KR20200099091A - 광음향 센서 - Google Patents

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photoacoustic sensor
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크리스티안 브레트하우어
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인피니언 테크놀로지스 아게
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Abstract

본 개시는 제 1 파장의 전자기 방사선(11) 및 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하는 방출기(10)를 포함하는 광음향 센서(100)에 관한 것이며, 제 1 파장은 측정 캐비티(15)에서 미세 먼지(13)를 광음향적으로 검출하기 위한 것이고, 제 2 파장은 측정 캐비티(15)에서 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)를 광음향적으로 검출하기 위한 것이다. 광음향 센서(100)는 또한 제 1 파장의 전자기 방사선(11)과 미세 먼지(13)와의 상호 작용에 따라서 제 1 음향 신호(17)를 제 1 센서 신호(21)로 변환하고, 제 2 파장의 전자기 방사선(12)과 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)와의 상호 작용에 따라서 제 2 음향 신호(18)를 제 2 센서 신호(22)로 변환하는, 음향 변환기(16)를 포함한다.

Description

광음향 센서{PHOTOACOUSTIC SENSOR}
본 개시의 실시예는, 타깃 가스 및 미세 먼지를 상호 감지하기 위한 광음향 센서에 관한 것이며, 상세하게는 소형화된 광음향 NO2 및 초미세 먼지 센서 모듈에 관한 것이다.
전 세계에서 대기 오염은 큰 문제이다. 대기질은 이른바 대기질 지수(Air Quality Index; AQI)를 이용해서 측정될 수 있다. 예를 들어, 유럽은 "디젤 게이트(Dieselgate)" 스캔들로 인해서 미디어의 관심이 높아졌으며, 이는 NO2 및 미세 먼지(PM) 오염에 대한 인식을 높였다. 따라서, 최근에는 NO2 및 PM과 같은, 연소 과정에서 발생하는 주요 오염 물질을, 소형의 정확하고 저렴한 센서를 이용해서 모니터하려는 요구가 높아지고 있다.
일반적으로, 하나 이상의 타깃 가스 및 초미세 먼지와 같은, 바람직하게는 AQI와 관련된 공기 오염물을 감지함으로써 현재의 대기질을 측정하는 것에 관심이 있다.
최근 대부분의 가스 센서는 금속 산화물에 대한 화학 흡착 공정에 의존하는데, 이는 화학적 원리에 따라서 노화 및 센서 드리프트가 발생하기 쉬우며, 때로는 선택성이 부족하다는 문제가 있다. 그러나, 이들의 장점은 매우 작은 폼 팩터를 구현할 수 있다는 점이다. NDIR(nondispersive infra-red) 또는 광음향 센서(PAS)와 같은 물리 센서는 일반적으로 화학 센서보다 약간 크지만, 원칙적으로는 드리프트 및 노화 문제가 덜 발생하며, 이로써 PAS 개념은 적어도 NDIR보다 작은 폼 팩터를 보장한다. 예를 들어, 물리 센서는 바람직하게는 타깃 가스로서 CO2를 감지하는데 사용될 수 있으며, 여기서 PAS 개념을 사용하는 센서 모듈은 NDIR보다 작은 폼 팩터를 보장한다.
미세 먼지(PM)의 검출과 관련해서, 미국 환경 보호국(EPA)은 미세 먼지에 대한 국가 대기질 표준, 이른바 PM-표준을 도입했다. 본 명세서에서 PM10, PM2.5, PM1, PM0.3 등과 같은 표기를 참조한다면, 이는 상기와 같은 미세 먼지에 대한 국가 대기질 표준을 참조한다는 것이다.
최근의 미세 먼지(PM)을 감지하기 위한 대부분의 센서는 광 산란에 기초하는 것으로, 이는 표준 PM10, PM2.5 및 부분적으로는 PM1에 대해서 우수하게 기능하지만, 입자가 작아지면 더 어려워져서 PM 화학물의 관점에서 선택적인 것은 아니며, 예를 들어, 물방울 및 소금 결정이 허위 긍정(false positive)으로 탐지된다. PM10 또는 PM2.5와 같은 큰 PM 값의 경우에는 유의미한 값을 측정하기 위해서는 많은 양의 공기가 샘플링되어야 하므로, 최근 폼 팩터는 이들이 구비하고 있는 센서의 팬에 의해 결정된다. PM1과 같은 더 작은 PM 결정의 경우, 공기 체적당 입자의 수가 증가해서 공기량이 더 적어도 충분할 수 있지만, 이들 작은 입자를 광 산란에 의해 캡쳐하는 것은 더 어려워진다.
