온도센서 종류와 특징 - ondosenseo jonglyuwa teugjing

[테크월드=선연수 기자] 이번 글에서는 최신 실리콘 온도 센서의 정확도에 대해 살펴본다. 새롭게 출시되는 실리콘 온도 센서는 디지털 출력을 제공하고, 선형화가 필요 없으며, 소형 패키지로 제공되고, 전력 소모가 낮다. 경고 기능을 사용해 잠재적인 오작동을 알려주도록 프로그램할 수도 있다.

전자 업계는 갈수록 더 높은 정확도를 요구하고 있으며 온도 검출 역시 예외가 아니다. 온도 검출 솔루션에는 여러 가지가 있으며 저마다 장단점을 가진다. 실리콘 온도 센서는 꽤 선형적이나 다른 솔루션 대비 정확도는 떨어지는 편이다. 그러나 최근 실리콘 온도 검출 성능이 향상을 거듭함에 따라 실리콘 솔루션으로도 높은 분해능과 정밀도를 달성할 수 있게 됐다.

새 냉장고의 온도 표기, 정확할까?

때는 2020년 3월로, 영국에서는 이제 막 봉쇄령이 시행되려던 참이었다. 슈퍼마켓이 문을 닫을 것에 대비해서 식료품 사재기가 성행하고 앞날은 불확실해 보였다. 필자의 집에서 사용하던 냉장고는 하필 이때 작동을 멈춰버렸다. 케니 로저스(Kenny Rogers)의 유명한 노래인 ‘루실(Lucille)’에 나오는 “You picked a fine time to leave me(당신은 때맞춰 나를 떠나네요)”라는 가사가 머릿속을 맴돌았다. 우리는 새 냉장고를 구매하기 위해서 온라인 쇼핑몰을 여기저기 찾아봤다.

며칠 후, 아내의 바람대로 전면 패널에 디지털 온도 디스플레이가 장착된 새 냉장고가 도착했다. 냉장고 냉동칸의 권장 설정 온도는 -18℃였으며, 1시간 후에 적정 온도에 도달해 비로소 음식물을 보관할 수 있었다. 필자는 온도 표시가 정확한 것인지 의심스러웠으나 ‘음식이 제대로 냉동만 되면 되겠지’라고 생각했다. 하지만 엔지니어로서 직업병이 도졌다. 이 근엄한 디지털 온도 표시가 마치 필자를 노려보는 것만 같은 착각 속에 며칠을 보낸 후, 부엌에 새로 입주한 냉장고의 온도 표시가 정말 정확한 것인지 확인해 보기로 했다.

온도 센서의 종류

산업용 애플리케이션에는 다양한 온도 센서가 사용되며, 이들은 각기 장단점이 있다. 온도 센서의 작동 원리에 대해서는 이미 다른 문헌에서 상세히 다루고 있기에 여기서는 간단히 개요만 알아보자.

써모커플

써모커플(Thermocouples)은 가격대가 낮고 중간 수준의 정확도를 가지며 매우 높은 온도까지 측정할 수 있다. 1821년에 토마스 제벡(Thomas Seebeck)이 발견한 원리에 기반한 써모커플은 서로 다른 금속으로 구성돼 있으며, 각기 다른 온도로 유지되는 두 접점 사이에서 발생하는 전압을 활용한다. K-타입 써모커플(크로멜과 알루멜 합금으로 구성)은 약 41µV/℃의 전압을 출력하고 1000℃가 넘는 온도를 측정할 수 있다. 제벡 효과는 두 접점 간 온도 차이를 활용한 것으로, 온접점은 문제의 온도를 측정하기 위한 것이고 냉접점은 일반적인 온도로 유지된다. 역설적이게도 온도 차이를 측정하기 위해서는 냉접점에 또 다른 온도 센서가 필요하다. AD8494는 이에 적합한 솔루션을 제공한다. 써모커플은 물리적인 크기가 작아 열 질량이 낮고 온도 변화에 대한 반응이 빠르다.

