KR100959088B1 - 광학적 가스 센서 및 광 공동 - Google Patents

광학적 가스 센서 및 광 공동 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적 가스 센서와 광학적 가스 센서에 사용되기 위한 광 공동(챔버)에 관한 것으로서, 광 경로의 유효 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조를 간단히 할 수 있으며 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없는 광학적 가스 센서 및 광 공동을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서는 광원(11)과 수광소자(20) 사이에 격벽(41,42)를 위치시키며, 상기 격벽(41,42)은 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 하여, 광 경로의 유효 길이를 획기적으로 증가시킨다.
본 발명은 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 관한 것으로서, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11); 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20); 상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30); 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
가스 센서, 광 공동, 반투과성, 격벽, 실리콘, 경면

Description

광학적 가스 센서 및 광 공동{Optical gas sensor and optical cavity for the gas sensor}
본 발명은 광학적 가스 센서와 이에 사용되는 광 공동에 관한 것이다. 보다 상세하게는 비분산 적외선(Non-Dispersive Infra-Red, NDIR) 가스 센서와 이에 사용되는 광 공동에 관한 것이다.
기체 분자들은 각기 진동에너지 양자에 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수하는 성질이 있는데, 대체로 적외선 영역의 빛을 진동에너지로 흡수한다. 이와 같은 이유로 CO2, CO, CH4, C3H8 등은 각각 독특한 적외선에 대한 흡수 스펙트럼을 갖는 데, 예를 들어 CO2는 4.25㎛, CO는 4.7㎛, CH4는 3.3㎛의 파장을 흡수하며, 빛을 흡수하는 정도는 해당 기체의 농도에 따라 달라진다. 이때, 어떤 파장에서 빛이 흡수되는 정도인 흡광도 A(λ)는 다음의 Beer-Lambert 식에 의해 정해진다.
Figure 112008024412207-pat00001
·······수식 (1)
여기서 A(λ)는 흡광도, E(λ)는 흡수계수, b는 투과거리, C는 가스농도를 나타낸다. 흡수계수 E(λ)는 파장(λ)의 함수이므로 흡수계수 E(λ)가 크게 되는 파장을 선택함으로써 흡광도 A(λ)를 크게 할 수 있다. 한편, 흡광도 A(λ)는 빛의 투과 거리 b와 가스농도 C에 비례하는 데, 흡광도 A(λ)가 가스농도 C에 비례하는 정도를 크게 하려면, 투과거리 b가 큰 값을 가지는 것이 좋다. 그리고 흡광도 A(λ)는 아래 수식(2)의 관계를 가진다.
Figure 112008024412207-pat00002
····수식(2)
I0(λ)는 기준광의 세기, I(λ)는 측정광의 세기를 각각 나타낸다. 기준광의 세기 I0(λ), 흡수계수 E(λ), 및 투과거리 b를 알 고 있는 상태에서 광의 세기[I(λ)]를 측정함으로써 가스의 농도를 알 수 있는 것이다. 그리고 흡수계수 E(λ)는 파장(λ)의 함수이므로, 흡수계수 E(λ)가 충분히 큰 단색광을 측정 가스에 통과시켜 투과된 빛의 세기 감소를 측정함으로써 다른 가스의 간섭이 없이 측정 대상 가스만의 농도를 알 수 있다.
