KR20210033621A - 튜브형 기준 전극과 isfet를 포함하는 센서 - Google Patents

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KR20210033621A KR1020190115112A KR20190115112A KR20210033621A KR 20210033621 A KR20210033621 A KR 20210033621A KR 1020190115112 A KR1020190115112 A KR 1020190115112A KR 20190115112 A KR20190115112 A KR 20190115112A KR 20210033621 A KR20210033621 A KR 20210033621A
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Abstract

본 발명은 상부에 대상 용액이 주입되는 주입홈이 형성되고, 상기 주입홈의 하면에는 제1개구와 상기 제1개구와 이격된 제2개구가 각각 형성된 케이스; 상기 제1개구를 차단하며, 상기 대상 용액과 접촉되는 지시 전극; 및 상기 제2개구를 차단하고, 상기 대상 용액과 접촉되는 기준 전극을 포함하는 pH 센서를 제공한다.

Description

튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서{SENSOR COMPRISING TUBE TYPE REFERENCE ELECTRODE AND ISFET}
본 발명은 용액의 수소이온농도(pH)를 측정하는 pH 센서에 관한 것이다.
수소이온농도(pH)는 용액의 산성 또는 염기성의 정도를 나타내는 수치를 의미한다. 그리고 pH 센서는 수소이온농도(pH)에 의해 제품의 품질이 결정되는 의료, 정수시설, 농업 등 여러 분야에 널리 이용되고 있다.
수소이온농도(pH)를 측정하는 대표적인 방법은 리트머스 종이나 지시약을 이용하는 방법이 있으나, 최근에는 보다 정확한 측정을 위해 pH 센서를 이용하고 있다.
pH 센서는 지시 전극(glass eletrode)과 기준전극 사이의 전위차를 이용하는 방식이 널리 사용되고 있다. 지시 전극(glass eletrode)을 이용한 pH센서는 안정적이고 수명이 길다는 장점이 있으나, 응답속도와 민감도 특성이 우수하지 못한 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 최근에는 감이온 전계효과 트랜지스터(ISFET, ion sensitive field effect transistor)를 이용한 pH센서(이하, “ISFET pH센서”라고함.)이용되고 있다.
그런데 이러한 ISFET pH센서에서도 기준 전극은 종래의 튜브, 포화된 염화칼륨 용액(saturated KCL solution), 탐침 등으로 구성된다.
종래의 기준 전극은 튜브의 내부에는 공간이 형성되고, 튜브의 내부 공간은 포화된 염화칼륨 용액(saturated KCL solution)으로 채워지며, 탐침은 Ag/AgCl로 구성되고 튜브의 내부 공간의 포화된 염화칼륨 용액에 침치된다. 그리고 튜부의 하부는 대상 용액과 포화된 염화칼륨 용액과의 염다리 역할을 하는 미세 구멍이 형성되거나, 타공질의 세라믹, 테프론(teflon), 카이나(Kynar) 등으로 만들어질 수 있다.
그런데, 이러한 기준전극은 튜브의 자체의 크기 때문에 소형화가 불가능하고, 따라서 기준 전극과(reference eletrode)을 지시 전극(indicator electrode)와 함께 하나의 제품으로 집적화가 어렵다는 문제점이 있었다.
한편, 본 발명의 배경이 되는 기술은 대한 민국 등록특허 제 등록특허 10-1638501호에 개시된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 소형화가 가능한 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서를 제공한다.
본 발명의 pH 센서는, 상부에 대상 용액이 주입되는 주입홈이 형성되고, 상기 주입홈의 하면에는 제1개구와 상기 제1개구와 이격된 제2개구가 각각 형성된 케이스; 상기 제1개구를 차단하며, 상기 대상 용액과 접촉되는 지시 전극; 및 상기 제2개구를 차단하고, 상기 대상 용액과 접촉되는 기준 전극을 포함한다.
상기 케이스는, 상기 지시 전극 및 상기 기준 전극을 지지하는 하부 케이스와, 상기 하부 케이스와 결합되며, 상기 주입홈이 형성된 상부 케이스를 포함할 수 있다.
