KR20230143824A - Pressure sensor using condensation effect - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판; 상기 기판 위에 형성되는 하나 이상의 전극; 상기 기판 위에 형성되고, 압전효과(Piezoelectric effect)를 발생시키는 제 1 압전물질로 구성되는 박막층; 및 상기 박막층 위에 적층되고, 압전효과를 발생시키는 제 2 압전물질로 구성되며, 복수개의 나노구조체를 포함하는 나노구조체층;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a substrate; One or more electrodes formed on the substrate; a thin film layer formed on the substrate and composed of a first piezoelectric material that generates a piezoelectric effect; and a nanostructure layer stacked on the thin film layer, composed of a second piezoelectric material that generates a piezoelectric effect, and including a plurality of nanostructures.
Description
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 특히 작은 압력을 증폭시킴으로써 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 압축 효과를 이용한 압력 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor, and in particular to a pressure sensor using a compression effect that can improve the sensitivity of the sensor by amplifying small pressure.
최근 COVID-19 시대를 거치면서 현대인들의 건강에 대한 이해도와 관심도는 나날이 증가하고 있다. 이에 발맞춰 기술의 발전 덕분에 소비자들이 능동적으로 자신의 건강을 스스로 모니터링 할 수 있는 다양한 웨어러블 제품 및 기술들이 많은 관심을 받고 있다. 이러한 제품 및 기술들이 제공하는 여러 건강 정보 중에서 맥박 또는 심박수를 눈여겨볼 필요가 있다. 맥박 또는 심박수는 현대인들의 큰 화두인 스트레스, 고혈압, 저혈압 등을 모니터링하는 지표로써 중요성이 있다. 그런데 현재까지 대부분의 맥박 측정기는 PPG(Photoplethysmogram) 방식을 따르고 있다. PPG 방식이란 피부의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량의 흐름을 감지함으로써 심박 활동 상태를 확인하는 방법이다. 이 PPG 측정기법은 피부색에 따른 측정 오류, 노이즈, 작은 맥동, 비박동 등의 많은 문제를 지니고 있다. As we move through the recent COVID-19 era, modern people's understanding and interest in health is increasing day by day. In line with this, thanks to technological advancements, various wearable products and technologies that allow consumers to actively monitor their own health are receiving a lot of attention. Among the various health information provided by these products and technologies, it is necessary to pay attention to pulse or heart rate. Pulse or heart rate is important as an indicator for monitoring stress, high blood pressure, and low blood pressure, which are big topics of modern people. However, to date, most pulse monitors follow the PPG (Photoplethysmogram) method. The PPG method is a method of checking heart rate activity by detecting the flow of blood flow in blood vessels using the optical characteristics of the skin. This PPG measurement technique has many problems such as measurement error due to skin color, noise, small pulsation, and non-pulsation.
PPG 측정기법의 문제점을 해결하기 위해 PPG 방식에서 벗어나 다른 방식으로 동작하는 맥박측정기가 요구된다. 다른 방식 중 하나인 압력 센서를 통한 맥압을 직접적으로 감지하는 방식은 맥박 모니터링의 정확도 측면에서 더 유리할 수 있다. 하지만 맥박의 압력, 즉 맥압은 성인 기준 평균 5kPa로 작은 범위에 속한다. 이 압력을 입력으로 사용하여 센서가 동작하려면, 작은 압력을 더욱 더 잘 인식할 수 있게 만드는 고감도성 압력 센서가 필요하다. 즉, 작은 입력에도 불구하고 출력되는 신호의 변화폭은 커야 한다. In order to solve the problems of the PPG measurement technique, a pulse meter that operates in a different way than the PPG method is required. One of the other methods, a method of directly detecting pulse pressure through a pressure sensor, may be more advantageous in terms of pulse monitoring accuracy. However, the pulse pressure, that is, the pulse pressure, is in a small range with an average of 5 kPa for adults. In order for the sensor to operate using this pressure as an input, a highly sensitive pressure sensor is needed to better recognize small pressures. In other words, despite a small input, the change in the output signal must be large.
