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KR100931702B1 - Thermopile Flow Rate Sensor - Google Patents

Thermopile Flow Rate Sensor Download PDF

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KR100931702B1
KR100931702B1 KR1020070118740A KR20070118740A KR100931702B1 KR 100931702 B1 KR100931702 B1 KR 100931702B1 KR 1020070118740 A KR1020070118740 A KR 1020070118740A KR 20070118740 A KR20070118740 A KR 20070118740A KR 100931702 B1 KR100931702 B1 KR 100931702B1
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KR
South Korea
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flow rate
thermopile
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heating
flow
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박병규
이준식
전홍규
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

서모파일 유속 센서가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 유속 검출 소자는 서모파일(Thermopile)이 갖는 저항을 발열체로 이용하는 적어도 하나의 발열용 서모파일로 이루어지고 열을 발산하는 가열부 및 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어지고 가열부를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부를 포함하며, 가열부에서 발산되는 열에 의한 피계측 유체의 온도 변화를 온도 감지부에서 측정하여 피계측 유체의 유속 및 유량을 측정한다.A thermopile flow rate sensor is provided. According to an embodiment of the present invention, a flow rate detecting device includes at least one heating thermopile using a resistance of a thermopile as a heating element, a heating unit for dissipating heat, and at least one thermopile for temperature measurement. And at least two temperature sensing units installed upstream or downstream of the heating unit, and measuring the temperature change of the measured fluid due to the heat emitted from the heating unit in the temperature sensing unit to measure the flow velocity and flow rate of the measured fluid. do.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 서모파일 유속 센서는 동작 유체가 유통되는 주유동 통로와, 주유동 통로에서 분기되는 피계측 유체가 유통되는 측정유동 통로와, 측정유동 통로 내에 설치되며 피계측 유체의 유속을 측정하는 유속 검출 소자 및 유속 검출 소자의 신호를 제어하는 제어 회로를 포함하는 유속 센서에 있어서, 유속 검출 소자는, 적어도 하나의 발열용 서모파일로 이루어지고 열을 발산하는 가열부 및 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어지고 가열부를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부를 포함하며, 가열부에서 발산되는 열에 의한 피계측 유체의 온도 변화를 온도 감지부에서 측정하여 피계측 유체의 유속 및 유량을 측정한다.In addition, the thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention is a main flow passage through which the working fluid flows, a measurement flow passage through which the measured fluid branched from the main flow passage flows, and a measurement fluid passage installed in the measurement flow passage. A flow rate sensor comprising a flow rate detecting element for measuring a flow rate of a gas and a control circuit for controlling a signal of the flow rate detecting element, wherein the flow rate detecting element comprises at least one heating part configured to emit heat and at least It consists of a thermopile for measuring temperature and includes at least two temperature sensing units installed upstream or downstream of the heating unit, and the temperature sensing unit measures the temperature change of the measured fluid due to heat emitted from the heating unit. Measure the flow rate and flow rate of the fluid to be measured.

유속 센서, 서모파일, 유속 검출 소자, 유동 방향 감지  Flow rate sensor, thermopile, flow rate detection element, flow direction detection

Description

서모파일 유속 센서 {Thermopile flow sensor}Thermopile flow sensor {Thermopile flow sensor}

본 발명은 서모파일 유속 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기체 유속 센서에서 감지부의 형상을 새롭게 설계하여 응답성, 넓은 유량 측정 범위, 유속(유량) 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 서모파일 유속 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a thermopile flow rate sensor, and more particularly, to a thermopile flow rate sensor capable of improving responsiveness, wide flow rate measurement range, and flow rate (flow rate) measurement accuracy by newly designing a shape of a sensing unit in a gas flow rate sensor. It is about.

일반적으로 열식 공기 유량계는 상류 온도 감지부, 가열부, 하류 온도 감지부로 구성되어 있으며, 각 부분의 온도는 가열부의 발열에 의한 큰 열구배에 의해 열에너지가 기질로 확산되는 전도 열전달과 피계측 유체로 이송되는 대류 열전달 형상에 의해 지배되는데, 상류와 하류의 정해진 위치에서 온도 또는 온도차를 측정하거나 일정 온도차를 유지하기 위해 제어하는데 필요한 전력(또는 전압)을 측정하여 유속 및 유량을 측정하고 있다.In general, a thermal air flow meter is composed of an upstream temperature sensor, a heating part, and a downstream temperature sensor, and the temperature of each part is a conductive heat transfer and measurement fluid in which thermal energy is diffused to a substrate by a large heat gradient caused by the heating of the heating part. It is governed by the convective heat transfer geometry that is conveyed, measuring the flow rate and flow rate by measuring the temperature or temperature difference at a given location upstream and downstream, or by measuring the power (or voltage) required to control to maintain a constant temperature difference.

전자의 방식은 고속에서 센서의 감지 온도를 높이기 위해 소비 전력이 매우 커지고, 후자의 방식은 저속에서 측정 정밀도가 현저히 떨어지는 단점이 있다. 또한 설치 각도에 따라 상당히 큰 오차를 초래할 수 있다.The former method has a disadvantage in that the power consumption is very large to increase the sensing temperature of the sensor at high speed, and the latter method has a disadvantage in that the measurement accuracy is significantly decreased at a low speed. It can also lead to significant errors depending on the installation angle.

주유동 통로로부터 분기된 측정 유로 내의 센서 소자를 지지하기 위한 지지대가 필요하며, 이 지지대의 온도 특성은 흡기 온도 특성과 벽온도 특성에 크게 의 존한다. 흡기 온도 특성은 외부 환경 조건의 변화에 의한 것으로 공기의 물성치인 밀도, 동점성 계수, 열전도율 등의 온도 변화에 의해 계측 정도가 저하되는 것이다. 또한, 벽온도 특성은 열식 유속 센서가 자동차 등의 가혹한 조건에서 사용되는 경우 내연 기관의 온도 상승에 의해 열식 공기 유량 센서의 발열 저항체 및 온도 계측용 측온 저항체로 열이 전도되어 계측 정도가 저하되는 것이다.A support for supporting the sensor element in the measuring flow path branched from the main flow passage is required, and the temperature characteristic of the support depends largely on the intake temperature characteristic and the wall temperature characteristic. The intake temperature characteristic is caused by a change in external environmental conditions, and the measurement accuracy is lowered by temperature changes such as density, kinematic viscosity, and thermal conductivity, which are physical properties of air. In addition, the wall temperature characteristic is that when the thermal flow rate sensor is used in a severe condition such as an automobile, heat is conducted to the heat generating resistor of the thermal air flow sensor and the temperature measuring temperature measuring resistor due to an increase in the temperature of the internal combustion engine, thereby degrading the measurement accuracy. .

또한 열선(열막) 유속계의 기본 원리는 오래 전부터 공지되어 있는 기술이다. 이 열선 유속계는 운전 제어 방식에 따라 정전류 방식(constant current mode), 정온도 방식(constant temperature mode), 정온도차 방식, 정전력차 방식 등으로 나누어지며, 발열체 표면에서의 열전달 현상을 이용하여 유속을 측정하는 것이다.In addition, the basic principle of the hot wire (heat film) flowmeter is a technique known for a long time. The heating wire flowmeter is divided into constant current mode, constant temperature mode, constant temperature difference method, and constant power difference method according to the operation control method. To measure.

예를 들면, 열펄스(Thermal Pulse)를 표식자(Thermal Marker)로 이용하는 미국 특허 제5,533,412호(Pulsed thermal flow sensor), 일본 특개평 8-29226호에 개시된 것과 같이 전통적인 대류 열전달을 이용한 것 등 모두가 박막 소자 표면에서의 열전달 현상을 이용한 것들이다. 즉, 유속 센서는 금속 박막으로 이루어진 발열 저항체와 온도 계측용 측온 저항체를 실리콘 웨이퍼 상에 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 증착하거나 스퍼터링 등을 이용하여 박막을 코팅하는 이미 잘 알려진 반도체 공정 기술을 이용하여 제조하여 유속 및 유량을 측정하는 것이다.For example, US Pat. No. 5,533,412 (Pulsed thermal flow sensor) using a thermal pulse as a thermal marker, and using conventional convective heat transfer as disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 8-29226. The heat transfer phenomenon on the surface of the thin film device is used. That is, the flow rate sensor is manufactured by using a well-known semiconductor process technology in which a heating resistor made of a metal thin film and a temperature measuring resistance resistor for temperature measurement are deposited on a silicon wafer using micromachining technology or coating a thin film by sputtering or the like. It is to measure the flow rate and the flow rate.

그러나, 종래의 유속 센서는 다음과 같은 문제점이 있었다.However, the conventional flow rate sensor has the following problems.

기존의 반도체 제조 공정을 이용하여 제조한 열식 유속 센서는 저항을 변화시키기 위해 단일 선폭의 저항선의 길이를 조절하는 방법을 사용함으로써 발열체 상류의 급격한 온도 구배를 충분히 반영할 수 없어 중속 또는 고속 유동에서 측정 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.The thermal flux sensor manufactured using the conventional semiconductor manufacturing process uses a method of adjusting the length of the resistance wire of a single line width in order to change the resistance, so that it cannot measure sufficiently the rapid temperature gradient upstream of the heating element, so it is measured at medium speed or high speed flow. There is a disadvantage of poor precision.

또한, 절연막 위에 박막 저항선을 비교적 간단하게 배치함으로써 측정 유속 범위에 제한이 있으며, 가열 저항체 또는 측온 저항체로서의 기능이 사전에 정해져 있으며, 가혹한 사용 조건에서 주위로부터 유속 검출 소자로의 열전달을 억제하거나 냉각할 수 있는 기능이 없어, 유속 센서 지지체를 통한 열이 유속 검출 소자에 영향을 미쳐 정밀 측정에 어려움이 있다.In addition, a relatively simple arrangement of the thin film resistance wire on the insulating film has a limitation in the measurement flow rate range, and a function as a heating resistor or a temperature resistance resistor is predetermined, and it is possible to suppress or cool the heat transfer from the surroundings to the flow rate detection element under severe use conditions. Since there is no function, heat through the flow rate sensor support affects the flow rate detecting element, which makes it difficult to accurately measure the flow rate.

지금까지 하나의 반도체가 만들어지기까지는 회로 설계, 웨이퍼 가공, 배선, 패키지 등의 조립, 검사 등과 같은 4단계 과정을 거쳐 왔다. 이중 기존의 조립 공정은 가공이 끝난 웨이퍼에서 칩 절단을 한 후 작은 회로 기판(PCB) 부착 및 배선 연결(wire bonding) 과정을 거쳐 플라스틱 패키지를 씌우고 볼 부착하는 방식이다.Until now, a single semiconductor has gone through four stages: circuit design, wafer processing, wiring, assembly and inspection of packages. The existing assembly process involves cutting a chip from a processed wafer and then attaching and ball attaching a plastic package through a small circuit board (PCB) attachment and wire bonding process.

