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문제 정의
- 6)습도감지를 위한 필름은 친수성의 SiO2를 사용하였고, 이는 상대습도에 대한 높은 민감도와 빠른 응답시간을 보이고 열적, 화학적으로 안정성이 뛰어나다.7) 습도센서 집적의 또 다른 이유는 CO2 감지필름인 Teflon AF 2400의 습도에 대한 영향을 보상하여 정확한 CO2의 농도를 알아내기 위해서이다.
- 본 논문에서는 이를 고려한 습도, CO2, RF ID 태그가 집적된 440 MHz 중심 주파수의 무선 표면탄성파 기반 화학 센서를 소개하고 있다. 압전기판은 빠른 전달속도(4792 m/s), 높은 기계결합상수(K2: ~17.
제안 방법
- 그 이후, 센서의 CO2에 대한 민감도를 측정하기 위해 75 ppm부터 375 ppm까지 75 ppm의 간격으로 CO2농도를 변화시켜가며 실험을 실시하였다. 1기압, 온도 20℃ 의 고정된 환경과 다양한 습도의 환경에서 S11이 측정 되 었다.
- O 투과성으로 인한 위상변이를 야기한다. 그러므로 가스 감지 실험에 앞서, 습도 센서를 이용하여 습도에 대한 민감도와 각 습도에 대한 Teflon AF의 기본 위상변이를 체크하였다. 실질적인 CO2의 민감도 추정을 위해 주어진 습도 하에서의 기본 위상 변이를 감하기 위함이다.
- 10) 반사 지연선의 설계를 위해 각각의 리플렉터와 IDT가 분석 되었다. 그리고 mixed P-matrix와 FFT program을 사용하여 시간영역에서의 반사계수 S11을 도출 하였다. IDT와 리플렉터를 위한 COM 방정식은 그림 2과 같이 표면탄성파의 전후 방향과 그것 들의 결합 상호작용을 다룬다.
- 또한 무선 측정을 위하여 두 개의 이차원 다이폴 안테나(10 cm×10 cm)를 제작하였다.
- 측정된 결과로부터 초기값, 흡수, 포화단계, 회복 구간이 명확하게 관찰되었다. 또한 센서의 반복성 실험을 위해 각각 300 ppm, 225 ppm, 150 ppm의 CO2 가스 펄스를 연속적으로 인가하였다. 연속되는 각각의 농도의 CO2가스 펄스에 따라 센서의 반응도 연속적으로 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- 먼저 주어진 CO2 농도(300 ppm, 225 ppm, 150 ppm) 하에서 제작된 센서의 응답 실험이 진행되었다. 반사피크 S11은 온도 20℃, 상대습도 5%, 1기압, 무선 측정거리 20 cm의 환경에서 측정되었다.
- 위의 식 (1), (2)를 보면 질량적재의 효과는 오직 전파 속도의 변화만을 야기하고, 필름의 전도율과 탄성의 변화는 전파 속도와 신호 감쇠를 야기하는 것을 잘 나타내고 있다. 본 논문에서는 전파속도 변화에 따른 위상 각 변화를 센서의 출력 값으로 사용하였다. 또한 본 논문에서의 감지 필름인 SiO2(dielectric constant=3.
- 압전기 판은 500 µm 두께의 41ºYX LiNbO3가 사용되었다. 습도의 감지와 보상을 위해 50 nm의 SiO2층이 IDT의 왼쪽 편에 증착되었으며, plasma enhance chemical vapor deposition (PECVD)를 이용하였다. PECVD를 이용하여 증착된 SiO2는 비정질, 다공성의 특징을 지니므로 습도에 대한 민감도가 높다.
- 실질적인 CO2의 민감도 추정을 위해 주어진 습도 하에서의 기본 위상 변이를 감하기 위함이다. 실험은 상대 습도 20%에서 80%까지 5%RH 간격으로 측정 되었고, 80%의 상대습도에서부터 시작하여 N2기체를 이용하여 상대 습도를 하강시키며 측정하였다. 제작된 센서의 습도에 대한 민감도는 Fig.
- 주변 환경의 온도에 따른 센서의 응답 변화를 보상하기 위해, 센서의 최 우측에 온도 보상을 위한 부분을 집적하였다. 두 반사기 사이의 거리는 CO2 감지 부분의 반사기 사이의 거리와 일치하게 하였고, CO2 감지 부분과 동일한 두께의 Au층을 증착하였다.
- 그 이후 electron beam evaporator에 의해 150nm의 알루미늄이 증착되었다. 증착한 알루미늄에 사진 공정을 통하여 IDT와 리플렉터의 형태를 현상하고 습식 식각을 통하여 패턴 하였다. Teflon AF 필름은 매우 비활성적인 표면특성을 보인다.
