KR101758316B1 - 정전용량형 액체 레벨 감지 장치 및 소자 - Google Patents

Abstract

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 장치는 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하는 제1 커패시터; 상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 상기 제1 커패시터에 대하여 상대적으로 높은 곳에 위치하는 제2 커패시터; 상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 제1 디지털 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 메모리; 및 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 연산부를 포함한다.

Description

정전용량형 액체 레벨 감지 장치 및 소자{CAPACITIVE LIQUID LEVEL SENSING APPARATUS AND DEVICE}

이하 설명하는 기술은 정전용량형 액체 레벨 감지 장치 및 소자에 관한 것이다.

다양한 이유로 인하여 높은 정밀도의 액체 레벨 감지 장치가 요구된다. 일례로 세탁기에 채워진 물의 양이 증가하면, 물의 소비가 증가할 뿐만 아니라, 세탁기를 구동시키는데 소모되는 전력 또한 증가한다. 따라서 세탁기의 에너지 효율을 증가시키기 위해서는 세탁기에 채워지는 액체 일례로 물의 수위를 정밀하게 측정할 수 있는 액체 레벨 감지 장치가 요구된다. 또한, 높은 정밀도의 액체 레벨 감지 장치는 정수기, 세정 장치(wet station), 액체 보관 탱크, 실험 장비, 공정 장비 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

한국등록특허 제10-1562055호

정전용량형 액체 레벨 감지 장치는 2개의 전극이 액체에 잠겼을 때와 그렇지 아니할 때에, 정전용량에 차이가 있음을 이용한다. 일례로 2개의 전극이 액체에 잠겼을 때 정전용량이 증가한다. 따라서 액체의 레벨이 증가할수록 2개의 전극의 잠기는 면적이 증가하도록 2개의 전극을 설치하면, 액체의 레벨이 증가할수록 정전용량이 증가하게 되며, 정전용량으로부터 액체의 레벨을 예측할 수 있다.

그러나, 2개의 전극 사이의 정전용량은 액체의 레벨에 대한 함수일뿐만 아니라 액체의 유전율에 대한 함수이다. 액체의 유전율은 액체의 온도 및 액체의 종류(일례로 물과 함께 투입된 세제의 종류)에 따라 변화한다. 따라서 단순히 정전용량을 측정함으로써 정확한 액체의 레벨이 얻어질 수 없으며, 액체의 유전율이 변화하여도 보다 정확한 레벨을 얻을 수 있는 정전용량형 액체 레벨 감지 장치가 요구된다.

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 장치는 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하는 제1 커패시터; 상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 상기 제1 커패시터에 대하여 상대적으로 높은 곳에 위치하는 제2 커패시터; 상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 제1 디지털 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 메모리; 및 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 연산부를 포함한다.

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 방법은 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하는 제1 커패시터; 상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 상기 제1 커패시터에 대하여 상대적으로 높은 곳에 위치하는 제2 커패시터; 및 상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 액체 레벨 감지 장치가 액체 레벨을 감지하는 방법에 있어서, 상기 제1 디지털 값의 시작 값을 구하는 단계; 상기 액체의 상기 레벨이 상기 제1 커패시터의 시작 높이와 끝 높이 사이에 위치하는 동안에 상기 제1 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 단계; 상기 제1 디지털 값의 끝 값을 구하는 단계; 상기 시작 값 및 상기 끝 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 단계; 및 상기 액체의 상기 레벨이 상기 제2 커패시터의 시작 높이와 끝 높이 사이에 위치하는 동안에 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 상기 측정 레벨을 계산하는 단계를 포함한다.

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 소자는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 아래에 배치된 제1 도전층; 및 상기 제1 도전층 아래에 배치된 제2 절연층을 포함하며, 상기 제1 도전층은 높이 방향으로 길게 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극에 인접하게 배치되며 높이 방향으로 길게 형성된 제2 전극; 및 상기 제1 전극에 인접하게 배치되며, 높이 방향으로 길게 형성되며, 상기 제2 전극보다 상대적으로 높은 곳에 위치하는 제3 전극을 포함한다.

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 장치는 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 짧게 형성된 제1 커패시터; 상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 길게 형성된 제2 커패시터; 상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 액체의 상기 레벨이 상기 제1 커패시터에 위치할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 메모리; 및 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 연산부를 포함한다.

