KR100587654B1 - Pressure sensor capable of automatic adjustment of offset pressure - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 압력 저역통과필터를 통해 오프셋 압력을 제거하는 압력센서에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor in which the offset pressure is automatically adjusted, and more particularly to a pressure sensor for removing the offset pressure through a pressure low pass filter.

본 발명의 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서는 반도체 기판의 하부면에 소정 두께가 제거된 다이어프램을 포함하여 구성된 압력센서에 있어서, 소정 주파수 이하의 압력파형만 통과시키고 그 이상의 압력파형은 차단하는 압력 저역통과필터를 더 포함하여 이루어짐에 기술적 특징이 있다.In the pressure sensor of the present invention, the pressure sensor automatically adjusts the offset pressure, and includes a diaphragm having a predetermined thickness removed from the lower surface of the semiconductor substrate, wherein the pressure sensor passes only a pressure waveform below a predetermined frequency and blocks more pressure waveforms. There is a technical feature in that it further comprises a low pass filter.

따라서, 본 발명의 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서는 압력 저역통과필터에 의해 자동으로 오프셋 압력이 제거되기 때문에 부가적인 오프셋 압력 조정을 위한 밸브나 제어장치가 필요없는 장점이 있고, 미소차압을 측정하는 데 있어 소형으로 제작이 가능하며 오프셋 압력에 비해 매우 작은 맥파를 쉽게 검출할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the pressure sensor of the offset pressure of the present invention is automatically adjusted because the offset pressure is automatically removed by the pressure low-pass filter, there is an advantage that does not need a valve or a control device for additional offset pressure adjustment, and measure the micro-differential pressure It can be manufactured in a small size and easily detects a very small pulse wave compared to the offset pressure.

압력센서, 오프셋, 압전센서, 필터Pressure sensor, offset, piezoelectric sensor, filter

Description

오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서{Pressure sensor capable of automatic adjustment of offset pressure} Pressure sensor capable of automatic adjustment of offset pressure             

도 1은 종래기술인 밸브에 의해 오프셋 압력을 조정하는 압력센서를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a pressure sensor for adjusting the offset pressure by a valve of the prior art.

도 2는 DC 성분인 오프셋 압력과 소정 주파수 이상인 압력파형을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing an offset pressure as a DC component and a pressure waveform equal to or greater than a predetermined frequency.

도 3은 오프셋 압력이 있는 압력파형을 측정범위 이상 증폭한 경우를 나타내는 그래프이다.3 is a graph illustrating a case in which a pressure waveform with offset pressure is amplified over the measurement range.

도 4는 본 발명에 따른 압력 저역통과필터가 내장된 압력센서를 나타내는 단면도이다.Figure 4 is a cross-sectional view showing a pressure sensor with a built-in low pressure filter according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 미세구멍에 의한 압력 저역통과필터를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the pressure low pass filter by the micropores according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 굴곡을 갖는 관로에 의한 압력 저역통과필터를 나타내는 개략도이다.6 is a schematic view showing a pressure low pass filter with a bent pipe according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 오프셋 압력이 제거된 압력파형을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a pressure waveform from which offset pressure is removed according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 압력 저역통과필터의 특성을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the characteristics of the pressure low pass filter according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>   <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100. 압력센서 110. 압력 저역통과필터  100. Pressure sensor 110. Pressure low pass filter

120. 다이어프램 130. 미세한 구멍  120. Diaphragm 130. Fine Holes

140. 관로  140. Pipeline

본 발명은 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 압력 저역통과필터를 통해 오프셋 압력을 제거하는 압력센서에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor in which the offset pressure is automatically adjusted, and more particularly to a pressure sensor for removing the offset pressure through a pressure low pass filter.

일반적으로 압력센서는 프로세스 또는 시스템에서 압력을 측정하는 소자로서 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔진제어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고 가장 폭넓게 사용되는 센서 중의 하나이다. 압력센서의 측정원리는 변위, 변형, 자기-열전도율, 진동수 등을 이용하는 것으로 현재 많은 종류가 실용화되어 사용되고 있다.In general, the pressure sensor is a device for measuring pressure in a process or system, and is one of the most widely used sensors having various uses, such as industrial measurement, automatic control, medical care, automotive engine control, environmental control, and electrical appliances. The measuring principle of the pressure sensor is to use displacement, deformation, self-thermal conductivity, frequency, and the like.

