반도체 스트레인 게이지는 반도체 단결정 실리콘의 압저항 효과(piezoresistive effect)를 이용해 만든 민감 소자로, 반도체 스트레인 게이지라고도 합니다.
압저항 효과란 반도체 결정 재료가 특정 방향으로 힘에 의해 변형될 때 저항률이 변화하는 현상을 말합니다.
반도체 스트레인 게이지는 시험편에 직접 부착하여 시험편의 변형률을 측정하거나, 탄성 감지 소자에 부착하여 측정 대상 외력을 간접적으로 감지합니다. 서로 다른 구조의 탄성 감지 소자를 사용하면 응력, 변형률, 압력, 토크, 가속도 등 다양한 기계적 물리량을 측정할 수 있습니다.
저항식 스트레인 게이지와 비교했을 때, 반도체 스트레인 게이지는 감도 계수가 매우 높고(약 50~100배), 기계적 히스테리시스가 작으며, 크기가 작고 소비 전력이 낮다는 장점이 있습니다.
1. 반도체 스트레인 게이지의 특성
반도체 재료에 응력이 가해지면 저항값이 변화하며, 이 저항 변화는 주로 치수 변화와 저항률 변화에 의해 발생합니다. 그중에서도 상대적인 변화는 주로 저항률의 상대 변화에 의해 결정됩니다.
반도체 스트레인 게이지는 감도가 매우 높지만, 저항의 온도 계수가 크고, 감도 또한 온도 변화에 따라 달라집니다. 이로 인해 **열 영점 드리프트(thermal zero drift)**와 **열 감도 드리프트(thermal sensitivity drift)**가 발생하기 쉽습니다.
2. 반도체 스트레인 게이지의 온도 오차 발생 원인
스트레인 게이지에 응력이 가해지지 않은 상태에서도, 사용 환경의 온도가 변하면 저항의 상대 변화가 발생합니다. 측정 회로(일반적으로 휘트스톤 브리지 사용)에서는 이로 인해 출력이 발생하게 되며, 이것이 반도체 스트레인 게이지의 온도 오차를 유발합니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.
(1) 저항 온도 계수의 영향
반도체 스트레인 게이지는 저항 온도 계수가 크기 때문에, 온도 변화에 따라 저항값이 크게 변하여 측정 오차를 발생시킵니다.
(2) 시험편 재료와 스트레인 게이지 재료의 선팽창 계수 차이에 의한 영향
스트레인 게이지는 시험편에 부착하여 사용합니다. 이때 시험편 재료와 스트레인 게이지 재료의 선팽창 계수가 서로 다르면, 주변 온도가 변할 때 스트레인 게이지에 추가적인 변형이 발생하고 그에 따른 추가 저항 변화가 생깁니다.
반도체 스트레인 게이지로 변형률을 측정할 때는 일반적으로 브리지 회로를 사용합니다. 초기에는 브리지가 평형 상태(즉, 영점 상태)에 있지만, 온도가 변하면 스트레인 게이지의 저항 온도 계수와 시험편 및 스트레인 게이지 재료 간 선팽창 계수 차이로 인해 저항값이 변화하면서 브리지가 평형을 벗어나게 됩니다. 이때 실제 변형이 없는데도 출력이 발생하는 현상을 열 영점 드리프트라고 합니다.
따라서 온도 변화로 인해 발생하는 이러한 가상 변형(허위 변형)은 반드시 보상되어야 합니다.
(3) 온도가 반도체 스트레인 게이지 감도에 미치는 영향
온도 변화는 반도체 스트레인 게이지의 감도 자체에도 영향을 미쳐, 측정 정확도에 추가적인 오차를 발생시킵니다.