화학 반응 가스 장치로 정확한 가스 모니터링 시스템 설계

화학 반응 센서는 산업 제어, HVAC 시스템, 보건 및 안전과 같은 응용 분야에서 저렴한 비용으로 다양한 가스 농도를 측정할 수 있는 방법을 제공합니다. 이 센서는 발열체를 사용하므로 개발자는 센서 저항을 정확히 측정하고, 적절한 온도 유지를 위해 발열체를 제어하는 두 가지 과제를 모두 해결할 수 있어야 합니다.

이러한 두 가지 요구 사항을 충족시키기 위해 개발자는 설계 복잡성과 측정 정확성 간의 균형을 맞출 다양한 기술을 활용할 수 있습니다.

이 기사에서는 화학 반응 센서의 특징과 여러 응용 분야에서의 이러한 센서의 역할을 검토합니다. 그런 다음 IDT(Integrated Device Technology)에서 화학 반응 가스 센서 장치를 소개하고, 이러한 센서 사용을 위한 요구 사항 및 센서 작동 지원을 위한 아날로그 설계 대안을 중점적으로 설명합니다.

마지막으로 가스 센서 설계 평가 및 개발을 위한 관련 보드 및 소프트웨어 소개와 함께 일반 MCU 기반 설계 방법에 대해 설명합니다.

화학 반응 센서

정성적 감지 및 정량적 측정은 특수 응용 분야와 보다 일반적인 응용 분야 모두에서 그 중요성이 커지고 있습니다. 메탄 감지기는 채광 작업 시 중요한 경고를 제공해주고, 수소 가스 측정은 사용자에게 배터리 문제를 경고해줄 수 있으며, 정밀한 가스 센서는 의료 응용 분야에서 "전자 냄새 검출기" 역할을 할 수 있습니다. 주거용 건물과 상업용 건물에서 다양한 가스의 수준을 모니터링하는 기능은 거주자에게 유독 가스에 대해 경고하고 화재 경고를 조기에 제공할 수 있습니다.

현재 시판되고 있는 가스 센서 중 화학 촉매 금속산화물 센서는 열악한 환경에서도 신뢰성 높은 결과를 제공해주는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 이러한 센서에서 공기 중 가스 분자의 농도가 변하면 센서 저항에 변화가 발생합니다. 이러한 저항의 변화에 따라 센서의 작동 범위 내에서 여러 수를 비교할 수 있습니다. 센서 저항(R_S)과 가스 농도 C의 관계는 두 개의 추가 상수 요소 A와 α만 포함하는 간단한 방정식으로 나타냅니다.

또는 동등한 형식으로 작성됩니다.

방정식 2는 가스 농도의 로그와 센서 저항의 로그 간 선형 관계를 보여줍니다. 실질적으로 이 방정식은 이러한 센서가 낮은 농도에서는 저항의 변화가 급격하지만, 높은 농도에서는 변화가 훨씬 느리다는 것을 보여줍니다(그림 1).

그림 1: IDT의 SGAS701 수소 센서와 같은 화학 반응 센서는 센서 저항과 가스 농도 간 선형 로그-로그 관계를 나타내지만, 지원 회로망은 측정 결과에서 비선형성을 유도할 수 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

IDT의 화학 반응 센서 세트를 사용하면 다음을 비롯한 다양한 범위의 가스를 정확하게 측정할 수 있습니다.

• 수소, IDT SGAS701 센서 사용
• 포름알데히드, 톨루엔, 아세톤 및 알코올을 포함한 VOC(휘발성 유기 화합물), SGAS707 센서 사용
• 탄화수소, 메탄, 프로판, 천연가스를 포함한 인화성 가스, SGAS711 센서 사용

센서 요소와 함께 IDT의 4핀 장치는 저항 소자를 통합하여 센서를 최적의 측정 온도로 가열합니다.

많은 개발자들이 발열체를 적정 온도로 유지하면서 센서 저항을 정확하게 측정해야 한다는 문제를 가지고 있습니다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해 개발자는 설계 복잡성과 측정 정확성 간의 균형을 맞출 다양한 기술을 활용할 수 있습니다.

아날로그 프런트 엔드 구현 고려 사항

화학 반응 센서는 저항 장치로, 가스 농도 변화로 인한 저항의 변화를 측정하기 위한 적절한 여기 공급을 필요로 합니다. 이러한 유형의 여느 저항 장치와 마찬가지로 개발자는 다음과 같은 여러 가지 방법으로 센서 저항(R_S)을 측정할 수 있습니다.

