융합센서기술개발동향및전망 융합센서 소자연구센터 박순섭 (parkss@keti.re.kr) 2009. 11.17 1
발표순서 센서개요 관성센서 촉각센서 열적외선센서 밀리미터파센서 가스센서 바이오센서 결언
What is a sensor? A sensor is a device that measures a physical quantity and converts it into a signal which can be read by an observer or by an instrument. Physical Properties Input signal Output signal Chemical Properties Optical Properties Sensor (sensor module) Electrical Signal Display Bio Properties
Sensor Application/ Trends 단순기능의일반센서 230 nv (15 mv/216) - Architectures MEMS 기반의지능형복합센서
Sensor Markets :MEMS sensor( 융합센서 ) MEMS Market for Industrial Applications Market for MEMS by Devices 참조 : yole 2008
관성센서 ( 가속도및각속도 ) 시스템구성및역할 가속도 각속도 ( 자이로 ) 스마트無人機관성센서시스템 위치 자세
관성센서원리및제품예 m z y ky kz Cy Cz Fey Fcz Δz 2 2 2 2 2 2 z rz ry rz ry ry y ey x x y C Q Q m F z mv F z m k c X0 a~ X x x r ma kx dt dx c dt x d m r r r ~ 2 2 - 가속도센서자이로센서상압패키징진공패키징
MEMS 기술특징및관성센서 MEMS 기술 MEMS 관성센서
MEMS Gyroscopes sensing & detection principle examples Kionix Murata
자이로센서발전사
촉각센서종류에따른기술원리 촉각센서소자기술원리 압저항형 -압저항효과에의한힘에따른저항변화 정전용량형 -힘에따른상 / 하부전극갂의정전용량변화 기타 <Si pn 접합게이지 > < 금속박막스트레인게이지 > < 전도성복합재료 : FSR> - 압전형촉각센서 : Piezo-electric effect 에의한힘에따른전하변화 - 유기 Tr 를이용한촉각센서 : 인가힘에따른소스 - 드레인갂의전류변화
촉각센서기술동향 CMOS 기반실리콘촉각센서 ( 미국 ) - 3축힘센서어레이형태 - 64 x 64 어레이, 공갂분해능 : 0.3 mm - CMOS 반도체공정기술이용 - 유연성전혀없음 MEMS 기반 3축힘센서 ( 중국 ) - MEMS기술에의한 3축힘센서어레이 - 4x8 어레이, 공갂분해능 : 4mm - 분해능및인식율저하 - 유연성전혀없음
촉각센서기술동향 전도성복합재료를이용한촉각센서 ( 미국 ) (Force-sensitive resistor, FSR) - 저가의스크린프린팅공정 - 1축힘 ( 압력 ) 측정 - 출력싞호의비선형성 - 유연성보유 - 현재상용화됨 PDMS기반촉각센서 ( 미국 ) - 10mm X 10mm(16 x 16 어레이 ) - Capacitive type tactile sensor - 1축힘 ( 압력 ) 측정 - 외부노이즈에취약함, - 유연성보유 - 내마모성이떨어짐
촉각센서기술동향 MEMS 기술에의한폴리머기반촉각센서 ( 미국 ) - MEMS 기술에의한센서설계 / 제작 - 열전도도, 경도, 물체의형상측정 - 1 축힘 ( 압력 ) 측정 - 유연성보유 실리콘및폴리머기반촉각센서 (KETI) - MEMS 기술또는저가의 FPCB 공정기술에의한유연성기반촉각센서제작 - 스트레인게이지자체에서의온도보상 - 1 축힘 ( 압력 ) 측정 - 유연성보유 < 실리콘기반촉각센서 > < 폴리이미드기반촉각센서 >
촉각센서기술응용 산업자동화및극한작업용로봇 인갂형 / 애완형로봇의손가락, 핸드및몸체 의료계의미세절개시술 터치스크린 마우스패널 모바일단말기 기타입력장치
기술개요 열적외이미지센싱이란? 물체에서발생하는적외선복사열을감지하는센서로서빛이없는곳에서도물체를인식. 물체의온도변화를 0.1 K 수준으로인식하며동영상을구현할수있어이미지센서로활용. Reflected RF 100 m RADIO (RADAR) 위성통신, 민. 군레이다, SAR 무선전화, 정밀유도무기센서 1 mm HEAT Radiation Reflected LIGHT 12 µm 8 5 3 µm 1500 nm 750 350 200 100 LWIR MWIR SWIR NIR VIS UV X-Ray 열화상카메라, 정밀유도무기센서 열화상카메라 ( 해상, 전차용 ) 고온계측기 (1000 이상 ) 1µm=1000 nm Electro Optic IIT 야시장비, LRF 망원경, 카메라, Electro Optic Electro Optic, 경고장치 16
기술개요 비냉각열적외이미지센서의동작원리? - 열적외파장흡수극대화 : /4 파장공명층 - 흡수층의온도민감도극대화 : high TCR 소재사용 - 열흡수층의전기전도도극대화 : 금속박막사용 - 고해상도 : 마이크로 MEMS 기술이용 90% 이상 Minimum width to determine the resistance reduce Thin metal with optimized thickness LWIR (10μm) IR detection Layer (a-si) 볼로미터공진기의파장에따른열흡수 (35 C 부근에서최대흡수 ) Air Gap λ/4 Cavity Reflecting Metal Anchor & electrode 17
국내외기술현황 세계기술개발현황 기술특허제약없음 기술 license 화 Indigo 18
