KR100677742B1

KR100677742B1 - 디지털 온도 센서, 디지털 온도 측정 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100677742B1
Application number: KR1020040057555A
Authority: KR
Inventors: 김동균; 구자남
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2007-02-02
Also published as: KR20060007935A; US7497615B2; US20060018364A1

Abstract

아날로그 디지털 변환기를 사용하지 않으면서 저항값의 미소변화에 따른 측정 온도의 디지털 표시가 가능한 디지털 온도 측정 시스템이 개시된다. 디지털 온도 측정 시스템은 적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부와, 서로 병렬 연결된 복수의 이산 저항 요소들로 형성된 온도센싱부와, 복수의 이산 저항요소들을 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 함께 순차적으로 전원 전압을 전압 분배시키기 위한 멀티플랙서와, 기준 저항 요소와 멀티플랙서에 의해 선택된 이산 저항 요소에 의해 분배된 각 전압을 비교하는 비교기, 및 멀티플랙서의 순차적인 스위칭을 카운트하는 카운터를 포함한다. 시스템은 비교기의 출력 레벨 천이 시점의 카운트 정보가 제어부에 전달되며, 카운트 정보에 따른 이산 저항 요소의 순번 정보로부터 온도변환 정보에 따른 온도 정보를 획득할 수 있게 된다. 다시 말하면, 이산 저항 요소들 중 첫 번째 저항 요소에 대응하는 온도변환 정보로부터 최소 온도를 알 수 있으며, 온도 상승 시 비교기에서 최초로 레벨을 변화시키는 순번의 이산 저항 요소에 대응하는 온도를 메모리에서 탐색하여 해당 온도를 측정할 수 있게 된다.

온도 센서, 이산 저항 요소들, 멀티플랙서, 카운터, 디지털, TCR

Description

디지털 온도 센서, 디지털 온도 측정 시스템 및 방법 {Digital temperature sensor, System and Method to measure temperature}

도 1은 종래 디지털 온도 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 도 1의 온도 측정 방법을 설명하는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 디지털 온도 센서를 개략적으로 나타낸 도면,

도 4는 도 3의 온도 센서를 이용한 디지털 온도 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면, 그리고

도 5 및 도 6은 각각 이산 저항 요소들을 박막 백금 또는 티타늄을 소재로 하여 30℃~40℃의 온도 범위에서 0.2℃와 0.5℃의 분해능을 가지며 온도를 측정할 수 있도록 설계된 본 발명에 따른 또 다른 실시예들을 나타낸 테이블들이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: DC 옵셋 회로 20: 증폭기

30: ADC 40, 270: 디스플레이

50, 280: 제어부 110, 210: 기준신호발생부

120, 220: 온도센싱부 130, 230: 멀티플랙서

140, 240: 비교기 150, 250: 카운터

200: 센싱부 260: 메모리

본 발명은 디지털 온도센서에 관한 것으로서, 특히, 아날로그 디지털 변환기를 사용하지 않으면서 저항값의 미소변화에 따른 측정 온도의 디지털 표시가 가능하도록 지원하는 디지털 온도센서와 이를 이용한 온도 측정 시스템 및 그 측정 방법에 관한 것이다.

온도 센서는 산업 전반에 걸쳐 다양하게 이용되고 있다. 예를 들어 에어 컨디셔너, 냉장고 등 가전 제품에서 온도 제어를 위하여 이용될 뿐만 아니라 반도체 산업과 같은 정밀 산업 등에서도 제품을 정밀하게 생산하기 위하여 필수적으로 이용되고 있다.

현재 사용되고 있는 온도계를 측정원리에 따라 분류하면 다음과 같다.

먼저, 열팽창을 이용한 온도계가 있다. 여기에는 기체온도계·액체온도계·바이메탈온도계가 있다. 이 중 액체온도계에는 수은이나 등유를 사용하는 온도계가 있다. 액주(液柱)가 붉은 온도계는 옛날에는 대부분 알코올온도계(빨간 물감을 들인 알코올을 사용)이였으나, 액주 상부 공간에 응축이 일어나기 쉬워 지시에 오차가 생길 수 있기 때문에 30년 전부터 등유를 사용하게 되었다. 가정용 한란계와 체온계도 이 액체온도계의 하나이다. 또 이 액체온도계를 사용한 최고최저온도계·베크만온도계가 있다. 바이메탈온도계는 팽창계수가 다른 2종류의 금속판, 즉 구리와 니켈의 박판 2장을 밀착시킨 바이메탈을 사용한다. 이 바이메탈온도계에서는 구리 의 팽창계수가 니켈보다 크기 때문에 고온이 되면 니켈판 쪽으로 구부러지고 저온이 되면 구리판 쪽으로 구부러지는 원리를 이용하여 온도를 표시한다.

