KR20130093959A - 수위 센서 및 이를 이용한 기기의 수위 센싱 시스템 - Google Patents

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Abstract

정전용량형 수위 센서가 정전용량 측정 대상물이 접지된 상태에서도 적용될 수 있고, 측정 신뢰성이 우수한 신규의 수위 센서 및 이를 이용한 수위 센싱 시스템이 개시된다. 본 발명은 일정 길이를 갖는 평판 형상의 쉴드 전극과 상기 쉴드 전극 일면 상에 상기 길이 방향으로 2 이상의 센서 전극이 제1절연층을 개재로 형성되어, 상기 길이 방향의 수위에 따른 정전용량 변화를 감지할 수 있는 수위 센서로서, 상기 쉴드 전극은 일단 폭이 타단 폭보다 작게 형성된 수위 센서 및 이를 이용한 수위 센싱 시스템을 제공한다

Description

수위 센서 및 이를 이용한 기기의 수위 센싱 시스템{WATER LEVEL SENSOR AND WATER LEVEL SENSING SYSTEM OF APPARATUS USING SAME}
본 발명은 수위 센서 및 이를 이용한 기기의 수위 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기에서 액체 수위에 따른 정전용량 변화를 감지하는 센서 전극을 구비한 수위 센서 및 이를 이용한 기기의 수위 센싱 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수위 센서는 산업 현장에서 각종 액체의 수위를 측정하기 위하여 사용되고 있다. 산업용으로는 각종 생산 시설에 다수 사용되고 있는 워터 트랩(water trap), 산업용 및 가정용 보일러, 상수도, 수조 등 뿐만 아니라 반도체, PCB 등의 제조 공정에서 화학 약품과 같은 액체를 사용하는 기기에서도 폭 넓게 응용되고 있으며, 세탁기, 식기세척기, 정수기, 가습기, 비데 등 가전제품에도 널리 응용되고 있다.
이러한 수위 센서는 다양한 방법으로 측정이 가능하며, 강우량 측정, 강물의 높이 측정과 같은 환경 모니터링 등의 분야에서는 센서 네트워크와 결합된 서비스를 위해서 높은 측정 신뢰도, 소형 및 저가인 센서가 요구되고 있다. 또한, 설치가 용이하고 간단한 센서 태그의 필요성이 증대되고 있다.
최근 물을 사용하는 가전제품의 경우 소비전력의 개선과 함께 물 사용량에 대한 규제로, 저전력화, 물 사용량 저감의 노력이 계속되고 있다. 이를 위해서는 수위의 좀더 정확한 제어가 요구되는데, 세탁기를 예를 들면, 지금까지는 기계식 압력 센서에 의해 수위를 측정하였으나, 물 사용량 저감을 위해 정밀한 수위 측정이 가능한 수위 센서를 필요로 하고 있다.
한편, 종래 수위 센서는 다양한 형태로 상품화되고 있으며, 공기 및 액체의 유전율 차이를 이용하여 액체의 수위를 측정하는 정전용량형 수위 센서, 초음파 발생기 및 센서를 이용한 초음파 수위 센서, 압력 센서를 이용한 수위 변화에 따른 압력 변화를 측정하는 수위 센서 등을 들 수 있다.
그 중 정전용량형 수위 센서는 정밀도, 경제성 측면에서 각광받고 있는데, 그 측정원리는 도 1에 나타낸 바와 같다. 즉, 정전용량형 수위 센서(10)는 내부 전극(11) 및 외부 전극(12)의 2중 원통형(도 1(a) 참조)으로 구성되어, 내부 전극(11) 및 외부 전극(12) 사이의 액체(ℓ) 높이(h)에 따라 전극 사이의 정전용량(Ch) 변화를 감지함으로써 수위를 센싱하는 것이다. 이때, 정전용량(Ch)의 변화는 하기 수학식 1로 나타낼 수 있는 정전용량(C)에서, 전극 사이의 공기의 비유전율(εr, 약 '1' 및 액체(l)의 비유전율(εr, 물의 경우 약 '80')의 차이에 의해 정량적으로 감지될 수 있다.
Figure pat00001
(C: 정전용량, ε0: 진공유전율, εr: 비유전율, L: 원통 높이, a: 내부 전극 반지름, b: 외부 전극 반지름)
또한, 필름 형태 등 판형의 정전용량형 수위 센서(도 1(b) 참조)를 사용할 경우는 하기 수학식 2에 의하여 정전용량을 계산할 수 있다.
