KR20060043530A - 광음향 가스 센서 - Google Patents

Abstract

광음향 가스 센서가 측정 셀 및 참조 셀 (각각 1 및 2) 그리고 상기 측정 셀과 상기 참조 셀 (각각 1 및 2) 사이의 압력 차이를 측정하기 위한 발산 소자 및 차동 마이크로폰(3)을 구비한다. 상기 차동 마이크로폰(3)은 모바일 폰에 사용되는 유형의 소위 잡음 제거 마이크로폰에 의하여 형성되고, 상자 형태이며 베이스가 상기 마이크로폰의 전면을 형성하고, 상기 마이크로폰의 후면은 배후 플레이트 고정을 위한 플랜지를 구비하는 하우징 뿐만 아니라 동심원 고리 형태의 전극을 갖는다. 상기 차동 마이크로폰(3)은 상기 플랜지를 배치시키기 위한 제 1 고리모양 홈을 수반한 인쇄회로기판(8) 위에 설치된다.

Description

광음향 가스 센서{PHOTOACOUSTIC GAS SENSOR}

도 1은 본 발명에 따른 광음향 가스 센서의 전개도이며,

도 2는 도 1에서 도시된 가스 센서의 세부도이며;

도 3은 상기 가스 센서의 제조를 위한 첫 번째 개략적인 도면이며; 그리고

도 4는 상기 가스 센서의 제조를 위한 두 번째 개략적인 도면이다.

본 발명은 측정 셀(measurement sell) 및 참조 셀(reference cell), 그리고 상기 측정 셀 및 참조 셀 사이의 압력 차이를 측정하기 위한 발산 소자(radiation element)와 차동 마이크로폰(differential microphone)을 구비한 광음향 가스 센서(photoacoustic gas sensor)에 관한 것이다.

DE-A-40 18 393에 개시된 바와 같이, 이러한 유형의 광음향 가스 센서는, 사실상 적합한 가용 마이크로폰이 없으며, 그리고 일반적으로 적합한 마이크로폰은 전형적인 저역 신호 주파수용의 매우 제한된 영역에서만 오직 적합해지기 때문에 현재까지 거의 사용되지 않고 있었다. 이러한 이유로 인하여, 간섭 음원을 억제하기 위해, 2개의 마이크로폰은 일반적으로는 전기적인 차동 회로에서 사용된다(EP- A-0 855 592 참조). 그러나, 오디오 용도의 적합한 마이크로폰들은 20 내지 30Hz 주파수의 전형적으로 3 dB 저역을 가지므로, 즉 가스 센서의 신호 주파수 영역이어서 차단 주파수(cut-off frequency)가 흩어지고, 차단 주파수가 환경 영향에 의하여 바뀌도록 하기 때문에, 종래기술은 적합한 저역 차단 주파수를 갖는 마이크로폰들을 찾아야만 한다는 문제점을 야기한다. 게다가 마이크로폰들은 1퍼센트 범위 내로 측정 정확도 한 쌍이 대조되어야 하기 때문에 차동 디자인이 어렵다. 언급하였던 주파수의 3 dB 정도를 초래한다는 것과 함께, 이는 간섭 억제 효과가 사실상 비실용적이도록 만든다.

본 발명의 목적은, 차동 마이크로폰이 비용상 효과적이고, 그리고 광음향 가스 센서용으로 전형적인 저역 신호 주파수에 적합한, 최초 언급하였던 유형의 광음향 가스 센서를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 본 발명은 모바일 전화기들에 사용되는 유형의 소위 잡음 제거 마이크로폰(noise canceling microphone)에 의하여 형성된 차동 마이크로폰을 특징으로 하는 광음향 가스 센서를 제공한다.

상기 마이크로폰들은 야외에서 완벽히 사용할 수 없는 주파수 응답을 갖기 때문에, 20 내지 30Hz의 전형적인 신호 주파수에 적합하지 않은 것으로 보인다. 그러나 실제 실험은 마이크로폰이 3dB 포인트까지 일률적인 주파수 응답을 갖추어, 광음향 가스 센서에 의도적으로 적용하기 위한 매우 좋은 특징을 갖는다는 놀라운 결과를 이끌어 내었다. 차단 주파수는 일반적으로 1 내지 4Hz에 이르며, 즉 10Hz 보다 상당히 낮으므로, 그 결과 이는 유용한 주파수의 신호에는 무의미한 영향만을 끼칠 것이다. 게다가, 마이크로폰들은 극히 비용상 효과적이며 소형화된 다른 형태에서도 널리 입수 가능하다.

본 발명에 따른 가스 센서의 첫 번째 바람직한 실시예는, 차동 마이크로폰이 동심원 고리(concentric circular ring) 형태의 전극을 갖는 것을 특징으로 한다. 차동 마이크로폰의 저역 차단 주파수는 10Hz보다 낮으며, 1 내지 4Hz 사이가 바람직하다.

