KR100205384B1 - 적외선 센서 및 그의 온도 보상방법 - Google Patents

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Abstract

센서 자체에서 온도를 보상할 수 있는 적외선 센서 및 그의 온도 보상방법에 관한 것으로, 적외선 센서는 기판, 기판상에 형성되는 다이아프레임, 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 측정대상물에서 방사되는 적외선과 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 1 센서, 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 제 1 센서에 연결되어 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 2 센서, 제 1, 제 2 센서를 포함한 기판 전면을 보호하는 하우징, 제 1, 제 2 센서 상부의 하우징에 부착되어 적외선을 투과시키는 적외선 필터, 측정대상물에서 방사되는 적외선을 제 1 센서로 반사시키는 반사경으로 구성되며, 적외선 센서의 온도 보상방법은 제 1 센서에 측정대상물에서 방사되는 적외선을 입사시킴과 동시에 상기 제 1, 제 2 센서에 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 입사시키고 제 1, 제 2 센서에서 각각 입사되는 적외선을 센싱한 후, 측정대상물 이외의 영역에서 입사되는 적외선을 제 1, 제 2 센서 자체에서 온도 보상하여 측정대상물의 온도 성분만을 출력함으로써 회로 구성이 간단하고 제조단가를 낮출 수 있다.

Description

적외선 센서 및 그의 온도 보상방법
본 발명은 적외선 센서에 관한 것으로, 특히 센서 자체에서 온도를 보상할 수 있는 적외선 센서 및 그의 온도 보상방법에 관한 것이다.
일반적으로, 온도를 측정하는 것은 냉온방이나 조리 등과 같이 우리의 생활과 밀접한 관계를 가지고 있다.
물론 민생용이나 산업용에서의 필요성은 두말 할 필요도 없다.
한편, 온도 측정 방법으로는 접촉식(contact type)과 비접촉식(non-contact type)으로 분류할 수 있다.
그러나, 일반적으로 온도를 측정한다고 하는 것은 대부분이 접촉식으로 하는 것이고 비접촉식은 접촉이 불가능한 경우의 보조수단에 지나지 않는다.
예를 들어, 비접촉식은 회전하는 측정대상물, 이동하는 측정대상물, 매우 고온이어서 접촉할 수 없는 측정대상물 등의 경우에만 한정하여 사용되어 왔다.
그리고, 비접촉식은 값이 비싸고 취급이 어렵기 때문에 비접촉식보다 접촉식이 널리 사용되고 있다.
그러나, 최근에는 비접촉식의 수요가 증가하고 있으며, 특히 0∼300℃ 정도의 비교적 저온영역의 측정에 있어서는 간단하고 저가인 방사온도계에 대한 요구가 커지고 있다.
이러한 비접촉식인 방사온도계는 회로 구성을 간단히 할 수 있고 방사온도계에 사용되는 적외선 센서(IR sensor)를 종래보다 값싸게 구입할 수 있게 되어 접촉식보다 더 경제적으로 되었다.
현재, 적외선 센서로는 광기전력 효과(photovoltaic effect)나 광전도 효과(photoconductive effect)를 이용한 양자형(photonic type) 센서와 볼로미터(bolometer), 초전 센서(pyroelectric sensor), 써모파일 센서(thermopile sensor)와 같은 열형(thermal type) 센서가 있다.
양자형 센서는 입사파(incident radiation)가 전자를 여기(excite)시켜 센서의 전기적 특성을 변화시키는 것을 이용하는 것으로서, 일반적으로 선택된 파장범위에서 감지성능이 매우 뛰어나고 빠른 응답 특성(responsivity)를 나타내고 있다.
그러나, 아직 관련 제조 기술(process technology)이 확립되어 있지 못하고 가격이 비싸며 소정의 적외선 감도를 얻기 위해서는 액체질소(liquid-N2)온도 이하에서 동작시켜야 하는 단점이 있다.
따라서, 상업적 및 산업적으로 적외선 센서를 이용하기 위해서는 냉각이 필요없고 값이 싸며 신뢰성 있는 소자가 필요하게 되었다.