물론, 유속 검출 소자와 신호 검출 제어를 위한 배선과의 연결을 와이어 본딩한 후 이를 보호하기 위해 보호용 실링 재료를 도포하기도 한다. 그러나, 이 경우 별도의 와이어를 사용함으로써 전기적인 특성이 악화될 우려가 있을 뿐만 아니라 와이어를 배선하고 본딩해야 하므로 공정이 길어지는 문제점이 있다.Of course, a protective sealing material may be applied to wire-bond the connection between the flow rate detecting element and the wiring for signal detection control and then protect it. However, in this case, there is a concern that the electrical properties are deteriorated by using a separate wire as well as the process is lengthened because wires and bonding must be wired.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 제조 공정을 이용하여 열전대가 직렬 연결된 서모파일을 다중으로 배열하여 발열체 또는 측온체의 기능을 할 수 있도록 함으로써, 유속 변화에 따른 응답성을 향상시키고, 넓은 유속 및 유량 측정 범위를 가지며, 유속 및 유량 측정에 대한 정밀도를 향상시키는 것이다.The present invention is designed to improve the above problems, the technical problem to be achieved by the present invention is to enable a thermocouple connected in series by using a thermocouple in series to enable the function of a heating element or a thermometer, It is to improve the responsiveness according to the flow rate change, have a wide flow rate and flow measurement range, and improve the precision for the flow rate and flow rate measurement.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 제어 회로의 발열 모드와 냉각 열전달 특성을 조절하고 전력 소모를 개선하기 위하여 임의 파형 발생(arbitrary waveform generation)이 가능하도록 하여 소모 전력을 줄이고, 유동 방향을 구별할 수 있으며, 유속 및 유량 측정 범위를 현저히 증가시키는 것이다.Another technical problem of the present invention is to enable the arbitrary waveform generation to adjust the heating mode and cooling heat transfer characteristics of the control circuit and improve the power consumption, thereby reducing power consumption and distinguishing the flow direction. This significantly increases the flow rate and flow rate measurement range.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problem of the present invention is not limited to those mentioned above, another technical problem that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 유속 검출 소자는 서모파일(Thermopile)이 갖는 저항을 발열체로 이용하는 적어도 하나의 발열용 서모파일로 이루어지고 열을 발산하는 가열부 및 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어지고 상기 가열부를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부를 포함하며, 상기 가열부에서 발산되는 열에 의한 피계측 유체의 온도 변화를 상기 온도 감지부에서 측정하여 상기 피계측 유체의 유속 및 유량을 측정한다.In order to achieve the above object, the flow rate detecting element according to an embodiment of the present invention is composed of at least one heating thermopile using a resistance of the thermopile (Thermopile) as a heating element and a heating unit for dissipating heat and at least one A thermopile for measuring temperature and including at least two temperature sensing unit installed on the upstream or downstream side around the heating unit, and measuring the temperature change of the measured fluid by the heat emitted from the heating unit in the temperature sensing unit To measure the flow rate and flow rate of the measured fluid.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 서모파일 유속 센서는 동작 유체가 유통되는 주유동 통로와, 상기 주유동 통로에서 분기되는 피계측 유체가 유통되는 측정유동 통로와, 상기 측정유동 통로 내에 설치되며 상기 피계측 유체의 유속을 측정하는 유속 검출 소자 및 상기 유속 검출 소자의 신호를 제어하는 제어 회로를 포함하는 유속 센서에 있어서, 상기 유속 검출 소자는, 적어도 하나의 발열용 서모파일로 이루어지고 열을 발산하는 가열부 및 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어지고 상기 가열부를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부를 포함하며, 상기 가열부에서 발산되는 열에 의한 상기 피계측 유체의 온도 변화를 상기 온도 감지부에서 측정하여 상기 피계측 유체의 유속 및 유량을 측정한다.In order to achieve the above object, the thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention is a main flow passage through which the working fluid flows, a measurement flow passage through which the measured fluid branched from the main flow passage, and the measurement flow A flow rate sensor provided in a passage and including a flow rate detecting element for measuring a flow rate of the measured fluid and a control circuit for controlling a signal of the flow rate detecting element, wherein the flow rate detecting element comprises at least one heat generating thermopile. And a heating unit for dissipating heat and at least one thermopile for measuring temperature, and including at least two temperature sensing units installed on an upstream or downstream side of the heating unit, the heat dissipating from the heating unit The temperature change of the measured fluid is measured by the temperature sensing unit to determine the flow rate and flow rate of the measured fluid. Measure

상기한 바와 같은 본 발명의 서모파일 유속 센서에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to the thermopile flow rate sensor of the present invention as described above has one or more of the following effects.

첫째, 반도체 제조 공정을 이용하여 열전대가 직렬 연결된 서모파일을 다중으로 배열하여 발열체 또는 측온체의 기능을 할 수 있도록 함으로써, 유속 변화에 따른 응답성을 향상시키고, 넓은 유속 및 유량 측정 범위를 가지며, 유속 및 유량 측정에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다.First, by using a semiconductor manufacturing process by arranging multiple thermopile connected thermocouple in series to function as a heating element or a thermometer, it improves the response according to the flow rate change, has a wide flow rate and flow rate measurement range, Improve accuracy for flow rate and flow rate measurements.

둘째, 절연막 위에 다중 배열의 서모파일을 배치하고, 절연막의 하부에 공동 을 만들어 반도체 기판으로의 전도 열전달을 억제함으로써, 대류 열전달과 전도 열전달의 비를 크게 하여 응답성을 향상시킬 수 있다.Second, by arranging a thermopile of a multi-array on the insulating film, and by forming a cavity in the lower portion of the insulating film to suppress the conduction heat transfer to the semiconductor substrate, it is possible to increase the ratio of convective heat transfer and conduction heat transfer to improve the response.

셋째, 제어 회로의 발열 모드와 냉각 열전달 특성을 조절하고 전력 소모를 개선하기 위하여 임의 파형 발생(arbitrary waveform generation)이 가능하도록 하여 소모 전력을 줄이고, 유동 방향을 구별할 수 있으며, 유속 및 유량 측정 범위를 현저히 증가시킬 수 있다. 특히, 응용 조건에 따라 발열체 또는 측온체로서의 기능을 하는 서모파일을 스위칭에 의해 선택할 수 있도록 하여 유속 및 유량 측정 범위를 현저히 증가시킬 수 있다.Third, in order to adjust the heating mode and cooling heat transfer characteristics of the control circuit and improve the power consumption, it is possible to generate an arbitrary waveform generation to reduce the power consumption and distinguish the flow direction, and to measure the flow rate and flow rate. Can be increased significantly. In particular, it is possible to significantly increase the flow rate and flow rate measurement range by allowing a thermopile that functions as a heating element or a thermometer to be selected by switching depending on the application conditions.

넷째, 검출 소자 지지체와 유속 검출 소자는 가공이 끝난 웨이퍼에서 칩 절단을 한 후 검출 소자 지지체의 요부에 고정한 후 회로 기판(PCB) 연결 단자와 와이어 본딩(wire bonding)으로 배선 연결 과정을 거쳐 플라스틱 패키지를 씌우는 기존의 방식뿐만 아니라, 반도체 기판에 구현된 각각의 저항체 칩 위에 전기 접촉이 불필요한 부분에 감광성 절연 물질을 입히고 배선 결합한 후 다시 절연 물질을 덧씌워지는 것으로 결합됨으로써 절차를 줄이고 패키지 공정을 크게 단순화시킬 수 있다.Fourth, the detection element support and the flow rate detection element are cut into chips on the processed wafer, and then fixed to the recesses of the detection element support, and then connected to the circuit board (PCB) connection terminal and wire bonding to form a plastic package. In addition to the conventional method of covering the substrate, the photosensitive insulating material is coated on the resistive chip implemented on the semiconductor substrate, wires are combined, and the insulating material is overlaid again to reduce the procedure and greatly simplify the packaging process. You can.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the general knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 서모파일 유속 센서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings for describing a thermopile flow rate sensor according to embodiments of the present invention.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서를 나타내는 정면도이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서를 나타내는 종단면도이다.Figure 1a is a front view showing a thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 1b is a longitudinal cross-sectional view showing a thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서(1)는 주유동 통로(100)와, 측정유동 통로(200)와, 유속 검출 소자(300) 및 제어 회로(400)를 포함할 수 있다.The thermopile flow rate sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention may include a main flow passage 100, a measurement flow passage 200, a flow rate detection element 300, and a control circuit 400.

주유동 통로(100)는 동작 유체(10)가 유통되는 공간을 제공할 수 있다. 예를 들면, 주유동 통로(100)는 자동차 등 내연 기관의 흡기 통로일 수 있다.The main flow passage 100 may provide a space in which the working fluid 10 flows. For example, the main flow passage 100 may be an intake passage of an internal combustion engine such as an automobile.

측정유동 통로(200)는 주유동 통로(100)에서 분기되는 피계측 유체(20)가 유통되는 공간을 제공하고, 내부에 피계측 유체(20)의 유속을 측정하는 유속 검출 소자(300)가 배치될 수 있다.The measurement flow passage 200 provides a space through which the measured fluid 20 branched from the main flow passage 100 flows, and the flow rate detecting element 300 measuring the flow rate of the measured fluid 20 therein is provided. Can be deployed.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 유속 검출 소자가 배치되는 측정유동 통로의 일실시예를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a measurement flow path in which a flow rate detection element is disposed in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 측정유동 통로(200)는 적어도 두 개의 변곡점을 가지는 제1 곡선 경로(220)와, 제1 곡선 경로(220)로부터 분기되는 제2 곡선 경로(230)를 포함할 수 있다. 그리고, 제2 곡선 경로(230)의 상단부에 유속 검출 소자(300)가 설치될 수 있다.As shown in FIG. 2, the measurement flow passage 200 may include a first curved path 220 having at least two inflection points and a second curved path 230 branching from the first curved path 220. Can be. In addition, the flow rate detecting element 300 may be installed at an upper end of the second curved path 230.

제1 곡선 경로(220)로부터 분기되는 제2 곡선 경로(230)의 입구 부분에 메쉬(mesh)(240)가 경사지게 설치될 수 있다. 메쉬(240)는 주유동 통로(100)에서 분기되는 피계측 유체(20)에 포함된 이물질 등을 제거하는 필터의 역할을 할 수 있다.A mesh 240 may be inclined at an inlet portion of the second curved path 230 branching from the first curved path 220. The mesh 240 may serve as a filter for removing foreign matters and the like contained in the measurement fluid 20 branching from the main flow passage 100.

또한, 제1 곡선 경로(220)와 제2 곡선 경로(230)의 중앙 부분에 적어도 하나의 유동 홀(250a, 250b, 250c, 260)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 곡선 경로(220)와 제2 곡선 경로(230)에 의해 피계측 유체(20)의 흐름이 급격하게 변화하는 부분에 상대적으로 크기가 다른 적어도 하나의 유동 홀(250a, 250b, 250c, 260)이 형성될 수 있다. 따라서, 따라서, 주유동 통로(100)에서 분기되는 피계측 유체(20)가 유동 홀(250a, 250b, 250c, 260)을 통해 주유동 통로로 벤트(vent)가 되어 측정유동 통로(200) 내에서 재순환 유동의 형성을 억제할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 베르누이(Bernoulli)의 정리에 의해 측정유동 통로(200) 외부에 고속으로 흐르는 동작 유체(10)와의 압력 차에 따라 피계측 유체(20)의 일부가 유동 홀(250a, 250b, 250c, 260)을 통해 주유동 통로(100)로 빠져나감으로써 측정유동 통로 내의 와류 및 재순환 유동의 형성을 억제할 수 있다. 유동 홀(250a, 250b, 250c, 260)의 위치, 형상 및 개수는 당업자에 의해 변경이 가능하다.In addition, at least one flow hole 250a, 250b, 250c, or 260 may be included in a central portion of the first curved path 220 and the second curved path 230. Preferably, at least one flow hole 250a or 250b having a different size relative to a portion where the flow of the measured fluid 20 changes rapidly by the first curved path 220 and the second curved path 230. , 250c, 260 may be formed. Accordingly, the measured fluid 20 branching from the main flow passage 100 is vented into the main flow passage through the flow holes 250a, 250b, 250c, and 260, and thus, in the measurement flow passage 200. It is possible to suppress the formation of recycle flow in the reactor. That is, according to Bernoulli's theorem, a part of the measured fluid 20 is flow holes 250a, 250b, 250c, and 260 according to the pressure difference with the working fluid 10 flowing at a high speed outside the measurement flow passage 200. By exiting into the main flow passage 100 through) it is possible to suppress the formation of vortex and recycle flow in the measurement flow passage. The position, shape and number of the flow holes 250a, 250b, 250c, and 260 can be changed by those skilled in the art.

한편, 측정유동 통로(200)는 그 내부에 유속 검출 소자(300)를 제2 곡선 경로(230)의 상단부에 설치할 수 있도록 유속 검출 소자 지지부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 또한, 유속 검출 소자 지지부는 제어 회로(400)가 유속 검출 소자(300)의 접촉 패드(375)에 전기적으로 접속될 수 있도록 유속 검출 소자(300)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 이러한 유속 검출 소자 지지부는 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(Polybutylene terephthalate) 등과 같은 수지로 성형될 수 있다.Meanwhile, the measurement flow passage 200 may further include a flow rate detection element support (not shown) so that the flow rate detection element 300 may be installed at the upper end of the second curved path 230 therein. In addition, the flow rate detecting element support may serve to support the flow rate detecting element 300 so that the control circuit 400 can be electrically connected to the contact pad 375 of the flow rate detecting element 300. The flow rate detection element support may be molded of a resin such as polybutylene terephthalate.

다시 도 1b를 참조하면, 유속 검출 소자(300)는 피계측 유체(20)의 유속을 측정하는 역할을 하며, 열전달 현상을 이용하여 유체의 유속을 측정하는 열식 질량 유량 센서(Thermal Mass Flow Sensor)의 형태로 이루어질 수 있다. 유속 검출 소자(300)에 대해서는 이 후 자세히 후술한다.Referring back to FIG. 1B, the flow rate detection element 300 serves to measure the flow rate of the measured fluid 20 and a thermal mass flow sensor for measuring the flow rate of the fluid using a heat transfer phenomenon. It can be made in the form of. The flow rate detecting element 300 will be described later in detail.

제어 회로(400)는 유속 검출 소자(300)의 신호를 제어하는 역할을 할 수 있다. 바람직하게는, 제어 회로(400)는 가열부(301)에 임의 파형의 발열 형상으로 제어 신호를 공급하는 파형 발생원(401)을 포함할 수 있다. 따라서, 파형 발생원(401)은 가열부(301)의 발열 패턴을 내장 프로그램을 이용하여 필요로 하는 주기 및 듀티비(Duty ratio)로 조절하면서 열유속을 삼각파, 사각파, 톱니파, 정현파 등의 임의 파형으로 설정할 수 있다. 이에 대해서는 이 후 자세히 후술한다.The control circuit 400 may serve to control the signal of the flow rate detecting element 300. Preferably, the control circuit 400 may include a waveform generator 401 for supplying a control signal to the heating unit 301 in a heat generating shape of an arbitrary waveform. Accordingly, the waveform generator 401 adjusts the heat pattern of the heating unit 301 to the period and duty ratio required by using the built-in program, while adjusting the heat flux to arbitrary waveforms such as triangular wave, square wave, sawtooth wave, and sine wave. Can be set. This will be described later in detail.

