KR102226974B1

KR102226974B1 - 인쇄된 레벨 센서

Info

Publication number: KR102226974B1
Application number: KR1020170050857A
Authority: KR
Inventors: 이. 슈와르츠 데이비드; 왕 원다; 에이. 스트리트 로버트; 메이 핑; 베레스 야노스; 엘. 와이팅 그레고리; 이. 레디 스티븐; 나 잉 체
Original assignee: 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2021-03-15
Also published as: KR20170126791A; EP3244175A1; EP3244175B1; JP6736516B2; US9952082B2; JP2017203772A; US20170328761A1

Abstract

레벨 센서 시스템은 레벨이 감지되어야 하는 재료를 포함하고 있는 용기와 연관되도록 구성된 레벨 센서 라벨을 포함하고, 레벨 센서 라벨 배열은 용기와 연관되도록 구성된 용량성 구조에 전기적으로 접속된 유도성 소자를 포함하는 회로를 갖는다.

Description

인쇄된 레벨 센서{PRINTED LEVEL SENSOR}

본 출원은 측정 분야에 관한 것이고 더 구체적으로는 용기, 봉지 및 다른 수용 매체에서 재료 레벨을 측정하는 것에 관한 것이다.

레벨 센서 시스템은 레벨이 감지되어야 하는 재료를 포함하고 있는 용기와 연관되도록 구성된 레벨 센서 라벨을 포함하고, 레벨 센서 라벨 배열은 용기와 연관되도록 구성된 용량성 구조구조(capacitive structure)에 전기적으로 접속된 유도성 소자를 포함하는 회로를 갖는다.

레벨 감지 라벨(level sensing label)을 포함하는 레벨 감지 시스템은 유도성 소자 배열(inductive element arrangement) 및 용량성 구조와 전기적으로 접속하고 있는 제2 유도성 소자 배열을 더 포함한다. 용기를 갖는 레벨 감지 시스템은 유체 및 고체 재료 중 하나를 포함한다. 레벨 감지 시스템에서, 용량성 구조는 디지털 용량성 구조이다. 레벨 감지 시스템에서, 레벨 센서 라벨은 인쇄된 레벨 센서 라벨이다. 레벨 감지 시스템에서, 레벨 센서 라벨은 RF 후방산란 측정을 위한 안테나를 더 포함한다. 레벨 감지 시스템은 레벨 센서 라벨로부터 신호를 수신하도록 구성된 판독기를 더 포함한다. 레벨 감지 시스템에서, 판독기는 원격 통신 능력을 포함한다. 레벨 감지 시스템에서, 판독기는 홀더에 내장된 판독기, 선반에 내장된 판독기, 및 핸드헬드 판독기인 판독기 중 하나이다. 레벨 감지 시스템에서, 판독기는 데이터의 일괄 통신을 위한 내장 데이터 저장소를 더 포함한다.

레벨 감지 시스템을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 제1 용량성 소자를 인쇄하고 그리고 제1 용량성 소자로부터 소정 거리에 제2 용량성 소자를 인쇄함으로써 레벨 센서 라벨을 형성하는 단계를 포함하되, 제1 용량성 소자와 제2 용량성 소자는 용량성 구조를 형성한다. 유도성 소자는 또한, 용량성 구조와 유도성 소자 간 전기적 접속부와 함께, 인쇄된다. 상기 인쇄는 여러 다른 순서 중 하나로 성취될 수 있다. 방법은 레벨 센서 라벨로부터 신호를 판독하도록 구성된 판독기를 형성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 용량성 구조를 용기와 연관하여 배치하는 단계를 더 포함하되, 용량성 구조에 의해 형성된 전계선은 용기의 실내의 적어도 일부를 통과한다. 방법은 잉크젯 유형 인쇄, 압출 유형 인쇄, 스크린 유형 인쇄, 그라비어 유형 인쇄, 에어로졸 유형 인쇄 및 3D 유형 인쇄 중 적어도 하나를 사용한다. 방법은 전도성 잉크 유형 재료로 용량성 구조 및 유도성 소자를 인쇄하는 단계를 더 포함한다. 방법은 판독기에 의해 레벨 센서 라벨로부터 신호를 감지하는 단계를 더 포함한다. 방법은 레벨 센서 라벨의 일부분으로서 안테나를 인쇄하는 단계를 더 포함한다.

