KR20140128395A - 플렉시블 온도 및 스트레인 센서들 - Google Patents

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KR20140128395A
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데이비드 토마스 브리톤
마르기트 하팅
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피에스티 센서스 (피티와이) 리미티드
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Abstract

스트레인 보상 온도 센서는 제 1 온도 종속 저항기, 및 상기 온도 종속 저항기와 직렬로 연결된 제 2 실질적으로 온도 무관 저항기를 포함한다. 적어도 하나의 전기 콘택은 전기 전위차가 양 저항기들 양단에 동시에 인가되게 허용한다. 온도 종속 저항기 및 실질적으로 온도 무관 저항기 둘 다는 기계적 스트레인에 민감하다. 이것은 센서로부터의 온도 판독들이 센서의 기계적 왜곡에 대해 자동으로 수정되게 한다. 온도 종속 저항기 및 실질적으로 온도 무관 저항기는 실질적으로 유사한 구성을 가지며, 바람직하게 공통 기판 내 또는 공통 기판상에서 서로 인접하게 배치되고, 따라서 그들에 인가된 기계적 힘에 대해 유사한 응답을 가진다.

Description

플렉시블 온도 및 스트레인 센서들{FLEXIBLE TEMPERATURE AND STRAIN SENSORS}
본 발명은 온도 감지 디바이스들과 같은 센서 디바이스들 및 이러한 디바이스들을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다.
많은 응용들에서, 엔지니어닝, 헬스 케어, 패키징 및 수송과 같은 다양한 분야들에서는 대형의 불규칙한 형상의 객체 또는 형상 또는 구성이 상이한 조건들 하에서 변화하거나 또는 변화가 초래될 수 있는 복합 구조물의 온도에 대한 정량 정보를 획득하는 것이 바람직하다. 이러한 객체는 예를 들어 외부 또는 내부 힘들에 의해 영향을 받는 직물, 폴리머 필름 또는 종이와 같은 얇은 플렉시블 물질로 만들어질 수 있다. 후자의 예는 유체를 포함하는 밀봉된 컨테이너일 수 있으며, 유체의 압력은 변화되는 경우 컨테이너가 변형되는 것을 유발한다. 대안적으로, 객체는 휨 또는 장력에 영향을 받는 플렉시블 멤브레인 또는 연접식 엔지니어링 컴포넌트일 수 있다.
이러한 측정들을 위하여 사용되는 일반적인 방법은 적외선 또는 가시광선 서모그래피이며, 여기서 객체에 의해 방사되는 열 방사선은 디지털 카메라에 의해 레코딩된다. 일부 응용들에 있어서 비접촉 측정이라는 점에서 장점을 가지는 반면에, 이는 종종 외부에서 발생한 방사선, 불량한 가시성, 및 시계, 물질의 투명도 및 방사율 및 반사율의 변화와 같은 불명료성과 같은 인자들로 인한 단점이 있다. 따라서, 객체와의 양호하게 열적으로 직접 접촉하는 센서를 활용하는 것이 종종 바람직하다.
현재, 직접 온도 측정이 필요할 때, 개별 이산 컴포넌트들은 객체 상에 장착되거나 또는 객체와의 접촉이 유지된다. 사용되는 센서들은 서모커플이거나 또는 더 자주 사용되는 서미스터(thermistor)들과 같은 저항성 디바이스들 중 하나이다.
본 발명의 목적은 측정될 객체의 변형 또는 국부적인 움직임을 보상할 수 있는 대안적인 온도 감지 디바이스를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제 1 양상에 따라, 제 1 온도 종속 저항기, 상기 온도 종속 저항기와 직렬로 연결된 제 2 실질적으로 온도 무관 저항기, 및 전기 전위치가 양쪽 저항기들 양단에 동시에 인가될 수 있게 하는 적어도 하나의 전기 콘택을 포함하는 감지 디바이스가 제공되고, 상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기 둘 다는 기계적 스트레인에 민감하다.
바람직하게, 상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기는 실질적으로 유사한 구성을 가지며 따라서 상기 저항기들에 인가된 기계적 힘에 유사한 응답을 가진다.
상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기는 바람직하게 플렉시블(flexible) 하거나 탄성일 수 있는 공통 기판에 의해 지지되거나 또는 상기 공통 기판상에 장착된다.
바람직하게 상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기 둘 다는 상기 기판 내에서 또는 상기 기판상에서 서로 인접하게 위치된다.
그 다음 고정된 저항기 양단의 전위 차의 측정은 센서의 기계적 왜곡을 결정하기 위해 사용되고, 그리고 온도의 변화를 가리키는 온도 종속 저항기 양단의 상대적 전위 차들의 측정은 센서의 기계적 왜곡에 대해 자동으로 수정된다.
