KR102398725B1 - 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈 및 이를 적용한 로드셀 - Google Patents

반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈 및 이를 적용한 로드셀 Download PDF

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Abstract

이 발명의 스트레인 게이지 모듈(100)은 베이스 시트(110)와, 베이스 시트(110)의 일부 영역의 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지(120), 및 베이스 시트(110)의 다른 영역의 표면에 접착되고 스트레인 게이지(120)에 접속되어 적어도 스트레인 게이지(120)를 구동하는 기능과 스트레인 게이지(120)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 판독 집적회로(132) 등을 갖는 회로기판(130)을 포함하여 구성된다.

Description

반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈 및 이를 적용한 로드셀{Semiconductor full bridge strain gauge module and load cell using the same}
이 발명은 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지와 회로기판을 일체화된 모듈 형태로 구현함으로써 대량생산이 가능하고 다양한 분야에 손쉽게 부착하여 이용할 수 있는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 적용한 로드셀에 관한 것이기도 하다.
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.
그 일례로서, 일본 공개특허 제1993-141907호에는 충분한 양산화를 도모할 수 있으며, 대폭적인 비용 저하를 도모할 수 있는 왜곡 센서 및 그 제조방법과 그 왜곡 센서를 사용한 로드셀 저울에 대해 공개되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이 공개기술은 스트레인 게이지 회로패턴(1)이 형성된 금속 탄성체 기판(2)을, 그 기판(2)과 동일한 열팽창계수를 갖는 로버벌 구조의 빔체(3)의 변형부위에 스트레인 게이지가 위치하도록 접착제로 접착하여 구성한 것으로서, 빔체(3)는 중앙 측면에 2개의 구멍(4, 5)을 연통구(6)를 통해 연결하는 형태와, 변형부위를 형성하는 박육의 기왜부(7, 8, 9, 10)를 가지며, 스트레인 게이지 회로패턴(1)은 4개의 스트레인 게이지 패턴(1a), 온도보상 저항 패턴(1b), 및 리드배선 패턴(1c)을 갖도록 구성되어 있다.
즉, 이 공개기술은 4곳의 기왜부(7, 8, 9, 10) 중에서 2곳의 기왜부(7, 8)의 표면에 2개의 스트레인 게이지 패턴(1a)을 각각 배치하여 2개의 스트레인 게이지 패턴(1a)에 의한 하프 브리지(Half bridge) 저항방식을 이용해 응력을 감지하도록 구성되어 있다. 도 2에서 Ｖe1，Ｖe2，Ｖo1，Ｖo2는 리드전극을 각각 나타낸다.
다른 일례로서, 일본 공개특허 제1995-239283호에는 스트레인 게이지와 검사용 스트레인 게이지에 동시에 고장이 발생하지 않도록 하는 로드셀에 대해 공개되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이 공개기술의 로드셀은 로버벌 기왜탄성체(12)를 구비하되, 로버벌 기왜탄성체(12)에는 기왜부(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)가 형성되어 있고, 기왜부(12a 내지 12d)에는 저항선식 또는 반도체식 스트레인 게이지(14a, 14b, 14c, 14d)가 각각 부착되어 있고, 다른 기왜부(12e)의 양쪽에는 저항선식 또는 반도체식 스트레인 게이지(16a, 16b, 16c, 16d)가 각각 부착되는 구성관계를 갖는다.
즉, 이 공개기술은 4곳의 기왜부(12a, 12b, 12c, 12d)의 표면에 각자의 반도체식 스트레인 게이지(14a 내지 14d)를 부착하여 4곳의 스트레인 게이지(14a 내지 14d) 각자의 개별 저항 4개를 이용해 응력을 감지하도록 구성되어 있다.
