KR102523429B1 - 압력 센서용 센서 요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 규정된 개수의 압전 저항(R1 ... Rn)이 배열되어 있는 하나의 센서 멤브레인(10), 및 2개 이상의 온도 측정 요소(T1 ... Tn)를 구비하는 압력 센서용 센서 요소(100)에 관한 것으로서, 이 경우 압전 저항(R1 ... Rn)은, 압력 변경의 경우에 전압 변경이 발생할 수 있도록 회로 내에 배열되어 있으며, 그리고 이 경우 온도 측정 요소는, 압전 저항(R1 ... Rn)의 위치에서 온도 측정 요소(T1 ... Tn)에 의해 센서 멤브레인(10)의 온도가 측정될 수 있도록 센서 멤브레인(10)에 상대적으로 배열되어 있으며, 이 경우에는 온도 변화도로 인해 압전 저항(R1 ... Rn)의 회로에 인가되는 전압이, 측정된 온도에 의해서 계산을 통해 보상될 수 있다.

Description

압력 센서용 센서 요소

본 발명은, 압력 센서용 센서 요소에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 압력 센서용 센서 요소를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있다.

압전 저항형 압력 센서는 일반적으로 멤브레인을 갖는 센서 요소(sensor-die)로 이루어진다. 상기 멤브레인 상에는 예를 들어 전기 브리지 회로로서 접속된 4개의 응력 민감성 압전 저항이 존재한다.

센서 요소 상에 온도 변화도가 인가되면, 이것은, 압전 저항이 상이한 온도로 인해 상이한 저항값을 갖는다는 것을 의미한다. 이와 같은 상황은 온도 변화도로 인한 브리지 전압의 변경을 야기할 수 있으며, 이와 같은 브리지 전압의 변경은 인가되는 압력으로 인한 브리지 전압의 변경과 구별될 수 없다. 이 경우에는, 수 밀리 켈빈(millikelvin)만으로도 이미 브리지 전압의 편차가 야기될 수 있고, 이 편차는 수 파스칼의 압력 변경에 상응한다.

본 발명의 과제는, 온도 변경에 대하여 개선된 압력 센서용 센서 요소를 제공하는 것이다.

제1 양상에 따라, 상기 과제는 압력 센서용 센서 요소에 의해 해결되며, 상기 압력 센서용 센서 요소는

- 규정된 개수의 압전 저항이 배열되어 있는 하나의 센서 멤브레인으로서, 이 경우 압전 저항은, 압력 변경의 경우에 전압 변경이 발생할 수 있도록 회로 내에 배열되어 있는 하나의 센서 멤브레인과;

- 2개 이상의 온도 측정 요소로서, 이 경우 온도 측정 요소는, 압전 저항의 위치에서 온도 측정 요소에 의해 센서 멤브레인의 온도가 측정될 수 있도록 센서 멤브레인에 상대적으로 배열되어 있으며, 이 경우에는 온도 변화도로 인해 압전 저항의 회로에 인가되는 전압이, 측정된 온도에 의해서 계산을 통해 보상될 수 있는 2개 이상의 온도 측정 요소를 포함한다.

이로 인해, 바람직하게는, 기압계형 압력 센서를 갖는 장치(예컨대 이동 전화기) 내에서 압력 센서에 대한 온도 변화도의 영향을 보상하는 것이 가능하다. 이로써, 결과적으로는 더 정확한 압력 측정이 지원된다.

제2 양상에 따라, 상기 과제는 압력 센서용 센서 요소를 제조하기 위한 방법에 의해서 해결되며, 이러한 방법은

- 센서 멤브레인을 제공하는 단계;

- 규정된 개수의 압전 저항을 제공하고, 압력 변경의 경우에 전압 변경이 발생할 수 있도록, 회로 내에서 센서 멤브레인 상에 압전 저항을 배열하는 단계; 및

- 2개 이상의 온도 측정 요소를 제공하고, 압전 저항의 위치에서 온도 측정 요소에 의해 센서 멤브레인의 온도가 측정될 수 있도록, 2개 이상의 온도 측정 요소를 센서 멤브레인에 상대적으로 배열하는 단계로서, 이 경우에는 온도 변화도로 인해 압전 저항의 회로에 인가되는 전압이, 측정된 온도에 의해서 계산을 통해 보상될 수 있는 단계;를 포함한다.

센서 요소의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.

