KR20060043413A - 광음향 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

광음향 가스 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20060043413A
KR20060043413A KR1020050018168A KR20050018168A KR20060043413A KR 20060043413 A KR20060043413 A KR 20060043413A KR 1020050018168 A KR1020050018168 A KR 1020050018168A KR 20050018168 A KR20050018168 A KR 20050018168A KR 20060043413 A KR20060043413 A KR 20060043413A
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지멘스 빌딩 테크놀로지스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 측정 셀(1)과 기준 셀(2), 광원(4)을 갖는 방사형 엘리먼트, 및 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2) 사이의 압력 차이를 측정하기 위한 마이크로폰 장치를 포함하는 광음향 가스 센서에 관한 것이다. 상기 마이크로폰 장치와 광원(4)은 마이크로폰 인쇄회로보드(8) 및 램프 인쇄회로보드(10)상에 형성되고, 상기 측정 셀(1) 및 기준 셀(2)과 함께 공통의 인쇄회로보드 모듈(P)상에 설치된다. 상기 마이크로폰 장치는 이동 전화들에 사용되는 형태의 소위 노이즈 상쇄 마이크로폰으로 형성되는 차동 마이크로폰(3)을 포함한다.
상기 광음향 가스 센서의 제조 방법은, 상기 램프 인쇄회로보드(10)상에 형성되는 광원(4), 상기 마이크로폰 인쇄회로보드(8)상에 형성되는 마이크로폰 장치, 및 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)은 상기 인쇄회로보드 모듈(P)에 설치되는 측정 모듈(M)을 형성하도록 일괄처리 방식에 의해 미리 조립되는 것을 특징으로 한다.
가스 센서, 마이크로폰, 인쇄회로보드, 광음향, 셀

Description

광음향 가스 센서 및 그 제조 방법{PHOTOACOUSTIC GAS SENSOR, AND A METHOD FOR ITS PRODUCTION}
도 1은 본 발명에 따른 광음향 가스 센서의 전개도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 센서의 상세도를 나타낸다.
도 3은 상기 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개념적인 제 1 개략도이다.
도 4는 상기 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 개념적인 제 2 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시된 가스 센서의 개념도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 가스 센서의 제 1 변형예를 나타낸다.
도 7은 도 5에 도시된 가스 센서의 제 2 변형예를 나타낸다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 측정 셀 2: 기준 셀
3: 차동 마이크로폰 4: 광원
5: 반사기 하우징 6: 대역통과 필터
7: 가스-투과막 8: 마이크로폰 인쇄회로보드
9: 밀봉부 10: 램프 인쇄회로보드
본 발명은 측정 셀(measurement cell)과 기준 셀(reference cell), 방사(radiating) 엘리먼트, 및 상기 측정 셀과 기준 셀 사이의 압력차를 측정하기 위한 마이크로폰 장치를 구비하는 광음향 가스 센서에 관한 것이다.
전술한 형태의 광음향 가스 센서들은 상기 마이크로폰 장치와 방사 엘리먼트가 베이스판 상에 장착된 다음 상기 측정 셀이 상기 컴포넌트들 주위에 설치되고, 마지막으로 상기 기준 셀이 부가되는 방식으로 제조되어 왔다. 이러한 방식으로 제조되는 상기 가스 센서의 영역들은 비교적 넓고, 상기 가스 센서는 비교적 많은 양의 전력을 소비한다. 더욱이, 제조 공정이 복잡하며, 이는 센서 가격에 반영된다.
본 발명의 목적은 작은 영역들, 낮은 전력 소비 레벨, 및 낮은 제조 비용 면에서 전술한 형태의 종래의 광음향 가스 센서와 구별되는 광음향 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 목적은 마이크로폰 장치와 방사 엘리먼트가 마이크로폰 인쇄회로보드 및 방사 엘리먼트 인쇄회로보드 상에 제조되고, 측정 셀 및 기준 셀과 함께 공통의 인쇄회로보드 모듈 상에 설치됨으로써 달성된다.
본 발명에 의해 제안되는 광음향 가스 센서는 작은 영역들과 낮은 전력 소비 를 갖는다. 마이크로폰 인쇄회로보드와 방사 엘리먼트 인쇄회로보드 상에 각각 상기 마이크로폰 장치 및 방사 엘리먼트를 제조하면, 상기 가스 센서의 제조 공정이 대부분 자동화될 수 있으므로, 비용-효율적이다.