다음으로 전기저항의 온도변화를 이용한 열저항성 온도계가 있다. 여기에는 저항온도계가 속하는데, 이것은 금속·반도체의 전기저항값이 온도의존성을 가진다는 점을 이용한 온도계이다.

열전쌍온도계는 2종류의 다른 금속 또는 합금철사 양끝을 접촉시켜 전기가 흐르는 루프모양 회로를 만든다. 이렇게 접촉시킨 양끝에 온도차가 주어지면 그 양끝에 열기전력(熱起電力)이 발생해서 전류가 흐른다. 이것을 펠티에효과(열전기효과)라고 하는데 이를 응용한 온도계가 열전쌍온도계이다. 발생한 열기전력의 측정은 전위차계 또는 내부저항이 큰 밀리볼트계로 측정하며 온도-열기전력 보정에서 온도계측에 가장 널리 이용되고 있다. 그 이유는 감습부(感濕部)인 금속접합부 부피가 대단히 작으므로 열용량에 따른 오차가 적으며 열에 대한 응답성이 뛰어난 데에 있다. 이용되는 열전쌍으로서는 백금선·백금로듐합금선, 구리선·콘스탄탄선 등이 있다.

그리고 빛에 따른 색온도계가 있다. 여기에는 광고온계(optical pyrometer;광학고온계라고도 한다)와 복사고온계가 있다. 광고온계는 피측정체의 색온도를 표준색온도와 비교측정함으로써 구하는 방법인데 700∼2500℃ 정도까지 측정할 수 있다. 복사고온계는 피측정체로부터 복사되는 열에너지를 렌즈 또는 오목거울로 집광하고 초점에 서미스터(주위온도에 민감한 저항기)를 놓아 서미스터의 온도상승에 따른 저항값의 변화를 기준으로 하여 온도를 측정한다. 복사고온계의 하나로서, 적 외선에 대한 반도체감온소자를 사용한 서모그래피용 온도계가 있다. 이를 이용하여 인공위성에서 지구의 표면온도 분포나 인체의 피부온도 분포 등을 조사한다.

그 밖에 제게르콘온도계와 서모컬러온도계가 있다. 제게르콘온도계는 규산염과 금속산화물을 개어 만든 높이 10㎝ 정도의 삼각뿔이다. 이것은 노(爐) 안의 각 곳에 배치하고 가열하여 삼각뿔이 녹는 정도를 살펴 노 안의 온도분포를 조사하는 데에 사용된다. 서모컬러온도계는 시온도료(示溫塗料)라고도 불리는 서모컬러가 색이 변하는 원리를 이용한 온도계이다. 주로 코발트·크롬 등 착염(錯鹽)이 온도에 따라 가역적으로 색변화를 일으키는 현상을 이용한 온도계이며 이 재료를 점토와 개어 건조시킨 것을 서모클레이라고 한다. 최근 서모컬러온도계로서 액정(液晶)의 온도특성을 이용한 액정온도계도 나오고 있다.

위와 같이 다양한 측정 원리에 따른 온도계들 중 열저항성 온도 측정법은 도체에 있어서 전기저항이 온도의 변화에 따라 변화하는 점을 이용한 것으로서, 즉, 단위 온도 변화에 대한 저항 변동율을 안다면 변동되는 저항치 만으로 해당 온도를 측정할 수 있다는 점을 이용한 것이다. 여기서 단위온도에 대한 저항 변동율은 온도계수(TCR: temperature coefficient of resistance)라 하며, 온도 증가 시 저항치가 증가하면 정의 온도계수라 하고, 저항치가 감소하면 부의 온도계수라고 한다. 주로 온도측정에 사용하는 금속 재질은 정의 온도계수를 갖고 있으며 이중에서도 온도측정에 사용되는 재질은 백금, 니켈, 동 등이 주로 이용된다. 재질이 순수한 것일수록 온도계수는 커지고 그 값도 일정해진다. 1871년 윌리엄 지멘스가 백금을 이용 저항 온도계를 제작하여 온도측정에 사용한 것이 최초라고 한다. 앞에서 말한 것처럼 모든 금속의 저항값은 온도 의존성을 가지며, 다음 표 1로 보고되고 있다.

