KR102286967B1 - 스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서 - Google Patents

스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서에 관한 것으로, 다이아프램에 부착되는 스트레인 게이지의 정렬 오차에 따른 영향을 최소화하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 센서는 스트레인 게이지와, 스트레인 게이지가 부착되는 원통 다이아프램을 포함하는 다이아프램 구조체를 포함한다. 다이아프램 구조체는 압력이 인가되는 관통 구멍이 형성된 하부 베이스, 하부 베이스의 관통 구멍에 연통되며 일정 높이의 원통으로 형성되며 외주면에 스트레인 게이지가 부착되는 원통 다이아프램, 및 원통 다이아프램의 상부를 덮으며 관통 구멍으로 인가되는 압력을 원통 다이아프램의 내주면으로 작용하도록 하는 상부 베이스를 포함한다. 스트레인 게이지는 길이방향 저항 패턴 2개와 너비방향 저항 패턴 2개를 대각선으로 배치하고 4개의 접속 패드로 연결하여 원-칩(one-chip)으로 구현한다.

Description

스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서{Strain gages, diaphragm structures and sensors including the same}
본 발명은 스트레인 게이지(strain gage)를 기반으로 하는 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이아프램(diaphragm)에 부착되는 스트레인 게이지의 정렬 오차에 따른 영향을 최소화할 수 있는 스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서에 관한 것이다.
스트레인 게이지를 기반으로 하는 센서는 빔(beam; 외팔보) 또는 다이아프램의 변형량의 크기를 다수 개의 저항으로 이루어진 스트레인 게이지를 이용하여 전기적인 신호로 변환된 물리량을 측정한다. 이러한 센서로는 압력센서, 로드 셀(load cell), 가속도센서, 각속도센서, 유량센서 등이 있다.
이러한 센서는 반도체 집적화기술, MEMS(Micro ElectroMechanical System) 기술 및 3차원 미세 가공 등의 기술을 이용하여 스트레인 게이지를 제조함으로써, 고성능, 지능화 및 소형화되고 있다. MEMS 기술을 활용하여 마이크로 크기의 소형으로 제조된 스트레인 게이지를 마이크로 스트레인 게이지(micro strain gage; MSG)라고도 한다.
센서는 MSG를 금속 재질의 다이아프램 위에 부착하여 압력변화에 따른 다이아프램의 변형에 따른 응력변화를 MSG의 압저항 효과에 의한 저항변화로 변환시켜 압력 또는 로드와 같은 물리량을 측정한다.
기존의 MSG는 길이방향 또는 너비방향 둘 중 하나의 동일한 패턴으로 3개의 접속패드로 2개의 저항소자를 다이아프램의 중심으로 대칭으로 배치하여 풀-브릿지(Full-bridge)를 구성하거나 4개의 접속패드로 3개의 동일한 패턴의 저항을 구성한다. MSG를 기반으로 하는 센서는 원통의 한 쪽 끝에 설치된 얇은 원형의 다이아프램의 변형을 이용하여 물리량을 측정한다.
이와 같은 기존의 센서는 MSG를 다이아프램 위에 접착할 때 인장과 압축되는 부위에 대칭으로 정확하게 정렬시켜 부착해야 한다. 즉 MSG를 다이아프램에 부착하는 과정에서 좌우, 상하 또는 회전과 같은 정렬 오차가 발생될 경우, MSG가 다이아프램에 부착되는 위치에 따라서 센서의 특성이 변화하게 된다. 즉 MSG의 정렬 오차에 따른 센서 간의 특성 편차가 큰 단점이 있다.
그리고 센서를 제조하는 데 있어서, 저항소자를 다수 개 사용해야 하므로 MSG의 제조 비용이 증가하고, 복수의 MSG 부착에 따른 공정 수가 증가하는 문제가 있다.
공개특허공보 제2018-0090459호 (2018.08.13.)
