KR20230049158A - 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 saw 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

위상 지연을 갖는 적어도 하나의 saw 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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우리항행기술(주)
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Abstract

본 발명은 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW(surface acoustic wave) 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서, 설정된 주파수에 기반하여 신호를 생성하는 신호 발생부; 상기 생성된 신호의 송신 이후, 송신 모드에서 수신 모드로 전환하는 스위치; 상기 스위치가 상기 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서로 전송된 신호에 기반하여 상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하는 신호 검출부; 상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하도록 설정된 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법{A TEMPERATURE ESTIMATING APPARATUS AND METHOD USING AT LEAST ONE SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR WITH PHASE DELAY}
본 발명은 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄성체 표면을 통해 전파되는 음향파를 체적 탄성파(bulk acoustic wave, BAW), 탄성체 표면을 따라 전파되는 탄성파를 표면 탄성파(surface acoustic wave, SAW)가 있다.
표면 탄성파(SAW)는 외부 힘에 의해 고체 표면에서의 입자의 진동이 발생하여 진행되는 탄성파이며, 온도를 측정하는데 사용되며, 이러한 온도 센서를 SAW 센서라 한다.
SAW 센서는 별도의 전원을 필요로 하지 않고 무선으로 온도를 측정할 수 있어서 소형화를 위한 전자 소자에 사용되고 있다.
도 1은 종래 온도 측정 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하면, 온도 측정 시스템(100)는 센서부(120)와 리더부(110)를 포함하여 구성된다.
상기 센서부(120)는 압전기판(121), 트랜스듀서(122), 반사판(125) 및 안테나(123)를 포함한다. 압전기판(121)은 주위의 온도에 따라 지연선(delay line, 124)이 팽창하거나 수축할 뿐만 아니라 압전기판의 물성에도 영향을 주어 표면 탄성파의 전파시간이 변하거나 공진 주파수가 변하게 되는데 이러한 특성들의 변화를 검출함으로써 온도를 측정할 수 있게 된다.
트랜스듀서(122)는 빗살전극으로 형성될 수 있고, 안테나(111)에서 수신된 신호에 의해 표면탄성파를 발생하게 한다. 반사판(125)은 트랜스듀서(122)에서 생성된 표면탄성파가 지연선(124)을 통과하여 지연선의 끝 부분에서 표면탄성파를 반사시켜 트랜스듀서(122)로 다시 전파시키는 역할을 한다.
리더부(110)에서 센서 구동신호가 안테나를 통하여 송신되면, 센서 구동신호가 센서부(120)의 트랜스듀서(122)에 입력된다. 트랜스듀서(122)에 입력된 고주파 신호에 의해 압전기판(121)이 진동하게 되고 이에 따라 압전기판(121)의 표면을 따라 전파하는 표면탄성파가 발생되어 지연선(124)을 전파하여 반사판(125)으로 전파된다.
이렇게 전파된 표면탄성파는 반사판(125)에서 반사되어 지연선(124)과 트랜스듀서(122)를 거쳐 센서부(120)의 안테나에 의해 다시 송신되며, 이 신호를 리더기(110)에서 수신한다. 리더기(110)를 통하여 수신된 신호는 주파수의 진폭이나 진동수와 같은 주파수 특성을 분석함으로써 피측정 설비의 온도를 계산할 수 있다.
이러한 종래 온도 측정 시스템에 관한 선행 기술은 특허문헌 1(한국등록특허공보 제10-964871)에 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 1은 반사파제거에 대한 내용을 개시하고 있지 않다. 또한, 특허 문헌 1은 위상 지연을 통해 온도를 측정하는 내용을 개시하고 있지 않다.
또한, 종래에는 SAW 센서를 사용하는 위치가 LCD 고온 공정용 밀폐 챔버 내부에서 사용되기 때문에, 챔버의 크기에 따른 고유공진 주파수 모드 도는 반사파가 발생되어 특정한 주파수에서 공진된 무선 주파수 전력의 내부 맴돌이 현상이 심할 경우, 수 십 nS 동안 잔여전력 현상이 발생된다. 그리고, 잔여전력이 발생된 상태에서 SAW 센서에 의한 반사 전력 대부분은 시간적으로 잔여전력에 묻혀서 구분할 수 없게 되기 때문에, 공진 주파수를 정확히 획득할 수 없다.
따라서, 위상 지연을 갖는 SAW 센서를 통해 온도를 측정할 필요성이 제기된다.
