KR102645518B1 - 하부 및 측면의 전자기노이즈와 금속물질의 영향이 차단되는 정전용량센서 - Google Patents

Abstract

측정대상물질의 정전용량을 측정하기 위한 정전용량센서가 개시된다. 개시된 정전용량센서는, PCB기판(P);
상기 PCB기판(P)의 내부에 배치되되, 가진전압이 인가되는 가진전극(E);
상기 PCB기판(P)의 내부에 상기 가진전극(E)과 동일한 평면 상에 소정 간격으로 이격되도록 배치되는 센싱전극(S);을 포함하며,
상기 센싱전극(S)의 전류를 측정하여 상기 PCB 기판의 상부에 배치된 측정대상물질에 대한 정전용량의 산출이 가능한 것을 특징으로 것을 특징으로 한다.

Description

하부 및 측면의 전자기노이즈와 금속물질의 영향이 차단되는 정전용량센서{Capacitive Sensor that Blocks the influence of Electromagnetic Noise and Metallic Materials on the Lower and Side Surfaces}

본 발명은 전자기노이즈가 차단되는 정전용량센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PCB기판 상부에 배치된 가진전극과 센싱전극의 가장자리를 둘러싸는 그라운드전극을 배치함으로써 PCB기판의 측면으로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단함과 동시에, PCB기판의 하부에는 쉴드전극을 배치하여 PCB기판의 하부로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단하는 한편, 센싱전극과 쉴드전극에는 동일한 영볼트(0 Volt)를 인가하여 센싱전극과 쉴드전극 사이에 전류가 흐르지 않도록 함으로써, 센싱전극과 쉴드전극 사이에서 유입되는 내부 전자기노이즈가 센싱전극에 반영되지 않도록 한 전자기노이즈가 차단되는 정전용량센서에 관한 것이다.

정전용량이란 평행하게 배치된 두 도체에 전압을 인가할 때 두 도체 사이에 전하를 축적하는 능력을 말한다.

이러한 정전용량을 측정할 때, 평행식 정전용량센서의 경우 두 도체 사이의 간극을 좁혀야 큰 정전용량을 측정할 수 있다. 그러나 평행식 정전용량센서는 두 도체를 근접시킬 수 있는 물리적인 한계로 인해 충분히 큰 정전용량은 측정할 수 없었다.

반도체 기술의 발달에 힘입어 기판 상에 전자회로를 마이크로 미터 단위로 인쇄가 가능한 PCB 기술이 개발되어 상용화 되었다.

이를 이용하여 PCB 기판 상에 전극을 마이크로 미터 단위로 인쇄하면 매우 큰 정전용량도 측정가능한 센서를 제작할 수 있다.

그러나, 종래의 PCB 방식의 정전용량센서는 측정시 주변에 금속과 같은 도체(M)가 존재하거나 외부 전자기노이즈(N)가 유입되는 경우, 정확한 측정값을 얻을 수 없는 문제가 있었다.

도 1은 외부 전자기노이즈(N)와 금속물질(M)이 정전용량의 측정에 영향을 미치는 상황을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 직접적으로 외부로부터 전자기노이즈(N)가 유입되는 경우에는 정전용량 측정시 이로 인한 영향이 측정값에 반영될 수밖에 없다.

한편, 외부 전자기노이즈(N)가 유입되지 않는다고 하더라도 정전용량센서 근처에 금속과 같은 도체(M)가 존재하게 되면 금속과 측정 전극 사이에 전류가 흐르게 되고, 해당 정전용량이 존재하게 되는 문제가 발생하게 된다.

이를 보완하기 위해 전극 주위에 수지로 두꺼운 벽체를 형성하기도 하였으나, 이러한 방법은 전자기노이즈를 완벽하게 차단할 수 없을 뿐만 아니라, 센서의 부피를 증가시키는 문제가 있었다.

