KR950002080B1 - 초소형 집적화 습도 센서의 신호처리회로 - Google Patents

초소형 집적화 습도 센서의 신호처리회로 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

초소형 집적화 습도 센서의 신호처리회로
제1도는 종래의 전하량 충방전 응용회로도.
제2도는 본 발명의 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로도.
제3도는 제2도의 신호처리동작을 설명하기 위한 플로우챠트.
제4도는 초기화 단계에서의 제2도의 등가회로도.
제5도는 리프레쉬 단계에서의 제2도의 등가회로도.
제6도는 가산단계에서의 제2도의 등가회로도.
제7도는 감산단계에서의 제2도의 등가회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 기준 정전용량 설정부 20 : 정전용량 연산부
30 : 비교부 OP21, OP22: 연산 증폭기
SA21-SA32: 아날로그스위치 CB, CX, CR, CC, CF, CH: 콘덴서
본 발명은 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로에 관한 것으로서, 특히 전하량 충방전회로를 이용하여 습도센서에 적합한 신호를 조정하여 처리하여 줄 수 있는 회로에 관한 것이다.
초소형 폴리이미드 습도센서는 상대습도의 변화를 정전용량(Capacitance)의 변화로 검출하기 때문에 습도센서의 신호를 조정하고 처리하는 회로는 정전용량의 변화를 감지하여 상대습도를 LED표시소자를 인가하여 표시해주고, 퍼스널 컴퓨터(PC)에 인가해주기 위해서는 LED표시소자 또는 PC와 상대습도의 신호처리회로와의 인터페이싱을 가능하게 하는 회로를 필요로 한다.
특히 습도센서 소자와 상대습도를 측정하기 위한 회로를 단일칩(One-chip)화하기 위해서는 집적화가 용이하여야 하며, 가능한 한 제조공정에 민감하지 않는 회로를 구현하여야 한다.
상기의 정전용량의 변화를 측정할 수 있는 회로에는 여러가지가 있으나, 그 일예로 기준 콘덴서에 습도센서에 비례한 전하를 충전시킨 후 일정한 전하를 방전시켜 가면서 기준전압과 비교하여 습도센서의 전하량을 측정하는 회로가 있는데, 이것이 전하량 충방전응용회로이다.
종래의 전하량 충방전 응용회로는 제1도에 도시한 바와 같이 기준전압과 습도센서에서 감지한 상대습도에 따른 전하량에 대응하는 전압을 비교하여 상대습도를 표시하여 주는 회로로서, 이러한 전압들을 비교하기 위한 비교기용 연산증폭기(OP11)의 비반전단자(+)단자에는 기준전압(VR)이 인가되고, 습도센서의 상대 습도에 대한 상대전압(V1)이 반전(-)단자에 인가되며, 상대전압(V1)은 아날로그 스위치(SA), (SB)의 온, 오프에 따른 전하량(QA), (QB)이 콘덴서(C11)8해 충, 방전되어 설정되도록 연결구성되었다.
여기서, 콘덴서(C11)는 기준정전용량을 갖는 기준 콘덴서이다.
이와 같이 구성된 종래의 전하량 충방전 응용회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상대전압(V1)은 초기상태에서는 콘덴서(C11)에 기준전하량이 충전되어 있으므로 비교기(OP11)의 출력(OUT)은 아무런 변화도 없게 된다.
그러나, 아날로그 스위치(SA)를 온시키면 기준콘덴서(C11)에서 전하량(QA)이 인가되어 충전되므로 상대전압(V1)은 전하량(QA)의 크기에 따라 QA/C11만큼의 전압이 증가하게 된다.
그러므로 비교기(OP11)의 출력(OUT)은 로우상태(L)로 된다.
이러한 상태에서 아날로스 스위치(SA)를 오프시키고 다른 아날로그 스위치(SB)를 온시키게 되면 콘덴서(C11)로부터 전하량(QB)이 방전하게 되고, 이러한 방전을 계속하는 도중에 상대전압(V1)이 기준전압(VR)이하로 하강되면 비교기(OP11)의 출력(OUT)은 하이상태(H)로 된다.
상기와 반대로 다시 아날로그 스위치(SB)를 온시키고 아날로그 스위치(SA)를 오프시키게 되면 콘덴서(C11)에 전하량(QA)이 인가되어 다시 충전되고 상대전압(V1)은 증가되어 비교기(OP11)의 출력(OUT)은 다시 로우상태(L)로 된다.
