KR20060021577A - 용량형 온도센서 - Google Patents

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KR20060021577A
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권상욱
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Abstract

용량형 온도센서가 제공된다. 본 온도센서는, 제1 전극층, 제2 전극층, 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 위치하며 온도변화에 따라 부피가 변화하는 유전체가 마련된 유전체층 및 제1 전극층과 제2 전극층 사이의 전위차에 대응되는 온도를 산출하는 온도산출부를 포함한다. 본 발명에 따른, 용량형 온도센서는 온도측정감도와 그 정확도가 우수하고, 많은 전력을 소모하지 않으며, 제조공정이 용이하다.
온도센서, 열팽창, 유전체, 커패시턴스

Description

용량형 온도센서{Capacitive type temperature sensor}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 용량형 온도센서를 도시한 도면,
도 2a 및 도 2b는, 도 1에 도시된 용량형 온도센서의 온도산출 원리의 설명에 제공되는 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 용량형 온도센서를 도시한 도면,
도 4a 및 도 4b는, 도 3에 도시된 용량형 온도센서의 온도산출 원리의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 용량형 온도센서의 커패시터를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 커패시터 110 : 상부 전극층
120 : 유전체층 121 : 유전체
121a : 제1 유전체 121b : 제2 유전체
122 : 진공실 130 : 하부 전극층
200 : 온도 산출부
본 발명은 온도센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에 적용가능한 온도센서에 관한 것이다.
MEMS 기술는 기계적 부품들을 반도체공정을 이용하여 전기적 소자로 구현하는 기술로서, 이를 이용하면 수㎛ 이하의 초미세구조를 지닌 기계·장비를 설계할 수 있다는 점에서, 전자·기계·의료·방산 등 전 산업 분야에 엄청난 변혁을 불러올 것으로 예측하고 있다. 특히 최근 각광을 받고 있는 MEMS 기술로 제조된 센서들은, 일반적으로 초소형으로 제조될 수 있으므로, 휴대폰과 같은 각종 소형기기등에 내장되어 다양한 정보를 감지하여 제공한다.
지금까지, MEMS에는 저항형(Resistive type) 온도센서가 많이 적용되었다. 이는 온도측정감도와 그 정확도가 우수하기 때문이다. 그러나, 저항형 온도센서는 많은 전력을 소모하기 때문에, 무선기기, 모바일기기 등에는 적합하지 않다.
저항형 온도센서와는 달리, 용량형(Capacitive Type) 온도센서는 전력을 많이 소모하지 않는다. 종래의 용량형 온도센서는, 온도변화에 따라 바이메탈의 변위가 변화하고, 그 변위의 변화에 따라 커패시턴스가 변화하는 성질을 이용하여, 온도를 측정하였다.
그러나, 종래의 용량형 온도센서는, 온도측정감도와 정확도가 좋지 않은 단점이 있다. 또한, 종래의 용량형 온도센서의 제조공정에 있어서는, 잔류응력(residual stress)로 인한 초기변위가 발생하여 교정(calibration)이 어렵기 때문에, 제조공정에 있어 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 온도측정감도와 정확도가 우수하고, 전력을 많이 소모하지 않으며, 제조공정이 단순한 용량형 온도센서를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 온도센서는, 제1 전극층; 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 위치하며, 온도변화에 따라 부피가 변화하는 유전체가 마련된 유전체층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차에 대응되는 온도를 산출하는 온도산출부;를 포함한다.
그리고, 상기 유전체의 부피변화에 따라, 상기 제1 및 상기 제2 전극층과 상기 유전체의 접합면적이 변화하고, 상기 접합면적의 변화에 따라, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차가 변화하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유전체의 온도변화에 따른 부피변화는 선형적인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유전체는, 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 프로판올(Propanol), 에탄올(Ethanol), 및 메탄올(Methanol) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 일단에 온도변화에 따라 부피가 변화하는 제1 유전체가 마련되고, 타단에 온도변화에 따라 부피가 변화하는 제2 유전체가 마련되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 유전체의 부피변화에 따라, 상기 제1 및 상기 제2 전극층 과 상기 제1 유전체의 접합면적인 제1 접합면적이 변화하고, 상기 제2 유전체의 부피변화에 따라, 상기 제1 및 상기 제2 전극층과 상기 제2 유전체의 접합면적인 제2 접합면적이 변화하고, 상기 제1 및 상기 제2 접합면적의 변화에 따라, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차가 변화하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 유전체의 온도변화에 따른 부피변화 및 상기 제2 유전체의 온도변화에 따른 부피변화는 선형적인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 유전체는, 톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 프로판올(Propanol), 에탄올(Ethanol), 및 메탄올(Methanol) 중 어느 하나이고, 상기 제2 유전체는, 톨루엔, 옥탄올, 프로판올, 에탄올, 및 메탄올 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 온도산출부는, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차를 검출하고, 검출된 상기 전위차를 이용하여 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 커패시턴스를 산출한 후, 산출된 상기 커패시턴스에 대응되는 온도를 산출할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 용량형 온도센서를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 용량형 온도센서는 커패시터(100), 및 온도 산출부(200)를 구비한다.
