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Sensor & Actuator제4장 전자기 센서

Sensor & Actuator제4장 전자기 센서

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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강의개요

• 마이크로파 센서– 다이오드 검출기

– 밀리파 쇼트키다이오드 검출기

– 초전도 다이오드 검출기

– 마이크로파 모노리틱 IC

– 마이크로파 이미지 센서

• 전압,전류 센서– 유도전하 검출법을 이용한 전위

센서

– 탄성표면파 전위센서

• 반도체 자기센서– Hall소자;홀소자, 홀IC,, 미소 홀

소자

– 자기저항소자

– 방향성 자전소자

– 자기 다이오드

•강자성체 자기센서

- 자기저항효과형 자기센서

- Asteroid 자화곡선형 자기센서

- Amorphous 합금 리본응용 자기센서

•자기공명형 센서

-핵자기공명형 자력계(proton자력계)

-광 펌핑 자력계

•초전도 자기센서

- rf SQUID

- dc SQUID

• 광 파이버 전자기 센서

- 전압측정용 센서

- 전류측정용 센서

- 전자계 센서

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Microwave sensor

• Microwave~miliwave band;1~300GHz(30cm~1mm)

• 주로 8GHz용이 많음; 레이더, remote sensing용 radio meter(대기 오염 해양 관측위성), 인공위성통신, 근거리지상통신, 군용(유도미사일등), 생체imaging, plasma등의 과학계측

• 주요 검출기– 쇼트키접합 다이오드; 3MHz~3THz

– 초전도 다이오드 검출기;30GHz~30THz

– 광도전 검출기; 5~300THz

– 열검출기1~10THz

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Microwave sensor 종류 및 검출

• Diode(표2.1, 2.2)점접촉형 pn접합 다이오드, 쇼트키 다이오드, 금속-산화물-금속 터널다이오드, 죠셉션 접합 다이오드, SIS다이오드, 슈퍼 쇼트키 다이오드

• 광도전형 검출기(표 2.3)Si, Ge등에 깊은 준위로 도핑한 외인성 반도체, GaAs, InSb등의 진성반도체, 반도체( 4~77K로 냉각 상태로 사용 )를 사용하여 만든 것

• 열검출기(표 2.4)서모파일 및 서미스터, 고레이 셀, 초전(pyroelectric)소자, bolometer

• 검출방식– 비디오 검파 ;마이크로파 전력

– heterodyne검파; 국부발진기, 믹서 이용하여 주파수 변환

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Microwave sensor/Diode detector

]1)[exp(0 −= VIIF α

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20V

RRi

s+=

α

• 검출방법

마이크로파 전압 V0에 대한다이오드의 직류전류 i

Fig. 2.8, 2.9

•Heterodyne법에 의한 측정회로; fig. 2.11

•Miliwave Schottky diode검출기

30~300GHz대 실용제품 예

N형 GaAs, Schottky접합, honeycomb형, whisker antenna,도파관(fig. 2.14, 1.15)

•초전도 다이오드 검출기

초전도 터널링효과 이용 소자, 비직선효과큼, 고감도(fig. 2.18~2.20)

•Monolithic IC, Image sensor

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전압, 전계 센서

• 유도전하검출법에 의한 전위센서

• 측정원리

음차진동, C1,C2변화,유기전위V2교류적으로 변화, 증폭, 검파

• 센서특성

• SAW소자를 이용한 전위센서

• 원리

dEllff −=∆−≈∆ 22 //

• 센서특성

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기타 전위센서

• 거리 보상형 표면전위계-내장된 고전압을 프로브에 forwarding하여 측정대상물의 전위와 등전위가 되도록 비교기에 의해 조정, 전위측정

-타종의 센서는 측정거리에 의존됨

• 전위 센서의 활용분야- PPC복사기, 레이저 프린터 등의 조립, 유지보수용 센서

- 정전도장(painting)

- 반도체 산업의 공정관리

- 송배전 설비 감시

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반도체 자기센서

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반도체 자기센서

• Hall 소자• 홀효과, 형상효과(fig. 2.41, 2.44)

