KR101710908B1 - 3전극 가스 센서의 구동 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

3전극 가스 센서의 구동 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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박정호
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박광민
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Abstract

3전극 가스 센서의 구동 방법 및 이를 위한 장치가 개시된다. 가스 센서부의 히터의 온도 조절과 가스 감지물질의 저항값을 정확하게 측정하기 위하여, 히터의 온도 조절시 3전극 센서의 연결 상태와 감지물질의 저항값을 측정할 때의 연결 상태를 서로 다르게 한다. 감지물질의 넓은 저항 범위를 처리할 수 있는 적분기를 사용한다.

Description

3전극 가스 센서의 구동 방법 및 이를 위한 장치 {METHOD OF OPERATING THREE-ELECTRODE GAS SENSOR AND APPARATUS FOR THE SAME }
본 발명은 3전극 가스 센서를 구동하는 방법과 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3단자 가스 센서의 히터의 온도 조절과 가스 감지물질의 저항 값을 측정하는 것을 수행하는 방법과 이를 위한 장치에 관한 것이다.
환경 감시, 공기 질 모니터링, 자동차 및 산업 시스템의 제어 등에 가스 센서들이 다양하게 이용되고 있다. 특히 공기 오염 및 사람들이 위험한 가스에 노출되는 것을 줄이기 위해 휴대용 가스 센싱 시스템의 역할이 점점 중요해지고 있다. 휴대용 가스 센싱 시스템에 요구되는 중요한 사항은 우수한 센싱 성능은 기본적이고, 특히 전력 소모량을 최소화 할 수 있어야 한다.
일반적으로 금속 산화물 기반 가스 센서는 섭씨 200도에서 섭씨 500도의 높은 동작온도를 가지고 있다. 이렇게 고온의 동작 온도가 요구되는 것은 금속 산화물 표면에 흡착된 산소와 가스 센서가 검출하려는 타겟 가스 분자들과의 산화/환원 반응에 의거하여 작동하기 때문이다. 따라서 금속 산화물 기반 가스 센서의 온도를 올리기 위해서는 히터를 사용한다. 금속 산화물 기반 가스 센서들은 여러 가지 종류의 가스 종에 관해 우수한 감도를 가지므로, 소형의 가스 측정 시스템에서 가스 검출기로서 널리 활용되고 있다.
대부분의 금속 산화물 기반 가스 센서는 4전극 구조를 채용하고 있다. 4전극 중 2전극은 히터를 위한 것이고, 나머지 2전극은 감지물질의 측정을 위한 것이다. 히팅 전류와 관계없이 감지물질의 저항을 측정하기 위해서 히터전극과 감지물질 사이에 절연막이 사용된다. 그러나 4전극 가스 센서는 4개의 전극과 절연막으로 분산되는 열 때문에 높은 전력 소모가 요구된다. 따라서 전력 소모량을 줄이기 위한 대안 마련이 요구된다.
전력 소모를 줄이기 위한 방안으로서, 3전극 방식을 적용한 금속 산화물 기반 가스 센서가 개발 되었다. 3전극 가스 센서는 절연막이 없고, 전극의 개수도 4전극 센서보다 1개 적기 때문에 적은 전력 소모를 가진다. 그러나 히터와 감지물질 사이에 절연막의 부재로 센서의 저항 측정과 히터의 온도 제어가 전기적으로 분리 되지 않기 때문에 4전극 가스 센서 구동 회로와는 다른 구동 회로가 요구된다.
대한민국 등록특허공보(B1) 제10-0721261호 대한민국 공개특허공보(A) 제10-2011-0123558호
이에 본 발명의 기술적 과제는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 인식하고 착안한 것으로, 기존에 비해 전력 소모량을 크게 줄일 수 있고, 3 단자 가스 센서의 히터의 온도를 조절하면서 동시에 감지물질의 저항값의 넓은 변화를 정확히 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 기존에 비해 전력 소모량을 크게 줄일 수 있고, 3 단자 가스 센서의 히터의 온도를 조절하면서 동시에 감지물질의 저항값의 넓은 변화를 정확히 측정할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 히팅 저항체의 양단에 제1 및 제2 센서 전극이 각각 연결되고, 상기 히팅 저항체 근처에 이격 배치된 감지선의 일측에 제3 센서 전극이 연결되며, 가스 감지 물질을 매개로 상기 히팅 저항체와 상기 감지선이 서로 연결되며, 상기 제1 및 제2 센서 전극과 상기 제3 센서 전극이 기판에 고정되어 지지되는 3전극 가스 센서를 구동하는 방법이 제공된다. 상기 3전극 가스 센서 구동방법은, 상기 제3 센서 전극에 연결된 제1 스위치는 닫힘 상태가 됨과 동시에, 상기 제1 센서 전극을 히팅 전압원에 연결하는 제1 지로(branch)와 상기 제2 센서 전극을 접지시키는 제2 지로 중 어느 하나에 배치된 제2 스위치는 열림 상태가 되도록 스위칭 제어를 하면서, 상기 제1 스위치를 통해 제공되는 상기 제3 센서 전극의 센싱 전압과 기준 전압 간의 차전압에 대응하는 전기신호를 적분하고, 그 적분된 전기신호에 기초하여 상기 가스 감지물질의 저항값을 측정해서 가스의 검출 여부를 판별한다. 또한, 상기 방법은, 상기 제1 스위치는 열림 상태가 됨과 동시에 상기 제2 스위치는 닫힘 상태가 되도록 하는 스위칭 제어를 통해, 상기 제1 센서 전극과 상기 제2 센서 전극 사이에 히팅 전압을 인가하여 상기 히팅 저항체에 저항열을 발생시켜 상기 히팅 저항체를 가열한다.
상기 3전극 가스 센서 구동방법의 실시예에 따르면, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제1 및 제2 펄스폭 변조(pulse width modulation: PWM) 신호로 각각 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비(duty ratio)를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절할 수 있다.
