압력 계측기기 - 압력센서 (pressure sensor)

 

 

압력을 이용한 유량계나 기타 시스템적인 구성으로 제시된 압력에 의해 반응하는 것을 압력센서(Pressure sensor) 라고 한다. 여기엔 대기압의 압력을 측정하는 ‘압력계’와 대기압 보다 낮은 압력을 측정하는 ‘진공계’를 포함한다. 현재 실생활에서부터 공업용으로 수많이 사용되고 있으며, 특히 건물마다 있는 소방시설의 압력유지장치, 급수장치, 냉동기 , 기타 산업현장의 수많은 응용이 있다. 이번 주제에서는 이러한 압력센서에 대해 자세히 다뤄보도록 하겠다.

압력과 압력센서의 기초

압력 (壓力 , Pressure) 이란?

두 개의 물체가 접촉면 또는 물체 사이의 두부분의 양측에서 서로 미는 힘을 말한다. 일반적으로 이것은 단위 면적당 작용하는 힘의 정도로 나타나게 된다.

기체의 압력과 부피와의 관계는 보일의 법칙으로 설명할 수 있으며 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다. 즉, 기체의 압력이 증가하면 기체의 부피는 감소하고 부피가 줄어들면 단위 면적당 기체의 충돌횟수가 증가하여 압력이 커진다.

CGS단위계로는 dyn/cm2, MKS단위계로는 N/m2(=Pa:파스칼)이 쓰이는데, 기상학에서는 hPa(헥토파스칼)·bar(바)·mbar(밀리바), 공업상으로는 atm 또는 kgW/cm2가 주로 쓰인다. 액주(液柱)가 밑면에 미치는 압력은 액체의 밀도와 액주의 높이의 곱이 되므로, 액체를 지정(수은·물·알코올 등)해서 액주의 높이로 압력의 크기를 나타내는 mHg(수은주 미터)·mmHg(수은주 밀리미터)의 단위로 표시하기도 한다.

압력센서 (Pressure Sensor)란?

기체, 액체, 고체 등 모든 물질간에 작용하는 ※역학적(力學的)에너지를 검출하기 위한 센서의 총칭이다. 여기엔 대기압의 압력을 측정하는 ‘압력계’와 대기압 보다 낮은 압력을 측정하는 ‘진공계’를 포함한다.

'센서'란 '감지기'이다. 출력 신호의 방식에 따라 2가지로 나눌수가 있다. 스위치 신호를 내는 것은 압력의 경우 '압력 스위치'라고 부른다. 압력센서라고 하면, 대개는 압력의 정도를 전기신호로 만들어주는 것을 말한다. 전기신호는 대개 직류 0에서 10,또는 5볼트, 또는 직류 4에서 20mA사이의 전류이고 전문적으로 '센서'라고 할때는 보통 비례되는 신호를 발생하는 장치에 쓰이는 경우이다. 스위치로 분류되는 것도, 센서의 범위에 들기 때문에 혼동하는 경우가 있으나, 전문적으로는 확실히 구분해야 한다.

※ 역학적 에너지 : 역학량(力學量)은 압력외에 물체의 중량, 회전력의 토크(torque),
                       그리고 물체간에 작용하는 힘을 총칭한다.

압력센서의 용도와 사용상의 요점

압력센서의 용도

압력 센서로 검출 가능한 물리량은 압력, 중량, 토크, 등 이지만 이들은 힘의 역학상 미묘한 차이를 갖기에 각각의 물리량에 따라 압력센서를 적절하게 구분하여 사용하여야 한다.

현재 실생활에서부터 공업용으로 수많이 사용되고 있으며, 특히 건물마다 있는 소방시설의 압력유지장치, 급수장치, 냉동기 , 기타 산업현장의 수많은 응용이 있다. 또한 흔한 응용중, 아파트급수에 쓰이는 부스터펌프의 경우, 압력을 일정하게 유지하기 위해서 쓰이고, 저수조의 물의 양, 냉동기, 공기압축기, 기타 화학공장에는 수없이 많은 사용되고 있다.

압력센서 사용상의 요점

압력센서는 통상적으로 매우 세심한 센서들이기에 취급에 각별한 주의가 필요하다.
센서 취급에 몇몇 요점들을 정리하여 본다.

- 반도체 압력센서는 온도 의존성이 크다.
- 압력센서 모듈에는 스위칭 타입과 아날로그 출력 타입이 있다.
- 반도체 압력센서의 바이어스 회로에는 정전류 구동법이 좋다.
- 압력센서는 설치 중 부주의한 응력을 주어서는 안된다.

압력센서의 종류 및 작동원리

공진형 압력센서

변형하는 소자에 부착된 공진 구조는 압력에 의해 발생된 인장/압축력에 의해 공진주파수의 변화를 야기 시킨다. 이것은 기타와 같은 음악 악기에서 줄이 인장력을 받을수록 고음을 나타내는 것과 같다. 줄이 얇고, 인장력을 크게 받을 수록 공진 주파수가 상승하여 고음을 표현할 수 있게 된다. 이 때 공진주파수는 인장력의 제곱근에 비례하게 된다.

