KR101770308B1 - 금속박막 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 내부공간이 상하로 개방된 하측하우징; 상기 하측하우징의 하측 개구부를 덮도록 결합되는 금속박막; 상기 금속박막의 상면 가운데 부위에 장착되는 압력소자; 상기 하측하우징의 내부에 결합되는 피씨비; 및 상기 하측하우징의 상부를 덮도록 결합되며, 상기 피씨비와 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비하는 상측하우징;을 포함하여 구성된다. 본 발명에 의한 금속박막 압력센서를 이용하면, 압력전달재료 없이 압력을 측정할 수 있어 내부구조 단순화 및 제품 소형화가 가능해지고, 결빙이 방지되고 이물질 제거가 용이하게 측정 신뢰성이 높다는 장점이 있다.

Description

금속박막 압력센서{Metal thin film pressure sensor}

본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 센서칩이 장착된 금속박막이 하우징에 일체로 형성되어 제품의 소형화가 가능하고 신뢰성이 향상된 금속박막 압력센서에 관한 것이다.

압력센서는 자동차, 화학설비, 반도체 제조설비 등에서, 유체가 통과하는 유로 또는 밸브측에 설치되어 유체의 압력을 측정하는 데 주로 많이 이용되며, 예컨대 자동차의 매니폴드 압력, 엔진 유압, 연료전지 차량의 수소가스 또는 공기의 압력, 소음기 내의 배기가스 압력, 그외 기타 일반 산업용 압력계 등에 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력 범위를 고정밀도로 측정하는 데 사용된다.

이러한 압력센서는 유체가 유입되는 압력도입구 및 압력도입구에 근접하여 설치된 압력소자로 구성되고, 압력소자는 반도체칩 또는 스트레인게이지 등과 같이 다양한 소자로 구성될 수 있다. 또한, 온도센서는 유체가 통과하는 유로 상에 설치되고, 유체의 온도를 감지하는 온도소자를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 압력센서에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 압력센서의 내부구조를 도시하는 단면도이다.

종래의 압력센서는, 피씨비(10)(PCB:Printed Circuit Board)가 안착될 수 있는 내부공간을 갖도록 적층 구조로 결합되는 하측하우징(20) 및 상측하우징(30)과, 내부에 압력전달재료(50)가 주입되어 상기 하측하우징(20)의 저면에 결합되는 압력하우징(40)을 기본 구조로 구성된다. 상기 하측하우징(20)의 내부공간 측벽에는 피씨비(10)의 가장자리가 안착되는 안착턱(202)이 형성되는바, 상기 피씨비(10)는 저면 중 가장자리 부위만이 하측하우징(20)에 접촉되고 나머지 부분은 하측하우징(20)의 바닥면으로부터 이격된 상태를 유지하게 된다.

또한 상기 압력하우징(40)은 상향으로 돌출된 가운데 부위에 압력소자(60)가 장착되고, 상기 압력소자(60)는 와이어(61)에 의해 상기 피씨비(10)와 전기적으로 연결치된다. 상기 압력소자(60)는 압력전달재료(50)를 통해 전달되는 압력을 감지한 후, 감지된 압력신호를 와이어를 통해 피씨비(10)로 전달하도록 구성된다. 피씨비(10) 저면에는 하측하우징(20)의 온도를 측정하기 위한 온도소자(12)가 장착되고, 온도소자(12) 저면과 하측하우징(20)의 바닥면에 사이에는 써멀패드(23)가 구비된다. 이와 같이 온도소자(12)와 하측하우징(20) 사이에 써멀패드(23)가 구비되면, 하측하우징(20)의 열이 써멀패드(23)를 통해 즉각적으로 온도소자(12)에 전달되는바, 유로 내의 온도를 실시간으로 측정하여 반영할 수 있게 된다.

한편, 압력소자(60) 및 온도소자(12)에 의해 측정된 측정값을 외부로 전달하기 위하여, 상기 피씨비(10)를 전기적으로 하우징 외부로 연결하는 하나 이상의 전극단자(31)가 구비되고, 상기 전극단자(31)는 상측하우징(30)을 상하로 관통 장착된다. 이때 상기 전극단자(31)는 커넥터(11)를 통해 피씨비(10)와 전기적으로 연결된다.