그러므로, 상대전압(V1)이 기준전압(VR)보다 큰 경우에는 콘덴서(C11)를 방전시켜주고, 작은 경우에는 콘덴서(C11)에 전하를 충전시켜주는 충, 방전 과정을 계속하여 반복 수행한다.
일정기간동안 콘덴서(C11)에 전하량(QA)을 충전시켜 주는 횟수는 상대습도에 비례하는 값이 되므로 이를 측정하여 상대습도를 나타낸다.
그러나 상기한 종래의 회로는 LED표시소자나 PC와 직접 인터페이스가 불가능하기 때문에 이들과 인터페이싱하기 위해서는 별도의 회로를 필요로 하기 때문에 회로구성이 복잡하고 그에 따른 제품 코스트가 상승되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기준 캐패시터에 습도센서의 정전용량에 비례한 전하를 충전시킨 후 일정량의 전하를 빼주어 가며 기준전압과 비교하여 습도센서의 전하량을 측정하기 위한 전하량 충방전 응용회로를 이용한 신호처리회로를 제공하는데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
초소형 폴리이미드 습도센서에 있어서 정전용량의 변화는 상대습도에 비례하며, 수식으로 나타내면 다음과 같이 표현할 수 있다.
CX=C0(1+KㆍRH)
여기서, C0: 오프셋 용량(Offset capacitance)
K : 변화율
RH : 상대습도
따라서, 폴리이미드 습도센서는 오프셋 용량과 상대습도에 선형적으로 비례하여 변화하는 정전용량으로 구성되어짐을 알 수 있다.
본 발명에서는 이와 같은 원리를 집적화하기가 용이하고 선형적인 출력특성을 지닌 전하충방전 콘덴서 브리지에 적용하여 신호조정 및 처리회로를 제2도와 같이 구현하였다.
제2도는 본 발명의 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로도를 도시한 것으로서, 습도센서의 신호처리회로는 기준정전용량을 설정하기 위한 두개의 캐패시터(CS, CR)와 센서를 모델링한 정전용량 값을 갖는 캐패시터(CX)를 포함하는 기준정전용량 설성부(10)와, 상기 기준정전용량 설정부(10)로 전하를 방전시키거나 기준정전용량 설정부(10)로 10부터 전하를 받아 충전시키는 연상정전용량을 갖는 캐패시터(CF)로 구성되는 정전용량 연산부(20)와, 상기 정전용량 연산부(20)의 정전용량에 따른 전압과 기준전압(VR)을 비교하여 그결과에 따라 상기 정전용량 연산부(20)의 방전 및 충전을 결정하는 비교부(30)가 다수개의 스위치와 함께 캐패시턴스 브리지 회로를 구성하고, 상기 각 회로부에 연결된 스위치에 구동신호를 선택적으로 출력하여 상기 비교기(30)의 출력에 따라 충전 및 방전단계를 일정시간(측정주기만큼) 반복하도록 각 회로부를 제어하는 동시에 최종 출력 데이타를 출력하는 콘트롤러(CON)로 구성되어져 있다.
또한 상기한 기준정전용량 설정부(10)는 콘트롤러(CON)로 부터의 출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA21-SA23)와 콘트롤러(CON)으로부터의 반전출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA25, SA26)와, 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호( 1)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA29)와, 콘트롤러(CON)부터의 출력신호( 2)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA20)와, 상기 아날로그 스위치(SA21, SA23, SA25)의 구동에 의해 기준전압(V5)에 따른 전하를 충전하기 위하여 기준정전용량을 설정하기 위한 콘덴서(CS)와, 아날로그 스위치(SA22, SA23, SA26)의 구동에 따라 전압(VX)에 따른 전하를 충전하여 센서 모델링 정전용량을 설정하기 위한 콘덴서(CX)와, 아날로그 스위치(SA23, SA29, SA30)의 구동에 따라 기준전압(VR)을 충전하여 기준정전용량을 설정하기 위한 콘덴서(CR)로 구성되어져 있다.
또한 상기한 정전용량 연산부(20)는 콘트롤러(CON)로부터의 반전출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA27)와, 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호( R)에 의해 구동되는 아날로스스위치(SA31)와, 상기 아날로그 스위치(SA27, SA31)의 구동에 따라 상기 콘덴서(CS, CX, CR)로부터 전하를 받아 충전하거나 충전된 전하를 상기 콘덴서(CC, CX)로 방전시켜주기 위한 콘덴서(CF)로 구성되어져 있다.
