KR20060129730A - 층상형 마이크로 열유속 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열유속을 측정하고자 하는 물체의 대상표면에 접촉되는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 상단면에 구비되는 절연층; 상기 절연층 상단면에 구비되는 열저항층; 상기 절연층 및 상기 열저항층 사이에 구비되는 내부히터; 상기 열저항층의 상단면, 측면 및 열저항층이 절연층과 연결설치되지 않은 부분에 형성된 열전대쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 층상형 마이크로 열유속 센서에 관한 것이다.

층상형 마이크로 열유속 센서, 접촉저항, 내부히터

Description

층상형 마이크로 열유속 센서{Layered Type Micro Heat Flux Sensor}

도 1은 종래의 층상형 마이크로 열유속 센서를 나타내는 단면도,

도 2는 층상형 마이크로 열유속 센서의 열전대를 나타내는 도,

도 3은 층상형 마이크로 열유속 센서의 열전대쌍을 나타내는 도,

도 4는 대상표면과 층상형 마이크로 센서 사이의 열유속 흐름을 나타내는 도,

도 5는 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서를 나타내는 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서를 나타내는 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서의 사용양태를 나타내는 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서와 열유속을 측정하기 위한 대상표면 사이의 접촉저항이 증가함에 따라 열유속의 흐름을 나타내는 도,

도 9는 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서와 열유속을 측정하기 위한 대상표면 사이의 접촉저항이 감소함에 따라 열유속의 흐름을 나타내는 도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 열전대쌍 2 : 대상표면

3 : 실리콘기판 4 : 절연층

5 : 열저항층 6 : 열전대

7 : 접촉저항 8 : 내부히터

9 : 접착물질 10 : 층상형 마이크로 열유속 센서

본 발명은 열유속 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전대쌍을 이용하여 실리콘 기판 위의 미세한 온도차 측정을 통해 열을 외부로 발산하는 표면의 낮은 열유속에서 높은 감도와 측정 정확도를 갖는 층상형 마이크로 열유속 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

열유속 센서는 지난 수십 년간 광범위하게 연구되어 왔으며 전도, 대류 및 복사방식의 열전달 현상을 기본으로 우주 왕복선, 제트엔진, 건축물의 단열 성능 개선 등과 같은 응용범위에 효과적으로 사용되고 있다.

온도계의 출현 이후 여러 종류의 열유속 센서가 개발되었지만, 상품화할 수 있는 유형이 적고, 정밀도나 재현성이 떨어지는 제품도 많은 것이 현실이다. 하지 만 에너지 보존성이 중요한 과제로 대두되면서 여러 분야에서 열손실을 막거나 개선하기 위한 노력으로 근래에는 열유속 센서에 대한 다양한 수요가 창출되고 있다.

열유속 센서들은 측정방법에 따라 구배형 열유속 센서, 과도형 열유속 센서 및 평형형 열유속 센서로 분류된다. 또한 구배형 열유속 센서는 형태에 따라 층상형 센서와 원형의 박막 센서로 구분된다.

이상의 열유속 센서들 중 대표적인 것으로서, 구배형 열유속 센서인 층상형 마이크로 열유속 센서가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 층상형 마이크로 열유속 센서의 기본 구조는 실리콘 기판(3) 위에 절연을 위한 절연층(4)을 설치하고, 그 위에 열전도도의 값이 작은 열저항층(5)을 설치한 형태로 구성된다. 열전대쌍(1)은 열저항층의 상단면, 측면 및 열저항층이 구비되지 않는 실리콘 기판 상단면에 각각 접점을 갖는 열전대쌍을 설치함으로써 센서의 하단면으로부터 가해지는 열유속이 열저항층을 통과할 때 온도차를 측정할 수 있도록 한다.

도 2 및 도 3은 층상형 마이크로 열유속 센서에 사용되는 열전대와 열전대쌍을 나타냈다.

상기 열전대쌍은 온도측정을 위해 사용되는 열전대를 이용하여 온도차가 존재할 경우 얻을 수 있는 기전력 값을 증폭시키기 위해 동일한 형태의 열전대를 여러 쌍 연결설치한 것을 나타낸다.

여기서, 상기 열전대는 제어벡 효과에 의하여 서로 다른 두 지점(T₁, T₂) 사이에 온도차가 존재할 때 서로 다른 두 금속물질이 접점을 형성하며 발생되는 기전 력으로 온도를 측정하는 소자이다. 상기 제어벡 효과란 두 금속물질의 접점을 가열하면 온도차에 의한 전압 즉, 열전기력이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르는 현상을 말한다.