따라서 충분히 큰 정전용량을 측정가능하면서도 주변 전자기노이즈(N)의 유입을 차단할 수 있는 새로운 정전용량센서의 개발이 절실히 요청된다.

한국공개특허공보 10-2019-0029258호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로, PCB기판 상부에 배치된 가진전극과 센싱전극의 가장자리를 둘러싸는 그라운드전극을 배치함으로써 PCB기판의 측면으로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 PCB기판의 하부에 쉴드전극을 배치하여 PCB기판의 하부로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 센싱전극과 쉴드전극에 동일한 영볼트(0 Volt)를 인가하여 센싱전극과 쉴드전극 사이에 전류가 흐르지 않도록 함으로써, 센싱전극과 쉴드전극 사이에서 유입되는 내부 전자기노이즈가 센싱전극에 반영되지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 측정대상물질의 정전용량을 측정하기 위한 정전용량센서에 있어서,

PCB기판;

상기 PCB기판의 내부에 배치되되, 가진전압이 인가되는 가진전극;

상기 PCB기판의 내부에 상기 가진전극과 동일한 평면 상에 소정 간격으로 이격되도록 배치되는 센싱전극;을 포함하며,

상기 가진전극에 가진전압을 인가한 상태에서 상기 센싱전극의 전류를 측정하여 상기 PCB 기판의 상부에 배치된 측정대상물질에 대한 정전용량의 산출이 가능한 것을 특징으로 하는, 전자기노이즈가 차단되는 정전용량센서를 제공한다.

또한 본 발명의 상기 가진전극은 하나의 전극에서 복수 개로 분기되며, 상기 센싱전극도 하나의 전극에서 복수 개로 분기되되, 분기된 복수 개의 가진전극과 분기된 복수 개의 센싱전극이 이웃하여 교대로 소정 간격을 두고 배치되며, 상기 PCB기판의 가장자리에는 가진전극이 배치된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 도체로 이뤄지고 영 볼트(0 Volt)가 인가되며, 상기 PCB기판 상부의 가장자리에 배치된 가진전극을 둘러싸도록 배치되는 그라운드전극;을 더 포함하며,

상기 그라운드전극은 상기 PCB 기판의 측면으로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단가능한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 PCB기판의 하부에 배치되되, 도체로 이뤄지고 영볼트(0 Volt)가 인가되는 쉴드전극;을 더 포함하며,

상기 쉴드전극은 상기 PCB 기판의 하부로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단가능한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 센싱전극에는 상기 쉴드전극과 동일한 영볼트(0 Volt)가 인가되어 센싱전극과 쉴드전극 사이에 전류가 흐르지 않도록 함으로써, 센싱전극과 쉴드전극 사이에서 유입되는 내부 전자기노이즈가 상기 센싱전극에 반영되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 정전용량센서는 PCB기판 상부에 배치된 가진전극과 센싱전극의 가장자리를 둘러싸는 그라운드전극을 배치함으로써 PCB기판의 측면으로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 PCB기판의 하부에 쉴드전극을 배치하여 PCB기판의 하부로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 센싱전극과 쉴드전극에 동일한 영볼트(0 Volt)를 인가하여 센싱전극과 쉴드전극 사이에 전류가 흐르지 않도록 함으로써, 센싱전극과 쉴드전극 사이에서 유입되는 내부 전자기노이즈가 센싱전극에 반영되지 않도록 하는 효과가 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 외부 전자기노이즈와 금속물질이 정전용량의 측정에 영향을 미치는 상황을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 정전용량센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전용량센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전용량센서의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 정전용량센서의 측정부를 구성하는 OP 앰프의 개념도이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량센서의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전용량센서의 평면도이며, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전용량센서의 평면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 정전용량센서는 PCB기판(P)에 전극을 형성하여 제작된다.

본 발명의 정전용량센서는 PCB기판(P), 가진전극(E), 센싱전극(S), 그라운드전극(G), 쉴드전극(SH)을 포함한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예로서 가진전극(E)과 센싱전극(S)이 서로 반대방향으로 인출되는 구조를 취하고 있고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예로서, 가진전극(E)과 센싱전극(S)이 같은 방향으로 인출되는 구조를 취하고 있다.

