KR102630328B1 - Humidity sensor module, humidity measuring device having the same and method of detecting humidity using the same - Google Patents

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이태민
이상목
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한국과학기술원
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Abstract

습도센서 모듈, 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법을 개시한다. 습도센서 모듈은 기판 상에 배치되고 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층, 리세스를 덮도록 절연층의 상부에 배치되어 리세스를 외부로부터 단절된 밀폐공간으로 제공하고 칼슘함유 박막층을 구비하여 대기의 수분을 흡수하며 흡수된 수분의 함량에 따라 서로 다른 공진 주파수로 진동하는 멤브레인, 및 절연층의 하부에 배치된 하부전극 및 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함한다. 습도 측정장치는 습도센서 모듈로부터 출력신호를 검출하고 출력신호의 공진 주파수에 대응하는 습도를 주파수-습도 기준에 의해 일의적으로 수득한다. 대기의 상대습도를 간편하고 정확하게 검출할 수 있다.Disclosed is a humidity sensor module, a humidity measuring device equipped with the same, and a method of measuring humidity using the same. The humidity sensor module is placed on a substrate and includes an insulating layer with a recess recessed from the upper surface, an insulating layer placed on top of the insulating layer to cover the recess, providing the recess as a sealed space cut off from the outside, and a calcium-containing thin film layer. It has a membrane that absorbs atmospheric moisture and vibrates at different resonance frequencies depending on the content of the absorbed moisture, and a lower electrode disposed below the insulating layer and an upper electrode disposed on the membrane, between the lower electrode and the upper electrode. It includes an electrode layer that serves as a capacitor for the insulating layer located thereon. The humidity measuring device detects an output signal from the humidity sensor module and uniquely obtains the humidity corresponding to the resonance frequency of the output signal based on the frequency-humidity standard. The relative humidity of the atmosphere can be detected easily and accurately.

Description

습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용하는 습도측정 방법 {Humidity sensor module, humidity measuring device having the same and method of detecting humidity using the same}Humidity sensor module, humidity measuring device having the same, and humidity measuring method using the same {Humidity sensor module, humidity measuring device having the same and method of detecting humidity using the same}

본 발명은 습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT)를 이용한 미세가공 초음파 습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a humidity sensor module, a humidity measuring device equipped with the same, and a humidity measuring method using the same. More specifically, the present invention relates to micromachining using a capacitive micro-machined ultrasonic transducer (CMUT). This relates to an ultrasonic humidity sensor module, a humidity measuring device equipped with the same, and a humidity measuring method using the same.

최근, 다양한 산업분야에서 미세공정의 활용이 증가하면서 단위공정이 수행되는 주변환경의 습도를 간단하고 정밀하게 측정하기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다.Recently, as the use of microprocessing has increased in various industrial fields, various efforts have been made to simply and precisely measure the humidity of the surrounding environment where unit processes are performed.

예를 들면, 멤스(MEMS)나 반도체 제조공정과 같은 미세공정을 이용하여 단일한 기판으로부터 대량으로 습도센서 칩을 제조함으로써 휴대성과 사용 편의성 및 검출 정밀도가 향상된 미세가공 습도센서에 대한 관심이 높아지고 있다. For example, interest in microprocessed humidity sensors with improved portability, ease of use, and detection accuracy is increasing by manufacturing humidity sensor chips in large quantities from a single substrate using microprocesses such as MEMS or semiconductor manufacturing processes. .

특히, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasound transducer, CMUT) 소자의 멤브레인을 대기중의 수분을 흡수하는 흡습층으로 변형하여 습도센서로 활용하는 CMUT 습도센서가 널리 이용되고 있다. 상기 CMUT 습도센서는 MEMS 공정에 의해 제조되어 미세 사이즈를 갖고 대량으로 생산되므로 습도센서의 휴대성과 검출 편의성을 개선할 수 있고 상대습도를 전기적 신호를 이용하여 검출하므로 측정 정밀도를 높일 수 있다.In particular, the capacitive micro-machined ultrasound transducer (CMUT) humidity sensor, which transforms the membrane of the device into a moisture absorption layer that absorbs moisture in the air and uses it as a humidity sensor, is widely used. The CMUT humidity sensor is manufactured through the MEMS process and has a fine size and is mass-produced, so the portability and detection convenience of the humidity sensor can be improved, and measurement precision can be increased by detecting relative humidity using an electrical signal.

특히, 최근에는 반도체 제조공정이나 정밀 화학공정과 같이 높은 정밀도와 청정도를 요구하는 공정환경에 대한 필요성이 증가하면서 미세한 습도변화도 검출할 수 있는 고감도 CMUT 습도센서에 대한 수요가 증가하고 있다. In particular, recently, as the need for process environments that require high precision and cleanliness, such as semiconductor manufacturing processes or precision chemical processes, has increased, the demand for high-sensitivity CMUT humidity sensors that can detect even minute changes in humidity is increasing.

상기 CMUT 습도센서의 흡습감도는 대기 중의 수분변화에 의한 멤브레인의 응답 민감도에 의해 결정되므로 고감도 CMUT 습도센서는 흡습층의 물성을 개선하기 위한 다양한 노력들이 진행되고 있다.Since the moisture absorption sensitivity of the CMUT humidity sensor is determined by the response sensitivity of the membrane due to changes in moisture in the atmosphere, various efforts are being made to improve the physical properties of the moisture absorption layer of the high-sensitivity CMUT humidity sensor.

예를 들면, 상기 CMUT 습도센서의 멤브레인을 금속 산화물, 세라믹, 카본이나 폴리머 등을 이용하여 개질하거나 변형하여 흡습감도를 높이는 다양한 CMUT 습도센서가 알려져 있다. 그러나, 공정 스케일이 나노미터 단위로 축소되는 최근의 미세공정에 요구되는 충분한 흡습감도는 제공하지 못하고 있어 공정환경의 습도변화에 민감하게 대응하지 못하는 문제점이 있다. For example, various CMUT humidity sensors are known in which moisture absorption sensitivity is increased by modifying or modifying the membrane of the CMUT humidity sensor using metal oxide, ceramic, carbon, or polymer. However, it does not provide sufficient moisture absorption sensitivity required for recent microprocesses where the process scale is reduced to the nanometer level, so there is a problem in that it cannot respond sensitively to changes in humidity in the process environment.

이에 따라, 흡습감도를 높일 수 있는 새로운 CMUT 습도센서에 대한 요구가 높아지고 있다.Accordingly, the demand for new CMUT humidity sensors that can increase moisture absorption sensitivity is increasing.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 CMUT 소자의 멤브레인에 칼슘함유 박막층을 배치하여 흡습감도를 개선한 습도센서 모듈을 제공하는 것이다. The present invention was proposed to improve the problems described above, and the purpose of the present invention is to provide a humidity sensor module with improved moisture absorption sensitivity by disposing a calcium-containing thin film layer on the membrane of the CMUT device.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 습도센서 모듈을 구비하는 습도 측정장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a humidity measuring device including the humidity sensor module described above.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 습도 측정장치를 이용하여 상대습도를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of measuring relative humidity using the humidity measuring device described above.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 습도센서 모듈은 기판 상에 배치되고 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층, 상기 리세스를 덮도록 상기 절연층의 상부에 배치되어 상기 리세스를 외부로부터 단절된 밀폐공간으로 제공하고 칼슘함유 박막층을 구비하여 대기의 수분을 흡수하며 흡수된 상기 수분의 함량에 따라 서로 다른 공진 주파수로 진동하는 멤브레인, 및 상기 절연층의 하부에 배치된 하부전극 및 상기 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 상기 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 상기 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함한다.A humidity sensor module according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is disposed on a substrate and has an insulating layer having a recess recessed from the upper surface, and is disposed on top of the insulating layer to cover the recess. A membrane that provides the recess as a closed space cut off from the outside and has a calcium-containing thin film layer to absorb atmospheric moisture and vibrates at different resonance frequencies depending on the content of the absorbed moisture, and a membrane disposed below the insulating layer It includes a lower electrode and an upper electrode disposed on the membrane, and an electrode layer that serves as a capacitor with the insulating layer located between the lower electrode and the upper electrode.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 측정장치는 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층 및 상기 절연층 상에 배치되고 대기 중에 포함된 수분을 흡수할 수 있는 칼슘함유 박막층을 구비하여 상기 수분 흡수량에 따라 물성이 변화하는 멤브레인을 포함하는 습도센서 모듈, 상기 습도센서 모듈로 구동신호를 인가하여 멤브레인 진동을 생성하는 파워소스, 상기 멤브레인 진동에 대응하는 전기적 신호인 출력신호를 검출하고 상기 출력신호와 공진하는 상기 구동신호의 주파수를 공진 주파수로 검출하는 주파수 검출기, 및 상기 공진 주파수에 대응하는 상기 대기의 상대습도를 검출하는 습도 검출기를 포함한다.A humidity measuring device according to another embodiment of the present invention for achieving the above object includes an insulating layer having a recess recessed from the upper surface, and a calcium-containing layer disposed on the insulating layer and capable of absorbing moisture contained in the atmosphere. A humidity sensor module including a membrane with a thin film layer whose physical properties change depending on the amount of moisture absorption, a power source that generates membrane vibration by applying a drive signal to the humidity sensor module, and an output signal that is an electrical signal corresponding to the membrane vibration. It includes a frequency detector that detects the frequency of the drive signal resonating with the output signal as a resonant frequency, and a humidity detector that detects the relative humidity of the atmosphere corresponding to the resonant frequency.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 습도 측정방법을 개시한다. 먼저, 칼슘이온이 포함된 박막층을 구비하고 대기중의 수분을 흡수하는 멤브레인과 밀폐공간을 갖도록 접촉하는 절연층이 커패시터로 기능하여 미세가공 초음파 트랜스듀서로 동작하는 습도센서 모듈로 교류전압을 인가하여 멤브레인 진동을 생성한다. 상기 습도센서 모듈과 연결된 전기회로를 통해 상기 멤브레인의 진동에 관한 전기적 등가신호인 교류 출력신호를 검출하고, 상기 출력신호의 최대 유효신호를 검출하도록 상기 구동신호의 주파수를 변조하여, 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출한다. 주파수-습도 기준으로부터 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기의 상대습도로 검출한다.A method for measuring humidity according to another embodiment of the present invention is disclosed to achieve the above object. First, the insulating layer, which has a thin film layer containing calcium ions and is in contact with the membrane to absorb atmospheric moisture and has a closed space, functions as a capacitor and applies an alternating current voltage to a humidity sensor module that operates as a micro-processed ultrasonic transducer. Generates membrane vibration. An alternating current output signal, which is an electrical equivalent signal related to the vibration of the membrane, is detected through an electric circuit connected to the humidity sensor module, and the frequency of the drive signal is modulated to detect the maximum effective signal of the output signal. Detect the resonance frequency. From the frequency-humidity standard, the humidity corresponding to the resonance frequency is detected as the relative humidity of the atmosphere.

본 발명의 예시적 실시예에 의한 미세가공 초음파 습도센서 모듈, 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 의하면, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조되고 주파수와 습도 사이의 선형성을 유지할 수 있는 CMUT 어레이를 이용하여 습도 측정장치를 구성할 수 있다. 상기 박막층은 칼슘함유 실크층으로 구성하여 대기중의 습도에 민감하게 반응하고 넓은 습도범위에서 수분 흡수량과 상대습도 사이의 선형성을 갖는다. 이에 따라, 대기의 상대습도를 정확하고 안정적으로 검출할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a micro-machined ultrasonic humidity sensor module, a humidity measuring device equipped with the same, and a humidity measuring method using the same are manufactured in a small size by micro-machining and can maintain linearity between frequency and humidity. A humidity measuring device can be configured using a CMUT array. The thin film layer is composed of a calcium-containing silk layer, so it responds sensitively to atmospheric humidity and has linearity between moisture absorption and relative humidity over a wide humidity range. Accordingly, the relative humidity of the atmosphere can be accurately and stably detected.

특히, 상기 습도 측정장치는 소형 장치로 구비되어 상대습도 측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 정확한 습도측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 정밀한 습도를 수득할 수 있다. In particular, the humidity measuring device is a small device that can accurately measure relative humidity with a simple operation in places where relative humidity measurement is required. Accordingly, precise humidity can be obtained with a simple operation in places where accurate humidity measurement is required.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 습도센서 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 칼슘 실크층의 응력(stress)-변형률(strain) 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 서로 다른 기온과 상대습도에서 칼슘 실크층의 수분 함량 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 습도센서 모듈의 상대습도와 공진 주파수 사이의 상관성을 나타내는 주파수-습도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 습도센서 모듈을 구비하는 습도측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 습도센서 모듈 및 주파수 검출기의 전기적 연결관계를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도 측정장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 습도 측정장치를 이용하여 대기중의 상대습도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
1 is a cross-sectional view showing a humidity sensor module according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the stress-strain relationship of the calcium silk layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the results of measuring the change in moisture content of the calcium silk layer at different temperatures and relative humidity.
FIG. 4 is a frequency-humidity graph showing the correlation between relative humidity and resonance frequency of the humidity sensor module shown in FIG. 1.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a humidity measuring device including the humidity sensor module shown in FIG. 1 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram showing the electrical connection relationship between the humidity sensor module and the frequency detector shown in FIG. 5.
Figure 7 is a schematic configuration diagram showing a humidity measuring device according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a flowchart showing a method of measuring relative humidity in the air using a humidity measuring device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art will understand the technicalities of the present invention. The present invention may be implemented in various other forms without departing from the spirit of the invention.

첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 영역, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 전극, 구조물들 또는 패턴들 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 구조물 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴들 또는 다른 구조물이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. In the accompanying drawings, the dimensions of the substrate, layer (film), region, pattern, or structure are enlarged from the actual size for clarity of the present invention. In the present invention, each layer (film), region, electrode, pattern or structure is “on”, “on” or “below” the substrate, and each layer (film), region, electrode, structure or pattern is “on”, “on” or “under” the substrate. When referred to as being formed on the substrate, it means that each layer (film), region, electrode, pattern or structure is formed directly on or below the substrate, each layer (film), region, structure or pattern, or other Layers (films), other regions, other electrodes, other patterns or other structures may be additionally formed on the substrate. Additionally, when materials, layers (films), regions, electrodes, patterns or structures are referred to as “first,” “second,” “third,” and/or “preliminary,” it is not intended to define these elements. rather, it is simply to distinguish each material, layer (film), region, electrode, pattern, or structure. Accordingly, “first,” “second,” “third,” and/or “preliminary” may be used selectively or interchangeably for each layer (film), region, electrode, pattern, or structure.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 습도센서 모듈을 나타내는 단면도이다. 예시적으로, 상기 습도센서 모듈은 MEMS 공정에 의해 제조되는 CMUT 습도센서 칩을 절단한 단면도이다. 그러나, 상기 CMUT 칩과 동일한 집적도로 칩을 제조할 수 있다면 다양한 미세공정에 의해 제조된 습도센서 칩을 포함할 수도 있음은 자명하다. 1 is a cross-sectional view showing a humidity sensor module according to an embodiment of the present invention. As an example, the humidity sensor module is a cross-sectional view of a CMUT humidity sensor chip manufactured through a MEMS process. However, it is obvious that if a chip can be manufactured with the same level of integration as the CMUT chip, it can also include a humidity sensor chip manufactured through various microprocesses.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 습도센서 모듈(500)은 기판(100)과 상기 기판(100) 상에 배치되는 절연층(200), 흡습감도를 높일 수 있는 칼슘함유 박막층이 배치된 멤브레인(300) 및 전극층(400)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the humidity sensor module 500 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 100, an insulating layer 200 disposed on the substrate 100, and a calcium-containing thin film layer that can increase moisture absorption sensitivity. It includes a disposed membrane 300 and an electrode layer 400.

일 실시예로서, 상기 기판(100)은 습도센서 모듈(500)의 기저(base)를 구성하는 구조물로서, 상기 절연층(200)과 멤브레인(300) 및 전극층(400)은 상기 기판(100) 상에 배치되거나 적층된다. In one embodiment, the substrate 100 is a structure that constitutes the base of the humidity sensor module 500, and the insulating layer 200, membrane 300, and electrode layer 400 are the substrate 100. It is placed or stacked on top.

