KR101769921B1 - 가스 센서 측정기 - Google Patents

가스 센서 측정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 센서 측정기에 관한 것으로, 외부에서 제공되는 가스를 수용 가능하도록 이루어지는 챔버, 상기 챔버 하부에 설치되는 히터상부, 상기 히터상부의 하부에 설치되어 센서칩을 가열시키는 히터, 상기 히터상부 위에 직접 놓여지고 가스를 감지하는 센서칩, 상기 센서칩을 고정시키고 전극 역할을 하는 프로브, 외부의 가스 유입 및 유출이 가능하도록 상기 챔버에 설치되는 가스 유입부 및 가스 유출부를 포함한다.

Description

가스 센서 측정기{GAS SENSOR MEASURING DEVICE}
본 발명은 챔버 내부에서 센서칩(sensor chip)을 이용하여 가스 농도 등을 측정하는 가스 센서 측정기에 관한 것이다.
종래의 가스 센서 측정 방식은 제작된 가스 센서를 챔버 안에 고정시킨 후, 측정용 클립을 센서 전극에 접촉시키고, 검출대상 가스를 챔버에 주입하면서 이에 반응하는 전류 및 저항을 소스미터(source meter, keithley 2400)와 같은 계측기를 이용해 측정하는 방식이다.
도 1은 종래의 센서 측정용 장비의 일 예를 도시하는데, 히터가 수평 원형 챔버를 둘러싸고 있어서, 센서가 측정될 때 온도와 설정온도 사이에 차이가 발생하였다. 히터에 의한 가열이 챔버 외부에서 이루어지기 때문에 센싱 재료뿐만 아니라 주위 반응 가스 및 센싱 소자까지 모두 열이 전달되어 정확한 측정 결과 확보가 어려운 점이 있었다. 또한, 센서칩은 클립 타입으로 거치되어 다수의 접촉 저항이 발생하였고, 정밀한 측정이 어려웠다. 한편, 도 1을 참조하면, 분사노즐과 센서칩이 90o의 직사 분사이기 때문에, 센서칩의 수명과 신뢰성에 문제를 초래한다.
또한, 가스 센서의 경우, 선택성 및 민감도 문제로 하나의 칩상에 2개 이상의 센서가 어레이화되어 제작되는 경우가 많은데, 한 개의 칩상에 제작된 여러 개의 센서를 측정하기 위해서는 칩의 위치를 변경하거나, 전극에 놓인 측정용 팁의 위치를 옮겨서 측정해야 한다.
한편, 종래에는, 센서칩을 클립 방식에 의해 거치시켰기에, 접촉 저항이 과도하게 발생하였으며, 이로 인해 정밀한 측정에 어려움이 있었을 뿐만 아니라 센서 어레이를 측정할 수 없었다.
그 외에도, 종래의 가스 센서는 크기가 크고, 무거워서 휴대가 어려워서 간편하게 가스의 농도 등을 측정하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 일 목적은 센서의 특성을 정확하게 측정하기 위해서 센서칩만 가열시키고 유입가스가 가열되지 않으므로 정밀하게 측정하는 가스 센서 측정기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 전극역할을 하는 프로브(probe)와 센서의 접촉 저항을 저감시켜서 센서의 수명과 신뢰성을 확보하고, 정밀하게 측정할 수 있는 가스 센서 측정기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 프로브를 사용함으로써 배선 작업이 필요하지 않은 가스 센서 측정기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 이동성이 용이하도록 크기가 상대적으로 작은 가스 센서 측정기를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 가스 센서 측정기는, 외부에서 제공되는 가스를 수용 가능하도록 이루어지는 챔버, 상기 챔버 하부에 설치되는 히터상부, 상기 히터상부의 하부에 설치되어 센서칩을 가열시키는 히터, 상기 히터상부 위에 직접 놓여지고 가스를 감지하는 센서칩, 상기 센서칩을 고정시키고 전극 역할을 하는 프로브, 외부의 가스 유입 및 유출이 가능하도록 상기 챔버에 설치되는 가스 유입부 및 가스 유출부를 포함한다.
