KR102629984B1 - 다초점 적외선 광원 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예에 따르면, 적외선을 방출하는 방사부, 상기 방사부가 방사하는 적외선을 회절시켜 파장에 따라 다른 거리에 초점을 맞추는 회절부, 상기 방사부와 회절부 사이에 결합되고, 상기 적외선을 회절부를 향해 일방향으로 반사하는 반사부, 및 상기 방사부의 하면에 결합되고, 상기 적외선을 상기 회절부를 향해 반사하며, 표면실장을 위한 솔더링 패드가 형성되는 표면실장부를 포함하는, 다초점 적외선 광원을 제공하며, 다초점 적외선 광원을 포함하는 비분산 적외선 센서를 제공한다.
Description
본 발명은 다초점 적외선 광원 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스센서에 관한 것이다.
비분산 적외선 가스센서(Non-Dispersive Infrared Gas Sensor, NDIR)는 적외선 광원에서 방출된 적외선이 검출하고자 하는 가스에 흡수된 다음 적외선 검출기에서 적외선의 양을 측정하는 방식으로 동작한다. 가스는 분자구조에 따라 정해진 길이의 적외선 파장을 흡수한다. 검출하고자 하는 가스가 없는 상태에서 적외선 검출기가 측정하는 특정 파장대의 적외선 량과, 검출하고자 하는 가스가 있는 상태에서 적외선 검출기가 측정하는 특정 파장대의 적외선 량을 비교하면, 가스 농도를 측정할 수 있다. 비분산 적외선 가스센서는 다른 방식의 가스센서에 비하여 정확도가 높기 때문에 사용처가 확대되고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 적외선 광원의 구조를 간략화 하여 적외선 광원용 발열체, 반사경, 표면실장용 베이스기판, 다초점 렌즈가 일체화된 구조의 표면실장 가능한 적외선 광원을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 다초점 적외선 광원에서 방출되는 적외선의 다양한 초점거리 중에서, 검출하려는 가스의 흡수파장에 해당하는 초점거리에 반사경을 배치하고, 반사경을 통해 반사되는 광경로에 적외선 검출기를 배치하는 비분산 적외선 가스센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원은, 적외선을 방출하는 방사부, 및 상기 방사부가 방사하는 적외선을 회절시켜 파장에 따라 다른 거리에 초점을 맞추는 회절부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방사부와 회절부 사이에 결합되고, 상기 적외선을 회절부를 향해 일방향으로 반사하는 반사부, 및 상기 방사부의 하면에 결합되고, 상기 적외선을 상기 회절부를 향해 반사하며, 표면실장을 위한 솔더링 패드가 형성되는 표면실장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면실장부, 방사부, 반사부, 회절부는 순서대로 배치되어 결합되며, 내부에 불활성 기체를 포함하도록 밀봉될 수 있다.
또한, 상기 회절부는 적외선의 투과성을 갖는 재질로 형성된 기판에 존 플레이트 패턴이 인쇄되어 형성될 수 있다.
또한, 상술한 다초점 적외선 광원, 상기 다초점 적외선 광원에서 방사되는 적외선의 초점들 중에서, 타겟가스의 흡수파장의 적외선의 초점에 배치되는 반사경, 및 상기 반사경에서 반사되는 적외선을 감지하는 적외선 검출기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반사경은 복수의 타겟가스를 측정하기 위하여, 상기 복수의 타겟가스의 흡수파장의 적외선의 초점마다 복수개 배치될 수 있다.
또한, 상기 적외선 검출기는 상기 복수의 반사경에서 반사되는 적외선을 감지하기 위하여, 복수개 배치될 수 있다.
또한, 상기 반사경 및 적외선 검출기가 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점을 따라 이동하도록 형성되는 초점이동부를 더 포함할 수 있다.
또한, 타겟가스의 흡수파장에 해당하지 않는 적외선이 상기 적외선 검출기로 진입하지 않도록 적외선 흡수층을 더 포함할 수 있다.
