KR101001196B1 - System and method based on a single chip for multi gas detection - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일칩 기반의 멀티 가스 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 여러종류의 가스를 센서 어레이에 기반한 하나의 칩으로 검출할 수 있도록 단일 실리콘 기판에 일괄 공정으로 센서칩과 검출회로를 구현함으로써, 기존 방식의 단점인 긴 신호연결선의 저항 및 커패시턴스를 최소화하여 작은 감지신호도 용이하게 검출할 수 있다.The present invention relates to a multi-chip detection system and method based on a single chip, by implementing a sensor chip and a detection circuit in a batch process on a single silicon substrate so that various types of gases can be detected by a single chip based on a sensor array. Even small sensing signals can be easily detected by minimizing the resistance and capacitance of the long signal connection line, which is a disadvantage of the conventional method.

또한, 본 발명의 다른 목적은 온도 검출 및 보상을 간단한 시리얼 입출력 인터페이스로 조정하여 센서 검출 데이터의 온도 정보를 보상함으로써, 센서 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to adjust the temperature detection and compensation by a simple serial input and output interface to compensate the temperature information of the sensor detection data, thereby improving the reliability of the sensor data.

이를 위해, 본 발명은 여러 종류의 가스를 감지하기 위해 필요한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이; 상기 센서 어레이를 통해 미세 전압/전류를 검출하기 위한 멀티센서검출부; 상기 센서 어레이와 멀티센서검출부를 제어하고, 디지털 제어 및 사용자의 편의를 위한 입출력 인터페이스가 내장된 디지털 제어부를 포함하며, 상기 멀티센서검출부 및 디지털 제어부를 포함하는 검출칩 위에 상기 가스센서가 일괄공정으로 장착되는 것을 특징으로 하는 가스검출시스템을 제공한다.To this end, the present invention comprises a plurality of sensor arrays each consisting of a plurality of gas sensors required for sensing different types of gases; A multi-sensor detector for detecting fine voltage / current through the sensor array; The gas array is controlled in a batch process on the detection chip which controls the sensor array and the multi-sensor detection unit, and includes an input / output interface for digital control and a user's convenience, and includes the multi-sensor detection unit and the digital control unit. It provides a gas detection system characterized in that the mounting.

단일칩, 가스센서, 센서 어레이, 멀티센서검출부, 디지털 제어부, 온도제어부 Single chip, gas sensor, sensor array, multi sensor detector, digital controller, temperature controller

Description

단일칩 기반의 멀티 가스 검출 시스템 및 방법{System and method based on a single chip for multi gas detection}System and method based on a single chip for multi gas detection

본 발명은 단일칩 기반의 멀티 가스 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 여러종류의 가스를 센서 어레이에 기반한 하나의 칩으로 검출가능한 단일칩 기반의 멀티 가스 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a single-chip-based multi-gas detection system and method, and more particularly to a single-chip-based multi-gas detection system and method capable of detecting several kinds of gases with one chip based on a sensor array.

최근, 지구 온난화를 포함한 환경 문제가 심각하게 여겨짐에 따라 특정 가스의 존재 유무 또는 그 양을 검출하기 위한 가스 센서의 개발이 가속화되고 있다. 또한, 생명 공학과 임상 보건 의료의 목적을 위하여 단백질, DNA와 같은 생화학 물질 감지용 센서 개발을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이들 가스 또는 생화학물질 감지용 센서는 전자 공학 분야 및 정보통신 공학 분야와의 연결에 의하여 괄목할 만한 발전이 이루어지고 있다.In recent years, as environmental problems, including global warming, are seriously considered, the development of gas sensors for detecting the presence or amount of specific gases has been accelerated. In addition, research for the development of sensors for detecting biochemicals such as proteins and DNA has been actively conducted for the purpose of biotechnology and clinical health care. These sensors for gas or biochemical detection have been remarkably developed by connection with the fields of electronic engineering and information and communication engineering.

이들 센서의 소형화 및 집적화를 위하여는 미세 전극과 전기화학적 측정 방식을 이용한 센서의 개발이 크게 요구된다.In order to miniaturize and integrate these sensors, development of sensors using microelectrodes and electrochemical measurement methods is greatly required.

