-. 고체 소자에 전류가 흐르고 있을 때 전류에 수직하게 자장을 가하면 전류와 자장에 각각 수직한 방향으로 기전력이 발생한다. 이 현상을 Hall효과라 하고 이 기전력을 홀전압(Hall voltage)이라 함.
. 이 현상은 1879년 E. H. Hall에 의해 발견됨
. 이 효과는 캐리어에 작용하는 Lorentz 힘 때문에 발생함.
. 그림과 같이 전류 I가 +y축 방향으로 흐르는데 자장 B가 +z축 방향으로 작용하면 전자는 Lorentz 힘(F)를 받게 됨.
F = q(υ×B) = eυBi
υ: 전자의 평균 유동속도
(그림) q : 전자전하(q = -e로서 e는 전자전하의 절대값)
B : 자장
i : 축 방향의 단위벡터(unit vector)
. 따라서 전자는 +x축 방향으로 힘을 받게 되어서, 소자에는 +x축 방향의 측면은 상대적으로 - 전위,
. 그리고 -x축 방향의 측면은 +전위로 전위차 VH(Hill 전압)가 나타남.
(2) 자기 저항효과(magnetoresistance effect)
-. 전류가 흐르고 있는 고체 소자에 자장을 가하면 소자의 전기저항이 증가하는 현상.
-. 1883년 Lord Kelvin이 금속에 대해서 발견
-. 금속재에서는 미미하고 반도체에서는 현저하다.
-. 전류와 자장이 서로 수직인 경우를 횡효과, 평행인 경우를 종효과, 보통 횡효과 쪽이 휠씬 더 현저하다.
(3) 에팅하우젠 효과(Ettingshausen effect)
-. 전류에 수직하게 자장을 가하면 온도차가 발생한다.
이 온도차 발생현상을 에팅하우젠 효과라 함.
-. 1887년 에팅하우젠에 의하여 발견 됨.
-. 고체속 전자의 에너지가 균일하지 않은데 기인하는 것으로서 자장이 가해진 상태에서 빠른 전자와 느린 전자의 운동 방향이 다르기 때문에 빠른 전자가 모이는 쪽이 느린 전자가 모이는 쪽보다 온도가 높다. 따라서 온도의 기울기가 나타나게 됨.
(4) 열자기 효과(Thermomagnetic effect)
ⅰ 네른스트 효과(Nernst effect): Hall효과에 있어서 전류 대신에 열류를 흘리면 Hall전압 단자에 전위차가 생기는 현상을 네른스트 효과
ⅱ 리기 - 레듀 효과(Righi-Leduc effect): Righi와 Leduc에 의하여 발견되어 1887년에 발표된 열자기효과.
. 온도기울기(dT/dy)가 있고, 열의 흐름이 있는 도체 또는 반도체에 열류방향(y축 방향)에 수직인 방향(z축 방향)으로 자장(B)를 가하면 이들에 수직인 방향(x축 방향)에 온도 기울기가 발생하는 현상.
(5) 광전자기 효과(Photo-electro-magnetic effect)
-. 반도체나 광도전체에 빛을 입사. 흡수하게 하면 입사방향과 자장에 각각 수직한 방향으로 기전력이 발생하는 효과.
(6) 조셉슨 효과(Josephson effect)
-. 1962년 B. D. Josephson은 초전도 터널접합에 있어서 전자쌍이 준립자로서 전위장벽을 통과할 가능성을 이론적으로 예언
-. 두 초전도체(superconductor)를 박막절연체로 약결함시킨 것을 조셉슨 소자
-. 조셉슨 소자를 통하여 직류전류를 흘릴 때 박막절연층으로 격리된 두 초전도체가 상호작용하여 사실상 절연막도 초전도체처럼 되어 전위차 없이 영구전류가 흐른다. 이렇게 2개의 초전도체가 약하게 결합된 조셉슨 접합에서 응축전자쌍이 포텐셜 장벽을 통하는 터널효과에 관계되어 일어나는 현상
-. 수감부에서 감지물질에 대한 선택기능(식별기능)을 가지며, 그 변환부에서 전기신호로 변환하는 기능을 갖추는 것이 필요함.
-. 화학적 변환: 전지의 원리, 고체의 전기전도, 반도체의 표면현상, ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)의 원리 등.
2-1 전지의 원리
-. 검출원리는 전지를 구성하여 기준 전극과의 전위차 변화를 측정함으로써 화학물질(피검물질)을 판정하는 것.
(1) 단극전위(single-electrode potential)
-. 단체(금속)를 그 단체를 함유하는 용액에 담그면(이것을 단전극이라 함), 그 단체 표면과 용액과의 접촉계면에 전위차(단극전위)가 발생함.
(2) 전지(cell)
-. 2개의 단극용액 전기화학적으로 접하게 한 장치
. Daniel전지, Volta전지 (그림 2-13 전지의 구조)
. 농담전지(concentration cell): 같은 종류의 단전극을 접속한 경우, 용액의 농도가 다를 때에는 농도가 짙은 쪽으로부터 묽은쪽으로 전류가 흐름.
(3) 이온 선택성 전극(ion selective electrode)
-. 특정 이온에 감응하여 기준 전극과의 사이에 이온농도에 따른 전위차를 일으키는 전극.
-. 전극의 종류는 H+, Na+, K+, Ca2+등의 ISE가 개발되어 있음.
2-2 고체의 전기전도
-. 가스나 수분 흡착(adsorption)에 기인한 도전율 변화를 이용
-. 사용되는 재료로서는 원소를 비롯한산화물 반도체가 주류
-. 도전기구는 검지대상물질의 흡착에 기인하는 고체 표면현상을 이용하는 것으로 반도체의 도전기구에 기초하고 있음.
2-3 반도체의 표면현상
-. Schottky다이오드의 전류-전압 특성이 반도체 표면에 화학종의 부착에 의하여 표면전위가 변한다. 이런 변화를 이용하여 여러 가지 화학센서를 만듬.
-. 금속과 반도체의 접합을 Schottky접합.
-. 반도체 표면에 공간전하층이 생기는데 이것이 포텐셜 장벽(에너지 장벽)을 Schottky장벽.
2-4 ISFET의 원리
-. FET형 이온센서 즉, ISFET(lon Sensitive Field Effect Transistor)나 FET형 바이오 센서등 FET의 원리를 이용한 센서는 소형, 경량, 전압 측정형, IC제조공정으로 정교하게 또 좋은 규격성을 갖고 제조되며, 신속한 응답특성, 유리한 지능화 특성 등 장점을 가짐.
-. H+, Na+, K+, Ca2+등 감지용의 ISFET와 포도당, 요소, 지질, 페니실린, 자당 등 감지용의 FET형 바이오 센서에 관한 연구 결과가 다수 보고되고 있음.
-. pH-ISFET(H+감지)의 경우 칩의 크기가 폭0.4mm 길이1.0mm 로 아주 정교하고 pH감응속도도 0.3초 이내로 빠르다.
(그림 2-18 pH-ISFET)
3. 생물현상을 이용한 변환기능
3-1 바이오센서의 구성과 원리
-. 바이오센서(biosensor)는 원리적으로 화학센서.
-. 기능적으로 측정 대상인 생체물질에 대한 선택기능(식별기능 또는 receptor 기능이라고도 함)과 전기적 신호로 변환하는 변환기능(transducer기능이라고도 함)으로 구성됨.
(그림 2-20 바이오센서의 구성과 원리)
-. 선택 기능부: 생체내에서 친화성을 가진 물질의 한쪽을 고정화하여 그 상대를 식별할수 있게 한 생물기능성막.
(생물물질에 따라서 효소센서, 면역센서, 미생물센서, 세포소기관(organelle)센서, 생물조직센서 등으로 분류.)
-. 변환기능부: 화학관련 현상을 이용한 기능을 갖는 전기화학 디바이스 즉, 트랜스듀서.
