KR200170012Y1 - Thick film type prophane gas sensor - Google Patents
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Abstract
본 고안은 대기 중에 누출된 프로판 가스의 감지를 위한 후막형 프로판 가스센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하부의 감지막 전극과는 별도로 상부에 금(Au)으로 이루어진 상부 감지막 전극을 추가로 형성함으로써 프로판 가스에 대한 감도 및 감지속도를 향상시킨 프로판 가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a thick film type propane gas sensor for detecting propane gas leaked into the atmosphere, and more specifically, an upper sensing film electrode made of gold (Au) is further formed on the upper portion of the lower sensing film electrode. The present invention relates to a propane gas sensor having improved sensitivity and speed for propane gas.
본 고안의 후막센서는, 알루미나 기판, 그 기판 상부면의 일부에 형성된 2 개의 하부 감지막 전극, 상기 하부 감지막 전극들 사이에 형성된 감지막, 상기 감지막 및 하부 감지막 전극위에 형성된 금으로 이루어진 상부 감지막 전극, 상기 알루미나 기판의 하부면 일부에 형성된 히터 전극과, 상기 기판의 하부면에 형성되고 상기 히터 전극과 접촉하는 히터로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 본 고안의 가스센서에서는 가스와 감지막의 반응에 의한 신호전달이 신속하게 이루어짐으로서 가스감지 시간이 현저히 줄어든다.The thick film sensor of the present invention includes an alumina substrate, two lower sensing film electrodes formed on a portion of an upper surface of the substrate, a sensing film formed between the lower sensing film electrodes, and a gold formed on the sensing film and the lower sensing film electrodes. An upper sensing layer electrode, a heater electrode formed on a portion of the lower surface of the alumina substrate, and a heater formed on the lower surface of the substrate and in contact with the heater electrode. In the gas sensor of the present invention having such a configuration, the signal detection by the reaction between the gas and the sensing film is made quickly, so that the gas detection time is significantly reduced.
Description
본 고안은 대기 중에 누출된 프로판 가스의 감지를 위한 후막형 프로판 가스센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하부의 감지막 전극과는 별도로 상부에 금(Au)으로 이루어진 상부 감지막 전극을 추가로 형성함으로써 프로판 가스에 대한 감도 및 감지속도를 향상시킨 프로판 가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a thick film type propane gas sensor for detecting propane gas leaked into the atmosphere, and more specifically, an upper sensing film electrode made of gold (Au) is further formed on the upper portion of the lower sensing film electrode. The present invention relates to a propane gas sensor having improved sensitivity and speed for propane gas.
일반적으로 가스연료는 사용상의 편리성으로 인하여 프로판 가스의 사용량은 날로 증가하고 있다. 이렇게 가스 사용이 늘어남에 따라 가스의 누출로 인한 안전사고 또한 증가하고 있다. 특히, 가스 누출로 인한 폭발사고는 대형의 인적, 물적 피해를 야기함으로써 사회적으로 큰 문제가 되고 있다. 이에 따라, 가스누출을 신속히 발견하여 안전사고를 미연에 방지할 수 있게하는 다양한 종류의 프로판 가스센서가 개발되고 있다.In general, the use of propane gas is increasing day by day due to the convenience of gas fuel. As the use of gas increases, safety accidents due to gas leakage also increase. In particular, explosion accidents caused by gas leaks cause a great deal of human and material damage, which is a major social problem. Accordingly, various types of propane gas sensors have been developed to quickly detect gas leaks and prevent safety accidents.
예를 들어, SnO2와 같은 금속산화물 반도체에 귀금속 촉매와 바인더를 첨가하여 전극이 형성된 알루미나 튜브에 도포함으로써 제작되는 세라믹 가스센서가 있다. 그러나 그러한 가스센서에서는 감지막이 수작업으로 도포됨에 따라 가스검지특성의 재현성이 일정하게 유지되기 어려우며, 자동화에 의한 대량생산이 곤란한 문제점이 있었다.For example, there is a ceramic gas sensor manufactured by adding a noble metal catalyst and a binder to a metal oxide semiconductor such as SnO 2 and applying the same to an alumina tube on which an electrode is formed. However, in such a gas sensor, it is difficult to maintain a constant reproducibility of gas detection characteristics as the sensing film is applied by hand, and there is a problem that mass production by automation is difficult.
