KR101646413B1 - 연료탱크의 압력센서 - Google Patents

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진경환
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 자동차 연료탱크 내의 가솔린 증발가스 압력을 측정하는 압력센서에 관한 것이다.
본 발명은 압력감지 소자나 기판 등의 배치 구조를 개선하고, 각 소자들 간의 접합소재를 적절히 선택 적용하여, 가솔린 가스나 온도 환경에서 최적의 적응력을 발휘할 수 있는 새로운 형태의 센서 소자를 구현함으로써, 센서 오동작 등을 방지할 수 있는 센서의 신뢰도를 확보할 수 있는 연료탱크의 압력센서를 제공한다.

Description

연료탱크의 압력센서{Fuel tank pressure sensor}
본 발명은 연료탱크의 압력센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 연료탱크 내의 가솔린 증발가스 압력을 측정하는 압력센서에 관한 것이다.
일반적으로 증발가스는 연료탱크에서 증발한 가솔린의 증기를 캐니스터에서 일시 저장했다가 엔진이 회전할 때 흡기계통으로 보내서 연소시켜 주게 된다.
이때, 연료탱크의 압력을 검출하는 연료탱크 압력센서와 차량의 연료장치와 대기 상태를 차단하여 캐니스터의 밀폐계를 유지하는 캐니스터 클로오즈 밸브는 증발가스 방지 규제에 대응하기 위한 리케이지 모니터링(Leakage Monitoring)에 중요한 역할을 담당하고 있다.
그리고, 상기 연료탱크 압력센서는 캐니스터 클로오즈 밸브의 고장진단에도 사용되는데, 연료탱크 압력센서의 고장진단과 캐니스터 클로오즈 밸브의 고장진단은 모두 연료 탱크 압력센서의 입력신호인 연료탱크 압력에 따라 처리된다.
이러한 연료탱크 압력센서는 한국등록특허 10-1261174호에 개시되어 있다.
종래의 연료탱크 압력센서는 압력감지 소자, 접합소재, 리드프레임, 센서소자 하우징 등을 포함하는 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 압력감지 소자는 실리콘 타입으로 다이어프램 변위 변화에 따라 압력을 센싱하게 되고, 상기 접합소재는 압력감지 소자와 리드프레임을 접합하는 소재이며, 상기 리드프레임은 압력감지 소자를 지지하는 역할을 하게 된다.
특히, 상기 압력감지 소자는 10㎛ 두께 수준의 얇은 실리콘 막으로 제조되며, 압력에 따라 얇은 막이 변형을 받고, 그 변형이 압력감지 소자의 저항을 변동시켜 압력에 따른 다른 저항 특성을 보이는 소자이다.
이로 인해, 압력 외 다른 응력이 발생하는 경우 압력감지 소자의 출력 특성이 왜곡될 수 있다.
예를 들면, 센서 소자는 가솔린 가스와 온도 환경에 노출되어 있는데, 특히 접합소재가 가솔린 환경에 노출되어 있는 것이 문제이다.
보통 실리콘계 접합소재는 가솔린 가스와 반응하여 접합소재가 부풀어 오르는 현상(스웰링 현상)이 일어난다(도 7).
이렇게 스웰링 현상 발생 시 압력이 없는 상태에서도 접합소재 스웰링이 압력감지 소자의 얇은 막에 응력을 주게 되어 원치 않는 출력이 발생하는 문제가 있다(도 7).
또한, 에폭시계 접합소재는 가솔린 가스에 안정한 상태를 갖는 소재이나, 에폭시계 접합소재를 리드프레임 위에 사용하는 경우 압력감지 소자에 매우 큰 응력을 전달하게 되어 이 또한 원치 않는 출력을 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 압력감지 소자나 기판 등의 배치 구조를 개선하고, 각 소자들 간의 접합소재를 적절히 선택 적용하여, 가솔린 가스나 온도 환경에서 최적의 적응력을 발휘할 수 있는 새로운 형태의 센서 소자를 구현함으로써, 센서 오동작 등을 방지할 수 있는 센서의 신뢰도를 확보할 수 있는 연료탱크의 압력센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료탱크의 압력센서는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 연료탱크의 압력센서는 센서소자 하우징과, 상기 센서소자 하우징의 내외에 걸쳐 장착되는 전력 및 신호 단자인 복수 개의 터미널 및 상기 터미널과 접속되는 리드 프레임과, 상기 센서소자 하우징의 내부에 설치되어 증발 가스의 압력을 감지하는 압력감지 소자와, 상기 센서소자 하우징의 내부에 설치되어 압력감지 소자로부터 제공되는 감지신호를 처리하는 신호처리부 반도체를 포함하는 구조로 이루어진다.
