물리량(광,온도,자기,압력,습도등)을 전기신호로 변환하는 센서 종류

4장. 센서 . 물리량인 광 , 온도, 자기, 압력, 습도등을 전기신호로 변환 . 역학센서 . 자기센서 . 광센서 . 방사선센서 . 광센서 . 방사선센서 . 음향센서 . 열학센서 . 화학센서 . 바이오센서 4-1. 역학센서 4-1-1. 압력센서 . 응용원리 : 전자기유도,전기변형,자기변형 ,스트레인게이지 ,진동현상 등 (1) 기계식 압력 센서 (2) 전기식 압력 센서 (3) 반도체식 압력센서 [Silicon Pressure Sensors in TO Packages] [Silicon Pressure Sensors in Ceramic Packages] [Silicon Pressure Sensors in chip programs] [Silicon Pressure Sensors in Plastic Packages] (1) 기계식 압력 센서 . 기계식인 것에는 많은 종류 ( 탄성식의 full dome 이 많이 사용 ) . 개방된 고정단으로 부터 측정압력을 도입하면 다른 밀폐된 관의 선단이 이동 . 이관선 이동량은 관내 압력의 크기에 비례 , 이동량은 기계적으로 확대된 압력 지시 . diaphragm 이라 불리는 압력센서는 원판 측면의 압력차에 비례하여 원판이 변형하고, 그 변위로부터 압력을 측정하는 원리 . 원통의 내부와 외부의 압력차에 의해 주름상자가 신축하여 , 그 변위량이 압력 차에 비례하는 것으로 측정 압력을 알 수 있다 . (2) 전기식 압력 센서 . a. 정전용량식 압력 센서 . 2 개의 물체 (전극)간의 정전용량 변화로부 터 그 사이의 변위를 측정하는 방법을 기본 적으로 이용 . 앞에서 서술한 벨자 혹은 다이어프램의 압 력에 의한 변형으로 가동전극을 변위시켜 , 그것에 의한 정전용량의 변화를 변환하여 압력을 전기적으로 검출한다 . . 이 검출방식에는 가동전극으로서 예를 들 면 다이어프램을 직접 이용하는 경우와 판 스프링으로 지지대는 이동전극이 연속축으 로 다이어프램에 직속되어 있는 경우가 있 다. (2) 전기식 압력 센서 . b.역평형식 압력 센서 . 측정 압력에 비례하여 발생하는 힘과 외부에서 전자적으로 만들어지는 힘과 평형하게 되어 측정압력을 전류와 전압 등으로 읽게 되는 센서 . 압력검출소자로서는 다이어프램 , 벨자, 풀돔관을 이용 . 설명 그림에서는 벨자를 이용한 경우의 예를 표시 . 검출소자가 측정 압력에 따라 변위되지 않도록 전자적인 외력을 소자에 작용 시켜, 힘의 평형을 유지하기에 필요한 전류와 전압이 측정압력에 비례하는 것으로부터 측정압력을 검출 (3) 반도체식 압력 센서 . 압력을 받아서 그것을 왜응력으로 변환하는 다이어프램 . 다이어프램에서 발생하는 동력을 전기신호로 변환하는 부분 . 실리콘을 이용한 반도체 압력센서에서는 다이아프램은 단결정 실리콘을 화학적으로 에칭 (etching) 해서 형성 . 다이어프램에 발생하는 응력을 전기신호로 변환하는 방법으로 서 진동자의 고속진동수의 변화를 검출하는 것과 표면탄성파 를 이용하는 것 . 압저항식과 정전용량식의 2 종류 (3) 반도체식 압력 센서 . a.압저항식 . 실리콘의 압저항효과는 p 형과 n 형에 따라 압저항소자의 전도형이나 압저항소 자가 형성되는 결정면에 의하여 다르며 , 결정방위 의존성이 있음 . 브릿지의 구동방법으로서 정전압방식과 정전류방식이 있다 (아래 그림 참조 ). . 압저항계수는 부의 온도 특성을 갖고 있기 때문에 , 정전압으로 브릿지를 구동하 면 압력에 대한 감도가 부의 온도계수 . 정전압방식의 경우는 반도체 압력센서의 신호를 증폭하는 증폭기의 증폭률이 정 의 온도계수를 가지게 되는 것으로서 감도의 온도보상 . 정전류 방식의 경우는 압저항소자의 저항치 자체에 정의 온도의존성이 있기 때문 에 압저항효과의 부의 온도특성과 잘 매칭 (matching) 되는 것으로 감도의 온도 보상 (3) 반도체식 압력 센서 . b.정전용량식 . 정전용량식은 서로 마주보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응 력에 의하여 변화시키면 그 전극간의 정전용량이 변화 . 이 정전용량 변화를 전기신호로 변환시키면 응력이 검출 . 이 원리를 이용한 것이 정전용량식 반도체 압력센서 . 정전용량식의 경우는 반도체 특유의 특성을 응용하고 있지 않기 때 문에 반드시 반도체에 한정되지 않으며 , 전술한 것과 같이 단결정 실 리콘이 다이어프램의 소재로서 우수하다는 것과 , 미세가공이 용이하 다는 것으로 정전용량식에 실리콘이 많이 이용되고 있다 . 압력센서의 용도 . 산업전반에 걸쳐 응용분야가 매우 넓으며 주로 자동차 , 자동제어 , 반 도체제조분야에서 지속적인 수요의 신장이 기대 가. 가전제품 냉장고, 룸에어컨, 진공청소기, 세탁기,가정용 혈압계 , 맥박계 나. 자동차 연료분사압, 엔진배기압, 브레이크시스템, 서스펜션, 에어백시스템, 공조시스템 다. 일반산업용 화학플랜트, 석유정제라인, 정유탱크, 발전소, 하수처리장, 열소각로, 수압청소 프레스, 사출기, 종이, 펄프제조, 보일러, 컴퍼레서, 공조기기, 냉동고 라. 반도체제조 웨이퍼 흡착압 감지 , 초순수라인, 공조라인, 가스공급, 진공라인 마. 의료기기 인공심장, 인공신장, 맥박감지, 산소공급 시스템 , 협압감시시스템, 약물주입, 수혈제어 4-1-2. 변위센서 . 물체의 이동거리 , 위치측정 . 응용원리 : 전자기유도,정전기유도,촬상관,스트레인 게이지,적외선,홀효과 등 (1) 직선변위센서 (2) 회전변위센서 (3) 광학적 변위장치 (광학계와 전자장치 ) (1) 직선변위센서 . 기계적인 직선 변위를 전기저항의 변화로 측정하는 것 (직선형 전위차계 ) . 그림과 같은 코일상의 저항선과 그 위를 직선적으로 이동 하는 접도자 . 변위의 크기는 접동자를 가지는 검출용 모터의 움직임에 이해 접동자와 저항선간 의 저항차에 비례하는 양 . 저항선에 인가되는 일정의 기준전압을 분압된 전압으로써 취득 . 광도전체를 사용한 광 브리지형 변위계 . 2개의 삼각형 광도전 셀역방향으로 향하고 있고 , 광슬릿의 이동에 의해 한쪽 방향 의 광전도 셀의 저항치가 증가하고 , 다른 방향의 저항치는 감소하게 되어 브릿지 회로를 이용한 변위를 전압으로 변환 . 차동 정전용량형 변위계 , 무접촉 자기저항변위 센서 , 홀 소자변위 센서 (2) 회전변위센서 . analog 형과 digital 형으로 분류 . 싱크론(아날로그형 대표 )은 최근의 디지털화에도 불구하고 실용상의 정도 , 취급의 간단 등의 점에서 특징을 가지고 있다 . 더욱이 내환경의 우위성 및 컴 퓨터의 발전에 따라 A/D 변환의 용이로부터 더욱 그 사용범위가 확대 . . 응용원리: 싱크론은 코일간의 전자유도 현상을 이용하는 것이어서 권선형 동 기발전기와 유사하고 , 발신기와 수신기가 대응되어 있다 . 발신기 회전축의 회 전각도 변위를 전기신호로 변환하여 그것을 수신기에 보내어 수신기 회전축 의 회전각도 변위로 변환 4-1-3. 스트레인 게이지 . 힘을 가하면 물체의 변형이 일어나는 효과를 이용한 센서 . 응용원리 : 전기변형, 압저항 효과 등 (1) 금속 스트레인 게이지 (2) 반도체 스트레인 게이지 (1) 금속 스트레인 게이지 . 금속 저항선은 외력에 의해 신축 , 길이가 변화함으로써 전기저항이 변함 . 금속저항선 스트레인 게이지 . 응용원리 : 아래 그림을 보자 . 그리고 이해하자 ..어떻게 된거지 ??? (2) 반도체 스트레인 게이지 . 통상적으로 반도체 재료인 실리콘이 이용 . 그 종류에는 단결정 벌크 게이지 , 기판 위에 실리콘을 박막화한 박막 스트레 인 게이지 , 확산형의 게이지 , 그리고 p-n 접합 게이지 등 . 많이 사용되는 벌크 게이지는 아래 그림과 같이 p형 또는 n 형실리콘 단결정 으로 제작 . 반도체 스트레인 게이지를 이용하여 압력 센서 , 로드 셀 등을 제작 4-1-4. 유속센서 . 