KR20200075889A

KR20200075889A - 다중병렬 센서 어레이 시스템

Info

Publication number: KR20200075889A
Application number: KR1020207017267A
Authority: KR
Inventors: 필립스 에스. 슈미트; 칼 티. 스완슨
Original assignee: 와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-06-26
Also published as: US10761041B2; DE112018005953T5; DE112018005953B4; KR102171326B1; JP6839790B2; US20190154605A1; TWI709754B; DE112018005953T8; TW201925796A; WO2019103960A1; JP2021504717A

Abstract

본 개시내용은 복수 개의 노드들에 연결된 복수 개의 저항 요소들 및 각각의 저항 요소에 대한 전기적 특성을 측정하기 위해 복수 개의 모드들을 통해 인덱싱하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 감지 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드는 상기 복수 개의 노드들 각각에 적용되는 전력, 리턴 또는 개방 회로 상태의 상이한 조합을 나타내고, 상기 제어 시스템은 물리적인 매개변수를 결정하기 위해, 상기 모드들 각각에 대해 측정된 전기적 특성에 기초하여 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력 및 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력을 계산하도록 구성된다.

Description

다중병렬 센서 어레이 시스템

본원은 일반적으로 센서 시스템에 관한 것이다.

본 섹션의 내용은 단지 본 개시내용에 관련된 배경 정보를 제공하는 것뿐이고 선행 기술을 구성하지 않을 수 있다.

서모커플(thermocouple) 또는 스트레인 게이지(strain gauge)와 같은 저항의 변화에 기초하여 물리적인 파라미터를 측정하는 종래의 센서는 다양한 시스템에 사용된다. 예를 들어 페데스탈 히터(pedestal heater)와 같은 서멀 시스템(thermal system)은 서멀커플을 사용하여 히터 표면의 온도를 모니터링한다. 그러나 이러한 센서에는 일반적으로 완전히 격리된 배선(예컨대, 하나는 전력(power)용이며 또 하나는 리턴(return)용임) 또는 각각의 센서에 대한 개별 전력 배선들 및 모든 센서들에 의해 공유되는 공통 배선이 필요하다. 따라서 이러한 센서들에는 서멀 시스템과 같이 공간이나 액세스가 제한된 시스템에 통합하기 어려울 수 있는 상당한 개수의 배선들이 필요하다. 이러한 문제 및 다른 문제는 본 개시내용에 의해 해결된다.

본 섹션은 본 개시내용의 개괄적인 요약을 제공한 것이며, 본 개시내용의 전체 범위 또는 본 개시내용의 모든 특징에 대한 포괄적인 개시내용이 아니다.

일 형태에서, 본원은 감지 시스템을 제공한다. 상기 감지 시스템은 복수 개의 노드들에 연결된 복수 개의 저항 요소들 및 각각의 저항 요소에 대한 전기적 특성을 측정하기 위해 복수 개의 모드들을 통해 인덱싱(indexing)하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드는 상기 복수 개의 노드들 각각에 적용된 전력, 리턴 또는 개방 회로 상태의 상이한 조합을 나타낸다. 상기 제어 시스템은 상기 측정된 전기적 특성에 기초하여 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력 및 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력을 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드에 대해 계산하여 물리적인 매개변수를 결정하도록 구성된다.

일 형태에서, 상기 제어 시스템은 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력, 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력, 및 사전에 저장된 알고리즘들에 기초하여 상기 저항 요소들의 저항을 계산하도록 구성된다.

다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 상기 계산된 저항에 기초하여 상기 감지 시스템의 물리적인 매개변수로서 온도, 스트레인(strain), 광 강도 또는 가스 농도 중의 적어도 하나를 결정하도록 구성된다.

또 다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 상기 저항 요소들의 저항 및 하나 이상의 저항값들을 상기 물리적인 매개변수의 하나 이상의 값에 결부시키는 사전에 결정된 상관 정보(corelation information)에 기초하여 상기 물리적인 매개변수를 결정하도록 구성된다.

일 형태에서, 상기 제어 시스템은 무어-펜로즈 유사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse)을 사용하여 상기 저항 요소들의 저항을 결정한다.

다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 개방 또는 단락 상태를 테스트하도록 구성된다.

또 다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 그라디언트(gradient) 및 변화율과 같은 도함수 센서 정보를 계산하도록 구성된다.

또 다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 상기 감지 시스템의 초과 온도 범위를 결정하도록 구성된다.

다른 일 형태에서, 상기 전기적 특성은 전압 및 전류를 포함한다.

또 다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력 및 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력에 기초하여 상기 복수 개의 저항 요소들의 총 컨덕턴스를 계산하도록 구성된다.

다른 일 형태에서, 복수 개의 모드들의 개수는 저항 요소들의 개수보다 크거나 같다.

또 다른 일 형태에서, 상기 저항 요소들 각각은 상기 복수 개의 노드들로부터의 한 쌍의 노드들 사이에 접속된다.

다른 일 형태에서, 상기 저항 요소들은 온도 의존적인 전기 저항을 지니는 전기 전도성 재료로 구성된다.

일 형태에서, 각각의 모드는 선형적으로 서로 독립적인 한 세트의 전압들을 지닌다.

다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 전기적 특성 또는 물리적인 매개변수 중 적어도 하나를 네트워크 제어기를 통해 외부 장치와 통신한다.

