KR101431471B1 - 저 소비 전력형 가스 센서 - Google Patents

저 소비 전력형 가스 센서 Download PDF

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박종욱
박광민
유형준
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 저 소비 전력형 가스 센서에 관한 것으로서, 구체적으로는 특정 가스 감지를 위한 감지 물질의 동작에 소비되는 전력을 최소화한 저 소비 전력형 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명에 의한 가스 센서에 따르면, 기판으로 인하여 소모되는 전력을 최소화함으로써 감지 물질의 동작에 소비되는 전력을 현저히 줄일 수 있음은 물론 칩 패키지 형태로 구현하여 휴대용 기기 등에 이용할 수 있다.

Description

저 소비 전력형 가스 센서 {Low power consumption type gas sensor}
본 발명은 저 소비 전력형 가스 센서에 관한 것으로서, 구체적으로는 특정 가스 감지를 위한 감지 물질의 동작에 필요한 전력을 최소화한 저 소비 전력형 가스 센서에 관한 것이다.
가스 센서는 기체 중에 함유된 특정 화학 물질을 감지하여 그 농도를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 장치로 이에 관한 연구는 오래전부터 이루어져 왔고 현재 다양한 방식의 가스 센서가 상용화되어 있다.
이러한 가스센서들은 대부분 동작온도가 비교적 고온이기 때문에 동작온도를 유지하기 위한 히터가 필요한 것이 보통이다. 예를 들어, 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO) 등과 같이 감지대상가스의 농도에 따라 저항이 변화하는 감지물질을 이용하여 감지대상가스의 농도의 변화에 따른 감지물질의 저항의 변화를 측정함으로써 감지대상가스의 농도를 측정하는 가스센서나, 금속 촉매가 포함된 산화알루미늄(Al2O3) 등과 같이 감지대상가스와 반응하는 촉매물질을 이용하여 감지대상가스와 촉매물질 간의 산화반응에 따른 온도변화를 저항변화로 측정함으로써 감지대상가스의 농도를 측정하는 가스센서들의 경우, 감지물질 또는 촉매물질의 동작온도가 300℃∼400℃로 비교적 고온이기 때문에 정확한 측정을 위해서는 히터를 구비하여 동작 온도로 가열해 주어야 한다.
도 1은 종래의 가스센서용 히터의 구조이다.
도 1을 참조하면, 종래의 가스센서용 히터(100)는 알루미나 기판(110) 상에 열선(120)을 프린트 방식으로 도포한 구조로 되어 있다. 열선(120)은 백금(Pt) 등의 저항체로 구성되는 것이 보통인데, 위 열선(120)의 양단에 구비된 전극(130)으로 전압을 인가하게 되면 저항 가열의 원리에 의해 위 열선(120)이 발열 되며, 그로 인해 미도시한 감지 물질이 동작 온도로 가열되게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 가스센서용 히터 구조는 감지 물질을 소정의 동작 온도로 가열하기 위해 알루미나 기판 전체를 가열해야 하므로 이에 따른 전력 소모가 크게 발생할 뿐만 아니라, 위 알루미나 기판을 통한 공기 중으로의 복사열 방출에 따른 열 손실을 보상하기 위해 불필요한 전력 소모가 발생하는 등 가스센서 동작을 위한 전력 소모가 전체적으로 매우 커서, 가스센서를 휴대용 기기에 적용하기에는 부담이 크다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 감지 물질을 동작 온도로 가열하기 위해 필요한 전력 소모를 최소화할 수 있는 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서에 있어서, 홀이 형성된 기판, 상기 기판상에 상기 홀에 인접하여 한 쌍으로 형성되는 제1 전극 패드 상기 제1 전극 패드에 전기적으로 접착되며 부분적으로 감지 물질이 형성된 히터선 및 상기 홀에 인접하여 형성되며 상기 제1 전극 패드의 어느 한 전극 및 상기 감지 물질과 전기적으로 연결되는 제2 전극 패드를 포함하되, 상기 제1 전극 패드로 전압이 인가됨에 따라 상기 히터선을 통해 상기 감지 물질이 가열되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 히터선은 상기 제1 전극 패드의 표면에 접착되어 상기 기판과 접촉되지 않을 수 있다.
또한, 상기 감지 물질은 상기 홀의 상부을 지나는 히터선에 부분적으로 형성되되, 상기 감지 물질과 상기 기판이 접촉되지 않을 수 있다.
이때, 상기 히터선은 상기 감지 물질이 도포되는 부분의 적어도 일부분이 두께가 상대적으로 얇아지도록 식각될 수 있다.
상기 히터선은 백금(Pt) 소재일 수 있다.
