KR100504783B1 - 히터 내장형 습도센서 및 이를 이용한 습도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히터 내장형 습도센서 및 이를 이용한 습도 측정 방법에 관한 것으로, 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 습도센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되고, 감습막 표면상에 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있으며, 써미스터를 이용하는 절대습도 감습 센서는 2개의 별도 패키지를 형성해야 하므로 제조 공정이 복잡하고 작은 저항 변화를 증폭하기 위한 증폭 회로가 별도로 필요하며 증폭 회로에 의한 잡음이나 회로 구성원의 오차에 의한 출력 오차가 발생하는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기판 상에 위치하는 히터 패턴 상부에 절연막, 하부전극, 다공성 무기물 감습막, 다공성 상부 전극 및 외부 연결용 패드부들을 구비한 임피던스 변화형 상대습도 습도센서와; 상기 상대습도 습도센서의 패드와 연결된 외부 핀들과; 상기 외부 핀들을 지지하는 인쇄 회로기판과; 상기 외부 핀들과 연결되어 외부로 연장되는 신호선들과; 상기 신호선의 연장 부분과 습도 검출용 개구부를 제외한 상기 구조물 전면을 밀봉하는 케이스로 이루어지는 히터 내장형 습도센서와 함께 이를 이용하여 측정 환경에 의한 편차를 줄일 수 있는 측정 방법을 제공함으로써 제조 비용과 회로 구성 비용을 줄이고 측정 환경의 영향을 줄여 측정의 감도를 높이는 효과가 있다.

Description

히터 내장형 습도센서 및 이를 이용한 습도 측정 방법{MODULE OF HUMIDITY SENSOR EQUIPPED WITH HEATER AND HUMIDITY SENSING METHOD THEREOF}

본 발명은 히터 내장형 습도센서에 관한 것으로, 특히 고온 고습 분위기나 온도 변화폭이 큰 가혹한 환경 조건에서 장기간 사용이 가능한 히터 내장형 습도센서 및 이를 이용한 습도 측정 방법에 관한 것이다.

습도센서는 온실에서의 야채의 재배, 가습기나 건조기 및 자동조리기 등의 가전제품과, 자동차 및 빌딩내의 습도조절등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

이와 같은 습도센서는 그 동작원리에 따라서 써미스터형, 저항형, 커패시터형 등으로 분류된다.

저항형이나 커패시터형은 주로 폴리머 등을 감습재료로 사용하여, 폴리머 양단이나 상하측에 적절한 전극 배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기 흡착에 따른 전극간 저항변화 또는 커패시턴스 변화를 이용하여 습도를 측정할 수 있게 되며, 이와 같은 종래 저항형 및 커패시터형 습도센서 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 및 도1b는 종래 저항형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 두 저항패턴(2,3)을 형성하는 단계(도1a)와; 상기 두 저항패턴(2,3)의 상부측에 폴리머 센싱층(4)을 형성하는 단계(도1b)로 이루어진다.

이와 같은 구조의 습도센서는 폴리머 센싱층(4)의 내부로 습기가 흡착되면, 상기 두 저항패턴(2,3)의 저항성분이 변화되어 이를 검출하여 습도의 변화를 검출할 수 있게 된다.

그러나, 상기 감습재료인 폴리머 센싱층(4)으로 폴리머를 사용하기 때문에 온도 제한이 발생하는데, 유기물인 폴리머는 사용온도가 60℃이상으로 상승하면 재료의 변형이 발생하며, 이와 같은 변형에 의해 감습의 기능이 저하될 수 있다.

또한, 오일이나 다른 오염물이 발생되는 환경에서 장시간 노출되면 센싱층(4)의 표면이 변질되거나, 표면이 막혀 습기가 침투할 수 없게 되어 그 감습특성이 저하된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 칸탈 와이어 히터를 감습소자 주위에 탑재하여 감습재료 표면에 흡착된 수분 또는 오염물질을 제거할 수 있는 무기재료 세라믹 벌크형 습도센서도 개발되었으나, 이는 열용량이 커서 전력소모가 크고, 응답속도가 느리며, 패키징에 어려움이 있는 것으로, 그 재현성이나 균일성에 문제가 있기 때문에 극히 제한적으로 응용되고 있다.

