내용 7.1 개요 7.2 포텐쇼미터 7.3 전자유도식 변위센서 7.4 로터리 인코더 7.5 자기저항식 위치 변위센서

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1 내용 7.1 개요 7.2 포텐쇼미터 7.3 전자유도식 변위센서 7.4 로터리 인코더 7.5 자기저항식 위치 변위센서
7.6 정전용량식 변위센서 7.7 반도체 위치검출소자 7.8 경사각 센서

2 7.5 자기저항식 위치․변위센서 정의와 종류 직선변위센서 x
7.5 자기저항식 위치․변위센서 정의와 종류 자기저항소자(MR)는 자계의 세기에 따라 그 저항이 변하는 센서이다. 이 MR 소자를 이용해 직선 변위와 회전 변위를 검출할 수 있다. 종류 - 자기저항식 직선변위 센서 - 자기저항식 회전변위 센서 직선변위센서 x MR 소자를 이용해 직선 위치 x를 검출하는 원리를 나타낸다. 자석이 MR 소자를 그림(a)의 화살표 방향으로 통과하면 MR 소자를 통과하는 자속이 변하므로 MR 소자의 출력은 그림 (b)와 같이 거리 x 에 따라 정형파 전압으로 출력된다. 실제의 변위 측정에서는 출력전압의 직선영역을 이용한다. 이와 같이, 자석을 이동하는 물체에 부착하면 그 변위를 측정할 수 있다.

3 자기저항식 위치․변위센서 회전변위센서 측정 대상의 회전축에 고정된 자석이 회전하면 MR소자의 출력이 변하므로 회전변위가 측정된다.

4 7.6 정전용량형 변위센서 정의와 종류 𝐶= εA 𝑥 = 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 𝐴 𝑥 𝜀= 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟
7.6 정전용량형 변위센서 정의와 종류 정전용량형 변위센서(capacitive displacement sensor)는 변위에 따른 정전용량의 변화에 기초를 두고 있다. 𝐶= εA 𝑥 = 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 𝐴 𝑥 𝜀= 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 전극간격 변화 방식 - 가동전극이 상하로 이동하면, 두 전극간 거리 x가 변하므로, 정전용량이 변한다. 𝑑𝐶(𝑥) 𝑑𝑥 =− 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 𝐴 𝑥 2 : x가 감소하면 감도가 증가 𝑑𝐶(𝑥) 𝐶 =− 𝑑𝑥 𝑥 : 정전용량의 변화율은 x의 변화율에 비례 - 센서의 출력은 비선형으로 된다. 이 센서는 물체와 접촉 없이 미소변위 측정에 자주 사용된다.

5 정전용량형 변위센서 𝑤 𝐶= 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 (𝐴−𝑤𝑥) 𝑑 𝑑 𝐶= 𝜀 𝑜 𝑤 𝑑 𝜀 𝑟2 𝑙− 𝜀 𝑟2 − 𝜀 𝑟1 𝑥
대향전극면적 변화 방식 - 가동전극을 좌우로 이동시키면, 커패시터를 형성하는 대향전극의 면적이 감소하므로, 이때 전전용량은 𝑤 𝐶= 𝜀 𝑜 𝜀 𝑟 (𝐴−𝑤𝑥) 𝑑 𝑑 유전체 이동 방식 - 전극사이의 유전체가 우측으로 이동한다고 가정할 때, 정전용량은 𝐶= 𝜀 𝑜 𝑤 𝑑 𝜀 𝑟2 𝑙− 𝜀 𝑟2 − 𝜀 𝑟1 𝑥 출력은 변위 x에 직선적으로 비례한다. 이 방식의 정전용량센서는 동심원 전극구조로 해서 액체의 레벨 측정에 널리 사용된다(제14장에서 설명)

6 7.7 반도체 위치검출소자(PSD) 정의와 종류 반도체 위치검출소자(position sensitive device; PSD)는 반도체의 표면저항을 이용해서 1개의 pn접합으로 화상을 주사(走査)하지 않고 입사광의 단․장거리 위치를 검출하는 반도체 소자이다. 종류 - 1차원 PSD : 일축방향(一軸方向)의 광 위치를 검출 - 2차원 PSD : 평면상의 광 위치를 검출 pin 포토다이오드 구조를 갖는다.