따라서 본 발명의 목적은 원-칩(one-chip)으로 구현하여 제조 비용을 줄이고 제조 공정을 단순화할 수 있는 스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다이아프램에 부착되는 스트레인 게이지의 정렬 오차에 따른 영향을 최소화할 수 있는 스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 일축 방향으로 응력이 균일하면서 넓은 영역에서 최대 응력이 일어나도록 하여 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 스트레인 게이지, 다이아프램 구조체 및 그를 포함하는 센서를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다이아프램에 부착되어 상기 다이아프램의 변형량의 크기를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 스트레인 게이지로서, 일축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 증가하는 제1 및 제3 저항 패턴과, 상기 일축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 감소하는 제2 및 제4 저항 패턴을 포함하고, 제1 및 제3 저항 패턴과 제2 및 제4 저항 패턴이 서로 대각선으로 배치되는 4개의 저항 패턴; 및 상기 제1 내지 제4 저항 패턴을 연결하여 풀-브릿지를 형성하는 4개의 접속 패드;를 포함한다.
상기 4개의 저항 패턴은, 상기 제1 저항 패턴 아래에 상기 제2 저항 패턴이 배치되고, 상기 제2 저항 패턴 옆에 상기 제3 저항 패턴이 배치되고, 상기 제3 저항 패턴의 상부에 상기 제4 저항 패턴이 배치되고, 상기 제4 저항 패턴 옆에 상기 제1 저항 패턴이 배치된다.
상기 제1 및 제3 저항 패턴은 일축 방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 수평 패턴을 포함한다.
상기 제2 및 제3 저항 패턴은 일축 방향에 수직 방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 수직 패턴을 포함한다.
상기 제1 및 제3 저항 패턴은 일축 방향으로 뻗어 있는 복수의 수평 패턴을 포함하고 상기 복수의 수평 패턴은 수직 연결 패턴을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있다.
상기 제2 및 제3 저항 패턴은 일축 방향에 수직 방향으로 뻗어 있는 복수의 수직 패턴을 포함하고 상기 복수의 수직 패턴은 수평 연결 패턴을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있다.
상기 4개의 접속 패드는, 일축 방향으로 상부에 위치하는 상기 제1 및 제4 저항 패턴을 연결하는 제1 접속 패드; 상하로 위치하는 상기 제1 및 제2 저항 패턴 사이를 연결하는 제2 접속 패드; 일축 방향으로 하부에 위치하는 상기 제2 및 제3 저항 패턴을 연결하는 제3 접속 패드; 및 상하로 위치하는 상기 제3 및 제4 저항 패턴 사이를 연결하는 제4 접속 패드;를 포함한다.
상기 제1 접속 패드에 (+)전압이 인가되고, 상기 제3 접속 패드에 (-)전압이 인가되고, 상기 제2 및 제4 접속 패드로 출력이 이루어진다.
일축 방향으로 적어도 한 쪽에 인장력이 작용하면, 상기 제1 및 제3 저항 패턴의 저항은 증가하고, 상기 제2 및 제4 저항 패턴의 저항은 감소하고, 대각선에 위치하는 상기 제1 및 제3 저항 패턴의 저항 증가분과 상기 제2 및 제3 저항 패턴의 저항 감소분은 동일하거나 비슷하다.
본 발명은 또한, 스트레인 게이지가 부착되는 다이아프램 구조체로서, 압력이 인가되는 관통 구멍이 형성된 하부 베이스; 상기 하부 베이스의 관통 구멍에 연통되며 일정 높이의 원통으로 형성되며, 상기 하부 베이스의 관통 구멍으로 인가되는 압력에 의해 상기 원통의 축 방향으로 길이가 탄성적으로 변형되며, 외주면에 스트레인 게이지가 부착되는 원통 다이아프램; 및 상기 원통 다이아프램의 상부를 덮으며, 상기 관통 구멍으로 인가되는 압력을 상기 원통 다이아프램의 내주면으로 작용하도록 하는 상부 베이스;를 포함하는 다이아프램 구조체를 제공한다.
상기 원통 다이아프램은 인가되는 압력에 의해 원통의 축 방향으로 인장력이 작용할 수 있도록 직경이 높이보다 1.5배 이상이다.