도 1은 본 출원에 따른 레벨 감지 시스템의 예시도;
도 2는 레벨 센서 라벨의 구현도;
도 3은 본 출원에 따른 근거리장 결합 용량성 센서 형태의 레벨 감지 시스템의 등가 회로도;
도 4는 사용시 레벨 감지 시스템의 구현도;
도 5는 레벨 센서 라벨의 시제품의 예시도;
도 6은 도 5의 레벨 센서 라벨의 측정된 임피던스 스펙트럼을 도시하는 그래프;
도 7은 판독기 코일의 근접도에 대한 도 5의 단일-코일 레벨 센서 라벨의 측정된 감도에 대한 차트;
도 8은 별개 부하 코일로 설계된 대안의 레벨 센서 라벨의 예시도;
도 9는 유도성 코일이 용기의 저부 표면 상에 있고 판독기가 홀더 또는 선반에 내장되는 배열의 측면도;
도 10은 디지털 또는 계단 출력을 제공하는 레벨 센서 라벨의 다른 실시형태의 예시도;
도 11은 원거리장 판독기 및 안테나를 포함하는 레벨 센서 라벨을 갖는 레벨 감지 시스템의 예시도;
도 12는 본 출원의 레벨 센서 라벨 실시형태를 만들어 내기 위한 프린터 배열의 묘사도;
도 13은 기판의 2개의 측면 상의 인쇄의 예시도;
도 14는 레벨 센서 라벨이 용기의 측벽 내 3D 인쇄에 의해 구성되는 용기의 다른 실시형태의 예시도; 및
도 15는 용기의 측벽 상에 3D 프린터에 의해 인쇄된 레벨 센서 라벨의 일 실시형태의 예시도.

본 출원은 저비용으로 인쇄된 레벨 센서 라벨을 생성하도록 인쇄 동작의 사용에 의해 제조된 일회용 수동 전자 레벨 센서 라벨을 포함하는 레벨 감지 시스템에 관한 것이다.

도 1은, 용기(106)의 표면(104)에 접착되는, 일회용 전자적 인쇄된 레벨 센서("스마트 라벨")(102)를 포함하는 레벨 감지 시스템(100)의 단순화된 도면의 측면도를 제공한다. 용기는 특정 레벨까지 채워진 액체 또는 고체(예컨대, 분말 또는 입상)와 같은 재료(108)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 레벨 감지 시스템(100)의 다른 태양은 용량성 센서 판독기의 형태와 같은 전자 판독기(110)이다. 판독기(110)는, 레벨 센서 라벨로부터의 신호가 판독기(110)에 의해 검출되게 되도록, 레벨 센서 라벨(102)로부터 적합한 거리에 놓이도록 구성된다.

더 상세히 설명될 바와 같이, 일 실시형태에서, 레벨 센서 라벨(102)은 기판 상의 공진 탱크 회로 형태로 용량성 구조 및 유도성 코일로 구성된다. 그때 레벨 센서 라벨(102)은 재료(108)를 포함하는 용기(106)와 같은 용기에 접착된다. 용기(106) 내부의 재료(108)의 레벨은 판독기(110)의 사용에 의해 달성되는 유도(예컨대, 근거리장) 결합을 통하여 원격으로 측정가능한 그러한 방식으로 언급된 공진 탱크 회로의 임피던스에 영향을 미친다. 용기(106)는 경질 구성인 병의 형태는 물론, 플라스틱 봉지(예컨대, 병원에서 찾아볼 수 있는 IV 점적 봉지)와 같은, 가요성 용기의 형태일 수도 있음을 인식하여야 한다.

도 2를 보면, 부가적 상세로 묘사된 레벨 센서 라벨(200)이 묘사되어 있다. 이러한 실시형태에서, 레벨 센서 라벨(200)은 서로로부터 소정 거리(204)에 위치하는 2개의 전도성 스트립, 전도성 스트립(202a) 및 전도성 스트립(202b)으로 이루어진 커패시터(202)를 포함하고 있다. 전도성 스트립은 유도성 코일(들)의 형태와 같은 유도성 소자 또는 배열(206)에 전기적으로 접속된다. 커패시터(202)와 유도성 배열(206)은 리드(208a, 208b)를 통하여 접속된다. 전도성 배열(206)은 커패시터(202)와 유도성 배열(206)에 의해 형성된 LC 공진 탱크 회로에 유도성 리액턴스도 제공하고, 그리고 레벨 센서 라벨(200)로부터의 출력 신호를 판독하기 위한 길도 제공한다. 이러한 실시형태에서, 레벨 센서 라벨(200)은 가요성 또는 비-가요성 기판일 수 있는 기판(210) 상에 위치결정된다.

