KR20200024417A - 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기준센서, 미세먼지 측정용 공진기 센서 및 습도를 감지하는 습도 측정용 센서를 포함하는 센서 어레이; 상기 기준센서와 미세먼지 측정용 공진기 센서 및 습도 측정용 센서 간의 주파수 차이를 비교하는 주파수 비교부; 상기 주파수 비교부의 미세먼지 측정용 공진기 센서 출력값에서 상기 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 미세먼지 측정용 공진기 센서 출력값을 보정하는 처리부; 및 상기 처리부 출력값을 전압으로 변환하는 전압 변환부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 종래의 공진기 기반 센서의 습도로 인한 미세먼지 농도 측정의 부정확성을 현저히 개선시키는 우수한 효과가 있다.

Description

마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법{MEASURING APPARATUS OF PARTICULATE MATTER USING MICRO RESONATOR AND MEASURING METHOD THEREOF}
본 발명은 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 공진기 기반 센서의 습도로 인한 미세먼지 농도 측정의 부정확성을 개선하고 소형화가 가능한 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
종래에 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 공진기 또는 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 공진기 등의 마이크로 공진기로 흡착 물질을 정량 검출하는 센서 기술이 보고되고 있다. 공진기 센서 표면에 타겟 분자의 흡착이 이루어지면 공진기의 공진 주파수가 바뀌게 되고 이를 정량분석하여 흡착물의 농도를 검출한다. 이러한 선행기술로서, 대한민국 공개특허 제2012-0118536호는 수정진동자 면역센서를 이용한 메탈로티오닌 검출 방법에 대하여 개시하고 있다.
그러나, 공기 중에서 동작하는 공진기는 대기의 습도에 의해서도 영향을 받기 때문에 이를 보정하지 않으면 안되는데, 종래에는 이를 보정하는 기술이 보고된 바가 없어서 QCM 등의 공진기를 이용하여 가스센서나 대기중 먼지입자 농도를 측정하는 센서 응용은 정확성이 떨어졌기 때문에 상용화된 사례가 없었다.
따라서, 상기의 대기 중 미세먼지 입자의 농도를 측정할 때 습도에 의한 영향을 제거하기 위한 미세먼지 측정 기술의 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 또한, 기존의 광학식(광산란방식)에 비하여 소형화가 가능한 미세먼지 측정장치의 개발도 요청되고 있다.
대한민국 공개특허 제2012-0118536호 (2012. 10. 29)
따라서 본 발명의 목적은 QCM 등의 공진기를 이용하여 대기 중 미세먼지 입자의 농도를 측정할 때 습도에 의한 영향을 제거함으로써 미세먼지 농도 측정의 정확성을 향상시킬 수 있는 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 소형화가 곤란한 기존의 광학식 또는 광산란방식과 달리 반도체 칩 형태로 먼지센서를 제작함으로써 소형화가 가능한 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 미세먼지 측정장치는, 기준센서, 미세먼지 측정용 공진기 센서 및 습도를 감지하는 습도 측정용 센서를 포함하는 센서 어레이; 상기 기준센서와 미세먼지 측정용 공진기 센서의 주파수 차이를 비교하는 주파수 비교부; 상기 주파수 비교부의 미세먼지 측정용 공진기 센서 출력값을 전압으로 변환하는 전압 변환부; 및 상기 전압 변환부의 출력값에서 상기 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 전압 변환부의 출력값을 보정하는 처리부를 포함한다.
상기 미세먼지 측정장치에 있어서, 상기 미세먼지 측정용 공진기 센서는 QCM 센서이고, 상기 습도를 감지하는 습도 측정용 센서는 세라믹 습도센서, 고분자 습도센서, 전해질 습도센서 또는 열전도 습도센서인 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지 측정장치에 있어서, 상기 처리부는 상기 전압 변환부의 출력값의 범위 및 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위을 동일한 스케일의 범위로 환산하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지 측정장치에 있어서, 상기 전압 변환부의 출력값의 범위는 O 내지 5 볼트(V)이고, 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위는 0 내지 100 %인 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지 측정장치에 있어서, 상기 변환부는 상기 전압 변환부의 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위, 및 상기 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산하는 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지 측정장치에 있어서, 상기 동일한 스케일의 범위는 임의의 축영역의 0 ~ 10의 값으로 변환된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 미세먼지의 측정방법은, 기준센서, 미세먼지 측정용 공진기 센서의 공진주파수를 출력하는 단계(S10); 상기 기준센서 및 미세먼지 측정용 공진기 센서의 공진주파수 차이를 비교하는 주파수 차이 비교 단계(S20); 및 상기 주파수 차이 비교에 의한 주파수 차이 출력값을 전압으로 변환하는 전압 변환 단계(S30)를 포함한다.