본 발명은 또한, 상기 원통 다이아프램을 포함하는 다이아프램 구조체; 및 상기 원통 다이아프램에 부착되어 상기 원통 다이아프램의 변형량의 크기를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 스트레인 게이지;를 포함하는 센서를 제공한다.
그리고 상기 센서는 압력센서, 로드 셀(load cell), 가속도센서, 각속도센서 및 유량센서로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 게이지는 길이방향 저항 패턴 2개와 너비방향 저항 패턴 2개를 대각선으로 4개의 접속 패드로 연결하여 원-칩으로 구현함으로써, 스트레인 게이지를 포함한 센서의 제조 비용을 줄이고 제조 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명에 따른 다이아프램 구조체는 축 방향으로 응력이 균일하게 발생하는 원통 다이아프램을 포함한다. 따라서 스트레인 게이지는 원통 다이아프램의 축 방향으로 부착하면 되기 때문에, 스트레인 게이지의 상하좌우 정렬 오차에 따른 영향을 최소화할 수 있다. 이로 인해 스트레인 게이지의 정렬 오차에 의한 센서 감도 편차가 작은 센서를 제공할 수 있다.
그리고 원통 다이아프램은 축 방향으로 응력이 균일하면서 넓은 영역에서 최대 응력이 일어나기 때문에, 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.
도 3은 도 1의 스트레인 게이지의 등가 회로도이다.
도 4는 도 1의 스트레인 게이지에 Z축 방향으로 인장력이 작용하는 상태를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 4의 스트레인 게이지의 저항 변화를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 6은 도 1의 스트레인 게이지를 기반으로 하는 센서의 제1 예를 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 6의 다이아프램 구조체를 보여주는 부분 절개 사시도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 다이아프램 구조체에 인가되는 압력에 따른 응력 분포를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 7의 다이아프램 구조체에 인가되는 압력에 따라 스트레인 게이지에 Z축 방향으로 인장력이 작용하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 11은 도 1의 스트레인 게이지를 기반으로 하는 센서의 제2 예를 보여주는 사시도이다.
도 12는 도 11의 빔에 작용하는 하중에 따른 X축 방향의 응력 분포를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12의 빔에 작용하는 하중에 따른 X축 방향의 응력 분포를 보여주는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 도 11의 빔에 하중이 인가되기 전후의 스트레인 게이지의 저항 변화를 보여주는 등가 회로도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지를 보여주는 평면도이다. 도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다. 그리고 도 3은 도 1의 스트레인 게이지의 등가 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 다이아프램에 부착되어 다이아프램의 변형량의 크기를 전기적인 신호로 변환하여 출력한다.
이러한 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 4개의 저항 패턴(31,32,33,34)과 4개의 접속 패드(41,42,43,44)를 포함한다. 4개의 저항 패턴(31,32,33,34)은 일축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 증가하는 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)과, 일축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 감소하는 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)을 포함한다. 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)과 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)이 서로 대각선으로 배치된다. 4개의 접속 패드(41,42,43,44)는 제1 내지 제4 저항 패턴(31,32,33,34)을 연결하여 풀-브릿지를 형성한다. 여기서 4개의 접속 패드(41,42,43,44)는 제1 내지 제4 접속 패드(41,42,43,44)를 포함한다. 여기서 일축은 Z축이다.
이와 같은 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 MEMS 기술을 활용하여 마이크로 크기의 소형으로 제조된 MSG일 수 있다. 예컨대 금속박막에 대한 MEMS 기술을 활용하여 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)를 제조할 수 있다.
제1 내지 제4 저항 패턴(31,32,33,34)은 알루미늄, 구리 또는 은 등의 금속으로 형성될 수 있다. 또는 제1 내지 제4 저항 패턴(31,32,33,34)은 저항값 변화가 작은 불순물이 도핑된 단결정실리콘, 다결정실리콘, ITO(Induim Tin Oxide) 또는 TO(Tin Oxide) 등의 금속산화물로 형성될 수 있다.
