KR0128552Y1 - 후막형 3단자 가스센서 소자 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가연성 가스의 누출을 사전에 검지하는 가스센서에 관한 것으로, 가연성 가스를 검지하는 가스센서에 있어서, 일정크기의 절연성 세라믹 기판(230)의 일측면에 J자형의 전극(212)과 직사각형의 전극(214)을 일정 선간격(d)과 일정 선폭(W)으로 부착하고, 상기 전극(212)(214) 사이의 상부면에는 가스 감지용 반도성 후막(220)을 일정 크기로 중첩하여 부착함을 특징으로 하여, 단자가 3개가 되게 함으로서 안정적으로 접속할 수 있고 적은 전력으로 적정한 온도 범위를 유지할 수 있게 한 후막형 3단자 가스센서 소자를 제공한다.

Description

후막형 3단자 가스센서 소자

제1도는 종래기술에 따른 4단자 가스센서 소자를 도시한 사시도.

제2도는 종래기술에 따른 4단자 가스센서 소자를 도시한 단면도.

제3도는 종래기술에 따른 삽입식 4단자 가스센서 소자를 도시한 사시도.

제4도는 본 고안에 따른 3단자 소자의 전극 인쇄용 스크린 형상을 도시한 평면도.

제5도는 본 고안에 따른 3단자 소자의 반도성 후막 인쇄용 스크린 형상을 도시한 평면도.

제6도는 본 고안에 따른 3단자 가스센서 소자를 개략적으로 도시하며,

(a)도는 사시도,

(b)도는 평면도.

제7도는 본 고안에 다른 3단자 가스센서 소자에 전선을 연결한 상태를 도시한 개략도.

제8도는 본 고안에 따른 3단자 가스센서 소자를 이용하는 배선도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

210 : 전극 220 : 반도성 후막

230 : 기판 d : 선간격

W : 선폭

본 고안은 가연성 가스의 누출을 사전에 검지하는 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그 핵심을 이루는 구성요소인 가스센서 소자의 전극 형상을 J과 직사각형으로 하여 일정 거리 띄우고 이들의 근거리측을 반도성 후막으로 중첩시킴으로서 단자가 3개가 되게 하여 안정적으로 접속할 수 있고 적은 전력으로 적정한 온도 범위를 유지할 수 있게 한 후막형 3단자 가스센서 소자에 관한 것이다.

일반적으로 가스센서 소자는 다양한 태양으로 이루어지고, 그중에 반도체 방식의 가스센서가 가장 많이 사용되어진다.

이러한 반도체 방식의 가스센서는 내부에 열선이 들어있는 방식이며, 이는 열선을 반도체 내부에 삽입하고, 상기 열선에 전류를 흘려줌으로서 발열시키며, 그로 인하여 반도체의 온도를 가스 감지가 용이한 섭씨 200-300도 정도까지 승온시키는 것이다.

이 경우 반도체 내부에 열선을 삽입하는 공정이 복잡하여 공정 자동화가 곤란하고, 반도체 내부에서 나온 가느다란 금속선인 열선을 직경이 작은 금속 기둥에 고정시켜 놓는 구조적 불안정으로 인하여 작은 충격에도 상기 열선이 금속 기둥으로부터 떨어져 나오는 문제점이 있어왔다.

이러한 문제점들로 인하여 최근에는 세라믹 기판에 반도성 후막을 입히는 방식이 제한되고 있으며, 이렇게 최근에 실용화를 서두르고 있는 후막형 반도체 가스센서는 세라믹 기판의 한면에 발열선을 도포하고, 다른 한면에 반도성 후막을 입히며, 자동차 서리 제거용 발열선과 유사한 기능의 소형 발열선에 전류를 흘려 섭씨 200-300도 정도로 승온시키는 것이며, 그 승온에 의하여 온도가 올라가면 세라믹 기판 반대면의 반도성 후막의 온도도 함께 올라가서, 가스를 감지할 수 있는 조건이 갖추어지는 것이다.

그러나, 이와같은 경우에는 발열선을 인쇄한후 반대면의 반도성 후막이 전기전도 변화를 측정하기 위한 또다른 전극막을 입혀야 하는 문제점이 있는 것이다.