또한, 타겟가스의 흡수파장에 해당하지 않는 적외선이 상기 적외선 검출기로 진입하는 경로를 차단하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 적외선 광원의 발열체, 반사경, 표면실장용 베이스기판, 다초점 렌즈가 일체로 구성되어 표면실장 가능하고, 간소화된 광학계를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 다초점 적외선 광원에서 방출되는 다양한 파장의 적외선 중에서, 검출하려는 가스의 흡수파장을 선택적으로 반사하여 적외선 검출기로 가이드할 수 있으므로, 다양한 종류의 가스를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원의 분해단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표면실장부의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방사부의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 반사부의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 회절부를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서의 복수의 타겟가스 측정구조를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서의 이동형 타겟가스 측정구조를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원의 분해단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표면실장부의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방사부의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 반사부의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 회절부를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서의 복수의 타겟가스 측정구조를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서의 이동형 타겟가스 측정구조를 설명하는 도면이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 장점, 및 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 일실시예의 설명들에 의해 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, X축, Y축, Z축 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다는 것을 알아야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원(10)의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원(10)의 분해단면도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방사부(120)의 평면도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 반사부(130)의 평면도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 표면실장부(110)의 평면도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 회절부(140)를 설명하는 도면이다. 도 1 내지 도 6을 함께 참조한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 다초점 적외선 광원(10)은, 적외선을 방출하는 방사부(120), 및 방사부(120)가 방사하는 적외선을 회절시켜 파장에 따라 다른 거리에 초점을 맞추는 회절부(140)를 포함할 수 있다. 방사부(120)는 다양한 파장을 갖는 적외선을 방출할 수 있다. 파장이 짧으면 회절의 정도가 작고, 파장이 길면 회절의 정도가 큰 현상을 이용하여, 회절부(140)는 방사부(120)에서 방출되는 다양한 파장의 적외선을 회절시킨다. 방사부(120)에 의해 회절된 적외선은 회절부(140)로부터 다양한 거리와 위치에 초점이 형성될 수 있다. 방사부(120)에 의해 회절된 적외선의 초점의 위치는 파장이 길수록 회절부(140)에서 가깝게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장(λ1)이 제2 파장(λ2)보다 길면, 제1 파장(λ1)인 적외선의 초점(F1)은 제2 파장(λ2)인 적외선의 초점(F2)보다 회절부(140)에 가깝게 형성될 수 있다. 따라서, 다초점 적외선 광원(10)은 다양한 파장의 적외선의 초점을 다른 위치에 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시에에 따른 다초점 적외선 광원(10)은, 방사부(120)와 회절부(140) 사이에 결합되고, 적외선을 회절부(140)를 향해 일방향으로 반사하는 반사부(130), 및 방사부(120)의 하면에 결합되고, 적외선을 회절부(140)를 향해 반사하며, 표면실장을 위한 솔더링 패드(114)가 형성되는 표면실장부(110)를 더 포함할 수 있다. 다초점 적외선 광원(10)은 MEMS 공정을 이용하여 일체형으로 형성될 수 있다. 일체형으로 형성된 다초점 적외선 광원(10)은 비분산 적외선 가스센서(1)의 광학계 구조를 간소화시킬 수 있다. 다초점 적외선 광원(10)의 표면실장부(110)는 PCB기판에 직접 연결될 수 있다. 표면실장부(110)는 PCB 기판에 솔더링을 이용하여 물리적 및 전기적으로 연결될 수 있다.
표면실장부(110), 방사부(120), 반사부(130), 회절부(140)는 순서대로 배치되어 결합될 수 있다. 방사부(120)와 표면실장부(110)는 와이어본딩 방식으로 전기적으로 연결될 수 있다. 다초점 적외선 광원(10)은 와이어본딩의 와이어(151)를 보호하는 몰딩부(152)를 더 포함할 수 있다. 이하에서 표면실장부(110), 방사부(120), 반사부(130), 회절부(140)를 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조한다. 본 발명의 일실시예에 따른 표면실장부(110)는 제1 기판(111), 제1 기판(111)에 형성되어 방사부(120)가 방출하는 적외선을 회절부(140) 방향으로 반사하는 제1 반사층(112), 외부 회로와 연결되는 솔더링 패드(114), 방사부(120)와 와이어본딩으로 연결되는 제1 와이어본딩 패드(113), 솔더링 패드(114)와 제1 와이어본딩 패드(113)를 연결하는 제1 전극패턴(115)을 포함할 수 있다. 표면실장부(110)는 외부 회로와 물리적인 연결을 위한 더미 패드(117)를 더 포함할 수 있다. 표면실장부(110)는 방사부(120)가 정확한 위치에 배치될 수 있도록, 제1 기판(111)의 일면에 형성하는 정렬홈(116)을 더 포함할 수 있다.
제1 기판(111)은 MEMS 공정을 적용할 수 있는 실리콘(Si) 재질로 형성될 수 있다. 제1 기판(111)은 실리콘, 유리, PCB 등 다양한 재질로 형성될 수 있으나, 반도체 제조공정을 이용할 수 있는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
제1 기판(111)은 방사부(120)와 결합되는 일면에 정렬홈(116)이 형성될 수 있다. 정렬홈(116)은 제1 기판(111)의 일면의 일부를 제거한 홈일 수 있다. 정렬홈(116)은 방사부(120)의 형태에 대응하도록 형성될 수 있다. 정렬홈(116)은 방사부(120)가 배치될 위치에 형성될 수 있다. 방사부(120)가 표면실장부(110)에 결합될 때, 방사부(120)가 정렬홈(116) 내부에 배치되는 방식으로 결합될 수 있다. 정렬홈(116)의 가장자리에는 단차(116a)가 형성되므로, 방사부(120)가 정렬홈(116)에 정확히 안착될 수 있다.
제1 반사층(112)은 제1 기판(111)의 일면 상에 형성될 수 있다. 제1 반사층(112)은 정렬홈(116) 내부에 형성될 수 있다. 제1 반사층(112)은 적외선을 반사하는 재질로 형성될 수 있다. 제1 반사층(112)은 방사부(120)의 제1 캐비티(122)의 형상에 대응하도록 형성되어, 방사부(120)에서 제1 캐비티(122)를 통해 표면실장부(110)를 향해 방사되는 적외선을 반사하여 회절부(140)로 향하도록 형성될 수 있다.
