센서 공학
1. 센서 일반 v 센서의 정의 Ø 빛, 압력, 변위, 온도 , 습도 등의 물리량이나 가스, 이온 , 생체물질 등의 화학량의 정보를 검지한 후 처리하기 편리한 신호로 변환하는 디바이스의 일반 명칭. Ø 외부의 자극이나 신호를 감지하여 가장 유용한 전기적 신호로 변환하여 출력하는 장치 Ø 인간의 감각기관(오감)과 같은 역할 Ø 인간의 감각기관 이상의 검지능력을 가진 센서 - 적외선, 자외선, 전파, X선, 초음파, 방사능, 자기, 중력, 고온(저온), 전자현미경, 레이더, Ø 과거 : 나침반(방위 감지), 온도계, 측우기, 모래시계
v 센서의 정의
v 센서의 조건 Ø 생활에서 사용 중인 센서 - 감도(Sensitivity) , 선택도(Selectivity), 복귀도(Reversibility), 안정도(Stability) - 기능성, 적용성(편리성), 규격성, 보존성, 생산성, 경제성 v 센서 기술 Ø 센서 소자의 개발 Ø 센서의 특성개선 Ø 센서 신호처리 기술 Ø 센서신호의 분석-합성기술 Ø 각종 센서들을 조합한 센서의 다기능화 기술 Ø 센서시스템에 지능을 부가하는 센서의 지능화 기술 Ø 고도의 다기능 스마트센서 기술
v 센서 기술 계층 Ø 센서소자기술, 센서시스템 기술, 센서응용기술 Ø 센서소자기술 - 물리적인 량(물리센서) : 위치, 속도 및 가속도, 힘, 광, 영상, 방사선, 온도 , 열, 전기장 및 자기장, 파동 등 - 화학적인 량(화학센서) : 각종 가스나 이온의 농도 - 생물학적인 양(바이오센서) : 포도당, dythm 항체, 호르몬, 면역원 등 Ø 센서시스템기술 - 센서의 인터페이스 기술, 신호처리기술, 지능화 기술, 시스템화 기술 Ø 센서응용기술 Ø - 공공응용, 민생응용, 산업응용, 특수응용
v 센서 기술의 중요성 Ø 기계장치에 감각기능을 부여하는 기술, 인간의 감각기능을 확장하는 기술 Ø 계측기술 및 자동제어기술의 핵심이며 유비쿼터스 센서 네트워크의 핵심요소 - 모든 측정은 센서를 통해서 가능 - 정밀센서기술을 통하여 정밀계측기술이 가능하며, 고도의 제어(자동화)기술이 가능 - 유비쿼터스 센서 네트워크 기술은 무선센서 네트워크 기술과 모바일 센서 네트워크 기술을 포괄 - 인터넷 신 주소체계인 IPv 6 기반의 RFID와 결합한 지능형 복합센서들을 요구 Ø 국가간의 기술경쟁에 있어서 승리 할 수 있는 거점 - 고부가가치성 때문에 센서기술의 이전을 극히 기피 - 현존하는 국내의 나노 기술, 바이오 기술, 반도체 기술을 복합 또는 융합적으로 활용 Ø 소량 다품종 속성을 지닌 센서 기술은 그 파급효과가 지대하며, 그 시장 규모가 급신장.
