KR102492249B1 - 미립자 농도를 측정하기 위한 미립자 센서 및 그 방법 - Google Patents

미립자 농도를 측정하기 위한 미립자 센서 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기상 내에서 미립자, 특히 미립자의 농도를 측정하기 위한 장치(1)에 관한 것이며, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)가 제공되며, 기상을 안내할 수 있는 유동 채널(2)이 제공되며, 미립자 센서 어셈블리(4)는 유동 채널(2)을 통해 관류하는 기상을 측정하도록 포지셔닝되어 있는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 추가로, 본 발명은 기상 내의 미립자 농도의 측정을 위한 상기 장치(1)의 이용에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 장치(1)를 이용하여 기상 내에서 미립자, 특히 미립자의 농도를 측정하기 위한 방법에 관한 것이며, 특히 미립자들을 운반하는 기상은 유동 채널(2)을 통해 안내되되, 기상 내의 미립자들은, 적어도 부분적으로, 특히 적어도 하나의 센서를 포함한 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)로 지향되는 방식으로 안내되며, 그리고 적어도 하나의 물리적 변수, 예컨대 적어도 하나의 온도 및/또는 진동의 변화량은 적어도 하나의 센서에 의해 측정된다.

Description

미립자 농도를 측정하기 위한 미립자 센서 및 그 방법
본 발명은 기상(gas phase) 내에서 미립자(particle), 특히 미립자 농도를 측정하기 위한 장치에 관한 것이며, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리가 제공된다.
또한, 본 발명은 상기 장치의 이용(use)에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 장치, 특히 도입부에 언급한 유형의 장치를 이용하여 기상 내에서 미립자, 특히 미립자의 농도를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
기상 내에서 미립자 농도를 검출하기 위한 장치들이 종래 기술로 공지되어 있다. 공지된 측정 시스템들은 예컨대 미립자가 센서들 상에 축적될 때 전도도의 변화량을 측정하는 저항성 미립자 센서들이다. 더 나아가, 압전 결정(piezoelectric crystal)을 기반으로 하는 측정 시스템들도 공지되어 있다. 이 경우에도 미립자가 센서들 상에 축적되어야 한다. 또한, 미립자 농도의 결정을 위해 기상 내 미립자들의 광 산란(light scattering)을 이용하는 광학 측정 시스템들도 공지되어 있다.
상기 장치들에서 단점은 한편으로 측정 동안 미립자들의 적어도 부분적인 축적이 발생하고, 이는 미립자 센서들의 재생을 복잡하게 하고 미립자 센서들의 유효수명을 단축시킨다는 점에 있다. 다른 한편으로, 예컨대 광원을 포함한 광학 시스템처럼, 복잡하고 고가인 구성이 필요할 수 있다. 통례적으로, 상대적으로 더 작은 미립자들에 비해, 측정 결과에 대해 상대적으로 더 큰 미립자들의 영향 역시 높다.
그러므로 본 발명의 과제는, 적어도 하나의 미립자 농도의 민감하고 신뢰성 있는 측정을 위한 미립자 센서로서, 제조 비용과 관련하여 효과적일 뿐만 아니라 유지보수도 거의 필요 없으며, 정화 또는 재생 비용이 감소되는, 소형화된 미립자 센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 과제는 본 발명에 따른 장치에 대한 이용을 명시하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 과제는, 적어도 하나의 미립자 농도의 측정을 위한 민감하고 신뢰성 있는 방법으로서, 이용되는 미립자 센서의 정화 비용이 최소화되게 하는 상기 방법을 명시하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 도입부에 언급한 유형의 장치의 경우 기상을 안내할 수 있는 유동 채널이 제공되며, 미립자 센서 어셈블리는 유동 채널을 통해 관류하는 기상을 측정하도록 포지셔닝되어 있는 적어도 하나의 센서를 포함하는 것을 통해 해결된다. 이런 경우, 기상은 미립자, 예컨대 미세 먼지(예: PM10, PM2.5), 초미세 먼지 등을 운반할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 의해 달성되는 장점은, 특히 유동 채널을 통해 미립자들을 운반하는 기상이 곧바로 미립자 센서 어셈블리를 스쳐 통과될 수 있다는 점에서 확인된다. 그렇게 하여, 조밀하고, 특히 소형화된 구성이 가능해지며, 그리고 본원의 장치는 상대적으로 더 큰 유동 시스템의 부분으로서 형성될 필요는 없지만, 그러나 그 부분으로서 형성될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리는 유동 채널의 영역에, 바람직하게는 유동 채널 내에 및/또는 상에 포지셔닝될 수 있다. 특히 바람직하게 미립자 센서 어셈블리는 안쪽에서 유동 채널 상에 포지셔닝된다. 그렇게 하여, 구조가 매우 조밀한 경우, 미립자들을 운반하는 기상이 필연적으로 미립자 센서 어셈블리를 스쳐 유동하는 점이 보장된다. 그 대안으로, 미립자 센서 어셈블리는 유동 채널의 일측 단부에 이어지는 방식으로 포지셔닝될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리의 센서들은 가열 요소들(heating element)로서, 특히 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는, 바람직하게는 각각 하나의 온도 센서를 포함하는 가열 요소들로서 형성된다. 바람직하게, 온도 센서는 가열 요소 내에 직접 통합된다. 그렇게 하여, 가열 요소들이 정해진 온도로 조정될 수 있고, 가열 요소의 온도의 변화량이 측정될 수 있고, 그리고/또는 가열 요소의 온도가 일정하게 유지될 수 있는 점이 보장된다. 또한, 바람직하게는, 각자의 개별 가열 요소의 온도는 분리되어 측정될 수 있고, 이를 위해 상응하는 수단들이 제공된다. 미립자 센서 어셈블리의 가열 요소들은 크기와 관련하여 가변될 수 있으며, 그리고 예컨대 나노와이어(nano-wire)와 같은 마이크로 가열판(micro-hot-plate) 또는 나노 가열 요소들로서 형성될 수 있다. 온도 센서는 예컨대 열전대(thermocouple) 내지 열전 요소(thermoelement), 다이오드 등으로서 형성될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리의 센서들은 각각 적어도 하나의 나노와이어를 포함할 수 있다. 나노와이어들은 예컨대 부딪치는 미립자들을 통해 진동될 수 있으며, 이런 진동은 그에 이어서 예컨대 압전 효과가 이용되면서 측정될 수 있다. 그 대안으로, 나노와이어의 전기 전도도도 측정될 수 있다.
