단일칩 상대 습도 센서를 통해 습도 측정 단순화

습도 감지 기술은 HVAC 및 냉장, 헬스 케어 장비(CPAP 기기, 인공 호흡기 등), 식료품과 의약품 산업의 자산 추적 및 보관 장비, 산업용 제어 시스템, 기상 관측 기기, 모바일 컴퓨팅 장치 등 다양한 애플리케이션에서 반드시 필요한 요소이다. 많은 산업 분야에서 필요하지만, 상대 습도 측정은 환경 감지 중 기술적으로 가장 어려운 과제에 속한다.

John Gammel Silicon Labs

습도 감지 장치의 기본 원리는 일반적으로 습기를 흡수하는 물질의 온도, 압력, 질량 또는 기계적/전기적 변화를 측정하는 것이다. 습도 측정값은 측정된 수치를 보정하고 계산하여 유도할 수 있다.
재래식 습도계(그림 1)는 사람의 모발이나 동물의 털을 사용하여 습도에 따라 변하는 털의 길이를 측정, 습도를 산출한다. 반면 현대의 전자식 습도 센서는 응결 온도 또는 커패시턴스나 전기 저항의 변화를 이용하여 습도 변화를 측정하므로 정확도가 훨씬 뛰어나다. 일반적인 상대 습도 센서 및 특히 중합 유전체(Polymeric Dielectric) 물질을 이용한 정전 용량성 감지 기반의 상대 습도 센서는, 재래식(비센서식) IC에는 없는 고유 애플리케이션과 사용 시 주의해야 할 사항이 있다. 요구 사항은 다음과 같다.
·보드 어셈블리 과정, 특히 리플로우 솔더링 과정에서 센서를 보호해야 하며 이후에 센서에 급수해야 한다.
·제품 수명 주기 중 센서의 손상 또는 오염을 방지해야 한다.
·극한의 온도 및 습도에 장시간 노출될 때의 영향과, 이 요소가 센서 정확도에 미치는 잠재적 영향을 고려해야 한다.
·습도 측정값에 온도 보정 및 선형화를 적용해야 한다.
이 요구 사항의 일부는 정전 용량성 상대 습도 센서에서 사용되는 폴리이미드 필름의 고유한 특성에서 비롯된다. 나머지 사항은 다이 및 센서 필름을 주변에 노출시키는 센서의 개방형 공동(Cavity) 패키지에서 필요한 것이다.
그 결과, 감지 요소를 혁신적인 커버로 보호해야 할 필요가 생기며, 이 과제를 경제적으로 해결한 최첨단 정전 용량성 습도 센서가 CMOS 제조 기법에 의해 탄생되었다. 이 싱글칩 습도 센서를 자세히 살펴보기 전에, 상대 습도 측정의 기본 원리에 대해 간략하게 살펴본다.



