KR102294825B1 - 매질을 검출하기 위한 정전 용량형 센서 및 상응하는 방법 - Google Patents

매질을 검출하기 위한 정전 용량형 센서 및 상응하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 2개 이상의 전극(12) 및 하나 이상의 유전체(14)를 포함하는 정전 용량형 측정 장치(10) 및 전자 장치(20)를 구비한, 하나 이상의 매질(18)을 검출하기 위한 센서에 관한 것으로, 상기 전자 장치는, 커패시턴스 및/또는 상기 커패시턴스에 의존적인 하나 이상의 변수를 검출하도록, 그리고 검출된 하나 이상의 변수를 고려하여 하나 이상의 매질(18)의 존재와 관련된 하나 이상의 정보(22) 및/또는 상기 매질의 하나 이상의 농도를 결정하도록 설계되며, 상기 전자 장치는 추가로, 2개 이상의 전극(12) 사이에 인가되는 전압을 2개 이상의 상이한 주파수로 변동시키도록 설계되며, 각각의 주파수에 대해 상기 하나 이상의 변수가 결정될 수 있으며, 이 경우 전자 장치를 이용해서, 상이한 주파수에 대해 검출된 변수들 상호간의 편차와 관련하여 하나 이상의 편차 변수가 결정될 수 있고, 하나 이상의 편차 변수를 추가로 고려해서 하나 이상의 정보가 결정될 수 있다. 또한, 본 발명은, 정전 용량형 측정 장치(10)를 작동하는 방법에 관한 것이다.

Description

매질을 검출하기 위한 정전 용량형 센서 및 상응하는 방법{CAPACITIVE SENSOR FOR DETECTING A MEDIUM, AND CORRESPONDING METHOD}
본 발명은, 하나 이상의 매질을 검출하기 위한 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 정전 용량형 측정 장치를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
EP 2 508 881 A1호에는 액체 센서가 기술되어 있다. 이 액체 센서는, 2개 이상의 전극 및 이 2개 이상의 전극 사이에 존재하는 하나 이상의 유전체를 갖는 정전 용량형 측정 장치를 구비한다. 상대 습도에 따라, 물 분자가 하나 이상의 유전체 내부로 침투하고, 이로 인해 유전체의 유전율이 변한다. 이러한 변화는, 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 하나 이상의 커패시턴스의 변동을 야기한다. EP 2 508 881 A1호의 습도 센서를 작동하기 위해서는 2개 이상의 전극에 전압이 인가된다. 또한, 온도 센서 요소를 이용해서 주변 온도가 측정되고, 이 주변 온도는 상대 습도의 출력값을 확정할 때 고려된다.
본 발명은, 청구항 1의 특징들을 갖는, 하나 이상의 매질을 검출하기 위한 센서 및 청구항 7의 특징들을 갖는, 정전 용량형 측정 장치의 작동 방법을 제공한다.
본 발명은, 센서/정전 용량형 측정 장치의 노후화 상태 및/또는 오염 상태의 검출을 간단히 실행할 수 있게 하며, 그럼으로써 출력된 하나 이상의 정보의 결정 시 상기 노후화 상태 및/또는 오염 상태를 고려하는 것도 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 센서/정전 용량형 측정 장치가 비교적 오래 사용되더라도 하나 이상의 매질의 존재 및/또는 이 매질의 하나 이상의 농도에 대한 정보를 비교적 우수한 정확성으로 그리고 비교적 낮은 오류율로 도출할 수 있다. 심지어 센서/정전 용량형 측정 장치가 오염 위험이 높은, 비교적 문제가 많은 환경에서 사용되는 경우에도, 본 발명에 의해 여전히 신뢰할 수 있는 값들이 검출되어 출력될 수 있다. 따라서, 본 발명은, 센서/정전 용량형 측정 장치의 사용 시간/수명을 연장시키고, 상기 센서/정전 용량형 측정 장치의, 오염 위험이 비교적 높은 환경에서의 사용 가능성도 개선한다.
본 발명에 의해, 통상 수명 이후 센서/정전 용량형 측정 장치의 교체 또는 신규 제작을 위한 비용이 절감될 수 있다. 또한, 본 발명에 의해, 2개 이상의 전극 사이로 침투한 분자를 제거하기 위해 종래 방식에서 자주 요구되는 바와 같은, 센서/정전 용량형 측정 장치의 "리컨디셔닝(reconditioning)"도 불필요하다. 그뿐만 아니라, 본 발명은 종래의 "리컨디셔닝"에 비해 비교적 간단하게 실현될 수 있다다.
본 발명은, 센서/정전 용량형 측정 장치에서 노후화 현상 및/또는 오염을 막는 대신, 노후화 현상 및/또는 오염에 기인한 결과의 보정/보상을 가능하게 한다. 보정/보상에 의해, 센서/정전 용량형 측정 장치의 심각한 노후화/오염에도 불구하고 상기 센서/정전 용량형 측정 장치로부터 출력되는 정보가 낮은 오류율을 갖는 점이 보장될 수 있다. 특히, 센서/정전 용량형 측정 장치에 의해 측정된 값들에서 노후화 드리프트/오염 드리프트가 보정될 수 있다.