상기 마이크로폰 장치는 차동 마이크로폰, 또는 차동 회로에서 2개의 마이크로폰들로 형성될 수 있다. DE-A-40 18 393에 기재된 바와 같은 차동 마이크로폰을 갖는 광음향 가스 센서는 이용가능한 적합한 마이크로폰들이 없었기 때문에 지금까지 거의 사용될 수 없었고, 통상의 마이크로폰들은 전형적으로 낮은 주파수 신호들에 대해 매우 제한된 정도로만 적합할 수 있다. 이러한 이유 때문에, 2개의 마이크로폰들은 사운드 소스들의 간섭을 억압하기 위해 전기 차동 회로에 일반적으로 사용된다(이와 관련하여, EP-A-0 855 592 참조). 그러나, 오디오 어플리케이션들에 적합한 마이크로폰들이 상기 가스 센서의 주파수 신호의 영역에서 20 내지 30 ㎐의 통상 더 낮은 3 dB 주파수를 갖기 때문에, 적절히 더 낮은 차단(cut-off) 주파수를 갖는 마이크로폰들을 찾아야 하는 문제점이 있고, 이는 차단 주파수 산란(scatter)과 노화(aging)를 초래하며, 상기 차단 주파수는 환경적 영향들에 의해 가변되어야 한다. 또한, 상기 한 쌍의 마이크로폰들은 1% 범위의 측정 정확도로 매칭되어야 하기 때문에, 차동 설계가 곤란하다. 전술한 3dB 주파수의 드리프트(drift)와 함께, 상기한 매칭은 효과적인 간섭 억압을 유도하지만 실제적으로 수행될 수 없다.
본 발명에 따른 가스 센서의 바람직한 제 1 실시예에서, 마이크로폰 장치는 이동 전화들에 사용되는 형태로서, 소위 노이즈 상쇄(canceling) 마이크로폰으로 형성되는 차동 마이크로폰을 갖는다.
또한, 상기 노이즈 상쇄 차동 마이크로폰은 상기 사운드 소스에 유용한 신호와 비교하여 상대적으로 많은 주파수 교란(disturbance)들을 제거하므로, 전력 소비를 감소시킨다. 상기 차동 마이크로폰은 매우 비용-효율적이고 다양한 소형 형태들로 이용가능하다.
본 발명에 따른 광음향 가스 센서의 추가적인 바람직한 실시예들과 장점들은 종속 청구항 제3항 내지 제10항에서 청구된다.
본 발명은 또한 상기 광음향 가스 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법은 방사 엘리먼트 인쇄회로 보드상에 형성되는 방사 엘리먼트, 마이크로폰 인쇄회로 보드상에 형성되는 마이크로폰 장치, 및 측정 셀과 기준 셀이 인쇄회로 보드 모듈에 설치되는 측정 모듈을 형성하기 위해 일괄처리 방식(batch processing)으로 먼저 조립된다는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 제 1 실시예는 상기 측정 모듈의 초기 조립이 소성 적층(loose stacking) 또는 접착제 본딩에 의해 수행되는 특징을 갖는다.
바람직한 제 2 실시예는 가스 입구를 위한 막들이 상기 측정 모듈상의 측정 셀과 기준 셀에 설치되는 특징을 갖는다.
본 발명은 하나의 예시적인 실시예와 도면들을 참조로 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1에 도시된 광음향 가스 센서는 측정 셀(1), 기준 셀(2), 상기 2개의 셀 들(1, 2) 사이에 배치된 양방향 차동 마이크로폰(3), 상기 측정 셀(1)과 연동되는 소형 백열 전구(4), 및 상기 소형 백열 전구(4)로부터 윈도우 상에 발광되는 방사선을 포커싱하기 위한 반사기를 갖는 반사기 하우징(5)을 포함하고, 상기 윈도우는 상기 소형 백열 전구(4)에 대향하는 측정 셀(1)의 측벽에 배치되며, 상기 윈도우에는 적외선 대역통과 필터(6)가 삽입된다. 측정 셀(1)과 기준 셀(2)은 설계 및 치수 면에서 완전 동일한 것이다. 측정 셀(1)과 기준 셀(2)은 가스-투과막(7 또는 7')이 각각 삽입되는 윈도우의 하나의 외부 측벽상에 제공된다. 차동 마이크로폰(3)은 인쇄회로 보드(8)상에 장착되고, 상기 차동 마이크로폰(3)의 2개의 측면들 각각에는 밀봉부(9)가 선택적으로 제공된다. 마찬가지로, 소형 백열 전구(4)가 인쇄회로보드(10)상에 장착된다.