그러나 상기와 같이 구성되는 종래의 압력센서는, 압력전달재료(50)가 내장된 압력하우징(40)이 필수적으로 요구되므로 제품의 길이를 줄이는데 한계가 있고, 신호 전달을 위한 피씨비(10)가 한 층으로 구성되는바 제품의 단면적을 줄이는데에도 한계가 있다는 단점이 있다. 또한 종래의 압력센서는, 주위 온도가 매우 낮아 압력전달재료(50)가 동결되는 경우 압력값을 측정할 수 없고, 내부구조가 복잡하다는 단점이 있다.

KR 10-0777105 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 압력전달재료 없이 압력을 측정할 수 있어 내부구조 단순화 및 제품 소형화가 가능해지고, 결빙이 방지되고 이물질 제거가 용이하게 측정 신뢰성이 높은 금속박막 압력센서를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 공간이 상하로 개방된 하측하우징; 상기 하측하우징의 하측 개구부를 덮도록 결합되는 금속박막; 상기 금속박막의 상면 가운데 부위에 장착되는 압력소자; 상기 하측하우징의 내부에 결합되는 피씨비; 및 상기 하측하우징의 상부를 덮도록 결합되며, 상기 피씨비와 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비하는 상측하우징;을 포함하여 구성된다.

상기 금속박막은 인서트 사출 방식에 의해 상기 하측하우징과 일체로 제작된다.

상기 하측하우징의 하측 내벽에는 저면에 삽입홈이 형성된 내측플랜지가 마련되어, 상기 피씨비는 가장자리가 상기 내측플랜지의 상면에 안착되고, 상기 금속박막의 가장자리에는 상기 삽입홈에 삽입되도록 상향으로 돌출되는 삽입부가 형성된다.

상기 피씨비는, 상기 압력소자와 대응되는 부위에 관통공이 형성되고 가장자리가 상기 내측플랜지의 상면에 안착되는 하측기판과, 상기 하측기판과 평행하도록 상기 하측기판의 상측에 장착되며 연결부에 의해 상기 하측기판과 전기적으로 연결되는 상측기판으로 구성된다.

상기 연결부는, 전기절연성을 갖는 재료로 제작되며 하단과 상단이 각각 상기 하측기판의 상면과 상측기판의 저면에 부착되는 지지블록과, 상기 지지블록 내에 삽입되어 상기 하측기판과 상측기판을 전기적으로 연결하는 연결전선을 포함한다.

상기 금속박막의 상면에는, 상기 압력소자의 외측벽에 밀착되도록 상향으로 돌출되어 상기 압력소자의 측방향 이동을 제한하는 지지단이 구비된다.

상기 하측하우징의 하단과 상기 금속박막의 저면은 하나의 평면을 이루도록 형성된다.

본 발명에 의한 금속박막 압력센서를 이용하면, 압력전달재료 없이 압력을 측정할 수 있어 내부구조 단순화 및 제품 소형화가 가능해지고, 결빙이 방지되고 이물질 제거가 용이하게 측정 신뢰성이 높다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 압력센서의 내부구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 금속박막 압력센서의 내부구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 금속박막 압력센서에 포함되는 하측하우징과 금속박막의 결합구조를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 금속박막 압력센서에 포함되는 금속박막 제2 실시예의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 금속박막 압력센서에 포함되는 피씨비의 분해사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 금속박막 압력센서의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 금속박막 압력센서의 내부구조를 도시하는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 금속박막 압력센서에 포함되는 하측하우징과 금속박막의 결합구조를 도시하는 단면도이다.

본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 차량의 배기관 등과 같이 일정 수준의 압력을 갖는 유체가 흐르는 유로에 장착되어 상기 유체의 압력을 측정하기 위한 장치로서, 압력전달재료가 내장된 별도의 압력하우징을 구비하지 아니하더라도 유체의 압력을 측정할 수 있도록 구성된다는 점에 구성상의 가장 큰 특징이 있다.

즉, 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 내부공간이 상하로 개방된 원통 형상의 하측하우징(100)과, 상기 하측하우징(100)의 하측 개구부(110)를 덮도록 결합되는 금속박막(200)과, 상기 금속박막(200)의 상면 가운데 부위에 장착되는 압력소자(300)와, 상기 하측하우징(100)의 내부에 결합되어 와이어(310)에 의해 압력소자(300)와 연결되는 피씨비(400)와, 상기 하측하우징(100)의 상부를 덮도록 결합되며 상기 피씨비(400) 상의 커넥터(700)와 전기적으로 연결되는 전극단자(510)를 구비하는 상측하우징(500)을 기본 구성요소로 구비한다.

