[논문]초고압 압력센서용 다이어프램 설계 및 PZT 구동 변형시험기를 이용한 성능평가

윤대중; 안중환

doi:10.5369/jsst.2019.28.1.58

초고압 압력센서용 다이어프램 설계 및 PZT 구동 변형시험기를 이용한 성능평가
Design of Diaphragm for Ultra High Pressure Sensors and Its performance Evaluation Using a PZT Actuated Deformation Tester 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.28 no.1, 2019년, pp.58 - 63

Abstract ▼ AI-Helper

This research aims at designing a diaphragm made of SUS316L stainless steel for ultra high pressure sensors and evaluating its performance with a PZT driven deformation tester instead of high pressure chamber testing up to 100 MPa. Finite element method analysis indicates that the optimum thickness of a flat diaphragm is 1.5 mm not only to secure safety of sensors up to 100 MPa but also to enhance displacement measuring sensitivity. For this thickness, the maximum displacement at the center of the diaphragm is $5.3{\mu}m$. The PZT actuator must offer a force of 1,669 N to create a pressure of 100 MPa at the diaphragm surface in order to obtain a displacement of $5.3{\mu}m$. The performance evaluation by the PZT driven tester demonstrates nearly the same results as the same results as the sensors tested in the ultra high pressure chamber.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Notch type diaphragm ; (a) Design of notch type diaphragm, (b) Background theory of design [12].
그림 Fig. 2. Flat type diaphragm ; (a) Design of flat type diaphragm, (b) Background theory of design.
그림 Fig. 3. FEM analysis result of Notch type diaphragm.
그림 Fig. 4. FEM analysis result of Flat type diaphragm.
그림 Fig. 5. Pressure sensor performance evaluation tester.
표 Table 1. Deformation according to notch thickness (diaphragm thickness : 20 mm)
표 Table 2. Deformation according to diaphragm thickness
그림 Fig. 6. Design of Pressure input device.
그림 Fig. 7. Output force measuring device of PZT.
그림 Fig. 8. PZT output force according to voltage.
표 Table 3. Deformation according to diaphragm thickness
그림 Fig. 9. Deformation sensor performance tester.
그림 Fig. 10. Deformation of each sensor according to pressure.
그림 Fig. 11. Deformation measuring test in pressure chamber.
그림 Fig. 12. Deformation measuring value in each tester.
표 Table 4. Deformation according to measuring diameter

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 초고압 환경에서도 압력센서가 선형적 정밀 측정이 가능하도록 센서의 측정부인 다이어프램의 최적 형상과 두께를 설계하고 압력센서의 성능 시험을 용이하게 하기 위해 압력챔버가 아닌 PZT를 이용한 시험장치를 이용하여 성능 시험을 하였다.
PZT 구동기를 이용한 압력센서 성능 실험 장치는 PZT 구동기, 변위측정부, 압력센서 고정 지그, 힘 측정부 등이 주요 요소로 구성되고, 이들은 시험대상과 범위에 따라 적절히 선택되고 설계되어야 한다 [6]. 본 연구에서는 초고압에서도 선형적으로 정밀하게 측정할 수 있는 압력센서의 다이어프램을 설계하고 이를 성능 시험하기 위해 압력챔버를 사용하지 않고 정밀한 시험이 가능한 PZT 구동기를 적용한 압력센서 성능 시험 장치를 이용하여 압력센서 성능평가를 하려고 한다.

