[논문]표면 탄성파 장치에 기반한 무선 간극 센서

김재근; 박경수; 박노철; 박영필; 이택주; 임수철; 엄원석

doi:10.5050/ksnve.2011.21.3.206

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we report a high-precision wireless gap sensor based on a surface acoustic wave (SAW) device. The sensing element is a parallel-plate capacitor whose dimensions are $3{\times}3\;mm^2$, and is attached to the SAW device as an external load. The SAW device, equipped with an R...

In this paper, we report a high-precision wireless gap sensor based on a surface acoustic wave (SAW) device. The sensing element is a parallel-plate capacitor whose dimensions are $3{\times}3\;mm^2$, and is attached to the SAW device as an external load. The SAW device, equipped with an RF antenna, serves simultaneously as a signal conditioner and an RF transponder. The center frequency of the SAW device is 450 MHz. The wireless gap sensor prototype exhibits a resolution of 100 nm and a sensing range of $50{\mu}m$. The proposed sensor system can be used for remote, high-precision gap measurement in hard-to-reach environments.

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문제 정의

또한, 무선시스템에 적용 시에는, IDT(inter digital transducer)와 임피던스에 의한 신호 감쇄의 영향으로 송수신 단에서의 잡음의 영향이 상대적으로 커지게 되어 초정밀 측정에는 한계가 있다. 이 연구에서는 반사 신호를 이용하는 기존 측정 방법이 가지는 단점을 개선하기 위해 상대적으로 측정 효율이 높은 진행 신호를 이용한 센서를 제안하고, 이를 이용해 초정밀 무선 간극 측정 시스템을 구현한다.
표면 탄성파 장치(surface acoustic wave device; SAW device)는 특정 주파수 대역에서 선택적으로 작동하여, 저잡음, 협대역의 유·무선 센서 또는 이를 위한 신호처리 장치로 널리 이용된다. 이 중, 신호 처리 장치로서의 응용은 다양한 임피던스 센서와의 결합을 통해 정밀 측정 시스템으로 활용 가능하여, 여러 산업 분야에서의 응용을 목적으로 두루 연구되었다. 전기전자 분야에서는 지연선(delay line)에 자기 변형 층을 코팅하여 발생하는 중심주파수 이동 및 위상 변화를 통해 전류 측정 센서로 이용되었으며^(1~3), 바이오/화학 분야에서는 지연선 자체 또는 특수 물질의 코팅을 통해 특정 성분의 선택적 정량 검출 센서로 사용되기도 한다⁽⁴⁾.

제안 방법

8 MHz의 비교적 낮은 중심주파수를 사용 하였기 때문에, 상대적으로 큰 표면 탄성파 장치가 사용되었고, 무선시스템으로 사용될 경우에는 소형화에 어려움이 있다. 따라서 소형화와 무선 신호 전송에 보다 유리한 450 MHz 중심주파수의 표면 탄성파 장치를 설계하고, 용량성 부하와의 결합을 통해 비접촉 무선 간극 센서를 제작하여 그 특성을 분석하고 성능을 검증하였다.
나노미터급의 측정을 위해서는 먼지와 같은 초소형 입자의 영향 또한 중요한 변수로 작용하기 때문에 모든 실험은 class 10의 청정부스 내에서 수행되었다. 또한 무선 측정은 잡음의 영향을 크게 받기 때문에 실제 실험 시에는 측정을 위한 전극 이외의 모든 부분은 특수 쉴드 테이프와 동축선로를 이용해, 전기적으로 외부와 완전 차폐를 하여 전기적 잡음의 영향을 최소화한 후, 이를 바탕으로 실험을 진행하였다. 무선 측정 거리는 20 cm로 고정하였으며, 이때 신호의 크기는 유선 신호대비 약 70 %로 측정되었다.
이 연구에서는 고정된 면적(3×3 mm2)을 사용하여 실험을 진행하였고, 진폭 변조된 신호를 통해 간극을 측정하였다.
용량성 임피던스는 사용된 전극의 크기와 전극간 거리에 따라 그 크기와 감도가 변하게 된다. 이 연구에서는 인가 신호 주파수(450MHz)와 전극의 면적을 고정하였고, 전극간의 간극만을 변수로 설정을 하였다. 따라서, 거리에 따른 표면 탄성파 응답의 크기[식 (1)]는 다음 식 (3)과 같이 간극만의 함수로 다시 정리된다.
이를 바탕으로 100 nm의 분해능으로 최대 50μm의 측정 범위를 가지는 무선 간극 센서를 구현하였다.
이 연구에서는 표면 탄성파 장치와 용량성 센서의 결합을 통해 나노미터급의 분해능을 가지는 초정밀 무선센서를 구현하였다. 무선센서로 구현하기 위해 기존의 유선 표면 탄성파 장치보다 높은 중심 주파수를 가지는 시스템을 제작하였고, 이에 높은 중심주파수의 사용에 따른 소형화를 동시에 달성하였다.
이 연구에서는 표면 탄성파 장치와 용량성 센서의 결합을 통해 나노미터급의 분해능을 가지는 초정밀 무선센서를 구현하였다. 무선센서로 구현하기 위해 기존의 유선 표면 탄성파 장치보다 높은 중심 주파수를 가지는 시스템을 제작하였고, 이에 높은 중심주파수의 사용에 따른 소형화를 동시에 달성하였다. 또한 무선 측정은 잡음의 수준에 따라 매우 큰 영향을 받기 때문에 표면 탄성파 장치와 전극을 연결 후 전극 이외의 부분은 모두 전기적으로 외부와 차폐하여 외부 잡음의 영향을 최소화 하였다.

