KR102179016B1 - 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀 - Google Patents

Abstract

이 발명의 로드셀(100)은 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 응력 민감부(111)를 한 곳에 갖는 바디(110)와, 바디의 응력 민감부가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지(120), 및 반도체형 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 구비한 회로기판(130)을 포함하며, 반도체형 스트레인 게이지는 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지를 구성하는 풀 브리지 저항을 단일 칩 내에 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀{Loadcell With Semiconductor Strain Gauge}

이 발명은 로드셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀에 관한 것이다.

로드셀은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체(바디)와 이를 전기적 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지를 이용한 감지센서이다. 이러한 로드셀은 질량이 가해지면 소재에 탄성거동(변형된 물체가 원래의 상태로 되돌아오는 현상)이 생기고, 4개 또는 2개의 스트레인 게이지가 가해진 질량에 직접적으로 상응하는 저항변화를 일으키는데, 이때 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)라는 전기회로를 구성하여 저항변화를 정밀한 전기적 신호로 변환시켜 데이터를 얻는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 로드셀은 하중변화를 저항의 변화로 바꿔주는 전기적 장치라고 말할 수 있다.

상기와 같은 로드셀은 가장 기본적인 형태로서, 누르거나 당기는 힘을 측정하는 빔형 로드셀, 누르는 힘을 측정하는 원주형 로드셀, 당기는 힘을 측정하는 S자형 로드셀이 있으며, 이외에도 다양한 형태로 제작하여 이용이 가능하다. 이러한 로드셀은 상업용 전자저울이나 산업용 대용량 전자식 계량기 등 각종 산업분야의 공장제어, 자동화 분야에 사용되고 있다.

한편, 로드셀의 표면(바디의 표면)에는 휘트스톤 브리지라는 전기회로를 구성하는 4개 또는 2개의 스트레인 게이지가 부착된다. 여기서, 휘트스톤 브리지는 브리지 회로의 한 종류로서, 4개의 저항이 사각형의 형태를 이루며, 대각선을 연결하는 브리지(bridge)로 저항이나 전압계, 검류계를 사용하는데, 일반적으로 알려지지 않은 저항값을 측정하기 위해서 사용한다. 따라서, 스트레인 게이지가 1개의 저항을 갖도록 구성할 경우에는 4개의 스트레인 게이지를 로드셀의 표면에 부착하여 로드셀을 구성하고, 스트레인 게이지가 2개의 저항을 갖도록 구성할 경우에는 2개의 스트레인 게이지를 로드셀의 표면에 부착하여 로드셀을 구성하고 있다.

현재의 로드셀은 2개의 저항을 갖는 스트레인 게이지 2개를 로드셀의 표면에 각각 부착하여 구성하고 있다. 이러한 스트레인 게이지는 필름 저항형이나 금속형으로 구성된다.

도 1은 종래기술에 따른 금속형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 금속형 스트레인 게이지의 실물 사진이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 필름 저항형 또는 금속형 스트레인 게이지는 1개의 저항을 갖는 개별 저항이나 2개의 저항을 갖는 하프 브리지(Half bridge) 저항방식을 갖는다. 따라서, 도 1과 같이 하프 브리지 저항방식 등으로 구성하더라도, 브리지 저항을 구성함에 있어 저항을 한군데에 모을 수 없는 구조이다. 따라서, 아령 형태로 응력 민감부가 적어도 2군데 이상 나눠져 있는 구조를 가져야만 한다.

한편, 필름 저항형 또는 금속형 스트레인 게이지를 로드셀의 표면에 부착함에 있어서는, 양면테이프, 본드, 에폭시 등과 같은 소프트한 접착소재로 접착하고 있다. 그로 인해, 종래의 로드셀은 그 표면에 부착되는 스트레인 게이지에 대한 접착강도가 약해 크리프(Creep) 현상이 발생하고, 로드셀과 접착소재 간의 높은 열팽창 계수의 차이로 인해 스트레인 게이지의 박리현상이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 상기와 같은 소프트한 접착방식으로 인해 저온, 고온, 고습 환경에서 신뢰성이 더욱 저하되는 문제점이 있다.