Figure pat00002
(C: 정전용량, ε0: 진공유전율, εr: 비유전율, S: 전극 면적, d: 전극 간격 거리)
이러한 정전용량형 수위 센서를 세탁기, 식기세척기 등 액체를 담는 용기가 금속성 재질일 수 있는 기기에 사용하는 경우에는 문제가 있다. 즉, 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 경우, 사용자가 조작하는데 있어 감전의 위험이 있으므로, 일반적으로 정전용량 측정 대상물이 접지되어 있는 경우가 많다. 그러나, 이 경우 용기에 담긴 액체가 유전체가 아닌 접지로 간주되기 때문에, 공기 및 액체의 비유전율 차이를 이용한 정전용량형 수위 센서는 그 정전용량의 측정 자체가 불가능하게 된다.
이에, 정전용량형 수위 센서가 정전용량 측정 대상물이 접지된 상태에서도 적용될 수 있으며, 나아가, 접지 상태에 따른 영전위 필드 영향으로 인한 감도 변화 문제를 해결할 수 있는 새로운 구조의 수위 센서 및 이를 이용한 수위 센싱 시스템이 요구되고 있다.
따라서 본 발명은 상기 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 정전용량형 수위 센서가 정전용량 측정 대상물이 접지된 상태에서도 적용될 수 있고, 측정 신뢰성이 우수한 신규의 수위 센서 및 이를 이용한 수위 센싱 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 설치가 용이하고 경제적인 수위 센서 및 이를 이용한 수위 센싱 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 일정 길이를 갖는 평판 형상의 쉴드 전극과 상기 쉴드 전극 일면 상에 상기 길이 방향으로 2 이상의 센서 전극이 제1절연층을 개재로 형성되어, 상기 길이 방향의 수위에 따른 정전용량 변화를 감지할 수 있는 수위 센서로서, 상기 쉴드 전극은 일단 폭이 타단 폭보다 작게 형성된 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 쉴드 전극은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 쉴드 전극의 타단 폭에 대한 일단 폭의 비율은 상기 길이가 상기 타단 폭의 3.5배일 경우를 기준으로 0.5~0.8인 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 센서 전극은 상기 길이 방향과 직교하는 방향의 적어도 한 쪽 면에는 복수의 돌기과 복수의 홈이 교대로 배열되는 구조로 서로 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극으로 이루어지되, 상기 제1전극의 돌기가 상기 제2전극의 홈에 대응되고, 상기 제1전극의 홈에 상기 제2전극의 돌기가 대응되어 서로 맞물리는 형태로 일정 간격 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 상단부에 배치되어 상기 수위 센서에서 발생된 센싱 신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 수위 센서는 상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전송하기 위한 안테나 및 상기 신호처리부와 상기 수위 센서에 전원을 공급하기 위한 태양전지 또는 배터리를 구비하는 무선형 구조인 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 수위 센서는 상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전달하기 위한 연결선 및 전원 공급을 위한 태양전지 또는 배터리를 구비하는 유선형 구조인 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
또한, 상기 쉴드 전극 및 상기 센서 전극 상에 제2절연층 및 상기 쉴드 전극의 타면에 접착층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 수위 센서를 제공한다.
상기 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템으로, 상기 용기 또는 상기 용기 내부의 액체는 접지되고, 상기 용기의 내부에 잠기는 액체의 최고 수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 값을 갖도록 하는 수위 센서를 구비하여, 상기 용기 내부에 잠기는 액체의 수위에 따라 상기 수위 센서의 정전용량 값의 변화를 감지하여 수위를 센싱하되, 상기 정전용량 값의 변화를 선형적으로 감지하도록 상기 수위 센서로, 일정 길이를 갖는 평판 형상의 쉴드 전극과 상기 쉴드 전극 일면 상에 상기 길이 방향으로 2 이상의 센서 전극이 제1절연층을 개재로 형성되어, 상기 길이 방향의 수위에 따른 정전용량 변화를 감지할 수 있고, 상기 쉴드 전극은 일단 폭이 타단 폭보다 작게 형성된 수위 센서를 사용하는 기기의 수위 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 용기 또는 용기 내부의 액체가 접지된 경우, 용기 내부에 잠기는 액체의 최고 수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 값을 갖는 수위 센서를 구비함으로써, 용기에 담긴 액체의 높이에 따라 수위 센서의 정전용량 변화를 감지하여 수위를 센싱할 수 있으며, 쉴드 전극의 상하단 폭을 조절하여 정전용량 값의 변화를 선형적으로 감지하도록 함으로써 측정 신뢰성 및 정밀도가 우수한 정전용량 감소형 수위 센서 및 이를 이용한 기기의 수위 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 수위에 다른 정전용량 값의 변화를 선형적으로 감지하도록 하여 측정 대상 액체의 양을 정밀하게 측정하도록 함으로써 기기에 사용되는 액체의 소모량을 줄여 기기에 소모되는 전력 에너지를 절감하는 효과가 있다.