도2a 내지 도2c는 종래 커패시터형 폴리머 습도센서의 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(21) 상에 일정한 면적을 가지는 하부전극(22)을 형성하는 단계(도2a)와; 상기 하부전극(22)의 상부에 폴리머 센싱층(23)을 형성하는 단계(도2b)와; 상기 폴리머 센싱층(23)의 상부에 상부전극(24)을 형성하는 단계(도2c)로 제조된다.

상기 구조의 종래 커패시터형 폴리머 습도센서는 폴리머 센싱층(23)에 유입되는 습기의 양에 따라 변화되는 커패시턴스의 크기를 측정하여 습도변화를 검출하게 된다.

이때 역시 감습재료로서 폴리머를 사용하기 때문에 상기 설명한 바와 같이 오염문제 및 사용 온도범위의 제한 문제가 그대로 적용된다.

도 3은 종래 써미스터형 절대 습도 습도센서의 구조를 도시한 것으로, 서로 분리된 두개의 써미스터 소자(33, 34)를 적절한 패키징(31, 32)에 의해 한 소자에는 습기가 들어가게 하고(32) 다른 한쪽은 습기가 들어가지 못하도록(31) 설계되어, 그 두 써미스터 소자 재료의 저항차에 의해 습도를 측정함으로써 절대습도 값을 얻을 수 있도록 한다.

이때 써미스터 소자(33,34)의 재료는 부온도계수(NTC, NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)나 정온도계수(PTC, POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)의 온도 특성을 가지는 재료가 사용된다.

상기 부온도계수는 반도성을 가지는 세라믹이 주로 사용되며, 정온도계수를 가지는 재료로는 Pt 또는 Au등의 금속이 사용된다.

써미스터형의 동작원리는 소자양단에 인가전압을 가하여 소자의 온도를 약 200~300℃로 가열한 상태에서 주위 습도변화에 따라 습기에 노출된 써미스터 소자(34)는 열을 빼앗기게 되어 저항이 커지거나, 작아지게 되며, 밀폐된 소자(33)는 저항의 변화가 없기 때문에 이를 보상 소자로 이용함으로써 이들 소자간의 저항차이를 전기적 출력으로 변환하여 습도변화를 검출하게 된다.

상기와 같은 종래 써미스터형 절대 습도 감습 센서의 신호 처리 방법을 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.

도 4는 종래 절대 습도 감습 센서의 신호 처리 회로를 보이며, 도시한 바와 같이 저항 브리시 회로들로부터 소정의 저항비(R1, R2)에 따른 기준 전압을 연산 증폭기(OP-AMP)의 반전입력 단자에 인가하고, 저항 성분을 가지는 써미스터 소자 들(SE1, SE2) 사이의 저항비에 따른 측정 전압을 연산 증폭기의 비반전 입력 단자에 인가하며, 이러한 인가 전압값들의 차이를 반전 증폭하도록 한 차동 증폭 회로를 구성한다. 상기 써미스터 소자들의 저항비를 미세 조정하기 위해 가변 저항(VR1)을 이용한다.

따라서, 차동 증폭되는 증폭도(R3)에 따라 출력 전압(Vo)이 생성된다. 이러한 연산 증폭기를 이용한 차동 증폭이 요구되는 이유는 써미스터 소자들(SE1, SE2)의 저항 변화가 미비하기 때문이며, 이러한 미비한 저항 변화에 따른 전압 변화의 차이를 제어부에서 인식하도록 하기위해서는 그 차이를 수백배 증폭하는 증폭기가 필요하게 된다. 이러한 증폭은 잡음까지 증폭하기 때문에 고가의 쉴드선(Shield wire)를 사용해야 한다.

