KR101578374B1 - 써모파일 센서 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상의 써모파일 센서 어레이; 및 상기 써모파일 센서 어레이의 자체 온도를 측정하기 위하여 상기 써모파일 센서 어레이 주변의 상기 기판 상에 배치되는 제 1 저항체와 제 2 저항체;를 포함하고, 상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체는 소정의 동일한 온도 구간에서 온도에 따라 서로 다른 기울기의 선형적인 저항변화 특성을 갖고, 전기적으로 서로 직렬 연결된, 써모파일 센서 모듈을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 써모파일 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 써모파일 센서 또는 써모파일 센서 어레이 기판 모듈의 온도측정에 관한 것이다.
특정 물체를 감지하여 소정의 신호로서 동작을 유발하는 각종 전자장비에도 사용되고 있는 적외선 센서로는 광기전력 효과(photovoltaic effedt)나 광전도 효과(photoconductive effect)를 이용한 양자형(photonic type)센서와 볼로미터(bolometer), 초전 센서(pyroelectric sensor), 써모파일 센서(thermopile sensor)와 같은 열형(thermal type)센서가 있다. 써모파일 센서는 자가발열 문제가 없어서 대상물에 대한 정밀한 온도 측정을 위해서 사용되고 있다.
이러한 써모파일 센서는 자신에 대한 대상물의 상대 온도를 측정하거나, 이를 이용하여 열영상을 구현하는 데 이용될 수 있다. 따라서, 이러한 써모파일 센서에 있어서, 자체 온도를 정밀하게 측정할 필요가 있다.
써모파일 센서 자체의 온도 측정은 보통 별도의 써미스터를 구비하여, 써미스터에 일정한 전류를 흘려주어 발생하는 전압을 측정하는 방식을 사용하는데, 별도의 써미스터를 사용하는 방법은 package의 크기를 증가시키고, 써미스터에서 발생하는 발열에 의하여 센서의 온도가 상승하여 물체의 온도 측정의 정밀도가 떨어질 수 있으며, 별도의 써미스터를 사용하여야 하므로 가격을 상승시키는 요인으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 센서의 온도 측정을 쉽게 하여 온도 측정 시간을 짧게 함으로써, 발열을 최소화 하고, 별도의 써미스터 등을 사용하지 않아서 시스템 구성을 간단하게 할 수 있는 써모파일 센서 모듈을 제공하는데 목적을 두고 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 기판; 상기 기판 상의 써모파일 센서 어레이; 및 상기 써모파일 센서 어레이의 자체 온도를 측정하기 위하여 상기 써모파일 센서 어레이 주변의 상기 기판 상에 배치되는 제 1 저항체와 제 2 저항체;를 포함하고, 상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체는 소정의 동일한 온도 구간에서 온도에 따라 서로 다른 기울기의 선형적인 저항변화 특성을 갖고, 전기적으로 서로 직렬 연결된, 써모파일 센서 모듈을 제공할 수 있다.
상기 제 1 저항체의 일단과 상기 제 2 저항체의 일단이 서로 맞닿아 있을 수 있다.
상기 제 1 저항체 및 상기 제 2 저항체는 그 온도계수가 둘 중 하나는 양의 계수이고, 다른 하나는 음의 계수인 것을 포함할 수 있다.
상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체는 서로 다른 재질을 가질 수 있다. 나아가, 상기 제 1 저항체는 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 저항체는 실리콘(Si), 비스무스 텔룰라이드(BixTey) 및 안티몬 텔룰라이드(SnxTey) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 써모파일 센서 모듈은 서로 직렬 연결된 상기 제 1 저항체 및 상기 제 2 저항체와 전기적으로 병렬로 연결되도록 서로 직렬 연결된 한 쌍의 제 3 저항체를 더 포함할 수 있다.
상기 써모파일 센서 모듈은 상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체의 접점 및 상기 한 쌍의 제 3 저항체의 접점에 연결되어 출력 신호를 증폭하는 앰프를 더 포함할 수 있으며, 상기 써모파일 센서 어레이, 상기 제 1 저항체 및 상기 제 2 저항체는 상기 기판 상에 원칩화 된 구조를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2개의 저항체를 사용함으로써 저항값 신호의 증폭이 쉽고, 빠르게 온도 측정이 가능하며, 저항체의 발열을 줄일 수 있어, 구조가 간단한 써모파일 센서 및 써모파일 센서 모듈의 온도측정 방법을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈을 구성하는 저항체의 온도-저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈의 온도측정 방법을 도해하는 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈을 구성하는 저항체의 온도-저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈의 온도측정 방법을 도해하는 공정 순서도이다.