300nm 이하의 작은 매연 입자가 특히 유해한 것으로 간주되고 있고 향후 수년간 PM 표준을 PM 0.3으로 낮추는 것도 가능할 것으로 여겨지므로, 300nm 이하의 작은 매연 입자를 측정하기 위한 솔루션이 매우 바람직하다. 또한, 미세 먼지 및 적어도 하나의 타깃 가스를 물리적인 감지 원리에 기초해서 상호 감지하는 즉시 사용 가능한 센서를 구비하는 것이 바람직하다.
따라서, 청구항 1에 따른 광음향 센서가 제안된다.
본 발명에 따른 광음향 센서는 특히, 제 1 파장의 전자기 방사선 및 제 2 파장의 전자기 방사선을 방출하는 방출기를 포함하고, 제 1 파장은 측정 캐비티에서 미세 먼지를 광음향적으로 검출하기 위한 것이고, 제 2 파장은 측정 캐비티에서 미세 먼지 및 적어도 하나의 타깃 가스를 광음향적으로 검출하기 위한 것이다. 광음향 센서는 또한 제 1 파장의 전자기 방사선과 미세 먼지와의 상호 작용에 따라서 제 1 음향 신호를 제 1 센서 신호로 변환하고, 제 2 파장의 전자기 방사선과 미세 먼지 및 적어도 하나의 타깃 가스와의 상호 작용에 따라서 제 2 음향 신호를 제 2 센서 신호로 변환하는, 음향 변환기를 포함한다.
이하, 본 개시의 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광음향 센서의 개략 측면도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 광음향 센서의 개략 측면도를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 광음향 센서의 개략 측면도를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른, 일반적인 CO2 센서와 NO2 및 미세 먼지를 검출하기 위한 광음향 센서를 비교한, 일부 예시적인 도면을 나타내는 표를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 광음향 센서로 실행된 예시적인 측정의 개략도를 도시한다.
이하의 설명에서, 동일 혹은 동등한 기능을 가진 동일 혹은 동등한 요소는 동일 혹은 동등한 참조 번호로 표시된다.
광음향 센서에 의해 검출되는 적어도 하나의 타깃 가스는, 질소 산화물 계열에 속하는 가스, 특히 예를 들어 이산화질소 NO2를 예시적으로 참조함으로써 설명될 수 있다. 그러나, 이들 가스는 비한정의 예시로서 언급되는 것으로, 하나 이상의 타깃 가스로서 본 명세서에서 언급된 가스 이외의 가스가 사용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 개시에 따른 광음향 센서(100)의 제 1 예를 도시한다.
광음향 센서(100)는 제 1 파장의 전자기 방사선(11) 및 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하는 방출기(10)를 포함한다. 전자기 방사선(11, 12)은 가시 스펙트럼, 적외선 스펙트럼 및 자외선 스펙트럼 중 적어도 하나를 포함하는 광일 수 있다.
제 1 파장은 측정 캐비티(15)에서 미세 먼지(13)를 광음향적으로 검출하기 위한 것이고, 제 2 파장은 측정 캐비티(15)에서 미세 먼지(13) 및 나아가 적어도 하나의 타깃 가스(14)를 광음향적으로 검출하기 위한 것이다. 측정 캐비티(15)는 광음향 센서(100)의 일부일 수 있으며, 즉 광음향 센서(100)는 측정 캐비티(15)을 포함할 수 있다. 측정 캐비티(15)는 광음향 센서(100)의 하우징(31)에 의해 획정될 수 있다.
광음향 센서(100)는 음향 변환기(16)를 더 포함한다. 음향 변환기(16)는 예를 들어, 마이크, 특히 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크를 포함할 수 있다. 음향 변환기(16)는 광음향 원리에 따라서, 제 1 파장의 전자기 방사선(11)과 미세 먼지(13)의 상호 작용에 따라, 제 1 음향 신호(17)를 제 1 센서 신호로 변환하도록 구성된다. 또한, 변환기(16)는 광음향 원리에 따라서, 제 2 파장의 전자기 방사선(12)과 미세 먼지(13) 및 나아가 적어도 하나의 타깃 가스(14)와의 상호 작용에 따라, 제 2 음향 신호(18)를 제 2 센서 신호로 변환하도록 구성된다.