7 반도체 위치검출소자(PSD) 기본 동작 원리 𝐼 𝑜 = 𝐼 𝐴 + 𝐼 𝐵 𝐼 𝐴 = 𝐼 𝑜 × 𝑅 𝑙 − 𝑅 𝑥 𝑅 𝑙
고저항 실리콘 기판(i­층) 표면에 p층을, 후면에 n층을 형성하고, 상하에 출력신호를 얻기 위한 전극을 설치한다. 표면에 형성된 p층은 균일하게 분포하는 전류 분할저항(Rl)로 기능한다. 전극 1로부터 입사광 위치까지의 거리를 x, 이 부분의 저항을 Rx라고 하자. 입사광 위치에서 발생된 총전류 Io는 전극1,2까지의 저항 값에 역비례하여 나누져서 각 전극에 출력된다 𝐼 𝑜 = 𝐼 𝐴 + 𝐼 𝐵 𝐼 𝐴 = 𝐼 𝑜 × 𝑅 𝑙 − 𝑅 𝑥 𝑅 𝑙 𝐼 𝐵 = 𝐼 𝑜 × 𝑅 𝑥 𝑅 𝑙

8 반도체 위치검출소자(PSD) 저항 층은 균일하므로, 저항 값이 길이에 비례한다고 가정하면, 𝐼 𝐴 = 𝐼 𝑜 × 𝑙−𝑥 𝑙
𝐼 𝐴 = 𝐼 𝑜 × 𝑙−𝑥 𝑙 𝐼 𝐵 = 𝐼 𝑜 × 𝑥 𝑙 두 전류의 차(IA-IB)를 합(IA+IB)으로 나눈 값을 위치 신호라고 하며, 𝑃 𝑙 = 𝐼 𝐴 − 𝐼 𝐵 𝐼 𝐴 + 𝐼 𝐵 = 𝑙−2𝑥 𝑙 =1− 2𝑥 𝑙 그림과 같이 중심에 대해서 위치를 정의하면, 𝑃 𝑙 = 𝐼 𝐴 − 𝐼 𝐵 𝐼 𝐴 + 𝐼 𝐵 = 2 𝑥 𝑝 𝑙 IA와 IB의 차 또는 비를 알면 입사광의 세기에 관계없이 입사위치 신호를 얻을 수 있다.

9 반도체 위치검출소자(PSD) 1차원 PDS 동작원리는 앞에서 설명한 것과 동일하다.

10 반도체 위치검출소자(PSD) 2차원 PDS 2차원 PSD에는 표면 분할형(tetra-lateral type )과 양면 분할형(duo-lateral type ) 등 두 종류가 있다. 표면 분할형(tetra-lateral type) - 표면 분할형에서 광전류는 각각의 전극을 향하여 4분할되어 출력되는데, 모든 전극이 동일 저항층상에 인접하므로 전극간의 상호간섭이 있고, 위치검출에 왜곡이 생기기 쉽다.

11 반도체 위치검출소자(PSD) 𝐼 𝑋2 − 𝐼 𝑋1 𝐼 𝑋1 + 𝐼 𝑋2 = 2𝑥 𝐿 𝑋
양면 분할형 양면 분할형은 각각의 면에서 독립적으로 전류분할이 이루어지기 때문에, 즉 전극이 근접해 있지 않기 때문에 위치 직선성이 우수하다. 표면 분할형과 양면 분할형의 위치변환공식은 다음 식으로 주어진다. 𝐼 𝑋2 − 𝐼 𝑋1 𝐼 𝑋1 + 𝐼 𝑋2 = 2𝑥 𝐿 𝑋 𝐼 𝑌2 − 𝐼 𝑌1 𝐼 𝑌1 + 𝐼 𝑌2 = 2𝑦 𝐿 𝑌

12 반도체 위치검출소자(PSD) 핀-쿠션 형(Pin-cushion type) 표면 분할형을 변형한 것으로, 분할형에 비해 능동영역(active area or sensitive surface)이 향상되고, 전극 간 상호작용이 감소된다. 암전류(dark current)가 작고, 고속 응답, 역전압 인가가 용이한 점, 주변에서 왜곡(distortion)이 상당히 감소되는 장점을 가진다. 핀-쿠션 형 PSD의 위치 변환공식은 다음과 같다. (𝐼 𝑋2 + 𝐼 𝑌1 )− (𝐼 𝑋1 + 𝐼 𝑌2 ) 𝐼 𝑋1 + 𝐼 𝑋2 + 𝐼 𝑌1 + 𝐼 𝑌2 = 2𝑥 𝐿 𝑋 (𝐼 𝑋2 + 𝐼 𝑌2 )− (𝐼 𝑋1 + 𝐼 𝑌1 ) 𝐼 𝑋1 + 𝐼 𝑋2 + 𝐼 𝑌1 + 𝐼 𝑌2 = 2𝑦 𝐿 𝑋

13 반도체 위치검출소자(PSD) PSD 특성 위치 직선성 - 1차원 PSD는 어떤 형상에서도 본질적으로 위치 검출오차는 크다.
> 표면 분할형 경우는 중심에서 주변으로 갈수록 거의 대수적인 변화를 보인다. > 양면 분할형은 광원의 이동에 충실히 대응하는 양호한 직선성을 갖는다. 2차원 PSD의 위치검출오차

