KR20210065661A - Saw 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SAW 센서를 통해 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SAW를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서는 미세먼지가 흡착되는 SAW(surface acoustic wave) 센서를 포함하는 센서층; 상기 센서층의 상부면에 마련되고, 미세먼지가 유동할 수 있는 채널을 포함하는 유동층; 상기 유동층의 상부면에 마련되고, 상기 유동층 방향으로 마련된 히터를 포함하는 히터층; 및 상기 센서층의 일측면에 위치하고, 상기 유동층의 하부면에 마련된 팬(fan)부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SAW를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서는 미세먼지가 흡착되는 SAW(surface acoustic wave) 센서를 포함하는 센서층; 상기 센서층의 상부면에 마련되고, 미세먼지가 유동할 수 있는 채널을 포함하는 유동층; 상기 유동층의 상부면에 마련되고, 상기 유동층 방향으로 마련된 히터를 포함하는 히터층; 및 상기 센서층의 일측면에 위치하고, 상기 유동층의 하부면에 마련된 팬(fan)부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 휴대용 미세먼지 측정센서법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SAW(surface acoustic wave) 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서에 관한 것이다.
현재 휴대용 미세먼지 측정센서의 경우, 광학 기반의 센서들에 국한되어 있으며 보통 그 정확도에 있어서 큰 신뢰도를 얻지 못하고 있는 실정이다. 미세먼지 측정센서는 광학식 이외에도 다양한 방법 및 종류의 센서에 대한 연구가 진행되고 있으나, 상용화되어 일반인들이 사용하기에는 가격적 측면에서 접하기 힘든 방법들이 대부분이다.
중량법을 사용하는 경우에도 여과지 방식이나 베타선 측정방법 등의 방법이 국가 기준으로 사용되고 있으나 측정시간이 매우 길고 일반 사용자들이 사용하기 어렵다는 점에서, 향후 휴대용 미세먼지 측정센서 개발에 있어 소비자들이 신뢰할 수 있는 측정센서가 절실히 필요한 상황이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, SAW 센서를 이용하여 미세먼지의 중량을 측정함으로써 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 휴대용 미세먼지 측정센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 미세먼지의 크기를 분류하여 크기에 따라 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 휴대용 미세먼지 측정센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 간단한 구조로 되어 있어 사용자가 간편하게 휴대할 수 있는 휴대용 미세먼지 측정센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 상술된 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서는 미세먼지가 흡착되는 SAW(surface acoustic wave) 센서를 포함하는 센서층; 상기 센서층의 상부면에 마련되고, 미세먼지가 유동할 수 있는 채널을 포함하는 유동층; 상기 유동층의 상부면에 마련되고, 상기 유동층 방향으로 마련된 히터를 포함하는 히터층; 및 상기 센서층의 일측면에 위치하고, 상기 유동층의 하부면에 마련된 팬(fan)부를 포함할 수 있다.
상기 유동층은, 일단이 공기와 맞닿아 미세먼지가 유입되는 유입부; 상기 유입부와 연결되고 상기 유입된 미세먼지를 크기 별로 분류하는 분류부; 및 상기 분류된 미세먼지가 토출되는 토출부를 포함할 수 있다.
상기 분류부는, 일단이 상기 유입부의 타단과 연결되는 연결부; 기설정된 크기보다 큰 미세먼지가 유동하는 제1 채널; 및 기설정된 크기보다 작은 미세먼지가 유동하는 제2 채널을 포함할 수 있다.
상기 제2 채널은 상기 제2 채널을 통해 유동하는 미세먼지의 양을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.
상기 SAW 센서와 상기 히터는 서로 이격되어 대응되는 위치에 마련될 수 있다.
상기 히터의 길이는 상기 SAW 센서 길이의 0.5 내지 1배이며, 상기 히터의 폭은 상기 SAW 센서 폭의 0.5 내지 1배일 수 있다.