유속을 압력 , 힘, 위치, 열, 주파수등으로 변환 . 응용원리 : 베르노이 방정식 , 초음파 원리 , 열전달 등 (1) 피토관 센서 (2) 초음파 유속 센서 (1) 피토관 센서 . 유동의 속도변화가 있으면 국부적으로 압력의 변화가 있으며 , 그 관계는 베르 누이 (Bernoulli equation) 에 의해 주어진다 . . 이 원리를 이용한 것으로 pitot tube 가 많이 사용된다 . . 아래 그림과 같이 흐름중에 물체가 놓여졌을 때 , 흐름이 정지되는 물체 전면 A 에서의 압력은 총압 Pa 를 나타내고 , 측면 B 에서의 압력은 정압 Pb를 나타 내며, 이들 압력차 P는 베르누이 식을 따른다 . (2) 초음파 유속 센서 . 초음파가 유체중을 전파할 때 , 유체가 정지하고 있을 때와 흐르고 있을 때의 겉보기 전파속도가 다른 것을 이용한 것이 초음파 유속 센서 . 정지 유체중의 음속을 C, 유속을 Vf라고 하면 , 초음파가 흐름의 방향과 일치 했을 때와 반대방향일 때의 전파속도는 C±Vf 가 된다 . . 아래 그림중 송파기에서 발사된 초음파가 수파기에 도달하는 시간 t1, t2 는 각각[L/(C±Vf)] 이다. 시간차 Δt 를 측정함으로써 유속 Vf가 구해진다 . (3) 유속 센서 종합 . 유량은 임의의 단면을 흐르는 유체의 체적 또는 질량의 시간에 대한 비율로 산출한다. . 석유화학, 자동차, 항공, 에너지등 유체관련 산업이 발전되고 규모가 대형화 됨에 따라 효율적인 공정관리 및 상거래를 위해 정밀하고 정확한 유량측정이 중요시되고 있다 . . 유량측정은 측정대상인 유체의 종류를 비롯하여 흐름상태, 유체의 온도와 압 력, 측정범위, 설치장소등에 따라 측정조건이 매우 다양하기 때문에 유량의 측정방법도 여러 가지가 개발되어 사용되고 있다 . . 유량을 측정하고자 할 경우에는 , 사전에 측정조건을 충분히 검토하고 요구되 는 정확도 및 유지관리의 편의성 등을 검토하여 용도에 적합한 센서를 사용 . 최근에는 자동차 및 반도체산업의 각종 가스의 유량을 측정하는 전자식 유량 /유속센서의 채용이 급증함에 따라 이에 대한 국산화의 필요성이 그 어느때 보다도 절실하게 요구되고 있다 . (3) 유속 센서 종합 (4) 유속 센서 종류 (유량/유속 센서의 종류 ) . 8가지로 분류 가능 . 차압식, 면적식, 용적식, 회전속도 검출식 , 전자식, 초음파식 , 와류식, 열식 . 산업체에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 차압식 유량센서 . 관로에 설치된 스로틀 전후 압력차의 평방근이 유량에 비례하는 것을 이용하여 소 유량에서 대유량까지 그 적용범위가 매우 넓으며 공업용으로 가장 많이 사용 . 면적식 유량센서 . 테이퍼관과 부저 , 피스톤과 슬릿 등의 조합에 의해 스로틀의 면적을 바꾸고 스로 틀의 면적과 유량이 변화하는 것을 이용하여 미세유량계측에 사용 . 용적식 유량센서 . 로터와 케이스 , 피스톤과 실린더등을 이용하여 유체를 일정용적에 가두어 놓고 일 정주기마다 방출을 반복하여 단위시간당 횟수에 의해 유량을 측정하는 방식으로 적산유량계에 많이 사용 . 터빈 유량 /유속센서 . 회전날개의 회전수가 유량 /유속에 비례하는 것을 이용하여 고온 , 고압, 극저온 등 의 열악한 환경하에서의 유체측정에 사용 (4) 유속 센서 종류 (유량/유속 센서의 종류 ) . 전자식 유량 /유속센서 . 전도성 유체의 흐름에 직각으로 자계를 가하여 두방향으로 직각인 방향 에 기전력이 발생하는 원리를 이용하며 유체의 온도 , 점도, 밀도등의 영향 을 받지 않는 것이 특징이다 . . 초음파 유속 /유량 센서 . 유속에 의한 초음파의 전파속도변화를 시간차 , 위상차 , 도플러효과등을 이용하여 검출하는 방식으로 대구경의 관로에 많이 사용 . 와류식 . 유체의 와류쥬파수를 측정하여 유량을 산출하는 방식으로 Vortex 유량센서가 대 표적 . 열식 유량 /유속센서 . 발열체로부터 열방산이 유속에 의해서 변화되는 현상을 이용하여 구조가 간단하고 측정범위가 넓다 . . 질량유량센서 . 온도, 압력등의 영향을 받지 않는 장점이 . 레이저간섭계을 이용한 방식 . 비접촉식이고 정확도가 높아 각종 연구나 표준유지에 많이 활용 (5) 유속 센서 용도 (유량/유속 센서의 종류 ) . 분야는 매우 큰 용적의 액체로부터 미세한 가스의 흐름까지 측정하는 화학공 업, 반도체산업, 환경공업, 식품공업, 에너지, 자동차산업분야등 매우 다양 반도체 산업 일반 산업용 * 유독가스공급장치 * 상하수도 공급라인 * 반도체공정프로세스 * 도시가스 공급라인 * 순수/오일 공급장치 * 음료수, 주류 생산라인 화학공업 * 펄프, 제지산업냉가수/세척수라인 * 화학물이송 및 혼합라인 * 철강, 전력, 시멘트 산업의 슬러리 , 냉각수 * 석유, 가스등의 에너지원 공급라인 * 위험물감시장치 자동차, 운송용 기타 * 주유기 정량공급용 * 액체점도측정기 * 유리제조공정용 * 해수유입측정용 * 엔진제어용 Air Flow * 과학계측기기의 미소유량측정용 Meter * 공장폐수, 하수유량측정 * 지하수 개발용 * 연료소모량 측정용도 4-1-5. 가속도 센서 . 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지 . 물체의 운동상태를 순시적으로 감지 . 자동차 , 기차, 선박, 비행기 등 각종 수송수단 , 공장자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 있어서 필수적인 소자 . 응용원리 : 관성력, 전기변형, 자이로를 이용 (1) 관성식 (2) 자이로식 (3) 실리콘반도체식 (1) 관성식 . 정지계를 기준으로 한 관성가속도를 측정하는 형식 . 질량에 작용하는 가속도에 의한 반력 , 즉 관성력을 이용 . . a. 진자형 : 마찰이 적은 피벗 베어링으로 진자를 지지한다 . 화살표 방향에 가 속도 α 가 가해지면 , 진자는 반대 방향으로 변위 . 이 변위 측정 . . b. 진동형 : 질량 m 을 양측에서 현으로 지지하고 현의 진동수 f1, f2 의 차를 검출. 가속도 α 가 한 방향으로 가해지면 현의 장력에 차가 생겨 , 그 주파수 차이로 가속도를 구한다 . (2) 자이로식 . 자이로란 관성계에 작용하는 각속도를 감지하는 것 . . 자이로를 구성하는 중요한 요소에 코리올리의 힘이 있다 . . F=mr(ω+Ω)²=mrω²+2mrΩ+mγΩ² . 여기서 v=rω 이고, 평판을 기준으로 한 m 의 회전속도이다 . 식의 제 1항은 평 판을 기준으로 한 좌표에서 측정한 경우의 원심력이고 , 제 2항은 m의 회전 w 와 평판의 회전 Ω의 벡터곱의 힘이며 , 그것은 v 와 Ω 에 직각 방향의 힘이고 이것이 이른바 코리올리의 힘이다 . . 즉, 평판이 정지하고 있는 것을 기준으로 측정하면 , m 에는 원심력 mrω²과 코리올리의 힘 2mγΩ 및제 3항의 mγω² 이 작용하는 것이 된다 . 이 코이올리 의 힘은 ω=0 일때 0 이되고 Ω 의 측정은 제 3항을 검출하는 것이 된다 . 보통 Ω은 작으므로 그 힘도 작다 . 그러나 ω≠으로써 ω>>Ω 인 각속도로 회전시켜 두면 2mrωΩ라는 비교적 큰 힘을 검출하여 Ω를 측정할 수 있다 . 이상과 같이 코이올리의 힘을 이용함으로써 Ω 를 검출할 수 있다 . (2) 자이로식 . a. 진동형 : 자이로를 구성하는 질량 의 운동이 일정한 각속도의 회전운동 이 아니고 , 그림과 같이 음의 진동에 의한 것 . Ω 라는 각속도가 가해진 경우 코이 올리의 힘은 음의 진동수와 같은 진 동수의 진동 토크를 발생하고 , 이토 크에 의한 진동을 검출하여 Ω 를측 정한다. 이방식은 Ω=0 인 경우에 ω 의 각진동수를 가진 불필요 진동이 생기는 결점이 있다 . 그러나 베어링 과 같은 마찰 부분이 없는 이점이 있 다. (2) 자이로식 . b. 유체형 : 운동체로서의 가스를 쓴 것을 그림과 같다 . 