특히, 상기 압력감지 소자는 기판의 상면에 지지되면서 하우징 홀 및 기판 홀과 통하는 감지공간부 및 이 감지공간부의 상부를 마감하면서 증발 가스의 압력을 감지하는 압력감지 막을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압력감지 소자와 기판의 접합 소재로 글라스프릿을 적용할 수 있다.
또한, 상기 압력감지 소자는 압력감지 막을 가지는 상부의 실리콘 웨이퍼와 하부의 글래스의 적층구조로 이루어질 수 있고, 이때의 실리콘 웨이퍼와 글래스는 아노딕 본딩(Anodic bonding)으로 접합될 수 있다.
그리고, 상기 기판의 경우 알루미나 소재 등으로 이루어질 수 있으며, 이러한 기판은 센서소자 하우징 내에 하단을 통해 지지되며, 이때의 하단 지지부위는 하우징측 벽체와 오버랩 된 상태에서 에폭시 소재 접착제에 의해 접합될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 연료탱크의 압력센서는 다음과 같은 장점이 있다.
압력감지 소자(MEMS Die)와 기판 간을 글라스프릿으로 접합하여 부재 간의 열팽창계수를 줄임으로써, 접합소재가 부풀어 오르는 스웰링 현상을 방지할 수 있고, 또 알루미나 등의 소재로 이루어진 기판을 적용하여 압력감지 소자와 센서소자 하우징 이종 소재 간의 접합 시 응력을 흡수하는 버퍼역할을 하도록 함으로써, 압력감지 소자에 가해지는 응력을 최소화하여 압력이 없는 상태에서도 출력이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 연료증발 가스의 압력을 측정하는 센서 소자의 내가솔린성을 갖는 센서 소자를 구현함으로써, 센서 소자의 정확한 출력 특성을 확보할 수 있는 등 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서를 나타내는 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서를 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서를 나타내는 확대도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서에서 기판의 응력흡수 작용을 나타내는 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서에서 캐패시터의 배치구조를 나타내는 평면도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서에서 캐패시터의 접합구조를 나타내는 평면도
도 7은 종래 연료탱크의 압력센서에서 스웰링 현상과 출력 변동 현상을 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서를 나타내는 사시도, 단면도 및 확대도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 연료탱크의 압력센서는 센서소자 하우징(10)을 포함하며, 상기 센서소자 하우징(10)의 내부에는 압력감지 소자(12), 신호처리부 반도체(13), 복수 개의 캐패시터(21) 등의 부품들이 내장되고, 부품들 내장 후 개방되어 있는 하우징 상부는 탑 겔(20)에 의해 마감된다.
상기 센서소자 하우징(10)의 내부 일측, 예를 들면 압력감지 소자(12)가 탑재되는 위치의 하부에는 기판 장착홈(22)이 형성되고, 이때의 기판 장착홈(22)에는 후술하는 기판(14)이 안착되는 구조로 설치될 수 있게 된다.
그리고, 상기 센서소자 하우징(10)의 저면부 일측, 즉 기판 장착홈(22)의 바닥쪽에는 하우징 홀(15)이 형성되어 있어서, 이곳을 통해 연료탱크 내의 가솔린 증발 가스 압력이 센서측으로 도입될 수 있게 된다.
상기 신호처리부 반도체(13)는 센서소자 하우징(10)의 내부에 장착되는 리드 프레임(23)에 탑재됨과 더불어 전기적으로 접속되는 구조로 설치된다.
이러한 신호처리부 반도체(13)는 압력감지 소자(12)측과 전기적으로 연결되고, 압력감지 소자(12)로부터 제공되는 감지신호를 받아 이를 처리하는 역할을 하게 된다.
