Smart Sensors for IoT Devices/Services

1. Sensors candidated
2015.06
Convergence기획팀, SKT
김유신

2. About Sensors
Sensors, Sensor System
Sensor System
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• 통상 ‘센서’라고 하면 최근에는 Sensor System을 의미하는데,
이는
- 물리적/화학적/생물학적인 신호(자극)를 전기적인 신호로 검출하는 ‘Sensing 소자’
- Analogue Signal을 Digital Data로 변환하는 신호 처리부인 ‘Sensor SoC’
의 부분으로 구성되며(Smart Sensor의 경우),
• 이러한 ‘Sensing 소자’와 ‘Sensor SoC’를 Packaging 한 것을 Sensor System 이라 할 수 있음
• 이 과정에서 Noise, 온도 등의 보상 및 보정과 감도, 응답속도, 정밀도 등이 S/W 알고리즘에 의해
좌우되므로 이 부분도 매우 중요함

3. About Sensors
Sensors, Sensor System
Sensors • 센서의 분류에는 ‘원리, 방식’에 의한 분류, ‘기능, 용도’에 의한 분류, ‘재료, 구성’에 의한 분류 등 다
양하게 구분되고 있으나,
• 활용성 측면에서 살펴보기 위해 ‘기능, 용도’ 측면의 분류를 적용,
- 위치, 차원 센서 (Position, Dimension)
- 기계적, 역학적 센서 (Mechanical, Dynamic)
- 압력, 밀도, 부피 센서 (Pressure, Density, Volume)
- 흐름, 수준 센서 (Flow, Level)
- 화학, 환경 센서 (Chemical, Environment)
- 전기, 자기 센서 (Electrical, Magnetic)
- 온도, 습도, 날씨 센서 (Temperature, Humidity, Weather)
- 시각, 영상, 식별 센서 (Vision, Image, Identification)
- 신체&사람, 의료 센서(Body & Human, Medical)
- 빛, 방사선 센서 (Optical, Radiation)
- 생물학적 센서 (Biological)
- 음향, 초음파 센서 (Acoustic, Ultrasonic)
의 12개 대 범주와 하위 범주로 구분하여 탐색
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4. Home, Environment
가정(Smart Home), 환경(Wellness)에 활용이 가능할 것으로 보이는 센서들 발췌
- 단일 센서로 다양한 화학물/기체를 검출하거나, 특정 분야에 특출한 기능을 보강 (저전력, 고속 검출)
• Chemiresistor Sensor(Chemisense)
• SGPC10 (Sensirion)
• CO2 Sensor (SST Sensing)
• BM-330C (Sharp)

5. Chemiresistor
Home, Environment
• 회사: ChemiSense (미국) http://chemisense.co/
• 휴대용 Air Pollution Device 를 개발 목표로 화학 센서 개발
• 각 오염원(CO2, SO2, VOC 등)이 Chemiresistor Array에 반응하는 독특한 패턴을 가지고 화학물질
을 판단하는 방식 ⇨ 하나의 Sensor로 다양한 화학물질 검출 가능
• UC Berkeley와 Caltech 출신으로 이루어진 Start-up
• ’14년도에 접촉한 바 있음
Chemical & Environment
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6. SGPC10
: Multi-Pixel Gas
Sensor
• 회사: Sensirion (스위스) http://www.sensirion.com/en/products/multi-pixel-gas-sensors/
• 세계 최초의 멀티 픽셀 가스 센서 라고 소개함, 지능 알고리즘과 패턴 인식을 통해서 다양한 수용체
를 사용하여 환경을 인지하는 것을 의미
• 휘발성 유기 화합물(VOC), 알코올, CO 등 다양한 가스에 대한 폭 넓은 감도 지원
• 금속 산화물 센서 (Metal-oxide sensor)
• IoT에 적합한 낮은 전력 소비 및 소형 크기 (2.45 x 2.45 x 0.75 mm)
• Sensirion은 SGPC10 등을 통해 multi-pixel technology를 이용한 환경센서 영역으로 확장할 계획
Chemical & Environment
Home, Environment 6 / 23

