KR102630328B1 - 습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용하는 습도측정 방법 - Google Patents

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Abstract

습도센서 모듈, 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법을 개시한다. 습도센서 모듈은 기판 상에 배치되고 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층, 리세스를 덮도록 절연층의 상부에 배치되어 리세스를 외부로부터 단절된 밀폐공간으로 제공하고 칼슘함유 박막층을 구비하여 대기의 수분을 흡수하며 흡수된 수분의 함량에 따라 서로 다른 공진 주파수로 진동하는 멤브레인, 및 절연층의 하부에 배치된 하부전극 및 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함한다. 습도 측정장치는 습도센서 모듈로부터 출력신호를 검출하고 출력신호의 공진 주파수에 대응하는 습도를 주파수-습도 기준에 의해 일의적으로 수득한다. 대기의 상대습도를 간편하고 정확하게 검출할 수 있다.

Description

습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용하는 습도측정 방법 {Humidity sensor module, humidity measuring device having the same and method of detecting humidity using the same}
본 발명은 습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT)를 이용한 미세가공 초음파 습도센서 모듈과 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 관한 것이다.
최근, 다양한 산업분야에서 미세공정의 활용이 증가하면서 단위공정이 수행되는 주변환경의 습도를 간단하고 정밀하게 측정하기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다.
예를 들면, 멤스(MEMS)나 반도체 제조공정과 같은 미세공정을 이용하여 단일한 기판으로부터 대량으로 습도센서 칩을 제조함으로써 휴대성과 사용 편의성 및 검출 정밀도가 향상된 미세가공 습도센서에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasound transducer, CMUT) 소자의 멤브레인을 대기중의 수분을 흡수하는 흡습층으로 변형하여 습도센서로 활용하는 CMUT 습도센서가 널리 이용되고 있다. 상기 CMUT 습도센서는 MEMS 공정에 의해 제조되어 미세 사이즈를 갖고 대량으로 생산되므로 습도센서의 휴대성과 검출 편의성을 개선할 수 있고 상대습도를 전기적 신호를 이용하여 검출하므로 측정 정밀도를 높일 수 있다.
특히, 최근에는 반도체 제조공정이나 정밀 화학공정과 같이 높은 정밀도와 청정도를 요구하는 공정환경에 대한 필요성이 증가하면서 미세한 습도변화도 검출할 수 있는 고감도 CMUT 습도센서에 대한 수요가 증가하고 있다.
상기 CMUT 습도센서의 흡습감도는 대기 중의 수분변화에 의한 멤브레인의 응답 민감도에 의해 결정되므로 고감도 CMUT 습도센서는 흡습층의 물성을 개선하기 위한 다양한 노력들이 진행되고 있다.
예를 들면, 상기 CMUT 습도센서의 멤브레인을 금속 산화물, 세라믹, 카본이나 폴리머 등을 이용하여 개질하거나 변형하여 흡습감도를 높이는 다양한 CMUT 습도센서가 알려져 있다. 그러나, 공정 스케일이 나노미터 단위로 축소되는 최근의 미세공정에 요구되는 충분한 흡습감도는 제공하지 못하고 있어 공정환경의 습도변화에 민감하게 대응하지 못하는 문제점이 있다.
이에 따라, 흡습감도를 높일 수 있는 새로운 CMUT 습도센서에 대한 요구가 높아지고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 CMUT 소자의 멤브레인에 칼슘함유 박막층을 배치하여 흡습감도를 개선한 습도센서 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 습도센서 모듈을 구비하는 습도 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 바와 같은 습도 측정장치를 이용하여 상대습도를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 습도센서 모듈은 기판 상에 배치되고 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층, 상기 리세스를 덮도록 상기 절연층의 상부에 배치되어 상기 리세스를 외부로부터 단절된 밀폐공간으로 제공하고 칼슘함유 박막층을 구비하여 대기의 수분을 흡수하며 흡수된 상기 수분의 함량에 따라 서로 다른 공진 주파수로 진동하는 멤브레인, 및 상기 절연층의 하부에 배치된 하부전극 및 상기 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 상기 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 상기 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 습도 측정장치는 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층 및 상기 절연층 상에 배치되고 대기 중에 포함된 수분을 흡수할 수 있는 칼슘함유 박막층을 구비하여 상기 수분 흡수량에 따라 물성이 변화하는 멤브레인을 포함하는 습도센서 모듈, 상기 습도센서 모듈로 구동신호를 인가하여 멤브레인 진동을 생성하는 파워소스, 상기 멤브레인 진동에 대응하는 전기적 신호인 출력신호를 검출하고 상기 출력신호와 공진하는 상기 구동신호의 주파수를 공진 주파수로 검출하는 주파수 검출기, 및 상기 공진 주파수에 대응하는 상기 대기의 상대습도를 검출하는 습도 검출기를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 습도 측정방법을 개시한다. 먼저, 칼슘이온이 포함된 박막층을 구비하고 대기중의 수분을 흡수하는 멤브레인과 밀폐공간을 갖도록 접촉하는 절연층이 커패시터로 기능하여 미세가공 초음파 트랜스듀서로 동작하는 습도센서 모듈로 교류전압을 인가하여 멤브레인 진동을 생성한다. 상기 습도센서 모듈과 연결된 전기회로를 통해 상기 멤브레인의 진동에 관한 전기적 등가신호인 교류 출력신호를 검출하고, 상기 출력신호의 최대 유효신호를 검출하도록 상기 구동신호의 주파수를 변조하여, 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출한다. 주파수-습도 기준으로부터 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기의 상대습도로 검출한다.
본 발명의 예시적 실시예에 의한 미세가공 초음파 습도센서 모듈, 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 의하면, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조되고 주파수와 습도 사이의 선형성을 유지할 수 있는 CMUT 어레이를 이용하여 습도 측정장치를 구성할 수 있다. 상기 박막층은 칼슘함유 실크층으로 구성하여 대기중의 습도에 민감하게 반응하고 넓은 습도범위에서 수분 흡수량과 상대습도 사이의 선형성을 갖는다. 이에 따라, 대기의 상대습도를 정확하고 안정적으로 검출할 수 있다.
특히, 상기 습도 측정장치는 소형 장치로 구비되어 상대습도 측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 정확한 습도측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 정밀한 습도를 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 습도센서 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 칼슘 실크층의 응력(stress)-변형률(strain) 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 서로 다른 기온과 상대습도에서 칼슘 실크층의 수분 함량 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 습도센서 모듈의 상대습도와 공진 주파수 사이의 상관성을 나타내는 주파수-습도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 습도센서 모듈을 구비하는 습도측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 습도센서 모듈 및 주파수 검출기의 전기적 연결관계를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도 측정장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 습도 측정장치를 이용하여 대기중의 상대습도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 영역, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 전극, 구조물들 또는 패턴들 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 구조물 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴들 또는 다른 구조물이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들이 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"로 언급되는 경우, 이러한 부재들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 물질, 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "예비"는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴들 또는 구조물들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 습도센서 모듈을 나타내는 단면도이다. 예시적으로, 상기 습도센서 모듈은 MEMS 공정에 의해 제조되는 CMUT 습도센서 칩을 절단한 단면도이다. 그러나, 상기 CMUT 칩과 동일한 집적도로 칩을 제조할 수 있다면 다양한 미세공정에 의해 제조된 습도센서 칩을 포함할 수도 있음은 자명하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 습도센서 모듈(500)은 기판(100)과 상기 기판(100) 상에 배치되는 절연층(200), 흡습감도를 높일 수 있는 칼슘함유 박막층이 배치된 멤브레인(300) 및 전극층(400)을 포함한다.
일 실시예로서, 상기 기판(100)은 습도센서 모듈(500)의 기저(base)를 구성하는 구조물로서, 상기 절연층(200)과 멤브레인(300) 및 전극층(400)은 상기 기판(100) 상에 배치되거나 적층된다.
예를 들면, 상기 기판(100)은 상기 습도센서 모듈(500)을 제조하는 초소형 정밀 기계(micro-electro mechanical system, MEMS) 공정을 수행할 수 있는 베이스 기판으로 제공되며 실리콘이나 갈륨과 같은 반도체 물질로 구성된다.
특히, 후술하는 바와 같이, 습도센서 모듈(500)은 상기 기판(100)의 상부에 커패시터를 형성하여 에너지의 충전 및 방전에 따른 초음파를 검출하는 CMUT 칩으로 제공되므로, 상기 기판(100)은 하부에 배치되는 하부전극(410)과 일체로 평판 커패시터를 구성하기 위한 전극 구조물로 기능할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 배면에 배치된 하부전극(410)의 전류유동에 대한 저항을 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있도록 반도체 물질로 구성된다.
이와 달리, 상기 하부전극(410)이 기판(100)의 상면(101)과 절연층(200) 사이에 위치하는 경우 상기 기판(100)은 높은 저항을 구비하여 절연성 물질로 구성될 수도 있다.