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 방법은 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 짧게 형성된 제1 커패시터; 상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 길게 형성된 제2 커패시터; 및 상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 액체 레벨 감지 장치가 액체 레벨을 감지하는 방법에 있어서, 상기 제2 디지털 값의 시작 값을 구하는 단계; 상기 액체의 상기 레벨이 상기 제2 커패시터의 시작 높이와 상기 제1 커패시터의 높이 사이에 위치하는 동안에 상기 제2 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 단계; 상기 제1 디지털 값이 임계 값을 통과할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값을 구하는 단계; 상기 시작 값 및 상기 제1 디지털 값이 상기 임계 값을 통과할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 단계; 및 상기 액체의 상기 레벨이 상기 제1 커패시터의 높이와 상기 제2 커패시터의 끝 높이 사이에 위치하는 동안에 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 상기 측정 레벨을 계산하는 단계를 포함한다.

일실시예에 의한 정전용량형 액체 레벨 감지 소자는 제1 절연층; 상기 제1 절연층의 아래에 배치된 제1 도전층; 및 상기 제1 도전층의 아래에 배치된 제2 절연층을 포함하며, 상기 제1 도전층은 높이 방향으로 길게 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극에 인접하게 배치되며 높이 방향으로 짧게 형성된 제2 전극; 및 상기 제1 전극에 인접하게 배치되며, 높이 방향으로 길게 형성된 제3 전극을 포함한다.

이하 설명하는 기술은 액체의 유전율이 변화함에도 불구하고 보다 정확한 액체의 레벨을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 제1 실시예에 의한 액체 레벨 감지 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 액체의 레벨의 변화에 따른 제2 커패시터의 정전용량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에서 액체의 레벨의 변화에 따른 제1 디지털 값 및 제2 디지털 값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 및 제2 커패시터의 변형 예들을 나타내는 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 각각 도 1에 표현된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 구비한 액체 레벨 감지 소자의 평면도 및 단면도를 나타내는 도면이다.
도 6은 제2 실시예에 의한 액체 레벨 감지 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에서 액체의 레벨의 변화에 따른 제1 디지털 값 및 제2 디지털 값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 제1 및 제2 커패시터의 변형 예들을 나타내는 도면이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 각각 도 6에 표현된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 구비한 액체 레벨 감지 소자의 평면도 및 단면도를 나타내는 도면이다.

이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

도 1은 제1 실시예에 의한 액체 레벨 감지 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 액체 레벨 감지 장치는 제1 커패시터(110), 제2 커패시터(120), 아날로그-디지털 변환기(130), 메모리(140) 및 연산부(150)를 포함한다.

제1 커패시터(110)는 제1 전극(180) 및 제2 전극(182)에 의하여 형성된 커패시터이다. 제1 커패시터(110)의 정전용량인 제1 정전용량은 액체(170)의 레벨이 증가함에 따라 증가한다. 액체(170)는 용기(160) 내에 위치한다. 용기(160)는 일례로 세탁기의 수조통일 수 있으며, 액체(170)는 일례로 물일 수 있다.

제2 커패시터(120)는 제1 전극(180) 및 제3 전극(184)에 의하여 형성된 커패시터이다. 제2 커패시터(120)는 제1 커패시터(110)에 대하여 상대적으로 높은 곳에 위치한다. 제2 커패시터(120)의 정전용량인 제2 정전용량은 액체(170)의 레벨이 증가함에 따라 증가한다.

아날로그-디지털 변환기(130)는 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값(D1) 및 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값(D2)를 출력한다. 이를 위하여 아날로그-디지털 변환기(130)는 제1 아날로그-디지털 변환 유닛(131) 및 제2 아날로그 디지털 변환 유닛(132)를 포함할 수 있다. 제1 아날로그-디지털 변환 유닛(131)의 입력단들은 제1 전극(180) 및 제2 전극(182)에 전기적으로 연결되어 있다. 제2 아날로그-디지털 변환 유닛(132)의 입력단들은 제1 전극(180) 및 제3 전극(184)에 전기적으로 연결되어 있다. 도면에는 2개의 아날로그-디지털 변환 유닛들(131, 132)이 제1 및 제2 디지털 값들(D1, D2)을 출력하는 경우가 예시되어 있으나, 도면과 달리 하나의 아날로그-디지털 변환 유닛이 시분할 방식으로 동작하여 제1 및 제2 디지털 값들(D1, D2)을 출력할 수도 있다.