상기 3전극 가스 센서 구동방법의 실시예에 따르면, 상기 제1 센서 전극과 상기 제2 센서 전극 사이에 제3 스위치를 연결하고, 상기 제3 스위치를 상기 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는 닫힘 상태를 유지하고 상기 히팅 저항체를 가열 시에는 열림 상태를 유지하도록 스위칭 제어를 할 수 있다. 이렇게 하면 히팅 저항체의 비중이 낮아져서 가스 감지물질의 저항값을 좀 더 정확하게 측정할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제3 스위치의 스위칭 제어는 제1 PWM 신호로 그리고 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제2 PWM 신호로 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절할 수 있다.
상기 3전극 가스 센서 구동방법은, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정과 상기 히팅 저항체의 가열을 중첩되지 않고 교대로 수행되도록 할 수 있다. 이를 위한 일 실시예에 따르면, 상기 제2 스위치는 PWM 신호로 스위칭 제어가 이루어지고, 상기 히팅 저항체의 가열은 상기 PWM 신호의 온-듀티(on-duty) 구간에서 수행되고, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정은 상기 PWM 신호의 오프-듀티(off-duty) 구간의 적어도 일부 구간에서 수행되도록 할 수 있다.
가스 감지물질의 온도는 감지 대상 가스에 따라 그에 적합한 온도 범위 내로 유지되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 히팅 저항체에 상기 히팅 전압을 인가하는 시간을 조절하여 상기 가스 감지물질의 온도를 조절할 수 있다.
상기 3전극 가스 센서 구동방법의 실시예에 따르면, 상기 제1 스위치를 닫힘 상태로 유지하여 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간, 상기 전기신호의 적분을 수행하는 적분기의 커패시턴스의 크기, 상기 적분에 사용되는 상기 기준 전압의 크기는 조절할 수 있도록 구성된다.
한편, 위와 같은 본 발명의 다른 과제를 실현하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 히팅 저항체의 양단에 제1 및 제2 센서 전극이 각각 연결되고, 상기 히팅 저항체 근처에 이격 배치된 감지선의 일측에 제3 센서 전극이 연결되며, 가스 감지 물질을 매개로 상기 히팅 저항체와 상기 감지선이 서로 연결되며, 상기 제1 및 제2 센서 전극과 상기 제3 센서 전극이 기판에 고정되어 지지되는 3전극 가스 센서를 구동하는 장치가 제공된다. 상기 3전극 가스 센서 구동장치는, 센서전극 스위칭부, 센서신호 처리부, 그리고 스위칭신호 생성부를 포함할 수 있다. 상기 센서전극 스위칭부는, 상기 제3 센서 전극에 연결된 제1 스위치와, 상기 제1 센서 전극을 히팅 전압원에 연결하는 제1 지로(branch)와 상기 제2 센서 전극을 접지시키는 제2 지로 중 어느 하나에 배치된 제2 스위치를 포함한다. 상기 센서신호 처리부는 상기 제1 스위치를 통해 상기 제3 센서 전극에 연결되어, 상기 제3 센서 전극에 나타나는 센싱 전압과 기준 전압 간의 차전압에 대응하는 전기신호를 적분하고, 그 적분된 전기신호에 기초하여 상기 가스 감지물질의 저항값을 측정해서 가스의 검출 여부를 판별한다. 상기 스위칭신호 생성부는, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는 상기 제1 스위치에 닫힘 신호를 제공하여 상기 전기신호의 유효한 적분이 이루어지게 함과 동시에 상기 제2 스위치에 열림 신호를 제공한다. 또한, 상기 히팅 저항체의 가열 시에는 상기 제1 스위치에 열림 신호를 제공하여 상기 제3 센서 전극과 상기 센서신호 처리부 간의 연결을 차단함과 동시에 상기 제2 스위치에 닫힘 신호를 제공하여 상기 히팅 저항체에 소정 크기의 히팅 전압이 걸리도록 한다. 이처럼, 상기 3전극 가스 센서 구동장치는, 3전극 가스 센서의 히팅 저항체를 가열하여 온도를 조절할 때와 가스 감지물질의 저항값을 측정할 때, 상기 센서전극 스위칭부를 활용하여 3단자 가스 센서와 상기 센서신호 처리부의 회로 연결 상태를 각 경우에 가장 적합한 상태로 바꾸는 것을 특징으로 한다.
상기 3전극 가스 센서 구동장치의 실시예에 따르면, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 각각 제1 및 제2 PWM 신호로 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절할 수 있다.
상기 3전극 가스 센서 구동장치의 실시예에 따르면, 상기 센서전극 스위칭부는 상기 제1 및 제2 센서 전극 사이에 연결된 제3 스위치를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 스위칭신호 생성부는, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는 상기 제3 스위치에 닫힘 신호를 제공하여 상기 제1 센서 전극과 상기 제2 센서 전극을 단락시키고, 상기 히팅 저항체의 가열 시에는 상기 제3 스위치에 열림 신호를 제공할 수 있다. 이렇게 하면 히팅 저항체의 비중이 낮아져서 가스 감지물질의 저항값 측정을 좀 더 정확하게 할 수 있다. 또한, 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제3 스위치의 스위칭 제어는 제1 PWM 신호로 그리고 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제2 PWM 신호로 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절할 수 있다.
상기 센서신호 처리부는, 실시예에 따르면 상기 제3 센서 전극에 나타나는 센싱 전압과 기준 전압 간의 차전압에 대응하는 전기신호를 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기, 변환된 디지털 신호에 기초하여 상기 가스 감지물질의 저항값의 산출하여 가스의 검출 여부를 판별하는 제어기를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 적분기는, 하나의 입력단은 기준전압이 인가되고 나머지 하나의 입력단은 상기 제1 스위치를 통해 상기 가스 감지물질의 저항에 연결되는 연산증폭기와, 상기 제1 스위치와 상기 연산증폭기의 출력단 사이에 병렬로 연결된 리셋 스위치와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 제어기에 의해, 상기 제1 스위치를 닫힘 상태로 유지하여 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간 즉, 상기 전기신호의 적분시간, 상기 전기신호의 적분을 수행하는 적분기의 커패시턴스의 크기, 상기 적분에 사용되는 상기 기준 전압의 크기가 조절될 수 있다. 이런 특성을 지닌 적분기를 사용함으로써, 가스 감지물질의 저항 값의 넓은 변화를 처리하기가 용이하다.