4개의 저항 패턴(31,32,33,34)은 제1 저항 패턴(31) 아래에 제2 저항 패턴(32)이 배치되고, 제2 저항 패턴(32) 옆에 제3 저항 패턴(33)이 배치되고, 제3 저항 패턴(33)의 상부에 제4 저항 패턴(34)이 배치되고, 제4 저항 패턴(34) 옆에 제1 저항 패턴(31)이 배치된다. 즉 제1 저항 패턴(31)을 기준으로 아래에 제2 저항 패턴(32)이 배치되고, 왼쪽에 제4 저항 패턴(34)이 배치되고, 대각선 방향에 제3 저항 패턴(33)이 배치될 수 있다.
제1 및 제3 저항 패턴(31,33)은 Z축 방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 수평 패턴(35)을 포함한다. 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)은 Z축 방향으로 뻗어 있는 복수의 수평 패턴(35)을 포함하고, 복수의 수평 패턴(35)은 수직 연결 패턴(36)을 매개로 하나의 라인으로 연결될 수 있다. 수직 연결 패턴(36)은 X축 방향으로 형성된다.
수직 연결 패턴(36)은 수평 패턴(35)을 연결하는 패턴으로, 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)이 Z축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 증가할 수 있도록, 수직 연결 패턴(36)은 수평 패턴(35)에 비해서 길이가 짧게 형성된다.
예컨대 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)은 X축 방향으로 진행하는 사각파형 형태로 형성될 수 있다.
제2 및 제4 저항 패턴(32,34)은 Z축 방향에 수직 방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 수직 패턴(37)을 포함한다. 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)은 Z축 방향에 수직한 X축 방향으로 뻗어 있는 복수의 수직 패턴(37)을 포함하고 상기 복수의 수직 패턴(37)은 수평 연결 패턴(38)을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있다. 수평 연결 패턴(38)은 Z축 방향으로 형성된다.
수평 연결 패턴(38)은 수직 패턴(37)을 연결하는 패턴으로, 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)이 Z축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 감소할 수 있도록, 수평 연결 패턴(38)은 수직 패턴(37)에 비해서 길이가 짧게 형성된다.
예컨대 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)은 Z축 방향으로 진행하는 사각파형 형태로 형성될 수 있다.
그리고 제1 내지 제4 접속 패드(41,42,43,44)는 알루미늄, 구리 또는 은 등의 금속으로 형성된다. 제1 접속 패드(41)는 Z축 방향으로 상부에 위치하는 제1 및 제4 저항 패턴(31,34)을 연결한다. 제2 접속 패드(42)는 상하로 위치하는 제1 및 제2 저항 패턴(31,32) 사이를 연결한다. 제3 접속 패드(43)는 Z축 방향으로 하부에 위치하는 제2 및 제3 저항 패턴(32,33)을 연결한다. 그리고 제4 접속 패드(44)는 상하로 위치하는 제3 및 제4 저항 패턴(33,34) 사이를 연결한다.
본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 제1 접속 패드(41)에 (+)전압(Vin+)이 인가되고, 제3 접속 패드(43)에 (-)전압(Vin-)이 인가되고, 제2 및 제4 접속 패드(42,44)로 출력(Vout-, Vout+)이 이루어진다.
이와 같이 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 길이방향(Z축 방향) 저항 패턴 2개와 너비방향(X축방향) 저항 패턴 2개를 대각선으로 4개의 접속 패드로 연결하여 원-칩(one-chip)으로 구현함으로써, 스트레인 게이지(10)를 포함한 센서의 제조 비용을 줄이고 제조 공정을 단순화할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 Z축 방향으로 인장력이 작용하는 경우, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 동작한다. 여기서 도 4는 도 1의 스트레인 게이지(10)에 Z축 방향으로 인장력이 작용하는 상태를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 5는 도 4의 스트레인 게이지(10)의 저항 변화를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
스트레인 게이지(10)의 양단에 Z축 방향으로 인장력이 작용하면, 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)은 길이가 늘어나면서 저항이 증가하고(R1+DRa, R3+DRa), 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)은 길이가 줄어들면서 저항이 감소한다(R2-DRb, R4-DRb).
이때 Z축 방향으로 양쪽으로 동일하게 인장력이 작용하기 때문에, 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)의 저항 증가분(+DRa)은 동일하고, 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)의 저항 감소분도 동일하다(-DRb).
