KR101828549B1 - 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막형 접촉연소식 수소센서에 관한 것으로서, 중앙부가 원기둥의 박막인 기판; 박막의 상면 중앙에는 박막의 면적보다 작은 면적의 원형촉매가 있는 검지체; 히터는 검지체와 동심을 이루는 원형이고, 전원인가 시, 히터에 의해 검지체가 가열됨으로서 빙결을 제거하며, 검지체의 저항과 히터의 저항은 서로 병렬연결되고, 히터의 저항이 더 크고, 검지체의 저항와 히터만 박막에 내장된 보상부는 휘트스톤 브릿지로 구현되며, 수소검지에 의한 검지체의 저항 증가에 따라, 휘트스톤 브릿지의 전압평형이 깨지고, 휘트스톤 브릿지의 양단에 출력전압이 생기고, 직경이 원형촉매 < 히터 < 박막의 순이다.

Description

빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서{Catalytic combustion type Hydrogen Sensor for Icing}

본 발명은 박막형 접촉연소식 수소센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소 반응에 의해 발생되는 습기(H₂O)가 저온 환경에 노출될 경우 센서 칩에서 빙결되는 현상을 방지하기 위한 MEMS 형태의 박막형 접촉연소식 수소센서에 관한 발명이다.

일반적으로 접촉연소식 수소센서는 가연성 수소의 감지에 적용하기 위한 것으로, 백금 등의 금속선 코일을 산화 촉매 속에 놓은 구조로서 금속선에 일정한 전류를 흘려 소자를 적당한 온도(200~300℃)로 가열해 두고, 가연성 수소가 이 산화촉매에 닿으면 촉매의 표면에서 접촉연소가 일어나 소자의 온도가 상승하게 된다. 그에 따라 금속선의 전기저항이 증가하기 때문에 저항의 변화를 전기신호로 변환하여 가연성 수소가 검출되는 것이다.

가연성 수소가 산화 촉매에 닿아 완전히 산화되면 H₂O가 발생하게 되는데 이때 발생되는 H₂O(주로, 습기)가 저온환경에 노출될 경우 센서 칩(chip)에서 빙결 현상이 나타나게 된다. 이와 같은 빙결 현상은 센서 검지부를 덮어 수소 접촉을 차단하게 되므로 센서는 수소 검지 불능상태가 된다.

이와 같은 빙결 문제을 해결하기 위해 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 센서 칩의 기판(4) 내부에 히터(6)를 구성하여 기판(4) 전체를 가열한다.

도 1에 도시된 수소 센서의 경우, 가연성 수소의 반응으로 발생된 반응 습기(2)는 기화하여 응결이 발생하지 않으므로 빙결로부터 방지되지만, 기판(4) 전체를 가열해야 하며, 외곽에 결빙이 발생할 경우에 검지체와 결빙이 직접 닿아 검지체의 열손실로 인해 측정값이 부정확하거나 센서출력이 저하되는 단점이 있다.