지금까지 제안된 가스 또는 생화학물질 센서들은 대부분 감지 대상인 가스 또는 생화학물질에 의한 전기적 반응의 변화를 검출하는 원리를 이용한다. 고체의 전기적 성질은 검출 대상 물질의 종류에 의하여 영향을 받으며, 이러한 변화로부터 특정한 가스 또는 생화학물질을 검출한다. 지금까지 알려진 통상의 고상 센서들은 다음의 3가지 종류, 즉 검출하고자 하는 생화학물질이 흡수되거나 흡착되어 반도체의 전자 전도성을 변화시키는 반도체센서; 검출하고자 하는 생화학물질이 고체를 통하는 이온 전류를 변화시키는 생화학물질을 사용하는 고상 전해물질 센서; 및 검출될 생화학물질이 자계 효과 트랜지스터의 게이트에서의 전위에 영향을 주는 자계 트랜지스터 생화학물질 센서 (화학적 박막 트랜지스터)로 분류될 수 있다.The gas or biochemical sensors proposed so far use the principle of detecting the change in electrical response by the gas or biochemical being detected. The electrical properties of a solid are influenced by the type of substance to be detected and detect specific gases or biochemicals from these changes. Conventional solid state sensors known to date include the following three types of semiconductor sensors: a semiconductor sensor for absorbing or adsorbing a biochemical to be detected to change the electronic conductivity of the semiconductor; A solid-state electrolytic material sensor using a biochemical which changes the ion current through the solid to be detected by the biochemical; And magnetic field biochemical sensors (chemical thin film transistors) that affect the potential at the gate of the magnetic field effect transistor to be detected.

생화학물질 센서는 특정 생화학 물질을 감지하기 위한 센서로서, 감지막의 종류에 따라 일산화탄소(CO)와 탄화수소계 생화학물질을 감지하는 환원성 생화학물질센서, C2H5OH를 감지하는 센서, 어류의 신선도를 감지하는 센서 및 육류의 부패정도를 감지하는 센서로 분류될 수 있다.Biochemical sensor is a sensor for detecting specific biochemicals.It is a reducible biochemical sensor that detects carbon monoxide (CO) and hydrocarbon-based biochemicals according to the type of sensing membrane, a sensor that detects C 2 H 5 OH, and freshness of fish. It can be classified into a sensor for detecting and a sensor for detecting the degree of corruption of meat.

최근에는, 빌딩, 사무실, 공장 내의 공조시스템, 식음료 및 알코올류 제조시의 제조 공정 관리, 특정 생화학 물질이나 독가스 및 냄새 등의 검출에 응용하기 위하여 센서의 소형화가 요구되며, 이와 같이 소형화된 센서를 여러 가지 복합 기능을 가지는 단위 소자들과 함께 하나의 기판상에 집적화하는 것이 요구된다.In recent years, miniaturization of sensors has been required for applications in air conditioning systems in buildings, offices, factories, manufacturing process management in the production of food and beverages, alcohols, and detection of certain biochemicals, poison gases and odors. It is required to integrate on a single substrate together with unit devices having various complex functions.

한편, 종래의 CMOS 기반의 단일 가스 검출 시스템은 개별 센서 칩과 검출칩을 가스 종류별로 따로 개발하고 있다. 기존의 이러한 방식의 문제점은 첫째 단일 가스 검출 시스템의 경우 검출하고자하는 가스마다 검출칩 설계를 따로 해야 하므로 제작비용 및 시간이 많이 들어가고 이에 따라 가격이 비싸진다. Meanwhile, in the conventional CMOS-based single gas detection system, an individual sensor chip and a detection chip are separately developed for each gas type. The problem with the existing method is that the first single gas detection system requires a separate detection chip design for each gas to be detected, which requires a lot of manufacturing cost and time, and thus is expensive.

둘째 단일 가스의 종류마다 검출칩을 요구되는 수요에 맞추어 생산해야 하는 문제가 있어 과잉 생산 혹은 소량 생산등의 위험이 존재한다. Second, there is a problem that the detection chip must be produced according to the required demand for each type of gas, so there is a risk of overproduction or small quantity production.

셋째로 센서와 검출칩의 분리형은 공정이 용이하다는 장점외에는 연결선로의 길이가 길어지는 문제로 인하여 저항 및 인덕턴스, 커패시턴스가 커져서 센서의 출력처럼 미약한 아날로그 신호의 경우 검출이 불가능하며, 긴 신호 선에 의해 발생되는 잡음으로 의한 신호 왜곡이 발생할 확률이 매우 크게 존재한다. Third, apart from the advantage that the sensor and the detection chip are easy to process, it is impossible to detect a weak analog signal such as the output of the sensor due to the increased resistance, inductance and capacitance due to the length of the connection line. There is a very high probability of signal distortion due to the noise generated by.

또한 센서와 칩 사이에 거리가 멀어 센서의 온도를 정확하게 검출 할 수 없어 가스의 농도 등을 검출할 때 오차가 발생 할 수 있다. In addition, the distance between the sensor and the chip can not be accurately detected the temperature of the sensor may cause an error when detecting the concentration of the gas.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 여러종류의 가스를 센서 어레이에 기반한 하나의 칩으로 검출할 수 있도록 단일 실리콘 기판에 일괄 공정으로 센서칩과 검출회로를 구현함으로써, 기존 방식의 단점인 긴 신호연결선의 저항 및 커패시턴스를 최소화하여 작은 감지신호도 용이하게 검출할 수 있도록 한 단일칩 기반의 멀티 가스 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, by implementing a sensor chip and a detection circuit in a batch process on a single silicon substrate so that various types of gases can be detected by one chip based on a sensor array. It is an object of the present invention to provide a single chip-based multi-gas detection system and method that can easily detect a small sensing signal by minimizing the resistance and capacitance of a long signal connection line, which is a disadvantage.