압력센서는 측정방식에 따라 진공을 기준으로 측정하는 절대압센서, 대기압을 기준으로 측정하는 게이지압센서, 인가된 두 압력의 차이를 측정하는 차압센서 로 구분된다. 상기 차압센서는 임의의 압력을 기준으로 압력차를 측정하고자 할 때 차압센서를 사용한다. Pressure sensors are classified into absolute pressure sensors based on vacuum, gauge pressure sensors based on atmospheric pressure, and differential pressure sensors that measure the difference between two applied pressures. The differential pressure sensor uses a differential pressure sensor to measure the pressure difference based on an arbitrary pressure.

기준압력이 임의로 변하거나 측정하고자 하는 압력신호가 기준압력과 큰 차이를 가져 측정범위를 벗어날 경우이거나 기준압력과의 압력차 중 DC(Direct Current) 성분에 해당하는 오프셋 압력보다는 압력의 변화에만 관심이 있을 경우에는 기준압력을 압력신호의 오프셋 압력과 같게 해야 한다. 즉, 오프셋 압력을 제거하는 것이다.If the reference pressure changes arbitrarily or the pressure signal to be measured has a large difference from the reference pressure and is out of the measurement range, or you are only interested in the pressure change rather than the offset pressure corresponding to the DC (Direct Current) component of the pressure difference from the reference pressure If present, the reference pressure should be equal to the offset pressure of the pressure signal. That is, the offset pressure is removed.

압력변화만 측정하기에 적합한 센서는 압전센서가 있는데 상기 압전센서는 인가된 압력의 변화량에 따라 전하가 발생한다. 따라서 오프셋 압력의 영향이 없다. 그러나 상기 인가된 압력의 미분파를 출력하기 때문에 현재의 압력을 알고자 할 때는 초기에서부터 적분해야 하는 어려움이 있다.A sensor suitable for measuring only a change in pressure includes a piezoelectric sensor, which generates electric charge in accordance with the amount of change in applied pressure. Therefore, there is no influence of offset pressure. However, since the differential wave of the applied pressure is output, there is a difficulty integrating from the beginning when the current pressure is to be known.

도 1은 종래기술인 밸브에 의해 오프셋 압력을 조정하는 압력센서를 나타내는 단면도이다. 도 1을 살펴보면, 기준압력을 외부에 연결된 배관(10)과 밸브(20)를 통해 인가되는 압력의 오프셋 압력과 평형이 되도록 하는 형태의 차압센서, 즉 압력센서(30)이다. 상기 밸브(20)는 수동이거나 솔레노이드 밸브와 같은 자동밸브를 사용한다.1 is a cross-sectional view showing a pressure sensor for adjusting the offset pressure by a valve of the prior art. Referring to FIG. 1, the differential pressure sensor, that is, the pressure sensor 30, is configured to be in equilibrium with the offset pressure of the pressure applied through the pipe 10 and the valve 20 connected to the outside. The valve 20 is manual or uses an automatic valve such as a solenoid valve.

도 2는 DC 성분인 오프셋 압력과 소정 주파수 이상인 압력파형을 나타내는 그래프이고, 도 3은 오프셋 압력이 있는 압력파형을 측정범위 이상 증폭한 경우를 나타내는 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2와 같이 압력파형이 오프셋 압력을 갖고 있는 경우에는 오프셋 압력을 제거하지 않고 측정하는 경우에 압력파 형에 비해 오프셋 압력이 클 수 있고, 이때 압력파형을 증폭하면 오프셋 압력도 증폭되어 도 3과 같이 압력센서의 측정범위를 더욱 벗어나게 된다.2 is a graph showing an offset pressure as a DC component and a pressure waveform equal to or greater than a predetermined frequency, and FIG. 3 is a graph showing a case in which a pressure waveform with an offset pressure is amplified over a measurement range. Referring to FIGS. 2 and 3, when the pressure waveform has an offset pressure as shown in FIG. 2, the offset pressure may be larger than the pressure waveform when the pressure waveform is measured without removing the offset pressure, and the pressure waveform is amplified. The offset pressure is also amplified so that it is further out of the measurement range of the pressure sensor as shown in FIG.