메모리(140)는 제1 디지털 값(D1)에 대응하는 보정 파라미터(P)를 저장한다. 보정 파라미터(P)는 일례로 제1 디지털 값(D1)의 최초 값과 최후 값의 차에 해당한다.

연산부(150)는, 액체(170)의 레벨이 제1 커패시터(110)의 시작 높이(L1)와 끝 높이(L2) 사이에 있는 경우에, 제1 디지털 값(D1)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다. 또한, 연산부(150)는, 액체(170)의 레벨이 제2 커패시터(120)의 시작 높이(L3)와 끝 높이(L4) 사이에 있는 경우에, 보정 파라미터(P) 및 제2 디지털 값(D2)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다.

도 2는 도 1에서 액체(170)의 레벨의 변화에 따른 제2 커패시터(120)의 정전용량의 변화를 나타내는 도면이다. 도 1 및 2를 참조하면, 액체(170)의 레벨이 제2 커패시터(120)의 시작 높이(L3)와 끝 높이(L4) 사이에 있는 경우, 액체(170)의 레벨이 증가함에 따라 정전용량도 증가한다. 온도 또는 액체(170)의 종류가 바뀜에 따라 유전율이 변경되고, 유전율이 변경됨에 따라 정전용량 또한 변경된다. 도면에서 실선은 액체(170)의 유전율이 상대적으로 낮은 경우에 정전용량의 변화를 표시하고 있으며, 점선은 액체(170)의 유전율이 상대적으로 높은 경우에 정전용량의 변화를 표시하고 있다. 따라서 유전율이 고정되어 있지 아니하는 경우에 정전용량의 측정만으로 액체(170)의 레벨을 정확하게 예측할 수 없다. 도 1에 도시된 액체 레벨 감지 장치는 이와 같이 유전율이 변경됨에도 불구하고 보다 정확하게 액체(170)의 레벨을 예측하기 위한 장치이다.

도 3은 도 1에서 액체(170)의 레벨의 변화에 따른 제1 디지털 값(D1) 및 제2 디지털 값(D2)의 변화를 나타내는 도면이다. 도 1 및 3을 참조하여 액체 레벨 감지 방법을 설명하면, 제1 디지털 값(D1)의 시작 값(D1[L1])을 구한다(S11). 제1 디지털 값(D1)의 시작 값(D1[L1])은 액체(170)의 레벨이 제1 커패시터(110)의 시작 높이(L1)에 위치하거나 또는 그보다 낮은 곳에 위치하는 때에 측정된 제1 디지털 값(D1)에 해당한다.

액체(170)의 레벨이 제1 커패시터(110)의 시작 높이(L1)와 끝 높이(L2) 사이에 위치하는 동안에 제1 디지털 값(D1)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다(S12). 이 기간에는 측정된 보정 파라미터가 존재하지 아니하므로 일례로 수학식 1과 같이 측정 레벨(EL)이 계산될 수 있다.

상기 수학식에서 D1[L]은 액체(170)의 레벨이 제1 커패시터(110)의 시작 높이(L1)와 끝 높이(L2) 사이에 위치하는 동안에 구한 제1 디지털 값(D1)이다. Ppre는 소정의 상수로서, 일례로 액체 레벨 측정 장치의 제조 시에 정해진 값일 수 있으며, 다른 예로 이전에 구해진 보정 파라미터일 수 있다.

제1 디지털 값(D1)의 끝 값(D1[L2])을 구한다(S13). 제1 디지털 값(D1)의 끝 값(D1[L2])은 액체(170)의 레벨이 제1 커패시터(110)의 끝 높이(L2)에 위치하거나 또는 그보다 높은 곳에 위치하는 때에 측정된 제1 디지털 값(D1)에 해당한다. 일례로 연산부(150)는 제1 디지털 값(D1)의 증가가 멈추고 제2 디지털 값(D2)의 증가가 시작될 때 측정된 제1 디지털 값(D1)을 끝 값(D1[L2])으로서 메모리(140)에 저장할 수 있다.