예를 들면, 상기 기판(100)은 상기 습도센서 모듈(500)을 제조하는 초소형 정밀 기계(micro-electro mechanical system, MEMS) 공정을 수행할 수 있는 베이스 기판으로 제공되며 실리콘이나 갈륨과 같은 반도체 물질로 구성된다. For example, the substrate 100 is provided as a base substrate capable of performing a micro-electro mechanical system (MEMS) process for manufacturing the humidity sensor module 500 and is made of a semiconductor material such as silicon or gallium. It consists of

특히, 후술하는 바와 같이, 습도센서 모듈(500)은 상기 기판(100)의 상부에 커패시터를 형성하여 에너지의 충전 및 방전에 따른 초음파를 검출하는 CMUT 칩으로 제공되므로, 상기 기판(100)은 하부에 배치되는 하부전극(410)과 일체로 평판 커패시터를 구성하기 위한 전극 구조물로 기능할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 배면에 배치된 하부전극(410)의 전류유동에 대한 저항을 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있도록 반도체 물질로 구성된다. In particular, as will be described later, the humidity sensor module 500 is provided as a CMUT chip that detects ultrasonic waves according to charging and discharging of energy by forming a capacitor on the upper part of the substrate 100, so that the substrate 100 is connected to the lower part of the substrate 100. It can function as an electrode structure for forming a plate capacitor integrally with the lower electrode 410 disposed on. Accordingly, it is made of a semiconductor material so that the resistance to current flow of the lower electrode 410 disposed on the back of the substrate 100 can be appropriately adjusted as needed.

이와 달리, 상기 하부전극(410)이 기판(100)의 상면(101)과 절연층(200) 사이에 위치하는 경우 상기 기판(100)은 높은 저항을 구비하여 절연성 물질로 구성될 수도 있다. Alternatively, when the lower electrode 410 is located between the upper surface 101 of the substrate 100 and the insulating layer 200, the substrate 100 may have high resistance and may be made of an insulating material.

본 실시예의 경우, 상기 기판(100)은 p형 불순물을 첨가하여 저항을 10-3 Ωcm 보다 작게 설정한 도핑 실리콘으로 구성된다. 그러나, 상기 불순물 도핑에 의해 습도센서 모듈(500)이 구성에 필요한 저저항과 도전성을 구현할 수 있다면 다양한 반도체 물질로 구성할 수 있음은 자명하다. In this embodiment, the substrate 100 is made of doped silicon in which p-type impurities are added to set the resistance to less than 10 -3 Ωcm. However, it is obvious that the humidity sensor module 500 can be made of various semiconductor materials if it can achieve the low resistance and conductivity required for its construction by doping with the impurities.

또한, 상기 기판(100)은 단일한 웨이퍼(silicon wafer)의 일부로 제공될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 습도센서 모듈(500)은 상기 웨이퍼 상에 멤스(MEMS) 기술에 의해 제조되는 다수의 CMUT 칩을 구비하는 습도센서 어레이로 제공될 수 있다. 이때, 상기 기판(100)은 상기 습도센서 어레이의 어레이 기판으로 제공될 수 있다. Additionally, the substrate 100 may be provided as part of a single wafer (silicon wafer). As will be described later, the humidity sensor module 500 may be provided as a humidity sensor array including a plurality of CMUT chips manufactured by MEMS technology on the wafer. At this time, the substrate 100 may be provided as an array substrate for the humidity sensor array.

상기 절연층(200)은 수직방향을 따라 서로 이격되는 하부전극(410)과 상부전극(420) 사이에서 상기 기판(100)의 상면을 덮도록 배치된다. 상기 절연층(200)은 소정의 두께를 갖고 일정한 유전율을 갖는 절연물질로 구성되며, 상기 하부전극(410)과 상부전극(420) 사이에 배치되어 평판 커패시터(C)로 기능하게 된다. 따라서, 상기 절연층(200)은 설정된 정전용량(capacitance)을 유지할 수 있을 정도의 유전율을 갖는다면 다양한 물질로 구성될 수 있다. The insulating layer 200 is disposed to cover the upper surface of the substrate 100 between the lower electrode 410 and the upper electrode 420, which are spaced apart from each other along the vertical direction. The insulating layer 200 is made of an insulating material with a predetermined thickness and a constant dielectric constant, and is disposed between the lower electrode 410 and the upper electrode 420 to function as a flat capacitor (C). Accordingly, the insulating layer 200 may be made of various materials as long as it has a dielectric constant sufficient to maintain a set capacitance.

본 실시예의 경우, 상기 절연층(200)은 실리콘으로 구성된 상기 기판(100)의 상면에 배치되므로 실리콘과의 접착특성이 우수한 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중의 어느 하나로 구성할 수 있다. In the case of this embodiment, the insulating layer 200 is disposed on the upper surface of the substrate 100 made of silicon, so it can be made of any one of silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride, which has excellent adhesion characteristics with silicon.

특히, 후술하는 바와 같이 상기 절연층(200)의 상면에는 상기 멤브레인(300)과의 결합에 의해 밀폐공간(S)으로 형성되는 리세스(R)가 배치되므로 상기 리세스(R)의 형상을 유지하기 위한 충분한 강도와 강성을 갖도록 제공된다. 예를 들면, 상기 절연층(200)은 열 성장(thermal growth) 공정을 통하여 상대적으로 밀도가 높은 박막으로 형성하며 약 400nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. In particular, as will be described later, a recess (R) is disposed on the upper surface of the insulating layer 200, which is formed as a closed space (S) by combining with the membrane 300, so that the shape of the recess (R) is It is provided with sufficient strength and rigidity to maintain. For example, the insulating layer 200 is formed as a thin film with relatively high density through a thermal growth process and may have a thickness of about 400 nm to 500 nm.

상기 리세스(R)는 절연층(200)의 상면(201)으로부터 일정한 깊이(h)까지 함몰되어 절연층(200)의 상면을 덮는 멤브레인(300)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 제공된다. 따라서 상기 밀폐공간(S)은 절연층(200)과 멤브레인(300)으로 한정되고 상기 리세스(R)의 높이(h)에 대응하는 최대 높이를 갖는 입체공간으로 제공된다.The recess (R) is recessed from the upper surface 201 of the insulating layer 200 to a certain depth (h) and serves as an enclosed space (S) defined by the membrane 300 that covers the upper surface of the insulating layer 200. do. Accordingly, the closed space (S) is limited by the insulating layer 200 and the membrane 300 and is provided as a three-dimensional space with a maximum height corresponding to the height (h) of the recess (R).

상기 밀폐공간(S)은 상기 멤브레인(300) 진동의 진폭을 확대할 수 있도록 멤브레인의 초기변형을 수용하여 상기 초음파의 검출 민감도를 높이게 된다. 또한, 상기 리세스(R)의 높이(h)에 따라 상기 습도센서 모듈(500)에 인가되는 풀-인 전압(pull-in voltage)이 결정된다. 따라서, 상기 리세스(R)의 높이(h)는 초음파의 적정 검출 민감도와 인가되는 풀인 전압을 고려하여 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 리세스(R)의 높이(h)는 상기 절연층(200) 두께의 약 60% 내지 80%의 범위를 갖도록 설정할 수 있다. The closed space (S) accommodates the initial deformation of the membrane to expand the amplitude of vibration of the membrane 300 and increases the detection sensitivity of the ultrasonic waves. In addition, the pull-in voltage applied to the humidity sensor module 500 is determined depending on the height (h) of the recess (R). Therefore, the height (h) of the recess (R) can be appropriately set considering the appropriate detection sensitivity of ultrasonic waves and the applied pull-in voltage. For example, the height h of the recess R may be set to range from about 60% to 80% of the thickness of the insulating layer 200.

상기 멤브레인(300)은 상기 리세스(R)를 덮도록 상기 절연층(200)의 상면(201)에 배치된다. 이에 따라, 상기 리세스(R)는 상기 멤브레인(300)과 절연층(200)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 형성한다. The membrane 300 is disposed on the upper surface 201 of the insulating layer 200 to cover the recess (R). Accordingly, the recess (R) is formed as a closed space (S) defined by the membrane 300 and the insulating layer 200.

이때, 상기 멤브레인(300)은 대기 중에 포함된 수분을 흡수할 수 있는 박막층(320)을 구비하여 상기 박막층(320)의 수분함량에 따라 멤브레인(300)의 전체 물성이 변화하도록 구성된다.At this time, the membrane 300 is provided with a thin film layer 320 capable of absorbing moisture contained in the atmosphere, and the overall physical properties of the membrane 300 change depending on the moisture content of the thin film layer 320.

예를 들면, 상기 멤브레인(300)은 상기 절연층(200) 상에 배치되어 상기 리세스(R)를 덮는 기저층(310) 및 상기 기저층(310)을 덮도록 배치되고 대기중의 수분을 흡수하는 칼슘함유 박막층(320)을 포함한다. 특히, 상기 기저층(310)과 박막층(320)은 일체로 제공되어 상기 멤브레인(300)이 진동하는 경우 동일한 진동특성을 갖는다. 즉, 상기 기저층(310)과 박막층(320)은 서로 일체로 결합되어 물리적으로 동일한 부재를 구성하며 단일한 진동특성을 갖는다.For example, the membrane 300 is disposed on the insulating layer 200 and covers the recess R, and the base layer 310 is disposed to cover the base layer 310 and absorbs moisture in the atmosphere. It includes a calcium-containing thin film layer (320). In particular, the base layer 310 and the thin film layer 320 are provided as one body and have the same vibration characteristics when the membrane 300 vibrates. That is, the base layer 310 and the thin film layer 320 are integrally combined with each other to form a physically identical member and have a single vibration characteristic.

일 실시예로서, 상기 기저층(310)은 반도체 물질로 구성되어 상기 커패시터(C)에 저장된 에너지의 충전 및 방전에 따라 진동하는 막질로 제공된다. 특히, 상기 기저층(310)은 상기 리세스(R)를 덮도록 절연층(200)과 결합하여 상기 밀폐공간(S)을 형성하므로, 상기 절연층(200)과 결합하여 밀봉 특성을 높일 수 있는 물질로 구성된다. In one embodiment, the base layer 310 is made of a semiconductor material and is provided as a film that vibrates according to the charging and discharging of energy stored in the capacitor C. In particular, the base layer 310 is combined with the insulating layer 200 to cover the recess (R) to form the sealed space (S), and thus can improve sealing characteristics by combining with the insulating layer 200. It is composed of substances.

예를 들면, 상기 기저층(310)은 실리콘 산화물이나 질화물과 결합특성이 우수한 실리콘 박막으로 구성할 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 기저층(310)은 약 100nm 내지 500nm의 두께를 갖도록 구성된다.For example, the base layer 310 may be made of a silicon thin film that has excellent bonding characteristics with silicon oxide or nitride. In this embodiment, the base layer 310 is configured to have a thickness of approximately 100 nm to 500 nm.

상기 기저층(310)의 상면에 대기중의 수분을 흡수할 수 있는 흡습물질을 구비하는 박막층(320) 및 직류전원(DC)을 인가하기 위한 상부전극(420)이 배치된다. A thin film layer 320 containing a hygroscopic material capable of absorbing moisture in the air and an upper electrode 420 for applying direct current power (DC) are disposed on the upper surface of the base layer 310.

일 실시예로서, 상기 박막층(320)은 상기 멤브레인(300)이 노출되는 대기중의 수분을 흡수할 수 있도록 칼슘을 포함하고 상기 기저층(310)과 일체로 제공된다. 상기 박막층(320)으로 대기중의 수분이 흡수되는 경우 상기 박막층(320) 자체의 물성이나 기계적 특성이 변경되어 상기 박막층(320)을 구비하는 멤브레인(300)의 물성과 기계적 특성이 변경된다. In one embodiment, the thin film layer 320 contains calcium to absorb moisture in the air to which the membrane 300 is exposed and is provided integrally with the base layer 310. When moisture in the air is absorbed into the thin film layer 320, the physical properties or mechanical properties of the thin film layer 320 itself are changed, and the physical and mechanical properties of the membrane 300 including the thin film layer 320 are changed.

예를 들면, 상기 박막층(320)은 칼슘이 첨가된 실크층(이하, 칼슘 실크층)을 포함할 수 있다. 순수한 실크층은 수분을 흡수하기 어렵지만 칼슘 실크층은 상온에서 공기 중에 포함된 수분을 흡수하고 유지하는 특성을 갖는다.For example, the thin film layer 320 may include a silk layer to which calcium is added (hereinafter referred to as calcium silk layer). It is difficult for the pure silk layer to absorb moisture, but the calcium silk layer has the property of absorbing and retaining moisture contained in the air at room temperature.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 칼슘 실크층의 응력(stress)-변형률(strain) 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2는 상대습도 60%에서 서로 다른 칼슘농도를 갖는 다수 칼슘 실크층들의 응력-변형률 선도(stress-strain curve)를 나타내고 있다. Figure 2 is a graph showing the stress-strain relationship of the calcium silk layer according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the stress-strain curve of multiple calcium silk layers with different calcium concentrations at 60% relative humidity.

도 2에 도시된 바와 같이, 칼슘의 농도가 증가할수록 칼슘 실크층의 변형률이 급격하게 증가하며 칼슘의 농도가 약 30% 내지 40%인 경우 칼슘 실크층의 변형률이 약 200% 내지 400%까지 증가한다.As shown in Figure 2, as the concentration of calcium increases, the strain rate of the calcium silk layer increases rapidly, and when the calcium concentration is about 30% to 40%, the strain rate of the calcium silk layer increases to about 200% to 400%. do.

이에 따라, 상기 응력-변형률 선도(stress-strain curve)의 기울기인 칼슘 실크층의 영률(Young's Modulus) 또한 칼슘의 농도가 약 30% 내지 40%인 경우 급격하게 줄어들게 된다. Accordingly, Young's Modulus of the calcium silk layer, which is the slope of the stress-strain curve, also rapidly decreases when the calcium concentration is about 30% to 40%.

즉, 상기 칼슘 실크층은 동일한 응력에서 변형률이 충분히 증가할 수 있으므로 칼슘 실크층에 인가되는 내부응력의 증가 없이 대기중의 수분을 충분히 흡수할 수 있다. In other words, since the strain rate of the calcium silk layer can sufficiently increase at the same stress, it can sufficiently absorb moisture in the atmosphere without increasing the internal stress applied to the calcium silk layer.

또한, 상기 칼슘 실크층이 흡수할 수 있는 수분의 함량은 대기중의 상대습도에만 의존하고 기온에 크게 영향을 받지 않으며, 수분함량이 증가할수록 칼슘 실크층의 유동성이 증가하여 칼슘 실크층과 기저층(310)의 계면에서 접촉 균일성을 높일 수 있다.In addition, the content of moisture that the calcium silk layer can absorb depends only on the relative humidity in the air and is not significantly affected by temperature. As the moisture content increases, the fluidity of the calcium silk layer increases, so that the calcium silk layer and the basal layer ( 310), contact uniformity can be improved at the interface.

도 3은 서로 다른 기온과 상대습도에서 칼슘 실크층의 수분 함량 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the results of measuring the change in moisture content of the calcium silk layer at different temperatures and relative humidity.

도 3을 참조하면, 상기 칼슘 실크층이 흡수하는 수분의 함량은 공기의 상대습도가 증가할수록 증가하며 상대습도가 동일한 경우 상기 칼슘 실크층이 흡수할 수 있는 수분함량은 실질적으로 동일하다. Referring to Figure 3, the moisture content absorbed by the calcium silk layer increases as the relative humidity of the air increases, and when the relative humidity is the same, the moisture content that the calcium silk layer can absorb is substantially the same.

즉, 상기 칼슘 실크층이 흡수할 수 있는 수분의 함량은 기온과 무관하게 대기 중에 포함된 수분의 농도에 가장 크게 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있다. In other words, it can be confirmed that the content of moisture that the calcium silk layer can absorb is most significantly affected by the concentration of moisture contained in the atmosphere, regardless of temperature.

