KR20230163265A - 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 등에 설치되어 수소 등의 가스의 압력을 측정하는 압력 센서에 관한 것이다. 본 발명은, 몸체와 커버를 포함하며, 내부공간이 형성된 커넥터 하우징과; 상기 커넥터 하우징의 내부공간에 배치되며, 전자부품이 설치되고, 단자들이 형성된 기판과; 제1 면과, 이 제1 면과 마주보는 제2 면을 구비하며, 상기 제1 면과, 상기 제2 면을 관통하는 관통구멍이 형성되며, 상기 제1 면 측이 상기 커넥터 하우징에 결합하는 센서 모듈 하우징과; 상기 관통구멍에 채워진 압력전달용 유체와; 복수의 전도성 핀들이 설치된 핀 헤더와, 상기 핀 헤더의 일면에 결합하며 상기 압력전달용 유체에 의해서 전달된 압력에 따른 전기신호 및 온도에 따른 전기신호를 생성하도록 구성된 센서소자를 포함하며, 상기 전도성 핀들의 일단은 상기 센서소자의 단자들과 전기적으로 연결되고, 타단은 상기 기판의 단자들과 전기적으로 연결되며, 상기 센서소자가 상기 관통구멍의 내부에 상기 압력전달용 유체에 잠긴 상태로 배치되도록, 상기 센서 모듈 하우징에 설치되는 센서 모듈을 포함하는 압력 센서를 제공한다.

Description

압력 센서{Pressure Sensor}

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 등에 설치되어 수소 등의 가스의 압력을 측정하는 압력 센서에 관한 것이다.

압력 센서는 각종 차량, 반도체 공정에 사용되는 장비, 화학물질 제조 공정에 사용되는 장비 등에 흐르는 유체의 압력 측정에 사용된다. 예를 들어, 압력 센서는 차량의 흡기 다기관, 수소 연료 전지 차량의 수소저장용기 부근 및 수소이송 배관계 관, 스택 입구 부근 등에 설치되어 가스의 압력 측정에 사용된다.

종래의 차량용 압력센서에 관한 발명으로서, 한국공개특허 제10-2016-0133227호에는 상면에 커넥터가 구비되고 저면에 온도소자가 구비된 피씨비; 상기 피씨비가 인입될 수 있는 내부공간을 구비하되, 상기 내부공간의 측벽에는 상기 피씨비의 가장자리가 안착되는 안착턱이 마련되고, 바닥면에는 상기 온도소자의 저면과 면접촉을 이루는 써멀패드가 구비된 하우징케이스; 상기 하우징케이스의 상부를 덮도록 결합되며, 상기 하우징케이스와 결합되었을 때 상기 커넥터에 연결되도록 저면으로부터 돌출된 전극단자를 구비하는 하우징덮개; 및 내부에 압력전달재료가 주입되어 상기 하우징케이스의 저면에 결합되며, 상기 하우징케이스의 바닥을 상향 관통하도록 상향 연장되는 연장부와, 상기 연장부의 상단에 결합되어 와이어에 의해 상기 피씨비와 전기적으로 연결되는 압력소자를 구비하는 압력하우징을 포함하도록 구성된 차량용 압력센서가 개시되어 있다.

그런데 이러한 종래의 차량용 압력센서는 압력소자의 온도 보상을 위해 압력소자 온도를 측정해야 하는 온도소자가 유체로부터 멀리 떨어진 인쇄회로기판 위에 따로 설치되어 있어서 정확한 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 개선하기 위해서, 한국공개특허 제10-2016-0133227호에서는 온도소자와 하측 하우징 사이에 써멀 패드(thermal pad)를 배치하지만 이러한 구성만으로 압력소자의 온도를 정확하게 측정하기는 어렵다. 특히, 수소 스택의 압력을 측정하는 수소 압력 센서일 경우에는 유체의 온도가 매우 낮기 때문에 인쇄회로기판에 설치된 온도소자에서 측정된 온도와 유체에 내장되는 압력소자의 온도 사이의 차이가 더욱 클 수 있다. 이런 경우 적절한 온도 보상이 이루어지지 않아서 압력센서의 정확도가 떨어질 수 있다. 또한, 써멀 패드를 추가로 배치하는 공정이 추가되므로, 제조 원가 상승을 초래할 수도 있다.