본 실시예의 경우, 상기 기판(100)은 p형 불순물을 첨가하여 저항을 10-3 Ωcm 보다 작게 설정한 도핑 실리콘으로 구성된다. 그러나, 상기 불순물 도핑에 의해 습도센서 모듈(500)이 구성에 필요한 저저항과 도전성을 구현할 수 있다면 다양한 반도체 물질로 구성할 수 있음은 자명하다.
또한, 상기 기판(100)은 단일한 웨이퍼(silicon wafer)의 일부로 제공될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 습도센서 모듈(500)은 상기 웨이퍼 상에 멤스(MEMS) 기술에 의해 제조되는 다수의 CMUT 칩을 구비하는 습도센서 어레이로 제공될 수 있다. 이때, 상기 기판(100)은 상기 습도센서 어레이의 어레이 기판으로 제공될 수 있다.
상기 절연층(200)은 수직방향을 따라 서로 이격되는 하부전극(410)과 상부전극(420) 사이에서 상기 기판(100)의 상면을 덮도록 배치된다. 상기 절연층(200)은 소정의 두께를 갖고 일정한 유전율을 갖는 절연물질로 구성되며, 상기 하부전극(410)과 상부전극(420) 사이에 배치되어 평판 커패시터(C)로 기능하게 된다. 따라서, 상기 절연층(200)은 설정된 정전용량(capacitance)을 유지할 수 있을 정도의 유전율을 갖는다면 다양한 물질로 구성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 절연층(200)은 실리콘으로 구성된 상기 기판(100)의 상면에 배치되므로 실리콘과의 접착특성이 우수한 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중의 어느 하나로 구성할 수 있다.
특히, 후술하는 바와 같이 상기 절연층(200)의 상면에는 상기 멤브레인(300)과의 결합에 의해 밀폐공간(S)으로 형성되는 리세스(R)가 배치되므로 상기 리세스(R)의 형상을 유지하기 위한 충분한 강도와 강성을 갖도록 제공된다. 예를 들면, 상기 절연층(200)은 열 성장(thermal growth) 공정을 통하여 상대적으로 밀도가 높은 박막으로 형성하며 약 400nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 리세스(R)는 절연층(200)의 상면(201)으로부터 일정한 깊이(h)까지 함몰되어 절연층(200)의 상면을 덮는 멤브레인(300)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 제공된다. 따라서 상기 밀폐공간(S)은 절연층(200)과 멤브레인(300)으로 한정되고 상기 리세스(R)의 높이(h)에 대응하는 최대 높이를 갖는 입체공간으로 제공된다.
상기 밀폐공간(S)은 상기 멤브레인(300) 진동의 진폭을 확대할 수 있도록 멤브레인의 초기변형을 수용하여 상기 초음파의 검출 민감도를 높이게 된다. 또한, 상기 리세스(R)의 높이(h)에 따라 상기 습도센서 모듈(500)에 인가되는 풀-인 전압(pull-in voltage)이 결정된다. 따라서, 상기 리세스(R)의 높이(h)는 초음파의 적정 검출 민감도와 인가되는 풀인 전압을 고려하여 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 리세스(R)의 높이(h)는 상기 절연층(200) 두께의 약 60% 내지 80%의 범위를 갖도록 설정할 수 있다.
상기 멤브레인(300)은 상기 리세스(R)를 덮도록 상기 절연층(200)의 상면(201)에 배치된다. 이에 따라, 상기 리세스(R)는 상기 멤브레인(300)과 절연층(200)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 형성한다.
이때, 상기 멤브레인(300)은 대기 중에 포함된 수분을 흡수할 수 있는 박막층(320)을 구비하여 상기 박막층(320)의 수분함량에 따라 멤브레인(300)의 전체 물성이 변화하도록 구성된다.
예를 들면, 상기 멤브레인(300)은 상기 절연층(200) 상에 배치되어 상기 리세스(R)를 덮는 기저층(310) 및 상기 기저층(310)을 덮도록 배치되고 대기중의 수분을 흡수하는 칼슘함유 박막층(320)을 포함한다. 특히, 상기 기저층(310)과 박막층(320)은 일체로 제공되어 상기 멤브레인(300)이 진동하는 경우 동일한 진동특성을 갖는다. 즉, 상기 기저층(310)과 박막층(320)은 서로 일체로 결합되어 물리적으로 동일한 부재를 구성하며 단일한 진동특성을 갖는다.
일 실시예로서, 상기 기저층(310)은 반도체 물질로 구성되어 상기 커패시터(C)에 저장된 에너지의 충전 및 방전에 따라 진동하는 막질로 제공된다. 특히, 상기 기저층(310)은 상기 리세스(R)를 덮도록 절연층(200)과 결합하여 상기 밀폐공간(S)을 형성하므로, 상기 절연층(200)과 결합하여 밀봉 특성을 높일 수 있는 물질로 구성된다.
예를 들면, 상기 기저층(310)은 실리콘 산화물이나 질화물과 결합특성이 우수한 실리콘 박막으로 구성할 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 기저층(310)은 약 100nm 내지 500nm의 두께를 갖도록 구성된다.
상기 기저층(310)의 상면에 대기중의 수분을 흡수할 수 있는 흡습물질을 구비하는 박막층(320) 및 직류전원(DC)을 인가하기 위한 상부전극(420)이 배치된다.
일 실시예로서, 상기 박막층(320)은 상기 멤브레인(300)이 노출되는 대기중의 수분을 흡수할 수 있도록 칼슘을 포함하고 상기 기저층(310)과 일체로 제공된다. 상기 박막층(320)으로 대기중의 수분이 흡수되는 경우 상기 박막층(320) 자체의 물성이나 기계적 특성이 변경되어 상기 박막층(320)을 구비하는 멤브레인(300)의 물성과 기계적 특성이 변경된다.
예를 들면, 상기 박막층(320)은 칼슘이 첨가된 실크층(이하, 칼슘 실크층)을 포함할 수 있다. 순수한 실크층은 수분을 흡수하기 어렵지만 칼슘 실크층은 상온에서 공기 중에 포함된 수분을 흡수하고 유지하는 특성을 갖는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 칼슘 실크층의 응력(stress)-변형률(strain) 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2는 상대습도 60%에서 서로 다른 칼슘농도를 갖는 다수 칼슘 실크층들의 응력-변형률 선도(stress-strain curve)를 나타내고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 칼슘의 농도가 증가할수록 칼슘 실크층의 변형률이 급격하게 증가하며 칼슘의 농도가 약 30% 내지 40%인 경우 칼슘 실크층의 변형률이 약 200% 내지 400%까지 증가한다.
이에 따라, 상기 응력-변형률 선도(stress-strain curve)의 기울기인 칼슘 실크층의 영률(Young's Modulus) 또한 칼슘의 농도가 약 30% 내지 40%인 경우 급격하게 줄어들게 된다.
즉, 상기 칼슘 실크층은 동일한 응력에서 변형률이 충분히 증가할 수 있으므로 칼슘 실크층에 인가되는 내부응력의 증가 없이 대기중의 수분을 충분히 흡수할 수 있다.
또한, 상기 칼슘 실크층이 흡수할 수 있는 수분의 함량은 대기중의 상대습도에만 의존하고 기온에 크게 영향을 받지 않으며, 수분함량이 증가할수록 칼슘 실크층의 유동성이 증가하여 칼슘 실크층과 기저층(310)의 계면에서 접촉 균일성을 높일 수 있다.
도 3은 서로 다른 기온과 상대습도에서 칼슘 실크층의 수분 함량 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 칼슘 실크층이 흡수하는 수분의 함량은 공기의 상대습도가 증가할수록 증가하며 상대습도가 동일한 경우 상기 칼슘 실크층이 흡수할 수 있는 수분함량은 실질적으로 동일하다.
즉, 상기 칼슘 실크층이 흡수할 수 있는 수분의 함량은 기온과 무관하게 대기 중에 포함된 수분의 농도에 가장 크게 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 약 30% 내지 40%의 칼슘농도를 갖도록 상기 칼슘 실크층을 구성하는 경우 실질적으로 단일한 내부응력에서 충분히 큰 변형률을 가질 수 있고, 상기 칼슘 실크층은 기온과 무관하게 상대습도에 비례하여 수분을 함유할 수 있다.
특히, 상기 칼슘 실크층은 약 100nm 내지 500nm의 두께를 갖는 박막형태로 제공되어 대기 중의 상대습도에 따라 빠르게 수분을 흡수하거나 배출할 수 있다. 일정한 응력조건에서 충분히 큰 변형률을 갖고 공기의 상대습도에 대해 민감하게 반응하여 수분조절이 가능하므로 충분히 큰 흡습감도(humidity sensitivity)를 가질 수 있다.
상기 칼슘 실크층은 칼슘의 농도와 흡수된 수분의 함량에 따라 서로 다른 질량과 영률을 가지므로 칼슘농도가 특정되는 경우 상기 칼슘 실크층은 수분 함량에 따라 물성이 변화하게 된다.
