KR20190027786A - 가스를 검출하기 위한 일체형 검지 장치 - Google Patents

가스를 검출하기 위한 일체형 검지 장치 Download PDF

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Abstract

전기 화학 가스 검지 소자는 5mm×5mm 미만의 풋프린트를 가지며, 따라서 전해질의 부피, 전극의 크기 및 전기적 상호 접속부는 매우 작다. 이로써, 가스를 검지한 후에 고속으로 안정화시켜서, 다양한 가스를 타깃으로 해서 바이어스 전압을 빠르게 변경하는 것이 가능하게 된다. 센서 본체는 세라믹이며, 다른 부품들은 땜납 리플로우 온도를 포함하는 온도에서 안정적이어서, 검지 소자를 PCB에 장착하는데 기존의 땜납 리플로우 기술을 사용할 수 있다. 검지 소자 본체에 센서 회로가 탑재되어서, 센서 전극을 통해 전류를 검출하고 그 정보를 디지털 방식으로 처리해서 더 정확한 분석을 가능하게 한다. 소형, 저전력 소모 및 모듈화를 통해서 센서 소자는 소형의 핸드 헬드 장치에 탑재될 수 있다.

Description

가스를 검출하기 위한 일체형 검지 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, Jerome Chandra Bhat 및 Richard Ian Olsen에 의해 2016년 5월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/338,900호에 기초하고 그 우선권을 주장하고 있으며, 이는 본 양수인에게 양도되어 본 명세서에 참조로서 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 가스와 같은 저밀도 재료의 검지 및 식별에 관한 것으로, 특히 검지 회로와 함께 전기 화학 셀에 의한 저밀도 재료의 검지 및 식별에 관한 것이다.
산업화 및 천연 자원에 의해 촉발되는 지구 대기의 극적인 변화는 물론 가구수 및 도시 오염원의 급격한 증가를 고려할 때, 임박한 위험의 근원을 확인해서 소비자에게 경고하기 위해서, 정확하고 지속적인 대기질 모니터링이 필요하게 되었다. 실시간 모니터링 및 노출 평가를 실행하는 것과 마찬가지로, 현실은, 가장 광범위한 플랫폼 및 애플리케이션에 통합될 수 있는 저가이며 작은 폼 팩터를 가진 저전력 장치를 제공하는 능력이다.
가스와 같은 저밀도 물질을 명확하게 검지하는 방법은 여러 가지가 있다. 일반적인 방법은 NDIR(nondispersive infrared spectroscopy), 금속 산화물 센서의 사용, 화학 저항기의 사용 및 전기 화학 센서의 사용을 포함한다. 본 발명은 전기 화학 센서에 관한 것이다. 전기 화학 센서의 작동 원리는 공지되어 있고, http://www.spec-sensors.com/wp-content/uploads/2016/05/SPEC-Sensor-Operation-Overview.pdf에 정리되어 있는데, 이는 본원에 참고로 인용된다.
기본적으로, 전기 화학 센서에서 센서 전극(작업 전극(working electrode)이라고도 알려짐)은 적절한 전해질과 접촉한다. 센서 전극은 전형적으로 타깃 가스 및 전해질과 반응하여 전자를 방출하거나 또는 수용하는 촉매 금속을 포함하고 있으며, 이는 전극이 적절하게 바이어스될 때 및 적절한 상대 전극(counter-electrode)과 함께 사용될 때 전해질에 특성 전류(characteristic current)를 생성한다. 이 전류는 일반적으로 센서 전극과 접촉하는 타깃 가스의 양에 비례한다. 검출할 특정 가스를 목표로 하는 바이어스 및 센서 전극 재료를 사용하고 전류를 검출함으로써, 대기 중의 타깃 가스의 농도가 결정될 수 있다.
종래의 전기 화학 센서의 하나의 단점은, 그 크기(예를 들어, 전해질의 부피 및 전극의 크기)가 비교적 커서 타깃 가스에 노출될 때 안정화하는데 오랜 시간이 걸린다는 점이다. 또한, 가스에 대한 전류의 변화가 작기 때문에 신호대 잡음비가 낮고, 아울러 센서 외부의 프로세싱 회로로 이어지는 금속 트레이스에 의한 손실 및 RF 결합이 존재해서, 신호대 잡음비를 더 낮추고 있다. 나아가, 전기 화학 셀의 본체는 전형적으로 150℃ 이상의 온도는 견딜 수 없는 폴리머이며, 전해질은 약 100℃ 이상의 온도는 견딜 수 없는 수성 산을 포함한다. 이로 인해서, 땜납을 리플로우해서(전형적으로 180~260℃) 전기 컨택트를 인쇄 회로 기판에 납땜하는 것을 방해하고, 은 함유 에폭시나 이방 전도성 필름 혹은 페이스트와 같은 열 경화된 전도성 접착제를 사용하는 것을 방해한다(일반적으로 120~150℃에서 경화됨).
따라서, 종래의 센서의 단점을 갖지 않는 가스용 전기 화학 센서가 요구되고 있다.
이하, 다양한 대기가 존재하는 중에 특정 가스를 선택적으로 식별해 내는 기본적인 요건과, 소형 폼 팩터 및 저전력을 달성하는 전기 화학 센서 아키텍처를 개략 설명한다. 네트워킹화된 센서를 정기적으로 교정하는 방법에 대해 더 설명한다.