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 써모파일 센서 모듈(10)을 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈(10)을 구성하는 저항체의 온도-저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 써모파일 센서 모듈(10)의 구조를 나타낸 것으로, 기판(11) 상에 써모파일 센서 어레이(12)와, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)를 구성할 수 있다.
써모파일 센서 어레이(12)는 복수의 써모파일 센서들이 어레이로 배치된 구조를 지칭할 수 있다. 써모파일 센서는 적외선 센서의 일종으로서 대상물에서 방사되는 적외선양을 정적으로 그리고 동적으로 감지할 수 있고, 자가 발열 문제가 없이 미세한 온도 측정이 가능하여 대상물의 온도를 세밀하게 모니터링 하는 데 이용될 수 있다.
이러한 써모파일 센서 어레이(12)는 기존의 반도체 공정으로 제조가 가능하며, 다른 적외선 센서에 비해서 냉각이 필요 없고 저가임에도 높은 정확도와 신뢰성을 가질 수 있다.
이러한 써모파일 센서 어레이(12) 내 각 써모파일 센서는 두 가지 서로 다른 물질을 한쪽은 접점(junction)을 만들고, 한쪽은 떼어놓은(open) 구조로 형성하여, 이 접점 부분과 개방된 부분에 온도차가 생기면 이 온도차의 크기에 비례하여 기전력(thermoelectric power)이 발생하는 제벡효과(seebeck effect)를 이용함으로써 온도를 감지할 수 있다. 이러한 써모파일 센서 어레이(12)의 경우 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 상대적으로 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려있다.
이러한, 상기 써모파일 센서 어레이(12)는, 되도록 많은 양의 에너지를 흡수해야 하며 일단 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하는 것이 중요하고, 센서의 감도를 향상시키는 부분과 마찬가지로 열영상장비 및 야간투시경 등과 같은 분야에 상기 써모파일이 적용되기 위해서는 높은 출력감도 이외에 빠른 응답특성이 중요할 수 있다.
이를 위하여 적외선을 흡수하는 흑체의 역할이 상대적으로 중요할 수 있고, 이러한 흑체는 매우 검은색을 띄고, 동시에 불투명한 표면 재질(반사율)이어야 한다. 여기에 부가적으로 물질의 열전도율을 조절할 수 있는 물질의 첨가로 조절이 가능할 수 있다. 여기서, 써모파일 센서 어레이(12)에 대한 구체적인 구조나 기술은 이미 널리 공지된 것으로 상세한 설명은 생략한다.
제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)는 소정의 동일한 온도 구간에서 온도에 따라 선형적인 저항변화 특성을 각각 가질 수 있다. 제 1 저항체(13)의 일단과 제 2 저항체(14)의 일단이 서로 맞닿아 있는 구조를 가질 수 있으며, 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
이 실시예의 변형된 예에 따르면, 써모파일 센서 모듈(10)에서, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)는 서로 교차하는 구조를 가질 수 있다. 이 구조는 써모파일 센서 모듈(10)을 제조할 때, 써모파일 센서 어레이(12)의 위치에 따라 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 형성이 어려운 경우, 제조가 용이하도록 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 위치가 기판의 중앙 또는 한 쪽 모서리 끝으로 변경 될 수 있고, 그에 따라 각 저항체가 서로 교차할 수 있다.
이 때, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)는 각각의 저항체의 재료의 종류에 따라 서로 다른 온도계수를 갖고, 적어도 둘 중 하나는 양의 온도계수를 가질 수 있으며, 다른 하나는 음의 온도계수를 가질 수 있다. 여기에서, 각 저항체의 재료에 따라 온도계수는 서로 다르며, 온도계수는 온도의 변화에 따른 저항값의 변화를 뜻한다.
이 실시예에서, 써모파일 센서 어레이(12), 제 1 저항체(13) 및 제 2 저항체(14)는 기판(11) 상에서 원칩화되어 제공될 수 있다. 따라서, 써모파일 센서 모듈(10)은 슬림하게 경제적으로 제조될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 온도-저항 특성을 나타내는 그래프로써, 가로축은 온도를 나타내고, 세로축은 저항값을 나타내고, 온도에 따라 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)가 선형적인 저항변화 특성을 나타내고 있다. 제 1 저항체(13)의 온도계수는 α, 제 2 저항체(14)의 온도계수는 β가 될 수 있고, 온도 계수의 차이가 서로 클수록 저항 비교를 쉽게 할 수 있고, 이에 따른, 온도 측정을 더 쉽게 할 수 있다.