대상 데이터

표면 탄성파 장치를 위한 압전 재료는 128° YX LiNbO3이 사용되었고 그 물성치는 Table 1과 같다.
간극의 조정은 1 nm의 분해능과 100 μm의 스트로크를 가지는 상용 스테이지를 이용하였으며, 무선신호의 계측을 위한 오실로스코프의 측정 임피던스는 DC 1 MΩ으로 설정되었다.
신호 발생기와 송수신 안테나의 특성 임피던스는 50 Ω이며, 간극 신호 송수신을 위한 안테나는 420~470 MHz 대역의 50 Ω 단일 이득 안테나를 사용하였다.
간극의 측정을 위한 용량성 전극은 3×3 mm2의 크기로 설계되었으며, 측정은 2 nm 분해능의 레이저 센서를 이용하였다.
따라서, 450 MHz의 중심주파수가 사용된 경우 IDT의 선간의 간격은 2.2μm이며, IDT finger의 길이 및 IDT 개수는 몸체 탄성파(bulk acoustic wave; BAW)에 의한 영향을 최소화하기 위해 각각 파장의 120배와 50쌍으로 선정하였다(12).
2와 같이 용량성 부하 C_L, 기생 저항 R_L의 직렬 연결과 안테나 임피던스 R_A 의 병렬 연결로 구성된다. 간극의 측정에 사용되는 전극은 용량성 부하 C_L과 기생 저항 R_L로 모델링할 수 있으며, RL의 값은 실험적으로 측정된다. 전극으로부터 측정된 간극의 정보는 병렬로 연결된 안테나에 의해 계측기로 송신된다.

성능/효과

또한 식 (3)에 의하여 응답이 가지는 최대 크기는 일정함을 알 수 있다. 따라서, 전극의 크기가 작을수록 간극의 변화에 따른 용량 임피던스와 표면 탄성파 응답의 감도가 커지게 되어, 보다 우수한 분해능을 가지는 센서로 구현될 수 있지만, 측정 거리는 감소하게 됨을 알 수 있다. 이 연구에서는 고정된 면적(3×3 mm²)을 사용하여 실험을 진행하였고, 진폭 변조된 신호를 통해 간극을 측정하였다.
따라서, 일정 간격으로 전극간 거리를 변화 시킬 때 달성 가능한 분해능과 이에 따른 측정 영역은 각각 100 nm, 50μm로 결정되었으며, 잡음수준의 개선을 통해 더 작은 분해능과 넓은 측정영역이 가능함을 확인할 수 있었다.
이를 바탕으로 100 nm의 분해능으로 최대 50μm의 측정 범위를 가지는 무선 간극 센서를 구현하였다. 또한 잡음수준을 줄일 경우 보다 개선된 센서로 적용 가능함과 더불어, 이를 이용한 고주파 무선 센서의 구현 및 이를 이용한 원거리 초소형/초정밀 측정이 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진행형 신호를 이용한 간극 측정에서 사용되는 부하는?	진행형 신호를 이용한 간극 측정은 외부 간극 측정 부하를 연결하여, 임피던스 변화에 따른 진폭 변조 신호를 해석하는 방법으로, 다양한 종류의 측정 부하가 사용될 수 있다. 주로 사용되는 부하는 용량성(capacitive) 부하로, 비접촉 측정과 나노미터 수준의 분해능이 가능하여, 초정밀 이송 시스템에 이용되며, 표면 탄성파 장치를 이용해 20 nm 분해능을 가지는 센서로 구현된 바 있다(10). 이 시스템에서는 13.
	표면 탄성파 장치가 널리 이용되는 곳은?	표면 탄성파 장치(surface acoustic wave device; SAW device)는 특정 주파수 대역에서 선택적으로 작동하여, 저잡음, 협대역의 유·무선 센서 또는 이를 위한 신호처리 장치로 널리 이용된다. 이 중, 신호 처리 장치로서의 응용은 다양한 임피던스 센서와의 결합을 통해 정밀 측정 시스템으로 활용 가능하여, 여러 산업 분야에서의 응용을 목적으로 두루 연구되었다.
	반사 신호를 이용하는 기존 측정 방법의 단점을 개선하기 위한 방법은?	또한, 무선시스템에 적용 시에는, IDT(inter digital transducer)와 임피던스에 의한 신호 감쇄의 영향으로 송수신 단에서의 잡음의 영향이 상대적으로 커지게 되어 초정밀 측정에는 한계가 있다. 이 연구에서는 반사 신호를 이용하는 기존 측정 방법이 가지는 단점을 개선하기 위해 상대적으로 측정 효율이 높은 진행 신호를 이용한 센서를 제안하고, 이를 이용해 초정밀 무선 간극 측정 시스템을 구현한다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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Chapra, S. C. and Canale, R. P., 2003, Numerical Methods for Engineers, McGraw Hill, New York.

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