본 논문에서는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 공정을 이용하여 넓은 범위의 유속측정이 가능한 바람저항형 유속센서를 설계 및 개발하였다. 바람저항형 유속센서는 유속에 의해 발생하는 바람의 압력에 의해 구조물이 휘는 정도를 측정하는 센서로서, 상대적으로 에너지 소모량이 적고, 외부 기기에 미치는 영향이 적다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 바람저항형 유속센서를 제작함에 있어, 폴리실리콘을 압저항체로 사용하여 저속과 고속에서 모두 측정이 가능한 센서를 설계 및 제작하고자 하였다.

본 연구에서 제작한 바람저항형 유속센서의 주요한 내용은 다음과 같다. 우선, 넓은 범위의 유속을 측정하기 위해 소자의 설계를 최적화하여 출력값을 향상시키고자 하였다. 이를 위해 캔틸레버 끝단부에 패들을 형성하여 바람에 대한 저항력을 증가시키고자 하였으며, 소자를 유속의 방향에 수직으로 위치시켜 주어진 유속에서 최대의 저항이 인가되도록 하였다. 또한, 해석 프로그램을 통해 소자의 최대 응력이 발생되는 외팔보 지지단 부위에서부터 약 80% 응력을 갖는 지점까지 압저항체를 형성하여 주어진 변형에 대해 최대의 출력이 나올 수 있도록 하였다.

또한, 본 소자에는 일반적인 백금 대신, 게이지 펙터가 상대적으로 크고, 온도의 영향을 조절할 수 있는 폴리실리콘을 압저항 물질로 사용하였다. 폴리실리콘의 경우, 백금에 비해 공정이 더 필요하기는 하지만, 압저항 계수가 상대적으로 크기 때문에 동일한 유속에 대해 보다 큰 출력을 나타낼 수 있다. 게다가 도핑과정을 통해, 제작될 소자의 저항을 조절할 수 있으므로, 동일한 전압이라 하더라도 발생되는 열량을 줄여 온도 변화가 작게 만들 수 있다. 도핑 농도에 따라 저항 온도 계수 또한 조절이 가능하므로, 유속의 온도에 따른 변화도 최소화할 수 있을 것으로 판단하였다.

이렇게 설계된 소자는 일반적인 MEMS 공정을 통해 제작되었으며, DRIE 공정상의 문제점을 개선하여 최종적으로 한 웨이퍼당 500개 이상의 소자를 제작하였다. 같은 디자인을 가진 소자의 경우, 저항 분포는 ±5% 이내로서 균일한 특성을 가짐을 확인하였다.

또한 소자의 온도 특성 파악을 위해 유한 요소 프로그램을 통해 측정 시 발생되는 온도를 파악해보았다. 해석결과 폴리실리콘에서의 온도는 약 21℃로 백금의 50℃에 비해 낮은 온도가 발생함을 확인하였다. 추가로 실제 제작된 소자를 통해 35oC부터 70oC까지의 온도 특성 실험을 진행한 결과 TCR 값이 -0.001403/℃을 확인하였다. 이는 기존의 백금 소자의 TCR 값인 0.001743/℃과 비교하여 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 35℃에서부터 70℃까지의 저항 변화율 또한 폴리실리콘은 -0.056인 것에 비하여 백금은 0.061로 백금에 비해 온도에 따른 저항 변화가 줄어든 것을 확인하였다.

다음으로 소자의 기본 특성을 파악하기 위해 풍동을 이용하였다. 0~10m/s의 유속에서 반복성 및 단기 안정성 특성을 실험하였으며, 전체적으로 안정적인 결과가 나타남을 확인하였다. 또한, 풍동 자체의 불안정성이 있기는 하였으나, 15.5m/s까지의 고속유속도 측정이 가능함을 확인하였다. 전체적으로 측정한 유속 결과는 바람 저항 및 이로 인해 발생하는 소자의 변형률 그래프와 유사한 2차식 형태로 증가함을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 제작된 소자는 기존 바람저항형 소자에 비해 온도 영향이 낮을 뿐만 아니라, 고속에서도 측정이 가능할 것으로 판단되며, 추후 저속과 고속 측정 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 생각된다.

In this paper, a drag force type flowmeter which is capable of measuring a wide range of air flow, was designed and developed using MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technologies. Generally, the air drag force type flowmeter measures the air flow velocity by deformation of the device against the air pressure and has the advantages of less energy consumption and less influence to the external environment. Therefore, the following researches were conducted based on the drag force type flowmeter.

First, the structure of the device was designed to enhance the air drag force. For this purpose, the paddle structure was formed to increase the air drag force. And, the device was placed perpendicular to the given air flow so that the maximum air resistance could be achieved. In addition, a piezoresistive material was deposited to the cantilever with higher stress region so that the improved output can be obtained for a given deformation.

To enhance the output value and controlled the temperature effect, we used poly-silicon as a piezoresistive material. Even though the deposition and doping processes of poly-silicon are more complicated than platinum related processes, but it has the advantage of having a higher gauge factor than other materials so the device can obtain the improved output value. Moreover, poly-silicon piezoresistive layer was able to reduce the temperature effect by increasing the resistivity of the device. Adjusting the doping concentration, the temperature related factor like resistivity can be controlled. Therefore, the amount of heat generated can be reduced even at the same voltage. Additionally, the temperature coefficient of resistivity can be also controlled by doping concentration of poly-silicon, and the resistance change with an air flow temperature could be minimized.

The device designed as described above was fabricated through general MEMS processes. The problem of DRIE process was improved and finally more than 500 devices were fabricated per wafer and it was confirmed that the resistance distribution was within ±5% for a device with the same design, and had uniform characteristics.

In order to understand the temperature characteristics, the temperature of heat from the device was simulated. As a result, it was confirmed that the temperature in the poly-silicon is about 21℃, which is lower than the temperature of 50℃ in the platinum. In addition, the basic temperature characteristic experiment was carried out and the TCR value of poly-silicon device was -0.001403/℃ from 35℃ to 70℃ and it has lower TCR value than the platinum device, 0.001743/℃. In addition, the poly-silicon and platinum device have resistance variation of -0.056 and 0.061, respectively. Therefore, it can be seen that the resistance change with temperature is reduced compared to platinum.

Next, the wind tunnel was used to determine the basic characteristics of the device. Repeatability and short-term stability characteristics were tested at flow rates of 0~10m/s, and stable results were obtained. In addition, although the wind tunnel itself was unstable, it was confirmed that it was possible to measure the high flow velocity up to 15.5m/s. The overall measured results were found to increase in a quadratic form similar to the air resistance and the strain simulation result. From these results, it can be concluded that the fabricated device has lower temperature effect than previous drag force type flowmeter and can be measured at wide range of air flow velocity. Furthermore, if the verification is carried out through more precise experiments, the fabricated flowmeter will be possible to utilize in various industries.