3-2 분자식별 기능 물질
-. 각종 분자식별 기능 물질을 써서 여러 가지 바이오센서를 구성.
( 표 2-2 바이오 센서의 구성 예)
3-3 생체관련 물질의 고정화법
-. 효소, 생물조직, 미생물, 항체 등 생체관련 물질을 고정화하는 방법.
[생체관련 물질의 고정화법]
(1) 공유결합법: 생체물질을 공유결합시켜 막을 형성하는 법
(2) 가교화법 : 생체물질을 서로 가교화시켜 막을 형성하는 법
(3) 포괄법 : 생체물질을 막중에 포괄시키는 방법
(4) 흡착법 : 생체물질을 막상에 흡착 고정화하는 방법
(그림 2-21생체관련 물질의 고정화법)
3-4 바이오센서의 변환기능
-. Biosensor의 變換機能 - 直接變換 : 生電變換
間接變換 : 生化電變換, 生熱電變換, 生光電變換
(1) 직접 변환(생전변환)
-. 생물 기능성막이 분자 식별할 때 복합체를 형성하는 경우 직접적으로 전기신호로 변환된다.
(2) 화학변화를 전기신호로 변환(생화전변화)
-. 효소의 분자식별 반응에 있어서 특정 물질이 증감하게 되는데 이 물질의 증감을 전기신호로 변환한다.
(이 기능을 구현하는 것: 수소이온전극, 이온선택성전극, Clark형 산소 전극, 과산화수소 전극 등)
(3) 열변화를 전기신호로 변환(생열전변환)
-. 생물 기능성막이 분자를 식별할때에 열변화를 수반하는 경우, 열을 전기신호로 변환한다.
(예로서 생물 기능성막과 서미스터로 구성)
(4) 광변화를 전기신호로 변환(생광전변환)
-. 생물 기능성막이 분자를 식별할 때 발광을 수반하게 되는 경우, 발광량을 전기신호로 변환한다.
둁. 다이어프램(diaphragm): 얇은 원판 측면의 압력차 변위로부터 압 력을 측정하는 압력 센서
둁. 벨자(bell jar): 주름상자가 신축하여 압력 측정
둁. 압력 센서 재료→ 인청동, 베릴륨(Be)청동, 스테인리스
(2) 전기식 압력 센서
둁. 두 전극간의 정전용량의 변화를 변환하여 압력을 전기적으로 검출
검출방식에는
. 다이어프램을 직접 이용하는 경우(그림 4-4)
. 벨자를 이용한 경우(그림 4-5)
(3) 반도체식 압력센서
둁. 실리콘 다이어프램에 발생하는 응력을 전기신호로 변환
둁. 실리콘 다이어프램은
. 금속형에 비해 열화가 없으므로 안전성이 높다.
. 인장강도가 크고, 완전탄성체로서 히스테리시스(hysteresis)가 없 어 소재로서는 이상적이다.
. 압저항식(그림 4-7)
. 정전용량식(그림 4-11)
다이어프램에 발생하는 응력에 대한 압저항소자의 저항변화율 식
(4-1)
Vo= DELTAR OVER R TIMES Vg
⊙ 브릿지의 구동방법
ⅰ정전압방식→ . 압력에 대한 감도가 부의 온도계수를 갖게 된다.
. 반도체 압력센서의 신호를 증폭하는 증폭률이 정의 온도계수를 가지게 되고 감도의 온도보상을 행한다.
ⅱ정전류방식→. 압저항소자의 저항치 자체에 정의 온도의존성이 있 기 때문에 압저항효과의 부의 온도특성과 잘 매칭 (matching)되는 것으로 감도의 온도보상이 된다.
1-2 변위 센서
물체가 이용하는 거리 혹은 그 위치를 아는 것
(1) 직선 변위 센서
ⅰ직선형 전위차계
저항체의 저항치는 권선저항,카본(carbon)가루의 도포,도전 플라스틱 등으로 될 수 있는 수백Ω에서 수백 kΩ의 것이 이용되고 있고, 변 위의 측정범위는 수 mm에서 수백mm이다.
ⅱ 광도전형 변위 센서
광슬릿의 이동에 의해 한쪽 방향의 광도전 셀의 저항치가 증가하고, 다른 방향의 저항치는 감소하게 되어 브리지 회로를 이용한 변위를 전압으로 변환한다.
광범위에 걸친 직선성의 것과 같은 변위측정이 가능하고, 한편, 전극 간 거리의 변화는 뛰어난 고감도의 변위측정이 가능하다.
ⅲ 자기저항 변위센서
수감부와 이동물체에 근접해 있는 자석과의 상대적인 위치에 의하여 변위가 검출
ⅳHall자기 변위센서
Hall 전압이 발생하여 그 출력 전압으로부터 변위가 검출
ⅴ차동 변압기
출력전압에 의해 변위량을 검출
변위의 측정범위는 다른 변위 센서에 비헤 넓고, 수 m에서 수십cm 이다. 또 고감도이고 직선성이 좋으며, 응답성도 높은 특징을 갖고 있다.
(2) 회전 변위 센서
1-3 스트레인 게이지(센서)
"스트레인", 즉 물체에 외력이 작용하여 물체의 변형이 일어나는 효과를 이용하여 재료의 응력,스트레인을 측정하는 센서
(1) 금속 스트레인 게이지
금속저항선은 외력에 의해 신축,즉 그 단면적과 길이가 변화함으로 써 전기저항이 변하게 된다. 이 효과를 이용한 것
⊙ 장. 단점
ⅰ) 내식성 다이어프램을 사용하여 부식성 유체를 측정 대상으로 할 수 있다.
ⅱ) 접착제의 경년변화, 화학적 변질로 재현성 등의 기본적 성능이 변화하다.
ⅲ) 숙련을 요구하는 접착 등의 손작업이 필요하므로 가격이 높아 진다.
(2) 반도체 스트레인 게이지
반도체 재료인 실리콘이 이용된다.
압력 센서,로드 셀 등을 제작한다.
ⅰ) 게이지와 스트레인부가 동일하므로 온도환경이 같다.
ⅱ) 수mm이하의 소형으로 만들 수 있어 경량이고 진동충격에 강하 다.
ⅲ) 장기 안정성이 좋고,수명이 길다.
ⅳ) 실리콘의 경우 온도특성 한계가 125℃정도이고, 그 이상의 온도 에서는 드리프트나 누설전류 가 발생하게 된다.
1-4 유속 센서
유체의 성질을 이용하여 유속 압력. 힘. 위치. 열. 주파수 등의 용이 한 물리량으로 변환하는 방식
(1) 피토관 센서
(2) 초음파 유속 센서
(3) 열식 유속 센서
1-5 가속도 센서
가속도,진동,충격 등의 동적 힘을 감지
물체의 운동상태를 순시적으로 감지할 수 있으므로, 자동차,기차,선 박,비행기 등 각종 수송수단,공장자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 있어서 필수적인 소자
(1) 관성식
ⅰ) 진자형
ⅱ) 진동형
(2) 자이로식
ⅰ) 진동형
ⅱ) 유체형
ⅲ) 레이저 자이로형: 광섬유를 응용한 것 매우 고정도의 각속도의 검출이 가능
ⅳ) 회전형
(3) 반도체식
첨단의 집적회로 기술로 집적되어서 정교하고. 신뢰성이 높고, 소형, 경량이며, 규격화, 양산화가 쉽고, 저가격인 장점이 있다.
ⅰ) 압저항형 실리콘센서
ⅱ) 용량형 실리콘 센서
제4장 센서
4-1. 역학센서
4-1-1 압력 센서
둁 압력 「단위 면적당에 작용하는 면과 법선 방향의 힘」 이라 정의 된다.
둁 고체내에서는 압력에 따른 유동이 없으므로 힘의 방향성이 보존된 다. 즉, 압력은 방향성을 지니고 있어, 한 점에서의 압력도 방향에 따라 크게 다르다.
