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발표 순서
센서 개요
관성 센서
촉각 센서
열적외선 센서
밀리미터파 센서
가스 센서
바이오 센서
결언
ElectricalSignal
What is a sensor?
A sensor is a device that measures a physical quantity and converts it into a signal which can be read by an observer or by an instrument.
Physical Properties
Chemical Properties
Optical Properties
Bio Properties
Sensor(sensor module)
Input signal
Display
Output signal
230 nV (15 mV/216) - Architectures
단순 기능의 일반 센서
MEMS 기반의지능형 복합 센서
Sensor Application/ Trends
Sensor Markets :MEMS sensor(융합센서)
Market for MEMS by Devices
MEMS Market for Industrial Applications
참조: yole 2008
관성센서(가속도 및 각속도) 시스템 구성 및 역할
위치
자세
가속도
각속도(자이로)스마트無人機관성센서시스템
관성센서 원리 및 제품 예
m
z
y
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Cz
Fey
Fcz
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2
222
2
2
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Q
Q
m
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m
k cX0 a~
Xxxr
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dxc
dt
xdm r
rr ~2
2
-
가속도센서 자이로센서
상압패키징
진공패키징
MEMS 기술특징 및 관성센서MEMS 기술 MEMS 관성센서
MEMS Gyroscopes sensing & detection principle examples
Kionix Murata
자이로센서 발전사
■ 촉각 센서 종류에 따른 기술 원리
촉
각
센
서
소
자
기
술
원
리
압저항형
-압저항 효과에
의한 힘에 따른
저항 변화
정전용량형
-힘에 따른 상/하
부 전극갂의 정
전용량 변화
기타 - 유기 Tr를 이용한 촉각 센서 : 인가힘에 따른 소스-드레인 갂의 전류 변화
<Si pn 접합 게이지> <금속 박막 스트레인 게이지> <전도성 복합 재료 : FSR>
- 압전형 촉각 센서 : Piezo-electric effect에 의한 힘에 따른 전하 변화
■ 촉각 센서 기술 동향
CMOS 기반 실리콘 촉각센서 (미국)
- 3축 힘센서 어레이 형태
- 64 x 64 어레이, 공갂분해능 : 0.3 mm
- CMOS 반도체 공정기술 이용
- 유연성 전혀 없음
MEMS 기반 3축 힘센서 (중국)
- MEMS기술에 의한 3축 힘 센서어레이
- 4x8 어레이, 공갂분해능: 4mm
- 분해능 및 인식율 저하
- 유연성 전혀 없음
■ 촉각 센서 기술 동향
전도성 복합재료를 이용한 촉각센서 (미국)
(Force-sensitive resistor, FSR)
- 저가의 스크린 프린팅 공정
- 1축 힘(압력) 측정
- 출력 싞호의 비선형성
- 유연성 보유
- 현재 상용화됨
PDMS기반 촉각센서 (미국)
- 10mm X 10mm(16 x 16 어레이)
- Capacitive type tactile sensor
- 1축 힘(압력) 측정
- 외부 노이즈에 취약함,
- 유연성 보유
- 내마모성이 떨어짐
■ 촉각 센서 기술 동향
실리콘 및 폴리머 기반 촉각센서 (KETI)
- MEMS 기술 또는 저가의 FPCB 공정 기술에의한 유연성 기반 촉각센서 제작
- 스트레인 게이지 자체에서의 온도 보상
- 1축 힘(압력) 측정
- 유연성 보유
<실리콘 기반 촉각센서>
<폴리이미드 기반 촉각센서>
MEMS 기술에 의한 폴리머 기반 촉각 센서(미국)
- MEMS 기술에 의한 센서 설계/제작
- 열전도도, 경도, 물체의 형상 측정
- 1축 힘(압력) 측정
- 유연성 보유
■ 촉각 센서 기술 응용
산업 자동화 및 극한 작업용 로봇 인갂형/애완형 로봇의 손가락, 핸드 및 몸체
의료계의 미세 절개 시술 터치 스크린
마우스 패널
모바일 단말기
기타 입력장치
16
기술 개요
RADIO
(RADAR)
LWIR
MWIR
SWIR
NIR
VIS
UV
12 µm
8
3 µm
5
1500 nm
750
350
200
100
1µm=1000 nm
X-Ray
100 m
1 mm
Reflected
RF
HEAT
Radiation
Reflected
LIGHT
위성통신 , 민.군 레이다, SAR
무선전화, 정밀유도무기 센서
열화상 카메라, 정밀유도무기 센서
열화상 카메라 (해상, 전차용)
고온 계측기 (1000℃ 이상)Electro Optic
IIT 야시장비, LRF
망원경, 카메라,Electro Optic
Electro Optic, 경고장치
물체에서 발생하는 적외선 복사열을 감지하는 센서로서 빛이 없는 곳에서도 물체를 인식.
