KR101697297B1

KR101697297B1 - 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템

Info

Publication number: KR101697297B1
Application number: KR1020150081395A
Authority: KR
Inventors: 정연수; 오수민; 김은지; 홍성진
Original assignee: 주식회사 아모텍
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2017-01-18
Also published as: KR20160145245A

Abstract

입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 절연기판; 상기 절연기판의 상부에 노출되는 상부면의 일부로 형성되되 제 1 면적(A1)을 갖는 감응부; 상기 감응부 상에 노출되도록 배치되며, 제 1 전기접속단자와 연결되는 제1접지 전극과, 상기 제1접지 전극과 이격 배치되되, 상기 제1접지 전극과 전기적으로 연결되지 않고 상호 이격배치되는 복수 개의 이격 전극을 포함하는 제1전극; 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극과 대응되도록 상기 절연기판 내부에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수 개의 제 2 접지 전극을 포함하는 제 2 전극; 및 상기 절연기판 내부에 배치되어 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 가열하는 히터부;를 포함하며, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 전체의 면적을 포함하는 제 3 면적(A3)이 상기 감응부의 제 1 면적(A1)에서 상기 제 3 면적(A3)을 제외한 제 2 면적(A2)보다 넓게 형성될 수 있다.

Description

입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템{Particular matter sensor and exhaust gas purification system using the same}

본 발명은 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대한 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있다.

구체적으로, 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.

이에, 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화 촉매, 질소 산화물 촉매, 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.

상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매, 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.

배기가스 저감장치의 고장 여부를 진단하기 위해서는 DPF필터 후단에 입자상 물질 센서(PM센서)가 장착되며, 이러한 입자상 물질 센서(PM)는 저항방식과 정전용량 방식이 있다.

여기서, 저항방식 입자상 물질 센서(PM센서)는 표면 상에 배치되는 복수 개의 외부전극이 나란하게 배치되며, 외부전극 사이에 입자상 물질이 침전되고, 침전된 입자상 물질(PM)에 의해 외부전극 사이에 전류가 형성되어 센서의 전기전도도 변화를 측정함으로써, 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있다.

아울러, 정전용량 방식은 표면 상에 나란하게 배치되는 복수 개의 외부전극과, 복수 개의 외부전극과 상/하 방향으로 배치되는 복수 개의 내부전극으로 구성되며, 외부전극들 사이에 퇴적하는 입자상 물질의 면적 및 외부전극과 내부전극 사이의 거리를 이용하여 외부전극과 내부전극 사이의 정전용량을 측정함으로써, 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있다.

이와 같은 저항방식 및 정전용량 방식의 입자상 물질 센서는 외부전극들 사이에 입자상이 침전되는 속도에 따라 외부전극들 사이에 형성되는 초기 전류의 응답시간이 결정될 수 있다.

그러나, 종래기술에 따른 저항방식 및 전정용량 방식의 입자상 물질 센서는 외부전극들 사이가 외부전극의 폭보다 넓은 폭을 가지고 형성되기 때문에, 입자의 침전에 따른 초기 전류의 응답시간이 매우 느리다는 문제점이 있었다.

또한, 외부전극의 면적이 제한되어 있으므로, 외부전극과 내부전극 사이의 정전용량의 변화량에 대한 한계값이 정해져 있다는 문제점이 있었다.

또한, 외부전극의 폭이 외부전극들 사이의 폭보다 좁게 형성되기 때문에, 외부전극과 내부전극 사이의 정전용량의 검출 민감도가 낮다는 문제점이 있었다.

