KR101891279B1 - 초고온에 적합한 적층식 온도 센서 - Google Patents

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Abstract

상면에 배치되는 소정 선폭을 갖는 금속 재질의 라인패턴과, 상기 라인패턴의 양 단부에 수직 방향으로 관통하는 쓰로우홀을 포함하는 세라믹기판이 적어도 2개 이상 적층 결합되어 형성되는 센서소자; 상기 센서소자에서 최상층에 배치되는 상기 라인패턴의 양 단부에 형성되는 전극부; 상기 전극부의 상면에 결합되는 투명커버부; 외부로 노출되는 상기 라인패턴의 상면에 결합되는 보호시트;를 포함하는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서를 제공한다.

Description

초고온에 적합한 적층식 온도 센서{STACKED-TYPE TEMPERATURE SENSOR SUITABLE FOR HIGH TEMPERATURE}
본 발명은 특히 자동차용 엔진이나 배기 부품 등에 부착하여 사용할 목적을 갖고 저온 영역에서 초고온 영역까지 온도 측정이 가능한 온도 센서에 관한 것이다.
디젤 엔진에 사용되는 디피에프는 엔진의 배기가스에서 발생되는 입자상 물질을 포집하여 태워 제거하는 역할을 한다. 입자상 물질을 포집하여 제거하는 작업을 슈팅이라고 하며 이 때, 배기가스의 온도는 600℃이상이 되어야 한다. 이 조건을 만족하기 위하여 엔진에서는 후분사를 진행한다. 후분사가 진행되고 입자상 물질이 제거되는 동안 디피에프에 있는 세라믹 필터는 고온으로부터 보호되어야 한다. 이와 같이, 디젤 엔진에서 입자상 물질을 제거하는 동안 온도 측정을 위한 온도 센서가 요구된다.
한편, 미세 먼지의 위해성이 널리 알려지면서 디젤 엔진에서만 적용되었던 디피에프가 가솔린 엔진에서도 적용될 준비를 하고 있다. 이를, 지피에프라 부른다. 가솔린 엔진의 경우, 디젤엔진과 달리 배기 온도가 상당히 높은 편으로 최고 1100℃까지 온도가 상승하는 것으로 알려져 있다. 또한, 디젤 엔진이나 가솔린 엔진 모두 연비 증가를 위하여 엔진의 다운 사이징과, 터보 차져의 장착이 일반화되고 있다.
이런 이유로 엔진과 배기 계통에 장착되는 온도 센서는 초고온 영역대인 1000℃이상까지 오랜 시간 신뢰성을 가지고 사용이 가능해야 한다. 그러나, 기존의 알루미나 기판 위의 백금 전극을 이용한 온도센서는 900℃이하에서 널리 이용되었다. 하지만, 전술한 것처럼 엔진의 사용 조건이 매우 극악한 상황으로 가면서 좀 더 넓은 온도 영역에서 안정성과 신뢰성을 동시에 지닌 온도센서가 더욱 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0533853호 (2005.11.30. 등록) 대한민국 등록특허 제10-0529233호 (2005.11.16. 등록) 대한민국 등록특허 제10-0858462호 (2008.09.08. 등록) 대한민국 등록특허 제10-0836150호 (2008.06.02. 등록)
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 온도 측정의 범위가 마이너스(-)의 저온 영역부터 1000℃ 이상의 고온 영역에 이르기까지 광대역에 걸치는 온도 센서를 제공하고자 한다.
이를 위해, 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 센서 소자를 제공하고자 한다. 또한, 라인패턴을 형성함에 있어 종래 고가의 백금 대신 저렴하면서도 경제적이며 초고온 환경에서 견딜 수 있는 금속을 사용하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 상면에 배치되는 소정 선폭을 갖는 금속 재질의 라인패턴과, 상기 라인패턴의 양 단부에 수직 방향으로 관통하는 쓰로우홀을 포함하는 세라믹기판이 적어도 2개 이상 적층 결합되어 형성되는 센서소자; 상기 센서소자에서 최상층에 배치되는 상기 라인패턴의 양 단부에 형성되는 전극부; 상기 전극부의 상면에 결합되는 투명커버부; 외부로 노출되는 상기 라인패턴의 상면에 결합되는 보호시트;를 포함하는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서를 제공한다.
상기 라인패턴은 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 쓰로우홀은 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 충진되는 것이 바람직하다.
상기 라인패턴은 스크린인쇄법에 의해 형성될 수 있다.
상기 세라믹기판 및 상기 보호시트는 질화규소(Si3N4) 재질로 형성되고, 상기 투명커버부는 유리 재질로 형성될 수 있다.