판독 개념을 예시하기 위해, (예컨대, 도 2의 (200)과 같은 레벨 센서 라벨의) 근거리장 결합 레벨 센서 라벨(302)의 단순화된 등가 회로(300)를 제공하는 도 3으로 주의를 돌린다. 더 구체적으로, 등가 회로(302)는 서로 전기적으로 접속된 유도성 코일 부분(304) 및 용량성 소자(306)를 갖는 LC 공진 탱크 회로를 예시한다. 더욱 도 3에는 유도성 코일 부분(304)으로부터 유도성 코일 부분(310)에 의해 판독된 신호를 처리하도록 사용된 전자부품(312) 및 유도성 코일 부분(310)을 갖는 단순화된 판독기 회로(308)가 도시되어 있다. 전자부품(312) 및 코일 부분(310)은 레벨 센서 라벨(301)의 유도성 코일(304)에 전압 또는 전류를 인가하도록 더 구성되고, 그 후 대응하는 전류 또는 전압을 측정할 수 있다.

도 4를 보면, 소정 거리(406) 떨어진 전도성 스트립(404a) 및 전도성 스트립(404b)을 갖는 용량성 구조(404), 및 리드(410a, 410b)를 통하여 접속된 유도성 코일 부분(408)으로 이루어진 레벨 센서 라벨(스마트 라벨)(402)을 채용하는 레벨 감지 시스템(400)의 대안의 도면이 예시되어 있다. 레벨 센서 라벨(402)의 회로는 가요성 또는 강성일 수 있는 기판(412) 상에 탑재된다. 레벨 센서 라벨(402)은 용기(414)의 실내를 적어도 부분적으로 채우는 재료(예컨대, 유체 또는 고체)(416)를 갖는 용기(414)와 적어도 부분적으로 연관되거나 물리적으로 접촉하고 있다. 이러한 실시형태에서, 기판(412)은 접착제의 사용 또는 다른 적합한 방식에 의해 용기(414)에 접착된다. 또한, 유도성 코일 부분(420) 및 전자부품 부분(422)을 갖는 판독기(418)가 묘사되어 있다. 이상적으로는 이러한 사용에서 용기(414)는 직립 위치에 있다. 재차, 용기(414)는, 고체의 경질 구조로서 도시되어 있기는 하지만, 플라스틱 봉지를 포함하는 가요성 봉지 형태는 물론 다른 형태일 수도 있다. 다른 실시형태에서, 용기(414)는 투명, 부분적 투명 또는 불투명이다. 용량성 구조(404)의 전도성 스트립(404a, 404b)은 일반적으로는 용기(414)의 높이를 따라 배향된다. 단일 쌍, 다수 쌍, 깍지 끼인 쌍, 집적 구조 및 다른 것들을 포함하는, 용량성 스트립(404a, 404b)의 여러 설계가 고려된다.

스트립(404a, 404b)의 폭 및 간격(406)은, 스트립(404a, 404b)들 간에 전위가 인가될 때, 전계선이 용기(414)의 실내의 적어도 일부를 통과하게 되도록 결정된다. 재료 레벨은 스트립(404a, 404b)들 간 커패시턴스에서의 변화로서 감지된다. 커패시턴스는 전계선이 통과하는 용기 내 재료와 용기의 물질의 유전율의 함수이다. 용기에서 재료의 양이 더 많을수록, 공기 대비 재료를 더 많은 전계선이 통과한다. 재료 레벨이 더 낮으면, 더 적은 전계선이 거기를 통과한다. 재료의 유전율은 일반적으로 공기의 그것보다 더 높으므로(예컨대, 물의 비유전율은 약 80.4), 재료 레벨이 더 높으면 커패시컨스는 더 높을 것이다.

용량성 구조(404)는 용기에서 변화하는 재료 레벨에 따라 커패시턴스에서의 변화를 최대화하도록 설계된다. 이것에 영향을 미치는 일부 기하학적 고려사항은 스트립들 간 간격, 스트립들의 폭, 용기 벽의 두께, 및 용기 벽 물질을 포함한다. 예컨대, 실시형태에서 용기(414)는 유전체 재료(예컨대, 유리, 플라스틱 등)이다. 경험 법칙은 스트립들(즉, 전극들) 간 평균 간격이 용기 벽의 두께보다 더 커야 한다는 것이다. 그렇지만, 이것은 또한 구체적 구현의 재료 유형 및 다른 인자에 종속할 것이다.

