KR101614034B1 - 일체형 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판상에 배치된 가스 센서; 상기 기판상에 배치된 적외선 센서; 및 상기 기판에 결합되어 상기 가스 센서와 적외선 센서를 수용하는 공간부를 형성하는 커버;를 포함하고, 상기 공간부에는 외부 가스가 유입되는 일체형 가스 센서를 개시한다.
Description
본 발명은 가스를 검출할 수 있는 일체형 센서에 관한 것이다.
가스 센서는 메탄 또는 프로판 등의 가연성 가스, 또는 수소 등과 같은 각종 가스의 농도를 검출하는 센서로서, 가스감지 방식에 따라 연소식 가스센서, 전기 화학식 가스센서, 열전도식 가스센서 및 반도체 가스센서 등이 있다.
이 중, 반도체 가스센서는 산화주석(SnO2) 등의 세라믹 물질이 섭씨 300도 이상의 온도에서 특정 가스에 노출될 때 저항이 변하는 성질을 이용한다. 따라서, 이러한 가스 센서를 이용하면 다양한 가스를 검출할 수 있다.
그러나, 반도체 가스 센서는 이산화탄소의 농도를 정확히 측정할 수 없는 문제가 있다. 현재 이산화탄소의 농도를 측정하는 센서 중 현재 각광받고 있는 센서는 NDIR 방식의 센서이다.
NDIR 센서는 이산화탄소가 특정 파장의 적외선을 흡수하는 성질을 이용한다. 따라서, 가스 센서와 NDIR 센서를 모듈화하면 대부분의 가스 농도를 검출할 수 있다.
그러나, NDIR 센서는 구조상 부피가 크기 때문에 소형 센서를 만들기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 이산화탄소를 포함하는 다양한 가스를 검출할 수 있는 일체형 센서를 제공한다.
본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지 방식으로 제작하여 소형화된 일체형 센서를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서는, 기판; 상기 기판상에 배치된 가스 센서; 상기 기판상에 배치된 적외선 센서; 및 상기 기판에 결합되어 상기 가스 센서와 적외선 센서를 수용하는 공간부를 형성하는 커버;를 포함하고, 상기 공간부에는 외부 가스가 유입된다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 커버는 상기 공간부를 형성하는 캐비티; 및 상기 캐비티의 바닥면에 형성된 복수 개의 관통홀을 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 캐비티의 양측벽과 상기 기판의 평탄면이 이루는 내각은 90도보다 작고, 상기 양측벽은 각각 상기 가스 센서 및 적외선 센서의 중심축과 교차한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 가스 센서는 동일 평면에 배치된 센싱부와 히터부를 포함하고, 상기 적외선 센서는 상기 히터부에서 방출된 적외선을 검출한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 가스 센서는 복수 개의 서브 가스 센서를 포함하고, 상기 서브 가스 센서는 각각 선택적으로 가스를 검출한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 복수 개의 서브 가스 센서는 서로 다른 가스와 반응하는 감지층을 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 가스 센서와 적외선 센서 사이의 거리를 이분하는 법선축을 기준으로, 상기 관통홀의 밀도는 가스 센서 측이 적외선 센서 측보다 높다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 기판과 커버는 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 일체형 센서는, 적외선 센서가 배치된 제1기판; 상기 제1기판의 상부에 배치되고 상기 제1기판과 마주보는 면에 가스 센서가 배치된 제2기판; 및 상기 적외선 센서와 가스 센서 사이에는 형성되는 공간부;를 포함하고, 상기 공간부로 외부 가스가 유입된다.
본 발명의 다른 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 제1기판은 외부 가스가 유입되는 복수 개의 관통홀을 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 일체형 센서에서, 상기 가스 센서는 적외선을 방출하는 히터부를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 일체형 가스 검출 장치는, 가스 센서, 및 상기 가스 센서에서 방출된 적외선을 검출하는 적외선 센서를 포함하는 일체형 가스 센서; 및 상기 가스 센서와 적외선 센서로부터 수신한 검출신호를 이용하여 가스 농도를 측정하는 측정부를 포함하고, 상기 가스 센서와 적외선 센서는 외부 가스에 노출된다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소를 포함한 다양한 가스를 하나의 센서로 검출할 수 있다.