상기 금속박막(200)은 하측하우징(100)의 하측 개구부(110)를 밀봉하도록 설치되고, 상기 상측하우징(500)은 하측하우징(100)의 상부를 밀봉하도록 접착제(620)에 의해 결합된다. 또한 본 발명에 의한 금속박막 압력센서가 장착된 공간의 압력변화가 발생되면 상기 금속박막(200)이 변형되고, 상기 압력소자(300)는 이를 감지하여 주변공간의 압력을 수치로 산출하게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 별도의 압력전달재료를 통해 압력을 전달받는 것이 아니라 금속박막(200)이 주변의 압력 변화를 직접 감지하도록 구성되는바, 압력하우징 생략을 통해 내부구조 단순화 및 제품의 소형화가 가능해진다는 장점이 있다. 즉, 도 1에 도시된 종래의 압력센서에서 압력하우징(40)을 삭제한만큼 제품의 전체 길이가 짧아진다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 압력소자(300)로 전달되는 압력이 압력전달재료를 통해 간접적으로 전달되는 것이 아니라 금속박막(200)을 통해 직접 전달되는바, 압력변화 감지를 즉각적으로 할 수 있어 응답성이 빨라지고, 압력값 측정 오차도 줄일 수 있다는 장점도 있다.

한편, 종래의 압력센서에 포함되는 압력전달재료는 유체상태를 유지해야 압력 전달이 가능한데, 주변 온도가 매우 낮아 결빙이 되는 경우 압력 전달이 불가하게 되고, 이에 따라 압력값 측정이 전혀 이루어지지 못하게 된다는 결정적인 문제점이 있다. 그러나 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는 압력전달재료가 필요치 아니하므로 주변 온도가 매우 낮은 장소에서도 정상적으로 압력 측정이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 종래의 압력센서는 압력전달재료가 결빙되었을 때 압력전달재료의 부피가 증가하여 압력하우징이 파손될 우려가 있는데, 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는 압력전달재료 자체를 가지고 있지 아니하므로 결빙에 의한 파손 우려가 원천적으로 해소된다는 효과도 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 금속박막 압력센서는, 피씨비(400) 상에 장착되는 신호교정소자(412)와, 하측하우징(100) 외주면에 장착되는 오링(620)이 구비될 수 있는데, 이와 같은 신호교정소자와 오링은 종래의 압력센서에도 동일하게 적용되고 있는바, 상기 신호교정소자와 오링에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 외부 압력이 금속박막(200)에 직접 인가되면 금속박막(200)이 어느 정도 변형되는바, 상기 금속박막(200)이 하측하우징(100)으로부터 탈거될 우려가 있을 수 있다. 또한, 하측하우징(100)과 금속박막(200)을 각각 별도로 제작한 후 결합시키면, 하측하우징(100)과 금속박막(200) 사이에 틈새가 형성되어 하측하우징(100) 내부공간이 외부와 완벽하게 격리되지 못할 수 있다.

따라서 상기 금속박막(200)은 인서트 사출 방식에 의해 상기 하측하우징(100)과 일체로 제작됨이 바람직하다. 이와 같이 금속박막(200)이 인서트 사출 방식으로 하측하우징(100)과 일체로 제작되면, 금속박막(200)과 하측하우징(100) 사이에 틈새가 발생될 우려가 없을뿐만 아니라, 금속박막(200)의 가장자리가 매우 견고하게 하측하우징(100)에 결합되는바, 상기 금속박막(200)이 하측하우징(100)으로부터 탈거될 우려가 없다는 장점이 있다.

상기 하측하우징(100)의 하측 내벽에는 내측플랜지(120)가 형성되고, 상기 금속박막(200)은 가장자리가 상기 내측플랜지(120)의 저면에 결합됨으로써 하측하우징(100)과 일체로 결합된다. 이때, 금속박막(200)과 하측하우징(100) 간의 결합력이 더욱 높아질 수 있도록, 상기 내측플랜지(120)의 저면에는 삽입홈(130)이 형성되고, 상기 금속박막(200)의 가장자리에는 상기 삽입홈(130)에 삽입되도록 상향으로 돌출되는 삽입부(210)가 형성된다.