또한, 재료비가 낮고, 플라스틱 등의 필름 및 접착필름 등을 사용하여 제조할 수 있어 경제적이고, 구조물에 특별한 기구 설계 없이 간편하게 장착할 수 있어 현장 적용에 용이한 수위 센서 및 이를 이용한 수위 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 정전용량형 수위 센서의 측정 원리를 나타낸 설명도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센서를 개략적으로 나타낸 전면도(a), 측면도(b) 및 상면도(c),
도 3은 본 발명에 따른 수위 센서가 적용되는 기기의 수위 센싱 시스템을 설명하는 개략도
도 4는 정전용량 감소형 수위 센서에서의 수위에 따른 정전용량 변화를 설명하기 위한 개략적인 회로도,
도 5는 직사각형 형태로 형성된 쉴드 전극을 사용하여 제조된 수위 센서의 개략적인 전면도(a), 수위에 따른 정전용량 변화(b) 및 감도 변화(c)를 나타낸 그래프,
도 6은 하단 폭이 상단 폭에 비해 과도하게 작은 쉴드 전극을 사용하여 제조된 수위 센서의 개략적인 전면도(a), 수위에 따른 감도 변화(b), 정전용량 변화(c)를 나타낸 그래프,
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 수위 센서의 일례를 나타낸 배치도,
도 10은 본 발명에 따른 수위 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 순서를 나타낸 측단면도,
도 11은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 수위 센서의 규격을 설명하는 전면도(a) 및 단면도(b),
도 12는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 수위 센서의 수위에 따른 정전용량 측정 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 특별한 설명이 없는 한 방향은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센서를 개략적으로 나타낸 전면도(a), 측면도(b) 및 상면도(c)이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수위 센서(100)는 일정 길이(L1)를 갖는 평판 형상의 쉴드 전극(110)과 상기 쉴드 전극(110) 상에 상기 길이(L1) 방향으로 제1전극(121) 및 제2전극(122)이 제1절연층(130)을 개재로 형성되어, 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)이 센서 전극(120)으로 작용하여 상기 길이 방향의 수위에 따른 정전용량 변화를 감지함으로써 수위를 센싱하는 수위 센서(100)로, 본 발명에서 상기 쉴드 전극(110)의 하단 폭(d1)은 상단 폭(d2)보다 작게 형성되어 있다.
본 발명은 기본적으로 상기 센서 전극(120)의 이면측으로의 센싱을 차폐하여 보다 안정적인 정전용량을 측정하도록 하는 쉴드 전극(110)이 상기 제1절연층(130)을 매개로 형성된 경우의 수위 센서(100)에 관련된다. 여기서, 상기 제1절연층(130)은 상기 쉴드 전극(110)과 상기 센서 전극(120) 사이의 절연을 위해 형성된 것으로 PET(polyethylene terephthalate) 또는 PI(polyimide)일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 수위 센서가 적용되는 기기의 수위 센싱 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 수위 센서(100)는 액체(ℓ)를 담을 수 있는 액체 저장 탱크(210)를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템(200)에 적용되며, 기기에서의 수위 센싱을 정전용량 차이에 의해 수행되도록 하는 경우에 있어, 사용자의 조작시 감전 위험을 방지하기 위해 액체를 담을 수 있는 저장 탱크(210)를 접지(220)할 때에도 수위에 따른 정전용량 변화를 감지할 수 있도록 하는 것이다. 여기서, 수위 센서(100)는 별도의 신호 처리 없이 정전용량 값으로 출력되도록 하는 형태로 제조되어 사용될 수 있고, 센서 전극(120)으로부터의 신호를 검출하게 되는 신호처리부를 구비하여 전압 값, 주파수 값 등으로 변환시켜 출력되도록 하는 형태로 제조되어 사용될 수 있다.