커패시터(100)는 상부 전극층(110), 유전체층(120), 및 하부 전극층(130)을 구비한다.
유전체층(120)은 상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이에 위치한다. 유전체층(120)의 좌측단에는 유전체(121)가 마련되고, 유전체층(120)의 우측단에는 진공실(122)이 마련된다. 'ε'는 유전체(121)의 유전율이고, 'ε0'는 진공실(122)의 유전율이다.
유전체(121)는 온도변화에 따라 부피변화가 큰 물질(액체나 기체), 즉 온도변화에 따라 부피변화율(열팽창율)이 큰 물질로 구현함이 바람직하다. 또한, 유전체(121)는 온도변화에 따른 부피변화가 선형적인 물질, 즉 온도변화에 따른 부피변화율이 일정한 물질로 구현함이 바람직하다. 온도변화에 따른 부피변화가 크고 선형적인 물질에는, 톨루엔(Toluene : C7H8), 옥탄올(Octanol : CH3(CH 2)3OH), 프로판올(Propanol : C3H8), 에탄올(Ethanol : C2H5OH), 메탄올(Methanol : CH3OH) 등이 있다. 따라서, 유전체(121)는 상기한 물질들 중 어느 하나로 구현함이 바람직하다.
온도 산출부(200)는 상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이의 전위차를 검출하고, 검출된 전위차에 대응되는 온도를 산출한다. 이때, 온도 산출부(200)는 검출된 전위차를 이용하여 커패시터(100)의 커패시턴스를 산출한 후, 산출된 커패시턴스에 대응되는 온도를 산출하는 것도 가능하다.
이하에서는, 도 1에 도시된 용량형 온도센서의 온도산출 원리에 대해, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a에는 기준온도(T1)에서, 본 용량형 온도센서의 상태를 도시하였다. 도 2a를 참조하면, 기준온도(T1)에서, 상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이의 길 이는 'd'이고, '유전체(121)와 상/하부 전극층(110, 130)의 접합면적'(이하, '유전체(121)의 접합면적'으로 약칭한다.)은 'S1(T1)'이며, '진공실(122)과 상/하부 전극층(110, 130)의 접합면적'(이하, '진공실(122)의 접합면적'으로 약칭한다.)은 'S2(T1)'임을 알 수 있다.
이때, 기준온도(T1)에서의 '커패시터(100)의 커패시턴스'(이하, '커패시턴스'로 약칭한다.)인 'CT1' 및 기준온도(T1)에서의 '상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이의 전위차'(이하, '전위차'로 약칭한다.)인 'VT1'은 아래의 '수학식 1'을 만족한다. '수학식 1'에서, 'Q'는 상부 전극층(110)의 전하량 또는 하부 전극층(130)의 전하량을 의미한다.
Figure 112004040044279-PAT00001
Figure 112004040044279-PAT00002
도 2b에는 온도가 기준온도(T1)에서 현재온도(T2)(T2 > T1 )로 상승한 경우, 본 용량형 온도센서의 상태를 도시하였다. 도 2b와 도 2a를 비교해 보면, 상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이의 길이는 'd'으로 불변이다. 하지만, 유전체(121)의 접합면적은 'S1(T2)'(S1(T2) > S1(T 1))로 증가하였고, 진공실(122)의 접합면 적은 'S2(T2)'(S2(T2) < S2(T1))로 감소하였음을 알 수 있다.
이는, 온도가 기준온도(T1)에서 현재온도(T2)(T2 > T1)로 상승하여, 유전체(121)의 부피가 증가함으로서, 유전체(121)의 접합면적이 증가(S1(T2) > S 1(T1))된 결과이다. 또한, 유전체(121)의 부피증가로 인해, 상대적으로 진공실(122)의 부피가 감소함으로서, 진공실(122)의 접합면적이 감소(S2(T2) < S2(T 1))된 결과이다.
이때, 현재온도(T2)에서의 커패시턴스인 'CT2' 및 현재온도(T2)에서의 전위차인 'VT2'은 아래의 '수학식 2'를 만족한다.
Figure 112004040044279-PAT00003
Figure 112004040044279-PAT00004
'수학식2'와 '수학식 1'을 비교하면, 현재온도(T2)에서의 커패시턴스(CT2)와 기준온도(T1)에서의 커패시턴스(CT1)는 서로 다른 값임을 알 수 있다. 그리고, 현재온도(T2)에서의 전위차(VT2)와 기준온도(T1)에서의 전위차(VT1 ) 역시 서로 다른 값임을 알 수 있다.