상기와 같이 종래의 스트레인 게이지는 1개의 저항을 갖는 개별 저항이나 2개의 저항을 갖는 하프 브리지(Half bridge) 저항방식을 가지며, 이들을 로드셀의 표면에 부착하여 응력을 감지하도록 구성되어 있다. 그로 인해, 종래의 스트레인 게이지는 그 구성관계가 복잡할 뿐만 아니라 제품에 적용하는데 어려움이 있고, 이를 적용하는 로드셀의 경우에는 저항을 한군데에 모을 수 없는 구조, 즉 아령 형태(로버벌 구조)로 응력 민감부(기왜부)가 적어도 2군데 이상 나눠져 있는 구조를 가져야만 함에 따라 로드셀의 크기가 커지는 문제점 등이 있다. 따라서, 새로운 개념이면서 편리하게 대량생산이 가능한 스트레인 게이지의 개발이 필요한 실정이다.
일본 공개특허 제1993-141907호 일본 공개특허 제1995-239283호
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 반도체 제조공정을 이용해 베이스 시트의 표면에 다수개의 스트레인 게이지와 회로기판을 각각 접착하고, 또한 서로 간에 접속하여 변형을 측정할 수 있는 다수개의 스트레인 게이지 모듈을 제작한 후, 각 스트레인 게이지 모듈을 각각 절단하는 편리한 방법으로 스트레인 게이지 모듈의 대량 생산이 가능한 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 스트레인 게이지와 회로기판을 개별적으로 변형을 측정하고자 하는 적용 제품에 부착하지 않고, 베이스 시트를 이용한 일체화된 모듈 형태로 적용 제품에 보다 편리하게 부착할 수 있으므로, 다양한 종류의 로드셀을 비롯한 다양한 제품, 기구 및/또는 장치에 적용이 가능한 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈은, 베이스 시트(Base sheet)와, 상기 베이스 시트의 일부 영역의 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지, 및 상기 베이스 시트의 다른 영역의 표면에 접착되고 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지에 접속되어 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 집적회로를 구비한 회로기판을 포함하며, 상기 베이스 시트는 반도체 제조공정에 적용 가능하고, 변형 측정을 필요로 하는 적용 제품에 부착하여 사용 가능한 소재로 구성되고, 상기 반도체형 풀 브리지 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 베이스 시트는 비정질 금속시트(Amorphous metal sheet)인 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 회로기판은 상기 베이스 시트의 대부분의 상부 영역을 덮는 형태로 접착되는 것으로서, 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지가 통과하여 상기 베이스 시트에 접착될 수 있을 정도의 너비의 홀을 일측 영역에 갖는 것이 바람직하다.
또한, 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 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지가 위치하도록 상기 바디에 부착되는 상기와 같은 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 반도체 제조공정을 이용해 베이스 시트의 표면에 다수개의 스트레인 게이지와 회로기판을 각각 접착하고, 또한 서로 간에 접속하여 변형을 측정할 수 있는 다수개의 스트레인 게이지 모듈을 제작한 후, 각 스트레인 게이지 모듈을 각각 절단하는 편리한 방법으로 스트레인 게이지 모듈의 대량 생산이 가능하다.
또한, 이 발명은 스트레인 게이지와 회로기판을 개별적으로 변형을 측정하고자 하는 적용 제품에 부착하지 않고, 베이스 시트를 이용한 일체화된 모듈 형태로 적용 제품에 보다 편리하게 부착할 수 있으므로, 다양한 종류의 로드셀을 비롯한 다양한 제품, 기구 및/또는 장치에 적용이 가능하다.
또한, 이 발명은 초소형인 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 이용함에 따라, 소형화가 가능하고, 감도 및 히스테리 특성이 우수할 뿐만 아니라, 구동을 위한 회로가 간단하다는 장점이 있다. 즉, 이 발명은 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지를 적용함으로써, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 로드셀의 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 탄성체 기판의 평면도이고,
도 3은 다른 종래기술에 따른 로드셀의 측면도이고,
도 4 및 도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈의 평면도 및 측면도이고,
도 6 및 도 7은 도 4에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도 및 실물 사진이고,
도 8은 도 6에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지와 회로기판 간의 연결상태를 촬영한 실물 사진이며,
도 9는 도 4에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 적용한 로드셀의 일례를 도시한 측면도이다.