이와 같이 금속박막(200) 가장자리에 형성된 삽입부(210)가 삽입홈(130)에 삽입되도록 구성되면, 상기 금속박막(200)이 외부로부터 인가되는 압력에 의해 상향으로 볼록해지도록 휘어져 가장자리가 중심부(압력소자(300)가 장착된 지점)를 향해 당겨지더라도, 상기 삽입부(210)가 삽입홈(130)의 단턱에 걸려 고정된 상태를 유지할 수 있게 된다. 즉, 상기 금속박막(200)은, 삽입부(210)가 파손될만큼 큰 외력이 인가되지 아니하는 한 하측하우징(100)과 일체로 결합된 상태를 유지할 수 있다는 장점 즉, 매우 높은 내구성을 갖게 된다는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 도시된 바와 같이 금속박막(200)을 인서트 사출 방식으로 하측하우징(100)과 일체로 제작하면, 상기 금속박막(200)의 저면을 상기 하측하우징(100)의 하단에 정확히 일치시킬 수 있으므로 즉, 상기 하측하우징(100)의 하단과 금속박막(200)의 저면이 하나의 평면을 이루도록 할 수 있으므로, 금속박막(200)으로 인가되는 외부 압력이 금속박막(200)의 저면에 고르게 분포될 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어 상기 금속박막(200)이 하측하우징(100)의 하단보다 더 돌출되면, 외부 압력이 금속박막(200)의 측단에 수평방향으로 인가될 수 있으므로 상기 금속박막(200)이 비정상적으로 변형되어 정확한 압력 측정이 어려울 수 있다. 그러나 본 실시예에 도시된 바와 같이 하측하우징(100)의 하단과 금속박막(200)의 저면이 하나의 평면을 이루게 되면, 외부 압력이 금속박막(200)의 저면에만 고르게 분포되어 인가되는바, 금속박막(200)이 비정상적으로 변형되는 현상이 발생되지 아니하고, 이에 따라 정확한 압력측정이 가능해진다는 효과를 기대할 수 있다.

한편, 하측하우징(100)의 내부에 장착되는 피씨비(400)는 가장자리가 상기 내측플랜지(120)의 상면에 안착되도록 배치되는데,

이때 상기 피씨비(400)가 하나의 평판으로 이루어지면, 도 1에 도시된 종래의 압력센서와 같이 하측하우징(20)이 매우 넓게 제작되어야 하므로, 제품의 소형화에 어려움이 있다. 물론, 피씨비(10)의 크기를 줄이면 하측하우징(20)의 크기도 줄일 수 있어 제품의 소형화가 가능해지지만, 상기 피씨비(10)에는 다양한 패턴이 형성될 수 있도록 기준치 이상의 면적을 가져야 하는바, 피씨비(10)의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있다.

본 발명에 의한 금속박막 압력센서는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 상기 피씨비(400)가 복층 구조로 구성된다는 점에 또 다른 특징이 있다. 즉, 상기 피씨비(400)는, 상기 압력소자(300)와 대응되는 부위에 관통공(414)이 형성되고 가장자리가 상기 내측플랜지(120)의 상면에 안착되는 하측기판(410)과, 상기 하측기판(410)과 평행하도록 상기 하측기판(410)의 상측에 장착되며 연결부(430)에 의해 상기 하측기판(410)과 전기적으로 연결되는 상측기판(420)으로 구성될 수 있다.

이와 같이 상기 피씨비(400)가 복층구조로 구성되면, 피씨비(400)의 전체 표면적을 넓게 확보하면서도 하측하우징(100)의 수평단면적을 줄일 수 있으므로, 제품의 소형화가 가능해진다는 장점이 있다.

도 4는 본 발명에 의한 금속박막 압력센서에 포함되는 금속박막(200) 제2 실시예의 단면도이다.

압력소자(300)가 금속박막(200) 상면에 단순히 안착되는 구조로 장착되면, 금속박막(200)의 외부 압력에 의해 일정수준 휘어지는 과정에서 상기 압력소자(300) 장착위치가 측방향으로 이동될 우려가 있다.

본 발명에 의한 금속박막 압력센서는 상기와 같은 문제가 발생되지 아니하도록 즉, 압력소자(300)의 장착위치가 안정적으로 고정될 수 있도록, 상기 금속박막(200)의 상면에는 압력소자(300)의 외측벽에 밀착되도록 상향으로 돌출되는 지지단(220)이 구비될 수 있다.

이와 같이 금속박막(200) 상면에 지지단(220)이 구비되면, 상기 압력소자(300)는 측방향 이동이 제한되는바, 압력소자(300)가 금속박막(200)으로부터 탈거되는 현상을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 의한 금속박막 압력센서에 포함되는 피씨비(400)의 분해사시도이다.