솔더링 패드(114)는 제1 기판(111)의 일측에 형성될 수 있다. 솔더링 패드(114)는 제1 기판(111)의 일면(111a), 타면(111b), 측면(111c)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있다. 솔더링 패드(114)는 제1 기판(111)에 서로 이격되어 2개 형성될 수 있다. 제1 와이어본딩 패드(113)는 전극패턴(115) 상에 형성될 수 있다. 전극패턴(115)은 솔더링 패드(114)와 제1 와이어본딩 패드(113)를 연결할 수 있다. 솔더링 패드(114), 제1 와이어본딩 패드(113), 전극패턴(115)은 전기전도성을 갖는 재질, 예를들어, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 등의 금속이나 이를 포함하는 합금으로 형성될 수 있다.
솔더링 패드(114)는 외부 회로(예를 들어 비분산 적외선 가스센서(1)의 PCB 등)에 실장되면서 솔더(solder)에 의해 외부 회로와 결합될 수 있다. 더미 패드(117)는 제1 기판(111)의 일면(111a), 타면(111b), 측면(111c)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있다. 더미 패드(117)는 외부 회로에 실장되면서 솔더에 의해 외부 회로와 결합될 수 있다. 더미패드는 다초점 적외선 광원(10)을 외부 회로에 물리적으로 고정하기 위하여, 솔더링 패드(114)의 반대편에 형성될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조한다. 본 발명의 일실시예에 따른 방사부(120)는 제1 캐비티(122)가 형성된 제2 기판(121), 제2 기판(121)의 일면에 형성된 멤브레인(123), 멤브레인(123) 상에 형성된 발열패턴(124), 발열패턴(124)과 연결되고 표면실장부(110)와 와이어본딩으로 연결되는 제2 와이어본딩 패드(125)를 포함할 수 있다. 방사부(120)는 멤브레인(123)의 발열영역(123a) 내에 위치하는 발열패턴(124) 상에 형성되는 적외선 방출 재료(126)를 더 포함할 수 있다. 방사부(120)는 정렬홈(116)에 따라 표면실장부(110)와 결합될 수 있다.
제2 기판(121)은 제1 기판(111)과 같이, 실리콘(Si)으로 형성될 수 있다. 제2 기판(121)의 가운데에는 제1 캐비티(122)가 형성될 수 있다. 제1 캐비티(122)는 제2 기판(121)의 일부를 제거하여 형성된 빈 공간이다. 제1 캐비티(122)의 일면은 멤브레인(123)에 의해 막혀있다. 제2 기판(121)의 일면(121a)에는 멤브레인(123)이 형성될 수 있다. 멤브레인(123)은 제2 기판(121)의 일면(121a)에 전기절연성 필름을 라미네이션 하거나, 제2 기판(121)의 일면(121a)을 산화시켜 산화실리콘(SiOx)층을 형성하는 방식으로 형성될 수 있다. 제1 캐비티(122)는 제2 기판(121)의 일부를 식각(etching)하여 형성될 수 있다. 멤브레인(123)은 제2 기판(121)에 비하여 두께가 매우 얇은 층이다. 멤브레인(123)은 열전도성이 낮은 재질로 형성될 수 있다.
발열패턴(124)은 전류가 흐를 때 저항에 의해 열을 생성하는 물질로 형성될 수 있다. 발열패턴(124)은 백금(Pt)을 포함하는 합금, 세라믹 등으로 형성될 수 있다. 발열패턴(124)은 제2 기판(121)의 어느 하나의 가장자리에서 시작하여, 제2 캐비티(132)에 의해 하면이 노출되는 멤브레인(123) 영역에서 서펜타인 패턴으로 형성되고, 제2 기판(121)의 다른 가장자리까지 이어지도록 형성될 수 있다. 제2 기판(121)의 가장자리에 도달한 발열패턴(124)의 끝단에는 제2 와이어본딩 패드(125)가 형성될 수 있다.
발열영역(123a)은 제1 캐비티(122)에 의해 멤브레인(123)의 하면에 제2 기판(121)이 존재하지 않는 부분이다. 발열패턴(124)에 전류가 흐르면 발열패턴(124) 전체에서 열이 발생한다. 발열영역(123a)에 포함된 발열패턴(124)에서 발생하는 열은 멤브레인(123)의 두께가 얇고 멤브레인(123) 하면이 빈공간이므로 열이 외부로 방출되는 양이 적다. 반면, 발열영역(123a) 이외에 위치한 발열패턴(124)에서 발생하는 열은 멤브레인(123)을 통해 제2 기판(121)으로 방출되는 양이 많다. 따라서 발열영역(123a)에 포함되는 발열패턴(124)의 일부분의 온도가 상승하고, 상승한 온도에 따라 다양한 파장의 적외선을 방출할 수 있다.
적외선 방출 재료(126)는 발열영역(123a)에 포함된 발열패턴(124) 상에 형성될 수 있다. 적외선 방출 재료(126)는 온도 상승에 따른 적외선 방출량이 높은 물질이다. 적외선 방출 재료(126)는 백금흑(Pt Black)을 포함할 수 있다. 발열을 위하여 이용되는 백금(Pt) 재질의 발열패턴(124)은 온도 상승에 따른 적외선 방출량이 높지 않다. 따라서 적외선 방출 재료(126)를 발열패턴(124) 상에 형성하면, 발열패턴(124)의 온도상승에 의해 적외선 방출 재료(126)의 온도가 상승하고, 많은 적외선을 방출할 수 있다.