따라서, 약 30% 내지 40%의 칼슘농도를 갖도록 상기 칼슘 실크층을 구성하는 경우 실질적으로 단일한 내부응력에서 충분히 큰 변형률을 가질 수 있고, 상기 칼슘 실크층은 기온과 무관하게 상대습도에 비례하여 수분을 함유할 수 있다. Therefore, when the calcium silk layer is configured to have a calcium concentration of about 30% to 40%, it can have a sufficiently large strain at a substantially single internal stress, and the calcium silk layer is proportional to relative humidity regardless of temperature. May contain moisture.

특히, 상기 칼슘 실크층은 약 100nm 내지 500nm의 두께를 갖는 박막형태로 제공되어 대기 중의 상대습도에 따라 빠르게 수분을 흡수하거나 배출할 수 있다. 일정한 응력조건에서 충분히 큰 변형률을 갖고 공기의 상대습도에 대해 민감하게 반응하여 수분조절이 가능하므로 충분히 큰 흡습감도(humidity sensitivity)를 가질 수 있다.In particular, the calcium silk layer is provided in the form of a thin film with a thickness of about 100 nm to 500 nm and can quickly absorb or discharge moisture depending on the relative humidity in the air. It has a sufficiently large strain under certain stress conditions and can control moisture by reacting sensitively to the relative humidity of the air, so it can have sufficiently large humidity sensitivity.

상기 칼슘 실크층은 칼슘의 농도와 흡수된 수분의 함량에 따라 서로 다른 질량과 영률을 가지므로 칼슘농도가 특정되는 경우 상기 칼슘 실크층은 수분 함량에 따라 물성이 변화하게 된다.The calcium silk layer has different masses and Young's moduli depending on the concentration of calcium and the content of absorbed moisture, so when the calcium concentration is specified, the physical properties of the calcium silk layer change depending on the moisture content.

이에 따라, 일정한 칼슘농도를 갖는 상기 칼슘함유 박막층(320)의 물성은 수분의 함량에 민감하게 변화하고 상기 기저층(310)은 칼슘함유 박막층(320)과 일체로 구성되므로, 상기 멤브레인(300)의 전체 물성도 박막층(320)이 포함할 수 있는 수분의 함량에 따라 변화하게 된다. Accordingly, the physical properties of the calcium-containing thin film layer 320, which has a constant calcium concentration, change sensitively to the moisture content, and since the base layer 310 is formed integrally with the calcium-containing thin film layer 320, the membrane 300 The overall physical properties also change depending on the moisture content that the thin film layer 320 can contain.

특히, 상기 박막층(320)이 포함할 수 있는 수분의 함량은 기온과 무관하게 대기의 상대습도에 비례하므로 상기 멤브레인(300)의 물성도 대기의 상대습도에 따라 변화하게 된다. In particular, since the moisture content that the thin film layer 320 can contain is proportional to the relative humidity of the atmosphere regardless of temperature, the physical properties of the membrane 300 also change depending on the relative humidity of the atmosphere.

상기 절연층(200) 상에 배치된 멤브레인(300)에 의하여 상기 리세스(R)는 절연층(200)과 멤브레인(300)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 형성된다. 이에 따라, 상기 멤브레인(300)의 배면은 부분적으로 밀폐공간(S)을 향하여 노출된다. By the membrane 300 disposed on the insulating layer 200, the recess R is formed as a closed space S defined by the insulating layer 200 and the membrane 300. Accordingly, the rear surface of the membrane 300 is partially exposed toward the closed space (S).

상기 상부전극(420)은 기저층(310) 상에 배치되고 도전성 금속물질로 구성된 금속층을 포함한다. The upper electrode 420 is disposed on the base layer 310 and includes a metal layer made of a conductive metal material.

예를 들면, 상기 도전성 금속물질은 알루미늄이나 구리를 포함할 수 있고 증착이나 도금공정을 이용하여 상기 기저층(310)에 형성할 수 있다. 특히, 상기 상부전극(420)은 상기 박막층(320)보다 작거나 동일한 두께를 갖도록 형성하여 상기 상부전극(420)은 박막층(320)의 내부에 매립되거나 박막층(320)과 동일한 상면을 갖도록 배치될 수 있다.For example, the conductive metal material may include aluminum or copper and may be formed on the base layer 310 using a deposition or plating process. In particular, the upper electrode 420 is formed to have a thickness smaller than or equal to that of the thin film layer 320, so that the upper electrode 420 is buried inside the thin film layer 320 or disposed to have the same top surface as the thin film layer 320. You can.

상기 상부전극(420)은 반도체 기판(100)의 하부에 배치된 하부전극(410)과 함께 상기 커패시터로 에너지를 충전하기 위한 전극층(400)을 구성한다. The upper electrode 420, together with the lower electrode 410 disposed below the semiconductor substrate 100, constitutes an electrode layer 400 for charging energy to the capacitor.

상기 하부전극(420)은 반도체 기판(100)의 배면에 배치되는 것을 제외하고는 상기 상부전극(420)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 상기 하부전극(410)은 상부전극(420)과 동일한 조성을 갖고 동일한 형상으로 제공될 수 있다. 그러나, 상기 하부전극(410)의 구성이 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다. The lower electrode 420 has substantially the same structure as the upper electrode 420 except that it is disposed on the back of the semiconductor substrate 100. Accordingly, the lower electrode 410 may have the same composition and the same shape as the upper electrode 420. However, it is obvious that the configuration of the lower electrode 410 is not limited to this.

본 실시예의 경우, 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420)은 상기 밀폐공간(S)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된다. 이에 따라, 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420)으로 직류전원이 인가되는 경우, 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420) 사이에 위치하는 절연층(200)에 에너지를 충전할 수 있다. In the case of this embodiment, the lower electrode 410 and the upper electrode 420 are arranged to face each other with the closed space (S) interposed therebetween. Accordingly, when direct current power is applied to the lower electrode 410 and the upper electrode 420, energy can be charged to the insulating layer 200 located between the lower electrode 410 and the upper electrode 420. there is.

커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 충분히 에너지를 충전할 수 있다면 상기 하부전극(410)과 상기 상부전극(420)은 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부전극(420)은 상기 밀폐공간(S)의 상부로부터 평행하게 천이(shift)되어 상기 밀폐공간(S)을 한정하는 절연층(200)의 포스트(210) 상부에 배치될 수도 있음은 자명하다.The lower electrode 410 and the upper electrode 420 can be placed in various positions as long as the insulating layer 200, which functions as a capacitor, can be sufficiently charged with energy. For example, the upper electrode 420 is shifted in parallel from the top of the closed space (S) and is disposed on the upper part of the post 210 of the insulating layer 200 that defines the closed space (S). It is obvious that it is possible.

상기 습도센서 모듈(500)은 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 멤브레인을 상기 칼슘함유 박막층(320)으로 개량한 것으로서 상기 칼슘함유 박막층(320)의 수분흡수에 의해 상기 멤브레인(300)의 전체 물성이 변화하는 것을 제외하고는 종래의 CMUT 소자와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)은 종래의 CMUT 소자와 동일하게 동작한다. The humidity sensor module 500 is an improved membrane of a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) with the calcium-containing thin film layer 320, and the membrane 300 is formed by moisture absorption of the calcium-containing thin film layer 320. It has substantially the same configuration as a conventional CMUT device except that the overall physical properties change. Accordingly, the humidity sensor module 500 operates in the same manner as a conventional CMUT device.

이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)로 교류특성을 갖는 구동신호를 인가하여 상기 멤브레인(300)을 진동시키고 상기 멤브레인 진동을 전기적 신호인 출력신호로 검출할 수 있다. 이후, 상기 구동신호의 주파수를 변조하면서 상기 출력신호와 공진하는 구동신호의 주파수인 공진 주파수를 검출한다. 상기 공진 주파수는 상기 멤브레인(300)의 물성을 나타내는 물리량으로 기능할 수 있다. 이어서, 이미 설정된 습도-진동수 기준(criteria)에 근거하여 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기중의 상대습도로 검출한다. Accordingly, a driving signal having alternating current characteristics is applied to the humidity sensor module 500 to vibrate the membrane 300, and the membrane vibration can be detected as an output signal, which is an electrical signal. Afterwards, the frequency of the driving signal is modulated and the resonance frequency, which is the frequency of the driving signal resonating with the output signal, is detected. The resonance frequency may function as a physical quantity representing the physical properties of the membrane 300. Subsequently, the humidity corresponding to the resonance frequency is detected as the relative humidity in the air based on a previously set humidity-frequency criterion.

상기 공진 주파수 및 상대습도의 검출에 대해서는 도 6을 참조하여 상세히 설명한다. Detection of the resonance frequency and relative humidity will be described in detail with reference to FIG. 6.

특히, 상기 기저층(310) 및 칼슘함유 박막층(320)을 구비하는 상기 멤브레인(300)의 두께를 1㎛ 이하의 박막으로 구성하여 상기 습도센서 모듈(500)의 흡습감도를 충분히 개선할 수 있다. In particular, the moisture absorption sensitivity of the humidity sensor module 500 can be sufficiently improved by forming the membrane 300, which includes the base layer 310 and the calcium-containing thin film layer 320, with a thickness of 1 μm or less.

상기 칼슘함유 박막층(320)은 흡수하는 수분의 함량에 따라 물성이 변경되므로, 상기 박막층(320)을 구비하는 멤브레인(300)의 물성도 변하게 된다. 즉, 박막층(320)에 흡수된 수분의 함량에 따라 서로 다른 영률(Young's Modulus)을 갖는 별개의 물질로 변경된다. Since the physical properties of the calcium-containing thin film layer 320 change depending on the content of moisture absorbed, the physical properties of the membrane 300 including the thin film layer 320 also change. That is, it is changed into a separate material with different Young's Modulus depending on the content of moisture absorbed in the thin film layer 320.

이에 따라, 상기 멤브레인(300)은 박막층(320)에 포함된 수분의 함량에 따라 개별적인 물질로 기능하고, 수분함량이 서로 다른 상기 멤브레인(300)의 진동은 서로 다른 공진 수파수를 갖게 된다. Accordingly, the membrane 300 functions as an individual material depending on the moisture content contained in the thin film layer 320, and the vibrations of the membrane 300 with different moisture contents have different resonance wave numbers.

상기 박막층(320)은 충분한 변형률을 갖고 상대습도에 따라 즉각적으로 수분함량이 변화하고 수분함량의 변화는 상기 멤브레인(300)의 물성변화를 초래하므로, 상기 멤브레인(300)의 공진 주파수와 대기의 상대습도는 일정한 상관성을 갖게 된다. The thin film layer 320 has a sufficient strain rate and its moisture content changes immediately depending on the relative humidity, and the change in moisture content causes a change in the physical properties of the membrane 300, so the resonance frequency of the membrane 300 and the relative humidity of the atmosphere Humidity has a certain correlation.

즉, 상기 멤브레인 진동의 고유한 물성값인 공진 주파수를 검출할 수 있다면 상기 공진 주파수에 대응하는 박막층(320)의 수분함량을 추정할 수 있고 상기 수분함량은 멤브레인(300)을 둘러싸는 대기에 포함된 수증기의 농도에 따라 달라지므로 공진 주파수에 대응하는 대기의 상대습도를 추정할 수 있다. That is, if the resonance frequency, which is a unique physical property value of the membrane vibration, can be detected, the moisture content of the thin film layer 320 corresponding to the resonance frequency can be estimated, and the moisture content is contained in the atmosphere surrounding the membrane 300. Since it varies depending on the concentration of water vapor, the relative humidity of the atmosphere corresponding to the resonant frequency can be estimated.

도 4는 도 1에 도시된 습도센서 모듈의 상대습도와 공진 주파수 사이의 상관성을 나타내는 주파수-습도 그래프이다. 도 4의 그래프는 알려진 상대습도를 갖는 환경을 다수 설정한 후 각 환경에 상기 습도센서 모듈을 배치하고, 각각의 습도센서 모듈로부터 검출한 상기 출력전압의 공진 주파수와 대응하는 상대습도 사이의 관계 나타낸 것이다. FIG. 4 is a frequency-humidity graph showing the correlation between relative humidity and resonance frequency of the humidity sensor module shown in FIG. 1. The graph in FIG. 4 shows the relationship between the resonance frequency of the output voltage detected from each humidity sensor module after setting up a number of environments with known relative humidity and placing the humidity sensor module in each environment and the corresponding relative humidity. will be.

상대습도가 증가할수록 상기 공진 주파수는 저주파 영역에서 검출되고 상대습도가 낮아질수록 상기 공진 주파수는 고주파 영역에서 검출된다. 따라서, 상대습도 변화에 따른 공진 주파수의 변화는 상대습도 0을 기준으로 한 주파수 편차로서 음수 값으로 그래프의 세로축에 표시된다. As the relative humidity increases, the resonant frequency is detected in the low-frequency region, and as the relative humidity decreases, the resonant frequency is detected in the high-frequency region. Therefore, the change in resonance frequency due to change in relative humidity is a frequency deviation based on relative humidity of 0 and is displayed as a negative value on the vertical axis of the graph.

도 4에 도시된 바와 같이, 일상적인 습도영역인 상대습도 40% 이상의 범위에서는 상대습도 증가에 따른 공진 주파수의 변화가 흡습 민감도에 대응하는 기울기를 갖도록 선형으로 표시되어 공진 주파수와 상대습도는 실질적으로 일대일 대응관계로 표시될 수 있다. 이에 따라, 멤브레인 진동에 대응하는 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출한다면 도 4에 나타난 선형관계로부터 일의적으로 상대습도를 검출할 수 있다. As shown in FIG. 4, in the range of relative humidity above 40%, which is an everyday humidity area, the change in resonance frequency due to increase in relative humidity is displayed linearly with a slope corresponding to moisture absorption sensitivity, so that the resonance frequency and relative humidity are substantially It can be displayed as a one-to-one correspondence. Accordingly, if the resonance frequency of the output signal corresponding to membrane vibration is detected, the relative humidity can be uniquely detected from the linear relationship shown in FIG. 4.

본 실시예의 경우, 상기 선형성은 약 3.4 내지 3.6의 기울기를 갖는다. 즉, 공기중의 상대습도가 단위습도만큼 변화할 때 상기 공진 주파수는 약 3.4KHz 내지 3.6KHz만큼 변화하는 특성을 갖는다. 이에 따라, 습도변화에 충분히 민감하게 반응함으로써 상기 습도센서 모듈의 흡습감도를 높일 수 있다. In this example, the linearity has a slope of about 3.4 to 3.6. That is, when the relative humidity in the air changes by a unit humidity, the resonance frequency has the characteristic of changing by about 3.4 KHz to 3.6 KHz. Accordingly, the moisture absorption sensitivity of the humidity sensor module can be increased by reacting sufficiently sensitively to changes in humidity.

이와 달리, 칼슘함유 박막층(320)을 제거하고 기저층(310)만으로 상기 멤브레인(300)을 구성하는 경우, 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수는 상대습도 변화와 무관하게 일정한 값으로 검출되었다. 즉, 상기 기저층(310)만으로는 습도검출 기능은 수행되지 않으며 칼슘함유 박막층(320)을 추가함으로써 습도센서로 기능함을 확인할 수 있다. In contrast, when the calcium-containing thin film layer 320 was removed and the membrane 300 was constructed with only the base layer 310, the resonance frequency of the output signal OS was detected as a constant value regardless of changes in relative humidity. In other words, it can be confirmed that the base layer 310 alone does not perform the humidity detection function and that it functions as a humidity sensor by adding the calcium-containing thin film layer 320.

이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)은 도 4에 도시된 습도-주파수 그래프를 이용하여 상기 멤브레인(300)의 공진 주파수를 검출함으로써 대응하는 상대습도를 일의적으로 수득할 수 있다.Accordingly, the humidity sensor module 500 can uniquely obtain the corresponding relative humidity by detecting the resonance frequency of the membrane 300 using the humidity-frequency graph shown in FIG. 4.

