2022년 8월 13일 토요일

T 기술기고문

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실리콘 온도 센서를 활용한 ±0.1℃ 정확도의 정밀 온도 측정법

글: 사이먼 브램블(Simon Bramble), 스태프 FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

이 글에서는 최신 실리콘 온도 센서의 정확도에 대해서 살펴본다. 최신 실리콘 온도 센서는 디지털 출력을 제공하고, 선형화가 필요 없고, 소형 패키지로 제공되며, 전력 소모가 낮다. 또한 경고 기능을 사용해서 잠재적인 오작동을 알려주도록 프로그램 할 수 있다.

머리말
전자 업계에서는 갈수록 더 높은 정확도를 요구하는데, 온도 검출 역시 예외가 아니다. 온도 검출 솔루션에는 여러 가지가 있으며, 저마다 장단점이 있다. 실리콘 온도 센서는 꽤 선형적이기는 하지만 정확도가 다른 솔루션들에 비해 떨어지는 편이다. 그런데 최근 들어 실리콘 온도 검출 성능이 향상을 거듭함에 따라 실리콘 솔루션으로도 높은 분해능과 정밀도를 달성할 수 있게 되었다.

새로 구매한 냉장고
때는 2020년 3월로 영국에서는 이제 막 봉쇄령이 시행되려던 참이었다. 수퍼마켓이 문을 닫을 것에 대비해서 식료품 사재기가 성행하고 앞날은 불확실해 보였다. 필자의 집에서 사용하던 냉장고는 하필 이 때 작동을 멈춰버렸다. 케니 로저스(Kenny Rogers)의 유명한 노래인 ‘루실(Lucille)’에 나오는 “You picked a fine time to leave me(당신은 때맞춰서 나를 떠나네요)”라는 가사가 머리 속을 맴돌았다. 우리는 새 냉장고를 구입하기 위해서 온라인 쇼핑몰을 여기저기 찾아보았다.
 
며칠 후, 아내의 바람대로 전면 패널에 디지털 온도 디스플레이가 장착된 새 냉장고가 도착했다. 냉장고 냉동칸의 권장 설정 온도는 -18°C였으며, 1시간 후에 적정 온도에 도달해서 비로소 음식물을 보관할 수 있었다. 필자는 온도 표시가 정확한 것인지 의심스러웠으나 음식이 제대로 냉동만 되면 되겠지라고 생각했다. 하지만 엔지니어로서의 직업병이 도졌다. 이 근엄한 디지털 온도 표시가 마치 필자를 노려보는 것만 같은 착각 속에 며칠을 보낸 후, 필자는 결국 우리 집 부엌에 새로 입주한 이 냉장고의 온도 표시가 정말 정확한 것인지 확인해 보기로 했다.

온도 센서
산업용 애플리케이션에는 다양한 온도 센서가 사용되며, 이들은 저마다 다른 장단점을 가지고 있다. 다양한 온도 센서의 작동 원리에 대해서는 이미 다른 문헌들에서 상세히 다루고 있으므로 여기서는 간단히 개요만 살펴보기로 한다.

▶ 써모커플
써모커플은 가격대가 낮고 중간 수준의 정확도로 매우 높은 온도를 측정할 수 있다. 써모커플은 1821년에 토마스 제벡(Thomas Seebeck)이 발견한 원리에 기반한 것으로서, 서로 다른 금속으로 이루어지고 각기 다른 온도로 유지되는 두 접점 사이에서 발생하는 전압을 활용한 것이다. K-타입 써모커플(크로멜과 알루멜 합금으로 이루어짐)은 약 41mV/°C의 전압을 출력하고 1000°C가 넘는 온도를 측정할 수 있다. 제벡 효과는 두 접점 사이의 온도 차이를 활용한 것으로서, 온접점은 문제의 온도를 측정하기 위한 것이고 냉접점은 알려진 온도로 유지된다. 그런데 역설적이게도 이 온도 차이를 측정하기 위해서 냉접점에 또 다른 온도 센서가 필요하다. 이러한 용도로 AD8494는 완벽한 솔루션을 제공한다. 써모커플은 물리적인 크기가 작기 때문에 열 질량이 낮고 온도 변화에 대한 반응이 빠르다.

