Sensor의 정의

“감지한다”의 뜻으로 크게 물리센서와 화학센서로 분류되며, 임의의 계의 상황을 의도한 물리적 신호로 변환하여 주는 기구

Controller의 정의

Sensor로 부터 임의의 신호를 받아, 의도되어 있는 논리에 의해 판단된 신호를 Actuator로 전달하여 주는 기구

Actuator의 정의

Controller로 부터 전달된 신호에 의해 의도 되어진 동작 또는 행위를 수행하는 기구

System의 정의

Sensor – Controller – Actuator – 환경의 상호 인과작용이 순환하여 되풀이 하게 설계되어진 기구

System의 상호작용 및 순환 Cycle

System의 상호작용 및 순환 Cycle

Thermistor 개요

  • Thermistor (Thermally sensitive Resistor)는 온도에 민감한 저항체의 합성어로서 온도변화에 저항치가 크게 변하는 금속 산화물로서 1℃ 온도 변화율은 4~5%이며, 금속(Ag)의 10배 정도이다.
  • Thermistor의 종류에는 온도상승에 대하여 저항값이 감소하는 NIC (Negative Temperature Coefficient), 어느온도에서 저항값이 급증하는 PTC (Positive Temperature Coefficient), 어느온도에서 저항값이 급감하는 CTR (Critical Temperature Resistor)가 있다.
Thermistor graph

Thermistor의 역사

  • 1834년 : M Faraday에 의하여 온도에 민감한 반도체현상으로 Ag2S에 대해 측정연구
  • 1930년 : Cu0, Cu20, U308계의 소자가 항공기의 온도보상에 쓰임으로 산화물 반도체의 실용화가 시작되었고, 그 직후 미국의 Bell 연구소에서 MnNi 산화물계의 복합 소결체의 반도체가 개발실용화가 되므로 종래의 것은 모습을 감추게 되고. Thermally sensitive Resistor의 앞자를 따서 Thermistor로 명칭 – 이것이 NTC TH-이다.
  • 1950년 : 산화물계의 고 안정성과 저 저항의 재료로 개발되어 온도센서로 주목받게 됨
  • 50년대 후반에 PTC와 60년대에 일본에서 CTR이 개발이 됨

NTC Thermistor

NTC (Negative Temperature Coefficient) Thermistor (Thermally sensitive Resistor)
  • 주위온도의 변화에 따라 고유저항 값이 온도변화에 반비례 되게 변하는 열 감지성 저항
  • 산화망간，산화니켈，산화코발트，산화구리，산화철 등의 금속산화물 혼합물이 소성에 의해 제조된 소결형 반도성 세라믹
  • 시스템의 최첨단에서 환경(온도)의 변화를 저항의 변화(전압의 변화)로 변환시키는 수동형 변환기
  • NTC (전기전도에 관여하는 자유전자의 수가 온도와 함께 증가하기 때문. 금속은 온도상승으로 자유전자의 수는 변하지 않고 금속안을 자유로이 운동하며 금속이온과 충돌하여 전기저항이 늘어나는 정 특성을 가진다.)

무부하 저항값 (Zero Power Resistance)

측정전력에 의한 자체 열 방산으로 인한 저항변화가 ±0.01%이하의 환경에서 측정된 저항값

Thermistor 4정수
Thermistor 4정수

B정수 (βValue)

임의의 두 온도 구간에서의 온도 변화율
수식

결국 B정수는 활성화에너지 ΔE, Boltsman 상수를 K라고 할 때, β= ΔE/2K로 표현할수 있으며 재료의 조성 및 소성 조건에 의해 결정됨.

열 방산정수 (Dissipation Constant)

열 평형 상태에서 Themistor가 자기 발열에 의해 자체의 온도를 1℃ 상승 시 키 는데 소요되는 에너지
수식

열 시정수 (Time Constant)

Thermistor의 온도가 최초온도 T i와 최종온도 Te간의 차이 63.2%까지 도달할 때까지의 소요시간 t

수식
* 공기보다 물속의 응답성이 1/10 ~ 20정도가 됨.
  • 열 시정수 및 열 방산정수는 주위의 매개체의 열용량 및 열전도율에 의존된다.
  • 온도센서는 일반적으로 시작조건 보다는 동작조건에서 사용하는것이 일반적인 경우이므로 실질온도 변화에 감지온도의 추종성이 매우 중요함.
센서
시간과 온도의 관계곡선
시간과 온도의 관계곡선
시간별 Thermistor 소자의 온도변화
시간별 Thermistor 소자의 온도변화

Temperature - Resistance

  • B정수를 이용하여 B정수 구간내의 임의의 온도에서의 저항값을 산출하는 계산식은 B정수를 산출하였던 식에서 유도되고 있지만, 이는 이론적인 NTC ( Intrinsic Type》에 적용 될 수 있으며，실제로는 보다 복잡한 다항식에 의해 정확한 값을 산출 할 수 있으며，또한 이 다항식에 의한 산출 값은 온도구간별로 차이는 있지만，평균 ±0.01℃이내의 오차 가진다.
  • NTC Thermistor의 센서응용에서 가장 중요하게 고려 할 것은 저항공차 보다는 B정수 공차라 할 수 있으며，이는 위의 그림에서 쉽게 이해 할 수 있듯이 중심온도에서 정해진 저항공차는 중심온도를 벗어남에 따라 증가하게 되는데 이는 B정수의 공차에 전적으로 의존하게 되기 때문이다.
temperature - Resistance
temperature - Resistance

전류-전압 특성곡선

전류-전압 특성곡선
  • 열방산정수 이하의 인가 전력조건하에서는 Ohm법칙을 따르나, 그 이상의 전력조건에서는 자기열화에 의해 자기 저항값이 낮아져 정상 보다 낮은 전압값과 높은 전류값을 가지게 됨
  • 이때의 온도와 전력량의 관계는 다음과 같음.

