KR100441663B1 - 온도센서를 구비한 수소이온농도 측정센서 및 그측정센서를 구비한 수소이온농도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼형 베이스에 온도센서를 일체로 구비하여 수소이온농도의 검출은 물론 온도를 검출할 수 있는 복합센서로 구성됨으로써, 사용이 용이하고 소형화 할 수 있는 온도센서를 구비한 측정센서 및 그 측정센서를 구비한 수소이온농도 측정장치를 제공한다. 그 측정센서는 실리콘웨이퍼로 형성되고, 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 베이스; 베이스에 형성된 측정용 홈의 표면에 측정될 용액의 여기전압을 측정하기 위한 측정용 전극; 베이스의 기준용 홈의 표면에 부착되는 기준전극; 측정용 홈의 하부구멍에 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하기 위해 구비되는 감응막; 기준용 홈의 하부구멍에 측정대상 용액과 접촉하는 EDO필름; 및 용액의 수소이온농도의 측정시 온도를 측정하여 그 온도 의존성을 보상하기 위해 상기 베이스의 일측부상에 일체로 형성되는 온도센서를 포함한다. 또한, 본 발명은 그 측정센서를 구비하는 수소이온농도 측정장치를 제공한다.

Description

온도센서를 구비한 수소이온농도 측정센서 및 그 측정센서를 구비한 수소이온농도 측정장치{Micro pH sensor with temperature sensor for measuring pH with the micro pH sensor}

본 발명은 온도센서를 구비한 수소이온농고 측정센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소이온농도 측정센서를 구성하는 실리콘웨이퍼 베이스상에 온도센서를 일체로 구비시킨 측정센서에 관한 것이며, 또한 그 측정센서를 이용하여 측정시 변수로 작용하는 온도에 따른 측정값의 변화를 즉시 보정할 수 있는 온도보상기능을 갖는 수소이온농도 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수용액에 포함된 수소 이온 농도는 pH를 단위로 하여 1에서 14까지를 측정할 수 있다. 이 같은 수소이온농도를 측정하는데는 통상적으로 유리 전극을 이용하는 것이 가장 널리 이용되고 있다. 즉, 종래의 일반적인 용도로 사용되고 있는 이온농도 측정장치는 용액이 충전되는 2개의 장치는 기본적으로 수소이온농도를 측정하고자 하는 대상용액을 담기 위한 2개의 용기와, 각각의 용기에 배치되는 전극과, 각각의 용기의 용액을 연결하기 위한 염다리와, 각각의 전극을 연결하여 여기되는 전압차를 나타내기 위한 전압계를 구비하고 있다. 물론, 2개의 용기 중 하나는 용액의 수소이온을 감지할 수 있는 라임소다 유리로 형성되어 있다.

그러나, 전술된 바와 같은 일반적인 수소이온농도 측정장치는 검출 대상이 되는 용액중의 수소이온의 검출을 통하여 수소이온농도 값을 산정하는 것을 동작원리로 하는데 이때 검출대상 용액의 온도 변화는 검출결과에 오차요인으로 작용하게 된다. 이것은 용액중의 이온의 활동도가 온도에 의한 차이를 나타내기 때문인데 이러한 차이로 인하여 검출되는 수소이온농도 값의 오차가 발생하게 된다. 이는 용액에서 발생하는 수소이온농도 전위가 관련된 화학종의 활동도에 기인하기 때문에 발생하는 것으로서, 이러한 활동도는 결과적으로 용액의 온도에 따라 오차가 증가하는 추세를 보인다. 이것을 네른스트 방정식(Nernst Equipment)으로 나타내면 다음과 같다.

E=E⁰-(2.303RT/nF)log[Red]^b/[Ox]ⁿ

식 중, E⁰는 표준 수소전극이고, n은 인가 횟수이며, T는 절대온도이고, R은 가스상수이며, F는 패러데이 상수이다.

상기 네른스트 방정식에 나타난 바와 같이 활동도는 절대온도가 증가함에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있으며, 이러한 원인으로 인하여 측정되는 수소이온농도 결과 값은 결국 온도의 영향을 받게 된다.

결국, 종래의 수소이온농도 측정장치를 이용하여 용액의 수소이온농도를 측정하는 경우 전술된 바와 같이 온도의 변화에 영향을 받게 되므로 정확한 수소이온농도를 측정할 수 없는 문제점이 있다.

