센서공학 Sensor Engineering Lim, Kyung-Bum

Sensor Engineering 1. 정의 Sensors are (miniaturized) devices which convert physical/chemical/ biological state into an electrical signal. 센서란 물리/생물/화학적인 외부 정보를 검출하여 컴퓨터나 제어장치가 이해할 수 있는 전기 신호로 변환하는 소자(장치)이다. - 외부자극(stimulus)을 받아 이것을 전기신호로 변환하는 소자 - 외부자극이란 우리가 검출 또는 측정하고자 하는 양(quantity), 특성(property) 또는 상태(condition)을 의미한다.

2. 센서 시스템 센서 측정부 신호처리/제어부 Sensor Engineering 센서 시스템 (sensor system ) - 센서 및 그것과 관련된 신호처리 하드웨어 (signal processing hardware) 입력신호 외부정보 센서 전기신호 측정정보 (트랜스듀서) 증폭 변환 필터링 보정 선형화 연산 비교 변조 액추에이터 트랜스듀서 출력 측정부 신호처리/제어부

3. 센서와 그 시스템 구성 요소 Sensor Engineering  트랜스듀서(Transducer) - 에너지 형태(신호)를 다른 에너지 형태(신호)로 변환하는 소자 - 과거에는 센서의 의미로 정의되었음. - 센서의 감지부와 결합되어 1차 측정량을 2차 측정량으로 변환  액추에이터(Actuator) - 센서에서 나와 신호처리/제어부에서 변환된 정보에 의해 동작 - 마이크로 펌프, 마이크로 노즐 등등 - 마이크로센서와 집적되어 초소형 계측/분석/제어 시스템을 구성  미세관 (Micro Tube) - 센서:액추에이터 동작에 의해 측정용액/보정용액/기준용액 등을 흘려줌 - 마이크로 유체역학 (Micro Fluidics) 및 MEMS 기술 - 초소형 계측/분석/제어 시스템, ‘Lab on Chip’

4. 생체계 Vs. 센서 시스템 생체계 외부자극 오감 뇌 수족 센 서 시스템 외부정보 센서 CPU 구동장치 Sensor Engineering 4. 생체계 Vs. 센서 시스템 생체계 외부자극 오감 뇌 수족 센 서 시스템 외부정보 센서 CPU 구동장치

4. 생체계 Vs. 센서 시스템 Sensor Engineering Hearing (microphone) Sight (photodiode) Smell (Electronic nose Chemical : Odorants) Taste (Electronic tongue Biological : proteins) Touch (tactile arrays)

5. 외부정보 Sensor Engineering - 계측/검출 하고자 하는 양(quantity), 특성(property), 상태(condition)

6. IC 집적기술 및 MEMS 기술을 응용한 센서 Photo Diode Micro Pressure Sensor Sensor Engineering 6. IC 집적기술 및 MEMS 기술을 응용한 센서  마이크로 센서 (Micro Sensor) - “A Sensor that has at least one physical dimension at the submilimeter level” - IC & Micro System Technology (MST) - “A MEMS is a device made from extremely small parts” Photo Diode Micro Pressure Sensor

6. IC 집적기술 및 MEMS 기술을 응용한 센서 Sensor Engineering  집적 센서 (Integrated Sensor) - 하나의 칩에 하나 이상의 센서소자와 인터페이스 처리회로를 내장 Pressures sensor Accelerometer

6. IC 집적기술 및 MEMS 기술을 응용한 센서 Sensor Engineering  지능화 센서 (Intelligent Sensor) 혹은 스마트 센서(Smart Sensor) - 센서와 신호처리 소자 (CPU) 등이 하나의 칩에 집적됨 - 컴퓨터 기술에 의해 “지능”을 갖도록 한 센서 - Data ‘Access’ & ‘Processing’: 데이터 취득 및 처리 - ‘Self-Diagnostics’: 자기진단 기능 - ‘Decision-Making (Intelligence) Function: 의사결정 기능 - Communication Capability: 타 센서 및 소자와의 통신 기능  요구되는 기능 - 자동교정 기능 - 자동보정 기능 - 데이터 처리 기능 - 메모리 기능 - 주변환경 변화에 유연하게 대처하는 기능 - 다른 시스템과의 통신 기능