    수식

    Peak Voltage와 이때의 온도는 다음과 같음.

    수식

  • 이러한 자기열화에 의한 전류/전압 특성은 가장 경제적인 온도메타로 응용될 수 있으나, 정밀한 측정에는 적합치 않음.
  • 또한 써미스터의 전류/전압 특성은 주위 매개체의 열용량，열전도도에 절대적으로 의존하므로 주위 매개체의 열적특성을 신중히 고려하여야 하며, 반대로 매개체 변화에 대한 감지기로써도 활용될 수 있음.

F(t) 직선화

F(t) 직선화
  • NTC Thermistor는 기본적으로 비직선성을 갖고 있기 때문에 회로에 적용하기 앞서 직선화 특성에 대한 검증을 반드시 하여야 하며, 사용온도 구간에 직선화 영역을 정확히 구사함으로써 Thermistor 자체의 공차 이외의 회로공차를 설계단계에서 최소화 시킬 수 있다. 단 열방산전력을 넘지 않아야만이 자기발열에 의한 오차를 억제할 수
    있다.
  • 이러한 직선화는 Inflection Point Method와 Equal Slope Method의 두 가지 방법에 의해 영역 산출을 얻을 수 있는데, Equal Slope Method가 보다 정확한 직선화를 이룰 수 있음.

Thermistor 측정

  • Thermistor측정 허용전류는 Thermistor에 자기발열을 일으키지 않는 전류 값일것 .
  • 측정분위는 시료가 충분히 적응이 된 다음 측정.
  • 측정단자의 접촉저항과 측정 인출선의 선 저항을 고려 할 것 .

Thermistor 설계시 주의사항

  • Thermistor설계시 사용 온도 범위에서의 직선화를 시키는 것과 직선화 영역에서의 자기 발열이 생기지 않아야 된다.
  • 센서의 사용 환경조건
  • 사용조건에서 센서로서의 신뢰를 확보할 수 있는 부품의 선정
  • 센서의 센씽위치 선정 (전자부품인 동시에 기구부품으로 인식)
  • 작업 취급시 기능성 부품으로 인식 소중한 관리가 필요함.
  • 회로 설계후 반드시 실장 시험이 대단히 중요함.
※ Thermistor의 기본특성 (R, B, δ, τ)은 물리적으로 결정되지만, 센서를 실장 시험을 하면 많은 주위 환경적인 특징이 있다.

NTC THERMISTOR 일반적인 종류

Chip-Type Thermistor구조

Chip Type Thermistor는 소형으로 정밀하고 응답성이 좋으므로 온도센서로서 많이 쓰이나 Epoxy Coating 제품일 경우 제작상 유의하여야 되며, 최근 기술의 발달로 Glass봉입 형은 최고-50~500℃에 사용이 가능하다.
Chip-Type Thermistor구조

Diode-Type Thermistor구조

Diode Type Thermistor는 Glass Tube에 봉입한 형태로 제품의 안전성이 높으며 납땜공정이 없으므로 높은 신뢰성을 갖추로 있다.
-50~300℃의 높은 온도에서도 안정적으로 사용이 가능함.

Diode-Type Thermistor구조
Diode-Type Thermistor구조

SMD( Surface Mounting Device) Thermistor구조

SMD (Surface Mounting Device–표면실장형 부품) Thermistor는 통신,가전제품의 경박단소화에 의한 사용부품의 초소형화 및 자동조립화 요구에 의해 개발되어진 부품 으로써 PCB에 실장 될수 있어 응용분야에 많이 적용되고 있음.
SMD( Surface Mounting Device) Thermistor구조
SMD( Surface Mounting Device) Thermistor구조

Disc-Type Thermistor구조

Disc Type Thermistor는 저렴한 가격으로 주로 온도 보상용으로 쓰여진다.
Disc-Type Thermistor구조
Disc-Type Thermistor구조
Power Thermistor는 회로의 돌입 과전류를 차단에 쓰여 진다.
Disc-Type Thermistor구조
Disc-Type Thermistor구조

그외 Thermistor

ROD형 ROD형 0.5 ~ 20φ 고저항이며, 낮은 B정수를 얻을 수 있다. 신뢰성 및 전력출력은 disk형과 유사하다.
박막형 박막형 1 = 1 ~ 5, t = 0.3 ~ 0.6
막두께 5 ~ 10㎛		 균일하고 치밀한 박막의 형성에 의해 bead형 이상의 안정성과 균일성을 얻을 수 있다.
후막형 후막형 1 = 3 ~ 10, t = 0.5 ~ 1
막두께 20 ~ 50㎛		 인쇄에 의해 양산이 가능하며 단품으로는 HYBRID IC의 온도 보상용으로 최적이다.