서미스터 온도센서 정특성 서미스터(PTC)에 이용되고 있는 세라믹스는 티탄산바륨(BaTiO3)이며, 이러한 티탄산바륨(BaTiO3)에 도전성을 높여 주기 위하여 미량(대략적으로 0.1~1.5%)의 1가인 칼륨 또는 3가의 토륨, 이트륨 등의 산화물을 혼합하여 소결한 것이다.

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1 서미스터 온도센서 정특성 서미스터(PTC)에 이용되고 있는 세라믹스는 티탄산바륨(BaTiO3)이며, 이러한 티탄산바륨(BaTiO3)에 도전성을 높여 주기 위하여 미량(대략적으로 0.1~1.5%)의 1가인 칼륨 또는 3가의 토륨, 이트륨 등의 산화물을 혼합하여 소결한 것이다. l  이와 같은 PTC는 낮은 온도에서는 비교적 작은 저항값을 갖는 데 어떠한 소정의 온도에 도달되면 그림과 같이 소정의 임의 온 도부터 급격히 저항이 증가하게 되며, 그 증가되는 폭도 상당히 크다. 물론 전류를 흘러들이면 이 온도 이상에서는 급격히 전류 가 흐르기 어렵게 된다. 그림 2-9에서 보는 바와 같이 급변하는 온도를 퀴리온도 또는 퀴리점이라 한다.    온도가 퀴리점을 넘어서면 정(正)특성의 저항 급증영역에 들어 가게 된다. NTC 서미스터

2 강의개요 온도센서 탄성표면파 온도센서 탄성표면파방사온도센서 초전(焦電) 온도센서 박막초전 온도센서 광 파이버 온도센서
발광형 광파이버 온도센서 수광형 광파이버 온도 센서 표면파 온도센서 습도센서 세라믹 습도센서 고분자 습도센서 전해질 습도센서 마이크로파 수분센서 초음파 습도센서 방사선 습도센서 열전달 습도센서

3 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 압전 기판에 생기는 자유 표면파의 전파 속도의 온도 의존성을 이용 압전체의 표면으로 전파되는 횡파의 일종이다. ; 선열팽창계수 표면파 여진효율(전기기계결합계수)가 크고, 전파속도의 온도 의존성이 큰 압전재료 사용

4 SAW devices 빗모양의 전극에 파장의 ½ 간격으로 늘여놓은 전극을 사용한다.
IDT는 인터 디지털 트렌스듀서 라고 부르는 탄성표면파이다. 전압을 인가하면 압전체의 표면이 변형을 일으켜 발생하는 파가 전달된다. 전극에 교류전압을 인가하면, 탄성파는 표면에서 속도 v 를 가지고 전극에 수직한 방향으로 진행한다. 여기서 발생하는 주파수는 다음의 식을 갖는데, v는 탄성파의 진행속도이고 람다는 파장이다.

5 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

6 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 탄성 표면파의 속도는 기판의 밀도와 탄성 계수에 의해 의존. 주파수에서 전기 에너지는 최대의 효율을 가지고 탄성파 에너지로 변환. 온도 변화가 적을 때-shutter설치, 개폐시 주파수 변화 검출감도 100~140oC 에서 8.4Hz/oC, 분해능 0.2도

7 초전형 온도 및 적외선 센서의 동작원리 (A)는 전하의 이동이 없는 경우를 나타내고 있고, (B)는 적외선이 조사된 경우에 표면 전하의 변화를 나타내고 있다. 초전체는 정상상태에서 내부에 자발분극을 갖고 있고 표면에 양과 음의 전하가 발생하지만, 대기 중에 부유 전하를 포획하여 전기적으로 중립을 유지하게 된다. 적외선을 초전체에 입사시키면 초전체의 온도가 상승하여 자발분극의 크기가 변하게 된다. 이때, 표면 전하는 자발 분극의 변화만큼 빠르게 온도의 변화에 대응할 수 없기 때문에 초전체의 표면에는 자발분극의 변화만큼 전하가 부족하게 되고 단시간이긴 하지만 전하를 측정할 수 있다.

8 초전 온도 센서는 과도적인 온도의 변화를 검출하기 위해 초전체의 온도를 안정 상태로 유지하게 되면 출력을 감지할 수 없다
초전 온도 센서는 과도적인 온도의 변화를 검출하기 위해 초전체의 온도를 안정 상태로 유지하게 되면 출력을 감지할 수 없다. 또한 물체로 부터 방사되는 적외선에서 변화가 없다면, 전하의 변화가 없기 때문에 출력은 0 이다. 계속하여 출력을 얻기 위해서는 적외선을 불연속적으로 입사시켜 초전체의 온도변화를 주는 초퍼가 필요하다. 실제로 적외선의 흡수를 돕기 위해서는 표면을 검게 칠하여 흡수체를 만들게 되고, 전계효과 트랜지스터(FET)와 조화하여 사용하게 된다.

9 초전

10 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 초전온도센서 재료로는 다음과 같은 강유전성 세라믹이 사용 되는데 PZT는 큐리 온도가 매우 높고, -20~100도의 온도 영역에서 안정적인 감도를 가진다.