최근 이러한 특징을 만족시킬 수 있는 열형 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이런 연구 결과로, 가시 이미지(visible image)로는 알 수 없는 물체에 대한 유용한 정보를 제공함으로써 생산 시험(production examination), 공정 모니터링(process monitoring), 비접촉 및 비파괴 시험(non-contact non-destructive testing) 등과 같은 분야에 사용할 수 있는 소자가 개발되었다.
이러한 소자들 중 현재까지 가장 뛰어난 재료로는 (Hg,Cd)Te 이 있지만, 대량생산을 위한 제조기술이 아직 성숙되어 있지 못하여 기판의 균일도가 문제로 되고 있다.
따라서, 상기의 문제들을 만족시키면서 확립되어 있는 반도체 공정으로 제작이 가능한 써모파일 센서가 활발하게 연구되고 있다.
이 써모파일 센서란 두가지 서로 다른 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고 다른쪽은 떼어놓는(open) 구조로 형성하여 이 접점부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생한다는 제백효과(Seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지하는 센서를 말한다.
써모파일 센서는 직류방사(DC radiation)에 대하여 안정된 응답특성을 나타내며 넓은 적외선 스펙트럼에 응답하고 바이어스 전압이나 바이어스 전류가 필요없는 장점을 가지고 있다.
이 써모파일 센서의 동작원리는 "모든 물체는 절대온도의 4승에 비례하는 에너지를 표면으로부터 방사한다"고 하는 스테판-볼츠만의 법칙(Stefan-Boltzmann's law)에 근거를 두고 있다.
즉, 물체의 절대온도를 T, 물체에서 방사되는 에너지를 P, 방사율을 ε이라 하면 P∝εσT4과 같이 된다.
이때, σ는 스테판-볼츠만 상수(5.67×10-8Wm-2K-4)이다.
결국, 써모파일 센서는 T4에 비례하는 에너지를 검출하여 온도를 측정하는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 써모파일 센서에 입사되는 에너지를 보여주는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 써모파일 센서(1)에 입사되는 에너지는 측정대상물(2)로부터 방사되는 에너지(A), 측정대상물(2) 주위의 온도에 의해 발생한 에너지가 측정대상물(2)에 반사되어 써모파일 센서(1)로 입사되는 에너지(B), 센서 패키지(3) 주위의 온도에 의해 센서 패키지(3)의 캡에서 방사되어 써모파일 센서(1)로 입사되는 에너지(C), 센서 패키지(3)를 통한 열전도(D), 그리고 써모파일 센서(1) 자체에서 방사되는 에너지(E) 등이 있다.
따라서, 고온인 측정대상물(2)을 측정하는 경우, 써모파일 센서(1)의 출력은 상기에 설명한 수식 P∝εσT4에 따라서 측정대상물(2) 온도(T)의 4승에 비례한 값이 얻어진다.
하지만, 저온인 측정대상물(2)을 측정하는 경우, 써모파일 센서(1)의 출력은 수식 P∝εσT4에 따른 측정대상물(2)의 온도(T)값이 얻어지지 않는다.
그 이유는 스테판-볼츠만의 법칙에 의한 측정대상물(2)로부터 써모파일 센서(1)에 입사되는 에너지(A) 뿐만 아니라 써모파일 센서(1) 자신도 동일한 법칙에 의해 에너지(E)를 방사하기 때문이다.
이것을 수식으로 표현하면 P∝σ(εT4+ RTS 4- T0 4)과 같이 된다.
이때, T0는 써모파일 센서 자체의 온도이고, TS는 측정대상물 주위의 온도이며, R은 반사율이다.
즉, 측정대상물(2)의 온도(T)가 써모파일 센서 자체의 온도(T0)보다 매우 높은(T≫T0) 고온영역에서는 상기 수식에서 T0 4을 무시할 수 있으므로 측정대상물(2)의 온도를 측정할 수 있지만 측정대상물(2)의 저온영역에서는 T0 4을 무시할 수 없으므로 측정대상물(2)의 온도를 정확히 측정할 수 없다.
