KR20130109494A

KR20130109494A - 열량형 질량유량계 센서

Info

Publication number: KR20130109494A
Application number: KR1020120031249A
Authority: KR
Inventors: 강웅; 최용문; 최해만; 이생희
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-08

Abstract

넓은 영역의 유량 범위에서 개선된 측정 감도를 가지는 열량형 질량유량계 센서가 개시된다.
개시된 열량형 질량유량계 센서는, 박막, 상기 박막 상에 형성되는 발열부, 상기 발열부를 중심으로 상, 하류측에 열전쌍들을 직렬로 연결한 제1 및 제2 열전퇴로 구성된 열량형 질량유량계 센서에 있어서, 상기 발열부의 히터 출력을 가변하여 상기 발열부와 제1 및 제2 열전퇴간의 간격을 가변하는 히터출력 제어신호를 발생하는 제어부와; 상기 제어부에서 발생하는 히터출력 제어신호에 따라 상기 발열부에 공급되는 출력전압을 가변시켜 상기 발열부에 공급해주는 전압 변환부를 구비한다.

Description

열량형 질량유량계 센서{Thermal mass flow sensor}

본 발명은 열량형 질량유량계 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 영역의 유량 범위에서 개선된 측정 감도를 가지는 열량형 질량유량계 센서에 관한 것이다.

국내외 천연가스의 거래가 증가하는 가운데 다양한 용도 및 조건에서 공급자와 수요처 간의 거래 이해관계가 직결됨에 따라 기체 유량의 정밀 측정의 중요성이 대두되고 있다. 그러나 일반적으로 주로 이용되었던 부피용 기체 유량계는 구동부 마모에 의한 특성 변화가 발생할 수 있고, 밀도 계산을 위한 온압 보정장치의 교정에 따른 오차가 발생하는 등의 유지 관리 및 정확도에 여러 문제점이 제기되어 왔다.

이에 따라 기체 유량 측정 방식을 부피 유량이 아닌 질량 유량을 직접 측정할 수 있는 질량식 기체 유량계로의 대체 요구가 증가하고 있다. 현재 국내외에 보급되는 질량 기체 유량계로는 코리올리스 유량계와 열식 MFC(Mass Flow Controller)등이 있으나, 압력 손실과 내부 부식 등의 한계로 인해 새로운 질량 유량계의 개발이 요구되고 있다.

2000년대 이후 반도체 제조공정에서 구축된 기반 기술을 활용한 마이크로미터 수준의 전기/전자 구동 특성과 기계적인 움직임을 갖는 시스템인 MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems)를 이용한 센서들의 개발이 진행되면서, 정밀 유량 측정에도 적용되기 시작하였다. 미세한 구조로 다양한 형태로 센서부를 제작하여 기존의 유량계들의 기계적인 문제점들을 해결하고, 정확도 및 민감도 등의 성능을 향상시키려는 노력들이 진행되고 있다.

특히, 도 1과 같이 발열부(10)를 중심으로 상, 하류의 온도 센서쌍(21)(22)이 유동에 따른 열 전달량의 변화를 감지하여, 유량을 측정하는 원리의 열량형 질량유량계들의 개발이 시도되고 있다. 도 1은 일반적인 열량형 질량유량계 센서의 도식도이다.

도 2를 보면 센서 위를 통과하는 유량(

)이 증가할수록 대류 열전달이 활발해져서 상, 하류 온도 센서쌍(21)(22)의 온도차(

)가 증가하는 원리로 유량을 측정하게 된다. 도 2는 열량형 질량유량계 센서의 특성도이다.

유동이 흐를 때 생기는 대류현상의 원리를 이용한 질량 유량의 측정은 기존의 세관형(Capillary), 경계층형(Bounadry layer), 일체형(In-line) 열식 질량 유량계 등을 통해서 이미 적용되어 왔었다. 그러나 2000년대 이후 반도체 공정기술을 통해 MEMS 기반의 센서가 제작되기 시작하면서 미세하고 복합적인 구조의 센서로 유량을 더욱 민감하게 측정할 수 있는 열량형 질량 유량계들에 관한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 현재 개발한 제품을 생산하고 있는 일본의 Azbil사는 MEMS 기술을 이용하여 제작한 센서(μF Sensor)들을 질량유량계와 유량계(Vortex Flowmeter) 등의 개발에 다양하게 적용하고 있다. 발열부 및 열감지 소자의 재료 선정과 형상에 대한 기술 특히, 도 3과 같이 발열부(30)와 열 감지소자(40) 사이의 간격과 배치에 관한 기술을 보유하고 자사의 유량계에만 적용하고 있는 상황이다. 도 3은 기존 Azbil's의 마이크로 유량 센서의 구조도이다.

