KR20180056403A - 가스 센서 모듈 - Google Patents
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Abstract
기판(2) 상에 일체화되는 가스 센서 모듈(1)은, 방사선을 방출하는 적어도 하나의 방사선 소스(3); 방사선의 적어도 일부분을 검출하는 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4); 및 방사선 소스(3)로부터 방사선 검출기 유닛(4) 까지의 적어도 하나의 방사선 경로(X)를 제공하는 방사선 셀(5)을 포함한다. 기판(2)에는 오목부(20)가 제공되어 있고, 방사선 경로(X)는 오목부(20) 내에서 진행한다.
Description
본 발명은 가스 센서 모듈, 특히, 시험 매체 내에 있는 CO2 가스와 같은 가스의 농도를 확인하기 위한 광학식 가스 센서 모듈에 관한 것이다.
US2009/0039267 A1에는, 가스 농도를 결정하기 위한 가스 센서 장치가 개시되어 있다. 특정한 반사기 모듈을 사용하여, 특히 컴팩트한 가스 센서 설계가 US2009/0039267 A1에 따라 달성된다.
DE 100 84 211 B4에도 가스 센서 장치가 개시되어 있다. 여기서, 가스 센서 장치는 광원, 결정될 매체를 위한 측정 캠버, 필터 장치, 및 측정 셀 장치를 포함한다. 필터 장치는 복수의 필터로 이루어지고, 측정 셀 장치는 필터 당 하나의 측정 셀을 포함하고 있으며, 그래서 하나의 측정 셀 및 하나의 필터를 포함하는 측정 장치는 다른 스펙트럼 민감도를 갖게 된다. 또한, 측정 신호의 차가 추가 측정 기구에 의해 결정되는 것이 나타나 있다.
본 발명의 목적은, 더 컴팩트한 설계를 갖는 가스 센서 모듈을 제공하는 것이다.
위의 목적은 청구항 1에 따른 가스 센서 모듈로 달성된다. 이에 따르면,가스 센서 모듈은 인쇄 회로 기판(PCB) 캐리어 상에 일체화되고,
- 방사선을 방출하는 적어도 하나의 방사선 소스;
- 상기 방사선의 적어도 일부분을 검출하는 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛; 및
- 상기 방사선 소스로부터 방사선 검출기 유닛까지의 적어도 하나의 방사선 경로를 제공하는 방사선 셀을 포함한다.
전술한 목적은, 기판에는 오목부가 제공되어 있고, 상기 가스 센서 모듈은, 상기 적어도 하나의 방사선 경로의 적어도 일부분이 상기 오목부를 통해 또는 안으로 진행하도록 구성(즉, 설계)되어 있음으로 해서 달성된다.
본 발명과 관련하여, 어떤 실시 형태에서, "기판(board)" 이라는 용어는, 회로 기판, 바람직하게는 인쇄 회로 기판, 또는 회로가 장착되는 기판을 말하며, 또는 카드일 수도 있다. 기판은 단단하거나 가요적일 수 있다.
본 발명과 관련하여, 어떤 실시 형테에서, "오목부"라는 용어는 기판을 관통하는 관통 개구일 수 있고, 어떤 실시 형태에서는, 절취부일 수 있다. 그러나, 오목부는 기판의 일측으로부터 시작하는 만입부일 수도 있는, 즉 관통 개구가 아닐 수 있다. 그러나, 가장 바람직하게는, 오목부는 기판의 제 1 측면으로부터 기판의 제 2 측면으로 연장되어 있는 관통 개구이다. 어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 방사선 경로가 오목부 안으로 연장되어 있거나 그 오목부를 통해 진행하며, 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛은 그 오목부의 외부에 배치된다. 어떤 실시 형태에서, 오목부는 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛의 적어도 일부분, 바람직하게는, 방사선 검출기 유닛의 적어도 일부분 및/또는 바람직하게는 반사기 캡슐, 방사선 필터 장치 및/또는 아래에서 언급하는 다른 것과 같은 추가의 바람직한 구성품의 적어도 일부분을 수용하도록 성형될 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛은 적어도 부분적으로 또는 완전히 상기 오목부에 배치된다.
오목부의 전형적인 칙수(기판 방향의 치수)는 10 mm 내지 100 mm일 수 있다. 절취부는 모듈의 전용된 사용에 따라 더 크거나 더 작을 수 있다.
본 발명과 관련하여, "방사선 소스"라는 용어는, 단일 소스, 또는 복수의 방사선 소스, 예컨대 일련의 또는 일군의 동일하거나 서로 다른 방사선 소스일 수 있다. 방사선 소스는 레이저 처럼 협대역 소스이거나, 광 전구, 예컨대 백열광 전구 처럼 광대역 소스일 수 있다. 방사선 소스 내에 존재하는 CO2 가스의 농도를 확인하기 위한 적외선 소스가 바람직하다.
본 발명과 관련하여, "방사선 셀"이라는 용어는, 시험 매체를 위한 공간 또는 챔버를 의미하는 것으로 이해하면 되고, 시험 매체는 예컨대 어떤 농도로 시험 매체에 존재하는 측정될 가스, 예컨대, CO2 가스를 함유하는 가스 혼합물일 수 있다. 가스 센서 모듈은, 방사선 검출기 유닛에 의해 검출 가능한 흡수 및 방출 효과가 일어나는 것을 보장하기 위해 방사선 경로가 시험 매체를 통해 안내되도록 설계되어 있다. "방사선 셀" 이라는 용어는 또한 광학 셀을 말할 수 있다. 다시 말해, 방사선 셀은 방사선 경로를 포함하는 공간이다.
바람직하게는, 방사선 셀을 한정하는 경계면은, 방사선 검출기 유닛이 받은 방사선의 입사 강도를 강하게 하기 위해 방사선 소스에서 방출되어 검출기 유닛에 수용되는 방사선의 적어도 일부분에 대해 반사성을 적어도 부분적으로 반사적이다. 이 경우, 가스 센서 모듈의 민감성이 증가된다.
그러므로, 본 발명은 기판에 오목부가 형성될 수 있고 이 오목부를 통해 형성된 추가 공간은 적어도 하나의 방사선 경로의 적어도 일부분을 위한 공간으로 사용되는, 즉 방사선 셀의 일부분이라는 지견에 기초하고 있다. 바람지하게는, 상기 추가 오목부 공간은 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 가스 센서 모듈의 구성품을 수용하기 위해 더 사용될 수 잇다. 실제로, 이 구성에 의해 가스 센서 모듈의 전체 높이가 감소되는데, 즉 특히 컴팩트한 설계가 가능하게 된다. 다시 말해, 조립된 가스 센서 모듈의 전체 두께가 감소된다.
방사선 소스 및/또는 검출기 유닛은, 오목부의 경계를 이루는 측방 가장자리에 배치되어 또는 오목부의 바닥에 배치되어 오목부에 배치될 수 있다. 가장자리 면에는, 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛이 배치될 수 있는 하나 이상의 단차부가 제공될 수 있다. 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛은 기판의 제 1 및/또는 제 2 측면에도 부착될 수 있고 오목부 안으로, 즉 보도의 제 1 및 제 2 측면을 포함하는 면 및 가장자리 면으로 형성되는 공간 안으로 연장될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛은, 오목부 위에서 가장리 면을 넘어 연장되도록 기판의 제 1 및/또는 제 2 측면에 배치될 수 있다. 이러한 장착을 "오버행" 장착이라고 한다(아래 참조). 그래서, 방사선은 기판의 제 1 및 제 2 측면에 수직인 방향으로부터 방출되거나 그 방향으로 수용될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 기판은 제 1 측면과 제 2 측면을 가지며, 상기 방사선 소스 및 적어도 하나의 검출기 유닛은 상기 제 1 및 제 2 측면의 동일한 측에 배치되거나 기판의 상기 제 1 및 제 2 측면의 반대 측에 배치된다. 상기 방사선 소스 및 적어도 하나의 검출기 유닛이 동일한 측에 배치되는 경우, 방사선이 오목부에 들어갈 때(즉, 적어도 하나의 방사선 경로의 일부분이 상기 오목부 안으로 연장되어 있거나 그를 통해 진행할 때), 이 바로 그 방사선은 적절히 배치된 반사기에 의해 검출기 유닛 쪽으로 되 반사될 수 있다. 이러한 반사기는 예컨대 오목부 안에 또는 방사선 소스에 대해 기판의 다른 측에 배치되어 있는 방사선 캡슐의 일부분의 내면일 수 있다.
방사선 소스 및 검출기 유닛은 상기 오목부의 동일한 측 및 기판의 동일한 또는 반대 측에 배치될 수 있다.