미립자 크기에 따라서 미립자 농도를 측정하기 위해, 바람직하게는, 미립자 센서 어셈블리의 센서들은 어레이로서, 바람직하게는 선형 어레이로서 배치되며, 센서들은 바람직하게는 하나의 칩 상에 배치된다. 이 경우, 한편으로, 센서들은 하나의 열로 배치될 수 있고, 다른 한편으로는 상기 열이 복수 개로, 예컨대 병렬로 배치될 수 있다. 하나의 칩 상에 센서들을 배치하는 것을 통해, 특히 조밀하고 특히 소형화된 구조가 가능해진다.
유동 채널을 통해 유체, 예컨대 기상을 안내하기 위해, 바람직하게는, 적어도 하나의 유체 가속 수단(fluid acceleration means)이 제공된다. 적어도 하나의 유체 가속 수단은 예컨대 유동 채널의 상류 및/또는 그 하류에 배치될 수 있다. 그 대안으로, 적어도 하나의 유체 가속 수단은 유동 채널 내에 및/또는 상에 포지셔닝될 수 있다. 유체 가속 수단은 예컨대 송풍기(blower), 팬(fan) 등일 수 있다.
특히 바람직하게 적어도 하나의 유체 가속 수단은 가열 장치로서 형성되되, 가열 장치는 적어도 하나의 가열 요소 및 바람직하게는 하나의 온도 센서를 포함하며, 적어도 하나의 가열 요소는 바람직하게는 하나의 칩 상에 배치된다. 이 경우, 예컨대 가열 장치는 유동 채널 내의 기상을 가열할 수 있으며, 특히 기상의 가스 입자들 및/또는 가스 분자들을 가속화할 수 있으며, 그럼으로써 열적 대류가 발생하고, 기상은 굴뚝 효과(chimney effect)에 따라서 유동 채널을 통해 관류하게 된다. 온도 센서는, 가열 요소(들)를 일정한 온도(constant temperature)로 유지하되, 이런 경우 이를 위해 요구되는 가열 출력이 측정될 수 있도록 하기 위해, 또는 예컨대 가열 출력이 일정한 경우라면 가열 요소(들)의 온도 변화량을 측정하기 위해 제공될 수 있다. 또한, 그 대안으로 온도의 목표되는 변화량, 예컨대 온도 램프(temperature ramp) 역시도 생성될 수 있되, 이를 위해 요구되는 출력이 측정될 수 있다. 이를 위해, 원칙적으로, 출력의 임의의 상승, 예컨대 지속적인 상승, 계단식 상승, 또는 톱니형 상승이 생성될 수 있다. 특히 바람직하게는, 각자의 가열 요소를 위해, 각각 하나의 온도 센서가 제공된다. 하나의 칩 상에 가열 요소들을 배치하는 것을 통해, 가열 장치는 특히 조밀하게, 특히 소형화된 방식으로 형성될 수 있다. 가열 장치는, 예컨대 미립자 센서 어셈블리와 유사하게, 또는 동일하게 형성될 수 있되, 가열 장치의 경우 상대적으로 더 높은 작동 온도가 제공된다. 이런 경우, 가열 요소들은 예컨대 마이크로 가열판들로서 형성될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 편향 장치가 제공되되, 적어도 하나의 편향 장치는 유동 채널의 영역에, 특히 바람직하게는 유동 채널 내에, 및/또는 상에 포지셔닝된다. 상기 편향 장치는, 기상, 및/또는 기상 내의 미립자를 미립자 센서 어셈블리로 지향하도록 하기 위해 제공될 수 있다. 편향 장치는 예컨대 유동 채널 내에 비스듬하게 배치되는 플레이트와 같은 가이드 요소(guide element)로서 형성될 수 있다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 미립자들의 편향을 위해 정전기장을 생성하기 위한 장치 역시도 제공될 수 있다.
특히 바람직하게 적어도 하나의 편향 장치는 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리에 대향하는 방식으로 포지셔닝되며, 그럼으로써 기상, 및/또는 기상 내의 미립자는 간단한 유형 및 방식으로 미립자 센서 어셈블리로 지향될 수 있게 된다. 상기 편향 장치는 예컨대 가열 장치로서 형성될 수 있다. 그렇게 하여, 유동 채널 내에서는 온도 기울기(temperature gradient)가 발생할 수 있되, 기상 내의 미립자는 열영동(thermophoresis)에 의해 미립자 센서 어셈블리로 편향된다.