한편, 서모파일 유속 센서(1)는 제어 회로(400)가 내부에 수납되고 내부에 전자기판 쉴드(도시되지 않음)를 가지는 제어 회로 케이스(410) 및 유속 검출 소자(300)에 전력을 공급하거나 유속 검출 소자(300)의 유속 검출 신호를 외부로 인출하기 위한 전기 커넥터(420)를 더 포함할 수 있다. 제어 회로 케이스(410)와 전 기 커넥터(420)는 폴리부틸렌 텔레프탈레이트 등의 수지를 사용해서 일체형으로 성형할 수 있다.On the other hand, the thermopile flow rate sensor 1 supplies power to the control circuit case 410 and the flow rate detection element 300 in which the control circuit 400 is accommodated therein and has an electromagnetic shield (not shown). The apparatus may further include an electrical connector 420 for drawing out a flow rate detection signal of the flow rate detection element 300 to the outside. The control circuit case 410 and the electric connector 420 can be integrally molded using resin such as polybutylene telephthalate.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 종단면도이다.Figure 3a is a plan view showing the structure of the flow rate detection element in the thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 3b is a structure of the flow rate detection element in the thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention It is a longitudinal cross-sectional view which shows.

본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서(1)의 유속 검출 소자(300)는 열식 질량 유량 센서(Thermal Mass Flow Sensor)와 같이 열전달 현상을 이용하여 유속을 감지하는 소자로서, 가열부(301)와, 온도 감지부(302a, 302b)와, 반도체 기판(320), 절연막(350) 및 패턴 보호막(360)을 포함할 수 있다. 유속 검출 소자(300)는 가열부(301)에서 발산되는 열에 의한 피계측 유체(20)의 온도 변화를 온도 감지부(302a, 302b)에서 측정하여 피계측 유체(20)의 유속 및 유량을 측정하는 역할을 할 수 있다.The flow rate detecting element 300 of the thermopile flow rate sensor 1 according to an embodiment of the present invention is an element that senses the flow rate by using a heat transfer phenomenon, such as a thermal mass flow sensor. 301, temperature sensing units 302a and 302b, semiconductor substrate 320, insulating film 350, and pattern protection film 360. The flow rate detecting element 300 measures the flow rate and flow rate of the measured fluid 20 by measuring the temperature change of the measured fluid 20 due to the heat emitted from the heating unit 301 by the temperature sensing units 302a and 302b. Can play a role.

가열부(301)는 피계측 유체(20)를 향해 열을 발산하는 히터(Heater) 역할을 할 수 있다. 바람직하게는, 가열부(301)는 서모파일(Thermopile)이 갖는 저항을 발열체로 이용하는 적어도 하나의 발열용 서모파일(310a)로 이루어질 수 있다. 도 3a에서는, 하나의 발열용 서모파일(310a)로 구성된 경우를 예로 들어 설명한다.The heating unit 301 may serve as a heater that radiates heat toward the measurement fluid 20. Preferably, the heating unit 301 may be formed of at least one heating thermopile 310a using a resistance of the thermopile as a heating element. In FIG. 3A, a case in which one heat generating thermopile 310a is configured will be described as an example.

도 3a에 예시된 바와 같이, 서모파일은 서로 다른 금속 박막(311a, 312a) 또는 열전 재료를 연결하였을 때 온도차에 따라 기전력을 발생시키는(이를 Seebeck 효과라 한다.) 복수의 열전대를 직렬로 연결함으로써 형성할 수 있다. 서로 다른 금속 박막(311a, 312a)을 연결하는 부분에는 온도 측정점인 접점, 즉 온접점 및 냉 접점(313a, 314a)이 형성될 수 있다. 온접점은 상대적으로 온도가 높은 접점을 의미하며, 냉접점은 상대적으로 온도가 낮은 접점을 의미한다. 여기서, 접점이란 서로 다른 금속 박막(311a, 312a)이 연결되는 곳으로, 선과 선이 만나는 점을 의미할 수 도 있고, 면과 면이 만나는 접촉면을 의미할 수도 있다.As illustrated in FIG. 3A, a thermopile is formed by connecting a plurality of thermocouples in series to generate electromotive force according to a temperature difference when the different metal thin films 311a and 312a or thermoelectric materials are connected (this is called a Seebeck effect). Can be formed. A contact point, that is, a hot contact point and a cold contact point 313a and 314a, which are temperature measuring points may be formed at a portion connecting the metal thin films 311a and 312a to each other. The hot junction means a contact with a relatively high temperature, and the cold junction means a contact with a relatively low temperature. Here, the contact point is a place where different metal thin films 311a and 312a are connected, and may mean a point where a line meets a line, or a contact surface where a face meets a face.

한편, 각각의 서모파일은 백금, 루테늄, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 금, 동, 크롬, 니켈 등과 같은 금속 박막이나 불순물을 도핑한 폴리 실리콘 등을 포함하는 열전 재료로 이루어질 수 있다.Meanwhile, each thermopile may be made of a thermoelectric material including a metal thin film such as platinum, ruthenium, tungsten, titanium, aluminum, gold, copper, chromium, nickel, or polysilicon doped with impurities.

본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서(1)에서는 유속 검출 소자(300)의 가열부(301)에 기존의 저항체 대신 서모파일을 이용함으로써, 유속 변화에 따른 응답성을 향상시키고, 넓은 유속 및 유량 측정 범위를 가지며, 유속 및 유량 측정에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다.In the thermopile flow rate sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention, a thermopile is used in place of a conventional resistor in the heating unit 301 of the flow rate detecting element 300, thereby improving the responsiveness according to the flow rate change, It has a flow rate and flow rate measurement range, and can improve the precision of the flow rate and flow rate measurement.

온도 감지부(302a, 302b)는 피계측 유체(20)의 온도를 측정하는 역할을 할 수 있다. 유속 검출 소자(300)는 가열부(301)를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부(302a, 302b)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 온도 감지부(302a, 302b)는 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어질 수 있다.The temperature detectors 302a and 302b may serve to measure the temperature of the measurement fluid 20. The flow rate detecting element 300 may include at least two temperature sensing units 302a and 302b installed upstream or downstream of the heating unit 301. Preferably, each of the temperature detectors 302a and 302b may be formed of at least one thermopile for temperature measurement.

도 3a에서는, 가열부(301)를 중심으로 피계측 유체(20)가 유입되는 상류측에 배치되고 하나의 온도 계측용 서모파일(310b)를 포함하는 상류측 온도 감지부(302a)와, 피계측 유체(20)가 유출되는 하류측에 배치되고 하나의 온도 계측용 서모파일(310c)를 포함하는 하류측 온도 감지부(302b)로 구성된 경우를 예를 들어 설명한다.In FIG. 3A, an upstream side temperature sensing unit 302a disposed at an upstream side where the measurement fluid 20 flows around the heating unit 301 and including a temperature measuring thermopile 310b and The case where it consists of the downstream temperature sensing part 302b which is arrange | positioned on the downstream side from which the measurement fluid 20 flows out, and contains one temperature measurement thermopile 310c is demonstrated, for example.

한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, 유속 검출 소자(300)는 공동(Cavity)(330)이 형성된 반도체 기판(320)과 반도체 기판(320)을 덮어 멤브레인(Membrane)(340)을 형성하는 절연막(350)을 포함할 수 있다. 절연막(350)은 적어도 한 층 이상을 형성할 수 있다. 또한, 절연막(350) 상에 배치된 복수의 서모파일(310a, 310b, 310c)을 피복하는 패턴 보호막 (Passivation layer)(360)을 포함할 수 있다. 패턴 보호막(360)은 적어도 한 층 이상을 형성할 수 있으며, 서모파일을 피복하여 내부 잔류 응력을 최소화하고 멤브레인(340)의 변형을 현저히 감소시킬 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3B, the flow rate detecting element 300 is an insulating layer covering the semiconductor substrate 320 on which the cavity 330 is formed and the semiconductor substrate 320 to form a membrane 340. And may include 350. The insulating film 350 may form at least one layer. In addition, a passivation layer 360 may be formed to cover the plurality of thermopiles 310a, 310b, and 310c disposed on the insulating layer 350. The pattern protection layer 360 may form at least one layer, and may cover the thermopile to minimize internal residual stress and to significantly reduce deformation of the membrane 340.

반도체 기판(320)은 그 상부에 가열부(301)의 발열용 서모파일(310a)과 온도 감지부(302a, 302b)의 온도 계측용 서모파일이 배열된 절연막(350)이 형성될 수 있다. 바람직하게는 반도체 기판(320)으로 실리콘 웨이퍼(Silicon wafer), SOI(Silicon-On-Insulator) 등과 같은 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 반도체 기판(320) 내부에는 공동(Cavity)가 형성될 수 있다.The semiconductor substrate 320 may have an insulating film 350 on which the heating thermopile 310a of the heating unit 301 and the temperature measuring thermopile of the temperature sensing units 302a and 302b are arranged. Preferably, a silicon substrate such as a silicon wafer, a silicon-on-insulator (SOI), or the like may be used as the semiconductor substrate 320. A cavity may be formed in the semiconductor substrate 320.

다시 도 3a를 참조하면, 가열부(301)와 온도 감지부(302a, 302b)를 구성하고 있는 각각의 서모파일은 서로 다른 금속 박막을 연결하는 부분에는 온도 측정점인 접점들, 즉 온접점(Hot junction) 및 냉접점(Cold junction)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 가열부(301)의 발열용 서모파일(310a)는 서로 다른 두 개의 금속 박막(311a, 312a)으로 이루어진 열전대를 직렬로 복수개 연결할 수 있는데, 두 개의 금속 박막(311a, 312a)이 연결되는 부위에는 복수의 접점들(313a, 314a)을 가질 수 있다. 발열용 서모파일(310a)의 양끝 단에는 발열용 서모파일(310a)를 외부에 있는 제어 회로(400)의 제어 회로 도선과 연결하기 위해 리드선(370)과 접촉 패드(375)가 형성될 수 있다. 리드선(370)은 발열용 서모파일(310a)을 구성하는 재질 중의 하나를 선택하거나, 제 3의 재질을 선택하고 폭을 조절하여 저항의 크기를 조절하여 사용할 수 있다.Referring again to FIG. 3A, each of the thermopiles constituting the heating unit 301 and the temperature sensing units 302a and 302b has contact points that are temperature measuring points, that is, hot contacts, at portions connecting different metal thin films. junction and cold junction may be formed. For example, the heating thermopile 310a of the heating unit 301 may connect a plurality of thermocouples composed of two different metal thin films 311a and 312a in series, and the two metal thin films 311a and 312a may be connected in series. A portion to be connected may have a plurality of contacts 313a and 314a. At both ends of the heating thermopile 310a, a lead wire 370 and a contact pad 375 may be formed to connect the heating thermopile 310a with a control circuit lead of the control circuit 400 that is external. . The lead wire 370 may select one of materials constituting the heating thermopile 310a or select a third material and adjust the width to adjust the size of the resistor.

또한, 유속 검출 소자(300)는 피계측 유체(20)의 입구 또는 출구 측의 온도를 측정하여 피계측 유체(20)의 온도 변화를 보정하는 온도 보상부(303a, 303b)를 더 포함할 수 있다. 이에 대해서는 자세히 후술한다.In addition, the flow rate detecting element 300 may further include temperature compensators 303a and 303b for measuring a temperature at an inlet or an outlet of the measured fluid 20 to correct a temperature change of the measured fluid 20. have. This will be described later in detail.

한편, 유속 검출 소자(300) 내의 복수의 서모파일 중에서 발열용 서모파일(310a)의 기능을 하는 서모파일과 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 기능을 하는 서모파일을 응용 조건에 따라 선택할 수 있도록 제어 회로(400)의 모듈형 연결 단자(도시되지 않음)로 리드선(370) 상의 접촉 패드(375)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에서는 반도체 기판(320)의 중앙에 위치하는 서모파일(310a)을 발열용 서모파일로, 그 양쪽에 위치하는 서모파일(310b, 310c)을 온도 계측용 서모파일로 사용하고 있다. 그러나, 제어 회로(400)의 모듈형 연결 단자를 원하는 접촉 패드(375)에 접속하여 하류측에 위치하는 서모파일(310c)을 발열용 서모파일로, 상류측에 위치하는 두 개의 서모파일(310a, 310b)을 온도 계측용 서모파일로 설정할 수도 있다.On the other hand, the thermopile serving as the heat generating thermopile 310a and the thermopile serving as the temperature measuring thermopile 310b and 310c are selected from among a plurality of thermopiles in the flow rate detecting element 300 according to application conditions. The contact pads 375 on the lead wires 370 may be controlled by a modular connection terminal (not shown) of the control circuit 400. For example, in FIG. 3A, the thermopile 310a positioned at the center of the semiconductor substrate 320 is used as a heating thermopile, and the thermopiles 310b and 310c located at both sides thereof are used as the thermopile for temperature measurement. have. However, the thermopile 310c located on the downstream side by connecting the modular connection terminal of the control circuit 400 to the desired contact pad 375 is a heating thermopile, and the two thermopiles 310a located on the upstream side. , 310b) may be set as a thermopile for temperature measurement.