상기 세라믹기판은 얇은 시트 형태이고, 상기 세라믹소자 및 상기 보호시트는 적층된 상태에서 압착된 이후 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결 공정으로 형성될 수 있다.
질화규소(Si3N4) 재질로 형성되는 단일 세라믹기판의 상면에 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 박막 증착법에 의해 형성되는 라인패턴을 포함하는 센서소자; 상기 라인패턴의 양 단부에 형성되는 전극부; 상기 전극부의 상면에 결합되는 유리 재질의 투명커버부; 및 상기 라인패턴의 상면에 결합되는 보호시트;를 포함하는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서를 제공한다.
상기 보호시트는 상기 센서소자에 적층된 상태에서 압착된 이후 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결 공정으로 형성되는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
일 실시예에 따른 온도 센서는 센서소자가 적어도 2개 이상 적층되는 세라믹기판에 의해 라인패턴의 선폭을 증가시킬 수 있어, 온도 측정의 범위가 마이너스(-)의 저온 영역부터 1000℃ 이상의 고온 영역에 이르기까지 광대역에 걸친다.
또한, 라인패턴은 텅스텐, 몰리브덴 금속을 사용하여 종래 백금과 대비할 때, 상당히 저렴하여 경제적이고, 금속 특성상 초고온에서 견딜 수 있다. 또한, 질화규소 재질의 세라믹기판을 적층하여 형성한 센서소자는 내열 충격이 매우 우수하여 장시간 안정적인 사용이 가능하다. 또한, 질화규소 재질의 세라믹기판은 고온에서 산소와 반응하여 기화되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 센서의 사시도.
도 2는 도 1의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 제조 방법을 개략적으로 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도 센서의 분해 사시도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도 센서의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 온도 센서는 센서소자(10), 전극부(20), 투명커버부(30), 보호시트(40)를 포함한다.
센서소자(10)는 세라믹기판(11)이 적어도 2개 이상 적층 결합되어 형성된다. 이 때, 세라믹기판(11)에는 라인패턴(12)과 쓰로우홀(13)이 형성된다. 라인패턴(12)은 세라믹기판(11)의 상면에 배치되는데, 소정 선폭을 갖는 금속 재질로 형성된다. 구체적으로, 라인패턴(12)은 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 형성된다. 텅스텐은 융점이 3422℃이고, 몰리브덴은 융점이 2617℃로 각 금속은 고융점을 갖는 금속에 해당된다. 그 뿐만 아니라, 텅스텐과 몰리브덴은 고온 안정성이 높은 특성을 갖는다.
또한, 텅스텐의 온도 계수는 45*10-4/℃이고, 몰리브덴의 온도 계수는 46*10-4/℃으로 종래 온도 센서에 흔하게 사용되던 백금과 비교할 때, 온도에 따른 저항값의 변화량이 크다. 즉, 텅스텐과 몰리브덴은 백금과 비교할 때, 상대적으로 온도 분해 성능이 더 우수하다. 다만, 온도 변화에 따른 비전기저항은 몰리브덴이 고온으로 갈수록 텅스텐에 비해 선형적이라고 알려져 있다.
다만, 순수한 텅스텐은 취성이 강해 소정 형상으로 제작하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 텅스텐은 순수한 상태로 사용하기 보다는 각 종 금속을 소량 첨가하여 사용하는 것은 바람직하다. 이는 몰리브덴의 경우에도 마찬가지인 바, 몰리브덴 역시 각 종 금속을 소량 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다.
자동차의 배기 시스템에 적용되는 온도 센서는 특성상 산화 분위기 조건에서 사용된다. 그러나, 텅스텐과 몰리브덴은 고융점을 갖는 금속이라는 장점이 있는 반면, 산화 분위기에서는 1000℃ 미만의 온도에서도 산소와 반응하여 기화해 버리는 단점을 갖는다. 그 결과, 종래 알루미나 재질의 세라믹기판(11)에 텅스텐이나 몰리브덴 재질의 라인패턴(12)을 형성하면 고온에서 알루미나에 존재하는 산소로 인해 라인패턴(12)이 손상될 가능성이 높아 온도 센서의 안정성이 저하될 수 있다.
즉, 텅스텐과 몰리브덴은 고온에서 사용하고자 할 때, 진공 분위기, 질소 분위기 또는 수소 분위기 조건에서 사용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 일 실시예에 따른 세라믹기판(11)은 질화규소(Si3N4) 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 질화규소는 고온에서 알루미나(Al2O3)에 비해 내열 충격이 2배 정도 우수하고, 고온 강도 역시 상대적으로 더 우수하여 기계적인 충격과 열 충격에 모두 우수한 물리적 특성을 갖는다.