유동 속도가 감속되지 않도록 하기 위해, 바람직하게는 유동 채널의 제1 개구부는 제2 개구부와 적어도 동일한 크기의 횡단면 표면, 특히 그보다 더 큰 횡단면 표면을 포함한다. 예컨대 유동 채널은 유동 방향으로 지속적으로, 그리고/또는 계단식으로 가늘어지는 방식(tapering)으로 형성될 수 있다. 이런 경우, 유동 방향은 제1 개구부에서부터 제2 개구부 쪽으로 정의되되, 제1 개구부를 통한 기상의 유입 및 제2 개구부를 통한 기상의 유출이 수행된다. 이 경우, 미립자들은 기상에 의해 함께 이송된다.
미립자들의 침착(deposition)을 방지하기 위해, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리는 적어도 부분적으로 코팅층, 예컨대 비점착성 코팅층(nonstick coating)을 포함할 수 있다. 더 나아가, 유동 채널 및/또는 가열 장치는 비점착성 코팅층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 코팅층의 점착 작용은 온도에 따를 수 있다. 측정을 위해, 그에 상응하게, 코팅층은, 점착 작용이 증가되고 미립자들이 미립자 센서 어셈블리에 점착되는 온도로 조정될 수 있다. 재생을 위해, 코팅층은, 점착 작용이 감소되고 미립자들이 미립자 센서 어셈블리로부터 분리되는 다른 온도로 조정될 수 있다. 두 번째의 경우, 코팅층은 비점착성 코팅층으로서 이용된다. 전기영동 효과(electrophoretic effect)를 방지하기 위해, 코팅층은 제전성 코팅층(anti-electrostatic coating)으로서도 형성될 수 있다. 또한, 상기 코팅층은 다른 코팅층에 추가로 형성될 수 있다. 온도는 예컨대 가열 요소들에 의해, 또는 적어도 하나의 냉각 장치, 예컨대 펠티어 소자에 의해 설정될 수 있다. 또한, 지속적인 측정을 보장하기 위해, 센서가 복수 개인 경우 예컨대 센서 쌍들이 제공될 수 있되, 각각 하나의 센서는 재생되고 하나의 센서는 측정 모드 상태이다. 또한, 그 대안으로, 2개의 미립자 센서 어셈블리가 제공될 수 있되, 각각 일측의 미립자 센서 어셈블리가 재생되는 반면, 타측 미립자 센서 어셈블리는 측정 모드 상태이다.
바람직하게 가열 요소들의 제어를 위한 적어도 하나의 제어 유닛이 제공된다. 그렇게 하여, 가열 장치 및/또는 미립자 센서 어셈블리의 가열 요소들은 일정한 온도로 유지될 수 있고, 그리고/또는 정출력(constant power)에 의해 작동될 수 있다. 이런 경우, 주변환경으로의 열 방출은 미립자 농도에 따라 결정되며, 그로 인해 정출력을 이용한 작동 중에 가열 요소들의 온도의 변화량은 미립자 농도에 따라 결정된다. 그 외에 제어 유닛은, 각각 측정 결과들에 반응할 수 있고, 가열 출력을 그에 상응하게 매칭시키기 위해, 판독 및/또는 평가 유닛을 포함할 수 있거나, 또는 판독 및/또는 평가 유닛과 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 과제는, 기상 내에서 미립자 농도의 측정을 위해 본 발명에 따른 장치의 이용에서 해결된다.
본 발명의 또 다른 과제는, 도입부에 언급한 유형의 방법의 경우, 특히 미립자들을 운반하는 기상이 유동 채널을 통해 안내되되, 기상 내의 미립자들은, 적어도 부분적으로, 특히 적어도 하나의 센서를 포함한 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리로 지향되는 방식으로 안내되며, 그리고 적어도 하나의 물리적 변수, 예컨대 적어도 하나의 온도 및/또는 진동의 변화량은 적어도 하나의 센서에 의해 측정되는 것을 통해 해결된다. 이런 경우, 측정은 예컨대 표면 음향파 측정(SAW: Surface acoustic Wave) 또는 필름 벌크파 음향 공진기(FBAR: Film Bulk Wave Acoustic Resonator)와 같은 다양한 측정 원리들을 기반으로 할 수 있다. 그 대안으로, 측정은 용량성 측정 또는 정전기 측정으로서 수행될 수 있다. 물리적 변수의 측정의 또 다른 가능성은 압전 효과를 이용하는 것에 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 달성되는 장점은, 특히 측정을 위해 이용되는 장치의 적어도 하나의 센서 또는 다른 부분들에서 미립자들의 침착이 발생하지 않는다는 점에서 확인된다.
바람직하게는, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리의 적어도 하나의 센서는 200℃ 미만의 온도로, 특히 50℃와 150℃ 사이의 온도로, 특히 바람직하게는 약 100℃로 가열된다.
특히 바람직하게는, 미립자 센서 어셈블리의 적어도 하나의 센서는 적어도 일시적으로 일정한 출력에 의해 가열된다. 그렇게 하여, 미립자 센서 어셈블리의 센서 온도 내지 가열 요소들의 온도는 미립자 온도에 따라서 변할 수 있다. 예컨대 미립자들이 센서에 부딪친다면, 상기 센서는 냉각되는데, 그 이유는 가열 출력이 일정하게 유지되는 반면, 열은 미립자들로 방출되기 때문이다. 이러한 유형의 온도 변화량이 측정될 수 있다. 온도의 변화량을 토대로, 미립자 농도가 산출될 수 있다. 맥동식 작동 내지 적어도 부분적으로 정출력을 이용한 작동 동안, 예컨대 가열 요소는 정해진 시간 간격 동안, 정출력으로 가열될 수 있거나, 또는 간격을 두고 가열될 수 있다. 그 대안으로, 가열 요소는 계단형 출력 상승에 의해서도 가열될 수 있되, 각각 하나의 계단부에서 출력은 일정하게 유지된다.