한편, 서모파일과 접속된 리드선(370) 상의 접촉 패드(375)는 적용 분야에 따라 스위칭(통전 시간) 제어, 전류 또는 전압 제어 알고리즘을 포함하는 제어 회로(400) 연결부의 접속을 변환할 수 있는 모듈형 핀 형상으로 이루어짐으로써 용도 의 유연성을 높게 할 수 있다. 또한, 접촉 패드(375)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 회로 구성이 가능하다. 즉, 리드선(370)과 접촉 패드(375)의 위치, 형상, 접속 방법 등은 당업자에 의해 변경이 가능하다.On the other hand, the contact pads 375 on the lead wires 370 connected to the thermopile may convert the connection of the connection of the control circuit 400 including switching (conduction time) control, current or voltage control algorithms depending on the application. The modular pin shape makes it possible to increase the flexibility of the application. In addition, the circuit may be configured by connecting the contact pads 375 in series or in parallel. That is, the position, shape, connection method, etc. of the lead wire 370 and the contact pad 375 can be changed by those skilled in the art.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서 유속 검출 소자가 측정하는 온도 측정 위치에 따른 유속 측정 방법을 나타내는 도면이다.4A to 4B are views illustrating a flow rate measuring method according to a temperature measuring position measured by a flow rate detecting element in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

서로 다른 서모파일을 반도체 기판(320) 상에서 온도 구배가 상대적으로 큰 부분에 집중적으로 배치하여 온도 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 넓은 범위에 있어서 유속 및 유량을 측정할 수 있다.Different thermopiles may be concentrated on a portion having a relatively large temperature gradient on the semiconductor substrate 320 to improve the accuracy of temperature measurement. Therefore, the flow rate and the flow rate can be measured over a wide range.

온도 측정의 정밀도를 향상시키기 위해서는, 절연막(350) 상의 온도 분포에 따른 온도 측정점, 즉 온접점 또는 냉접점의 위치를 다르게 하여 그 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절함으로써 유속 검출 소자(300)가 측정하는 유속 측정 감도(Sensitivity)를 높이고 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.In order to improve the accuracy of the temperature measurement, the flow rate detecting element 300 adjusts the weight of the temperature distribution according to the position by changing the position of the temperature measuring point, that is, the hot or cold junction, according to the temperature distribution on the insulating film 350. It is possible to increase the measurement sensitivity and increase the measurement accuracy.

도 4a는 본 발명의 제1 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 측정 위치에 따른 유속 측정 방법을 나타내는 도면이다.4A is a view illustrating a flow rate measuring method according to a temperature measuring position of the flow rate detecting device according to the first embodiment of the present invention.

먼저 도 3a를 다시 참조하면, 바람직하게는, 상류측 온도 계측용 서모파일(310b)과 하류측 온도 계측용 서모파일(310c)은 가열부(301)의 발열용 서모파일(310a)를 중심으로 좌우 대칭적으로 배치될 수 있다. 그러나, 상류측 온도 계측용 서모파일(310b)과 하류측 온도 계측용 서모파일(310c)은 가열부(301)의 발열용 서모파일(310a)를 중심으로 비대칭적으로 배치하여 상류측 또는 하류측의 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절할 수 있다.First, referring back to FIG. 3A, preferably, the upstream temperature measurement thermopile 310b and the downstream temperature measurement thermopile 310c are mainly centered on the heating thermopile 310a of the heating unit 301. It may be arranged symmetrically. However, the upstream temperature measurement thermopile 310b and the downstream temperature measurement thermopile 310c are asymmetrically disposed about the heat generating thermopile 310a of the heating unit 301, so that the upstream or downstream side is The weight of the temperature distribution can be adjusted according to the position of.

한편, 도 3a에서는, 온도 계측용 서모파일의 냉접점들(313b, 314c)은 반도체 기판(320) 상에 배치하고 온접점들(314b, 313c)은 멤브레인(340) 상에 배치하고 있다.Meanwhile, in FIG. 3A, the cold junctions 313b and 314c of the thermomechanical thermopile are disposed on the semiconductor substrate 320 and the hot junctions 314b and 313c are disposed on the membrane 340.

이와 달리, 도 4a에 도시된 바와 같이, 온도 계측용 서모파일의 냉접점들(313b, 314c) 및 온접점들(314b, 313c)을 모두 멤브레인(340) 상에 배치하여 절연막(350) 상의 온도 분포에 따른 온도 측정점의 위치를 다르게 하여 위치에 따른 온도의 가중치를 조절할 수 있다.In contrast, as shown in FIG. 4A, the cold junctions 313b and 314c and the hot junctions 314b and 313c of the thermomechanical thermopile are disposed on the membrane 340 to provide a temperature on the insulating film 350. By changing the position of the temperature measurement point according to the distribution it is possible to adjust the weight of the temperature according to the position.

도 4b는 본 발명의 제2 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 측정 위치에 따른 유속 측정 방법을 나타내는 도면이다.4B is a view illustrating a flow rate measuring method according to a temperature measuring position of the flow rate detecting device according to the second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 접점들, 즉 온접점들(314b, 313c) 또는 냉접점들(313b, 314c)의 위치를 조절하여 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절할 수 있다.According to the second embodiment of the present invention, the position of the contacts of the thermomechanical thermopile 310b, 310c, that is, the hot contacts 314b, 313c or the cold contacts 313b, 314c is adjusted according to the position. The weight of the temperature distribution can be adjusted.

도 4b에 도시된 바와 같이, 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 접점들, 즉 온접점들(314b, 313c) 또는 냉접점들(313b, 314c)이 임의의 형상으로 배치되어, 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)에서의 기전력의 크기를 응용 조건에 따라 다르게 하여 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절할 수 있다. 즉, 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 접점들, 즉 온접점들 또는 냉접점들은 직선형, 원형, 타원형, 삼각형 등과 같은 직선 또는 곡선을 포함하는 임의의 형상으로 배치되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 4b에서는 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 온점접들(314b, 313c)이 대략 직선-타원형의 혼합 형상으로 배치되어 있는 것을 나타낸다. As shown in FIG. 4B, the contacts of the thermomechanical thermopiles 310b and 310c, that is, the hot contacts 314b and 313c or the cold contacts 313b and 314c, are arranged in an arbitrary shape, thereby measuring the temperature. By varying the magnitude of the electromotive force in the thermal thermopile (310b, 310c) according to the application conditions, the weight of the temperature distribution according to the position can be adjusted. That is, the contacts of the thermomechanical thermopiles 310b and 310c, that is, the hot contacts or the cold contacts may be arranged in any shape including a straight line or a curve such as a straight line, a circle, an ellipse, and a triangle. For example, in FIG. 4B, the on-contact points 314b and 313c of the thermomechanical thermopiles 310b and 310c are arranged in a substantially linear-elliptic mixed shape.

도 4c 내지 도 4e는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서 유속 검출 소자가 측정하는 온도를 보상하는 방법을 나타내는 도면이다.4C to 4E illustrate a method of compensating for a temperature measured by a flow rate detecting element in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4c는 본 발명의 제3 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 보상 방법을 나타내는 도면이다.4C is a view illustrating a temperature compensation method of a flow rate detecting device according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 유속 검출 소자(300)는 피계측 유체(20)의 입구 또는 출구 측의 온도를 측정하여 피계측 유체(20)의 온도 변화를 보정하는 온도 보상부(303a, 303b)를 더 포함할 수 있다.According to the third embodiment of the present invention, the flow rate detecting element 300 measures the temperature at the inlet or outlet side of the measured fluid 20 to compensate for the temperature change of the measured fluid 20. , 303b) may be further included.

도 4c에 도시된 바와 같이, 발열용 서모파일(310a)을 중심으로 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 바깥쪽에 온도 보상부(303a, 303b)를 두어 그 위치에 따른 온도 분포의 가중치로 피측정 유체(20)의 온도 변화가 유속 측정 정밀도에 미치는 영향을 반영할 수 있다. 즉, 유속을 측정하는 환경에 따라 온도 감지부(302a, 302b)에서 측정한 온도 변화가 달라질 수 있기 때문에, 피계측 유체(20)가 유입되는 입구 또는 유출되는 출구에서 피계측 유체(20)의 온도를 측정하여 주위 환경에 따라 온도 변화를 보정할 수 있다. 온도 보상부(303a, 303b)는 상류측 또는 하류측에 적어도 하나 이상을 설치할 수 있다.As shown in FIG. 4C, the temperature compensators 303a and 303b are disposed outside the temperature measurement thermopile 310b and 310c around the heat generating thermopile 310a, and as a weight of the temperature distribution according to the position thereof. The influence of the temperature change of the fluid under measurement 20 on the flow rate measurement accuracy can be reflected. That is, since the temperature change measured by the temperature sensing units 302a and 302b may vary according to the environment for measuring the flow velocity, the measured fluid 20 may be formed at the inlet or outlet of the measured fluid 20. By measuring the temperature, the temperature change can be corrected according to the surrounding environment. The temperature compensating units 303a and 303b may be provided at least one on the upstream side or the downstream side.

바람직하게는, 온도 보상부(303a, 303b)는 정해진 하나의 단일 저항체(311a, 311b)를 사용할 수 있다. 또한, 온도 보상부(303a, 303b)는 서모파일을 구성하는 물질(311a, 312a) 중 어느 하나를 사용할 수도 있다.Preferably, the temperature compensators 303a and 303b may use one single resistor 311a and 311b. In addition, the temperature compensators 303a and 303b may use any one of the materials 311a and 312a constituting the thermopile.

도 4d는 본 발명의 제4 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 보상 방법을 나타내는 도면이다.4D is a view illustrating a temperature compensation method of a flow rate detecting device according to a fourth embodiment of the present invention.

본 발명의 제4 실시예에 따르면, 유속 검출 소자(300)는 피계측 유체(20)의 유동 방향과 수직한 발열용 서모파일(310a)의 양쪽에 추가 단자를 설치함으로써 멤브레인(340) 상의 측면에서의 온도를 측정할 수 있다.According to the fourth embodiment of the present invention, the flow rate detecting element 300 has a side surface on the membrane 340 by providing additional terminals on both sides of the heating thermopile 310a perpendicular to the flow direction of the measured fluid 20. The temperature at can be measured.

도 4d에 도시된 바와 같이, 발열용 서모파일(310a)의 양쪽에는 추가 단자, 즉, 리드선(371, 372, 373)과 접촉 패드(376, 377)가 추가적으로 연결될 수 있다. 이 때, 리드선(371, 372, 373)은 발열용 서모파일(310a) 끝단의 금속 박막(312a)과 같은 재질을 사용할 수 있다. 즉, 금속 박막(312a)와 리드선(371, 372, 373)이 같은 재질이므로, 마치 하나의 단일 저항체와 같은 역할을 할 수 있으므로, 멤브레인(340) 상의 측면에서의 온도를 측정하여 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 유속 측정 및 온도 보상에 반영하여 정밀도 향상을 기할 수 있다.As illustrated in FIG. 4D, additional terminals, that is, lead wires 371, 372, and 373, and contact pads 376 and 377 may be additionally connected to both sides of the heating thermopile 310a. In this case, the lead wires 371, 372, and 373 may use the same material as the metal thin film 312a at the end of the heating thermopile 310a. That is, since the metal thin film 312a and the lead wires 371, 372, and 373 are made of the same material, the metal thin film 312a and the lead wires 371a, 372, and 373 may act as a single resistor. The weight of the distribution can be reflected in the flow rate measurement and the temperature compensation to improve the accuracy.

도 4e는 본 발명의 제5 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 보상 방법을 나타내는 도면이다.4E is a view illustrating a temperature compensation method of a flow rate detecting element according to a fifth embodiment of the present invention.

본 발명의 제5 실시예에 따르면, 유속 검출 소자(300)는 피계측 유체(20)의 유동 방향과 수직한 발열용 서모파일(310a)의 양쪽에 추가 단자를 설치함으로써 반도체 기판(320) 상의 측면에서의 온도를 측정할 수 있다.According to the fifth embodiment of the present invention, the flow rate detecting element 300 is provided on the semiconductor substrate 320 by providing additional terminals on both sides of the heating thermopile 310a perpendicular to the flow direction of the measured fluid 20. The temperature at the side can be measured.

