KR101305198B1 - 입자상물질 센서유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛은 배기가스가 지나는 배기라인, 및 상기 배기라인의 일측에 설치되어, 상기 배기가스에 포함된 입자상물질이 인접하여 지날 때 신호를 발생시키는 피엠센서를 포함하고, 상기 피엠센서는, 그 전면부에 돌출되어 형성되고, 설정된 폭간격과 설정된 길이간격을 두고 배열되는 돌출부, 그 후면부에는 양단에서 공급되는 전류에 의해서 열을 발생시켜, 상기 전면부에 부착된 입자상물질을 태워 제거하는 히터전극, 및 상기 히터전극과 인접하여 상기 신호를 외부로 전달하기 위한 센싱전극패드를 포함한다.
따라서, 디젤매연필터(DPF)의 매연(soot)과 같은 입자상물질의 포집량이나 배기가스에 포함된 입자상물질의 양을 정밀하게 판단함으로써 강화되는 배기가스 규제에 효과적으로 대응할 수 있다.

Description

입자상물질 센서유닛{PARTICULATE MATTERS SENSOR UNIT}
본 발명은 배기가스에 포함된 입자상물질(매연)을 필터링하는 매연필터의 파손을 정밀하고 효과적으로 감지하고, 이러한 신호를 제어부로 송신하는 입자상물질 센서유닛에 관한 것이다.
디젤자동차에는 매연을 감소시키기 위한 디젤매연필터(DPF: diesel particulate filter)가 적용되고 있으며, 이러한 디젤매연필터에 포집되는 매연의 양을 감지하기 위해서 차압센서가 적용된다.
앞으로, 배기가스규제에 따라서 기존의 차압센서를 이용하여 상기 디젤매연필터의 파손을 방지하는 것은 불가능할 수 있고, 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 매연필터의 후단으로 슬립되는 매연의 양을 정밀하게 감지하고, 이를 이용하여 매연필터의 파손을 정밀하게 감지하는 입자상물질 센서유닛을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛은 배기가스가 지나는 배기라인, 및 상기 배기라인의 일측에 설치되어, 상기 배기가스에 포함된 입자상물질이 인접하여 지날 때 신호를 발생시키는 피엠센서를 포함하고, 상기 피엠센서는, 그 전면부에 돌출되어 형성되고, 설정된 폭간격과 설정된 길이간격을 두고 배열되는 돌출부, 그 후면부에는 양단에서 공급되는 전류에 의해서 열을 발생시켜, 상기 전면부에 부착된 입자상물질을 태워 제거하는 히터전극, 및 상기 히터전극과 인접하여 상기 신호를 외부로 전달하기 위한 센싱전극패드를 포함한다.
상기 히터전극은 'ㄹ'자 모양의 지그 제그 모양으로 형성되는 부분을 포함한다.
상기 피엠센서는, 상기 전면부와 상기 후면부 사이의 중간층을 형성하는 실리콘전극층, 및 상기 실리콘전극층을 덮도록 상기 전면부와 상기 후면부에 형성되는 절연층을 포함하고, 상기 실리콘전극층에는 상기 돌출부와 대응하여 돌출전극이 형성되고, 상기 절연층은 상기 돌출전극을 일정한 두께로 커버한다.
상기 절연층은, 상기 실린콘전극층을 덮도록 형성되는 산화물층, 및 상기 산화물층을 덮도록 형성되는 질화물층을 포함한다.