습도의 기본 사항
공기 중 수증기의 양은 0에 가까운 수준에서 포화 상태에 이르기까지 매우 큰 폭으로 변한다. 습도가 부족하거나 과도한 상태 또는 그 둘 사이의 급격한 변동으로 인해 민감한 물질이나 물건이 손상될 수 있다. 사람 역시 습한 공기에 민감하며, 습도가 높으면 불쾌감을 느낀다. 인체는 체온 조절의 1차적인 수단으로 기화 냉각을 이용한다. 상대 습도가 높으면 공기 중 수증기의 양이 이미 포화 상태에 가까우므로 피부에서 땀이 증발하는 비율이 감소한다.
인간은 온도 자체보다 인체의 열 전달 속도를 더 잘 느낀다. 즉, 상대 습도가 높을 때 더 따뜻하다고 느낀다. 습도가 너무 높으면 땀이 쉽게 증발하지 않으므로 체온이 지나치게 올라가 불쾌함을 유발한다. 그러나 온도가 높을 때 상대 습도가 낮으면 냉각이 보다 효과적으로 일어난다(다양한 습도 레벨에 따른 사람의 체감 수준은 표 1 참조).
기존에는 수많은 환경 제어가 온도 측정에만 의존해서 이루어졌다. 최근 몇 년간 습도 측정의 중요성도 많이 부각되었는데, 습도 제어는 일상 생활이나 보관 및 제조 현장에서 특히 중요하다. 온도 및 상대 습도 제어는 의약품, 식료품, 섬유, 목재 제품을 포함하여 수많은 물품 보존에도 필수적이다.
허용 기준을 초과한 습도는 특히 극한의 온도와 결합했을 때 물질을 크게 손상시킨다. 열로 인해 손상이 가속화되고 높은 상대 습도로 인한 습기가 유해한 화학 반응을 일으킨다. 이 요소들이 결합하면 벌레의 활동과 곰팡이 증식이 촉진된다. 또한 극히 낮은 상대 습도는 파괴적인 영향을 초래하는데, 민감한 물질을 건조시켜 깨지기 쉬운 상태로 만든다. 온도 및 상대 습도의 급격한 변동으로도 팽창 및 수축을 통한 손상이 일어날 수 있어 팽창/수축 반복은 손상을 가속화한다.
보존 표준에 맞는 적절한 공조 시설의 설치 및 운영은 물건 손상을 상당히 억제할 수 있다. 습도를 제어하고 손상이나 불편함을 미연에 방지하거나 보관/이동 중인 제품의 손상으로 이어질 수 있는 사건을 파악하기 위해서는 습도를 정확히 측정하는 것이 필수적이며, 가장 이상적인 방법은 쉽고 경제적으로 전자 제어부와 통합할 수 있는 컴포넌트 형태로 습도를 측정하는 것이다.



