자동차 가속도 센서, 유량 센서, knock 센서

가속도 센서

1) 가속도 센서의 특징

 가속도 센서는 물체에 작용하는 가속력, 진동력 및 충격력 등의 동 적 힘을 순간적으로 감지한다. 자동차, 기차, 항공기 및 선박 등 운송기기에 폭넓게 활용할 수 있다. 자동차에선 에어백(airbag)에 들어가는 핵심소자이며, 전자식 엔진제어시스템, ABS(anti-lock braking system), 지능형 현가장치(smart suspension system), 조향시스템(steering system), 자동잠금장치(auto- door lock system) 등의 핵심부품으로도 사용되고 있다.

 

2) 가속도 센서의 종류

a. 기계식 가속도센서

정지 계를 기준으로 관성 가속도를 측정하는 형식으로, 질량에 작용하는 가속도에 의한 반력, 즉 관성력을 이용한다.

 

b. 실리콘 가속도센서

실리콘 가속도센서는 크게 3가지 부분으로 나누어진다. 가속도 즉, 힘을 받아들이는 실리콘 미세 기계구조부와 힘을 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환소자부, 정격출력을 만들어 주는 신호처리부로 구성되어 진다. 변환소자 부는 감지원리에 따라 압전형, 압저항형, 용량형 등으로 나눌 수 있다. 압전형은 ZnO과 같은 압전물질의 응력에 대한 전기 분극을 이용하며, DC 가속도의 측정이 불가능한 단점이 있다. 압저항형은 확산에 의한 저항만 형성하면 되므로 다른 센서에 비하여 공정이 간단하며, 선형성 및 주파수 특성이 좋으며 DC 가속도의 측정이 가능하다. 정전용량형은 미세구조부의 변위에 의한 정전용량변화를 측정하며, 감도(sensitivity)가 높지만 공정이 상대적으로 복잡하다. 주파수 변환 회로가 하나의 칩 내에 실장 되어야 하며, 선형 성(linearity)이 나쁜 단점이 있다.

 

3) 가속도 센서의 기술 개발 동향

 가속도센서의 연구는 이미 상용화가 실현된 자동차 에어백용으로부터 보다 높은 정밀도를 필요로 하는 항공기의 Navigation system에 이르기까지 발전하고 있는 것을 알 수 있으며, 이러한 추세는 당분간 지속할 것으로 보인다.

 가속도센서는 압력 센서나 유량 센서 등에 비하여 MEMS 기술분야 에서 보다 많은 연구들이 진행되어왔으며, 더 쉽게 소형화, 집적화할 수 있는 장점과 이를 통한 상품화 가능성 덕분에 앞으로도 이러한 추세는 당분간 지속할 것으로 판단된다.

 1991년 미국의 Analog Device Inc.(ADI)에서는 세계 최초로 표면 마이크로머시닝을 이용하여 ±50g의 에어백 가속도센서를 개발하였으며, 질량 및 스프링 등의 미세구조물뿐만 아니라 증폭회로, 보정 회로 및 자체진단기능까지 모두 하나의 칩으로 집적화시키는 데 성공하였다. 이 센서 소자의 전체적인 칩의 크기는 3×3mm²이며, 칩의 중앙 부에 약 1×0.7mm² 크기의 감지 부가 있고 그 주위를 신호처리회로 부가 둘러싸고 있다.

 가속도센서는 초소형 진동구조물(폴리실리콘)을 표면 마이크로머시닝 기술을 사용하여 실리콘웨이퍼 위에 제작한 것으로 가속도가 인지되면 구조물의 위치가 변해 진동이나 충격을 측정하는 센서이다. 최근에 삼성종합기술원에서 개발한 극소형 가속도센서는 반도체 표면 미세 가공방식으로 제작되어 반도체회로와 같은 칩(On-chip)에 집적화할 수 있어 앞으로 제품 적용 시 경제성이 높은 것으로 보인다.

