KR101107950B1 - 고출력 센서 신호용 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운동/움직임 센서(motion/movement sensor), 검지기 및/또는 모니터 뿐만 아니라 다른 종류의 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 매우 작은(또는 느린) 감지된 움직임, 또는 온도, 압력 및 에너지와 같은 환경 변화에 반응하여 예컨대, 크게 펄스화된 출력 전압을 제공할 수 있다. 본 발명은 예컨대, 다른 가용 센서에 관한 것으로서, "OFF" 상태의 연관된 프로세싱 회로 소자를 턴 온 시키기에 충분한 높은 출력을 제공할 수 있다. 본 발명은 예컨대, 축방향으로 분극된 호모폴리머 폴리비닐리덴 플루오르화물(Homopolymer polyvinyladine fluoride) 또는 다른 피에조(piezoelectric) 재료를 통해, 다른 물체들 사이에서, 다양한 현상들을 감지하는 것에 관한 것이다.
피에조 소자, 스택

Description

고출력 센서 신호용 장치 및 그 제조 방법{APPARATUS FOR A HIGH OUTPUT SENSOR SIGNAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 2004년 1월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/762,278와 연관되고 이의 우선권 이익을 35 U.S.C 120조에 따라 주장하며, 2004년 1월 14일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 60/536,250의 우선권 이익을 35 U.S.C 119조에 따라 주장하며, 이의 전체 내용 및 개시 사항은 본 명세서에 참조로서 명백히 통합되어 있다.
본 발명은 운동/움직임 센서(motion/movement sensor), 검지기 및/또는 모니터뿐만 아니라 다른 종류의 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 매우 작은(또는 느린) 감지된 움직임, 또는 온도, 압력 및 에너지와 같은 환경 변화에 반응하여 예컨대, 크게 펄스화된 출력 전압을 제공할 수 있다. 본 발명은 예컨대, 다른 가용 센서에 관한 것으로서, "OFF" 상태의 연관된 프로세싱 회로 소자를 턴 온 시키기에 충분한 높은 출력을 제공할 수 있다. 본 발명은 예컨대, 축 방향으로 분극된 호모폴리머 폴리비닐리덴 플루오르화물(Homopolymer polyvinyladine fluoride) 또는 다른 피에조(piezoelectric) 재료를 통해, 다른 물체들 사이에서, 다양한 현상들을 감지하는 것에 관한 것이다.
현재, 임의의 가용 장치들이 다양한 현상들을 감지하도록 피에조 활성 재료들을 사용한다. 이러한 장치들로부터 펄스 에너지는 일반적으로 전압이 매우 낮으므로 "ON" 상태를 유지하기 위한 모니터링 회로를 필요로 하며, 회로로 하여금 감지된 현상을 인식하도록 회로에는 증폭기가 일반적으로 연결된다. 종래 감지용 장치들은 현저한 양의 연속적인 에너지(대기 전류)를 사용한다.
다수의 피에조 센서들이 존재한다. 일반적으로, 이러한 센서들은 두 개의 중복된 카테고리로 나뉜다. 이들은 또한 피에조 재료로부터 신호를 부스트하기 위한 증폭기를 필요로 하거나 또는 피에조 재료의 신호에 가감되는 바이어스 신호를 필요로 한다. 각각의 이러한 기술들은 센서가 "ON"하여, 모든 시점에서 전류를 드로잉할 것을 요구한다. 따라서, 증폭기 또는 바이어스 신호의 사용을 회피할 수 있는 센서에 대한 필요성이 존재한다.
일반적으로 피에조 현상은 단지 소량의 에너지를 생성하기 때문에, 저 주파수 현상의 검지를 위해서는 현저한 증폭이 미리 요구된다. 따라서, 증폭의 보조 없이 저 주파수 현상을 검지할 수 있는 센서에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 센서, 모니터 또는 검지기로서 비보조형(unassisted) 피에조 장치를 사용하는 것에 관한 것이다. 종래와 비교할 때, 본 발명은 현저하게 큰 펄스 전압이 모니터 회로로 송신되도록 할 수 있으며, 이러한 펄스 전압은 회로를 "OFF" 상태로부터 "ON" 상태로 스위칭하는데 사용되기에 충분한 큰 값이며, 이에 의해 극히 낮은 레벨로 대기 전류 사용을 차단하고 현저하게 소형화된 센서 구동 시스템의 사용이 가능토록 할 수 있다. 본 발명의 센서의 출력은 예컨대, "OFF" 상태의 센서 회로를 턴 "ON"하도록 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 센서가 "OFF" 상태인 경우에, 모니터링 회로가 비증폭 센서 출력 신호를 사용한다는 것을 "ON" 상태에서 인식할 수 있는 감지장치에 관한 것일 수 있다. 이는 신호들의 극성에 관계없이 달성될 수 있으며, 가용 센서 소자를 스택하고 스위칭 장치를 턴 "ON"하도록 합산된 출력을 사용하는 유익한 효과에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 이러한 스위칭 장치는 전체 모니터링 회로를 턴 "ON"할 수 있다.
