KR101708232B1 - 공기유량센서의 센서엘리먼트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기유량센서의 센서엘리먼트에 관한 것으로서, 실리콘기판; 상기 실리콘기판 상부에 적층되고, 상기 실리콘기판 상에 적층되는 각종 부품들을 지지하는 지지막; 상기 지지막 상부에 적층되고, 주변 공기의 온도변화를 측정하는 센서부; 상기 지지막 상부에 적층되고, 외부도선과 연결되어 상기 외부도선이 상기 센서부와 전기적으로 연결되도록 하는 패드부;를 포함하되, 상기 지지막은, 내열유리재인 파이렉스글라스(PYREX GLASS)로 형성된다.

Description

공기유량센서의 센서엘리먼트{SENSOR ELEMENTS FOR AIR FLOW SENSOR}
본 발명은 센서엘리먼트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강성을 강화함으로써 외부로부터의 충격 등에 의한 손상을 최소화할 수 있도록 한 공기유량센서의 센서엘리먼트에 관한 것이다.
전자제어 연료분사장치는, 엔진의 회전속도, 흡입공기량, 냉각수 온도, 흡입공기의 온도 등의 상태를 각종 센서로 검출하여 운전조건에 가장 적합한 상태의 혼합기를 엔진의 실린더내에 공급함으로써, 유해가스의 배출을 감소시키고, 연비를 향상시키며, 엔진의 효율 및 주행성능을 향상시킨다.
한편, 운전조건에 가장 적합한 상기 혼합기의 상태는 흡기계통을 구성하는 에어크리너를 통해 여과된 공기의 흡입량 등에 따라 크게 좌우된다.
이때, 에어크리너에는 등록특허 제10-0559129호(공고일 2006. 03. 10.)에 개시된 바와 같은 공기유량센서가 설치되는 것이 일반적이다.
공기유량센서는 흡입공기량을 검출하여 검출된 신호에 따라 인젝터를 통해 실린더 내부로 분사되는 연료의 분사량을 제어한다.
이러한 상기 공기유량센서는 센서엘리먼트를 포함하는데, 상기 센서엘리먼트는 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘기판(10), 상기 실리콘기판(10) 상부에 적층되는 지지막(20), 상기 지지막(20)상부에 적층되고 공기를 가열하는 가열부(31)와 가열된 공기의 온도를 측정하는 측정부(32)와 가열부(31)의 양측에 각각 배치되는 유입측온저항(33) 및 배출측온저항(34)으로 이루어진 센서부(30), 상기 센서부(30)의 상부에 적층되는 보호막(40)을 포함한다.
이와 같은 센서엘리먼트에 전원이 인가되어 전류가 흐르게 되면 센서부(30)의 가열부(31)가 가열된다.
이때, 센서엘리먼트의 내부에 공기의 흐름이 없을 때는 유입측온저항(33)과 배출측온저항(34)의 온도는 동일하다.
하지만, 센서엘리먼트의 내부에 공기가 흐르게 되면 유입측온저항(33)의 온도에 비해 배출측온저항(34)의 온도가 더 높아진다.
이러한 유입측온저항(33)의 온도와 배출측온저항(34) 온도의 차이를 통하여 공기의 질량유량을 측정한다.
한편, 상기 센서엘리먼트는 가열부(31) 중심의 열분포를 측정하는 것으로서, 센서엘리먼트는 공기의 흐름에 의해서 열의 분포가 발생되면 그 열의 분포변화를 측정한다.
하지만, 지지막(20)의 열전달계수가 높으면 가열부(31)의 열이 측정부(32) 전면에 전달됨으로써, 측정부(32)가 대류의 변화를 감지하기 어려워 진다.
따라서, 종래에는 지지막(20)의 열전달계수를 낮추기 위해 지지막(20)이 통상적으로 실리콘옥사이드(SILICON OXIDE) 또는 실리콘나이트라이드(SILICON NITRIDE) 등으로 형성된다.
그런데, 실리콘옥사이드 또는 실리콘나이트라이드로 이루어진 지지막(20)은 실리콘기판(10)에 접합시킬 때, 재질의 특성상 잔류응력이 발생된다.
이로 인해, 실리콘기판(10)은 지지막(20)의 잔류응력에 의해 지지막(20)과 함께 휘어지는 문제가 있었다.