둁 유체(기체. 액체)는, 힘의 치우침에 따라 자유로형을 바꾸어 유동하 므로, 압력은 방향성이 없고 어떤 점에서 어느 방향의 면에 대해서 도 같은 크기의 압력이 작용한다.
둁 압력의 측정으로부터 힘이나 무게등을 유추할 수 있으므로 산업계 의 많은 분야에 사용되고 있다.
둁 특히 최근에는, 산업용 기기 뿐만 아니라 일반 민생용 기기에 이르 기까지, 압력계측기를 설치하여, 고성능. 고능률화를 꾀하기에 이르 렀다. 가까운 예로서 자동차 엔진의 흡기. 배기계의 압력센서 설 치 등이 그 좋은 예이다.
둁 이것은 마이크로칩. 프로세서로서 대표되는 경박 단소하고 또한 고 부가가치화의 소형. 고성능. 저코스트 압력 센서의 출현에 의해 가능케 된 것이다.
둁 센서의 출력에는 일반적으로 전압. 전류. 진동수등의 전기적 신호가 쓰인다. 하나의 변환요소를 쓰는 경우도 있으나 보통 복수의 변환 요소를 조합한 센서 사용.
(표4-2는 1차변환에서 압력을 변위로 바꾸고 2차변환에서 변위를 전기량으로 바꾼 압력센서의 분류를 나타낸다.)
둁 감압요소로는 기계적 변환중에서 가장 간단한 다이어프램의 종류가 많고 제품으로 되어 있는 것도 많다.
둁캡슐이나 벨로즈 및 파상 다이어프램은 감압 요소로서 뿐만 아니라 승압 요소로도 쓰이며, 압력-압력 변환이나 압력-힘 변환의 기능을 갖는다.
. 압력-압력 변환은, 단순히 압력 매체를 바꾸기 위해 쓰이며, 측정 대상 매체를 직접 감압부에 도입하는 것이 부적당한 경우에 유효 하다.
. 압력-힘 변환은 역평형식 압력 센서에 쓰인다.
( 그림 4-1에 기계적 변환 요소의 형상 )
1. Strain gauge
둁 1856년 Load Kelvin에 의해 그 원리가 발견
둁 "금속체에 외력을 가하면 변형한다"는 당연한 사실에서 그속체를 잡아당기면 늘어남과 동시에 가늘어져서 전기저항이 증가하며, 또 반 대로 압축하면 줄어들고 전기저항은 감소한다는 원리이다.
둁 스트레인 게이지는 가해진 변형(치수의 변화)에 의해 전기저항값이 변화 한다는 원리를 이용하여 금속저항선 게이지가 먼저 개발되었고, 이어서 박형게이지와 반도체 게이지가 개발되었다. 이것을 기계적 변 화를 직접 전기량으로 바꿀수 있기 때문에 브르돈관(Bourdon관) 이 나 포텐셔미터(Potentiometer)와 같이 습동부와 가동부를 필요로 하 지 않는다.
둁 스트레인 게이지는 처음에 단순히 응력을 측정하는 수단으로 사용 되었으나 최근에는 재료 구조물의 응력, 힘, 변형, 압력, 변위 등 외 력에 의한 변화를 측정할 뿐만 아니라 점점 그 용도가 넓어지고 있 다.
둁 물체에 여러 가지 물리현상의 변형을 변환해서 측정하는 이른바
물리현상 - 변형 - 전기신호의 변환기로서 하중, 장력, 압력 등의 전 기적 변환기(일반적으로 트랜스튜서라고 부른다)가 출력한 후에 연 구, 시험단계를 거쳐 공압 프로세스에서 관리계기나 자동제어 기기에 응용되고 있다.
스트레인 게이지는 저향값의 변화를 이용한 것인데 다음식은 물체가 갖고 있는 저항값을 나타낸다
R= l OVER A rho
R : 전기저항 (Ω)
l : 저항체의 길이(cm)
A : 저항체의 단면적(cm2)
ρ : 비저항 (Ω. cm)
둁 스트레인 게이지는 기본적으로는 저항체이며, 이것을 구조물 또는 전용 변형 발생체에 고정함으로써 피고정물이 받고 있는 응력, 압력, 힘, 변위 등의 피측정량을 게이지의 전기저항 변화로 변환하는 것을 목적으로 하는 소자이다.
둁 스트레인 게이지의 저항변화율은 소자가 받는 변형에 비례하며 다 음과 같이 표현된다.
DELTA R OVER R = K CDOT epsilon
K : 게이지율(게이지고유의 변형 감도)
둁 단, ε는 소자가 받는 변형으로, 외력에 의한 길이의 변화를 Δ1이 라 하면 ε는 다음 식으로 표현되는 무차원량이 된다.
epsilon = DELTAl over l
둁 K는 게이지의 재질에 따라 정해지는데, 금속의 경우는 2에 가까운 수치를 갖고 있다.
변형에 의해 저항이 변화하는 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다.
둁 즉, 길이 1이 변형으로 증가할 때 동시에 가로효과에 의해 단면적의 감소가 발생한다. 이결과 K가 2에 가까운 값이 되는 것으로 생각된 다. 게이지에 줄 수 있는 변형의 크기 한도는 게이지의 종류에 따라 다르지만 대략으로 3,000 ×10-6 정도이며, 이때의 저항변화율은 약 0.6%가 된다.
둁 금속 이외의 스트레인 게이지의 재료로서는 실리콘, 게르마늄 등의 반도체가 있으며, 스트레인 게이지 압력 센서로 판매되고 있다.
둁 반도체 게이지의 경우, 저항변화는 주로 p가 변화함으로써 생기고 게이지율은 금속의 수십 배가 된다.
둁 스트레인 게이지에는 여러 가지 분류법이 있는데 재질적으로는 금 속과 반도체, 구성적으로는 박형, 선, 벌크, 확산소자 등으로 구분된 다.
둁 그림 4-2 금속 스트레인 게이지로 가장 일반적으로 사용되고 있는 금속박 스트레인 게이지의 구조 예를 나타낸다.
둁 이 게이지는 폴리미드 등의 전기절연 재료의 박판 베이스상에 두께 3-10μm 정도의 금속박을 접착하고 포토 에칭에 의해 소요의 형상 과 저항값이 되도록 패턴을 형성하고 다시 그 위를 보호막으로 덮었 다.
둁 이런 형태의 게이지는 주로 구조물에 부착하여 사용 게이지는 일반 적으로 게이지 자체만으로 사용하는 일은 없고 4장(풀 브리지)또는 2 장 푸시풀 동작을 하도록 부착 개소를 선정한다. 게이지의 저항값은 120Ω이 보통인데, 350Ω이나 500Ω 등도 시판되고 있다.
[표 4-3 ] 스트레인 게이지의 종류
저항체에 의한 분류-----+-- 저항선 게이지(저항선)
+-- 저항박형 게이지(5∼10μ의 금속박)
+-- 반도체 게이지(피에조 저항소자)
+-- 증착 게이지(금속 또는 반도체)
+-- 페이퍼 게이지
+-- 베크라이트 게이지
기본 재료에 의한 분류--+-- 에폭시 게이지
+-- 폴리에스테르 게이지
+-- 폴리이미드 게이지
+-- 단축 게이지
형상에 의한 분류------+-- 다축 게이지
+-- 특수 패턴 게이지
+-사용온도에 의함-+ 저온(-269℃∼상온)
| +-- 상온(-30℃∼150℃)
| +-- 고온(150℃ 이상)
용도에 의한 분류 -+
+-측정변형의 상태에의함+- 대 변형 게이지
| +- 應力 집중 게이지
| +- 매설형 게이지
| +- 다이어프램 게이지
|
+-사용 환경에 의함+-- 抗磁性 게이지
+-- 防水 게이지
+-- 무유도 게이지
둁 스트레인 게이지에 저항재료로는 일반적으로 구리와 니켈 합금이 많이 이용된다.