▶ RTD
중간 정도의 온도(500°C 미만)를 측정하기 위해서, 산업용으로는 RTD(resistive temperature detector)가 널리 사용된다. RTD는 온도에 따른 저항의 변화가 양(+)인 금속으로 이루어지며, 이 금속으로는 주로 백금(Pt)이 많이 사용된다. 실제로 산업용으로는 가장 널리 사용되는 RTD는 ‘PT100’ 센서인데, 이 명칭의 의미는 백금으로 만들어졌고 저항이 0°C일 때 100W이라는 뜻이다. RTD는 써모커플처럼 높은 온도를 측정할 수는 없지만 극히 선형적이며 반복정밀성이 우수하다. PT100은 정밀한 구동 전류를 필요로 하며, 이 전류가 센서에서 온도에 비례하는 정확한 전압 강하를 일으킨다. PT100의 연결 와이어 저항이 센서의 저항 측정에 오차를 일으키므로, 통상적으로 켈빈 검출을 사용하며, 그 결과 센서는 3와이어 혹은 4와이어가 된다.

▶ 서미스터
저가형 솔루션이 필요하고 측정할 온도 범위가 낮다면 서미스터로 충분할 수 있다. 서미스터는 지극히 비선형적이며, 스타인하트-하트 공식(Steinhart Hart equation)에 기반한 온도 증가에 따라서 저항이 감소한다. 서미스터의 장점은 온도의 작은 변화에도 저항의 변화가 크므로 비선형성에도 불구하고 높은 수준의 정확도를 달성할 수 있다는 것이다. 개별 서미스터의 비선형성에 대해서 잘 정의하고 있으므로 LTC2986 같은 부품을 사용해서 캘리브레이션을 할 수 있다.

트랜지스터 Vbe를 활용한 측정
새로 들인 냉장고의 온도 표시기가 진실을 말하고 있는지 알아보기 위해서 필자는 실리콘 온도 센서를 사용해서 온도를 측정해 보기로 했다. 이 실리콘 온도 센서는 구매 후 곧바로 사용이 가능하고, 냉접점 온도 보정이나 선형화가 필요 없으며, 아날로그 또는 디지털 출력을 제공하고, 사전 교정이 되어 있다. 실리콘 온도 센서는 최근까지만 하더라도 중간 수준의 정확도밖에 제공하지 못했다. 따라서 전자기기의 상태를 나타내는 용도로는 충분하나, ±0.1°C 정확도(ASTM E1112 표준에 따른 요건)를 요구하는 체온 측정 같은 용도로는 부적합했다. 그런데 이제 ADT7422와 ADT7320 같은 실리콘 온도 센서가 출시됨으로써 사정은 달라졌다. 이들 디바이스는 각각 ±0.1°C 및 ±0.2°C의 분해능으로 측정이 가능하다.
 
실리콘 온도 센서는 트랜지스터 베이스 전압(Vbe)의 온도 종속성을 이용한다. 이것은 에버스-몰 공식(Ebers-Moll equation)에 따라서 다음과 같이 나타낼 수 있다:
 


이 공식에서 Ic는 컬렉터 전류이고, Is는 트랜지스터의 역 포화 전류, q는 전극의 전하(1.602 x 10-19 쿨롱), k는 볼츠만 상수(1.38 x 10-23), T는 절대 온도이다.
 
공식 1의 컬렉터 전류 표현식은 다이오드 전류에도 적용될 수 있다. 그런데 왜 모든 애플리케이션 회로들이 다이오드가 아니라 트랜지스터를 사용할까? 실제로 다이오드의 전류는 pn 접합부의 공핍층을 통과할 때 전자가 정공과 결합할 때 발생하는 재결합 전류를 포함하며, 이 때문에 다이오드 전류가 Vbe 및 온도에 대해서 비선형성을 나타낸다. 이 전류는 바이폴라 트랜지스터에서도 나타나지만, 트랜지스터의 베이스로 흐르므로 컬렉터 전류에서는 나타나지 않는다. 따라서 비선형성이 훨씬 낮다.
 
