반도체식 가스센서 내부에는 외부 가스를 감지하는 센싱부와 화학 반응이 가장 잘 반응하기에 필요한 열을 발생시키는 히터부로 이루어져 있다. 가스 센서가 높은 민감도를 가지기 위해선 마이크로 히터부에서 최적의 온도를 센싱부로 공급해주어야 한다. 또한, 모든 가스 센서의 최적의 히터 온도는 센싱부의 메테리얼과 타겟하는 가스마다 다르다. 따라서, 가스센서의 마이크로 히터의 온도를 조절할 수 있는 동작 회로를 필요로 하게 된다. 시스템의 동작 회로로 비례-적분 제어기와 펄스폭변조를 사용하였다. 비례-적분 제어기를 쓰면 높은 온도 정확도와 빠른 ...
반도체식 가스센서 내부에는 외부 가스를 감지하는 센싱부와 화학 반응이 가장 잘 반응하기에 필요한 열을 발생시키는 히터부로 이루어져 있다. 가스 센서가 높은 민감도를 가지기 위해선 마이크로 히터부에서 최적의 온도를 센싱부로 공급해주어야 한다. 또한, 모든 가스 센서의 최적의 히터 온도는 센싱부의 메테리얼과 타겟하는 가스마다 다르다. 따라서, 가스센서의 마이크로 히터의 온도를 조절할 수 있는 동작 회로를 필요로 하게 된다. 시스템의 동작 회로로 비례-적분 제어기와 펄스폭변조를 사용하였다. 비례-적분 제어기를 쓰면 높은 온도 정확도와 빠른 응답 특성을 얻을 수 있다. 펄스폭변조를 사용한 전류 동작 방법을 사용하면 지속적인 전류 동작 방법보다 더 낮은 전력을 소모할 수 있다. 지속적인 전류 동작 방법은 전력을 지속적으로 소모하는 반면 펄스폭변조를 사용하면 듀티가 온 이 되는 시간에만 소모하기 때문에 보다 높은 열적 효율을 얻을 수 있다. ADC 칩을 조절할 수 있는 ADC인터페이스 블록을 설계하였다. 또한, 이 논문에서 이상적은 시스템 온도 응답 특성을 얻기 위한 비례-적분 게인튜닝 방법을 소개한다. 동작 회로들은 Field-Programmable Gate Array(FPGA) 로 설계 하였고, 개발 보드로는 Altera Cyclone Ⅳ DE2-115 보드를, 논리 합성 툴과 RTL 시뮬레이션 툴로써 Altera Quartus Ⅱ 와 Mentographics Modelsim 을 사용하였다. 측정에 사용된 가스센서 마이크로 히터는 연세대학교 기계공학과 김종백 교수님 연구실에서 제작된 모델을 사용하였고 모델링에 필요한 변수들에 대한 정보를 받아 진행하였다.
반도체식 가스센서 내부에는 외부 가스를 감지하는 센싱부와 화학 반응이 가장 잘 반응하기에 필요한 열을 발생시키는 히터부로 이루어져 있다. 가스 센서가 높은 민감도를 가지기 위해선 마이크로 히터부에서 최적의 온도를 센싱부로 공급해주어야 한다. 또한, 모든 가스 센서의 최적의 히터 온도는 센싱부의 메테리얼과 타겟하는 가스마다 다르다. 따라서, 가스센서의 마이크로 히터의 온도를 조절할 수 있는 동작 회로를 필요로 하게 된다. 시스템의 동작 회로로 비례-적분 제어기와 펄스폭변조를 사용하였다. 비례-적분 제어기를 쓰면 높은 온도 정확도와 빠른 응답 특성을 얻을 수 있다. 펄스폭변조를 사용한 전류 동작 방법을 사용하면 지속적인 전류 동작 방법보다 더 낮은 전력을 소모할 수 있다. 지속적인 전류 동작 방법은 전력을 지속적으로 소모하는 반면 펄스폭변조를 사용하면 듀티가 온 이 되는 시간에만 소모하기 때문에 보다 높은 열적 효율을 얻을 수 있다. ADC 칩을 조절할 수 있는 ADC 인터페이스 블록을 설계하였다. 또한, 이 논문에서 이상적은 시스템 온도 응답 특성을 얻기 위한 비례-적분 게인 튜닝 방법을 소개한다. 동작 회로들은 Field-Programmable Gate Array(FPGA) 로 설계 하였고, 개발 보드로는 Altera Cyclone Ⅳ DE2-115 보드를, 논리 합성 툴과 RTL 시뮬레이션 툴로써 Altera Quartus Ⅱ 와 Mentographics Modelsim 을 사용하였다. 측정에 사용된 가스센서 마이크로 히터는 연세대학교 기계공학과 김종백 교수님 연구실에서 제작된 모델을 사용하였고 모델링에 필요한 변수들에 대한 정보를 받아 진행하였다.