또한, 소형 센서가 가능해져 휴대 단말 등에 장착 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 센서에서 방출된 적외선이 적외선 센서에 의해 흡수되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 변형예이고,
도 5는 도 3의 A부분 확대도이고,
도 6은 도 5의 A-A 방향 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전쌍 모듈을 설명하기 위한 개념도이고,
도 8은 도 7의 B-B 방향 단면도이고,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 가스 센서의 개념도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 가스 센서에서 방출된 적외선이 적외선 센서에 의해 흡수되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 블록도이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서가 장착된 디바이스의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 센서에서 방출된 적외선이 적외선 센서에 의해 흡수되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 변형예이고,
도 5는 도 3의 A부분 확대도이고,
도 6은 도 5의 A-A 방향 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전쌍 모듈을 설명하기 위한 개념도이고,
도 8은 도 7의 B-B 방향 단면도이고,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 가스 센서의 개념도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 가스 센서에서 방출된 적외선이 적외선 센서에 의해 흡수되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 블록도이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서가 장착된 디바이스의 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 센서에서 방출된 적외선이 적외선 센서에 의해 흡수되는 과정을 보여주는 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 일체형 가스 센서는 기판(100)과, 기판(100)상에 배치된 가스 센서(200)와, 기판(100)상에 배치된 적외선 센서(300), 및 기판(100)에 결합되어 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)를 수용하는 공간부를 형성하는 커버(400)를 포함한다.
기판(100)은 실리콘 웨이퍼로 제작될 수 있으며, 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)가 배치되는 안착면(101, 102)을 갖는다.
안착면(101, 102)은 후면이 식각되어 상대적으로 얇은 두께를 갖는다. 따라서, 외부로 에너지가 누설되는 것을 방지하여 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)의 성능을 향상시킬 수 있다.
기판(100)의 하부는 베이스 기판(110)에 의해 밀폐된다. 따라서, 안착면(101, 102)의 식각된 부위는 진공 상태로 유지될 수 있다.
커버(400)는 기판(100)과 마주보는 면에 캐비티(410)가 형성된다. 따라서, 커버(400)는 기판(100)에 결합되어 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)를 수용하는 공간부를 형성한다.
커버(400)는 기판(100)과 동일한 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 따라서, 일체형 가스 센서는 웨이퍼 레벨 패키지 형태로 제작되어 소형화가 가능해진다.
캐비티(410)의 바닥면(414)에는 복수 개의 관통홀(413)이 형성된다. 따라서, 관통홀(413)을 통해 외부 가스(G)가 공간부로 유입된다.
가스 센서(200)는 외부 가스와 반응하여 검출 신호를 생성한다. 검출 신호란 외부 가스와 반응하여 변화되는 전압 또는 전류 신호일 수 있다. 가스 센서(200)는 센싱부와 적외선을 방출하는 히터부를 포함한다.
적외선 센서(300)는 가스 센서(200)에서 방출된 적외선을 검출한다. 적외선 센서(300)는 지벡 효과를 이용한 기전력을 검출하여 적외선 레벨을 측정할 수 있다.
도 2를 참고하면, 가스 센서(200)에서 방출된 적외선은 캐비티(410)의 측벽(411, 412)에 반사되어 적외선 센서(300)에 입사된다.
유입된 외부 가스(G) 중 이산화탄소는 적외선을 흡수하므로 적외선 센서(300)에 입사되는 적외선을 측정하면 이산화탄소에 흡수된 적외선의 양을 산출할 수 있다. 따라서, 이를 이용하여 이산화탄소의 농도를 산출할 수 있다.
예를 들면, 이상적으로 가스 센서(200)에서 방출되어 적외선 센서(300)에 흡수되는 적외선량을 100으로 할 때, 실제 적외선 센서(300)에 흡수된 적외선량이 80인 경우, 나머지 20은 이산화탄소에 의해 흡수된 것으로 판단할 수 있다.