이와 같은, 문제점들을 극복하기 위한 시도로서, 종래의 수소이온농도 측정용 장치에서는 온도센서를 별도로 사용하여 용액중의 온도를 측정하고 이를 통하여 온도보상을 하는 방식을 취하고 있다. 예컨대, 종래의 수소이온농도 측정장치는 도1에 도시된 바와 같이, 검출대상용액이 담겨진 용기(1)와, 그 용기의 용액에 일부가 담겨지는 수소이온농도 측정용 유리전극(2)과, 그 유리전극에 연결되어 수소이온농도를 증폭시키기 위한 증폭기(3)와, 그 증폭기로부터의 수소이온농도를 임의로 처리하기 위한 중앙처리장치(4)와, 그 중앙처리장치에서 처리된 결과를 실험자 또는 작업자에게 제공하기 위한 디스플레이(5)를 구비하고 있다.

그러나, 이 같은 수소이온농도 측정장치에서 온도보상을 위해서는 별도의 부품들, 즉, 용기(1)의 용액에 침전되는 온도측정용 전극 또는 열전쌍(6)과, 그 열전쌍에서 측정된 온도를 증폭시켜 중앙처리장치(4)로 송출하기 위한 증폭기(7)를 부가적으로 구비하고, 이를 사용하여 유리전극 주위의 온도를 검출하는 방법을 사용하고 있지만, 이러한 방법은 별도의 온도 검출용 센서를 부가적으로 사용하거나 유리전극 주위에 온도 검출용 센서를 설치하여야 하므로 사용이 불편하고, 전체적인 수소이온농도의 검출장치의 크기가 커지며, 그 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 온도센서를 일체화하여 온도에 따른 측정값의 변화를 자동으로 보정할 수 있는 온도보상기능을 지니는 수소이온농도 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 마이크로 수소이온농도 측정센서의 제작공정중에 동일한 소자영역에 온도센서를 일체로 구성하여 온도의 검출을 자동으로 행할 수 있는 온도보상 기능을 지니는 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 수소이온농도의 측정뿐 아니라 온도보정 및 용액의 온도표시 기능을 동시에 지니도록 하여 센서의 출력 값의 보정 및 온도 값을 출력할 수 있는 온도보상기능을 지니는 수소이온농도 측정센서를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 유리막대형 수소이온농도 측정장치의 온도보상 방법을 보여주는 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 온도보상기능을 지니는 수소이온농도 측정장치에 적용되는 수소이온농도 측정센서의 평면도.

도 3은 도 2의 선Ⅲ-Ⅲ에 따른 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 수소이온농도 측정장치의 전체적인 구성을 보여주는 일부는 블록으로 표시한 구성도.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

1 : 수소이온농도 측정센서 10 : 베이스

12,14 : 홈 16,18 : 전극

20 : 감응막 24,26,30 : 출력전극

28 : 온도센서 32 : 검출회로

34 : 증폭기 38 : 중앙처리장치

40 : 디스플레이 42 : 차등 증폭기

이 같은 목적들은, 용액의 수소이온농도를 측정하기 위한 장치에 사용되는 수소이온농도 측정센서에 있어서, 실리콘웨이퍼로 형성되고, 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 베이스; 상기 베이스에 형성된 측정용 홈의 표면에 측정될 용액의 여기전압을 측정하기 위한 측정용 전극; 상기 베이스의 기준용 홈의 표면에 부착되는 기준전극; 상기 측정용 홈의 하부구멍에 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하기 위해 구비되는 감응막; 상기 기준용 홈의 하부구멍에 측정대상 용액과 접촉하는 EDO필름; 및 용액의 수소이온농도의 측정시 온도를 측정하여 그 온도 의존성을 보상하기 위해 상기 베이스의 일측부상에 일체로 형성되는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도측정기능을 구비한 수소이온농도 측정센서에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 2 및 3을 참조하면, 본 발명에 따른 온도센서를 구비한 수소이온농도 측정센서는 실리콘웨이퍼로 형성되는 것이 바람직한 베이스(10)를 구비한다. 그 베이스(10)에는 각각 하부가 개방된 측정용 홈(12) 과 기준용 홈(14)이 형성되며, 그 측정용 홈(12)의 경사진 표면에는 측정될 용액의 여기전압을 측정하기 측정용 전극(16)이 구비된다. 마찬가지로, 기준용 홈(14)의 표면에는 기준전극(18)이 구비된다. 그리고, 측정용 홈의 하부구멍은 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하기 위한 라임소다 글래스와 같은 감응막(20)에 의해 폐쇄된다. 또한, 기준용 홈의 하부구멍은 역시 측정대상 용액과 접촉하는 한천 또는 EDO 필름(22)에 의해 폐쇄된다. 물론, 도시되지는 않았지만, 각각의 홈(12,14)에는 각각의 전극과 접촉하고 각각 감응막 과 EDO필름과 독립적으로 접촉하는 NaCl과 같은 용액이 충전되어 있으며, 베이스의 상부는 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위해 에폭시와 같은 부재에 의해 밀봉된다. 또한, 각각의 전극, 즉, 측정용 전극(16)과 기준용 전극(18)에는 그로부터 검출되는 여기전압을 외부로 제공하기 위한 출력전극(24)(26)이 연결된다.