물질(Material)	저항성 u Ω cm	저항 온도 계수 ppm/ ℃
Carbon(graphite)	1,390	-500
Manganin(alloy)	48.2	2
Nichrome	101	1,700
Chromium	12.9	3,000
Aluminum	2.83	3,600
Silver	1.63	3,800
Copper	1.72	3,900
Platinum	10.6	3,927
Tungsten	4.20	4,500
Iron	9.71	6,510
Nickel	6.84	6,900
Gold	2.40	8,300

표 1과 같은 금속 저항값의 온도 의존성을 이용해 니켈, 구리, 백금 등의 금속과 합금을 재료로 하는 많은 센서들이 개발되어 왔다. 그러나 재료의 안정성이 우수하고 온도-저항값 특성이 좋은 백금이 주로 사용되고 있다. 백금 온도 센서는 현존하는 온도센서 중 가장 정확도가 높아 -260~630'C 영역에서는 표준온도센서로 사용된다.

도 1은 종래 백금 저항을 이용한 디지털 온도 측정 시스템을 나타낸 블록도이다. 시스템은 직렬로 연결된 저항 소자들(R₀, R(T)), DC옵셋제거회로(10), 증폭기(20), 아날로그 디지털 컨버터(Analog Digital Converter: ADC)(30), 디지털 디스플레이(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.

두 저항소자들 중 고정 저항소자의 저항값 R₀는 기준 온도 T₀, 주로 상온(20℃)에서의 저항값(R₀)을 유지하도록 하고, 또 다른 저항소자의 저항값 R(T)는 온도에 따라 가변될 수 있도록 설치된다. 온도 T℃ 에서의 가변 저항소자의 저항값 R(T)는 다음 수학식 1을 따른다.

{R(T): 온도 T℃에서의 가변 저항소자의 무부하 저항값(Ω)

R₀: 온도 T₀에서의 가변 저항소자의 무부하 저항값(Ω)

α: 저항 온도 계수(ppm/℃ 또는 ppm/K)

T : 가변 저항 소자의 실제 측정 온도(℃ 또는 K)

T₀: 기준 온도(℃ 또는 K)}

예를 들어, 온도 계수 α가 3900 ppm/℃이고, 상온에서의 저항치가 1㏀인 백금 저항을 온도센서로 이용하는 경우, V_DD가 2V인 상태에서 백금 저항 양단에 1V가 인가되며 온도가 1℃ 증가한다고 하면, 수학식 1에 따라 R(21℃) = 1㏀[1+0.0039] = 1.0039㏀으로 변화된다. 즉, 도 2에서와 같이 백금 온도 센서는 20℃의 온도에서 초기 1㏀의 저항값을 가지나 21℃의 온도에서 39Ω의 저항 성분이 더해진다고 할 수 있다. 이에 따라 제어부에서는 1V의 전압출력에 대해 20℃를 표시하도록 디스플레이를 제어하던 것에서 온도 센서의 1.0039㏀으로의 변화에 따른 전압출력(≒ 1.0019 V)에 따라 디스플레이에 21℃를 표시하도록 제어한다.

위와 같은 온도 측정 시스템은 백금 저항의 저항값 변화에 따라 출력 전압의 변화가 발생되며 그에 따른 온도 표시를 하게 된다. 그러나 위의 온도 측정 시스템 에서는 온도 센서의 저항치 변화에 따른 출력 전압의 신호 변화가 미미하여 오차 발생률이 매우 높다는 문제점이 있을 뿐만 아니라 ADC 변환에 앞서 DC 옵셋 제거를 위한 저잡음 회로 및 고성능 증폭기를 요구하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 ADC 회로를 사용하지 않으면서 측정 온도의 디지털 표시를 할 수 있도록 지원하며 기존 방식에 비해 전력 소모를 감소시킬 수 있는 디지털 온도 센서와 이를 이용한 디지털 온도 측정 시스템 및 그 측정 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 온도 센서는 적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부와, 서로 병렬 연결된 복수의 이산 저항 요소들로 형성된 온도센싱부와, 상기 복수의 이산 저항 요소들을 상기 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 함께 순차적으로 전원 전압을 전압 분배시키기 위한 멀티플랙서와, 상기 기준 저항 요소와 상기 멀티플랙서에 의해 선택된 이산 저항 요소에 의해 분배된 각 전압을 비교하는 비교기 및 상기 멀티플랙서의 순차적인 스위칭을 카운트하는 카운터;를 포함한다.