그러나, 바람직하게는, 방사선 소스 및 검출기 유닛은 오목부의 반대 측에 배치되는데, 즉 그것들은 기판의 제 1 및/또는 제 2 측면의 방향으로 오목부의 틈새를 가로질러 바람직하게는 직경방향으로 서로 이격되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선 소스 및/또는 적어도 하나의 검출기 유닛은 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 상기 오목부 내에 배치된다. 이것이 특히 바람직한 실시 형태인데, 상기 구성품들을 오목부에 매립함으로써 가스 센서 모듈의 컴팩트성이 더 개선되기 때문이다. 어떤 실시 형태에서, 방사선 소스는 기판의 제 1 측면에 배치될 수 있고 적어도 하나의 검출기 유닛은 기판의 제 2 측면에 배치될 수 있으며, 제 2 측면은 기판의 제 1 측면의 반대편에 있다. 따라서, 오목부는 홈통 개구일 수 있고, 방사선은 소스로부터 검출기까지 직접 또는 하나 이상의 반사로 오목부를 통해 안내되며, 반사는 예컨대 방사선 캡슐에서 일어난다.
방사선 소스와 검출기 유닛 모두를 기판의 동일한 측에 배치하는 것도 가능하다. 이 경우, 모듈은, 적어도 하나의 방사선 경로가 오목부에서 진행하고 하나 이상의 반사로 되반사되어 검출기 유닛으로 가도록 설계된다.
또한, 방서선 소스 및/또는 검출기 유닛을 기판의 양 측에 배치하는 것이 가능하며, 이러면, 모듈의 효율이 더 증가된다. 어떤 실시 형태에서, 방사선 셀은 방사선 캡슐에 의해 한정되며, 방사선 캡슐은 방사선 경로를 에워싸고, 방사선 캡슐은 바람직하게는 내면의 적어도 일부분으로, 바람직하게는 전체로 상기 검출 가능한 방사선의 적어도 일부분을 상기 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛 쪽으로 반사시키도록 구성되어 있다. 방사선 캡슐은 광학 캡슐일 수 있다. 이 캡슐은 방사선 소스, 방사선 검출기 유닛 및/또는 방사선 필터 장치를 수용할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 방사선 캡슐은 하나 이상의 제 1 및 제 2 쉘로 형성되어 있다. 이러한 모듈형 설계에 의해, 신뢰적인 제품의 비용 효율적인 제조 및 조립이 가능하게 된다.
어떤 실시 형태에서, 제 1 및 제 2 쉘은 상기 내면을 제공하고, 이 내면은 적어도 부분적으로 상기 방사선 셀의 경계를 이룬다. 방사선 셀은 민감한 센서 부품을 위한 격납부를 형성하고, 이 격납부는 기계적 손상 및 환경적 조건으로부터의 보호를 제공한다. 중요하게는, 방사선 셀은 검출기 유닛이 민감할 수 있는 누설 방사선으로부터 차폐될 수 있다. 더욱이, 방사선 셀의 내면은, 방사선에 대한 미러를 형성하도록 반사적이도록 설계될 수 있고, 그래서, 반사로 인해, 가능한 방사선 경로의 수가 증가되고 또한 평균 방사선 경로가 길어져, 즉 흡수 경로가 증가되어, 흡수 효과가 증가되고 그 결과 센서 신호가 더 강하게 됨에 따라, 가스 센서 모듈의 효율과 민감성이 더 향상된다. 더욱이, 방사선 소스가 기판 면에 배치되면, 양측으로 기판 면 외부에 있는 방사선 경로는 상기 반사에 이용 가능하게 된다.
따라서, 방사선 셀은 방사선 소스의 방사선 출력을 방사선 검출기 유닛에 집속시키도록 설계될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선 캡슐은 단일의 제 1 쉘 및 단일의 제 2 쉘로 형성되고, 단일의 제 1 및 제 2 쉘은 거울 반전형 설계를 갖도록 구성되어 있다. 이리하여, 특히 효율적인 제조 및 견고한 조립 공정이 가능하게 된다.
어떤 실시 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 쉘은 금속으로 만들어지거나, 적어도 부분적으로 금속화된 내면을 포함한다. 그리하여, 반사성 내면이 제공될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 쉘은 플라스틱으로 만들어지지고, 또한 특히 적외선 반사를 최대화하기 위해 상기 제 1 및 제 2 내면에서 금속 코팅으로 피복되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선 캡슐은 적어도 부분적으로 상기 오목부 안에 들어가 있다. 그 오목부는 바람직하게는 기판을 관통하는 관통 개구이거나 그 기판의 절취부일 수 있고, 관통 개구는 방사선 경로를 에워싼다. 다시 말해, 오목부는 방사선 캡슐이 기판에 장착되도록 방사선 캡슐을 수용할 수 있다. 방사선 캡슐이 오목부 안에 들어감으로써, 가스 센서 모듈의 전체 높이가 감소될 수 있다.
방사선 소스 및 방사선 검출기 유닛은 기판의 반대 측에서 오목부의 동일한 측(즉, 기판을 가로질러 직접 반대편의 지점)에 배치될 수 있다. 이 경우, 오목부는 슬롯형일 수 있고, 이 슬롯은 부분적으로 상기 방사선 소스 및 방사선 검출기 유닛을 에워싼다. 바람직하게는, 방사선 캡슐은 상기 슬롯을 통해 연장되어 있어, 슬롯을 따른 반사로 방사선 소스로부터 검출기 유닛까지의 방사선 경로를 가능하게 해준다.
어떤 실시 형태에서, 기판은 제 1 측면 및 제 2 측면을 가지며, 상기 기판의 제 1 및 2 측면에, 즉 기판의 양측면에 적어도 하나의 방사선 경로가 형성되도록, 상기 방사선 셀이 설계되어 있고 또한 상기 적어도 하나의 방사선 소스 및 상기 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛이 구성 및 배치되어 있고, 그리하여, 상기 적어도 하나의 방사선 소스에 의해 방출되는 방사선은 상기 기판의 제 1 및 2 측면 모두에서 검출 가능하다.
바람직하게는, 기판은 제 1 쉘과 제 2 쉘 사이에 배치된다. 어떤 바람직한 실시 형태에서, 제 1 및 제 2 쉘은 이들 쉘을 서로에 체결하기 위한 체결 구조를 포함한다. 바람직하게는, 체결 구조는 기판의 두께 편차에 상관 없이 제 1 및 제 2 쉘의 서로에 대한 잘 규정된 배치를 가능하게 한다. 그리하여, 방사선 셀의 기하학적 구조는 기판의 두께(또는 두께 편차)에 영향을 받지 않으며, 이는 광학적 정렬에 유리한데, 다시 말해, 캡슐은 두께 허용 공차를 갖는다.
어떤 실시 형태에서, 제 1 및 제 2 쉘은 조립되면 기판읊 수용하기 위한 슬롯을 형성한다.
제 1 쉘은 제 1 면을 제공하고 제 2 쉘은 제 2 면을 제공하며 제 1 및 제 2 면은 상측 및 하측 면에서, 기판의 두께 방향으로 슬롯의 폭을 규정하는 실시 형태가 특히 바람직하다. 캡슐과 기판 사이의 연결의 안정성을 더 개선하기 위해, 기판은 제 1 및 제 2 쉘의 제 1 또는 제 2 면에 부착될 수 있다. 이는 접착 또는 납땜과 같은 재료 끼워맞춤 또는 나사 결합 또는 다른 연결 기술에 의해 행해질 수 있다. 볼트 또는 오목부가 수직 방향으로 기판의 두께 보다 큰 연장을 갖는 경우에, 상측 또는 하측 면에 이렇게 기판을 모으는 것이 특히 유리하다.
예를 들면, 캡슐이 제 1 및 제 2 절반 쉘, 즉 바닥부와 덮개부로 이루어져 있는 경우, 하측부와 상측부는 슬롯이 캡슐 주위에 원주 방향으로 연장되어 형성되도록 서로에 체결될 수 있다. 슬롯은 일반적인 두께 편차를 갖는 기판을 수용하기에 충분히 넓을 수 있고, 이 PCB는 상측부 또는 하측부에 추가적으로 부착되는데, 즉 접착된다. 그리하여, 잘 규정된 캡슐이 형성되고, 두께 편차를 갖는 기판을 수용할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 방사선 소스는 광원, 특히 광대역 광원 또는 적외선 광원, 예컨대 백열광 전구, 바람직하게는 LED, MEMS 핫플레이트 또는 레이저 또는 이것들의 조합이다.
어떤 실시 형태에서, MEMS 핫플레이트는 방사선 소스로서 사용된다. 이러한 방사선 소스를 사용하면, 특히 평평한 설계의 가스 센서 모듈을 실현할 수 있다.