따라서, 상기와 같은 압력센서는 압저항형 또는 용량형으로 현재의 압력차에 비례한 출력을 내고, 오프셋을 제거하기 위해 전자적 고역통과필터를 적용할 수 있으나 오프셋 압력이 압력센서의 측정범위 내에 있어야 하며 측정하고자 하는 압력파형이 오프셋에 비해 작지 않아야 하기 때문에, 상기 조건을 벗어나면 압력센서 자체에서 오프셋 압력을 제거해야 하는 문제점이 있었다.Therefore, the pressure sensor as described above may be a piezoresistive or capacitive type output that is proportional to the current pressure difference and an electronic high pass filter may be applied to remove the offset, but the offset pressure must be within the measurement range of the pressure sensor. In addition, since the pressure waveform to be measured should not be smaller than the offset, there is a problem that the offset pressure is removed from the pressure sensor itself when the condition is out of the above condition.

또한, 밸브가 연결된 압력센서의 경우에는 자동 또는 수동으로 오프셋 압력을 수시로 제거할 수 있지만 압력센서에 비해 큰 밸브를 연결해야 하기 때문에 소형화가 어렵고, 인위적으로 밸브를 제어해 주어야 하는 문제점이 있었다.In addition, in the case of a pressure sensor connected to the valve, the offset pressure can be removed automatically or manually from time to time, but it is difficult to miniaturize because it is necessary to connect a larger valve than the pressure sensor, and there is a problem in that the valve must be artificially controlled.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압력 저역통과필터를 통해 낮은 주파수의 오프셋 압력변화는 자동적으로 조정하고 높은 주파수의 압력변화는 왜곡없이 측정이 가능하게 하여 압력센서에 인가되는 두 압력을 평형상태로 만들어 주는 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages and problems of the prior art, it is possible to automatically adjust the low-frequency offset pressure change through the pressure low pass filter and to measure the high-frequency pressure change without distortion It is an object of the present invention to provide a pressure sensor that automatically adjusts the offset pressure to make the two pressures applied to the pressure sensor in an equilibrium state.

본 발명의 상기 목적은 반도체 기판의 하부면에 소정 두께가 제거된 다이어 프램을 포함하여 구성된 압력센서에 있어서, 소정 주파수 이하의 압력파형만 통과시키고 그 이상의 압력파형은 차단하는 압력 저역통과필터를 더 포함하여 이루어진 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서에 의해 달성된다.The above object of the present invention is a pressure sensor including a diaphragm having a predetermined thickness removed on a lower surface of a semiconductor substrate, the pressure low pass filter for passing only pressure waveforms below a predetermined frequency and blocking more pressure waveforms. Including offset pressure is achieved by a pressure sensor that is automatically adjusted.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 압력 저역통과필터가 내장된 압력센서를 나타내는 단면도이다. 도 4(가)를 살펴보면, 압력센서(100)의 오프셋 압력을 자동적으로 조정하기 위해 압전 저역통과필터(110)를 구비한다. 이것은 낮은 주파수의 오프셋 압력변화는 자동적으로 조정하고, 높은 주파수의 압력변화는 왜곡없이 측정이 가능한 것을 의미한다. 상기 압력센서(100)는 차압센서이고, 상기 차압센서는 인가되는 두 압력 즉, 기준압력과 입력압력을 평형상태로 만들고, 상기 두 압력의 차를 측정하는 경우 오프셋 압력이 측정범위를 벗어나거나 매우 높아 측정이 불가능할 때 오프셋 압력을 제거해 준다.Figure 4 is a cross-sectional view showing a pressure sensor with a built-in low pressure filter according to the present invention. Referring to FIG. 4A, a piezoelectric low pass filter 110 is provided to automatically adjust the offset pressure of the pressure sensor 100. This means that low frequency offset pressure changes can be adjusted automatically, and high frequency pressure changes can be measured without distortion. The pressure sensor 100 is a differential pressure sensor, and the differential pressure sensor equilibrates the applied two pressures, that is, the reference pressure and the input pressure, and when the difference between the two pressures is measured, the offset pressure is out of the measurement range or is very high. The high pressure eliminates offset pressure when measurements are not possible.

