KR101806490B1 - 센서 엘리먼트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방향별 연장길이에 대응한 저항변화길이비율을 제공하여 계측 정밀도가 높은 센서 엘리먼트에 관한 것으로, 온도 및 압력을 계측하기 위해 센서몸체에 탑재되고, 상기 온도 또는 상기 압력에 따라 변형되는 다이아프램부(120)를 구비한 엘리먼트본체(100); 및 상기 다이아프램부(120)의 상면의 중심(C)을 기준으로 지름방향(R)을 따라서 제 2 저항부(Z2) 및 제 4 저항부(Z4)가 상기 다이아프램부(120)의 상면의 인장구간(121)에 배치되어 있고, 제 2 저항부(Z2) 또는 제 4 저항부(Z4)의 외측을 기준으로 제 1 저항부(Z1) 및 제 3 저항부(Z3)가 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 제거하도록 상기 다이아프램부(120)의 상면의 압축구간(122)에 배치되어 있는 압력계측저항(200);을 포함한다.

Description

센서 엘리먼트{sensor element}
본 발명은 센서 엘리먼트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량에서 유체의 온도, 압력과 같은 물리량들을 정밀하게 계측할 수 있는 센싱 소자로서, 온도센서 및 압력센서로 활용될 수 있는 센서 엘리먼트에 관한 것이다.
일반적으로 센서는 계측 대상의 물리량 등을 감지 및 수집하여 관측자나 장치에서 읽을 수 있는 신호로 변환하는 정보 변환 수단이다.
센서는 실질적으로 물리량을 계측하는 센서 엘리먼트와, 센서 엘리먼트에 물리적 및 전기 회로적으로 결합된 회로부와, 센서 엘리먼트 및 회로부를 보호하는 하우징을 구비한다.
특히, 센서 엘리먼트는 대상물에 대한 정보를 취득하는 장치의 최소 요소로서, 물리량에 민감하게 반응할 뿐만 아니라, 반복적인 부하에도 안정적인 성능을 발휘하여야 한다.
센서를 부착한 장치들이 경량화 및 소형화됨에 따라서, 센서 자체의 부피 또는 크기도 작게 만들면서도 양산할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
센서는 물리량에 대한 정보를 계측하는데 있어서, 센싱 정밀도가 중요하지만, 형상 및 구조적 특징에 의해 대량 생산할 수 있는 기술도 요구된다. 이때 센서가 서로 다른 물리량을 복합적으로 정확하게 계측할 수만 있다면, 센서 자체의 세부 구성 요소의 사용이 줄어들어서, 센서의 중량 및 부피도 줄일 수 있다.
센서 분야의 기술은 대부분 수입 제품에 의존하고 있는 실정이다.
종래 기술에 따른 센서의 종류에는 도 1에 도시된 바와 같은 압력센서와 도 2에 도시된 바와 같은 온도압력 복합센서가 있다.
도 1의 압력센서는 센서몸체(1)에 탑재된 압력센서 엘리먼트(3)를 포함한다. 압력센서 엘리먼트(3)는 스트레인 게이지(strain gauge)를 구비하여서, 센서몸체(1)의 개구된 중공부에 가해지는 압력에 대응한 스트레인 게이지의 변형량 또는 변형률(strain)을 통해서 압력을 계측한다.
도 2의 온도압력 복합센서는 압력센서 엘리먼트(3)와 함께 온도센서 엘리먼트(2a)를 온도압력 복합센서용 센서몸체(2)에 별도로 더 설치하고 있다. 여기서, 온도압력 복합센서의 압력센서 엘리먼트(3)는 도 1의 압력센서에 탑재된 것과 동일할 수 있다.
종래 기술에 따른 압력센서 엘리먼트(3)는 그의 상면에 일종의 저항막(diaphragm)을 구비하고, 저항막의 원형 평면 위에 스트레인 게이지용 압력계측저항이 설치되어 있고, 압력계측저항 각각의 길이 및 평면적 변화에 따른 전기적 저항변화를 감지하여 압력을 계측할 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 압력센서 엘리먼트는 그의 전기적 저항변화가 압력변화에 의해 발생될 뿐만 아니라 동일 압력별 온도변화에 따른 변형률변화와 같이 전기적 저항변화가 발생된다. 온도변화가 변형률변화 또는 전기적 저항변화에 영향을 준다.
결과적으로 종래 기술의 압력센서 엘리먼트를 탑재한 센서는 별도의 온도 보상 없이 압력을 계측할 때 온도변화에 따른 영향으로 높은 분해능(resolution)을 발휘하지 못하는 단점을 가지고 있다. 여기서, 분해능이란 신호를 얼마나 많은 조각으로 나누어 계측할 수 있는 능력을 갖고 있는지를 나타내주는 수치이다. 즉, 센서의 분해능은 부하(예: 물리량)를 정밀하게 계측 및 분석할 수 있는지에 대한 성능일 수 있다.
또한, 종래 기술은 온도를 보상하기 위해서 센서의 회로단에 보상용 별도의 온도모듈을 더 구비하여야 한다. 그럼에도 불구하고, 즉 온도가 급격하게 변할 경우에는, 보상용 별도의 온도모듈의 온도값과 변형률변화(예: 전기적 저항변화)에 따른 온도값 사이에 차이가 발생될 수 있고, 출력 오차가 센서에서 발생될 수 있다.
이런 관점 하에엇, 온도에 의해서 전기적 저항변화가 발생되는 단점을 역으로 이용하여, 압력센서 엘리먼트 자체를 압력센서와 병행하여 온도센서로 활용하려는 시도 또는 연구가 진행되고 있다.
그런데, 종래 기술에 따른 압력센서 엘리먼트의 전기적 저항변화 또는 변형률을 온도변화로 이용하여서, 온도센서로서의 기능을 구현하는 경우, 온도 계측값의 비선형성으로 인하여 정밀도 또는 분해능이 매우 떨어지므로, 종래 기술에 따른 압력센서 엘리먼트는 자동차용 고성능 센서로 적용되기 어려운 실정이다.
본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 기존의 압력계측저항과 별도로 엘리먼트본체의 다이아프램부의 압축구간에 구비된 온도계측저항 또는 압력계측저항들 중 일부(예: 압축구간에 위치한 1개 또는 2개의 압력계측저항)가, 각각 방향별 연장길이에 대응한 저항변화길이비율을 갖도록 구성함으로써, 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화(예: 온도편차)를 제거시킬 수 있고, 온도 계측값의 선형성을 구현할 수 있고, 계측 정밀도가 상대적으로 높아서 압력센서 및 온도센서로 사용될 수 있도록 한 센서 엘리먼트를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 센서 엘리먼트는, 온도 및 압력을 계측하기 위해 센서몸체에 탑재되고, 상기 온도 또는 상기 압력에 따라 변형되는 다이아프램부를 구비한 엘리먼트본체; 및 상기 다이아프램부의 상면의 중심을 기준으로 지름방향을 따라서 제 2 저항부 및 제 4 저항부가 상기 다이아프램부의 상면의 인장구간에 배치되어 있고, 제 2 저항부 또는 제 4 저항부의 외측을 기준으로 제 1 저항부 및 제 3 저항부가 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 제거하도록 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 배치되어 있는 압력계측저항;을 포함한다.