바람직하게 상기 제1 전극 패드는 상기 홀을 중심으로 대향하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판은 복수개의 홀이 형성되며 상기 홀 마다 상기 제1 전극 패드, 상기 제2 전극 패드 및 상기 부분적으로 감지 물질이 형성된 히터선이 형성되되, 상기 감지 물질은 다양한 종류의 가스 농도 감지를 위해 감지하려는 대상가스의 종류에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
바람직하게 상기 제1 전극 패드는 상기 홀 마다 형성된 히터선으로의 전류 공급을 위한 공통 전극 형태로 형성될 수 있다.
다른 한편, 상기 기판을 탑재한 패키징 기판 및 상기 패키징 기판을 고정시키기 위한 전극 연결핀을 더 포함하되, 상기 제1 전극 패드로의 전압 인가는 상기 제1 전극 패드와 상기 전극 연결핀 간 와이어링(wiring)을 통한 전기적 연결에 의해 이루어질 수 있다.
이때, 상기 패키징 기판상에 가스 투과막이 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 가스 센서에 따르면, 기판으로 인하여 소모되는 전력을 최소화함으로써 감지 물질의 동작에 소비되는 전력을 현저히 줄일 수 있음은 물론 칩 패키지 형태로 구현하여 휴대용 기기 등에 이용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래의 가스 센서용 히터의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다종 가스 감지를 위한 저 소비 전력형 가스 센서 플랫폼의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서 패키지의 측면도이다.
본 발명은 저 소비 전력형 가스 센서에 관한 것으로서, 구체적으로 특정 가스의 농도 변화에 따라 전기 전도도, 저항 등의 전기적 특성이 변화하는 감지 물질의 동작에 필요한 소비 전력을 최소화하기 위해 상기 감지 물질로는 열 에너지를 효과적/집중적으로 전달하되 기판으로의 열 전달은 최소화한 저 소비 전력형 가스 센서에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서(200)는 홀이 형성된 기판(210), 제1 전극 패드(220), 제2 전극 패드(230) 및 부분적으로 감지 물질(10)이 형성된 히터선(240)을 포함한다.
상기 홀이 형성된 기판(210)은 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료로 알루미나(alumina) 등의 절연 산화물로 제작할 수 있으며, 상기 기판(210)에는 감지 물질(10)을 동작 온도로 가열하기 위해 필요한 전력 소모를 최소화하기 위해 상기 감지 물질(10)과의 접촉 방지를 위한 홀이 형성된다.
상기 제1 전극 패드(220)는 히터선(240)으로의 전류 공급을 위해 전압이 인가되는 한 쌍의 도체로, 구체적으로 상기 제1 전극 패드(220)는 외부 도선을 통해 연결된 전원(30)에 의해 전압이 인가되고, 위 전압 인가로 인해 전기적으로 연결되는 히터선(240)으로 전류를 공급함으로써 상기 히터선(240)이 저항 가열(resistive heating)되도록 한다.
이때, 상기 제1 전극 패드(220)는 상기 기판(210)이 상기 감지 물질(10) 및 상기 히터선(240)과 접촉하지 않도록, 도 2에서 나타낸 바와 같이 상기 기판(210)에 형성된 홀을 중심으로 음극(①) 및 양극(②)을 상호 대향하여 상기 홀의 인접한 주변부에 형성할 수 있다.
상기 히터선(240)은 상기 제1 전극 패드(220)를 통해 제공되는 전류에 의해 열이 발생하고, 상기 발생한 열을 통해 상기 히터선(240)에 부분적으로 형성된 감지 물질을 동작 온도로 가열/유지하기 위한 도선으로 백금(Pt), 텅스텐(W) 등의 금속 열선으로 구현할 수 있다.
상기 히터선(240)은 도 2에서 나타낸 바와 같이, 그 말단이 상기 제1 전극 패드(220)의 음극(①) 및 양극(②)의 표면에 전기적으로 접착될 수 있으며, 바람직하게는 상기 기판(210)으로의 열 전달을 방지하기 위해 상기 기판(210)과는 접촉하지 않도록 제작할 수 있다.
한편, 상기 히터선(240)에 부분적으로 형성되는 감지 물질(10)은 그 동작 온도에서 특정 가스의 농도 변화에 따라 전기적 특성이 변화하는 물질로 예컨대, 산화 주석(SnO2), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO) 등으로 구현될 수 있으며, 상기 감지 물질(10)은 감지하려는 대상 가스의 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
이때, 상기 감지 물질(10)은 상기 기판(210)으로의 열 전달을 방지하기 위해 상기 감지 물질(10)을 상기 기판(210)에 형성된 홀의 상부를 지나는 히터선(240)에 부분적으로 형성하되, 상기 감지 물질(10)과 상기 기판(210)이 접촉하지 않도록 상기 감지 물질을 적절히 도포하여 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서의 측면도이다.