오프셋을 제거하기 위해 전자적 고역통과필터를 적용할 수 있으나 오프셋 압력이 압력센서의 측정범위 내에 있어야 하며 측정하고자 하는 압력파형이 오프셋에 비해 작지 않아야 하기 때문에, 상기 조건을 벗어나면 압력센서 자체에서 오프셋 압력을 제거해 주어야 한다. An electronic high pass filter can be used to remove the offset, but the offset pressure must be within the measuring range of the pressure sensor and the pressure waveform to be measured should not be smaller than the offset. Should be removed.

본 발명에서는 도 4(나)와 같이 반도체 기판 상부면에 소정 개수의 상부전극(102)과 하부전극(104)을 가지고, 상기 반도체 기판 상부 표면에 절연막(106)을 포 함하며, 반도체 기판의 하부면의 소정 두께가 제거된 다이어프램(Diaphragm)(120)을 갖는 압력센서(100)에 응용할 수 있다. 상기 다이어프램(120)의 형태는 트렌치 형태로 기판을 식각한 것이다. In the present invention, as shown in Figure 4 (b) has a predetermined number of upper electrodes 102 and lower electrodes 104 on the upper surface of the semiconductor substrate, and includes an insulating film 106 on the upper surface of the semiconductor substrate, It can be applied to the pressure sensor 100 having a diaphragm (Diaphragm) 120 is removed a predetermined thickness of the lower surface. The diaphragm 120 is formed by etching a substrate in the form of a trench.

따라서, 상기 도 4(가) 및 도 4(나)에서 살펴본 바와 같이 상기 압력 저역통과필터(110)는 빠른 유체의 흐름을 방해하는 것으로 미세한 구멍 또는 굴곡을 갖는 관로 형태를 갖는 것이 바람직하다.Therefore, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the pressure low pass filter 110 preferably has a shape of a conduit having fine holes or bends as it prevents a rapid flow of fluid.

상기 오프셋 압력은 DC이거나 약간씩 변동하는 경우에는 매우 낮은 주파수를 갖기 때문에 낮은 차단주파수의 저역통과필터를 적용할 경우 측정하고자 하는 압력파형과 분리할 수 있다. 특히, 맥파의 경우 60Hz 이상의 주파수를 갖는다.Since the offset pressure has a very low frequency in the case of DC or fluctuates slightly, it can be separated from the pressure waveform to be measured when a low pass filter of a low cutoff frequency is applied. In particular, the pulse wave has a frequency of 60Hz or more.

본 발명에 따른 오프셋 압력 제거는 저역통과필터(110)를 통과하여 기준압력이 입력압력의 오프셋 압력과 같게 되기 위해서는 소정의 시간이 필요하다. 비교적 빠른 속도로 변하는 측정하고자 하는 압력파형에 비해 느린 오프셋 압력의 변화를 제거해 준다. 상기 기준압력과 입력압력을 나타내는 공간은 공기 또는 액체로 채워진다.The offset pressure removal according to the present invention requires a predetermined time to pass through the low pass filter 110 so that the reference pressure is equal to the offset pressure of the input pressure. Eliminates slow offset pressure changes compared to the pressure waveform to be measured at relatively high speeds. The space representing the reference pressure and the input pressure is filled with air or liquid.

도 5는 본 발명에 따른 미세구멍에 의한 압력 저역통과필터를 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 굴곡을 갖는 관로에 의한 압력 저역통과필터를 나타내는 개략도이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 압력 저역통과필터는 빠른 유체의 흐름을 방해하는 것으로 미세한 구멍(130) 또는 굴곡을 갖는 관로(140) 형태를 갖는다. 상기 미세한 구멍(130)은 구멍의 직경과 구멍간의 간격, 배열의 규칙 등이 차단주파수에 영향을 준다. 5 is a cross-sectional view showing a pressure low pass filter by a micropore according to the present invention, Figure 6 is a schematic view showing a pressure low pass filter by a conduit with a curve according to the present invention. As shown in Figures 5 and 6, the pressure lowpass filter has a form of a fine hole 130 or a conduit 140 having a bend to interrupt a rapid flow of fluid. The fine hole 130 affects the cutoff frequency due to the diameter of the hole, the distance between the holes, and the rules of arrangement.