상기 복수 이산 저항 요소들의 개수는 적어도 측정 온도 범위를 측정분해능으로 나누고 1을 더한 개수를 갖도록 한다. 그리고 상기 각 이산 저항 요소들의 저항값들은 상기 기준신호발생부의 적어도 하나 이상의 기준 저항 요소의 저항값인 기준 저항값에 대해 저항 온도 계수 및 온도 분해능을 고려하여 각각 산출한다.
상기 기준 저항 요소의 저항값은 임의의 값으로 설정하고, 전체 이산 저항 요소들이 홀수의 N개로 구성되는 경우, 측정 온도 범위의 중간 온도에서 (N+1)/2번째 저항 요소의 저항값은 상기 기준 저항 요소의 저항값과 동일한 값으로 설정하며, 전체 이산 저항 요소들이 짝수의 N개로 구성되는 경우, 측정 온도 범위의 중간 온도에서 N/2 또는 (N/2)+1번째 저항 요소들 중 하나의 저항값은 상기 기준 저항 요소의 저항값과 동일한 값으로 설정한다.
또한, 외부 온도 변화에 대해 상기 기준 저항 요소들의 저항값들이 변화하지 않도록 상기 기준 저항 요소는 상기 이산 저항 요소들과 동일한 재료로 제작하고 써말 실드(Thermal shield)를 형성할 수도 있으며, 또 다르게 써말 실드(Thermal shield)를 형성하지 않고 상기 이산 저항 요소들의 재료보다 저항 온도 계수(TCR: temperature coefficient of resistance)가 매우 작은 재료를 이용할 수도 있다. 또한, IC 칩으로 제작하는 경우 상기 기준 저항 및 상기 이산 저항들은 서로 다른 레이어에 형성하여 써말 실드를 대신할 수 있다.

삭제

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 온도 측정 시스템은, 적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부와, 서로 병렬 연결된 복수의 이산 저항 요소들로 형성된 온도센싱부와, 상기 복수의 이산 저항 요소들을 상기 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 함께 순차적으로 전압 분배시키기 위한 멀티플랙서와, 상기 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 상기 멀티플랙서에 의해 선택된 이산 저항 요소에 의해 분배된 각 전압을 비교하는 비교기와, 상기 멀티플랙서의 순차적인 스위칭을 카운트하는 카운터와, 측정 온도 범위 내의 온도 분해능에 따른 상기 각 이산 저항별 온도변환 정보가 기록된 메모리, 및 상기 비교기 출력이 변화하는 시점의 상기 카운터 계수값에 따른 이산 저항에 대응하는 온도 정보를 상기 메모리로부터 획득하는 제어부를 포함한다.

상기 시스템은 디지털 온도를 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하며, 상 기 제어부는 상기 메모리로부터 획득한 온도 정보를 표시하도록 상기 디스플레이를 제어한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털 온도 측정 시스템은, 측정 온도 범위 내의 온도 분해능에 따른 상기 각 이산 저항별 온도변환 정보를 설정하는 단계와, 적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 상기 복수의 이산 저항 요소들이 순차적으로 전압 분배를 수행할 수 있도록 멀티플랙싱하는 단계와, 상기 순차적 멀티플랙싱을 카운트하는 단계와, 상기 기준 저항 요소와 상기 멀티플랙싱으로 선택된 이산 저항 요소에 의해 각각 분배된 전압을 비교하는 단계, 및 상기 비교기 출력이 변화하는 시점의 상기 카운터 계수값에 따른 상기 메모리의 이산 저항 요소에 대응하는 온도변환 정보로부터 측정된 온도 정보를 획득하는 단계를 포함한다.

이상과 같은 디지털 온도 센서 및 이를 이용한 디지털 온도 측정 시스템 및 측정 방법은 ADC 없이 측정 온도의 디지털 표시를 가능하게 하며, 온도센서의 저항치 변화에 따른 출력 전압의 미미함에 관계 없이 보다 정확한 온도 측정을 가능하게 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 디지털 온도 센서의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다. 센서는 기준신호발생부(110), 온도센싱부(120), 멀티플랙서(130), 비교기(140), 그리고 카운터(150)를 포함한다.

