KR101268028B1 - 가스 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체식 가스센서에 관한 것으로서, 절연기판; 상기 절연기판의 일면에 설치되는 히터; 및 상기 히터와 동일면에 설치되되 히터와는 그 영역을 구획하여 설치되며, 가스와 반응하여 저항값이 변화되는 가스 검출부를 포함하며, 가스 검출부를 구성하는 감지전극과 히터를 절연기판의 동일면에 설치하여 기판의 절연 파괴를 방지하고 히터의 열손실을 최소화한 효과를 갖는 것이다.

Description

가스 센서{Gas sensor}

본 발명은 가스 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판의 동일면에 감지전극과 히터를 설치하여 기판의 절연 파괴를 방지하고 히터의 열손실을 최소화한 새로운 구조의 가스 센서에 관한 것이다.

유해 가스 또는 위험 가스의 누설을 감지하기 위하여 가스 센서가 사용된다. 가스 센서는 다양한 종류가 개시되어 있으나 대표적으로는 접촉연소식과 반도체식이 있다. 이중에서 반도체식 가스 센서는 저농도에서 출력의 변화가 커서 감도가 좋고 내구성이 양호하며 연령경시변화가 적은 장점이 있다.

일반적인 반도체식 가스 센서는 소결된 금속산화물 반도체를 전기히터를 이용하여 100~500℃로 가열할 때, 반도체에 가스가 흡착되면 흡착된 가스의 전기전도도가 변화하는 것을 감지한다.

종래 반도체식 가스 센서는 대체로 알루미나 또는 글래스 등의 절연기판 후면에 전기히터를 설치하고, 절연기판의 전면에는 감지전극을 설치하여 검출부를 구성하였다. 그러나 양면에 스크린프린팅 공정을 수행함으로 인한 비용이 발생하며, 히터에 전기를 공급하거나 감지막의 저항 변화를 읽기 위해 금속선을 소자에 붙일 때 앞면과 뒷면에 붙여야 하기 때문에 두 번의 열처리를 수행해야 하며 따라서 추가의 시간 및 비용이 발생한다.

본 발명은 기판의 동일면에 감지전극과 히터를 설치하여 히터를 비교적 낮은 온도로 가열할 수 있으며 제조공정을 절반으로 줄임으로써 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있도록 한 가스 센서를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 복수의 검출부를 구성하고 각 검출부의 온도 조건을 달리하여 다양한 종류의 가스들을 선택적으로 검출하도록 함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 각 검출부의 온도 조건과 습도 조건에 따라 출력감도를 보상하여 검출 정확도를 높이도록 함에 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 센서는, 절연기판; 상기 절연기판의 일면에 설치되는 히터; 및 상기 히터와 동일면에 설치되되 히터와는 그 영역을 구획하여 설치되며, 가스와 반응하여 저항값이 변화되는 가스 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 검출부는 전원이 인가되는 전원전극과 검출전압을 출력하는 감지전극 사이에서 제1가스를 검출하는 제1검출부와, 상기 감지전극과 접지측에 연결되는 접지전극 사이에서 제2가스를 검출하는 제2검출부로 구성된다.

상기 제1검출부에 비해 상기 제2검출부는 높은 온도 조건을 갖는다.

상기 제1검출부는 상기 히터에 이격하여 배치되고, 상기 제2검출부는 상기 제1검출부에 비해 히터에 상대적으로 근접하여 배치된다.

상기 제1검출부와 히터 사이에는 열차단벽이 설치된다.

상기 제1가스는 환원성 가스이고, 제2가스는 산화성 가스이다.

상기 제1검출부는 환원성 가스를 선택적으로 투과하는 제1필터를 더 포함하고, 상기 제2검출부는 산화성 가스를 선택적으로 투과하는 제2필터를 더 포함한다.

상기 제1검출부는 환원성 가스에 선택적으로 반응하여 저항값이 감소하고, 상기 제2검출부는 선택적으로 산화성 가스에 반응하여 저항값이 증가한다.