감지 디바이스는 제 3 부하 저항기를 포함할 수 있고, 상기 제 3 부하 저항기의 저항은 상기 제 1 및 제 2 저항기들에 의해 경험된 온도의 변화 또는 기계적 스트레인 중 어느 하나에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다.
이것은 감지 디바이스의 기판 내 또는 기판상에 단단한 온도 무관 저항기(즉, 온도 및 스트레인 둔감 저항기)의 형태의 부하 저항기를 포함함으로써, 또는 예를 들어 측정 또는 레코딩 기구의 입력에서 이들 영향들에 영향을 받지 않는 모니터링 회로의 포인트에 임의의 구성의 고정된 저항기를 장착함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 보상 온도 센서는 하나가 온도 종속적이고 다른 하나가 온도에 둔감한 제 1 및 제 2 스트레인 민감 저항성 센서 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 제 1 및 제 2 스트레인 민감 저항성 센서 엘리먼트들은 제 1, 제 2 및 제 3 전도성 트랙들을 제공하고, 상기 제 1 및 제 2 전도성 트랙들 사이에서 연장되는 저항성 재료의 제 1 트랙을 제공하고, 그리고 상기 제 2 및 제 3 전도성 트랙들 사이에서 연장되는 저항성 재료의 제 2 트랙을 제공함으로써 형성될 수 있다.
센서 엘리먼트들은 나선형 또는 민더(meander) 패턴을 가진다.
다른 예시적 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 스트레인 민감 저항성 센서 엘리먼트들은 서로 맞물린 제 1 및 제 2 전도성 트랙들을 포함하고, 이때 민더링 제 3 전도성 트랙은 서로 맞물린 제 1 및 제 2 전도성 트랙들 사이에 배치되고, 저항성 재료의 적어도 하나의 제 1 트랙은 제 1 전도성 트랙 및 제 3 전도성 트랙 사이에서 연장되고, 그리고 저항성 재료의 적어도 하나의 제 2 트랙은 제 2 전도성 트랙 및 제 3 전도성 트랙 사이에서 연장된다.
그런 실시예에서, 저항성 재료의 복수의 제 1 및 제 2 트랙들은, 저항성 재료의 각각의 제 1 트랙이 상기 제 1 전도성 트랙과 상기 제 3 전도성 트랙 핑거 사이에서 연장되고, 저항성 재료의 각각의 제 2 트랙이 제 2 전도성 트랙과 제 3 전도성 트랙 핑거 사이에서 연장되도록 교번적으로 배열될 수 있다.
이러한 센서는, 향상된 스트레인 감도를 갖는 선호되는 축을 갖는다.
도 1은, 본 발명에 따른 온도 및 스트레인 감지 디바이스의 감지 회로의 원리를 예시하는 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 온도 및 스트레인 센서의 제 1 실시예의 개략적 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 온도 및 스트레인 센서의 제 2 실시예의 개략적 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 온도 및 스트레인 센서의 제 3 실시예의 개략적 평면도들이다.
본 발명은 온도 및/또는 스트레인 감지 디바이스들 및/또는 이러한 디바이스들을 제조하는 방법들과 관련된다. 상세하게는, 디바이스들은, 플렉시블 기판들 상에 제조된 대면적 온도 의존 저항기들일 수 있다. 본 명세서에서 특히 관련되는 것은, 통상적으로 NTC 서미스터들로 공지되는, 저항의 네거티브 온도 계수를 갖는 서미스터이고, 이것은, 이들의 전기 저항이, 증가하는 온도에 따라 대략적으로 지수적으로 감소하는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명은 서미스터들, 특히 프린팅된 네거티브 온도 계수(NTC) 서미스터들의 이용을 고려하며, 이들은, 평균 온도를 결정하기 위한 단일의 대면적 센서로서 또는 (센서 어레이)에서 설명되는 바와 같은 온도 감지 어레이로서 적용될 수 있고, 여기서 센서들은 개별적으로 어드레스되거나 행 및 열 행렬로서 어드레스될 수 있다. 본 발명은, 프린팅된 NTC 서미스터들로 제한되는 것이 아니라, 온도에 따라 저항이 변하는 임의의 플렉시블 온도 센서에 동등하게 적용가능하고, 따라서, 포지티브 온도 계수(PTC) 서미스터 또는 저항성 온도 디바이스(RTD), 또는 플렉시블 기판 재료상에 제조되는 임의의 이러한 디바이스에도 동등하게 적용될 수 있다.