센서의 설치 환경에 맞추어 제1 실시예 또는 제2 실시예로 제작 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 정전용량센서의 단면도로서, 가진전극(E) 2개와 센싱전극(S) 1개가 도시되어 있으나, 가진전극(E)과 센싱전극(S)의 개수는 필요에 따라 증가될 수 있다.

가진전극(E)은 PCB기판(P)의 상부 또는 내부에 배치되며, 가진전압이 인가된다.

가진전압으로는 교류전압을 인가함이 바람직하다.

센싱전극(S)은 PCB기판(P)의 내부에 상기 가진전극(E)과 동일한 평면 상에 배치됨이 바람직하다. 그리고 센싱전극(S)은 가진전극(E)과 소정 간격으로 이격되도록 배치된다.

가진전극(E)은 하나의 전극에서 복수 개로 분기된다.

센싱전극(S)도 하나의 전극에서 복수 개로 분기되며, 분기된 복수 개의 가진전극(E)과 분기된 복수 개의 센싱전극(S)이 이웃하여 교대로 소정 간격을 두고 배치된다.

PCB기판(P)의 가장자리에는 가진전극(E)이 배치된다. 이는 후술할 영 볼트가 인가되는 그라운드전극(G)이 PCB기판(P)의 가장자리를 둘러싸게 되므로, 전자기장이 반복된 패턴으로 형성되도록 하기 위함이다.

만일 PCB기판(P)의 가장자리에 영 볼트가 인가되는 센싱전극(S)이 배치되면 영 볼트가 인가되는 센싱전극(S)과 그라운드 전극이 연속적으로 배치됨에 따라 전자기장이 반복된 패턴을 형성할 수 없게 된다. 이로 인해 센싱전극(S)에서 측정된 전류의 수치적 해석을 곤란하게 하기 때문이다.

한편, 분기된 가진전극(E)과 센싱전극(S)은 모두 하나의 가진전극(E)과 하나의 센싱전극(S)에서 분기되었으므로, 즉 병렬 연결되어 있는 것이다. 따라서 분기된 가진전극(E)들은 서로 동일한 전압이 인가되며, 분기된 센싱전극(S)들 또한 서로 동일한 전압이 인가된다.

측정대상물질은 PCB기판(P) 상부에 배치된다.

본 발명에 따른 정전용량센서는 가진전극(E)에 가진전압을 인가한 상태에서 센싱전극(S)의 전류를 측정하여 PCB 기판의 상부에 배치된 측정대상물질에 대한 정전용량을 산출한다.

정전용량 측정시, PCB기판(P) 주변에 도체가 존재하는 경우 이로 인해 측정대상물질에 대한 정확한 측정이 불가능하게 된다.

종래에는 전극 주위에 수지로 두꺼운 벽체를 형성하였으나, 이러한 방법은 전자기노이즈를 완벽하게 차단할 수 없을 뿐만 아니라, 센서의 부피를 증가시키는 문제가 있었다.

이에, 본 발명에서는 주변에 존재하는 도체로 인해 외부로부터 유입되는 전자기노이즈(N)를 차단함과 동시에, 내부에서 생성되는 전자기노이즈도 차단할 수 있도록 센서를 설계하였다.

이를 위해 PCB기판(P) 상부의 가장자리에 배치된 가진전극(E)을 둘러싸도록 그라운드전극(G)이 배치된다.

그라운드전극(G)은 도체로 이뤄지고 영 볼트(0 Volt)가 인가된다.

그라운드전극(G)은 PCB 기판의 측면으로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단한다.

그리고, PCB기판(P)의 하부에는 쉴드전극(SH)이 배치된다.

쉴드전극(SH) 또한 도체로 이뤄지고 영볼트(0 Volt)가 인가된다.