센서 요소의 바람직한 일 개선예는, 하나 이상의 온도 측정 요소가 센서 멤브레인 상에 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

센서 요소의 또 다른 바람직한 일 개선예는, 하나 이상의 온도 측정 요소가 센서 멤브레인 옆에 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

센서 요소의 또 다른 바람직한 일 개선예는, 온도 측정 요소가 센서 멤브레인의 각각의 에지 영역에 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

센서 요소의 또 다른 바람직한 일 개선예는, 각각의 압전 저항에 규정된 간격을 두고 각각 하나의 온도 측정 요소가 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

센서 요소의 또 다른 바람직한 일 개선예는, 2개의 온도 측정 요소가 실질적으로 센서 멤브레인의 온도 변화도의 파형을 따라서 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

적합하게 조합될 수도 있는 온도 측정 요소들에 대한 전술된 상이한 배열 기준 또는 개수 기준에 의해서는, 센서 요소에서의 온도 측정 요소의 배치가 적용예별로 특유하게 실행될 수 있으며, 이 경우 배치는 특히, 센서 멤브레인 상에서 우세한 온도 변화도가 적어도 부분적으로 공지되어 있는지의 여부에 좌우될 수 있다. 이와 같은 경우는, 예컨대 일반적으로 공지되어 있는 가열 특성을 갖는 전자식 평가 회로가 센서 요소에 존재하는 경우이다. 이와 같은 방식에 의해서는, 압전 저항의 위치에서 센서 멤브레인의 온도 값을 결정하는 것이 가능하고, 이로 인해 우수한 보상 효과도 보조된다.

센서 요소의 또 다른 바람직한 개선예들은, 온도 측정 요소가 다이오드 또는 압전 둔감성 저항인 것을 특징으로 한다. 이와 같은 특징에 의해서는, 바람직하게 하나의 공동 공정 단계에서 압전 저항에 의해 제조될 수 있는 상이한 유형의 온도 측정 요소가 제공된다. 바람직하게, 이와 같은 특징에 의해서는, 센서 요소를 위한 제조 공정이 최적화 될 수 있다.

본 발명은, 복수의 도면을 참조하여, 또 다른 특징들 및 장점들과 함께 이하에서 상세하게 기술된다. 이 경우, 개시된 모든 특징들은, 특허청구범위에서의 인용 관계와 무관하게 그리고 명세서 및 도면에서의 서술 내용 및 도시 내용과 무관하게, 본 발명의 대상을 형성한다. 동일하거나 기능적으로 동일한 요소들은 동일한 참조 부호를 갖는다. 각각의 도면은 특히, 본 발명에 중요한 원리들을 명확하게 보여줄 목적으로 의도되었고, 반드시 척도에 충실하게 도시되어 있지는 않다.

개시된 방법 특징들은, 개시된 상응하는 장치의 특징들로부터 유사하게 나타나며, 그 역도 역시 가능하다. 이와 같은 사실이 의미하는 바는 특히, 센서 요소를 제조하기 위한 방법과 관련된 특징들, 기술적인 장점들 및 설명이 센서 요소의 상응하는 설명, 특징들 및 장점들로부터 유사한 방식으로 나타나고, 그 역도 역시 가능하다는 것이다.

도면부에서,
도 1은 종래의 압전 저항형 센서 요소의 개략도를 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 센서 요소의 제1 실시예의 개략도를 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 센서 요소의 또 다른 일 실시예의 개략도를 도시하며,
도 4는 온도 측정 요소에 의해서 달성될 수 있는 보상 효과의 개략도를 도시하고,
도 5는 센서 요소를 갖는 센서 장치의 개략도를 도시하며, 그리고
도 6은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 개략적인 시퀀스를 도시한다.

본 발명의 기본 사상은, 센서 요소의 센서 멤브레인 상에서 진행하는 온도 변화도의 효과를 토대로 해서, 압전 저항형 센서 요소의 압전 저항들의 상이한 저항값들을 보상하려는 데 있다. 센서 멤브레인 상에서의 수 mK의 온도 변화도는, 수 Pa에 상응하고 이로 인해 부정확한 압력 측정을 결과로서 야기하는 브리지 전압의 편차를 유도할 수 있다.

온도를 측정하기 위한 2개 이상의 요소(예컨대 온도 민감성 다이오드, 온도 민감성 저항 등의 형태임)에 의해서, 센서 멤브레인 상 또는 센서 요소 상에서의 온도 변화도가 결정될 수 있다. 이와 같은 온도 변화도에 대한 정보를 통해서는, 전술된 브리지 전압의 편차를 공지된 방법에 의해서 계산을 통해 보상하는 것이 가능하다.

