KR20190062029A - 압력 센서 - Google Patents

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KR20190062029A
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울산과학기술원
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    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 압력센서는, 제1 전극판; 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 다공성의 유전체;를 포함하고, 상기 유전체는 제1 영역에서 제1 기공률을 가지고, 상기 제1 영역과 상이한 위치인 제2 영역에서 상기 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가질 수 있다.

Description

압력 센서{Pressure sensor}
본 발명의 실시예들은 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.
압력센서는 기계식 압력센서, 전자식 압력센서, 반도체식 압력센서로 구분될 수 있다. 기계식 압력센서는 압력계로써, 유리관에 액체를 넣어 압력에 따라 수위가 변동하는 액주 압력계, 부르동관 압력계, 다이어프램 압력계, 벨로우즈 압력계와 같은 탄성 압력계, 부르동관 압력계의 교정에 이용되는 분동 압력계, 정밀한 기체 압력을 측정할 수 있는 진공계 등이 있으며, 전자식 압력센서는 힘을 가할 때 발생하는 변형을 측정하는 스트레인 게이지와 이를 기반으로 하는 압저항형 압력센서, 힘을 가했을 때 발생하는 전하를 측정하는 압전형 압력센서, 전위를 가했을 때 축적되는 전하의 크기를 측정하는 정전용량형 압력센서 등이 있다. 또한 반도체식 압력센서는 압저항형 또는 정전용량형을 IC화한 압력센서를 의미한다.
이중, 정전용량형 압력센서는 평행한 두 개의 전극층 사이에 유전체를 배치하여 외부 압력에 따른 유전체의 압축에 의한 정전용량 변화를 이용하는 압력센서로서, 동적, 정적인 외부 압력을 비교적 정확하게 측정할 수 있어 많이 사용되고 있다. 이와 같은 정전용량형 압력센서는 압축력과 복원력이 우수한 탄성체를 유전체로 사용하는데, 탄성체의 압축 특성에 따라 압력센서의 센싱 가능한 압력 범위가 결정된다. 한편, 탄성체는 압력이 커짐에 따라 인가되는 압력증가분 대비 압축 정도가 점차 감소하여, 정전용량의 변화가 상대적으로 작게 나타날 수 있다. 따라서, 높은 압력에서의 민감도가 저하될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 넓은 압력 범위에서 인가되는 압력에 따른 정전용량의 변화가 선형적으로 나타나는 압력 센서를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 압력센서는, 제1 전극판; 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 다공성의 유전체;를 포함하고, 상기 유전체는 제1 영역에서 제1 기공률을 가지고, 상기 제1 영역과 상이한 위치인 제2 영역에서 상기 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 영역은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 위치하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 중 어느 하나의 전극판과 상기 제1 영역 사이에 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체의 유전율은 상기 압력 센서로 인가되는 압력에 의해 변하며, 상기 압력은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판이 적층된 방향과 나란한 방향으로 인가될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 상이한 압축률을 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 기공률이 상기 제2 기공률보다 크며, 상기 제1 영역에서의 제1 기공의 크기가 상기 제2 영역에서의 제2 기공의 크기보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 기공률이 상기 제2 기공률보다 크며, 상기 제1 영역 내의 제1 기공의 개수가 상기 제2 영역 내의 제2 기공의 개수 보다 많을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에서 상기 유전체의 압축률은 점진적으로 변할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 상이한 위치인 제3 영역을 더 포함하고, 상기 제3 영역에서의 제3 기공률은 상기 제1 기공률 및 상기 제2 기공률과 상이할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에서 순차적으로 적층된 영역들일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 기공률은 상기 제2 기공률보다 크고, 상기 제2 기공률은 상기 제3 기공률보다 크거나 작을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 압력센서는, 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전체;를 포함하고, 상기 유전체는 서로 다른 압축률을 가지는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 제1 전극과 상기 제2 영역 사이에 위치하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역과 상기 제2 전극 사이에 위치할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체는 다공성이며, 상기 유전체는 