KR20110121112A

KR20110121112A - 수위센서의 구조

Info

Publication number: KR20110121112A
Application number: KR1020100040554A
Authority: KR
Inventors: 이영태
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-07
Also published as: KR101148630B1

Abstract

본 발명은 수위센서의 구조에 관한 것으로, 본 발명에 따른 특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조는, 적어도 하나의 절연필름 상에 길이방향으로 일정길이를 가지며 서로 이격되어 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 길이방향으로 구분되는 복수의 구간들을 구비하고, 상기 복수의 구간들에서 상기 제1전극과 상기 제2전극의 이격거리 또는 면적이 구간별로 서로 다르게 배치되거나, 상기 복수의 구간들 중 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 상기 제1전극과 상기 제2전극의 이격거리 또는 면적이 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가지는 정전용량 센서와; 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 센서 표면이 오염되더라도 정확한 수위측정이 가능하며, 정전용량의 상대값을 측정하여 용액의 수위를 측정할 수 있게 된다.

Description

수위센서의 구조{Structure of water level sensor}

본 발명은 수위센서의 구조에 관한 것으로, 수위센서의 전극 간격을 구간별로 다르게 하여 수위센서가 오염되거나 측정대상 용액이 오염되거나 용액의 종류가 달라지더라도 정확한 수위의 측정이 가능한 수위센서의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 가습기, 세탁기, 저수조 등에 수위 측정을 위한 수위센서가 사용되고 있으며, 반도체나 LCD와 같은 분야에서는 물이나 화학약품과 같은 액체를 보관하다가 사용처에 따라 정확한 양을 공급할 수 있는 저장탱크 등에 액체의 수위를 측정하기 위한 수위센서가 사용되고 있다.

이러한 수위센서는 다양한 방법으로 개발되어 다양하게 사용되고 있으며, 현재 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous sensor network)에 대한 응용분야로 확대되고 있는 실정에 있다.

그러나 유비쿼터스 센서 네트워크 서비스를 위해서는, 센서태그의 응용방법의 특성상 측정신뢰도(reliability)가 높아야하며, 소형이어야 하고 저가(low cost)로 공급될 수 있어야 한다. 또한, 설치가 용이하고 간단하여 센서태그의 설치에 대한 주위환경에 따른 영향이 적어야 한다. 따라서 이러한 조건을 만족하는 센서태그(sensor tag)의 필요성이 증대되고 있는 실정에 있다. 특히 센서표면이 오염될 경우에도 정확한 측정이 가능한 센서의 필요성이 증대되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 수위센서의 구조를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 센서 표면이 오염되더라도 정확한 수위 측정이 가능한 수위센서의 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 정전용량의 상대값을 측정하여 용액의 수위를 측정할 수 있는 수위센서의 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 구간별 전극간 간격 또는 면적을 조절하여 다양한 용액의 수위 측정 및 정확한 측정이 가능한 수위센서의 구조를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조는, 적어도 하나의 절연필름 상에 길이방향으로 일정길이를 가지며 서로 이격되어 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 길이방향으로 구분되는 복수의 구간들을 구비하고, 상기 복수의 구간들에서 상기 제1전극과 상기 제2전극의 이격거리 또는 면적이 구간별로 서로 다르게 배치되거나, 상기 복수의 구간들 중 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 상기 제1전극과 상기 제2전극의 이격거리 또는 면적이 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가지는 정전용량 센서와; 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비한다.

상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 길이와 폭이 일정한 구조로 평행하게 배치되고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 상대전극을 향하는 폭방향으로 연장되어 돌출된 복수의 돌기들이 일정간격으로 배치되는 전극구조를 가지며 상기 제1전극의 돌기와 상기 제2전극의 돌기가 서로 맞물리는 형태로 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 배치될 수 있다.

상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 길이와 폭이 일정한 구조로 평행하게 배치되고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각은 상기 제1구간에서보다 폭이 확대되어 배치되는 구조를 가질 수 있다.

상기 제1전극과 상기 제2전극은 서로 이격된 두개의 절연필름 상에 각각 배치되며, 상기 제1전극은 일정길이를 가지며 폭이 일정하게 배치되고, 상기 제2전극은 길이는 상기 제1전극과 동일하게 배치되고 폭은 상기 복수의 구간들마다 구간별로 다르게 배치되거나 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가질 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조는, 속이 빈 원통형 구조물의 내부면을 길이방향으로 복수의 구간들로 구분하여 전극을 패터닝하되, 상기 복수의 구간들마다 면적을 다르게 패터닝하거나, 상기 복수의 구간들 중 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 구간별로 면적을 다르게 패터닝한 구조를 가지는 제1전극과, 일정길이를 가지며 두께 또는 폭이 일정한 구조로 상기 원통형 구조물의 내부에 상기 제1전극과는 이격되어 삽입되는 제2전극을 구비하는 정전용량 센서와; 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비한다.