이하, 이 발명에 따른 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈 및 이를 적용한 로드셀의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 4 및 도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈의 평면도 및 측면도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 모듈(100)은 베이스 시트(110)(Base sheet)와, 베이스 시트(110)의 일부 영역의 표면에 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지(120)(이하, "스트레인 게이지"라고도 함), 및 베이스 시트(110)의 다른 영역의 표면에 접착되고 스트레인 게이지(120)에 접속되어 적어도 스트레인 게이지(120)를 구동하는 기능과 스트레인 게이지(120)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 판독 집적회로(132) 등을 갖는 회로기판(130)을 포함하여 구성된다.
상기 베이스 시트(110)는 반도체 제조공정을 통해 스트레인 게이지(120)와 회로기판(130)을 일체화한 형태로 대량으로 생산하기 위한 용도이다. 즉, 반도체 제조공정을 이용해 베이스 시트(110)의 표면에 다수개의 스트레인 게이지(120)와 회로기판(130)을 각각 접착하고, 또한 서로 간에 접속하여 변형을 측정할 수 있는 다수개의 스트레인 게이지 모듈(100)을 제작한 후, 각 스트레인 게이지 모듈(100)을 각각 절단하는 편리한 방법으로 스트레인 게이지 모듈(100)의 대량 생산이 가능하다.
또한, 베이스 시트(110)는 스트레인 게이지(120)와 회로기판(130)을 개별적으로 변형을 측정하고자 하는 적용 제품에 부착하지 않고 일체화된 모듈 형태로 적용 제품에 보다 편리하게 부착하기 위한 용도이다. 더 나아가, 베이스 시트(110)를 이용한 일체화된 모듈 형태로 구성함으로써, 후술할 적용 제품 중의 하나인 다양한 종류의 로드셀에 편리하게 부착해 사용할 수가 있다.
따라서, 베이스 시트(110)는 반도체 제조공정에 적용 가능하고, 로드셀 등의 적용 제품에 부착하여 사용할 수 있으며, 일정 탄성력을 갖는 박막의 금속 또는 금속 합금 소재를 이용하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 금속은 상온에서 결정구조를 가진 미세결정의 집합체(다결정체)로 되어 있으며, 이러한 결정 금속들을 가열하여 액체상태로 만든 후 105 ~ 106 K/sec 이상의 빠른 냉각속도로 급냉하여 고체화시키면 원자들이 규칙적으로 배열되지 못하고 무질서한 상태의 비정질 금속 또는 비정질 금속 합금이 형성된다.
이러한 비정질 금속('합금' 포함)은 결정질 금속과는 다른 새로운 원자 배열을 가지고 있기 때문에, 결정질 금속에서는 얻어질 수 없는 다양하고 우수한 특성들, 예를 들면, 높은 강도와 넓은 탄성한계 영역, 뛰어난 부식 특성, 전자기적 특성, 그리고 독특한 화학적 성질들을 나타낸다. 한편, 비정질 금속은 그 제품의 일예로서 멜트 스피닝법(Melt spinning)에 의해 제조되는 비정질 금속 포일(foil)이 개발되어 사용되고 있으며, 그 두께가 대략 60㎛ 정도로 매우 얇다.
따라서, 이 실시예의 베이스 시트(110)로는 상기와 같은 특성을 갖는 비정질 금속시트(Amorphous metal sheet)를 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
이 실시예의 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 스트레인 게이지(120)는 베이스 시트(110)의 표면에 접착되어 베이스 시트(110)가 부착되는 적용 제품(예, 로드셀의 바디)이 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때, 스트레인 게이지(120)는 접착부재를 사용하여 베이스 시트(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, 스트레인 게이지(120)와 베이스 시트(110) 간의 접착강도가 우수하고, 스트레인 게이지(120)와 글래스 프릿 간의 낮은 열팽창 계수의 차이로 인해 스트레인 게이지(120)가 베이스 시트(110)로부터 박리되는 현상을 예방할 수가 있다. 또한, 글래스 프릿과 같은 고강도 접합재를 통한 하드한 접착방식으로 인해 고온, 고습 환경에서도 신뢰성이 우수하다.