감지는 다음의 에너지 형태 즉, 열; 적외선 또는 자외선을 포함하는, 가시광선; 기계적인 운동 또는 임팩트; 기체 흐름 또는 물리적 접촉을 포함하는 마찰 전기(triboelectric); 가속; 및 특정 주파수에 관계없는 무선 주파수(RF) 전자기 에너지의, 양 또는 음의 변화(positive or negative change)에 따라 달성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 다양한 실시형태의 소자들은 예컨대, 피에조 재료의 크기, 피에조 재료의 기계적 실장 및 결합상태, 요구되는 전압 레벨에서 충분한 펄스로의 에너지 전환, 레귤레이션(전압 또는 전류), 및 예컨대 각각이 감지될 임의의 특정 현상에서 요구되는 출력과 결합하거나 맞춰지도록 전환될 수 있는(필요시) 필터링을 포함한다.
저 주파수 또는 저 전압 센서 출력을 스택하는 것은 현저한 장점을 가질 수 있다. 예컨대, 저 주파수 또는 저 전압 센서 출력을 스택하는 것은, 이전에는 현저한 전하값(charge value) 또는 전압 레벨을 사용하지 않은, 로컬 센서 현상의 사용(양 또는 음)이 증폭 없이 최저 전압 회로에서조차 사용가능토록 한다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 발명이 비교적 적은 양의 에너지가 공급될 때 동작하도록 채택될 수 있다는 것이다. 본 발명에 대한 예시적인 에너지원은 본 발명의 실시형태가 실장 될 수 있는 물체에 대한 길이방향의 신장(strech) 운동을 포함한다. 이러한 신장은 1.5㎛만큼 작은 길이방향 움직임을 위한 에너지를 공급할 수 있다. 또한, 온도 변화에 기반한 어플리케이션에서, 본 발명의 전하 스택킹 특성은 비교적 낮은 온도 변화에 기반하여 펄스를 출력할 수 있다. 스택된 소자 배열에 있어서, 온도 변화는 모든 소자에 대하여 동일할 것이다. 예컨대, 다섯 개-소자 스택에서, 0.2℃(1/50℃) 변화는 대략 8 볼트 개방 회로 출력 펄스를 생성할 수 있다. 따라서, "n" 소자 스택에서, 1/n℃ 변화는 8 볼트 개방 회로 출력 펄스를 생성할 수도 있다.
본 발명에 따른 실시형태의 목적은 대부분의 임의의 현상에 대하여 최적화될 수 있는 감지 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 실시형태의 또 다른 목적은 로봇식 감각(robotic feeling)을 위한 감지 장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 로봇식 감각 어플리케이션에서 유용할 수 있으며, 이는 현재 감각이 없을 때에는 센서가 에너지 소진을 요구하지 않기 때문이다. 추가로 본 발명은 매우 작은 또는 저 주파수 현상을 검지할 수 있다. 이러한 검지 능력은 로봇식 촉각(robotic tactile)에 또는 섬세하게 취급하거나 또는 복잡한 환경하에서 사용하는 다른 센서에 유용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 다수개의 스택된 피에조 소자, 각 소자의 출력부 상의 정류 블록, 및 정류 블록으로부터 전하를 축적하도록 배열된 다수개의 캐패시터를 포함하는 장치를 센서로서 사용할 수 있다. 또한, 임의의 실시형태에서, 스위칭 장치는 다수개의 캐피시터의 출력부에 접속될 수 있다. 본 명세서에서 캐패시터의 사용이라는 용어로 개시되고 있지만, 본 발명은 예컨대, 고유 캐피시턴스를 갖는 다른 회로 구성품에 의해 구현될 수도 있다. 따라서, 충분한 캐피시턴스를 갖는 임의의 소자는 용량성 소자로 고려될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 정류 블록은 전파 정류 블록(Full-wave rectification block) 또는 반파 정류 블록(half-wave rectification block)일 수 있다. 장치는 하나 이상의 스택된 피에조 소자를 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 장치는 정류 블록과 캐패시터 사이에 제공된 신호 위상 지연 소자(예컨대, 인덕터와 같은)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 특정 실시형태에서, 스위치 장비는 트랜지스터 또는 일군의 트랜지스터를 구비할 수 있거나, 또는 릴레이, MEMS 릴레이, 가용 타이머 회로, 또는 다이렉트 마이크로컨트롤러 입력부를 구비할 수 있다.
