KR101737400B1 - 써모파일 온도센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 써모파일 온도센서에 관한 것으로, PCB 기판; 기판 상부면 일부에 설치된 써모파일; 기판 상부면 일부에 설치된 리드아웃 IC; 및 상기 기판과 상부에 공간을 형성하도록 덮는 구조의 커버로, 상기 써모파일 상부에 대응되는 위치에 수광홀이 형성된 센서캡을 포함하되, 상기 센서캡 내부면 또는 외부면에 방열을 위한 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은, 온도센서의 성능을 개선하고 신뢰성을 향상시키며, 낮은 단가의 간단하고 용이한 구조의 제안을 통해 온도센서의 안정성 및 내구성을 높일 수 있는 써모파일 온도센서를 제공한다.
이와 같은 본 발명은, 온도센서의 성능을 개선하고 신뢰성을 향상시키며, 낮은 단가의 간단하고 용이한 구조의 제안을 통해 온도센서의 안정성 및 내구성을 높일 수 있는 써모파일 온도센서를 제공한다.
Description
본 발명은 온도센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도센서의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 써모파일 온도센서에 관한 것이다.
일반적으로 온도를 측정하기 위한 방법으로는 접촉식과 비접촉식의 크게 두가지로 나눌 수 있다. 접촉식 온도계로는 수은온도계, 알콜온도계, NTC온도계 및 공업용으로는 열전대(Thermocouple) 및 백금측온계 등이 있으며 직접 열원에 접촉할 수 없는 경우나 매우 빠른 온도계측을 위해서는 비접촉식 온도센서소자인 써모파일(Thermopile)을 이용한 온도계를 사용하고 있다.
써모파일(thermopile)의 경우 최근 수은온도계를 대신하여 귓속형 체온계등의 온도 센서 소자로 널리 보급되고 있으며 온도의 정밀계측과 빠른 응답속도와 열원에 직접 닿지 않고도 계측할 수 있는 장점으로 인해 자동차 내부의 온도 측정 및 가전 기기의 온도측정 등의 다양한 분야로 그 응용범위가 급속히 확대되고 있다.
도 1을 참조하여, 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치를 설명하면 다음과 같다. 적외선을 이용한 온도감지장치는 센서(5)와, 반사경(3) 및 적외선 필터(1)로 구성된다. 상세히 설명하면, 센서(5)는 피감지체에서 발생하는 적외선을 감지하여 이를 전기적 신호로 변환하는 역할을 하며, 상기 센서(5)의 상부에는 적외선을 상기 센서(5)로 집중시키는 소정 곡률을 가지는 반사경(3)이 설치된다. 그리고 상기 반사경(3)의 입구측에는 여러 가지 종류의 전자기파 중에서 적외선만을 통과시키는 적외선 필터(1)가 설치된다.
여기서, 상기 센서(5)는 적외선에 의하여 가열되는 흑체와, 상기 흑체의 열에 의하여 열기전력을 발생시키는 써모파일(thermopile) 등으로 이루어진다. 한편, 상기 센서(5)에서 나오는 전기적 신호는 매우 미세하므로 통상 상기 센서(5)는 전기적 신호를 증폭하는 신호처리부(10)에 연결된다. 즉, 상기 신호처리부(10)의 출력 신호에 의하여 피감지체의 온도를 측정하게 된다.
이와 같은 구조의 써모파일 센서는 외부에서 수광홀로 조사되는 적외선을 포커싱하여 써모파일로 전달하는 경우, 써모파일에서 적외선을 전기신호로 변환하고 변환된 전기신호를 MCU에서 처리하여 디지털 온도로 표시할 수 있도록 처리하는 장치이다.
이오 같은 써모파일을 포함하는 적외선 온도센서 소자는 실리콘 웨이퍼 상에 써모커플을 박막으로 구현하여 제작된다. 이에 써모파일의 감도를 향상시키기 위해서는 입사되는 적외선 복사 에너지를 최대한 많은 양 흡수하여야 하고, 또한, 흡수된 에너지를 빼앗기지 않도록 설계하여야 한다.
또한, 좀더 정밀한 온도 측정을 위해서는 냉접점의 온도를 정확하게 보상해주는 것이 필수적이다. 하지만 종래의 써모 파일 온도 센서의 경우 외부로부터 입사되는 적외선은 온접점 영역뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼에도 닿아 실리콘 웨이퍼의 온도를 상승시키게 되고, 이로 인한 실리콘 웨이퍼의 열이 온접점으로 복사되어 외부 열원(피측정체)의 순수 온도보다 높은 온도로 잘못 인식되어 정밀한 온도 측정이 어려운 문제가 발생하였다.