두 번째 바람직한 실시예는, 차동 마이크로폰이 상자 형태의 하우징을 갖고, 그리고 하우징 베이스가 상기 마이크로폰의 전면을 형성하고, 상기 마이크로폰의 후면은 배후 플레이트(rear plate) 고정을 위한 플랜지를 구비하는 하우징을 갖는 것을 특징으로 한다.

세 번째 바람직한 실시예는, 전술한 플랜지의 배치를 위한 제 1 고리모양 홈(annular groove)을 구비한 인쇄회로기판(printed circuit board)에 차동 마이크로폰이 설치되는 것을 특징으로 한다.

동심원 고리 형태의 마이크로폰 전극들은, 인쇄회로기판에 고정되는 동안 상기 부품들이 정렬될 필요가 없다는 이점을 가지므로, 로봇에 의한 단순한 조립이 가능하다. 제 1 고리모양 홈에 의하여 마이크로폰이 하우징 플랜지와 함께 자동으로 정확한 위치로 안내되는 결과를 야기하기 때문에, 단순한 조립공정은 제 1 고리모양 홈에 의하여 추가로 더 단순해진다.

본 발명에 따른 광음향 가스 센서의 다른 바람직한 실시예들 및 바람직한 개발형태는 청구항 제 5 항 내지 제 9 항과 같이 청구된다.

대표적인 실시예 및 도면들을 참고하여 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

도 1에서 도시된 광음향 가스 센서는 측정 셀(1), 참조 셀(2), 상기 2개의 셀(1, 2) 사이에 배열되어 양쪽 방향으로 지향된 차동 마이크로폰(3), 상기 측정 셀(1)에 맞물린 소형백열램프(miniature incandescent lamp)(4), 및 측정 셀(1)의 측벽에 배열된 창 위에 있는 상기 소형백열램프(4)를 통하여 방출된 방사광(radiation)을 모으기 위한 반사재(reflector)를 갖춘 반사재 하우징(reflector housing)(5)을 포함하며, 상기 측정 셀(1)은 상기 소형백열램프(4)를 향하고 있으며, 그 안에 적외선 대역통과 필터(infrared bandpass filter)(6)가 삽입되어 있다. 측정 셀(1)과 참조 셀(2)은 디자인과 치수상 절대적으로 동일하다. 측정 셀(1)과 참조 셀(2) 둘 다 가스투과막(gas-permeable membrane)(7 또는 7')이 삽입되어 있는 홀(hole)을 갖춘 외부 측벽 하나씩을 구비한다. 차동 마이크로폰(3)은 인쇄회로기판(8) 위에서 고정되고, 상기 차동 마이크로폰(3)의 2 개의 면 위에서 각각 (선택적으로) 씰(seal)(9)이 제공된다. 소형백열램프(4)도 역시 인쇄회로기판에 고정되며, 상기 인쇄회로기판은 도면부호(10)로서 표시된다.

소형백열램프(4)는 적외선 대역 내의 광역 스펙트럼에 걸치는 빛을 방사한다; 대부분의 경우 적외선 대역의 스펙트럼 선이 가스 검출을 위하여 사용된다. 적외선 대역통과 필터(6)는, 가스가 검출되는 특징이 있는 통과대역, 즉 CO₂ 검출을 위한 4.25㎛ 근처, NH₃ 검출을 위한 10㎛ 근처, 그리고 CH₄ 검출을 위한 3.4㎛ 근처의 좁은 스펙트럼 대역의 형태로 되어 있는 통과대역을 갖는다. 검출된 가스는 2 개의 가스투과막(7 및 7')을 통과하여 측정 셀(1)과 참조 셀(2) 안으로 각각 이동한다. 측정 셀(1) 내에 있는 가스는 소형백열램프(4)의 기본적인 빛에 의해 조명된다. 가스는 빛의 발산를 흡수하며 그 결과 가열된다. 이는 열팽창을 야기하고, 빛의 발산의 조정에 상응하여 주기적인 압력의 변동을 야기하므로, 그 결과 강도가 가스의 농도에 정비례하는 음압파를 일으킨다.

외부로부터 막들(7, 7')을 치는 간섭음(interference sound)은 상기 막들에 의하여 희석되고 각각의 경우에 측정 셀(1)과 참조 셀(2) 내부에서 동일한 강도를 갖추는 것으로 보인다. 따라서, 전기적으로 제거되어야 하는 넓은 신호의 제조 없이, 마이크로폰(3)의 막 위에서 상기 간섭음이 직접 보정된다. 마이크로폰 막(microphone membrane)의 양쪽 면에서 동일한 압력의 파동이 일어나기 때문에, 간섭음에 의하여 발생한 신호들은 직접적이고 물리적으로 막의 양쪽 면에서 제거되고, 그 결과 마이크로폰 막은 처음부터 전혀 편향되지 않는다. 따라서 마이크로폰 막은 가스에 의하여 측정 셀(1) 안에서 직접 야기된 음압, 즉 원하는 농도에 의해 야기된 음압을 생성한다.