일본공개특허 2009-85959(공개일 2009년 4월 23일)

본 발명은 정전용량의 응답시간을 단축시킬 수 있는 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 입자상 물질센서는 절연기판; 상기 절연기판의 상부에 노출되는 상부면의 일부로 형성되되 제 1 면적(A1)을 갖는 감응부; 상기 감응부 상에 노출되도록 배치되며, 제 1 전기접속단자와 연결되는 제1접지 전극과, 상기 제1접지 전극과 이격 배치되되, 상기 제1접지 전극과 전기적으로 연결되지 않고 상호 이격배치되는 복수 개의 이격 전극을 포함하는 제1전극; 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 1 이격 전극과 대응되도록 상기 절연기판 내부에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수 개의 제 2 접지 전극을 포함하는 제 2 전극; 및 상기 절연기판 내부에 배치되어 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 가열하는 히터부;를 포함하며, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 전체의 면적을 포함하는 제 3 면적(A3)은 상기 감응부의 제 1 면적(A1)에서 상기 제 3 면적(A3)을 제외한 제 2 면적(A2)보다 넓게 형성될 수 있다.

이 때, 상기 복수 개의 이격 전극은 상기 절연 기판의 폭 방향으로 상기 제 1 접지 전극과 나란히 서로 평행하게 이격 배치될 수 있다.

이 때, 상기 제 1 접지 전극은 2개로 형성되며, 상기 2개의 제 1 접지 전극은, 상기 절연 기판의 폭 방향으로 상기 복수 개의 이격 전극의 중 양 단부측에 위치하는 2개의 이격 전극 외측부에 배치될 수 있다.

이 때, 상기 복수 개의 제 2 접지 전극 중 어느 하나의 제 2 접지 전극과 전기적으로 연결된 제 2 전기 접속 단자를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제 3 면적(A3)이 상기 제 2 면적(A2)의 2배 이상일 수 있다.

이 때, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 각각은 소정의 폭(W1) 및 길이(L1)를 갖는 직사각 형태로 이루어지되, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 각각의 폭(W1)은, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 중 서로 이웃하는 접지 전극 사이의 폭 방향 거리(W2)의 2배 이상일 수 있다.

한편, 상기 제1전극과 상기 제2전극은 서로 나란하게 배치되며, 상기 제2전극의 면적이 상기 제1전극의 면적에 대응되게 형성될 수 있다.

한편, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 절연기판의 길이방향으로 나란하게 배열되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 절연기판의 폭 방향으로 서로 대응되게 배열될 수 있다.

한편, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 위치되는 유전층을 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1 전기 접속 단자 및 제2전기 접속 단자는 상기 절연기판의 상부 타측에 형성될 수 있다.

이 때, 상기 제 2 전극을 제 2 전기 접속 단자에 전기적으로 연결하기 위한 비아홀이 상기 절연 기판 내부에 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 배기 매니폴드; 상기 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스 내 포함되는 미립자들을 제거하는 배기가스 미립자 필터; 상기 배기가스 미립자 필터에 연결되는 유출측 배기관에 설치되어, 상기 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출하는 입자상 물질 센서;를 포함하며, 상기 입자상 물질 센서는 절연기판; 상기 절연기판의 상부에 노출되는 상부면의 일부로 형성되되 제 1 면적(A1)을 갖는 감응부; 상기 감응부 상에 노출되도록 배치되며, 제 1 전기접속단자와 연결되는 제1접지 전극과, 상기 제1접지 전극과 이격 배치되되, 상기 제1접지 전극과 전기적으로 연결되지 않고 상호 이격배치되는 복수 개의 이격 전극을 포함하는 제1전극; 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 제2접지 전극과 대응되도록 상기 절연기판 내부에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수 개의 제 2 접지 전극을 포함하는 제 2 전극; 및 상기 절연기판 내부에 배치되어 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 가열하는 히터부;를 포함하며, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 전체의 면적을 포함하는 제 3 면적(A3)은 상기 감응부의 제 1 면적(A1)에서 상기 제 3 면적(A3)을 제외한 제 2 면적(A2)보다 넓게 형성되는, 배기가스 정화 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화 시스템에 사용하는 입자상 물질 센서는 절연 기판 표면의 감응부에 배치되는 제1전극의 면적을 넓게 형성하고 제 1 전극을 구성하는 제 1 접지 전극 및 복수의 이격 전극 사이의 폭을 좁게 구성하여, 제1전극을 구성하는 접지 전극들 사이의 입자가 퇴적되는 공간의 폭이 좁아지도록 함으로써 입자들이 빠른 시간 내에 퇴적될 수 있어 제1전극과 제2전극 사이의 정전용량이 변화하는데 걸리는 응답 시간을 단축할 수 있다.