상기 엘리먼트본체는, 상기 엘리먼트본체의 본체 저면 중간 부위가 개구되어서 압력이 도입되는 중공부; 상기 중공부를 한정하는 원형 벽체의 외주면에 형성된 단턱부; 및 상기 원형 벽체의 상단을 폐쇄하도록 상기 원형 벽체에 일체형으로 형성된 상기 다이아프램부;를 포함한다.
상기 엘리먼트본체는, 상기 다이아프램부의 상면에서 상기 중심을 기준으로 형성되고, 다이아프램부의 지름방향의 변형이 인장상태에서 압축상태로 전이되는 압축시작경계와 상기 중심 사이에서 다이아프램부의 원주방향을 따라 연장된 중심 영역인 인장구간; 상기 다이아프램부의 상면 중에서 상기 인장구간의 외측에 위치하고, 지름방향의 변형이 압축상태에서 무변형상태로 전이되는 압축종료경계와 상기 압축시작경계 사이에서 상기 원주방향을 따라 연장된 원형 띠 영역인 압축구간; 및 상기 압축구간의 외측 및 다이아프램부의 외곽 사이에 위치한 외주구간;을 포함하고, 상기 압축종료경계와 상기 압축시작경계의 사이에는 원주방향을 따라서 압축최대경계가 형성된다.
상기 엘리먼트본체는, 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 형성되는 온도계측저항을 포함하고, 상기 온도계측저항이 상기 다이아프램부의 온도변화로 인해 압력계측저항의 변형률이 커져서 압력계측저항의 저항값이 줄어들고, 상기 저항값이 압력에 따라 변하지 않게 온도 보상 역할을 수행한다.
상기 온도계측저항은, 압력변화에 따른 전기적 저항변화의 상쇄를 통해서, 상기 온도계측저항이 온도에만 반응할 수 있도록, 저항변화길이비율에 대응하는 저항 패턴을 갖는다.
상기 온도계측저항의 상기 저항 패턴은, 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 위치한 패턴시작지점으로부터 상기 지름방향을 따라 상기 압축최대경계까지 제 1 연장길이만큼 연장된 제 1 연장부; 상기 제 1 연장부의 끝단에서 상기 원주방향을 향하여 절곡된 후 상기 압축최대경계를 따라서 제 2 연장길이만큼 연장된 제 2 연장부; 및 상기 제 2 연장부의 끝단으로부터 상기 지름방향을 따라 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 위치된 패턴종료지점까지 제 3 연장길이만큼 연장된 제 3 연장부;를 포함한다.
상기 온도계측저항의 저항변화길이비율은, 상기 제 2 연장길이가 상기 제 1 연장길이 및 상기 제 3 연장길이의 총합에 저항변화상쇄배수를 곱한 값과 동일하게 될 수 있는 비율로서, 상기 저항변화상쇄배수가 지름방향의 압축 변형량과 원주방향의 인장 변형량의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있도록, 상기 다이아프램부에서 압력변화에 따른 지름방향 및 원주방향별 변형률 변화의 상관관계를 파악하는 해석 실험에 의해 도출될 수 있다.
상기 온도계측저항의 상기 저항 패턴은 원호 형태 또는 직선 형태로 이루어질 수 있다.
상기 엘리먼트본체는, 금속 재질, 합금 재질, 피에조저항효과(piezoresistive effect)에 의해 응력인 온도 또는 압력의 부하 인가에 따라 전기적 저항변화를 일으키는 반도체 재질, 상기 금속 재질 또는 합금 재질에 상기 반도체 재질이 합체된 복합 재질 중 어느 하나의 재질을 가질 수 있다.
상기 압력계측저항은, 상기 제 1 저항부 내지 제 4 저항부의 전기적 접속을 위해서 상기 다이아프램부의 상면에 마련된 복수개의 커넥션 리드 단자를 포함한다.
상기 압력계측저항은, 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 배치된 제 1 저항부 및 제 3 저항부가 원호 형태 또는 직선 형태로 이루어질 수 있도록, 상기 제 1 저항부 또는 상기 제 3 저항부는 다이아프램부의 원주방향을 따라 각각 배치된 복수개의 원호부와, 다이아프램부의 지름방향을 따라 배치된 복수개의 직선부를 포함하고, 상기 복수개의 원호부들의 길이의 합이 상기 복수개의 직선부들의 합에 저항변화상쇄배수를 곱한 것과 동일하고, 상기 저항변화상쇄배수가 상기 지름방향의 압축 변형량과 상기 원주방향의 인장 변형량의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있도록 도출된 값일 수 있다.
본 발명에 의한 센서 엘리먼트는, 저항변화길이비율을 제공함으로써, 센서 엘리먼트의 다이아프램부에서 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 제거시키되, 이때 저항변화길이비율에 대응하게 상기 온도계측저항 및 상기 외측 압력계측저항 각각의 지름방향의 연장길이와 원주방향의 연장길이가 정의됨으로써, 센서를 구성할 때 사용되는 회로단에 별도의 보상용 온도모듈을 구비하지 않고도, 센서 엘리먼트 자체만으로 압력계측과 온도계측을 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 센서 엘리먼트는, 센서의 출력값인 총저항값이 온도변화에 따라 반비례하는 선형성을 가지고 있고, 높은 분해능 및 계측 편의성을 가지고 있는 장점이 있다. 선형성이란 2개의 지점의 계측값만으로도 2개의 지점 사이의 구간내 온도를 정밀하게 계측할 수 있는 성질을 의미하며, 선형성에 의해서 계측 편의성이 발휘될 수 있다.
본 발명에 의한 센서 엘리먼트는, 기존의 센서 엘리먼트에 비해 온도 계측값의 선형성 구현에 따라 계측 정밀도가 상대적으로 높고, 압력센서 및 온도센서로 사용될 수 있는 제품을 용이하게 양산할 수 있고, 센서 엘리먼트의 제작 비용 증가 문제에도 비교적 자유로운 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 센서 엘리먼트를 구비한 압력센서의 단면을 보인 사시도.
