Sensor & Actuator 제3장 온도.습도센서 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 측정 방식에 따른 분류 감지재료에 따른 분류 온도센서 습도센서 접촉식 온도센서 세라믹 습도센서 비접촉식 온도센서 특수환경 온도센서 감지재료에 따른 분류 반도체 온도센서 더미스터 박막서미스터 Si IC 센서 금속온도센서 금속저항 온도센서 열전쌍(thermocouple) 수정발진 온도센서 탄성표면파 온도센서 탄성표면파방사온도센서 초전(焦電) 온도센서 박막초전 온도센서 광 파이버 온도센서 발광형 광파이버 온도센서 수광형 광파이버 온도 센서 습도센서 세라믹 습도센서 고분자 습도센서 전해질 습도센서 마이크로파 수분센서 초음파 습도센서 방사선 습도센서 열전달 습도센서

측정 방법에 따른 온도센서의 분류 접촉식 온도센서: 피측정물, 환경에 직접 센서를 접촉시켜 측정 -열팽창 ; 기체압력온도계, 액체압력온도계, 바이메탈 전기 저항 ;백금저항체, NTC thermistor, PTC thermistor 열기전력 ; thermocouple 자기 특성; 감온 ferrite, 자성합금 TR의 온도 특성 ; IC온도센서 (pp. 365 table 4.1) 비접촉식 온도센서: 피측정물에서 방사되는 방사에너지를 떨어진 장소에서 측정 Stefan-Boltzmann law Wien’s law 열형 ; bolometer(저항온도), 써모파일(열기전력), 초전 양자형 ; 광도전형, 광기전력형 (pp. 368, table 4.4) 특수 환경 용 : table 4.5

R(T) = Ro(1+a1T + a2T2 + a3T3 +ּּּּ) 비 접촉식 온도센서 열 감지기 - 양자 검출기 : 광자 에너지의 특정 영역에서 반응 (ex) 광전지 - 에너지 검출기 : 광자 에너지의 전영역에서 반응 (ex) 열전지 볼로미터 (bolometer) - 에너지 검출기 - 동작 : 가열 동안 소자의 저항의 변화에 의존 - 금속(Ω)저항의 온도 의존도 : R(T) R(T) = Ro(1+a1T + a2T2 + a3T3 +ּּּּ) R0 : 온도 T = 0oC일 때 저항 (Ω) a1 , a2…. : 온도 계수 T : oC 단위의 온도 - 볼로미터의 재료 : Pt, Ni, Cu 등의 금속 - 볼로미터의 온도범위 : 0 oC ~ 100 oC

흑체 복사 스펙트럼이 양끝에서 0으로 감소 T = 300K에서 최고의 강도  적외선 영역

반도체 온도센서/thermistor 활용 TR회로의 온도보상, 온도측정, 제어, 통신기의 자동이득제어 등 구분 특성 평가 형성프로세스; 벌크형(세라믹공정), 후막형(스크린인쇄), 박막형(증착) 특성; NTC, PTC, CTR 구조 ; bead형, rod형,disk형,washer형, flake형,chip형,DHT형 특성 평가 기본특성 ; 저항온도특성, 더미스터정수(B),저항 온도계수,열방산 정수,열 응답시간) 환경특성 ; 내열성,내후성 기타 ;소자의 호환성

(Critical temperature resistor)

온도-저항 특성 열방산 정수 열시정수 (thermistor정수) 3000~4000K (thermistor 온도계수) - 1oC 상승에 필요한 전력(mW/oC)으로, 형상, 취부상태, 주위매질 등에 의해 결정 열시정수 Thermistor 재료 특성 (pp. 371, table 4.7)

서미스터의 특징 신호출력이 커 실용상 2/10000 정도의 미소 온도변화를 검지할 있다. 소자 자체의 전기저항이 크므로, 리드선의 길이를 길게 할수 있다. 보상도선이나 기준점과 같은 것을 필요로 하지 않고 제작비용이 싸다. 외계의 영향을 받기 어렵고, 수명이 길다. 전자회로와의 조합이 용이하여 응용범위가 넓다. 소자치수가 비교적 작고, 목적에 따라서 각종 형상의 소자를 만들 수 있다. 품질의 불균일성이 크고 출력신호의 비직선성이 현저하며, 기계적 충격에 취약하다. 공업계측용, 각종 자동제어기기, 가정용 기기 등에 널리 사용된다