그러므로 이러한 T0 4와 같은 성분을 보상하기 위하여 종래에는 센서의 온도를 검출하여 회로적으로 보상하는 방법과 센서를 항온조와 같은 곳에 넣어서 센서의 온도를 항상 일정하게 유지하는 방법을 사용하였다.
현재는 회로적으로 보상하는 방법을 널리 이용하고 있다.
도 2 및 도 3은 종래기술에 따른 써모파일 센서의 온도 보상을 보여주는 블록구성도 및 회로구성도로서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 측정대상물의 온도를 감지하는 써모파일 센서(11)와, 써모파일 센서(11)의 출력신호를 증폭하는 센서 증폭부(12)와, 측정대상물의 주위온도를 감지하는 온도보상 소자(13)와, 온도보상 소자(13)의 출력신호를 증폭하는 온도 보상부(14)와, 센서 증폭부(12)와 온도 보상부(14)의 출력신호들을 가산하여 출력하는 가산 출력부(15)와, 센서 증폭부(12)와 온도 보상부(14) 및 가산 출력부(15)에 전원을 인가하는 정전압 전원부(16)로 구성된다.
이때, 온도보상 소자(13)는 써미스터(thermistor) 또는 다이오드(diode)를 사용한다.
이와 같이, 온도보상 회로를 구성하여 측정대상물 주위의 온도를 보상함으로써, 원하는 측정대상물의 온도를 측정할 수 있었다.
그러나, 종래 기술에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 온도 보상을 위한 회로 구성이 복잡하고 제조단가가 높다.
둘째, 써모파일 센서의 감도가 클 경우, 온도보상 소자의 출력도 큰 영향을 받게 되므로 원할한 보상을 위해서는 온도보상 소자와 비슷한 출력특성을 갖도록 써모파일 센서의 감도를 낮추어야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 센서 자체에서 온도를 보상하여 회로 구성이 간단하고 제조단가를 낮출 수 있는 적외선 센서 및 그의 온도 보상 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 온도 보상에 따른 센서의 감도 저하 문제를 해결할 수 있는 적외선 센서 및 그의 온도 보상 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 써모파일 센서에 입사되는 에너지를 보여주는 도면
도 2는 종래기술에 따른 써모파일 센서의 온도 보상을 보여주는 블록구성도
도 3은 종래기술에 따른 써모파일 센서의 온도 보상을 보여주는 회로구성도
도 4는 본 발명에 따른 적외선 센서의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도
도 5는 본 발명에 따른 적외선 센서의 패키지를 보여주는 단면도
도 6은 본 발명과 종래의 적외선 센서의 출력 특성을 비교한 그래프
도 7은 본 발명에 따른 적외선 센서를 보여주는 블록구성도
도 8은 본 발명에 따른 적외선 센서를 보여주는 회로구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
21 : 기판22 : 다이아프레임
23 : 적외선 측정용 써모파일 센서24 : 온도 보상용 써모파일 센서
25 : 제 1 열전쌍 물질26 : 제 2 열전쌍 물질
27 : 패드28 : 흑체
29 : 하우징30 : 적외선 필터
31 : 반사경
본 발명에 따른 적외선 센서는 기판과, 기판상에 형성되는 다이아프레임과, 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 측정대상물에서 방사되는 적외선과 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 1 써모파일 센서와, 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 제 1 써모파일 센서에 연결되어 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 2 써모파일 센서와, 제 1, 제 2 써모파일 센서를 포함한 기판 전면을 보호하는 하우징과, 제 1, 제 2 써모파일 센서 상부의 하우징에 부착되어 적외선을 투과시키는 적외선 필터와, 측정대상물에서 방사되는 적외선을 제 1 써모파일 센서로 반사시키는 반사경으로 구성됨을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적외선 센서의 다른 특징은 제 1 써모파일 센서와 제 2 써모파일 센서가 서로 동일한 극성끼리 직렬로 연결되는데 있다.
본 발명에 따른 적외선 센서의 또 다른 특징은 제 1 써모파일 센서와 제 2 써모파일 센서가 서로 대칭으로 형성되는데 있다.
