압력센서는 가전제품을 비롯하여 자동차, 의료기기, 소방설비, 냉동기 등 산업분야에 널리 사용된다. 이러한 압력센서는 높은 신뢰성, 안전성, 고성능화, 가격경쟁력이 중요하다.¹

스트레인게이지를 저항체로 이용하는 압력센서의 경우는 생산 공정에서 불량 발생률이 높고 생산 원가가 비싸다. 이에 비해 후 막저항 인쇄 기술과 소결 기술이 이용된 압력센서는 불량률이 적고, 생산 원가도 낮출 수 있다. 또한 후막저항형 압력센서는 출력 특성도 안정적이다.

일반적으로 압력센서는 다이어프램의 위에 부착된 휘스톤브릿지의 저항변화를 검출하며, 이 저항은 온도에 따라서 변한다. 특히 영점(Zero), 영점에 대한 온도계수(Temperature Coefficient of Zero), 감도(Sensitivity), 감도에 대한 온도 계수(Temperature Coefficient of Sensitivity)의 보상이 필요하다.² 그러나 실용적으로는 이들 각각을 보상하는 방법보다는 온도에 따른 저항 변화를 통합하여 보상한다.

일반적으로 온도보상은 주변온도에 따라서 저항값이 반비례 특성을 갖는 써미스터(Thermistor)와 OP엠프(Operational Amplifier) 회로를 이용한다.³ 특히 Metallux사는 Fig. 1과 같이 압력센서의 수압부에 NTC 써미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)를 설치하여 온도를 보상하였다.⁴ 이러한 방식은 신속한 온도보상은 가능하지만 생산공정이 복잡해지고 생산단가가 비싸진다.

Fig. 1 
Temperature compensation structure (Metallux ltd.)

저항패턴의 재료는 은잉크(Sliver Paste), 탄소나노튜브가 혼합된 잉크, 그리고 산화루테늄(RuO₂)이 이용된다.^5-8

본 연구에서는 후막저항을 이용한 압력센서의제조공정과 그 특성에 대하여 조사하였다. 수압부인 다이아프램 소재는 가공성과 신뢰성이 우수한 세라믹을 이용하고 후막저항의 재료는 산화루테늄을 사용하였다. 이 재료를 인쇄, 소결, 그리고 레이저 가공하여 정밀한 출력특성을 갖는 압력센서를 개발하였다. 특히 써미스터를 브릿지 회로에 추가하여 온도 변화에 따른 출력 변화를 보상하도록 이들을 레이저 트리밍 가공한다.

Fig. 9는 저항체의 트리밍 전후 저항값의 변화를 나타낸 것이다. 트리밍 전의 저항값은 최소 6.53에서 최대 8.35 kΩ에서 트리밍 후에는 최소 9.01에서 최대 9.94 kΩ으로 증가시켜 목표저항값을 얻을 수 있었다. 이는Table 1과 같이 압력에 따른 출력전압값(0.5-4.5 V)을 맞추기 위함이다. 또한 이와 같은 작업을 통해 저항값의 변동폭도 1.82에서 0.93 kΩ으로 약 50% 줄일 수 있었다.

Fig. 9 
Changes in resistance before and after trimming

Figs. 10은 9와 같이 제작된 후막 저항을 이용하여 얻은 출력 특성을 나타낸 것이다. 후막 저항을 레이저로 트리밍하여 정밀하게 교정한 후 입력전압 5 V를 인가하고 압력에 따른 출력을 측정하였다. 압력센서의 출력은 선형적인 특성을 나타냈다.

Fig. 10 
Output voltage of the thick-film pressure sensor

압력센서의 교정은 고정도 디지털 압력조정기(Druck Pace 5000, GE)를 사용하였다. 압력을 0 kgf/cm²에서 최대 정격압력인 50 kgf/cm²까지 5 kgf/cm²씩 증가시키면서 출력 전압을 DMM으로 측정하였고, 다시 50 kgf/cm²에서 0 kgf/cm²까지 단계적으로 감소시키면서 출력 값을 측정하였으며, PGA308Sensor Amplifier를 사용하여 출력 값을 증폭하였다.

실험결과, 측정된 출력값은 0.1-10.8 mV이었으며, 감도(Sensitivity)를 계산하면 약 2.14 mV/V FS이었다.