상기 SAW 센서, 상기 히터 및 상기 측정부는 서로 대응되는 위치에 마련될 수 있다.
상기 토출부 및 측정부는 상기 유동층의 상하를 관통할 수 있다.
상기 연결부의 타단, 제1 채널 및 제2 채널의 일부분은 서로 연결될 수 있다.
상기 제1 채널은 상기 연결부를 가상으로 연장했을 때의 방향으로 형성될 수 있다.
상기 제2 채널은, 상기 제1 채널의 일측면과 연결된 상기 제2 채널의 유입구로부터 상기 제1 채널과 수직한 방향으로 연장되다가 절곡하여 상기 제1 채널과 평행한 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 제2 채널은 2개 마련되며, 상기 제2 채널의 유입구들은 상기 제1 채널의 양측면에 각각 마련될 수 있다.
상기 제1 채널 및 제2 채널의 유출구는 상기 토출부와 연결될 수 있다.
상기 팬부는 상기 토출부와 대응되는 위치에 마련될 수 있다.
상기 유입부는, 미세먼지가 유동하는 방향으로 폭이 좁아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서는 SAW 센서를 이용하는 바, 미세먼지의 중량을 측정하여 미세먼지의 양을 센싱할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서는 측정시간이 길지 않으며 사용자가 휴대하는 것이 편리하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서는 미세먼지의 크기를 분류하여 크기에 따라 미세먼지의 양을 측정할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 센서층을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 유동층을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분류부의 형태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 미세먼지 측정센서의 히터층을 도시한 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6b는 유동층을 제조하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층을 제조할 때의 유동층의 단면을 순서에 따라 간략히 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 센서층을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 유동층을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분류부의 형태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 미세먼지 측정센서의 히터층을 도시한 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6b는 유동층을 제조하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층을 제조할 때의 유동층의 단면을 순서에 따라 간략히 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 즉, 구성요소들을 상기 용어들에 의해 한정하고자 함이 아니다.
본 명세서에서 '포함하다' 라는 표현으로 언급되는 구성요소, 특징, 및 단계는 해당 구성요소, 특징 및 단계가 존재함을 의미하며, 하나 이상의 다른 구성요소, 특징, 단계 및 이와 동등한 것을 배제하고자 함이 아니다.
본 명세서에서 단수형으로 특정되어 언급되지 아니하는 한, 복수의 형태를 포함한다. 즉, 본 명세서에서 언급된 구성요소 등은 하나 이상의 다른 구성요소 등의 존재나 추가를 의미할 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의하여 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다.
즉, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW(surface acoustic wave) 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10)는 센서층(100), 유동층(200), 히터층(300) 및 팬(fan)부(400)를 포함할 수 있다.
센서층(100)은 미세먼지가 흡착되어 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 SAW(surface acoustic wave) 센서(110)를 포함할 수 있다. SAW는 고체 표면을 따라 진행하는 표면 탄성파를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 센서층을 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10)의 센서층(100)이 SAW 센서(110) 2개를 포함하고 있는 것을 확인할 수 있다. 후술하는 대로, 측정부(224)가 2개인 경우, SAW 센서(110)가 2개일 수 있고 측정부(224)가 1개인 경우, SAW 센서(110)가 이에 대응되어 1개일 수 있으나, SAW 센서(110)가 위의 개수에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, SAW 센서(110)는 센서층(100) 기판 상부면의 중심 부분에 위치할 수 있으며, LaTiO3, AiN, PZT 등의 압전물질을 박막으로 사용한 IDT(inter-digital transducer) 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, SAW 센서(110)는 344Mhz 내지 2.5Ghz의 주파수를 가지는 센서로서 구성될 수 있으며 전체적인 센서 소자의 크기는 고정되지만 IDT 전극의 면적만 변화하는 형태를 가질 수 있다.
