WO2018066930A1 - 일체형 가스 센서 구조체 및 적외광 발광 모듈 - Google Patents

일체형 가스 센서 구조체 및 적외광 발광 모듈 Download PDF

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WO2018066930A1
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filament
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optical filter
gas sensor
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PCT/KR2017/010972
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이병수
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주식회사 템퍼스
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    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/61—Non-dispersive gas analysers

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor structure, a light emitting module and a package, and more particularly, to an integrated gas sensor structure and an infrared light emitting module using infrared light.
  • the gas sensor is a sensor for measuring the concentration of a specific gas or the like.
  • the method of measuring the concentration of a specific gas is an electrochemical method for measuring a change in electrical conductivity of a thin film by an electrochemical reaction and an optical method for measuring a gas concentration by measuring characteristic absorption lines and measuring the amount of absorbed light (NDIR, Non -Dispersive Infra-Red), and the electrochemical method is inexpensive and can be miniaturized, but it is low in reliability due to the large change according to temperature and humidity, and the optical method is composed of infrared irradiation part, sensor part, and waveguide part. There is a problem in that it is difficult to implement a gas sensor capable of implementing low-cost and rapid measurement due to a long time and high power consumption.
  • the present invention is to solve the various problems including the above problems, an object of the present invention is to provide a gas sensor that can implement a low-cost and rapid measurement.
  • an object of the present invention is to provide a gas sensor that can implement a low-cost and rapid measurement.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • the integrated gas sensor structure includes a substrate; A filament disposed on one side of the substrate; A photo detector disposed on the other side of the substrate; An optical filter unit disposed between one side and the other side of the substrate and transmitting light having an optional wavelength band; And a housing part disposed on the substrate and housing the optical filter part, the filament, and the photo detector therein, and having a reflective layer reflecting light on an inner surface thereof.
  • the housing part has a sidewall having at least a part of which is inclined or curvature so that the infrared light emitted upward from the filament can be reflected and traveled laterally and then reflected downward to be incident to the photodetector And at least a portion of the filament and / or the photo detector may be disposed below the inclined or curvature sidewall.
  • the integrated gas sensor structure may further include a dust filter part configured to cover the opening of the housing part so that gas particles may be selectively introduced into the housing part, and dust or the like may not be introduced therein.
  • the filter may be disposed above the other side of the substrate having the photo detector based on the optical filter unit.
  • the dust filter should also consist of waterproof fibers to prevent direct penetration of moisture.
  • the substrate is one single metal PCB substrate, and the filament and the light detector may be a MEMS structure formed on the substrate.
  • the integrated gas sensor structure may further include a photodiode disposed on one side of the substrate on which the filament is located based on the optical filter to monitor whether light having a constant intensity is emitted from the filament.
  • the integrated gas sensor structure is a precondition for performing an operation for blocking an electric current applied to the filament when the temperature exceeds a predetermined standard, and is disposed on one side of the substrate having the filament based on the optical filter unit.
  • the thermistor may further include.
  • the filament may include a diaphragm and a metal resistance pattern formed on the diaphragm
  • the light detector may include a thermopile sensor
  • the optical filter unit may be a band pass filter that selectively transmits medium wave (Mid wave, Long Wave Infra-Red) having a wavelength of 1 ⁇ m to 14 ⁇ m.
  • medium wave Mod wave, Long Wave Infra-Red
  • the infrared light emitting module includes a single substrate; A filament disposed on the substrate and capable of emitting infrared light; A photodiode disposed on the substrate for monitoring whether light of a constant intensity is emitted from the filament; A precondition for performing an operation for cutting off the current applied to the filament when the temperature exceeds a predetermined criterion, comprising: a thermistor disposed on the substrate; A housing part disposed on the substrate to house the filament, the photodiode and the thermistor therein; And an optical filter unit disposed to cover the opening of the housing unit and transmitting infrared light having an optional wavelength band. Including, the interior of the housing portion is vacuumed or filled with xenon (Xe), the filament is directly exposed to the interior of the housing portion without a separate sealing structure.