이와 관련하여, 한국등록특허 제10-2290936호는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서를 개시한다. 상기의 선행특허 문헌은 압력 전달체의 외력이 가해질 때, 복수 개의 필라멘트가 굽어지면서 압전 물질의 국부 영역들에 압력을 가하여 변형을 일으킴으로써, 압전 성능을 향상시킬 수 있는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서를 제공한다. In this regard, Korean Patent No. 10-2290936 discloses a piezoelectric sensor having a pressure transmitter with a three-dimensional textile structure. The above prior patent document has a pressure transmitter with a three-dimensional textile structure that can improve piezoelectric performance by bending the plurality of filaments and applying pressure to local regions of the piezoelectric material to cause deformation when an external force of the pressure transmitter is applied. A piezoelectric sensor is provided.
전술한 바와 같이, 압전 성능을 향상시키기 위한 다양한 방식의 선행문헌은 제안되고 있으나, 귀의 청각 메커니즘 중 하나인 압축 효과(Condensation Effect)를 이용한 방안은 제시되지 않고 있다. As mentioned above, various methods for improving piezoelectric performance have been proposed in prior literature, but no method using the condensation effect, one of the hearing mechanisms of the ear, has been proposed.
본 발명은 압축 효과를 이용한 압력 센서에 있어서, 힘의 전달 면적을 축소하여 전달하는 압력을 증폭시킴으로써 감도를 향상시켜 작은 압력에도 사용할 수 있는 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a pressure sensor that uses the compression effect and can be used even at small pressures by improving sensitivity by reducing the force transmission area and amplifying the transmitted pressure.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판; 상기 기판 위에 형성되는 하나 이상의 전극; 상기 기판 위에 형성되고, 압전효과(Piezoelectric effect)를 발생시키는 제 1 압전물질로 구성되는 박막층; 및 상기 박막층 위에 적층되고, 압전효과를 발생시키는 제 2 압전물질로 구성되며, 복수개의 나노구조체를 포함하는 나노구조체층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention includes: a substrate; One or more electrodes formed on the substrate; a thin film layer formed on the substrate and composed of a first piezoelectric material that generates a piezoelectric effect; and a nanostructure layer stacked on the thin film layer, composed of a second piezoelectric material that generates a piezoelectric effect, and including a plurality of nanostructures.
바람직하게는, 상기 박막층은, 제 1 압전물질이 ZnO일 수 있다.Preferably, the first piezoelectric material of the thin film layer may be ZnO.
바람직하게는, 상기 나노구조체층은, 나노구조체가 나노로드(nanorod)일 수 있다. Preferably, the nanostructure layer may be a nanorod.
바람직하게는, 상기 나노구조체층은, 제 2 압전물질이 ZnO일 수 있다.Preferably, the second piezoelectric material of the nanostructure layer may be ZnO.
바람직하게는, 상기 나노구조체층은, 단면적이 상기 박막층의 단면적에 비해 작아 힘의 전달 면적을 감소시킬 수 있다. Preferably, the nanostructure layer has a smaller cross-sectional area than the thin film layer, thereby reducing the force transmission area.
바람직하게는, 상기 전극은, 상기 기판 위에 3개가 형성되어, 전기적 제어 및 증폭이 가능한 3단자 센서 소자로 구성될 수 있다. Preferably, the electrode may be composed of three terminal sensor elements formed on the substrate, capable of electrical control and amplification.
본 발명에 따르면, 나노구조체층은 종래 기술에서 사용하는 필름층에 비해 단면적이 작으므로 힘의 전달 면적이 감소하여 전달하는 압력을 증폭시킬 수 있다는 이점이 있다.According to the present invention, the nanostructure layer has a smaller cross-sectional area compared to the film layer used in the prior art, so there is an advantage in that the force transmission area is reduced and the transmitted pressure can be amplified.