상기 돌출부의 형상은 직육면체, 정육면체, 구형, 삼각뿔, 사각뿔, 및 원뿔 중 어느 하나의 일부분의 형태를 가지도록 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛의 제조방법은 실리콘전극층을 클리닝하는 단계, 실리콘전극층의 전면부 전체에 식각방지층을 형성하는 단계, 상기 식각방지층에서 일정패턴을 제거하는 단계, 제거된 상기 식각방지층을 통해서 상기 실리콘전극층 전면부를 일정한 깊이로 식각하는 단계, 상기 식각방지층을 제거하여 상기 실리콘전극층의 전면부에 돌출전극을 형성하는 단계, 상기 돌출전극을 포함하여 상기 실리콘전극층의 전면부와 후면부 전체에 절연층을 형성하는 단계, 상기 실리콘전극층의 후면부에 형성된 상기 절연층에서 센싱전극패드가 형성된 부분을 선택적으로 제거하는 단계, 상기 실리콘전극층의 후면부 전체에 히터전극과 대응하여 패턴닝된 부분이 제거된 피알(PR)층을 형성하는 단계, 상기 피알층 위와 상기 실리콘전극층 위에 피티층을 형성하는 단계, 및 상기 피알층을 제거하여 상기 실리콘전극층 위에 상기 피티층으로 형성된 상기 센싱전극패드와 상기 히터전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 식각방지층은 Al 스퍼터링(sputtering) 또는 TEOS 성분을 증착(deposition) 하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 식각방지층에서 일정패턴을 제거하는 단계에서, 패턴닝된 마스크를 이용하여 상기 식각방지층을 선택적으로 감광시키고, 식각액을 이용하여 감광된 부분을 제거한다.
상기 절연층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘전극층의 전면부와 후면부 전체에 산화물층과 질화물층을 순차적으로 형성한다.
상기 피알(PR)층을 형성하는 단계에서, 상기 피알층의 패턴닝된 부분이 제거된 부분은 네거티브슬로프를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 피티층을 형성하는 단계에서, 상기 피티층은 Pt성분을 포함한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따라서, 디젤매연필터(DPF)의 매연(soot)과 같은 입자상물질의 포집량이나 배기가스에 포함된 입자상물질의 양을 정밀하게 판단함으로써 강화되는 배기가스 규제에 효과적으로 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛이 배치된 상태를 보여주는 개략적인 내부 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛이 배치된 상태를 보여주는 평면도, 측면도, 및 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛의 전면부를 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛의 후면부를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 3의 A-A라인을 따라서 형성되는 입자상물질 센서유닛의 단면도이다.
도 6은 도 3의 B-B라인을 따라서 형성되는 입자상물질 센서유닛의 단면도이다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛의 제조순서를 보여주는 A-A라인과 B-B라인을 따라서 형성되는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛의 제조순서를 보여주는 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛이 배치된 상태를 보여주는 개략적인 내부 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛이 배치된 상태를 보여주는 평면도, 측면도, 및 정면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배기라인(100)의 내부에 배기가스가 흐르고, 배기가스 안에는 입자상물질(110)이 포함되어 있다.
상기 입자상물질(110)은 피엠센서(120)(PM: particulate matters sensor)인접해서 지나게 되고, 상기 입자상물질(110)이 지나감에 따라서 상기 피엠센서(120)는 신호를 발생시킨다.
상기 피엠센서(120)에서 신호가 발생되는 요인은 대전된 입자상물질이 지날 때 상기 피엠센서(120)에 유도되는 전하에 의해서 발생되는 것이다.
일반적으로 대전된 입자에 의해 생성되는 전기장은 다음의 식과 같이 나타난다.
Figure 112011098162394-pat00001
->대전 입자에 의해 생성되는 전기장
Q는 대전입자가 가진 전하량이며, r은 대전 입자로부터 떨어진 거리이다. 또한
Figure 112011098162394-pat00002
는 진공 중에서의 유전율이다.
센서 전극 계면에서 대전 입자상물질에 의한 전기장 값과 동일한 크기의 표면전하가 센서 전극에 발생하게 된다. 이 유도된 전하는 라플라스 방정식으로 풀 수 있다. 직교좌표계에서 z가 0인 평면에 놓인 도체 평판에 대해서 Q값의 전하량을 갖는 대전 점전하가 (0,0,d)에 놓여있을 때, 점전하에 의해 생성되는 전위 및 유도되는 표면전하밀도는 다음의 식과 같다.
Figure 112011098162394-pat00003
->점전하에 의해 생성되는 전위
Figure 112011098162394-pat00004
->점전하에 의해 생성되는 전기장
Figure 112011098162394-pat00005
->유도되는 표면전하밀도
Figure 112011098162394-pat00006
는 각각 직교 좌표계에서 x축, y축, z축 방향의 단위벡터를 나타낸다.