앞서 설명된 것들과 같은 프린팅된 박막 온도 센서들은, 온도 이외의 인자들이 또한 이들의 저항에 영향을 미칠 수 있다는 점에서 공통의 단점을 갖는다. 하나의 이러한 인자는, 센서의 구부러짐 또는 측면 스트레칭의 형태일 수 있는 인가된 기계적 힘, 또는 센서 표면에 인가된 압력에서의 변화이다.
전기 저항에서의 변화에 대한 2 개의 메커니즘들은, 고려되는 센서들의 타입에 대해 식별된다. 먼저, 플렉시블 기판의 측면 스트레칭, 구부러짐 또는 토션(트위스팅)의 경우, 기판상에 증착된 전기 콘택들의 분리도에서 변화가 존재한다. 스트레인에 대해, 이러한 효과의 상대적 크기는 주로 저항기의 기하구조에 의존하며, 이를 구성하는 재료에 의존하지 않는다. 한편, 인가된 장력에 대한 저항 변화의 크기는 주로 기판의 강도에 의존한다.
인가된 압력 하에서 저항에서의 변화의 두 번째 원인은, 기판에 수직인 방향에서 센서의 능동 재료의 압축이다. 균질 재료의 경우, 변화를 지배하는 주요 인자는 재료의 압축률이고, 이것은, 포지티브 압축에 대해 재료의 유효 두께에서의 감소, 및 그에 따른 저항에서의 증가를 초래한다. 그러나, 입자들의 망으로 이루어진 프린팅된 층과 같은 비균질 재료의 경우, 망 구조의 가역적 재구성이 또한 존재하고, 이것은, 전도성 경로들의 수를 증가시킬 수 있고, 그에 따라, 압력에서의 증가에 대해 저항성에서의 감소를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적들을 위해, 고려되는 디바이스들의 상대적 사이즈 또는 형상에서의 모든 변화들은, 이 변화가, 신장, 수축, 압축, 팽창, 전단(shear), 구부러짐, 토션 또는 이들의 조합인지 여부와 무관하게, 스트레인으로 지칭될 것이다.
본 발명에 따른 일반화된 기본 회로는, 온도 무관 저항기와 직렬인 온도 무관 저항기를 포함하고, 이것은 유사한 구조이고, 따라서, 두 저항기들 모두를 포함하는 감지 디바이스의 영역에 인가된 기계적 힘에 의해 유발되는 스트레인에 대해 유사한 응답을 갖는다. 온도 무관 저항기에 걸친 전위차에서의 변량들을 측정함으로써, 센서의 기계적 왜곡이 결정될 수 있다. 이러한 정보는, 온도에서의 변화를 나타내는, 온도 무관 저항기에 걸친 전위차의 측정을 정정하는데 이용될 수 있다. 따라서, 온도 센서의 경우, 센서의 온도 판독은 센서의 기계적 왜곡(스트레인)에 대해 자동으로 정정된다.
이러한 어레인지먼트에 대한 효과적인 회로가 도 1에 도시된다. 바람직하게는 프린팅된 또는 박막 서미스터인, 스트레인 없는 경우 저항 RT를 갖는 온도 무관 저항기(10)가, 스트레인 없는 경우 저항 RS를 갖는 온도 무관 저항기(12)와 직렬로 연결된다. 서미스터(10) 및 온도 무관 저항기(12)는 동일한 기판상에 근접하게 프린팅 또는 증착되고, 선택적으로, 저항 RL의 연관된 고정 부하 저항기(14)를 갖는다.
직렬로 연결된 온도 무관 저항기의 포함은, 선택적인 직렬 저항기가 디바이스의 스트레인(strain) 민감도를 교정하는 것을 가능하게 하면서, 기계적 스트레인의 결정 또는 보상을 가능하게 한다.
특정한 온도의 적용된 스트레인 ε 하에서, 온도 의존적인 저항기(10)의 저항은 부분적인 양
Figure pct00001
에 의해 값
Figure pct00002
으로 변할 것이다. 유사하게, 온도 독립적인 직렬 저항기(12)의 값은 부분적인 양
Figure pct00003
에 의해 값
Figure pct00004
Figure pct00005
으로 변할 것이다. 기판의 스트레칭, 플렉싱(flex) 또는 트위스팅(twist)의 경우에서, 또는 2개의 저항기들이 유사한 구성을 갖는 모든 경우들에서,
Figure pct00006
는
Figure pct00007
와 대략 동일한 값을 가질 것이다.
전기 전위 V는 단자(16)에 연결되고, 상이한 저항기들에 걸친 전위차는 2개의 부가적인 단자들(18 및 20)에서 측정될 수 있다. 부하 저항기(14)가 구현되지 않으면, 전위 V는 서미스터(thermistor)(10)에 인접한 단자(20)에 인가된다.