  • Xe xenon
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an integrated gas sensor structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of an infrared light emitting module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a photograph showing the appearance of an infrared light emitting module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an integrated gas sensor structure according to an embodiment of the present invention.
  • an integrated gas sensor structure 1000 may include a substrate 10; A filament 20 disposed on one side of the substrate 10; A photo detector 220 disposed on the other side of the substrate 10; An optical filter unit 60 disposed between one side and the other side of the substrate 10 and transmitting light having an optional wavelength band; And a housing part 50 disposed on the substrate 10 to house the optical filter part 60, the filament 20, and the photo detector 220 therein, and having a reflective layer 55 reflecting light on the inner side thereof. );
  • the integrated gas sensor structure 1000 measures the light absorption or transmittance according to the concentration of the gas molecules, and converts the concentration into concentrations by using the characteristic that the gas molecules have characteristic absorption lines for absorbing light of a specific wavelength band.
  • an optical gas sensor structure which is a system, it is an integrated gas sensor structure which uses NDIR (non-dispersive infrared) system.
  • Substrate 10 may be one single substrate.
  • the substrate 10 may be a metal PCB substrate.
  • the filament 20 and the photo detector 220 may be disposed on one single substrate.
  • One single substrate 10 may be divided into one side where the filament 20 is disposed and the other side where the photo detector 220 is disposed based on the optical filter unit 60 for convenience.
  • the filament 20 is a structure capable of emitting infrared light as a light source of the optical gas sensor.
  • the filament 20 may be composed of a diaphragm and a metal resistance pattern formed on the diaphragm.
  • the filament 20, on the other hand, may be a MEMS structure, for example, disposed across the bridge structure 25 extending perpendicular to the substrate 10.
  • the mirror structure 27 may be provided under the filament 20.
  • a filament generally used for gas detection may be provided by being disposed inside a quartz tube and vacuum sealed, but in this case, the entire portion of the quartz tube must reach a certain temperature. Since the external light is emitted and the heat is severe, the system must wait until the system reaches the thermal equilibrium state, so rapid measurement is difficult, and power consumption and infrared emission efficiency may be low. Furthermore, in the filament structure according to the comparative example, since the quartz material does not transmit in the wavelength range of 4 ⁇ m or more, there is a problem in that gas analysis of the wavelength range of 4 ⁇ m or more is not easy.
  • an infrared LED or the like may be used, but there is a problem that it is difficult to emit infrared light in a large area.
  • the interior spaces 80 and 280 of the housing part 50 are vacuumed or filled with xenon Xe, and the filament 20 is It may have a structure directly exposed to the inside of the housing portion 50 without a separate sealing structure.
  • partial heat generation can be generated as compared to the structure in which the filament is provided in the quartz tube, and thus the overall heat generation degree is relatively low, and the measurement can be performed quickly with low power.
  • gas analysis of wavelengths of 4 ⁇ m or more, which is mainly used for NDIR is possible.
  • the photo detector 220 is an element that detects the infrared light emitted from the filament 20.
  • the photo detector 220 may be a heat sensing photo detector, and specifically, may include a thermopile sensor, which is a thermoelectric element measuring a temperature difference generated by light energy.
  • the thermoelectric effect the driving principle of the thermopile, relates to the relationship between heat and electricity in dissimilar metals and measures the amount of light using the Seebeck effect.
  • the thermopile is a photodetector device using the Seebeck effect in which an electromotive force is generated at both ends when a temperature difference occurs between the metal ends.
  • thermopile If the electromotive force is generated in the same direction as the temperature gradient with respect to the electromotive force generated by the temperature difference, and the electromotive force is generated in the opposite direction to the temperature gradient, the thermopile is positive and negative. You can alternately bond to maximize the light output.