용량성 구조(404)는 유도성 코일(408)에 접속된다. 이들 2개 소자의 조합은 공진 탱크 회로를 형성한다. 이상적으로, 그러한 탱크 회로는 f=1/(2pi sqrt(LC))의 공진 주파수를 갖는데, 여기서 L은 코일의 인덕턴스이고 C는 커패시터의 커패시턴스이다. 실제로는, 유도성 코일(408)의 기생 커패시턴스가 공진 주파수에 영향을 미칠 것이다. 또한, 커패시터와 코일의 저항은 공진 탱크의 양호도(Q)를 감소시키는 역할을 한다. 레벨 센서 라벨(402)을 구성함에 있어서는, 충분히 낮은 저항 및 높은 Q를 갖는 것이 바람직하다. 그 범위는 구체적 구현에 종속할 것이다.

용량성 구조(404)(및 또한 본 개시의 다른 용량성 구조)의 설계는 시스템(예컨대, 400)의 소망 공진 주파수를 고려한다. 예컨대, 인쇄된 코일의 전형적 인덕턴스는 10μH이다. 약 10㎒의 공진 주파수에 대해, 평균 커패시턴스는 약 25pF일 것이다.

도 5를 보면, 용기(504)와 연관된 레벨 센서 라벨(스마트 라벨)(502)의 특정 실험 구현(500)이 예시되어 있다.

용량성 스트립(506a, 506b)은 1㎝ 폭이고 1㎜ 간격(508)을 갖는다. 접속 라인(509)은 ~60 마이크로미터의 라인 폭(514)으로 12㎜의 내측 직경(512)을 갖도록 설계된 유도성 코일(510)에 접속된다. 그러한 설계에서, 코일은 대략 1.5 μH의 인덕턴스를 갖는다. 레벨 센서 라벨(502)이 ~1-㎜-두께 벽을 갖는 ((504)와 같은) 플라스틱 용기에 부착될 때, 탈이온수의 레벨이 약 13㎝ 내지 약 3㎝ 변화함에 따라 커패시턴스는 ~ 13 pF 내지 6 pF의 범위에서 변화한다.

커패시턴스가 변화함에 따라, 공진 주파수, 및 주어진 주파수에서의 탱크 임피던스의 크기가 변화한다. 신호에서의 이러한 변화를 판독하기 위해, 제2 기판(예컨대, PCB) 상에 판독기 코일(예컨대, 도 1의 (110); 도 3의 (308); 도 4의 (418))을 갖는 판독기 디바이스는 유도성 코일에 가까이 근접하여(예컨대, 도 4) 놓여 그 2개가 유도성 결합되게 된다. 결합 계수(k)는, 적어도, 2개의 코일의 기하구조, 그들의 근접도, 및 그들의 상대적 위치에 종속한다. 결합 계수는 또한 공진 주파수에 영향을 미치고 측정 불확실성의 근원이다.

아래의 표 1은 도 1, 도 3 및 도 4에서 도시된 것과 같은 판독기를 포함하는 도 5의 배열에 대한 특정 치수를 제공한다.

시제품의 설계 파라미터

기호	설명	값
W	스트립의 폭	1㎝
S	스트립의 길이	15㎝
d	스트립들 간 거리	1㎜
C	스트립 커패시터의 커패시턴스 범위	~ 6 pF 내지 13 pF
ID-1	유도성 코일의 내측 직경	12㎜
ID-2	판독기 코일의 내측 직경	15㎜
n1	유도성 코일의 권수	8
n2	판독기 코일의 권수	8
L1	유도성 코일의 인덕턴스	1.5 μH
L2	판독기 코일의 인덕턴스	2 μH
T	용기의 벽 두께	~1㎜

언급된 바와 같이, 앞서 설명된 판독기의 판독기 코일은 레벨 센서 라벨의 유도성 코일에 전압 또는 전류를 인가하고 그 후, 각각, 대응하는 전류 또는 전압을 측정할 수 있는 전자 회로 또는 집적 회로에 접속된다. 기기는 레벨 센서 라벨의 주파수 응답을 측정할 수 있도록 구성된다. 그러한 판독을 하는 여러 설계 및 방법은 당업계에 주지되어 있고 여기에서 더 상세히 설명되지는 않을 것이다. 그렇지만, 예는 입력 신호가 일련의 고주파수 정현 신호, 처프(chirp), 또는 다수의 고주파수 성분을 갖는 신호인 것을 포함한다. 실시형태에서 판독기 기기는, 특히, 스펙트럼 분석기 또는 임피던스 분석기일 수 있다.