적외선은 온도에 따라 다른 파장으로 방출될 수 있다. 다초점 적외선 광원(10)에 가하는 전류를 조절하여 발열패턴(124)의 온도를 조절하고 방출되는 적외선의 파장을 조절할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조한다. 본 발명의 일실시예에 따른 반사부(130)는 내부에 제2 캐비티(132)가 형성된 제3 기판(131), 캐비티의 내측면에 형성된 제2 반사층(133)을 포함할 수 있다. 반사부(130)는 방사부(120)의 멤브레인(123) 상에 결합될 수 있다. 반사부(130)는 제2 와이어본딩 패드(125)가 노출되도록 방사부(120)와 결합될 수 있다.
제3 기판(131)은 제1 기판(111)이나 제2 기판(121)과 같이, 실리콘(Si)으로 형성될 수 있다. 제3 기판(131)의 가운데에는 제2 캐비티(132)가 형성될 수 있다. 제2 캐비티(132)는 제3 기판(131)의 일면과 타면을 관통하도록 형성될 수 있다. 제2 캐비티(132)는 하면이 좁고 상면이 넓게 형성될 수 있다. 제2 캐비티(132)는 전체적으로 원뿔대(frustum of cone) 또는 사각뿔대(frustum of quadrangular pyramid) 형상으로 형성될 수 있다. 제2 캐비티(132)의 넓은 면은 회절부(140)에 대응하게 형성되고, 좁은 면은 발열영역(123a)에 대응하게 형성될 수 있다. 제2 반사층(133)은 제2 캐비티(132)의 내측면에 형성될 수 있다. 제2 반사층(133)은 적외선을 반사하는 재질로 형성될 수 있다. 발열패턴(124)에서 방출되는 적외선은 다양한 방향으로 향한다. 제2 반사층(133)은 발열패턴(124)에서 방출되는 적외선 중에서 제2 캐비티(132)의 내측면을 향하는 적외선을 회절부(140) 방향으로 반사할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조한다. 본 발명의 일실시예에 따른 회절부(140)는 적외선을 투과하는 재질로 형성된 기판에 존 플레이트 패턴(142)이 인쇄되어 형성될 수 있다. 회절부(140)는 적외선이 통과하는 재질로 형성되는 제4 기판(141), 및 제4 기판(141)에 형성되는 존 플레이트 패턴(142)을 포함할 수 있다. 회절부(140)는 반사부(130)와 결합할 수 있다.
제4 기판(141)은 적외선에 투명한 재질, 예를 들어 유리(glass) 등으로 형성될 수 있다. 제4 기판(141)의 일면에는 존 플레이트 패턴(142)이 형성될 수 있다. 제4 기판(141)은 존 플레이트 패턴(142)이 형성된 면이 반사부(130)를 향하도록 반사부(130)와 결합될 수 있다. 존 플레이트 패턴(142)은 적외선이 통과하지 않는 재질, 예를 들어 금속층으로 형성될 수 있다. 존 플레이트 패턴(142)은 적외선에 불투명한 재질로 형성되는 차단영역(142a), 및 적외선에 투명한 상태인 통과영역(142b)을 포함할 수 있다. 차단영역(142a)은 금속층으로 형성될 수 있고, 통과영역(142b)은 금속층이 형성되지 않은 영역일 수 있다. 존 플레이트 패턴(142)은 복수의 중심이 같은 원형 고리 형태의 차단영역(142a)이 서로 이격되게 형성되어, 차단영역(142a)의 사이가 통과영역(142b)이 될 수 있다. 존 플레이트 패턴(142)의 차단영역(142a)과 통과영역(142b)의 폭, 형태, 간격 등은 타겟가스의 흡수파장에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
회절부(140)는 방사부(120)에서 방출되는 적외선, 반사부(130)에서 반사되는 적외선, 표면실장부(110)의 제1 반사층(112)에서 반사되는 적외선을 회절시킬 수 있다. 회절부(140)를 통과하는 적외선은 파장이 길수록 회절부(140)로부터 가까운 위치에 초점이 형성된다. 타겟가스가 흡수하는 파장에 따라, 회절부(140)의 존 플레이트 패턴(142)이 설계될 수 있다. 예를 들어, 3가지 종류의 타겟가스를 검출한다고 가정한다. 제1 타겟가스의 제1 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점이 제1 거리에 배치되고, 제2 타겟가스의 제2 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점이 제2 거리에 배치되고, 제3 타겟가스의 제3 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점이 제3 거리에 배치되도록, 존 플레이트 패턴(142)을 설계할 수 있다.