쉴드전극(SH)은 PCB 기판의 하부로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단한다.

그라운드전극(G)과 쉴드전극(SH)의 소재로는 구리를 채택함이 바람직하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전극들 사이에는 정전용량이 존재한다. 가진전극(E)과 센싱전극(S) 사이에 존재하는 측정대상물질의 정전용량은 C_ES 로 표시하고, 가진전극(E)과 그라운드전극(G) 사이의 정전용량은 C_EG 로 표시하며, 센싱전극(S)과 쉴드전극(SH) 사이의 정전용량은 C_SG 로 표시하였다.

정전용량에 붙은 숫자는 전극이 복수 개인 경우, 이를 구별하기 위해 표시된 것이다.

본 발명에 따른 정전용량센서는 정전용량을 산출하기 위해 가진전극(E)에 가진전압을 인가한 상태에서 센싱전극(S)의 전류를 측정한다.

전류를 측정하는 센싱전극(S)과 쉴드전극(SH) 사이에는 PCB 기판의 정전용량 C_SG 가 존재한다. 이는 측정대상물질에 대한 정전용량이 아니므로, 일종의 내부에서 생성된 전자기노이즈에 해당된다.

센싱전극(S)과 쉴드전극(SH)은 거리가 매우 좁으므로 정전용량 C_SG 는 무시할 수 없다.

본 발명에서는 내부에서 생성된 C_SG 를 센싱전극(S)에서 감지되지 않도록 하기 위해, 센싱전극(S)에 쉴드전극(SH)과 동일한 영볼트(0 Volt)가 인가되도록 하였다.

이와 같이, 센싱전극(S)과 쉴드전극(SH) 사이에 전류가 흐르지 않도록 함으로써, 센싱전극(S)과 쉴드전극(SH) 사이에서 생성된 내부 전자기노이즈가 센싱전극(S)에 반영되지 않도록 한 것이다.

물론, 가진전극(E)과 센싱전극(S)의 상부에는 PCB기판(P)이 존재한다. 따라서 가진전극(E)과 센싱전극(S) 사이에 존재하는 정전용량은 가진전극(E) 상부에 존재하는 PCB기판(P)의 정전용량, 측정대상물질의 정전용량 C_ES 그리고 센싱전극(S) 상부에 존재하는 PCB기판(P)의 정전용량이 직렬연결된 상태로 볼 수 있다.

이와 같이 가진전극(E)과 센싱전극(S) 사이에서 직렬로 연결된 정전용량의 총합은 조화평균으로 구하게 된다.

두께가 얇은 PCB기판(P) 상부의 정전용량은 측정대상물질의 정전용량에 비해 매우 크므로, 가진전극(E)과 센싱전극(S) 사이의 정전용량의 총합은 결국 측정대상물질의 정전용량에 수렴하게 된다. 따라서 가진전극(E)과 센싱전극(S) 상부에 존재하는 PCB기판(P)의 정전용량은 무시할 수 있는 것이다.

한편, C_ES1과 C_ES2는 병렬로 연결되어 있으므로, 측정대상물질에 대한 정전용량이 총합은 C_ES1과 C_ES2를 합산하여 구할 수 있다.

즉, C_ES = C_{ES1 +} C_ES2

그라운드전극(G)과 센싱전극(S)은 동일한 전압이 인가되고 전극이 대칭적으로 설계되어 있으므로, 그라운드전극(G)과 센싱전극(S)의 개수를 늘리면 전극의 개수에 비례해서 정전용량이 선형적으로 증가하게 되어 직관적인 정전용량의 설계가 가능한 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 정전용량센서의 측정부를 구성하는 OP 앰프의 개념도이다.

도 5를 참조하여 설명한다.