이에 따라, 일정한 칼슘농도를 갖는 상기 칼슘함유 박막층(320)의 물성은 수분의 함량에 민감하게 변화하고 상기 기저층(310)은 칼슘함유 박막층(320)과 일체로 구성되므로, 상기 멤브레인(300)의 전체 물성도 박막층(320)이 포함할 수 있는 수분의 함량에 따라 변화하게 된다.
특히, 상기 박막층(320)이 포함할 수 있는 수분의 함량은 기온과 무관하게 대기의 상대습도에 비례하므로 상기 멤브레인(300)의 물성도 대기의 상대습도에 따라 변화하게 된다.
상기 절연층(200) 상에 배치된 멤브레인(300)에 의하여 상기 리세스(R)는 절연층(200)과 멤브레인(300)에 의해 한정되는 밀폐공간(S)으로 형성된다. 이에 따라, 상기 멤브레인(300)의 배면은 부분적으로 밀폐공간(S)을 향하여 노출된다.
상기 상부전극(420)은 기저층(310) 상에 배치되고 도전성 금속물질로 구성된 금속층을 포함한다.
예를 들면, 상기 도전성 금속물질은 알루미늄이나 구리를 포함할 수 있고 증착이나 도금공정을 이용하여 상기 기저층(310)에 형성할 수 있다. 특히, 상기 상부전극(420)은 상기 박막층(320)보다 작거나 동일한 두께를 갖도록 형성하여 상기 상부전극(420)은 박막층(320)의 내부에 매립되거나 박막층(320)과 동일한 상면을 갖도록 배치될 수 있다.
상기 상부전극(420)은 반도체 기판(100)의 하부에 배치된 하부전극(410)과 함께 상기 커패시터로 에너지를 충전하기 위한 전극층(400)을 구성한다.
상기 하부전극(420)은 반도체 기판(100)의 배면에 배치되는 것을 제외하고는 상기 상부전극(420)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 상기 하부전극(410)은 상부전극(420)과 동일한 조성을 갖고 동일한 형상으로 제공될 수 있다. 그러나, 상기 하부전극(410)의 구성이 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
본 실시예의 경우, 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420)은 상기 밀폐공간(S)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된다. 이에 따라, 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420)으로 직류전원이 인가되는 경우, 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420) 사이에 위치하는 절연층(200)에 에너지를 충전할 수 있다.
커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 충분히 에너지를 충전할 수 있다면 상기 하부전극(410)과 상기 상부전극(420)은 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부전극(420)은 상기 밀폐공간(S)의 상부로부터 평행하게 천이(shift)되어 상기 밀폐공간(S)을 한정하는 절연층(200)의 포스트(210) 상부에 배치될 수도 있음은 자명하다.
상기 습도센서 모듈(500)은 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT)의 멤브레인을 상기 칼슘함유 박막층(320)으로 개량한 것으로서 상기 칼슘함유 박막층(320)의 수분흡수에 의해 상기 멤브레인(300)의 전체 물성이 변화하는 것을 제외하고는 종래의 CMUT 소자와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)은 종래의 CMUT 소자와 동일하게 동작한다.
이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)로 교류특성을 갖는 구동신호를 인가하여 상기 멤브레인(300)을 진동시키고 상기 멤브레인 진동을 전기적 신호인 출력신호로 검출할 수 있다. 이후, 상기 구동신호의 주파수를 변조하면서 상기 출력신호와 공진하는 구동신호의 주파수인 공진 주파수를 검출한다. 상기 공진 주파수는 상기 멤브레인(300)의 물성을 나타내는 물리량으로 기능할 수 있다. 이어서, 이미 설정된 습도-진동수 기준(criteria)에 근거하여 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기중의 상대습도로 검출한다.
상기 공진 주파수 및 상대습도의 검출에 대해서는 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
특히, 상기 기저층(310) 및 칼슘함유 박막층(320)을 구비하는 상기 멤브레인(300)의 두께를 1㎛ 이하의 박막으로 구성하여 상기 습도센서 모듈(500)의 흡습감도를 충분히 개선할 수 있다.
상기 칼슘함유 박막층(320)은 흡수하는 수분의 함량에 따라 물성이 변경되므로, 상기 박막층(320)을 구비하는 멤브레인(300)의 물성도 변하게 된다. 즉, 박막층(320)에 흡수된 수분의 함량에 따라 서로 다른 영률(Young's Modulus)을 갖는 별개의 물질로 변경된다.
이에 따라, 상기 멤브레인(300)은 박막층(320)에 포함된 수분의 함량에 따라 개별적인 물질로 기능하고, 수분함량이 서로 다른 상기 멤브레인(300)의 진동은 서로 다른 공진 수파수를 갖게 된다.
상기 박막층(320)은 충분한 변형률을 갖고 상대습도에 따라 즉각적으로 수분함량이 변화하고 수분함량의 변화는 상기 멤브레인(300)의 물성변화를 초래하므로, 상기 멤브레인(300)의 공진 주파수와 대기의 상대습도는 일정한 상관성을 갖게 된다.
즉, 상기 멤브레인 진동의 고유한 물성값인 공진 주파수를 검출할 수 있다면 상기 공진 주파수에 대응하는 박막층(320)의 수분함량을 추정할 수 있고 상기 수분함량은 멤브레인(300)을 둘러싸는 대기에 포함된 수증기의 농도에 따라 달라지므로 공진 주파수에 대응하는 대기의 상대습도를 추정할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 습도센서 모듈의 상대습도와 공진 주파수 사이의 상관성을 나타내는 주파수-습도 그래프이다. 도 4의 그래프는 알려진 상대습도를 갖는 환경을 다수 설정한 후 각 환경에 상기 습도센서 모듈을 배치하고, 각각의 습도센서 모듈로부터 검출한 상기 출력전압의 공진 주파수와 대응하는 상대습도 사이의 관계 나타낸 것이다.
상대습도가 증가할수록 상기 공진 주파수는 저주파 영역에서 검출되고 상대습도가 낮아질수록 상기 공진 주파수는 고주파 영역에서 검출된다. 따라서, 상대습도 변화에 따른 공진 주파수의 변화는 상대습도 0을 기준으로 한 주파수 편차로서 음수 값으로 그래프의 세로축에 표시된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일상적인 습도영역인 상대습도 40% 이상의 범위에서는 상대습도 증가에 따른 공진 주파수의 변화가 흡습 민감도에 대응하는 기울기를 갖도록 선형으로 표시되어 공진 주파수와 상대습도는 실질적으로 일대일 대응관계로 표시될 수 있다. 이에 따라, 멤브레인 진동에 대응하는 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출한다면 도 4에 나타난 선형관계로부터 일의적으로 상대습도를 검출할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 선형성은 약 3.4 내지 3.6의 기울기를 갖는다. 즉, 공기중의 상대습도가 단위습도만큼 변화할 때 상기 공진 주파수는 약 3.4KHz 내지 3.6KHz만큼 변화하는 특성을 갖는다. 이에 따라, 습도변화에 충분히 민감하게 반응함으로써 상기 습도센서 모듈의 흡습감도를 높일 수 있다.
이와 달리, 칼슘함유 박막층(320)을 제거하고 기저층(310)만으로 상기 멤브레인(300)을 구성하는 경우, 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수는 상대습도 변화와 무관하게 일정한 값으로 검출되었다. 즉, 상기 기저층(310)만으로는 습도검출 기능은 수행되지 않으며 칼슘함유 박막층(320)을 추가함으로써 습도센서로 기능함을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)은 도 4에 도시된 습도-주파수 그래프를 이용하여 상기 멤브레인(300)의 공진 주파수를 검출함으로써 대응하는 상대습도를 일의적으로 수득할 수 있다.
상술한 바와 같은 습도센서 모듈(500)은 일정한 내부응력에서 넓은 범위의 변형률을 갖고 충분히 큰 흡습감도를 갖는 칼슘함유 박막층(320)을 이용하여 대기중의 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 특히, 일상생활 영역인 상대습도 40% 습도습도영역에서 주파수와 습도 사이에서 선형성을 유지하여 검출된 공진 주파수를 이용하여 일의적으로 상대습도를 검출할 수 있다. 이에 따라, 넓은 습도범위에서 안정적으로 정확하게 대기중의 상대습도를 검출할 수 있다.
