[논문]보상용 적외선 센서를 사용한 비분산 적외선 이산화탄소 센서의 온도특성

이승환

doi:10.5369/jsst.2016.25.2.124

보상용 적외선 센서를 사용한 비분산 적외선 이산화탄소 센서의 온도특성
Temperature Dependency of Non-dispersive Infrared Carbon Dioxide Gas Sensor by using Infrared Sensor for Compensation 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.25 no.2, 2016년, pp.124 - 130

Abstract ▼ AI-Helper

NDIR $CO_2$ gas sensor was built with ASIC implemented thermopile sensor which included temperature sensor and unique elliptical waveguide structures in this paper. The temperature dependency of dual infrared sensor module ($CO_2$ and reference IR sensors) has been characterized and its output voltage characteristics according to the temperature and gas concentration were proposed for the first time. NDIR $CO_2$ gas and reference IR sensors showed linear output voltages according to the variation of ambient temperatures from 243 K to 333 K and their slopes were 14.2 mV/K and 8.8 mV/K, respectively. The output voltages of temperature sensor also presented a linear dependency according to the ambient temperature and could be described with V(T)=-3.191+0.0148T(V). The output voltage ratio between $CO_2$ and reference IR sensors revealed irrelevant to the changes of ambient temperatures and gave a constant value around 1.6255 with standard deviation 0.008 at 0 ppm. The output voltage of $CO_2$ gas sensor at zero ppm $CO_2$ gas consisted of two components; one is caused by the HPB (half pass-band) of IR filter and the other is attributed to the part of $CO_2$ absorption wavelength. The characteristics of output voltages of $CO_2$ gas sensor could be accurately modeled with three parameters which are dependent upon the ambient temperatures and represented small average error less than 1.5% with 5% standard deviation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 소신호 증폭회로와 온도센서를 ASIC화하여 서모파일과 동일 금속 패키지에 내장한 적외선 검출기와 독자적으로 개발된 광학적 구조물[11,12]을 사용하여 이산화탄소 가스센서 모듈을 제작하고, 협대역 필터의 특성에 따른 센서의 출력전압에 대한 온도 의존성을 살펴보았다.

제안 방법

또한 가스반응 실험은 가스챔버에 존재하는 모든 가스를 고순도 질소(99.99%)로 배출시키고, 항온·항습조의 온도를 설정한 뒤 온도를 조절하였으며, 미세한 누설에 의한 대기 중 이산화탄소 가스증가를 온도 설정 중 재배출하고, 1시간 이상 대기함으로써 초기 가스농도를 0 ppm 근처에 도달하도록 하였다. 이때 가스반응 실험의 온도조건은 본 시작품의 응용이 예상되는 온도 구간을 설정하여 -20℃ 에서 +60℃까지 20℃ 간격으로 온도를 증가시켜 초기 조건을 설정한 후, 0에서 약 3,000 ppm까지 이산화탄소 가스를 증가시키며 가스 농도에 따른 센서모듈의 출력특성을 확인하였다.
99%)로 배출시키고, 항온·항습조의 온도를 설정한 뒤 온도를 조절하였으며, 미세한 누설에 의한 대기 중 이산화탄소 가스증가를 온도 설정 중 재배출하고, 1시간 이상 대기함으로써 초기 가스농도를 0 ppm 근처에 도달하도록 하였다. 이때 가스반응 실험의 온도조건은 본 시작품의 응용이 예상되는 온도 구간을 설정하여 -20℃ 에서 +60℃까지 20℃ 간격으로 온도를 증가시켜 초기 조건을 설정한 후, 0에서 약 3,000 ppm까지 이산화탄소 가스를 증가시키며 가스 농도에 따른 센서모듈의 출력특성을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 서모파일 미세전압을 회로 기판상에서 증폭하는 대신 증폭 부와 온도센서 및 관련 회로가 ASIC화 되어 있는 서모파일 센서들(HIS A21 F4.26-180 G5600, HIS A21 F3.91-90 G5600, Heimann, Germany)과 적외선 광원으로는 MEMS 기술에 의해 제작된 IR-50(Hawkeyes, USA)을 사용하였다. 또한 적외선 광원의 효율적인 집광을 위한 별도의 광학 렌즈를 사용하지 않는 두 개의 타원형 광 도파관을 사용하여 1광원, 2 센서 구조의 센서모듈을 제작하였다[11].