도 1 에는 종래의 후막형 가스센서를 도시하였다. 도시된 후막센서는, 알루미나 기판(1), 그 기판 상부면의 일부에 형성된 2 개의 상부 감지막 전극(4), 상기 하부 감지막 전극 사이에 형성된 감지막(5), 상기 알루미나 기판(1)의 하부면 일부에 형성된 히터 전극(3)과, 상기 기판(1)의 하부면에 형성되고 상기 히터 전극(3)과 접촉하는 히터(2)로 구성된다. 이렇게 구성된 종래의 후막센서는 감지막(5) 아래의 하부 감지막 전극(4)만을 사용함으로써 표면전도형인 SnO2와 같은 금속산화물 반도체의 특성을 모두 이용하지 못하고 있다. 즉, 가스와 반응하여 생긴 표면의 전도전자가 아래쪽의 전극까지 확산되어야 감지막의 저항이 변하게되므로 감지속도가 늦는다는 취약점이 있었다.Figure 1 shows a conventional thick film type gas sensor. The illustrated thick film sensor includes an alumina substrate 1, two upper sensing film electrodes 4 formed on a part of an upper surface of the substrate, a sensing film 5 formed between the lower sensing film electrodes, and the alumina substrate 1. A heater electrode 3 formed on a portion of the lower surface of the substrate and a heater 2 formed on the lower surface of the substrate 1 and in contact with the heater electrode 3. The conventional thick film sensor configured as described above does not use all of the characteristics of the metal oxide semiconductor such as SnO 2 , which is a surface conduction type, by using only the lower sensing film electrode 4 under the sensing film 5. That is, the resistance of the sensing film is changed only when the conduction electrons on the surface generated by reaction with the gas are diffused to the lower electrode.
본 고안에서는 상기한 바와 같은 종래의 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 고안의 목적은 감지 속도 및 감지 특성이 향상된 후막형 프로판 가스센서를 제공하는 것이다.In the present invention to solve the various problems as described above, an object of the present invention is to provide a thick film type propane gas sensor with improved detection speed and detection characteristics.
또한, 작고 가벼우면서도 생산 재현성이 우수하여 자동화에 의해 대량생산할 수 있는 후막형 프로판 가스센서를 제공하는 것도 본 고안의 목적이다.In addition, it is also an object of the present invention to provide a thick film-type propane gas sensor that is small and light, but excellent in production reproducibility, which can be mass-produced by automation.
도 1은 종래의 가스센서를 도시한 측면도,1 is a side view showing a conventional gas sensor,
도 2는 본 고안에 따른 가스센서의 측면도,2 is a side view of a gas sensor according to the present invention;
도 3은 종래 가스센서의 감지특성을 도시한 그래프,3 is a graph showing the detection characteristics of the conventional gas sensor,
도 4는 본 고안에 따른 가스센서의 감지특성을 도시한 그래프,4 is a graph showing the detection characteristics of the gas sensor according to the present invention,
도 5는 종래 가스센서 및 본 고안 가스센서의 응답특성을 비교 도시한 그래프.Figure 5 is a graph showing a comparison of the response characteristics of the conventional gas sensor and the gas sensor of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 알루미나 기판2 : 히터1: alumina substrate 2: heater
3 : 히터 전극4 : 하부 감지막 전극3: heater electrode 4: lower sensing film electrode
5 : 감지막6 : 백금선5 detection film 6: platinum wire
7 : 상부 감지마 전극7: upper sensor electrode
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 후막형 프로판 가스센서에 있어서, 알루미나 기판, 그 기판 상부면의 일부에 형성된 2개의 하부 감지막 전극, 상기 하부 감지막 전극 사이의 노출된 기판 및 하부 감지막 전극의 일부에 도포되어 형성된 감지막, 상기 알루미나 기판의 하부면 일부에 형성된 히터 전극과, 상기 기판의 하부면에 형성되고 상기 히터 전극과 접촉하는 히터로 구성되며, 상기 하부 감지막 전극 및 감지막 위에는 금(Au)으로 이루어진 상부 감지막 전극을 추가로 형성함을 특징으로 하는 후막형 프로판 가스센서를 마련함에 의한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the thick film propane gas sensor, an alumina substrate, two lower sensing film electrodes formed on a part of the upper surface of the substrate, the exposed substrate and the lower substrate between the lower sensing film electrodes And a sensing film formed on a portion of the sensing film electrode, a heater electrode formed on a portion of the lower surface of the alumina substrate, and a heater formed on the lower surface of the substrate and in contact with the heater electrode. By providing a thick film-type propane gas sensor characterized in that the upper sensing film electrode made of gold (Au) is further formed on the sensing film.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본원 고안에 따른 후막형 프로판 가스센서를 도시한 측면도이다.Figure 2 is a side view showing a thick film type propane gas sensor according to the present invention.