또한, 지지막(20)은 잔류응력으로 인해 얇은 두께로 형성된다.
지지막(20)이 얇은 두께로 형성되면 먼지 등과 같은 외부의 이물질 에 의해 지지막(20)이 쉽게 손상되는 문제가 있었다.
상기의 이유로 해당분야에서는 센서엘리먼트의 손상을 최소화할 수 있는 방안을 모색하고 있으나, 현재까지는 만족할만한 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 종래 센서엘리먼트에서 지지막에 잔류응력이 발생되어 실리콘기판과 함께 휘어지고, 지지막이 얇은 두께로 형성됨으로써, 외부의 먼지 등과 같은 이물질에 의해 쉽게 손상되었던 문제를 해소할 수 있도록 한 공기유량센서의 센서엘리먼트를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명 일실시예에 의한 공기유량센서의 센서엘리먼트는, 실리콘기판; 상기 실리콘기판 상부에 적층되고, 상기 실리콘기판 상에 적층되는 각종 부품들을 지지하는 지지막; 상기 지지막 상부에 적층되고, 주변 공기의 온도변화를 측정하는 센서부; 상기 지지막 상부에 적층되고, 외부도선과 연결되어 상기 외부도선이 상기 센서부와 전기적으로 연결되도록 하는 패드부;를 포함하되, 상기 지지막은, 내열유리재인 파이렉스글라스(PYREX GLASS)로 형성된다.
상기 지지막은, 열을 가한 상태에서 전압을 인가하여 상호 접합시키는 양극접합(ANODIC BONDING)방식에 의해 상기 실리콘기판과 접합한다.
상기 지지막은, 10㎛~30㎛의 두께로 형성된다.
상기 지지막은, 바람직하게는 10㎛의 두께로 형성된다.
상기 지지막은, 그 두께를 화학적기계적연마(CMP) 공정으로 조절한다.
상기 센서부는, 상기 지지막 상부에 적층되고, 열을 발산하여 주변 공기를 가열하는 마이크로히터; 상기 지지막 상부에 적층되고, 상기 마이크로히터로부터 발산된 열에 의한 주변 공기의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 온도센서 양측 각각에 배치되고, 외부로부터 유입된 공기의 온도와 상기 마이크로히터로부터 가열된 공기의 온도차이를 측정하는 측온저항;을 구비한다.
상기 측온저항은, 유입측온저항과 배출측온저항을 포함한다.
본 발명에 의한 공기유량센서의 센서엘리먼트는, 지지막에 파이렉스글라스(PYREX GLASS)를 적용하여, 잔류응력을 없애고, 두께를 비교적 두껍게 형성형성함으로써, 지지막이 적층되는 실리콘기판의 형상이 변형되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 외력에 의한 지지막의 손상을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 공기유량센서의 센서엘리먼트를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기유량센서의 센서엘리먼트를 나타낸 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 A-A'의 단면을 나타낸 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 B-B'의 단면을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공기유량센서의 센서엘리먼트 평면을 개략적으로 나타낸 평면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 강성 강화를 위한 공기유량센서의 센서엘리먼트는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 실리콘기판(100)과, 지지막(200)과, 센서부(300)와, 패드부(400)와, 보호막(500)을 포함한다.
상기 실리콘기판(100)은, 중간부에 개방홈(110)이 형성된다.
상기 실리콘기판(100)의 중간부에 상기 개방홈(110)이 형성됨으로써, 상기 실리콘기판(100) 상부에 위치되는 상기 센서부(300)의 하측이 개방될 수 있어 상기 실리콘기판(100)과 상기 센서부(300) 사이에서의 열전달이 최소화된다.
상기 지지막(200)은, 상기 실리콘기판(100) 상부에 적층되어 각종 전자부품들로 구비된 상기 센서부(300)를 지지하는 것으로서, 내열유리재인 파이렉스글라스(PYREX GLASS)로 형성된다.
한편, 종래에는 지지막(20)이 통상적으로 실리콘옥사이드 또는 실리콘나이트라이드 등으로 형성되 었으나, 이는 재질의 특성상 온도 등과 같은 외부요인으로 인해 잔류응력이 발생되었으며, 실리콘옥사이드 또는 실리콘나이트라이드 등의 두께를 두껍게 할 수록 그 잔류응력이 크게 발생되었다.