- 이를 이용하여 CO2 농도, 상대습도의 정보를 얻을 수 있다. 최적의 설계 조건들을 얻어내기 위해 COM (Coupling of Mode) 모델링을 실시 하였다. 또한 온도보상을 위해 차이의 방법(Method of Difference: MOD)을 이용하였다.
- 7은 측정장비의 구성을 나타낸다. 측정을 위해 네트워크 분석기, 챔버, 가스 센서, 온도계와 습도계, 온도 조절기가 사용되었다. 제작된 센서는 안테나와 함께 챔버 내부에 있으며 각각의 피크가 외부의 네트워크 분석기에서 감지되는 것을 사진으로 확인할 수 있다.
- 다양한 농도 측정으로부터 얻은 CO2에 대한 민감도는 2º/ppm였다. 표면탄성파 소자 자체가 가진 여러 주변환경에 민감한 특성을 상쇄하고 실질적인 감도 측정을 위해 습도 보상과 온도 보상이 고려되었으며, 일정 범위의 CO2 농도 내에서 적절한 습도 보상과 온도 보상이 모두 이루어졌다. 위 결과들을 통하여 제작된 센서는 높은 민감도와 신뢰성을 지닌 소자라고 말할 수 있다.
대상 데이터
- 6은 무선 실험에서 측정된 시간 영역에서의 반사피크이며, 각 피크가 의미하는 바를 나타내고 있다. 10개의 반사기에 의한 피크와 2개의 Teflon AF/Au, Au층의 피크를 합하여 총 12개의 피크를 관찰할 수 있었다. 또한 시간영역에서 측정된 S11은 시뮬레이션 된 결과와 거의 일치 하였으며 큰 신호 대 잡음 비, 뚜렷한 피크를 보였다.
- 또한 무선 측정을 위하여 두 개의 이차원 다이폴 안테나(10 cm×10 cm)를 제작하였다. 8 mm두께의 RO4003 기판(dielectric constant k=3.38)을 이용하였고, 중심 주파수는 440 MHz, 대역폭은 21 MHz의 특성을 지니고 있다.
- 센서 제작을 위해 중심 주파수는 440 MHz, 압전기판은 41ºYX LiNbO3, 리플렉터는 10개의 shorted grating 리플렉터로 선정하여 시뮬레이션이 실시 되었다.
- 압전기 판은 500 µm 두께의 41ºYX LiNbO3가 사용되었다.
- 압전기판은 빠른 전달속도(4792 m/s), 높은 기계결합상수(K2: ~17.2%)의 특성을 가진 41ºYX LiNbO3를 사용하였다.
-
5.3 가스 감지 및 습도 측정
측정장비 구성 무선 측정을 위해 제작된 2개의 다이폴 안테나가 사용되었다. 하나는 네트워크 분석기의 S11 포트에 연결되고, 다른 하나는 제작된 센서에 연결되었다.
이론/모형
- Teflon AF 필름은 매우 비활성적인 표면특성을 보인다. 그러므로 Teflon 필름의 접착력 향상을 위하여 50 nm의 금 층이 리프트-오프(lift-off) 방법에 의하여 패턴 되었다.
- 최적의 설계 조건들을 얻어내기 위해 COM (Coupling of Mode) 모델링을 실시 하였다. 또한 온도보상을 위해 차이의 방법(Method of Difference: MOD)을 이용하였다.8)
- 두 반사기 사이의 거리는 CO2 감지 부분의 반사기 사이의 거리와 일치하게 하였고, CO2 감지 부분과 동일한 두께의 Au층을 증착하였다. 온도 보상은 차이의 방법(Method of Difference)으로 실시하였으며, 온도와 CO2 농도의 두 영향을 받는 CO2 감지 부분과 온도만의 영향을 받는 온도 보상 부분의 위상 차를 이용하여 온도에 대한 영향을 제거할 수 있다.8) Fig.
성능/효과
- 2 µs에 나타났으며 S11의 크기는 약 51 dB였다. 4비트의 ID 태그를 나타내는 첫 4개의 ON 반사 피크는 뚜렷하고 명확한 분리가 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
- 2%)의 특성을 가진 41ºYX LiNbO3를 사용하였다.5) CO2 감지필름은 Teflon AF 2400(from Dupont)를 사용하였고, 이는 CO2에 대하여 매우 높은 용해도와 투과성, 선택성을 가진다.6)습도감지를 위한 필름은 친수성의 SiO2를 사용하였고, 이는 상대습도에 대한 높은 민감도와 빠른 응답시간을 보이고 열적, 화학적으로 안정성이 뛰어나다.