Beer-Lambert의 법칙에 의하면 광의 흡수도(상기 수식(1) 및 수식(2)에서 흡광도 A(λ)를 나타낸다)는 가스농도 C와 광의 투과거리 b에 비례함을 알 수 있는 데, 광의 흡수도를 높이기 위해 그 길이 b를 증가시켜야 한다. 그러나 이 경우 장치의 길이가 길어지게 되므로 기구의 물리적인 외형의 길이를 증대시키지 않고 광경로만을 증가시키려는 연구가 계속되어 지고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광학적 가스 센서의 일 예를 개념적으로 도시한 것이다. 종래 기술에 따르면, 제한된 크기의 광 공동(챔버) 내에서 상대적으로 긴 광 경로를 제공하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 세개의 타원형 반사면을 배치한 형 태를 가진다. 광 도입구(5)로부터 광이 도입되고 난 후 광선(50)은 반사 경면(12A)에서 반사되어 광선(51)이 되며, 광선(51)은 반사 경면(10A)에서 반사되어 광선(52)가 되며, 광선(52)는 반사 경면(13A)에 반사되어 광선(53)이 되며, 광선(53)은 다시 경면(10A)에 반사되어 광선(54)가 되며 광선(54)는 반사 경면(12A)에 반사되어 광선(55)가 된다. 광선(55)는 광 사출구(6)을 통하여 적외선 센서(미도시)에 도달한다. 종래 기술의 일 예에 따른 광학적 가스 센서는 유효 광 경로를 증대시킬 수는 있으나, 이러한 가스센서의 공동은 세 개의 반사면으로 구성되어 있어 그 구조가 복잡한 문제점이 있으며, 광 도입구(5)로부터 도입되는 광의 입사각에 미소한 변화가 있어도 광 사출구(6)의 정확한 위치에 큰 변화를 가져 오므로, 광 도입구(5)에 광을 도입하는 입사각을 정확히 얼라인 시켜야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조가 간단한 광학적 가스 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조가 간단한 광학적 가스 센서를 위한 공동(챔버)을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없는 광학적 가스 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없는 광학적 가스 센서를 위한 공동(챔버)을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 관한 것으로서, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11); 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20); 상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30); 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 사용되기 위한 광 공동에 관한 것으로서, 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11)으로부터 상기 빛을 수광하는 수광소자(20)까지 빛이 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30); 상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 적어도 일 측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있으며, 하나 또는 둘 이상으로 된 격벽(41,42,43);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 광학적 가스 센서 또는 광 공동에 있어서 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 그 구조를 간단히 할 수 있게 된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 광학적 가스 센서 또는 광 공동에 있어서 광 경로의 길이를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 광 경로의 정확한 얼라인이 필요 없게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 개념적 이해를 위한 도면일 뿐이므로, 광학적 가스 센서를 이루는 각 구성 요소의 구체적 크기 비는 도 2의 도시 내용과 상이하여도 되며, 각 구성 요소의 상대적 위치도 정확히 도 2와 같이 구성될 필요는 없다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서(1)는 빛을 공급하는 광원(11)과 빛을 수광하는 수광소자(20)을 구비한다. 광원(11)은 특정의 파장 대역을 포함하는 빛을 발생시킨다. 광원(11)이 방사하는 특정의 파장 대역은 측정 대상이 되는 가스와 관련되며, 측정 대상이 되는 가스의 파장별 흡수 계수를 참고하여 빛의 파장 대역이 결정될 수 있다. 측정 대상이 되는 가스는 예를 들면, CO2, CO, CH4, C3H8 가 될 수 있다. 광원(11)은 상기 특정의 파장 대역만을 가진 빛을 발생시킬 수도 있고 상기 특정의 파장 대역과 다른 대역을 모두 가진 빛을 발생시킬 수도 있다. 광원(11)은 예를 들면, LED(Light Emitting Diode) 및 LD(Laser Diode)와 같은 것과, 텅스텐, 글로버, 네른스트글로버, 원적외선용 고압수은등과 같은 것이다. 수광소자(20)는 수광부(21)을 포함하며, 수광부(21)를 통하여 상기 특정 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 소자이다. 수광소자(20)가 수광할 수 있는 빛의 파장 대역은 적어도 상기 특정의 파장 대역을 포함한다. 