이 장치는 장치가 실장 되는 아이템 또는 구조물의 위치 내 변화를 검지, 모니터 및/또는 감지하도록 최적화될 수 있다. 문 또는 창문은 이러한 구조물들의 실시예일 수 있다. 문 또는 창문이 매우 미세하게 이동돼야만 할 경우, 본 발명의 실시형태에 따른 센서는 출력을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시형태를 모니터링되는 아이템 또는 구조물의 표면에 실장하는데 적합한 각도는 모니터 될 운동면(the plane of movement)에 대략 수직이거나 또는 대략 90°일 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 장치는 장치상에 위치된 아이템 또는 구조물의 위치 내 변화를 검지, 모니터링 및/또는 감지하도록 최적화될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 센서 상에 위치된 임의의 아이템 또는 구조물은, 이러한 아이템 또는 구조물이 초기 위치로부터 이동된 경우 변화될 장치의 용적부하(preload)를 제공할 수 있다. 모니터링 될 상기 아이템의 실시예로서 박물관 유물이 있다. 유물이 이동되는 경우, 센서는 요구되는 출력을 제공할 수 있다. 본 발명의 이러한 실시형태에서 센서는 또한 임의의 검출 형태를 방지하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 일정하게 전류를 인출하는 장비는 원치않는 전자기 복사를 방출할 수 있다. 전자기 복사는 다양한 센서에 의해 "감지"될 수 있다. 그러나 본 발명의 임의의 실시형태는 트리거되지 않은 상태에서 임의의 전류를 드로잉하지 않음으로써(단순히 나노암페어로 도시), 검지가 열등해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시형태는 현저한 중력원의 표면에 대하여 각도를 갖고 회전하는 구조물 상에 가해지는 중력 효과로부터의 위치 변화를 검지하도록 최적화할 수 있다. 휠은 본 발명의 실시형태에 따라 위치 내 변화를 검지하기 위한 타깃일 수도 있는 구조물의 실시예이다. 이러한 실시형태에 있어서 표면에 대한 적정 각도는 대략 수직이거나 또는 90°이다. 이러한 각도는 중력면에 관하여 위치 변화의 최대량을 제공할 수 있다. 일반적으로, 다른 각도가 사용되는 경우, 측정을 위한 유용한 구성품은 중력원의 표면에 수직 하는 구성품일 수 있다. 현저한 중력원들은 지구, 달, 소행성 또는 타겟보다 현저하게 큰 몸체를 갖는 다른 어떤 것을 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 장치는 또한 인간 또는 다른 동물의 심장박동으로부터 주파수 또는 진폭 내 변화를 측정하거나 또는 검지하도록 최적화할 수도 있다. 이러한 장치는 또한 로컬 전기장으로부터 이용할 수 있고 및/또는 검지할 수 있는 에너지 내 변화에 대해 최적화될 수 있다. 이러한 전기장은 대략 50Hz 내지 60Hz 범위의 전계를 구비할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 본 발명의 장치는 낮은 파워 사운드 또는 초음파 에너지로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 진폭 내 변화를 검지, 감지 또는 모니터하도록 최적화될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 본 발명의 장치는 RF 스펙트럼 에너지 전계로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 진폭 내 변화를 검지, 감지 또는 모니터하도록 최적화될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 본 발명의 장치는 자기장내 변화를 모니터, 검지 또는 감지하도록 최적화될 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 예컨대, 임의의 특정 피에조 재료의 한계로 강하하는 매우 낮은 주파수 에너지를 모니터, 검지 또는 감지하도록 최적화될 수 있다. 통합된 측정 특성(specialty)에서 DT-1 형태에 대한 이러한 한계는, 예컨대, 대략 0.001Hz라고 여겨진다.
본 발명의 임의의 실시형태에서, 장치는 회로 기판 기술을 통합할 것이다. 예컨대, 정류 블록들은 회로 기판 내에 구현될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 장치의 용량성, 자기성(임의의 경우) 또는 유도성 소자들은 구성품으로 분리되기보다, 회로 기판의 부분으로 형성되거나 또는 회로 기판상에 트레이스(trace)될 수 있다. 또한, 인덕터는 임의의 실시형태에서 통합될 수 있다. 이는 스택 내 각 소자로부터의 에너지 위상을 조정하는데 특히 유용할 수 있으며, 하나의 소자로부터의 출력이 또 다른 소자로부터 출력의 부분에서 삭제되는 것을 방지하도록 할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 센서의 제조 방법을 포함할 수 있으며, 이러한 센서의 제조 방법은 예컨대, 다수개의 피에조 소자를 스택 내에 배열하는 단계, 각 소자의 출력부에 정류 블록을 접속하는 단계, 및 정류 블록으로부터 전하를 축적하도록 다수개의 캐패시터를 배열하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시형태는 예컨대, 스위칭 장비를 다수개 캐패시터의 출력부에 접속하는 단계를 포함한다. 본 발명의 특정 실시형태에서는, 크기에 따라 스택 내에 배열된 다수개의 피에조 소자를 제공하는 배열 단계를 포함할 수 있다.
상기의 전반적인 설명과 하기의 상세한 설명은 모두 단지 예시하고 설명하기 위한 것이며, 청구된 본 발명은 이에 한정되지 않는다는 것은 이해가능하다. 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시형태를 도시하는 첨부 도면들은 본 발명의 원리를 설명하도록 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서 다섯 개의 소자 스택을 나타내는 개략적인 회로도이다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 전계 효과 트랜지스터(FET) 접지 스위칭 실시형태에 대한 개략적인 회로도이다.
도 3A,도 3B 및 도 3C는 본 발명의 FET 전원 스위칭 실시형태에 대한 개략적인 회로도이다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 릴레이 전원 스위칭 실시형태에 대한 개략적인 회로도이다.
도 5A 및 도 5B는 움직임을 감지하도록 물체 상에 실장 된 센서를 구비하는 운동/움직임 센싱 실시형태의 실시예이다.
도 6은 센서에 관하여 물체의 움직임을 감지하도록 물체 하부에 위치된 센서를 구비하는 본 발명의 실시형태에 따른 운동/움직임 센싱의 실시예를 도시하는 도면이다.
도 7A, 도 7B 및 도 7C는 본 발명의 실시형태 및 그의 물리적인 PVDF 레이아웃의 일 형태, 다섯 개의 소자 스택에 대한 기계도면(Mechanical Drawing)이다.