• 단순 전압 분배기에 센서 놓기
• 정전압 소스로 장치 구동하기
• 정전류원으로 장치 구동하기

개발자의 경우 각 방법의 적합성은 설계 단순성과 측정 품질에 대한 응용 분야 요구 사항에 따라 다릅니다. 예를 들면 R_S를 단순 전압 분배기의 일부로 측정하여 개발자가 가장 단순한 솔루션을 만들 수 있습니다(그림 2). 하지만 응용 분야 요구 사항에 따라 이 방법에 내장된 측정 제한 사항이 너무 제한적일 수 있습니다.

그림 2: 전압 분배기 구성은 가장 단순한 화학 반응 센서 설계를 제공하지만, 정확한 가스 농도 측정을 요구하는 응용 분야에 대한 요구 사항을 충족하지 못 할 수 있는 한계가 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

전압 분배기에서 측정된 출력 V_OUT은 공급 값 V_bias(그림 2의 V_c)에 도달할 수 없습니다. 저항기 네트워크가 다음 공식에 따라 V_OUT을 V_bias의 분수로 제한합니다.

센서 응답 시간 때문에 R_FIXED/(R_FIXED+R_s), V_OUT/V_bias가 일치할 수 없습니다. 그렇지만 센서 기준값(공기 중에서 측정된 값 고려)과 1000ppm의 센서 전체 범위 응답 사이에 있는 유용한 전압 범위를 달성하도록 개발자가 R_FIXED 저항기 값을 설정할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 개발자는 3.3V 공급(그림 2에 V_c로 표시된 V_bias)을 이용한 설계에 R_FIXED 값을 사용하여 전체 범위 응답과 기준 응답(공기 중) 사이의 원하는 응답 범위를 달성할 수 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

이 방법에서 다른 제한 사항은 비선형성에서 발생합니다. 방정식 1과 3을 다음으로 재인수분해하면 명확해집니다.

R_S(즉, A * C^-α)가 R_FIXED보다 우세한 낮은 가스 농도에서 센서 응답 및 가스 농도가 선형 로그-로그 관계를 유지합니다. R_FIXED가 R_S보다 우세한 높은 가스 농도에서 가스 농도가 증가함에 따라 이 선형 관계가 끊어지고 반응의 단계적 변화는 줄어듭니다(그림 4).

그림 4: R_FIXED가 전압 분배기 구성에서 높아지기 시작하여 센서 응답과 가스 농도 간 로그-로그 관계가 비선형 관계를 이룹니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

안타깝게도 R_FIXED 및 R_S의 기여도를 결과에서 구분할 수 없으므로 개발자가 이러한 비선형성을 해결할 때 선택할 수 있는 옵션이 거의 없습니다. 따라서 이 방법은 정밀한 정량적 측정보다는 가스 감지에 중점을 둔 응용 분야에 훨씬 적합합니다. 이러한 감지 응용 분야에서 개발자는 제공된 가스 농도에 대한 임계값에 해당하는 정전압 수준에서 토글하도록 설정된 아날로그 비교기를 사용할 수 있습니다.

정확도 향상

디자이너는 센서 여기에 정전압 또는 정전류원을 사용하여 R_FIXED 및 선형성에 미치는 영향을 없앨 수 있습니다. 반면, 이러한 방법에는 전체 시스템 요구 사항에 영향을 미치는 전혀 다른 설계 요구 사항이 필요합니다. 정전압 여기의 경우 개발자가 간단한 아날로그 프런트 엔드를 사용하여 선형 로그-로그 응답을 생성할 수 있습니다(그림 5). 여기에서 출력 전압은 R_SENSOR와 간단하고 직접적인 관계가 있습니다.

그림 5: 디자이너는 오프셋 보정 및 증폭을 통해 정전압 센서 여기를 전달하는 회로를 사용하여 설계는 복잡해 지지만 정확성은 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

정전류 여기를 이용한 V_OUT은 R_SENSOR와 이를 통한 전류의 결과물이 되고, 가스 농도에 비례하여 센서가 직접적으로 응답합니다. 결과적으로 전체 작동 범위에서 가스 온도의 로그와 센서 응답 로그가 완전한 선형 관계를 이루게 됩니다. 이 방법은 해당 범위에 저항 변화를 효율적으로 분산시켜 가스 농도와의 저항에서 보다 일관된 큰 변화를 일으킵니다.

