KR101956766B1 - 유량센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 측정대상 기체의 온도변화를 통해 기체의 유량을 측정하는 유량센서에 관한 것으로서, 특히, 기판을 통해 온도센서로 전도되는 히터의 열을 최소화하여 정확한 기체의 온도를 측정하고, 이를 통해, 기체의 유량을 오차 없이 측정할 수 있는 유량센서에 관한 것이다.

Description

유량센서{FLOW SENSOR}
본 발명은 측정대상 기체의 온도변화를 통해 기체의 유량을 측정하는 유량센서에 관한 것이다.
유량센서는 측정대상 기체의 열의 이동을 검출함으로써 기체의 유량을 측정하는 장치이다.
따라서, 유량센서에는 기체를 가열하는 히터와, 기체의 온도를 측정하는 온도센서가 구비되며, 온도센서가 히터에 의해 가열된 기체의 이동을 측정함으로써, 기체의 유량을 측정하게 된다.
또한, 유량센서는 소형화된 히터, 즉, 마이크로히터를 구비함으로써, 소형화를 달성할 수 있으며, 소형화된 유량센서를 통해 소량의 기체의 유량을 용이하게 측정할 수 있다.
이러한 유량센서로는 한국등록특허 제10-1456469호(이하, '특허문헌 1'이라 한다)와, 한국등록특허 제10-1672039호(이하, '특허문헌 2'라 한다)에 기재된 것이 공지되어 있다.
특허문헌 1의 미소 유량 센서는 측정 대상 유체가 흐르는 유로와, 유로 내의 측정 대상 유체를 가열하는 히터 및 유로 내의 측정 대상 유체의 온도를 측정하는 온도 센서를 갖는 검출부와, 온도 센서에 의해 측정된 유체의 온도에 기초하여 유로를 흐르는 측정 대상 유체의 유량을 측정하는 연산부를 포함하여 구성된다.
이러한 미소 유량 센서는 히터에 의해 가열된 유체를 온도 센서가 측정하고, 연산부가 측정된 유체의 온도에 기초하여 측정 대상 유체의 유량을 측정하게 된다.
이 경우, 히터와 온도 센서를 갖는 검출부가 제2기판에 형성되어 있고, 제2기판은 파이렉스(등록상표)와 같은 유리, 즉, 붕규산유리로 이루어져 있다.
따라서, 특허문헌 1의 유량 센서는 히터의 열이 대류에 의해 전달될 뿐만 아니라, 제2기판을 통해 전도되어 온도 센서에 전달되며, 이로 인해, 온도 센서가 기체의 정확한 온도 변화를 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
다시 말해, 온도 센서는 가열된 유체의 온도를 측정하여, 열의 이동을 검출해야하는데, 제2기판을 통해 전도된 히터의 열이 직접적으로 온도 센서에 영향을 미치면 온도 센서 자체가 전도열에 의해 가열된다. 따라서, 온도 센서에 의해 측정된 온도는 오차가 발생되어 정확한 유체의 온도 자체를 측정하기 어려우며, 이로 인해, 연산부를 통해 연산된 유체의 유량에 오차가 발생할 수 있다.
