KR20210019196A - capacitive pressure sensor and applications using the same - Google Patents

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KR20210019196A
KR20210019196A KR1020190098043A KR20190098043A KR20210019196A KR 20210019196 A KR20210019196 A KR 20210019196A KR 1020190098043 A KR1020190098043 A KR 1020190098043A KR 20190098043 A KR20190098043 A KR 20190098043A KR 20210019196 A KR20210019196 A KR 20210019196A
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최동수
김상연
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한국기술교육대학교 산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, provided is a pressure sensor, which comprises: a first electrode layer compressed in accordance with application of external pressure; a first dielectric layer arranged on the first electrode layer; a second dielectric layer arranged under the first electrode layer; a second electrode layer arranged under the second dielectric layer along a first direction; a third dielectric layer arranged under the second electrode layer; and a third electrode layer arranged under the third dielectric layer and arranged along a second direction perpendicular to the second electrode layer.

Description

정전용량형 압력 센서 및 이를 이용한 어플리케이션{capacitive pressure sensor and applications using the same}Capacitive pressure sensor and applications using the same

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극과 유전체를 이용하는 정전용량형 압력 센서 및 이를 이용한 어플리케이션에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly, to a capacitive pressure sensor using an electrode and a dielectric and an application using the same.

인체의 피부는 인간이 외부와 소통할 수 있는 가장 기본적이고 중요한 5가지 감각(시각·청각·후각·미각·촉각) 중 하나인 촉각을 담당하며 아주 미세한 벌레의 움직임부터 거친 직물, 그리고 부드럽거나 단단한 표면을 감지할 수 있도록 해준다. 또한, 맥박, 혈압, 뇌파, 땀 등 인체의 신진 대사와 생리 작용에 의해 나타나는 다양한 생체 정보를 지니고 있는 넓은 표면적의 유기체이다.The human skin is responsible for the sense of touch, one of the five most basic and important senses (sight, hearing, smell, taste, and touch) that humans can communicate with the outside, from very fine insect movements to rough fabrics, and soft or hard. It allows you to detect the surface. In addition, it is an organism with a large surface area that has various biometric information, such as pulse, blood pressure, brain waves, and sweat, which are displayed by human metabolism and physiological actions.

최근 들어 피부와 유사한 변형에도 시스템의 전기·기계적 성능이 저하되지 않는 신축성 전자 기술(stretchable electronics)과 매우 가볍고 유연하여 착용감이 뛰어난 웨어러블 전자 기술(wearable electronics)의 발전과 더불어 인체 피부의 여러 기능을 모사하는 인공 전자피부 기술에 대한 연구가 활발히 진행중이다.In recent years, with the development of stretchable electronics that do not degrade the electrical/mechanical performance of the system even with skin-like deformations and wearable electronics that are very lightweight and flexible, they are comfortable to wear, and simulate various functions of human skin. Research on artificial electronic skin technology is actively underway.

한편, 인간의 피부에 존재하는 기계적 감각 수용기는 접촉이나 압력, 피부의 변형, 진동 등을 감지하는 수용기로 이를 모사하는 센서의 제작 역시 특정 적합 자극을 설정하고 그에 맞는 구조와 재료를 이용해야 한다.On the other hand, the mechanical sensory receptors present in human skin are receptors that sense contact, pressure, skin deformation, vibration, etc., and the fabrication of a sensor that simulates this should also set a specific suitable stimulus and use a suitable structure and material.

가장 보편적인 기계적 센서는 수직 압력(Normal pressure)을 측정하는 센서이다. 수직 압력을 측정하는 방법으로는 크게 압전 저항식(Piezoelectric resistive type), 정전 용량식(Capacitance type), 압전 소자(Piezoelectric element) 방식이 존재하며, 이러한 센서들은 일반적으로 센서에 가해지는 물리적인 압력을 저항, 전류, 전압, 정전 용량 등의 전기적 신호 변화로 전환해주는 일종의 변환기(transducer) 기능을 한다.The most common mechanical sensor is a sensor that measures normal pressure. There are largely piezoelectric resistive type, capacitance type, and piezoelectric element methods to measure the vertical pressure, and these sensors generally measure the physical pressure applied to the sensor. It functions as a kind of transducer that converts electrical signal changes such as resistance, current, voltage, and capacitance.

한편, 일본등록특허공보 제6311341호에는 압력으로 휘어진 다이어프램(diaphram)이 대향면으로 접촉해 압력을 검지하는 정전용량형 압력 센서가 개시되어 있다.On the other hand, Japanese Patent Application Publication No. 6311341 discloses a capacitive pressure sensor in which a diaphragm bent by pressure comes into contact with an opposite surface to detect pressure.