상기한 바와 같이 종래 폴리머를 감습재료로 사용하는 습도센서는 사용온도 범위가 10~60℃ 정도로 제한되어 있어 그 사용범위가 제한되고, 감습막 표면상에 오염물이나 습기가 흡착되어 그 수명이 짧은 문제점이 있으며, 써미스터를 이용하는 절대습도 감습 센서는 2개의 별도 패키지를 형성해야 하므로 제조 공정이 복잡하며 작은 저항 변화를 증폭하기 위한 증폭 회로가 별도로 필요하며 증폭 회로에 의한 잡음이나 회로 구성원의 오차에 의한 출력 오차가 발생하는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 고온 고습 분위기나 온도 변화가 심한 환경 조건에서 장기간 사용이 가능한 일체화된 구조의 소형 고기능 상대습도 감습 센서와, 이를 이용하여 주변 온도 및 습도에 의한 환경 변화가 보상된 측정치를 산출하도록 하는 히터 내장형 습도센서 및 이를 이용한 습도 측정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 위치하는 히터 패턴 상부에 절연막, 하부전극, 다공성 무기물 감습막, 외부 연결용 패드부들 및 상기 히터 패턴의 일측 전극 부분과 연결되는 다공성 상부 전극을 구비한 임피던스 변화형 상대습도 습도센서와; 상기 상대습도 습도센서의 패드와 연결된 외부 핀들과; 상기 외부 핀들을 지지하는 인쇄 회로기판과; 상기 외부 핀들과 연결되어 외부로 연장되는 신호선들과; 상기 신호선의 연장 부분과 습도 검출용 개구부를 제외한 상기 구조물 전면을 밀봉하는 케이스로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 상대습도 습도센서는 알루미나 기판 상에 2개의 패드부를 각 종단에 위치시키며 형성된 히터부와; 상기 히터부 상부에 위치하여 절연 및 균일한 열전달을 수행하는 면상 절연막과; 상기 절연막 상부에 위치하며 새로운 패드와 연결되는 하부 전극과; 상기 하부 전극의 상부 전면에 위치하는 다공성 무기물 감습막과; 상기 무기물 감습막 상부에 위치하고 상기 히터부 패드 중 하나와 연결되는 상부 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 히터를 장착한 무기물 상대습도 습도센서를 저항을 통해 전원부와 연결하여 상기 상대습도 습도센서의 임피던스 변화를 측정하는 방법에 있어서, 소정 시간 동안 상기 상대습도 습도센서의 히터를 동작시켜 흡착된 습기나 오염물을 제거하는 단계와; 충분한 지연 시간을 가지는 펄스로 전원을 공급하면서 상기 상대습도 습도센서의 전압출력에 의해 임피던스를 획득하는 단계와; 소정 시간에서의 임피던스를 기준으로 검출되는 임피던스를 평균화하여 해당 평균화 값을 기준으로 상대습도를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도5a 내지 도5e는 본 발명 습도센서 일실시 제조공정 수순사시도로서, 도시한 바와 같이, 알루미나(Al₂O₃)기판(51) 상에 양단이 패드로 이루어진 히터패턴(52)을 형성하는 단계와; 상기 히터패턴(52) 상부에 절연 및 균일한 열전도를 위한 절연막(53)을 형성하는 단계와; 상기 절연막(53) 상부에 하부 전극(54)을 형성하고, 상기 하부 전극(54)과 연결되는 패드를 형성하는 단계와; 상기 형성된 하부 전극(54) 상부에 무기물 감습막(55)을 형성하는 단계와; 상기 감습막(55) 상부에 다공성 상부전극(56)을 형성하고 상기 히터패턴(52)의 일측단에 전극을 연결하는 단계로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 히터 내장형 습도센서의 일 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 알루미나(Al₂O₃)기판(51) 상에 이후 형성될 감습재에 흡착된 습기나 오염물을 제거하기 위한 히터패턴(52)을 Pt 또는 RuO₂로 형성하면서 그 양단을 패드 형태로 구성한다. 상기 히터패턴(52)은 정전압을 인가하면 가열되는데, 이 경우 사용되는 전력 소모는 칸탈 와이어 히터등에 비해 상대적으로 작다. 상기 형성되는 패드의 위치는 실시예에 따라 상이할 수 있다.

