KR101652981B1 - 입자상 물질 센서 - Google Patents

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김민수
김상주
이태훈
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주식회사 코멧네트워크
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Abstract

본 발명은 입자상 물질, 예를 들면, 차량의 배기관 내의 그을음(soot)과 같은 입자상 물질을 감지하는 센서에 관한 것이다. 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 입자상 물질 센서 절연체 기판과, 그 절연체 기판에 형성된 감지부와, 상기 절연체 기판을 가열하도록 구성된 히터를 포함하며, 상기 감지부의 저항 값의 변화를 통해서 입자상 물질을 감지한다. 여기서 상기 감지부는, 상기 절연체 기판의 일면에 형성되며, 일정한 간격으로 서로 분리된 복수의 전기 전도성 단위 격자들을 포함하는 감지 패턴과, 상기 단위 격자들의 일부와 전기적으로 연결된 제1전극 패턴과, 상기 제1전극 패턴과 전기적으로 분리되며, 상기 단위 격자들 중 상기 제1전극 패턴과 연결되지 않은 단위 격자들과 전기적으로 연결되는 제2전극 패턴을 포함한다. 그리고 상기 제1전극 패턴과 제2전극 패턴은 서로 인접한 단위 격자들이 서로 다른 전극 패턴과 연결되도록 단위 격자들에 연결된다. 본 발명에 따른 입자상 물질 센서는 감지부에 다수의 모서리가 존재하므로, 입자상 물질이 쉽게 부착되어 성장할 수 있다. 따라서 종래의 입자상 물질 센서에 비해서 감도가 높다는 장점이 있다.

Description

입자상 물질 센서{Particulate matter sensor}
본 발명은 입자상 물질, 예를 들면, 차량의 배기관 내의 그을음(soot)과 같은 입자상 물질을 감지하는 센서에 관한 것이다.
엔진의 배기관에 설치되어, 입자상 물질을 감지하는 센서인 그을음 센서는 일반적으로 저항의 변화를 측정하는 방식으로 입자상 물질을 감지한다. 이러한 센서는 디젤 입자 필터(diesel particulate filter, DPF)의 하류 측에 배치되어 DPF의 작동을 감시하는 용도로 사용될 수 있다. DPF가 제대로 작동되지 않는 경우, 그을음 센서는 과도한 그을음을 감지하여 차량 엔진 제어 유닛(ECU)에 경고를 발생시킬 수 있다.
종래의 그을음 센서는 일반적으로, 알루미나(Al2O3) 등의 부도체 기판과 기판에 인쇄 공정을 통해서 형성되는 전도성 패턴을 포함한다. 그리고 기판에는 센서를 가열하여 센서의 표면에 부착된 그을음을 제거하기 위한 히터가 내장된다.
종래의 전도성 패턴은 빗(comb) 또는 손가락 형태의 두 개의 전극이 서로 맞물린 것과 같은 형태인 인터디지털 구조(interdigital structure)를 갖는다. 두 개의 전극은 서로 전기적으로 분리되어 있다.
배기가스의 그을음이 센서의 표면에 부착되면, 카본은 두 개의 전극 사이에 높은 저항의 단락 경로를 형성하여, 전극 사이의 저항을 낮춘다. 더 많은 그을음이 부착될 수록 전극 사이의 저항은 더 낮아진다. 따라서 전극 사이의 저항은 그을음이 부착된 양을 측정하는 수단이 될 수 있다.
공개특허공보 제2013-0002329호 공개특허공보 제2008-0031033호 미국특허공보 US 7,954,230 미국특허공보 US 7,543,477
상술한 바와 같이, 종래의 입자상 물질 센서는 감지부로서 인터디지털 구조의 전극 패턴을 사용하였다. 인터디지털 구조의 전극 패턴은 구조가 간단하다는 장점이 있다. 그러나 그을음 등의 입자상 물질은 전극 패턴의 모서리 부분에 쉽게 부착되어 성장하는 경향이 있다는 점에서 모서리가 별로 없는 인터디지털 구조의 전극 패턴은 감도를 향상시키기에 부족한 면이 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 개선하기 위한 것으로서, 센서의 감도를 높일 수 있는 새로운 구조의 감지부를 구비한 입자상 물질 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 입자상 물질 센서 절연체 기판과, 그 절연체 기판에 형성된 감지부와, 상기 절연체 기판을 가열하도록 구성된 히터를 포함하며, 상기 감지부의 저항 값의 변화를 통해서 입자상 물질을 감지한다.