광음향 원리에 따르면, 제 1 파장의 전자기 방사선(11)은 측정 캐비티(15) 내부에서 미세 먼지(13)와 상호 작용할 수 있고, 미세 먼지(13)는 제 1 파장의 전자기 방사선(11)을 적어도 부분적으로 흡수할 수 있다. 제 2 파장의 전자기 방사선(12)은 측정 캐비티(15) 내부에서 적어도 하나의 타깃 가스(14)와 상호 작용할 수 있고, 적어도 하나의 타깃 가스(14)는 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 적어도 부분적으로 흡수할 수 있다.
미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14) 각각은 특성 흡수 스펙트럼(characteristic absorption spectrum)을 포함할 수 있고, 여기서 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)는 상이한 파장의 각각의 전자기 방사선(11, 12)을 상이한 양만큼 흡수할 수 있다. 이러한 특성 흡수 스펙트럼은 지문(fingerprint)이라고 지칭될 수도 있다. 따라서, 미세 먼지(13)는 적어도 하나의 타깃 가스(14)와는 다른 지문을 포함할 수 있는데, 이는 미세 먼지(13)와 적어도 하나의 타깃 가스(14)가 상이한 파장의 전자기 방사선(11, 12)을 상이한 양만큼 흡수할 수 있기 때문이다.
예시적인 실시예에 따르면, 적어도 하나의 타깃 가스(14)는 질소 산화물 계열에 속하는 가스일 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 타깃 가스(14)는 최근 대기질을 검사할 때 관심이 증가되고 있는 이산화질소 NO2일 수 있다. 미세 먼지(13)는 최근 대기질을 검사할 때의 관심이 증가되고 있는 매연, 재 및 먼지 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
미세 먼지(13)는 주로 어두운 입자를 포함할 수 있는데, 이는 일반적으로는 전자기 방사선이 넓은 스펙트럼에 걸쳐 흡수될 수 있는 특성 지문을 유발한다. 상기 언급된 질소 산화물의 계열은 대신에, 전자기 방사선이 바람직하게는 200nm 내지 600nm의 범위에서 흡수될 수 있는 특성 지문을 포함할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 방출기(10)는 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하도록 구성될 수 있고, 제 2 파장은 200nm 내지 600nm의 범위에 있다. 보다 구체적으로, 방출기(10)는 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제 2 파장은 405nm±5nm 또는 450nm±5nm인데, 이는 NO2와 같은 질소 산화물을 검출하는데 바람직할 수 있다.
일부 추가의 예시적인 실시예에 따르면, 방출기(10)는 제 1 파장의 전자기 방사선(11)을 방출하도록 구성될 수 있는데, 여기서 제 1 파장은 600nm 내지 1100nm의 범위에 있고, 보다 구체적으로는 제 1 파장의 전자기 방사선(11)을 방출하도록 구성될 수 있는데, 여기서 제 1 파장은 805nm±10nm 또는 850nm±10nm이다. 이들 제 1 파장의 범위는 바람직할 수 있는데, 그 이유는 미세 먼지(13)가 이들 제 1 파장의 범위의 전자기 방사선(11)을 흡수할 수 있는 반면, 적어도 하나의 타깃 가스(14)에 의한 이들 제 1 파장의 범위의 전자기 방사선(11)의 흡수는 비교적 낮기 때문이다. 즉, 미세 먼지(13)에 의한 흡수는 적어도 하나의 타깃 가스(14)에 의한 흡수보다 상당히 높다. 따라서, 상기 언급한 제 1 파장의 범위의 전자기 방사선(11)을 방출함으로써, 적어도 하나의 타깃 가스(14)와의 간섭을 피하는 데 도움이 될 수 있다.
일반적으로, 미세 먼지(13)를 검출하기 위한 전자기 방사선(11)의 제 1 파장은, 적어도 하나의 타깃 가스(14)를 검출하기 위한 전자기 방사선(12)의 제 2 파장과는 상이하도록 선택되는 것이 바람직하다. 제 1 파장과 제 2 파장 사이에는 대역 갭을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이 대역 갭은, 적어도 하나의 타깃 가스(14)가 제 1 파장에 의한 간섭없이 제 2 파장에 의해 검출될 수 있도록, 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 1 파장은, 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 흡수 스펙트럼 밖에 있도록, 선택될 수 있다.