또한, 제 1 전극의 서로 이웃하는 접지 전극들 사이의 공간의 폭이 접지 전극들의 폭 보다 좁기 때문에 입자들이 빠른 시간 안에 퇴적될 수 있어, 제 1 전극과 제2전극 사이의 정전용량의 검출 민감도가 증가될 수 있다.

또한, 제1전극의 면적이 넓게 형성됨 됨으로써, 제1전극과 제2전극 사이에서 변화하는 정전용량의 한계값이 커질 수 있다.

도 1은 차량용 디젤 엔진의 배기가스 정화 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 입자상 물질 센서의 분해 사시도이다.
도 4 는 도 2의 감응부의 일부를 확대한 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2 및 도 3에 따른 제1 및 제2전극부를 각각 도시한 평면도이다.
도 6은 도 2의 A-A'선을 따라 취한 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 작동 상태를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명의 도 1에 따른 배기가스 정화 시스템(100)은 엔진(110)의 배기 매니폴드(120)에는 터빈(130)이 설치될 수 있으며, 터빈(130)과 연동하는 터보차저(140)가 회전하면, 압축된 공기가 쿨러(150)를 통과해 흡기 매니폴드(미도시)로 보내질 수 있고, 배기 매니폴드(120)로부터 배출되는 연소 배기의 일부는 밸브(160) 및 쿨러를 통하여 흡기 매니폴드(미도시)로 환류될 수 있다.

배기 매니폴드(120)에 접속하는 배기관(180)에는 디젤 산화 촉매(미도시) 및 배기가스 미립자 필터(170)가 설치되어 연소 배기가스를 처리할 수 있다. 즉, 배기관(180)에 배출된 연소 배기가스는 상류측의 디젤 산화 촉매(미도시)를 통과하는 동안에, 미연소의 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 일산화질소(NO)가 산화될 수 있으며, 하류측의 배기가스 미립자 필터(170)를 통과하는 동안에, 그을음 입자(Soot), 가용성 유기 성분(SOF) 및 무기 성분으로 이루어진 입자상 물질(PM)이 포집될 수 있다.

디젤 산화 촉매(미도시)는 배기가스 미립자 필터(170)의 강제 재생시에, 공급되는 연료의 산화 연소에 의해 배기 온도를 상승시키고, 혹은 입자상 물질 중의 SOF 성분을 산화 제거할 수 있다. 또한, NO의 산화에 의해 생성하는 NO2는 후단의 배기가스 미립자 필터(170)에 퇴적한 입자상 물질의 산화제로서 사용되어 연속적인 산화를 가능하게 할 수 있다.

배기가스 미립자 필터(170)는 가스 유로를 구획하는 셀벽을 관통하여 다수의 가는 구멍이 형성될 수 있으며, 배기가스 미립자 필터(170)에 도입되는 배출 가스 중의 입자상 물질을 포획할 수 있다. 디젤 산화 촉매와 배기가스 미립자 필터(170)를 일체화한 연속 재생식 디젤 파티큘레이트 필터로서 구성할 수도 있다.

배기관(180)에는 디젤 입자상 필터(170)에 퇴적한 입자상 물질의 양을 감시하기 위해서, 차압 센서(190)가 설치될 수 있다. 차압 센서(190)는 배기가스 미립자 필터(170)의 상류측 및 하류측과 접속되어 있어 그 전후 차압에 따른 신호를 출력할 수 있다.