특허문헌 2의 에어유량 센서의 경우에도, 실리콘 기판에 마이크로 히터와 온도센서가 설치되어 있으며, 이로 인해, 실리콘 기판을 통해 전도된 마이크로 히터의 열이 온도센서에 직접적으로 영향을 미쳐 에어유량 측정시 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1456469호 한국등록특허 제10-1672039호
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기판을 통해 온도센서로 전도되는 히터의 열을 최소화함으로써, 정확한 기체의 온도를 측정하고, 이를 통해, 기체의 유량을 오차 없이 측정할 수 있는 유량센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따른 유량센서는, 측정대상 기체의 온도변화를 통해 상기 기체의 유량을 측정하는 유량센서에 있어서, 기판의 상면에 설치되는 히터; 및 상기 기판의 상면에서 상기 히터와 이격되어 설치되는 온도센서;를 포함하되, 상기 기판은 양극산화알루미늄 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재질로 이루어진 기저부와 상기 기저부의 상부에 형성되는 양극산화알루미늄 재질의 상층부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 양극산화알루미늄 재질로만 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 상기 기판의 상, 하 방향으로 형성되는 다수개의 구멍을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구멍은 상기 기판을 관통하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구멍은 상기 기판의 하면으로 개구되고, 상기 기판의 상면은 상기 구멍을 밀폐하는 배리어층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도센서는 다수 개로 구비되고, 상기 히터는 상기 다수 개의 온도 센서 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히터는 상기 기체의 상류에 위치하고, 상기 온도센서는 상기 기체의 하류에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히터와 상기 온도센서의 사이에는 상기 기판의 적어도 일부가 절개되어 형성되는 에어홈이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판의 상면에는 단차홈이 형성되고, 상기 단차홈에 상기 히터가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 유량센서에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
유량센서의 기판에 양극산화알루미늄 재질이 포함되어 있으므로, 높은 단열성을 갖게 된다.
양극산화알루미늄의 다수개의 구멍을 통해 히터에서 발산된 열이 기판을 통해 전도되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 종래의 유량센서에 비해 온도센서에서 측정되는 측정대상 기체의 온도를 오차 없이 측정함으로써, 기체의 유량을 정확하게 연산할 수 있다.
기판의 기저부가 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재질로 이루어지고, 상층부가 양극산화알루미늄 재질로 이루어져 있음으로써, 히터 및 온도센서에 전기적 영향을 미치지 않으면서도 별도의 지지부재 없이 기판을 지지할 수 있다.
기판의 상면의 다수개의 구멍이 배리어층에 의해 밀폐됨으로써, 히터와 온도센서를 기판의 상면에 용이하게 설치시킬 수 있다.
기판에 에어홈이 형성됨으로써, 기판을 통한 열전도를 방지할 수 있으며, 이를 통해, 기판의 수평방향 단열효과를 극대화 시킬 수 있다.
기판에 단차홈이 형성되고 단차홈에 히터가 설치됨으로써, 히터의 복사열을 최소화할 수 있으며, 이로 인해, 측정대상 기체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서를 도시한 평면도.
도 1b는 도 1a의 A-A'의 단면도.
도 1c는 도 1a의 유량센서에 의해 얻어지는 온도 분포 특성의 예를 도시한 도.
도 2a는 제1변형 예에 따른 유량센서를 도시한 평면도.
도 2b는 도 2a의 B-B'의 단면도.
도 3은 제2변형 예에 따른 유량센서를 도시한 단면도.
도 4a는 제3변형 예에 따른 유량센서를 도시한 평면도.
도 4b는 도 4a의 C-C'의 단면도.
도 5는 제4변형 예에 따른 유량센서를 도시한 단면도.
도 6은 유량센서에 의해 얻어지는 온도 분포 특성을 비교한 것을 도시한 도.
이하에서 언급되는 상류는 측정대상 기체가 유입되는 측을 말하며, 도 1a, 도 1b 및 도 2a 내지 도 5에서 기판(100)의 좌측으로 볼 수 있다.
또한, 하류는 측정대상 기체가 유출되는 측을 말하며, 도 1a, 도 1b 및 도 2a 내지 도 5에서 기판(100)의 우측으로 볼 수 있다.
또한, 도 1b, 도 2b, 도 3, 도 4b, 도 5에서 도시된 화살표는 측정대상 기체의 흐름 방향을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서에 대해 설명한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서를 도시한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A'의 단면도이고, 도 1c는 도 1a의 유량센서에 의해 얻어지는 온도 분포 특성의 예를 도시한 도이다.
이 경우, 도 1c의 X축은 기판(100)의 좌측에서 우측, 즉, 상류에서 하류로의 위치를 의미하며, 도 1c의 Y축은 온도의 크기를 의미한다.