소형 백열 전구(4)는 광범위한 스펙트럼에 대해 상기 적외선 대역으로 발광한다; 대부분의 경우들에서, 상기 적외선 대역의 스펙트럼 라인은 가스 검출을 위해 사용된다. 적외선 대역통과 필터(6)는 검출되는 가스의 특성에 따른 통과 대역을 가지며, CO2 검출을 위해 약 4.25㎛, NH3 검출을 위해 약 10㎛, 및 CH4 검출을 위해 약 3.4㎛의 좁은 스펙트럼 대역 형태이다. 검출되는 가스는 상기 2개의 가스-투과막들(7, 7')을 통해 측정 셀(1) 및 기준 셀(2)로 각각 통과된다. 측정 셀(1)의 가스에는 모듈에 의해 소형 백열 전구(4)로부터 광이 조명된다. 상기 가스는 광 방사선을 흡수하므로, 가열된다. 이것은 열 팽창을 초래하고, 주기적 압력 변동으로 광 방사선의 변조에 상응하게, 음향 압력 웨이브의 세기가 상기 가스의 농 도에 직접 비례하도록 한다.
외부로부터 막들(7, 7')을 타격하는 간섭 음향은 상기 막들에 의해 감쇄되며, 각각의 경우 측정 셀(1) 및 기준 셀(2)에서 동일한 세기로 나타난다. 따라서, 이러한 간섭 음향은 형성되는 큰 신호들 없이 마이크로폰(3)의 막에 대해 직접 보상되고 전기적으로 차감되어야 한다. 동일한 압력 변동들은 마이크로폰 막의 양측면들상에 발생하기 때문에, 마이크로폰 막이 초기에 전혀 편향되지 않도록, 간섭 음향으로 생기는 신호들은 상기 양측면들상에서 물리적으로 직접 차감된다. 따라서, 상기 마이크로폰 막은 측정 셀(1)에서 가스에 의해 생기는 음향 압력을 직접 형성하므로, 목표된 압력을 달성할 수 있다.
마이크로폰(3)은 이동 전화들에 사용되는 것처럼, 소위 노이즈 상쇄 마이크로폰이다. 이러한 마이크로폰의 주파수 응답이 개방된 공기중에서 완전히 불안정하고 차동 마이크로폰으로서 사용되며 음향학적으로 사실상 폐쇄된 셀들 사이, 구체적으로는 측정 셀(1)과 기준 셀(2) 사이에 설치된다면, 대상물에 매칭되는 매우 양호한 특성들을 갖는다.
도 2는 마이크로폰(3)의 단면도를 나타낸다. 도면으로부터 알 수 있는 것처럼, 상기 마이크로폰은 일측상에서 개방되고 박스 형태이며 그 베이스가 마이크로폰의 전단을 형성하는 하우징(G)을 포함한다. 음향이 마이크로폰 막(13)으로 통과되도록 하기 위해 홀들(11)이 상기 베이스에 제공되며, 하우징(G)의 베이스와 금속 후방 전극(12) 사이에 클램핑되고, 금속화된 플라스틱으로 형성된다. 상기 하우징(G)의 측벽은 마이크로폰의 후단 상에서 피닝되고, 소위 후방 포트들(15)로서 작은 등가 홀들이 제공되는 후방 벽(14)을 고정시키며, 그 내면에서 FET(16)와 함께 금속 후방 전극(12)과 대향하고, 그 외면에서 2개의 원형 전극들(17, 19)과 대향하도록 설치된다.
후방 포트(15)들은 저주파수들을 위해 충분히 크고, 마이크로폰(3)의 주파수 응답이 더 낮은 차단 주파수만큼 평탄하게 한다. 이러한 더 낮은 차단 주파수는 막(13)의 커패시턴스에 의해 제어되고, 10㎐ 보다 매우 낮은, 바람직하게는 1 내지 4㎐인 임피던스 컨버터의 입력 임피던스에 의해 제어됨으로써, 상기 신호가 약 20 내지 30㎐의 유용한 주파수에서 더 낮은 차단 주파수에 의해서만 미묘하게 영향을 받게된다.