또한, 디젤 산화 촉매의 상류 및 배기가스 미립자 필터(170)의 상하류에는, 온도 센서(미도시)가 설치되어, 각각의 배기 온도를 감시할 수 있다.

제어 회로(미도시)는 이들 출력에 기초하여 디젤 산화 촉매의 촉매 활성 상태나 디젤 입자상 필터(170)의 입자상 물질 포집 상태를 감시하여, 입자상 물질 포집량이 허용량을 넘으면, 강제 재생을 실시해 입자상 물질을 연소 제거하는 재생 제어를 실시할 수 있다.

입자상 물질 센서(200)는 배기가스 미립자 필터(170)의 타측에 연결되는 유출측 배기관(182)에 설치되어, 배기가스 미립자 필터(170)를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 입자상 물질 센서(200)는 절연기판(210), 감응부(220), 제1전극부(230), 제2전극부(240), 및 히터부(250)를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 절연기판(210)은 제1 내지 제4 절연층(212, 214, 216, 218)이 서로 나란하게 적층되어 형성될 수 있으며, 글라스 소재, 세라믹 소재, 알루미나, 스피넬, 또는 이산화티타늄 등의 내열성의 절연체로 이루어질 수 있다.

절연기판(210)의 상부에는 감응부(220)가 노출 형성될 수 있다.

감응부(220)는 제1면적(A1)을 가지며 절연기판(210)의 상부면의 일부로 형성될 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1전극부(230)는 절연기판(210)의 상부면 상에 노출되도록 배치될 수 있다.

구체적으로, 제 1전극부(230)는 제1전극(232), 제1전극 리드(234), 및 제1전기접속단자(236)를 포함할 수 있다.

제1전극(232)은 복수 개의 접지 전극으로 구성되어 감응부(220) 상에 노출되도록 배치될 수 있다.

이때, 도 4를 참조하면, 제1전극(232)은 제1접지 전극(232a) 및 상기 제 1 접지 전극(232a)과 이격되는 복수개의 이격 전극(232b)을 포함할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 접지 전극(232a)은 절연 기판의 길이 방향으로 연장된 직사각 형상으로 이루어질 수 있으며, 일단부가 제 1 전극 리드(234)에 의하여 제 1 전기 접속 단자(236)와 전기적으로 연결된다.

한편, 복수개의 이격 전극(232b)은 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 접지 전극(232a)과 전기적으로 연결되지 않고 절연 기판(210)의 폭 방향으로 나란하게 서로 평행하게 이격 배치된다. 이 때, 복수 개의 이격 전극(232b)들도 서로 전기적으로 연결되지 않는다. 도 3 및 도 4에서는 이격 전극을 6개 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 이격 전극의 수는 이격 전극의 폭, 감응부의 면적 및 제 1 전극의 전체 면적 등을 고려하여 달라질 수 있다.

도4를 참조하면, 제 1 접지 전극(232a)은 2개로 이루어지며, 2개의 제 1 접지 전극(232a)은 절연 기판(210)의 폭 방향으로 복수 개의 이격 전극(232b) 중 양 단부에 위치하는 2개의 이격 전극(232b) 외측부에 배치될 수 있다.

이 때, 제 1 접지 전극(232a) 및 제 1 접지 전극(232a)과 이웃하는 이격 전극(232b), 및 복수개의 이격 전극(232b)들 중 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이에 입자상 물질이 퇴적되는 공간(222)이 형성된다.

이때, 제1접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 각각은 도 4에 도시된 바와 같이 소정의 폭(W1) 및 길이(L1)를 갖는 직사각 형태로 이루어질 수 있다.

이 때, 제 1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b)들의 폭(W1)은 서로 이웃하는 제 1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이 거리보다 넓게 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b)의 폭(W1)은 서로 이웃하는 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이에 형성되는 공간(222)의 폭(W2)의 2배 이상을 갖도록 형성될 수 있다.