상기 기술의 경우 다이어프램의 초기 변형을 억제하여 압력 센서의 측정 정도를 안정시킬 수 있는 장점이 있으나, 구조가 복잡하고 압력의 인가된 위치를 정밀하게 측정하기 어려운 단점이 있다.In the case of the above technology, the initial deformation of the diaphragm can be suppressed and the measurement accuracy of the pressure sensor can be stabilized. However, the structure is complicated and it is difficult to accurately measure the applied position of the pressure.

일본등록특허공보 제6311341호Japanese Patent Publication No. 6311341

본 발명은 유전체 사이에 가로 또는 세로 전극행열을 배치시켜 압력이 인가된 위치 및 그에 따른 변화량을 구간별로 좀 더 정밀하게 파악할 수 있는 압력 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a pressure sensor capable of more accurately grasping a position to which pressure is applied and an amount of change according thereto by arranging a horizontal or vertical electrode matrix between dielectrics.

또한, 상기 압력 센서를 이용하여 로봇 분야, 디스플레이 분야 등 다양한 어플리케이션에 활용하도록 하는데 그 목적이 있다.In addition, there is an object to use the pressure sensor in various applications such as a robot field and a display field.

본 발명의 실시예에 따르면 외부 압력 인가에 따라 압축되는 제 1 전극층과, 상기 제 1 전극층 위에 배치되는 제 1 유전체층과, 상기 제 1 전극층 아래에 배치되는 제 2 유전체층과, 상기 제 2 유전체층 아래에 제 1 방향을 따라 배치되는 제 2 전극층과, 상기 제 2 전극층 아래에 배치되는 제 3 유전체층 및 상기 제 3 유전체층 아래에 배치되고 상기 제 2 전극층과 직교하는 제 2 방향을 따라 배치되는 제 3 전극층을 포함하는 압력 센서를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a first electrode layer compressed according to the application of external pressure, a first dielectric layer disposed on the first electrode layer, a second dielectric layer disposed under the first electrode layer, and under the second dielectric layer A second electrode layer disposed along a first direction, a third dielectric layer disposed under the second electrode layer, and a third electrode layer disposed under the third dielectric layer and disposed along a second direction orthogonal to the second electrode layer. It provides a pressure sensor including.

바람직하게는, 상기 제 2 전극층과 제 3 전극층은 적어도 하나 이상의 전극들로 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the second electrode layer and the third electrode layer are formed of at least one or more electrodes.

바람직하게는, 상기 제 1 전극층, 제 2 전극층, 제 3 전극층, 제 1 유전체층, 제 2 유전체층 및 제 3 유전체층은 투명하고 신축성 재질인 것을 특징으로 한다.Preferably, the first electrode layer, the second electrode layer, the third electrode layer, the first dielectric layer, the second dielectric layer, and the third dielectric layer are made of a transparent and stretchable material.

바람직하게는, 상기 제 2 전극층과 상기 제 3 전극층은 각각의 전극들 사이에 적어도 하나 이상의 이격부가 형성되어 상기 제 2 유전체층 및 상기 제 3 유전체층의 일부가 상기 적어도 하나 이상의 이격부에 각각 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the second electrode layer and the third electrode layer are configured such that at least one spacer is formed between respective electrodes, so that a part of the second dielectric layer and the third dielectric layer is inserted into the at least one or more spacer portions, respectively. It is characterized by being.

바람직하게는, 상기 적어도 하나 이상의 이격부에 의해 각각의 전극이 일정한 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 한다.Preferably, each of the electrodes is arranged at regular intervals by the at least one spacer.

바람직하게는, 상기 제 2 전극층은 상기 제 3 전극층보다 상기 제 1 유전체층에 가깝게 배치되고, 상기 제 2 전극층은 캐소드(Cathode)이고, 상기 제 3 전극층은 애노드(Anode)인 것을 특징으로 한다.Preferably, the second electrode layer is disposed closer to the first dielectric layer than the third electrode layer, the second electrode layer is a cathode, and the third electrode layer is an anode.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 압력 센서를 이용하여 로봇 암의 관절 부분에 배치되는 근방추를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a muscle spindle disposed on a joint portion of a robot arm is provided using the pressure sensor.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 압력 센서를 이용하여 로봇 암의 손가락 부분에 어레이 형태로 배치되는 인공 피부를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, an artificial skin disposed in an array form on a finger portion of a robot arm is provided using the pressure sensor.