상기 제1 영역에서 제1 기공률을 가지고, 상기 제2 영역에서 상기 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 영역에서의 압축률이 상기 제2 영역에서의 압축률보다 크며, 상기 제1 영역에서의 제1 기공의 크기가 상기 제2 영역에서의 제2 기공의 크기보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 영역에서의 압축률이 상기 제2 영역에서의 압축률보다 크며, 상기 제1 영역 내의 제1 기공의 개수가 상기 제2 영역 내의 제2 기공의 개수 보다 많을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체의 유전율은 상기 압력 센서로 인가되는 압력에 의해 변하며, 상기 압력은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 서로 마주보는 방향과 나란한 방향으로 인가될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 상이한 위치인 제3 영역을 더 포함하고, 상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 순차적으로 적층된 영역들일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체는 상기 제3 영역에서 제3 기공률을 가지며, 상기 유전체의 압축률은 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점진적으로 변할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유전체는 상기 제3 영역에서 제3 기공률을 가지며, 상기 제1 기공률은 상기 제2 기공률보다 크고, 상기 제2 기공률은 상기 제3 기공률보다 크거나 작을 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 실시예들에 관한 압력 센서는 다공성의 유전체를 포함하므로 낮은 압력에서 우수한 민감도를 가질 수 있다.
또한, 다공성의 유전체는 영역별로 상이한 기공률을 가지므로 낮은 압력뿐만 아니라 높은 압력 하에서도, 압력증가분 대비 탄성체의 압축되는 정도가 일정하게 유지될 수 있다. 그 결과, 인가되는 압력에 따른 정전용량의 변화가 선형적으로 나타나는바, 넓은 압력 범위에서 우수한 민감도를 유지할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 압력센서의 유전체의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 압력센서의 유전체의 다른 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 압력센서의 유전체의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 압력센서의 압력에 대한 정전용량의 변화를 도시한 도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서(100)는 서로 마주보는 제1 전극(110)과 제2 전극(120), 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 위치하는 유전체(130), 그리고 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)과 전기적으로 연결된 측정부(140)를 포함할 수 있다.
제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 각각 판(plate) 형상일 수 있다. 따라서, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 각각 제1 전극판과 제2 전극판으로 지칭될 수 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 유전체(130)를 기준으로 서로 반대측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유전체(130)가 대략 육면체 형상을 가질 때, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 유전체(130)의 상면과 하면에 각각 배치되거나, 또는 서로 마주보는 측면들에 배치될 수 있다.
제1 전극(110)은 제1 기저층(111)과 제1 기저층(111) 상에 형성된 제1 금속층(113)을 포함할 수 있다.
제1 기저층(111)은 유전체(130)와 접합하면서 제1 금속층(113)을 지지한다. 제1 기저층(111)은 유연성 및 탄성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 제1 기저층(111)은 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP) 등일 수 있다.
제1 금속층(113)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 인듐 주석 산화물(ITO) 등으로 형성될 수 있으며, 측정부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 기저층(121)은 제1 기저층(111)과 실질적으로 동일하고, 제2 금속층(123)은 제1 금속층(113)과 실질적으로 동일할 수 있다.
유전체(130)는 외부의 압력이 인가되면 압축되어 부피가 감소하고, 압력이 제거되면 원상태로 회복될 수 있다. 일 예로, 외부의 압력은 제1 전극(110)과 제2 전극(120)이 적층된 방향과 나란한 방향 즉, 판(plate) 형상인 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)의 면과 수직한 방향으로 인가되며, 인가되는 외부 압력에 의해 유전체(130)가 압축되면, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이의 간격이 감소하여 유전체(130)의 유전율이 변하게 된다. 이때 감지부(140)는 유전율의 변화를 감지하고, 이로부터 인가되는 외부 압력의 크기를 측정할 수 있다.