위의 공식은 다음과 같이 다시 정리할 수 있다:
 

Is가 Ic에 비해서 작으므로, 공식 2에서 1을 무시할 수 있다. 그러면 Vbe가 Ic의 대수적 변화에 따라서 선형적으로 변화한다는 것을 알 수 있다. 또한 Ic와 Is가 일정하다면, Vbe가 온도에 따라서 선형적으로 변화한다는 것을 알 수 있다. k와 q 역시 일정하기 때문이다. 트랜지스터로 일정한 컬렉터 전류가 흐르게 하는 것은 쉬운 일이며, Vbe가 온도에 따라서 어떻게 변화하는지 손쉽게 측정할 수 있다.
 
Is는 트랜지스터 구조와 연관성을 가지며 온도에 따라 크게 달라진다. 많은 실리콘 디바이스들과 마찬가지로 온도가 10°C 상승할 때마다 값이 두 배로 높아진다. 이러한 전류 변화의 효과는 자연로그 함수(In 함수)에 의해 감소하나, Vbe의 절대값이 트랜지스터마다 다를 수 있고 그래서 캘리브레이션이 필요하다는 또 다른 문제를 낳는다. 따라서 실제적으로 실리콘 온도 센서는 2개의 동일한 트랜지스터를 사용해서, 하나의 트랜지스터로는 1 Ic의 컬렉터 전류가 흐르게 하고 또 다른 트랜지스터로는 10 Ic의 컬렉터 전류가 흐르게 한다. 동일한 트랜지스터와 비율적으로 정확한 전류는 IC 제조를 용이하게 한다. 이러한 이유로 대다수 실리콘 센서가 이 아키텍처를 사용한다. 전류의 대수적 변화는 Vbe에 선형적 변화를 일으키고, 그러면 Vbe의 차이를 손쉽게 측정할 수 있다.
 
공식 2에서, 동일한 온도인 2개의 트랜지스터에 대해서 Vbe의 차이를 다음과 같이 구할 수 있다:
 




각각의 트랜지스터에 서로 다른 전류가 흐르게 하고 Vbe의 차이를 측정함으로써 비선형적 Is 항, 서로 다른 절대 Vbe의 영향, 그 밖에 트랜지스터 구조와 관련된 모든 비선형 효과들을 제거할 수 있다. k, q, ln10은 모두 일정하므로, Vbe의 변화는 절대 온도(PTAT)에 따라서 비례하게 된다. 이들 전류가 10배 차이일 때, 두 Vbe의 차이는 온도에 대해서 약 198mV/°C의 비율로 선형적으로 변화한다. 그림 1은 이것을 달성하기 위한 회로를 보여준다.
 

그림 1: 온도 측정을 위한 기본적인 회로 예시
 
그림 1에서 전류는 신중하게 선택해야 한다. 전류가 너무 높으면 자체 발열과 트랜지스터 내부 저항에 의한 전압 강하로 인해서 결과값이 왜곡될 수 있다. 반대로 전류가 너무 낮으면 트랜지스터 내의 누설 전류가 상당한 오차를 유발할 수 있다.
 
한 가지 더 짚고 넘어갈 점은, 위의 공식들은 트랜지스터의 컬렉터 전류에 관한 것인데 그림 1은 트랜지스터로 일정한 이미터 전류가 주입되고 있는 것을 보여준다는 것이다. 이들 트랜지스터를 컬렉터-대-이미터 전류 비가 1에 가깝도록 설계할 수 있다. 그러면 컬렉터 전류가 이미터 전류에 비례하게 된다.
 
이제부터가 본론이다. 실리콘 온도 센서를 사용해서 ±0.1°C의 정확도를 달성하기 위해서는 집중적인 특성 분석과 트리밍이 필요하다.

캘리브레이션
캘리브레이션이 이루어지지 않은 실리콘 온도 센서는 실리콘 오일로 채워지고 정밀한 온도로 가열된 수조에 넣고 기준 온도계 장비를 사용해서 측정해야 한다. 이 장비는 소수점 이하 다섯자리 이상의 정확도로 측정할 수 있다. 센서 내의 퓨즈를 끊어지게 해서 온도 센서의 이득을 조정할 수 있으며, ‘y = mx + C’ 공식을 사용해서 출력을 선형화 할 수 있다. 실리콘 오일은 매우 일관된 온도를 제공하므로 많은 디바이스를 한 번에 캘리브레이션 할 수 있다.
 
