Special  차세대 인공지능산업 주도를 위한 세라믹센서 기술 개발 동향(1) 

자동차용 세라믹 압력센서 

김 시 동_ (주)오토산업 연구소장 

민 준 원_ 자동차부품연구원 책임연구원 

1. 개요 

자동차에서는 전자제어시스템 진화에 따라 압력제어의 적용범위가 증가되면서 압력센서의 수요가 계속적으로 증가되고 있다. 적용사례로는 첫째 쾌적한 이동수단으로 에어콘, 서스펜션 제어가 있고, 둘째 친환경, 고효율로 희박연소 제어, 가솔린직분사 제어, 디젤연료분사 제어, 하이브리드카, 전기자동차 등에 활용되며, 세째 상해경감, 무사고 대응으로 에어백 시스템, ABS(Anti-brake system), ESC(Electronic Stability Control), PCS(Pre-Crash Safety system)에 이용된다. 이와 같이 자동차에 적용되고 있는 압력센서는 파워트레인, 주행안전, 바디 등 엔진주변을 중심으로 구동계 등에 확장 적용되고 있으며 향후 연비 향상, 배기가스 클린화, 안정성 향상 목적으로 적용 수량 및 활용도가 급격히 증가되고 있는 핵심 전장 부품이다. 

그림 1은 자동차에 적용되고 있는 압력센서를 나타내고 있으며 1979년에 연료분사 제어를 위한 흡기관내의 흡입공기량을 검출하는 흡기압센서로 시작되어 현재에 이르렀다. 

차량용 압력센서는 적용 압력 범위에 따라 저압용, 중압용, 고압용으로 구분될 수 있으며 저압으로는 압력의 범위가 10~200kPa(0.1~2bar)로서 다이아프램이 대부분 Si으로 구성되어 있다. 대표적인 제품으로는 탱크내압, 흡기압, 대기압, 터보압, 브레이크부스터압, 타이어공기압 등에 적용되고 있다. 중압용으로 압력의 범위가 0.5~10MPa(5~100bar)로 다이아프램 재질로 세라믹 압력센서와 Si형 압력센서가 적용되고 있다. Si의 경우 오일을 봉입하는 구조로 구성하여야 되므로 구조가 복잡하여 가격 경쟁력의 확보가 어렵다. 그러므로 Si에 비해 Gauge Factor는 낮지만 가격이 저렴하고 환경, 내부식성, 화학성분에 대해 내성이 강하며 공정의 단순화로 미국의 Sensata사의 경우 세라믹을 이용한 압력센서를 전세계적으로 공급하고 있다. 

대표적인 제품으로는 에어콘에 적용되고 있는 APT(Automotive Pressure Transducer) 냉매압센서와, 연료압센서 그리고 트랜스미션에 변속기 압력센서 등이 있다. 그림 2에는 압력센서의 작동원리 구분으로 압저항형과 정전용량형의 세라믹 압력센서 소자구조를 나타내고 그림 3에 정전용량센서의 출력거동 사례를 표시하였다. 

고압용 압력센서는 압력의 범위가 10~200MPa (100~2,000bar)로서 그림 4에 나타내었듯이 금속박막형과 부착형 스트레인게이지가 있으며 가격 경쟁력은 부착형 스트레인게이지 형상이 금속박막형의 우위에 있다. 대표적인 제품으로는 ESC, GDI Rail 압력센서, 엔진 연소압센서 등이 있다.

자세한 내용은 본지 7월호에서 확인하실 수 있습니다.