여기서, 상기 압력감지 소자의 감지신호가 신호처리부 반도체에 입력 및 처리되어 압력상태를 외부로 출력하는 방법은 종래와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 센서소자 하우징(10)은 PPS(PolyPhenylene Sulfine) 등과 같은 소재로 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 연료탱크의 압력센서는 전력 단자 및 신호 단자의 역할을 하는 복수 개의 터미널(11), 예를 들면 SUPPLY GROUND(11a), ANALOG OUTPUT SIGNAL(11b), SUPPLY POWER(11c)의 3개의 터미널(11)을 포함한다.
또한, 이외에도 하우징 측면쪽으로 아날로그 파워 터미널, 아날로그 그라운드 터미널이 구비될 수 있게 된다.
이러한 각 터미널(11)은 센서소자 하우징(10)의 외부로 노출됨과 더불어 센서소자 하우징(10)의 내부로 연장되어 신호처리부 반도체(13)와 전기적으로 회로를 구성하고 있는 리드 프레임(23)에 일체 연결되면서 접속된다.
특히, 상기 연료탱크의 압력센서는 실질적으로 증발 가스 압력을 감지하는 수단으로 압력감지 소자(12)를 포함한다.
상기 압력감지 소자(12)는 센서소자 하우징(10)의 내부에 설치되어 증발 가스의 압력을 감지하는 역할을 하게 된다.
즉, 상기 압력감지 소자(12)의 내부에는 기판(14)의 상면에 지지되면서 센서소자 하우징(10)에 있는 하우징 홀(15) 및 기판(14)의 중심부를 관통하는 기판 홀(16)과 통하는 감지공간부(17)가 조성되고, 이렇게 조성되는 감지공간부(17)의 상부는 10㎛ 정도의 얇은 두께를 가지는 압력감지 막(18)에 의해 마감된다.
이에 따라, 연료탱크 내부의 증발 가스 압력이 하우징 홀(15), 기판 홀(16), 감지공간부(17)를 통해 압력감지 막(18)에 전해지게 되면, 상기 압력감지 막(18)이 변형을 일으키게 됨과 더불어 압력감지 소자의 저항이 변동되면서 압력에 따른 다른 저항 특성을 보이는 방식으로 압력을 감지할 수 있게 된다.
여기서, 연료탱크 증발가스의 입력이 입력되는 압력 포트, 즉 하우징 홀, 기판홀 및 감지공간부는 압력감지 소자(12)의 가상의 센터부 기준 한쪽으로 치우친 외곽쪽에 위치될 수 있게 된다.
이러한 압력감지 소자(12)는 압력감지 막(18)을 가지는 상부의 실리콘 웨이퍼(12a)와 하부의 글래스(12b)의 적층구조로 이루어질 수 있게 되며, 이때의 실리콘 웨이퍼(12a)와 글래스(12b)는 아노딕 본딩으로 접합될 수 있게 된다.
그리고, 상기 압력감지 소자(12)의 지지를 위한 수단으로 기판(14)이 마련되고, 상기 기판(14)은 센서소자 하우징(10)에 있는 기판 장착홈(22) 내에 삽입 안착되는 구조로 설치된다.
이때, 상기 센서소자 하우징(10)의 기판 장착홈(22) 내에 안착되는 기판(14)의 하단 지지부위는 에폭시 소재 접착제에 의해 접합될 수 있게 된다.
이렇게 상기 기판(14)이 가솔린 가스에 매우 안정한 상태를 갖는 에폭시 소재 접착제에 의해 접합되므로서, 내가솔린성을 확보할 수 있게 된다.
이러한 기판(14)은 알루미나 소재 등으로 이루어질 수 있게 되고, 압력감지 소자(12)와 센서소자 하우징(10)의 이종 소재 접합 시의 중간재로서 열팽창계수 차이를 완충하는 버퍼역할을 할 수 있게 된다.