상기 미세먼지의 측정방법은, 상기 전압 변환 단계(S30)에서 변환된 전압 출력값에서 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 변환된 전압 출력값을 보정하는 보정 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 미세먼지의 측정방법에 있어서, 상기 미세먼지 측정용 공진기 센서는 QCM 센서이고, 상기 습도를 감지하는 습도 측정용 센서는 세라믹 습도센서, 고분자 습도센서, 전해질 습도센서 또는 열전도 습도센서인 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지의 측정방법에 있어서, 상기 보정 단계는 상기 변환된 전압 출력값의 범위 및 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위을 동일한 스케일의 범위로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지의 측정방법에 있어서, 상기 변환된 전압 출력값의 범위는 O 내지 5 볼트(V)이고, 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위는 0 내지 100 %인 것을 특징으로 한다.
상기 미세먼지의 측정방법에 있어서, 상기 환산하는 단계는 상기 변환된 전압 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위, 및 상기 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산하는 것을 특징으로 하고, 상기 동일한 스케일의 범위는 임의의 축영역의 0 ~ 10의 값으로 변환된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법에 따르면, 종래의 공진기 기반 센서의 습도로 인한 미세먼지 농도 측정의 부정확성을 현저히 개선시키는 우수한 효과가 있다.
또한, 기존의 광학식(광산란방식)과 달리 공진기 사용에 따라 반도체 칩 형태로 먼지센서를 제작할 수 있다는 점에서 소형화가 가능한 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치를 제공할 수 있다.
도 1은 주파수 비교기를 이용한 공진기 판독 출력(read-out) 회로도이다.
도 2는 QCM 공진기 센서를 이용한 대기중 미세먼지 검출 결과 실시간 누적 데이터이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 장치를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도에 의한 영향을 제외한 QCM 센서 출력 결과와 상용 광학식 먼지센서로 측정한 결과의 일치도 비교 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1은 주파수 비교기를 이용한 공진기 판독 출력(read-out) 블록다이어그램이다.
종래의 QCM이나 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)/NEMS(Nano Electro Mechanical Systems) 기계 공진기는 공진주파수 쉬프트(shift)를 이용해 공기 중에서 미세 입자의 농도를 정확하게 측정하는데 사용할 수 있었으나, 실제 환경에서는 습도에 의해서도 매우 민감하게 반응하기 때문에 습도가 관리되는 환경에서만 제한적으로 사용되었다.
본 발명은 공진기 중에 대표적인 QCM 오실레이터를 이용하여 습도의 영향을 배제하면서 대기중 미세먼지를 측정하는 방법을 제공한다. QCM 센서는 외부 전원이 전극과 연결되고, 수정 진동자 기판 상하부에는 전극이 형성되어 있다. 전극에 수정진동자의 기계적 공진 주파수에 해당하는 전압이 기계공진주기와 유사한 주파수로 전극에 가해지면 수정진동자는 고유의 주파수로 기계적 공진을 하게 된다. 전극면에 측정 대상 물질이 흡착되면 진동자는 미세한 질량의 변화가 생기게 되고, 이로 인해 공진 주파수가 변하게 된다. 공진기의 질량변화가 공진기의 기계적 공진주파수와 밀접한 관계가 있으므로 공진 주파수를 통해 미세 질량을 감지할 수 있다. 기계 공진기의 주파수 변화를 읽는 방법은 공지된 기술을 참조할 수 있다. 기준 공진기는 외부와 밀폐되어 공진 주파수 변화가 없는 공진기를 이용한다. 센싱용 공진기는 외부 환경에 노출되어 습도나 미세먼지의 변화에 의해 공진주파수가 바뀌게 된다.
도 1을 참조하면, 공진주파수 변화를 간단하게 읽을 수 있도록 하기 위해 두 공진기의 주파수를 비교하여 주파수 차이를 출력한다. 기계 공진기의 공진주파수는 감지물의 검출능과 관계가 있는데 주파수가 높을수록 감도가 높아진다. 일예로 QCM 공진주파수 8 MHz 특성을 갖는 공진기를 사용하면 주파수는 매우 높지만 기준 공진기와의 센서의 공진주파수 차이는 수 Hz ~ 수 KHz 이하로 나타나게 된다. 이를 주파수 대 전압 변환기( Frequency to voltage converter)로 변환하여 아날로그디지털 변환기(ADC)로 출력하여 저장하면 간단하게 QCM 공진기 센서를 검출물 측정 응용으로 활용할 수 있다.