도 3에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서(200)는 감지 물질(10)의 동작에 필요한 소비 전력을 최소화하기 위해 상기 히터선(240)을 제1 전극 패드(220)의 표면에 형성하되 기판(210)과는 접촉하지 않도록 형성할 수 있으며, 또한 상기 히터선(240)에 부분적으로 형성되는 감지 물질(10)은 상기 기판(210)의 홀이 형성된 영역에 도포함으로써 이 역시 상기 기판(210)과 접촉하지 않도록 형성할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서(200)는 외부 전원에 의해 열이 발생하는 히터선(240) 및 상기 히터선(240)에 의해 가열되는 감지 물질(10)이 상기 기판(210)과 접촉하지 않도록 형성함을 통해 상기 기판(210)으로의 열 전달로 인해 발생하는 감지 물질(10)의 동작을 위한 소비 전력을 최소화할 수 있다.
한편 도시하지는 않았지만, 상기 감지물질(10)이 도포된 부분에서 집중적으로 열이 발생되도록 함으로써 감지물질(10)의 가열 외의 불필요한 열손실을 방지하기 위하여, 상기 히터선(240) 중 상기 감지 물질(10)이 도포되는 부분의 굵기를 상대적으로 가늘게 구현할 수 있다. 이러한 구성에 의하면 히터선(240) 중 저항이 상대적으로 큰 부분, 즉 굵기가 가는 부분에서 열이 집중적으로 발생하게 되므로, 이 부분에 도포된 감지 물질(10)을 효과적으로 가열하는 것이 가능하다. 이때 히터선(240)의 일부를 가늘게 구현하는 것은 식각 방법을 사용하여 구현할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
다시 도 2를 참조하여 설명하면, 제2 전극 패드(230)는 특정 가스의 농도 변화에 따른 감지 물질(10)의 전기적 특성 변화를 측정하기 위해 상기 기판(210)상에 형성되는 도체로, 상기 제2 전극 패드(230)는 상기 감지 물질(10)의 전기적 특성 변화를 측정하기 위하여 제1 전극 패드의 음극(①) 또는 양극(②) 중 어느 한 전극 및 감지 물질(10)과 전기적으로 연결되며, 또한 외부 도선을 통해 저항체(20)와 연결될 수 있다.
예컨대, 상기 제2 전극 패드(230)는 감지 물질(10)이 동작 온도로 가열되어 특정 가스의 농도를 측정할 수 있는 활성화 상태에서, 상기 감지 물질(10), 제1 전극 패드의 음극(①) 또는 양극(②) 중 어느 한 전극 및 저항체(20)로 구성된 회로에 미도시한 일정 전압을 인가하여 상기 저항체(20) 양단의 전압을 측정하는 과정으로 상기 감지 물질(10)의 전기전도도(또는 저항)를 간접적으로 측정함으로써 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다.
이때, 상기 감지 물질(10)과의 전기적 연결은 백금(Pt) 소재의 연결선으로 구현할 수 있으며, 상기 저항체(20)는 감지하려는 대상 가스 및 감지 물질의 특성을 고려하여 상황에 따라 그 크기를 적절히 변경하여 설정할 수 있다.
상기 제2 전극 패드(230)는 상기 기판(210)상에 형성된 홀에 인접하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 전극 패드(220) 및 상기 감지 물질(10)과의 연결을 고려하여 도 2에서 나타낸 바와 같이 상기 홀의 하측 또는 상측에 형성할 수 있다.
한편, 기체 속에 포함된 다양한 종류의 가스를 간편한 방식으로 동시 감지하기 위해 하나의 대면적 기판상에 서로 다른 감지 물질이 형성된 복수개의 본 발명 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서(200)를 배열/형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다종 가스 감지를 위한 저 소비 전력형 가스 센서 플랫폼의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 다종 가스 감지를 위한 저 소비 전력형 가스 센서 플랫폼(400)은 감지하려는 가스의 종류 수에 따라 복수개의 홀이 형성된 기판(410)상에 상기 홀 마다 감지하려는 대상 가스에 따라 서로 다른 감지 물질(11, 12, 13, 14)이 형성된 저 소비 전력형 가스 센서(200)를 배열한 형태로 구현할 수 있다.
상기 플랫폼(400)에 형성된 개별 저 소비 전력형 가스 센서(200)의 구조는 전술한 바와 같으며, 상기 개별 저 소비 전력형 가스 센서의 제2 전극 패드(430)와 전기적으로 연결되는 저항(R1, R2, R3, R4)은 감지 물질의 특정 가스에 대한 전기적 특성을 반영하여 적절하게 선택될 수 있다.