본 발명의 일 실시예에서는 4개의 기본적인 신규한 요소가 있다. 첫번째는 다양한 기능 구성 요소가 그 안에 혹은 그 위에 부착되는 기계적 플랫폼을 포함하는 구조적 구성 요소이다. 이 구조는 구성 요소의 다중 층을 가능하게 하는 기계적인 모듈을 형성할 수 있으며, 이는 필터, 용기 구조, 전극, 유체 용기, 고체 용기, 전기적 상호 연결부, 반도체 다이 및 납땜 볼이나 금(혹은 다른 금속) 스터드 범프와 같은 부착 구조를 포함할 수 있다. 서로 본딩된 세라믹층 및 금속층은 기계적 토폴로지뿐만 아니라 전자 및 전기-화학 서브시스템의 전기적인 상호 연결부를 형성한다. 가스 필터링, 방수 및 열 이미징과 관련된 기능을 추가하기 위해서 추가적인 비세라믹 층이 세라믹 베이스 위에 놓여질 수도 있다. 시스템의 다른 구성 요소로의 접속부가 예를 들어 이 구조의 바닥, 측면 또는 상부에 적용되는 상호 연결 토폴로지를 통해서 기계 플랫폼에 통합되기도 한다.
전기 화학 센서의 본체는 알루미나와 같은 세라믹이기 때문에, 땜납 플로우 온도(예를 들어, 260 ℃)를 초과하는 온도를 견딜 수 있다. 나아가, 전극 및 비수성 전해질은 땜납 리플로우 온도를 견딜 수 있다. 아울러, 센서의 풋프린트는 4mm×4mm에 높이는 약 2mm로 정도로 작을 수 있다. 따라서, 전해질의 부피 및 전극의 크기는 매우 작다. 따라서, 센서가 약 1초 미만 동안 타깃 가스에 노출될 때 반응 및 안정화 시간이 매우 빠르다.
두번째 요소는 전기 화학(EC) 셀이다. EC 셀은 기능적으로 전극, 촉매 및 전해질의 특정 조합으로 구성된다. 전극은, 촉매 및 반응물 가스의 존재 하에서 전류가 흐를 수 있는 특정한 구조로 구조 플랫폼의 덮개에 위치된다. 이 덮개는 가스가 촉매와 상호 반응할 수 있도록 하나 이상의 개구부를 갖는다. 다른 방안으로, 하나 이상의 개구부가 베이스에 통합될 수도 있다. 하나 이상의 EC 셀이 단일 구조 플랫폼에서 지원될 수도 있다. 따라서, 다수의 셀을 통해 또는 전자 서브 시스템에 의해 제어되는 전극 바이어스의 변경을 통해 다수의 가스 검출이 수용될 수 있다. 이후, 전극은, 상호 반응의 신호 특성을 증폭시켜서 다음 신호의 디지털 표현으로 변환시키는 아날로그 및 디지털 서브 시스템과 접속된다. EC 셀에는, 예를 들어 휘발성 유기 화합물 가스가 셀로 들어가는 것을 배제시킬 수 있는 선택적 필터 재료가 통합된다. 마찬가지로, 추가 예로서, 소수성 필터가 물이 세포로 들어가는 것을 배제시킬 수 있다.
매우 작은 부피의 전해질 및 작은 전극을 제공함으로써, 센서를 다양한 타깃 가스에 맞추도록 바이어스 전압을 변화시키는 것에 의해서 센서의 특성은 급격하게 변화하게 된다. 따라서 광범위한 가스가 짧은 시간 내에 검출될 수 있다. 호흡 검사와 같은 일부 응용예에서는 빠른 반응 시간이 필요할 수 있다.
세번째 요소는, 센서 모듈 외부의 다른 시스템 구성 요소와의 인터페이스뿐만 아니라 EC 셀의 출력 신호를 전자 프로세싱하는 것이다. 전술한 바와 같이, 전극 상에 유도된 신호는 증폭 및 잡음 감소 회로를 통과하고, 이후 아날로그 신호로부터 신호 레벨의 디지털 표현으로 변환된다. 원시(raw) 디지털 신호는 이제 전자 서브 시스템(ES)의 메모리에 저장될 수 있으며, I2C와 같은 표준 인터페이스를 통해 송신되거나 모듈에서 로컬하게 처리될 수 있다. 전극 바이어스의 제어는 ES에 의해 자동으로 제어되거나, 혹은 시스템 인터페이스를 통해 혹은 필요한 경우 별도의 입력 신호에 의해 외부적으로 제어될 수도 있다. 예를 들어, 인터럽트 신호를 통한 임계값 통지 또는 교정 주기가 ES에서 관리 및 수행될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 처리 회로는 센서의 바닥에 부착된 칩이다. 따라서 전극으로부터 전류 검출 회로로 이어지는 작은 트레이스로 인한 RF 커플링과 손실이 거의 없다. 또한, 칩 내의 온도 센서는 센서에 직접 부착되기 때문에 센서의 온도를 정확하게 측정한다. 나아가 센서 및 처리 회로는 약 4mm×4mm의 풋프린트를 가진 단일 모듈을 구성하기 때문에, 휴대형 장치에서 쉽게 제공될 수 있다.
이들 세가지 요소는 특정 가스의 존재와 농도를 검출하고, 변환하며, 보고하는 데 사용되는 모든 기능 블록을 형성한다. 추가된 기능은 온도 센서(접촉식 및 비접촉식 모두), 공기 압력 센서(접촉식 및 비접촉식 모두) 및 습도 센서와 같은 추가 센서의 형태로 구조 구성 요소에 용이하게 추가될 수 있다. 추가 기능의 병렬 판독 또는 순차 판독을 처리하기 위해서, 추가 회로를 통해서 추가 기능이 ES에 제공될 수도 있다.