미립자들의 열영동 내지 열확산을 야기하기 위해, 바람직하게는 적어도 하나의 가열 장치는 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리보다 더 높은 온도로, 예컨대 최소한 200℃로, 특히 230℃ 내지 400℃ 범위의 온도로, 바람직하게는 250℃ 내지 350℃ 범위의 온도로, 특히 바람직하게는 약 300℃로 조정된다. 가열 장치가 미립자 센서 어셈블리보다 더 높은 온도를 보유한다면, 온도 기울기는 가열 장치에서부터 미립자 센서 어셈블리까지 연장되되, 열영동 효과는 상기 온도 기울기를 따라서 생성되고, 이와 동시에 기상 내의 미립자들은 미립자 센서 어셈블리의 방향으로 편향된다.
미립자 농도를 크기에 따라서 측정할 수 있도록 하기 위해, 바람직하게는 복수의 센서의 신호들은 서로 분리되어 판독된다. 이렇게 예컨대 개별 센서들 내지 가열 요소들의 온도들이 판독되고 분석될 수 있다. 그에 상응하게, 각자의 개별 센서에 대한 미립자 농도, 및 추가 결과로는 기상 내의 미립자들의 농도가 기상 내의 미립자들의 크기에 따라 결정될 수 있다.
침착된 미립자들을 미립자 센서 어셈블리로부터 제거하기 위해, 바람직하게는 미립자 센서들의 정화를 위해 미립자 센서들의 가열 요소들은 최소한 200℃로, 특히 250℃ 내지 400℃ 범위의 온도로, 특히 바람직하게는 300℃로 조정된다. 이런 경우 가열 장치가 작동 중이 아니거나, 또는 200℃보다 더 낮은 온도로 조정된다면, 열영동 효과의 방향 전환이 수행되며, 그럼으로써 미립자들은 미립자 센서 어셈블리로부터 떨어지게 된다. 그 대안으로, 센서 표면으로부터 미립자들을 분리하거나, 또는 미립자들을 연소하기 위해, 미립자 센서 어셈블리 상에 높은 온도가 설정될 수 있다. 더 나아가, 센서 냉각을 위한 장치, 예컨대 펠티어 소자가 제공될 수 있다.
본 발명은 하기에서 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1a는 본 발명에 따른 장치의 횡단면도이다.
도 1b는 대안의 실시예의 횡단면이다.
도 1c는 장치의 또 다른 대안의 실시예의 도면이다.
도 2는 유동 채널의 개략도이다.
도 3a는 가열 요소의 개략도이다.
도 3b는 가열 요소의 또 다른 실시형태의 도면이다.
도 3c는 가열 요소의 또 다른 실시형태의 도면이다.
도 3d는 가열 요소의 횡단면이다.
도 4는 칩의 사진이다.
도 5는 가능한 출력 변화 모드들의 개략도이다.
도 1a에는, 본 발명에 따른 장치(1)의 횡단면도가 도시되어 있다. 장치(1)는 유동 채널(2), 가열 장치(3), 및 미립자 센서 어셈블리(4)를 포함하며, 적어도 하나의 요소(21)가 유동 채널을 형성한다. 더 나아가, 도 1a에는, 파선으로 도시되어 있고 예컨대 상승부(31)(raised portion)로서 형성될 수 있는 선택적인 편향장치도 도시되어 있다. 상기 편향 장치는, 각각의 유형 및/또는 작동 방식에 따라서, 유동 채널(2) 내의 여러 위치에 배치될 수 있다. 편향 장치의 작동 방식은, 예컨대 상승부(31), 함몰부(depression) 및/또는 기상의 유동을 편향시키는 편향판이 제공됨으로써, 기계적인 방식으로 수행될 수 있다. 그 대안으로, 편향 장치의 작동 방식은, 예컨대 열영동 효과와 같은 다른 효과들을 기반으로 할 수 있다. 이를 위해, 가열 장치(3)는 편향 장치로서 이용될 수 있다. 본 실시형태에서, 제1 개구부(5)는 제2 개구부(6)보다 더 큰 횡단면 표면을 포함한다. 이런 경우, 두 개구부(5, 6)는 직사각형 횡단면 표면을 포함한다. 제1 개구부(5)의 변 길이(side length), 특히 상대적으로 더 짧은 변 길이는 원칙적으로 임의로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 20㎜ 미만으로, 특히 3㎜ 내지 5㎜로 형성될 수 있다. 유동 채널(2)의 제2 개구부(6)의 변 길이, 특히 상대적으로 더 짧은 변 길이는 원칙적으로 임의로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 10㎜ 미만으로, 특히 1㎜ 내지 2㎜로 형성될 수 있다. 개구부들(5, 6)의 형태가 원형인 경우, 상기 변 길이는 각각 개구부들(5,6)의 지름과 일치한다. 제1 개구부(5)를 통해, 기상, 예컨대 미립자를 운반하는 주변 공기가 유동 채널(2) 내로 유입될 수 있다. 이를 위해, 제1 개구부(5)는 유동 라인 시스템, 예컨대 튜브들 및/또는 호스들을 통해 주변환경과 연결될 수 있으며, 그럼으로써 기상은 주변환경으로부터, 예컨대 측면에서, 그리고/또는 상부로부터 각각 공급되고 흡입될 수 있게 된다. 기상은 추가 연장부에서, 즉 유동 채널(2)의 타측 단부에서, 제2 개구부(6)를 통해 다시 유동 채널(2)에서 유출될 수 있다. 유동 방향은 일반적으로 제1 개구부(5)에서부터 제2 개구부(6) 쪽으로 연장된다. 유동 방향은 바람직하게는 수직 방향일 수 있지만, 그러나 특히 유동 채널(2)이 상대적으로 더 큰 유동 시스템의 부분이라면, 수평 방향일 수도 있다. 유동 채널(2)의 높이는 원칙적으로 임의로 선택될 수 있지만, 바람직하게는 50㎜ 미만, 특히 10㎜ 내지 25㎜일 수 있다.