거리 x에 대해서 대전 입자에 의해 센싱 전극에 유도되는 유도 전하량을 그래프로 표현해 보면, 대전 입자와 전극간의 거리변화에 따라 아래 그림과 같이 펄스 형태의 신호가 발생하게 된다.
Figure 112011098162394-pat00007
■ 거리 x에 따른 유도된 전하신호 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛의 전면부를 보여주는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 피엠센서(120)는 실리콘전극층(330) 및 절연층(340)으로 형성된다.
상기 실리콘전극층(330)은 가운데 설정된 두께로 형성되고, 상기 실리콘전극층(330)의 전면부(300)와 후면부(310)에 상기 절연층(340)이 얇게 형성되는 구조이다.
상기 절연층(340)은 상기 실리콘전극층(330) 위에 형성되는 산화물층(342)(Oxide) 및 상기 산화물층(342) 위에 형성되는 질화물층(344)(Nitride) 을 포함한다.
상기 피엠센서(120)의 전면부(300)에는 사각형으로 돌출된 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부(320)는 폭방향으로 제1거리(D1)를 두고 형성되고, 길이방향으로 제2거리(D2)를 두고 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 돌출부(320)의 형상은 직육면체, 정육면체, 구형, 삼각뿔, 사각뿔, 및 원뿔 중 어느 하나의 일부분의 형태를 가지도록 형성될 수 있고, 상기 제1거리(D1)와 상기 제2거리(D2)는 설계사양에 따라서 다양하게 가변될 수 있다.
아울러, 상기 돌출부(320)가 돌출된 높이도 설계사양에 따라서 다양하게 적용될 수 있다. 상기 피엠센서(120)의 후면부(310)에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기라인에 입자상물질 센서유닛의 후면부를 보여주는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 피엠센서(120)의 후면부의 한쪽에는 상기 절연층(340)이 형성되고, 나머지 다른 쪽에는 상기 절연층(340)이 형성되지 않는다.
상기 절연층(340) 위에 히터전극(400)이 형성되고, 도시한 바와 같이, 상기 히터전극(400)은 지그제그모양으로 'ㄹ'자 형태를 가지는 부분을 포함한다.
상기 절연층(340)이 형성되지 않은 부분에는 상기 실리콘전극층과() 직접적으로 전기적으로 연결되는 센싱전극패드(410)가 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 실리콘전극층(330)은 실리콘웨이퍼와 유사한 재질로 Si성분을 포함하고, 상기 히터전극(400)과 상기 센싱전극패드(410)는 전기가 잘 통하고 내구성이 높은 백금(Pt) 성분으로 형성된다.
도 5는 도 3의 A-A라인을 따라서 형성되는 입자상물질 센서유닛의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 실리콘전극층(330)에는 상기 돌출부(320)와 대응하여 돌출전극(500)이 형성된다. 상기 절연층(340)은 상기 돌출전극(500)과 상기 실리콘전극층(330)의 전면을 모두 덮도록 형성된다.
도시한 바와 같이, 상기 실리콘전극층(330)에 상기 돌출전극(500)이 형성됨에 따라서, 입자상물질의 감도를 향상시킨다. 아울러, 상기 피엠센서(120)의 후면부에는 상기 절연층(340) 위에 상기 히터전극(400)이 형성된다.
도 6은 도 3의 B-B라인을 따라서 형성되는 입자상물질 센서유닛의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 실리콘전극층(330)에서 상기 돌출부(320)가 형성되지 않은 부분에는 상기 돌출전극(500)이 형성되지 않고, 이러한 부분은 모두 상기 절연층(340)이 덮도록 형성된다.
아울러, 상기 피엠센서(120)의 후면부에는 상기 절연층(340)이 형성되지 않은 부분에는 상기 실리콘전극층(330)과 직접적으로 전기적으로 연결되는 상기 센싱전극패드(410)가 형성된다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛의 제조순서를 보여주는 A-A라인과 B-B라인을 따라서 형성되는 단면도이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛의 제조순서를 보여주는 순서도이다.