본 발명의 가스 센서에 따르면 절연기판의 동일면에 감지전극과 히터가 설치되되 감지전극이 구성하는 가스 검출부와 히터가 공간적으로 영역을 구획하여 설치되므로, 스크린프린팅, 와이어 본딩 및 열처리 공정을 반으로 줄일 수 있어서 제조 공정에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 가스 센서에 따르면, 복수의 가스 검출부가 서로 다른 온도로 설정되어 단일의 센서 장치로 다양한 종류의 가스들을 선택적으로 검출할 수 있으며, 각 가스 검출부의 온도 차이를 보다 명확하게 설정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 가스 센서에 따르면, 온도 및 습도 조건의 변화에 대응하여 출력감도를 조절함으로써, 센서의 오동작을 방지하고 검출 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 센서의 일실시예를 보인 평면도,
도 2는 전극들의 설치예를 보인 평면도,
도 3은 히터의 설치예를 보인 평면도,
도 4는 열차단벽의 설치예를 보인 평면도,
도 5는 몰딩부재의 설치예를 보인 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 가스 센서의 등가회로를 보인 회로도,
도 7은 검출대상 가스의 감도 예를 보인 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 가스 센서는 절연기판의 동일면에 가스 센싱을 위한 전극류 등의 가스 검출부와 가스 검출부를 가열하기 위한 히터가 함께 설치된다. 여기서, 가스 검출부와 히터는 공간적으로 구획된 영역에 설치된다. 이와 같은 구조는 히터의 열이 비교적 손실 없이 가스 검출부로 전달되므로, 히터를 적절한 온도로 가열하여도 가스 검출에 필요한 충분한 열을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예는 단일의 온도 조건을 갖는 가스 검출부로 구성될 수 있다. 또한, 복수의 가스 검출부가 각기 다른 온도 조건으로 설정되도록 구성될 수도 있다. 후자의 경우 예컨대, 단일의 가스 센서로 환원성 가스와 산화성 가스를 선택적으로 검출할 수 있다. 이하의 설명에서는 두 개의 가스 검출부를 구비하는 후자의 경우에 대하여 예시하기로 한다.

이하의 실시예에서 환원성 가스는 가스 검출부와 반응하여 자신은 산화하는 성질을 갖는 것을 의미하고, 산화성 가스는 감지 패드와 반응하여 자신은 환원하는 성질을 갖는 것을 의미한다. 예를 들면 환원성 가스는 수소(H₂), 암모니아(NH₃), 톨루엔(C₇H₈), 일산화탄소(CO) 등일 수 있으며, 산화성 가스는 이산화질소(NO₂), 이산화황(SO₂), 삼산화황(SO₃) 등일 수 있다. 공기 중에 환원성 가스가 다량 포함된 경우 감지물의 저항은 감소한다. 반면에 공기 중에 산화성 가스가 다량 포함된 경우 감지물의 저항은 증가한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 센서의 일실시예를 보인 평면도이고, 도 2 내지 5는 절연기판 상에 구성품들이 단계적으로 설치된 상태를 보인 평면도이다. 본 발명에 따른 가스 센서는 실제로 입체적인 형상을 가지지만, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 평면 구성을 도시하였다.

도 1을 참조하면, 절연기판(10)의 상에는 가스 검출부(12a, 12b), 히터(20), 열차단벽(24), 몰딩부재(26) 등이 동일면에 설치된다.

절연기판(10)은 알루미나 기판 또는 글래스 기판과 같은 절연성 재질로 형성된다. 바람직하게는 절연기판(10)은 알루미나 재질 또는 알루미나 성분을 함유한 기판으로 구성된다. 알루미나는 높은 전기 절연성을 갖는 동시에 열전도율이 우수하여, 히터(20)에서 발생된 열을 가스 검출부(12a, 12b)측으로 전달하는데 적합하다.

절연기판(10)의 상면에는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 전극들이 설치된다. 전극들은 전원을 인가하기 위한 전원전극(14), 가스를 감지하기 위한 감지전극(16), 접지측에 연결되는 접지전극(18)으로 구성된다.

도시한 바와 같이 감지전극(16)은 두 개의 라인으로 분기된다. 전원전극(14)에서 연장된 라인과 감지전극(16)에서 연장된 하나의 라인 사이에서 환원성 가스를 검출하는 제1검출부(12a)가 형성된다. 접지전극(18)에서 연장된 라인과 감지전극(16)에서 연장된 다른 하나의 라인 사이에서 산화성 가스를 검출하는 제2검출부(12b)가 형성된다.