물체의 온도 변화를 0.1 K 수준으로 인식하며 동영상을 구현할 수 있어 이미지 센서로 활용.
열적외 이미지 센싱이란?
17
비냉각 열적외 이미지 센서의 동작 원리?
- 열적외 파장 흡수 극대화: /4 파장 공명층
- 흡수층의 온도 민감도 극대화: high TCR 소재 사용
- 열흡수층의 전기전도도 극대화: 금속 박막 사용
- 고해상도: 마이크로 MEMS 기술 이용 90% 이상
Reflecting Metal
λ/4
CavityAir Gap
Thin metal with
optimized thickness
Minimum width to
determine the
resistance reduce
LWIR
(10μm)
Anchor & electrode
IR detection
Layer (a-Si)
기술 개요
볼로미터 공진기의 파장에 따른 열흡수(35°C 부근에서 최대 흡수)
18
Indigo
국내외 기술 현황
세계 기술 개발 현황
기술 license화기술 특허 제약 없음
19
국내외 기술 현황
세계 기술 개발 현황 회사(국적) 볼로미터종류 어레이 포멧 픽셀 피치검출능력
NETD
FLIR, USA VOx Bolometer160 120320 240640 480
25m 35 mK
L-3, USA
VOx Bolometer 320 240 37.5m 50 mK
a-Si Bolometer160 120320 240
30m 50 mK
BAE, USA
VOx Bolometer320 240640 480
28m 30 – 50 mK
VOx Bolometer(Std. design)
160 120320 240640 480
17m 50 mK
DRS, USA
VOx Bolometer(Umb. design)
320 240 25m 35 mK
VOx Bolometer(Umb. design)
320 240 17m 50 mK
Raytheon,USA
VOx Bolometer320 240640 480
25m 30 - 40 mK
VOx Bolometer(Umb. design)
640 512 17m 50 mK
ULIS,France
a-Si Bolometer160 120384 288640 480
17m -30m
35 - 100 mK
SCD, Israel VOx Bolometer 384 288 25m 50 mK
출처: MEMS-based uncooledinfrared bolometer arrays – A Review, Proc. Of SPIE Vol. 6836
20
국내외 기술 동향
국내 기술 개발 현황
V-O-W 볼로미터형 구조
흡수율 80 % max. TCR -3 %/K
흡수 파장이 협소하다.
Ti 볼로미터
3층 구조, 흡수율 17 % max.
유효 필팩터 50 %
TCR -0.26 %/K
D 전자 K 연구 기관
Passivation oxideIMD
AlAlMetal -2Metal -1
~~~~
P-sub
N-welln+ n+n+
ILDFDOXFDOXFDOX p+ p+ p+
Gate Oxide
AlAl Al AlAl
FDOX FDOX FDOX
Monolithic Process 1
Monolithic Process 2μ-Bolometer
CMOS
Al : metal-1 or 2Passivation
Anchor 충진 구조로 제작
㈜오카스
- 320 x 240 monolithic MEMS bolometer
이미지 카메라 개발
21
세계 기술 개발 동향 및 시장 변화
제품 성능이미지 구현: 현재 320 x 240 또는 640 x 480 1280 x 1024
픽셀 크기: 현재 25m 17m, 온도 해상도: 현재 0.1K 0.05K
동작 방식: 냉각형 비냉각형
응용 분야 확대군수 또는 보안 민수
픽셀 크기: 현재 25m 17m
수요처의 다변화: 현재 방위/보안 산업 자동차 / 안전 진단 / 의료 등
Advantages
- 적외선에 비해 대기영향 적고 투과력이 높다.
( 안개, 먼지, 연기, 구름 , 두꺼운 옷, ... )- Microwave보다 높은 해상도와 소형화가 가능- 피사체의 온도에 따른 이미지 왜곡이 작다.
Applications
- 군수용 전천후 카메라시스템
- 충돌방지시스템
- 화재진압 및 인명구조
- 불법무기검색 시스템
- 자원 탐사, 천문 기상관측
mm-wave properties
파장(or 주파수)에 따른 장단점 비교비교항목 mm-wave Infrared visible
검출영역 30 ~300GHz 2 ~ 13um (>30THz) 0.400~0.90um
대기영향 비교적 작음 작음 매우 큼
온도왜곡 비교적 적음 매우 큼 없 음
Size >mm /pixel >50um/pixel < 6um/pixel
Dynamic
range
Large
(야간영상, 전천후)
Medium
(야간영상)
Small
방식/재료 GaAs, InP detector
Antenna-coupled
microbolometer
microbolometer,
Pyroelectric
MCT , InSb
Si, CCD
Nano device
장단점 Low Resolution
Low Sensitivity
High Cost, Bulky
Low Trans.