또한, 도 3은 층상형 마이크로 열유속 센서에 사용되는 열전대를 나타낸 것으로, 정해진 금속의 쌍(pair)에서 발생하는 기전력(전압)이 온도와 비례하는 원리로 온도를 측정하고, 정확한 온도측정을 위해 0℃ 또는 특정온도에 대한 보상을 수행함으로써 측정부 접점의 상대적인 온도를 측정할 수 있다. 이는 통상 전기적(온도계 등을 이용하여 전기적으로 온도보상이 이루어짐) 또는 물리적(얼음물 이용)인 방법을 이용한다.

일반적으로 열전대를 이용한 온도 측정 시, 기전력 값 측정 후 정확한 온도 값으로의 변환을 위해 얼음-배쓰(ice-bath)를 이용하여 기준온도를 설정해 줄 필요가 있다. 즉, 열전대의 한쪽 접점을 기준 온도(0℃)로 설정함으로써 측정부 접점의 상대적인 온도를 측정할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 대류와 복사에 의한 열유속은 전도를 통해 센서를 통과하는 열유속과 같다. 상기 열유속은 열을 발산하는 대상표면(2)으로부터 대류나 복사에 의하여 외부로 빠져나가게 된다.

여기서, 대상표면에 매우 작은 마이크로 센서를 부착하게 되면, 외부로 빠져나가는 열유속은 결국 전도에 의해 센서를 통과하며 나가는 열유속과 같기 때문에 센서에 전도되는 열유속을 측정함으로써 대상표면에 빠져나가는 열유속을 측정할 수 있다.

그러나 층상형 마이크로 열유속 센서에서 사용되는 열전대쌍은 열저항층의 하단면과 상단면의 온도 차이만을 측정하면 되기 때문에 추가적으로 기준온도를 설정해 줄 필요가 없고, 층상형 마이크로 열유속 센서가 열전대쌍을 통해서 열저항층을 통과할 경우 발생하는 온도차에 따른 기전력을 측정할 수 있다. 즉, 층상형 마이크로 열유속 센서는 열유속 값에 따른 측정 기전력 값을 보정함으로써 열유속 값을 측정하는 것이 층상형 마이크로 열유속 센서의 기본원리이다.

이러한 열유속 센서들에 있어서, 센서감도는 온도 의존성을 갖고, 따라서 온도차와 열유속은 비례하지 않고 보정계산표 등의 사용을 필요로 한다는 특징을 갖는다.

한편, 층상형 마이크로 열유속 센서를 이용하여 열유속을 측정하고자 할 때에는 열유속을 외부로 발산하는 대상표면과 센서사이에 접착물질을 사용하여 대상표면에 센서를 부착하여 고정시켜야 한다.

이러한 기존의 일반적인 층상형 마이크로 열유속 센서는 대상표면과 센서사이의 접촉저항을 전혀 고려하지 못하기 때문에 오차발생의 문제점을 가지고 있다.

층상형 마이크로 열유속 센서로 열유속을 측정하려는 대상표면의 기재가 어떠한 재질인지, 어떠한 가공방법에 따라 표면처리가 되었는지, 그리고 센서와 대상표면사이의 접착이 어떻게 이루어졌는지의 여부에 따라 센서와의 접촉에 있어서 직접 맞닿게 되는 면적, 공기기포의 유입정도의 차이가 존재할 수 있고, 두 물질간의 표면 가공처리 정도, 접착물질의 성질등에 따라 접촉저항의 크기가 달라진다.

층상형 마이크로 열유속 센서에서 열전대쌍을 통해 측정하는 기전력 값이 마 이크로볼트(μV) 단위로서 상당히 작음을 감안한다면, 이러한 접촉저항의 오차에 따라 센서의 신뢰도는 떨어질 수밖에 없다. 따라서 접촉저항을 고려할 수 있는 보다 정밀한 열유속 측정을 위한 새로운 센서가 요구된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 높은 감도로 열유속을 정확하게 측정할 수 있는 층상형 마이크로 열유속 센서를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

본 발명의 다른 목적은 열유속을 측정하려는 대상표면과 측정 센서 사이의 접촉저항을 고려한 내부히터가 설치된 층상형 마이크로 열유속 센서를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

본 발명은 열유속을 측정하고자 하는 물체의 대상표면에 접촉되는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 상단면에 구비되는 절연층; 상기 절연층 상단면에 구비되는 열저항층; 상기 절연층 및 상기 열저항층 사이에 구비되는 내부히터; 상기 열저항층의 상단면, 측면 및 열저항층이 절연층과 연결설치되지 않은 부분에 형성된 열전대쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 층상형 마이크로 열유속 센서를 제공한다.