기본적인 구성은 도 4d에서 설명한 것과 같다. 다만, 도 4e에 도시된 바와 같이, 발열용 서모파일(310a)의 끝단의 금속 박막(312a)가 멤브레인(340) 외부에 있으므로, 반도체 기판(320) 상의 측면에서의 온도를 측정할 수 있다.The basic configuration is as described in FIG. 4D. However, as shown in FIG. 4E, since the metal thin film 312a at the end of the heating thermopile 310a is outside the membrane 340, the temperature at the side surface of the semiconductor substrate 320 may be measured.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서 유 속 검출 소자의 가열부를 구성하는 발열용 서모파일의 온도를 제어하는 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.5A to 5E are views illustrating various embodiments of controlling a temperature of a heating thermopile constituting a heating unit of a flow rate detection element in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5a는 발열용 서모파일의 온도를 일정하게 제어하는 PWM 신호의 예를 나타내는 도면이고, 도 5b는 발열용 서모파일의 온도가 일정하게 제어되는 경우, 반도체 기판 상에서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.FIG. 5A is a diagram showing an example of a PWM signal for constantly controlling the temperature of the heating thermopile, and FIG. 5B is a diagram showing the temperature distribution on the semiconductor substrate when the temperature of the heating thermopile is constantly controlled.

도 5a에 도시된 바와 같이, 가열부(301)의 발열용 서모파일(310a)의 온도는 제어 회로(400)에 의하여 일정한 온도로 유지될 수 있다. 도 5a의 그래프에서 가로축(x축)은 유속 측정의 경과 시간을 의미하고, 세로축(y축)은 제어 회로(400)에서 발열용 서모파일(310a)로 공급되는 PWM 제어 출력 신호(전기, 전력, 전압 또는 전류 등)를 의미할 수 있다.As shown in FIG. 5A, the temperature of the heating thermopile 310a of the heating unit 301 may be maintained at a constant temperature by the control circuit 400. In the graph of FIG. 5A, the horizontal axis (x-axis) indicates the elapsed time of the flow rate measurement, and the vertical axis (y-axis) indicates a PWM control output signal (electricity, power) supplied from the control circuit 400 to the heating thermopile 310a. , Voltage or current).

도 5b는 반도체 기판(320) 상의 온도 분포를 나타내며, 그래프에서 가로축(x축)은 반도체 기판(20) 상에서의 위치를 의미하고, 세로축(y축)은 반도체 기판(20) 상에서의 온도를 나타내는 무차원 계수를 의미할 수 있다.FIG. 5B shows the temperature distribution on the semiconductor substrate 320, where the horizontal axis (x axis) represents the position on the semiconductor substrate 20, and the vertical axis (y axis) represents the temperature on the semiconductor substrate 20. It can mean a dimensionless coefficient.

발열용 서모파일(310a)의 온도를 일정하게 제어하는 경우에도, 도 5b에 도시된 바와 같이, 발열용 서모파일(310a)이 위치하는 중앙부(약 Xm=0.5 mm 부분)는 거의 일정한 온도를 유지하나, 실제로는, 미소하지만 상류측 가장자리(Xm=0.45 mm)로 갈수록 하류측 가장자리(Xm=0.55 mm)보다 온도가 감소하고, 발열용 서모파일(310a)가 U자 형상인 경우 중앙 부분이 가장자리보다 낮아지는 경향을 나타낸다. 또한, 피계측 유체(20)의 유동이 없는 경우에는 온도 분포가 대칭을 이루지만, 유동이 있 는 경우에는 유동에 의해 하류측으로 열전달이 일어나므로 하류 측으로 일그러진 비대칭 형태로 나타난다. 이러한 온도 분포를 유속에 따라 교정(calibration)함으로써 유속을 측정할 수 있게 된다.Even when the temperature of the heat generating thermopile 310a is constantly controlled, as shown in FIG. 5B, the central portion (about X m = 0.5 mm portion) where the heat generating thermopile 310a is located has a substantially constant temperature. However, in reality, the temperature is lower than the downstream edge (X m = 0.55 mm) as it goes to the upstream edge (X m = 0.45 mm), but actually, the center of the heating thermopile 310a is U-shaped. The portion tends to be lower than the edges. In addition, when there is no flow of the measured fluid 20, the temperature distribution is symmetrical, but when there is a flow, heat transfer occurs downstream by the flow, and thus appears in an asymmetrical shape distorted downstream. By measuring this temperature distribution according to the flow rate, the flow rate can be measured.

따라서, 발열용 서모파일(310a)의 온도를 일정하게 하기 위해 발열용 서모파일(310a)의 온도 측정점의 위치를 조절할 수 있다. 이는 도 4b에서 설명한 바와 같이, 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)의 접점들을 임의의 형상으로 배치하는 것과 같으므로, 자세한 설명은 생략한다.Therefore, in order to keep the temperature of the heating thermopile 310a constant, the position of the temperature measuring point of the heating thermopile 310a may be adjusted. As described in FIG. 4B, since the contacts of the temperature measurement thermopiles 310b and 310c are arranged in an arbitrary shape, detailed description thereof will be omitted.

또한, 피계측 유체(20)의 유동 방향과 수직한 발열용 서모파일(310a)의 양쪽에 추가 단자를 설치함으로써 반도체 기판(320) 또는 멤브레인(340) 상의 측면에서의 온도를 측정할 수 있게 하여 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절할 수도 있다. 이는 도 4d 및 4e에서 설명한 바와 같다.In addition, by providing additional terminals on both sides of the heating thermopile 310a perpendicular to the flow direction of the measurement fluid 20, it is possible to measure the temperature at the side surface on the semiconductor substrate 320 or the membrane 340. It is also possible to adjust the weight of the temperature distribution according to the position. This is as described in FIGS. 4D and 4E.

또한, 온도 감지부(302a, 302b)가 공동(330) 상부의 멤브레인(340) 상에 위치하도록 하여 온도를 측정할 수도 있다.In addition, the temperature sensing unit 302a, 302b may be located on the membrane 340 above the cavity 330 to measure the temperature.

도 5c는 발열용 서모파일의 온도를 임의 파형의 발열 형상으로 제어하는 신호의 예를 나타내는 도면이고, 도 5d는 발열용 서모파일의 온도가 하나의 펄스 파형의 발열 형상으로 제어되는 경우, 반도체 기판 상에서의 온도 분포를 나타내는 도면이고, 도 5e는 임의 파형의 발열 형상으로 제어하는 신호를 공급하는 파형 발생원의 예를 나타내는 도면이다.5C is a view showing an example of a signal for controlling the temperature of the heating thermopile in a heat generating shape of an arbitrary waveform, and FIG. 5D is a semiconductor substrate when the temperature of the heating thermopile is controlled in a heat generating shape of one pulse waveform. It is a figure which shows the temperature distribution on a phase, and FIG. 5E is a figure which shows the example of the waveform generation source which supplies the signal to control to the heat generating shape of arbitrary waveform.

도 5c에 도시된 바와 같이, 가열부(301)는 제어 회로(400)에 의하여 임의 파형(arbitrary waveform)의 발열 형상으로 온도 조절을 할 수 있다. 전술한 바와 같 이, 제어 회로(400)는 발열용 서모파일(310a)에 임의의 원하는 파형의 발열 형상으로 제어 신호를 공급하는 파형 발생원(401)을 포함할 수 있다. 도 5e에서는 파형 발생원(401)의 한 예를 나타내고 있다. 따라서, 파형 발생원(401)은 발열용 서모파일(310a)의 발열 패턴을 내장 프로그램을 이용하여 필요로 하는 주기 및 듀티비(Duty ratio)로 조절하면서 열유속을 임의 파형으로 설정할 수 있다. 파형 발생원(401)의 구성은 당업자에 의해 변경이 가능하다.As illustrated in FIG. 5C, the heating unit 301 may adjust the temperature in a heat generating shape of an arbitrary waveform by the control circuit 400. As described above, the control circuit 400 may include a waveform generator 401 for supplying a control signal in a heat generating shape of any desired waveform to the heat generating thermopile 310a. 5E illustrates an example of the waveform generation source 401. Accordingly, the waveform generator 401 may set the heat flux to an arbitrary waveform while adjusting the heating pattern of the heating thermopile 310a to a period and duty ratio required by using a built-in program. The configuration of the waveform generator 401 can be changed by those skilled in the art.

도 5c에서는 임의 파형의 예로서 삼각파, 사각파, 톱니파, 정현파의 형태를 차례대로 나타내고 있다. 여기서, A는 제어 신호(전력, 전압 또는 전류)를 공급하는 구간, B는 제어 신호의 공급을 중단하는 구간을 의미하고, C는 유속 검출 소자로부터의 신호를 처리하는 단계를 포함하는 프로세싱 타임(Processing time) 구간을 의미할 수 있다. A 내지 C 구간을 모두 포함하는 구간은 임의 파형의 주기를 의미하고, A 구간에 대한 A 내지 B 구간을 포함하는 구간의 비(Ratio)는 듀티비를 의미할 수 있다.In FIG. 5C, examples of arbitrary waveforms are shown in the form of a triangular wave, square wave, sawtooth wave, and sine wave. Here, A is a section for supplying a control signal (power, voltage or current), B is a section for stopping the supply of the control signal, C is a processing time (processing step including processing the signal from the flow rate detection element ( Processing time) may mean a period. A section including all of the A to C sections may mean a period of an arbitrary waveform, and a ratio of the section including the A to B sections to the A section may mean a duty ratio.

도 5d는 시간 경과에 따른 반도체 기판(320) 상의 온도 분포를 나타내며, 그래프에서 가로축(x축)은 반도체 기판(20) 상에서의 위치를 의미하고, 세로축(y축)은 반도체 기판(20) 상에서의 온도를 나타내는 무차원 계수를 의미할 수 있다.FIG. 5D shows the temperature distribution on the semiconductor substrate 320 over time, in the graph, the horizontal axis (x axis) refers to the position on the semiconductor substrate 20, and the vertical axis (y axis) on the semiconductor substrate 20. It may mean a dimensionless coefficient representing the temperature of.

발열용 서모파일(310a)의 온도를 임의 파형의 발열 형상으로 제어 하는 경우, 예를 들어, 하나의 펄스 파형의 경우, 도 5d에 도시된 바와 같이, 처음 임의 파형의 발열 형상의 제어 신호(전력, 전압 또는 전류)를 공급하는 때에는 발열용 서모파일(310a)이 위치하는 중앙부(약 Xm=0.5 mm 부분)가 가장 높은 온도를 나타내고, 전류 공급을 중단하면 점차 온도가 감소하게 된다. 도 5d에서는 처음 전류 공급 시간부터 일정한 시간 간격을 두고 측정한 결과(a, b, c)를 나타낸다. 또한, 피계측 유체(20)의 유동에 의해 하류측으로 열전달이 일어나므로 하류측으로 약간 일그러진 형태로 중앙선의 이동이 나타난다.When the temperature of the heat generating thermopile 310a is controlled to a heat generating shape of an arbitrary waveform, for example, in the case of one pulse waveform, as shown in FIG. In the case of supplying a voltage or a current), the center portion (about X m = 0.5 mm portion) in which the heat generating thermopile 310a is positioned has the highest temperature, and the temperature gradually decreases when the current supply is stopped. In FIG. 5D, measurement results (a, b, and c) are shown at regular time intervals from the initial current supply time. In addition, since the heat transfer occurs downstream by the flow of the measured fluid 20, the movement of the center line appears in a slightly distorted form downstream.

한편, 발열용 서모파일(310a)이 임의 파형을 발열하는 도중에 일정 시간 동안 전기 또는 전류 공급을 중단함으로써 가열 또는 비가열된 피계측 유체(20)의 경계면이 발열용 서모파일(310a)의 접점들(313a, 314a)을 통과하는 동안에 발생하는 기전력을 변화를 이용하여 피계측 유체(20)의 유동 방향을 감지할 수 있다.On the other hand, while the heating thermopile 310a generates an arbitrary waveform, the contact surface of the heating or non-heating measurement fluid 20 is connected to the interface of the heating thermopile 310a by stopping the supply of electricity or current for a predetermined time. The electromotive force generated while passing through 313a and 314a may be used to detect the flow direction of the measured fluid 20.

도 6a 내지 도 6e는 제조 방법에 따른 유속 검출 소자의 구조의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.6A to 6E are views illustrating various embodiments of the structure of the flow rate detection device according to the manufacturing method.

바람직하게는, 유속 검출 소자(300)는 가열부(301) 및 온도 감지부(302a, 302b)의 복수의 서모파일을 반도체 기판(320)의 절연막(350) 상부에 마이크로 머시닝(Micro Machining) 기술을 이용하여 증착하거나 스퍼터링 등의 방법으로 박막 형태로 코팅하여 배열하여 배치할 수 있다. 또한, 배치된 복수의 서모파일은 적어도 한 층 이상의 패턴 보호막 (Passivation layer)(360)으로 피복하여 내부 잔류 응력을 최소화하고 멤브레인(340)의 변형을 현저히 감소시킬 수 있다.Preferably, the flow rate detecting element 300 includes a plurality of thermopiles of the heating unit 301 and the temperature sensing units 302a and 302b on the insulating film 350 of the semiconductor substrate 320. Thin film by deposition or sputtering It can be arranged by coating in a form and arranged. In addition, the disposed plurality of thermopiles may be coated with at least one layer of passivation layer 360 to minimize internal residual stress and to significantly reduce deformation of the membrane 340.

