KR101593691B1 - 매체 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 - Google Patents

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프랭크 모싱크
준 배
게랄드 스피직스마
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센사타 테크놀로지스, 인크
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Abstract

압력 센서 모듈이 개시되어 있다. 압력 센서 모듈은 지지 부재(5)의 전방면(3)에 장착된 감지 요소(1)를 포함한다. 지지 부재(5)는 전방면(3)으로부터 후방면(9)으로 지지 부재(5)를 관통하는 구멍(7)을 포함한다. 감지 요소(1)는 전방면(3)에서 구멍(7)을 덮는다. 지지 부재(5)의 후방면(9)에 제공된 후방면 배리어(6)는 지지 부재(5)의 후방면(9)의 표면을 둘러싸고 밀폐 영역(8)을 형성하고, 밀폐 영역(8)과 구멍(7)은 압력 채널(10)을 형성한다. 후방면 보호 부재(2)가 구멍(7) 및 적어도 부분적으로는 밀폐 영역(8)을 충전한다. 지지 부재(5), 후방면 배리어(6) 및 후방면 보호 부재(2)는 압력 센서의 하우징 내의 압력 센서의 제조 중에 배치될 수 있는 모듈을 형성한다.
압력 센서 모듈, 지지 부재, 전방면, 후방면, 감지 요소, 구멍, 후방면 배리어, 후방면 보호 부재, 압력 채널

Description

매체 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서{A PRESSURE SENSOR FOR MEASURING PRESSURE IN A MEDIUM}
관련 출원
본 출원은 2008년 7월 31일 출원된 미국 가출원 제61/137,469호와, 2008년 11월 10일 출원된 유럽 특허 출원 EP0816846호를 우선권 주장한다.
본 발명은 일반적으로 하이브리드 전자 기기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 압력 센서에 사용하기 위한 압력 센서 모듈, 더 구체적으로는 산성 환경에 노출된 유체 압력 센서에 관한 것이다. 센서 모듈은 지지 부재의 전방면에 장착된 감지 요소를 포함한다. 지지 부재는 전방면으로부터 후방면으로 지지 부재를 관통하는 구멍을 포함하고, 감지 부재가 전방면에서 구멍을 덮고 있다.
전술된 유형의 압력 센서 모듈은 국제 공개 제WO2002/079742호로부터 공지되어 있다. 공지된 압력 센서 모듈은 게이지 차압 구조로 사용된다. 2개의 동일한 센서 모듈이 2개의 매체의 압력을 측정하는데 사용된다. 각각의 구조는 구멍을 포함한다. 구멍은 감지 요소에 의해 일 측면에서 덮여져 있는 기판을 통과한다. 양 감지 요소의 다른 측면은 이들이 동일한 챔버 내에 안착되어 있다는 사실에 기인하 여, 동일한 기준 압력, 전형적으로는 대기압을 보게 된다. 부가의 입구가 압력 센서의 하우징을 통과하여 챔버에 대기압을 제공할 수 있다. 이 개방 구조에서, 수증기 및 다른 오염물이 챔버에 자유롭게 진입할 수 있다.
저압 및 고압으로서 설계된 압력 매체가 개별 압력 입구를 통해 하우징에 진입하고, 기판을 통해 구멍을 경유하여 감지 요소에 작용한다.
더욱이, 기판을 통한 구멍이 내산성 겔(acid resistant gel)로 충전되어 감지 요소를 오염물 및 산성 환경으로부터 격리시키는 유사한 압력 센서 모듈이 공지되어 있다.
관통 구멍은 레이저 절단에 의해 제조될 수 있다. 세라믹 내의 관통 구멍의 레이저 절단이 하이브리드 전자 기기에 통상적으로 구현되는 경제적인 프로세스이다. 그러나, 레이저 절단 프로세스는 세라믹의 표면 상에 더 취약한 세라믹의 상태(즉, 유리 상태)를 형성하고 그리고/또는 마이크로 균열을 생성함으로써 세라믹의 고유의 산 강인성을 손상시킬 수 있다. 디젤 배기물과 같은 산성 환경에서 사용될 때, 미처리 레이저 절단 표면은 화학적 공격을 받고 부식되기 쉬울 것이다. 이 레이저 절단 표면은 관통 구멍이 보호 코팅으로 씌워질 때에도 화학적 공격을 받고 부식되기 쉬울 것이다. 이 화학적 공격 및 부식은 보호 코팅의 특성을 변경시키고, 이는 압력 센서의 고장을 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 배기 환경에서 발견되는 것들과 같은 산성 조건에 대한 향상된 강인성을 갖는 압력 센서 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 압력 센서 모듈의 지지 부재는 지지 부재의 후방면에 위치하여, 구멍을 포함하는 지지 부재의 후방면의 표면을 둘러싸고 밀폐 영역을 형성하는 후방면 배리어로서, 밀폐 영역과 구멍은 압력 채널을 형성하는 것인 후방면 배리어와,
구멍 및 적어도 부분적으로는 밀폐 영역을 충전하는 후방면 보호 부재를 더 포함한다.