가열 장치(3)의 영역에서, 가열 장치(3)와 미립자 센서 어셈블리(4) 사이에는 온도 기울기가 발생하며, 그럼으로써 기상 내의 미립자들은 열영동 효과의 영향을 받게 된다. 그렇게 하여, 가열 장치(3)는 미립자들을 위한 편향 장치로서 작용한다. 기상 내에서 미립자들의 이동은 도 1a에 화살표들을 통해 암시되어 있되, 큰 지름을 갖는 미립자들은 실질적으로 짧은 화살표에 따르는 반면, 작은 지름을 갖는 미립자들은 실질적으로 긴 화살표에 따른다. 화살표의 길이는 그에 상응하게 미립자들의 지름과 관련이 있다. 미립자들의 평균 지름은 전형적으로 0.1㎛와 5㎛ 사이이다. 따라서 열영동은 작은 미립자들보다 큰 미립자들을 더 강하게 편향시킨다. 그렇게 하여, 유동 방향으로 미립자들의 크기 분배가 발생하며, 그로 인해 상기 장치(1) 내에서 미립자 농도는 크기에 따라서 측정될 수 있다. 이를 위해, 바람직하게는, 미립자 센서 어셈블리(4)는 선형 어레이로서 형성되되, 개별 센서들은 유동 방향을 따라서 배치된다. 이런 경우, 적합하게는, 센서들은 하나의 열로 배치되되, 복수의 열은 서로 나란히 배치될 수 있다. 그에 상응하게, 상대적으로 더 큰 미립자들은 제1 개구부(5)에 더 가깝게 포지셔닝되어 있는 센서들로 지향되고, 상대적으로 더 작은 미립자들은 제1 개구부(5)로부터 더 멀리 이격되어 제2 개구부(6)에 더 가까운 센서들로 지향된다.
도 1b에 도시된 실시형태의 경우, 유동 채널(2)은 관통 실리콘 비아(Through-Silicon-Via)로서 형성된다. 복수의 기판, 바람직하게는 실리콘 웨이퍼가 서로 겹쳐서 적층되는 상기 유형의 접근법에 의해, 장치(1)는 웨이퍼 스케일(wafer scale) 상에 제공될 수 있다. 이런 경우, 유동 채널(2)은 1밀리미터 이하 범위의 지름, 예컨대 10㎛와 250㎛ 사이, 특히 약 80㎛의 지름을 보유할 수 있다. 웨이퍼 스케일 상에서 상기 장치(1)의 경우, 유동 채널(2)의 높이는 분명하게 감소되며, 예컨대 높이는 약 1㎜ 이하와 같은 실리콘 웨이퍼의 크기이다. 본 실시예에서, 제1 개구부(5) 및 제2 개구부(6)의 횡단면 표면들은 실질적으로 동일한 크기이다. 상기 유동 채널(2)을 제조하기 위해, 관통 실리콘 비아들은 실리콘의 적어도 하나의 층 내에 에칭 형성될 수 있다. 더 나아가, 복수의 층의 실리콘은, 상대적으로 더 긴 유동 채널(2)을 형성하기 위해, 서로 겹쳐서 적층될 수 있다. 또한, 마찬가지로 실리콘의 하나의 층 위쪽 내지 면에 적층되거나 부착될 수 있는 가열 장치(3) 및 미립자 센서 어셈블리(4)가 제공된다. 가열 장치(3) 및 미립자 센서 어셈블리(4)는, 크기 및 형태와 관련하여, 그들이 유동 채널(2) 내에서 기상에 의해 접촉 유동될 수 있는 방식으로 형성된다. 이를 위해, 가열 장치(3) 및 미립자 센서 어셈블리(4)는 예컨대 도 3a 내지 3c에 도시된 것처럼 가열판들(7) 또는 바아들(11)(bar)을 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 가열 장치(3)와 미립자 센서 어셈블리(4) 사이의 온도 기울기는 기상의 유동 방향을 따라서 하부에서부터 상부 방향으로 연장되며, 그로 인해 미립자들의 분리는 크기에 따라 수행될 수 없다.