캐비티(410)의 측벽(411, 412)은 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)의 중심축(C1, C2)과 서로 교차하도록 소정 각도로 기울어진다. 따라서, 가스 센서(200)에서 방출된 적외선은 캐비티(410) 측벽(411, 412) 및 바닥면(414)에 의해 반사되어 적외선 센서(300)로 입사된다.
즉, 캐비티(410)의 양측벽(411, 412) 및 바닥면(414)이 적외선 반사면의 역할을 수행한다. 반사율을 높이기 위하여 양측벽(411, 412) 및 바닥면(414)에는 요철 패턴이 형성될 수 있다.
캐비티(410)의 측벽(411, 412)과 기판(100)의 평탄면이 이루는 각도(θ1,θ2)는 90°보다 작을 수 있고, 바람직하게는 30° 내지 70°의 각도를 가질 수 있다. 더 바람직하게는 50° 내지 60°일 수 있다.
가스 센서(200)에서 방출된 적외선 중에서 일부는 반사면에 흡수되거나 관통홀(413)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 그러나, 공간부에 외부 가스가 유입되지 않은 상태에서 적외선 센서(300)에 흡수되는 적외선량을 알고 있는 경우, 외부 가스 유입된 후 변화된 적외선 흡수량에 따라 이산화탄소의 농도를 정확히 검출할 수 있다.
반사율을 높이기 위해 관통홀(413)은 가스 센서측에 밀도가 높도록 형성될 수 있다. 가스 센서측이란 가스 센서(200)와 적외선 센서(300) 사이의 거리를 이등분하는 법선(P)을 기준으로 가스 센서(200)가 배치된 영역을 말한다. 따라서, 적외선 센서측의 캐비티의 바닥면(414)은 상대적으로 관통홀이 적어 반사면으로 기능할 수 있다.
필요에 따라 외부에서 입사되는 적외선을 차폐하기 위한 차폐층(420)이 커버(400)의 외면 또는 내면에 형성될 수 있다. 이때, 차폐층(420)에는 관통홀(413)과 대응되는 홀(421)이 형성될 수 있다.
차폐층(420)은 차폐 필름을 부착하거나 차폐 물질을 코팅하여 제작할 수 있다. 차폐층이 커버(400)의 내면에 형성되는 경우에는 캐비티(410)의 바닥면(414)과 측벽(411, 412)에서 적외선 반사율이 높아져 감도가 상승할 수 있다. 차폐층(420)은 적외선 반사율이 높은 금속(Au 등)으로 제작될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 변형예이다.
도 3을 참고하면, 기판(100)의 일면에는 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)가 배치된다. 가스 센서(200)는 가스반응층(230), 가스반응층(230)을 가열하는 히터부(210), 및 가스반응층(230)의 저항값을 감지하는 센싱부(S)를 포함한다. 이때, 센싱부(S)와 히터부(210)는 동일 평면에 배치된다.
가스 센서(200)는 감지 회로가 히터 회로에 종속되어 전극 패턴의 수가 감소되며 센싱부(S)와 히터부(210)가 동일평면에 형성됨으로써 별도의 절연층을 삭제할 수 있어 제조원가가 감소된다.
히터부(210)는 기판(100)의 일측면에 배치된 제1전원전극(212)과 제2전원전극(213), 그리고 제1전원전극(212) 및 제2전원전극(213)과 연결된 발열부(211)를 포함한다.
발열부(211)는 원형 형상을 갖도록 절곡 형성될 수 있으며 외부 전원이 인가되면 발열된다. 이산화탄소의 흡수가 잘 일어나는 파장인 2.7㎛ 또는 4.2㎛의 파장대의 적외선이 방출되도록 발열부(211)의 발열 온도는 약 300℃ 내지 900℃일 수 있다.
구체적으로, 웨인의 법칙(Wein's law)에 따라 2.7㎛의 적외선 파장을 방출하기 위하여 발열부는 약 800℃의 온도로 발열할 수 있으며, 4.2㎛의 적외선 파장을 방출하기 위하여 약 400℃의 온도로 발열할 수 있다.