도 2는 다른 종래 기술에 따른 온도압력 복합센서의 단면을 보인 사시도.
도 3은 본 발명에서 설명하는 센서 엘리먼트의 방향을 정의하기 위한 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 엘리먼트의 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 센서 엘리먼트의 다이아프램부의 평면도.
도 6은 도 4에 도시된 선 A-A를 따라 절단한 엘리먼트본체의 단면과 저항 배치에 따른 변형률의 인장구간과 압축구간을 도시한 도면.
도 7은 도 4에 도시된 센서 엘리먼트가 탑재된 압력센서 및 온도압력 복합센서별 지름방향 변형률 그래프.
도 8은 도 4에 도시된 센서 엘리먼트가 탑재된 압력센서 및 온도압력 복합센서별 원주방향 변형률 그래프.
도 9는 도 4에 도시된 센서 엘리먼트의 압력계측저항에 대한 온도별 및 압력별 변형률 추출 결과를 보여주고 있는 표 형태의 데이터 테이블.
도 10은 압력센서의 지름방향 및 원주방향 변형률 비교 그래프.
도 11은 본 발명의 센서 엘리먼트를 온도센서로 사용하는 경우의 저항 온도 그래프.
도 12는 본 발명의 비교예로서 종래 기술의 센서 엘리먼트를 온도센서로 사용하는 경우의 저항 온도 그래프.
도 13은 도 12의 점선 사각 F의 확대 그래프.
도 14는 본 발명의 저항변화길이비율을 설명하기 위하여, 방향별 센서 엘리먼트의 다이아프램부의 저항값 추출 결과를 보여주고 있는 표 형태의 데이터 테이블.
도 15는 본 발명의 응용예에 따른 센서 엘리먼트의 다이아프램의 저항 패턴을 설명하기 위한 평면도.
도 16은 본 발명의 다른 응용예에 따른 센서 엘리먼트의 다이아프램의 저항 패턴을 설명하기 위한 평면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에서 설명하는 센서 엘리먼트의 방향을 정의하기 위한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 엘리먼트의 사시도이다. 또한, 도 5는 도 4에 도시된 센서 엘리먼트의 다이아프램부의 평면도이고, 도 6은 도 4에 도시된 선 A-A를 따라 절단한 엘리먼트본체의 단면과 저항 배치에 따른 변형률의 인장구간과 압축구간을 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 실시예에서 지름방향(R)은 센서 엘리먼트에 해당하는 엘리먼트본체(100)의 상단인 다이아프램부의 상면의 중심(C)을 통과하는 반지름 또는 지름에 대응한 직선을 따라서 변형이 이루어지는 방향을 의미한다.
또한, 원주방향(θ)은 다이아프램부의 상면의 중심(C)을 기준으로 원호 또는 원주에 대응한 곡선을 따라서 변형이 이루어지는 방향일 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예는 온도 및 압력과 같이 다수의 물리량을 계측할 수 있도록 구성되어 있고, 제품별로는 자동차에 탑재되어 사용되는 압력센서 또는 온도압력 복합센서의 센서 소자 부품일 수 있다.
본 실시예는 온도 및 압력을 계측하도록 센서몸체(1)에 탑재되는 센서 엘리먼트를 개시한다.
이하에서 설명되는 본 실시예는 엘리먼트본체(100), 압력계측저항(200)을 포함한다. 본 실시예는 온도계측저항(300)을 더 포함할 수 있다.
엘리먼트본체(100)는 센서가 설치된 환경의 온도 및 압력을 계측하도록, 상기 온도 또는 상기 압력에 따라 변형되는 다이아프램부(120)를 갖는다.
엘리먼트본체(100)는 다양한 재질 중에서 선택된 어느 하나의 재질을 가질 수 있다. 예컨대, 엘리먼트본체(100)는 금속 재질 또는 합금 재질로 제작되어 있거나, 피에조저항효과(piezoresistive effect)에 의해 응력인 온도 또는 압력의 부하 인가에 따라 전기적 저항변화를 일으키는 반도체 재질로 제작되어 있거나, 혹은 상기 금속 재질 또는 합금 재질에 상기 반도체 재질이 합체된 복합 재질로 제작되어 있을 수 있다. 엘리먼트본체(100)의 재질은 통상적인 자동차용 압력센서 또는 온도압력 복합센서의 소자 재질일 수 있으므로, 본 실시예에서는 특성 소재로 한정되지 않을 수 있고, 위에 열거한 압력센서 또는 온도압력 복합센서의 제작에 사용된 범용 재질로 제작될 수 있다.
엘리먼트본체(100)는 그의 본체 저면 중간 부위가 개구되어서 압력이 도입되는 중공부(111)와, 중공부(111)를 한정하는 원형 벽체의 외주면에 형성된 단턱부(110)와, 상기 원형 벽체의 상단을 폐쇄하도록 상기 원형 벽체에 일체형으로 형성된 상기 다이아프램부(120)를 포함할 수 있다.
단턱부(110)는 중공부(111)의 외측에서 돌출된 부위에 해당하고, 엘리먼트본체(100)의 외주면의 구조적 강성을 보강하여, 압력에 의한 변형을 방지하는 역할을 한다. 즉, 단턱부(110) 및 원형 벽체에 의해서, 엘리먼트본체(100)의 외주면 또는 하기에서 설명할 다이아프램부(120)의 외주구간에 해당하는 부위는 압력에 의한 스트레스로 인해 변형되지 않는 리지드 바디(rigid body)가 될 수 있다.
도 5 또는 도 6을 참조하면, 압력계측저항(200)은 제 1 저항부(Z1), 제 2 저항부(Z2), 제 4 저항부(Z4) 및 제 3 저항부(Z3)를 포함하여 구성된다.
제 1 저항부(Z1), 제 2 저항부(Z2), 제 4 저항부(Z4) 및 제 3 저항부(Z3)는 일종의 반도체 저항칩 형태의 저항체일 수 있다.
압력계측저항(200)은 대향 배치에 따라 인장 또는 압축에 의한 저항변화를 이용하여 각 저항부(Z1, Z2, Z3, Z4)에 걸리는 분압을 계측하는 휘스톤 브릿지 회로 원리 기술로 구현될 수 있다.
지름방향(R) 기준 최대 변형률은 다이아프램부(120)의 상면의 중심(C)에서 나타난다. 이때, 변형률값이 플러스값인 경우 인장을 의미하고, 마이너스값인 경우 압축을 의미할 수 있다. 또한, 하기에서 설명할 인장구간(121) 또는 압축구간(122)이라 하더라도 온도가 높은 경우라면 압축구간(122)에서도 인장(예: 변형률값이 플러스값)이 발생될 수도 있다.