둁 저항체로서는 線材뿐만 아니라 두께 5-10μm의 금속저항박에 유리 페이퍼 등의 수지를 함침한 것, 또는 수지만을 접착한 것이 있다. 여기에 포토 에칭법을 이용하여 게이지 패턴을 형성한다. 포토 에칭법에 의한 것은 복잡한 패턴이 좋은 정밀도로 균일하게 대량 생산이 가능하므로 현재는 이런 형태의 스트레인 게이지가 주류를 이루고 있다.
각종 박형 스트레인 게이지의 형상(그림 4-3)
둁 반도체 스트레인 게이지
. 반도체 스트레인 게이지는 피에조 효과를 이용하는데, 금속 스트레 인 게이지의 게이지율이 약 2인 것에 대해
. 반도체 스트레인 게이지의 게이지율은 100∼200으로 그 값이 아 주 크다.
. 반도체 스트레인 게이지의 구조는
길이가 긴 방향의 양단에 리드가 붙어 있으며, 저항값은 120 -1,000(Ω), 게이지율은 100-250인 것이 시판되고 있다.
(그림4-5)
. 게이지율이 높기 때문에 금속 스트레인 게이지보다 출력이 크고 증 폭이 용이하지만 온도에 의한 저항이나 게이지율의 변화도 크기 때문에 사용할 때는 주의가 필요하다.
. 온도특성, 내과부하성에 주의하지 않으면 안 된다.
. 압력센서에 내장되어 공급되는 특수한 푸쉬풀 게이지가 있는데 이 는 3개소의 면적이 큰 전극부와 2개소의 미소한 게이지부(R1과 R２)로 구성되어 있다 전체 길이는 4mm이며 전극부는 편평형상, 게이지부는 직경 20μm, 길이 0.3mm의 가는 선 형상이다.
사용할 때는 전극부의 이면이 기왜체에 붙어 있으며, 압력이나 힘 센서로 동작한다. 이 게이지는 게이지부(비접착)의 단면적에 비해 전극부 이면의 부착 면적이 크기 때문에 동작시에 접착층의 응력 이 적고 재현성이 좋은 데이터를 얻을 수 있다.
(그림 4-6은 푸쉬풀게이지의 외형)
2. 중량 센서(로드 셀)
둁 스트레인 게이지를 이용한 센서
일반 특징
. 중량을 전기신호로 변환해서 높은 정밀도(1/1000 -1/5000)의 측 정이 가능하며, 동적으로 측정할 수 있다
. 수 ｇ에서부터 수백 ton의 것까지 제작 가능하다.
. 구조가 간단하고 가동부가 없어 수명이 반영구적이다.
. 검출방식이 전기식이므로 임의의 장소에 하중신호를 전송할 수 있으며 아날로그 표시, 디지털 표시, 제어 등을 자유로이 할 수 있다.
(그림 4-7 로드셀의 구조)
둁 로드셀은 수감부(탄성체)에 스트레인 게이지를 부착하고 비례한계 내의 압축 또는 인장하중을 가하면 스트레인 게이지의 저항값은 가 한 중량에 비례한 변화를 한다.
저항값의 변화를 중량값과 비례 관계를 유지시켜 브리지 회로를 이용하여 전압값의 변화로 꺼내서 중량값을 구할 수 있도록 한 것 이다.
로드셀은 보통 완전히 밀폐된 구조로 되어 있어 내부의 스트레인 게 이지가 습도의 영향을 받지 않도록 되어 있다 그러나 최근에는 여러 형태의 방습 방법이 취해져 완전한 밀폐 구조가 아닌 것도 있다.
둁 로드 셀에 사용되는 스트레인 게이지 회로는 브리지 회로를 기본으 로 하고 있으며, 4부분 모두 스트레인 게이지로 구성되어 4부분 모두 힘을 받도록 부착되어 있다. 브리지 회로에는 온도에 의한 제로점, 감도의 변동이 일정값 이내가 되도록 스트레인 게이지 외부에 보 상저항을 넣는다,
(그림 4-8 대표적인 로드셀의 보상회로)
로드 셀의 출력은 일반적으로 브리지 회로에 가하는 전압 1V당의 출 력전압(mV/V)으로 표시한다
전압출력eo/ei = 1over4 CDOT K CDOT epsilon
ei : 브리지에 가하는 전압
ε : 브리지가 받은 등가변형
K : 사용한 스트레인 게이지의 게이지율
. 수감부에 부착한 스트레인 게이지가 받는 변형값(4부분을 부착, 4부 분이 모두 힘을 받는 경우는 그 전체 변형값의 합계)으로 표현한 것 으로 그 환산은 앞의 식에 계산한다.
. 예를 들면 3mV/V의 표현을 변형값으로 환산할 경우 K=2.0으로 하며 (대부분 변형 게이지의 게이지율이 2.0부근에 있으므로 일반적으로 2.0으로 환산한다),
3mV/V=6000 10-6strain이 되며 반대로 2000μ strain=1mV/V가 된 다.
3. 디지털 압력계
둁 복합음차진동자 센서를 내장한 디지털압력계 : 공기압 기기, 공기식 공업계기의 시험, 터빈, 송풍기, 펌프 등의 압력측정에 사용
둁 복합 음차진동자 : 양단을 고정시킨 弦을 진동시켜 여기에 장력을 가해 보면 진동수가 변화하는 것 이용
(그림 4-9 2개의 음차를 결합시킨 복합 음차진동자)
둁 축방향으로 힘이 가해지면 고유 진동수가 변화한다. 이때의 주파수 는 다음 식으로 구해진다.
f=fo SQRT {1+KF}
f : 복합 음차진동자의 진동수
fo : 힘을 가하지 않았을 때의 진동수
F : 외부에서 가하는 힘
K : 상수(진동자의 기계적 치수나 재질로 정해진다.)
둁 복합 음차진동자는 2개의 빔이 대칭으로 진동하므로 지지부에는 진동에 의한 힘이 작용하지 않는다.
☆ 특징.
.구조형 센서이기 때문에 기계가공 정밀도에 따라 진동수가 좌우된다.
. 미소한 압력 변화에 대하여 큰 주파수 변화를 얻을수 있다.
. 기계적인 진동이기 때문에 외부의 전기적 유도잡음 영향을 받지 않 는다.
(그림 4-10 압력 센서)
다이어프램의 상부에 압력이 가해지면 진동자에 압축력이 가해진다. 다이어프램 아래의 공간을 대기에 개방하고 있기 때문에 대기압을 기준으로한 게이지압을 측정할 수 있다. 만일 이공간을 진공으로 한다면 절대압을 측정할 수 있다
다이어프램의 직경을 크게하면 낮은 압력을 측정할 수 있고 직경을 작게하면 높은 압력을 측정 할수 있다.
(그림 4-11 다이어프램의 형상과 측정압력 범위)
4. 확산형 반도체 압력센서
확산형 반도체 압력 센서는 수압 다이어프램 자체도 반도체로 형성하고 그 표면에 소자를 일체화하여 형성한 것
☆ 특징
. 감도가 높고 소형이며 가격이 저렴하다.
. 성능적으로 안정되어 있음.
. 내환경성이나 측정 레인지 등이 현재의 요구를 모두 충족시킬 수 없 는 실정이다.
(그림 4-12 확산형 반도체 압력 센서의 단면도)
확산소자는 사각형 다이어프램의 중앙부와 주변 가까운부분에 각각 한 쌍씩 배치되어 있다.
소자는 가압측에 있으므로 중앙이 압축측이 된다.
A는 배기구멍으로 바깥 공기와 통한다.
(그림4-13 확산형 반도체 압력 센서의 내부회로)
6. 압전식 압력분포 센서
둁 시간적으로 변동하는 압전분포의 상태를 측정하는 압전식 동적 압 력분포 센서 시스템은 센서부, 컨트롤부 및 처리부로 구성.
둁 컨트롤부에서는 이들 검출소자에 가해진 입력의 변화분 ⁘F를 데이 터 처리부에서 누적하여 압력분포의 시간변동을 얻는다.
