KR101044914B1

KR101044914B1 - 확산방지체가 형성된 정전용량형 압력센서

Info

Publication number: KR101044914B1
Application number: KR1020100074558A
Authority: KR
Inventors: 박성현; 김성수; 손원근
Original assignee: (주) 유니크코리아엔아이
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2011-06-28
Also published as: KR20110047963A

Abstract

본 발명의 목적은, 정전용량형 압력센서의 커버체와 몸체를 접합하는 과정에서 접합체에 의한 전극의 오염을 방지 또는 최소화시키는 구조를 가진 정전 용량형 압력센서를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서는, 일면에 제1 전극이 부착된 커버체와, 상기 제1 전극과 소정의 간격으로 마주하는 제2 전극이 일면에 부착된 몸체와, 상기 커버체와 상기 몸체 사이에서 상기 커버체와 상기 몸체를 서로 접합시키는 접합체를 포함하는 정전용량형 압력센서에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 접합체는 서로 분리되어 있고, 상기 제1 전극과 상기 접합체 사이에 위치하여 상기 제1 전극과 상기 접합체를 전기적으로 서로 연결시키는 확산방지체가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

확산방지체가 형성된 정전용량형 압력센서{Capacitive Pressure Sensor including Anti-diffusion Material}

본 발명은 확산방지체에 의해 전극과 용접부가 연결된 정전 용량형 압력센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전 용량형 압력센서의 제조과정에 있어서 전극이 용접부에 의해 오염되지 않는 구조를 가지는 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.

일반적으로 정전용량형 압력센서는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치이다. 그러한 정전용량형 압력센서는 선박용 밸러스트 탱크(Ballast Tank), 물탱크 및 오일 탱크에서 수위나 흐름을 연속적으로 측정하는 레벨 트랜스미터(Level Transmitter)에 많이 적용되어 사용된다.

도1은 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서를 도시하고 있고, 도2는 도1의 A-A선 단면도를 도시하고 있다.

상기 압력센서(10)의 구조를 간략히 설명하면, 도1에 도시된 바와 같이 하부면에 제1 전극이 장착된 커버체(11)와, 상기 커버체(11)의 하측에 위치하는 것으로 상부면에 제2 전극이 장착된 몸체(12)와, 상기 커버체(11)와 상기 몸체(12)를 접합하기 위하여 상기 커버체(11)와 상기 몸체(12) 사이에서 가장자리를 따라 용가재가 형성된 접합체(13)를 포함한다. 상기 접합체(13)는 950℃이하의 온도에서 몸체(12)와 커버체(11)를 서로 접합한다.

상기와 같은 구조의 압력센서(10)는 상측으로부터 커버체(11)에 압력이 가해지면 도2와 같이 제1 전극(14)이 하측으로 점선과 같이 휘어지게 되고, 이에 따라 제1 전극(14)과 제2 전극의 내측전극(15)과 제2 전극의 외측전극(16) 사이에서 발생하는 정전용량의 변화에 의해서 그것에 대응하는 압력을 측정한다. 이는 압력이 클수록, 제2 전극의 내측전극(15)과 제1 전극(14) 사이의 거리가 그 외측(16)보다 상대적으로 더 가까워지므로, 제2 전극의 내측전극(15)과 제1 전극(14) 사이의 정전용량과, 제2 전극의 외측전극(16)과 제1 전극(14) 사이의 정전용량의 차이에 의한 비율로서 압력의 크기를 산출하고 있다. 도2의 미설명부호 17a ~ 17c는 전극의 접속단자이다.