Azbil사의 예에서도 볼 수 있듯이 열 전달 현상이라는 보편적인 측정 원리를 이용하되 유량 측정 범위와 감도를 최대로 하는 기술을 확보하여 유량계에 적용하는 것이 열량형 질량 유량계 개발 기술의 핵심으로 볼 수 있다. 그래서 국내외의 많은 연구들도 발열부와 근접한 열 감지소자의 재료 특성에 관한 연구, 센서 및 실리콘 박막 등 시스템 전체의 온도 제어에 관한 연구, 발열부와 열 감지 소자들의 형상 및 배치의 최적화에 관한 연구 등을 통해서 유량 범위와 측정 감도를 최대로 하려는 노력들로 이루어져 왔다. 먼저, 재료 특성에 관해서는 저항온도계수와 공정시 용이성을 고려한 발열부의 선정과 온도에 따른 전압차 즉, 감도를 높일 수 있는 열감지 소자의 재료 및 타입의 선정에 관한 연구들이 진행되었다. 열선 유속계(Hot-wire anemometry)에서 적용되었던 일정 온도 제어와 일정 전력 제어에 따른 감도 향상 효과에 관한 연구도 이루어졌다. 마지막으로, 질량 유량계의 성능과 직결된 유량범위와 측정감도를 가장 효율적으로 향상시킬 수 있는 방법으로 박막(Membrane) 위의 발열부와 열 감지소자의 형상과 배치에 관한 많은 연구들이 진행되고 있다.

도 4에서와 같이 발열부(50)의 폭(H)과 상/하류에 배치된 열 감지소자(61)(62), 여기서는 열전퇴(Themopiles)와의 간격(D_u, D_d)을 정의할 수 있다.

열전퇴와 발열부 사이의 간격에 대한 연구들이 이루어지는 이유는 간격에 따라 각 유량에서의 열전퇴의 출력 값 즉 온도차가 달라지기 때문인데, 이는 간격에 따라 각 유량에서의 측정 감도가 결정된다는 것이다.

도 5는 각 유량에 따른 열전퇴의 출력 값을 길이의 차이가 있는 간격(D₁, D₂)에 따라 나타낸 것이다. 간격이 짧을 경우(D₁), 저유량에서는 출력 값이 커서 측정감도가 높지만 유량이 증가할 경우는 간격이 긴 경우(D₂)의 감도가 더 높게 된다. 이는 센서 위를 유동이 흘러갈 때 발열부와 상, 하류의 열전퇴간의 전도와 대류 현상이 일어나는 메커니즘의 차이에 기인한 것이다. 센서 위를 유동이 흐를 때를 모사하는 열 에너지 방정식은 아래의 수식 1과 같다.

여기서 T는 온도, ρ는 밀도, c_p는 정압비열, u,v는 유속, k는 열전도율,

는 열에너지 발생 비율, μΦ는 점성소산이다. 대류와 전도현상에 비해 점성효과는 무시할 수 있고, 이해를 위해 1차원 유동으로 가정하면 지배방정식은 아래의 수식 2와 같다.

우변의 둘째 항인 발열부에 의한 유입 열에너지가 좌변의 유동에 의한 대류항과 우변의 전도항에 의해서 발열부의 열전퇴 사이의 온도 분포가 결정되는 것이다. 도 5에 적용해 보면, 간격이 짧은 경우에는 저유량일 때 발열부의 전도에 의한 영향이 커서 상, 하류 열전퇴의 온도차가 크지 않다가, 고유량이 되면서 대류현상에 의해서 온도차가 커져서 출력 전압이 커지게 된다. 간격이 긴 경우에는 오히려 저유량일 때 발열부로부터 거리가 떨어진 열전퇴들의 전도와 유동에 의한 대류현상이 복합되어 온도차가 커지게 된다.