또한, X축에 기재된 도면부호는 기판(100)에 배치된 히터(200) 및 온도센서(300)의 배치를 의미한다.
또한, 도 1c의 곡선 T1은 측정대상 기체가 유입되지 않을 경우, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)의 기판(100)의 상면의 온도 분포이고, 도 1c의 곡선 T1'은 측정대상 기체가 유입될 경우, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)의 기판(100)의 상면의 온도 분포이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)는, 기판(100)의 상면에 설치되는 히터(200)와, 기판(100)의 상면에서 히터(200)와 이격되어 설치되는 온도센서(300)와 온도센서(300)에서 측정된 측정대상 기체의 온도를 기초로 기체의 유량을 연산하는 연산부(미도시)를 포함하여 구성된다.
기판(100)은 그 상면에 히터(200)와 온도센서(300)가 설치되며, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al) 합금 재질로 이루어진 기저부(110)와, 기저부(110)의 상부에 형성되는 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질의 상층부(120)로 이루어질 수 있다.
이러한 기판(100)은, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al) 합금 재질의 기저부(110)를 모재로 하여 양극산화시켜 기저부(110)의 상부에 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질의 상층부(120)를 형성시킴으로써, 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질을 포함하여 구성될 수 있다.
위와 같이, 모재인 기저부(110)를 양극산화시킬 경우, 상층부(120)는 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질로 이루어짐과 동시에, 구멍(122a)이 없는 배리어층(121)과, 다수개의 구멍(122a)을 갖는 다공층(122)을 갖게 된다.
다시 말해, 모재인 기저부(110)가 양극산화되면 먼저 구멍(122a)이 없는 배리어층(121)이 기저부(110)의 상부에 형성된 후, 다수개의 구멍(122a)을 갖는 다공층(122)이 배리어층(121)의 상부에 형성되는 것이다. 따라서, 배리어층(121)은 다공층(122)과 기저부(110) 사이에 위치하게 된다.
위와 같은 양극산화알루미늄(Al2O3)은 높은 절연성, 높은 단열성 및 내부식성의 특징을 갖는다.
양극산화알루미늄(Al2O3)의 다공층(122)에 형성된 다수개의 구멍(122a)은 기판(100)의 상, 하 방향, 즉, 수직방향으로 형성된다.
히터(200)는 기판(100)의 상면에 설치되며, 기판(100)의 상부로 유동하는 기체를 가열시키는 기능을 한다.
히터(200)는 히터연결부(220)에 의해 기판(100)에 설치되는 히터전극(210)과 연결되어 있다. 따라서, 히터전극(210)에 전원이 인가되면 히터연결부(220)를 통해 히터(200)에 전원이 전달됨으로써, 히터(200)가 발열될 수 있다.
온도센서(300)는 기판(100)의 상면에서 히터(200)와 이격되어 설치되며, 히터(200)에 의해 가열된 기체의 온도를 측정하는 기능을 한다.
이러한 온도센서(300)는 다수개로 구성될 수 있으며, 도 1a에 도시된 바와 같이, 히터(200)를 중심으로 다수개의 온도센서(300)가 대칭되게 배치될 수 있다.
이 경우, 히터(200)와 히터(200)와 인접하는 온도센서(300) 사이의 거리, 온도센서(300)와 상기 온도센서(300)와 인접하는 온도센서(300)의 거리는 모두 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 히터(200)를 중심으로 양측에 배치되는 온도센서(300)의 거리는 동일하게 배치되는 것이 바람직하다.
다시 말해, 히터(200)를 중심으로 양측에 동일한 숫자 및 동일한 이격거리를 갖는 다수개의 온도센서(300)가 배치될 수 있는 것이다.
이러한 다수개의 온도센서(300) 각각은 온도센서연결부(320)에 의해 기판(100)에 설치되는 온도센서전극(310)과 연결되어 있다. 따라서, 온도센서(300)에 전원이 용이하게 인가될 수 있으며, 이를 통해, 온도센서(300)는 주변의 온도에 따라 변하는 저항값 등을 통해 주변 온도를 용이하게 측정할 수 있다.