또한, 본 발명의 다른 목적은 온도 검출 및 보상을 간단한 시리얼 입출력 인터페이스로 조정하여 센서 검출 데이터의 온도 정보를 보상함으로써, 센서 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to adjust the temperature detection and compensation by a simple serial input and output interface to compensate the temperature information of the sensor detection data, thereby improving the reliability of the sensor data.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 센서칩이 디지털 신호로 정보를 주고 받아 기존의 정보 단말 시스템에 플러그-인/플러그-아웃 하는 방식을 사용하여 제품 보급이 용이하고, 인터페이스가 기존의 단말시스템 포트와 호환이 가능하므로 개발된 검출칩을 저잡음 시스템-인-패키지로 구현하여 소형/저가의 일회용 시스템으로 구현할 수 있도록 하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to easily spread the product by using a method in which the sensor chip transmits and receives information as a digital signal to the existing information terminal system, and the interface is an existing terminal system port. Since it is compatible with, the developed detection chip is implemented as a low noise system-in-package to be implemented as a small / low cost disposable system.

상기한 목적은 대기 가스의 종류 및 농도를 검출하기 위한 가스검출시스템에 있어서,In the gas detection system for detecting the type and concentration of atmospheric gas,

여러 종류의 가스를 감지하기 위해 필요한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이; 상기 센서 어레이를 통해 미세 전압/전류를 검출하기 위한 멀티센서검출부; 상기 센서 어레이와 멀티센서검출부를 제어하고, 디지털 제어 및 사용자의 편의를 위한 입출력 인터페이스가 내장된 디지털 제어부를 포함하며, 상기 멀티센서검출부 및 디지털 제어부를 포함하는 검출칩 위에 상기 가스센서가 일괄공정으로 장착되는 것을 특징으로 하는 가스검출시스템에 의해 달성된다.A plurality of sensor arrays each composed of a plurality of gas sensors required to detect various kinds of gases; A multi-sensor detector for detecting fine voltage / current through the sensor array; The gas array is controlled in a batch process on the detection chip which controls the sensor array and the multi-sensor detection unit, and includes an input / output interface for digital control and a user's convenience, and includes the multi-sensor detection unit and the digital control unit. It is achieved by a gas detection system characterized in that the mounting.

본 발명의 실시예에 따른 상기 센서 어레이는 한 종류 또는 여러종류의 가스를 검출하기 위해 가스센서가 개별 또는 그룹별로 칩 위에 부착된 구조로 이루어진다.The sensor array according to an exemplary embodiment of the present invention has a structure in which gas sensors are attached to chips individually or in groups to detect one or several kinds of gases.

상기 멀티센서검출부 및 디지털 제어부는 센서 어레이의 저항변화에 따라 가스의 종류를 검출한다.The multi-sensor detector and the digital controller detect the type of gas according to the resistance change of the sensor array.

본 발명의 실시예는 상기 가스센서의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서를 통해 감지된 온도가 기설정된 온도보다 큰 경우 상기 설정온도까지 조절하는 온도 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.An embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a temperature sensor for sensing the temperature of the gas sensor, and a temperature actuator for adjusting to the set temperature when the temperature detected by the temperature sensor is greater than a predetermined temperature.

바람직하게는, 상기 센서 어레이, 멀티센서검출부 및 디지털 제어부는 단일 플랫폼 또는 단일 패키지 위에 구성되며, 상기 디지털 제어부가 단일패키지의 구현을 위해 입출력 인터페이스를 이용하여 플러그 인 및 플러그 아웃 동작이 가능한 구조로 이루어진다.Preferably, the sensor array, the multi-sensor detection unit and the digital control unit is configured on a single platform or a single package, and the digital control unit is configured to enable plug-in and plug-out operation using an input / output interface to implement a single package. .

또한, 상기 입출력 인터페이스는 USB, SPI 및 UART의 규격을 갖는다.In addition, the input and output interface has the specifications of USB, SPI and UART.