표면실장부(110), 방사부(120), 반사부(130), 회절부(140)는 순서대로 배치되어 결합될 수 있고, 내부에 불활성 기체를 포함하도록 밀봉될 수 있다. 표면실장부(110), 방사부(120), 반사부(130), 회절부(140) 사이에는 접착층 또는 접착제가 배치되어 결합될 수 있다. 제1 와이어본딩 패드(113)와, 제2 와이어본딩 패드(125)는 와이어(151)에 의해 연결될 수 있다. 몰딩부(152)는 제1 와이어본딩 패드(113), 와이어(151), 제2 와이어본딩 패드(125)를 커버하도록 형성될 수 있다. 몰딩부(152)는 전기절연성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
적외선을 방출하기 위하여 발열패턴(124)이 가열될 때, 발열패턴(124)이 공기중에 노출되면 산소와 반응하여 산화되는 문제가 발생할 수 있다. 다초점 적외선 광원(10)은 발열패턴(124)에 산소가 접촉하지 않고, 기체와 발열패턴(124) 사이의 화학반응을 방지하기 위하여 불활성 기체를 내부에 포함할 수 있다. 제1 캐비티(122)와 제2 캐비티(132)에 불활성 기체가 충진될 수 있다. 표면실장부(110)와 방사부(120) 사이의 결합과, 방사부(120)와 반사부(130) 사이의 결합과, 반사부(130)와 회절부(140) 사이의 결합은 제1 캐비티(122)와 제2 캐비티(132)에 충진된 불활성 기체가 누출되지 않록 밀봉될 수 있다.
종래의 벌브(Bulb) 타입의 적외선 램프를 사용하는 광원은 광효율이 낮기 때문에 집광을 위한 오목거울 형태의 집광 반사경(20)이 필요하고, 램프와 반사경(20)을 별도의 패키지로 조립하여야 하고, 여러 파장의 적외선 중에서 타겟가스의 흡수파장만을 통과시키는 협대역 적외선 필터가 필요했다.
상술한 본 발명의 일실시에에 따르면 MEMS 공정을 적용하여 일체형으로 다초점 적외선 광원(10)을 제조하므로 크기가 작고 두께가 얇은 광원을 제공할 수 있다. 그리고, 다초점 적외선 광원(10)이 적외선 방출, 적외선 광의 반사, 동일한 파장의 적외선을 집중시키는 회절 기능을 모두 수행하므로, 비분산 적외선 가스센서(1)의 광학계 구조가 단순해지는 효과가 있다. 그리고, 비분산 적외선 가스센서(1)의 회로기판에 표면실장 방식으로 다초점 적외선 광원(10)을 결합할 수 있으므로 결합구조가 단순해지는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서(1)의 복수의 타겟가스 측정구조를 설명하는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서(1)는 상술한 다초점 적외선 광원(10)을 포함할 수 있다. 비분산 적외선 가스센서(1)는, 다초점 적외선 광원(10), 다초점 적외선 광원(10)에서 방사되는 적외선의 초점들 중에서, 타겟가스의 흡수파장의 적외선의 초점에 배치되는 반사경(20), 및 반사경(20)에서 반사되는 적외선을 감지하는 적외선 검출기(30)를 포함할 수 있다.
다초점 적외선 광원(10)은 적외선을 회절시켜 파장에 따라 다른 위치에 초점을 형성시킬 수 있다. 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점에 반사경(20)을 위치시키면, 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선만 반사경(20)이 반사할 수 있다. 타겟가스의 흡수파장에 보다 파장이 길거나 짧은 적외선은 다른 거리에 초점이 위치하므로, 반사경(20)이 반사하는 대부분의 적외선은 타겟가스의 흡수파장이 될수 있다.
반사경(20)은 초점으로 모인 적외선 광원이 적외선 검출기(30)로 향하도록, 다초점 적외선 광원(10)의 중심선으로부터 정해진 각도만큼 비스듬히 배치될 수 있다. 다초점 적외선 광원(10)과 반사경(20)의 거리, 반사경(20)과 적외선 검출기(30)의 거리에 기초하여, 반사경(20)은 오목거울 또는 볼록거울일 수 있다. 반사경(20)은 다른 파장의 적외선의 반사를 최소화하기 위하여 최대한 작게 형성될 수 있다.
반사경(20)에 의해 반사된 적외선은 적외선 검출기(30)에 의해 측정될 수 있다. 적외선 검출기(30)는 적외선의 세기를 측정하여 전기신호로 출력할 수 있다. 반사경(20)과 적외선 검출기(30) 사이에는 타겟가스를 포함하는 기체가 흐를 수 있다. 반사경(20)에 의해 반사된 적외선은 타겟가스의 흡수파장에 해당하므로 타겟가스의 양이 많을수록 적외선 검출기(30)의 출력값이 낮아진다.
본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서(1)는 복수의 반사경(20)과 복수의 적외선 검출기(30)를 포함할 수 있다. 반사경(20)은 복수의 타겟가스를 측정하기 위하여, 복수의 타겟가스의 흡수파장의 적외선의 초점마다 복수개 배치될 수 있다. 그리고, 적외선 검출기(30)는 복수의 반사경(20)에서 반사되는 적외선을 감지하기 위하여, 복수개 배치될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 3개의 반사경(20)과 3개의 적외선 검출기(30)를 갖는 구조를 기준으로 설명한다. 이와 달리, 다른 개수의 반사경(20)과 적외선 검출기(30)를 갖는 구조도 본 발명을 변경하여 도출할 수 있음을 이해하여야 한다.