도 8A 및 도 3B는 지표면에 또는 다른 주목할만한 질량체(행성, 달, 소행성 등)에 90°인 휠 상에 실장 된 위치 변화 감지용으로 최적화된 본 발명의 실시형태의 전하 장비를 지시하는 레이아웃이다.
도 9는 본 발명의 실시형태의 사인 파형 에너지 스택을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 하기에서 설명되는 특정 방법론, 혼합물, 재료, 제조 기술, 사용 및 어플리케이션에, 이러한 것들이 변화할지라도, 한정되지 않는다는 것은 이해 가능하다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시형태를 설명하기 위한 목적으로만 사용되고, 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니라는 것을 이해가능하다. 본 명세서에서 사용된 것과 같은, 첨부된 청구항에서, 단일 형태의 "a","an" 및 "the"는 문맥에서 명확하게 다르게 지시하지 않는다면 복수형 언급을 포함한다는 것에 주의하여야만 한다. 따라서, 예컨대, "an element"라는 언급은 하나 이상의 소자를 언급하는 것이고, 이는 당업자에게 공지된 등가물을 포함한다. 이와 유사하게, 또 다른 실시형태에 대하여, "a step" 또는 "a means"라는 언급은 하나 이상의 수단을 언급하는 것이고, 하위-단계 및 보조 수단을 포함할 수 있다. 사용된 결합할 수 있는 최대한을 포괄하는 것으로 이해되어야한다. 따라서, "or"이라는 용어는 문맥에서 명확하게 다르게 지시하지 않는다면, 논리적으로 "한정적인 또는(exclusive or)"의 정의보다는 논리적으로 "또는(or)"의 정의를 갖는 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서에서 설명된 구조물은 이러한 구조물의 기능적 등가물을 언급한다는 것으로 또한 이해될 수 있다. 근사적인 표현으로 구성될 수 있는 언어도, 문맥이 명확하게 다른 방법을 지시하지 않는 경우에는 이와 같이 이해되어야 한다.
다르게 정의되어 있지 않으면, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적이고 과학적인 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해될 수 있는 것과 같은 동일한 의미를 갖는다. 임의의 방법, 기술 장치 또는 유사한 재료 또는 등가물이 본 발명의 실험 또는 테스트에서 사용될 수 있다고 본 명세서에서 설명되어 있으나, 이는 바람직한 방법들, 기술들, 장치들, 및 재료들이다. 본 명세서에서 설명된 구조물은 이러한 구조물의 기능적 등가물을 언급하는 것으로 또한 이해되어야만 한다. 본 명세서에서 언급된 모든 참조들은 전체 내용 및 개시 사항이 본 명세서에 참조로서 명백히 통합되어 있다.
본 명세서에서 설명된 바와 같이, 인가된 힘은 각 소자에 동일한 범용 방향 및 크기로 행해진 것으로 도시된다. 힘의 형태는 설명하기에는 중요하지 않으나, 총칭적인 힘(generic force)의 벡터가 사용될 것이다. 필름 영역에 대해 인가된 다른 종류의 힘을 포함하거나 또는 힘의 방향 변화를 포함하는 경우는 당업자는 이러한 경우에서 용이하게 추론할 수 있을 것이다. 구성품 특성 분산에 기인한 작은 변경들은, 특정 구성품 값으로 도시될 수 없으며; 이는 이들을 변경할 수 있기 때문이며, 그리고 또한 성능을 최적화한 경우라도, 주요 성능에 영향을 미치지도 않기 때문이다.
일반적으로, PVDF 필름에 인가된 힘은 필름의 적어도 일부분이 길이방향 운동하도록 한다. 이러한 필름 일부분의 길이방향 변위는 전압 출력을 생성할 수 있다. 전압 출력의 크기는 예컨대, 인가되는 힘, PVDF 필름의 물리적인 면적, 및 필름의 용량에 기인한다. PVDF 필름은 전하의 쿨롱을 제거하기 위하여 전도성 표면상에 피복될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, PVDF 필름은 전하를 제거하기 위하여 컨턱터와 접촉하고 있을 수 있다. 이러한 공정은 가역 할 수 있으며, 이에 따라, 예컨대, 피복된 PVDF 필름에 전도적으로 인가되는 전압은 물리적인 운동이 필름상에서 행해지도록 할 수 있다. 축방향으로 분극된 PVDF에서, 움직임으로 유도되는 이러한 전압의 대부분은 길이방향으로 작용한다. 일반적으로 대략 움직임의 1/1000 만이 임의의 다른 방향으로 작용할 것이다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 PVDF 필름은 통합된 측정 특성에서 DT-1 필름과 같은 필름일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 회로도이다. 이 회로도는 다섯 개의 피에조 소자(150)가 전기적으로 서로 접속될 수 있는 일 예를 도시한다. 비록 피에조 소자(150)가 서로 유사하더라도, 이들은 동일하지 않다. 피에조 재료(130)의 세그먼트는 증가된 크기일 수 있으며, 캐패시터(140)는 피에조 재료(130)의 특정 세그먼트에 해당하도록 선택될 수도 있다. 이러한 배열을 갖는 실시예가 도 7A, 도 7B 및 도 7C에서 설명되고, 또한 하기에서 설명된다. 도 1을 다시 참조하여, 각각의 피에조 소자(150)는 브리지 정류기(120)를 구비할 것이다. 브리지 정류기(120)는 예컨대, 4개의 다이오드(110)를 구비하는 전파 정류기일 수 있다. 