기준신호 발생부(110)는 전원 전압을 분압하는 2개의 기준 저항 요소들과 두 기준 저항 요소들과 같은 저항값을 가지며 병렬 연결된 제 3 기준 저항 요소를 포함한다. 기준 저항 요소들은 측정 온도 범위의 중간 온도 T_c, 즉 (T_max+ T_min)/2에서 전체 이산 저항 요소들 중 중앙 저항 요소의 저항값에 해당하는 저항값을 갖도록 한다. 또한 기준 저항 요소들은 이산 저항 요소들과 동일 재료로 제작하고 써말 실드(Thermal shield)를 형성하여 외부 온도의 변화에 따른 기준 저항 요소의 저항값의 변화를 최소화하여 본 발명에 의한 온도 측정이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 써말 실드를 형성하지 않고 이산 저항 요소들(R₁~R_N)에 비해 저항 온도 계수(TCR: Temperature Coefficient of Resistance)가 매우 작은 재료로 제작하여 온도에 따른 기준 저항 요소의 저항값의 변화가 최소가 되도록 하는 것도 가능하다.

온도 센싱부(120)는 서로 병렬 연결된 복수의 이산 저항 요소들(R₁~R_N)로 형성된다. 이산 저항 요소들(R₁~R_N)은 각각 기준신호발생부의 제 3 기준 저항 요소와 직렬 연결이 되도록 형성한다. 이산 저항 요소들(R₁~R_N)은 외부 온도 변화에 따라 그 저항값의 변화량이 크도록 가급적 TCR이 큰 재료로 제작한다. 이산 저항 요소들의 개수 N은 측정 온도 범위와 분해능에 따라 결정되며, 다음 수학식 2를 따른다.

{ N: 이산 저항 요소들의 개수

T_max: 측정하고자 하는 온도 범위 내 최대 온도(℃ 또는 K)

T_min: 측정하고자 하는 온도 범위 내 최저 온도(℃ 또는 K)

ΔT: 측정하고자 하는 최소 온도차(온도 분해능)}

이와 더불어, 온도센싱부는 측정의 편의를 위하여 부가적인 더미(dummy) 저항 요소들을 추가할 수 있다.

또한, 온도 측정 분해능의 정수배에 따라 이산 저항 요소들(R₁~R_N)의 저항값은 다음 수학식 3을 따라 산출할 수 있다.

{ R_m: 온도 T_c, 즉 (T_max + T_min )/2에서의 m번째 이산 저항 요소의 저항값

R_ref: 기준 저항 요소의 기준 저항값

N: 이산 저항 요소들의 개수

ΔT: 측정하고자 하는 최소 온도차(온도 분해능)}
여기서, 상술한 수학식 3과 도 3에는 이해의 편의를 도모하기 위해 일례로, 이산 저항 요소들의 개수(N)이 홀수로 형성되는 경우를 상정하여 작성한 수학식과 도면이다. 만일, 이산 저항 요소들의 개수(N)이 짝수로 형성되는 경우, 기준 저항 요소의 저항값과 전체 이산 저항 요소들 중 중앙 저항 요소의 저항값에 해당하는 저항값을 갖도록 수학식 3과 도 3의 (N+1)/2는 N/2 또는 (N/2)+1 중 하나의 값으로 형성할 수 있다.

멀티플랙서(130)는 복수의 이산 저항 요소들(R₁~R_N)의 일단을 멀티플렉싱하는 것에 의해 기준신호발생부(110)의 제3 기준 저항 요소과 함께 순차적으로 전원전압(V_DD)을 전압 분배시킨다.

비교기(140)는 제 3 기준 저항 요소와 멀티플랙서(130)에 의해 선택된 이산 저항 요소에 의해 분배된 전압과 제1 및 제2기준 저항 요소에 의해 분배된 전압의 차의 부호에 따라 출력전압이 저수준 또는 고수준의 값을 갖게 된다.

카운터(150)는 이산 저항 요소들(R₁~R_N)에 대한 멀티플랙서(10)의 순차적인 스위칭을 카운트한다.