이 실시예의 제 4 요소는 센서의 지속적인 교정을 허용하기 위해 고정 위치 또는 이동 위치를 인지하고 있는 다수의 센서의 네트워킹을 포함한다. 이 방식에서, 2개 이상의 센서를, 이들 센서의 지리적인 위치 및 센서가 환경을 샘플링하는 시간을 인지하면서 네트워크킹함으로써, 2개 이상의 센서의 판독이 비교될 수 있고, 최근 교정이 적은 센서나 혹은 바람직하지 않게 교정된 센서를 부근에 있는 다른 센서로부터의 데이터에 기초해서 재교정할 수 있다. 센서 모듈 내의 프로세싱 회로의 디지털 출력은, 센서의 네트워크의 출력을 모니터링하기 위해서, RF 또는 인터넷에 의해서 원격 중앙 네트워크로 전송될 수 있다. 센서는 관심있는 다양한 가스를 검출하도록 원격으로 제어될 수도 있다. 분산된 센서로부터의 검출은, 네트워크에 의해 처리되어서 특정 가스의 소스를 판정하고 가스에 대한 환경 조건의 영향을 검출할 수 있다.
센서 모듈의 용도는 대기질(일산화탄소)의 검출, 가스 노출 제어, 유독 가스 검출, 호흡 분석, 산업 공정에서의 피드백 등을 포함한다.
다른 실시예 및 이점이 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 캐비티 패키지, 전극, 전해질, 검지 회로 및 전기 상호 접속부를 포함하는 센서 모듈의 일 실시예의 단면도이다.
도 2는, 도 1의 센서 모듈로서, 임시 보호 커버가 개구부 상에 배치되어서, 처리 동안에 전극을 피독(poisoning)으로부터 보호하는 것을 나타낸다.
도 3은, 도 1과 유사한 센서 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 전극을 바이어싱하고 전류 흐름을 검출하는데 사용될 수 있는 많은 다양한 타입의 회로 중 하나를 도시한다.
도 5는 상호 연결된 센서의 네트워크의 지리적 표현이다.
도 6은 네트워크 내의 모든 센서를 정확하게 교정하는 기술의 흐름도이다.
도 7은 센서 네트워크에 의해 검지되는 가스에 대한, 온도 및 습도와 같은 환경 요인의 영향을 평가하는 기술의 흐름도이다.
여러 도면에서 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호로 표시했다.
도 1은 전기 화학 센서 모듈(290)의 최상 모드의 실시예이다. 전기 화학 센서 모듈(290)은 캐비티 포함 본체(300) 및 덮개(301)를 포함한다. 2개 이상의 전극(302/303)은 본체(300) 또는 덮개(301)에 부착되거나 혹은 본체(300) 또는 덮개(301)에 일체회된다. 전해질(304)은 본체(300)의 캐비티 내로 분산되어서 전극(302/303)과 접촉된다. 특정 실시예에서, 전해질(304)은 전극(302/303)과 통합될 수 있다.
본체(300) 또는 덮개(301) 내에는 전체 또는 부분 개구부(306)가 존재해서, 검지되는 가스 또는 대기가 작용 전극(WE)(302)으로 확산될 수 있게 한다. 특정 실시예에서, 개구부(306)는 선택적으로 다공성 물질로 충진되어서, 가스는 전극(302)으로 확산될 수 있게 하지만, 액체 또는 페이스트형 전해질이 캐비티로부터 빠져 나가는 것은 차단할 수 있다.
전기 화학 반응을 일으키기 위해 시스템 내에는 카운터 전극(CE)(303)이 제공된다. 선택적으로 제 3 기준 전극(RE)이 포함되어서, 이에 대해서 WE(302) 및 CE(303)의 전위가 측정될 수 있다. 기준 전극(RE)(322)은 도 3에 도시되어 있다.
전기 화학 셀은 많은 가스에 민감하다. 따라서, 일부 실시예에서, 전기 화학 셀의 외부에서 개구부(306) 상에 필터 재료(307)가 배치되어서 특정 가스가 WE(302)로 통과되는 것을 억제함으로써, 특정 가스들 사이의 셀의 교차 민감도(cross sensitivity)를 감소시킨다. 필터 재료(307)는 탄소 또는 제올라이트와 같은 다공성 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 필터 재료(307)는 화학적으로 기능화될 수 있다.
본체(300) 및 덮개(301)는 전해질(304)에 대해 불활성인 재료를 포함한다. 본체(300) 및 덮개(301)는 또한 일체형 전기도전성 트레이스(308)에 의해서, WE(302), CE(303), 옵션인 RE 및 전기 화학 셀의 외부 사이에서의 분리된 전기적인 신호(전류 및 전위)의 전송을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 이들 트레이스(308)는 전자기적으로 차폐되어서, 스트레이 전자기 복사를 트레이스(308)가 픽업하는 것을 최소화한다. 차폐는 접지된 금속 인클로저로 트레이스(308)를 둘러싸는 것일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본체(300)는 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 세라믹이나, 텅스텐, 백금 또는 패키지 본체(300)나 그 주위를 전기 신호가 통과할 수 있게 하는 임의의 다른 적절한 도전성 재료와 같은 금속 트레이스(308)와 동시 소성된 유리-세라믹을 포함한다. 도전성 트레이스(308)는 패키지의 내부 또는 외부 상에 나타나는 임의의 지점에서, 니켈 및 금의 스택과 같은 추가 금속으로 더 도금될 수 있다.
전극(302/303/322)은 탄소와 같은 전기 도전성 물질 및 루테늄, 구리, 금, 은, 백금, 철, 루테늄, 니켈, 팔라듐, 코발트, 로듐, 이리듐, 오스뮴, 바나듐이나 임의의 다른 적절한 천이 금속와 같은 촉매를 포함한다. 촉매는 하나 이상의 특정 가스를 우선적으로 검지하는 것으로 선택될 수 있다. 전극(302/303/322)은 전해질(304)과 검출되는 가스 모두에 대해 부분적으로 투과성이어서 전극(302/303/322)의 본체 내에서 전기 화학적 반응이 발생할 수 있다. 전극(302/303/322)은 바람직하게는 연장된 시간 동안 160℃ 이상, 바람직하게는 260℃ 이상의 온도에 대해 물리적으로 및 화학적으로 안정되어서, 전기 화학 셀은 솔더 리플로우와 같은 조립 중에 상승된 온도에서 처리될 수 있다.
