[논문]열대류형 초소형 가속도계의 최적 설계

박병규; 김준원; 문일권; 김동식

열대류형 초소형 가속도계의 최적 설계
Optimal Design of a Convective MEMS Accelerometer 원문보기

대한기계학회 2008년도 추계학술대회A, 2008 Nov. 05, 2008년, pp.1951 - 1956

박병규 (포항공과대학교 기계공학과) , 김준원 (포항공과대학교 기계공학과) , 문일권 ((주)한국센시스) , 김동식 (포항공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Various MEMS accelerometers are used in engineering applications including automobiles, mobile phones, military systems, and electronic devices. Among them, the thermal accelerometer employing the temperature difference induced by the convective flow inside the micro cavity has been a topic of interest. As the convective sensor does not utilize a solid proof mass, it is compact, lightweight, inexpensive to manufacture, sensitive and highly endurable to mechanical shock. However, the complexity of the convective flow and various design constraints make optimization of a device a crucial step before fabrication. In this work, optimization of a 2-axis thermal convective MEMS accelerometer is conducted based on 3-dimensional numerical simulation. Parametric studies are performed by varying the several design variables such as the heater shape/size, the cavity size and types of the gas medium and the position of temperature probes in the sensor. The results of optimal design are presented.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수치해석을 통하여, 최적의 성능을 갖는 열대류형 초소형 가속도계 설계인자를 도출하였다. 센서 설계상 요구되는 크기와 전력 등의 한계 내에서 최대의 공동 폭과 히터 가열량, 히터 폭을 가질 수록 높은 민감도를 갖는 것을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서는 히터 내부 유동장 및 해석하였다. 이를 통해, 일정 가속도에서 양 온도 센서의 온도 차이를 가장 크게 하는 히터 구조를 찾고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig.

가설 설정

또한 기체 매질의 μ, Cp, k 는 일정한 값을 가지며, β는 이상기체의 그것을 따른다고 가정하였다.
히터 역시 일정한 C_p 와 k 를 가진다고 가정하였다. 한편, 열대류형 가속도계 내부의 유동은 유동의 속도가 매우 작기 때문에 완전히 층류로 가정하였다.
또한 기체 매질의 μ, C_p, k 는 일정한 값을 가지며, β는 이상기체의 그것을 따른다고 가정하였다. 히터 역시 일정한 C_p 와 k 를 가진다고 가정하였다. 한편, 열대류형 가속도계 내부의 유동은 유동의 속도가 매우 작기 때문에 완전히 층류로 가정하였다.
중력은 –z 방향으로 작용하고 있으며, 가속도는 x 방향으로 작용한다. 히터는 일정 열량으로 가열되고, 센서 하부 공동 벽은 단열(adiabatic wall)로, 센서 상부 벽은 등온(isothermal wall)으로 가정하였다. 또한 기체 매질의 μ, C_p, k 는 일정한 값을 가지며, β는 이상기체의 그것을 따른다고 가정하였다.