실시예에 따르면, 상기 스위칭신호 생성부는 PWM 신호를 상기 제2 스위치에 제공하여 스위칭 제어를 할 수 있다. 상기 히팅 저항체의 가열은 상기 PWM 신호의 온-듀티(on-duty) 구간에서 수행되고, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정은 상기 PWM 신호의 오프-듀티(off-duty) 구간의 적어도 일부 구간에서 수행되도록 할 수 있다.
실시예에 따르면 상기 3전극 가스 센서 구동장치는, 상기 히팅 저항체에 상기 히팅 전압을 인가하는 시간을 조절하여 상기 가스 감지물질의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 히팅 저항체의 온도 조절시 3전극 가스 센서의 연결 상태와 가스 감지물질의 저항값을 측정할 때의 3전극 가스 센서의 연결 상태를 서로 다르게 하되, 각 경우에 최적인 연결 상태를 유지해줌으로써, 히팅 저항체의 온도 조절과 가스 감지물질의 저항값 측정을 정확하게 수행할 수 있다. 특히, 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는, 3단자 가스 센서의 히팅 저항체의 양단을 단락시켜 가스 감지물질에 일정한 전압을 인가할 수 있게 함으로써, 보다 정확한 가스 감지물질의 저항값 측정이 가능하다.
이런 특징에 의하면, 제조 공정 오차를 가지고 있는 3전극 가스 센서들을 가지고 가스 감지물질의 저항값을 측정하는 경우에도, 가스 센서들의 상태에 관계없이 항상 일정한 전압을 가스 감지물질에 공급할 수 있다.
또한, 가스 감지물질의 저항값 측정을 위한 전기신호의 적분 시간, 기준 전압, 그리고 커패시터의 크기를 조절할 수 있는 적분기를 채용함으로써, 감지물질의 넓은 저항변화를 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 3전극 가스 센서의 전체 구조를 예시적으로 도시한 사시도와 단면도이고,
도 2는 도 1의 3전극 가스 센서의 센서부의 전기적 모델을 나타낸 등가회로이고,
도 3은 3전극 가스 센서의 비대칭 효과를 보여주는 히스토그램이며,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 위한 센서 전극 스위칭부의 예시적인 회로도이고,
도 5는 본 발명에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 실시하기 위한 3전극 가스 센서 구동 시스템의 블록도이며,
도 6은 적분 시간, 기준 전압, 커패시터의 크기가 조절가능한 도 5에 도시된 적분기에 관한 예시적인 회로도이며,
도 7은 3전극 가스 센서 구동 시스템을 이용하여 수집한 저항변화에 따른 전압변화를 나타낸 그래프이며,
도 8은 도 5에 도시된 스위칭 신호 생성부가 생성하는 신호들을 예시적으로 나타낸 그래프이며,
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 위한 센서 전극 스위칭부의 예시적인 회로도이고,
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 위한 센서 전극 스위칭부의 예시적인 회로도이고,
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 위한 센서 전극 스위칭부의 예시적인 회로도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 구체적으로 설명한다.
도 1에는 본 발명의 적용 대상이 될 수 있는 3전극 가스 센서(1)의 구성이 예시적으로 도시되어 있다. 도 2는 3전극 가스 센서(1)의 센서부(10)의 구조와 전기적 모델을 나타낸 등가회로를 도시한다.
3전극 가스 센서(1)의 기본 플랫폼은 MEMS 공정을 통하여 제조될 수 있다. 이 3전극 가스 센서(1)는 상면 가운데 부분에 웅덩이 모양의 빈 공간(8)이 형성된 세라믹 기판(2)과, 기판(2)과 접촉하지 않고 그 빈 공간(8)의 공중에 떠 있는 가스 센서부(10)와, 그 가스 센서부(10)의 히팅 저항체(16)의 양단에 각각 연결된 제1 및 제2 센서 전극(a, b)과, 감지선(18)에 연결된 제3 센서 전극(c)을 포함한다. 히팅 저항체(16) 즉, 히터는 MEMS 기반으로 제조된 금속 히터일 수 있다. 이렇게 제조된 가스 센서부(10)의 히터(16)는 기판(2)으로 인한 열손실을 최소화하여, 저전력 구동이 가능하다. 빈 공간(8)은 식각을 통해 형성할 수 있다. 3개의 센서 전극(a, b, c)은 빈 공간(8) 주변의 세라믹 기판(2)의 상면에 고정되어 지지될 수 있다.
도시된 것처럼, 히팅 저항체(16)는 길이를 길게 하여 저항값을 키우기 위해 예컨대 구형파 모양으로 배치될 수 있으며, 감지선(18)은 히팅 저항체(16) 근처에 나란히 이격 배치될 수 있다. 히팅 저항체(16)와 감지선(18)은 함께 가스 감지 물질(6)을 매개로 서로 일체화되게 연결된다. 예컨대, 페이스트 형태의 가스 감지물질(6)을 히팅 저항체(16)와 감지선(18) 위에 도포하거나 덩어리 형태로 감싸고 열처리하여 소결체나 소결막(소결형), 박막(박막형) 등의 형태로 형성할 수 있다. 예컨대 SnO2, Fe2O3, ZnO, WO3, IN2O3 등과 같은 금속산화물 반도체를 주원료로 하여 만든 가스 감지물질(6)로 사용할 수 있지만, 이는 예시적인 것에 불과하다. 히팅 저항체(16)와 감지선(18)은 가스 감지물질(6)을 매개로 연결되어, 가스 감지물질(6)의 저항값에 따라서 그들 사이에 흐르는 전류량이 변할 수 있다.