전술한 히터(200) 및 다수개의 온도센서(300)는 마이크로미터(㎛) 단위의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 히터(200)는 기판(100)에서 측정대상 기체가 유입되는 상류, 즉, 좌측에 위치하고, 온도센서(300)는 기판(100)에서 측정대상 기체가 유출되는 하류, 즉, 우측에 위치할 수 있다.
다시 말해, 측정대상 기체가 유입되는 기판(100)의 상류, 즉, 기판(100)의 좌측에 히터(200)가 위치하고, 측정대상 기체가 유출되는 기판(100)의 하류, 즉, 기판(100)의 우측에 온도센서(300)가 위치할 수 있으며, 이 경우, 온도센서(300)는 다수개가 차례대로 위치하도록 배열될 수 있다.
예컨데, 기판(100)의 상류에서 하류 방향, 즉, 기판(100)의 좌측에서 우측 방향 순으로 히터(200), 온도센서(300), 온도센서(300), 온도센서(300)가 차례대로 배열되도록 위치할 수 있다.
연산부는 다수개의 온도센서(300)와 연결되어 있으며, 다수개의 온도센서(300)에서 측정된 기체의 온도를 기초로 기체의 유량을 연산하는 기능을 한다.
상세하게 설명하면, 기체가 유입되지 않을 경우, 기판(100)의 상면의 온도 분포는 도 1c의 T1과 같은 온도 분포를 갖게 된다. 이는, 히터(200)에 의해 기판(100)의 중앙이 가열되고, 히터(200)와의 거리에 가까운 온도센서(300)에서 측정된 온도가 히터(200)와의 거리가 먼 온도센서(300)에서 측정된 온도보다 높기 때문이다. 따라서, T1의 온도 분포는 히터(200)를 중심으로 대칭성을 갖게 된다.
그러나, 측정대상 기체가 기판(100)의 상면으로 유입될 경우, 기체의 유동에 따라 히터(200)에서 발생하는 열이 대류에 의해 온도센서(300)들에 전달되게 되며, 기판(100)의 상면의 온도 분포는 도 1c의 T1'와 같이 변화하게 된다.
다시 말해, 기체의 흐름에 따라 온도센서(300)에서 측정되는 온도 또한 변하게 되며, 이로 인해, 히터(200)를 중심으로 대칭성을 갖는 온도 분포는 기체의 유입에 의해 깨지게 되는 것이다.
이렇게 변화한 T1'의 온도 분포는 기판(100)의 상부로 유동하는 측정대상 기체의 유량에 의존하게 된다. 즉, 하류의 온도센서(300)와 상류의 온도센서(300)의 측정 온도의 차이는, 측정대상 기체의 유량에 의존하는 것이다.
따라서, 연산부는 측정대상 기체의 유동에 의해 변화한 온도를 다수개의 온도센서(300)를 통해 수집할 수 있으며, 이렇게 수집된 다수개의 온도센서(300)에서 측정된 온도 변화를 기초로 하여 측정대상 기체의 유량을 연산할 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)는 종래의 유량센서에 비해 온도센서(300)에 전달되는 히터(200)의 열을 최소화함으로써, 측정대상 기체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다.
상세하게 설명하면, 히터(200)가 작동하면 열이 발산되며, 이러한 열은 대류, 전도, 복사에 의해 주변으로 전달되게 된다. 이 경우, 대류에 의한 열 전달은 온도센서(300)에 직접적으로 전달되지 않고, 측정대상 기체에 의해 전달되므로, 정확한 기체의 온도 측정에 큰 영향을 미치지 않으나, 전도에 의한 열 전달은 온도센서(300)에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다.