바람직하게는, 오목부의 측방 가장자리 영역에는, MEMS 핫플레이트가 오목부에 편리하게 배치될 수 있게 해주는 단차부가 제공될 수 있다. 또한, 그 단차부에 배치되는 판형 쉘로 캡슐이 형성될 수 있도록 단차부를 설계하는 것이 유리하다. 그리하여, 장치의 전체 높이가 더 감소된다. 이와 관련하여, 단차부는 오목부 주위에 원주 방향으로 연장되어 있거나 오목부의 두 반대 측에만 제공될 수 있다. 판형 쉘은, 방사선 셀이 2개의 판 및 오목부의 측면에 의해 형성되도록 오목부 위에 배치되고, 측면은 기판의 일부분이다.
그러나, MEMS 핫플레이트는 오목부를 한정하는 측면에도 배치될 수 있다.
대안적으로, MEMS 핫플레이트는 예컨대 오목부 안으로 돌출하는 돌출부에서 오목부를 에워싸는 캡슐에 배치될 수 있고, MEMS 핫플레이트가 적어도 부분적으로 오목부 안으로 돌출하도록 배치가 선택된다.
어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 방사선 소스는 홀더에 장착된다. 이 홀더는 기판 또는 방사선 셀에 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 방사선 소스(및 아래에서 설명하는 바와 같은 필터 판)는 클램핑, 접착, 납땜 또는 열가소성 재료 스테이킹(staking) 또는 유사한 기술로 체결될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 각각의 검출기 유닛에 연결되어 있는 상기 적어도 하나의 방사선 경로 중의 하나 이상에 방사선 필터 장치가 배치된다. 이 방사선 필터 장치는 하나 이상의 필터 판을 포함할 수 있다. 이러한 필터 판은 필터 요소의 포지티브 잠금 및/또는 억지 끼워맞춤 체결을 위해 홈 또는 슬롯 안으로, 즉 필터 홀더 안으로 삽입될 수 있다. 홈 또는 슬롯은 바람직하게는 기판에 의해 또는 기판 상에, 더 바람직하게는 방사선 셀 자체에 의해 제공된다.
바람직하게는, 필터 면은 대응하는 방사선 소스 및 필터 판과 관련된 검출기를 연결하는 연결 선에 대해 실질적으로 직각으로 배향된다.
어떤 실시 형태에서, 서로 관련되어 있는 상기 방사선 필터 장치 및 적어도 하나의 검출기 유닛은 적어도 1 mm 내지 10 mm 만큼 서로 떨어져 있는 서로 별개의 유닛, 즉 개별적인 유닛이다. 그래서, 광학 시스템은 필터에 입사하는 좁은 각도 분포 및 검출기 면에서의 방사선의 효율적인 검출 모두에 대해 최적화될 수 있다. 다시 말해, 필터 요소를 방사선 셀 내의 임의의 위치에 배치할 수 있는 실시 형태에서는, 필터 요소 앞과 뒤의 방사선 경로가 독립적으로 최적화될 수 있으므로, 각도 분포 및 흡수 방사선 파워에 대한 설계의 자유도가 더 높게 된다.
어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛은 광대역 검출기 유닛이다. 이 경우, 방사선 필터 장치는 협대역 필터 장치인 것이 바람직하다. 그리하여, 가스의 검출에 관련된 스펙트럼 밀도만 검출기에 의해 감지되고, 다른 스펙트럼 밀도는 필터에 의해 검출기로부터 차폐된다. 또한, 검출기 유닛은 협대역 검출기 유닛이고 방사선은 광대역 방사선인 것도 가능하고, 이 경우 어떤 실시 형태에서 방사선 필터 장치는 없어도 된다.
어떤 실시 형태에서, 상기 방사선 필터 장치는 필터 면을 갖도록 설계되어 있고, 상기 적어도 하나의 검출기 유닛은 검출기 면을 갖도록 설계되어 있으며, 서로 관련되어 있는 상기 방사선 필터 장치 및 적어도 하나의 검출기 유닛은, 상기 필터 면과 검출기 면이 서로에 대해 실질적으로 직각으로 배향되도록 배치된다.
특히, 열 적외선 검출기는, 검출기 막(예컨대, 통상적인 적외선 열전퇴(thermopile) 검출기에 있는 적외선 필터 플레이트) 가까이에 있는 열흡수체들 간의 열전도로 인해 발생되는 가짜 열적 신호를 받게 된다. 적외선 필터를 서로에 대해 실질적으로 90°각도로 또한 바람직하게는 서로로부터 수 밀리미터 떨어진 곳에 배치함으로써, 그러한 가짜 열적 커플링의 영향이 감소될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 적어도 하나의 방사선 경로에는 여기서 설명한 바와 같은 방사선 필터 장치가 배치되어 있지 않다. 이리하여, 저렴한 제조 비용으로 특힌 간단하고 견고한 설계가 가능하게 된다. 이 경우, 방사선 소스로부터 온 방사선은 반사성 방사선 캡슐을 통해 방사선 검출기 유닛 상으로 직접 또는 간접적으로 보내질 수 있다.
어떤 바람직한 실시 형태는, 2개 이상의 검출기를 갖는 검출기 유닛을 포함한다. 단일 검출기들은 서로 떨어져 배치될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 방사선 소스와 대응 검출기를 연결하는 복수의 방사선 채널이 형성될 수 있다. 그리하여, 다중 방사선 채널 가스 센서 모듈이 실현된다. 방사선 캡슐은 각 채널을 위한 케이싱 관형 구조 및 필터 요소를 체결하기 위한 체결 구조를 제공하도록 성형될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선 채널은, 동일한 적어도 하나의 방사선 소스로부터 대체적으로 반경 방향 외측으로 연장되어 있도록 배치되어 있다. 방사선 채널들은 서로 평행하게 또는 반대 방향을 따라 배치될 수도 있다.
어떤 바람직한 실시 형태에서, 상기 방사선 필터 장치는 적어도 하나의 방사선 채널, 바람직하게는 각 방사선 채널에서 필터 요소를 포함한다. 바람직하게는, 필터 요소는 판형 설계이고, 판은 방사선 소스를 중심에 두고 있는 가상 원에 실질적으로 배치된다.
어떤 실시 형태에서, 상기 방사선 채널 중의 적어도 하나는 기준 방사선 채널로서 구성되어 있다. 이는, 기준 채널을 따라 전달되는 기준 방사선에 민감한 기준 채널에 특정한 검출기 또는 특정한 필터-검출기 쌍을 배치하여 이루어질 수 있다. 여기서, 기준 방사선은 측정될 가스와의 다른 상호 작용 계획을 가지며, 바람직하게는 기준 방사선은 측정될 가스와 크게 상호 작용하지 않는다.
기준 채널은 측정될 가스로 채워지지 않을 수도 있다.
어떤 실시 형태에서, 기준 채널은 방사선 소스의 변경시 가스 센서 모듈을 재보정하기 위해 사용된다. 이러한 변경은, 방사선 소스, 예컨대 광 전구가 퇴화하여 그의 방사선 특성이 변하기 때문에, 적시에 일어날 수 있다. 이러한 퇴화 효과를 보상하기 위해, 기준 채널의 사용으로 얻어진 측정 결과를 사용할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 방사선 캡슐에는, 방사선 셀 또는 모듈의 주변 환경과의 가스 교환이 가능하도록 가스를 위한 통과 관통부로서 작용하는 적어도 하나의 접근 개구가 제공되어 있다. 이러한 접근 개구는 바람직하게는, 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛으로부터 떨어져 있는 방사선 소스의 영역에 배치되어 있다.
접근 개구는 적어도 부분적으로 벤팅(venting) 매체로 덮힐 수 있고, 이 경우 바람직하게는 모든 접근 개구가 완전히 벤팅 매체로 덮힌다. 벤팅 매체는 먼지 입자 및/또는 물이 방사선 셀에 들어가는 것을 피하게 해주는 필터 매체로서 작용한다. 전형적인 벤팅 매체는 적어도 하나의 접근 개구의 적어도 일부분에 걸쳐 있는 막 등일 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 검출기 유닛은 CMOS 프레임워크에 일체화되어 있는 하나 이상의 열 적외선 검출기를 포함할 수 있다.
그리고 적외선 센서 칩은 기판에 오버행 방식으로 장착될 수 있다. 칩은 예컨대 (기계적으로 솔리드인) ASIC 부분에서 기판에 체결되는데, 예컨대 결합된다. 적외선 감지 영역은 막이 상측 및 하측에서 광학적으로 접근이 가능하도록 기판의 내부 가장자리 위에서 오목부 안으로 돌출해 있다. 이러한 이중측 조명에 의해 민감성이 증가된다.