마이크로폰(3)은 인쇄회로보드(8)상에 장착되고, 상기 인쇄회로보드는, 마이크로폰(3)상의 플랜지의 위치설정을 위한 환형 그루브(19), 2개의 원형 전극들(17, 18) 각각을 위한 환형 콘택 웨브(20, 21)들, 및 상기 환형 그루브의 베이스로부터 상기 인쇄회로보드(8)를 관통하는 다수의 홀들(23)을 갖는 환형 그루브(22)을 포함한다. 홀들(23) 및 환형 그루브(22)는 공기와 음향이 인쇄회로보드(8)의 임의의 홀들과 정렬될 필요없이 후방에서 후방 포트들(15)로 제공되도록 한다.
마이크로폰(3)과 인쇄회로보드(9)는 설치 공정시 정렬될 필요가 없기 때문에, 로봇을 이용하여 이들을 조립하기에 용이하다. 또한, 조립 공정은 환형 그루브(19)에 의해 간략화되며, 마이크로폰(3)상의 하우징 플랜지의 설치를 위한 정확한 위치로 자동 가이드한다. 원형 전극들(17, 18)은 전도성 애폭시에 의해 인쇄회로보드(17)에 접착제로 본딩되어 전기적으로 연결된다. 측정 셀(1), 기준 셀(2), 및 반사기 하우징(5)의 외부 형상은 완전히 동일하므로, 그 부품들은 돌출된 프로파일들로서 비용-효율적으로 형성될 수 있고, 필요한 기계가공을 최소로 줄일 수 있다.
상기 센서의 개별 컴포넌트들, 즉 측정 셀(1)과 기준 셀(2)을 위한 2개의 셀 몸체들, 대역통과 필터(6), 마이크로폰(3), 및 소형 백열 전구(4)로 이루어진, 하우징(5)을 갖는 반사기의 개별 컴포넌트들은 가스 센서를 위한 제조 공정에 의해 형성/제공된다. 대역통과 필터(6)는 측정 셀(1)에 접착제로 본딩된 다음, 마이크로폰(3)은 인쇄회로보드(8)상에 장착된다. 측정 셀(1)과 기준 셀(2)은 바람직하게는 알루미늄으로 이루어진다.
그 후, 이러한 컴포넌트들은 도 4에 도시된 것처럼, 측정 모듈(M)을 형성하기 위해 함께 결합되고, 이는 도 3에 도시된 바와 같은 일괄처리 공정에 의해 수행된다. 상기 설치된 마이크로폰 인쇄회로보드(8)를 갖는 하나의 기준 셀(2), 측정 셀(1), 반사기(24)를 포함하며 소형 백열 전구(4)가 삽입되는 반사기 하우징(5), 및 파퓰레이티드(populated) 소형 백열전구 인쇄회로보드(10)는 각각의 경우에서 적층물을 형성하도록 접착제 본딩 또는 클램핑에 의해 함께 연결된다. 접착제 본딩인 경우, 접착성 결합부가 셀 몸체들(1, 2)의 내부를 밀봉하기 때문에, 밀봉부들(9)(도 1)은 필요 없다. 클램핑은 클립 형태의 스프링 엘리먼트에 의해 수행되거나, 다른 커넥팅 엘리먼트들에 의해 수행된다. 예로서, 셀 부분들상의 커넥팅 핀들은 일측면상에서 다른 셀 중간의 매칭 홀들로 냉압(cold-pressed)될 수 있다. 추가적인 옵션은 셀(예, 기준 셀(2))을 통해 다른 셀의 매칭 홀들로 가압되는 노치 네일(notched nail)이다.
그 다음, 막들(7, 7')은 최종 측정 모듈(M)의 측정 셀(1)과 기준 셀(2)로 삽입되고, 최종적으로 측정 모듈(M)이 접착제 본딩 또는 땜납에 의해 인쇄회로보드 모듈(P)에 설치된다. 미리 조립된 측정 모듈(M)이 완성되고 동작되어, 상기 인쇄회로보드 모듈(P)에 장착되기 이전에 하나의 유닛으로서 사전에 테스트될 수 있다. 측정 모듈(M)은 마이크로폰(3), 반사기(24), 및 소형 백열 전구(4)에 대한 임의의 제조공차 또는 정렬 문제들 없이, 임의의 원하는 다른 인쇄회로보드들 상에 컴포넌트와 같은 서브-모듈로서 설치될 수 있다.
전술한 상기 센서의 제조는 이전에 공지된 제조 방법들 보다 매우 더 간략하며 보다 비용-효율적이고, 마이크로폰과 소형 백열 전구는 베이스 인쇄회로보드 상에 장착되며, 상기 측정 셀은 이러한 컴포넌트들 주위에 개별적으로 설치된다.
