KR20030014534A - 자동보정 기능을 갖는 수소이온농도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표준용액에 대한 검출용 센서의 출력값을 기준용액에 대한 출력값을 기본으로 자동으로 보정하여 수소이온농도를 정확하게 측정할 수 있는 자동보정 기능을 구비한 수소이온농도 측정장치를 제공한다. 그 측정장치는 기준용액중에 밀봉되어 그 기준용액의 출력전압을 획득하기 위한 기준센서; 수소이온농도가 측정될 측정용액에 침전되어 그 측정용액의 출력전압을 획득하기 위한 측정센서; 기준센서로부터 획득된 전압값을 측정센서로부터 획득된 전압값으로부터 감하여 변동 변수를 자동으로 보정하여 측정될 순수 출력 전압값을 증폭시키기 위한 차등증폭기: 차등증폭기에서 출력되는 전압값을 필터링하기 위한 버퍼링 필터; 버퍼링 필터로부터 여과된 출력 전압값을 수집하여 증폭시키기 위한 획득 증폭기; 획득 증폭기로부터 출력되는 아날로그 출력 전압값을 디지털 출력 신호값으로 변환시키기 위한 아날로그/디지털 변환기; 및 아날로그/디지털 변환기로부터 변환되어 출력되는 출력값을 자동으로 처리하기 위한 중앙처리장치로 구성된다.

Description

자동보정 기능을 갖는 수소이온농도 측정장치{Micro pH sensor with auto-calibration function}

본 발명은 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기준 수소이온농도 센서와 검출 수소이온농도 센서를 일체로 구비하여 표준용액에 대한 검출 수소이온농도의 출력을 자동으로 보정하여 신속하고 정확하게 수소이온농도를 측정할 수 있는 자동보정기능을 갖는 수소이온농도 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수용액에 포함된 수소 이온 농도는 pH를 단위로 하여 1에서 14까지를 측정할 수 있다. 이 같은 수소이온농도를 측정하는데는 통상적으로 유리 전극을 이용하는 것이 가장 널리 이용되고 있다. 즉, 종래의 일반적인 용도로 사용되고 있는 이온농도 측정장치는 용액이 충전되는 2개의 장치는 기본적으로 수소이온농도를 측정하고자 하는 대상용액을 담기위한 2개의 용기와, 각각의 용기에 배치되는 전극과, 각각의 용기의 용액을 연결하기 위한 연다리와, 각각의 전극을 연결하여 여기되는 전압차를 나타내기 위한 전압계를 구비하고 있다. 물론, 2개의 용기중 하나는 용액의 수소이온을 감지할 수 있는 라임소다 유리로 형성되어 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 수소이온농도 측정장치를 이용하여 용액의 수소이온농도를 측정하는데는 여러 가지 문제점이 있는 것으로 나타났다. 먼저, 용액의 소수이온농도를 빈번하게 측정하거나 또는 사용횟수가 증가함에 따라, 라임소다 유리로 형성된 유리전극부분의 나트륨(Na) 이온이 방출되고 OH기에 의한 수화반응에 의하여 점진적으로 동작점이 변화하여 시간이 경과함에 따라 수소이온농도의 측정오차가 과도하게 발생되는 문제점이 있다.

그리고, 강산성 또는 강염기성 용액의 수소이온농도 또는 산성도 측정에 사용된 유리전극은 순간적으로 그 특성이 변하게 되고, 또한 기준값으로 회복되는데 장기간의 시간이 소요되며, 빈번한 사용으로 인해 기준점 자체가 변하게 되어 결국 용액의 수소이온농도를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 휴대가 간편하고 사용이 용이하며 정확한 측정을 행할 수 있어 최근 다양한 연구가 진행되고 있고 사용이 점진적으로 증가하고 있는 마이크로 수소이온농도 센서가 제안되어 있으며, 이 같은 센서를 이용하는 수소이온농도 측정장치의 개발도 활발히 진행되고 있다.

그러나, 이 같은 수소이온농도 측정센서에서도 라임소다 유리 및 한천 등을 사용하고 있기 때문에 전술된 바와 같은 문제점이 동일하게 나타나고 있다. 이 같은 문제점들을 해결하기 위해 즉, 자동적인 기준이온농도의 보정을 위해 자동보정(auto calibration) 기능을 갖는 회로부를 설계하여 부가해야 하므로 전체적인 장치의 크기가 증가하고 복잡해지는 문제점이 있다.

더욱이, 측정부의 변동을 지속적으로 감지하여 보정하는 과정 및 그 보정 자체의 정확성에 한계가 있어 결국 점진적으로 측정에 오차가 과도하게 발생되어 수소이온농도를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.