Fig. 11은 외부 온도 변화(-20~100°C)에 따른 압력센서의 성능을 시험하기 위한 항온항습기에서 시편이 설치된 것을 나타낸다. 이와 같은 성능시험을 통해 외부 온도의 변화에 대응하지 못하는 압력 센서가 있는지 확인하면 조립 공정에서 발생되는 압력센서의 품질 불량을 최소화 할 수 있다.

Fig. 11 
Test apparatus of sensor performance

Fig. 12는 레이저 트리밍으로 온도를 보상한 후 후막저항의 온도 의존성을 보여준 것이다. 이는 20°C에서 출력저항값을 초기값(8.7116 kΩ)으로 설정하고, 130°C(8.7936 kΩ)까지 외부 온도를 10°C씩 변화시키면서 저항 값의 변화를 측정한 것이다. 그 결과, 외부 온도를 20에서 130°C까지 110°C 증가 할 때 저항이 820 Ω증가하였다.따라서 온도변동에 따른 저항변동값(820 Ω)을 초기저항값(8.7116 kΩ)으로 나눈 저항값 변화율은 약 0.94%으로 대폭 줄어들었다. 또한 이와 같이 줄어든 저항값 변화율도 온도에 따른 출력전압의 오차가 생길 수 있기 때문에 써미스터를 이용하여 보상되어야한다.

Fig. 12 
Resistance of thick-film by temperature variation

Figs. 13과 14는 식(1)을 이용하여 외부 온도 변화와 압력 변화에 따른 출력 전압의 편차(Deviation)를 나타낸 것이다.

Fig. 13 
Output voltage deviation before trimming accrding to outside temperature variation

Fig. 14 
Output voltage deviation after trimming according to outside temperature variation

위 식에서 Vr은 기준전압(Reference Voltage), Vm은 측정된 전압(Measured Voltage), Va는 인가전압(Applied Voltage)이다.

측정결과, 외부 온도 -20~100°C의 변화에 따른 온도보상 트리밍 전의 최대 편차는 100°C일 때 최대 5.6%FS 이었으며, 트리밍후에는 최대 1.04%FS로 대폭 개선되었다.

Fig. 15는 외부 온도변화에 따른 보상 전의 출력전압이고, Fig. 16은 보상 후의 출력전압이다. 이것은 온도 변화에 따른 저항 변화를 레이져 트리밍 가공으로 보정하더라도 0.94%의 오차(Fig. 12)를 갖게 된다. 이러한 오차는 Fig. 16과 같이 써미스터를 통해 보상이 필요하다.

Fig. 15 
Output voltage variation before trimming

Fig. 16 
Output voltage variation using thermistor compensation after trimming

실험결과, 온도 100°C, 압력 0 kgf/cm² 일 때 오프셋 저항값은 Fig. 15와 같이 0.326 V에서 Fig. 16과 같이 0.5 V로서 58% 이상으로 보상되었다. 또한, 압력이 25 kgf/cm² 일 때 출력전압의 변동폭이 온도보상 전(Fig. 15) 0.197 V에서 보상 후(Fig. 16)에는 0.057 V로 345% 개선되었다.

본 논문에서는 휘스톤 브릿지 저항과 영점조절저항 그리고 써미스터 저항들을 레이저 트리밍 가공하여 온도를 보정한 후 압력 센서의 출력 특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째로, 후막저항 인쇄 및 소결기술과 트리밍 가공기술을 이용하여 외부 온도의 변동이 보상될 수 있는 압력센서를 개발하였다.

둘째로, 센서감도는 2.14 mV/V FS이었으며, 출력전압의 편차는 트리밍가공 전에는 5.6%FS이었으나, 트리밍 가공 후에는 1.04%FS로 개선되었다.

셋째로, 외부온도 +100°C, 인가압력 0 kgf/cm² 일 때 오프셋저항은 0.326에서 0.5 V로 58% 이상 개선되었다.

넷째로, 브릿지회로와 써미스터를 트리밍 가공하고, 써미스터를 통한 외부 온도변동을 보상한 결과, 25 kgf/cm²의 압력에서 출력전압의 변동폭이 345% 개선되었다.