SAW 센서(110) 표면에 흡착된 미세먼지 입자들은 SAW 신호에 영향을 줌으로써 SAW 센서(110)가 미세먼지의 양을 측정할 수 있다. 즉, SAW 센서(110)가 미세먼지에 의해 주파수의 변화를 일으키게 되고 이를 이용하여 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 것이다. 미세먼지 입자들에 의해 생기는 SAW 신호의 변화는 RF(radio frequency) 신호로써 나오게 되며, 이 신호들을 저장하여 사용자가 그 측정값을 취득할 수 있다.
센서층(100)은 그 내부에 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는 SAW 센서(110)로부터 측정된 측정값을 수신할 수 있다. 즉, 제어부는 SAW 센서(110)의 RF 신호를 전달 받아 이를 처리할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부는 마이크로 컨트롤러유닛(MCU)을 포함하고 센서층(100)의 PCB 회로에 함께 실장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10)는 기존의 광학식 센서가 아닌 SAW 센서를 사용함으로써 실제 미세먼지의 무게의 변화량을 측정할 수 있고, 이를 통해 보다 정확한 미세먼지 측정이 가능하다는 효과가 있다.
유동층(200)은 센서층(100)의 상부면에 마련되어, 미세먼지가 유동할 수 있는 채널을 포함할 수 있다. 즉, 미세먼지는 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10) 내부로 유동층(200)을 통해 유입됨으로써 일련의 미세먼지 측정 과정을 거치게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 유동층을 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 유동층(200)은 유입부(210), 분류부(220) 및 토출부(230)를 포함할 수 있다.
유입부(210)는 공기 중의 미세먼지가 유입되는 채널으로 유동층(200)의 상부면의 끝 부분에 위치하여 일단이 공기에 맞닿아 있음으로써 미세먼지 측정센서의 외부로부터 미세먼지를 유입받을 수 있다.
일 실시예에서, 유입부(210)는 미세먼지가 유동하는 방향으로 폭이 좁아질 수 있다. 즉, 유입부(210)는 유동층(200) 상부면의 끝 부분으로부터 형성되어 유동층(200)의 내부로 연장되는데, 미세먼지가 유동하는 방향인 내부로 갈수록 그 폭이 점차 좁아질 수 있다.
분류부(220)는 유입된 공기 중의 미세먼지를 기설정된 크기 별로 분류하는 역할을 수행할 수 있다. 분류부(220)는 연결부(221), 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분류부를 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분류부(220)는 연결부(221), 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)을 포함할 수 있다.
연결부(221)는 유입부(210)와 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)을 연결하는 채널이다. 연결부(221)의 일단은 유입부(210)의 타단과 연결될 수 있다. 유입부(210)는 연결부(221) 방향으로 갈수록 그 폭이 좁아지게 되고, 이로 인해 폭이 좁은 연결부(221) 사이를 미세먼지가 유동함으로써 미세먼지가 가속된다. 미세먼지를 크기 별로 분류하기 위하여 미세먼지를 가속하는 과정을 거치는 것이다.
일 실시예에서, 연결부(221)의 길이와 폭은 분류하고자 하는 미세먼지의 크기에 따라 설정될 수 있다. 예컨대, 분류하고자 하는 미세먼지의 크기에 따라 연결부(221)의 길이가 80μm~300μm로 형성되고, 연결부(221)의 폭이 80μm~300μm로 형성될 수 있다.
제1 채널(222)은 연결부(221)가 가상으로 연장된 방향으로 형성되고, 기설정된 크기보다 큰 미세먼지가 유동할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 채널(222)은 기설정된 크기보다 큰 미세먼지가 유동할 수 있다. 연결부(221)를 통과하면서 가속된 미세먼지 중에서 기설정된 크기보다 큰 미세먼지는 관성력에 의해 직진하여 제1 채널(222)로 유입될 수 있다. 제1 채널(222)로 유입된 미세먼지는 특별한 과정을 거치지 않고 토출부(223)로 이동한다.