즉, PPS 소재 등의 센서소자 하우징(10)과 실리콘 계열의 소재로 이루어진 압력감지 소자(12) 사이에 기판(14)이 개재되므로서, 도 4에서 볼 수 있듯이 응력을 흡수하여 압력감지 소자(12)를 보호할 수 있게 되고, 결국 종전과 같이 압력감지 소자측에 응력이 가해지면서 원치 않는 출력을 발생시키는 문제를 말끔히 해소할 수 있게 된다.
또한, 상기 기판(14)은 센서소자 하우징(10) 내에 하단을 통해 지지되며, 이때의 하단 지지부위는 하우징측 벽체(26)와 오버랩 된 상태에서 에폭시 소재 접착제에 의해 접합될 수 있게 된다.
예를 들면, 센서소자 하우징(10)에 있는 하우징 홀(15)의 주변으로 일정높이의 벽체(26)가 형성되고, 이렇게 형성되는 벽체(26)의 둘레에 기판(14)의 하단부가 배치되면서 하우징측과 오버랩 조인트 구조를 조성한 후에 접착제가 도포될 수 있게 된다.
따라서, 상기 에폭시 접착제가 압력 포트측으로 흘러내리는 것을 방지할 수 있게 되고, 실링 상태를 보다 강하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
특히, 상기 압력감지 소자(12)와 기판(14)의 접합소재로 글라스프릿(19)이 적용될 수 있게 된다.
이렇게 압력감지 소자(12)와 기판(14) 간의 접합소재에는 가솔린 환경 하에서 출력변동의 최소화가 필요하며, 접합소재의 가솔린 증발 가스 내환경성 확보 및 이종 재료 간 열팽창을 매칭시켜야 한다.
따라서, 압력감지 소자(12)와 기판(14)의 접합소재로 글라스프릿(19)을 사용함으로써, 내가솔린성이 취약한 실리콘이나 열팽창 응력이 큰 에폭시 대비 내가솔린성 및 열팽창 매칭을 이룰 수 있게 되고, 결국 압력감지 소자(12)의 출력신호 왜곡을 막을 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서에서 캐패시터의 배치구조를 나타내는 평면도
도 5에 도시한 바와 같이, 여기서는 각 캐패시터의 장착위치를 보여준다.
압력센서의 압력감지 소자는 압력감지부와 그 출력신호 처리를 위한 ASIC으로 구성된다.
상기 압력감지부는 다이아프램 구조로부터 압력을 감지하고 출력신호를 내보내며, ASIC 회로는 그 출력신호를 처리하여 차량 ECU로 적절한 출력값을 보내 동작한다.
이러한 신호처리 시 정전기로부터 회로를 보호하는 역할의 커패시터(21)는 3개의 커패시터, 예를 들면 제1커패시터(21a), 제2커패시터(21b) 및 제3커패시터(21c)가 구비되어, ASIC와 터미널 단자 사이에 위치된다.
여기서, 상기 제1커패시터(21a)는 서플리 그라운드 터미널(11a)과 아날로그 아웃풋 시스널 터미널(11b) 사이에 위치된다.
그리고, 상기 제2커패시터(21a)는 서플리 파워 터미널(11c)과 아날로그 파워 터미널 사이에 위치되고, 상기 제3커패시터(21c)는 아날로그 파워 터미널과 아날로그 그라운드 터미널 사이에 위치된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료탱크의 압력센서에서 캐패시터의 접합구조를 나타내는 평면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 여기서는 솔더(24)를 이용하여 커패시터를 접합하는 구조를 보여준다.
커패시터를 리드 프레임(23)에 접합하는 방법으로 솔더(24)를 사용하는 솔더링 공정이 사용된다.
솔더링 공정은 솔더 페이스트를 리드 프레임 상부에 도포한 후, 캐패시터(21)를 도포한 솔더 페이스트 상부에 위치하여 리플로우 공정을 통해 접할 수 있다.
하지만, 이런 경우, 도면의 윗쪽과 같이 솔더 퍼짐 현상으로 인해 솔더링 특성이 나빠지게 된다.
따라서, 필요한 부분에만 솔더링이 될 수 있도록 캐패시터 접합 위치에 캐패시터 접합 공간을 형성함으로써 솔더링 특성을 개선할 수 있다.