그러나, 상기와 같은 구조의 종래 압력센서(10)에 있어서는, 상기 접합체(13)가 상기 제1 전극(14)과 접촉하는 상태에서 접합체(13)가 용융되어 커버체(11)와 상기 몸체(12)의 접합이 이루어짐에 따라 상기 용융된 접합체(13)의 용가재가 전극으로 침투하여 상기 제1 전극(14)이 오염되고, 전극의 물성이 변하는 문제점이 있었다. 특히, 상기 용가재의 Ag, Cu 성분이 젖음성이 좋은 금속이므로 전극오염의 주요한 요인이 되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 정전용량형 압력센서의 커버체와 몸체를 접합하는 과정에서 접합체에 의한 전극의 물성변화를 방지 또는 최소화시키는 구조를 가진 정전 용량형 압력센서를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력센서는, 일면에 제1 전극이 부착된 커버체와, 상기 제1 전극과 소정의 간격으로 마주하는 제2 전극이 일면에 부착된 몸체와, 상기 커버체와 상기 몸체 사이에서 가열되어 상기 커버체와 상기 몸체를 서로 접합시키는 접합체를 포함하고, 상기 몸체에 형성되는 접속홀에 상기 제1전극과 상기 제2전극에 각각 전기적으로 연결되는 접속단자가 각각 삽입되되, 상기 제1 전극은 Ag 또는 Cu 재질을 포함하고, 상기 접합체는 Ag, Cu 및 Ti를 포함하는 금속조성물이며, 상기 제1 전극과 상기 접합체는 분리되어 있는 상태에서 그 사이에 위치하는 확산방지체에 의해 서로 전기적으로 연결되며, 상기 확산방지체는 Ta, Ti, TiN, WCN 중 선택된 어느 하나의 재질이고, 상기 제1전극에 전기적으로 연결되는 접속단자는 상기 접합체에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기에서 확산방지체는 상기 커버체의 일면에 판상(板狀)으로 부착되어 상기 접합체와 접하도록 형성되고, 상기 판상의 일면에 상기 제1 전극이 적층되는 것이 바람직하다.
상기 확산방지체를 구성하는 다른 방식으로서, 상기 확산방지체는 링형상으로 형성되고, 상기 제1 전극은 상기 링형상의 내측에 위치하며, 상기 링형상의 외측에서 상기 확산방지체와 상기 접합체가 접하도록 구성할 수 있다.
한편, 상기 접합체는 Ag 70.5중량%, Cu 26.5중량%, Ti 3중량%를 가지는 접합용 용가제인 것이 바람직하다.

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상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 정전용량형 압력센서는, 그 제조과정에서 전극이 접합체의 접합재료로부터 오염되는 것을 확산방지체가 막아주고 있다. 그에 따라, 전극의 물성이 변하는 것이 방지되어 정밀하고 우수한 품질의 압력센서가 제공될 수 있다.

또한, 그러한 구성의 정전용량형 압력센서는 제조과정에서 접합체의 용가재로부터 전극이 영향을 거의 받지 않거나 차단될 수 있으므로, 전기전도도가 우수하고 내부식성이 좋은 금속을 전극으로 사용하여 우수한 품질의 압력센서를 제조할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 정전용량형 압력센서,
도 2는 도1의 A-A선 단면도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전용량형 압력센서의 단면도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전용량형 압력센서의 단면도,
도 5는 본 발명의 제2전극을 구성하는 방법을 도시하는 단면도
도 6은 본 발명의 제2전극을 구성하는 다른 방법을 도시하는 단면도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성을 도시하고 있다.

도3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전용량형 압력센서(100)는 일면에 제1 전극(140)이 부착된 커버체(110)와, 상기 제1 전극(140)과 소정의 간격으로 마주하는 제2 전극(155,165)이 일면에 부착된 몸체(120)와, 상기 커버체(110)와 상기 몸체(120) 사이에서 상기 커버체(110)와 상기 몸체(120)를 서로 접합시키는 접합체(130)와, 상기 제1 전극(140)과 상기 접합체(130)가 전기적으로 서로 연결되도록 하고, 상기 커버체(110)의 일면에 판상(板狀)으로 부착되는 확산방지체(145)를 포함한다.

상기 커버체(110)는 디스크의 형태로 제작되는 것으로 기계적 에너지, 즉 압력을 받아 변형되는 역할을 한다. 그러한 커버체(110)는 상기 몸체(120)와 동일한 원판으로 제작되어 상기 몸체(120)와 동일한 직경을 갖도록 하고, 1 mm이하의 두께로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 재질은 사파이어(Sapphire), 알루미나(Al₂O₃)로 제작되는 것이 바람직하다. 상기 커버체(110)의 하측 일면에는 제1 전극(140)이 배치된다.

상기 몸체(120)는 원형의 디스크 형태로 제작되는 것으로 그 상측의 일면에 제2 전극(155,165)을 배치시키고, 압력센서의 본체의 역할을 하고 있다. 상기 몸체(120)에는 그것을 관통하는 접속홀(180a~180c)이 형성되며, 상기 복수의 접속홀(180a~180c)의 내부에는 접속단자(170a~170c)가 각각 삽입되어 있다. 상기 접속단자(170a~170c)의 일단은 외부전원(미도시)과 연결되고, 상기 몸체(120)의 내부로 삽입된 접속단자(170a~170c)의 타단은 몸체(120) 상부의 제 2전극(155,165) 및 커버체(110) 하부의 제1 전극(140)과 전기적으로 접속된다.