수광소자(20)로서는 예를 들면, PD(Photo Diode), 초전센서 또는 써모파일(thermopile)을 사용할 수 있다. 그리고 수광소자(20)와 인접하여 대역통과필터(23)를 구비할 수도 있다. 대역통과필터(23)는 상기 특정 파장 대역의 빛을 통과시키며 그 외 파장 대역의 빛은 차단한다. 광원(11) 자체가 특정 대역의 파장만을 발생시키는 것이라면, 대역통과필터(23)는 필수적인 아닐 수도 있으며, 도2에서는 대역통과필터(23)를 수광소자(20)에 인접하는 것으로 도시하였으나, 대역통과필터(23)를 광원(11)과 인접하여 배치시키는 것도 가능하다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서(1)는 프레임(30)을 가지며, 프레임(30)은 광원(11)에서 발생된 빛을 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 프레임(30)의 내면은 경면(31)을 형성하고 있어서 빛을 반사하도록 한다. 빛이 반사할 때 빛의 손실과 난반사를 최소화하기 위하여, 경면(31)은 프레임(30)이 금속인 경우 금속을 표면 연마하여 경면 처리할 수도 있고, 프레임(30)의 재료와는 별도로 높은 반사도를 지닌 금, 니켈, 은, 구리 혹은 금/크롬의 이중층을 프레임(30)의 벽면에 코팅하여 형성할 수도 있다. 그리고 도 2의 프레임(30)을 지면 방향으로 절단하였을 때, 프레임(30)의 단면은 원형일 수도 있고 다각형 모양일 수도 있다. 그 단면의 모양은 중요하지 않다. 한편, 프레임(30)에는 측정 대상이 되는 가스가 프레임(30)으로 형성되는 공간의 내부에 들어올 수 있도록 흡배기구(미도시)가 별도로 형성되어 있음은 자명하다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서(1)는 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)을 지닌 점이 가장 큰 특징이다. 제 2 격벽(42)의 적어도 좌측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 반사하고 일부는 투과할 수 있도록 구성된다. 제 2 격벽(42)에 입사되는 광선(51) 중에서 일부는 투과하여 광선(52)이 되고 일부는 반사하여 광선(53)이 된다. 이하, 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면을 '반투과성 표면'이라 정의하도록 한다. 그리고 제 1 격벽(41)에 입사하는 광선(53)이 제 1 격벽(41)의 우측 표면에서 전반사하도록 하거나 일부 빛은 반사하고 일부 빛은 투과하도록 제 1 격벽(41)의 우측 표면을 구성할 수 있다. 이러한 경우 광원(11)으로부터 제 1 격벽(41)을 투과한 빛은 제 1 격벽(41) 과 제 2 격벽(42)의 사이에서 왕복 주파하게 되며, 광원(11)에서 동일 시점에 출발한 같은 빛이라도 수광부(21)에는 다양한 시간차를 두고 도달할 수 있게 된다. 그렇다면, 광원(11)에서 출발하여 수광부(21)에 빛이 도달하기 까지 평균적 경로 길이는 광 원(11)에서 수광부(21)까지의 직선 길이에 비하여 현저히 증가하게 된다.
상기에서는 제 1 격벽(41)의 우측 표면 또는 제 2 격벽(42)의 좌측 표면이 반투과성인 경우를 설명하였으나, 예들 들어 제 1 격벽(41)의 좌측 표면이 반투과성 표면인 경우를 생각해 볼 수도 있다. 프레임(30)의 내부면은 경면(31)을 이루고 있으므로 광원(11)에서 출발한 빛은 제 1 격벽(41)의 좌측 표면과 프레임의 경면(31) 사이에서도 여러 회 빛이 왕복 주파를 할 수 있을 것이다.
제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)의 재료로는 예를 들면, 단결정 실리콘을 생각할 수 있다. 단결정 실리콘은 적외선 대역의 빛에 대하여 감쇠가 적은 것으로 알려져 있다. 따라서 일정 두께의 격벽을 빛이 통과하더라도 빛 에너지의 현저한 감쇠가 없으며, 단결정 실리콘을 폴리싱함으로써 반투과성 표면을 쉽게 형성할 수도 있다. 그러나 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)의 재료로서 꼭 단결정 실리콘에 한정되는 것은 아니며, 일정한 두께를 빛이 통과하더라도 빛의 감쇠가 원하는 수준 이하이면서 그 일측 표면 또는 양측 표면에 반투과성 표면을 형성할 수 있는 재료이면 모두 가능하다. 반투과성 표면은 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)을 구성하는 주된 재료와 동일한 재료로 형성할 수도 있고 별도의 막을 코팅함으로써 형성할 수도 있다.
상기 제 1 실시예에서는 격벽이 제 1 격벽(41) 및 제 2 격벽(42)으로 해서, 2 개의 격벽이 있는 것으로 하였으나, 3개 이상의 격벽을 가질 수도 있음은 자명하다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으 로 도시한 단면도이다. 도 3은 개념적 이해를 위한 도면일 뿐이므로, 광학적 가스 센서를 이루는 각 구성 요소의 구체적 크기 비는 도 3의 도시 내용과 상이하여도 되며, 각 구성 요소의 상대적 위치도 정확히 도 3과 같이 구성될 필요는 없다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학적 가스 센서(2)에서는 제 1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학적 가스 센서(2)는 제 3 격벽(43)을 지닌 점이 가장 큰 특징이다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 센서(2)는 제 1 실시예에 따른 가스 센서(1)와 비교하여 격벽이 하나인 점이 서로 상이하다.