한편, 스트레인 게이지(120)는 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 6 및 도 7은 도 4에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도 및 실물 사진이고, 도 8은 도 6에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지와 회로기판 간의 연결상태를 촬영한 실물 사진이다. 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지(120)는 실리콘 기판 또는 SOI(Silicon on Insulator) 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, 스트레인 게이지(120)는 메탈을 포함하여 전도성 와이어(131)와의 접속을 위한 패드 등이 될 수 있도록 한다. 도 6 및 도 7에 도시된 스트레인 게이지(120)는 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 스트레인 게이지가 이 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 이 발명은 하나의 작은 영역에 브리지 저항을 모두 갖는 풀 브리지(Full bridge) 저항의 스트레인 게이지(120)를 이용함에 따라, 구성이 단순화지고 제품에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 회로기판(130)은 베이스 시트(110)의 다른 영역의 표면에 접착되고 스트레인 게이지(120)에 접속되어 스트레인 게이지(120)의 구동기능과 센싱신호의 증폭기능 등을 위한 판독 집적회로(132)(ROIC : Readout integrated circuits) 등을 갖는 것으로서, 연성 회로기판(130)(Flexible PCB)으로 구성되어 완충부재를 통해 베이스 시트(110)에 부착되되, 베이스 시트(110)의 변형을 방해하지 않도록 부착된다. 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 회로기판(130)은 일측 영역에 스트레인 게이지(120)가 통과할 수 있을 정도로 넓은 사각형의 홀(133)을 갖도록 구성된다.
따라서, 회로기판(130)이 베이스 시트(110)의 대부분의 상부 영역을 덮는 형태로 부착되고, 스트레인 게이지(120)는 회로기판(130)의 일측 영역에 형성되는 사각형의 홀(133)에 노출되는 베이스 시트(110)의 일부 영역에 부착된다.
한편, 스트레인 게이지(120)는 베이스 시트(110)가 부착된 적용 제품의 변형에 따라 함께 변형되도록 글래스 프릿에 의해 베이스 시트(110)에 하드하게(견고하게, 딱딱하게) 접착되는 반면에, 회로기판(130)은 적용 제품의 변형에 의해 영향을 받지 않고 또한 적용 제품의 변형을 방해하지 않도록 완충부재를 통해 베이스 시트(110)에 소프트하게 접착된다. 예를 들어, 완충 부재로는 실리콘 고무를 이용할 수 있다.
도 9는 도 4에 도시된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 적용한 로드셀의 일례를 도시한 측면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 로드셀은 두께 변화가 발생함과 더불어 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 한 곳의 응력 민감부(210)를 갖는 바디(200)와, 한 곳의 응력 민감부(210)가 위치하는 표면에 상기와 같은 스트레인 게이지(120)가 위치하도록 바디(200)에 부착되는 스트레인 게이지 모듈(100)을 포함하여 구성된다. 여기서, 응력 민감부(210)는 일반적인 로드셀의 바디에서와 같이 두께 변화가 발생함과 더불어 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 부분을 의미한다.
이 실시예의 로드셀은 상기와 같은 스트레인 게이지 모듈(100)을 이용해 응력을 감지함에 따라, 바디(200)에 상기와 같은 한 곳의 응력 민감부(210)를 갖도록 구성하면 된다. 즉, 이 실시예의 로드셀은 저항을 한군데에 모을 수 있는 구조를 가짐에 따라 종래와 같이 아령 형태(로버벌 구조)로 응력 민감부가 적어도 2군데 이상 나눠져 있는 구조를 가짐으로 인해 로드셀의 크기가 커지는 문제점을 해결할 수가 있다.