어떤 실시 형태에서, 검출기 유닛은 여러 개의 검출기를 포함할 수 있고, 하나의 단일 칩에 일체화될 수 있다. 단일 칩에는 ASIC 부품에 제공될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이러한 ASIC 부품은 바람직하게는, 단일 칩, 즉 칩의 중간 영역에 제공되어 있는 검출기의 민감성 영역 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 검출기의 민감성 영역은 칩의 전방 영역에 배치될 수 있고, ASIC 부품은 그 칩의 후방 영역에 배치될 수 있다. 이러한 설계가 유리한데, 왜냐하면, ASIC 부품을 갖는 영역이 기계적으로 더 안정적이고 그래서 전술한 바와 같이 검출기 부품을 오버행 배치로 부착하는데에 적합하기 때문이다.
어떤 실시 형태에서, 각 검출기는 개별 칩 상에 일체화될 수 있는데, 즉 검출기는 서로 별개의 칩에 제공될 수 있고, 모두 ASIC 부품은 갖지 않는다.
어떤 실시 형태에서, 열전대 등과 같은 온도 센서에 연결되는 흡수층, 예컨대 막을 포함하는 적외선 검출기가 사용될 수 있다. 흡수층에 대한 방사선의 영향은 온도 센서에 의해 감지될 수 있고, 상승하는 온도는 수용되는 적외선 방사선에 척도이다.
어떤 실시 형태에서, 열전대 대신에 또는 그에 추가로, 저항 와이어가 적외선 검출기에 일체화될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선 필터 기능은 검출기 유닛 및/또는 방사선 소스에 통합될 수 있다. 이 통합된 필터 기능은 여기서 설명하는 바와 같이 별개의 방사선 필터 장치에 대한 대안으로 또는 그에 추가적으로 제공될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 검출기 유닛은, 예컨대 Liu 등의 Infrared Spatial and Frequency Selective Metamaterial with Near-Unity Absorbance, in PRL 104, 207403 (2010)에 기재되어 있는 메타물질(metamaterial) 완전 흡수기(MPA)를 포함할 수 있다. 이들 MPA는 검출기 유닛에 일체화되어, 여기서 설명하는 바와 같이 개별적인 방사선 필터 장치에 추가적인 필터 요소로서 작용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 MPA는 예컨대 Liu 등의 Taming the Blackbody with Infrared Metamaterials as Selective Thermal Emitters, in PRL 107, 045901 (2011)에 기재되어 있는 바와 같은 방사선 소스. 즉 방사선 방출기 상에 일체화될 수 있다.
개별 방사선 필터 장치 및/또는 일체화된 필터 요소에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, DE 100 84 211 B4에 기재되어 있는 바와 같은 필터 요소를 사용하여 필터 기능을 달성할 수 있다.
어떤 바람직한 실시 형태에서, 가스 센서 모듈은 시험 매체 내의 가스 농도, 바람직하게는 CO2 가스 농도를 확인하도록 구성되어 있다. 2-채널 CO2 확인 가스 센서 모듈이 특히 바람직한데, 이 경우, 한 방사선 채널은 4.1 마이크로미터 내지 4.5 마이크로미터, 바람직하게는 4.3 마이크로미터의 파장을 갖는 전자기 방사선의 조사(irradiation) 받는다. 이 방사선은 실질적으로 CO2 가스 흡수 대역 내에 있다. 다른 채널에는 실질적으로 CO2 가스 흡수 대역 외부에 있는 전자기 방사선, 예컨대, 에컨대 3.9 마이크로미터의 파장을 갖는 전자기 방사선이 공급될 수 있다. 따라서, CO2 채널 및 기준 채널을 갖는 모듈이 제공된다.
어떤 실시 형태에서, 제 1 및 제 2 쉘은 스테이킹, 특히 초음파 스테이킹으로 서로에 연결된다. 먼저 제 1 쉘과 기판을 바람직하게는 스테이킹, 특히 초음파 스테이킹으로 서로에 연결하고 다음에 바람직하게는 스테이킹, 특히 초음파 스테이킹으로 제 2 쉘을 제 1 쉘에 연결하는 것이 특히 바람직하다. 어떤 실시 형태에서, 기판은 제 2 쉘에 직접 연결되지 않고 제 1 쉘을 통해 연결된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하고, 도면은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 도시하기 위한 것이지 이를 한정하기 위한 것이 아니다.
도 1은 제 1 쉘의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다.
도 2는 중앙 오목부를 갖는 기판의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다.
도 3은 제 2 쉘의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다
도 4는 도 1 내지 3에 따른 제 1 및 제 2 쉘을 갖는 부분적으로 조립된 가스 센서 모듈을 분해 사시 상면도로 나타낸다.
도 5는 검출기 칩의 일 실시 형태의 개략 단면도를 나타낸다.
도 6은 다른 검출기 칩의 일 실시 형태의 개략 단면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 검출기 칩의 일 실시 형태의 개략 단면도를 나타낸다.
도 8은 도 4에 따른 가스 센서 모듈의 실시 형태의 개략적인 단순화된 단면도를 나타낸다.
도 9는 가스 센서 모듈의 다른 실시 형태의 단면도를 나타낸다.
도 10 내지 16은 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛의 다른 배치를 갖는 본 발명에 따른 가스 센서 모듈의 추가 실시 형태를 나타낸다.
도 2는 중앙 오목부를 갖는 기판의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다.
도 3은 제 2 쉘의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다
도 4는 도 1 내지 3에 따른 제 1 및 제 2 쉘을 갖는 부분적으로 조립된 가스 센서 모듈을 분해 사시 상면도로 나타낸다.
도 5는 검출기 칩의 일 실시 형태의 개략 단면도를 나타낸다.
도 6은 다른 검출기 칩의 일 실시 형태의 개략 단면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 검출기 칩의 일 실시 형태의 개략 단면도를 나타낸다.
도 8은 도 4에 따른 가스 센서 모듈의 실시 형태의 개략적인 단순화된 단면도를 나타낸다.
도 9는 가스 센서 모듈의 다른 실시 형태의 단면도를 나타낸다.
도 10 내지 16은 방사선 소스 및/또는 검출기 유닛의 다른 배치를 갖는 본 발명에 따른 가스 센서 모듈의 추가 실시 형태를 나타낸다.
이제, 도 1 내지 4를 참조하여 본 발명의 일 바람직한 실시 형태를 설명한다. 도면은 바람직한 실시 형태의 비례적으로 정확한 도시를 나타내는데, 즉 상기 도면은 상대적인 비례가 도면에서 읽혀질 수 있도록 주제를 나타낸다.
도면과 관련하여, 시험 가스 내의 CO2 가스 농도를 확인하기 위한 가스 센서 모듈이 예시적으로 설명되며, 적외선 빛이 방사선으로서 사용된다. 따라서 CO2 채널(C1)을 제공하기 위해 4.3 마이크로미터의 파장을 갖는 전자기 방사선의 검출 및 기준 채널(C2)에 대한 3.9 마이크로미터의 파장을 갖는 전자기 방사선의 검출이 사용된다. 본 발명의 개념에서 벗어나지 않고 다른 용례를 위해 다른 방사선과 검출기 및 필터 셋업을 또한 사용할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 방사선 캡슐(50)의 제 1 쉘(51)의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다.
도 3은 방사선 캡슐(50)의 제 2 쉘(52)의 일 실시 형태를 사시 상면도로 나타낸다. 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은, 서로 협력하여 예컨대 캡슐, 즉 중공체를 형성하는 방사선 캡슐(50)의 절반 쉘 구성 요소이며, 방사선 셀(5)은 중공체의 내부 공간이다. 방사선 셀(5)은 방사선 소스 챔버(3) 및 방사선 채널(C1, C2)(아래 및 도 4 참조)로 형성된다.
도 2는 기판(2)의 일 실시 형태를 나타내는데, 이는 바람직하게는 제 1 측면(도면에서 상측) 및 제 2 측면(22)(도면에서, 상측 반대편의 하측)을 갖는 인쇄 회로 기판이다.
도 4는 부분적으로 조립된 상태에 있는 가스 센서 모듈을 나타내는데, 더 정확하게 말하면, 제 1 절반 쉘(51)은 모듈(1)의 나머지로부터 분리되어 있다.
도면에서 볼 수 있듯이, 기판(2)은 실질적으로 직사각형인 절취부 또는 관통 구멍을 중심부에서 가지고 있는 실질적으로 평평한 플레이트이고, 본 설명과 관련하여, 오목부(20)라고 한다. 이 오목부(20)는 둥근 코너 영역을 가지고 있다. 오목부(20)는 기판(2)의 제 1 측부(21)에서 제 2 측부(22)까지 연장되어 있고, 방사선 캡슐(50)을 편리하게 수용하도록 성형되어 있다. 보다 구체적으로, 기판(2)은, 오목부(20)의 경계를 이루는 내측면(23)으로 방사선 캡슐(50)을 둘레 방향으로 에워싼다.