본 발명의 실시예에 따르면, 유전체 사이에 가로 또는 세로 전극행열을 교대로 배치시켜 구간별로 압력 인가 위치 및 그에 따른 변화량을 구간별로 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by alternately arranging horizontal or vertical electrode matrices between dielectrics, it is possible to accurately measure a pressure application position and a corresponding change amount for each section.

또한, 본 발명의 압력센서를 인공 근방추, 인공 피부 및 디스플레이 분야 등 다양한 분야에 적용하여 접촉 여부, 강도 등을 좀 더 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, by applying the pressure sensor of the present invention to various fields such as artificial muscle spindle, artificial skin, and display field, there is an effect that it is possible to more accurately measure contact or strength.

도 1은 일반적인 정전용량형 압력 센서의 기본 원리를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 센서의 전체적인 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 절단면 A-A' 및 B-B'의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 센서의 작용 형태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 압력 센서의 적용예를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the basic principle of a general capacitive pressure sensor.
2 is an overall perspective view of a pressure sensor according to the present invention.
3 is a cross-sectional view of the cut planes AA' and B-B' shown in FIG. 2.
4 is a view showing an action form of the pressure sensor according to the present invention.
5 is a view showing an application example of the pressure sensor according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to elements of each drawing, it should be noted that the same elements have the same numerals as possible, even if they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, a preferred embodiment of the present invention will be described below, but the technical idea of the present invention is not limited thereto or is not limited thereto, and may be modified and variously implemented by a person skilled in the art.

유전체(dielectric material)는 전기장 안에서 극성을 지니게 되는 절연체로서, 도체와 달리 유전체는 절연체이므로 전하가 통과되지 않는다. 다만 양전하에 대해서는 유전체의 음전하가, 음전하에 대해서는 유전체의 양전하가 늘어서게 되어 극성을 띠게 된다. 그 결과 유전체가 갖는 고유한 유전율에 따른 유전 상수만큼 전기장의 전위차는 감소하게 되며 유전체는 감소한 전위차에 해당하는 에너지를 저장하게 된다.A dielectric material is an insulator that has a polarity in an electric field, and unlike a conductor, a dielectric material is an insulator so that no charge passes through it. However, for positive charges, the negative charge of the dielectric increases, and for negative charges, the positive charge of the dielectric increases, resulting in polarity. As a result, the potential difference of the electric field decreases as much as the dielectric constant according to the inherent permittivity of the dielectric, and the dielectric stores energy corresponding to the decreased potential difference.

도 1은 일반적인 정전용량형 압력 센서의 기본 원리를 나타낸 도면이다. 일반적으로 상, 하 두 전극(1') 사이에 위치한 유전체(2')에 대한 정전용량(C)은 하기 식과 같이 표현될 수 있다.1 is a diagram showing the basic principle of a general capacitive pressure sensor. In general, the capacitance C for the dielectric 2 ′ positioned between the upper and lower electrodes 1 ′ may be expressed by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

도 1(a)의 상태와 같이 정전용량(C)은 유전체(2')의 유전상수(ε)와 두 전극(1') 판의 넓이(A)에 비례하고 유전체(2')의 두께(d)에 반비례한다.As in the state of Fig. 1(a), the capacitance C is proportional to the dielectric constant ε of the dielectric 2'and the width A of the two electrodes 1', and the thickness of the dielectric 2' It is inversely proportional to d).

이 때, 외부 압력이 전극(1')판에 인가되어 두 전극(1')판의 넓이와 두께가 변화한다면, 정전용량 또한 도 1(b)의 상태와 같이 변화하게 된다.At this time, if external pressure is applied to the electrode 1'plate and the width and thickness of the two electrode 1'plates change, the capacitance also changes as shown in FIG. 1(b).

Figure pat00002
Figure pat00002

변화된 정전용량(C')은 초기 정전용량에 비해 커지게 된다(C < C')The changed capacitance (C') becomes larger than the initial capacitance (C <C')

도 1에 도시된 일반적인 정전용량형 압력 센서의 경우 높은 신축성 및 투명도를 가진다는 점에서 장점이 있으나, 기타 압전소자(piezoelectric element) 방식이나 압저항(piezoelectric resistive) 방식에 비해 센싱 범위가 좁고 응답 속도가 느리다는 단점이 있다.The general capacitive pressure sensor shown in FIG. 1 has advantages in that it has high elasticity and transparency, but has a narrower sensing range and a response speed compared to other piezoelectric element methods or piezoelectric resistive methods. The downside is that it is slow.

도 2는 본 발명에 따른 압력 센서(100)의 전체적인 사시도이다.2 is an overall perspective view of the pressure sensor 100 according to the present invention.

