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압력센서
압력센서(pressure sensor)는 두 물체 간의 상호 작용하는 힘의 크기인 압력을 나타내는 물리적 양을 측정하는 센서이다. 압력센서는 힘의 전달 크기, 힘의 방향 등을 측정하는 데 매우 광범위하게 사용되고 있다.
압력센서를 사용하는 분야는 의료, 자동차, 항공, 공업계측, 가전, 환경제어 분야 등 전반적 산업제품과 산업시설에 응용되고 있다. 압력센서의 측정원리는 힘의 변화에 따른 재료의 변위, 변형, 진동수 변화, 열전도율 변화 등을 이용하는 것으로, 종전의 기계식 감지방법에서 현재는 센서장치의 소형화를 위하여 반도체소자 제작기술과 Micro Electro Mechanical System(MEMS)기술을 이용하는 초소형, 저전력형 센서개발로 계속 발전하고 있다. 압력감지 방식에 따라서 압저항형(Piezoresistive)과 정전용량형(Capacitive) 방식으로 나누어 볼 수 있다.
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개요
압력센서는 액체 또는 기체의 압력을 검출하고, 계측이나 제어에 사용하기 쉬운 전기신호로 변환하여 전송하는 장치 및 소자를 말한다. 넓은 뜻으로는 압력 변환기와 같은 의미로 쓰인다.
압력센서는 유량, 액면 및 온도센서와 함께 프로세스 오토메이션을 지탱하는 4대 센서의 하나이다. 압력 범위는 인공 다이아몬드 합성의 105기압 단위부터 질량 분석계나 전자 현미경의 10⁻¹⁰Torr까지 널리 쓰이고 있다. 측정의 원리는 변위나 변형을 비롯하여 분자 밀도의 열전도율을 이용하는 등 매우 많은 종류가 쓰이고 있다. 최근에는 실리콘을 재료로 한 변형 게이지형의 압력 센서가 개발되어 정밀한 압력 계측에 사용되고 있다. 또 집적 회로를 동일한 기판 위에 만들어 넣어 신호 처리까지 하는 집적화 압력센서도 개발되어 있다.
압력은 단위면적당의 힘으로 힘을 그 힘이 작용하고 있는 면의 면적으로 나눈 양이다. 힘은 크기와 방향을 가지는 벡터(vector)양이다. 면적도 벡터양으로 취급할 수 있는데, 면적 벡터의 크기는 면적이고 방향은 면에 수직인 방향으로, 안팎의 구분이 있을 때는 바깥 방향이다. 벡터가 하나의 지표를 갖는 양이라면, 압력은 두 벡터양의 비로서 두 개의 지표를 갖는 텐서(tensor)양이다. 이는 힘의 크기와 면의 면적이 같더라도 힘이 어느 방향의 면에 어느 방향으로 작용하느냐에 따라 힘의 효과가 다르다는 것을 의미한다. 텐서로서의 압력을 보통 변형력(stress) 텐서라고 부른다. 텐서는 보통 다음 식과 같은 행렬로 표현한다.
압력과 변형력의 국제단위계에서의 단위는 N/m² = Pa이다.
변형력에 의한 물체 모양의 변화는 변형(strain)으로 표현한다. 변형은 단위길이당 길이의 변화로서 역시 텐서양이고 보통 ℇij로 표현한다. 변형은 길이를 길이로 나눈 양이므로 단위가 없다. 변형이 크지 않을 경우, 변형과 변형력 사이에는 선형 관계가 성립하는데,
여기서 4계 텐서(fourth-rank tensor) Cijkl는 탄성률(elastic modulus)라고 부르는 물질의 고유 상수이다.
외부 압력에 의해 압축이 일어나는 가장 간단한 경우는 유체에 유체 정지 압력(hydrostatic pressure)이 작용하는 경우이다. 유체는 층밀리기 변형력, 즉 식 (1)의 변형력 텐서의 비대각선 요소에 대한 저항이 없기 때문에 평형 상태에서는 변형력 텐서의 비대각선 요소는 0이다. 또한 파스칼의 원리(Pascal's principle)에 의해 대각선 요소의 값은 모두 같기 때문에, 변형력 텐서를 스칼라(scalar)로 나타낼 수 있다.