본 실시예에서 모두 3개의 접속단자(170a~170c)가 설치되어 있으며, 그 중 2개의 접속단자(170b~170c)는 후술하는 상기 제2 전극(155,165)의 구분되어 있는 두 부분 즉, 내측전극(155)과 외측전극(165)에 각각에 접속되며, 나머지 하나의 접속단자(170a)는 제1 전극(140)과 연결된 접합체(130)에 접속된다.

따라서, 접속단자(170a~170c)가 장착되는 상기 복수의 접속홀(180a~180c)은 몸체(120)의 상부에 형성된 각 전극(155,165)에 접속될 수 있도록 형성될 필요가 있다. 상기 접속단자(170a~170c)는 금속물질로 제작된 와이어(wire) 또는 막대(rod)이다.

한편, 상기 몸체(120)는 알루미나(Al₂O₃)를 재료로 하여 원형디스크로 성형하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 다양한 세라믹 재료와 다양한 형상으로 제작할 수 있다.

상기 제1 전극(140)은 상기 커버체(110)의 하면에 판상으로 부착되고, 접합체(130)에 의해서 접속단자(170a)와 연결된다.

제2 전극(155,165)은 제1 전극(140)과 10~100㎛의 간격을 두고 몸체(120) 상부의 일부 영역에 형성되어 있다. 상기 제1 전극은 도전성의 물질 예컨대, Ag 또는 Cu를 포함하는 금속물로 구성된다. 상기 금속물은 전기전도성과 내부식성이 우수한 특징을 가진다.

상기와 같은 구성에 따라, 외부전원(미도시)을 이용하여 접속단자(170a~170c) 각각에 전원이 인가되면, 상기 몸체(120) 상부의 제2 전극(155,165) 및 커버체(110) 하부의 제1 전극(140)이 통전됨에 따라 상기 정전용량형 압력센서(100)가 구동하게 된다.

상기 제1 전극(140)과 제2 전극(155,165)간 거리와 면적을 조절함으로써 커패시턴스를 조절하고, 출력값의 비선형성을 개선할 수 있다.

한편, 상기 접합체(130)는 몸체(120)와 커버체(110)를 서로 접합시키는 역할을 한다. 상기 접합체(130)에 사용되는 재질은 Ti, Zr 등을 포함하고 있는 활성금속 조성물로 이루어지며, 활성금속 무게비의 합이 5 중량 %이하로 접합체(130)를 제작하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 Ag 70.5중량%, Cu 26.5중량%, Ti 3중량%를 가지는 접합용 용가제를 사용한다.

상기와 같이 활성금속을 포함하는 접합체(130)는 링 구조의 박판 형태로 제작되며, 제1 전극(140)과 제2 전극(165)의 외측 즉, 몸체(120)와 커버체(110)의 가장자리 영역에 위치한다. 또한, 접합체(130)는 제1 전극(140)과 제2 전극(155,165)의 높이의 합에 비해 소정의 높이만큼 높게 제작되고, 접합체(130)의 높이와 제1 전극(140)과 제2 전극(155,165)의 높이의 합의 차가 제1 전극(140)과 제2 전극(155,165)간의 간격이 된다. 상기 접합체(130)의 접합간격은 10~100㎛의 간격을 가지고, 700℃ ~ 900℃ 접합온도로 접합되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 확산방지체(145)는 본 실시예에서 제1 전극(140)과 커버체(110) 사이에 위치한다. 상기 확산방지체(145)와 상기 제1 전극(140)이 상기 커버체(110)의 하면에 순차적으로 적층된 형태이고, 상기 확산방지체(145)가 접합체(130)와 접촉 또는 접합되도록 구성된다.

상기 확산방지체(145)는 상기 제1 전극(140)보다 더 넓은 면적으로 적층되는 것으로, 예컨대 상기 제1 전극(140)이 원판의 형상인 경우, 상기 확산방지체(145)는 도3과 같이, 제1 전극(140)보다 더 큰 직경으로 커버체(110)의 하면에 적층되고 그 적층된 일면에 다시 제1 전극(140)이 적층되도록 한다. 이에 따라, 상기 확산방지체(145)는 접합체(130)에 접촉 또는 접합되어 통전(通電)되도록 하고, 상기 제1 전극(140)은 상기 접합체(130)와 소정의 간격으로 분리되어 있으며, 상기 확산방지체(145)를 매개로 하여 비로소 상기 접합체(130)와 전기적으로 연결되도록 한다. 상기 접합체(130)에는 전술한 바와 같이 제1 전극(140)과 전기적으로 연결될 접속단자(170a)가 장착되어 있다.

