KR101400874B1 - 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계에 관한 것으로, 압저항 방식의 실리콘 스트레인 게이지를 이용한 로드셀을 활용하여 빗방울 각각의 충격하중을 측정하여, 단위 시간당 강우량을 실시간으로 산출하는 동시에 강우 중 빗방울의 크기와 분포를 측정하는 강우량계에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계는, 금속 대비 20 내지 70배 높은 게이지율(gauge factor)을 가지는 실리콘 스트레인 게이지를 감지부로 사용하고, 초경량의 작은 빗방울의 충격하중도 측정가능하고 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높은 금속 다이아프램을 탄성부로 사용한 반도체식 로드셀을 활용하여, 예기치 않은 우박과 같은 낙하물의 충격하중에서도 센서의 안정성을 확보하고 센서의 정확성을 보장할 수 있으며, 그 구조 또한 단순하여 제작비용이 저렴하면서도 대량생산이 가능하고 강우량계의 소형화와 정확성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

Description

반도체식 로드셀을 활용한 강우량계{ Precipitation sensor using semiconductor type load cell }
본 발명은 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 실리콘 스트레인 게이지를 이용한 로드셀을 활용하여 빗방울 각각의 충격하중을 측정하여, 단위 시간당 강우량을 실시간으로 산출하는 동시에 강우 중 빗방울의 크기와 분포를 전자식으로 측정하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계에 관한 것이다.
강우량계는 일정기간 내린 빗방울의 양을 높이로 산출하는 기상 관측기기를 의미한다. 강우량계는 단순히 내린 빗방울의 양만을 측정하는 기능뿐만 아니라 최근에는 토양의 침식이 우려되는 곳에서는 떨어지는 빗방울의 크기와 분포에 따라서 토양의 침식을 예측 할 수 있고, 방송국, 레이더 기지 등에서는 강우 시 대기 중에 포함된 빗방울에 따라 전파 산란이 발생하므로 원활한 방송과 통신을 위해서는 송출되는 전파신호를 상황에 따라 조정하여야 하는 번거로움이 발생하여 이를 해결하기 위해서는 강우 중 빗방울의 크기와 빗방울의 분포 측정이 요구되어 진다.
현재 널리 사용되고 있는 충격식 강우량계는 구조가 간단하다는 장점이 있으나, 신호에 잡음에 많고 압전소자의 결정 내에서 발생하는 압전현상으로 외부 온도에 아주 민감하게 작용하며, 충격하중을 받는 물체 표면의 상태에 따라 출력이 다르게 나타나는 현상 등으로 인해 빗방울의 충격에 따른 출력 값의 오차가 크고 신호처리가 복잡하다는 단점이 있다.
반면에, 인덕티브 센서를 이용한 변위식 강우량계는 정확도는 우수하나 장비의 부피가 크고 유지 보수비용이 많이 든다는 단점이 있다.
한편, 정밀정량 측정에 주로 사용되는 로드셀을 활용한 충격식 강우량계는 구조 및 제작이 간단하고 고온 및 고압 등 극한 환경에서도 사용이 가능하지만, 기존에 감지부로 사용되는 금속 막 스트레인 게이지(metal foil strain gauge)는 비저항이 100Ω 미만의 금속을 사용하고 있고, 게이지율(gauge factor)이 낮고 감도와 분해능이 떨어지며, 스트레인 게이지와 탄성부와의 접착 문제에서 발생하는 크리프(creep) 현상, 탄성부의 재료가 갖는 히스테리시스(hysteresis) 등으로 인하여, 출력 값의 오차가 크고 신호처리가 복잡하여 신뢰성 및 안정성이 떨어지고 소형화, 집적화, 다기능화 및 대량생산에 어려움이 있다.