한편, 상기한 목적은 대기의 가스 종류 및 농도를 검출하기 위한 가스검출방법에 있어서,On the other hand, in the gas detection method for detecting the type and concentration of gas in the atmosphere,

동작모드 환경에서 온도센서를 통해 복수의 가스센서로 구성된 센서 어레이의 온도를 읽는 단계; 상기 온도를 기반으로 각 센서 어레이의 옵셋을 셋팅하는 단계; 상기 셋팅된 옵셋이 전류 소스를 선택하여 가스센서의 출력값을 읽는 단계를 포함하고, 상기 가스센서는 가스의 반응에 따라 저항값이 변하며, 상기 검출된 저항값에 따라 전류 소스가 선택되어 가스센서의 출력값이 읽혀지는 것을 특징으로 하는 가스검출방법에 의해 달성된다.Reading a temperature of a sensor array consisting of a plurality of gas sensors through a temperature sensor in an operating mode environment; Setting an offset of each sensor array based on the temperature; The set offset includes selecting a current source and reading an output value of a gas sensor, wherein the gas sensor changes a resistance value according to a reaction of a gas, and a current source is selected according to the detected resistance value, It is achieved by the gas detection method, characterized in that the output value is read.

특히, 상기 가스센서의 출력값을 읽는 단계는 센서 어레이의 저항 변화에 따라 모든 센서 어레이를 읽는 연속 액세스 모드 및 복수의 센서 어레이 중 하나 또는 센서 어레이의 센서들 중 어느 하나만을 읽는 목표 어드레스 환경모드가 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In particular, the reading of the output value of the gas sensor may include a continuous access mode for reading all the sensor arrays and a target address environment mode for reading only one of the sensors of the plurality of sensor arrays or the sensors of the sensor array according to the resistance change of the sensor array. Characterized in that consists of.

이에 따라 본 발명에 따른 단일칩 기반의 멀티 가스 검출 시스템 및 방법에 의하면, 하나 혹은 여러 종류의 가스를 센서 어레이에 기반한 하나의 칩으로 검출 할 수 있으며, 기존의 방법에 비해 기생 저항 및 커패시턴스가 작아 적은 변화도 검출할 수 있어 낮은 농도의 가스도 검출 할 수 있다. Accordingly, according to the single-chip-based multi-gas detection system and method according to the present invention, one or several kinds of gases can be detected by one chip based on the sensor array, and parasitic resistance and capacitance are smaller than those of the conventional method. Even small changes can be detected so that even low concentrations of gas can be detected.

또한 온도를 검출 하고 온도에 따른 가스 반응을 단말기에서 확인하여 온도 특성을 보상하여 가스 농도를 정확하게 검출 할 수 있으며, 또한 낮은 온도에 의해 가스 반응이 더디게 발생할 수 있는 것을 보상하기 위한 온도 액츄에이터를 내장하고 이를 조절하여 온도를 상승시켜 외부 낮은 온도에서도 가스의 존재 및 농도를 정확하게 검출 할 수 있는 장점이 있다. In addition, by detecting the temperature and checking the gas reaction according to the temperature at the terminal, it is possible to accurately detect the gas concentration by compensating the temperature characteristics. By adjusting this, the temperature is increased to accurately detect the presence and concentration of gas even at an external low temperature.

또한 경제적인 측면에서는 검출칩을 가스의 종류와 상관없이 생산 할 수 있어 기존에 하나의 가스에 하나의 칩 구현에 따른 가격 상승 및 소 생산에 따른 문제를 제거 할 수 있다. In addition, economically, the detection chip can be produced regardless of the type of gas, thus eliminating the problems of price increase and small production due to the implementation of one chip in one gas.

단말시스템과의 적응력을 높이기 위해서 기존의 시리얼 입출력 인터페이스를 채용함으로 플러그 인 플러그 아웃(Plug-in Plug-out) 동작이 가능하고 동작을 위한 OS(operating system)를 따로 만들 필요가 없으며, 적은 면적의 저잡음 SIP(System in Package)로 구현하여 저가의 일회용 제품 개발이 용이하다. By adopting the existing serial input / output interface to enhance the adaptability with the terminal system, plug-in plug-out operation is possible, and there is no need to make an operating system (OS) for operation. Low noise SIP (System in Package) makes it easy to develop low-cost disposable products.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

CMOS 기반의 가스센서와 검출 시스템 구현은 향후 센서/바이오 산업을 혁신시킬 수 있는 저비용과 고기능 소자들를 구현하는데 핵심적인 역할을 한다. 현재 기술로는 가스 검출의 경우 개별 가스센서(20,30)와 검출칩(10,31)을 가스 종류 별로 따로 개발하고 있어 가스 농도와 다양한 가스를 하나의 가스센서로 검출하기가 어렵다. CMOS-based gas sensors and detection systems play a key role in implementing low-cost and high-performance devices that will revolutionize the sensor / bio industry in the future. In the current technology, in the case of gas detection, individual gas sensors 20 and 30 and detection chips 10 and 31 are separately developed for each gas type, so it is difficult to detect gas concentration and various gases with one gas sensor.

