KR20220154876A - 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀 - Google Patents

반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀 Download PDF

Info

Publication number
KR20220154876A
KR20220154876A KR1020210062363A KR20210062363A KR20220154876A KR 20220154876 A KR20220154876 A KR 20220154876A KR 1020210062363 A KR1020210062363 A KR 1020210062363A KR 20210062363 A KR20210062363 A KR 20210062363A KR 20220154876 A KR20220154876 A KR 20220154876A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
strain gauge
semiconductor strain
load cell
stress
circuit
Prior art date
Application number
KR1020210062363A
Other languages
English (en)
Inventor
민병석
최연식
Original Assignee
주식회사 멤스팩
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 멤스팩 filed Critical 주식회사 멤스팩
Priority to KR1020210062363A priority Critical patent/KR20220154876A/ko
Publication of KR20220154876A publication Critical patent/KR20220154876A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process
    • B29C33/40—Plastics, e.g. foam or rubber
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225—Measuring circuits therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process
    • B29C33/3842—Manufacturing moulds, e.g. shaping the mould surface by machining
    • B29C2033/385—Manufacturing moulds, e.g. shaping the mould surface by machining by laminating a plurality of layers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)

Abstract

이 발명의 로드셀(200)은 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 한 곳의 응력 민감부(211)와 응력 민감부의 상부에 형성된 음각부(212)를 구비한 바디(210)와, 바디(210)의 음각부(212)의 표면에 접착되는 1개의 반도체 스트레인 게이지(220)와, 반도체 스트레인 게이지(220)에 접속된 상태로 음각부(212)의 표면에 부착되어 반도체 스트레인 게이지(220)를 구동하는 기능과 반도체 스트레인 게이지(220)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로 등을 구비한 회로 구동부(230), 및 반도체 스트레인 게이지(220)와 회로 구동부(230)를 전체적으로 덮어 외부 환경으로부터 보호하도록 음각부(212)에 채워지는 몰딩부(240)를 포함하여 구성된다.

Description

반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀{Load cell with semiconductor strain gauge and circuit driver}
이 발명은 로드셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바디의 표면으로부터 일정 깊이로 파인 음각부 내에 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재하고 이들을 몰딩부로 덮는 배치구조를 가짐에 따라, 내부 소자들의 외부 환경에 대한 신뢰성 향상이 가능한 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀에 관한 것이다.
로드셀은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체(바디)와 이를 전기적 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지를 이용한 감지센서이다. 이러한 로드셀은 질량이 가해지면 소재에 탄성거동(변형된 물체가 원래의 상태로 되돌아오는 현상)이 생기고, 4개 또는 2개의 스트레인 게이지가 가해진 질량에 직접적으로 상응하는 저항변화를 일으키는데, 이때 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)라는 전기회로를 구성하여 저항변화를 정밀한 전기적 신호로 변환시켜 데이터를 얻는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 로드셀은 하중변화를 저항의 변화로 바꿔주는 전기적 장치라고 말할 수 있다.
상기와 같은 로드셀은 가장 기본적인 형태로서, 누르거나 당기는 힘을 측정하는 빔형 로드셀, 누르는 힘을 측정하는 원주형 로드셀, 당기는 힘을 측정하는 S자형 로드셀이 있으며, 이외에도 다양한 형태로 제작하여 이용이 가능하다. 이러한 로드셀은 상업용 전자저울이나 산업용 대용량 전자식 계량기 등 각종 산업분야의 공장제어, 자동화 분야에 사용되고 있다.