또한, 유속 검출 소자(300)의 발열용 서모파일 및 온도 계측용 서모파일은 CMOS 적합 물질(CMOS compatible material)로 이루어지고, 반도체 기판(320) 위에 형성된 절연막(350) 위에 마이크로 머시닝 기술로 절연막(350)을 코팅하는 CMOS 적합 공정을 이용하여 다중 배열될 수 있다.In addition, the heat generating thermopile and the temperature measuring thermopile of the flow rate detecting element 300 may be made of a CMOS compatible material, and may be formed using a micromachining technique on the insulating film 350 formed on the semiconductor substrate 320. Multiple arrangements can be made using a CMOS conforming process of coating 350).

도 6a 내지 도 6e는 하나의 발열용 서모파일(310a)를 포함하는 가열부(310)와, 두 개의 온도 계측용 서모파일(310b, 310c)를 포함하는 상류측 온도 감지부(302a)와, 두 개의 온도 계측용 서모파일(310d, 310e)를 포함하는 하류측 온도 감지부(302b)와, 두 개의 온도 보상용 저항체(310f, 310g)를 포함하는 상류측 온도 보상부(303a) 및 두 개의 온도 보상용 저항체(310h, 310i)를 포함하는 하류측 온도 보상부(303b)를 포함하는 경우를 예로 들고 있다.6A to 6E illustrate a heating unit 310 including one heating thermopile 310a, an upstream temperature sensing unit 302a including two temperature measuring thermopiles 310b and 310c, and Downstream temperature sensing unit 302b including two temperature measuring thermopiles 310d and 310e, upstream temperature compensating unit 303a including two temperature compensating resistors 310f and 310g, and two The case of including the downstream temperature compensator 303b including the temperature compensating resistors 310h and 310i is taken as an example.

도 6a는 본 발명의 제1 실시예에 따라 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 브리지 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6A is a diagram illustrating a structure of a flow rate detection device having a bridge structure that can be manufactured using surface micromachining technology according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 제1 실시예에 따른 유속 검출 소자(300)에 따르면, 반도체 기판(320)의 내부에 공동(330)이 형성되고, 외부와 연결이 가능한 유로(321, 322)가 적어도 두 개 이상 형성될 수 있다. 반도체 기판(320)에 공동(330)이 형성됨으로써 열전도를 억제하여 대류 열전달과 전도 열전달의 비를 크게 할 수 있다. 또한, 외부와 연결이 가능한 유로(321, 322)가 적어도 두 개 이상 형성되어 있어 사용 압력의 급격한 변화가 있는 경우에도 내압 강도를 향상시켜 유속 검출 소자의 파손을 방지할 수 있고, 응답성을 향상시킬 수 있다.According to the flow rate detection device 300 according to the first embodiment of the present invention, the cavity 330 is formed inside the semiconductor substrate 320, and at least two flow paths 321 and 322 that can be connected to the outside are provided. Can be formed. Since the cavity 330 is formed in the semiconductor substrate 320, heat conduction may be suppressed to increase the ratio of convective heat transfer and conduction heat transfer. In addition, at least two flow paths 321 and 322 that can be connected to the outside are formed, so that even when there is a sudden change in the working pressure, the breakdown strength can be improved to prevent breakage of the flow rate detecting element, thereby improving responsiveness. You can.

한편, 반도체 기판(320)의 하부에도 절연막(365)가 형성될 수 있다.Meanwhile, the insulating layer 365 may be formed under the semiconductor substrate 320.

도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따라 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 다공성 실리콘층이 있는 브리지 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6B is a diagram illustrating a structure of a flow rate detection device having a bridge structure having a porous silicon layer that can be manufactured using a surface micromachining technique according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2 실시예에 따른 유속 검출 소자(300)에 따르면, 도 6a의 유속 검출 소자의 구조에 다공성 실리콘층(380)을 추가 형성함으로써, 공극율에 따른 대류 열전달과 전도 열전달의 비가 적절하게 조절됨으로써 동적 측정 범위가 확대될 수 있고 반도체 기판(320)이 휘는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 절연막(350)과 다공성 실리콘층(380) 사이에 형성되는 공기층(323)으로 인해 단열 효과를 가질 수 있고, 비정상적인 고압에서도 탄성 변형 영역으로 유지되어 유속 검출 소자(300)의 파손을 방지할 수 있다.According to the flow rate detecting element 300 according to the second embodiment of the present invention, by adding the porous silicon layer 380 to the structure of the flow rate detecting element of FIG. 6A, the ratio of convective heat transfer and conduction heat transfer according to the porosity is appropriately By adjusting, the dynamic measurement range can be expanded and the bending of the semiconductor substrate 320 can be prevented. In addition, due to the air layer 323 formed between the insulating film 350 and the porous silicon layer 380 may have a heat insulating effect, it is maintained in the elastic deformation region even at abnormal high pressure to prevent breakage of the flow rate detection element 300. Can be.

도 6c는 본 발명의 제3 실시예에 따라 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 멤브레인 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6C is a diagram illustrating a structure of a flow rate detecting element of a membrane structure that can be manufactured using a bulk micromachining technique according to a third embodiment of the present invention. FIG.

본 발명의 제3 실시예에 따른 유속 검출 소자(300)에 따르면, 도 6a의 유속 검출 소자의 구조에서 유로(321, 322)를 포함하지 않고 반도체 기판(320)의 하부면이 개방된 공동(330)이 형성된 경우로서, 공동(330)에 의해 열전도를 억제하여 대류 열전달과 전도 열전달의 비를 크게 할 수 있음은 상술한 바와 같다.According to the flow rate detecting element 300 according to the third exemplary embodiment of the present invention, in the structure of the flow rate detecting element of FIG. 330 is formed, as described above, the ratio of convective heat transfer and conduction heat transfer can be increased by suppressing heat conduction by the cavity 330.

도 6d는 본 발명의 제4 실시예에 따라 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 다공성 실리콘층이 있는 멤브레인 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6D illustrates a structure of a flow rate detection device having a membrane structure having a porous silicon layer that can be manufactured using a bulk micromachining technique according to a fourth embodiment of the present invention.

본 발명의 제4 실시예에 따른 유속 검출 소자(300)에 따르면, 다공성 실리콘층(380)을 형성함으로써 생기는 효과는 도 6b에서 설명한 바와 같다. 다만, 절연막(350)의 하부에 형성되는 다공성 실리콘층(380), 산화실리콘(SiO2), 질화실리 콘(SiNx) 이외에도 포토레지스트(Photoresist, PR)과 금속 분말(Metal Particle)을 혼합하여 층을 형성할 수도 있다. 이러한 경우에도, 반도체 기판(320), 즉 멤브레인(340)의 파손을 방지할 수 있고, 단열 효과도 가질 수 있다.According to the flow rate detection device 300 according to the fourth embodiment of the present invention, the effect of forming the porous silicon layer 380 is as described with reference to FIG. 6B. However, in addition to the porous silicon layer 380, silicon oxide (SiO 2), and silicon nitride (SiNx) formed under the insulating film 350, the photoresist (PR) and the metal powder (Metal Particle) may be mixed to form a layer. It may be formed. Even in this case, breakage of the semiconductor substrate 320, that is, the membrane 340 can be prevented, and it can also have a heat insulating effect.

도 6e는 본 발명의 제5 실시예에 따라 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 반도체 기판 전체에 실리콘층이 있는 멤브레인 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6E illustrates a structure of a flow rate detection device having a membrane structure in which a silicon layer is formed over an entire semiconductor substrate that can be manufactured using a bulk micromachining technique according to a fifth embodiment of the present invention.

본 발명의 제5 실시예에 따른 유속 검출 소자(300)에 따르면, 반도체 기판(320)의 전체를 다공성 실리콘층으로 구성한 것으로서, 예를 들어, 바이오 칩과 같이 전단력이 큰 액체나 고압 유체 내에서의 유속 측정 등에 사용할 수 있다.According to the flow rate detecting device 300 according to the fifth embodiment of the present invention, the entire semiconductor substrate 320 is composed of a porous silicon layer, and for example, in a liquid or a high pressure fluid having a large shear force, such as a biochip. It can be used for measuring the flow velocity.

도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서 유속 검출 소자를 유속 검출 소자 홀더에 설치한 상태를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 유속 검출 소자를 유속 검출 소자 홀더에 설치한 상태를 나타내는 종단면도이다.7A is a perspective view illustrating a state in which a flow rate detection element is installed in a flow rate detection element holder in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 7B illustrates a state in which a flow rate detection element is installed in a flow rate detection element holder. Longitudinal section.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 유속 검출 소자(300)는 유속 검출 소자 홀더(510)에 장착할 수 있는데, 유속 검출 소자 홀더(510)에 요(凹) 형상으로 형성된 유속 검출 소자 수납부(512)의 저면에는 유속 검출 소자(300)의 이면에서의 캐비티 전역을 막기 위해서 융기한 다이 본딩부(514)가 설치될 수 있다. 따라서, 유속 검출 소자(300)의 한쪽 끝 단을 고강도 접착제를 이용하여 다이 본딩부(514)에 고정하고, 유속 검출 소자(300)의 나머지 모서리 부분은 단순히 유속 검출 소자 수납부(512)에 단순히 지지되거나 저강도 접착제로 고정될 수 있다. 이 때, 설치된 유속 검출 소자(300)의 상면은 유속 검출 소자 홀더(510)의 표면과 대략 일치할 수 있도록 설치될 수 있다.7A and 7B, the flow rate detecting element 300 may be mounted on the flow rate detecting element holder 510, and the flow rate detecting element accommodating part (7) may be formed in a yaw shape on the flow rate detecting element holder 510. The bottom surface of the 512 may be provided with a raised die bonding portion 514 to block the entire cavity on the rear surface of the flow rate detecting element 300. Therefore, one end of the flow rate detecting element 300 is fixed to the die bonding portion 514 by using a high strength adhesive, and the remaining corner portion of the flow rate detecting element 300 is simply attached to the flow rate detecting element accommodating portion 512. It may be supported or secured with a low strength adhesive. At this time, the upper surface of the installed flow rate detection element 300 may be installed so as to substantially coincide with the surface of the flow rate detection element holder (510).

도 7b에 도시된 바와 같이, 다이 본딩부(514)는 다이 본딩부(514)와 유속 검출 소자(300)가 접하는 부분을 제외하고는 공간(516)을 형성할 수 있다. 즉, 유속 검출 소자(300)의 이면과 유속 검출 소자 수납부(512)의 저면 사이에 공간(516)을 형성하여, 유속 검출 소자(300)가 유속 검출 소자 홀더(510)에 접촉하지 않도록 할 수 있다.As illustrated in FIG. 7B, the die bonding unit 514 may form a space 516 except for a portion where the die bonding unit 514 and the flow rate detecting element 300 contact each other. That is, a space 516 is formed between the rear surface of the flow rate detecting element 300 and the bottom surface of the flow rate detecting element accommodating part 512 so that the flow rate detecting element 300 does not contact the flow rate detecting element holder 510. Can be.

한편, 유속 검출 소자(300)의 접촉 패드(375)와 제어 회로(400)와 접속하기 위한 제어 회로 도선(520)을 연결하기 위해서 회로 연결선(522)을 사용할 수 있다. 회로 연결선(522)으로는 대략 25 ㎛의 금선(Gold wire)을 이용하고 밀봉제(Sealant)로 이를 보호할 수 있다. 그리고, 서모파일 유속 센서(1)는 유속 검출 소자(300)가 제어 회로(400)에 전기적으로 접속할 수 있도록 유속 검출 소자 홀더(510)와 제어 회로(400)를 연결하는 인터페이싱 커넥터(530)를 포함할 수 있다.The circuit connecting line 522 may be used to connect the contact pad 375 of the flow rate detecting element 300 to the control circuit lead 520 for connecting to the control circuit 400. As the circuit connecting line 522, a gold wire having a thickness of about 25 μm may be used, and it may be protected by a sealant. In addition, the thermopile flow rate sensor 1 includes an interface connector 530 that connects the flow rate detecting element holder 510 and the control circuit 400 so that the flow rate detecting element 300 can be electrically connected to the control circuit 400. It may include.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 피계측 유체의 흐름을 나타내는 도면이다. 즉, 도 7b의 유속 검출 소자 부분에 있어서 중앙 단면의 좌측 측면도이다.8 is a view showing the flow of the measured fluid in the thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention. That is, it is a left side view of a center cross section in the flow velocity detection element part of FIG. 7B.

도 8에서는 유속 검출 소자(300)의 이면과 유속 검출 소자 수납부(512)의 저면 사이로 형성된 공간(516)을 통해 피계측 유체(20)로부터 분기되어 흘러 들어온 지류(22)의 흐름을 점선으로 표시하고 있다.In FIG. 8, the flow of the feeder 22 branched from the measured fluid 20 flows through the space 516 formed between the rear surface of the flow rate detecting element 300 and the bottom surface of the flow rate detecting element accommodating part 512 in a dotted line. It is displaying.