One problem : thermistors have a non-linear temperature response. This can be handled by micro-computer interpolation or parallel linearization Where T=T-T0 is assumed to be small * Tradeoff is linearization reduces B sensitivity by a factor of four

박막 thermistor 형상 효과; 빠른 응답속도, 넓은 저항 범위 형성 프로세스 SiC 박막 더미스터 조성이 균질하여 B정수의 정확도가 높음 저항치 정도가 높음 광범위 재료 가공 가능 호환성이 높은 더미스터 형성 가능 복합화 용이 SiC 박막 더미스터 알루미나 기판에 rf sputtering으로 SiC 증착 특성; fig. 4.12, 4.15, table 4.9

Si IC 온도센서

(threshold vtg)

A ,B : 각각 K 와 K/V 의 단위를 가진 상수 p-n 접합 - 양호한 온도 감지기 형성 - p-n 접합의 온도 Tj (K) Tj =A +BVa A ,B : 각각 K 와 K/V 의 단위를 가진 상수 Va : 주어진 전류에서 p-n 접합을 가로지르는 전압 강하 (V) - 쌍극성 트랜지스터 : E - B 접합을 이용하여 비슷한 방법 온도를 측정하는데 사용

(npn, Ic)

Analog Devices사 pp.374, Fig. 4.19

금속 온도 센서(Resistive Temperature Detector) Principle RTDs are resistors fabricated from a nearly pure metal. Linear over a large temperature range, but about 10 times less sensitive than thermistors. materials for sensing T Pt, Cu. Ni, W etc. type Wire (winding) Thin film ; 알루미나 기판에 e-beam, sputter으로 증착(0.1~1um) -100~350C (2.3%) Thick film 알루미나 기판에 스크린 인쇄 정확도 떨어지나 내열성 양호(600C까지 가능) 비접촉식 온도센서; 금속저항 bolometer

Thermocouple(열전대, 열전쌍) Seebeck effect <- (t2>t1) 구성재료 (표 4.14) 사용온도 범위 (표 4.15) 열기전력 (표 4.16) 보상도선 (표 4.20) 취급시 주의점 (표 4. 19)

수정발진온도센서 공진주파수의 온도에 따른 변화 이용 T0 T

탄성표면파(SAW) 온도센서 SAW 온도센서-압전체 기판, Rayleigh wave, 전파속도의 온도의존성 이용 (quartz oscillator sensor-quartz, bulk wave, 공진주파수의 온도 의존성 이용) 구조; 압전체(압전단결정, 압전박막/유리 등의 박막다층구조)의 표면에 송파 및 수파용 interdigital 전극 배치(fig.4.30) v;전파속도, n;전극형상과 l 에 의해 결정 되는 정수, ; 증폭기 異相량 ; 선열팽창계수 표면파 여진효율(전기기계결합계수)가 크고, 전파속도의 온도 의존성이 큰 압전재료 사용

SAW devices

SAW 온도센서의 특징 온도 검출 감도가 bulk형에 비해 우수 열 응답시간이 빠름 직선성 이 bulk형에 비해 우수 (JCL-cut quartz ~1.8kHz/K, LST-cut quartz ~2.8kHz/K Y-cut LiNbO3 ~8.8kHz/K) 열 응답시간이 빠름 (수정의 경우 0.3sec 정도로 bulk형에 비해 1order빠름) 직선성 이 bulk형에 비해 우수 신호처리, 소형화, 유지 보관 용이 * Wireless SAW temp. sensor 구성 (fig. 4.33) 온도 센싱부와 신호처리부를 송수신 안테나로 분리