  • the photo detector 220 is a thermoelectric device that is a thermal sensing device that measures the total amount of light regardless of the wavelength band.
  • the element is adopted. Therefore, in order to detect the light energy of a specific wavelength band, such as NDIR, the optical filter unit 60 must be disposed in front of the photo detector 220 on the optical path.
  • the optical filter unit 60 may be a band pass filter that selectively transmits mid-wave infrared (Mid wave, Long Wave Infra-Red) having a wavelength of 1 ⁇ m to 14 ⁇ m.
  • the photo detector 220 may be a MEMS structure, for example, may be disposed across the bridge structure 225 extending perpendicular to the substrate 10.
  • the ROIC 230 may be disposed on the other side of the substrate 10 on which the photo detector 220 is disposed.
  • the housing part 50 has a sidewall having at least a portion of which is inclined or curvature so that the infrared light emitted upward from the filament 20 can be reflected and traveled laterally and then reflected and traveled downward to be incident to the photodetector 220.
  • Reflecting layer 55 may be formed on sidewall 50a of housing part 50.
  • at least a portion of the filament 20 and / or the photo detector 220 may be disposed below the sidewall 50a having the inclined or curvature of the housing portion 50.
  • the integrated gas sensor structure 1000 further includes a dust filter part 290 configured to cover the opening of the housing part 50 so that gas particles are introduced into the housing part 50. It may include.
  • the dust filter 290 may be disposed above the other side of the substrate 10 having the photo detector 220 based on the optical filter unit 60.
  • Integrated gas sensor structure 1000 is a substrate having a filament (20) based on the optical filter unit 60 in order to monitor whether light of a certain intensity from the filament 20 is emitted ( 10 may further include a photodiode 30 disposed on one side.
  • the photodiode 30 is a photoelectric device that generates a difference in energy levels between both ends at a junction between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor and absorbs light corresponding to the difference in energy levels, thereby generating charges. Measured by the voltage difference by charge.
  • the photodiode 30 does not measure the total amount of light but detects the light in a specific wavelength band, it is possible to monitor the infrared light emitted from the filament 20 at all times, and that light having a constant intensity is supplied from the filament 20. Make it possible.
  • Integrated gas sensor structure 1000 is a precondition for performing an operation for blocking the current applied to the filament 20 when the temperature exceeds a predetermined reference
  • the optical filter unit ( 60 may further include a thermistor (not shown) disposed on one side of the substrate 10 having the filament 20.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating the configuration of an infrared light emitting module according to another embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a photograph showing the appearance of the infrared light emitting module according to another embodiment of the present invention.
  • an infrared light emitting module 100 may include one single substrate 10; A filament 20 disposed on the substrate 10 and capable of emitting infrared light; A photodiode 30 disposed on the substrate 10 for monitoring whether light of a constant intensity is emitted from the filament 20; A precondition for performing an operation for blocking an electric current applied to the filament 20 when the temperature exceeds a predetermined criterion, the device comprising: a thermistor 40 disposed on the substrate 10; A housing part 50 disposed on the substrate 10 to house the filament 20, the photodiode 30, and the thermistor 40 therein; And an optical filter unit 60 disposed to cover the opening of the housing unit 50 and transmitting infrared light having an optional wavelength band. It includes. The inside of the housing part 50 is vacuumed or filled with xenon (Xe), the filament 20 is directly exposed to the inside of the housing part 50 without a separate sealing structure.
  • Xe xenon
  • the optical filter unit 60 may include a band pass filter for selectively transmitting mid wave (Mid wave, Long Wave Infra-Red) having a wavelength of 1 ⁇ m to 14 ⁇ m.
  • the filament 20 and the photo detector 220 may be MEMS structures formed on the substrate 10.
  • the filament 20 may be composed of a diaphragm and a metal resistance pattern formed on the diaphragm, and the photo detector 220 may include a thermopile sensor.
