Sensor & Actuator 제4장 전자기 센서 Prof. Kee-Joe Lim kjlim@chungbuk.ac.kr, 261-2424 School of Electrical and Computer Engineering Chungbuk National University http://imt.cbucc.net 2006/3/1

강의개요 마이크로파 센서 강자성체 자기센서 자기공명형 센서 전압,전류 센서 초전도 자기센서 반도체 자기센서 다이오드 검출기 밀리파 쇼트키다이오드 검출기 초전도 다이오드 검출기 마이크로파 모노리틱 IC 마이크로파 이미지 센서 전압,전류 센서 유도전하 검출법을 이용한 전위센서 탄성표면파 전위센서 반도체 자기센서 Hall소자;홀소자, 홀IC,, 미소 홀소자 자기저항소자 방향성 자전소자 자기 다이오드 강자성체 자기센서 - 자기저항효과형 자기센서 - Asteroid 자화곡선형 자기센서 - Amorphous 합금 리본응용 자기센서 자기공명형 센서 -핵자기공명형 자력계(proton자력계) -광 펌핑 자력계 초전도 자기센서 - rf SQUID - dc SQUID 광 파이버 전자기 센서 - 전압측정용 센서 - 전류측정용 센서 - 전자계 센서

Microwave sensor Microwave~miliwave band;1~300GHz(30cm~1mm) 주로 8GHz용이 많음; 레이더, remote sensing용 radio meter(대기 오염 해양 관측위성), 인공위성통신, 근거리 지상통신, 군용(유도미사일등), 생체imaging, plasma등의 과학계측 주요 검출기 쇼트키접합 다이오드; 3MHz~3THz 초전도 다이오드 검출기;30GHz~30THz 광도전 검출기; 5~300THz 열검출기1~10THz

Microwave sensor 종류 및 검출 Diode(표2.1, 2.2) 점접촉형 pn접합 다이오드, 쇼트키 다이오드, 금속-산화물-금속 터널다이오드, 죠셉션 접합 다이오드, SIS다이오드, 슈퍼 쇼트키 다이오드 광도전형 검출기(표 2.3) Si, Ge등에 깊은 준위로 도핑한 외인성 반도체, GaAs, InSb등의 진성반도체, 반도체( 4~77K로 냉각 상태로 사용 )를 사용하여 만든 것 열검출기(표 2.4) 서모파일 및 서미스터, 고레이 셀, 초전(pyroelectric)소자, bolometer 검출방식 비디오 검파 ;마이크로파 전력 heterodyne검파; 국부발진기, 믹서 이용하여 주파수 변환

Microwave sensor/Diode detector Heterodyne법에 의한 측정회로; fig. 2.11 Miliwave Schottky diode검출기 30~300GHz대 실용제품 예 N형 GaAs, Schottky접합, honeycomb형, whisker antenna,도파관(fig. 2.14, 1.15) 초전도 다이오드 검출기 초전도 터널링효과 이용 소자, 비직선효과큼, 고감도(fig. 2.18~2.20) Monolithic IC, Image sensor 검출방법 마이크로파 전압 V0에 대한 다이오드의 직류전류 i Fig. 2.8, 2.9

전압, 전계 센서 유도전하검출법에 의한 전위센서 SAW소자를 이용한 전위센서 측정원리 원리 센서특성 센서특성 음차진동, C1,C2변화,유기전위V2교류적으로 변화, 증폭, 검파 센서특성 SAW소자를 이용한 전위센서 원리 센서특성

기타 전위센서 거리 보상형 표면전위계 전위 센서의 활용분야 -내장된 고전압을 프로브에 forwarding하여 측정대상물의 전위와 등전위가 되도록 비교기에 의해 조정, 전위측정 -타종의 센서는 측정거리에 의존됨 전위 센서의 활용분야 - PPC복사기, 레이저 프린터 등의 조립, 유지보수용 센서 - 정전도장(painting) - 반도체 산업의 공정관리 - 송배전 설비 감시