압력 센서의 글자 그대로의 의미는 압력을 감지하는 계기로서 압력계와 같지만, 보통은 압력 정보를 전기신호로 바꾸어 출력하는 압력계를 말한다. 그중에서도 압력에 따라 달라지는 성질을 가진 얇은 막(film)이나 다이아프램(diaphram)으로 이루어진 소자인 경우가 많다. 압력 센서는 종종 압력의 측정이 목적이 아니라 고도나 깊이, 유량, 유체의 누수 등을 관찰하고 제어하는 목적으로 사용된다.
동작원리
압력 센서의 동작 원리 중 몇 가지를 소개하면 다음과 같다. 먼저 가장 널리 쓰이는 압력 센서는 변형에 따라 저항이 바뀌는 압저항 효과(photoresistive effect)를 가진 반도체나 금속을 사용하는 유형이다. 이런 물질을 깡통 모양으로 만들거나 지지판에 얇은 막 형태로 입히고 측정하고자 하는 유체에 노출시기면, 유체의 압력에 의해 변형이 일어나고 그에 따라 변하는 저항을 측정하여 압력을 알아낸다. 이런 유형의 압력 센서는 변형 게이지(strain gauge)라고도 하며, 저항의 변화를 민감하게 감지하기 위해 휘트스톤브리지(Wheatstone bridge) 회로를 사용하는 것이 보통이다. 오른쪽 그림은 실리콘을 사용한 압저항 압력 센서이다. 석영과 같이 압력을 받으면 시료 양단에 전위차(electric potential difference)가 생기는 압전효과(piezoelectric effect)를 나타내는 물질을 이용하는 유형도 있다.
또한 압력을 측정하고자 하는 유체로 축전기(capacitor) 내부를 채우고 한쪽 판을 얇은 금속 다이아프램으로 만든 용량성(capacitive) 압력 센서도 있다. 평행판축전기(parallel plate capacitor)의 전기용량이 판의 면적에 비례하고 판 사이의 거리에 반비례하는 것처럼, 유체의 압력에 의해 다이아프램이 이동하면 압력 센서 축전기의 전기용량이 바뀌게 되고, 이 전기용량을 측정하여 압력을 알아낼 수 있다. 이 밖에도 유체의 밀도를 측정하는 압력 센서, 압력에 따라 광학적 성질이 바뀌는 광섬유(optical fiber)를 이용하는 압력 센서 등이 있다.
MEMS 압력센서
MEMS 압력센서는 단순한 제작 방법, 구조, 감지 원리 등의 이점으로 인해서 가장 먼저 상용화가 된 대표적인 MEMS 센서이다. 일반적으로 MEMS 압력센서는 사용하는 압력범위의 용도에 따라 구조적으로 다양한 형태로 개발되고 있다. (오른쪽 그림)은 반도체 기판의 후면 관통 식각을 통하여 제작되는 MEMS 압력센서들의 대표적인 구조들로써 5~50kPa 범위의 게이지 압력센서, 밀폐된 공동(cavity)구조를 가지는 100~200kPa 범위의 절대압을 측정하는 맴브레인 압력센서, 700kPa 범위의 압력차이를 측정하는 차압센서의 대표적 단면구조를 나타낸다.
반도체 산업기술의 발전과 함께 발전해 온 MEMS 압력센서는 90년대부터 실용화된 압력센서로서 히스테리시스(hysteresis) 현상이 없고 감도 선형성이 우수하며, 소형경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이다. 또한, 기계식보다 고감도, 고신뢰성이며 양산성이 좋다. 이것은 외부압력을 응력으로 변환하는 다이어프램과 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기신호로 변환하는 두 부분으로 구성되어 있다. 일반적으로 다이어프램은 단결정 실리콘을 화학적으로 에칭(etching, 식각)하여 형성하며, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적 신호로 변환하는 방법으로 진동자의 고유진동수 변화와 표면 탄성파를 이용하는 것도 있으나 주로 압저항형과 정전용량형의 두 종류가 가장 많이 사용되고 있다.