텅스텐과 몰리브덴은 저항값 조절을 위해 순수한 상태의 금속으로 사용하지 않고 합금 형태로 사용된다. 일 실시예에 따른 센서소자(10)는 텅스텐 합금 및 몰리브덴 함금 중 어느 하나의 재질을 사용한 금속 페이스트를 세라믹기판(11)의 상면에 형성시킨 후 1400℃ 이상의 온도 조건, 환원 분위기에서 소성하여 상온에서 200옴 정도의 저항값을 유지하도록 설계하였다.
한편, 라인패턴(12)의 형성은 스크린인쇄법에 의해 형성된다. 스크린인쇄법은 종래 반도체 기판 위에 μm 이하의 두께를 갖는 박막 증착법에 비해 비교적 저렴한 장비를 사용할 수 있어 설비 비용을 절감할 수 있다. 스크린인쇄법에 의하면, 라인패턴(12)은 후막(thick film)으로 형성된다.
라인패턴(12)의 패턴 모양은 설계 사양에 맞는 저항값의 크기를 고려하여 다르게 형성될 수 있다. 저항값은 라인의 전체 길이에 따라 달라진다. 일 실시예에 따른 패턴 모양은 라인이 지그재그식으로 반복되는 모양을 갖는다. 이 때, 라인패턴(12)은 적층되는 세라믹기판(11)의 순서에 따라 세라믹기판(11) 별로 일부 차이가 발생할 수 있다. 이런 차이는 라인패턴(12)의 패턴 모양의 차이가 아니라 패턴을 형성하는 복수 개의 라인 중 일부 라인이 인쇄되지 않고 제외되어 있다는 점에 있다. 예를 들어, 3개의 세라믹기판(11)을 적층하여 센서소자(10)를 형성하는 경우 각 층에 따라 라인패턴(12)의 모양이 일부 변경될 수 있다.
한편, 세라믹기판(11)에는 적층되는 라인패턴(12)을 전기적으로 연결시키기 위해 라인패턴(12)의 양 단부에 세라믹기판(11)을 수직 방향으로 관통하는 쓰로우홀(13)이 더 형성된다. 그리고, 쓰로우홀(13)은 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 충진된다. 이 때, 라인패턴(12)의 각 단부는 쓰로우홀(13)에 충진되는 물질과 접촉된다. 그 결과, 세라믹기판(11)이 적층되더라도 각 층에 배치되는 라인패턴(12)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
세라믹기판(11)은 얇은 시트 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이는 세라믹기판(11)을 적어도 2개 이상 적층 결합하여 센서소자(10)를 형성하기 때문이다. 구체적으로, 세라믹기판(11)은 적층된 상태에서 압착된 이후 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결 공정으로 형성된다.
전극부(20)는 센서소자(10)에서 최상층에 배치되는 라인패턴(12)의 양 단부에 형성된다. 전극부(20)는 백금 또는 백금에 일부 금속을 첨가하여 형성되는 백금 합금 재질 중 어느 하나를 사용하여 페이스트를 형성한 후 이를 해당 부분에 접착시키거나 브레이징 공법을 이용하여 형성시킨다. 또한, 전극부(20)에는 용접 또는 브레이징 공법 중 어느 하나에 의해 리드와이어(50)가 결합된다. 리드와이어(50)는 전극부(20)와 동일하게 백금 또는 백금에 일부 금속을 첨가하여 형성되는 백금 합금 재질 중 어느 하나를 사용하여 제작된 것을 사용한다.
투명커버부(30)는 전극부(20)의 상면에 결합된다. 투명커버부(30)는 유리 재질로 형성되어 외력이나 오염 물질 등으로부터 전극부(20)를 보호하는 역할을 한다.
