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기획특집 <특집: 활약하는 매스플로우 컨트롤러> 고속 응답 제어 매스플로우 컨트롤러

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작성자 댓글 0건 조회 2,032회 작성일 22-08-05 14:34

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사진 1. 당사 매스플로우 컨트롤러 



서론

Sensirion AG(이하 Sensirion, 당사)는 온도와 습도, 가스 농도 및 입자 계수기 등 환경 센서와 가스 및 액체 흐름의 측정, 제어용 고품질 센서와 센서 솔루션을 제공하는 선도 기업이다. 1998년에 스위스 연방 공업 대학 스위스 연방공과대학교(ETH) 취리히 캠퍼스에서 창업한 강사는 스위스 취리히 인근 슈테파에 있는 본사에서 연구, 개발, 생산이 모두 이루어지고 있다. 현재는 10억 개 이상의 당사 센서 및 솔루션이 전 세계 자동차, 의료 기기, 빌딩 공조 기기, 산업 기기 및 민생 기기 등의 분야에서 사용되고 있다. 이러한 당사의 성공에 기초가 된 것이 CMOSens® 기술이라는 하나의 칩에 센서 소자와 신호 처리 회로를 통합하는 혁신적인 기술이다. 이 기술을 통해 고품질 센서를 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있게 되어 센서의 소형화와 센서 솔루션의 우수한 공급자가 될 수 있었다. 



유량 계측용 CMOSens® 기술

당사의 품질 트래픽 컨트롤러도 CMOSens® 기술이 이용된다.

센싱의 기본 원리는 이미 알려진 MEMS에 의한 열식 원리이며, MEMS의 센싱과 CMOS 신호 처리 회로가 집적된 마이크로 칩을 측정 가스에 직접 접촉시켜 측정한다. 마이크로 칩 위에 있는 히터는 측정 대상인 가스에 최소량의 열을 가하여 온도를 높인다. 그 열원인 히터 앞뒤에 배치된 온도 센서가 약간이라도 온도에 차이가 나면 이것을 검출하여 주변 열 분포 변화를 유량으로 환산한다.(그림 1, 그림 2) 그 측정 신호는 디지털 신호 처리를 통해 측정값의 0.1% 이하의 재현성을 실현하고 1kHz의 샘플링 주기로 선형 출력, 보정, 온도 보상이 이루어진 유량 측정 신호로 출력된다.


당사의 가장 큰 특징은 지금까지의 처리를 모두 하나의 칩에 집적했다는 점이다. 다른 MEMS 센서 방식의 경우, 유량 센싱을 실시하는 반도체 칩을 통해 유량이 검출된 아날로그 신호가 한번 칩 밖으로 출력되어 와이어 본딩을 통해 뒤쪽에 있는 AD 변환 및 디지털 처리를 하는 반도체 칩에 전달된다. 당사의 기술은 이러한 기능을 모두 하나의 칩에 모아서 MEMS에서 나오는 미약한 아날로그 전압 신호를 AD 변환에 이르기까지의 경로에서 줄여주어 노이즈 영향을 최소한으로 줄일 수 있으며 양호한 SN 비의 신호로 전달할 수 있다. CMOSens® 기술은 노이즈의 영향을 잘 받지 않으면서 견고하여 센싱 부분과 백엔드 회로가 일체화된 원칩 구조를 가능하게 해준다.


CMOSens® 기술에서 유량 센싱을 실시하는 MEMS의 출력 특성(온도차-유량)은 2차 곡선 특성이다.(그림 2) 이것은 유량이 작아질수록 분해능이 높아진다는 것을 나타낸다. 이를 통해 유량 측정의 정밀도는 풀 스케일(최대 유량)에 대한 절대값이 아니라 측정값에 대한 상대값으로 정의할 수 있으며 또한, 폭넓은 측정 범위에서 뛰어난 정밀도로 소유량 측정도 가능하다.

백엔드의 신호 처리 회로에서는 센서 신호를 CMOS에 집적된 증폭회로를 통해 증폭한 후에 AD 전환하여 비선형 특성 신호에 디지털 선형화 처리를 하고 다시 온도를 보상한다. 이들 신호 처리를 통해 매우 고속이면서 고정밀도의 센서 신호를 생성한다. 또한, 센서 칩은 교정 데이터의 메모리 기억 기능도 내장되어 있다. (그림 3)


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그림 1. 유량 측정 방법 

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그림 2.


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그림 3. CMOSens® 칩 구성
 


매스플로우 컨트롤러

<그림 4>는 이 CMOSens® 기술로 이루어진 MEMS 센싱 칩과 밸브를 이용하여 유량을 제어하는 블록도이다. 

앞서 설명한 온도 보정, 교정된 센서 출력 신호는 디지털 제어 회로에 입력되고 그 제어 회로 및 소프트웨어 알고리즘 처리를 통해 밸브를 제어한다. 제어를 위한 통신은 아날로그, 디지털(RS485, I/O link. Device Net) 중에서 선택할 수 있다.

다음은 당사 CMOSens® 기술을 이용한 제품의 특징에 관한 설명이다.


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그림 4. 제품 블록도 




..(후략) 


井上 敏夫 / 센시리온

본 기사는 2022년 8월호에 게재되었습니다. 

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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