유전체(130)는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane, HMDSO), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate) 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유전체(130)는 내부에 복수의 기공(V)들을 포함할 수 있다. 한편, 도 1에서는 복수의 기공(V)들이 서로 분리된 상태인 것처럼 도시되어 있으나, 실질적으로 복수의 기공(V)들은 서로 연결된 개방형 기공일 수 있다. 따라서, 외부 압력에 의해 유전체(130)가 압축될 때 기공(V) 내부의 기체가 외부로 배출되어 유전체(130)가 용이하게 압축될 수 있다.
또한, 유전체(130) 내에 복수의 기공(V)들이 형성되어 있으므로, 외부의 압력 인가시 기공(V)들이 형성되지 않은 상태에 비하여 상대적으로 높은 탄성변형률을 가지며, 그 결과 작은 힘에 의해서도 유전체(130)가 용이하게 압축될 수 있다. 뿐만 아니라, 유전체(130)의 압축시 기공(V) 내부의 기체가 배출되고 기공(V)들이 제거되는 효과를 가짐에 따라, 유전체(130)의 유전상수 값이 증가하여 정전용량의 변화 폭이 증가할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 압력센서(100)는 낮은 압력에서 우수한 민감도를 가질 수 있다.
선택적 실시예로, 유전체(130)의 내부에는 고유전율을 가지는 나노 선 또는/및 나노입자(P)들이 분산될 수 있다. 고유전율을 가지는 나노 선들은 은, 구리, 이산화 티타늄, 산화 아연 등일 수 있다. 고유전율을 가지는 나노 입자(P)들은 BTO (BaTiO3), ZTO (ZnSnO3), KNN (KxNa1 - xNbO3), BNKT (Bi(NaxK1-x)TiO3), 실리콘 등일 수 있다. 고유전율을 가지는 나노 선 또는/및 나노 입자(P)들이 유전체(130) 내에 분산되면, 유전체(130)의 유효 유전상수가 커지고, 외부 압력에 의해 유전체(130)가 압축될 때 유전체(130)의 유효 유전상수 변화값 또한 크게 증가할 수 있으므로, 압력 센서(100)의 민감도는 더욱 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유전체(130)는 압력의 크기가 증가하더라도 유전체(130)의 압축폭이 일정하게 유지될 수 있으며, 그 결과 높은 압력에서도 압력센서(100)의 민감도가 유지될 수 있다. 이에 대하여서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
도 2는 도 1의 압력센서의 유전체의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 유전체(130)는 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 영역(A1)은 제1 기공률을 가지고, 제2 영역(A2)은 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가질 수 있다.
한편, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 유전체(130) 내에서 물리적으로 구별되지 않을 수 있다. 즉, 유전체(130)는 높이 방향으로 갈수록 점차 또는 연속적으로 기공률이 변할 수 있으며, 이때 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 서로 상이한 기공률을 가지는 임의의 영역들로써, 서로 인접하거나 또는 이격된 위치의 영역들 일 수 있다. 이와 같은 유전체(130)는 3-D 프린팅 등에 의해 형성할 수 있다. 선택적 실시예로, 유전체(130)는 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)을 순차적으로 형성하는 과정을 거쳐 형성될 수 있으며, 이와 같은 경우 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 서로의 경계를 확인할 수 있는 영역들일 수 있다.
즉, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 특정 구조에 한정되지 않는다. 다만, 외부 압력 인가시 유전체(130)가 균일하게 압축되도록 하기 위하여, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 각각 일정한 두께를 가지고, 서로 적층된 구성을 가질 필요가 있다.
제1 영역(A1)은 제1 전극(도 1의 110)과 제2 전극(도 1의 120) 사이에 위치하고, 제2 영역(A2)은 제1 전극(도 1의 110)과 제2 전극(도 1의 120) 중 어느 하나와 제1 영역(A1) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 외부 압력이 인가되는 방향으로 적층된 구성을 가질 수 있다.
한편, 제1 영역(A1)이 제1 기공률을 가지고, 제2 영역(A2)은 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가진다는 것은, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)이 서로 다른 압축률을 가진다는 것을 의미한다.
