Transcript 정전용량식 압력센서
힘, 토크, 압력 센서 Force, Pressure Sensors 센서 및 계측 공학 (Sensor and Instrumentation Engineering) 2016년 1학기 충북대학교 전자공학과 박 찬식 http://gnc.chungbuk.ac.kr [email protected] 교육관 325호, T. 3259 1 목차 힘, 토크 센서 탄성체의 변형 스트레인 게이지 로드 셀 토크 센서 촉각 센서 압력 센서 스트레인 게이지 압력센서 정전용량식 압력센서 전위차계식 압력센서 LVDT 압력센서 압전식(Piezoelectric) 압력센서 실리콘 압력센서 2 개요 힘(force) 힘: ‘밀고(push) 당김(pull)’ 뉴턴의 제2법칙 : F=ma 힘이 질량에 작용할 때, 질량을 가속시킨다. 힘과 관련된 물리량 힘 측정 센서의 구성 Resistive Strain Gage Change resistance as a direct result of the element strained by displacement Biomedical application Metal and semiconductor gage Small displacement (<20m) Require fairly large force to actuate it Used in force, pressure and acceleration measurement Strain Gage Principles Resistance of wire Large displacement Static and Dynamic changes associated with Limbs, Blood vessels and chamber of the heart L A : resistivity When wire is stretched R (1 2 )L R L Elastic strain gage R Dimensional change+ piezzoresistive effect L / L : change in Length D / D : change in Diameter Poisson’s ratio (D / D) /(L / L) 4 Resistive Strain Gage Gage factor A.k.a Strain sensitivity G Most metal R / R / 1 2 L / L L / L Poisson’s ratio : 0.3 Gage factor G: 1.6 Dimensional effect Semiconductor 50 ~ 70 times G of metal Piezzoresistive effect 5 스트레인 게이지-금속 금속 스트레인 게이지의 종류 선 게이지(wire-type strain gage) 박 게이지(foil-type strain gage) 박막 게이지(thin film strain gage) 선 게이지 박 게이지 스트레인 게이지-금속 베이스 두께가 얇고 저항소자 자체도 얇은 금속 박이므로 유연성이 있으며, 격자가 구부러지는 부분(end loop)의 단면적이 크므로 이 부분의 저항값이 작고, 선 게이지에 비해서 횡감도 계수가 작아진다. 박 게이지는 통상, 접착제로 피측정물에 부착하지만 고온 게이지 등 베이스에 금속을 사용한 경우에는 점용접으로 부착하여 사용한다. 스트레인 게이지-금속 횡감도(transverse sensitivity) 저항소자의 형상에서 축 방향 뿐만 아니라 축과 직각방향으로 나타나는 감도 실제의 게이지에서 축 방향 게이지율은 횡감도 영향을 내포한 값 횡감도 계수는 게이지 길이, 형상에 밀접한 관계 게이지 길이가 1mm 이하에서는 2～3% 특별한 경우를 제외하면 큰 문제가 되지 않음 축 방향 횡감도 Semiconductor Strain Gages High Gage Factor Suitable for dynamic measurements Used for short-term measurements of static strain level Bonded semiconductor gage Gage factor: Up to 150 Piezoelectric effect High temperature sensitivity Nonlinearity Diffused Semiconductor gage Diaphragms on the silicon Low cost 9 Elastic Resistance Strain Gage