본 발명은, 압력 증폭을 통해 감도가 향상된 압력센서를 제공할 수 있다는 이점이 있다. The present invention has the advantage of providing a pressure sensor with improved sensitivity through pressure amplification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 필름형 압축 센서를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축 효과를 이용한 압력 센서의 구성도를 나타낸다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체층의 압축 효를 설명하기 위한 모식도로서, 도 3의 (a)는 필름 구조의 압축 효과를 나타내고, 도 3의 (b)는 나노로드 적층 구조의 압축 효과를 나타낸다.
도 4은 나노구조체층의 실시예로서, 도 4의 (a)는 ZnO 나노로드의 SEM 단면도(crosse-view)를 나타내고, 도 4의 (b)는 나노구조체층의 모식도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압력에 대한 전류의 변화량을 측정한 실험결과를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압축 효과계수에 대한 전류의 변화량을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 모델링 회로 및 모식도를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 모델링을 통한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 1 shows a film-type compression sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the configuration of a pressure sensor using the compression effect according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram for explaining the compression effect of a nanostructure layer according to an embodiment of the present invention. Figure 3 (a) shows the compression effect of the film structure, and Figure 3 (b) shows the compression effect of the nanorod stacked structure. Shows compression effect.
Figure 4 is an example of a nanostructure layer. Figure 4(a) shows an SEM cross-view of a ZnO nanorod, and Figure 4(b) shows a schematic diagram of the nanostructure layer.
Figure 5 shows the results of an experiment measuring the amount of change in current with respect to pressure of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
Figures 6a to 6c show the results of simulating the amount of change in current with respect to the compression effect coefficient of the pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
Figures 7a and 7b show a modeling circuit and schematic diagram of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
Figures 8a and 8b show simulation results through modeling of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. The same reference numerals in each drawing indicate members that perform substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The purpose and effect of the present invention can be naturally understood or become clearer through the following description, and the purpose and effect of the present invention are not limited to the following description. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known techniques related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 필름형 압축 센서를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 종래에 사용하는 필름형 압축 센서는 작은 압력의 입력으로 인해 출력되는 신호의 변화폭에 한계가 있었다. 따라서, 본 제안발명은 이를 해결하기 위해 압축 효과를 이용한 고감도 압력 센서(10)를 제안한다. 1 shows a film-type compression sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, conventionally used film-type compression sensors had a limit to the range of change in the signal output due to the input of a small pressure. Therefore, the present invention proposes a highly sensitive pressure sensor 10 using the compression effect to solve this problem.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)의 구성도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)는 기판(100), 전극(300), 박막층(500), 및 나노구조체층(700)을 포함할 수 있다. Figure 2 shows a configuration diagram of a pressure sensor 10 using a compression effect according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2 , the pressure sensor 10 using the compression effect may include a substrate 100, an electrode 300, a thin film layer 500, and a nanostructure layer 700.
압력 센서(10)는 작은 압력을 증폭시키는 방식으로 감도를 향상시킬 수 있다. 압력 센서(10)는 귀의 청각 메커니즘 중 하나인 압축 효과(Condensation Effect)를 구현하기 위해 나노구조체를 활용할 수 있다. 여기에서, 압축 효과란 힘의 전달 면적을 축소하여 전달하는 압력을 증폭시키는 현상을 의미한다. 압력 센서(10)는 기존의 박막 구조의 필름 형태 압력 센서에 대비하여 고감도 감지를 구현할 수 있다. 즉, 압력 센서(10)는 낮은 압력 입력도 감지할 수 있을 정도로 충분한 출력 신호의 변화폭을 구현할 수 있다. The pressure sensor 10 can improve sensitivity by amplifying small pressure. The pressure sensor 10 can utilize nanostructures to implement the condensation effect, which is one of the hearing mechanisms of the ear. Here, the compression effect refers to the phenomenon of amplifying the transmitted pressure by reducing the force transmission area. The pressure sensor 10 can implement highly sensitive detection compared to existing thin film-structured film-type pressure sensors. In other words, the pressure sensor 10 can implement a change range in the output signal sufficient to detect even low pressure input.