일 예로, 제1 기공률이 제2 기공률보다 큰 경우, 제1 영역(A1)의 압축률이 제2 영역(A2)의 압축률보다 큰 것을 의미한다. 따라서, 유전체(130)로 작은 크기의 압력이 인가될 때는, 제1 영역(A1)의 압축에 의해 유전체(130)가 주로 압축되며, 제2 영역(A2)은 상대적으로 압축되지 않은 상태를 유지할 수 있다. 반면에, 유전체(130)로 큰 압력이 인가되는 경우, 제1 영역(A1)이 충분히 압축된 상태에서 제2 영역(A2)의 압축이 진행될 수 있다. 즉, 작은 압력의 인가시에는 주로 제1 영역(A1)이 압축되고, 인가되는 압력이 증가함에 따라 제2 영역(A2)이 추가로 압축됨으로써 인가되는 압력의 증가분 대비 탄성체(130)의 압축되는 정도가 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 상기와 같이 제1 기공률이 제2 기공률보다 크게 형성되도록 하기 위한 일 예로, 제1 영역(A1)에서의 제1 기공(V1)의 크기가 제2 영역(V2)에서의 제2 기공(V2)의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 물론, 이와 같은 경우에도 제1 기공(V1)과 제2 기공(V2)은 서로 연결된 상태일 수 있다.
한편, 도 2에서는 유전체(130)가 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)을 포함하는 것을 예시하고 있으나, 본 발명은 이에 한하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 유전체(130)는 기공률이 서로 상이한 복수 개의 영역들을 포함할 수 있으며, 그 결과 제1 전극(도 1의 110)과 제2 전극(도 1의 120) 사이에서 유전체(130)의 압축률은 점진적 또는 연속적으로 변할 수 있다.
도 3은 도 1의 압력센서의 유전체의 다른 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3에서는, 유전체(130)가 제1 기공률을 가지는 제1 영역(A1)과 제2 기공률을 가지는 제2 영역(A2)을 포함하는 예를 도시하고 있다. 일 예로, 제1 기공률은 제2 기공률보다 클 수 있으며, 그 결과 작은 압력의 인가시에는 주로 제1 영역(A1)이 압축되고, 인가되는 압력이 증가함에 따라 제2 영역(A2)이 추가로 압축됨으로써 인가되는 압력의 증가분 대비 탄성체(130)의 압축되는 정도가 일정하게 유지될 수 있다.
상기와 같이 제1 기공률이 제2 기공률보다 크게 형성되도록 하기 위한 다른 예로써, 제1 영역(A1) 내의 제1 기공(V1)의 개수가 제2 영역(V2) 내의 제2 기공(V2)의 개수 보다 많을 수 있으며, 이때 제1 기공(V1)들과 제2 기공(V2)들은 서로 연결될 수 있다.
도 4는 도 1의 압력센서의 유전체의 또 다른 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 유전체(130)는 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 및 제3 영역(A3)을 포함할 수 있다. 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 및 제3 영역(A3)은 제1 전극(도 1의 110)과 제2 전극(도 1의 120) 사이에서 순차적으로 적층된 영역들일 수 있다.
일 예로, 제1 영역(A1)에서의 제1 기공률은 제2 영역(A2)에서의 제2 기공률보다 크고, 제2 기공률은 제3 영역(A3)에서의 제3 기공률보다 크거나 작을 수 있다. 이를 위해, 제1 기공(V1)은 제2 기공(V2)보다 크게 또는/및 많은 개수를 가지도록 형성될 수 있으며, 제2 기공(V2)과 제3 기공(V3)도 서로 상대적인 크기 및 개수를 가지도록 형성될 수 있다.