이를 개선하여 발열선과 전극을 일체화시켜 한면에 도포하고 그 위에 반도성 후막을 입히는 기술이 알려졌는데, 이러한 기술의 초보적인 단계는 발열선 및 전극을 일체화하여 승온이 가능한지에 대한 것이고, 이는 본 고안자등이 기출원한 대한민국 실용신안 등록 출원 제 94-13223호(명칭: 발열 및 전극 겸용 후막을 갖는 가스센서 소자)에서 증명한 바 있다.

상기 기 출원된 기술 내용에서는, 전극의 굴곡수가 두번 이상이었다.

그러나, 실제로 이와같이 제작하여 실험한 결과, 그 성공율이 매우 낮음을 알 수 있었고, 그 원인은 발열선의 선폭이 좁음에 기인하는 것이었다. 발열선의 선폭이 좁으면, 많은 공정을 거치면서 그 선이 끊어질 가능성이 높은 것이다.

또한, 발열선의 소성전 함유율이 미세한 금속 분말과 일종의 저융점 유리분말인 프릿트(frit), 그리고 유기결합제등이므로, 발열 후막 내에서 금속 분말간의 접촉이 연속적으로 형성되기 어려운 실정이다. 따라서, 정상적인 소성을 거치더라도 발열 후막의 폭이 넓거나, 두께가 두꺼워야 발열선의 역할을 수행할 수 있다.

그러나, 기 출원된 발열선의 기술 내용에 의하면, 2.5 ㎜ X 5.0 ㎜ 크기의 작은 세라믹 기판에 인쇄하기 위해서는 선폭이 좁아지게 된다. 세라믹 기판의 크기를 작게 줄인 이유는 가열된 부위의 크기를 최소화하여 가열에 필요한 전력을 작게 하기 위함이다.

따라서, 상기와 같이 작아진 세라믹 기판에 발열 및 전극 겸용 후막을 입히기 위해서는 그 굴곡의 수를 2-4회에서 1회로 줄이는 것이 바람직하며 또한, 기존의 2회이상의 굴곡형 후막은 그 끝부분에 전선을 감아 사용하여 공정 자동화가 어려웠다.

이를 개선하고자 작은 세라믹 기판 위에 1회 굴곡되어 선폭이 넓어진 발열 및 전극 겸용 후막을 제시하였으며(대한민국 실용신안 등록 출원 제 94-38969호). 이는 제1도와 제2도에 도시된다.

이러한 후막형 가스센서 소자(10)는 일정크기의 알루미나 세라믹 기판(11) 위에 ㄷ형상의 서로 마주하는 2개의 발열 및 전극 겸용 후막(12a)(12b)을 일정 선간격(d)과 일정 선폭(W)으로 부착하고, 상기 전극(12a)(12b)의 상부 중앙에는 가스 감지용 반도성 후막(13)을 일정 크기로 중첩 부착시킴을 특징으로 한다.

이 경우에는 센서 소자와 전선을 연결시키는데, 후막이 입혀진 면을 하부로 하여 4개의 금속 기둥에 올리고 위에서 압력을 가하였다.

그런데, 상기 4개중 1의 단자는 항상 금속 기둥과의 접촉이 불안정하였다.

이렇게 센서소자의 고정이 불안정한 문제점을 극복하기 위하여 제3도와 같이 UU형으로 전극을 제작하여 클립에 끼우는 방식을 도입하였다(대한민국 실용신안 등록 출원 제 94-39335호).

이는 세라믹 기판(111)의 일면에 2개의 U자형 도전성 후막(112)을 적정 거리 떨어진 상태로 나란히 인쇄하여 그 끝이 상기 기판(111)의 한 변의 단부에 정렬되도록 한다음 이들의 중앙 굴곡부 상부에 반도성 세라믹 후막(113)을 덮어씌운 것을 특징으로 한다.

그러나, 이러한 경우, 센서소자와 클립의 고정은 용이하였으나, 센서소자에서 발생하는 열이 클립을 통하여 소모되므로 센서의 가동온도인 300℃이상을 얻기 위해서는 높은 전력이 필요한 문제점이 있었다.