상술한 바와 같은 습도센서 모듈(500)은 일정한 내부응력에서 넓은 범위의 변형률을 갖고 충분히 큰 흡습감도를 갖는 칼슘함유 박막층(320)을 이용하여 대기중의 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 특히, 일상생활 영역인 상대습도 40% 습도습도영역에서 주파수와 습도 사이에서 선형성을 유지하여 검출된 공진 주파수를 이용하여 일의적으로 상대습도를 검출할 수 있다. 이에 따라, 넓은 습도범위에서 안정적으로 정확하게 대기중의 상대습도를 검출할 수 있다. The humidity sensor module 500 as described above can precisely measure the relative humidity in the air by using the calcium-containing thin film layer 320, which has a wide range of strain at a constant internal stress and has sufficiently high moisture absorption sensitivity. In particular, the relative humidity can be uniquely detected using the detected resonance frequency by maintaining linearity between frequency and humidity in the 40% relative humidity humidity area, which is an area of daily life. Accordingly, the relative humidity in the air can be detected stably and accurately over a wide humidity range.

또한, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조된 CMUT 소자를 이용하여 상기 습도센서 모듈을 제조할 수 있으므로 휴대성을 현저하게 높일 수 있다. 이에 따라, 공기중의 상대습도에 대한 정밀 측정이 가능한 상황에서 상기 습도센서 모듈을 이용하여 간단하게 정확한 습도를 수득할 수 있다.In addition, since the humidity sensor module can be manufactured using a CMUT device manufactured in a small size through microfabrication, portability can be significantly improved. Accordingly, in situations where precise measurement of relative humidity in the air is possible, accurate humidity can be easily obtained using the humidity sensor module.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 습도센서 모듈을 구비하는 습도측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다. FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a humidity measuring device including the humidity sensor module shown in FIG. 1 according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도측정 장치(1000)는 메인보드(501)상에 배치되어 칼슘함유 박막층(320)을 통해 대기 중의 습도를 검출하는 습도센서 모듈(500), 상기 습도센서 모듈(500)을 구동하는 구동파워를 전송하는 파워소스(600), 상기 습도센서 모듈(500)로부터 검출된 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 주파수 검출기(700) 및 상기 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 검출하는 습도 검출기(800)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, the humidity measuring device 1000 according to another embodiment of the present invention is a humidity sensor module 500 disposed on the main board 501 and detecting atmospheric humidity through a calcium-containing thin film layer 320. , a power source 600 that transmits driving power to drive the humidity sensor module 500, a frequency detector 700 that detects the resonance frequency of the output signal (OS) detected from the humidity sensor module 500, and the It may include a humidity detector 800 that detects relative humidity corresponding to the resonance frequency.

본 실시예의 경우, 상기 습도센서 모듈(500), 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)는 단일한 메인보드(501) 상에 배치되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. In this embodiment, the humidity sensor module 500, power source 600, frequency detector 700, and humidity detector 800 may be placed on a single main board 501 and electrically connected to each other.

예를 들면, 상기 메인보드(501)는 내부에 미세회로가 인쇄된 인쇄회로 기판으로 구성되어, 상기 메인보드(501) 상에 배치된 장치들은 상기 미세회로를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500), 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)는 단일한 습도 측정장치를 구성할 수 있다. For example, the main board 501 is composed of a printed circuit board with microcircuits printed therein, so devices placed on the main board 501 can be electrically connected to each other through the microcircuits. Accordingly, the humidity sensor module 500, power source 600, frequency detector 700, and humidity detector 800 can form a single humidity measurement device.

일 실시예로서, 상기 습도센서 모듈(500)은 칼슘함유 박막층(320)과 기저층(310)으로 구성되는 멤브레인(300)을 구비하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 제공된다. In one embodiment, the humidity sensor module 500 is provided as a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) device having a membrane 300 composed of a calcium-containing thin film layer 320 and a base layer 310.

본 실시예의 경우, 상기 습도센서 모듈(500)은 도 1에 도시된 습도센서 모듈(500)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)은 함몰된 리세스(R)를 갖는 상기 절연층(200)의 상면에 리세스(R)를 덮도록 배치되어 리세스(R)를 밀폐공간(S)으로 제공하고 칼슘함유 박막층(320)을 구비하여 대기 중에 포함된 수분을 흡수하는 멤브레인(300)과 상기 절연층(200)의 하부 및 상기 멤브레인(300)의 상부에 배치되어 상기 상부전극(420) 및 상기 하부전극(410) 사이에 배치된 상기 절연층(200)을 커패시터로 제공하는 전극층(400)을 구비할 수 있다.In this embodiment, the humidity sensor module 500 has substantially the same configuration as the humidity sensor module 500 shown in FIG. 1. Accordingly, the humidity sensor module 500 is disposed on the upper surface of the insulating layer 200 having the recessed recess (R) to cover the recess (R), so that the recess (R) is connected to the closed space (S). A membrane (300) provided with a calcium-containing thin film layer (320) to absorb moisture contained in the atmosphere, and the upper electrode (420) disposed on the lower part of the insulating layer (200) and the upper part of the membrane (300). and an electrode layer 400 that serves as a capacitor using the insulating layer 200 disposed between the lower electrodes 410.

이때, 상기 멤브레인(300)은 상기 칼슘함유 박막층(310)과 상기 절연층(200) 사이에 배치되어 상기 밀폐공간(S)을 한정하는 기저층(310)으로 구성되는 이중막으로 제공된다. 이에 따라, 종래의 CMUT 소자에 상기 칼슘함유 박막층(310)만 추가하여 이중막 구성을 갖도록 변형함으로써 수분함량에 따라 물성이 달라지는 멤브레인(300)을 용이하게 형성할 수 있다.At this time, the membrane 300 is provided as a double membrane composed of a base layer 310 that is disposed between the calcium-containing thin film layer 310 and the insulating layer 200 and defines the sealed space (S). Accordingly, by adding only the calcium-containing thin film layer 310 to a conventional CMUT device and modifying it to have a double-layer structure, a membrane 300 whose physical properties vary depending on moisture content can be easily formed.

예를 들면, 상기 칼슘함유 박막층(320)은 약 30 내지 약 40 중량%의 칼슘을 구비하는 실크(silk)층을 포함할 수 있다. For example, the calcium-containing thin film layer 320 may include a silk layer containing about 30 to about 40% by weight of calcium.

도 5에서, 도 1에 도시된 습도센서 모듈(500)과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.In FIG. 5, the same reference numerals are used for the same components as those of the humidity sensor module 500 shown in FIG. 1, and further detailed descriptions are omitted.

상기 습도센서 모듈(500)은 미세공정에 의해 제조되는 CMUT 소자(CD)로 제공되어 단일한 기판(100)에 다수의 CMUT 소자(CD)가 집적된 CMUT 어레이(CA)로 제공될 수 있다. The humidity sensor module 500 may be provided as a CMUT device (CD) manufactured through microprocessing and may be provided as a CMUT array (CA) in which multiple CMUT devices (CDs) are integrated on a single substrate 100.

이때, 상기 기판(100)은 상기 CMUT 어레이(CA)를 구성하기 위한 공통기판으로 제공되고 상기 절연층(200)과 기저층(310)은 CMUT 소자(CD) 단위로 분리되어 배치된다. 상기 기저층(310)의 상부에 칼슘함유 박막층(320)을 코팅한 후 상기 기저층(310) 단위로 분리함으로써 상기 CMUT 소자(CD) 단위로 구분된 박막층(320)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100) 상에 다수의 CMUT 소자(CD)가 정렬된 CMUT 습도센서 어레이(CA)를 형성함으로써 단일한 기판(100)에 다수의 습도센서 모듈(500)을 배치할 수 있다. At this time, the substrate 100 is provided as a common substrate for configuring the CMUT array (CA), and the insulating layer 200 and base layer 310 are arranged separately in units of CMUT devices (CD). A calcium-containing thin film layer 320 is coated on top of the base layer 310 and then separated into units of the base layer 310, thereby forming a thin film layer 320 divided into CMUT device (CD) units. Accordingly, a plurality of humidity sensor modules 500 can be placed on a single substrate 100 by forming a CMUT humidity sensor array (CA) in which a plurality of CMUT elements (CDs) are aligned on the substrate 100. .

각 CMUT 소자(CD)의 상부전극(420)은 접속 배선(503)에 의해 메인 보드(501) 상에 정렬된 접속패드(502)에 연결된다. 상기 접속패드(502)는 메인 보드(501)에 인쇄된 회로용 배선을 통하여 상기 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)와 연결된다. 습도센서 모듈(500)을 구성하는 개별적인 CMUT 소자(CD)는 동일한 파워소스(600)에 의해 개별적으로 구동되고 상기 주파수 검출기(700)와 습도 검출기(800)에 독립적으로 연결된다. The upper electrode 420 of each CMUT device (CD) is connected to the connection pad 502 aligned on the main board 501 by a connection wire 503. The connection pad 502 is connected to the power source 600, the frequency detector 700, and the humidity detector 800 through circuit wiring printed on the main board 501. Each CMUT device (CD) constituting the humidity sensor module 500 is individually driven by the same power source 600 and is independently connected to the frequency detector 700 and the humidity detector 800.

이에 따라, 상기 습도센서 어레이(CA)를 구성하는 개별적인 습도센서 모듈(500)은 각각 독립적으로 구동되어 동일한 주변 대기의 상대습도를 개별적으로 검출하게 된다. 동일한 상대습도를 다수의 습도센서 모듈(500)에 의해 개별적으로 검출함으로써 검출된 습도의 정밀도를 높일 수 있다. Accordingly, the individual humidity sensor modules 500 constituting the humidity sensor array (CA) are driven independently to individually detect the relative humidity of the same surrounding atmosphere. By individually detecting the same relative humidity by multiple humidity sensor modules 500, the accuracy of the detected humidity can be increased.

일 실시예로서, 상기 파워소스(600)는 상기 습도센서 모듈(500)로 구동신호(DS)를 인가하여 상기 물성에 대응하는 공진 주파수를 갖는 멤브레인 진동을 생성한다. In one embodiment, the power source 600 applies a driving signal DS to the humidity sensor module 500 to generate membrane vibration having a resonance frequency corresponding to the physical property.

본 실시예의 경우, 상기 파워소스(600)는 상기 습도센서 모듈(500)로 직류 전압을 인가하여 에너지를 충전하는 직류전원(610) 및 상기 습도센서 모듈(500)로 교류전압을 인가하여 상기 습도센서 모듈(500)에 저장된 에너지의 주기적인 충전 및 방전을 수행하는 교류 생성기(620)를 포함한다. In this embodiment, the power source 600 is a DC power source 610 that charges energy by applying a direct current voltage to the humidity sensor module 500 and an alternating current voltage is applied to the humidity sensor module 500 to determine the humidity. It includes an alternating current generator 620 that performs periodic charging and discharging of energy stored in the sensor module 500.

상기 직류전원(610)은 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420)에 연결되어 커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 직류전압을 인가한다. 상기 전극층(400)으로 직류전압이 인가되면, 하부전극(410)과 상부전극(420) 사이에 배치된 상기 기판(100)과 절연층(200)은 일정한 정전용량을 갖는 커패시터로 기능하여 에너지를 저장하게 된다. The direct current power source 610 is connected to the lower electrode 410 and the upper electrode 420 and applies a direct current voltage to the insulating layer 200, which functions as a capacitor. When a direct current voltage is applied to the electrode layer 400, the substrate 100 and the insulating layer 200 disposed between the lower electrode 410 and the upper electrode 420 function as a capacitor with a certain capacitance to store energy. It will be saved.

이때, 커패시터에 저장된 에너지는 상기 밀폐공간(S)을 덮고 있는 멤브레인(300)을 끌어 당겨 상기 밀폐공간(S)의 내부를 향하여 오목하게 되도록 변형시킨다. 상기 멤브레인(300)은 초기응력이 저장된 오목한 포물선 형상으로 배치되고, 초기응력이 인가된 상태에서 후술하는 교류전압의 인가에 따라 진동하게 된다. 즉, 상기 전극층(400)으로 인가되는 직류전압에 의해 상기 멤브레인 진동의 최대 진폭이 설정된다. At this time, the energy stored in the capacitor pulls the membrane 300 covering the closed space (S) and deforms it to be concave toward the inside of the closed space (S). The membrane 300 is arranged in a concave parabolic shape in which initial stress is stored, and vibrates in response to the application of an alternating current voltage, which will be described later, while the initial stress is applied. That is, the maximum amplitude of the membrane vibration is set by the direct current voltage applied to the electrode layer 400.

상기 멤브레인 진동의 진폭이 클수록 후술하는 주파수 검출기(700)에서 검출되는 출력신호(OS)의 감도를 높이고 필터링 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 전극층(400)에 인가되는 직류전압이 클수록 상기 출력신호(OS)의 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.As the amplitude of the membrane vibration increases, the sensitivity of the output signal (OS) detected by the frequency detector 700, which will be described later, can increase and filtering characteristics can be improved. Accordingly, the larger the direct current voltage applied to the electrode layer 400, the easier it is to remove noise from the output signal OS.

상기 직류전압은 밀폐공간(S)의 내부로 변형되는 멤브레인(300)의 손상을 초래하지 않는 범위에서 적절하게 설정될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 직류전압은 약 5V~ 8V의 범위를 갖도록 설정된다. 직류전압이 5V보다 낮은 경우에는 멤브레인(300) 진동의 진폭이 너무 작아 공진 주파수가 고주파 대역에서 검출되어 실용성이 떨어지고 상기 직류전압이 8V를 초과하는 경우 상기 멤브레인(300)에 인가되는 에너지가 너무 커 멤브레인(300)이 손상(collapse)될 수 있다. 이에 따라, 상기 직류전압의 범위는 약 5V 내지 8V의 범위를 갖도록 설정된다. The direct current voltage can be appropriately set in a range that does not cause damage to the membrane 300 that is deformed inside the closed space (S). In this embodiment, the direct current voltage is set to have a range of about 5V to 8V. When the direct current voltage is lower than 5V, the amplitude of vibration of the membrane 300 is too small and the resonance frequency is detected in the high frequency band, making it less practical, and when the direct current voltage exceeds 8V, the energy applied to the membrane 300 is too large. The membrane 300 may collapse. Accordingly, the range of the direct current voltage is set to have a range of approximately 5V to 8V.

상기 교류 생성기(620)는 상기 직류전압이 인가된 상기 습도센서 모듈(500)로 미리 설정된 주파수를 갖는 교류전압을 인가한다. 직류전압에 의해 전하가 충전된 상기 커패시터로 교류전압을 인가하여 상기 절연층(200)에서 전기적 진동을 생성한다. 상기 절연층(200)의 전기적 진동은 상면에 배치된 멤브레인(300)의 기계적 진동을 생성하게 된다. The AC generator 620 applies an AC voltage with a preset frequency to the humidity sensor module 500 to which the DC voltage is applied. An alternating current voltage is applied to the capacitor charged with a direct current voltage to generate electrical vibration in the insulating layer 200. Electrical vibration of the insulating layer 200 generates mechanical vibration of the membrane 300 disposed on the upper surface.

상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 후술하는 바와 같이 상기 습도센서 모듈(500)과 전기적으로 연결된 주파수 검출기(700)에 의해 전기적 신호인 출력신호(OS)로 검출된다. The mechanical vibration of the membrane 300 is detected as an output signal OS, which is an electrical signal, by the frequency detector 700 electrically connected to the humidity sensor module 500, as will be described later.

상기 직류전압을 인가하여 커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 에너지를 저장하고, 상기 습도센서 모듈(500)에 교류전압을 인가하여 저장된 에너지를 진동시킨다. 따라서, 상기 습도센서 모듈(500)로 인가되는 구동신호(DS)는 직류전압과 교류전압이 중첩(superimpose)된 직류/교류 중첩전압으로 이루어진다.By applying the direct current voltage, energy is stored in the insulating layer 200, which functions as a capacitor, and by applying the alternating current voltage to the humidity sensor module 500, the stored energy is vibrated. Accordingly, the driving signal DS applied to the humidity sensor module 500 consists of a DC/AC superimposed voltage where a DC voltage and an AC voltage are superimposed.