법규에 따르면, 승용차와 상용차에 사용되는 디젤 구동식 엔진의 배기 시스템 내의 수트(soot) 필터를 요구하고 있다. 수트 필터의 주기적인 재생이 필터가 막힐 때 요구된다. 이 재생 프로세스를 트리거링하고 자기 진단(On-Board Diagnostics: OBD) 요건을 만족시키기 위해, 필터 상의 압력 강하 측정이 요구된다. 이는 MEMS 기반 차압 센서에 의해 성취될 수 있다. MEMS 기반 차압 센서의 감지 요소는 배기 환경에 대해 보호될 필요가 있다. 이 이유로, 보호 겔이 사용된다. 이 겔은 퇴적물에 대한 기계적인 격리를 제공해야 하고, 동결된 물에 의한 손상으로부터 감지 요소의 보호를 제공한다. 전방면 노출 감지 요소의 경우에, 이는 일반적으로 겔 댐(gel dam) 또는 배리어를 감지 요소 둘레에 배치하고 겔 댐에 의 해 형성된 챔버를 보호 겔로 충전함으로써 성취된다. 다른 측면 감지 요소를 보호하기 위해, 지지 부재를 통한 구멍의 벽이 겔 댐으로서 사용되고, 구멍에 의해 형성된 챔버는 보호 겔로 충전된다.
감지 요소의 일 측면에는 수트 필터 이전에 배기압이 작용하고, 감지 요소의 다른 측면에는 수트 필터 이후의 배기압이 작용한다. 수트 필터는 배기물을 매우 양호하게 여과하여 수트 필터 이후의 배기물이 덜 공격적이 되고 보호 겔로 충전된 관통 구멍이 제품 수명을 위해 감지 요소를 위한 충분한 보호를 제공하는 것으로 가정되었다. 보호 겔의 양은 화학적 공격에 대해 감지 요소를 보호하는데 충분해야 한다. 그러나, 수트 필터 이후의 가정된 덜 공격적인 배기물에도 불구하고, 후방면에서의 지지체의 구멍 내의 겔은 전방면에서의 겔 댐 사이의 겔보다 빨리 열화되는 것으로 판명되었다. 관통 구멍의 기하학적 제약은 구멍 내의 보호 겔의 더 빠른 열화의 원인이다. 보호 겔은 구멍의 중간에서보다 구멍의 벽에 더 인접하여 오염되는 것으로 판명되었다. 보호 겔의 제1 열화는 세라믹, 배기물 및 보호 겔이 서로 만나는 지점 부근의 영역에서 나타난다. 이 이유 중 하나는 레이저 절단 프로세스에 의한 구멍의 표면의 구조이다. 후방면 배리어가 없으면, 물 포켓(water pocket)이 좁은 관통 구멍 내의 겔에 발생할 것이다. 물 포켓은 NOx 가스를 포함한다. 물 포켓은 겔 내에 기계적 응력을 도입하는데, 이는 이후에 감지 요소에 작용한다. 장기간에 걸쳐, 물 포켓은 크랙 및 물 기포가 겔 내에 발생하는 방식으로 겔을 열화시켜, 오작동 센서를 초래한다.
유사한 열화 메커니즘이 또한 수트 필터 이전의 배기압에 노출되는 감지 요소의 다른 측면 상에 보호하는 겔에 관찰되어 왔다. 그러나, 이 측면에서의 열화 메커니즘은 매우 느리고, 에지에서 시작하지 않고, 출력 실패를 초래하지 않는다.
본 발명에 따르면, 이들 문제점은 보호 겔로 적어도 부분적으로 충전된 후방면 배리어에 의해 극복된다. 이는 배기 가스에 노출된 겔의 표면과 구멍의 벽 사이의 거리를 확장시킨다. 이는 겔 내의 물 포켓이 더 느리게 나타나는 것을 보장한다.
더욱이, 후방면 배리어의 벽 부근의 물 포켓 또는 입자에 의해 겔이 오염되더라도, 후방면 배리어의 대향 벽 사이의 거리가 구멍의 벽 사이의 거리보다 크기 때문에 센서의 성능에 대한 영향이 적을 것이다.
본 발명의 실시예에서, 구멍의 단면은 지지 부재의 후방으로부터 전방으로 넓어지고, 다른 실시예에서 후방면으로의 구멍의 표면의 천이부는 평활한 형상이다. 겔은 높은 열팽창 계수(CTE)를 갖는 점성 물질이다. 배기 가스의 압력의 변화는 넓은 온도 범위에 걸쳐 어떠한 신호의 손실도 없이 감지 요소에 전달되어야 한다. 온도 변화의 경우에, 이 특징은 압력 채널 내의 기계적인 저항을 감소시키는데, 이는 구멍 내의 겔이 감지 요소에 너무 많은 응력을 발생시키지 않고 팽창 또는 수축될 수 있기 때문이다. 이는 따라서 압력 센서의 정확성 및 안정성을 향상시킨다.
본 발명의 실시예에서, 후방면 배리어는 지지 부재에 부착된다. 이 특징은 이 2개의 요소에 의해 압력 채널을 경제적으로 구성하여 예를 들어 함께 접착되어 있는 세라믹 인쇄 배선 기판(PWB)과 세라믹 링과 같은 구성 요소를 제조할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 지지 부재 및 후방면 배리어는 예를 들어 세라믹 재료와 같은 단일 재료로 형성된다. 이는 겔 댐을 지지 부재에 부착하는 제조 단계를 생략할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 후방면 배리어는 접착제의 비드로 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 지지 부재는 전방면에 제공되어 감지 요소에 전기적으로 접속된 전기 전도성 요소를 갖는 세라믹 PWB이다. 바람직하게는, 전기 전도성 요소는 귀금속을 포함한다. 이 특징은 전방면에 작용하는 배기물에 의한 산성 조건의 영향을 감소시킨다. 귀금속의 사용은 전도성 요소의 강인성을 더 향상시킨다.