즉, 일반적으로 정전용량형 수위 센서는 전극 사이의 유전체를 공기 및 액체만을 이용하여 그 정전용량 차이로 수위를 감지하게 되나, 본 발명에 따르면, 상기 수위 센서(100)의 정전용량을 충분히 크게, 즉, 저장 탱크(210) 내부에 최고 수위의 액체(ℓ)가 존재하기 직전까지도 0보다 큰 정전용량 값을 갖도록 설계함으로써, 액체(ℓ) 수위가 높아질수록 높아진 수위 만큼 정전용량 값이 감소하게 되어 그 정전용량 값의 변화를 감지함으로써 수위를 검출할 수 있게 된다. 이때, 기기의 저장 탱크(210) 또는 내부의 액체(ℓ)가 접지(220)되어 있지 않은 경우이거나 접지(220)가 미약하게 처리된 경우라면, 액체(ℓ)를 임의로 접지(220)에 연결시키는 전극을 추가함으로써 동일한 원리에 의해 정전용량 변화를 감지할 수 있다.
여기서, 상기 수위 센서(100)의 정전용량 값을 미리 충분히 크게 설계하는 것은, 예를 들면 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 공기보다 큰 비유전율을 갖는 유전체(230)를 상기 수위 센서(100)를 구성하는 전극(121, 122) 사이에 충진시켜 둠으로써 가능할 수 있고, 상기 전극(121, 122)에 돌기를 형성하여 전극 면적을 크게 하거나, 상기 전극(121, 122) 사이의 간격을 조절함으로써 가능할 수 있다. 그러나, 유전체(230)의 충진 등 인위적인 설계 없이 공기의 비유전율 만을 고려한 설계로도 정전용량 감소형의 수위 센서 기능을 발휘하도록 할 수 있음은 물론이다.
도 4에서는 이러한 정전용량 감소형 수위 센서에서의 수위에 따른 정전용량 변화를 설명하기 위한 개략적인 회로도를 나타내고 있다. 여기서, 도 4(a)는 이해의 편의를 위해 모식적으로 나타내었다.
도 4를 참조하면, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 수위 센싱 시스템(200)은 액체(ℓ)가 없는 경우에도 상기 수위 센서(100)는 일정 크기의 정전용량 값을 갖도록 설계되어 있으며, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 복수의 커패시턴스가 병렬로 연결된 회로와 등가로 표현할 수 있게 되며, 총 정전용량은 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
(ε0: 진공 유전율, εr: 공기의 비유전율, S1: 센서 전극 면적, S2: 쉴드 전극 면적)
이때, 수위의 증가로 액체(ℓ)에 둘러싸인 전극(110, 121, 122)은 접지(220)(도 4(a) 참조) 및 커패시턴스와 결합을 하게 되고, 이 부분의 정전용량은 '0'에 가깝게 되어, 수위가 증가된 부분에 해당하는 높이만큼의 정전용량이 감소함으로써 전체 정전용량이 감소하게 되는 원리를 이용하여, 수위 센싱이 가능하도록 하는 것이다. 따라서, 정전용량형 수위 센서의 경우, 저장 탱크(210) 또는 내부의 액체(ℓ)가 접지(220)됨으로써 정전용량 측정 대상물인 액체(ℓ)가 접지(220)되어 정전용량 측정이 불가한 문제를 극복할 수 있게 된다. 한편, 수위가 상기 수위 센서의 최고 높이까지 이를 경우는 정전용량 값이 '0'에 가깝게 된다.
이때, 도 5(a)에 도시된 바와 같은 직사각형 형태로 형성된 쉴드 전극(310)을 사용하여 제조된 수위 센서(300)의 경우, 실제 수위 증가에 따른 정전용량 변화를 측정하여 보면 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 정전용량이 비선형적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 수위 변화에 따른 정전용량 변화를 비선형적으로 감지할 경우 수위 센서로서의 측정 정밀도 및 정확도는 신뢰할 수 없게 된다.