이런 구조로 된 3전극 가스 센서(1)에 있어서, 가스 센서부(10)가 고온으로 유지되는 상태에서, 검출 대상 가스가 가스 감지물질(6)에 접촉하면 가스나 금속산화물 반도체의 종류에 따라 전기전도도가 변화하게 된다. 이런 성질을 이용하여 가스를 검출할 수 있다. 즉, 히터(16)에 전압을 인가하여 히터(16)가 가열되고 있는 사이에 가스 감지물질(6)의 저항을 측정하는 방식으로 가스를 검출할 수 있다.
이상적으로는 히터(16)에 인가하는 전압값의 절반이 가스 감지물질(6)에 걸리게 되어, 이를 바탕으로 가스 감지물질(6)의 저항을 측정할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 하지만 실제로는 가스 감지물질(6)의 저항을 측정할 때, 가스 감지물질(6)을 통하여 전류가 그 가스 감지물질(6)의 저항이 가장 낮은 부분으로 흐르게 되고, 따라서 히터(16)와 가스 감지물질(6) 사이의 연결이 어느 부분에서 이루어지는 알 수 없다. 따라서 가스 감지물질(6)에 걸리는 전압이 언제나 히터(16)의 인가 전압의 절반이라고 볼 수는 없다. 가스 감지물질(6)에 인가되는 전압이 얼마인지 정확하게 알 수 있는 방법이 필요하다.
이를 구체적으로 설명한다. 앞에서 언급하였듯이, 3전극 가스 센서(1)의 전극은 히터(16)를 위한 두 개의 전극(a, b)과 가스 감지물질(6)의 저항값 측정을 위한 하나의 전극(c)으로 구성된다. 3전극 가스 센서(1)를 간단한 전기적인 모델로 바꾸면, 저항 3개로 모델링할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 것처럼, 3개의 저항(RH, RSA, RSB)이 3가지의 2 전극 조합마다 하나씩 배치된 델타(Δ)형 등가회로(12)로 모델링할 수 있다. 그 Δ형 등가회로(12)에서, RH는 히터의 저항이고, RSA 와 RSB는 감지물질의 저항을 나타낸다.
Figure 112015102819618-pat00001
수학식 1에 의하여 다시 델타-와이 변환(Δ-Y transformation)을 하면 최종적으로 Y 연결을 이루는 세 개의 저항(R1, R2, Rsens)으로 구성된 등가회로(14) 모델이 완성된다. 여기서, R1과 R2는 가스 센서부(10)를 가열하는 히팅 저항으로 볼 수 있고, Rsens는 가스 감지물질(6)의 저항값으로 볼 수 있다.
두 히팅 저항(R1과 R2)은 가스 센서부(10)가 완전히 대칭 구조를 가지면 같은 값으로 결정되어야 하지만, 실제로는 서로 다른 값을 가지게 된다. 도 3은 3전극 가스 센서(1)의 샘플들을 측정하여 그 샘플들 간에 두 히팅 저항(R1과 R2) 간의 비율이 얼마나 차이가 나는지 보여주는 히스토그램이다. 이는 두 히팅 저항(R1과 R2)의 합과 하나의 히팅 저항(R1)의 비율이 90%까지도 생길 수 있다는 것을 보여준다.
이러한 특징을 가진 3전극 가스 센서(1)에 있어서, 측정대상 가스의 검출은 가스 감지물질(6)의 저항값을 측정함으로써 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3전극 가스 센서(1)의 가스 감지물질(6)의 저항값을 정확하게 측정하기 위하여, 도 4와 같이 센서 전극 스위칭부(40)를 매개로 가스 센서부(10)의 히터(16)를 가열하고 가스 감지물질(6)의 저항값을 측정할 수 있다.
센서 전극 스위칭부(40)는 도시된 것처럼 제3 센서 전극(c)에 연결된 제1 스위치(S1), 제2 센서 전극(b)을 접지(GND)시키는 지로에 배치된 제2 스위치(S2), 그리고 제1 센서 전극(a)과 제2 센서 전극(b) 사이에 배치된 제3 스위치(S3)를 포함한다. 3전극 가스 센서(1)의 히팅을 위한 히팅 전압(VH)은 제1 센서 전극(a)에 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 전극 스위칭부(40)를 매개로 하여, 센서 전극 스위칭부(40)의 스위치들의 온/오프 제어를 통해 가스 센서(1)를 히팅하거나 또는 가스 감지물질(6)의 저항을 측정할 수 있다.
도 4의 좌측 회로도(20)는 가스 센서부(10)를 가열(heating)할 때의 센서 전극 스위칭부(40)의 스위칭 상태를 나타내고, 우측 회로도(30)는 가스 감지물질(6)의 저항을 측정할 때의 스위칭 상태를 나타낸다.
3전극 가스 센서(1)의 가스 센서부(10)를 가열할 때에는, 제1 및 제3 스위치(S1 와 S3)는 열림 상태가 되고, 제2 스위치(S2)는 닫힘 상태가 되도록 한다. 그러면 히팅 전압(VH)에 의해 히터(16 또는 R1과 R2)에 전류 흐르면서 저항열을 발생시킨다. 이에 의해, 가스 센서부(10)가 가열된다. 가스 센서부(10)를 가열하는 동안에, 제2 스위치(S2)는 항상 닫혀 있어야 하는 것은 아니다. 히터(R1과 R2)의 가열온도 조절을 위하여 적절한 시간만큼 열림 상태에 둘 수도 있을 것이다. 예컨대, 가스 센서부(10)의 가열 주기 동안에 제2 스위치(S2)의 닫힘 상태와 열림 상태가 교대로 반복되게 할 수도 있을 것이다.
가스 감지물질(6)의 저항을 측정할 때에는, 제2 스위치(S2)는 열림 상태가 되게 하고, 제1 및 제3 스위치(S1 와 S3)는 닫힘 상태가 되게 한다. 그러면 히팅 전압(VH)이 두 히팅 저항(R1 과 R2) 간의 크기 비율과 무관하게 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)에 인가된다. 즉, 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)에 흐르는 전류의 크기는 R1을 통해 흘러드는 전류와 R2을 통해 흘러드는 전류의 합이 되므로, 두 히팅 저항(R1 과 R2) 간의 크기 비율에 상관없이 항상 일정하다. 따라서 이와 같은 방법을 사용하면, 3전극 가스 센서(1)의 히터(R1과 R2)의 온도를 조절하면서도 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)에는 정확한 전압을 인가할 수 있게 되어, 가스 감지물질(6)의 저항을 정확하게 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 실시하기 위한 3전극 가스 센서 구동 시스템(100)의 예시적인 구성을 나타낸 블록도이다. 이 구동 시스템(100)은 센서전극 스위칭부(40), 적분기(50), 아날로그 디지털 변환기(70), 제어기(80), 그리고 스위칭 신호 생성부(90)를 포함할 수 있다.