한국등록특허공보 제10-964871
종래에는 잔여전력이 발생된 상태에서 SAW 센서에 의한 반사 전력 대부분은 시간적으로 잔여전력에 묻혀서 구분할 수 없게 되기 때문에, 공진 주파수를 정확히 획득하지 못하였고, 또한, 위상 지연에 기반하여 온도를 정확히 측정할 수 없었다.
따라서, 본 발명은 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW(surface acoustic wave) 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서, 설정된 주파수에 기반하여 신호를 생성하는 신호 발생부; 상기 생성된 신호의 송신 이후, 송신 모드에서 수신 모드로 전환하는 스위치; 상기 스위치가 상기 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서로 전송된 신호에 기반하여 상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하는 신호 검출부; 상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하도록 설정된 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW 센서를 이용한 온도 측정 장치의 방법에 있어서, 설정된 주파수에 기반하여 신호를 생성하는 과정, 상기 생성된 신호의 송신 이후, 스위치를 송신 모드에서 수신 모드로 전환하는 과정, 상기 스위치가 상기 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서로 전송된 상기 신호에 기반하여 상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하는 과정, 및 상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명은 신호의 송신 이후, 스위치를 송신 모드에서 수신 모드로 전환한 이후, 위상 지연을 갖는 SAW 센서로 전송된 신호에 기반하여 상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하고, 상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별함으로써, 보다 정확한 온도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 SAW 센서로 전송된 신호와 반사 신호와의 위상 차이를 식별하여 지연 시간으로 환산하고, 상기 환산된 지연 시간을 온도로 환산함으로써, 위상 차이에 기반하여 SAW 센서가 위치한 곳에서의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 챔버 내부에 설치된 복수의 SAW 센서들 각각으로 신호를 전송하고, 상기 각각 전송된 신호에 기반하여, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로부터 반사 신호를 수신하고, 상기 전송된 신호와 이에 대응하는 반사 신호와의 위상 차이를 각각 식별하고, 상기 각각 식별된 위상 차이를 지연 시간으로 환산하여 상기 복수의 SAW 센서들 각각이 위치한 곳에서의 온도를 측정함으로써, 챔버 내부의 다양한 장소에 대한 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 SAW 센서들 각각이 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이함에 따라, 다양한 위상 지연을 갖는 SAW 센서를 통해 온도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 위상 지연 시간을 온도로 환산하는 테이블을 통해 지연 시간에 해당되는 온도를 획득하고, 상기 획득된 온도에 기반하여, 상기 SAW 센서가 위치한 곳에서의 온도를 결정함으로써, 측정 시간에 상관없이 정확한 온도를 측정할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 온도 측정 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치의 타임 시퀀스를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SAW 센서로부터 전송되는 신호의 위상 지연 시간을 나타낸 예시도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시 예에 따른 적어도 하나의 SAW(surface acoustic wave) 센서를 이용한 온도 측정 장치 및 방법을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 시스템(200)은 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213), 및 상기 적어도 하나의 SAW 센서(210)를 이용하여 온도를 측정하는 온도 측정 장치(220)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도 측정 장치(220)는 안테나(226), 스위치(225), 신호 발생부(223), 신호 검출부(224), 메모리(227), 및 프로세서(222)를 포함할 수 있다. 그리고, 온도 측정 장치(220)는 표시 제어 장치(221)를 더 포함할 수 있다. 또는, 상기 표시 제어 장치(221)는 상기 온도 측정 장치(220)와 별개의 장치이며, 상기 온도 측정 장치(220)로부터 수신된 정보를 표시할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 SAW 센서(211, 213)는 밀폐된 공간(예: 챔버)에 부착되어 내부 온도를 감지할 수 있고, 위상 지연을 가질 수 있다. 또한, 밀폐된 공간에 부착된 복수의 SAW 센서들 각각은 서로 다른 위상 지연을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 온도 측정 시스템(200)의 구성은 일 실시 예에 따른 것이고, 온도 측정 시스템(200)의 구성 요소들이 도 2에 도시된 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성 요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 온도 측정 장치(220)의 구성은 일 실시 예에 따른 것이고, 온도 측정 장치(220)의 구성 요소들이 도 2에 도시된 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성 요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 온도 측정 장치(220)는 무선 주파수 펄스 신호를 1초당 수백회 이상 송수신할 수 있는 인터로게이터(interrogator) 하드웨어(미도시)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 표시 제어 장치(221)는 온도 센서(예: SAW 센서(211, 213))의 동작에 대한 다양한 데이터를 표시하거나, 온도 센서(예: SAW 센서(211, 213))의 동작을 제어하는 입력을 수신할 수 있다. 상기 표시 제어 장치(221)는 상기 프로세서(222)와 유선 또는 무선을 통해 데이터, 또는 신호를 송수신할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 신호 발생부(223)는 프로세서(222)에서 제어 신호를 수신하여 주파수를 발생 및 SAW 센서(211, 213)의 주파수 대역을 스캔할 수 있다. 상기 신호 발생부(223)는 프로세서(222)의 제어 하에, 설정된 주파수에 기반하여 신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, SAW 센서(211, 213)의 주파수 대역이 419.3MHz-422.3MHz이고, 스텝이 4kHz인 경우, 상기 신호 발생부(223)는 419.3MHz에서 신호를 전송한 후, 4kHz 단위로 주파수(예: 419.3MHz)를 쉬프팅(419.7MHz)하여 신호를 다시 전송한다.