커패시턴스가 재료의 레벨의 함수로서 변화하기 때문에, 판독기는 용기 내부 재료의 변화하는 레벨에 따라 공진 주파수에서의 변화를 측정한다. 레벨과 공진 주파수 간 상관은 적어도 재료의 유형, 기하구조, 용기 속성, 및 구체적 구현에 특정한 다른 인자에 종속한다.

도 6을 보면, 도 5의 개념에 따라 구성된 시스템에 대한 측정된 임피던스 스펙트럼이 예시되어 있다. 예시된 바와 같이, 판독기에 의해 측정된 공진 주파수는 액체 레벨이 1㎝ 내지 13㎝ 변화함에 따라 약 41㎒ 내지 약 32㎒ 편이될 것이다. 더 구체적으로, 도 6의 그래프(600)는 용기에서의 유체(탈이온수)가 13㎝ 내지 1㎝의 여러 다른 레벨에 있을 때 발생된 임피던스 신호를 식별시키는 범례를 포함한다(즉, 13㎝(602); 11㎝(604); 9㎝(606); 7㎝(608); 5㎝(610); 3㎝(612); 및 1㎝(614)). 더 구체적으로, 피크 임피던스는 (유체 13㎝에 대응하는) 약 41㎒에서 일어나고 (유체 1㎝에 대응하는) 약 32㎒에서 가장 낮다.

도 7을 보면, 도 5에서 도시된 것과 같은 시스템에 대해, 판독기 대 레벨 센서 라벨의 위치에 종속하는 임피던스 대 주파수를 플롯팅하는 그래프(700)가 예시되어 있다. 예컨대, 1㎝ 내지 3㎜에서(702), 공진 주파수는 대략 42.8㎒이고; 판독기가 1㎝ 내지 2㎜에 있을 때(704), 공진 주파수는 42.4㎒이고; 판독기가 1㎝ 내지 1㎜에 있을 때(706), 공진 주파수는 42.0㎒이고; 그리고 판독기가 레벨 센서 라벨로부터 1㎝ 내지 0㎜에 있을 때(708), 공진 주파수는 41.2㎒이다. 그래서, 도 5의 설계는 라벨 센서에 대한 관계에서 판독기 코일의 배치에 민감하다는 것을 알 수 있다.

이러한 감도를 감소시키는 하나의 방식을 보면, 레벨 센서 라벨(스마트 라벨)(800)이 서로로부터 특정 거리(804)에 있는 커패시턴스 스트립(802a, 802b)을 갖는 커패시터(802), 및 이전 실시형태에서 사용된 것과 같은 부하 코일(806)을 포함하는 도 8로 주의를 돌린다. 커넥터 라인(812a, 812b)을 통하여 그리고 부하 코일(806)과 커넥터(810)를 통해 직렬로 놓이는 출력 또는 라벨 판독 코일(808)이 더 포함된다. 이러한 설계에서, 라벨 판독 코일(808)은 앞서 설명된 코일 판독기에 대한 근접도에 민감하다. 그렇지만, 부하 코일(806)은 라벨 판독 코일(808)보다 덜 민감하다. 그래서, 라벨의 임피던스 성분은 전반적으로 덜 민감하다. 이것은 그것이 측정 불확실성을 감소시키므로 바람직하다. 착수했던 시뮬레이션에서, 이러한 개량은 이전 실시형태보다 7배 이상만큼 (예컨대, 도 7에서 도시된) 불확실성을 감소시킴을 알게 되었다.

본 출원의 판독기는, 특정 실시형태에서, 디스플레이 및/또는 추가적 처리 또는 분석을 위해 원시 데이터이든 계산된 재료 레벨 데이터이든 그 후 더 송신할 수 있는 소형 카드 또는 다른 디바이스일 수 있다. 판독기는 또한 용기가 보관 또는 배치되는 홀더 또는 선반에 매립될 수 있다. 이것은 판독기의 코일과 레벨 감지 라벨에서의 코일 간 상대적 위치를 제어하여 거리 변동 불확실성을 감소시키는 추가적 이점을 갖는다.

또한, 도 4와 연관하여 앞서 논의된 바와 같이, 레벨 센서 라벨의 코일은 반드시 용기와 접촉하고 있지는 않음을 주목한다. 코일이 용기와 실제 접촉하고 있게 하지 않음으로써, 라벨의 코일이 용기와 물리적으로 접촉하고 있을 때 일어날 수 있는 기생 커패시턴스가 최소화된다.