제 1 쉘(51)은 제 2 쉘(52)에 배치되어 있는 소스 홀더(31)(도 3에서 아래 좌측 참조)를 수용하고 또한 방사선 소스(3)의 연결부를 수용하기 위한 제 1 격납부(515)도 1에서 좌측 참조)를 포함한다. 제 2 격납부(511)는 제 1 격납부(515)에 인접한다. 제 2 격납부(511)는 방사선 소스 챔버(501)의 경계를 이룬다. 제 3 및 제 4 격납부(512, 513)는 제 2 격납부(511)에 인접하고, 제 3 및 제 4 격납부(512, 513)는 제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)의 절반 튜브형 케이싱의 경계를 이룬다. 제 5 격납부(516)는 제 3 및 제 4 격납부(512, 513)에 인접한다. 제 5 격납부(516)는 필터 홀더(62)(아래 및 도 3 참조)를 수용한다. 마지막으로, 제 6 격납부(517)는 도 1에서 보는 바와 같이 제 1 쉘(51)의 우측에 배치되어 있디. 제 6 격납부(517)는 센서 칩(43)(도 2 참조)의 일부분을 수용한다.
제 2 절반 쉘(52)은, 방사선 셀(5)이 바닥측, 측 기판(2)의 측면(22)으로부터 완성되도록 격납부(511 - 513 및 516, 517)와 상호 협력하기 위한 대향 구조체를 제공한다.
제 1 및 제 2 절반 쉘(51, 52)은, 스냅-인 훅크(514) 및 스냅-인 오목부(524)를 포함하는 스냅-인 체결 구조에 의해 서로 협력한다. 스냅-인 연결부(514, 524)는 해제 가능하게 설계될 수 있다. 도면에서 보는 바와 같이, 스냅-인 훅크(514)는 오목부(20)를 통해 제 1 측면(21)으로부터 제 2 측면(22)까지 연장되어 있다. 두 절반 쉘(51, 52)은 서로에 체결되면 둘레 방향 연장 슬롯(도면에서는 수평으로 배향됨)을 제공하게 되는데, 이 슬롯은, 오목부(20)의 경계를 이루는 상기 내측면(23)을 제공하는 기판(2)의 측방 내측 가장자리 영역을 수용하도록 치수 결정되고 성형되어 있다.
어떤 실시 형태에서, 이 둘레 방향 슬롯은, 적절한 클램핑력으로 상기 기판 내측 가장자리 영역을 클램핑하기에 적절한 폭(도면에서는 수직 방향 틈새)을 갖는다.
바람직하게는, 상기 둘레 슬롯의 폭(즉, 도면에서 수직 방향 틈새)은 기판(2)의 두께 편차를 고려하여 충분히 크게 되어 있다. 특히 바람직하게는, 조립 절차는, 체결 구조(예컨대, 스냅-인 훅크 및 오목부(514, 524))가 잘 규정된 방식으로 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)을 서로에 대해 체결하면서, 기판(2)이 바람직하게는 재료 끼워맞춤 방식으로, 즉 접착, 납땜, 스테이킹(staking)(초음파 또는 열가소성 재료 등)으로 단지 하나의 절반 쉘(51 또는 52)에 부착되도록 되어 있다. 그리하여, 기판(2)에서의 두께 편차는 쉘(51, 52)에 의해 규정되는 방사선 셀(5)의 기하학적 구조에 영향을 주지 않는다. 이는 방사선 셀의 기하학적 구조가 일반적으로 사용되는 방사선에 조절되기 때문에 특히 유리하다.
재료 끼워 맞춤 방식의 다른 연결(예컨대 접착)도 사용될 수 있다. 그래서, 방사선 캡슐(50)은 포지티브-잠금 및 형상 끼워 맞춤 방식으로 또한 원하는 경우에는 추가적인 재료 끼워맞춤 방식으로 기판(2)에 체결된다.
일 바람직한 실시 형태에서, 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 스테이킹, 특히 초음파 스테이킹에 의해 서로에 연결된다. 먼저 제 1 쉘(51)과 기판(2)을 바람직하게는 스테이킹으로, 특히 초음파 스테이킹으로 연결하고 그런 다음에 제 2 쉘(52)을 제 1 쉘(51)에 바람직하게는 스테이킹으로, 특히 초음파 스테이킹으로 연결하는 것이 특히 바람직하다.
방사선 캡슐(50), 즉 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 플라스틱제의 몰딩품이고, 이는 반사성을 갖도록 그의 내면(500)에서 금속화되며, 내면(500)은 방사선 셀(5)의 경계를 이룬다. 방사선 셀(5)은, 방사선 소스(3)가 배치되는 방사선 소스 챔버(501) 및 방사선 채널(C1, C2)을 포함한다.
주변 환경과 방사선 셀(5) 간에 가스 교환이 가능하도록 외측면으로부터 방사선 셀(5) 안으로 연장되어 있는 접근 개구(7)가 제공되어 있다. 이 접근 개구(7)는 검출기 유닛(4)로부터 떨어져서 방사선 소스(3) 가까이에 배치되어 있다. 접근 개구(7)는 벤팅 매체(71)로 덮여 있다. 이 벤팅 매체(71)는 먼지 입자와 물로부터 방사선 셀(5)을 보호해주는 막일 수 있다.
측정 동안에, 방사선 셀(5) 내의 가스가 측정된다.
이 실시 형태에서 방사선 소스(3)는 광대역 백열광 전구이다. 소스(3)는 소스 홀더(31)에 배치된다. 이 소스 홀더(31)는 제 1 격납부(515)와 협력하여, 방사선 소스(3)를 방사선 캡슐(50)에 적절히 체결한다. 도면에서 알 수 있듯이, 소스는 그의 길이 축선(L)이 오목부(20)에, 더 구체적으로는, 기판(2)의 면 내에 배치되도록 배향되어 있고(도 2 참조) 또한 직사각형 오목부(20)의 짧은 면 중의 하나(도 2에서 좌측에 있는 것)에 부착된다.
제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)은 방사선 소스 챔버(501)로부터, 또는 더 정확하게는, 방사선 소스(3)의 반대편에 있는 단부 영역으로부터 연장되어 있다. 방사선 채널(C1, C2)은 방사선 경로(X)의 일반적인 방향을 규정하고, 제 1 세트의 방사선 경로(X)는 방사선 소스 챔버(501)에서 나온 후에 일반적으로 제 1 방사선 채널(C1)을 따라 진행하고, 제 2 세트의 방사선 경로(X)는 방사선 소스 챔버(501)에서 나온 후에 일반적으로 제 2 방사선 채널(C2)을 따라 진행한다. 이들 세트의 방사선 경로(X)는 소스(3)로부터 필터 요소(61)를 통과하여 검출기 유닛(4)으로 가는 직접 방사선 경로(X) 및 간접 방사선 경로(X)를 포함한다. 간접 방사선 경로(X)는 내면(500)에서 적어도 하나 이상의, 종종 하나 보다 상당히 많은 반사를 포함한다. 이는 흡수 경로를 길게하여 모듈(1)의 민감성을 증가시키므로 유리하다. 도 4에는, 양 방사선 채널(C1, C2)에서 광 소스(3)로부터 적외선 센서 칩(43)으로 가는 직접 방사선 경로(X)가 나타나 있다.
따라서, 내면(500)은 측정될 가스와 상호 작용하는 방사선에 대해 반사적이며, 소스(3)의 방사선 파워 출력이 필터 및 검출기 장치에 적절히 안내되어 집중되도록 성형될 수 있다. 반사성은 플라스틱 절반 쉘(51, 52)이 그의 내면에서 금속화됨으로써 얻어질 수 있다. 물론, 이 내부 반사 코팅은 사용되는 방사선에 달려 있고 또한 그래서 다른 실시 형태에서는 다를 수 있다. 일반적으로 선택적인 요소인 방사선 캡슐(50)은, 캡슐 내부에 배치되어 있는 민감한 부분을 기계적 손상 및 주변의 영향으로부터 보호해주는 이점을 줄 뿐만 아니라, 적절한 양의 방사선을 가스 검출기 모듈(1)을 통해 안내하기 위한 포커싱 요소로서 작용할 수 있다. 이는 방사선을 서로 다른 방사선 채널(C1, C2)로 효율적으로 분할하는데에 도움을 줄 수 있다.