발열부(211)의 온도가 350℃ 내지 450℃ 인 경우에는 약 4.2㎛의 적외선 파장을 방출하면서도 가스 센서의 감도를 적절하게 유지할 수 있다. 더욱 바람직하게는 발열부(211)의 가열 온도는 390℃ 내지 410℃ 일 수 있다. 발열부(211)의 발열 온도만으로는 가스센서의 감도가 낮은 경우에는 별도의 히터를 더 설치할 수 있다.
본 발명의 히터부(210)는 적외선 히터(IR heater)일 수 있다. 적외선 히터는 세라믹이나 석영으로부터 방출되는 열파장이 일반 금속에 비해 파장이 길어지는 특성을 이용한다.
한 쌍의 감지전극(220)은 발열부(211)와 이격 배치될 수 있다. 따라서, 감지전극(220)과 발열부(211)의 사이에는 센싱부(S)가 형성된다. 센싱부(S)는 가스반응층(230)이 반응한 가스의 농도, 및 가스반응층(230)의 온도 변화에 따라 저항값이 변화한다.
감지전극(220)에는 NTC(Negative Temperature Coefficient thermistor)가 직렬로 연결되어 감지 저항의 역할을 수행할 수 있다. NTC는 온도에 의해서만 저항값이 변화할 뿐 가스반응층(230)이 가스와 반응하는 것에 의해서는 저항값이 변화하지 않는다.
가스 센서(200)의 전극 구조는 히터부(210)에서 적외선을 용이하게 방출할 수 있는 구성이면 종래 가스 센서의 모든 구성이 제한 없이 적용될 수 있다.
가스반응층(230)은 수소(H2), 암모니아(NH3), 톨루엔(C7H8) 및 일산화탄소(CO) 등과 같은 환원성 가스와 반응하여 저항값이 낮아지도록 구성할 수도 있으며, 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3) 등과 같은 산화성 가스와 반응하여 저항값이 높아지도록 구성할 수도 있다. 또는, 가스와 반응하면 일률적으로 저항값이 높아지거나 낮아지도록 구성할 수도 있다.
가스반응층(230)은 WO3, SnO2, TiO2, ZnO, In2O3, Nb2O5, Fe2O3, CuO, NiO, Co2O3 및 Ga2O3에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 또는 탄소 나노 튜브 또는 그래핀을 포함한다. 이때, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 레늄(Re), 산화제일철(FeO) 등과 같은 촉매를 더 포함할 수 있다.
센싱부(S)의 저항값을 감지하기 위한 전원은 히터부(210)에 입력되는 전원(Vin)을 이용함으로써 구성이 간소화될 수 있다. 즉, 발열부(211)에 흐르는 전원이 감지 회로의 입력 전원으로 이용됨으로써, 감지 회로에 별도의 전원을 입력하기 위한 전극 패턴을 생략할 수 있다.
도 4의 (a)를 참고하면, 가스 센서(200)는 복수 개의 서브 가스 센서(201, 202, 203, 204)를 포함할 수 있다. 이들 서브 가스 센서(201, 202, 203, 204)의 전극 구조는 모두 동일하며, 단지 가스반응층만이 상이하게 배치된다.
예를 들면, 제1서브 가스 센서(201)의 가스반응층(231)은 아세톤과 반응하고, 제2서브 가스 센서(202)의 가스반응층(232)은 암모니아와 반응하고, 제3서브 가스 센서(203)의 가스반응층(233)은 에탄올과 반응하고, 제4서브 가스 센서(204)의 가스반응층(234)은 일산화탄소와 반응할 수 있다. 이러한 서브 가스 센서(201, 202, 203, 204)는 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
도 4의 (b)와 (c)를 참고하면, 발열부(211a, 211b)가 복수 회 절곡되어 하나의 히터부(210) 위에 다수개의 서브 가스 센서(201 내지 204)를 배치되거나, 하나의 히터부(210) 측면에 다수개의 서브 가스센서(201 내지 204)가 배치될 수 있다. 이러한 구조에 의하면 하나의 히터부(210)로 다수의 서브 가스센서(201 내지 204)의 온도를 조절할 수 있어 경제성이 높다.