탄성표면파 방사온도센서 적외선 방사 에너지를 흡수하여(기판 표면에 적외선 흡수막 설치) 기판의 미소 온도 변화에 따른 탄성 표면파의 주파수 변화 이용 방사에너지와 온도 변화(완전 흡수의 경우 탄성표면파 주파수 변화 C ;비열 ; 밀도 V ; 체적 ; 열전도율 온도 변화가 적을 때-shutter설치, 개폐시 주파수 변화 검출감도 100~140oC 에서 8.4Hz/oC, 분해능 0.2도

초전 온도 센서(초전현상)

초전(pyroelectric)온도센서 이동물체를 온도변화로 감지 정적인 경우 ; chopper로서 입사적외선 변조 Chopper 각주파수 w, 단위적외선 강도에 대한 전압출력 즉, 전압감도 Rv는 Rv는 1/tT < w < 1//tE 에서 거의 동일함 - 전류응답 Ri는 주파수 의존성이 매우 적음 (표4.44) 잡음; 온도잡음, tand잡음, 입력저항 잡음, FET전류잡음, FET전압잡음 초전재료 요구특성 열용량 小, 초전계수 大, 유전율 小, 초전계수와 유전율의 온도변화 小, 정전용량 大, tand 小 PbTiO3, LiNbO3,LiTaO3, SBN, PZT, TGS, PVF2

광 파이버 온도센서 Principle 광의 강도, 편광상태, 우상 변화의 온도의존성 이용 분류(pp. 389 table 4.28) - 발광형; PL형( fig. 4.58~4.59) 흑체방사형-온도에 따른 방사광, 광섬유, 광검출기 - 수광형; 열팽창형( fig. 4.60) 큐리점 형(ferrite의 curie온도) 광흡수형(반도체의 광 흡수 특성) 간섭형(온도에 따른 광 위상차) 편광형(fig. 4.65 4.66)

습도센서 세라믹 습도센서 고분자 습도센서 전해질 습도센서 마이크로파 수분센서 초음파 습도센서 방사선 습도센서 열전도 습도센서

습도 센서 습도 표시법 습도 제어가 필요한 주요 분야- 표 4.30 파라미터 정의 단위 습구온도 일정한 풍속에서 습구온도계가 평형이 되는 최저 온도 oC(oF) 상대습도 기체중의 수증기압(수증기 분압)/그 기체와 같은 온도에서 포화 수증기압 0~100%RH 露點/霜點 노(이슬)점;수증기압(분압)이 포화수증기압과 같아지는 온도 상(서리)점;노점이 영도이하 용적비/중량비 용적비;수증기 분압과 건조 케리어가스와의 분압 비 중량비;위와 동일한 조건의 분자량 비 ppmV ppmW 습도 제어가 필요한 주요 분야- 표 4.30

습도센서의 종류와 동작온도 습도센서 상대습도 검출범위(%) 동작온도(oC) 세라믹 습도센서 고분자 습도센서 전해질 습도센서 열전도 습도센서 마이크로파 습도센서 방사선 습도센서 1~100 10~90 0~100 0.3~70 8~99.9 0~150 -10~60 0~90 10~250 0~35 -20~50

세라믹 습도센서/원리 세라믹은 다공성임(1g당 비표면적은 수 m2) Open pore를 통하여 수증기, 가스 등 흡착 입간 기공 입계 기공 세라믹은 다공성임(1g당 비표면적은 수 m2) Open pore를 통하여 수증기, 가스 등 흡착 흡착으로 전기전도도 증가(대부분) 입내 폐 기공 입계 결정립 neck 세라믹의 미세구조 모식도 물리흡착(a~b) 저온, 온도증가로 흡착량 감소 -흡착개스 선택성 없음, 적은 흡착열(5~100kcal/mol),다층흡착, 흡착속도 빠름 화학흡착(비가역적b-c가역적c-d) -선택성,높은 활성화 에너지(10~100kcal/mol),일종의 화학반응 a c 흡습량 b d 온 도 흡착 등압 곡선