이러한 전도에 의한 열 전달은 히터(200) 및 온도센서(300)가 설치되는 기판(100)에 의해 이루어지게 된다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)의 기판(100)은 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질을 포함하여 이루어져 있으므로, 높은 단열성을 갖게 되며, 이로 인해, 종래의 실리콘 재질의 기판을 갖는 유량센서보다 전도에 의한 열 전달이 미비하게 이루어진다.
또한, 양극산화알루미늄(Al2O3)의 다공층(122)에 형성된 다수개의 구멍(122a)은 히터(200)에서 발산된 열이 기판(100)을 통해 전도되는 것을 최소화할 수 있다.
상세하게 설명하면, 구멍(122a)은 수십 나노미터(㎚)의 직경을 갖으며, 기판(100)에 상, 하 방향, 즉, 수직방향으로 형성되어 있다. 이러한 구멍(122a)에 에어가 존재하게 되며, 이러한 에어를 통해 기판(100)의 수평방향 단열 효과를 극대화 시킨다.
따라서, 전술한 바와 같이, 히터(200)와 온도센서(300)가 기판(100)의 상면에 설치되고, 구멍(122a)으로 인해 기판(100)의 수평방향 단열 효과가 극대화되면, 히터(200)의 열은 제대로 전도될 수 없어 온도센서(300)에 전달되지 않는다. 즉, 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질의 기판(100)에 형성된 구멍(122a)을 통해 히터(200)의 열전도를 최소화시킬 수 있는 것이다.
위와 같이, 히터(200)의 열전도를 최소화시킴으로써, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)는 종래의 유량센서에 비해 온도센서(300)를 통해 측정되는 측정대상 기체의 온도를 오차 없이 정확하게 측정할 수 있으며, 이로 인해, 연산부를 통해 연산된 기체의 유량 또한 정확한 유량을 연산해낼 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)는 전술한 바와 같이, 기판(100)이 상층부(120)와 기저부(110)를 포함하고, 기저부(110)가 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al) 합금 재질로 이루어져 있음으로써, 별도의 지지부재 없이 기판(100)을 지지할 수 있다.
이 경우, 기저부(110)의 상부에 위치하는 상층부(120)의 재질인 양극산화알루미늄(Al2O3)은 절연성을 갖으므로, 전기전도성이 높은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al) 합금 재질인 기저부(110)가 히터(200) 및 온도센서(300)에 영향을 미칠 수 없어 용이하게 측정대상 기체의 가열 및 가열된 온도를 측정할 수 있다.
전술한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)는 기판(100)의 재질 또는 기판(100)의 상면에 추가적인 구성요소를 형성하여 다양한 변형 예를 갖을 수 있으며, 이하에서는 제1 내지 제4변형 예에 따른 유량센서(10', 10", 10"', 10"")에 대해 설명한다.
단, 제1 내지 제4변형 예에 따른 유량센서(10', 10", 10"', 10"")의 설명에서는 각 변형 예의 특징적인 부분을 위주로 설명하고, 전술한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)의 설명과 중복되는 설명은 생략한다.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 제1변형 예에 따른 유량센서(10')에 대해 설명한다.
도 2a는 제1변형 예에 따른 유량센서를 도시한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 B-B'의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1변형 예에 따른 유량센서(10')는 히터(200)와 온도센서(300)가 설치되는 기판(100)이 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질로만 이루어지게 된다.
이 경우, 양극산화알루미늄(Al2O3)은 구멍(122a)이 없는 배리어층(121)과, 다수개의 구멍(122a)을 갖는 다공층(122)을 갖게 되며, 배리어층(121)은 기판(100)의 상면이 된다.
이러한 제1변형 예에 따른 유량센서(10')의 기판(100)의 상면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)와 달리, 다수개의 구멍(122a)이 형성되어 있지 않게 된다.
따라서, 기판(100)의 상면은 배리어층(121)으로 이루어지게 됨으로써, 다수개의 구멍(122a)이 배리어층(121)에 의해 밀폐되어 있음과 동시에, 다수개의 구멍(122a)은 기판(100)의 하면으로 개구된 형상을 갖게 되는 것이다.