이중 압저항형 압력센서(오른쪽 그림1)는 저항확산형 또는 확산형 압력센서라고도 하며, 저항소자를 형성시킬 때에 반도체의 불순물 확산 공정이 이용되기 때문이다. 압저항형 압력센서는 반도체 공정으로 얇은 박막을 형성하고 박막과 기판의 경계에 실리콘 압저항체를 형성하여 압력에 의해 박막이 변형되면 압저항체의 저항이 달라지는 것을 감지하여 압력을 측정한다. 압저항형 반도체 압력센서는 온도 특성이 나쁘고 회로 호환성이 떨어지지만 구조와 공정이 단순하고 회로가 간단하여 현재 산업 전 분야에 범용으로 많이 쓰이고 있다.
정전용량형 MEMS 압력센서(오른쪽 그림2)는 서로 마주 보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응력에 의하여 변화되어 전극 간의 정전용량이 변화한다. 이 정전용량 변화를 전기신호로 변환시키면 응력이 검출된다. 정전용량형은 매우 정밀하게 제작할 수 있고 미세한 변화도 회로에서 감지할 수 있어 고감도이나 전극의 형성, 외부 회로와의 연결이 복잡한 구조로 되어 있고 응답성이 나빠 수요는 적다. 그러나 온도특성이 우수하고 소형이며 고감도인 관계로 생체 등 특정 압력의 영역에서 일부 사용되고 있다.
(그림3)에서 보이는 바와 같이 압저항형 압력센서는 저압(0.1기압)에서 중압(10기압)까지의 압력감지 범위를 가져 일반적으로 대부분의 압력 측정에 사용할 수 있다. 반면 정전용량형 압력센서의 경우 높은 감도를 보이므로 초저압(0.001 기압)까지 정밀하게 측정할 수 있지만 구조상 상대적으로 높은 압력은 측정이 어려워 저압(1기압)까지 감지할 수 있어 정밀한 압력을 측정하는 분야에 적합하다.
이 외에도 MEMS 압력센서로 광학식, 공진방식, 전자기 유도 방식 등 다양한 방식이 오랫동안 연구되었으나 구조 및 공정이 복잡하여 용도가 제한적이고 비용이 많이 들어 상용화되지는 못하였다.
- 활용
압력센서는 다양한 산업군에서 널리 사용되고 있으며, 멤스 압력센서가 개발되면서 더욱 많은 분야에 적용되고 있다. 대표적인 응용 분야를 표에 정리하여 보았다. 가장 많이 사용되고 있는 분야인 자동차에는 현재 약 10여 종, 20개 이상의 압력센서가 장착되고 있으며, 전기자동차, 연료전지 자동차, 지능형 자동차, 무인 자동차 등 새로운 형태의 자동차가 개발되면서 요구되는 센서가 증가하고 있으며 압력센서도 마찬가지로 더 많이 장착될 것으로 보인다. 전통적으로 오랫동안 사용됐던 산업 분야에서도 기존에 조립형태로 만든 모듈형태의 압력센서를 MEMS 압력센서를 활용한 소형 고감도 압력센서로 대체하고 있다.
또한, 지금까지의 압력센서는 자동차 및 산업용으로 주로 사용돼 왔으나, IoT 및 모바일 기술의 발달과 함께 앞으로는 모바일 및 웨어러블 기기, 의료 및 헬스케어, 가전제품과 같은 일상생활 전반에 걸쳐 그 응용 분야가 확대되면서 더 많은 종류의 압력센서가 개발될 것으로 보인다.
참고자료
- 〈압력 센서〉, 《자동차용어사전》
- 〈압력 센서〉, 《물리학백과》
- 〈압력센서〉, 《센스용어사전》
- 나노융합센서연구실, 〈MEMS 압력센서의 기술 및 산업동향〉, ETRE
- 〈압력 센서 특집〉, 《한국일본전산코팔전자주식회사》
- 신혜수 기자, 〈인체 피부 감각기관을 닮은 '신개념 압력센서' 개발〉, 《한국의료기기산업협회》, 2016-04-28
같이 보기