이러한 공진형 압력센서는 댐핑(Damping)을 크게 감소시켜 공진 피크(peak)가 명확히 발생할 수 있도록 설계하게 되는데, 이는 작은 압력 변화에도 공진주파수의 변화를 쉽게 얻기 위함이다. 공진 구조가 압력매질에 직접 노출되게 되면, 압력/주파수 특성이 압력매질의 밀도 변화에 어느 정도 영향을 받게 된다. 이 때 압력매질의 밀도가 수분에 의해 영향 받을 수 있음을 유의해야 한다.

이러한 아이디어를 사용한 최초 센서의 형태는 얇은 진동 줄을 다이아프램의 중앙과 고정된 끝단 사이(혹은 벨로우즈의 움직이는 면의 중앙과 밑단사이)에 부착한 형태이었다.그 후에 단일 혹은 복합 빔의 형태를 갖는 소자를 제작하게 되는데 이는 소자에 인장력을 미리 크게 가하지 않더라도 높은 공진 주파수특성과 시간에 대한 우수한 안정도를 보여준다. 이러한 구조는 결정형태의 수정을 사용하게 되는데 히스테리시스가 작고 또한 반도체 산업에서 사용되는 MEMS 공정을 사용하여 소형 제작이 가능하다. 이러한 공진형 압력센서는 대체로 고가이고 정밀도가 높은 곳에서 사용된다.

압전형 압력센서

몇몇 종류의 결정체(crystal)는 특정한 방향으로 힘을 받으면 자체 내에 전압이 유기되는 성질을 갖고 있으며, 이와 같이 전압이 유기되는 현상을 압전효과(piezoelectric effect)라고 한다. 이와 반대로 전압을 가해주게 되면 변형이 생기게 되는데 이를 이용한 대표적인 것이 압전구동기이다. 압전형 압력센서는 이러한 압전효과를 이용하여 입력 압력에 대응하는 전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 센서이다.

압전효과에서 유의해야 할 것은 압전재료에서 발생되는 전압이 압력변화에만 민감하게 반응한다는 것이다. 따라서 압전형 압력센서는 정압측정에는 적합하지 않다. 압력이 압전센서에 스텝형태로 가해지는 경우 전압은 곧 감쇠되어 사라지게 되기 때문에 이를 증폭하여 정보를 저장하고 읽을 수 있는 수단이 필요하게 된다.

압전결정(piezoelectric crystal)들은 외부의 여기전원 없이 사용되기도 하나 이 경우에는 출력신호의 크기가 너무 작으므로 증폭이 필수적이며, 대부분의 경우에는 외부 전원과 연결하거나 또는 병렬로 압전 결정을 몇 개 연결하여 이용하고 있다.

수정이 압전재료로 사용되는 대표적인 재료이지만 몇몇 세라믹 재료도 압전효과를 보여주고 있다. 압전형 압력센서는 응답특성이 매우 빠르기 때문에 동압/충격압 측정에 주로 사용되며, 폭발압, 수중폭압, 로켓트 추진압, 내연기관 연소압 등에 응용되고 있다. 1 MHz 이상의 주파수 응답특성을 갖는다.

스트레인게이지형 압력센서

스트레인게이지는 힘측정 분야에서 가장 보편적으로 사용되는 측정방법중의 하나이다.

스트레인게이지는 인장이나 압력을 받아 스트레인이 발생할 때 저항변화가 유도되는 특성을 이용한다. 다이아프램(혹은 부르돈관, 벨로우즈 등)에 부착되거나 삽입될 경우, 다이아프램의 움직임을 감지할 수 있다.

이러한 측정방법은 위의 그림에 보이는 휘트스톤 브리지 회로(Wheatston bridge circuit)에 연결되어 사용되는데, 휘트스톤 브리지 회로는 저항 변화가 작더라도 우수한 감도로 측정하는 것을 가능하게 한다. 기계적 힘에 의해 야기되는 스트레인에 기인한 저항률의 변화 현상은 압저항(piezoresistivity) 효과로 알려져있으며 대부분의 전도체 및 반도체에서 나타나는 특성이다.

금속 줄(wire)이 힘을 받아 늘거나게 되면, 길이방향으로는 늘어나고 두께 방향으로는얇아지게 된다. 이러한 형상의 변화는 압저항 효과와 더불어 저항을 늘어나게 한다. 이 식은 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서 R은 줄의 저항, G 는 게이지율, l 은 줄의 길이,
v 는 포아선 비(Poison's ratio), p 는 비저항(resistivity)이다.

정전용량형 압력센서

 

최근의 많은 정전용량형 압력센서는 한쪽 면이 압력에 노출되고 두 개의 전극이 한쪽 기준면쪽에 치우쳐져 있는 형태를 갖는다. 이러한 구조는 단면 이중전극(single-sideddual-electrode)형태로 불리며, 두 전극이 하나의 세라믹 판에 증착되어 일반적으로 bull's eye 형상을 갖는다.

이러한 형태의 압력센서의 사용이 늘어나고 있는 것은 위의 대칭구조를 갖는 정전용량형 압력센서의 경우 압력매질에 의한 전극의 침식이나 오염 때문에 측정값이 달라질 수 있기 때문에 산업현장에 적용이 어려운 경우가 많기 때문이다. 반도체 산업의 경우 이러한 단면 이중전극 형태를 사용하게 되는데, 반도체 공정에 사용되는 부식성 가스의 사용에도 적합하기 때문이다.

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