또한 가스센서(20,30)와 검출칩(10,31)을 연결하는 과정에서 긴 연결선로에 의한 큰 부하로 인하여 가스 농도에 따라 검출하기 어려운 실정이다. 또한 가스별로 칩을 따로 개발해야하는 문제와 온도 보상이 어려운 문제등이 존재한다. In addition, in the process of connecting the gas sensor 20,30 and the detection chip (10,31) it is difficult to detect according to the gas concentration due to the large load by the long connection line. In addition, there are problems of developing chips separately for each gas and problems of temperature compensation.

따라서 여러 종류의 가스를 검출하기 위해 복수의 가스센서(20)들로 구성된 센서 어레이(19) 칩과 하나의 검출칩(10,31)으로 검출할 수 있으며, 농도 및 온도 보상을 위해 일괄공정으로 가스센서(20,30)와 검출칩(10,31)을 구현해서 가스센서(20,30)와 검출칩(10,31) 사이의 신호연결선을 최소화하고, 이를 이용하여 부하를 최소화시키고 가스센서의 온도를 직접 측정하여 조절하는 구조가 필요하다. Therefore, it can be detected by the sensor array 19 chip consisting of a plurality of gas sensors 20 and one detection chip (10, 31) to detect several kinds of gases, and in a batch process for the concentration and temperature compensation By implementing the gas sensors 20 and 30 and the detection chips 10 and 31, the signal connection lines between the gas sensors 20 and 30 and the detection chips 10 and 31 are minimized, thereby minimizing the load and using the gas sensors. It is necessary to control the temperature by measuring the temperature directly.

또한 양산성을 위해 기존의 시리얼 입출력 인터페이스(serial IO interface)에 기반하여 알고리듬 및 시스템을 구현하여야 한다.Also, for mass production, the algorithm and system should be implemented based on the existing serial IO interface.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 검출칩의 구성도를 보여 준다. 본 실시예에 따라 가스 검출을 위한 검출칩은 세가지 부분으로 구성되어 있다. 1) 다양한 종류의 멀티 가스(Multi-gas) 검출을 위한 멀티센서검출부(11), 2) 아날로그 회로 제어 및 센서 어레이(19)의 순서 결정, 온도를 검출 및 보상하고 데이터 입출력을 위한 디지털 제어부(13), 그리고 3)온도를 감지 및 보상하기 위한 온도제어부(16)로 구성된다. 1 shows a configuration of a detection chip according to an embodiment of the present invention. According to this embodiment, the detection chip for gas detection is composed of three parts. 1) a multi-sensor detector 11 for detecting various types of multi-gas, 2) an analog circuit control and an order determination of the sensor array 19, a digital controller for detecting and compensating temperature, and a data input / output ( 13) and 3) a temperature controller 16 for sensing and compensating for temperature.

상기 멀티센서 검출부(11)에는 다양한 종류의 가스와 농도를 검출하기 위해서 본 발명은 센서 어레이(19)를 지원 할 수 있는 멀티 가스 검출 로직(12)(multi-gas detecting logic)을 센서 어레이(19)(sensor array)에 따라 배열한다. In order to detect various kinds of gases and concentrations, the multi-sensor detecting unit 11 includes a multi-gas detecting logic 12 that can support the sensor array 19. Arrange according to (sensor array).

온도제어부(16)는 온도를 감지하는 온도센서(17)와, 온도센서(17)를 통해 감지된 온도와 기설정온도를 비교하여 온도차이를 보상해주는 온도액츄에이터(18)(actuator)를 포함하고, 온도액츄에이터(18)는 CMOS 회로 공정시 센서 어레이(19) 지역에 배선 저항을 만들어 사용한다. The temperature controller 16 includes a temperature sensor 17 for sensing a temperature, and a temperature actuator 18 for compensating for a temperature difference by comparing the temperature sensed by the temperature sensor 17 with a preset temperature. The temperature actuator 18 uses wiring resistance in the area of the sensor array 19 during the CMOS circuit process.

디지털 제어부(13)는 멀티센서검출부(11)와 온도제어부(16)를 제어하는 온도 및 가스검출 회로 제어 로직(14)과, 외부와 통신을 위해 시리얼 인터페이스(15)로 구성되어 있으며, 상기 온도 및 가스검출 회로 제어로직(14)은 멀티센서검출부(11)와 온도제어부(16)가 양방향 통신가능하게 전기적으로 연결되며, 온도 및 가스 검출 회로 제어로직(14)과 시리얼 인터페이스(15)도 서로 연결되어 이를 통해 외부에 가스의 존재여부 및 농도를 송신하게 된다.The digital controller 13 includes a temperature and gas detection circuit control logic 14 for controlling the multi-sensor detector 11 and the temperature controller 16 and a serial interface 15 for communicating with the outside. And the gas detection circuit control logic 14 is electrically connected to the multi-sensor detection unit 11 and the temperature control unit 16 so as to communicate bidirectionally, and the temperature and gas detection circuit control logic 14 and the serial interface 15 are also mutually connected. It is connected to transmit the presence and concentration of gas to the outside.