본 발명의 실시예에서, 감지 요소는 차압 감지 요소이다. 바람직한 실시예에서, 감지 요소는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 차압 감지 요소이다. 이 특징은 예를 들어 배기 시스템 내의 수트 필터 상의 압력 강하를 측정하는데 사용될 수 있는 개량된 차압 센서를 제공할 수 있게 한다.
부가의 실시예에서, 센서는 감지 요소를 둘러싸는 전방면 배리어와, 전기 절연 특성을 갖고 전방면 배리어 사이에서 감지 요소 및 전방면을 덮는 전방면 보호 부재를 더 포함한다. 이들 특징은 압력 센서의 양 측면에 존재하는 산성 조건에 대한 향상된 강인성을 갖는 차압 센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에서, 후방면 배리어 내의 후방면 상의 밀폐 영역은 지지 부재 내의 구멍의 영역보다 크다. 이는 압력 채널을 충분한 보호 겔로 충전할 수 있게 하여 관통 구멍 내의 겔 내의 오염물(물 포켓일 수 있음)의 형성 및 영향을 감소시킨다.
본 발명의 실시예에서, 감지 요소를 덮고 있는 후방면 보호 부재의 최소 두께는 후방면 보호 부재에 의해 덮여진 감지 요소의 표면과 지지 부재의 후방면과 일치하는 평면 사이의 최소 거리보다 크다.
지지 부재의 후방면에 겔 댐을 추가하고, 관통 구멍의 형상을 최적화하고, 압력 채널을 충분한 보호 겔로 충전함으로써, 겔 표면 대 겔 높이의 비가 증가하고, 겔 표면과 감지 요소 사이의 거리가 증가하고, 겔의 표면이 측벽 및 감지 요소와 접촉하는 위치 사이의 거리가 증가한다.
본 발명의 실시예에서, 관통 구멍의 에지 조건은 이하의 단계, 즉
대략 25℃의 분위기 온도로부터 대략 1300℃±100℃로 선택된 속도로 지지체의 온도를 증가시키는 단계와,
대략 1시간 동안 대략 1300℃에서 온도를 유지하는 단계와,
세라믹 부재의 온도를 선택된 속도로 분위기 온도로 감소시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 향상되고 있다. 이 프로세스는 더 취약한 표면 조직 및/또는 세라믹 상태(들)로부터 더 강인한 표면 조직 및/또는 세라믹의 상태(들)로 레이저 실시 표면을 변환한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 지지 부재는 소결 프로세스에 의해 제조되고, 지지 부재 내에 형성된 구멍은 몰드에 의해 형성된다. 이러한 프로세스에 의 해 형성된 관통 구멍의 에지는 레이저 절단 프로세스에 의해 형성된 관통 구멍의 에지보다 덜 취약한 표면 조직을 갖는 것으로 판명되었다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 압력 센서 모듈 및 하우징을 포함하는 개량된 압력 센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 사용하여 이하에 더 상세히 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 배기 환경에서 발견되는 것들과 같은 산성 조건에 대한 향상된 강인성을 갖는 압력 센서 모듈 및 이 압력 센서 모듈을 포함하는 압력 센서 장치가 제공된다.
도 1 및 도 2를 참조하고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산성 매체 내의 유체 압력을 측정하기 위한 압력 센서 모듈은 관통 구멍(7) 상부의 지지 부재(5)의 전방면(3) 상에 장착된 유체 압력 감응 감지 요소(1)를 갖고, 후방면 배리어(6) 또는 겔 댐이 지지 부재의 대향 또는 후방면 상에서 관통 구멍 둘레에 배치된다. 배리어(6) 및 관통 구멍(7)은 바람직하게는 후방면 보호 부재(2)로 충전된다. 이 모듈은 압력 센서 또는 디바이스로서 사용될 수 있기 전에 센서 하우징 내에 끼워져야 하는 부조립체를 의미한다. 도 2는 바람직한 실시예에 따른 압력 센서 모듈(30)을 포함하는 압력 센서 장치의 단면도를 도시하고 있다. 도 1은 도 2에 도시되어 있는 압력 센서 모듈의 부분의 단면도를 도시하고 있다. 모듈(30)은 수트 필터 상의 압력 강하를 측정하기 위한 예를 들어 배기 시스템 내의 차압 센서로서 사용될 수 있다. 차압은 바람직하게는 MEMS 차압 감지 요소(1)에 의해 측정된다. 이러한 센서는 당 기술 분야에 공지되어 있다. 대안적으로, 감지 요소(1)는 박막, 포일 게이지 또는 벌크 실리콘 게이지 디자인을 가질 수 있다.
