Transcript 10_압력센서
센서 전자 공학 제 10 장 압력 센서 제10장 압력 센서 지상의 모든 물질은 대기압 속에 놓여있기 때문에 압력은 온도와 함께 인간이 사는 환경에서 가장 중요한 물리적 양 중의 하나이다. 따라서 정확하고 신속한 압력 측정은 산업 적으로 매우 중요하다. 압력센서는 기체나 액체의 압력을 전기신호로 변환하는 센서이며, 전기를 생산하는 수력․화력․원자력 발전소, 화 학공업의 플랜트 제어에서부터 자동차, 가정에서 사용하 는 생활가전에 이르기까지 응용분야가 광범위하기 때문에 다양한 센서가 개발되어 사용되고 있다. 566 제10장 압력 센서 10.1 압력센서의 기초 압력(pressure)의 정의 • 두 물체의 접촉면에서 서로 수직으로 미는 힘 • 물체 내에서 서로 미는 힘 𝑃= 𝐹 수직으로 미는 힘 𝐴(그 힘을 받는 면적) 대기압(atmosphere pressure) • 표면 위에 있는 공기의 무게에 의해서 표면에 수직으로 작용하는 단위면적당 힘. • 우리 몸의 표면은 대기로부터 그 표면에 수직 방향의 힘을 받고 있다. 수압(water pressure or hydraulic pressure) • 물 속에 있는 물체의 표면은 물로부터 그 표면에 수직인 방향으로 힘을 받는다. 567 제10장 압력 센서 568 10.1 압력센서의 기초 유체(기체, 액체)의 압력 • 유체의 압력이란 유체에 의해서 단위 면적당 작용하는 힘을 의미한다. • 계측분야에서는 유체 압력을 단순히 압력으로 부르는 경우가 많다. - 정압(靜壓力;static pressure) 유체가 정지 상태일 때 나타나는 (유체가 원래 갖고 있는) 압력 𝑑𝐹 𝑝𝑠 = 𝑑𝐴 - 동압(動壓力; dynamic pressure) 유체의 운동에너지에 의해 나타나는 압력 그림과 같이 흐르는 유체를 막았을 때, 물체의 B점에는 그 유체의 정지압력(A 점의 압력)과 속도 v에 의한 동압력이 작용한다. 1 2 𝑝 = 𝑝𝑠 + 𝜌𝑣 2 𝑝𝑠 제10장 압력 센서 569 10.1 압력센서의 기초 국제 압력 단위 • SI 단위 1 Pa pascal = 1 N −5 bar = 10 m2 • 유럽 참고 ∶ 1 hPa hectopascal = 100 Pa = 1 mbar 100000N 1 bar = 1 = 105 Pa 2 m • 북미 pound 1 psi = 1 inch2 • 아시아 1 MPa kg 1 cm2 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 제10장 압력 센서 570 압력센서의 기초 압력의 분류 • 절대압(absolute pressure) - 절대 진공 또는 완전 진공이란 물질이 존재하지 않는 공간 - 완전진공(0 mmHg abs)을 기준으로 해서 측정된 압력을 절대압이라고 부르며, 기압계도 여기에 속한다 . - 절대압 센서는 밀페된 진공실을 내장하고 피측정 유체와 의 차압을 측정한다. • 게이지압(gage pressure) - 대기압(760 mmHg)를 기준으로 해서 측정된 압력. - 우리가 가장 많이 측정하는 압력이며, 단순히 압력이라고 하면 게이지압을 가리키는 경우가 많다 피측정 압력 진공실 대기압 760 mmHg 진공 • 차압(differential pressure) 절대압 게이지 압 - 2개의 유체간의 압력 차 - 공업계측에 있어서 차압은 중요한 정보원이며, 그만큼 높은 정밀도가 요구된다. 