브리지 정류기(120)는 피에조 재료(130)에 접속되어, 캐패시터(140)와 접속될 수 있다. 피에조 소자(150)의 스택된 배열은 일렬로 피에조 소자의 캐패시터(140)를 접속함으로써 전기적 접속이 이루어질 수 있다. 캐패시터(140) 중 하나의 일측 터미널은 센서 출력부(170)로서 제공될 수 있으며, 또 다른 터미널은 접지(160)에 접속될 수 있다. 네 개의 소자 스택은 최하부 피에조 소자(150) 사이의 접속을 제거하고, 대신 접지로 직접적으로 접속함으로써 생성될 수 있다는 것이 명확해진다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 접지 스위칭 어플리케이션의 두 가지 실시예 즉, 도 2A의 단일 펄스 회로도 및 도 2B의 래치 전원 회로도를 제공한다. 일 실시형태에서, 예시적으로 도 2A에서 도시된 것과 같이, 센서 출력부(170)는 N 채널 전계 효과 트랜지스터(이하, FET; 210)의 게이트에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 소스는 접지(160)에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 드레인은 모니터 회로 접지(240)에 접속될 수 있다. 배터리(220)는 모니터 회로 전원(230)과 접지(160) 사이에 다른 전압을 제공할 수 있다. 따라서, 센서 출력부(170)로부터의 고 펄스 센서는 펄스 듀레이션(duration)동안 모니터 회로 접지를 적용할 수도 있다.
예를들어 도 2B에서 도시된 것과 같이, 또 다른 실시형태에서, 센서 출력부(170)는 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 소스는 접지(160)에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 드레인은 모니터 회로 접지(240)에 접속될 수 있다. 배터리(220)는 모니터 회로 전원(230)과 접지(160) 사이에 다른 전압을 제공할 수 있다. 또한, 모니터 회로 전원 래치(250)는 다이오드(110)를 통하여 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. 따라서, 센서 출력부(170)로부터 고 펄스가, 모니터 회로 전원 래치(250)를 간접적으로 활성화하여, 회로가 펄스의 듀레이션 이하로 전원을 래치하도록 할 수 있다.
도 3A, 도 3B 및 도 3C는 본 발명의 파워 스위칭 어플리케이션의 세 가지 실시예 즉, 도 3A의 단일 펄스 회로도를, 도 3B의 활성-고 전원 래칭 회로도를, 그리고 도 3C의 활성-저 회로도를 제공한다. 일 실시형태에서, 예시적으로 도 3A에서 도시된 것과 같이, 센서 출력부(170)는 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 소스는 접지(160)에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 드레인은 레지스터(310)와 P 채널 FET(320)에 접속될 수 있다. 레지스터(310)는 P 채널 FET(320)의 소스에 접속될 수 있다. P 채널 FET(320)의 소스는 또한 배터리(220)는 접속될 수 있으며, 이는 즉 접지(160)에 접속될 것이다. P 채널 FET(320)의 드레인은 모니터 회로 전원(230)에 접속될 것이다. 따라서, 고 펄스의 센서는 펄스 듀레이션 동안 모니터 회로 전원(230)을 적용할 수도 있다.
또 다른 실시형태에서, 예시적으로 도 3B에서 도시된 것과 같이, 센서 출력부(170)는 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 소스 는 접지(160)에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 드레인은 레지스터(310)와 P 채널 FET(320)의 게이트에 접속될 수 있다. 레지스터(310)는 P 채널 FET(320)의 소스에 접속될 수 있다. P 채널 FET(320)의 소스는 또한 배터리(220)는 접속될 수 있으며, 이는 즉 접지(160)에 접속될 것이다. P 채널 FET(320)의 드레인은 모니터 회로 전원(230)에 접속될 것이다. 따라서, 고 펄스 센서는 펄스 듀레이션동안 모니터 회로 전원(230)을 적용할 것이다. 또한, 모니터 회로 전원 래치(250)는 다이오드(110)를 통하여 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. 따라서, 센서 출력부(170)로부터의 고 펄스 센서는 모니터 회로 전원 래치(250)를 간접적으로 활성화하여, 회로가 펄스의 듀레이션 이하로 전원을 래치하도록 할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 예시적으로 도 3C에서 도시된 것과 같이, 센서 출력부(170)는 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 소스는 접지(160)에 접속될 수 있다. N 채널 FET(210)의 드레인은 레지스터(310)와 P 채널 FET(320)의 게이트에 접속될 수 있다. 레지스터(310)는 P 채널 FET(320)의 소스에 접속될 수 있다. P 채널 FET(320)의 소스는 또한 배터리(220)는 접속될 수 있으며, 이는 즉 접지(160)에 접속될 것이다. P 채널 FET(320)의 드레인은 모니터 회로 전원(230)에 접속될 것이다. 