상기 하부 케이스에는 상기 기준 전극과 외부 케이블이 연결될 수 있도록 홀이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기준 전극은, Ag/AgCl로 만들어지고 내부에 수용 공간이 형성된 튜브와, 상기 수용 공간에 채워진 포화된 염화칼륨 용액과, 상기 튜브의 상부에 구비되며, 상기 포화된 염화칼륨 용액과 상기 대상 용액을 연결하는 다공성 물질로 만들어진 맴브레인을 포함할 수 있다.
상기 기준 전극은, Ag/AgCl로 만들어지고 내부에 수용 공간이 형성된 튜브와 상기 수용 공간에 채워진 포화된 염화칼륨 용액을 포함하고, 상기 튜브의 상부에는 100um 내지 300um의 직경의 개구가 형성되어, 상기 포화된 염화칼륨 용액과 상기 대상 용액을 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서는 소형화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 평면도이고,
도 2는 도 1의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 A-A의 단면도이고,
도 3은 도 1의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 지시 전극을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 기준 전극을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 기준 전극을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
그리고 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
이하에서든 도면을 참조하여 본 발명이 일 실시 예에 따른 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 평면도이고, 도 2는 도 1의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 A-A의 단면도이고, 도 3은 도 1의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 지시 전극을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 기준 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서(100, 이하, 이를 “pH 센서(100)”라고 함)는 케이스(110), 지시 전극(120) 및 기준 전극(130)을 포함한다.
상기 케이스(110)에는 상기 지시 전극(120) 및 상기 기준 전극(130)이 설치된다.
상기 pH 센서(100)는 상기 지시 전극(120) 및 상기 기준 전극(130)의 전위차를 이용하여 대상 용액(10)의 pH 값을 측정할 수 있다.
여기서 상기 대상 용액(10)은 상기 pH 센서(100)에 의해 pH 값이 측정되는 용액이라면 어느 것이라도 가능하다.
상기 지시 전극(120)은 감이온 전계효과 트랜지스터(ISFET, ion sensitive field effect transistor)일 수 있다.
더 상세히 설명하면, 상기 지시 전극(120)은 기판(121), 드레인(122), 소스(123), 절연체(124), 및 게이트부(125)를 포함할 수 있다.
상기 기판(121)에는 상기 드레인(122)과 상기 소스(123)가 서로 이격되어 배치된다.
그리고 상기 절연체(124)는 양단이 각각 상기 드레인(122)과 상기 소스(123)의 상면과 접촉되도록, 상기 기판(121)의 상면에 배치된다.
상기 게이트부(125)는 상기 절연체(124)의 상면에 형성되며 이온 감응막(ion sensitive membrane)으로 이루어져 상기 대상 용액(10)의 H+ 이온을 축척할 수 있다.
상기 기준 전극(130)은, 튜브(131), 포화된 염화칼륨 용액(132) 및 맴브레인(133)을 포함할 수 있다.
상기 튜브(131)는 Ag/AgCl로 만들어지고 내부에는 수용 공간(131a)이 형성된다.
상기 튜브(131)는 종래의 기준 전극(reference electrode)의 Ag/AgCl로 만들어진 탐침으로 기능을 할 수 있어, 상기 기준 전극(130)의 내경은 500um 내지 2000mm이고, 상기 기준 전극(130)의 높이는 1000um 내지 1500um 로 소형화가 가능하다.
상기 수용 공간(131a)에는 상기 포화된 염화칼륨 용액(132)이 채워질 수 있다.
그리고 상기 맴브레인(133)은 상기 튜브(131)의 상부에 구비되며, 상기 포화된 염화칼륨 용액(132)과 상기 대상 용액(10)을 연결하는 다공성 물질로 만들어진다.
상기 케이스(110)의 상부에는 상기 대상 용액(10)이 주입되는 주입홈(110a)이 형성되고, 상기 주입홈(110a)의 하면에는 제1개구(110b)와 상기 제1개구(110b)와 이격된 제2개구(110c)가 각각 형성된다.