따라서 유지 보수비용을 절감하면서도 소형화, 집적화를 통해 강우량계의 정확성을 보장함과 동시에 초경량 예를 들어 0.1g 이하의 빗방울의 충격하중까지도 감지할 수 있을 정도의 정확한 계측이 가능한 강우량계의 제공이 필요하다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 이와 같은 문제점을 해결하는 것으로서, 강우량계의 소형화와 계측의 정확성을 제고함과 동시에 제작비용이 저렴하고 대량 생산이 가능한 실리콘 스트레인 게이지를 감지부로 사용하고 우박과 같은 큰 충격하중에서도 센서의 보호를 위해 금속 다이아프램을 탄성부로 사용한 즉, 히스테리시스 현상이 없고 선형성이 우수하며 소형, 경량으로 대량생산이 가능한 단결정 실리콘을 사용하여 반도체 제조공정으로 제조한, 초경량의 빗방울의 충격하중도 측정 가능한 금속 대비 20 내지 70배 높은 게이지율(gauge factor)을 가지는 실리콘 스트레인 게이지를 감지부로 사용하고, 표면에 다량의 크롬과 니켈을 함유하여 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높으면서도 우박과 같은 예기치 못한 낙하물의 충격 하중에도 안전성을 확보할 수 있는 스테인레스 재질의 금속 다이아프램을 탄성부로 사용하여, 실리콘 스트레인 게이지를 금속 다이아프램에 접착한 고감도 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는, 최상부에 위치하면서 관측 대상물인 빗방울 등의 낙하에 의한 외부 충격을 받아 이를 하부로 전달해 주는 레인판(110);과 상기 레인판(110)의 내측 하부에 위치하고 상기 레인판(110)의 내측 하면에 그 외주가 접하면서 상부는 원판으로 성형되고 하부는 원기둥 형상이되 하부 단부에 원형홈(121)이 성형되어 상기 레인판(110)에서 전달된 외부 충격을 다이아프램에 전달하는 충격 로더(120);와 상부에 상기 충격 로더(120)의 원형홈(121)에 삽입되면서 상기 충격 로더(120)가 전달하는 외부 충격을 전달받아 전달받은 외부 충격을 다시 하부로 전달하는 원기둥 형상의 중심돌기(1311)가 형성된 스테인레스 재질의 탄성부로서의 금속 다이아프램(131)과, 하부에 충격하중을 저항변화에 의한 전기적 신호로 변환하기 위해 단결정 실리콘을 사용한 감지부로서의 실리콘 스트레인 게이지(132)로 구성된 고감도 반도체식 로드셀(130);과 상기 반도체식 로드셀(130)을 내부에 수용하여 외부로부터의 충격에서 보호하고 이물질의 유입을 방지하여 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)와 회로를 보호하는 하우징(140);으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 상기 반도체식 로드셀(130)과 상기 충격 로더(120)의 내부 이동을 방지하기 위해 상기 반도체식 로드셀(130)의 상부에 하단부가 면접해 있고 상기 충격 로더(120)의 상부 원판의 하방 내면에 상단부가 마주 보고 있도록 중공이 형성된 원판으로 성형된 고정링(150)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계는, 금속 대비 20 내지 70배 높은 게이지율(gauge factor)을 가지는 실리콘 스트레인 게이지를 감지부로 사용하고 초경량의 작은 빗방울의 충격하중도 측정가능하고 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높은 금속 다이아프램을 탄성부로 사용한 반도체식 로드셀을 활용하여 예기치 않은 우박과 같은 낙하물의 충격하중에서도 센서의 안정성을 확보하고 센서의 정확성을 보장할 수 있으며, 그 구조 또한 단순하여 제작비용이 저렴하면서도 대량생산이 가능하고 강우량계의 소형화와 정확성을 확보할 수 있어 강우 측정 기계 제조산업에 큰 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계의 단면도,
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계의 반도체식 로드셀의 단면도 및 저면도,
도 3은 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계의 반도체식 로드셀의 실리콘 스트레인 게이지의 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계의 반도체식 로드셀의 실리콘 스트레인 게이지의 제조 단계를 나타내는 공정도.