이러한 수위에 따른 정전용량 변화의 비선형적 특성은 수위 센서의 감도(ΔC/ΔL), 즉, 수위 변화량(ΔL)에 대한 정전용량 변화량(ΔC)에 기인한다. 수위 센서의 감도에 영향을 미치는 주요 인자로서 수위 센서와 측정 대상 액체와의 거리, 센서 전극과 쉴드 전극의 면적을 들 수 있는데, 수위 센서와 액체와의 거리가 가까울수록, 센서 전극 대비 쉴드 전극 면적이 넓을수록 수위 센서의 감도는 증가한다. 따라서, 기본적으로 수위 센서의 감도 내지 분해능을 개선시키기 위해 수위 센서와 액체와의 거리가 가깝도록 수위 센서가 부착되는 액체 저장탱크 등 용기의 두께를 얇게 설계할 필요가 있고, 센서 전극 대비 쉴드 전극 면적을 넓게 설계할 필요가 있게 된다. 그러나, 쉴드 전극을 단순히 직사각형 형상으로 적용할 경우 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 접지 상태에 따른 영전위 필드 영향으로 수위가 점차 증가함에 따라 상기 감도가 감소하게 되어 결국, 직사각형 형태로 형성된 상기 쉴드 전극으로 인해 수위에 따른 정전용량이 비선형적으로 변하게 된다.
본 발명자들은 이러한 정전용량 감소형 수위 센서에서 수위에 따른 감도 변화 특성에 착안하여 상기 쉴드 전극의 형상 변형을 통해 수위에 따른 감도를 일정하게 유지하도록 하여 수위에 따른 정전용량 변화를 선형적으로 감지할 수 있는 수위 센서를 개발하게 되었다.
따라서, 본 발명에서는 상기 쉴드 전극(110)의 형상을 수위 증가 방향을 기준으로 할 때, 하단 폭(d1)을 상단 폭(d2)보다 작게 형성하여, 수위에 따른 정전용량이 선형에 가깝게 변화되도록 한다. 이때, 상기 쉴드 전극(110)은 상단(111), 하단(112) 및 측단(113)이 직선형으로 형성, 즉, 사다리꼴 형상일 수 있으나, 이에 한정하지 않고, 상단(111) 및 하단(112)이 실질적으로 직선형으로 형성되어 수위에 따른 정전용량 변화를 선형적으로 감지하도록 하는 경우라면 그 형상은 다소 변형될 수도 있다.
여기서, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 하단 폭(d3)이 상단 폭(d4)에 비해 과도하게 작게 형성된 쉴드 전극(410)을 사용하여 제조된 수위 센서(400)의 경우에는 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 오히려 수위 증가에 따라 감도가 증가하여 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 수위에 따른 정전용량이 비선형적으로 변할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 쉴드 전극(110)의 상단 폭(d2)에 대한 하단 폭(d1)의 비율(d1/d2)은 쉴드 전극 길이(L1)가 상단 폭(d2)의 3.5배일 경우를 기준으로 0.5~0.8인 것이 바람직하고, 0.6~0.7인 것이 더욱 바람직하며, 0.62~0.68인 것이 가장 바람직하다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 수위 센서의 일례를 나타낸 배치도이다. 도 7 내지 도 9는 수위 센서(100)의 전극(121, 122), 신호처리부(140), 태양전지(160)의 위치나 배치구조를 설명하기 위하여 편의상 도시한 것으로서, 완성된 수위 센서(100)의 전체 구조를 나타낸 것은 아니며, 완성된 구조에서 제2절연층을 도시하지 않고 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수위 센서(100)는, 쉴드 전극(110), 상기 쉴드 전극(110) 상에 형성된 제1절연층(130), 상기 제1절연층(130) 상에 형성되어 센서 전극(120)을 구성하는 제1전극(121)과 제2전극(122), 신호처리부(140), 안테나(150) 및 태양전지(160)를 구비할 수 있다. 추가적으로 배터리(170)가 배치될 수도 있다.
상기 제1전극(121) 및 제2전극(122)은 상기 쉴드 전극(110)의 길이 방향으로 일정한 길이(L2)를 갖고, 길이 방향과 직교하는 방향의 적어도 한 쪽 면에는 복수의 돌기와 복수의 홈이 교대로 배열되는 구조로 서로 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1전극(121)의 돌기가 상기 제2전극(122)의 홈에 대응되고, 상기 제1전극(121)의 홈에 상기 제2전극(122)의 돌기가 대응되어 서로 맞물리는 형태로 일정간격 이격되어 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)이 배치될 수 있다.