둁 실용화에 있어서 풀어야 할 과제
. 압전 세라믹의 표면 및 측정 회로에서 전하의 누설이 발생하여 이 것이 측정 오차가 된다.
. 압전 세라믹스의 절연저항을 높이기 위하여 두께가 굵고 용량이 작아져 무제한으로 전하를 축적할 수 없다.
ⅱ) 반도체 시편에 인가한 본래의 전류방향과 자장방향에 대하여 수 직방향으로 전장이 생성되는 현상
⊙ Lorentz 힘: 운동하는 전자에 자장을 가하면 플레밍(Flemming)의 왼손 법칙에 의해 전자전류와 자장에 직교하는 방향 으로 힘을 생기게함
F = qE+qυ×B[N]
q:전자의 전하량[C]
E:외부전장[V/m]
υ:전자의 속도[m/s]
B:자속밀도[T]
- 전자는 Coulomb 힘과Lorentz 힘의 합성력을 받아 원운동을 함. - 만일 전하가 전자인 경우에는 음(-)의 부호가 붙는다.
(2) 자기저항효과(magnetoresistive effect)
전류가 흐르고 있는 고체 소자에 자장을 가하면 저항이 증가하는 현상.
(자기저항의 원리 그림 4-43)
(a) 자장이 가해지지 않은 경우: 캐리어는 금속선에 수직으로 움직임.
(b) 캐리어는 지그재그형으로 움직여 저항의 변화를 자기저항.
자기저항을 출력으로 하면 인가된 자장을 알 수 있다.
< Hall 소자 >
● 자기 센서 -. 전자유도 작용(주로 교번 자계의 측정)
-. 전류 자기 효과(정자장 및 교번 자계의 측정)
둁. 전자 유도 작용 : 자기 헤드, 자기 포화 소자, 서치 코일
둁. 전류 자기 효과 : 홀소자, 자기 저항 소자,
pn 접합을 이용한 자기 다이오드
●● 홀소자(Hall element)의 전류 자기 효과
● 똑같은 전계에 대해 고체 중의 전자에 작용하는 힘
f = qE[N]
f : 고체 중의 전자에 작용하는 힘
q : 전자의 전하
E : 똑같은 전계의 강도[V/m]
● 자계에 의해 전자에 작용하는 f (Lorentz 힘)는
f = qv ⁓ B
q : 전자의 전하
v : 전자의 속도
B : 자속의 밀도
● 전계에 의한 작용과 자계에 의한 작용을 정리해보면 물체 중의 전자에 작용하는 힘 F는
F = qE + qv × B
--- --------
qE : 1항(전계)
qv × B : 2항(자계)
◆제2항은 자계에 의해 생기는 힘(로렌츠 힘)이며 이힘에 대항하기 위 해 홀 기전력이 발생하는 것이다.
그림 3-1 전류와 자기 작용에 대한 설명도
( 전자가 외부에서 가해진 자속 밀도(B)에 의해
b의 방향으로 힘을 받고 있다.)
◎전류 자기 효과 소자 = 자전 변환 소자 . 홀소자, 홀 lC
(Galvanomagnetic effect element) . 자기 저항 효과 소자(MR 소자 또는 MRE 소자),
. 자기 다이오드(자기 트랜 지스터)
●● 홀소자의 특성
- 정자장의 검출,
- 자계의 강약
- 자극의 판별 능력이 뛰어나다.
그림 3-2 홀소자의 동작 원리도
● 홀 전압 VH
V _ H{} [V]{}={} K_H OVER d CDOT I_H CDOT B cos theta {}+{}K_e{} CDOT I_H
9
------------------ ---------
제1항 제2항
제 1항 : 신호 전압,
제 2항 : 불평형 전압(잔류 전압)
IH : 홀 전류
B : 자속 밀도
VH : 기전력(홀전압)
KH : 홀계수
d : 소자의 두께
θ : 홀소자면에 입사하는 자속의 기울기
Ke : 불평형 계수
- 제 2항의 불평형 전압(자계가 0일 때 생기는 전압)은 아주 작기 때문에 일반적으로는 이것을 무시한다.
따라서 홀 전압 VH는 다음과 같이 간략화된다.
V _ H{} [V]{}={} K_H OVER d CDOT I_H CDOT B cos theta
10
- KH/d는 소자에 의해 정해지는 일종의 계수로 볼 수 있다.
따라서 이것을 Ks = (KH/d)로 놓으면 식은 다음과 같이 간략화 된다.
V _ H{} [V]{}={} K_S CDOT I_H CDOT B cos theta
11
- VH는 사용 소자가 정해지면,
홀전류 IH와 외부 자속 B에 비례한다.
- Ks가 작은 홀소자를 이용한 경우 필요한 VH를 확보하기 위해서는 홀전류 IH또는 자속밀도 B를 크게 해야한다.
- IH를 너무 크게 하면 식①에 나타낸 제 2항이 커지기 때문 에 주의가 필요하다.
또 줄열에 의한(자기 발열) 트러블도 생기므로 그에 합당 한 배려가 필요하다.
●● 홀소자의 출력 특성
- 홀소자의 전압 VH는 홀전류 IH와 자속 밀도 B에 비례한 다.
- 전류 IH가 일정한 경우 그 출력 전압 VH는 자속 밀도 B에 비례한다는 것이다.
- 즉, 이것은 자속 변화에 대해 직선적인 출력 특성이 있다 는 것이다.
(그림 3-3 홀소자의 B-VH특성)
- A 특성은 넓은 범위에 걸쳐 직선적인 출력 특성 : 자속계 의 센서, 계측용에 쓰임.
- B 특성은 저자장에서 출력 감도가 높다 : 일반적으로 브 러시리스의 자극 센서로 쓰임.
- 마이너스 표시는 N극 측에 대해 S극 측을 의미한다.
따라서 S극측을 플러스로 하면 N극 측이 마이너스가 되는 것이다.
●● 홀소자의 적감도
- 홀소자의 감도를 비교하는 경우 일반적으로는 적감도라 는 단어 사용
- 積感度 의 단위 : [mV/mA/KG]
- 1KG[킬로가우스] = 0.1T[테슬라]의 자속 밀도에 대해 1mA의 홀전류를 흘렸을 때 발생하는 홀전압을 나타냄
- 적감도가 높은 소자는 출력이 크다는 것이다.
- 저자장에서 큰 홀출력을 얻으려면 홀전류를 크게 할 필요 가 있다.
- 큰 홀전압이 필요한 경우는 적감도가 높고 또한 내부 저 항이 낮은 소자를 선택하는 것이 포인트가 된다.
- 홀전압은 OP앰프 등으로 증폭할 수도 있으므로 양질의 소자 선택은 단순히 적감도뿐만 아니라 SN비, 온도 특성 등의 제특성도 중요하다.
◎ 홀계수가 클수록 소자의 積感度가 높다.
●● 홀소자의 온도 특성
- 온도 특성은 사용 소재에 따라서도 각각 달라진다
.. 정전류 구동법 : . 전류 IH를 일정하게 유지하는 구동법
. 큰 온도 의존성이 있어 온도 특성이 나쁘다.
.. 정전압 구동법 : . 소자의 입력 단자 간에 일정한 전압 을 부여하는 구동법
. 온도 특성이 뛰어나 온도 특성을
문제로 하는 회로에 적합함.
◎ 홀소자에는 정전류 구동법과 정전압 구동법이 있다.
정전류 구동회로와 온도특성
정전압 구동회로와 온도특성
2-6 SQUID(초전도 양자 간섭소자)
- 고감도 자기 센서로서 최고의 분해능을 갖고 있는 것
- 분해능은 10-14 T정도로서 머지 않아 이론한계로 되어 있는 10-15T가 될 것이다
- 이센서에 의해 지자기의 10억분의 1의 미약한 자계나 뇌파를 모두 관측할 수 있다.