따라서, 고 펄스 센서는 펄스 듀레이션 동안 모니터 회로 전원(230)을 적용할 수 있다. 또한, 모니터 회로 전원 래치(250)는 다이오드(110)를 통하여 N 채널 FET(210)의 게이트에 접속될 수 있다. 따라서, 센서 출력부(170)로부터의 고 펄스 센서는 모니터 회로 전원 래치(250)를 간접적으로 활성화하여, 회로가 펄스의 듀레이션 이하로 전원을 래치하도록 할 수 있다.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 릴레이 파워 스위칭 어플리케이션의 두 가지 실시예 즉, 도 4A의 단일 펄스 회로도를 그리고 도 4B의 래치된 전원 회로도를 제공한다. 일 실시형태에서, 예시적으로 도 4A에서 도시된 것과 같이, 센서 출력부(170)는 제1 핀에서 릴레이(410)에 부착될 수도 있다. 레지스터(310)는 제2 핀에서 릴레이(410)와 접지(160) 사이에 접속될 수 있다. 배터리(220)는 제3 핀에서 릴레이(410)와 접지(160) 사이에 접속될 수 있다. 릴레이(410)는 제5 핀에서 개방될 수 있다. 제4 핀에서 릴레이(410)는 모니터 회로 전원(230)과 접속될 수 있다. 따라서, 고 펄스 센서가 펄스 듀레이션동안 모니터 회로 전원을 적용할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 예시적으로 도 4B에서 도시된 것과 같이, 센서 출력부(170)는 제1 핀에서 릴레이(410)에 부착될 수도 있다. 레지스터(310)는 제2 핀에서 릴레이(410)와 접지(160)에 접속될 수 있다. 배터리(220)는 제3 핀에서 릴레이(410)와 접지(160) 사이에 접속될 수 있다. 릴레이(410)는 제5 핀에서 개방될 수 있다. 제4 핀에서 릴레이(410)는 모니터 회로 전원(230)과 접속될 수 있다. 또한, 모니터 회로 전원 래치(250)는 다이오드(110)를 통해 제1 핀에서 릴레이(410)와 접속될 수 있다. 따라서, 고 펄스 센서가 펄스 듀레이션동안 모니터 회로 전원을 적용할 수 있다. 따라서, 센서 출력부(170)로부터의 고 펄스 센서는 모니터 회로 전원 래치(250)를 간접적으로 활성화하여, 회로가 펄스의 듀레이션 이하로 전원을 래치하도록 할 수 있다.
도 5A 및 도 5B는 중요한 물체 상에 실장된 센서를 갖는 운동 감지 용도의 두 가지 실시예 즉, 도 5A의 창문에 장착된 실시예를 그리고 도 5B의 문에 장착된 실시예를 제공한다. 일 실시형태에서, 예시적으로 도 5A에서 도시된 것과 같이, 센서(510)는 창문(520) 일부 상에 실장될 수 있다. 일 실시형태에서, 센서(510)는 보안 회사를 광고하는 스티커로서 변장 될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 센서(510)는 창문(520)의 불투명 부분에 위치될 수도 있다.
예시적으로 도 5B에서 도시된 것과 같이, 또 다른 실시형태에서, 센서(510)는 문(530) 상에 위치될 수 있다. 예컨대, 센서(510)는 접착 수단에 의해 부착될 수 있다. 센서(510)는 문(530)을 열거나 또는 닫도록 하는 시도 시, 특히 움직일 수 있는 문(530)의 일 부분 상에 위치될 수 있다.
도 6은 중요한 물체, 이 경우에는 다이아몬드 하부에 위치될 수 있는 용적부하 센서의 실시예를 제공한다. 센서(510)는 예컨대 받침대(620)의 표면상에 일체로 위치될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 다이아몬드(610)가 받침대(620)로부터 들어올려지면, 센서(510)가 출력을 제공할 수 있다.
도 7A, 도 7B 및 도 7C는 다섯 개의 소자 스택에 대한 도면이다. 도 7A는 다섯 개의 소자 스택의 상면도에 해당한다. 도 7B는 다섯 개의 소자 스택의 저면도에 해당한다. 마지막으로, 도 7C는 상면도와 저면도를 포개놓고 본 힘 어플리케이션 센터(720)를 통해 힘의 어플리케이션을 도시한다. 이러한 실시형태는 예시적으로 대기(ambient) 역학적 에너지를 전환한다. 단일 PVDF 필름은 도시된 것과 같이 길이가 증가된 다섯 개의 세그먼트로 나누어질 수 있다. 이들 세그먼트들(또는 소자; 711, 712, 713, 714, 715(도 1에서 피에조 재료(130)의 특정 세그먼트에 해당할 수 있는)은 도시된 것과 같이 가장 작은 것으로부터 가장 큰 것으로 배열될 수 있다. 소자들은 다른 크기로 생성되어, PVDF 필름에 힘을 균등하게 인가하기 위해 필름 크기를 증가시켜 특별히 높은 전압을 제공할 수 있다. 이는 스택이 상부로부터 하부까지(예컨대, 도 1의 회로도에서 센서 출력부(170)로부터 접지(160)까지) 양전하를 획득하도록 한다. 캐패시터(140; 도1에서 도시된 것과 같은)는 그 크기에서 바람직하게 쌍을 이루는 PVDF 소자의 특정 캐패시턴스 값과 매치될 수 있다. 캐패시터는 회로도에서 120으로 도시된 브리지 정류기를 통해 쌍을 이룰 것이다. 이러한 브리지 정류기(120)(도 1에서 도시된 바와 같이)는 바람직하게 전파 정류 브리지 이거나 반대로 반파 브리지 일수도 있다. 전파 브리지의 장점 중 하나는 양쪽 극성의 에너지를 캡쳐할 수 있다는 것이다. 이러한 매치된 쌍들은 최대 전하가 필름으로부터 전송될 수 있도록 한다. 본질적으로, 전하 전송은 바람직하게 PVDF 필름상에서 생성된 최대 전압에서 두개 다이오드 전송 전압 강하를 뺀 값이 연계된 캐패시터상에 축적되도록 할 수 있다.
