Chap.7 Sensor.

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1 Chap.7 Sensor

2 센서 “온도, 광, 압력, 습도등의 물리량이나 화학량을 감지하여 처리하기 쉬운 신호로 바꾸어 주는 소자 물리센서 : 빛, 전기, 자기, 열에 관련된 물리량을 측정 화학센서 : 기체, 액체상태의 화학성분 양을 계측

3 물리센서 구조 : 빛의 강도, 온도, 변위 등의 물리량을 에너지로 변환시켜 최종적으로 전기신호로 바꾸는 방식

4 물리센서의 예 광센서 빛을 이용하여 대상을 검출하는 소자 인간의 감각기관 중에서 시각에 해당 (시각센서) 과거 : 자연의 빛을 감각 현재 : 인공적으로 큰 빛을 발하여, 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들여, 물체의 움직임이나 빠르기를 알아내는 구조 자기센서 자기장 또는 자력선의 크기 방향을 측정하는 센서 전자기 유도현상에 의하여, 전선에 발생하는 전류인 자기에너지를 검출 측정 반도체에 흐르는 전류에 대해 수직으로 자기장을 가하면 전압이 발생 : 홀효과 홀소자, MR소자(자기저항효과소자), 서치코일(헤드) 테이프 리코, VTR, 자기 디스크의 자기 헤드

5 온도센서 열을 감지하여 전기신호를 내는 센서 : 접촉식, 비접촉식 접촉식 : 측정대상이 되는 물체에 온도센서를 직접 접촉시키는 방식 비접촉식 : 물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 방법, 방사에너지를 모으기 위한 렌즈등의 각종 광학계나 기타 보조재료를 이용, 고가

6 화학센서 물리 센서의 구성과 유사 복잡 다양한 화학물질을 감지대상으로 하기 때문에, 감응물질 또는 감응막 표면의 특이한 친화성, 흡착특성, 촉매특성 등을 이용하여 분자식별

7 인간의 오감중 후각에 해당하는 기능, 공기중의 각종 가스를 검지, 정량화 하는 화학센서
가스센서 인간의 오감중 후각에 해당하는 기능, 공기중의 각종 가스를 검지, 정량화 하는 화학센서 가스의 흡착효과를 이용, 기체 중에 특성 성분의 가스를 그 성질에 의해 구별하는 감지부와 감지된 신호를 전기신호로 변환하는 변환부로 구성 물리적 센서 : 전위, 전류, 공진주파수, 전기전도도, 열량, 열전도도, 광굴절률, 광의 흡수파장과 흡수량 등의 물리량 변화를 매개로 가스를 감지 화학적 센서 : 화학반응, 전기화학반응, 화학적 흡착, 화학발광 등에 의해 가스를 감지 요구조건 감지도가 높고 농도의 측정 정밀도가 우수 감지하려는 가스만을 선택적으로 감지할 수 있고, 공존 가스에 의한 방해나 영향을 받지 않아야 함 응답 속도가 빠르고 반복 측정이 가능 분위기, 습도, 온도 등의 영향을 받지 않고, 안정된 감도를 나타냄

8 습도센서 대기중의 습도를 검출하기 위한 센서 과거 : 모발습도계 현재 : 금속산화물이나 고분자막을 이용한 센서 열전도식, 흡착식(금속산화물 세라믹스계)

9 바이오센서 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적 요소를 이용하거나, 생화학 반응에 의한 신호를 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 신호로 변환 임신진단키트 : 임신하였을 때만 나타나는 특정 호르몬 측정 대상물을 손변에서 검지하기 위하여 항체(생물학적 요소)를 이용하여 인식 가능한 유용한 신호(색)로 변환

10 6조 발표준비 화학센서의 종류(습도, 가스센서)의 원리와 사용되는 재료를 조사 후 PPT로 작성 후 아래 주소로 18일까지 제출

11 6. 화학센서(Ceramics-based chemical sensors)
•세라믹 센스 - 벌크의 물성 : 유전성, 자성의 온도의존성, 초전성, 반도성, 압전성 ⇒ 온도센서, 적외선센서, 초음파 센서 - 입계의 물성 : 입계확산, 불순물 확산/석출, 반도체의 접합층 - 다공질 : 벌크내로의 확산, 표면의 흡착 ⇒ gas 센서 - 전기화학적 방식 : 고체전해질, YSZ, CSZ(O2-), NASICON(Na+) → 기전력 or 전류 - 반도체방식 : SnO2, In2O3, ZnO, WO3, 탄소나노튜브 • 가스 흡착 - 물리적 흡착 : 저온영역에서 발생, 반데르발스 힘에 의해 저온에서 빠르게 다층흡착, 온도 증가에 따라 감소, 표면 피복도는 평형 - 화학적 흡착 ① 비가역적 화학흡착 : 활성화흡착, 높은 활성화 에너지 필요. 화학반응성으로 고체표면에서의 전자이동 발생 ② 가역적 화학흡착 : 활성화 에너지를 넘는 높은 온도에서 발생, 온도상승에 따라 감소