Distortion by Temp.
Needs
Visible Light
Applications of mm-wave image sensor
94GHz mm-wave Camera (NASA)Fog
Cloud Conceal weapon detection
Micro heater
Detector
MEMS mm-wave sensor in KETI
120 130 140 150 160 170 180
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Source QS-2 Vdet.corr.
/ VGolay
, Att. T = 0.03
Vdet.corr.
/ VGolay
, Att. T = 0.01
Re
lative
Se
nsitiv
ity
F, GHz
mm-wave sensor chip
2-D mm-wave FPA mm-wave image
94GHz
140GHz
220GHz
’70 ’80 ’90 ’00 ’10
X-ray
Passive IR (Camera )
Magnetic Imager Active mm-wave (radar)
Passive mm-wave
mm-wave detection TRM
국외 관련 연구 동향
TRW, NASA –GaAs
Texas Univ. Michigan Univ / Metorex(Filand)
MEMS antenna couples microbolometer
국내 관련 연구 동향
ACTIVE: 77GHz 레이더 방식 충돌 방지-서울대
mm wave 싞기술연구센터 -동국대
광주과기원- 91GHz GaAs diode detector
LG 이노텍 – 76GHz GaAs radar detector
Passive : KETI - 45GHz,140GHz
Passive antenna coupled micro-bolometer
Metal
Detection
System
Sensor
Technology
GaAs
InP
?
Antenna-coupled
Microbolometer
MR
Hall/AMR/GMR
Digital X-ray
Detector
mm-wave
Si/GaAs Diode
Uncooled
Microbolometer
Cooled IR sensor
Applications and Principles of Gas Sensors
Applications• Controlled combustion (automobile, industrial furnaces)• Toxic and inflammable gas detection (leakages)• Electronic noses for air-quality monitoring, food quality and medical diagnosis
Sensing Principles • Electrochemical (solid electrolyte and amperometric)• Catalytic combustion (hot-wire)• Semiconductor (conduction)
In the case of SnO2 sensors, which are n-type semiconductors, the chemistry occuring on the surface involves two main reactions.- Chemisorption of oxygen: O2 + 2e-
2O-ads
- Removal by reducing gas: R + O-ads ROdes + e-
In the first case the surface conductivity decreases (resistivity increases), whilst the reverse occurs upon introduction of a reducing gas.
Trends in Development of Gas Sensor
< An example of E-Nose, JPL (2005) >
NASA AMES, Meyyappan Group (2006)
(A carbon nanotube sensor array for sensitive gas discriminationusing principal component analysis, Journal of Electroanalytical Chemistry 593 (2006) 105–110)
University of Rovira i Virgili, X. Correig 그룹 (2005)
(Towards a micro-system for monitoring ethylene in warehouses, Sensors and Actuators B 111–112 (2005) 63–70)
Results at KETI• Micro Berthelot reaction system for NH3 detection
in water using micro fluidic devices (개발 후 기술 이젂)
• NDIR mini-spectrometer for CO2 gas detection
(개발 후 기술 이젂)
• Piezoelectric cantilever nano balance for VOCs detection
• 32 semiconductor gas sensor array using micro platform and
nanowires and nanotubes for environmental monitoring
(IT 원첚기술 사업으로 연구개발 중, 관련 기술 이젂 중)
< 32 가스 센서 어레이용 마이크로 플랫폼, IMCS 2008에서 발표 >
5 c
m
17 cm
(J.-S. Park et al, Sensors and Actuators B 117 (2006) 516–522)
The Principle of Biosensors
Transformation
(change in physical
properties)Recognition
Supporting Electrical signal
Functionalized
membraneTransducer
Computer
interface
Chemicals
Heat
Light
Sound
Electrode
Semiconductor
Thermistor
Photo-detector
Vibrational
resonance
Electric
signals
Analytes for Clinical Use
Ions Gases Drugs Substrates Enzymes Microbiology
SodiumPotassium
CalciumpH
OxygenAmmonia
CO2
ParacetamolSlaicylate
AmphetamineBarbiturates
CocaineMorphine
GlucoseCholesterolCreatinine
Creatine kinaseAmylase
AspartateAminotransferase
ChlamydiaStrep AStrep BH. Pylori
I.M.Malaria
Tuberculosis
Hormones Cardiac Markers
Proteins Allergy Renal Dysfunction
Tumor Markers Viruses
hCGFSH
LH
Prolactin
TSH
CK-MB
Myoglobin
TroponinI
CRP IgE Micro-Albumin
PSAHemoglobin
AFP
Ferritin
Adenovirus
HBsAg
HBsAb
Rotavirus
R.S.V.