이와 같은 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는 압력센서, 로드 셀(load cell), 가속도센서, 각속도센서, 유량센서 등에 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)를 기반으로 하는 센서(100)의 제1 예에 대해서 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 도 1의 스트레인 게이지(10)를 기반으로 하는 센서(100)의 제1 예를 보여주는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 제1 예에 따른 센서(100)는 압력센서로서, 스트레인 게이지(10)와, 스트레인 게이지(10)가 부착되는 다이아프램 구조체(50)를 포함한다.
다이아프램 구조체(50)는 하부 베이스(51), 원통 다이아프램(55) 및 상부 베이스(57)를 포함한다. 하부 베이스(51)는 압력이 인가되는 관통 구멍(53)이 Z축 방향으로 형성되어 있다. 원통 다이아프램(55)은 하부 베이스(51)의 관통 구멍(53)에 연통되며 Z축 방향으로 일정 높이의 원통으로 형성되며, 외주면에 스트레인 게이지(10)가 부착된다. 그리고 상부 베이스(57)는 원통 다이아프램(55)의 상부를 덮으며, 관통 구멍(53)으로 인가되는 압력을 원통 다이아프램(55)의 내주면으로 작용하도록 한다.
스트레인 게이지(10)는 원통 다이아프램(55)에 다음과 같이 부착될 수 있다. 즉 원통 다이아프램(55)의 표면에 글래스 프릿(20; glass frit)를 도포한 후, 그래스 프릿(20) 위에 스트레인 게이지(10)를 올려놓는다. 그리고 고온 열처리하여 스트레인 게이지(10)를 원통 다이아프램(55)에 부착한다.
제1 예에 따른 다이아프램 구조체(50)에 대해서 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 7은 도 6의 다이아프램 구조체(50)를 보여주는 부분 절개 사시도이다. 도 8 및 도 9는 도 7의 다이아프램 구조체(50)에 인가되는 압력에 따른 응력 분포를 보여주는 도면이다.
다이아프램 구조체(50)는 인가되는 압력에 따라 변형된 후 탄성적으로 복원될 수 있도록 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 스테인레스강, 스프링용 동합금 등으로 제조될 수 있다. 제1 예에서는 하부 베이스(51), 원통 다이아프램(55) 및 상부 베이스(57)가 일체로 형성된 예를 개시하였다.
하부 베이스(51)는 원통 다이아프램(55) 안으로 압력을 인가할 수 있도록 Z축 방향으로 관통구멍이 형성되어 있다. 하부 베이스(51)는 인가되는 압력에 의해 거의 변형이 일어나지 않도록 두껍게 형성된다. 센서(100)로 측정할 압력 범위를 고려하여 하부 베이스(51)의 두께가 설계된다.
상부 베이스(57)는 원통 다이아프램(55)을 매개로 하부 베이스(51)의 상부에 위치한다. 상부 베이스(57)는 하부 베이스(51)를 통하여 인가된 압력이 원통 다이아프램(55)에 작용할 수 있도록 두껍게 형성된다. 즉 상부 베이스(57)는 인가되는 압력에 의해 거의 변형이 일어나지 않도록 두껍게 형성된다. 센서(100)로 측정할 압력 범위를 고려하여 상부 베이스(57)의 두께가 설계된다.
그리고 원통 다이아프램(55)은 인가되는 압력에 의해 원통의 축 방향 즉 Z축 방향으로 인장력이 작용할 수 있도록 직경이 높이보다는 크다. 바람직하게는 원통 다이아프램(55)은 직경이 높이보다 1.5배 이상이다. 이로 인해 다이아프램 구조체(50)에 압력이 인가되면, 원통 다이아프램(55)은 원통의 높이 방향 즉 Z축 방향으로 균일한 인장력이 걸리게 된다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 원통 다이아프램(55)의 Z축 방향으로 스트레인 게이지(10)를 부착함으로써, 스트레인 게이지(10)의 상하좌우 위치 변화에 영향을 받지 않게 하여 접착 정렬 오차에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 여기서 도 10은 도 7의 다이아프램 구조체(50)에 인가되는 압력에 따라 스트레인 게이지(10)에 Z축 방향으로 인장력이 작용하는 상태를 보여주는 도면이다.