위와 같은 디지털 온도 센서는 온도 변화에 대해 멀티플랙서(130)의 이산 저항 요소들(R₁~R_N)에 대한 순차적인 멀티플랙싱에 따라 제 3 기준 저항 요소와 각 이산 저항 요소들이 순차적으로 폐회로를 구성하게 된다. 형성된 폐회로는 제 3 기준 저항 요소와 이산 저항 요소에 의해 전원 전압의 전압 분배를 수행한다. 이에 따라 측정 온도 범위 내의 임의의 온도에서 온도 변화에 영향을 받지 않거나 둔감한 기준신호발생부(110)의 제1 및 제2기준 저항 요소들에 의한 기준 전압과 기준신호발생부(110)의 제3 기준저항과 온도 변화에 민감한 이산 저항 요소에 의한 센싱 전압이 순차적으로 비교기(140)에서 비교된다. 순차적인 비교 결과 기준 전압보다 이산 저항 요소의 저항값에 따른 전압이 더 커지는 경우, 이산 저항 요소들의 배치 순서와 비교기(140)의 작동방식에 따라 그 출력 신호는 저수준에서 고수준으로 또는 고수준에서 저수준으로 천이된다. 한편, 카운터(150)에서는 멀티플랙서(130)의 이산 저항 요소들(R₁~R_N)에 대한 순차적인 멀티플랙싱을 카운트 하게 된다. 여기서 카운트 정보는 비교기(140)의 신호 천이 시점에 따른 이산 저항 요소들(R₁~R_N)의 순번에 대한 정보를 제공하게 되며, 결과적으로 순번 정보는 비교기(140)의 출력 천이 시점에 따른 이산 저항 요소의 온도변환 정보를 제공하는 것과 같은 역할을 하게 된다. 그리고 이 온도변환 정보는 측정 시스템에 미리 설정된 각 이산 저항 요소들(R₁~R_N)에 대응하는 온도 정보를 제공할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 도 3에 보인 디지털 온도센서를 이용한 디지털 온도 측정 시스템에 대한 개략적인 블록도이다. 시스템은 센싱부(200), 메모리(260), 디스플레이(270), 및 제어부(280)를 포함한다.

센싱부(200)는 기준신호발생부(210), 온도센싱부(220), 멀티플랙서(230), 비교기(240) 및 카운터(250)가 포함된다.

메모리(260)는 측정 온도 범위 내의 분해능에 따른 각 이산 저항 요소별 온도변환 정보가 기록된다.

디스플레이(270)는 디지털 온도를 표시한다.

제어부(280)는 비교기(240) 출력이 변화하는 시점의 카운터(250) 계수값에 따른 이산 저항 요소의 온도변환 정보에 대응하는 온도 정보를 메모리(260)로부터 획득하고, 메모리(260)로부터 획득한 온도 정보가 디스플레이(270)에 표시되도록 시스템을 제어한다.

위와 같은 디지털 온도 측정 시스템은 비교기(240)의 출력 레벨 천이 시점의 카운트 정보가 제어부(280)에 전달되며, 카운트 정보에 따른 이산 저항 요소의 순번 정보로부터 온도변환 정보에 따른 온도 정보를 획득할 수 있게 된다. 즉, 수학 식 3에 의해 저항값들을 달리한 이산 저항 요소들 중 측정 온도 범위 내 특정 온도 T℃에서 기준 저항값과 동일한 저항값을 갖는 이산 저항값을 갖는 이산 저항 요소가 존재하며, 또한 이 때 온도가 ΔT만큼 증가한다면 각 이산 저항 요소들은 수학식 1에 의해 그 저항값들이 증가하여 앞선 온도 T℃에서 기준 저항값과 동일한 저항값을 갖는 이산 저항 요소에 이웃한 이산 저항 요소의 저항값이 기준 저항값과 동일하게 되는 것으로부터 이산 저항 요소들의 저항값들의 변화로부터 온도 변화를 측정할 수 있는 것이다. 다시 말하면, 측정 온도 범위 내에서의 이산 저항 요소들 중 첫 번째 저항 요소에 해당하는 온도변환 정보로부터 최소 온도를 알 수 있으며, 온도 상승 시 비교기(240)에서 최초로 레벨을 변화시키는 순번의 이산 저항 요소에 대응하는 온도 변환정보를 메모리에서 탐색하여 해당 온도를 측정할 수 있게 되는 것이다.

도 5는 이산 저항 요소들을 박막 백금을 소재로 형성하여 30℃~40℃의 온도 범위에서 0.2℃의 분해능을 가지며 온도를 측정할 수 있도록 설계된 본 발명의 실시예에 따른 이산 저항 요소들의 저항값 변화를 나타낸 테이블이다. 이산 저항 요소들은 모두 51개로 형성되며, 최소 길이 및 최대 길이는 각각 7494㎛, 7794㎛, 비저항 74 μΩ ×㎝, 저항 온도 상수는 3800ppm/℃, 두께는 300Å, 폭은 2㎛, 그리고 기준 저항값은 100㏀으로 설정하였다. 도면에는 30℃ ~ 31.6℃ 온도 범위에서 0.2℃의 온도차로 온도가 변할 때 첫 번째 부터 8번째 까지의 저항 요소들(R_01 ~ R_08)의 각 온도에서의 저항값들을 보였다.