제2 기공률이 제3 기공률보다 큰 경우는, 제1 영역(A1)에서 제3 영역(A3)으로 갈수록 유전체(130)의 압축률이 점차 감소할 수 있다. 따라서, 외부에서 인가되는 압력이 증가함에 따라 제1 영역(A1), 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)이 순차적으로 압축되어, 인가되는 압력의 증가분 대비 탄성체(130)의 압축되는 정도가 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 제2 기공률이 제3 기공률보다 작은 경우는, 제1 영역(A1)에서 제3 영역(A3)으로 갈수록 유전체(130)의 압축률이 감소하다가 다시 증가할 수 있다. 따라서, 외부에서 인가되는 압력이 증가함에 따라 제1 영역(A1)과 제3 영역(A3)이 먼저 압축되고, 제2 영역(A2)이 나중에 압축될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유전체(130)는 서로 상이한 기공률을 가지는 복수 개의 영역들을 포함할 수 있는데, 서로 상이한 기공률을 가지는 영역들의 개수가 많을수록 또한 영역들 간의 기공률 차이가 작을수록 유전체(130)의 압축률은 제1 전극(도 1의 110)과 제2 전극(도 1의 120) 사이에서 점진적 또는 연속적으로 변하므로, 인가되는 압력의 증가분 대비 탄성체(130)의 압축되는 정도가 더욱 일정하게 유지될 수 있다.
도 5는 도 1의 압력센서의 압력에 대한 정전용량의 변화를 도시한 도이다.
이하에서는 먼저, 도 5에서 사용된 압력센서의 제조 방법을 도 1 및 도 4를 참조하여 설명한다.
-. 유전체(130)의 제작
(1) 폴리디메틸실록산 용액에 물 50%(w/w)를 혼합하여 임시기판에 1차 코팅한 후, 반 건조 시켜 제1 영역(A1)을 형성하는 단계, 폴리디메틸실록산 용액에 물 30%(w/w)를 혼합하여 제1 영역(A1) 상에 2차 코팅한 후, 반 건조 시켜 제2 영역(A2)을 형성하는 단계, 및 폴리디메틸실록산 용액에 물 10%(w/w)를 혼합하여 제2 영역(A2) 상에 3차 코팅한 후, 반 건조 시켜 제3 영역(A2)을 형성한 다음, 반 건조된 제1 영역(A1), 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)을 완전 건조하여 형성하였다.
(2) 폴리디메틸실록산 용액에 물 50%(w/w)를 혼합하여 임시기판에 코팅하고 이를 건조하여 형성하였다.
(3) 폴리디메틸실록산 용액에 물 30%(w/w)를 혼합하여 임시기판에 코팅하고 이를 건조하여 형성하였다.
(4) 폴리디메틸실록산 용액에 물 10%(w/w)를 혼합하여 임시기판에 코팅하고 이를 건조하여 형성하였다.
(5) 폴리디메틸실록산 용액을 임시기판에 코팅하고 이를 건조하여 형성하였다.
상기 유전체(130)의 제작 과정 중, 폴리디메틸실록산 용액에 혼합된 물은, 건조 단계에서 증발되어 형성되는 유전체(130) 내부에 공극을 형성하게 된다. 즉, 혼합되는 물의 양이 많을수록 유전체(130) 내부에는 많은 공극이 형성될 수 있다.
-. 압력센서(100)의 제작
상기 (1) 내지 (5)에 의해 형성된 유전체(130)의 상면 및 하면에 각각 폴리에틸렌 테레프탈레이드와 인듐 주석 산화물(ITO) 층으로 이루어진 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 부착하고, 제1 전극(110)과 제2 전극(120)에 감지부(140)를 연결하였다.
-. 정전용량의 변화를 측정
상기 (1) 내지 (5)에 의해 형성된 유전체(130)를 포함하는 압력센서(100)에 압력을 인가하며 변화하는 정전용량을 측정하였다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 유전체(130)의 내부에 가장 많은 공극이 형성되는 (2)의 경우가 2kPa 이하에서 가장 큰 정전용량의 변화를 나타낸다. 이는 많은 공극이 형성됨에 따라 작은 압력에 의해서도 유전체(130)가 쉽게 압축될 수 있기 때문이다. 그러나, (2)의 경우는 인가되는 압력이 2kPa 보다 커짐에 따라 압력증가분 대비 정전용량이 증가하는 정도가 점차 감소하는 경향을 나타낸다.