Extensively used in biomedical applications Consist of 0.5mm ID, 2mm OD 30 ~ 250mm long Filled with mercury or electrolyte or conductive paste Sealed with electrode As tube stretched Typical Resistance Change Narrow silicon rubber tube 2 ~ 200m / mm Measure higher displacement than other gages Characteristics Dead zone Linear within 1% < 10% of maximal extension Nonlinearity of 4% > 30% of maximal extension Length: Increase Diameter: Decrease Resistance change R 2L L 2 ( ) R0 L0 L0 10 Bridge Circuits (a) Wheatstone bridge R R R R v [( 1 2 ) /{(1 1 )(1 2 )}]Vi R4 R3 R4 R3 (b) One Strain gage Vi x Vx v i ( for x 1) 4(1 x / 2) 4 (c) Doubled Output Vi x Vx v i ( for x 1) 2(1 x / 2) 2 (d) Quadruple Output v Vi x (e) Zero-centered R v Vi x / 2 (f) Balanced by Op amp v Vi x / 2 Good Linearity Low output Z 11 Examples of Strain Gages Simplified circuit 4 Strain Gage If Vi = 5V x = 0.1% Gain of Amp G=R4(2R1+R2)/(R2R3) = 800 Then Signal fed into ADC Va = xViG = 4V 12 Mounting Strain Gage If applied directly to a strained object Measuring small displacement Measuring large displacement 2L2 x s 3lh Relations: l = Distance between P and P’ x = Strain at P’ 13 로드 셀 (Load cell) 물체의 하중을 측정하는 센서이며, 하중 센서라고도 함 스트레인 게이지를 센서로 사용한 스트레인 게이지 로드 셀(strain gage load cell)이 주로 사용 종류 로드 셀-밴딩 빔 출력 전압: 출력 전압은 하중(F)에 비례 출력범위와 감도는 빔의 단면적(bh), 하중 인가 점의 위치, 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정 로드 셀-밴딩 빔 밴딩 빔 로드셀의 예 바이노큘러(binocular) 탄성체 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착 이 구조는 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 빔 전체의 두께를 두껍게 함으로써 감도 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는 장점 감도, 안정도, 직선성이 매우 우수한 특성 S자형 빔으로, 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다. 이 빔을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다. 밴딩 빔 로드 셀은 중하중 용량으로 정밀도 높은 로드 셀이다. 로드 셀-전단 빔 전단 빔 로드 셀(shear beam load cell) 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면, 가공이 어렵다는 단점 동일 용량의 밴딩 빔에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다. 로드 셀-전단 빔 전단 빔 로드 셀(shear beam load cell) 예 그림 (a): 전단 효과를 최대로 하기 위해서 빔의 일부를 감소시키고, 이 부분(빔 양측에 있음)에 45° 각도로 스트레인 게이지를 부착한다. 