그 다음, 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 히터패턴(52) 상부에 절연막(53)을 형성하여 그 상부에 형성할 하부 전극(54)과 히터패턴(52) 간을 전기적으로 절연하며 히터패턴(52)에 의해 발생된 열을 균일하게 하부 전극(54)으로 전달할 수 있도록 한다.

그 다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 절연막(53) 상부에 하부 전극(54)을 Pt 또는 RuO₂로 형성하고, 상기 하부 전극(54)과 연결되는 패드를 상기 히터패턴(52)의 일부인 패드와는 상이한 부분에 형성한다.

그 다음, 도 5d에 도시한 바와 같이 상기 형성된 하부 전극(54) 상부에 무기물 감습막(55)을 형성하는데, 알루미나(Al₂O₃)와 실리카(SiO₂)의 혼합물을 감습재로 이용하여 형성한다. 상기 감습재는 폴리머가 아닌 다공성 무기물이므로 사용 온도 범위가 넓고 화학적으로 안정하다. 즉, 수백도의 내열 온도를 가지기 때문에 전자 레인지나 가스 오븐등에서도 사용할 수 있다.

그 다음, 도 5e에 도시한 바와 같이 상기 감습막(55) 상부에 다공성 상부전극(56)을 Pt 또는 RuO₂로 형성하고 상기 히터패턴(52)의 일측단에 전극을 연결한다.

따라서, 본 발명의 일실시예는 3개의 전극을 사용하게 되는데, 상기 히터패턴(52)에 형성된 2개의 패드는 각각 접지전위와 히터 구동 전압이 인가될 것이다. 상기 상부 전극(56)은 히터패턴(52)의 패드중 하나와 연결되고 하부 전극(54)은 자신만의 패드에 연결되어 있으므로 이들을 상대습도 습도센서의 두 전극으로 사용하게 된다. 도시된 4개의 패드들 중 연결되지 않은 하나는 외부 핀수를 맞추기위한 것으로 실제로는 무의미한 것이다. 이는 생략될 수 있다.

상기 형성된 센서부는 패드를 통해 외부와 연결되기 때문에 이를 실제 응용 제품에 적용하기 위해서는 적절한 패키징이 필요하게 된다. 이제, 상기와 같이 형성된 본 발명 일 실시예의 상대습도 습도센서부를 포함한 모듈의 구조를 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명 상대습도 습도센서를 패키징한 모듈의 상부 단면도를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 인쇄 회로기판(61) 상에 4개의 핀들(62)이 연결되어 있으며, 상기 4개의 핀들(62)과 중앙의 상대습도 습도센서부(60)의 각 패드들은 결합 와이어(bonding wire)로 연결되어 있다. 이는 일반적인 반도체 칩의 패키징과 같이 알루미늄 선을 이용하여 각 핀과 연결시킨 것일 수도 있으며, 유사한 수단에 의해 전기적으로 연결한 것일 수도 있다.

따라서, 상기 방법과 같이 본 발명의 상대습도 습도센서은 일반 인쇄 회로 기판(61)을 이용하여 패키지를 형성할 수 있으며, 외부와의 연결 역시 상기 핀들(62)을 이용하여 다양하게 구성될 수 있다.

도 7은 상기 상대습도 습도센서 일실시예의 측면 단면도를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 습기가 유입될 수 있는 개구부를 가진 상부 케이스(73)와 전기적인 신호선(75)이 통과할 수 있는 영역이 있는 하부 케이스(74)로 봉합된 센서 모듈 내에 일반 인쇄 회로 기판(72)이 배치되어 있고, 상기 인쇄 회로 기판(72)에는 4개의 핀들(71)이 장착되어 있으며, 상기 핀들(71)은 상대습도 습도센서부(70)의 각 패드와 연결되어 있다. 상기 핀들(71)은 상기 전기적인 신호선(75)과 연결되어 외부로부터 전원을 인가받고 내부적인 센서부의 접점을 제공하게 된다.