그리고 상기한 비교부(30)는 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA24)와, 콘트롤러(CON)로부터의 반전출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA28)와, 콘트롤러(CON)로 부터의 출력신호( R)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA32)와, 비교기용 연산증폭기(OP21)의 오프셋 전압 보상용 콘덴서(CC)와, 상기 연산증폭기(OP21)의 출력전압(VQ)을 홀딩시켜 주기 위한 콘덴서(CH)와, 기준전압(VR)을 비반전(+)단자의 입력신호로 하고 반전(-)단자에는 콘덴서(CC)와 연결되며 출력신호(V0)가 아날로그 스위치(SA32) 또는 아날로그 스위치(SA24)와, 콘덴서(CH)를 통해 피이드백되도록 연결된 비교기용 연산증폭기(OP21)와, 상기 연산증폭기(OP22)의 출력신호(V0)를 반전(-)단자의 입력신호로 하고 기준전압(VR)을 비반전(+)단자의 입력신호로 하여 이들 신호를 비교하여 출력(Q)하기 위한 비교기용 연산증폭기(OP22)로 구성되어져 있다.
제3도는 제2도에 도시된 바와 같이 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로의 동작순서도를 도시한 것으로, 본 발명의 신호처리동작을 제3도에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 전하량 충방전 응용회로는 상기 스위치들의 온/오프들을 제어하여 충전과 방전을 반복적으로 수생하게 되는 콘트롤러가 필요하다.
상기한 콘트롤러(CON)는 본 발명의 회로가 제3도와 같은 순서로 동작되도록 스위치들을 제어하여 제4도와 같은 초기화 단계, 제5도와 같은 리프레쉬 단계, 제6도와 같은 가산단계, 제7도와 같은 감산단계를 수행하여 회로를 동작시킨다.
상기 콘트롤러(CON)는 이를 위해,, 1, 2, R의 제어신호를 위한 출력단자를 가지고 있다.
한편, 상기 콘트롤러(CON)는 비교기(OP22)의 최종출력(Q)의 출력버퍼로도 사용되는데 이를 위해 최종 출력(Q)의 입력단자와 이로 부터 최종적인 습도센서의 값을 나타내는 데이타를 출력하는 출력단자(D~D7)도 가지고 있다.
상기 스위치의 제어신호들은 각각 스위치에 인가되어 회로를 개폐시켜주는데 제어신호는 제2도와 같이 각각의 스위치에 인가된다.
즉,신호는 스위치(SA21), (SA22), (SA25), (SA23)에 인가되고,신호는 스위치(SA26), (SA28)에, 1신호는 스위치(SA29)에, 2신호는 스위치(SA30)에, R신호는 스위치(SA31), (SA32)에 각각 인가되어 ＂1＂또는 ＂＂신호를 보낸다.
각 단계별로 동작을 살펴보면, 우선, 초기화 단계에서 콘트롤러(CON)는와 1＂1＂인 상태가 되도록 제어하면＂＂이 인가된 스위치는 오프되고, ＂1＂이 인가된 스위치만 연결되므로 제4도의 초기화 단계 회로가 된다.
리프레쉬 단계에서는와 1, R에 ＂1＂이 인가되어 제5도와 같은 리프레쉬 회로가 된다.
가산 단계에서는 2가 ＂1＂ 상태가 되도록 하여 제6도와 같은 가산단계 회로가 되고, 감산단계에서는 1이＂1＂인 상태가 되어 제7도와 같은 감산회로가 되도록 제어하게 된다.
상기 리프레쉬 단계(310)를 수행한 후에는 신호처리회로의 출력(Q)을 비교하는 단계(320)를 수행하여 그의 출력값(1)에 따라 전하 감산 및 가산동작을 수행하게 된다.
먼저, 비교기(OP22)의 출력이 하이상태(H)이면 전하가산동작(330)을 수행하게 되는데, 이 경우에는 콘트롤러(CON)에서는 하이상태의 신호( 2)만 하이상태로 출력되어 제6도와 같은 등가회로를 구성한다.
제6도에 도시된 바와 같은 등가회로에 있어서, 비교기(OP22)의 큰 입력저항과 증폭도로 인하여 제5도의 리프레쉬단계에서 콘덴서(CR, CS, CX)에 프리차아지(Precharge)된 전하(QR, QS, QX)는 제6도의 점선으로 표시된 바와 같이 콘덴서(CF)로 전달된다.