제안 방법

이를 통해, 일정 가속도에서 양 온도 센서의 온도 차이를 가장 크게 하는 히터 구조를 찾고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 4 에서 볼 수 있는 것과 같은 선형 히터와 정사각형 히터, 마름모형 히터 등의 히터 구조에 대하여 계산을 수행하고 각각의 민감도 및 유동장, 온도장 등을 비교하였다. 이때 각 히터는 동일한 온도로 가열되었다.
그러나 히터 구조에 관해서는 자연 대류 및 열전달 해석의 어려움 때문에 보고된 연구가 전무한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 히터 내부 유동장 및 해석하였다. 이를 통해, 일정 가속도에서 양 온도 센서의 온도 차이를 가장 크게 하는 히터 구조를 찾고자 하였다.
최적 구조를 구하기 위하여 가속도계 내부의 공동(cavity) 폭을 비롯하여, 히터 폭, 기체 매질, 히터 가열량와 온도 센서의 위치 등에 대한 분석을 수행하였다. 또한 내부 기체 매질의 열유동과 히터의 열전달 해석을 통해 가장 우수한 민감도를 갖는 히터 구조를 찾고 그 선형성을 시험함으로써 최적의 설계방안을 도출하였다.
또한, 마름모형 모서리 부의 열저항을 증가시켜 10 %가량의 성능 향상이 가능함을 보였다. 마지막으로 본 연구를 통하여 각 히터 구조에 대해 최적의 온도 센서의 위치를 도출하였다.
본 연구에서는 3 차원 수치해석을 수행하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어인 STAR-CD(ver.
본 연구에서는 3 차원 수치해석을 통해 2 축 열대류형 가속도계의 성능을 최적화하였다. 최적 구조를 구하기 위하여 가속도계 내부의 공동(cavity) 폭을 비롯하여, 히터 폭, 기체 매질, 히터 가열량와 온도 센서의 위치 등에 대한 분석을 수행하였다.
센서의 민감도를 최대화하기 위해서는 가속도가 가해졌을 때, 히터로부터 대칭되는 지점 간의 온도 차가 가장 큰 곳에 온도 센서가 위치해야 한다. 이상의 설계 변수들을 변화시키면서 계산을 수행한 결과를 분석하여 온도 차가 최대가 되는 지점을 조사하였다. 그 결과 x’/D 가 0.
본 연구에서는 3 차원 수치해석을 통해 2 축 열대류형 가속도계의 성능을 최적화하였다. 최적 구조를 구하기 위하여 가속도계 내부의 공동(cavity) 폭을 비롯하여, 히터 폭, 기체 매질, 히터 가열량와 온도 센서의 위치 등에 대한 분석을 수행하였다. 또한 내부 기체 매질의 열유동과 히터의 열전달 해석을 통해 가장 우수한 민감도를 갖는 히터 구조를 찾고 그 선형성을 시험함으로써 최적의 설계방안을 도출하였다.
히터의 형태 이외에도 제한된 상황에서 부분적인 성능 개선을 위하여 마름모형자체는 고정시킨 상태에서 히터의 모서리 부와 이외 부분의 매질을 poly-Si 과 Al 으로 다르게 하여 모서리 부에서 열이 집중적으로 발생하도록 하였다. 이를 통하여 열의 집중도가 달라짐에 의하여 히터 외부의 온도 구배가 더 크게 발생하는 효과를 기대할 수 있다.

대상 데이터

22)를 이용하였다. 효율적인 계산 수행을 위하여 히터 주변부 격자를 보다 조밀하게 구성한 비균일 격자를 사용하였으며 격자의 총 수는 200,000~500,000 개이다.

이론/모형

본 연구에서는 3 차원 수치해석을 수행하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어인 STAR-CD(ver. 3.22)를 이용하였다. 효율적인 계산 수행을 위하여 히터 주변부 격자를 보다 조밀하게 구성한 비균일 격자를 사용하였으며 격자의 총 수는 200,000~500,000 개이다.