상기 교류 생성기(620)는 상기 메인 보드(501)에 직류전원(610)과 개별적으로 배치되어 상기 직류전원(610)과 독립적으로 동작할 수 있다. 이와 달리, 상기 교류 생성기(620)는 주파수 검출기(700)의 일부로 제공될 수도 있다. 예를 들면, 상기 교류 생성기(620)는 상기 출력신호(OS)를 검출하는 오실레이터에 구비된 전압 분배기(voltage divider)로 구성될 수도 있다.The AC generator 620 is placed separately from the DC power source 610 on the main board 501 and can operate independently of the DC power source 610. Alternatively, the alternating current generator 620 may be provided as part of the frequency detector 700. For example, the AC generator 620 may be configured as a voltage divider provided in an oscillator that detects the output signal OS.

상기 파워소스(600)는 메인보드(501) 상에 실장되어, 상기 구동신호(DS)는 파워소스(600)로부터 메인보드(501)의 미세 회로배선과 상기 접속패드(502)를 통하여 개별 CMUD 소자(CD)로 인가될 수 있다. 이와 달리, 상기 파워소스(600)는 외부 전원에 의해 공급받는 전원 단자로 구성될 수도 있다. 이때, 메인보드(501) 상에 접속단자가 구비되어 외부전원에 구동파워가 전송될 수도 있다.The power source 600 is mounted on the main board 501, and the driving signal DS is transmitted from the power source 600 to the individual CMUD through the fine circuit wiring of the main board 501 and the connection pad 502. It can be applied as a device (CD). Alternatively, the power source 600 may be configured as a power terminal supplied by an external power source. At this time, a connection terminal is provided on the main board 501 so that driving power can be transmitted to an external power source.

일 실시예로서, 상기 주파수 검출기(700)는 상기 멤브레인 진동을 전기적 신호로 검출할 수 있도록 상기 습도센서 모듈(500)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 전기적 신호인 출력신호(OS)로 검출되고, 상기 주파수 검출기(700)는 공진회로로 구성되어 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 자동으로 검출하다. In one embodiment, the frequency detector 700 is electrically connected to the humidity sensor module 500 to detect the membrane vibration as an electrical signal. Accordingly, the mechanical vibration of the membrane 300 is detected as an output signal (OS), which is an electrical signal, and the frequency detector 700 is composed of a resonance circuit to automatically detect the resonance frequency of the output signal (OS). .

상기 주파수 검출기(700)는 상기 메인보드(501) 상에 배치되어 메인보드(501)에 인쇄된 회로를 통해 상기 습도센서 모듈(500) 및 상기 파워소스(600)와 전기적으로 연결된다. The frequency detector 700 is placed on the main board 501 and is electrically connected to the humidity sensor module 500 and the power source 600 through a circuit printed on the main board 501.

그러나, 상기한 바와 같은 주파수 검출기(700)의 구성은 예시적인 것이며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 주파수 검출기(700)는 외부에 배치되어 상기 메인보드(501)에 전기적으로 연결되고 상기 출력신호를 수신한 후 출력신호의 주파수를 검출할 수도 있다. 이때, 상기 주파수 검출기(700)는 휴대성을 갖는 별도의 구조물로 구성되어 습도측정이 필요한 경우 상기 습도센서 모듈(500)의 접속단과 상기 메인보드(501)의 접속단을 접속함으로써 선택적으로 연결될 수 있다.However, the configuration of the frequency detector 700 as described above is illustrative and is not necessarily limited thereto. For example, the frequency detector 700 may be placed externally, electrically connected to the main board 501, and detect the frequency of the output signal after receiving the output signal. At this time, the frequency detector 700 is composed of a separate structure that is portable and can be selectively connected by connecting the connection end of the humidity sensor module 500 and the connection end of the main board 501 when humidity measurement is required. there is.

도 6은 도 5에 도시된 습도센서 모듈 및 주파수 검출기의 전기적 연결관계를 나타내는 구성도이다. 도 6에서 상기 습도센서 모듈(500)은 등가회로로 나타내고 상기 주파수 검출기(700)는 상기 등가회로와의 전기적 연결을 나타내는 구성도로 개시한다.FIG. 6 is a configuration diagram showing the electrical connection relationship between the humidity sensor module and the frequency detector shown in FIG. 5. In FIG. 6, the humidity sensor module 500 is shown as an equivalent circuit, and the frequency detector 700 is shown as a configuration diagram showing electrical connection with the equivalent circuit.

도 6을 참조하면, 상기 파워소스(600)에 의해 구동신호(DS)가 상기 습도센서 모듈(500)로 인가되면, 상기 구동신호(DS)에 대응하여 멤브레인(300)이 진동하고 상기 멤브레인 진동은 주파수 검출기(700)에 의해 특정한 공진 주파수를 갖는 출력신호(OS)로 검출된다. Referring to FIG. 6, when the driving signal DS is applied to the humidity sensor module 500 by the power source 600, the membrane 300 vibrates in response to the driving signal DS and the membrane vibrates. is detected as an output signal (OS) having a specific resonance frequency by the frequency detector 700.

예를 들면, 상기 습도센서 모듈(500)에 대한 등가회로는 상기 파워소스(600)와 연결되어 구동신호(DS)가 직접 인가되는 구동 섹션(D)과 상기 구동신호(DS)에 의해 유도된 전기 에너지가 상기 멤브레인(300)의 특성에 따라 진동하여 초음파를 생성하는 유도 섹션(I)으로 구분할 수 있다.For example, the equivalent circuit for the humidity sensor module 500 includes a driving section (D) connected to the power source 600 to which the driving signal (DS) is directly applied, and a driving section (D) induced by the driving signal (DS). It can be divided into an induction section (I) in which electrical energy vibrates according to the characteristics of the membrane 300 to generate ultrasonic waves.

상기 구동섹션(D)은 구동신호(DS)에 의해 절연층(200)을 구비하는 상기 습도센서 모듈(500) 전체의 정전용량에 대응하는 등가 정전용량(C0)을 갖는 등가 커패시터로 모델링 된다. 이에 따라, 직류신호 및 교류신호의 중첩신호로 제공되는 상기 구동신호(DS)에 의해 상기 등가 커패시터를 중심으로 주기적인 에너지의 충전 및 방전이 수행되어 상기 습도센서 모듈(500)의 물성에 따라 적절한 에너지 비율로 조절된 유도 교류신호가 유도되어 상기 유도섹션(I)에 전송된다.The driving section (D) is modeled as an equivalent capacitor with an equivalent capacitance (C 0 ) corresponding to the capacitance of the entire humidity sensor module 500 including the insulating layer 200 by the driving signal (DS). . Accordingly, periodic charging and discharging of energy is performed centering on the equivalent capacitor by the driving signal DS provided as an overlapping signal of a direct current signal and an alternating current signal, thereby performing an appropriate charge according to the physical properties of the humidity sensor module 500. An inductive alternating current signal whose energy rate is adjusted is induced and transmitted to the inductive section (I).

상기 유도섹션(I)은 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동을 상기 유도 교류신호에 의한 에너지 변환으로 치환할 수 있도록 인덕터(inductor, L)와 커패시터(capacitor, C)로 구성되는 LC회로로 모델링 된다. 즉, 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 등가 LC회로에서의 전기적 진동으로 치환되어, 상기 멤브레인 진동의 특성은 상기 LC회로에서 검출되는 출력신호의 특성과 등가성을 갖는다. The induction section (I) is modeled as an LC circuit consisting of an inductor (L) and a capacitor (C) to replace the mechanical vibration of the membrane 300 with energy conversion by the induction alternating current signal. . That is, the mechanical vibration of the membrane 300 is replaced by electrical vibration in the equivalent LC circuit, and the characteristics of the membrane vibration have equivalent characteristics to the characteristics of the output signal detected in the LC circuit.

구체적으로, 상기 유도섹션(I)을 구성하는 등가 LC회로는 멤브레인(300)의 물성을 나타내는 멤브레인 커패시턴스(Cm)와 멤브레인 리액턴스(Lm) 및 상기 습도센서 모듈(500)의 진동에 대한 모든 저항 특성을 포함하는 임피던스(Z)를 회로 구성요소로 가질 수 있다. Specifically, the equivalent LC circuit constituting the induction section (I) includes the membrane capacitance (Cm) and membrane reactance (Lm), which represent the physical properties of the membrane 300, and all resistance characteristics to vibration of the humidity sensor module 500. It may have an impedance (Z) including as a circuit component.

이에 따라, 상기 유도 교류신호에 의한 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 멤브레인 커패시턴스(Cm)의 정전 에너지와 멤브레인 리액턴스(Lm)의 전자기 에너지 사이의 변환으로 치환되고, 정전 에너지와 전자기 에너지 사이의 주기적인 변환은 멤브레인 커패시턴스(Cm)와 멤브레인 리액턴스(Lm)를 구비하는 LC회로를 통하여 교류신호로 검출된다. Accordingly, the mechanical vibration of the membrane 300 caused by the induced alternating current signal is replaced by conversion between the electrostatic energy of the membrane capacitance (Cm) and the electromagnetic energy of the membrane reactance (Lm), and the cycle between electrostatic energy and electromagnetic energy The positive conversion is detected as an alternating current signal through an LC circuit with membrane capacitance (Cm) and membrane reactance (Lm).

즉, 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 등가 LC 회로에서 정전 에너지와 전자기 에너지 사이의 변환인 전기적 진동으로 치환되고 상기 전기적 진동은 상기 주파수 검출기(700)에 의해 교류신호인 출력신호(OS)로 검출된다. 멤브레인 진동은 상기 멤브레인(300)의 물성에 따라 달라지는 물성값인 공진 주파수를 갖는다. 특히, 상기 멤브레인 진동과 상기 LC회로에서 검출되는 출력신호(OS)는 서로 등가성을 가지므로, 상기 구동신호(DS)와 공진하는 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수도 상기 멤브레인(300)의 물성값으로 기능할 수 있다. That is, the mechanical vibration of the membrane 300 is replaced by electrical vibration, which is conversion between electrostatic energy and electromagnetic energy in the equivalent LC circuit, and the electrical vibration is converted into an output signal OS, which is an alternating current signal, by the frequency detector 700. It is detected. Membrane vibration has a resonance frequency, which is a physical property value that varies depending on the physical properties of the membrane 300. In particular, since the membrane vibration and the output signal (OS) detected in the LC circuit are equivalent to each other, the resonance frequency of the output signal (OS) resonating with the driving signal (DS) is also the physical property value of the membrane 300. It can function as

상기 멤브레인(300)의 물성은 대기 중의 수분함량인 상대습도에 따라 결정되므로, 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수와 상기 상대습도는 높은 상관성을 갖게 된다. Since the physical properties of the membrane 300 are determined by relative humidity, which is the moisture content in the air, the resonance frequency of the output signal OS and the relative humidity have a high correlation.

본 실시예의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 상대습도와 공진 주파수 사이에는 선형 상관성을 가지므로 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수 검출에 의해 높은 정밀도로 대기 중의 상대습도를 검출할 수 있다. In the case of this embodiment, as shown in FIG. 4, there is a linear correlation between relative humidity and resonance frequency, so the relative humidity in the air can be detected with high precision by detecting the resonance frequency of the output signal OS.

상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 상기 주파수 검출기(700)는 상기 출력신호를 검출하는 신호 검출부(710) 및 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 공진부(720)를 포함한다. The frequency detector 700 that detects the resonance frequency of the output signal (OS) includes a signal detection unit 710 that detects the output signal and a resonance unit 720 that detects the resonance frequency of the output signal (OS). do.

상기 신호 검출부(710)는 상기 습도센서 모듈(500)을 구성하는 개별 CMUT 소자(CD)와 전기적으로 연결되어 상기 출력신호(OS)를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 신호 검출부(710)는 상기 습도센서 모듈(500)로부터 전기적 신호를 검출하여 출력신호(OS)를 생성하고 상기 출력신호(OS)를 증폭하는 증폭기(711) 및 증폭된 상기 출력신호(OS)로부터 노이즈를 제거하는 다수의 필터(712)를 구비할 수 있다. The signal detection unit 710 is electrically connected to an individual CMUT device (CD) constituting the humidity sensor module 500 and can detect the output signal (OS). For example, the signal detection unit 710 detects an electrical signal from the humidity sensor module 500 to generate an output signal (OS), and includes an amplifier 711 to amplify the output signal (OS) and the amplified output. A plurality of filters 712 may be provided to remove noise from the signal OS.

상기 증폭기(711)는 상기 CMUT 소자(CD)와 연결되어 상기 멤브레인 진동에 대응하는 전기 신호를 상기 출력신호(OS)로 검출하고 트랜지스터로 구성되는 증폭회로에 의해 상기 출력신호(OS)를 증폭할 수 있다. The amplifier 711 is connected to the CMUT element (CD) to detect an electrical signal corresponding to the membrane vibration as the output signal (OS) and amplify the output signal (OS) by an amplifier circuit composed of a transistor. You can.

상기 멤브레인 진동은 상기한 바와 같은 멤브레인 리액턴스(Lm)와 멤브레인 커패시턴스(Cm)를 구비하는 등가 LC회로의 전기적 진동으로 모델링하여 상기 출력신호(OS)는 상기 등가 LC회로의 교류신호로 생성될 수 있다. The membrane vibration is modeled as the electrical vibration of an equivalent LC circuit having the membrane reactance (Lm) and membrane capacitance (Cm) as described above, and the output signal (OS) can be generated as an alternating current signal of the equivalent LC circuit. .

상기 필터(712)는 고주파 필터와 저주파 필터를 구비하여 상기 출력신호(OS)에 포함된 고주파 노이즈 및 저주파 노이즈를 제거하고 상기 멤브레인 진동에 대응하는 교류신호만을 수득할 수 있다.The filter 712 includes a high-frequency filter and a low-frequency filter to remove high-frequency noise and low-frequency noise included in the output signal OS and obtain only an alternating current signal corresponding to the membrane vibration.

본 실시예의 경우, 상기 신호 검출부(710)는 상기 증폭기(711)와 필터(712)를 구비하는 오실레이터(oscillator)로 구성할 수 있다.In this embodiment, the signal detection unit 710 may be configured as an oscillator including the amplifier 711 and the filter 712.

상기 공진부(720)는 상기 신호 검출부(710)에 의해 검출된 상기 출력신호(OS)를 수신하여 공진 주파수를 검출한다. 본 실시예의 경우, 상기 공진부(720)는 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하기 위한 주파수 카운터(frequency counter)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 공진부(720)가 주파수 카운터에 한정되지 않음은 자명하다. The resonance unit 720 receives the output signal OS detected by the signal detection unit 710 and detects a resonance frequency. In this embodiment, the resonator 720 may include a frequency counter for detecting the resonant frequency of the output signal OS. However, it is obvious that the resonator 720 is not limited to a frequency counter.

예를 들면, 상기 공진부(720)는 상기 출력신호(OS)의 최대 유효출력을 검출하는 연산유닛(721), 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 주파수 검출유닛(722), 상기 구동신호(DS)의 주파수를 변조하는 변조유닛(723) 및 상기 공진 주파수를 검출할 때까지 구동신호(DS)의 주파수를 변조하도록 제어하는 제어유닛(724)을 포함한다.For example, the resonance unit 720 includes an arithmetic unit 721 that detects the maximum effective output of the output signal (OS), a frequency detection unit 722 that detects a resonance frequency of the output signal (OS), It includes a modulation unit 723 that modulates the frequency of the driving signal DS and a control unit 724 that controls the frequency of the driving signal DS to be modulated until the resonance frequency is detected.

예를 들면, 상기 연산유닛(721)은 상기 신호 검출부(710)로부터 출력신호(OS)를 수신하고 상기 출력신호(OS)의 유효출력을 검출하여 최대 유효출력 여부를 판단할 수 있다.For example, the operation unit 721 may receive the output signal OS from the signal detection unit 710, detect the effective output of the output signal OS, and determine whether the maximum effective output is present.