전술한 바와 같은 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)에 의한 전자기 방사선(11, 12)의 흡수로 인해서, 측정 캐비티(15) 내부의 온도가 증가된다. 방출기(10)는 전자기 방사선(11, 12)을 간헐적으로 방출하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라서 측정 캐비티(15) 내부의 온도는 간헐적으로 증가 및 감소된다. 이 효과는 측정 캐비티(15) 내부에서 음향 신호 예를 들어, 음향 파를 유발할 수 있는데, 이는 음향 변환기(16)에 의해 검출될 수 있다.
미세 먼지(13)에 의해 제 1 파장의 전자기 방사선(11)이 흡수됨으로써 제 1 음향 신호(17)가 생성될 수 있는데, 이 제 1 음향 신호(17)는, 제 2 파장의 전자기 방사선(12)이 적어도 하나의 타깃 가스(14)에 의해 흡수됨으로써 생성되는 제 2 음향 신호(18)와는 상이하다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 음향 변환기(16)는 미세 먼지(13)에 의해 생성된 제 1 음향 신호(17)를 제 1 센서 신호(21)로 변환할 수 있고, 음향 변환기(16)는 적어도 하나의 타깃 가스(14)에 의해 생성된 제 2 음향 신호(18)를 제 2 센서 신호(22)로 변환할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 미세 먼지(13)는 넓은 스펙트럼에 걸쳐 흡수될 수 있다. 예를 들어, 미세 먼지(13)는 또한 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 적어도 부분적으로 흡수할 수 있다. 따라서, 제 2 음향 신호(18)는 적어도 하나의 타깃 가스(14)에 의해서 뿐만 아니라 적어도 부분적으로 미세 먼지(13)에 의해서도 생성될 수 있다. 따라서, 제 2 음향 신호(18)는 적어도 하나의 타깃 가스(14)와 관련된 제 1 부분 및 미세 먼지(13)과 관련된 제 2 부분을 포함할 수 있다. 따라서, 제 2 센서 신호(22)는 또한 적어도 하나의 타깃 가스(14)와 관련된 제 1 센서 신호 부분(22a) 및 미세 먼지(13)과 관련된 제 2 센서 신호 부분(22b)을 포함할 수 있다.
측정 캐비티(15) 내부의 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 양을 측정하기 위해, 제어기(101)가 제공될 수 있다. 제어기(101)는, 제 1 센서 신호(21)에 기초해서 측정 캐비티(15) 내부의 미세 먼지(13)의 양을 측정하고, 제 2 센서 신호(22)에 기초해서 측정 캐비티(15) 내부의 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 상호 양을 측정하도록 구성될 수 있다.
제어기(100)는, 미세 먼지(13)과 관련된 제 2 센서 신호 부분(22b)을 제 2 센서 신호(22)로부터 최소화하거나 심지어 삭제함으로써, 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 양의 측정을 향상시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(100)는 제 1 센서 신호(21)와 제 2 센서 신호(22)를 결합하기 위한 결합 모듈(24)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합 모듈(24)은, 제 2 센서 신호(22)의 제 2 센서 신호 부분(22b)을 제 1 센서 신호(21)로부터 감산하는 방식으로 센서 신호(21, 22)를 결합하도록 구성될 수 있으며, 제 3 센서 신호(23)가 차동 신호가 될 것이다. 결과적으로, 제어기(100) 또는 결합 모듈(101)은 적어도 하나의 타깃 가스(14)와 관련된 제 3 센서 신호(23)를 생성할 수 있고, 여기서 미세 먼지(13)의 양(즉, 제 2 센서 신호 부분(22b))은 감소 혹은 삭제될 수 있다.
제 1 센서 신호(21)와 제 2 센서 신호(22)의 제 2 센서 신호 부분(22b)은 동일할 수 있다. 이 경우, 미세 먼지(13)의 비율을 나타내는 제 2 센서 신호 부분(22b)을 제 3 센서 신호(23)로부터 완전히 제거함으로써, 제 3 센서 신호(23)는 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 양만을 나타낼 수 있게 된다. 이로써, PM 교차 민감도(cross-sensitivity)에 대해서, 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 측정을 더 정확하고 완벽하게 할 수 있다.
