KR100507716B1 - 서모파일 센서 및 서모파일 센서가 구비된 복사 온도계 - Google Patents

서모파일 센서 및 서모파일 센서가 구비된 복사 온도계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서모파일 센서 및 구체적으로는 복사 온도계나, 이 서모파일 센서를 구비한 동작 감지기에 관한 것이다. 상기 서모파일 센서는 하우징에 장착된 서모파일을 구비한다. 지지 구조체를 포함하는 서모파일의 냉접점 및 열접점의 열용량과 지지 구조체의 열 전도도는 상호 조정되므로, 하우징의 온도 변화는 냉접점 및 열접점에 동일한 정도의 온도 변화를 야기한다. 다시 말해서, 서모파일 내에는 아무런 온도 구배도 발생하지 않는다.

Description

서모파일 센서 및 서모파일 센서가 구비된 복사 온도계{THERMOPILE SENSOR AND RADIATION THERMOMETER WITH A THERMOPILE SENSOR}
본 발명은 서모파일(thermopile) 센서에 관한 것이며, 구체적으로는 서모파일 센서가 구비된 복사(radiation) 온도계 또는 이동 감지기에 관한 것이다.
미국 특허 출원 제4,722,612호에는 서모파일 장치를 구비하는 적외선 온도계가 공지되어 있다. 서모파일 장치는 디스크형의 절연성 시트(sheet)에 장착되는데, 시트의 중앙에 배치된 열접점(hot junction)이 원형의 냉접점(cold junction)에 의해 둘러싸인다. 시트는 환상의 열 전도 기재를 가로질러 신장되어 있으며, 시트의 상측에는 서모파일이 위치하고, 하측에는 기재가 위치한다. 서모파일의 열접점은 환상 기재의 중앙 구멍의 영역에 위치하지만, 서모파일의 냉접점은 기재에 의해 지지되는 시트의 영역에 위치한다. 그 결과, 공지의 서모파일에 있어서는, 냉접점이 열접점보다 훨씬 우수하게 기재에 열적으로 결합되어 있으므로, 열접점의 열용량을 몇 배 초과하는 열용량을 갖는다.
변화하는 주위 온도 조건하에서 공지된 적외선 온도계를 사용할 때, 적외선 온도계의 하우징과 서모파일 센서 사이에 온도차가 발생하므로, 온도계 하우징의 복사열은 측정하고자 하는 복사열에 중첩되어 측정 결과가 잘못되게 한다. 또한, 그 때에 서모파일 센서의 내부에서도 온도차가 발생하는데, 그것은 통상 서모파일 센서의 하우징이 열 전도 및/또는 대류에 기인하여 먼저 온도 변화를 겪고, 이어서 이러한 온도 변화가 서모파일 내측으로 전파되기 때문이다. 예컨대, 서모파일 센서의 하우징이 적외선 온도계의 하우징에 의해 가열되면, 센서의 하우징은 서모파일 센서 내부의 공기를 매우 신속하게 가열하는데, 이 때 센서의 하우징은 대류에 의해 서모파일의 열접점만을 가열한다. 공지된 서모파일 센서에 있어서, 냉접점은, 높은 열용량으로 인해 실제로 공기에 의해 가열되지 않는 기재에 강하게 열적으로 접속된다. 또한, 당연히 기재 및 이 기재와 함께 냉접점이 가열되지만, 이러한 가열은 서모파일 센서의 하우징으로부터의 열 전도에 의해 비교적 천천히 일어난다. 따라서, 냉접점 및 열접점의 온도는 상이한 속도로 가열되는데, 즉 서모파일 내에서도 온도 구배가 발생하여, 온도 측정 과정에 오차를 야기하게 된다. 그와 같은 오차를 보정하기 위해, 공지된 적외선 온도계는 유사한 구성의 2개의 서모파일 장치를 포함하는데, 하나의 서모파일 장치는 측정될 복사선에 노출되고 다른 하나의 서모파일 장치는 노출되지 않고, 이들은 서로 대향하게 직렬로 연결된다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 서모파일 센서 소자의 개략도이고,
도 2는 도 1의 센서 소자의 횡단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 제2 서모파일 센서 소자의 개략도이고,
도 4는 도 3의 센서 소자의 횡단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 적외선 온도계의 개략도이다.
