압력 센서 특집

1. 개요

압력 센서는 「유체나 기체의 압력」을 「​전기 신호(전력 또는 전류)」로 변환하는 압력 변환기를 총칭하여 말합니다.

압력 센서가 감지 · 측정하는 압력의 유형은 크게 나누면 다음의 3가지 입니다.

①대기압을 기준으로 측정한 압력 = 게이지압
②완전진공을 기준으로 측정한 압력 = 절대압
③2개소 이상의 압력의 차 = 차압

2. 압력 센서의 원리

압력 센서는 수압부에 다이어프램(격막)을 마련하고 있어, 다이어프램의 표면에 스트레인 게이지를 형성하고 있습니다. 압력에 의해 휘어진 다이아프램(Diapgragm, 가로막)의 극소한 휨 정도를 감지해 ,이를 이용한 물리적 변형에 의해 발생하는 저항 변화를 전기 신호로 변환하여 압력을 감지 및 측정합니다.

당사 니덱컴포넌츠는 센싱 방식으로 실리콘(Si) 반도체를 이용한 방식(Si-MEMS)과 금속박막 스트레인 게이지를 사용한 다이어프램식(SUS)의 2종류 압력 센서를 제공하고 있습니다. 각자의 물리적 특성 등에 특징이 있으며, 용도에 따라 다종 다양한 압력 센서 제품을 갖추고 있습니다.

그럼 각자의 방식에서 작동 원리를 더욱 상세하게 확인해봅시다.

Ⅰ. 압저항형 반도체 압력센서 (Si-MEMS 방식)

다이어프램의 단면도

Si-MEMS 방식은 저항에 가해지는 응력에 따라 저항이 변화하는 "피에조저항 효과"를 이용하고 있습니다.

감압 소자는 실리콘 단결정을 이용해 다이어프램을 구성합니다. 열확산에 의한 실리콘 단결정에 형성된 피에조 저항은 압력을 받은 다이아프램의 변형을 응력으로 받습니다.

아래 그림과 같이 4 개의 피에조저항을 연결하여 휘트스톤 브리지 회로를 구성합니다. 이 브리지 회로는 정전류(공칭DC입력 1.5 mA)로 구동합니다. 압력을 가하면, R2, R3의 저항은 증가하고 다른 R1, R4의 저항 값은 감소하므로 브리지 회로에 불균형 현상이 생겨 출력단 전압 차이가 발생합니다. 이 전압 차이가 압력에 비례한 출력 전압입니다. 부압에 대해서도 극성이 반전하는 것으로 원리는 정압과 같습니다.

또한 오른쪽의 다이어프램 단면도에서는 알기 쉽게 굳이 다이아프램의 변형(스트레인 게이지)을 확대해서 표현하지만(붉은 점선 부분) 실제 다이어프램의 변형량은 지극히 작고, 수 미크론 정도로 거의 알수 없습니다.Si-MEMS 방식은,경미한 기계적 변형으로 큰 저항 변화를 얻을수 있기 때문에, 압력의 출력 특성으로 왜곡량에 대한 출력 변환 효율(= 스트레인 게이지 비율)이 높은 것이 특징입니다.

Ⅱ. 박막형 압력센서 (SUS 다이어프램 방식)

박막형 센서 소자의 단면도

Ⅱ. 박막형 센서 (SUS 다이어프램 방식)

이 방식은 금속 다이어프램에 절연막을 개입시켜  박막을 증착하여 박막형 스트레인 게이지를 형성한 구조입니다. 압력을 받으면 금속 다이어프램이 변형되어 다이어프램에 형성된 박막 게이지가 스트레인 게이지의 저항값 변화를 감지합니다.

아래 그림과 같이 박막형 센서도 실리콘 MESM 마찬가지로 4개의 박막 저항을 연결하여 휘트 스톤 브리지 회로를 구성합니다.박막 저항은 정전압으로 구동 압력을 받으면 금속 다이어프램이 변형하여 다이어프램에 형성된 박막 저항이 변형하므로(스트레인)게이지 저항값의 변화를 감지하고 압력에 비례한 전압 신호를 얻을수 있습니다.