일본 공개특허공보 제2015-125114호

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 센서 칩 기판의 중앙부를 원기둥 형상의 박막으로 형성하고, 박막 내부에 박막의 면적보다 작은 면적의 검지체를 위치하며, 검지체 상단에 검지체 면적과 동일하거나 작은 면적의 촉매를 구성하고, 검지체 둘레에 히터를 별도 설치하여, 히터에 의해 박막 외부에서 발생한 빙결이 박막 내부로 확산되는 것을 조기 해소하고, 히터와 별개로 구성된 검지체로부터 센서 출력을 읽음으로써 센서 출력 저하를 최소화하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 결빙개선을 위한 박막형 접촉연소식 수소센서는 중앙부가 원기둥의 박막인 기판; 박막의 상면 중앙에는 박막의 면적보다 작은 면적의 원형촉매가 있는 검지체; 히터는 검지체와 동심을 이루는 원형이고, 전원인가 시, 히터에 의해 검지체가 가열됨으로서 빙결을 제거하며, 검지체의 저항과 히터의 저항은 서로 병렬연결되고, 히터의 저항이 더 작고, 검지체의 저항와 히터만 박막에 내장된 보상부는 휘트스톤 브릿지로 구현되며, 수소검지에 의한 검지체의 저항 증가에 따라, 휘트스톤 브릿지의 전압평형이 깨지고, 휘트스톤 브릿지의 양단에 출력전압이 생기고, 직경 또는 면적이 원형촉매 < 히터 < 박막의 순인 것을 특징으로 하는 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 히터는 박막 외곽 테두리를 둘러싸는 구조로, 검지체는 박막 중앙에 작은 면적으로 구성되며, 히터 저항이 검지체에 비해 상대적으로 낮게 함으로써 동일전압인가시 히터의 열이 휠씬 많이 커서, 저온 환경에서 결빙 발생 시 히터에 의해 결빙은 더 이상 내부로 침투를 못하게 되고, 결빙이 검지체와 직접 닿지 않기 때문에 출력저하도 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 수소센서 구조의 예이다.
도 2은 본 발명의 수소센싱의 원리이다.
도 3은 본 발명의 수소센서 구조의 단면도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 수소센서의 검지체와 보상부이며, (b)는 검지체와 보상부의 회로도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

본 발명은 접촉연소식 수소센서에 관한 것으로서, MEMS형 접촉연소식 수소센서에서 가연성 수소가 산화 촉매에 닿아 완전히 산화되면서 발생하게 되는 반응 습기(H₂O)가 저온 환경에 노출되어 센서 칩에서 빙결되는 현상을 방지하기 위한 박막형 접촉연소식 수소센서에 관한 발명으로 그 원리는 도 2에 도시되어 있다.

도 3은 본 발명의 수소센서 구조를 나타낸 것으로, 본 발명의 수소센서 구조의 단면도이다.

빙결 현상을 방지하기 위해 본 발명은 센서 칩 기판(22)의 세로방향 중앙부가 박막(28)으로 형성되어 있으며, 박막은 원기둥의 형상이다.

박막(28)의 내부에는 히터(24)가 내장되어 있고, 박막(28)의 상면 중앙에는 박막(28)의 면적보다 작은 면적의 촉매(26)가 구성되어 있다.

이때, 박막(28)은 히터(24)를, 히터는 촉매를 각각 감싸고 있는 형상이다. 즉, 촉매의 직경 < 히터의 직경 < 박막의 직경의 순이며, 촉매, 히터 박막은 각각 동심원을 형성할 수 있다. 촉매, 박막, 히터의 형상이 모두 동심원을 이룰 필요는 없으며, 온도 구배와 요구조건에 따라 면적이 촉매의 면적 < 히터의 면적 < 박막의 면적일 수도 있다. 여기서, 히터의 면적이란 히터코일에 의해 형성된 내부공간의 면적을 의미한다.

검지체가 촉매를의 주위를 둘러싸고 있으며, 사각형 혹은 원형을 이룰 수 있다. 검지체의 주위를 히터가 둘러싸고 있으므로, 촉매 및 검지체의 직경 < 히터의 직경 < 박막의 직경일 수 있으며, 면적을 기준으로 촉매 및 검지체의 면적 < 히터의 면적 < 박막의 면적도 될 수 있다.

박막(28)의 상면은 그 중심에 촉매(26)가 위치하는 원형면적이 있으며, 이러한 원형면적을 제외하고 남는 부분에 히터가 촉매를 감싸도록 위치함으로서 촉매가 있는 원형면적을 제외한 가장자리로부터의 일종의 열 베리어(barrier)로 작용한다. 열 베리어로 인해 박막(28) 외 기판(22) 부분에 생성되는 빙결된 반응 습기(30)가 더 이상 성장하지 못하여 빙결된 반응 습기(30)가 촉매에 접촉하지 않는 상태를 유지하게 되는 것이다.