제 1 저항체(13)는 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni)과 같은 금속재료들 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 제 2 저항체(14)는 실리콘(Si), 비스무스 텔룰라이드(BixTey) 및 안티몬 텔룰라이드(SnxTey)와 같은 반도체 재료들 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기에서, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 재질은 서로 뒤바뀔 수도 있다.
예를 들어, 임의의 온도(T0)에서 저항값이 각각 R0로 동일한 저항값을 갖는 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 저항값 차이는 0 이 되고, 제 1 저항체(13)과 제 2 저항체(14)의 온도계수가 각각 α, β를 갖을 때, 어느 일정 전압이 기판(11)에 인가된다고 하면, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14) 각각 발열하게 되고, 각각의 저항체의 발열에 따라, 제 1 저항체(13)의 저항값은 R', 제 2 저항체(14)의 저항값은 R"으로 변하게 되고, 저항값의 변화(R'- R")가 발생하게 되고, 온도(t)를 측정할 수 있다.
이 때, 측정된 온도(t)는 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 온도이고, 구하고자 하는 써모파일 센서 모듈(10)의 온도에 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 온도가 영향을 거의 미치지 않는다고 가정하면, 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 온도를 알 수 있으면, 하기의 수학식 1에 의해 써모파일 센서 모듈(10)의 온도 연산이 가능하다. 만약, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 온도가 써모파일 센서 모듈(10)의 온도와 동일하다면, 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 저항변화에 따른 온도만으로 써모파일 센서 모듈(10)의 온도를 알 수 있다.
[수학식 1]
(여기에서, t는 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 발열된 후의 온도, T0는 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 저항이 같을 때의 온도로 보통의 경우 약 300K(실온) 정도이며, T는 써모파일 센서 모듈(10)의 온도로 약 -50K~50K 정도임)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈(10)을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)는 전기적으로 직렬 연결된 구조를 갖고, 이러한 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 직렬 연결 구조는 서로 직렬 연결된 한 쌍의 제 3 저항체(15)와 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.
상술한 회로를 일반적으로 휘트스톤 브릿지 구조(wheatston bridge structure)라 할 수 있고, 약 1Ω~10MΩ까지의 저항을 ±0.01%의 오차 범위 내에서 측정할 수 있다. 이 때, 써모파일 센서 모듈(10)의 외부에 전압이 인가되고, 저항에 의해 전압 강하가 발생하여 나오는 출력 전압의 신호를 증폭할 수 있는 앰프(16)를 더 포함할 수 있다. 앰프(16)는 제 1 저항체(13)와 상기 제 2 저항체(14)의 접점 및 한 쌍의 제 3 저항체(15)의 접점에 연결될 수 있다.
또한, 외부에서 가해지는 전압이 V라 하고, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)에 걸리는 전압이 Vp, 제 3 저항체(15)에 걸리는 전압이 Vn이라 하면, 출력전압은 V0라 할 수 있다.
Vp는 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)에 걸리는 전압을 뜻하므로, 하기의 수학식 2에 의해 연산될 수 있다.
[수학식 2]
Vn은 제 3 저항체(15)에 걸리는 전압을 뜻하므로, 하기의 수학식 3에 의해 연산될 수 있다.
[수학식 3]
V0는 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 전압강하에 따른 출력전압을 의미하고, 하기의 수학식 4에 의해 연산될 수 있다.
[수학식 4]
상기 수학식 4에 수학식 2와 수학식 3을 대입하고, 하기의 수학식 5가 될 수 있다.
[수학식 5]
상기 수학식 5에 각각의 R 값을 대입하면, 수학식 6이 될 수 있다.
[수학식 6]
보통의 금속 및 반도체의 경우, 상온에서α+β<<1 이므로 이에 따라, 수학식6은 최종적으로 수학식 7로 근사 될 수 있다.
[수학식 7]
상기 수학식 7에서, 출력전압(V0), 제 1 저항체(13)의 온도계수(α), 제 2 저항체(14)의 온도계수(β), 인가전압(V) 값을 모두 알 수 있으므로, 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 온도(t)를 연산할 수 있다.