  • the infrared light emitting module 100 may further include a wiring structure 70, and the wiring structure 70 may include a substrate 10, a filament 20, and a photodiode 30. And / or are electrically connected to the thermistor 40 to enable input and output of electrical signals.
  • a modification of the integrated gas sensor structure 1000 disclosed in FIG. 1 may include the infrared light emitting module 100 disclosed in FIGS. 2 and 3.
  • the filament 20, the photodiode 30, the thermistor 40, the optical filter unit 60 is provided as an integrated unit of the infrared light emitting module 100
  • the substrate 10 of Figure 1 is one single It may be limited to a substrate on which the photo detector 220 is mounted, not a substrate.

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 일체형 가스 센서 구조체는 기판; 상기 기판의 일측에 배치된 필라멘트; 상기 기판의 타측에 배치된 광 검출기; 상기 기판의 일측과 타측 사이에 배치되며 선택적인 파장대를 가지는 광을 투과시키는 광 필터부; 및 상기 기판 상에 배치되어 상기 광 필터부, 상기 필라멘트, 상기 광 검출기를 내부에 하우징하며, 내측면에 광을 반사하는 반사층이 형성된, 하우징부;를 포함한다.

Description

일체형 가스 센서 구조체 및 적외광 발광 모듈
본 발명은 가스 센서 구조체 및 발광 모듈 및 페키지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 적외광을 이용한 일체형 가스 센서 구조체 및 적외광 발광 모듈에 관한 것이다.
가스 센서는 특정 가스의 농도 등을 측정하는 센서이다. 특정 가스의 농도를 측정하는 방식은 전기화학적 반응에 의한 박막의 전기 전도도의 변화를 측정하는 전기화학 방식과 특성 흡수선을 조사하고, 흡수된 광량을 측정하여 가스 농도를 측정하는 광학방식(NDIR, Non-dispersive Infra-Red)이 있으며, 전기화학 방식이 저가이며 소형화 할 수 있지만 온도 및 습도에 따라 크게 변화하여 신뢰성이 낮으며, 광학방식은 적외선 조사부와 센서부, 도파관 부로 구성되어 크기가 크며, 측정하는데 걸리는 시간이 길고 소비전력이 큰 문제가 있어서, 저가이면서 신속한 측정을 구현할 수 있는 가스 센서를 구현하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 저가이면서 신속한 측정을 구현할 수 있는 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 일체형 가스 센서 구조체가 제공된다. 상기 일체형 가스 센서 구조체는 기판; 상기 기판의 일측에 배치된 필라멘트; 상기 기판의 타측에 배치된 광 검출기; 상기 기판의 일측과 타측 사이에 배치되며 선택적인 파장대를 가지는 광을 투과시키는 광 필터부; 및 상기 기판 상에 배치되어 상기 광 필터부, 상기 필라멘트, 상기 광 검출기를 내부에 하우징하며, 내측면에 광을 반사하는 반사층이 형성된, 하우징부;를 포함한다.
상기 일체형 가스 센서 구조체에서, 상기 필라멘트에서 상방으로 발광된 적외광이 반사되어 측방으로 진행하고 다시 반사되어 하방으로 진행하여 상기 광 검출기로 입사될 수 있도록 상기 하우징부는 적어도 일부가 경사지거나 곡률을 가지는 측벽을 가지며, 상기 필라멘트 및/또는 상기 광 검출기의 적어도 일부는 상기 경사지거나 곡률을 가지는 측벽의 아래에 배치될 수 있다.
상기 일체형 가스 센서 구조체는 상기 하우징부의 내부로 가스 입자가 선택적으로 인입될 수 있으며, 먼지 등이 유입되지 않도록 상기 하우징부의 개구부를 덮도록 구성된 더스트 필터(dust filter)부;를 더 포함하되, 상기 더스트 필터는 상기 광 필터부를 기준으로 상기 광 검출기가 있는 상기 기판의 타측 상부에 배치될 수 있다. 또한 더스트 필터는 수분의 직접적인 침투가 되지 않도록 방수 처리된 섬유로 구성되어야 한다.