또한, 압력하우징의 연장부에 고정된 압력소자의 단자와 하측하우징에 고정된 피씨비의 단자가 와이어에 의해서 전기적으로 연결되므로, 차량의 진동 및 압력하우징과 하측하우징의 열팽창 계수 차이에 의한 열변형에 의해서 와이어가 끊어질 수 있다는 문제가 있다.

또한, 압력소자가 하우징케이스의 연장부의 단부에 접착제를 이용하여 접착되기 때문에, 압력전달재료인 오일에 의해서 접착력이 떨어져 불량이 발생할 가능성이 크다는 문제도 있다. 연장부의 관통구멍에 오일을 채운 후에 연장부의 단부의 오일을 닦아내고 접착제를 도포하지만 오일이 완전히 제거되지 않아서 접착력이 떨어질 수 있다.

한국공개특허 제10-2016-0133227호 한국등록특허 제10-1919498호

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 정확한 온도 보상을 통한 정밀한 압력 측정이 가능한 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 내구성 및 조립성이 향상된 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 몸체와 커버를 포함하며, 내부공간이 형성된 커넥터 하우징과; 상기 커넥터 하우징의 내부공간에 배치되며, 전자부품이 설치되고, 단자들이 형성된 기판과; 제1 면과, 이 제1 면과 마주보는 제2 면을 구비하며, 상기 제1 면과, 상기 제2 면을 관통하는 관통구멍이 형성되며, 상기 제1 면 측이 상기 커넥터 하우징에 결합하는 센서 모듈 하우징과; 상기 관통구멍에 채워진 압력전달용 유체와; 복수의 전도성 핀들이 설치된 핀 헤더와, 상기 핀 헤더의 일면에 결합하며 상기 압력전달용 유체에 의해서 전달된 압력에 따른 전기신호 및 온도에 따른 전기신호를 생성하도록 구성된 센서소자를 포함하며, 상기 전도성 핀들의 일단은 상기 센서소자의 단자들과 전기적으로 연결되고, 타단은 상기 기판의 단자들과 전기적으로 연결되며, 상기 센서소자가 상기 관통구멍의 내부에 상기 압력전달용 유체에 잠긴 상태로 배치되도록, 상기 센서 모듈 하우징에 설치되는 센서 모듈을 포함하는 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 커넥터 하우징은 상기 몸체의 내면으로부터 상기 내부공간을 향해서 돌출된 한 쌍의 지지부들과, 일단은 상기 한 쌍의 지지부들 중 하나를 수직으로 통과하여 상기 몸체의 내부로 연장되고, 타단은 상기 몸체의 외부를 향해 연장되는 리드 프레임을 포함하며, 상기 기판은 상기 지지부들 위에 배치되며, 상기 리드 프레임의 상기 일단이 끼워지는 관통 홀이 형성된 압력 센서를 제공한다.

또한, 측정 대상 가스의 압력을 상기 압력전달용 유체에 전달하도록, 상기 센서 모듈 하우징의 제2 면에 결합하는 다이아프램을 포함하는 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 기판에는 상기 핀들이 통과할 수 있는 복수의 관통홀들이 형성되는 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 센서소자의 단자들과 상기 전도성 핀들의 일단은 와이어 본딩을 통해서 연결되며, 와이어 본딩에 사용된 와이어들은 상기 압력전달용 유체에 내장되는 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 센서소자는 절대압 센서소자인 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 기판은 상기 전자부품들이 설치된 면이 상기 센서 모듈 하우징을 향하도록 설치되는 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 다이아프램은 동심원의 물결무늬가 형성된 다이아프램인 압력 센서를 제공한다.

본 발명에 따른 압력 센서는 핀 헤더에 설치된 센서소자의 온도가 측정된다. 따라서 정확한 온도 보상을 통한 정밀한 압력 측정이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 센서소자로부터의 전기신호를 전도성 핀들을 이용하여 기판의 단자에 전달하므로 진동 및 각 부품의 열팽창 계수 차이에 의한 열변형에 의해서 와이어 본딩에 사용되는 와이어가 끊어지는 문제가 개선된다. 또한, 센서 모듈을 이용하여 센서소자를 센서 모듈 하우징에 설치하므로 조립성 및 내구성이 향상되며, 압력 변화 및 온도 변화에 즉각적으로 반응할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압력 센서의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압력 센서의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 압력 센서의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 센서 모듈의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압력 센서의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 압력 센서의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 압력 센서의 단면도이다.

