[논문]산화물 반도체식 가스센서의 입출력 고차 캘리브레이션 방정식 도출

박규태; 김강민; 이형기; 윤명섭

doi:10.7842/kigas.2020.24.2.44

초록
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본 논문에서는 산화주석 기반 반도체식 가스센서의 제조사양을 분석하여 측정회로를 설계하였다. 또한, 실제 가스안전관리 산업현장에서 가스센서를 사용하기 위하여 응답특성시험을 통한 최적 입출력 방정식을 도출하였다. 산화물 반도체 가스센서의 응답특성은 6종의 농도를 가진 표준가스를 제조하여 주입하며 출력전압을 측정을 통해 분석되었다. 각각 농도가 다른 가스의 주입에 대한 센서의 출력 전압의 관계를 룩업 테이블로 생성하였다. 생성된 룩업테이블의 데이터가 등간격이면 근사함수법으로 다항식을 도출할 수 있다. 그래서 5차의 다항식을 정의하고, 그 계수를 최소자승법으로 구하여 센서의 입출력 특성을 대표하는 5차 다항식을 완성하였다. 제안된 5차 다항식이 가스검지기 등에 실제로 적용되기 위해서는 다항식의 역변환이나 사이 값이 추가된 배열형태로 프로그래밍이 다시 생성되어져야 한다. 본 연구에서는 사이 값을 1/5로 세밀하게 구분 및 보간을 계산하여 배열형태로 구현되었다. 제안한 5차 캘리브레이션 교정식의성능은 표준가스를 주입 및 그 농도를 측정했을 때 일차방정식보다 오차가 감소됨을 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a measuring circuit is designed through analyzing manufacture specification of the sensor based on MOS. And the best input-output polynomial are induced that really gas sensors are used in gas safety management industrial fields. Response characteristics of a MOS gas sensor is analyse...

In this paper, a measuring circuit is designed through analyzing manufacture specification of the sensor based on MOS. And the best input-output polynomial are induced that really gas sensors are used in gas safety management industrial fields. Response characteristics of a MOS gas sensor is analysed by through sensor's output voltages are measured after standard gases with six kinds of concentrations are manufactured and are injected to the sensor. A lookup table is created by relations of sensor's output voltages by injecting gases with other concentrations. Because data of the formed lookup table are equal interval, a polynomial can be induced of method of approximation function. So the 5th polynomial of input-output for a sensor is defined, coefficients are calculated by using least squares method, and the 5th polynomial is completed for representing characteristics of the sensor. If the proposed polynomial is applied to gas leak detectors, an inverse transformation of polynomial and programing of array codes are recreated. In this research, polynomial is implemented with array types that intervals of values of a lookup table are one-fifth sampled and interpolated. The performance of proposed 5th calibration equation is verified that errors are reduced than a linear expression when tests are performed by measurement of concentrations against injection of standard gases.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Appearances of semiconductor gas sensors based on SnO2 basis.
그림 Fig. 2. Inner structure of a semiconductor gas sensor.
그림 Fig. 3. Pin structure of a semiconductor gas sensor.
표 Table 1. Electrical characteristics of a semiconductor gas sensor
표 Table 2. Specification of the SnO2 semiconductor gas sensor
그림 Fig. 4. Sensing circuits of a semiconductor gas sensor.
그림 Fig. 5. Standard methane gases and vessels made of six concentrations.
그림 Fig. 6. Basic circuits for measuring output voltages by injected gases.
그림 Fig. 7. Sensor output voltages by injected gases.
표 Table 3. Voltages of a load resister by injected standard methane gases
표 Table 4. The table of m-numbers's data
그림 Fig. 8. Sensor output voltages calculated by the induced polynomial.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 산화주석 기반 반도체센서의 제조 사양과 특성을 파악한 후 센서회로를 구성하여 입출력 특성방정식을 도출하고 그 센서특성을 고찰하는 연구를 수행하였다. 산화물 반도체 가스센서를 가스 안전관리 현장에서 활용될 수 있도록 센서의 입력에 대한 출력 전압을 측정하기 위하여 6종의 농도를 가진 표준가스를 제조하여 실험을 수행하였고, 룩업 테이블(lookup table)을 생성하였다.
본 논문에서는 액화천연가스(liquified natural gas)와 액화석유가스(liquified petroleum gas)의 누출 검 사를 위한 장비 개발을 위하여, 접촉연소식 가스센서에 비하여 내구성은 약하지만 검지속도가 빠른 금속산화물반도체(metal oxide semiconductor) 센서를 사용한 사례를 소개하고자 한다. 가스안전관리 현장에서는 응답속도(response time) 빠르고 정확도가 우수한 가스누출검지기를 요구하고 있음에 따라 금속산화물반도체 가스센서의 측정회로를 개발하고, 6종의 표준가스주입에 따른 전압출력 응답특성 실험을 수행하여 교정 방정식(calibration equation)을 도출하고 가스검지기 개발에 적용하기 위한 단계를 서술하였다.