가스 펌프로 일정 방향의 가스류를 발생시켜 , 브리지의 2변의 저항체를 균등하게 냉각시킨 다. 여기서 자이로의 z 축에 각속도 Ω 이 가해지면 가스 분자가 코리올 리의 힘을 받아 가스류가 y 방향으로 흐르고, 두 저항값이 불평형하게 된 다. 이에 의해서 생기는 불평형 전압 이 Ω 에 비례한다 . 이 자이로의 구조 는 간단하지만 정밀도가 좋지 않다 . 이외에도 레이저 자이로형 , 회전형 등이 있다 . 가속도 센서의 모양 4-2. 자기센서 .자장을유용한전기신호로변환시켜주거나, 비자기적신호를전기적신호로변환시키기위한중간매개체의변환기역할 .특징은무접점또는비접촉측정이가능 .전자기센서: 직접적인응용면과간접적인응용면 .직접적인응용면: 자속, 자계강도측정, 방위측정, 자기기록매체로부터의데이터읽기, 카드나지폐의자성무늬식별, 그리고자기장치의제어등과같은직접자장을입력하여전기적신호로변환시켜주는목적에이용할때 .간접적인응용면: 과부하보호를위한포텐셜이없는전류측정, 집적화적산적력계, 무접촉선형및각도위치측정, 변위또는속도측정등비자기적신호를전기적신호로변환시켜주는목적에이용될때 .전자유도작용을이용한코일에서부터Josephson 접합을이용한초전도양자간섭디바이스(SQUID) 까지광범위하게응용 .실온에서동작하는범용성이있는반도체자기센서의주류는전류자기효과에의한Hall 소자와자기저항소자이며, 이들은피측정자계에대하여고감도로서좋은직선성을갖는특징 .특징: 반도체집적화공정기술에의해집적화가가능하기때문에다차원또는다기능의성질을갖는센서의제조가용이하다는이점 .미소자계의측정이나극저온에서의측정을위해서는초전도효과를이용한SQUID를사용한다. .전자유도작용을이용한코일에서부터Josephson 접합을이용한초전도양자간섭디바이스(SQUID) 까지광범위하게응용 .실온에서동작하는범용성이있는반도체자기센서의주류는전류자기효과에의한Hall 소자와자기저항소자이며, 이들은피측정자계에대하여고감도로서좋은직선성을갖는특징 .특징: 반도체집적화공정기술에의해집적화가가능하기때문에다차원또는다기능의성질을갖는센서의제조가용이하다는이점 .미소자계의측정이나극저온에서의측정을위해서는초전도효과를이용한SQUID를사용한다. 4-2-1. 전자 유도 작용 (Faraday 법칙) . 코일에 쇄교하는 자속이 시간적으로 변할 때 코일 양단에 기전력 발생 . 응용 : 자기헤드, 자기포화소자, 서치코일, 플럭스 게이트 마그네토미터 렌쯔의 법칙 유도기전력 4-2-2. 전류자기효과 . 금속, 반도체 시편에 전류 인가 ,,,,,전류의 방향에 대하여 수직으로 자장 인가 하면 출력이 변화 . 1 대표 선수 : Hall 효과 ,,,, Hall 소자, 자기 트랜지스터 . 2 대표 선수 : 자기저항 효과 ,,,, 자기저항소자 . 3 대표 선수 : 자기응축 효과 ,,,, 자기 다이오우드 . 소형화, 고기능화 : 반도체 자기센서 많이 이용 (1) Hall 효과 . 반도체 외부에 자장을 인가하고 한 방향으로 전류를 인가하면 내부의 캐리어는 다른 한 방향으로 힘을 받는다 . . 홀효과를홀전압으로측정가능하게한것이홀소자 . 반도체의 극성 판별에 이용 (2) 자기저항효과 . 전류가 흐르고 있는 고체 소자에 자장을 인가하였을 때 저항이 증가하 는 현상 . 저항변화를 출력으로 ,,,,인가된 자장 확인 4-2-3. 포화철심형 자력계 . 저자장측정에유리 . 우주공간에서의 자기장 측정 , 달의 자기장 측정 , 지자장 측정 . GPS의 방위각 측정 (1) 포화철심형 자력계의 특성 . 센서코어에 자화 시켜 외부 자장의 영향 측정 . 외부 자장의 자기장 측정 4-2-4. Hall 소자 (1) Hall 소자의 특성 . 전류자기 효과 이용 . 정자장의 검출 , 자장의 강약 , 자극의 판별 이용 4-2-5. 자기 저항 소자 . 개요 : 반도체의 얇은 칩에 전류를 흘리고 자계를 가한 경우에 전류 단자간의 전기저 항이 변화 . 종류 : 반도체 자기 저항 소자 , 강자성체 자기 저항 소자 . 반도체자기저항소자 : . ① 래스터판 구조 : 길고 가는 반도체의 위에 긴 방향과 직각으로 단락 스트라이프가 부착되어 있고 자기 저항 소자를 다수 직렬로 접속한 구조로 소자수를 많게 하면 저 항값을 크게 할 수 있다 . . ② 용도 : 무점촉 가변 저항기 , 포텐셔미터, 자속계, 전류계, 변위 및 진동 픽업 , 승산 기, 아날로그 계산기 , 마이크로파 전력계 , 회전계, 지폐 식별 센서 등 . 강자성 자기저항소자 : 자계가 크게 되면 저항이 직선적으로 감소하는 부성자기저 항효과와 자화 방향과 전류 방향이 이루는 각도에 따라 저항이 이방적으로 변화하는 이방성 자기저항효과 . ① 이방성 자기 저항 효과 : 저자계 강도에 우수하고 소자의 소형화 , 고저항화의 목 표로부터 박막에서 굽힘선 모양으로 구성되어 있고 Ni-Co 합금이 사용됨 ■ 강자성 자기 저항 소자의 특징 ① Hs( 포화 자계 ) 이상의 자계에서 사용하면 자계의 방향이 검출된다 . ② 출력 레벨이 자계 강도에 관계 없이 안정되어 있 다. ③ 금속으로 되어 있으므로 반도체에 비해 출력의 온 도 변화가 적다 . ④ 고온까지 사용할 수 있다 . ⑤ 동일기판상에 복수 개 센서의 배열 집적화가 용이 하다. ⑥ 다기능화가 가능하다 . ⑦ 저자계에서는 큰 출력이 얻어지나 바로 포화된다 . ■ 강자성 자기 저항 소자의 응용 : 고밀도 자기 센서 , 고정밀도 위치 센서 , 리니어 위치 센서 , 로터리 인코더 , 마그넷 스 위치, 프린터의 인자 배열기 등 4-2-6. 자기 Diode . 자기 다이오드의 동작 원리는 자기응축효과 (magnetoconcentration effect) 또는 Suhl 효과라고 불리는 복합적인 전류자기 효과에 기초 . 캐리어 주입 , Hall 효과, 그리고 캐리어들의 표면 재결합 또는 생성 . 저항 변화는 대체로 자속밀도에 비례하므로 출력으로부터 자장을 감지 할 수 있다 . 4-2-7. Squid( 초전도 양자 간섭 소자 ) . 고감도 자기센서 . 납, 니오브 등의 금속은 액체 헬륨 온도 (4.2K) 부근에서 갑자기 전기 저 항이 0으로 되는 초전도 상태으로 나타나며 . 이와 같은 초전도 상태의 금속을 매우 엷은 절연물을 삽입해 접합시키면 (죠셉슨 접합 ) 외계의 자 기 변동을 양자 단위로 측정할 수 있는 초전도 자기 센서 특징 ① 고선명도로 측정하기 위해서는 고성능인 자기 실드룸이 필요하다 . ② 자계 검출 감도는 백억분의 1가우스로 매우 고감도이다 . ③ 고가인 액체 헬륨을 사용해야 한다 . ■ 용도 : 심전계, 근전계, 뇌파계등의 생체 자기계측과 인공 위성을 이용한 자원 탐사 , 지구 자기 계측 , 대전류 안정화 , 변위 계측 등 병의 진단 ① 전자식 혈압계용 Si 압력 센서 ② 체온 측정기용 등에는 온도 센서 ③ 혈액 분석계에는 Na이온,K 이온 등을 검출하는 이온 센서 ④ X선과 CT 장치에는 X선 센서로써 Xe 가스나 BGO 신티레이션 검출기 ⑤ 심전계 , 근전계, 뇌파계 등의 전자 장치 생체자기 계측 : 자계를 고정밀도로 검출하여 생체에 생기고 있는 이상을 진단 4-2-8. 자기센서의 응용 4-3. 광 센서 .빛을이용하여대상을검출하는소자(素子). .센서란, 인간의감각기관구실을하는장치를말하는데, 그중에서시각(視覺) 에해당되는것.(시각센서) .예전에는자연의빛을감각하는것이었으나, 지금은인공적으로큰빛을발하여, 그빛이물체에부딪혀반사되어오는것을받아들여, 그물체의움직임이나빠르기따위를알아내는구조로다양화. .빛의양, 물체의모양이나상태·움직임등을감각하는데, 눈의구실을하는것이렌즈. .검출대상으로는눈에보이는가시광선, 눈으로볼수없는자외선, 적외선등. .파장의차이뿐아니라전자기파(빛도전자기파의일종이다)의성질도다양 .검출대상, 검출파장, 사용목적에따라센서엘리먼트(소자)를잘분간해서사용. .광센서의종류에는포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토IC, Cds, 태양전지, CCD 이미지센서등 .특수한것: 광전관, 포토멀, 촬상관 .광센서를사용하면로봇을자동적으로이동가능. .