일 형태에서, 복수 개의 노드들에 연결된 복수 개의 저항 요소들을 지니는 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 각각의 저항 요소에 대한 전기적 특성을 측정하기 위해 복수 개의 모드들을 통해 인덱싱하는 단계를 포함한다. 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드는 상기 복수 개의 노드 각각에 적용된 전력, 리턴 또는 개방 회로 상태의 상이한 조합을 나타낸다. 상기 방법은 상기 측정된 전기적 특성에 기초하여 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력 및 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력을 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드에 대해 계산하여 상기 감지 시스템의 물리적인 매개변수를 결정하는 단계를 포함한다.

다른 일 형태에서, 상기 방법은 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력 및 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력에 기초하여 상기 저항 요소들의 저항을 계산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 저항 요소들의 저항 및 하나 이상의 저항값들을 상기 물리적인 매개변수의 하나 이상의 값들에 결부시키는 사전에 결정된 상관 정보에 기초하여 상기 물리적인 매개변수를 결정하는 단계를 포함한다.

또 다른 일 형태에서, 상기 저항 요소들의 저항은 무어-펜로즈 유사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse)을 사용하여 계산된다.

다른 일 형태에서, 상기 물리적인 매개변수는 온도, 스트레인, 광 강도 또는 가스 농도 중 적어도 하나이다.

일 형태에서, 상기 전기적 특성은 전압 및 전류를 포함한다.

다른 일 형태에서, 상기 방법은 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력 및 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력에 기초하여 상기 복수 개의 서멀 요소들의 총 컨덕턴스를 계산하는 단계를 포함한다.

다른 일 형태에서, 상기 저항 요소들 각각은 상기 복수의 노드들로부터의 한 쌍의 노드들 사이에 접속된다.

또 다른 일 형태에서, 상기 방법은 상기 감지 시스템의 초과 온도 범위를 결정한다.

다른 일 형태에서, 본 방법은 개방 또는 단락 상태를 테스트하는 단계를 포함한다.

일 형태에서, 상기 방법은 그라디언트 및 변화율과 같은 도함수 센서 정보를 계산하는 단계를 포함한다.

다른 일 형태에서, 각각의 모드는 선형적으로 서로 독립적인 한 세트의 전압들을 지닌다.

본 출원의 추가 목적들, 특징들 및 이점들은 본원 명세서에 첨부되어 본원 명세서의 일부를 형성하는 도면 및 청구범위를 참조하여 이하의 설명을 검토하면 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.

본 개시내용이 잘 이해될 수 있게 하기 위해, 예로 주어진 본 개시내용의 다양한 형태들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 본 개시내용의 교시에 따른 감지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 개시내용의 원리에 따라 구성된 라우팅 층, 베이스 히터 층 및 센서 어레이를 포함하는 히터의 부분 측면도이다.
도 3은 본 개시내용의 원리에 따른 감지 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 개시내용의 원리에 따른 제어 시스템의 블록도이다.
도 5는 도 3의 다중 병렬 센서 어레이의 네트워크 다이어그램이다.
도 6은 본 개시내용의 원리에 따른 3-선식 다중-병렬 센서 어레이의 대표적인 개략도이다.
도 7은 본 개시내용의 원리에 따라 다중-병렬 센서 어레이에 대한 총 전력을 계산하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8a - 도 8c는 본 개시내용의 원리에 따른 다양한 감지 모드로 도 6의 다중-병렬 서멀 어레이를 계산하는 것을 예시하는 개략도이다.

본원 명세서에서 보인 도면들은 단지 예시를 위한 것이며 어떠한 방식으로 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

이하의 설명은 본질적으로 단지 대표적인 것이며 본 개시내용, 적용, 또는 사용을 제한하려는 것이 아니다.

도 1을 참조하면, 감지 시스템으로도 언급될 수 있는 센서 어레이 시스템(100)은 물리적인 매개변수의 변화에 따라 저항값이 변하는 소자의 저항에 기초하여 물리적인 매개변수를 측정한다. 일 형태에서, 상기 감지 시스템(100)은 제어 시스템(102) 및 복수 개의 저항 요소들(도시되지 않음)을 지니는 다중-병렬 센서 어레이(104)(다시 말하면, 센서 어레이)를 포함한다. 본원 명세서에서 부연 설명되는 바와 같이, 상기 제어 시스템(102)은 전력이 전력 공급원(106)으로부터 상기 센서 어레이(104)에 인가되는 하나 이상의 센서 모드들에 따라 상기 센서 어레이(104)를 작동시킨다. 상기 제어 시스템(102)은 상기 센서 어레이(104)의 저항에 기초하여 상기 물리적인 매개변수의 값을 결정하도록 구성된다. 더 구체적으로는, 상기 제어 시스템(102)은 측정된 전기적 특성 및 상기 센서 어레이(104)에 의해 소비된 총 전력에 기초하여 상기 센서 어레이(104)의 저항 소자들의 저항을 계산한다. 상기 계산된 저항을 사용하여, 상기 제어 시스템(102)은 상기 물리적인 매개변수의 값을 결정한다.

상기 감지 시스템(100)은 온도, 물리적인 변형(다시 말하면, 스트레인), 광 강도 또는 가스 농도와 같은 물리적인 매개변수들을 측정하기 위해 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 일 예에서, 본 개시내용의 감지 시스템은 반도체 처리에 사용되는 히터의 표면에 걸친 온도 프로파일을 측정하는 데 사용된다. 이러한 히터 시스템은 2012년 8월 30일자 출원된 계류중인 미국 출원 제13/598,995호에 기재되어 있으며, 상기 미국 출원은 본원과 함께 일반 양도된 것이며 상기 미국 출원의 개시 내용들 전체는 인용에 의해 본원에 보완된다.