도 2는 QCM 공진기 센서를 이용한 대기중 미세먼지 검출 결과 실시간 누적 데이터이다.
도 2를 참조하면, QCM 공진기로 대기 중의 미세먼지를 측정한 결과값과 동일한 대기 공기에서 측정한 상용 광학식 먼지센서 결과값 및 습도측정 결과값을 나타내고 있다.
QCM 센서의 신호는 전압으로 출력되며, 습도는 0~100%의 습도값으로 출력된다. 그리고 상용 광학식 먼지 센서는 대기중 먼지 농도 값으로 변환되어 ug/m3의 단위로 결과가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
QCM 센서의 출력값은 습도의 변화와 매우 유사하게 추종하고 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 공진기가 습도를 감지하여 출력신호로 나타나기 때문이다. QCM 공진기는 습도에 의해서도 영향을 받을 뿐만아니라 대기 중 미세먼지의 농도에 의해서도 영향을 받기 때문에 두 인자의 종합적인 반응 결과이다.
따라서, QCM 공진기를 이용하여 대기 중 미세먼지 농도를 측정할 수 있으려면 습도에 의한 영향을 배제하는 것이 반드시 필요하다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 미세먼지 측정장치는 센서 어레이, 주파수 비교부, 전압 변환부 및 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 장치를 도시한 블럭도로서, 도 3을 참조하면, 센서 어레이(10)는 기준센서(12), 미세먼지 측정용 공진기 센서(14) 및 습도를 감지하는 습도 측정용 센서(16)를 포함할 수 있다.
기준센서(12)는 외부와 밀폐되어 외부 환경의 변화에 영향을 받지 않는 센서이다. 즉, 물질의 농도를 측정할 때 기준센서(12)는 외부와 차단되어 있기 때문에 주파수 변화가 일어나지 않는다.
미세먼지 측정용 공진기 센서(14)에 있어서, 상기 공진기는 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)/NEMS(Nano Electro Mechanical Systems) 공진기 또는 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 공진기 등의 마이크로 공진기가 바람직하다. 상기 미세먼지 측정용 공진기 센서(14)는 QCM 센서가 보다 바람직하다.
상기 습도를 감지하는 습도 측정용 센서(16)는 세라믹 습도센서, 고분자 습도센서, 전해질 습도센서 또는 열전도 습도센서인 것이 바람직하다.
습도를 측정하는 방식은 물 분자나 수증기가 가지는 고유한 물리적인 성질을 이용하는 방식과 흡습성 물질에 물 분자가 흡착되어 일어나는 물리적 성질 변화를 측정하는 방식이 있다. 습도센서는 열전도식(서미스터식)과 금속 산화물인 세라믹계 등을 이용한 흡착식이 일반적이며, 습도센서를 재료에 따라 분류하면 열전도 습도센서, 세라믹 습도센서. 전해질 습도센서, 고분자 습도센서 등으로 분류할 수 있다. 본 발명에는 이러한 습도센서가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
주파수 비교부(20)는 상기 기준센서(12) 및 미세먼지 측정용 공진기 센서(14)의 주파수 차이를 비교한다.
상기 주파수 비교부(20)는 상기 기준센서(12)에서 출력되는 주파수와 미세먼지 측정용 공진기 센서(14)에서 출력되는 주파수를 비교하여 그 차이값을 출력한다. 두 주파수의 차이만을 출력하기 때문에 종래의 주파수 카운터와 같은 복잡한 장비가 필요하지 않다. 본 발명의 주파수 비교부(20)는 기준센서(12)에 출력되는 주파수 신호와 미세먼지 측정용 공진기 센서(14)에서 출력되는 주파수 신호를 차감하게 되면 변화되는 값만을 측정할 수 있다. 즉, 주파수 비교기 등의 일반적인 IC 소자를 이용하면, 간단하게 두 신호의 주파수 차이를 출력할 수 있다.
전압 변환부(30)는 상기 주파수 비교부의 미세먼지 측정용 공진기 센서 출력값을 전압으로 변환한다.
처리부(40)는 상기 전압 변환부(30)의 출력값에서 상기 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 전압 변환부(30)의 출력값을 보정한다.
