온도 감지 기술의 원리와 의료 분야에서의 응용

MEMS 열전퇴 기술을 활용한 비접촉 온도 감지

비접촉 온도 감지는 적외선(IR) 파장 범위에서 방출되는 에너지를 감지할 수 있습니다. 모든 물체는 이러한 방식으로 에너지를 방출하므로, 이 에너지를 측정하여 물체의 온도를 계산할 수 있습니다. 그러나 센서 크기가 작아질수록 열 충격에 더 취약해지며, 이는 측정 오류와 열 잡음을 초래할 수 있습니다.   현재 비접촉 온도 감지의 주류 기술은 통합 MEMS 서모파일 기술입니다. 서모파일은 열에너지를 전기 신호로 변환할 수 있는 전자 센서입니다. 그 작동 원리는 모든 물체가 열원 적외선(FIR) 복사를 방출한다는 사실에 기반을 둡니다.   전자적 관점에서 보면, 서모파일은 직렬로 연결된 다중 열전대로 구성됩니다. 이 열전대가 생성하는 전압은 두 점 간의 온도 차이에 비례하며, 이 온도 차이를 통해 상대 온도를 측정할 수 있습니다. MEMS 서모파일 센서 IC는 열 격리 막을 포함하고 있습니다. 이 열 막은 열 질량이 낮기 때문에, 들어오는 열 흐름을 빠르게 흡수하여 서모파일이 보고할 수 있는 온도 차이를 생성합니다. MEMS 시스템에 기준 서미스터를 통합함으로써 절대 온도 측정값을 얻을 수 있습니다.

웨어러블 장치는 온도 센서 크기의 상당한 감소를 필요로 합니다

온도 감지의 역할은 다양한 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있으며, 이에 따라 많은 장치에서 이 기능을 통합하고 있습니다. 이러한 장치에는 건강 모니터와 스마트 안경, 스마트 손목밴드, 그리고 흔히 '히어러블(Hearables)'로 불리는 귀 안에 착용하는 장치 같은 웨어러블 기기가 포함됩니다. 그러나 접촉 기반의 온도 측정 솔루션은 종종 측정 대상 부위와의 열 접촉이 부족한 문제에 직면합니다. FIR 원리에 기반한 비접촉식 온도 감지는 이러한 새로운 응용 분야에 적합하지만 온도 센서의 크기를 크게 줄이는 것이 요구됩니다.   온도 측정의 응용 분야는 빠르게 확장되고 있으며, 특히 스마트폰 및 웨어러블 기기와 같은 휴대용 장치에 온도 측정을 통합하여 홈 케어의 일부로 사용하는 추세입니다. 그러나 온도 측정에는 두 가지 주요 과제가 있습니다. 첫째, 센서 IC 구성 요소는 다양한 응용 분야에 적합하도록 충분히 작아야 합니다. 둘째, 센서 IC 구성 요소는 급격한 열 충격의 영향을 완화하기 위해 충분한 열 용량을 제공하는 대형 금속 케이스에 장착되어야 합니다.   작은 FIR 센서 IC가 PCB에 장착될 경우, 이러한 센서는 마이크로프로세서나 전력 트랜지스터 같은 주변에서 열을 발생시키는 구성 요소로부터 발생하는 열에 노출될 가능성이 있습니다. FIR 센서 IC 제조업체는 감지 소자를 대형 금속 캔(예: TO-캔 패키지) 내부에 배치하여 이 문제를 해결하려고 시도합니다. 금속 캔의 상당한 열 저장 용량과 높은 열전도율은 급격한 열 변화와 충격으로부터 어느 정도 보호를 제공할 수 있지만, 열 특성이 동적으로 변화하는 환경에서는 이 접근법이 매우 효과적이지 않을 수 있습니다. 또한, TO-캔 패키지가 상대적으로 크기 때문에 웨어러블 및 히어러블과 같은 소형 장치에는 적합하지 않다는 것이 또 하나의 문제입니다.