도 1c에 도시된 실시형태의 경우, 유동 채널(2)은 마찬가지로 관통 실리콘 비아들, 특히 상이한 지름을 갖는 관통 실리콘 비아들을 포함한다. 이런 경우, 유동 채널(2)은 3개의 섹션(section)을 포함하되, 제1 섹션은 제2 섹션을 통해 제3 섹션과 연결된다. 제1 및 제3 섹션은 실질적으로 동일하게 형성되며, 그리고 대략 동일한 지름을 보유한다. 그러나 제1 및 제3 섹션의 관통 실리콘 비아들은 상호 간에 오프셋되어 포지셔닝된다. 유동 방향은 상기 섹션들 내에서 수직 방향으로 연장된다. 제2 섹션은 상대적으로 더 큰 지름을 갖는 관통 실리콘 비아를 포함한다. 유동 방향은 상기 섹션에서 수평 방향으로 연장된다. 이런 경우, 가열 장치(3)와 미립자 센서 어셈블리(4)는, 제2 섹션 내에서, 서로 대향하면서 수평으로 포지셔닝된다. 여기서 온도 기울기는 유동 방향에 대해 실질적으로 수직으로 연장되며, 그로 인해 미립자들의 크기 분리가 수행될 수 있다.
열영동을 이용하여 크기 분리를 가능하게 하기 위해, 일반적으로 가열 장치(3)와 미립자 센서 어셈블리(4)는 유동 채널(2)의 상이한 측면 표면들에, 바람직하게는 유동 채널(2)의 대향하는 측면 표면들에, 특히 서로 거의 대향하여 포지셔닝되어야 한다. 더 나아가, 바람직하게는, 온도 기울기는 유동 방향과 교차하며, 다시 말해 온도 기울기와 유동 방향은 서로 평행하게 연장되지 않는다. 특히 바람직하게 온도 기울기는 유동 방향에 대해 대략 수직으로 연장된다. 여기서 기술되는 실시형태는 크기 분리를 위한 최소 구성이다. 물론, 장치(1)는 적어도 하나의 가열 장치(3)와 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)로 이루어진 임의의 조합물을 포함할 수 있다.
그 밖의 점에서, 도 1a 내지 1c에 도시된 실시형태들은 임의로 배향되거나 회전될 수 있으며, 그럼으로써 유동 방향은 수평 내지 수직 방향과 다르게 된다.
도 2에는, 유동 채널(2)의 실시형태의 개략도가 도시되어 있다. 그 대안으로, 유동 채널(2)은 상대적으로 더 큰 유동 시스템의 일부분을 나타낼 수도 있되, 유동 채널(2)을 통해 유출되는 기상은 유동 채널(2)의 주변환경에서부터 재공급될 수 있다.
도 3a에는, 가열 요소(7)의 실시형태의 개략도가 도시되어 있되, 기판(12) 상에 함몰부(8)가 에칭 형성되어 있다. 함몰부(8) 위쪽에서 대략 중앙에는 가열판(9)이 배치된다. 함몰부(8)는 예컨대 기판(12)을 완전하게 통과할 수 있으며, 그에 따라 미립자 센서 어셈블리(4) 내지 가열 요소(3)는 도 1b에 도시된 것처럼 제공될 수 있다. 가열판(9)은 예컨대 발열 저항체로서 형성될 수 있다. 예컨대 전류가 가열판(9)을 통해 전도될 수 있다. 더 나아가, 가열판(9)의 저항이 측정될 수 있다. 도 3a에 도시된 가열판(9)은 정사각형으로 형성되지만, 그러나 다른 형태들, 예컨대 직사각형, 다각형 또는 원형 내지 타원형 역시도 제공될 수 있다. 가열 장치(3)의 가열판들(9)은 마이크로 가열판들로서 형성될 수 있으며, 그리고 500㎛ 미만, 특히 약 5㎛ 내지 100㎛의 변 길이를 보유할 수 있다. 이 경우, 상기 가열판(9)의 두께는 50㎛ 미만, 특히 0.5㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 또한, 상기 가열판(9)은 공급 아암들(10)(supply arm)과 연결된다. 공급 아암들(10)은 예컨대 5㎛를 초과하는, 특히 10㎛ 내지 300㎛의 길이와 100㎛ 미만, 특히 5㎛ 내지 50㎛의 폭을 보유할 수 있다. 이 경우, 공급 아암들(10)의 두께는 50㎛ 미만, 특히 약 0.5 내지 10㎛일 수 있다. 가열 장치(3)의 가열판들(9)은 각각 상이한 크기를 보유할 수 있으며, 다시 말하면 가열 장치(3)의 모든 가열판(9)이 동일한 크기일 필요는 없다. 이와 동일한 사항은 미립자 센서 어셈블리(4)의 가열판들(9)에도 적용된다. 더 나아가, 미립자 센서 어셈블리(4)의 가열판들(9)은 가열 장치(3)의 가열판들(9)보다, 예컨대 나노와이어들과 같은 나노 가열 요소들보다 분명하게 더 작게 형성될 수 있되, 전류는 상기 나노 가열 요소들을 통해 전도되고 선택적으로 전기 저항이 측정될 수 있다. 가열판들(9)은 적어도 부분적으로 실리콘, 금속 산화물, 예컨대 아연 산화물, 구리 산화물 또는 텅스텐 산화물과 같은 반도체 재료로, 그리고/또는 백금과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 온도 센서들은 가열판들(9) 또는 공급 아암들(10)과 동일한 크기로 형성될 수 있다.
그 대안으로, 도 3b에 도시된 것처럼, 가열판(9)으로 향하는 공급 아암(10)은 2개만이 제공될 수 있다. 2개의 공급 아암(10)은 도 3b에서처럼 180°의 각도를 취할 수 있다. 물론, 2개의 공급 아암(10)은, 예컨대 약 90°의 각도처럼 다른 각도 역시도 취할 수 있다. 또한, 공급 아암(10)은 임의의 개수로 제공되는 점 역시도 생각해볼 수 있다.