이와 같이 제1 예에 따른 다이아프램 구조체(50)는 Z축 방향으로 응력이 균일하게 발생하는 원통 다이아프램(55)을 포함한다. 따라서 스트레인 게이지(10)는 원통 다이아프램(55)의 Z축 방향으로 부착하면 되기 때문에, 스트레인 게이지(10)의 상하좌우 정렬 오차에 따른 영향을 최소화할 수 있다. 이로 인해 스트레인 게이지(10)의 정렬 오차에 의한 센서 감도 편차가 작은 센서를 제공할 수 있다.
그리고 원통 다이아프램(55)은 Z축 방향으로 응력이 균일하면서 넓은 영역에서 최대 응력이 일어나기 때문에, 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
한편 도시하진 않았지만, 원통 다이아프램(55)의 외측면에 부착된 스트레인 게이지(10)는 하부 베이스(51) 또는 상부 베이스(57)에 설치되는 인쇄회로기판과 본딩 와이어로 전기적으로 연결될 수 있다. 인쇄회로기판으로는 경질 또는 연질(플랙서블)의 인쇄회로기판이 사용될 수 있다. 인쇄회로기판을 지지하기 위한 플라스틱 구조물이 하부 베이스(51) 또는 상부 베이스(57)에 추가적으로 설치될 수 있다.
제1 예에 따른 센서(100)는 다이아프램 구조체(50)에 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)가 적용된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 11 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 빔(60; 외팔보)에 스트레인 게이지(10)가 적용될 수 있다.
도 11은 도 1의 스트레인 게이지(10)를 기반으로 하는 센서(200)의 제2 예를 보여주는 사시도이다.
도 11을 참조하면, 제2 예에 따른 세서는 빔(60)의 일측에 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)가 부착된 구조를 갖는다. 여기서 빔(60)은 일측이 고정되어 X축 방향으로 뻗어 있고, 타측으로 하중이 인가된다. 스트레인 게이지(10)는 Z축 방향으로 빔(60)에 인가되는 하중에 따른 물리량을 측정할 수 있도록 X축 방향으로 설치된다.
본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)는, 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 하중에 따른 응력이 빔(60)의 길이 방향 즉 X축 방향으로 선형적으로 변하는 빔(60)에도 적용할 수 있다. 여기서 도 12는 도 11의 빔(60)에 작용하는 하중에 따른 X축 방향의 응력 분포를 보여주는 도면이다. 그리고 도 13는 도 11의 빔(60)에 작용하는 하중에 따른 X축 방향의 응력 분포를 보여주는 그래프이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 빔(60)은 왼쪽 끝단이 고정된 상태에서 오른쪽 끝에 Z축 방향으로 아래쪽으로 하중이 가해지면, 빔(60)의 상부 면은 왼쪽이 최대, 오른쪽이 최소로 선형적인 응력 분포를 갖는다. 도 13은 50Kg의 하중이 빔(60)에 작용할 때의 X축 방향의 응력 분포 그래프로서, 가로축은 빔(60)의 길이(mm)를 나타내고, 세로축은 빔에 작용하는 응력(N/m2)을 나타낸다.
스트레인 게이지(10)에는 응력 변화가 큰 응력변화 영역1(A)과, 응력변환 영역1(A) 보다 작은 응력변화 영역2(B)이 존재한다. 응력변화 영역1(A)에는 제1 및 제4 저항 패턴(31,34)이 위치한다. 응력변화 영역2(B)에는 제2 및 제3 저항 패턴(32,33)이 위치한다.