도 2에 도시된 후막센서는, 알루미나 기판(1), 그 기판 상부면의 일부에 형성된 2 개의 하부 감지막 전극(4), 상기 하부 감지막 전극들 사이에 형성된 감지막(5), 상기 감지막(5) 및 하부 감지막 전극(4) 위에 형성된 금으로 이루어진 상부 감지막 전극(7), 상기 알루미나 기판(1)의 하부면 일부에 형성된 히터 전극(3)과, 상기 기판(1)의 하부면에 형성되고 상기 히터 전극(3)과 접촉하는 히터(2)로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 가스센서에서는 가스와 감지막의 반응에 의한 신호전달이 신속하게 이루어짐으로서 가스감지 시간이 현저히 줄어든다.The thick film sensor illustrated in FIG. 2 includes an alumina substrate 1, two lower sensing film electrodes 4 formed on a portion of an upper surface of the substrate, a sensing film 5 formed between the lower sensing film electrodes, and the sensing The upper sensing film electrode 7 made of gold formed on the film 5 and the lower sensing film electrode 4, the heater electrode 3 formed on a part of the lower surface of the alumina substrate 1, and the substrate 1 It is composed of a heater (2) formed on the lower surface and in contact with the heater electrode (3). In the gas sensor having such a configuration, the signal is rapidly transmitted by the reaction between the gas and the sensing film, and the gas detection time is significantly reduced.
본 고안에 따라 상부 감지막 전극을 추가로 마련함으로써, 가스 감지 속도가 추가로 형성된 금박막에 의해 향상되고, 또한 금의 촉매작용에 의해 프로판 가스에 대한 감지특성이 향상된다.By further providing an upper sensing film electrode according to the present invention, the gas sensing speed is further improved by the formed gold thin film, and further, the sensing property of propane gas is improved by the catalysis of gold.
본 고안의 프로판 가스센서를 제조하는 방법을 기술하면 아래와 같다.Referring to the method for producing a propane gas sensor of the present invention is as follows.
감지물질은 일반적인 공침법을 이용하여 제조하였다. 우선 SnCl4수용액을 준비한다. 얻고자하는 SnO2의 양에 따라 SnCl4수용액을 희석한다. 그리고 최종의 모물질에 촉매로써 백금을 첨가하기 위해 액체상태인 염화백금산을 SnCl4의 1 ∼ 5 wt.%가 되도록 SnCl4수용액에 자기교반기로 교반하며 첨가하였다. 수용액을 침전시키기 위하여 NH4OH를 첨가한다. 침전된 졸 상태의 Sn(OH)4를 0.1M의 NH4NO3수용액을 이용하여 세척한다. 세척된 물질을 전기로를 이용하여 90-100℃에서 건조한 후 초기 분쇄한다. 분쇄된 물질을 하소한 후 다시 분쇄하여 가스센서 감지막용 SnO2모물질을 만든다.Sensing material was prepared using a common coprecipitation method. First, an aqueous solution of SnCl 4 is prepared. Dilute SnCl 4 aqueous solution according to the amount of SnO 2 to be obtained. And stirred with a magnetic stirrer and SnCl 4 solution was added to the liquid phase of chloroplatinic acid is 1 ~ 5 wt.% Of SnCl 4 was added to the platinum as a catalyst in the base material of the end. NH 4 OH is added to precipitate the aqueous solution. The precipitated sol Sn (OH) 4 is washed with 0.1 M aqueous NH 4 NO 3 solution. The washed material is dried at 90-100 ° C. using an electric furnace and then ground. The pulverized material is calcined and pulverized again to form SnO 2 parent material for the gas sensor detection membrane.