최대 유효출력을 검출하기 위한 알고리즘은 다양하게 구현할 수 있다. 설정된 초기회수만큼 상기 변조유닛(723)을 강제 구동하여 서로 다른 구동신호(DS)를 초기회수만큼 생성하고 각 구동신호(DS)에 대응하는 출력신호(OS)의 출력을 검출하여 임시 최대 유효출력으로 설정할 수 있다. 임시 최대 유효출력을 설정한 후 검출회수만큼 상기 변조유닛(723)을 구동하여 최대 유효출력을 넘는 유효출력이 검출되는 경우 검출된 유효출력을 최대 유효출력으로 갱신할 수 있다. Algorithms for detecting maximum effective output can be implemented in various ways. The modulation unit 723 is forcibly driven as many times as the set initial number to generate different driving signals (DS) as many as the initial number of times, and the output of the output signal (OS) corresponding to each driving signal (DS) is detected to provide a temporary maximum effective output. It can be set to . After setting the temporary maximum effective output, the modulation unit 723 is driven as many times as the number of detections, and when an effective output exceeding the maximum effective output is detected, the detected effective output can be updated to the maximum effective output.

이와 달리, 각 습도에서 수득할 수 있는 최대 유효출력을 상기 연산유닛에 미리 설정해 둘 수도 있다. 이에 따라, 각 상대습도에 대응하는 최대 유효출력과 일치하는 출력신호(OS)가 검출되도록 상기 변조유닛(723)을 강제 구동할 수도 있다. Alternatively, the maximum effective output that can be obtained at each humidity may be set in advance in the calculation unit. Accordingly, the modulation unit 723 may be forcibly driven so that an output signal (OS) matching the maximum effective output corresponding to each relative humidity is detected.

예를 들면, 상기 출력신호(OS)는 상기 등가 LC회로의 교류신호로 검출되므로, 상기 유효출력은 상기 출력신호(OS)의 유효전압, 유효전류 및 유효전력 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, since the output signal OS is detected as an alternating current signal of the equivalent LC circuit, the effective output may include any one of the effective voltage, active current, and active power of the output signal OS.

상기 연산유닛(721)에서 최대 유효출력이 검출된 경우, 상기 주파수 검출유닛(722)은 최대 유효출력을 갖는 상기 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정한다. 출력신호(OS)의 주파수는 구동신호(DS)의 주파수와 동일하므로 상기 출력신호(OS)를 생성하기 위해 상기 습도센서 모듈(500)로 인가된 구동신호(DS)의 주파수를 공진 주파수로 설정할 수 있다. When the maximum effective output is detected in the operation unit 721, the frequency detection unit 722 sets the frequency of the output signal OS having the maximum effective output as the resonance frequency. Since the frequency of the output signal (OS) is the same as the frequency of the driving signal (DS), the frequency of the driving signal (DS) applied to the humidity sensor module 500 is set as the resonance frequency to generate the output signal (OS). You can.

상기 연산유닛(721)에서 최대 유효출력을 검출하지 못한 경우, 상기 변조유닛(723)은 상기 구동신호(DS)의 주파수를 변조하고 변조된 주파수를 상기 파워소스(600)로 전송한다. 최대 유효출력이 검출되지 않은 출력신호(OS)는 공진이 발생하지 않는 신호이므로 상기 멤브레인 진동의 공진 주파수를 검출하기 어렵다. 이에 따라, 변조유닛(723)을 통하여 구동신호(DS)의 주파수를 변조하고 변조된 주파수 정보를 상기 파워소스(600)로 전송한다. 파워소스(600)는 변조된 주파수를 갖는 교류신호를 생성하여 상기 습도센서 모듈(500)로 인가하게 된다.When the operation unit 721 fails to detect the maximum effective output, the modulation unit 723 modulates the frequency of the driving signal DS and transmits the modulated frequency to the power source 600. Since the output signal OS for which the maximum effective output is not detected is a signal in which no resonance occurs, it is difficult to detect the resonance frequency of the membrane vibration. Accordingly, the frequency of the driving signal DS is modulated through the modulation unit 723 and the modulated frequency information is transmitted to the power source 600. The power source 600 generates an alternating current signal with a modulated frequency and applies it to the humidity sensor module 500.

변조된 주파수를 갖는 구동신호(DS, 이하 변조 구동신호)에 의해 변조된 주파수를 갖는 출력신호(OS, 이하 변조 출력신호)가 검출되고 상기 연산유닛(721)은 변조 출력신호(OS)의 출력신호가 최대 유효출력을 갖는지 여부를 판단한다. An output signal (OS, hereinafter modulated output signal) having a modulated frequency is detected by a drive signal (DS, hereinafter referred to as modulated drive signal) having a modulated frequency, and the operation unit 721 outputs the modulated output signal (OS). Determine whether the signal has the maximum effective output.

상기 연산유닛(721)에 의해 상기 변조 출력신호(OS)가 최대 유효출력을 갖는다고 판단되는 경우, 상기 제어유닛(724)은 상기 변조 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정하도록 상기 주파수 검출유닛(722)을 구동한다. When the operation unit 721 determines that the modulated output signal (OS) has the maximum effective output, the control unit 724 sets the frequency of the modulated output signal (OS) to the resonance frequency. The detection unit 722 is driven.

이와 달리, 상기 연산유닛(721)에서 상기 변조 출력신호(OS)의 유효 출력이 최대 유효출력이 아니라고 판단되는 경우, 상기 제어유닛(724)은 상기 변조유닛(723)을 제어하여 상기 변조 출력신호(OS)의 주파수를 다른 주파수로 변조하고, 변조된 주파수를 상기 파워소스(600)로 전송한다. 예를 들면, 상기 변조유닛(723)에 의해 변조된 변조 주파수는 상기 교류 생성기(620)로 전송될 수 있다. On the other hand, when the operation unit 721 determines that the effective output of the modulated output signal (OS) is not the maximum effective output, the control unit 724 controls the modulation unit 723 to generate the modulated output signal. The frequency of (OS) is modulated to a different frequency, and the modulated frequency is transmitted to the power source 600. For example, the modulation frequency modulated by the modulation unit 723 may be transmitted to the alternating current generator 620.

상기 제어유닛(724)는 최대 유효출력을 갖는 공진 주파수가 검출될 때까지 상기 변조유닛(723)을 구동한다. 이에 따라, 특정한 상대습도에 대응하여 수분을 흡수한 상기 멤브레인(300)의 진동은 상기 출력신호(OS)에 의해 검출되고, 상기 멤브레인 진동의 공진 주파수는 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수와 일대일 대응하는 특성을 갖게 된다. 즉, 상기 공진 주파수를 갖는 출력신호(OS)의 거동은 상기 멤브레인(300)의 진동과 물리적 등가물로 평가할 수 있다. The control unit 724 drives the modulation unit 723 until a resonant frequency with maximum effective output is detected. Accordingly, the vibration of the membrane 300 that absorbs moisture in response to a specific relative humidity is detected by the output signal OS, and the resonance frequency of the membrane vibration is one to one with the resonance frequency of the output signal OS. It has corresponding characteristics. That is, the behavior of the output signal OS having the resonance frequency can be evaluated as a physical equivalent of the vibration of the membrane 300.

일 실시예로서, 상기 습도 검출기(800)는 상기 메인보드(501)에 실장되어 상기 메인보드(501)의 인쇄회로에 의해 상기 주파수 검출기(700)와 전기적으로 연결된다. 예를 들면, 상기 습도 검출기(800)는 후술하는 주파수-습도 기준에 관한 데이터를 저장하는 메모리와 상기 주파수-습도 기준에 기초하여 상기 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 검출하기 위한 연산을 수행하는 마이크로 프로세서로 구성되어 상기 메인보드(501)에 실장될 수 있다. In one embodiment, the humidity detector 800 is mounted on the main board 501 and is electrically connected to the frequency detector 700 through a printed circuit of the main board 501. For example, the humidity detector 800 includes a memory that stores data related to a frequency-humidity standard, which will be described later, and a microprocessor that performs an operation to detect the relative humidity corresponding to the resonance frequency based on the frequency-humidity standard. It consists of a processor and can be mounted on the main board 501.

이에 따라, 상기 주파수 검출기(700)로부터 전송된 공진 주파수를 이용하여 상기 공진 주파수에 대응하는 상기 대기의 상대습도를 검출한다.Accordingly, the relative humidity of the atmosphere corresponding to the resonance frequency is detected using the resonance frequency transmitted from the frequency detector 700.

예를 들면, 상기 습도 검출기(800)는 주파수-습도 기준을 수득하는 상관성 연산부(810), 상기 주파수 검출기(700)로부터 전송된 상기 공진 주파수를 습도검색 대상 주파수로 저장하는 검색 주파수 저장부(820), 및 상기 습도-주파수 기준에 따라 상기 검색 주파수에 대응하는 상대습도를 수득하는 습도 연산부(830)를 포함할 수 있다. For example, the humidity detector 800 includes a correlation calculation unit 810 that obtains a frequency-humidity standard, and a search frequency storage unit 820 that stores the resonance frequency transmitted from the frequency detector 700 as a humidity search target frequency. ), and a humidity calculation unit 830 that obtains the relative humidity corresponding to the search frequency according to the humidity-frequency standard.

상기 상관성 연산부(810)는 알려진 샘플 습도 환경에서 상기 멤브레인(300)과 동일한 구성을 갖는 기준 멤브레인을 구비하는 기준 습도센서 모듈로 상기 기준 멤브레인의 공진 주파수에 대응하는 공진 주파수인 기준 주파수를 수득하여 상기 샘플 습도와 상기 기준 주파수 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준(criteria)을 수득한다.The correlation calculation unit 810 is a reference humidity sensor module provided with a reference membrane having the same configuration as the membrane 300 in a known sample humidity environment, and obtains a reference frequency that is a resonance frequency corresponding to the resonance frequency of the reference membrane. A frequency-humidity criterion is obtained, which is the correlation between sample humidity and the reference frequency.

예를 들면, 알려진 샘플습도로 설정된 챔버의 내부에 상기 습도 측정장치(1000)를 배치하여 상기 공진 주파수를 검출할 수 있다. 이때, 상기 습도 측정장치(1000)는 알려진 샘플습도 환경에서 샘플습도에 대응하는 공진 주파수를 검출하기 위해 배치되므로, 상기 습도 측정장치(1000)에 포함된 상기 습도센서 모듈(500)은 샘플습도에 대한 공진 주파수를 검출하기 위한 기준 습도센서 모듈로 기능하고, 검출되는 상기 공진 주파수는 상기 샘플습도에 대응하는 기준 주파수로 설정된다. 따라서, 상기 기준 습도센서 모듈은 실질적으로 도 1에 도시한 습도센서 모듈과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. For example, the resonance frequency can be detected by placing the humidity measuring device 1000 inside a chamber set to a known sample humidity. At this time, the humidity measuring device 1000 is arranged to detect a resonance frequency corresponding to the sample humidity in a known sample humidity environment, so the humidity sensor module 500 included in the humidity measuring device 1000 is used to determine the sample humidity. It functions as a reference humidity sensor module for detecting a resonant frequency, and the detected resonant frequency is set as a reference frequency corresponding to the sample humidity. Accordingly, the reference humidity sensor module has substantially the same configuration as the humidity sensor module shown in FIG. 1.

다수의 샘플습도에 대하여 기준 주파수를 검출하여 샘플습도와 기준 주파수로 구성되는 다수의 실험 순서쌍을 수득하고 상기 실험 순서쌍을 통계처리 기법으로 처리하여 주파수와 습도 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준을 생성할 수 있다. By detecting the reference frequency for a number of sample humidity, a number of experimental order pairs consisting of sample humidity and reference frequency are obtained, and the experimental order pairs are processed using statistical processing techniques to generate a frequency-humidity standard, which is the correlation between frequency and humidity. You can.

예를 들면, 상기 샘플습도-주파수에 관한 다수의 실험 순서쌍에 대하여 선형 회귀분석을 수행하여 실제 검출하지 않은 습도에 대한 기준 주파수를 높은 신뢰도로 추정할 수 있다. 따라서, 상기 주파수-습도 기준은 주파수와 습도 사이의 선형관계를 갖는 1차 함수로 생성될 수 있다. For example, by performing linear regression analysis on a plurality of experimental ordered pairs of sample humidity and frequency, the reference frequency for humidity that was not actually detected can be estimated with high reliability. Accordingly, the frequency-humidity reference can be generated as a linear function with a linear relationship between frequency and humidity.

특히, 상기 습도 측정장치(1000)의 운용과정에서 실제 검출된 공진 주파수와 상대습도 사이의 관계인 실제 순서쌍을 상기 실험 순서쌍에 포함하여 통계처리 기법이 적용되는 모집단의 크기를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 주파수-습도 기준의 정밀도를 높일 수 있다. In particular, the actual ordered pair, which is the relationship between the resonance frequency and relative humidity actually detected during the operation of the humidity measuring device 1000, can be included in the experimental ordered pair to increase the size of the population to which the statistical processing technique is applied. Accordingly, the precision of the frequency-humidity standard can be increased.

상기 검색 주파수 저장부(820)는 상기 주파수 검출기(700)로부터 검출된 공진 주파수를 습도 검출을 위한 기준 주파수로 저장한다. 후술하는 바와 같이, 상기 기준 주파수는 주파수-습도 기준의 종속변수로 제공되어 상기 기준 주파수에 대응하는 습도를 일의적으로 수득할 수 있다. The search frequency storage unit 820 stores the resonance frequency detected from the frequency detector 700 as a reference frequency for humidity detection. As will be described later, the reference frequency is provided as a dependent variable of the frequency-humidity standard, so that the humidity corresponding to the reference frequency can be uniquely obtained.

상기 검색 주파수 저장부(820)는 상기 주파수 검출유닛(722)과 연결되어 상기 공진 주파수가 검출되는 순간 자동으로 공진 주파수를 저장할 수 있다. 상기 검색 주파수 저장부(820)는 공진 주파수를 저장할 수 있는 다양한 메모리 소자로 구성될 수 있다. The search frequency storage unit 820 is connected to the frequency detection unit 722 and can automatically store the resonance frequency the moment the resonance frequency is detected. The search frequency storage unit 820 may be composed of various memory elements capable of storing resonance frequencies.

상기 습도 연산부(830)는 상기 검색 주파수 저장부(820) 및 상기 상관성 연산부(810)와 연결되어 상기 상관성 연산부(810)로부터 수득한 주파수-습도 기준의 종속변수로 상기 기준 주파수를 설정하여 기준 주파수에 대응하는 습도를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 주파수-습도 기준이 1차함수로 수득된 경우 상기 기준 주파수에 대응하는 상대습도를 상기 1차 함수를 이용하여 수득할 수 있다. The humidity calculation unit 830 is connected to the search frequency storage unit 820 and the correlation calculation unit 810, and sets the reference frequency as a dependent variable of the frequency-humidity standard obtained from the correlation calculation unit 810. The humidity corresponding to can be detected. For example, when the frequency-humidity reference is obtained as a linear function, the relative humidity corresponding to the reference frequency can be obtained using the linear function.

본 실시예에서는 상기 주파수-습도 기준으로서 통계처리 기법을 이용하여 수득한 함수관계를 개시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 주파수-습도 기준은 다수의 상대습도와 주파수 사이의 순서쌍에 관한 주파수-습도 테이블로 주어질 수도 있다.In this example, the functional relationship obtained using statistical processing techniques is disclosed as the frequency-humidity standard, but it is not limited to this. For example, the frequency-humidity criterion may be given as a frequency-humidity table for a number of ordered pairs between relative humidity and frequency.

본 실시예에서는 상기 습도 검출기(800)가 상기 메인보드(501)에 개시된 것을 개시하고 있지만, 상기 메인보드(501)의 외부에 개별적인 구조물로 제공될 수도 있다. 예를 들면, 상기 주파수 검출기(700)와 전기적으로 연결되고 주파수 검출기(700)로부터 전송된 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 상관성 연산에 의해 수득하도록 개별적인 연산장치로 제공될 수도 있다. 이때, 상기 습도 연산장치는 상기 주파수 검출기(700) 및 상기 메인보드(501)와 개별적으로 접속할 수 있는 접속단자를 구비하여 상기 습도센서 모듈(500)과 선택적으로 연결될 수 있다.In this embodiment, the humidity detector 800 is disclosed on the main board 501, but it may also be provided as an individual structure outside the main board 501. For example, it may be provided as an individual calculation device that is electrically connected to the frequency detector 700 and obtains the relative humidity corresponding to the resonant frequency transmitted from the frequency detector 700 through correlation calculation. At this time, the humidity calculation device has a connection terminal that can be individually connected to the frequency detector 700 and the main board 501 and can be selectively connected to the humidity sensor module 500.