결국, 유리전극형 또는 마이크로형 수소이온농도 측정장치에서의 전술된 바와 같은 문제점들을 해결하는 근본적인 방법으로는 유리전극 또는 검출부를 장치에서 분리하여 교환해야 하므로, 비용이 및 시간이 과도하게 소모되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 표준용액에 대한 검출용 센서의 출력값을 자동으로 보정하여 수소이온농도를 정확하게 측정할 수 있는 자동보정 기능을 구비한 수소이온농도 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 기준 수소이온농도 센서를 일체화하여 자동으로 검출용 센서의 출력을 보정하여 측정의 정확도 및 감도를 향상시키기 위한 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 수소이온농도 측정센서의 외부 잡음 및 오프셋을 제거하고 수화반응 등으로 인한 검출용센서의 기준값의 변동을 자동으로 보정할 수 있는 수소이온농도 측정장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소이온농도 측정장치에 적용되는 마이크로 수소이온농도 센서를 보여주는 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 수소이온농도 측정장치의 기준센서와 측정센서의 연결상태를 보여주는 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치의 전체적인 구성을 보여주는 일부는 블록으로 표시한 구성도.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

30 : 기준센서32,42 : 예비증폭기

40 : 측정센서50 : 차등증폭기

60 : 버퍼링필터70 : 획득증폭기

80 : 아날로그/디지털 변환기90 : 중앙처리장치

100: 디스플레이

이 같은 목적들은, 기준용액중에 밀봉되어 그 기준용액의 출력전압을 획득하기 위한 기준센서; 수소이온농도가 측정될 측정용액에 침전되어 그 측정용액의 출력전압을 획득하기 위한 측정센서; 상기 기준센서로부터 획득된 전압값을 상기 측정센서로부터 획득된 전압값에서 감하여 변동 변수를 자동으로 보정하여 측정될 순수 출력전압값을 증폭시키기 위한 차등증폭기: 상기 차등증폭기에서 출력되는 전압값을 필터링하기 위해 버퍼링필터; 상기 버퍼링 필터로부터 여과된 출력 전압값을 수집하여 증폭시키기 위한 획득 증폭기; 상기 획득 증폭기로부터 출력되는 아날로그 출력 전압값을 디지털 출력 신호값으로 변환시키기 위한 아날로그/디지털 변환기; 및 상기 아날로그/디지털 변환기로부터 변환되어 출력되는 출력값을 자동으로처리하기 위한 중앙처리장치를 포함하는 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 하나의 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치에 적용되는 센서는 본 출원인에 의해 수소이온농도 측정센서라는 발명의 명칭으로 출원되어 계류중인 명세서에 개시된 바와 같이, 각각 하부가 개방된 측정용 홈(11) 과 기준 비교용 홈(12)이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스(13)와, 그 측정용 홈(11)의 표면에 제공되며 여기전압을 측정하기 위한 측정용 전극(14)과, 그 기준 비교용 홈(12)의 표면에 제공되는 기준전극(15)과, 측정용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하는 감응막(16)과, 기준 비교용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 상기 대상 수용액과 접촉하는 한천(17)과, 각각의 홈에 충전되고 각각의 전극과 접촉하며 감응막과 한천에 독립적으로 접촉하는 충전용액(18)과, 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위해 베이스의 상부에 도포되는 에폭시와 같은 밀봉부재(19) 및 아크릴과 같은 폐쇄부재(20)를 포함한다.

본 발명의 구체적인 구성에 의하면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전술된 바와 같이 구성된 수소이온농도 센서를 2개 포함한다. 보다 상세히 하면, 기준용액, 즉, 수소이온농도(pH)가 7인 기준용액(BL)에 침전되는 기준센서(30)와, 그 기준센서와 동일하게 구성되고 측정용액(ML)에 침전되는 측정센서(40)를 포함한다.즉, 기준센서(30)는 기준용액중에 밀봉하여 그 기준용액에서 출력전압을 획득하는 역할을 하며, 측정센서(30)는 일반적인 방법으로 측정용액에서 출력전압을 획득하는 역할을 하게되는 것이다.

한편, 기준센서(30)에는 그 센서에서 획득되는 출력전압을 증폭시키기 위한 예비증폭기(32)가 연결되며, 측정센서(40)에도 그 센서에서 획득되는 출력전압을 증폭시키기 위한 예비증폭기(42)가 연결된다.

