Many safety systems for transportations have been developed to ensure the safety of drivers and passengers and to prepare for emergencies. These systems are very important because it is linked with lives of passengers directly. The safety system is composed of two devices: crash detection device and passenger protection device. Crash detection device consists of impact sensors such as an accelerometer. After the sensor detects crash of transportation, sensing signal is transmitted to passenger protection device. Passenger protection device such as seat-belts and airbags, operates to reduce the impact from a crash accident. However, in the case of high speed transportation accident, passengers are hardly protected by safety system because they are injured very quickly before the operation of the safety system. These situations happen due to the improper sensor triggering time of the impact sensor. Therefore, the sensor triggering time must be reduced to improve the safety system of high speed transportation.
In this thesis, a new design of micro impact sensor detecting stress wave was proposed using finite element analysis. Sensor triggering time can be extremely reduced by applying the stress wave sensor to safety systems because stress wave propagates very fast in solid structure. To analyze safety systems of high speed transportations, car airbag system was dealt for an example. Finite element analysis of car crash tests with ULSAB-AVC full car model was carried out to evaluate the necessity of the stress wave sensor. The necessity of the stress wave sensor was revealed by comparing acceleration and stress wave signals of car crash simulations. The stress wave micro sensor was designed by applying the transmission and reflection principle of stress wave propagation. This sensor was designed to be made of nickel and SU-8 photo resist, and to adhere on the surface where stress wave propagates to measure the intensity of stress wave. Dimensions of the sensor was determined by finite element analysis to increase the sensitivity of the sensor. Two virtual fabrication processes for the sensor using the electroplating method were proposed. Finally, crash simulations of a spot welded hat type member with the stress wave micro sensor attached on it were carried out to check the operation of the sensor in practical cases. As a result of the simulations, it was confirmed that stress wave micro sensor operates well and the intensity of stress wave can be measured by the stress wave micro sensor.
운송기구가 발달함에 따라 승객의 안전을 보장하고 만일에 대비하기 위해 많은 안전시스템이 개발되고 있다. 안전시스템은 승객의 생명과 직결되어 있으므로 매우 중요하다. 승객을 보호하기 위한 안전시스템은 크게 충돌을 감지하는 장치와 감지된 충돌신호에 따라 승객을 보호하는 장치로 구성된다. 충돌을 감지하는 장치는 가속도센서 등과 같은 충격센서로 구성되어 있으며, 충돌 후 충격센서에서 감지된 신호는 승객보호장치로 전달된다. 이후 안전벨트나 에어백과 같은 승객보호장치는 승객이 받는 충격을 감소시킴으로써 승객을 보호한다. 하지만 고속운송기구의 경우 사고가 발생하고 매우 짧은 시간 내에 승객이 상해를 입는 반면, 안전시스템의 충격감지속도는 이에 미치지 못해 승객의 안전을 보장하지 못하는 문제가 발생한다. 따라서 고속운송기구의 안전시스템의 안정성을 확보하기 위해서는 충격센서의 충격감지시간을 단축시킬 필요가 있다.
본 논문에서는 응력파 측정식의 새로운 마이크로 충격센서를 유한요소해석을 통해 제안한다. 응력파는 충격흡수부재 내에서 매우 빠른 속도로 전파하는 성질을 가지고 있기 때문에, 응력파 측정식 센서를 고속운송기구의 안전시스템에 적용하면 충격감지시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 고속운송기구의 안전시스템을 분석하기 위해 한 예로써 가장 널리 사용중인 자동차 에어백 시스템을 다룬다. ULSAB-AVC full car model의 충돌해석을 통해 응력파 센서의 필요성을 평가하였다. 충돌해석에서 가속도 값과 응력파 값의 비교를 통해 응력파 센서의 필요성을 확인하였다. 마이크로 응력파 센서는 응력파의 투과와 반사원리를 응용하여 설계되었다. 센서는 니켈과 SU-8 감광제로 구성되며 응력파가 전파되는 충격흡수부재에 부착되어 전파되는 응력파의 세기를 감지함으로써 작동하도록 설계되었다. 센서의 민감도를 증가시키기 위해 유한요소해석을 수행하여 센서의 구체적인 치수를 결정하였다. 또한 니켈도금공정을 적용한 센서의 가상공정도를 두 가지 방법으로 제안하였다. 마지막으로 점용접 모자형 사각관의 충돌해석을 통해 그 위에 부착된 센서의 구현성을 보다 현실적인 경우에 대해 평가하였다. 그 결과, 마이크로 응력파 센서는 목표 응력파 세기에서 정상 작동할 수 있음을 확인하였다.