전극(302/303/322)은, 전해질(304)에 대한 내약품성을 가진 도전성 접착제(309)를 통해 패키지 트레이스(308)에 부착될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 접착제(309) 내의 임의의 도전성 요소는, 패키지 내의 정상 작동 조건 하에서 발생하는 모든 전기 화학 반응에서 어떠한 역할도 하지 않을 것이다. 이러한 도전성 요소는 탄소, 높은 도전성의 반도체, 또는 비촉매 금속을 포함할 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 도전성 요소는 전극(302/303)에 통합된 촉매와 동일한 금속을 포함한다. 이러한 방식으로, 전극(302/303) 및 접착제(309)의 표면에서 발생하는 전기 화학 반응은 동일한 전기 화학적 전위에서 발생한다. 다른 실시예에서, 전극(302/303/322)은 추가 접착제를 사용하지 않고 캐비티 패키지의 덮개(301) 또는 본체(300) 상에 직접 증착될 수도 있다.
전해질(304)은 산과 같은 이온성 물질을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 전해질(304)은 장시간 동안 160℃ 이상, 보다 바람직하게는 260℃ 이상의 온도에 대해서 물리적으로 및 화학적으로 안정된다. 이로써 전기 화학 셀은 조립 중에 상승된 온도에서 처리될 수 있고, 센서 모듈 하부 컨택트는 솔더 리플로우에 의해 기판 패드에 납땜될 수 있다. 이온성이고 고온에서 화학/물리적으로 안정된 전해질 물질의 한 분류는 쌍성 이온성(zwitterionic) 물질을 포함한다. 바람직한 실시예는 전해질(304)로서 쌍성 이온성 물질을 사용한다. 쌍성 이온성 물질은 양전하와 음전하를 모두 갖는 중성 물질이다. 전해질(304)은 겔과 같은 점성이 될 수 있다. 제 2 바람직한 실시예는 유기산 또는 무기산이 주입된 중합체를 포함한다. 이 경우, 중합체는, 주입된 산을 연장된 시간 동안 160℃ 이상, 보다 바람직하게는 260℃ 이상의 온도에서 안정시키는 역할을 할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 패키지의 덮개(301) 및 본체(300)는 밀봉재(311)로 서로 밀봉된다. 밀봉재(311)는 에폭시, 실리콘 또는 아크릴과 같은 전해질에 대해 내약품성을 갖는 유기 접착제를 포함할 수 있다. 다른 방안으로, 밀봉재(311)는 프릿 유리(frit glass)와 같은 무기 재료를 포함할 수 있다. 나아가, 전극(302/303/322) 중 하나 이상이 덮개(301)에 접속되는 경우에, 덮개(301) 및 본체(300) 내의 트레이스들(308) 사이의 전기적 접속은 전기 상호 접속부(310)를 통해 이루어질 수 있다. 전기적 상호 접속부(310)는 납땜과 같은 금속, 은 함유 에폭시, 금 함유 에폭시, 탄소 함유 에폭시와 같은 도전성 접착제 또는 임의의 다른 적절한 전기 컨택트를 포함할 수 있다.
패키지 내의 전기 트레이스(308)는 전극(302/303/322)과 아날로그 또는 혼합 신호 검지 회로(312) 사이의 전기적 접속을 가능하게 한다. 검지 회로(312)는 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 및 마이크로프로세서와 같은 ASIC 또는 다수의 IC를 포함할 수 있다. 검지 회로(312)는 CE(303), WE(302), 및 옵션인 RE(322) 사이에 전기 전위를 인가하고, WE(302), CE(303) 및 옵션인 RE(322) 사이를 지나는 전기 전류를 검출하며, 검지된 신호를 보고할 수 있다. 가장 단순한 형태로, 검지 회로(312)는 전기 화학 셀의 기능을 가능하게 하는 전위차계, 전극 사이를 지나는 전류를 측정하기 위한 하나 이상의 트랜스임피던스 증폭기 및 전극 사이에 전위를 인가하기 위한 가변 바이어스 전압원을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 검지 회로(312)는, 전기 화학 셀이 접속되는 AFE(analog front-end), 전극 사이에서 검지된 신호를 디지털 표현으로 변환할 수 있는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 디지털 표현으로부터 전극 사이의 전기 화학적 전위가 설정될 수 있는 디지털-아날로그 변환기(DAC), 디지털 제어 회로, 레지스터 및 I2C 인터페이스, SPI 인터페이스 또는 MIPI 인터페이스를 포함한다. 선택적으로, 검지 회로(312)는 예를 들어 교정된 가스 농도의 보고를 가능하게 하는 알고리즘이 저장되어서 실행될 수 있는 마이크로프로세서를 포함할 수도있다. 다른 방안으로, 마이크로프로세서는 제 2의 이산적인 요소(discrete component)의 형태로 패키지에 통합될 수 있다.
검지 회로(312)는 일체형 온도 센서, 일체형 습도 센서 및 일체형 공기압 센서 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 다른 방안으로, 검지 회로(312)는 외부 부품을 통해 습도, 온도 및 압력을 검출하는 데 필요한 AFE만을 포함할 수도 있다. 이러한 아날로그 회로를 포함하는 임의의 검지 회로(312)는 ADC, DAC 및 확장된 AFE로 동작하는데 필요한 디지털 회로, 또는 ADC 및 DAC가 다수의 검출 소자에 선택적으로 접속하는 것을 가능하게 하는 멀티플렉싱 회로를 더 포함한다.