7. CO2 Sensor • 회사: SST Sensing (스코틀랜드) http://www.sstsensing.com/catalogue/co2-sensors
• CO2 센서 분야에서 혁신적인 센서기술 등을 발표함 (Energy harvesting 기술을 통해 구동되는
세계에서 유일한 CO2 센서)
• CO2 Sensor 0-2000ppm to 0-1%
- CO2S-A는 기존의 NDIR CO2 센서보다 50배 낮은 전원을 필요 (배터리 수명 극대화 가능)
• CO2 Sensor 0-5% to 0-100%
- CO2S-W는 CO2S-A 센서의 확장형으로 배터리로 작동되는 통기 기구 등에 적합
• CO2 Sensor Fast Response 0-5% to 0-100
- CO2F-W는 빠르게 변하는 CO2 농도를 측정하는 세계에서 가장 빠른 NDIR CO2 센서 (초당20회)
Chemical & Environment
Home, Environment
CO2 Sensor 0-2000ppm to 0-1%
CO2 Sensor 0-5% to 0-100%
CO2 Sensor Fast Response 0-5% to 0-100
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8. BM-330C
: Microbe Sensor
• 회사: Sharp (일본) http://www.sharp.co.jp/sms/release/bm-300c/bm-300c.html
• 공기 중의 박테리아 및 포자와 같은 미생물의 양을 빠르고 자동적으로 측정
(기존 ‘페트리 접시 배양법’은 일주일 가량 걸리는 반면, ‘형광 검출법’에 대한 Sharp의 독자적 기술을
적용 10여분 내에 모든 미생물들의 양을 자동적으로 측정)
• 연속적인 측정이 가능하여, 변화 추세 파악도 가능 (업데이트 간격 최단 10분)
• 컴퓨터 등과 연결되어 다수 개의 센서를 네트웍으로 연계하여 데이터를 일괄 관리하는 것도 가능
Chemical & Environment
Home, Environment 8 / 23

9. Wearable, Wellness
Appcessory 특성이 잘 반영되는 Wearable, Wellness 환경에서 참고할 만한 센서들 발췌
- Wearable의 한계를 극복하기 위한 저전력 구현, 대형 Lab에서 가능하던 기술을 휴대용으로 구현
• KMX61G (Kionix)
• MC7010 iGyro (mCube)
• NIR Spectrometer (Consumer Physics)
• TI DLP NIR Scan (Tellspec)

10. KMX61G
: Mag-Accel
Combo
• 회사: Kionix (미국) http://ko.kionix.com/6-axis-accelerometer-magnetometer/kmx61g
• 3축 가속도계와 3축 지자계로 이루어진 6축 센서
• 통합 센서 퓨전 소프트웨어 및 자동 보정 알고리즘을 통해 저전력 기반 초정밀 자이로 기능 구현
(통상 6축 센서라고 하면 3축 가속도계와 3축 자이로스코프로 구성되는 반면)
• Wearable 적용에 효과적인 초저전력 소비 – 최대 450μA로 기존 9축 센서의 1/10 수준 (대기시
1μA, 가속도계만 구동시 130μA, 지자계만 구동시 350μA, 가속도계 지자계 동시 구동시 450μA)
• 2013년 최우수 센서 혁신상 수상
Mechanical, Dynamical
Wearable, Wellness 10 / 23