위의 공정을 거쳐 제조된 모물질을 이용하여 본 고안의 프로판 가스센서를 제작하였다. 본 고안의 가스센서 제작을 위해 0.2mm 두께의 알루미나 기판(1)을 준비한다. 상기 알루미나 기판 위에 가스센서의 동작온도 유지를 위한 히터(2)를 RuO₂페이스트로 인쇄한다. 그리고 백금 페이스트를 RuO₂로 이루어진 히터위에 인쇄하여 히터 전극(3)을 형성한다. 히터(2)가 인쇄된 알루미나 기판(1)에 백금 페이스트를 인쇄하여 상부 감지막 전극(4)을 형성한다. 전술한 공정을 거쳐 제조한 백금 함유 SnO₂분말을 슬러리 상태로 만들어 상기 상부 감지막 전극(4) 사이의 알루미나 기판 및 상기 감지막 전극(4)의 일부에 인쇄하여 감지막(5)을 형성한다. 이어서 700∼900℃에서 1∼3 시간 공기분위기에서 소성한다. 소성 후 백금선(6)을 상부 감지막 전극에 부착한다. 그리고 열증착기기를 이용하여 금을 감지막 위에 증착하여 금으로 이루어진 박막형태의 상부 감지막 전극(7)을 형성한다. 이때 알루미늄 테이프를 이용하여 감지막 전극의 일부를 스크린하여 금이 감지전극의 폭 전체에 걸쳐서 증착되지 않도록 한다. 끝으로 이를 패키징(Packaging)하여 센서제작을 완료한다.The propane gas sensor of the present invention was manufactured using the parent material prepared through the above process. 0.2 mm thick alumina substrate 1 is prepared for the gas sensor fabrication of the present invention. The heater 2 for maintaining the operating temperature of the gas sensor on the alumina substrate is printed with RuO₂ paste. And the platinum paste is printed on the heater which consists of RuO2, and the heater electrode 3 is formed. A platinum paste is printed on the alumina substrate 1 on which the heater 2 is printed to form the upper sensing film electrode 4. The platinum-containing SnO 2 powder prepared through the above-described process is made into a slurry, and the sensing film 5 is formed by printing the alumina substrate between the upper sensing film electrode 4 and a part of the sensing film electrode 4. Subsequently, it is calcined in an air atmosphere for 1 to 3 hours at 700 to 900 ° C. After firing, the platinum wire 6 is attached to the upper sensing film electrode. Then, gold is deposited on the sensing film using a thermal evaporation apparatus to form the upper sensing film electrode 7 having a thin film shape of gold. At this time, a portion of the sensing electrode is screened using aluminum tape so that gold is not deposited over the entire width of the sensing electrode. Finally, the sensor is manufactured by packaging it.
상기한 바와 같은 방법으로 제작된 프로판 가스센서의 가스에 대한 감지특성을 설명하면 아래와 같다.Referring to the gas detection characteristics of the propane gas sensor produced by the above method as follows.
도 3 은 금을 상부 감지막 전극(7)으로 사용한 후막형 프로판 가스 센서의 감지특성을 나타낸 것이다. 피검가스에 대한 감지특성은 다음의 식으로 나타낼 수 있다. 즉3 shows the sensing characteristics of a thick film type propane gas sensor using gold as the upper sensing film electrode 7. Sensing characteristics for the test gas can be expressed by the following equation. In other words
R = R0C-S식(1)R = R 0 C -S Equation (1)
식(1)에서 R은 프로판가스 분위기에서의 감지막의 저항값, R0는 공기 분위기에서의 초기저항값, C는 피검가스의 농도, -S는 기울기를 각각 나타낸다. 식 (1)에 상용대수를 취하면,In Equation (1), R represents a resistance value of the sensing film in propane gas atmosphere, R 0 represents an initial resistance value in air atmosphere, C represents a concentration of test gas, and -S represents a slope. If we take the common logarithm in equation (1),
log R = log R0- SlogC식(2)log R = log R 0 -SlogC formula (2)
가 되며, log R 과 loc C 의 관계는 일차방정식을 만족시킨다. 그러므로 log R 과 log C 의 기울기로부터 S를 구할 수 있으며, 절대값이 클수록 저하의 변화폭이 크게되어 감지특성이 좋음을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 5000 ppm의 프로판 가스에 대해 350 ㏀ 의 초기저항값에서 5 ㏀의 저항값으로 변화함을 볼 수 있는데 이는 98%의 큰 저항변화율이다. 그러나 감지에 방해가 되는 가스라 할 수 있는 메탄가스와 일산화탄소에 대한 저형변화는 극히 미미함을 볼 수 있다. 즉, 프로판 가스에 대한 뛰어난 선택성이 뛰어나다는 것을 알 수 있다.The relationship between log R and loc C satisfies the linear equation. Therefore, S can be obtained from the slopes of log R and log C, and the larger the absolute value, the larger the change range of degradation, and thus, the better the detection characteristic. As shown in the figure, it can be seen that for 5000 ppm propane gas, the initial resistance value of 350 ㏀ is changed from the resistance value of 5 ㏀, which is a large resistance change rate of 98%. However, the low form change for methane gas and carbon monoxide, which is a gas obstructing detection, can be seen to be minimal. That is, it turns out that the outstanding selectivity with respect to propane gas is excellent.
