KR101156732B1 - 환경 센서 및 환경 센서 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경 센서 및 환경 센서 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전 용량 방식을 사용하는 환경 센서 및 환경 센서 제작 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 메탈이 증착되어 있는 폴리머 박막과 상기 폴리머 박막을 지지하기 위한 지지부재를 포함하는 상부 구조물과 상기 상부 구조물의 지지부재가 안착되는 안착부와 상기 안착부의 내부에 전극을 형성하고 있는 전극부를 포함함을 특징으로 하는 하부 구조물을 포함하는 환경 센서를 제안한다.

Description

환경 센서 및 환경 센서 제작 방법{Environmental measurement sensor}

본 발명은 환경 센서 및 환경 센서 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전 용량 방식을 사용하는 환경 센서 및 환경 센서 제작 방법에 관한 것이다.

환경측정용 센서는 바람에 의해 회전하는 3배 식 풍속센서에서 최근의 풍향까지 감지 가능한 초음파식 센서로 발전하였다. 초음파식 센서는 성능이 우수하고 내환경이 뛰어나 기상관측용으로 적합하나 크기가 비교적 크고 가격이 높아, 센서 네트워크 또는 유비쿼터스 환경에 적용하기에는 부족한 면이 있다. 따라서 소형화 및 저가격화에 대한 개발요구가 높아지고 있는 현실에서 MEMS 기술을 이용한 환경 측정용 센서는 하나의 대안으로 기대되고 있다. MEMS 풍속센서는 공조기용 또는 휴대용 풍속센서로 활용되어 왔고 자동차의 흡기공기량을 측정하는 MAF(Mass Air Flow) 센서로 적용된 예가 있으나, 풍향과 풍속을 동시에 측정할 수 있는 초소형 MEMS 제품은 나오지 않았다.

도 1은 발열체(100)와 온도센서(110-1, 110-2)를 포함하는 환경 측정용 센서의 원리를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 의하면 환경 측정용 센서는 발열체(100), 발열체(100)와 일정거리 이격되어 있는 온도센서(110-1, 110-2)를 포함한다.

발열체(100)는 센서의 중앙부에 위치하며, 설정된 온도로 발열한다. 일반적으로 발열체(100)는 공급된 전원을 이용하여 발열을 수행한다. 도 1에 의하면, 바람이 불지 않는 경우 발열체(100)로부터의 거리에 따른 온도 변화는 실선으로 도시되어 있다. 일반적으로 발열체(100)를 기준으로 좌우의 온도 변화는 동일하다. 즉, 발열체(100)의 상단 부위의 온도가 가장 높으며, 발열체로부터 거리가 멀어질수록 온도가 낮아지게 된다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 발열체(100)로부터 일정 거리 이격되어 있는 지점에 열을 전달받을 수 있는 온도센서(110-1, 110-2)가 배치된다. 도 1에 의하면, 발열체(100)로부터 이격되어 있는 두 개의 온도센서들(110-1, 110-2)은 발열체(100)를 기준으로 동일한 간격으로 이격되어 있다. 따라서 두 개의 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열은 동일하다. 온도센서(110-1, 110-2)는 열을 받으면, 열기전력을 발생시키는 기능을 수행한다.

그러나 도 1의 점선에서와 센서의 상부에 좌측에서 우측으로 바람이 불면, 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열은 달라진다. 즉, 좌측에 위치하고 있는 온도센서(110-1)로 전달되는 열에 비해 우측에 위치하고 있는 온도센서(110-2)로 전달되는 열이 많아지게 된다. 이와 같이 센서는 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열의 차이로 인해 풍속과 풍향을 측정한다. 즉, 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열의 차이가 크면 풍속이 강한 것으로 판단하며, 온도센서들(110-1, 110-2)로 전달되는 열의 차이가 작으면 풍속이 약한 것으로 판단한다.