여기서 상기 감지부는, 상기 절연체 기판의 일면에 형성되며, 일정한 간격으로 서로 분리된 복수의 전기 전도성 단위 격자들을 포함하는 감지 패턴과, 상기 단위 격자들의 일부와 전기적으로 연결된 제1전극 패턴과, 상기 제1전극 패턴과 전기적으로 분리되며, 상기 단위 격자들 중 상기 제1전극 패턴과 연결되지 않은 단위 격자들과 전기적으로 연결되는 제2전극 패턴을 포함한다.
그리고 상기 제1전극 패턴과 제2전극 패턴은 서로 인접한 단위 격자들이 서로 다른 전극 패턴과 연결되도록 단위 격자들에 연결된다.
상술한 입자상 물질 센서에 있어서, 상기 제1전극 패턴은 상기 절연체 기판에 내장되며, 상기 절연체 기판에 형성된 제1전도성 비아홀들을 통해서 상기 단위 격자들과 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2전극 패턴은 상기 절연체 기판에 내장되며, 상기 제1전극 패턴의 아래에 배치되고, 상기 절연체 기판에 형성된 제2전도성 비아홀들을 통해서 상기 단위 격자들과 연결되는 것이 바람직하다. 상기 제2전도성 비아홀들은 상기 제1전도성 비아홀과 전기적으로 분리된다.
또한, 상기 제1전극 패턴과 제2전극 패턴은 메쉬 형태인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1전극 패턴의 메쉬 개구(mesh opening)들의 안쪽에 위치하며, 상기 제2전도성 비아홀들과 전기적으로 연결되는 전도성 연결 패턴을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 입자상 물질 센서는 감지부에 다수의 모서리가 존재하므로, 입자상 물질이 쉽게 부착되어 성장할 수 있다. 따라서 종래의 입자상 물질 센서에 비해서 감도가 높다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 입자상 물질 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 입자상 물질 센서의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 입자상 물질 센서의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 입자상 물질 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 입자상 물질 센서의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 입자상 물질 센서의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 일부를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 입자상 물질 센서의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 2와 4에 도시된 바와 같이, 입자상 물질 센서는 절연체 기판(10)과 입자상 물질의 농도의 변화를 전기 신호로 변환하는 감지부(50) 및 감지부(50)가 입자상 물질에 의해서 오염되었을 때 입자상 물질을 제거하기 위해 감지부(50)를 고온으로 가열하는 역할을 하는 히터(60)를 포함한다. 절연체 기판(10)은 전기 저항이 매우 큰 알루미나(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 등의 세라믹 기판으로 이루어질 수 있다.
도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 감지부(50)는 절연체 기판(10)의 상면에 형성되는 감지 패턴(20)과, 절연체 기판(10)에 내장되는 제1전극 패턴(30) 및 제2전극 패턴(40)을 포함한다.
감지 패턴(20)은 일정한 간격으로 서로 분리된 복수의 단위 격자(23)들을 포함한다. 단위 격자(23)들은 사각형으로 이루어질 수 있다. 단위 격자(23)들은 모두 동일한 형태를 가지지만, 어떠한 전극 패턴과 연결되는지에 따라서 제1단위 격자(21)들과 제2단위 격자(22)들로 구분된다. 도 3과 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제1단위 격자(21)들과 제2단위 격자(22)들이 번갈아가며 배치되므로, 제1단위 격자(21)들에 인접한 격자들은 모두 제2단위 격자(22)들이 되고, 제2단위 격자(22)들에 인접한 격자들은 모두 제1단위 격자(21)들이 된다. 단위 격자(23)들은 전기 전도성 물질로 이루어 진다. 예를 들어, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 은(Ag) 등으로 이루어 질 수 있다. 절연체 기판(10)의 전기 저항이 매우 크므로, 인접한 단위 격자(23)들은 전기적으로 서로 분리된다.