따라서, 제어기(100)는 제 1 및 제 2 센서 신호(21, 22)의 조합에 기초해서 측정 캐비티(15) 내부의 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 양을 측정하도록 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 비한정의 예시에서, 음향 변환기(16)는 방출기(10) 상에 배치된다. 다른 방안으로, 음향 변환기(16)는 방출기(10)로부터 이격되어 예를 들어 방출기(10) 옆에 배치될 수도 있다.
도 3은 본 개시에 따른 광음향 센서(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 방출기(10)는 제 1 파장의 전자기 방사선(11)을 방출하는 제 1 방출기 소자(10a) 및 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하는 제 2 방출기 소자(10b)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 및 제 2 방출기 소자(10a, 10b) 중 적어도 하나는 제 1 및 제 2 파장 중 적어도 하나를 커버하는 파장 스펙트럼을 통해 튜닝될 수 있다.
다른 방안으로, 방출기(10)는 제 1 및 제 2 파장을 커버하는 파장 스펙트럼을 통해 튜닝 가능한 하나의 전자기 방사선 소스만을 포함할 수 있다.
방출기(10)는 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방출기(10)는 제 1 파장의 전자기 방사선(11)을 방출하도록 구성되는 제 1 LED 또는 LD(10a)를 포함할 수 있다. 이에 더해서 또는 이와 다른 방안으로, 방출기(10)는 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하도록 구성된 제 2 LED 또는 LD(10b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 방출기 소자(10a)는 적색 LED 또는 LD일 수 있고, 제 2 방출기 소자(10b)는 청색 LED 또는 LD일 수 있다.
LED 또는 LD를 제공하는 이들 변형예는 적외선 열 방출기를 사용하는 일반적인 광음향 센서보다 바람직한데, 그 이유는 LED 또는 LD가 적외선 가열 구조에 비해서 측정 캐비티(15) 내부에서 온도 변화를 거의 유발하지 않기 때문이다. 또한, LED 또는 LD는 종래의 열 방출기에 비해 그 쵸핑 주파수에 훨씬 더 높은 유연성을 제공하므로, 시스템이 낮은 주파수보다 더 민감하고 동시에 더 적은 열 음향 신호를 생성하는 시스템 공진을 이용할 수 있게 한다. 따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 방출기(10)는 적외선 열 방출기를 포함하지 않는다.
방출기(10)가 LED 또는 LD를 포함할 수는 있지만, 본 개시에 따른 광음향 센서(100)는 광의 산란에 의존하는 일반적인 가스 센서에 비해서 몇 가지 장점을 포함할 수 있다. 예를 들어, 네펠로미터(nephelometer) 또는 입자 카운터와 같은 광 산란 기반 센서는, 300nm 이상의 크기의 입자를 검출하는 데는 잘 기능할 수 있지만, PM 크기가 작은 경우에는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 종래의 광산란 기반 장치는 또한 물방울 또는 소금 결정과 같은 무해한 입자에도 반응한다. 물방울 및 소금 결정도 광을 산란시킬 수 있으므로, 허위 긍정(false positives)으로 검출될 수 있다. 또한, 히터를 사용하는 일반적인 센서 장치에서, 냉각에 사용되는 팬 또는 펌프는 크기 감소의 정도를 제한하는 가장 큰 요소이다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 광음향 센서(100)는 팬을 구비하지 않는다. 이로써 광음향 센서(100)의 크기가 감소될 수 있다.
예를 들어, 광음향 센서(100)는 각 설탕(sugar cube) 정도의 크기를 가질 수 있다. 따라서, 광음향 센서(100)의 길이, 높이 및 폭은 각각 5센티미터 이하일 수 있다. 이러한 크기는 광음향 센서(100)의 하우징(31)에 의해 획정될 수 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 적어도 방출기(10) 및 음향 변환기(16)는 하우징(31) 내부에 배치될 수 있으며, 이 하우징(31)은 또한 측정 캐비티(15)을 획정할 수 있다. 하우징(31)은 내부에 반사 코팅을 포함할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 방출기(10) 및 음향 변환기(16)는 모두 동일한 측정 캐비티(15) 내부에 배치될 수 있다. 제어기(101)는 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(31) 외부에 배치될 수도 있다. 이와 달리, 제어기(101)는 하우징(31) 내부에 배치될 수도 있다. 광음향 센서(100)는, 환경과 유체 연통하기 위한 적어도 하나의 개구(32)를 포함해서, 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)가 환경으로부터 측정 캐비티(15) 내로 흐를 수 있게 한다.
