[논문]유한요소해석 프로그램을 이용한 정전용량형 압력센서의 검증

최재혁; 최범규

유한요소해석 프로그램을 이용한 정전용량형 압력센서의 검증
Verification of the capacitive pressure sensor by FEA program 원문보기

최재혁 (서강대학교, 기계공학과) , 최범규 (서강대학교, 기계공학과)

이 연구는 정전용량형 압력센서 내의 공기가 센서 성능에 미치는 영향을 줄이고자 이론적 접근과 실험적 확인을 통해 제안된 바 있는 센서 모델을, 유한요소해석 프로그램인 ANSYS로 각각의 조건에 따라 해석하여 기존에 제시 된 결과들과 비교하는 과정을 다루었다. FEA(Finite Element Analysis)결과, air chamber를 추가한 센서는 기존의 센서보다 sensitivity가 향상되었음을 확인할 수 있었다. 또한, FEA로 얻은 sensitivity 값은 이론값과 1.8%~10.1%의 차이를 보였으며, sensitivity ratio는 이론값과 실험값의 중간 정도로 나타났다.

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가설 설정

해석을 진행하기에 앞서, 이론적 접근을 통한 데이터 도출과 3D-모델링을 하였다. 모든 과정은 등온 (r=1) 으로 가정하였으며, 필요한 식과 변수(물성치) 값은 Lee[1]의 논문을 참고하였다.

제안 방법

이 단점을 극복하기 위해 Lee[1]는 air chamber를 추가한 모델을 제안하였고, 이론적 접근과 실험적 확인을 통해 기존의 센서보다 향상된 sensitivity를 가짐을 보였다. 이 논문에서는 Lee[1]가 소개한 모델을 유한요소해석 프로그램인 ANSYS로 해석하여 기존의 제시 된 값들과 비교함으로서, air chamber를 추가한 센서의 sensitivity가 향상되었음을 확인하는 작업을 진행하였다.
정전용량형 압력센서 내의 공기가 센서 성능에 미치는 영향을 줄이고자 이론적 접근과 실험적 확인을 통해 제안된 바 있는 센서 모델을, 유한요소해석 프로그램인 ANSYS로 각각의 조건에 따라 해석하여 기존에 제시 된 결과들과 비교하는 과정을 다루었다. FEA(Finite Element Analysis)결과, air chamber를 추가한 센서는 기존의 센서보다 sensitivity가 향상되었지만, V₂가 커질수록 온도에 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
해석을 진행하기에 앞서, 이론적 접근을 통한 데이터 도출과 3D-모델링을 하였다. 모든 과정은 등온 (r=1) 으로 가정하였으며, 필요한 식과 변수(물성치) 값은 Lee[1]의 논문을 참고하였다.

성능/효과

33px;">a)를 결정하는 커패시턴스의 변화(∆C/C₀) 역시 크게 일어남을 확인할 수 있다. FEA 결과와 이론값은 동일한 경향성을 보이지만, FEA 결과가 이론값보다 1.8%~10.1% 낮음을 확인하였다. 하지만 그림 3에서 확인할 수 있듯이, sensitivity ratio는 오히려 이론값이 FEA 결과보다 2.
정전용량형 압력센서 내의 공기가 센서 성능에 미치는 영향을 줄이고자 이론적 접근과 실험적 확인을 통해 제안된 바 있는 센서 모델을, 유한요소해석 프로그램인 ANSYS로 각각의 조건에 따라 해석하여 기존에 제시 된 결과들과 비교하는 과정을 다루었다. FEA(Finite Element Analysis)결과, air chamber를 추가한 센서는 기존의 센서보다 sensitivity가 향상되었지만, V₂가 커질수록 온도에 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었다. FEA로 얻은 sensitivity 값은 이론값보다 1.
FEA(Finite Element Analysis)결과, air chamber를 추가한 센서는 기존의 센서보다 sensitivity가 향상되었지만, V₂가 커질수록 온도에 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었다. FEA로 얻은 sensitivity 값은 이론값보다 1.8%~10.1% 낮았고, volume ratio에 대한 sensitivity ratio는 FEA 결과값이 이론값보다 2.5%~9.2% 높았다. 실험값과 이론값, FEA 결과를 비교하였을 때는 동일한 경향성을 보였지만, 이론값과 FEA에서는 cavity내의 공기의 damping effect를 고려하지 않아 실험값보다 non-linear하게 나타났다.
2% 높았다. 실험값과 이론값, FEA 결과를 비교하였을 때는 동일한 경향성을 보였지만, 이론값과 FEA에서는 cavity내의 공기의 damping effect를 고려하지 않아 실험값보다 non-linear하게 나타났다. 본 연구를 통해 air chamber를 추가하여 센서의 sensitivity를 향상시킬 수 있음을 Lee[1]에 이어 다시 한 번 확인할 수 있었지만, 온도 변화에 따른 sensitivity 변화와 등을 고려할 수 있도록 모델의 최적화 과정 역시 필요함을 확인할 수 있었다.
이때의 sensitivity(S = (∆f_r/f_r0)/∆Pa)는 이론값과 FEA 결과를 실험값과 비교하기 위해, ∆C/C₀ = (∆f_r/f_r0)² - 1의 관계식을 이용하여 변환하였다. 실험값의 sensitivity는 이론값과 FEA 결과에 비해 상대적으로 linear하게 나타났지만, sensitivity ratio는 세 가지 결과 모두 동일한 경향성을 보였다.

후속연구

실험값과 이론값, FEA 결과를 비교하였을 때는 동일한 경향성을 보였지만, 이론값과 FEA에서는 cavity내의 공기의 damping effect를 고려하지 않아 실험값보다 non-linear하게 나타났다. 본 연구를 통해 air chamber를 추가하여 센서의 sensitivity를 향상시킬 수 있음을 Lee[1]에 이어 다시 한 번 확인할 수 있었지만, 온도 변화에 따른 sensitivity 변화와 등을 고려할 수 있도록 모델의 최적화 과정 역시 필요함을 확인할 수 있었다.

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