상기 원통형 구조물은 절연체일 수 있다.

상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제1전극은 일정길이와 일정폭을 가지고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제1전극은 폭이 상기 원통형 구조물의 원주방향으로 연장되어 상기 제2전극의 일부 또는 전부를 감싸는 구조를 가질 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조는, 속이 빈 원통형 구조를 가지는 제1전극과, 일정길이를 가지며 상기 제1전극의 내부에 상기 제1전극과는 이격되어 삽입되는 제2전극을 구비하되, 상기 제2전극은 길이방향으로 구분되는 복수의 구간들을 구비하고, 상기 복수의 구간들마다 두께가 서로 다르게 배치되거나, 서로 인접되는 두 개의 인접구간들에서 구간별로 두께가 서로 다르게 배치되는 구조를 가지는 정전용량센서와; 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비한다.

상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제2전극은 일정길이와 일정두께를 가지고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제2전극은 상기 제1구간에서보다 더 큰 두께를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 센서 표면이 오염되더라도 정확한 수위 측정이 가능하며, 정전용량의 상대값을 측정하여 용액의 수위를 측정할 수 있게 된다. 그리고 구간별 전극간 간격 또는 면적을 조절하여 유전율이 다른 다양한 용액의 수위 측정 및 정확한 측정이 가능할 수 있다.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위센서 제조방법을 공정순서대로 나타낸 공정순서 단면도들이고,
도 2는 도 1에서 완성된 수위센서의 전극패턴만을 확대하여 도시한 것이고,
도 3은 도 2의 전극 구간별 정전용량 기울기의 예를 나타낸 그래프이고,
도 4 내지 도 7은 은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수위센서의 전극구조를 나타낸 것들이고,
도 8 및 도 9는 도 2의 구조를 가지는 수위센서에서의 수위측정의 원리를 설명하기 위한 도면들이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위센서 제조방법을 공정순서대로 나타낸 공정순서 단면도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수위센서의 제조를 위해, 제1절연필름(100)을 준비한다. 그리고 상기 제1절연필름(100)상에 도전필름(110)을 라미네이팅(laminating) 공정을 이용하여 접착한다.

상기 제1절연필름(100)은 PET(Polyethylen Terephthalate) 필름일 수 있다.

상기 도전필름은(110)은 수위센서의 전극이나, 안테나, 회로 등의 재질을 이루는 것으로써, 구리 필름(copper film)이 주로 사용되나, 이에 한정됨이 없이, 황동이나 청동 등과 같은 구리 성분이 일부 재질로서 함유된 구리 합금(alloy) 필름이 사용될 수도 있다. 또한 니켈, 금 또는 은 등의 다른 도전성 재질의 필름이 사용될 수 있음은 당연하다.

상기 라이네이팅 공정은, 미리 예열된 100∼120℃정도의 온도에서 라미네이팅 기계로 롤링 코팅(rolling coating) 시키는 방식을 포함할 수 있다. 상기 도전필름은(110)은 100∼120℃ 정도의 온도를 벗어난 온도범위에서 코팅 될 수 있음은 물론이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 도전필름(110) 상에 포토리소그래피공정(photolithography) 및 에칭공정을 통해, 서로 인접되어 이격배치되는 두 개의 전극들을 포함하는 정전용량센서패턴(전극패턴)(110a), 및 회로결선을 위한 PCB패턴(110b)을 일괄공정으로 형성하게 된다.

여기서 상기 정전용량센서패턴(110a), 및 상기 PCB패턴(110b)과 함께 안테나패턴(110c)도 일괄공정으로 형성될 수 있다. 상기 안테나 패턴(110c)은 필요할 경우에만 형성될 수 있다. 이하에서는 안테나 패턴(110c)이 함께 형성되는 경우를 가정하여 설명하기로 한다.

상기 포토리소그래피공정은 상기 도전필름(110) 상에 감광성 드라이필름(photosensitive dry film)을 코팅하거나 포토레지스트 막을 형성하고 노광 및 현상공정을 통하여 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)을 형성하기 위한 마스크패턴(미도시)을 형성하는 것이다.

상기 에칭공정은 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 도전필름(110)의 일부를 에칭하여 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)을 형성하는 공정을 말한다. 상기 에칭공정은 습식에칭이나 건식에칭, 플라즈마 에칭방법을 포함하여 다양한 에칭방법이 이용될 수 있다.