열 베리어로 인해 빙결된 반응 습기(30)의 성장을 방지할 수 있게 됨에 따라 빙결된 반응 습기(30)가 촉매(26)를 덮어 검지부로 침투하여 수소 검지 불능 상태가 되는 문제를 방지할 수 있게 된다.

초기에 빙결이 이미 형성된 수소센서의 전원을 인가하면, 히터의 동작으로 수소센서가 전체적으로 가열이 되면서 빙결을 증발시킨다. 이에 수소가스가 검지체, 즉 촉매에 접촉함에 따라 도 3에서 보듯이 열에너지가 발생하며, 이로인해 검지체의 표면온도가 증가하게 된다.

도 4(a)는 본 발명의 수소센서의 검지부와 보상부이며, 도 4(b)는 검지부와 보상부의 회로도이다. 검지부의 표면온도가 증가하면, 검지부는 저항 증가와 동일한 효과를 내며, 검지부와 동일한 구조이나 촉매만 없는 보상부와의 휘트스톤 브릿지 구조에서 전압평형이 깨져, 출력전압이 검출되게 된다. 이러한 검출전압과 수소양과의 관계로부터 수소센서의 기능을 하는 것이다. 한편, 히터는 검지체와 서로 병렬로 연결되어 있지만, 박막을 히팅할 뿐 출력 신호를 획득하는 휘트스톤 브릿지와는 무관하다. 따라서, 히터 저항이 검지체에 비해 상대적으로 많이 낮음으로 인해 동일한 전원으로도 검지체보다 히터로부터의 열이 훨씬 많이 발생됨으로서 결빙문제가 해결된다. 즉, 검지체와 히터가 병렬연결됨으로써, 히터, 검지체 모두가 단일전압으로 구동될 수 있다는 장점이 있다. 검지부는 검지체에 대해 보상부에 대한 개념이며, R3, R4는 휘트스톤 브릿지를 구성하기 위한 더미저항이다.

이상에서 설명된 본 발명의 박막형 접촉연소식 수소센서의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

2 : 종래의 반응 습기
4 : 종래의 기판
6 : 종래의 히터
8 : 종래의 촉매
22 : 기판
24 : 히터
26 : 촉매
28 : 박막
30 : 빙결된 반응 습기

Claims (8)

1. 접촉연소식 수소센서에 있어서,
   중앙부가 원기둥의 박막인 기판;
   상기 박막의 상면 중앙에는 상기 박막의 면적보다 작은 면적의 원형촉매가 있는 검지체;
   상기 박막은 상기 원형촉매의 직경보다 큰 지점에 히터가 내장되고, 상기 히터는 상기 검지체와 동심을 이루며,
   출력신호를 획득하는 휘트스톤 브릿지와 무관한 상기 히터는 상기 박막을 히팅하도록 상기 검지체와 병렬연결되고 단일전압으로 구동됨으로서,
   전원인가 시, 상기 검지체에 비해 저항이 낮은 상기 히터에 의해 상기 검지체가 가열됨으로서 빙결을 제거하는 것을 특징으로 하는 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 검지체의 저항와 상기 히터만 상기 박막에 내장된 보상부는 휘트스톤 브릿지로 구현된 것을 특징으로 하는 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서.
6. 제5항에 있어서,
   수소검지에 의한 상기 검지체의 저항 증가에 따라, 상기 휘트스톤 브릿지의 전압평형이 깨지고, 상기 휘트스톤 브릿지의 양단에 출력전압이 생기는 것을 특징으로 하는 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서.
7. 제1항에 있어서,
   직경이 상기 촉매 < 히터 < 박막의 순인 것을 특징으로 하는 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서.
8. 제1항에 있어서,
   면적이 상기 촉매 < 히터 < 박막의 순인 것을 특징으로 하는 빙결개선을 위한 접촉연소식 수소센서.

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