도 3은 방출기(10), 음향 변환기(16) 및 제어기(101) 중 적어도 하나가 공통 기판(33), 예를 들어 PCB(인쇄 회로 기판) 상에 배치될 수 있는 예를 도시한다. 기판(33)은 상기 언급된 개구(32)를 포함할 수 있다. 이 개구(32)는 음향 변환기(16) 아래에 마련될 수도 있다. 환언하면, 개구(32)는 음향 변환기(16)를 탑재할 것으로 예상되는 기판(33)의 영역에 제공될 수 있다.
이에 더해서 또는 다른 방안으로, 하우징(31)은, 하우징(31)의 상부면(35), 즉 기판(33) 반대편의 면(35)에 배치되는 개구(34a)를 포함할 수 있다. 이에 더해서 또는 다른 방안으로, 하우징(31)은, 하우징(31)의 측면 벽(36) 중 적어도 하나에 배치되는 개구(34b)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 개구(32, 34a, 34b)의 위치에 상관없이, 광음향 센서(100)는 미세 먼지(13)의 적어도 일부가 측정 캐비티(15) 내로 진입하는 것을 방지하기 위한 먼지 필터를 포함할 수 있으며, 여기서 먼지 필터는 광음향 센서(100)의 개구(32, 34a, 34b)에 배치될 수 있다.
본 명세서에 개시된 개념은 300nm 미만의 크기를 가진 미세 먼지를 검출할 수 있고, 동시에 수 센티미터의 매우 작은 폼 팩터를 가진 광음향 센서(100)를 제공할 수 있게 한다.
대신에 최근 널리 알려진 광음향 센서는 큰 폼 팩터로 구성된다. 예를 들어, 신발 상자 크기의 PAS 랩(lab) 또는 광학 경로 길이가 10cm 이상인 고정형 측정 장비는 ppb(십억분의 일) 이하의 NO2 농도를 측정할 수 있고, 대기질 측정과 관련된 농도에서 300nm 미만의 매연 입자를 측정할 수 있다는 것이 입증되었지만, 본 발명자의 지식을 이용하지 않는, 소형화된(예를 들어, 각 설탕 크기의) PAS 기반 모듈은 지금까지 제안 혹은 도시되지 않았으며, 이는 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)를 상호 검출할 수 있으며, 열 방출기는 사용하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 일반적인 가스 센서는 Q>15 이상의 품질 계수 Q를 사용할 수 있지만, 본 개시에 따른 광음향 센서(100)는 Q<10 또는 심지어 Q<6의 품질 계수를 포함할 수 있으며, 이로써 생산 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 제어기(101)는 결합된 신호(23)를 생성해서 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 양이 미세 먼지(13)의 양에 의해 보정될 수 있도록 구성될 수 있기 때문에, 측정 캐비티(15)에서 적어도 타깃 가스(14)의 농도에 대한 유효한 결과를 얻기 위해, 미세 먼지(13) 및/또는 적어도 하나의 타깃 가스(14)를 ppm(백만 분의 일) 단위로 측정하기에 충분할 수 있다.
도 4는 본 명세서에 기재된 원리에 따른 광음향 센서(100)와 관련된 일부 예시적인 수치를 포함하는 테이블을 도시한다. 좌측에서 두번째 열은 일반적인 CO2 센서의 수치를 나타낸다. 이에 비해서, 좌측으로부터의 세번째 및 네번째 열은, 타깃 가스의 예로서 NO2(세번째 열) 및 미세 먼지(네번째 열)를 상호 검출하기 위한, 본 개시에 따른 광음향 센서(100)의 예와 관련된 수치를 보여준다.
이 테이블에서 분석되는 성능 수치는 예상될 수 있는 최소 신호이다(6번째 행). 이는 흡수 단면적(2번째 행)과 검출된 최소 농도(4번째 행)와 흡수 대역에서 통합된 이용 가능한 광학 입력 전력(5번째 행)의 곱이다. 이에 더해서, 대역폭 또는 Q-계수뿐만 아니라 감도 및 잡음과 같은 음향 변환기 특성은, 이 시스템의 최종 SNR(신호대 잡음 비)에 영향을 미칠 것이며, 따라서 센서(100)의 달성 가능한 하한 검출 한계에 영향을 미칠 것이다. 그러나, 이들은 매우 신중하게 최적화될 수 있는 매우 특정한 특성으로, 테이블은 일부 비한정의 예시만을 나타낼 수 있다. 그러나 LED 또는 LD와 같은 광원은 열 방출기에 비해 더 넓은 범위의 작동 주파수를 제공하기 때문에, 이는 시스템을 공진해서 동작시키는 성능을 제공해서 SNR을 증가시킨다.