압력 센서(10)는 나노구조체를 적층한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 압력센서와 접목하여 구현할 수 있다. 압력 센서(10)는 작은 힘(또는 압력)의 입력으로 인해 압력 센싱을 할 수 없던 수많은 분야에서 도움이 될 수 있다. The pressure sensor 10 can be implemented by combining a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) pressure sensor with a laminated nanostructure. The pressure sensor 10 can be helpful in many fields where pressure sensing is not possible due to small force (or pressure) input.
기판(100)은 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)에 필요한 소자들이 집적될 수 있다. 기판(100)은 박막층(500) 또는 나노구조체층(700)이 증착될 수 있는 Si / SiO2 성분으로 구성될 수 있다. 기판(100)은 단단한 기판 대신 사전에 패턴화된 전극이 있는 유연한 PI 기판일 수 있다. 기판(100)은 유연한 PI 소재를 사용하여 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)가 웨어러블 장치에 구현되게 할 수 있다. The substrate 100 may be integrated with elements necessary for the pressure sensor 10 using a compression effect. The substrate 100 may be composed of Si/SiO2 components on which a thin film layer 500 or a nanostructure layer 700 can be deposited. Substrate 100 may be a flexible PI substrate with pre-patterned electrodes instead of a rigid substrate. The substrate 100 uses a flexible PI material so that the pressure sensor 10 using a compression effect can be implemented in a wearable device.
전극(300)은 기판(100) 위에 형성될 수 있다. 전극(300)은 기판(100) 위에 하나 이상 형성될 수 있다. 바람직하게는, 전극(300)은 기판(100) 위에 두 개가 형성될 수 있다. 전극(300)은 박막층(500) 또는 나노구조체층(700)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전극(300)은 Ti 소재로 형성될 수 있다. 전극(300)은 Ti 소재 이외에도 전도성이 있는 대체가 가능한 모든 물질 중 하나로 구성될 수 있다. The electrode 300 may be formed on the substrate 100. One or more electrodes 300 may be formed on the substrate 100 . Preferably, two electrodes 300 may be formed on the substrate 100. The electrode 300 may be electrically connected to the thin film layer 500 or the nanostructure layer 700. The electrode 300 may be formed of Ti material. The electrode 300 may be made of any material that can be replaced with conductivity in addition to Ti.
박막층(500)은 기판(100) 위에 형성되고, 압전효과(Piezoelectric effect)를 발생시키는 제 1 압전물질로 구성될 수 있다. 제 1 압전물질은 ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), 셀룰로오스(Cellulose)일 수 있다. 제 1 압전물질은 압전효과의 성질을 가진 모든 물질 중 어느 하나로 구성될 수 있다. The thin film layer 500 is formed on the substrate 100 and may be made of a first piezoelectric material that generates a piezoelectric effect. The first piezoelectric material is ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), and cellulose. ) can be. The first piezoelectric material may be composed of any material that has the properties of piezoelectric effect.
박막층(500)은 제 1 압전물질이 ZnO일 수 있다. ZnO는 저온에서 공정이 가능하여 플라스틱 기판을 사용할 수 있으므로 flexible 기판에 적용이 가능하고, 공기, 습도 등에 대한 안정성이 뛰어나다. The first piezoelectric material of the thin film layer 500 may be ZnO. ZnO can be processed at low temperatures and can be used on plastic substrates, so it can be applied to flexible substrates and has excellent stability against air and humidity.