환경 측정용 센서는 초소형화 및 저가격화, 감도가 높은 특징이 있으나, 센서의 특성상 감지부가 외부환경에 노출되어 공기 중의 먼지(황사), 비 또는 눈 등에 의해 발열체 및 온도센서(thermopile)가 오염되거나 감도가 낮아져 오동작이 유발될 수 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 기존 환경 센서는 열전달의 효율성을 증대시키기 위해서는 멤브레인 구조물을 아주 얇게 제작하여야 한다는 문제점을 해결하기 위한 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 제작 공정이 비교적 간단하며, 소비되는 전력을 최소화할 수 있는 환경 센서를 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 기존 환경 센서는 낮은 제조 수율을 갖는 공정으로 인해 제작 단가가 높은 문제점을 해결하기 위해 높은 제조 수율을 갖고, 사용 시간 등 신뢰성이 높은 환경 센서를 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 환경 센서는 메탈이 증착되어 있는 폴리머 박막과 상기 폴리머 박막을 지지하기 위한 지지부재를 포함하는 상부 구조물, 상기 상부 구조물의 지지부재가 안착되는 안착부와 상기 안착부의 내부에 전극을 형성하고 있는 전극부를 포함함을 특징으로 하는 하부 구조물을 포함한다.

이를 위해 본 발명의 환경 센서는 메탈이 증착되어 있는 폴리머 박막과 상기 폴리머 박막을 지지하기 위한 지지부재를 포함하는 상부 구조물, 상기 상부 구조물의 지지부재가 안착되는 안착부와 상기 안착부의 내부에 전극을 형성하고 있는 전극부를 포함함을 특징으로 하는 하부 구조물을 포함하며, 상기 폴리머 박막과 상기 전극부 간의 정전 용량의 변화에 의해 풍속 또는 풍향 중 적어도 하나를 감지한다.

이를 위해 본 발명의 환경 센서는 전극부, 내부에 상기 전극부가 형성되어 있으며, 상기 전극부와 단차를 가지며, 상부 구조물이 안착되는 안착부, 상기 안착부의 일부 영역은 상기 상부 구조물과 전기적으로 연결되는 연결부를 형성하며, 상기 상부 구조물과 상기 전극부 간의 정전 용량의 변화에 의해 풍속 또는 풍향 중 적어도 하나를 감지한다.

본 발명에 따른 환경 센서는 상부 구조물의 전극과 하부 구조물의 전극 간의 정전용량을 이용하여 풍속 및 풍향을 측정하는 방안을 제안한다. 이와 같이 함으로서 종래 환경 센서가 갖는 제조 공정의 어려움 및 높은 제조 단가를 줄일 수 있게 된다. 즉, 본 발명에 따른 환경 센서는 제조 공정을 간단히 하며, 낮은 제조 단가를 가질 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 환경 센서는 별도의 히터를 구비하지 않아 소비되는 전력을 최소화할 수 있다는 장점을 가지게 된다.

도 1은 풍향 풍속 센서의 측면을 도시하고 있으며,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 상부 구조물과 하부 구조물을 도시하고 있으며,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 하부 구조물을 제조하는 제조 공정을 도시하고 있으며,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서를 이용하여 풍속 및 풍향을 측정하는 방식을 도시하고 있으며,
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 온도 감지 소자를 포함하고 있는 환경 센서를 도시하고 있으며,
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 감도를 향상시키기 위한 환경 센서 덮개를 도시하고 있으며,
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서 덮개를 환경 센서에 채용한 예를 도시하고 있으며,
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서를 채용하고 있는 센서 칩을 도시하고 있으며,
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 동작 특성을 도시한 그래프이다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 환경 센서를 구성하고 있는 상부 구조물과 하부 구조물 간의 정전용량의 변화를 이용하여 풍향 및 풍속을 감지하는 방안을 제안한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서를 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이 환경 센서는 상부 구조물(a)과 하부 구조물(b)로 구분되며, 상부 구조물(a)은 기류의 흐름에 대해 막의 변화가 쉽게 일어나기 위해 폴리머 등과 같은 필름(200)과 필름(200)을 팽팽한 형태로 유지시키기 위한 지지부재(202)를 포함한다.