한편, 로드셀의 표면(바디의 표면)에는 휘트스톤 브리지라는 전기회로를 구성하는 4개 또는 2개의 스트레인 게이지가 부착된다. 여기서, 휘트스톤 브리지는 브리지 회로의 한 종류로서, 4개의 저항이 사각형의 형태를 이루며, 대각선을 연결하는 브리지(bridge)로 저항이나 전압계, 검류계를 사용하는데, 일반적으로 알려지지 않은 저항값을 측정하기 위해서 사용한다. 따라서, 스트레인 게이지가 1개의 저항을 갖도록 구성할 경우에는 4개의 스트레인 게이지를 로드셀의 표면에 부착하여 로드셀을 구성하고, 스트레인 게이지가 2개의 저항을 갖도록 구성할 경우에는 2개의 스트레인 게이지를 로드셀의 표면에 부착하여 로드셀을 구성하고 있다. 한편, 종래의 스트레인 게이지로는 필름형이나 금속형을 이용하는데, 1개의 저항을 갖는 개별 저항방식이나 2개의 저항을 갖는 하프 브리지(Half bridge) 저항방식을 갖는다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 필름형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 구성관계를 도시한 평면도 및 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 로드셀은 1개의 개별 저항을 갖는 스트레인 게이지 4개를 로드셀의 표면에 각각 부착하여 구성한 것이다. 한편, 도 1 및 도 2와 같이 4개의 개별 저항방식으로 구성하거나 2개의 하프 브리지 저항방식으로 구성하더라도, 브리지 저항을 구성함에 있어서 저항을 한군데에 모을 수 없는 구조이다. 따라서, 아령 형태로 응력 민감부가 적어도 2군데 이상 나눠져 있는 구조를 가져야만 한다.
도 3은 도 1에 도시된 로드셀을 실제 적용을 위해 마감 처리한 상태를 도시한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 1과 같은 로드셀을 실제 현장에 적용하기 위해서는 4개의 필름형 스트레인 게이지 전체를 실리콘 몰딩으로 마감 처리하여 외부 환경으로부터 보호해야 한다. 그런데, 필름형 스트레인 게이지는 넓은 면적으로 구성되고, 또한 상하부에 2개씩 각각 위치함에 따라 바디의 상하부의 넓은 면적에서 마감 처리해야 한다.
도 4는 종래기술에 따른 반도체 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 개념도이고, 도 5는 도 4에 도시된 로드셀을 실제 적용을 위해 마감 처리한 상태를 도시한 단면도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 로드셀은 도 1 및 도 2과 같은 로드셀의 단점을 보완하기 위해 본 출원인이 출원하여 등록받은 등록특허 제2179016호에 공개된 기술이다.
이 공개기술의 로드셀(100)은 한 곳에 응력 민감부(111)를 갖는 바디(110)와, 바디(110)의 응력 민감부(111)가 위치하는 표면에 접착되는 1개의 반도체 스트레인 게이지(120), 및 전도성 와이어(131)와 접속되어 반도체 스트레인 게이지(120)를 구동하는 기능과 반도체 스트레인 게이지(120)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로 등을 갖는 회로기판(130)을 포함하여 구성한 것이다. 즉, 상기 로드셀(100)은 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 갖는 반도체 스트레인 게이지(120)를 이용함으로써, 구성을 단순화하고 정밀성 및 신뢰성을 향상시키도록 구성한 것이다.
그런데, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 4와 같은 로드셀(100)을 실제 현장에 적용하기 위해서는 반도체 스트레인 게이지(120) 및 회로기판(130)을 전체적으로 덮는 마감 처리공정을 통해 외부 환경으로부터 보호해야 한다. 즉, 마감 처리공정을 통해 습기, 먼지 등의 오염과 같은 외부 환경으로부터 반도체 소자를 보호해야 한다. 한편, 마감 처리공정을 수행함에 있어서는 외부에서 가해지는 응력이 반도체 스트레인 게이지(120)에 정확하게 반영되고 응력변화에 영향을 주지 않도록 구성해야 한다. 이를 위해 종래에는 소프트(Soft)한 실리콘(Silicone) 재질로 몰딩 처리하여 마감하고 있다.
그런데, 소프트(Soft)한 실리콘 재질로 몰딩을 하다 보니 실제 사용 중에 외부에서 가해지는 물리적인 힘에 의해 전도성 와이어(131)가 손상되는 경우가 종종 발생하고 있다. 즉, 전도성 와이어(131)가 반도체 스트레인 게이지(120) 및 회로기판(130)의 표면보다 상부로 돌출되는 형태를 갖는데, 이러한 구조에 소프트(Soft)한 실리콘 재질로 몰딩하여 마감 처리함에 따라, 외부에서 충격이 가해질 경우 그 충격이 상대적으로 더 돌출된 전도성 와이어(131)에 더욱 크게 작용하여 전도성 와이어(131)가 손상되는 경우가 종종 발생하고 있다.
