Journal of Sensor Science and Technology (센서학회지)

The Korean Sensors Society (한국센서학회)
권호 표지

Flow sensor using stress-balanced membrane and thin film thermocouple

스트레스균형이 이루어진 멤버레인 및 박막 열전대를 응용한 유체센서

  • Ahn, Yeong-Bae (School of Electronic and Electrical Engineering, Kyungpook Nat'l University) ;
  • Kim, Jin-Sup (Dept. of Electronic Engineering, Inje University) ;
  • Kim, Myung-Gyoo (School of Electronic and Electrical Engineering, Kyungpook Nat'l University) ;
  • Lee, Jong-Hyun (School of Electronic & Electrical Engineering, Kyungpook Nat'l University) ;
  • Lee, Jung-Hee (School of Electronic and Electrical Engineering, Kyungpook Nat'l University)
  • 안영배 (경북대학교 전자전기공학과) ;
  • 김진섭 (인제대학교 전자공학과) ;
  • 김명규 (경북대학교 전자전기공학과) ;
  • 이종현 (경북대학교 전자전기공학과) ;
  • 이정희 (경북대학교 전자전기공학과)
  • Published : 1996.11.30
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Abstract

A flow sensor has been fabricated by preparing thin film Pt-heater and Bi-Sb thermocouples array on 150 nm-$Si_{3}N_{4}$/300 nm-$SiO_{2}$/150 nm-$Si_{3}N_{4}$ dielectric diaphragm which has low thermal conductivity and balanced stress with silicon substrate for the purpose of improving the thermal isolation between heater and silicon substrate. Pt-heater showed nonlinear I-V characteristics due to the thermal isolation effect of the diaphragm. Its temperature coefficient of resistance was about $0.00378\;/^{\circ}C$ and Seebeck coefficient of Bi-Sb thermocouple was about $97\;{\mu}V/K$. The sensor showed that thermoelectric voltage decreased as thermal conductivity of gas increased, and flow sensitivity increased as heater voltage increased or as the distance between heater and thermocouple decreased. When heater voltage was about 2.5 V, $N_{2}$-flow sensitivity and thermal response time of the sensor were about $1.27\;mV{\cdot}(sccm)^{-1/2}$ and 0.13 sec., respectively.

실리콘기판과의 스트레스균형이 이루어진 150 nm-$Si_{3}N_{4}$/300 nm-$SiO_{2}$/150 nm-$Si_{3}N_{4}$ 다이아프레임위에 백금 박막히터 및 Bi-Sb 열전대배열을 형성하여 히터에서 실리콘기판으로 전달되는 열량의 차단효과가 현저히 개선된 유체센서를 제작하였다. 백금 박막히터는 유전체 다이아프레임의 열차단 효과때문에 비선형 전류-전압 특성을 나타내었고, 이 히터의 저항온도계수는 약 $0.00378\;/^{\circ}C$였으며, 또한 Bi-Sb 열전대의 Seebeck계수는 약 $97\;{\mu}V/K$였다. 기체의 열전도도가 증가할수록 유체센서가 나타내는 열기전력은 감소하였으며, 히터온도가 증가하거나 히터와 열전대사이의 거리가 감소할수록 센서의 감도는 증가하였다. 히터전압을 약 2.5V로 하였을 때 유체센서의 $N_{2}$유량에 대한 감도는 약 $1.27\;mV{\cdot}(sccm)^{-1/2}$였고, 열응답시간은 약 0.13 초였다.

Keywords