나노구조체층(700)은 박막층(500) 위에 적층되고, 압전효과를 발생시키는 제 2 압전물질로 구성되며, 복수개의 나노구조체를 포함할 수 있다. 제 2 압전물질은 ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), 셀룰로오스(Cellulose)일 수 있다. 제 2 압전물질은 압전효과의 성질을 가진 모든 물질 중 어느 하나로 구성될 수 있다. The nanostructure layer 700 is laminated on the thin film layer 500, is made of a second piezoelectric material that generates a piezoelectric effect, and may include a plurality of nanostructures. The second piezoelectric material is ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), and cellulose. ) can be. The second piezoelectric material may be composed of any material with piezoelectric effect properties.
나노구조체층(700)은 단면적이 박막층(500)의 단면적에 비해 작아 힘의 전달 면적을 감소시킬 수 있다. 압력(P)은 힘을(F)을 단위면적(A)으로 나눈 값이다(P=F/A). 나노구조체층(700)은 얇은 필름(박막) 형태와 비교하여 힘(F)의 전달 면적(A)이 작기 때문에, 같은 힘(F)을 주었을 때 더 큰 압력(P)을 전달할 수 있다. The cross-sectional area of the nanostructure layer 700 is smaller than that of the thin film layer 500, which may reduce the force transmission area. Pressure (P) is the force (F) divided by the unit area (A) (P=F/A). Since the nanostructure layer 700 has a smaller transmission area (A) for force (F) compared to the thin film form, it can transmit greater pressure (P) when the same force (F) is applied.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조체층(700)의 압축 효과를 설명하기 위한 모식도로서, 도 3의 (a)는 필름 구조의 압축 효과를 나타내고, 도 3의 (b)는 나노로드 적층 구조의 압축 효과를 나타낸다. Figure 3 is a schematic diagram for explaining the compression effect of the nanostructure layer 700 according to an embodiment of the present invention. Figure 3 (a) shows the compression effect of the film structure, and Figure 3 (b) shows the nanorod. It shows the compression effect of the laminated structure.
도 3의 (a)를 참조하면, 0.5×0.5로 제작된 필름구조에 0.5N의 힘(F)이 가해졌을 때, 전달 면적은 A=0.25이므로 압력은 P=50kPa이다. Referring to (a) of Figure 3, 0.5 ×0.5 When a force (F) of 0.5N is applied to the film structure produced, the transfer area is A=0.25 Therefore, the pressure is P=50kPa.
도 3의 (b)를 참조하면, 0.5×0.5로 제작된 필름위에 반지름을 20로 하는 동일한 크기의 나노로드를 성장시킨 나노구조체층(700)에 0.5N의 힘(F)이 가해졌을 때, 10개의 나노로드는 힘을 나눠 받게 되며 하나의 나노로드는 0.05N이 힘을 받게 된다. 이 경우, 나노로드 1개의 전달 면적은 A=1256이며, 증폭되는 압력은 P=40TPa이다. 나노로드는 총 10개가 있으므로, 동일한 크기의 나노로드 10개가 적층된 나노구조체(700)는 총 400TPa의 압력을 받게 된다. 이를 통해, 나노로드층(700)은 같은 힘을 주었음에도 필름구조 대비 
나노구조체층(700)은 나노구조체가 나노로드(nanorod)일 수 있다. 나노로드는 나노미터의 영역의 크기를 가지는 길이로 신장된 입자를 의미한다. 나노막대에 대한 기타 관련 물질, 기술, 제조 방법, 용도 및 정보는 각종 공보에서, 예를 들면, WO 2011/147522, WO 2012/013270, EP 2494603, WO 2012/064562, US 2010/140551, US 2010/155749, KR 20100114757, US 2008/128688, TW 201213980, KR 20120062773, WO 2012/099653, CN 102047098, WO 2011/044391, WO 2010/014198, WO 2009/035657 등에서 이미 기재되어 있다. 나노로드는 상기 문헌들의 내용뿐만 아니라 기존의 나노로드 제조 방법으로 제작될 수 있다. The nanostructure layer 700 may be a nanorod. Nanorod refers to a particle elongated to a length having the size of a nanometer area. Other related materials, techniques, manufacturing methods, uses and information on nanorods can be found in various publications, e.g. WO 2011/147522, WO 2012/013270, EP 2494603, WO 2012/064562, US 2010/140551, US 2010 /155749, KR 20100114757, US 2008/128688, TW 201213980, KR 20120062773, WO 2012/099653, CN 102047098, WO 2011/044391, WO 2010/014198 , WO 2009/035657, etc. Nanorods can be manufactured using existing nanorod manufacturing methods as well as the contents of the above literature.