그러나, 본 실시예에서는 상기 지지막(200)이 잔류응력이 없는 소재로 이루어진 파이렉스글라스로 형성됨으로써, 온도 등과 같은 외부요인으로 인한 잔류응력이 발생되지 않는다.
상기 지지막(200)은 이러한 파이렉스글라스로 형성됨으로써, 상기 지지막(200)의 두께를 두껍게 형성시킬 수 있다.
이로 인해, 본 실시예에서는 상기 지지막(200)의 두께를 두껍게 하여도 잔류응력에 의한 휨이 발생되지 않아 상기 지지막(200)의 두께를 두껍게 하여 센서엘리먼트의 강성을 강화할 수 있다.
또한, 상기 지지막(200)이 파이렉스글라스로 형성됨으로써, 재질의 특성상 전자부품들로 구비된 상기 센서부(300)와 절연된다.
상기 지지막(200)은 그 두께가 10㎛~30㎛의 두께로 형성되고, 바람직하게는 10㎛의 두께로 형성된다.
상기 지지막(200)의 두께가 10㎛~30㎛의 두께로 형성되어 종래의 지지막(20)보다 약 5배 이상 15배 이하의 더 두꺼운 두께를 갖게 됨으로써, 상기 지지막(200)이 외력에 의한 손상이 최소화된다.
이로 인해, 센서엘리먼트의 강성이 강화된다.
이때, 상기 지지막(200)은 종래의 지지막(20)보다 두껍게 형성됨으로써, 열전도율이 높아질 수 있으나, 상기 지지막(200)이 파이렉스글라스로 형성되는 바, 재질의 특성상 종래의 지지막(20)에 비해 오히려 열전도율이 낮아져 상기 지지막(200)으로 인한 상기 센서부(300)로의 열전달이 최소화된다.
그리고, 상기 지지막(200)은 화학적기계적연마(CMP: CHEMICAL MECHANICAL POLISHING)에 의해 그 두께조절이 가능하다.
상기 지지막(200)은 상기 실리콘기판(100)의 상부에 적층될 때, 양극접합(ANODIC BONDING) 방식으로 접합된다.
상기 지지막(200)은 열을 가한 상태에서 전압을 인가하여 상호 접합시키는 양극접합 방식으로 상기 실리콘기판(100)과 접합됨으로써, 유리재질의 상기 지지막(200)과 실리콘재질의 상기 실리콘기판(100)이 용이하게 접합 된다.
상기 센서부(300)는, 상기 지지막(200)의 상부에 적층되는 것으로서, 외부로부터 유입된 주변의 공기 온도변화를 측정한다.
상기 센서부(300)가 외부로부터 유입된 주변의 공기 온도변화를 측정함으로써, 외부로부터 유입된 유량의 계산이 가능하다.
이러한 상기 센서부(300)는 마이크로히터(310)와, 온도센서(320)와, 측온저항(330)을 구비한다.
상기 마이크로히터(310)는, 전원을 인가함에 따라 열을 발산한다.
상기 마이크로히터(310)가 열을 발산함으로써, 상기 센서부(300)에 인접하여 유동하는 주변 공기가 가열된다.
상기 마이크로히터(310)는, 평면상 상기 지지막(200) 상부의 가로방향 중심에 적층된다.
상기 마이크로히터(310)가 평면상 상기 지지막(200) 상부의 가로방향 중심에 적층됨으로써, 상기 마이크로히터(310)로부터 발산된 열이 상기 지지막(200) 상부에서 한쪽으로 치우치지 않고, 상기 지지막(200) 상부의 중심으로부터 상기 지지막(200)의 좌우방향으로 고르게 전달된다.
상기 마이크로히터(310)는, 외부로부터 유입된 공기를 가열시킨다.
상기 마이크로히터(310)가 센서엘리먼트의 외부로부터 유입된 공기를 가열시킴으로써, 센서엘리먼트의 외부로부터 센서엘리먼트의 내부로 유입된 공기의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해, 센서엘리먼트 외부의 공기 온도와 센서엘리먼트 내부로 유입된 공기 온도의 차이를 갖게 된다.