제1 반사경(20a)은 제1 타겟가스의 제1 흡수파장에 해당하는 적외선이 회절되어 형성된 제1 초점에 배치될 수 있다. 제2 반사경(20b)은 제2 타겟가스의 제2 흡수파장에 해당하는 적외선이 회절되어 형성된 제2 초점에 배치될 수 있다. 제3 반사경(20c)은 제3 타겟가스의 제3 흡수파장에 해당하는 적외선이 회절되어 형성된 제3 초점에 배치될 수 있다. 이때, 제1 흡수파장이 가장 길고, 제3 흡수파장이 가장 짧다. 회절부(140)에서 회절되는 정도는 파장이 길수록 회절이 크기 때문이다. 제1 적외선 검출기(30a)는 제1 반사경(20a)에 반사되는 적외선을 측정할 수 있다. 제2 적외선 검출기(30b)는 제2 반사경(20b)에 반사되는 적외선을 측정할 수 있다. 제2 적외선 검출기(30c)는 제2 반사경(20c)에 반사되는 적외선을 측정할 수 있다. 측정대상인 타겟가스 3종류가 혼합되어 있더라도, 제1 적외선 검출기(30a)의 출력을 분석하면 제1 타겟가스의 농도를 측정할 수 있고, 제2 적외선 검출기(30b)의 출력을 분석하면 제2 타겟가스의 농도를 측정할 수 있고, 제3 적외선 검출기(30c)의 출력을 분석하면 제3 타겟가스의 농도를 측정할 수 있다.
상술한 복수의 타겟가스 측정구조로 형성된 비분산 적외선 가스센서(1)는 하나의 장치로 복수의 타겟가스를 측정할 수 있는 효과가 있다.
비분산 적외선 가스센서(1)는 다초점 적외선 광원(10), 반사경(20), 적외선 검출기(30)를 내부에 고정하는 센서바디(40)를 포함할 수 있다. 센서바디(40)는 적외선이 지나가는 광동공(42)과 타겟가스를 포함하는 기체가 지나가는 유로(41), 유로(41)와 광동공(42)를 분리하는 분리벽(43)을 포함할 수 있다. 분리벽(43)은 적외선에 투명한 재질로 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서(1)의 이동형 타겟가스 측정구조를 설명하는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비분산 적외선 가스센서(1)는, 반사경(20) 및 적외선 검출기(30)가 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점을 따라 이동하도록 형성되는 초점이동부를 더 포함할 수 있다.
센서바디(40)는 초점이동부를 포함할 수 있다. 초점이동부는 도면에 구체적으로 도시되지 않았지만, 센서바디(40)의 일부를 분리/조립하거나, 이동하거나, 늘리거나, 줄일 수 있는 다양한 구조를 포함한다. 초점이동부는 반사경(20) 및 적외선 검출기(30) 또는 다초점 적외선 광원(10)을 이동시켜 임의의 파장의 적외선의 초점에 반사경(20)을 위치시킬 수 있다. 예를들어, 초점이동부는 반사경(20) 및 적외선 검출기(30)가 함께 이동하도록 고정하고, 다초점 적외선 광원(10)으로부터 슬라이딩 방식으로 이동하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 초점이동부는 다초점 적외선 광원(10)을 이동시켜 반사경(20)에 임의의 파장의 적외선의 초점이 위치하도록 조절할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 파장의 적외선의 초점에 위치한 반사경(20)과 적외선 검출기(30)를 이동시켜, 제2 파장의 적외선의 초점에 반사경(20)과 적외선 검출기(30)가 위치하도록 이동시킬 수 있다.
초점이동부를 포함하는 비분산 적외선 가스센서(1)는 타겟가스가 변경되는 경우 초점이동부를 동작시켜 변경된 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점에 반사경(20)을 위치시킬 수 있으므로, 다양한 종류의 타겟가스의 농도를 측정할 수 있다.
도 7에 도시된 복수의 반사경(20) 및 적외선 검출기(30)를 갖는 구조와, 도 8에 도시된 초점이동부를 이용하여 하나의 반사경(20) 및 적외선 검출기(30)를 이동시키는 구조는 하나의 비분산 적외선 가스센서(1)에 적용될 수 있다. 도 7에 도시된 복수의 반사경(20) 및 적외선 검출기(30) 중에서, 어느 하나의 반사경(20) 및 적외선 검출기(30)를 초점이동부를 이용하여 이동시키는 구조로 형성하는 것도 가능하다.
다시 도 7을 참조한다. 초점거리를 지난 적외선은 다시 광경로가 넓어진다. 제1 반사경(20)에 의해 반사된 적외선은 제1 적외선 검출기(30)를 향하므로, 제2 적외선 검출기(30)나 제3 적외선 검출기(30)에 측정될 가능성이 낮다. 그러나, 다초점 적외선 광원(10)부터 제1 반사경(20) 사이의 위치에 초점이 형성되는 파장의 적외선이나, 제1 반사경(20)과 제2 반사경(20) 사이의 위치에 초점이 형성되는 파장의 적외선은, 초점거리를 지나서 다시 광경로가 넓어지므로 제1, 제2, 또는 제3 적외선 검출기(30)에 측정될 가능성이 있고, 이러한 문제는 측정오차의 원인이 될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서(1)는 타겟가스의 흡수파장에 해당하지 않는 적외선이 상기 적외선 검출기(30)로 진입하지 않도록 적외선 흡수층(43)을 더 포함할 수 있다. 적외선 흡수층(43)은 다양한 파장의 적외선을 잘 흡수하는 재질로 형성될 수 있다. 적외선 흡수층(43)은 흑색의 다공성 재질로 형성될 수 있다. 적외선 흡수층(43)은 센서바디(40)의 광동공(42)의 내측면 또는 유로(41)의 내측면에 형성될 수 있다. 반사경(20)에 반사되지 않은 적외선은 적외선 흡수층(43)에 흡수되기 때문에 적외선 검출기(30)에 검출되지 않는다. 따라서 비분산 적외선 센서의 정확도를 향상시킬 수 있다.