이후 상기 마스크 패턴은 세정공정 등을 포함하는 별도의 공정을 통해 제거된다.

여기서 다른 예에 따르면, 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)은 스크린 프린팅, 증착이나 스퍼터링 공정으로 제작이 가능한 금속 또는 도전박막으로도 형성할 수 있다. 또한, 증착이나 스퍼터링 공정을 이용하여 금, 은, 백금, 구리, 니켈 등을 코팅한 후 에칭하는 방법으로 형성할 수도 있으며, 스크린 프린팅 방법으로 카본 또는 은을 재질로 하여 형성하는 것도 가능하다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)이 형성된 상기 제1절연필름(100) 중에서, 상기 정전용량센서 패턴(110a)이 형성된 부분에만 제2절연필름(120)을 라미네이팅 공정을 이용하여 접착한다.

상기 제2절연필름(120)을 접착하는 공정이전에 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)에 도금공정이 수행될 수 있다. 상기 도금을 위해 사용되는 도금물질은, 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 및 은(Ag) 중에서 선택된 어느 하나의 물질일 수 있다. 그리고 상기 도금공정은 서로 재질을 달리하여 적어도 두 번 이상 수행될 수도 있다. 예를 들어, 니켈 도금을 수행한 이후에 금도금이 연속적으로 수행되는 것이 가능하다.

상기 도금공정은 무전해 도금공정이 수행될 수 있다.

상기 도금공정은 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)의 저항을 극히 낮추기 위한 것으로, 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)을 니켈이나 금, 백금, 은 등으로 형성하는 것보다 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

상기 제2절연필름(120)은 상기 정전용량센서 패턴(110a)을 액체로부터 절연보호하고, 손상을 방지하기 위한 것으로, PET(Polyethylen Terephthalate) 필름을 재질로 할 수 있다.

이때 상기 제2절연필름(120) 상에 강소수성 처리를 하는 공정이 추가될 수 있다.

도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 제1절연필름(100)의 뒷면(저면)에 라미네이팅 공정, 코팅 공정 또는 접착공정으로 양면접착제 형태로 접착물질막(130)을 형성한다. 상기 접착물질막(130)은 접착테이프 역할을 위한 것으로, 완성된 수위센서를 특정부위에 접착하거나 고정하기 위한 것이다.

따라서 상기 접착물질막(130) 형성공정은 상술한 공정들 중에서는 선택된 어느 하나의 공정 후에 수행될 수도 있으며, 후술하는 공정들 중에서 선택된 어느 하나의 공정이후에 수행될 수도 있다. 또한 본 발명에 따른 수위센서의 제작이 완료된 이후에 수행되는 것도 가능하다.

다른 실시예로서 상기 접착물질막(130)은 상기 제2절연필름(120) 상에 형성될 수도 있다.

도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 접착물질막(130) 또는 상기 제2절연필름(120)이 형성된 이후에 상기 PCB 패턴(110b) 상에 신호처리를 위한 적어도 하나의 SMD(Surface Mount Devices)형 신호처리 소자를 납땜하거나 신호처리용 전용칩을 본딩하여 신호처리부(140)를 형성하게 된다.

상기 SMD형 신호처리 소자란, 인쇄기판의 표면에 실장하는 전자 부품들 중에서 신호처리를 위해 사용되는 소자를 총칭하며, 표면 실장 기술(SMT)을 이용하여 인쇄기판의 한 면 또는 양면에 실장되는 소자들을 포함할 수 있다. 그리고, 신호처리용 전용칩이란, 수위센서의 신호처리를 위해 별도로 주문 제작되거나 판매되는 주문형 반도체 형태의 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)칩 등을 포함할 수 있다.

도 1f에 도시된 바와 같이, 상기 신호처리부(140)를 외부영향으로부터 보호하기 위하여 몰딩한다. 상기 몰딩을 위한 물질은 에폭시 등이 사용될 수 있다. 여기서 몰딩부분(150)은 상기 신호처리부(140) 뿐 아니라 상기 PCB 패턴(110b)부분도 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 수위센서는 일반적으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 PCB 기판 제작방법으로 제조되는 것도 가능하다. 즉 일반적인 PCB기판 형태로 상기 정전용량센서패턴(110a), 상기 PCB패턴(110b), 및 상기 안테나 패턴(110c)을 제조한 이후에 전체를 절연물질로 코팅하는 방법이 이용될 수 있을 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 정전용량센서패턴(110a)은 도 1a 내지 도 1f에 의한 제조방법으로 제조하고, 상기 PCB패턴(110b)을 포함하는 상기 신호처리부(140)는 일반적인 PCB 기판 형태로 별도로 제조하여 서로 전기적으로 연결시키는 방법으로 상기 수위센서를 제조하는 것도 가능하다.