국내 특허등록 제10-0191261호 국내 특허등록 제10-1169943호

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 반도체형 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능한 로드셀을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 로드셀은, 두께 변화가 발생함과 더불어 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 한 곳의 응력 민감부를 갖는 바디와, 상기 한 곳의 응력 민감부가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지, 및 상기 반도체형 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 구비한 회로기판을 포함하며, 상기 반도체형 스트레인 게이지는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(doping)시켜 형성한 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 반도체형 스트레인 게이지는 상기 바디의 변형에 따라 함께 변형되도록 하드하게 상기 바디의 표면에 접착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 회로기판은 중앙 부분에 상기 반도체형 스트레인 게이지가 통과할 수 있을 정도로 넓은 사각형의 홀을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 회로기판은 상기 바디의 변형에 의해 영향을 받지 않고 또한 상기 바디의 변형을 방해하지 않도록 완충부재를 통해 소프트하게 상기 바디의 표면에 접착되는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 로드셀은 초소형인 반도체형 스트레인 게이지를 이용함에 따라, 소형화가 가능하고, 감도 및 히스테리 특성이 우수할 뿐만 아니라, 구동을 위한 회로가 간단하다는 장점이 있다. 즉, 이 발명의 로드셀은 반도체형 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다.

도 1은 종래기술에 따른 금속형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 개념도이고,
도 2는 도 1에 도시된 금속형 스트레인 게이지의 실물 사진이다.
도 3은 이 발명의 한 실시예에 따른 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 개념도이고,
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 반도체형 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도 및 실물 사진이며,
도 6 및 도 7은 도 4에 도시된 반도체형 스트레인 게이지와 회로기판 간의 연결상태를 도시한 개념도 및 일례의 실물 사진이다.

이하, 이 발명에 따른 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시 예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 3은 이 발명의 한 실시 예에 따른 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 로드셀(100)은 한 곳에 응력 민감부(111)를 갖는 바디(110)와, 바디(110)의 응력 민감부(111)가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지(120), 및 적어도 반도체형 스트레인 게이지(120)를 구동하는 기능과 반도체형 스트레인 게이지(120)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로 등을 갖는 회로기판(130)을 포함하여 구성된다. 여기서, 응력 민감부(111)는 일반적인 로드셀의 바디에서와 같이 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 부분을 의미한다.

이 실시예의 반도체형 스트레인 게이지(120)는 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 갖는다. 즉, 이 실시예의 스트레인 게이지(120)는 반도체형으로서, 풀 브리지 저항을 단일 칩 내에 갖도록 구성된다.

이러한 반도체형 스트레인 게이지(120)는 바디(110)의 표면에 접착되어 바디(110)가 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때, 반도체형 스트레인 게이지(120)는 접착부재를 사용하여 바디(110)의 표면에 접착된다. 이 실시예에서 접착부재로는 글래스 프릿(Glass frit)과 같은 경도가 매우 높은 재료를 사용할 수 있다. 글래스 프릿과 같은 고강도의 접착부재를 이용함에 따라, 반도체형 스트레인 게이지(120)와 바디(110) 간의 접착강도가 우수하고, 반도체형 스트레인 게이지(120)와 글래스 프릿 간의 낮은 열팽창 계수의 차이로 인해 반도체형 스트레인 게이지(120)가 바디(110)로부터 박리되는 현상을 예방할 수가 있다. 또한, 글래스 프릿과 같은 고강도 접합재를 통한 하드한 접착방식으로 인해 고온, 고습 환경에서도 신뢰성이 우수하다.

한편, 스트레인 게이지는 필름 저항형 스트레인 게이지와 반도체형 스트레인 게이지로 분류될 수 있다. 이 발명에 적용되는 반도체형 스트레인 게이지는 필름 저항형 스트레인 게이지보다 게이지 팩터(gauge factor)가 크므로 감도가 50배가량 크며, 저항값이 크므로 소모 전류가 작고 회로 제작이 유리하다. 또한, 반도체형 스트레인 게이지는 온도 특성이 우수하며, 일반 금속형 스트레인 게이지로 사용되고 있는 Ni, Cu 합금의 경우 게이지 팩터가 2.0 ~ 2.1 정도지만 반도체형 스트레인 게이지의 게이지 팩터는 이에 비해 10배가량 크다.

따라서, 반도체형 스트레인 게이지를 로드셀에 적용할 경우, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다. 또한, 접착부재로 응력전달이 우수한 접합재를 선정하고, 고집적화, 낮은 히스테리시스, 공정 단순화를 통한 수율 향상, 소형화, 원가절감 및 대량생산 등이 가능하다.

도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 반도체형 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도 및 실물 사진이고, 도 6 및 도 7은 도 4에 도시된 반도체형 스트레인 게이지와 회로기판 간의 연결상태를 도시한 개념도 및 일례의 실물 사진이다. 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 반도체형 스트레인 게이지(120)는 실리콘 기판 또는 SOI 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(doping)시켜 형성하는 압저항체(R1, R2, R3, R4)를 포함한다. 여기서, 압저항체(R1, R2, R3, R4)는 힘을 받아 변형이 생기면, 저항값이 증가하거나 감소한다.