상기 주입홈(110a)은 상측을 향할수록 넓어지는 형상일 수 있다. 따라서 사용자는 쉽게 상기 대상 용액(10)은 상기 주입홈(110a)에 주입시킬 수 있다.
그리고 상기 케이스(110)는 상기 지시 전극(120) 및 상기 기준 전극(130)과 각각 연결된 케이블, 단자 등이 설치된 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)일 수 있다.
상기 케이스(110)는 하부 케이스(111)와 상부 케이스(112)를 포함할 수 있다.
상기 하부 케이스(111)는 상기 지시 전극(120) 및 상기 기준 전극(130)을 지지한다.
상기 하부 케이스(111)에는 상기 기준 전극(130)과 외부 케이블이 연결될 수 있도록 홀(110h)이 형성될 수 있다.
상기 상부 케이스(112)는 상기 하부 케이스(111)와 결합된다.
상기 상부 케이스(112)에는 상기 주입홈(110a)이 형성된다. 그리고 상기 주입홈(110a)의 하면에는 상기 제1개구(110b) 및 상기 제2개구(110c)가 형성된다.
상기 하부 케이스(111)가 상기 상부 케이스(112)와 결합될 때, 상기 하부 케이스(111)는 상기 제1개구(110b) 측으로 상기 지시 전극(120)을 밀착시킬 수 있다. 이때, 상기 지시 전극(120)의 상기 게이트부(125)는 상기 제1개구(110b)를 통해 상기 주입홈(110a)으로 노출될 수 있다.
즉, 상기 지시 전극(120)이 상기 제1개구(110b)를 차단하도록, 상기 하부 케이스(111)는 상기 지시 전극(120)을 상기 제1개구(110b) 측으로 가압할 수 있다.
상기 제1개구(110b)를 차단하는 상기 지시 전극(120)의 상기 게이트부(125)는 상기 주입홈(110a)에 주입된 상기 대상 용액(10)과 접촉될 수 있다.
상기 기준 전극(130)은 상기 제2개구(110c)를 차단하며, 상기 제2개구(110c)를 차단하는 상기 기준 전극(130)의 상기 맴브레인(133)은 상기 제2개구(110c)를 통해 상기 주입홈(110a)으로 노출되어, 상기 주입홈(110a)에 주입된 상기 대상 용액(10)과 접촉될 수 있다.
한편, 상기 케이스(110)는 제1탄성체(113)와 제2탄성체(114)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1탄성체(113)는 상기 지시 전극(120)과 상기 하부 케이스(111) 사이에 배치되어, 상기 지시 전극(120)을 상기 상부 케이스(112) 측으로 가압할 수 있다.
상기 제2탄성체(114)는 상기 지시 전극(120)과 상기 상부 케이스(112) 사이에 배치된다. 상기 지시 전극(120)이 상기 상부 케이스(112)에 의해 손상되는 것을 방지한다.
더 상세히 설명하면, 상기 제2탄성체(114)는 상기 상부 케이스(112)의 상기 제1개구(110b)의 하면 둘레에 배치되어, 상기 기판(121), 상기 드레인(122) 및 상기 소스(123)가 상기 상부 케이스(112)가 직접 접촉되는 것을 방지하고, 상기 제1개구(110b)를 통해 상기 기판(121), 상기 드레인(122) 및 상기 소스(123)로 상기 대상 용액(10)이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
그리고 상기 제1탄성체(113)의 탄성력은 상기 제2탄성체(114)의 탄성력보다 클 수 있다. 따라서 상기 지시 전극(120)은 상기 상부 케이스(112)의 상기 제1개구(110b) 측에 밀착되어 상기 제1개구(110b)를 완전하게 차단할 수 있다.
한편, 상기 제1탄성체(113)는 상기 지시 전극(120) 및 상기 하부 케이스(111) 의해 가압되며, 상기 기준 전극(130)의 측면을 가압할 수 있다.
