자동화 기술의 발전에 따라 산업 장비에 사용되는 압력 센서는 액주식 압력계나 탄성식 압력계를 제외하고, 주로 압력 트랜스미터와 감지 장치를 사용하여 압력을 전기 신호로 변환합니다.
압력 센서란 압력을 전기 신호 출력으로 변환하는 센서를 의미합니다. 일반적으로 센서는 감지 소자(민감 소자)와 신호 변환 회로의 두 부분으로 구성됩니다.
감지 소자는 측정 대상에 직접 반응하거나 감지하는 부분으로, 측정된 변형(스트레인)을 전송이나 측정에 적합한 전기 신호로 변환합니다. 센서의 출력 신호는 보통 매우 미약하기 때문에 변조 및 증폭이 필요합니다. 집적 회로 기술의 발전으로 이러한 회로와 전원부를 센서 내부에 통합하게 되었으며, 그 결과 센서는 처리와 전송이 용이한 신호를 직접 출력할 수 있게 되었습니다.
일반적으로 압력 센서는 변화하는 압력 신호를 민감 소자에 전달하여 저항 신호 또는 정전용량 신호의 변화를 발생시키는 방식을 의미합니다.
현재 널리 사용되는 압력 센서로는 세라믹 압저항식 압력 센서, 스퍼터링 박막 압력 센서, 정전용량식 압력 센서, 고온용 사파이어 압력 센서 등이 있습니다. 이 중에서도 압저항식 압력 센서가 가장 널리 사용되며, 가격이 저렴하고 정확도가 높으며 선형성이 우수하다는 장점을 가지고 있습니다. 아래에서는 압력 센서의 분류를 자세히 소개합니다.
1. 압저항식 압력 센서 (Piezoresistive Pressure Sensor)
저항식 스트레인 게이지는 압저항식 스트레인 센서의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 금속 저항체에 기계적 변형이 가해지면 저항값이 변화하는데, 이를 저항 스트레인 효과라고 합니다. 압저항식 압력 센서는 이 원리를 이용해 압력을 전기 신호로 변환합니다.
2. 세라믹 압력 센서 (Ceramic Pressure Sensor)
세라믹 압력 센서는 압저항 효과를 기반으로 작동합니다. 압력이 세라믹 다이어프램 전면에 직접 작용하면 다이어프램이 미세하게 변형되고, 후면에 인쇄된 후막 저항이 이에 따라 변화합니다.
휘트스톤 브리지 회로를 구성하면, 바리스터(압저항) 효과에 의해 압력과 여기 전압에 비례하는 전압 신호가 출력됩니다.
3. 확산 실리콘 압력 센서 (Diffused Silicon Pressure Sensor)
확산 실리콘 압력 센서의 작동 원리 역시 압저항 효과에 기반합니다. 측정 대상 매질의 압력이 센서(스테인리스강 또는 세라믹)에 직접 작용하면, 다이어프램이 매질 압력에 비례하여 미세 변위를 일으키고 이로 인해 센서의 저항값이 변화합니다. 전자 회로는 이 변화를 감지하여 해당 압력에 대응하는 표준 측정 신호로 변환합니다.
4. 압전식 압력 센서 (Piezoelectric Pressure Sensor)
압전식 센서는 압전 효과를 기본 작동 원리로 합니다. 그러나 외력이 가해졌을 때 발생하는 전하는 회로의 입력 임피던스가 무한대에 가까울 때만 유지되므로, 실제 환경에서는 이를 만족하기 어렵습니다.
이러한 특성 때문에 압전식 압력 센서는 정적 측정에는 적합하지 않으며, 동적 압력(변동 응력) 측정에만 사용됩니다.
5. 사파이어 압력 센서 (Sapphire Pressure Sensor)
사파이어 압력 센서는 스트레인 저항 방식을 기반으로 하며, 실리콘-사파이어(SOS)를 민감 소자로 사용합니다. 이로 인해 뛰어난 측정 특성을 가지며, 실리콘-사파이어로 제작된 반도체 감지 소자는 온도 변화에 거의 영향을 받지 않고, 고온 환경에서도 우수한 성능을 유지합니다.
또한 사파이어는 탁월한 내방사선 특성을 갖추고 있어 극한 환경에서도 안정적인 측정이 가능합니다.