센서의 한 바람직한 실시예에서, 전자 장치는 추가로, 정확히 하나의 사전 설정된 주파수에서 검출된 변수를 고려하여 하나 이상의 정보를 결정하도록, 그리고 상기 하나 이상의 정보를 출력하기 전에 하나 이상의 편차 변수를 고려하여 상기 하나 이상의 정보를 보정하거나 재결정하도록 설계된다. 예를 들어, 전자 장치는, 하나 이상의 편차 변수가 비교적 높은 경우, 하나 이상의 편차 변수로부터 보정 계수를 유도하도록 설계될 수 있으며, 이 보정 계수를 이용하여 노후화 혹은 오염으로부터 기인하는, 정보에 미치는 영향이 보정될 수 있다. 이와 같은 평가 방법은 비교적 소형이고, 경량이며, 비용 효율적인 전자 장치에 의해 신뢰성 있게 구현될 수 있다.
예를 들어, 전자 장치는 추가로, 하나 이상의 편차 변수를 고려하여 노후화 계수 및/또는 오염 계수를 결정하도록, 그리고 결정된 노후화 계수 및/또는 오염 계수를 고려하여 하나 이상의 정보를 결정하거나, 보정하거나, 재결정하도록 설계될 수 있다. 이로써, 센서에 미치는 여러 가지 다양한 노후화 영향 및 오염 영향이 하나 이상의 출력된 정보에서 비교적 간단한 방법으로 보정될 수 있다.
선택적으로, 전자 장치는 추가로, 하나 이상의 편차 변수, 노후화 계수 및/또는 오염 계수를 오직 주기적으로, 또는 외부 혹은 내부에서 제공된 제어 신호로 제어하여 재결정하도록 설계될 수 있다. 이로써, 원한다면, 전자 장치는 정기적인 간격으로 자체 검정을 실행할 수 있고, 이 자체 검정에 의해 하나 이상의 출력된 정보의 우수한 정확성 및 상대적으로 낮은 오류율이 보장될 수 있다. 또는, 그 대안으로, 전자 장치가 이 목적을 위해 외부에서 제어되는 경우, 또는 예컨대 내부에서 센서 내에 배치된 센서 요소를 이용하여 노후화 상태 및/또는 오염 상태에 작용할 가능성이 높은 원인의 존재를 확신할 수 있는 경우에만, 하나 이상의 편차 변수(또는 노후화 계수/오염 계수)의 재결정이 수행될 수도 있다.
한 바람직한 실시예에서는, 정전 용량형 측정 장치 및 전자 장치가 하나의 공통 반도체 기판 위에 그리고/또는 그 내에 형성된다. 또는, 그 대안으로서, 정전 용량형 측정 장치와 전자 장치가 상이한 반도체 기판상에 형성될 수도 있다. 이로써 센서 형성 시 큰 설계 자유도가 보장된다.
한 바람직한 개선예에서, 센서는 추가로 온도 측정 장치를 포함하고, 이 온도 측정 장치는 전자 장치에 의해 작동될 수 있고 평가될 수 있다. 이로써, 정전 용량형 측정 장치의 작동 시, 그리고/또는 하나 이상의 정보의 결정 시 센서에 존재하는 온도도 함께 고려될 수 있다.
전술한 장점들은 정전 용량형 측정 장치를 작동하기 위한 상응하는 방법을 실행할 때에도 보장된다. 상기 방법은 센서의 다양한 실시예들에 상응하게 구현될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은 이하에서 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1e는 센서의 제1 실시예의 개략적인 부분도 및 이들 부분도의 특성들을 설명하기 위한 좌표계이다.
도 2는 센서의 제2 실시예의 개략도이다.
도 3은 정전 용량형 측정 장치를 작동하기 위한 방법의 한 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1a 내지 도 1e는, 센서의 제1 실시예의 개략적인 부분도 및 이들 부분도의 특성들을 설명하기 위한 좌표계를 보여준다.
도 1a 및 도 1b에 의해서 개략적으로 재현된 센서는 하나 이상의 매질을 검출하도록 설계된다. 하나 이상의 매질을 검출한다는 것은, 센서가 하나 이상의 매질의 (하나 이상의 사전 설정된/즉각 추가로 검출 가능한 최저 농도의) 존재를 확인한다는 의미일 수 있다. 또는, 그 대안으로서 혹는 보완으로서, 센서가 하나 이상의 매질에 대해 이 매질의 농도를 검출하도록 설계될 수도 있다. 그렇기 때문에, 특별히 센서는 매질 농도 센서 또는 매질 농도 측정 센서로 이해될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 의해 재현된 센서는 단지 예시로서 습도 센서로서 형성되어 있다. 이로써, 센서는 (사전 설정된/즉각 추가로 검출 가능한 최저 농도부터) 습기의 존재를 감지하고, 습도를 측정할 수 있다. 그러나, 도 1a 및 도 1b에서 센서를 습도 센서로서 형성하는 것은 단지 예시로 해석되어야 한다. 센서의 형성 가능성은 검출할 특정 매질에 한정되지 않는다. 예컨대, 가스 농도 또는 고체 입자 농도도 상기 센서에 의해 측정될 수 있다.