- 5) CO2 감지필름은 Teflon AF 2400(from Dupont)를 사용하였고, 이는 CO2에 대하여 매우 높은 용해도와 투과성, 선택성을 가진다.6)습도감지를 위한 필름은 친수성의 SiO2를 사용하였고, 이는 상대습도에 대한 높은 민감도와 빠른 응답시간을 보이고 열적, 화학적으로 안정성이 뛰어나다.7) 습도센서 집적의 또 다른 이유는 CO2 감지필름인 Teflon AF 2400의 습도에 대한 영향을 보상하여 정확한 CO2의 농도를 알아내기 위해서이다.
- 결과로부터 작은 CO2 농도에서는 온도 보상이 어느 정도 가능하나, CO2 농도가 커질수록 온도에 대한 영향이 크게 나타남을 알 수 있다. 위와 같은 현상은 CO2 감지 필름인 Teflon AF 2400의 영향인 것으로 판단되며, 감지 필름이 Au층과 다른 열팽창 계수를 가지기 때문에 일어난 결과로 사료된다.
- 9)은 유전체이므로 전도율의 변화로 인한 효과는 무시할 수 있다. 결과적으로 센서의 민감도는 감지 필름의 질량적재와 탄성 변화만 영향을 준다고 할 수 있다.
- 45º/%RH였다. 또한 CO2 실험을 통하여 제작된 소자는 단기간에 빠른 반응을 보이고, 좋은 반복성을 가지는 특성을 보였다. 다양한 농도 측정으로부터 얻은 CO2에 대한 민감도는 2º/ppm였다.
- CO2 노출에 대한 응답 시간은 포화상태의 80%까지 도달하는 시간으로 설정하였고, 그에 따른 평균 응답 시간은 40초였다. 또한 CO2 제거에 대한 회복 시간은 초기값의 70%까지 도달하는 시간으로 설정하였고, 평균 회복 시간은 약 10초였다.
- 10개의 반사기에 의한 피크와 2개의 Teflon AF/Au, Au층의 피크를 합하여 총 12개의 피크를 관찰할 수 있었다. 또한 시간영역에서 측정된 S11은 시뮬레이션 된 결과와 거의 일치 하였으며 큰 신호 대 잡음 비, 뚜렷한 피크를 보였다. 첫 번째 반사피크는 약 1.
- 네트워크 분석기의 시간영역 S11을 통하여 제작된 센서의 무선 감지가 실시되었다. 무선 실험을 통하여 제작된 센서의 무전원, 수동형의 특성이 증명되었으며, 각각의 피크는 인식하기 쉽도록 적절히 분리되었다. 습도 실험을 통하여 각 상대 습도에 대한 위상 변화는 뚜렷하게 관찰 되었고, 좋은 선형성을 보였다.
- 무선 실험을 통하여 제작된 센서의 무전원, 수동형의 특성이 증명되었으며, 각각의 피크는 인식하기 쉽도록 적절히 분리되었다. 습도 실험을 통하여 각 상대 습도에 대한 위상 변화는 뚜렷하게 관찰 되었고, 좋은 선형성을 보였다.
- 3은 20개의 핑거(finger) 개수, 50λ의 전파 구경(aperture), 10개의 리플렉터를 가지는 소자에 대한 반사계수 S11의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과를 통해 뚜렷하고 선명한 반사 피크와 높은 신호 대 잡음 비를 관찰할 수 있었다.
- 또한 센서의 반복성 실험을 위해 각각 300 ppm, 225 ppm, 150 ppm의 CO2 가스 펄스를 연속적으로 인가하였다. 연속되는 각각의 농도의 CO2가스 펄스에 따라 센서의 반응도 연속적으로 이루어짐을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과로부터, 제작된 센서는 단기간의 응답과 좋은 반복성을 보이는 소자임이 증명되었다.
- 측정된 결과는 좋은 선형성을 보였고 CO2농도에 대한 민감도는 약 ~2º/ppm을 보였다.
- 측정된 결과로부터 초기값, 흡수, 포화단계, 회복 구간이 명확하게 관찰되었다. 또한 센서의 반복성 실험을 위해 각각 300 ppm, 225 ppm, 150 ppm의 CO2 가스 펄스를 연속적으로 인가하였다.
후속연구
- CO2는 화산의 폭발, 삼림 화재, 화력 발전, 자동차등의 연소를 통하여 주로 발생하며 이와 같은 환경을 실시간으로 감지하고 즉각적으로 대처할 수 있는 무선 센서 시스템의 개발이 요구된다. 그러나 위의 논문에서 개발된 소자는 훌륭한 성능이 입증 되었음에도 불구하고 다중 환경요소에 대한 고려를 하지 못하여 한정된 조건에서만 응용이 가능하다. 그러므로 더욱 정확한 정보를 위해 습도, 온도와 같은 다중 간섭 요소에 대한 정보와 그에 대한 보상이 필요하다.
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