바람직한 실시예에서, 검지 회로(312)는 플립-칩 구성으로 땜납, 은 또는 금과 같은, 금속 상호 접속부(313)를 통해 전기 화학 셀의 트레이스(308)에 직접 본딩된다. 이러한 방식에서, 유전체 언더필(underfill)(314)은 검지 회로(312)와 셀의 본체(300) 사이에 선택적으로 분산될 수 있다. 검지 회로(312)는 이방성 도전성 페이스트(ACP) 또는 이방 도전성 필름(ACF)을 통해 셀의 트레이스(308)에 부착될 수 있다. 다른 방안으로, 검지 회로(312)는 다이 부착 에폭시를 통해 셀의 본체(300)에 물리적으로 부착될 수도 있다. 셀 상의 트레이스(308)에 대한 전기적 접속은 와이어 본딩에 의해 수행될 수 있다. 이후, 검지 회로(312) 및 와이어본드는 에폭시 또는 실리콘 오버몰드나 댐 앤 필 공정(dam and fill process)에 의해 보호될 수 있다.
ACF, ACP, 스프링-클립(spring-clip), 커넥터 컨택트, 납땜 또는 임의의 다른 적절한 전기적인 상호 접속 수단에 의한 응용 기판(예를 들어, 인쇄 회로 기판)으로부터 검지 회로(312)로의 전기적 상호 접속을 가능하게 하기 위해 추가 트레이스가 전기 화학 셀에 통합된다. 바람직한 실시예에서, 이들 트레이스의 종단은 응용 기판의 땜납 패드에 부품을 직접 리플로우를 할 수 있도록 땜납 볼(315)로 되어 있다.
응용 기판(321) 상의 땜납 패드(도 2)에 땜납 볼(315)을 리플로우하는 동안이나 또는 응용 기판(321)에 전기 화학 셀을 다른 부착 처리하는 동안, 화학적 흄(chemical fume)이 방출될 수 있다. 이들 흄은 전극(302/303/322)의 표면 상에 흡착되어서 전극 피독을 일으킬 수 있으며, 또한 전기 화학 셀의 둔감화(desensitization) 또는 교정 저감(de-calibration)을 일으킬 수 있다. 이러한 영향에 대응하기 위해, 하나의 예시에서 처리 이후에 전극(302/303/322)으로부터 이러한 흄 또는 그 부산물을 탈착할 수 있도록 회로(312)에 의해 구동 전류가 셀에 인가될 수 있으며, 이로써 셀은 원래 상태 혹은 이에 가까운 상태로 돌아간다. 다른 방안으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 처리 이전에 임시 보호 커버(320)가 전기 화학 셀(290)의 개구부(306) 상에 부착되어서, 일단 흄이 전극(302/303/322)으로 통과하는 것을 억제하고, 처리 후에 커버(320)는 제거된다. 이러한 방식에서, 임의의 선택적인 필터(307)(도 1)가 응용 기판(321)에 부착된 후에 적용될 수 있다.
도 3은 필터(307), 덮개(301)(가스 개구부를 가짐), 작용 전극(302), 카운터 전극(303), 기준 전극(322), 전해질(304)(겔일 수 있음), 세라믹 본체, 센서 회로(312), 및 인쇄 회로 기판(PCB)에 부착하기 위한 땜납 볼(315)을 포함한다. 땜납 볼(315)은 덮개를 센서 회로(312)로부터 PCB로 전기적으로 접속시키며, 전원 단자, 제어 단자 및 출력 단자를 포함한다. 센서 회로(312)로부터의 출력 데이터는 디지털일 수도 있고 온도, 습도, 공기 압력 등은 물론 (가스를 통한 전류에 기초한)가스 검출에 관한 데이터를 포함할 수 있다. PCB는, 분산된 센서 모듈들의 네트워크를 제어하는 원격 중앙 프로세서에 데이터를 전달하는 통신 부품을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 센서 모듈(290)의 크기는 약 4mm×4mm×1.8mm(높이)이다. 센서의 크기가 작으면 가스에 대한 응답이 빠른 것을 비롯한 많은 이점이 있다. 따라서, 센서는 호흡기로 사용될 수 있으며, 사람의 호흡에서 숨길 수 없는 가스는 알콜 섭취 또는 기타 물리적 특성에 대응한다.
센서 모듈(290)의 다양한 이점은 다음을 포함한다.
저 휘발성 전해질("대기 상태에 안정"). 이로써,
● 수명 동안 수분의 증발 또는 흡수가 제한됨. 이로써,
○ 주어진 제품 수명 및 동작 조건의 세트에 필요한 전해질의 저장소가 더 작다. 이로써,
■ 제품 풋프린트가 감소된다.
● 동작을 위해 전해질(특히 쌍성 이온성 전해질의 경우)에 필요한 PPM 레벨의 수분의 조성(water composition)(또는 없음). 이로써,
○ 주어진 제품 수명 및 동작 조건의 세트에 필요한 전해질의 저장소가 더 작다. 이로써,
■ 제품 풋프린트가 감소된다.
● 전해질이 고온에서 처리될 수 있는 능력. 이로써,
○ 표준 대량 반도체 조립 공정을 활용할 수 있는 능력. 이로써,
■ 비용 절감(커스텀 프로세스가 필요 없음).
■ PCB 상에 부품을 표준 땜납 리플로우 조립을 통해서 조립하는 것과 같은, OEM 고객의 편리한 사용 및 비용 절감
작은 크기의 센서. 이로써,
● 휴대폰 및 가전 제품에 통합 가능한 폼 팩터. 이로써,
○ 폭 넓은 시장이 가능함. 이로써,
■ 대량 제조. 이로써, 비용 절감.