센서는, 2개 이상의 전극(12)을 갖는 정전 용량형 측정 장치(10)를 포함한다. 도 1a에는, 2개의 전극(12)이 단지 일례로서 빗살형 전극으로서 형성되어 있다. 전극(12)으로서는, 표유 자계 커패시터, 플레이트 커패시터 또는 다른 커패시터 타입의 상이한 형태의 전극들도 사용될 수 있다. 또한, 정전 용량형 측정 장치(10)의 형성 가능성이 정확히 2개의 전극(12) 수로 한정되지도 않는다.
적어도 2개의 전극(12) 사이에는 하나 이상의 유전체(14)가 존재한다. 하나 이상의 유전체(14)란, 예컨대 물 분자(18)와 같은 하나 이상의 매질이 내부로 확산/침투할 수 있는 재료로 이해될 수 있다. 또한, 하나 이상의 유전체(14)의 하나 이상의 유전율은 2개 이상의 전극(12) 사이에 있는 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 의존적이다. 그렇기 때문에, 2개 이상의 전극(12) 사이에 인가되는 하나 이상의 커패시턴스(C)는 [2개 이상의 전극(12) 사이에 있는 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 따라] 변동될 수 있다. 커패시턴스(C)의 변동은 특히 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 대해 선형 관계일 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 중합체가 2개 이상의 전극(12) 사이에 있는 하나 이상의 유전체(14)로서 존재할 수 있다.
도 1b는, 도 1a의 선 AA'를 따라 절단한 횡단면을 보여준다. 본 도면으로부터, 2개 이상의 전극(12)이 선택적으로 보호층(16)에 의해 추가로 덮일 수 있고, 그 위에 하나 이상의 유전체(14)가 적층되며, 상기 보호층은 예컨대 물 분자(18)와 같은 하나 이상의 매질과의 직접적인 접촉으로부터 전극(12)을 보호한다는 것을 알 수 있다. 그러나 센서 제조 시 보호층(16)은 생략될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1e의 예에서, 하나 이상의 유전체(14)는 폴리이미드 층(14)이며, 이 폴리이미드 층의 유전율은 그 내부로 확산된 물 분자(18)의 농도에 따라 변동한다. 그러나, 정전 용량형 측정 장치(10)의 형성 가능성이 하나 이상의 유전체(14)를 위해 특정 재료를 사용하는 것으로 한정되지는 않는다. 온도 및 습도와 같은 영향들은 정전 용량형 측정 장치(10)의 노후화가 진행됨에 따라 가수 분해 및 산화에 의해 폴리이미드 층(14)의 분열을 야기한다. 또한, 쌍극(dipole) 특성을 갖는 다양한 작용기들이 폴리이미드 층(14) 내에 축적될 수 있고, 이로써 폴리이미드 층(14)의 친수성이 확연하게 증가한다. 폴리이미드 층(14)의 노후화가 진행됨에 따라, 물 분자(18) (또는 검출할 하나 이상의 매질의 축적된 다른 분자) 및/또는 외래 분자(foreign molecules)가 그 내부에 더 단단히 결합된다. 증가한 극성에 의해 더 단단히 결합된 물 분자(18)/외래 분자는 더 큰 에너지를 사용해서만 폴리이미드 층(14)을 벗어난다. 일반적으로, 물 분자(18)는 예를 들어 적어도 150℃의 온도와 같은 고온에서만, 노후화되는 폴리이미드 층(14)으로부터 제거된다. 폴리이미드 층(14)을 이와 같이 강하게 가열하는 것을 "리컨디셔닝"이라고 할 수 있다. 그런데 "리컨디셔닝"은 대부분 실험실 조건에서만 수행될 수 있다. 따라서, 센서의 정상 작동 중에는 물 분자(18)가 (완전히) 제거되지 못하는 경우가 많을 수 있다. 또한, "리컨디셔닝" 이후에는 즉시, 폴리이미드 층(14)이 물 분자(18)를 다시 단단히 결합시킨다는 점을 고려해야 한다. 따라서, "리컨디셔닝"은 단지 폴리이미드 층(14)의 비교적 단시간의 복원만을 실현한다.