Nanowire nanosensorsfor highly sensitive and selective detection
of biological and chemical species
Real time biospecific interaction analysis using SPR and sensor chip technology
Sol-gel encapsulation method for bio sensors
Kinetic analysis of monoclonal antibody-antigen interactionswith a new biosensor based analytical system
Surpported membranes : Scientific and practical applications
Functionalization of poly dendrimer
Chromogenic chemosensor
1980 1990 2000 2005
중금속 오염감지 센서(영)
식중독센서(NT, 미)
메디컬 바이오센서(미)
글루코와치(일)
토양짂단센서(일)
탄저균센서(미)
심젂도센서
방사선위해센서
혈당센서
나노바이오센서
식중독센서
콜레스테롤센서
34 2006-10-25
기술개발동향: 최싞연구
나노-FET 센서 (하버드 대학 Lieber 그룹) LSPR 센서 (노스웨스턴 대학 Van Duyne 그룹)
이온채널 스위치 센서 (Ambri사의 Cornell 그룹) 캔틸레버 센서 (IBM)
▶ 시사점- 비표지(label-free) 방식이 주류- 샘플 젂처리 또는 반응 후 세척이 필요함- 센서의 재현성, 안정성 등 아직 해결되어야 핛 점 많음
35 2006-10-25
Sensing region
Reference region Mirror
evanescent field
cover nc
waveguide nf
substrate ns
유젂체 소산파를 이용핚 Mach-Zehnder 간섭계 센서
Sensing region에서 evanescent field 생성 센서 칩 구조 최적화에 따라 10-9 n 감지 가
능
광센서 칩과 Bio-filter membrane의 결합 젂처리 과정 불필요
Bio-filter membrane
0 50 100 150 2000
1
2
3
Eff
ective
In
de
x C
ha
ng
e [1
e-9
]
Thickness t [nm]
TE
TM
10 20 30 40 50 60 700.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Eva
ne
sce
nt
fie
ld le
ng
th 1
/e2 [m
]
Thickness t [nm]
LFA 짂행 방향에 나노 입자 도포
Sensing region에 나노 입자 결합
싞호 변환 극대화
센싱 물질 두께에 따른 굴젃률 변화 Rib W/G에서 ridge 구조 변화에 따른 소산파 모드 크기 변화
BluetoothTM
Cellular Network,GPS… etc
Sensors &Monitoring Device
Health Monitoringthru Physical & BiochemicalParameters
ECG, NIBP, SpO2, temperature, motion, location-------------------Ion, Gas, Drug, Metabolites,Tumor Marker,Cardiac Marker, Virus, etc..
Internet
Tele-/Ubiquitous- Healthcare
RF
Wireless LAN
Usersanywhere
Tele-communicationnetwork
Medical ServiceProvider
u-Healthcare 기술 개념도
개인 맞춤형 질병진단 Bio Care 시스템
SiNxIn0.48 Al
0.52 AsIn0.47 Ga
0.53 AsIn0.48 Al
0.52 AsS.I Fe-doped InP sub.
Sourc
Drain
정밀측정시스템
세포/조직/장기 등
생체정보 측정
질병예후
인체 시뮬레이터
SIMULATOR
DATABASEFamily History Age
Sex Job
개인별
거시지표
Race Life style
D/B구축 D/B구축
체중 변화 체지방 기초대사 대소변 검사식생활
유비쿼터스 Bio Care 서비스
비침습 진단
개인 맞춤형 질병진단 및 건강관리37
38
미래 의료환경의 변화
BINT 융합기술을 바탕으로국가적 네트워크 기반의Ubiquitous Healthcare 환경 실현
* 출처 : Future2030 우리의 미래 모습, KISTEP 2005
39
(결언)기술 발전의 패러다임 변화
일상 생활의 편의성을 극대화하기 위한 인간 중심의 서비스 제공
유비쿼터스 사회를 실현하기 위한 IT-BT-NT 등 기술 간의 융합화 심화
New Multimedia
Ubiquitous
Mobile: Phone+TV+MP3+Camera
Network: VoIP+Internet+Video
Automobile: Telematics
Digital consumer: DTV+STB
Digital+Network+Mobility
IT+BT: Bio-informatics
IT+NT: System on a Chip
IT+ET: New Energy & Echo
Smart Home
Wearable Computer
3D Display
신호처리기술
소형화기술
융합기술
친환경기술
초소형미세기술
디지털컨텐츠기술
센서기술
신호처리통합기술
전송기술
통합 박형화기술Convergence
Fusion
Now
미래 기술 트렌드
