KR20120108169A - 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기를 이루는 밴드패스필터의 위치 및 써모파일의 구조를 개선하여 보다 높은 감도를 가지며, 동시에 보다 정확하고 섬세한 감지 능력을 발휘할 수 있도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치에 관한 것으로, 상기 광검출기는, 하부실리콘기판과, 상기 하부실리콘기판의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질과 제2열전물질로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀을 통해 상기 하부실리콘기판을 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 써모파일과; 상부실리콘기판과, 상기 상부실리콘기판의 하부에 적외선투과창을 구분지어 주고 상기 하부실리콘기판과의 열적 고립을 위하여 식각 형성된 에어갭으로 이루어진 밴드패스필터를 형성하고; 상기 써모파일과 밴드패스필터를 웨이퍼 본딩 하여 구성된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 공기 중의 특정 가스(CO2)의 농도를 측정하기 위한 비분산 적외선 가스 분석 장치(Non-dispersive Infrared Gas Analyzer: 이하 'NDIR' 이라고도 함)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광검출기를 이루는 밴드패스필터의 위치 및 써모파일의 구조를 개선하여 보다 높은 감도를 가지며, 동시에 보다 정확하고 섬세한 감지 능력을 발휘할 수 있도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치에 관한 것이다.
주지한 바와 같은 NDIR은 공기 중의 특정 가스(CO2)의 농도를 측정하기 위한 장치로, 종래의 NDIR을 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다.
종래의 NDIR(10)은 도 1 및 도 2에서와 같이, 상부케이스(20)와 하부케이스(30)가 밀폐 결합되어 구성되며, PCB(40)에 장착되고 주변회로와 연결되어 그 기능을 발휘하게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 상기 상부케이스(20)는 상단에 멤브레인(23)이 장착되는 장착부(21)가 형성되고, 상기 장착부(21)에는 공기가 유통되는 통공(22)이 마련된다.
상기 하부케이스(30)에는 약간 돌출 형성된 상단부(31)가 형성되고, 상기 상단부(31)의 일측에는 라운드형 경사부(32)가 형성되고, 상기 경사부(32)에는 적외선광원(60)이 삽입되는 광원삽입공(33)이 더 형성되며, 상기 상단부(31)의 타측에는 광검출기(50)가 삽입되는 광검출기 안착공(34)이 형성된다.
이와 같이 구성된 NDIR(10)은 PCB(40) 상에 일정간격을 두고 고정 설치된 광검출기(50)와 적외선광원(60)에 결합 장착되는 데, 먼저 상부 케이스(20) 및 하부케이스(30)를 결합한 후, 상기 하부케이스(30)의 광검출기 안착공(34)과, 광원삽입공(33)에 각각 PCB(40) 상의 광검출기(50) 및 적외선광원(60)을 삽입 장착하여 결합한다.
따라서 이의 동작을 도 3의 단면도를 참조하여 살펴보면, 적외선 광원(60)으로부터 발산된 적외선광은 NDIR(10)의 내부공간을 통하고, 빛반사부(25)를 거쳐 광검출기(50)로 조사된다.
따라서 광검출기(50)는 상기 적외선 광원(60)으로부터 조사된 적외선 광을 수광하게 된다.
이때 상부케이스(20)의 멤브레인(23) 및 통공(22)을 통해 외부 공기가 유입되고 이에 포함된 이산화탄소(CO2)가 유입되면, 상기 이산화탄소(CO2)의 농도(입자)에 따라 적외선광은 빛의 직진성(투과량: 산란현상)이 가변되어, 상기 광검출기(50)에서 수광되는 빛의 양이 달라지게 된다.
따라서 상기 광검출기(50)는 빛의 수광량에 따라 현재 공기 중의 포함된 이산화탄소(CO2)의 양(농도)을 검출하게 되는 것이다.
여기서 상기 광검출기(50)의 구성을 도 4를 통하여 살펴보면, 상기 광검출기(50)는 광을 검출하는 써모파일(51)과, 상기 써모파일(51)의 보호와 외부공기 차단 및 밀폐성을 부여하기 위한 메탈 패키지(52)와, 상기 메탈 패키지(52)의 상부에 적외선이 통과하도록 형성된 윈도우(52a)와, 상기 윈도우(52a)에 특정파장(4.26um)을 갖는 적외선만 통과하도록 장착되는 밴드패스 필터(CO2 필터)(53)로 구성된다.