필요에 따라 히터부(210)의 온도는 구역별로 다르게 제어될 수 있다. 즉, 높은 온도가 필요한 서브 가스 센서가 배치된 영역에는 발열부(211a, 211b)의 온도를 높이고, 낮은 온도가 필요한 서브 가스 센서가 배치된 영역에서는 발열부(211a, 211b)의 온도를 상대적으로 낮출 수 있다. 이러한 온도 제어는 해당 구역에서 발열부(211a, 211b)의 두께, 면적, 저항값 등을 조절하여 가능하다.
도 5는 도 3의 A부분 확대도이고, 도 6은 도 5의 A-A 방향 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전쌍 모듈을 설명하기 위한 개념도이고, 도 8은 도 7의 B-B 방향 단면도이다.
도 5와 도 6을 참고하면, 적외선 센서(300)는 복수 개의 적외선 흡수 패턴(310), 및 복수 개의 적외선 흡수 패턴(310) 사이에 배치되어 적외선 흡수 패턴(310)을 서로 전기적으로 연결하는 전극 패턴(320)을 포함한다.
적외선 흡수 패턴(310)은 적외선을 흡수하는 재질을 포함한다. 구체적으로 적외선 흡수 패턴(310)은 그래핀(graphene)으로 구성되거나, 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성될 수 있다.
통상적으로 그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어내서 얻어지는 물질로서 탄소로 구성된 나노물질이다. 그래핀은 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 상온 캐리어 이동도와 열전도율이 매우 높고 전기전도도가 매우 뛰어난 반도체이다.
본 발명의 실시예에서, 적외선 흡수 패턴(310)은 그래핀 옥사이드(grapheme oxide)로 구성될 수도 있다. 그래핀 옥사이드는 흑연을 강력한 산화제로 산화시켜 생성될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 적외선 흡수 패턴(310)은 검출 감도를 높이기 위하여 그래핀을 다수 적층하거나, 촉매를 첨가하거나, 또는 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질을 열처리하여 형성될 수 있다.
적외선 흡수 패턴(310)은 기판(100)의 외측에서 중앙으로 연장 형성되어 중앙부에 집중되는 구조를 갖는다. 이때, 적외선 흡수 패턴(310)은 중앙부로 연장된 제2단부(311)가 서로 다른 직경을 갖는 가상원 상에 배치될 수 있다.
일 예로 적외선 흡수 패턴(310)은, 제2단부(311a)가 상기 기판(100)의 중심점(C1)을 둘러싸는 제1가상원(C2) 상에 배치되는 제1적외선 흡수 패턴(310)과, 제2단부(311b)가 제1가상원(C2)을 둘러싸는 제2가상원(C3) 상에 배치되는 제2적외선 흡수 패턴(310)과, 제2단부(311c)가 제2가상원(C3)을 둘러싸는 제3가상원(C4) 상에 배치되는 제3적외선 흡수 패턴(310), 및 제2단부(311d)가 제3가상원(C4)을 둘러싸는 제4가상원(C5) 상에 배치되는 제4적외선 흡수 패턴(310)을 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의하여 따라서, 중앙부(고온부)에 적외선 흡수 패턴(310)을 집중시킴으로써 적외선 검출 소자의 감도를 증가시킬 수 있다.
전극 패턴(320)은 복수 개의 적외선 흡수 패턴(310) 사이에 배치되어 적외선 흡수 패턴(310)을 전기적으로 연결한다.
도 7을 참고하면, 전극 패턴(320)은 일 측에 배치된 적외선 흡수 패턴(310)의 제1단부(312)와 전기적으로 연결되는 제1접촉단(323)과, 타 측에 배치된 적외선 흡수 패턴(310)의 제2단부(311)와 전기적으로 연결되는 제2접촉단(321), 및 적외선 흡수 패턴(310)과 평행하게 연장되어 제1접촉단(323)과 제2접촉단(321)을 연결하는 연장부(322)를 포함한다.