도 2와 4에 도시된 바와 같이, 감지 패턴(20)의 상면은 보호층(25)에 의해서 덮힐 수 있다. 보호층(25)은 배기가스에 의해서 감지 패턴(20)이 부식되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 전기 저항이 큰 물질로 이루어진다. 예를 들어, 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 보호층(25)의 두께가 두꺼워지면 입자상 물질 센서의 감도가 떨어지므로, 가능하면 얇은 것이 바람직하다.
도 3에서 가장 쉽게 확인할 수 있듯이, 제1전극 패턴(30)은 절연체 기판 층(10-1)을 사이에 두고 감지 패턴(20)의 아래에 위치한다. 제1전극 패턴(30)은 메쉬형태이다. 각각의 제1단위 격자(21)들은 제1전도성 비아홀(35)들을 통해서 제1전극 패턴(30)에 연결된다. 제1전도성 비아홀(35)은 제1단위 격자(21)들의 중심부와, 제1전극 패턴(30)의 메쉬 와이어가 만나는 지점(32)을 서로 연결한다. 제1전도성 비아홀(35)은 감지 패턴(20)과 제1전극 패턴(30) 사이의 절연체 기판 층(10-1)에 형성된다. 제1전도성 비아홀(35)은 절연체 기판 층(10-1)에 관통구멍을 형성한 후 관통구멍의 내면에 전도성 물질을 도포하는 방법으로 형성할 수 있다.
제2전극 패턴(40)은 절연체 기판 층(10-2)을 사이에 두고 제1전극 패턴(30)의 아래에 위치한다. 제2전극 패턴(40)은 제1전극 패턴(30)과 마찬가지로 메쉬형태이다. 제2전극 패턴(40)은 그 메쉬 개구(41)들이 제1전극 패턴(30)의 메쉬 개구(31)와 서로 엇갈리도록 배치된다. 각각의 제2단위 격자(22)들은 제2전도성 비아홀(45)들을 통해서 제2전극 패턴(40)에 연결된다. 제2전도성 비아홀(45)은 감지 패턴(20)과 제1전극 패턴(30) 사이의 절연체 기판 층(10-1) 및 제1전극 패턴(30)과 제2전극 패턴(40) 사이의 절연체 기판 층(10-2)에 형성된다. 제2전도성 비아홀(45)은 제2단위 격자(22)들의 중심부와 제2전극 패턴(40)의 메쉬 와이어가 만나는 지점(42)을 서로 연결한다. 제2전도성 비아홀(45)은 절연체 기판 층(10-1, 10-2)에 관통구멍을 형성한 후 관통구멍의 내면에 전도성 물질을 도포하는 방법으로 형성할 수 있다.
또한, 제1전극 패턴(30)의 메쉬 개구(31)들의 안쪽에는 제2전도성 비아홀(45)과 전기적으로 연결되는 전도성 연결 패턴(47)이 형성된다. 제1전극 패턴(30)이 두꺼운 경우에는 제1전극 패턴(30)에 의해서 감지 패턴(20)과 제1전극 패턴(30) 사이의 절연체 기판 층(10-1)과 제1전극 패턴(30)과 제2전극 패턴(40) 사이의 절연체 기판 층(10-2) 사이에 간격이 생길 수 있다. 간격이 생기면, 감지 패턴(20)과 제1전극 패턴(30) 사이의 절연체 기판 층(10-1)에 형성된 제2전도성 비아홀(45)과 제1전극 패턴(30)과 제2전극 패턴(40) 사이의 절연체 기판 층(10-2)에 형성된 제2전도성 비아홀(45)이 서로 분리될 수 있다. 전도성 연결 패턴(47)은 제1전극 패턴(30)과 동일한 두께로 형성되어 다른 절연체 기판 층들(10-1, 10-2)에 형성된 제2전도성 비아홀(45)을 서로 전기적으로 연결한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1전극 패턴(30)과 제2전극 패턴(40)의 일측에는 각각 리드선(33, 43)이 연장되어 있으며, 리드선(33, 43)의 끝단에는 단자(34, 44)가 형성된다. 이 단자(34, 44)들은 다시 절연체 기판에 형성된 전도성 비아홀(11)들을 통해서 절연체 기판(10)의 상면에 형성된 단자들(36, 46)과 연결된다. 그리고 입자상 물질 센서는 이 단자들(36, 46)을 통해서 입자상 물질 센서 외부의 측정장치 또는 제어장치에 전기신호를 전달한다.