이와 같이 형성될 경우, 감응부의 전체 면적을 제 1 면적(A1)이라 하고, 2개의 제 1 접지 전극(232a) 및 복수 개의 이격 전극(232b)을 포함하는 제1전극(232)의 총 면적을 제 3 면적(A3)이라 할 때, 상기 감응부의 제 1 면적(A1)에서 상기 제 3 면적(A3)을 제외한 제 2 면적(A2)보다 제 1 전극이 차지하는 제 3 면적(A3)이 넓게 형성될 수 있다.

일 예로서, 제1전극(232)의 총 면적인 제 3 면적(A3)이, 감응부(220)의 전체 면적인 제 1 면적(A1)에서 제1전극(232)의 총 면적인 제 3 면적(A3)을 제외한 감응부(220)의 제 2 면적(A2)의 2배 이상일 수 있다.

한편, 도 5a를 참조하면, 복수개의 이격 전극(232b)들 외측에 형성된 한 쌍의 제1접지 전극(232a)은 제1전극 리드(234)를 통하여 제1전기 접속단자(236)에 전기적으로 연결될 수 있다.

이때, 도 5a에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1접지 전극(232a) 중 하나는 직선이고, 다른 하나는 적어도 2회 절곡되어 제 1 전극 리드에 연결되도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 설명한 바와 같이 서로 이웃하는 제1접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이에 형성되는 공간(222)에 입자들이 퇴적됨으로써 인접한 제1접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b), 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b)들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제2전극부(240)는 절연기판(210) 내에서 제1전극부(232)와 나란하게 이격 배치되어 형성될 수 있다.

구체적으로, 제2전극부(240)는 제2 전극(242), 제2전극 리드(244), 및 제2전기 접속단자(246)를 포함할 수 있다.

제2전극(242)은 복수 개의 제 2 접지 전극(242a)으로 구성될 수 있다. 이 때, 복수 개의 제 2 접지 전극(242a)은 절연기판(210) 내에 직사각 형상으로 나란하게 이격 형성될 수 있다.

또한, 복수개의 제2접지 전극(242a)은 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 복수 개의 제2 접지 전극(242a) 중 하나, 예를 들어 도 5b에서 볼 때 제일 우측에 위치한 제2 접지 전극(242a)이 제2전극 리드(244)를 통하여 제2전기접속단자(246)에 전기적으로 접속될 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 제1 전기 접속 단자(236) 및 제2전기접속단자(246)는 절연기판(210)의 상부의 타측에 형성될 수 있다.

이 때, 절연기판(210)의 상부 타측에 형성된 제2전기접속단자(246)와 제2전극리드(244)를 전기적으로 연결하기 위하여 제2전기접속단자(246)와 제2전극리드(244) 사이의 제 1 절연층(212) 및 제 2 절연층(214)에 각각 제 1 비아홀(212a) 및 제2비아홀(214a)이 형성된다.

한편, 제1 전극(232) 및 제2전극(242) 사이에는 유전율을 갖는 유전층(219)이 배치될 수 있다.

상세하게는 유전층(219)은 제1전극(232)과 제2전극(242) 사이의 원활한 정전용량의 특성을 구현할 수 있도록 제 1전극(232)과 제2전극(242) 사이에 형성될 수 있고, 세라믹 소재로 이루어질 수 있다.

여기서, 제1전극(232)과 제2전극(242)은 서로 대응하여 절연기판(210)에 일정 거리 이격된 상태로 배치되고, 도 3에서 볼 때 절연기판(210)의 상하 방향으로 서로 평행하게 중첩될 수 있다.

이 때, 제1전극(232) 및 제2전극(242)은 절연기판(210)의 길이방향으로 나란하게 배열될 수 있으며, 또한 절연기판(210)의 폭 방향으로 서로 대응되게 배열될 수 있다.