이에 반해, 서로 다른 공극률을 가지는 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 및 제3 영역(A3)을 포함하는 (1)의 경우는, 2kPa 이하에서도 우수한 민감도를 가질 뿐 아니라, 인가되는 압력이 2kPa 보다 커지더라도 인가되는 압력에 따른 정전용량의 변화가 선형적으로 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 외부에서 인가되는 압력이 증가함에 따라 제1 영역(A1), 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)이 순차적으로 압축되어, 인가되는 압력의 증가분 대비 탄성체(130)의 압축되는 정도가 일정하게 유지되기 때문이며, 그 결과 넓은 압력 범위에서 우수한 민감도를 유지할 수 있다.
이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 압력센서
110: 제1 전극
111: 제1 기저층
113: 제1 금속층
120: 제2 전극
121: 제2 기저층
123: 제2 금속층
130: 유전체

Claims (18)

  1. 제1 전극판;
    제2 전극판; 및
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 다공성의 유전체;를 포함하고,
    상기 유전체는 제1 영역에서 제1 기공률을 가지고, 상기 제1 영역과 상이한 위치인 제2 영역에서 상기 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가지는 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 위치하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 중 어느 하나의 전극판과 상기 제1 영역 사이에 위치하는 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 유전율은 상기 압력 센서로 인가되는 압력에 의해 변하며, 상기 압력은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판이 적층된 방향과 나란한 방향으로 인가되는 압력 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 상이한 압축률을 가지는 압력 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기공률이 상기 제2 기공률보다 크며,
    상기 제1 영역에서의 제1 기공의 크기가 상기 제2 영역에서의 제2 기공의 크기보다 큰 압력 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기공률이 상기 제2 기공률보다 크며,
    상기 제1 영역 내의 제1 기공의 개수가 상기 제2 영역 내의 제2 기공의 개수 보다 많은 압력 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에서 상기 유전체의 압축률은 점진적으로 변하는 압력 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 상이한 위치인 제3 영역을 더 포함하고,
    상기 제3 영역에서의 제3 기공률은 상기 제1 기공률 및 상기 제2 기공률과 상이한 압력 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역은 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에서 순차적으로 적층된 영역들인 압력 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 기공률은 상기 제2 기공률보다 크고, 상기 제2 기공률은 상기 제3 기공률보다 크거나 작은 압력 센서.
  11. 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전체;를 포함하고,
    상기 유전체는 서로 다른 압축률을 가지는 제1 영역과 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 제1 전극과 상기 제2 영역 사이에 위치하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 압력 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유전체는 다공성이며, 상기 유전체는 상기 제1 영역에서 제1 기공률을 가지고, 상기 제2 영역에서 상기 제1 기공률과 상이한 제2 기공률을 가지는 압력 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 영역에서의 압축률이 상기 제2 영역에서의 압축률보다 크며,
    상기 제1 영역에서의 제1 기공의 크기가 상기 제2 영역에서의 제2 기공의 크기보다 큰 압력 센서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 영역에서의 압축률이 상기 제2 영역에서의 압축률보다 크며,
    상기 제1 영역 내의 제1 기공의 개수가 상기 제2 영역 내의 제2 기공의 개수 보다 많은 압력 센서.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유전체의 유전율은 상기 압력 센서로 인가되는 압력에 의해 변하며, 상기 압력은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 서로 마주보는 방향과 나란한 방향으로 인가되는 압력 센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역과 상이한 위치인 제3 영역을 더 포함하고,
    상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 순차적으로 적층된 영역들인 압력 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 제3 영역에서 제3 기공률을 가지며,
    상기 유전체의 압축률은 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점진적으로 변하는 압력 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 제3 영역에서 제3 기공률을 가지며,
    상기 제1 기공률은 상기 제2 기공률보다 크고, 상기 제2 기공률은 상기 제3 기공률보다 크거나 작은 압력 센서.
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