마이크로폰(3)은 모바일 폰에서 사용되는 소위 잡음 제거 마이크로폰일 수 있다. 만약 상기 마이크로폰이 차동 마이크로폰으로써 사용되고 음향적으로 사실상 폐쇄된 2개의 셀 사이, 특히 측정 셀(1)과 참조 셀(2) 사이에서 설치된다면, 이 는 발명의 목적에 부합하는 매우 좋은 특징을 갖는 것이다.

도 2는 마이크로폰(3)의 단면도를 도시한다. 도면에서 도시된 바와 같이 상기 마이크로폰은, 한쪽 면이 열린 상자 형태의 하우징으로, 상기 하우징 베이스가 마이크로폰의 전면 형태인 하우징(G)을 포함한다. 상기 하우징의 베이스에는, 소리가 마이크로폰 막(13)을 통과하기 위한 홀(11)들이 제공되며, 상기 마이크로폰 막은 하우징의 베이스(10)와 금속 배후 전극(back electrode)(12) 사이에서 죄어지며, 금속피막 플라스틱(metalized plastic)으로 구성된다. 하우징의 측벽(18)은 마이크로폰의 후면 위에서 펼쳐져 있으며 소위 백포트들(back port)(15)이라고 불리는 작은 이퀄라이저 홀(equalization hole)이 제공되는 배후 벽(14)에 고정되며, 그리고 금속 배후 전극(12)을 향하는 내부면 위에서는 FET(16)를 수반하도록 맞추어지며, 외부면 위에서는 2개의 원형 전극(circular electrode)(17 및 19)을 수반한다.

백포트들(15)은 낮은 주파수용으로 충분히 크며, 그리고 마이크로폰(3)의 주파수 응답을 저역 차단 주파수까지는 일정하게 한다. 상기 저역 차단 주파수는 막(13)의 커패시턴스에 의하여, 그리고 사용되는 임피던스 컨버터의 입력 임피던스에 의하여 제어되며, 10Hz 보다 상당히 낮고, 1 내지 4Hz 사이가 바람직하다. 그 결과 신호는 약 20 내지 30Hz의 유용한 주파수에서는 저역 차단 주파수에 의해 거의 영향을 받지 않을 것이다.

마이크로폰(3)은 인쇄회로기판(8) 위에 고정되며, 상기 인쇄회로기판은 고리모양 홈(22)의 바닥으로부터 상기 인쇄회로기판(8)을 통과하는 다수의 홀(23)들을 갖춘 고리모양 홈(22) 뿐만 아니라 마이크로폰(3)의 플랜지를 위치시키기 위한 고리모양 홈(19), 2 개의 고리모양 전극(17 및 18) 각각을 위한 고리모양 접촉 웹(annular contact web)(20 및 21)을 갖는다. 상기 홀(23)들과 상기 고리모양 홈(22)은, 인쇄회로기판(8) 내부에 있는 어떤 홀들과 정렬되어야 할 필요 없이, 백포트들(15)의 뒷면으로부터 공급되는 공기와 소리를 통과시키게 한다.

마이크로폰(3)과 인쇄회로기판(8)은, 이를 맞추는 공정에 있어서 정렬시킬 필요가 없으며, 그 결과 이는 로봇을 이용하여 조립하는 것을 용이하게 한다. 또한, 조립 공정은 고리모양 홈(19)에 의하여 단순해지며, 상기 고리모양 홈은 마이크로폰(3) 위에 있는 하우징 플랜지가 맞추어지기 위한 정확한 위치에 있도록 자동으로 안내한다. 전도성 있는 에폭시에 의하여 고리모양 전극들(17 및 18)은 인쇄회로기판(17)에 접착되며 전기적으로 연결된다. 측정 셀(1), 참조 셀(2) 및 반사재 하우징(5)의 외부 윤곽선은 완벽하게 동일하며, 그 결과 필요한 기계 가공을 최소화로 줄여서 외형을 성형하는 비용을 효과적으로 하면서 부품들을 제조할 수 있다.

센서의 각각의 구성요소들, 즉 하우징을 갖춘 반사재(5), 측정 셀(1)과 참조 셀(2)을 위한 2 개의 셀 몸체, 대역 통과 필터(6), 마이크로폰(3), 및 소형백열램프(4)들은 가스 센서를 위한 제조 공정 동안 제조/공급된다. 대역 통과 필터(6)는 측정 셀(1)에 접착되며, 그 다음 마이크로폰(3)은 인쇄회로기판(8)에 고정된다. 측정 셀(1)과 참조 셀(2)은 알루미늄 또는 아연 다이캐스팅이 바람직하다.