여기서, 제2전극(242)의 면적은 제1전극(232)의 면적에 대응하는 크기로 형성될 수 있다.

즉, 제2전극(242)을 구성하는 제2접지 전극(242a)의 폭은 서로 이웃하는 제2접지 전극(242a) 사이에 형성되는 공간(222)의 폭보다 넓게 형성될 수 있으며, 구체적으로 공간(222) 폭의 2배 이상을 갖도록 형성될 수 있다.

상술한 구성에 따라, 서로 이웃하는 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이 공간(222)에는 입자상 물질들이 퇴적될 수 있다.

구체적으로, 도 6을 참조하면, 제 1 전극부(230)에 형성되는 전체의 공간(222) 중 처음의 공간(222a)에서부터 순차적으로 입자상 물질이 퇴적되고, 추후에는 전체의 공간(222)들에 입자상 물질이 퇴적될 수 있다.

이에, 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이가 퇴적된 입자상 물질에 의해 연결되어 제1전극(232)의 도통하는 면적이 순차적으로 넓어질 수 있는데, 이에 따라 제1전극부(230)와 제2전극부(240) 사이의 변화된 정전용량을 측정할 수 있다.

이때, 도 4를 참조하면, 제1전극(232)은 서로 이웃하는 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 및 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이의 거리(W2)가 짧기 때문에 정전용량이 변화하기 시작하는데 걸리는 응답시간을 단축할 수 있다.

구체적인 정전용량 측정 방법은 도 7를 참조하여 후술하도록 한다.

히터부(250)는 제1 전극(232), 제2전극(242) 및 유전층(219)을 가열하기 위한 것으로, 절연기판(210)의 내부, 예를 들어, 절연 기판의 제 3 절연층(216)과 제 4 절연층(218) 사이에 위치될 수 있다.

보다 상세히, 히터부(250)는 제 1 전극부(230) 및 제2전극부(240)와 나란하게 이격 배치되도록 절연기판(210)의 내측 하부에 위치될 수 있다.

이때, 히터부(250)의 양단은 절연기판(210)의 제 4 절연층(218) 상부의 제3 전기 접속 단자(252) 및 제4접속 단자(254)에 전기적으로 접속될 수 있다.

또한, 히터부(250)가 제1전극(232)를 가열하면, 제1전극(232) 상에 퇴적된 입자상 물질들이 제거될 수 있다.

또한, 배기가스 미립자 필터(도 1의 170) 후단 배기 환경은 대략 300 ℃ 이상의 고온이고, 히터 가열시 대략 650 ℃ 이상이 되기 때문에 일반 금속은 히터부로 사용 시 산화가 될 가능성이 높기 때문에, 히터부(250)는 고온에서 산화가 잘 되지 않는 물질로 형성될 수 있다.

도 7을 참조하여 상술한 구성을 갖는 입자상 물질 센서(200)의 작동 방법을 살펴보면, 배기가스 미립자 필터(도 1의 170)를 통하여 유출측 배기관(182)으로 유동한 입자상 물질(P1)은 유출측 배기관(182)의 일측에 구비되는 입자상 물질 센서(200)를 인접하여 지나게 되며, 이때, 입자상 물질(P1)은 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이에 형성된 공간들(222) 상에 퇴적될 수 있다.

구체적으로, 제1전극(232)을 구성하는 제1접지 전극(232a)과 제1접지 전극(232a)에 이웃한 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이에 퇴적되는 입자상 물질에 의해 제1접지 전극(232a)과 상기 제1접지 전극(232a)에 이웃한 이격 전극(232b) 및 서로 이웃하는 이격 전극(232b)이 전기적으로 연결되어 전기가 통하는 제1전극(232)의 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 제1전극(232)과 제2전극(242) 사이의 정전용량이 변하게 된다.

여기서, 제1전극(232)과 제2전극(242)사이의 정전용량은 하기 (식 1)에 의하여 측정될 수 있다.