압력 센서 모듈(30)은 바람직하게는 압력 센서 장치의 하우징(20) 내에 배치되기 전에 완전히 제조된다. 하우징(20) 및 압력 센서 모듈(30)은 제1 압력 챔버(24) 및 제2 압력 챔버(25)를 형성한다. 하우징은 제1 입구(21)를 포함하는데, 이 제1 입구를 통해 제1 압력을 갖는 제1 유체가 제1 압력 챔버(24)에 진입할 수 있다. 하우징은 제2 입구(22)를 더 포함하는데, 이 제2 입구를 통해 제2 압력을 갖는 제2 유체가 제2 압력 챔버(25)에 진입할 수 있다. 제1 유체는 예를 들어 수트 필터 이후의 배기물이고, 제2 유체는 수트 필터 이전의 배기물이다. 하우징(20)은 센서 전자 기기를 수용하기 위한 개별 캐비티(26)를 더 포함한다. 이 캐비티는 제1 및 제2 압력 챔버로부터 분리되어 센서 전자 기기(23)의 구성 요소를 배기 가스의 산성 환경으로부터 격리시킨다.
감지 요소(1)는 밀봉재 또는 임의의 다른 적합한 접착 재료에 의해 지지 부재(5)의 전방면(3)에 부착된다. 지지 부재(5)는 바람직하게는 예를 들어 96% Al2O3 세라믹 재료와 같은 세라믹 재료로 제조된다. 대안적으로, 더 순수한 Al2O3 세라믹 또는 다른 적합한 세라믹 재료의 지지 부재(5)가 사용될 수 있다. 지지 부재(5)는 지지 부재(5)의 전방면(3)으로부터 지지 부재(5)의 후방면(9)까지의 관통 구멍(7) 을 포함한다. 감지 요소(1)는 전방면(3)에서 구멍(7)을 밀봉식으로 덮어, 지지 부재(5)의 양 측면 사이에 밀봉부를 형성한다. 관통 구멍(7)은 CO2 레이저로의 절단에 의해 형성될 수 있다. 관통 구멍(7)을 갖는 지지체는 또한 소결 프로세스에 의해 이루어질 수도 있다. 구멍(7)은 이어서 통상적으로 공지된 방식으로 몰드 내에서의 압출에 의해 지지 부재에 형성된다. 소결 프로세스 중에 구멍을 형성하는 장점은 구멍이 레이저 절단 프로세스에 의해 형성될 때보다 덜 취약한 표면 조직 및/또는 세라믹 상태를 포함한다는 것이다.
지지체 내에 관통 구멍(7)을 형성하는 다른 방식은 소위 그린 스테이트 펀칭(green state punching)이라 칭하는 세라믹 패널의 연소에 앞서 지지체를 통해 공구로 스탬핑하는 것이다.
사용시에, 압력이 감지 요소의 양 측면에 작용하고, 차압이 감지 요소(1)의 멤브레인 구조의 형태의 변화를 초래한다. 이 형태의 변화는 감지 요소의 게이지의 저항 변화를 유발한다. 이는 지지 부재(5) 상에 장착된 센서 전자 기기(23)에 의해 증폭되고 조절된다.
와이어 본드(14)가 감지 요소(1)를 전기 전도성 요소, 예를 들어 지지 부재(5) 상의 트레이스(13)에 전기적으로 접속한다. 바람직하게는, 트레이스(13) 및 와이어 본드(14)는 지지 부재(5)의 양 측면에 존재하는 유체에 의해 생성된 산성 환경에 기인하는 화학적 공격 및 부식에 대한 특징을 향상시키기 위한 귀금속으로 제조된다. 지지 부재와 전기 전도성 요소는 전자 부품(23)이 부착되어 전자 회 로(23)를 형성할 수 있는 세라믹 인쇄 배선 기판을 형성한다. 전자 회로는 감지 요소의 하나 이상의 전기 특성을 감지하고 이들 하나 이상의 전기 특성을 조절하여 차량의 전자 제어 유닛에 사용을 위한 출력 신호로 변환하도록 배열된다.
압력 센서 모듈(30)은 지지 부재(5)의 전방면(3)에 전방면 배리어(4)를 포함한다. 전방면 배리어(4)는 감지 요소(1)를 둘러싸고, 전방면 보호 부재(11)로 부분적으로 충전되는 캐비티를 형성한다. 보호 부재(11)는 전기 절연 특성을 갖고, 전방면 배리어(4) 사이의 전방면 표면의 부분과 감지 요소(1)의 일 측면을 덮는다. 바람직하게는 겔인 보호 부재(11)는 제2 압력 챔버(25) 내의 제2 입구(22)를 통해 도입된 오염물로부터 감지 요소(1)를 보호한다. 전방면 배리어(4)는 전방면 보호 부재(11)를 적소에 유지한다. "겔"은 용액보다 더 고체 형태의 젤리형 물질을 형성하는 고체 내의 액체의 콜로이달 현탁액(colloidal suspension)으로서 정의된다. 겔은 특히 거친 주위 조건으로부터 감지 요소를 격리시키면서 압력 챔버 내에 압력을 정확하게 전달하도록 선택된다. 겔은 예를 들어 -40℃ 내지 +135℃ 온도 범위에 걸쳐 연성으로 잔류하고 감지 요소(1)에 부가의 압력을 인가하지 않는 신에츠 시펠(Shin-Etsu Sifel)일 수 있다. 겔은 바람직하게는 배기 가스에 저항성이 있다. 보호 부재(2)는 산성 응축물인 배기 가스의 응축물로부터 감지 요소(1)를 보호한다. 더욱이, 보호 부재는 감지 요소(1)를 손상시키고 그리고/또는 감지 요소(1)를 고장나게 할 수 있는 수트 입자 및 다른 입자에 대한 기계적인 격리기를 형성한다.