나노구조체층(700)은 제 2 압전물질이 ZnO일 수 있다. 나노구조체층(700)은 C축 방향으로 성장하는 특징을 가지는 ZnO 나노로드로 구성될 수 있다. The second piezoelectric material of the nanostructure layer 700 may be ZnO. The nanostructure layer 700 may be composed of ZnO nanorods that grow in the C-axis direction.
도 4은 나노구조체층(700)의 실시예로서, 도 4의 (a)는 ZnO 나노로드의 SEM 단면도(crosse-view)를 나타내고, 도 4의 (b)는 나노구조체층(700)의 모식도를 나타낸다. FIG. 4 is an example of the nanostructure layer 700, where (a) of FIG. 4 shows an SEM cross-view of a ZnO nanorod, and (b) of FIG. 4 shows a schematic diagram of the nanostructure layer 700. represents.
도 4의 (a)를 참조하면, 나노구조체층(700)이 ZnO 나노로드로 구성될 경우 나노로드가 C축 방향으로 성장하는 특성을 갖음을 확인할 수 있다. 도 4의 (b)를 참조하면, 나노구조체층(700)은 필름 형태에 비해서 힘의 전달 면적이 감소함을 확인할 수 있다. 따라서, 나노구조체층(700)은 가해지는 힘의 전달 면적을 감소시킴으로써 압력을 증폭시킬 수 있다. 나노구조체층(700)은 압력을 증폭시켜 출력값의 변화폭을 증가시킬 수 있다. 나노구조체층(700)은 나노구조체층(700)은 작은 압력이 압력 센서(10)에 입력되어도 출력값의 변화폭을 증가시킬 수 있으므로 작은 압력을 측정할 수 있게 하는 역할을 할 수 있다. Referring to (a) of FIG. 4, it can be seen that when the nanostructure layer 700 is composed of ZnO nanorods, the nanorods have the characteristic of growing in the C-axis direction. Referring to (b) of FIG. 4, it can be seen that the force transfer area of the nanostructure layer 700 is reduced compared to the film form. Accordingly, the nanostructure layer 700 can amplify pressure by reducing the transmission area of the applied force. The nanostructure layer 700 can amplify the pressure to increase the range of change in the output value. The nanostructure layer 700 can increase the range of change in the output value even when a small pressure is input to the pressure sensor 10, so it can serve to measure small pressure.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)의 압력에 대한 전류의 변화량을 측정한 실험결과를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 필름형 압력 센서의 경우에는 작은 힘이 가해졌을 때 전류의 변화가 거의 없어 압력을 제대로 측정할 수 없음을 확인할 수 있다. 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)의 경우에는 작은 힘이 가해졌을 때에도 전류의 변화가 구분 가능할 정도로 발생하여 압력을 측정할 수 있음을 확인할 수 있다. Figure 5 shows the results of an experiment measuring the amount of change in current relative to the pressure of the pressure sensor 10 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, it can be seen that in the case of a film-type pressure sensor, there is almost no change in current when a small force is applied, making it impossible to properly measure pressure. In the case of the pressure sensor 10 using the compression effect, it can be confirmed that pressure can be measured because a change in current occurs to a discernible degree even when a small force is applied.
이하에서는 본 발명의 실험 및 시뮬레이션 결과를 설명한다. Below, the experimental and simulation results of the present invention are described.