제1접촉단(323) 및 제2접촉단(321)은 적외선 흡수 패턴(310)의 상부에 적층되어 전기적으로 연결한다. 따라서, 제1접촉단(323) 및 제2접촉단(321)에 커버(400)되지 않은 적외선 흡수 패턴(310)은 외부의 적외선을 흡수하게 된다.
본 실시예에서는 적외선 흡수 패턴(310)이 스트립 형상으로 형성되고 전극 패턴(320)은 제1접촉단(323)과 제2접촉단(321)이 서로 반대방향으로 절곡된 형상으로 형성된 것으로 묘사되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 적외선 흡수 패턴(310)과 전극 패턴(320)이 연속적으로 연결된 구조이면 다양하게 변형 가능하다.
예를 들면, 전극 패턴의 제2접촉단(321)이 적외선 흡수 패턴의 제2단부(311) 위에 형성된 것으로 도시되었으나, 반대로 적외선 흡수 패턴의 제2단부(311)가 전극 패턴의 제2접촉단(321) 위에 형성되도록 구성할 수도 있다. 이 경우 적외선 흡수면적이 넓어지는 장점이 있다.
도 8을 참고하면, 전극 패턴의 제1접촉단(323)과 적외선 흡수 패턴의 제1단부(312)가 접촉하는 제1접촉면적(P1)은 전극 패턴의 2접촉단(321)과 적외선 흡수 패턴의 제2단부(311)가 접촉하는 제2접촉면적(P2)보다 크게 형성된다.
따라서, 적외선 조사시 적외선 흡수 패턴(310)의 노출영역이 적외선을 흡수하여 온도가 증가하면, 제1접촉면적(P1)과 제2접촉면적(P2)간의 온도차가 발생하므로 제벡효과(Seebeck Effect)에 의해 기전력이 발생한다.
따라서, 제1접촉면적(P1)과 제2접촉면적(P2)의 차가 커질수록 적외선 조사시 접촉면적간의 온도차가 커져 적외선 검출 감도가 높아지게 된다. 따라서, 제1접촉면적(P1)과 제2접촉면적(P2)은 적어도 2배 이상 차이 나도록 구성할 수 있다.
전극 패턴(144)은 일반적으로 사용되는 일반적인 금속이 모두 사용될 수도 있으나, 제벡계수(Seebeck Coefficient)가 낮은 물질이 선택되는 것이 바람직하다. 제조 단가 등을 고려할 때 니켈이 선택되는 것이 바람직하다.
적외선 흡수 패턴(310)의 상부에는 별도의 적외선 흡수층이 더 배치될 수도 있고, 필요에 따라 적외선 파장을 선택적으로 투과시키는 필터가 배치될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 가스 센서의 개념도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 가스 센서에서 방출된 적외선이 적외선 센서에 의해 흡수되는 과정을 보여주는 개념도이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 가스 센서는, 적외선 센서(300)가 배치된 제1기판(100a)과, 제1기판(100a)의 상부에 배치되고 제1기판(100a)과 마주보는 면에 가스 센서(200)가 배치된 제2기판(100b), 및 적외선 센서(300)와 가스 센서(200) 사이에는 형성되는 공간부(131)를 포함한다.
제1기판(100a)은 실리콘 웨이퍼로 제작될 수 있으며, 적외선 센서(300)가 배치되는 안착면을 갖는다. 적외선 센서(300)는 전술한 바와 동일하며, 적외선을 검출할 수 있는 공지의 구조가 모두 적용될 수 있다.
제2기판(100b)은 실리콘 웨이퍼로 제작될 수 있으며, 제1기판(100a)과 마주보는 일면에 가스 센서(200)가 배치된다. 가스 센서(200)는 제2기판(100b)의 일면에 히터부가 배치되어 발열시 적외선을 적외선 센서(300)를 향해 방출하는 구성이면 모두 적용 가능하다.