제2 채널(223)은 제1 채널(222)의 일측면에 유입구가 형성되어 제1 채널(222)과 수직한 방향으로 연장되어 형성되다가 절곡하여 제1 채널(222)과 평행한 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 제2 채널(222)은 기설정된 크기보다 작은 미세먼지가 유동할 수 있다.
연결부(221)를 통과하면서 가속된 미세먼지 중에서 기설정된 크기보다 작은 미세먼지는 직진하지 않고, 제1 채널(222)의 측면에 위치한 제2 채널(223)의 유입구로 유입될 수 있다. 제2 채널(223)로 기설정된 크기보다 작은 미세먼지가 유입됨으로써 제2 채널(223)의 측정부(224)의 하부에 위치한 SAW 센서(110)를 통해 분류된 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 것이다.
일 실시예에서, 제2 채널(223)은 2개 마련되어, 제2 채널(223)의 유입구들은 제1 채널(222)의 양측면에 각각 마련될 수 있다. 즉, 도 4와 같이 제2 채널(223)이 제1 채널(222)의 일측면에만 위치할 수 있으나, 도 3과 같이 제1 채널(222)의 양측면에도 위치할 수 있다.
종래 측정센서 기술에서는 기설정된 크기보다 작은 미세먼지가 유입되는 채널이 2개 마련되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10)는 기설정된 크기보다 작은 미세먼지가 유입되는 채널이 1개 마련된 구조로도 구현될 수 있다.
연결부(221)의 타단, 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)의 일부분은 서로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 연결부(221)의 타단, 제1 채널(222)의 유입구 및 제2 채널(223)의 유입구는 서로 연결될 수 있다.
위와 같은 구조를 가짐에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10)는 타겟으로 하는 크기 이하의 미세먼지 입자를 분류하여 측정할 수 있으므로 보다 정밀한 미세먼지 측정이 가능하다는 효과가 있다.
제2 채널(223)은 측정부(224)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 측정부(224)는 유동층(200)의 상하를 관통하여 형성될 수 있다. 즉, 제2 채널(223)에 포함된 측정부(224)가 유동층(200)을 관통하여 형성되고 유동층(200)의 하부면에 부착된 SAW 센서(110)와 대응될 수 있다. 이로 인해, 제2 채널(223)로 유입된 미세먼지가 측정부(224)의 하부면에 맞닿아 있는 SAW 센서(110)로 흡착되어 미세먼지의 양을 측정할 수 있는 것이다.
토출부(230)는 분류된 미세먼지를 미세먼지 측정센서 바깥으로 토출하는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)의 유출구는 토출부(230)와 연결될 수 있다. 즉, 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)을 통과한 미세먼지는 토출부(230)로 유동할 수 있다.
일 실시예에서, 토출부(230)는 유동층(200)의 상하를 관통하여 형성될 수 있다. 즉, 토출부(230)가 관통되어 유동층(200)의 하부면에 부착된 팬부(400)와 대응될 수 있다. 이로 인해, 토출부(230)로 유입된 미세먼지들이 팬부(400)에 의해 미세먼지 측정센서(10) 바깥으로 토출될 수 있으며, 팬부(400)에 의해 유동층(200) 채널 내에 유동하는 미세먼지의 유량을 조절할 수 있는 것이다.
히터층(300)은 히터(310)를 포함하고, 유동층(200)의 상부면에 마련되어 유동층(200)에서의 미세먼지 유동을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 미세먼지 측정센서의 히터층을 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 히터층(300)은 유동층(200) 방향으로 마련된 히터(310)를 포함할 수 있다. 즉, 히터(310)는 히터층(300)의 하부면에 유동층(200) 방향으로 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 히터층(300)의 히터(310)는 SAW 센서(110)와 이격되어 서로 대응되는 위치에 마련될 수 있다. SAW 센서(110)는 측정부(224)와 대응되는 위치에 마련되는 바, 히터(310)는 SAW 센서(110) 및 유동층(200)의 측정부(224)와 대응되는 위치에 마련될 수 있다.