특히, 본 발명에 따른 온도보상기능을 갖는 수소이온농도 측정장치에 적용되는 측정센서에는 온도센서(28)가 일체로 구비된다. 이 온도센서(28)는 실리콘웨이퍼로 형성된 베이스(10)의 일측 상부표면에 부착되는 저항체인 것이 바람직하다. 그리고, 온도센서는 폴리실리콘(poly silicon)으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 와 같이, 폴리실리콘으로 형성된 저항체인 온도센서는 화학적 증기 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD)방식으로 베이스(10)의 절연층상에 증착되는 것이 바람직하다. 물론, 온도센서(28)에는 그 온도센서에서 검출되는 온도 값을 외부로 송신하거나 제공하기 위한 출력전극(30)이 연결된다.

한편, 상기 온도센서(28)는 그 센서를 구성하는 저항체의 저항영역에 흐르는 전류에 의한 발열효과를 이용하는 바, 이때 하나의 저항으로는 정확한 검출이 곤란한 경우가 예상될 수 있다. 이에, 온도센서(28)를 구성하는 기본적인 구동회로에 검출회로(32)를 부가하여 이를 통해 온도를 검출하게 하였다. 이 검출회로(32)는 브리지(bridge)형태로 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 브리지형태의 검출회로를 온도센서의 구동회로에 연결시킴으로써, 정확한 온도를 검출할 수 있는 것이다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 구성된 온도센서를 구비한 수소이온농도 센서를 이용하여 자동으로 온도를 보상하여 정확한 수소이온농도를 측정할 수 있는 수소이온농도 측정장치를 제공한다.

보다 상세히 설명하면, 수소이온농도 측정장치는 전술된 바와 같이 온도센서(28)를 구비한 수소이온농도 측정센서(1)를 구비한다. 통상적으로, 그 측정센서(1)에는 그 센서로부터 측정되는 수소이온농도를 증폭시키기 위한 증폭기(34)가 연결되고, 그 증폭기(34)에는 그 증폭기에서 증폭된 수소이온농도 값을 수집하여 증폭시키기 위한 수집증폭기(36)가 연결되며, 그 수집증폭기(36)에는 그로부터 증폭된 수소이온농도 값을 실험자 또는 작업자가 원하는 상태로 처리하기 위한 중앙처리장치(38)가 연결되며, 그 중앙처리장치에는 그로부터 처리된 출력 값을 실험자 또는 작업자에게 가시적으로 제공하기 위한 디스플레이(40)가 연결된다.

특히, 측정센서(1)에 구비된 온도센서(28)에는 검출회로(32)를 통해 차등증폭기(42)가 연결된다. 이 차등 증폭기(42)는 한편으로는 온도센서(28)에서 검출되는 온도값을 직접 수신하고 다른 한편으로는 브리지형으로 형성된 검출회로(32)를 통한 온도값을 수신하여 이를 상호 차등시켜 가장 정확한 실제적인 온도값을 증폭시켜 중앙처리장치(38)로 송신하는 역할을 한다.

한편, 검출회로(32)에는 그것의 원활한 기능 및 작동을 위해 전류공급원(44)이 연결되어 있어 전류를 공급하며, 또한 그 검출회로는 접지되는 것이 바람직하다.

전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 수소이온농도 측정장치를 이용하여 수소이온농도를 측정하는 방식 및 그 작용모드에 의하면, 측정센서(1)에 의해 검출된 수소이온농도 값은 예비 증폭기(34)에서 증폭되고, 이와 같이 증폭된 수소이온농도 값은 수집증폭기(36)에 수집되어 다시 증폭된 후 중앙처리장치(38)로 전달된다.

동시에, 측정센서(1)에 일체로 구비된 온도센서(28)에 의해 용액의 온도가 검출된다. 이와 같이 검출된 온도 값은 한편으로는 차등증폭기(42)에 직접 전달되고 다른 한편으로는 브리지형의 검출회로(32)를 통해 차등 증폭기에 전달된다. 차등증폭기에 전달된 각각의 온도 값은 상호 감쇠되어 외란이나 오프셋이 제거된 실제적인 온도 값을 산출하여 이를 증폭시킨다. 물론, 이 경우 검출회로에는 그것의 원활한 작용을 위해 전류공급원으로부터 전류가 공급된다. 이후, 차등증폭기(42)에서 증폭된 온도 값은 중앙처리장치(38)로 송신된다.

이후, 중앙처리장치(38)는 그 장치에 수신된 온도 값을 연산처리하고 보정하여 이 온도 값을 근거로 하여 수소이온농도 값을 최종적으로 설정한 후, 실험자 또는 작업자가 원하는 상태로 출력한다.