대안의 실시형태에서, 레벨 센서 라벨의 전도성 코일은, 도 9에서 도시된 것과 같이, 용기 아래 저부 표면 상에 위치할 수 있다. 더 구체적으로, 도 9의 배열(900)은 레벨 센서 라벨(902)이 용기(906)의 측벽 상에 위치하는 용량성 구조(904)를 포함하는 측면도를 도시하고 있다. 이러한 실시형태에서, (도 8과 연관하여 논의된 바와 같이 2개 이상의 인덕터 코일을 포함할 수 있는) 유도성 코일 배열(908)은 용기(906)의 저부 표면 상에 위치하고 접속 라인(909)을 통하여 접속된다. 더 도시된 바와 같이, 판독기(910)는 홀더 또는 선반(912) 내에 위치한다. 용기(906)는 그 후 홀더 또는 선반(912)에 놓일 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 홀더 또는 선반(912)의 상부 표면(914)은 판독기(910)의 상부 표면(916) 조금 위에 있다. 이러한 설계는 코일(908)이 판독기로부터 정확한 거리에 위치할 수 있게 하고, 그로써 시스템의 정확도를 더 개선한다. 레벨 센서 라벨(902)의 용량성 구조(904) 및 유도성 코일(908)이 모두 측벽 상에 위치하는 경우와 같은 대안의 실시형태에서, 판독기는 판독기(918)와 라벨(902) 간 정확한 거리를 유지하도록 또한 위치결정된 홀더 또는 선반(912)의 측면 구역(918)에 형성될 수 있다.

레벨 센서 라벨(1000)의 대안의 실시형태를 보면, 용량성 구조(1002)가 제공되는데, 여기에서 용량성 구조는 수평으로 배향된 스트립(1004a, 1004b 내지 1004x, 1004y)의 쌍들을 포함하는 깍지 끼인 구조이다. 커패시터 구조(1002)는, 이전 실시형태에서와 같이, 유도성 코일(1006)에 접속된다. 또한, 단일의 유도성 코일이 도시되어 있지만, 레벨 센서 라벨(1000)의 정확도를 증가시키기 위해 다수의 유도성 코일이 채용될 수도 있다. 라벨(1000)에서의 커패시턴스 변화는 재료(즉, 액체 또는 고체)가 그것이 수용되어 있는 용기에서 변화함에 따라 계단식 또는 디지털 방식으로 일어난다. 재료 레벨이 한 쌍의 수평으로 배향된 스트립(1004a-1004b...1004x-1004y)을 지나갈 때, 커패시턴스가 변화하고 그래서 신호는 계단 또는 디지털 방식으로 변화한다. 이것은 커패시턴스 신호를 효과적으로 디지털화함으로써 결합 계수에 대한 감도를 감소시킨다. 또한, 그것은 재료 레벨에서의 계단 단위 변화를 출력함으로써 교정에 대한 필요성을 감소시킨다. 그래서, 이것은, 이전 실시형태에서 논의되었던 아날로그 감지 시스템과는 대조적으로, 디지털화된 감지 시스템이다.

구조의 커패시터를 형성하도록 다수 스트립의 전극을 사용하는 것을 포함하는 다른 구성도 가능하다.

다른 설계에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 레벨 센서 라벨(1100)은 인덕터 코일(1106)에 접속된 용량성 스트립(1102a, 1102b)을 갖는 용량성 구조(1102)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이전 실시형태에서 언급된 바와 같이, 용량성 소자(1102a, 1102b)의 구조는, 도면에서 도시된 스트립뿐만 아니라, 다수의 다른 구조일 수 있다. 유사하게, 여기에서는 단일의 인덕터 코일(1106)이 도시되어 있지만, 이것은 앞서 논의된 바와 같이 복수의 인덕터를 포함할 수 있는 인덕터 배열임을 이해하여야 한다. 위에서 논의된 레벨 센서 라벨(1100)의 이전 소자에 부가하여, 이제는 안테나 구조(1108)가 제공되며, 선택적 전자부품(1110)이 안테나(1108)와 라벨(1100) 사이에 위치한다. 다양한 실시형태에서, 선택적 전자부품은 구체적 구현에 유익한 대로 임피던스 정합, 증폭, 및/또는 다른 결합 회로에 대한 하드웨어를 포함한다.