제안 방법

Fig. 11의 압력챔버를 이용하여 동일한 압력센서에 0~90 MPa까지 30 MPa 단위로 압력을 가하여 다이어프램의 변위를 측정 하였다. 최대 변위는 90 MPa에서 3.
PZT를 사용하는 압력센서 실험장치(Fig. 5)를 이용하여 측정한 변위값이 실제 압력챔버(Fig. 11)에서 압력센서에 압력을 가하여 발생하는 변위값이 동일한지 조사하였다.
갭 센서의 신뢰성 확보를 위해 선행연구에서 변위량 측정을 위해 사용하였던 CCD 레이저 변위센서와의 변위량 측정 비교 실험을 실시하였다. 실험은 엑추에이터에 0~100 V의 전압을 10 V 간격으로 인가하였다.
구동기 출력의 신뢰성 확보를 위해 저항변화형 하중센서 (FUTEK, LCM3000)을 사용하여 힘을 측정하였다. Fig.
다이어프램의 최적 형상 설계에서 두 개의 다이어프램 형상인 notch type과 flat type을 설계하여 압력에 따른 항복유무와 측정성능을 판단하기 위해 FEM 해석을 실시하여 두께와 형상에 따른 최대 응력 및 변위량을 파악하였다. Notch type 은 Notch 두께가 0.
모든 조건을 동일하게 두고 최적설계 변수인 노치 두께만 0.1 mm, 0.15 mm, 0.2 mm로 다르게 적용하여 최대 응력과 변위량을 구하였다. Fig.
0 mm)이므로 하중 크기가 박막시험시의 구동기 감당할 수 없을 만큼 커 박판에 맞는 시험장치가 필요하다. 본연구에 이를 고려하여 압력센서용 다이어프램 시험장치를 제작하였다.
재료는 수소 취성이 강해 현재 수소 충/방전 부품에 사용되고 있는 SUS316L을 적용하였다. 압력은 재료의 항복강도 170 MPa 아래인 150 MPa까지 0부터 10 MPa씩 증압하였다. 메쉬는 노치타입은 2,784 개, 플랬타입은 1,356개로 구성되어 있다.
고압 밸브에 사용되는 압력센서는 아래 부분의 좁고 긴압력 주입구를 통해 수소가 흡입되어 다이어프램의 모든 표면에 압력을 가하게 된다. 이러한 현상을 구현하기 위해 액추에이 터의 구동력을 압력센서 내부의 긴 흡입구간을 통과하여 다이 어프램에 전달하는 엑추에이터 팁을 설계하였다. 엑추에이터 팁은 PZT에 체결되며 끝단에는 다이어프램에 구동력이 고루 전달될 수 있도록 탄성력이 있는 팁을 부착하였다.

대상 데이터

엑추에이터 팁은 PZT에 체결되며 끝단에는 다이어프램에 구동력이 고루 전달될 수 있도록 탄성력이 있는 팁을 부착하였다. 끝단에 사용되는 팁은 탄성을 가지면서 105 MPa의 강력한 힘에서도 파손되지 않는 소재인 PEEK를 가공하여 사용하였다. PEEK의 물성치는 Table 3과 같으며 이러한 필요 조건들을 반영하여 설계한 것은 Fig.
압력은 재료의 항복강도 170 MPa 아래인 150 MPa까지 0부터 10 MPa씩 증압하였다. 메쉬는 노치타입은 2,784 개, 플랬타입은 1,356개로 구성되어 있다.
이것은 고속 정밀 측정면에서는 유리하지만, 레이저 초점이 다이어프램 중심점에 맞추어지지 않으면 측정오차가 발생한다. 본 연구에서는 측정 오차를줄이기 위해 갭 센서를 사용하였다. 적용된 갭 센서는 분해능이 0.
실험에 사용된 PZT는 PI사의 P-844.40이며 최대 변위량은 60 μm이다.
1(부산대학교, 대한민국) 을 사용하였다. 재료는 수소 취성이 강해 현재 수소 충/방전 부품에 사용되고 있는 SUS316L을 적용하였다. 압력은 재료의 항복강도 170 MPa 아래인 150 MPa까지 0부터 10 MPa씩 증압하였다.

이론/모형

고압에 의한 압력센서의 다이어프램 변형량을 예측하여 최적 설계 변수를 선정하기 위해 ANSYS R19.1(부산대학교, 대한민국) 을 사용하였다. 재료는 수소 취성이 강해 현재 수소 충/방전 부품에 사용되고 있는 SUS316L을 적용하였다.
압력센서 다이어프램에 압력이 가해지는 것을 모사하기 위해 압력을 대신해 힘을 가하는 것은 선행 연구에서 사용한 PI사의 P-844.40을 이용하였다. 해당 모델은 최대 변위량이 60 mm, 최대 작용력이 3000 N이고, 강성(stiffness)가 57 N/mm이여서 이론적으로 최대 작용력 1,000 N일 때 PZT 수축을 고려하면 변형이 적어도 40 mm정도 발생할 것으로 예상된다.
차세대 친환경 운송 수단으로 각광 받고 있는 수소연료 전지차의 압력센서는 고압으로 수소가스를 충전 및 방전하기 때문에 안정성 확보 및 관리를 위해 초고압에서도 정밀한 측정이 가능해야 한다 [5]. 압력센서의 성능시험은 압력챔버를 이용한 시험방법에 의존하였다. 압력챔버는 주펌프와 중앙펌프로 이루어져 있어 공간을 많이 차지하고 누기가 생기는 경우도 있어 유지보수에 어려움이 있다.