지지부재(202)의 형태는 원형 또는 사각형, 다이아몬드 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 지지부재(202)는 플라스틱, 실리콘, SUS(스테인레스 강) 등과 같은 딱딱한 재질을 사용한다. 또한, 상부 구조물(a)은 전극부(204)를 형성하기 위해 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 Au, Cu 등과 같은 금속 물질이 증착되어 있다.

상부 구조물(a)이 놓이는 하부 구조물(b)은 캐패시턴스를 형성하기 위한 전극부(210)와 상부 구조물(a)이 놓이기 위한 안착부(212)를 포함한다. 안착부(212)는 상부 구조물(a)이 용이하게 안착되기 위해 2단 형태의 단차를 가지도록 생성하는 것이 바람직하다. 안착부(212)를 형성한 상부 구조물(a)은 상술한 바와 같이 캐패시턴스를 형성하기 위해 Au 등과 같은 금속 물질을 증착하여 전극부를 형성한다.

형성한 상부 구조물(a)과 하부 구조물(b)을 결합시키면, 상부 구조물(a)의 전극부(204)와 하부 구조물(b)의 전극부(210)는 캐패시턴스 형태의 환경 센서(c)를 형성하게 된다.

하부 구조물(b)은 상부 구조물(a)에 형성되어 있는 전극부(204)와 연결되는 연결부(214)를 형성하고 있으며, 연결부(214)는 하부 구조물(b)의 전극부(210)와 이격되도록 한다. 따라서 하부 구조물(b)에 형성되어 있는 연결부(214)와 전극부(210)를 이용하여 상부 구조물(a)(상부 구조물의 전극부(204))과 하부 구조물(b)의 전극부(210) 사이의 정전 용량을 측정할 수 있다. 또한, 상부 구조물(a)의 전극부(204)는 필름(200)에 증착되어 있으므로, 기류의 흐름에 따라 필름(200)의 막이 변형되며 이로 인해 정전 용량이 변하게 된다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 하부 구조물을 제작하기 위한 제작 공정을 도시한 도면이다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 하부 구조물 제작하기 위한 제작 공정에 대해 알아보기로 한다.

도 3(a)은 글래스 기판을 준비하여 세정하는 공정단계이다. 물론 글래스 기판 이외에 PCB, 테프론 등과 같은 절연 기판을 사용할 수 있다.

도 3(b)은 DFR(Dry-Film Resist)용 필름을 글래스 기판 위에 증착하는 공정단계이다.

도 3(c)은 DFR용 필름에 대해 패터닝을 수행하는 공정단계이다. 즉, 도 3(c)은 하부 구조물의 전극부를 형성하기 위한 영역을 확보하기 위해 DFR용 필름에 대해 패터닝을 수행한다.

도 3(d)은 패터닝을 수행한 후 노출된 글래스 부분을 식각하는 공정단계이다. 노출된 글래스 부분 식각 공정은 노출되지 않은 부분에 증착되어 있는 DFR 필름에 대한 식각 공정도 동시에 진행된다.

도 3(e)은 도 3(b)에서와 같이 DFR 필름을 증착하는 공정단계이다.

도 3(f)은 DFR용 필름에 대해 패터닝을 수행하는 공정단계이다. 즉, 도 3(f)은 하부 구조물의 전극부와 연결부를 형성하기 위한 영역을 확보하기 위해 DFR용 필름에 대해 패터닝을 수행한다.

도 3(g)은 패터닝을 수행한 후 노출된 글래스 부분을 식각하는 공정단계이다. 노출된 글래스 부분 식각 공정은 노출되지 않은 부분에 증착되어 있는 DFR 필름에 대한 식각 공정도 동시에 진행된다.

도 3(h)은 전극부와 연결부를 형성하기 위해 크롬이나 은 등과 같은 금속성 재질을 증착하는 공정단계이다. 금속성 재질을 증착하는 공정은 E-beam evaporation, 스퍼터링, 스크린 프린팅 공정 등 다양한 방법으로 수행할 수 있다.