도 2에 도시된 압력 센서(100)는 정전용량형 압력 센서로서, 외부 압력 인가에 따라 압축되는 제 1 전극층(10)과, 제 1 전극층(10) 위에 배치되는 제 1 유전체층(40)과, 제 1 전극층(10) 아래에 배치되는 제 2 유전체층(50)과, 제 2 유전체층 (50) 아래에 제 1 방향을 따라 배치되는 제 2 전극층(20)과, 제 2 전극층(20) 아래에 배치되는 제 3 유전체층(60) 및 제 3 유전체층(60) 아래에 배치되고 제 2 전극층(20)과 직교하는 제 2 방향을 따라 배치되는 제 3 전극층(30)을 포함하여 구성된다.The pressure sensor 100 shown in FIG. 2 is a capacitive pressure sensor, comprising a first electrode layer 10 compressed according to an external pressure application, a first dielectric layer 40 disposed on the first electrode layer 10, and A second dielectric layer 50 disposed under the first electrode layer 10, a second electrode layer 20 disposed in a first direction under the second dielectric layer 50, and disposed under the second electrode layer 20 And a third dielectric layer 60 disposed below the third dielectric layer 60 and disposed along a second direction orthogonal to the second electrode layer 20.

이 때, 제 2 전극층(20)과 제 3 전극층(30)은 각각 적어도 하나 이상의 세로 전극(21)과 가로 전극(31)들로 구성되며, 상기 세로 전극(21)과 가로 전극(31)의 개수는 다양하게 선택될 수 있다. 제 2 전극층(20)이 배치되는 제 1 방향은 세로 방향일 수 있으며, 제 3 전극층(30)이 배치되는 제 2 방향은 가로 방향일 수 있다. 또한 제 1, 2 방향은 서로 직교하는 방향일 수 있다.In this case, the second electrode layer 20 and the third electrode layer 30 are each composed of at least one vertical electrode 21 and a horizontal electrode 31, and the vertical electrode 21 and the horizontal electrode 31 The number can be selected in various ways. A first direction in which the second electrode layer 20 is disposed may be a vertical direction, and a second direction in which the third electrode layer 30 is disposed may be a horizontal direction. Also, the first and second directions may be directions orthogonal to each other.

또한, 제 1 전극층(10), 제 2 전극층(20), 제 3 전극층(30), 제 1 유전체층(40), 제 2 유전체층(50) 및 제 3 유전체층(60)은 투명하고, 외부 압력 인가에 따라 압축이 용이하도록 신축성 재질로 형성될 수 있다. Further, the first electrode layer 10, the second electrode layer 20, the third electrode layer 30, the first dielectric layer 40, the second dielectric layer 50, and the third dielectric layer 60 are transparent, and external pressure is applied. Accordingly, it may be formed of an elastic material to facilitate compression.

상세하게는, 본 발명에서 제 1 전극층(10), 제 2 전극층(20) 및 제 3 전극층(30)은 인듐 주석 산화물(ITO : Indium Tin Oxide), 인듐 아연 산화물(IZO : Indium Zinc Oxide) 등과 같이 투명 전도성 산화물을 스퍼터링(Sputtering)이나 진공증착법(Evaporation) 등을 이용하여 투명한 절연 기판 위에 코팅하여 제작한 것을 사용할 수 있다. 이에 따라 사용되는 제 1 전극층(10), 제 2 전극층(20) 및 제 3 전극층(30)은 외부로부터 가해지는 압력에 의해 압축이 용이하고, 압력이 해제되면 원 상태로 복귀가 용이한 도전성 재질일 수 있다. Specifically, in the present invention, the first electrode layer 10, the second electrode layer 20, and the third electrode layer 30 are indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), and the like. Likewise, a transparent conductive oxide may be coated on a transparent insulating substrate using sputtering or evaporation. Accordingly, the first electrode layer 10, the second electrode layer 20, and the third electrode layer 30 used are a conductive material that is easily compressed by pressure applied from the outside, and is easily returned to its original state when the pressure is released. Can be

또한, 제 1 유전체층(40), 제 2 유전체층(50) 및 제 3 유전체층(60)은 높은 투명도와 굴절율을 보이는 유전체를 사용할 수 있으며, 상세하게는 산화텅스텐, 황화아연, 산화티타늄 또는 이들의 조성물 등이 사용될 수 있다.In addition, the first dielectric layer 40, the second dielectric layer 50, and the third dielectric layer 60 may use a dielectric material having high transparency and refractive index, and in detail, tungsten oxide, zinc sulfide, titanium oxide, or a composition thereof Etc. can be used.