성능/효과

PZT 압력센서 성능 시험장치를 이용한 압력센서의 성능시험은 압력 챔버를 이용한 시험 데이터와 FEM 해석을 통한 시험값이 모두 동일한 결과값을 보여 주어 압력 챔버없이도 압력센 서의 성능시험이 가능하다.
갭 센서의 측정값이 레이저 센선에 비해 비교적 작게 측정이 되어 이유를 알아 보기 위해 FEM 해석결과에서 측정 반경거리별 변위값(Table 4)을 조사한 결과 변위 측정 구간의 평균 변위값이 센서의 변위값과 동일하였다.
그림 5의 시험장치를 이용하여 식 (5)의 입력전압에 따른 힘의 크기를 압력단위로 환산하여 0~150 MPa까지 30 MPa 단위로 PZT에 전압을 인가하여 변위값을 측정하였다. 최대 변위는 150 MPa에서 5.42 μm를 나타내었고, 예압이 3.1 N 입력이 된 것을 감안하여 데이터를 피팅하여 구한 기울기는 약 0.036이다.
40을 이용하였다. 해당 모델은 최대 변위량이 60 mm, 최대 작용력이 3000 N이고, 강성(stiffness)가 57 N/mm이여서 이론적으로 최대 작용력 1,000 N일 때 PZT 수축을 고려하면 변형이 적어도 40 mm정도 발생할 것으로 예상된다.

후속연구

차후 연구에서는 PZT 압력센서 성능시험장치와 고압챔버를 이용한 병행 실험으로 고압력센서에 널리 쓰이고 있는 SUS600계열과 현재 수소 충/방전 부품에 사용되고 있는 SUS316L의 성능비교시험을 실시하여 수소자동차의 충·방전 부품의 압력센서에 새로운 재료 적용가능 유무를 연구하는 것에 적용할 것이다[13-15].

참고문헌 (15)

S. Y. Kim and I. Kang, "A Study on the Development of a Novel Pressure based on Nano Carbon Piezoresistive Composite by Using 3D Printing", Trans. Korean Soc. Mech. Eng.A, Vol. 41, No. 3, pp. 187-192, 2017
J. M. Kim and G. S. Chung, "Fabrication of a micromachined ceramic thin-film type pressure sensor for high overpressure tolerance and its characteristics", J. Sens. Sci. Technol., Vol. 12, No. 5, pp. 199-204, 2003.

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M. M. Kim, T. C. Nam, and Y. T. Lee, " Development of the High Temperature Silicon Pressure sensor", J. Sens. Sci. Technol., Vol. 13, No. 3, pp. 175-181, 2004.

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B. K. Ju, B. J. Ha, K. S. Kim, M. H. Song, S. H. Kim, C. J. Kim, K. H. Tchah, M. H. Oh, " Formation of Silicon Diaphragm Using Silicon - Wafer Direct bonding / Electrochemical Etch - stopping and Its Application to Silicon pressure Sensor Fabrication", J. Sens. Sci. Technol., Vol. 3, No. 3, pp. 45-53, 1994.
H. R. Lee, J. H. Ahn, J. O. Shin, and H. Y. Kim, "Design of Solenoid Actuator for FCV Cylinder Valve Considering Structural Safety", J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng., Vol. 25, No. 3, pp. 157-163, 2016.
D. J. Yoon and J. H. Ahn, "Development of a Test Equipment for Diaphragm Deflection Using a PZT Actuator", J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 34, No. 12, pp. 927-932, 2017

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M. Hommel, O. Kraft, S. P. Baker and E. Arzt, "Micro-Tensile and Fatigue Testing of Copper Thin Films on Substrates", MRS Proc., Vol. 546 , pp. 133-138, 1999.
J. P. Lee, H. J. Lee, J. H. Hwang, N. K. Lee and J. S. Bae, "A Study on a micro dynamic tester development for a micro property measurement of a micro metal specimen", Proc. Korean Soc. Noise Vib. Eng., Vol. 11, pp. 166-171, 2006.
C. S. Oh, H. G. Ahn, and H. J. Lee, "Development and Application of Material testers for the Thin Film", J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 23, No. 03 pp. 163-170, 2006.
Y. H. Kwon, "Calculation of rated output in diaphragm type miniature load cell", J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 7, No. 2, pp. 58-64, 1990.
C. Y. Kim and W. N. Sharp, "Development of a Fatigue Testing System for Micro-Specimens", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 34, No. 09, pp. 1201-1207, 2010.

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J. H. Park and Y. J. Kim, "A Novel Tensile Specimen and Tester for Mechanical Properties of Thin Films", Trans. Korean Soc. Mech. Eng A, Vol. 31, No. 06, pp. 644-650, 2007.
C. Y. Kim, J. H. Song and D. Y. Lee, "Development of a fatigue testing system for thin films", Int. J. Fatigue, Vol. 31, No. 04, pp. 736-742, 2009.

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B. Jorg and N. S. Jr. William, "Fatigue of Polycrystalline Silicon under long-term Cyclic Loading", Sens. Actuators A, Vol. 103, No. 1-2, pp. 9-15, 2003.

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S. Troiler-McKinstry and P. Muralt, "Thin Film Piezoelectric for MEMS", J. Electroceram., Vol. 12, No. 1, pp. 7-17, 2004.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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