또한, 로드셀(100)을 반복적으로 사용할 경우, 로드셀(100)에 반복적으로 인가되는 힘에 의해 금속 바디와 실리콘 몰드의 계면 간에 분리현상이 발생하고, 이렇게 분리된 계면을 따라 수분 등이 침투하여 반도체 소자를 손상시키는 문제점이 있다. 또한, 실리콘 몰드가 내화학성이 약한 고유의 특성을 갖는데, 특히 염분 등에 취약하기 때문에, 로드셀(100)을 바닷가 등에서 사용할 경우 수명이 저하되는 문제점이 있다.
국내 등록특허 제10-2179016호
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 바디의 표면으로부터 일정 깊이로 파인 음각부 내에 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재하고 이들을 몰딩부로 덮는 배치구조를 가짐에 따라, 내부 소자들의 외부 환경에 대한 신뢰성 향상이 가능한 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 로드셀은, 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 한 곳의 응력 민감부와, 상기 응력 민감부의 상부에 형성된 음각부를 구비한 바디와; 상기 음각부의 표면 중에서 응력변화 최대 포인트 부위에 접착되며, 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는 1개의 반도체 스트레인 게이지와; 상기 반도체 스트레인 게이지에 접속된 상태로 상기 음각부의 표면에 부착되어, 상기 반도체 스트레인 게이지의 구동기능과 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 구비한 회로 구동부; 및 상기 반도체 스트레인 게이지와 상기 회로 구동부를 덮어 외부 환경으로부터 보호하도록 상기 음각부에 채워지는 몰딩부를 포함하며, 상기 음각부는 상기 바디의 표면에서 상기 응력 민감부가 위치하는 깊이방향으로 일정 깊이로 파인 형태를 갖는 것으로서, 상기 반도체 스트레인 게이지와 상기 회로 구동부를 그 내부에 수용한 상태에서 상기 몰딩부로 채워 덮을 수 있는 너비 및 깊이를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 몰딩부는 소프트(Soft)한 재질로 구성되어 상기 반도체 스트레인 게이지와 상기 회로 구동부의 전체를 덮는 두께로 상기 음각부에 채워지는 소프트 몰딩부와, 하드(Hard)한 재질로 구성되어 상기 소프트 몰딩부의 상부에 형성되는 상기 음각부에 채워지는 하드 몰딩부를 포함할 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 소프트 몰딩부는 외부에서 가해지는 응력이 상기 반도체 스트레인 게이지에 정확하게 반영되고 응력변화에 영향을 주지 않을 정도로 소프트한 재질로서, 소프트 겔(Soft gel), 실리콘(Silicone) 또는 러버(Rubber)로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 하드 몰딩부는 에폭시(Epoxy)로 구성하는 것이 바람직하다.
이 발명의 로드셀은 바디의 표면으로부터 일정 깊이로 파인 음각부 내에 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재하고, 이들을 몰딩부로 덮는 배치구조를 가짐에 따라, 외부 환경(습도 등)으로부터 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부까지의 침투경로를 최대한 길게 형성함으로써, 이들 내부 소자들의 외부 환경에 대한 신뢰성 향상이 가능하다.
또한, 이 발명의 로드셀은 상기와 같은 음각부에 몰딩부가 채워지는 포켓형 몰딩구조를 가짐에 따라 금속 바디와 몰딩부의 계면 간에 접합력이 우수하여, 로드셀에 반복적인 힘이 인가되더라도 금속 바디와 몰딩부 간에 분리될 염려가 없고, 그로 인해 수분 등의 침투로 인한 반도체 소자의 손상예방이 가능하다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 필름형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 구성관계를 도시한 평면도 및 단면도이고,
도 3은 도 1에 도시된 로드셀을 실제 적용을 위해 마감 처리한 상태를 도시한 단면도이고,
도 4는 종래기술에 따른 반도체 스트레인 게이지를 적용한 로드셀의 개념도이고,
도 5는 도 4에 도시된 로드셀을 실제 적용을 위해 마감 처리한 상태를 도시한 단면도이고,
도 6은 이 발명의 한 실시예에 따른 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀의 구성관계를 도시한 상세도이고,
도 7은 도 6에 도시된 로드셀의 A부분에 대한 확대도이고,
도 8은 도 6에 도시된 로드셀의 B부분을 투영하여 확대한 확대도이고,
도 9는 도 6에 도시된 로드셀의 C부분에 대한 단면도이고,
도 10은 도 6에 도시된 반도체 스트레인 게이지의 접착위치를 찾기 위한 하중인가 테스트 결과에 대한 개략도이고,
도 11은 도 7에 도시된 반도체 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도이며,
도 12는 이 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀의 구성관계를 도시한 상세도이다.