제10장 압력 센서 571 압력센서의 기초 압력센서의 구성 요소 압력은 단위면적당 작용하는 힘이므로, 제7장에서 설명한 힘 센서와 구성이 유사하며, 기능이 다른 3개의 블록으로 구성된다. • 감압 요소(pressure sensing element) - 압력을 받아 변위 또는 변형이 일어나도록 설계되고 만들어진 기계적 요소로써, 압력을 기계적 운동(변위) 으로 변환하는 소자. • 변환요소(pressure sensing element) - 기계적 운동(변위)을 전기적 신호로 변환한다. • 신호 조정(signal conditioning) - 전기적 신호를 증폭하거나 필터링(filter)하여 조정하는 것으로 센서의 형태나 응용분야에 따라 요구된다 제10장 압력 센서 압력센서의 기초 감압 요소의 종류 • 다이어프램 (diaphragm) - 평판(flat)과 주름(corrugated)진 것이 있으며, 압력이 가해지면 변형된다. - 다이어프램은 적은 면적을 차지하고, 그 변위가 센 서소자를 동작시킬 만큼 충분히 크고, 부식 방지를 위한 다양한 재질의 이용가능하기 때문에 대부분의 압력센서, 차압센서는 다이어프램에 만들어진다. - 다이어프램 재질 : 주로 금속, 실리콘 572 제10장 압력 센서 573 압력센서의 기초 • 부르동 관(Bourdon tube) - 단면이 타원형 또는 편평형의 관으로, 관 한쪽의 선단은 밀폐되어있고, 감긴 형태에 따라 C자형(C shaped), 나선 형(helical) 등이 있다. - 개방구에서 관 내부에 압력을 가하면, 구부러진 관은 직 선에 가깝게 변형하지만 관의 탄성으로 어느 정도 관이 늘어나면 양쪽이 균형을 이룬다. Bourdon tube - 이 늘어난 부르동 관 선단의 변위량은 관내의 압력 크기 에 거의 비례한다. - 나선형은 감도를 증가시킨다. - 대부분의 압력 게이지에 사용 Pinion gear Sector gear 제10장 압력 센서 574 압력센서의 기초 • 벨로우즈(Bellows) - 얇은 금속으로 만들어진 주름 잡힌 원통으로, 원통에 압력을 가하면 내부와 외부의 압력 차에 의해 축방향으로 신축한다 - 이 신축에 의해서 압력차는 변위로 변환된다 제10장 압력 센서 575 압력센서의 기초 차압 센싱 메카니즘 차압 𝑝 = 𝑝1 − 𝑝2 인가 압력 p2 인가 압력 p2 인가 압력 p1 인가 압력 p2 인가 압력 p1 인가 압력 p1 제10장 압력 센서 576 10.2 스트레인 게이지 압력센서 기본구조와 동작원리 • 스트레인 게이지 압력센서(strain gauge pressure sensor)의 구성요소 - 감압 탄성체로는 주변이 고정된 원형의 금속 다이어프램 - 스트레인 게이지 : 금속 박 게이지는 접착제를 사용해 다이어프램에 부착 금속 박막 게이지는 박막기술을 사용해 금속 다이어프램에 직접 형성 - 신호조정 회로 제10장 압력 센서 577 스트레인 게이지 압력센서 • 동작 압력(p)이 인가되면 다이어프램이 변형을 일으키고, 이 변형은 스트레인 게이지 에 의해서 저항 변화로 변환되어, 결국 전기신호로 출력된다. 제10장 압력 센서 578 스트레인 게이지 압력센서 다이어프램의 스트레인 분포 • 금속주변이 고정된 원형 다이어프램에 균일한 압력 p가 작용하면 그 표면에 굽힘 변형이 발생한다. • 다이어프램의 변형분포를 계산하면 그림과 같이, 반경방향 성분과 원주방향 성분 으로 구성되며, 두 성분 모두 위치에 따라 그 크기가 변화한다. - 접선방향 변형는 정(+)이고, x=0에서 최대 - 반경방향 변형은 위치에 따라 정(+) 또는 부(-)로 되고, x=0에서 (+)최대, (-)최대로 됨. 𝜖𝑡,𝑚𝑎𝑥 x=r에서 3 𝑅𝑜2 (1 − 𝜈 2 ) = 𝑝 8 𝑡2𝐸 3 𝑅𝑜2 (1 − 𝜈 2 ) +𝜖𝑟,𝑚𝑎𝑥 = 𝑝 8 𝑡2𝐸 3 𝑅𝑜2 (1 − 𝜈 2 ) −𝜖𝑟,𝑚𝑎𝑥 = − 𝑝 4 𝑡2𝐸 - 변형(є)이 압력(p)에 비례함을 알 수 있다. 이 선형관계는 충분히 작은 변형에 대 해서만 성립하며, 다이어프램의 두께가 너무 얇아 큰 변형이 발생하는 경우에는 압력변형 특성이 직선성을 상실한다. 