공간 형성 부재(130)는 제1기판(100a)과 제2기판(100b) 사이에 배치되어 이들 사이에 공간부(131)를 형성한다. 이때, 공간 형성 부재(130)는 실리콘 웨이퍼를 사각 틀 형상으로 가공하여 접합할 수도 있고, 제1기판(100a) 또는 제2기판(100b) 중 어느 하나와 일체로 형성될 수도 있다.
제1기판(100a)의 하부에는 식각된 부분을 진공 상태로 유지하는 베이스 기판(110)이 부착될 수 있으며, 필요에 따라 제2기판(100b)의 상부에도 커버(도 1의 400)가 부착될 수 있다.
도 10을 참고하면, 제2기판(100b)에 형성된 관통홀(100b-1)을 통해 외부 가스는 공간부(131)로 유입된다. 가스 센서(200)는 외부 가스 중 적어도 어느 하나 이상을 선택적으로 검출하고, 적외선 센서(300)는 가스 센서(200)에서 방출된 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수된 정도를 검출한다.
이때, 적외선 센서(300)와 가스 센서(200)는 서로 마주보지 않도록 오프셋 배치될 수 있다. 적외선 센서(300)와 가스 센서(200)가 서로 엇갈리게 배치되므로 가스 센서(200)에서 방출된 적외선(L1)이 바로 적외선 센서(300)로 흡수되지 않고 공간부(131)의 벽에 여러 번 반사(L3)된 후 적외선 센서(300)에 흡수될 수 있다. 따라서, 적외선이 반복된 반사를 거치면서 가스에 흡수되는 확률이 높아져 더 정확한 가스의 농도 측정이 가능해진다.
필요에 따라 제1기판(100a) 및 제2기판(100b)에는 요철(도시되지 않음)이 형성되어 입사되는 적외선을 반사 또는 산란시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 블록도이다.
도 11을 참고하면, 가스 검출 장치(10)는, 가스 센서(200), 및 가스 센서(200)에서 방출된 적외선을 검출하는 적외선 센서(300)를 포함하는 일체형 가스 센서와, 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)로부터 수신한 검출신호를 이용하여 가스 농도를 측정하는 측정부(11), 및 적외선 레벨에 따른 이산화탄소 농도의 테이블 정보가 저장된 메모리(14)를 포함한다.
외부 가스에 노출된 가스 센서(200)는 이산화탄소를 제외한 가스 중 일부를 선택적으로 검출하고, 적외선 센서(300)는 가스 센서(200)로부터 방출된 적외선을 검출한다. 컨버터(12)는 가스 센서(200)와 적외선 센서(300)에서 검출한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
측정부(11)는 변환된 디지털 신호를 이용하여 가스 센서가 검출한 가스의 농도를 측정한다. 또한, 측정부(11)는 적외선 레벨에 따른 이산화탄소 농도를 수치화한 테이블 정보를 이용하여 측정된 적외선 레벨에 대응되는 이산화탄소의 농도를 산출할 수 있다.
그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 테이블 정보를 이용하지 않고 가스 센서(200)에서 방출된 전체 적외선과 흡수된 적외선의 차를 이용하여 이산화탄소 농도를 산출할 수도 있다. 이때, 외부 가스가 없는 경우 가스 센서(200)에서 방출된 적외선이 적외선 센서(300)에 검출되는 기준값은 메모리(14)에 저장될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서가 장착된 디바이스의 사시도이다.
본 발명에 따른 일체형 가스 센서 또는 가스 검출 장치는 전자 디바이스에 삽입될 수 있다. 전술한 바와 같이 일체형 가스 센서는 웨이퍼 패키지 레벨 방식으로 제작되어 소형 제작(폭은 약 2mm, 두께는 약 1mm)이 가능하므로 휴대 단말에 장착될 수 있다.
휴대 단말에 일체형 가스 센서가 내장된 경우 구취 진단, 음주량 측정, 유해 가스 감지 등의 기능을 복합적으로 수행할 수 있다.
이때, 가스 농도를 측정하는 측정부는 핸드폰 단말의 메인 제어부에서 수행할 수도 있다. 또한, 일체형 가스 센서는 외부 가스 유입을 위해 휴대 단말에 형성된 홀과 연결될 수 있다. 이때 홀은 녹음 기능 또는 음성을 수신하기 위해 단말의 케이스에 형성된 홀을 이용할 수도 있다.