부호 54는 베이스, 55는 써미스터, 56은 와이어, 57은 단자이다.
그러나 상기 종래의 광검출기(50)는, 밴드패스필터(53)를 상기 메탈 패키지(52)에 부착하기 위하여 상기 메탈패키지(52)의 외경에 상기 밴드패스필터(53)를 접착할 수 있도록 일부 공간을 만들어야 하고, 이로 인해 적외선이 통과하는 윈도우(52a)는 사이즈에 제약을 받을 수밖에 없었다.
또한, 도 5에서와 같이 상기 윈도우(52a)의 상면 및 메탈 패키지(52) 외각에 도달하는 적외선 모두가 상기 메탈패키지(52)에 의해 차단되기 때문에 전체 적외선 양의 상당 부분을 실제 써모파일(51)에서 읽어 들일 수 없는 문제점이 발생되었다.
결국, 종래의 NDIR은 감도 효율이 크게 떨어지는 현상이 발생된 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 NDIR에 있어서, 광검출기를 이루는 밴드패스 필터의 위치 및 써모파일의 구조를 개선하여 보다 높은 감도를 가지며, 동시에 보다 정확하고 섬세한 감지 능력을 발휘할 수 있도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, NDIR에 있어서, 광검출기를 이루는 써모파일을 적외선 투과 재료인 실리콘 필터로 웨이퍼 레벨 패키징 하여 모든 방향에서 들어오는 적외선을 모두 수광할 수 있도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, NDIR에 있어서, 밴드패스 필터는 적외선 광원 앞단에 배치되거나, 직접 써모파일을 진공 패키지하는 캡 웨이퍼로 사용되도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상단에 멤브레인이 장착되는 상부케이스와, 상기 상부케이스에 결합되고 일측에는 적외선광원이 삽입되는 광원삽입공이 형성되고 타측에는 광검출기가 삽입되는 광검출기 안착공이 형성되는 하부케이스와, PCB 상에 일정간격을 두고 고정 설치된 광검출기와 적외선광원을 포함하고, 상기 적외선광원으로부터 조사된 광이 상기 상부 및 하부케이스가 이루는 광공동을 통해 광검출기로 수광되도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치에 있어서, 상기 광검출기는, 하부실리콘기판과, 상기 하부실리콘기판의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질과 제2열전물질로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀을 통해 상기 하부실리콘기판을 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 써모파일과; 상부실리콘기판과, 상기 상부실리콘기판의 하부에 적외선투과창을 구분지어 주고 상기 하부실리콘기판과의 열적 고립을 위하여 식각 형성된 에어갭으로 이루어진 밴드패스필터를 형성하고; 상기 써모파일과 밴드패스필터를 웨이퍼 본딩 하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 상기 밴드패스필터는 전면적이 적외선이 통과하는 소재인 실리콘 또는 게르마늄으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 상기 밴드패스필터는 상기 적외선광원의 앞단에 배치되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 종래의 비분산 적외선 가스 분석장치에 비하여 더욱 높은 감도를 얻어 정밀하고 정확한 측정능력을 가질 수 있게 된다.
또한 본 발명은 웨이퍼 패키징 시에 진공 상태에서 제작하는 경우, 종래 메탈 패키지에 비해 더욱 더 높은 감도를 얻을 수 있는 것으로 확인 되었다.
도 1은 종래의 비분산 적외선 가스 분석 장치의 분해 사시도,
도 2는 상기 도 1의 결합 사시도,
도 3은 상기 도 2의 측단면도,
도 4는 종래의 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 구성도,
도 5는 상기 도 4의 동작 상태도,
도 6은 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 동작상태도,
도 8a 내지 도 8j는 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 제작공정을 보여주는 단면도이다.