도 3(i)은 전극부와 연결부를 물리적으로 이격시키기 위해, 전극부와 연결부를 형성할 영역을 확보하기 위해, PR을 이용하여 패터닝을 수행하는 공정단계이다.

도 3(j)은 도 3(h)공정에서 금속성 재질을 증착한 부분 중 도 3(i) 공정에서 PR을 적층하지 않은 부분을 식각하며, 동시에 PR을 식각하는 공정단계이다.

상술한 바와 같이 도 3에서 하부 구조물의 제작 공정에 대해 알아보았다. 상부 구조물은 지지부재를 포함하며, 지지부재는 상부 전극 역할을 수행하는 폴리머 박막을 팽팽한 상태를 유지하도록 붙인다. 폴리머 박막이 기류에 의해 상하로 움직이도록 일반적으로 지지부재는 도넛 형태로 구성한다. 도넛 형태로 구성된 지지부재에 붙어 있는 폴리머 박막의 움직임에 따라 정전 용량 값이 변한다.

상부 구조물과 하부 구조물을 결합한 후, 상부 구조물의 전극부와 하부 구조물의 전극부를 전기적으로 연결하면 환경 센서를 제작할 수 있다. 환경 센서는 사용하는 폴리머 박막의 두께, 도넛 형태의 지지부재의 두께, 상부 전극부와 하부 전극부의 간격에 따라 다양하게 제작할 수 있다.

도 4는 본 발명에서 제안하는 환경 센서를 이용하여 풍속 및 풍향을 측정하는 방식을 도시하고 있다.

도 4(a)에 의하면 환경 센서는 기류가 폴리머 박막에 수직 또는 경사진 형태로 부딪혀서 기류에 의한 폴리머 박막의 움직임을 센싱한다. 즉, 환경 센서는 기류에 의한 폴리머 박막의 움직임에 따른 정전 용량의 변화를 감지한다.

도 4(b)에 의하면 환경 센서는 폴리머 박막과 하부 전극 사이로 공기가 이동할 수 있는 채널을 형성한다. 환경 센서는 채널 속으로 이동하는 기류에 의한 압력 감소로 인한 폴리머 박막의 움직임을 감지하여 센싱한다. 즉, 환경 센서는 기류에 의한 폴리머 박막의 움직임에 따른 정전 용량의 변화를 감지한다.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 온도 감지 소자를 포함하고 있는 환경 센서를 도시하고 있다. 일반적으로 기류와 같은 주변 환경을 측정함에 있어서, 주변의 온도를 측정하는 것도 중요한 요소이다. 이를 위해 본 발명은 환경 센서의 일측에 금속, 압전 소자 등 다양한 재료를 사용하여 온도를 측정할 수 있는 온도 감지 소자가 포함된 환경 센서를 제안한다.

도 5에 의하면 환경 센서는 금속성 재질의 재료를 이용하여 금속 저항을 형성하였다. 온도 감지 소자는 Cr, NiCr, Cu, Pt 등 다양한 종류의 재료 등이 사용될 수 있으며, NiCr 저항선을 형성하여 온도 센서를 구성한다. 온도 감지 소자는 초기의 금속선 저항값을 형성하게 되고, 주변 온도에 대한 금속 재질의 압축, 팽창에 따른 저항값의 변화를 감지하여 온도의 변화를 감지한다. 온도의 표시는 온도 감지 소자의 저항값의 변화를 표시하거나, 또는 저항값의 변화를 전압의 값으로 표시할 수 있다. 온도 감지 소자의 제작 공정은 환경 센서 제작 중 하부 기판의 금속 배선 공정 시 온도 감지 소자를 패터닝 공정을 수행한 후, 온도 감지 소자를 작용할 부분을 다시 포토리소그래피 공정을 통해 금속 저항선 부분은 개방(Open)하여 제작한다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 감도를 향상시키기 위한 환경 센서 덮개를 도시하고 있다. 이하 도 6을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 감도를 향상시키기 위한 환경 센서 덮개에 대해 알아보기로 한다.