초음파나적외선을로봇의전방에서발사 .물체로부터되돌아오는빛의강약으로제위치를확인 .(장애물로부터멀어져있으면받는빛은약해지고, 가까워지면강해진다. 그러므로어느일정한빛의세기에서멈추어서도록로봇에게가르쳐놓으면앞쪽에물체가있을때판단해서선다. 그리고그이상앞으로나아가지않고, 진행방향을바꾸는것이다.) .센서중에서도주류를이루는것이광센서이며, 특히컴퓨터에의한이미지(화상·도형·문자·물체등)의직접인식에있어서, 높은정밀도의이미지센서수요가늘어날전망. .광센서의종류에는포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토IC, Cds, 태양전지, CCD 이미지센서등 .특수한것: 광전관, 포토멀, 촬상관 .광센서를사용하면로봇을자동적으로이동가능. .초음파나적외선을로봇의전방에서발사 .물체로부터되돌아오는빛의강약으로제위치를확인 .(장애물로부터멀어져있으면받는빛은약해지고, 가까워지면강해진다. 그러므로어느일정한빛의세기에서멈추어서도록로봇에게가르쳐놓으면앞쪽에물체가있을때판단해서선다. 그리고그이상앞으로나아가지않고, 진행방향을바꾸는것이다.) .센서중에서도주류를이루는것이광센서이며, 특히컴퓨터에의한이미지(화상·도형·문자·물체등)의직접인식에있어서, 높은정밀도의이미지센서수요가늘어날전망. [범용 포토 다이오드 ][고속형 포토 다이오드 ] [적외선용 포토 다이오드 ][범용 포토 트랜지스터 ] .광섬유센서 .전자기파의영향을받지않기때문에전기적인센서를사용하기어려운대상에적용이가능 .크기가작아복합재료나콘크리트구조물과같은측정대상에삽입이가능 .민감도와분해능이우수 .다중송신이가능한장점 .변형률, 온도측정, 구조물의건전성감시, 충격과진동의감지등의측정가능 .광섬유센서 .전자기파의영향을받지않기때문에전기적인센서를사용하기어려운대상에적용이가능 .크기가작아복합재료나콘크리트구조물과같은측정대상에삽입이가능 .민감도와분해능이우수 .다중송신이가능한장점 .변형률, 온도측정, 구조물의건전성감시, 충격과진동의감지등의측정가능 .적외선센서(Sensors) .우리눈에는보이지않으면서빨간색보다파장이긴전자기파영역. 전자기파란사람이들을수있는매우낮은주파수의음파에서부터시작하여초음파영역, 라디오, 텔레비전, 휴대폰, 레이다에서사용하는라디오파영역, 적외선영역, 가시광선영역, 자외선영역, X-선영역, 그리고우주선영역등의매우광범위한영역을지칭. 사람이볼수있는전자기파의영역은가시광선영역인데, 이는전자기파의영역에서볼때매우좁은영역에불과자연에존재하는대부분의전자기파를사람은느낄수없는것. 이러한전자기파는잘사용하면인체에좋은것도있지만대부분인체에나쁜것으로알려져있다. .적외선센서(Sensors) .우리눈에는보이지않으면서빨간색보다파장이긴전자기파영역. 전자기파란사람이들을수있는매우낮은주파수의음파에서부터시작하여초음파영역, 라디오, 텔레비전, 휴대폰, 레이다에서사용하는라디오파영역, 적외선영역, 가시광선영역, 자외선영역, X-선영역, 그리고우주선영역등의매우광범위한영역을지칭. 사람이볼수있는전자기파의영역은가시광선영역인데, 이는전자기파의영역에서볼때매우좁은영역에불과자연에존재하는대부분의전자기파를사람은느낄수없는것. 이러한전자기파는잘사용하면인체에좋은것도있지만대부분인체에나쁜것으로알려져있다. .적외선을보다잘내놓는물질이있는가하면그렇지못한물질도있다. 일반적으로세라믹계열인벽돌, 진흙, 도자기, 황토등에서는많이나오며, 금속물질인금, 은, 구리, 철등에서는별로나오지않는다. .적외선과온도와의관계를알려면흑체의적외선방사현상을이해해야한다. 이물리현상은1900년대초창기에여러물리학자들에의해연구되었으며, Planck라는과학자에의해체계적으로정립이되었다. 흑체란색깔이검다는것을의미하는것이아니라빛이흑체내부로들어가게되면다시는밖으로나오지않아결국흑체내부에서완전히흡수됨을뜻하는것이다. .이것을다른말로풀이하면흑체에열을가하면이열은모두흑체에흡수되어흡수된열은적외선이라는형태로손실없이나온다는것을뜻한다. 온도가올라가면적외선이나오는파장의최대값은가시광쪽으로이동하고보다많은양의적외선이나오며, 온도가낮을수록파장의최대값은긴파장쪽으로이동하며나오는적외선의양도작아지는것을의미한다. 그리고300K(27℃)인상온에서는파장의최대값이10 ㎛근처이며, 500K (223℃)의온도에서는5㎛근처에서최대값을가진다. .적외선을보다잘내놓는물질이있는가하면그렇지못한물질도있다. 일반적으로세라믹계열인벽돌, 진흙, 도자기, 황토등에서는많이나오며, 금속물질인금, 은, 구리, 철등에서는별로나오지않는다. .적외선과온도와의관계를알려면흑체의적외선방사현상을이해해야한다. 이물리현상은1900년대초창기에여러물리학자들에의해연구되었으며, Planck라는과학자에의해체계적으로정립이되었다. 흑체란색깔이검다는것을의미하는것이아니라빛이흑체내부로들어가게되면다시는밖으로나오지않아결국흑체내부에서완전히흡수됨을뜻하는것이다. .이것을다른말로풀이하면흑체에열을가하면이열은모두흑체에흡수되어흡수된열은적외선이라는형태로손실없이나온다는것을뜻한다. 온도가올라가면적외선이나오는파장의최대값은가시광쪽으로이동하고보다많은양의적외선이나오며, 온도가낮을수록파장의최대값은긴파장쪽으로이동하며나오는적외선의양도작아지는것을의미한다. 그리고300K(27℃)인상온에서는파장의최대값이10 ㎛근처이며, 500K (223℃)의온도에서는5㎛근처에서최대값을가진다. .적외선센서의원리 .적외선영상시스템에서가장핵심이되는기술은사람눈에해당되는적외선센서의개발 .센서의재료에는작동원리에따라크게양자형(photon) 과열형(thermal) .양자형은주로반도체재료: 반도체재료들은특성은좋으나액체질소온도(-193℃)에서작동한다는단점, 대부분낮은온도에서작동 .열형은반도체이외의재료: 성능은반도체에비해다소떨어지지만대부분상온에서동작한다는장점, 상온에서동작 .적외선센서의원리 .적외선영상시스템에서가장핵심이되는기술은사람눈에해당되는적외선센서의개발 .센서의재료에는작동원리에따라크게양자형(photon) 과열형(thermal) .양자형은주로반도체재료: 반도체재료들은특성은좋으나액체질소온도(-193℃)에서작동한다는단점, 대부분낮은온도에서작동 .열형은반도체이외의재료: 성능은반도체에비해다소떨어지지만대부분상온에서동작한다는장점, 상온에서동작 [ 포토 다이오드 ][초전형 적외선 센서 ] .광센서의종류 .1. 투과형포토센서 .투광기와수광기를동일광축선상에서로마주보게설치해두고, 그사이를통과하는검출물체에의해광량의변화가발생하는것을검출하여출력하는방식. .2. 미러반사형포토센서 .투·수광부가일체로된포토센서와반사경사이를통과하는검출물체에의해반사량광의변화가발생하는것을검출하는방식. .3. 직접반사형포토센서 .투·수광부가일체로되어있으며, 투광부로부터투사된광이검출물체에반사된광을수광부가직접검출하여출력하는방식 .광센서의종류 .1. 투과형포토센서 .투광기와수광기를동일광축선상에서로마주보게설치해두고, 그사이를통과하는검출물체에의해광량의변화가발생하는것을검출하여출력하는방식. .2. 미러반사형포토센서 .투·수광부가일체로된포토센서와반사경사이를통과하는검출물체에의해반사량광의변화가발생하는것을검출하는방식. .3. 직접반사형포토센서 .투·수광부가일체로되어있으며, 투광부로부터투사된광이검출물체에반사된광을수광부가직접검출하여출력하는방식 .실물구경하기 4-5. 음향 센서 .소음센서.진동센서.초음파센서 .응용원리: Compton 효과, 전자쌍생성등 .1. 기본개념전기음향변환기의원리에는여러가지가있는데그중에서마이크로폰에응용되고있는것은대개동전형, 정전형, 압전형, 접촉저항형(탄소형) 중한가지이다. 현재음향계측용으로사용되고있는마이크로폰은대부분이직류바이어스방식의정전형이며, 일부에서초저주파음또는초고음압을계측하는데세라믹소자를사용한압전형이사용되고있다. .소음센서 .a. 정전형그림과같이음압에따라진동변위하는가동전극(진동막)과대단히좁은간격으로대항하는고정전극(배극) 으로평행판콘덴서를구성하고음압에따라진동막이변위하면이의정전용량이약간변화한다. 이러한정전용량변화를검출하는방법으로양쪽전극사이에직류바이어스전압을가하는방법이있는데가장일반적인방법이다. .소음센서 .a. 정전형그림과같이음압에따라진동변위하는가동전극(진동막)과대단히좁은간격으로대항하는고정전극(배극) 으로평행판콘덴서를구성하고음압에따라진동막이변위하면이의정전용량이약간변화한다. 