본 발명에 포함되는 피씨비(400)가 상기 언급한 바와 같이 상하방향으로 이격되도록 배열되는 하측기판(410)과 상측기판(420)으로 구성되면, 하측기판(410)과 상측기판(420)을 전기적으로 연결시키기 위한 연결부(430)가 필수적으로 요구된다.

이때, 상기 연결부(430)가 통상적인 전선으로 이루어지면, 외부로부터 충격이 인가되었을 때 상기 연결부(430)가 하측기판(410)이나 상측기판(420)으로부터 분리될 우려가 있다. 따라서 상기 연결부(430)는 하측기판(410)과 상측기판(420)을 일체로 연결하는 기능과 하측기판(410)과 상측기판(420)을 전기적으로 연결하는 기능을 모두 수행할 수 있도록 제작될 수 있다.

즉, 상기 연결부(430)는 도 5에 도시된 바와 같이, 전기절연성을 갖는 재료로 제작되며 하단과 상단이 각각 상기 하측기판(410)의 상면과 상측기판(420)의 저면에 부착되는 지지블록(432)과, 상기 지지블록(432) 내에 삽입되어 상기 하측기판(410)과 상측기판(420)을 전기적으로 연결하는 연결전선(434)으로 구성될 수 있다.

상기 지지블록(432)은 하측기판(410)과 상측기판(420)을 물리적으로 결합시키는 기능을 수행하므로 상기 하측기판(410)과 상측기판(420)은 일정 수준의 외력이 인가되더라도 일체로 결합된 상태를 유지할 수 있다. 이와 같이 하측기판(410)과 상측기판(420) 간의 결합이 안정적으로 유지되면, 상기 연결전선(434) 역시 길이방향 양단이 하측기판(410)과 상측기판(420)에 안정적으로 연결될 상태를 유지할 수 있는바, 하측기판(410)과 상측기판(420)은 안정적인 신호전달이 유지될 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 상측기판(420)이 복수 개의 연결부(430)에 의해 안정적으로 지지될 수 있다면, 상측기판(420) 거치를 위해 하측하우징(100)의 내벽에 별도의 거치단을 형성할 필요가 없으므로, 하측하우징(100)의 내부구조가 간략해진다는 이점도 기대할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 하측하우징 110 : 개구부
120 : 내측플랜지 130 : 삽입홈
200 : 금속박막 210 : 삽입부
220 : 지지단 300 : 압력소자
310 : 와이어 400 : 피씨비
410 : 하측기판 414 : 관통공
420 : 상측기판 430 : 연결부
432 : 지지블록 434 : 연결전선
500 : 상측하우징 510 : 전극단자
620 : 접착제 700 : 커넥터

Claims (7)

1. 내부공간이 상하로 개방된 하측하우징;
   상기 하측하우징의 하측 개구부를 덮도록 결합되되, 인서트 사출 방식에 의해 상기 하측하우징과 일체로 제작되며, 저면이 상기 하측하우징과 하나의 평면을 이루는 금속박막;
   상기 금속박막의 상면 가운데 부위에 장착되는 압력소자;
   상기 하측하우징의 내부에 결합되는 피씨비; 및
   상기 하측하우징의 상부를 덮도록 결합되며, 상기 피씨비와 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비하는 상측하우징;
   을 포함하되,
   상기 하측하우징의 하측 내벽에는 저면에 삽입홈이 형성된 내측플랜지가 마련되어, 상기 피씨비는 가장자리가 상기 내측플랜지의 상면에 안착되고,
   상기 금속박막의 가장자리에는 상기 삽입홈에 삽입되도록 상향으로 돌출되는 삽입부가 형성되며,
   상기 금속박막의 상면에는, 상기 압력소자의 외측벽에 밀착되도록 상향으로 돌출되어 상기 압력소자의 측방향 이동을 제한하는 지지단이 구비되고,
   상기 피씨비는, 상기 압력소자와 대응되는 부위에 관통공이 형성되고 가장자리가 상기 내측플랜지의 상면에 안착되는 하측기판과, 상기 하측기판과 평행하도록 상기 하측기판의 상측에 장착되며 연결부에 의해 상기 하측기판과 전기적으로 연결되는 상측기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속박막 압력센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 연결부는,
   전기절연성을 갖는 재료로 제작되며 하단과 상단이 각각 상기 하측기판의 상면과 상측기판의 저면에 부착되는 지지블록과, 상기 지지블록 내에 삽입되어 상기 하측기판과 상측기판을 전기적으로 연결하는 연결전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속박막 압력센서.
   
6. 삭제
7. 삭제

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