일례를 들면, 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)은 상기 직교 방향으로 돌출된 형태를 갖는 4각형(또는 다각형)의 복수개의 톱니(돌기)들이 일정 간격으로 배치된 형태로, 상기 길이 방향으로 일정 거리를 유지하여 배치될 수 있으며, 상기 제2전극(122)의 톱니들과 상기 제1전극(121)의 톱니들이 서로 맞물리는 형태로 배치될 수 있고, 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)이 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)의 상단이 전극 패턴을 통하여 상기 신호처리부(140)에 전기적으로 연결되게 된다. 상기 신호처리부(140)는 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)의 상단부에 배치되어, 상기 센서 전극(120)을 구성하는 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)에서 발생된 센싱 신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하게 된다.
상기 신호처리부(140)의 배치구조는 도 8에서와 같이 일자형으로 배치될 수 있고, 원형 배치구조를 가질 수도 있으며, 'ㄱ'자 또는 'ㄴ'자 등 다양한 배치구조를 가질 수 있다. 이는 상기 신호처리부(140)를 구성하는 칩이나 소자들의 형태나 크기 또는 배치구조에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것이다.
또한, 상기 신호처리부(140)의 상단부에 안테나(150)가 배치될 수 있고, 상기 안테나(150)의 측면에 배터리(170)가 배치될 수 있으며, 상기 안테나(150) 및 상기 배터리(170)의 상단부에 태양전지(160)가 배치될 수 있다.
상기 안테나(150)는 상기 신호처리부(140), 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(122)에 일반적인 RF 태그와 같이 전원을 공급하거나, 상기 신호처리부(140)의 검출신호를 외부로 전송하기 위한 것이다. 상기 안테나(150)의 형태는 도 7에서와 같이, 속이 빈 정사각형 형태를 가질 수도 있고, 직사각형, 원형, 직선형 등 다양한 형태로 배치될 수도 있다.
한편, 도 7에서는 태양전지(160)가 구비되는 경우의 수위 센서(100)를 나타내고 있으나, 본 발명에 따른 수위 센서(100)는 태양전지(160)를 구비하지 않는 무선형(wireless type) 또는 유선형(wire type)으로 제조될 수 있다.
태양전지(160)를 구비하는 무선형의 경우는 도 7에서 설명한 바 있고, 태양전지(160)를 구비하지 않는 무선형 수위 센서(100)의 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 센서 전극을 구성하는 제1전극(121) 및 제2전극(122), 신호처리부(140), 통신을 위한 안테나(150) 및 배터리(170)를 구비할 수 있으며, 배치구조는 도 7에서 설명한 바와 동일 또는 유사하다.
또한, 다른 예로 태양전지(160)를 구비하지 않는 무선형 수위 센서(100)의 경우, 배터리(170)를 구비하지 않는 수동형(passive type) 수위 센서(100)일 수 있다.
또한, 태양전지(160)를 구비하지 않는 유선형 수위 센서의 경우(100)에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 센서 전극(120)을 구성하는 제1전극(121)과 제2전극(122) 및 신호처리부(140)를 구비할 수 있으며, 상기 신호처리부(140)의 신호를 외부로 전송하거나 전원 공급을 위한 연결선(180)들을 구비할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 상기 수위 센서(100)는 상기 쉴드 전극(110) 및 상기 센서 전극(120) 상에 제2절연층(191) 및 상기 쉴드 전극(110)의 타면에 접착층(192)이 더 형성될 수 있다. 상기 제2절연층(191)은 상기 쉴드 전극(110), 제1전극(121) 및 제2전극(122)의 액체(ℓ)와의 절연을 위해 코팅되는 것으로 PET(polyethylene terephthalate) 또는 PI(polyimide)일 수 있다. 또한, 상기 접착층(192)은 양면접착제 형태로 접착물질막을 형성하여 상기 쉴드 전극(110)의 타면에 접착되어 상기 수위 센서(100)를 측정하고자 하는 저장 탱크 등에 상기 길이 방향으로 접착 또는 고정시키도록 할 수 있다.
이상 설명한 본 발명에 따른 수위 센서는 일반적으로 알려진 방법을 조합하여 간단히 제조할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 수위 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 순서를 나타낸 측단면도이다.