7. 센서의 특성평가 Sensor Engineering 정특성 (static characteristics) - 입력이 시간적으로 변하지 않을 때의 특성 - 예 : 감도(sensitivity) 직선성(linearity) 히스테리시스(hysteresis 동특성 (dynamic characteristics) - 입력이 시간에 따라 변할 때의 특성 - 예 : 응답시간 주파수 특성

교정(calibration) Sensor Engineering - 센서에 기지의 입력 값 (known value)을 인가하여 출력을 측정하는 과정. - 교정에 사용되는 기지의 입력 값을 표준(standard)이라고 부름. - 교정에 의해서 입력과 출력 사이에 관계가 수립되며, 이때 얻어지는 곡선을 교정 곡선(calibration curve)이라고 함 센서 교정곡선

감도 (sensitivity) : S Sensor Engineering - 입력량에 대한 출력량의 비율 센서 이상적인 센서의 입출력 특성

동작범위와 풀 스케일 출력 Sensor Engineering 동작범위(operating range) 또는 스팬(span) - 입력동작범위 : 의미 있는 센서출력을 발생시키는 최대입력과 최소입력 사이의 범위 : 입력 풀 스케일(input full scale；FS) 또는 풀-스케일 레인지 (full-scale range) - 출력동작범위 : 풀 스케일 출력(full-scale output；FSO)를 사용한다. FSO란 최대 입력 시 출력과 최소 입력 시 출력 사이의 대수적 차 - 많은 경우 (+)측정범위와 (-)측정범위가 다르다. 만약 이 0 이면 스팬은 로 된다. 또 정격입력 또는 정격출력이란 용어도 함께 사용된다.

분해능 (resolution) Sensor Engineering - 검출할 수 있는 최소입력 증분(smallest increment). 분해능을 제한하는 원인 입력의 변화분이 센서내부에서 흡수되어 출력으로 나타나지 않는 경우 센서내부에서 발생하는 잡음(noise) 분해능은 작을수록 좋다. 아날로그 센서(analog sensor)에서는 0.1%/FS 정도 디지털 센서(digital sensor)에서는 비트(bit)로 정해진다. 예를 들면, 12 bit의 경우 분해능 :

감도오차와 오프셋 오차 Sensor Engineering 감도오차 (sensitivity error) 또는 감도변동(sensitivity drift) - 센서의 입출력 특성의 기울기가 이상적인(정상적인) 직선의 기울기로부터 벗어나는 것을 의미한다. 오프셋(offset) 또는 영점 변동(zero or null drift) - 입력(x)이 0일 때 센서출력(y)이 0로 되지 않는 것 - 감도변동과 영점변동이 동시에 발생하면 아래 그림과 같이 오차는 더 커진다.

직선성 (linearity) Sensor Engineering - 센서의 특성곡선이 이상적인 직선관계( )로부터 벗어남의 정도 - 센서의 특성곡선이 이상적인 직선관계( )로부터 벗어남의 정도 - 센서의 직선성은 자주 비직선성(nonlinearity)의 백분율로 나타낸다

Sensor Engineering - 센서입력이 허용한계를 초과하면 출력이 포화(saturation)되기 시작하여 응답의 직선성을 상실하기 때문에 동작범위의 상한 또는 정격을 정한다. - 센서의 직선성을 측정하는 한 방법은 최소 자승법 (least squares method)을 사용해 가장 잘 일치하는 직선(best fit straight line)을 구하는 것이다. - 센서소자 자체의 특성이나 변환원리 자체가 직선으로 되지 않는 경우에는(즉 1차함수가 아닐 때) 변환회로를 사용해서 센서 전체의 입출력이 직선성을 갖도록 한다. 센서소자를 직선성이 우수한 범위에서 사용하여도, 변환회로나 증폭기의 직선성이 좋지 않으면 센서 전체의 직선성은 나빠진다.

히스테리시스(hysteresis) Sensor Engineering - 입력 x를 증가시켜가면서 출력을 측정할 때와 감소시켜가면서 출력을 측정하였을 때 동일한 입력에서 출력이 같지 않는 현상 - 히스테리시스 차 ( )는 입력변화의 진폭과 입력크기에 의존 - 센서의 히스테리시스 특성은 FSO에 대한 비율로 나타낸다. 히스테리시스 - 히스테리시스는 센서에 사용되는 각종 재료가 갖는 물리적 성질에 따라서 나타난다. 특히, 센서에서는 탄성재료, 강자성체, 강유전체에 생기는 히스테리시스가 중요하다.