다시 말해, 다수개의 구멍(122a)은 기판(100)의 하면으로 개구됨과 동시에, 기판(100)의 상면은 다수개의 구멍(122a)을 밀폐하는 배리어층(121)이 형성되게 된다.
이러한, 기판(100)은 알루미늄(Al) 모재를 양극산화시켜 모재의 상부에 다공층(122)과 배리어층(121)을 구비한 양극산화알루미늄(Al2O3)을 형성시킨 후, 모재를 제거하고, 배리어층(121)이 상면이 위치하도록 뒤집음으로써, 용이하게 제작할 수 있다.
위와 같은 기판(100)을 갖는 제1변형 예에 따른 유량센서(10')는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)와 달리, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al) 합금 재질의 기저부(110)가 없으므로, 기판(100)의 크기가 동일할 경우, 다수개의 구멍(122a)의 총 면적이 더 넓으며, 이를 통해, 구멍(122a)에 존재하는 에어의 양이 증가되어 수평방향 단열효과가 더욱 극대화될 수 있다.
또한, 히터(200)와 온도센서(300)가 설치되는 기판(100)의 상면이 구멍(122a)을 갖지 않는 배리어층(121), 즉, 기판(100)의 상면에서는 구멍(122a)이 배리어층(121)에 의해 밀폐되어 있으므로 이루어져 있으므로, 히터(200)와 온도센서(300)를 더욱 용이하게 기판(100)의 상면에 설치시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 제2변형 예에 따른 유량센서(10")에 대해 설명한다.
도 3은 제2변형 예에 따른 유량센서를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2변형 예에 따른 유량센서(10")는 히터(200)와 온도센서(300)가 설치되는 기판(100)이 구멍(122a)을 갖는 다공층(122)만을 구비한 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질로만 이루어져 있다.
이 경우, 구멍(122a)은 기판(100)의 상면과 하면을 모두 관통하여 형성되어 있다.
위와 같이, 기판(100)이 양극산화알루미늄(Al2O3) 재질로만 이루어짐과 동시에, 기판(100)의 구멍(122a)이 기판(100)의 상면과 하면을 관통하게 형성될 경우, 제1변형 예에 따른 유량센서(10')에 비해, 구멍(122a)의 총 면적이 넓어지게 되므로, 구멍(122a)에 존재하는 에어의 양이 증가되어 수평방향 단열효과를 더욱 상승시킬 수 있다.
이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"')에 대해 설명한다.
도 4a는 제3변형 예에 따른 유량센서를 도시한 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 C-C'의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"')는 기판(100)에 에어홈(150)이 형성되어 있다.
에어홈(150)은 기판(100)의 적어도 일부가 제거되어, 히터(200)와 온도센서(300)의 사이에 형성된다.
또한, 에어홈(150)은 에칭 공정에 의해 기판(100)의 상면을 절개하여 형성되며, 그 폭은 마이크로미터(㎛) 단위로 형성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 에칭 공정은 도 4b에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 상면의 일부만을 제거하는 하프 에칭으로 이루어질 수도 있으며, 기판(100)의 상, 하면을 관통하는 풀 에칭으로 이루어질 수도 있다.
또한, 에어홈(150)은 히터(200)와 히터전극(210)을 연결하는 히터연결부(220)를 제외한 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 에어홈(150)으로 인해 히터연결부(220)의 설치가 어렵게 되는 것을 방지하기 위함이다.
전술한 에어홈(150)에는 에어가 존재하게 되며, 에어홈(150)에 존재하는 에어는 히터(200)의 열이 기판(100)을 통해 온도센서(300)로 전도되는 것을 방지할 수 있다.
다시 말해, 기판(100)에 구비되는 에어홈(150)으로 인해, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"')는 기판(100)을 통한 열전도를 방지할 수 있으며, 이로 인해, 기판(100)의 수평방향 단열효과를 달성할 수 있는 것이다.