v 센서의 종류 검출대상 광 1 광센서 소자 및 센서(유닛명) 포토다이오드, PIN포토다이오드, 포토애벌란시 다이오드, 포토트랜시스터, 솔라배터리, Cd. S 셀, 셀렌, CCD, CPD, CID, 광전관, 포토멀, 촬상관, PSD 자기센서 홀소자, MR소자, 자기헤드(검출 코일형 및 반도체형), 영구자석, MD(마그넷 다이오드), SQUID(초전도양자 간섭장치, 조셉슨 소자)광파이버(광패러데이 효과를 사용한 자기장 센서), 자침, 인덕토신, 자기 트랜지스터, 자기형 근접스위치(리드 스위치), 자성유체(자기 시트), 전자기 유도형 근접스위치(코일), 자기 파라메트릭 센서, 커런트 트랜스, 자외선 온도센서 압력센서 5 6 스트레인 게이지(로드셀), 압전소자, 코일 스프링, 판스프링, 가압도전시트(고무), 감압폴리머(중합체), PD(감압다이오드), IC압력 센서, 다이어프램(박막형 압력센서, 확산형 압력센서), 차동트랜스(토크 트랜스듀서), 토션 바(광학 위상식 및 자기 위상식) 진동(음파포함, 초음파) 마이크로폰(전자기식, 압전식), 페라이트, 티탄산바륨, 세라믹스(가속도 센서), 다이어프램, 압전소자, 자외선(탄성파), 지진계(진자의 지진동에 대한 상대운동) 진동센서 기체/냄새 서미스터(양, 음 특성), 감온저항(백금), 서모커플, 수정진동자, 초전형 적외선 센서, IC화 온도센서, 트랜지스터, 광전관, 다이오드(VBE, VF 이용), , 포토다이오드, 포토트랜지스 터, SMA(형상기억 합금), 감온 페라이트, 액정, 수은(알코올), 온도계, 양자형 적외선 센서 압력 4 온도(적외선 포함) 3 자기 2 세라믹센서, 반도체식 센서, 산화주석, 산화철 센서, 후막구조 세라믹스(습도센서), 기타의 화학반응을 사용한 센서(전해질 셀, 접촉 연소식), 바이오 케미컬 센서, 지르코니아 산소 센서, 백금선, 산화아연
v 센서 시장 및 기술의 변천 Ø 센서 시장의 규모 - 640 억 달러(1990년도), 1, 450억달러 (1995년) - 미국(38. 7%), 일본(23%), 독일(13%) 프랑스(6. 7%), 영국(5. 6%)…한국(1. 3%) - 관련논문 : 화학센서(41. 9%), 물리센서(40%), 바이오센서(10. 3%)
v 센서 응용기술 Ø 가정자동화 기술(Home netnetwork) - 인간의 생활에 있어 최적 환경의 공급을 목적으로 가정 내 모든 설비를 자동화하고 개개의 제품들을 묶어 하나의 단말기로써 제어 할 수 있는 기술 - 하나의 단말기 특히 외부에서는 휴대용 통신기기를 이용하여 방범장치, 가스, 화재경보기, TV, 냉장고, 에어컨 , 조명시설 등을 control - 주요 시스템 : home security, house system, energy system, home banking(or shopping)
v 센서 기술의 새로운 동향 Ø 센서의 특성을 개선, 새로운 센서의 개발, 새로운 신호처리 및 센서응용기술의 개발 Ø 신소재기술, 정밀제조공정기술, 반도체 집적회로기술, 인공지능기술 등 첨단기술의 대혁신에 기인한 센서 기술의 발달 Ø FET 형 마이크로센서 기술의 다양한 개발 - 반도체 집적회로 제조공정과 같은 미세가공기술에 의해 제조 - 신소재기술, 정교한 미세가공기술, 전자회로 집적 기술, 인공지능기술 - 다차원화 : 단일 칩 위에 여러 개의 같은 종류의 센서 배열 - 다기능화 : 단일 칩 위에 여러 개의 다른 종류의 센서 배열 - 지능화 : 지능회로와 함께 집적 - 시스템화 : 관련 회로나 장치들을 함께 집적 Ø MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) & NEMS - 기계, 전자, 반도체 재료, 반도체 공정, 패키징 등 다양한 기술의 복합체