도 2는 도 1a 내지 도 1f의 공정에 의해 완성된 수위센서의 전극패턴만을 확대하여 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)은 하나의 절연필름(100) 상에 길이방향으로 일정길이를 가지며 서로 이격되어 평행하게 배치된다.

상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)은 길이방향으로 복수의 구간들(1,2,3)로 구분된다. 상기 복수의 구간들(1,2,3)에서 상기 제1전극(110aa)과 상기 제2전극(110ab)의 이격거리 또는 면적은 구간별로 서로 다르게 배치될 수 있다.

다른 실시예로 상기 복수의 구간들(1,2,3) 중 서로 인접되는 두 개의 구간들(1과2, 또는 2와3)에서 상기 제1전극(110aa)과 상기 제2전극(110ab)의 이격거리 또는 면적은 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가질 수 있다.

상기 복수의 구간들(1,2,3) 중 어느 하나의 구간인 제2구간(예를 들면, 2)에서 상기 제1전극(110aa)과 상기 제2전극(110ab)은 길이와 폭이 일정한 구조로 평행하게 배치된다. 그리고 상기 제2구간(예를 들면, 2)과 인접되는 제1구간(예를 들면, 1)에서 상기 제1전극(110aa)과 상기 제2전극(110ab)은 상대전극을 향하는 폭방향으로 연장되어 돌출된 복수의 돌기들이 일정간격으로 배치되는 전극구조를 가지며 상기 제1전극(110aa)의 돌기와 상기 제2전극(110ab)의 돌기가 서로 맞물리는 형태로 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 배치될 수 있다.

표현을 달리하면, 상기 제1구간(1)에서 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)은 폭방향으로 돌출된 형태를 가지는 4각형(또는 다각형)의 복수개의 톱니(돌기)들이 일정간격으로 배치된 형태로, 전극의 길이방향으로 일정거리를 가지고 배치된다. 그리고 상기 제2전극(110ab)의 톱니들과 상기 제1전극(110aa)의 톱니들이 서로 맞물리는 형태로 상기 제1전극(110aa)과 상기 제2전극(110ab)이 일정간격 이격되도록 배치되게 된다.

상술한 바와 같은 배치구조를 가지는 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)의 일단이 상기 PCB 패턴(110b)를 통하여 상기 신호처리부(140)에 전기적으로 연결되게 된다. 상기 신호처리부(140)는 도면상에서 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)의 상단부에 배치되어, 상기 정전용량센서를 구성하는 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)에서 발생된 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하게 된다.

도 3은 도 2와 같은 전극구조를 가지는 수위센서에서 구간별 정전용량변화를 나타낸 그래프이다.

수위센서의 정전용량(C;Capacitance)은 'C=ε*A/d' (여기서 ε은 유전물질의 유전율을 나타내며, A는 상기 전극의 단면적, d는 전극 사이의 길이를 나타낸다)에 의해 계산할 수 있다. 여기서 공기의 비유전율은 대략 '1' 의 값을 가지는 것으로 알려져 있다.

위의 식에서 정전용량(C)은 비유전율 및 전극의 면적에 비례하고, 전극간 간격(거리)에는 반비례 한다.

수위센서를 이용한 수위 측정은 공기의 비유전율이 1인데 비해 물은 비유전율이 80이기 때문에, 수위가 높아짐에 따라 유전율이 1인 커패시터와 유전율이 80인 커패시터의 병렬연결구조에서 유전율이 80인 커패시터 부분이 점차 증가하여 전체적으로 정전용량이 증가하게 되는 원리를 이용하는 것이다.

하지만 이러한 필름형 수위센서를 이용하여 물의 수위를 측정할 경우에 물때 및 미생물 등 다양한 오염 물질이 절연필름(100) 표면에 흡착되는 문제가 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 수위센서는 평면 전극 사이의 물질의 유전율에 비례하는 정전용량(capacitance)을 측정하는 방식이기 때문에 공기의 비유전율보다 80배 높은 물의 수위를 측정할 수 있다.

하지만 센서 표면이 오염될 경우 유전율의 변화로 인한 초기 정전용량 및 정전용량 변화율이 달라져서 측정 재현성이 문제가 될 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 수위센서의 정전용량의 절대 값을 측정하지 않고, 상대 값을 측정하는 방법을 사용하는 것이 필요하게 되었다.

즉 도 2에 도시된 바와 같이, 구간별 전극의 간격(이격거리)을 달리하면, 구간 별로 정전용량의 변화율이 달라진다.