(단자(20)에서 측정된) 전위들 V20 과 (단자(18)에서 측정된) V18의 비율은, 온도 및 스트레인 둘 모두에 의존하는 실제 저항들의 비율에 의해 주어지며, 다음과 같다.
Figure pct00008
상기 수학식에 대해,
Figure pct00009
이면, 전위들의 비율이 스트레인에 무관이며, 즉, 다음과 같다.
Figure pct00010
스트레인에 의해 야기되는 저항들에서의 부분적인 변화들이 정확히 동일하지 않으면, 1차에 선형인 측정된 서미스터 저항에 의존하는 약한 스트레인이 존재할 것이며, 다음과 같다.
Figure pct00011
스트레인 의존의 실제 계수들, 또는 대안적으로는 스트레인의 크기의 측정치의 결정은, 단자(16)에서 측정된 인가된 전위 V16, 및 V20에서의 차이에 의해 주어지는 부하 저항기(14)에 걸친 전위차의 측정을 요구한다. 예를 들어, 스트레인은 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00012
본 발명의 실시예들은, 단일 온도 감지 엘리먼트, 또는 기판상에 패턴으로 배치되고 유사한 구성의 온도 무관 저항기와 직렬로 전기적으로 각각 연결된 온도 감지 엘리먼트들의 어레이를 포함할 수도 있어서, 각각의 감지 엘리먼트 및 각각의 온도 무관 저항기에 걸친 전위차는 외부 기구에 의해 레코딩 및/또는 디스플레이될 수 있다. 바람직하게, 온도 감지 엘리먼트들은, 네거티브 온도 계수(NTC) 서미스터들과 같은 저항 컴포넌트들을 포함한다.
이러한 일반적인 타입의 기존의 서미스터들은, 유리 프리트(glass frit)와 같은 화합물 반도체 재료 및 바인더(binder) 재료의 파우더를 포함한 페이스트들로 구성된다. 이러한 페이스트는 그린 몸체(green body)를 형성하기 위해 기판 또는 주형(cast) 상으로 프린팅된 스크린이며, 그 후, 그것은 반도체 재료의 대규모(massive) 계층 또는 몸체를 형성하기 위해 소결된다. 변함없이, 열 처리 동안의 왜곡 때문에, 두꺼운-막 서미스터들의 경우에서, 정확한 저항을 획득하기 위한 재료의 추가적인 트리밍이 금속화 이전에 요구된다.
사용된 제조 프로세스들은 사용될 수 있는 기판 재료들에 제한들을 두며, 종이 및 폴리머 막과 같은 많은 경량의 플렉시블 재료들의 사용을 배제한다. 종래에, 서미스터들의 제조를 위해 사용된 두꺼운-막 잉크들은, 황화납과 같은 무거운 금속 황화물들 또는 텔루라이드들로 구성되며, ROHS(European Restriction on Hazardous Substances)와 같은 현대의 법률을 따르지 않는다. 최근에 도입된 대안적인 재료들은, 산화 망간과 같은 희토류 및 전이 금속 산화물들의 혼합물들의 조성들을 포함한다. 실리콘에 기초한 서미스터들은 일반적으로, 무겁게 도핑된 실리콘 웨이퍼들로부터 절단되며, 저항의 양의 온도 계수를 갖는다.
이들 제조 방법들은 플렉시블 기판상의 큰 영역 패턴으로 배열된 종래의 서미스터들의 사용을 따르지 않는다. 따라서, 발명의 명칭이 Thermal Imaging Sensors로 2012년 1월 30일자로 출원된 본 발명의 공동-계류중인 가출원에서 설명된 타입의 프린팅된 디바이스가 선호된다. 유사하게, 온도 무관 저항기들, 전도성 트랙들 및 절연체들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 센서 어레이의 다른 컴포넌트들이 또한, 기판 재료상으로 프린팅될 수도 있다. 프린팅된 일렉트로닉스 또는 두꺼운 막 일렉트로닉스 산업들에서 적용되는 스크린 프린팅, 그라비어 프린팅, 플렉소그래피(flexography) 및 잉크젯 프린팅과 같은 임의의 일반적으로 알려진 프린팅 프로세스가 사용될 수도 있다.