도 4 는 본 고안과 비교하기 위해 금을 상부전극으로 증착하지 않은 가스센서의 프로판 가스에 대한 감지특성을 나타낸 것이다. 감지특성이 본 고안에 비해 좋지못함을 알 수 있다.Figure 4 shows the detection characteristics for the propane gas of the gas sensor does not deposit gold as the upper electrode in order to compare with the present invention. It can be seen that the detection characteristics are not as good as the present invention.
도 5 는 본 고안의 가스센서와 종래 가스센서의 응답특성을 비교도시한 것으로서, (a)는 본 고안의 가스센서의 응답특성을 나타낸 것이고 (b)는 종래 가스센서의 응답특성을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 본 고안의 가스센서는 4초 이내의 응답특성 가지며, 종래 가스센서는 10 초 정도의 응답특성을 가진다.5 is a comparison of the response characteristics of the gas sensor of the present invention and the conventional gas sensor, (a) shows the response characteristics of the gas sensor of the present invention and (b) shows the response characteristics of the conventional gas sensor. As shown, the gas sensor of the present invention has a response characteristic within 4 seconds, and the conventional gas sensor has a response characteristic of about 10 seconds.
이러한 감지특성의 향상으로 인해, 가스센서의 크기를 2×4×0.2㎣ 정도로 줄일 수가 있다. 또한, 그 구조적인 특성으로 인해 600㎽ 정도의 저전력으로도 가스 감지를 위해 필요한 350℃의 온도를 유지할 수 있다.Due to the improvement of the sensing characteristic, the size of the gas sensor can be reduced to about 2 × 4 × 0.2 mm 3. In addition, due to its structural characteristics, it is possible to maintain a temperature of 350 ° C. required for gas detection even at a low power of about 600 kW.
상기에서와 같이 본 고안에 의하면, 감지막 아래에 도포된 하부 감지막 전극과 함께 감지막위에 상부 감지막 전극으로서 금을 열증착하여 형성함으로써 프로판가스에 대한 감지특성을 향상시킬수 있으며, 가스와 감지막과의 반응에 의한 신호전달을 빠르게 함으로써 가스 감지 시간을 줄일 수 있다.As described above, according to the present invention, by forming a thermally deposited gold as an upper sensing electrode on the sensing layer together with the lower sensing electrode coated on the sensing layer, the sensing characteristics of propane gas can be improved. Gas detection time can be reduced by accelerating signal transmission by reaction with the membrane.
또한, 본 고안의 가스센서는 일산화탄소, 메탄가스와 같은 방해가스에 대한 영향이 낮아 보일러실과 같이 프로판 가스와 이의 연소로 인한 일산화탄소 등이 공존하는 장소에서도 뛰어난 성능을 갖는다.In addition, the gas sensor of the present invention has an excellent performance even in a place where propane gas and carbon monoxide due to its combustion coexist, such as a boiler room, because of the low influence on the interference gas such as carbon monoxide, methane gas.
이외에도, 본 고안의 구조적인 특성으로 인해 가스를 감지하기위해 필요한 온도를 저전력으로도 유지할 수 있는 효과를 가진다.In addition, due to the structural characteristics of the present invention has the effect of maintaining the temperature required to detect the gas at low power.
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