상기 일 실시예에서 상대습도 습도센서부(70)가 허공에 위치되어 있지만, 이는 다양한 실시예에따라 기판 상에 위치하거나 소정의 지지대 상에 위치할 수도 있다는 것에 주의한다.

이제, 본 발명 상대습도 습도센서를 이용한 신호 처리 회로를 구성하도록 한다.

도 8은 본 발명을 적용한 간단한 신호처리 회로의 일 실시예로서, 도시한 바와 같이 일단이 접지된 상대습도 습도센서(SE3)가 저항(R_L)을 통해 전원과 연결되어 있으며, 상기 상대습도 습도센서(SE3)와 저항(R_L) 사이의 접접을 통해 상기 상대습도 습도센서(SE3)에 걸리는 전압을 알 수 있도록 구성한다.

물론, 본 발명 상대습도 습도센서는 히터가 내장되어 있으므로 이러한 회로 외에도 상기 히터에 전원을 제공할 수 있는 전원 선이 필요할 수 있지만, 이는 당 업자에게 명백한 사항이므로 여기서는 습도를 측정하기위한 회로만을 고려하도록 한다.

도시된 바와 같이 본 발명 상대습도 습도센서를 이용하는 경우 요구되는 외부 회로는 단순히 저항(R_L) 하나 뿐이므로 그 구성이 대단히 간단하며, 상기 저항(R_L)의 값에 따라 측정되는 출력 전압(Vout)의 전압 변화 폭이 결정되며, 이는 충분히 직접적으로 제어부에서 사용할 수 있는 전압이 될 수 있다. 따라서 증폭 회로가 필요하지 않다.

상기와 같이 구성된 회로는 전원(Vcc)이 인가되면 상기 저항(R_L)과 감습 센서(SE3)의 저항의 비로 출력 전압(Vout)이 출력되며, 상기 감습 센서(SE3)의 임피던스는 습도에 따라 크게 가변된다. 상기 전원(Vcc)은 도시된 바와 같이 충분한 지연 시간을 가지는 펄스형태로 인가되며, 해당 펄스형 전원이 인가되는 시간(T1) 동안만 출력 전압(Vout)이 유효하다. 상기 측정 주기(T2)는 수 Hz 정도이고 펄스 전압 인가 시간(T1)은 수㎲인 것이 바람직하다. 이러한 충분한 지연 시간은 감도 및 신뢰성을 향상시킨다. 여기서, 경제적인 회로 구성을 위해 양전원만을 사용한다는 것 역시 주목할 필요가 있다.

본 발명의 임피던스(Z)는 다음의 식과 같이 얻어질 수 있다.

이러한 임피던스값에 의해 습도를 얻을 수 있는데, 이러한 임피던스 값을 이용한 상대습도 측정은 현재 측정한 값이 이전에 측정한 값에 비해 더 증가했다면 습도가 더 낮아진 것이고, 더 감소했다면 습도가 높아진 것이다. 이를 통해 상대적인 습도 변화를 검출하는 것이다. 이러한 방법 외에도 출력 전압(Vout)을 이용할 수도 있다.

이후, 실질적인 측정을 통해 구체적인 변화를 보이겠지만, 이러한 단순한 측정은 외부 환경에 따라 상당한 편차를 발생시킬 수 있는데, 주변의 습도나 온도가 가변적인 경우 두드러진다. 습도가 높은 환경에서 측정한 경우와 습도가 낮은 환경에서 측정한 경우 원하는 목표 습도에서 측정되는 전압이 다를 수 있으며, 이는 감습 센서의 감습제의 측정 직선성에 기인한다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 임피던스값을 그대로 사용하지 않고 이 값을 표준화 하도록 함으로써 이러한 편차를 줄이도록 한다. 이는 센서마다 고유치가 상이하다는 문제점과 측정 환경에 따라 전압의 변동이 틀리다는 문제점을 한번에 해결할 수 있다.