그리고, 각각의 예비증폭기(32,42)는 그 증폭기에서 증폭된 각각의 전압의 차이를 증폭시키기 위한 차등증폭기(50)에 연결된다. 특히, 차등증폭기(50)는 기준센서(30)에서 획득된 노이즈전압 과 오프셋전압(Vnoise + Voffset)을 측정센서(40)에서 측정되거나 획득되는 노이즈전압, 오프셋전압 및 실제 측정이온농도에 상당하는 측정전압(Vnoise + Voffset + Vsignal)에서 감하면 실제로 측정센서(30)에서 측정된 출력전압(Vout)을 산출해낼 수 있는 것이다.

차등증폭기(50)에는 그 차등증폭기에서 출력되는 전압값을 필터링하기 위해 버퍼링필터(BPF)(60)가 연결된다.

그리고, 버퍼링 필터(60)에는 그 필터로부터 여과된 출력 전압값을 수집하여 증폭시키기 위한 획득 증폭기(gain amplifier)(70)가 연결된다.

한편, 획득 증폭기(70)에는 아날로그 출력 전압값을 검출자 또는 작업자가 용이하게 식별할 수 있도록 그 아날로그 출력 신호값을 디지털 출력 신호값으로 변환시키기 위한 아날로그/디지털 변환기(A/D converter)(80)가 연결된다.

최종적으로, 아날로그/디지털 변환기(80)에는 그 변환기로부터 변환되어 출력되는 출력 신호를 실험자 또는 작업자가 다양한 방식으로 처리할 수 있는 중앙처리장치(90)가 연결된다. 물론, 이와 같은 중앙처리장치(90)에는 개인용 컴퓨터 또는 산업용 컴퓨터가 연결될 수 있는 중앙처리장치로부터 사용자 또는 실험자가 원하는 디지털 신호를 제공받을 수 있다.

선택적으로, 중앙처리장치(90)에는 그 중앙처리장치로부터 다양하게 처리되어 출력되는 출력값을 실험자 또는 작업자에게 가시적으로 제공할 수 있는 디스플레이(100)가 연결되는 것이 바람직하다.

이하, 전술된 바와 같이 구성된 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치를 이용하여 용액의 수소이온농도를 측정하는 방법 및 그 작용모드에 대해 설명한다.

먼저, 작업자 또는 실험자는 측정센서(40)를 측정대상인 측정용액(ML)에 침전시킨다. 물론 이 때 기준센서(30)는 수소이온농도(pH)가 7인 기준용액(BL)에 침전된 상태를 유지하게 된다. 이 상태에서, 용액의 수소이온농도의 측정을 개시하면, 기준센서(30)에서 획득되는 출력전압은 예비증폭기(32)를 거쳐 차등증폭기(50)로 송신됨과 동시에, 측정센서(40)에서 획득되는 출력전압은 역시 예비증폭기(42)를 거쳐 차등증폭기(50)로 송신된다.

이와 같이, 각각의 출력값이 제공된 차등증폭기(50)는 특히 기준센서(30)에서 획득된 노이즈전압 과 오프셋전압(Vnoise + Voffset)을 측정센서(40)에서 측정되어 획득된 노이즈전압, 오프셋전압 및 측정전압(Vnoise + Voffset + Vsignal)에서 차감함으로써, 그 차등증폭기(50)는 실제로 측정센서(30)에서 측정된 순수 출력전압(Vout)을 산출해 내게 되는 것이다.

이후, 차등증폭기(50)에서 출력되는 전압값은 버퍼링필터(BPF)(60)에서 여과되고, 이어서, 그 버퍼링필터로부터 여과된 출력 전압값은 획득 증폭기(gain amplifier)(70)에 수집되어 다시 증폭된다.

이어서, 획득 증폭기(70)에서 증폭된 아날로그 출력 신호값은 아날로그/디지털 변환기(A/D converter)(80)에서 디지털 출력 신호로 변환된다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 중앙처리장치(90)에서 자동으로, 또는 실험자 또는 작업자가 원하는 다양한 방식으로 처리되어 제공된다. 물론, 중앙처리장치(90)에는 개인용 컴퓨터 또는 산업용 컴퓨터가 연결될 수 있는 중앙처리장치로부터 사용자 또는 실험자가 원하는 디지털 신호를 제공받을 수 있을 뿐 아니라, 액정 디스플레이와 같은 디스플레이(100)를 통해 실험자 또는 작업자가 원하는 수소이온농도 또는 이에 연관된 측정값을 정확하게 제공받을 수 있는 것이다.