본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 빗방울과 같은 관측 대상물의 낙하에 의한 외부 충격을 전기적 신호로 변환 출력하여 일정기간 내린 빗방울의 양과 빗방울의 크기 및 분포를 측정한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는, 최상부에 위치하면서 관측 대상물인 빗방울 등의 낙하에 의한 외부 충격을 받아 이를 하부로 전달해 주는 레인판(110);과 상기 레인판(110)의 내측 하부에 위치하고 상기 레인판(110)의 내측 하면에 그 외주가 접하면서 상부는 원판으로 성형되고 하부는 원기둥 형상이되 하부 단부에 원형홈(121)이 성형되어 상기 레인판(110)에서 전달된 외부 충격을 다이아프램에 전달하는 충격 로더(120);와 상부에 상기 충격 로더(120)의 원형홈(121)에 삽입되면서 상기 충격 로더(120)가 전달하는 외부 충격을 전달받아 전달받은 외부 충격을 다시 하부로 전달하는 원기둥 형상의 중심돌기(1311)가 형성된 스테인레스 재질의 탄성부로서의 금속 다이아프램(131)과, 하부에 충격하중을 저항변화에 의한 전기적 신호로 변환하기 위해 단결정 실리콘을 사용한 감지부로서의 실리콘 스트레인 게이지(132)로 구성된 고감도 반도체식 로드셀(130);과 상기 반도체식 로드셀(130)을 내부에 수용하여 외부로부터의 충격에서 보호하고 이물질의 유입을 방지하여 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)와 회로를 보호하는 하우징(140);으로 구성된다.
상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 최상부에 위치한 레인판(110)은 외측 상면은 원형의 원반 형상으로 성형되어 빗방울의 낙하에 의한 외부 충격을 받아 이를 하부로 전달해 주며, 낙하된 빗방울은 상기 레인판(110)의 외측 상면을 타고 자연적으로 흘러 내려 상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)를 이탈하게 된다.
상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 충격 로더(120)는 상기 레인판(110)의 내측 하부에 위치하고 상부가 원판으로 성형되어 그 외주가 상기 레인판(110)의 내측 하면에 접하게 되며, 하부 단부에 원형홈(121)이 성형된 원기둥 형상으로 성형되어 있다. 상기 충격 로더(120)는 상기 레인판(110)에서 전달된 빗방울 등의 외부 충격을 다이아프램에 전달한다.
상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 반도체식 로드셀(130)은 상부에 탄성부인 금속 다이아프램(131)과 하부에 감지부인 실리콘 스트레인 게이지(132)로 구성되어 있다.
탄성부인 상기 금속 다이아프램(131)은 중앙 상부에 상기 충격 로더(120)의 원형홈(121)에 삽입되는 원기둥 형상의 중심돌기(1311)가 형성되어 있어 상기 충격 로더(120)가 전달하는 외부 충격을 전달받아 전달받은 외부 충격을 다시 하부로 전달하는 기능을 수행한다. 상기 중심돌기(1311)는 원기둥 형상으로 성형되어 있고 상기 원형홈(121)의 천정면과 맞닿아 있어 미세한 충격이라도 상기 충격 로더(120)가 전달하는 충격 하중을 그대로 전달받을 수 있다.
상기 금속 다이아프램(131)은 본 실시예에서는 표면에 다량의 크롬과 니켈을 함유하고 있어 내부식성과 인장강도, 탄성계수가 매우 높은 스테인레스 재질의 SUS630(STS630, stainless steel grade 630)을 사용하였다. 상기 SUS630 스테인레스강은 석출 경화형 스테인레스강으로서, 17-4PH 강종에 속하고 그 화학적 조성은 크롬(Cr) 15.50~17.50중량%, 니켈(Ni) 3.00~5.00중량%, 구리(Cu) 3.00~5.00중량%, 실리콘(Si) 1.00중량% 이하, 망간(Mn) 1.00중량% 이하, 탄소(C) 0.07중량% 이하, 탄탈럼(Ta)+나이오븀(Nb) 0.15~0.45중량%이며 나머지 중량%는 철(Fe)인 철 합금이다.
상기 SUS630 다이아프램(131)은 본 실시예에서, 그 직경을 8mm, 두께를 150㎛, 인장응력 129.9(MPa), 압축응력 -204.3(MPa)을 채택하여 열처리하여 Young 계수 197(GPa), Poisson 비율 0.272, 밀도 7.8E-06(kg/㎣), 인장 항복강도(Tensile Yield strength) 1117(MPa)를 나타내었다. 또한 정격하중은 5kgf/㎠으로 하였다. 또한 상기 중심돌기(1311)는 직경 2mm의 원기둥 형상으로 성형되어 있다.