이때 상기 히터상부에는 센서 홀더가 결합되고, 상기 센서 홀더는 상기 센서칩을 결합시키도록 센서칩 수용부를 구비할 수 있다. 또한 상기 히터상부는 히터로부터 센서칩까지 열전달이 잘 될 수 있도록 탄소재질인 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 프로브는 센서칩에 구동 전압을 공급하여 센싱저항을 측정한다.
상기 가스 유입부는, 상기 챔버에 설치되어 외부의 가스를 공급 가능하게 하는 가스 주입호스 및, 상기 가스 주입호스에 연결되어 상기 센서칩을 향해 가스를 분사하는 분사 노즐을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 분사 노즐은 상기 센서칩과 이루는 각이 30° 이하가 되도록 챔버에 설치된다.
본 발명의 가스 센서 측정기는 히터가 설치된 챔버를 구비하고, 챔버 내에서 히터상부 위에 놓여진 센서칩을 이용하여 가스의 농도를 측정함으로써, 지정 시간 내에 요구하는 온도의 분위기에서 가스의 농도를 측정할 수 있다. 특히, 기존 기술에서는 히터가 챔버를 둘러싸고 있기 때문에 센서칩뿐만 아니라 유입가스까지 가열되는 문제가 있었지만, 본 발명은 센서칩 하단에 설치된 히터가 센서칩만을 가열시키고 유입가스는 가열시키지 않는다.
또한, 본 발명의 가스 센서 측정기는 전극역할을 하는 프로브를 이용하여 가스농도 변화에 따른 센서칩의 감응특성을 측정함으로써 전극과 센서의 접촉면적을 크게 줄일 수 있기 때문에 접촉 저항을 저감시키고, 따라서 정밀한 측정을 가능하게 한다.
도 1은 종래의 가스 센서장치를 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 가스 센서 측정기의 사시도.
도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 가스 센서 측정기의 종단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 또는 "접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접촉되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "구비한다" 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.
본 발명의 가스 센서 측정기(100)는, 챔버(10), 센서칩(30), 프로브(40), 가스 유입부(50) 및 가스 유출부(60)를 포함한다.
챔버(10)는 가스를 수용 가능하도록 내부에 수용 공간(13)을 구비한다. 또한, 챔버(10)의 하부에는 센서칩(30)만을 가열시키는 히터(70)가 설치된다. 챔버(10)는 예를 들면, 사각 판형의 결합에 의해 이루어질 수 있다. 챔버(10) 내 센서칩(30) 하부에 히터(70)가 설치되므로, 실제로 센서가 측정될 때 외부에서 공급되는 유입가스는 히터(70)에 의해서 직접적으로 가열되지 않는다. 즉, 본 발명은 기존 기술에서 유입가스가 가열되는 문제점을 해결할 수 있다.
예를 들어, 챔버(10) 하부에 설치되는 히터(70)는 발열체가 SiC이고 600 ℃까지 가열이 가능하다. 히터(70)의 상부, 즉 히터상부(20), 는 열전도를 좋게 하기 위하여 10 cm × 10 cm 면적의 그래파이트(graphite) 소재를 사용할 수 있다. 이는 500 ℃ 이상에서 동작하는 센서는 실용적인 측면에서 의미가 없기 때문이다. 히터(70)는 챔버(10) 내의 센서칩(30)만을 가열함으로써, 지정 시간 내에 요구하는 온도로 상승시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 히터(70)는 챔버(10)의 하부에 설치되고, 히터(70)의 상부에는 센서칩(30)이 배치된다. 이로 인해, 히터(70)에 의해 히터상부(20) 및 센서칩(30)이 가열되는데, 이로 인해 센서칩(30)의 센싱 소재와 반응 가스의 반응결과가 정확하게 측정될 수 있게 된다.
챔버(10) 내부에는 히터상부(20)가 설치된다. 히터상부(20) 위에는 센서칩(30)이 놓여진다. 본 발명에서의 히터상부(20)에는 센서칩(30)이 직접 닿도록 배치되는데, 센서칩의 기판이 실리콘이므로 히터(70)로부터 센서칩(30)까지 열전달이 잘 이루어진다.