또한, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조된 CMUT 소자를 이용하여 상기 습도센서 모듈을 제조할 수 있으므로 휴대성을 현저하게 높일 수 있다. 이에 따라, 공기중의 상대습도에 대한 정밀 측정이 가능한 상황에서 상기 습도센서 모듈을 이용하여 간단하게 정확한 습도를 수득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 습도센서 모듈을 구비하는 습도측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도측정 장치(1000)는 메인보드(501)상에 배치되어 칼슘함유 박막층(320)을 통해 대기 중의 습도를 검출하는 습도센서 모듈(500), 상기 습도센서 모듈(500)을 구동하는 구동파워를 전송하는 파워소스(600), 상기 습도센서 모듈(500)로부터 검출된 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 주파수 검출기(700) 및 상기 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 검출하는 습도 검출기(800)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 습도센서 모듈(500), 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)는 단일한 메인보드(501) 상에 배치되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 상기 메인보드(501)는 내부에 미세회로가 인쇄된 인쇄회로 기판으로 구성되어, 상기 메인보드(501) 상에 배치된 장치들은 상기 미세회로를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500), 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)는 단일한 습도 측정장치를 구성할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 습도센서 모듈(500)은 칼슘함유 박막층(320)과 기저층(310)으로 구성되는 멤브레인(300)을 구비하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 제공된다.
본 실시예의 경우, 상기 습도센서 모듈(500)은 도 1에 도시된 습도센서 모듈(500)과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 상기 습도센서 모듈(500)은 함몰된 리세스(R)를 갖는 상기 절연층(200)의 상면에 리세스(R)를 덮도록 배치되어 리세스(R)를 밀폐공간(S)으로 제공하고 칼슘함유 박막층(320)을 구비하여 대기 중에 포함된 수분을 흡수하는 멤브레인(300)과 상기 절연층(200)의 하부 및 상기 멤브레인(300)의 상부에 배치되어 상기 상부전극(420) 및 상기 하부전극(410) 사이에 배치된 상기 절연층(200)을 커패시터로 제공하는 전극층(400)을 구비할 수 있다.
이때, 상기 멤브레인(300)은 상기 칼슘함유 박막층(310)과 상기 절연층(200) 사이에 배치되어 상기 밀폐공간(S)을 한정하는 기저층(310)으로 구성되는 이중막으로 제공된다. 이에 따라, 종래의 CMUT 소자에 상기 칼슘함유 박막층(310)만 추가하여 이중막 구성을 갖도록 변형함으로써 수분함량에 따라 물성이 달라지는 멤브레인(300)을 용이하게 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 칼슘함유 박막층(320)은 약 30 내지 약 40 중량%의 칼슘을 구비하는 실크(silk)층을 포함할 수 있다.
도 5에서, 도 1에 도시된 습도센서 모듈(500)과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 습도센서 모듈(500)은 미세공정에 의해 제조되는 CMUT 소자(CD)로 제공되어 단일한 기판(100)에 다수의 CMUT 소자(CD)가 집적된 CMUT 어레이(CA)로 제공될 수 있다.
이때, 상기 기판(100)은 상기 CMUT 어레이(CA)를 구성하기 위한 공통기판으로 제공되고 상기 절연층(200)과 기저층(310)은 CMUT 소자(CD) 단위로 분리되어 배치된다. 상기 기저층(310)의 상부에 칼슘함유 박막층(320)을 코팅한 후 상기 기저층(310) 단위로 분리함으로써 상기 CMUT 소자(CD) 단위로 구분된 박막층(320)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100) 상에 다수의 CMUT 소자(CD)가 정렬된 CMUT 습도센서 어레이(CA)를 형성함으로써 단일한 기판(100)에 다수의 습도센서 모듈(500)을 배치할 수 있다.
각 CMUT 소자(CD)의 상부전극(420)은 접속 배선(503)에 의해 메인 보드(501) 상에 정렬된 접속패드(502)에 연결된다. 상기 접속패드(502)는 메인 보드(501)에 인쇄된 회로용 배선을 통하여 상기 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)와 연결된다. 습도센서 모듈(500)을 구성하는 개별적인 CMUT 소자(CD)는 동일한 파워소스(600)에 의해 개별적으로 구동되고 상기 주파수 검출기(700)와 습도 검출기(800)에 독립적으로 연결된다.
이에 따라, 상기 습도센서 어레이(CA)를 구성하는 개별적인 습도센서 모듈(500)은 각각 독립적으로 구동되어 동일한 주변 대기의 상대습도를 개별적으로 검출하게 된다. 동일한 상대습도를 다수의 습도센서 모듈(500)에 의해 개별적으로 검출함으로써 검출된 습도의 정밀도를 높일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 파워소스(600)는 상기 습도센서 모듈(500)로 구동신호(DS)를 인가하여 상기 물성에 대응하는 공진 주파수를 갖는 멤브레인 진동을 생성한다.
본 실시예의 경우, 상기 파워소스(600)는 상기 습도센서 모듈(500)로 직류 전압을 인가하여 에너지를 충전하는 직류전원(610) 및 상기 습도센서 모듈(500)로 교류전압을 인가하여 상기 습도센서 모듈(500)에 저장된 에너지의 주기적인 충전 및 방전을 수행하는 교류 생성기(620)를 포함한다.
상기 직류전원(610)은 상기 하부전극(410) 및 상부전극(420)에 연결되어 커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 직류전압을 인가한다. 상기 전극층(400)으로 직류전압이 인가되면, 하부전극(410)과 상부전극(420) 사이에 배치된 상기 기판(100)과 절연층(200)은 일정한 정전용량을 갖는 커패시터로 기능하여 에너지를 저장하게 된다.
이때, 커패시터에 저장된 에너지는 상기 밀폐공간(S)을 덮고 있는 멤브레인(300)을 끌어 당겨 상기 밀폐공간(S)의 내부를 향하여 오목하게 되도록 변형시킨다. 상기 멤브레인(300)은 초기응력이 저장된 오목한 포물선 형상으로 배치되고, 초기응력이 인가된 상태에서 후술하는 교류전압의 인가에 따라 진동하게 된다. 즉, 상기 전극층(400)으로 인가되는 직류전압에 의해 상기 멤브레인 진동의 최대 진폭이 설정된다.
상기 멤브레인 진동의 진폭이 클수록 후술하는 주파수 검출기(700)에서 검출되는 출력신호(OS)의 감도를 높이고 필터링 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 전극층(400)에 인가되는 직류전압이 클수록 상기 출력신호(OS)의 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
상기 직류전압은 밀폐공간(S)의 내부로 변형되는 멤브레인(300)의 손상을 초래하지 않는 범위에서 적절하게 설정될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 직류전압은 약 5V~ 8V의 범위를 갖도록 설정된다. 직류전압이 5V보다 낮은 경우에는 멤브레인(300) 진동의 진폭이 너무 작아 공진 주파수가 고주파 대역에서 검출되어 실용성이 떨어지고 상기 직류전압이 8V를 초과하는 경우 상기 멤브레인(300)에 인가되는 에너지가 너무 커 멤브레인(300)이 손상(collapse)될 수 있다. 이에 따라, 상기 직류전압의 범위는 약 5V 내지 8V의 범위를 갖도록 설정된다.
상기 교류 생성기(620)는 상기 직류전압이 인가된 상기 습도센서 모듈(500)로 미리 설정된 주파수를 갖는 교류전압을 인가한다. 직류전압에 의해 전하가 충전된 상기 커패시터로 교류전압을 인가하여 상기 절연층(200)에서 전기적 진동을 생성한다. 상기 절연층(200)의 전기적 진동은 상면에 배치된 멤브레인(300)의 기계적 진동을 생성하게 된다.
상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 후술하는 바와 같이 상기 습도센서 모듈(500)과 전기적으로 연결된 주파수 검출기(700)에 의해 전기적 신호인 출력신호(OS)로 검출된다.
상기 직류전압을 인가하여 커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 에너지를 저장하고, 상기 습도센서 모듈(500)에 교류전압을 인가하여 저장된 에너지를 진동시킨다. 따라서, 상기 습도센서 모듈(500)로 인가되는 구동신호(DS)는 직류전압과 교류전압이 중첩(superimpose)된 직류/교류 중첩전압으로 이루어진다.
상기 교류 생성기(620)는 상기 메인 보드(501)에 직류전원(610)과 개별적으로 배치되어 상기 직류전원(610)과 독립적으로 동작할 수 있다. 이와 달리, 상기 교류 생성기(620)는 주파수 검출기(700)의 일부로 제공될 수도 있다. 예를 들면, 상기 교류 생성기(620)는 상기 출력신호(OS)를 검출하는 오실레이터에 구비된 전압 분배기(voltage divider)로 구성될 수도 있다.
상기 파워소스(600)는 메인보드(501) 상에 실장되어, 상기 구동신호(DS)는 파워소스(600)로부터 메인보드(501)의 미세 회로배선과 상기 접속패드(502)를 통하여 개별 CMUD 소자(CD)로 인가될 수 있다. 이와 달리, 상기 파워소스(600)는 외부 전원에 의해 공급받는 전원 단자로 구성될 수도 있다. 이때, 메인보드(501) 상에 접속단자가 구비되어 외부전원에 구동파워가 전송될 수도 있다.