도 2는 본 발명에서 구현하고자 하는 CMOS 기반의 센서와 검출 일체형 칩 공정에 관한 개념도이다. 2 is a conceptual diagram of a CMOS-based sensor and detection integrated chip process to be implemented in the present invention.

먼저 다양한 종류의 가스를 전기적으로 검출 할 수 있는 CMOS 기반의 검출칩(10)을 먼저 진행하여 저장한다. 제작된 검출칩(10)은 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라 후속 가스센서(20) 공정을 일체형으로 진행하여 만든다. First, the CMOS-based detection chip 10 capable of electrically detecting various kinds of gases is first processed and stored. The fabricated detection chip 10 is made by integrating a subsequent gas sensor 20 process according to the type of gas to be detected.

이렇게 두 단계로 가스센서(20) 일체형 검출칩(10)을 만들 경우 여러 가지 잇점이 있다. Thus, there are various advantages when making the gas sensor 20 integrated detection chip 10 in two steps.

첫째, 복합 가스 검출 시스템의 경우 검출하고자하는 가스마다 검출칩(10) 설계를 따로 할 필요가 없어 제작비용 및 설계 시간이 감소하고 이에 따라 가격이 비싸진다. First, in the case of the complex gas detection system, it is not necessary to design the detection chip 10 separately for each gas to be detected, thereby reducing the manufacturing cost and design time and thus the price.

둘째 본 발명에 따른 검출칩은 가스의 종류에 상관없이 필요한 가스센서(20)들로 구성된 센서 어레이(19)가 장착가능한 구조로 되어 있으므로, 종류마다 요구되는 수요를 맞추어 검출칩(10)을 생산해야 할 필요가 없어 과잉 생산 혹은 소량 생산 등의 수요를 못 따라가는 문제가 없다. Second, since the detection chip according to the present invention has a structure in which the sensor array 19 composed of necessary gas sensors 20 can be mounted regardless of the type of gas, the detection chip 10 is produced in accordance with the demand required for each type. There is no need to do it, so there is no problem keeping up with demand such as overproduction or small quantity production.

본 발명은 마스크 롬(Mask Rom) 구현처럼 다양한 가스 검출을 위한 회로를 하나의 칩에 집적해서 먼저 제작하고, 필요 및 수요에 따라 가스센서를 제작함으로 가격 및 개발시간, 물량조절 등의 측면에서 이점이 발생한다. The present invention integrates various circuits for gas detection into a single chip and implements gas sensors according to needs and demands, such as mask rom implementation, and has advantages in terms of price, development time, and volume control. This happens.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스검출시스템이 구현된 패키지 혹은 단일 모듈의 측면 및 정면도를 나타낸다. Figure 3 shows a side and front view of a package or a single module implemented gas detection system according to an embodiment of the present invention.

상기 가스검출시스템은 기존의 시리얼 입출력 포트(serial IO port)에 사용 가능한 구조로 되어 있다. 또한 파워 안정화 문제를 해결하기 위해서 패키지/모듈 위에 커패시터(35)를 내장 혹은 외장 할 수 있다. 이렇게 제작된 가스검출시스템은 저가의 일회용 시스템으로 사용 할 수 있다. 도 3에서 미설명부호 30은 가스센서, 31은 검출칩이고, 32는 파워라인, 33은 시그널 라인, 34는 접지 라인이다.The gas detection system has a structure that can be used for a conventional serial IO port. Also, in order to solve the power stabilization problem, the capacitor 35 may be embedded or externally mounted on the package / module. This gas detection system can be used as a low cost disposable system. In FIG. 3, reference numeral 30 is a gas sensor, 31 is a detection chip, 32 is a power line, 33 is a signal line, and 34 is a ground line.

도 4은 본 발명에 따른 센서 어레이의 사용 특성을 나타낸다. 4 shows the use characteristics of the sensor array according to the invention.

본 발명에 따른 센서 어레이의 사용은 두가지 방법으로 나눌 수 있다. 먼저 모든 센서 어레이(19)를 단일 가스 검출용으로 사용하는 방법이다. 두 번째는 몇 개씩 가스센서(20)를 묶어 배열시켜 여러 종류의 가스를 하나의 센서칩에서 검출하는 방법이다. The use of the sensor array according to the invention can be divided in two ways. First, all sensor arrays 19 are used for single gas detection. The second is a method of detecting several types of gases in one sensor chip by arranging the gas sensors 20 by a few.