본 고안은 상기한 바와같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은, 안정적으로 접속할 수 있고 적은 전력으로 적정한 온도 범위를 유지할 수 있게 한 후막형 3단자 가스센서 소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 고안은, 가연성 가스를 검지하는 가스센서에 있어서, 일정크기의 절연성 세라믹 기판의 일측면에 J자형의 전극과 직사각형의 전극을 일정 선간격과 일정 선폭으로 부착하고, 상기 전극 사이의 상부면에는 가스 감지용 반도성 후막을 일정 크기로 중첩하여 부착함을 특징으로 하는 후막형 3단자 가스센서 소자를 마련함에 의한다.

이하, 본 고안의 실시예를 첨부된 도면에 기초하여 보다 상세하게 설명한다.

본 고안은 제4도 및 제5도에 도시한 바와같이, J자형 일측 전극(212)과 직사각형 타측 전극(214)이 적정 거리 떨어져 있게 형성된 백금 전극(210)과, 상기 백금 전극(210)의 일측 전극(212)과 타측 전극(214)의 근거리측 일부를 덮을 수 있는 정도의 크기로 설정된 사각형의 반도성 후막(220)을 가진다. 물론, 상기 반도성 후막(220)에서 보이는 테두리(222)는 인쇄하지 않는다.

상기 백금 전극(210)과 반도성 후막(220)은 제6도에 도시한 바와같이, 세라믹 기판(230)에 부착되는데, 우선 상기 세라믹 기판(230)의 일측면에 백금 전극(210)의 일측 전극(212)과 타측 전극(214)이 적정 거리(d) 떨어지도록 부착하고, 상기 백금 전극(210)의 중앙부, 즉 일측 전극(212)과 타측 전극(214)의 근거리측 일부분의 표면에 상기 반도성 후막(220)이 덮여지도록 부착된다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 작용 및 효과를 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

본 고안은 400℃ 이상에서 견디는 일반적인 절연성 기판, 여기에서는 96% 알루미나 세라믹 기판을 가로(A) 5㎜, 세로(B) 2,5㎜, 두께 0.6㎜로 가공한 후, 아세톤으로 세척한 다음, 백금 전극을 실크 스크린법으로 인쇄하였다. 스크린의 촘촘함은 325메쉬(mesh)로 하였고, 유제의 두께는 150 마이크로미터로 하였다. 백금전극(210)의 인쇄모양 및 치수는 제4도에 도시된 바와같이 일측 전극(212)은 J자 형상으로 하고, 타측 전극(214)은 직사각형의 형상으로 하여 적정 거리 떨어져 있게 하였다. 상기 전극간 거리(d)는 모두 0.83㎜를 띄웠고, 전극의 선폭(W)도 0.83㎜로 하였다.

이렇게 인쇄된 백금 전극(210)은 섭씨 150도의 건조기에서 24시간 건조시킨 다음, 섭씨 1000도까지 분당 5도의 속도로 승온시켜 2시간 유지하여 소성하였고, 그 다음에, 분당 10도의 속도로 냉각시켰다.

상기와 같이 소성된 백금 전극(210) 위에 제5도와같은 모양의 반도성 후막(220)을 인쇄하였다.

상기 반도성 후막(220)의 제조는 아래와 같았다.

출발 조성은 통상의 93SnO2-1Mg(NO3)2 6H2O-1PdCl2-5ThO2(mol%)로 하였다. 상기 물질을 부피 250㏄인 플라스틱 통에 약 50g을 넣고, 혼합 용매인 증류수를 50㏄, 지르코니아 볼을 200g 넣어 12-14시간 볼밀링하였다. 볼밀링이 끝난 슬러리를 건조오븐에 5시간 이상 건조시킨후, 섭씨 500도까지 분당 5도의 속도로 승온하여 2시간 유지하여 하소시킨 다음, 분당 10도의 속도로 냉각하였다. 상기 하소된 분말을 유발로 분쇄하면서 200 메쉬 체(sieve)를 통과시켰다. 통과된 분말을 유기 결합체와 5:3의 무게비로 혼합하여 두께가 150 마이크로미터인 150 메쉬 스크린을 이용하여 제4도에 도시한 바와같은 모양으로 소성된 백금 전극 위에 인쇄하여 제6도에 도시한 바와같은 모습을 갖추었다.