먼저, 도 12를 참조하면, S121에서 상기 실리콘전극층(330)을 클리닝한다.
S122에서 상기 실리콘전극층(330) 위에 식각방지층(700)을 형성하고, S123에서 상기 식각방지층(700)의 패턴을 제거한다. 아울러, S124에서 상기 식각방지층(700)이 제거되어 상기 실리콘전극층(330)의 노출된 부분을 식각하여 제거한다.
그리고, S125에서 남은 상기 식각방지층(700)을 제거하여, S126에서 전면부에 상기 돌출전극(500)을 형성한다.
이와 관련하여, 도 7을 참조하면, 상기 실리콘전극층(330) 위에 상기 식각방지층(700)을 형성하고, 상기 돌출부(320)와 대응하는 부분을 제외한 상기 식각방지층(700)을 제거하고, 상기 식각방지층(700)이 제거된 부분을 식각하여 상기 실리콘전극층(330)에 상기 돌출전극(500)을 형성한다.
아울러, 상기 돌출전극(500) 위에 놓인 상기 식각방지층(700)은 제거한다.
S127에서, 상기 실리콘전극층의 전면부와 후면부 전체에 상기 절연층을 형성한다.
이와 관련하여, 도 8을 참조하면, 상기 실리콘전극층(330)의 상기 돌출전극(500)과 나머지 부분을 모두 덮도록 전면부에 상기 절연층(340)을 형성하고, 후면부에서 상기 절연층(340)을 형성한다.
S128에서 상기 실리콘전극층(330)의 후면부에 형성된 설정된 영역의 상기 절연층(340)을 제거한다. 이는 상기 센싱전극패드(410)와 대응하는 부분이다.
이와 관련하여, 도 9를 참조하면, 상기 실리콘전극층(330)의 후면에 형성된 상기 절연층(340)의 일부를 제거하여, 상기 실리콘전극층(330)의 일부 후면이 노출되도록한다.
S129에서 패턴닝된 부분이 제거된 피알층(1000)(PR: photo resist)을 후면에 형성한다. 상기 피알층(1000)에서 제거된 부분은 상기 히터전극(400)과 상기 센싱전극패드(410)가 형성될 부분이 제거된다.
그리고, S130에서 상기 피알층(1000)과 상기 피알층(1000)이 제거된 부분을 포함하도록 후면전체에 피티층(1100)을 형성한다.
이와 관련하여, 도 10을 참조하면, 상기 피알층(1000)에서 제거된 부분은 네거티브 슬로프를 갖는다. 즉, 상기 피알층(1000)이 제거된 부분과 후면에 형성된 상기 절연층(340)이 형성하는 각(angle)이 90도 이내인 것이다.
그리고, 후면 전체에 상기 피티층(1100)(Pt: platinum)을 형성하여, 상기 피알층(1000)이 형성되지 않은 부분은 상기 절연층(340) 위에 상기 피티층(1100)이 형성되도록 한다. S131에서 상기 피알층(1000)을 떼어낸다.
이와 관련하여, 도 10 및 도 11을 참조하면, 후면부에서 상기 피알층(1000)을 제거하면, 상기 절연층(340)에 부착된 상기 피티층(1100)만 남는다. 따라서, 상기 피엠센서(120)의 후면부에는 상기 히터전극(400)과 상기 센싱전극패드(410)만 남게된다.