다이아프램부(120)의 상면은 중심(C)을 기준으로 형성된 인장구간(121)과, 인장구간(121)의 외측에 위치한 압축구간(122)과, 압축구간(122)의 외측 및 다이아프램부(120)의 외곽 사이에 위치한 외주구간(123)을 포함한다.
여기서, 인장구간(121)은 다이아프램부(120)의 지름방향(R)의 변형이 인장상태에서 압축상태로 전이되는 압축시작경계(B1)와 중심(C) 사이에서 원주방향(θ)을 따라 연장된 중심 영역을 의미한다.
또한, 압축구간(122)은 다이아프램부(120)의 상면 중에서 인장구간(121)의 외측에 위치한다. 즉, 압축구간(122)은 압축종료경계(B2)와 압축시작경계(B1) 사이에서 원주방향(θ)을 따라 연장된 원형 띠 영역을 의미한다. 여기서, 압축종료경계(B2)는 다이아프램부(120)의 지름방향(R)의 변형이 압축상태에서 무변형상태로 전이되는 곳을 의미한다.
또한, 압축최대경계(B_max)는 압축종료경계(B2)와 압축시작경계(B1)의 사이에서 원주방향(θ)을 따라 형성된다. 예컨대, 압축최대경계(B_max)는 압축종료경계(B2)와 압축시작경계(B1)상의 지점별 수치의 합을 2로 나눈 평균값을 기준으로 정의될 수 있다.
또한, 외주구간(123)은 압축종료경계(B2)의 바깥쪽 영역으로서, 압력에 의한 스트레스가 매우 미미한 리지드 바디 영역일 수 있다.
여기서, 중심(C), 압축시작경계(B1), 압축최대경계(B_max) 및 압축종료경계(B2)는 도 4에 도시된 형상 구조처럼 물리적으로 또는 육안으로 다이아프램부(120)의 상면에서 보이지 않을 수 있다.
압력계측저항(200)은 상기 다이아프램부(120)의 상면의 중심(C)을 기준으로 지름방향을 따라 배치된다. 압력계측저항(200)은 제 1 저항부(Z1), 제 2 저항부(Z2), 제 4 저항부(Z4) 및 제 3 저항부(Z3)로 이루어져 있을 수 있다.
이때, 제 1 저항부(Z1) 및 제 2 저항부(Z2)와, 제 4 저항부(Z4) 및 제 3 저항부(Z3)는 상기 중심을 기준으로 대칭되게 배치되어 있다.
예컨대, 제 2 저항부(Z2) 및 제 4 저항부(Z4)는 압력계측저항(200) 중 내측 압력계측저항에 해당하는 것으로서, 중심(C)을 기준으로 내측, 즉 중심(C)에 가까운 곳에서 서로 대칭되도록 다이아프램부(120)의 상면의 인장구간(121)에 배치된다.
또한, 압력계측저항(200) 중 외측 압력계측저항에 해당하는 것으로서, 제 1 저항부(Z1) 및 제 3 저항부(Z3)는 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 제거하도록, 제 2 저항부(Z2) 및 제 4 저항부(Z4)의 외측을 기준으로 다이아프램부(120)의 상면의 압축구간(122)에 배치된다.
압력계측저항(200)은 제 1 저항부(Z1) 내지 제 4 저항부(Z4)의 전기적 접속을 위하여, 제 1 저항부(Z1) 내지 제 4 저항부(Z4) 별로 다이아프램부(120)의 상면에 마련된 복수개의 커넥션 리드 단자(201, 202)를 포함한다.
예컨대, 제 1 저항부(Z1)는 일측 커넥션 리드 단자(201)의 상부좌측으로부터 타측 커넥션 리드 단자(202)의 영문 I자 형상의 하부좌측까지 연장되도록 일측 커넥션 리드 단자(201) 및 타측 커넥션 리드 단자(202)에 전기적으로 접속되다. 이런 제 1 저항부(Z1)는 커넥션 리드 단자(201, 202)의 사이에서 절곡된 형태로 연장되어 있는 저항선로를 의미할 수 있다. 이와 같거나 유사한 방식으로 제 2 저항부(Z2) 내지 제 4 저항부(Z4)도 저항선로 형태 또는 저항 패턴을 가질 수 있다.
본 실시예에 관련된 센서제어부(미 도시)는 온도계측저항(300)으로부터 출력 신호를 받아 온도센싱제어를 수행하도록 전자회로적으로 구성되어 있을 수 있다.
본 실시예에 관련된 센서제어부는 온도계측저항(300)의 출력 신호를 사용하지 않는 경우, 압력계측저항(200)의 일부(예: 제 3 저항부(Z3) 단독, 또는 제 1 저항부(Z1) 및 제 3 저항부(Z3) 커플)로부터 출력 신호를 받아 온도센싱제어를 수행하도록 전자회로적으로 구성되어 있을 수 있다.
예컨대, 상기 센서제어부에 의해서, 압력계측저항(200) 중 외측 압력계측저항인 제 1 저항부(Z1) 또는 제 3 저항부(Z3)가 압력계측저항(200)에 포함되어 있지만, 후술되는 도 10의 설명과 같이 온도센서로서의 기능을 수행할 수 있다. 만일, 온도계측저항(300)이 온도센서로서의 기능을 전담하는 경우, 압력계측저항(200)의 제 1 저항부(Z1) 내지 제 4 저항부(Z4) 모두는 압력센서로서의 기능을 전담할 수 있다.
엘리먼트본체(100)는 다이아프램부(120)의 상면의 압축구간에 형성되는 온도계측저항(300)을 포함한다.
온도계측저항(300)은 다이아프램부(120)의 온도변화로 인해 다이아프램부(120)의 압력계측저항(200)의 변형률이 커져서 압력계측저항(200)의 저항값이 줄어들고, 상기 저항값이 압력에 따라 변하지 않게 온도 보상 역할을 수행한다.
즉, 온도계측저항(300)은 압력계측저항(200)로부터 실제 온도와 압력을 신속하고 정확하게 출력되도록 돕는다.
온도계측저항(300)은 압력변화에 따른 전기적 저항변화의 상쇄를 통해서, 상기 온도계측저항(300)이 온도에만 반응할 수 있도록, 저항변화길이비율에 대응하는 저항 패턴을 갖는다.
여기서, 압력변화에 따른 전기적 저항변화의 상쇄는, 온도계측저항(300)의 국부적인 연장길이를 지름방향(R) 대비 원주방향으로 늘릴 경우 다이아프램부(120)의 압축구간(122)에서 일어날 수 있다.