요약하면, 제 6 행으로부터, NO2(ppb)의 ~1000배 더 낮은 최소 농도를, 광학 입력 전력을 1000배 만큼 증가시킴으로써, CO2(ppm)에 비해서, 크게 보상할 수 있으며, 이로써 NO2의 성능 지수가 CO2와 유사하거나 이보다 약간 더 나쁘게 될 수 있다(계수 2)는 것을 알 수 있다. PM2.5과 관련해서는 상황이 거의 완화된 것으로 보이지만, 향후의 PM1 또는 PM0.3 표준에서 최소 예상 농도가 감소될 수 있다.
도 5는 청색 LD로 구동되는 로크인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용한 PAS 측정의 도면을 도시한다. 이는, ~22kHz와 같은, 비한정의 예시의 일례와 같이 높은 공진도에서도 시스템에 ~6의 Q-계수를 제공하는 LD의 성능을 나타낸다. PAS 시스템에서, 노이즈 밖의 동작 주파수(주파수가 낮을수록 더 많은 PAS 신호가 여기됨)(여기서, 주파수는 높을수록 바람직함)와 현실적인 최저 공명 주파수(이는 주로 시스템 크기에 의해 한정됨) 사이의 주의 깊은 트레이드-오프 설계가 이루어져야 한다. 그러나, 광원으로서 LED 또는 LD를 사용한다면, 듀티 사이클에서 매우 낮은 주파수 컷오프를 나타내는 열 방출기 광원에 비해 설계 범위가 크게 향상될 수 있다.
본 명세서에 설명된 원리에 따른 일부 실시예는, 예를 들어,
1) NO2 (파장 : 예를 들어, 405nm)
2) PM (파장 : 예를 들어, 805nm 또는 850nm)
와 같은 AQI에 대한 관련 가스 특성을 측정하기 위해, LED 또는 LD 광원을 소형화된 PAS 모듈과 조합해서 사용하는 것을 제안한다.
이로써, 멀티 가스/PM 센서 모듈을 제공하는데, 각 구성 요소에 대해 개별 모듈을 가질 수도 있고 혹은 하나의 모듈에 여러 광원을 가질 수도 있다.
본 개시에 따른 광음향 센서(100) 및 상기 광음향 센서(100)와 관련된 장점은 간략하게 다음 중요 항목으로 요약된다.
- NO2 및 PM와 같은 가스 등을 측정하기 위해 LED 또는 LD 광원을 사용.
- 일반적인 PAS 모듈에 사용되는 저속 열 방출기에 비해서, LED 및 LD는 더 높은 주파수에서 시스템 공명을 이용해서 시스템의 감도를 향상시킴.
- 물방울이나 소금 결정에 민감하지 않음(허위 긍정(false positive))
- 팬이나 펌프를 회피하고 직접 PM1 또는 PM0.3을 향하며, 이로써 펌프를 사용한 대류가 아닌 확산에만 의존.
- PM1 결과에 기초해서 PM2.5를 추정하는 가능성.
- 상당히 작은 폼 팩터로, 화학 센서보다 드리프트가 적음.
- NO2 및 PM과 같은 소형 콤보 센서를 하나의 모듈에 제공할 수 있는 가능성.
- PM PAS는 화학적으로 선택될 가능성이 있으며(물방울 또는 소금 결정이 아닌 검은 매연만 측정), <300nm의 초미세 입자를 측정할 수 있음.
장치와 관련해서 일부 측면들을 설명했지만, 이들 측면들은 또한 대응하는 방법의 설명을 나타내는 것이 명백하며, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 대응한다. 유사하게, 방법 단계와 관련해서 설명된 측면들은 또한 대응하는 블록 또는 대응하는 장치의 아이템 또는 특징의 설명을 나타낸다.