상기 온도센서(320)는, 상기 지지막(200) 상부에 적층된 것으로서, 상기 마이크로히터(310)에 인접하게 배치되어 상기 마이크로히터(310)로부터 발산된 열에 의해 변화된 공기의 온도를 측정한다.
상기 온도센서(320)가 상기 마이크로히터(310)에 인접하게 배치됨으로써, 상기 마이크로히터(310)로부터 발산된 열에 의해 변화된 공기의 온도 측정이 용이하다.
한편, 상기 마이크로히터(310)에서 발생된 열에 의해 상기 마이크로히터(310) 주변에는 대류열전달이 발생하는데 이때, 대류열전달에 의해 이동된 공기의 온도를 상기 온도센서(320)가 측정한다.
상기 마이크로히터(310)에 의해 대류열전달이 발생됨으로써, 상기 온도센서(320)가 외부의 공기 온도와 센서엘리먼트의 내부로 유입된 공기의 온도차이가 명확해진다.
상기 측온저항(330)은, 상기 마이크로히터(310)의 양측에 각각 배치되는 것으로서, 센서엘리먼트의 외부로부터 센서엘리먼트의 내부로 유입된 공기 온도와 상기 마이크로히터(310)로부터 발산된 열에 의해 상승된 공기 온도의 차이를 측정한다.
상기 측온저항(330)이 상기 마이크로히터(310)의 좌우 양측에 각각 배치됨으로써, 상기 마이크로히터(310)로부터 발산된 열에 의해 변화된 공기 온도의 유입방향과 배출방향 온도의 차이 측정이 용이하다.
이러한 상기 측온저항(330)은, 유입측온저항(331)과, 배출측온저항(332)으로 구비된다.
상기 유입측온저항(331)은 상기 마이크로히터(310)를 기준으로 외부로부터 공기가 유입되는 방향에 배치되고, 상기 배출측온저항(332)은 상기 마이크로히터(310)를 기준으로 상기 유입측온저항(331)의 반대방향인 공기가 유출되는 방향에 배치된다.
즉, 상기 유입측온저항(331)과 상기 배출측온저항(332)은 상기 마이크로히터(310)를 기준으로 상호 대칭되는 구조로 배치된다.
상기 유입측온저항(331)은 외부로부터 공기가 유입되어 상기 마이크로히터(310)가 배치된 방향에 배치되고, 상기 배출측온저항(332)은 상기 마이크로히터(310)를 기준으로 상기 유입측온저항(331)의 반대방향에 배치됨으로써, 외부로부터 유입되어 유입측온저항(331)에 의해 측정된 온도와 마이크로히터(310)로부터 발산된 열에 의해 상승되어 배출측온저항(332)에 의해 측정된 온도 차이의 측정이 용이하다.
한편, 상기 마이크로히터(310)에서 발생된 열에 의해 상승된 공기의 온도는, 대류열전달을 통해 상기 유입측온저항(331) 및 배출측온저항(332)에 전달된다.
대류열전달을 통해 공기의 온도가 유입측온저항(331) 및 배출측온저항(332)에 전달됨으로써, 상기 유입측온저항(331)과 상기 배출측온저항(332)으로부터 측정된 온도 차이의 측정이 명확하다.
한편, 상기 유입측온저항(331) 및 배출측온저항(332)은, 상기 마이크로히터(310)를 기준으로 서로 대칭되는 구조를 가지고 있기 때문에 공기의 흐름이 없는 경우에는 상기 유입측온저항(331) 및 배출측온저항(332)의 공기 온도차가 발생되지 않는다.
그러나, 공기의 흐름이 있는 경우, 상기 유입측온저항(331)은 공기에 의해 냉각되지만, 상기 배출측온저항(332)은 공기의 흐름이 없을 때와 유사한 온도로 유지된다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이 화살표 A방향으로의 기류가 발생한 경우, 상기 유입측온저항(331)의 온도는 상기 배출측온저항(332)의 온도보다도 낮게 된다.
따라서, 상기 유입측온저항(331)과 상기 배출측온저항(332)의 공기온도 차를 검출하는 것에 의해 공기의 질량유량이 측정된다.
또한, 상기 유입측온저항(331)과 상기 배출측온저항(332)의 어느 쪽의 온도가 낮은가에 의해 유체의 흐르는 방향도 검출된다.