히터(310)가 SAW 센서(110) 및 측정부(224)와 대응되는 위치에 마련됨으로써 제2 채널(223)의 측정부(224)로 유동하게 된 미세먼지는 히터(310)가 형성한 온도구배에 의해 열영동력(thermophoretic force)를 받게 되어 SAW 센서(110) 위로 유동 경로가 바뀌어 SAW 센서(110) 표면에 미세먼지의 흡착이 이루어지게 된다. 히터(310)의 온도가 낮아지게 되면 다시 미세먼지의 유동이 바뀌어 SAW 센서(110)에 흡착된 미세먼지가 탈착되어 토출부(230)로 이동하게 된다. 즉, 히터(310)의 온도를 조절함으로써 미세먼지의 유동을 조절할 수 있는 것이다.
일 실시예에서, 히터(310)의 패턴은 다양한 형상을 지닐 수 있으며 히터(310)의 최소 선폭은 10μm~50μm의 범위를 가질 수 있다. 또한, 히터(310)는 100~200°C 사이의 온도를 가질 수 있으며 분류되는 미세먼지의 크기에 따라 온도를 조절하여 온도구배를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 히터(310)는 금속을 히터층(300)에 증착시키거나 접착시키는 방법으로 형성할 수 있다. 히터(310)가 금속인 경우, 히터(310)는 Ti/Pt, Ti/Au, Pt, Au, Cu일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 히터(310)의 길이는 SAW 센서(110) 길이의 0.5 내지 1배일 수 있고, 히터(310)의 폭은 SAW 센서(110) 폭의 0.5 내지 1배일 수 있다. 히터(310)의 면적을 조절함으로써 히터(310)에서 소모되는 전력을 최소화함과 동시에 목표로 하는 히터(310)의 온도를 구현할 수 있다. 이로써 히터(310)의 효율과 온도 유지력을 상승시키고 미세먼지 측정센서(10)의 센싱 성능을 향상시킬 수 있다.
팬부(400)는 센서층(100)의 일측면에 위치하고, 유동층(200)의 하부면에 마련되어 미세먼지를 미세먼지 측정센서(10) 바깥으로 토출하고 유동층(200)에서의 미세먼지 유량을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.
팬부(400)는 분류된 미세먼지를 미세먼지 측정센서(10)의 외부로 토출하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 채널(222) 및 제2 채널(223)을 통과하여 토출부(230)로 유동한 미세먼지들을 최종적으로 미세먼지 측정센서(10) 바깥으로 토출하는 기능을 수행하는 것이다.
일 실시예에서, 팬부(400)는 유동층(200)의 토출부(230)에 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 토출부(230)는 유동층(200)의 상하를 관통하는 바, 팬부(400)는 토출부(230)로 이동한 미세먼지를 바람을 통해 바깥으로 토출할 수 있는 것이다.
또한, 팬부(400)는 미세먼지가 유동하는 경로의 유량을 조절할 수 있다. 팬부(400)는 관통하여 형성된 토출부(230)에 대응되는 위치에 마련되어 유동층(200) 채널에서의 미세먼지 유량을 조절할 수 있다. 여기서, 미세먼지 유량은 0 내지 최대 6.16 X 10-5kg/s 또는 3.13L/min으로 조절될 수 있으며 분류되는 미세먼지의 크기에 따라 유량을 조절할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 팬부(400)는 전체적인 미세먼지 측정센서(10)의 크기에 따라 그 크기를 변경하여 사용할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 제조방법은 유동층을 제조하는 단계(S610) 및 유동층의 하부면은 센서층과 결합시키고 상부면은 히터층과 결합시키는 단계(S620)를 포함할 수 있다.