특히, 상기 습도센서 모듈(500)만 상기 메인 보드(501) 상에 배치하고 파워 소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)를 상기 습도센서 모듈(500)과 개별적인 일체형 습도 연산키트로 구성함으로써 상기 습도측정 장치(1000)를 간단하게 구성할 수 있다.In particular, only the humidity sensor module 500 is placed on the main board 501, and the power source 600, frequency detector 700, and humidity detector 800 are used for individual integrated humidity calculation with the humidity sensor module 500. The humidity measurement device 1000 can be easily constructed by constructing it as a kit.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도 측정장치를 나타내는 개략적인 구성도이다. 도 7에 도시된 변형 습도 측정장치(1001)는 도 5에 도시된 습도센서 모듈(500)과 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)가 개별적으로 제공되는 것을 제외하고는 도 5에 도시된 습도 측정장치(1000)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 도 7에서 도 5와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. Figure 7 is a schematic configuration diagram showing a humidity measuring device according to another embodiment of the present invention. The modified humidity measuring device 1001 shown in FIG. 7 except that the humidity sensor module 500, power source 600, frequency detector 700, and humidity detector 800 shown in FIG. 5 are provided individually. Has substantially the same configuration as the humidity measuring device 1000 shown in FIG. 5. Accordingly, in FIG. 7, the same reference numerals are used for the same components as those in FIG. 5, and further detailed descriptions of the same components are omitted.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도 측정장치(1001)는 메인 기판(501) 상에 습도센서 모듈(500)이 배치되어 상기 수분함량에 따른 출력신호를 생성하는 출력키트(K1)와 상기 출력키트(K1)와 접속되어 출력신호에 대응하는 공진 주파수를 검출하고 연산에 의해 상기 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 추출하는 연산키트(K2)를 포함한다.Referring to FIG. 7, the humidity measuring device 1001 according to another embodiment of the present invention is an output kit ( K1) and a calculation kit (K2) connected to the output kit (K1) to detect a resonance frequency corresponding to the output signal and extract the relative humidity corresponding to the resonance frequency through calculation.

상기 출력키트(K1)는 상기 메인 기판(501)의 측부에 신호전송을 위한 제1 단자(T1)를 구비하고 상기 연산키트(K2)는 제1 단자(T1)에 접속되어 출력키트(K1)와 전기적으로 연결된다. The output kit (K1) is provided with a first terminal (T1) for signal transmission on the side of the main board 501, and the operation kit (K2) is connected to the first terminal (T1) to form the output kit (K1). is electrically connected to

상기 연산키트(K2)는 단일한 베이스(미도시)에 상기 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)가 배치되어 단일한 로직에 의해 일체로 구동되는 구조물로 제공된다. 특히, 상기 베이스의 외측 단부에 상기 제1 단자(T1)에 대응하는 제2 접속단(T2)이 구비되어 제1 단자(T1)와 제2 접속단(T2)에 의해 연산키트(K2)와 출력키트(K1)를 결합하여 상기 변형 습도 측정장치(1001)를 완성할 수 있다.The calculation kit (K2) is provided as a structure in which the power source 600, frequency detector 700, and humidity detector 800 are arranged on a single base (not shown) and are integrally driven by a single logic. In particular, a second connection terminal (T2) corresponding to the first terminal (T1) is provided at the outer end of the base, and the operation kit (K2) is connected to the first terminal (T1) and the second connection terminal (T2). The modified humidity measuring device 1001 can be completed by combining the output kit (K1).

상기 연산키트(K2)와 상기 출력키트(K1)가 결합되면, 상기 파워소스(600)에 의해 습도센서 모듈(500)로 구동신호가 인가되어 습도측정이 개시된다. 상기 구동신호에 따라 상기 멤브레인(300)의 고유 진동에 대응하는 출력신호가 상기 습도센서 모듈(500)에 의해 생성되면 상기 연산키트(k2)로 전송되고 상기 주파수 검출기(700)를 통하여 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출하게 된다. 상기 습도 검출기(800)는 검출된 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 주파수-습도 기준에 의해 탐색하여 현재의 상대습도를 검출한다.본 발명의 일 실시예에 의한 습도 측정장치에 의하면, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조되고 주파수와 습도 사이의 선형성을 유지할 수 있는 CMUT 어레이를 이용하여 습도 측정장치를 구성함으로써 넓은 습도범위에서 안정적으로 정확하게 대기중의 상대습도를 검출할 수 있다.When the calculation kit (K2) and the output kit (K1) are combined, a driving signal is applied to the humidity sensor module 500 by the power source 600 to start humidity measurement. When an output signal corresponding to the natural vibration of the membrane 300 is generated by the humidity sensor module 500 according to the drive signal, it is transmitted to the calculation kit (k2) and the output signal is transmitted through the frequency detector 700. The resonance frequency of is detected. The humidity detector 800 detects the current relative humidity by searching for the relative humidity corresponding to the detected resonance frequency using a frequency-humidity standard. According to the humidity measuring device according to an embodiment of the present invention, microprocessing By constructing a humidity measuring device using a CMUT array that is manufactured in a small size and can maintain linearity between frequency and humidity, the relative humidity in the air can be detected stably and accurately over a wide humidity range.

특히, 상기 습도 측정장치는 소형 장치로 구비되어 상대습도 측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 정확한 습도측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 정밀한 습도를 수득할 수 있다.In particular, the humidity measuring device is a small device that can accurately measure relative humidity with a simple operation in places where relative humidity measurement is required. Accordingly, precise humidity can be obtained with a simple operation in places where accurate humidity measurement is required.

또한, 습도센서 모듈이 배치된 출력키트(K1)과 습도를 검출하는 연산키트(K2)를 개별적으로 제작하고 관리함으로써 상기 변형 습도센서 장치(1001)의 제조효율과 관리 부담을 경감할 수 있다.In addition, the manufacturing efficiency and management burden of the modified humidity sensor device 1001 can be reduced by separately manufacturing and managing the output kit (K1) in which the humidity sensor module is arranged and the operation kit (K2) for detecting humidity.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5 또는 도 7에 도시된 습도 측정장치를 이용하여 대기중의 상대습도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다. FIG. 8 is a flowchart showing a method of measuring relative humidity in the air using the humidity measuring device shown in FIG. 5 or FIG. 7 according to an embodiment of the present invention.

도 5, 7 및 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5에 도시된 습도 측정장치(1000)로 대기의 상대습도를 검출하기 위해 먼저 칼슘이온이 포함된 박막층을 구비하는 멤브레인을 포함하고 초음파 트랜스듀서로 동작하는 습도센서 모듈로 교류전압을 인가한다(단계 S100). Referring to FIGS. 5, 7, and 8, in order to detect the relative humidity of the atmosphere with the humidity measuring device 1000 shown in FIG. 5 according to an embodiment of the present invention, a membrane having a thin film layer containing calcium ions is first installed. An alternating voltage is applied to a humidity sensor module that includes an ultrasonic transducer (step S100).

예를 들면, 상기 전극층(400)으로 직류전압과 교류전압의 중첩전압을 인가한다. 상기 직류전원(610)으로부터 일정한 세기의 직류전압을 인가하여 커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 전하를 충전하고, 충전된 상기 절연층(200)에 설정된 주파수를 갖는 교류전압을 인가하여 충전된 전하를 주기적으로 방전 및 충전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 칼슘함유 박막층(320)으로 구성된 상기 멤브레인(300)이 진동하여 멤브레인 진동을 생성하게 된다. For example, an overlapping voltage of a direct current voltage and an alternating current voltage is applied to the electrode layer 400. Charge is charged to the insulating layer 200, which functions as a capacitor, by applying a direct current voltage of a certain strength from the direct current power supply 610, and charging by applying an alternating current voltage with a set frequency to the charged insulating layer 200. The accumulated charge can be periodically discharged and charged. Accordingly, the membrane 300 composed of the calcium-containing thin film layer 320 vibrates to generate membrane vibration.

이어서, 상기 습도센서 모듈(500)과 연결된 전기회로를 통해 상기 멤브레인(300)의 진동에 관한 전기적 등가신호인 교류 출력신호를 검출한다(단계 S200). Next, an alternating current output signal, which is an electrical equivalent signal related to the vibration of the membrane 300, is detected through an electric circuit connected to the humidity sensor module 500 (step S200).

예를 들면, 상기 전극층(400)과 출력신호(OS)를 검출하는 신호 검출기(710) 및 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 공진기(720)를 구비하는 주파수 검출기(700)를 전기적으로 연결하여 상기 습도센서 모듈(500)을 구성요소로 포함하는 전기회로를 구성한다.For example, the frequency detector 700 including the electrode layer 400, a signal detector 710 for detecting the output signal (OS), and a resonator 720 for detecting the resonance frequency of the output signal (OS) is electrically connected. to form an electric circuit including the humidity sensor module 500 as a component.

이때, 상기 습도센서 모듈(500)은 멤브레인 리액턴스(Lm)와 멤브레인 커패시턴스(Cm)을 구비하는 등가 LC회로로 모델링되고, 상기 구동신호(DS)에 의해 유도된 유도 기전력이 상기 멤브레인 진동에 따라 멤브레인 리액턴스(Lm)와 멤브레인 커패시턴스(Cm)에서 주기적으로 에너지가 저장되거나 방출되어 교류특성을 갖는 상기 출력신호(OS)로 검출된다. 즉, 상기 출력신호(OS)는 상기 구동신호(DS)와 동일한 주파수를 갖고 상기 LC 등가회로의 특성에 따라 출력세기가 결정되는 교류신호로 검출된다. At this time, the humidity sensor module 500 is modeled as an equivalent LC circuit having a membrane reactance (Lm) and a membrane capacitance (Cm), and the induced electromotive force induced by the driving signal (DS) moves the membrane according to the membrane vibration. Energy is periodically stored or released in the reactance (Lm) and membrane capacitance (Cm) and is detected as the output signal (OS) having alternating current characteristics. That is, the output signal OS has the same frequency as the driving signal DS and is detected as an alternating current signal whose output intensity is determined according to the characteristics of the LC equivalent circuit.

이어서, 상기 출력신호의 최대 유효신호를 검출하도록 상기 구동신호의 주파수를 변조하여 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출한다(단계 S300). Next, the resonance frequency of the output signal is detected by modulating the frequency of the drive signal to detect the maximum effective signal of the output signal (step S300).

상기 신호 검출기(710)로부터 출력신호(OS)를 검출하면 상기 출력신호(OS)의 유효 출력이 최대값인지 여부를 연산유닛(721)에서 판단하고 최대 유효출력을 갖는 경우 상기 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정한다. 이와 달리, 상기 연산유닛(721)에서 상기 유효 출력이 최대값이 아닌 것으로 판단한 경우, 상기 제어유닛(724)은 변조유닛(723)을 구동하여 상기 구동신호(DS)의 주파수를 변조한다. 변조된 주파수인 검사 주파수에 관한 정보는 상기 교류 생성기(620)로 전송되어 상기 검사 주파수를 갖는 새로운 구동신호(DS)가 생성된다. When the output signal (OS) is detected from the signal detector 710, the operation unit 721 determines whether the effective output of the output signal (OS) is the maximum value, and if it has the maximum effective output, the output signal (OS) Set the frequency as the resonance frequency. On the other hand, when the operation unit 721 determines that the effective output is not the maximum value, the control unit 724 drives the modulation unit 723 to modulate the frequency of the driving signal DS. Information on the test frequency, which is a modulated frequency, is transmitted to the AC generator 620 to generate a new driving signal DS having the test frequency.

검사 주파수를 갖는 새로운 구동신호(DS)에 의해 생성되는 새로운 출력신호(OS)를 생성하고 유효 출력이 최대값을 갖는지 여부를 다시 판단하게 된다. A new output signal (OS) generated by a new driving signal (DS) having a test frequency is generated, and it is determined again whether the effective output has the maximum value.

상기 제어유닛(724)은 구동신호(DS)의 주파수 변경 때마다 새롭게 생성되는 상기 출력신호(OS)의 유효 출력에 대해 최대 출력인지를 판단하고 최대 유효출력을 갖는 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정한다.The control unit 724 determines whether the effective output of the newly generated output signal (OS) is the maximum output every time the frequency of the driving signal (DS) changes and sets the frequency of the output signal (OS) having the maximum effective output. Set to resonance frequency.

따라서, 상기 제어유닛(724)은 주파수를 변경하면서 구동신호(DS)를 습도센서 모듈(500)로 인가하고 각 구동신호(DS)마다 출력신호(OS)를 검출하면서 출력신호의 유효 출력이 최대가 될 때까지 반복한다. Accordingly, the control unit 724 applies the driving signal DS to the humidity sensor module 500 while changing the frequency and detects the output signal OS for each driving signal DS, so that the effective output of the output signal is maximized. Repeat until .

이에 따라, 등가 LC 회로의 유효출력이 최대일 때 상기 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 검출한다. Accordingly, when the effective output of the equivalent LC circuit is at its maximum, the frequency of the output signal OS is detected as the resonance frequency.

상기 공진 주파수가 검출되면, 주파수-습도 기준에 따라 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기의 상대습도를 검출한다(단계 S400).When the resonant frequency is detected, the relative humidity of the air is detected as the humidity corresponding to the resonant frequency according to the frequency-humidity standard (step S400).

예를 들면, 다수의 알려진 샘플 습도 환경에서 칼슘함유 박막층(320)을 구비하는 상기 멤브레인(300)과 동일한 구성을 갖는 기준 멤브레인을 구비하는 기준 습도센서 모듈로 상기 기준 멤브레인의 공진 주파수인 기준 주파수를 수득하여 상기 샘플 습도와 상기 기준 주파수 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준(criteria)을 수득하고, 상기 주파수 검출기(700)로부터 검출된 상기 멤브레인(300)의 공진 주파수를 호출하여 검색 주파수로 저장한다. 이어서, 상기 주파수-습도 기준에 따라 상기 검색 주파수에 대응하는 상기 샘플 습도를 연산하여 상기 상대습도로 결정할 수 있다. For example, in a plurality of known sample humidity environments, a reference humidity sensor module having a reference membrane having the same configuration as the membrane 300 with a calcium-containing thin film layer 320 is used to set a reference frequency, which is the resonant frequency of the reference membrane. A frequency-humidity criterion, which is a correlation between the sample humidity and the reference frequency, is obtained, and the resonance frequency of the membrane 300 detected by the frequency detector 700 is retrieved and stored as a search frequency. Subsequently, the sample humidity corresponding to the search frequency can be calculated according to the frequency-humidity standard and determined as the relative humidity.

이때, 상기 주파수-습도 기준은 다수의 상기 주파수-습도의 순서쌍에 대한 선형 회귀분석에 의해 수득하는 1차 함수로 수득할 수 있다. 따라서, 상기 주파수-습도에 관한 1차함수로부터 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 연산함으로써 대기의 상대습도를 일의적으로 수득할 수 있다. At this time, the frequency-humidity standard can be obtained as a linear function obtained by linear regression analysis of a plurality of ordered pairs of frequency-humidity. Therefore, the relative humidity of the atmosphere can be uniquely obtained by calculating the humidity corresponding to the resonance frequency from the linear function regarding the frequency-humidity.

본 발명의 실시예들에 의한 습도센서 모듈, 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 의하면, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조되고 주파수와 습도 사이의 선형성을 유지할 수 있는 CMUT 어레이를 이용하여 습도 측정장치를 구성할 수 있다. 상기 박막층은 칼슘함유 실크층으로 구성하여 대기중의 습도에 민감하게 반응하고 넓은 습도범위에서 수분 흡수량과 상대습도 사이의 선형성을 갖는다. 이에 따라, 대기의 상대습도를 정확하고 안정적으로 검출할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the humidity sensor module, the humidity measuring device including the same, and the humidity measuring method using the same are manufactured in a small size through microfabrication and use a CMUT array that can maintain linearity between frequency and humidity. Thus, a humidity measuring device can be configured. The thin film layer is composed of a calcium-containing silk layer, so it responds sensitively to atmospheric humidity and has linearity between moisture absorption and relative humidity over a wide humidity range. Accordingly, the relative humidity of the atmosphere can be accurately and stably detected.