한편, 도 2의 좌측 상태와 같이 압력 센서(100)는 제 1 유전체층(40), 제 1 전극층(10), 제 2 유전체층(50), 제 2 전극층(20), 제 3 유전체층(60), 제 3 전극층(30)의 순서대로 적층되어 도 2의 우측 상태와 같이 어레이 형태로 구성된다.Meanwhile, as shown in the left state of FIG. 2, the pressure sensor 100 includes a first dielectric layer 40, a first electrode layer 10, a second dielectric layer 50, a second electrode layer 20, and a third dielectric layer 60, The third electrode layers 30 are stacked in order and configured as an array as shown in the right state of FIG. 2.

도 3은 도 2에 나타낸 절단면 A-A' 및 B-B'의 단면도이다. 도 3(a)에서 압력 센서(100)의 A-A'에서의 절단된 단면을 도시하고 있다. 도 2의 설명에서 언급한 바와 같이, 제 1 유전체층(40), 제 1 전극층(10), 제 2 유전체층(50), 제 2 전극층(20), 제 3 유전체층(60), 제 3 전극층(30)의 순서대로 적층되어 도 2의 우측 상태와 같이 어레이 형태로 구성된다. 3 is a cross-sectional view of the sectional planes A-A' and B-B' shown in FIG. 2. Fig. 3(a) shows a cutaway cross section of the pressure sensor 100 at A-A'. As mentioned in the description of FIG. 2, the first dielectric layer 40, the first electrode layer 10, the second dielectric layer 50, the second electrode layer 20, the third dielectric layer 60, and the third electrode layer 30 ) Are stacked in the order of) and configured as an array as shown in the right state of FIG.

이 때, 제 2 전극층(20)은 적어도 하나 이상의 세로 전극(21)들로 구성되며, 각각의 세로 전극(21)들 사이에는 제 1 방향(세로 방향)으로 이격부(70)가 형성된다. 제 2 전극층(20) 위에 배치된 제 2 유전체층(50)의 일부가 이격부(70) 내에 삽입될 수 있고, 각각의 이격부(70)에 의해 이격되어 배치된 각각의 세로 전극(21)이 구간(구획)을 형성할 수 있다. 따라서 각각의 이격부(70)에 의해 각각의 세로 전극(21)이 일정한 간격을 두고 배치되게 된다.At this time, the second electrode layer 20 is composed of at least one or more vertical electrodes 21, and a spacer 70 is formed between the vertical electrodes 21 in a first direction (vertical direction). A part of the second dielectric layer 50 disposed on the second electrode layer 20 may be inserted into the spacer 70, and each vertical electrode 21 spaced apart by each spacer 70 is Sections (compartments) can be formed. Therefore, the vertical electrodes 21 are arranged at regular intervals by the respective spacers 70.

마찬가지로, 도 3(b)에서는 압력 센서(100)의 B-B'에서의 절단된 단면을 도시하고 있는데, 제 3 전극층(30)은 적어도 하나 이상의 가로 전극(31)들로 구성되며, 각각의 가로 전극(31)들 사이에는 제 2 방향(가로 방향)으로 이격부(71)가 형성된다. 제 3 전극층(30) 위에 배치된 제 3 유전체층(60)의 일부가 이격부(71) 내에 삽입될 수 있고, 각각의 이격부(71)에 의해 이격되어 배치된 각각의 가로 전극(31)이 구간(구획)을 형성할 수 있다. 따라서 각각의 이격부(71)에 의해 각각의 가로 전극(21)이 일정한 간격을 두고 배치되게 된다.Likewise, FIG. 3(b) shows a cross-section taken along B-B′ of the pressure sensor 100, wherein the third electrode layer 30 is composed of at least one or more horizontal electrodes 31, and each A spacer 71 is formed between the horizontal electrodes 31 in a second direction (horizontal direction). A part of the third dielectric layer 60 disposed on the third electrode layer 30 may be inserted into the spaced portion 71, and each horizontal electrode 31 spaced apart by each of the spaced portions 71 Sections (compartments) can be formed. Therefore, each of the horizontal electrodes 21 are arranged at regular intervals by the respective spacers 71.

상기와 같은 제 2 전극층(20)은 제 3 전극층(30)보다 제 1 유전체층(40)에 가깝게 배치되며, 제 2 전극층(20)이 캐소드(Cathode), 제 3 전극층(30)이 애노드(Anode) 기능을 할 수 있다.The second electrode layer 20 as described above is disposed closer to the first dielectric layer 40 than the third electrode layer 30, the second electrode layer 20 is a cathode, and the third electrode layer 30 is an anode. ) Can function.