예컨대, 온도계측저항(300)의 저항 패턴은, 다이아프램부(120)의 상면의 압축구간(122)에 위치한 패턴시작지점(301)으로부터 다이아프램부(120)의 지름방향(R)을 따라 압축최대경계(B_max)까지 제 1 연장길이(W1)만큼 연장된 제 1 연장부(302)와, 제 1 연장부(302)의 끝단에서 원주방향(θ)을 향하여 절곡된 후 압축최대경계(B_max)를 따라서 제 2 연장길이(L)만큼 연장된 제 2 연장부(303)와, 상기 제 2 연장부(303)의 끝단으로부터 지름방향(R)을 따라 패턴종료지점(305)까지 제 3 연장길이(W2)만큼 연장된 제 3 연장부(304)를 포함한다.
여기서, 패턴종료지점(305)은 다이아프램부(120)의 상면의 압축구간(122)에 위치한다.
패턴시작지점(301)과 패턴종료지점(305)은 온도계측저항(300)을 미 도시된 센서제어부에 전기적으로 접속시키기 위한 온도계측저항(300)용 커넥션 리드 단자를 지칭할 수 있다.
또한, 제 1 연장길이(W1)와 제 3 연장길이(W2)는 동일한 길이일 수 있다.
여기서, 온도계측저항(300)의 제 2 연장부(303)는 압축최대경계(B_max)상의 원호 형태 저항체를 의미할 수 있다.
제 1 연장부(302) 및 제 3 연장부(304)는 제 2 연장부(303)의 양측 끝단에 일체형으로 연결된 직선 형태의 저항체 또는 저항선로를 의미할 수 있다.
또한, 온도계측저항(300)의 저항변화길이비율은 온도계측저항(300)의 원주방향(θ)의 제 2 연장길이(L)가 온도계측저항(300)의 지름방향(R)의 제 1 연장길이(W1) 및 제 3 연장길이(W2)의 총합(W1+W2)에 저항변화상쇄배수를 곱한 값과 동일하게 될 수 있는 비율을 의미한다. 여기서, 저항변화상쇄배수는 지름방향(R)의 압축 변형량과 원주방향(θ)의 인장 변형량의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있도록 해석 실험에 의해 도출된 값일 수 있다.
여기서, 본 실시예는 상기 저항변화상쇄배수를 구하기 위하여, 하기의 도 7 내지 도 14와 같이, 엘리먼트본체(100)의 다이아프램부(120)에서 압력변화에 따른 방향(예: 지름방향과 원주방향)별 변형률 변화의 상관관계를 파악하는 해석 실험을 수행하였다. 예컨대, 실험은 컴퓨터에 의한 상관분석(correlation analysis)의 일종일 수 있다.
해석 실험 결과, 상기 저항변화상쇄배수는 5.13일 수 있다.
예컨대, 저항변화상쇄배수 5.13은 도 14를 통해 후술되는 바와 같이 동일 온도 조건하에서 지름방향(R)의 압축편차(G4)의 값(M3)인 0.195를 원주방향(θ)의 압축편차(G1)의 값(N3)인 -0.038로 나눈 결과값인 -5.13158의 역수(예: 소수점 세자리 이하 소거)로 구해진다.
또한, 저항변화상쇄배수는 도 14를 통해 알 수 있듯이, 다이아프램부(120)에 가해지는 온도 조건 또는 압력 조건이 달라질 수 있으므로, 상기 저항변화상쇄배수는 5.1~5.3 사이에서 선택된 어느 하나의 숫자일 수 있다.
여기서, 저항변화상쇄배수의 수치 또는 수치 범위는 그 이하 또는 이상에서 저항변화상쇄 효과가 나타나지 않고, 상기 수치 또는 수치 범위내에서만 나타나므로써, 임계적 의미를 갖는다.
센서 엘리먼트 설계자는 온도계측저항(300)의 제 1 연장길이(W1) 및 제 3 연장길이(W2)의 총합(W1+W2)을 특정 수치로 정하고, 그 특정 수치에 저항변화상쇄배수를 곱하여 온도계측저항(300)의 제 2 연장길이(L)를 쉽게 도출할 수 있기 때문에, 다양한 규격의 센서 엘리먼트를 양산하는 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
본 실시예의 센서 엘리먼트는 온도계측저항(300)의 온도 보상을 통해서 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화(예: 온도편차)를 제거시킬 수 있음에 따라서, 온도 계측값의 선형성을 구현할 수 있고, 보다 정밀하고 분해능이 높은 센서의 제작을 가능케 할 수 있다.
또한, 압력계측저항(200) 중 압축구간(122)에 배치된 제 1 저항부(Z1) 또는 제 3 저항부(Z3)가 상기 저항변화상쇄배수 또는 상기 저항변화길이비율을 고려한 온도계측저항(300)의 설계 원리와 동일한 방식으로 설계 및 제작되고, 다이아프램부(120)에서 상기 온도계측저항(300)을 제거 또는 빼더라도, 제 1 저항부(Z1) 또는 제 3 저항부(Z3)가 압력계측저항(200)의 온도 보상 역할을 수행하여서, 압력계측저항(200)만으로 정확한 온도 및 압력의 계측이 이루어질 수 있게 될 수 있다.
즉, 본 실시예의 센서 엘리먼트는 다이아프램부(120)의 압축구간(122)에 배치된 상기 제 1 저항부(Z1) 또는 상기 제 3 저항부(Z3)가 온도 보상 역할을 수행하여, 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 제거시킬 수 있음에 따라서, 온도 계측값의 선형성을 구현할 수 있고, 보다 정밀하고 분해능이 높은 센서의 제작을 가능케 할 수 있다.
이하에서는, 도 7 내지 도 14을 통해서, 엘리먼트본체(100)의 다이아프램부(120)에서 압력변화에 따른 방향(예: 지름방향과 원주방향)별 변형률 변화의 상관관계를 파악하는 해석 실험 결과의 내용이 설명된다.
도 7은 도 4에 도시된 센서 엘리먼트가 탑재된 압력센서 및 온도압력 복합센서별 지름방향 변형률 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 해석 실험에 따르면, 온도별 및 압력별로 중심기준거리(distance from center, 단위: mm)로 표현된 각각의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 지름방향(R)의 최대 변형률은 다이어프램부의 중앙에서 나타난다. 각 온도조건에서 압력 증가에 따라 다이어프램부의 상면의 지름방향(R) 최대 변형률은 증가하며, 최소 변형률은 감소함을 알 수 있다.
열변형에 의해 저온시에는 변형률값이 전체적으로 감소하며, 고온 시에는 전체적으로 증가하나 최소, 최대값의 편차는 각 온도별로 동일하게 나타난다.
도 8은 도 4에 도시된 센서 엘리먼트가 탑재된 압력센서 및 온도압력 복합센서별 원주방향 변형률 그래프이다.
