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Sensor & Actuator제3장 온도.습도센서

Sensor & Actuator제3장 온도.습도센서

Prof. Kee-Joe Limkjlim@chungbuk.ac.kr, 261-2424

School of Electrical and Computer EngineeringChungbuk National University

http://imt.cbucc.net2006/3/1

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강의개요온도센서

• 측정 방식에 따른 분류– 접촉식 온도센서

– 비접촉식 온도센서

– 특수환경 온도센서

• 감지재료에 따른 분류– 반도체 온도센서

• 더미스터

• 박막서미스터

• Si IC 센서

– 금속온도센서• 금속저항 온도센서

• 열전쌍(thermocouple)

– 수정발진 온도센서

– 탄성표면파 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

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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 떨어진장소에서 측정

4TW σ= )10673.5( 4212 −−−×= KWcmσStefan-Boltzmann law

)(2896max mKT µλ =Wien’s law4TW ησ=

-열형 ; bolometer(저항온도), 써모파일(열기전력), 초전

-양자형 ; 광도전형, 광기전력형(pp. 368, table 4.4)

• 특수 환경 용 : table 4.5

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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 = 0oC일때저항 (Ω) a1 , a2…. : 온도계수T : oC단위의온도

- 볼로미터의 재료 : Pt, Ni, Cu 등의금속

- 볼로미터의 온도범위 : 0 oC ~ 100 oC

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흑체 복사 스펙트럼이 양끝에서 0으로 감소

T = 300K에서 최고의 강도 적외선 영역

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반도체 온도센서/thermistor

• 활용

TR회로의 온도보상, 온도측정, 제어, 통신기의 자동이득제어 등

• 구분– 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,열방

산 정수,열 응답시간)

– 환경특성 ; 내열성,내후성

– 기타 ;소자의 호환성

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(Critical temperature resistor)

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• 온도-저항 특성

)11(exp0

0 TTBRR −=

)1()1(lnln

12

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TT

RRB−−

= (thermistor정수)

3000~4000K2

1TB

dTdR

R−==α (thermistor 온도계수)

• 열방산 정수)( 0TTkVIW −==

- 1oC 상승에 필요한 전력(mW/oC)으로, 형상, 취부상태, 주위매질 등에 의해 결정

• 열시정수)( aTTkHdT −=−

)/exp()( 0 τtTTTT aa −−=− )/( kH=τ

Thermistor 재료 특성 (pp. 371, table 4.7)

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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 충

격에 취약하다.

• 공업계측용, 각종 자동제어기기, 가정용 기기 등에 널리 사용된다

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• One problem : thermistors have a non-linear temperature response.

This can be handled by micro-computer interpolation or parallel linearization

)]11(exp[10

0

0

0

TTB

RRR

RRRtotal

−−+=

+=

)42

1()11(11

20

0

0

0

TTBR

TTB

R ∆−≈

−−+≈

Where T=T-T0 is assumed to be small

* Tradeoff is linearization reduces B sensitivity by a factor of four

∆

R

0R

)11(exp0

0 TTBRR −=

11

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• 박막 thermistor

-형상 효과; 빠른 응답속도, 넓은 저항 범위

-형성 프로세스

-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

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Si IC 온도센서

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(threshold vtg)

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p-n 접합

- 양호한 온도 감지기 형성

p-n 접합을 통과한 전류에 의해 소자를 통과하는 전압이 절대온도에 비례

- p-n 접합의 온도 Tj (K)

Tj =A +BVa

A ,B : 각각 K 와 K/V 의단위를가진상수

Va : 주어진전류에서 p-n 접합을가로지르는전압강하 (V)

-쌍극성트랜지스터 : E - B 접합을이용하여비슷한방법

온도를측정하는데사용

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)/ln()/(0 cBE IKTekTVV γ−=

(npn, Ic)

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Analog Devices사

pp.374, Fig. 4.19

αln)/)(/( 13 ekTRRV =

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금속 온도 센서(Resistive Temperature Detector)

....)1( 20 +++= bTaTRRT

• Principle

• 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

• RTDs are resistors fabricated from a nearly pure metal.

•Linear over a large temperature range, but about 10 times less sensitive than thermistors.

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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)

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수정발진온도센서

• 공진주파수의 온도에 따른 변화 이용

ρc

tnf2

=

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200 )()()(/ TTcTTBTTAff −+−+−=∆

T0

ff /∆

T

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탄성표면파(SAW) 온도센서

• SAW 온도센서-압전체 기판, Rayleigh wave, 전파속도의온도의존성 이용

(quartz oscillator sensor-quartz, bulk wave, 공진주파수의 온도의존성 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)

2(

πφEn

lvf −=

β−=dTdv

vdTdf

f11

Eφ

β ; 선열팽창계수

• 표면파 여진효율(전기기계결합계수)가 크고, 전파속도의 온도 의존성이큰 압전재료 사용

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SAW devices

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• SAW 온도센서의 특징

– 온도 검출 감도가 bulk형에 비해 우수

(JCL-cut quartz ~1.8kHz/K, LST-cut quartz ~2.8kHz/KY-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

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탄성표면파 방사온도센서

• 적외선 방사 에너지를 흡수하여(기판 표면에 적외선흡수막 설치) 기판의 미소 온도 변화에 따른 탄성 표면파의 주파수 변화 이용

• 방사에너지와 온도 변화(완전 흡수의 경우

• 탄성표면파 주파수 변화

VcWT ρ/=∆ ρC ;비열 ; 밀도 V ; 체적

VWlff v κ

α2

34/ =∆

dTdv

vv1

=α κ ; 열전도율

• 온도 변화가 적을 때-shutter설치, 개폐시 주파수 변화

• 검출감도 100~140oC 에서 8.4Hz/oC, 분해능 0.2도

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A

초전 온도 센서(초전현상)

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초전(pyroelectric)온도센서

• 이동물체를 온도변화로 감지

• 정적인 경우 ; chopper로서 입사적외선 변조

Chopper 각주파수 ω, 단위적외선 강도에 대한 전압출력 즉, 전압감도 Rv는

2/1222/122'

)1()1( −− ++= ETV GARR τωτωληω

Rv는 1/τΤ < ω < 1//τΕ 에서 거의 동일함

− 전류응답 Ri는 주파수 의존성이 매우 적음 (표4.44)

• 잡음; 온도잡음, tanδ잡음, 입력저항 잡음, FET전류잡음, FET전압잡음

• 초전재료 요구특성

- 열용량 小, 초전계수 大, 유전율 小, 초전계수와 유전율의 온도변화 小, 정전용량 大, tanδ 小

- PbTiO3, LiNbO3,LiTaO3, SBN, PZT, TGS, PVF2

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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)

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