한편, 도 3에 도시된 제 1 전극층(10)은 일종의 쉴딩 전극(shielding electrode)이며, 외부에 위치한 전자적 장치의 정전용량 변화에 대응하기 위해 배치된다. Meanwhile, the first electrode layer 10 shown in FIG. 3 is a type of shielding electrode, and is disposed to respond to a change in capacitance of an external electronic device.

또한 제 1 전극층(10)은, 상, 하부에 각각 제 1 유전체층(40) 및 제 2 유전체층(50)이 배치되어 제 2 유전체층(50) 아래에 배치된 제 2, 3 전극층(20, 30)이 제 1 유전체층(40) 상부와 이격된다. 따라서, 외부 전자 장치와 제 2 유전체층(50) 아래에 배치된 제 2, 3 전극층(20, 30) 사이에 발생하는 기생 커패시턴스(capacitance)에 따른 압력센서(100) 전체의 정전용량값이 감소되는 것을 최소화 할 수 있다.In addition, the first electrode layer 10 includes a first dielectric layer 40 and a second dielectric layer 50 disposed at the top and bottom, respectively, and the second and third electrode layers 20 and 30 disposed under the second dielectric layer 50. It is spaced apart from the top of the first dielectric layer 40. Accordingly, the capacitance value of the entire pressure sensor 100 is reduced according to the parasitic capacitance generated between the external electronic device and the second and third electrode layers 20 and 30 disposed under the second dielectric layer 50. Can be minimized.

도 4는 본 발명에 따른 압력 센서(100)의 작용 형태를 나타낸 도면이다. 4 is a view showing an operation form of the pressure sensor 100 according to the present invention.

도 4(a)에 도시된 초기 상태에서 압력을 인가하게 되면 도 4(b)와 같은 상태로 변화된다. 도 4(b)의 상태에서, 복수의 전극층(10, 20, 30) 및 복수의 유전체(40, 50, 60)는 매우 소프트(soft)한 성질을 가지고 신축성이 높아 두께가 얇아지면서 압력 센서(100)의 전체적인 정전용량이 증가하게 된다.When pressure is applied in the initial state shown in Fig. 4(a), it changes to the same state as in Fig. 4(b). In the state of Fig. 4(b), the plurality of electrode layers 10, 20, 30 and the plurality of dielectrics 40, 50, 60 have very soft properties, have high elasticity, and have a thin thickness while reducing the pressure sensor ( 100) will increase the overall capacitance.

이 때, 제 2 전극층(20), 제 3 전극층(30)의 각각의 전극들 사이에 형성된 적어도 하나 이상의 이격부(70, 71)로 인해 각각의 이격부(70, 71)에 의해 이격되어 배치된 각각의 세로 전극(21) 및 가로 전극(31) 간 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 복수의 구간이 형성되어 구간별로 인장 변화 측정이 가능하며 종래 단일 전극층을 사용하는 방식에 비해 좀 더 정밀한 센싱이 가능하게 된다. At this time, the second electrode layer 20 and the third electrode layer 30 are arranged to be spaced apart by each of the spacers 70 and 71 due to at least one spacer 70 and 71 formed between the respective electrodes. A plurality of sections are formed along the first and second directions between each of the vertical electrodes 21 and the horizontal electrodes 31, so that the tensile change can be measured for each section, and is more precise than the method using a conventional single electrode layer. Sensing becomes possible.

또한, 제 1 방향을 따라 복수의 세로 전극(21) 어레이를 형성하고, 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향을 따라 복수의 가로 전극(31) 어레이를 형성하여 구간을 형성하므로, 복수의 세로 전극(21)과 가로 전극(31)의 교차에 따라 구간이 다양하게 형성되어 센싱 범위를 더 다양하게 설정할 수 있다.In addition, since an array of a plurality of vertical electrodes 21 is formed along a first direction and an array of a plurality of horizontal electrodes 31 is formed along a second direction orthogonal to the first direction to form a section, a plurality of vertical electrodes According to the intersection of 21 and the horizontal electrode 31, various sections are formed, so that the sensing range can be set more variously.

도시되지는 않았으나 상기 압력 센서(100)에는 정전용량 측정부가 연결될 수 있고, 상기 정전용량 측정부는 외력이 가해지지 않은 상태에서 압력 센서(100)의 기준 정전용량을 측정한 다음, 외력이 가해진 상태에서 압력 센서(100)의 정전용량을 측정하여 변화된 값을 얻을 수 있다.Although not shown, a capacitance measuring unit may be connected to the pressure sensor 100, and the capacitance measuring unit measures the reference capacitance of the pressure sensor 100 in a state in which no external force is applied, and then in a state in which an external force is applied. A changed value can be obtained by measuring the capacitance of the pressure sensor 100.