Si-MEMS 방식에 비해 압력의 출력 특성이 작기 때문에, 저압 영역에는 적합하지 않지만, 고압 용도 및 고진공이 요구돼는 환경에 적합합니다. 또한 사용 온도 범위를 광범위하게 취할수 있어 온도에 의한 영향이 적은 것도 이 방식의 특징 중 하나입니다.

1. 연 혁

당사의 압력 센서 사업은 1980년에 전자 혈압계 용으로 제조 판매를 개시한 이래 사업을 발전 · 계속해왔으며 이른바 40년 이상을 경과해왔습니다.덕분에 반도체 제조 장치를 비롯한 산업 기계 · 의료 기기 · 분석 기기 · 계측 기기 · 유압 기기 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 이용할수 있습니다.

사업 거점은 토치기현 사노사업소입니다. 여기에서는 센서칩으로부터 최종제품까지 대응하고 있으며, 오늘날 당사를 견인하는 주력사업으로 성장하고 있습니다.

2. 풍부한 제품 라인업

당사는 모듈 타입에서 앰프 내장 타입,심지어 지정된 압력 값의 인가에 의해 감압 소자의 접점을 개폐시키는 압력 스위치 및 이에 표시 기능을 갖춘 압력 게이지 등 형태가 다종다양한 압력 센서 제품을 풍부하게 보유하고 있습니다. 센서 소자의 종류는 압저항형 Si-MEMS 방식과 금속박막 (SUS) 방식을 채용하고 있으며, 그중 Si-MEMS 방식은 비 부식성 기체용으로 돼는 실리콘 단결정의 다이어프램과 액체 등 부식성 매체에도 사용할수 있게 접액부에 SUS 다이어프램을 배치해 실리콘과 이중 다이어프램(실리콘 오일 봉입)을 구성한 2종류가 있습니다. 용도와 환경에 따라 적합하게 센서 소자를 구분하여 각종 최종 제품으로 전개하고 있습니다.

방　식	Si-MEMS (단결정 다이어프램)	Si-MEMS (이중 다이어프램)	금속 박막 (SUS 다이어프램)
구 조
	Si 단결정 소자는 유리에 포함 된 Na 이온을 통해 양극 접합에 의해 유리 대좌에 접합. 소자가 직접 매체를 받는다	SUS 다이어프램을 레이저 용접으로 하우징에 접합, Si 오일을 통해 Si 소자에 압력을 전달	SUS 다이어프램에 절연막을 통해 박막 게이지를 증착 형성
매개체	비 부식성 기체	접액부 재질을 부식시키지 않는 기체 · 액체	접액부 재질을 부식시키지 않는 기체 · 액체
특 징	금속 다이어프램에 절연막을 통해 박막 게이지를 증착 형성 온도에 의한 특성변화는 있지만 일정한 온도 아래에서는 고재현성 고압력· 고출력· 고정밀도 (정격100 kPa에서 약 100 mV) 기계적 가동부가 없고 긴 수명 양산성이 높고, 저비용 생산 가능		진공, 고온 저온에게 권장 온도에 의한 특성변화가 적다 단일 기종 대량 생산으로 저비용 생산 가능 전해 연마 대응 가능
압력 센서 각종 시리즈 라인업
압력트랜스 듀서 모듈	P-2000, P-3000S	P-8300, P-8305, P-8505	―
앰프 내장 압력트랜스 듀서	PA-20, PA-100, PA-500	P-7100, PA-750/758, PA-800, PA-830/838, PA-838-D, PA-850/858, PA-860/868	고진공용: PA-920S/928S 고온용(~150°C): PA-930/930-A 고압/저·고온용(-40~125°C): PA-970S/971S/972S/973S/978S
압력 스위치	PS20, PS30, PS40, PS6, PS60	PS8, PS83, PS85, PS86	고진공용: PS91 고압/저·고온용(-40~125°C): PS97
압력 게이지 휴대용·디지털 압력센서	PG-30, PG-200,PG-100N	PG-35, PG-75, PG-208, PG-100B	고진공용: PG-20, PG-35L 고압용: PG-35H

※그 외 압력 인디게이터로 PZ-30, PZ-200의 2시리즈를 표준 라인업하고 있습니다.