또한, 가수 분해에 의해 부분적으로 분해된 폴리이미드 층(14)은 다시 축합될 수도 있는데, 예를 들면 자신의 본래의 형상으로 되돌아갈 수 있다. 하지만, 이를 위해서는 "리컨디셔닝"의 경우보다 더 높은 온도가 비교적 긴 기간에 걸쳐 필요하다. 특히, 온도는 폴리이미드 층(14)이 경화되기에 충분해야 한다. 그러나 센서에 그러한 강한 온도를 가할 경우, 센서를 손상시킬 수 있는 확률이 높아진다.
그렇기 때문에, 종래의 농도 측정 장치는 일반적으로 그의 노후화가 진행됨에 따라, 상기 농도 측정 장치에 의해 측정되어 출력되는 값에 노후화 드리프트를 갖는다. 정전 용량형 측정 장치(10)에서도, 노후화가 진행됨에 따라, 도 1c 및 도 1d의 좌표계에 의해 재현된 오프셋 드리프트 및 선형성 드리프트가 나타난다.
도 1c의 좌표계에서, 횡좌표는 정전 용량형 측정 장치(10)의 노후도(age)/경과한 작동 시간(t)(시간 단위)이다. 도 1c의 좌표계의 종좌표에 의해서는, 발생하는 에러(E)(퍼센트 단위)가 재현된다. 그래프(g11)는 오프셋 드리프트를 보여준다. 그래프(g12)는 선형성 드리프트를 지시한다.
도 1d의 좌표계의 횡좌표는 정전 용량형 측정 장치(10)의 주변에 설정된 습도 농도(cH2O)(% rH 단위)를 지시한다. 도 1d의 좌표계의 종좌표는 상기와 같은 습도 농도(cH2O)에서 측정된 커패시턴스(C)을 재현한다.
정전 용량형 측정 장치(10)의 노후도/경과한 작동 시간(t)이 0시간일 때, 그래프(g21)에 의해 측정된 값들이 측정된다. 그에 비해, 정전 용량형 측정 장치(10)의 노후도/경과한 작동 시간(t)이 1,000 시간인 경우에는, 그래프(g22)의 커패시턴스(C)가 검출된다. (이로써, 센서가 정전 용량형 측정 장치(10) 및 종래의 작동 장치에만 한정적으로 설치된다면, 정전 용량형 측정 장치(10)의 노후도/경과한 작동 시간(t)이 1,000 시간인 경우 그래프(g22)에 의해 지시된 커패시턴스(C)는 보정 없이 평가될 것이다.)
그런데 도 1a 내지 도 1e의 센서는, 하나 이상의 매질의 존재 및/또는 상기 매질의 하나 이상의 농도에 관련된 하나 이상의 정보(22)를 결정하여 출력할 뿐만 아니라, 상기 정보(22)를 출력하기 전에 하나 이상의 유전체(14)의 상태를 재현하는 값을 고려하여 상기 정보(22)의 보상/보정/재결정도 실행하도록 설계된 전자 장치(20)를 구비한다. 이로써, 오프셋 드리프트 및 선형성 드리프트가 전자 장치(20)에 의해 출력될 수 있는 정보(22)의 열화(deterioration)에 기여하지 않게 되는데, 그 이유는 상기 정보(22)가 출력되기 전에 보정될 수 있거나 재결정될 수 있기 때문이다.
특히, 전자 장치(20)는 2개 이상의 전극(12) 사이에 인가되는 전압을 2개 이상의 상이한 주파수(f)로 변동시키도록 설계된다. (2개 이상의 상이한) 주파수(f) 각각에 대해, 전자 장치(20)는 가변 커패시턴스(C) 및/또는 상기 가변 커패시턴스(C)에 의존적인 하나 이상의 변수(24)를 검출한다. 달리 말하면, 전자 장치(20)에 의해, 상이한 주파수(f)/여기 주파수에서 하나 이상의 변수(24)를 정확하게 검출할 수 있는 검출 방법/커패시턴스 검출 방법이 실행될 수 있다. 하나 이상의 변수(24)는 예를 들어 전류 세기 및/또는 커패시턴스(C)일 수 있다. 그러나, 전자 장치(20)의 형성 가능성이, 하나 이상의 변수(24)로서 전류 세기/커패시턴스(C)를 검출하는 것으로 한정되지는 않는다.
전자 장치(20)에 의해, 상이한 주파수들(f)에 대해 검출된 변수들(24) 상호간의 편차에 대한 하나 이상의 편차 변수(차이 변수)(Δ1 내지 Δ3)가 결정될 수 있다. 전자 장치(20)는 또한, 하나 이상의 검출된 변수(24)를 고려할 뿐만 아니라, 하나 이상의 편차 변수(차이 변수)(Δ1 내지 Δ3)를 추가로 고려해서도 하나 이상의 정보(22)를 결정하도록 설계된다.