센서전극 스위칭부(40)는 히팅 저항(R1과 R2)에 대한 히팅 전압(VH)의 인가 여부, 제1 및 제2 센서 전극(a, b) 간의 연결 여부, 제3 센서 전극(c)과 구동 시스템(100) 간의 연결 여부 등을 조절함으로써, 히팅 저항(R1과 R2)으로의 전력 공급에 의한 센서부(10)의 가열, 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)을 통한 전류의 흐름 등을 제어할 수 있도록 해준다.
가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)을 통해 흐르는 전류 신호는 적분기(50)에 의해 적분되어 전압신호로 변환되어 출력된다. 도 6은 일 실시예에 따른 적분기(50)의 예시적인 구성을 도시한다. 이 적분기(50)는 연산증폭기(52), 복수 개의 캐패시터(54), 리셋 스위치(Sreset)를 포함할 수 있다. 기준전압 생성기(55)를 더 포함할 수 있다. 연산증폭기(52)의 +입력단에는 기준전압 생성기(55)가 연결되어 기준전압(Vref)이 인가되고, -입력단에는 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)이 제1 스위치(S1)를 통해 연결되어 제3 센서 전극(c)의 전압이 인가된다. 복수 개의 캐패시터(54)와 리셋 스위치(Sreset)는 각각 연산증폭기(52)의 -입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결된다. 복수 개의 캐패시터(54)는 서로 병렬 연결되어 유효하게 작동하는 캐패시터의 개수를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
적분기(50)는 -입력단에 인가되는 가스 감지물질(6)의 저항 값에 대응하는 전류신호를 +입력단에 인가되는 기준 전압(Vref)을 기준으로 적분하여 전압 신호(VRsens)로 바꾸어 준다. 수학식 2는 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens) 값에 따른 적분기(50)의 출력전압 값의 변화를 나타낸 것이다.
Figure 112015102819618-pat00002
적분기(50)의 출력 전압(VRsens)은 적분기(50)의 인가 전압 이상 올라갈 수 없다. 기준 전압(Vref)은 가변시킬 수 있다. 복수 개의 캐패시터(54)의 커패시턴스(Cref) 또한 가변시킬 수 있다. 따라서 제1 스위치(S1)의 닫힘 시간(tmeas), 적분기(50)의 기준 전압(Vref), 적분기(50)의 커패시턴스(Cref)를 조절하여 적분기(50)에서 넓은 저항 범위가 측정 가능하도록 할 수 있다.
구동 시스템(100)은 원활한 신호 처리를 위해 그 적분기(50)의 출력전압의 이득을 조절하여 출력하는 증폭기(60)를 더 포함할 수도 있다.
적분기(50)를 통해 출력되는 아날로그 전압신호는 아날로그 디지털 변환기(70)에 의해 디지털신호로 변환된 후, 제어기(80)에 제공된다. 제어기(80)는 그 디지털 신호를 가지고 필요한 회로 제어 및 디지털 신호 처리를 수행한다(구체적인 처리 내용은 후술함). 제어기(80)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 CPU와 메모리 소자 등으로 구현될 수 있다.
스위칭 신호 생성부(90)는 히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)의 가열온도 조절 및 가스 감지물질(6)의 저항 측정을 위해 제1 내지 제3 스위치(S1, S2, S3)의 온/오프 제어를 위한 스위칭 신호를 생성하여 해당 스위치로 제공한다. 또한, 적분기(50)를 리셋하기 위한 리셋신호를 생성하여 적분기(50)의 리셋 스위치(Sreset)로 제공할 수도 있다. 이러한 스위칭 신호 생성부(90)는 이러한 스위칭 신호들을 제어기(80)의 제어에 따라 생성할 수 있다.
스위칭 신호 생성부(90)가 제1 내지 제3 스위치(S1, S2, S3)와 리셋 스위치(Sreset)에 제공하는 스위칭 신호는 예컨대 펄스폭 변조(pulse width modulation: PWM) 신호일 수 있다. 도 8에는 PWM 신호로 만들어진 스위칭 신호들의 파형이 예시적으로 도시되어 있다.
히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)를 가열하는 경우를 설명한다. 이 경우에는 제2 스위치(S2)는 닫힘 상태로 만들고, 제1 및 제3 스위치(S1 와 S3)는 열림 상태로 만든다. 스위칭 신호 생성부(90)는, 히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)를 가열하기 위하여, 도 8의 (b)와 같은 PWM 신호를 제2 스위치(S2)에 제공할 수 있다. 이와 동시에, 도 8의 (a)와 같은 PWM 신호를 제1 및 제3 스위치(S1, S3)에 제공할 수 있다. 제1 및 제3 스위치(S1, S3)용 PWM 신호의 온-듀티 구간은 제2 스위치(S2)용 PWM 신호의 오프-듀티 구간 내에 속한다. 따라서 제2 스위치(S2)용 PWM 신호의 온-듀티 구간에서는, 제2 스위치(S2)만 닫힘 상태가 되고, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)는 열림 상태가 된다. 따라서 이때에는 히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)는 히팅 전압(VH)이 인가되고, 그에 따른 전류가 흘러 저항열을 발생시킨다. 이 저항열을 이용하여, 센서부(10)의 가스 감지물질(6)이 가스 검출에 필요한 온도로 가열할 수 있다.