제 3 격벽(43)의 좌측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 반사하고 일부는 투과할 수 있도록 구성된다. 제 3 격벽(43)에서 입사되는 광선(55) 중에서 일부는 투과하여 광선(56)이 되고 일부는 반사하여 광선(57)이 된다. 이하, 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면을 '반투과성 표면'이라 정의하도록 한다. 그리고 프레임(30)의 내벽은 경면(31)을 형성하고 있으므로 입사되는 빛을 반사한다. 이러한 경우 광원(11)으로부터 발생된 빛은 제 3 격벽(43) 과 경면(31)의 사이에서 왕복 주파하게 되며, 광원(11)에서 동일 시점에 출발한 같은 빛이라도 수광부(21)에는 다양한 시간차를 두고 도달할 수 있게 된다. 그렇다면, 광원(11)에서 출발하여 수광부(21)에 빛이 도달하기 까지 평균적 경로 길이는 광원(11)에서 수광부(21)까지의 직선 길이에 비하여 현저히 증가하게 된다. 도 3에서는 제 3 격벽(43)이 프레임(30)의 길이 방향에 대하여 그 중간 정도에 있는 경우를 도시하고 있으나 꼭 제 3 격벽(43)이 프레임(30)의 중간 정도에 위치하고 있을 필요는 없으 며, 제 3 격벽(43)이 대역 통과 필터(23)에 치우쳐 있거나 대역 통과 필터(23)와 접하고 있어도 상기한 기능을 수행하는 데는 아무런 문제가 없다.
제 3 격벽(43)의 재료로는 예를 들면, 단결정 실리콘을 생각할 수 있다. 단결정 실리콘은 적외선 대역의 빛에 대하여 감쇠가 적은 것으로 알려져 있다. 따라서 일정 두께의 격벽을 빛이 통과하더라고 빛 에너지의 현저한 감쇠가 없다. 그리고 단결정 실리콘을 폴리싱함으로써 반투과성 표면을 쉽게 형성할 수도 있다. 그러나 제 3 격벽(43)의 재료로서 꼭 단결정 실리콘에 한정되는 것은 아니며, 일정한 두께를 빛이 통과하더라도 빛의 감쇠가 원하는 수준 이하이면서 그 일측면에 반투과성 표면을 형성할 수 있는 재료이면 모두 가능하다. 반투과성 표면은 제 3 격벽(43)을 구성하는 주된 재료와 동일한 재료로 형성할 수도 있고 별도의 막을 코팅함으로써 형성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다. 도 4는 개념적 이해를 위한 도면일 뿐이므로, 광학적 가스 센서를 이루는 각 구성 요소의 구체적 크기 비는 도 4의 도시 내용과 상이하여도 되며, 각 구성 요소의 상대적 위치도 정확히 도 4와 같이 구성될 필요는 없다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학적 가스 센서(3)에서는 제 1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학적 가스 센서(3)는 대역 통과 필터(44)가 제 2 실시예에서 제 3 격벽(43)의 기능을 함께 하는 점이 가장 큰 특징이다.
대역 통과 필터(44)의 좌측 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 반사하고 일 부는 투과할 수 있도록 구성된다. 대역 통과 필터(44)로 입사되는 광선(71) 중에서 일부는 투과하여 광선(72)이 되어 수광부(21)에 도달하고 일부는 반사하여 광선(73)이 된다. 이하, 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면을 '반투과성 표면'이라 정의하도록 한다. 그리고 프레임(30)의 내벽은 경면(31)을 형성하고 있으므로 입사되는 빛을 반사한다. 이러한 경우 광원(11)으로부터 발생된 빛은 대역 통과 필터(44)와 경면(31)의 사이에서 왕복 주파하게 되며, 광원(11)에서 동일 시점에 출발한 같은 빛이라도 수광부(21)에는 다양한 시간차를 두고 도달할 수 있게 된다. 그렇다면, 광원(11)에서 출발하여 수광부(21)에 빛이 도달하기 까지 평균적 경로 길이는 광원(11)에서 수광부(21)까지의 직선 길이에 비하여 현저히 증가하게 된다. 도 4에서는 대역통과필터(44)가 수광부(21)와 접하고 있는 경우를 예시하고 있으나, 꼭 대역통과필터(44)가 수광부(21)와 접하고 있을 필요는 없으며, 광원(11)과 수광부(21) 사이에 있는 임의의 위치에 있더라도 상기한 기능을 수행하는 데는 아무런 문제가 없다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서에 대하여 셀 길이별 센서의 출력값 변화를 측정한 결과를 도시한 것이다. 셀 길이란 빛이 진행하는 방향에서의 프레임(30)의 길이를 의미한다. 도 5의 도표에서 가로 축은 CO2 가스의 농도를 나타내며, 각각 350 ppm 및 2000 ppm으로 달리 하였다. 도 5의 도표에서 세로 축은 센서의 출력 값을 나타내며 그 상대적인 크기를 임의로 표시하였다. 도 5의 도표에서 CO2 가스 농도의 변화에 대하여 그 센서의 출력 값 변화가 급격할수록 성 능이 좋은 가스 센서라고 할 수 있을 것이다. 그런데, 도 5의 도표를 살펴보면, 셀 길이가 2cm인 것에 비하여 8cm인 것이 센서의 출력값 변화가 더 커서 보다 성능이 좋은 가스 센서라고 할 수 있으나, 그 기울기의 차이는 별로 크지 않고 셀 길이가 짧은 2cm의 경우에도 좋은 특성을 보이고 있는 점을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 반투과성 표면을 가진 격벽을 사용함으로써 센서의 출력값 변화가 큰, 즉 감도 특성이 좋은 광학적 가스 센서를 얻을 수 있다고 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 광학적 가스 센서의 일 예를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 광학적 가스 센서의 구조를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학적 가스 센서에 대하여 셀 길이별 센서의 출력값 변화를 측정한 결과를 도시한 것이다.