도 7은 본 발명에 따른 오프셋 압력이 제거된 압력파형을 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 미소차압을 측정할 경우 오프셋 압력을 조정해 줄 필요가 있는데, 상기 오프셋 압력을 제거하여 측정범위 내에서 증폭한 경우의 이상적인 출력을 나타낸다. 또한, 측정하고자 하는 압력파형에 맞는 측정범위를 갖는 압력센서를 적용할 수 있기 때문에 미소 압력파형을 측정하는 데 있어 매우 유리하다.7 is a graph showing a pressure waveform from which offset pressure is removed according to the present invention. Referring to FIG. 7, it is necessary to adjust the offset pressure in the case of measuring the micro-differential pressure, which shows an ideal output when the offset pressure is removed and amplified within the measurement range. In addition, since a pressure sensor having a measuring range suitable for the pressure waveform to be measured can be applied, it is very advantageous in measuring the minute pressure waveform.

요골동맥의 압력파형을 측정하기 위한 맥진센서의 경우가 도 7과 같다. 측정하고자 하는 맥파는 수 mbar 이하의 낮은 압력범위를 가지나 센서를 요골동맥에 밀착하기 위한 압력은 수백 mbar 수준이다. The case of the pulse sensor for measuring the pressure waveform of the radial artery is shown in FIG. The pulse wave to be measured has a low pressure range of several mbar or less, but the pressure for contacting the sensor to the radial artery is several hundred mbar.

도 8은 본 발명에 따른 압력 저역통과필터의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 소정 주파수 이하의 압력파형만 통과시키고 높은 주파수의 압력파형은 차단하는 것을 나타내었다.8 is a graph showing the characteristics of the pressure low pass filter according to the present invention. As shown in FIG. 8, only pressure waveforms below a predetermined frequency pass and block pressure waveforms of high frequency.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

따라서, 본 발명의 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서는 압력 저역통과필터에 의해 자동으로 오프셋 압력이 제거되기 때문에 부가적인 오프셋 압력 조정을 위한 밸브나 제어장치가 필요없는 장점이 있고, 미소차압을 측정하는 데 있어 소형으로 제작이 가능하며 오프셋 압력에 비해 매우 작은 맥파를 쉽게 검출할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the pressure sensor of the offset pressure of the present invention is automatically adjusted because the offset pressure is automatically removed by the pressure low-pass filter, there is an advantage that does not need a valve or a control device for additional offset pressure adjustment, and measure the micro-differential pressure It can be manufactured in a small size and easily detects a very small pulse wave compared to the offset pressure.

Claims (4)

반도체 기판의 하부면에 소정 두께가 제거된 다이어프램을 포함하여 구성된 압력센서에 있어서,In the pressure sensor comprising a diaphragm with a predetermined thickness removed on the lower surface of the semiconductor substrate, 소정 주파수 이하의 압력파형만 통과시키고 그 이상의 압력파형은 차단하는 압력 저역통과필터를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서.And a pressure low pass filter for passing only a pressure waveform below a predetermined frequency and blocking more pressure waveforms, wherein the offset pressure is automatically adjusted. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압력 저역통과필터는 구멍 또는 굴곡을 갖는 관로 형태인 것을 특징으로 하는 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서.The pressure low pass filter is a pressure sensor that is automatically adjusted to the offset pressure, characterized in that the pipe shape having a hole or a bend. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압력센서는 수 mbar 이하의 낮은 압력범위를 측정하는 차압센서인 것을 특징으로 하는 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서.The pressure sensor is a pressure sensor that automatically adjusts the offset pressure, characterized in that the differential pressure sensor for measuring a low pressure range of several mbar or less. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압력센서는 반도체 기판 상부면에 절연막을 가지고, 상기 절연막 상부면에 소정 개수의 상부전극과 하부전극을 가지는 것을 특징으로 하는 오프셋 압력이 자동 조절되는 압력센서.The pressure sensor has an insulating film on the upper surface of the semiconductor substrate, the pressure sensor is automatically adjusted offset pressure, characterized in that having a predetermined number of upper and lower electrodes on the upper surface of the insulating film.
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