본 발명의 일실시예에 따른 서모 파일 유속 센서(1)에서는 동작 유체(10)의 유동이 있는 경우, 유속 검출 소자 수납부(512)의 저면과 유속 검출 소자(300) 이 면의 공간(516)에서는 저류가 발생하고, 공동(330)의 주변은 돌출된 면(514)에만 막혀 있다. 따라서, 밀폐 공동에 의한 축열 효과를 없애고 압력차에 의한 멤브레인(340)의 파손을 방지할 수 있어 유속 및 유량을 측정함에 있어서 정밀도를 향상시킬 수 있다.In the thermopile flow rate sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention, when there is a flow of the working fluid 10, the bottom surface of the flow rate detecting element accommodating part 512 and the space 516 of the surface of the flow rate detecting element 300 are 516. ) Occurs, and the periphery of the cavity 330 is blocked only on the protruding face 514. Therefore, it is possible to eliminate the heat storage effect due to the sealed cavity and to prevent the breakage of the membrane 340 due to the pressure difference, thereby improving accuracy in measuring the flow rate and flow rate.

또한, 대부분의 경우, 유속 검출 소자 홀더(510)와 유속 검출 소자(300)는 가공이 끝난 웨이퍼에서 칩 절단을 한 후 유속 검출 소자 홀더(510)의 요부에 고정한 후, 회로 기판(PCB) 연결 단자와 와이어 본딩(wire bonding)으로 배선 연결 과정을 거쳐 플라스틱 패키지를 씌우는 방식을 사용한다. 본 발명의 일실시예에 따른 서모 파일 유속 센서(1)의 경우에는 유속 검출 소자(300) 및 연결선(520)의 연결에 있어서 반도체 기판(320)에 배치된 각각의 서모파일 상에서 전기 접촉이 불필요한 부분에 감광성 절연 물질을 입히고 배선 결합한 후, 다시 절연 물질을 덧씌우는 것으로 범핑(Bumping, 범프 형성)함으로써 패키지 공정을 크게 단순화시킬 수 있다.In addition, in most cases, the flow rate detecting element holder 510 and the flow rate detecting element 300 are cut to a chip in the processed wafer, and then fixed to the main portion of the flow rate detecting element holder 510 and then connected to a circuit board (PCB). Terminals and wire bonding (wire bonding) through the wiring process to cover the plastic package. In the case of the thermopile flow rate sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention, electrical contact is unnecessary on each thermopile disposed on the semiconductor substrate 320 in the connection of the flow rate detecting element 300 and the connection line 520. The packaging process can be greatly simplified by bumping the parts with photosensitive insulating material, wire bonding, and then overlying the insulating material.

도 9a 내지 도 9b는 서모파일 유속 센서에서 유속 검출 소자를 유속 검출 소자 홀더에 설치된 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.9A to 9B are diagrams illustrating still another embodiment in which a flow rate detecting element is installed in a flow rate detecting element holder in a thermopile flow rate sensor.

도 9a는 유속 검출 소자(300)를 장착한 유속 검출 소자 홀더(510)가 제어 회로와 연결된 인터페이싱 커넥터(530)로부터 탈부착이 가능한 형태를 가지는 서모파일 유속 센서를 나타내는 것이다. 또한, 도 9b는 유속 검출 소자 홀더(510)의 중심선을 기준으로 유속 검출 소자(300)가 비대칭적으로 배치될 수 있음을 나타내는 것이다.9A illustrates a thermopile flow rate sensor having a form in which a flow rate detecting element holder 510 equipped with the flow rate detecting element 300 is detachable from an interfacing connector 530 connected to a control circuit. In addition, FIG. 9B illustrates that the flow rate detecting element 300 may be asymmetrically disposed with respect to the center line of the flow rate detecting element holder 510.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서(1)는 반 도체 제조 공정을 이용하여 열전대가 직렬 연결된 서모파일을 다중으로 배열하여 발열체 또는 측온체의 기능을 할 수 있다. 따라서, 유속 변화에 따른 응답성을 향상시키고, 넓은 유속 및 유량 측정 범위를 가지며, 유속 및 유량 측정에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다.As described above, the thermopile flow rate sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention may function as a heating element or a thermometer by arranging multiple thermopiles in which thermocouples are connected in series using a semiconductor manufacturing process. Therefore, it is possible to improve the responsiveness according to the flow rate change, have a wide flow rate and flow rate measurement range, and improve the accuracy of the flow rate and the flow rate measurement.

특히, 절연막(350) 위에 다중 배열의 서모파일을 배치하고, 절연막(350)의 하부에 공동을 만들어 반도체 기판(320)으로의 전도 열전달을 억제함으로써, 대류 열전달과 전도 열전달의 비를 크게 하여 응답성을 향상시킬 수 있다.In particular, by arranging a thermopile of multiple arrays on the insulating film 350, by forming a cavity in the lower portion of the insulating film 350 to suppress the conduction heat transfer to the semiconductor substrate 320, the ratio of convective heat transfer and conduction heat transfer is increased to respond Can improve the sex.

또한, 제어 회로(400)의 발열 모드와 냉각 열전달 특성을 개선하기 위하여 임의 파형 발생(arbitrary waveform generation)이 가능하도록 하여 소모 전력을 줄이고, 유동 방향을 구별할 수 있으며, 유속 및 유량 측정 범위를 현저히 증가시킬 수 있다. 특히, 응용 조건에 따라 발열체 또는 측온체로서의 기능을 하는 서모파일을 스위칭에 의해 선택할 수 있도록 하여 유속 및 유량 측정 범위를 현저히 증가시킬 수 있다.In addition, in order to improve the heating mode and cooling heat transfer characteristics of the control circuit 400, by enabling an arbitrary waveform generation, power consumption can be reduced, flow direction can be distinguished, and the flow rate and flow rate measurement range are remarkable. Can be increased. In particular, it is possible to significantly increase the flow rate and flow rate measurement range by allowing a thermopile that functions as a heating element or a thermometer to be selected by switching depending on the application conditions.

또한, 적용 분야에 따라 발열 형상 제어, 통전 시간 제어, 전류/전압 제어 알고리즘을 포함하는 제어 회로(400)를 변경할 수 있도록 접속 연결 단자를 충분히 확보하여 용도의 유연성을 높일 수 있다.In addition, the connection connection terminal can be sufficiently secured to change the control circuit 400 including the heating shape control, the energization time control, and the current / voltage control algorithm according to the application field, thereby increasing the flexibility of the application.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서(1)는 반도체 제조 공정을 이용함으로써 크기를 소형화할 수 있고, 컴팩트한 저항선 배치, 맥동 유동에 대한 응답성 향상, 역류의 감지 등을 기대할 수 있으며, 연속 가열로 인한 반도체 기판(320)의 열용량 영향을 줄임으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.Therefore, the thermopile flow rate sensor 1 according to an embodiment of the present invention can be miniaturized by using a semiconductor manufacturing process, and can be expected to have a compact resistance line arrangement, improved response to pulsating flow, and detection of reverse flow. The measurement accuracy may be improved by reducing the influence of heat capacity of the semiconductor substrate 320 due to continuous heating.

본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서(1)는 자동차용 공기 질량 유속 및 유량계, 연소기기의 공기 유량계, 산업용로 등의 기체 질량 유량계에 채택되어 활용이 가능하여 에너지 효율 향상뿐만 아니라 초소형 정밀화를 통한 생산성도 높일 수 있다. 또한, 산업용뿐만 아니라 바이오 칩, 마이크로 반응시스템 등 생명 공학, 의료기기에도 응용이 가능하다.The thermopile flow rate sensor 1 according to an embodiment of the present invention is adopted in a gas mass flow meter such as an air mass flow rate and flow meter for an automobile, an air flow meter for a combustion device, an industrial furnace, etc. Productivity can also be increased through precision. In addition, it can be applied to biotechnology, medical devices such as biochips and micro reaction systems as well as industrial.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and the equivalent concept are included in the scope of the present invention. Should be interpreted.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서를 나타내는 정면도이다.Figure 1a is a front view showing a thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서를 나타내는 종단면도이다.Figure 1b is a longitudinal sectional view showing a thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 유속 검출 소자가 배치되는 측정유동 통로의 일실시예를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a measurement flow path in which a flow rate detection element is disposed in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 평면도이다.3A is a plan view illustrating a structure of a flow rate detection device in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 종단면도이다.3B is a longitudinal cross-sectional view illustrating a structure of a flow rate detection element in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4a는 본 발명의 제1 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 측정 위치에 따른 유속 측정 방법을 나타내는 도면이다.4A is a view illustrating a flow rate measuring method according to a temperature measuring position of the flow rate detecting device according to the first embodiment of the present invention.

도 4b는 본 발명의 제2 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 측정 위치에 따른 유속 측정 방법을 나타내는 도면이다.4B is a view illustrating a flow rate measuring method according to a temperature measuring position of the flow rate detecting device according to the second embodiment of the present invention.

도 4c는 본 발명의 제3 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 보상 방법을 나타내는 도면이다.4C is a view illustrating a temperature compensation method of a flow rate detecting device according to a third embodiment of the present invention.

도 4d는 본 발명의 제4 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 보상 방법을 나타내는 도면이다.4D is a view illustrating a temperature compensation method of a flow rate detecting device according to a fourth embodiment of the present invention.

도 4e는 본 발명의 제5 일실시예에 따른 유속 검출 소자의 온도 보상 방법을 나타내는 도면이다.4E is a view illustrating a temperature compensation method of a flow rate detecting element according to a fifth embodiment of the present invention.

도 5a는 발열용 서모파일의 온도를 일정하게 제어하는 예를 나타내는 도면이다.5A is a diagram illustrating an example in which the temperature of the heating thermopile for heating is constantly controlled.

도 5b는 발열용 서모파일의 온도가 일정하게 제어되는 경우, 반도체 기판 상에서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.5B is a diagram showing a temperature distribution on a semiconductor substrate when the temperature of the heat generating thermopile is constantly controlled.

도 5c는 발열용 서모파일의 온도를 임의 파형의 발열 형상으로 제어하는 예를 나타내는 도면이다.5C is a diagram illustrating an example in which the temperature of the heat generating thermopile is controlled to a heat generating shape of an arbitrary waveform.

도 5d는 발열용 서모파일의 온도가 임의 파형의 발열 형상으로 제어되는 경우, 반도체 기판 상에서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.5D is a diagram showing a temperature distribution on a semiconductor substrate when the temperature of the heat generating thermopile is controlled to a heat generating shape of an arbitrary waveform.

도 5e는 임의 파형의 발열 형상으로 제어하는 신호를 공급하는 파형 발생원의 예를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the example of the waveform generation source which supplies the signal to control to the heat generating shape of arbitrary waveform.

도 6a는 본 발명의 제1 실시예에 따라 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 브리지 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6A is a diagram illustrating a structure of a flow rate detection device having a bridge structure that can be manufactured using surface micromachining technology according to the first embodiment of the present invention.

도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따라 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 다공성 실리콘층이 있는 브리지 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6B is a diagram illustrating a structure of a flow rate detection device having a bridge structure having a porous silicon layer that can be manufactured using a surface micromachining technique according to a second embodiment of the present invention.

도 6c는 본 발명의 제3 실시예에 따라 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 멤브레인 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6C is a diagram illustrating a structure of a flow rate detecting element of a membrane structure that can be manufactured using a bulk micromachining technique according to a third embodiment of the present invention. FIG.

도 6d는 본 발명의 제4 실시예에 따라 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 다공성 실리콘층이 있는 멤브레인 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6D illustrates a structure of a flow rate detection device having a membrane structure having a porous silicon layer that can be manufactured using a bulk micromachining technique according to a fourth embodiment of the present invention.

도 6e는 본 발명의 제5 실시예에 따라 벌크 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제조 가능한 반도체 기판 전체에 실리콘층이 있는 멤브레인 구조의 유속 검출 소자의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 6E illustrates a structure of a flow rate detection device having a membrane structure in which a silicon layer is formed over an entire semiconductor substrate that can be manufactured using a bulk micromachining technique according to a fifth embodiment of the present invention.

도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서 유속 검출 소자를 유속 검출 소자 홀더에 설치한 상태를 나타내는 사시도이다.7A is a perspective view illustrating a state in which a flow rate detecting element is installed in a flow rate detecting element holder in a thermopile flow rate sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 7b는 유속 검출 소자를 유속 검출 소자 홀더에 설치한 상태를 나타내는 종단면도이다.It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which installed the flow rate detecting element in the flow rate detecting element holder.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 서모파일 유속 센서에서의 피계측 유체의 흐름을 나타내는 도면이다.8 is a view showing the flow of the measured fluid in the thermopile flow rate sensor according to an embodiment of the present invention.