습도 측정 기법
습도는 다양한 방법으로 계량화할 수 있지만 대기의 질을 유지하는 데 가장 중요한 측정 대상은 상대 습도이다. 이는 공기가 더 이상 습기를 흡수할 수 없는 포화 상태일 때, 공기 중에 존재하는 수증기의 양에 대해 실제 공기 중에 존재하는 수증기의 비율이다. 반면, 절대 습도는 주어진 온도와 압력에서 습기를 머금은 전체 공기 부피에 용해되어 있는 수증기의 질량으로 정의한다.
포화 상태란, 일반적으로 온도에 따라 “이슬점” 또는 “서리점”이라고 한다. 상대 습도 값은 온도가 약간만 변화해도 크게 변할 수 있다. 예를 들어 35℃에서 상대 습도가 75%일 때 온도가 1℃ 변하면 상대 습도는 4% 변한다. 이는 공기의 온도가 높을수록 수분 흡수 능력이 높아지고, 온도가 낮을수록 수분 흡수 능력이 낮아지기 때문이다.
공기가 수분을 흡수할 수 있는 능력은 온도가 높아질수록 커지므로, 공기의 상대 습도는 공기의 온도가 올라갈수록 낮아진다. 습기를 머금은 공기가 냉각되면 수분 흡수 능력이 떨어지므로 상대 습도는 증가한다. 결과적으로, 이슬점에 도달하기 위해 필요한 공기 중 수증기의 양은 온도에 따라 증가한다. 예를 들어 이슬점이 10℃이면 32℃에서 상대 습도가 31%로 된다.
상대 습도 측정의 경우 이론상으로는 간단하다. 하지만 실제로는 간단한 작업이 아니다. 일부의 습도 감지 장치는 정확도가 떨어지고 시간이 흐르면서 측정 드리프트가 나타난다. 또한 오염이나 히스테리시스도 발생할 수 있다. 수많은 재래식 기기는 정기적인 보정이 필요한데 이것은 불편하고 비용도 많이 든다.
건습구 습도계는 잘 알려진 습도 측정 장치로, “습구/건구” 방법이라는 사용법에 의해 더 잘 알려져 있다. 건습구 습도계는 두 개의 온도계로 이루어져 있으며, 하나는 흔히 볼 수 있는 건구 온도계이고 나머지는 아래쪽 둥근 부분을 젖은 천으로 감싼 습구 온도계이다. 젖은 천에서 수증기가 증발하면 습구 온도계의 온도가 내려간다.
습구 온도계는 공기가 수증기 포화 상태가 아닐 경우 건구 온도계보다 온도가 낮다. 두 온도계의 눈금으로부터 상대 습도를 유도하는 데 사용되는 환산표가 있다. 환산 과정은 마이크로컨트롤러로 자동화할 수 있지만, 건습계 센서는 응답 시간이 느리고 물리적인 사이즈가 클 뿐만 아니라 온도계 구(Bulb) 부분을 젖은 상태로 유지하면서 주변 공기 흐름을 원활하게 해야 한다는 등의 유지 관리 문제를 갖고 있다.
오늘날 사용되는 가장 정확한 습도 측정 방법은 냉각 거울 습도계이다. 이 기법은 광전자 메커니즘을 사용하여 거울 표면의 응결을 감지한다. 거울은 표면 온도를 정확하게 측정하여 유지하고 응결이 발생할 때까지 냉각시킨다. 응결이 일어나면 송신측 LED의 빛이 흩어지고, 그 결과 수신측 광트랜지스터의 출력이 갑자기 떨어진다. 응결이 일어나는 온도는 습도 값을 계산할 수 있는 이슬점이다. 마이크로컨트롤러로 관리하는 피드백 루프를 사용하여 이슬점을 연속으로 추적할 수 있다. 하지만 거울을 청결하게 유지해야 하고 응결이 감지되면 응결을 제거할 방법도 있어야 한다. 냉각 거울 습도계에 필요한 기계 시스템 때문에 습도계 부피가 크고 비싼 경우가 많으며 대용량 소비자, 자동차 및 주거 애플리케이션에 사용하기에는 실용성이 떨어진다.
기계식 습도계는 훨씬 작게 만들 수 있지만 정확도가 떨어지며 오차가 ±10%인 경우가 많다. 가장 일반적인 예는 동물의 털을 일정 수준의 긴장 상태로 유지하여 습도를 측정하는 방식이다. 습도가 올라가면 털이 보다 유연해져서 늘어난다. 이 변화는 습도가 증가하여 털이 늘어나면 스트레인 게이지로 측정할 수 있다.

전자식 습도 감지 기술
많은 재래식 설계가 큰 한계를 안고 있는 반면, 전자식 습도 센서는 크기나 비용 등 이전의 방법이 갖고 있던 수많은 문제를 극복했다. 습도 측정에 가장 많이 사용되는 기법은 흡습성 물질의 저항 또는 커패시턴스의 변화를 이용하는 것이다. 이 유형의 센서는 기술이 발전함에 따라 정확하고 컴팩트하며 안정적이고 전력 소모가 적은 대안으로 떠오르고 있어 주요 애플리케이션의 솔루션으로 많이 채택되고 있다.
정전 용량성 센서는 유전체로 분리된 두 개의 전극으로 이루어진다. 일반적으로 공기 중의 수증기가 증가함에 따라 센서의 유전 상수도 커지고, 습도에 해당하는 커패시턴스 측정값도 변하게 된다. 저항 센서는 전도층으로 분리된 두 개의 전극으로 이루어져 있다. 이 경우 감지 계층의 전도성이 습도 변화에 따라 변한다.
새로운 박막 생산 기법으로 이 유형의 센서를 대량 생산하는 것이 보다 정확하고 안정적이며 수월해졌다. 엄선된 소재를 사용하여 응답 시간은 짧으면서도 히스테리시스가 거의 없다. 두께 5㎛ 미만으로 제작할 수 있는 폴리이미드 필름은 뛰어난 안정성을 유지하면서도 습도 변화에 10초 내로 응답할 수 있다.
전자 센서의 정확성을 제한하는 요인인, 시간이 흐르면서 발생하는 드리프트는 일반적으로 온도 및 습도의 광범위한 변화 또는 오염 물질에 의해 발생한다. 이 요소는 시스템 디자이너가 적합한 센서 솔루션을 선택할 때 고려해야 한다.
상대 습도 측정의 정확도를 개선하는 데에는 주변 온도를 측정하고 호스트에서 온도 보상을 실시하는 것이 도움이 된다(단순 2차 계산). 이슬점 또는 절대 습도를 구하려면 주변 공기 온도도 필요하다. 온도를 정확하게 측정하는 기능은 습도 센서의 유용성을 확장하므로 정확한 측정이 필수적이다. 이슬점 계산의 경우, 온도 측정 시 1℃의 오차가 발생하면 이슬점을 계산할 때 약 1℃의 오차가 발생한다. 가장 정확한 측정값을 얻으려면 습도 및 온도 측정이 최대한 가까운 곳에서 이루어지는 것이 좋다. 즉, 한 칩에 함께 배치하는 것이 이상적이다. 이러한 근접성은 기존의 전자 센서 설계 대부분에서 구현하기 어려울 수 있다.