도 6에 의하면, 환경 센서 덮개는 환경 센서의 감도를 향상시키기 위해 폴리머 박막 부분만 비어있는 구조를 갖는다. 즉, 폴리머 박막 부분을 원뿔 형상으로 만들어 기류의 속도가 증가하도록 한다. 일반적으로 환경 센서는 기류의 속도가 저속인 경우, 기류의 속도 및 방향을 정확하게 감지하는 것이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 환경 센서 덮개는 상술한 바와 폴리머 박막의 상부를 개방되는 구조로 형성하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 이러한 형태의 환경 센서는 들어온 공기가 폴리머 박막에 부딪힌 후 나갈 수 있는 별도의 통로를 만들 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서 덮개를 환경 센서에 채용한 예를 도시하고 있다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 환경 센서 덮개를 환경 센서에 채용하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 환경 센서 덮개는 환경 센서로 들어오는 공기를 폴리머 박막에 집중되어 부딪히도록 원뿔 형상을 하고 있다.

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서를 채용하고 있는 센서 칩을 도시하고 있다. 이하 도 8을 이용하여 환경 센서를 채용하고 있는 센서 칩에 대해 알아보기로 한다.

도 8에 의하면 센서 칩은 본 발명에서 제안하는 풍향, 풍속 및 온도를 측정할 수 있는 환경 센서를 포함한다. 센서 칩은 기상 환경을 측정하고자 하는 지점에서 환경 센서로부터 측정된 정보를 수집한다. 물론 센서 칩은 본 발명에서 제안하는 환경 센서 이외에 다른 센서를 포함할 수 있으며, 센서 칩은 다른 센서에서 측정한 정보 역시 수집한다. 센서 칩은 내부에 통신부를 포함되어있는 경우, 통신부를 이용하여 수집된 정보를 외부로 전송할 수 있으며, 외부로부터 전송된 정보에 따라 환경 센서를 제어할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 동작 특성을 도시한 그래프이다. 이하 도 9를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 환경 센서의 동작 특성에 대해 알아보기로 한다.

도 9에 의하면, 환경 센서는 기류의 속도에 따라 정전 용량 값이 변화를 감지함을 알 수 있다. 즉, 기류의 속도가 증가할수록 정전용량도 함께 증가함을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

204: 상부 전극부 210: 하부 전극부
200: 필름 202: 지지부재
212: 안착부 214: 연결부

Claims (9)

1. 삭제
2. 메탈이 증착되어 있는 폴리머 박막과 상기 폴리머 박막을 지지하기 위한 지지부재를 포함하는 상부 구조물;
   상기 상부 구조물의 지지부재가 안착되는 안착부와 상기 안착부의 내부에 전극을 형성하고 있는 전극부를 포함함을 특징으로 하는 하부 구조물;
   상기 하부 구조물의 안착부와 전극부는 단차를 가지고 형성함을 특징으로 하는 환경 센서.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 하부 구조물은,
   상기 상부 구조물의 폴리머 박막과 전기적으로 연결되며, 상기 하부 구조물의 전극부와 전기적으로 이격되어 있는 연결부를 포함함을 특징으로 하는 환경 센서.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 하부 구조물은,
   상기 폴리머 박막과 상기 전극부로 공기가 이동할 수 있는 적어도 2개의 방향으로 공기가 이동할 수 있는 채널을 형성하고 있음을 특징으로 하는 환경 센서.
   
5. 제 4항에 있어서, 금속 재질을 갖는 온도 감지 소자를 포함함을 특징으로 하는 환경 센서.
   
6. 제 4항에 있어서, 상기 폴리머 박막으로 공기를 집중하기 위해 원뿔 형태로 비어 있는 부분이 상기 폴리머 박막의 상단에 안착되도록 형성된 환경 센서 덮개를 포함함을 특징으로 하는 환경 센서.
   
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