본 발명을 사용한 바람직한 정류 블록은 전파 정류기이고, 이로서 스택내 좀 더 낮은 전압이 스택내 좀 더 높은 소자의 표면 양쪽에 나타날 수 있다. 이러한 구성은 또한, 예컨대, 피에조 재료(130)의 개별적인 세그먼트의 영향을 방지하거나 감소시키는데 도움을 주며, 이러한 영향은 일 측면상에 인가되는 전압을 힘이 인가된 방향과 반대 방향으로 필름 내 기계적인 운동으로 전환할 수 있다.
힘은 도면에서 역선(force line)을 따라, 첨부된 질량을 통해, 필름의 중심에서 상부면에 대략 수직하게 본 발명의 실시형태에 따른 필름에 인가될 수 있다. 임의의 인가력에 대하여, 전압은 소자 크기에 역비례하여 각각의 피에조 소자에 생성될 수 있다.
도 7A, 도 7B 및 도 7C는 다섯 개의 소자가 단일 필름상에 놓인 본 발명의 실시형태를 도시한다. 예컨대, 세그먼트(711, 712, 713, 714, 715)에 대한 영역과 같은 직사각 영역 내에서, 소자들은 실버 잉크의 어플리케이션에 의해 정의될 수 있다. 기생(parasitic) 캐패시턴스의 생성을 피하기 위한 이 어플리케이션의 기하학적 구조물을 제어함으로써, 영역들을 정의하는데 주의가 요구될 수도 있다.
도 8A 및 도 8B는 회전 설정 시, 피에조 소자(150)를 채택하는 본 발명의 실시형태를 지시한다. 이러한 실시형태가 회전할 때, 피에조 소자(150) 상의 중력이 360°의 회전을 통하여 변화한다. 중력 끌림(gravitational attraction)이 1G인 상황에서, (중력으로 인한) 소자 상의 힘(길이방향으로)은 회전 과정 전반에 걸쳐서 1G(도 8B에서 알 수 있음)와, 1G(도 8A에서 알 수 있음) 사이에서 변한다.
도 9는 PVDF 필름 및 스택 캐패시터를 포함하는 본 발명의 실시형태로부터 출력되는 전압의 그래프이다. 전압은 예컨대, PVDF 필름에 의해 생성되고, 전체 출력의 백분율에 따라 다섯 개의 스택 캐패시터 내에 저장된다. 이러한 백분율은 도 7A 내지 도 7C내에 예시적으로 지시된 소자 크기를 사용하는 전체 소자 캐패시턴스에 대한 필름 소자 캐패시턴스의 비율에 기초할 것이다. 도 1에서 보여지는 하나의 회로가 채택된 경우, 개별적인 캐패시터(140)의 전압은 파형처럼 도시된, 해당 비례적인 전압(931, 932, 933, 934, 935)에서 도시된 것과 같이 변화할 수 있다. 이러한 실시예에서, 센서 출력부(17)에 접속된 캐패시터(140)의 비례 전압(931)은 전체 출력 전압(936)(또는 파형으로 도시된)의 25.7％이다. 이와 유사 하게, 접지(160)에 접속된 캐패시터(140)의 비례 전압(935)은 전체 출력 전압(936)(또는 파형으로 도시된)의 14.3％이다.
본 발명의 다른 실시형태는 당업자라면 본 명세서를 고려하고, 이에 개재된 본 발명의 재현함으로써 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서와 실시형태는 단지 예시적으로서, 하기 청구항에 의해 지시되는 본 발명의 사상과 범위에 따라 고려되어야한다.

Claims (57)

  1. 센서 장치에 있어서,
    스택 상태로 배열된 다수개의 피에조 소자로서, 상기 피에조 소자는 각각 출력부를 가지는 것인, 피에조 소자;
    상기 피에조 소자의 각 출력부에 형성된 정류 블록;
    상기 정류 블록으로부터 전하를 축적하도록 각각의 상기 정류 블록에 접속된 용량성 소자;
    상기 용량성 소자로부터의 신호를 공급하도록 상기 용량성 소자에 접속된 센서 출력부를 구비하는 것인 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용량성 소자의 출력부에 접속되는 스위칭 장치를 더 구비하는 것인 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정류 블록은 전파 정류 블록과 반파 정류 블록으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서, 적층된 세 개 이상의 상기 피에조 소자를 구비하는 것인 센서 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정류 블록과 상기 용량성 소자 사이에 제공된 신호 위 상 지연 소자를 더 구비하는 것인 센서 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 신호 위상 지연 소자는 인덕터를 구비하는 것인 센서 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 구비하는 것인 센서 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 다수의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 구비하는 것인 센서 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 바이폴라 트랜지스터를 구비하는 것인 센서 장치.