시작 값(D1[L1])과 끝 값(D1[L2])에 대응하는 보정 파라미터(P)를 메모리(140)에 저장한다(S14). 보정 파라미터(P)는 일례로 아래의 수학식 2와 같이 구해질 수 있다.

보정 파라미터는 (D1[L2]-D1[L1])에 대한 함수이면 충분하므로, 상기 수학식 2 이외에 다양한 방식으로 표현될 수 있다. 보정 파라미터가 다른 방식으로 표현되면, 그에 부합하게 수학식 1 및 3도 변경되면 된다.

액체(170)의 레벨이 제2 커패시터(120)의 시작 높이(L3)와 끝 높이(L4) 사이에 위치하는 동안에, 보정 파라미터(P) 및 제2 디지털 값(D2)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다(S15). 일례로 수학식 3과 같이 측정 레벨(EL)이 계산될 수 있다.

상기 수학식에서 D2[L]은 액체(170)의 레벨이 제2 커패시터(120)의 시작 높이(L3)와 끝 높이(L4) 사이에 위치하는 동안에 구한 제2 디지털 값(D2)이다. 이와 같은 방식으로 측정 레벨(EL)을 계산하면, 보정 파라미터(P)에 의하여 유전율에 의한 영향이 제거되므로, 보다 정확한 레벨이 계산될 수 있다.

상술한 설명은 디지털 값들(D1, D2)이 높이(L)와 선형적인 관계를 가지는 경우를 중심으로 설명되었다. 하지만, 상술한 설명은 비선형적인 경우에도 적용될 수 있다. 일례로 측정 레벨(EL)은 하기의 수학식과 같이 계산될 수 있다.

상기 수학식에서 F{x}는 x에 대한 비선형 함수로서, 일례로 x를 입력으로 하는 룩업 테이블(lookup table) 형태로 메모리(140)에 저장되어 있을 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 제1 및 제2 커패시터의 변형 예들을 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 제2 전극(412) 및 제3 전극(414)는 높이 방향으로 서로 중첩된 영역을 가진다는 점을 제외하고는 도 1의 제2 전극(182) 및 제3 전극(184)와 동일하다. 따라서 수학식 1 내지 3이 그대로 사용될 수 있다. 다만, 수학식 3이 적용되는 구간이 L2와 L4 사이라는 차이점이 존재한다.

도 4의 (b)를 참조하면, 액체 레벨 측정 장치는 제1 커패시터(420) 및 제2 커패시터(422)에 부가하여 제3 커패시터(424)를 포함한다. 도 1 및 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 액체의 레벨이 제2 커패시터(422)에 대응할 때에는, 제1 커패시터(420)을 이용하여 구한 보정 파라미터를 사용하여 보정된 레벨을 구한다. 액체의 레벨이 제3 커패시터(424)에 대응할 때에는, 제1 커패시터(420)을 이용하여 구한 보정 파라미터 및 제2 커패시터(422)을 이용하여 구한 보정 파라미터 중 적어도 어느 하나를 사용하여 보정된 레벨을 구한다.

도 4의 (c)를 참조하면, 제1 커패시터(430)는 제1 전극(432) 및 제2 전극(434)를 구비하고, 제2 커패시터(430)는 제3 전극(442) 및 제4 전극(444)를 구비한다.

도 5의 (a) 및 (b)는 각각 도 1에 표현된 제1 커패시터(110) 및 제2 커패시터(120)를 구비한 액체 레벨 감지 소자의 평면도 및 단면도를 나타내는 도면이다. 도 1에는 제1 및 제2 커패시터(110, 120)가 개념적으로 표현되어 있으나, 실제에는 일례로 도 5와 같이 구현될 수 있다.

도 5를 참조하면, 액체 레벨 감지 소자는 제1 내지 제4 절연층(520, 540, 560, 580), 제1 내지 제3 도전층(530, 550, 570) 및 제1 내지 제2 발수코팅층(510), 590)을 포함한다. 제1 내지 제4 절연층(520, 540, 560, 580)은 일례로 PET(polyethylene terephthalate) 필름일 수 있다. 제1 내지 제3 도전층(530, 550, 570)은 일례로 실버 페이스트(silver paste)일 수 있다. 제1 내지 제2 발수코팅층(510, 590)은 일례로 불소 코팅일 수 있다.