이때, 상기 다종 가스 감지를 위한 저 소비 전력형 가스 센서 플랫폼(400)의 크기를 소형화하고 제품 생산의 간편화를 도모하기 위해 상기 기판(410)상에 형성되는 제1 전극 패드(420-①, 420-②, 420-③)를 도 4에서 나타낸 바와 같이 일렬로 배열된 상기 홀의 일측을 따라 길게 형성함으로써 히터선(440-①, 440-②, 420-③)으로의 전류 공급을 위한 공통 전극으로 이용할 수 있다.
구체적으로 제1 전극 패드(420-①, 420-②)를 제1 감지 물질(11) 및 제2 감지 물질(12)이 형성된 홀의 일측을 따라 길게 형성함으로써 상기 제1 감지 물질(11) 및 상기 제2 감지 물질(12)이 형성된 히터선(440-①, 440-②)으로의 전류 공급을 위한 공통 전극으로 이용할 수 있으며, 동일한 방식으로 제1 전극 패드(420-②, 420-③)를 제3 감지 물질(13) 및 제4 감지 물질(14)이 형성된 홀의 일측을 따라 길게 형성함으로써 상기 제3 감지 물질(13) 및 상기 제4 감지 물질(14)이 형성된 히터선(440-③, 440-④)으로의 전류 공급을 위한 공통 전극으로 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서(200)는 감지 물질의 동작에 소비되는 전력을 현저히 줄일 수 있어 칩 패키지 형태로 이를 구현하여 휴대용 기기 등에 이용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서 패키지의 측면도이다.
도 5에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 저 소비 전력형 가스 센서 패키지(500)는 패키징 기판(510)의 센서 칩(520)상에 제1 전극 패드(530) 및 감지 물질(10)이 부분적으로 형성된 히터선(540)을 형성하되, 상기 제1 전극 패드(530)와 상기 패키징 기판(510)을 고정시키기 위해 구비되는 전극 연결핀(550)간 와이어링(wiring)(560)을 통해 전기적으로 연결함으로써 상기 전극 연결핀(550)을 통해 상기 제1 전극 패드로 전압이 인가될 수 있다.
이때, 상기 저 소비 전력형 가스 센서 패키지(500)는 감지 대상 가스는 투과하고 이물질의 유입은 차단시키기 위해 상기 패키징 기판(510)상에 가스 투과막(570)을 형성할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
100 : 가스 센서용 히터
200 : 저 소비 전력형 가스 센서
210 : 기판
220 : 제1 전극 패드
230 : 제2 전극 패드
240 : 히터선
400 : 저 소비 전력형 가스 센서 플랫폼
500 : 저 소비 전력형 가스 센서 패키지
10 : 감지 물질
20 : 저항체
30 : 전원

Claims (10)

  1. 홀이 형성된 기판;
    상기 기판상에 상기 홀에 인접하여 한 쌍으로 형성되는 제1 전극 패드;
    상기 제1 전극 패드에 전기적으로 접착되며 부분적으로 감지 물질이 형성된 히터선; 및
    상기 홀에 인접하여 형성되며 상기 제1 전극 패드의 어느 한 전극 및 상기 감지 물질과 전기적으로 연결되는 제2 전극 패드를 포함하되,
    상기 제1 전극 패드로 전압이 인가됨에 따라 상기 히터선을 통해 상기 감지 물질이 가열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히터선은 상기 제1 전극 패드의 표면에 접착되어 상기 기판과 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 물질은 상기 홀의 상부을 지나는 히터선에 부분적으로 형성되되, 상기 감지 물질과 상기 기판이 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 가스센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 히터선은 상기 감지 물질이 도포되는 부분의 적어도 일부분이 두께가 상대적으로 얇아지도록 식각된 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 히터선은 백금(Pt) 소재인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 패드는 상기 홀을 중심으로 대향하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 복수개의 홀이 형성되며,
    상기 홀 마다 상기 제1 전극 패드, 상기 제2 전극 패드 및 상기 부분적으로 감지 물질이 형성된 히터선이 형성되되,
    상기 감지 물질은 다양한 종류의 가스 농도 감지를 위해 감지하려는 대상가스의 종류에 따라 다양하게 형성된 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 전극 패드는 상기 홀 마다 형성된 히터선으로의 전류 공급을 위한 공통 전극 형태로 형성되는 것을 특징을 하는 가스 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을 탑재한 패키징 기판 및 상기 패키징 기판을 고정시키기 위한 전극 연결핀을 더 포함하되,
    상기 제1 전극 패드로의 전압 인가는 상기 제1 전극 패드와 상기 전극 연결핀 간 와이어링(wiring)을 통한 전기적 연결에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 패키징 기판상에 가스 투과막이 형성된 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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