14 반도체 위치검출소자(PSD) ∆𝐼=2 𝐼 𝑜 ∆𝑙 𝑙 ∆𝑙= 𝐼 𝑛 𝑙 2 𝐼 𝑜 ∆𝑙= 𝑒 𝑛 𝑙 2 𝐼 𝑜 𝑅 𝑠
위치 분해능 위치 분해능이란 PSD의 수광면상에서 검출 가능한 입사광의 최소 변위분(變位分)을 말하며, 수광면 상에서 거리로 나타낸다. 길이 l인 PSD 상에서 입사광 위치가 Δl 만큼 변위 하였을 때 신호전류의 변화 ΔI은 다음 식으로 주어진다. ∆𝐼=2 𝐼 𝑜 ∆𝑙 𝑙 𝐼 𝑜 =입사광량 이 ΔI가 PSD 연산회로의 잡음전류 In과 같다고 놓으면, 분해능은 ∆𝑙= 𝐼 𝑛 𝑙 2 𝐼 𝑜 잡음전류 In은 여러 가지 원인에 기인하지만, 가장 큰 것은 Op amp의 입력환산 잡음전압 en을 분할저항 Rs로 나눈 전류(en/Rs)이다. 일반적으로 Rs가 1[MΩ] 이하에서는 다른 잡음원은 고려하지 않는다. 따라서 위치 분해능은 ∆𝑙= 𝑒 𝑛 𝑙 2 𝐼 𝑜 𝑅 𝑠 PSD의 분해능은 입사광량에 따라서도 달라지는데, 광량이 강해지면 1[μm] 이하도 가능하다.

15 반도체 위치검출소자(PSD) PSD 응용 PSD를 이용한 위치센서는 회로가 간단하기 때문에 광학장치에 있어서 위치나 각도 검출 등에 응용되고 있다. - 자동초점(autofocus) 메카니즘 - 사용자가 ATM(automatic teller machines)이나 밴딩 머신(vending machine)에 접급할 때 작동 개시, - 산업체 장비에서 정밀위치검출

16 반도체 위치검출소자(PSD) 삼각측량법(Triangulation)에 의한 위치(거리) 측정
레이저는 렌즈를 통해 가시광을 측정대상에 발사한다. 이 빔은 물체로부터 반사되고 일부는 PSD로 돌아온다. PSD로부터 물체까지의 거리는 빛이 PSD까지 이동하는 각(angle)을 결정한다. 이 각도는 수신된 빔이 PSD에 입사하는 위치를 결정한다. PSD에서 빛의 위치는 신호조정회로와 마이크로프로세서에 의해서 처리되어 적절한 출력 값을 계산한다. PSD Baseline의 길이와 angle이 알려지면 계측기로부터 물체까지의 거리를 알 수 있다.

17 반도체 위치검출소자(PSD) - 삼각측량 센서의 타깃 표면
> 확산반사란 그림 7.34(a)에 나타낸 것과 같이 빛이 타깃으로부터 모든 방향으로 동등하게 산란되는 것을 의미한다. > 만약 타깃 표면이 거울 면과 같으면(그림 b), 빛은 단지 한 방향으로만 반사되는 경향 이 있으므로, 이 타깃이 센서에 수직하지 않으면 빛은 센서에 도달하지 못할 것이다. > 일반적으로 검출 대상은 확산반사와 거울 면 등 두 가지 성질을 동시에 갖고 있다. > 이 센서의 정확한 동작을 위해서 물체의 표면이 비다공성이거나 불투명해야 한다. > 투명한 플라스틱과 같은 반투명 물체는 측정 오차를 일으킬 것이다.

18 반도체 위치검출소자(PSD) 삼량측량법에 의한 거리측정의 예
IRED로부터 나온 근적외선은 렌즈를 통과하면서 좁은 각도(＜2°)의 빔으로 만들어진다. 이 빔이 물체에 입사된 후 PSD를 향해 다시 반사된다. 미약한 반사 빔은 렌즈에 의해 PSD 표면에 집광된다. 따라서 PSD는 그 표면에 있는 광점의 위치 x에 비례하는 출력전류를 발생시킨다 𝑥 𝑓 𝐿 𝐵 𝐿 𝑜 𝐿 𝑜 : 𝐿 𝐵 =𝑓:𝑥 IRED or laser 𝐿 𝑜 = 𝑓 𝐿 𝐵 𝑥 PSD를 이용한 거리(위치) 측정원리

19 7.8 경사각 센서 정의와 종류 경사각 센서(inclination detector or tilt sensor)는 지구의 중력중심에 대해 기울어진 임의 방향의 각도를 측정하는 센서 종류 수은 스위치 전해질 경사각 센서 광전식 경사각 센서 가속도센서를 이용한 경사각 센서

20 경사각 센서 수은 스위치(mercury switch) 오래된 방법이지만 아직도 위치검출에 널리 사용되고 있다.
유리관 속에는 두 개의 접점과 수은이 들어있어, 센서가 중력에 대해서 기울어지면, 그림 (a)와 같이 수은이 접점으로부터 멀어져 스위치가 개방되거나 또는 그림 (b)와 같이 접점으로 이동해서 스위치는 닫히게 된다. 수은 스위치는 단순히 개폐동작(on­/off)만 가능한 것이 단점이다. 즉, 회전각이 사전에 설정된 값을 초과하는 경우에만 동작한다.