감지부인 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)는 상기 금속 다이아프램(131)의 저면에 접착 결합하여 상기 금속 다이아프램(131)에 전달된 외부 충격하중을 전기적 신호로 변환하여 출력한다.
상기 실리콘 스트레인 게이지(132) 상에는 본 실시예에서는 4개의 압저항이 구성되어 있어 수직하중이 상기 중심돌기(1311)를 통해 상기 다이아프램(131)에 전달되면 얇은 다이아프램(131)은 탄성 변형을 하게 되고 상기 중심돌기(1311) 부근에 위치한 압저항(R1,R3)은 인장응력을 받고 상기 다이아프램(131)의 양단부 저면에 위치한 압저항(R2,R4)은 압축응력을 받게 된다. 이 네 개의 저항(R1,R2,R3,R4)을 휘트스톤 브릿지 회로로 연결하면 상기 다이아프램(131)에 인가된 충격하중에 비례하여 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)는 충격하중의 압력에 의해 발생한 응력에 비례하는 압저항의 저항값 변화를 검출하고 검출된 저항값을 전기적 신호로 변환하여 변환된 전기적 신호를 출력신호로 출력하게 된다. 스트레인 게이지의 감도를 나타내는 계수로서 하중을 인가했을 때 변형에 따른 스트레인 게이지의 저항 변화율인 게이지율(guage factor,GF)은 일반적으로 Ni-Cu합금을 저항으로 사용한 스트레인 게이지인 경우 2~3정도의 값을 나타내며 금속 막 스트레인 게이지(Metal foil strain gauge)인 경우는 일반적으로 2.0의 게이지율을 보이게 되나, 본 실시예에서의 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)는 160의 높은 게이지율을 보이며 이는 실리콘 기판의 도핑농도에 따라 결정된다.
상기 실리콘 스트레인 게이지(132)는 본 실시예에서 도 4를 참조하여 그 제조 과정을 살펴보면, 반도체 제조 공정으로, 우선 결정면인 N-type 단결정 실리콘 웨이퍼(132a)의 상부면에 네가티브형 포토 레지스트(감광성 수지)인 SU8(132b)을 코팅하는 단계(a단계), 실리콘 웨이퍼(132a)를 파이어렉스(132c)에 광경화성 접착제(132f)로 접착하는 단계(b단계), 실리콘 웨이퍼(132a)의 뒷면을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공법으로 연마가공하는 단계(c단계), RIE(Reactive Ion Etching) 에칭으로 다수의 실리콘 저항(132d)을 형성하는 단계(d단계), 실리콘 저항(132d)에 전극(132g)을 형성하고 다수의 실리콘 저항(132d) 상에 SU8(132b)을 코팅하여 실리콘 저항(132d)을 몰딩하는 단계(e단계), 광경화성 접착제(132f)를 용해하여 실리콘 스트레인 게이지를 파이어렉스(132c)로부터 분리하는 단계(f단계) 등을 거쳐 제조된다.
이러한 단계를 거친 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)는, 본 실시예에서 그 두께가 40㎛로 이루어져 있고, 결정면인 N-type 단결정 실리콘 웨이퍼(132a)의 일면은 SU8(132b)이 코팅되는 코팅면이 형성되고, 상기 실리콘 웨이퍼(132a)의 타측면은 연마되고, RIE 에칭으로 다수의 실리콘 저항(132d)이 형성되고, 상기 실리콘 저항(132d)에 전극(132g)이 형성되고 SU8가 코팅되어 몰딩 형성된 구조를 갖는다.
상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 하우징(140)은 중앙이 상하로 개방된 원기둥 형상으로 형성되어 최상부에 위치한 상기 레인판(110)이 상기 하우징(140)의 상부를 덮게 된다. 상기 하우징(140)은 상기 반도체식 로드셀(130)을 내부에 수용하여 외부로부터의 충격에서 보호하고 이물질의 유입을 방지하여 상기 실리콘 스트레인 게이지(132)와 회로를 보호한다.