NTC 서미스터의 대안으로서, 양의 온도 계수(PTC) 서미스터 또는 저항 온도 디바이스(RTD)는 감지 엘리먼트로서 사용될 수도 있다. PTC 서미스터는, Panda 등에 의해 WO 2012/001465에 설명된 바와 같이, 종래 기술의 무기 반도체일 수도 있거나, 반도체성 폴리머로부터 제조될 수도 있다. 유사하게, RTD는 임의의 알려진 방법에 따라, 예를 들어, 금속의 와이어 또는 박막을 적절한 차원들로 형성함으로써 제조될 수도 있다. 대안적으로, RTD는 매우 저항성 있는 프린팅된 트랙으로부터 형성될 수도 있다.
서미스터 대신 RTD를 이용하는 것의 단점들은, 첫째로, RTD의 저항 및 그 저항의 온도 의존성이 어레이의 감지 엘리먼트들을 연결하는 전도성 트랙들의 그것들에 필적한다는(comparable) 것이고, 둘째로, 온도에 따른 저항에 있어서의 상대적 변화가 서미스터의 변화와 비교하여 작다는 것이다.
온도 무관 저항기(12)의 경우, 실리콘 잉크에 로딩하는 유사한 조성 및 입자의 미립자 흑연질 탄소 잉크가, 프린팅된 실리콘 서미스터와 관련하여 이용될 때 전술한 요건들을 충족하는 것으로 발견되었다. 더 나아가, 이러한 고려사항들은 저항기와 서미스터 각각에 대한 미립자 저항기 및 반도체 잉크들의 다른 조합들의 이용에 적용할 것이다. 특히, 낮은 도핑 레벨(고유 또는 반-절연)을 갖는 서미스터(10)에 이용되는 것과 동일한 재료를 포함하는 저항기에 대해 높게 도핑된(축퇴(degenerate)) 반도체를 이용하는 것이 유리할 수 있다. 적합한 무기 반도체 재료들은 제 IV 족 엘리먼트들 및 그들의 합금들, III-V 또는 II-VI 화합물들 및 금속 칼고겐 화합물들(metal chalcogenides)(산화물들, 황화물들, 및 텔루르 화합물들을 포함)을 포함한다. 서미스터에 대해 기계적으로 동질의 반도체 고분자가 이용되면, 저항성 잉크는 유사한 탄성률을 갖는 재료를 포함해야만 한다.
온도 의존 저항기와 온도 무관 저항기가 플렉시블 기판상의 동일한 영역을 점유하도록 보장하는 간단한 방법은, 온도 의존 저항기가 온도 무관 저항기 위에 제작되거나 또는 그 반대로 제작되는 것을 통해 2개의 디바이스들을 다중층 구조로 덮어씌우는 것이다. 이러한 해결책은 수많은 이유들로 바람직하지 않은데, 2가지의 가장 적절한 이유들은: 전체 디바이스가 (이하의 예시들에서와 같이) 필요한 것보다 상당히 더 두껍게 될 것이어서, 그러한 이유로 더욱 단단해질 것이며; 그리고 다중층 구조 및 다중 인터페이스들의 프로세싱의 복잡도가 기계적 불안정성으로 유도할 수도 있어서, 상이한 컴포넌트들의 박리(delamination)를 초래하는 것이 가능할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 스트레인 보상된 온도 센서의 제 1 및 제 2 실시예들(22 및 24)을 도시한다. 도 2의 디바이스(22)는 2개의 스트레인 감지 저항 트랙들(하나는 온도 의존형이고 하나는 온도 둔감형임)을 포함하는 나선형 패터닝된 온도 및 스트레인 센서이다. 도 3의 디바이스(24)는 도 2의 것과 유사하지만 민더(meander) 패턴이다.
두 실시예들에서, 3개의 평행한 전도성 트랙들(26, 28 및 30)이 트랙들 사이에서 일정한 분리(constant separation)를 갖는 (그러나, 온도가 모니터링되는 영역을 충진하는) 패턴으로 얇은 플렉시블 기판(32)에 증착된다. 예시의 목적으로, 도 2에 도시된 설계에서, 트랙들은 정사각 나선형 패턴이지만, 동일하게 둥근 나선형, 또는 도 3의 실시예에 도시된 것과 같은 민더 구조로 증착되거나, 또는 유사한 나선형 및 민더 구조들 또는 다른 길고 복잡한(tortuous) 구조들의 임의의 조합이 이용될 수 있다.
기판(32)에 대해 선택된 재료는, 온도 센서의 동작 환경 및 센서 디바이스를 제조하는데 이용되는 제작 기법들 둘 다에 대해 알맞아야만 한다. PCT/IB2011/054001에 개시된 유형의 프린팅 디바이스들의 경우, 적합한 기판 재료들은 페이퍼, 직물, 고분자 필름 및 절연 코팅을 갖는 금속 포일을 포함한다.