가스 감지물질(6)의 저항 값을 측정하는 경우를 설명한다. 가스 감지물질(6)의 저항을 측정할 때에는, 제2 스위치(S2)는 열림 상태가 되게 하고, 제1 및 제3 스위치(S1 와 S3)는 닫힘 상태가 되도록 한다. 이를 위해, 도 8의 (a)에 나타낸 것처럼, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)에 제공되는 스위칭 신호 역시 PWM 신호로 만들되, 이 PWM 신호의 온-듀티 구간이 제2 스위치(S2)용 PWM 신호의 오프-듀티 구간 내에 포함되는 듀티 비를 갖는 PWM 신호를 만드는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 제2 스위치(S2)가 열림 상태인 구간의 적어도 일부 구간에서만, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 닫힘 상태가 될 수 있다. 또한, 적분기(50)의 적분은 제2 스위치(S2)용 PWM 신호의 주기마다 리셋시킬 필요가 있다. 이를 위해, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 닫힘 상태로 만들기에 앞서, 스위칭 신호 생성부(90)는 적분기(50)의 리셋 스위치(Sreset)에 리셋용 스위칭 신호를 제공할 수 있다. 도 8의 (c)와 같은 PWM 신호를 상기 리셋용 스위칭 신호로 사용한다. 그러면, 제2 스위치(S2)용 PWM 신호의 오프-듀티 구간의 초반에 리셋 스위치(Sreset)를 먼저 리셋시킨 다음에, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 닫힘 상태로 전환되어, 새로운 적분이 시작될 수 있게 된다.
제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 닫힘 상태인 동안에는, 제3 센서 전극(c)에 나타나는 전압이 적분기(50)에, 구체적으로는 연산증폭기(52)의 -입력단에 인가된다. 따라서 적분기(50)는 이 전압과 기준전압(Vref)의 차전압에 상당하는 전류신호를 적분하여 출력하게 된다. 이 때, 제1 센서 전극(a)와 제3 센서 전극(c)에서 볼 때, 두 히팅 저항(R1 및 R2)은 병렬연결을 이루며, 이들은 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)과는 직렬연결을 이룬다. 그러므로, 두 히팅 저항(R1 및 R2)의 크기 비에 상관없이, 제3 센서 전극(c)에는 일정한 전압이 나타나게 될 것이다.
제2 스위치(S2)용 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)의 가열시간을 조절할 수 있다. 그리고 그 가열시간을 조절함으로써 가스 감지물질(6)의 온도를 조절할 수 있다.
마찬가지로, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)용 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해, 적분기(50)에서 행하는 상기 전류신호의 적분시간(tmeas)을 조절할 수 있다. 또한, 도 8과 같은 PWM 스위칭 신호를 이용하여 스위칭 제어를 하면, 히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)의 가열과 가스 감지물질(6)의 저항값 측정은 서로 중첩되지 않으면서 교대로 수행할 수 있다. 앞에서 언급하였듯이, 적분기(50)에 있어서 커패시턴스의 크기와 적분에 사용되는 기준 전압(Vref)의 크기 또한 조절할 수 있다. 기준전압(Vref)의 크기는 기준전압 생성기(55)에서 발생되며, 디지털 값으로 조절이 가능하다. 적분기(50)의 캐패시턴스(54)의 크기 조절은 스위칭 방법을 이용하여 할 수 있다. 복수 개의 커패시터(54) 각각에 스위치를 직렬로 달고, 필요한 커패시터를 선택하여 사용하는 방식으로 구현할 수 있다. 선택뿐만 아니라 복수 개의 커패시터(54)들 중 일부를 조합하여 원하는 커패시터의 크기를 만들어 내는 것도 가능하다. 이런 값들을 조절함으로써, 가스 감지물질(6)의 저항 값을 넓은 범위까지 측정할 수 있게 만들 수 있다.
도 5의 구동 시스템(100)에서 제어기(80)는 크게 두 가지 역할을 수행한다. 첫째는 구동 시스템(100)의 회로 제어에 관한 것이다. 스위칭 신호 생성부(90)가 스위칭 신호들을 PWM 신호로 생성하는 경우를 예로 하여 설명한다. 제어기(80)는 스위칭 신호 생성부(90)에 디지털 코드를 인가하여, 3전극 가스 센서(1)의 온도 조절을 위해 제2 스위치(S2)의 스위칭용으로 제공될 PWM 신호의 듀티 비를 조절한다. 가열 온도를 높이기 위해서는 그 듀티 비를 높이면 되고, 반대로 가열 온도를 낮추려면 그 듀티 비를 낮추면 된다. 또한, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)용 스위칭 신호(SW1, SW2)의 펄스폭 또한 디지털로 조절이 가능한데, 이 또한 제어기(80)에 의해 수행될 수 있다. 이런 제어를 통해 가스 감지물질(6)의 저항 측정이 히팅 저항체의 가열 시간과 중첩되지 않게 수행되도록 제어할 수 있다. 제어기(80)는 또한, 적분기(50)의 복수 개의 캐패시터(54)들 중에서 유효하게 작용하는 캐패시터를 선택하는 것에 의해 적분기(50)의 커패시턴스(Cref)의 크기 조절을 하는 기능을 가질 수 있다. 또한, 증폭기(60)의 이득 조절 또한 제어기(80)에 의해 수행될 수 있다.
제어기(80)의 두 번째 역할은 아날로그 디지털 변환기(70)의 디지털 출력값 신호 처리에 관한 것이다. 수학식 2에서, 제1 스위치(S1)의 단락 시간(tmeas), 적분기(50)의 기준 전압(Vref), 히팅 전압(VH), 적분기(50)의 커패시턴스(Cref)를 알 수 있으므로, 적분기(50)의 출력 전압(VRsens)을 측정함으로써, 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens) 값을 알 수 있다. 가스 감지물질의 저항(Rsens) 값은 적분기(50)의 출력전압(VRsens) 값에 대응하고, 가스 감지물질(6)의 저항값의 변화는 가스의 농도값에 대응하므로, 적분기(50) 출력전압(VRsens) 값의 변화를 통해 가스 농도의 변화를 알 수 있다. 제어부(80)는 가스 감지물질(6)의 저항값(Rsens)의 변화를 가스 농도 값과 대응시키거나, 값을 저장해 놓거나, 센서의 편차를 보정하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 통해 가스의 농도값을 알 수 있어, 측정 대상인 가스의 검출 여부를 판별할 수 있게 된다.