실험 및 시뮬레이션을 통해 나노구조체의 유무에 따른 감도의 차이를 측정하여 본 발명의 효과를 확인할 수 있다. 시뮬레이션은 SPICE를 이용하였고, 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)의 감지부에 대하여 Distributed Modeling Simulation을 진행하였다. The effect of the present invention can be confirmed by measuring the difference in sensitivity depending on the presence or absence of the nanostructure through experiments and simulations. SPICE was used for simulation, and Distributed Modeling Simulation was performed on the sensing part of the pressure sensor 10 using the compression effect.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압축 효과계수에 대한 전류의 변화량을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 압축 효과를 이용한 압력 센서(10)가 원하는 성능을 구현하기 위한 나노로드 Density와 나노로드 저항체의 저항값을 확인할 수 있다. 여기에서, NRD란 Nanorod Density의 약자로써 사용하였다. Figures 6a to 6c show the results of simulating the amount of change in current with respect to the compression effect coefficient of the pressure sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 6A to 6C, the nanorod density and the resistance value of the nanorod resistor for realizing the desired performance of the pressure sensor 10 using the compression effect can be confirmed. Here, NRD is used as an abbreviation for Nanorod Density.
는 Condensation Effect Coefficient를 의미한다. 를 계산하는 방식은 아래와 같다. means Condensation Effect Coefficient. The method of calculating is as follows.
[수학식 1][Equation 1]
상기 [수학식 1]에서 는 박막층(500) 및 나노구조체층(700)에 힘을 가하지 않은 상태에서의 저항이다. 은 나노구조체(700)에 힘이 가해졌을 때의 저항이며, 압축 효과에 의해 보다 배 증가하였음을 의미한다. 즉, 기존의 에 비하여 압축 효과에 의해 몇 퍼센트 저항이 변화하였는지를 나타낸다고 볼 수 있다. 예를 들어, =0.1은 기존의 대비 10% 증가함을 의미할 수 있다. In [Equation 1] above, is the resistance in a state where no force is applied to the thin film layer 500 and the nanostructure layer 700. This is the resistance when force is applied to the nanostructure 700, and is caused by the compression effect. see It means that it has increased twofold. In other words, the existing It can be seen as indicating what percent resistance has changed due to the compression effect compared to . for example, =0.1 is the existing This could mean a 10% increase compared to
도 7a와 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 모델링 회로 및 모식도를 나타낸다. 도 7a와 도 7b를 참조하면, 나노구조체층(700)은 6개의 unit cell로 모델링할 수 있다. 각각의 unit cell은 9개의 저항체로 구성될 수 있으며, 각각의 저항체 자리에 나노로드를 증착할 수 있거나 증착 없이 필름 형태로 사용할 수도 있다. 예를 들어, 9개의 저항체 자리에 나노로드를 1개만 증착하였다면, NRD=1/9가 되며, 9개의 자리에 나노로드를 모두 증착하였다면 NRD=9/9가 된다. Figures 7a and 7b show a modeling circuit and schematic diagram of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 7A and 7B, the nanostructure layer 700 can be modeled as six unit cells. Each unit cell can be composed of 9 resistors, and nanorods can be deposited in place of each resistor, or can be used in film form without deposition. For example, if only one nanorod is deposited on 9 resistor sites, NRD = 1/9, and if nanorods are deposited on all 9 sites, NRD = 9/9.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 모델링을 통한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, NRD에 따른 전류의 변화 및 의 크기에 따른 전류의 변화를 확인할 수 있다. Figures 8a and 8b show simulation results through modeling of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to Figures 8a and 8b, the change in current according to NRD and You can check the change in current according to the size of .