즉, 이와 같은 종래의 써모파일 센서는 외부의 열과 PCB 기판을 통해서 발생하는 센서캡 내부의 열로 인해 써모파일에 영향을 주어 온도센서의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 써모파일 온도센서는 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 온도센서의 성능을 개선하고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 써모파일 온도센서를 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 낮은 단가의 간단하고 용이한 구조의 제안을 통해 온도센서의 안정성 및 내구성을 높일 수 있는 써모파일 온도센서를 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, PCB 기판; 기판 상부면 일부에 설치된 써모파일; 기판 상부면 일부에 설치된 리드아웃 IC; 및 상기 기판과 상부에 공간을 형성하도록 덮는 구조의 커버로, 상기 써모파일 상부에 대응되는 위치에 수광홀이 형성된 센서캡을 포함하되, 상기 센서캡 내부면 또는 외부면에 방열을 위한 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서캡 내부면 및 외부면에 적외선 반사물질을 재질로 하는 코팅층이 형성되는 것이 바람직하고, 상기 코팅층은, 유리 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 포함하는 재질인 것이 바람직하며, 상기 센서캡 내부면 및 외부면에 적외선 흡수 및 차단 재질의 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 수광홀 또는 수광홀 하부에 렌즈 또는 적외선필터를 구비하는 것이 바람직하고, 상기 코팅층은 금속 및 실란과, 유기 또는 무기 화합물을 포함하는 적외선 흡수 및 차단 재질의 혼합물을 재질로하는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 코팅층은, 프탈로시아닌, 나프탈로시아닌, 금속 착화합물, 아조 염료, 안트라퀴논, 스쿠아르산 유도체, 임모늄 염료, 페릴렌, 퀘테릴렌 및 폴리메틴 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질군을 포함하는 재질인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 써모파일 온도센서는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 간단하게 온도센서의 성능을 개선하고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 써모파일 온도센서를 제공한다.
둘째, 본 발명은 적외선 에너지의 효율적인 수집과 함께 외부 환경에 의한 성능저하를 방지할 수 있는 써모파일 온도센서를 제공한다.
셋째, 본 발명은 낮은 단가의 간단한 구조로 높은 성능 및 신뢰성을 갖는 양질의 써모파일 온도센서를 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 적외선을 이용한 온도감지장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 써모파일 온도세서의 센서캡 내측 및 외측면에 코팅층이 형성된 것을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 써모파일 온도세서의 센서캡 내측 및 외측면에 코팅층이 형성된 것을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 써모파일 센서의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일(200) 센서는, PCB 기판(100); 기판 상부면 일부에 설치된 써모파일(200); 기판 상부면 일부에 설치된 리드아웃 IC(300); 상기 PCB 기판(100), 써모파일(200) 및 리드아웃 IC(300) 상부에 공간을 형성하도록 덮는 구조의 커버로, 상기 써모파일(200) 상부에 대응되는 위치에 수광홀(430)이 형성된 센서캡(400)을 포함하되, 상기 센서캡(400) 내부면 또는 외부면에 방열을 위한 코팅층(450,460)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 써모파일(200) 센서의 외부열 및 PCB 기판(100) 등에 의한 내부열에 의해 발생되는 센서의 신뢰성 저하의 문제를 해결하기 위해 센서캡(400) 내측 또는 외측면에 적외선 반사 또는 흡수/차단 물질로 코팅함으로써, 기기의 성능을 개선하고, 안정성 및 내구성을 높일 수 있는 써모파일(200) 온도센서를 제안한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일(200) 온도센서는 각종의 전자소자를 실장하는 메인 기판에 써모파일(200)과 리드아웃 IC(300)(Read Out IC) 등을 실장하고, 상부에 공간을 형성하는 센서캡(400)으로 덮는 구조를 형성하되, 센서캡(400) 일부에 외부의 적외선을 통과시켜 써모파일(200)에 수광되도록 하는 수광홀(430)을 형성하는 구조로서, 적외선이 수광홀(430)을 통과하여 써모파일(200)에 전달되면, 써모파일(200)에 의해 전기신호로 변환하고, 변환된 전기신호는 리드아웃 IC(300)에 의해 온도로 출력하게 되는 온도센서이다.
여기서, 보다 구체적으로, 써모파일(200) 온도센서의 원리를 살펴보면, 상술한 바와 같이, 열전쌍의 각 구성물질들(elements)은 큰 열기전력(thermoelectric power)을 가지며, 하나의 열전물질의 열기전력이 다른 열전물질의 열기전력보다 크던가 양자가 반대의 극성(polarity)을 갖는 물질로 구성된다.
