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금속 박막 센서 특집

  • Chapter 1
  • 서론
 
Thin-film strain gauge_Nidec Components
 
본 특집에서는 당사가 개발에 주력하고 있는 금속 박막 센서를 소개합니다.
당사 고유의 세련된 센싱 기술을 통해 생산되는 고성능 잠재력을 활용하여 다양한 분야에서 혁신적인 제품의 창출에 기여합니다.
 
 

 

 
 

스트레인 센서의 종류

 

 

 
 
우선 스트레인 센서에 대해 간략하게 설명하겠습니다.
단단한 물체라도 힘이 가해지면 약간 변형됩니다. 스트레인 센서는 감지할 수 없는 이러한 변형을 감지하여 스트레인을 유발하는 물체내의 응력을 추정할수 있습니다.
스트레인 센서는 저항 포일 스트레인 센서, 반도체 스트레인 센서, 박막 스트레인 센서로 분류됩니다.
(1저항 포일 스트레인 센서
저항소자 역할을 하는 금속박이 응력을 받으면 늘어나면서 단면적과 길이가 변화하여 저항값이 변화합니다. 변형률은 이러한 전위 변화를 추출하여 측정됩니다.
(2반도체 스트레인 센서
응력을 받은 반도체 소자의 압전 저항 효과에 의해 저항 변화를 나타냅니다. 반도체의 압전 저항 효과는 저항 변화의 폭이 크고 감도가 높은 센서라고 할 수 있지만 온도 등의 환경 변화에 민감한 측면도 있습니다.
(3박막 스트레인 센서
피에조 저항 효과를 가진 금속 박막을 기재에 형성하여 변형에 의한 저항 변화를 계측합니다. 일반적으로 저항 포일과 반도체 스트레인 센서의 중간 특성을 나타냅니다.
 
박막 스트레인 센서란?
 

 

 
 
박막 센서는 스트레인 센서 필름에 압저항 특성을 갖는 금속 재료를 사용하고, 스퍼터링 등의 방법을 사용해 기판에 필름을 증착합니다. 기판이 세라믹과 같은 절연체인 경우 스트레인 센서 재료는 기판에 직접 증착될 수 있습니다. 그러나 기판이 금속인 경우에는 기판과 센서재료 사이의 전기적 접촉을 방지하기 위해 절연층이 필요합니다.

다른 방식의 스트레인 센서도 마찬가지이지만, 스트레인에 의한 저항값 변화는 원래의 저항값으로부터 하면 얼마 되지 않으므로 휘트 스톤 브리지 회로를 사용하여 저항 값의 변화를 브리지의 밸런스 포인트에서 전위차로 추출합니다.

 
여기서 소개하는 스트레인 센서는 (3)의 박막 스트레인 센서에 속합니다.
많은 스트레인 센서가 저항성 포일이나 반도체 소자를 수지 필름에 부착하거나 필름에 박막 소자를 형성하는 반면, 당사의 박막 스트레인 센서는 견고한 금속 칩에 장착된다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

 

 
 
 
  • Chapter 2
  • 당사 금속 박막 센서의 강점
 

 

 
 

본 절에서는 당사가 개발한 금속 박막 센서의 높은 성능과 특징을 소개합니다.

고성능 포텐셜/편의성 추구

 

 

 
 
Thin-film strain gauge cad_Nidec Components
당사의 금속박막 센서는 감도와 환경 안정성 사이의 밸런스가 뛰어나 다양한 계측 요구에 응할수 있는 높은 포텐셜을 가지고 있습니다.
변형 센서 소자에는 고감도의 박막 재료를 채용해, 금속의 기재에 절연막을 개재하여 막을 붙임으로써, 기재에 발생하는 응력을 다이렉트에 검출할 수 있습니다. 이 독특한 구조는 필름이나 접착제를 사용하지 않는 것으로, 아래와 같이 탁월한 성능을 발휘합니다.
 
1. 고감도
 

 

 
 
  • 당사의 박막 재료는 일반 금속박에 비해 게이지율이 5~10배라는 재료를 사용하고 있습니다. 이러한 높은 게이지 계수를 통해 고 S/N비를 얻을수 있어 고감도의 센싱이 가능합니다.
 
2. 뛰어난 선형성
  • 변형 센서 소자와 변형이 발생하는 금속이 단단한 절연막을 통해 강력하게 결합되어 중간에 슬라이딩 요소가 없기 때문에 히스테리시스의 발생이 억제됨으로써 왜곡량을 정확하게 전달할수 있습니다.
  • 금속은 선형 탄성 영역에서도 응력이 커짐에 따라 약간 비선형적인 특성이 나타납니다. 당사의 변형 센서 소자는 감도가 높아 약간의 왜곡을 검출할수 있기에 선형성이 높은 소왜 영역에서도 충분한 출력을 얻을수 있어 우수한 선형성을 실현하고 있습니다.
리니어리티 오차 참고 그래프
 
3. 저 드리프트
  • 전통적인 필름형 스트레인 게이지는 스트레인 게이지 요소와 기판 사이에 접착제나 수지 재료를 사용합니다. 그 경우, 사용 환경에 의한 영향 등으로 경시적으로 서서히 수지 재료 등이 변형함으로써 드리프트가 발생합니다. 이와 대조적으로 당사의 센서는 금속상에 직접 성막하고 있기 때문에, 변형하는 수지 자체가 없는 것에 의해 환경 변화나 경시 변화의 영향에 덜 민감하게 하여 출력 드리프트의 발생이 억제됩니다.
 