도 5는 본 발명에 따른 압력 센서의 적용예를 나타낸 도면이다.5 is a view showing an application example of the pressure sensor according to the present invention.

근방추(muscle spindle)는 근육의 길이 변화에 반응하는 수용기로서, 근육이 늘어나는 것을 감지하는 인체의 구성이며, 인체의 피부는 맥박, 혈압, 뇌파, 땀 등 인체의 신진 대사와 생리 작용에 의해 나타나는 다양한 생체 정보를 지니고 있는 넓은 표면적의 유기체이다. 상기 도 2 내지 4에서 설명한 정전용량형 압력 센서(100)의 경우 로봇 분야에 응용하여 인공 근방추나 인공 피부 등으로 활용될 수 있다.The muscle spindle is a receptor that responds to changes in the length of the muscle, and is the constitution of the human body that detects the stretching of the muscle, and the skin of the human body has various metabolism and physiological actions such as pulse, blood pressure, brain waves, and sweat. It is an organism with a large surface area with biometric information. The capacitive pressure sensor 100 described in FIGS. 2 to 4 may be applied to a robot field and used as an artificial muscle spindle or artificial skin.

상세하게는, 도 5에 도시된 바와 같이 로봇 암(200)의 손목 관절 부분에 배치되어 인체의 인대와 같은 기능을 하는 근방추(201)로서 이용될 수 있다. 로봇 암(200) 손목 관절의 움직임에 따라 압력 센서(100)의 정전용량 변화를 감지하여 손목 관절의 인장 정도를 정밀하게 측정할 수 있다. In detail, as shown in FIG. 5, it may be used as a muscle spindle 201 that functions like a ligament of a human body by being disposed on a wrist joint portion of the robot arm 200. By detecting a change in capacitance of the pressure sensor 100 according to the movement of the wrist joint of the robot arm 200, the degree of tension of the wrist joint may be accurately measured.

또는, 로봇 암(200)의 손가락 부분에 어레이 형태로 배치되어 인공 피부(202) 형태로 이용될 수 있다. 이에 따라 손가락이 물체(203)에 접촉 시 압력 센서(100)의 정전용량 변화를 감지하여 접촉 여부, 접촉 강도 등을 정밀하게 센싱할 수 있다.Alternatively, it may be disposed in the form of an array on the finger portion of the robot arm 200 and used in the form of artificial skin 202. Accordingly, when a finger touches the object 203, a change in capacitance of the pressure sensor 100 may be sensed to accurately sense a contact or a contact strength.

상기와 같은 근방추(201) 및 인공 피부(202)는 일반적인 로봇 어플리케이션 뿐만 아니라 투명한 스파이 로봇, 무정형 로봇, 형상 변형 로봇, 웜 로봇과 같은 다양한 로봇에 활용될 수 있다.The muscle spindle 201 and the artificial skin 202 as described above can be used not only for general robot applications, but also for various robots such as transparent spy robots, amorphous robots, shape transforming robots, and worm robots.

또한, 도시되지는 않았으나 본 발명의 실시예에 따른 따른 압력 센서(100)는 유연 또는 신축성 디바이스 또는 디스플레이에 적용할 수 있는 사용자 인터페이스 장치로 사용할 수 있다. 이 때, 사용자는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)를 통해 터치 위치와 터치시 발생하는 압력 등과 같은 다양한 정보를 디바이스에 전달할 수 있다. 압력 센서(100)를 어레이 형태로 배치하고 되면 2D 위치(X,Y축) 또한 측정이 가능하고 결과적으로 터치 위치 및 세기까지 측정이 가능하게 된다. 압력 센서(100)로부터 획득된 정보는 폴더블(folderable) 또는 롤러블(rollable) 디스플레이 등에 전달되어 사용자의 입력 정보를 정밀하게 측정할 수 있다.In addition, although not shown, the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention can be used as a flexible or stretchable device or a user interface device applicable to a display. In this case, the user may transmit various information such as a touch position and a pressure generated when a touch is performed to the device through the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention. When the pressure sensor 100 is arranged in an array form, it is possible to measure the 2D position (X, Y axis) as well, and as a result, the touch position and intensity can be measured. The information obtained from the pressure sensor 100 is transmitted to a foldable or rollable display, and the user's input information can be accurately measured.

본 발명의 실시예에 따르면, 유전체 사이에 가로 또는 세로 전극행열을 교대로 배치시켜 구간별로 압력 인가 위치 및 그에 따른 변화량을 구간별로 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by alternately arranging horizontal or vertical electrode matrices between dielectrics, it is possible to accurately measure a pressure application position and a corresponding change amount for each section.