다시 도 8을 참조한다. 초점거리를 지난 적외선은 다시 광경로가 넓어진다. 반사경(20)에 의해 반사되지 않은 적외선은 센서바디(40) 내부를 반사하다가 적외선 검출기(30)에 검출될 수 있고, 이는 측정오차의 원인이 될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 비분산 적외선 가스센서(1)는 타겟가스의 흡수파장에 해당하지 않는 적외선이 상기 적외선 검출기(30)로 진입하는 경로를 차단하는 격벽(44)을 더 포함할 수 있다. 격벽(44)은 반사경(20)에 초점이 형성되는 적외선 경로만 개방하도록 센서바디(40)에 형성될 수 있다. 격벽(44)은 반사경(20) 및 적외선 검출기(30)와 함께 결합되어 초점이동부에 의해 함께 이동될 수 있다. 격벽(44)은 타겟가스의 흡수파장과 다른 파장의 적외선이 적외선 검출기(30)로 향하는 경로를 차단할 수 있다. 따라서 비분산 적외선 가스센서(1)의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 적외선 흡수층(43)과 격벽(44)은 하나의 비분산 적외선 센서에 함께 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 센서바디(40)에는 다초점 적외선 광원(10)에서 제3 반사경(20)까지 도달하는 광경로를 방해하지 않는 정도의 격벽(44)이 더 형성될 수 있다. 도 8에 도시된 센서바디(40)에는 격벽(44)의 다초점 적외선 광원(10)을 향하는 면에 적외선 흡수층(43)이 형성될 수 있다. 격벽(44)은 반사경(20)에서 적외선 검출기(30)로 향하는 광경로만 개방하도록 형성될 수도 있다.
상술한 다초점 적외선 광원(10)을 이용하는 비분산 적외선 가스센서(1)는, 복수의 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선을 흡수파장에 따라 다른 위치에 초점을 형성시키고, 초점마다 반사경(20)을 배치할 수 있으므로, 복수의 타겟가스를 동시에 측정할 수 있다. 그리고, 하나의 반사경(20)과 적외선 검출기(30)를 이동시켜, 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점에 위치시킬 수 있으므로 다양한 타겟가스를 측정할 수 있다. 그리고, 다초점 적외선 광원(10)에서 타겟가스의 흡수파장과 다른 파장의 적외선이 방출되더라도, 격벽(44)과 적외선 흡수층(43)에 의해 적외선 검출기(30)에 영향을 주지 않으므로 가스농도 측정의 정확도가 향상될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 비분산 적외선 가스센서 10: 다초점 적외선 광원
20: 반사경 30: 적외선 검출기
40: 센서바디 41: 가스 유로
42: 광동공 110: 표면실장부
111: 제1 기판 112: 제1 반사층
113: 제1 와이어본딩 패드 114: 솔더링 패드
115: 전극패턴 116: 정렬홈
117: 더미 패드 120: 방사부
121: 제2 기판 122: 제1 캐비티
123: 멤브레인 123a: 발열영역
124: 발열패턴 125: 제2 와이어본딩 패드
126: 적외선 방출 재료 130: 반사부
131: 제3 기판 132: 제2 캐비티
133: 제2 반사층 140: 회절부
141: 제4 기판 142: 존 플레이트 패턴
142a: 차단영역 142b: 통과영역
151: 와이어 152: 몰딩부
20: 반사경 30: 적외선 검출기
40: 센서바디 41: 가스 유로
42: 광동공 110: 표면실장부
111: 제1 기판 112: 제1 반사층
113: 제1 와이어본딩 패드 114: 솔더링 패드
115: 전극패턴 116: 정렬홈
117: 더미 패드 120: 방사부
121: 제2 기판 122: 제1 캐비티
123: 멤브레인 123a: 발열영역
124: 발열패턴 125: 제2 와이어본딩 패드
126: 적외선 방출 재료 130: 반사부
131: 제3 기판 132: 제2 캐비티
133: 제2 반사층 140: 회절부
141: 제4 기판 142: 존 플레이트 패턴
142a: 차단영역 142b: 통과영역
151: 와이어 152: 몰딩부
Claims (9)
- 외부 회로에 연결되는 표면실장부;
다양한 파장의 적외선을 방출하는 방사부;
상기 적외선을 반사하는 반사부;
상기 적외선을 회절시켜 파장에 따라 다른 거리에 초점을 맞추는 회절부를 포함하고,
상기 표면실장부, 방사부, 반사부, 회절부는 순서대로 배치되어 결합되며, 내부에 불활성 기체를 포함하도록 밀봉되고,
상기 표면실장부는
제1 기판에 상기 방사부가 방출하는 적외선을 상기 회절부 방향으로 반사하는 제1 반사층이 형성되고, 상기 제1 기판의 방사부가 결합되는 일면에 정렬홈이 형성되어, 상기 방사부가 정렬홈 내부에 배치되는 방식으로 결합되며,
상기 방사부는
제2 기판에 제2 기판의 일부가 제거된 제1 캐비티가 형성되고, 제2 기판의 일면에 멤브레인이 결합되고, 상기 멤브레인 상에 발열패턴이 형성되며,
상기 반사부는
제3 기판에 제3 기판의 일면과 타면이 관통된 제2 캐비티가 형성되고, 상기 제2 캐비티의 넓은 면은 회절부에 대응하게 형성되고 좁은 면은 발열영역에 대응하게 형성되며, 제2 캐비티의 내측면에 적외선을 상기 회절부 방향으로 반사하는 제2 반사층이 형성되고,
상기 회절부는