한편, 도 9는 제2 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동방법을 위한 센서 전극 스위칭부(40-1)의 예시적인 회로도이다. 위에서 설명한 제1 실시예의 센서 전극 스위칭부(40)와 다른 점은 제1 센서전극(a)과 제2 센서전극(b)을 연결하는 제3 스위치(S3)가 없다는 점이다.
히팅 저항체(16 또는 R1과 R2)에 전류를 흘려 가스 센서부(10)를 가열할 때에는 제1 스위치(S1)는 열림 상태가 되고, 제2 스위치(S2)는 닫힘 상태가 되도록 스위칭 제어를 한다. 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens) 값을 측정할 때에는 반대로 제1 스위치(S1)는 닫힘 상태가 되고, 제2 스위치(S2)는 열림 상태가 되도록 스위칭 제어를 한다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)에 제공하는 스위칭 신호는 도 8의 (a)의 PWM 신호와 (b)의 PWM 신호일 수 있다. 나머지 사항은 제1 실시예와 같거나 그로부터 유추하여 이해할 수 있을 것이므로, 여기서는 설명을 생략한다.
실시예 1의 센서 전극 스위칭부(40)는, 센서 전극 스위칭부(40-1)에 비해, 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens) 측정 단계에서는 두 히팅 저항체(R1과 R2)가 병렬연결을 이루게 되어 이들의 저항값이 줄어들게 되고, 그에 따라 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens)의 비중이 더 커지므로 가스 감지물질(6)의 저항(Rsens) 값을 좀 더 정확하게 측정할 수 있다. 반면, 센서 전극 스위칭부(40-1)는 스위치의 개수가 하나 적어 구조와 스위칭 제어가 상대적으로 더 간단해지는 장점이 있다.
도 10은 제3 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 위한 센서 전극 스위칭부(40-2)의 예시적인 회로도이다. 제1 실시예에 따른 센서 전극 스위칭부(40)와 다른 점은 제2 스위치(S2)가 제2 센서 전극(b) 쪽에 배치되지 않고 제1 센서 전극(a) 쪽에 배치되어 있는 점이다. 제1 및 제3 스위치(S1, S3)에는 도 8의 (a)의 PWM 신호가 제공되고, 제2 스위치(S2)에는 도 8의 (b)의 PWM 신호가 제공될 수 있다. 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 센서 전극 스위칭부(40-2)를 이용한 가스 센서부(10)의 가열과 가스 감지물질(6)의 저항값 측정은 제1 실시예의 설명으로부터 이해할 수 있을 것이므로, 여기서는 그에 관한 설명은 생략한다.
또한, 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 3전극 가스 센서 구동 방법을 위한 센서 전극 스위칭부(40-3)의 예시적인 회로도이다. 제3 실시예의 센서 전극 스위칭부(40-2)에서 제3 스위치(S3)를 제거한 것이다. 당해 기술분야의 통상의 기술자라면 제2 실시예 및 제3 실시예를 참조하면 센서 전극 스위칭부(40-2)를 이용한 가스 센서부(10)의 가열과 가스 감지물질(6)의 저항값 측정에 관한 이해를 할 수 있을 것이다.
이상에서는 여러 가지 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 가스 센서부(10)를 가열하는 단계와 가스 감지물질(6)의 저항을 측정하는 단계에서 센서 전극 스위칭부(40, 40-1, 40-2, 40-3)에 인가하는 히팅 전압(VH)의 값을 서로 다른 값으로 인가하는 것도 가능하다.
또한, 위의 실시예 설명에서는 금속산화물 기반 3전극 가스 센서를 예로 들었지만, 본 발명은 이런 것에만 국한되는 것은 아니다. 3개의 전극을 갖는 세라믹 가스 센서에 전기적으로 가스 농도값을 검출하는 경우에 널리 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적은 전력량으로 넓은 범위의 가스의 농도값을 정확하게 측정할 수 있다. 측정된 가스의 농도값은 여러 가지 어플리케이션에 응용할 수 있다. 예를 들어 날숨 감지를 이용한 질병 감지기, 음주 측정기 등이 있다.