제안 방법

Fig. 6과 같이 센서와 부하저항을 PCB에 회로를 구성하여 6종 농도의 가스를 각각 5회씩 주입하며 센서의 변화에 따른 변동되는 부하저항에 걸리는 전압을 측정하였다.
본 논문에서 측정된 센서의 입출력 데이터는 6쌍이고 등간격이므로 직교법을 이용하여 식(2)와 같이 5차 다항식을 정의하고, 그 계수(C)를 구하여 센서의 출력특성에 대한 캘리브레이션 방정식(calibration equation)을 완성하고자 하였다. 다항식의 계수를 구하기 위해서 최소자승법(least squares method)을 이용하였으며, 그 해를 구하기 위하여 식(3)과 식(4)와 같이 행렬의 형태로 표현하였다.
그러나 이것은 임베디드시스템에서는 처리속도가 지연되어 검지속도 늦어지는 단점이 될 수 있다. 본 연구에서는 실제적인 활용도를 고려하여 5차 다항식을 구한 후 데이터 범위를 확대하고 그 간격(interval)을 1/5로 좁혀서 센서의 출력을 계산하고 보간하는 모의실험을 수행하였다. 실제로 산업현장에서 사용하기 쉬운 방법을 제시하였으며, 이를 가스센서 모듈과 검지기 및 원거리 레이저 메탄검지기(remote laser methane leak detector)에 활용되어 가스 사고예방에 도움이 되기를 바란다.
본 논문에서는 산화주석 기반 반도체센서의 제조 사양과 특성을 파악한 후 센서회로를 구성하여 입출력 특성방정식을 도출하고 그 센서특성을 고찰하는 연구를 수행하였다. 산화물 반도체 가스센서를 가스 안전관리 현장에서 활용될 수 있도록 센서의 입력에 대한 출력 전압을 측정하기 위하여 6종의 농도를 가진 표준가스를 제조하여 실험을 수행하였고, 룩업 테이블(lookup table)을 생성하였다. 생성된 룩업테이블의 데이터 쌍을 대표할 수 있는 근사함수법 중 직교법을 이용하여 5차 다항식을 도출하였다.

대상 데이터

전압 5V를 인가하고 가스를 주입하지 않았을 때 센서의 저항(Rs)은 약 2 ㏀으로 측정되었다. 6종의 농도(0.75, 1.0, 1.25, 1.5, 1.75, 2.00%Vol)를 가진 표준 메탄가스를 KOLAS 규격에 따라 제조하고 인증을 받은 시료를 사용하였다.