본 발명의 목적은 온도 구배에 민감하지 않으면서 구조가 간단한 서모파일 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 주위 온도 변화에 민감하지 않으면서 용이하게 제조할 수 있는 서모파일 센서를 구비하는 복사 온도계를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이들 목적은 서모파일의 냉접점 및 열접점이 주위 온도의 변화에 동일한 비율로 가열 또는 냉각되도록 서모파일 센서를 구성함으로써 달성된다. 각각의 지지 구조체에 배치된 냉접점 및 열접점 사이의 열용량의 차는 하우징에 대한 냉접점 및 열접점의 단열 차이를 일치시킴으로써, 즉 열접점 영역에서의 열 전도도에 대한 열용량의 비와 냉접점 영역에서의 열 전도도에 대한 열용량의 비를 대체로 일치시킴으로써 보정된다. 따라서, 센서 하우징으로부터의 열 전달에 의해 냉접점 및 열접점의 온도 변화가 균일하게 되어, 측정 과정의 오류를 발생킬 수 있는 온도 구배가 서모파일 내에서 전개되는 것을 방지한다. 하우징과 서모파일 간의 열 전달은 서모파일의 지지 구조체를 따른 열 전도와, 대류 및 복사 모두에 의해 발생한다. 열접점 및 냉접점의 열용량은 각 접합부의 질량 및 재료에 의해 결정되는 성분과, 지지 구조체에 관련된 성분으로 이루어진다.
본 발명에 따른 서모파일 센서는 열용량이 높은 등온체(isothermal body)와의 접속에 의한 복잡한 열적 안정화를 필요로 하지 않을 뿐 아니라, 예컨대 제1 서모파일에 대향하게 직렬 연결된 제2 서모파일 형태의 복잡한 교정 장치를 필요로 하지 않는다는 장점을 갖는다. 그 결과, 이러한 서모파일 센서에 의해, 예컨대 사람의 체온을 귀에서 측정하는 복사 온도계용의 매우 소형이면서 간단한 탐침 팁(probe tip)을 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 서모파일 센서는 광학적 도파관(waveguide)이 없거나 광학적 도파관이 짧은 복사 온도계, 또는 온도계 하우징과 일체로 형성된 복사 온도계에 사용하기에 특히 적절하다.
양호하게는, 서모파일 센서의 하우징에 대한 냉접점 및 열접점의 단열 특성은 본질적으로 동일하게 양호하며, 열접점의 열용량과 냉접점의 열용량은 실질적으로 동일하고, 열접점용 지지 구조체의 열용량과 냉접점용 지지 구조체의 열용량은 실질적으로 동일하다. 냉접점 및 열접점을 하우징에 대해 대칭으로 배열함으로써, 매우 간단한 방식으로 소정의 단열 균일성이 얻어진다.
본 발명의 서모파일 센서의 실시예의 바람직한 특징에 있어서, 지지 구조체는 바람직하게 열용량이 작고 열 전도율이 낮은 박막과, 이 박막을 지지하는 프레임을 포함한다. 박막에는 냉접점 및 열접점 모두가 배치되며, 이들의 박막상의 위치는 프레임과 접촉하지 않는 영역 내에 있다. 따라서, 박막은 냉접점 및 열접점과 하우징의 사이를 단열시키는 기능도 역시 수행한다.
본 발명의 서모파일 센서에 있어서, 열접점은 측정할 복사선에 대해 냉접점보다 더 높은 정도로 노출되거나, 또는 이와 반대로 된다. 이것은, 예컨대 복사선 통로 내의 냉접점을 보호하는 다이어프램(膈膜; diaphragm)에 의해, 또는 열접점에 열 흡수층을 마련하고 냉접점에 열 반사층을 마련함으로써 달성될 수 있다. 다른 특징에 있어서, 냉접점 및 열접점을 서모파일 센서의 하우징 내에 비대칭으로 배열하여, 복사선 도입 개구를 통해 센서에 입사되는 복사선은 실질적으로 열접점에만 도달하게 한다. 하지만, 냉접점 및 열접점은 서모파일 센서의 하우징 내에 대칭으로 배열되는 한편, 복사선 도입 개구가 비대칭이라도 좋다.