PCR에서 적외선 온도 센서의 적용

폴리메라제 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)이라는 용어는 대부분이 매우 익숙하실 것이라고 생각합니다. PCR의 주요 기능은 DNA를 증폭(복제)하는 것이며, 가장 널리 사용되는 응용은 감염 탐지입니다. 환자 샘플에서 DNA/RNA에 존재하는 바이러스나 박테리아와 같은 병원균은 증폭 후 검출될 수 있습니다. 이 응용은 COVID-19 팬데믹의 영향을 크게 받아 발전했으며, PCR 기술은 또한 많은 다른 병원균을 탐지하는 데 사용될 수 있습니다.   의료 진단에서는 여러 생화학적 프로세스가 사용되며, PCR은 그중 하나의 예일 뿐입니다. 온도에 민감한 생화학 반응을 신속히 진행하기 위해서 "열 순환기(thermal cycler)"가 필요합니다. 열 순환기는 반응물질이 담긴 튜브를 삽입할 수 있는 구멍이 있는 하나 이상의 열 블록으로 구성되어 있습니다. 열 순환기의 목적은 이 튜브를 미리 정의된 온도 프로그램에 따라 처리하며, 빠르고 정확한 온도 변화를 가능하게 하는 것입니다. 일부 모델은 열 블록의 온도 구배를 조절하여 다른 샘플을 다른 온도에서 처리할 수 있는 기능을 지원합니다. 이 기능은 주로 연구 단계에서 온도 순환의 특정 주요 과정을 최적화하기 위해 사용됩니다.   테스트 과정에서는 시료가 자주 교체되기 때문에 제조업체가 튜브의 온도를 직접 접촉 방법으로 신뢰하게 측정하는 것이 어려울 수 있습니다. 엄격한 온도 순환 제어는 정확한 센서 입력에 의존하며, 이 부분에서 적외선 온도 센서가 중요한 역할을 합니다. 적외선 온도 센서는 비접촉 방식으로 온도를 측정할 수 있게 해주며, 이는 접촉 기반 온도계에 비해 큰 장점이 있습니다. 더욱이, 직접 접촉을 피함으로써 시료 간 교차 오염의 위험을 대폭 줄일 수 있습니다.   현재 의료 진단 테스트는 급속히 변화하고 있으며, 시료를 전문 의료 연구실로 보내고 결과를 몇 주 동안 기다리는 방식에서 벗어나 현장에서 즉시 테스트할 수 있는 방향으로 진행되고 있습니다. 이러한 변화 속에서 적외선 온도 센서는 중요한 역할을 합니다. 적외선 온도 센서를 사용함으로써 온도 제어가 더욱 엄격해지고, 생화학적 반응 과정을 더욱 정밀하게 조정할 수 있어 더 빠르고, 더 정확하며, 더 신뢰할 수 있는 진단 결과를 얻을 수 있습니다.

다용도로 활용 가능한 고도로 통합된 적외선 온도계

Melexis MLX90614는 비접촉식 온도 측정을 위해 설계된 적외선 온도계입니다. 이 온도계는 IR에 민감한 열전퇴 감지 칩과 신호 처리 ASIC을 동일한 TO-39 캔 패키지 내에 통합하였습니다. MLX90614는 저소음 증폭기, 17비트 ADC, 강력한 DSP 유닛을 탑재하여 높은 정확도와 해상도의 온도 측정을 제공합니다.   MLX90614 온도계는 공장에서 이미 보정되어 있으며 디지털 SMBus 출력(0.02°C의 측정 해상도)으로 전체 온도 범위에 걸친 온도 측정을 제공합니다. 사용자는 디지털 출력을 펄스 폭 변조(PWM)로 설정할 수 있습니다. 기본적으로 10비트 PWM은 -20°C에서 120°C 범위의 측정된 온도를 지속적으로 전송하도록 설정되며, 출력 해상도는 0.14°C입니다.   MLX90614는 소형 크기, 저비용 및 쉽게 통합할 수 있다는 여러 가지 장점을 제공합니다. 센서 온도 범위 -40°C에서 125°C 및 측정 대상 온도 범위 -70°C에서 380°C를 포함하여 폭넓은 온도 범위에서 사전 보정되어 있습니다. 이 넓은 온도 범위에서 높은 정확도를 제공하며 0°C에서 +50°C 범위에서 센서 온도(Ta)와 대상 온도(To)에 대해 0.5°C의 정확도를 달성합니다. 필요한 경우 제한된 온도 범위 내에서 의료 등급의 0.2°C 정확도를 구현할 수 있습니다. 측정 범위를 결정할 수 있도록 시야 옵션(Field of view)은 5°, 10°, 35°, 90°를 포함합니다. MLX90614는 단일 구역(Single-Zone) 및 이중 구역(Dual-Zone) 버전을 제공하며, SMBus와 호환되는 디지털 인터페이스를 지원하여 손쉬운 온도 읽기 및 센서 네트워크 구축이 가능합니다. 지속적인 읽기를 위한 사용자 설정 가능 PWM 출력, 그리고 3V 및 5V 버전으로 제공됩니다. 간단한 조정을 통해 8V에서 16V까지의 애플리케이션에 적용 가능하며, 절전 모드, 디지털 필터링, 다양한 패키징 옵션도 지원합니다. 또한, 다양한 애플리케이션 및 측정 요구를 충족하기 위한 평가 키트가 제공되며 자동차 등급 애플리케이션에 적합한 평가를 받았습니다.