v 센서 기술의 새로운 동향 Ø MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) & NEMS - MEMS 기술은 센서의 초소형화, 고성능화, 고집적화를 실현하는 데 필수적인 요소 - 기계, 전자, 반도체 재료, 반도체 공정, 패키징 등 다양한 기술의 복합체 - 1 nm 정도의 정밀도, 1/10 nm 기어 와 모터 개발 - 마이크로 머신 : 의료분야(체내투입), 산업분야(복잡한 배관) Ø 관성 센서 - 차세대 비메모리 반도체 산업의 핵심 기술 - 미세 구조물의 설계기술, 마이크로머시닝 공정 기술, 미소신호처리용 ASIC 기술, 패키징 - 에어백센서, 차량의 현가장치 및 브레이크 통합제어, 사고 전후차량의 상태 감시 Black box, 차량위치인식시스템(CNS) - 휴대폰 : 데이터 입력장치, 가상현실 게임시스템의 감지장치, 3차원 마우스, 캠코더의 화질 보정 - 가속도 센서와 자이로(Gyro) 센서로 분류
v 센서 기술의 새로운 동향 Ø 지능형 센서(Smart sensor) - 물리적 또는 화학적 현상을 전기신호로 변환하는 센서의 단순 기능 이외에 - MCU(Micro Computer Unit)가 센서에 내장 : 제어 , 판단, 저장, RF통신 기능 - 논리 제어기능 : 센서신호의 디지털화 및 보정/보상을 하고 동작제어 - 통신기능 : 표준화된 ㅈ디지털 통신 프로토콜을 이용하여 센서신호를 외부에 전달하고 제어신호를 받는 것 - 판단기능 : 제어기능과 더불어 센서의 최적화 및 자기진단, 전원관리 및 얻은 데이터의 의미 파악할 수 있는 수준 - 일반적인 구조 : 센서소자, 아날로그 증폭회로, 디지털 제어회로, ADC/DAC, 비휘발성 메모리, 통신 인터페이스 등으로 구성 Ø 센서의 지능화 발전과정 - 소형화, 지능화, 무선화, 집적화, 재구성화를 추구 - Discrete sensor, Integrated Sensor, Digital Sensor, Smart sensor
v 센서 기술의 새로운 동향(휴대폰) Ø 가속도 센서(Accelrometer) - 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서 - MEMS 가속도 센서는 방위, 만보기 등의 기능을 수행 - 물체의 운동상태를 상세하게 감지할 수 있으므로 응용범위 다양 - 자동차, 기차, 선박, 비행기 등 각종 수송수단, 공장자동화 및 로봇 등의 제어시스템 필수 Ø 자이로스코프 센서(gyroscope Sensor) - 기존의 가속도센서에 각각 회전을 넣어 총 6축을 인식, 보다 정밀한 카메라 움직임 인식 - 손떨림 보정 기능 , 모바일 증강현실 구현 Ø 지자기 센서(Geo-magnetic sensor) - 지구의 자기장을 이용해 방위각을 탐지 할 수 있는 전자 나침반 - 위치 추적, 3차원 입체게임, GPS, 네비게이션, 나침반 등의 용도
Ø 자이로스코프
Ø 중력센서 (G-sensor) - 중력이 어느 방향으로 작용하는 지 탐지하고 그 상황에 맞춰 각종 기기의 사용편의 지원 - 기기를 들고 있는 방향에 따라 자동으로 회전, 차량 충돌 시 방향을 기록 Ø 광센서 / 조도센서 / 이미지센서 - 빛을 감지하여 이를 다시 처리가 용이한 양으로 변환하는 소자(Transducer) - 일반 터치 휴대론 및 스마트 폰에 탑재 / 휴대폰 카메라 / 빛 자동 조절 Ø 근접센서 센서(Proximity sensor) - 물리적인 접촉없이 전자계의 힘을 이용하여 물체의 존재여부, 통과, 연속흐름, 적체 등의 감지 및 위치제어에 이용하는 센서. Ø 디지털 나침반 - 위치정보활용의 지도 앱, 나침반 앱 Ø 그외 - 연기 감지, 입냄새,