먼저 도 10(a)를 참조하면, 쉴드 전극(110)을 형성하는 사다리꼴 형상의 제1도전필름(510)을 준비하고, 상기 제1도전필름(510) 상면에 제1절연필름(530)을 라미네이팅(laminating) 공정을 이용하여 접착하고, 상기 제1절연필름(530) 상면에 제2도전필름(520)을 라미네이팅 공정을 이용하여 접착한다. 이때, 상기 제1절연필름(530)은 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름일 수 있다. 또한, 상기 제1도전필름(510) 및 제2도전필름(520)은 구리 필름(copper film)이 주로 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 황동, 청동 등 구리 성분이 일부 재질로 함유된 구리 합금(alloy) 필름이 사용될 수도 있으며, 니켈, 금, 은 등의 다른 도전성 재질의 필름이 사용될 수도 있다.
상기 라미네이팅 공정은, 미리 예열된 100~120℃의 온도에서 라미네이팅 기계로 롤링 코팅(rolling coating)시키는 방식일 수 있다.
다음으로 도 10(b)를 참조하면, 상기 제2도전필름(520) 상면에 정해진 패턴에 따라 노광, 현상 및 에칭 공정을 통해, 제1전극(121) 및 제2전극(122)을 포함하는 센서 전극 패턴(120) 및 회로 결선을 위한 PCB 패턴(123)을 일괄 공정으로 형성할 수 있다. 여기서, 상기 센서 전극 패턴(120) 및 상기 PCB 패턴(123)과 함께 안테나 패턴(150)도 일괄 공정으로 형성할 수 있다. 상기 안테나 패턴(150)은 필요할 경우에만 형성할 수 있다. 이하에서는 안테나 패턴(150)이 함께 형성되는 경우를 가정하여 설명한다. 또 다른 예에 따르면, 상기 센서 전극 패턴(120), 상기 PCB 패턴(123) 및 상기 안테나 패턴(150)은 스크린 프린팅, 증착 또는 스퍼터링 공정으로 제조 가능한 금속 또는 도전박막으로도 형성될 수 있다. 또한, 증착 또는 스퍼터링 공정을 이용하여 금, 은, 백금, 구리, 니켈 등을 코팅한 후 에칭하는 방법으로 형성될 수 있으며, 스크린 프린팅 방법으로 카본 또는 은을 재질로 하여 형성될 수도 있다.
다음으로 도 10(c)를 참조하면, 상기 센서 전극 패턴(120)이 형성된 부분에만 제2절연필름(191)을 라미네이팅 공정을 이용하여 접착하거나, 방수 기능이 있는 플라스틱 필름으로 코팅한다. 상기 제2절연필름(191)은 상기 센서 전극 패턴(120)을 액체(ℓ)로부터 절연 보호하고, 손상을 방지하기 위한 것으로, PET 필름을 재질로 형성될 수 있다.
다음으로 도 10(d)를 참조하면, 상기 제1도전필름(510)의 하면에 라미네이팅 공정, 코팅 공정 또는 접착 공정으로 양면접착제 형태로 접착층(192)을 형성한다. 상기 접착층(192)은 접착 테이프 역할을 하기 위한 것으로, 완성된 수위 센서(100)를 특정 부위에 접착시키거나 고정하도록 할 수 있다.
다음으로 10(e)를 참조하면, 상기 PCB 패턴(123) 상에 신호처리를 위한 적어도 하나의 SMD(Surface Mount Dvices)형 신호처리 소자를 납땜하거나 신호처리용 전용칩을 본딩하여 신호처리부(140)를 형성하게 된다. 상기 SMD형 신호처리 소자란, 인쇄기판의 표면에 실장하는 전자 부품들 중에서 신호처리를 위해 사용되는 소자를 총칭하며, 표면실장 기술(SMT)을 이용하여 인쇄기판의 한 면 또는 양면에 실장되는 소자들을 포함할 수 있다.
다음으로 10(f)를 참조하면, 상기 신호처리부(140)를 외부 영향으로부터 보호하기 위하여 몰딩한다. 상기 몰딩을 위한 물질은 에폭시 등이 사용될 수 있다. 여기서, 몰딩 부분(193)은 상기 신호처리부(140) 뿐 아니라 상기 PCB 패턴 부분(123)도 포함할 수 있다.
실시예 및 비교예
전술한 수위 센서 제조방법에 기초하여 하기 표 1에 나타낸 규격(㎜)으로 수위 센서를 제조하였다. 여기서, L1은 쉴드 전극 길이, L2는 전극 센서 길이, d1은 쉴드 전극의 하단 폭, d2는 쉴드 전극의 상단 폭, d5는 센서 전극 폭, d6는 센서 전극 간격, h1은 접착층 두께, h2는 쉴드 전극 두께, h3는 제1절연층 두께, h4는 센서 전극 두께, h5는 제2절연층 두께를 나타낸다(도 11 참조). 쉴드 전극 및 센서 전극을 구성하는 재질로서 구리 필름을 사용하였고, 절연층을 구성하는 재질로서 PET를 사용하였다.