고정밀 비접촉 미니어처 SMD 온도 센서 IC

Melexis MLX90632는 고정밀 비접촉 적외선 온도 측정을 가능하게 하는 초소형 SMD 온도 센서 IC입니다. 동적 온도 특성을 가진 환경과 공간이 제한된 환경에 특히 적합합니다. 이 제품은 높은 안정성을 제공하며 의료 등급 및 소비자 등급 버전으로 제공됩니다.   MLX90632는 고온 환경에서 정밀하고 신뢰할 수 있게 작동하며, 3mm x 3mm x 1mm 크기의 작은 QFN 패키지로 제공되어 부피가 큰 TO 캔 패키지가 필요하지 않습니다. 이 센서는 공장 캘리브레이션을 위해 I2C 디지털 인터페이스를 사용하며, 50° 시야각을 특징으로 합니다. 프로그래밍 가능한 새로 고침 속도는 0.5Hz에서 32Hz까지 범위를 가지며, 3.3V 전원에서 작동하며 소비 전류는 1mA입니다. 듀티 사이클은 분당 한 번 측정할 때 50µW입니다. 작동 온도 범위는 -20°C에서 85°C까지이며, GitHub에서 사용 가능한 드라이버, 데이터 시트, 평가 키트를 제공합니다.   상업 등급 기기에서 MLX90632는 ±1°C의 정확도로 -20°C에서 200°C까지 물체 온도 측정을 지원합니다. 이러한 기기는 일반적으로 가전제품, 실내 온도 모니터링을 위한 독립형 스마트 온도 조절기, 휴대용 전자 기기에 통합된 주변 온도 모니터링 제품 등에서 사용됩니다.   의료 등급 기기에서 MLX90632는 ±0.2°C의 높은 정확도로 -20°C에서 100°C까지 물체 온도 측정을 지원합니다. 의료 등급 응용 분야에는 귀 체온계, 건강 모니터링 웨어러블 기기, 환자 대면 진료 응용 프로그램이 포함됩니다.   Melexis는 또한 MLX90632 적외선 온도 센서 칩(SMD 패키지)이 포함된 평가 보드 EVB90632를 제공합니다. 이 평판 PCB는 PC에 간단히 연결할 수 있는 인터페이스를 제공하여 사용자가 MLX90632 센서에 대해 빠르고 간편한 테스트를 수행할 수 있도록 합니다. EVB90632는 사용자가 센서 내부 설정에 액세스하고 광학 창 보상 상수, 새로 고침 속도, 집적 회로 버스 주소를 변경하여 특정 응용 분야에 센서를 조정할 수 있도록 지원합니다.

위치 센서 애플리케이션용 저전력 배터리 구동 마그네토미터

Melexis는 경제적인 배터리 구동 애플리케이션을 위해 설계된 Triaxis® 자력계인 MLX90397을 출시했습니다. 이 3D 자력계는 위치 센서 애플리케이션에 특화된 제품으로, ±50mT의 자기장 범위와 ±200mT의 BZ 적응 범위를 제공합니다. MLX90397은 저전력 소비가 특징이며 공간이 제약된 애플리케이션에 적합해 배터리 구동 애플리케이션에 이상적인 선택입니다.   MLX90397은 동적으로 프로그래밍 가능한 매개변수를 지원하며, 칩 표면에 수직 및 평행한 자기 플럭스 밀도를 감지할 수 있는 단일 칩 센서입니다. 이 디바이스는 세 축(X, Y는 다이 표면에 평행한 평면, Z는 표면에 수직)의 자기 측정을 수행할 수 있습니다. 사용자는 개별적으로 BX, BY, BZ 축의 자기장 또는 온도를 측정하거나 통합 측정을 수행할 수 있습니다. 이 측정값은 칩의 온도와 함께 16비트 데이터로 변환되어 요청 시 I2C 통신 채널을 통해 전송됩니다. 디바이스는 보정된 원시 측정 데이터를 전송합니다.   MLX90397은 일반적으로 7nA의 대기 전류를 특징으로 하며, 1.7~3.6 V의 전압 범위에서 동작합니다. 리셋 핀은 MLX90397이 초저 대기 전류 소비를 달성할 수 있도록 하며, 이는 업데이트 속도가 낮은 애플리케이션에 적합합니다. 이를 통해 설계가 간소화되고, 자재 비용이 절감되며, PCB 공간이 절약됩니다. 센서는 크기가 2 mm x 2.5 mm x 0.4 mm에 불과하며, UTDFN-8 초박형 플랫 리드리스 8핀 패키지로 제공됩니다. 이 패키지는 공간이 제한된 애플리케이션에서 유리하며 간단한 PCB 레이아웃을 가능하게 합니다. 또한, MLX90397은 사전 프로그래밍된 상태로 제공되어 플러그 앤 플레이 솔루션으로 쉽게 통합할 수 있으며, -40°C에서 -105°C의 환경 온도 범위 내에서 작동합니다. MLX90397 자력계의 착용 장치 사용 사례는 노브 제어(knob control)입니다.

결론

새로운 소형화된 온도 센서의 도입으로 인해 고도로 통합된 헬스케어 웨어러블 기기에서 온도 감지를 통합하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 센서는 PCR 테스트 속도를 높이고 비용을 절감하는 데도 사용될 수 있어 상당한 시장 개발 잠재력을 제공합니다. Melexis는 웨어러블 기기의 크기와 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 다양한 소형 온도 센서와 자력계를 제공하며, 관련 제품을 개발하는 제조업체들에게 이상적인 선택지가 됩니다. Melexis 웹사이트를 방문해 온도 센서 선택 가이드를 다운로드하고 귀하의 필요에 가장 적합한 온도 센서를 찾아보세요.