상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 고정링(150)은 상기 반도체식 로드셀(130)의 상부에 하단부가 면접해 있고 상기 충격 로더(120)의 상부 원판의 하방 내면에 상단부가 마주 보고 있도록 중공이 형성된 원판으로 성형되어 상기 반도체식 로드셀(130)과 상기 충격 로더(120)의 내부 이동을 방지하는 기능을 수행한다.
본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는, 그 외부에 상기 반도체식 로드셀(130)이 출력신호로 출력한 전기적 신호를 증폭하는 기능을 수행하는 증폭수단(미도시)과 연결되고 상기 증폭수단으로부터 출력된 전기적 신호를 빗방울의 질량으로 계산하고 시간당 강우량으로 합산하여 숫자로 표시하는 아날로그/디지털 변환기(미도시)를 포함하는 표시수단(미도시)을 통해 강우량은 숫자로 표시된다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)와 충격식 강우량계를 대상으로 실험을 수행하였다. 이 때 동일한 조건을 부여하기 위해 다이아프램의 직경은 8mm, 두께는 150㎛로 성형하고, 중심돌기의 직경은 2mm로 성형하고, 실리콘 스트레인 게이지의 두께는 40㎛로 성형하고, 인입전압은 5V를 인가하고, 전압 게인(Voltage gain)을 100으로 하여 실험을 수행하였다.
먼저, 초경량의 빗방울의 무게를 달리하는 경우 단위 시간당 출력전압의 파동 변화를 알아보는 실험으로, 초경량 빗방울 무게를 ① 0.021g인 빗방울 01(Water drop 01) ② 0.055g인 빗방울 02(Water drop 02) ③ 0.072g인 빗방울 03(Water drop 03)으로 살펴보았다. 표1-1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 출력전압 파동을 나타내는 그래프이고, 표1-2는 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계의 출력전압 파동을 나타내는 그래프이다. 표1-1과 표1-2에서 알 수 있듯이, 빗방울 03의 낙하 충격 시 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 5mS부터 6mS까지 1mS 단위범위에서 약 2회의 파동을 나타내고(표1-1) 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계는 5mS부터 6mS까지 1mS 단위범위에서 약 8회의 파동을 나타내어(표1-2), 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 출력전압 파동의 횟수가 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계의 출력전압 파동의 횟수보다 적음을 알 수 있다. 이는 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)가 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계에 대비하여 초경량의 물방울의 충격하중에도 그 검출이 정확하게 가능하고 또 검출값 출력에도 노이즈가 없는 깨끗한 신호를 얻을 수 있음을 의미한다.
또한, 빗방울 01과 빗방울 02의 경우 역시 빗방울 03과 마찬가지로 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)의 출력전압 파동이 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계의 출력전압 파동보다 그 파동 횟수가 적어, 이것 역시 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)가 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계에 대비하여 초경량의 물방울의 충격하중에도 그 검출이 정확하게 가능하고 또 검출값 출력에도 노이즈가 없는 깨끗한 신호를 얻을 수 있음을 의미한다.
이와 같이, 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 동일한 초경량 무게의 외부 충격하중에 대해 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계와 대비하여 외부 충격하중의 검출에 있어서 감도와 분해능이 우수하다는 것을 의미한다.
표1-1
Figure 112013043042742-pat00001
표1-2
Figure 112013043042742-pat00002

두번째로, 초경량 빗방울 무게를 ③ 0.072g인 빗방울 03(Water drop 03)으로 하여 복원시간을 알아보는 실험으로 표2-1과 표2-2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 35mS가 소요되었고(표2-1) 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계는 55mS가 소요되었다(표2-2). 이는 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계는 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 활용한 강우량계와 대비하여 회복시간에 있어서 더욱 신속하다는 것을 의미한다.
