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화염 감지 및 가스 분석을 위해 박막 초전성 센서 선택
대기 오염을 측정하고 화재를 감지해야 하는 필요성과 함께 환경의 온실가스에 대한 염려가 높아지면서 가스 식별 및 측정은 많은 사람이 크게 우려하는 분야가 되고 있습니다. 설계자가 가스와 화염 감지에 적합한 수동 초전성 센서를 통해 이러한 우려를 불식시키는 방법을 살펴보겠습니다.
적외선(IR) 감지
환경 내 가스를 감지할 수 있는 기능은 유용합니다. 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)와 같이 환경에 민감한 가스를 감지할 때 특히 유용합니다. 이러한 동일한 가스는 나화에 존재하는 기본 가스이므로 화염 감지에 이 동일한 기술을 적용할 수 있습니다. 이러한 가스는 수증기, 메탄(CH4) 같은 탄화수소(H-C) 및 여러 다른 가스와 함께 중적외선 범위에서 상당한 흡수 스펙트럼을 가지고 있습니다.
IR 방사에는 극초단파와 가시광선 사이에 스펙트럼 성분이 있으며 파장이 0.76μm와 1mm 사이입니다. 이 범위는 세 가지 하위 영역으로 나뉘며 이 하위 영역은 파장이 0.76μm ~ 3μm에 이르는 단파(근적외선), 파장 범위가 3μm ~ 14μm인 중파(중적외선), 파장이 14μm ~ 1mm인 장파(원적외선)으로 구분합니다.
대부분의 관심 가스에는 중적외선 범위의 흡수 스펙트럼이 있습니다(그림 1).
그림 1: IR 흡수 피크는 중적외선 스펙트럼 범위에서 발생하는 여러 가스와 관련됩니다. (이미지 출처: Broadcom)
나화에서 방출된 기본 가스는 CO2와 CO이므로 동일한 IR 기술을 적용하여 화염을 감지할 수 있습니다.
IR 감지
IR 방사는 여러 방법으로 감지할 수 있습니다. 광 다이오드는 근적외선 범위에 사용할 수 있습니다. 다른 기존 방법에는 IR 에너지로 인한 온도 변화에 비례하는 전압을 생성하기 위해 열 복사에 반응하는 열전대 스택인 열전퇴를 사용하는 방법이 포함됩니다.
최근에는 중적외선에서 장적외선 스펙트럼 세그먼트에 초전성 효과를 활용하는 센서가 사용됩니다. 초전성 효과는 결정질 재료가 가열되거나 냉각될 때 결정면에 전압을 생성하는 특정 결정질 재료의 능력입니다. 센서는 IR 방사에 노출되면 자체 충전되는 커패시터로 시각화할 수 있습니다. 초전성 센서는 열전퇴에 비해 반응 시간이 더 빠르고 신호 대 잡음비(SNR)가 우수하며 더 큰 반응성으로 인해 감도가 더 높다는 이점이 있습니다. 특히 긴 IR 파장을 측정할 때 광 다이오드는 우수한 SNR을 얻기 위해 냉각되어야 합니다. 초전성 센서는 중적외선 ~ 장적외선 스펙트럼 세그먼트에서 냉각할 필요가 없다는 이점이 있습니다.
지르콘산 납(PZT) 또는 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)와 같은 초전성 재료를 사용하여 IR 센서를 만들 수 있습니다. 이는 벌크 형태로 사용되거나 박막 하이브리드 구조로 사용될 수 있습니다. 벌크 초전성 장치는 일반적으로 박막 기법을 기반으로 한 장치에 비해 응답성이 더 부족하고 SNR이 더 낮습니다.
박막 초전성 센서에는 일반적으로 초전성 장치를 보호하기 위해 고이득 증폭기가 포함됩니다(그림 2).
그림 2: 박막 초전성 센서 패키징에는 센서 다이, 고이득 증폭기 및 통합 광학 IR 필터가 포함됩니다. (이미지 출처: Broadcom)
이 증폭기는 최대 10GΩ의 피드백 저항기가 있는 저잡음 CMOS 연산 증폭기로 구현됩니다. 출력 신호는 공급 전압의 절반에 집중됩니다. 이 센서는 넓은 주파수 범위에서 작동하며 안정적이고 빠르게 응답합니다.
광학 필터는 센서가 응답하는 파장 범위를 제한하는 데 사용됩니다. 이러한 필터는 기본적으로 센서를 특정 IR 파장에 맞게 조정합니다.
박막 초전성 센서 응용 분야
중적외선 범위의 박막 초전성 센서는 화염 감지 및 가스 분석, 연료 및 오일 분석, 식품 안전, 환경 모니터링 등 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.