최근에는 비례 출력의 소형 앰프 내장 타입과 박막 소자를 사용하여 고진공 대응, 고압 · 고온 영역의 센서 확충 등 신제품도 적극적으로 출시하고 있으며, 그 사업 영역을 확대하고 있습니다.

1. 단숨에 통 본관의 사업 체제

당사에서는 반도체 기술을 구사해서 센서 소자로부터 내제화하고 있으며, 또한 마운트 · 온도 보상 · 전자 회로 부가 · 케이싱 등의 공정을 거쳐 압력 센서 최종 제품까지 자사 일괄 개발 · 제조하고 있습니다.

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  실리콘 웨이퍼 ⇒ 센서 소자
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  압력 센서 모듈
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  앰프 내장 각종 압력 센서

다품종 소량 생산을 기반으로 개발 설계로부터 센서 소자 제조 공정, 제품 조립 공정 / 교정까지를 、사업부 일체의 품질 관리하에서 단숨에 통 본관에서 대응하고 있는것이 당사 압력 센서의 가장 큰 특징입니다. 특수 사양과 다양한 고객 요구에 섬세하게 대응할수 있는 이 사업체제야 말로 바로 당사의 강점입니다.

2. 사용자 정의 개별 대응

― 개별 대응 방침 ―

개별 대응에 있어서 당사의 정책은 다음과 같습니다.

당사 압력 센서 유동 기종 수는 총 92기종, 모델수로는 1,992유닛수를 자랑합니다.가운데 개별 대응, 이른바 특수품이 차지하는 비중은,금액 기준으로 무려 전체의 80%가까이에 이르고 있어 그 실적에서 알수 있듯이 지금까지 시장 · 고객의 개별 요구에 맞는 대응력있는 상품 · 서비스를 많이 제공해왔습니다.이하 몇가지의 특수품 대응예를 구체적으로 소개하겠습니다.

개별 대응 사례

1. 전해 연마 + 금유 처리 + 클린 패키징

전해 연마/금유 처리/클린 패키징은 반도체 제조 장치의 인라인 배관 용도에 필수로 잘 요구돼는 사항입니다.우선「전해 연마」에서는,불순물이 수압부에 남지 않도록 평면도를 화학적 연마에 의해 향상시킵니다. 또한 「금유 처리」는 수압부의 유기물을 세척하여 이물 혼입을 방지합니다.마찬가지로「클린 패키징」도 외부로부터 이물의 침입을 방지하고 고객이 사용할 때까지 압력 센서 제품의 깨끗한 상태를 보장합니다.

2. PA-75 시리즈 : 케이블 커넥터 사양/케이블 본체 직출 사양

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  표준 모델
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  ①케이블 커넥터 사양
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  ②케이블 본체 직출 사양

PA-750/758 시리즈의 표준품은 본체와 케이블을 탈착할수 있도록 커넥터 방식을 채용하고 있으며, 한편 케이블 선단은 리드선 직출로 되어있지만, 시장/고객의 요구에 따라 ① 지정 커넥터를 설치하거나 ② 본체에서 케이블을 직출에 대응한 두종류의 실적이 있습니다.

3. PS20: 특수 피팅 사양

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  표준 모델
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  특수 피팅 사양

PS20 시리즈의 표준품은 M5수나사와 블록 M5암나사이지만, 시장 요구에 맞춘 당사 제안에 의해 , 블록의 선단을 펴서 M5 관통후 나사를 고정할수 있는 특수 피팅에 대응했습니다.

4. 기타 사례

a. 사양/성능 변경

b. 외관/형상 변경

c. 기타

궁극적으로는 사업성 등을 감안해서 당사에서 적절한 판단을 하겠지만, 이상을 참고한 후, 사용자 정의 대응・ 공동 개발 요청 내용은 아래 버튼에서 부담없이 문의하십시오 .

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