수위센서의 표면이 오염되어 정전용량의 절대 값이 변하여도 각 구간의 경계에서는 정전용량의 변화율이 달라지고, 정전용량이 달라지는 지점을 신호처리 회로를 통하여 알 수 있기 때문에 수위 측정이 가능하게 된다.

수위센서의 전극 간격을 조절하여 구간을 분리하면, 각종 오염 물질에 의하여 수위센서가 오염되어도 정확한 수위를 측정할 수 있게 된다.

예를 들어 전극간 이격거리가 작은 제1구간(1)의 경우 전극간 이격거리가 큰 제2구간(2)의 경우보다 정전용량 기울기가 커지게 된다. 따라서 필요에 따라 전극간 이격거리를 달리하는 구간을 세분화하는 등의 방법으로 수위측정이 가능하게 되는 것이다.

같은 방법으로 정전용량(C)을 구하는 식에서 알 수 있는 것과 같이, 각 구간별로 전극의 면적을 달리하면 각 구간별로 정전용량의 변화율이 달라지는 효과를 얻을 수 있어서 상기와 같은 방법으로 정전용량을 측정할 수 있다.

그리고, 물이 아닌 유전율이 다른 다양한 용액의 수위 측정도 보상 없이 가능하게 된다.

좀 더 상세히 설명하면, 물이 아닌 다른 용액의 경우 비유전율이 다르기 때문에 물이 아닌 다른 용액에 본 발명에 따른 수위센서를 적용했을 때는 같은 수위에서도 정전용량 값이 달라지게 된다. 이 경우에는 신호처리를 통하여 해당용액에 맞도록 적용대상 값을 조절하게 되면 정확한 용액의 수위 측정이 가능하게 되는 것이다.

실제로 물의 경우도 어떤 물질이 들어 있는가에 따라서 유전율이 조금씩 다를 것이기 때문에, 유전율이 다른 다양한 액체의 수위를 측정하기 위해서는 다양한 종류의 수위센서를 개발해야하는 번거로움이 있었다. 그러나 본 발명에서와 같이, 구간별 측정을 실시하면 액체의 비유전율이 달라지더라도 각 구간의 간격은 변하지 않기 때문에 수위 측정에는 문제가 없게 되는 것이다.

추가하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 구간 별로 정전용량의 변화율 즉, 기울기가 다르기 때문에 특정 구간의 정전용량 기울기를 측정하면 수위센서의 오염 정도, 용액의 오염 정도 등 다양한 정보를 얻을 수 있다.

수위센서의 오염이란, 수위센서 표면(보호를 위한 절연필름 위)에 미생물 등 불순물 막이 생기는 것으로, 이 경우 절연막이 두꺼워지고 유전율도 달라지기 때문에 같은 수위에서의 정전용량 값이 달라지는 문제가 발생할 수 있다. 특히 보호절연필름으로 사용하는 PET 필름을 사용하는 경우, PET필름은 원래 소수성 필름이기 때문에 오염되지 않은 경우에는 물이 표면에 묻지 않다가 미생물 등에 오염되면 친수성으로 특성이 바뀌게 되어서 정전용량 값이 크게 변화하는 문제가 발생되게 된다. 이러한 문제가 발생되는 경우에도 각 구간에서의 정전용량 기울기(변화율)가 변화하기 때문에 용액의 오염 정도(물이 오염되면 유전율 변화) 등을 모니터링하는 것이 가능할 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수위센서의 전극구조를 나타낸 것이다. 도 4에서 수위센서의 전극구조를 제외하고는 나머지 구조나 제조방법은 도 1에서 설명한 바와 동일하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 수위센서를 구성하는 제1전극(110aa) 및 제2전극(110ab)은 하나의 절연필름(100) 상에 길이방향으로 일정길이를 가지며 서로 이격되어 평행하게 배치된다.

좀더 구체적으로, 상기 복수의 구간들(1,2,3) 중 어느 하나의 구간인 제2구간(2)에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 길이와 폭이 일정한 구조로 평행하게 배치되고, 상기 제2구간(2)과 인접되는 제1구간(1,3)에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각은 상기 제2구간(2)에서보다 폭이 확대되어 배치되는 구조를 가질 수 있다. 폭의 확대방향은 도 4에 도시된 바와 같이, 상대전극을 향하는 방향일수도 있고, 그 반대방향일 수도 있다. 다시 설명하면, 제1구간(1,3)보다 제2구간(2)에서간 이격거리(간격)가 크게 배치된다.