제1검출부(12a) 및 제2검출부(12b)는 각각 전극라인들이 소정 간극 이격되도록 설치되어, 간극 사이에 설치된 감지물의 저항에 따라 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 갖는다. 여기서 "R1 "은 R1이라는 이름을 가진 저항을 의미하는 동시에 R1이라는 크기의 저항치를 의미한다. R2 역시 마찬가지이다.

제1검출부(12a) 및 제2검출부(12b)는 금속 산화물 입자, 금속 산화물 나노선 또는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 예컨대, 산화주석(SnO₂), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO₃), 산화제이철(Fe₂O₃), 산화인듐(IN₂O₃) 등과 같은 금속산화물 또는 탄소 나노 튜브의 주원료와, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 레늄(Re), 산화제일철(FeO) 등과 같은 촉매를 세라믹 파우더로 혼합하고, 혼합된 세라믹 파우더를 물과 바인더를 가한 페이스트로 만든 후 페이스트(Paste)를 스크린 프린팅하며, 프린팅된 페이스트를 소결하여 형성할 수 있다.

또한, 경우에 따라서 제1검출부(12a) 및 제2검출부(12b)는 각각 환원성 가스를 선택적으로 투과하는 제1필터(도시 안됨)와 산화성 가스를 선택적으로 투과하는 제2필터(도시 안됨)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 가스 검출부의 구성은 가스 검출력을 더욱 높일 수 있다.

여기서, 도 2를 참조하면 전원전극(14), 감지전극(16), 접지전극(18) 및 이 전극들로 구성되는 가스 검출부(12a, 12b)가 절연기판(10)의 일부 영역에만 형성된 것을 알 수 있다. 이는 후술되는 히터(20)와 전극들을 동일면에 설치하기 위하여, 히터(10)와 전극들의 영역을 구획하여 설치하기 위함이다.

도 3은 히터(20)의 설치예를 보여준다. 도시된 예에서는 절연기판(10) 상에 히터(20)를 먼저 설치하고 다음 공정에서 전극들을 설치하는 것을 예시하였으나, 전극들과 히터(20)는 동일한 공정에서 형성될 수도 있다. 전극들과 히터(20)는 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 등의 금속을 스크린프린팅 공정 또는 반도체 식각 공정을 거쳐 절연기판(10) 상에 형성하는 것으로 설치된다.

도시한 바와 같이 히터(20)는 단위 면적에서 열선이 보다 장거리로 배선되도록 하기 위하여 지그재그 형태로 배치된다. 그리고 열선의 일단부에는 히터에 전원을 인가하기 위한 히터 전원전극(22)이 형성되며, 열선의 타단부는 접지전극(18)에 공통 접지된다. 스크린프린팅 공정으로 설치된 히터의 저항이 불균일하면 가열되는 온도가 일정하지 않을 수 있기 때문에 레이저로 트리밍하여 저항을 일정하게 만들 수 있다.

이때, 바람직하게는 제1검출부(12a)는 히터(20)와 상당한 간격으로 이격되도록 설치되는 반면, 제2검출부(12b)는 제1검출부(12a)에 비해 상대적으로 히터(20)에 근접하여 설치된다. 이와 같은 구조에서 제1검출부(12a)는 제2검출부(12b)에 비해 저온의 온도 조건을 갖게 된다. 예컨대, 제1검출부(12a)는 대략 200℃의 온도 조건을 가지며, 제2검출부(12b)는 대략 300℃의 온도 조건을 갖는다. 이러한 온도조건은 측정 대상 가스의 민감도(Sensitivity)에 따라 달라질 수 있을 것이다.

제1검출부(12a)와 제2검출부(12b)의 온도 차이를 보다 명확하게 구분짓기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 제1검출부(12a)와 히터(20) 사이에 열차단벽(24)이 설치된다. 열차단벽(24)은 히터(20)의 열을 단열시켜 제1검출부(12a)가 제2검출부(12b)에 비해 월등히 낮은 온도 조건을 갖도록 한다. 예컨대, 히터(20)의 발열온도에 따라 차이는 있지만, 제1검출부(12a)와 제2검출부(12b)는 대략 100℃의 차이를 갖는다.