도 6b는 유동층을 제조하는 단계(S610)를 나타내는 흐름도이다.
도 6b를 참조하면, 유동층을 제조하는 단계(S610)는 포토레지스트를 기판 상부에 기설정된 두께로 도포하는 단계(S611), 노광 공정을 통해 채널이 위치할 부분의 포토레지스트를 제거하는 단계(S612), RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 채널을 형성하는 단계(S613), 형성된 채널에 금속층을 형성하는 단계(S614), 포토레지스트를 기판 하부에 기설정된 두께로 도포하는 단계(S615), 노광 공정을 통해 채널에서 토출부 및 측정부가 위치할 부분의 포토레지스트를 제거하는 단계(S616) 및 DRIE(deep reactive ion etching) 공정을 이용하여 토출부 및 측정부가 형성되는 위치에 대하여 관통 식각을 수행하는 단계(S617)를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층을 제조할 때의 유동층의 단면을 순서에 따라 간략히 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)는 S611 단계로 포토레지스트를 기판 상부에 기설정된 두께로 도포하는 단계를 나타낸다. 여기서, 포토레지스트 용액은 스핀 코터(spin coater) 등을 이용하여 기판 상부에 도포될 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 유동층(200)의 기판은 히터(310)와의 통전을 막기 위해 고저항 진성 실리콘 웨이퍼(intrinsic silicon wafer) 또는 식각 공정에 용이한 고저항 부도체 기판을 사용할 수 있다.
도 7의 (b) 및 (c)는 S612 단계로 노광 공정을 통해 유동층(200)의 채널이 위치할 부분의 포토레지스트를 제거하는 단계를 나타낸다. 여기서, 미리 설계하여 준비한 포토 마스크(photo mask)를 통해 채널이 위치할 부분의 포토레지스트를 제거하고 채널이 위치하는 부분 이외의 부분에는 포토레지스트를 보호층으로 남겨둔다.
도 7의 (d)는 S613 단계로 RIE 공정을 이용하여 유동층(200)의 채널을 형성하는 단계이다. 일 실시예에 있어서, 유동층(200)의 채널은 플라즈마와 식각(etching) 가스를 이용하여 50 내지 200μm의 깊이로 식각될 수 있다. 이 과정이 끝나면 유동층(200) 기판의 상부면에 채널이 형성된다.
도 7의 (e)는 S614 단계로 형성된 채널에 금속층을 형성하는 단계이다. 식각이 진행되는 패턴 또는 채널들의 크기가 달라 생기게 되는 식각률의 차이를 보완하기 위하여 채널에 금속을 코팅하여 식각 가스가 채널에 손상을 입히지 않도록 보호층의 역할을 하도록 금속층을 증착하는 것이다. 금속층은 모든 공정이 끝난 후 제거될 수 있다.
도 7의 (f) 및 (g)는 S615 및 S616 단계로 포토레지스트를 기판 하부에 기설정된 두께로 도포하고, 노광 공정을 통해 채널에서 토출부(230) 및 측정부(224)가 위치할 부분의 포토레지스트를 제거하는 단계이다. S615 및 S616 단계는 기판의 하부면에 대하여 공정을 진행하는 것이며 S611 및 S612 단계와 동일하게 진행된다.
도 7의 (h) 내지 (k)는 S617 단계로 DRIE(deep reactive ion etching) 공정을 이용하여 토출부(230) 및 측정부(224)가 형성되는 위치에 대하여 관통 식각을 수행하는 단계이다.
토출부(230) 및 측정부(224)는 유동층(200)을 상하로 관통하여 각각 팬부(400) 및 SAW 센서(110)와 대응되어야 하는 바, 유동층(200)을 관통하는 채널을 형성하기 위하여 관통 식각을 진행한다.