즉, 발열부와 열전퇴간의 간격에 의해 측정감도가 최대가 되는 유량이 결정된다는 것이다. 이는 간격에 의해 유량계의 측정범위가 정해진다는 것이기도 하다. 따라서 기존의 많은 연구들이 다양한 간격에 따른 측정감도의 변화를 실험 혹은 수치해석으로 수행하였고, 최적의 형상 및 배치들을 찾고자 하였다. MEMS 센서 제작을 위한 공정 시간과 비용에 제한이 있기 때문에, 모든 범위의 간격에 대해서는 제작 및 실험이 이루어질 수 없다. 그렇지만, 도 6과 같이 발열부와 열전퇴의 주요 간격과 유량 간의 관계에 대한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. MEMS 센서 제작 및 유량 특성평가 실험을 통해서 간격과 감도와의 관계에서 최적화된 형상 및 배치를 보고한 연구도 있다. 제작과 실험이 이루어진 발열부의 폭은 15 ~ 150㎛로 다양한 열전퇴의 간격/발열부의 폭(D/H)에서 실험이 수행되었는 데, 측정감도가 최대인 최적 조건은 1 ~ 3 정도 사이인 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기와 같이 발열부를 중심으로 상, 하류에 대칭적으로 열 감지소자를 배치한 유량센서 이외에 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2007-0115480호(2007. 12. 06. 공개)(발명의 명칭: 열식 질량유량 계측장치)에 유량이 흐르는 배관의 전단에 열 발생장치(발열부)를 배치하고, 상기 열 발생장치의 후단에 일정 간격 떨어져 유체의 온도를 측정하는 제1 및 제2 온도 측정장치를 배치한 기존 기술도 제안되었다. 이러한 기존 기술은 열 감지소자의 계측은 온도차 계측이 아닌 최고 온도 발생의 시간차를 측정하는 방식으로서, 주위 온도조건의 영향으로부터 자유롭다는 장점이 있다.

1. 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2007-0115480호(2007. 12. 06. 공개)(발명의 명칭: 열식 질량유량 계측장치)

그러나 상기와 같은 기존의 연구들은 발열부와 열전퇴간의 상, 하류 간격과 측정감도에 대한 영향을 조사하였지만, 실제로 간격에 의해서 결정되는 측정감도와 신뢰성 있는 유량범위를 계산하는 연구는 미진하여, 유량 측정 범위가 좁고 감도가 낮아 정밀하게 유량을 측정하는 것이 불가능하였다.

특히, 발열부와 열전퇴간의 거리(D)에 따라 유량 범위(Rangeability)에서의 감도(Sensitivity)가 상이하여, 정밀하게 유량을 측정하는 것이 불가능하다.

이에 본 발명은 상기와 같은 기존 열량형 질량유량계 센서들에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 넓은 영역의 유량 범위에서 개선된 측정 감도를 가지는 열량형 질량유량계 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 발열부와 열전퇴간의 거리를 일정 거리로 설정하고 히터의 발열량(히터 출력)을 다르게 하여 유량 범위에 무관하게 정밀한 유량 측정이 가능하도록 한 열량형 질량유량계 센서를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "열량형 질량유량계 센서"는,

박막, 상기 박막 상에 형성되는 발열부, 상기 발열부를 중심으로 상, 하류측에 열전쌍들을 직렬로 연결한 제1 및 제2 열전퇴로 구성된 열량형 질량유량계 센서에 있어서,

상기 발열부의 히터 출력을 가변하여 상기 발열부와 제1 및 제2 열전퇴간의 간격을 가변하는 히터출력 제어신호를 발생하는 제어부와;