이와 같이, 상기 신호 발생부(223)는 422.3MHz가 될 때까지, 4kHz 단위로 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송할 신호를 생성할 수 있다. 상기 신호는 SAW 센서(211, 213)가 온도를 센싱하도록 제어하는 구동 신호일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 신호 검출부(224)는 상기 SAW 센서(211, 213)에서 반사된 신호의 세기(예; 신호의 전력)를 검출하여 공진 주파수를 획득할 수 있다. 상기 신호 검출부(224)는 스위치(225)가 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서(211, 213)로 전송된 신호에 기반하여 상기 SAW 센서(211, 213)로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 신호 검출부(224)는 상기 스위치가 송신 모드에서 수신 모드로 스위칭이 완료되는 시점에서의 반사 신호의 일부를 검출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스위치(225)는 안테나(226)가 신호 송신부(223) 또는 신호 검출부(224)에 연결되도록 스위칭할 수 있다. 예를 들면, 상기 스위치(225)는 송신 모드로 동작되는 경우, 상기 안테나(226)와 상기 신호 송신부(223)를 연결시키고, 수신 모드로 동작되는 경우, 상기 안테나(226)와 상기 신호 검출부(224)를 연결시킬 수 있다. 상기 스위치(225)는 신호를 전송하고자 하는 경우, 프로세서(222)의 제어 하에 송신 모드로 전환되고, 상기 신호가 전송된 이후 일정 시간(예: 0.5μS~2μS)이 지나면, 상기 송신 모드에서 수신 모드로 전환될 수 있다. 상기 스위치(225)는 신호의 전송에 기반하여, 상기 프로세서(222)가 반사 신호의 일부를 통해 온도가 측정되면, 프로세서(222)의 제어 하에 다시 상기 수신 모드에서 상기 송신 모드로 전환될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 안테나(226)는 신호를 무선으로 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송할 수 있다. 예를 들면, 상기 안테나(226)는 TDD(Time Division Duplexing) 방식을 통해 적어도 하나의 신호를 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송할 수 있다. 상기 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)는 1개에서 복수 개(예: 20개)의 SAW 센서를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 소프트웨어를 구동하여 상기 프로세서(222)에 연결된 적어도 하나의 구성요소(예: 안테나(226), 스위치(225), 신호 발생부(223), 신호 검출부(224), 및 메모리(227))를 유선 통신 또는 무선 통신에 기반하여 제어할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(222)는 상기 유선 통신 또는 상기 무선 통신에 기반하여 다양한 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 안테나(226), 스위치(225), 신호 발생부(223), 신호 검출부(224), 메모리(227) 등으로부터 수신된 명령 또는 데이터를 처리하고, 처리된 데이터를 표시 제어 장치(221)로 전송할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 SAW 센서(211, 213)로부터 반사되는 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하기 소프트웨어, 고온 챔버 내부의 고유 공진(eigenmode frequency) 또는 반사파 잔여 전력을 제거하는 알고리즘, 및 표시 제어 장치(221)의 GUI(graphic user interface) 등의 운영 소프트웨어가 기록될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 미리 결정된 주파수 단위(예: 4kHz) 단위로 신호 발생부(223)를 통해 신호를 생성하고, 생성된 신호를 안테나(226)를 통해 밀폐된 공간(예: 챔버)에 위치한 상기 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송할 수 있다. 상기 챔버는 LCD를 제조하는 과정에서 고온처리 공정을 담당하는 공간이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 상기 신호가 송신된 후 일정 시간이 지나면, 상기 스위치(225)를 송신 모드에서 수신 모드로 전환시킬 수 있다. 