성능/효과

본 연구에서 온도센서의 전압변화가 수 mV이내일 때 기준적외선 센서와 이산화탄소 센서의 출력전압 변화도 10 mV로 작아, 가스 농도의 변화에 따른 센서 거동과 이를 통한 전압변화에 대한 실험식을 처음으로 제안할 수 있었다. 신호처리용 ASIC칩을 포함한 서모파일 센서의 출력특성은 이산화탄소 가스의 흡수파장과 흡수파장을 제외한 협대역 필터의 투과대역에 따른 출력전압에 의한 영향으로 분류할 수 있었고, 이들은 온도에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 나타내었는데, 이는 온도에 따른 필터의 중심파장 이동에 의한 것으로 사료된다.
본 연구에서 온도센서의 전압변화가 수 mV이내일 때 기준적외선 센서와 이산화탄소 센서의 출력전압 변화도 10 mV로 작아, 가스 농도의 변화에 따른 센서 거동과 이를 통한 전압변화에 대한 실험식을 처음으로 제안할 수 있었다. 신호처리용 ASIC칩을 포함한 서모파일 센서의 출력특성은 이산화탄소 가스의 흡수파장과 흡수파장을 제외한 협대역 필터의 투과대역에 따른 출력전압에 의한 영향으로 분류할 수 있었고, 이들은 온도에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 나타내었는데, 이는 온도에 따른 필터의 중심파장 이동에 의한 것으로 사료된다. 또한 온도 보상된 가스농도 예측은 본 연구를 통해 도출된 실험식에 의해 보다 정확하게 기술할 수 있었고, 본 연구개발의 결과가 TOC 측정용 센서개발에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
2는 온도 298 K에서 이산화탄소 가스의 주입에 따른 이산화탄소 가스센서, 기준 적외선 센서와 온도센서 출력전압의 가스농도 의존성을 나타낸다. 이산화탄소 가스를 주입함에 따라 기준 적외선 센서(출력전압 평균 2.153 V, 표준편차 0.004 V) 와 온도센서의 출력전압(평균 1.214 V, 표준편차 0.5 mV)은 거의 변화가 없었으나, 이산화탄소 가스센서의 출력전압은 가스농도에 의존해 감소하는 양상을 나타내었다.

후속연구

신호처리용 ASIC칩을 포함한 서모파일 센서의 출력특성은 이산화탄소 가스의 흡수파장과 흡수파장을 제외한 협대역 필터의 투과대역에 따른 출력전압에 의한 영향으로 분류할 수 있었고, 이들은 온도에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 나타내었는데, 이는 온도에 따른 필터의 중심파장 이동에 의한 것으로 사료된다. 또한 온도 보상된 가스농도 예측은 본 연구를 통해 도출된 실험식에 의해 보다 정확하게 기술할 수 있었고, 본 연구개발의 결과가 TOC 측정용 센서개발에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 공조시스템의 중요성이 부각되고 있는 이유는?	최근 공조시스템(Heating, Ventilating and Air-Conditioning System)은 건물의 냉난방 에너지 관리뿐만 아니라 실내 공기 질 (Indoor Air Quality) 관리를 위해 그 역할과 중요성이 인식되고 있으며[1], 공기 질 관리의 한 인자로서 실내 이산화탄소 가스 농도의 측정과 이를 통한 HVAC 시스템의 운용은 국민 건강증대 및 에너지 효율성 측면에서도 그 중요성이 날로 부각되고 있다. 또한 상수원으로서 하천과 호수의 물 관리를 위해 총 탄소(Total carbon) 혹은 총 유기 탄소(Total organic carbon)의 측정및 관리가 요구되고 있고, 물의 광분해 또는 연소산화에 의해 발생되는 이산화탄소 가스량 분석을 통해 수중 탄소량을 역산하고, 이를 통해 상수원의 수질 관리를 전세계적으로 진행하고 있으며[2], 국내에서도 이에 대한 중요성 인식 및 법제화를 통한 관리를 강화하고 있다.
	일반적으로 공기 질 관리를 위한 이산화탄소 센서로 사용하고 있는 방식은?	일반적으로 공기 질 관리를 위한 이산화탄소 센서로 비분산 적외선 방식과 고체전해질 방식[3]을 사용하고 있으나, 고체 전해질 방식은 외부 가스와 화학반응을 통해 농도를 검출하기에 선택성과 장기 안정성이 광학식에 비해 취약한 단점을 지니고 있어, 공기 질 관리시스템에서 비분산 적외선 방식을 선호하고 있다.
	NDIR 방식의 문제점은?	NDIR 방식의 가스센서는 적외선의 방출과 광 경로상 측정대 상 가스의 적외선 흡수 및 이로 인한 적외선 검출기에서의 출력전압 변화를 증폭하여 그 농도를 산출하는 방식이고, 광학적 구조물을 제외한 관련소자가 반도체 공정을 통해 제작되기에 고체 전해질 방식의 센서에 비해 선택성과 장기 신뢰성이 우수하고, 온도변화에 따른 이산화탄소 가스농도의 보정을 초기에 정확히 수행하면, 장시간 별도의 보정절차가 필요하지 않다는 장점을 지니고 있어, 이산화탄소 가스를 비롯하여 호흡기 알코올 [7], 과일의 신선도 판단을 위한 에틸렌[8] 가스 측정용 센서 모듈의 제작을 위해 연구 개발이 진행되어 왔다. 그러나 적외선 광원에서 방사되고, 협대역 필터(Narrow bandpass filter)를 통과 하여 서모파일 적외선 검출기에 도달하여 출력되는 전압은 수십에서 수백 μV의 낮은 전압이기에 이를 증폭하고, 증폭된 전압의 변화에 따른 농도검출 방식을 취하고 있기에 외부잡음에 취약한 특성을 갖고 있으므로, 소신호 증폭과 잡음제거 기술이 절대적으로 필요한 사항이다. 또한 기존 연구를 살펴보면 가스 흡수와 이로 인한 출력전압의 변화로부터 센서의 기본특성을 살피고, 가스주입에 따른 출력전압 감소에 따른 센서의 특성을 살펴보았으나[9,10], 특정 가스의 흡수파장과 이를 중심으로 한 협대역 필터의 특성에 따른 연구결과는 찾아볼 수 없다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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