본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서는 대상표면과 열유속 센서 사이의 접촉저항을 보정하고 열유속을 측정할 수 있는 것이라면 어떠한 층상형 마이 크로 열유속 센서라도 상기 층상형 마이크로 열유속 센서에 해당될 것이지만, 바람직하게는 히터가 구비된 층상형 마이크로 열유속 센서를 의미하며, 보다 특정적으로는 열유속을 외부로 발산하는 대상표면에 부착되어 열유속을 측정할 수 있는 층상형 마이크로 열유속 센서가 좋고, 더욱 바람직하게는 열저항층과 절연층 사이에 내부히터를 구비하여 접촉저항에 따른 오차를 보정할 수 있는 층상형 마이크로 열유속 센서가 좋다.

여기서, 접촉저항이란 접하고 있는 고체 물체사이에서 열전달이 일어날 경우, 접촉하고 있는 물체사이에 미세한 공간이 존재하여 그 사이에 유입되는 공기와 같은 유체가 하나의 열저항층으로 작용하는 것을 의미한다.

상기 내부히터는 층상형 마이크로 열유속 센서 내부의 열저항층 및 절연층 사이에 구비되고, 일정한 열유속을 공급하여 각각 다른 접촉물질로 층상형 마이크로 열유속 센서와 대상표면을 부착시킬 때 발생하는 접촉저항을 측정하는데 사용되고, 대상표면의 열유속을 측정하기 위해 층상형 마이크로 열유속 센서를 사용할 때 발생되는 접촉저항의 크기를 알기 위한 것인 바, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 발열체 물질로 구성된 히터를 사용하는 것이 좋고, 가장 바람직하게는 크롬으로 구성된 히터가 좋다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서를 나타내는 구성도, 도 6은 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서를 나타내는 단면도, 도 7은 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서의 사용양태를 나타내는 단면도, 도 8은 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서와 열유속을 측정하기 위한 대상표면 사이의 접촉저항이 증가함에 따라 열유속의 흐름을 나타내는 도, 도 9는 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서와 열유속을 측정하기 위한 대상표면 사이의 접촉저항이 감소함에 따라 열유속의 흐름을 나타내는 도로서 함께 설명한다.

도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서(10)는 열유속을 측정하고자하는 물체의 대상표면에 접촉되는 실리콘 기판(3); 상기 실리콘 기판(3)의 상단면에 구비되는 절연층(4); 상기 절연층(4) 상단면에 구비되는 열저항층(5); 상기 절연층(4) 및 상기 열저항층(5) 사이에 구비되는 내부히터(8); 상기 열저항층(5)의 상단면, 측면 및 열저항층(5)이 절연층(4)과 연결설치되지 않은 부분에 형성된 열전대쌍(1)으로 구성되어 있다.

여기서 상기 층상형 마이크로 열유속 센서(10)는 국소부위의 열유속 측정을 위해 사용하는 것으로서, 대상표면(2)에 접착물질(9)을 도포한 후 층상형 마이크로 열유속 센서(10)를 대상표면(2)에 부착하여 열유속을 측정한다.

이때, 상기 대상표면(2)의 외부로 대류나 복사에 의하여 열유속이 빠져나가게 되고 그 표면에 매우 작은 층상형 마이크로 열유속 센서(10)를 부착하면, 외부로 빠져나가는 열유속은 결국 전도에 의해 층상형 마이크로 열유속 센서(10)를 통과하는 열유속과 동일하기 때문에 센서에서 전도되는 열유속을 측정함으로써 대상표면(2)에서 빠져나가는 열유속을 인지할 수 있다.

상기 층상형 마이크로 열유속 센서(10)는 그 크기가 증가하면 센서 자체에 의해 대상표면 주변과 열 교환이 증가되어 열유속 흐름이 영향을 받을 수 있으므로 전체 센서의 크기는 가급적 작게 하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서(10)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 층상형 마이크로 열유속 센서(10) 하단부에 측정하고자하는 물체의 대상표면에 접촉되는 실리콘 기판(3)이 구비되어 있고, 상기 실리콘 기판(3) 상단면에 실리콘 기판(3)을 전체를 덮는 절연층(4)이 구비되고, 상기 절연층(4) 상단면에 열저항층(5)이 구비되며, 상기 절연층(4) 및 상기 열저항층(5) 사이에 내부히터(8)가 구비되고, 상기 내부히터(8)는 열저항층(5)의 상단면, 측면 및 열저항층(5)이 절연층(4)과 연결설치되지 않은 부분에 열전대쌍(1)이 형성되어 구성된다.