최종적으로, 중앙처리장치(38)에서 최종적으로 보정된 수소이온농도 값과 온도 값은 그 장치에 연결된 디스플레이(40)로 전달되어 실험자 또는 작업자에게 그 결과를 확인할 수 있는 것이다.

결국, 온도센서가 일체로 구비된 측정센서를 이용하여 수소이온농도를 측정하면, 측정될 용액의 수소이온농도와 온도를 동시에 측정할 수 있고, 그 온도를 보정할 수 있으며, 보정된 온도를 기준으로 수소이온농도를 보정할 수 있으므로, 간단하고 용이하게 수소이온농도를 정확히 측정할 수 있는 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 수소이온농도 측정센서에 의하면, 그 측정센서를 구성하는 웨이퍼형 베이스에 온도센서를 일체로 구비하여 수소이온농도의 검출은 물론 온도를 검출할 수 있는 복합센서로 구성됨으로써, 사용이 용이하고 소형화 할 수 있어 제품성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 마이크로 수소이온농도 측정센서의 제작공정 중 온도센서를 화학증착을 통해 간단하고 용이하게 제작할 수 있고, 추가적인 제작설비 및 공정이 필요없이 온도센서를 동시에 제작 할 수 있어 경제성 및 작업성이 향상되는 장점이 있다.

더욱이, 수소이온농도의 측정뿐 아니라 온도보정 및 용액의 온도표시 기능을 동시에 지니도록 하여 센서의 출력 값의 보정 및 온도 값을 출력할 수 있어 적용성 및 정확성이 향상되는 이점이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (3)

1. 실리콘웨이퍼로 형성되고, 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 베이스와, 상기 베이스에 형성된 측정용 홈의 표면에 측정될 용액의 여기전압을 측정하기 위한 측정용 전극과, 상기 베이스의 기준용 홈의 표면에 부착되는 기준전극과, 상기 측정용 홈의 하부구멍에 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하기 위해 구비되는 감응막과, 상기 기준용 홈의 하부구멍에 측정대상 용액과 접촉하는 EDO필름과, 용액의 수소이온농도의 측정시 온도를 측정하여 그 온도 의존성을 보상하기 위해 상기 베이스의 일측부상에 일체로 형성되는 온도센서를 포함하는 수소이온농도 측정센서에 있어서,

   상기 온도센서는 수소이온농도 측정시 열적 안정도를 위해 검출회로를 포함하며;

   상기 검출회로는 폴리 실리콘으로 형성된 브리지형 저항체로 이루어지며 화학적 증기 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD)방식으로 상기 베이스에 증착되는 것을 특징으로 하는 온도는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도측정기능을 구비한 수소이온농도 측정센서.
2. 삭제
3. 실리콘웨이퍼로 형성되고, 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준용 홈이 형성되는 베이스와, 상기 베이스에 형성된 측정용 홈의 표면에 측정될 용액의 여기전압을 측정하기 위한 측정용 전극과, 상기 베이스의 기준용 홈의 표면에 부착되는 기준전극과, 상기 측정용 홈의 하부구멍에 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하기 위해 구비되는 감응막과, 상기 기준용 홈의 하부구멍에 측정대상 용액과 접촉하는 EDO필름과, 용액의 수소이온농도의 측정시 온도를 측정하여 그 온도 의존성을 보상하기 위해 상기 베이스의 일측부상에 일체로 형성되는 온도센서와, 수소이온농도 측정시 열적 안정도를 위해 폴리 실리콘으로 형성된 브리지형 저항체로 이루어지며 화학적 증기 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD)방식으로 상기 베이스에 증착되는 검출회로를 구비하는 수소이온농도 측정센서;

   상기 측정센서에서 측정된 수소이온농도를 증폭시키기 위한 증폭기;

   상기 증폭기에서 증폭된 수소이온농도 값을 수집하여 증폭시키기 위한 수집증폭기;

   한편으로는 상기 측정센서의 온도센서에 직접 연결되어 온도센서에 의해 검출된 실제 온도 값을 수신하고 다른 한편으로는 상기 검출회로를 통한 온도 값을 수신하여 각각의 온도 값을 상호 차등시키고 증폭시키기 위한 차등 증폭기;

   상기 수집증폭기에서 증폭된 수소이온농도 값과 상기 차등증폭기에서 연산되어 증폭된 온도 값을 이용하여 보정된 수소이온농도 값 및 온도 값을 연산하고 보정하여 출력하기 위한 중앙처리장치; 및

   상기 중앙처리장치에서 설정되어 출력되는 출력 값을 가시적으로 제공하기 위한 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 지니는 수소이온농도 측정장치.