도 14 및 도 15는 도 11의 빔(60)에 하중이 인가되기 전후의 스트레인 게이지(10)의 저항 변화를 보여주는 등가 회로도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 제1 및 제3 저항 패턴(31,33)은 Z축 방향으로 작용하는 하중에 따라 X축 방향으로 발생하는 인장력에 의해 저항이 증가한다. 이때 제1 저항 패턴(31)의 저항 증가분을 DRa라 하고, 제3 저항 패턴의 저항 증가분을 DRb라고 할 때, 제1 저항 패턴(31)이 제3 저항 패턴(33)에 비해서 응력변화가 큰 영역에 위치하기 때문에, DRa는 DRb 보다 큰 값을 갖는다.
반대로 제2 및 제4 저항 패턴(32,34)은 Z축 방향으로 작용하는 하중에 따라 X축 방향으로 발생하는 인장력에 의해 저항이 감소한다. 이때 제4 저항 패턴(34)의 저항 감소분을 -DRa라 하고, 제2 저항 패턴(32)의 저항 감가분을 -DRb라고 할 때, 제4 저항 패턴(34)이 제2 저항 패턴(32)에 비해서 응력변화가 큰 영역에 위치하기 때문에, DRa는 DRb 보다 큰 값을 갖는다.
이와 같이 길이 방향에 따라 선형적으로 응력변화가 있는 빔(60)에도 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)를 사용하면, 대각선 방향의 저항 변화는 자동적으로 비슷한 크기로 발생되기 때문에, 스트레인 게이지(10)의 풀-브릿지 회로가 작동하게 되어 응력변화가 균일하지 않은 곳에서도 본 실시예에 따른 스트레인 게이지(10)를 설치하여 하중을 측정할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 스트레인 게이지
20 : 글래스 프릿
31 : 제1 저항 패턴
32 : 제2 저항 패턴
33 : 제3 저항 패턴
34 : 제4 저항 패턴
35 : 수평 패턴
36 : 수직 연결 패턴
37 : 수직 패턴
38 : 수평 연결 패턴
41 : 제1 접속 패드
42 : 제2 접속 패드
43 : 제3 접속 패드
44 : 제4 접속 패드
50 : 다이아프램 구조체
51 : 하부 베이스
53 : 관통 구멍
55 : 원통 다이아프램
57 : 상부 베이스
60 : 빔
100, 200 : 센서

Claims (12)

  1. 다이아프램에 부착되어 상기 다이아프램의 변형량의 크기를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 스트레인 게이지로서,
    일축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 증가하는 제1 및 제3 저항 패턴과, 상기 일축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 감소하는 제2 및 제4 저항 패턴을 포함하고, 제1 내지 제4 저항 패턴이 2행2렬로 배치되되 제1 및 제3 저항 패턴과 제2 및 제4 저항 패턴이 서로 대각선으로 배치되는 4개의 저항 패턴; 및
    상기 제1 내지 제4 저항 패턴을 연결하여 풀-브릿지를 형성하는 4개의 접속 패드;
    를 포함하는 스트레인 게이지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 4개의 저항 패턴은,
    상기 제1 저항 패턴 아래에 상기 제2 저항 패턴이 배치되고, 상기 제2 저항 패턴 옆에 상기 제3 저항 패턴이 배치되고, 상기 제3 저항 패턴의 상부에 상기 제4 저항 패턴이 배치되고, 상기 제4 저항 패턴 옆에 상기 제1 저항 패턴이 배치되는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 저항 패턴은 일축 방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 수평 패턴을 포함하고,
    상기 제2 및 제3 저항 패턴은 일축 방향에 수직 방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 수직 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 저항 패턴은 일축 방향으로 뻗어 있는 복수의 수평 패턴을 포함하고 상기 복수의 수평 패턴은 수직 연결 패턴을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있고,
    상기 제2 및 제3 저항 패턴은 일축 방향에 수직 방향으로 뻗어 있는 복수의 수직 패턴을 포함하고 상기 복수의 수직 패턴은 수평 연결 패턴을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지.