압력 센서 모듈(30)은 지지 부재(5)의 후방면(3)에 후방면 배리어(6)를 더 포함한다. 후방면 배리어(6)는 관통 구멍(7)을 둘러싸고 후방면 보호 부재(2)로 부분적으로 충전되는 밀폐 영역(8)을 형성한다. 후방면 보호 부재(2)는 유사한 특성을 갖는 전방면 보호 부재(11)와 유사한 물질이다. 바람직하게는 겔인 후방면 보호 부재(2)는 제1 압력 챔버(24) 내의 제1 입구(22)를 통해 도입되는 오염물로부터 감지 요소(1)를 보호한다. 후방면 배리어(6)는 후방면 보호 부재(2)를 적소에 유지한다.
후방면 배리어(6)에 의해 둘러싸인 구멍(7) 및 밀폐 영역(8)은 압력 채널(10)을 형성한다. 압력 채널(10)은 제1 압력 챔버(24) 내에 압력을 전달하여 감지 요소(1)에 작용하도록 한다.
전방면 배리어(4) 및 후방면 배리어(6)는 주위 구조체일 수 있다. 주위 구조체의 형상은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 실질적으로 정사각형, 실질적으로 원통형일 수 있고, 또는 임의의 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 배리어(4, 6)는 바람직하게는 지지 부재(5)와 동일한 재료로 제조된다. 배리어는 바람직하게는 세라믹 재료로 제조된다.
전방면 배리어(4)는 전도성 요소(13) 또는 트레이스가 지지 부재(5) 상에 에칭된 후에 지지 부재에 접합되는 구조체이다. 후방면 배리어(6)는 지지 부재(5) 상에 접합되는 구조체일 수 있다. 다른 실시예에서, 지지 부재(5) 및 후방면 배리어(6)는 예를 들어 소결 프로세스에 의해 단일 재료로 형성된다.
전방 및 후방면 배리어(4, 6)는 고체 부재, 예를 들어 96% 알루미나 또는 분배된 시펠 604 접착제와 같은 탄성중합체(가요성 부재)일 수 있다. 탄성중합체의 경우에, 배리어(4, 6)는 개별의 분배 및 경화 단계에서 처리되거나 각각의 보호 부재(2, 11)와 함께 공동 경화될 수 있다.
지지 부재(5) 내의 관통 구멍(7)은 지지 부재(5)의 전방면(3) 및 후방면(9)의 모두에 수직이고 서로 평행한 에지를 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 후방면 배리어(6)에 의해 둘러싸인 지지 부재(5)의 후방면(9)의 표면의 영역은 지지 부재(5)의 후방면(9)의 표면 내의 관통 구멍(7)의 영역보다 크다. 온도 변화는 압력 채널(10) 내의 보호 부재(2)의 팽창 또는 수축을 초래할 수도 있다. 측벽으로의 보호 부재(2)의 부착은 열팽창 또는 수축에 기인하는 응력을 초래할 수도 있다. 지지 부재(5)의 후방면(9)으로부터 관통 구멍(7)의 표면으로의 천이 표면(12)의 형상은 감지 요소(1)로의 열 응력의 전달을 결정할 수도 있다.
관통 구멍(7)과 후방면 배리어(6)의 밀폐 영역(8)에 의해 형성된 압력 채널(10) 내의 보호 부재(2)의 열 응력은 그 단면이 전방면(3)으로부터 후방면(9)으로 넓어지는, 달리 말하면 그 단면이 감지 요소(1)로부터의 거리의 증가에 의해 넓어지는 관통 구멍(7)을 가짐으로써 더 증가될 수 있다. 이 특징은 사용된 재료의 팽창 계수에 따른 상이한 온도에 기인하여 감지 요소(1)에 적은 기계적 응력을 도입하는 압력 채널을 제공하는 장점을 더 갖는다.
도 3은 압력 센서 모듈 조립체(30)의 전방면의 사시도를 도시하고 있다. 지지 부재(5)의 전방면에는 감지 요소(1)가 있다. 지지 부재는 전도성 요소 또는 트레이스(13)가 에칭되는 세라믹 PWB이다. 감지 요소(1)는 본딩 와이어(14)에 의해 전도성 요소(13)에 전기적으로 접속된다. 전방면 배리어(4)는 지지 부재(5)의 전 방면에 부착된다. 전도성 요소(13)는 감지 요소(1)로부터 얻어진 전기 신호를 측정된 차압을 지시하는 신호로 변환하기 위해 전방면 배리어(4)의 아래에서 전자 회로(23)로 통과한다.
