KR101837073B1 - 광음향 기체 센서를 위한 통합된 ｉｒ 소스 및 음향 검출기 - Google Patents

광음향 기체 센서를 위한 통합된 ｉｒ 소스 및 음향 검출기 Download PDF

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Abstract

광음향 기체 검출기는 통합된 소스, 적외선 필터 및 음향 센서를 포함한다. 소스, 필터 및 음향 센서는 하나 또는 그 이상의 실리콘과 같은 반도체 기판 상으로 통합될 수 있다. 또한, 처리 회로는 기판으로 통합될 수 있다. 더하여, 소스, 필터 및 음향 센서는 금속 캔 트랜지스터 패키지와 같은 단일 부품 패키지로 통합될 수 있다.

Description

광음향 기체 센서를 위한 통합된 ＩＲ 소스 및 음향 검출기{INTEGRATED IR SOURCE AND ACOUSTIC DETECTOR FOR PHOTOACOUSTIC GAS SENSOR}
본 발명은 광음향(photoacoustic) 기체 검출기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 적외선 소스 및 음향 검출기의 통합된 패키지를 포함하는 검출기에 관한 것이다.
최근, 광음향 기체 검출기가, 다른 것들 중에서, 실내 공기 품질 및 수요 대응 제어 환기(Indoor Air Quality and Demand Control Ventilation)용 CO2 모니터링, 냉각제 및 암모니아 모니터링, 그리고 가연성 기체 검출을 포함하는 다수의 기체 감지 애플리케이션을 위한 실용적인 기술로서 출현하였다. 광음향 기술은 많은 관점에서 NDIR(Non-Dispersive Infra-Red) 및 기체 검출을 위한 다른 분광기(spectroscopic) 수단과 유사하다. 이러한 모든 기술은 샘플의 농도와 조성을 판단하기 위하여 기체 샘플에 의한 적외선 방사(radiation)의 선택적 흡수를 이용한다.
광음향 감지 기술은 기체 샘플을 통과하는 IR 방사의 양의 직접적인 측정에 의존하지 않으며, 그 대신에, 입력된 IR 방사가 기체에 의해 흡수됨에 따른 기체 샘플의 결과에 따른 팽창을 검출한다. 입력된 방사가 음향 주파수에서 사인파 형상으로 변조되면, 결과에 따른 기체의 팽창은 MEMS 마이크로폰과 같은 저가의 검출 수단을 이용하여 음향 파형으로서 검출될 수 있다. 일반적으로, 실제적인 광음향 기체 센서는, 유용한 검출 감도를 획득하기 위하여 감지 챔버 내에서 광 경로 길이에 훨씬 덜 의존하기 때문에, 종래의 NDIR 기체 센서에 비하여 훨씬 더 작은 기체 감지 챔버로 실현될 수 있다. 이러한 차이점은 마이크로 전자공항 및 MEMS 제조 기술을 이용하여 조밀하게 통합된 패키지 내에서 소형화된 기체 센서를 구현할 수 있게 한다. 센서 패키지 크기와 제조 요구 사항을 감소시키면서 센서 성능, 신뢰성 및 비용을 개선하는 것이 바람직하다.
광음향 기체 감지의 기능적인 원리는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 알려져 있다. 센서의 필요한 기능적 소자는 적외선 소스, 광 파장 선택 필터, 기체 감지 부피(검출 챔버), 기체가 검출 챔버로 자유롭게 확산할 수 있게 하지만 기체가 팽창할 때 챔부로부터의 벌크 유출을 제한하는 기체 투과성 막 또는 밸브, 측정 마이크로폰 또는 다른 적합한 압력 변환기(transducer), 및 IR 소스를 변조하고 광음향 신호를 획득하여 처리하고 측정 결과를 출력하는 제어 및 신호 처리 수단을 포함한다.
또한, 광음향 센서는 센서에 대한 주변 노이즈 및 압력 변동의 효과를 보상하거나 제거하기 위한 구조를 포함할 수 있다. 이것은 관심 기체에서 광음향 성분이 실질적으로 없는 백그라운드 노이즈 신호를 획득하도록 개별 레퍼런스 감지 부피 및 레퍼런스 마이크로폰을 이용하여 달성될 수 있다. 이 백그라운드 신호는 기체 감지 부피 내에서 검출된 신호로부터 감산되어 백그라운드 노이즈 효과가 실질적으로 없는 광음향 신호를 생성하고, 이에 의해 센서의 정확성을 개선한다.
도 1은 광음향 기체 검출의 기능적 원리를 나타내기 위한 공지의 센서 부품 장치를 도시한다. 일반적인 기능적 원리를 설명하는데 불가결하지 않은 센서의 물리적 설계에 대한 소정의 양태는 간략함을 위하여 생략되었다. 광음향 기체 센서(1) 내에서, 적외선 소스(2)에 의해 방출된 변조된 적외선 광은 반사기 하우징(3)에 의해 파장 선택 밴드패스 IR 필터(4)를 통해 측정 셀 바디(6)와 IR 필터(4)에 의해 정의되는 부피인 기체 감지 부피(5)로 향하게 된다.
주변 분위기(7)로부터의 기체는 측정 셀 바디 내의 기체 투과성 막(8) 및 어퍼쳐(9)을 통해 쉽게 확산한다. 변조된 IR 조사의 일부는 측정 셀 바디 내의 개구(11)를 통해 측정 셀 부피와 연통하는 마이크로폰(10)에 의해 검출되는 변조된 음향 압력파를 일으키는 감지 부피 내에서 검출될 목표 기체에 의해 흡수된다.
