센서의 전기/전자적 구조와 회로의 동작 원리

스카이님, 센서의 전기/전자적 구조와 회로의 동작 원리에 대해 빠짐없이 최대한 자세하게 정리해 드리겠습니다. 각 요소별 동작 방식, 적용 기술, 그리고 실제 사례까지 폭넓게 설명하여 실무와 학습에 도움될 수 있도록 안내해드릴게요.

1. 센서의 전기/전자적 기본 구조

센서 전기/전자적 구조는 크게 다음과 같은 부분으로 이루어져 있습니다.

구성 요소역할 및 설명
감지 소자 (Sensing Element)물리·화학 변화를 감지하고 이를 전기적 신호로 변환하는 핵심 부품
아날로그 프론트엔드 (Analog Front End, AFE)신호 증폭, 필터링, 잡음 제거 등의 아날로그 신호 처리 회로
아날로그-디지털 변환기 (ADC)아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하여 MCU나 프로세서에 전달
디지털 신호 처리부 (Digital Processing Unit)신호 보정, 데이터 처리, 통신 인터페이스 관리 등을 담당
전원 공급부 (Power Supply)저전력 회로 구동을 위한 안정적 전원 공급

2. 전기적 동작 원리

2-1. 감지 소자의 전기적 기본 원리

  • 저항 변화 기반 센서
    저항체 소재(금속, 반도체)가 온도, 압력, 변형 등 외부 자극에 따라 저항값이 변함.
    옴의 법칙 기반 전압 측정:
    \(V = IR\)

  • 용량성 센서
    센서 내 전극 간 간격 혹은 유전체 상수가 외부 영향에 따라 변해 전기용량 변화.
    용량 공식:
    \(C = \varepsilon \frac{A}{d}\)

  • 광전 센서 (포토다이오드 등)
    광자에 의해 생성된 전자-홀 쌍이 흘러 전류 발생. 광전류:
    \(I_{ph} = \eta \frac{e P_{opt}}{h \nu}\)

  • 피에조 전기 센서
    압력, 변형에 의해 표면 전위가 발생하여 전압 신호로 변환.

2-2. 아날로그 프론트엔드(AFE)

  • 증폭기(Amplifier)
    매우 약한 센서 신호를 MCU가 처리 가능한 신호 레벨로 증폭 (주로 연산증폭기 사용).

  • 필터(Filter)
    고주파 잡음, 외부 간섭 제거를 위한 저역통과, 대역통과 필터 회로 적용.

  • 신호 변환
    일부 센서는 직접 데이터 변환 모듈 포함, 아날로그에서 디지털 신호로 변환 준비.

2-3. 아날로그-디지털 변환기(ADC)

  • 입력 아날로그 신호를 이진수 디지털 신호로 변환하여 프로세서에 전달.

  • 주요 성능 지표: 해상도(bit 수), 샘플링 속도, 선형성, 입출력 범위.

  • 나이퀴스트 샘플링 이론을 준수하여 샘플링 속도를 결정함.

2-4. 디지털 신호 처리 및 인터페이스

  • MCU, DSP, FPGA 등이 디지털 신호 수집, 보정, 필터링, 융합 수행.

  • 통신 프로토콜: I2C, SPI, UART 등으로 외부 장치 및 클라우드와 데이터 교환.

3. 실제 회로 구성 및 사례

예시 1: 온도 측정 RTD 센서 인터페이스

  • RTD 저항 신호를 측정하기 위해 저항-전압 변환 회로(브리지 회로)를 사용
  • 연산 증폭기로 신호 증폭, 노이즈 제거
  • 고정밀 ADC로 디지털 데이터 변환 후 MCU 측정

예시 2: 광 센서 인터페이스

  • 포토다이오드 출력 전류를 트랜스임피던스 증폭기로 전압 신호로 변환
  • AFE에서 신호 증폭 및 필터링
  • ADC 및 MCU 통합 처리

예시 3: 가스 센서 전기화학 인터페이스

  • 센서 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환기(TIA) 구성
  • 저잡음 증폭 회로 뒤 ADC 사용

4. 최신 관련 기술

  • 집적형 센서 모듈
    센서, AFE, ADC, MCU, 통신 모듈까지 집적한 초소형 고성능 모듈화
  • 저전력 설계
    모바일, IoT 환경에서 센서 배터리 수명 연장 위해 저전력 증폭 및 통신
  • 센서 융합 기술
    다중 센서 데이터를 실시간 처리해 정확도·신뢰도 향상
  • AI 기반 신호 처리
    센서 신호 이상 탐지, 잡음 제거 등에 머신러닝 기술 적용

5. 참고자료

  • “완결] 현실과 디지털 세계를 잇는 다리, 센서 인터페이스와 ADC 회로” [1]
  • “LiDAR 센서용 SPAD 소자의 동작 원리” [2]
  • “센서의 종류와 작동 원리” [4]
  • “센서 시스템 및 전기화학적 임피던스 분광학” [5]

스카이님, 센서의 전기/전자 구조와 회로 동작 원리를 핵심 이론과 회로 예시, 최신 기술 트렌드까지 폭넓게 정리해드렸습니다. 강의와 실무 모두에서 큰 도움이 되시길 바라고, 추가로 상세 회로설계, 코드 구현 예제도 준비 가능하니 언제든 말씀해 주세요!
잘하고 계세요! 힘내세요! 😊

참고 자료

[1] news.skhynix.co.kr - 완결] 현실과 디지털 세계를 잇는 다리, 센서 인터페이스와 ADC 회로 (https://news.skhynix.co.kr/dgist-series-7/) [2] blog.naver.com - LiDAR 센서용 SPAD 소자의 동작 원리 : 네이버 블로그 (https://blog.naver.com/iotsensor/222499392433?viewType=pc) [3] www.wonderfulpcb.com - 다양한 유형의 센서와 그 용도 (https://www.wonderfulpcb.com/ko/blog/types-of-sensors-and-their-uses-in-daily-life-and-industry/) [4] ckhome7108.tistory.com - 센서의 종류와 작동 원리 (https://ckhome7108.tistory.com/entry/PCB-%ED%8A%B8%EB%A0%88%EC%9D%B4%EC%8A%A4-%EB%B0%8F-%EB%B0%B0%EC%84%A0-%EC%84%A4%EA%B3%84) [5] patents.google.com - 센서 시스템, 장치, 및 관련된 방법에서의 전기화학적 임피던스 분광학 … (https://patents.google.com/patent/KR20150020629A/ko)