세라믹 압력 센서: 압력 센서 발전의 대세

세라믹 압력 센서는 특수 세라믹 소재를 특수 공정으로 정밀 제작한 피에조 저항식 압력 센서입니다. […]

세라믹 압력 센서는 특수 세라믹 소재를 특수 공정으로 정밀 제작한 피에조 저항식 압력 센서입니다. 세라믹은 높은 탄성과 내식성, 내마모성, 내충격성·내진동성을 인정받은 소재입니다. 세라믹의 열 안정성과 후막 저항은 -40℃~125℃의 작동 온도 범위를 가능하게 하며, 높은 측정 정밀도와 안정성을 지닙니다. 전기 절연 성능은 2KV를 초과하고, 출력 신호가 강하며, 장기 안정성이 우수합니다.

고성능·저가격의 세라믹 센서가 압력 센서의 발전 방향이 될 것입니다. 유럽과 미국에서는 세라믹 센서가 다른 유형의 센서를 전면 대체하는 추세이며, 중국에서도 확산 실리콘 압력 센서를 대체하는 사용자가 점점 늘고 있습니다.

세라믹 압력 센서의 분류

세라믹 압력 센서의 기재는 모두 Al₂O₃ 세라믹이며, 구현 원리에 따라 정전용량식 압력 센서와 피에조 저항식 압력 센서로 나뉩니다.

① 세라믹 정전용량식 압력 센서

세라믹 정전용량식 압력 센서는 고정식 세라믹 베이스와 가동 세라믹 다이어프램 구조를 채택하며, 가동 다이어프램은 유리 페이스트 등의 방식으로 베이스와 밀봉 고정됩니다. 양측 안쪽 면에 전극 패턴을 인쇄하여 가변 캐패시턴스를 형성하고, 다이어프램에 가해지는 매질 압력이 변하면 캐패시턴스가 함께 변합니다. 신호 조정 칩이 이를 변환·조정한 후 후단에 출력합니다. 세라믹 정전용량 기술은 적절한 비용, 넓은 측정 범위, 우수한 온도 특성, 일관성, 장기 안정성 등의 장점을 지닙니다.

▲세라믹 정전용량 감지 소자 구조 개념도

세라믹 다이어프램의 가장자리가 세라믹 베이스에 고정되어 둘레가 지지되는 구조이므로, 힘을 받을 때 중앙부의 변형은 크고 가장자리의 변형은 작아 캐패시턴스에 비선형이 발생하고 감도가 저하됩니다. 온도 영향과 가장자리 효과를 줄이기 위해 설계 시 세라믹 다이어프램에 원형 단일 전극을 공통 전극으로 배치하고, 세라믹 커버에 면적이 같은 이중 전극을 배치하여 동축 환형 이중 캐패시턴스 센서를 구성합니다.

▲세라믹 정전용량식 압력 센서 원리

중앙이 측정 캐패시터 Cp, 가장자리 환형이 기준 캐패시터 Cr이며, Cr의 바깥쪽은 고정 지지단입니다. 후단 신호 조정 회로는 두 캐패시터의 차압을 처리하며, 구형파 여신 호를 이용해 Cp와 Cr의 변화량을 각각 직류 전압으로 변환하고, 두 출력 전압의 차이 신호로 외부 압력의 크기를 측정합니다.

이중 캐패시턴스 구조는 센서 시스템의 비선형 오차를 크게 줄입니다. 또한 환경 온도가 변할 때 두 캐패시터가 동일한 온도 변화를 겪으므로 온도가 미치는 영향이 동일하여, 온도 변화로 인한 측정 오차가 상쇄되어 온도 자동 보상 기능을 실현합니다.

▲세라믹 정전용량식 압력 센서 (이미지 출처: 인터넷)

세라믹 정전용량 압력 센서는 내식성, 내충격성, 무 히스테리시스, 뛰어난 매질 호환성 등의 장점으로 물, 기체, 액체 등 다양한 매질의 압력 검출에 널리 활용될 수 있으며, 특히 자동차 시스템의 열악한 환경에서의 작동에 적합합니다. 사물인터넷과 가전 등 압력 센서의 신흥 응용 시장에서는 세라믹 정전용량의 내충격 특성을 상수도 관망의 수압 측정에 활용해 수격 현상을 완벽하게 대응할 수 있고, 압력이 변하는 전기밥솥 응용에서는 세라믹 정전용량 평막 구조가 막힘을 방지할 수 있습니다.

② 세라믹 피에조 저항식 압력 센서

세라믹 피에조 저항식 압력 센서는 주로 세라믹 링, 세라믹 다이어프램, 세라믹 커버의 세 부분으로 구성됩니다. 세라믹 다이어프램은 힘을 감지하는 탄성체로, 그 위에 후막 공정 기술로 휘트스톤 브리지를 형성하여 센서의 회로로 사용하며, 저항의 피에조 저항(변형) 효과에 의해 전압 신호가 발생합니다.

▲세라믹 피에조 저항식 압력 센서 (이미지 출처: 인터넷)

후막 저항은 세라믹 다이어프램 뒷면에 인쇄되어 휘트스톤 브리지(폐브리지)로 연결됩니다. 압력이 0일 때 브리지는 평형 상태를 유지하며 출력 단자의 전압은 0입니다. 브리지에 압력이 가해지면 다이어프램에 변형이 발생하여 브리지의 4개 저항값이 변화하고, 브리지는 불평형 상태가 되어 압력에 비례하고 여진 전압에도 비례하는 고선형 전압 신호를 발생시킵니다. 저항의 피에조 저항(변형) 효과로 전압 신호가 생성됩니다. 표준 신호는 압력 범위에 따라 2.0/3.0/3.3mV/V 등으로 교정되며, 스트레인 게이지식 센서와 호환됩니다. 레이저 교정을 통해 센서는 매우 높은 온도 안정성과 시간 안정성을 지니며, 0~70℃의 온도 보상을 내장하고 대부분의 매질과 직접 접촉할 수 있습니다.