특히 제1구간(1,3)에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 폭 확대방향이 상대전극을 향하도록 구성 배치되는 경우는 전극간 이격거리(d) 및 면적(A)이 전부 달라지므로 정전용량의 구간별 기울기차이를 크게 할 수 있게 된다.

도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수위센서의 전극구조를 나타낸 것이고, 도 5b는 도 5a의 A-A'의 단면도이고, 도 5c는 도 5a의 B-B'의 단면도이다.

도 5a에서 수위센서의 서로 마주보는 전극구조를 제외하고는 나머지 구조나 제조방법은 도 1에서 설명한 바와 동일하다. 여기서 전극구조를 제외한 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 수준에서 다양하게 변경되어 구성이 가능하다. 예를 들어 신호처리부와 안테나 등을 별도의 기판에 장착하는 것도 가능하고 전극이 구비되는 두 개의 절연필름들 중 어느 하나의 절연필름 상에 구현하는 것도 가능할 것이다.

도 5에서는 전극간 이격거리는 절연필름들(100a,100b)의 이격거리로 동일하게 구성되어 있다. 이 경우는 두 개의 전극(110aa,110ab) 중 어느 하나의 전극이 구간별로 면적이 다르게 구성된 경우를 도시하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 수위센서를 구성하는 제1전극(110ab) 및 제2전극(110aa)은 서로 이격된 두개의 절연필름(100a,100b) 상에 각각 길이방향으로 일정길이를 가지며 서로 이격되어 평행하게 배치된다. 그리고 전극들을 보호하기 위한 플라스틱 필름이 상기 전극들 상부에 접착되거나, 절연물질이 코팅될 수 있으나, 이는 별도로 표시하지 않았다.

상기 제1전극(110ab) 및 상기 제2전극(110aa)은 길이방향으로 복수의 구간들(1,2,3)로 구분된다. 상기 복수의 구간들(1,2,3)에서 상기 제1전극(110ab)과 상기 제2전극(110aa)의 면적은 구간별로 서로 다르게 배치할 수 있다.

다른 실시예로 상기 복수의 구간들(1,2,3) 중 서로 인접되는 두 개의 구간들(1과2, 또는 2와3)에서 상기 제1전극(110ab)과 상기 제2전극(110aa)의 면적은 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가질 수 있다.

즉 상기 제1전극(110ab)은 제1절연필름(100a)상에 일정길이를 가지며 폭이 전체구간에서 일정하게 배치되고, 상기 제2전극(110aa)은 제2절연필름(100b)상에서 길이는 상기 제1전극(110ab)과 동일하게 배치되고 폭은 상기 복수의 구간들(1,2,3)마다 구간별로 다르게 배치되거나 서로 인접되는 두 개의 구간들(1과2, 또는 2와3)에서 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가질 수 있다.

예를 들어, 제1구간(1)에서 상기 제2전극(110aa)의 폭은 제2구간(2)에서의 상기 제2전극(110aa)의 폭보다 크거나 작게 구성 배치될 수 있다. 이 경우 폭의 차이에 따라 정전용량의 기울기가 달라지게 된다. 폭의 차이가 커질수록 정전용량 기울기 차이도 커질 것이다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수위센서 전극구조를 나타낸 것으로, 원통형 구조를 가지는 경우를 도시하고 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수위센서의 전극들은, 속이 빈 원통형 구조물(200), 제1전극(220b), 및 제2전극(220a)을 구비하는 구조를 가진다.

상기 제1전극(220b)은 상기 속이 빈 원통형 구조물(200)의 내부면을 길이방향으로 복수의 구간들로 구분하여 전극을 패터닝한 구조를 가진다. 이때 상기 제1전극(220b)은 상기 복수의 구간들마다 면적을 다르게 패터닝하거나, 상기 복수의 구간들 중 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 구간별로 면적을 다르게 패터닝한 구조를 가지게 된다.

상기 제2전극(220a)은 일정길이를 가지며 두께 또는 폭이 일정한 구조로 상기 원통형 구조물의 내부에 상기 제1전극과는 이격되어 삽입되는 구조를 가진다.

이때 상기 원통형 구조물(200)은 절연체이어야 할 것이다.

여기서 상기 제1전극(220b) 또는 상기 제2전극(220a)은 테프론 등의 절연물질로 코팅될 수 있다.

상기 제1전극(220b)은 상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 1구간에서는 일정길이와 일정폭을 가지고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서는 폭이 상기 원통형 구조물(200)의 원주방향으로 연장되어 상기 제2전극(220a)의 일부 또는 전부를 감싸는 구조를 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 제1전극(220b)는 제1구간의 패턴과 제2구간의 패턴이 길이방향으로 반복되는 구조를 가질 수도 있고, 각 구간별로 그 폭이 다르도록 배치되는 구조를 가질 수도 있다.