도 4는 복수의 개별 세라믹 지지 부재(32)가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 압력 센서 모듈에 사용을 위해 레이저 절단되고 스크라이빙되어 있는 세라믹 기판(31)의 평면도를 도시하고 있다. 세라믹 기판은 일괄 처리(batch processing)에 적합하다. 도면 부호 33은 개별 세라믹 지지 부재(32)의 분리를 위한 스크라이브 라인을 지시하고 있다. 각각의 개별 지지 부재(32)는 세라믹 내에 관통 구멍(34)을 포함한다. 관통 구멍(34)은 세라믹 지지 부재(32)의 일 측면에서 관통 구멍(34)을 덮고 있는 감지 요소 표면에 도달하기 위해 인가 압력에 접근하기 위해 제공된다.
관통 구멍(34)은 레이저 처리 또는 그린 스테이트 성형에 의해 관통하여 형성될 수 있고, 여기서 구멍(34)이 세라믹 기판(31)을 형성하는 소결 프로세스 중에 형성된다.
본 발명의 부가의 실시예에 따르면, 세라믹 부재의 세라믹 에지 조건은 세라믹 부재에 어닐링 프로세스를 실시하여 레이저 절단 표면을 어닐링하여(온도 및 시간) 레이저를 받은 표면 에지 부분을 더 취약한 표면 조직 및/또는 세라믹 상태(들)로부터 더 강인한 표면 조직 및/또는 세라믹의 상태(들)로 변환함으로써, 디젤 엔진 배기물과 같은 산성 환경에서의 사용을 위해 산에 대한 강인성을 향상시키도록 변화된다.
도 5는 세라믹 부재의 에지 상의 화학적 공격의 증거(50)를 나타내고 있는 산성 시험이 실시된 후의 어닐링이 없이 처리된 표준 레이저 절단 관통 구멍을 갖는 일 세라믹 부재의 도면을 도시하고 있다.
세라믹 기판 부재는 이하와 같이 형성될 수 있다:
96% Al2O3 세라믹 기판 부재를 취한다(테이프 주조 또는 압연 치밀화됨).
레이저 절단 프로세스에서 생성된 슬래그를 제어하기 위해 유제(emulsion)가 도포된다.
세라믹 기판 부재 내에서 관통 구멍 형성이 처리된다(CO2 레이저에 의한 레이저 절단).
이후의 스테이지에서 단일화(singularization)를 위해 세라믹 기판 부재에 스크라이브 형성이 처리된다.
유제를 제거하기 위해 헹굼된다.
어닐링 프로세스는 이하의 단계를 포함한다:
분위기(25℃)로부터 전형적인 35℃/min에 따라 어닐링 온도를 상승시킨다.
어닐링 온도: 1300℃±100℃.
산소 환경: 대기가 충분함.
어닐링 시간: 최소 1시간.
어닐링 온도로부터 전형적인 35℃/min에 따라 분위기 온도로 상승시킨다.
어닐링 프로세스 후에, 이하의 단계가 수행되어 전도성 요소, 즉 트레이스 및 전자 회로를 지지 부재에 부착한다.
두꺼운 필름 인쇄:
제1 전도체 스크린 인쇄.
제1 전도체 건조.
850℃±50℃에서 제1 전도체 연소.
제2 전도체 스크린 인쇄.
제2 전도체 건조.
850℃±50℃에서 제2 전도체 연소.
유전성 두꺼운 필름 스크린 인쇄.
유전성 두꺼운 필름 건조.
850℃±50℃에서 유전성 두꺼운 필름 연소.
다음에 센서가 조립됨.
샘플이 전술된 프로세스에 따라 제조되어, 어닐링 프로세스가 실시되지 않은 다른 종래의 샘플과 함께 이하와 같이 산성 시험이 실시되었다.
시험 샘플:
제어 샘플: 표준 레이저 절단 관통 구멍이 MEMS 다이가 부착되고 세라믹 관통 구멍의 후방면/MEMS 다이의 후방면에 시펠(전자 포팅 재료에 대한 신에츠의 등록 상표명) 8070 겔이 형성된 96% 알루미나 세라믹 기판 부재에 형성되었다.
어닐링된 시험 샘플: 표준 레이저 절단 관통 구멍이 제어 샘플에서와 같이 세라믹 기판 부재에 형성되었지만, 전술된 바와 같이 1시간 동안 1300℃를 부가로 받았다. MEMS 다이가 부착되고 시펠 8070 겔이 세라믹 관통 구멍의 후방면/MEMS 다이의 후방면에 충전되었다.
시험 조건은 이하와 같다:
시험 샘플은 주로 질산, 황산, 아세트산 및 포름산을 포함하는 1.0 pH 산 혼합물의 단지(jar)에 침지되었다. 샘플은 120 시간의 총 시간 기간에 걸쳐 95℃에서의 1시간의 체류를 갖고 25℃로부터 95℃로, 재차 25℃로 4시간 동안 단지 내에서 열 순환되었다. 샘플은 산으로부터 제거되고, 헹굼되고, 검사되었고, 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 이미지 포착되었다.
도 6은 표준 레이저 절단 관통 구멍을 갖지만 표면 조직을 향상시키고 그리고/또는 세라믹의 더 산성 강인성 상태의 전개를 촉진하기 위해 후 어닐링으로 처리되고, 동일한 산성 시험이 실시된 후에 세라믹 부재의 에지에 어떠한 화학적 공격의 증거도 나타내고 있지 않은 세라믹 부재의 도면을 도시하고 있다.