데이터처리

생성된 룩업테이블의 데이터 쌍을 대표할 수 있는 근사함수법 중 직교법을 이용하여 5차 다항식을 도출하였다. 도출된 식이 가스센서나 가스검지기에 실제 사용되기 위해서는 룩업 테이블의 보간 값을 미리 계산해서 프로그램 코드에 데이터베이스나 배열 형태로 코딩해 놓은 후, 실제 가스가 주입되었을 때 측정되는 전압과 데이터베이스 의 값이 매칭되는 농도 값을 결정하도록 하였다. 한편, 5차 다항식은 역변환하여 프로그램 코드로 삽입할 수 있다.
주어진 n+1 데이터 포인터 (X_i,Y_i)에 대하여 MATLAB 함수 vander(x)를 이용하여 C의 계수행렬을 구할 수도 있다. 본 논문에서 수집한 센서의 입출력 데이터 쌍을 이용하여 5차 다항식의 계수를 최소자승법과 Vandermonde 행렬 을 MATLAB과 엑셀함수를 이용하여 실제 데이터 를 계산하였고, 식(5)와 같이 대입하여 나타내었다.

이론/모형

본 논문은 Fig. 1과 같이 4번째 방식인 산화주석(SnO₂)기반 금속산화물반도체 식(MOS, metal oxide semiconductor) 센서방식을 이용하여 제작한 센서를 사용하여 입출력 응답곡선 을 도출하였다.
본 논문에서 측정된 센서의 입출력 데이터는 6쌍이고 등간격이므로 직교법을 이용하여 식(2)와 같이 5차 다항식을 정의하고, 그 계수(C)를 구하여 센서의 출력특성에 대한 캘리브레이션 방정식(calibration equation)을 완성하고자 하였다. 다항식의 계수를 구하기 위해서 최소자승법(least squares method)을 이용하였으며, 그 해를 구하기 위하여 식(3)과 식(4)와 같이 행렬의 형태로 표현하였다.
이 6쌍의 데이터를 가지고 수치해석 근사함수법(method of approximation function)을 이용하여 특정 수식을 도출하고, 그 함수의 역변환을 센서시스템이나 가스검지기의 프로그램에 코드를 삽입할 경우 측정된 전압에 따른 미지의 농도를 결정할 수 있다[8]. 본 연구에서는 근사함수법 중에서 자료적합법(method of data fitting)의 하나인 직교법(method of orthogonal)을 이용하여 5차 다항식을 도출하였다.
산화물 반도체 가스센서를 가스 안전관리 현장에서 활용될 수 있도록 센서의 입력에 대한 출력 전압을 측정하기 위하여 6종의 농도를 가진 표준가스를 제조하여 실험을 수행하였고, 룩업 테이블(lookup table)을 생성하였다. 생성된 룩업테이블의 데이터 쌍을 대표할 수 있는 근사함수법 중 직교법을 이용하여 5차 다항식을 도출하였다. 도출된 식이 가스센서나 가스검지기에 실제 사용되기 위해서는 룩업 테이블의 보간 값을 미리 계산해서 프로그램 코드에 데이터베이스나 배열 형태로 코딩해 놓은 후, 실제 가스가 주입되었을 때 측정되는 전압과 데이터베이스 의 값이 매칭되는 농도 값을 결정하도록 하였다.
7과 같다. 이 6쌍의 데이터를 가지고 수치해석 근사함수법(method of approximation function)을 이용하여 특정 수식을 도출하고, 그 함수의 역변환을 센서시스템이나 가스검지기의 프로그램에 코드를 삽입할 경우 측정된 전압에 따른 미지의 농도를 결정할 수 있다[8]. 본 연구에서는 근사함수법 중에서 자료적합법(method of data fitting)의 하나인 직교법(method of orthogonal)을 이용하여 5차 다항식을 도출하였다.