국내외기술현황 세계기술개발현황회사 ( 국적 ) 볼로미터종류어레이포멧픽셀피치 검출능력 NETD 출처 : MEMS-based uncooled infrared bolometer arrays A Review, Proc. Of SPIE Vol. 6836 FLIR, USA L-3, USA BAE, USA DRS, USA Raytheon, USA ULIS, France VOx Bolometer 160 120 320 240 640 480 25m 35 mk VOx Bolometer 320 240 37.5m 50 mk a-si Bolometer VOx Bolometer VOx Bolometer (Std. design) VOx Bolometer (Umb. design) VOx Bolometer (Umb. design) VOx Bolometer VOx Bolometer (Umb. design) a-si Bolometer 160 120 320 240 320 240 640 480 160 120 320 240 640 480 30m 28m 17m 50 mk 30 50 mk 50 mk 320 240 25m 35 mk 320 240 17m 50 mk 320 240 640 480 25m 30-40 mk 640 512 17m 50 mk 160 120 384 288 640 480 17m - 30m 35-100 mk SCD, Israel VOx Bolometer 384 288 25m 50 mk 19
국내외기술동향 국내기술개발현황 D 전자 Ti 볼로미터 3 층구조, 흡수율 17 % max. 유효필팩터 50 % TCR -0.26 %/K K 연구기관 V-O-W 볼로미터형구조흡수율 80 % max. TCR -3 %/K 흡수파장이협소하다. 오카스 - 320 x 240 monolithic MEMS bolometer 이미지카메라개발 μ-bolometer Metal -2 Al Passivation oxide Al IMD Metal -1 Al Al Al ILD Al Al FDOXn + p + p + FDOX n ~~ + n + p + FDOX N-well Gate Oxide ~~ P-sub Monolithic Process 2 Monolithic Process 1 Al : metal-1 or 2Passivation CMOS Anchor 충진구조로제작 20
세계기술개발동향및시장변화 제품성능이미지구현 : 현재 320 x 240 또는 640 x 480 1280 x 1024 픽셀크기 : 현재 25m 17m, 온도해상도 : 현재 0.1K 0.05K 동작방식 : 냉각형 비냉각형 응용분야확대군수또는보안 민수 픽셀크기 : 현재 25m 17m 수요처의다변화 : 현재방위 / 보안산업 자동차 / 안전진단 / 의료등 21
mm-wave properties Advantages - 적외선에비해대기영향적고투과력이높다. ( 안개, 먼지, 연기, 구름, 두꺼운옷,... ) - Microwave 보다높은해상도와소형화가가능 - 피사체의온도에따른이미지왜곡이작다. Applications - 군수용전천후카메라시스템 - 충돌방지시스템 - 화재진압및인명구조 - 불법무기검색시스템 - 자원탐사, 천문기상관측
파장 (or 주파수 ) 에따른장단점비교 비교항목 mm-wave Infrared visible 검출영역 30 ~300GHz 2 ~ 13um (>30THz) 0.400~0.90um 대기영향 비교적작음 작음 매우큼 온도왜곡 비교적적음 매우큼 없음 Size >mm /pixel >50um/pixel < 6um/pixel Dynamic Large Medium Small range ( 야간영상, 전천후 ) ( 야간영상 ) 방식 / 재료 GaAs, InP detector Antenna-coupled microbolometer microbolometer, Pyroelectric MCT, InSb Si, CCD Nano device 장단점 Low Resolution Low Trans. Needs Low Sensitivity Distortion by Temp. Visible Light High Cost, Bulky
Applications of mm-wave image sensor 94GHz mm-wave Camera (NASA) Fog Conceal weapon detection Cloud
Relative Sensitivity MEMS mm-wave sensor in KETI Micro heater 1.2 1.0 Source QS-2 V det.corr. / V Golay, Att. T = 0.03 V det.corr. / V Golay, Att. T = 0.01 Detector 0.8 0.6 0.4 0.2 mm-wave sensor chip 0.0 120 130 140 150 160 170 180 F, GHz 2-D mm-wave FPA mm-wave image
mm-wave detection TRM Metal Detection System Sensor Technology Magnetic Imager MR Hall/AMR/GMR X-ray Digital X-ray Detector Cooled IR sensor Active mm-wave (radar) Passive IR (Camera ) mm-wave Si/GaAs Diode Uncooled Microbolometer 94GHz GaAs Passive mm-wave 140GHz InP 220GHz? Antenna-coupled Microbolometer 70 80 90 00 10 국외관련연구동향 TRW, NASA GaAs Texas Univ. Michigan Univ / Metorex(Filand) MEMS antenna couples microbolometer 국내관련연구동향 ACTIVE: 77GHz 레이더방식충돌방지-서울대 mm wave 싞기술연구센터 -동국대광주과기원- 91GHz GaAs diode detector LG 이노텍 76GHz GaAs radar detector Passive : KETI - 45GHz,140GHz Passive antenna coupled micro-bolometer