21 경사각 센서 전해질 경사각 센서(electrolytic tilt sensor) 그림 (b): 이중 축(dual axis) 센서
수은 수위치보다 더 높은 분해능으로 경사각을 측정할 수 있다. 그림 (a) : 1축 센서에서 약간 휘어진 유리관 속은 부분적으로 도전성 전해질로 채워진다. 유리관 속에는 관을 따라 하나의 긴 공통전극과, 양단에 2개의 외부 전극 등 총 3개의 전극이 설치되어 있다. 관속에 남아있는 공기방울은 관이 기울어지면 관을 따라 이동한다. 따라서 중심전극과 두 양단전극 사이의 전기저항 R1과 R2는 공기방울 위치에 의해서 결정된다. 유리관이 그 평형위치로부터 기울어지면, 그것에 비례해서 저항 하나는 증가하고 다른 하나는 감소한다. 저항 R1과 R2를 교류 브리지 회로에 삽입해서 저항변화를 전기신호로 변환한다. 그림 (b): 이중 축(dual axis) 센서 > 1개의 공통전극과 4개의 외측전극 등 5개의 전극을 가진다. > 센서가 기울어지면, 경사진 방향에 따라 레벨 내의 유체가 외부전극을 덮는다. > 동작은 그림 (a)와 유사하다.

22 경사각 센서 종류 - 검출각 범위는 ±1°～±80°로 다양하다.
검출 범위에 따라 유리관의 모양도 약간 구부러진 것으로부터 도넛 모양으로 변한다. 그림 (a) : 측정범위가 매우 작은 경사각 센서(narrow angle sensor)로, 보통 0점 찾기(null seeking) 또는 “0 반복"(0 repeat) 모드로 사용된다. 좁은 각 센서는 큰 출력감도, 장기 및 열 안정성, 그리고 우수한 반복성을 갖는다. 그림 (b)는 측정 범위가 중간인(3°～25°) 센서이다. 정확한 각 측정이 요구되는 곳에 사용된다. 그림 (c)는 측정 범위가 30°～80°로 매우 넓은 센서이다.

23 경사각 센서 광전자식 경사각 센서 LED, p­n 접합 다이오드 어레이, 그 위에 장착된 반구형 기포 수준기(spirit level)로 구성된다. 액체 속에 있는 기포의 그림자는 포토다이오드 어레이(PD)의 표면에 투영된다.

24 경사각 센서 센서가 수평을 유지하면, 그림자 면적은 그림 (a)와 같이 원형으로 되어 각 PD 표면에서 그림자의 모양도 모두 동일하다. 그림 (b)와 같이 센서가 기울어지면, 그림자는 약간 타원형으로 변하고, 각 PD에서 그림자의 모양도 달라져 출력이 발생한다. 실제의 센서에서 LED의 직경은 10[mm]이고, LED와 수준기 사이의 거리는 50[mm], 반구와 기포의 직경은 각각 17[mm], 9[mm]이다. 다이오드 출력은 디지털 형태로 변환되어 출력된다. 응용 광전식 경사각 센서는 토목공학이나 기계공학분야에서 높은 분해능으로 복잡한 물체의 형상을 측정하는데(shape measurement) 매우 유용하다. 예를 들면, 바닥 또는 도로 형태의 측정, 강판의 평탄도(flatness) 측정 등 종래의 방법으로는 측정이 불가능한 경우에 사용된다.

25 경사각 센서 가속도 센서를 이용한 경사각 센서 경사각 센서의 응용
MEMS 가속도 센서를 이용한 경사각 센서(tilt sensor)는 제 12장의 절을 참고하기 바란다. 경사각 센서의 응용 경사각 센서는 다양한 산업, 가전제품, 우주 군사 등 다양한 분야에서 사용하고 있다. 그들의 용도를 정리하면 다음과 같다. 위성 안테나 시스템에서 앙각(仰角)의 정확한 측정을 가능케 한다. 네비게이션 시스템에서 나침반 보상을 위해 정교한 전자공학과 함께 경사각 센서가 사용된다. 크레인에서 안전 부하 지시기(safe load indicator) 또는 부하 모멘트 지시기(load moment indicator)와 같은 안전 시스템에 사용된다.