압력측정장치 {PRESSURE MEASURING APPARATUS}
본 발명은 각 패턴의 구조를 개선하여 측정 위치에 따른 편차를 줄일 수 있도록 한 압력측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 압력측정장치는 압력에 따라 변형되는 구조체의 변형도 또는 변형율을 측정하는 장치로서, 이러한 압력측정장치의 일례로 스트레인 게이지(strain gauge)가 대표적이다. 종래의 압력측정장치는 구조체의 일측에 부착되며, 구조체가 외력에 의해 변형을 일으키게 되면 이 구조체에 부착된 압력측정장치에 전기적 저항이 변하게 된다. 한편, 압력측정장치에 측정되는 전기적 저항값의 변동량을 측정하면, 이를 통해 구조체의 변형율 및 구조체에 가해지는 압력 등의 측정이 가능하다. 도 1은 종래 기술에 따른 압력측정장치의 평면도이다. 도 1을 참고하면, 종래의 압력측정장치(10)는 다이어프램(12)과, 이 다이어프램(12)의 상부에 구비되는 전극패턴을 포함한다. 다이어프램(12)은 얇은 박막으로 형성되며, 일측에 전기적인 입출력을 위한 전극소자(14)가 구비된다. 또한, 전극패턴은 (+)변형이 되는 부분을 측정하기 위한 (+)응력패턴(22)과, (-)변형이 이루어지는 부분을 측정하기 위한 (-)응력패턴(24)으로 구분되어 형성된다. 종래의 압력측정장치(10)는 (+)변형과 (-)변형에 대한 저항값 일치에 중심을 두고 각 응력패턴(22, 24)을 배열하고 있으며, 이에 따라 상대적으로 (-)변형을 측정하는 (-)응력패턴(24)의 면적이 (+)변형을 측정하는 (+)응력패턴(22)의 면적보다 크게 형성된다. 그러나, 종래의 압력측정장치(10)는 각 응력패턴(22, 24)의 배열시 응력분포의 방향성을 고려하고 있지 않다. 또한, 종래의 압력측정장치(10)는 잔류응력 또는 외부 압력에 의해서 다이어프램(12)에 변형이 발생할 수 있으며, 이에 따라 압력측정장치(10)에 동일한 저항이 발생하더라도 다이어프램(12)의 변형 등에 의해 전극패턴, 즉 (+)응력패턴(22)과 (-)응력패턴(24)에 정확한 비율로 저항값이 발생하지 않게 된다. 따라서, 이와 같이 다이어프램(12)의 변형이 발생하면, (+)응력패턴(22)과 (-)응력패턴(24)에 다이어프램(12)의 변형량에 비례하는 오프셋을 주는 저항값의 보정이 필요하고, 보정 경우의 수 증가 등에 의해 저항값의 정확한 측정이 어려운 상황이다. 또한, 종래의 압력측정장치(10)는 사용시간이 증가함에 따라 다이어프램(12)의 변형도 심해지며, 이에 따라 (+)응력패턴(22)과 (-)응력패턴(24)의 저항값 보정만으로는 정확한 측정값을 얻을 수 없어 압력측정장치(10)의 잦은 교체가 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 각 응력패턴의 구조를 개선하여, 다이어프램의 변형 등에 따라 발생하는 잔류응력에 의한 각 응력패턴의 저항값의 오프셋 차이를 최소화하며, 각 응력패턴의 측정위치에 따른 감도를 일정하게 할 수 있으며, 전체적인 감도를 향상시키도록 한 압력측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 압력측정장치는 박막으로 형성된 다이어프램; 다이어프램에 배치되며, (+)변형에 대한 응력을 측정하는 (+)응력패턴; 및 (+)응력패턴에 원점을 중심으로 대향되게 형성되어 (-)변형에 대한 응력을 측정하는 (-)응력패턴;을 포함하고, 각각의 응력패턴은 원점을 향해 방사형으로 배치된 복수의 제1전극부; 제1전극부의 각 단부에 교번적으로 설치되어 제1전극부들을 전기적으로 연결하는 복수의 제2전극부; 및 제1전극부 또는 제2전극부의 단부와 다이어프램에 형성되는 접속단자와 연결하는 제1리드부 및 제2리드부를 포함한다. 여기서, 각각의 응력패턴은 제1리드부에 일단이 연결되며 원점에 근접하게 배치된 제1 응력패턴부와, 제1 응력패턴부의 외곽부에 배치되며 일단이 제1응력태패턴부에 연결되고 타단이 제2리드부에 연결되는 제2 응력패턴부를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 응력패턴은 제2 응력패턴부의 외곽부에 배치되며 일단이 제2 응력패턴부의 일단에 연결되고 타단이 제2리드부에 연결되는 제3 응력패턴부를 더 포함할 수 있다. 더불어, (+)응력패턴의 제1리드부 및 제2리드부와 (-)응력패턴의 제1리드부 및 제2리드부의 각 단면적은 (+)응력패턴의 저항값과 (-)응력패턴의 저항값이 동일한 값을 갖는 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (+)응력패턴과 (-)응력패턴의 길이방향의 전극부가 원점을 향하도록 배치되고, (+)응력패턴과 (-)응력패턴이 동일한 저항값으로 형성됨에 따라 각 응력패턴의 저항값의 오프셋 차이를 최소화할 수 있으며, 각 응력패턴의 측정위치에 따른 감도를 일정하게 할 수 있다. 이와 같이, 각 응력패턴의 오프셋 차이가 감소되고, 감도가 일정하게 유지됨에 따라 전체적인 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 압력측정장치의 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력측정장치의 평면도.