하나 이상의 정보(22)로서 예를 들면, 물 분자(18)와 같은 하나의 이상의 매질이 2개 이상의 전극(12) 사이에 그리고 이로써 센서의 적어도 부분 주변에도 (적어도 사전 설정된/즉각 추가로 검출 가능한 최저 농도로) 존재한다는 점이 결정될 수 있고, 출력될 수 있다. 매질의 하나 이상의 농도도 물론 하나 이상의 정보(22)로서 결정되어 출력될 수 있다. 따라서, 센서는 복수의 정보 및 측정 변수를 검출하는 데 이용될 수 있다.
도 1a 내지 도 1e의 실시예들에서, 전자 장치(20)는, 정확히 하나의 사전 설정된 주파수(f)에서 검출된 변수(24)를 고려하여 하나 이상의 정보(22)를 결정하도록 설계된다. 그에 이어서, 전자 장치(20)는 도출된 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)를 고려하여 하나 이상의 정보(22)를 보정한다.
도 1e는, 전극들(12) 사이에 인가되는 전압을 변동시키는 주파수(f)(Hz 단위)를 지시하는 횡좌표를 갖는 좌표계를 보여준다. 도 1e의 좌표계의 횡좌표에 의해, 상이한 주파수들(f)에서 하나 이상의 변수(24)로서 각각 측정된 커패시턴스(C)가 재현되어 있다. [도 1e의 좌표계에 표기된 커패시턴스들(C)은 모두 습도 농도(cH2O)가 동일하고 일정하게 유지된 경우에 측정된다.]
그래프(g31)는, 상이한 주파수들(f)에 대해 새로운 정전 용량형 측정 장치(10)를 이용해서 (노후도/경과된 작동 시간이 0시간일 때) 검출된 커패시턴스(C)를 지시한다. 그래프(g32)의 값들은 노후도/경과된 작동 시간이 50시간인 정전 용량형 측정 장치(10)에 의해 측정되었다. 그래프(g33)의 값들을 측정하는 동안, 정전 용량형 측정 장치(10)는 150시간의 노후도/작동 시간을 갖는다.
도 1e의 좌표계를 참조해서 알 수 있는 바와 같이, 정전 용량형 측정 장치(10)의 노후도가 증가함에 따라 각각 100Hz의 주파수(f)에서 측정된 커패시턴스(C)와 100kHz의 주파수(f)에서 측정된 커패시턴스(C) 간의 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)가 증가한다. 하나 이상의 유전체(14)로서의 폴리이미드 층(14) 및 물 분자(18)의 예에서 상기와 같은 상황이 발생하는 원인은, 폴리이미드 층(14)이 점차 열화됨에 따라 물 분자(18)의 운동 자유도가 제한되기 때문이다. 따라서, 2개 이상의 전극(12) 사이에 인가되는 전기 교번 자장(26)과 물 분자(18)의 상호 작용은 폴리이미드 층(14)의 점진적인 열화에 따라 변동한다. 본원에서는 노후화로부터 기인하는 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)의 변동을 폴리이미드 층(14) 및 물 분자(18)를 에로 들어 설명하였으나, 근본적인 효과는 본원에 기술된 물질들에 제한되지 않는다.
상이한 주파수들(f)에 대해 하나 이상의 변수(24)를 도출하는 과정은 비교적 짧은 시간 간격 안에 실행될 수 있다. 이로써, 하나 이상의 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)를 결정하는 데 필요한 시간 비용이 매우 감소한다.
따라서, 하나 이상의 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)의 바람직한 도출을 토대로, 하나 이상의 유전체(14)의 변동 및/또는 물 분자/외래 분자의 침투에 의한 원치 않는 커패시턴스 변동이 보상될 수 있다. 특별히, 전자 장치(20)는, 하나 이상의 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)를 고려하여 노후화 계수 및/또는 오염 계수를 결정하고, 결정된 노후화 계수 및/또는 오염 계수를 고려하여 하나 이상의 정보(22)를 결정하거나, 보정하거나, 재결정하도록 설계될 수 있다. 이로써, 센서가 장시간 동안 작동된 후에도, 그리고 주변에 높은 오염 위험이 존재하더라도, 하나 이상의 출력된 정보(22)의 우수한 정확성 및 낮은 오류율이 여전히 보장된다.
