In this thesis, a flow sensor and a temperature sensor is developed for the analysis of transient and steady state heat transfer phenomena. For this purpose, experimental and numerical investigations are conducted. The present research work is divided into two parts. One is a thermal flow sensor part, and the other is a temperature sensor part. In the thermal flow sensor part, a Mass Flow Controller (MFC) mainly used for measuring the mass flow rate is investigated through using experiments and simple models. Through the transient and steady states thermal investigation of the MFC, we present simple numerical models and the correlations for predicting a response time and the full scale flow range of the MFC. In the thermal temperature sensor part, A Diode Temperature Sensor Array (DTSA) is developed for spatially and temporally resolved measurements of temperature fluctuations on the micro scale surface. The DTSA is simply applied for evaluating the thermal effects of underfill materials in order to demonstrate the feasibility of the DTSA. The DTSA signal board and DTSA temperature controller are also developed for measuring and controlling the temperature of the DTSA surface. The DTSA may be also applied to various micro systems such as a micro-PCR device, Thermal Fingerprint Recognition, etc which typically require the highly integrated temperature sensors in a small area.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), 미세유동(Microfluidics), 미세열전달(Micro Scale Heat Transfer), 고성능 전자냉각장치(High Performance Electronic Cooling Devices), 생물공정(Biological Processes) 그리고 화학공정(Chemical Processes) 등의 연구가 활발해 지면서 마이크로 구조물내의 유량, 표면 온도 측정 및 제어 기술이 필요하게 되었다. 특히, 미세구조물의 열적 현상을 이용한 응용 디바이스로서 micro PCR 또는 열방식의 지문인식, 열식 질량 유량계 등이 있으며, 이러한 디바이스는 빠른 가열, 냉각, 평형등의 열전달 현상을 이용하고 있다. 그러므로 미세 구조물을 이용한 응용 디바이스의 열전달 현상의 해석은 마이크로 디바이스의 성능을 개선하는데 있어서 매우 중요한 요소라고 말할 수 있다.
본 논문에서는 마이크로 구조물 내의 과도 및 정상상태의 열전달 현상을 연구하기 위해 마이크로 센서를 제작하고, 실험을 통해 간단한 모델링 방법을 제안하였다. 이러한 마이크로 열전달 현상을 구현하기 위해 유량센서와 온도센서를 개발하였다.
유량센서로는 질량유량을 측정하는데 주로 쓰이는 질량유량센서(MFC)를 개발하였다. 개발된 열식 질량 유량계 센서의 과도 및 정상상태의 열전달 현상 해석을 위해 간단한 모델을 제시하고, 제시된 모델을 통하여 센서관 온도 및 유체 온도에 대한 수치해를 구하였으며 구해진 수치해를 실험 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 검증된 수치해를 통해 과도 및 정상상태의 센서관에서 일어나는 열전달 현상에 대해 분석하였고 센서관의 응답 시간과 선형구간을 정량적으로 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다.
다음으로 온도센서로서 미소 표면내의 온도를 측정하고 표면 온도를 제어할 수 있는 DTSA(Diode Temperature Sensor Array)를 개발하였다. DTSA는 12mm×12mm 영역에 32×32 어레이 (Array) 로 구성된 1,024개의 다이오드 온도 센서를 부착하여 미세 영역의 온도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 표면에 내장된 8개의 heater를 이용해 DTSA의 표면 온도를 원하는 온도로 제어할 수 있는 장치이다. 신호선의 연결을 위해 플립칩 페키징 (Flip Chip Packaging)을 하였으며, DTSA의 온도신호를 받고 제어하는 회로를 제작하였다. 기본적인 성능 테스트 결과, 다이오드 신호와 온도간에 선형적인 관계를 확인하여 온도센서로 동작하는 것을 검증하였다. 또한 기존의 실리콘 웨이퍼를 이용한 온도 집적 센서가 갖는 단점인 열이 웨이퍼로 확산되는 문제를 해결하기 위해 CMP 공정을 이용하여DTSA 칩 두께를 최소화하여 웨이퍼로 열이 확산되는 현상을 줄였다. 본 논문에서 개발된 DTSA의 실용성을 확인하기 위해 플립칩 패키지 내의 언더필 물질의 열적 현상을 측정하는데 적용하였다. 그 결과 다이아몬드를 함유한 언더필 물질이 다른 성분에 비해 열성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 앞으로 DTSA를 이용하여 Micro PCR 시스템, micro jet impingement등의 수많은 공학 분야에 적용될 것으로 예상된다.