보호시트(40)는 센서소자(10)에서 최상층에 배치되는 라인패턴(12) 즉, 외부로 노출되는 라인패턴(12)의 상면에 결합된다. 이런 보호시트(40)는 질화규소 재질로 형성되어 고온에서 내열 충격이 우수하고, 고온 강도 역시 상대적으로 더 우수하여 기계적인 충격과 열 충격에 효과적으로 대응할 수 있다. 즉, 보호시트(40)는 라인패턴(12)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이하 제1 실시예에 따른 초고온에 적합한 적층식 온도 센서에 대한 제조 방법을 설명한다. 도 3은 도 1의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 먼저, 질화규소 재질을 갖는 세라믹기판(11)을 마련한다. 이를 위해 필름과 같은 얇은 박막 형태의 기판을 테이프 캐스팅 공정으로 생산한다.(s10) 그리고, 스크린인쇄법으로 라인패턴(12)을 형성한다.(s20) 그 다음, 라인패턴(12)이 형성된 세라믹기판(11)을 적층한 후 가압한다.(s30) 이 때, 가압은 모든 방향으로 균일하게 압력이 전달되도록 WIP(warm isostatic press)에 의한다. 그 다음, 세라믹기판(11)을 센서소자(10)의 크기에 맞춰 절단한다.(s40) 그리고, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결시킨다.(s50)
그 다음, 백금 또는 백금 합금 재질을 갖는 전극부(20)를 센서소자(10)에서 최상층에 배치되는 라인패턴(12)의 양 단부에 형성한다.(s60) 그리고, 리드와이어(50)를 전극부(20)에 용접 또는 브레이징 공법 중 어느 하나의 방법으로 결합한다.(s70) 그 다음, 유리 재질의 투명커버부(30)를 전극부(20)의 상면에 결합하고,(s80) 질화규소 재질의 보호시트(40)를 외부로 노출되는 라인패턴(12)의 상면에 결합한다.(s90)
이와 같은 방법으로 제조된 온도 센서는 온도 측정의 범위가 마이너스(-)의 저온 영역에서부터 1000℃ 이상의 고온 영역에 이르며, 특히 고온 안정성이 현저하게 우수하다는 장점을 갖는다.
[제2 실시예]
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도 센서의 분해 사시도.
제2 실시예에 따른 초고온에 적합한 적층식 온도 센서는 질화규소(Si3N4) 재질로 형성되는 단일 세라믹기판(11)의 상면에 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 박막 증착법에 의해 형성되는 라인패턴(12)을 포함하는 센서소자(10)와, 라인패턴(12)의 양 단부에 형성되는 전극부(20)와 전극부(20)의 상면에 결합되는 유리 재질의 투명커버부(30) 및 라인패턴(12)의 상면에 결합되는 보호시트(40)를 포함한다.
제2 실시예는 센서소자(10) 부분에서 제1 실시예와 차이점을 갖는다. 따라서, 동일한 기능을 구성 요소에 대해서는 제1 실시예와 동일한 명칭을 사용하였으며 동일한 도면 번호를 부여하였다. 구체적으로, 제2 실시예의 센서소자(10)는 단일 세라믹기판(11)만으로 이루어진다. 그 결과, 제조 공정 상 복수 개의 세라믹기판(11)을 적층한 후 압착하는 과정이 제외된다. 또한, 제1 실시예와 달리 쓰로우홀(13)이 제외된다.
또한, 제2 실시예에서 라인패턴(12)의 형성은 박막(thin film) 증착법에 의한다. 이는 주로 반도체 기판 위에 소정 패턴을 증착할 때 사용하는 방법으로 비교적 고가의 장비를 요구한다. 따라서, 라인패턴(12)은 제1 실시예와 달리 그 두께가 수 μm 이하의 얇은 막의 형태로 형성된다.
그리고, 보호시트(40)는 센서소자(10)에 적층된 상태에서 압착된 이후 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결 공정으로 형성된다. 구체적으로 라인패턴(12)의 형성 이후 보호시트(40)를 적층하고 전술한 WIP를 통해 가압한 이후 소결 공정을 진행한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
10: 센서소자 11: 세라믹기판
12: 라인패턴 13: 쓰로우홀
20: 전극부 30: 투명커버부
40: 보호시트 50: 리드와이어

Claims (8)

  1. 상면에 배치되는 소정 선폭을 갖는 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 중 어느 하나의 재질로 형성되는 라인패턴과, 상기 라인패턴의 양 단부에 수직 방향으로 관통하는 쓰로우홀을 포함하고 질화규소로 형성된 세라믹기판이 적어도 2개 이상 적층 결합되어 형성되는 센서소자;
    상기 센서소자에서 최상층에 배치되는 상기 라인패턴의 양 단부에 각각 형성되는 전극부;
    상기 라인패턴의 일부와 상기 전극부의 상면에 결합되는 투명커버부; 및
    외부로 노출되는 상기 라인패턴의 상면에 결합되는 보호시트;를 포함하고,
    상기 쓰로우홀은 상기 라인패턴과 동일 소재로 충진되며, 상기 라인패턴은 상기 세라믹기판의 적층 순서에 따라 다르게 형성되는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 라인패턴은 스크린인쇄법에 의해 형성되는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 투명커버부는 유리 재질로 형성되는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 세라믹기판은 얇은 시트 형태이고,
    상기 세라믹소자 및 상기 보호시트는 적층된 상태에서 압착된 이후 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결 공정으로 상온에서 200옴의 저항 값을 유지하도록 형성되는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 라인패턴은 박막 증착법에 의해 형성되는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보호시트는 상기 센서소자에 적층된 상태에서 압착된 이후 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나를 선택하여 소결 공정으로 형성되는 초고온에 적합한 적층식 온도 센서.
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