전도성 트랙들(26, 28 및 30)은, 도 1에 도시된 대표적인 회로에서의 단자들(18 및 20)에 대응하는 단자들(36 및 38) 및 접지 단자(34)를 형성하도록 확대된다. 도 1의 서미스터(10)에 대응하는 물리적 디바이스는, 전도성 트랙들의 제 1 트랙과 제 2 트랙 사이에, 프린팅 또는 화학적 또는 물리적 기상 증착과 같은 적절한 방법에 의해, 적절한 재료를 증착시킴으로써 형성된다. 바람직한 실시예에서, 서미스터는 스크린 프린팅에 의해 증착된 실리콘 나노입자 잉크를 포함한다. 유사하게, 도 1의 온도 무관 저항기(12)에 대응하는 물리적 디바이스는 제 3 트랙과 그와 인접하는 트랙 사이에 증착된다. 바람직하게, 저항기는 탄소의 프린팅 트랙, 또는 칼고겐 화합물 반도체, 또는 매우 많이 도핑된 반도체를 포함한다.
도 2의 센서 디바이스(22)에서, 서미스터(40)는 트랙들(26 및 28)에 걸쳐 이어지는 재료에 의해 형성되지만, 온도 무관 저항기(42)는 트랙들(28 및 30)에 걸쳐 이어진다. 도 3의 센서 디바이스(24)에서, 도 2에 대해서와 같이 동일한 컴포넌트들이 넘버링된다.
직렬로 연결된 측정 저항기가 항상 존재하기 때문에, 이 실시예는, 2012년 1월 30일자로 출원된, 발명의 명칭이 Thermal Imaging Sensor인 남아프리카의 가출원 제2012/00708호에 개시된 바와 같이 더 큰 열 이미징 어레이의 개별적인 감지 엘리먼트들을 형성하는데 이용될 수 있다는 점에 주목한다.
전체 액티브 엘리먼트들의 증착 이후에, 센서 디바이스는, 실란트(sealant), 예를 들어, 래커(lacquer) 또는 니스(varnish) 또는 고분자 필름을 통한 오버프린팅 또는 코팅과 같은 임의의 통상적으로 알려진 방법에 의해, 또는 PCT/IB2011/053999에 기재된 바와 같은 플라스틱 필름을 통한 라미네이션에 의해 캡슐화될 수 있다.
단축 스트레인 또는 벤딩(bending)을 측정하는데 가장 적절한 본 발명의 제 3 실시예가 도 4에 도시된다. 이 실시예는, 스트레인 보상 플렉시블 온도 센서로서 또는 조합된 스트레인 및 온도 센서로서 기능할 수 있다. 이 실시예는, 한 쌍의 서로 맞물린(interdigitated) 트랙들과 민더링 제 3 트랙을 조합하고, 2개의 세트들의 스트레인 감지 저항 트랙들(하나는 온도 의존형이고, 하나는 온도 둔감형임)을 통합시키며, 강화된 스트레인 감도를 갖는 바람직한 축을 갖는다.
도 4a를 먼저 참조하면, 2개의 외부 트랙들(44 및 48)이, 프린팅된 온도 센서의 트랙들에 대한 적절한 기하학적 구조로서 PCT/IB2011/054001에서 개시된 것과 유사한 서로 맞물린 배열로 플렉시블 기판(50) 상에 증착된다. 제 3 트랙(46)은, 2개의 외부 트랙들의 내측으로 연장하는 핑거들 사이의 민더링 경로를 따른다.
이전 실시예들에서 처럼, 사용된 재료들의 선택은 제작 프로세스 및 종국의 동작 환경 둘 다에 의존하지만, 종이, 직물, 폴리머 필름 및 절연된 금속 포일 같은 얇은 플렉시블 기판들은 바람직하고, 그리고 바람직하게 트랙들(44, 46 및 48)은 전도성 잉크로 프린팅 되어야 한다.
도 4b는 완성된 디바이스(56)를 도시한다. 서미스터(도 1의 서미스터(10)와 동등함)는 트랙들(44 및 46)의 인접한 핑거들 사이에 서미스터 재료의 복수의 가늘고 긴 스트립들(52)을 증착시킴으로써 생성된다. 유사하게, 온도 무관 저항기(도 1의 온도 무관 저항기(12)에 대응함)는 제 1 및 제 2 실시예들과 동일한 재료들을 사용하고 동일한 방식으로, 트랙들(46 및 48)의 인접한 핑거들 사이에 적당한 저항성 재료의 복수의 가늘고 긴 스트립들(54)을 증착함으로써 생성된다.