제1 도전층(530)은 제1 내지 제3 전극(532, 534, 536)을 포함한다. 제1 전극(532)은 높이 방향으로 길게 형성되며, 공통 전극에 해당한다. 제2 전극(534)은 제1 전극(532)에 인접하게 배치되며 높이 방향으로 길게 형성된다. 제2 전극(534)과 제1 전극(532)에 의하여 제1 커패시터가 형성된다. 제3 전극(536)은 제1 전극(532)에 인접하게 배치되며 높이 방향으로 길게 형성되며, 제2 전극(534)보다 상대적으로 높은 곳에 위치한다. 제3 전극(536)과 제1 전극(532)에 의하여 제2 커패시터가 형성된다.

또한 제1 도전층(530)은 제2 전극용 패드(538)을 더 포함한다. 제2 전극용 패드(538)는 제2 전극(534)을 액체 레벨 감지 소자의 외부로 전기적으로 연결하기 위한 부분이다. 이를 위하여, 제2 전극용 패드(538)의 상부에 위치한 제1 절연층(520) 및 제1 발수코팅층(510)은 제거되어 있다. 이와 유사하게, 제1 및 제3 전극(532, 536) 중에서 제2 전극용 패드(538)와 같은 높이에 있는 부분도 제1 및 제3 전극(532, 536)을 액체 레벨 감지 소자의 외부로 전기적으로 연결하기 위한 부분이다. 따라서 해당 부분의 상부에 위치한 제1 절연층(520) 및 제1 발수코팅층(510)은 제거되어 있다.

제2 도전층(550)은 제2 전극(534)와 전기적으로 연결된 제4 전극(552)을 포함한다. 제4 전극(552)은 제2 전극(534)와 제2 전극용 패드(538)에 전기적으로 연결되어 있다. 제4 전극(552)이 제1 커패시터의 정전용량에 영향을 미치지 아니하도록 제4 전극(552)은 제1 전극(532)의 아래에 배치된다.

제3 도전층(570)은 제1 전극(532)과 전기적으로 연결된다. 제3 도전층(570)은 제1 전극(532)과 함께 제4 전극(552)을 감쌈으로써, 제4 전극(552)이 제1 커패시터의 정전용량에 영향을 미치지 아니하도록 한다.

도 6은 제2 실시예에 의한 액체 레벨 감지 장치를 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 액체 레벨 감지 장치는 제1 커패시터(610), 제2 커패시터(620), 아날로그-디지털 변환기(630), 메모리(640) 및 연산부(650)를 포함한다.

제1 커패시터(610)는 제1 전극(680) 및 제2 전극(682)에 의하여 형성된 커패시터이다. 제1 커패시터(610)는 제2 커패시터(620)에 비하여 높이 방향으로 상대적으로 짧게 형성되어 있다. 제1 커패시터(610)의 정전용량인 제1 정전용량은 액체(670)의 레벨이 증가함에 따라 증가한다. 액체(670)는 용기(660) 내에 위치한다. 용기(660)는 일례로 세탁기의 수조통일 수 있으며, 액체(670)는 일례로 물일 수 있다.

제2 커패시터(620)는 제1 전극(680) 및 제3 전극(684)에 의하여 형성된 커패시터이다. 제2 커패시터(620)는 제1 커패시터(610)에 대하여 상대적으로 높이 방향으로 길게 형성되어 있다. 제2 커패시터(620)의 정전용량인 제2 정전용량은 액체(670)의 레벨이 증가함에 따라 증가한다.

아날로그-디지털 변환기(630)는 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값(D1) 및 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값(D2)를 출력한다. 이를 위하여 아날로그-디지털 변환기(630)는 제1 아날로그-디지털 변환 유닛(631) 및 제2 아날로그 디지털 변환 유닛(632)를 포함할 수 있다. 제1 아날로그-디지털 변환 유닛(631)의 입력단들은 제1 전극(680) 및 제2 전극(682)에 전기적으로 연결되어 있다. 제2 아날로그-디지털 변환 유닛(632)의 입력단들은 제1 전극(680) 및 제3 전극(684)에 전기적으로 연결되어 있다. 도면에는 2개의 아날로그-디지털 변환 유닛들(631, 632)이 제1 및 제2 디지털 값들(D1, D2)을 출력하는 경우가 예시되어 있으나, 도면과 달리 하나의 아날로그-디지털 변환 유닛이 시분할 방식으로 동작하여 제1 및 제2 디지털 값들(D1, D2)을 출력할 수도 있다.