Claims (10)

  1. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 있어서,
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11);
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 양 측 표면 중에서 상기 수광소자(20)에 가까운 쪽의 표면은 입사하는 빛을 전반사하거나 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면인 제 1 격벽(41);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 양 측 표면 중에서 상기 광원(11)에 가까운 쪽의 표면은 입사하는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 반투과성 표면인 제 2 격벽(42);을 포함하며,
    상기 광원(11)으로부터 발생된 빛 중에서 일부는 상기 제 1 격벽(41)과 상기 제 2 격벽(42)의 사이에서 왕복 주파하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.
  2. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 있어서,
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11);
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 상기 광원(11)에 가까운 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면인 제 3 격벽(43);을 포함하며,
    상기 광원(11)으로부터 발생된 빛 중에서 일부는 상기 제 3 격벽(43)과 상기 프레임(30)의 경면(31) 사이에서 왕복 주파하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 필터링하는 대역통과필터(23)를 상기 광 경로 상에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 격벽(41) 및 상기 제 2 격벽(42)은 단결정 실리콘으로 된 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 3 격벽(43)은 단결정 실리콘으로 된 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.
  6. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 사용되기 위한 광 공동에 있어서,
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11)으로부터 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛 수광하는 수광소자(20)까지 빛이 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 양 측 표면 중에서 상기 수광소자(20)에 가까운 쪽의 표면은 입사하는 빛을 전반사하거나 일부는 투과하고 일부는 반사하는 표면인 제 1 격벽(41);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 양 측 표면 중에서 상기 광원(11)에 가까운 쪽의 표면은 입사하는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사하는 반투과성 표면인 제 2 격벽(42);을 포함하며,
    상기 광원(11)으로부터 발생된 빛 중에서 일부는 상기 제 1 격벽(41)과 상기 제 2 격벽(42)의 사이에서 왕복 주파하는 것을 특징으로 하는 광 공동.
  7. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 사용되기 위한 광 공동에 있어서,
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11)으로부터 적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광하는 수광소자(20)까지 빛이 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 그 양 측 표면 중에서 상기 광원(11)에 가까운 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면인 제 3 격벽(43);을 포함하며,
    상기 광원(11)으로부터 발생된 빛 중에서 일부는 상기 제 3 격벽(43)과 상기 프레임(30)의 경면(31) 사이에서 왕복 주파하는 것을 특징으로 하는 광 공동.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 1 격벽(41) 및 상기 제 2 격벽(42)은 단결정 실리콘으로 된 것을 특징으로 하는 광 공동.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 3 격벽(43)은 단결정 실리콘으로 된 것을 특징으로 하는 광 공동.
  10. 특정 파장 대역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 가스의 농도를 측정하는 광학적 가스 센서에 있어서,
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 발생시키는 광원(11);
    적어도 상기 특정 파장 대역을 포함하는 파장 대역의 빛을 수광할 수 있는 수광소자(20);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛을 상기 수광소자(20)까지 도파할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하며, 그 내부 표면이 경면(31)으로 된 프레임(30);
    상기 광원(11)에서 발생된 빛이 상기 수광소자(20)에 도달하기까지의 광 경로상에 위치하고, 상기 프레임(30)의 내부에 수납되며, 상기 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 필터링하는 대역통과필터(23);를 포함하며,
    상기 대역 통과필터(23)의 양 측 표면 중에서 상기 광원(11)에 가까운 측의 표면은 입사되는 빛 중에서 일부는 투과하고 일부는 반사시키는 반투과성 표면으로 되어 있어서, 상기 광원(11)으로부터 발생된 빛 중에서 일부는 상기 대역통과필터(23)와 상기 경면(31) 사이에서 왕복 주파하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스 센서.
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