화염 감지 응용 분야에서 IR 센서는 화염에서 나오는 IR 방사를 측정합니다. 화염은 CO2 및 CO와 같은 뜨거운 가스가 둘러싸고 있습니다. 화염과 가스 엔벨로프는 정적이지 않고 일반적으로 1Hz ~ 15Hz 범위의 주파수에서 깜빡입니다. IR 센서는 깜빡임 속도에서 방출되는 가스의 스펙트럼 범위를 모니터링하여 나화를 정확하게 감지할 수 있습니다.
화염 감지에 대한 주요 특성은 SNR로 표시되는 시야각(FoV) 및 작동 범위입니다. 이러한 파라미터는 가능한 한 커야 합니다. 화염 감지는 화염원에 의해 직접 자극되며 일반적으로 단일 채널 IR 센서만을 사용합니다.
IR 가스 분석은 선택된 가스의 IR 광원 흡수를 기반으로 합니다. 이 과정은 비분산 IR(NDIR) 분광학이라고 하고 IR 방출기는 흡수 파장이 포함된 광대역 IR 에너지의 소스입니다. IR 센서 2개가 사용되며 한 센서는 선택한 가스의 흡수 파장을 측정하기 위해 필터링되고 두 번째 센서는 기준 신호를 제공하기 위해 비흡수 파장에서 필터링됩니다(그림 3).
그림 3: 박막 초전성 센서를 사용하는 가스 분석 설정을 간소화한 구성도입니다. (이미지 출처: Broadcom)
30Hz ~ 100Hz 속도로 변조된 펄스 흑체 광원이 적합한 범위의 IR 파장으로 가스 튜브를 채웁니다. 튜브 내 가스는 원자 구조를 기반으로 IR 에너지를 흡수합니다. 예를 들어 CO2는 4.26μm 파장인 에너지를 흡수합니다. CO2에 흡수되지 않는 3.9μm 근처 파장이 기준 파장으로 선택됩니다. 기준 채널은 IR 광원의 전력 변화를 모니터링합니다. 전파 방해를 줄이기 위해 광학 차단 필터는 가스 흡수 및 기준 채널의 파장과 관련된 파장으로 센서에 표시되는 파장의 범위를 제한합니다.
가장 일반적으로 모니터링되는 4가지 가스는 산소(O), CO, CO2 및 산화질소(NO)입니다. IR 센서는 긴 수명, 빠른 응답, 보정 불필요, 광범위한 가스를 감지하고 식별하는 능력 등 대안에 비해 상당한 이점을 제공합니다.
박막 초전성 센서
사용자는 이러한 정보를 입수하여 직접 초전성 센서 설계를 시작하는 데 관심을 가질 수 있습니다. 사용 가능한 장비에 대해 알고 싶다면 Broadcom에서 자체 박막 PZT IR 기술을 기반으로 한 기성 IR 센서를 제공합니다. 이 제품에는 이산 소자 중적외선 파장에 민감하고 화염 감지 및 가스 분석 응용 분야 모두에 사용되는 아날로그 단일 채널 및 이중 채널 감지기가 모두 있습니다.
이 센서는 TO-39 캔에 패키징되어 있으며 FoV 및 SNR과 함께 이 센서가 중요한 특성인 중공업, 오일 및 가스, 인프라, 산림 보호 산업의 실외에서 사용하기에 매우 적합합니다(그림 4).
그림 4: 단일 및 이중 채널 박막 초전성 센서의 TO-39 패키징 예 (이미지 출처: Broadcom)
이러한 센서는 150,000V/W의 정격 응답성을 가지고 있으며 SNR이 10,000입니다. 모든 센서는 2.7V ~ 8V 사이 단일 공급 장치 레일을 사용하며 작동 온도 범위는 -40°C ~+85°C입니다(표 1).