이러한 에어홈(150)은 전술한 바와 같이, 히터(200)와 온도센서(300)의 사이에 형성될 수 있을뿐만 아니라, 온도센서(300)와 온도센서(300) 사이에 형성될 수도 있다.
또한, 에어홈(150)은 히터(200)의 둘레 영역 중 히터연결부(220)를 제외한 영역에 형성될 수도 있으며, 온도센서(300)의 둘레 영역 중 온도센서연결부(320)를 제외한 영역에 형성될 수도 있다.
이하, 도 5를 참조하여, 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")에 대해 설명한다.
도 5는 제4변형 예에 따른 유량센서를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")는 기판(100)의 상면에 단차홈(160)이 형성되며, 단차홈(160)에는 히터(200)가 설치된다.
이 경우, 히터(200)의 상면은 단차홈(160)이 형성되지 않은 기판(100)의 상면보다 낮은 위치에 위치하게 되며, 이로 인해, 히터(200)는 그 위치가 온도센서(300)보다 낮은 위치에 위치하게 된다.
위와 같이, 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")는 기판(100)의 상면에 단차홈(160)이 형성되고, 단차홈(160)에 히터(200)가 설치되어 히터(200)의 위치가 온도센서(300)보다 낮은 위치에 위치하게 됨으로써, 히터(200)에서 발산된 열이 복사에 의해 온도센서(300)로 전달되는 것을 방지할 수 있다.
다시 말해, 히터(200)는 단차홈(160)에 설치되어 있으므로, 일종의 매립형으로 기판(100)의 상면에 설치되며, 히터(200)에서 발산된 복사열은 단차홈(160)에 의해 차단되므로, 온도센서(300)에 직접적으로 전달될 수 없는 것이다.
또한, 단차홈(160) 내에도 에어가 존재하게 되므로, 전술한 수평방향 단열 효과가 발생하게 된다.
위와 같이, 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")는 기판(100)의 상면에 형성된 단차홈(160)과, 단차홈(160)에 설치되는 히터(200)를 통해 히터(200)의 복사열을 최소화할 수 있으며, 이로 인해, 온도센서(300)에서 측정된 측정대상 기체의 온도의 오차가 적어지게 되어 연산부에서 연산된 측정대상 기체의 유량 또한, 오차 없이 정확하게 측정될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 종래의 유량센서와, 전술한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)와, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"') 및 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")에서 얻어지는 온도 분포 특성의 비교에 대해 설명한다.
도 6은 유량센서에 의해 얻어지는 온도 분포 특성을 비교한 것을 도시한 도이다.
이 경우, 도 6의 X축은 각 유량센서(10)의 기판(100)의 좌측에서 우측, 즉, 상류에서 하류로의 위치를 의미하며, 도 6의 Y축은 온도의 크기를 의미한다.
또한, X축에 기재된 도면부호는 각 유량센서(10, 10"', 10"")의 기판(100)에 배치된 히터(200) 및 온도센서(300)의 배치를 의미한다.
또한, 도 6의 곡선 T0는 측정대상 기체가 유입되지 않을 경우, 종래의 유량센서(10)의 기판의 상면의 온도 분포이고, 도 6의 곡선 T1은 측정대상 기체가 유입되지 않을 경우, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)의 기판(100)의 상면의 온도 분포이다.
또한, 도 6의 곡선 T2는 측정대상 기체가 유입되지 않을 경우, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"') 또는 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")의 기판(100)의 상면의 온도 분포이다.
먼저, T0와 T1을 통해 종래의 유량센서와 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)에서 얻어진 온도 분포 특성을 비교하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)의 경우, 전술한 바와 같이, 기판(100)에 다수개의 구멍(122a)이 형성되어 있으므로, 수평방향 단열 효과가 발생한다. 따라서, T1의 온도 분포는 T0에 비해 히터(200)의 온도가 상대적으로 높고, 온도센서(300)의 온도는 상대적으로 낮은 특성을 갖는다.