제10장 압력 센서 579 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 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅4 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅4 제10장 압력 센서 580 스트레인 게이지 압력센서 • 4개의 게이지 저항은 브리지 회로로 결선됨 • 브리지 출력전압은 𝑅𝑜2 1 − 𝜈 2 𝑝 𝑉𝑜 = 0.82 𝑉𝑠 𝐸𝑡 2 𝑝 = 1.22 𝑅𝑜2 𝐸𝑡 2 𝑉 = 𝐶𝑉𝑜 1 − 𝜈 2 𝑉𝑠 𝑜 출력전압은 압력 p에 비례한다. 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅4 제10장 압력 센서 581 스트레인 게이지 압력센서 특징 • 장점 <금속 박 게이지 압력센서 > <박막 게이지 압력센서> - 진동에 강하다. - 진동에 강하다. - 가격이 저렴하다 - 안정성이 우수하다 - 적응성이 우수하다 - 가격이 저렴하다 - 설치하기가 간단하다. - 비교적 간단한 기술 • 단점 - 다이어프램에 박 게이지를 부착하는 문제점: 불안전성 의 원인이 될 수 있다 - 게이지 인자(gage factor) 가 작다 - 전기 과부하에 민감하다. 제10장 압력 센서 582 10.3 정전용량식 압력센서 기본구조와 동작원리 • 고정전극과 다이어프램 사이에 정전용량 형성 𝐶= 𝜀𝐴 𝑑 𝐴: 전극면적 𝑑: 전극 간격 𝜀: 전극사이에 채워지는 물질의 유전율 • 압력(P)이 가해지면, 다이어프램이 변위되어 두 전극 사이의 거리(d)가 변하므로 정전용량이 변한다. 𝑑 제10장 압력 센서 583 정전용량식 압력센서 정전용량식 차압센서 • 두 정지전극 사이에 센싱 다이어프램이 위치하고, 내부에는 기름이 채워져 있어 차압을 센싱 다이어프램에 전달한다. 다이어프램에 작용하는 힘은 𝐹 = (𝑝1 − 𝑝2 )𝐴 𝐴: 다이어프램 면적 • 두 전극에 동일한 압력이 인가되면, F는 0이 되어 다이어프램은 변형되지 않으므로 C1=C2로 되어 출력은 0 이다. 출력 단자 정지 전극 압력 𝑝1 𝑃1 = 𝑃2 이면 정지 전극 𝐶1 = 𝐶2 𝑝2 𝐶1 𝐶2 분리 다이어프램 분리 다이어프램 실리콘 유 𝐶1 센싱 다이어프램 𝐶2 제10장 압력 센서 584 정전용량식 압력센서 • 만약 인가압력 중 하나가 다른 것에 비해 더 높으면, 다이어프램은 차압에 비례해 서 변위하므로, 두 커패시터 중 하나의 정전용량은 증가하고 다른 정전용량은 감소 한다. 예를 들어, 𝑝1 > 𝑝2 이면, 센싱 다이어프램은 우측으로 변위하므로, C1은 감소하고 C2는 증가할 것이다. 따라서 𝐶1 < 𝐶2 으로 된다. 𝑃1 > 𝑃2 이면 𝐶1 압력 𝑝1 분리 다이어프램 𝐶1 𝐶2 𝑝2 𝐶1 < 𝐶2 𝐶2 제10장 압력 센서 585 정전용량식 압력센서 • 정전용량식 차압센서의 특성 - 매우 정확하고, 안정되고, 견고하다. - 차압에 비례하는 출력신호는 2배로 되고, 불필요한 공통 모드 영향을 제거할 수 있다. - 압력을 센싱 다이어프램에 전달하기 위해서 사용되는 분리 다이어프램과 충 전유체(fill fluid)는 과압(overpressure)으로부터 차압 센서를 보호한다. 𝑃1 > 𝑃2 이면 𝐶1 압력 𝑝1 𝐶1 𝐶2 𝑝2 𝐶1 < 𝐶2 𝐶2 분리 다이어프램 충전유체(실리콘 유) 제10장 압력 센서 정전용량식 압력센서 • 정전용량식 차압센서의 예 분리 다이어프램 센싱 다이어프램 586 제10장 압력 센서 587 정전용량식 압력센서 정전용량형 압력센서의 일반적 특징 • 측정범위가 매우 넓다: µ ~10,000 psig (70MPa), 차압은 0.01 in H2O를 쉽게 측정 할 수 있다. • 스트레인 게이지 방식에 비해 드리프트도 작고, 0.01[%FS]의 확도를 갖는 압력센 서의 디자인도 가능하다. • 전형적인 온도영향은 0.25[%FS]이다. • 정전용량형 압력센서는 낮은 차압과 낮은 절대압 측정에서 2차 표준(secondary standards)으로 자주 사용된다 • 장점 ① 구조가 간단하다. ② 낮은 드리프트 ③ 높은 대력 폭 (bandwidth) • 단점 ① 기생용량(stray capacitance)에 민감 ② 진동에 민감 제10장 압력 센서 588 10.4 전위차계식 압력센서 기본구조와 동작원리 • 부르동 관 또는 벨로우즈와 전위차계로 구성 • 인가압력에 의해서 벨로우즈 또는 부르동 관이 신축하면 그 변위가 와이퍼 암 (wiper arm)을 구동해서 전위차계의 저항을 변화시킨다. 