이러한 장점이 있는 반면 정전압 방식에 비해 복잡성이 점차 증가하게 됩니다. 후자의 방법과 마찬가지로 정전류 방식은 연산 증폭기 스테이지를 사용하여 기본 구동기 회로를 구현합니다. 하지만 이 경우 그러한 연산 증폭기 스테이지는 필수 여기 전류 레벨을 생성하기 위해 추가된 MOSFET 게이트를 조정합니다. 설계의 복잡성은 더 높아지긴 하지만 정전류 회로는 아래 언급한 대로 MCU 기반 설계에서 이점을 제공합니다.

히터 구동기

센서 여기에 사용된 방식에 관계없이 금속 산화 소재를 특정 온도로 가열해야 최적의 결과를 얻을 수 있습니다. IDT 센서의 경우 SGAS707 VOC 센서의 센서 작동 온도는 150°C, SGAS701 수소 센서는 240°C, SGAS711 가연성 가스 센서는 300°C입니다.

센서와 마찬가지로 히터도 필수 온도로 유지하기 위해 정전압 또는 정전류원이 필요한 저항 소자입니다. 개발자는 히터 구동기 회로가 센서 감도를 변경할 수 있는 변화를 방지하도록 해당 출력을 조정하는지 확인해야 합니다.

정전압 소스의 경우 디자이너가 기존의 선형 전압 조정기를 사용하여 전압 및 전력 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 예를 들어, Texas Instruments LM317은 각 IDT 센서에 필요한 특정 정격 출력 수준(SGAS707의 경우 3.5V, SGAS701의 경우 5.4V, SGAS711의 경우 7.0V)을 전달하는 기능에 적합한 솔루션을 제공합니다.

몇 개의 구성 요소 추가로 개발자는 LM317을 사용하여 대부분의 가스 센서 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있는 정전압 소스를 생성할 수 있습니다(그림 6). 개발자는 R2를 적절히 선택하여 V_HEATER를 필수 전압 수준으로 설정할 수 있습니다.

그림 6: 디자이너는 Texas Instruments LM317과 같은 기존의 선형 조정기를 사용하여 가스 센서 히터에 적합한 정전압 소스를 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

그럼에도 불구하고 이 솔루션의 상대적 단순성은 주위 온도의 변화 또는 회로 구성 요소의 변화로 인한 애플리케이션의 정확하지 않은 측정으로 나타납니다.

예를 들어, 이전에 언급한 대상 히터 전압 수준이 주위 온도가 0°C인 환경에서 작동하는 센서의 필수 수준에 해당합니다. 필수 히터 전압은 그림 7에 표시된 온도와 반비례 관계를 가집니다. 주위 온도의 변화에 따라 히터 전압을 조정하지 못하면 센서 감도와 가스 측정 정확도가 영향을 받게 됩니다.

그림 7: 각 IDT 가스 센서의 경우 필수 센서 히터 전압이 주위 온도 변화와 같은 속도로 변하지만, 각 센서 유형은 여기에 표시된 대로 SGAS701의 경우 5.5V, SGAS707의 경우 3.8V, SGAS711의 경우 7.2V의 특정 오프셋이 필요합니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

개발자는 그림 6에 표시된 대로 간단한 선형 조정기 회로도를 구축하여 히터 전력 및 온도를 추적할 피드백을 추가할 수 있습니다. 하지만 디자이너는 연관된 문제를 처리하는 대신 정전류원을 사용하여 보다 직접적인 솔루션을 선택할 수 있습니다.

정전류 센서 여기와 마찬가지로 정전류 히터 회로도 보다 유연한 솔루션을 제공합니다. IDT는 센서 여기와 히터 제어에 모두 정전류 회로도 사용을 보여주는 회로도를 제공합니다(그림 8).

그림 8: IDT는 해당 SMOD7xx 평가 기판에 동일한 아날로그 설계를 사용하여 센서와 히터에 정전류원을 제공하는 회로도를 보여줍니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

정전류 센서 여기(그림 8, 상단)의 경우 IDT는 각각 Diodes Incorporated DMC2700 고효율 MOSFET를 구동하는 한 쌍의 Linear Technology LTC6081 정밀 연산 증폭기를 결합하여 TI OPA2376AIDGKR 저잡음 연산 증폭기를 사용한 센서 전압을 제공합니다.

센서 히트 회로도는 비슷한 방법을 사용하지만, 회로의 9V 공급을 수용할 수 있는 Texas Instruments의 LPV511 연산 증폭기를 사용합니다(그림 8, 하단).

두 회로도 모두 입력 전압을 통해 전류 레벨을 설정하며, 이 전류 레벨은 일반 MCU 기반 센서 시스템의 중요한 이점을 제공합니다(그림 9).