더 상세히 설명하면, 상기 제1탄성체(113)는 제1부분(1131)과 제2부분(1132)을 포함할 수 있다.
상기 제1부분(1131)은 상기 지시 전극(120)과 상기 하부 케이스(111) 사이에 배치되는 부분이고, 상기 제2부분(1132)은 상기 제1부분(1131)에서 상기 기준 전극(130)으로 돌출되는 부분을 의미한다.
상기 제1부분(1131)이 상기 지시 전극(120)과 상기 하부 케이스(111) 사이에서 가압될 때, 상기 제2부분(1132)은 상기 기준 전극(130)으로 더 돌출되어, 상기 기준 전극(130)을 고정할 수 있다.
따라서, 상기 상부 케이스(112)와 상기 하부 케이스(111)가 결합되었을 때, 상기 기준 전극(130)는 상기 제2부분(1132)에 의해 고정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서의 기준 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기준 전극(230)은, 튜브(231)와 포화된 염화칼륨 용액(232)을 포함할 수 있다.
상기 튜브(231)는 Ag/AgCl로 만들어지고 내부에 수용 공간(231a)이 형성된다.
그리고 수용 공간(231a)에는 상기 포화된 염화칼륨 용액(132)이 채워질 수 있다.
상기 튜브(231)는 저장부(2311)와 교환부(2312)를 포함할 수 있다.
상기 저장부(2311)의 내부에는 수용 공간(231a)이 형성되고, 상기 교환부(2312)는 상기 저장부(2311)의 상측에 구비된다.
상기 교환부(2312)의 내부에는 관통홀(2312h)이 형성된다. 상기 관통홀(2312h)은 상기 주입홈(110a)과 상기 수용 공간(231a)을 연통시켜, 상기 포화된 염화칼륨 용액(132)과 상기 대상 용액(10)을 연결할 수 있다.
상기 수용 공간(231a)의 체적은 0.2 mm2 내지 4.7 mm2 이고, 상기 관통홀(2312h)의 직경은 100um 내지 300um으로 형성될 수 있다.
상기 기준 전극(230)은 다공성 물질로 만들어진 맴브레인의 기능을 할 수 있는, 100um 내지 300um의 직경을 가진 상기 관통홀(2312h)을 구비하기 때문에, 제작 공정이 간단하고 소형화에 적합하다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
그리고 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 튜브형 기준 전극과 ISFET를 포함하는 센서
110: 케이스
120: 지시 전극
130: 기준 전극

Claims (5)

  1. 상부에 대상 용액이 주입되는 주입홈이 형성되고, 상기 주입홈의 하면에는 제1개구와 상기 제1개구와 이격된 제2개구가 각각 형성된 케이스;
    상기 제1개구를 차단하며, 상기 대상 용액과 접촉되는 지시 전극; 및
    상기 제2개구를 차단하고, 상기 대상 용액과 접촉되는 기준 전극을 포함하는 pH 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는,
    상기 지시 전극 및 상기 기준 전극을 지지하는 하부 케이스와,
    상기 하부 케이스와 결합되며, 상기 주입홈이 형성된 상부 케이스를 포함하는 pH 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하부 케이스에는 상기 기준 전극과 외부 케이블이 연결될 수 있도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 pH 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 전극은,
    Ag/AgCl로 만들어지고 내부에 수용 공간이 형성된 튜브와,
    상기 수용 공간에 채워진 포화된 염화칼륨 용액과,
    상기 튜브의 상부에 구비되며, 상기 포화된 염화칼륨 용액과 상기 대상 용액을 연결하는 다공성 물질로 만들어진 맴브레인을 포함하는 pH 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 전극은,
    Ag/AgCl로 만들어지고 내부에 수용 공간이 형성된 튜브와
    상기 수용 공간에 채워진 포화된 염화칼륨 용액을 포함하고,
    상기 튜브의 상부에는 100um 내지 300um의 직경의 개구가 형성되어, 상기 포화된 염화칼륨 용액과 상기 대상 용액을 연결되는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
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