상기 프로세서(222)는 상기 신호의 송신에 기반하여 SAW 센서(211, 213)으로부터 반사되는 반사 신호가 검출되기 시작하는 시점에 상기 스위치(225)를 송신 모드에서 수신 모드로 전환시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 상기 스위치(225)가 송신 모드에서 수신 모드로의 전환이 완료되는 시점부터 상기 반사 신호의 검출이 완료되는 시점에 해당되는 반사 신호의 적어도 일부를 상기 신호 검출부(224)를 통해 검출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 상기 신호의 전송에 기반하여 발생되는 잔여 전력이 소멸되는 시점부터 상기 반사 신호의 검출이 완료되는 시점에 해당되는 상기 반사 신호의 적어도 일부를 상기 신호 검출부(224)를 통해 검출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 상기 검출된 반사 신호의 적어도 일부에 대한 전력을 분석하여 SAW 센서(211, 213)에 대한 공진 주파수를 획득하고, 상기 획득된 공진 주파수에 기반하여 온도(예: 챔버의 내부 온도)를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 RF 인터로게이터(미도시)에서 SAW 센서(211, 213)의 대역(예: 430/940/2400MHz)의 주파수를 100Hz~1000Hz의 속도로 SAW 센서의 채널 당 1000 내지 4000회 주파수를 변경해가며 신호의 송수신을 교번할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 SAW로부터 반사되는 반사 신호의 위상 지연을 분석하여 송신된 신호 및 반사된 신호간의 지연 시간을 획득할 수 있다. 예를 들면, 상기 프로세서(222)는 SAW 센서(211, 213)로 전송된 신호와 상기 전송된 신호에 응답하여, 상기 SAW 센서(211, 213)로부터 반사되는 반사 신호와의 위상 차이를 식별하며 지연 시간을 식별할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 상기 획득된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정할 수 있다. 상기 프로세서(222)는 SAW로부터 반사되는 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 챔버 내에 존재하는 SAW 센서가 위치한 곳에서의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, SAW 센서(211, 213)로 전송된 신호와 상기 SAW 센서(211, 213)로부터 반사되는 반사 신호간에는 온도에 기반하여 위상이 지연될 수 있다. 챔버 내의 온도가 0.1oC 상승할 때마다, 위상은 1nS 지연될 수 있다. 예를 들면, 챔버 내의 온도가 기준 온도에서 0.1oC 상승하면, 위상은 1nS 지연되고, 챔버 내의 온도가 기준 온도에서 300oC 상승하면, 위상은 0.3μS 지연될 수 있다.
이와 같이, 상기 프로세서(222)는 SAW 센서(211, 213)로 반사되는 신호의 위상에 대한 지연 시간을 분석할 수 있다.
그리고, 상기 프로세서(222)는 환산된 지연 시간을 온도로 환산할 수 있다. 상기 프로세서(222)는 상기 메모리(227)에 저장된 테이블을 통해 지연 시간을 온도로 환산할 수 있다.
예를 들면, 상기 테이블은 지연 시간이 증가할수록 상승하는 온도에 대한 값이 기록되어 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 신호 발생부(223)를 통해 챔버 내부에 설치된 복수의 SAW 센서들 각각으로 신호를 전송하고, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로 전송된 신호에 기반하여, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로부터 상기 신호에 응답하는 반사 신호를 수신할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서(222)는 상기 전송된 신호와 이에 대응하는 반사 신호와의 위상 차이를 각각 식별하고, 상기 각각 식별된 위상 차이를 지연 시간으로 환산할 수 있다. 그리고, 상기 프로세서(222)는 상기 복수의 SAW 센서들 각각이 위치한 곳에서의 온도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 복수의 SAW 센서들 각각은 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이하도록 설정되거나, 또는 동일하게 설정된 센서일 수 있다.
이와 같이, 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이한 SAW 센서를 통해, 상기 프로세서(222)는 다양한 위상 지연이 존재하는 환경에서도 보다 정확한 온도를 측정할 수 있다.
