KR20030003208A - 실리콘기판에 집적된 미세가공기술을 이용한 디지털대기환경 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEMS 기술을 적용한 실리콘기판을 주재료로 하는 디지털 대기환경측정 및 감시장치에 관한 것으로 소형화된 박막공기유량센서를 적용한 소형화된 디지털 온도, 습도, 풍향, 풍속 측정장치이며, 배면 또는 후면식각구조를 갖는 니켈, 구리, 백금등을 발열체로 하고 4인치, 5인치, 6인치등의 실리콘기판을 재료로 한 센서신호처리부가 집적된 구조를 가지고 있다.
본 발명은 유량의 변화에 따라 열손실이 증가현상을 이용한 박막공기유량센서를 적용하여 풍속감지성능에 있어서는 속력이 적은 저속구간에서 정밀도가 높고 기구적인 측면에서는 배열된 센서를 별도의 플라스틱 또는 세라믹 패키지에 한 번의 반도체 공정으로 원형평판구조를 가지는 센서배열을 구현 할 수 있는 구조를 가진다.
풍향은 16방위를 기본으로 하고 각 방위별로 배열된 마이크로 공기유량센서를 적용하며 공기유량센서의 발열체 및 측온체재료는 백금 또는 니켈, 구리를 소재로 하는 온도센서를 구현하고 공기유량센서와 동일한 소재의 니켈, 구리, 백금을 적용, 건구습구 온도계의 원리를 이용한 습도센서가 동시에 적용된다.
각 센서를 접속시켜 실시간 측정데이터의 입력이 가능한 입력단자와 채널부, 각 센서 감지신호를 변환시키는 아날로그 디지털 변환부, 각 센서의 측정데이터를 입력받아 기록 및 저장하는 메모리부, 외부와의 송수신 인터페이스 단자를 갖는 구조이다.

Description

실리콘기판에 집적된 미세가공기술을 이용한 디지털 대기환경 측정장치 {Digital atmospheric measuring instrument integrated upon Si wafer by the MEMS technology applied}
종래에 개발되어 공기의 풍향 및 풍속을 측정하는 장치들은 바람의 세기에 따라서 타코메타등과 같은 직선운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 적용하였다. 시간에 따른 타코메타 회전수가 풍속에 비례한다고 가정하여 풍속을 측정하며 바람의 방향은 마찰계수가 적은 방향으로 화살표가 표시되도록 하는 측정하는 방식을 적용하였다.
이러한 기구적인 측정장치는 시간이 지남에 따라 측정부의 부식이 진행되어 정밀도가 떨어지고 자주 관리해주어야 하며 표준보정을 실시하여야 하고 설치면적이 큰 단점이 있었다.
또한 별도로 대기의 온도와 습도를 측정하는 장비를 부가적으로 설치해야 하였다.
이로 인하여 인터페이스단자의 복잡도와 측정기구물의 부피가 커지고 설치비가 많이 소요되며 신호처리부를 별도 인쇄회로기판상에 하이브리드 집적회로화하는 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기구적인 움직임이 전혀 없으면서 16방위의 표시가 가능하게 한 일체화된 도1과 같은 평판형 온습도, 풍향, 풍속측정장치를 발명하였다.
종래의 기구적인 측정장치가 가지는 저속 풍속구간에서의 감도저하와 기계적인 마찰에 의한 부식으로 발생하는 측정편차가 보완된 도 2와 같은 기계적인 마찰부위가 없는 실리콘 센서기술을 응용한 마이크로발열체 내장형 초소형공기유량센서를 적용한 것을 특징으로 하고 있다.
이로써 각 채널에 부착된 센서에서 풍속의 변화에 따른 미세발열체의 열손실을 실시간으로 측정하여 풍속의 상대적인 세기를 수치화하며 최고수치를 갖는 방위를 바람의 방위로 정하는 측정방식을 응용한 풍향 및 풍속측정장치를 본 고안을 통해서 가능하게 되었다.
평판의 외곽에는 금속 또는 플라스틱등의 재질로 구성된 16방위의 표식이 있고 각 방위별 공기의 유로가 있는 원형평판구조의 장치이며 중앙부에 온습도 일체화 센서가 있고 각 센서에서 측정된 신호의 실시간 측정데이터의 입력이 가능한 채널부, 각 센서 감지신호를 변환시키는 아날로그 디지털 변환부, 각 센서의 측정데이터를 입력받아 기록 및 저장하는 메모리부, 외부와의 데이터 송수신 인터페이스부를 실리콘 기판상에 집적회로화하여 측정장비 제작에서 별도 인쇄회로기판을 제작하는 번거로움과 회로간 연결문제의 어려움을 해결하고 측정장치의 부피를 획기적으로 줄일 수 있도록 한다.
도1은 본 발명의 사시도
도2는 디지털신호처리부가 집적된 실리콘기판을 재료로 한 공기유량센서의 단면도
도3은 센서 신호처리회로의 집적회로 개략도
도1은 본 발명의 사시도로서 실리콘기판상에 구현된 디지털온습도 풍향 풍속계를 나타내고
도2는 디지털신호처리부가 집적된 실리콘을 모재로 한 후면식각구조의 공기유량센서 단면이며
도3은 실리콘기판에 구현된 센서신호 입력단자와 신호처리 집적회로(5)를 나타낸다.
(1)온습도, 풍향, 풍속센서가 일체화된 평판
(2)풍속방향의 16방위에 위치한 센서와 그 표식
(3)온습도센서의 중앙배치도
(4)공기의 유로
(5)센서 채널부와 측정신호 아날로그/디지털 변환부와 측정데이터 메모리부와 데이터
송수신 인터페이스부가 결합된 집적회로
(6)실리콘소자
(7)백금,니켈,구리 소재의 미세발열체와 측온저항체
(8)박막 감지영역
(9)외부 인터페이스 단자
(10)신호처리회로 입출력단자
(11)채널부
(12)아날로그/디지털 신호변환부
(13)메모리부
(14)송수신 인터페이스부
이와 같이 된 본 발명은 풍향 및 풍속을 측정함에 있어서 첫째 마이크로발열체 내장형 초소형공기유량센서를 원형의 평판에 일체화하여 풍속이 낮은 저속구간의 신뢰도를 높이고 기계적인 마찰이 없으므로 반영구적으로 사용이 가능하며 또한 온도 및 습도센서를 함께 내장하여 온도와 습도, 풍향과 풍속의 기상학적인 주요정보를 측정수치의 디지털화가 가능하며 정밀도가 높고 편리한 저가의 측정기구를 제공할 것이다.
둘째 각 센서에서 측정된 신호의 검출 및 처리를 위하여 실리콘 기판상에 별도의 신호처리 전용회로를 집적화하여 신호처리용 인쇄회로기판을 제작하는 번거로움과 회로간 연결문제의 어려움을 해결하고 측정장치의 부피를 획기적으로 줄일 수 있도록 한다.

Claims (4)

  1. 금속 또는 플라스틱등의 재질로 구성된 평판형 원반의 16방위 별 위치에 표면실장된 마이크로히터 내장형 공기유량센서와 16방위의 표시
  2. 원형평판 중앙부의 건구습구 원리를 적용하여 실리콘기판상에 제작한 습도계 및 일체화된 온도센서 모듈
  3. 16방위 별 공기의 유로
  4. 센서신호처리를 위하여 중앙에 위치한 센서 채널부, 아날로그/디지털 변환부, 메모리부, 송수신회로부등을 집적회로화하는 기술로 공기유량센서와 동일한 실리콘기판상에 신호처리부를 일체화하는 기술
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