그 대안으로, 가열판(9)의 치수는 공급 아암들(10)의 치수와 동일할 수 있다. 그렇게 하여, 연속적인 바아(11)가 형성된다. 상기 바아(11)는 도 3c에 도시되어 있다. 자명한 사실로서, 상기 바아(11)는 복수 개로도 제공될 수 있다. 복수의 바아(11)는 바람직하게는 상호 간에 평행하게 배치된다. 상기 유형의 바아들(11)은 치수 설계와 관련하여, 다시 말해 폭, 길이 및 두께와 관련하여 상이하게 형성될 수 있지만, 그러나 특히 공급 아암들(10)과 같이 형성될 수 있다. 특히 바람직하게 바아들(11)은 미세 마이크로미터 범위로, 특히 10㎚와 500㎚ 사이의 폭 및/또는 두께를 보유한 나노와이어로서 형성될 수 있다. 나노와이어들은 예컨대 전사 공정(transfer process)에 의해 기판(12) 상에, 또는 가열판(9) 상에, 예컨대 증착 또는 산화를 통해 전사될 수 있다. 또한, 가열판(9)은 전극들을 포함할 수 있되, 예컨대 하나의 나노와이어는 각각 2개의 전극 사이에 배치될 수 있다. 그렇게 하여, 예컨대 전극들 사이의 전기 저항 및 그에 따라 예컨대 온도 효과가 측정될 수 있다. 나노와이어들은 바람직하게는 적어도 부분적으로 금속 산화물들로, 예컨대 아연 산화물로 형성된다.
도 3a 내지 3c에 도시된 직선 공급 아암들(10) 및/또는 바아들(11)의 대안으로, 공급 아암들(10) 및/또는 바아들(11)은 임의의 형태로도, 예컨대 만곡된 형태로, 그리고/또는 지그재그로 연장될 수 있다.
도 3d에는, 가열 요소(7)가 횡단면도로 도시되어 있되, 함몰부(8)는 기판(12) 내에 에칭 형성되고 그 위쪽에 연속적인 바아(11)가 배치된다.
도 3a 내지 3d에 도시된 것과 같은 가열 요소들(7)은 미립자 센서 어셈블리(4)에, 그리고/또는 가열 장치(3)에 제공될 수 있다.
가열 장치(3)의 경우, 가열 요소들(7)은, 예컨대 열적 대류를 이용하여 유동 채널(2)을 통해 기상을 안내하기 위해, 그리고/또는 온도 기울기들을 생성하기 위해, 일정한 온도, 바람직하게는 300℃로 유지된다. 이를 위해, 가열 장치(3)는 예컨대 1mW를 초과하는 출력, 바람직하게는 5mW 내지 20mW 범위, 특히 약 10mW의 출력으로 작동될 수 있되, 의도되는 온도를 일정하게 유지하기 위해 출력이 매칭되면서 측정이 진행되는 중에 조정된다. 가열 요소들(7)은 균일하게, 예컨대 DC 전류로, 또는 맥동 방식으로 작동될 수 있다.
미립자 센서 어셈블리(4)의 작동이 균일한 경우, 가열 요소들(7)은 정출력으로, 예컨대 1mW 이상으로 작동되고 정해진 온도로 조정되되, 출력은 의도되는 측정 온도, 예컨대 100℃에 도달하도록 매칭된다. 측정이 진행되는 중에, 예컨대 출력은 일정하게 유지된다. 온도의 변화량은 온도 센서들에 의해 검출될 수 있다. 그 결과, 온도의 변화량을 토대로 미립자 농도가 산출될 수 있다.
도 5에는, 가열 요소들(7)의 작동 중에 가능한 모드들이 도시되어 있다. 예컨대 출력이 측정의 진행 과정에 걸쳐서 일정하게 유지된다면, 이는, 섹션(14 또는 15)에 도시된 것처럼, 맥동 방식으로, 또는 지속적으로 수행될 수 있다. 출력이 측정의 진행 과정에 걸쳐 가변된다면, 이는, 섹션(16)에 도시된 것처럼, 마찬가지로 맥동 방식으로 수행될 수 있되, 이런 경우 각각 정해진 시간 동안 온도는 일정하게 유지된다. 그 대안으로, 섹션(17)에 도시된 것처럼, 측정의 진행 과정에 걸쳐 출력은 지속적으로 변할 수 있다. 각각의 섹션들은 임의의 길이일 수 있고 여러 측정 동안, 그리고/또는 그 측정들 사이에서 임의로 조합될 수 있다. 개별 펄스들은 마찬가지로 임의의 길이일 수 있다. 더 나아가, 각각 2개의 펄스 간의 일시중지(pause)는 임의의 길이일 수 있고 특히 생략될 수도 있으며, 그럼으로써 출력의 계단식 변화가 수행된다. 가변 온도를 이용한 작동 동안, 또는 상이한 온도 주기들을 이용한 작동 동안, 예컨대 기상의 습기의 영향 또는 기상의 상이한 조성과 같은 주변환경의 영향 역시도 검출될 수 있으며, 그럼으로써 미립자 농도의 측정이 교정될 수 있게 된다. 이로써 예컨대 측정의 정밀도가 증가될 수 있다. 출력의 변화는 도 5에 도시된 모드들로 제한되는 것이 아니라, 예컨대 톱니 형태와 같은 다른 형태에도 따를 수 있다.