제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)은, 그의 길이방향 축선이 동일한 방사선 소스(3)로부터 반경 방향 외측으로 연장되도록 배향된다. 다시 말해, 길이방향 축선들은 서로에 대해 각도를 이루어 연장되고 일반적으로 방사선 소스(3)의 영역에서 만난다(도 4 참조). 대안적으로, 이들 길이방향 축선은 서로에 평행하고/평행하거나 다른 방사선 소스에 의해 공급될 수 있고, 이 다른 방사선 소스는 동일하거나 다른 방사선을 방출할 수 있다.
방사선 채널(C1, C2)의 원위 단부(즉, 채널의 방사선 소스 단부의 반대편에있는)에는 방사선 필터 장치(6)가 배치된다. 이 방사선 필터 장치(6)는 2개의 필터 플레이트(61)을 포함하고, 이들 필터 플레이트 각각은 필터 면(60)을 규정하고 또한 제 2 쉘(52)에 있는 필터 구멍(62)에 배치된다. 일반적으로, 검출기(41, 42) 당 하나의 필터 플레이트(61)가 있다. 물론, 더 많거나 더 적은 수의 구성품이 있을 수 있다. 필터 플레이트(61)는, 측정될 가스에 따라 선택된 파장 범위 내의 방사선의 투과를 허용하고 다른 파장 범위에서는 투과를 차단하는 협대역 필터이다. 필터 패스 대역은 기준 채널을 구현하기 위해 대기 가스에에 연결되어 있지 않는 빛만 투과시키도록 선택될 수 있다. 필터 플레이트는 광학 기판 상에 있는 간섭 코팅으로서 구현될 수 있다. 필터 홀더(62)는 제 5 격납부(516)와 협력하여 필터 플레이트(61)를 적절히 체결한다.
필터 홀더(62)에 있는 필터 플레이트(61)는, 필터 면 중심을 통해 연장되어 있고 중심점으로서 방사선 소스(3)를 갖는 원 위에 배치되도록 배향된다. 다시 말해, 제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)과 관련된 필터 플레이트(61)는 서로에 대해 각도를 이루어 또한 제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)의 길이방향 축선에 대해 실질적으로 직각으로 배치된다.
도 3(및 도 4)에서 보는 바와 같이, 제 2 쉘(52)은 그의 센서 단부에서(즉, 도면의 우측에서), 센서 칩(43)을 수용하기 위한 2개의 오목부(64)를 갖는다(아래 참조).
필터 요소(61) 뒤에는, 2개의 개별적인 검출기, 즉 제 1 및 제 2 열 적외선 검출기(41, 42)를 갖는 방사선 검출기 유닛(4)이 배치되어 있다. 양 검출기(41, 42)는 센서 칩(43)에 제공된다. 이들 센서 칩(43) 모두는 기계적으로 안정적인 ASIC 단부 영역 및 센서 단부 영역을 포함한다. 센서 칩(43)은 그의 강성적인 ASIC 단부 영역으로 기판(2)의 가장자리 영역에 체결되고, 따라서, 센서 칩(43)은 기판 면에 실질적으로 평행하게 연장되어 있다. 센서 칩(43)의 센서 단부 영역은 자유 단부로서 기판(2)의 측방 내면(23) 위에서 방사선 셀(5) 안으로 돌출해 있다.
각 센서 칩(43)의 센서 영역에서, 즉 칩(43)의 오버행 영역에는, 막(45)에 매달려 있는 통상적인 열 적외선 센서(44)가 배치되어 있고, 그 막은 센서 칩(43)의 기판을 통과해 있는 관통 개구에 걸쳐 있다. 이러한 설계에 의해, 양측, 즉 상측(또는 이 실시 형태에서는 기판(2)의 제 1 측면(21)) 및 반대편의 하측에서 입사하는 방사선이 동일한 센서 칩(43)에 의해 측정될 수 있다. 양측에서 검출기 유닛(4)에 접근할 수 있다는 것(양측 조명 특징)은, 기판(2)의 제 1 측면(21) 및/또는 제 2 측면(22)에서 진행하는 방사선 경로(X)가 사용될 수 있게 해주므로 유리하다. 그러므로, 가용 공간이 더욱 효율적으로 사용되어, 모듈(1)의 컴팩트성이 향상된다.
어떤 실시 형태(나타나 있지 않음)에서, 센서 칩(43)은 기판(2)의 오목부에 배치될 수 있고 또는 센서 단부 영역이 오목부(20)의 중간 면 안으로 또는 그 면에 가깝게 있도록(수직 방향으로) 성형될 수 있다.
기판(2)의 양 측면(21, 22)은 방사 소스(3)에 쉽게 접근 가능한데, 이 실시 형태에서, 방사선 소스가 오목부(20)에 배치되기 때문인데, 더 정확하게는, 그의 길이방향 축선(L)이 기판(2)의 중간 면 내에 있도록 배치된다.
도면에서 보는 바와 같이, 제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)은 길이방향에 수직인 방향으로, 즉 횡방향으로 양 측면(21, 21)까지 연장되어 있다. 따라서, 센서 칩 마운트의 오버행 설계 및 캐리어(2)에 있는 관통 개구에 방사선 소스(3)의 배치에 의해, 가스 검출기 모듈(1)의 효율의 추가 증가가 가능하다. 따라서, 모듈(1)의 전체 길이가 더 감소될 수 있고 또한 그래서 모듈(1)의 컴팩트성이 더 증가된다.
도 4의 바닥부에서 알 수 있듯이, 필터 플레이트(61)에 의해 규정되는 필터 면(60)은 각 검출기(41, 42)의 검출기 면(40)에 대해 직각으로 배향되어 있다. 이는 열적 효과가 감소될 수 있어 유리하다. 보다 구체적으로, 열 적외선 검출기(44)는 검출기 막(45)(통상적인 적외선 열전퇴(thermopile) 검출기(44, 45)에 있는 적외선 필터 플레이트(61)) 가까이에 있는 열흡수체들 간의 열전도로 인해 발생되는 가짜 열적 신호를 받게 된다. 적외선 필터(61)를 검출기 면(60)에 대해 직각으로 또한 검출기(41, 42)로부터 수 밀리미터 떨어진 곳에 배치함으로써, 그러한 가짜 열적 커플링의 영향이 감소된다.
검출기 유닛(4)의 대안적인 설계가 사용될 수 있다. 검출기 면은 필터 면에 대해 수직으로 배치되는 것이 유리하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 또한 검출기 유닛(4)의 전술한 이중측 조명 특징은 유리하지만 필요한 것은 아니다.
벙사선 소스 챔버(501)를 포함하는 제 1 및 제 2 방사선 채널(C1, C2)은, 방사선 소스(3)의 최대 방사 출력이 각각의 검출기(41, 42)에 각각 전달되도록 성형되어 있다.
또한, 가스 센서 모듈(1)은 서로 다른 전자 부품, 특히, 방사선 소스(3) 및 검출기 유닛(4)을 제어하기 위한 마이크로프로세서(8)를 포함한다.
도 1 내지 4에 따른 캡슐(50)의 전형적인 길이는 10 밀리미터 내지 100 밀리미터, 바람직하게는 10 밀리미터 내지 50 밀리미터일 수 있고, 캡슐(50)의 전형적인 폭은 5 밀리미터 내지 50 밀리미터, 바람직하게는 5 밀리미터 내지 15 밀리미터일 수 있다. 캡슐(50)의 전형적인 높이는 20 밀리미터 이하, 바람직하게는 10 밀리미터 이하이다.
도 5는 센서 칩(43)의 추가 실시 형태를 나타낸다. 이 경우, 센서 칩(43)은 적외선 센서 칩이다. 센서 칩(43)에는, 개구(431)를 포함하고 검출기 면(40)(도 6 참조)을 규정하는 실리콘 기판(430)이 제공되어 있다. 개구(431)에는 막(45)이 걸쳐져 있다. 막(45)에 배치되어 있는 흡수층(450)에 적외선이 흡수됨으로 인한 온도 변화를 측정하기 위해 열전대(46)가 개구(431)의 경계를 이루는 기판(430)의 가장자리 영역에 배치되어 있다.
도 6은 센서 칩(43)의 추가 실시 형태를 나타내는데, 이는 도 5에 따른 실시 형태와 실질적으로 유사하지만, 우측에서, 기계적으로 안정적인 ASIC 영역을 포함한다.
도 7은 센서 칩(43)의 또 다른 실시 형태를 나타내는데, 여기서는 열전대(46) 대신에, 흡수층(450)에서의 방사선 흡수로 인해 상승하는 온도를 검출하기 위해 저항 와이어(47)가 배치되어 있다.