일반적으로 SAW 센서는 온도에 선형적인 변화로 알려져 있으나, 제조공정 상에 발생되는 도금 및 불순물 유입등에 의해 구간 별 비선형 변화가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 프로세서(222)는 이러한 보정을 위해 구간보간방식을 사용하여 온도를 보정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 온도 측정 장치(220)는 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 프로세서(222)는 적어도 하나의 반사 신호의 일부에 기반하여 측정된 온도를 상기 통신부(미도시)를 통해 표시 제어 장치(221)로 실시간으로 전송할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)와 상기 온도 측정 장치(220)는 TDD(Time Division Duplexing)에 기반하여 무선 통신을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치의 동작을 나타낸 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치의 타임 시퀀스를 나타낸 예시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SAW 센서로부터 전송되는 신호의 위상 지연 시간을 나타낸 예시도이다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 측정 장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
일 실시 예에 따르면, 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 설정된 주파수에 기반하여 신호를 스위치를 통해 SAW 센서로 전송할 수 있다(S310). 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 신호 발생부(223)를 통해 설정된 주파수(예: 419.3MHz)에서 신호를 적어도 하나의 SAW 센서로 전송할 수 있다. 그리고, 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 설정된 주파수(예: 419.3MHz)부터 주파수 대역(예: 422.3MHz)이 될 때까지, 4kHz 단위로 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송할 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호를 스위치(225)를 통해 챔버 내의 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송할 수 있다.
도 4는 SAW 센서의 채널 대역을 스캔하면서, SAW 센서에서 공진된 반사 전력을 측정하여 최대 공진주파수를 획득하고, 이에 대응되는 온도로 변환시켜주는 과정을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 제1 블록(411)에서 Tx PLL(Transmission Phase Locked Loop) 주파수 설정을 수행할 수 있다. 그리고, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 제2 블록(412)에서 Tx PLL LD(Locked Detector)를 확인한 후, 설정된 주파수가 확인되면, 제3 블록(413)에서 Tx PLL 출력을 인에이블(enable)할 수 있다. 상기 제3 블록(413) 동안에 신호는 전송될 수 있다.
그리고, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 제4 블록(414)에서 Tx PLL 출력을 디스에이블(disable)할 수 있다. 상기 제4 블록(414)에서는 신호의 전송이 일시적으로 중단될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 일정 시간이 지난 후, 스위치를 송신 모드에서 수신 모드로 전환할 수 있다(S312). 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 신호 발생부(223)를 통해 419.3MHz에서 422.3MHz가 될 때까지, 4kHz 단위로 생성되는 신호가 스위치(225)를 통해 챔버 내의 적어도 하나의 SAW 센서(211, 213)로 전송된 이후, 일정 시간이 지나면, 스위치를 송신 모드에서 수신 모드로 전환할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 제5 블록(415)에서 스위치를 송신 모드(예: Tx 모드)에서 수신 모드(예: Rx 모드)로 스위칭시킬 수 있다.
상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 제7 블록(417)에서 스위치를 수신 모드(예: Rx 모드)에서 송신 모드(예: Tx 모드)로 스위칭시킬 수 있다. 그리고, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 다시 제1 블록(411)로 회귀하여 송신 주파수를 설정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 스위치가 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서로부터 전송된 신호의 적어도 일부에 기반하여 상기 SAW 센서로부터 반사 신호를 검출할 수 있다(S314). 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222)) 상기 검출된 반사 신호의 전력 세기의 레벨을 식별할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 신호 검출부(224)를 통해 상기 SAW 센서(211, 213)에서 반사된 신호의 세기(예; 신호의 전력)를 검출할 수 있다. 스위치(225)가 수신 모드로 전환된 이후, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 SAW 센서(211, 213)로부터 전송된 신호에 기반하여 상기 SAW 센서(211, 213)로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 상기 신호 검출부(224)를 통해 검출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 반사 신호의 위상 지연을 분석하여 송수신간의 지연 시간을 획득할 수 있다(S316). 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 SAW 센서(211, 213)로 전송된 신호와 상기 전송된 신호에 응답하여, 상기 SAW 센서(211, 213)로부터 반사되는 반사 신호와의 위상 차이를 식별할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 획득된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정할 수 있다(S318). 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 챔버 내에 존재하는 SAW 센서가 위치한 곳에서의 온도를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, SAW 센서(211, 213)로 전송된 신호와 상기 SAW 센서(211, 213)로부터 반사되는 반사 신호간에는 온도에 기반하여 위상이 지연될 수 있다. 챔버 내의 온도가 0.1oC 상승할 때마다, 위상은 1nS 지연될 수 있다. 예를 들면, 챔버 내의 온도가 기준 온도에서 0.1oC 상승하면, 위상은 1nS 지연되고, 챔버 내의 온도가 기준 온도에서 300oC 상승하면, 위상은 0.3μS 지연될 수 있다.