성능/효과

이러한 5차 센서의 입출력방정식은 Fig. 7에서 초기(0.75, 4.85)와 최종점(2.0, 4.91)을 가상의 선분(blue line)으로 연결을 때의 일차식의 직선보다 변곡점을 4개를 가지고 있으므로 센서의 실제 특성을 보다 잘 나타낼 수 있으므로 오차가 확연히 감소됨을 판단할 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 실제적인 활용도를 고려하여 5차 다항식을 구한 후 데이터 범위를 확대하고 그 간격(interval)을 1/5로 좁혀서 센서의 출력을 계산하고 보간하는 모의실험을 수행하였다. 실제로 산업현장에서 사용하기 쉬운 방법을 제시하였으며, 이를 가스센서 모듈과 검지기 및 원거리 레이저 메탄검지기(remote laser methane leak detector)에 활용되어 가스 사고예방에 도움이 되기를 바란다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화물 반도체의 특징은?	산화물 반도체는 어느 종류의 가스에 접촉되면 전기전도도(傳導度)가 변화하는 점을 이용하며, 이 소자(素子)는 300℃ 이상으로 가열하여 사용하기 때문에 전극과 히터를 설계하여 박막형, 후막형, 소결형, 비드형 등 여러 가지 구조로 하여 제작된다. 감도를 좋게 하고 소모전력을 가능한 한 최소화 하려면, 가스분자가 흡착하기 쉽도록 표면적을 크게 하고, 소자 전체도 작게 제조하면 유리하다.
	반도체식 가스센서의 장점은?	반도체식 가스센서는 소형이고, 가격이 저렴하며 감도가 높고 응답속도가 빠르다. 또한 전기신호 로서 가스농도를 알아낼 수가 있어 가스누출경보기, 화재경보기, 알코올검출기, 엔진연소 가스누출검지 등에 사용되기도 한다.
	산화주석 기반 반도체식 가스센서 분류는?	그 종류는 4가지로 분류할 수 있는데, 첫째는 가스센서의 기구에 전자수용성 가스가 반도체 표면 에 화학적으로 흡착되면 흡착분자에서 반도체 측으로 전자교환이 일어나, 반도체 안의 캐리어 밀도 가 변화함으로써 표면전도도가 변화하는 것을 이용 하기도 한다. 둘째는 금속산화물 반도체가 환원가스로 환원되어 조성의 변화를 일으켜 전기전도도가 변화하는 것을 이용하고 셋째는 반도체 내의 접촉 립계면(接觸粒界面) 및 팔라듐, 백금 등 촉매 금속과의 접촉면의 전위장벽 높이가 가스층(gas cloud) 과의 반응에 의해 변화하는 것을 이용한다. 넷째는 반도체 표면에 흡착된 가스분자와 산소분자 접촉 연소에 의해 소자온도가 상승함으로써 저항이 변하여 전기전도도가 변하는 특성을 이용한 것이다.

참고문헌 (9)

Incident Investigation & Safety Checkup Division, Gas Incident Statistics, Korea Gas Safety Corporation, (2018)
Gyoutae Park, Hiesik Kim and et. al, "Development of Gas Safety Management System for Smart-Home Services," International Journal of Distributed Sensor Networks, 2013(591027), (2013)

상세보기
2018 gas accident yearbook, Gas Incident Statistics, Korea Gas Safety Corporation, (2018)
Sabrie Soloman, Sensor Hand Book, 2nd ed., McGraw-Hill, 1313-1332, (2010)
Gyoutae Park, Hiesik Kim and et. al, "A Study on the Development and Accuracy Improvement of an IR Combustible Gas Leak Detector with Explosion Proof," KIGAS, 18(3), 1-12, ( 2014)
http://www.newcera.co.kr/ko/introduction.html
Junhee Lee, Hyeri Jang and Gyoutae Park, "Calculation of Response Characteristics of Various Hydrocarbon Gas Sensors," International Journal o Future Revolution in Computer Science &Communication Engineering, 4(12), (2018)
Joel M. Morris et. al, "Results on Gas Detection and Concentration Estimation Via Mid-IR-Based Gas Detection System Analysis Model," IEEE Sensors Journal, 12(7), 2347-2355, (2012)

상세보기
Wilson et. al, Test and Measurement, Newnes, 3-99, 281-293, (2009)

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