상기 확산방지체(145)는 Ta, Ti, TiN, TiN, WCN 중 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 한다.

상기의 금속재들을 사용하는 것은 결정립구조가 치밀하여 외부원자의 확산이 방지될 수 있는 구조를 가지고, 확산성이 좋은 Ag와 Cu 등이 고용도가 없어 합금으로 변질되지 않는다. 또한, 전극과 밀착력이 좋고, 비저항이 낮으며, 부식에 대한 저항성이 큰 장점이 있다. 또한, 750℃ 정도의 높은 온도에서도 합금으로 변질되기 어려운 특성의 재료이다.

본 실시예에 따른 작용을 설명한다.

본 실시에에 따른 압력센서(100)를 제조함에 있어서, 접합체(130)의 용가재는 두께 50㎛정도의 박판으로 커버체(100)와 몸체(120) 사이에 박판을 놓아두고 용가재의 녹는점 이상의 열을 가한다. 이에 따라 Ti, Zr 등의 활성금속이 알루미나와 공유결합을 하여 커버체(110)와 몸체(120)의 접합이 이루어진다.

종래, 접합체(130)를 형성하는 용가재가 제1 전극(140) 즉, 전술한 Ag 또는 Cu의 금속을 포함하고 있는 금속물과 접하는 경우, 확산이 발생되어 제1 전극(140)을 오염시키게 된다. 예컨대, 상기 용가재의 가열에 따른 확산이 발생하여 용가재가 액상이 되면서 상부 전극면에 확산되어 Ag로 된 제1 전극(140)이 Ag+Cu 또는 Ag+Cu+Ti 로 변화됨으로써 전극의 물성을 변화시킨다.

그러나, 본 실시예에 따른 압력센서(100)는, 접합체(130)의 용가재와 접촉하는 접촉부위에 확산방치체(145)가 위치하고 있고, 상기 확산방지체(145)가 Ta, Ti, TiN, TiN, WCN 중 선택된 어느 하나의 재질이므로 접촉위치에서 용가재의 확산을 차단하게 된다.

따라서, 전기전도성과 내부식성이 우수한 금속재료를 전극으로 사용하는 것이 가능해진다.

다음은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력센서(100)를 설명한다.

발명의 제2 실시예에 따른 정전용량형 압력센서(100)는 전술한 제1 실시예와 비교하여 제1 전극(140)과 확산방지체(145)의 구조에 있어서 차이가 있다.

본 실시예의 구조를 도4에서 도시하고 있다.

도4를 참조하면, 본 실시예는 상기 확산방지체(145)가 링형상으로 형성되고, 상기 제1 전극(140)은 상기 링형상의 내측에 위치하고 있으며, 상기 링형상의 외측에서 상기 확산방지체(145)와 상기 접합체(130)가 접하거나 결합되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 제1 전극(140)은 상기 확산방지체(145)의 내경과 같은 직경으로 형성되어 상기 확산방지체(145) 내부에 안착되어 있고, 또한 커버체(110)의 하부에 접합되어 있는 상태이다.

상기 제1 전극(140)과 접합체(130) 사이에는 링형상의 확산방지체(145)가 위치하여 제1 전극(140)과 접합체(130)를 서로 전기적으로 연결하고 있다. 상기 접합체(130)는 전술한 제1 실시예와 같이 접속단자(170a)에 연결된다.

나머지 구성에 있어서는 전술한 제1 실시예와 동일하다.

본 실시예 있어서도 접합체(130)의 용가재와 제1 전극(140) 사이에 확산방지체(145)가 위치하고 있으므로 전술한 제1 실시예의 경우와 같이 접합체(130)의 용가재가 제1 전극(140)으로 확산되는 것을 차단하게 된다. 따라서, 전기전도성과 내부식성이 우수한 금속재료를 전극으로 사용하는 것이 가능하다.

상기와 같이 링형상으로 확산방지체를 구성할 경우, 제1실시예의 경우와 비교하여 제1전극(140) 및 확산방지체(145)의 전체 두께가 두꺼워지지 않는 장점이 있으므로 접합체(130)의 높이가 상대적으로 낮아질 수 있다. 이는 접합체(130)에 사용되는 고가의 용가재를 적게 사용할 수 있다는 것을 의미한다.