도 1은, 4개의 압전 민감성 저항 또는 압전 저항(R1 ... R4)이 배열되어 있는 센서 멤브레인(10)을 갖는 종래의 센서 요소(100)를 개략적으로 보여주며, 이 경우에는 각각 하나의 압전 저항(R1 ... R4)이 센서 멤브레인(10)의 각각 하나의 측부 섹션에 배열되어 있으며, 이 경우 압전 저항들(R1 ... R4)은 서로 전기적으로 접속되어 하나의 브리지 회로(도시되지 않음)를 형성한다. 센서 멤브레인(10)에 가해지는 (예컨대 해저면 상의 고도 변경으로 인한) 압력의 변경에 의해서 센서 멤브레인이 편향되고, 이로 인해 압전 저항(R1 ... R4)의 지점에서 기계적인 응력이 생성된다. 이와 같은 상황은 압전 저항(R1 ... R4)의 저항값의 변경을 유도하며, 센서 멤브레인(10) 상에서의 압전 저항(R1 ... R4)의 배향 또는 배열이 적합한 경우에는 압력에 따른 출력 전압이 발생하며, 이와 같은 압력에 따른 출력 전압은 평가 가능하고, 센서 멤브레인(10)에 작용하는 압력에 대한 척도가 된다.

하지만, 종래의 압전 저항은 기계적인 응력 의존성("압전 민감성")을 보일 뿐만 아니라, 온도 의존성도 보인다. 바람직하지 않은 저항 변경에 반영되는 상기와 같은 바람직하지 않은 온도 의존성을 보상하기 위하여, 압전 저항형 압력 센서의 경우에는 센서 요소 상에 온도 센서 또는 온도 측정 요소(T)가 존재하는 경우도 빈번하다. 도 1의 배열에서, 전술된 온도 센서(T)는, 센서 요소(100)의 온도를 수집하기 위해서 이용되는 다이오드로서 형성되어 있다.

도 2는, 본 발명에 따른 센서 요소(100)의 제1 실시예의 개략도를 보여준다. 본 도면에서는, 센서 멤브레인(10) 상에 배열되어 있는 4개의 압전 저항(R1 ... R4)을 확인할 수 있으며, 이 경우에는 각각 하나의 압전 저항(R1 ... R4)이 센서 멤브레인(10)의 하나의 측부 섹션에 배열되어 있다. 압전 저항들(R1 ... R4)은 브리지 회로의 형태로 전기적으로 서로 접속되어 있다. 본 도면에는, 상이한 해칭선에 의해서, 센서 멤브레인(10) 상에서 위로부터 아래로 진행하는 온도 변화도가 표시되어 있다. 다이오드로서 또는 실질적으로 압전 둔감성의 혹은 응력 둔감성의 저항으로서 형성된 2개의 온도 측정 요소(T1, T2)는, 센서 멤브레인(10)의 온도 변화도를 실질적으로 완전하게 측정하도록 센서 멤브레인(10) 옆에 배열되어 있다. 2개의 온도 측정 요소(T1, T2)에 의해서는, 2개 온도 측정 요소들(T1, T2) 간의 온도차가 측정된다.

온도 측정 요소 또는 온도 측정 센서(T1, T2)는 센서 멤브레인(10) 외부에 있거나 바로 옆에 있는 장소에 배치되어 있으며, 이 장소에서는, 전체 센서 멤브레인(10)에 걸쳐 있는 것과 유사한 온도 변화도가 인가되거나 우세하다. 다른 적용예들에서는, 이와 같은 방식으로 센서 멤브레인(10)의 압전 저항(R1 ... R4)의 위치에서 온도가 가급적 정확하게 측정될 수 있도록 하기 위하여, 온도 측정 요소(T1, T2)를 압전 저항(R1 ... R4)에 가급적 가깝게 배치하는 것이 합리적일 수 있다.

일 적용예에서 4개의 모든 압전 저항들(R1 ... R4) 간의 온도 변화도가 인가되는 경우, 일 변형예에서는 또한 4개 이상의 온도 측정 요소(T1 ... Tn)가 센서 요소(100) 상에 배치될 수도 있다. 이들 온도 측정 요소는, 센서 멤브레인(10) 옆에 배치하는 방식에 대해 대안적으로, 도 3에 도시되어 있는, 압전 저항(R1 ... R4) 및 온도 측정 요소(T1 ... T4)를 갖는 센서 요소(100)의 일 변형예에서와 마찬가지로, 압력 민감성을 최소화하기 위하여, 예를 들어 센서 멤브레인(10)의 측부 섹션에 대해 45° 정렬된 상태로 센서 멤브레인(10) 상에 배열될 수도 있다.