11. MC7010 iGyro
Wearable, Wellness
• 회사: mCube (미국) http://www.mcubemems.com/products/igyro/
• iGyroTM 이라는 브랜드로 가상 자이로스코프를 구현한 6축(가속도계, 지자계) 센서
• 3x3mm의 작은 사이즈와 타 9축센서 대비 1/10도 안되는 전력소모로 소형 웨어러블 스마트기기에
적용 가능
• 모션 제어로 동작하는 모바일 게임이나 GPS가 취약한 실내의 네비게이션 등을 효율적 활용 사례로
제시
Mechanical, Dynamical
mCube 9DoF iGyro MC7010
Other Discrete 9DoF Sensor Solu
tions
Power 0.26mA 3.6mA
Relative Cost 1x 2x
Sensor Foot Print 9mm2
22mm2
Pin Compatibility
3, 6 and 9 axis options possible wit
h one board design (using mCube
3-axis accelerometer and 6-axis eC
ompass )
Needs new PCB board each for 3,
6 and 9 axis models
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12. Near IR
Spectrometer
• 회사: Consumer Physics (이스라엘) https://www.consumerphysics.com/myscio/technology
• 근적외선(NIR)을 통한 물체의 반사광을 분석하여 물체의 성분을 분석하는 기구를 소형화 한 것
• Near IR Spectrometer 제품을 개발하였으며, 각 응용 별 DB 구축까지 추진 중
(센서의 정확도 뿐 아니라 그 결과를 분석하는 알고리즘과 각 상황에 대한 DB 구축이 중요함)
• 과일의 숙성도, 음료의 성분, 체수분량 등 다양한 상황에서의 응용 확장 중 (SDK 공개를 통한 협력)
• ’15년 9월 상용출시 예정
Optical & Radiation
Wearable, Wellness 12 / 23

13. Near IR
Spectroscopy
(TI DLP NIR Scan)
• 회사: Tellspec (캐나다) http://tellspec.com/howitworks/
• 근적외선(NIR)을 식료품에 투사하여 반사광 분석을 통한 식료품 구성 성분을 분석하는 제품
• Texas Instrument사의 DLP NIR Scan 센서를 사용하여 개발
• 현재 Beta test용 제품이 개발완료 되었으며, ’15년 4Q내에 상용제품 출시 예정
Optical & Radiation
Wearable, Wellness 13 / 23

14. Motion, Interface
Smart Home, Wellness에서 활용이 가능한 동작인식, 동작 Interface에 활용할 수 있는 센서들 발췌
- 레이저, 초음파, RF 등 다양한 방식을 통해 동작 인식 및 동작을 통한 명령인식 등의 적용이 확장되고 있음
• VPOWR (FLIR)
• A|N pMUTs (Chirp Microsystems)
• Biomotion Sensor (ResMed)

15. VPOWR
: Short-pulse
Laser Diode
• 회사: FLIR (미국) http://www.flir.com/cores/display/?id=52625
• 표면발광레이저(VCSEL) 다이오드로서 고성능 단파 레이저 출력 가능 (10~50ns에서 최대 50W)
• PnP보드 상태에서 전력만 공급하면 사용할 수 있는 형태로 제공되며, 필요할 경우 Custom 형태로
변형을 하거나 단일 VCSEL 다이오드로 공급도 가능
• 거리 측정 뿐 아니라, 동작인식, 자동감지, 3D Sensing, LIDAR(Light Detection and Ranging)에
활용될 수 있음
Optical & Radiation
Motion, Interface 15 / 23

16. A|N pMUTs
: MEMS-
Ultrasound-Based
Solution
• 회사: Chirp Microsystems (미국) http://www.chirpmicro.com/technology.html
• 초음파를 이용해서 자세, 동작(gesture)을 3차원 인식(Z축, depth도 인식)하는 솔루션 개발
• Aluminum Nitride Piezoelectric micro-machined ultrasonic transducers (A|N pMUTs) 개발
(UC Berkeley와 UC Davis에서 약5년간 진행된 R&D의 결과물)
• 카메라가 아닌 초음파를 이용하므로 Privacy 측면에서 유리하며,
극소전력소모(10μW/ch)이고, 매우 작은 크기이므로 Smart Watch같은 Wearable 기기나,
Smart Phone에서 Always-On 동작 가능 (인식범위: 1cm ~ 1m)
• ’14년도에 접촉한 바 있음
Acoustic & Ultrasonic
Motion, Interface
ASIC pMUT
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17. RF biomotion
sensor
Motion, Interface
• 회사: ResMed (미국) http://www.resmed.com/us/en/consumer/s-plus.html
• 세계 최초 RF(무선주파수)를 이용한 비접촉식 수면 트래킹 센서
• 이 센서를 채택하여 ‘S+’ 라는 독자 Consumer 제품 출시 (’14년)
• 수면 중 움직임, 심박수, 호흡을 측정하며, 수면 환경의 조도 및 온도를 측정
• 이를 통한 수면상태 (Wake, REM, Light, Deep) 를 판단하며 Smart Alam(선잠기상) 기능 제공
• ’15년 초에 Co-project 추진을 위해 접촉한 바 있음
Electrical & Magnetic
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18. Human, Healthcare
생체정보 또는 Healthcare 관련 활용 및 확장 가능성이 높은 센서들을 발췌
- 단순 심박수보다 더 다양한 생체정보를 측정할 수 있거나, 한 영역에서 활용되는 센서가 다른 응용으로 확장
• MAXREFDES73# (Maxim Integrated)
• SFH 7050 (Osram)
• Emfit EAP Sensors (Emfit)
• Tectilus® Bodyfitter ® force sensor (Sensor Products Inc)