다음은 본 발명의 전극구조를 변형한 예를 설명한다.

그러한 변형된 전극의 구조를 도 5 및 도 6에서 도시하고 있다.

도 5 참조하면, 제2전극(155′,165′)이 제1층 내지 제3층으로 구성된다. 나머지 구성에 있어서는 전술한 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일하다.

최하부에 위치하는 제1층(165′c)은 전술한 실시예의 제2전극(155,165)과 동일한 재질로 형성된다. 즉, Ag, Ni, Cu, Pt, Au, Al 중에 선택된 하나의 재질을 포함하는 금속물이 스퍼터(Sputter) 증착법 등으로 구성된다.

또한, 상기 제1층(165′c)의 상부에 배치되는 제2층(165′b)은 Ni 또는 Cu 합금으로 스크린프린팅에 의해 적층되며, 제3층(165′c)은 Au, Ag, Pt 중 선택된 어느 하나의 금속이 도금되어 구성된다.(제2전극의 내측전극 155′도 도면에서 도면부호를 표기하지 않았으나 동일하게 구성됨)

위와 같은 구성은 도금을 통하여 Au, Ag, Pt를 전극으로 형성하기 위한 방법으로서, 알루미나 재질의 본체에 상기 금속이 직접 도금되지 않으므로 제2층(165′b)을 Ni 합금 또는 Cu 합금으로 스크린프린팅에 의해 적층한 후에 도금하기 위한 것이다. 상기에서 금(Au) 도금이 가장 바람직한 구성이고, 전극으로 사용되는 금(Au)은 부식에 강하고 잘 산화되지 않는 특성이 있다.

한편, 도 6은 상기 금(Au)을 도금하는 전극의 다른 구성을 도시하고 있다.

이는 제2전극(155′,165′)이 2개의 층으로 구성되는 것으로, 알루미나로 이루어지는 모재위에 Ni 또는 Cu의 합금을 스크린프린팅으로 적층(165′b)하고, 그 위에 금(Au)이 도금(165′a)되어 구성된다.

전술한 제2전극의 두가지 형성방법은 제1 전극과 마주하는 최외층(165′a)에는 Au, Ag, Pt 중 선택된 어느 하나의 금속이 도금되어 있고, 상기 최외층과 접하는 하부층(165′b)은 상기 금속들의 도금이 원활하게 진행될 수 있도록 Ni 합금 또는 Cu 합금 재질로 구성하는 것을 의미한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능하다.

100 : 압력센서 110 : 커버체
120 : 몸체 130 : 접합체
140 : 제1 전극 145 : 확산방지체
155,155′: 제2전극의 내측전극 165,165′: 제2전극의 외측전극
165′a, 165′b, 165′c : 제1 내지 제3층
170a,170b,170c : 접속단자 180a,180b,180c : 접속홀

Claims

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일면에 제1 전극이 부착된 커버체와,
상기 제1 전극과 소정의 간격으로 마주하는 제2 전극이 일면에 부착된 몸체와,
상기 커버체와 상기 몸체 사이에서 가열되어 상기 커버체와 상기 몸체를 서로 접합시키는 접합체를 포함하고,
상기 몸체에 형성되는 접속홀에 상기 제1전극과 상기 제2전극에 각각 전기적으로 연결되는 접속단자가 각각 삽입되되, 상기 제1전극에 전기적으로 연결되는 접속단자는 상기 접합체에 접속되며,
상기 제1 전극은 Ag 또는 Cu 재질을 포함하고,
상기 접합체는 Ag, Cu 및 Ti를 포함하는 금속조성물로서, Ag 70.5중량%, Cu 26.5중량%, Ti 3중량%를 가지는 접합용 용가제이며,
상기 제1 전극과 상기 접합체는 분리되어 있는 상태에서 그 사이에 위치하는 확산방지체에 의해 서로 전기적으로 연결되고,
상기 확산방지체는 Ta, Ti, TiN, WCN 중 선택된 어느 하나의 재질로서, 상기 커버체의 일면에 상기 제1전극보다 더 넓은 판상(板狀)으로 부착되어 상기 접합체와 접하도록 형성되며,
상기 판상의 일면에 상기 제1 전극이 상기 접합체와 소정의 간격으로 분리되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서
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