11 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 )

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17 초전형 적외선 센서의 구조 여러 종류의 적외선 파장이 센서에 입사 창문의 광학 필터에 의해 필요한 적외선만이 통과
감지 소자의 표면에 있는 열흡수막에 의하여 적외선이 열로 변환 소자의 표면 온도가 올라가고, 초전 효과에 의해 표면 전하가 발생 발생한 표면 전하가 FET를 통하여 전압이 증폭되고, 임피던스가 변화 FET를 동작시키기 위해 드레인 단자에 전압 공급 증폭된 전기 신호는 외부에 접속된 소스-접지 간의 저항에서 바이어스 전압과 증폭된 전압으로 출력

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

20 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

21 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

22 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 다공질의 세라믹 표면에 수분이 흡착되면, 전기저항이 낮아지는 성질을 이용한 것. 일반적을 상대습도 측정용으로 사용 동작원리는 다공질의 AL2O3과 같은 금속 산화물의 표면에 수증기가 흡착 및 탈착하게 되면 세라믹의 전기저항이 변화. 측정환경에 오래 노출되면, 표면에 오염이 접촉하거나 침투하여 표면의 조성이 변질될 수 있기 때문에 구조적으로 클리닝 하기 위해 가열 히터를 포함한 구조. 고온 저습에서 감지 가능하지만 연속적으로 측정 곤란. 불순물 제거후 재측정 가능 b d 온 도 흡착 등압 곡선

23 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

24 Al2O3박막 산화 알루미늄 방식은 두 장의 금속판 전극 사이에 다공질의 산화 알루미늄 박막을 넣고 외측 금속판 전극을 통기가 가능하도록 다공성으로 가공하여 측정하고자 하는 기체가 산화 알루미늄 기공 속에 충만 될 때 기체 상태의 수분이 갖는 유전율이 다른 모든 기체에 비해 월등히 크므로 기체 속에 포함된 수분이 양에 비례한 용량 (커패시턴스 : 콘덴서 성분)가 생성됩니다. 이 용량을 측정하는 것이 곧 노점의 측정입니다 센서를 지지하는 고정대는 센서 세라믹과 같이 더러워지기 쉽고, 전해질이 부착될 경우에 센서 단자 간에 전기적으로 누설이 생길 가능성이 있다. 이를 방지하기 위해 가드링을 설치. MgCr2O4-TiO2계

25 ZnO-Li2O-V2O5-Cr2O3계 습도센서의 감습 모델 :
2~3 μm 크기의 ZnCr2O4 결정립에 감습성이 높은 Li 이온을 함유한 LiZnVO4, Li-V-O-(H2O)n, Li-V-O-(OH)n 등의 조성을 갖는 유리상 금속산화물을 피복한 구조. 감습성 유리 표면상태는 안정된 OH기를 가진 구조이므로, 이 OH기 위에 물분자가 물리 흡착됨에 따라 다층의 물분자 흡착층이 형성되어 습도에 대해서 전도성을 나타냄.

26 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

27 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

28 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)

29 전기저항형 고분자 습도센서 빗살모양의 Au 전극 표면에 고분자의 감습막이 놓이는 구조. 이온의 전도에 의한 저항의 변화 측정
감습재료인 암모늄염 고분자가 수분을 흡입하면 이온전도를 일으킨다. 고분자 내에 자유롭게 움직일 수 없는 고정 이온과 자유로이 움직여 전리하여 가동하기 쉬운 가동이온이 존재하며, 대부분의 전도는 가동이온에 의해 발생한다. 수분이 증가하면 전리작용이 용이하며, 가동이온의 농도가 증가하게 된다. 반대로 수분이 감소하면, 가동이온의 밀도는 감소한다. 이와 같이 이온전도를 이용한 고분자 습도센서는 감습막 위에 가역적인 수분의 흡입이나 탈착을 수행한다. 소자에 전압을 인가하면, 가동이온이 움직임에 따라 전기 저항의 변화를 측정하게 된다. 그래프는 온도의존성을 나타내고 있고, 온도변화에 대해 부의 저항변화 특성을 가진다.

30 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

31 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

32 전해질 습도센서 전해질 습도센서는 두개의 전극 사이에 흡습성의 민감한 전해질을 넣어 전류를 흐르게 하면, 수분의 흡습량에 따라 전류값이 다르므로 이를 이용하여 흡습량을 측정하게 된다. 고체고분자 전해즐은 전극 양단 사이에 고분자 전해질을 넣어 직류전류가 흐르면 가스 중에 습도가 접합의 전극층에 흡착되어 전해하게 되며, 이를 측정하여 습도를 구하게 된다. 이때 전극에서 일어나는 반응은 양극에서 수분이 분해되고, 생선되는 수소 이온은 전해질막을 통과하여 음극에 도달하게 되며, 음극에서의 반응으로 재결합한다. 전류량은 분해되는 수분량에 비례

33 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

34 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

35 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 참조 열전도 습도센서 두개의 더미스터를 이용하여 브릿지 회로 구성, 건조공기와 수증기가 있는 공기에서 열전도도차로 브릿지 불평형 발생 초음파의 전달속도가 대기 중에 수분이나 온도에 따라 변하는 것을 응용.

36 열전도습도센서 두개의 작은 서미스터는 열전도의 손실을 최소화하기 위해 박막 도선으로 지지된다. 좌측의 서미스터 R_t1은 작은 구멍을 통해 외부로 노출되고, 우측의 서미스터는 건조한 공기로 채워져 있다. 양쪽의 서미스터는 브리지 회로로 저항과 연결되어 있다. 서미스터에 전류를 흐르게 하여 200도까지 가열시킨다. 이 상태에서 수증기를 함유하는 분위기에 노출시키면 건조한 공기와 수증기의 열전도 차이에 의해 불평형 전압이 발생된다.

37 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