상기 내부히터(8)는 층상형 마이크로 열유속 센서(10) 내부의 열저항층(5) 및 절연층(4) 사이에 연결설치되고, 내부히터(8) 일측에 내부히터(8)가 발열될 수 있게 하는 적어도 하나 이상의 가열 수단이 구비된다.

특정 양태로서, 본 발명에 따른 내부히터(8)는 열저항층(5)과 거의 동일한 너비의 평판형 모양을 갖고, 그 상단면 및 옆면은 열저항층(5)의 하단면에 둘러싸여지도록 설치되어 있으며, 내부히터의 하단면은 절연층(4)에 연결설치되도록 구성 할 수 있다.

여기서, 내부히터(8)의 너비가 열저항층(5)에 비해 작아지면 내부히터(8)를 통해 발생한 열유속은 2차원적인 열전도를 통하여 퍼져나가게 되고, 이것은 층상형 마이크로 열유속 센서(10)의 민감도와 분석력을 감소시키게 된다.

또한, 내부히터(8)는 층상형 마이크로 열유속 센서(10)내부에 구비되어 일정한 열유속을 공급해 줄 경우, 층상형 마이크로 열유속 센서(10)와 대상표면(2) 사이의 접촉저항(7)을 바꿔가면서 층상형 마이크로 열유속 센서(10)에서 발생하는 기전력 값이 어떻게 나타나는지, 접촉저항(7)과 기전력간의 보정을 하여 이를 통해 결국 층상형 마이크로 열유속 센서(10) 사용시 접촉저항(7)이 어떠한지를 측정할 수 있다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 내부히터(8)가 일정한 열유속을 공급할 때, 층상형 마이크로 열유속 센서(10)와 대상표면(2) 사이의 접촉저항(7)이 증가하게 되면 내부히터(8)에서 발생하는 열유속은 접촉저항(7)에 의해 저항이 커지는 층상형 마이크로 열유속 센서(10)와 대상표면의 접촉부분보다 상대적으로 열저항이 작은 방향 즉, 상기 접촉부분과 대향되는 쪽으로 열유속이 더 많이 흘러나가게 되고, 층상형 마이크로 열유속 센서(10)와 대상표면(2) 사이의 접촉저항(7)이 작은 경우는 상대적으로 열저항이 작은 층상형 마이크로 열유속 센서(10)와 대상표면의 접촉부분 방향으로 열유속은 더 많이 빠져나간다. 이와 같이 열유속 방향의 변화는 층상형 마이크로 열유속 센서(10)에 설치된 열전대쌍(1)에 측정되는 기전력 값이 다르게 측정되게 한다.

이와 같은 접촉저항(7)과 기전력 값 간의 관계를 보정하여 일반적인 관계식을 얻어 접촉저항(7)을 반영한 보다 정밀한 측정을 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명 이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 층상형 마이크로 열유속 센서는 기존의 층상형 마이크로 열유속 센서에서 고려하지 않았던 대상의 표면과 층상형 마이크로 열유속 센서사이의 접촉저항을 내부히터를 통해 보정하여 다양한 접촉 대상에 대한 각각의 접촉저항을 반영하여 낮은 열유속에서 높은 감도와 정밀한 측정이 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 물체의 열유속을 측정하기 위한 층상형 마이크로 열유속 센서에 있어서,

   열유속을 측정하고자 하는 물체의 대상표면에 접촉되는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 상단면에 구비되는 절연층; 상기 절연층 상단면에 구비되는 열저항층; 상기 절연층 및 상기 열저항층 사이에 구비되는 내부히터; 상기 열저항층의 상단면, 측면 및 열저항층이 절연층과 연결설치되지 않은 부분에 형성된 열전대쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 층상형 마이크로 열유속 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 내부히터가 일측에 하나 이상의 가열 수단이 연결설치된 것을 특징으로 하는 층상형 마이크로 열유속 센서.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 내부히터가 크롬으로 구성된 것을 특징으로 하는 층상형 마이크로 열유속 센서.

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