측정 시작 후 일정한 시점(T3)에서 임피던스 값을 취한 후, 이후 측정되는 임피던스 값으로 나누도록 한다. 본 발명에서는 저습에서 고습으로 변동하는 응용 제품(예를 들어, 전자 레인지 혹은 오븐)에서 조리 완료 시점을 검출하기위한 것이므로 일정한 시점(T3)에서 취한 임피던스 값을 기준으로 임피던스 값이 낮아지면 표준화 값이 커지도록 했지만, 이러한 비율은 실시예에 따라 상이할 수 있으며, 필요하다면 가중치를 적용할 수도 있다는 것에 유의해야 한다.

본 실시예에서 표준화값(Z_N)은 다음과 같다.

이제, 실질적인 측정 예제들을 통해 본 발명의 실제 적용 사례들을 설명하도록 한다. 이를 통해 본 발명의 구체적인 이점들을 명백하게 인지할 수 있을 것이다.

도 9는 본 발명 상대습도 감습 센서 모듈을 도 8과 같이 구성하여 출력 전압을 측정한 밥 200g 데우기 실험 데이터를 보인 그래프이다. 이는 본 발명을 전자 레인지에 적용한 예로서, 연속 실험을 그 횟수에 따라 나타낸 것이다.

처음 10초 정도는 감습 센서 모듈에 흡착된 습기나 오염 물질을 제거하기 위해 내장된 히터에 정전압을 인가한다. 이를 통해 감습 센서는 측정을 위해 최적 상태로 초기화 된다.

이후 소정의 주파수를 가진 전압을 인가하여 측정한 값을 보면, 약 70초 정도까지 변화하다가 안정화되고, 밥이 데워지며 습기가 발생하는 약 120초 부근에서 센서 신호가 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 연속측정하는 경우 그래프는 점차 인가 전압(5V)쪽으로 이동하면서 측정값이 변동하는 것을 볼 수 있을 것이다. 예를 들어 3V가 되는 지점을 보면, 1회 측정한 경우(가장 낮은 그래프) 3V가 되는 시점이 거의 120초라면 3회 측정한 경우(가장 높은 그래프) 3V가 되는 시점은 약 133초 정도 되어 10초 이상의 편차를 가지는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 감습 센서 모듈의 전압 변동폭(본 실험에서는 약 4V)이 대단히 넓다는 것을 알 수 있다.

도 10은 도 9에서 측정한 출력 전압을 이용하여 임피던스를 구하고, 이를 T3=60초로 하여 표준화한 실험 그래프이다. 도시된 바와 같이 임피던스값의 비율을 이용한 것이므로 도 9와는 x축 대칭적인 그래프가 도시된다. 여기서, T3값이 60초이므로 그 이전의 값은 T3에서의 임피던스 값을 구한 후 연산하여 그래프로 도시한 것이며, 실질적인 측정에서는 무시될 수 있다는 것에 유의한다.

본 실시예는 60초에서 측정한 임피던스를 기준으로 하므로 이 경우 60초에서 표준화값은 1이 된다. 약 120초에서 표준화 값이 급격히 변동됨을 알 수 있을 것이다.

이제, 연속 1회 측정한 값과 연속 3회 측정한 값의 편차를 보면, 표준화 값이 2인 경우(즉, 습기가 발생하지 않은 60초 상태를 기준으로 임피던스를 절반으로 줄이는 습기가 측정되는 경우)를 보면, 그 편차가 5초 이내로 줄어든 것을 확인할 수 있을 것이다.