DRIE 공정 역시, 플라즈마와 식각 가스를 이용하며 토출부(230) 및 측정부(224)가 형성되는 위치에 대하여 반대편으로 기판이 관통될 때까지 DRIE 공정을 진행하여 유동층(200)의 상하를 관통하는 토출부(230) 및 측정부(224)를 형성할 수 있다.
상기 공정을 모두 진행하고 나면 금속층과 포토레지스트를 최종적으로 제거함으로써, 미세먼지가 유동할 수 있는 채널과 두 개의 관통 구역이 형성된 유동층(200)이 제조될 수 있다.
유동층의 하부면은 센서층과 결합시키고 상부면은 히터층과 결합시키는 단계(S620)는 센서층(100)을 유동층(200)의 하부면에 결합시키고, 히터층(300)을 유동층(200)의 상부면에 결합시키는 단계이다. 여기서, 센서층(100)의 SAW 센서(110), 히터층(300)의 히터(310) 및 유동층(200)의 측정부(224)는 서로 대응되도록 결합될 수 있다.
일 실시예에서, SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 제조방법은 유동층을 제조하는 단계(S610)와 병렬적으로 센서층을 제조하는 단계와 히터층을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
센서층을 제조하는 단계는 유동층을 제조하는 단계(S610)와 병렬적으로 진행될 수 있으며, 기판 상에 SAW 센서(110)를 접합하여 센서층을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 센서층(100)은 Cu 재질의 PCB 기판 위에 LiTaO3 기판에 제작된 SAW 센서(110)가 와이어로 연결됨으로써 제작될 수 있으며, SAW 센서(110)의 IDT 전극은 Ti/Al로 구성될 수 있다.
히터층을 제조하는 단계는 유동층을 제조하는 단계(S610)와 병렬적으로 진행될 수 있으며, 포토레지스트를 기판 상부에 기설정된 두께로 도포하는 단계, 노광 공정을 통해 패턴층을 형성하는 단계 및 형성된 패턴층에 금속을 증착하여 히터를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
포토레지스트를 기판 상부에 기설정된 두께로 도포하는 단계는 유동층을 제조하는 단계(S610)에서의 과정과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 여기서, 포토레지스트는 p-type 또는 n-type 유형 모두 사용할 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 히터층(300)의 기판은 유리 재질의 투명한 기판일 수 있고, Borosilicate 3.3, PYREX, Quarts 등의 유리기판을 사용하거나 투명한 재질의 부도체 기판을 사용할 수 있다.
노광 공정을 통해 패턴층을 형성하는 단계는 히터층(300)의 기판에 보호층을 일정한 패턴으로 형성하는 단계이다. 즉, 사전에 히터층(300) 설계를 위해 제작된 포토 마스크를 통하여 노광 공정을 통해 히터(310)가 위치할 패턴층을 기판 상에 형성하는 것이다.
형성된 패턴층에 금속을 증착하여 히터를 형성하는 단계는 노광 공정을 통해 기판 상에 형성된 패턴층에 금속을 증착시켜 히터(310)를 형성하는 단계이다. 히터(310)는 유동층(200)을 향하도록 패턴층이 형성된 히터층(300)의 하부면에 증착될 수 있다. 이 단계가 끝난 후, 포토레지스트를 최종적으로 제거함으로써 히터층(300)이 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서 제조방법은 팬부를 상기 센서층의 일측면에 위치하도록 상기 유동층의 하부면에 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 팬부(400)는 센서층(100)의 일측면에 위치하여, 유동층(200)의 토출부(230) 하부면에 대응되도록 결합될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SAW를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서(10)는 센서층(100), 유동층(200) 및 히터층(300)이 레진(resin)을 통해 결합된 것을 확인할 수 있다. 레진은 UV 또는 열 레진을 사용할 수 있으며, 레진은 각 층을 결합하는 역할 뿐만 아니라 전체적인 미세먼지 측정센서(10)를 실링(sealing)하는 역할도 수행한다.