도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압력센서(1)는 커넥터 하우징(100)과, 기판(150)과, 센서 모듈 하우징(200)과, 압력전달용 유체(250)와, 다이아프램(260)과, 센서 모듈(300)을 포함한다. 본 발명에 따른 압력센서(1)는 센서 모듈 하우징(200)이 가스가 흐르는 유로의 내부에 배치되도록 설치되어, 유로를 흐르는 가스의 압력을 측정할 수 있도록 구성된다.

커넥터 하우징(100)은 몸체(110)와 커버(120)를 포함한다. 커넥터 하우징(100)은 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 커버(120)는 몸체(110)에 끼워져 몸체(110)의 개방된 상단을 외부로부터 밀봉하는 역할을 한다. 몸체(110)의 내부에는 기판(150)이 걸쳐지도록 몸체(110) 안쪽으로 돌출된 한 쌍의 지지부(112)가 마주보도록 형성된다. 또한, 커버(120)가 끼워질 수 있는 오목 홈(114)이 몸체(110)의 둘레를 따라서 형성된다. 오목 홈(114)에는 커버(120)를 몸체(110)에 결합하기 위한 접착제가 도포될 수 있다.

기판(150)은 몸체(110)의 내부에 배치된다. 기판(150)은 지지부(112)에 의해서 지지된다. 기판(150)의 접착제를 이용하여 지지부(112)에 결합할 수 있다. 기판(150)은 배선회로가 상면과 하면 모두에 형성되고, 상면과 하면의 배선회로가 비아홀을 통해서 서로 연결된 양면 기판일 수 있다. 기판(15)에는 ASIC(159), 적층세라믹콘덴서와 같은 전자부품들이 설치되며, 단자들(154, 158)이 형성된다. 일부 단자들은 관통 홀(152, 156)의 둘레에 형성된다. 관통 홀(152, 156)의 내면에도 금속 층이 형성될 수 있다. 기판(15)은 전자부품들이 설치된 면이 센서 모듈 하우징(200)을 향하도록 설치된다.

몸체(110)의 좌측에는 외부 장치와의 결합을 위한 커넥터부(116)가 형성되어 있으며, 커넥터부(116)에는 리드 프레임(117)이 설치된다. 리드 프레임(117)의 일단은 몸체(110)의 내부로 연장되고, 타단은 몸체(110)의 외부를 향해 연장된다. 리드 프레임(117)의 몸체(110) 내부로 연장된 일단은 수직으로 굽어 기판(150)의 관통 홀(152)을 통과한다. 그리고 관통 홀(152)의 둘레에 형성된 단자(154)들과 납땜 등을 통해서 전기적으로 연결된다. ASIC(159)에서 처리된 센서소자(350)의 전기신호는 리드 프레임(117)을 통해서 이러한 전기신호를 처리할 수 있는 외부 장치에 전달된다.

리드 프레임(117)은 전기신호를 외부 장치에 전달하는 역할 뿐 아니라 기판(150)을 지지부(112)에 대해 정렬시켜, 복수의 전도성 핀(315)들이 기판(150)의 관통 홀(153)들에 쉽게 끼워지도록 도와주는 가이드 핀의 역할도 수행할 수 있다. 전도성 핀(315)들의 두께가 매우 얇기 때문에, 지지부(112)에서 돌출된 가이드 핀(리드 프레임(117))이 없다면, 전도성 핀(315)들을 기판(150)의 관통 홀(153)에 끼우는 것이 쉽지 않으며, 이 과정에서 전도성 핀(315)들이 휠 수도 있다.

또한, 몸체(110) 전방 측면에는 커넥터 하우징(100)을 차량 등에 고정하기 위한 부싱(119)이 설치된다. 부싱(119)은 몸체(110) 전방 측면에서 돌출된 돌출부(118)에 설치된다. 부싱(119)은 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다.

