10_압력센서

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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.
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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.
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제10장 압력 센서
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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제10장 압력 센서
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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
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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
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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
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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
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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
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제10장 압력 센서
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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
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제10장 압력 센서
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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
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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
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제10장 압력 센서
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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.
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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
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