도 3은 휘트스톤 브리지를 도시한 회로도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 단, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하고, 이에 대하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력측정장치의 평면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력측정장치(50)는 박막으로 형성된 다이어프램(52)을 포함할 수 있다. 그리고, 이 다이어프램(52)의 일측에는 전기적인 입출력을 위한 전극소자(54)가 구비되며, 이 전극소자(54)와 연결되어 다이어프램(52)의 상부에 배치되는 전극패턴을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 전극패턴은 (+)변형에 대한 응력을 측정하기 위한 (+)응력패턴(62) 및 이 (+)응력패턴에 대해 원점을 중심으로 대향되게 형성된 (-)응력패턴(72)을 포함할 수 있다. 여기서, (-)응력패턴(72)은 (-)변형에 대한 응력을 측정하도록 제공될 수 있다. 본 실시예에서 (+)응력패턴(62)과 (-)응력패턴(72)은 원점에 대해 대칭으로 배치될 수 있으며, (+)응력패턴(62)과 (-)응력패턴(72)의 전체적인 형상이 동일하게 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 각각의 응력패턴(62, 72)은 원점을 향해 방사형으로 배치된 복수의 제1전극부(62a, 72a)를 포함할 수 있다. 복수의 제1전극부(62a, 72a)는 각각 방사방향으로 소정의 길이로 형성될 수 있다. 또한, 이들 복수의 제1전극부(62a, 72a) 사이에는 제2전극부(62b, 72b)가 구비되어 전기적으로 연결되도록 제공될 수 있다. 각각의 제2전극부(62b, 72b)는 제1전극부(62a, 72a)들 사이에 완만한 굴곡을 갖도록 연결될 수 있으며, 원주방향에 대해 평행하게 연결되는 것도 가능하다. 또한, 제1전극부(62a, 72a) 또는 제2전극부(62b, 72b)의 단부에는 다이어프램(52)과 전기적인 연결을 유지하기 위해, 다이어프램(52)의 일측에 형성된 (+)극 또는 (-)극의 접속단자(54)와 연결되는 제1리드부(66, 76) 및 제2리드부(68, 78)가 제공될 수 있다. 일례로, 각각의 응력패턴(62, 72)은 원점에 대해 근접하게 배치된 제1 응력패턴부(63, 73)와, 이 제1응력패턴부(63, 73)의 외곽부에 배치되는 제2 응력패턴부(64, 74)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1응력패턴부(63, 73)는 일단이 제1리드부(66, 76)에 연결되고, 타단에는 제2응력패턴부(64, 74)의 일단에 연결될 수 있다. 이때, 제1응력패턴부(63, 73)와 제2응력패턴부(64, 74)는 원점을 향하도록 배치된 복수의 제1전극부(62a, 72a)를 포함하며, 이들 제1전극부(62a, 72a) 사이에는 제2전극부(62b, 72b)가 설치되어 전기적으로 연속성을 갖게 된다. 본 실시예에서 제2응력패턴부(64, 74)는 제2리드부(68, 78)에 타단이 연결될 수 있으며, 제2응력패턴부(64, 74)의 외곽부에 제3응력패턴부(65, 75)가 더 구비되는 것도 가능하다. 일례로, 제3응력패턴부(65, 75)는 일단이 제2응력패턴부(64, 74)의 일단에 연결될 수 있으며, 제3응력패턴부(65, 75)의 타단이 제2리드부(68, 78)에 연결되어 전기적인 연속성을 가질 수 있다. 즉, 본 실시예의 응력패턴(62, 72)은 다이어프램(52)의 접속단자(54)와 연결된 제1리드브(66, 76)와, 제1응력패턴부(63, 73), 제2응력패턴부(64, 74), 제3응력패턴부(65, 75)가 순차적으로 연결되고, 제3응력패턴부(65, 75)와 연결되는 제2리드브(68, 78)가 다이아프램(52)의 다른 접속단자(54)와 연결되며 전체적인 폐사이클로 제공될 수 있다. 