○ 기존 핸드폰 인프라(프로세서, I/O 등)를 활용할 수 있는 능력. 이로써,
■ 시스템 비용 절감(독립형 시스템 구축에 비해서)
● 셀의 커패시턴스 감소로 인해. 이로써,
○ 셀의 빠른 응답. 이로써,
■ 소형이며, 낮은 전압 및 전류로 전기 화학 셀로 가스 분광법을 구현 가능.
○ 사용자 경험의 향상. 이로써,
■ 호흡 분석과 같이 시간이 중요한 응용 분야에 활용.
센서가 모바일 장치에 통합되거나 소형 센서 노드에 분산됨으로써, 여러 곳에서 가스 농도를 매핑할 수 있다. 이로써,
○ 수마일 떨어져 있는 기상청을 통해서 생성되는 일반적인 사용자를 특정하지 않는 AQI에 대한 그 사람 주위의 로컬 공기질을 잠재적으로 제공한다.
○ 오염원을 식별할 수 있는 능력-예를 들어 매연 검사가 필요한 차량
○ 주차장에 더 양호한 통기가 필요하다는 것을 강조하는 능력.
○ 센서, 전화 또는 네트워크로부터 정황 데이터(위치, 사용자 활동, 시간, 날짜, 습도, 온도, 주변 자외선 등)을 센서 데이터의 해석에 적용
■ 데이터 해석의 정확성이 향상된다. 예를 들어 주변 습도 및 온도에 대한 것으로 원시 센서 데이터를 보상할 수 있다
■ 센서에 의해 직접 측정되지 않는 다른 환경 요인의 존재를 통계로 정확하게 추정할 수 있는 능력. 예를 들어 당신이 집에 있으면서 CO를 측정하는 경우, 로컬 환경 내에 미립자(그을음)의 존재에 대한 상관 관계가 있을 수 있으며, 이는 모두 근본 원인은 동일하기 때문이다 - 예컨대, 가스, 목재 등의 불완전 연소 -.
● 차량 실내나 회의실에 분산된 여러 센서 노드는 룸/실내에 사람이 있는지 여부 뿐만 아니라 개인의 위치를 판정하는 것은 물론(실내의 CO 또는 CO2 수준을 모니터링함으로써) 개별 센서 부근의 개인의 건강을 모니터한다(예를 들어 다가오는 메스꺼움과 멀미를 나타내는 자동차 여행 중 아이들 근처에서 수소가 증가한다는 것은 예를 들어 메스꺼움과 멀미가 임박했다는 것을 나타냄).
● 센서를 네트워킹화함으로써, 교차 보정 방식을 통해서 지속적인 교정을 용이하게 한다.
도 4는 전해질(304) 내의 작용 전극(302), 카운터 전극(303) 및 기준 전극(322)에 대한 다수의 가능한 바이어싱 방법 중 하나를 나타낸다. 다공성 작용 전극(302)의 상부 표면은 가스에 노출되고, 작용 전극(302)의 표면은 전해질(304) 내에 있거나 그렇지 않으면 전해질과 밀접하게 접촉한다. 가스는 계면에서 다공성 작용 전극(302)을 통해 전해질(304)과 접촉해서, 전자를 방출 또는 흡수하는 화학 반응을 일으키고, 가스 농도에 비례하는 전류를 생성한다.
도 4는 또한 작용 전극(302) 전류(타깃 가스의 특성)를 검출하기 위한 회로 및 검출된 가스에 관한 데이터를 출력하기 위한 디지털 처리 기술을 도시한다. 회로는 센서 회로(312)(도 1)에 위치된다. 도 4에 도시된 회로는 전기 화학 셀을 바이어싱하기 위한 공지된 일반적인 회로이다. 다른 가스를 타깃으로 하는 특수한 바이어싱 방식이 사용될 수 있다.
예를 들어, OP-앰프에 의해 전력을 공급받는 포텐시오스탯(potentiostat)은 전기 화학 회로의 완성을 가능하게 하고 작용 전극(302)에서 생성된 전류가 회로를 통해 흐르도록 작용 전극(302)과 상대 전극(303) 사이의 전위를 관리한다. 입력 기준 전압은 고정된 전압일 수도 있고 또는 설정 가능한 제어 전압일 수 있으며, 입력 기준 전압은 작용 전극(302)과 기준 전극(322) 사이에서 소망의 바이어스를 설정한다. 기준 전극(322)(가스로부터 보호됨)은 전해질(304)에서 안정한 전기 화학 포텐셜을 제공한다. 바이어스 전압은 제로일 수도 있고, 포지티브일 수도 있으며 또는 네거티브일 수 있고, 일반적으로 500mV 이내이다. 동작 전극(302)을 통한 전류 흐름은 트랜스컨덕턴스 증폭기(332)에 의해 전압으로 변환된다. 증폭기(332)의 아날로그 출력은 아날로그-디지털 변환기(334)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 이후에 디지털 신호는 마이크로프로세서(336)에 의해 처리된다. 마이크로프로세서(336)는 중앙 네트워크와 통신하기 위해 다양한 레지스터(338)에 데이터를 출력한다.
다양한 타입의 가스를 검출하기 위해 전기 화학 셀의 어레이가 사용될 수 있다. 하나의 전기 화학 셀이 5mm×5mm 미만의 풋프린트를 가질 수 있으므로, 어레이의 풋프린트는 공유 구성 요소에 따라 선형으로 또는 서브 선형(sub-linearly)으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 하나의 프로세서가 모든 셀의 데이터를 처리할 수도 있다. 일례로, 제 1 셀은 제 1 가스 세트를 검출하도록 최적화된 제 1 전해질-촉매/전극 조합을 포함할 수 있고, 제 2 셀은 제 2 가스 세트를 검출하도록 최적화된 제 2 전해질을 포함할 수 있다.