  5. 제3항에 있어서, 상기 4개의 접속 패드는,
    일축 방향으로 상부에 위치하는 상기 제1 및 제4 저항 패턴을 연결하는 제1 접속 패드;
    상하로 위치하는 상기 제1 및 제2 저항 패턴 사이를 연결하는 제2 접속 패드;
    일축 방향으로 하부에 위치하는 상기 제2 및 제3 저항 패턴을 연결하는 제3 접속 패드; 및
    상하로 위치하는 상기 제3 및 제4 저항 패턴 사이를 연결하는 제4 접속 패드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 접속 패드에 (+)전압이 인가되고, 상기 제3 접속 패드에 (-)전압이 인가되고, 상기 제2 및 제4 접속 패드로 출력이 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지.
  7. 제6항에 있어서,
    일축 방향으로 적어도 한 쪽에 인장력이 작용하면, 상기 제1 및 제3 저항 패턴의 저항은 증가하고, 상기 제2 및 제4 저항 패턴의 저항은 감소하고,
    대각선에 위치하는 상기 제1 및 제3 저항 패턴의 저항 증가분과 상기 제2 및 제3 저항 패턴의 저항 감소분은 동일하거나 비슷한 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지.
  8. 스트레인 게이지가 부착되는 다이아프램 구조체로서,
    압력이 인가되는 관통 구멍이 형성된 하부 베이스;
    상기 하부 베이스의 관통 구멍에 연통되며 일정 높이의 원통으로 형성되며, 상기 하부 베이스의 관통 구멍으로 인가되는 압력에 의해 상기 원통의 축 방향으로 길이가 탄성적으로 변형되며, 외주면에 스트레인 게이지가 부착되는 원통 다이아프램; 및
    상기 원통 다이아프램의 상부를 덮으며, 상기 관통 구멍으로 인가되는 압력을 상기 원통 다이아프램의 내주면으로 작용하도록 하는 상부 베이스;
    를 포함하는 다이아프램 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원통 다이아프램은 인가되는 압력에 의해 원통의 축 방향으로 인장력이 작용할 수 있도록 직경이 높이보다 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 다이아프램 구조체.
  10. 원통 다이아프램을 포함하는 다이아프램 구조체; 및
    상기 원통 다이아프램에 부착되어 상기 원통 다이아프램의 변형량의 크기를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 스트레인 게이지;를 포함하고,
    상기 다이아프램 구조체는,
    압력이 인가되는 관통 구멍이 형성된 하부 베이스;
    상기 하부 베이스의 관통 구멍에 연통되며 일정 높이의 원통으로 형성되며, 외주면에 상기 스트레인 게이지가 부착되는 상기 원통 다이아프램; 및
    상기 원통 다이아프램의 상부를 덮으며, 상기 관통 구멍으로 인가되는 압력을 상기 원통 다이아프램의 내주면으로 작용하도록 하는 상부 베이스;를 포함하고,
    상기 스트레인 게이지는,
    상기 원통 다이아프램의 축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 증가하는 제1 및 제3 저항 패턴과, 상기 원통 다이아프램의 축 방향으로 작용하는 인장력에 비례해서 저항이 감소하는 제2 및 제4 저항 패턴을 포함하고, 제1 내지 제4 저항 패턴이 2행2렬로 배치되되 제1 및 제3 저항 패턴과 제2 및 제4 저항 패턴이 서로 대각선으로 배치되는 4개의 저항 패턴; 및
    상기 제1 내지 제4 저항 패턴을 연결하여 풀-브릿지를 형성하는 4개의 접속 패드;
    를 포함하는 스트레인 게이지를 기반으로 하는 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 원통 다이아프램은 인가되는 압력에 의해 원통의 축 방향으로 인장력이 작용할 수 있도록 직경이 높이보다 1.5배 이상이고,
    상기 제1 및 제3 저항 패턴은 1축 방향으로 뻗어 있는 복수의 직선 패턴을 포함하고 상기 복수의 직선 패턴은 수평 연결 패턴을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있고,
    상기 제2 및 제3 저항 패턴은 1축 방향에 수직 방향으로 뻗어 있는 복수의 수평 패턴을 포함하고 상기 복수의 수평 패턴은 수직 연결 패턴을 매개로 하나의 라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지를 기반으로 하는 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 센서는 압력센서, 로드 셀(load cell), 가속도센서, 각속도센서 및 유량센서로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지를 기반으로 하는 센서.
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