온도 어닐링 프로세스 대신에, 2차 가공 작업, 화학 에칭 또는 화학 처리가 표면 조직을 향상시키고 그리고/또는 세라믹 부재의 더 취약한 상태를 제거하거나 감소시키는데 이용될 수도 있다. 레이저 절단 대신에 관통 구멍의 그린 스테이트 성형이 또한 세라믹 부재의 더 취약한 상태의 형성을 방지하거나 감소시키기 위한 2차 어닐링, 가공, 화학 에칭 또는 다른 화학 처리를 갖거나 갖지 않고 사용될 수도 있다.
도 7은 지지 부재(5)의 후방면(9)에서의 보호 부재(2)에 대한 치수 요건을 도시하고 있다. 보호 부재(2)는 후방면 배리어(6)의 표면에 응답하여 오목 메니스 커스(meniscus)를 갖는다. 메니스커스의 저부는 감지 요소(1)에 대한 보호 부재의 최소 두께(d1)를 규정한다. 달리 말하면, d1은 배기 가스와 보호 부재(2)를 통한 후방면(9)에서의 감지 요소의 표면 사이의 최소 거리이다. 더욱이, 거리 d2는 후방면 보호 부재(2)에 의해 덮여진 감지 요소(1)의 표면과 지지 부재(9)의 후방면과 일치하는 평면 사이의 최소 거리이다. 관통 구멍(7) 내의 보호 부재(2) 상의 배기 가스에 의한 공격, 즉 물 포켓의 존재는, 최소 두께(d1)가 d2 이상이면 상당히 감소되는 것으로 판명되었다. 이 요건은 후방면 배리어(6) 사이의 지지 부재(5)의 후방면(9)의 표면이 소정의 보호 겔로 덮여지는 것을 보장한다. 보호 부재의 열화의 제1 지시가 메니스커스가 후방면 배리어에 접촉하는 위치 부근에서 보호 부재(2)에 발견될 때, 관통 구멍(7) 내의 보호 부재가 열화되기 전에 더 많은 시간이 소요될 것이다. 이는 압력 센서의 수명을 연장시킨다.
전술된 실시예는 차압 센서 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 개량된 내산성 압력 센서를 제공하는데 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이 경우, 압력 센서 장치는 압축된 산성 유체를 제1 압력 챔버(24)에 접근시킬 수 있게 하는 입구(21)를 갖는 제1 압력 챔버(24)만을 포함한다. 압력은 감지 요소(1)의 일 측면에서 관통 구멍(7)을 통해 작용한다. 미리 규정된 조절된 압력이 감지 요소의 다른 측면에 작용한다. 이 미리 규정된 조절된 압력은 비산성 환경으로부터 온다. 이는 본딩 와이어(14) 및 전기 전도성 소자(13)를 위한 적은 비용의 재료를 사용할 수 있게 한다. 더욱이, 어떠한 전방면 배리어(4) 및 전방면 보호 부재(11)도 산성 및 오염된 환경을 위해 압력 센서 모듈(30)의 전방면(3)을 보호하는데 요구되지 않 는다. 이러한 압력 센서 모듈은 제조되어 센서 하우징 내에 최종적으로 배치되기 전에 시험될 수 있는 장점을 갖는다.
센서 모듈의 후방면 상의 압력 채널 또는 겔 챔버의 대안적인 기하학적 형상이 개시된다. 대안적인 기하학적 형상은 센서 모듈의 후방면 상의 산성 조건에 대한 향상된 강인성을 갖는 개량된 압력 센서 모듈을 제공한다. 이는 지지 부재의 후방면에 겔 댐 또는 배리어를 추가하고 압력 채널의 형상 및/또는 치수와 겔의 양을 최적화함으로써 성취된다. 겔 댐은, 1) 겔 표면 대 겔 높이의 비, 즉 배기 가스와 감지 요소 사이의 최소 거리를 증가시킬 수 있게 하고, 2) 메니스커스와 감지 요소 사이의 거리를 증가시킬 수 있게 하고, 3) 겔의 메니스커스가 압력 채널의 측벽 및 감지 요소에 접촉하는 점 사이의 거리를 증가시킬 수 있게 하고, 4) 관통 구멍 내의 겔의 가능한 핵 생성 부위를 제거할 수 있게 한다. 이들의 각각은 배기 환경에서 발견되는 것들과 같은 산성 환경에 대한 압력 센서 모듈의 강인성을 향상시킨다.
본 발명의 다수의 실시예가 예시적인 실시예로 전술되었다. 이들 실시예에 대해 설명된 요소에 대한 다양한 수정 및 변형이 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자에 의해 이루어질 수 있다.
도 1은 바람직한 실시예에 따른 압력 센서 모듈의 단면도.
도 2는 바람직한 실시예에 따른 압력 센서 장치의 단면도.
도 3은 압력 센서 모듈 조립체의 사시도.
도 4는 복수의 개별 세라믹 지지 부재가 압력 센서 모듈에 사용하기 위해 레이저 절단 및 스크라이빙(scribing)되어 있는 세라믹 기판의 평면도.
도 5는 어닐링 프로세스가 실시되지 않은 표준 레이저 절단 관통 구멍 상에서의 산성 시험 후의 산성 시험 결과를 도시하고 있는 도면.
도 6은 어닐링 프로세스가 실시된 관통 구멍 상에서의 산성 시험 후의 산성 시험 결과를 도시하고 있는 도면.