특히, 상기 습도 측정장치는 소형 장치로 구비되어 상대습도 측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 정확한 습도측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 정밀한 습도를 수득할 수 있다. In particular, the humidity measuring device is a small device that can accurately measure relative humidity with a simple operation in places where relative humidity measurement is required. Accordingly, precise humidity can be obtained with a simple operation in places where accurate humidity measurement is required.

상기에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art will understand the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it can be modified and changed in various ways.

100: 기판 200: 절연층
300: 멤브레인 310: 기저층
320: 칼슘함유 박막층 400: 전극층
410: 하부전극 420: 상부전극
500: 습도센서 모듈 600: 파워소스
610: 직류전원 620: 교류 생성기
700: 주파수 검출기 710: 신호 검출기
720: 공진기 800: 습도 검출기
810: 상관성 연상부 820: 검색 주파수 저장부
830: 습도 연산부 1000: 습도 측정장치
100: substrate 200: insulating layer
300: membrane 310: basal layer
320: Calcium-containing thin film layer 400: Electrode layer
410: lower electrode 420: upper electrode
500: Humidity sensor module 600: Power source
610: DC power 620: AC generator
700: frequency detector 710: signal detector
720: Resonator 800: Humidity detector
810: correlation association unit 820: search frequency storage unit
830: Humidity calculation unit 1000: Humidity measuring device

Claims (20)

기판 상에 배치되고 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층;
상기 리세스를 덮도록 상기 절연층의 상부에 배치되어 상기 리세스를 외부로부터 단절된 밀폐공간으로 제공하고 칼슘함유 박막층을 구비하여 대기의 수분을 흡수하며 흡수된 상기 수분의 함량에 따라 서로 다른 공진 주파수로 진동하는 멤브레인; 및
상기 절연층의 하부에 배치된 하부전극 및 상기 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 상기 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 상기 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함하는 습도센서 모듈.
an insulating layer disposed on a substrate and having a recess recessed from the upper surface;
It is disposed on the upper part of the insulating layer to cover the recess, provides the recess as a closed space cut off from the outside, and is provided with a calcium-containing thin film layer to absorb atmospheric moisture and have different resonance frequencies depending on the content of the absorbed moisture. Membrane vibrating with; and
A humidity sensor module comprising an electrode layer having a lower electrode disposed under the insulating layer and an upper electrode disposed on the membrane, and providing the insulating layer located between the lower electrode and the upper electrode as a capacitor.
제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 박막층의 아래에서 상기 절연층 상에 배치되어 상기 밀폐공간을 제공하는 기저층을 더 구비하여 상기 기저층과 상기 박막층으로 구성되는 이중막으로 제공되는 습도센서 모듈.The humidity sensor module according to claim 1, wherein the membrane further includes a base layer disposed on the insulating layer below the thin film layer to provide the sealed space, and is provided as a double membrane composed of the base layer and the thin film layer. 제2항에 있어서, 상기 기저층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중의 어느 하나를 포함하고, 상기 칼슘함유 박막층은 30-40 중량 퍼센트 농도의 칼슘을 구비하는 실크층을 포함하는 습도센서 모듈.The humidity sensor module of claim 2, wherein the base layer includes any one of silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride, and the calcium-containing thin film layer includes a silk layer containing calcium at a concentration of 30-40 weight percent. 제2항에 있어서, 상기 상부전극은 상기 기저층 상에 배치되고 상기 박막층은 상기 기저층의 상면보다 높거나 동일한 상면을 갖는 습도센서 모듈.The humidity sensor module of claim 2, wherein the upper electrode is disposed on the base layer and the thin film layer has a top surface that is higher than or equal to the top surface of the base layer. 제1항에 있어서, 상기 전극층 사이에 배치되어 상기 커패시터로 기능하는 상기 절연층 및 상기 절연층 상부의 상기 멤브레인은 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasound transducer, CMUT) 소자를 구성하는 습도센서 모듈.The method of claim 1, wherein the insulating layer disposed between the electrode layers and functioning as the capacitor and the membrane on top of the insulating layer constitute a capacitive micro-machined ultrasound transducer (CMUT) element. Humidity sensor module. 제1항에 있어서, 상기 공진 주파수는 상기 대기 중에 포함된 수분의 상대적인 중량% 농도인 상대습도가 40% 내지 100%인 범위에서 상기 상대습도에 대하여 선형성을 갖는 습도센서 모듈.The humidity sensor module of claim 1, wherein the resonance frequency has linearity with respect to the relative humidity in a range of 40% to 100%, which is the relative weight percent concentration of moisture contained in the air. 제6항에 있어서, 상기 공진 주파수는 단위 습도 변화에 대하여 3.4 내지 3.6 KHz의 변화율(3.4 ~ 3.6 KHz/상대습도(%))을 갖는 습도센서 모듈. The humidity sensor module of claim 6, wherein the resonance frequency has a change rate of 3.4 to 3.6 KHz (3.4 to 3.6 KHz/relative humidity (%)) for a unit change in humidity. 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층 및 상기 절연층 상에 배치되고 대기 중에 포함된 수분을 흡수할 수 있는 칼슘함유 박막층을 구비하여 수분 흡수량에 따라 물성이 변화하는 멤브레인을 포함하는 습도센서 모듈;
상기 습도센서 모듈로 구동신호를 인가하여 상기 물성에 대응하는 공진 주파수를 갖는 멤브레인 진동을 생성하는 파워소스;
상기 멤브레인 진동에 대응하는 전기적 신호인 출력신호를 검출하고 상기 출력신호와 공진하는 상기 구동신호의 주파수를 상기 공진 주파수로 검출하는 주파수 검출기; 및
상기 공진 주파수에 대응하는 상기 대기의 상대습도를 검출하는 습도 검출기를 포함하는 습도 측정장치.
A humidity sensor module comprising an insulating layer having a recess recessed from the upper surface and a membrane that has physical properties that change depending on the amount of moisture absorbed, including a calcium-containing thin film layer disposed on the insulating layer and capable of absorbing moisture contained in the atmosphere. ;
a power source that applies a driving signal to the humidity sensor module to generate membrane vibration having a resonance frequency corresponding to the physical property;
a frequency detector that detects an output signal, which is an electrical signal corresponding to the membrane vibration, and detects the frequency of the drive signal resonating with the output signal as the resonance frequency; and
A humidity measuring device comprising a humidity detector that detects the relative humidity of the atmosphere corresponding to the resonance frequency.
제8항에 있어서, 상기 습도센서 모듈은,
상면에 상기 멤브레인이 배치된 상기 절연층을 지지하는 기판; 및
상기 기판의 하부에 배치된 하부전극 및 상기 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 상기 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 상기 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함하여,
상기 전극층으로 인가된 상기 구동신호에 따라 상기 멤브레인 진동을 생성하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 구성되는 습도 측정장치.
The method of claim 8, wherein the humidity sensor module,
a substrate supporting the insulating layer on which the membrane is disposed; and
Including an electrode layer having a lower electrode disposed on the lower part of the substrate and an upper electrode disposed on the membrane, and providing the insulating layer located between the lower electrode and the upper electrode as a capacitor,
A humidity measuring device consisting of a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) element that generates the membrane vibration according to the drive signal applied to the electrode layer.
제9항에 있어서, 상기 절연층 상에는 상기 절연층 및 상기 멤브레인의 결합에 의해 밀폐공간으로 형성되는 상기 리세스가 배치되고, 상기 멤브레인은 상기 칼슘함유 박막층과 상기 절연층 사이에 배치되어 상기 밀폐공간을 한정하는 기저층을 더 구비하여, 상기 기저층과 상기 칼슘함유 박막층으로 구성되는 이중막으로 제공되는 습도 측정장치. The method of claim 9, wherein the recess is disposed on the insulating layer to form a closed space by combining the insulating layer and the membrane, and the membrane is disposed between the calcium-containing thin film layer and the insulating layer to form the closed space. A humidity measuring device further comprising a base layer defining a double layer consisting of the base layer and the calcium-containing thin film layer. 제9항에 있어서, 다수의 상기 습도센서 모듈이 상기 기판 상에 정렬되어 CMUT 습도센서 어레이를 구성하고 상기 상대습도는 상기 CMUT 습도센서 어레이를 구성하는 각 습도센서 모듈로부터 동시에 개별적으로 검출하는 습도 측정장치.The method of claim 9, wherein a plurality of the humidity sensor modules are aligned on the substrate to form a CMUT humidity sensor array, and the relative humidity is measured simultaneously and individually from each humidity sensor module constituting the CMUT humidity sensor array. Device. 제8항에 있어서, 상기 주파수 검출기는,
상기 습도센서 모듈과 전기적으로 연결되어 상기 출력신호를 검출하는 신호 검출부; 및
상기 출력신호와 상기 구동신호 사이의 공진 주파수를 검출하는 공진부를 포함하는 습도 측정장치.
The method of claim 8, wherein the frequency detector is:
A signal detection unit electrically connected to the humidity sensor module to detect the output signal; and
A humidity measuring device including a resonance unit that detects a resonance frequency between the output signal and the drive signal.
제12항에 있어서, 상기 신호 검출부는 상기 출력신호를 검출하여 증폭하는 증폭기 및 증폭된 상기 출력신호로부터 노이즈를 제거하는 필터를 구비하는 오실레이터(oscillator)를 포함하는 습도 측정장치.The humidity measuring device of claim 12, wherein the signal detection unit includes an oscillator including an amplifier for detecting and amplifying the output signal, and a filter for removing noise from the amplified output signal. 제12항에 있어서, 상기 공진부는,
상기 신호 검출부로부터 상기 출력신호를 수신하여 상기 출력신호의 유효출력을 검출하고, 상기 유효출력이 최대 유효출력인지 여부를 판단하는 연산유닛;
상기 최대 유효출력을 갖는 상기 출력신호의 주파수를 공진 주파수로 검출하는 주파수 검출유닛;
상기 구동신호의 주파수를 변조하고 변조된 주파수를 상기 파워소스로 전송하는 변조유닛; 및
상기 유효출력이 상기 최대 유효출력인지 여부에 따라 상기 주파수 검출유닛 및 상기 변조유닛을 선택적으로 구동하여 상기 공진 주파수를 검출할 때까지 상기 구동신호의 주파수를 변조하도록 제어하는 제어유닛을 포함하는 습도 측정장치.
The method of claim 12, wherein the resonator unit,
an operation unit that receives the output signal from the signal detection unit, detects an effective output of the output signal, and determines whether the effective output is the maximum effective output;
a frequency detection unit that detects the frequency of the output signal having the maximum effective output as a resonance frequency;
a modulation unit that modulates the frequency of the driving signal and transmits the modulated frequency to the power source; and
Humidity measurement including a control unit that controls the frequency detection unit and the modulation unit to selectively drive the frequency detection unit and the modulation unit depending on whether the effective output is the maximum effective output to modulate the frequency of the driving signal until the resonance frequency is detected. Device.
제14항에 있어서, 상기 멤브레인 진동은 멤브레인 리액턴스와 멤브레인 커패시턴스를 구비하는 등가 LC회로의 전기적 진동으로 모델링하여 상기 출력신호는 상기 등가 LC회로의 교류신호를 포함하여, 상기 유효출력은 상기 교류신호의 전압, 전류 및 전력 중의 어느 하나를 포함하는 습도 측정장치.The method of claim 14, wherein the membrane vibration is modeled as an electrical vibration of an equivalent LC circuit having a membrane reactance and a membrane capacitance, and the output signal includes an alternating current signal of the equivalent LC circuit, and the effective output is the alternating current signal. A humidity measuring device that includes any one of voltage, current, and power. 제8항에 있어서, 상기 파워소스는 상기 습도센서 모듈로 에너지를 충전하는 직류전압을 인가하는 직류전원 및 상기 습도센서 모듈로 교류전압을 인가하여 상기 직류전압과 상기 교류전압의 중첩에 의한 중첩전압으로 상기 멤브레인 진동을 생성하는 교류 생성기를 포함하는 습도 측정장치.The method of claim 8, wherein the power source applies a direct current voltage to charge energy to the humidity sensor module and an alternating current voltage to the humidity sensor module to generate an overlap voltage by overlapping the direct current voltage and the alternating current voltage. A humidity measuring device including an alternating current generator that generates the membrane vibration. 제16항에 있어서, 상기 교류 생성기는 상기 주파수 검출기와 일체로 제공되는 습도 측정장치. The humidity measuring device according to claim 16, wherein the alternating current generator is provided integrally with the frequency detector. 제8항에 있어서, 상기 습도 검출기는,
다수의 알려진 샘플 습도 환경에서 상기 칼슘함유 박막층을 구비하는 상기 멤브레인과 동일한 구성을 갖는 기준 멤브레인을 구비하는 기준 습도센서 모듈로 상기 기준 멤브레인의 공진 주파수에 대응하는 공진 주파수인 기준 주파수를 수득하여 상기 샘플 습도와 상기 기준 주파수 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준(criteria)을 수득하는 상관성 연산부;
상기 주파수 검출기로부터 검출된 상기 멤브레인의 공진 주파수에 대응하는 공진 주파수를 호출하여 검색 주파수로 저장하는 검색 주파수 저장부; 및
상기 주파수-습도 기준에 따라 상기 검색 주파수에 대응하는 상기 샘플 습도를 연산하여 상기 상대습도로 결정하는 습도 연산부를 포함하는 습도 측정장치.
The method of claim 8, wherein the humidity detector is:
A reference frequency, which is a resonance frequency corresponding to the resonance frequency of the reference membrane, is obtained with a reference humidity sensor module having a reference membrane having the same configuration as the membrane having the calcium-containing thin film layer in a plurality of known sample humidity environments, and the sample a correlation calculation unit that obtains a frequency-humidity criterion, which is a correlation between humidity and the reference frequency;
a search frequency storage unit that retrieves a resonance frequency corresponding to the resonance frequency of the membrane detected by the frequency detector and stores it as a search frequency; and
A humidity measuring device comprising a humidity calculation unit that calculates the sample humidity corresponding to the search frequency according to the frequency-humidity standard and determines the relative humidity.
제18항에 있어서, 상기 주파수-습도 기준은 상기 기준 주파수와 상기 샘플 습도에 관한 다수의 순서쌍을 통계적으로 처리한 선형함수를 포함하는 습도 측정장치.The humidity measuring device of claim 18, wherein the frequency-humidity reference includes a linear function obtained by statistically processing a plurality of ordered pairs regarding the reference frequency and the sample humidity. 칼슘이온이 포함된 박막층을 구비하고 대기중의 수분을 흡수하는 멤브레인과 밀폐공간을 갖도록 접촉하는 절연층이 커패시터로 기능하여 미세가공 초음파 트랜스듀서로 동작하는 습도센서 모듈로 교류전압을 인가하여 멤브레인 진동을 생성하고;
상기 습도센서 모듈과 연결된 전기회로를 통해 상기 멤브레인의 진동에 관한 전기적 등가신호인 교류 출력신호를 검출하고;
상기 출력신호의 최대 유효신호를 검출하도록 상기 습도센서 모듈에 인가된 구동신호의 주파수를 변조하여, 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출하고; 그리고
주파수-습도 기준으로부터 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기의 상대습도로 검출하는 습도 측정방법.
The insulating layer, which has a thin film layer containing calcium ions and is in contact with the membrane to absorb atmospheric moisture and has a closed space, functions as a capacitor and applies alternating voltage to a humidity sensor module that operates as a micro-processed ultrasonic transducer to vibrate the membrane. generate;
detecting an alternating current output signal, which is an electrical equivalent signal related to vibration of the membrane, through an electric circuit connected to the humidity sensor module;
detecting a resonance frequency of the output signal by modulating the frequency of the driving signal applied to the humidity sensor module to detect the maximum effective signal of the output signal; and
A humidity measurement method that detects the humidity corresponding to the resonance frequency as the relative humidity of the atmosphere from a frequency-humidity standard.
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