KR101107306B1

KR101107306B1 - 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 압력센서

Info

Publication number: KR101107306B1
Application number: KR1020090131664A
Authority: KR
Inventors: 이경일; 김흥락; 서호철
Original assignee: 세종공업 주식회사; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2012-01-20
Also published as: KR20110075255A

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 유압 및 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 영역의 압력 등을 측정할 수 있는 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 압력센서에 관한 것으로, 재질을 개선함으로써 고온강도 및 전기적 특성이 우수한 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 갖는 압력센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지로서,

상기 스트레인 게이지는 저항체로 이루어지고, 상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금: 5~15중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 갖는 압력센서를 그 요지로 한다.

본 발명은 크립강도등과 같은 고온강도 및 전기적 특성이 우수한 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 갖는 압력센서를 제공함으로써, 저온은 물론 고온에서도 압력을 측정하는 압력측정분야 등에 바람직하게 응용될 수 있다.

박막형, 스트레인게이지, 스테인레스, 절연막, 압력센서

Description

압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 압력센서{Metal Thin Film type Strain Gauge for Pressure Sensor and Pressure Sensor Having the Strain Gauge}

본 발명은 자동차 엔진의 유압 및 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 영역의 압력 등을 측정할 수 있는 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 강도 및 전기적 특성이 우수한 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 압력센서에 관한 것이다.

일반적으로, 스트레인 게이지는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력 저항효과를 이용한 것으로, 용도로서는 하중, 압력, 토크 기타 실응력의 측정 센서 등에 사용되고 있다.

상기 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서는 자동차 엔진의 유압 및 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 영역의 압력, 특히 고정밀도 를 요하는 측정을 하는데 사용된다.

종래의 박막형 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서는 스테인레스 등의 재질로 이루어지고 압력도입부를 갖는 다이어프램, 이 다이어프램 위에 생성되는 절연막, 이 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함한다.

상기 절연막은 다이어프램의 단면을 폴리싱 처리한 후 형성되고, 상기 스트레인 게이지는 절연막 위에 저항체를 증착 및 패턴하는 방식으로 형성된다.

상기 스트레인 게이지의 저항체는 일반적인 스퍼터링 방법을 사용하여 1,000~3,000Å의 두께로 증착하여 형성된다. 상기 저항체 재질로는 NiCr(니크롬) 또는 CuNi(콘스탄탄), FeCrAl, NiCrFeCu 등을 들 수 있으며, 이들 재질중 Ni-Cr합금은 비저항이 크고, 낮은 저항온도계수를 가지면서, 내열성 및 내산화성이 우수할 뿐만 아니라 경도 및 강도의 저하가 적은 특성으로 인하여 현재 저항체의 재료로써 가장 많이 사용되고 있는 합금 중의 하나이다.

그러나 상기 Ni-Cr합금의 경우 충분한 비저항성과 저항계수를 확보하기 위해서는 Cr의 함량이 증가되어야 하는데, Cr의 함유량이 증가하면 휨현상 및 크리프 현상 등의 경시변화가 커지게 되고, 기계적으로 물러지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 재질을 개선함으로써 고온강도 및 전기적 특성이 우수한 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지 및 이를 갖는 압력센서를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지로서,

상기 스트레인 게이지는 저항체로 이루어지고, 상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금: 5~15중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 압력도입부를 갖는 다이어프램, 이 다이어프램위에 생성되는 절연막, 및 이 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서에 있어서,

상기 스트레인 게이지가 저항체로 이루어지고, 상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금: 5~15중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 박막형 스트레인 게이지 압력센서에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 비저항이 크고, 낮은 저항온도계수를 가지면서, 내열성 및 내산화성이 우수할 뿐만 아니라 경도 및 강도의 저하가 적은 특성으로 인하여 스트레인 게이지의 재료로서 가장 많이 사용되고 있는 Ni-Cr합금의 문제점인 고온강도를 개선하기 위하여 오랜 연구및 실험을 행한 결과, Ni-Cr합금에 Ti합금을 첨가하는 경우에는 Ni-Cr합금의 전기적 특성 뿐만아니라 고온강도도 개선됨을 인지하고, 이에 근거하여 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.

본 발명의 금속 박막형 스트레인 게이지는 압력센서용으로 사용되는 것이다.

상기 스트레인 게이지는 저항체로 이루어진다.

상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금: 5~15중량%로 구성된다.

상기 Ni-Cr합금중 Cr 함량이 너무 적은 경우에는 충분한 비저항을 확보할 수 없고 저항온도계수가 높아지게 되고, 너무 많은 경우에는 휨현상 및 크리프 현상 등의 경시변화가 커지게 되고, 기계적으로 물러지게 되므로, 상기 Cr 함량은 40~50 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Ti합금은 강도 특성, 가공성 및 크립강도를 향상시키는 성분으로서, Cr 함유량의 증가시 발생할 수 있는 기계적 특성의 저하를 방지하고, 이러한 효과를 얻기 위해서는 그 함량이 5 중량%이상이어야 하고, 15중량%를 초과하면, Ni-Cr합금의 함량이 상대적으로 적어져 비저항값과 같은 전기적 특성이 저하되므로, Ti합금의 함량은 5~15중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Ti합금중 Al의 함량이 5중량% 미만인 경우에는 전기비저항이 작아지고, 전기저항 온도계수가 커지는 문제점이 있고, 7중량%를 초과하는 경우에는 전기저항 온도계수는 작아지지만 전기비저항이 과도하게 커지다가 다시 작아지는 현상이 나타나는 문제점이 있으므로, Ti합금중 Al의 함량은 5~7중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 V 또한 Al과 유사 효과를 얻기 위하여 투입하나, 3중량% 미만일 경우 전기비저항이 작아지고 전기저항 온도계수가 커지는 문제점이 있으며, 5중량%를 초과하는 경우 전기비저항이 작아지는 경향이 있으므로, 3~5중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 Ti합금 중 Ce 및 Si는 파단강도를 더 좋게 하기 위하여, 0.3~0.5중량%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