온도 측정 요소들(T1 ... Tn) 간의 온도 변화도가 알려져 있으면, 이와 같은 방식에 의해서는, 압전 저항들(R1 ... R4) 간의 온도 변화도에 의해서 야기되는 전기 신호가 보상될 수 있다. 보상은, 예를 들어 수집된 온도 응력을 압전 저항(R1 ... Rn)의 전압과 비교해서 처리하는 전자식 평가 회로(예컨대 ASIC, 도시되지 않음)를 이용해서 이루어질 수 있다. 예를 들어 2차 회귀(quadratic regression)에 의해서는, 이제 압전 저항들(R1 ... R4) 간의 실제 온도차가 산출될 수 있다.

다양한 공정 변형예들에 대한 기존의 잔여 오류는, 도 4에서 압전 저항들(R1과 R4) 사이에 인가되는 실제로 인가되는 온도차 상에 도시되어 있다. x-축 상에는, mK로 나타낸 보상 전 온도 변화도가 도시되어 있고, y-축 상에는 보상 후 온도 변화도가 도시되어 있다. 잔여 오류가 대략 ±5 mK로부터 대략 ±1 mK로 감소되는 것을 알 수 있다.

도 5는, 본 발명에 따른 센서 요소(100)를 갖는 센서 장치(200)의 개략적인 블록 회로도를 보여준다. 센서 장치(200)는, 예를 들어 온도, 기압, 습도, 공기 질 등과 같은 다양한 환경 매개 변수를 수집할 수 있는 센서 모듈을 나타내는 소위 환경 센서(environmental sensor)로서 형성될 수 있다. 바람직하게, 센서 요소(100)의 배열에 의해서는, 압력 요소에 미치는 온도의 영향을 최대한 광범위하게 제거하는 것이 가능하다.

도 6은, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 개략적인 시퀀스를 보여준다.

단계 300에서는, 센서 멤브레인(10)이 제공된다.

단계 310에서는, 규정된 개수의 압전 저항(R1 ... Rn)이 제공되며, 이들 압전 저항은, 압력 변경의 경우에 전압 변경이 발생할 수 있도록 회로 내에서 센서 멤브레인(10) 상에 배열된다.

마지막으로, 단계 320에서는, 2개 이상의 온도 측정 요소(T1 ... Tn)를 제공하는 공정, 및 압전 저항의 위치에서 온도 측정 요소(T1 ... Tn)에 의해 센서 멤브레인(10)의 온도가 측정될 수 있도록, 2개 이상의 온도 측정 요소(T1 ... Tn)를 센서 멤브레인(10)에 상대적으로 배열하는 공정이 실행되며, 이 경우에는 온도 변화도로 인해 압전 저항(R1 ... Rn)의 회로에 인가되는 전압이, 측정된 온도에 의해서 계산을 통해 보상될 수 있다.

언급할 사실은, 센서 요소(100)를 제조하기 위한 상기 공정 단계들이 다른 순서로도 실시될 수 있다는 것이다.

요약해서 말하자면, 본 발명에 의해서는, 압력 센서용 센서 요소, 및 압전 저항형 압력 센서에 미치는 온도 영향을 최대한 광범위하게 제거할 수 있거나 최소화할 수 있는 센서 요소를 제조하기 위한 방법이 제안된다. 바람직하게, 제안된 센서 요소에 의해서는, 온도 변화도의 온도 영향이 최대한 광범위하게 보상될 수 있고, 이로 인해 압력 측정의 정확성이 상당히 증가할 수 있다.

이로써, 결과적으로는 센서 요소를 구비하는 압력 센서에 의해서 압력의 더욱 정확한 측정이 가능해진다. 바람직하게, 온도 보상은, 온도 변화도가 잘 공지된 경우(예를 들어 센서 상에 가열형 전자 부품이 존재하는 경우) 뿐만 아니라, 온도 변화도가 공지되어 있지 않은 경우에도 가능하다.

적합한 개수의 온도 측정 요소를 적합하게 위치 설정함으로써, 온도 변화도의 영향이 적용예별로 특유하게 제거될 수 있다. 이 경우에는, 센서 멤브레인 상에서의 온도 파형의 불균일성의 정도에 따라 온도 측정 요소의 개수가 변할 수 있다.