이때, 콘덴서(CF)는 전달되는 저하량(QaCC)은 다음과 같은 식으로 표현된다.
QaCC=QR+QS-QX＞0
그러므로 콘덴서(CF)로 전달되는 전하량(QaCC)이 항상 양이 값을 갖도록 하기 위해서는 바이어스 전압(VR, VS, VX)을 적절히 선택하여 설정한다.
결과적으로 비교기(OP21)의 출력전압(V0)은 QaCC/CF만큼 증가하며, 결과적으로 반전(-)단자의 전압이 증가하여 비교기(OP22)의 출력(Q)은 로우상태(L)인 ＂0＂으로 된다.
상기와는 반대로 비교기(OP22)의 출력(Q)이 로우상태(L)가 되면 감산단계(340)의 동작을 수행하게 되는데, 이 경우에는 콘트롤러(CON)에서는 신호( 1)만 하이상태로 출력되어 제7도와 같은 등가회로를 구성한다.
감산단계의 동작은 제6도의 가산단계의 동작과는 반대로 콘덴서(CF)에 충전된 전하(QaCC)가 제7도의 점선으로 표시한 바와 같이 콘덴서(CS, CS)로 빠져 나간다.
그러므로, 콘덴서(CF)로부터 빠져나가는 전하량(QeXt)은 다음과 같은 식으로 표현된다.
QeXt=QX-QS＞0
그러므로, 콘덴서(CF)로부터 빠져나가는 전하량(QeXt)이 항상 양의 값을 갖도록 적절하게 콘덴서(QX, CS)의 값을 선택한다.
결과적으로 비교기(OP21)의 출력전압(V0)은 QeXt/CF만큼 감소하며, 비교기(OP22)의 출력은 다시 하이상태로 된다.
제4도 내지 제7도에 의거하여 설명한 동작은 제3도에 도시한 바와 같은 순서도에 의거하여 수행되어지며, 최종출력값은 다음과 같은 과정을 거쳐서 얻어지게 된다.
초기화단계를 포함하여 N+1 클럭동안을 전체 측정주기로 가정하고 가산되는 횟수를 M이라 하면, 가산단계(330)를 통해 콘덴서(CF)에 충전하고 전하량은 MㆍQaCC가 되고, 감산단계(340)를 통하여 방전되는 전하량은(N-M)ㆍQeXt가 된다.
그러므로, 측정주기가 끝났을 때 비교기(OP21)의 출력전압(V0(N))은 다음과 같은식(1)으로 표현된다.
V0(N)=VR+{MㆍQacc-(N-M)ㆍQext}/CFㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)
그러므로 비교기(OP21)의 출력범위는 다음과 같은식(2)으로 표현할 수 있다.
VR-Qext/CF V0 VR+Qacc/CFㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(2)
상기 식(1)을 비교기(OP22)의 출력으로 다시 정리하여 나타내면 식(3)과 같이 표현된다.
M/N=Qacc/NㆍQR+Qext/QRㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(3)
이때, Qacc/NㆍQR＜1N=1LSB : 무시
CX=C0(1+KOH)
KC0VX=CRVR Qacc O, Qext＜0
그러므로, 상기 식(3)에서 보는 바와 같이 상대습도를 직접 나타내고 있다.