따라서, 하나 이상의 유전체(14)의 "리컨디셔닝" 또는 경화가 더 이상 불필요하다. 그 대신에, 센서의 경우에는, 하나 이상의 편차 변수(Δ1 내지 Δ3)를 이용해서 상이한 주파수(f)를 갖는 노후화 드리프트 및/또는 오염 드리프트의 오류 패턴이 검출된다. 검출할 하나 이상의 매질의 분자의 주파수 의존성 및/또는 외래 분자의 주파수 의존성이 바람직하게 이용될 수 있다. 이와 같은 의존성은 하나 이상의 유전체(14)의 특성 변화에 따라 변동하기 때문에, 오류 패턴이 신뢰성 있게 검출될 수 있다. 노후화 효과 및/또는 오염을 막는 대신, 오류 패턴의 정성적인 또는 정량적인 검출을 이용하여 노후화 작용 및 오염의 보상이 가능하다. 또한, 이러한 방식으로, 또 다른 측정 변수를 검출하는 대신, 목표한 대로 오류 패턴의 주파수 의존적 특성이 검사될 수 있다. 이와 같은 과정을 유전 완화(dielectric relaxation)의 검출이라고도 바꿔말할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e의 실시예에서, 정전 용량형 측정 장치(10)는 반도체 기판(28)의 위 그리고/또는 그 내에 형성되어 있다. 반도체 기판(28)은 예를 들어 실리콘 기판일 수 있다. 하지만, 실리콘 대신 또는 실리콘을 보완하여, 반도체 기판(28)은 다른 물질도 가질 수 있다. 특별히, 반도체 기판(28)의 표면은 하나 이상의 유전체 층(30)에 의해 적어도 부분적으로 덮일 수 있으며, 이 경우 2개 이상의 전극(12) 및 하나 이상의 유전체(14)가 하나 이상의 유전체 층 상에 제공된다. 하지만, 도 1b에 재현된 층 구조는 단지 예시일 뿐이다.
한 바람직한 실시예에서는, 정전 용량형 측정 장치(10) 및 전자 장치(20)가 하나의 공통 반도체 기판(28) 위에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다. 이는, 정전 용량형 측정 장치(10)뿐만 아니라 전자 장치(20)도 CMOS 공정에 의해 제조될 수 있기 때문에, 간단하게 구현될 수 있다. 또는, 대안적으로, 정전 용량형 측정 장치(10)와 전자 장치(20)가 상이한 캐리어 구조물 상에 형성될 수도 있다.
도 2는, 센서의 제2 실시예의 개략도를 보여준다.
도 2에 개략적으로 재현된 센서는 정전 용량형 측정 장치(10)에 추가로 또 하나의 전자 장치(20)를 가지며, 이 전자 장치는 제어 유닛(32), 저장 유닛(34) 및 컴퓨터 유닛(36)을 포함한다. 제어 유닛(32)의 제어 신호(38)에 의해, 상이한 주파수들(f)로 변동되는 전압을 정전 용량형 측정 장치(10)의 2개 이상의 전극(12) 사이에 인가하는 과정이 제어된다. 이를 위해, 알고리즘이 제어 유닛(32)에 저장될 수 있다.
각각 검출된 하나 이상의 변수는 데이터 신호(40)에 의해 컴퓨터 유닛(36)으로 출력된다. 제어 유닛(32)에도 상기 데이터 신호(40)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(32)은 검출된 하나 이상의 변수를, 파일링 신호(41)를 이용해서 저장 유닛(34)으로 전달할 수 있다.
컴퓨터 유닛(36)은, 데이터 신호(40)에 의해 전달된 데이터를 참조하여 전술한 하나 이상의 편차 변수를 도출하도록 설계된다. 그에 후속하여 컴퓨터 유닛(36)은, 하나 이상의 도출된 변동 변수를 고려하여, 사전 설정된 단 하나의 주파수에서 결정된 정보의 보상을 실행한다. 이때, 컴퓨터 유닛(36)은, 저장 유닛(34)에 의해 사용된 룩-업 테이블(42), 방정식, 측정 특성 곡선 및/또는 환산 공식을 이용할 수 있다.
도 2의 센서는, 전자 장치(20)에 의해 작동될 수 있고 평가될 수 있는 온도 측정 장치(44)도 구비한다. 온도 측정 장치(44)에 의해 결정된 온도 신호(46)는 제어 유닛(32)에 제공될 수 있을 뿐만 아니라 컴퓨터 유닛(36)에도 제공될 수 있다. 이로써, 정전 용량형 측정 장치(10)를 작동시킬 때 그리고/또는 추후에 출력된 하나 이상의 정보(22)를 결정할 때, 센서에 존재하는 온도도 함께 고려될 수 있다.
전술된 센서들의 전자 장치(20)는 특별히, 하나 이상의 편차 변수(또는 노후화 계수 및/또는 오염 계수)를 오직 주기적으로 또는 비주기적으로(산발적으로) 재결정하도록 설계될 수 있다. 달리 말하면, 전술한 센서들은 오직 주기적으로 또는 비주기적으로(산발적으로만) 실시되는 (하나 이상의 변동 변수의 재결정에 의한) 자가 테스트를 위해 설계된다. 두 번의 자가 테스트 사이에, 센서가 자신의 정상 작동 동안, 이전의 측정/선행된 자가 테스트 동안에 결정된 하나 이상의 변동 변수를 사용해서 하나 이상의 정보(22)를 결정하거나, 보정하거나, 재결정할 수 있다. 노후화 과정은 경험적으로 매우 느린 과정이기 때문에, 노후화의 재검출은 긴 간격을 두고 수행해도 충분하다.