  10. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 다수의 바이폴라 트랜지스터들을 구비하는 것인 센서 장치.
  11. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 릴레이 또는 MEMS 릴레이를 구비하는 것인 센서 장치.
  12. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 가용 타이머 회로를 구비하는 것인 센서 장치.
  13. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 다이렉트 마이크로컨트롤러 입력부를 구비하는 것인 센서 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 중력원의 표면에 대하여 각도를 갖고 회전하는 구조물상에서 중력 효과에 의한 위치 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 구조물은 휠을 구비하는 것인 센서 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 각도는 90°인 것인 센서 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 중력원은 지구를 포함하는 것인 센서 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 상기 센서 장치가 실장되는 구조물의 움직임으로부터의 위치 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 상기 센서 장치상에 위치된 구조물의 움 직임 내 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 로컬 전기장으로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 진폭내 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전기장은 50Hz 내지 60Hz 범위의 전계를 구비하는 것인 센서 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 파워 사운드 에너지로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 진폭 내 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 초음파 에너지로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 진폭내 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 정류 블록들 중 하나 이상의 정류 블록은 회로 기판을 구비하는 것인 센서 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 용량성 소자들 중 하나 이상의 용량성 소자는 캐패시터를 구비하는 것인 센서 장치.
  26. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 RF 스펙트럼 에너지 전계로부터 이용할 수 있는 주변(ambient) 전원 내 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  27. 제1항에 있어서, 상기 센서 장치는 자계내 변화를 검지하는 수단을 구비하는 것인 센서 장치.
  28. 센서를 제작하는 방법으로서,
    다수개의 피에조 소자들을 스택 상태로 배열하는 단계;
    상기 피에조 소자의 각각의 출력부에 하나 이상의 정류 블록이 존재하도록 다수개의 정류 블록을 접속하는 단계;
    상기 정류 블록으로부터 전하를 축적하도록 다수개의 용량성 소자를 배열하는 단계; 및
    상기 다수개의 용량성 소자로부터 신호를 제공하도록 신호 출력부를 제공하는 단계를 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  29. 제28항에 있어서, 스위칭 장치를 상기 다수개의 용량성 소자의 출력부에 접속하는 단계를 더 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 다수개의 피에조 소자들을 스택 상태로 배열하는 단계는 크기에 따라 스택 내에 배열된 다수개의 피에조 소자들을 제공하는 단계를 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  31. 제28항에 있어서, 상기 정류 블록들 중 하나 이상의 정류 블록은 전파 정류 블록과 반파 정류 블록으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 센서 제작 방법.
  32. 제28항에 있어서, 스택화된 세개 이상의 피에조 소자를 배열하는 단계를 더 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  33. 제28항에 있어서, 상기 다수개의 정류 블록들 중 하나 이상의 정류 블록과 상기 다수개의 용량성 소자들중 하나 이상의 용량성 소자 사이에 제공된 신호 위상 지연 소자를 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 신호 위상 지연 소자는 인덕터를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  35. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 FET를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  36. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 다수의 FET를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  37. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 바이폴라 트랜지스터를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  38. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 다수의 바이폴라 트랜지스터를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  39. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 릴레이 또는 MEMS 릴레이를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  40. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 가용 타이머 회로를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  41. 제29항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 다이렉트 마이크로컨트롤러 입력부를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  42. 제28항에 있어서, 상기 센서는 중력원의 표면에 대하여 각도를 가지고 회전하는 구조물상에서 중력 효과에 따른 위치 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 구조물은 휠을 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  44. 제42항에 있어서, 상기 각도는 90°인 것인 센서 제작 방법.
  45. 제42항에 있어서, 상기 중력원은 지구를 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  46. 제28항에 있어서, 상기 센서는 상기 센서 자신이 실장되는 구조물의 위치 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  47. 제28항에 있어서, 상기 센서는 상기 센서 자신상에 배치되는 구조물의 위치 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  48. 제28항에 있어서, 상기 센서는 심장박동으로부터의 주파수 또는 강도 내 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 심장박동은 인간의 심장박동을 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  50. 제28항에 있어서, 상기 센서는 로컬 전기장으로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 강도내 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 전기장은 50Hz 내지 60Hz 범위의 전계를 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  52. 제28항에 있어서, 상기 센서는 파워 사운드 에너지로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 강도 내 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  53. 제28항에 있어서, 상기 센서는 초음파 에너지로부터 이용할 수 있는 주파수 또는 강도내 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  54. 제28항에 있어서, 상기 센서 내에 회로 기판 기술을 통합하는 단계를 더 포함하는 것인 센서 제작 방법.
  55. 제28항에 있어서, 하나 이상의 용량성 소자는 용량성 소자들 중 캐패시터를 구비하는 것인 센서 제작 방법.
  56. 제28항에 있어서, 상기 센서는 RF 스펙트럼 에너지 전계로부터 가용 주변(ambient) 전원 내 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
  57. 제28항에 있어서, 상기 센서는 자계내 변화를 감지하도록 구성된 것인 센서 제작 방법.
KR1020067016255A 2004-01-14 2005-01-13 고출력 센서 신호용 장치 및 그 제조 방법 KR101107950B1 (ko)

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