12 6.1 습도센서 • 물리흡착형 습도센서 - 물의 물리흡착시 이온전도도 변화를 이용 - MgCr2O4-TiO2(MCT)계 세라믹스 습도센서 ① 개기공 다공질 세라믹스 : 입경 1㎛, 비표면적 0.1m2/g, 기공률 25%, 기공경 0.05～0.3㎛ ② P형 반도체 : 산성염(Ti4+), 염기성염(Mg2+)으로 둘러쌓인 활성화된 중성염(Cr3+) ③ 1360℃ 고온소결 ⇒ 800℃ 전후의 온도까지 안정성 보장 ④ 수증기의 흡탈착(물리적 흡착, H+의 전도), 단분자 화학적 흡착(Cr3+→Cr4+)에 의해 전도도 급변 - 다공질세라믹스의 흡착 ① 저습도 영역 : 네크에서의 화학흡착에 의한 전해질 현성 ② 중습도 영역 : 네크위의 다분자층 물리흡착에 의한 전해질 형성 ③ 고습도 영역 : 입자표면 전체의 물리흡착에 의한 연속적 전해질 형성 ④ 단점 : 0℃ 이하에서 얼음 형성, 고온에서의 흡착량 감소, 150℃이상에서의 물리흡착 감소 → 사용온도 제한 • 화학흡착형 습도센서 - 금속산화물계 : 고온에서 반도성 특성, 분위기중의 표면에서 흡착에 의해 전기저항의 변화 ⇒ 가스센스로 응용 - ZrO2-MgO계 세라믹스 : n형 반도체 ① 400～700℃의 고온에서 활성가스 분위기에서 가역적으로 화학흡착 발생 → 전기전도도 변화

13 4.6.2 가스센서 • 고체전해질식 가스센서 - ZrO2계 농담전지 ① 고온에서 산소이온의 이동이 용이한 산소이온전도체 ② 고체전해질의 양면에 전극을 입히고 양면의 산소 분압차에 의해 산소농담전지 형성 ⇒ 기전력 발생 ③ 네른스트 기전력

14 • 반도체식 가스센서 - 전기전도도의 변화 or 정류 특성의 변화를 이용 측정 대상 가스가 반도체 표면에 화학적으로 흡착될 때 반도체의 전기 전도도가 변화되는 원리를 이용 - 원리 : 공기성분과 반도체표면의 화학적 상호작용에 의해 표면 전도전자의 밀도변화 이용 ① 반도체 표면에 산소의 사전흡착 ② 특정가스의 흡착 ③ 흡착가스와 산소의 반응 ④ 반응가스의 탈착

15 - SnO2계 ① Co, H2, CH4… (환원성 gas) 검출 ② 입계의 potential barrier (전위장벽) - 산소이온 흡착 - 흡착 gas의 환원 반응 - 입계 O2- 제거 (전자공급) → 전위장벽↘ → 전기전도↗

16 - CO2 센서 ① Pt, Pd등의 구금속 촉매를 이용 ② 활성화산소흡착에 의해 높은 포텐샬 장벽을 형성하고 있지만 가연성 가스에 의해 흡착산소가 제거되고 그로 인해 저항의변화 발생. ③ 일반적으로 특정 gas와 선택적으로 반응하는 화합물의 반응에 의한 전기전도도의 변화를 응용

17 6.3 기타 센서 • 초음파 거리센서 - 초음파를 발신하여 그것이 반사하여 되돌아올 때까지의 시간을 구하여 반사물체까지의 거리를 탐지 - 공기중의 음속은 340m/s, 소리가 1㎜를 왕복하는데 요하는 시간은 6㎲ ⇒ 초음파의 왕복시간 측정 → 거리측정 - 초음파 트랜스듀서 : 전기신호와 초음파를 상호 변환하는 소자 • 압전형 가속도 센서 - 재료 : BaTiO3, PbZrO3 - 원리 : 세라믹 압전 소자가 기계적인 변형을 받으면 전하를 발생 가속도/진동 ⇒ 재료에 기계적 응력 ⇒ 압전체 변위 ⇒ 전기적 신호

18 • Capacitive Touch Sensor
- 원리 ① Touch Pad에 손가락이 접촉되면 Touch Pad를 통해 인체에 전하가 축적되어 정전용량(C)이 증가 ② 정전용량의 변화를 ASIC에서 신호처리해 외부로 High 또는 Low 신호를 출력 - Touch Pad ① Capacitance값을 Sensing ② 도체에 전도체(도금) 또는 부도체(유리, 플라스틱등)를 코팅 ③ ASIC 내의 민감도 조정으로 Touch Pad의 크기와 코팅물질의 두께 및 종류를 결정 - ASIC chip ① Touch Pad에서 검출한 정전용량(C) 변화를 전압(V)변화로 바꾸어 출력 ② 내부에 증폭기 및 OFFSET조정기가 있어 자유롭게 민감도 가능 ③ Touch Pad로 부터 오는 단선의 신호로 Capacitance값의 크기 변화를 파악