일 예로, 도 2는 반도체 프로세서를 위한 히터(200)를 보여준다. 상기 히터(200)는 베이스 히터 층(204) 상에 배치된 센서 어레이(202)를 포함하며 상기 베이스 히터 층(204) 및 상기 센서 어레이(202) 사이에는 라우팅 층(routing layer; 206)이 배치된다. 상기 센서 어레이(202)는 다수의 저항 요소(208)를 포함하고, 상기 베이스 히터 층(204)은 열을 생성하도록 작동 가능한 하나 이상의 히터 회로(210)를 포함한다. 상기 라우팅 층(206)은 상기 베이스 히터 층(204)으로부터 상기 센서 어레이(202)로 연장되는 전력 라인들을 라우팅하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 베이스 히터 층(204)은 상기 베이스 히터 층(204)을 통해 연장되는 하나 이상의 애퍼처(aperture)들(도시되지 않음)을 형성하고, 상기 라우팅 층(206)은 상기 애퍼처와 연통하는 공동(cavity)(도시되지 않음)을 형성한다. 전력 라인들은 상기 베이스 히터 층(204)의 애퍼처들을 통해 상기 라우팅 층(206)의 내부 공동으로 라우팅된다. 상기 내부 공동으로부터, 상기 전력 라인은 상기 센서 어레이(202)에 접속된다. 일 형태에서, 상기 센서 어레이(202)는 본 개시내용의 교시를 사용하여 상기 히터(200)의 온도를 모니터링하는데 사용된다.

본 개시내용의 감지 시스템은 다른 시스템과 함께 사용될 수 있으며 반도체 프로세싱을 위한 히터, 다시 말하면 기계 시스템에 국한되어서는 아니 된다. 또한, 상기 감지 어레이는 다른 물리적인 매개변수들을 측정하는데 사용될 수 있으며, 온도에 국한되어서는 아니 된다. 예를 들어, 스트레인 게이지들의 어레이는 스트레인 측정을 수행하기 위해 교량, 빌딩, 및 다른 기계 시스템의 구조적 구성요소에 연결될 수 있고, 그럼으로써 측정을 수행하는데 필요한 배선들의 양을 줄일 수 있게 된다.

상기 감지 시스템의 센서 어레이는 복수 개의 전력 노드들에 연결된 복수 개의 저항 요소들을 포함한다. 이때, 각각의 노드는 전력, 리턴을 수용하거나 개방 상태에 놓이기 위한 전력 라인에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면. 센서 어레이(300)는 집합적으로 저항 요소들(310)로서 언급되는 6개의 저항 요소(310₁ 내지 310₆) 및 집합적으로 전력 노드들(320)로서 언급되는 4개의 전력 노드(320₁ 내지 320₄)를 포함한다. 상기 저항 요소들(310)은 전력 노드들(320)의 쌍들 양단 간에 다중-병렬 방식으로 배치된다. 이 때문에, 각각의 전력 노드(320)는 그 자체 및 다른 전력 노드들(320) 각각 간에 접속된 하나의 저항 요소(310)를 지니고, 각각의 저항 요소(310)는 상기 복수 개의 전력 노드들(320)으로부터의 한 쌍의 전력 노드들 사이에 접속된다.

따라서, 저항 요소(310₁)는 전력 노드들(320₁, 320₂) 사이에 접속되고, 저항 요소(310₂)는 전력 노드들(320₁, 320₃) 사이에 접속되며, 저항 요소(310₃)는 전력 노드들(320₁, 320₄) 사이에 연결되고, 저항 요소(310₄)는 전력 노드들(320₂, 320₃) 사이에 접속되며, 저항 요소(310₅)는 전력 노드들(320₂, 320₄) 사이에 접속되고, 저항 요소(310₆)는 전력 노드들(320₃, 320₄) 사이에 접속된다. 도 3이 6개의 저항 요소 및 4개의 전력 노드를 지니는 센서 어레이를 보여주고 있지만, 상기 센서 어레이는 2개 이상의 저항 요소 및 2개 이상의 전력 노드를 지니도록 다른 적절한 방식으로 구성될 수 있다.

위에서 검토한 바와 같이, 상기 저항 요소들(310)은 저항이 물리적 특성에 의존하는 센서 또는 장치이다. 예를 들어, 상기 저항 요소들(310)은 무엇보다도 저항 온도 검출기(resistance temperature detector; RTD), 서미스터, 스트레인 게이지, 광전지, 및/또는 가스 센서 중 어느 하나이다. 이러한 장치들의 저항들은 이하의 물리적인 특성들, 무엇보다도 온도; 물리적 변형; 광 강도; 및 가스 농도; 중의 하나 이상으로 인해 달라진다. 상기 저항 요소들(310)의 저항을 계산함으로써, 상기 물리적인 특성의 값은 또한 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이 결정될 수 있다.

일 형태에서, 상기 시스템(300)은 상기 복수 개의 전력 노드들(320)을 리턴(V-), 전력(V-), 또는 개방 회로 상태 중 하나에 전기적으로 연결하도록 동작 가능한 복수 개의 스위치들을 더 포함한다. 예를 들어, 도 3에서, 집합적으로 스위치들(330)로서 언급되는 4개의 스위치들(330₁ 내지 330₄)은 상기 전력 노드들(320)에 연결되고, 그럼으로써 각각의 전력 노드(320)는 리턴(V-), 전력(V-), 또는 개방 회로 상태 중의 하나를 상기 전원 노드에 선택적으로 인가하도록 상기 전력 노드들(320)에 연결된다. 상기 스위치들(330)은 트랜지스터, 비교기 및 SCR 또는 집적 장치, 예를 들어 마이크로프로세서, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(field-programmable gate array; FPGA) 또는 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC)를 포함하지만 이들에 국한되지 않는 개별 요소들의 회로일 수 있다.