그림 (b): 중․대용량 로드 셀에 사용되는 것으로, 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에 덜 민감하다. 그림 (c): 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 빔(doubleended shear beam) 로드 셀이다. 대용량에 사용되며, 안정도가 우수하다. 로드 셀-기둥형 기둥형 로드 셀(columntype load cell) A.k.a 캐니스터 로드 셀(canister load cell) 트럭, 탱크, 호퍼(hoppers) 등의 중량 측정에 사용 로드 셀-링형 링형(ring-type load cell)의 기본 구조와 동작 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점 실험실용 소형, 소하중 로드 셀에 적합 방향도 인장형, 압축형 모두에 사용이 가능하지만, 대용량 제작이 어려운 단점 로드 셀 응용 전자저울(electronic scale), 전자 체중계 크레인 스케일(crane scale), 트럭 스케일(truck scale), 펠릿 트럭 스케일(Pallet truck scale) 로드 셀 응용 적교(suspension bridge)의 케이블이나 다리에 설치 로드 셀은 여러 차량 통행 조건하에서 케이블에 가해지는 장력과 응력 혹은 다리의 압축력 측정 토크 센서 토크(torque), 모멘트(moment), 힘의 모멘트(moment of force) : 주어진 회전축을 중심으로 회전시키는 능력. 토크 센서 일반적으로 토크 센서는 회전부(rotor)와 고정부(stator)로 구성 회전부: 탄성체를 사용해 토크를 변형으로 변환하여 측정하는 부분 고정부: 하우징(housing) 토크 센서 토크 T에 의해서 축에는 각 θ만큼 비틀림 발생 토션 바(torsion bar) 혹은 측정체 축(measuring body shaft) 토크 에 의해서 축은 각 만큼 비틀린다. 토크를 변형으로 변환하는 탄성체 토크의 측정 방법 스트레인 게이지식 토크 센서(strain gage torque sensor) 토크에 의해서 생기는 토션 바의 변형을 검출 비틀림각 식 토크 센서(twist angle type torque sensor) 각 θ를 검출 토크 센서-스트레인 게이지식 구조 토크 센서-회전식 접촉식 회전 토크센서 센서가 있는 회전부(rotator)와 정지부(stator)가 슬립링(slip ring)에 의해서 접속 전압공급과 센서출력신호 전송은 슬립 링을 통해서 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요 토크 센서-회전식 무접촉 토크센서(contactless torque sensor) A.k.a 회전 트랜스포머 토크 센서(rotary transformer torque sensor) 슬립 링의 결점을 극복하기 위해서 회전 트랜스포머(rotary transformer) 사용 회전 트랜스포머의 1차 권선은 정지 회전부에 위치한 2차 권선은 회전 제1(전원) 트랜스포머를 통해서 외부로부터 센서(스트레인 게이지 브리지)에 교류전압 공급 브리지로부터 측정된 토크 신호는 제2(신호) 트랜스포머를 통해서 고정부로 전송 토크 센서-광학식 광학식 토크센서 비틀림 각 검출 압력센서의 기초 압력(pressure)의 정의 두 물체의 접촉면에서 서로 수직으로 미는 힘 물체 내에서 서로 미는 힘 대기압(atmosphere pressure) 수압(water pressure or hydraulic pressure) 유체(기체, 액체)의 압력 유체에 의해서 단위 면적당 작용하는 힘 계측분야: 유체 압력 = 압력 정압(靜壓力;static pressure) • 유체가 정지 상태일 때 나타나는 압력 동압(動壓力; dynamic pressure) • 유체의 운동에너지에 의해 나타나는 압력 압력센서의 기초 국제 압력 단위 SI 단위 유럽 북미 아시아 압력단위 변환(conversion) 1 bar 105 Pa 1000 mbar 1 psi 6895 Pa 68.95 mbar 1 Mpa 1 kg/cm2 106 Pa 10 bar 0.0981 Mpa 0.981 Bar 압력센서의 기초 압력의 분류 절대압(absolute pressure) 압력센서의 구성 요소 완전진공(0 mmHg abs)을 기준으로 측정된 압력 밀폐된 진공실과의 차압을 측정 대기압(760 mmHg) 기준 측정된 압력 가장 많이 