MEMS 공정을 이용한 유속센서는 차량을 비롯한 환경, 산업, 인간공학, 바이오, 연료전지 등의 다양한 부분에서 활용되고 있다. 일반적으로 사용되는 유속센서는 열형 유속센서로써 민감도가 좋은 장점이 있으나, 열을 형성하기 때문에 에너지 소모가 많고, 발생된 열이 외부 환경에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다. 이러한 부분을 해결하기 위해, 최근 바람 저항형 유속센서가 개발, 연구되고 있다. 바람 저항형 유속센서는 기존의 방식에 비해 에너지 소모가 적고, 외부에 온도 영향을 끼치지 않는 등 장점이 있어 많이 연구되고 있다. 다만, 바람 저항형 유속센서는 열형 유속센서에 비해 민감도가 낮은 단점이 있다.
본 연구에서는 이러한 열형 방식의 단점을 보완하기 위해 바람저항 방식의 유속센서를 선택하였으며, 바람 저항형 유속센서의 단점인 민감도를 향상시키기 위해 단차구조를 이용한 주름구조를 적용하여 제작하고 검증하였다. 바람의 저항, 항력을 극대화하기 위해서는 기본적으로 구조물인 외팔보에 패들을 형성하였으며, 센서를 유속방향에 수직배치를 하였다. 또한, 바람 저항형 유속센서의 단점인 민감도에 대한 부분을 보완하기 위해 단차를 형성하여 주름구조를 적용한 외팔보를 소자로 사용하였고, 민감도 향상과 더불어 유속에 의해 생길 수 있는 비틀림현상을 억제하고자 하였다. 소자로 사용한 외팔보 구조물은 실리콘 질화막을 사용하였다. 소자의 휨량은 압저항 물질인 백금을 이용하여 저항변화를 측정하였으며, 저항변화 측정을 위해 휘트스톤 브릿지 회로를 사용하였으며, 필요에 따라 신호를 증폭하기 위해 증폭기를 적용하였다.
본 연구는 크게 세 가지 부분으로 나누어지며, 그 자세한 내용은 다음과 같다.

1) 실내 환경 개선을 위한 저속 유속측정 센서를 개발하고 검증하고자 하였다. 1 m/s 이하의 저속 유속을 측정하였으며, 일반적인 평판구조와 민감도를 향상시킨 주름구조와의 비교실험을 통해 주름구조가 평판구조에 비해 민감도가 최대 2배 향상됨을 확인 할 수 있었다. 또한 같은 유속구간에서 반복실험을 통해 소자의 안정성을 확인할 수 있었으며, 소자의 길이를 변화시켜가며 유속에 대한 특성실험을 한 결과, 소자의 길이가 길어질수록 소자의 민감도가 향상됨을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 주름구조를 적용한 바람 저항형 유속센서의 민감도를 향상을 증명하였으며, 저속구간에서의 활용 가능성을 확인하였다.

2) 산업, 환경 등 일반적인 유속 측정을 위한 소자를 제작하고 검증하였다. 다소 고속의 유속을 측정하기 위해 안정성을 고려하여 듀얼빔구조를 적용하였다. 이외의 기본적인 구조는 1차 소자와 동일하게 제작하였다. 듀얼빔 구조는 1 m/s ~ 5 m/s 까지의 일반 유속범위까지 측정하였으며, 반복실험을 비롯하여 장,단시간 동안의 안정화 실험을 통해 센서의 성능을 검증하였다. 일반 유속구간에서 전체적으로 안정적인 출력값을 나타내었으며, 1 m/s 이하의 분해능을 나타내었다. 또한, 산업, 환경 분야 등의 다양한 분야에 보다 효율적으로 적용하기 위해서 2차원 측정이 가능할 수 있도록 소자 두 개를 수직하게 배치시켰고, 각 소자에서 출력된 값을 벡터값으로 환산하여 보정작업을 통해 2차원 측정이 가능함을 확인 할 수 있었다.