제어 시스템(340)은 상기 센서 어레이(300)를 작동시키도록 구성되며, 컴퓨터 시스템으로서 구현된다. 예를 들어, 도 4는 이하에 기재되어 있는 라우팅에서 설명되는 것과 같은 명령어들을 실행하기 위한 프로세서(410)를 포함하는 컴퓨터 시스템으로서 상기 제어 시스템(340)을 보여준다. 상기 명령어들은 메모리(412) 또는 저장 장치(414), 예를 들어 디스크 드라이브, CD, 또는 DVD와 같은 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다. 상기 컴퓨터는 디스플레이 장치(418), 예를 들어 컴퓨터 모니터상에 텍스처 또는 그래픽 디스플레이를 생성하도록 명령어들에 응답하는 디스플레이 컨트롤러(416)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(410)는 데이터 또는 명령어들을 다른 시스템, 예를 들어 다른 일반 컴퓨터 시스템에 통신하기 위해 데이터 포트를 지니는 네트워크 제어기(420)와 통신할 수 있다. 상기 네트워크 제어기(420)는 이더넷 또는 다른 공지된 프로토콜을 통해 통신하여 프로세싱을 분배할 수 있거나 근거리 통신 네트워크, 광역 통신 네트워크, 인터넷 또는 다른 일반적으로 사용되는 네트워크 토폴로지를 포함하는 다양한 네트워크 토폴로지를 통해 정보에 대한 원격 액세스를 제공할 수있다.

일 형태에서, 상기 제어 시스템(340)은 상기 저항 요소들(310)의 저항 및 하나 이상의 저항값들을 물리적 특성의 값들과 상관시키는 사전에 결정된 정보에 기초하여 상기 저항 요소(310)에 의해 검출되는 물리적 특성을 결정하도록 구성된다. 본원 명세서에서 부연 설명되는 바와 같이, 상기 제어 시스템(340)은 상이한 모드들에서 상기 저항 요소들(310)의 전기적 특성을 측정함으로써 저항을 결정한다. 다시 말하면, 일 형태에서, 상기 제어 시스템(340)은 스위치들(330)을 작동시켜 상기 전력 노드들(320)에 전력을 선택적으로 인가하고, 복수 개의 감지 모드들을 통해 상기 저항 요소들(310)의 전기적 특성을 측정하도록 인덱싱한다. 상기 감지 모드들은 상기 네트워크를 통한 전력의 임의 분배를 야기하는 전력 노드들에 대한 전압 및/또는 전류의 인가이다. 상기 전력 노드들에 인가되는 전력량은 상기 시스템에 기초하여 선택될 수 있지만, 일반적으로 2-5V와 같은 상기 저항 요소들을 통한 전압 및/또는 전류를 측정할 정도로 충분히 낮다.

일 형태로, 상기 저항 요소들(310)의 저항은 상기 센서 어레이에 의해 소비된 전력에 기초하여 결정된다. 설명을 위해, 도 3의 센서 어레이는 6개의 저항기(다시 말하면,

1,

2,

3,

4,

5,

6)가 4개의 노드(a, b, c, d)에 연결되어 있는 도 5에 도시된 네트워크 다이어그램으로서 표현된다. 상기 네트워크로부터 이하의 변수들 및 관계들이 확립된다.

일 형태에서, 임의의 주어진 모드에 대해 전체 어레이에 의해 소비된 전력은 이하의 수학식 1

에 의해 결정되는데, 여기서 "

" 연산자는 요소별 곱셈(다시 말하면, 아다마르 곱(Hadamard Product)을 표시하며 행 벡터 "s"는 레그 전압의 제곱(다시 말하면,

)으로 정의된다.

더 구체적으로, 일 형태에서, 총 네트워크 전력은 측정된 배선 전압(

) 및 측정된 배선 전류(

)를 사용하는 하기 수학기 2

또는

를 사용하여 결정된다. 수학식 2 및 3에서,

이고

는 배선들의 개수이다. 상기 수학식들을 서로에 설정함으로써, 이하의 수학식 4

에서 보인 바와 같이, 저항 요소의 컨덕턴스(

), 결과적으로는 저항(R=1/

)이 결정된다.

상기 저항 요소들 각각의 저항을 결정하기 위해, 다수의 측정이 수행될 수 있다. 예를 들어, "n" 개의 저항 요소가 있다면, 적어도 "n" 번의 측정이 "n" 개의 배선 전압(

) 및 전류(

)의 측정값들을 획득하기 위해 수행되어야 한다. 이러한 측정들은 각각의 센서 모드가 선형적으로 서로 독립적인 전압을 지니는 경우에, 상기 센서 모드들의 적용시 수행된다. 일 형태에서, 센서 모드들의 개수는 상기 저항 요소들의 개수보다 많거나 같다.

벡터-행렬 표기법을 사용하여, 수학식 1은 k 번째 모드에 대해 하기 수학식 5

로 재기록되고, 여기서,

이며, 하기 수학식 6

는 모든 모드 수학식들에 대한 행렬을 나타내고, 여기서 m은 모드들의 개수이다. 상기 수학식 6으로부터, 상기 저항 요소들의 저항은 하기 수학식 7

을 사용하여

를 구하고 컨덕턴스의 역수를 취함으로써 계산된다.