상기 제어부에서 발생하는 히터출력 제어신호에 따라 상기 발열부에 공급되는 출력전압을 가변시켜 상기 발열부에 공급해주는 전압 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제어부는 일정 주기로 상기 히터 출력을 가변하기 위한 히터출력 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제어부는 상기 히터출력 제어신호를 펄스 형태로 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제어부는 상기 히터 출력이 계단형태로 발생하도록 히터출력 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 발열부에 공급되는 전압을 가변하여 발열부와 열전퇴의 간격을 불균일하게 형성함으로써, 넓은 영역의 유량 범위에서 정밀한 측정 감도를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 기존 발열부와 열전퇴의 구성을 그대로 채택하고, 단순히 발열부에 공급되는 전압만을 가변시킴으로써 기본 열량형 질량유량계 센서의 구조를 변경하지 않고서도 정밀한 측정 감도를 갖는 열량형 질량유량계 센서를 제공해주는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 열량형 질량유량계 센서의 도식도.
도 2는 도 1의 열량형 질량유량계 센서의 특성도.
도 3은 기존 Azbil's의 마이크로 유량 센서의 구조도.
도 4는 도 3의 열량식 질량유량계의 평면도 기하학 구조도.
도 5는 간격과 유량 범위에 따른 온도차 설명도.
도 6은 발열부와 열전퇴의 주요 간격과 유량간의 관계도.
도 7은 본 발명에 따른 열량형 질량유량계 센서의 구성도.
도 8은 본 발명에서 히터출력 제어신호의 예시도.
도 9는 박막의 재료 선정을 위한 다양한 저항재료의 특성도.
도 10은 본 발명에 따른 센서의 각 부분별 재료 특성도.
도 11은 본 발명에서 히터출력 제어신호의 다른 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명에 따른 열량형 질량유량계 센서의 구성도로서, 박막(110)의 중심부에 일정한 두께를 가진 발열부(120)가 위치한다. 발열부(120)를 중심으로 상, 하류 측에 T-type 열전쌍(TC1, TC2)들을 직렬로 연결한 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)를 배치시키게 된다. 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)는 발열부(120)와 상류측은 D_u, 하류측은 D_d의 간격으로 위치하여, 센서 위를 흐르는 유동에 따라 온도 변화를 감지하게 된다. 여기서 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 바와 같이 간격에 따라 측정감도가 최대가 되는 유량 범위가 정해져 있음을 알 수 있다. 이는 센서가 일정한 간격으로 제작이 되고 나면, 그 센서의 측정감도는 특정한 유량에서만 최대로 나타나고, 그 외의 유량 범위에서는 낮은 감도를 가질 수밖에 없는 단점을 유발하게 된다.

이러한 단점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 상기 발열부(120)의 히터 출력을 가변하여 상기 발열부(120)와 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)간의 간격을 가변하는 히터출력 제어신호를 발생하는 제어부(140)와; 상기 제어부(140)에서 발생하는 히터출력 제어신호에 따라 상기 발열부(120)에 공급되는 출력전압을 가변시켜 상기 발열부(120)에 공급해주는 전압 변환부(150)를 구현하였다.

본 발명에 따른 열량형 질량유량계 센서의 형태는 통상의 열량형 질량유량계 센서의 형태와 동일하게 박막(Membrane)(110) 위에 발열부(120)와 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)를 증착시켜서 제작한다. 여기서 발열부(120)에서 발산되는 열이 박막(110) 내부로 전달되는 것보다 유체로의 열전달을 크게 하고, 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)의 대류로 전달되는 열에 대한 감도를 증가시키기 위해서 박막의 재료 선정이 중요하다.

본 발명에서는 열전도도가 극히 낮은 유전체 물질인 질화 실리콘(Si₃N₄)과 산화 실리콘(SiO₂)을 샌드위치 구조((Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄)로 제작하여 박막(110)을 형성시켰다.

발열부(120)는 저항 재료 중에서 박막 저항 소자로 사용될 때 전기 저항 특성을 고려하여 선정하였다.

도 9와 같이 다양한 저항재료 중에서 표준 저항선으로 주로 사용되는 Maganin은 저항률이 낮아 박막저항소자로 사용되기는 어렵다. 따라서 박막형태로의 공정에 유리하고 고유저항과 온도저항계수 모두 우수한 Evanohm이라는 Ni-Cr 합금(Ni 75%, Cr 20%, Cu 2.5%, Al 2.5%)을 발열부(120)로 선정하였다.

제1 및 제2 열전퇴(Thermopiles)(131)(132)는 지벡 효과(Seebeck effect)에 의해서 온도차에 따라 열전쌍(Thermo-couple)에서 발생하는 열기전력을 증폭하기 위해서 2개 이상 연결되어 있는 구조이다. 열전퇴는 열전쌍의 연결 개수만큼 열기전력을 증폭시키는 역할을 하게 되는 데, 본 발명에서는 30개 이상의 열전쌍을 연결하여 사용하였다. 열전쌍은 열적/전기적으로 접촉하는 상이한 두 재질의 종류에 따라서 타입이 구분되는 데, 본 발명에서는 Ni와 Cr의 합금인 Chromel과 Cu와 Ni의 합금인 Constantan으로 구성된 E type의 열전쌍을 이용하였다. E type은 공업용으로 가장 널리 사용되는 K type이나 실험실에서 주로 사용되는 T type을 비롯한 다른 타입의 열전쌍에 비하여 발생되는 기전력이 가장 크다. 또한, 900℃이하에서는 내열도를 유지하여 안정적으로 사용할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 가장 적합하다고 볼 수 있다. 본 발명을 위해 선정된 센서를 구성하는 박막, 발열부, 열전퇴의 재료 특성을 도 10에 나타내었다.

