 인가하여 가열할 경우 알루미나기판(11) 상부의 온도는 제4도와 같이 나타나는데, 이는 히터(12)의 인가전압을 조절하여 고온(약 550℃)까지 제어할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 본 발명에서 제조된 감지막의 온도에 따른 가스감지특성은 제5도와 같이 나타난다.

일반적으로 감지막 표면에서 전자(electron)교환을 통해 감지막의 저항변화를 유발하는 여러 가스들은 각기 센서표면에서 일어나는 반응량은 온도에 따라 다르게 나타나며, 또한 감지막의 종류와 촉매의 종류등 가스센서에 따라 반응량이 다르게 나타난다.

제5도는 본 발명 감지막(SnO₂-Pd 1wt%)(14)의 CH₃SH, (CH₃)₃N, C₂H₅OH 가스에 대하여 온도에 따른 감도변화를 나타낸 것이다.

제5도에서 보는 바와 같이 각각의 가스들은 제각기 감도가 가장 높은 즉, 반응이 가장 활발하게 일어나는 온도가 있음을 알 수 있다.

이와 같은 결과를 가지고 본 발명 단일가스센서를 제6도와 같이 동작시키게 된다.

제6도의 (a)는 본 발명에 있어 히터 전압 변화도를 나타내며, 제6도의 (b)는 (a)에 의한 감지부의 온도 변화도를 나타낸 것으로, 제6도의 (a)와 같이 적당한 시간을 주기로 하여 히터(12)의 전압을 변화시키면 가스센서의 표면온도는 제6도의 (b)와 같이 주기적으로 변화된다.

이와 같이 센서의 온도를 주기적으로 변화시키면서 감지막(14)의 저항변화를 측정하면 제5도에 나타낸 CH₃SH, (CH₃)₃N, C₂H₅OH 가스에 대하여 반응이 잘 일어나는 온도구간을 지날 때 제7도에서와 같이 높은 감도패턴이 나타난다.

즉, 제7도의 (a)는 가스센서가 CH₃SH가스에 노출될 경우의 패턴모양을 주기적으로 표시한 것이다.

여기서 보는 바와 같이 CH₃SH 가스는 300℃에서 높은 감도를 나타내기 때문에 주기적으로 변화되는 센서의 온도가 300℃ 구간을 통과할 때 마다 피크치를 보이면서 (a)와 같은 패턴모양으로 나타나게 된다.

한편, 제7도의 (b)는 가스센서가 (CH₃)₃N 가스에 노출될 경우의 패턴모양을 주기적으로 표시한 것이고, 제7도의 (c)는가스센서가 C₅H₅OH 가스에 노출될 경우의 패턴모양을 주기적으로 표시한 것이다.

이와 같이 히터의 인가전압을 조절하여 가스센서의 표면온도에 대한 감지부의 감지패턴 모양을 판별함으로써 가스의 종류를 판단할 수 있으며 여러가지 가스가 혼재해 있을 경우에도 파형의 모양을 인식하여 감지가 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 있어 가스감지소자를 박막형으로 제조할 경우 낮은 소비전력으로 온도조절이 용이할 뿐아니라 열 손실이 적어 히터가열 주기를 줄일 수 있다.

또한 가스 감지막을 SnO₂외에 ZnO, WO₃, Fe₂O₃등에 촉매(Pd 또는 Pt)를 0.1~2wt% 정도 첨가하여 형성함으로써 다른 가스 즉, CO, H₂, CH₄, C₃H₈등을 감지할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 간단한 구조의 가스센서를 제조하고, 이 가스센서를 이용하여 여러가지 가스를 선택성있게 감지할 수 있으며, 구조와 제조공정이 간단하여 경제적이며, 소형 및 집적화가 가능한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 기판하부에 히터부, 상기 기판상부에 전극 및 감지부가 형성된 단일가스센서로 가스를 검지하는 방법에 있어서, 상기 히터부에 주기적으로 전압을 인가하는 것에 의해 상기 감지부의 온도를 주기적으로 제어하여 그 감지부의 저항변화패턴으로 특정가스를 검지하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 가스 검지방법.
2. 제1항에 있어서, 감지부의 온도가 150℃~500℃로 주기적으로 변화되도록 히터부에 전압을 가하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 가스 검지방법.
3. 기판하부에 히터부, 상부에는 전극과 감지부를 구비한 가스센서부와, 상기 가스센서부의 히터부에 주기적인 전압을 인가하는 전압인가부와, 상기 감지부의 저항변화패턴을 감지하여 특정가스를 검지해 내는 검지부로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 가스센서.
4. 제3항에 있어서, 감지부는 SnO₂, ZnO, WO₃, Fe₂O₃중 하나에 촉매를 0.1~2wt% 첨가하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스센서.
5. 제4항에 있어서, 촉매는 Pd,Pt 중 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 가스센서.