본 발명의 복사 온도계는 간략하게 전술한 서모파일 센서를 채용한다. 서모파일 센서는 열접점이 측정할 복사선에 대해 냉접점보다 더 높은 정도로 노출되도록 복사 온도계의 복사선 통로에 배열되거나, 또는 이와 반대로 된다. 본 실시예의 바람직한 양태에 있어서, 복사 온도계는 복사 온도계의 복사선 통로의 냉접점을 보호하는 수단을 포함한다. 이것은, 예컨대 다이어프램에 의해 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 서모파일 센서는 복사 온도계의 복사선 통로에 비대칭으로 배열된다.
이하, 본 발명을 첨부 도면에 도시된 서모파일 센서 및 적외선 온도계의 실시예를 참조하여 설명한다. 추가의 실시예 및 이동 감지기는 상세한 설명에 개시된다.
도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 서모파일 센서 소자는 박막(3)이 고정된 프레임(2)을 포함한다. 박막에는 각각 하나의 냉접점(11; cold junction)과 하나의 열접점(12)를 구비하는 일군의 열전쌍(thermocouple), 즉 서모파일(10)이 장착되어 있다. 냉접점은 열접점과 거의 동일한 간격으로 프레임으로부터 떨어져 배치되어 있는데, 냉접점(11)이 박막(3)의 한 쪽 절반부에, 그리고 열접점(12)이 다른 쪽 절반부에 위치한다. 2개의 절반부는 적어도 냉접점 및 열접점 영역에서 각각의 흡수층(15) 또는 양호한 열 전도층으로 덮이는데, 냉접점(11)은 하나의 층의 아래에 있고 열접점(12)은 다른 층의 아래에 있다. 이들 층은 센서 소자의 감도(sensitivity)를 증대시킨다. 열전쌍은 직렬로 전기 접속되며, 동일 길이의 2개의 리드(13; lead)를 거쳐 프레임(2)의 단자 지점(14; terminal point)에 연결되어 있다. 주위 온도 센서(4)가 양호하게 열을 전도하도록 프레임(2)에 고정되어 있다.
흡수층(15)은 서모파일의 복사선 흡수를 개선시킨다. 본 발명의 서모파일 센서 소자의 다른 실시예에서는 단지 열접점(12)만이 흡수층으로 덮이지만, 또 다른 실시예에서는 열접점(12)이 흡수층으로 덮이고 냉접점(11)은 열 반사층으로 덮인다.
도면에 도시되지 않은 본 발명의 서모파일 센서의 실시예에 있어서, 열전쌍은 박막의 실질적인 전체 표면 영역에 걸쳐 균일하게 분포되어 있다. 즉, 열접점 및 냉접점은 상호 아주 근접하여 나란히 배열되어 있다. 이렇게 해서, 냉접점 및 열접점 사이의 연결 도체는 길이가 매우 짧아질 수 있으므로, 대단히 많은 수의 열전쌍이 비교적 작은 박막에 수용될 수 있다. 열접점은 열 흡수층으로 개별적으로 덮이거나 여러 개의 병렬 배치형 열접점이 공통의 열 흡수층으로 덮이는 한편, 냉접점은 열 반사층으로 개별적으로 덮이거나 여러 개의 병렬 배치형 냉접점이 공통의 열 반사층으로 덮인다.
박막은 열용량이 낮으면서 열 전도율이 낮은 재료로 제조되면 좋다. 박막상의 냉접점 및 열접점이 대칭 배열이므로, 프레임을 가열하면 박막의 낮은 열 전도성에도 불구하고 냉접점 및 열접점이 균일하게 가열되며, 그에 따라 서모파일의 열전쌍 내에서는 매우 작은 온도 구배 밖에는 발생할 수 없으며, 이는 전적으로 본 발명에 따른 냉접점 및 열접점의 배열에만 의해 달성된다.