도 7은 후방면 보호 부재의 소정의 치수 요건을 도시하고 있는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 감지 요소 2: 후방면 보호 부재
3: 전방면 4: 전방면 배리어
5: 지지 부재 6: 후방면 배리어
7: 관통 구멍 8: 밀폐 영역
9: 후방면 10: 압력 채널
11: 전방면 보호 부재 12: 천이 표면
13: 전도성 요소 14: 본딩 와이어
20: 하우징 21: 제1 입구
22: 제2 입구 23: 전자 기기
24: 제1 압력 챔버 25: 제2 압력 챔버
30: 압력 센서 모듈 31: 세라믹 기판
32: 세라믹 지지 부재 33: 스크라이브 라인
34: 관통 구멍

Claims (18)

  1. 압력 센서에 사용하기 위한 압력 센서 모듈에 있어서,
    지지 부재의 전방면에 장착된 감지 요소로서, 상기 지지 부재는 상기 전방면으로부터 후방면으로 상기 지지 부재를 관통하는 구멍을 포함하고, 상기 감지 요소는 상기 전방면에서 상기 구멍을 덮고 있는 것인, 감지 요소;
    상기 지지 부재의 후방면에 위치하여, 상기 지지 부재의 후방면의 표면을 둘러싸고 밀폐 영역을 형성하는 후방면 배리어로서, 상기 밀폐 영역과 상기 구멍은 압력 채널을 형성하는 것인, 후방면 배리어; 및
    상기 구멍 및 적어도 부분적으로 상기 밀폐 영역을 충전하는 후방면 보호 부재
    를 포함하고, 상기 관통 구멍의 에지 조건은,
    25℃의 분위기 온도로부터 1300℃±100℃로 선택된 속도로 지지 부재의 온도를 증가시키는 단계;
    1300℃에서 1시간 동안 온도를 유지하는 단계; 및
    상기 지지 부재의 온도를 분위기 온도로 선택된 속도로 감소시키는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 향상되는 것인 압력 센서 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구멍의 단면은 상기 전방면으로부터 상기 후방면으로 넓어지는 것인 압력 센서 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 후방면으로의 상기 구멍의 표면의 천이부는 평활한 형상을 갖는 것인 압력 센서 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 후방면 배리어는 상기 지지 부재에 부착되는 것인 압 력 센서 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지 부재 및 상기 후방면 배리어는 단일 재료로 형성되는 것인 압력 센서 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지 부재는 상기 전방면에 제공되어 상기 감지 요소에 전기적으로 접속되는 전기 전도성 요소를 갖는 세라믹 PWB인 것인 압력 센서 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전기 전도성 요소는 귀금속을 포함하는 것인 압력 센서 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 감지 요소는 차압 감지 요소인 것인 압력 센서 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 감지 요소는 MEMS 차압 감지 요소인 것인 압력 센서 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 감지 요소를 둘러싸는 전방면 배리어와,
    전기 절연 특성을 갖고 상기 감지 요소와 전방면 배리어 사이의 전방면을 덮 는 전방면 보호 부재를 더 포함하는 것인 압력 센서 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 후방면 배리어 내의 후방면 상의 밀폐 영역은 상기 지지 부재 내의 구멍의 영역보다 큰 것인 압력 센서 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 감지 요소를 덮고 있는 후방면 보호 부재의 최소 두께는 상기 후방면 보호 부재에 의해 덮여진 상기 감지 요소의 표면과 상기 지지 부재의 후방면과 일치하는 평면 사이의 최소 거리보다 큰 것인 압력 센서 모듈.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서, 상기 지지 부재는 사출 성형 프로세스에 의해 제조되고, 상기 구멍은 몰드에 의해 상기 지지 부재 내에 형성되는 것인 압력 센서 모듈.
  15. 제1항에 따른 압력 센서 모듈과 하우징을 포함하는 압력 센서 장치.
  16. 압력 센서에 사용하기 위한 압력 센서 모듈에 있어서,
    세라믹 지지 부재의 전방면에 장착된 감지 요소를 포함하고, 상기 지지 부재는 상기 전방면으로부터 표면 에지부를 형성하는 후방면으로 상기 세라믹 지지 부재를 관통하는 구멍을 갖고, 상기 감지 요소는 상기 전방면에서 상기 구멍을 덮고 있으며,
    상기 관통 구멍의 표면 에지부는,
    25℃의 분위기 온도로부터 1300℃±100℃로 선택된 속도로 지지 부재의 온도를 증가시키는 단계;
    1시간 동안 1300℃에서 온도를 유지하는 단계; 및
    상기 세라믹 지지 부재의 온도를 분위기 온도로 선택된 속도로 감소시키는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 모듈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 지지 부재의 후방면에 부착되어 상기 지지 부재의 후방면의 표면을 둘러싸고 밀폐 영역을 형성하는 후방면 배리어와, 상기 구멍 및 적어도 부분적으로는 상기 밀폐 영역을 충전하는 후방면 보호 부재를 더 포함하고, 상기 밀폐 영역 및 상기 구멍은 압력 채널을 형성하는 것인 압력 센서 모듈.
  18. 제16항에 따른 압력 센서 모듈과 하우징을 포함하는 압력 센서 장치.
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