상기 제어 시스템(340)은 m 개의 측정값을 획득하기 위해 저항 요소들의 개수보다 많거나 같은 "m" 개의 모드들을 통해 인덱스하도록 구성된다. 모드들의 개수가 저항 요소들의 개수와 동일한 경우, 다시 말하면

행렬이 정사각형 및 전체 순위인 경우, 컨덕턴스(

)는 상기 수학식 7을 사용하여 풀게 된다. 대안으로, 감지 모드들의 개수가 저항 요소들의 개수보다 많은 경우(다시 말하면, 감지 모드들의 개수가 정사각형이 아니고 전체 순위를 지니는 경우), 무어-펜로즈 유사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse)이 Moore-Penrose pseudoinverse는

를 획득하기 위해 사용된다.

가 역으로 되는 경우 상기 유사역행렬은 역수와 동일하므로, 후자의 수학식은

가 전체 열 순위인 동안

를 결정하는데 사용된다.

일 형태에서, 상기 감지 시스템은

및

의 측정 잡음뿐만 아니라

를 계산함에 있어서의 수치 오차를 포함한다. 전체 세트의 측정들에 대해

가 일정하거나 거의 일정하다고 가정하면, 일 형태에서, 상기 잡음 및 오차는 추가 전력 샘플을 취하고 선형 회귀(다시 말하면,

)를 사용하여

를 추정함으로써 감소된다.

가 일정하지 않을 경우, 다시 말하면, 일부 매개변수 벡터(

)에 대해

인 경우, 수치적인 비선형 최소 자승법이

를 추정하는데 사용된다.

일단 상기 제어 시스템(340)이 상기 저항 요소들의 저항을 계산하면, 상기 물리적인 매개변수의 값은 예를 들어, 저항값들을 상기 물리적인 매개변수들의 값들에 결부시키는 룩업 테이블과 같은 사전에 결정된 정보를 사용하여 결정된다. 예를 들어, 상기 저항 요소들이 서미스터들일 경우 룩업 테이블 또는 알고리즘은 상기 계산된 저항과 결부된 온도를 결정하는데 사용된다.

상기 제어 시스템(340)의 다양한 구성은 상기 시스템의 물리적인 매개변수 범위를 초과하는 것을 결정하는 것, 개방 또는 단락 상태를 테스트하는 것, 및/또는 그라디언트 및 변화율과 같은 도함수 센서 정보를 계산하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 시스템(340)은 상기 물리적인 매개변수의 측정된 값들을 사전에 결정된 한계 값과 비교함으로써 온도, 압력, 광 강도, 가스 농도 등의 초과 범위를 결정하도록 구성된다. 상기 측정된 값들이 사전에 결정된 한계 값보다 클 경우, 상기 제어 시스템(340)은 경고 통지를 발행하도록 구성될 수 있다.

상기 제어 시스템(340)은 개방 또는 단락 회로 상태를 테스트하기 위해 다양한 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 형태에서, 상기 측정된 저항이 높은 10의 배수이고 무한대에 접근할 때 개방 회로 상태가 검출된다. 한편, 단락 회로 상태는 전력 노드 전류가 사전에 결정된 값을 초과할 때 검출된다.

위에서 언급한 바와 같이, 상기 제어 시스템(340)은 또한 그라디언트와 같은 도함수 센서 정보를 계산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 형태에서, 상기 제어 시스템(340)은 상기 측정된 저항들 중 일련의 연속적인 적어도 2개의 측정된 저항을 취하고 몇 가지만 예를 들자면 유한 차분(finite difference), 정확한 곡선 맞춤(exact curve fit) 및/또는 최소 자승 곡선 맞춤(least-squares curve fit)과 같은 그라디언트 계산 알고리즘을 적용하며, 그리고 이들을 도함수와 비교함으로써 그라디언트들을 계산한다.

상기 센서 어레이의 제어 시스템(340)은 상기 저항 요소들의 저항을 계산하기 위해 다수의 감지 모드를 통해 인덱싱하도록 여러 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 다중-병렬 센서 어레이를 지니는 시스템의 대표적인 작동은 도 6, 도 7 및 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명된다.

도 6은 집합적으로 저항 요소들(610)로서 언급되는 3개의 저항 요소(610₁, 610₂, 610₃), 및 집합적으로 전력 노드들(620)로서 언급되는 3개의 전력 노드(620₁, 620₂, 620₃)를 지니는 다중-병렬 센서 어레이(600)를 보여준다. 위에서 설명한 다중-센서 어레이와 같이, 각각의 저항 요소(610)는 한 쌍의 전력 노드들(620)에 연결되고, 각각의 전력 노드(620)는 예를 들어 스위치(630)(다시 말하면, 본 도면에서 스위치들(630₁, 630₂ 및 630₃))를 통해 전력을 가하거나, 리턴을 적용하거나, 또는 개방 회로 상태로 설정하도록 작동 가능하다. 이하에서는, 저항 요소들(610₁, 610₂, 610₃)은 또한 각각 R₁₂, R₂₃ 및 R₁₃으로서 참조될 수 있으며, 여기서 숫자들은 상기 전력 노드들을 식별하며 상기 전력 노드들 사이에는 상기 대응하는 저항 요소가 접속된다.