도 2의 정전용량센서가 외부의 전자기노이즈(N)와 금속과 같은 도체(M)의 영향을 차단함과 동시에, 쉴드전극(SH)에 의한 자체 정전용량(C_EG, C_SG)의 영향을 받지 않게 하려면 센싱전극(S)의 전압을 0V로 유지한 채 센싱전극(S)으로 들어오는 전류를 측정해야 한다. 도 5는 이를 위한 OP 앰프 회로도이다.

도 5에서 C_ES 는 도 2의 센서에서 측정전극과 가진전극(E) 사이의 정전용량이다. 그리고 C_F 는 레퍼런스 콘덴서이다.

OP 앰프의 특성에 의해 OP 앰프의 +입력단과 -입력단의 전압은 동일하다. +입력단에 그라운드 전압, 즉 영 볼트가 인가되어 있으므로, -입력단의 전압도 0V 이다.

또한 OP 앰프의 특성에 의해 -입력단으로 유입/유출되는 전류의 크기는 영 A가 된다.

따라서 키르히호프의 전류법칙에 의해

여기서 V_OUT 은 OP 앰프의 출력전압이고, V_IN 은 입력전압, 즉 가진전압에 해당된다. 따라서 출력전압은 가진전극(E)과 센싱전극(S) 사이의 정전용량에 비례함을 알 수 있다. 결론적으로 도 5에 도시된 OP 앰프 회로를 사용하면 V_OUT 출력전압을 측정함으로써 측정대상 물질의 정전용량을 산출할 수가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

N: 외부 전자기노이즈
M : 금속물질
P : PCB기판
E : 가진전극
S : 센싱전극
G : 그라운드전극
SH : 쉴드전극

Claims (5)

1. 측정대상물질의 정전용량을 측정하기 위한 정전용량센서에 있어서,
   PCB기판(P);
   상기 PCB기판(P)의 내부에 배치되되, 가진전압이 인가되는 가진전극(E);
   상기 PCB기판(P)의 내부에 상기 가진전극(E)과 소정 간격으로 이격되도록 배치되는 센싱전극(S);을 포함하며,
   상기 가진전극(E)에 가진전압을 인가한 상태에서 상기 센싱전극(S)의 전류를 측정하여 상기 PCB 기판의 상부에 배치된 측정대상물질에 대한 정전용량의 산출이 가능한 것을 특징으로 하며,
   상기 PCB기판(P)의 하부에 배치되되, 도체로 이뤄지고 영볼트(0 Volt)가 인가되는 쉴드전극(SH);을 더 포함하며,
   상기 쉴드전극(SH)은 상기 PCB 기판의 하부로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단가능한 것을 특징으로 하며,
   상기 센싱전극(S)에는 상기 쉴드전극(SH)과 동일한 영볼트(0 Volt)가 인가되어 센싱전극(S)과 쉴드전극(SH) 사이에 전류가 흐르지 않도록 함으로써, 센싱전극(S)과 쉴드전극(SH) 사이에서 유입되는 내부 전자기노이즈가 상기 센싱전극(S)에 반영되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는, 전자기노이즈가 차단되는 정전용량센서
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가진전극(E)은 하나의 전극에서 복수 개로 분기되며, 상기 센싱전극(S)도 하나의 전극에서 복수 개로 분기되되, 분기된 복수 개의 가진전극(E)과 분기된 복수 개의 센싱전극(S)이 이웃하여 교대로 소정 간격을 두고 배치되며, 상기 PCB기판(P)의 가장자리에는 가진전극(E)이 배치된 것을 특징으로 하는, 전자기노이즈가 차단되는 정전용량센서
   
3. 제2항에 있어서,
   도체로 이뤄지고 영 볼트(0 Volt)가 인가되며, 상기 PCB기판(P) 상부의 가장자리에 배치된 가진전극(E)을 둘러싸도록 배치되는 그라운드전극(G);을 더 포함하며,
   상기 그라운드전극(G)은 상기 PCB 기판의 측면으로부터 유입되는 전자기노이즈를 차단가능한 것을 특징으로 하는, 전자기노이즈가 차단되는 정전용량센서
   
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