커패시턴스(C)가 달라진 이유는, 온도상승에 따라, 유전체(121)의 접합면적 (S1)은 증가한 반면, 진공실(122)의 접합면적(S2)은 감소하였기 때문이다. 유전체(121)의 유전율(ε)이 진공실(122)의 유전율(ε0) 보다 큰 경우라면, 온도상승에 따라 커패시턴스(C)는 증가하게 된다.
그리고, 전위차(V)가 달라진 이유는, 온도상승에 따라, 커패시턴스(C)가 변화하였기 때문이다.
결국, 온도변화는 커패시턴스(C)를 변화시키고, 커패시턴스(C)의 변화는 전위차(V)를 변화시킴을 확인할 수 있다.
한편, 커패시턴스(C)의 변화가 온도변화에 선형적이라고 가정하면, 현재온도(T2)는 아래의 '수학식 3' 또는 '수학식 4'에 의해 산출할 수 있다.
Figure 112004040044279-PAT00005
Figure 112004040044279-PAT00006
Figure 112004040044279-PAT00007
Figure 112004040044279-PAT00008
여기서, 'k'와 'α'(= k*Q)는 소정 상수값으로, 커패시터(100)의 구조 및 유 전체(121)의 종류에 따라 다르며, 실험에 의해 구할 수 있다.
그리고, 온도 산출부(200)는 '수학식 3' 또는 '수학식 4'를 이용하여, 현재온도(T2)를 산출할 수 있다.
'수학식 3'에 의할 경우, 온도 산출부(200)는 현재온도(T2)에서의 전위차(VT2)를 검출하고, 검출된 전위차(VT2)를 이용하여 현재온도(T2)에서의 커패시턴스(CT2)를 산출한 후, 산출된 커패시턴스(CT2) 및 기지의 값인 k, 기준온도(T1 ), 기준온도에서의 커패시턴스(CT1)를 이용하여, 현재온도(T2)를 산출하게 된다.
한편, '수학식 4'에 의할 경우, 온도 산출부(200)는 현재온도(T2)에서의 전위차(VT2)를 검출하고, 검출된 전위차(VT2) 및 기지의 값인 α, 기준온도(T1 ), 기준온도에서의 전위차'(VT1)를 이용하여, 현재온도(T2)를 산출하게 된다.
이하에서는, 도 1과 다르게 구현한 용량형 온도센서에 대해 설명하되, 도 1에 도시된 용량형 온도센서와 공통된 내용에 대한 설명은 생략하고, 차별화된 내용을 위주로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 용량형 온도센서를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 유전체층(120)의 구조와 도 1에 도시된 유전체층(120)의 구조는 서로 다르다. 즉, 도 3에 도시된 유전체층(120)의 좌측단에는 제1 유전체(121a)가 마련되고, 우측단에는 제2 유전체(121b)가 마련되고, 중단에는 진공실(122)이 마련된다.
유전체층(120)의 좌측단에 마련된 제1 유전체(121a)와 우측단에 마련된 제2 유전체(121b)는 서로 다른 종류의 물질이어도 무방하지만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 양자를 같은 종류의 물질로 취급하기로 한다. 즉, 제1 유전체(121a)의 유전율과 제2 유전체(121b)의 유전율은 모두 'ε'로 동일한 것으로 취급하기로 한다.
이하에서는, 도 3에 도시된 용량형 온도센서의 온도산출 원리에 대해, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4a에는 기준온도(T1)에서, 본 용량형 온도센서의 상태를 도시하였다. 도 4a를 참조하면, 기준온도(T1)에서, 상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이의 길이는 'd'이고, 제1 유전체(121a)의 접합면적은 'S1a(T1)'이며, 진공실(122)의 접합면적은 'S2(T1)이며, 제2 유전체(121b)의 접합면적은 'S1b(T1 )'임을 알 수 있다.
이때, 기준온도(T1)에서의 커패시턴스인 'CT1' 및 기준온도(T1)에서의 전위차인 'VT1'은 아래의 '수학식 5'를 만족한다.
Figure 112004040044279-PAT00009
Figure 112004040044279-PAT00010
도 4b에는 온도가 기준온도(T1)에서 현재온도(T2)(T2 > T1 )로 상승한 경우, 본 용량형 온도센서의 상태를 도시하였다. 도 4b와 도 4a를 비교해 보면, 상부 전극층(110)과 하부 전극층(130) 사이의 길이는 'd'으로 불변이다. 하지만, 제1 유전체(121a)의 접합면적은 'S1a(T2)'(S1a(T2) > S1a (T1))로 증가하였고, 제2 유전체(121b)의 접합면적은 'S1b(T2)'(S1b(T2) > S1b (T1))로 증가하였지만, 진공실(122)의 접합면적은 'S2(T2)'(S2(T2) < S2(T1 ))로 감소하였음을 알 수 있다.
