This thesis is to introduce a micro flow sensor for many applications in biological reactions and processes, fuel cells, high performance heat exchangers and cooling devices, chemical processes, to name a few. The micro flow sensor is integrated on the quartz wafer and is manufactured by simple and convenient microfabrication processes which are the sputtering processes. In the microfabrication processes, stainless steel masks with different patterns are used to deposit alumel and chromel for the temperature sensors in the micro flow sensor and nichrome for the heater in the micro flow sensor on the quartz wafer. These stainless steel masks are more practical than PR(PhotoResist) masks because of low cost and reduced manufacturing time. The microchannel is made of PDMS (Polydimethysloxane) easily. The micro flow sensor is bonded to the PDMS microchannel by using air plasma. First of all, simple scale analysis is performed to investigate parameters influencing on the performance of the micro flow sensor. Using the micro flow sensor, temperatures distributions on the surface of the micro flow sensor are obtained as mass flow rate and input power variance by experiments. It is shown that the relation between mass flow rate and temperature difference is linear at low mass flow rate. The relation between temperature differences and temperature sensor positions are also presented. From experimental results, as temperature sensor positions are far from the heater, temperature difference between upstream and downstream decreases.
본 연구에서는 생물 반응 및 공정, 연료 전지, 고성능 열교환기 및 냉각장치, 화학반응, 바이오 산업 등에서 정밀한 미소 유량의 측정이 요구되는 다양한 분야에서 활용이 될 것으로 기대되는 미소 유량 센서를 개발하였다. 이를 위해 본 연구에서는 기존의 연구와 다른 공정 과정을 가지고 제작하기 편리한 공정 방법을 개발하였고 이를 토대로 미소 유량 센서를 제작하였다.
미소 유량 센서는 일반적으로 사용되는 PR Mask대신에 사용하기 편리하고 재사용이 가능하여 공정시간과 공정비용의 측면에서 이점을 가지고 있는 Stainless Steel Mask를 사용하여 스퍼터링 공정을 이용하여 제작되었다. 미소 유량 센서 내의 온도 센서는 상용 열전대와 같은 물질을 이용하여 제작하였기 때문에 상용 열전대와 같은 특성을 가지게 된다. 이에 미소 유량 센서 내의 온도 센서는 따로 보정과정이 없이 바로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 미소 유량 센서 내의 온도 센서는 총 9개로서 각각의 온도 센서는 4mm 간격으로 떨어져 있다. 미소 유량 센서의 실험을 위하여 유체를 흘려 줄 수 있는 채널은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 이용하여 쉽게 제작하였고, PDMS채널과 미소 유량 센서는 바이오 공학에서 많이 사용되는 공기 플라즈마를 이용하여 접합하였다.
실험에 앞서 미소 유량 센서에 성능에 영향을 미치는 인자를 찾기 위해 간단한 Scale Analysis를 수행하였다. 그 결과 미소 유량 센서의 성능을 나타낼 수 있는 온도차에 영향을 미치는 인자들을 찾을 수 있었다. 인자로는 질량 유량, 인가해주는 열량, 온도 센서의 위치 등이 있다. 위와 같이 제작된 미소 유량 센서를 이용하여 질량 유량과 가해주는 열량을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 유체를 흘리지 않았을 때는 유동 방향으로 놓여져 있는 온도 센서로부터 얻은 온도 값들은 히터 부분을 중심으로 좌우 대칭의 온도 분포를 가진다. 그러나 유체를 흘렸을 경우 히터 앞 단에서는 미소 유량 센서에서 유체로 뒤 단에서는 유체에서 미소 유량 센서로 열전달 현상이 일어나 히터 앞 단과 뒤 단의 지점에서 온도차이가 생기게 된다. 이 온도차는 흐르는 유량의 크기에 따라 달라지게 되고 이를 이용하여 유량을 측정할 수 있게 된다. 흐른 유량의 크기가 작을 때는 앞 단과 뒤 단의 온도차가 흐른 유량에 선형적으로 비례하게 된다.
유동 방향으로 총 9개의 온도 센서가 놓여져 있기 때문에 온도 센서의 위치에 따른 미소 유량 센서의 특성을 실험적으로 알 수 있었다. 온도 센서의 위치가 히터에서 멀어지면 멀어질수록 앞 단과 뒤 단의 온도차이는 그 크기가 작아지지만 앞 단과 뒤 단의 온도차와 유량 간의 관계가 선형이 구간은 더 커지는 것을 확인 할 수가 있었다.