확도(accuracy)와 정도(precision) Sensor Engineering 확도(accuracy)와 정도(precision) 확도 - 센서 출력이 참값(true value)에 얼마나 가까운가를 나타내는 척도 오차 - 실제로, 오차는 정격출력(FSO)의 백분율로 나타낸다 오차 반복성(repeatability - 동일한 양을 동일조건(환경, 사람 등)하에서 동일방법으로 단기간(short time interval)에 연속 측정할 때 측정값들이 서로 얼마나 일치하는가를 나타내는 것

재현성(reproducibility ) Sensor Engineering 재현성(reproducibility ) 동일한 양을 같은 방법으로 장기간에 걸쳐 측정하거나 다른 사람에 의해서 측정되거나 또는 다른 실험실에서 측정될 때 측정값 사이에 일치하는 정도를 나타냄 재현성을 좋게 유지하기 위해서는 센서를 정기적으로 검사, 교정, 보수해야 한다 정도(precision) - 측정의 반복성이나 재현성의 척도 : 즉 연속 측정값들 사이의 일치성 참값 측정 결과의 평균값

선택성(selectivity) Sensor Engineering 센서에 입력되는 여러 변수 중에서 원하는 변수만을 선택적으로 검출하는 성질. 센서는 원하는 물리(화학)현상만을 검출하고, 다른 현상의 영향을 받지 않는 것이 바람직하다. 일반적으로 대부분의 센서는 온도나 습도의 영향을 받기 때문에, 센서 구조를 변경하거나 전자회로로 보상하여 센서의 선택성을 향상시키기도 하고, 또는 습도센서와 가스센서 등에서처럼 특정한 화학물질에 의해 선택성을 실현하기도 한다.

동특성 Sensor Engineering 시간응답특성(과도특성) 입력의 크기를 갑자기 변화시킬 때의 센서의 응답특성 입력에 계단함수(step function)을 인가하여 측정 센서

Sensor Engineering 주파수 특성 정현파 입력에 대한 센서 특성 입력 주파수에 대해서 출력이 -3dB로 될 때의 주파수 범위를 응답 주파수라 한다

잡음 Sensor Engineering 잡음(雜音;noise)이란 원하지 않는 불규칙한 신호 센서소자나 변환회로로부터 불규칙적으로 변동하는 작음이 발생한다. 잡음은 원리적으로 제거할 수 없는 것이 있으며, 또한 전원의 리플(ripple)이나 진동 등 환경의 변동에 의한 것도 포함된다 센서의 입력변화에 대한 응답이 잡음레벨 이하로 되면 오차가 발생한다. 센서의 감도가 높으면, 미소입력신호도 검지할 수 있다 센서에 유입되는 잡음이 증대되면, 감도가 높더라도 미소입력신호의 검출이 불가능해져 측정 하한치는 크게 된다. 그러므로, 센서의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio；S/N ratio)를 향상시킴으로써 검출 하한치를 작게 할 수 있다. 신호 대 잡음비를 개선하기 위해서는 필터(filter)등을 사용한다.

출력 임피던스 Sensor Engineering 출력 측에서 본 센서의 임피던스(impedance) 출력신호의 일그러짐(distortion)을 최소화하기 위해서는, 전압출력 센서 (그림 a) : 센서의 출력 임피던스가 작아 야 하고 회로의 입력 임피던스는 가능한 한 커야 한다. 전류출력 센서 (그림 b) : 센서의 출력 임피던스의 크기는 가능한 한 커야 하고, 회로의 입력 임피던스는 작아야 한다. 전압 출력 전류 출력

환경 영향 Sensor Engineering 센서가 사용되는 환경 조건, 특히 온도, 습도 등은 센서의 정․동특성에 매우 큰 영향을 미친다. 센서의 성능에 영향을 미치는 이러한 외부 변수들을 환경 파라미터(environmental parameter)라고 부른다. 예 : 온도 영점오차 : 센서입력을 0으로 했을 때 온도변화에 기인한 센서의 출력 레벨 변화 온도 스팬 오차: 입력을 정격입력(100%FS)으로 설정했을 때 온도변화에 기인한 센서의 출력레벨 변화