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 온도 측정 시스템의 동작을 살펴보면, 먼저 측정 온도 범위의 최소 온도인 30℃에서 첫 번째 저항 요소의 저항값은 기준 저항값과 동일한 100000.0Ω 이며, 다른 저항 요소들의 저항값은 비교 저항값보다 작다. 이후, 온도가 31℃로 상승한 경우에 비교기의 출력신호는 5번째 저항 요소(R_05)까지는 레벨 변화가 발생하지 않고, 6번째 저항 요소(R_06)에 대해 멀티플랙싱이 될 때에 출력 레벨이 변화가 발생한다. 이때 카운터(250)는 카운트 정보 '6'을 제어부(280)에 전달하게 된다. 제어부(280)에서는 전달된 카운트 정보 '6'으로부터 메모리(260)에서 6번째 저항 요소(R_06) 에 대응하는 온도변환 정보로부터 온도 정보, 즉 31℃를 획득한다. 그리고 제어부(280)는 획득된 온도 정보를 디스플레이(270)에 표시한다.

도 6은 이산 저항 요소들을 박막 티타늄을 소재로 하여 30℃~40℃의 온도 범위에서 0.5℃의 분해능을 가지며 온도를 측정할 수 있도록 설계된 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸 테이블이다. 이산 저항 요소들은 모두 21개이며, 최소 길이 및 최대 길이는 각각 769.2㎛, 789.5㎛, 비저항 74 μΩ ×㎝, 저항 온도 상수는 2600ppm/℃, 두께는 500Å, 폭은 2㎛, 그리고 기준 저항값은 6㏀으로 설정하였다. 도 6에서 측정 온도 범위 내 분해능에 따라 저항값을 달리한 각 이산 저항 요소들이 해당 온도에서의 저항값들이 모두 6000.0으로 미리 설정한 기준 저항 요소의 저항값과 일치되고 있음을 볼 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 디지털 온도 센서, 온도 측정 시스템 및 측정 방법에 의하면 자체 열 발생에 대한 성분을 구조적으로 보상할 수 있으며, ADC 없이 측정 온도의 디지털 표시가 가능하므로 온도를 판독하는 회로를 단순화할 수 있다.

또한, 본 발명의 센서 및 시스템은 저전력 하에서의 온도 측정이 용이하다.

또한, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정을 이용하여 집적화된 소형 센서를 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims

적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부;

서로 병렬 연결된 복수의 이산 저항 요소들로 형성된 온도센싱부;

상기 복수의 이산 저항 요소들이 상기 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 함께 순차적으로 전원 전압을 전압 분배하도록 멀티플랙싱하는 멀티플랙서;

상기 기준 저항 요소와 상기 멀티플랙서에 의해 선택된 이산 저항 요소에 의해 분배된 각 전압을 비교하는 비교기; 및

상기 멀티플랙서의 순차적인 스위칭을 카운트하는 카운터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
제 1항에 있어서,

상기 복수 이산 저항 요소들의 개수는 측정 온도 범위와 분해능에 따라 다음 수학식:

{ N: 이산 저항 요소들의 개수

T_max: 측정하고자 하는 온도범위 내 최대 온도

T_min: 측정하고자 하는 온도범위 내 최저 온도

ΔT: 측정하고자 하는 최소 온도차(온도 분해능)}에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
제 1항에 있어서,

상기 측정 온도 범위의 중간 온도 T_C에서의상기 각 이산 저항 요소들의 저항값들은 다음 수학식:

{ R_m: 온도 T_C ,즉 (T_max + T_min )/2에서의 m번째 저항 요소의 저항값

R_ref: 기준 저항값

N: 이산 저항 요소들의 개수

ΔT: 측정하고자 하는 최소 온도차(온도 분해능)}에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
제1항에 있어서, 상기 기준 저항 요소의 저항값은 임의의 값으로 설정하고,

전체 이산 저항 요소들이 홀수의 N개로 구성되는 경우, 측정 온도 범위의 중간 온도에서 (N+1)/2번째 저항 요소의 저항값은 상기 기준 저항 요소의 저항값과 동일한 값으로 설정하며,

전체 이산 저항 요소들이 짝수의 N개로 구성되는 경우, 측정 온도 범위의 중간 온도에서 N/2 또는 (N/2)+1번째 저항 요소들 중 하나의 저항값은 상기 기준 저항 요소의 저항값과 동일한 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
제 4항에 있어서,

상기 기준 저항 요소는 상기 이산 저항 요소들과 동일한 재료로 제작하고 써말 실드(Thermal shield)를 형성한 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
제 4항에 있어서,