RTD

중간 정도의 온도(500℃ 미만) 측정에는 산업용으로 RTD(Resistive Temperature Detector)가 널리 사용된다. RTD는 온도에 따른 저항 변화가 양(+)인 금속으로 구성되며, 주로 백금(Pt)이 많이 사용된다. 실제 산업용으로는 ‘PT100’ 센서가 RTD로 많이 사용된다. PT100의 명칭은 백금으로 만들어졌고 저항이 0℃일 때 100Ω이라는 의미를 담고 있다. RTD는 써모커플과 같이 높은 온도를 측정할 수는 없으나 극히 선형적이고 반복 정밀성이 우수하다. PT100은 정밀한 구동 전류를 요구한다. 전류는 센서에서 온도에 비례하는 정확한 전압 강하를 일으키며, PT100의 연결 와이어 저항이 센서의 저항 측정에 오차를 일으킨다. 통상적으로는 켈빈 검출이 사용되며, 그 결과 센서는 3와이어 혹은 4와이어가 된다.

서미스터

저가형 솔루션을 원하고 측정 온도 범위가 낮다면 서미스터(Thermistors)로도 충분할 수 있다. 서미스터는 지극히 비선형적이며, 스타인하트-하트 공식(Steinhart Hart equation)에 기반한 온도 증가에 따라 저항이 감소한다. 서미스터의 장점은 작은 온도 변화에도 저항의 변화가 커 비선형성에도 불구하고 높은 수준의 정확도를 달성할 수 있다는 점이다. 개별 서미스터의 비선형성에 대해서 잘 정의돼 있어 LTC2986와 같은 부품을 사용해 캘리브레이션할 수 있다.

트랜지스터 Vbe로 측정하기

새로 들인 냉장고의 온도 표시기가 진실을 말하는지 알아보기 위해 필자는 실리콘 온도 센서를 사용해 온도를 측정하기로 했다. 이 실리콘 온도 센서는 구매 후 곧바로 사용이 가능하고, 냉접점 온도 보정이나 선형화가 필요 없으며, 아날로그 또는 디지털 출력을 제공하고, 사전 교정된 제품이다.

최근까지도 실리콘 온도 센서는 중간 수준의 정확도밖에 제공하지 못했다. 전자기기의 상태를 나타내는 용도로는 충분하나, ±0.1℃ 정확도(ASTM E1112 표준에 따른 요건)를 요구하는 체온 측정 같은 용도로는 적합하지 않았던 것이다. ADI는 ADT7422, ADT7320와 같은 실리콘 온도 센서를 통해 각각 ±0.1℃, ±0.2℃의 분해능에 기반한 측정을 지원한다.

실리콘 온도 센서는 트랜지스터 베이스 전압(Vbe)의 온도 종속성을 이용하며, 이것은 에버스-몰 공식(Ebers-Moll equation)에 따라 [수식 1]과 같이 표현할 수 있다.

[수식 1]에서 Ic는 컬렉터 전류고, Is는 트랜지스터의 역 포화 전류, q는 전극의 전하(1.602×10-19 쿨롱), k는 볼츠만 상수(1.38 x 10-23), T는 절대 온도다.

[수식 1]의 컬렉터 전류 표현식은 다이오드 전류에도 적용할 수 있다. 그런데 왜 모든 애플리케이션 회로는 다이오드가 아니라 트랜지스터를 사용할까? 실제로 다이오드의 전류는 pn 접합부의 공핍층을 통과할 때 전자가 정공과 결합할 때 발생하는 재결합 전류를 포함한다. 이로 인해 다이오드 전류가 Vbe와 온도에 대해 비선형성을 보인다. 이 전류는 바이폴라 트랜지스터에서도 나타나지만, 트랜지스터의 베이스로 흐르기 때문에 컬렉터 전류에서는 나타나지 않는다. 따라서 비선형성이 훨씬 낮다. 이는 [수식 2]와 같이 정리할 수 있다.