일 실시예로서, 상기 주파수 검출기(700)는 상기 멤브레인 진동을 전기적 신호로 검출할 수 있도록 상기 습도센서 모듈(500)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 전기적 신호인 출력신호(OS)로 검출되고, 상기 주파수 검출기(700)는 공진회로로 구성되어 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 자동으로 검출하다.
상기 주파수 검출기(700)는 상기 메인보드(501) 상에 배치되어 메인보드(501)에 인쇄된 회로를 통해 상기 습도센서 모듈(500) 및 상기 파워소스(600)와 전기적으로 연결된다.
그러나, 상기한 바와 같은 주파수 검출기(700)의 구성은 예시적인 것이며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 주파수 검출기(700)는 외부에 배치되어 상기 메인보드(501)에 전기적으로 연결되고 상기 출력신호를 수신한 후 출력신호의 주파수를 검출할 수도 있다. 이때, 상기 주파수 검출기(700)는 휴대성을 갖는 별도의 구조물로 구성되어 습도측정이 필요한 경우 상기 습도센서 모듈(500)의 접속단과 상기 메인보드(501)의 접속단을 접속함으로써 선택적으로 연결될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 습도센서 모듈 및 주파수 검출기의 전기적 연결관계를 나타내는 구성도이다. 도 6에서 상기 습도센서 모듈(500)은 등가회로로 나타내고 상기 주파수 검출기(700)는 상기 등가회로와의 전기적 연결을 나타내는 구성도로 개시한다.
도 6을 참조하면, 상기 파워소스(600)에 의해 구동신호(DS)가 상기 습도센서 모듈(500)로 인가되면, 상기 구동신호(DS)에 대응하여 멤브레인(300)이 진동하고 상기 멤브레인 진동은 주파수 검출기(700)에 의해 특정한 공진 주파수를 갖는 출력신호(OS)로 검출된다.
예를 들면, 상기 습도센서 모듈(500)에 대한 등가회로는 상기 파워소스(600)와 연결되어 구동신호(DS)가 직접 인가되는 구동 섹션(D)과 상기 구동신호(DS)에 의해 유도된 전기 에너지가 상기 멤브레인(300)의 특성에 따라 진동하여 초음파를 생성하는 유도 섹션(I)으로 구분할 수 있다.
상기 구동섹션(D)은 구동신호(DS)에 의해 절연층(200)을 구비하는 상기 습도센서 모듈(500) 전체의 정전용량에 대응하는 등가 정전용량(C0)을 갖는 등가 커패시터로 모델링 된다. 이에 따라, 직류신호 및 교류신호의 중첩신호로 제공되는 상기 구동신호(DS)에 의해 상기 등가 커패시터를 중심으로 주기적인 에너지의 충전 및 방전이 수행되어 상기 습도센서 모듈(500)의 물성에 따라 적절한 에너지 비율로 조절된 유도 교류신호가 유도되어 상기 유도섹션(I)에 전송된다.
상기 유도섹션(I)은 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동을 상기 유도 교류신호에 의한 에너지 변환으로 치환할 수 있도록 인덕터(inductor, L)와 커패시터(capacitor, C)로 구성되는 LC회로로 모델링 된다. 즉, 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 등가 LC회로에서의 전기적 진동으로 치환되어, 상기 멤브레인 진동의 특성은 상기 LC회로에서 검출되는 출력신호의 특성과 등가성을 갖는다.
구체적으로, 상기 유도섹션(I)을 구성하는 등가 LC회로는 멤브레인(300)의 물성을 나타내는 멤브레인 커패시턴스(Cm)와 멤브레인 리액턴스(Lm) 및 상기 습도센서 모듈(500)의 진동에 대한 모든 저항 특성을 포함하는 임피던스(Z)를 회로 구성요소로 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 유도 교류신호에 의한 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 멤브레인 커패시턴스(Cm)의 정전 에너지와 멤브레인 리액턴스(Lm)의 전자기 에너지 사이의 변환으로 치환되고, 정전 에너지와 전자기 에너지 사이의 주기적인 변환은 멤브레인 커패시턴스(Cm)와 멤브레인 리액턴스(Lm)를 구비하는 LC회로를 통하여 교류신호로 검출된다.
즉, 상기 멤브레인(300)의 기계적 진동은 등가 LC 회로에서 정전 에너지와 전자기 에너지 사이의 변환인 전기적 진동으로 치환되고 상기 전기적 진동은 상기 주파수 검출기(700)에 의해 교류신호인 출력신호(OS)로 검출된다. 멤브레인 진동은 상기 멤브레인(300)의 물성에 따라 달라지는 물성값인 공진 주파수를 갖는다. 특히, 상기 멤브레인 진동과 상기 LC회로에서 검출되는 출력신호(OS)는 서로 등가성을 가지므로, 상기 구동신호(DS)와 공진하는 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수도 상기 멤브레인(300)의 물성값으로 기능할 수 있다.
상기 멤브레인(300)의 물성은 대기 중의 수분함량인 상대습도에 따라 결정되므로, 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수와 상기 상대습도는 높은 상관성을 갖게 된다.
본 실시예의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 상대습도와 공진 주파수 사이에는 선형 상관성을 가지므로 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수 검출에 의해 높은 정밀도로 대기 중의 상대습도를 검출할 수 있다.
상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 상기 주파수 검출기(700)는 상기 출력신호를 검출하는 신호 검출부(710) 및 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 공진부(720)를 포함한다.
상기 신호 검출부(710)는 상기 습도센서 모듈(500)을 구성하는 개별 CMUT 소자(CD)와 전기적으로 연결되어 상기 출력신호(OS)를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 신호 검출부(710)는 상기 습도센서 모듈(500)로부터 전기적 신호를 검출하여 출력신호(OS)를 생성하고 상기 출력신호(OS)를 증폭하는 증폭기(711) 및 증폭된 상기 출력신호(OS)로부터 노이즈를 제거하는 다수의 필터(712)를 구비할 수 있다.
상기 증폭기(711)는 상기 CMUT 소자(CD)와 연결되어 상기 멤브레인 진동에 대응하는 전기 신호를 상기 출력신호(OS)로 검출하고 트랜지스터로 구성되는 증폭회로에 의해 상기 출력신호(OS)를 증폭할 수 있다.
상기 멤브레인 진동은 상기한 바와 같은 멤브레인 리액턴스(Lm)와 멤브레인 커패시턴스(Cm)를 구비하는 등가 LC회로의 전기적 진동으로 모델링하여 상기 출력신호(OS)는 상기 등가 LC회로의 교류신호로 생성될 수 있다.
상기 필터(712)는 고주파 필터와 저주파 필터를 구비하여 상기 출력신호(OS)에 포함된 고주파 노이즈 및 저주파 노이즈를 제거하고 상기 멤브레인 진동에 대응하는 교류신호만을 수득할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 신호 검출부(710)는 상기 증폭기(711)와 필터(712)를 구비하는 오실레이터(oscillator)로 구성할 수 있다.
상기 공진부(720)는 상기 신호 검출부(710)에 의해 검출된 상기 출력신호(OS)를 수신하여 공진 주파수를 검출한다. 본 실시예의 경우, 상기 공진부(720)는 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하기 위한 주파수 카운터(frequency counter)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 공진부(720)가 주파수 카운터에 한정되지 않음은 자명하다.
예를 들면, 상기 공진부(720)는 상기 출력신호(OS)의 최대 유효출력을 검출하는 연산유닛(721), 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 주파수 검출유닛(722), 상기 구동신호(DS)의 주파수를 변조하는 변조유닛(723) 및 상기 공진 주파수를 검출할 때까지 구동신호(DS)의 주파수를 변조하도록 제어하는 제어유닛(724)을 포함한다.
예를 들면, 상기 연산유닛(721)은 상기 신호 검출부(710)로부터 출력신호(OS)를 수신하고 상기 출력신호(OS)의 유효출력을 검출하여 최대 유효출력 여부를 판단할 수 있다.
최대 유효출력을 검출하기 위한 알고리즘은 다양하게 구현할 수 있다. 설정된 초기회수만큼 상기 변조유닛(723)을 강제 구동하여 서로 다른 구동신호(DS)를 초기회수만큼 생성하고 각 구동신호(DS)에 대응하는 출력신호(OS)의 출력을 검출하여 임시 최대 유효출력으로 설정할 수 있다. 임시 최대 유효출력을 설정한 후 검출회수만큼 상기 변조유닛(723)을 구동하여 최대 유효출력을 넘는 유효출력이 검출되는 경우 검출된 유효출력을 최대 유효출력으로 갱신할 수 있다.
이와 달리, 각 습도에서 수득할 수 있는 최대 유효출력을 상기 연산유닛에 미리 설정해 둘 수도 있다. 이에 따라, 각 상대습도에 대응하는 최대 유효출력과 일치하는 출력신호(OS)가 검출되도록 상기 변조유닛(723)을 강제 구동할 수도 있다.