C=εA/t (식 1)

상기 식 1에서 A는 감응부 내의 입자상 물질(P1)이 퇴적된 공간(222)에 인접한 제1 접지 전극(232a) 및 상기 제 1 접지 전극(232a)에 전기적으로 연결된 이격 전극들(232b)의 면적이며, t는 입자상 물질(P1)이 퇴적된 제1전극(232)과 제2전극(242) 사이의 거리이므로, 제1전극부(230)와 제2전극부(240) 사이의 정전용량을 측정할 수 있다.

여기서, 제1전극부(230)에 형성되는 공간들(222) 중 처음의 공간에서부터 순차적으로 입자상 물질(P1)이 퇴적될 때마다 제1접지 전극(232a)과 상기 제1접지 전극(232a)에 이웃한 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이가 입자상 물질(P1)에 의해 연결되므로, 입자상 물질이 퇴적됨에 따라 제1전극(232) 중 전기적으로 연결된 면적이 순차적으로 넓어진다.

이와 같이, 제1전극(232) 중 전기적으로 연결된 전극의 면적이 넓어짐에 따라 제1전극부(230)와 제2전극부(240) 사이의 정전용량이 증가될 수 있다.

이 때, 상기 식 1에서 면적 A는 제1접지 전극(232a)과 상기 제1접지 전극(232a)에 이웃하며 전기적으로 서로 연결된 이격 전극(232b)들의 면적의 합이다. 따라서, 제1전극(232)의 전체 면적(A3) 중 전기가 통하는 면적의 크기가 커지면 상기 식 1의 면적 A가 커지게 되므로, 제 1 접지 전극에 전기적으로 연결되는 이격 전극(232b)의 수가 증가함에 따라 제1전극(232)과 제2전극(242) 사이의 정전용량의 변화량이 증가될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 제1전극(232)의 면적(A3)이 서로 이웃하는 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이의 공간을 포함하는 감응부의 나머지 면적(A2)보다 넓기 때문에 제1전극(232)과 제2전극(242) 사이의 정전용량 변화량의 한계값이 커질 수 있다.

또한, 제1전극(232)의 면적(A3)이 서로 이웃하는 제1 접지 전극(232a) 및 1 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이의 공간을 포함하는 감응부의 나머지의 면적(A2)보다 넓기 때문에 제 1 전극(232)과 제2전극(242) 사이의 정전용량의 검출 민감도가 증가될 수 있다.

또한, 서로 이웃하는 제1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(232b) 사이의 거리, 즉 공간의 폭(W2)이 제1전극(232)을 구성하는 제 1 접지 전극(232a) 및 이격 전극(232b)의 폭(W1) 보다 좁기 때문에 입자들이 빠른 시간 안에 공간에 퇴적될 수 있어, 제1전극(232)과 제2전극(242) 사이의 정전용량이 변화하는데 걸리는 응답 시간을 단축할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

100 : 배기가스 정화 시스템 110 : 엔진
120 : 배기 매니폴드 130 : 터빈
140 : 터보차저 150 : 쿨러
160 : 밸브(160) 170 : 배기가스 미립자 필터
180 : 배기관 182 : 유출측 배기관
190 : 차압 센서 200 : 입자상 물질 센서
210 : 절연기판 220 : 감응부
230 : 제1전극부 232 : 제1전극
234 : 제1전극 리드 236 : 제1전기접속단자
240 : 제2전극부 242 : 제2전극
244 : 제2전극 리드 246 : 제2전기접속단자
250 : 히터부