도 5는 측정 셀(1), 기준 셀(2), 마이크로폰(3), 소형 백열 전구(방사형 엘리먼트)(4), 반사기 하우징(5), 대역통과 필터(6), 및 막들(7, 7')을 갖는 도 1에 도시된 광음향 가스 센서의 개념적 블럭도를 나타내고; 도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 가스 센서의 변형예들을 도시한다.
도 6에 도시된 변형예에서, 2개의 표준 마이크로폰들(3', 3")은 센서 전자장치들에 형성된 차이점을 갖는 노이즈 상쇄 마이크로폰(3) 대신에 사용된다. 도 7에 도시된 변형예는 기준 셀(2)의 제 2 가스 컴포넌트를 검출하는 능력을 제공한다. 기준 셀(2)과 연동되고 제 2 반사기 하우징(5')에 배치되는, 제 2 방사형 엘리먼트(4')는 이러한 목적을 위해 제공되며, 상기 기준 셀에는 상기 제 2 방사형 엘리먼트(4')와 대향하는 그 측벽상에 대역통과 필터(6')가 제공된다. CO2와 더불어, 예를 들어 수증기 또는 탄화수소가 제 2 가스 컴포넌트로서 검출될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 작은 영역들, 낮은 전력 소비 레벨, 및 낮은 제조 비용 면에서 전술한 형태의 종래의 광음향 가스 센서와 구별되는 광음향 가스 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 측정 셀(1)과 기준 셀(2), 광원(4)을 갖는 방사형 엘리먼트, 및 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2) 사이의 압력 차이를 측정하기 위한 마이크로폰 장치를 포함하는 광음향 가스 센서로서,
    상기 마이크로폰 장치 및 상기 광원(4)은 마이크로폰 인쇄회로보드(8) 및 램프 인쇄회로보드(10)상에 형성되고, 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)과 함께 공통의 인쇄회로보드 모듈(P)상에 설치되는, 광음향 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로폰 장치는 이동 전화들에 사용되는 형태의 소위 노이즈 상쇄 마이크로폰으로 형성되는 차동 마이크로폰(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)의 내부는 상기 마이크로폰 인쇄회로보드(8)로부터 밀봉되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)의 내부는 상기 인쇄회로보드(8)에 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)을 접착제로 본딩함으로써 밀봉되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)의 내부는 각각의 경우, 상기 적합한 셀 및 상기 마이크로폰 인쇄회로보드(8) 사이에 배치되는 밀봉부(9)에 의해 밀봉되고, 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)을 연결시키는 조절 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 조절 수단은 탄성 클립 형태의 클램핑 엘리먼트로 형성되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 조절 수단은 상기 2개의 셀들 중 하나의 셀에 제공되는 커넥팅 엘리먼트들, 및 상기 셀들 중 다른 하나의 셀에서 연동되는 홀들로 형성되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 커넥팅 엘리먼트들은 상기 홀들에 가압되는 커넥팅 핀 또는 노치 네일들로 형성되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(4)은 상기 센서의 종방향 축의 영역에 배치되고, 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)은 각각 가스 입구를 위한 정밀-공극(fine-pore) 막(7, 7')에 의해 밀봉되는 측면 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사형 엘리먼트는 반사기 하우징(5)에 제공되는 반사기(24)를 가지며, 상기 측정 셀(1), 기준 셀(2), 및 반사기 하우징(5)은 동일한 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
  11. 청구항 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 광음향 가스 센서의 제조 방법으로서,
    상기 램프 인쇄회로보드(10)상에 형성되는 상기 광원(4), 상기 마이크로폰 인쇄회로보드(8)상에 형성되는 마이크로폰 장치, 및 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)은, 상기 인쇄회로보드 모듈(P)에 설치되는 측정 모듈(M)을 형성하도록 일괄처리 방식에 의해 미리 조립되는, 광음향 가스 센서의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 측정 모듈(M)의 초기 조립은 소성 적층(loose stacking) 또는 접착제 본딩에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서의 제조 방법.
  13. 제 9 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 가스 입구를 위한 막들(7, 7')은 상기 측정 모듈(M) 상의 상기 측정 셀(1)과 기준 셀(2)에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서의 제조 방법.
KR1020050018168A 2004-03-08 2005-03-04 광음향 가스 센서 및 그 제조 방법 KR20060043413A (ko)

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