온도센서 - I 온도 온도 눈금 온도(溫度; temperature) : 물체의 차고 뜨거운 정도를 수량으로 나타낸 것

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1 온도센서 - I 온도 온도 눈금 온도(溫度; temperature) : 물체의 차고 뜨거운 정도를 수량으로 나타낸 것
분자의 열 운동의 활발함의 척도 물질을 구성하고 있는 분자는 고체, 액체, 기체 등 어느 상태에 있어서도 정지해 있지 않고 불규칙한 운동을 하고 있다. 이와 같이 물질을 구성하고 있는 분자의 불규칙한 운동을 열 운동(thermal motion)이라고 하는데, 온도는 분자의 열 운동의 활발함과 관계가 있다.   우리 주위에 있는 대부분의 물리, 화학, 전자, 기계, 생체 시스템이 온도에 의해서 영향을 받기 때문에 온도는 가장 자주 측정되는 환경과 관련된 양 온도 눈금 섭씨(celsius or centigrade scale) 화씨(fahrenheit scale) 절대온도(Kelvin or absolute temperature) 대림대학교

2 온도센서의 종류 접촉식 (contact temperature sensor)
- 센서가 측정 매질 또는 물체(대상)에 물리적으로 직접 접촉됨 - 측정 점의 온도가 열전도(thermal conduction)에 의해서 센서에 전달됨 - 고체, 액체, 기체의 온도 측정이 가능하고 온도 측정 범위가 매우 넓다 비접촉식 (noncontact temperature sensor) - 열이 방사(radiation)를 통해서 전달됨 - IR 영역에서 방출되는 온도 측정 가능 - 비반사(non-reflective) 고체나 액체의 온도 측정 가능 - 일반적으로 기체의 온도측정에는 부적합 대림대학교

3 온도센서에 이용되고 있는 물리량과 온도센서의 종류
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4 서미스터 서미스터 (thermistor)
서미스터 (thermistor; thermal resistor 또는 thermally sensitive resistor의 줄임)는 주로 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 이용한 온도센서 저항­온도 특성에 따라 다음과 같이 분류 - NTC(negative temperature coefficient) - PTC(positive temperature coefficient) - CRT(Critical temperature resistor) 보통 서미스터라고 부르는 것은 NTC를 말한다. PTC와 CRT는 특정한 온도영역에서 저항이 급변하기 때문에 넓은 온도영역의 계측에는 부적합하다. 대림대학교

5 NTC 서미스터 구조와 동작원리 Ni, Mn, Co계 금속산화물(Mn2O3, NiO, Co2O3, Fe2O3)의 분말을 두 개의 측정용 도선과 함께 소결(燒結; sintering)한 것 NTC 서미스터에는 여러 형태가 있다. * 비드형(bead type) 표면이 유리가 코팅되어 있어 안정성이 우수하고, 소형이고 열용량(熱容量)이 작아 열 응답 속도가 빠르다 (공기 중에서 1.5~10 s 정도). 고온에 견디고, 호환성, 재현성 등이 좋은 특징을 갖는다. 대림대학교

6 * 디스크형(disc type) : 내환경성 등이 문제가 있어 사용조건이 제한적이나 가격이 저렴하므로 엄격한 조건을 필요로 하지 않는 경우에 사용된다.
* 칩형(chip type) : 소형으로, 안정도가 높고 양산에 적합하기 때문에 저가이며, 디스크형에 비해서 응답속도가 빠르다. * 표면 실장형(surface mount) : 리드를 부착하지 않은 서미스터이며, 하이브리드 IC 또는 PCB에서 금속 패드(pad)에 솔더링이나 도전성 에폭시로 직접 부착한다.

7 NTC 서미스터의 특성 와 감도 : 저항-온도특성 - NTC 서미스터의 저항 값은 온도가 증가함에 따라 감소한다.
Ro : To 에서 서미스터 저항 : 특성온도(characteristic temperature) 값 : 보통 2000~6000 K (고온용에서는 6000~12000 K ) 초기 저항 값이 같더라도 가 다르면 특성은 달라진다.