Applications and Principles of Gas Sensors Applications Controlled combustion (automobile, industrial furnaces) Toxic and inflammable gas detection (leakages) Electronic noses for air-quality monitoring, food quality and medical diagnosis Sensing Principles Electrochemical (solid electrolyte and amperometric) Catalytic combustion (hot-wire) Semiconductor (conduction) In the case of SnO 2 sensors, which are n-type semiconductors, the chemistry occuring on the surface involves two main reactions. - Chemisorption of oxygen: O 2 + 2e - 2O - ads - Removal by reducing gas: R + O - ads RO des + e - In the first case the surface conductivity decreases (resistivity increases), whilst the reverse occurs upon introduction of a reducing gas.
Trends in Development of Gas Sensor < An example of E-Nose, JPL (2005) >
NASA AMES, Meyyappan Group (2006) (A carbon nanotube sensor array for sensitive gas discriminationusing principal component analysis, Journal of Electroanalytical Chemistry 593 (2006) 105 110) University of Rovira i Virgili, X. Correig 그룹 (2005) (Towards a micro-system for monitoring ethylene in warehouses, Sensors and Actuators B 111 112 (2005) 63 70)
5 cm Results at KETI Micro Berthelot reaction system for NH 3 detection in water using micro fluidic devices ( 개발후기술이젂 ) NDIR mini-spectrometer for CO 2 gas detection ( 개발후기술이젂 ) Piezoelectric cantilever nano balance for VOCs detection 32 semiconductor gas sensor array using micro platform and nanowires and nanotubes for environmental monitoring (IT 원첚기술사업으로연구개발중, 관련기술이젂중 ) < 32 가스센서어레이용마이크로플랫폼, IMCS 2008 에서발표 > (J.-S. Park et al, Sensors and Actuators B 117 (2006) 516 522) 17 cm
The Principle of Biosensors Functionalized membrane Transducer Chemicals Heat Light Electrode Semiconductor Thermistor Photo-detector Electric signals Recognition Sound Transformation (change in physical properties) Vibrational resonance Computer interface Supporting Electrical signal
Analytes for Clinical Use Ions Gases Drugs Substrates Enzymes Microbiology Sodium Potassium Calcium ph Oxygen Ammonia CO 2 Paracetamol Slaicylate Amphetamine Barbiturates Cocaine Morphine Glucose Cholesterol Creatinine Creatine kinase Amylase Aspartate Aminotransferase Chlamydia Strep A Strep B H. Pylori I.M. Malaria Tuberculosis Hormones Cardiac Markers Proteins Allergy Renal Dysfunction Tumor Markers Viruses hcg FSH LH Prolactin TSH CK-MB Myoglobin TroponinI CRP IgE Micro- Albumin PSA Hemoglobin AFP Ferritin Adenovirus HBsAg HBsAb Rotavirus R.S.V.