센서 모듈 하우징(200)은 대체로 원통형이다. 센서 모듈 하우징(200)은 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다. 센서 모듈 하우징(200)은 제1 면(211, 도면상 상면)과 제1 면(211)과 나란한 제2 면(213)을 구비한다. 센서 모듈 하우징(200)의 제1 면(211) 측 끝단에는 커넥터 하우징(100)의 몸체(110)의 하부와의 결합을 위해서 반경 방향 외측으로 돌출된 결합부(214)가 형성된다. 결합부(214)의 테두리에는 오목한 결합 홈(215)이 형성된다. 센서 모듈 하우징(200)이 커넥터 하우징(100)에 대해서 회전하는 것을 방지하기 위해서 결합부(214)에는 적어도 하나의 D 컷(216)이 형성된다. 센서 모듈 하우징(200)과 커넥터 하우징(100)은 인서트 사출성형 방법으로 결합할 수 있다. 커넥터 하우징(100)이 사출성형 될 때 커넥터 하우징(100)의 바닥면(115)이 센서 모듈 하우징(200)의 결합부(214)의 결합 홈(215)의 안쪽까지 채워져 결합 홈(215)과 커넥터 하우징(100)의 바닥면(115)이 맞물리면서 커넥터 하우징(100)과 센서 모듈 하우징(200)이 결합한다.

또한, 센서 모듈 하우징(200)에는 센서 모듈 하우징(200)이 유로에 설치될 때 센서 모듈 하우징(200)과 유로 사이의 밀봉을 위한 오링(220)이 설치되는 오목홈(217)도 형성된다.

센서 모듈 하우징(200)의 중심에는 제1 면(211)과 제2 면(213)을 관통하는 관통구멍이 형성된다. 관통구멍(230)은 센서 모듈(300)이 수용되도록 폭이 넓은 수용부(232)와, 이 수용부(232)의 중심으로부터 길게 연장된 연장부(234)를 포함한다. 수용부(232)는 제1 면(211) 측에 형성된다.

압력전달용 유체(250)는 센서 모듈 하우징(200)에 형성된 관통구멍(230)을 채운다. 압력전달용 유체(250)는, 예를 들어, 실리콘 오일일 수 있다.

다이아프램(260)은 측정 대상 가스의 압력을 압력전달용 유체(250)에 전달하는 역할을 한다. 다이아프램(260)은 동심원의 물결무늬가 형성된 다이아프램(260)을 사용하는 것이 바람직하다. 다이아프램(260)은 스테인리스 스틸, 티타늄 등으로 이루어질 수 있다. 다이아프램(260)은 센서 모듈 하우징(200)의 제2 면(213)에 결합한다. 다이아프램(260)은 다이아프램(260)을 센서 모듈 하우징(200)의 제2 면(213)에 밀착시킨 후에 다이아프램(260)의 에지 부분을 사이에 두고 결합 링(270)을 제2 면(213)에 용접 등의 방법으로 결합하는 방법으로 센서 모듈 하우징(200)의 제2 면(213)에 고정할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 센서 모듈의 사시도이다. 도 4에서는 도 2와 반대로 센서소자(350)가 위를 향하도록 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 센서 모듈(300)는 핀 헤더(310)와, 센서소자(350)를 포함한다.

핀 헤더(310)는 대체로 원판형의 베이스(311)와 베이스(311)를 관통하는 복수의 전도성 핀(315)들을 포함한다. 베이스(311)와 전도성 핀(315)들은 전기적으로 절연되어 있다. 절연성 소재로 베이스(311)를 제조하거나, 전도성 핀(315)들과 베이스(311) 사이에 절연성 소재로 이루어진 절연층을 형성하는 방법으로 베이스(311)와 전도성 핀(315)들은 전기적으로 절연시킬 수 있다.

센서소자(350)는 핀 헤더(310)의 베이스(311)의 일면에 결합한다. 센서소자(350)는 납땜을 통해서 핀 헤더(310)의 베이스(311)에 결합할 수 있다. 센서소자(350)의 단자들은 전도성 핀(315)들의 일단부와 와이어 본딩을 통해서 결합한다.

센서 모듈(300)의 일부는 센서 모듈 하우징(200)의 관통구멍(230)의 수용부(232) 내부에 배치된다. 센서 모듈(300)은 센서소자(350)가 다이아프램(260)을 향하도록 센서 모듈 하우징(200)의 제1 면(211) 측에 설치된다. 센서소자(350)는 수용부(232)의 내부에 배치된다. 다이아프램(260)에 전달된 가스의 압력은 압력전달용 유체(250)를 통해서 센서소자(350)에 전달된다.