그 다음, 도 4에서 볼 수 있듯이, 상기 요소들이 함께 결합되어 측정 모듈 (measurement module)(M)의 형태를 이루며, 상기 측정 모듈은 도 3에서 도시된 것과 같은 일련의 공정에 의하여 생성된다. 맞추어진 마이크로폰의 인쇄회로기판(8)을 구비한 하나의 참조 셀(2), 측정 셀(1), 내부에 소형백열램프(4)가 삽입되고 반사재(24)를 포함한 반사재 하우징(5), 그리고 소형백열램프가 위치한 인쇄회로기판(10)은 각각 연결되어 기둥(stack)과 같은 형태를 가지며, 요소들을 접착하거나 또는 함께 조임으로써 연결된다. 전자의 경우, 접착에 의한 연결은 셀 몸체들(1 및 2)의 내부를 밀봉하기 때문에 씰(9)은(도 1) 필요 없다. 함께 죄는 것은, 예를 들면 클립과 같은 스프링 요소에 의하여 수행되며, 이러한 스프링 요소는 센서 길이방향(도 3의 화살표 방향)으로 작용한다.

그 다음 막들(7, 7')은 완성된 측정 모듈(M)의 측정 셀(1)과 참조 셀(2) 안으로 삽입되며, 그리고 최종적으로 측정 모듈(M)이 모듈 인쇄 회로 기판(module printed circuit board)(P)에 맞추어 지며, 상기 모듈 인쇄 회로 기판은 접착 또는 땜에 의하여 고정될 수 있다. 미리 조립된 측정 모듈(M)은 완성된 것이고 작동 가능한 것이며, 모듈 인쇄 회로 기판(P)에 고정되기 전에 하나의 유닛으로서 미리 테스트받을 수 있다. 마이크로폰(3), 반사재(24), 및 소형백열램프(4)의 오차 또는 정렬의 문제 없이, 측정 모듈(M)은 요구되는 다른 어떠한 인쇄회로기판에 하나의 구성요소와 같이 서브 모듈(sub-module)로 설치될 수 있다.

마이크로폰과 소형백열램프를 기초가 되는 인쇄회로기판에 고정하고, 그 다음 측정 셀이 상기 구성요소의 주변에 각각 맞추어지는 이미 공개된 제조방법보다, 본 발명에서 개시한 센서의 제조가 상당히 단순하고 비용면에서 효과적인 것은 분명하다.

Claims (9)

1. 측정 셀(1) 및 참조 셀(2), 그리고 상기 측정 셀(1)과 상기 참조 셀(2) 사이의 압력 차이를 측정하기 위한 발산 소자 및 차동 마이크로폰(3)을 구비한 광음향 가스 센서에 있어서,

   상기 차동 마이크로폰(3)이 모바일 폰에 사용되는 유형의 소위 잡음 제거 마이크로폰으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 차동 마이크로폰(3)의 저역 차단 주파수가 10Hz보다 낮으며, 바람직하게는 1 내지 4Hz 사이인 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 차동 마이크로폰(3)이 동심원 고리 형태의 전극들(17, 18)을 갖는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 차동 마이크로폰(3)이 상자 형태의 하우징(G)을 가지며,

   상기 하우징 베이스가 상기 마이크로폰의 전면을 형성하고, 상기 마이크로폰의 후면은 배후 플레이트(14) 고정을 위한 플랜지를 구비하는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 플랜지의 배치를 위해, 상기 차동 마이크로폰(3)이 제 1 고리모양 홈(19)을 구비한 인쇄회로기판(8) 위에 설치되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 배후 플레이트(14)에서 이퀄라이저 홀(equalization hole)(15)들이 제공되고,

   상기 인쇄회로기판(8)은, 상기 인쇄회로기판(8)을 관통하는 홀(23)들을 갖춘 제 2 고리모양 홈(22)을 수반하며,

   상기 제 2 고리모양 홈(22) 및 상기 홀(23)들은, 외측 영역으로부터 온 소리가 상기 이퀄라이저 홀(15)들까지 접근하도록 허용하는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 발산 소자가 인쇄회로기판(10) 위에 설치되어 있는 소형백열램프(4) 및 반사재 하우징(5) 내부에서 제공되는 반사재(24)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 측정 셀(1), 상기 참조 셀(2) 및 상기 반사재 하우징(5)이 동일한 외부 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 차동 마이크로폰(3)의 상기 두 면 위에 소형 실링 플레이트(9)가 제공되는 것을 특징으로 하는 광음향 가스 센서.

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