즉, 바이어스 전압 및 정전용량을 CQVX=CSVS, KC0VX=CRVR과 같이 정해주면 비교기(OP22)의 출력(Q)이 상대습도를 직접적으로 표시해줌으로써 추가적인 연산과정없이도 표시장치(LED)를 통해 직접 표시해 줄 수 있을 뿐만 아니라 PC와도 인터페이스가 가능하다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 초소형 폴리이미드 습도센서의 신호를 캐패시턴스 브리지회로(Capacitance bridge circuit)를 구성하여 상대습도의 선형적인 출력을 얻을 수 있으므로 추가적인 연산과정 없이도 표시장치를 통해서 상대습도를 표시해 줄 수 있을 뿐만 아니라 PC와도 직접적인 인터페이스싱이 가능하고, 또한 습도센서의 신호와 그 신호처리를 별도의 회로구성없이도 동시에 수행할 수 있어 집적화가 가능할 뿐만 아니라 습도센서의 소형화 및 다기능화를 이룰 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 기준정전용량을 설정하기 위한 두개의 캐패시터(CS, RR)와 센서를 모델링한 정전용량 값을 갖는 캐패시터(CX)를 포함하는 기준정전용량 설정부(10)와, 상기 기준정전용량 설정부(10)로 전하를 방전시키거나 기준정전용량 설정부(10)로 부터 전하를 받아 충전시키는 연산정전용량을 갖는 캐패시터(CF)로 구성되는 정전용량 연산부(20)와, 상기 정전용량 연산부(20)의 정전용량에 따른 전압과 기준전압(VR)을 비교하여 그 결과에 따라 상기 정전용량 연산부(20)의 방전 및 충전을 결정하는 비교부(30)가 다수개의 스위치와 함께 캐패시턴스 브리지 회로를 구성하고, 상기 각 회로부에 연결된 스위치에 구동신호를 선택적으로 출력하여 상기 비교기(30)의 출력에 따라 충전 및 방전단계를 일정시간 반복하도록 각 회로부를 제어하는 동시에 최종 출력 데이타를 출력하는 콘트롤러(CON)로 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 집적화 습도센서의 신호처리 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준정전용량 설정부(10)는 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA21-SA23)와, 콘트롤러(CON)로부터의 반전출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA15,SA26)와, 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호( 1)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA29)와, 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호( 2)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA30)와, 상기 아날로그 스위치(SA21, SA23, SA25)의 구동에 따라 기준전압(V5)에 따른 전하를 충전하여 기준정전용량을 설정하기 위한 콘덴서(CS)와, 상기 아날로그 스위치(SA22, SA23, SA26)의 구동에 따라 기준전압(VX)에 따라 전하를 충전시켜주기 위한 콘덴서(CX)와, 상기 아날로그 스위치(SA23,SA29, SA30)의 구동에 따라 기준전압(VR)에 따른 전하를 충전시켜 주기 위한 콘덴서(CR)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정전용량 연산부(20)는 콘트롤러(CON)로부터의 반전출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA27)와, 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호( R)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA31)와, 상기 아날로그 스위치(SA27,SA31)의 구동시 상기 콘덴서(CS, Cx, CR)로 부터의 전하(Q|acc)를 충전하거나 또는 상기 콘덴서(CS,CX)로 전하(Qext)를 방전시켜주기 위한 콘덴서(CF)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비교부(30)는 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호()에 구동되는 아날로그 스위치(SA24)와, 콘트롤러(CON)로부터의 반전출력신호()에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA28)와, 콘트롤러(CON)로부터의 출력신호(QR)에 의해 구동되는 아날로그 스위치(SA32)와, 오프셋 전압보상용 콘덴서(CC)와, 기준전압(VR)을 비반전(+)단자의 입력신호로 하고, 반전(-)단자에는 상기 콘덴서(CC)가 연결되며, 그의 출력(V0)을 홀딩용 콘덴서(CH)와 아날로그 스위치(SA24) 및 아날로그 스위치(SA32)를 통해 각각 피이드백시켜 주기 위한 연산증폭기(OP21)와, 상기 연산증폭기(OP21)의 출력신호(VQ)를 반전(-)단자의 입력신호로 하고 기준전압(VR)을 비반전(+)단자의 입력신호로 하여 신호(Q)를 출력하기 위한 연산증폭기(OP22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로.
  5. 제3항에 있어서, 콘덴서(CS)에 충전되는 전하량은 QS라 하고, 콘덴서(CX)에 충전되는 전하량을 QX및 콘덴서(CR)에 충전되는 전하량을 각각 QR이라고 할때, 콘덴서(CF)에 충전되는 전하량(Qacc)이 하기의 식을 만족하도록 전압(VS, VX, VR)의 값을 설정하는 것을 특징으로 하는 초소형 집적화 습도 센서의 신호처리회로.
    Qacc=QR+QS-QX＞0
  6. 제3항에 있어서, 콘덴서(CS)에 충전되는 전하량을 QS라 하고, 콘덴서(CX)에 충전되는 전하량을 각각 QX라 할때, 콘덴서(CF)로부터 방전되는 전하량(Qext)이 하기의 식을 만족하도록 콘덴서(CS,CX)의 값을 설정하는 것을 특징으로 하는 초소형 집적화 습도센서의 신호처리회로.
    Qext=QX-QS＞0
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