도 8을 참조하면, 원주방향(θ) 최대 변형률은 다이어프램부 중앙에서 나타나며, 다이어프램부의 외곽으로 갈 수록 점차 감소한다.
앞서 도 7을 통해 설명한 지름방향(R) 변형률과 같이 최소, 최대값의 편차는 각 온도별로 동일하게 나타난다.
또한, 해석 실험에서는 원주방향(θ)의 변형률 추출시, 최대 변형률은 0.000002이내의 편차를 가지고 있고, 최소 변형률은 0.000001이내의 편차를 가지고 있다. 이는 매우 미소한 수준으로 해석오차 이내의 편차임을 알 수 있다.
도 9는 도 4에 도시된 센서 엘리먼트의 압력계측저항에 대한 온도별 및 압력별 변형률 추출 결과를 보여주고 있는 표 형태의 데이터 테이블이다.
센서 제품(압력센서 또는 온도압력 복합센서)별, 온도별, 압력별 해당 변형률 추출 데이터를 살펴보더라도, 제 1 저항부(Z1)과 제 3 저항부(Z3)가 서로 대칭 또는 동일한 값을 가지고 있고, 제 2 저항부(Z2)과 및 제 4 저항부(Z4)가 서로 대칭 또는 동일한 값을 가지고 있다. 예컨대, 제 1 저항부(Z1)의 데이터열(D1)의 각각의 변형률값은 제 3 저항부(Z3)의 데이터열(D3)의 각각의 변형률값에 비교될 때, 각각 서로 일치한다.
즉, 압력계측저항의 1개 또는 2개의 저항부(Z1, Z3)는 다이아프램부의 압축구간에 배치되어 있다. 따라서, 단독으로 제 1 저항부(Z1) 또는 제 3 저항부(Z3)가 온도센서로서의 역할을 수행할 수 있거나, 또는 제 1 저항부(Z1) 및 제 3 저항부(Z3) 커플이 온도센서로서의 역할을 수행할 수 있다.
도 10은 압력센서의 지름방향 및 원주방향 변형률 비교 그래프이다.
도 10을 참조하면, 도 10의 하단 좌측 그래프(예: 온도 -40℃)로부터 하단 우측 그래프(예: 온도 +140℃)에 대한 변형률값(E1, E2, E3)을 살펴볼 때, 압력계측저항은 온도센서로서의 역할을 할 수 있다. 즉, 온도가 상승하면, 변형률이 상승하고, 즉 저항이 줄어들게 됨으로써, 온도센서로 본 실시예가 적용될 수 있다.
그런데, 도 10의 하단 좌측 그래프(예: 온도 -40℃)의 제 2 점선박스(S2)를 살펴보면, 원주방향을 따라 압력이 증가할 때 역시 변형률값도 커지고, 그 결과 저항값이 줄어들게 되듯이, 압력에 따라 변형률값이 변화되는 문제점이 발생된다.
반면, 도 10의 상단 좌측 그래프(예: 온도 -40℃)의 제 1 점선박스(S1)를 살펴보면, 지름방향을 따라 압력이 증가할 때 역시 변형률값이 작아지고, 그 결과 저항값이 상승하게 되는 거동이 일어나게 된다.
즉, 제 1 점선박스(S1)에서는 다이아프램부의 압축구간에서 지름방향을 따라 동일 온도 내의 압력별 변형률값이 압력증가에 따라 감소(예: 저항값 상승)하는 역방향성(제 1 점선박스 내에서 압력 상승에 따라 저항값이 변화하는 방향에 해당하는 화살표의 방향이 하향)의 거동을 가지고 있다.
반대로, 제 2 점선박스(S2)에서는 다이아프램부의 압축구간에서 원주방향을 따라 동일 온도 내의 압력별 변형률값이 압력증가에 따라 증가(예: 저항값 축소)하는 정방향성(제 2 점선박스 내에서 압력 상승에 따라 저항값이 변화하는 방향에 해당하는 화살표의 방향이 상향)의 거동을 가지고 있다.
따라서, 정밀한 센서 품질을 발휘할 수 있도록, 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화의 제거를 위하여, 다이아프램부의 압축구간 내의 저항(예: 제 1 저항부(Z1), 제 3 저항부, 온도계측저항(300) 중 어느 하나)에 대한 저항변화가 제거(예: 역방향성의 거동 및 정방향성의 거동이 서로 상쇄)될 수 있도록, 위에 언급한 바와 같은 방향별 연장길이에 대응한 저항변화길이비율이 도출될 수 있다.
도 11은 본 발명의 센서 엘리먼트를 온도센서로 사용하는 경우의 저항 온도 그래프이다.
도 11을 참조하면, 다이아프램부의 압력계측저항 4개 각각은 1000옴에서 변형에 따라 선형적으로 산출될 수 있고, 해석 조건의 일예로서 압력 350bar에서 총저항 대비 온도는 선형적으로 산출될 수 있다.
즉, 본 실시예의 센서 엘리먼트는 온도 변화에 따른 저항 변화가 선형적이므로, 온도 센서로 사용 가능하고, 이를 통해 빠른 온도 응답 속도, 높은 분해능을 가질 수 있으며, 원가 절감을 가져올 수 있는 부품으로 사용될 수 있게 된다.
즉, 기존의 종래 기술에서는 회로단(ASIC, Application-Specific Integrated Circuit)에 별도의 내부온도센서 또는 온도모듈(미 도시)을 더 구비하여야 하나, 본 실시예는 상기 별도의 내부온도센서 또는 온도모듈을 삭제할 수 있으므로, 센서 제품의 원가를 절감할 수 있다.
특히, 기존의 회로단(ASIC)의 내부온도센서는 신호 출렁임을 발생시킬 수 있지만, 본 실시예는 회로단(ASIC)의 내부온도센서대비 빠른 온도 응답 속도를 가질 수 있어서, 신호 출렁임을 상대적으로 줄일 수 있다.
또한, 종래 기술의 압력센서 또는 종래 기술의 온도압력 복합센서 제품 대비 분해능이 상대적으로 더 뛰어난 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 비교예로서 종래 기술의 센서 엘리먼트를 온도센서로 사용하는 경우의 저항 온도 그래프이고, 도 13은 도 12의 점선 사각 F의 확대 그래프이다.
도 12를 참조하면, 비교예로서 종래 기술의 센서 엘리먼트를 탑재한 온도압력 복합센서에서는 본 실시예와 달리 비선형성 출력값이 검출될 뿐만 아니라, 도 13을 참조하면, -40℃의 최소값(F1)과 -30℃의 최대값(F2) 사이 마진이 작기 때문에 분해능(resolution)이 낮다.