8. 센서의 분류 Sensor Engineering 구성방법: 기본 센서, 조립 센서 측정대상: 광센서, 방사선센서, 역학량센서, 전자기센서, 온도센서, 습도센서 … 변환원리: 물리센서, 화학센서, 바이오센서 … 구성재료: 반도체센서, 금속센서, 세라믹센서, 고분자센서 … 검출방법: 역학센서, 전자센서, 광학센서, 전기화학센서 기구: 구조형 센서, 물성형 센서 작용형식: 능동형 센서, 수동형 센서 변환에너지 공급방식: 에너지 변환형 센서, 에너지 제어형 센서 출력형식: 아날로그 센서, 디지털 센서 응용분야: 민생용, 산업용, 의료진단용, 공공응용, 특수응용 …

Sensor Engineering 대단위 센서 중단위 센서 소단위 센서 역학센서 (mechanical) 공간(space) 거리, 각도, 위치(변위), 레벨, 면적, 부피, 변형 시간(time) 시간, 시각, 주기(주파수), 수명 운동(movement) 속도, 각속도, 진동, 유속, 유량 힘(force) 힘(하중), 압력(응력), 토크, 충격 기타 질량, 밀도, 비중, 점성, 탄성 전자기센서 (electro-magnetic) 전기(electric) 전위(전압), 전류, 전력, 전하, 전장 자기(magnetic) 자장(자계), 자속, 자기력, 자기저항 전자파 진폭, 주파수 도전율, 저항률, 유전율, 분극율 광센서 (optical) 가시광(visible light) 광도, 조도, 색, 편광, 간섭, 회절, 굴절, 반사 적외선(infrared) 적외선(원, 근) 자외선(ultraviolet) 자외선(원, 근) 영상(image) 영상, 분해능, 색상 형광

Sensor Engineering 대단위 센서 중단위 센서 소단위 센서 방사선센서 (radiation) 하전입자선 선,핵분열선, 이온빔 전자선 선 전자파방사선 선 기타 우주선, 고에너지 방사선 열센서 (thermal) 열량(heat) 열량(반응열), 전도, 복사, 대류, 용량, 비열 온도(temperature) 상온(기온, 실온, 체온), (극)고온, (극)저온 열전도율, 융점, 비점, 열팽창 화학센서 (chemical) 가스(gas) H2, O2/O3, CO/CO2, propane, methane 이온(ion) 양이온, 음이온 성분(component) 기상성분, 액상성분, 이온질량 습도(humidity) 상대습도, 절대습도, 습기 분진/매연 부유분진, 매연 복합가스, 특수 합성가스

Sensor Engineering 대단위 센서 중단위 센서 소단위 센서 음향센서 (acoustic) 음파 강도, 고저, 위상, 반사, 굴절, 투과, 회절 초음파 강도, 진동수, 위상, 영상, 거리 음성/소음 강도, 음색, 소음 기타 특수합성음 바이오센서 (biological) 생체물질 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질, 비타민, 항생물질 세포/조직 생체막, 세포소기관, 세균, 바이러스 생체기능 효소, 소화/배설, 호습/순환, 호르몬 생물환경, 환경오염 다기능센서 물화, 화생, 물생, 물화생 등 다기능 복합센서

동작 에너지 공급유무에 따른 분류 (by external power) Sensor Engineering 8. 센서의 분류 동작 에너지 공급유무에 따른 분류 (by external power) 능동형 센서(Active sensor) 변환동작을 위해서 외부로부터 전원을 공급한다. 출력신호 전력의 대부분은 외부에서 가한 전원으로부터 얻는다. 입력은 단지 출력만을 제어한다. 장점은 공급전원전압이 전체적인 감도를 변화시킬 수 있다는 점이다. 보통 수동형 센서보다 더 많은 전선을 필요로 한다. 보조전원이 폭발성 분위기에서 사용되는 경우 폭발 위험을 증가시킨다. 변조형 센서(modulating sensor)라고도 부른다. - 예 : 포토트랜지스터(photo transistor), 서미스터(thermistor) Thermistor

9. 센서의 분류 Sensor Engineering 수동형 센서(Passive Sensor) 외부에서 전원을 공급할 필요가 없으며, 출력전력은 입력으로부터 얻어진다. 즉, 변환에 필요한 전력을 측정대상(입력)으로부터 얻음 자기발전형 센서(self­ generating sensor)라고도 한다. 예: 태양전지(solar cell), 열전대(thermocouple) Thermocouple

변환현상에 따른 분류(by Conversion phenomena) Sensor Engineering 8. 센서의 분류 변환현상에 따른 분류(by Conversion phenomena) 변환에 이용되는 원리․효과에 따라 센서를 분류