전위차계식 압력센서(potentiometric pressure sensor) 벨로우즈 부르동 관 제10장 압력 센서 589 전위차계식 압력센서 특징 장점 • 전위차계 압력센서는 극히 작게 만들 수 있어 직경 4.5 in. 압력 게이지 속에도 수용할 수 있다. • 추가의 증폭기가 필요 없을 정도로 출력도 크기 때문에 저전력이 요구되는 곳 에 응용된다. • 가격 저렴 단점 • 히스테리시스 오차가 크고, 재현성이 나쁨 • 진동에 민감 • 가동 접촉부의 마모 및 접촉저항. 위와 같은 단점으로 인해 큰 성능을 요구하지 않는 곳에 사용된다. 제10장 압력 센서 590 10.5 LVDT 압력센서 기본구조와 동작원리 • 탄성체로 부르동 관(또는 다이어프램 등), 센서로 LVDT를 이용한 압력센서 • 부르동 관의 한쪽 끝에 LVDT의 철심(core)를 연결한다. • 압력이 부르동 관에 인가되면, LVDT의 철심은 위로 이동하여 출력이 발생한다 • 출력전압은 부르동 관의 변위가 매우 작은 범위에서 압력에 따라 직선적으로 변 화한다. 제10장 압력 센서 591 LVDT 압력센서 특징 장점 • 매우 높은 확도와 감도를 가진다. • 이 형태의 압력센서는 정압(static or quasistatic application)을 측정하는 경우 우수한 안정성과 신뢰성 있는 압력 측정이 가능 • 측정 압력범위가 매우 높다. 단점 • 관과 LVDT의 철심의 질량이 응답 주파수를 약 10[Hz]로 제한하기 때문에 동압 (dynamic pressure) 측정에는 부적합. • 기계적 마모가 일어나기 쉽고, 진동이나 자기간섭에 민감하다 • 고가 제10장 압력 센서 LVDT 압력센서 센서 예 592 제10장 압력 센서 593 10.6 압전기식 압력센서 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 𝜀𝐴 𝑉 ℎ 0 = 𝑆𝑞 𝐴 𝑝 𝑞 = 𝐶𝑉0 = 𝑉0 = 𝑆𝑞 ℎ𝑝 𝜀 = 𝑆𝐸 𝐴 𝑝 𝐶: 압전결정의 정전용량 𝑆𝑞 : 전하감도 𝑆𝐸 : 전압감도 제10장 압력 센서 압전기식 압력센서 594 제10장 압력 센서 595 압전기식 압력센서 기본구조와 동작원리 • 감압 탄성체로 다이어프램, 센서로 압전 결정이 사용된다. • 얇은 다이어프램을 통해 압력이 다이어프램에 접촉하고 있는 결정면에 인가되면 전극에 전하가 발생 • 발생전압은 리드 선을 통해 회로에 전달 제10장 압력 센서 596 압전기식 압력센서 특징 시간에 따라 압력이 변하는 경우에만 사용될 수 있어, 폭발 등과 관련된 동압 현상이나, 자동차, 로켓엔진, 압축기, 또는 빠른 압력변화를 경험하는 압력장치 에서의 동압 상태를 평가하는데 사용된다. 장점 ① 대역폭이 넓다. ② 초소형화가 가능하다. ③ 가속도에 덜 민감하다. 단점 ① 온도에 매우 민감하다. ② 낮은 레벨의 신호 처리가 필요 ③ 동적 측정을 위한 특수 접속 케이블이 필요하다. ④ 압전현상은 동적 효과(dynamic effect)이기 때문에 정압을 측정할 수 없음 제10장 압력 센서 압전기식 압력센서 센서 예 597 제10장 압력 센서 598 10.7 실리콘 압력센서 실리콘 압력센서 • 마이크로 제조기술(microfabrication;반도체 기술과 MEMS 기술)을 이용해 반도체 실리콘으로 만든 압력센서 • 실리콘 마이크로센서(microsensor) 또는 MEMS 센서라고도 부름 실리콘 압력센서의 종류 • 압저항 압력센서(piezoresistive pressure sensor) - 실리콘의 압저항 효과(piezoresistive effect)를 이용하며, 현재 가장 널리 사용되고 있는 압력센서이다. • 정전용량식 압력센서(capacitive pressure sensor) - 실리콘-실리콘 또는 실리콘-유리 기판 사이에 형성된 정전용량을 이용하여 압력 측정 제10장 압력 센서 599 실리콘 압력센서 압저항 효과 • 압저항 효과란 반도체에 압력이 인가되면 저항 값이 변하는 현상. • 그림과 같은 실리콘 저항(압저항)을 생각해 보자. 