도 2는 상기 도 1의 결합 사시도,
도 3은 상기 도 2의 측단면도,
도 4는 종래의 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 구성도,
도 5는 상기 도 4의 동작 상태도,
도 6은 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 동작상태도,
도 8a 내지 도 8j는 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 제작공정을 보여주는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치는,
상단에 멤브레인(23)이 장착되는 상부케이스(20)와, 상기 상부케이스(20)에 결합되고 일측에는 적외선광원(60)이 삽입되는 광원삽입공(32)이 형성되고 타측에는 광검출기(300)가 삽입되는 광검출기 안착공(34)이 형성되는 하부케이스(30)와, PCB(40) 상에 일정간격을 두고 고정 설치된 광검출기(300)와 적외선광원(60)을 포함하고, 상기 적외선광원(60)으로부터 조사된 광이 상기 상부 및 하부케이스(20)(30)가 이루는 광공동을 통해 광검출기(300)로 수광되도록 한 NDIR(10)에 있어서(도 1 참조),
상기 광검출기(300)는,
하부실리콘기판(100)과, 상기 하부실리콘기판(100)의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질(104)과 제2열전물질(105)로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막(106)과, 상기 절연막(106) 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀(107)(107)을 통해 상기 하부실리콘기판(100)을 식각시켜 형성한 에어갭(108)을 포함하여 된 써모파일(110)과, 상부실리콘기판(200)과, 상기 상부실리콘기판(200)의 하부에 적외선투과창(203)을 구분지어 주고 상기 하부실리콘기판(100)과의 열적 고립을 위하여 식각 형성된 에어갭(202)으로 이루어진 밴드패스필터(210)를 형성하고,
상기 써모파일(110)과 밴드패스필터(210)를 웨이퍼 본딩 하여 구성한다.
여기서 상기 밴드패스필터(210)는 전면적이 적외선이 통과하는 소재, 예를 들어 실리콘(Si) 이나 게르마늄(Ge) 등의 소재로 구성된다.
또한 본 발명은 상기 밴드패스필터(210)를 상기한 바와 같이 써모파일(110)에 진공 패키지하는 캡 웨이퍼로 사용하거나, 또는 상기 적외선광원(60)의 앞단에 배치하여 사용될 수 있도록 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르자면, 도 7에서와 같이 적외선광원으로부터 조사된 빛이 모든 방향에서 상기 밴드패스필터(210)를 통해 수광됨으로써 그 수광감도를 향상시킬 수 있게 된다.
도 8a 내지 도 8j는 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 분석 장치의 광검출기의 제작공정을 보여주는 단면도이다.
먼저, 도 8a에서와 같이 하부 실리콘 기판(100)의 상하부에 제1산화막(101)과 질산막(102)을 증착한다.
그리고 도 8b에서와 같이 상기 질화막(102) 상부에 제2산화막(103)을 증착하여 다이아프레임막을 형성한다.
다음으로, 도 8c에서와 같이 상기 제2산화막(103) 상부에 제1열전물질(104)과 제2열전물질(105)을 소정의 형태로 증착하여 복수의 열전쌍 구조를 형성한다.
다음으로, 도 8d에서와 같이 상기 열전쌍 상부에 절연막(106)을 증착하여 준다.
다음으로, 도 8e에서와 같이 상기 절연막(106) 및 다이아프레임막에 에치홀(17)(17)을 부분을 패터닝해준다.
다음으로, 도 8f에서와 같이 습식식각을 통해 하부실리콘기판(100)을 식각(108)하여 써모파일(110)을 제작 완료한다.
이와 같이 하부실리콘 기판(100)을 통한 써모파일(110)의 제조가 완료되면, 다음으로 도 8g에서와 같이 밴드패스필터(210) 역할을 수행할 상부실리콘기판(200)을 제조한다.
여기서 상기 상부실리콘기판(200)은 전면적이 적외선이 통과하는 소재, 예를 들어 실리콘(Si) 이나 게르마늄(Ge) 등의 소재로 구성된다.
그리고 도 8h에서와 같이 상부실리콘기판(200)의 하부에 적외선투과창(203)을 구분지어 주고 하부실리콘기판(100)과의 열적 고립을 위하여 에어갭(air gap)(202) 형성을 위한 식각을 수행하여 밴드패스필터(210)의 제조를 완료한다.
상기 실리콘기판은 자체적으로 가시광선은 막아주고 적외선만 투과시키는 특성이 있기 때문에 특정영역에서 적외선의 투과율을 높이고자 해당영역(투시창(203))을 식각하는 것이다.