예를 들면, 상기 출력신호(OS)는 상기 등가 LC회로의 교류신호로 검출되므로, 상기 유효출력은 상기 출력신호(OS)의 유효전압, 유효전류 및 유효전력 중의 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 연산유닛(721)에서 최대 유효출력이 검출된 경우, 상기 주파수 검출유닛(722)은 최대 유효출력을 갖는 상기 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정한다. 출력신호(OS)의 주파수는 구동신호(DS)의 주파수와 동일하므로 상기 출력신호(OS)를 생성하기 위해 상기 습도센서 모듈(500)로 인가된 구동신호(DS)의 주파수를 공진 주파수로 설정할 수 있다.
상기 연산유닛(721)에서 최대 유효출력을 검출하지 못한 경우, 상기 변조유닛(723)은 상기 구동신호(DS)의 주파수를 변조하고 변조된 주파수를 상기 파워소스(600)로 전송한다. 최대 유효출력이 검출되지 않은 출력신호(OS)는 공진이 발생하지 않는 신호이므로 상기 멤브레인 진동의 공진 주파수를 검출하기 어렵다. 이에 따라, 변조유닛(723)을 통하여 구동신호(DS)의 주파수를 변조하고 변조된 주파수 정보를 상기 파워소스(600)로 전송한다. 파워소스(600)는 변조된 주파수를 갖는 교류신호를 생성하여 상기 습도센서 모듈(500)로 인가하게 된다.
변조된 주파수를 갖는 구동신호(DS, 이하 변조 구동신호)에 의해 변조된 주파수를 갖는 출력신호(OS, 이하 변조 출력신호)가 검출되고 상기 연산유닛(721)은 변조 출력신호(OS)의 출력신호가 최대 유효출력을 갖는지 여부를 판단한다.
상기 연산유닛(721)에 의해 상기 변조 출력신호(OS)가 최대 유효출력을 갖는다고 판단되는 경우, 상기 제어유닛(724)은 상기 변조 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정하도록 상기 주파수 검출유닛(722)을 구동한다.
이와 달리, 상기 연산유닛(721)에서 상기 변조 출력신호(OS)의 유효 출력이 최대 유효출력이 아니라고 판단되는 경우, 상기 제어유닛(724)은 상기 변조유닛(723)을 제어하여 상기 변조 출력신호(OS)의 주파수를 다른 주파수로 변조하고, 변조된 주파수를 상기 파워소스(600)로 전송한다. 예를 들면, 상기 변조유닛(723)에 의해 변조된 변조 주파수는 상기 교류 생성기(620)로 전송될 수 있다.
상기 제어유닛(724)는 최대 유효출력을 갖는 공진 주파수가 검출될 때까지 상기 변조유닛(723)을 구동한다. 이에 따라, 특정한 상대습도에 대응하여 수분을 흡수한 상기 멤브레인(300)의 진동은 상기 출력신호(OS)에 의해 검출되고, 상기 멤브레인 진동의 공진 주파수는 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수와 일대일 대응하는 특성을 갖게 된다. 즉, 상기 공진 주파수를 갖는 출력신호(OS)의 거동은 상기 멤브레인(300)의 진동과 물리적 등가물로 평가할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 습도 검출기(800)는 상기 메인보드(501)에 실장되어 상기 메인보드(501)의 인쇄회로에 의해 상기 주파수 검출기(700)와 전기적으로 연결된다. 예를 들면, 상기 습도 검출기(800)는 후술하는 주파수-습도 기준에 관한 데이터를 저장하는 메모리와 상기 주파수-습도 기준에 기초하여 상기 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 검출하기 위한 연산을 수행하는 마이크로 프로세서로 구성되어 상기 메인보드(501)에 실장될 수 있다.
이에 따라, 상기 주파수 검출기(700)로부터 전송된 공진 주파수를 이용하여 상기 공진 주파수에 대응하는 상기 대기의 상대습도를 검출한다.
예를 들면, 상기 습도 검출기(800)는 주파수-습도 기준을 수득하는 상관성 연산부(810), 상기 주파수 검출기(700)로부터 전송된 상기 공진 주파수를 습도검색 대상 주파수로 저장하는 검색 주파수 저장부(820), 및 상기 습도-주파수 기준에 따라 상기 검색 주파수에 대응하는 상대습도를 수득하는 습도 연산부(830)를 포함할 수 있다.
상기 상관성 연산부(810)는 알려진 샘플 습도 환경에서 상기 멤브레인(300)과 동일한 구성을 갖는 기준 멤브레인을 구비하는 기준 습도센서 모듈로 상기 기준 멤브레인의 공진 주파수에 대응하는 공진 주파수인 기준 주파수를 수득하여 상기 샘플 습도와 상기 기준 주파수 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준(criteria)을 수득한다.
예를 들면, 알려진 샘플습도로 설정된 챔버의 내부에 상기 습도 측정장치(1000)를 배치하여 상기 공진 주파수를 검출할 수 있다. 이때, 상기 습도 측정장치(1000)는 알려진 샘플습도 환경에서 샘플습도에 대응하는 공진 주파수를 검출하기 위해 배치되므로, 상기 습도 측정장치(1000)에 포함된 상기 습도센서 모듈(500)은 샘플습도에 대한 공진 주파수를 검출하기 위한 기준 습도센서 모듈로 기능하고, 검출되는 상기 공진 주파수는 상기 샘플습도에 대응하는 기준 주파수로 설정된다. 따라서, 상기 기준 습도센서 모듈은 실질적으로 도 1에 도시한 습도센서 모듈과 실질적으로 동일한 구성을 갖는다.
다수의 샘플습도에 대하여 기준 주파수를 검출하여 샘플습도와 기준 주파수로 구성되는 다수의 실험 순서쌍을 수득하고 상기 실험 순서쌍을 통계처리 기법으로 처리하여 주파수와 습도 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준을 생성할 수 있다.
예를 들면, 상기 샘플습도-주파수에 관한 다수의 실험 순서쌍에 대하여 선형 회귀분석을 수행하여 실제 검출하지 않은 습도에 대한 기준 주파수를 높은 신뢰도로 추정할 수 있다. 따라서, 상기 주파수-습도 기준은 주파수와 습도 사이의 선형관계를 갖는 1차 함수로 생성될 수 있다.
특히, 상기 습도 측정장치(1000)의 운용과정에서 실제 검출된 공진 주파수와 상대습도 사이의 관계인 실제 순서쌍을 상기 실험 순서쌍에 포함하여 통계처리 기법이 적용되는 모집단의 크기를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 주파수-습도 기준의 정밀도를 높일 수 있다.
상기 검색 주파수 저장부(820)는 상기 주파수 검출기(700)로부터 검출된 공진 주파수를 습도 검출을 위한 기준 주파수로 저장한다. 후술하는 바와 같이, 상기 기준 주파수는 주파수-습도 기준의 종속변수로 제공되어 상기 기준 주파수에 대응하는 습도를 일의적으로 수득할 수 있다.
상기 검색 주파수 저장부(820)는 상기 주파수 검출유닛(722)과 연결되어 상기 공진 주파수가 검출되는 순간 자동으로 공진 주파수를 저장할 수 있다. 상기 검색 주파수 저장부(820)는 공진 주파수를 저장할 수 있는 다양한 메모리 소자로 구성될 수 있다.
상기 습도 연산부(830)는 상기 검색 주파수 저장부(820) 및 상기 상관성 연산부(810)와 연결되어 상기 상관성 연산부(810)로부터 수득한 주파수-습도 기준의 종속변수로 상기 기준 주파수를 설정하여 기준 주파수에 대응하는 습도를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 주파수-습도 기준이 1차함수로 수득된 경우 상기 기준 주파수에 대응하는 상대습도를 상기 1차 함수를 이용하여 수득할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 주파수-습도 기준으로서 통계처리 기법을 이용하여 수득한 함수관계를 개시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 주파수-습도 기준은 다수의 상대습도와 주파수 사이의 순서쌍에 관한 주파수-습도 테이블로 주어질 수도 있다.
본 실시예에서는 상기 습도 검출기(800)가 상기 메인보드(501)에 개시된 것을 개시하고 있지만, 상기 메인보드(501)의 외부에 개별적인 구조물로 제공될 수도 있다. 예를 들면, 상기 주파수 검출기(700)와 전기적으로 연결되고 주파수 검출기(700)로부터 전송된 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 상관성 연산에 의해 수득하도록 개별적인 연산장치로 제공될 수도 있다. 이때, 상기 습도 연산장치는 상기 주파수 검출기(700) 및 상기 메인보드(501)와 개별적으로 접속할 수 있는 접속단자를 구비하여 상기 습도센서 모듈(500)과 선택적으로 연결될 수 있다.