본 발명의 실시예에서, 모든 층은 스퍼터링, 증착, 식각, 필름 등에 의해서 형성될 수 있으며, 마스크와 광감광식 방법으로 일부가 패턴제거될 수 있다. 아울러, 식각액을 이용하여 설정된 영역이 식각되어 제거되거나 필링(peel)될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 배기라인
110: 입자상물질
120: 피엠센서
300: 전면부
310: 후면부
320: 돌출부
330: 실리콘전극층
342: 산화물층
344: 질화물층
340: 절연층
400: 히터전극
410: 센싱전극패드
500: 돌출전극
700: 식각방지층
1000: 피알층(PR layer)
1100: 피티층(Pt layer)

Claims (12)

  1. 배기가스가 지나는 배기라인; 및
    상기 배기라인의 일측에 설치되어, 상기 배기가스에 포함된 입자상물질이 인접하여 지날 때 신호를 발생시키는 피엠센서; 를 포함하고,
    상기 피엠센서는,
    전하를 띤 상기 입자상물질이 근처를 지나갈 때, 상기 입자상물질에 의해 유도 전하가 발생하는 정전유도방식이고,
    상기 피엠센서는,
    그 전면부에 돌출되어 형성되고, 설정된 폭간격과 설정된 길이간격을 두고 배열되는 돌출부;
    그 후면부에는 양단에서 공급되는 전류에 의해서 열을 발생시켜, 상기 전면부에 부착된 입자상물질을 태워 제거하는 히터전극; 및
    상기 히터전극과 인접하여 상기 신호를 외부로 전달하기 위한 센싱전극패드; 를 포함하고,
    상기 피엠센서는,
    상기 전면부와 상기 후면부 사이의 중간층을 형성하는 실리콘전극층; 및
    상기 실리콘전극층을 덮도록 상기 전면부와 상기 후면부에 형성되는 절연층; 을 포함하고,
    상기 실리콘전극층에는 상기 돌출부와 대응하여 돌출전극이 형성되고, 상기 절연층은 상기 돌출전극을 일정한 두께로 커버하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 히터전극은 'ㄹ'자 모양의 지그 제그 모양으로 형성되는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 절연층은,
    상기 실리콘전극층을 덮도록 형성되는 산화물층; 및
    상기 산화물층을 덮도록 형성되는 질화물층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  6. 제1항에서,
    상기 돌출부의 형상은 직육면체, 정육면체, 구형, 삼각뿔, 사각뿔, 및 원뿔 중 어느 하나의 일부분의 형태를 가지도록 형성되는 입자상물질 센서유닛.
  7. 실리콘전극층을 클리닝하는 단계;
    실리콘전극층의 전면부 전체에 식각방지층을 형성하는 단계;
    상기 식각방지층에서 일정패턴을 제거하는 단계;
    제거된 상기 식각방지층을 통해서 상기 실리콘전극층 전면부를 일정한 깊이로 식각하는 단계;
    상기 식각방지층을 제거하여 상기 실리콘전극층의 전면부에 돌출전극을 형성하는 단계;
    상기 돌출전극을 포함하여 상기 실리콘전극층의 전면부와 후면부 전체에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘전극층의 후면부에 형성된 상기 절연층에서 센싱전극패드가 형성된 부분을 선택적으로 제거하는 단계;
    상기 실리콘전극층의 후면부 전체에 히터전극과 대응하여 패턴닝된 부분이 제거된 피알(PR)층을 형성하는 단계;
    상기 피알층 위와 상기 실리콘전극층 위에 피티층을 형성하는 단계; 및
    상기 피알층을 제거하여 상기 실리콘전극층 위에 상기 피티층으로 형성된 상기 센싱전극패드와 상기 히터전극을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 피티층을 형성하는 단계에서, 상기 피티층은 Pt성분을 포함하고,
    상기 절연층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘전극층의 전면부와 후면부 전체에 산화물층과 질화물층을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛의 제조방법.
  8. 제7항에서,
    상기 식각방지층은 Al 스퍼터링(sputtering) 또는 TEOS 성분을 증착(deposition) 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛의 제조방법.
  9. 제7항에서,
    상기 식각방지층에서 일정패턴을 제거하는 단계에서,
    패턴닝된 마스크를 이용하여 상기 식각방지층을 선택적으로 감광시키고, 식각액을 이용하여 감광된 부분을 제거하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제7항에서,
    상기 피알(PR)층을 형성하는 단계에서,
    상기 피알층의 패턴닝된 부분이 제거된 부분은 네거티브슬로프를 가지는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛의 제조방법.
  12. 삭제
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