그림 9: 정전류 회로는 MCU 기반 센서 시스템에 특히 효율적입니다. MCU는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)를 사용하여 센서와 히트 전압을 프로그래밍 방식으로 제어하고, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 센서 히터 전압을 모니터링하고 센서 출력 전압을 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

개발자는 MCU로 디지털 아날로그 컨버터(DAC)를 제어할 수 있으므로, 센서와 히터에 필요한 제어 전류 레벨을 프로그래밍 방식으로 설정하여 변경 조건에 대응할 수 있습니다. 마찬가지로 MCU를 사용하면 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 센서 출력을 읽고, 필요한 조정 또는 보정을 수행하고, 결과를 애플리케이션에 전달할 수 있습니다.

히터의 경우 개발자가 히터 전압 출력을 측정하고, 특정 센서와 주위 온도에 적합한 레벨로 히터 온도를 유지하도록 설계된 소프트웨어 피드백 루프의 결과를 사용할 수 있습니다.

IDT는 SMOD7xx 데모 키트에 있는 이와 동일한 이중 정전류 회로 설계를 SGAS701(SMOD701KITV1), SGAS707(SMOD707KITV1) 및 SGAS711(SMOD711KITV1)에 사용합니다. SGAS7xx 센서의 평가를 용이하게 하기 위해 설계된 SMOD7xx 보드는 정전류 회로를 해당 센서, TI MSP430I2021 MCU 및 지원 회로망과 결합합니다.

SMODxx 보드와 함께 작동하도록 설계된 별도의 SMOD 응용 소프트웨어 프로그램(등록 필수)을 사용하여 개발자가 가스 감지 응용 분야 시나리오 탐색을 바로 시작할 수 있습니다. 개발자는 SMODxx 보드의 센서를 원하는 가스 농도에 노출하여 SMOD 소프트웨어 프로그램에서 센서 저항의 변화를 직접 보고 다른 가스 및 농도에 대한 애플리케이션의 반응에 중점을 둘 수 있습니다(그림 10).

그림 10: SMOD7xx 보드와 조합하여 사용된 IDT SMOD 응용 소프트웨어 프로그램을 사용하여 개발자가 다른 사용 시나리오의 반응에 따른 센서 저항의 변화를 볼 수 있습니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

SMOD7xx 키트와 SMOD 소프트웨어 패키지를 함께 사용하면 실제 애플리케이션의 가스 센서 성능을 이해하는 데 중요한 도구로 사용될 수 있습니다. 산업 환경은 다양한 종류의 가스로 가득 차 있기 때문에 주의를 기울이지 않고 있으면 개발자는 가스 센서에서 예기치 않은 결과를 얻게 될 수 있습니다. 각 화학 반응 센서가 특정 유형의 가스에 최적으로 반응하도록 설계되어 있어도 다른 가스가 있을 경우 결과가 바뀔 수 있습니다.

예를 들어, SGAS701 센서는 수소 가스에 최적화되어 있어도 SGAS707 VOC 센서 및 SGAS711 가연성 가스 센서를 사용하여 최적으로 감지되는 가스를 포함하여 다른 유형의 가스에 반응합니다(그림 11). 또한 습도 및 기타 주변 조건으로 인해 센서 반응에 체계적인 변화가 나타날 수 있습니다. 개발자는 IDT 개발 도구를 사용하여 가스 센서 시스템의 최종 설계 전에 애플리케이션에 영향을 줄 수 있는 요인을 찾을 수 있습니다.

그림 11: 가스 센서는 일반적으로 여기 SGAS701 수소 가스 센서에 대해 표시된 대로 그러한 환경에 노출된 가스 센서 설계의 적합한 보정 또는 수정이 필요한 다른 유형의 가스에 대한 감도 레벨을 표시합니다. (이미지 출처: Integrated Device Technology)

결론

다른 가스의 농도를 측정하는 기능은 다양한 응용 분야에서 점차 그 중요성이 증가하고 있습니다. IDT와 같은 기업에서 저가형 화학 반응 센서를 기성 솔루션으로 제공하고는 있지만, 이러한 장치의 고유한 요구 사항을 해결하기 위해서는 세심한 회로 설계가 필요합니다.

디자이너는 다양한 기술을 사용하여 해당 애플리케이션의 고유한 요구 사항을 충족하도록 회로의 복잡성과 측정의 정확성이 균형을 이룬 가스 감지 설계를 할 수 있습니다.