메모리(640)는 제2 디지털 값(D2)에 대응하는 보정 파라미터(P)를 저장한다. 보정 파라미터(P)는 일례로 제2 디지털 값(D2)의 최초 값과 액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)에 위치할 때 측정된 제2 디지털 값의 차에 해당한다. 액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)에 위치함은 제1 디지털 값(D1)이 소정의 임계값을 통과하는지 여부로부터 판단할 수 있다.

연산부(650)는, 액체(670)의 레벨이 제2 커패시터(660)의 시작 높이(L1)와 제1 커패시터(610)의 높이(L2) 사이에 있는 경우에, 제2 디지털 값(D2)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다. 또한, 연산부(650)는, 액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)의 높이(L2)와 제2 커패시터(620)의 끝 높이(L3) 사이에 있는 경우에, 보정 파라미터(P) 및 제2 디지털 값(D2)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다.

도 7은 도 6에서 액체(670)의 레벨의 변화에 따른 제1 디지털 값(D1) 및 제2 디지털 값(D2)의 변화를 나타내는 도면이다. 도 6 및 7을 참조하여 액체 레벨 감지 방법을 설명하면, 제2 디지털 값(D2)의 시작 값(D2[L1])을 구한다(S71). 제2 디지털 값(D2)의 시작 값(D2[L1])은 액체(670)의 레벨이 제2 커패시터(620)의 시작 높이(L1)에 위치하거나 또는 그보다 낮은 곳에 위치하는 때에 측정된 제2 디지털 값(D2)에 해당한다.

액체(670)의 레벨이 제2 커패시터(620)의 시작 높이(L1)와 제1 커패시터(610)의 높이(L2) 사이에 위치하는 동안에 제2 디지털 값(D2)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다(S72). 이 기간에는 측정된 보정 파라미터가 존재하지 아니하므로 일례로 수학식 5와 같이 측정 레벨(EL)이 계산될 수 있다.

상기 수학식에서 D2[L]은 액체(670)의 레벨이 제2 커패시터(620)의 시작 높이(L1)와 제1 커패시터(610)의 높이(L2) 사이에 위치하는 동안에 구한 제2 디지털 값(D2)이다. Ppre는 소정의 상수로서, 일례로 액체 레벨 측정 장치의 제조 시에 정해진 값일 수 있으며, 다른 예로 이전에 구해진 보정 파라미터일 수 있다.

액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)의 레벨(L2)에 대응할 때, 제2 디지털 값(D2)을 측정한다(S73). 액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)의 레벨(L2)에 대응하는지 여부는 제1 디지털 값(D1)을 소정의 임계값(TH)와 비교함으로써 판단할 수 있다. 일례로, 제1 디지털 값(D1)이 임계값(TH)보다 낮다가, 어느 시점에 임계값(TH)보다 높아지면, 해당 시점이 액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)의 레벨(L2)에 대응할 때에 해당한다.

D2[L1]과 D2[L2]에 대응하는 보정 파라미터(P)를 메모리(640)에 저장한다(S74). 보정 파라미터(P)는 일례로 아래의 수학식 6과 같이 구해질 수 있다.

보정 파라미터는 (D2[L2]-D2[L1])에 대한 함수이면 충분하므로, 상기 수학식 6 이외에 다양한 방식으로 표현될 수 있다. 보정 파라미터가 다른 방식으로 표현되면, 그에 부합하게 수학식 5 및 7도 변경되면 된다.

액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)의 높이(L2)와 제2 커패시터(620)의 끝 높이(L3) 사이에 위치하는 동안에, 보정 파라미터(P) 및 제2 디지털 값(D2)에 기반하여 측정 레벨(EL)을 계산한다(S75). 일례로 수학식 7과 같이 측정 레벨(EL)이 계산될 수 있다.