도 9a 내지 도 9b는 서모파일 유속 센서에서 유속 검출 소자를 유속 검출 소자 홀더에 설치된 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.9A to 9B are diagrams illustrating still another embodiment in which a flow rate detecting element is installed in a flow rate detecting element holder in a thermopile flow rate sensor.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 서모파일 유속 센서1: Thermopile Flow Rate Sensor

10: 동작 유체 20: 피계측 유체10: working fluid 20: measured fluid

100: 주유동 통로 200: 측정유동 통로100: main flow passage 200: measurement flow passage

210: 측정유동 통로 지지부 220: 제1 곡선 유로210: measuring flow passage support portion 220: first curved flow path

230: 제2 곡선 유로 240: 메쉬230: second curve flow path 240: mesh

250a, 250b, 250c, 260: 유동 홀250a, 250b, 250c, 260: flow hole

300: 유속 검출 소자300: flow rate detection element

310: 발열용 또는 온도 계측용 서모파일310: Thermopile for heating or temperature measurement

320: 반도체 기판 321, 322: 유로320: semiconductor substrate 321, 322: flow path

330: 공동 (Cavity) 340: 멤브레인(Membrane)330: Cavity 340: Membrane

350: 절연막 360: 패턴 보호막350: insulating film 360: pattern protective film

370: 리드선 375: 접촉 패드370: lead wire 375: contact pad

380: 다공성 실리콘층380: porous silicon layer

400: 제어 회로 401: 파형 발생원400: control circuit 401: waveform generator

410: 제어 회로 케이스 420: 전기 커넥터410: control circuit case 420: electrical connector

510: 유속 검출 소자 홀더 512: 유속 검출 소자 수납부510: flow rate detection element holder 512: flow rate detection element storage

514: 다이 본딩부 520: 제어 회로 도선514: die bonding unit 520: control circuit lead

522: 회로 연결선 530: 인터페이싱 커넥터522: circuit connecting line 530: interfacing connector

Claims (24)

서모파일(Thermopile)이 갖는 저항을 발열체로 이용하는 적어도 하나의 발열용 서모파일로 이루어지고 열을 발산하는 가열부; 및A heating unit made of at least one heating thermopile using a resistance of the thermopile as a heating element and dissipating heat; And 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어지고 상기 가열부를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부를 포함하며,Comprising at least one temperature measurement thermopile and at least two temperature sensing unit installed on the upstream or downstream side around the heating unit, 상기 가열부에서 발산되는 열에 의한 피계측 유체의 온도 변화를 상기 온도 감지부에서 측정하여 상기 피계측 유체의 유속 및 유량을 측정하는 유속 검출 소자.And a flow rate detecting element measuring a flow rate and a flow rate of the measured fluid by measuring a temperature change of the measured fluid due to heat emitted from the heating part. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 발열용 서모파일 및 상기 온도 계측용 서모파일은 백금, 루테늄, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄, 금, 동, 크롬 및 니켈 중에 하나 이상으로 이루어지는 금속 박막이나 불순물을 도핑한 폴리 실리콘을 포함하는 열전 재료로 이루어진 유속 검출 소자.The heat generating thermopile and the temperature measuring thermopile are thermoelectric materials including a polysilicon doped with a metal thin film or impurity made of at least one of platinum, ruthenium, tungsten, titanium, aluminum, gold, copper, chromium and nickel. Flow velocity detection element. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 공동이 형성된 반도체 기판; 및A semiconductor substrate having a cavity formed therein; And 상기 반도체 기판을 덮어 멤브레인을 형성하는 절연막을 더 포함하며,An insulating film covering the semiconductor substrate to form a membrane; 상기 발열용 서모파일 및 상기 온도 계측용 서모파일을 상기 절연막의 상부 에 마이크로 머시닝(Micro Machining) 기술을 이용하여 증착하거나 스퍼터링에 의하여 코팅하여 배치하고, 적어도 한 층 이상의 패턴 보호막으로 피복되는 유속 검출 소자.The heat generating thermopile and the temperature measuring thermopile are disposed on the insulating film by using a micromachining technique or coated by sputtering, and are coated with at least one layer of pattern protection layer. . 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 발열용 서모파일과 상기 온도 계측용 서모파일은 CMOS 적합 물질(CMOS compatible material)로 이루어지고, 상기 반도체 기판 위에 형성된 상기 절연막 위에 상기 마이크로 머시닝 기술로 상기 절연막을 코팅하는 CMOS 적합 공정을 이용하여 다중 배열되는 유속 검출 소자.The heat generating thermopile and the temperature measuring thermopile are made of a CMOS compatible material, and may be multiplexed using a CMOS suitable process of coating the insulating film on the insulating film formed on the semiconductor substrate by the micromachining technique. Arranged flow rate detection element. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 온도 계측용 서모파일의 온도 측정점의 위치를 조절하여 상기 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절하는 유속 검출 소자.Flow rate detection device for adjusting the weight of the temperature distribution according to the position by adjusting the position of the temperature measurement point of the temperature measurement thermopile. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 온도 계측용 서모파일의 냉접점들은 상기 반도체 기판 상에 배치하고 온접점들은 상기 멤브레인 상에 배치하여 상기 절연막 상의 온도 분포에 따른 온도 측정점의 위치를 다르게 하여 상기 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절하는 유속 검출 소자.The cold junctions of the temperature measuring thermopile are disposed on the semiconductor substrate and the hot junctions are disposed on the membrane to adjust the weight of the temperature distribution according to the position by changing the position of the temperature measurement point according to the temperature distribution on the insulating film. Flow rate detection element. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 온도 계측용 서모파일의 냉접점들 및 온접점들을 상기 멤브레인 상에 배치하여 상기 절연막 상의 온도 분포에 따른 온도 측정점의 위치를 다르게 하여 상기 위치에 따른 온도 분포의 가중치를 조절하는 유속 검출 소자.And a cold contact point and a hot contact point of the temperature measuring thermopile on the membrane to adjust the weight of the temperature distribution according to the position by changing the position of the temperature measurement point according to the temperature distribution on the insulating film. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 피계측 유체의 입구 또는 출구 측의 온도를 측정하여 상기 피계측 유체의 온도 변화를 보정하는 온도 보상부를 더 포함하는 유속 검출 소자.And a temperature compensator configured to measure a temperature at an inlet or outlet of the measured fluid and correct a temperature change of the measured fluid. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 가열부는 임의 파형(arbitrary waveform)의 발열 형상으로 온도 조절이 가능한 유속 검출 소자.The heating unit is a flow rate detection element capable of temperature control in the form of heat of an arbitrary waveform (arbitrary waveform). 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 임의 파형의 발열 형상의 가열 주기 및 듀티비(Duty Ratio)를 제어하는 유속 검출 소자.And a flow rate detecting element controlling a heating cycle and a duty ratio of the heat generating shape of the arbitrary waveform. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 임의 파형을 발열하는 도중 일정 시간 동안 전력 공급을 차단함으로써 가열 또는 비가열된 상기 피계측 유체의 경계면이 상기 발열용 서모파일의 접점을 통과하는 동안에 발생하는 기전력의 변화를 이용하여 유동 방향을 감지하는 유속 검출 소자.Detects the flow direction by using a change in electromotive force generated while the interface of the measured or heated heating fluid passes through the contact point of the heating thermopile by cutting off the power supply for a predetermined time while generating the arbitrary waveform. Flow rate detection element. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 피계측 유체의 유동 방향과 수직한 상기 발열용 서모파일의 양쪽에 추가 단자를 설치하여 저항체를 형성함으로써 상기 멤브레인 상의 측면에서의 온도를 측정하는 유속 검출 소자.And an additional terminal on both sides of the heating thermopile perpendicular to the flow direction of the measured fluid to form a resistor to measure the temperature at the side surface on the membrane. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 피계측 유체의 유동 방향과 수직한 상기 발열용 서모파일의 양쪽에 추가 단자를 설치하여 저항체를 형성함으로써 상기 반도체 기판 상의 측면에서의 온도를 측정하는 유속 검출 소자.And an additional terminal on both sides of the heat generating thermopile perpendicular to the flow direction of the measured fluid to form a resistor to measure the temperature at the side surface on the semiconductor substrate. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 가열부는 일정한 온도로 제어되는 유속 검출 소자.And the heating part is controlled at a constant temperature. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 온도 감지부가 상기 공동 상부의 상기 멤브레인 상에 위치하도록 하여 온도를 측정하는 유속 검출 소자.And a temperature detecting element measuring temperature by placing the temperature sensing unit on the membrane above the cavity. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 가열부는 상기 발열용 서모파일의 온도 측정점의 위치를 조절하여 원하는 온도 분포로 제어되는 유속 검출 소자.The heating unit is a flow rate detection element is controlled to a desired temperature distribution by adjusting the position of the temperature measuring point of the heat generating thermopile. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 피계측 유체의 유동 방향과 수직한 상기 발열용 서모파일의 양쪽에 추가 단자를 설치함으로써 상기 반도체 기판 상의 측면에서의 온도를 측정하는 유속 검출 소자.And an additional terminal on both sides of the heat generating thermopile perpendicular to the flow direction of the measured fluid, to measure the temperature at the side surface on the semiconductor substrate. 동작 유체가 유통되는 주유동 통로;A main flow passage through which the working fluid flows; 상기 주유동 통로에서 분기되는 피계측 유체가 유통되는 측정유동 통로;A measurement flow passage through which the measured fluid branched from the main flow passage flows; 상기 측정유동 통로 내에 설치되며 상기 피계측 유체의 유속을 측정하는 유속 검출 소자; 및A flow rate detecting element installed in the measurement flow passage and measuring a flow rate of the measured fluid; And 상기 유속 검출 소자의 신호를 제어하는 제어 회로를 포함하며,A control circuit for controlling a signal of the flow rate detecting element, 상기 유속 검출 소자는,The flow rate detecting element, 서모파일이 갖는 저항을 발열체로 이용하는 적어도 하나의 발열용 서모파일로 이루어지고 열을 발산하는 가열부; 및A heating unit made of at least one heating thermopile using the resistance of the thermopile as a heating element and dissipating heat; And 적어도 하나의 온도 계측용 서모파일로 이루어지고 상기 가열부를 중심으로 상류 또는 하류 측에 설치되는 적어도 두 개의 온도 감지부를 포함하며,Comprising at least one temperature measurement thermopile and at least two temperature sensing unit installed on the upstream or downstream side around the heating unit, 상기 가열부에서 발산되는 열에 의한 상기 피계측 유체의 온도 변화를 상기 온도 감지부에서 측정하여 상기 피계측 유체의 유속 및 유량을 측정하는 서모파일 유속 센서.Thermopile flow rate sensor for measuring the flow rate and the flow rate of the measured fluid by measuring the temperature change of the measured fluid by the heat emitted from the heating unit in the temperature sensing unit. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 유속 검출 소자는,The flow rate detecting element, 공동이 형성된 반도체 기판; 및A semiconductor substrate having a cavity formed therein; And 상기 반도체 기판을 덮어 멤브레인을 형성하는 절연막을 더 포함하며,An insulating film covering the semiconductor substrate to form a membrane; 상기 발열용 서모파일 및 상기 온도 계측용 서모파일을 상기 절연막의 상부에 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 증착하거나 스퍼터링에 의하여 코팅하여 배치하고, 적어도 한 층 이상의 패턴 보호막으로 피복되는 서모파일 유속 센서.The thermopile flow rate sensor, wherein the heat generating thermopile and the temperature measuring thermopile are deposited on the insulating film by using micromachining or coated by sputtering, and are covered with at least one layer of a patterned protective film. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 제어 회로는,The control circuit, 상기 발열용 서모파일에 임의 파형의 발열 형상으로 제어 신호를 공급하는 파형 발생원을 포함하는 서모파일 유속 센서.A thermopile flow rate sensor comprising a waveform generation source for supplying a control signal in a heat generating shape of an arbitrary waveform to the heat generating thermopile. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 상기 파형 발생원은 상기 발열용 서모파일의 발열 패턴을 내장 프로그램을 이용하여 필요로 하는 주기 및 듀티비(duty ratio)로 조절하면서 열유속을 삼각파, 사각파, 톱니파, 정현파 등의 임의 파형으로 설정할 수 있는 서모파일 유속 센서.The waveform generator can set the heat flux to an arbitrary waveform such as triangular wave, square wave, sawtooth wave, sine wave, etc. while adjusting the heating pattern of the heating thermopile to a period and duty ratio required by using a built-in program. Thermopile flow rate sensor. 제 18 항에 있어서,The method of claim 18, 상기 측정유동 통로는,The measuring flow passage, 적어도 두 개의 변곡점을 가지는 제1 곡선 경로와,A first curved path having at least two inflection points, 상기 제1 곡선 경로로부터 분기되는 제2 곡선 경로를 포함하며,A second curve path diverging from the first curve path, 상기 유속 검출 소자는 상기 제2 곡선 경로의 상단부에 설치되는 서모파일 유속 센서.The flow rate detecting element is a thermopile flow rate sensor is installed on the upper end of the second curved path. 제 22 항에 있어서,The method of claim 22, 상기 제1 곡선 경로로부터 분기되는 상기 제2 곡선 경로의 입구 부분에 메쉬(mesh)가 경사지게 설치되는 서모파일 유속 센서.Thermopile flow rate sensor is installed inclined mesh in the inlet portion of the second curved path branching from the first curved path. 제 22 항에 있어서,The method of claim 22, 상기 제1 곡선 경로와 상기 제2 곡선 경로의 중앙 부분에 적어도 하나의 유동 홀을 포함하는 서모파일 유속 센서.And at least one flow hole in a central portion of the first curved path and the second curved path.
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