IR 소스, 필터 및 마이크로폰 특성의 적절한 선택으로, 음향 압력파의 크기는 목표 관심 기체의 농도에 직접 관련될 것이다. 이 예시적인 예어서, 마이크로폰과 필라멘트 램프 IR 소스의 구성은 연관된 램프 변조 및 처리 전자 회로(간략함을 위하여 도시하지 않음)를 또한 포함할 수 있는 공유 인쇄 회로 기판(12)에 배치된다.
본 발명의 실시예들이 많은 다양한 형태를 취할 수 있지만, 본 개시 내용은 본 발명의 원리에 대한 예시 및 이를 실시하기 위한 최상의 형태로서 간주되어야만 하고, 본 발명을 예시된 특정 실시예에 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해하면서, 그 특정 실시예가 도면에 도시되고 여기에서 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 실시예들은 대량 생산에 적합한 단일 통합 MEMS 장치로 코어 광음향 센서 기능 소자를 통합한다. 이러한 실시예들은 MEMS 기술에 의해 수반되는 바와 같은 강력함과 저비용의 이점을 제공한다. 본 발명의 일 양태에서, 통합된 IR 소스, 고정 파장 IR 필터 및 MEMS 마이크로폰은 단일 부품 패키지로 통합되고 기체 측정 셀로 피팅될 수 있다.
도 1은 광음향 기체 센서의 기능적인 원리를 도시한다; 그리고,
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 광음향 기체 센서의 제1 실시예를 도시한다.
도 2a 및 2b는 도 1에서 설명된 다수의 기능 소자가 MEMS 및 마이크로 전자공학 패키징 기술을 이용하여 제조될 수 있는 통합 부품으로 통합될 수 있는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도 2a는 본 발명의 부분 절개 사시도를 도시하고, 도 2b는 도 2a에 도시된 단면 A-A의 평면에서의 본 발명의 측면 단면도이다.
본 발명의 실시예에서, 사출 성형된 플라스틱 측정 셀 바디(20)는 트랜지스터 및 다른 전자 부품을 패키지하는데 일반적으로 사용되는 종류의 밀폐형으로 밀봉된 금속 캔 부품 패키지의 형태로 패키지된 집적된 IR 소스와 마이크로폰 부품 바디(또는 패키지)(21)에 접합된다. 이러한 종류의 전자 부품 패키지는 일반적으로 "트랜지스터 캔 패키지 또는 TO 캔"이라 하며, 보통 JEDEC 및 Electronics Industry Association에 의해 발행된 전자 업계 표준에서 설명된 치수에 따른다.
이러한 패키지는 특정 애플리케이션의 요구에 맞도록 다수의 표준 크기와 상호연결 핀 구성으로 사용가능하다. JEDEC TO39 또는 TO8 캔과 같은 표준 패키지 크기는 본 발명을 위하여 사용될 수 있는 바람직한 패키지 크기의 예이다. 측정 셀 바디(20)의 내부 표면은 IR 반사성 재료(한정이 아닌 예를 들어 금 도금)로 도금되어, 측정 셀 바디(20)와 통합 부품 패키지(21)를 서로 결합함으로써 형성되는 측정 셀 부피(22) 내의 기체로 향하는 IR 에너지를 최소화한다.
기체 투과성 막(23)은 접착제 또는 다른 적합한 수단을 이용하여 측정 셀 바디(20)의 외부 표면(20a)에 접합된다. 측정 셀 바디 내의 복수의 홀(24)은 기체 투과성 막(23) 아래에 배치되어, 주변 분위기로부터의 기체가 측정 셀 부피(22)로 또는 그로부터 확산하는 흐름 경로를 제공한다. 통합 부품은 평면의 적외선 소스(25), 파장 선택 필터(26) 및 MEMS형 마이크로폰(27)을 포함한다. IR 필터는 선택된 파장의 IR 에너지가 측정 셀 부피(22)로 통과하여 방사할 수 있는 윈도우를 제공하는 부품 패키지(21) 내의 개구(28)를 덮는다.
통합 부품 패키지(21) 내의 내부 배플(baffle) 구조(29)는 IR 소스로부터의 방사가 공유된 TO 캔 패키지(21) 내부에서 MEMS 마이크로폰에 직접 결합되는 것을 방지한다. 또한, 배플은 부품의 조립 동안에 진공 하에서 밀봉되어야 하는 IR 소스를 수용하는 통합 부품 부분을 제공한다.
기체 측정 부피 내에서 생성된 광음향 신호는 통합 부품 패키지의 상부면에서의 개구(30)를 통해 MEMS 마이크로폰에 연통한다. IR 소스와 MEMS 마이크로폰은 마이크로 전자공학 및 반도체 패키지에서 일반적으로 사용되는 종류의 복수의 와이어 본드(32)를 이용하여 통합 부품의 외부 리드(31)에 연결된다.