반도체 자기센서

반도체 자기센서 Hall 소자 홀효과, 형상효과(fig. 2.41, 2.44) 감도 積감도 자속감도 오차와 보상 원인; 홀전극의 비대칭성에 의한 불평형 전압, 배선 루프에 의한 유도전압, 홀소자 재료 특성의 온도의존성, 온도 불균일에 의한 열기전력 등 보상 방법; 그림2.53, 2.54

기타 홀소자 Hall IC 미소 홀소자 Si Hall IC 구조 (fig. 2.56) 특성( Table 2.10)

자기 저항 소자 원리 -장방형 일반식 -콜비노 소자(2.59 (c )) -자계인가로 저항증가 -저항율의 증가+형상효과 - l/w가 작을수록 형상효과 큼 (kolbino소자; l/w ->0) -장방형 일반식 -콜비노 소자(2.59 (c ))

기타 반도체 자기 센서 방향성 磁電 소자 자기 다이오드 자기 트랜지스터 구조; 4단자형, 3단자형 특성; 그림 2.64 구조; 2단자 소자, 직시각형, 옆면에 재결합을 촉진하는 형상으로 가공(sandblast) 특성; 비대칭성 자기 트랜지스터 구조; 2개의 콜렉터 동작;자계인가, 에미터에서 주입되는 케리어 편향, 2 콜렉터간 전류차 이용

강자성체 자기센서 구조; 응용 일축이방성 강자성체, 전류방향을 일축 배향 방향(EA), 직각 방향으로 자계인가 특성 ; 이방성 자계 ; 직사각형 소자의 짧은 변 방향으로 자화된 경우의 반자계

Asteroid 자화곡선형 자기센서 센서 구성 -위치, 변위량, 회전수 검출 센서 -인덕터 형

비정질 합금 리본 응용 자기센서

핵자기 공명형 센서 특징 종류 NMR type sensor 광 펌핑 자력계 고감도(광펌핑형 자력계 10-10 T) 全자력 측정 균일 자계분포 필요(ESR자력계는 불균일 분포도 측정) 온도, 외부영향 적음 종류 -NMR 자력계(proton자력계) -ESR자력계 -광 펌핑형 자력계 NMR type sensor 원리; 자기쌍극자 모멘트 u, 각운동량 J인 양자에 정자계 B를 가하면 자기모멘트는 자계를 축으로 세차운동, 양자가 있는 시료 주위를 자계와 직각으로 권선을 배치하면 코일에는 핵자기에 의해 교류전압 유도 교류전압의 주파수와 자계 비례 광 펌핑 자력계 Rb, Cs등의 알카리 금속 가스이용, Rb램프로 Rb 가스 셀에 광 조사, 흡수피크주파수와 자계관계이용

초전도 자기센서/rf SQUID

rf SQUID소자

dc SQUID 구조; 2개의 조셉션접합 특성; 그림 2.103

Optical fiber 전자기센서 원리 특징 전압센서 종류(표2.19) -광의 변조효과 이용 -전압,전류,자계에 따라 광섬유의 굴절율, 손실 변화 특징 -가늘기 때문에 측정대상에 교란이 적음 -공간 분해능이 높음 -고속응답 전압센서 종류(표2.19)

전압센서/Mach-Zehnder interferometer

광섬유 전류센서 원리 종류(표2.20) Faraday effect(자계에 의한 투과광의 편광면 회전) Kerr effect(자계에 의한 반사광의 편광면 회전) 자왜효과 이용(자계, 응력, 전파광의 위상변화) 종류(표2.20)

광섬유 전자계 센서 Microwave sensor 수동형, 능동형 액정+ 광섬유형 센서 전자파에너지 흡수, 액정의 온도변화, 액정에서의 반사광 검출 다이오드형 센서 구성; 다이폴안테나, MW다이오드,발광다이오드,광섬유, 광검출기 동작;안테나로 전자파 수신, MW다이오드에서 검파, 발광다이오드 구동, 광섬유로 광전송, 광검출

다이오드형 센서