 가속도센서의 연구는 센서의 감지를 위한 미세구조물과 신호처리 회로의 집적을 통한 센서의 다기능화 및 고성능화 경향이 지배적이다. 센서 내에 액추에이터를 내장시킴으로써 폐회로 제어를 실현함과 동시에 자기진단기능을 부가하여 성능 향상을 꾀하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

 

유량 센서

1) 유량 센서 특성

 유량은 압력, 온도, 레벨 등과 함께 산업현장에서 가장 많이 측정되는 측정량 중의 하나로 유량 측정은 가장 측정하기가 까다로우며 측정 방법도 측정 목적(정밀 측정용, 공정용) 및 액체, 기체, 증기, 유체의 물성(밀도, 점도, 비열, 온도, 압력, 전기전도도 등)에 따라 매우 다양하다. 유량 측정은 다른 측정량과는 달리 직접 유량을 측정하는 방식은 매우 적으며, 다른 물리량을 측정하고 이 측정된 정보로부터 유량을 산출하는 방식이 대부분이다.

 

2) 유량 센서의 종류

a. 반도체기술을 이용한 유량 및 유속센서

 반도체 기술을 이용한 유량 및 유속센서는 열선 유속계에서 발전되어왔다. 반도체 산업이 급속히 발달하고 마이크로머시닝 기술 (micromachining technology)이 최근 개발됨에 따라 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 센서의 개발이 가능하게 되었다. 열선 유속계의 유체에 의한 열선의 방열 효과 원리가 반도체를 이용 한 유량 및 유속센서에도 그대로 적용되며 열선 대신 박막을 이용한 연구가 진행되고 있다.

 

b. 전자기 유량 센서

 전자기 유량 센서도 유량을 직접 측정하는 방식이 아니고 기전력을 측정하며, 이 측정된 기전력을 이용하여 유량을 산출하는 방식을 택하고 있다.

 

c. 초음파 유량 센서

 초음파 유량 센서는 시차 방법, 주파수 차 방법, 도플러 방법 등이 개발되어 실용화되었다. 정확도는 다른 정확한 유량 센서에 비하여 뒤떨어지는 편이지만 비접촉으로 유량을 측정할 수 있다는 초음파 유량 센서 특유의 장점을 살려 많이 적용되고 있는 편이다.

 

 이들 유량 센서는 측정원리가 각각 다르고 정확도, 측정범위 등이 달라 유량측정 목적, 유체의 종류, 요구되는 정확도, 측정범위, 경제성을 고려하여 가장 적합한 유량 센서를 선정하여야 한다. 선정된 유량 센서는 유량 센서가 요구하는 설치조건에 맞게 전 후단의 직관 부가 잘 형성되고 기포가 생성되지 않는 지점에 설치하여야 한다. 또한, 유량 센서는 사용환경에 따라 그 특성 변화가 다르므로 일정 주기마다 교정검사를 받아야만 이 측정 오차를 최소화하고 신뢰성을 유지할 수 있다.

 

Knock 센서

 터보차저 엔진의 열효율을 향상하기 위해 압축비가 높은 상태에서 점화하는 것이 바람직하지만, 압축비를 높이면 노킹이 발생하는데 노크 센서(knock sensor)의 역할은 노킹에 의하여 발생하는 4～7Hz의 진동을 감지하는 센서이다. 따라서 노킹에 의한 진동을 가속도계나 압전 소자로 감지하여 점화시기를 늦춘다.

 

※ 압전식 노크 센서

  압전 소자(Piezo - ceramic)를 이용한 센서로 진동(가속도) 때문에 전압이 발생하는 원리를 이용한 것으로, 엔진의 내부에서 이상 연소(노킹:조기 점화, Detonation)가 발생 시 전압이 심하게 변하는 것을 이용한 것이다.

 

※ 전자유동 방식 노크센서

  코일 속에 자석의 철심을 넣고 철심의 끝 부분에 진동자를 설치하여, 철심과의 사이에 작은 틈새를 두어 실린더 블록의 진동에의해 진동자 진동을 하면 진동자와 철심 사이의 간극이 변화하여 코일 속의 자속이 변화하고 코일 속의 자속이 변화하면, 전자유도 원리에 의해 코일속의 기전력이 변화하는 원리를 이용한 것이다.