일 실시예에서, 센서층(100), 유동층(200) 및 히터층(300)는 필름 형태의 접착물을 이용하여 결합될 수 있다. 또한, 미세먼지 측정센서 제조공정 시 형성되는 채널 주변에 댐(dam)을 형성함으로써 채널로 레진이 침범하는 것을 막을 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 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 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 미세먼지 측정센서
100 : 센서층
110 : SAW 센서
200 : 유동층
210 : 유입부
220 : 분류부
221 : 연결부
222 : 제1 채널
223 : 제2 채널
224 : 측정부
230 : 토출부
300 : 히터층
310 : 히터
400 : 팬부
100 : 센서층
110 : SAW 센서
200 : 유동층
210 : 유입부
220 : 분류부
221 : 연결부
222 : 제1 채널
223 : 제2 채널
224 : 측정부
230 : 토출부
300 : 히터층
310 : 히터
400 : 팬부
Claims (15)
- 미세먼지가 흡착되는 SAW(surface acoustic wave) 센서를 포함하는 센서층;
상기 센서층의 상부면에 마련되고, 미세먼지가 유동할 수 있는 채널을 포함하는 유동층;
상기 유동층의 상부면에 마련되고, 상기 유동층 방향으로 마련된 히터를 포함하는 히터층; 및
상기 센서층의 일측면에 위치하고, 상기 유동층의 하부면에 마련된 팬(fan)부를 포함하는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제1항에 있어서,
상기 유동층은,
일단이 공기와 맞닿아 미세먼지가 유입되는 유입부;
상기 유입부와 연결되고 상기 유입된 미세먼지를 크기 별로 분류하는 분류부; 및
상기 분류된 미세먼지가 토출되는 토출부를 포함하는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제2항에 있어서,
상기 분류부는,
일단이 상기 유입부의 타단과 연결되는 연결부;
기설정된 크기보다 큰 미세먼지가 유동하는 제1 채널; 및
기설정된 크기보다 작은 미세먼지가 유동하는 제2 채널을 포함하는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제3항에 있어서,
상기 제2 채널은 상기 제2 채널을 통해 유동하는 미세먼지의 양을 측정하는 측정부를 포함하는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제1항에 있어서,
상기 SAW 센서와 상기 히터는 서로 이격되어 대응되는 위치에 마련된,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제1항에 있어서,
상기 히터의 길이는 상기 SAW 센서 길이의 0.5 내지 1배이며, 상기 히터의 폭은 상기 SAW 센서 폭의 0.5 내지 1배인,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제4항에 있어서,
상기 SAW 센서, 상기 히터 및 상기 측정부는 서로 대응되는 위치에 마련된,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제4항에 있어서,
상기 토출부 및 측정부는 상기 유동층의 상하를 관통하는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제3항에 있어서,
상기 연결부의 타단, 제1 채널 및 제2 채널의 일부분은 서로 연결되는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제3항에 있어서,
상기 제1 채널은 상기 연결부를 가상으로 연장했을 때의 방향으로 형성되는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제3항에 있어서,
상기 제2 채널은,
상기 제1 채널의 일측면과 연결된 상기 제2 채널의 유입구로부터 상기 제1 채널과 수직한 방향으로 연장되다가 절곡하여 상기 제1 채널과 평행한 방향으로 연장되어 형성되는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제3항에 있어서,
상기 제2 채널은 2개 마련되며, 상기 제2 채널의 유입구들은 상기 제1 채널의 양측면에 각각 마련된,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제3항에 있어서,
상기 제1 채널 및 제2 채널의 유출구는 상기 토출부와 연결되는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제2항에 있어서,
상기 팬부는 상기 토출부와 대응되는 위치에 마련된,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서. - 제2항에 있어서,
상기 유입부는,
미세먼지가 유동하는 방향으로 폭이 좁아지는,
SAW 센서를 이용한 휴대용 미세먼지 측정센서.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102267566B1 (ko) | 2021-06-21 |
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