이하, 이 발명에 따른 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 6은 이 발명의 한 실시예에 따른 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀의 구성관계를 도시한 상세도이고, 도 7은 도 6에 도시된 로드셀의 A부분에 대한 확대도이고, 도 8은 도 6에 도시된 로드셀의 B부분을 투영하여 확대한 확대도이며, 도 9는 도 6에 도시된 로드셀의 C부분에 대한 단면도이다.
도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 로드셀(200)은 무선형으로 구성한 것으로서, 한 곳에 응력 민감부(211)와 응력 민감부(211)의 상부에 음각부(212)를 갖는 바디(210)와, 바디(210)의 음각부(212)의 표면에 접착되는 1개의 반도체 스트레인 게이지(220)와, 반도체 스트레인 게이지(220)에 접속된 상태로 음각부(212)의 표면에 부착되어 반도체 스트레인 게이지(220)를 구동하는 기능과 반도체 스트레인 게이지(220)의 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로 등을 구비한 회로 구동부(230), 및 반도체 스트레인 게이지(220)와 회로 구동부(230)를 전체적으로 덮어 외부 환경으로부터 보호하도록 음각부(212)에 채워지는 몰딩부(240)를 포함하여 구성된다.
상기 바디(210)는 로드셀에 적용되는 일반적인 외형을 갖는 것으로서, 한 곳에 응력 민감부(211)를 갖도록 구성된다. 여기서, 응력 민감부(211)는 일반적인 로드셀의 바디에서와 같이 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 부분을 의미한다. 한편, 바디(210)는 응력 민감부(211)의 상부에 음각부(212)를 갖도록 구성된다. 여기서, 음각부(212)는 바디(210)의 표면에서 응력 민감부(211)가 위치하는 깊이방향으로 일정 깊이로 파인 형태를 갖는 것으로서, 반도체 스트레인 게이지(220)와 회로 구동부(230)를 그 내부에 탑재한 상태에서 몰딩부(240)로 충분히 채워 덮을 수 있는 너비 및 깊이로 형성된다.
상기와 같이 응력 민감부(211)의 상부에 음각부(212)를 형성하고, 이 음각부(212)에 반도체 스트레인 게이지(220)를 설치함에 따라, 응력 민감부(211)와 반도체 스트레인 게이지(220) 간의 거리를 더욱 근접시킴에 따라 응력감도를 향상시키는 효과가 있다.
상기 반도체 스트레인 게이지(220)는 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 갖는다. 즉, 이 실시예의 스트레인 게이지(220)는 반도체형으로서, 풀 브리지 저항을 단일 칩 내에 갖도록 구성된다.
이러한 반도체 스트레인 게이지(220)는 음각부(212) 내에 탑재된 상태로 음각부(212)의 표면에 접착되어 바디(210)가 변형되는 경우 함께 변형된다. 이때, 반도체 스트레인 게이지(220)는 도 10에 도시된 바와 같이 응력변화 최대 포인트 부위의 음각부(212)의 표면에 접착된다. 도 10은 도 6에 도시된 반도체 스트레인 게이지의 접착위치를 찾기 위한 하중인가 테스트 결과에 대한 개략도이다.
한편, 반도체 스트레인 게이지(220)는 접착부재를 사용하여 바디(210)의 표면에 접착된다. 이 실시예에서 접착부재로는 글래스 프릿(Glass frit)과 같은 경도가 매우 높은 재료를 사용할 수 있다. 글래스 프릿과 같은 고강도의 접착부재를 이용함에 따라, 반도체 스트레인 게이지(220)와 음각부(212)의 표면 간의 접착강도가 우수하고, 반도체 스트레인 게이지(220)와 글래스 프릿 간의 낮은 열팽창 계수의 차이로 인해 반도체 스트레인 게이지(220)가 음각부(212)의 표면으로부터 박리되는 현상을 예방할 수가 있다. 또한, 글래스 프릿과 같은 고강도 접합재를 통한 하드한 접착방식으로 인해 고온, 고습 환경에서도 신뢰성이 우수하다.