세라믹 습도센서 명칭 감습재료 원리 주요 특징 용도 세라믹습도센서 MgCr2O4-TiO2계 (MCT) 세라믹감습소자 동작습도/온도범위 응답성/내구성 주요 특징 용도 세라믹습도센서 MgCr2O4-TiO2계 (MCT) P형반도체입자, 표면에 수증기 물리, 화학흡착,저항변화 1-100%RH 1-150C 10초이하/양호 자기가열cleaning,사용범위넓다 전자젠지, 오븐렌지의 식품조리제어,공조제어 세라믹감습소자 TiO2-V2O5계 수증기 물리흡착, 저항변화 15-100%RH 0-150C // 집진장치배기가스,건조시스템 ZnCr2O4-LiZnVO4 안정한 수산기에 의한 수증기 물리흡착,저항변화 30-90% 0-50C 2분이하/양호 상온 상습중에서 연속측정 민수용 공조시스템 박막절대습도센서 Al2O3박막 세공분포를 가진 박막에 수증기흡착,용량변화 1-2000ppm 25C 10초이하/오염에 취약 미량수분검출 IC패키지내 수분검출,습도계측 -기타감습재료; TiO2-SnO2, Ca10(PO4)6(OH)2, SiO2 등

세라믹 습도센서 특성 수분 흡착 모델(MCT) 대표적인 특성 세라믹센서의 다기능화,집적화MCT 센서 예) 초기; 소량의 수증기가 입자표면에 화학흡착, 수산기 형성, Cr3+ 감습점 2단계;수증기는 수산기상에 물리흡착, 물의 다분자층 형성, 유전율증가, 해리에너지 감소,케리어 농도 증가 3단계;양전극간에 연속적인 수분흡착으로 전해질층 형성, 전기전도도 증가 (그림4.72) 대표적인 특성 습도에 따른 용량 변화 (그림 4.73) 저항-습도 특성 (그림 4.75) 응답특성 (그림4.76) 결로 사이클 시험 (그림 4.77) 세라믹센서의 다기능화,집적화MCT 센서 예) 산화성 가스(산소, 수증기) 흡착, 저항 감소 화원성 가스(암모니아, 수산기, 카보닐기, 카복실기,아미노산,치올기) 흡착, 저항증가

고분자 습도센서 명칭 원리 주요 특징 주용도 수지분산형고분자습도센서 흡습성수지-카본 분산형 감습재료 원리 동작습도/온도범위 응답성/내구성 주요 특징 주용도 수지분산형고분자습도센서 흡습성수지-카본 분산형 수지분의 흡습 팽윤에 따라 카본 입자간격 변화, 저항변화 94-100% -10 ~ 60C 10초이하 양호 스위치특성 직류구동 VTR결로방지 고분자습도센서 도전성 고분자 흡습성고분자의 수증기 물리흡착,도전성 변화 30-90% 0~50C 1분이내 광범위 습도계측기 모발습도센서 모발, 나이론 리본 수증기 흡탈착에 따른 신축을 기계적으로 증폭 20-80% -10 ~40C 15~40분 직접, 전류의 ON/OFF 공업용 공조의 가습제어

고분자 습도센서 정전용량형 종류 도전재료-고분자 복합계 습도센서 저항형; 제4급암모늄염 폴리머, 폴리스틸렌 슬폰산염을 베이스로 함 정전용량형;셀루로즈계를 베이스로 함 저항형 제4급 암모늄염[N+(CH3)3Cl-] Mobile ion; Cl- 이온성 전도 습도,온도-저항 특성 (그림 4.96) 정전용량형 셀루로즈계(유전율 약 3) 수지필름 양단에 다공성 전극 형성(콘덴서 구조) 수분은 유전율이 약 80정도로 높음으로 흡습되면 용량 증가 상대습도-용량비; 저항형에직선성 양호 도전재료-고분자 복합계 습도센서 흡습, 팽윤에 따른 도전입자간의 접촉저항 증가(그림4.101)

전해질 습도센서 명칭 원리 주요 특징 주용도 염화리튬(LiCl)습도센서 식물섬유+LiCl함침 감습재료 원리 동작습도/온도범위 응답성/내구성 주요 특징 주용도 염화리튬(LiCl)습도센서 식물섬유+LiCl함침 LiCl이 흡습으로 이온전도도 증가 20-90% 0 ~ 60C 2~5분 2~3년에 검증 精度가 높음 습도 계측 露點센서 LiCl 포화염 흡습(자기가열) -> 증발(냉각) ->/<-응축 평형온도(노점)계측 -30 ~ 100C 2~4분3개월1회 도포물 교체 오염에 강함 노점계