예를 들어, 인장응력이 작용하면 저항이 증가하고, 압축응력이 작용하면 저항이 감소한다. 그리고, 반도체형 스트레인 게이지(120)는 메탈을 포함하여 전도성 와이어(131)와의 접속을 위한 패드 등이 될 수 있도록 한다. 기판은 뒷면을 갈거나 식각하여 반도체형 스트레인 게이지(120)의 변형이 더욱 용이하게 될 수 있도록 기판의 두께를 얇게 한다. 도 4 및 도 5에 도시된 반도체형 스트레인 게이지(120)는 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 반도체형 스트레인 게이지(120)가 이 발명에 적용될 수 있음은 물론이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이 발명은 하나의 작은 영역에 브리지 저항을 모두 갖는 풀 브리지(Full bridge) 저항의 반도체형 스트레인 게이지(120)를 이용함에 따라, 도 3과 같이 하나의 응력 민감부(111) 만으로도 인가되는 하중에 의한 저항 변화를 감지해 낼 수 있는 로드셀 구현이 가능하다.

한편, 회로기판(130)은 반도체형 스트레인 게이지(120)의 구동기능과 센싱신호의 증폭기능 등을 갖는 것으로서, 연성 회로기판으로 구성하거나 완충부재를 통해 바디(110)에 부착되되, 바디(110)의 변형을 방해하지 않도록 부착된다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 회로기판(130)은 중앙 부분에 반도체형 스트레인 게이지(120)가 통과할 수 있을 정도로 넓은 사각형의 홀을 갖도록 구성된다. 한편, 반도체형 스트레인 게이지(120)는 바디(110)의 변형에 따라 함께 변형되도록 글래스 프릿에 의해 하드하게(견고하게, 딱딱하게) 접착되는 반면에, 회로기판(130)은 바디(110)의 변형에 의해 영향을 받지 않고 또한 바디(110)의 변형을 방해하지 않도록 완충부재를 통해 소프트하게 접착된다. 예를 들어, 완충 부재로는 실리콘 고무를 이용할 수 있다.

아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예의 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 작동관계에 대해 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 바디(110)의 일측에 하중이 가해지면, 바디(110)에는 인장, 수축, 뒤틀림 또는 휨이 발생하고, 이에 따라 반도체형 스트레인 게이지(120)의 압저항체(R1, R2, R3, R4)에 저항값의 변화를 야기한다. 이러한 압저항체의 저항값 변화를 회로기판(130)의 주변회로가 센싱하게 된다. 그리고, 주변회로는 센싱 신호로부터 센싱 데이터를 얻고 센싱 데이터를 그대로 또는 가공하여 컨트롤러에 제공함으로써, 센싱 데이터로부터 로드셀이 장착된 구조물의 정상 또는 비정상 상태인지의 여부를 판단하거나 중량 등을 측정하게 된다.

이 발명의 로드셀은 초소형인 반도체형 스트레인 게이지를 이용함에 따라, 소형화가 가능하고, 감도 및 히스테리 특성이 우수할 뿐만 아니라, 구동을 위한 회로가 간단하다는 장점이 있다. 즉, 이 발명의 로드셀은 반도체형 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다.

한편, 이 발명의 로드셀은 응력이 작용하는 크레인이나 구조물 등의 안전진단 용도로 적용이 가능하고, 또한 중량이 작용하는 계량/계측, 엘리베이터, 센서, 전자저울 등의 스마트팩토리 용도로 적용이 가능하다.

이상에서 이 발명의 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

100 : 로드셀 110 : 바디
111 : 응력 민감부 120 : 반도체형 스트레인 게이지
130 : 회로기판 131 : 전도성 와이어
R1~R4 : 압저항체

Claims (4)

1. 두께 변화가 발생함과 더불어 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 한 곳의 응력 민감부를 갖는 바디와, 상기 한 곳의 응력 민감부가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체형 스트레인 게이지, 및 상기 반도체형 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 구비한 회로기판을 포함하며,
   상기 반도체형 스트레인 게이지는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(doping)시켜 형성한 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반도체형 스트레인 게이지는 상기 바디의 변형에 따라 함께 변형되도록 하드하게 상기 바디의 표면에 접착되는 것을 특징으로 하는 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 회로기판은 중앙 부분에 상기 반도체형 스트레인 게이지가 통과할 수 있을 정도로 넓은 사각형의 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 회로기판은 상기 바디의 변형에 의해 영향을 받지 않고 또한 상기 바디의 변형을 방해하지 않도록 완충부재를 통해 소프트하게 상기 바디의 표면에 접착되는 것을 특징으로 하는 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀.

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