상기 습도 측정용 센서를 QCM 공진기 센서로 할 경우 습도를 감지하는 QCM 공진기는 미세먼지에는 노출되지않고 습도의 영향만을 받도록 패키징하는 것이 필요하다. 따라서 습도는 기존의 습도 센서로 QCM 먼지센서가 동작하는 동일한 환경의 습도 값을 얻는 것이 바람직하다.
상기 처리부(40)는 상기 전압 변환부(30)의 출력값의 범위 및 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위을 동일한 스케일의 범위로 환산하는 변환부를 포함할 수 있다.여기서, 상기 전압 변환부(30)의 출력값의 범위는 O 내지 5 볼트(V)이고, 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위는 0 내지 100 %인 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 변환부는 상기 전압 변환부(30)의 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위, 및 상기 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산할 수 있다. 이때, 상기 동일한 스케일의 범위는 임의의 축영역의 0 ~ 10의 값으로 변환될 수 있다.
전압 변환부(30)의 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위 및 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산하는 변환부에 대하여 구체적으로 설명하면, 습도값의 변화축인 0 ~ 100%의 축변화 레인지(range)와 QCM 센서의 축변화 레인지(range)인 0V에서 5V 의 축 레인지(range)를 동일한 스케일(scale)로 각각 바꾼다. 바람직하게는, 습도 변화의 최소 최대 값으로 만들어지는 y 축의 폭 영역을 0~10 (임의의 단위)이라는 축으로 동일 비율로 스케일(scale) 다운하여 컨버전한다.
그리고 QCM 신호 변화의 y축 최소 최대값인 1.0V ~ 1.35 V를 동일한 폭 영역인 0 ~10 (임의의 단위) 이라는 축으로 데이터를 컨버전 한다.
이렇게 하면 동일한 축 영역상에서 습도와 QCM의 최대 최소값이 흔들리면서 변화하기 때문에 두 결과값의 차를 구할 수 있다.
두 결과값의 차이 그래프를 실시간으로 하여 광학식 먼지센서로 측정한 동일 기간 동안의 먼지측정 값을 서로 비교한 것이 도 4이다. 즉, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도에 의한 영향을 제외한 QCM 센서 출력 결과와 상용 광학식 먼지센서로 측정한 결과의 일치도 비교 그래프이다. 도 4를 참조하면, 두 개의 결과 그래프가 매우 상관성이 높게 움직인다는 것을 확인할 수 있다. 이로써 QCM 출력신호를 습도변화로 보정한 결과를 먼지 측정값으로 변환할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 축변환 방법은 QCM 공진기 뿐만 아니라 MEMS/NEMS 공진기의 출력에도 동일하게 적용할 수 있으므로 매우 작은 마이크로나노 공진기로 초미세 먼지를 측정하는데 사용할 수 있다.
한편, 축변환시 최대-최소값의 구간으로 임의의 축영역인 0~10의 값으로 변환할 수 있는데, 결과값이 센서출력의 드리프트(drift) 현상으로 바뀌어 갈 경우 시계열적으로 최대-최소 결과값의 범위를 보정하는 알고리즘을 적용하여 인공지능형으로 먼지측정 결과를 정확하게 환산하는 것도 가능하다.
전압으로 변환된 신호를 AD 컨버터를 통해 디지털 값으로 변환된 후 MPU와 같은 프로세서에 의해 기존 광학식 미세먼지와의 상관(correlation) 함수를 적용하여 연산 후에 ug/m3 형태로　미세먼지 농도 단위로 환산된 결과를 출력하도록 연산처리되고 통신 인터페이스를 통해 외부 기기로 전송될 수 있다. AD 컨버터 이후의 프로세스는 일반적인 절차이기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 미세먼지의 측정방법은, 기준센서, 미세먼지 측정용 공진기 센서의 공진주파수를 출력하는 단계(S10); 상기 기준센서 및 미세먼지 측정용 공진기 센서의 공진주파수 차이를 비교하는 주파수 차이 비교 단계(S20); 및 상기 주파수 차이 비교에 의한 주파수 차이 출력값을 전압으로 변환하는 전압 변환 단계(S30)를 포함한다.
상기 미세먼지의 측정방법은, 상기 전압 변환 단계(S30)에서 변환된 전압 출력값에서 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 변환된 전압 출력값을 보정하는 보정 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 미세먼지 측정용 공진기 센서는 QCM 센서인 것이 바람직하다.