적외선이 통과하는 재질로 형성되는 제4 기판에 존 플레이트 패턴이 형성되며, 상기 적외선의 파장이 길수록 회절부로부터 가까운 위치에 초점을 형성하는, 다초점 적외선 광원. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 방출하는 적외선의 파장이 길수록 가까운 위치에 초점을 형성하는 다초점 적외선 광원;
상기 다초점 적외선 광원에서 방사되는 적외선의 초점들 중에서, 타겟가스의 흡수파장의 적외선의 초점에 배치되고, 상기 다초점 적외선 광원의 중심선으로부터 정해진 각도만큼 비스듬히 배치되는 반사경;
상기 반사경에서 반사되는 적외선을 감지하는 적외선 검출기; 및
상기 다초점 적외선 광원, 반사경, 적외선 검출기를 내부에 고정하는 센서바디를 포함하고,
상기 센서바디는
적외선이 지나가는 광동공;
타겟가스를 포함하는 기체가 지나가는 유로; 및
상기 유로와 광동공을 분리하는 분리벽을 포함하는, 비분산 적외선 가스센서. - 청구항 5에 있어서,
상기 반사경은
복수의 타겟가스를 측정하기 위하여, 상기 복수의 타겟가스의 흡수파장의 적외선의 초점마다 복수개 배치되며,
상기 적외선 검출기는
상기 복수의 반사경에서 반사되는 적외선을 감지하기 위하여, 복수개 배치되는, 비분산 적외선 가스센서. - 청구항 5에 있어서,
상기 센서바디는
상기 반사경 및 적외선 검출기가 타겟가스의 흡수파장에 해당하는 적외선의 초점에 위치하도록, 제1 파장의 적외선의 초점에 위치한 상기 반사경 및 적외선 검출기를 제2 파장의 적외선의 초점에 위치하도록 이동시키는 초점이동부를 더 포함하는, 비분산 적외선 가스센서. - 청구항 5에 있어서,
상기 센서바디는
타겟가스의 흡수파장에 해당하지 않는 적외선이 상기 적외선 검출기로 진입하지 않도록 상기 광동공의 내측면 또는 유로의 내측면에 형성되는 적외선 흡수층을 더 포함하는, 비분산 적외선 가스센서. - 청구항 7에 있어서,
상기 센서바디는
상기 반사경에서 적외선 검출기로 향하는 광경로만 개방하도록 형성되는 격벽을 더 포함하고,
상기 격벽은
상기 반사경 및 적외선 검출기와 함께 상기 초점이동부에 의해 이동되는, 비분산 적외선 가스센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210159636A KR102629984B1 (ko) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 다초점 적외선 광원 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210159636A KR102629984B1 (ko) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 다초점 적외선 광원 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230072927A KR20230072927A (ko) | 2023-05-25 |
| KR102629984B1 true KR102629984B1 (ko) | 2024-01-29 |
Family
ID=86542163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210159636A KR102629984B1 (ko) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | 다초점 적외선 광원 및 이를 이용한 비분산 적외선 가스센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102629984B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102216167B1 (ko) * | 2019-04-16 | 2021-02-18 | 연세대학교 산학협력단 | 초박막 렌즈를 이용한 멀티 가스 센서의 제조방법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090013434A (ko) * | 2007-08-01 | 2009-02-05 | 충주대학교 산학협력단 | 가스 측정 장치 |
| KR20150136760A (ko) * | 2014-05-28 | 2015-12-08 | 전자부품연구원 | 가스 측정 센서 및 방법 |
| KR102531308B1 (ko) * | 2017-05-30 | 2023-05-10 | 아나로그 디바이시즈 인코포레이티드 | 콤팩트한 광학 가스 검출 시스템 및 장치 |
| KR102246452B1 (ko) | 2018-07-13 | 2021-04-30 | 한국전자기술연구원 | 비분산 적외선 가스센서 및 그의 제조방법 |
-
2021
- 2021-11-18 KR KR1020210159636A patent/KR102629984B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102216167B1 (ko) * | 2019-04-16 | 2021-02-18 | 연세대학교 산학협력단 | 초박막 렌즈를 이용한 멀티 가스 센서의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230072927A (ko) | 2023-05-25 |
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