상기 기준 저항 요소는 써말 실드(Thermal shield)를 형성하지 않을 경우에는 상기 이산 저항 요소의 재료보다 저항 온도 계수(TCR: temperature coefficient of resistance)가 매우 작은 재료를 이용하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
제 5항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기준 저항 요소 및 상기 이산 저항 요소들은 서로 다른 레이어에 형성하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 센서.
적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부;

서로 병렬 연결된 복수의 이산 저항 요소들로 형성된 온도센싱부;

상기 복수의 이산 저항 요소들이 상기 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 함께 순차적으로 전원 전압을 분배하도록 멀티플랙싱하는 멀티플랙서;

상기 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 상기 멀티플랙서에 의해 선택된 이산 저항 요소에 의해 분배된 각 전압을 비교하는 비교기;

상기 멀티플랙서의 순차적인 스위칭을 카운트하는 카운터;

상기 각 이산 저항 요소들에 대해 측정 온도 범위 내의 분해능에 따른 이산 저항 요소별 온도변환 정보가 기록된 메모리; 및

상기 비교기 출력이 변화하는 시점의 상기 카운터 계수값에 따른 이산 저항 요소에 대응하는 온도 정보를 상기 메모리로부터 획득하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제 8항에 있어서,

디지털 온도를 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하며,

상기 제어부는 상기 메모리로부터 획득한 온도 정보를 표시하도록 상기 디스플레이를 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제 8항에 있어서,

상기 측정 온도 범위와 분해능에 따른 상기 복수 이산 저항 요소들의 개수는 다음 수학식:

{ N: 이산 저항 요소들의 개수

T_max: 측정하고자 하는 온도 범위 내 최대 온도

T_min: 측정하고자 하는 온도 범위 내 최저 온도

ΔT: 측정하고자 하는 최소 온도차(온도 분해능)}에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제 8항에 있어서,

상기 측정 온도 범위의 중간 온도 T_C에서의 상기 분해능의 정수배에 따른 각 이산 저항 요소들의 값들은 다음 수학식:

{ R_m: 온도 T_C ,즉 (T_max + T_min )/2에서의 m번째 저항 요소의 저항값

R_ref: 기준 저항값

N: 이산 저항 요소들의 개수

ΔT: 측정하고자 하는 최소 온도차(온도 분해능)}에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제8항에 있어서, 상기 기준 저항 요소의 저항값은 임의의 값으로 설정하고,

전체 이산 저항 요소들이 홀수의 N개로 구성되는 경우, 측정 온도 범위의 중간 온도Tc에서 (N+1)/2번째 저항 요소의 저항값은 상기 기준 저항 요소의 저항값과 동일한 값으로 설정하며,

전체 이산 저항 요소들이 짝수의 N개로 구성되는 경우, 측정 온도 범위의 중간 온도Tc에서 N/2 또는 (N/2)+1번째 저항 요소들 중 하나의 저항값은 상기 기준 저항 요소의 저항값과 동일한 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제 12항에 있어서,

상기 기준 저항 요소는 상기 이산 저항 요소들과 동일한 재료로 제작하고 써말 실드(Thermal shield)를 형성한 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제 12항에 있어서,

상기 기준 저항 요소는 써말 실드(Thermal shield)를 형성하지 않을 경우에는 상기 이산 저항 요소들의 재료보다 저항 온도 계수(TCR: temperature coefficient of resistance)가 매우 작은 재료를 이용하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
제 13항 및 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기준 저항 요소 및 상기 이산 저항 요소들은 서로 다른 레이어에 형성하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 시스템.
서로 병렬 연결된 이산 저항 요소들에 대해 측정 온도 범위 내의 분해능에 따른 각 이산 저항 요소별 온도변환 정보를 설정하는 단계;

적어도 하나 이상의 저항 요소로 형성된 기준신호발생부의 기준 저항 요소와 상기 복수의 이산 저항 요소들이 순차적으로 전압 분배를 수행할 수 있도록 멀티플랙싱하는 단계;

상기 순차적 멀티플랙싱을 카운트하는 단계;

상기 기준 저항 요소와 상기 멀티플랙싱으로 선택된 이산 저항 요소에 의해 각각 분배된 전압을 비교하는 단계;

상기 비교기 출력이 변화하는 시점의 상기 카운터 계수값에 따른 상기 메모리의 해당 이산 저항 요소에 대응하는 온도변환 정보로부터 측정된 온도 정보를 획 득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 온도 측정 방법.