미립자 센서 어셈블리(4)의 맥동식 작동 동안, 가열 요소들(7)은 빠르게, 예컨대 20㎳ 이내에, 예컨대 200℃로 가열된다. 기결정 시간 후에, 전형적으로 수 초 후에, 가열 요소들(7)은 다시 비활성화된다. 가열 시간 및 냉각 시간은 각각 주변환경으로 열 방출에 따라, 그리고 다시 말해 미립자 농도에 따라 결정된다. 그러므로 가열 곡선들 및/또는 냉각 곡선들의 기울기 및 형태를 토대로 미립자 농도가 산출될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 미립자 센서 어셈블리(4)의 경우, 나노와이어로서 형성된 바아(11)를 포함한 가열 요소들이 제공될 수 있다. 이런 경우, 미립자 농도의 산출은 마찬가지로 온도의 변화량을 통해 수행될 수 있다. 그 대안으로, 나노와이어는 부딪치는 미립자들을 통해 진동될 수 있다. 이 경우, 미립자 농도는 압전 효과가 이용되면서 결정될 수 있다.
세정 시에, 미립자 센서 어셈블리(4)의 가열 요소들(7)은 측정 모드에 비해 증가된 일정한 온도, 예컨대 300℃로 조정될 수 있다. 이를 위해, 가열 요소들(7)은 가열 장치(3)의 경우처럼 작동될 수 있다.
도 4에는, 8개의 가열 요소(7)를 구비한 CMOS 집적 어레이를 포함한 칩(13)의 사진이 도시되어 있다. 상기 유형의 칩(13)은 예컨대 5㎜의 변 길이를 보유할 수 있다.
일 실시형태에서, 예컨대 측정의 정밀도를 높이기 위해, 장치(1)의 학습 단계(learning phase) 내지 보정 역시도 제공될 수 있다. 차이 측정을 실현하기 위해, 복수의 장치(1) 역시도 예컨대 다중 센서판(multi-sensor plate) 상에 제공될 수 있다.

Claims (19)

  1. 기상 내에서 미립자의 농도를 측정하기 위한 장치(1)로서, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)가 제공되고, 기상을 안내할 수 있는 유동 채널(2)이 제공되되, 미립자 센서 어셈블리(4)는 상기 유동 채널(2)을 통해 관류하는 기상을 측정하도록 포지셔닝되어 있는 적어도 하나의 센서를 포함하는 미립자 농도의 측정 장치에 있어서,
    적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)의 센서들은 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 가열 요소들(7)로서 형성되되, 가열 요소들은 정해진 온도로 조정될 수 있으며, 미립자 농도에 따라 변하는 가열 요소의 온도 변화량이 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)는 상기 유동 채널(2)의 영역에 포지셔닝되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)의 센서들은 각각 적어도 하나의 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미립자 센서 어셈블리(4)의 센서들은 어레이로서 배치되되, 상기 센서들은 하나의 칩(13) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 유체 가속 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 가속 수단은 가열 장치(3)로서 형성되되, 상기 가열 장치(3)는 적어도 하나의 가열 요소(7)와 하나의 온도 센서를 포함하며, 상기 적어도 하나의 가열 요소(7)는 하나의 칩(13) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 편향 장치가 제공되되, 적어도 하나의 편향 장치는 상기 유동 채널의 영역(2)에 포지셔닝되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  8. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 편향 장치는 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)에 대향하여 포지셔닝되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유동 채널(2)의 제1 개구부(5)는 제2 개구부(6)와 적어도 동일한 크기의 횡단면 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)는 적어도 부분적으로 코팅층, 예컨대 비점착성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 요소들(7)의 제어를 위한 적어도 하나의 제어 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 장치(1).
  12. 삭제
  13. 제1항 또는 제2항에 따른 장치(1)를 이용하여, 기상 내에서 미립자의 농도를 측정하기 위한 미립자 농도의 측정 방법으로서, 미립자들을 운반하는 기상은 유동 채널(2)을 통해 안내되되, 기상 내의 미립자들은, 적어도 부분적으로 적어도 하나의 센서를 포함한 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)로 지향되는 방식으로 안내되며, 상기 센서는 적어도 하나의 온도 센서를 포함한 가열 요소(7)로서 형성되는 것인, 상기 미립자 농도의 측정 방법에 있어서,
    편향 장치는 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)에 대향하여 포지셔닝되고, 기상 내의 미립자들은 열영동에 의해 상기 미립자 센서 어셈블리(4)로 편향되며, 상기 미립자 센서 어셈블리(4)의 적어도 하나의 센서는 적어도 일시적으로 일정한 출력으로 가열되고, 미립자 센서 어셈블리의 적어도 하나의 센서의 온도는 미립자 농도에 따라 변하며, 적어도 하나의 온도의 변화량이 적어도 하나의 센서에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미립자 센서 어셈블리(4)의 적어도 하나의 센서는 200℃ 미만의 온도로, 또는 50℃와 150℃ 사이의 온도로, 또는 100℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 방법.
  15. 제13항에 있어서, 적어도 하나의 가열 장치(3)는 최소한 200℃로, 또는 230℃ 내지 400℃ 범위의 온도로, 또는 250℃ 내지 350℃ 범위의 온도로, 또는 300℃로 조정되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 방법.
  16. 제13항에 있어서, 복수의 센서의 신호들은 서로 분리되어 판독되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 미립자 센서 어셈블리(4)의 세정 시에, 상기 미립자 센서 어셈블리(4)의 가열 요소들(7)은 최소한 200℃로, 또는 250℃ 내지 400℃ 범위의 온도로, 또는 300℃로 조정되는 것을 특징으로 하는 미립자 농도의 측정 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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