예를 들면, 캐패시터(21)가 위치되는 센서소자 하우징(10)의 벽체 안쪽 영역에 바닥쪽으로 리드 프레임(23)이 노출되어 있는 솔더 수용홈(25)을 형성하고, 이렇게 형성한 솔더 수용홈(25)의 바닥에 노출되어 있는 리드 프레임(23) 상에 솔더(24)를 도포함으로써, 이후 커패시터 접합 시 옆으로 퍼지는 솔더 페이스트가 솔더 수용홈(25) 내에 갇혀서 정해진 영역 이외의 영역으로 퍼지지 않게 된다.
또한, 솔더링 특성을 더욱 향상시키기 위하여 솔더링이 되어야 하는 부위에 PSR(Photo Solder Resists) 코팅을 처리하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에서는 자동차 연료탱크 내 가솔린 증발 가스 압력 측정을 위한 압력센서에 내가솔린성을 부여함으로써, 기존 수입에 의존하던 연료탱크 압력센서의 국산화 개발에 따른 성능을 확보할 수 있고, 특히 가솔린 가스와 온도 환경에 대응할 수 있는 압력센서를 구현함으로써, 소자의 얇은 막이 응력이 전달되는 것을 차단하여 출력신호 왜곡 현상을 완전히 차단할 수 있다.
10 : 센서소자 하우징
11 : 터미널
12 : 압력감지 소자
12a : 실리콘 기판
12b : 글래스
13 : 신호처리부 반도체(ASIC)
14 : 기판
15 : 하우징 홀
16 : 기판 홀
17 : 감지공간부
18 : 압력감지 막
19 : 글라스프릿(Glass frit)
20 : 탑 겔(Top gel)
21 : 캐패시터
22 : 기판 장착홈
23 : 리드 프레임
24 : 솔더
25 : 솔더 수용홈
26 : 벽체

Claims (7)

  1. 센서소자 하우징(10)과, 상기 센서소자 하우징(10)의 내외에 걸쳐 장착되는 전력 및 신호 단자인 복수 개의 터미널(11) 및 상기 터미널(11)과 접속되는 리드 프레임(23)과, 상기 센서소자 하우징(10)의 내부에 설치되어 증발 가스의 압력을 감지하는 압력감지 소자(12)와, 상기 센서소자 하우징(10)의 내부에 설치되어 압력감지 소자(12)로부터 제공되는 감지신호를 처리하는 신호처리부 반도체(13)를 포함하며,
    상기 압력감지 소자(12)는 기판(14)의 상면에 지지되면서 하우징 홀(15) 및 기판 홀(16)과 통하는 감지공간부(17) 및 이 감지공간부(17)의 상부를 마감하면서 증발 가스의 압력을 감지하는 압력감지 막(18)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력감지 소자(12)와 기판(14)의 접합 소재로 글라스프릿(19)을 적용하는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 압력감지 소자(12)는 압력감지 막(18)을 가지는 상부의 실리콘 웨이퍼(12a)와 하부의 글래스(12b)의 적층구조로 이루어지고, 상기 실리콘 웨이퍼(12a)와 글래스(12b)는 아노딕 본딩으로 접합되는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판(14)은 알루미나 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판(14)은 센서소자 하우징(10) 내에 하단을 통해 지지되며, 이때의 하단 지지부위는 하우징측 벽체(26)와 오버랩 된 상태에서 에폭시 소재 접착제에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    정전기로부터 회로를 보호하기 위한 수단으로 커패시터(21)를 더 포함하고,
    상기 커패시터(21)는 서플리 그라운드 터미널(11a)과 아날로그 아웃풋 시스널 터미널(11b) 사이에 위치되는 제1커패시터(21a)와, 서플리 파워 터미널(11c)과 아날로그 파워 터미널 사이에 위치되는 제2커패시터(21b)와, 아날로그 파워 터미널과 아날로그 그라운드 터미널 사이에 위치되는 제3커패시터(21c)로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 커패시터(21)가 위치되는 센서소자 하우징(10)의 벽체 안쪽 영역에는 솔더 페이스트 퍼짐을 방지하기 위한 솔더 수용홈(25)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료탱크의 압력센서.
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