상기 몰딩부재(26)는 히터(20)의 열이 외부로 전달되는 것을 방지하거나 또는 공기 중에 존재하는 가스 및 수증기와 반응하여 저항이 변하는 것을 방지하기 위한 커버부재이다. 몰딩부재(26)는 글래스 등과 같은 재질로 형성된다. 도시된 예에서는 몰딩부재(26)가 히터(20)만을 커버하도록 예시하였으나, 몰딩부재(26)는 가스 검출부(12a, 12b)를 제외한 나머지 영역 전체를 커버할 수도 있다. 또한, 도 5에 도시된 몰딩부재(26) 위에 추가의 외장 하우징이 더 결합될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 가스 센서의 등가회로를 보여준다. 도 6을 참조하면, 전원전극(14)에는 Vdd 전압이 인가된다. 감지전극(16)은 센싱신호 Vo를 출력하며, 접지전극(18)은 영(zero) 전위에 접지된다. 도시된 예에서 제1검출부(12a)는 제1저항(R1)으로 등가되며, 제2검출부(12b)는 제2저항(R2)으로 등가된다. 도 6의 회로도는 통상 알려진 분압회로도와 동일하며, 제1저항(R1) 및 제2저항(R2)의 값에 의해 출력 Vo가 결정된다.

제1검출부(12a)는 환원성 가스를 검출하는 구성으로서, 제1검출부(12a)에 환원성 가스가 존재하면 제1저항(R1)은 작아진다. 제2저항(R2)이 상수이거나 제1저항(R1)에 비해 작은 변동량을 보인다면, 제1저항(R1)이 작아지면서 출력 Vo가 증가한다.

다른 예로서, 제2검출부(12b)는 산화성 가스를 검출하는 구성으로서, 제2검출부(12b)에 산화성 가스가 존재하면 제2저항(R2)은 커진다. 제1저항(R1)이 상수이거나 매우 작은 변동량을 보인다면, 도 6의 등가회로도에서 제2저항(R2)이 커지면서 역시 출력 Vo가 증가한다.

도 6에 도시된 등가회로 구성은 단지 본 발명의 일실시예이며, 도 6의 실시예와 달리 출력 Vo가 작아지는 것을 검출하도록 구성될 수도 있다. 또한, 환원성 가스 및 산화성 가스에 대해 출력 Vo의 변동폭이 다르도록 구성하거나, 기준신호를 기준으로 어느 하나의 검출시는 Vo가 양으로 변동되고 다른 하나의 검출시는 Vo가 음으로 변동되도록 구성할 수도 있다.

도 7은 검출대상 가스의 감도 예를 보인 그래프이다. 도 7에서 감도는 공기 저항 R0와 가스 저항 RG의 비로 나타낼 수 있다. 감도는 1을 기준으로(즉, 공기저항과 가스저항의 비가 동일한 경우) 높고 낮음이 결정된다. 도시한 바와 같이 톨루엔이나 암모니아와 같은 환원성 가스는 200℃에서 낮은 가스 저항을 갖게 되며, 대략 6 이상의 우수한 감도를 보여준다. 또한, 이산화질소 등과 같은 산화성 가스는 200℃에서 감도가 1이므로 좋지 않지만, 300℃에서는 0.1의 감도를 갖는 바와 같이 300℃에서 높은 가스 저항을 가지면서 우수한 감도를 보여준다.

즉, 도 7에서 알 수 있듯이 제1검출부(12a)는 대략 200℃로 설정하여 환원성 가스에 대하여 높은 검출력을 갖도록 하며, 제2검출부(12b)는 대략 300℃로 설정하여 산화성 가스에 대하여 높은 검출력을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 가스 센싱 감도는 가스의 농도에 따라 결정되지만, 온도와 습도의 변화에도 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명의 가스 센서는 이와 같은 온도 및 습도 조건에 따른 센싱 감도 조절 기능을 부가적으로 가질 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 감지전극(16)에서 출력되는 Vo의 주위 온습도에 따른 변화를 보상하기 위하여 온습도 보상회로부(30)가 부가될 수 있다. 온습도 보상회로부(30)는 도시하지 않았지만, 온도 센서 및 습도 센서를 부가적으로 구비할 수 있다. 그리고, 온도 센서 및 습도 센서에서 검출된 제1검출부(12a) 또는 제2검출부(12b)의 온도 조건 및 습도 조건에 따라, 감지전극(16)에서 출력되는 출력신호의 감도를 조절한다. 한편, 온도 보상회로부와 습도 보상회로부가 각기 별도로 구성되거나, 양자 중 어느 하나의 보상회로부만 구비될 수도 있다.