본 발명이 적용될 수 있는 압력센서의 일례가 도 1에 나타나 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 압력센서(1)는 스테인레스 등의 재질로 이루어지고 압력도입부(7)를 갖는 다이어프램(6), 이 다이어프램 (6)위에 생성되는 절연막(5), 및 이 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지(3)을 포함한다.

상기 스트레인 게이지(3)로는 상기와 같이 조성되는 본 발명의 금속 박막형 스트레인 게이지를 사용한다.

도 1에서, 미설명부호 2는 최종보호막을, 4는 전극접촉부를 나타낸다.

상기 박막 스트레인 게이지는 당해 기술분야에서 통상적인 제조방법을 통해 압력센서에 응용될 수 있다.

상기 절연막은 경면처리된 다이어프램 위에 스트레인 게이지와의 절연을 위하여 SiO₂ 또는 SiN_X 재질의 절연막을 1~1.5㎛ 두께로 증착하여 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 스트레인 게이지는 PVD 등을 이용하여 0.3~1㎛ 두께로 패턴을 형성하여 제조하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

그러나, 본 발명은 아래의 실시예에 국한되는 것은 아니다.

(실시예)

일측이 압력도입부를 갖는 스테인리스 스틸 재질의 다이어프램 표면을 그라인딩 후 다이아몬드 현탄액을 사용하여 랩핑 및 폴리싱 처리를 하였다.

경면처리된 다이어프램 위에 스트레인 게이지와의 절연을 위하여 SiO₂ 재질의 절연막을 1.2㎛ 두께로 증착하고, 스트레인 게이지를 PVD를 이용하여 0.7㎛ 두 께로 패턴을 형성한 후, SiO₂ 보호막을 증착/패터닝하고, Al 또는 Au로써 전극부를 형성시키고, 최종적으로 다이어프램 전체에 보호막을 증착하여 도 1과 같은 구조의 스트레인 게이지 압력센서를 제조하였다.

하기 표 1에서 발명재들은 스트레인 게이지의 재질로서 Ni: 55중량% 및 Cr: 45중량%로 이루어진 Ni-Cr 합금과 Al:6중량%, V:4중량%, Ce:0.5중량%, Si:0.5중량% 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금을 하기 표 1과 같은 조성비로 사용한 것이고, 종래재는 스트레인 게이지의 재질로서 Ni: 55중량% 및 Cr: 45중량%로 이루어진 Ni-Cr 합금 단독을 사용한 것이다.

상기와 같이 제조된 압력센서에 대하여 고온강도(Kg/㎟), 비저항계수(μΩ-㎝) 및 저항온도계수(10^-5K^-1)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

시편No.	스트레인 게이지의 조성	고온강도 (Kg/㎟)	비저항계수 (μΩ-㎝)	저항온도계수(10^-5K^-1)
발명재1	Ni-Cr합금:90% 및 Ti합금: 10%	42	145	1
발명재2	Ni-Cr합금:87% 및 Ti합금: 13%	38	143	1.5
발명재3	Ni-Cr합금:92% 및 Ti합금: 8%	43	148	0.7
종래재	Ni-Cr합금:100%	25	100	22

상기 표 1에 나타난 바와 같이, Ni-Cr합금에 Ti합금을 본 발명에 따라 첨가한 발명재(1-3)가 Ni-Cr합금을 단독으로 사용하는 종래재에 비하여 고온강도, 비저항계수 및 저항온도계수가 우수함을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 따른 스트레인 게이지 압력센서를 나타낸 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 박막형 스트레인 게이지 압력센서 2 : 최종보호막

3 : 스트레인 게이지 4 : 전극접촉부

5 : 절연막 6 : 스테인레스 다이어프램

7 : 압력 도입부 8 : SiO₂ 등의 절연막

Claims

압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지로서,

상기 스트레인 게이지는 저항체로 이루어지고, 상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금: 5~15중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지.
제1항에 있어서, 상기 저항체가 Ni-Cr합금: 90중량%와 Ti합금: 10중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서용 금속 박막형 스트레인 게이지.
압력도입부를 갖는 다이어프램, 이 다이어프램위에 생성되는 절연막, 및 이 절연막 위에 형성되는 스트레인 게이지를 포함하는 압력센서에 있어서,

상기 스트레인 게이지가 저항체로 이루어지고, 상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si 및 잔부 Ti로 이루어진 Ti합금: 5~15중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.
제3항에 있어서, 상기 저항체가 Ni-Cr합금: 90중량%와 Ti합금: 10중량%로 구 성되는 것을 특징으로 하는 압력센서.