Metal-oxide-semiconductor gas sensor consists of sensing layer detecting exposed gases and micro heater generating heat necessary for achieving the best performance of gas reaction. For gas sensor to get high sensitivity, optimal temperature of micro heater should be supplied to sensing layer. In ad...
Metal-oxide-semiconductor gas sensor consists of sensing layer detecting exposed gases and micro heater generating heat necessary for achieving the best performance of gas reaction. For gas sensor to get high sensitivity, optimal temperature of micro heater should be supplied to sensing layer. In addition, optimal temperature range of each micro heater has different characteristics based on sensing materials and target gases, which needs a demand for designing micro heater driving system. As a system driving circuit, Proportional-Integral(PI) controller and Pulse-Width Modulation(PWM) is used. PI controller plays a role for high accuracy and fast rising time of thermal transient response. PWM is used for low power consumption by adjusting pulse-width current heater current driving method rather than continuous current driving method. Continuous current driving method using current source consumes consistently, however PWM current driving method using switching transistor consumes only duty-on time, which can achieve higher thermal efficiency. Additionally, ADC interface block is designed for controlling ADC IC. In this thesis, a detail explanation of PI gain tuning method of PI controller will also be introduced for acquiring desired thermal transient response. The driving circuit was implemented in Field-Programmable Gate Array(FPGA) using Altera Cyclone Ⅳ DE2-115 development, Altera Quartus Ⅱ as logic synthesis and Mentographics Modelsim for RTL timing simulation. The gas sensor micro heater measured in this thesis is given by the laboratory of professor Jongbaeg Kim in mechanical engineering, Yonsei university.
Metal-oxide-semiconductor gas sensor consists of sensing layer detecting exposed gases and micro heater generating heat necessary for achieving the best performance of gas reaction. For gas sensor to get high sensitivity, optimal temperature of micro heater should be supplied to sensing layer. In addition, optimal temperature range of each micro heater has different characteristics based on sensing materials and target gases, which needs a demand for designing micro heater driving system. As a system driving circuit, Proportional-Integral(PI) controller and Pulse-Width Modulation(PWM) is used. PI controller plays a role for high accuracy and fast rising time of thermal transient response. PWM is used for low power consumption by adjusting pulse-width current heater current driving method rather than continuous current driving method. Continuous current driving method using current source consumes consistently, however PWM current driving method using switching transistor consumes only duty-on time, which can achieve higher thermal efficiency. Additionally, ADC interface block is designed for controlling ADC IC. In this thesis, a detail explanation of PI gain tuning method of PI controller will also be introduced for acquiring desired thermal transient response. The driving circuit was implemented in Field-Programmable Gate Array(FPGA) using Altera Cyclone Ⅳ DE2-115 development, Altera Quartus Ⅱ as logic synthesis and Mentographics Modelsim for RTL timing simulation. The gas sensor micro heater measured in this thesis is given by the laboratory of professor Jongbaeg Kim in mechanical engineering, Yonsei university.
주제어
#Gas sensor micro heater(hotplate) temperature control system low power PI controller 가스센서 마이크로 히터 온도 조절 시스템 저전력 Field-Programmable Gate Array(FPGA) 비례-적분 제어기
학위논문 정보
저자
박종혁
학위수여기관
DGIST
학위구분
국내석사
학과
정보통신융합공학전공
지도교수
이정협,Junghyup Lee
발행연도
2017
총페이지
47
키워드
Gas sensor micro heater(hotplate) temperature control system low power PI controller 가스센서 마이크로 히터 온도 조절 시스템 저전력 Field-Programmable Gate Array(FPGA) 비례-적분 제어기
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