이와같이 인쇄된 후막을 갈라지지 않도록 서서히 건조시키고, 유기 결합제를 소각시킨 후 소성시키기 위하여 다음과 같은 조건으로 열처리하였다.

섭씨 70도까지 분당 1도로 승온하였고, 70도에서 5시간 유지시켰다. 이후 100도까지 분당 1도의 속도로 승온시켜 5시간 유지하여 건조시켰다. 이후 섭씨 500도까지 분당 1도의 속도로 승온시켜 5시간 유지하여 건조시켰다. 이를 다시 섭씨 900도까지 분당 5도의 속도로 승온하여 2시간 유지시켜 소성한 후 섭씨 400도까지 분당 10도의 속도로 냉각한 후 급냉하였다.

전극의 가열 정도를 열전대로 측정하였다. 백금 후막에 전류를 흘려 그로 인한 발열효과로 섭씨 300도 이상이 가능하여 사용이 가능함을 알았다.

센서 소자에 전선(310)을 연결하기 위하여 제7도에 도시한 바와같이, 후막(220)이 입혀진 면을 아래로 하여 베이스(320)에 박힌 3개의 금속기둥(미도시)(332)(333)에 올려 놓아, 제8도에 도시한 바와같이 3개의 단자(212a)(212b)(214a)가 상기의 각 기둥에 접속되도록 하였다. 이렇게 올려 놓은 다음 위로 향한 반대면을 베이스(320)에 고정된 탄성 리본(350)으로 눌러주어 고정시켰다.

제6도와 같은 3단자 모양의 전극이 입혀진 소자를 제7도에 도시한 바와같이 조립한 결과, 표1에 나타낸 바와같이 접속 불량율이 현저히 감소하였다. 여기서 비교예 1은 상기의 제1도에 도시한 바와같은 4단자 모양의 전극 패턴을 갖는 소자를 제7도에 도시한 바와같이 조립하였을때이다. 한개의 단자라도 접속이 불량할 경우를 접속불량으로 처리하고, 10개의 시편중 그 평균을 구하였다.

이와같이 제작된 센서의 열전기적 특성을 측정하기 위하여 제8도에 도시한 바와같이 배선하였다. 전원(430)의 전류가 왼쪽의 J자형 전극 끝(212a)으로 들어가 J자형을 따라 흐르고 다른 한 끝(212b)으로 간 후, 전원(430)으로 들어간다. 이렇게 하여 왼쪽의 J자형 전극에 전류가 흐르므로써 발열체로 작용한다.

잠시후 가열이 완료되어 섭씨 200-300도 정도까지 승온되면, 가스 감도 측정이 가능해지고 이때는 스위치(432)를 조작하여 단자(434)에 접속된 전원(430)으로부터의 단자(436)를 오른쪽의 백금 후막(214)에 연결된 단자(438)로 연결시킨다. 이렇게 하면 왼쪽의 J형 전극(212)은 플러스(+) 단자가 되고 오른쪽 전극(214)은 마이너스(-) 단자가 되어 두 전극 사이에 걸쳐있는 반도성 후막(220)의 전기저항을 측정하게 된다.

제6도에 도시한 바와같이 3단자 모양의 전극이 입혀진 소자를 제7도에 도시한 바와같이 조립한 결과 하기 표 1에 나타낸 바와같이 열손실이 감소하였다. 여기서 비교예 2는 상기의 제3도에 도시한 바와같이 UU형의 전극을 입힌후 클립에 끼운 경우이다.

10W의 전력을 인가한후 30초 후의 온도를 비교하였다.

상기와 같이 본 고안에 따른 후막형 3단자 가스센서 소자에 의한 3단자로 제작할 경우 역학적으로 안정한 접속을 얻을수 있었으며, 클립에 끼우는 경우보다 열손실이 적어지는 효과를 얻을 수 있었다.

Claims (1)

1. 가연성 가스를 검지하는 가스센서에 있어서, 일정크기의 절연성 세라믹 기판(230)의 일측면에 J자형의 전극(212)과 직사각형의 전극(214)을 일정 선간격(d)과 일정 선폭(W)으로 부착하고, 상기 전극(212)(214) 사이의 상부면에는 가스 감지용 반도성 후막(220)을 일정 크기로 중첩하여 부착함을 특징으로 하는 후막형 3단자 가스센서 소자.