센서 어레이(19) 내의 센서 셀(sensor cell)은 검출하고자하는 가스 및 용도에 따라, 아무 가스도 검출하지 않고 자체 기본 저항만을 검출하기 위한 레퍼런스 센서(reference sensor)와, 검출하고자하는 가스에 따라 다양한 가스센서를 구현하여 만들 수 있다. 이때 레퍼런스 센서는 가스 반응이 없는 경우에 가스센서의 전기적 값을 검출한다.The sensor cell in the sensor array 19 may vary depending on the gas to be detected and the purpose of use, a reference sensor for detecting only its basic resistance without detecting any gas, and a gas to be detected. It can be made by implementing a gas sensor. In this case, the reference sensor detects an electrical value of the gas sensor when there is no gas reaction.

도 5는 본 발명에 따라 다양한 가스를 검출하기 위한 멀티 가스 검출 로직(12)에 대한 개념도이다. 먼저 가스센서 별로 기본 저항은 10kΩ~10MΩ 사이에 존재하며, 가스의 반응에 따라 기본 저항값의 10%~100% 내에서 변한다.  5 is a conceptual diagram of multi-gas detection logic 12 for detecting various gases in accordance with the present invention. First, the basic resistance of each gas sensor is between 10kΩ ~ 10MΩ and varies within 10% ~ 100% of the basic resistance value according to the gas response.

이를 검출하기 위해 디지털 로직은 전류 소스들을 스위치(SEL1 ~SEL N)으로 선택하며, 검출된 저항 값은 디지털 코드로 변경하여 단말기에 보내고 단말기는 검출된 값 중 검출 가능한 적절한 전류 소스를 판단하여 선택하도록 제어 한다.To detect this, the digital logic selects the current sources with the switches SEL1 to SEL N. The detected resistance value is changed to a digital code and sent to the terminal. To control.

도 6은 본 발명에 따른 가스검출시스템을 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a method of controlling a gas detection system according to the present invention.

기본적으로 동작모드를 설정한 후에 옵셋 셋팅을 하고 특정 센서 데이터를 검출하는가 아니면 모든 센서 데이터를 검출하는가를 구분할 수 있다.Basically, after setting the operation mode, it is possible to set offset and detect whether to detect specific sensor data or all sensor data.

보다 상세하게는, 먼저 동작모드 환경(operation mode configuration)에서 먼저 온도를 읽어 들인다. 검출된 온도를 기반으로 여러 옵셋(offset)을 셋팅한다. 셋팅(setting) 된 옵셋은 먼저 전류 소스를 선택한다. 온도와 전류가 선택되면 가스센서의 출력값을 읽어 들인다. 읽어들이는 모드는 모든 센서 어레이를 읽는 연속 액세스 모드(continuous access mode) 방법과, 특정한 센서 들만을 읽어들이는 목표 어드레스 환경(target address configuration)이 있다. More specifically, first the temperature is read in the operation mode configuration. Set several offsets based on the detected temperature. The set offset first selects the current source. When the temperature and current are selected, the gas sensor output is read. The read mode includes a continuous access mode method for reading all sensor arrays and a target address configuration for reading only specific sensors.

모드가 끝난뒤 전류 소스를 바꾸어 가며 같은 방법으로 데이터를 읽는다. 동작이 끝난후 검출상의 문제로 온도가 올라가게 되면 온도 액츄에이터에 전류를 흘리며 온도를 검출한 후 같은 작업을 반복해서 신호를 처리한다. After the mode is over, the current source is switched and the data is read in the same way. When the temperature rises due to a detection problem after the operation is finished, a current is applied to the temperature actuator to detect the temperature, and then the signal is processed repeatedly.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 검출칩의 구성을 나타내는 블럭도,1 is a block diagram showing the configuration of a detection chip according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 플랫폼 개념의 가스검출시스템 구현을 설명하기 위한 공정도,2 is a process chart for explaining the gas detection system implementation of the platform concept according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 가스검출시스템을 단일패키지나 단일 모듈로 만든 측면도 및 정면도,Figure 3 is a side view and a front view of the gas detection system according to the invention made of a single package or a single module,

도 4는 본 발명에 따른 센서 어레이의 사용특성을 나타내는 구성도,4 is a block diagram showing characteristics of use of the sensor array according to the present invention;

도 5는 도 4에서 센서 어레이 아래에 존재하는 멀티 가스 검출 로직의 개념도,5 is a conceptual diagram of multi-gas detection logic present under the sensor array in FIG. 4;

도 6은 본 발명에 따른 가스검출시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a control method of a gas detection system according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10,31 : 검출칩 11 : 멀티센서검출부10,31: detection chip 11: multi-sensor detection unit

12 : 멀티 가스 검출 로직 13 : 디지털 제어부12 multi-gas detection logic 13 digital control unit