도 8은 가스 센서 모듈(1)의 일 실시 형태의 단면도를 나타낸다. 이 경우, 기판(2)에는 전술한 바와 같은 오목부(20)가 제공되어 있는데, 이 오목부(20) 내부에는 광 전구(32)가 기판(2)의 측면에 배치되어 있다. 캡슐(50)은 오목부(20)를 덮고 방사선 소스(32) 및 검출기 유닛(4)을 덮도록 배치된다. 캡슐(50)은 방사선 셀(5)을 한정하고, 전술한 바와 같이 2개의 구성 요소(51, 52)로 구성되어 있다. 잘 알 수 있는 바와 같이, 검출기 유닛(4)은, 그의 민감한 영역이 오목부(20) 위에 배치되고 방사선 측(상측 및 하측)에 접근이 가능하도록 오버행 방식으로 배치되어 있다. 따라서, 방사선은 방사선 셀(5)의 절반 쉘(52)로 형성되는 하측 절반부 및 절반 쉘(51)로 형성되는 상측 절반부로부터 검출기 유닛(4)에 도달할 수 있다. 이들 양 절반 쉘(51, 52)은 외측으로 휘어져 있다. 그러나, 적어도 제 2 절반 쉘(52)은 도 9에 따른 실시 형태에서 처럼 평평할 수 있다.
일반적으로, 절반 쉘(51, 52)의 오목한 형상은 방사선 소스(3) 및 검출기 유닛(4)과 같은 구성품을 수용하기 위한 공간을 제공할 수 있고다. 또한 이는 예컨대 가능한 한 많은 방사선 경로(X)가 검출기 유닛(4)에 집중되도록 반사의 역할을 하는 형상으로 제공될 수 있다. 그리하여, 시험 가스로 채워지는 캡슐(50) 내의 공간이 효율적으로 시험될 수 있다.
도 9는 가스 센서 모듈(1)의 또 다른 실시 형태의 단면도를 나타내며, 기판(2)에는 그의 측면에서 단차부(24)가 제공되어 있다. 방사선 소스(33) 및 검출기 유닛(4) 모두는 이 단차부(24)에 배치되고, 그래서 왼전히 오목부(20) 내부에 배치된다. 캡슐(50)은 판형 구성 요소(51, 52)로 형성된다. 따라서, 도 9의 실시 형태를 통해서는 특히 평평한 설계가 얻어진다. 대안적으로, 판형 구성 요소(51, 52)는 기판 내부에 동일한 단차부(24) 또는 대안적인 단차부(미도시)에 배치될 수 있다.
도 9 내지 16에서, 일부 예시적인 방사선 경로(X)가 대시선으로 나타나 있다. 일부는 직접 경로(X)이고 또한 일부는 재선을 포함한다. 물론, 복수의 반사 경로(X)도 가능하다. 쉘(51, 52)의 형상은 방사선 소스(3) 및 검출기 유닛(4)의 특정 배치에 맞게 될 수 있다.
도 10은 가스 센서 모듈(1)의 다른 실시 형태의 단면도를 나타내며, 여기서. 도 8에 따른 실시 형태에 있는 쉘(51, 52) 처럼, 제 1 절반 쉘(51)은 외측으로 휘어져 있는데, 즉 오목하게 되어 있어, 그의 오목한 형상으로, 방사선 셀(5)의 일부분을 제공한다. 방사선 소스(3)(여기서, MEMS 핫플레이트(33)의 일 예가 나타나 있음) 및 검출기 유닛(4) 모두는 기판(2)의 제 1 측면(21)에 제공되어 있고, 오목부(20) 안으로 연장되어 있지 않다. 방사선 경로(X)는 대시선으로 표시되어 있는 바와 같이 오목부(20)를 통해 진행한다. 검출기 유닛(4)은 양측, 즉 상측과 하측 모두로부터 빛을 받아 검출할 수 있도록 오버행 방식으로 장착된다.
도 11은 도 10과 동일한 가스 센서 모듈(1)의 실시 형태의 단면도를 나타내며, 다른 점은, 검출기 유닛(4)이 오목부(20) 안으로 단차부(24) 상으로 하강되어 있다는 것이다.
도 12는 도 8의 실시 형태를 나타내는데, 다른 점은, 방사선 소스(3)가 제 1 측면(21) 상에 배치되어 있고, 검출기 유닛(4)은 기판(2)의 제 2 측면(22)에 오버행 방식으로 배치되어 있다는 것이다.
도 13은 도 12의 실시 형태를 나타내는데, 다른 점은, 검출기 유닛(4)은 오버행 방식으로 배치되어 있지 않고 오목부(20)의 경계를 이루는 측방 가장자리 면(과 거리를 두고 배치되어 있다는 것이다.
도 14는 도 12의 실시 형태를 나타내는데, 다른 점은, 방사선 소스(3)가 검출기 유닛(4)의 바로 반대편에, 즉 오목부(20)의 동일한 측에 배치되어 있다는 것이다.
도 15는 도 14에 따른 실시 형태를 나타내는데, 다른 점은, 방사선 캡슐(50)은 오목부(20)를 통해 연장되어 있어, 반사가 최적화된다는 것이다.
도 16은 도 12에 따른 실시 형태를 나타내는데, 다른 점은, 측방 가장자리 면에 있는 단차부(24)가 기판(2)의 제 2 측면(22)에 제공되어 있다는 것이다.
검출기 유닛(4)과 방사선 소스(3)의 다른 배치는 도면에 따른 이들 실시 형태들 사이에서 다르게 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, MEMS 핫플레이트(33)가 나타나 있는 경우, 여기서 개략적으로 설명한 바와 같이 다른 방사선 소스(3)가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 어떤 배치에서, 방사선 소스(3)와 검출기 유닛(4) 중의 하나 또는 둘 모두는 제 1 및 제 2 측면(21, 22)의 방향으로 또는 측방 가장자리 면과 거리를 두고 제 1 또는 제 2 측면(21, 22) 및/또는 오목부(20)의 경계를 이루는 측방 가장자리 면으로부터 오버행 마운트 및/또는 단차부(24)에 장착될 수 있다.
또한, 예컨대 여기서 설명한 바와 같은 실시형태를 조합하여, 하나 보다 많은 방사선 소스(3) 및 하나 보다 많은 검출기 유닛(4)이 기판(2)에 배치될 수 있다.
1 가스 센서 모듈
2 기판
20 2에 있는 오목부
21 2의 제 1 측면
22 2의 제 2 측면
23 20의 내측면
24 2에 있는 단차부
3 방사선 소스
31 소스 홀더
32 광 전구
33 MEMS 핫플레이트
4 방사선 검출기 유닛
40 검출기 면
41 제 1 방사선 검출기
42 제 2 방사선 검출기
43 센서 칩
430 43의 실리콘 기판
431 430에 있는 개구
44 방사선 센서
45 막
450 흡수층
46 열전대
47 저항 와이어
5 방사선 셀
50 방사선 캡슐
500 50의 내면
501 3을 위한 방사선 소스 챔버
51 50의 제 1 쉘
511 3을 위한 제 2 격납부
512 C1을 위한 제 3 격납부
513 C2을 위한 제 4 격납부
514 스냅-인 훅크
515 31을 위한 제 1 격납부
516 62를 위한 제 5 격납부
517 43 및 61을 위한 제 6 격납부
52 50의 제 2 쉘
524 스냅-인 오목부
6 방사선 필터 장치
60 필터 면
61 필터 요소
62 필터 홀더
63 43을 삽입하기 위한 오목부
64 43을 위해 52에 있는 오목부
7 접근 개구
71 벤팅 매체
8 마이크로프로세서
C1, C2 방사선 채널
L 3의 길이방향 축선
X 방사선 경로
2 기판
20 2에 있는 오목부
21 2의 제 1 측면
22 2의 제 2 측면
23 20의 내측면
24 2에 있는 단차부
3 방사선 소스
31 소스 홀더
32 광 전구
33 MEMS 핫플레이트
4 방사선 검출기 유닛
40 검출기 면
41 제 1 방사선 검출기
42 제 2 방사선 검출기
43 센서 칩
430 43의 실리콘 기판
431 430에 있는 개구
44 방사선 센서
45 막
450 흡수층
46 열전대
47 저항 와이어
5 방사선 셀
50 방사선 캡슐
500 50의 내면
501 3을 위한 방사선 소스 챔버
51 50의 제 1 쉘
511 3을 위한 제 2 격납부
512 C1을 위한 제 3 격납부
513 C2을 위한 제 4 격납부
514 스냅-인 훅크
515 31을 위한 제 1 격납부
516 62를 위한 제 5 격납부
517 43 및 61을 위한 제 6 격납부
52 50의 제 2 쉘
524 스냅-인 오목부
6 방사선 필터 장치
60 필터 면
61 필터 요소
62 필터 홀더
63 43을 삽입하기 위한 오목부
64 43을 위해 52에 있는 오목부
7 접근 개구
71 벤팅 매체
8 마이크로프로세서
C1, C2 방사선 채널
L 3의 길이방향 축선
X 방사선 경로
Claims (18)
- 기판(2), 바람직하게는 인쇄 회로 기판 상에 일체화되거나 이를 포함하는 가스 센서 모듈(1)로서,
방사선을 방출하는 적어도 하나의 방사선 소스(3);
상기 방사선의 적어도 일부분을 검출하는 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4; 41, 42); 및
상기 방사선 소스(3)로부터 방사선 검출기 유닛(4) 까지의 적어도 하나의 방사선 경로(X)를 제공하는 방사선 셀(5)을 포함하고,
상기 기판(2)에는 오목부(20)가 제공되어 있고, 상기 가스 센서 모듈(1)은, 상기 적어도 하나의 방사선 경로(X)의 적어도 일부분이 상기 오목부(20)를 통해 또는 오목부 안으로 진행하도록 구성되어 있는, 가스 센서 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판(2)은 제 1 측면(21)과 제 2 측면(22)을 가지며, 상기 방사선 소스(3) 및 적어도 하나의 검출기 유닛(4; 41, 42)은 상기 제 1 및 제 2 측면(21, 22)의 동일한 측에 배치되거나 또는 기판(2)의 상기 제 1 및 제 2 측면(21, 22)의 반대 측에 배치되는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 방사선 소스(3) 및/또는 적어도 하나의 검출기 유닛(4; 41, 42)은 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 상기 오목부(20) 내에 배치되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선 셀(5)은 방사선 캡슐(50)에 의해 경계가 정해지며,