ADT7422는 25 ~ 50°C의 온도 범위에서 ±0.1°C의 정확도를 나타낸다. 이 온도 범위는 38°C의 통상 체온을 중심으로 한 것이다. 그러므로 ADT7422는 정확한 생체 신호 모니터링(VSM)용으로 적합하다. 산업 애플리케이션용으로, ADT7320은 -10 ~ +85°C의 더 넓은 온도 범위에서 ±0.2°C의 정확도를 제공한다.
 

그림 2: 0.8mm 두께의 PCB ADT7422 실장한 모습
 
실리콘 온도 센서의 문제가 캘리브레이션만은 아니다. 초정밀 전압 레퍼런스와 마찬가지로, 다이 상에 가해지는 스트레스가 센서 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 이와 함께 PCB 열 팽창, 리드 프레임, 플라스틱 몰딩, 노출 패드 같은 것들을 모두 고려해야 한다. 솔더링 공정 또한 문제가 될 수 있다. 솔더 리플로우 공정은 부품의 온도를 260°C까지 높임으로써 플라스틱 패키징을 유연하게 하고 다이 리드 프레임이 뒤틀릴 수 있으므로 열이 식어 플라스틱이 경화했을 때 다이 상에 기계적 스트레스를 유발할 수 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 엔지니어들은 수 개월에 걸친 정교한 시험을 거친 끝에 0.8mm의 PCB 두께가 가장 적당하고 솔더링을 마친 후에 ±0.1°C의 정확도를 달성한다는 것을 알아냈다.

소시지의 정확한 온도는?
필자는 ADT7320을 마이크로컨트롤러와 LCD 디스플레이에 연결하고 센서를 초기화하고 데이터를 추출하기 위한 몇 백 라인의 C 코드를 작성했다. 이 디바이스는 DIN 핀에 1을 연속으로 32번 써서 손쉽게 초기화할 수 있다. 구성 레지스터는 ADT7320을 16비트 정확도로 연속적으로 변환하도록 설정되었다. 일단 ADT7320에 의해 데이터가 읽히고 나면, 다음 변환이 일어나기까지 최소한 240ms의 지연시간이 필요하다. 저가형 마이크로컨트롤러를 사용하기 위해서 SPI를 수작업으로 작성했다. ADT7320을 30분 동안 냉동고 안에 넣어두고 새로 구입한 이 냉동고의 온도가 정확하게 얼마인지 살펴보았다. 그림 3은 이 냉동고 온도가 -18.83°C라고 보여준다.
 

그림 3: 냉동고 온도가 -18.83°C라는 것을   있다.
 
이 정도면 온도 정확도가 꽤 우수한 편이다. 식료품은 온도 정밀도를 그렇게까지 중요하게 요구하지 않는다는 점을 감안하면 더 그렇다. 그 다음에는 영국에서 여름철 사무실 온도를 측정해 보았다. 이 온도는 그림 4에서 보는 것처럼 22.87°C로 측정되었다.
 

그림 4: 사무실 온도는 22.87°C 측정되었다.

맺음말
실리콘 온도 센서는 오랜 시간 동안 점점 더 향상되면서 정밀 측정이 가능해지고 생체 신호 모니터링용으로 적합한 높은 수준의 정확도를 달성하게 되었다. 센서 내부의 기술은 잘 알려진 원리들을 토대로 하나, 1도 미만의 정확도를 달성하기 위해서는 상당한 수고를 들여서 트리밍을 해야 한다. 이러한 수준의 정확도를 달성한다고 하더라도 기계적 스트레스와 솔더링 공정이 몇 시간에 걸친 캘리브레이션을 수포로 만들 수도 있다.
 
ADT7320과 ADT7422는 수년 간에 걸쳐 특성 분석 작업을 통해 얻어낸 결과로서, PCB 상에 솔더링을 실시한 후에도 1도 미만의 정확도를 달성한다.

저자 소개
사이먼 브램블(Simon Bramble)은 런던 브루넬 대학에서 1991년에 전기 전자공학 학위를 취득했으며, 아날로그 전자 및 전원 분야 전문가이다. 리니어 테크놀로지(Linear Technology, 현 아나로그디바이스)에서 재직해 오면서 아날로그 분야에서 수십 년 간 경험을 쌓아 왔다. 문의: simon.bramble@analog.com