안테나의 포함은, RF 신호를 안테나(1108)에 보내고 이전 실시형태가 개시하였던 것보다 더 먼 거리로부터의 후방산란 출력 신호 또는 측정치를 수신하도록 사용될 수 있는, 원거리장 판독기(1112)와 함께 레벨 센서 라벨(1100)의 사용을 개선한다. 반사하는 신호 진폭은 부하의 임피던스에 부분적으로 종속할 것이다. 이러한 배열로부터, 재료(액체 또는 고체) 레벨이 결정될 수 있다. 대안으로, 커패시터와 안테나는 하나이고 동일한 것이다.

도 12를 보면, 논의된 레벨 센서 라벨의 생산을 위한 인쇄 시스템(1200)이 예시되어 있다. 구체적으로, 인쇄 디바이스(1202) 및 플랫폼(1204)을 포함하는 인쇄 배열은 위에서 논의된 것과 같은 레벨 센서 라벨(1208)의 형태에 재료(1206)를 인쇄하도록 제공된다. 특정 실시형태에서, 모든 컴포넌트는 재료(1206)로서 전도성 잉크의 인쇄에 의해 제조된다. 전도성 잉크와 호환가능한 잉크젯, 압출, 스크린, 그라비어 및 다른 인쇄 방법이 사용될 수 있다. 그리하여, 프린터 배열(1200)은 그러한 다른 인쇄 실시형태를 제공할 컴포넌트, 소프트웨어 및/또는 디바이스를 포함한다고 이해된다. 또한, 아래에서 논의될 바와 같이, 인쇄 배열(1202, 1204)에 의해 3D 프린터가 표현된다. 구체적 전도성 잉크 중에는, 은 또는 구리 나노입자는 물론, 또한 탄소로 만들어진 것들이 있다. 그렇지만, 이러한 목록은 한정적인 것이 아니고, 그리고 용량성 구조 및 유도성 코일의 생산에 사용된다고 알려져 있는 어느 다른 전도성 잉크라도 채용될 수 있다고 이해된다.

전도성 트레이스(conductive trace)가 가로지르는 도 13에서 도시된 것과 같은 실시형태에서, 도체(1300, 1302, 1304)는 기판(1306)의 반대 양측 상에 인쇄되고 그리고 기판을 통하는 비아(들)(1308)에 의해 접속될 수 있다.

유전체 층(특히, 폴리머, 에폭시)은 하나의 전도성 트레이스의 부분 상에 패터닝 또는 인쇄되어, 다른 하나가 그 상부 상에 인쇄될 수 있게 할 수 있다. 다른 방법이 또한 알려져 있고 이러한 환경에서 채용가능할 것이다. 기판은 플라스틱(특히, PEN, PET, 폴리이미드), 페이퍼 또는 다른 적합한 재료를 포함하는 어느 적합한 재료로라도 만들어질 수 있다.

이전 인쇄 방법에 부가하여, 잉크가 집속된 공기 스트림에 실리는 에어로졸-제트 인쇄는 그것이 빽빽한 간격으로 높은 전도율을 갖는 좁은 라인을 가능하게 하므로 제한된 구역 내에서 커패시터 구조 및 유도성 코일을 제조하기 위한 다른 방법이다.

도 14를 보면, 3D 인쇄의 사용에 따라 설계될 수 있는 구조가 예시되어 있다. 구체적으로, 용기(1400)가 도시되어 있는데, 여기에서는 앞서 논의된 용량성 구조 및 유도성 코일을 갖는 레벨 센서(1402)가 있다. 이러한 설계에서는, 3D 프린터가 용기(1400)를 구축하므로, 저부(1404)로부터 상부(1406)로 향하는 빌드업의 일부에서, 레벨 센서 라벨(1402)은 용기가 측벽 중 하나 내에 통합된 레벨 센서 라벨(1402)을 갖게 되도록 구축된다. 이것은 확대된 부분 단면(1408)에서 더 명확하게 도시되는데, 여기에서 측벽(1410)은 라벨 센서 라벨 부분(1402a)을 포함하고 있다.

도 15는 유사한 개념이지만, 측벽에 통합되는 것과는 대조적으로, 용기(1500)는 3D 인쇄에 의해 구축되고 여기에서 레벨 감지 라벨(1502)은 용기(1500)의 외측 표면 상에 인쇄된다.