결국, 2개의 수소이온농도 센서를 이용하여 하나는 측정용액을 측정하고 다른 하나는 pH7의 기준용액 중에 밀봉하여 기준용액에서 얻어지는 출력전압에 대하여 검출 전극부의 변화량을 비교 검출 할 수 있도록 함으로써, 검출 및 보정과정이 모두 pH7의 기준용액 중에 담겨있는 상태에서 나타나는 기준 출력값에 대한 변동량을 다루게 된다. 이에 따라, 각각의 센서 자체의 화이트 노이즈(white noise) 및 외란의 영향이나 마이크로 수소이온농도센서의 검출 감응막의 수화 반응에 의한 동작점의 변화의 영향이 상쇄되어 보다 용이하고 정확한 방법으로 보정이 가능한 것이다.

실제로 기준센서 및 검출 센서의 출력값을 차등 증폭기를 통해 그들의 차이값을 구하면 비교과정이 쉽게 얻어지는 바, 즉

Vout = (Vnoise + Voffset + Vsignal) (Vnoise + Voffset)

의 방식으로 얻어지므로 결과적으로 실험자 또는 작업자가 원하는 실제적인 수소이온농도에 상응화는 출력전압은

Vout = Vsignal

의 형태로 나타나게 된다. 이에 따라, 옵셋 및 외부적 요인들에 의한 영향이 상쇄되는 것이다.

또한, 이 같은 기능 및 구성은 일반적인 유리전극형 수소이온농도 센서에서는 크기의 문제로 인하여 얻어지기 어려운 내용이지만 MEMS 기술을 기반으로 하는 마이크로 수소이온농도 센서분야에서는 보다 용이하게 구현할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

결과적으로, 본 발명에 따른 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치에 의하면, 기준점의 보상 및 외부 유입잡음 과 오프셋 전압처리의 문제를 보다 쉽게 해결할 수 있음은 물론 정밀한 측정값을 획득할 수 있어 제품성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 기존의 장치에 비하여 소형화된 장치를 사용하므로 취급이 용이하며 적용성이 광범위한 장점이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (4)

1. 기준용액 중에 밀봉되어 그 기준용액의 출력전압을 획득하기 위한 기준센서;

   수소이온농도가 측정될 측정용액에 침전되어 그 측정용액의 출력전압을 획득하기 위한 측정센서;

   상기 기준센서로부터 획득된 전압값을 상기 측정센서로부터 획득된 전압값으로부터 감하여 변동 변수를 자동으로 보정하여 측정될 순수 출력 전압값을 증폭시키기 위한 차등증폭기:

   상기 차등증폭기에서 출력되는 전압값을 필터링하기 위해 버퍼링 필터;

   상기 버퍼링 필터로부터 여과된 출력 전압값을 수집하여 증폭시키기 위한 획득 증폭기;

   상기 획득 증폭기로부터 출력되는 아날로그 출력 전압값을 디지털 출력 신호값으로 변환시키기 위한 아날로그/디지털 변환기; 및

   상기 아날로그/디지털 변환기로부터 변환되어 출력되는 출력값을 자동을 처리하기 위한 중앙처리장치를 포함하는 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기준센서와 측정센서에는 각각 상기 차등증폭기에 연결되는 예비증폭기가 연결되는 것을 특징으로 하는 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치.
3. 제 1항에 있어서, 차등증폭기는 상기 기준센서에서 획득된 노이즈전압 과 오프셋전압(Vnoise + Voffset)을 측정센서에서 획득되는 노이즈전압, 오프셋전압 및 실제 측정이온농도에 상당하는 측정전압(Vnoise + Voffset + Vsignal)에서 감쇠하여 보정하는 것을 특징으로 하는 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기준센서 및 측정센서는 각각 하부가 개방된 측정용 홈 과 기준 비교용 홈이 형성되는 반도체 웨이퍼 베이스와, 상기 측정용 홈의 표면에 제공되며 여기전압을 측정하기 위한 측정용 전극과, 상기 기준 비교용 홈의 표면에 제공되는 기준전극과, 상기 측정용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 수소이온농도를 측정할 대상 수용액과 접촉하는 감응막과, 상기 기준 비교용 홈의 하부구멍을 폐쇄하며 상기 대상 수용액과 접촉하는 한천과, 상기 각각의 홈에 충전되고 각각의 전극과 접촉하며 감응막과 한천에 독립적으로 접촉하는 충전용액과, 상기 각각의 홈에 충전된 충전용액의 증발 및 건조를 방지하기 위해 베이스의 상부에 도포되는 밀봉부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동보정기능을 구비한 수소이온농도 측정장치.