트랙들 또는 전극들의 각각의 쌍 사이의 완전한 경로가 서미스터 또는 저항기 재료 중 어느 하나에 의해 브리징되는 것은 필요하지 않다. 대신, 도 4b에 도시된 바와 같이, 평행 핑거들 또는 콘택들의 긴 에지들만이 연결되는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 서미스터 및 저항기는 평행 축들을 따라 정렬된다. 이런 구조로 인해, 프린팅된 트랙들의 길이를 따르는 방향으로의 스트레인 또는 곡률은 어느 하나의 컴포넌트의 기하 구조에 있어서 상당한 변화를 유발하지 않을 것이다. 그러나 프린팅된 트랙들의 길이에 수직인 방향으로의 스트레인 도는 벤딩(bending)은 전극들의 분리 거리에 있어서의 변화로 인해, 서미스터 및 저항기의 저항들에 대해 개선된 효과를 가질 것이다. 따라서 이런 바람직한 실시예는 상기 설명된 바와 같이 단축 스트레인 또는 벤딩에 특히 민감하고 스트레인 보상 플렉시블 온도 센서 또는 결합된 스트레인 및 온도 센서 중 어느 하나로서 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 감지 디바이스로서,
    제 1 온도 종속 저항기, 상기 온도 종속 저항기와 직렬로 연결된 제 2 실질적으로 온도 무관 저항기, 및 전기 전위치가 양쪽 저항기들 양단에 동시에 인가될 수 있게 하는 적어도 하나의 전기 콘택을 포함하고,
    상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기 둘 다는 기계적 스트레인에 민감한,
    감지 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기는 실질적으로 유사한 구성을 가지며 따라서 상기 저항기들에 인가된 기계적 힘에 유사한 응답을 가지는,
    감지 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기는 플렉시블(flexible) 하거나 탄성의 공통 기판에 의해 지지되거나 또는 상기 공통 기판상에 장착되는,
    감지 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도 종속 저항기 및 상기 실질적으로 온도 무관 저항기 둘 다는 상기 기판 내에서 또는 상기 기판상에서 서로 인접하게 위치되는,
    감지 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 3 부하 저항기를 포함하고, 상기 제 3 부하 저항기의 저항은 상기 제 1 및 제 2 저항기들에 의해 경험된 온도의 변화 또는 기계적 스트레인 중 어느 하나에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는,
    감지 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 부하 저항기는 기판 내에서 또는 상기 기판상에서 단단한(rigid) 온도 무관 저항기인,
    감지 디바이스.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 부하 저항기는 상기 제 1 및 제 2 저항기들에 의해 경험된 온도의 변화 또는 기계적 스트레인을 겪지 않는 연관된 모니터링 회로 내의 포인트에 위치된 고정된 저항기인,
    감지 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 감지 디바이스를 포함하는 스트레인 보상 온도 센서로서,
    상기 감지 디바이스는 하나가 온도 종속적이고 다른 하나가 온도에 둔감한 제 1 및 제 2 스트레인 민감 저항성 센서 엘리먼트들을 포함하는,
    스트레인 보상 온도 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스트레인 민감 저항성 센서 엘리먼트들은 제 1, 제 2 및 제 3 전도성 트랙들을 포함하고, 이때 저항성 재료의 제 1 트랙은 상기 제 1 및 제 2 전도성 트랙들 사이에서 연장되고 저항성 재료의 제 2 트랙은 상기 제 2 및 제 3 전도성 트랙들 사이에서 연장되는,
    스트레인 보상 온도 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스트레인 민감 센서 엘리먼트들은 나선형 또는 민더(meander) 패턴을 가지는,
    스트레인 보상 온도 센서.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스트레인 민감 저항성 센서 엘리먼트들은 서로 맞물린 제 1 및 제 2 전도성 트랙들을 포함하고, 이때 민더링 제 3 전도성 트랙은 상기 서로 맞물린 제 1 및 제 2 전도성 트랙들 사이에 배치되고, 저항성 재료의 적어도 하나의 제 1 트랙은 상기 제 1 전도성 트랙 및 상기 제 3 전도성 트랙 사이에서 연장되고, 그리고 저항성 재료의 적어도 하나의 제 2 트랙은 상기 제 2 전도성 트랙 및 상기 제 3 전도성 트랙 사이에서 연장되는,
    스트레인 보상 온도 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    저항성 재료의 각각의 제 1 트랙이 상기 제 1 전도성 트랙 및 상기 제 3 전도성 트랙의 핑거 사이에서 연장되고, 저항성 재료의 각각의 제 2 트랙이 상기 제 2 전도성 트랙 및 상기 제 3 전도성 트랙의 핑거 사이에서 연장되도록 교번적으로 배열된 전도성 재료의 복수의 제 1 및 제 2 트랙들을 포함하는,
    스트레인 보상 온도 센서.