일 형태에서, 제어 시스템(340)과 유사하게 이루어지는 제어 시스템은 복수 개의 감지 모드들에 기초하여 상기 스위치들(630)을 작동시킨다. 예를 들어, 상기 제어 시스템은 상기 3개의 저항 요소(610)의 저항들을 결정하기 위해 하기 표 1에 정의되어 있는 3개의 감지 모드(K1, K2, K3)에 기초하여 상기 센서 어레이(600)를 작동시키도록 구성된다. 표 1에서, 전력 노드들(620₁, 620₂, 620₃)은 각각 PN1, PN2 및 PN3으로 표시된다. 값들 0 및 1은 각각 리턴 및 전력을 나타내고, 각각의 센서 모드에 대해, 전력 및 리턴의 상이한 조합이 전력 노드들(620)에 적용된다. 다른 일 형태에서, 상기 제어 시스템은 전력, 리턴 및/또는 개방 회로 상태의 서로 다른 조합을 포함하는 3개보다 많은 센서 모드를 적용하도록 구성되며, 이하에 제공되어 있는 3개의 감지 모드에 국한되어서는 아니 된다.

도 7은 상기 3개의 감지 모드 동안 측정된 전기 특성에 기초하여 각각의 저항 요소(610)의 저항을 계산하기 위해 상기 제어 시스템에 의해 수행되는 대표적인 감지 루틴(700)을 보여준다. 더 구체적으로, 이하의 예를 들어, 상기 감지 시스템의 저항 측정 특징을 설명하기 위해, 상기 저항 요소들(610₁, 610₂, 610₃)의 저항은 1Ω, 3Ω, 및 2Ω인 것으로 가정된다.

참조 번호 710에서, 상기 제어 시스템은 k 번째 모드를 1로 설정하고 모드 K1을 상기 센서 어레이(600)에 적용한다. 따라서, 상기 노드들(PN1, PN2)은 리턴에 연결되고, PN3은 전력에 연결된다. 간결성을 위해, 전력은 1V로서 제공된다.

작동시, 720에서, 상기 제어 시스템은 적용된 모드에 대해 상기 센서 어레이(600)의 전기적 특성을 측정 및 저장한다. 예를 들어, 상기 제어 시스템은 상기 전력 노드들(620₁, 620₂, 620₃) 각각을 통해 흐르는 전류를 각각 i₁, i₂ 및 i₃으로서 측정하고, 상기 노드들에 인가되는 전압을 측정한다. 여기서, 단지 설명의 목적으로, 상기 전력 노드들(620)을 통한 전류는 상기 저항 요소들(610)의 알려진 저항값들 및 상기 노드들(620)에 인가된 전압들을 사용하여 계산된다. 예를 들어, 노드(620₁)를 통한 전류는

이고, 여기서 R₁₂ 및 R₁₃은 각각 저항 요소들(610₁, 610₃)의 저항이다. 유사한 계산을 사용하여, 전력 노드들(620₂, 620₃)을 통한 전류는 각각 i₂ = -0.333A 이고 i₃ = 0.833A 인 것으로 결정된다.

도 7을 참조하면, 730에서, 상기 제어 시스템은 k를 증가시키고, 740에서 k가 총 모드 개수보다 큰 지(다시 말하면, k > m)를 결정한다. 다시 말하면, 상기 제어 시스템은 상기 센서 어레이가 모든 모드들을 통해 인덱싱되었는지를 결정한다. k가 총 모드 개수보다 작을 경우, 상기 제어 시스템은 750에서 모드 k를 상기 센서 어레이에 적용하고 전기적 특성을 측정하기 위해 720으로 복귀한다. 이것이 모드 K1부터 상기 센서 어레이(600)에 관련된 것이므로, 상기 제어 시스템은 모드 K2 및 K3을 적용하고, 상기 센서 어레이(600)의 전기적 특성을 측정 및 저장한다. 이하의 표 2는 상기 모드들 각각에 대한 각각의 전력 노드를 통한 전류를 요약한 것이다.

전류
모드들	i₁	i₂	i₃
K1	-0.500	-0.333	0.833
K2	-1.000	1.333	-0.333
K3	1.500	-1.000	-0.500

상기 제어 시스템이 상기 모드들 모두를 통해 인덱싱한 경우, 760에서, 상기 제어 시스템은 수학식 2를 사용하여 상기 모드들(K1, K2, K3) 각각에 대해 상기 센서 어레이(600)에 의해 생성된 총 전력을 계산한다. 예를 들어, 모드(K1)에 대해, 총 전력은 p₁ = i ₁ v ₁ + i ₂ v ₂ + i ₃ v ₃ = 0.833W 이다. 마찬가지로, 모드들(K2, K3)의 총 전력은 p₂ = 1.333W and p₃= 1.500W와 동일한다. 여기서, 상기 저항 요소들(610)의 저항이 알려져 있으므로, 각각의 모드 동안 각각의 저항 요소(610)에 인가된 전력의 합을 취함으로써 총 전력이 확인될 수 있다. 예를 들어, 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 각각 모드들(K1, K2, K3)에 대해 각각의 저항 요소(610)에 인가되는 전력을 보여준다. 예시된 바와 같이, 모드(K1)에 대한 총 전력은 p1 = pR12 + pR13 + pR23 = 0.000 + 0.500 + 0.333 = 0.833W이며, 이는 p1 = i1v1 + i2 v2 + i3 v3 = 0.833W와 동일하다. 따라서, 모드 K1, K2 및 K3에 대한 총 전력(K1)은 p₁= p_R12 + p_R13 + p_R23 = 0.000 + 0.500 + 0.333 = 0.833W이고 이는 p₁ = i ₁ v ₁ + i ₂ v ₂ + i ₃ v ₃ = 0.833W와 동일하다. 따라서, 모드들(K1, K2, K3)에 대한 총 전력(

)은 p1, p2 및 p3이며 이하의 행렬로 표현된다.