하나 이상의 편차 변수(또는 노후화 계수 및/또는 오염 계수)의 비주기적인/산발적인 재결정이란, 이 과정을 위해 전자 장치(20)가 외부 또는 내부에서 제공된 제어 신호로 제어되는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 외부 또는 내부 센서 요소에 의해 제어 신호가 전자 장치(20)로 송출될 수 있고, 이 제어 신호는 전술한 자가 테스트를 실시하도록 전자 장치를 여기한다. 이로써, 자가 테스트는, 정전 용량형 측정 장치에서 발생 가능한 상태 변화의 원인의 존재를 확인한 후에, 목표한 대로 실시될 수 있다. 센서는 예컨대 목표한 대로 자가 테스트에 의해서, 극한 온도 및/또는 액체/오염물의 침투에 대해 반응할 수 있다.
전술된 모든 센서는 하나의 공기 유량 센서 내에 통합될 수 있다.
도 3은, 정전 용량형 측정 장치를 작동하기 위한 방법의 한 실시예를 설명하기 위한 흐름도를 보여준다.
이하에서 기술되는 방법은 예를 들어 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 재현된 정전 용량형 측정 장치에 의해 실시될 수 있다. 하지만, 이 방법의 실시 가능성이 상기 정전 용량형 측정 장치에만 제한되는 것은 아니다. 그 대신, 이 방법은, 2개 이상의 전극 및 이들 2개 이상의 전극 사이에 존재하는 하나 이상의 유전체를 구비한 모든 정전 용량형 측정 장치에 의해 실시될 수 있다. 유전체란, 2개 이상의 전극 사이에 있는 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 의존적인 하나 이상의 유전율을 가지는 물질을 의미하며, 상기 유전체로 인해 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 하나 이상의 커패시턴스가 변동한다.
이 방법이 실시되는 동안, 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 전압이 2개 이상의 상이한 주파수로 변동한다. 각각의 주파수에 대해, 변동되는 커패시턴스 및/또는 상기 변동되는 커패시턴스에 의존적인 하나 이상의 변수가 검출된다. 상이한 주파수들에 대해 검출된 변수들 상호간의 편차에 대한 하나 이상의 편차 변수(차이 변수)가 결정된다. 하나 이상의 편차 변수는 예를 들어 제1 주파수에서 측정된 변수와 제2 주파수에서 검출된 변수 간의 차일 수 있다. 상이한 주파수들에서 검출된 복수의 변수와 임의의 평균값과의 편차도 하나 이상의 편차 변수로서 결정될 수 있다.
하나 이상의 매질의 존재 및/또는 상기 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 대한 하나 이상의 정보의 결정은, 검출된 변수들 중 하나 이상의 변수 및 하나 이상의 편차 변수를 고려해서 수행된다. 그런 다음, 결정된 정보가 출력된다.
도 3의 실시예에서, 먼저 제1 방법 단계(S1)에서, 정확히 하나의 사전 설정된 (제1) 주파수에서 하나 이상의 변수가 측정된다. 이어서 방법 단계(S2)에서, 상기 정확히 하나의 사전 설정된 주파수에서 검출된 변수를 고려하여 하나 이상의 정보가 결정된다.
그 다음 방법 단계(S3)에서는, 적어도 또 다른 (제1 주파수와 상이한) (제2) 주파수에서 하나 이상의 변수가 검출된다. (방법 단계 S3이 선택적으로 방법 단계 S2 이전에 수행될 수 있다.) 방법 단계(S4)에서는, 방법 단계 S1 및 S3에서 측정된 변수들을 고려하여 하나 이상의 편차 변수가 결정된다. 또한, 방법 단계(S5)에서는, (방법 단계 S2에서 결정된) 정보가 하나 이상의 편차 변수를 고려하여 재결정되거나 보정된다.
선택적으로, 방법 단계 S4와 S5 사이의 중간 단계에서, 하나 이상의 편차 변수를 고려하여, 노후화 계수 및/또는 오염 계수가 결정될 수 있다. 이 경우, 방법 단계 S5에서, 상기 결정된 노후화 계수 및/또는 오염 계수를 고려하여 하나 이상의 정보가 재결정되거나 보정된다.