표2-1
Figure 112013043042742-pat00003
표2-2
Figure 112013043042742-pat00004

세번째로, 초경량 빗방울 무게를 ③ 0.072g인 빗방울 03(Water drop 03)으로 반복적으로 낙하할 때 최고 출력 전압값들의 편차를 알아보는 실험으로 표3-1과 표3-2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 최고 출력전압의 평균값은 0.297mV이며 최고값들은 평균값의 ±9.08% 범위 내에 있었고(표3-1), 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 이용한 강우량계는 최고 출력전압의 평균값은 0.164mV이며 최고값들은 평균값의 ±17.48% 범위 내에 있었다(표3-2). 이는 실리콘 스트레인 게이지를 채택한 반도체식 로드셀을 이용한 강우량계는 금속 막 스트레인 게이지를 채택한 로드셀을 이용한 강우량계와 대비하여 최고 출력 전압값들의 편차 범위가 좁아 그 출력 전압값의 신뢰도가 더 높음을 의미한다.
표3-1
Figure 112013043042742-pat00005
표3-2
Figure 112013043042742-pat00006

이상에서 설명한 본 발명에 따른 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다 할 것이다.
A:반도체식 로드셀을 이용한 강우량계
110:레인판 120:충격 로더
130:반도체식 로드셀 131:다이아프램
132:실리콘 스트레인 게이지 140:하우징
150:고정링

Claims (6)

  1. 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계에 있어서,
    상기 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)는,
    최상부에 위치하면서 관측 대상물인 빗방울 등의 낙하에 의한 외부 충격을 받아 이를 하부로 전달해 주는 레인판(110)과;
    상기 레인판(110)의 내측 하부에 위치하고 상기 레인판(110)에서 전달된 외부 충격을 다이아프램에 전달하는 충격 로더(120)와;
    상부에 상기 충격 로더(120)에 삽입되면서 상기 충격 로더(120)가 전달하는 외부 충격을 전달받아 전달받은 외부 충격을 다시 하부로 전달하는 중심돌기(1311)가 형성된 다이아프램(131)과, 하부에 충격하중을 저항변화에 의한 전기적 신호로 변환하기 위해 단결정 실리콘을 사용한 실리콘 스트레인 게이지(132)로 구성된 반도체식 로드셀(130)과;
    상기 반도체식 로드셀(130)을 내부에 수용하는 하우징(140);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 스트레인 게이지(132)는, 결정면인 N-type 단결정 실리콘 웨이퍼(132a)의 일면에 SU8(132b)이 코팅되는 코팅면이 형성되고, 상기 실리콘 웨이퍼(132a)의 타측면은 연마가공되고, RIE 에칭으로 다수의 실리콘 저항(132d)이 형성되고, 상기 실리콘 저항(132d)에 전극을 형성하고 SU8(132b)가 코팅되어 몰딩 형성된 것을 특징으로 하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A).
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 충격 로더(120)는 상기 레인판(110)의 내측 하면에 그 외주가 접하면서 상부는 원판으로 성형되고 하부는 원기둥 형상이되 하부 단부에 원형홈(121)이 성형되고,
    상기 다이아프램(131)은 상기 원형홈(121)에 삽입되면서 원기둥 형상으로 형성된 중심돌기(1311)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램(131)은 스테인레스 재질의 SUS630으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체식 로드셀(130)의 상부에 하단부가 면접해 있고 상기 충격 로더(120)의 상부 원판의 하방 내면에 상단부가 마주 보고 있도록 중공이 형성된 원판으로 성형된 고정링(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계(A)에 사용되는 실리콘 스트레인 게이지(132)의 제조방법은,
    결정면인 N-type 단결정 실리콘 웨이퍼(132a) 앞면에 SU8(132b)을 코팅하는 단계,
    상기 실리콘 웨이퍼(132a)를 파이어렉스(132c)에 접착하는 단계,
    상기 실리콘 웨이퍼(132a)의 뒷면은 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공법으로 가공하는 단계,
    상기 실리콘 웨이퍼(132a)의 뒷면에 RIE 에칭으로 다수의 실리콘 저항(132d)을 형성하는 단계,
    상기 실리콘 저항(132d)에 전극(132g)을 형성하고 다수의 실리콘 저항(132d) 상에 SU8(132b)을 코팅하여 몰딩하는 단계,
    상기 파이어렉스(132c)를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체식 로드셀을 활용한 강우량계에 사용되는 실리콘 스트레인 게이지의 제조방법.
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