•감도

積감도

자속감도

HHHHH fVIBftRV ∞== )/(

IBKV HH = HHH ftRK )/(=

BKV BH = HHHB IftRIKK )/(==

• 오차와 보상

원인; 홀전극의 비대칭성에 의한 불평형 전압, 배선 루프에 의한유도전압, 홀소자 재료 특성의 온도의존성, 온도 불균일에 의한 열기전력 등

보상 방법; 그림2.53, 2.54

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기타 홀소자

• Hall IC

Si Hall IC 구조 (fig. 2.56)

특성( Table 2.10)

• 미소 홀소자

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자기 저항 소자

MB gRR )/( 00 ρρ=

•원리

-자계인가로 저항증가

-저항율의 증가+형상효과

- l/w가 작을수록 형상효과 큼

(kolbino소자; l/w ->0)

)tan1)(/( 200 θρρ += RRB

-장방형 일반식

-콜비노 소자(2.59 (c ))

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기타 반도체 자기 센서

• 방향성 磁電 소자

구조; 4단자형, 3단자형

특성; 그림 2.64

MHDD VVVV +== 34 2

• 자기 다이오드

구조; 2단자 소자, 직시각형, 옆면에재결합을 촉진하는 형상으로 가공(sandblast)

특성; 비대칭성

• 자기 트랜지스터

구조; 2개의 콜렉터

동작;자계인가, 에미터에서 주입되는 케리어 편향, 2 콜렉터간 전류차이용

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강자성체 자기센서

• 구조;

일축이방성 강자성체, 전류방향을일축 배향 방향(EA), 직각 방향으로자계인가

• 특성

Jle ρ∆=θρρ 2cosm∆=∆

)}/({sin 1dkd HHH += −θ

WtMH sd /4π=kH

dH; 이방성 자계

; 직사각형 소자의 짧은 변 방향으로 자화된 경우의 반자계

• 응용

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Asteroid 자화곡선형 자기센서

• 센서 구성

-위치, 변위량, 회전수 검출 센서

-일축 이방성 자성박막의 asteroid 자화특성을 이용

-인덕터 형

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비정질 합금 리본 응용 자기센서

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핵자기 공명형 센서

• 특징

•고감도(광펌핑형 자력계 10-

10 T)

• 고정도(NMR자력계 10-8)

• 全자력 측정

• 균일 자계분포 필요(ESR자력계는 불균일 분포도 측정)

• 온도, 외부영향 적음

•종류

-NMR 자력계(proton자력계)

-ESR자력계

-광 펌핑형 자력계

•NMR type sensor

•원리; 자기쌍극자 모멘트 u, 각운동량 J인 양자에 정자계 B를 가하면 자기모멘트는 자계를 축으로 세차운동, 양자가 있는 시료 주위를자계와 직각으로 권선을 배치하면코일에는 핵자기에 의해 교류전압유도

•교류전압의 주파수와 자계 비례

•광 펌핑 자력계

Rb, Cs등의 알카리 금속 가스이용, Rb램프로 Rb 가스 셀에 광 조사, 흡수피크주파수와 자계관계이용

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초전도 자기센서/rf SQUID

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rf SQUID소자

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dc SQUID

• 구조; 2개의 조셉션접합

•특성; 그림 2.103

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Optical fiber 전자기센서

•원리

-광의 변조효과 이용

-전압,전류,자계에 따라 광섬유의 굴절율, 손실 변화

•특징

-가늘기 때문에 측정대상에 교란이 적음

-공간 분해능이 높음

-고속응답

• 전압센서 종류(표2.19)

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전압센서/Mach-Zehnder interferometer

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광섬유 전류센서

•원리

Faraday effect(자계에 의한 투과광의 편광면 회전)

Kerr effect(자계에 의한 반사광의편광면 회전)

자왜효과 이용(자계, 응력, 전파광의 위상변화)

•종류(표2.20)

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광섬유 전자계 센서

•Microwave sensor

-수동형, 능동형

-액정+ 광섬유형 센서

전자파에너지 흡수, 액정의 온도변화, 액정에서의 반사광 검출

-다이오드형 센서

구성; 다이폴안테나, MW다이오드,발광다이오드,광섬유, 광검출기

동작;안테나로 전자파 수신, MW다이오드에서 검파, 발광다이오드구동, 광섬유로 광전송, 광검출

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다이오드형 센서