본 발명이 또한 유사하게 구성된 다른 센서 요소들에도 적용될 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명이 구체적인 적용예들을 참조하여 앞에서 기술되었지만, 당업자는 또한 본 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서 앞에서 개시되지 않았거나 다만 부분적으로만 개시된 실시예들도 구현할 수 있다.

Claims (13)

1. 압력 센서용 센서 요소(100)로서,
   센서 멤브레인(10) - 상기 센서 멤브레인(10)에 규정된 개수의 압전 저항(R1 ... Rn)이 배열되어 있고 상기 압전 저항(R1 ... Rn)은 압력 변경의 경우에 전압 변경이 발생하도록 브리지 회로 내에 배열되어 있음 -; 및
   온도 측정 요소(T1 ... Tn)
   를 포함하고,
   상기 압전 저항과 동일한 개수인 상기 규정된 개수의 상기 온도 측정 요소는 상기 압전 저항(R1 ... Rn)의 위치에서 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)에 의해 상기 센서 멤브레인(10)의 온도가 측정될 수 있도록 상기 센서 멤브레인(10)에 상대적으로 배열되어 있고,
   상기 온도 측정 요소는 상기 센서 멤브레인(10)의 측면들을 기준으로 45도 방향으로 배열되어 있고,
   상기 규정된 개수의 상기 압전 저항 및 상기 규정된 개수의 상기 온도 측정 요소는 상기 센서 멤브레인의 주변을 따라 교대로 배열되어 있고,
   상기 온도 측정 요소에 의해서, 상기 센서 멤브레인 상에서의 온도 변화도가 결정되고,
   상기 온도 변화도로 인해 발생하는 상기 브리지 회로의 브리지 전압의 편차는 상기 결정된 온도 변화도를 이용하여 계산적으로 보상되는, 압력 센서용 센서 요소(100).
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)는 상기 센서 멤브레인(10)의 각각의 에지 영역에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서용 센서 요소(100).
   
5. 삭제
6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 온도 측정 요소(T1 … Tn)는 적어도 부분적으로 알려진 상기 센서 멤브레인(10)의 상기 온도 변화도에 따라서 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서용 센서 요소(100).
7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)는 온도 민감성 다이오드인 것을 특징으로 하는, 압력 센서용 센서 요소(100).
8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)는 온도 민감성 저항인 것을 특징으로 하는, 압력 센서용 센서 요소(100).
9. 제1항 또는 제4항에 따른 센서 요소(100)를 구비하는 센서 장치(200).
10. 압력 센서용 센서 요소(100)를 제조하기 위한 방법이며,
    규정된 개수의 압전 저항(R1 ... Rn)을 제공하고, 압력 변경의 경우에 전압 변경이 발생하도록, 브리지 회로 내에서 센서 멤브레인(10) 상에 상기 압전 저항(R1 ... Rn)을 배열하는 단계; 및
    상기 압전 저항과 동일한 개수인 상기 규정된 개수의 온도 측정 요소(T1 ... Tn)를 제공하고,
    상기 압전 저항(R1 ... Rn)의 위치에서 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)에 의해 상기 센서 멤브레인(10)의 온도가 측정될 수 있도록, 상기 규정된 개수의 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)를 상기 센서 멤브레인(10)에 상대적으로 배열하고,
    상기 센서 멤브레인(10)의 측면들을 기준으로 45도 방향으로 상기 온도 측정 요소를 배열하고 상기 규정된 개수의 상기 압전 저항 및 상기 규정된 개수의 상기 온도 측정 요소를 상기 센서 멤브레인의 주변을 따라 교대로 배열하고,
    상기 온도 측정 요소에 의해서, 상기 센서 멤브레인 상에서의 온도 변화도를 결정하고,
    상기 온도 변화도로 인해 발생하는 상기 브리지 회로의 브리지 전압의 편차를 상기 결정된 온도 변화도를 이용하여 계산적으로 보상하는 단계;를 포함하는, 압력 센서용 센서 요소의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 온도 측정 요소(T1 ... Tn)로서 온도 민감성 다이오드 또는 온도 민감성 저항이 사용되는, 압력 센서용 센서 요소의 제조 방법.
12. 압력 센서를 포함하는 센서 장치(200)에서 제1항 또는 제4항에 따른 센서 요소(100)에 의해 압력을 측정하는 방법.
13. 삭제

Images