센서칩(30)은 챔버(10) 내부에 가스가 유입되면, 유입되는 가스의 농도에 대한 저항 변화와 같은 전기적인 특성변화를 일으킨다. 센서칩(30)은 측정부 (미도시)와 전기적으로 연결되고, 측정부는 전기적인 특성변화를 측정한다. 센서칩(30)은 10 cm × 10 cm 크기의 탄소재질, 예를 들어 그래파이트(graphite) 재질로 만들어진 히터상부(20)에 설치되는데, 도 4에는 센서칩(30)이 히터상부(20)에 접촉하도록 배치되는 일 예가 도시된다.
한편, 히터상부(20)에는 센서칩(30)을 수용하도록 이루어지는 센서칩 수용부 (미도시)를 구비하는 센서 홀더 (미도시)가 설치될 수 있으며, 센서칩은 히터상부(20)에 있는 센서 홀더에 결합된 상태로 설치될 수 있다.
측정부는 센서칩(30)에 전기적으로 연결될 수 있는데, 측정부는 일례로, 디지털 멀티미터(multi-meter)일 수 있다.
프로브(40)는 전극의 역할을 하는 것으로서, 센서칩(30)을 고정시킬 수 있다. 이러한 프로브는 센서칩(30)과 직접 닿기 때문에 접촉저항이 거의 없고, 배선 작업을 생략할 수 있으므로 정밀한 측정이 가능해진다.
또한, 외부의 가스를 유입시키는 가스 유입부(50) 및 챔버(10) 내부에 유입된 가스를 유출시키는 가스 유출부(60)가 챔버(10)에 설치된다.
가스 유입부(50)는 가스 주입호스 및 분사 노즐을 포함한다. 가스 주입호스는 외부 가스를 공급 가능하게 하도록 챔버(10)에 설치될 수 있다. 또한 분사 노즐은 가스 주입호스에 연결되어 센서칩(30)을 향하도록 가스를 분사한다. 분사 노즐은 센서칩(30)과 이루는 각이 30° 이하가 될 수 있다. 이로 인해, 가스 확산 방식으로 가스 센서 측정을 가능하게 한다.
한편, 가스 유출부(60)는 챔버(10)의 측면에 설치되는 일례가 도 2 및 도 4에 도시된다.
분사 노즐(53)은 일례로, 2개로 구비될 수 있다.
가스 유입부(50)를 통해 챔버(10) 내부로 가스가 공급되는데, 유입된 가스 농도에 대한 센서의 전기적 특성 변화가 측정된다. 전기적 특성 변화는 저항 값의 변화일 수 있다.
전기적 특성 변화의 측정은, 센서칩(30)에 연결된 전술한 측정부에 의해 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 가스 센서 측정기(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (6)

  1. 외부에서 제공되는 가스를 수용 가능하도록 이루어지는 챔버;
    상기 챔버 하부에 설치되는 히터상부;
    상기 히터상부의 하부에 설치되어 센서칩을 가열시키는 히터;
    상기 히터상부 위에 직접 놓여지고 가스를 감지하는 센서칩;
    상기 센서칩을 고정시키고 전극 역할을 하는 프로브;
    외부의 가스 유입이 가능하도록 상기 챔버에 설치되어 외부의 가스를 공급 가능하게 하는 가스 주입호스 및 상기 가스 주입호스에 연결되어 상기 센서칩을 향해 가스가 확산하도록 분사하며 센서칩과 이루는 각이 30도 이하가 되도록 챔버에 설치되는 분사 노즐을 포함하는 가스 유입부; 및,
    외부의 가스 유출이 가능하도록 상기 챔버에 설치되는 가스 유출부;를 포함하되,
    상기 히터 상부에는 센서 홀더가 결합되고, 상기 센서 홀더는 상기 센서칩을 결합시키도록 센서칩 수용부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 센서 측정기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히터상부는 히터로부터 센서칩까지 열전달이 잘 될 수 있도록 탄소재질인 것을 특징으로 하는 가스 센서 측정기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로브는 센서칩에 구동 전압을 공급하여 센싱저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 센서 측정기.
  5. 삭제
  6. 삭제
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