본 발명에 따른 적외선 센서의 온도 보상방법은 제 1 써모파일 센서에 측정대상물에서 방사되는 적외선을 입사시킴과 동시에 상기 제 1, 제 2 써모파일 센서에 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 입사시키는 스텝과, 제 1, 제 2 써모파일 센서에서 각각 입사되는 적외선을 센싱하는 스텝과, 측정대상물 이외의 영역에서 입사되는 적외선을 제 1, 제 2 써모파일 센서 자체에서 온도 보상하여 측정대상물의 온도 성분만을 출력하는 스텝을 구비함에 그 특징이 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 적외선 센서 및 그의 온도 보상방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 적외선 센서의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 적외선 센서는 실리콘 기판(21)상의 소정영역에 형성되는 다이아프레임(diaphragm)(22)과, 다이아프레임(22)상의 소정영역에 대칭으로 형성되는 적외선 측정용 써모파일 센서(23)와 온도 보상용 써모파일 센서(24)로 구성된다.
그리고, 각각의 적외선 측정용 써모파일 센서(23)와 온도 보상용 써모파일 센서(24)는 제 1 열전쌍 물질(25)과 제 2 열전쌍 물질(26)이 직렬로 연결되고 기판(21) 및 다이아프레임(22)상의 소정영역에 걸쳐 형성되는 열전쌍(therocouple)과, 기판(21)의 소정영역에 형성되어 열전쌍에 연결되는 패드(27)와, 제 1 열전쌍 물질(25)과 제 2 열전쌍 물질(26)이 접점(junction)되는 다이아프레임(22)상에 형성되고 적외선을 흡수하는 흑체(black body)(28)로 구성된다.
이때, 열전쌍의 제 1, 제 2 열전쌍 물질(25,26)은 큰 열기전력(thermo- electric power)을 가지며, 열기전력이 반대의 극성을 갖는 서로 다른 물질로 형성된다.
또한, 적외선 측정용 써모파일 센서(23)와 온도 보상용 써모파일 센서(24)는 서로 동일한 극성끼리 직렬로 연결된다.
즉, 동일한 극성을 갖는 적외선 측정용 써모파일 센서(23)의 제 1 열전쌍 물질(25)과 온도 보상용 써모파일 센서(24)의 제 1 열전쌍 물질(25)을 연결시키거나 또는 동일한 극성을 갖는 적외선 측정용 써모파일 센서(23)의 제 2 열전쌍 물질(26)과 온도 보상용 써모파일 센서(24)의 제 2 열전쌍 물질(26)을 연결시킴으로써, 각 센서(23,24)는 서로 극성이 반대가 된다.
그리고, 도 5는 본 발명에 따른 적외선 센서의 패키지를 보여주는 단면도로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 구조를 살펴보면 적외선 측정용 써모파일 센서(23)와 온도 보상용 써모파일 센서(24)가 서로 대칭적으로 형성된 기판(21) 전면을 보호하는 하우징(29)과, 적외선 측정용 써모파일 센서(23)과 온도 보상용 써모파일 센서(24) 상부의 하우징(29)에 부착되어 적외선을 투과시키는 적외선 필터(30)와, 측정대상물에서 방사되는 적외선을 적외선 측정용 써모파일 센서(23)로 반사시키는 반사경(31)으로 구성된다.
이때, 적외선 필터(30)를 온도 보상용 써모파일 센서(24) 상부에도 형성하는 이유는 온도 보상용 써모파일 센서(24) 자체에서 방사하는 적외선이 빠져나가도록 하기 위해서이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 적외선 센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 측정하고자 하는 대상물에서 방사되는 적외선이 반사경(31)에 반사되어 적외선 측정용 써모파일(23)에만 입사되도록 함과 동시에 측정하고자 하는 대상물을 제외한 영역에서 방사되는 적외선(측정하고자 하는 대상물 주위의 온도로 인하여 발생하는 에너지, 패키지를 통한 열전도 등)이 적외선 측정용 써모파일 센서(23)와 온도 보상용 써모파일 센서(24)에 똑같이 입사되도록 한다.
그리고, 각 센서(23,24)는 입사되는 적외선을 센싱하고 측정하고자 하는 대상물 이외의 영역에서 입사되는 적외선을 센서(23,24) 자체에서 온도 보상하여 측정하고자 하는 대상물의 온도 성분만을 출력한다.