하나 이상의 편차 변수는 선택적으로, 오직 주기적으로 또는 비주기적으로(산발적으로) 재결정될 수도 있다. 따라서, 방법 단계 S3 및 S4가 임시로 생략될 수 있다. 예를 들어, 방법 단계 S3 및 S4는, 하나 이상의 유전체에서 임시로 수행된 변동이 출력될 수 있는 확률이 높은 경우에만 실시될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예들을 참조해서 기술되었더라도, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 예를 들면 앞서 3개의 델타(Δ)로써 기술되었더라도, 노후화에 의존적인 임의의 델타가 가능하다. 또는, 달리 표현하면, 이들 델타는 단지 상이한 노후화 단계에 대한 예시들에 불과하다. 델타는 노후화 및 주파수에 따라 증가한다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 매질을 검출하기 위한 센서로서,
    2개 이상의 전극 및 상기 2개 이상의 전극 사이에 존재하는 하나 이상의 유전체를 포함하는 정전 용량형 측정 장치로서, 상기 하나 이상의 유전체의 하나 이상의 유전율이 적어도, 상기 2개 이상의 전극 사이에 있는 하나 이상의 매질의 농도에 의존적이며, 그로 인해 상기 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 하나 이상의 커패시턴스가 변동될 수 있는, 정전 용량형 측정 장치; 및
    변동 가능한 커패시턴스에 대한, 또는 상기 변동 가능한 커패시턴스에 의존적인 하나 이상의 변수를 검출하도록, 그리고 상기 검출된 하나 이상의 변수를 고려하여 상기 하나 이상의 매질의 존재에 대한, 또는 상기 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 대한 하나 이상의 정보를 결정하여 출력하도록 설계된 전자 장치를 구비하고,
    상기 전자 장치는 추가로, 상기 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 전압을 2개 이상의 상이한 주파수로 변경하도록 설계되며, 이때 각각의 주파수에 대해 상기 하나 이상의 변수가 검출될 수 있고, 상기 전자 장치를 이용해서 상기 상이한 주파수들에 대해 검출된 변수들 상호간의 편차에 대한 하나 이상의 편차 변수가 결정될 수 있으며, 상기 하나 이상의 편차 변수를 추가로 고려해서 상기 하나 이상의 정보가 결정될 수 있고,
    상기 전자 장치는 추가로, 상기 하나 이상의 편차 변수를 고려하여 노후화 계수 또는 오염 계수를 결정하도록, 그리고 상기 결정된 노후화 계수 또는 오염 계수를 고려하여 상기 하나 이상의 정보를 결정하거나, 보정하거나, 재결정하도록 설계되는, 매질 검출 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자 장치는 추가로, 정확히 하나의 사전 설정된 주파수에서 검출된 변수를 고려하여 상기 하나 이상의 정보를 결정하도록, 그리고 상기 하나 이상의 정보를 출력하기 전에 상기 하나 이상의 편차 변수를 고려하여 상기 하나 이상의 정보를 보정하거나 재결정하도록 설계되는, 매질 검출 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자 장치가 추가로, 상기 하나 이상의 편차 변수, 상기 노후화 계수 또는 상기 오염 계수를 주기적으로, 또는 외부 혹은 내부에서 제공된 제어 신호로 제어하여 재결정하도록 설계되는, 매질 검출 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정전 용량형 측정 장치 및 상기 전자 장치가 하나의 공통 반도체 기판 위에 또는 그 내에 형성되는, 매질 검출 센서.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서는 추가로 온도 측정 장치를 포함하고, 상기 온도 측정 장치는 상기 전자 장치에 의해 작동될 수 있고 평가될 수 있는, 매질 검출 센서.
  7. 2개 이상의 전극 및 상기 2개 이상의 전극 사이에 존재하는 하나 이상의 유전체를 포함하는 정전 용량형 측정 장치를 작동하는 방법으로서,
    상기 하나 이상의 유전체의 하나 이상의 유전율이 상기 2개 이상의 전극 사이에 있는 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 의존적이고, 그로 인해 상기 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 하나 이상의 커패시턴스가 변동될 수 있으며, 상기 방법은,
    상기 2개 이상의 전극 사이에 인가되는 전압을 2개 이상의 상이한 주파수로 변동시키는 단계;
    변동하는 커패시턴스에 대한, 또는 상기 변동하는 커패시턴스에 의존적인 하나 이상의 변수를 검출하는 단계로서, 각각의 주파수에 대해 상기 하나 이상의 변수가 검출되는 단계;
    상이한 주파수들에 대해 검출된 변수들 상호간의 편차에 대한 하나 이상의 편차 변수를 결정하는 단계; 및
    하나 이상의 매질의 존재에 대한, 또는 상기 하나 이상의 매질의 하나 이상의 농도에 대한 하나 이상의 정보를 결정하여 출력하는 단계로서, 상기 검출된 변수 중 하나 이상의 변수 및 상기 하나 이상의 편차 변수를 고려해서 하나 이상의 출력된 정보를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 이상의 편차 변수를 고려하여 노후화 계수 또는 오염 계수를 결정하며, 상기 결정된 노후화 계수 또는 오염 계수를 고려하여 상기 하나 이상의 정보를 결정하거나, 재결정하거나, 보정하는, 정전 용량형 측정 장치의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 정확히 하나의 사전 설정된 주파수에서 검출된 변수를 고려하여 상기 하나 이상의 정보를 결정하며, 상기 하나 이상의 편차 변수를 고려해서 상기 하나 이상의 정보를 재결정하거나 보정하는, 정전 용량형 측정 장치의 작동 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 편차 변수, 상기 노후화 계수 또는 상기 오염 계수를 주기적으로 또는 비주기적으로 재결정하는, 정전 용량형 측정 장치의 작동 방법.
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