또한 상기 습도를 감지하는 습도 측정용 센서는 세라믹 습도센서, 고분자 습도센서, 전해질 습도센서 또는 열전도 습도센서인 것이 바람직하다. 그러나 상기 습도 측정용 센서는 이에 한정되는 것은 아니고, QCM 공진을 이용한 습도 측정용 센서도 가능하다.
상기 보정 단계는 상기 변환된 전압 출력값의 범위 및 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위을 동일한 스케일의 범위로 환산하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 변환된 전압 출력값의 범위는 O 내지 5 볼트(V)이고, 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위는 0 내지 100 %인 것을 특징으로 한다.
상기 환산하는 단계는 상기 변환된 전압 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위, 및 상기 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 동일한 스케일의 범위는 임의의 축영역의 0 ~ 10의 값으로 변환될 수 있다.
본 발명의 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치 및 측정방법에 따르면, 종래의 공진기 기반 센서의 습도로 인한 미세먼지 농도 측정의 부정확성을 현저히 개선시키는 우수한 효과가 있다.
또한, 기존의 광학식(광산란방식)과 달리 공진기 사용에 따라 반도체 칩 형태로 먼지센서를 제작할 수 있다는 점에서 소형화가 가능한 마이크로 공진기를 이용한 미세먼지 측정장치를 제공할 수 있다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 센서 어레이
12: 기준센서
14: 미세먼지 측정용 공진기 센서
16: 습도를 감지하는 습도 측정용 센서
20: 주파수 비교부
30: 전압 변환부
40: 처리부

Claims (12)

  1. 기준센서, 미세먼지 측정용 공진기 센서 및 습도를 감지하는 습도 측정용 센서를 포함하는 센서 어레이;
    상기 기준센서와 미세먼지 측정용 공진기 센서의 주파수 차이를 비교하는 주파수 비교부;
    상기 주파수 비교부의 미세먼지 측정용 공진기 센서 출력값을 전압으로 변환하는 전압 변환부; 및
    상기 전압 변환부의 출력값에서 상기 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 전압 변환부의 출력값을 보정하는 처리부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세먼지 측정용 공진기 센서는 QCM 센서이고,
    상기 습도를 감지하는 습도 측정용 센서는 세라믹 습도센서, 고분자 습도센서, 전해질 습도센서 또는 열전도 습도센서인 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는 상기 전압 변환부의 출력값의 범위 및 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위을 동일한 스케일의 범위로 환산하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 변환부의 출력값의 범위는 O 내지 5 볼트(V)이고,
    상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위는 0 내지 100 %인 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 변환부는 상기 전압 변환부의 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위, 및 상기 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 동일한 스케일의 범위는 임의의 축영역의 0 ~ 10의 값으로 변환된 것을 특징으로 하는 미세먼지 측정장치.
  7. 기준센서, 미세먼지 측정용 공진기 센서의 공진주파수를 출력하는 단계(S10);
    상기 기준센서 및 미세먼지 측정용 공진기 센서의 공진주파수 차이를 비교하는 주파수 차이 비교 단계(S20); 및
    상기 주파수 차이 비교에 의한 주파수 차이 출력값을 전압으로 변환하는 전압 변환 단계(S30);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지의 측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전압 변환 단계(S30)에서 변환된 전압 출력값에서 습도 측정용 센서의 출력값을 뺄셈 연산하여 상기 변환된 전압 출력값을 보정하는 보정 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지의 측정방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세먼지 측정용 공진기 센서는 QCM 센서이고,
    상기 습도를 감지하는 습도 측정용 센서는 세라믹 습도센서, 고분자 습도센서, 전해질 습도센서 또는 열전도 습도센서인 것을 특징으로 하는 미세먼지의 측정방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 보정 단계는 상기 변환된 전압 출력값의 범위 및 상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위을 동일한 스케일의 범위로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지의 측정방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 변환된 전압 출력값의 범위는 O 내지 5 볼트(V)이고,
    상기 습도 측정용 센서의 출력값의 범위는 0 내지 100 %인 것을 특징으로 하는 미세먼지의 측정방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 환산하는 단계는 상기 변환된 전압 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위, 및 상기 습도 측정용 센서 출력값의 최소값과 최대값 사이의 범위를 동일한 스케일의 범위로 환산하는 것을 특징으로 하고,
    상기 동일한 스케일의 범위는 임의의 축영역의 0 ~ 10의 값으로 변환된 것을 특징으로 하는 미세먼지의 측정방법.
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