760으로부터, 상기 제어 시스템은 770에서 수학식 6 및 7을 사용하여 컨덕턴스를 구한다. 다시 말하면, 상기 제어 시스템은 상기 결정된 전력 및 각각의 모드에 대해 상기 저항 요소들에 인가된 전압들에 기초하여 저항 요소들의 컨덕턴스를 계산한다. 예를 들어, 센서 어레이(600)에 관련하여, 각각의 모드에 대해, 상기 모드들 모두를 포함하는

및

행렬은 완전한 정방 행렬이고 이하에 제공되어 있다. 또한, 수학식 7에서 제공된 바와 같은 컨덕턴스를 결정하기 위해, S 행렬의 역수가 결정되고 전력 행렬(

)에 의해 곱해지고 결과적으로는 각각의 저항 요소(610)에 대한 컨덕턴스가 획득된다.

위의 내용에 기초하여, 상기 저항 요소들의 저항(610₁(R₁₂), 610₂(R₂₃), 610₃(R₁₃))의 저항은 1Ω, 3Ω 및 2Ω으로 계산된다. 따라서, 여기에서 설명한 바와 같이, 표 1에 제공된 3개의 감지 모드에 따라 상기 센서 어레이(600)를 작동시킴으로써, 저항 요소들(610)의 저항들은 이러한 모드들 동안 취해진 전기적 특성에 기초하여 계산된다. 작동 동안, 상기 제어 시스템은 전기적 특성을 측정하도록(다시 말하면, 상기 모드들 각각에 대해 각각의 노드에 인가된 전류 및 전압을 측정하도록) 구성된다. 그리고 나서, 이러한 데이터는 여기에서 설명한 알고리즘을 사용하여 소비된 총 전력을 결정한 다음에 저항을 결정하는 데 사용된다.

계속해서 도 7을 참조하면, 상기 제어 시스템(780)은 상기 저항을 사용하여, 알고리즘 및/또는 룩업 테이블을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지 않는 사전에 결정된 상관 정보를 사용하여 상기 저항 요소(610)에 의해 검출 가능한 물리적인 매개변수를 결정한다.

본 개시내용의 감지 시스템은 감소된 배선 개수로 다수의 영역에서 온도를 측정하여 상기 센서 어레이를 전력에 접속하도록 구성된다. 구체적으로는, 각각의 저항 요소가 물리적인 매개변수를 측정하기 위한 센서이고, 다중-병렬 구성에서, 예를 들어 6개의 센서를 지니는 센서 어레이는 4개의 배선을 필요로 한다. 이와는 반대로, 센서들이 공통 노드를 공유하는 기존의 시스템에서는 여전히 7개의 배선이 필요하다. 또한, 상기 물리적인 매개변수는 계산된 저항에 기초하여 결정되며, 이는 또한 상기 시스템의 전력에 기초한다.

본 개시내용의 교시에 의하면, 본원 명세서에 기재되어 있는 방법은 컴퓨터 시스템에 의해 실행 가능한 소프트웨어 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 또한, 대표적이고 비-제한적인 실시 예에서, 구현은 분산 프로세싱, 구성요소/객체 분산 프로세싱 및 병렬 프로세싱을 포함할 수 있다. 대안으로, 가상 컴퓨터 시스템 프로세싱은 본원 명세서에 기재되어 있는 바와 같은 하나 이상의 방법 또는 기능을 구현하도록 구성될 수 있다.

또한, 본원 명세서에 기재되어 있는 방법은 컴퓨터-판독가능 매체로 구체화될 수 있다. "컴퓨터-판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 명령어 세트들을 저장하는 중앙집중 또는 분산 데이터베이스, 및/또는 관련 캐시 및 서버와 같은 단일 매체 또는 다중 매체를 포함한다. "컴퓨터-판독가능 매체"라는 용어는 또한 프로세서에 의한 실행을 위한 명령어 세트를 저장, 인코딩 또는 반송할 수 있거나 컴퓨터 시스템이 본원 명세서에 개시되어 있는 하나 이상의 방법 또는 작동을 수행하게 하는 임의의 매체를 포함할 것이다.

다른 실시 예들에서, 주문형 집적 회로, 프로그램가능 로직 어레이 및 다른 하드웨어 장치와 같은 전용 하드웨어 구현은 본원 명세서에 기재되어 있는 하나 이상의 방법을 구현하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예의 장치 및 시스템을 포함할 수 있는 애플리케이션은 다양한 전자 및 컴퓨터 시스템을 광범위하게 포함할 수 있다. 본원 명세서에 기재되어 있는 하나 이상의 실시 예는 모듈들 사이에서 그리고 모듈을 통해 통신될 수 있는 관련 제어 및 데이터 신호를 지니는 2개 이상의 특정 상호접속 하드웨어 모듈 또는 장치를 사용하여, 또는 주문형 집적 회로의 일부로서 기능을 구현할 수 있다. 따라서, 본원 시스템은 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어 구현을 포함한다.