제조 시점 또는 배치 시점에, 센서 및 검지 시스템은 일반적으로 교정이 필요하다. 시간이 지남에 따라서 많은 센서의 교정은 드리프트되는 경향이 있다. 따라서, 많은 정밀 검지 시스템은, 시스템 동작 수명이 끝날 때까지 대기에 초기 노출된 이후에, 주기적으로 지속적인 보정이 필요하다. 센서 타입에 따라 주기적 교정이 필요할 수 있다(예컨대, 6개월 또는 12개월마다). 이러한 주기적 교정은 시간 소모적이며, 비용이 많이 들고, 사용자에게 불편할 수 있다. 따라서, 우리는 여기서, 배치된 가스 또는 다른 환경 센서의 네트워크가 편리한 방식으로 지속적으로 교정될 수 있는 방식을 제안한다.
이 방식에서, 도 5 및 도 6의 흐름도에 도시된 바와 같이, 지리적 영역은 알려진 지리적 위치의 환경 센서(500, 510, 520, 530)(단계 532)의 네트워크를 포함하며, 그 중 적어도 하나(센서(500))는 교정 중인 것으로 알려져 있다(단계 534). 공지된 교정 센서(500)는 예를 들어, 최근 교정된 소비자 센서가 될 수도 있고, 또는 예컨대 미국 환경 보건국이나 어떤 다른 기술, 상업, 학술 또는 정부 기관에 의해 유지되는 고정 대기 환경 지수(AQI:air quality index) 검지 스테이션과 같이, 전문적으로 관리되는 센서가 될 수도 있다. 센서가 대기를 측정하는 시간뿐만 아니라 측정 결과가, 개별 검지 시스템 또는 중앙 네트워크 제어기(536)의 중앙 메모리에 의해 기록된다(단계 538). 그 네트워크 내의 모바일 환경 센서(510)가 공지된 교정 센서(500)에 지리적으로 근접할 때, 모바일 센서(510)는 로컬 환경을 검지하고, 거의 동시에 취해진 판독값을 공지된 교정 센서(500)에 의해 보고되는 것과 비교해서, 보고되는 데이터를 사용해서 스스로를 재조정한다(단계 540 및 단계 542).
모바일 센서(510)가 네트워크 상의 제 2 고정식 또는 이동식 센서(520)와 근접하게 되면, 2개의 센서로부터의 판독값이 거의 동시에 비교되어서 센서의 교정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 센서(510)ss 공지된 교정 센서(500)에 대해 보다 최근에 교정된 것으로 알려져 있고, 센서(520)는 최근에 교정되지 않았다면, 센서(520)의 교정은 센서(510)의 교정에 대해서 업데이트될 수 있고, 혹은 그 반대도 마찬가지이다(단계 544).
다른 방안으로, 교정이 정확하게 이루어지지 않은 센서(520)가 최근 교정된 센서(500/510/530)와 순차적으로 지리적으로 근접하면, 센서(520)는 그 판독 값을 센서(500/510/530)로부터의 판독값 각각과 비교해서, 통계된(polled) 네트워크 센서(510/520/530)의 판독값을 분석해서 결정되는 가장 중요한 상태로 교정될 수도 있다.
이후, 다양한 교정된 센서가 임의의 위치에서 데이터를 수집하는데 사용될 수 있으며, 데이터는 네트워크 제어기(536)에 의해 저장되고 추가 처리된다(단계 546).
외삽에 의해서, 복수의 네트워크화된 센서로부터의 데이터는 네트워크 제어기(536)에 의해 혹는 에이전트에 의해 중앙에서 분석되어서, 대기 상태의 상세한 맵이 컴파일될 수 있다. 네트워크 제어기(536)와의 통신은 RF, 인터넷 또는 임의의 다른 수단에 의한 것일 수 있다. 네트워크화된 모든 센서는 지속적으로 이 맵에 대해 네트워크 제어기(536)에 의해 원격으로 재보정 될 수 있다(단계 548). 이 맵의 로컬 해상도는 가스, 미립자, 및 공장이나 작업장과 같은 다른 대기 오염원, 교통, 및 바람, 비 및 기온과 같은 주요 기상 상태에 대한 정보를 외삽함으로써 더욱 향상될 수 있다.
도 6은 타깃 가스에 대한 다양한 환경 조건의 영향을 결정하는 것과 관련된 흐름도이다. 네트워크 내의 다양한 센서는 타깃 가스에 관한 데이터를 송신하는 것과 함께 온도, 습도, 공기압 등과 같은 주변 환경 조건을 네트워크 제어기(536)에 전송할 수 있다(단계 560 및 562). 환경 조건 센서는 전기 화학 센서 모듈로부터 분리될 수도 있다. 이후에, 네트워크 제어기(536)의 프로세서는 다양한 센서 및 타깃 가스에 대한 다양한 환경 조건의 영향을 결정할 수 있다(단계 564).
본 발명을 상세히 설명했지만, 당업자라면 본 개시 내용을 고려할 때, 본 명세서에 설명된 발명 개념의 사상을 벗어나지 않고 본 발명을 변형할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 도시되고 설명된 특정 실시예로 한정되는 것으로 의도되지 않는다.
예를 들어, 전술한 지속적인 교정 방식은 미립자 센서 및 주변 광 센서와 같은 다른 환경 센서에 적용 가능하고; 지속적인 교정 방식은 가까운 지리적 근접성을 갖는 2 이상의 센서의 판독값을 수동으로 비교함으로써 선택적으로 수행될 수 있으며; 검출 모듈 상의 검출 회로 및 외부 전극 중 하나 이상은 검지 모듈의 덮개 상에 배치될 수 있으며; 검지 모듈은 다수의 전기 화학 셀을 포함할 수 있으며, 각각의 셀이 검출될 수 있는 가스의 선택성 및 범위를 향상시키도록 전극과 전해질의 고유한 조합을 갖고; 검지 모듈은 습도 센서, 온도 센서, 압력 센서, 금속 산화물 가스 센서, 화학 저항성 센서, 미립자 센서 및 광학 센서와 같은 하나 이상의 추가 환경 검출 요소를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이며, 따라서 첨부된 청구 범위는 그 범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범주 내에 있는 이러한 모든 변경 및 수정을 포함한다.