4. 고속 응답
  • 직접 성막의 구조에 의해, 센서와 기판 사이의 물질을 최소화하여 반응 저해 요인을 최소화합니다. 결과적으로 변형에 따른 전달 속도가 매우 빨라 힘과 토크 변동을 빠르고 정확하게 측정할 수 있습니다.
 
5. 고내구성
  • 직접 성막의 구조에 의해 탁탁월한 내구성을 제공합니다. 1,000만 주기의 내구성 테스트 후에도 성능은 변함이 없습니다.
 
6. 설치 편리성
  • 금속 칩 상에 직접 성막한 박막 변형 센서를 구조체(피측정물)에 설치할 필요가 있지만, 당사는 "나사 고정" 접합 기술을 사용하여 테스트 대상에 장착됩니다.
    박막 변형 센서를 기왜부로서 피측정물에 부착한후 변형을 계측하므로 탑재하는 장치에 맞는 유연한 구조 설계를 가능하게 했습니다. 나사 고정이므로 필름형의 변형 센서와 같이 오랜 시간을 들여 피측정물에 접착하는 공정도 불필요하므로 대량 생산에도 적합하고 탁월한 안정성과 정확한 변형률 측정을 제공합니다.
 
7. 디자인 자유도
  • 게이지 패턴은 증착 공정을 통해 이루어지며, 변형이 일어나는 지점에 핀포인트, 미세한 패턴을 형성할수 있어 고객의 테스트 대상에서 발생하는 변형에 따른 박막 변형률 센서 구성이 가능하며 자유로운 설계가 가능합니다.
 

센서칩+구조체의 센서모듈로 제공

 

 

 
 
금속상 박막 센서의 고성능을 살리면서 저비용으로 양산성이 우수한 힘/토크 센서를 제공하기 위해 당사에서는 표준 센서칩을 테스트 대상에 부착하는 기술을 개발하고 양산화했습니다. 센서칩을 가장 적합한 형태로 부착하기 위한 탄성 구조를 설계함으로써 고부하부터 미소 부하까지 다양한 용도에 적합한 저렴한 힘 및 토크 센서를 구현할수 있습니다.
 
측정하중을 기준으로 한 탄성구조 형상
 
  • 센서칩이 부착된 센서 모듈로 제공하고 있으니 참고하시기 바랍니다.센서 칩 단체로의 제공은 하고 있지 않으므로 미리 양해 바랍니다.
  • 센서칩 단체로의 제공은 하고 있지 않으므로 미리 양해 바랍니다.
 
【집적 회로도 이용 가능】
또한 스트레인 센서 요소에 대한 전압 공급, 감지된 전위차 증폭, A/D 변환, 교정, 직렬 통신 및 기타 기능을 포함하는 집적 회로를 제공합니다. 이러한 표준 회로는 통합 센서 모듈로 제공될수 있습니다.
 
  • 표준 인터페이스는 RS485
    그 외 인터페이스는 상담해 주세요.
    (RS422,EtherCAT등)
  • 그 외 인터페이스는 상담해 주세요(RS422, EtherCAT 등)

 

 

 

 

 
 
  • Chapter 3
  • 박막 센서의 응용 시나리오
 

 

 
 
 

다양한 기능성 발휘 가능

 

 

 
 

당사의 금속 박막 센서는 다양한 기능적 요구사항을 충족하는데 사용될수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

 
  • 한 방향으로 가해지는 힘·토크의 크기를 극미소로부터 톤 클래스의 하중까지 측정할 경우.
  • 다방향에 가해지는 힘·토크의 크기를 각 축 방향으로 분리하여 계측할 경우.
  • 측정한 부하에 따라 가압력이나 회전 토크를 정밀하게 제어할 경우.
  • 변동하는 부하를 측정하여 이상을 감지하거나 수명을 추측할 경우.
  • 중량을 정밀하게 계량·계측할 경우.
  • 최소한의 움직임이라도 즉시 감지할 경우.
  • 가해지는 힘을 감각적으로 사람에게 리얼하게 전달할 경우.
  • 조작의 힘 가감으로 기기를 제어할 경우.
 
 

귀하의 요구사항을 공유해주세요.

 

 

 
 

이상으로부터, 당사 금속상 박막 센서는 아래와 같은 다양한 응용 분야에서 고객의 혁신적인 제품을 창조하는데 기여할 큰 가능성을 숨기고 있습니다.

applications image
  • 로봇
  • 파워 어시스트
  • 터치 프로브
  • 카테터
    가압 센서
  • 공작 기계 공구
  • 로드셀
  • 중량계
  • 프레스 금형의
    응력 측정
  • 미싱
  • 입력장치
  • 조이스틱
    컨트롤러
  • 모빌리티의
    구동 토크 제어

귀하의 응용 분야의 성능과 유용성에 가장 적합한 센서를 제공하기 위해 당사는 귀하의 특정 요구 사항에 맞는 센서를 제안합니다. 고객의 제품에 최적의 센서를 제공하기 위해서는 개발 초기에 기술과 사양을 맞추는 것이 효과적입니다. 부담없이 상담해 주십시오.

 
 

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