예컨대, 온도 보상회로부는 다음과 같이 동작한다. 도 7에 도시된 바와 같이 톨루엔은 200℃에서 감도가 우수한 것으로 나타난다. 따라서, 제1검출부(12a)에서 검출한 온도 조건이 200℃로 설정된 오차 범위를 벗어나면, 센서의 출력 감도를 높여 온도 변화에 따른 감도 저하를 보상한다. 마찬가지로 이산화질소는 300℃에서 감도가 우수한 것으로 나타나므로, 제2검출부(12b)에서 검출한 온도 조건이 300℃로 설정된 오차 범위를 벗어나면, 센서의 출력 감도를 높여 온도 변화에 따른 감도 저하를 보상한다.

예컨대, 습도 보상회로부는 다음과 같이 동작한다. 통상 습도가 이상적으로 증가하면 저항값은 감소한다. 따라서 습도가 이상적으로 증가할 경우 제1저항(R1)과 제2저항(R2)을 검출된 값보다 상승시키는 것으로 보상한다. 이와 같은 온습도 보상회로부(30)는 본 발명에 따른 가스 센서의 주위 환경변화에 따른 출력변화를 보상한다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보상 알고리즘을 이용하여 온습도를 보상할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 절연기판 12a : 제1검출부
12b : 제2검출부 14 : 전원전극
16 : 감지전극 18 : 접지전극
20 : 히터 22 : 히터 전원전극
24 : 열차단벽 26 : 몰딩부재 및 절연막
30 : 온습도 보상회로부 31: 레이저 트리밍 방향

Claims (14)

1. 절연기판;
   상기 절연기판의 일면에 설치되는 히터; 및
   상기 히터와 동일면에 설치되되 히터와는 그 영역을 구획하여 설치되며, 가스와 반응하여 저항값이 변화되는 가스 검출부
   를 포함하고,
   상기 가스 검출부는 전원이 인가되는 전원전극과 검출전압을 출력하는 감지전극 사이에서 제1가스를 검출하는 제1검출부, 및 상기 감지전극과 접지측에 연결되는 접지전극 사이에서 제2가스를 검출하는 제2검출부를 포함하며,
   상기 제1검출부는 제1저항을 가지고, 상기 제2검출부는 제2저항을 가지며, 상기 감지전극은 상기 제1저항 및 상기 제2저항의 값에 따라 센싱신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1검출부에 비해 상기 제2검출부는 높은 온도 조건을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1검출부는 상기 히터에 이격하여 배치되고, 상기 제2검출부는 상기 제1검출부에 비해 히터에 상대적으로 근접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제1검출부와 히터 사이에는 열차단벽이 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제2검출부와 히터 사이에는 열차단벽이 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 제1가스는 환원성 가스이고, 제2가스는 산화성 가스인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
8. 제3항에 있어서,
   상기 제1가스는 산화성 가스이고, 제2가스는 환원성 가스인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 제1검출부는 환원성 가스를 선택적으로 투과하는 제1필터를 더 포함하고, 상기 제2검출부는 산화성 가스를 선택적으로 투과하는 제2필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
   
10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1검출부는 산화성 가스를 선택적으로 투과하는 제1필터를 더 포함하고, 상기 제2검출부는 환원성 가스를 선택적으로 투과하는 제2필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
    
11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1검출부는 환원성 가스에 반응하여 저항값이 감소하고, 상기 제2검출부는 산화성 가스에 반응하여 저항값이 증가하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
    
12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1검출부는 산화성 가스에 반응하여 저항값이 증가하고, 상기 제2검출부는 환원성 가스에 반응하여 저항값이 감소하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
    
13. 제3항에 있어서,
    상기 제1검출부 또는 제2검출부의 온도 조건에 따라 상기 감지전극의 출력감도를 조절하는 온도 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
    
14. 제3항에 있어서,
    상기 제1검출부 또는 제2검출부의 습도 조건에 따라 상기 감지전극의 출력감도를 조절하는 습도 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.

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