14 : 온도 및 가스 검출 회로 제어 로직14: temperature and gas detection circuit control logic

15 : 시리얼 인터페이스 16 : 온도제어부15: serial interface 16: temperature control unit

17 : 온도센서 18 : 온도 액츄에이터17: temperature sensor 18: temperature actuator

19 : 센서 어레이 20,30 : 가스센서19: sensor array 20,30: gas sensor

21 : 전극 32 : 파워라인21 electrode 32 power line

33 : 시그널 라인 34 : 접지라인33: signal line 34: ground line

35 : 커패시터35 capacitor

Claims (8)

가스검출시스템에 있어서,In the gas detection system, 여러 종류의 가스를 감지하기 위해 필요한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이;A plurality of sensor arrays each composed of a plurality of gas sensors required to detect various kinds of gases; 상기 센서 어레이를 통해 미세 전압/전류를 검출하기 위한 멀티센서검출부;A multi-sensor detector for detecting fine voltage / current through the sensor array; 상기 센서 어레이와 멀티센서검출부를 제어하고, 디지털 제어 및 사용자의 편의를 위한 입출력 인터페이스가 내장된 디지털 제어부를 포함하며, 상기 멀티센서검출부 및 디지털 제어부를 포함하는 검출칩 위에 상기 가스센서가 일괄공정으로 장착되고, The gas array is controlled in a batch process on the detection chip which controls the sensor array and the multi-sensor detection unit, and includes an input / output interface for digital control and a user's convenience, and includes the multi-sensor detection unit and the digital control unit. Fitted, 상기 멀티센서검출부 및 디지털 제어부는 센서 어레이의 저항변화에 따라 가스의 종류를 검출하는 것을 특징으로 하는 가스검출시스템.The multi-sensor detection unit and the digital control unit detects the type of gas according to the resistance change of the sensor array. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 센서 어레이는 한 종류 또는 여러종류의 가스를 검출하기 위해 가스센서가 개별 또는 그룹별로 칩 위에 부착된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스검출시스템.The sensor array is a gas detection system, characterized in that the gas sensor is configured on the chip attached to the individual or group to detect one or several kinds of gas. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 가스센서의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서를 통해 감지된 온도가 기설정된 온도보다 큰 경우 상기 설정온도까지 조절하는 온도 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스검출시스템.And a temperature sensor for sensing the temperature of the gas sensor and a temperature actuator for controlling the temperature to the set temperature when the temperature detected by the temperature sensor is greater than a preset temperature. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, 상기 센서 어레이, 멀티센서검출부 및 디지털 제어부는 단일 플랫폼 또는 단일 패키지 위에 구성되며, 상기 디지털 제어부가 단일패키지의 구현을 위해 입출력 인터페이스를 이용하여 플러그 인 및 플러그 아웃 동작이 가능한 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스검출시스템.The sensor array, the multi-sensor detection unit and the digital control unit are configured on a single platform or a single package, and the digital control unit is configured to enable plug-in and plug-out operation using an input / output interface to implement a single package. Gas detection system. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 입출력 인터페이스는 USB, SPI 및 UART의 규격을 갖는 것을 특징으로 하는 가스검출시스템.The input and output interface is a gas detection system, characterized in that having the specifications of USB, SPI and UART. 대기의 가스 종류 및 농도를 검출하기 위한 가스검출방법에 있어서,In the gas detection method for detecting the type and concentration of gas in the atmosphere, 동작모드 환경에서 온도센서를 통해 복수의 가스센서로 구성된 센서 어레이의 온도를 읽는 단계;Reading a temperature of a sensor array consisting of a plurality of gas sensors through a temperature sensor in an operating mode environment; 상기 온도를 기반으로 각 센서 어레이의 옵셋을 셋팅하는 단계;Setting an offset of each sensor array based on the temperature; 상기 셋팅된 옵셋이 전류 소스를 선택하여 가스센서의 출력값을 읽는 단계를 포함하고, 상기 가스센서는 가스의 반응에 따라 저항값이 변하며, 상기 검출된 저항값에 따라 전류 소스가 선택되어 가스센서의 출력값이 읽혀지는 것을 특징으로 하는 가스검출방법.The set offset includes selecting a current source and reading an output value of a gas sensor, wherein the gas sensor changes a resistance value according to a reaction of a gas, and a current source is selected according to the detected resistance value, Gas detection method, characterized in that the output value is read. 청구항 7에 있어서,The method of claim 7, 상기 가스센서의 출력값을 읽는 단계는 센서 어레이의 저항 변화에 따라 모든 센서 어레이를 읽는 연속 액세스 모드 및 복수의 센서 어레이 중 하나 또는 센서 어레이의 센서들 중 어느 하나만을 읽는 목표 어드레스 환경모드가 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스검출방법.The reading of the output value of the gas sensor may include a continuous access mode for reading all the sensor arrays and a target address environment mode for reading only one of the sensors of the plurality of sensor arrays or the sensors of the sensor array according to the resistance change of the sensor array. Gas detection method, characterized in that.
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