Claims (22)

  1. 전기 화학 가스 검지 요소로서,
    부분적으로 폐쇄된 캐비티를 포함하는 패키지 본체와,
    상기 캐비티 내에 포함된 전해질과,
    상기 부분적으로 폐쇄된 캐비티의 내부에 있는 복수의 전극 - 상기 전극은 상기 전해질과 접촉함 - 과,
    상기 전극 중 적어도 하나에 가스가 접촉할 수 있게 하는, 상기 패키지 본체의 가스 개구부와,
    상기 전극으로부터 상기 캐비티 외부로 이어지는 전기 상호 접속부와,
    전력을 수신하고 검출된 가스와 관련된 정보를 출력하기 위한, 상기 패키지 본체의 외부 표면 상의 복수의 전기 컨택트
    를 포함하고,
    상기 패키지, 전해질 및 전극은 180℃ 이상의 처리 온도를 견딜 수 있는 재료로 형성되는
    가스 검지 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지 본체는 세라믹 물질을 포함하는
    가스 검지 요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 260℃ 이하의 프로세싱 온도에서 물리적으로 및 화학적으로 안정되는
    가스 검지 요소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 쌍성 이온성(zwitterionic) 물질을 포함하는
    가스 검지 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 산이 주입된 폴리머를 포함하는
    가스 검지 요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 260℃ 이하의 처리 온도에서 물리적 및 화학적으로 안정되는
    가스 검지 요소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 상호 접속부는 상기 패키지 본체의 외측을 따라서 형성되는
    가스 검지 요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 상호 접속부의 일부는 전자기 간섭으로부터 차폐되는
    가스 검지 요소.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지 본체에 부착되는 센서 회로를 더 포함하고,
    상기 센서 회로는, 제 1 전극에 충돌하는 가스의 농도에 대응하는 전류를 적어도 상기 제 1 전극을 통해서 검출하고, 상기 전류를 처리해서 상기 복수의 전기 컨택트에 디지털 데이터를 출력하도록 구성되는
    가스 검지 요소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서 회로는 아날로그-디지털 컨버터, 및 상기 가스 검지 요소에 의해 검출된 가스에 관한 상기 디지털 데이터를 생성하는 프로세서를 포함하는
    가스 검지 요소.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 센서 회로는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)을 포함하는
    가스 검지 요소.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서 회로는 상기 가스 검지 요소의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하는
    가스 검지 요소.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서 회로는 습도 센서를 더 포함하는
    가스 검지 요소.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서 회로는 기압 센서를 더 포함하는
    가스 검지 요소.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 컨택트는 기판 상의 땜납 패드와 전기적으로 접촉하도록 리플로우되도록 구성된 땜납 볼을 포함하는
    가스 검지 요소.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 검지 요소는 5mm×5mm 미만의 풋프린트를 갖는
    가스 검지 요소.
  17. 이격되어 있는 전기 화학 가스 센서의 네트워크를 사용해서 가스를 검지하는 방법으로서,
    제 1 가스 센서를 교정하는 단계와,
    타깃 가스를 검출하는 동안 상기 제 1 센서에 근접한 하나 이상의 다른 센서을 이동시키는 단계와,
    상기 제 1 센서 및 상기 하나 이상의 다른 센서로부터의 출력 데이터를 비교하는 단계와,
    상기 제 1 센서의 상기 출력 데이터에 기초해서 상기 하나 이상의 다른 센서를 교정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 센서를 교정하는 단계는, 상기 제 1 가스 센서에 의해 생성된 하나 이상의 전기 화학적 전류의 크기를 상기 제 1 센서에 의해 검출되는 하나 이상의 가스의 농도에 대해 교정하는 단계를 포함하는
    방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    하나 이상의 환경 요인을 측정하고, 상기 가스 센서의 네트워크로부터의 출력 데이터에 대한 환경 요인의 영향을 고려하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 환경 요인은 온도, 습도, 압력, 위치, 주변 조명, 시간 및 날짜 중 하나 이상을 포함하는
    방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    특정 위치 및 특정 시간의 상기 교정된 제 1 가스 센서의 상기 출력 데이터를, 상기 특정 위치 부근의 및 상기 특정 시간에 가깝게 하나 이상의 비교정(uncalibrated) 제 2 가스 센서의 출력 데이터와 비교한 것에 기초해서, 상기 가스 센서 중 어느 하나를 상기 가스 센서 중 다른 센서와 교차 교정하는 단계와,
    상기 제 1 가스 센서의 상기 출력 데이터와 유사한 데이터를 출력하도록 상기 제 2 가스 센서를 교정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  22. 검출되는 가스에 대한 전체적인 로컬 대기 상태의 영향을 추정하는 방법으로서,
    제 1 위치에서 제 1 가스 센서에 의해 하나 이상의 가스를 검출하고, 검지되는 하나 이상의 가스에 대응하는 상기 제 1 가스 센서로부터의 데이터를 출력하는 단계와,
    추가적인 로컬 센서로부터 추가의 로컬 환경 데이터를 확인하는 단계와,
    상기 검지된 하나 이상의 가스와 상기 로컬 환경 데이터 사이에 알려진 상관 관계를 적용하여 전체적인 로컬 대기 상태를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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