이와 같이, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 SAW 센서(211, 213)로 반사되는 신호의 위상에 대한 지연 시간을 분석할 수 있다.
그리고, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 환산된 지연 시간을 온도로 환산할 수 있다. 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 메모리(227)에 저장된 아래 [표 1]과 같은 테이블을 통해 지연 시간을 온도로 환산할 수 있다.
지연 시간 온도
1nS 1oC
10nS 10oC
100nS 100oC
0.3μS 300oC
0.4μS 400oC
0.5μS 500oC
위 [표 1]과 같이, 상기 메모리(227)은 신호의 위상 지연 시간에 따라 온도로 환산하는 테이블을 저장하고 있다. 예를 들면, 지연 시간이 증가할수록 온도가 상승할 수 있다. [표 1]에서의 위상 지연 시간에 따른 온도에 대한 값은 일 실시 예이며, 본 발명에서는 위상 지연 시간에 따른 다른 온도 값을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 신호 발생부(223)를 통해 챔버 내부에 설치된 복수의 SAW 센서들 각각으로 신호를 전송하고, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로 전송된 신호에 기반하여, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로부터 상기 신호에 응답하는 반사 신호를 수신할 수 있다. 그리고, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 상기 전송된 신호와 이에 대응하는 반사 신호와의 위상 차이를 각각 식별하고, 상기 각각 식별된 위상 차이를 지연 시간으로 환산하여 상기 복수의 SAW 센서들 각각이 위치한 곳에서의 온도를 측정할 수 있다.
예를 들면, 상기 복수의 SAW 센서들 각각은 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이하도록 설정된 센서일 수 있다.
이와 같이, 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이한 SAW 센서를 통해, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 다양한 위상 지연이 존재하는 환경에서도 보다 정확한 온도를 측정할 수 있다.
도 5를 참조하면, SAW 센서로부터 전송되는 신호의 위상 지연 시간은 온도에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 주파수 변조형 연속파 레이더(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 신호의 위상에 대한 지연 시간은 기준 온도에서 0이라 가정한다. 상기 기준 온도는 온도 측정 장치 또는 FMCW 레이더에서 설정된 온도일 수 있다. FMCW 레이더는 주파수 변조된 신호를 연속적으로 발사하는 방식의 레이더로서, 송신 신호와 피측정체로부터 반사되어 돌아온 수신 신호간의 지연 시간과 주파수 편이를 이용하여 피측정체 간의 거리와 속도를 측정하는 방식이다.
이러한, FMCW 레이더에 기반하여 수신되는 신호(510)의 지연 시간이 0이라 가정할 경우, 상온에서 SAW 센서를 이용한 신호(512)의 지연 시간은 FMCW 레이더에 기반하여 수신되는 신호(510)의 지연 시간 대비 t1(521)이 지연될 수 있다. 그리고, 고온에서 SAW 센서를 이용한 신호(514)의 지연 시간은 FMCW 레이더에 기반하여 수신되는 신호(510)의 지연 시간 대비 t2(523)이 지연될 수 있다.
또한, 고온에서 SAW 센서를 이용한 신호(514)의 지연 시간(t2)과 상온에서 SAW 센서를 이용한 신호(512)의 지연 시간(t1)은 온도에 따른 지연 시간(t2-t1)을 갖는다.
이와 같이, 온도가 상승할수록 신호의 위상에 따른 지연 시간은 증가하게 되며, 이를 통해 지연 시간에 기반하여 SAW 센서를 통한 온도를 측정할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 제7 블록(417)에서 스위치를 수신 모드(예: Rx 모드)에서 송신 모드(예: Tx 모드)로 스위칭시킬 수 있다. 그리고, 상기 온도 측정 장치(200)(예: 프로세서(222))는 다시 제1 블록(411)로 회귀하여 송신 주파수를 설정할 수 있다.