또한, 본 발명의 압력센서를 인공 근방추, 인공 피부 및 디스플레이 분야 등 다양한 분야에 적용하여 접촉 여부, 강도 등을 좀 더 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, by applying the pressure sensor of the present invention to various fields such as artificial muscle spindle, artificial skin, and display field, there is an effect that it is possible to more accurately measure contact or strength.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs can make various modifications, changes, and substitutions within the scope not departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings. . The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

100 : 압력센서
200 : 로봇 암
201 : 근방추
202 : 인공피부
203 : 물체
1' : 전극
2' : 유전체
10 : 제 1 전극층
20 : 제 2 전극층
21 : 세로 전극
30 : 제 3 전극층
31 : 가로 전극
40 : 제 1 유전체층
50 : 제 2 유전체층
60 : 제 3 유전체층
70, 71 : 이격부100: pressure sensor
200: robot arm
201: muscle spindle
202: artificial skin
203: object
1': electrode
2': genome
10: first electrode layer
20: second electrode layer
21: vertical electrode
30: third electrode layer
31: horizontal electrode
40: first dielectric layer
50: second dielectric layer
60: third dielectric layer
70, 71: separation part

Claims (8)

외부 압력 인가에 따라 압축되는 제 1 전극층;
상기 제 1 전극층 위에 배치되는 제 1 유전체층;
상기 제 1 전극층 아래에 배치되는 제 2 유전체층;
상기 제 2 유전체층 아래에 제 1 방향을 따라 배치되는 제 2 전극층;
상기 제 2 전극층 아래에 배치되는 제 3 유전체층; 및
상기 제 3 유전체층 아래에 배치되고 상기 제 2 전극층과 직교하는 제 2 방향을 따라 배치되는 제 3 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.A first electrode layer compressed according to the application of external pressure;
A first dielectric layer disposed on the first electrode layer;
A second dielectric layer disposed under the first electrode layer;
A second electrode layer disposed in a first direction under the second dielectric layer;
A third dielectric layer disposed under the second electrode layer; And
And a third electrode layer disposed under the third dielectric layer and disposed in a second direction orthogonal to the second electrode layer. 제 1항에 있어서,
상기 제 2 전극층과 상기 제 3 전극층은 적어도 하나 이상의 전극들로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method of claim 1,
The pressure sensor, characterized in that the second electrode layer and the third electrode layer are composed of at least one or more electrodes. 제 1항에 있어서,
상기 제 1 전극층, 상기 제 2 전극층, 상기 제 3 전극층, 상기 제 1 유전체층, 상기 제 2 유전체층 및 상기 제 3 유전체층은 투명하고 신축성 재질인 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method of claim 1,
The pressure sensor, wherein the first electrode layer, the second electrode layer, the third electrode layer, the first dielectric layer, the second dielectric layer and the third dielectric layer are made of a transparent and stretchable material. 제 2항에 있어서,
상기 제 2 전극층과 상기 제 3 전극층은 각각의 전극들 사이에 적어도 하나 이상의 이격부가 형성되어 상기 제 2 유전체층 및 상기 제 3 유전체층의 일부가 상기 적어도 하나 이상의 이격부에 각각 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method of claim 2,
The second electrode layer and the third electrode layer are configured such that at least one spacer is formed between respective electrodes so that a part of the second dielectric layer and the third dielectric layer is respectively inserted into the at least one spacer Pressure sensor. 제 4항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 이격부에 의해 각각의 전극이 일정한 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method of claim 4,
Pressure sensor, characterized in that each electrode is disposed at a constant interval by the at least one spacer. 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 전극층은 상기 제 3 전극층보다 상기 제 1 유전체층에 가깝게 배치되고,
상기 제 2 전극층은 캐소드(Cathode)이고, 상기 제 3 전극층은 애노드(Anode)인 것을 특징으로 하는 압력 센서. The method of claim 2,
The second electrode layer is disposed closer to the first dielectric layer than the third electrode layer,
The pressure sensor, wherein the second electrode layer is a cathode, and the third electrode layer is an anode. 제 1항에 있어서,
상기 압력 센서를 이용하여 로봇 암의 관절 부분에 배치되는 근방추.The method of claim 1,
Muscle spindles disposed at the joints of the robot arm using the pressure sensor. 제 1항에 있어서,
상기 압력 센서를 이용하여 로봇 암의 손가락 부분에 어레이 형태로 배치되는 인공 피부.The method of claim 1,
Artificial skin arranged in an array form on a finger portion of a robot arm using the pressure sensor.
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