다시 말해, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)는 종래의 유량센서에 비해 히터(200) 근방의 온도가 집중적으로 가열되는 특성을 갖게 되는 것이다.
위와 같은 특성으로 인해, 측정대상 기체가 기판(100)의 상면으로 유입되어 온도 분포의 대칭성이 무너질 때, 그 온도 변화의 차이는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)가 종래의 유량센서보다 더 큰 차이를 갖게 된다.
따라서, 미소한 온도 차이로 인해, 측정대상 기체의 유량 연산의 오차가 발생하는 것을 현저하게 줄일 수 있으며, 이로 인해, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)가 종래의 유량센서에 비해 높은 정확도로 측정대상 기체의 유량을 측정할 수 있는 것이다.
이하, T2와 T1을 통해 제3변형 예에 따른 유량센서(10"') 또는 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")와 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)에서 얻어진 온도 분포 특성을 비교하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"')의 경우, 에어홈(150)에 의해 수평방향 단열 효과가 극대화 되고, 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")의 경우, 단차홈(160)에 히터(200)가 설치됨에 따라 수평방향 단열 효과가 극대화 된다.
따라서, T2의 온도 분포는 T1에 비해 히터(200)의 온도가 상대적으로 높고, 온도센서(300)의 온도는 상대적으로 낮은 특성을 갖는다.
다시 말해, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"') 또는 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)에 비해 히터(200) 근방의 온도가 집중적으로 가열되는 특성을 갖게 되는 것이다.
위와 같은 특성으로 인해, 측정대상 기체가 기판(100)의 상면으로 유입되어 온도 분포의 대칭성이 무너질 때, 그 온도 변화의 차이는 제3변형 예에 따른 유량센서(10"') 또는 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")가 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)보다 더 큰 차이를 갖게 된다.
따라서, 미소한 온도 차이로 인해, 측정대상 기체의 유량 연산의 오차가 발생하는 것을 현저하게 줄일 수 있으며, 이로 인해, 제3변형 예에 따른 유량센서(10"') 또는 제4변형 예에 따른 유량센서(10"")가 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유량센서(10)에 비해 높은 정확도로 측정대상 기체의 유량을 측정할 수 있는 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예 및 변형 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
10, 10', 10", 10"', 10"": 유량센서
100: 기판 110: 기저부
120: 상층부 121: 배리어층
122: 다공층 122a: 구멍
150: 에어홈 160: 단차홈
200: 히터 210: 히터전극
220: 히터연결부 300: 온도센서
310: 온도센서전극 320: 온도센서연결부

Claims (10)

  1. 측정대상 기체의 온도변화를 통해 상기 기체의 유량을 측정하는 유량센서에 있어서,
    양극산화알루미늄 재질의 기판의 상면에 설치되는 히터; 및
    상기 기판의 상면에서 상기 히터와 이격되어 설치되는 온도센서;를 포함하고,
    상기 기판은, 구멍이 없는 배리어층과, 상기 기판의 상, 하 방향으로 형성되는 다수개의 구멍을 갖는 다공층을 갖으며,
    상기 기판의 상면은 상기 배리어층으로 이루어지게 됨으로써, 상기 다수개의 구멍은 그 상부가 상기 배리어층에 의해 밀폐되어 있음과 동시에, 상기 다수개의 구멍은 상기 기판의 하면으로 개구된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유량센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 온도센서는 다수 개로 구비되고,
    상기 히터는 상기 다수 개의 온도 센서 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 유량센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 상기 기체의 상류에 위치하고,
    상기 온도센서는 상기 기체의 하류에 위치하는 것을 특징으로 하는 유량센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 히터와 상기 온도센서의 사이에는 상기 기판의 적어도 일부가 절개되어 형성되는 에어홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 유량센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상면에는 단차홈이 형성되고,
    상기 단차홈에 상기 히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 유량센서.
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