a, b, c: 제1, 제2, 제3 센서 전극 R1, R2: 히팅 저항
Rsens: 가스 감지물질의 저항 S1, S2, S3: 제1, 제2, 제3 스위치
Sreset: 리셋 스위치 1: 3전극 가스 센서
2: 기판 6: 가스 감지물질
8: 빈 공간 10: 가스 센서부
16: 히팅 저항체 18: 감지선
20, 30: 저항 측정 회로 40: 센서 전극 스위칭부
40-1, 40-2, 40-3: 센서 전극 스위칭부 변형예
50: 적분기 52: 연산 증폭기
54: 복수 개의 캐패시터 55: 기준전압 생성기
60: 증폭기 70: 아날로그 디지털 변환기
80: 제어기(마이크로 컨트롤러) 90: 스위칭 신호 생성부
100: 3전극 가스 센서 구동시스템

Claims (17)

  1. 히팅 저항체의 양단에 제1 및 제2 센서 전극이 각각 연결되고, 상기 히팅 저항체 근처에 이격 배치된 감지선의 일측에 제3 센서 전극이 연결되며, 가스 감지 물질을 매개로 상기 히팅 저항체와 상기 감지선이 서로 연결되며, 상기 제1 및 제2 센서 전극과 상기 제3 센서 전극이 기판에 고정되어 지지되는 3전극 가스 센서를 구동하는 방법에 있어서,
    상기 제3 센서 전극에 연결된 제1 스위치는 닫힘 상태가 됨과 동시에, 상기 제1 센서 전극을 히팅 전압원에 연결하는 제1 지로(branch)와 상기 제2 센서 전극을 접지시키는 제2 지로 중 어느 하나에 배치된 제2 스위치는 열림 상태가 되도록 스위칭 제어를 하면서, 상기 제1 스위치를 통해 제공되는 상기 제3 센서 전극의 센싱 전압과 기준 전압 간의 차전압에 대응하는 전기신호를 적분하고, 그 적분된 전기신호에 기초하여 상기 가스 감지물질의 저항값을 측정해서 가스의 검출 여부를 판별하는 단계; 및
    상기 제1 스위치는 열림 상태가 됨과 동시에 상기 제2 스위치는 닫힘 상태가 되도록 하는 스위칭 제어를 통해, 상기 제1 센서 전극과 상기 제2 센서 전극 사이에 히팅 전압을 인가하여 상기 히팅 저항체에 저항열을 발생시켜 상기 히팅 저항체를 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제1 및 제2 PWM 신호로 각각 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 센서 전극과 상기 제2 센서 전극 사이에 제3 스위치를 연결하고, 상기 제3 스위치를 상기 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는 닫힘 상태를 유지하고 상기 히팅 저항체를 가열 시에는 열림 상태를 유지하도록 스위칭 제어를 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제3 스위치의 스위칭 제어는 제1 PWM 신호로 그리고 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제2 PWM 신호로 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정과 상기 히팅 저항체의 가열은 중첩되지 않고 교대로 수행되는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 스위치는 PWM 신호로 스위칭 제어가 이루어지고, 상기 히팅 저항체의 가열은 상기 PWM 신호의 온-듀티(on-duty) 구간에서 수행되고, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정은 상기 PWM 신호의 오프-듀티(off-duty) 구간의 적어도 일부 구간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 히팅 저항체에 상기 히팅 전압을 인가하는 시간을 조절하여 상기 가스 감지물질의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 스위치를 닫힘 상태로 유지하여 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간, 상기 전기신호의 적분을 수행하는 적분기의 커패시턴스의 크기, 상기 적분에 사용되는 상기 기준 전압의 크기는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 방법.
  9. 히팅 저항체의 양단에 제1 및 제2 센서 전극이 각각 연결되고, 상기 히팅 저항체 근처에 이격 배치된 감지선의 일측에 제3 센서 전극이 연결되며, 가스 감지 물질을 매개로 상기 히팅 저항체와 상기 감지선이 서로 연결되며, 상기 제1 및 제2 센서 전극과 상기 제3 센서 전극이 기판에 고정되어 지지되는 3전극 가스 센서를 구동하는 장치에 있어서,
    상기 제3 센서 전극에 연결된 제1 스위치와, 상기 제1 센서 전극을 히팅 전압원에 연결하는 제1 지로(branch)와 상기 제2 센서 전극을 접지시키는 제2 지로 중 어느 하나에 배치된 제2 스위치를 포함하는 센서전극 스위칭부;
    상기 제1 스위치를 통해 상기 제3 센서 전극에 연결되어, 상기 제3 센서 전극에 나타나는 센싱 전압과 기준 전압 간의 차전압에 대응하는 전기신호를 적분하고, 그 적분된 전기신호에 기초하여 상기 가스 감지물질의 저항값을 측정해서 가스의 검출 여부를 판별하는 센서신호 처리부; 및
    상기 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는 상기 제1 스위치에 닫힘 신호를 제공하여 상기 전기신호의 유효한 적분이 이루어지게 함과 동시에 상기 제2 스위치에 열림 신호를 제공하며, 상기 히팅 저항체의 가열 시에는 상기 제1 스위치에 열림 신호를 제공하여 상기 제3 센서 전극과 상기 센서신호 처리부 간의 연결을 차단함과 동시에 상기 제2 스위치에 닫힘 신호를 제공하여 상기 히팅 저항체에 소정 크기의 히팅 전압이 걸리도록 하는 스위칭신호 생성부를 구비하고,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제1 및 제2 PWM 신호로 각각 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 센서전극 스위칭부는 상기 제1 및 제2 센서 전극 사이에 연결된 제3 스위치를 더 구비하며, 상기 스위칭신호 생성부는, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정 시에는 상기 제3 스위치에 닫힘 신호를 제공하여 상기 제1 센서 전극과 상기 제2 센서 전극을 단락시키고, 상기 히팅 저항체의 가열 시에는 상기 제3 스위치에 열림 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제3 스위치의 스위칭 제어는 제1 PWM 신호로 그리고 상기 제2 스위치의 스위칭 제어는 제2 PWM 신호로 이루어지며, 상기 제1 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간을 조절하고, 상기 제2 PWM 신호의 듀티 비를 조절하는 것에 의해 상기 히팅 저항체의 가열시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  13. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 센서신호 처리부는, 상기 제3 센서 전극에 나타나는 센싱 전압과 기준 전압 간의 차전압에 대응하는 전기신호를 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기, 변환된 디지털 신호에 기초하여 상기 가스 감지물질의 저항값의 산출하여 가스의 검출 여부를 판별하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적분기는, 하나의 입력단은 기준전압이 인가되고 나머지 하나의 입력단은 상기 제1 스위치를 통해 상기 가스 감지물질의 저항에 연결되는 연산증폭기와, 상기 제1 스위치와 상기 연산증폭기의 출력단 사이에 병렬로 연결된 리셋 스위치와 복수 개의 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어기에 의해, 상기 제1 스위치를 닫힘 상태로 유지하여 상기 전기신호의 적분을 수행하는 시간, 상기 전기신호의 적분을 수행하는 적분기의 커패시턴스의 크기, 상기 적분에 사용되는 상기 기준 전압의 크기가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  16. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 스위칭신호 생성부는 PWM 신호를 상기 제2 스위치에 제공하여 스위칭 제어를 하여, 상기 히팅 저항체의 가열은 상기 PWM 신호의 온-듀티(on-duty) 구간에서 수행되고, 상기 가스 감지물질의 저항값 측정은 상기 PWM 신호의 오프-듀티(off-duty) 구간의 적어도 일부 구간에서 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
  17. 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 히팅 저항체에 상기 히팅 전압을 인가하는 시간을 조절하여 상기 가스 감지물질의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3전극 가스 센서 구동 장치.
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