19. MAXREFDES73#
: Wearable,
Mobile
GSR(Galvanic
Skin Response)
system
• 회사: Maxim Integrated (미국) http://www.maximintegrated.com/en/design/reference-
design-center/system-board/6147.html
• 전기피부반응(GSR) 감지를 즉시 처리할 수 있는 레퍼런스 디자인 솔루션
• GSR은 거짓말탐지기 적용부터 정서적 각성상태 및 스트레스 지수 등에 이용되는 생체신호로서
최근 Healthcare 에서 다양한 해석을 도출해 낼 수 있는 지표로 활용되고 있음
• 기존의 GSR은 센서설계를 완성하기 위해 여러 개의 개별 칩과 보정 소프트웨어의 조정이 필요한 까
다로운 작업이었으나, 이를 레퍼런스 디자인으로 통합하여 웨어러블 형태로 신속하게 개발 가능
Body & Human, Medical
Human, Healthcare 19 / 23

20. SFH 7050
: BioMon Sensor
Human, Healthcare
• 회사: Osram (독일) http://www.osram-os.com/osram_os/en/products/product-
promotions/infrared-products/sensor-family/biomon-sensor-sfh-7050/index.jsp
• 웨어러블 기기를 위한 심장박동 및 맥박 산소 측정(이를 통해 혈중산소포화도 계산 가능) 측정
• 3개의 파장별 LED와 1개의 Photodiode 및 간섭을 막기 위한 광차폐로 구성 (정밀도 향상)
• 근접센서를 내장하고 있어서, 센서가 피부에 닿으면 자동적으로 측정 시작, 떨어지면 자동으로 멈춤
Body & Human, Medical
4.7 x 2.5 x 0.9 mm3
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21. Emfit EAP(Electro
Active Polymer)
sensors
Human, Healthcare
• 회사: Emfit (핀란드) https://www.emfit.com/s-series-sensors/
• 센서의 표면에 가해지는 압력(무게)의 변화를 전기적 신호로 변환하여 감지하는 압력 센서
• 얇은 셀 구조 플라스틱 필름으로 구성되어 있으며, 센서 뿐 아니라 반대로 공급 전압의 변화에 따라
서 필름의 두께 변형도 가능 (Actuator 기능)
• 매우 민감한 감도를 가지고 있어 움직임 뿐 아니라 호흡, 심박수 등 생체 신호 감지 가능
• 높은 내구성을 가지고 있어 무게/체중의 제한이 없으며 극한 사용환경에서도 동작
• 센서의 소재 공급 뿐 아니라 Emfit QS라는 독자적 수면 모니터링 제품도 출시
Pressure, Density, Volume
P aine
virta- tai
jännitesignaaliE
E on kalvon sisäinen sähkökenttä
전 류 Δq
Δq = keΔx
E = 내부 전기장
두께 변화 Δx
E
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22. Tectilus®
Bodyfitter ® force
sensor
Human, Healthcare
• 회사: Sensor Products Inc (미국) http://www.sensorprod.com/dynamic/seating.php
• 표면의 압력 및 온도를 동시에 측정하여 데이터 이미지로 표시해 줌
• 피에조 저항 원리에 의한 촉각 표면 센서를 이용하며, 센서 장비 표면 전체에 단위 센서 셀이 분포됨
• 의료 용도 뿐 아니라, 교정, 운동, 관리 등 다양한 분야에서 활용 가능
Pressure, Density, Volume
Tactilus® seat sensor
and electronic hub
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23. 감사합니다