- SQUID는 주석 (Sn), 납(Pb),나오브(Nb)등이 액체 Helium온도(4.2k) 에서 전기저항이 보이는 재료로서 형성한 조셉슨 접합을 이용
2-7 자기 센서의 응용
-. 지구는 큰 자석이고 지구내부에 있는 응융상태의 핵이 만드는 자장 의 영향을 지표에서 약 400-500km의 고도에 있는 인공위성에서도 똑같이 감지한다.
-. 남북 방향의 지자기 성분은 약 50μT정도.
-. 도시에서 교류의 자기 잡음은 대형전동기 등에서 생기는 자기의 영 향이 크고, 그 크기는 0.1μT정도.
-. 생체에서는 지자기의 수 백억분의 일인 10fT의 미약한 자기가 뇌 등에서 생기는데, 이러한 생체 자기 계측에는 초전도 양자 간섭소자 (SQULD)가 사용된다.
-. 지각표면에 분포하고 있는 광물자원의 탐사에는 지자기의 수만분의 일인 5nT의 자기 계측이 필요
-. 자원 탐사에는 핵자기 공명 자속계 등이 이용
-. 자기 센서는 가전제품, 공업용 기기, 자동차 등에 많이 이용됨.
3. 광 센서
3-1 개 요
-. 빛을 검출하여 전기적 신호로 바꾸는 센서
광 센서란 포괄적으로 보면 이미지센서, 적외선센서, 광검출 소자등.
-. 빛의 파장에 따른 흡수의 정도 등의 특성
반도체 재료의 금지대의 폭, 즉 에너지 갭 Eg에 깊이 의존한다.
에너지갭보다 큰 에너지대의 빛이 조사되면 그 빛은 반도체 물질내에 흡수되어 물성변화를 일으키게 되지만 에너지갭보다 작은 에너지의 빛은 흡수되지 못하고 투과되어 물성변화를 일으키지 못한다. 또한 너무 큰 에너지의 빛은 물질의 표면에서 흡수되어 구조에 따라 다소 다르지만 큰 물성변화를 일으키기 힘들다. 따라서 광센서는 물질의 에너지갭이나 구조에 따라 검출할 수 있는 빛의 파장대가 한정되어 있다. 한편 빛의 에너지를 E, 그 파장을 λ라 하면 다음의 관계가 성립한다.
E가 Eg보다 크면 그 빛은 흡수되고 작으면 투과된다. 표 4-4에 자외선 - 근적외선 범위대의 에너지갭을 가지는 절연체와 반도체 물질의 에너지갭과 그 킥계 검출파장을 나타내었다.
광센서는 반도체 기술의 발달에 힘입어 크게 발전하고 있으며, 특히 광신호처리 등 전자적소자와 광소자 결합 기술의 발달은 자연적인 광센서 발전을 가져왔다. 현재 많은 종류의 센서들이 저가격으로 상품화되어 있으며, 신호처리 회로를 함께 집적한 고성능의 센서들이 개발되어 새로운 응용분야를 확대해 나가고 있다.
3-2 광전자 방출형 센서
(1) 원리
금속에 빛을 비출 때 빛의 진동수가 어떤 한계값υo 보다 커지면 금속으로부터 전자가 방출된다. 이 방출된 전자를 광전자(photoelectron)라 하고 이 현상을 광전자 방출효과(photoemissive effect)라 한다. 금속 표면으로부터 광전자를 방출시키기 위한 최소 에너지를 그 금속의 일함수(Φ)라 한다. 따라서 입사광이 다음을 만족해야 광전자 방출이 이루어진다.
위에서 광전자 방출이 이루어지는 입사광의 최저 진동수는 다음과 같이 주어진다.
한편 빛의 세기가 증가하면 그만큼 광전자 방출도 많아지게 되는데, 이러한 광전자 방출효과를 이용한 센서를 광전자 방출형 센서라 하며 광전관, 광전자증배관 등이 있다.
(2) 광전관
광전관은 광전자를 방출하는 금속의 음극과 방출된 광전자를 흡수하는 양극으로 된2극관 구조를 하고 있다. 음극에는 빛이 입사하는 면에서 광전자를 방출하는 불투명형(반사형)과 입사면의 반대면에서 광전자를 방출하는 투명형이 있다. 또한 광전관은 그 구조상 빛이 옆면에서 입사하는 사이드온형과 머리부분에서 들어오는 헤드온형으로 나눌 수 있다. 그림 4-50에 광전관구조의 전형적인 예(사이드온형, 불투명형 음극)를 나타내었다. 음극은 반원통형이고 빛은 측면으로 입사된다. 양극은 중양에 가는 봉 형태로 만들어져 입사광에 거의 방해가 되지 않는다.
광전관에서는 내부를 고진공으로 한 지공형과 Ar과 같은 불활성 가스를 봉입한 가스봉입형이 있다. 그림 4-51에 이 두가지 타입의 전압, 전류 특성을 보였다.
⸁ 진공형: 광전관내를 고지공으로 한 것으로 입사광의 세기가 일정할 때 출력 전류는 어느정도 이상 전압에서 포화되어 거의 일정하게 된다. 이 포화전압은 전극의 구조,빛의 세기에 따라 다르게 되는데 50-90V 정도이지만 구조에 따라서는 3-15V로 낮은 것도 있다. 포화영역에서 빛의 강도와 출력전류는 1차 비례관계에 있으므로 인가전압을 포화영역에서 동작하도록 설정할 필요가 있다.
진공 광전관은 감도는 좋지 않으나 입사광량에 대한 출력의 직선성이 뛰어나며, 안정된 출력을 얻을 수 있다. 진공 광전관의 최대 특징은 빠른 응답특성에 있으며, 빛이 광전면에 닿고나서 광전자가 방출되는 시간은 10 -12sec정도고 짧고, 전자가 양극까지 도달하는 시간도 고진공이므로 다른 입자와 충돌이 없어 매우 작다.
② 가스 봉입형: 광전관에 수십 Torr의 Ar 등의 가스를 봉입한 것이다. 가스가 이온화 되지않을 정도의 낮은 전압에서는 지공 광전관과 그 특성은 다를 바 없다, 인가전압이 증가해 양극과 음극 사이에 전계가 커지면 방출된 광전자가 충분히 가속되어 음극인 광전면에 충돌해 이온화를 일으킨다. 이렇게 생겨난 양이온은 다시 가속되어 음극인 광전면에 충돌하여 다시 2차 전자를 발생시킨다. 이 현상이 되풀이되면서 광전류의 증폭이 이루어지는데 이중폭률은 인가전압과 입사광량에 의존하며, 통상 5-50배 정도이다. 가스봉입형 광전관은 진공 광전관에 비해 감도는 좋으나 위의 동작원리상 응답시간이 길며(수십μsec)가스 흡착 등에 의한 감도변화 등의 문제가 있다.
(3) 광전자 증배관
미약한 빛을 측정할 경우 그 신호출력도 작으므로 외부 회로에서 증폭해 사용해야 한다. 그러나 이러한 방법은 잡음, 응답속도 등의 점에서 문제가 많다. 광전자 증배관(photomultiplier)은 미약한 빛을 측정할 때 외부 증폭의 단점을 극복하기 위해 광전관 내에 2차 전자 증배기를 내장시킨 것이다. 그림 4-52에 광전자 증배관의 구조를 나타내었다.
광전자를 방출하는 광전면, 광전면으로부터 광전자를 증배부에 도입하는 집속 전극, 2차 전자방출 효과가 있고 증배 기능을 갖는 몇 단의 다이노드(dynode) 및 증배된 전자들을 모아서 외부로 끌어내는 양극으로 구성되어 있다. 광전면 양극간의 각 전극에 적당한 전압을 인가해 전자의 집속, 2차전자 가속에너지원으로 사용하고 있다.