이 실시예의 로드셀은 누르거나 당기는 힘을 측정하는 빔형 로드셀, 당기는 힘을 측정하는 S자형 로드셀 등 다양한 모델 및/또는 형태로 구현이 가능하다. 즉, 이 실시예의 로드셀은 베이스 시트(110)를 이용한 일체화된 모듈 형태로 구성한 스트레인 게이지 모듈(100)을 편리하게 부착해 적용할 수 있으므로, 다양한 모델 및/또는 형태로 구현이 가능하다. 이때, 스트레인 게이지 모듈(100)을 로드셀의 표면에 부착 고정함에 있어서는, 종래의 필름형 스트레인 게이지를 로드셀의 표면에 부착하는 접착제 및 접착방식을 이용하면 된다.
한편, 이 실시예의 스트레인 게이지 모듈(100)은 상기와 같은 로드셀 이외에 변형 측정이 필요한 다양한 제품, 기구 및/또는 장치 등에 적용이 가능하다. 즉, 스트레인 게이지 모듈(100)을 부착할 수 있는 여건만 충족되면 모두 적용이 가능하다.
아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 적용한 로드셀의 작동관계에 대해 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 바디(200)의 일측에 하중이 가해지면, 바디(200)에는 인장, 수축, 뒤틀림 또는 휨이 발생하고, 이에 따라 스트레인 게이지(120)의 압저항체(R1, R2, R3, R4)에 저항값의 변화를 야기한다. 이러한 압저항체의 저항값 변화를 회로기판(130)의 판독 집적회로(132)가 센싱하게 된다. 그리고, 판독 집적회로(132)는 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.
상술한 바와 같이 이 발명은 반도체 제조공정을 이용해 베이스 시트(110)의 표면에 다수개의 스트레인 게이지(120)와 회로기판(130)을 각각 접착하고, 또한 서로 간에 접속하여 변형을 측정할 수 있는 다수개의 스트레인 게이지 모듈(100)을 제작한 후, 각 스트레인 게이지 모듈(100)을 각각 절단하는 편리한 방법으로 스트레인 게이지 모듈(100)의 대량 생산이 가능하다.
또한, 이 발명은 스트레인 게이지(120)와 회로기판(130)을 개별적으로 변형을 측정하고자 하는 적용 제품에 부착하지 않고, 베이스 시트(110)를 이용한 일체화된 모듈 형태로 적용 제품에 보다 편리하게 부착할 수 있으므로, 다양한 종류의 로드셀을 비롯한 다양한 제품, 기구 및/또는 장치에 적용이 가능하다.
이상에서 이 발명의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈 및 이를 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 : 모듈 110 : 베이스 시트
120 : 스트레인 게이지 130 : 회로기판
131 : 전도성 와이어 132 : 판독 집적회로
133 : 홀 R1~R4 : 압저항체
200 : 바디 210 : 응력 민감부

Claims (4)

  1. 베이스 시트(Base sheet)와, 상기 베이스 시트의 일부 영역의 표면에 하드하게 접착되는 1개의 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지, 및 상기 베이스 시트의 다른 영역의 표면에 완충부재를 통해 소프트하게 접착되고 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지에 접속되어 스트레인 게이지를 구동하는 기능과 스트레인 게이지의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 집적회로를 구비한 회로기판을 포함하며,
    상기 베이스 시트는 반도체 제조공정에 적용 가능하고, 변형 측정을 필요로 하는 적용 제품에 부착하여 사용 가능한 소재로 구성되고,
    상기 반도체형 풀 브리지 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 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스 시트는 비정질 금속시트(Amorphous metal sheet)인 것을 특징으로 하는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 회로기판은 상기 베이스 시트의 상부 영역을 덮는 형태로 접착되는 것으로서, 상기 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지가 통과하여 상기 베이스 시트에 접착될 수 있을 정도의 너비의 홀을 일측 영역에 갖는 것을 특징으로 하는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈.
  4. 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 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지가 위치하도록 상기 바디에 부착되는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈을 적용한 로드셀.
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