전자 센서 디자인의 과제
오늘날의 수많은 전자 센서 디자인은 별도의 저항과 정전 용량성 센서, 하이브리드 및 멀티칩 모듈(MCM)을 사용한다(그림 2). 이 낡은 접근 방식은 BOM(Bill of Material) 비용이 많이 들고 부품 수가 많으며 점유 면적이 클 뿐만 아니라 고객이 노동 집약적인 보정을 수행해야 한다. 보다 심각한 문제는, 개별 센서 솔루션이 표준 표면 장착 기술(SMT) 어셈블리 흐름과 호환되지 않는 경우가 많다는 점이다.
개별 솔루션 및 모듈 솔루션은 전력 소모가 크고 PCB 점유 면적이 크므로 장치에 통합하기 어렵다. 이 점은 자산 추적과 같은 애플리케이션 및 휴대용 의료 기기에 사용할 때 문제가 된다. 이상적으로는 습도 센서를 모노리식(Monolithic) 디자인으로 구현하여 안정성을 향상시키고 전력 소모 및 크기를 최소화해야 한다. 모노리식 센서도 제조 방법에 문제가 있다. 센서가 기능을 수행하려면 주변 환경에 노출될 수밖에 없으므로, 특히 PCB 어셈블리 과정에서 습도 센서가 손상되거나 오염될 수 있다. 따라서 항상 센서를 청결하게 유지하고 손상되지 않도록 해야 한다. 자주 사용하는 기법으로는 PCB 어셈블리 전에 센서 입구를 과열 방지 테이프로 막았다가 나중에 제거하는 방법이 있지만, 노동력이 많이 필요한 접근 방법이므로 생산 시간 및 비용을 증가시킨다.
보호하는 경우에도 일부 센서 기기는 대용량 솔더 리플로우 공정과 호환되지 않는다. 솔더 리플로우의 고온의 온도 가공이 습도 센서 성능에 영향을 줄 수 있으며, 이는 제조업체의 정확도 사양에 포함되지 않는 경우도 있다. 즉, 최고의 정확도는 장치에 소켓 처리할 경우에만 구현할 수 있다. 소켓으로 BOM 비용에 추가 부품 비용이 추가될 뿐 아니라 PCB 솔더 리플로우가 끝난 후 센서 설치를 위한 인건비도 증가한다.
또한 습도 센서는 제품 수명 동안 보호받고 특정 유형의 커버 및 필터만 사용해야 할 필요가 있어 일부 구현 시 센서의 응답성이 훼손될 수도 있다. 세심한 센서 커버 디자인은 이 문제를 완화시키며, 제조 과정에서 센서를 보호하는 과제까지 해결할 수 있다.