상기 방사선 캡슐(50)은 상기 적어도 하나의 방사선 경로(X)를 에워싸고,
상기 방사선 캡슐(50)은 바람직하게는 내면(500)의 적어도 일부분으로 상기 방사선의 적어도 일부분을 상기 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4; 41, 42) 쪽으로 반사시키도록 구성되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 4 항에 있어서,
상기 방사선 캡슐(50)은 하나 이상의 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)로 형성되어 있고,
상기 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 상기 내면(500)을 제공하고, 내면(500)은 적어도 부분적으로 상기 방사선 셀(5)의 경계를 이루고,
바람직하게는, 상기 방사선 캡슐(50)은 단일의 제 1 쉘(51) 및 단일의 제 2 쉘(52)로 형성되고, 단일의 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 거울 반전형 설계를 갖도록 구성되어 있고,
바람직하게는, 상기 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 금속으로 만들어지거나, 적어도 부분적으로 금속화된 내면(500)을 포함하고,
가장 바람직하게는, 상기 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 플라스틱으로 만들어지지고, 또한 특히 적외선 반사를 최대화하기 위해 상기 제 1 및 제 2 내면(500)에서 금속 코팅으로 피복되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 방사선 캡슐(50)은 적어도 부분적으로 상기 오목부(20) 안에 들어가 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판(2)의 제 1 및 제 2 측면(21, 22)에 적어도 하나의 방사선 경로(X)가 형성되도록, 상기 방사선 셀(5)이 설계되어 있고 또한 상기 적어도 하나의 방사선 소스(3) 및 상기 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4; 41, 42)이 구성 및 배치되어 있고, 상기 적어도 하나의 방사선 소스(3)에 의해 방출되는 방사선은 상기 기판(2)의 제 1 및 제 2 측면(21, 22) 모두에서 검출 가능한, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사선 소스(3)는 광원, 특히 광대역 광원 또는 적외선 광원, 바람직하게는 백열광 전구, LED, MEMS 핫플레이트 또는 레이저이고, 그리고/또는
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 방사선 소스(3)는 홀더(31)에 그리고/또는 클램핑, 접착, 납땜 및/또는 열가소성 재료 또는 초음파 스테이킹(staking)으로 장착되는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 검출기 유닛(4; 41, 42)에 연결되어 있는 상기 적어도 하나의 방사선 경로(X) 중의 하나 이상에 방사선 필터 장치(6)가 배치되어 있고, 방사선 필터 장치(6)는, 측정될 가스에 따라 선택된 파장 범위 내의 방사선의 투과를 허용하고 반면에 다른 파장 범위에서는 투과를 차단하는 협대역 필터이고,
바람직하게는, 서로 관련되어 있는 상기 방사선 필터 장치(6) 및 적어도 하나의 검출기 유닛(4; 41, 42)은 적어도 1 mm 내지 10 mm 만큼 서로 떨어져 있는 개별적인 유닛인, 가스 센서 모듈(1). - 제 9 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4; 41, 42)은 광대역 검출기 유닛이고,
바람직하게는, 상기 방사선 필터 장치(6)는 협대역 필터 장치인, 가스 센서 모듈(1). - 제 4 항, 제 9 항, 또는 제 10 항에 있어서,
상기 방사선 필터 장치(6)는 필터 면(60)을 갖도록 설계되어 있고, 상기 적어도 하나의 검출기 유닛(41)은 검출기 면(40)을 갖도록 설계되어 있으며, 서로 관련되어 있는 상기 방사선 필터 장치(6) 및 적어도 하나의 검출기 유닛(6)은, 상기 필터 면(60)과 검출기 면(40)이 서로에 대해 실질적으로 직각으로 배향되도록 배치되며, 방사선 캡슐(50)은 바람직하게는 방사선을 상기 방사선 검출기 유닛(4) 상에 집속시키도록 설계되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사선 경로(X)에는 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방사선 필터 장치(6)가 배치되어 있지 않은, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 메타물질 완전 흡수기에 의해 방사선 필터 기능이 상기 검출기 유닛(4) 및/또는 방사선 소스(3)에 통합되며, 방사선 필터 기능은 바람직하게는, 측정될 가스에 따라 선택된 파장 범위 내의 방사선의 투과를 허용하고 반면에 다른 파장 범위에서는 투과를 차단하는 협대역 필터를 제공하는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
2개 이상의 검출기(41, 42)를 갖는 방사선 검출기 유닛(4)을 포함하고, 검출기(41, 42)는 서로 떨어져 배치되어 다중 방사선 채널 가스 센서 모듈을 실현하고,
바람직하게는, 상기 방사선 채널(C1, C2)은, 동일한 적어도 하나의 방사선 소스(3)로부터 대체적으로 반경 방향 외측으로 연장되어 있도록 배치되어 있고,
바람직하게는, 상기 방사선 필터 장치(6)는 적어도 하나의 방사선 채널(C1, C2), 바람직하게는 각 방사선 채널에서 필터 요소(61)를 포함하며,
바람직하게는, 상기 방사선 채널(C1, C2) 중의 적어도 하나는 기준 방사선 채널로서 구성되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선 캡슐(50)에는, 주변 환경과의 가스 교환을 위한 적어도 하나의 접근 개구(7)가 제공되어 있고,
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 접근 개구(7)는, 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4; 41, 42)으로부터 떨어져 있는 방사선 소스(3)의 영역에 배치되어 있고,
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 접근 개구(7)는 적어도 부분적으로 벤팅(venting) 매체(71)로 덮혀 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 센서 모듈은 시험 매체 내의 가스 농도, 바람직하게는 CO2 가스 농도를 확인하도록 구성되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 쉘(51, 52)은 스테이킹, 특히 초음파 스테이킹으로 서로에 연결되어 있고,
바람직하게는, 상기 제 1 쉘(51)은 바람직하게는 스테이킹, 특히 초음파 스테이킹으로 상기 기판(2)에 연결되어 있는, 가스 센서 모듈(1). - 기판(2)을 포함하는 가스 센서 모듈(1)로서, 기판(2)은 바람직하게는 인쇄 회로 기판이고,
방사선을 방출하는 적어도 하나의 방사선 소스(3);
상기 방사선의 적어도 일부분을 검출하고, 막(45)에 매달려 있는 열 적외선 센서(44)를 갖는 센서 칩(43)을 포함하는 적어도 하나의 방사선 검출기 유닛(4; 41, 42) - 상기 막은 센서 칩(43)의 기판을 관통해 있는 관통 개구에 걸쳐 있음 -; 및
상기 방사선 소스(3)로부터 방사선 검출기 유닛(4) 까지의 적어도 하나의 방사선 경로(X)를 제공하는 방사선 셀(5)을 포함하고,
상기 PCB 캐리어(2)에는 오목부(20)가 제공되어 있고, 상기 가스 센서 모듈(1)은, 상기 적어도 하나의 방사선 경로(X)의 적어도 일부분이 상기 오목부(20)를 통해 또는 오목부 안으로 진행하도록 구성되어 있고, 또한 상기 막(45)이 상측 및 하측에서 광학적으로 접근 가능하도록, 센서 칩(43)의 적외선 감지 영역은 PCB 캐리어(2)의 내부 가장자리 위에서 상기 오목부(20) 안으로 돌출해 있는, 가스 센서 모듈(1).
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