Claims

절연기판;
상기 절연기판의 상부에 노출되는 상부면의 일부로 형성되되 제 1 면적(A1)을 갖는 감응부;
상기 감응부 상에 노출되도록 배치되며, 제 1 전기접속단자와 연결되는 제1접지 전극과, 상기 제1접지 전극과 전기적으로 연결되지 않도록 상기 절연 기판의 폭 방향으로 상기 제 1 접지 전극과 나란히 서로 평행하게 이격 배치되는 복수 개의 이격 전극을 포함하는 제1전극;
상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극과 대응되도록 상기 절연기판 내부에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수 개의 제 2 접지 전극을 포함하는 제 2 전극; 및
상기 절연기판 내부에 배치되어 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 가열하는 히터부;를 포함하며,
상기 제 1 접지 전극은 2개로 형성되고, 상기 2개의 제 1 접지 전극은, 상기 절연 기판의 폭 방향으로 상기 복수 개의 이격 전극의 중 양 단부측에 위치하는 2개의 이격 전극 외측부에 배치되며,
상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 전체의 면적을 포함하는 제 3 면적(A3)이 상기 감응부의 제 1 면적(A1)에서 상기 제 3 면적(A3)을 제외한 제 2 면적(A2)보다 넓은, 입자상 물질 센서.
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제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 제 2 접지 전극 중 어느 하나의 제 2 접지 전극과 전기적으로 연결된 제 2 전기 접속 단자를 포함하는, 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 3 면적(A3)이 상기 제 2 면적(A2)의 2배 이상인, 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 각각은 소정의 폭(W1) 및 길이(L1)를 갖는 직사각 형태로 이루어지되, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 각각의 폭(W1)은, 상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 중 서로 이웃하는 접지 전극 사이의 폭 방향 거리(W2)의 2배 이상인 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제1전극과 상기 제2전극은 서로 나란하게 배치되며, 상기 제2전극의 면적이 상기 제1전극의 면적에 대응되게 형성되는 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 절연기판의 길이방향으로 나란하게 배열되며,
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 절연기판의 폭 방향으로 서로 대응되게 배열되는 입자상 물질 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 위치되는 유전층을 더 포함하는 입자상 물질 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 전기 접속 단자 및 제2전기 접속 단자는 상기 절연기판의 상부 타측에 형성되는 입자상 물질 센서.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 전극을 제 2 전기 접속 단자에 전기적으로 연결하기 위한 비아홀이 상기 절연 기판 내부에 형성되는 입자상 물질 센서.
배기 매니폴드;
상기 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스 내 포함되는 미립자들을 제거하는 배기가스 미립자 필터;
상기 배기가스 미립자 필터에 연결되는 유출측 배기관에 설치되어, 상기 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출하는 입자상 물질 센서;를 포함하며,
상기 입자상 물질 센서는
절연기판;
상기 절연기판의 상부에 노출되는 상부면의 일부로 형성되되 제 1 면적(A1)을 갖는 감응부;
상기 감응부 상에 노출되도록 배치되며, 제 1 전기접속단자와 연결되는 제1접지 전극과, 상기 제1접지 전극과 전기적으로 연결되지 않도록 상기 절연 기판의 폭 방향으로 상기 제 1 접지 전극과 나란히 서로 평행하게 이격 배치되는 복수 개의 이격 전극을 포함하는 제1전극;
상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극과 대응되도록 상기 절연기판 내부에 배치되며 서로 전기적으로 연결된 복수 개의 제 2 접지 전극을 포함하는 제 2 전극; 및
상기 절연기판 내부에 배치되어 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 가열하는 히터부;를 포함하며,
상기 제 1 접지 전극은 2개로 형성되고, 상기 2개의 제 1 접지 전극은, 상기 절연 기판의 폭 방향으로 상기 복수 개의 이격 전극의 중 양 단부측에 위치하는 2개의 이격 전극 외측부에 배치되며,
상기 제 1 접지 전극 및 상기 복수 개의 이격 전극 전체의 면적을 포함하는 제 3 면적(A3)이 상기 감응부의 제 1 면적(A1)에서 상기 제 3 면적(A3)을 제외한 제 2 면적(A2)보다 넓은, 배기가스 정화 시스템.