도 14는 본 발명의 저항변화길이비율을 설명하기 위하여, 방향별 센서 엘리먼트의 다이아프램부의 저항값 추출 결과를 보여주고 있는 표 형태의 데이터 테이블이다.
위해서 언급한 변형률값은 도 14에서 각 센서 제품별 저항값으로 표현되어 있다.
방향별 동일 압력내에서 온도변화에 의한 저항값 차이를 온도편차(G2, G3)라고 정의하고, 방향별 동일 온도내에서 압력변화에 의한 저항값 차이를 압축편차(G1, G4)라고 정의된다.
예컨대, 원주방향(θ)의 압축편차(G1)는 동일 온도별 압축구간 최대 압력의 저항값(N1)(예: 1000.623)에서 압축 구간 최소 온도의 저항값(N2)(예: 1000.661)을 뺀 값(N3)(예: -0.038)을 의미한다.
또한, 원주방향(θ)의 온도편차(G2)는 동일 압력별 압축구간 최소 온도의 저항값(예: 1000.661)에서 압축구간 최대 온도의 저항값(예: 998.709)을 뺀 값(예: 1.952)을 의미한다.
또한, 지름방향(R)의 온도편차(G3)도 동일 압력별 압축구간 최소 온도의 저항값(예: 1000.782)에서 압축구간 최대 온도의 저항값(예: 998.830)을 뺀 값(예: 1.952)을 의미한다. 여기서, 원주방향(θ)의 온도편차(G2)와 지름방향(R)의 온도편차(G3)는 서로 같다.
또한, 지름방향(R)의 압축편차(G4)는 동일 온도별 압축구간 최대 압력의 저항값(M1)(예: 1000.977)에서 압축 구간 최소 온도의 저항값(M2)(예: 1000.782)을 뺀 값(M3)(예: 0.195)을 의미한다.
특히, 원주방향(θ)의 온도편차(G2)를 참조하면, 동일 압력별(120bar, 240bar, 350b)에서 온도변화에 따른 저항변화가 상대적으로 크게 나타나는 문제를 발생시킨다.
도 10과 도 14를 병행 참조하면, 제 1 점선박스(S1)와 같은 지름방향(R)의 역방향성의 거동과, 제 2 점선박스(S2)와 같은 정방향성의 거동간 상쇄를 이용하여서, 상기 문제를 해결할 수 있다.
즉, 지름방향(R)의 압축 변형량(저항값)과 원주방향(θ)의 인장 변형량(저항값)의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있다.
이를 위해서, 본 실시예에서는 앞서 설명한 저항변화길이비율 및 저항변화상쇄배수가 제공된다.
저항변화상쇄배수는 동일 온도 조건 하에서 지름방향(R)의 압축편차(G4)의 값(M3)인 0.195를 원주방향(θ)의 압축편차(G1)의 값(N3)인 -0.038로 나눈 결과값인 -5.13158의 역수인 5.13(예: 소수점 세자리 이하 소거)일 수 있다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 온도계측저항(300)의 저항변화길이비율과 관련하여, 온도계측저항(300)의 원주방향(θ)의 제 2 연장길이(L)를 지름방향(R)의 제 1 연장길이(W1) 및 제 3 연장길이(W2)의 총합(W1+W2) 대비 저항변화상쇄배수(예: 5.13)만큼를 늘리면, 지름방향(R)의 압축 변형량과 원주방향(θ)의 인장 변형량의 합이 0의 값이 되어서, 종래와 달리 회로단(ASIC, Application-Specific Integrated Circuit)에 별도의 내부온도센서를 구비 또는 사용할 필요 없이, 본 실시예의 압력계측저항(200)로 압력 계측시 온도변화에 따라 전기적 저항변화가 상쇄되어 정밀한 온도 계측이 구현될 수 있게 된다.
도 15는 본 발명의 응용예에 따른 센서 엘리먼트의 다이아프램의 저항 패턴을 설명하기 위한 평면도이고, 도 16은 본 발명의 다른 응용예에 따른 센서 엘리먼트의 다이아프램의 저항 패턴을 설명하기 위한 평면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 응용예에 따른 센서 엘리먼트의 압력계측저항(200a, 200b)은 앞서 언급한 저항변화길이비율에 대응하는 형상 또는 형태의 저항 패턴을 가질 수 있다. 이런 경우, 응용예에 따른 센서 엘리먼트는 앞서 설명한 도 5의 온도계측저항(300)을 필요로 하지 않게 되고, 그 대신 기존 온도계측저항(300)의 온도 보상 역할을 제 1 저항부(Z1a) 또는 제 3 저항부(Z3a)가 대신하게 된다.
이러한 도 15의 압력계측저항(200a)에 따르면, 압축구간(122)에 배치된 압력계측저항(200a)의 제 1 저항부(Z1a) 및 제 3 저항부(Z3a)가 원호 형태 또는 직선 형태로 이루어질 수 있다.
이때 제 1 저항부(Z1a) 또는 제 3 저항부(Z3a)는 다이아프램부(120)의 원주방향(θ)을 따라 각각 배치된 복수개의 원호부(210, 211, 212)와, 다이아프램부(120)의 지름방향(R)을 따라 배치된 복수개의 직선부(220, 221, 222, 223)를 포함한다.
여기서, 복수개의 원호부(210, 211, 212)들의 길이의 합은 복수개의 직선부(220, 221, 222, 223)들의 합에 저항변화상쇄배수를 곱한 것과 동일할 수 있다.
또한, 도 16의 압력계측저항(200b)에 따르면, 압축구간(122)에 배치된 압력계측저항(200b)의 제 1 저항부(Z1b) 및 제 3 저항부(Z3b)가 직선 형태 또는 미앤더(meander) 형태로 이루어질 수 있다.
이때 제 1 저항부(Z1b) 또는 제 3 저항부(Z3b)는 다이아프램부(120)의 원주방향(θ)과 유사한 방향(예: 지름방향(R)에 대하여 직각을 이루어서 원주방향(θ)의 압축최대경계의 원호상의 2지점을 직접 연결하는 방향)을 따라 각각 배치된 복수개의 제 1 직선부(213, 214, 215, 216, 217)와, 다이아프램부(120)의 지름방향(R)을 따라 배치된 복수개의 제 2 직선부(224, 225, 226, 227, 228, 229)를 포함한다.
