압저항형 압력 트랜스듀서 {Piezoresistor Type Pressure transducer }
전기전자부품
본 발명은 다이어프램을 이용하는 압력 센서에 관한 것으로 특히 다이어프램에 어떤 종류의 센싱 메커니즘을 이용하는 것에 따라서 출력 특성을 이용하는 것이다. 현재 가장 많이 이용하고 있는 스트레인 게이지는 압력을 측정하는 기본 메커니즘으로 현재까지 많은 응용분야를 가지고 있다. 여기서 발전해 나아가는 것이 크기를 작게 만들면서 직선성을 좋게 고 히스테리시스를 작게 구현하는 방식으로 연구되고 있다. 또, 스트레인 게이지 방식은 휘스톤 브리지를 적용하면서 온도 특성을 별도로 연동해야하는 단점을 가진다. 직선성에서는 최대 Span에 대해서 포화특성을 가지고 있으므로 보상 문제를 해결하기 위한 하드웨어를 추가로 설치해야 하는 단점을 가진다. 같은 문제로 히스테리시스는 센싱 재료와 관련이 있는 데 히스테리시스를 작게하기 위한 재료 문제의 해결이 미흡한 상태이다. 따라서 여기서 제시하는 압저항형 압력 트랜스 듀서에서는 직선성을 높이고 압저항의 위치와 크기에 따라서 출력특성을 다르게 되므로 사용 목적에 따라서 선택성을 가질 수 있다는 것이다. 또, 히스테레시스를 작게하면서 온도 특성을 보상하는 새로운 방식을 제시한다.
본 발명은 압력을 측정하는 트랜스듀서의 센싱 메카니즘에 관한 것으로 기체 또는 액체의 압력이 다이어프램 측면에 인가되면 다이어프램에 구성된 전극 위치에 따라서 저항값이 변화되는 데 압력에 대한 직선성을 구현하는 방식으로 세라믹 다이어프램의 안정된 동특성을 이용한 압저항 방식 압력 트랜스듀서에 관한 것이다. 다이어프램은 세라믹 재료를 사용하였으며 두께는 0,2mm를 기준으로 압력(1bar)이 인가되면 다이어프램의 변위가 발생되면서 압저항의 저항값 변화를 갖는다. 이것은 기존에 적용되고 있는 압력 센서의 정전용량 방식에서 전극 간격과 전극간의 공유 면적에 기인하는 정전용량 값의 변화보다 직선성과 히스테리시스 특성이 우수하다는 것이다. 본 발명은 다이어프램을 이용하는 압력 센서에 관한 것으로 특히 다이어프램에 어떤 종류의 센싱 메커니즘을 이용하는 것에 따라서 출력 특성을 이용하는 것이다. 현재 가장 많이 이용하고 있는 스트레인 게이지는 압력을 측정하는 기본 메커니즘으로 현재까지 많은 응용분야를 가지고 있다. 여기서 발전해 나아가는 것이 크기를 작게 만들면서 직선성을 좋게 고 히스테리시스를 작게 구현하는 방식으로 연구되고 있다.
또, 스트레인 게이지 방식은 휘스톤 브리지를 적용하면서 온도 특성을 별도로 연동해야하는 단점을 가진다. 직선성에서는 최대 Span에 대해서 포화특성을 가지고 있으므로 보상 문제를 해결하기 위한 하드웨어를 추가로 설치해야 하는 단점을 가진다. 같은 문제로 히스테리시스는 센싱 재료와 관련이 있는 데 히스테리시스를 작게하기 위한 재료 문제의 해결이 미흡한 상태이다. 따라서 여기서 제시하는 압저항형 압력 트랜스 듀서에서는 직선성을 높이고 압저항의 위치와 크기에 따라서 출력특성을 다르게 되므로 사용 목적에 따라서 선택성을 가질 수 있다는 것이다. 또, 히스테레시스를 작게하면서 온도 특성을 보상하는 새로운 방식을 제시한다.
그림 1은 다이어프램 위에 압저항을 이용하여 압력을 측정하는 방식을 나타내고 있으며 그림 2는 다이어프램의 센싱 메커니즘의 레이아웃 따른 특성을 보여주고 있다.
그림 1의 (c)와 같이 세라믹 다이어프램 위에 저항체 페이스트의 주원료인 Ru는 원자번호가 44, 원자량은 101.07으로 주기율표 제 8족에 속하는 백금족 원소이다. 또, 니켈과 구리 등의 전기분해 제련시에 생기는 양극 찌꺼기 속에서 다른 백금족 원소와 함께 추출한다. 광택이 나는 은백색 금속으로 단단하면서도 잘 부스러지며 굳기는 6.5정도이다. 공기 또는 산소 중에서 가열하면 산화하여 청색 산화 루테니움 RuO 2 가 되고 일부는 RuO 4 로 휘발한다. 그림 1의 (b)는 구성 단면도를 보인것으로 산화 루테니움 RuO 2 을 겔 형태로 만들어서 글래스 위에 스크린 프린팅 한 후 항온조에서 850℃까지 일정하게 싱승시킨 후 상온에서 건조시킨 격자 구조를 보이고 있다. 이때 중요한 파라미터는 급상승하거나 급 강하하면서 센싱 엘리먼트가 균열이 나타나면 특성에서 문제를 야기시킬 수 있다. 그림 (a)는 RuO 2 의 두께를 5㎛ 50㎛ 크기로 제작한 것으로 여기에 압력이 인가되면 격자 구조의 비틀림 현상이 발생되면서 저항값의 변화를 압력의 변화로 나타낼 수 있도록 하는 기술이 본 발명에서 이루고자 하는 내용이다. 특히, 압력 증가에 따른 직선성을 향상시키기 위해서는 루테니움의 두께와 건조 공정을 거쳐서 베이킹 처리하는 것이다. 이러한 결과는 히스테리시스를 작게하면서 스팬에 대한 출력 특성을 현저하게 좋게 만드는 것이다. 최근 들어서 많이 응용되고 있는 압전소자 또는 압저항, 그리고 여기서 언급되는 정전용량형 모두 Piezo라는 접두어를 가지고 있는 데 피에조의 뜻은 그리스 언어로 변화의 의미를 말하고 있다. 따라서 piezocapacitive라는 용어를 사용하고 있으며 우리말로 옮긴다면 압용량형 이라고 말할 수 있다. 이러한 종류의 특징은 경시변화와 고온 상태의 비접착식 스트레인 게이지 용도에 사용되므로 소형 경량화로 가는 데 매우 중요한 효과를 제시하고 있다. 즉, Capacitive 스트레인 센서는 우주, 항공 그리고 군사용으로 많이 사용되며 최근에는 중공업용으로 이용되고 있으며 또 0.5bar 이하의 미압 측정용으로도 응용하고 있다. 또, 이 압력 트랜스 듀서에서 게이지율이라고 하면 압저항을 프린팅하고 고정전극에 상대적인 얇은 다이어프램의 변위에 의존하고 있다. 압저항의 변화는 매우 작은 값으로 변화되기 때문에 출력을 나타내는 측정기술이 필요하다. 궁극적으로 미소변화에 대한 출력 특성을 가지기 위해서는 휘스톤 브리지를 사용할 수 있으며 이것을 기초로 온도변화에 대한 출력 특성을 직선화시키는 데 큰 효과를 볼 수 있는 것이 본 발명의 효과이다. 특히, 압력 트랜스듀서에서는 직선성에 따른 오차에서 보정회로를 가감할 수 있으므로 원가절감과 인터페이스의 용이함을 장점으로 볼 수 있다.
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