박막(3)은 1마이크로미터보다 얇으면 좋고 주로 산화 실리콘과 질화 실리콘 또는 실리콘 옥시니트라이드(silicon oxinitride)로 제조된다. 열전쌍은 예컨대 폴리실리콘/알루미늄 또는 p-폴리실리콘/n-폴리실리콘으로 제조된다. 프레임(2)은 실리콘으로 제조되면 좋다. 따라서, 상기 요소는 전자 소자용 기재로 사용되는데, 예컨대 서모파일로부터의 출력 신호를 증폭시키는 증폭기가 프레임상에 마련될 수 있다. 이들 증폭기는 특정의 폐열(廢熱)을 발생시키기 때문에, 이들 증폭기는 프레임상의 서모파일에 대칭으로 위치되며, 이로써 이들 증폭기가 서모파일에 열 구배를 야기하는 것을 방지한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 다른 서모파일 센서 소자(1')를 개략적으로 나타내는데, 이 센서 소자(1')는 냉접점 및 열접점 사이에서 박막(3) 아래에 리브형의 히트 싱크(20; rib-shaped heat sink)가 배치되어 있다는 점만이 도 1 및 도 2에 도시된 서모파일 센서 소자(1)와 다르다. 선호되는 특징으로서, 리브형 히트 싱크(20)는 열 전도되게 프레임(2)에 연결될 수도 있고, 프레임(2)의 일부일 수도 있다. 이 리브형 히트 싱크는 냉접점 및 열접점 사이의 열 전도의 양을 감소시킴으로써 센서의 동적 반응(dynamic response)을 개선시킨다. 또한, 리브형 히트 싱크(20)는 박막(3)을 중간에서 지지함으로써 이 박막(3)의 기계적 안정성의 강화에 기여한다.
다른 특징에 있어서, 전술한 서모파일 센서 소자의 냉접점 및/또는 열접점은 감도의 증대를 위해 연결 도체보다 더 큰 치수를 갖는다.
도 5에 개략적으로 도시된 복사 온도계(40)는 복사선을 투과시키는 창(42)이 있는 하우징(41)을 포함하는데, 이 창(42)으로부터 광학 도파관(43)이 하우징(41)의 내부를 통해 서모파일 센서로 연장되어 있다. 특별한 장점으로서, 광학 도파관(43)은 서모파일 센서까지 직접 도달하므로 서모파일 센서는 단지 도파관(43)만을 바라보게 된다. 이렇게 해서, 서모파일 센서의 온도와 다른 온도를 갖는 하우징 부분에 의해 방출되는 복사선에 의해 야기되는 측정 오차를 피할 수 있게 된다. 또한, 광학 도파관(43)의 방사율(emissivity)은 예컨대 도파관(43)을 금도금함으로써 감소될 수 있다.
서모파일 센서는 복사선을 투과시키는 창(19)이 있고 서모파일 센서 소자(1, 1')를 내부에 수납하는 하우징(18)을 포함한다. 검출 대상의 복사선은 대부분의 복사선이 서모파일의 열접점에 부딪치도록 서모파일 센서 소자(1, 1')에 유도되어, 대응하는 센서 출력 신호를 발생시키는 서모파일의 열접점과 냉접점 사이의 온도차를 생성한다. 이를 위해, 서모파일의 냉접점을 덮는 적절한 수단(도 5에 도시 생략)이 서모파일 센서 내에, 또는 센서 상에 마련된다. 또는, 대안으로서, 서모파일 센서 소자(1, 1')는 창(19) 후방에서 하우징(18) 내에 비대칭으로 배열되므로, 즉 측면으로 변위되어 있으므로, 입사되는 복사선이 이들 소자에 도달할 수 없게 된다. 다른 특징으로서, 서모파일 센서는 비대칭으로 배열되는데, 다시 말해서 광학 도파관(43)의 단부에서 측면으로 변위되어 있다.