고체 표면에 고속의 전자를 충돌시키면 고체 표면으로부터 다수의 2차 전자가 방출되는데 광전자 증배관은 이 원리를 이용한 것이다. 빛이 입사해 광전면으로부터 광전자가 방출되면이 광전자는 집속 전극에 의해 가속되고 집속되어 제 1 다이노드에 충돌한다. 제 1다이노드에서는 충돌에 의해 보다 많은 2차 전자가 방출되며, 이것은 다시 가속되어 제 2다이노드에 충돌한다. 이러한 현상의 반복으로 전자수가 증배되므로 양극에서는 상당히 큰 신호 전류를 얻을수 있다. 입사전자를 1차 전자, 충돌에 의해 방출되는 전자를 2차 전자라 하면 1차 전자 1개당 방출되는 2차 전자 수를 2차 전자 수를 2차 전자 방출비라 하며, δ로 나타낸다. 이때 δ의 값은 물질의 종류나 표면상태, 1차 전자의 에너지에 의해 달라진다. 그림 4-53은 대표적 물질의 2차 전자 방출비를 나타내었다.
각 다이노드간의 전압을 υ라 하면δ는 다음과 같다.
A와 a는 상수로서 a는 다이노드의 형태나 재질로 결정되는데 통상 0.6 -0.8 정도이다. n단의 다이노드를 갖는 광전자 증배관에서 각 단이 균등하게 전압이 인가되어 있고 총인가 전압을 V라 하며 총 증폭률 G는 다음과 같다.
일반적으로 δ는 3-6 정도이며, δ=4이고 10단의 다이노드를 사용한다면 약 G = 106의 증배율을 얻게 된다. 광전자 증배관의 분류는 입사광의 방향에 따라 사이드온형과 헤드온형, 다이노드의 종류에 따라서 서큘러 게이지형, 박스형,라인포커스형, 베네이시안브라인드형으로 나눌수 있다. 그림 4-54에 다이노드 종류를 나타내었다.
광전자 증배관의 특징으로는 고감도(이득)이므로 미약과을 검출할 수 있고 응답속도가 빠르며 저잡음을 실현할 수 있다는 것 등이 있다. 특히 특성이 수광면의 크기에 그다지 의존하지 않는데 이것은 다른 반도체형 광검출기에 대해 큰 이점이 된다. 광전자 증배관은 분석기, 의료용기기, 방사선계측기, 통신정보기기 등에 다양하게 사용된다.
3-3 광도전형 센서
(1) 원 리
빛을 어떤 물질에 조사했을 때 그 물질의 도전율이 증가하는 현상을 광도전효과(photoconduc-tive effect)라 부른다. 이것은 빛에너지를 받아 그 물질 내부에 자유 캐리어 즉, 자유전자와 정공이 발생되기 때문인데 이에 대한 에너지밴드 설명을 그림 4-55에 나타내었다,(a)는 진성 광도전 효과로 빛에너지를 받아 가전자대의 전자가 전도대로 올라가 자유전자와 자유정공이 발생된다. (b)는 외인성 광도전효과로 금지대 내에 존재하는 불순물 준위가 빛에너지를 받아 자유전자 혹은 자유정공을 발생시키게 된다.
진성 광도전효과에 대해 광도전 특성을 생각해 보면 빛을 조사하지 않을 때 반도체의 도전율 σο는 다음과 같다.
이반도체의 빛이 조사되어 전자와 정공의 농도가 Δn,Δp만큼 변화했다고 가정하면 도전율 변화 Δσ는 다음과 같이 된다.
그림 4-56에 나타낸 것과 같은 모양의 반도체를 생각해 보자. 전극간 거리를 L,전류의 수직한 단면적을 S,인가 전압을 V라 하면 빛의 조사에 의한 전류의 증가분ΔI는 다음 식으로 표시된다.
한편 전자 또는 전공이 전극간 거리 L을 통과하는 시간을 tn,tp라 하고 반도체 전체적 내에 매초 발생하는 전자 - 정공쌍의 총수를 G라 하면 다음 식으로 표현된다.
따라서 식 (4-39)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
위의 식에서 알 수 있듯이 광전류ΔI를 크게 하기 위해서는 캐리어 수명이 길고 이동도가 큰 광도전체 재료를 선택하여야 한다. 캐리어 수명을 길게 하기 위해서 임의의 불순물을 도핑하여 캐리어를 선택적으로 포획할 수도 있다. 그러나 캐리어의 수명이 길다는 것은 곧 응답속도가 늦다는 것을 의미하므로 이에 대한 고려도 병행되어야 한다. 일반적으로 광도전형 센서로는 응답속도가 빠른소자를 얻기 곤란하다. 반도체 같은 광도전체의 단파장의 광이 조사되면 광흡수 계수가 커저 캐리어 발생이 주로 표면층에만 생기게 된다. 표면은 결정의 불완전성 이물질이 흡착 등에 의해 많은 불순물 준위가 존재하여 재결합 속도가 매우 빠르므로 이를 검출하기는 곤란하다. 이 때문에 가시광 이상의 장파장광을 검출하는 광도전형 센서만이 실용되고 있다. 일반적으로 광도전 효과를 이용한 광센서는 비교적 간단한 구조를 가지며, 광도전셀이라 불린다.
(2) CdS광도전셀
광도전체 CdS,CdSe를 사용하는 센서를 보통 광도전셀이라 한다. 그림 4-57에 광도전셀 구조를 나타내었다. 세라믹기판 위에 CdS 혹은 CdSe 분말을 적당량의 CdCI2, CuCI2와 함께 도포하고 열처리하여 소결시킨다,CdCI2의 첨가는 Cd원자가 Cu로 치환되게 하여 금지대 내에 불순물 준위를 형성한다 이 불순물 준위는 주로 정공을 포획하여 자유 정공수를 줄임으로써 전자의 수명이 길어져 광도전성을 증가시키게 한다. 소결체 표면에 ln 등의 전극재료가 증착되는데 감도를 증가시키기 위해 빗모양 형상을 하게 된다. 마지막으로 목적에 따라 전체를 수지로 코팅하거나, 금속이나 플라스틱 케이스 또는 유리밸브 등에 넣어 사용하게된다.
CdS 셀 분광감도 특성를 그립 4-55(a)에 나타내었다. CdS는 520nm에서 CdSe는 720nm에서 감도의 최대값을 가진다. CdS와 CdSe를 임의의 비율로 혼합하여 제조함으로써 최대감도 파장을 520-720nm의 범위에서 바꿀 수 있다.
광도전셀에 전압 V를 가하고, 조도 L[lx]의 광을 조사했을 때 광전류는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
β는 인가전압이 수~수십V의 범위일 때 거의 1이며,γ는 조도 및 센서 종류에 따라 다르나 0.5~1의 범위를 가진다. 일반적으로 저조도에서는 큰 값을 가지며, 고조도로 갈수록 떨어져 0.5에 가깝게 된다.
조도 La, Lb [lx]
일때의 저항값을 각각 Ra, Rb[Ω]이라 하면 조도지수는 다음 식으로 주어진다.
그립 4-58(b)에 조도를 변수로 한 CdS셀의 전압 -전류 특성을 나타내었다. 조도가 일정할 때 광전류는 전압에 비례한다. CdS 셀은 고감도이고, 소형 염가이며 전력용량이 많다. 또 분광감도 특성이 인간의 눈에 가까워 카메라의 노출계, 가로등 등의 자동점멸기. 프레임아이 등에 폭넓게 사용되고 있다. CdS 셀의 결점은 응답속도가 늦다는 것과 광이력 특성이 있다는 것이다. 응답속도는 조사광의 광량, 전력조건, 주위온도 등에 따라 다르나 보통 10[lx] 광량에서 수십[m.sec]정도이다.
(3) PbS 광도전셀
광도전체로 PbS, PbSe를 사용한 것을 PbS 광도전셀이라 한다. PbS는 2.2 μm,PbSe는 3.8μm의 빛을 최대 감도를 가지며, 1-3 μm 파장 때의 광검출기로 적합하다. 소자를 냉각하면 감도의 증가 등 특성을 향상시킬 수 있다. PbS 광도전셀은 근적외선 영역에서의 실온동작이 가능한 센서로 방사온도계라든지 적외분광 광도계 등에 사용된다.