이상에서 상술한 각각의 순서도에서의 각 단계는 도시된 순서에 무관하게 동작될 수 있거나, 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 적어도 하나의 구성 요소와, 상기 적어도 하나의 구성 요소에서 수행되는 적어도 하나의 동작은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현 가능할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
210: 적어도 하나의 SAW 센서
220: 온도 측정 장치
221: 표시 제어 장치
222: 프로세서
223: 신호 발생부
224: 신호 검출부
225: 스위치
226: 안테나
227: 메모리

Claims (10)

  1. 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW(surface acoustic wave) 센서를 이용한 온도 측정 장치에 있어서,
    설정된 주파수에 기반하여 신호를 생성하는 신호 발생부;
    상기 생성된 신호의 송신 이후, 송신 모드에서 수신 모드로 전환하는 스위치;
    상기 스위치가 상기 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서로 전송된 신호에 기반하여 상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하는 신호 검출부;
    상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하도록 설정된 프로세서를 포함하는 온도 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 SAW 센서로 전송된 신호와 상기 반사 신호와의 위상 차이를 식별하고,
    상기 식별된 위상 차이를 상기 지연 시간으로 환산하고,
    상기 환산된 지연 시간을 온도로 환산하도록 설정된 온도 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 신호 발생부를 통해 챔버 내부에 설치된 복수의 SAW 센서들 각각으로 상기 신호를 전송하고,
    상기 복수의 SAW 센서들 각각으로 전송된 신호에 기반하여, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로부터 상기 신호에 응답하는 반사 신호를 수신하고,
    상기 전송된 신호와 이에 대응하는 반사 신호와의 위상 차이를 각각 식별하고,
    상기 각각 식별된 위상 차이를 지연 시간으로 환산하여 상기 복수의 SAW 센서들 각각이 위치한 곳에서의 온도를 측정하도록 설정된 온도 측정 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 SAW 센서들 각각은 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이한 온도 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 지연 시간을 온도로 환산하는 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함하며,
    상기 프로세서는,
    상기 테이블을 통해 상기 지연 시간에 해당되는 온도를 획득하고,
    상기 획득된 온도에 기반하여, 상기 SAW 센서가 위치한 곳에서의 온도를 결정하도록 설정된 온도 측정 장치.
  6. 위상 지연을 갖는 적어도 하나의 SAW 센서를 이용한 온도 측정 장치의 방법에 있어서,
    설정된 주파수에 기반하여 신호를 생성하는 과정;
    상기 생성된 신호의 송신 이후, 스위치를 송신 모드에서 수신 모드로 전환하는 과정;
    상기 스위치가 상기 수신 모드로 전환된 이후, 상기 SAW 센서로 전송된 상기 신호에 기반하여 상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하는 과정; 및
    상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하는 과정을 포함하는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 검출된 반사 신호의 위상에 대한 지연 시간을 식별하고, 상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하는 과정은,
    상기 SAW 센서로 전송된 신호와 상기 반사 신호와의 위상 차이를 식별하는 과정;
    상기 식별된 위상 차이를 상기 지연 시간으로 환산하는 과정; 및
    상기 환산된 지연 시간을 온도로 환산하는 과정을 포함하는 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 신호를 생성하는 과정은, 챔버 내부에 설치된 복수의 SAW 센서들 각각으로 상기 신호를 전송하는 과정을 포함하며,
    상기 SAW 센서로부터의 반사 신호의 적어도 일부를 검출하는 과정은, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로 전송된 신호에 기반하여, 상기 복수의 SAW 센서들 각각으로부터 상기 신호에 응답하는 반사 신호를 수신하는 과정을 포함하며,
    상기 식별된 지연 시간에 기반하여 온도를 측정하는 과정은,
    상기 전송된 신호와 이에 대응하는 반사 신호와의 위상 차이를 각각 식별하는 과정; 및
    상기 각각 식별된 위상 차이를 지연 시간으로 환산하여 상기 복수의 SAW 센서들 각각이 위치한 곳에서의 온도를 측정하는 과정을 포함하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 SAW 센서들 각각은 위상에 대한 지연 시간이 서로 상이함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 SAW 센서들 각각이 위치한 곳에서의 온도를 측정하는 과정은,
    상기 온도 측정 장치의 메모리에 저장된 테이블을 통해 상기 지연 시간에 해당되는 온도를 획득하는 과정; 및
    상기 획득된 온도에 기반하여, 상기 SAW 센서가 위치한 곳에서의 온도를 결정하는 과정을 포함하는 방법.
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