상기 일체형 가스 센서 구조체에서, 상기 기판은 하나의 단일한 금속 PCB 기판이며, 상기 필라멘트 및 상기 광 검출기는 상기 기판 상에 형성된 MEMS 구조체일 수 있다.
상기 일체형 가스 센서 구조체는 상기 필라멘트로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 상기 광 필터부를 기준으로 상기 필라멘트가 있는 상기 기판의 일측에 배치되는 포토다이오드;를 더 포함할 수 있다.
상기 일체형 가스 센서 구조체는 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 상기 필라멘트로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 상기 광 필터부를 기준으로 상기 필라멘트가 있는 상기 기판의 일측에 배치된 써미스터(thermistor);를 더 포함할 수 있다.
상기 일체형 가스 센서 구조체에서, 상기 필라멘트는 다이아프램 및 상기 다이아프램 상에 형성된 금속 저항 패턴을 구비하고, 상기 광 검출기는 써모파일센서(thermopile sensor)를 포함할 수 있다.
상기 일체형 가스 센서 구조체에서, 상기 광 필터부는 파장이 1 ㎛ 내지 14 ㎛인 중,장파장 적외선(Mid wave, Long Wave Infra-Red)을 선택적으로 투과시키는 밴드 패스 필터일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 적외광 발광 모듈이 제공된다. 상기 적외광 발광 모듈은 하나의 단일한 기판; 상기 기판 상에 배치되되 적외광을 발광할 수 있는 필라멘트; 상기 필라멘트로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 상기 기판 상에 배치된 포토다이오드; 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 상기 필라멘트로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 상기 기판 상에 배치된 써미스터(thermistor); 상기 기판 상에 배치되어 상기 필라멘트, 상기 포토다이오드, 상기 써미스터를 내부에 하우징하는 하우징부; 및 상기 하우징부의 개구부를 덮도록 배치되되 선택적인 파장대를 가지는 적외광을 투과시키는 광 필터부; 를 포함하되, 상기 하우징부의 내부는 진공 처리되거나 크세논(Xe)으로 채워지며, 상기 필라멘트가 별도의 실링 구조체 없이 상기 하우징부의 내부에 바로 노출된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저가이면서 신속한 측정을 구현할 수 있는 가스 센서를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈의 외관을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 기판(10); 기판(10)의 일측에 배치된 필라멘트(20); 기판(10)의 타측에 배치된 광 검출기(220); 기판(10)의 일측과 타측 사이에 배치되며 선택적인 파장대를 가지는 광을 투과시키는 광 필터부(60); 및 기판(10) 상에 배치되어 광 필터부(60), 필라멘트(20), 광 검출기(220)를 내부에 하우징하며, 내측면에 광을 반사하는 반사층(55)이 형성된, 하우징부(50);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 가스 분자가 특정 파장대의 광을 흡수하는 특성 흡수선을 갖는 특성을 이용하여 가스 분자의 농도에 따라 광 흡수율 또는 투과율을 측정하여 농도로 환산하는 방식인 광학식 가스 센서 구조체로서, NDIR(비분산 적외선) 방식을 사용하는 일체형 가스 센서 구조체이다.
기판(10)은 하나의 단일한 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 금속 PCB 기판일 수 있다. 필라멘트(20) 및 광 검출기(220)는 하나의 단일한 기판 상에 배치될 수 있다. 하나의 단일한 기판(10)은, 편의상, 광 필터부(60)를 기준으로 필라멘트(20)가 배치되는 일측과 광 검출기(220)가 배치되는 타측으로 구분할 수 있다.