여기서, 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 온도(t)를 알면 상기 수학식 1에 대입하여, 구하고자 하는 써모파일 센서 모듈(10)의 온도(T)를 연산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈의 온도측정 방법을 도해하는 공정 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 써모파일 센서 모듈(10)의 온도를 측정하는 단계는 임의의 온도(T0)에서 저항값이 같은 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)가 구비된 써모파일 센서 모듈(10)의 외부에서 전압을 인가하는 단계(S100), 인가된 전압에 의해, 써모파일 센서 어레이(12)를 포함한 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)가 발열되는 단계(S200), 제 1 저항체(13), 제 2 저항체(14)의 발열에 의해, 제 1 저항체(13)와 제 2 저항체(14)의 저항값이 변하는 단계(S300) 및 저항값의 변화량에 따른 써모파일 센서 모듈(10) 온도를 측정하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 저항체 자체의 발열로 인해, 써모파일 센서 모듈(10)의 온도 측정 시 별도의 써미스터를 설치해야 하지만, 본 발명은, 저항체 2개를 적용시켜, 별도의 보정 없이 써모파일 센서 모듈(10)의 온도를 측정할 수 있다. 이에 따라, 빠르게 써모파일 센서 모듈(10)의 온도를 측정함에 따라, 저항체의 발열이 심하지 않아 써모파일 센서의 온도 정밀도가 높아지며, 별도의 써미스터를 추가적으로 구성할 필요가 없어 가격이 낮아지고, 써모파일 센서 모듈(10)의 부피가 작아지며, 그에 따른 제조비용의 단가를 낮출 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 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.
10 : 써모파일 센서 모듈 11 : 기판
12 : 써모파일 센서 어레이 13 : 제 1 저항체
14 : 제 2 저항체 15 : 제 3 저항체
16 : 앰프
12 : 써모파일 센서 어레이 13 : 제 1 저항체
14 : 제 2 저항체 15 : 제 3 저항체
16 : 앰프
Claims (8)
- 기판;
상기 기판 상의 써모파일 센서 어레이; 및
상기 써모파일 센서 어레이의 자체 온도를 측정하기 위하여 상기 써모파일 센서 어레이 주변의 상기 기판 상에 배치되는 제 1 저항체와 제 2 저항체;를 포함하고,
상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체는 소정의 동일한 온도 구간에서 온도에 따라 서로 다른 기울기의 선형적인 저항변화 특성을 갖고, 전기적으로 서로 직렬 연결되고,
상기 제 1 저항체의 일단과 상기 제 2 저항체의 일단이 서로 맞닿아 있고,
상기 제 1 저항체 및 상기 제 2 저항체는 그 온도계수가 둘 중 하나는 양의 계수이고, 다른 하나는 음의 계수인 것을 포함하고,
상기 써모파일 센서 어레이의 자체 온도는, 출력전압, 상기 제1 저항체의 온도 계수, 상기 제2 저항체의 온도 계수, 인가전압을 이용하여 상기 제1 저항체의 온도 및 상기 제2 저항체의 온도를 산출한 후에, 상기 제1 저항체의 온도 및 상기 제2 저항체의 온도와 상기 제1 저항체와 상기 제2 저항체의 저항이 같을 때의 온도를 이용하여 산출되는, 써모파일 센서 모듈. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체는 서로 다른 온도 계수를 갖도록 서로 다른 재질을 갖는, 써모파일 센서 모듈. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 저항체는 백금(Pt), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 제 2 저항체는 실리콘(Si), 비스무스 텔룰라이드(BixTey) 및 안티몬 텔룰라이드(SnxTey) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 써모파일 센서 모듈. - 제 1 항에 있어서,
서로 직렬 연결된 상기 제 1 저항체 및 상기 제 2 저항체와 전기적으로 병렬로 연결되도록 서로 직렬 연결된 한 쌍의 제 3 저항체를 더 포함하는, 써모파일 센서 모듈. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 저항체와 상기 제 2 저항체의 접점 및 상기 한 쌍의 제 3 저항체의 접점에 연결되어 출력 신호를 증폭하는 앰프를 더 포함하는, 써모파일 센서 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 써모파일 센서 어레이, 상기 제 1 저항체 및 상기 제 2 저항체는 상기 기판 상에 원칩화 된, 써모파일 센서 모듈.
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