특히, 상기 습도센서 모듈(500)만 상기 메인 보드(501) 상에 배치하고 파워 소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)를 상기 습도센서 모듈(500)과 개별적인 일체형 습도 연산키트로 구성함으로써 상기 습도측정 장치(1000)를 간단하게 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도 측정장치를 나타내는 개략적인 구성도이다. 도 7에 도시된 변형 습도 측정장치(1001)는 도 5에 도시된 습도센서 모듈(500)과 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)가 개별적으로 제공되는 것을 제외하고는 도 5에 도시된 습도 측정장치(1000)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 이에 따라, 도 7에서 도 5와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 습도 측정장치(1001)는 메인 기판(501) 상에 습도센서 모듈(500)이 배치되어 상기 수분함량에 따른 출력신호를 생성하는 출력키트(K1)와 상기 출력키트(K1)와 접속되어 출력신호에 대응하는 공진 주파수를 검출하고 연산에 의해 상기 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 추출하는 연산키트(K2)를 포함한다.
상기 출력키트(K1)는 상기 메인 기판(501)의 측부에 신호전송을 위한 제1 단자(T1)를 구비하고 상기 연산키트(K2)는 제1 단자(T1)에 접속되어 출력키트(K1)와 전기적으로 연결된다.
상기 연산키트(K2)는 단일한 베이스(미도시)에 상기 파워소스(600), 주파수 검출기(700) 및 습도 검출기(800)가 배치되어 단일한 로직에 의해 일체로 구동되는 구조물로 제공된다. 특히, 상기 베이스의 외측 단부에 상기 제1 단자(T1)에 대응하는 제2 접속단(T2)이 구비되어 제1 단자(T1)와 제2 접속단(T2)에 의해 연산키트(K2)와 출력키트(K1)를 결합하여 상기 변형 습도 측정장치(1001)를 완성할 수 있다.
상기 연산키트(K2)와 상기 출력키트(K1)가 결합되면, 상기 파워소스(600)에 의해 습도센서 모듈(500)로 구동신호가 인가되어 습도측정이 개시된다. 상기 구동신호에 따라 상기 멤브레인(300)의 고유 진동에 대응하는 출력신호가 상기 습도센서 모듈(500)에 의해 생성되면 상기 연산키트(k2)로 전송되고 상기 주파수 검출기(700)를 통하여 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출하게 된다. 상기 습도 검출기(800)는 검출된 공진 주파수에 대응하는 상대습도를 주파수-습도 기준에 의해 탐색하여 현재의 상대습도를 검출한다.본 발명의 일 실시예에 의한 습도 측정장치에 의하면, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조되고 주파수와 습도 사이의 선형성을 유지할 수 있는 CMUT 어레이를 이용하여 습도 측정장치를 구성함으로써 넓은 습도범위에서 안정적으로 정확하게 대기중의 상대습도를 검출할 수 있다.
특히, 상기 습도 측정장치는 소형 장치로 구비되어 상대습도 측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 정확한 습도측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 정밀한 습도를 수득할 수 있다.
또한, 습도센서 모듈이 배치된 출력키트(K1)과 습도를 검출하는 연산키트(K2)를 개별적으로 제작하고 관리함으로써 상기 변형 습도센서 장치(1001)의 제조효율과 관리 부담을 경감할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5 또는 도 7에 도시된 습도 측정장치를 이용하여 대기중의 상대습도를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5, 7 및 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5에 도시된 습도 측정장치(1000)로 대기의 상대습도를 검출하기 위해 먼저 칼슘이온이 포함된 박막층을 구비하는 멤브레인을 포함하고 초음파 트랜스듀서로 동작하는 습도센서 모듈로 교류전압을 인가한다(단계 S100).
예를 들면, 상기 전극층(400)으로 직류전압과 교류전압의 중첩전압을 인가한다. 상기 직류전원(610)으로부터 일정한 세기의 직류전압을 인가하여 커패시터로 기능하는 상기 절연층(200)에 전하를 충전하고, 충전된 상기 절연층(200)에 설정된 주파수를 갖는 교류전압을 인가하여 충전된 전하를 주기적으로 방전 및 충전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 칼슘함유 박막층(320)으로 구성된 상기 멤브레인(300)이 진동하여 멤브레인 진동을 생성하게 된다.
이어서, 상기 습도센서 모듈(500)과 연결된 전기회로를 통해 상기 멤브레인(300)의 진동에 관한 전기적 등가신호인 교류 출력신호를 검출한다(단계 S200).
예를 들면, 상기 전극층(400)과 출력신호(OS)를 검출하는 신호 검출기(710) 및 상기 출력신호(OS)의 공진 주파수를 검출하는 공진기(720)를 구비하는 주파수 검출기(700)를 전기적으로 연결하여 상기 습도센서 모듈(500)을 구성요소로 포함하는 전기회로를 구성한다.
이때, 상기 습도센서 모듈(500)은 멤브레인 리액턴스(Lm)와 멤브레인 커패시턴스(Cm)을 구비하는 등가 LC회로로 모델링되고, 상기 구동신호(DS)에 의해 유도된 유도 기전력이 상기 멤브레인 진동에 따라 멤브레인 리액턴스(Lm)와 멤브레인 커패시턴스(Cm)에서 주기적으로 에너지가 저장되거나 방출되어 교류특성을 갖는 상기 출력신호(OS)로 검출된다. 즉, 상기 출력신호(OS)는 상기 구동신호(DS)와 동일한 주파수를 갖고 상기 LC 등가회로의 특성에 따라 출력세기가 결정되는 교류신호로 검출된다.
이어서, 상기 출력신호의 최대 유효신호를 검출하도록 상기 구동신호의 주파수를 변조하여 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출한다(단계 S300).
상기 신호 검출기(710)로부터 출력신호(OS)를 검출하면 상기 출력신호(OS)의 유효 출력이 최대값인지 여부를 연산유닛(721)에서 판단하고 최대 유효출력을 갖는 경우 상기 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정한다. 이와 달리, 상기 연산유닛(721)에서 상기 유효 출력이 최대값이 아닌 것으로 판단한 경우, 상기 제어유닛(724)은 변조유닛(723)을 구동하여 상기 구동신호(DS)의 주파수를 변조한다. 변조된 주파수인 검사 주파수에 관한 정보는 상기 교류 생성기(620)로 전송되어 상기 검사 주파수를 갖는 새로운 구동신호(DS)가 생성된다.
검사 주파수를 갖는 새로운 구동신호(DS)에 의해 생성되는 새로운 출력신호(OS)를 생성하고 유효 출력이 최대값을 갖는지 여부를 다시 판단하게 된다.
상기 제어유닛(724)은 구동신호(DS)의 주파수 변경 때마다 새롭게 생성되는 상기 출력신호(OS)의 유효 출력에 대해 최대 출력인지를 판단하고 최대 유효출력을 갖는 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 설정한다.
따라서, 상기 제어유닛(724)은 주파수를 변경하면서 구동신호(DS)를 습도센서 모듈(500)로 인가하고 각 구동신호(DS)마다 출력신호(OS)를 검출하면서 출력신호의 유효 출력이 최대가 될 때까지 반복한다.
이에 따라, 등가 LC 회로의 유효출력이 최대일 때 상기 출력신호(OS)의 주파수를 공진 주파수로 검출한다.
상기 공진 주파수가 검출되면, 주파수-습도 기준에 따라 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기의 상대습도를 검출한다(단계 S400).
예를 들면, 다수의 알려진 샘플 습도 환경에서 칼슘함유 박막층(320)을 구비하는 상기 멤브레인(300)과 동일한 구성을 갖는 기준 멤브레인을 구비하는 기준 습도센서 모듈로 상기 기준 멤브레인의 공진 주파수인 기준 주파수를 수득하여 상기 샘플 습도와 상기 기준 주파수 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준(criteria)을 수득하고, 상기 주파수 검출기(700)로부터 검출된 상기 멤브레인(300)의 공진 주파수를 호출하여 검색 주파수로 저장한다. 이어서, 상기 주파수-습도 기준에 따라 상기 검색 주파수에 대응하는 상기 샘플 습도를 연산하여 상기 상대습도로 결정할 수 있다.
이때, 상기 주파수-습도 기준은 다수의 상기 주파수-습도의 순서쌍에 대한 선형 회귀분석에 의해 수득하는 1차 함수로 수득할 수 있다. 따라서, 상기 주파수-습도에 관한 1차함수로부터 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 연산함으로써 대기의 상대습도를 일의적으로 수득할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 습도센서 모듈, 이를 구비하는 습도 측정장치 및 이를 이용한 습도 측정방법에 의하면, 미세가공에 의해 소형 사이즈로 제조되고 주파수와 습도 사이의 선형성을 유지할 수 있는 CMUT 어레이를 이용하여 습도 측정장치를 구성할 수 있다. 상기 박막층은 칼슘함유 실크층으로 구성하여 대기중의 습도에 민감하게 반응하고 넓은 습도범위에서 수분 흡수량과 상대습도 사이의 선형성을 갖는다. 이에 따라, 대기의 상대습도를 정확하고 안정적으로 검출할 수 있다.