도 11은 보다 극단적인 경우로, 습기 환경의 급격한 변화를 줄 수 있는 물 데우기의 측정값을 나타낸 그래프로서, 여기서는 단순히 출력 전압으로 습도를 판단한 경우를 보인다. 동일한 온도(25도)에서 초기 습기 환경이 각각 29%RH, 50%RH, 73%RH 인 경우의 그래프이다.

도시된 바와 같이 전자 레인지에서 물 300cc를 데우는 경우 약 3분정도 가열하면 3분 안에 물이 끓기 시작한다. 그래프에서 도시된 바와 같이 초기 출력 전압은 거의 동일하지만 습도 환경에 따라 감습 센서의 출력이 상당히 차이가 나는데, 고습인 경우 감습 센서의 출력이 초기부터 크게 떨어지고, 저습인 경우 서서히 떨어진다는 것을 알 수 있다.

출력이 3V가 되는 시간을 알아보면, 고습(73%RH)에서는 150초에서 3V가 되었지만 저습(29%RH)에서는 215초 정도에서 3V가 되었다. 즉, 시간의 편차(ΔT1)가 65초에 이른다. 이는 자동 조리 기능을 위한 감습 센서 활용에 치명적이 된다. 측정 시간이 65초 정도 오차가 발생하면 너무 많이 조리되거나 너무 덜 조리되는 경우가 발생하는 것이다. 물론, 소정의 측정 값에 도달한 후 조리 종료를 지시하는 시점은 다양한 실시예나 조리 대상에 따라 다를 수 있지만, 그 편차에 의해 조리물의 균일한 조리가 불가능해진다. 물론, 다른 실시예에서도 제어 정밀도가 떨어지게 된다.

그럼, 본 발명의 표준화 방법을 통해 그 편차를 줄여보도록 한다.

도 12는 도 11의 출력 값을 이용한 표준화 그래프로서, 75초를 기준으로 한다. 역시, 75초 이전의 값은 그래프 표시를 위한 사후 연산 값이며, 실제 측정에서는 이를 무시할 수 있다.

75초 지점의 임피던스값이 기준이 되므로 그때의 표준화 값은 1이 된다. 표준화 값이 2가 되는 경우, 편차를 보면, 저습(29%RH) 환경에서는 135초 정도에 표준화 값이 2가 되며, 고습(78%RH) 환경에서는 165초 정도에서 표준화 값이 2가 되므로 30초 이내로 줄어들게 된다. 당연하게도, 목표 습도를 판단하는 표준화 값은 다양하게 변경될 수 있으며, 이는 조리물이나 측정 대상, 혹은 적용 예에 따라 상이한 값이 될 수 있고, 편차는 더욱 작아질 수 있다.

따라서, 본 발명의 상대습도 감습 모듈을 이용하여 주변 회로를 간단히 하고, 모듈 자체의 생산 비용을 극단적으로 절감하는 것은 물론이고, 본 발명의 표준화 측정 방법에 의해 주변 환경 변환에 따른 측정 편차를 대폭 개선할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 상대습도 센서에 히터를 내장하고 고른 열전달을 위해 면상의 절연막을 사용하여 감습막에 침투한 수분 및 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있어 습도센서의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

또한, 감습막을 내열성이 강한 다공성 무기물 감습막을 사용하여 습도센서의 사용온도범위를 증가시켜 그 이용 분야를 확대할 수 있는 효과가 있고, 다공성 상부전극을 사용하여 외부의 습기가 감습막에 용이하게 도달할 수 있도록 하여, 감습의 정확도를 향상시키는 효과가 있으며, 일반 인쇄 회로 기판에 핀을 장착하여 감습 센서부를 연결한 후 별도의 패키지를 사용하지 않고 패키징이 가능하도록 하여 모듈 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.

그리고, 낮은 주파수의 단일 전원 구형파를 전원으로 사용하고, 저항을 직렬연결하여 감습 센서 출력을 직접 사용할 수 있도록 하여 구동 회로 구성 비용을 절감하며 측정의 감도를 높이는 효과가 있다.