성능/효과

그 결과 x’/D 가 0.1~0.2 인 지점에 최대의 온도 차가 발생함을 확인할 수 있었다.
그리고 히터의 형태에 있어서는 마름모형의 히터가 가장 우수한 민감도를 가지며, 선형성도 우수함을 알 수 있었다. 또한, 마름모형 모서리 부의 열저항을 증가시켜 10 %가량의 성능 향상이 가능함을 보였다.
그리고 히터의 형태에 있어서는 마름모형의 히터가 가장 우수한 민감도를 가지며, 선형성도 우수함을 알 수 있었다. 또한, 마름모형 모서리 부의 열저항을 증가시켜 10 %가량의 성능 향상이 가능함을 보였다. 마지막으로 본 연구를 통하여 각 히터 구조에 대해 최적의 온도 센서의 위치를 도출하였다.
Table 1 은 각각의 기체 매질이 사용된 가속도계의 조건과 1g 의 가속도가 가해졌을 때의 민감도를 나타낸다. 상대적으로 낮은 동적 점성도와 높은 열팽창계수, 낮은 열용량을 갖는 기체 매질이 사용될 때 민감도가 높아지는 것이 확인된다.
가속도 내 유동의 Grashof 수의 특성길이는 자연대류를 유발하는 인자인 히터의 x 방향 길이, 즉 폭에 해당한다. 선형 히터의 폭을 변화시키면서 그에 따른 센서 민감도의 변화를 계산하였고 그 결과, 히터 폭이 증가함에 따라 민감도가 증가하는 것을 알 수 있다. (Fig.
본 연구에서는 수치해석을 통하여, 최적의 성능을 갖는 열대류형 초소형 가속도계 설계인자를 도출하였다. 센서 설계상 요구되는 크기와 전력 등의 한계 내에서 최대의 공동 폭과 히터 가열량, 히터 폭을 가질 수록 높은 민감도를 갖는 것을 알 수 있다. 센서 내부의 기체매질로는 상대적으로 낮은 동점도와 높은 열팽창계수, 낮은 열용량을 갖는 매질을 사용해야 한다.
Fig 7 은 이러한 구조 개선이 민감도 향상에 끼친 영향을 보여준다. 이 두 가지 구조 개선을 통하여 기존의 마름모형 히터에 비해 약 10%의 성능 향상을 얻을 수 있었다.
4(c))에 비해 그리 크지 않은 반면, 히터가 유동을 제한하는 효과가 커졌기 때문으로 보인다. 이상의 결과로부터 마름모형(Fig. 4(c))이 최적의 히터 구조라고 결론 내릴 수 있다.
해석 결과 Fig. 5 에서 볼 수 있는 것과 같이, 마름모형 히터의 경우가 다른 여타의 히터 구조들에 비하여 높은 민감도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 선형 히터(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열대류형 가속도계의 장점은?	현재 상용화된 가속도계들은 그 측정 방식에 따라 여러 종류로 나뉘어 지는데, 그 중에서도 미세 열측정 기술을 바탕으로 하는 열대류형 가속도계는 구조가 간단하여 제작이 용이할 뿐 아니라 가볍고 충격에 강하며, 작은 가속도에도 높은 민감도를 가지는 장점을 갖고 있다[1-2]. 그러나 열대류형 가속도계가 갖는 여러 장점에도 불구하고, 열 대류현상의 복잡성과 다양한 설계 변수들의 존재로 인하여 장치의 성능을 최대화할 수 있는 다양한 디자인 인자들에 대한 연구, 특히 히터 구조에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다[3-7].
	가속도계란?	가속도계는 물체의 움직임, 기울어짐, 충격, 진동 등의 상태나 가속도를 감지하는 센서로서 산업 전반에 걸쳐 장치 제어 및 보호, 사용자 안전등을 위하여 널리 이용되고 있다. 최근에는 작은 크기와 낮은 전력 소비, 높은 민감도 및 낮은 생산 단가 등의 장점을 가진 초소형의 가속도 센서가 실리콘 미세가공 기술을 이용하여 개발됨에 따라 자동차, 핸드폰, 네비게이션, 군사장비, 로봇, 노트북, 오락기기 등 활용범위가 더욱 넓어지고 있는 추세로, 더욱 다양한 분야에서 범용성을 높이기 위해 높은 성능과 소형화를 지속적인 연구가 요구되고 있다.
	2 축 열대류형 가속도계의 구조는?	Figure 1 은 기본적인 2 축 열대류형 가속도계의 구조를 나타낸다. 센서 중앙의 히터는 전기적으로 가열되며, 온도 센서는 히터로부터 대칭되는 위치에 존재한다. 외부 대기가 가속도계의 내부 유동에 영향을 미치지 않기 위해 가속도계는 밀폐된 상태여야 한다. 가속도계는 가속도계의 수평 방향으로 작용하는 가속도를 측정한다.

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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