Is는 Ic에 비해서 작기 때문에, [수식 2]에서 1은 무시할 수 있다. 그러면 Vbe가 Ic의 대수적 변화에 따라 선형적으로 변화함을 알 수 있다. Ic와 Is가 일정하다면, Vbe가 온도에 따라 선형적으로 변화한다는 것도 알 수 있다. k와 q 역시 일정하기 때문이다. 트랜지스터로 일정한 컬렉터 전류가 흐르게 하는 것은 쉬운 일이며, 온도에 따른 Vbe의 변화를 손쉽게 측정할 수 있다.

Is는 트랜지스터 구조와 연관성을 가지며 온도에 따라 크게 달라진다. 많은 실리콘 디바이스와 마찬가지로 온도가 10℃ 상승할 때마다 값은 2배로 높아진다. 이런 전류 변화 효과는 자연로그 함수(In 함수)에 의해 감소하지만, Vbe의 절댓값이 트랜지스터마다 다를 수 있어 캘리브레이션이 필요하다는 또 다른 문제를 야기한다.

따라서 실제로는 실리콘 온도 센서에서 동일한 2개의 트랜지스터를 사용해, 하나의 트랜지스터로는 1Ic의 컬렉터 전류가 흐르게 하고 또 다른 트랜지스터로는 10Ic의 컬렉터 전류가 흐르게 한다. 동일한 트랜지스터와 비율적으로 정확한 전류는 IC 제조를 용이하게 한다. 대다수의 실리콘 센서가 이 아키텍처를 사용하는 이유다. 전류의 대수적 변화는 Vbe에 선형적 변화를 일으키고, 이를 통해 Vbe의 차이를 손쉽게 측정할 수 있다.

[수식 2]에서 동일한 온도인 2개의 트랜지스터에 대해 Vbe의 차이를 [수식 3]과 같은 방법으로 구할 수 있다.

각 트랜지스터에 서로 다른 전류가 흐르게 하고 Vbe의 차이를 측정해 비선형적 Is 항, 서로 다른 절대 Vbe의 영향, 그 밖에 트랜지스터 구조와 관련된 모든 비선형 효과를 제거할 수 있다. k, q, ln10은 모두 일정한 값이므로, Vbe의 변화는 절대 온도(PTAT)에 비례한다. 이들 전류가 10배 차이라면, 두 Vbe의 차이는 온도에 대해 약 198µV/℃의 비율로 선형적으로 변화한다. [그림 1]은 이를 달성하기 위한 회로를 나타낸 것이다.

[그림 1]에서 전류는 신중하게 선택해야 한다. 전류가 너무 높으면 자체 발열과 트랜지스터 내부 저항에 의한 전압 강하로 인해 결괏값이 왜곡될 수 있다. 반대로 전류가 너무 낮으면 트랜지스터 내 누설 전류가 상당한 오차를 유발할 수 있다.

한 가지 더 짚고 넘어갈 점은, 앞서 소개한 공식은 트랜지스터의 컬렉터 전류에 관한 것이며 [그림 1]은 트랜지스터로 일정한 이미터 전류가 주입되고 있는 것을 보여준다는 것이다. 트랜지스터를 컬렉터-대-이미터 전류 비가 1에 가깝도록 설계할 수 있는데, 이 경우 컬렉터 전류가 이미터 전류에 비례하게 된다.

이제부터가 본론이다. 실리콘 온도 센서를 사용해 ±0.1℃의 정확도를 달성하기 위해서는 집중적인 특성 분석과 트리밍(Trimming)이 필요하다.