박막 초전성 단일 채널 센서
| Broadcom 부품 번호 | 필터 중심 파장(µm) | 필터 반전력 대역폭(nm) | 컷온 파장(µm) | 컷오프 파장(µm) | 응용 분야 |
| AFBR-S6PY3200 | 2.77 | -- | 2.425 | 3.115 | 화염 감지 |
| AFBR-S6PY2341 | 4.64 | -- | 4.55 | 4.73 | 화염 감지 |
| AFBR-S6PY0211 | 4.64 | 180 | -- | -- | 가스 감지 |
| AFBR-S6PY0573 | 4.35 | -- | 4.05 | 4.65 | 화염 감지 |
| AFBR-S6PY1601 | 5 | -- | 5 | -- | 화염 감지 |
| AFBR-S6PY0574 | 4.55 | -- | 4.34 | 4.76 | 화염 감지 |
| AFBR-S6PY0575 | 3.91 | -- | 3.865 | 3.955 | 화염 감지 |
박막 초전성 이중 채널 센서
| Broadcom 부품 번호 | 필터 중심 파장(µm) | 필터 반전력 대역폭(nm) | 컷온 파장(µm) | 컷오프 파장(µm) | 응용 분야 |
| AFBR-S6PY1943 | 3.91(기준) | 90 | -- | -- | 가스 감지 |
| 4.3(CO2 좁은 범위) | 110 | -- | -- | 가스 감지 | |
| AFBR-S6PY2486 | 3.91(기준) | 90 | -- | -- | 가스 감지 |
| 3.33(H-C) | 160 | -- | -- | 가스 감지 | |
| AFBR-S6PY2572 | 4.9(기준) | 130 | -- | -- | 가스 감지 |
| 4.26(CO2 의료용) | 180 | -- | -- | 가스 감지 | |
| AFBR-S6PY0234 | 3.91(기준) | 90 | -- | -- | 가스 감지 |
| 4.26(CO2) | 180 | -- | -- | 가스 감지 | |
| AFBR-S6PY3151 | 370(기준) | 110 | -- | -- | 가스 감지 |
| 4.26(CO2) | 180 | -- | -- | 가스 감지 | |
| AFBR-S6PY2626 | 3.91(기준) | 90 | -- | -- | 가스 감지 |
| 3.3(CH4) | 160 | -- | -- | 가스 감지 |
표 1: Broadcom의 단일 및 이중 채널 박막 초전성 센서의 주요 스펙트럼 특성을 보여줍니다. (표 출처: Art Pini)
사용되는 광학 필터의 파장 한계는 중심 파장과 필터의 반전력 대역폭 또는 대역 통과 필터의 컷온 파장 및 컷오프 파장으로 지정됩니다. 가스 분석 응용 분야용 이중 채널 모델은 특정 가스와 인접한 기준 파장을 감지하기 위해 필터링됩니다. 예를 들어 이중 채널인 AFBR-S6PY0234 센서에는 CO2 감지를 위해 4.26µm로 필터링된 분석 창과 파장이 3.91µm인 기준 창이 있으며 이는 그림 1에 표시된 CO와 CH4의 흡수 피크 사이 간격에 해당합니다. 또한 빠르게 화염을 감지하기 위해 12ms의 빠른 시간 상수가 있습니다.
센서 인터페이싱은 비교적 쉽습니다. 간단한 비반전 증폭기가 대역 통과 이득을 제공하여 후속 회로망에 적합하게 구동합니다(그림 5).
그림 5 : 이중 채널 박막 초전성 IR 센서에 대한 간단한 증폭기 인터페이스의 회로도 구성도를 보여줍니다. (이미지 출처: Broadcom)
이 증폭기는 1Hz ~ 50Hz의 대역 통과 주파수 범위를 통해 센서 출력 신호의 AC 부품에 25dB의 전압 이득을 제공합니다. DC(0Hz)에서 증폭기는 단위 이득 전압 팔로어입니다. 50Hz 이상에서 출력 레벨은 단위 이득으로 서서히 감소합니다.
결론
가스 감지 솔루션을 찾고 있다면 간단하고 부품 수가 적으며 단일 채널 또는 이중 채널 구성으로 제공되는 Broadcom 아날로그 센서를 고려해 보세요. 이 센서는 150kV/W 응답성을 갖춘 전류 모드 감지, 3Hz ~ 15Hz에 이르는 전체 화염 깜빡임 범위에 대한 안정적인 응답, 빠른 화염 감지를 위한 12ms의 빠른 시간 상수, 10,000의 높은 SNR 등 박막, 초전성 PZT 구조에 내재된 고성능 사양을 갖추고 있습니다. 이 센서의 높은 응답성은 IR 광원 수명 연장을 위해 낮은 작동 전력 레벨을 지원하므로 가스 및 화염 감지 시스템에 이상적입니다.
작성자 정보
Arthur(Art) Pini는 DigiKey의 기고 작가입니다. Art는 뉴욕시립대에서 전기공학 학사 학위를 취득하고 뉴욕시립대학교에서 석사 학위를 취득했습니다. 그는 전자 분야에서 50년 이상의 경력을 쌓았으며 Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, Nicolet Scientific에서 주요 엔지니어링 및 마케팅 역할을 담당했습니다. Art는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 임의 파형 생성기, 디지타이저, 전력계와 관련된 측정 기술과 폭넓은 경험에 관심을 갖고 있습니다.
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