상기 수학식에서 D2[L]은 액체(670)의 레벨이 제1 커패시터(610)의 높이(L2)와 제2 커패시터(620)의 끝 높이(L3) 사이에 위치하는 동안에 구한 제2 디지털 값(D2)이다. 이와 같은 방식으로 측정 레벨(EL)을 계산하면, 보정 파라미터(P)에 의하여 유전율에 의한 영향이 제거되므로, 보다 정확한 레벨이 계산될 수 있다.

상술한 설명은 디지털 값들(D1, D2)이 높이(L)와 선형적인 관계를 가지는 경우를 중심으로 설명되었다. 하지만, 상술한 설명은 비선형적인 경우에도 적용될 수 있다. 일례로 측정 레벨(EL)은 하기의 수학식과 같이 계산될 수 있다.

상기 수학식에서 F{x}는 x에 대한 비선형 함수로서, 일례로 x를 입력으로 하는 룩업 테이블(lookup table) 형태로 메모리(640)에 저장되어 있을 수 있다.

도 8은 도 6에 도시된 제1 및 제2 커패시터의 변형 예들을 나타내는 도면이다. 도 8의 (a)를 참조하면, 액체 레벨 측정 장치는 제1 커패시터(810) 및 제2 커패시터(820)에 부가하여 제3 커패시터(830)를 포함한다. 도 6 및 7을 참조하여 설명된 바와 같이, 액체의 레벨이 제1 커패시터(810)의 레벨보다 높을 때에는 액체의 레벨이 제1 커패시터(810)에 도달했을 때 구한 보정 파라미터를 이용하여 보정된 레벨을 구한다. 액체의 레벨이 제3 커패시터(830)의 레벨보다 높을 때에는, 액체의 레벨이 제1 커패시터(810)에 도달했을 때 구한 보정 파라미터 및 액체의 레벨이 제3 커패시터(830)에 도달했을 때 구한 보정 파라미터 중 적어도 어느 하나를 사용하여 보정된 레벨을 구한다.

도 8의 (b)를 참조하면, 제1 커패시터(840)는 제1 전극(850)에서 돌출된 부분(852)와 제2 전극(860)을 포함한다.

도 9의 (a) 및 (b)는 각각 도 6에 표현된 제1 커패시터(610) 및 제2 커패시터(620)를 구비한 액체 레벨 감지 소자의 평면도 및 단면도를 나타내는 도면이다. 도 6에는 제1 및 제2 커패시터(610, 620)가 개념적으로 표현되어 있으나, 실제에는 일례로 도 9와 같이 구현될 수 있다.

도 9를 참조하면, 액체 레벨 감지 소자는 제1 내지 제4 절연층(920, 940, 960, 980), 제1 내지 제3 도전층(930, 950, 970) 및 제1 내지 제2 발수코팅층(910), 990)을 포함한다. 제1 내지 제4 절연층(920, 940, 960, 980)은 일례로 PET(polyethylene terephthalate) 필름일 수 있다. 제1 내지 제3 도전층(930, 950, 970)은 일례로 실버 페이스트(silver paste)일 수 있다. 제1 내지 제2 발수코팅층(910, 990)은 일례로 불소 코팅일 수 있다.

제1 도전층(930)은 제1 내지 제3 전극(932, 934, 936)을 포함한다. 제1 전극(932)은 높이 방향으로 길게 형성되며, 공통 전극에 해당한다. 제2 전극(934)은 제1 전극(932)에 인접하게 배치되며 높이 방향으로 짧게 형성된다. 제2 전극(934)과 제1 전극(932)에 의하여 제1 커패시터가 형성된다. 제3 전극(936)은 제1 전극(932)에 인접하게 배치되며 높이 방향으로 길게 형성된다. 제3 전극(936)과 제1 전극(932)에 의하여 제2 커패시터가 형성된다.