이러한정전용량변화를검출하는방법으로양쪽전극사이에직류바이어스전압을가하는방법이있는데가장일반적인방법이다. .소음센서 .b. 압전형마이크로폰물질에외력을가하여변형이생기면그변형에비례한전하가생겨서전압을발생하는것이있는데이러한현상을압전효과라한다. 마이크로폰에는지르콘지탄산연등의자기에의한소자를사용하고있다. 세라믹마이크로폰의기본구조는다음과같다. .세라믹소자는바이모르프라고하는구조를취하며, 굽힘응력에대하여전하를발생하도록되어있다. 세라믹소자는기계임피전스가높으므로임피던스가낮은공기와정합을취하기위하여성형된진동판과로드를통해서소자에외력을가하는구조로되어있다. 세라믹마이크로폰도정전형과같이그출력전압은진동판의진동변위에비례하기때문에진동계는탄성제어가되도록, 설계하고사용주파수범위는진동계의공진주파수근처보다낮은주파수범위이다. 또한전기임피던스도정전형과같이용량성이높은임피던스이며, 일반적으로임피던스변화기를통하여출력전압을인출한다. .소음센서 .b. 압전형마이크로폰물질에외력을가하여변형이생기면그변형에비례한전하가생겨서전압을발생하는것이있는데이러한현상을압전효과라한다. 마이크로폰에는지르콘지탄산연등의자기에의한소자를사용하고있다. 세라믹마이크로폰의기본구조는다음과같다. .세라믹소자는바이모르프라고하는구조를취하며, 굽힘응력에대하여전하를발생하도록되어있다. 세라믹소자는기계임피전스가높으므로임피던스가낮은공기와정합을취하기위하여성형된진동판과로드를통해서소자에외력을가하는구조로되어있다. 세라믹마이크로폰도정전형과같이그출력전압은진동판의진동변위에비례하기때문에진동계는탄성제어가되도록, 설계하고사용주파수범위는진동계의공진주파수근처보다낮은주파수범위이다. 또한전기임피던스도정전형과같이용량성이높은임피던스이며, 일반적으로임피던스변화기를통하여출력전압을인출한다. .소음센서.진동센서.초음파센서 .응용원리: 진폭, 진동수측정, .1. 진동의측정기계진동의측정은길이의동적인측정의하나의응용에불과하지만동적이므로여러가지곤란한문제가생긴다. 기계진동에는직선진동과회전진동이있고진동의속도, 가속도가문제가되며또이들의응용으로서진동효과같은양도측정된다. 또진동과관련하여충격도대상이된다. 진동을분석하면진폭, 진동수, 위상으로이루어지고있지만현상은언제나정상적인것이아니고오히려비정상인것이보통이므로대개의경우시간에대한파형을기록하여거기에서여러가지해석을행한다. 그러나편의적인방법으로서진폭또는진동수만을딸측정하는방법도가끔쓰인다. 진동수의측정은시간의측정이다. .소음센서.진동센서.초음파센서 .응용원리: 진폭, 진동수측정, .1. 진동의측정기계진동의측정은길이의동적인측정의하나의응용에불과하지만동적이므로여러가지곤란한문제가생긴다. 기계진동에는직선진동과회전진동이있고진동의속도, 가속도가문제가되며또이들의응용으로서진동효과같은양도측정된다. 또진동과관련하여충격도대상이된다. 진동을분석하면진폭, 진동수, 위상으로이루어지고있지만현상은언제나정상적인것이아니고오히려비정상인것이보통이므로대개의경우시간에대한파형을기록하여거기에서여러가지해석을행한다. 그러나편의적인방법으로서진폭또는진동수만을딸측정하는방법도가끔쓰인다. 진동수의측정은시간의측정이다. .진동센서 .2. 진동계의원리진동의측정은크게나누면다음의두가지가된다. a) 진동체위에두고그진동을측정하는경우b) 진동체의외부의정지점에서진동을측정하는경우지진이나건조믈의진동, 배, 비행기, 차등의동요등은외부에정지점을구해서측정하기가불가능하므로전적으로a)의방법에의하게되지만기계류의진동의경우에는가까운곳에움직이지않는기준이되는점을발견할수도있으므로이런경우에는b) 의방법을이용할수있다. 그러나a) 의방법이보편적이므로진동계라고하면보통a) 의방식에의한진동계를말한다. 다음그림은진동측정의가장기본적인예를보여준다. .그림은한개의추가스프링으로지지되어상하방향으로만움직일수있게한1 DOF 의진동계이다. 이진동계가상하로정현진동을행하였을때추는판에대하여어떤운동을하는가를조사한다 .진동센서 .2. 진동계의원리진동의측정은크게나누면다음의두가지가된다. a) 진동체위에두고그진동을측정하는경우b) 진동체의외부의정지점에서진동을측정하는경우지진이나건조믈의진동, 배, 비행기, 차등의동요등은외부에정지점을구해서측정하기가불가능하므로전적으로a)의방법에의하게되지만기계류의진동의경우에는가까운곳에움직이지않는기준이되는점을발견할수도있으므로이런경우에는b) 의방법을이용할수있다. 그러나a) 의방법이보편적이므로진동계라고하면보통a) 의방식에의한진동계를말한다. 다음그림은진동측정의가장기본적인예를보여준다. .그림은한개의추가스프링으로지지되어상하방향으로만움직일수있게한1 DOF 의진동계이다. 이진동계가상하로정현진동을행하였을때추는판에대하여어떤운동을하는가를조사한다 .진동센서 .3.진동계의종류 .a .Geiger ( 가이거) 이것은회전진동계로서증기기관, 내연기관등의비교적저속기관의회전진동측정용으로제작된구식진동기이며회전플라이휘일대신에진자를사용하여직선진동의측정에이용할수있는것이다. 그구조는다음그림과같다. .진동센서 .3.진동계의종류 .a .Geiger ( 가이거) 이것은회전진동계로서증기기관, 내연기관등의비교적저속기관의회전진동측정용으로제작된구식진동기이며회전플라이휘일대신에진자를사용하여직선진동의측정에이용할수있는것이다. 그구조는다음그림과같다. .진동센서.진동센서 .b. Sip ( 싶) 기계적진동계로서는아주소형이며기계의목적의위치에올려놓고진폭을측정하는데편리하다. 그구조는다음그림과같다. .소음센서.진동센서.초음파센서 .응용원리: 전자기유도, 전기변형, 자기변형등 .초음파란성인이들을수있는범위(20kHz) 이상의높은주파수의소리를일컫는다. 초음파의발생기구는크게트랜스듀서(electromechanical transducer) 와고주파전원(high frequency power supply) 으로구성된다. .1. 초음파센서의기본구조그림에서압전물질은두께방향진동자로동작되며1~3개의정합층을거쳐그림에서Zl로표시된물체내부를향해초음파가방사된다 .소음센서.진동센서.초음파센서 .응용원리: 전자기유도, 전기변형, 자기변형등 .초음파란성인이들을수있는범위(20kHz) 이상의높은주파수의소리를일컫는다. 초음파의발생기구는크게트랜스듀서(electromechanical transducer) 와고주파전원(high frequency power supply) 으로구성된다. .1. 초음파센서의기본구조그림에서압전물질은두께방향진동자로동작되며1~3개의정합층을거쳐그림에서Zl로표시된물체내부를향해초음파가방사된다 .초음파센서 .a.압전진동자: 센서에서가장중요한요소는초음파를발생하고수신하는능동소자이며, 보통압전물질을능동소자로사용한다. 센서의감도와해상도는압전진동자의전기적, 기계적특성과밀접한관계가있다. 현재보통사용되고있는압전물질은전기-기계결함계수가큰PZT 계열의압전세라믹이다. 그러나압전세라믹은음향임피던스가매우커서임피던스부정합으로인한어려움이있다. .b.음향정합측: 압전진동자의음향임피던스는약30~40Mrayl 이고물의음향임피던스는약1.5Mrayl 이므로대부분의초음파는그경계면에서투과하지않고반사하게된다. 따라서진동자와물사이에정합층을두어서초음파가잘전달되도록해야한다. .c.후면층(backing) : 압전진동자전면에는정합층을부착하여음향임피던스를물체에정합시키는반면에, 진동자후면에는후면층을부착하여후방으로방사된초음파를흡수함으로서초음파펄스의길이를줄이는역할을한다. .d.Tuning: 압전진동자는전기적유전체로서정전용량을갖고있다. 이정전용량은센서가초음파를발생시키는송신기로사용될때초음파의rise time 을증가시키며, 또신호원을shunt 시켜필요한전류량을증가시킨다. 또한수신기로동작할때는센서의부하로작용하여전기적출력을감소시키므로이를상쇄시키기위한전기적tuning 이필요하다. Inductance 에의한series tuning 은중심주파수대역에서정전요량을간단히줄일수있어많이사용한다 .e.음향렌즈: 초음파를집속시키기위해서는여러센서소자를시간차를두어동작시키는electronic focusing 또는음향렌즈가이용된다. 렌즈의재료로는음향손실이적은에폭시가사용되며, 볼록형일때는고무종류를사용한다. .초음파센서 .a.압전진동자: 센서에서가장중요한요소는초음파를발생하고수신하는능동소자이며, 보통압전물질을능동소자로사용한다. 센서의감도와해상도는압전진동자의전기적, 기계적특성과밀접한관계가있다. 