여기서 열전쌍들은 고온부(hot region)와 저온부(cold region)에 교차하여 위치하며, 온 접점(hot junction)과 냉 접점(cold junction)은 열적으로 분리(thermal isolation)되어 있다. 일반적으로 냉접점은 효율적인 힛싱크(heat sink)를 위하여 실리콘 기판(110) 위에 위치하고, 온접점 부분에는 적외선을 흡수하는 흑체(170)(black body)를 형성한다.
즉, 낮은 열전도도(thermal conductance)와 낮은 열용량(thermal capacitance)을 갖는 얇은 다이어프램(diaphragm) 위에 두 개의 서로 다른 열전 물질(thermoelectric material)을 직렬로 위치시키는데, 써모파일(200) 센서에 일정한 적외선 복사에너지가 입력되었을 때에 나타나는 기전력은 저온부와 고온부의 온도차에 비례하여 나타나게 되며, 이는 입력에너지를 얼마만큼 효율적으로 흡수하여 사용하느냐에 달려 있다.
즉, 본 발명의 실시예는 이와 같은 리드아웃 IC를 PCB 기판(100)에서 써모파일(200)과 연결하여, 써모파일(200)에서 적외선을 수광하여 전기에너지 신호를 생성하면, 리드아웃 IC(300)에서 생성된 전기에너지 신호를 온도의 값으로 변환하여 표시 출력할 수 있도록 구성된다.
그리고, 센서캡(400)은 기판 상부에 공간을 형성하도록 덮는 구조의 커버로, 상기 PCB 기판(100), 써모파일(200) 및 리드아웃 IC(300) 상부에 공간을 형성하도록 덮는 구조의 커버로, 상기 써모파일(200) 상부에 대응되는 위치에 수광홀(430)이 형성되는 구조이다. 센서캡(400)의 형상은 육면체 형상 또는 원통형 형상이 가능하지만, 적외선을 수광하고 효율적으로 온도를 측정하기 위한 최적의 형상이면 모두 가능하다.
센서캡(400)의 일부에 수광홀(430)을 형성하게 되는데, 수광홀(430)의 위치는 수직 하방에 써포파일이 존재하는 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 이는 적외선을 수광홀(430)을 통과시켜 써모파일(200)에서 가장 효율적으로 수광하기 위함이다.
수광홀(430)은 적외선을 통과시키는 구멍으로, 수광홀(430)의 위치 또는 하부에 적외선을 보다 효율적으로 집광하여 수집하고, 적외선 이외의 전자기파를 걸러내기 위한 적외선필터를 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기서 적외선필터는 적외선 영역은 투과시키고 다른 영역은 차단시켜 특정 적외선만을 추출하기 위한 소자이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일(200) 온도센서는 수광홀(430)의 하부에 렌즈(435) 또는 적외선필터를 구비하게 되면, 외부의 다양한 전자기파에서 적외선영역만 투과시키도록 하거나, 적외선을 포커싱하여 써모파일(200)의 수집효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일(200) 온도센서는 센서캡(400) 내측면에 방열을 위한 적외선 반사 또는 적외선 차단/흡수 재질의 코팅물질이 코팅된 코팅층(450)을 형성하여, PCB 기판(100)이나 전자소자 등의 동작에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수차단하고, 내부에서 퍼져 분산된 적외선을 다시 써모파일(200)에 수광될 수 있도록 함으로써, 써모파일(200) 온도센서의 성능을 개선하고 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
즉, 상술한 바와 같이, 적외선에 의한 입력에너지의 효율적인 수집 이외에도 주변 환경의 열에 의해 써모파일(200) 센서의 성능에 영향을 미치는 요소도 써모파일(200) 온도세서의 성능 및 신뢰성 향상에 매우 중요한 요소가 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 수광홀(430) 이외에 조사되는 적외선 또는 외부의 열과 내부의 PCB 기판(100)등에서 발생하는 열에 의해 써모파일(200)의 감도 및 성능에 영향을 미치는 요소를 차단하기 위해, 센서캡(400) 내측면 및/또는 외측면에 적외선을 차단하거나 반사시키는 물질을 코팅하는 코팅층(450,460)을 형성함으로써, 적외선 에너지의 효율적인 수집과 함께 외부 환경에 의한 성능저하를 방지할 수 있는 써모파일(200) 온도센서를 제공한다.
여기서, 코팅층은 금속 및 실란과 유기 또는 무기 화합물을 포함하는 적외선 흡수 및 차단 재질의 혼합물을 재질로 하는 것일 수도 있고, 적외선 흡수 및 차단제로서, 프탈로시아닌, 나프탈로시아닌, 금속 착화합물, 아조 염료, 안트라퀴논, 스쿠아르산 유도체, 임모늄 염료, 페릴렌, 퀘테릴렌 및 폴리메틴을 포함하는 물질군을 포함하는 재질인 것일 수 있다.