즉, 극성이 서로 반대인 두 센서(23,24)는 직렬로 연결되었기 때문에 적외선 측정용 써모파일 센서(23)의 출력값에서 온도 보상용 써모파일 센서(24)의 출력값이 제거되므로 최종 출력값은 측정하고자 하는 대상물의 온도 성분만을 나타내게 된다.
도 6은 본 발명과 종래의 적외선 센서의 출력 특성을 비교한 그래프로서, A는 본 발명에 따른 적외선 센서의 출력을 보여주는 그래프이고, B와 C는 종래 기술에 따른 적외선 센서의 출력을 보여주는 그래프이다.
이때, B는 센서의 감도가 작은 경우이고, C는 센서의 감도가 큰 경우이다.
도 6에 도시된 바와 같이, A는 B와 C에 비하여 측정하고자 하는 대상물 이외의 영역에서 발생하는 온도 변화에 관계없이 온도 보상이 완벽한 출력 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 적외선 센서를 보여주는 블록구성도 및 회로구성도로서, 종래의 적외선 센서와 비교해 볼 때, 종래의 적외선 센서와 같이 온도 보상부, 가산출력부가 필요 없이 센서 증폭부와 정전압 전원부만으로 간단하게 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 센서 및 그의 온도 보상방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 적외선 센서 자체에서 온도 보상이 이루어지므로 별도의 온도 보상 회로 및 가산 회로가 필요하지 않아 회로 구성이 간단하고 제조단가를 낮출 수 있다.
둘째, 하나의 칩위에 적외선 측정용 센서와 온도 보상용 센서를 함께 형성함으로써, 높은 출력 전압을 유지하면서 뛰어난 온도 보상 성능을 가지며 종래의 문제점인 센서의 감도 저하 문제를 해결할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 다이아프레임;
    상기 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 측정대상물에서 방사되는 적외선과 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 1 센서;
    상기 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 상기 제 1 센서에 연결되어 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 2 센서로 구성됨을 특징으로 하는 적외선 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 센서는 써모파일 센서임을 특징으로 하는 적외선 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 센서와 제 2 센서는 서로 동일한 극성끼리 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 적외선 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 센서와 제 2 센서는 서로 대칭으로 형성됨을 특징으로 하는 적외선 센서.
  5. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 다이아프레임;
    상기 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 측정대상물에서 방사되는 적외선과 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 1 써모파일 센서;
    상기 다이아프레임상의 소정영역에 형성되고 상기 제 1 써모파일 센서에 연결되어 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 감지하는 제 2 써모파일 센서;
    상기 제 1, 제 2 써모파일 센서를 포함한 기판 전면을 보호하는 하우징;
    상기 제 1, 제 2 써모파일 센서 상부의 하우징에 부착되어 적외선을 투과시키는 적외선 필터;
    상기 측정대상물에서 방사되는 적외선을 상기 제 1 써모파일 센서로 반사시키는 반사경으로 구성됨을 특징으로 하는 적외선 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 써모파일 센서와 제 2 써모파일 센서는 서로 동일한 극성끼리 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 적외선 센서.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 써모파일 센서와 제 2 써모파일 센서는 서로 대칭으로 형성됨을 특징으로 하는 적외선 센서.
  8. 동일 기판상에 제 1, 제 2 써모파일 센서를 갖는 적외선 센서에서,
    상기 제 1 써모파일 센서에 측정대상물에서 방사되는 적외선을 입사시킴과 동시에 상기 제 1, 제 2 써모파일 센서에 측정대상물 이외의 영역에서 방사되는 적외선을 입사시키는 제 1 스텝;
    상기 제 1, 제 2 써모파일 센서에서 각각 입사되는 적외선을 센싱하는 제 2 스텝;
    상기 측정대상물 이외의 영역에서 입사되는 적외선을 상기 제 1, 제 2 써모파일 센서 자체에서 온도 보상하여 상기 측정대상물의 온도 성분만을 출력하는 제 3 스텝을 구비함을 특징으로 하는 적외선 센서의 온도 보상방법.
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