현재보통사용되고있는압전물질은전기-기계결함계수가큰PZT 계열의압전세라믹이다. 그러나압전세라믹은음향임피던스가매우커서임피던스부정합으로인한어려움이있다. .b.음향정합측: 압전진동자의음향임피던스는약30~40Mrayl 이고물의음향임피던스는약1.5Mrayl 이므로대부분의초음파는그경계면에서투과하지않고반사하게된다. 따라서진동자와물사이에정합층을두어서초음파가잘전달되도록해야한다. .c.후면층(backing) : 압전진동자전면에는정합층을부착하여음향임피던스를물체에정합시키는반면에, 진동자후면에는후면층을부착하여후방으로방사된초음파를흡수함으로서초음파펄스의길이를줄이는역할을한다. .d.Tuning: 압전진동자는전기적유전체로서정전용량을갖고있다. 이정전용량은센서가초음파를발생시키는송신기로사용될때초음파의rise time 을증가시키며, 또신호원을shunt 시켜필요한전류량을증가시킨다. 또한수신기로동작할때는센서의부하로작용하여전기적출력을감소시키므로이를상쇄시키기위한전기적tuning 이필요하다. Inductance 에의한series tuning 은중심주파수대역에서정전요량을간단히줄일수있어많이사용한다 .e.음향렌즈: 초음파를집속시키기위해서는여러센서소자를시간차를두어동작시키는electronic focusing 또는음향렌즈가이용된다. 렌즈의재료로는음향손실이적은에폭시가사용되며, 볼록형일때는고무종류를사용한다. .초음파센서 .2. 초음파센서의종류 .a.Sector 주사용센서: sector 주사는인체표면의한점에서부채꼴처럼여러방향으로주사하는것으로, 주사각도를자유롭게바꿀수있고심부에서의시야가넓은특징을가지고있다. 센서의구조는그림과같이센서부분과이를구동하는모터로구성되며, 압전세라믹앞에는물이나기름등의액체를채워초음파전달이용이하도록한다. .초음파센서 .2. 초음파센서의종류 .a.Sector 주사용센서: sector 주사는인체표면의한점에서부채꼴처럼여러방향으로주사하는것으로, 주사각도를자유롭게바꿀수있고심부에서의시야가넓은특징을가지고있다. 센서의구조는그림과같이센서부분과이를구동하는모터로구성되며, 압전세라믹앞에는물이나기름등의액체를채워초음파전달이용이하도록한다. .초음파센서 .b.선형배열센서: 선형배열센서는센서가여러개의가늘고긴미소진동자군으로되어있으며, 그림에서는간단한구조로나타내었다. 압전진동자는다른경우와마찬가지로PZT-5 계열을사용하며그두께는중심주파수에서파장의1/2이다. 사용되는주파수는보통3.5 MHz, 5MHz, 7.5 MHz 이다. .초음파센서 .b.선형배열센서: 선형배열센서는센서가여러개의가늘고긴미소진동자군으로되어있으며, 그림에서는간단한구조로나타내었다. 압전진동자는다른경우와마찬가지로PZT-5 계열을사용하며그두께는중심주파수에서파장의1/2이다. 사용되는주파수는보통3.5 MHz, 5MHz, 7.5 MHz 이다. .초음파센서 .c.컨벡스프로브(convey probe) : 컨베스프로브는선형배열센서와비슷하나압전진동자의표면을곡면으로볼록한형태가되도록배열시킨것으로여러가지유리한점이있다. .d.동심환배열센서: 동심환배열센서는원판형의압전소자를고리모양으로나눈적은수의요소를사용하여2차원적으로집속을하여그림과같이축방향으로원하는곳에쉽게초점을만들수있다. .초음파센서 .c.컨벡스프로브(convey probe) : 컨베스프로브는선형배열센서와비슷하나압전진동자의표면을곡면으로볼록한형태가되도록배열시킨것으로여러가지유리한점이있다. .d.동심환배열센서: 동심환배열센서는원판형의압전소자를고리모양으로나눈적은수의요소를사용하여2차원적으로집속을하여그림과같이축방향으로원하는곳에쉽게초점을만들수있다. .초음파센서 .3. 초음파센서의응용 .초음파센서 .3. 초음파센서의응용 4-6. 온도 센서 .열전쌍.써미스터.R.T.D. .응용원리: 전기저항, 광전기전도, 열기전력, 전기변형, 트랜지스터특성, 색, 복사등 .Seebeck effect ( 제백효과) : 서로다른2종류의도체또는반도체의양쪽끝을접합하여회로를만들때이들2 접점의온도를서로다르게하여주면이회로에기전력이발생하는현상 .Peltier ( 펠티의효과) : 다른종류의도체또는반도체접점에전류를흘리면그접점에줄열외의다른종류의열의발생또는흡수가일어나는현상. 전류의방향을바꾸면열의발생과흡수도바뀐다 .Thomson effect ( 톰슨효과): 균질한금속에온도기울기가있을때그것에전류가흐르면열이흡수되거나방출되는현상. 전류를고온부에서저온부로흐르게하면철에서는열을흡수하고, 구리에서는열을방출한다. 철과같은물질은톰슨효과가음이라하고, 구리와같은물질은양이라한다. .열량센서.반도체온도센서.온도계. .열전쌍 .Thermocouple ( 열전쌍) : Seebeck effect 를이용2종류의금속을환형으로접합하고양접합점에온도차를줌으로써열기전력을발생하는것. 이성질을이용하여열기전력을측정하여온도차를측정하는데사용전류의방향을바꾸면열의발생과흡수도바뀐다. .열전쌍을이용한열전온도계 .열전쌍 .Thermocouple ( 열전쌍) : Seebeck effect 를이용2종류의금속을환형으로접합하고양접합점에온도차를줌으로써열기전력을발생하는것. 이성질을이용하여열기전력을측정하여온도차를측정하는데사용전류의방향을바꾸면열의발생과흡수도바뀐다. .열전쌍을이용한열전온도계 .써미스터 .응용원리: 전기저항, 광전기전도, 열기전력, 전기변형, 트랜지스터특성, 색, 복사등 .기본개념써미스타란열에민감한저항체라는의미로온도변화에따라저항값이극단적으로크게변하는감온반도체이다. 사용온도범위가-50~500℃로일상적인온도조절을필요로하는모든범위에응용되며, 또한소형으로값이저렴하고고감도이므로가전기기나산업기기의온도센서및온도보상용으로대량사용되어지고있다. .계측용써미스타센서의일반적특성온도계수가커서감도가좋고응답성이빨라급속한온도변화에대응할수있다. 냉접점이나보상도선을필요로하지않는다. 고저항이므로도선저항을무시할수가있어원격집중제어관리가가능하다. .제임스텍온도검출용써미스타센서의특성경시변화가극히적으며안정되어있어신뢰도가높다. 고객의요구에따라다양한형상으로제작이가능하다. 소형으로, 빠른응답속도를갖는다. 제조공정을자동화하여고품질의제품을대량생산할수있다. .써미스터 .응용원리: 전기저항, 광전기전도, 열기전력, 전기변형, 트랜지스터특성, 색, 복사등 .기본개념써미스타란열에민감한저항체라는의미로온도변화에따라저항값이극단적으로크게변하는감온반도체이다. 사용온도범위가-50~500℃로일상적인온도조절을필요로하는모든범위에응용되며, 또한소형으로값이저렴하고고감도이므로가전기기나산업기기의온도센서및온도보상용으로대량사용되어지고있다. .계측용써미스타센서의일반적특성온도계수가커서감도가좋고응답성이빨라급속한온도변화에대응할수있다. 냉접점이나보상도선을필요로하지않는다. 고저항이므로도선저항을무시할수가있어원격집중제어관리가가능하다. .제임스텍온도검출용써미스타센서의특성경시변화가극히적으며안정되어있어신뢰도가높다. 고객의요구에따라다양한형상으로제작이가능하다. 소형으로, 빠른응답속도를갖는다. 제조공정을자동화하여고품질의제품을대량생산할수있다. .응용원리: 전기저항,광전기전도,열기전력,전기변형,트랜지스터특성,색,복사등 .R.T.D 의원래이름은Resistance Temperature Detectors 이다. .이는금속과반도체의전기저항의온도의존성을이용하고있다. .금속의온도계수는정, 즉온도가높아지면그것의저항치가증대한다. .한편반도체의저항치는온도계수가부이기때문에감소한다. .금속을이용한대표적인온도계는백금(Pt) 을저항체로서하며, 그것을저항온도계라부르고있다. .저항온도계에는stem 형, capsule 형, 공업용등예를들면십자형권침에저항선을감은것이강화glass 에봉입되어있다. .Pt을사용한경우의측정온도범위는stem 형에서90~903 K, capsule 형에서실온이하14K 까지이다. .이저항온도계는전류를흘린상태에서측정하기때문에자기가열이있고이영향을감안하여전류치를설정하여야만한다. .R.T.D. .응용원리: 전기저항,광전기전도,열기전력,전기변형,트랜지스터특성,색,복사등 .R.T.D 의원래이름은Resistance Temperature Detectors 이다. .이는금속과반도체의전기저항의온도의존성을이용하고있다. .금속의온도계수는정, 즉온도가높아지면그것의저항치가증대한다. .