또한, 또한 적외선 반사 또는 흡수/차단제로서 코팅층은, 디메틸폴리 실록산 폴리머(Dimethylpoly Siloxane polymer), 아미노알킬실란(Aminoalkylsilane), 미타크릴레이트 실란(Mythacrylate silane), 올가노리엑티브 시란(Organoreactive silane), 하이드록시 펑셔날 실란(Hydroxy functional silane) 등의 각종 실란과 유기화합물 또는 무기화합물 등이 혼합된 물질을 재질로 할 수 있다.
또한, 코팅층은 유리재질 및 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene)를 포함하는 재질을 상용함으로써, 방열 특성을 높이고 온도 및 전기 안정성을 높일 수 있게 된다. 여기서, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)는 불소수지로서 내약품성이 뛰어나며, 높은 온도(325도에서 안정)에서 특성이 변화하지 않고, 전기특성도 양호하며, 불연성으로 내후성도 좋고, 비점착성으로 마모계수도 작으며, 무독성이라는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 써모파일(200) 온도세서의 센서캡(400) 내측 및 외측면에 코팅층(450,460)이 형성된 것을 나타낸 모식도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 써모파일(200) 온도센서는 센서캡(400)의 내측면 및 외측면에 방열을 위한 적외선 반사 또는 차단/흡수 재질의 물질이 코팅된 코팅층(450,460)이 형성된 구조를 제안한다.
외부의 열에 의해 발생되는 적외선의 경우, 수광홀(430)을 통과하는 적외선 외에 센서캡(400) 외측면을 조사하는 적외선으로 인해 센서캡(400) 내부가 가열되어 온도센서의 성능을 저하시키는 원인이 되기 때문에, 센서캡 외측면 코팅층(460)은 방열을 위해 적외선 반사재질을 코팅하여 열을 차단시키는 기능을 수행하게 된다. 적외선 반사재질은 일반적인 금속재질을 사용할 수 있고, 다양한 폴리머 재질을 합성하여 적외선 반사율이 높은 물질을 사용할 수 있음은 물론이다. 그리고, 센서캡(400) 내측면에는 PCB 기판(100)이나 전자소자의 동작으로 발생하는 열이나 적외선을 효과적으로 차단하기 위해 적외선 흡수 및 차단재질의 물질을 코팅하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 센서캡(400)의 내측 및 외측면에 적외선 반사, 흡수 및 차단 재질을 코팅하여 효과적으로 내외부 발생열을 효과적으로 방열함으로써, 온도센서의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: PCB 기판 200: 써모파일
300: 리드아웃 IC 400: 센서캡
430: 수광홀 450: 내측면 코팅층
435: 렌즈 460: 외측면 코팅층
300: 리드아웃 IC 400: 센서캡
430: 수광홀 450: 내측면 코팅층
435: 렌즈 460: 외측면 코팅층
Claims (7)
- PCB 기판;
기판 상부면 일부에 설치된 써모파일;
기판 상부면 일부에 설치된 리드아웃 IC; 및
상기 기판과 상부에 공간을 형성하도록 덮는 구조의 커버로, 상기 써모파일 상부에 대응되는 위치에 수광홀이 형성된 센서캡을 포함하되,
상기 센서캡 내부면 또는 외부면에 방열을 위한 코팅층이 형성되고,
상기 코팅층은, 유리 및 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 포함하는 재질인 것을 특징으로 하는 써모파일 온도센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 센서캡 내부면 및 외부면에 적외선 반사물질을 재질로 하는 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모파일 온도센서. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 센서캡 내부면 및 외부면에 적외선 흡수 및 차단 재질의 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모파일 온도센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 수광홀 또는 수광홀 하부에 렌즈 또는 적외선필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 써모파일 온도센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 코팅층은
금속, 실란 및 유기화합물을 포함하거나, 금속, 실란 및 무기 화합물을 포함하는 적외선 흡수 및 차단 재질의 혼합물을 재질로하는 것을 특징으로 하는 써모파일 온도센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 코팅층은,
프탈로시아닌, 나프탈로시아닌, 금속 착화합물, 아조 염료, 안트라퀴논, 스
쿠아르산 유도체, 임모늄 염료, 페릴렌, 퀘테릴렌 및 폴리메틴 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질군을 포함하는 재질인 것을 특징으로 하는 써모파일 온도센서.
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| KR1020150154579A KR101737400B1 (ko) | 2015-11-04 | 2015-11-04 | 써모파일 온도센서 |
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| KR (1) | KR101737400B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021209817A1 (en) * | 2020-04-13 | 2021-10-21 | T-Smart Systems Llc | Structure and method of manufacturing for a hermetic housing enclosure for a thermal shock proof, zero thermal gradient imaging or sensing core |
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