도 2와 4에 도시된 바와 같이, 히터(60)는 절연체 기판(10)의 하부에 내장된다. 히터(60)는 발열량을 높이기 위해 사행형으로 형성한다. 히터(60)는 650℃ 정도의 높은 온도까지 절연체 기판(10)을 가열하여, 센서의 표면에 부착된 그을음입자를 제거하는 역할을 한다. 히터(60)와 히터(60)에서 연장된 히터 전극(61)은 백금으로 이루어질 수 있다. 히터 전극(61)은 절연체 기판(10)의 하면에 형성된 단자(65)와 비아홀(11)을 통해서 연결된다.
또한, 제2전극 패턴(40)과 히터(60) 사이의 절연체 기판(10)에는 온도 센서(70)가 내장될 수 있다. 온도 센서(70)는 온도가 증가함에 따라서 저항 값이 증가하는 금속의 특징을 이용한 온도 센서일 수 있다. 온도 센서(70)는 절연체 기판(10)에 내장된 박막 또는 후막형태의 패턴으로 이루어질 수 있다. 온도 센서(70)의 리드선(71)도 절연체 기판(10)에 형성된 전도성 비아홀(11)을 통해서 절연체 기판(10)의 하면에 형성된 단자(65)와 연결된다.
도 5는 도 1에 도시된 입자상 물질 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1단위 격자(21)들과 제2단위 격자(22)들 사이에는 절연체 기판(10)을 통한 제1전도성 경로(A)와, 보호층(25)을 통한 제2전도성 경로(B)가 형성된다. 만약, 입자상 물질 센서의 보호층(25) 위에 그을음(S)과 같이, 보호층(25)에 비해서 전기 전도도가 높은 입자성 물질이 부착되면, 제1단위 격자(21)와 제2단위 격자(22) 사이에 새로운 전도성 경로인 제3전도성 경로(C)가 형성된다. 제3전도성 경로(C)는 두께 방향의 보호층(25)과 그을음(S)을 통과하는 경로이다.
여기서, 제1전도성 경로(A)와 제2전도성 경로(B)는 전기 저항이 매우 높은 세라믹 재료만으로 전 경로가 구성되어 있으므로, 전기 저항이 매우 크다. 반면에, 제3전도성 경로(C)는 단위 격자(23)들 사이의 간격에 비해서 훨씬 얇은 두께의 보호층(25)과 전기 저항이 비교적 낮은 그을음(S)으로 이루어지므로, 가장 전기 저항이 낮다.
세 개의 경로는 병렬로 연결되어 있으므로, 제1단위 격자(21)들과 제2단위 격자(22)들 사이의 저항은 제3전도성 경로(C)의 저항에 의해서 거의 결정된다. 그리고 제3전도성 경로(C)의 저항은 보호층(25) 위에 부착된 그을음(S)의 양이 증가함에 따라서 감소하게 된다. 따라서 제1단위 격자(21)들과 제2단위 격자(22)들에 각각 연결된 제1전극 패턴(30)과 제2전극 패턴(40) 사이의 저항을 측정하면, 보호층(25) 위에 부착된 그을음(S)의 양을 계산할 수 있다.
이하, 상술한 입자상 물질 센서의 제조방법에 대해서 일예를 설명한다.