특히, 상기 습도 측정장치는 소형 장치로 구비되어 상대습도 측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 상대습도를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 정확한 습도측정이 필요한 곳에서 간단한 동작만으로 정밀한 습도를 수득할 수 있다.
상기에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 기판 200: 절연층
300: 멤브레인 310: 기저층
320: 칼슘함유 박막층 400: 전극층
410: 하부전극 420: 상부전극
500: 습도센서 모듈 600: 파워소스
610: 직류전원 620: 교류 생성기
700: 주파수 검출기 710: 신호 검출기
720: 공진기 800: 습도 검출기
810: 상관성 연상부 820: 검색 주파수 저장부
830: 습도 연산부 1000: 습도 측정장치

Claims (20)

  1. 기판 상에 배치되고 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층;
    상기 리세스를 덮도록 상기 절연층의 상부에 배치되어 상기 리세스를 외부로부터 단절된 밀폐공간으로 제공하고 칼슘함유 박막층을 구비하여 대기의 수분을 흡수하며 흡수된 상기 수분의 함량에 따라 서로 다른 공진 주파수로 진동하는 멤브레인; 및
    상기 절연층의 하부에 배치된 하부전극 및 상기 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 상기 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 상기 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함하는 습도센서 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 박막층의 아래에서 상기 절연층 상에 배치되어 상기 밀폐공간을 제공하는 기저층을 더 구비하여 상기 기저층과 상기 박막층으로 구성되는 이중막으로 제공되는 습도센서 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기저층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중의 어느 하나를 포함하고, 상기 칼슘함유 박막층은 30-40 중량 퍼센트 농도의 칼슘을 구비하는 실크층을 포함하는 습도센서 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 상부전극은 상기 기저층 상에 배치되고 상기 박막층은 상기 기저층의 상면보다 높거나 동일한 상면을 갖는 습도센서 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극층 사이에 배치되어 상기 커패시터로 기능하는 상기 절연층 및 상기 절연층 상부의 상기 멤브레인은 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasound transducer, CMUT) 소자를 구성하는 습도센서 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공진 주파수는 상기 대기 중에 포함된 수분의 상대적인 중량% 농도인 상대습도가 40% 내지 100%인 범위에서 상기 상대습도에 대하여 선형성을 갖는 습도센서 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공진 주파수는 단위 습도 변화에 대하여 3.4 내지 3.6 KHz의 변화율(3.4 ~ 3.6 KHz/상대습도(%))을 갖는 습도센서 모듈.
  8. 상면으로부터 함몰된 리세스를 구비하는 절연층 및 상기 절연층 상에 배치되고 대기 중에 포함된 수분을 흡수할 수 있는 칼슘함유 박막층을 구비하여 수분 흡수량에 따라 물성이 변화하는 멤브레인을 포함하는 습도센서 모듈;
    상기 습도센서 모듈로 구동신호를 인가하여 상기 물성에 대응하는 공진 주파수를 갖는 멤브레인 진동을 생성하는 파워소스;
    상기 멤브레인 진동에 대응하는 전기적 신호인 출력신호를 검출하고 상기 출력신호와 공진하는 상기 구동신호의 주파수를 상기 공진 주파수로 검출하는 주파수 검출기; 및
    상기 공진 주파수에 대응하는 상기 대기의 상대습도를 검출하는 습도 검출기를 포함하는 습도 측정장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 습도센서 모듈은,
    상면에 상기 멤브레인이 배치된 상기 절연층을 지지하는 기판; 및
    상기 기판의 하부에 배치된 하부전극 및 상기 멤브레인 상에 배치된 상부전극을 구비하여 상기 하부전극 및 상부전극 사이에 위치하는 상기 절연층을 커패시터로 제공하는 전극층을 포함하여,
    상기 전극층으로 인가된 상기 구동신호에 따라 상기 멤브레인 진동을 생성하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(CMUT) 소자로 구성되는 습도 측정장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 절연층 상에는 상기 절연층 및 상기 멤브레인의 결합에 의해 밀폐공간으로 형성되는 상기 리세스가 배치되고, 상기 멤브레인은 상기 칼슘함유 박막층과 상기 절연층 사이에 배치되어 상기 밀폐공간을 한정하는 기저층을 더 구비하여, 상기 기저층과 상기 칼슘함유 박막층으로 구성되는 이중막으로 제공되는 습도 측정장치.
  11. 제9항에 있어서, 다수의 상기 습도센서 모듈이 상기 기판 상에 정렬되어 CMUT 습도센서 어레이를 구성하고 상기 상대습도는 상기 CMUT 습도센서 어레이를 구성하는 각 습도센서 모듈로부터 동시에 개별적으로 검출하는 습도 측정장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 주파수 검출기는,
    상기 습도센서 모듈과 전기적으로 연결되어 상기 출력신호를 검출하는 신호 검출부; 및
    상기 출력신호와 상기 구동신호 사이의 공진 주파수를 검출하는 공진부를 포함하는 습도 측정장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 신호 검출부는 상기 출력신호를 검출하여 증폭하는 증폭기 및 증폭된 상기 출력신호로부터 노이즈를 제거하는 필터를 구비하는 오실레이터(oscillator)를 포함하는 습도 측정장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 공진부는,
    상기 신호 검출부로부터 상기 출력신호를 수신하여 상기 출력신호의 유효출력을 검출하고, 상기 유효출력이 최대 유효출력인지 여부를 판단하는 연산유닛;
    상기 최대 유효출력을 갖는 상기 출력신호의 주파수를 공진 주파수로 검출하는 주파수 검출유닛;
    상기 구동신호의 주파수를 변조하고 변조된 주파수를 상기 파워소스로 전송하는 변조유닛; 및
    상기 유효출력이 상기 최대 유효출력인지 여부에 따라 상기 주파수 검출유닛 및 상기 변조유닛을 선택적으로 구동하여 상기 공진 주파수를 검출할 때까지 상기 구동신호의 주파수를 변조하도록 제어하는 제어유닛을 포함하는 습도 측정장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 멤브레인 진동은 멤브레인 리액턴스와 멤브레인 커패시턴스를 구비하는 등가 LC회로의 전기적 진동으로 모델링하여 상기 출력신호는 상기 등가 LC회로의 교류신호를 포함하여, 상기 유효출력은 상기 교류신호의 전압, 전류 및 전력 중의 어느 하나를 포함하는 습도 측정장치.
  16. 제8항에 있어서, 상기 파워소스는 상기 습도센서 모듈로 에너지를 충전하는 직류전압을 인가하는 직류전원 및 상기 습도센서 모듈로 교류전압을 인가하여 상기 직류전압과 상기 교류전압의 중첩에 의한 중첩전압으로 상기 멤브레인 진동을 생성하는 교류 생성기를 포함하는 습도 측정장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 교류 생성기는 상기 주파수 검출기와 일체로 제공되는 습도 측정장치.
  18. 제8항에 있어서, 상기 습도 검출기는,
    다수의 알려진 샘플 습도 환경에서 상기 칼슘함유 박막층을 구비하는 상기 멤브레인과 동일한 구성을 갖는 기준 멤브레인을 구비하는 기준 습도센서 모듈로 상기 기준 멤브레인의 공진 주파수에 대응하는 공진 주파수인 기준 주파수를 수득하여 상기 샘플 습도와 상기 기준 주파수 사이의 상관관계인 주파수-습도 기준(criteria)을 수득하는 상관성 연산부;
    상기 주파수 검출기로부터 검출된 상기 멤브레인의 공진 주파수에 대응하는 공진 주파수를 호출하여 검색 주파수로 저장하는 검색 주파수 저장부; 및
    상기 주파수-습도 기준에 따라 상기 검색 주파수에 대응하는 상기 샘플 습도를 연산하여 상기 상대습도로 결정하는 습도 연산부를 포함하는 습도 측정장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 주파수-습도 기준은 상기 기준 주파수와 상기 샘플 습도에 관한 다수의 순서쌍을 통계적으로 처리한 선형함수를 포함하는 습도 측정장치.
  20. 칼슘이온이 포함된 박막층을 구비하고 대기중의 수분을 흡수하는 멤브레인과 밀폐공간을 갖도록 접촉하는 절연층이 커패시터로 기능하여 미세가공 초음파 트랜스듀서로 동작하는 습도센서 모듈로 교류전압을 인가하여 멤브레인 진동을 생성하고;
    상기 습도센서 모듈과 연결된 전기회로를 통해 상기 멤브레인의 진동에 관한 전기적 등가신호인 교류 출력신호를 검출하고;
    상기 출력신호의 최대 유효신호를 검출하도록 상기 습도센서 모듈에 인가된 구동신호의 주파수를 변조하여, 상기 출력신호의 공진 주파수를 검출하고; 그리고
    주파수-습도 기준으로부터 상기 공진 주파수에 대응하는 습도를 상기 대기의 상대습도로 검출하는 습도 측정방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20150177196A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 Matrix Sensors, Inc. Differential Humidity Sensor
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