혈당센서 방사선위해센서 글루코와치 ( 일 ) 콜레스테롤센서 식중독센서 메디컬바이오센서 ( 미 ) 식중독센서 (NT, 미 ) 나노바이오센서탄저균센서 ( 미 ) 중금속오염감지센서 ( 영 ) 심젂도센서토양짂단센서 ( 일 ) 1980 1990 2000 2005 Surpported membranes : Scientific and practical applications Sol-gel encapsulation method for bio sensors Real time biospecific interaction analysis using SPR and sensor chip technology Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species Functionalization of poly dendrimer Kinetic analysis of monoclonal antibody-antigen interactions with a new biosensor based analytical system Chromogenic chemosensor
기술개발동향 : 최싞연구 나노 -FET 센서 ( 하버드대학 Lieber 그룹 ) LSPR 센서 ( 노스웨스턴대학 Van Duyne 그룹 ) 캔틸레버센서 (IBM) 이온채널스위치센서 (Ambri 사의 Cornell 그룹 ) 시사점 - 비표지 (label-free) 방식이주류 - 샘플젂처리또는반응후세척이필요함 - 센서의재현성, 안정성등아직해결되어야핛점많음 34 2006-10-25
Effective Index Change [1e-9] Evanescent field length 1/e 2 [m] 유젂체소산파를이용핚 Mach-Zehnder 간섭계센서 Reference region Mirror evanescent field cover n c waveguide n f substrate n s Bio-filter membrane Sensing region Sensing region 에서 evanescent field 생성 센서칩구조최적화에따라 10-9 n 감지가능 광센서칩과 Bio-filter membrane 의결합 젂처리과정불필요 3 2 1 TE TM LFA 짂행방향에나노입자도포 Sensing region에나노입자결합 싞호변환극대화 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 Thickness t [nm] 센싱물질두께에따른굴젃률변화 0.0 10 20 30 40 50 60 70 Thickness t [nm] Rib W/G 에서 ridge 구조변화에따른소산파모드크기변화 35 2006-10-25
Tele-/Ubiquitous- Healthcare Internet Health Monitoring thru Physical & Biochemical Parameters Wireless LAN ECG, NIBP, SpO 2, temperature, motion, location ------------------- Ion, Gas, Drug, Metabolites, Tumor Marker, Cardiac Marker, Virus, etc.. RF Bluetooth TM Cellular Network, GPS etc Users anywhere Sensors & Monitoring Device Tele-communication network Medical Service Provider
In 0.47Ga 0.53As In 0.48Al 0.52As S.I Fe-doped InP sub. Sourc Drain u-healthcare 기술개념도 개인맞춤형질병진단 Bio Care 시스템 유비쿼터스 Bio Care 서비스 식생활 체중변화체지방기초대사대소변검사 비침습진단 SIMULATOR 세포 / 조직 / 장기등생체정보측정 DATABASE 개인별거시지표 Family History Age SiNx In 0.48Al 0.52As Sex Job D/B 구축 D/B 구축 정밀측정시스템 질병예후인체시뮬레이터 Race Life style 개인맞춤형질병진단및건강관리 37
미래의료환경의변화 BINT 융합기술을바탕으로국가적네트워크기반의 Ubiquitous Healthcare 환경실현 * 출처 : Future2030 우리의미래모습, KISTEP 2005 38
( 결언 ) 기술발전의패러다임변화 미래기술트렌드 일상생활의편의성을극대화하기위한인간중심의서비스제공 유비쿼터스사회를실현하기위한 IT-BT-NT 등기술간의융합화심화 신호처리기술 소형화기술 전송기술 통합박형화기술 New Multimedia 융합기술친환경기술초소형미세기술 Convergence 디지털컨텐츠기술 센서기술 신호처리통합기술 Fusion Mobile: Phone+TV+MP3+Camera Network: VoIP+Internet+Video Automobile: Telematics Digital consumer: DTV+STB IT+BT: Bio-informatics IT+NT: System on a Chip IT+ET: New Energy & Echo Ubiquitous Smart Home Wearable Computer 3D Display Digital+Network+Mobility Now 39