Abstract
This paper presents the multi-objective optimal design of thermopile sensor having beam or membrane structure. The thermopile sensor is composed of $Si_{3}N_{4}/SiO_{2}$ dielectric membrane, Al-polysilicon thermocouples and $RuO_{2}$ thin film for black body. The sensing method is based on the Seebeck effect which is originated from the temperature difference of the two positions, black body and silicon rim. The objective functions of the presented design are sensitivity, detectivity and thermal time constant. The modelling of the sensor is proposed including the package. The multi-objective optimization technique is applied to the design of the sensor not only inspecting the modelling equation but also simulating mathematical programming method. Especially, fuzzy optimization technique is adapted to get the optimal solution which enables the designer to reach the more practical solution. The design constraint of the voltage output originated from the change of the environmental temperature is included for practical use.
이 논문은 빔의 구조를 갖거나 멤브레인의 구조를 갖는 써모파일 센서의 다목적 최적설계에 관한 연구이다. 연구대상의 써모파일 센서는 $Si_{3}N_{4}/SiO_{2}$ 박막위에 알루미늄과 다결정 실리콘을 사용하여 열전쌍을 형성하고, 박막중심부에 $RuO_{2}$를 사용하여 적외선 흡수부를 만들어 중심부와 실리콘림부 사이의 온도차이에 따른 Seebeck 효과에 의한 유기전압을 감지하는 센서를 대상으로 하였다. 최적설계의 목적함수는 센서의 감도, 검출능 (detectivity) 및 열시정수를 대상으로 하였다. 패키지를 고려하여 모델링을 하였으며, 기존의 식의 고찰에 의한 단순 설계방법이 아닌 수학적 계획법을 사용한 다목적 최적화 방법을 이용하여 최적해를 구하였다. 최종적인 최적설계 수식화에는 퍼지계획법에서 사용되는 소속함수를 정의하여 설계자가 우선적으로 신뢰할 수 있는 해를 구 할 수 있도록 하였다. 또한, 제한조건으로서 주위 온도변화에 따른 센서의 출력전압변화를 포함시켜 실제 사용되는 환경을 고려하였다.