한편반도체의저항치는온도계수가부이기때문에감소한다. .금속을이용한대표적인온도계는백금(Pt) 을저항체로서하며, 그것을저항온도계라부르고있다. .저항온도계에는stem 형, capsule 형, 공업용등예를들면십자형권침에저항선을감은것이강화glass 에봉입되어있다. .Pt을사용한경우의측정온도범위는stem 형에서90~903 K, capsule 형에서실온이하14K 까지이다. .이저항온도계는전류를흘린상태에서측정하기때문에자기가열이있고이영향을감안하여전류치를설정하여야만한다. .R.T.D. .열량센서.열량센서 .응용원리: 전기저항,광전기전도,열기전력,전기변형,트랜지스터특성,색,복사등 .열량을측정하는장치 .열량계에는열용량을알고있는물체의온도변화를측정하는방법.액체열량계, 금속열량계 .상태변화를받는물체의질량또는체적을측정하는방법.얼음열량계(미소온도변화가필요) .증기열량계(온도가일정하게유지) .반도체온도센서.반도체온도센서 .응용원리: 전기저항,광전기전도,열기전력,전기변형,트랜지스터특성,색,복사등 .다이오드의순방향전압및트랜지스터의collector- emitter 사이에일정한전류를흘릴때의base-emitter 사이전압은온도에따라직선적으로변화하므로이특성을온도센서로써이용 .특히트랜지스터는3단자이기때문에특성의편차를외부회로에서보정할수있고, 또센서전체를IC화하는것에의해이것이쉽게된다. .수정발진자주파수의온도변화와보정하기위한IC 내장온도센서는CMOS IC 에내장된n-p-n transistor 의base-emitter 사이전압Vbe의온도특성에착안하고있다. 실제에는Vbe의온도감도부족을보완하기위하여, 그림과같이2개이상의transistor 의Vbe가가산될수있는접속이채용되고있다.(darlington 접속회로) .응용원리: 전기저항,광전기전도,열기전력,전기변형,트랜지스터특성,색,복사등 .1. 온도란무엇인가? 정량적으로말해서물체의온도는접촉했을때의따뜻함과차가움의정도라고할수있다. 온도가다른두물체를접촉시키면보다따뜻한물체는시간이지남에따라차가워지고보다차가운물체는시간이지나면더따뜻해져서열평형을이룬게된다. 두물체사이의열교환이정지된상태를열평형이라한다. 이열평형시스템에서의두물체의quantity 는같으며이를온도라고정의할수있다. 또한이열평형은둘이상의물체사이에서도일어나며그결과는다음의법칙에서찾을수가있다. "물체1과2가열평형상태고2와3이열평형상태면1과3도열평형상태다." 이문장을일컬어열역학제0 법칙이라고한다. 위의법칙에서물체1,2,3 중어느한물체와온도측정기기가접촉을시키면온도측정기기와물체사이에는또열평형이이루어질것이틀림없다. 이때의온도측정기기를읽어들이는것을온도의정량적측정이라한다. .2. 온도계란무엇인가? 온도계란위의열역학제0 법칙에근거하여정량적방법으로시스템의온도를측정하는기구이다. 다음식은온도를나타내는식이다 .t(x) = ax = b .이식에서t는물체의온도이며x는물성치의변화이다. a 와b는상수로서어는점과끊는점같은물체의물성치와상관적인관계가있다. 예를들어수은은-38.9℃에서356.7℃까지액체상태이다. 액체상태수은은따뜻해지면선형적비율로팽창하는데그비율은계산가능하다. 아래그림에서bulb 안의수은의팽창율은유리의scale에의해서측정된다. .온도계. .응용원리: 전기저항,광전기전도,열기전력,전기변형,트랜지스터특성,색,복사등 .1. 온도란무엇인가? 정량적으로말해서물체의온도는접촉했을때의따뜻함과차가움의정도라고할수있다. 온도가다른두물체를접촉시키면보다따뜻한물체는시간이지남에따라차가워지고보다차가운물체는시간이지나면더따뜻해져서열평형을이룬게된다. 두물체사이의열교환이정지된상태를열평형이라한다. 이열평형시스템에서의두물체의quantity 는같으며이를온도라고정의할수있다. 또한이열평형은둘이상의물체사이에서도일어나며그결과는다음의법칙에서찾을수가있다. "물체1과2가열평형상태고2와3이열평형상태면1과3도열평형상태다." 이문장을일컬어열역학제0 법칙이라고한다. 위의법칙에서물체1,2,3 중어느한물체와온도측정기기가접촉을시키면온도측정기기와물체사이에는또열평형이이루어질것이틀림없다. 이때의온도측정기기를읽어들이는것을온도의정량적측정이라한다. .2. 온도계란무엇인가? 온도계란위의열역학제0 법칙에근거하여정량적방법으로시스템의온도를측정하는기구이다. 다음식은온도를나타내는식이다 .t(x) = ax = b .이식에서t는물체의온도이며x는물성치의변화이다. a 와b는상수로서어는점과끊는점같은물체의물성치와상관적인관계가있다. 예를들어수은은-38.9℃에서356.7℃까지액체상태이다. 액체상태수은은따뜻해지면선형적비율로팽창하는데그비율은계산가능하다. 아래그림에서bulb 안의수은의팽창율은유리의scale에의해서측정된다. .온도계. 4-7. 화학 센서 .가스센서.습도센서.이온센서 .응용원리: 전기저항,갈바닉전지,접촉연소등 .가스센서는인간의오감중후각에해당하는기능을갖는소자로서지금까지공기중의각종가스를검지, 정량하는데이용되어온화학센서의일종이다. 가스센서에는반도체식가스센서고체전해질식가스센서전기화확식가스센서접촉연소식가스센서가있다. .1. 반도체식가스센서 .a.전기저항식가스센서: 기체성분이반도체표면에흡착하여화학반응을일으킴으로써전기저항이변화하는것으로서주로가연성가스를감지하는소자에이타입이많다. .가스센서.가스센서 .2. 전기화학식가스센서전기화학식가스센서는대상가스를전기화학적으로산화또는환원하여그때외부회로에흐르는전류를측정하는장치이다. 그리고전해질용액중에용해또는이온화한가스상의이온이이온전극에작용하여생기는기전력을이용하는것도있다. .a.정전위전해식가스센서: 정전위전해식센서는전극과전해질용액의계면을일정한전위로유지하면서전해를행하는것이다. 이때설정전위를바꿈으로써표와같이특정가스를선택적으로정량화할수있다. .가스센서 .2. 전기화학식가스센서 .b.갈바닉전자식가스센서: 갈바닉전자식가스센서는정전위전해식가스센서와마찬가지로검지대상가스의전해에의해흐르는전류로부터가스농도를측정하는것이다. 그림은갈바닉전자식센서의구조를나타낸것이다. .가스센서 .2. 전기화학식가스센서 .b.갈바닉전자식가스센서: 갈바닉전자식가스센서는정전위전해식가스센서와마찬가지로검지대상가스의전해에의해흐르는전류로부터가스농도를측정하는것이다. 그림은갈바닉전자식센서의구조를나타낸것이다. .가스센서 .3. 고체전해질식가스센서고체상태의절연체중에는높은온도에서이온의이동에따른도전성을보이는것이있다. 이와같은물질을이온전도체또는고체전해질이라한다. .4. 접촉연소식가스센서접촉연소식가스센서는가연성가스의검지에사용되는것으로서검지가스가연소하는열이소자의온도를높임으로써생기는발열선(백금선)의변화를이용하는가스감지소자이다. .표는반도체와접촉연소식가연성가스센서를비교한것으로서접촉연소식은선택성과직선성이반도체식보다우수하다는것을대표적인장점으로들수있다. .가스센서 .3. 고체전해질식가스센서고체상태의절연체중에는높은온도에서이온의이동에따른도전성을보이는것이있다. 이와같은물질을이온전도체또는고체전해질이라한다. .4. 접촉연소식가스센서접촉연소식가스센서는가연성가스의검지에사용되는것으로서검지가스가연소하는열이소자의온도를높임으로써생기는발열선(백금선)의변화를이용하는가스감지소자이다. .표는반도체와접촉연소식가연성가스센서를비교한것으로서접촉연소식은선택성과직선성이반도체식보다우수하다는것을대표적인장점으로들수있다. .응용원리: 전기저항,광기전력,마이크로파,복사선,이슬점,기화열,팽창등 .습도센서는공공안정용, 의료용, 농업용, 공업용및각종특정용등광범위한응용분야를갖고있는화학센서의일종이다. 현재, 전자부품으로서이용되고있는습도센서는열전도식(서미스터식)과금속산화물세라믹계등을이ㄴ용한흡착식이대부분이다. 습도센서를재료에따라분류하면전해질계센서, 유기고분자계센서, 세라믹센서, 마이크로파수분센서, 방사선센서등으로나눌수있다. .(1) 세라믹습도센서세라믹스는물리적, 화학적및열적으로안정한재질이기때문에습도센서재료로적합하다. 감습기구는다공질세라믹인금속산화물, 예를들면Al2O3 의미립자표면에수증기가흡탈착함에따라세라믹의전기저항이변화하는것으로설명된다. 아래그림은세라믹습도센서의구조를나타낸것으로가열크리닝용히터를부착한것이다. 그림에서센서를지지하는베이스는센서세라믹과마찬가지로더러워지기쉽다. 베이스에전해질이부착될경우센서단자간에전기적누설이생길가능성이있다. 이리크를방지하기위해베이스에가드링을설치해야한다. .습도센서 .