[논문]실시간 제어기를 이용한 마이크로 열식 질량공기 유량센서의 열특성 측정

박병규; 이준식

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.8.573

실시간 제어기를 이용한 마이크로 열식 질량공기 유량센서의 열특성 측정
Measurements of Thermal Characteristics for a Micro-Fabricated Thermal Mass Air Flow Sensor With Real-Time Controller 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.33 no.8 = no.287, 2009년, pp.573 - 579

박병규 (서울대학교 SNU-IAMD) , 이준식 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A thermal mass air flow sensor, which consists of a micro-heater and thermal sensors on the silicon-nitride thin membrane structure, is micro-fabricated by MEMS processes. Three thermo-resistive sensors, one for the measurement of microheater temperature, the others for the measurement of membrane temperature upstream and downstream of the micro-heater respectively, are used. The micro-heater is operated under the constant temperature difference mode via a real time controller, based on inlet air temperature. Two design models for microfabricated flow sensor are compared with experimental results and confirmed their applicabilities and limitations. The thermal characteristics are measured to find the best flow indicator. It is found that two normalized temperature indicators can be adopted with some advantages in practice. The flow sensor with this control mode can be adopted for wide capability of high speed and sensitivity in the very low and medium velocity ranges.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 일정온도 제어의 경우 개념적인 이해가 용이하지만 정밀측정을 위해서는 추가적인 온도보상회로가 필요하다. ⁽⁴⁾ 따라서 유입유체와의 온도차를 일정하게 유지하도록 제어함으로써 유입유체 온도의 변화에 대응할 수 있도록 실시간 제어시스템을 구성하여 가능성을 검토한다.
본 연구에서는 박막 구조 위에서 마이크로 히터 및 온도센서로 구성된 열식 질량 공기유량센서를 제작하고, 상대적으로 높은 유속에서 디지털 실시간 제어기를 사용하여 일정 온도로 제어 되는 유량센서의 열거동 특성을 고찰하였다. 이를 통해 마이크로 히터가 일정 온도로 제어되는 경우 질량유량센서의 측정가능한 유속범위를 파악하고 향후 고정밀 열식 질량유량센서의 성능개량을 도모하고자 한다.
본 연구에서는 박막 구조 위에서 마이크로 히터 및 온도센서로 구성된 열식 질량 공기유량센서를 제작하고, 상대적으로 높은 유속에서 디지털 실시간 제어기를 사용하여 일정 온도로 제어 되는 유량센서의 열거동 특성을 고찰하였다. 이를 통해 마이크로 히터가 일정 온도로 제어되는 경우 질량유량센서의 측정가능한 유속범위를 파악하고 향후 고정밀 열식 질량유량센서의 성능개량을 도모하고자 한다.

제안 방법

그러나 특성길이가 마이크로스케일인 경우 3차원 해석은 계산격자가 급증하고 많은 시간이 필요하다. 따라서 여기서는 기존의 해석 모델을 사용하여 정성적인 거동을 예측하고 특성을 고찰한다. 먼저 초저속의 마이크로 유량센서에 널리 이용되는 Lammerink 등이 제시한 모델 (6)의 해는 다음과 같다.
본 연구에서는 멤스 공정으로 마이크로 열식질량유량센서를 제작하고, 디지털 실시간 제어기를 사용하여 센서소자 상의 마이크로 히터를 일정온도차 모드로 제어한 경우에 대한 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 멤스 공정으로 제작한 질량유량 센서로 유량을 교정하기 위해 고압 질소가스, 압력조절기, 질량유량제어기, 필터, 유동단면이 10 mm × 10 mm인 미니 채널, 정밀유량계 등으로 유동 교정 및 측정시스템[Fig.
⁽⁵⁾ 본 연구에서 수행한 실험 유속범위는 약 0 ~ 10 m/s (Re_x =0 ~ 8200) 로서 일반적인 마이크로 유량센서보다 훨씬 크다. 실시간 루프(time-critical loop)로 고속 측정 및 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호로 히터를 일정온도차로 제어하였고, 모든 측정은 샘플링 시간 T_s가 4ms이다.

대상 데이터

각 유량센서 소자의 크기는 4 mm × 6 mm이고, 한장의 웨이퍼에 160개의 소자를 제조한 것이다.

이론/모형

따라서 실시간 제어기(real time controller)에서 마이크로 히터의 온도가 설정상태로 잘 유지되도록 K_p , K_I , K_D를 설정해야 한다. 이를 위해 본 시스템에서는 계단입력시 PID 제어매개변수에 따른 시스템의 열적 거동을 파악하여 시행착오법으로 결정하였다. ⁽⁵⁾ 본 연구에서 수행한 실험 유속범위는 약 0 ~ 10 m/s (Re_x =0 ~ 8200) 로서 일반적인 마이크로 유량센서보다 훨씬 크다.