또한, 처리 회로(36)가 마이크로폰(27)으로부터 신호를 획득하고 처리하기 위하여 통합 부품 패키지(21) 내에 포함될 수 있다. 회로(36)가 패키지(21) 내의 반도체 기판에 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 기판은 마이크로폰(27)을 지지하는 동일한 기판일 수 있으며, 또는 다른 기판일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, IR 소스 및 검출 소자의 제조는 단일 통합 부품 내에서 구현되어 광음향 기체 검출기로 결합될 수 있다. 또한, 신호 처리 전자장치는 동일한 다이 상에서 또는 동일한 TO 캔 패키지 내에서 구현될 수 있어, 광음향 기체 검출기의 모든 능동 부품에 대한 단일 칩 또는 단일 부품 해결책을 가져다 준다. 이러한 통합은 종래 기술의 구현예에 비하여 제조 및 비용적인 효율뿐만 아니라 신뢰성 및 성능의 개선을 제공하는 것으로 기대될 수 있다.
전술한 바로부터, 다양한 변형 및 수정이 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 유효할 수 있는 것을 알 수 있을 것이다. 본 명세서에서 예시된 특정 장치에 관한 어떠한 한정도 의도된다는 것이 이해되거나 도출되어야 한다. 물론, 첨부된 특허청구범위에 의해 특허청구범위의 범위 내에 있는 모든 이러한 수정을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 반도체 기판 상에 있는 적외선 소스;
    상기 반도체 기판 또는 제2 반도체 기판 중 어느 하나에 형성된 통합된 마이크로폰;
    적외선 파장 선택 밴드패스 필터;
    상기 적외선 소스로부터의 방사가 상기 통합된 마이크로폰에 직접 결합되는 것을 방지하는, 단일의 밀폐형으로 밀봉된 패키지 내의 내부 배플 구조; 및
    상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지의 한 단부에 피팅된 기체 측정 셀
    을 포함하고,
    상기 적외선 소스, 상기 통합된 마이크로폰 및 상기 적외선 파장 선택 밴드패스 필터는 상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지로 통합되고,
    상기 적외선 파장 선택 밴드패스 필터는, 상기 기체 측정 셀의 기체 측정 부피와 상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지 내의 상기 적외선 소스 사이에 윈도우를 형성하고, 상기 기체 측정 부피는 상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지의 일면에서의 개구를 통해 상기 통합된 마이크로폰에 연통하고,
    상기 기체 측정 셀은 상기 기체 측정 셀의 상부에 위치 설정된 복수의 홀을 포함하고, 상기 복수의 홀은 기체 투과성 막으로 덮이는,
    광음향 기체 센서 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지 내에서 반도체 기판상에 형성된 신호 획득 및 신호 처리 회로를 더 포함하는,
    광음향 기체 센서 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로폰은 MEMS형 변환기(transducer)로서 구현되는,
    광음향 기체 센서 부품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지는 금속 캔 트랜지스터 윤곽 패키지 또는 다른 산업 표준 반도체 장치 패키징 포맷의 요구 사항을 따르는,
    광음향 기체 센서 부품.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적외선 소스는 평면인,
    광음향 기체 센서 부품.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기체 측정 셀은 플라스틱인,
    광음향 기체 센서 부품.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적외선 소스는 필라멘트 도체를 포함하는,
    광음향 기체 센서 부품.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 홀은 주변 분위기 주변 분위기로부터의 기체가 상기 기체 측정 셀의 상기 기체 측정 부피로 또는 상기 기체 측정 셀의 상기 기체 측정 부피로부터 확산하는 흐름 경로를 제공하도록 구성되는,
    광음향 기체 센서 부품.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 내부 배플 구조는 상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지의 상부로부터 상기 밀폐형으로 밀봉된 패키지의 하부까지 연장하는,
    광음향 기체 센서 부품.
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