박막, 발열부, 열전퇴 등의 센서의 재료가 선정됨에 따라, MEMS 공정이 가능한 범위에서 열량형 질량유량계 센서의 배치를 도 7에 나타내었다.

열량형 질량유량계 센서의 구동을 위해 제어부(140)는 내부에 저장된 제어 프로그램을 인출하고, 상기 제어 프로그램에 따라 상기 발열부(120)의 히터 출력을 가변하기 위한 히터출력 제어신호를 발생하게 된다.

여기서 발생하는 히터출력 제어신호는 도 8 및 도 11에 도시한 바와 같이, 일정 주기로 상기 히터 출력을 가변하기 위한 신호로서, 계단 형태 또는 펄스 형태로 출력된다.

이렇게 출력되는 히터출력 제어신호는 전압 변환부(150)에 전달되며, 전압 변환부(150)는 상기 히터출력 제어신호에 따라 상기 발열부(120)에 공급되는 출력전압을 가변시키게 된다.

발열부(120)는 공급되는 전압에 따라 열 발생량을 달리하게 되는 데, 이때 발생하는 열 발생량은 도 8 및 도 11과 같이 일정 주기의 구간별로 계단 형태(펄스 형태)의 열 발생량이 된다. 즉, 발열부(120)의 출력은 일정 시간별로 그 출력의 세기가 가변 된다.

이러한 발열부(120)의 발열량 차이는 결론적으로 상기 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)와 상기 발열부(220)와의 간격을 불균일하게 형성하여 유량 범위에 구속되지 않고 측정 감도를 향상시키게 된다.

다시 말해, 각각의 열전쌍이 접촉하는 부분(Junction) 중에 발열부(120) 가까이 온도 변화를 감지하는 부분을 온접점(Hot junction) 이라고 하고, 박막(110) 밖에서 접촉하는 부분을 냉접점(Cold junction) 이라고 한다. 각 열전쌍들의 온접점에서의 온도차에 의해서 기전력이 발생하고, 각각의 기전력이 증폭되어 전체 열전퇴의 기전력으로 측정이 된다. 발열부(120)에서 일정한 간격(D_u, D_d)이 떨어진 온접점에서의 온도 감지의 정도로 측정 감도가 결정된다. 여기서 발열부(120)에서 발생하는 발열량을 가변하게 되면 제1 및 제2 열전퇴(131)(132)에 있는 다수의 온접점과 발열부(120)의 간격을 다르게 할 수 있어, 결론적으로 다양한 유량 범위에서 측정 감도를 향상시킬 수 있다.

특히, 발열부(120)의 발열량을 유속이 빠른 제1 및 제2 열전퇴(231)(232)의 중심에서는 높임으로써 대유량에서의 측정 감도를 높이고, 가장자리로 갈수록 발열량을 낮추어 저유량에서의 측정 감도를 높였다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

110… 박막
120… 발열부
131, 132… 제1 및 제2 열전퇴
140… 제어부
150… 전압 변환부

Claims

박막, 상기 박막 상에 형성되는 발열부, 상기 발열부를 중심으로 상, 하류측에 열전쌍들을 직렬로 연결한 제1 및 제2 열전퇴로 구성된 열량형 질량유량계 센서에 있어서,
상기 발열부의 히터 출력을 가변하여 상기 발열부와 제1 및 제2 열전퇴간의 간격을 가변하는 히터출력 제어신호를 발생하는 제어부와;
상기 제어부에서 발생하는 히터출력 제어신호에 따라 상기 발열부에 공급되는 출력전압을 가변시켜 상기 발열부에 공급해주는 전압 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열량형 질량유량계 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 일정 주기로 상기 히터 출력을 가변하기 위한 히터출력 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 열량형 질량유량계 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 상기 히터출력 제어신호를 펄스 형태로 출력하는 것을 특징으로 하는 열량형 질량유량계 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 상기 히터 출력이 계단형태로 발생하도록 히터출력 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 열량형 질량유량계 센서.