또한 제1 도전층(930)은 제2 전극용 패드(938)을 더 포함한다. 제2 전극용 패드(938)는 제2 전극(934)을 액체 레벨 감지 소자의 외부로 전기적으로 연결하기 위한 부분이다. 이를 위하여, 제2 전극용 패드(938)의 상부에 위치한 제1 절연층(920) 및 제1 발수코팅층(910)은 제거되어 있다. 이와 유사하게, 제1 및 제3 전극(932, 936) 중에서 제2 전극용 패드(938)와 같은 높이에 있는 부분도 제1 및 제3 전극(932, 936)을 액체 레벨 감지 소자의 외부로 전기적으로 연결하기 위한 부분이다. 이를 위하여, 해당 부분의 상부에 위치한 제1 절연층(920) 및 제1 발수코팅층(910)은 제거되어 있다.

제2 도전층(950)은 제2 전극(934)와 전기적으로 연결된 제4 전극(952)을 포함한다. 제4 전극(952)은 제2 전극(934)와 제2 전극용 패드(938)에 전기적으로 연결되어 있다. 제4 전극(952)이 제1 커패시터의 정전용량에 영향을 미치지 아니하도록 제4 전극(952)은 제1 전극(932)의 아래에 배치된다.

제3 도전층(970)은 제1 전극(932)과 전기적으로 연결된다. 제3 도전층(970)은 제1 전극(932)과 함께 제4 전극(952)을 감쌈으로써, 제4 전극(952)이 제1 커패시터의 정전용량에 영향을 미치지 아니하도록 한다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (20)

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11. 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 짧게 형성된 제1 커패시터;
    상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 길게 형성된 제2 커패시터;
    상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 액체의 상기 레벨이 상기 제1 커패시터에 위치할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 메모리; 및
    상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 연산부를 포함하는 정전용량형 액체 레벨 감지 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 커패시터는 제1 전극 및 제2 전극에 의하여 형성된 커패시터이며, 상기 제2 커패시터는 상기 제1 전극 및 제3 전극에 의하여 형성된 커패시터인 정전용량형 액체 레벨 감지 장치.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 짧게 형성되며, 상기 제1 커패시터에 대하여 상대적으로 높은 곳에 위치하는 적어도 하나의 제3 커패시터를 더 포함하는 정전용량형 액체 레벨 감지 장치.
14. 제11 항에 있어서,
    상기 보정 파라미터는 상기 제2 디지털 값의 최초 값과 상기 제1 디지털 값이 임계 값을 통과할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값의 차에 대응하는 정전용량형 액체 레벨 감지 장치.
15. 제11 항에 있어서,
    상기 액체의 상기 레벨이 상기 제2 커패시터의 시작 높이와 상기 제1 커패시터의 높이 사이에 있는 경우에 상기 연산부는 상기 제2 디지털 값에 기반하여 상기 측정 레벨을 계산하며,
    상기 액체의 상기 레벨이 상기 제1 커패시터의 높이와 상기 제2 커패시터의 끝 높이 사이에 있는 경우에 상기 연산부는 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 상기 측정 레벨을 계산하는 정전용량형 액체 레벨 감지 장치.
16. 액체의 레벨이 증가함에 따라 제1 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 짧게 형성된 제1 커패시터; 상기 액체의 상기 레벨이 증가함에 따라 제2 정전용량이 변화하며, 높이 방향으로 길게 형성된 제2 커패시터; 및 상기 제1 정전용량에 대응하는 제1 디지털 값 및 상기 제2 정전용량에 대응하는 제2 디지털 값을 출력하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 액체 레벨 감지 장치가 액체 레벨을 감지하는 방법에 있어서,
    상기 제2 디지털 값의 시작 값을 구하는 단계;
    상기 액체의 상기 레벨이 상기 제2 커패시터의 시작 높이와 상기 제1 커패시터의 높이 사이에 위치하는 동안에 상기 제2 디지털 값에 기반하여 측정 레벨을 계산하는 단계;
    상기 제1 디지털 값이 임계 값을 통과할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값을 구하는 단계;
    상기 시작 값 및 상기 제1 디지털 값이 상기 임계 값을 통과할 때에 측정된 상기 제2 디지털 값에 대응하는 보정 파라미터를 저장하는 단계; 및
    상기 액체의 상기 레벨이 상기 제1 커패시터의 높이와 상기 제2 커패시터의 끝 높이 사이에 위치하는 동안에 상기 보정 파라미터 및 상기 제2 디지털 값에 기반하여 상기 측정 레벨을 계산하는 단계를 포함하는 액체 레벨 감지 방법.
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