보호용 커버를 사용하는 최첨단 센서 솔루션
실리콘랩스의 Si7005 온도 및 습도 센서는 개별, 하이브리드, 모듈식 센서 솔루션으로 수많은 디자인 및 제조 과제를 해결하고 있다. Si7005 센서는 수명 내내 민감한 센서를 보호하는 수단으로 소수성 커버 자재를 사용한다. ePTFE(ex-panded Polytetrafluoroethylene) 소수성 필터 자재로 만들어진 커버는 먼지 및 대부분의 액체로부터 내부를 보호하는 기능을 갖고 있다. 또한 고유의 구조 덕분에 수증기를 통과시킬 수 있어 필터가 센서 응답 시간에 영향을 주지 않는다.
Si7005 센서의 옵션 커버(그림 3)는 공장에서 설치되므로 PCB 어셈블리 과정에서 보호용 테이프를 붙이고 제거하는 데 시간과 노동력이 들지 않으며 커버를 제품 디자인으로 엔지니어링할 필요가 없다.



Si7005 센서는 폴리이미드 필름을 사용하여 습도 변화를 감지한다. 이 박막 감광 필름은 메탈 핑거(Metal Finger) 커패시터 위에 적재된다. 습도 센서와 같은 다이에 배치하는 정밀 밴드갭 기준 회로는 온도를 측정한다. 한 다이에 함께 배치하면 온도와 습도를 서로 근접 측정하여 측정 정확도를 크게 높일 수 있다. 온다이(on-die) 온도 센서로, Si7005 디바이스를 주변 온도가 이슬점 부근일 때 사용하면 정확도가 보장된다. 센서에 물방울이 맺힐 경우, 센서가 이슬점보다 높아지면 온칩 히터를 작동하여 센서를 건조시키고 기능을 복원시킬 수 있다. 또한 온다이 온도 센서는 습도 눈금을 판독하는 MCU가 이와 같은 난방 효과를 고려할 수 있도록 한다.
노후화로 인한 Si7005 센서의 장시간 측정 드리프트는 매년 상대 습도의 0.25%에 불과하다. 수많은 다른 제품의 드리프트와 비교했을 때 절반 미만이다. 명시된 정확도에는 솔더 리플로우 효과를 허용하는 것도 포함된다. Si7005 센서는 모노리식 솔루션으로서 공장에서 보정되므로, 고객은 PCB 어셈블리 후 많은 노동력이 필요 없다.
Si7005 센서는 모노리식 통합을 보다 확대하여 시스템 디자인의 편의성을 강화하고, 훨씬 큰 모듈 기능을 단일 소형 IC 패키지(4mm×4mm QFN)에 집약했다. Si7005 디바이스에는 감지 요소 외에도 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 신호 처리, 데이터 보정용 비휘발성 메모리 및 I2C 인터페이스가 통합되어 있다. 칩 레벨에 대한 상세 정보는 그림 4에 나타나 있다.



이와 같은 고도의 통합으로 견고함과 안정성 강화, 비용 및 개발 시간 단축, 디자인 단순화를 실현했다. 또한 모노리식 디자인은 분당 온도 및 습도를 각각 1회 판독할 때 소모되는 전류가 평균 1㎂이므로 전력 효율을 높이는 데도 유용하다. 즉, 전력에 민감한 애플리케이션에 적합한 디바이스이다.
Si7005 상대 습도 센서 솔루션의 전체 BOM은 두 개의 바이패스 커패시터가 전부인데 비해, 개별 솔루션으로 같은 기능을 구현하려면 수십 개의 컴포넌트가 필요한 경우가 많다.
Si7005 센서는 모노리식 집적 및 혁신적인 디자인을 통해, 공기 중 습기의 효과를 장시간 안정적으로 정확히 모니터링하고 관리해야 하는 다양한 애플리케이션에 경제적이고 콤팩트한 상대 습도 및 온도 감지 솔루션을 제공한다. 습도 감지 기술은 모발 습도계 이후 비약적으로 발전했다.