3-4 접합형 센서
(1) 원리
p형 반도체와 n형 반도체를 접합하면 p형의 정공이 n형으로 확산해 들어가고 n형의 전자가 p형으로 확산한다. 확산해 들어온 전자와 정공은 접합부근에서 만나 결합함으로써 소멸되어 버리고 접합부근 p형는(-)전하를 띤 억셉터 이온이, n형에는(+) 전하를 띤 도너 이온이 납게 된다. 접합부에는 이 전하의 존재로 인해 전계가 존재하게 되고 이 전계 때문에 더 이상의 확산현상은 일어나지 않게 된다. 이렇게 전자와 정공은 존재하지 않고 고정전하만 존재하는 p-n접합부근의 영역을 공립영역(depletion region)이라 한다. 그립 4-59에 p형과 n형, 그리고 그것을 접합시켰을 때의 에너지 밴드 그림을 나타내었다.
접합에 빛이 조사될 때의 에너지 밴드 그림을 그림 4-60(a)에 나타내었다. 빛이 조사되면 빛에너지를 받아 전자-정공쌍이 발생한다. 공핍 영역(B와C)에서 발생전 전자-정공쌍은 전계의 영향으로 바로 전자는 n형 중성영역으로, 정공은 p형 중성영역으로 쓸려간다. 한편 궁핍영역 끝으로부터 확산거리 내에 발생된 p형의 전자나 n형의 정공은 확산해서 궁핍영역 내로 들어갈 수 있는데 이들 역시 전계에 의해 바로 n형이나p형의 중성영역으로 쓸려가게 된다.
이 결과로 p형 쪽에는 정공이, n형 쪽에는 전자가 축적되게 되어 접합의 전극에는 기전력이 발생하게 되고 외부 회로에 전류를 흘릴 수 있게 된다. 이러한 빛 조사에 의한 기전력의 발생을 광기전력 효과(photovoltaic effect)라 한다.
p-n접합에 빛을 조사하지 않을 때와 조사할때의 전류 -전압 특성을 그립 4-60(b)에 나타내었다. 빛을 조사하지 않을 때의 전류-전압 특성은 다음과 같이 표시된다.
광을 조사하면 광전류 lL이 발생하게 되는데 이때 접합을 흐르는 전류는 다음과 같다.
식(4-46)과 같이 되어 전류 -전압 특성은 광을 조사하지 않을 때의 특성을 전류축에 평행하게 lL만큼 이동시킨 것이 된다. 광조사시의 전류-전압 특성에서 전류축과의 교점을 단락광 전류 lsc, 전압축과의 교점을 개방전압 Voc라 부른다. Voc는 식(4-46)에서 l=0으로 둠으로써 구할 수 있다.
그림 4-60(b)의 제4상한에서 외부로 끌어낼수 있는 전럭 P는 식(4-48)로 표시된다.
최대 전력은 dP/dV=0로 정해지는데 그때의 전류를 lm, 전압을 Vm이라 하면 최대 전력 Pm은 다음과 같이 주어진다.
FF를 곡선인자(fill factor)라 하는데 센서의 구조와 밀접한 관계가 있다. FF가 클수록 검출 효율리 커지게 되므로 바람직하다. 그립 4-61에 나타낸 것처럼 단락광 전류가 광감도에 비례하는 것에 비해 개방 전압은 식 (4-47)에서 알수 있듯이 광감도에 대수적으로 변화한다. 광 센서로서는 입력에 대해 출력이 선형적인 것이 바람직하므로 전류를 측정하는 모드로 사용하는 때가 많다. 한편 p-n접합을 이용해 광을 측정하는 경우 그림 4-60(b)의 외부인가 전압 없이 제4상한에서 동작시켜 lsc를 측정하는 방법과 외부에서 접합에 역방향 바이어스를 가해 제 3상한에서 동작시켜 그 역방향 전류를 측정하는 방법 두 가지가 있다.
(2) 포토다이오드
포토다이오드는 p-n접합의 전류-전압 특성의 광의존성을 이용한 것으로 그 원리는 앞서 설명한 바와 같다. 플레이너형이라 불리는 가장 일반적인 실리콘 포토다이오드의 구조를 그림 4-62에 나타내었다. 빛은 p층을 통해 입사되며, n층은 n형과 금속전극과의 음성접촉(ohmic contact)을 위한 것이다.
포토다이오드를 희망하는 파장대의 빛에 응답시키기 위해서는 에너지 갭(금지대의 에너지 간격)을 고려해 사용반도체 재료를 변화시킬 필요가 있다. 포토다이오드의 반도체 재료로서Si 외에 GaAsP,Ge 등이 사용되고 있으며, 그림 4-63에 그 일반적인 분광감도 특성을 나타내었다. 최대 피크를 중심으로 장파장 또는 단파장쪽으로 갈수록 감도는 감소한다. 장파장측에서의 감쇠는 파장이 길어질수록 빛이 반도체 내에 흡수되지 못하고 투과되기 때문에 전자 - 전공쌍을 생성시키지 못한다. 단파장측에서의 감쇠는 파장이 짧아질수록 빛이 반도체 표면에서 흡수되어 생성된 캐리어들이 접합부의 공핍영역까지 도달하지 못하고 재결합되므로 광전류에 기여하지 못하기 때문이다. 그림 4-63에서 보듯이 포토다이오드는 자외선-근적외선 영역에서 주로 사용되어진다. 분광감도 특성은 사용반도체 재료의 불순물 분포 및 포토다이오드의 구조에 따라 다소 변화시킬수 있다.
포토다이오드의 응답시간은 빛에 의해 생성된 캐리어의 확산시간 및 공핍영역 통과시간, 접합용량 등에 의해 결정된다. 공핍영역 내에서 발생한 캐리어의 전계에 의한 드리프트 시간은 극히 짧지만, 공핍영역 외에서 발생한 캐리어들은 확산시간 때문에 다소 시간이 걸릴 수 있다. 그림 4-64는 포토다이오드의 등가회로를 나타낸 것이며, Cj는 p-n접합에서 공핍 영역의 존재로 인해 생기는 접합 용량이다.
포토다이오드의 직력 저하을 Rs, 부하저항을 Rı라 하면 그 응답속도는 Cj(Rs+Rı)에 의해 제한 받으므로 응답속도를 개선시키기 위해서는 Cj를 작게 할 필요가 있다. 그러므로 Cj는 다음의 관계가 있다.
Cj를 줄이기 위해서 Vв를 증가시키면 암전류도 증가하게 되어 미약광의 검출이 어려워진다. 따라서 р를 크게 하는 것이 바람직하다. p를 크게 하기 위해 진성반도체(intrinsic semiconductor)에 가까운 고저항의 기판을 사용한 것을 pin 포토다이오드라 한다. 그 구조는 그림 4-62에서 n기판 대신에 불순물 농도가 매우 낮은 고저항의 n 기판을 사용한 것과 같다. pin 포토다이오드는 역방향으로 바이어스시 그 전압이 거의 n 층에 걸리게 되어 n 층전체가 공핍영역 역할을 하게 되며, 광의 대부분은 여기에 흡수된다. pin 다이오드는 응답이매우 빠르며, 일반적으로 역방향 바이어스 상태를 사용한다. pin다이오드의 동작은 광도전효과를 이용한 것으로도 생각할 수 있다.
응답시간은 광이 변화할 때 최종값의 10-90%까지 도달하는데 걸리는 시간으로 정의한다. 응답시간은 수광면적에 크게 의존하지만 대략 포토다이오드의 경우 수 -수십[μsec], pin 포토다이오드의 경우 0.8-10[nsec]정도이다.
한편 포토다이오드의 검출감도를 나타내는 것으로 등가잡음 전력 NEP(noise equivalent power)가
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