Figure pat00004
실험예
상기 실시예 및 비교예에 따른 수위 센서를 용액 저장 탱크(폴리카보네이트 재질, 두께 1㎜) 내부에 부착하고 센서 전극의 0~100㎜ 부분에 대하여 수위를 1㎜씩 증가시키면서 감지된 정전용량을 측정하였고 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 쉴드 전극이 직사각형 형태로 형성된 비교예 1의 경우(c)와 쉴드 전극 하단 폭이 과도하게 작게 형성된 비교예 2의 경우(d)에는 수위에 따른 정전용량 값을 비선형적으로 감지하고 있으나, 실시예(b)와 같이 쉴드 전극 하단 폭이 적정 수준으로 작게 형성된 경우 수위에 따른 정전용량 값을 거의 선형적으로 감지하고 있음을 확인할 수 있다. 도 12(a)는 실시예 및 비교예에 따른 측정 결과를 함께 나타내고 있으며, 각 수위에서 정전용량 값이 다르게 나타난 것은 쉴드 전극 면적이 다르기 때문으로 볼 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 수위 센서 110: 쉴드 전극
120: 센서 전극 121: 제1전극
122: 제2전극 130: 제1절연층
140: 신호처리부 150: 안테나
160: 태양전지 170: 배터리
180: 연결선 191: 제2절연층
192: 접착층 200: 수위 센싱 시스템
210: 저장 탱크 220: 접지
510: 제1도전필름 520: 제2도전필름
530: 제1절연필름 591: 제2절연필름
L1: 쉴드 전극 길이 d1: 쉴드 전극 하단 폭
d2: 쉴드 전극 상단 폭 ℓ: 액체

Claims (9)

  1. 일정 길이를 갖는 평판 형상의 쉴드 전극과 상기 쉴드 전극 일면 상에 상기 길이 방향으로 2 이상의 센서 전극이 제1절연층을 개재로 형성되어, 상기 길이 방향의 수위에 따른 정전용량 변화를 감지할 수 있는 수위 센서로서, 상기 쉴드 전극은 일단 폭이 타단 폭보다 작게 형성된 수위 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쉴드 전극은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 쉴드 전극의 타단 폭에 대한 일단 폭의 비율은 상기 길이가 상기 타단 폭의 3.5배일 경우를 기준으로 0.5~0.8인 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서 전극은 상기 길이 방향과 직교하는 방향의 적어도 한 쪽 면에는 복수의 돌기과 복수의 홈이 교대로 배열되는 구조로 서로 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극으로 이루어지되, 상기 제1전극의 돌기가 상기 제2전극의 홈에 대응되고, 상기 제1전극의 홈에 상기 제2전극의 돌기가 대응되어 서로 맞물리는 형태로 일정 간격 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극의 상단부에 배치되어 상기 수위 센서에서 발생된 센싱 신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수위 센서는 상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전송하기 위한 안테나 및 상기 신호처리부와 상기 수위 센서에 전원을 공급하기 위한 태양전지 또는 배터리를 구비하는 무선형 구조인 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 수위 센서는 상기 신호처리부의 검출신호를 외부로 전달하기 위한 연결선 및 전원 공급을 위한 태양전지 또는 배터리를 구비하는 유선형 구조인 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 쉴드 전극 및 상기 센서 전극 상에 제2절연층 및 상기 쉴드 전극의 타면에 접착층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 수위 센서.
  9. 액체를 담을 수 있는 용기를 구비한 기기의 수위 센싱 시스템으로, 상기 용기 또는 상기 용기 내부의 액체는 접지되고, 상기 용기의 내부에 잠기는 액체의 최고 수위 직전의 정전용량이 0보다 큰 값을 갖도록 하는 수위 센서를 구비하여, 상기 용기 내부에 잠기는 액체의 수위에 따라 상기 수위 센서의 정전용량 값의 변화를 감지하여 수위를 센싱하되, 상기 정전용량 값의 변화를 선형적으로 감지하도록 상기 수위 센서로 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 수위 센서를 사용하는 기기의 수위 센싱 시스템.


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