또한, 여기서 유념할 점은 기재되어 있는 토폴로지들 중 어느 토폴로지라도 프로세싱 방법들 중 어느 프로세싱 방법과 함께 사용될 수 있다는 것이다. 또한, 하나의 토폴로지 또는 방법과 관련하여 기재되어 있는 특징들은 다른 토폴로지들 또는 방법들과 함께 사용될 수 있다.

본 개시내용의 교시에 의하면, 본원 명세서에 기재되어 있는 방법들은 컴퓨터 시스템에 의해 실행 가능한 소프트웨어 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 또한, 대표적이고 비-제한적인 실시 예에서, 구현은 분산 프로세싱, 구성요소/객체 분산 프로세싱 및 병렬 프로세싱을 포함할 수 있다. 대안으로, 가상 컴퓨터 시스템 프로세싱은 본원 명세서에 기재되어 있는 바와 같은 하나 이상의 방법 또는 기능을 구현하도록 구성될 수 있다.

통상의 기술자라면 쉽게 이해하겠지만, 상기의 설명은 본 발명의 원리를 예시하기 위한 것이다. 이러한 설명은 이하의 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 본 발명이 수정, 변형 및 변경될 수 있다는 점에서 본 발명의 범위 또는 적용을 제한하려는 것이 아니다.

Claims

감지 시스템으로서,
복수 개의 노드들에 연결된 복수 개의 저항 요소들; 및
각각의 저항 요소에 대한 전기적 특성을 측정하기 위해 복수의 모드들을 통해 인덱싱하도록 구성된 제어 시스템 - 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드는 상기 복수 개의 노드들 각각에 적용되는 전력, 리턴 또는 개방 회로 상태의 상이한 조합을 나타냄 -;
을 포함하며,
상기 제어 시스템은, 물리적인 매개변수를 결정하기 위해, 상기 측정된 전기적 특성에 기초하여 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력 및 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력을 상기 모드들 각각에 대해 계산하도록 구성되는, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 소비된 총 전력, 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력, 및 사전에 저장된 알고리즘들에 기초하여 상기 저항 요소들의 저항을 계산하도록 구성되고, 바람직하게는 상기 저항이 무어-펜로즈 유사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse)을 사용하여 결정되는, 감지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어 시스템은 온도, 스트레인, 광 강도 또는 가스 농도 중 적어도 하나를 상기 계산된 저항에 기초하여, 바람직하게는 상기 계산된 저항 및 하나 이상의 저항값을 상기 물리적인 매개변수의 하나 이상의 값들에 관련시키는 사전에 결정된 상관 정보에 기초하여 상기 감지 시스템의 물리적인 매개변수로서 결정하도록 구성되는, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어 시스템은, 개방 또는 단락 회로 상태를 테스트하는 것; 그라디언트 및 변화율과 같은 도함수 센서 정보를 계산하는 것; 상기 감지 시스템의 초과 온도 범위를 결정하는 것; 및 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력 및 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력에 기초하여 상기 복수 개의 저항 요소들의 총 컨덕턴스를 계산하는 것; 중의 적어도 하나 이상을 수행하도록 구성되는, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
복수의 모드들의 개수는 저항 요소들의 개수보다 많거나 같은, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 저항 요소들 각각은 상기 복수 개의 노드들로부터의 한 쌍의 노드들 사이에 접속되는, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 저항 요소들은 온도 의존적인 전기 저항을 지니는 전기 전도성 재료로 구성되는, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
각각의 모드는 선형적으로 서로 독립적인 한 세트의 전압들을 지니는, 감지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 전기적 특성 또는 물리적인 매개변수 중 적어도 하나를 네트워크 제어기를 통해 외부 장치와 통신하도록 구성되는, 감지 시스템.
복수 개의 노드들에 연결된 복수 개의 저항 요소들을 지니는 센서 시스템의 온도를 측정하는 방법에 있어서,
상기 방법은,
각각의 저항 요소에 대한 전기적 특성을 측정하기 위해 복수 개의 모드들을 통해 인덱싱하는 단계 - 상기 복수 개의 모드들 중의 각각의 모드는 상기 복수 개의 노드들 각각에 적용되는 전력, 리턴 또는 개방 회로 상태의 상이한 조합을 나타냄 -; 및
상기 센서 시스템의 물리적인 매개변수를 결정하기 위해, 각각의 모드에 대해, 상기 측정된 전기적 특성에 기초하여 상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력 및 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비되는 전력을 계산하는 단계;
를 포함하는, 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 방법은,
상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력 및 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력에 기초하여, 바람직하게는 무어-펜로즈 유사역행렬(Moore-Penrose pseudoinverse)을 사용하여 상기 저항 요소들의 저항을 계산하는 단계; 및
상기 저항 요소들의 저항 및 하나 이상의 저항값을 상기 물리적인 매개변수의 하나 이상의 값들에 관련시키는 사전에 결정된 상관 정보에 기초하여 상기 물리적인 매개변수를 결정하는 단계;
를 포함하는, 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 방법은,
상기 감지 시스템에 의해 소비된 총 전력 및 상기 저항 요소들 각각에 의해 소비된 전력에 기초하여 복수 개의 서멀 요소들의 총 컨덕턴스를 계산하는 단계;
를 더 포함하는, 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 방법은,
상기 감지 시스템의 초과 온도 범위를 결정하는 단계;
를 더 포함하는, 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 방법은,
개방 또는 단락 상태를 테스트하는 단계;
를 더 포함하는, 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 방법은,
그라디언트 및 변화율과 같은 도함수 센서 정보를 계산하는 단계;
를 더 포함하는, 감지 시스템의 온도를 측정하는 방법.