필라멘트(20)는 광학식 가스 센서의 광원(light source)으로서 적외광을 발광할 수 있는 구조체이다. 가령, 필라멘트(20)는 다이아프램 및 상기 다이아프램 상에 형성된 금속 저항 패턴으로 구성될 수 있다. 한편, 필라멘트(20)는 MEMS 구조체일 수 있으며, 예를 들어, 기판(10)에 수직하게 신장하는 브릿지 구조체(25) 상에 가로질러 배치될 수 있다. 필라멘트(20)의 하부에는 미러 구조체(27)가 제공될 수도 있다.
본 발명의 비교예로서, 일반적으로 가스 감지에 사용되는 필라멘트는 쿼츠 튜브(quartz tube) 내부에 배치되어 진공 실링(sealing)되어 제공될 수 있으나, 이 경우 쿼츠 튜브 전 부분이 일정한 온도에 도달하여야 적외광이 방출되어서 발열이 심하여 시스템이 열평형 상태에 도달할때 까지 대기하여야 하므로 신속한 측정이 어려우며, 소비전력이 크고 적외선 발광 효율이 낮은 문제점이 발생할 수 있다. 나아가, 상기 비교예에 따른 필라멘트 구조체에서는 쿼츠 물질이 4 ㎛ 이상의 파장대에서 투과가 안되므로 4 ㎛ 이상의 파장대의 가스 분석이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
이에대한 대안으로 적외선 LED 등이 사용될 수 있으나, 고가이며 넓은 영역의 적외선 발광이 어렵다는 문제가 있다.
이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)에서는, 하우징부(50)의 내부 공간(80, 280)이 진공 처리되거나 크세논(Xe)으로 채워지며, 필라멘트(20)는 별도의 실링 구조체 없이 하우징부(50)의 내부에 바로 노출되는 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 쿼츠 튜브 내에 필라멘트가 제공되는 구조에 비하여 부분적인 발열을 발생시킬 수 있으므로, 전체적인 발열 정도가 상대적으로 낮으며 적은 전력으로 신속한 측정이 가능한 효과를 가진다. 나아가, NDIR 용으로 주로 사용되는 4 ㎛ 이상의 파장대의 가스 분석이 가능하다는 장점도 수반한다.
광 검출기(220)는 필라멘트(20)에서 발광된 적외광을 검출하는 소자이다. 예를 들어, 광 검출기(220)는 열 감지형 광 검출기일 수 있으며, 구체적으로, 광 에너지에 의해 발생하는 온도 차이를 측정하는 열전 소자인 써모파일센서(thermopile sensor)를 포함할 수 있다. 써모파일의 구동원리인 열전 효과(thermo electric effect)는 이종 금속에 있어서 열과 전기 간의 상호 관계에 관한 것으로 지벡 효과(Seebeck effect)를 이용하여 광량을 측정하는 방식이다. 써모파일에서는 금속 양단에 온도 차이가 발생하면 온도 차이에 비례하는 기전력이 양단에 발생하는 지벡 효과를 이용한 광 검출기 소자이다. 온도 차이에 의해 발생하는 기전력에 대해 온도의 기울기와 같은 방향으로 기전력이 발생하는 경우를 포지티브형, 온도 기울기와 반대 방향으로 기전력이 발생하는 경우를 네거티브형이라 한다면, 써모파일은 포지티브형과 네거티브형을 번갈아 접합하여 광 출력을 극대화할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서 광 검출기(220)는, 특정 파장대(wavelength bandwidth)의 광을 검지하는 광전(photoelectric) 소자와 달리, 파장대에 관계없이 전체 광량을 측정하는 열 감지형 소자인 열전(thermoelectric) 소자를 채용한다. 따라서, NDIR과 같이 특정 파장대의 광에너지를 검출하기 위해서는, 광 경로 상에서 광 검출기(220) 앞에 광 필터부(60)가 배치되어야 한다. 예를 들어, 광 필터부(60)는 파장이 1 ㎛ 내지 14 ㎛인 중.장파장 적외선(Mid wave, Long Wave Infra-Red)을 선택적으로 투과시키는 밴드 패스 필터(band pass filter)일 수 있다.