성능/효과

(2) 일정 온도차 제어모드의 경우, 본 연구에서 사용한 센서는 유량측정 표시자로서 ∆T21 / ∆T03 및 2⋅∆T21 /(T1 +T2) 가 유동방향의 감지 및 물리적으로 가장 적절하고, 이는 신호처리회로의 증폭비 결정에 유용하다.
(3) 온도차가 일정한 경우, 저유속에서는 감도가 우수하고 2.0 m/s 이상에서는 유량측정 표시 자가 거의 선형 증가함수의 거동을 나타낸다.
이를 위해 본 시스템에서는 계단입력시 PID 제어매개변수에 따른 시스템의 열적 거동을 파악하여 시행착오법으로 결정하였다. ⁽⁵⁾ 본 연구에서 수행한 실험 유속범위는 약 0 ~ 10 m/s (Re_x =0 ~ 8200) 로서 일반적인 마이크로 유량센서보다 훨씬 크다. 실시간 루프(time-critical loop)로 고속 측정 및 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호로 히터를 일정온도차로 제어하였고, 모든 측정은 샘플링 시간 T_s가 4ms이다.
(5) 이멤브레인 지지영역은 가로 1200 µ m , 세로 2000µ m 이고, 내부 중앙에는 폭 40 µ m , 두께 0.2µ m 의 마이크로 히터를 기준으로 상하 각각 1의 질화실리콘 지지막이 있다.
Fig. 9(a)에서 알 수 있는 바와 같이 유입공기(실리콘 기질 상류)의 온도 T₃ 가 변할지라도 ∆T₀₃ 은 일정하게 제어되고, 유속이 증가함에 따라 마이크로 히터의 온도뿐만 아니라 상하류에 위치한 열저항센서의 온도가 열전달에 의해 미소하게 변화함을 확인할 수 있다. Fig.
또한 유량측정 대표적인 표시자로서 무차원 인자 ∆T01/ ∆T03 , ∆T12 / ∆T03 , 2⋅∆T21 /(T1 +T2) , ∆T01 /T3 , ∆T13 /T3 등을 도입하여 검토한 결과, ∆T13 /T3 가 감도는 가장 우수하지만 유속의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내기 때문에 주의깊은 반전 회로를 이용하는 것이 필요한 것으로 나타났다.
이 자료는 신호처리회로의 증폭비 결정에 유용하다. 유속이 1.0 m/s 이하인 저속의 경우 감도가 우수하고 2.0 m/s 이상에서는 모든 측정유량 표시자가 거의 선형함수로 증가하는 것으로 나타났다. 즉, Fig.
⁽⁴⁾ 여기서는 이를HFHW (hot film / hot wire) 2D 모델이라고 한다. 이 두 모델의 정성적인 거동을 살펴보면, Fig. 8에서 알 수 있는 바와 같이, 초저속영역에서는 Lammerink 모델이 중속영역에서는 HFHW 2D 모델이 거동을 상당히 잘 예측함을 알 수 있다. 본 온도차제어 센서의 경우 유속이 약 1.
또한 유량측정 대표적인 표시자로서 무차원 인자 ∆T₀₁/ ∆T₀₃ , ∆T₁₂ / ∆T₀₃ , 2⋅∆T₂₁ /(T₁ +T₂) , ∆T₀₁ /T₃ , ∆T₁₃ /T₃ 등을 도입하여 검토한 결과, ∆T₁₃ /T₃가 감도는 가장 우수하지만 유속의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내기 때문에 주의깊은 반전 회로를 이용하는 것이 필요한 것으로 나타났다. 특히 이들 중 ∆T₁₂ / ∆T₀₃ 이유동이 없는 극한조건 및 유동방향의 감지가 필요한 역류조건에서도 물리적 의미를 갖는 가장 적합한 표시자인 것으로 나타났다. 이 자료는 신호처리회로의 증폭비 결정에 유용하다.

후속연구

따라서 극소유량을 다루는 마이크로열유체시스템에서는 고감도의 저속영역을 이용하고 중대유량을 다루는 산업용 시스템에서는 고속영역을 이용하여 측정이 가능함을 알 수 있다. 실제 응용에서는 신호 증폭회로와 더불어 히터의 발열량, 우회 측정유로의 유동저항 조정으로 해결할 수 있기 때문에 열식 질량공기유량센서의 개발 시에는 상당한 유연성을 발휘할 수 있을 것으로 예상 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 열식 질량유량센서는 어떤 공정으로 제작하는가?	마이크로 열식 질량유량센서(1,2)는 실리콘 웨이퍼를 사용하여 벌크 마이크로머시닝(bulk micromaching) 또는 표면 마이크로머시닝(surface micromaching)을 포함한 멤스(MEMS) 공정으로 제작하지만 기본적인 원리는 열전달 현상을 이용한다. 최근 선진국간의 차세대 성장동력 발굴을 위한 국가간의 경쟁으로 인하여 초소형 마이크로/나노시스템, 바이오시스템이 개발되고 있으며, 초저유량 센서에 대한 연구(3)도 수행되고 있다.
	마이크로 열식 질량유량센서의 장점은 무엇인가?	마이크로 열식 질량유량센서는 유속에 따른 대류 열전달의 변화를 이용하여 유속을 측정하기 때문에 전자식에 비해 노이즈 특성이 우수하지만, 발열원에 의한 온도분포의 측정점, 즉 온도감지 위치가 측정 유속 범위와 감도에 매우 큰 영향을 미친다. 또한 전자회로를 이용한 가열부의 다양한 가열 제어모드의 영향도 크다.
	멤스 공정으로 제작된 소자는 어떻게 구성되어 있는가?	2에 나타냈다. 이 소자는 크기가 4 mm × 6mm로서 마이크로 히터로 구성된 가열부 및 상하 류의 온도를 측정하는 감지부는 질화실리콘 박막으로 지지되어 있고, 멤브레인 상부 및 하부 공동으로 측정공기가 흐르며, 실리콘 기질부에서는 유입되는 공기의 온도를 측정해서 보정할 수 있도록 백금 박막 온도센서가 구성되어 있다. (5) 이멤브레인 지지영역은 가로 1200 µ m , 세로 2000µ m 이고, 내부 중앙에는 폭 40 µ m , 두께 0.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
Lammerink, T. S. J., Tas, N. R., Elwenspoek, M. and Fluitman, J. H. J., 1993, 'Micro-Liquid Flow Sensor,' Sensors and Actuators, A 37, pp. 45~50

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Abbaspour-Sani, E., and Javan, D., 2007, 'Analytical Study of Resistive MEM Gas Flow Meters' Microsystem Technologies, 14, pp. 89~94

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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