지금 간단한 경우로 축방향 응력 (longitudinal stress)만이 작용한다고 가정하면, 이 응력에 의한 저항 변화율은 변 형율(strain) εl 에 비례한다. 즉, ∆𝑅 = 𝐺𝐹 𝜀𝑙 𝑅 또는 9장에서 Δ𝜌 = 𝜋𝜎𝑙 𝜋 = 압저항 계수 𝜌 GF는 게이지 율이다. GF는 p형 실리콘에 대해서는 (+), n형에 대해서는 (-)이다. 제10장 압력 센서 600 실리콘 압력센서 • 종방향(축방향, longitudinal stress)과 횡방향 응력(transverse stress) 모두를 고 려하면, 저항 변화율은 Δ𝑅 = 𝜋𝑙 𝜎𝑙 + 𝜋𝑡 𝜎𝑡 𝑅 𝜋𝑙 = 종방향 압저항 계수 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑜𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡 𝜋𝑡 = 횡방향 압저항 계수(𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑜𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑎𝑐𝑒 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡) 제10장 압력 센서 601 실리콘 압력센서 실리콘 압력센서의 기본 구조와 동작원리 • 실리콘 단결정을 얇게 에칭하여 수압용 다이어프램을 만들고, 여기에 IC와 동일한 제조방법으로 불순물 확산에 의해 4개의 압저항(piezoresistor)을 형성 • 그림 (b) : 다이어프램에서 4개의 압저 항 배치를 나타낸다. • 그림 (c) : 4개의 압저항을 휘트스토운 브리지 회로로 접속한다. • 압력이 가해지면 다이어프램이 변형 을 일으키고, 이로 인해 압저항의 저항 값이 변화하여 브리지 회로에 의해 압 력에 비례하는 출력 신호를 얻는다. • 이때 저항 변화는 𝑅2 = 𝑅4 = 증가 𝑅1 = 𝑅3 = 감소 제10장 압력 센서 실리콘 압력센서 • 만약 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅 이라면 𝑅1 = 𝑅3 = 𝑅 − ∆𝑅 𝑅2 = 𝑅4 = 𝑅 + ∆𝑅 • 브리지 출력전압은 𝑉𝑜 ∆𝑅 = 𝑉𝑠 𝑅 • 압력감도는 𝑆= 𝑉𝑜 𝑉𝑠 ∆𝑅 1 = 𝑃 𝑃 𝑅 mV V ∙ bar 브리지의 중요한 장점은 출력전압이 압저항의 절대치에는 무관하고, 저항변화율(ΔR/R)과 브리지 전압(Vs)에 의해서만 결정된다는 점이다. 602 제10장 압력 센서 실리콘 압력센서 • 만약 브리지가 정전류에 의해서 구동된다면, 압력감도는 𝑆= 𝑉𝑜 1 ∆𝑅 = 𝐼𝑠 𝑃 𝑃 mV mA ∙ bar 603 제10장 압력 센서 604 실리콘 압력센서 실리콘 압력센서의 특징 • 반도체 압력 센서는 IC제작 기술과 동일한 공정으로 만들어지기 때문에, 신호처리 에 필요한 증폭회로, 온도보상회로, 직선성 보정회로 등을 하나의 센서 칩에 집적 화할 수 있어, 초소형 압력센서의 제작이 가능하다. • 압저항 효과를 이용한 실리콘 압력센서는 온도 변화에 매우 민감하기 때문에 온 도 보상이 요구된다. • 또 센서와 신호처리회로를 하나의 IC칩에 제작할 수 있고 가격이 저렴하여 그 용 도가 점점 확대되고 있는 추세이다. • 현재, 자동차의 엔진용 MAP 센서로 널리 사용되고 있다., 제10장 압력 센서 실리콘 압력센서 실리콘 압력센서 예 605