검출대상에 따른 분류 8. 센서의 분류 Sensor Engineering 센서가 검출하는 물리적, 화학적 양에 따른 분류 예 :

센서재료 의한 분류 (by sensor material) Sensor Engineering 8. 센서의 분류 센서재료 의한 분류 (by sensor material)

출력신호에 따른 분류 (by type of output) Sensor Engineering 출력신호에 따른 분류 (by type of output) 아날로그 센서(analog type) - 출력은 연속적으로 변하는 아날로그 신호이며, 보통 정보는 출력신호의 진폭으로부터 얻어진다. - 출력신호가 가변주파수인 센서도 아날로그 센서로 분류하지만, 주기신호는 디지털 신호로 변환이 용이하므로 준 디지털 센서(quasi-digital sensor)라고 부르기도 한다. - 대부분의 센서가 아날로그 센서이다. - 일반적으로 higher speed, higher sensitivity 분해능은 제한적이다. 보통, 약 0.1%가 한계이다. 잡음에 쉽게 영향을 받는다. 출력신호를 컴퓨터에 입력시키기 위해서는 디지털 신호로 변환되어야 한다.

디지털 센서(Digital sensor) Sensor Engineering 디지털 센서(Digital sensor) 센서 출력은 디지털 신호이다. 디지털 신호는 아날로그 신호보다 전송이 더 용이하고, 재현성이 우수하고, 신뢰성이 높고, 더 정확한 경우가 많다. 이 형식의 센서로는 로터리 인코더(제10장)가 있다. 센서소자의 출력자체가 디지털인 경우는 흔하지 않으며, 아날로그-디지털 변환기를 조합해서 디지털 신호출력을 얻고 있다. 지능형 센서 시스템에 적합하다. 일반적으로, 디지털 센서는 응답속도와 감도 면에서 아날로그 센서에 비해 나쁘나.

용도에 따른 분류 8. 센서의 분류 Sensor Engineering 센서를 적용하는 산업분야에 따른 분류 - 산업용 : 공장 자동화 등 에 사용되는 각종 센서 - 민생용 : 자동차, 가전기기 등 민생용 제품에 사용되는 각종 센서 - 의료용 : 의료 진단기기 및 치료에 사용되는 각종 센서 - 군사용 : 군용 장비 및 무기 등에 사용되는 각종 센서 - 연구용 : 실험 및 연구에 사용되는 센서 구체적으로 분류하는 경우는 자동차용, 로봇용, 방재용 ... 등으로 분류할 수 있다.

9. 센서의 역할 Sensor Engineering 정보의 수집 – 수치정보, 패턴정보, 지시정보의 취득 수집 - 자동화, 성력화, 성에너지, 공해감시, 이상진단, 방범․방재, 안전관리, 건강관리 등을 통하여 인류의 복지와 번영에 기여하는 것이다. 정보의 수집 – 수치정보, 패턴정보, 지시정보의 취득 수집 - 계측계량: 과학연구에 있어서의 계측관측, 제조나 상거래에 필요한 계량 - 탐지탐사: 특정 목적을 위해 목표물의 존재상태를 찾아내고 정보화 - 감시경보 보호: 시스템이나 장비에 대한 상태를 감시, 이상검출, 위험예지 - 검사진단: 생산물 특성의 적격성, 생체이상의 정도 등의 판정에 필요한 계측  정보의 변환 - 글자기호, 코드, 그림 등의 형식으로 종이, 필름 등에 기록된 정보를 컴퓨터, 팩시밀리 등 다루기 쉬운 신호로 변환 - 각종 정보매체에 기록된 정보를 읽어내기 위한 변환 (자기 디스크, 광 디스크의 읽기 헤드) 제어정보의 채취 - 제어대상계, 제어계의 환경상태를 검출하여 제어정보로 처리하며, 그들의 제어상태를 안정하게 제어

Sensor Engineering 10. 센서의 응용분야

Information Processing Sensor Engineering Mechatronic System Elements Work Mechanisms Sensors Actuators Computer Information Processing

Sensor Engineering 공장 자동화

Sensor Engineering Application of Mechatronics to Existing Technology

Sensor Engineering Examples of a Technology that is impossible without Mechatronics DVD VCR Disk driver

Sensor Engineering Entertainment Robot (Sony)