상기 패드부(400)는, 상기 지지막(200) 상부에 적층되고, 외부도선과 연결되어 외부도선이 상기 센서부(300)와 전기적으로 연결되도록 한다.
상기 패드부(400)가 외부도선과 연결되고, 외부도선이 상기 센서부(300)와 전기적으로 연결됨으로써, 외부로부터 인가된 전류가 상기 패드를 통해 상시 센서부(300)에 전달 된다.
상기 보호막(500)은 상기 센서부(300)와 상기 패드부(400)의 상부에 적층되는 것으로서, 실리카로 형성된다.
상기 보호막(500)이 실리카로 형성됨으로써 재질 특성상 상기 센서부(300)와 절연된다.
이하에서는, 상기 본 발명의 센서엘리먼트에서의 강성 강화에 대해 설명한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 실리콘기판(100)의 상부에는 상기 지지막(200)이 적층된다.
상기 지지막(200)은 내열유리재인 파이렉스그라스로 형성된다.
상기 지지막(200)이 내열유리재인 파이렉스글라스로 형성됨으로써, 실리콘옥사이드 또는 실리콘나이트라이드 등으로 형성되어 잔류응력에 의해 실리콘기판(10)에 변형을 일으켰던 종래의 지지막(20)과는 달리, 본 발명의 지지막(200)은 잔류응력이 발생되지 않아 상기 지지막(200)을 상기 실리콘의 상부에 접합시킬 때, 상기 실리콘기판(100)이 변형되지 않는다.
또한, 상기 지지막(200)의 두께를 10㎛~30㎛의 두께로 형성되고, 바람직하게는 10㎛의 두께로 형성시킴으로써, 상기 지지막(200)이 외부의 먼지 등의 이물질에 의한 손상이 최소화되고, 이로 인해, 센서엘리먼트의 강성이 강화된다.
이때, 상기 지지막(200)은 그 표면을 화학적기계적연마공정으로 그 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 센서엘리먼트는 상기 지지막(200)을 비교적 두껍게 형성하고, 파이렉스글라스로 형성됨으로써, 외부의 공기 등의 이물질의 충격에 의한 상기 지지막(200)의 손상이 방지되고, 상기 지지막(200)으로부터 잔류응력 발생이 발생되지 않아 상기 지지막(200)이 적층되는 상기 실리콘기판(100)의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
100: 실리콘기판 110: 개방홈
200: 지지막 300: 센서부
310: 마이크로히터 320: 온도센서
330: 측온저항 331: 유입측온저항
332: 배출측온저항 400: 패드부
500: 보호막

Claims (5)

  1. 공기유량센서의 센서엘리먼트에 있어서,
    실리콘기판;
    상기 실리콘기판 상부에 적층되고, 상기 실리콘기판 상에 적층되는 각종 부품들을 지지하는 지지막;
    상기 지지막 상부에 적층되고, 주변 공기의 온도변화를 측정하는 센서부;
    상기 지지막 상부에 적층되고, 외부도선과 연결되어 상기 외부도선이 상기 센서부와 전기적으로 연결되도록 하는 패드부;를 포함하되,
    상기 지지막은,
    약 10㎛~30㎛의 두께로 이루어지고, 잔류응력이 없는 소재인 내열유리재의 파이렉스글라스(PYREX GLASS)로 형성되어 잔류응력에 의한 휨이 발생되는 것이 방지되는 공기유량센서의 센서엘리먼트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지막은,
    열을 가한 상태에서 전압을 인가하여 상호 접합시키는 양극접합(ANODIC BONDING)방식에 의해 상기 실리콘기판과 접합하는 것인 공기유량센서의 센서엘리먼트
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지막은,
    그 두께를 화학적기계적연마(CMP) 공정으로 조절하는 것인 공기유량센서의 센서엘리먼트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 지지막 상부에 적층되고, 열을 발산하여 주변 공기를 가열하는 마이크로히터;
    상기 지지막 상부에 적층되고, 상기 마이크로히터로부터 발산된 열에 의한 주변 공기의 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 온도센서 양측 각각에 배치되고, 외부로부터 유입된 공기의 온도와 상기 마이크로히터로부터 가열된 공기의 온도차이를 측정하는 측온저항;을 구비하는 것인 공기유량센서의 센서엘리먼트.
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