한편, 스트레인 게이지는 필름형 스트레인 게이지와 반도체 스트레인 게이지로 분류될 수 있다. 이 발명에 적용되는 반도체 스트레인 게이지는 필름형 스트레인 게이지보다 게이지 팩터(gauge factor)가 크므로 감도가 50배가량 크며, 저항값이 크므로 소모 전류가 작고 회로 제작이 유리하다. 또한, 반도체 스트레인 게이지는 온도 특성이 우수하며, 일반 금속형 스트레인 게이지로 사용되고 있는 Ni, Cu 합금의 경우 게이지 팩터가 2.0 ~ 2.1 정도지만 반도체 스트레인 게이지의 게이지 팩터는 이에 비해 10배가량 크다.
따라서, 반도체 스트레인 게이지를 로드셀에 적용할 경우, 고정밀 및 고신뢰성 확보가 가능하다. 또한, 접착부재로 응력전달이 우수한 접합재를 선정하고, 고집적화, 낮은 히스테리시스, 공정 단순화를 통한 수율 향상, 소형화, 원가절감 및 대량생산 등이 가능하다.
도 11은 도 7에 도시된 반도체 스트레인 게이지의 일예를 도시한 개념도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 반도체 스트레인 게이지(220)는 실리콘 기판 또는 SOI 기판에 반도체 공정에 의해 고농도로 도핑(doing)시켜 형성하는 압저항체(R1, R2, R3, R4)를 포함한다. 여기서, 압저항체(R1, R2, R3, R4)는 힘을 받아 변형이 생기면, 저항값이 증가하거나 감소한다.
예를 들어, 인장응력이 작용하면 저항이 증가하고, 압축응력이 작용하면 저항이 감소한다. 도 11에 도시된 반도체 스트레인 게이지(220)는 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 반도체 스트레인 게이지(220)가 이 발명에 적용될 수가 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 이 발명은 하나의 작은 영역에 브리지 저항을 모두 갖는 풀 브리지(Full bridge) 저항의 반도체 스트레인 게이지(220)를 이용함에 따라, 도 6과 같이 하나의 응력 민감부(211) 만으로도 인가되는 하중에 의한 저항 변화를 감지해 낼 수 있는 로드셀 구현이 가능하다.
다시, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 회로 구동부(230)는 반도체 스트레인 게이지(220)에 접속된 상태로 음각부(212)의 표면에 부착되어 반도체 스트레인 게이지(220)의 구동기능과 센싱신호의 증폭기능 등을 갖는 것으로서, 연성 회로기판으로 구성하거나 완충부재를 통해 바디(210)의 음각부(212)의 표면에 부착하되, 바디(210)의 변형을 방해하지 않도록 부착된다. 이러한 회로 구동부(230)는 센서 신호를 처리할 수 있는 ROIC(Read-Out Integrated Circuit, 판독 직접회로)를 포함하고, 필요에 따라 무선통신이 가능한 회로 등을 내장할 수 있다. 또한, ROIC 내에 온도센서를 내장할 수도 있다.
또한, 회로 구동부(230)는 도 7에 도시된 바와 같이 중앙 부분에 반도체 스트레인 게이지(220)가 통과할 수 있을 정도로 넓은 사각형의 홀을 갖도록 구성된다.
한편, 반도체 스트레인 게이지(220)는 바디(210)의 변형에 따라 함께 변형되도록 글래스 프릿에 의해 하드하게(견고하게, 딱딱하게) 접착되는 반면에, 회로 구동부(230)는 바디(210)의 변형에 의해 영향을 받지 않고 또한 바디(210)의 변형을 방해하지 않도록 완충부재를 통해 소프트하게 접착된다. 예를 들어, 완충 부재로는 실리콘 고무를 이용할 수 있다.