은 나노구조체층(700)에 힘이 가해졌을 때의 저항이므로, 같은 NRD에서 의 값이 크다는 의미는 강한 힘이 입력되었음을 의미한다. 따라서, 나노구조체층(700)에 강한 힘이 입력될수록 전류의 변화가 켜지므로 감도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. Since this is the resistance when force is applied to the nanostructure layer 700, in the same NRD A large value means that a strong force was input. Accordingly, it can be seen that the stronger the force input to the nanostructure layer 700, the more the change in current occurs, thereby increasing the sensitivity.
같은 크기의 일 때, NRD가 클수록 전류의 변화가 커짐을 확인할 수 있다. 즉, 박막층(500)에 증착되는 나노로드의 개수가 증가할수록 전류의 변화가 커지므로 나노로드의 개수가 증가할수록 감도가 높아짐을 확인할 수 있다. of the same size It can be seen that the larger the NRD, the larger the change in current. In other words, as the number of nanorods deposited on the thin film layer 500 increases, the change in current increases, so it can be confirmed that the sensitivity increases as the number of nanorods increases.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those skilled in the art will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims described later, but also by all changes or modified forms derived from the claims and the concept of equivalents.
10 : 압력센서
100 : 기판
300 : 전극
500 : 박막층
700 : 나노구조체층10: Pressure sensor
100: substrate
300: electrode
500: thin film layer
700: Nanostructure layer
Claims (6)
상기 기판 위에 형성되는 하나 이상의 전극;
상기 기판 위에 형성되고, 압전효과(Piezoelectric effect)를 발생시키는 제 1 압전물질로 구성되는 박막층; 및
상기 박막층 위에 적층되고, 압전효과를 발생시키는 제 2 압전물질로 구성되며, 복수개의 나노구조체를 포함하는 나노구조체층;
을 포함하는 압력 센서.
Board;
One or more electrodes formed on the substrate;
a thin film layer formed on the substrate and composed of a first piezoelectric material that generates a piezoelectric effect; and
a nanostructure layer laminated on the thin film layer, composed of a second piezoelectric material that generates a piezoelectric effect, and including a plurality of nanostructures;
A pressure sensor including.
상기 박막층은,
제 1 압전물질이 ZnO인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
According to claim 1,
The thin film layer is,
A pressure sensor wherein the first piezoelectric material is ZnO.
상기 나노구조체층은,
나노구조체가 나노로드(nanorod)인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
According to claim 1,
The nanostructure layer is,
A pressure sensor characterized in that the nanostructure is a nanorod.
상기 나노구조체층은,
제 2 압전물질이 ZnO인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
According to claim 3,
The nanostructure layer is,
A pressure sensor wherein the second piezoelectric material is ZnO.
상기 나노구조체층은,
단면적이 상기 박막층의 단면적에 비해 작아 힘의 전달 면적을 감소시키는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
According to claim 1,
The nanostructure layer is,
A pressure sensor characterized in that the cross-sectional area is smaller than the cross-sectional area of the thin film layer, thereby reducing the force transmission area.
상기 전극은,
상기 기판 위에 3개가 형성되어,
전기적 제어 및 증폭이 가능한 3단자 센서 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.According to claim 1,
The electrode is,
Three are formed on the substrate,
A pressure sensor characterized by consisting of a three-terminal sensor element capable of electrical control and amplification.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220042939A KR102675959B1 (en) | 2022-04-06 | Pressure sensor using condensation effect |
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| KR1020220042939A KR102675959B1 (en) | 2022-04-06 | Pressure sensor using condensation effect |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230143824A true KR20230143824A (en) | 2023-10-13 |
| KR102675959B1 KR102675959B1 (en) | 2024-06-18 |
Family
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102290936B1 (en) | 2020-01-20 | 2021-08-18 | 전남대학교산학협력단 | Piezoelectric sensor with a pressure carrier in a three-dimensional textile structure |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102290936B1 (en) | 2020-01-20 | 2021-08-18 | 전남대학교산학협력단 | Piezoelectric sensor with a pressure carrier in a three-dimensional textile structure |
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