100: 커버
200: 가스 센서
300: 적외선 센서
400: 커버
200: 가스 센서
300: 적외선 센서
400: 커버
Claims (15)
- 기판;
상기 기판상에 배치된 가스 센서;
상기 기판상에 배치된 적외선 센서; 및
상기 기판에 결합되어 상기 가스 센서와 적외선 센서를 수용하는 공간부를 형성하는 커버;를 포함하고,
상기 공간부에는 외부 가스가 유입되며,
상기 가스 센서는 히터부를 포함하고,
상기 적외선 센서는 상기 히터부에서 방출된 적외선을 검출하는 일체형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 커버는 상기 공간부를 형성하는 캐비티; 및
상기 캐비티의 바닥면에 형성된 복수 개의 관통홀을 포함하는 일체형 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 캐비티의 양측벽과 상기 기판의 평탄면이 이루는 내각은 90도보다 작고,
상기 양측벽은 각각 상기 가스 센서 및 적외선 센서의 중심축과 교차하는 일체형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 가스 센서는 상기 히터부와 동일 평면에 배치된 센싱부를 포함하는 일체형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 가스 센서는 복수 개의 서브 가스 센서를 포함하고,
상기 서브 가스 센서는 각각 선택적으로 가스를 검출하는 일체형 센서.
- 제5항에 있어서,
상기 복수 개의 서브 가스 센서는 서로 다른 가스와 반응하는 감지층을 포함하는 일체형 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 가스 센서와 적외선 센서 사이의 거리를 이분하는 법선축을 기준으로, 상기 관통홀의 밀도는 가스 센서 측이 적외선 센서 측보다 높은 일체형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 기판과 커버는 실리콘 웨이퍼인 일체형 센서.
- 적외선 센서가 배치된 제1기판;
상기 제1기판의 상부에 배치되고 상기 제1기판과 마주보는 면에 가스 센서가 배치된 제2기판; 및
상기 적외선 센서와 가스 센서 사이에는 형성되는 공간부;를 포함하고,
상기 공간부로 외부 가스가 유입되며,
상기 가스 센서는 적외선을 방출하는 히터부를 포함하는 일체형 센서.
- 제9항에 있어서,
상기 제1기판은 외부 가스가 유입되는 복수 개의 관통홀을 포함하는 일체형 센서.
- 삭제
- 가스 센서, 및 상기 가스 센서에서 방출된 적외선을 검출하는 적외선 센서를 포함하는 일체형 센서; 및
상기 가스 센서와 적외선 센서로부터 수신한 검출신호를 이용하여 가스 농도를 측정하는 측정부를 포함하고,
상기 가스 센서와 적외선 센서는 외부 가스에 노출되는 가스 검출 장치.
- 제12항에 있어서,
상기 측정부는 상기 가스 센서로부터 수신한 검출 신호를 이용하여 특정 가스의 농도를 산출하고,
상기 적외선 센서로부터 수신한 적외선 검출 신호를 이용하여 이산화탄소의 농도를 검출하는 가스 검출 장치.
- 제13항에 있어서,
적외선 레벨에 따른 이산화탄소 농도의 테이블 정보가 저장된 메모리를 포함하고,
상기 측정부는 상기 테이블 정보를 이용하여 측정된 적외선 레벨에 대응되는 이산화탄소의 농도를 산출하는 가스 검출 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 일체형 센서를 포함하는 전자 디바이스.
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|---|---|---|---|
| KR1020140088387A KR101614034B1 (ko) | 2014-07-14 | 2014-07-14 | 일체형 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140088387A KR101614034B1 (ko) | 2014-07-14 | 2014-07-14 | 일체형 센서 |
Publications (2)
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| KR20160008346A KR20160008346A (ko) | 2016-01-22 |
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Family
ID=55308881
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020140088387A KR101614034B1 (ko) | 2014-07-14 | 2014-07-14 | 일체형 센서 |
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-
2014
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Patent Citations (1)
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