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015072126A (ja) * 2013-10-01 2015-04-16 株式会社キョーテック 温度センサ
US10254176B2 (en) * 2014-04-07 2019-04-09 Silicon Laboratories Inc. Strain-insensitive temperature sensor
US9729193B2 (en) * 2014-11-11 2017-08-08 Ut-Battelle, Llc Wireless sensor platform
KR102381654B1 (ko) * 2015-03-23 2022-04-04 삼성디스플레이 주식회사 온도 검출 소자 및 이를 이용한 온도 센서
DE102015112919B4 (de) * 2015-08-06 2019-12-24 Infineon Technologies Ag Halbleiterbauelemente, eine Halbleiterdiode und ein Verfahren zum Bilden eines Halbleiterbauelements
WO2017040174A1 (en) 2015-09-04 2017-03-09 Ut-Battelle, Llc Direct write sensors
US10034609B2 (en) * 2015-11-05 2018-07-31 Nano And Advanced Materials Institute Limited Temperature sensor for tracking body temperature based on printable nanomaterial thermistor
CN108291844A (zh) 2015-11-18 2018-07-17 Pst传感器(私人)有限公司 数字传感器
RU2611894C1 (ru) * 2015-12-16 2017-03-01 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Тензопреобразователь
US10663355B2 (en) 2017-06-30 2020-05-26 Texas Instruments Incorporated Thermistor with tunable resistance
US10870273B2 (en) * 2017-07-18 2020-12-22 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Dies including strain gauge sensors and temperature sensors
JP6633581B2 (ja) 2017-08-28 2020-01-22 ファナック株式会社 検出装置
US11638353B2 (en) 2018-09-17 2023-04-25 Hutchinson Technology Incorporated Apparatus and method for forming sensors with integrated electrical circuits on a substrate
CN113728216A (zh) * 2019-05-31 2021-11-30 株式会社村田制作所 传感器装置以及具备该传感器装置的传感器系统和物品
DE102019122623A1 (de) * 2019-08-22 2021-02-25 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Sensorbauteil, Halbzeug, Verfahren zur Anbringung und zur Herstellung eines Sensorbauteils
EP3831284A1 (en) * 2019-12-05 2021-06-09 Elmedix NV Invasive temperature sensor system
US20230366757A1 (en) * 2020-09-18 2023-11-16 Shenzhen New Degree Technology Co., Ltd. Temperature and pressure sensor, and electronic device
CN112353484B (zh) * 2020-10-20 2022-02-25 上海交通大学 一种柔性微传感器系统、可延展柔性器件及制备方法
DE102021203009A1 (de) 2021-03-26 2022-09-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektronische Schaltung zur Temperaturmessung
US20240268692A1 (en) * 2021-05-26 2024-08-15 Minebea Mitsumi Inc. Vital sensor
EP4242613A1 (de) * 2022-03-10 2023-09-13 Yageo Nexensos GmbH Flexible sensoreinheit zur temperaturmessung an leistungskontakten für die e-mobilität
CN114689198B (zh) * 2022-03-28 2023-03-14 电子科技大学 一种适用于卷绕式二次电池集流体的温度和应变解耦方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4312394A1 (de) * 1993-04-16 1994-10-20 Gsf Forschungszentrum Umwelt Widerstandsthermometer
US6270463B1 (en) * 1999-11-23 2001-08-07 Medrad, Inc. System and method for measuring temperature in a strong electromagnetic field
RU2244970C1 (ru) * 2003-05-16 2005-01-20 Пензенский технологический институт (завод-ВТУЗ) филиал Пензенского государственного университета Способ изготовления термокомпенсированного тензорезистора
DE10356432A1 (de) * 2003-11-28 2005-06-23 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Temperatursensor auf Basis von Widerstandsmessung und Strahlungsheizkörper mit einem solchen Temperatursensor
US8267578B2 (en) * 2009-02-04 2012-09-18 Schlumberger Technology Corporation Methods and systems for temperature compensated temperature measurements
US9904393B2 (en) * 2010-06-11 2018-02-27 3M Innovative Properties Company Positional touch sensor with force measurement
US20130344612A1 (en) * 2012-06-20 2013-12-26 The Research Foundation Of State University Of New York Ultrasensitive, superfast, and microliter-volume differential scanning nanocalorimeter for direct charactization of biomolecular interactions
US8863586B2 (en) * 2012-11-07 2014-10-21 General Electric Company Self-calibrating resistive flexure sensor

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