한편, 광 검출기(220)는 MEMS 구조체일 수 있으며, 예를 들어, 기판(10)에 수직하게 신장하는 브릿지 구조체(225) 상에 가로질러 배치될 수 있다. 광 검출기(220)가 배치되는 기판(10)의 타측에는 ROIC(230)가 배치될 수 있다.
필라멘트(20)에서 상방으로 발광된 적외광이 반사되어 측방으로 진행하고 다시 반사되어 하방으로 진행하여 광 검출기(220)로 입사될 수 있도록 하우징부(50)는 적어도 일부가 경사지거나 곡률을 가지는 측벽(50a)을 가진다. 하우징부(50)의 측벽(50a)은 반사층(55)이 형성될 수 있다. 나아가, 필라멘트(20) 및/또는 광 검출기(220)의 적어도 일부는 하우징부(50)의 경사지거나 곡률을 가지는 측벽(50a)의 아래에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 하우징부(50)의 내부로 가스 입자가 인입되도록 하우징부(50)의 개구부를 덮도록 구성된 더스트 필터(290, dust filter)부를 더 포함할 수 있다. 더스트 필터(290)는 광 필터부(60)를 기준으로 광 검출기(220)가 있는 기판(10)의 타측 상부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 필라멘트(20)로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 광 필터부(60)를 기준으로 필라멘트(20)가 있는 기판(10)의 일측에 배치되는 포토다이오드(30)를 더 포함할 수 있다. 포토다이오드(30)는 광전(photoelectric) 소자로서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합에서 양단 간 에너지 준위의 차이가 발생하고 에너지 준위 차이에 해당하는 광을 흡수하여 전하가 발생하도록 하여 광량을 전하량 또는 전하에 의한 전압 차이로 측정한다. 포토다이오드(30)는 전체 광량을 측정하는 것이 아니라 특정 파장대의 광을 검지하므로 필라멘트(20)에서 발광되는 적외광의 상시적인 모니터링이 가능하며, 필라멘트(20)로부터 일정한 세기의 광이 공급되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 필라멘트(20)로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 광 필터부(60)를 기준으로 필라멘트(20)가 있는 기판(10)의 일측에 배치된 써미스터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 써미스터를 제공함으로써 필라멘트(20) 주변의 온도를 측정하여 과다 발열을 제한할 수 있으므로 신속한 안정화가 가능하다는 유리한 효과를 기대할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈의 외관을 나타낸 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈(100)은 하나의 단일한 기판(10); 기판(10) 상에 배치되되 적외광을 발광할 수 있는 필라멘트(20); 필라멘트(20)로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 기판(10) 상에 배치된 포토다이오드(30); 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 필라멘트(20)로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 기판(10) 상에 배치된 써미스터(40); 기판(10) 상에 배치되어 필라멘트(20), 포토다이오드(30), 써미스터(40)를 내부에 하우징하는 하우징부(50); 및 상기 하우징부(50)의 개구부를 덮도록 배치되되 선택적인 파장대를 가지는 적외광을 투과시키는 광 필터부(60); 를 포함한다. 하우징부(50)의 내부는 진공 처리되거나 크세논(Xe)으로 채워지며, 필라멘트(20)는 별도의 실링 구조체 없이 하우징부(50)의 내부에 바로 노출된다.
광 필터부(60)는 파장이 1 ㎛ 내지 14 ㎛인 중.장파장 적외선(Mid wave, Long Wave Infra-Red)을 선택적으로 투과시키는 밴드 패스 필터를 포함할 수 있다. 필라멘트(20) 및 광 검출기(220)는 기판(10) 상에 형성된 MEMS 구조체일 수도 있다. 필라멘트(20)는 다이아프램 및 상기 다이아프램 상에 형성된 금속 저항 패턴으로 구성될 수 있으며, 광 검출기(220)는 써모파일센서(thermopile sensor)를 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈(100)은 배선 구조체(70)를 더 포함할 수 있으며, 배선 구조체(70)는 기판(10), 필라멘트(20), 포토다이오드(30) 및/또는 써미스터(40)와 전기적으로 연결되어 전기적 신호의 입출력이 가능해진다.