전술한 서모파일 센서 소자를 사용하면 복사 온도계의 복사선 통로가 완전히 대칭이 되도록 할 수 있는데, 여기서 열접점은 냉접점의 층과는 다른 층으로 덮이게 된다. 특별한 장점으로서, 열접점에는 흡수층이, 그리고 냉접점에는 반사층이 마련되어 있다.
도면에 도시되지 않은 이동 감지기에 있어서, 서모파일 센서 소자에는 다이어프램 및/또는 초점 소자(focussing element)가 마련되므로, 창을 지나 이동하는 고온 또는 저온의 물체는 센서 소자의 냉접점 및 열접점 중 어느 하나에 의해 감지되어 상응하는 센서 출력 신호를 발생키기게 된다. 기본 구조 및 작동 모드는 2개의 직렬로 연결된 서모파일 센서 소자를 갖는 이동 감지기에 대응한다. 하지만, 본 발명에 따른 센서는 더 간단하고 보다 저렴하며, 또한 2개의 센서 절반부의 감도가 동일하다.

Claims (17)

  1. 하우징과, 하나 이상의 냉접점(cold junction) 및 하나 이상의 열접점(hot junction)을 갖는 서모파일(thermopile)과, 상기 열접점 및 냉접점용의 지지 구조체를 구비하는 서모파일 센서에 있어서,
    상기 하우징에 대한 열접점(12) 및 냉접점(11)의 단열 특성은 실질적으로 동일하게 양호하며, 상기 열접점의 열용량과 냉접점의 열용량은 실질적으로 동일하고, 열접점용 지지 구조체의 열용량과 냉접점용 지지 구조체의 열용량은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조체는 상기 냉접점 및 열접점이 배치된 하나 이상의 박막(3)을 포함하며, 상기 박막은 낮은 열용량 및 낮은 열 전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지 구조체는 상기 박막(3)을 지지하는 프레임(2)을 더 포함하며, 상기 냉접점 및 열접점은 상기 프레임(2)과 접촉하지 않은 영역에서 박막(3)상에 위치하는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 냉접점(11)과 열접점(12) 사이에는 상기 프레임(2)에 열 전도식으로 연결되어 있거나 프레임(2)의 일부인 리브형 히트 싱크(20; rib-shaped heat sink)가 마련되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 박막(3)은 주로 산화 규소와 질화 규소 또는 실리콘 옥시니트라이드(silicon oxinitride)로 제조되며, 상기 프레임(2)은 실질적으로 실리콘으로 제조되며, 전자 회로가 프레임(2)에 배치되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열접점(12)에는 열 흡수층 또는 우수한 열 전도층이 도포되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉접점(11)에는 열 반사층이 도포되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉접점 및 열접점은 상기 하우징의 내부에서 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉접점 및 열접점과, 복사선 도입 창 중 어느 하나는 상기 하우징 내에 비대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 냉접점(11)에는 열 흡수층 또는 우수한 열 전도층이 도포되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조체에는 주위 온도 센서(4)가 열 전도식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 서모파일 센서.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 서모파일 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 복사 온도계.
  13. 제12항에 있어서, 상기 서모파일 센서는 상기 열접점이 측정 대상 복사선에 대해 상기 냉접점보다 더 높은 정도로 노출되도록 상기 복사 온도계의 복사선 통로 내에 배치되거나, 그와 반대로 되는 것을 특징으로 하는 복사 온도계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복사 온도계의 복사선 통로 내에서 상기 냉접점을 덮는 수단이 마련되는 것을 특징으로 하는 복사 온도계.
  15. 제13항에 있어서, 상기 서모파일 센서는 상기 복사 온도계의 복사선 통로 내에 비대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 복사 온도계.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 서모파일 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동 감지기.
  17. 삭제
KR10-1999-7008139A 1997-03-15 1998-03-05 서모파일 센서 및 서모파일 센서가 구비된 복사 온도계 KR100507716B1 (ko)

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