전해질 습도센서 - 한 개 센서의 측정범위는 30% RH정도이기 때문에 측정범위를 확장하려면 다수개 센서이용 노점센서 - 최초의 형태는 2~5% 수용액을 포함한 LiCl을 이용한 센서로 1935년 Dunmore 개발 식물섬유로 길이 10mm, 폭 4mm, 두께 0.2mm 정도로 식물의 속 박편을 적당한 농도의 LiCl용액에 함침, 건조한 후 1mm간격의 백금 전극 배치, 식물속의 섬유는 매우 가는 망상구조로서 수분이 흡출되는 경우 함침된 염화리튬용액은 고습에서도 유동되지않고 안정됨 저항이 흡습 농도에 따라 감소(그림 4.105) 노점센서 물의 수증기압이 염화리튬의 존재로 감소하는 특성 이용 공기중의 수증기가 용해성의 염에 응축되어 염 표면에 포화층 형성 포화층은 주위 공기의 수증기압보다 낮음 염이 가열되면 주위공기의 수증기압과 동일하게 되며 증발과 응축과정을 거쳐 평형 도달, 평형온도가 노점

기타 습도센서 명칭 원리 주요 특징 주용도 열전도식습도센서 더미스터 13초이하 양호 절대습도 검출 습도계측 마이크로파 수분센서 감습재료 원리 동작습도/온도범위 응답성/내구성 주요 특징 주용도 열전도식습도센서 더미스터 건조공기와 수증기의 열전도차를 2개의 더미스터로 측정 0-100% 10 ~ 40C 13초이하 양호 절대습도 검출 습도계측 마이크로파 수분센서 유전체기판 유전체 기판 표면을 전파하는 마이크로파의 함수시료중의 수분에 따른 감쇄량으로 수분 측정 0.3-70% 0~35C 빠름 광범위 곡물,목재,종이의 수분검출 아스만 건습구 습도계 거즈 1쌍의 온도계중 한 온도계를 습윤하게하고 수증기의 증발에 따른 양자의 온도차로 습도측정 5-100% 5~65C 2~10분 거즈 교체 보수 요하며, 안정성 양호 습도계측기

마이크로파 습도센서 원리 구조 마이크로파에서 흡습에 따른유전율의 실수부, 허수부의 변화 이용 100GHz에서 물의 비유전율 실수 64.5, 허수 26.1, 목재의 경우 실수 1.7, 허수부 0.036 유전율 실수부 변화->입사파에 대한 반사파 크기 변화, 위상변화,투과파의 위상변화,공진주파수 변화 허수부 변화->투과파의 감쇄율 변화(주로 이용) 구조 Horn antenna이용(fig.4.108) Microstrip선 이용(이동물질) 구조- Microstrip line/dielectrics(glass)/ground conductor Slit이 있는 wave guide이용 종이의 수분 측정 송신안테나 수신안테나 곡물

초음파 습도계 방사선 습도센서 열전도 습도센서 음속-습도 관계 이용 (eq. 4.40~43) 선을 방출하여 전리상자내의 공기를 전리하여 전류가 흐르다가, 선 방출기에 붙은 냉각기로 냉각하면 주위의 수증기는 결로하여 선의 방출을 차단, 전리상자내 케리어 감소, 전류감소되는 원리를 이용, 노점 측정 그림 4.112 참조 열전도 습도센서 두개의 더미스터를 이용하여 브릿지 회로 구성, 건조공기와 수증기가 있는 공기에서 열전도도차로 브릿지 불평형 발생

정전용량 습도센서 원리 정전용량 검출 ;상대습도 (%)=0 일때의 정전용량 흡습으로 유전체의 유전율 변화, 정전용량 증가 ;상대습도 (%)=0 일때의 정전용량 정전용량 검출 기지의 인덕턴스와 공진회로를 구성하여 공진주파수로 부터 산출