이와 같이 밴드패스필터(210)의 제조가 완료되면, 도 8i에 도시된 바와 같이 써모파일(110)과 밴드패스필터(210)을 웨이퍼 본딩 하여 광검출기(300)로의 주요구성을 완료한다.
그런 다음, 도 8j에 도시된 바와 같이 하부실리콘기판(100)의 패드를 베이스(302)의 단자에 와이어(301) 본딩하여 전기적으로 연결하여 광검출기(300)의 제작을 완료한다.
다음으로, 상기 베이스(302)를 PCB(40)에 장착하여 광검출기(300)를 고정 설치한다.
이와 같이 구성된 본 발명 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치에 따르자면, 광검출기(300)를 이루는 밴드패스필터(210)의 위치 및 써모파일(110)의 구조를 개선하여 보다 높은 감도를 가지며, 동시에 보다 정확하고 섬세한 감지 능력을 발휘할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 상기 광검출기(300)를 이루는 써모파일을 적외선 투과 재료인 실리콘 필터로 웨이퍼 레벨 패키징 하여 모든 방향에서 들어오는 적외선을 모두 수광할 수 있게 된다.
100: 하부실리콘기판 101: 제1산화막
102: 질화막 103: 제2산화막
104: 제1열전물질 105: 제2열전물질
106: 절연박 107: 에치홀
108: 식각 200: 상부실리콘기판
201: 적외선투과창 202: 에어갭
300: 광검출기 301: 와이어
102: 질화막 103: 제2산화막
104: 제1열전물질 105: 제2열전물질
106: 절연박 107: 에치홀
108: 식각 200: 상부실리콘기판
201: 적외선투과창 202: 에어갭
300: 광검출기 301: 와이어
Claims (3)
- 상단에 멤브레인이 장착되는 상부케이스와, 상기 상부케이스에 결합되고 일측에는 적외선광원이 삽입되는 광원삽입공이 형성되고 타측에는 광검출기가 삽입되는 광검출기 안착공이 형성되는 하부케이스와, PCB 상에 일정간격을 두고 고정 설치된 광검출기와 적외선광원을 포함하고, 상기 적외선광원으로부터 조사된 광이 상기 상부 및 하부케이스가 이루는 광공동을 통해 광검출기로 수광되도록 한 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치에 있어서,
상기 광검출기는,
하부실리콘기판과, 상기 하부실리콘기판의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질과 제2열전물질로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀을 통해 상기 하부실리콘기판을 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 써모파일과;
상부실리콘기판과, 상기 상부실리콘기판의 하부에 적외선투과창을 구분지어 주고 상기 하부실리콘기판과의 열적 고립을 위하여 식각 형성된 에어갭으로 이루어진 밴드패스필터를 형성하고;
상기 써모파일과 밴드패스필터를 웨이퍼 본딩 하여 구성된 것을 특징으로 하는 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 밴드패스필터는 전면적이 적외선이 통과하는 소재인 실리콘 또는 게르마늄으로 구성된 것을 특징으로 하는 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 밴드패스필터는 상기 적외선광원의 앞단에 배치되는 것을 특징으로 하는 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020110025768A KR101202381B1 (ko) | 2011-03-23 | 2011-03-23 | 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치 |
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|---|---|---|---|
| KR1020110025768A KR101202381B1 (ko) | 2011-03-23 | 2011-03-23 | 써모파일을 이용한 비분산 적외선 가스 분석 장치 |
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| KR101202381B1 KR101202381B1 (ko) | 2012-11-16 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018066930A1 (ko) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | 주식회사 템퍼스 | 일체형 가스 센서 구조체 및 적외광 발광 모듈 |
| KR20220151737A (ko) * | 2021-05-07 | 2022-11-15 | 한국과학기술원 | 초소형 온칩 광 센싱을 위한 광 검출 소자 및 goi 디바이스, 및 그의 제조 방법 |
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-
2011
- 2011-03-23 KR KR1020110025768A patent/KR101202381B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
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| US11860109B2 (en) | 2021-05-07 | 2024-01-02 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Optical detection element and GOI device for ultra-small on-chip optical sensing, and manufacturing method of the same |
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| Publication number | Publication date |
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| KR101202381B1 (ko) | 2012-11-16 |
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