이에 따라 구간별 전극의 폭의 차이에 따라 정전용량의 기울기가 달라지도록 하여 수위측정을 용이하게 하는 것이 가능하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수위센서의 전극들은, 속이 빈 원통형 구조를 가지는 제1전극(240a)과 일정길이를 가지며 상기 제1전극(240a)의 내부에 상기 제1전극(240a)과는 이격되어 삽입되는 제2전극(240b)을 구비하는 전극 구조를 가진다.

상기 제1전극(240a)은 속이 빈 원통형구조로 전체가 도전체이어야 한다.

물론 상기 제1전극(240a)의 외부면이나 내부면은 테프론 등의 절연물질이나 기타 물질에 의해 코팅될 수도 있다. 이는 제2전극(240b)의 경우도 마찬가지다.

상기 제2전극(240b)은 길이방향으로 구분되는 복수의 구간들을 구비하고, 상기 복수의 구간들마다 두께가 서로 다르게 배치되거나, 서로 인접되는 두 개의 인접구간들에서 구간별로 두께가 서로 다르게 배치되는 구조를 가진다.

예를 들어, 상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제2전극(240b)은 일정길이와 일정두께를 가지고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제2전극은 상기 제1구간에서보다 더 큰 두께를 가질 수 있다.

상기 제2전극(240b)의 단면구조가 원형을 가지는 경우, 상기 제2전극(240b)은 상기 제1구간에서보다 상기 제2구간에서 더 큰 직경을 가질 수 있다.

그리고, 상기 제2전극(240b)은 제1구간의 패턴과 제2구간의 패턴이 길이방향으로 반복되는 구조를 가질 수도 있고, 각 구간별로 그 두께 또는 직경이 다르도록 배치되는 구조를 가질 수도 있다.

도 8 및 도 9는 도 1 내지 도 7의 전극구조를 가지는 수위센서에서의 수위측정의 원리를 설명하기 위한 도면들로, 도 2의 전극구조를 가지는 경우를 예로 들어 설명한다.

도 8은 상기 수위센서를 구성하는 전극들(110aa,110ab)이 액체(예를 들면, 물)가 없는 곳에 노출된 경우이며, 도 9는 상기 수위센서를 구성하는 전극들(110aa,110ab)이 액체(예를 들면, 물)가 존재하는 곳에 노출된 경우의 정전용량 변화를 나타낸 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 액체가 존재하지 않은 경우에는, 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab) 사이의 정전용량 값(C)은 'C=ε*A/d' (여기서 ε은 유전물질의 유전율을 나타내며, A는 상기 전극의 단면적, d는 전극판 사이의 길이를 나타낸다)에 의해 계산할 수 있다. 여기서 공기의 비유전율은 대략 '1' 의 값을 가지는 것으로 알려져 있다.

또한 도 9에 도시된 바와 같이, 액체가 존재하는 경우에도 상기와 같은 식에 의해 정전용량 값의 계산이 가능하며, 액체가 물인 경우에는 물의 비유전율이 대략 '80' 으로 알려져 있다.

따라서 액체의 수위가 점점 높아질수록 상기 제1전극(110aa) 및 상기 제2전극(110ab)을 통한 정전용량 값(C)은 비례하여 증가하게 되며, 액체의 수위에 비례하여 얻어지는 정전용량 값을 읽어 상기 신호처리부(140)를 통해 액체의 수위를 파악하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 수위센서는 액체의 수위를 측정하는 수위센서 뿐 아니라, 강우의 유무를 측정하는 레인센서(rain sensor)로도 적용이 가능하다. 강우 측정 메커니즘은 수위 측정과 동일하게 강우가 발생하여 센서 위에 빗물이 떨어지면 비유전율의 변화에 의한 정전용량의 변화가 발생하기 때문에 강우 유무를 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수위센서는 센서 표면이 오염되더라도 정확한 수위측정이 가능하며, 정전용량의 상대 값을 측정하여 용액의 수위를 측정할 수 있게 된다. 그리고 구간별 전극간 간격 또는 면적을 조절하여 다양한 용액의 수위 측정 및 정확한 측정이 가능할 수 있다.

또한, 절연필름 위에 도전 필름을 라미네이팅 공정으로 접착하고 포토리소그라피 및 에칭 공정으로 전극을 형성하기 때문에 대량생산이 용이하다. 또한 다양한 모양 및 사이즈의 센서를 제작할 수 있으며, 재료비가 낮기 때문에 센서의 단가도 매우 낮출 수 있다.