8 가 온도에 반비례하므로 NTC는 낮은 온도에서 더 감도가 높다. (예) : 25 ℃에서 라면
에 의해서 서미스터의 특성이 결정되기 때문에 서미스터 정수라 한다. 정수는 서미스터를 제작할 때의 성분이나 열처리 방법에 따라 정해지는데, 각각의 서미스터에 고유한 것이다. 정수는 온도에 따라 증가하는 온도 의존성을 갖는다. 서미스터 저항의 온도계수(TCR) 또는 상대감도(relative sensitivity) : 가 온도에 반비례하므로 NTC는 낮은 온도에서 더 감도가 높다. (예) : 25 ℃에서 라면 의 대표적인 값은 -5 %/K이며, 온도계수는 백금 저항선의 약 10배. 대림대학교

9 서미스터의 온도측정 범위는 사용되는 재료에 의존한다. 일반적으로 측정범위를 제약하는 3가지 효과가 있다.
서미스터의 응답속도는 주로 크기와 주위 환경에 의존한다. 비드형 서미스터는 소형이므로 열 용량이 작아 열 응답속도는 공기 중에서 1.5~10 s 정도이며, 기름 속에서는 1s 이하의 응답속도를 갖는다. 이것은 백금 RTD에서는 얻을 수 없는 값이다. 따라서, 온도변화가 심한 측정에서도 지연오차를 적게 할 수 있다. 측정 범위 서미스터의 온도측정 범위는 사용되는 재료에 의존한다. 일반적으로 측정범위를 제약하는 3가지 효과가 있다. > 반도체의 용융(melting)이나 열화(deterioration) 반도체 재료는 고온에서 녹거나 열화 된다. 이 상태는 일반적으로 측정 온도 상한(上限)을 300℃ 이하로 제한한다. 또 온도가 너무 낮으면, 저항이 너무 높아 (수 MΩ), 실제로 사용하기가 곤란하다. 일반적으로 서미스터의 측정 가능한 온도하한(下限)은 -50 ℃ ~ 100 ℃ 이다. > 피복재료의 열화 > 고온에서 감도부족 : 고온에서 서미스터의 저항­온도 곡선의 기울기는 0으로 된다. 대림대학교

10 - 특성예 : Glass sealed NTC thermistor
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12 NTC 서미스터 응용 응용 분야 사용 예 가전제품 냉장고, 세탁기, 전기 쿡커, 헤어드라이어기 자동차
냉각수온측정; 배기가스, 시린더 헤드, 브레이크 시스템의 온도 모니터링; 차실 온도제어 냉난방 온돌식 난방 및 가스 보일러에서 실내온도 모니터링, 배기가스 또는 버너 온도를 결정하기 위한 외기온도센서 산업전자 레이저다이오드의 온도 안정화, 구리 코일의 온도보상 통신 핸드폰에서 온도측정 및 보상 대림대학교

13 NTC 서미스터 응용 그림은 온도센서로 NTC 서미스터를 이용해서 배터리 팩의 충전을 제어하는 원리를 나타낸 것이다.
한편 방전 시는 배터리에 남아있는 전하를 결정하는데 필요한 전압측정에 대한 온도보상기능을 수행한다. 충전 제어 유닛은 메인 보드에 위치하거나 또는 배터리 팩에 집적된다. 대림대학교

14 NTC 서미스터 응용 Temperature measurement Temperature differential 대림대학교

15 Temperature control and Alarm
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16 Temperature compensation

17 NTC thermistor 자동차에 응용

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19 PTC 서미스터 PTC 서미스터에는 두 종류가 있다.

20 세라믹 PTC 서미스터 : -티탄산 바륨 (BiTiO3)을 기본으로 한 소결체로서, 그림과 같이 큐리 온도(Curie temperature) 에서 저항이 급증한다. - 이 PTC를 포지스터(posistor)라고도 부르며, -100℃~150℃와 같이 비교적 좁은 범위의 온도센서, 온도 스위치로 이용된다.

21 Silicon PTC thermister : 실리스터(silistor)
- 불순물을 다량으로 도우핑한 실리콘 단결정 PTC(silicon PTC thermister)는 세라믹 PTC와는 달리 온도에 따른 전기저항의 변화가 거의 직선적으로 변한다. - 이 센서의 정온도계수는 0.77%/℃로 매우 커서 반도체 소자나 회로의 온도보상 및 온도측정에 사용된다. - 동작온도 범위는 -65℃ +150℃이다.

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