측정하는 압력 차압(differential pressure) 감압 요소(pressure sensing element) 게이지압(gage pressure) 변환요소(pressure sensing element) 2개의 유체간의 압력 차 높은 정밀도 요구 진공 절대압 게이지 압 기계적 운동(변위)을 전기 신호로 변환 신호 조정(signal conditioning) 대기압 760 mmHg 압력을 받아 변위 또는 변형이 일어나는 기계적 요소 압력을 기계적 운동(변위)으로 변환 전기신호의 증폭, 필터링 압력센서: 다이어프램(diaphragm) 감압 요소의 종류 다이어프램 (diaphragm) 대부분의 압력센서, 차압센서는 다이어프램 채용 • 적은 면적 • 변위가 센서소자를 동작시킬 만큼 충분히 크고 • 부식 방지를 위한 다양한 재질의 이용가능 재질 • 금속, 실리콘 압력센서: 부르동 관, 벨로우즈 부르동 관(Bourdon tube) 관 한쪽의 선단은 밀폐 형태에 따라 C자형(C shaped), 나선형(helical) 등 압력에 늘어난 부르동 관 선단의 변위량은 관내의 압력 에 거의 비례 나선형은 감도 증가 대부분의 압력 게이지에 사용 Bourdo n tube Pinion gear Sector gear 벨로우즈(Bellows) 얇은 금속 재료의 주름 잡힌 원통 원통에 압력을 가하면 내부와 외부의 압력 차에 의해 신축 압력차 변위로 나타남 압력센서: 차압센싱 차압 센싱 메커니즘 벨로우즈, 다이어프램, 브르동관 사용 인가 압력 p2 인가 압력 p2 인가 압력 p1 인가 압력 p2 인가 압력 p1 인가 압력 p1 스트레인 게이지 압력센서 구성요소 감압 탄성체 주변이 고정된 원형 금속 다이어프램 스트레인 게이지 금속 박 게이지: 접착제로 다이어프램 부착 금속 박막 게이지: 박막기술로 금속 다이어프램에 직접 형성 신호조정 회로 동작 압력(p) 다이어프램 변형 스트레인 게이지 저항 변화 전기신호 출력 스트레인 게이지 압력센서 압력센서용 스트레인 게이지 패턴 스트레인 게이지는 전류가 흐르는 방향으로 받는 응력(변형)에 감응하므로 게이지의 부착위치와 방향, 게이지 패턴은 변형분포의 결과에 의해서 결정 스트레인 게이지 예 중앙부에는 원주방향의 (+)변형에 감응하는 한 쌍의 게이지(R2 R3) 배치 주변부에는 반경방향의 (-)변형에 감응하는 한 쌍의 게이지(R1, R4) 배치 4개의 게이지 저항은 브리지 회로로 결선 브리지 출력전압: 압력 p에 비례 정전용량식 압력센서 기본구조와 동작원리 고정전극과 다이어프램 사이에 정전용량 형성 압력(P) 다이어프램 변위 두 전극 사이의 거리(d) 변형 정전용량 변화 정전용량식 압력센서: 차압센서 정전용량식 차압센서 다이어프램에 작용하는 힘: 정전용량식 차압센서의 특성 매우 정확, 안정, 견고 차압에 2배 출력 불필요한 공통 모드 영향 제거 압력을 센싱 다이어프램에 전달하기 위해서 사용되는 분리 다이어프램과 충전유체는 과압으로부터 차압 센서를 보호 정전용량식 압력센서: 차압센서 정전용량식 차압센서의 예 분리 다이어프램 센싱 다이어프램 정전용량식 압력센서: 특징 정전용량형 압력센서의 일반적 특징 장점 측정범위가 매우 넓다: µ ~10,000 psig (70MPa), 차압은 0.01 in H2O를 쉽게 측정할 수 있다. 스트레인 게이지 방식에 비해 드리프트도 작고, 0.01[%FS]의 확도를 갖는 압력센서의 디자인도 가능하다. 전형적인 온도영향은 0.25[%FS]이다. 정전용량형 압력센서는 낮은 차압과 낮은 절대압 측정에서 2차 표준(secondary standards)으로 자주 사용된다 구조가 간단하다. 낮은 드리프트 넓은 대역 폭 (bandwidth) 단점 기생용량(stray capacitance)에 민감 진동에 민감 10.4 전위차계식 압력센서 기본구조와 동작원리 부르동 관 또는 벨로우즈와 전위차계로 구성 인가압력 벨로우즈(부르동 관) 신축 그 변위가 와이퍼 암(wiper arm)을 구동 전위차계의 저항 장점 극히 작게 만들 수 있어 직경 4.5 in. 