센서소자(350)는 전달된 유체의 압력 및 온도에 따른 전기신호를 생성한다. 센서소자(350)는 압저항형 압력센서소자와 온도소자를 구비할 수 있다. 예를 들어, 센서소자(350)는 온도센서가 내장된 MEMS형 압력센서소자일 수 있다.

압력센서소자는 절대압 센서소자일 수 있다. 센서소자(350)에서 생성된 전기신호는 와이어(316, 317)들을 통해서 전도성 핀(315)들에 전해진다. 압력에 관한 전기신호들은 4개의 센서소자 모서리 측 와이어(316)들을 통해서 전도성 핀(315)들에 전달되며, 온도에 관한 전기신호는 나머지 하나의 와이어(317)를 통해서 전도성 핀(315)에 전달된다.

그리고 전도성 핀(315)들과 연결된 기판(150)의 단자(158) 및 배선을 통해서 ASIC(159)에 전달된다.

ASIC(159)은 센서소자(350)로부터의 전기신호들을 처리한다. 예를 들어, ASIC(159)은 센서소자(350)로부터의 전기신호들을 이용하여, 온도 보상이 적용된 압력 값을 얻을 수 있다. 처리된 전기신호는 다시 기판(150)의 단자(158) 및 배선을 통해서 리드 프레임(117)에 전달된다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

1: 압력센서
100: 커넥터 하우징
150: 기판
200: 센서 모듈 하우징
230: 관통구멍
250: 압력전달용 유체
260: 다이아프램
300: 센서 모듈
310: 핀 헤더
350: 센서소자

Claims (8)

1. 몸체와 커버를 포함하며, 내부공간이 형성된 커넥터 하우징과,
   상기 커넥터 하우징의 내부공간에 배치되며, 전자부품이 설치되고, 단자들이 형성된 기판과,
   제1 면과, 이 제1 면과 마주보는 제2 면을 구비하며, 상기 제1 면과, 상기 제2 면을 관통하는 관통구멍이 형성되며, 상기 제1 면 측이 상기 커넥터 하우징에 결합하는 센서 모듈 하우징과,
   상기 관통구멍에 채워진 압력전달용 유체와,
   복수의 전도성 핀들이 설치된 핀 헤더와, 상기 핀 헤더의 일면에 결합하며 상기 압력전달용 유체에 의해서 전달된 압력에 따른 전기신호 및 온도에 따른 전기신호를 생성하도록 구성된 센서소자를 포함하며, 상기 전도성 핀들의 일단은 상기 센서소자의 단자들과 전기적으로 연결되고, 타단은 상기 기판의 단자들과 전기적으로 연결되며, 상기 센서소자가 상기 관통구멍의 내부에 상기 압력전달용 유체에 잠긴 상태로 배치되도록, 상기 센서 모듈 하우징에 설치되는 센서 모듈을 포함하는 압력 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 커넥터 하우징은 상기 몸체의 내면으로부터 상기 내부공간을 향해서 돌출된 한 쌍의 지지부들과,
   일단은 상기 한 쌍의 지지부들 중 하나를 수직으로 통과하여 상기 몸체의 내부로 연장되고, 타단은 상기 몸체의 외부를 향해 연장되는 리드 프레임을 포함하며,
   상기 기판은 상기 지지부들 위에 배치되며, 상기 리드 프레임의 상기 일단이 끼워지는 관통 홀이 형성된 압력 센서.
3. 제1항에 있어서,
   측정 대상 가스의 압력을 상기 압력전달용 유체에 전달하도록, 상기 센서 모듈 하우징의 제2 면에 결합하는 다이아프램을 포함하는 압력 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 기판에는 상기 핀들이 통과할 수 있는 복수의 관통홀들이 형성되는 압력 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 센서소자의 단자들과 상기 전도성 핀들의 일단은 와이어 본딩을 통해서 연결되며, 와이어 본딩에 사용된 와이어들은 상기 압력전달용 유체에 내장되는 압력 센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 센서소자는 절대압 센서소자인 압력 센서.
7. 제1항에 있어서,
   상기 기판은 상기 전자부품들이 설치된 면이 상기 센서 모듈 하우징을 향하도록 설치되는 압력 센서.
8. 제3항에 있어서,
   상기 다이아프램은 동심원의 물결무늬가 형성된 다이아프램인 압력 센서.