더불어, 본 실시예에서 (+)응력패턴(62)의 저항값과 (-)응력패턴(72)의 저항값이 동일한 크기를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해 각 전극부(62a, 62b, 72a, 72b) 또는 각 리드부(66, 68, 76, 78)의 각 단면적 크기를 설계 반영하여 (+)응력패턴(62)의 저항값과 (-)응력패턴(72)의 저항값이 동일한 값을 갖도록 할 수 있다. 즉, 각 전극부(62a, 62b, 72a, 72b) 또는 각 리드부(66, 68, 76, 78)의 각 단면적 크기를 넓게 하면 저항값을 작게 할 수 있으며, 이와 반대로 각 단면적의 크기를 작게 하면 저항값을 크게 할 수 있다. 이와 같이 각 전극부(62a, 62b, 72a, 72b) 또는 각 리드부(66, 68, 76, 78)의 각 단면적 크기를 조절하면, (+)응력패턴(62)의 저항값과 (-)응력패턴(72)의 저항값을 조절할 수 있다. 더불어, 본 실시예의 응력패턴들은 휘트스톤 브리지에 의해 그 구조 및 작용이 설명될 수 있다. 도 3은 휘트스톤 브리지를 도시한 회로도이다. 도 3을 참고하면, 본 실시예의 (-)응력패턴(72) 중 제1응력패턴부(73)와 제2응력패턴부(74)는 하나의 저항체를 형성할 수 있으며, 휘트스톤 브리지의 회로도 상에 R 1 로 표기될 수 있다. 이때 R 1 에 흐르는 전류는 I 1 로 표시될 수 있다. 또한, (-)응력패턴들 중 제3응력패턴부(75)는 하나의 저항체를 형성할 수 있으며, 휘트스톤 브리지의 회로도 상에 R 2 로 표기될 수 있다. 이때 R 2 에 흐르는 전류는 I 2 로 표시될 수 있다. 또한, 본 실시예의 (+)응력패턴(62) 중 제1응력패턴부(63)와 제2응력패턴부(64)는 하나의 저항체를 형성할 수 있으며, 휘트스톤 브리지의 회로도 상에 R 3 으로 표기될 수 있다. 이때 R 3 에 흐르는 전류는 I 3 으로 표시될 수 있다. 또한, (+)응력패턴들 중 제3응력패턴부(65)는 하나의 저항체를 형성할 수 있으며, 휘트스톤 브리지의 회로도 상에 R 4 로 표기될 수 있다. 이때 R 4 에 흐르는 전류는 I 4 로 표시될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 전류와 저항과의 관계는 다음의 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.
여기서, I 1 , I 2 , I 3 , I 4 가 동일하므로, 다음의 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 저항체를 배치하는데 있어서 방향성을 고려하여 설계하면 저항값이 정해지게 된다. 즉, 제1응력패턴부(63, 73), 제2응력패턴부(64, 74)의 저항값이 정해지게 되면, 외곽부분에 설치되는 제3응력패턴부(65, 75)의 방향성을 고려하여 저항값을 정할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서 (+)응력패턴(62)의 저항값과 (-)응력패턴(72)의 저항값은 동일한 값으로 설계될 수 있으며, 이에 따라 (+)응력패턴(62)과 (-)응력패턴(72) 및 이들에서 발생하는 저항값과 잔류응력의 영향 정도 등이 동일하게 되어 각 응력패턴(62, 72)의 저항값 차이에 의한 오프셋(offset)을 최소화할 수 있다. 또한, 각 응력패턴(62, 72)의 변형영역마다 다이어프램(52)의 변형에 의한 측정값의 변화가 일정하게 유지될 뿐만 아니라, 이에 따른 감도의 차이가 발생하지 않게 되므로, 전체적인 총 감도가 향상될 수 있다. 또한, 본 실시예의 압력측정장치(50)는 (+)응력패턴(62)과 (-)응력패턴(72)의 감도차가 최소화되므로 측정 위치에 따른 편차 또는 오차를 줄일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
50 : 압력측정장치 52 : 다이어프램
54 : 전극소자 62 : (+)응력패턴
72 : (-)응력패턴 62a, 72a : 제1전극부
62b, 72b : 제2전극부 63, 73 : 제1 응력패턴부
64, 74 : 제2 응력패턴부 65, 75 : 제3응력패턴부
66, 67 : 제1리드부 68, 78 : 제2리드부 |