그리고, 센서의 감도가 비교적 높고, 플라스틱 등의 필름을 이용하여 센서를 제작하기 때문에 유연하고, 가벼워서 구조물에 장착이 용이하다. 센서의 뒷면 또는 전면에 접착물질막(접착테이프)을 형성하게 되면 구조물에 특별한 기구 설계 없이 간편하게 접착하여 장착할 수 있다. 즉 PET 필름을 사용한 정전용량형 플라스틱 필름 수위센서는 센서 자체가 유연하기 때문에 다양한 형태의 구조물에 붙일 수 있어서 수위센서의 활용도를 높일 수 있을 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 PET 필름 위에 일괄 공정으로 전극 및 전극 보호용 필름 접착 등이 가능하여 대량 생산이 가능하여 센서 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

100 : 제1절연필름, 110aa,110ab : 전극
110c : 안테나 140 : 신호처리부

Claims

특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조에 있어서:
적어도 하나의 절연필름 상에 길이방향으로 일정길이를 가지며 서로 이격되어 평행하게 배치되는 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 길이방향으로 구분되는 복수의 구간들을 구비하고, 상기 복수의 구간들에서 상기 제1전극과 상기 제2전극의 이격거리 또는 면적이 구간별로 서로 다르게 배치되거나, 상기 복수의 구간들 중 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 상기 제1전극과 상기 제2전극의 이격거리 또는 면적이 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가지는 정전용량 센서와;
상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비함을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 길이와 폭이 일정한 구조로 평행하게 배치되고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 상대전극을 향하는 폭방향으로 연장되어 돌출된 복수의 돌기들이 일정간격으로 배치되는 전극구조를 가지며 상기 제1전극의 돌기와 상기 제2전극의 돌기가 서로 맞물리는 형태로 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 배치됨을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제1전극과 상기 제2전극은 길이와 폭이 일정한 구조로 평행하게 배치되고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제1전극 및 상기 제2전극 각각은 상기 제1구간에서보다 폭이 확대되어 배치되는 구조를 가짐을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 제1전극과 상기 제2전극은 서로 이격된 두 개의 마주보는 절연필름 상에 각각 배치되며, 상기 제1전극은 일정길이를 가지며 폭이 일정하게 배치되고, 상기 제2전극은 길이는 상기 제1전극과 동일하게 배치되고 폭은 상기 복수의 구간들마다 구간별로 다르게 배치되거나 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 구간별로 서로 다르게 배치되는 구조를 가짐을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조에 있어서:
속이 빈 원통형 구조물의 내부면을 길이방향으로 복수의 구간들로 구분하여 전극을 패터닝하되, 상기 복수의 구간들마다 면적을 다르게 패터닝하거나, 상기 복수의 구간들 중 서로 인접되는 두 개의 구간들에서 구간별로 면적을 다르게 패터닝한 구조를 가지는 제1전극과, 일정길이를 가지며 두께 또는 폭이 일정한 구조로 상기 원통형 구조물의 내부에 상기 제1전극과는 이격되어 삽입되는 제2전극을 구비하는 정전용량 센서와;
상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량 센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비함을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
청구항 5에 있어서,
상기 원통형 구조물은 절연체임을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
청구항 6에 있어서,
상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제1전극은 일정길이와 일정폭을 가지고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제1전극은 폭이 상기 원통형 구조물의 원주방향으로 연장되어 상기 제2전극의 일부 또는 전부를 감싸는 구조를 가짐을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
특정용기에 채워진 용액의 수위를 측정하기 위한 수위센서의 구조에 있어서:
속이 빈 원통형 구조를 가지는 제1전극과, 일정길이를 가지며 상기 제1전극의 내부에 상기 제1전극과는 이격되어 삽입되는 제2전극을 구비하되, 상기 제2전극은 길이방향으로 구분되는 복수의 구간들을 구비하고, 상기 복수의 구간들마다 두께가 서로 다르게 배치되거나, 서로 인접되는 두 개의 인접구간들에서 구간별로 두께가 서로 다르게 배치되는 구조를 가지는 정전용량센서와;
상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 연결되며 상기 정전용량센서에서의 정전용량이 변화에 따라 발생되는 센싱신호를 통해 수위를 검출하여 검출신호를 발생하는 신호처리부를 구비함을 특징으로 하는 수위센서의 구조.
청구항 8에 있어서,
상기 복수의 구간들 중 어느 하나의 구간인 제1구간에서 상기 제2전극은 일정길이와 일정두께를 가지고, 상기 제1구간과 인접되는 제2구간에서 상기 제2전극은 상기 제1구간에서보다 더 큰 두께를 가짐을 특징으로 하는 수위센서의 구조.