상기 몰딩부(240)는 반도체 스트레인 게이지(220)와 회로 구동부(230)를 전체적으로 덮어 외부 환경으로부터 보호하도록 음각부(212)에 채워지는 것으로서, 이러한 몰딩부(240)를 통한 마감 처리공정을 통해 습기, 먼지 등의 오염과 같은 외부 환경으로부터 반도체 소자를 보호한다. 이 실시예의 몰딩부(240)는 소프트(Soft)한 재질로 구성되어 반도체 스트레인 게이지(220)와 회로 구동부(230)의 전체를 덮는 두께로 음각부(212)에 채워지는 소프트 몰딩부(241)와, 하드(Hard)한 재질로 구성되어 소프트 몰딩부(241)의 상부에 형성되는 음각부(212)에 채워지는 하드 몰딩부(242)로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 소프트 몰딩부(241)는 외부에서 가해지는 응력이 반도체 스트레인 게이지(220)에 정확하게 반영되고 응력변화에 영향을 주지 않을 정도로 소프트한 재질로서, 소프트 겔(Soft gel), 실리콘(Silicone) 또는 러버(Rubber) 등을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 소프트 몰딩부(241)는 음각부(212)에 1차적으로 채워짐에 따라 바디(210)와의 접합력을 높일 수 있을 뿐만 아니라 수분 등 외부 이물질의 침투 경로를 길게 하고 인가되는 응력 손실을 최소화할 수 있는 소프트한 물질로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 하드 몰딩부(242)는 소프트 몰딩부(241)의 상부에 형성되는 음각부(212)에 채워지는 것으로서, 소프트 몰딩부(241)의 재료가 기계적으로나 화학적으로 취약하기 때문에 이를 보강하여 외부 환경(물리적, 화학적)으로부터 내부 소자를 보호할 수 있는 에폭시(Epoxy) 등과 같은 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 하드 몰딩부(242)는 최종 몰딩재료로서 기계적 물성이 좋은 에폭시 등을 사용함으로써, 외부의 물리적 힘으로부터 전도성 와이어(231) 등을 비롯한 내부 소자를 보호하는 것이 가능하다. 또한, 하드 몰딩부(242)는 하드한 재료를 사용함에 따라 내화학성이 일반적으로 우수하고, 필요에 따라 내화학성이 더욱 우수한 재료를 사용할 경우에는 특성 향상을 통해 로드셀(200)의 사용수명을 더욱 향상시킬 수가 있다.
이 실시예의 로드셀(200)은 바디(210)의 표면으로부터 일정 깊이로 파인 음각부(212) 내에 반도체 스트레인 게이지(220) 및 회로 구동부(230)를 탑재하고, 이들을 몰딩부(240)로 덮는 배치구조를 가짐에 따라, 외부 환경(습도 등)으로부터 반도체 스트레인 게이지(220) 및 회로 구동부(230)까지의 침투경로를 최대한 길게 형성함으로써, 이들 내부 소자들의 외부 환경에 대한 신뢰성 향상이 가능하다.
또한, 이 실시예의 로드셀(200)은 상기와 같은 음각부(212)에 몰딩부(240)가 채워지는 포켓형 몰딩구조를 가짐에 따라 금속 바디(210)와 몰딩부(240)의 계면 간에 접합력이 우수하여, 로드셀(200)에 반복적인 힘이 인가되더라도 금속 바디(210)와 몰딩부(240)가 서로 간에 분리될 염려가 없고, 그로 인해 수분 등의 침투로 인한 반도체 소자의 손상예방이 가능하다.
아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예의 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀의 작동관계에 대해 설명한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 바디(210)의 일측에 하중이 가해지면, 바디(210)에는 인장, 수축, 뒤틀림 또는 휨이 발생하고, 이에 따라 도 11과 같은 반도체 스트레인 게이지(220)의 압저항체(R1, R2, R3, R4)에 저항값의 변화를 야기한다. 이러한 압저항체의 저항값 변화를 회로 구동부(230)의 주변회로가 센싱하게 된다. 그리고, 주변회로는 센싱 신호로부터 센싱 데이터를 얻고 센싱 데이터를 그대로 또는 가공하여 컨트롤러에 제공함으로써, 센싱 데이터로부터 로드셀이 장착된 구조물의 정상 또는 비정상 상태인지의 여부를 판단하거나 중량 등을 측정하게 된다.