먼저, 절연체 기판의 각각의 층을 위한 그린 시트를 제조한다. 그린 시트는 알루미나 또는 이트리아 안정화 지르코니아 분말, 유기용제 및 유기 바인더 등을 혼합하여 슬러리를 제조한 후 에이징을 통해서 슬러리 내의 기포를 제거하고 테이프 캐스팅 등의 방법으로 슬러리를 시트 형태로 성형하고, 성형된 시트를 건조하는 방법으로 제조할 수 있다.
다음, 그린 시트에 비아홀을 형성하고, 스크린 프린팅 방법으로 감지 패턴 층을 인쇄하고, 그 위에 보호층을 인쇄한다. 스크린 프린팅 과정에서 비아홀의 내면에도 전도성 물질이 도포된다. 그리고, 다른 그린 시트에 비아홀을 형성하고, 스크린 프린팅 방법으로, 제1전극 패턴 층과 전도성 연결 패턴 층을 인쇄한다. 또한, 또 다른 그린 시트에 제2전극 패턴 층을 인쇄한다.
다음, 그린 시트에 온도 센서 층을 인쇄하고, 다른 그린 시트에 백금 히터 층도 인쇄한다.
다음, 인쇄된 그린 시트들을 정렬하여 순서대로 적층한다.
다음, 적층된 미소결 상태의 입자상 물질 센서를 진공 포장한 후 HIP(Hot isostatic press) 등의 방법으로 압착하여 복수의 입자상 물질 센서가 포함되어 있는 그린 바를 제조한다.
다음, 그린 바를 절단하여 단위 입자상 물질 센서들로 분리한다.
다음, 하소공정을 통해서 단위 입자상 물질 센서들에 포함되어 있는 용제와 결합제 및 연화제를 제거한다.
다음, 소결을 통해서 단위 입자상 물질 센서를 완성한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10: 절연체 기판 20: 감지 패턴
21: 제1단위 격자 22: 제2단위 격자
23: 단위 격자 30: 제1전극 패턴
35: 제1전도성 비아홀 40: 제2전극 패턴
45: 제2전도성 비아홀 47: 연결 패턴
50: 감지부 60: 히터
70: 온도 센서

Claims (7)

  1. 절연체 기판과, 그 절연체 기판에 형성된 감지부와, 상기 절연체 기판을 가열하도록 구성된 히터를 포함하며, 상기 감지부의 저항 값의 변화를 통해서 입자상 물질을 감지하는 입자상 물질 센서에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 절연체 기판의 일면에 형성되며, 일정한 간격으로 서로 분리된 복수의 전기 전도성 단위 격자들을 포함하는 감지 패턴과,
    상기 단위 격자들의 일부와 전기적으로 연결된 제1전극 패턴과,
    상기 제1전극 패턴과 전기적으로 분리되며, 상기 단위 격자들 중 상기 제1전극 패턴과 연결되지 않은 단위 격자들과 전기적으로 연결되는 제2전극 패턴을 포함하며,
    상기 제1전극 패턴과 제2전극 패턴은 서로 인접한 단위 격자들이 서로 다른 전극 패턴과 연결되도록 단위 격자들에 연결되는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 패턴은 상기 절연체 기판에 내장되며, 상기 절연체 기판에 형성된 제1전도성 비아홀들을 통해서 상기 단위 격자들과 연결되는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2전극 패턴은 상기 절연체 기판에 내장되며, 상기 제1전극 패턴의 아래에 배치되고, 상기 절연체 기판에 형성된 제2전도성 비아홀들을 통해서 상기 단위 격자들과 연결되고, 상기 제2전도성 비아홀들은 상기 제1전도성 비아홀과 전기적으로 분리된 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1전극 패턴은 메쉬 형태인 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1전극 패턴의 메쉬 개구(mesh opening)들의 안쪽에 위치하며, 상기 제2전도성 비아홀들과 전기적으로 연결되는 전도성 연결 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극 패턴은 메쉬 형태인 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위 격자는 사각형인 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.

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