본 개시를 예시적인 실시예를 참조하여 설명했지만, 이 설명은 한정의 의미로 해석되어서는 안된다. 당업자가 본 설명을 참조한다면, 본 개시의 다른 실시예 뿐만 아니라 예시적인 실시예의 다양한 수정 및 조합도 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 이러한 수정 또는 실시예를 포함하는 것으로 의도했다.

Claims (15)

  1. 광음향 센서(100)로서,
    제 1 파장의 전자기 방사선(11) 및 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하는 방출기(10) - 상기 제 1 파장은 측정 캐비티(15)에서 미세 먼지(13)를 광음향적으로 검출하기 위한 것이고, 상기 제 2 파장은 상기 측정 캐비티(15)에서 상기 미세 먼지(13) 및 적어도 하나의 타깃 가스(14)를 광음향적으로 검출하기 위한 것임 - 와,
    상기 제 1 파장의 전자기 방사선(11)과 상기 미세 먼지(13)와의 상호 작용에 따라서 제 1 음향 신호(17)를 제 1 센서 신호(21)로 변환하고, 상기 제 2 파장의 전자기 방사선(12)과 상기 미세 먼지(13) 및 상기 적어도 하나의 타깃 가스(14)와의 상호 작용에 따라서 제 2 음향 신호(18)를 제 2 센서 신호(22)로 변환하는, 음향 변환기(16)를 포함하는
    광음향 센서(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 신호(21)에 기초해서 상기 측정 캐비티(15) 내부의 상기 미세 먼지(13)의 양을 측정하고, 상기 제 2 센서 신호(22)에 기초하여 상기 측정 캐비티(15) 내부의 상기 미세 먼지(13) 및 상기 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 상호 양을 측정하도록 구성된 제어기(101)를 더 포함하는
    광음향 센서(100).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기(101)는, 상기 제 1 센서 신호(21)와 상기 제 2 센서 신호(22)의 조합에 기초해서 상기 측정 캐비티(15) 내부의 상기 적어도 하나의 타깃 가스(14)의 양을 측정하도록 더 구성되는
    광음향 센서(100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기(10)는 상기 제 1 파장 및 상기 제 2 파장을 커버하는 파장 스펙트럼을 통해 튜닝 가능한
    광음향 센서(100).
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기(10)는, 상기 제 1 파장의 전자기 방사선(11)을 방출하기 위한 제 1 방출기 요소(10a) 및 상기 제 2 파장의 전자기 방사선(12)을 방출하기 위한 제 2 방출기 요소(10b)를 포함하는
    광음향 센서(100).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기(10)는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는
    광음향 센서(100).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기(10)는 적외선 열 방출기를 포함하지 않는
    광음향 센서(100).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 타깃 가스(14)는 질소 산화물 계열에 속하는 가스인
    광음향 센서(100).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 파장은 600nm 내지 1100nm의 범위에 있고, 상기 제 2 파장은 200nm 내지 600nm의 범위에 있거나, 또는
    상기 제 1 파장은 805nm±10nm 또는 850nm±10nm이고, 상기 제 2 파장은 405nm±5nm 또는 450nm±5nm인
    광음향 센서(100).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광음향 센서(100)는 치수가 300nm 이하인 미세 먼지(13)를 검출하도록 구성되는
    광음향 센서(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광음향 센서(100)의 길이, 높이 및 폭은 각각 5센티미터 이하인
    광음향 센서(100).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 변환기(16)는 MEMS 마이크를 포함하는
    광음향 센서(100).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광음향 센서(100)는 팬을 구비하지 않는
    광음향 센서(100).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출기(10) 및 상기 음향 변환기(16)는 모두 동일한 상기 측정 캐비티(15) 내에 배치되고,
    상기 광음향 센서(100)는 환경과 유체 연통하기 위한 적어도 하나의 개구(32, 34a, 34b)를 포함해서, 상기 미세 먼지(13) 및 상기 적어도 하나의 타깃 가스(14)가 상기 환경으로부터 상기 측정 캐비티(15) 내로 흐를 수 있게 하는
    광음향 센서(100).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광음향 센서(100)는 상기 미세 먼지(13)의 적어도 일부가 상기 측정 캐비티(15) 내로 진입하는 것을 방지하기 위한 먼지 필터를 더 포함하고,
    상기 먼지 필터는 상기 광음향 센서(100)의 상기 개구(32, 34a, 34b)에 배치되는
    광음향 센서(100).
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