Claims

레벨 감지 시스템으로서,
레벨이 감지되어야 하는 재료를 포함하고 있는 용기와 연관되도록 구성된 레벨 센서 라벨을 포함하고,
상기 레벨 센서 라벨 배열(arrangement)은,
상기 용기와 연관되도록 구성된 용량성 구조(capacitive structure)로 서, 서로 거리를 두고 배치된 두 개의 분리된 용량성 소자들로 구성되는, 상 기 용량성 구조;
상기 용량성 구조와 전기적으로 접속하고 있는 제 1 유도성 소자 배 열(inductive element arrangement); 및
상기 제 1 유도성 소자 배열 및 상기 용량성 구조와 전기적으로 접속 하고 있는 제 2 유도성 소자 배열;
을 포함하는 회로를 가지며,
상기 제 1 유도성 소자 배열과 상기 제 2 유도성 소자 배열의 전기적 접속은 커넥터를 통한 전기적 직렬 접속이며, 상기 제 1 유도성 소자 배열과 상기 제 2 유도성 소자 배열은 커넥터 라인을 통하여 상기 용량성 구조와 전기적으로 접속하고 있는, 레벨 감지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 용기는 유체 및 고체 재료 중 하나를 포함하는, 레벨 감지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 용량성 구조는 디지털 용량성 구조를 제공하는 수평으로 배향된 스트립 쌍들을 포함하는 깍지 끼인 구조(inter-digitated structure)인, 레벨 감지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레벨 센서 라벨은 인쇄된 레벨 센서 라벨인, 레벨 감지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레벨 센서 라벨은 RF 후방산란 측정을 위한 안테나를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레벨 센서 라벨 배열로부터 신호를 수신하도록 구성된 판독기를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템.
제6항에 있어서, 상기 판독기는 원격 통신 능력을 포함하는, 레벨 감지 시스템.
제6항에 있어서, 상기 판독기는 상기 레벨 센서 라벨의 인덕터에 대한 근거리장 결합을 통하여 상기 레벨 센서 라벨과 통신하도록 구성되는, 레벨 감지 시스템.
제6항에 있어서, 상기 판독기는 홀더에 내장된 판독기, 선반에 내장된 판독기, 및 핸드헬드 판독기인 판독기 중 하나인, 레벨 감지 시스템.
제6항에 있어서, 상기 판독기는 데이터의 일괄 통신을 위한 내장 데이터 저장소를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템.
레벨 감지 시스템을 형성하는 방법으로서,
레벨 센서 라벨을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 레벨 센서 라벨을 형성하는 단계는,
제1 용량성 소자를 인쇄하는 단계;
상기 제1 용량성 소자로부터 소정 거리 분리된 제2 용량성 소자를 인 쇄하는 단계로서, 상기 제1 용량성 소자와 상기 제2 용량성 소자는 용량성 구조를 형성하는, 상기 제2 용량성 소자를 인쇄하는 단계;
상기 용량성 구조와 전기적으로 접속하는 제 1 유도성 소자를 인쇄하 는 단계;
상기 용량성 구조와 제 1 유도성 소자 배열과 전기적 접속 배열로 제2 유도성 소자를 인쇄하는 단계; 및
상기 용량성 구조와 상기 유도성 소자 사이의 전기적 접속부를 인쇄하 는 단계를 포함하고,
상기 제 1 유도성 소자 배열과 상기 제 2 유도성 소자 배열의 전기적 접속은 커넥터를 통한 전기적 직렬 접속이며, 상기 제 1 유도성 소자 배열과 상기 제 2 유도성 소자 배열은 커넥터 라인을 통하여 상기 용량성 구조와 전기적으로 접속하는, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 레벨 센서 라벨로부터 신호를 판독하도록 구성된 판독기를 형성하는 단계를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 용량성 구조를 용기의 외측 표면과 연관하여 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 용량성 구조에 의해 형성된 전계선(electric field lines)은 상기 용기의 내부의 적어도 일부를 통과하는, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 인쇄는 잉크젯 유형 인쇄, 압출 유형 인쇄, 스크린 유형 인쇄, 그라비어(gravure) 유형 인쇄, 에어로졸 유형 인쇄 및 3D 유형 인쇄 중 적어도 하나인, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제11항에 있어서, 전도성 잉크 유형 재료로 상기 용량성 구조 및 상기 유도성 소자를 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제11항에 있어서, 판독기에 의해 상기 레벨 센서 라벨로부터의 신호를 감지하는 단계를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 레벨 센서 라벨의 일부로서 안테나를 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 레벨 감지 시스템을 형성하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 레벨 센서 라벨은 용기의 표면에 부착된 일회용 인쇄된 레벨 센서 라벨인, 레벨 감지 시스템.