응용원리: 전기저항,광기전력,마이크로파,복사선,이슬점,기화열,팽창등 .습도센서는공공안정용, 의료용, 농업용, 공업용및각종특정용등광범위한응용분야를갖고있는화학센서의일종이다. 현재, 전자부품으로서이용되고있는습도센서는열전도식(서미스터식)과금속산화물세라믹계등을이ㄴ용한흡착식이대부분이다. 습도센서를재료에따라분류하면전해질계센서, 유기고분자계센서, 세라믹센서, 마이크로파수분센서, 방사선센서등으로나눌수있다. .(1) 세라믹습도센서세라믹스는물리적, 화학적및열적으로안정한재질이기때문에습도센서재료로적합하다. 감습기구는다공질세라믹인금속산화물, 예를들면Al2O3 의미립자표면에수증기가흡탈착함에따라세라믹의전기저항이변화하는것으로설명된다. 아래그림은세라믹습도센서의구조를나타낸것으로가열크리닝용히터를부착한것이다. 그림에서센서를지지하는베이스는센서세라믹과마찬가지로더러워지기쉽다. 베이스에전해질이부착될경우센서단자간에전기적누설이생길가능성이있다. 이리크를방지하기위해베이스에가드링을설치해야한다. .습도센서 .(2) 고분자습도센서이센서는오염에대한내구성이비교적강하고사용온도는60'C 이하이다. 고분자계습도센서에는저항형과용량형이있으며, 전자는제4급암모늄염폴리머나폴리스텔렌술폰산염이이용되며후자는셀룰로오스를베이스로하고있다. .습도센서 .(2) 고분자습도센서이센서는오염에대한내구성이비교적강하고사용온도는60'C 이하이다. 고분자계습도센서에는저항형과용량형이있으며, 전자는제4급암모늄염폴리머나폴리스텔렌술폰산염이이용되며후자는셀룰로오스를베이스로하고있다. .습도센서 .물의유전율은고분자재료의유전율에비해크기때문에그림과같이콘덴서를만들면습도센서가된다. 고분자필름에흡착하는물분자의양에따라정전용량이변한다. 용량형습도센서의특징은측정범위가넓어(0~100%RH) 상대습도에대해직선적인출력을얻을수있다. 저항형습도센서는직선적인출력을보이지만지수에대한직선성을나타내기때문에그분해능이용량형에비해나쁘다. .습도센서.습도센서 .(3) 전해질습도센서습도센서로서가장오래된거이염화리튬을이용한것으로서1938년Dunmore 가발표한것을시작으로특성개성을위한연구가계속되어오늘에이르고있다. 염화리튬은전해질이기때문에흡습성영의농도가차차엷어져서수명이길지않다. 이를개선하기위해식물섬유, 다공성실리카유리, 유리테이프등을이용하는방법이검토되어왔다 .(4) 초음파습도계최근초음파를이용한고속도습도측정이보고되고있다. 이는초음파기온계와저항온도계의조합에의한것으로서초음파의전달속도가기온에의해변화하는것을이용한다. 이때측정결과가습도의영향을받는것에착안하여온도계와병용함으로써습도에관한정보를끌어내는것이다. .(1)이온센서에의한측정화학센서중에서전기화학적인측정법의원리를이용하고있는이온센서는분석하고자하는용액중의특정한이온에대하여선택적으로감응하고, 특정한이온의농도(활동도) 에대하여선형적인전위를발생시키는전극이며, 그대표적인보기로pH 측정에쓰이는유리전극등이있다. .이온센서 .(1)이온센서에의한측정화학센서중에서전기화학적인측정법의원리를이용하고있는이온센서는분석하고자하는용액중의특정한이온에대하여선택적으로감응하고, 특정한이온의농도(활동도) 에대하여선형적인전위를발생시키는전극이며, 그대표적인보기로pH 측정에쓰이는유리전극등이있다. .이온센서 .(2)이온센서의종류이온센서의종류에는아래와같은것들이있다. 유리막전극(glass membrane electrode) 고체상태막전극(solid-state membrane electrode) 액체이온교환체막전극(liquid ion-exchanger membrane electrode) 중성운반체액체막전극(neutral carrier liquid membrane electrode) 특수전극으로서기체감응전극(gas sensing electrode) 이온선택성장효과트랜지즈터(ion-selective field effect transistor: ISFET) 4-8. 바이오 센서 .면역센서.미생물센서.오르가넬라센서 .응용원리: 생물기능성막, 열기전력, 음파, 마이크로파등 .면역센서는단백질등의고분자의미소구종의상이(相異)를구별하는센서가면역센서이다. 면역센서는항체분자식별기능을이용하여항원또는항체를검지한다. 즉고부자막등의고체표면에결합한항체를사용하고, 막표면에서항원항체반응을행한다. .조직센서.효소센서 .그림은표식제를필요로하는센서와, 그것을필요로하지않는센서가있다. 면역센서의기본은앞에서설명한항체에있어항원항체반응이지만, 항체막의표면에형성된항원항체복합체에의해막전위와막전극전위가변동하는것을직접측정하거나, 화학증폭기능을갖는표식제를사용하여측정한다. 그림(a)의경우는초미량측정이가능하다. 한편, 그림(b) 는아주간단한계로서측정할수있지만감도는낮다. .미생물센서.미생물센서 .응용원리: 생물기능성막, 열기전력, 음파, 마이크로파등 .효소센서는고선택성이지만자체가단배질이기때문에불안하고활성을나타내기위하여조효소등이필요한경우가적지않다. 따라서효소대신복합효소계라불리는다수의효소가계통적으로배열하고, 특정반응을촉매하는것으로알려져있는살아있는미생물이나오르가넬라등을전극에붙인센서가고안되엇따. 이들원리는기본적으로는효소센서와유사하다. 미물세포에는각종효소가들어있으며, 에너지재생계, 보호소재생계, 호흡, 대사등의생리기능이집약되어있다. 세포내효소는안정하므로미생물센서는효소센서보다수명이길지만여러가지효소가미생물속에포함되어있으므로선택성의신뢰도가떨어지는단점이있다. 미생물은효소등에비하면값이싼이점이있으며그기능은아주복잡하고교묘하기때문에이러한기능을이용한새로운원리에의한센서가개발될것이기대되어진다. .오르가넬라센서 .세포안에있는오르가넬라(소포기관)는효소의집합체로서고도의기능이집약되어있어이를이용하여센서를제작하면종래의단일또는복합효소로측정불가능한물질들을측정할수있다. 그예로서호흡기능을가진미토콘드리아의전자전달입자고정화막을이용한조효소NADH의측정용센서, 고정화간미크로솜(microsome) 을이용한Sox 센서, 클로로플러스트(엽록체)를이용한인산이온센서등이연구보고되어져있다. .조직센서 .효소활성을가진동식물조직의절편을기능소자로이용할수있다. 소의간조직을암모니아전극에고정화한arginine 센서, 돼지의지라조직과암모니아전극으로된글루타민센서, 개구리상피조직을이용한sodium 이온센서, 쥐의신장조직과암모니아전극으로구성된글루타민센서, 무궁화꽃의씨방조직과암모니아전극으로구성된arginine 센서, 감조조직절편과산소전극을조합한인산, 불소이온센서등이개발, 보고되었다. 그러나이들은고도의조직배양기술이요구된다. .오르가넬라센서 .세포안에있는오르가넬라(소포기관)는효소의집합체로서고도의기능이집약되어있어이를이용하여센서를제작하면종래의단일또는복합효소로측정불가능한물질들을측정할수있다. 그예로서호흡기능을가진미토콘드리아의전자전달입자고정화막을이용한조효소NADH의측정용센서, 고정화간미크로솜(microsome) 을이용한Sox 센서, 클로로플러스트(엽록체)를이용한인산이온센서등이연구보고되어져있다. .조직센서 .효소활성을가진동식물조직의절편을기능소자로이용할수있다. 소의간조직을암모니아전극에고정화한arginine 센서, 돼지의지라조직과암모니아전극으로된글루타민센서, 개구리상피조직을이용한sodium 이온센서, 쥐의신장조직과암모니아전극으로구성된글루타민센서, 무궁화꽃의씨방조직과암모니아전극으로구성된arginine 센서, 감조조직절편과산소전극을조합한인산, 불소이온센서등이개발, 보고되었다. 그러나이들은고도의조직배양기술이요구된다. .효소센서 .바이오센서의선구로서등장한것이효소센서이다. 효소센서의기본구성은그림에나타냈다. 효소바이오센서의기본동작원리를요약하면다음과같다. a. 기질이효소가고정되어있는생체기능성막으로확산된다. b. 기질이효소의촉매작용으로반응하고분해한다. c. 반응생성물이변화기의감지막표면까지확산된다. d. 변환기는이생성물을감지하여대응되는전기신호를발생한다. .효소센서 .바이오센서의선구로서등장한것이효소센서이다. 효소센서의기본구성은그림에나타냈다. 효소바이오센서의기본동작원리를요약하면다음과같다. a. 기질이효소가고정되어있는생체기능성막으로확산된다. b. 기질이효소의촉매작용으로반응하고분해한다. c. 반응생성물이변화기의감지막표면까지확산된다. d. 변환기는이생성물을감지하여대응되는전기신호를발생한다. 전극밀착형 리액터형