도 1에 개시된 일체형 가스 센서 구조체(1000)의 변형례는 도 2 및 도 3에 개시된 적외광 발광 모듈(100)을 구비할 수 있다. 이 경우, 필라멘트(20), 포토다이오드(30), 써미스터(40), 광 필터부(60)는 적외광 발광 모듈(100)로 일체화되어 제공되되, 도 1의 기판(10)은 하나의 단일 기판이 아니라 광 검출기(220)가 실장되는 기판으로 한정될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판의 일측에 배치된 필라멘트;
    상기 기판의 타측에 배치된 광 검출기;
    상기 기판의 일측과 타측 사이에 배치되며 선택적인 파장대를 가지는 광을 투과시키는 광 필터부; 및
    상기 기판 상에 배치되어 상기 광 필터부, 상기 필라멘트, 상기 광 검출기를 내부에 하우징하며, 내측면에 광을 반사하는 반사층이 형성된, 하우징부;
    를 포함하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필라멘트에서 상방으로 발광된 적외광이 반사되어 측방으로 진행하고 다시 반사되어 하방으로 진행하여 상기 광 검출기로 입사될 수 있도록 상기 하우징부는 적어도 일부가 경사지거나 곡률을 가지는 측벽을 가지며, 상기 필라멘트 및/또는 상기 광 검출기의 적어도 일부는 상기 경사지거나 곡률을 가지는 측벽의 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징부의 내부로 가스 입자가 인입되도록 상기 하우징부의 개구부를 덮도록 구성된 더스트 필터(dust filter)부;를 더 포함하되, 상기 더스트 필터는 상기 광 필터부를 기준으로 상기 광 검출기가 있는 상기 기판의 타측 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 하나의 단일한 금속 PCB 기판이며, 상기 필라멘트 및 상기 광 검출기는 상기 기판 상에 형성된 MEMS 구조체인 것을 특징으로 하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필라멘트로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 상기 광 필터부를 기준으로 상기 필라멘트가 있는 상기 기판의 일측에 배치되는 포토다이오드;를 더 포함하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 상기 필라멘트로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 상기 광 필터부를 기준으로 상기 필라멘트가 있는 상기 기판의 일측에 배치된 써미스터(thermistor);를 더 포함하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필라멘트는 다이아프램 및 상기 다이아프램 상에 형성된 금속 저항 패턴을 구비하고, 상기 광 검출기는 써모파일센서(thermopile sensor)를 포함하는, 일체형 가스 센서 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 필터부는 파장이 1 ㎛ 내지 14 ㎛인 중.장파장 적외선(Mid wave, Long Wave Infra-Red)을 선택적으로 투과시키는 밴드 패스 필터인, 일체형 가스 센서 구조체.
  9. 하나의 단일한 기판; 상기 기판 상에 배치되되 적외광을 발광할 수 있는 필라멘트; 상기 필라멘트로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 상기 기판 상에 배치된 포토다이오드; 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 상기 필라멘트로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 상기 기판 상에 배치된 써미스터(thermistor); 상기 기판 상에 배치되어 상기 필라멘트, 상기 포토다이오드, 상기 써미스터를 내부에 하우징하는 하우징부; 및 상기 하우징부의 개구부를 덮도록 배치되되 선택적인 파장대를 가지는 적외광을 투과시키는 광 필터부; 를 포함하되, 상기 하우징부의 내부는 진공 처리되거나 크세논(Xe)으로 채워지며, 상기 필라멘트가 별도의 실링 구조체 없이 상기 하우징부의 내부에 바로 노출되는 것을 특징으로 하는, 적외광 발광 모듈.
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