또한, 소정 시점의 임피던스값을 기준으로 하여 측정된 임피던스값을 표준화 함으로써 외부 환경 변화에 따른 측정 편차를 줄일 수 있어 감습의 정확도를 향상시키는 효과가 있다.

도1a 및 도1b는 종래 상대 습도센서의 일실시 제조공정 수순사시도.

도2a 내지 도2c는 종래 상대 습도센서의 다른 실시 제조공정 수순사시도.

도3은 종래 절대 습도센서의 구조도.

도4는 종래 절대 습도센서의 신호처리 회로도.

도5a 내지 도5e는 본 발명 습도센서 일실시 제조공정 수순사시도.

도6은 본 발명 습도센서의 구조 상면도.

도7은 본 발명 습도센서의 단면도.

도8은 본 발명 습도센서의 신호처리 회로도.

도9는 본 발명 습도센서의 밥 200g 연속 데우기 전압출력 그래프.

도10은 본 발명 습도센서의 밥 200g 연속 데우기 표준화값 출력 그래프.

도11은 본 발명 습도센서의 물 300cc 데우기 전압 출력 그래프.

도12는 본 발명 습도센서의 물 300cc 데우기 표준화값 출력 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

51:기판 52:히터

53:절연막 54:하부전극

55:감습막 56:상부전극

70:습도센서 71:연결핀

72:인쇄회로기판 73:상부 케이스

74:하부 케이스 75:신호선

Claims (7)

1. 알루미나 기판 상에 패드부를 종단에 위치시키며 형성된 히터부와, 그 히터부 상부에 위치하여 절연 및 균일한 열전달을 수행하는 면상 절연막과, 그 면상 절연막 상부에 위치하며 새로운 패드와 연결되는 하부 전극과, 그 하부 전극의 상부 전면에 위치하는 다공성 무기물 감습막과, 그 다공성 무기물 감습막 상부에 위치하고 상기 히터부 패드 중 하나와 연결되는 다공성 상부 전극을 구비한 임피던스 변화형 상대습도 습도센서와; 상기 상대습도 습도센서의 패드와 연결된 외부 핀들과; 상기 외부 핀들을 지지하는 인쇄 회로기판과; 상기 외부 핀들과 연결되어 외부로 연장되는 신호선들과; 상기 신호선의 연장 부분과 습도 검출용 개구부를 제외한 상기 구조물 전면을 밀봉하는 케이스로 구성된 것을 특징으로 하는 히터 내장형 습도센서.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 무기물 감습막은 알루미나 또는 실리카 등의 내열성이 강하고, 화학적으로 안정된 금속산화물계 세라믹인 것을 특징으로 하는 히터 내장형 습도센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 상부전극은 Pt 또는 RuO₂ 등의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 히터 내장형 습도센서.
5. 제 1항에 있어서, 상기 상대습도 습도센서의 패드와 외부 핀들은 결합 와이어(bonding wire)를 이용하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 히터 내장형 습도센서.
6. 히터를 장착한 무기물 상대습도 습도센서를 저항을 통해 전원부와 연결하여 상기 상대습도 습도센서의 임피던스 변화를 측정하는 방법에 있어서, 소정 시간 동안 상기 상대습도 습도센서의 히터를 동작시켜 흡착된 습기나 오염물을 제거하는 단계와; 충분한 지연 시간을 가지는 펄스로 전원을 공급하면서 상기 상대습도 습도센서의 전압출력에 의해 임피던스를 획득하는 단계와; 소정 시간에서의 임피던스를 기준으로 검출되는 임피던스를 평균화하여 해당 평균화 값을 기준으로 상대습도를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 내장형 습도센서를 이용한 습도 측정 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 평균화 값은 소정의 시간에서의 임피던스와 측정되는 임피던스의 비율이며, 평균화 값이 소정의 값 이상이 되면 목표 습도에 도달한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 히터 내장형 습도센서를 이용한 습도 측정 방법.