압력 게이지 속에도 수용 가능 추가의 증폭기가 필요 없을 정도로 출력도 크기 때문에 저전력이 요구되는 곳에 응용 가격 저렴 단점 히스테리시스 오차가 크고, 재현성이 나쁨 진동에 민감 가동 접촉부의 마모 및 접촉저항 위와 같은 단점으로 인해 좋은 성능을 요구하지 않는 곳에 사용 LVDT 압력센서 기본구조와 동작원리 탄성체로 부르동 관(또는 다이어프램 등), 센서로 LVDT를 이용한 압력센서 출력전압은 작은 범위에서 압력에 선형적으로 변화 장점 매우 높은 확도와 감도 정압(static or quasistatic application)을 측정하는 경우 우수한 안정성과 신뢰성 측정 압력범위가 매우 넓음 단점 동압(dynamic pressure) 측정에는 부적합. 기계적 마모가 일어나기 쉽고, 진동이나 자기간섭에 민감 고가 압전기식 압력센서: 압전 효과 압전 효과(piezoelectric effect) 수정과 같은 압전 결정의 상하부에 전극을 설치하고 압력을 가하면, 압전결정의 두께는 변형을 일으키고, 그 변형에 비례하여 전극에는 정(正)·부(負)의 전하가 발생 결정표면에 나타나는 전하 q와 출력전압 Vo의 관계는 압전기식 압력센서 기본구조와 동작원리 감압 탄성체로 다이어프램, 센서로 압전 결정 사용 얇은 다이어프램을 통해 압력이 다이어프램에 접촉하고 있는 결정면에 인가되면 전극에 전하 발생 발생전압은 리드 선을 통해 회로에 전달 특징 시간에 따라 압력이 변하는 경우에만 사용 장점 폭발 등과 관련된 동압 현상 자동차, 로켓엔진, 압축기, 또는 빠른 압력변화를 경험하는 압력장치에서 사용 대역폭이 넓다. 초소형화가 가능하다. 가속도에 덜 민감하다 단점 온도에 매우 민감하다. 낮은 레벨의 신호 처리 필요 동적 측정을 위한 접속 케이블 필요 압전현상은 동적 효과로 정압을 측정할 수 없음 실리콘 압력센서 마이크로 제조기술(microfabrication;반도체 기술과 MEMS 기술)을 이용해 반도체 실리콘으로 만든 압력센서 실리콘 압력센서의 종류 압저항 압력센서(piezoresistive pressure sensor) 정전용량식 압력센서(capacitive pressure sensor) 실리콘의 압저항 효과(piezoresistive effect)를 이용 현재 가장 널리 사용 실리콘-실리콘 또는 실리콘-유리 기판 사이에 형성된 정전용량을 이용 실리콘 압력센서의 특징 IC제작 기술과 동일한 공정으로 제작 신호처리에 필요한 증폭회로, 온도보상회로, 직선성 보정회로 등을 하나의 센서 칩에 집적화할 수 있어, 초소형 압력센서의 제작 가능 가격이 저렴하여 그 용도가 점점 확대되고 있는 추세 압저항 압력센서는 온도 변화에 매우 민감하므로 온도 보상 요구됨 자동차의 엔진용 MAP 센서로 널리 사용 실리콘 압력센서 압저항 효과 반도체에 압력이 인가되면 저항 값이 변하는 현상 축방향 응력 (longitudinal stress) 이 응력에 의한 저항 변화율은 변형율(strain) εl 에 비례: • GF는 게이지 율: p형 실리콘에 대해서는 (+), n형에 대해서는 (-) 종방향(축방향, longitudinal stress)과 횡방향 응력(transverse stress) 모두 고려한 저항 변화율 실리콘 압력센서 기본 구조와 동작원리 실리콘 단결정을 얇게 에칭하여 수압용 다이어프램을 만들고, 여기에 IC와 동일한 제조방법으로 불순물 확산에 의해 4개의 압저항(piezoresistor)을 형성 압력 다이어프램이 변형 압저항의 저항값 변화 브리지 회로에 압력에 비례하는 출력 이때 저항 변화는 만약 • 출력 • 감도 압력센서의 응용 감압식/압력감지식/저항식/저항막 방식(Resistive) Touch Screen 터치 지점을 감지하는 전도층은 전기적인 저항성과 전도성이 있는 두 개의 ‘전도성 코팅층’으로 이루어짐 그 사이에 공기로 채워진 절연 상태의 매우 얇은 공간이 있어서 터치스크린의 최상층을 누르게 되면 두 개의 전도성 층이 접촉 저항값과 전류의 변화가 발생하는데 터치스크린 컨트롤러에서 눌린 지점의 좌표 측정 정전식/정전용량식/캐패시티브/캐패시터 방식(Capacitive) Touch Screen 인듐과 산화 주석의 전도성 화합물인 Indium Tin Oxide (In2O3+SnO2)으로 코팅된 유리로 구성. 유리의 네 모서리에 센서 부착. 유리에는 지속적으로 전류가 흐르게 되고 센서는 가로 세로 방향으로 정밀하게 전하를 축적 손가락으로 터치스크린을 누르게 되면 유리에 흐르던 전자가 신체로 이동 센서는 이러한 전자의 변화를 감지해 좌표 측정 48 Homework 역학량의 응용분야를 10개 이상 소개하고, 그 동작을 간단하게 설명하라. 예: 인체 감지되면 부저 울리는 회로 LVDT Modulation 회로 AMP Buzzer 구동 회로 49