이때, 현재온도(T2)에서의 커패시턴스인 'CT2' 및 현재온도(T2)에서의 전위차인 'VT2'은 아래의 '수학식 6'을 만족한다.
Figure 112004040044279-PAT00011
Figure 112004040044279-PAT00012
'수학식 5'와 '수학식 6' 및 '수학식 1'과 '수학식 2'를 비교하면, '수학식 5'와 '수학식 6'의 경우가 '온도변화에 따른 커패시턴스(C)의 변화도'가 더 큰 것을 알 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 용량형 온도센서의 '온도변화에 따른 커패시턴스(C)의 변화도'는, 도 1에 도시된 용량형 온도센서의 '온도변화에 따른 커패시턴스(C)의 변화도' 보다 크다. 이는, 도 3에 도시된 용량형 온도센서는, 유전체층(120)에 제1 유전체(121a)와 제2 유전체(121b)가 마련되어 있음에 기인한다.
한편, 온도 산출부(200)는 전술한 '수학식 3' 또는 '수학식 4'를 이용하여, 현재온도(T2)를 산출할 수 있다. 이는, 도 1에 도시된 용량형 온도센서의 경우와 동일하기에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는, 도 1, 도 3과 다르게 구현한 용량형 온도센서에 대해, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 용량형 온도센서의 커패시터를 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 커패시터(100)는 다수의 전극층(141∼147)을 구비하고 있기 때문에, '온도변화에 따른 커패시턴스(C)의 변화도'가 더욱 커지게 되어, 용량형 온도센서의 센싱감도를 더욱 높일 수 있게 된다. 이때, 커패시터(100)에 구비되는 전극층의 개수에는 제한이 없음은 물론이다.
지금까지, 온도변화에 따라 부피가 변화하는 유전체가 마련된 커패시터의 온도변화에 따른 커패시턴스 변화원리를 이용한, 용량형 온도센서를 제안하고 이의 구체적인 예를 도시하고 설명하였다. 본 용량형 온도센서는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에 적용이 가능하며, 적용시 우수한 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른, 용량형 온도센서는 온도측정감도와 그 정확도가 우수할 뿐만 아니라, 저항체를 이용하지 않았기 때문에 많은 전력을 소모하지 않는다. 또한, 본 용량형 온도센서는, 구동체를 이용하지 않았기 때문에 교정(calibration)과 제조공정이 용이하다.
또한, 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 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (9)

  1. 제1 전극층;
    제2 전극층;
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 위치하며, 온도변화에 따라 부피가 변화하는 유전체가 마련된 유전체층; 및
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차에 대응되는 온도를 산출하는 온도산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체의 부피변화에 따라, 상기 제1 및 상기 제2 전극층과 상기 유전체의 접합면적이 변화하고,
    상기 접합면적의 변화에 따라, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차가 변화하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유전체의 온도변화에 따른 부피변화는 선형적인 것을 특징으로 하는 온도센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 유전체는,
    톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 프로판올(Propanol), 에탄올(Ethanol), 및 메탄올(Methanol) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온도센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체층은,
    일단에 온도변화에 따라 부피가 변화하는 제1 유전체가 마련되고, 타단에 온도변화에 따라 부피가 변화하는 제2 유전체가 마련되는 것을 특징으로 하는 온도센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 유전체의 부피변화에 따라, 상기 제1 및 상기 제2 전극층과 상기 제1 유전체의 접합면적인 제1 접합면적이 변화하고,
    상기 제2 유전체의 부피변화에 따라, 상기 제1 및 상기 제2 전극층과 상기 제2 유전체의 접합면적인 제2 접합면적이 변화하고,
    상기 제1 및 상기 제2 접합면적의 변화에 따라, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차가 변화하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 유전체의 온도변화에 따른 부피변화 및 상기 제2 유전체의 온도변화에 따른 부피변화는 선형적인 것을 특징으로 하는 온도센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 유전체는,
    톨루엔(Toluene), 옥탄올(Octanol), 프로판올(Propanol), 에탄올(Ethanol), 및 메탄올(Methanol) 중 어느 하나이고,
    상기 제2 유전체는,
    톨루엔, 옥탄올, 프로판올, 에탄올, 및 메탄올 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온도센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 온도산출부는,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 전위차를 검출하고, 검출된 상기 전위차를 이용하여 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 커패시턴스를 산출한 후, 산출된 상기 커패시턴스에 대응되는 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 온도센서.
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