3) 저속측정과 일반 유속측정을 하나의 센서에서 측정 할 수 있도록 서로 다른 길이의 소자 두 개를 하나의 센서에 집적하여 검증하였다. 앞에서 1차 소자로 첫 번째 실험한 내용인 길이에 따라 민감도가 변하는 결과를 근거하였으며, 기본적인 소자 디자인 및 제작방법은 2차 소자의 두 번째 실험에서 사용한 듀얼빔 소자를 이용하였다. 이렇게 제작된 듀얼센서를 실험하여 길이에 따라 민감도가 다른 것을 파악하였다. 길이가 긴 소자는 저속에, 길이가 짧은 소자는 고속에 적합하다고 판단하였으며, 이를 통해 유속의 측정범위를 다르게 측정 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한, 0 m/s ~ 8 m/s까지의 넓은 유속범위를 유속 분해능 0.5 m/s 간격으로 측정하였다. 이를 통해 다양한 유속 측정 범위까지 측정 가능한 듀얼센서를 제작하고 검증하였다.
또한, 센서 측정에 영향을 미칠 수 있는 온도 측정용 센서를 함께 내장함으로써 범용 센서로서의 활용도를 높이고자 하였다. 제작된 온도센서는 5°C 이하의 분해능과 선형적인 출력특성을 나타내었으며, 습도의 변화에도 큰 변화 없이 일정할 출력값을 유지하였다. 이를 통해 제작된 온도센서의 안정성과 선형적인 출력특성을 확인 할 수 있었다. 또한, 온도에 따라 미세하게 변할 수 있는 바람 저항형 유속센서의 정확도를 온도센서로 측정된 온도값을 보정하여 보다 정확히 제어할 수 있음을 확인하였다.

A flowmeter fabricated with the MEMS process have been used for various fields such as automobiles, environment, industry, ergonomics, biology and fuel cells. The conventionally used flowmeter is the thermal convection type flowmeter which has good sensitivity. However, this type of flowmeter has the high energy consumption rate due to the heat generation, and moreover this heat could adversely affect external environment. Recently, in order to solve this problem, the air drag force type flowmeters have been researched and developed. Since those flowmeters have no heating unit, they have less energy consumption rate and do not affect external environment. However, they have lower sensitivity than the thermal convection types.
In this study, we have designed and fabricated an air drag force type flowmeter to overcome drawbacks of thermal convection type flowmeters. The corrugation structure is applied to improve the sensitivity and to prevent the distortion, and the paddle structure is also adopted for the larger air drag force. And the flowmeter is vertically located with respect to a direction of air flow to maximize air drag force. The flowmeter is fabricated with the silicon nitride layer, and the platinum layer is used to measure the strain as the piezoresistive layer. The output signals are measured with Wheatstone bridge circuit and an amplifying circuit.

This study consists of three parts as detailed below:

1) We have fabricated and investigated a flowmeter which can detect low air flow rate for the application of indoor environment. The corrugation and paddle structures are applied and the output signals are measured with the piezoresistive layer. As a result, we are able to measure a low air velocity under 1 m/s and achieve the maximum 2 times improved sensitivity compared with the flat structure. The sensitivity is related with the device length, and the higher sensitivity is achieved with the longer device length. The repeated experiments have been performed in the same velocity, and the flowmeter shows the good stability and repeatability. From those results, we show the fabricated flowmeter has the improved sensitivity and the possibility for the application in the low air flow rate.

2) We have fabricated and verified a flowmeter to measure the air flow rate in conventional applications. Basic structures are same as the single beam flowmeter. But, the dual beam structure is applied to the flowmeter in order to measure the higher air velocity. The flowmeter with the dual beam structure measures the air flow with a range from 1 m/s to 5 m/s, and shows the stable outputs in both short- and long-term periods of experiments. The resolution is less than 1 m/s in overall detecting ranges. In addition, two flowmeters are vertically placed to measure the two-dimensional air flow for the various applications. The output signals are calculated with the vector summation and the results show the flowmeter can detect the two-dimensional measurement.

3) Two flowmeters with different lengths are integrated into one device in order to measure both low and high air velocity. The lengths are decided based on the sensitivity results in the single beam flowmeter. However, the dual beam flowmeter is adapted to prevent the distortion. Two flowmeters show the different sensitivity, and through the various experiments, the flowmeter with the larger length is suitable for the low air velocity, and the other is for the high air velocity. The flowmeters show the 0.5 m/s resolution during overall air velocity range from 0 m/s to 8 m/s. From these results, we can know the fabricated flowmeter with dual sensor can detect the broad air flow rate with the reasonable resolution.
We also try to integrate the temperature sensor in the flowmeter to compensate the output signal from the air flowmeter. The temperature sensor shows the less than 5 °C resolution and high linearity. Moreover, it is less sensitive to the humidity. Using that temperature sensor, we deduce the numerical expression, and precisely compensate the output of air flowmeter. This feature can be utilized for the various fields to compensate the temperature effect.