여기서, 복수개의 제 1 직선부(213, 214, 215, 216, 217)들의 길이의 합은 복수개의 제 2 직선부(224, 225, 226, 227, 228, 229)들의 합에 저항변화상쇄배수를 곱한 것과 동일할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 엘리먼트본체 111 : 중공부
110 : 단턱부 120 : 다이아프램부
200, 200a, 200b : 압력계측저항 201, 202 : 커넥션 리드 단자
300 : 온도계측저항 301 : 패턴시작지점
302 : 제 1 연장부 303 : 제 2 연장부
304 : 제 3 연장부 305 : 패턴종료지점

Claims (11)

  1. 온도 및 압력을 계측하기 위해 센서몸체에 탑재되고, 상기 온도 또는 상기 압력에 따라 변형되는 다이아프램부를 구비한 엘리먼트본체; 및
    상기 다이아프램부의 상면의 중심을 기준으로 지름방향을 따라서 제 2 저항부 및 제 4 저항부가 상기 다이아프램부의 상면의 인장구간에 배치되어 있고, 제 2 저항부 또는 제 4 저항부의 외측을 기준으로 제 1 저항부 및 제 3 저항부가 동일 압력별 온도변화에 따른 전기적 저항변화를 제거하도록 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 배치되어 있는 압력계측저항;을 포함하되,
    상기 압력계측저항은,
    상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 배치된 제 1 저항부 및 제 3 저항부가 원호 형태 또는 직선 형태로 이루어질 수 있도록,
    상기 제 1 저항부 또는 상기 제 3 저항부는 다이아프램부의 원주방향을 따라 각각 배치된 복수개의 원호부와, 다이아프램부의 지름방향을 따라 배치된 복수개의 직선부를 포함하고,
    상기 복수개의 원호부들의 길이의 합이 상기 복수개의 직선부들의 합에 저항변화상쇄배수를 곱한 것과 동일하고,
    상기 저항변화상쇄배수가 상기 지름방향의 압축 변형량과 상기 원주방향의 인장 변형량의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있도록 도출된 값인 것
    인 센서 엘리먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엘리먼트본체는,
    상기 엘리먼트본체의 본체 저면 중간 부위가 개구되어서 압력이 도입되는 중공부;
    상기 중공부를 한정하는 원형 벽체의 외주면에 형성된 단턱부; 및
    상기 원형 벽체의 상단을 폐쇄하도록 상기 원형 벽체에 일체형으로 형성된 상기 다이아프램부;를 포함하는 것
    인 센서 엘리먼트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 엘리먼트본체는,
    상기 다이아프램부의 상면에서 상기 중심을 기준으로 형성되고, 다이아프램부의 지름방향의 변형이 인장상태에서 압축상태로 전이되는 압축시작경계와 상기 중심 사이에서 다이아프램부의 원주방향을 따라 연장된 중심 영역인 인장구간;
    상기 다이아프램부의 상면 중에서 상기 인장구간의 외측에 위치하고, 지름방향의 변형이 압축상태에서 무변형상태로 전이되는 압축종료경계와 상기 압축시작경계 사이에서 상기 원주방향을 따라 연장된 원형 띠 영역인 압축구간; 및
    상기 압축구간의 외측 및 다이아프램부의 외곽 사이에 위치한 외주구간;을 포함하고,
    상기 압축종료경계와 상기 압축시작경계의 사이에는 원주방향을 따라서 압축최대경계가 형성되는 것
    인 센서 엘리먼트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 엘리먼트본체는,
    상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 형성되는 온도계측저항을 포함하고,
    상기 온도계측저항이 상기 다이아프램부의 온도변화로 인해 압력계측저항의 변형률이 커져서 압력계측저항의 저항값이 줄어들고, 상기 저항값이 압력에 따라 변하지 않게 온도 보상 역할을 수행하는 것
    인 센서 엘리먼트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도계측저항은,
    압력변화에 따른 전기적 저항변화의 상쇄를 통해서, 상기 온도계측저항이 온도에만 반응할 수 있도록, 저항변화길이비율에 대응하는 저항 패턴을 갖는 것
    인 센서 엘리먼트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 온도계측저항의 상기 저항 패턴은,
    상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 위치한 패턴시작지점으로부터 상기 지름방향을 따라 상기 압축최대경계까지 제 1 연장길이만큼 연장된 제 1 연장부;
    상기 제 1 연장부의 끝단에서 상기 원주방향을 향하여 절곡된 후 상기 압축최대경계를 따라서 제 2 연장길이만큼 연장된 제 2 연장부; 및
    상기 제 2 연장부의 끝단으로부터 상기 지름방향을 따라 상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 위치된 패턴종료지점까지 제 3 연장길이만큼 연장된 제 3 연장부;를 포함하는 것
    인 센서 엘리먼트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 온도계측저항의 저항변화길이비율은,
    상기 제 2 연장길이가 상기 제 1 연장길이 및 상기 제 3 연장길이의 총합에 저항변화상쇄배수를 곱한 값과 동일하게 될 수 있는 비율로서,
    상기 저항변화상쇄배수가 지름방향의 압축 변형량과 원주방향의 인장 변형량의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있도록, 상기 다이아프램부에서 압력변화에 따른 지름방향 및 원주방향별 변형률 변화의 상관관계를 파악하는 해석 실험에 의해 도출된 것
    인 센서 엘리먼트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도계측저항의 상기 저항 패턴은 원호 형태 또는 직선 형태로 이루어지는 것
    인 센서 엘리먼트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 엘리먼트본체는,
    금속 재질, 합금 재질, 피에조저항효과(piezoresistive effect)에 의해 응력인 온도 또는 압력의 부하 인가에 따라 전기적 저항변화를 일으키는 반도체 재질, 상기 금속 재질 또는 합금 재질에 상기 반도체 재질이 합체된 복합 재질 중 어느 하나의 재질을 갖는 것
    인 센서 엘리먼트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력계측저항은,
    상기 제 1 저항부 내지 제 4 저항부의 전기적 접속을 위해서 상기 다이아프램부의 상면에 마련된 복수개의 커넥션 리드 단자를 포함하는 것
    인 센서 엘리먼트.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력계측저항은,
    상기 다이아프램부의 상면의 압축구간에 배치된 제 1 저항부 및 제 3 저항부가 원호 형태 또는 직선 형태로 이루어질 수 있도록,
    상기 제 1 저항부 또는 상기 제 3 저항부는 다이아프램부의 원주방향을 따라 각각 배치된 복수개의 원호부와, 다이아프램부의 지름방향을 따라 배치된 복수개의 직선부를 포함하고,
    상기 복수개의 원호부들의 길이의 합이 상기 복수개의 직선부들의 합에 저항변화상쇄배수를 곱한 것과 동일하고,
    상기 저항변화상쇄배수가 상기 지름방향의 압축 변형량과 상기 원주방향의 인장 변형량의 합이 서로 상쇄되어 0의 값이 될 수 있도록 도출된 값인 것
    인 센서 엘리먼트.
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