도 12는 이 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀의 구성관계를 도시한 상세도이다. 도 12에 도시된 로드셀(200A)은 유선형으로 구성한 것으로서, 도 6에 도시된 무선형의 로드셀(200)과 비교해 그 구성 및 작동관계가 동일 유사하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이상에서 이 발명의 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
200 : 로드셀 210 : 바디
211 : 응력 민감부 212 : 음각부
220 : 반도체 스트레인 게이지 230 : 회로 구동부
231 : 전도성 와이어 240 : 몰딩부
241 : 소프트 몰딩부 242 : 하드 몰딩부
R1~R4 : 압저항체

Claims (4)

  1. 다른 부위보다 얇게 구성되어 응력을 쉽게 감지할 수 있는 한 곳의 응력 민감부와, 상기 응력 민감부의 상부에 형성된 음각부를 구비한 바디와;
    상기 음각부의 표면 중에서 응력변화 최대 포인트 부위에 접착되며, 4개의 저항이 사각형 형태로 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 구성하는 풀 브리지(Full bridge) 저항을 단일 칩 내에 갖는 1개의 반도체 스트레인 게이지와;
    상기 반도체 스트레인 게이지에 접속된 상태로 상기 음각부의 표면에 부착되어, 상기 반도체 스트레인 게이지의 구동기능과 센싱 신호를 증폭하는 기능을 갖는 주변회로를 구비한 회로 구동부; 및
    상기 반도체 스트레인 게이지와 상기 회로 구동부를 덮어 외부 환경으로부터 보호하도록 상기 음각부에 채워지는 몰딩부를 포함하며,
    상기 음각부는 상기 바디의 표면에서 상기 응력 민감부가 위치하는 깊이방향으로 일정 깊이로 파인 형태를 갖는 것으로서, 상기 반도체 스트레인 게이지와 상기 회로 구동부를 그 내부에 수용한 상태에서 상기 몰딩부로 채워 덮을 수 있는 너비 및 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 몰딩부는 소프트(Soft)한 재질로 구성되어 상기 반도체 스트레인 게이지와 상기 회로 구동부의 전체를 덮는 두께로 상기 음각부에 채워지는 소프트 몰딩부와, 하드(Hard)한 재질로 구성되어 상기 소프트 몰딩부의 상부에 형성되는 상기 음각부에 채워지는 하드 몰딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 소프트 몰딩부는 외부에서 가해지는 응력이 상기 반도체 스트레인 게이지에 정확하게 반영되고 응력변화에 영향을 주지 않을 정도로 소프트한 재질로서, 소프트 겔(Soft gel), 실리콘(Silicone) 또는 러버(Rubber)로 구성한 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 하드 몰딩부는 에폭시(Epoxy)로 구성한 것을 특징으로 하는 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀.
KR1020210062363A 2021-05-14 2021-05-14 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀 KR20220154876A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210062363A KR20220154876A (ko) 2021-05-14 2021-05-14 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210062363A KR20220154876A (ko) 2021-05-14 2021-05-14 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220154876A true KR20220154876A (ko) 2022-11-22

Family

ID=84236388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210062363A KR20220154876A (ko) 2021-05-14 2021-05-14 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220154876A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102179016B1 (ko) 2019-06-18 2020-11-16 주식회사 멤스팩 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102179016B1 (ko) 2019-06-18 2020-11-16 주식회사 멤스팩 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220011177A1 (en) Piezoelectric thin-film sensor and use thereof
US11009412B2 (en) Microelectromechanical scalable bulk-type piezoresistive force/pressure sensor
CN107445133B (zh) 对热机械封装应力具有低灵敏度的小型负荷传感器装置
KR100906573B1 (ko) 가속도 센서장치
US8146443B2 (en) Rotating body dynamic quantity measuring device and system
US7082834B2 (en) Flexible thin film pressure sensor
KR101980224B1 (ko) 공압 기반 촉각센서
US11079298B2 (en) MEMS pressure sensor with multiple sensitivity and small dimensions
WO2016185813A1 (ja) 多軸触覚センサ及び多軸触覚センサの製造法
KR102179016B1 (ko) 반도체형 스트레인 게이지를 적용한 로드셀
KR102398725B1 (ko) 반도체형 풀 브리지 스트레인 게이지 모듈 및 이를 적용한 로드셀
KR20040097929A (ko) 가속도 센서 장치
KR20220154876A (ko) 반도체 스트레인 게이지 및 회로 구동부를 탑재한 로드셀
KR101573367B1 (ko) 압저항형 세라믹 압력센서
Elbestawi Force measurement
Nambisan et al. Sensitivity and non-linearity study and performance enhancement in bossed diaphragm piezoresistive pressure sensor
KR102382142B1 (ko) 단일 몰드 패키지를 이용한 압력센서 패키지
JP2009265012A (ja) 半導体センサ
KR20070045524A (ko) 웨이퍼에 대한 감지 장치
CN211954514U (zh) 一种半桥半导体应变计
KR102491804B1 (ko) 베르누이 원리를 적용한 유량센서
KR102498987B1 (ko) 하중 검출 장치
US20090084196A1 (en) Flexural pivot for micro-sensors
CN220708604U (zh) 压力传感器
KR102399234B1 (ko) 압력센서 패키지

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application