캘리브레이션

캘리브레이션이 되지 않은 실리콘 온도 센서는 실리콘 오일로 채워져 정밀한 온도로 가열된 수조에 넣고, 기준 온도계 장비를 사용해 측정해야 한다. 장비는 소수점 이하 다섯 자리 이상의 정확도로 측정할 수 있다. 센서 내 퓨즈를 끊어지도록 해 온도 센서의 이득(Gain)을 조정할 수 있으며, ‘y = mx + C’ 공식을 사용해 출력을 선형화할 수 있다. 실리콘 오일은 상당히 일관된 온도를 제공하기 때문에 한 번에 많은 디바이스를 캘리브레이션할 수 있다.

ADT7422는 25~50℃의 온도 범위에서 ±0.1℃의 정확도를 달성한다. 온도 범위는 38℃의 통상 체온을 기준으로 삼아, 생체 신호 모니터링(VSM, Vital Sign Monitoring)용도로 적합하다. 산업 애플리케이션용인 ADT7320은 -10~+85℃의 더 넓은 온도 범위에서 ±0.2℃의 정확도를 제공한다.

문제는 캘리브레이션뿐만이 아니다. 실리콘 온도 센서는 초정밀 전압 레퍼런스와 마찬가지로, 다이 상에 가해지는 스트레스가 센서 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 이와 함께 PCB 열팽창, 리드 프레임, 플라스틱 몰딩, 노출 패드와 같은 것을 모두 고려해야 한다.

솔더링 공정도 문제가 될 수 있다. 솔더 리플로우 공정은 부품 온도를 260℃까지 높여 플라스틱 패키징을 유연하게 하고 다이 리드 프레임이 뒤틀리게 할 수 있어, 열이 식은 뒤 플라스틱이 경화했을 때 다이 상에 기계적 스트레스를 일으킬 수 있다. ADI의 엔지니어는 수 개월간 정교한 시험을 거친 끝에 0.8mm의 PCB 두께가 가장 적당하며 솔더링을 마친 후 ±0.1℃의 정확도를 달성한다는 것을 알아냈다.

냉동고 온도 측정 결과는?

필자는 ADT7320을 마이크로컨트롤러와 LCD 디스플레이에 연결하고, 센서를 초기화하고 데이터를 추출하기 위해 몇백 라인의 C 코드를 작성했다. 이 디바이스는 DIN 핀에 1을 연속으로 32번 써서 손쉽게 초기화할 수 있다. 구성 레지스터는 ADT7320을 16비트 정확도로 연속적으로 변환하도록 설정됐다.

일단 ADT7320에 의해 데이터가 읽히고 나면, 다음 변환이 일어나기까지 최소한 240ms의 지연시간이 필요하다. 저가형 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하기 위해서 SPI를 수작업으로 작성했다. ADT7320을 30분 동안 냉동고 안에 넣어두고, 새로 구매한 냉동고의 온도가 정확하게 얼마인지 살펴봤다. [그림 3]은 냉동고 온도가 -18.83℃라고 보여준다.

이 정도면 온도 정확도는 꽤 우수한 편이다. 식료품은 온도 정밀도를 아주 까다롭게 요구하지 않는다는 점을 감안하면 더 그렇다. 다음으로는 영국에서 여름철 사무실 온도를 측정해 봤다. 이 온도는 [그림 4]에서 보는 것과 같이 22.87℃로 측정됐다.

결론

실리콘 온도 센서는 오랜 시간 동안 성능이 점점 더 향상되면서 정밀 측정을 지원하게 됐고, 이제는 생체 신호 모니터링용으로 적합한 수준의 높은 정확도를 달성하게 됐다. 센서 내부의 기술은 잘 알려진 원리들에 기초하지만, 1도 미만의 정확도를 달성하기 위해서는 상당한 수고를 들여서 트리밍해야 한다. 이런 수준의 정확도를 달성하더라도 기계적 스트레스와 솔더링 공정이 몇시간에 걸친 캘리브레이션을 수포로 만들 수도 있다.

글: 사이먼 브램블(Simon Bramble), ADI 스태프 FAE ()
자료제공: 아나로그디바이스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2021년 2월 호에 게재된 기사입니다.