KR102394808B1 - 입자상 물질 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자상 물질 센서에 관한 것으로서, 측정 정확도 및 신뢰도 향상, 감도 향상이 가능해지도록 두 전극 사이의 간격 축소, 측정 전극의 면적 증가를 달성할 수 있고, 센서 장착 방향에 따른 감도 영향을 최소화할 수 있는 개선된 구조의 입자상 물질 센서를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 외부에서 유입된 배기가스가 내부공간을 통과한 뒤 배출될 수 있도록 배기가스가 유입되는 유입구와 배기가스가 배출되는 배출구를 갖는 하우징; 및 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 배기가스를 통과시키는 감지부를 포함하고, 상기 감지부는, 전기절연 기판, 상기 전기절연 기판의 일면에 구비되는 제1 전극, 상기 전기절연 기판의 타면에 구비되는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 중 하나에 적층되고 배기가스를 통과시킬 수 있는 구조의 다공성 레이어로 구성된 적층체를 포함하며, 상기 적층체가 베이스부를 중심으로 나선형으로 감겨 있는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서가 개시된다.

Description

입자상 물질 센서{PARTICULATE MATTER SENSOR}
본 발명은 입자상 물질 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 측정 정확도 및 신뢰도 향상, 감도 향상이 가능해지도록 두 전극 사이의 간격 축소, 측정 전극의 면적 증가를 달성할 수 있고, 센서 장착 방향에 따른 감도 영향을 최소화할 수 있는 개선된 구조의 입자상 물질 센서에 관한 것이다.
오늘날 배기가스 규제가 한층 강화됨에 따라 배기가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 디젤 자동차의 배기가스 중에 포함되어 있는 매연(soot) 등의 입자상 물질(Particulate Matter,PM)과 질소산화물(NOx)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있다.
그 중에서 입자상 물질을 저감하는 가장 효율적이고 실용화에 근접된 후처리 기술이 디젤 입자 필터(Diesel Particulate Filter,DPF)이고, 디젤 입자 필터(DPF)의 후단에는 입자상 물질 센서(PM 센서)가 설치될 수 있다.
일반적으로 입자상 물질 센서는 디젤 입자 필터에 포집되는 입자상 물질의 양을 감지하거나 배기가스 저감장치(후처리 장치)의 고장 여부를 진단하는데 이용된다.
최근 OBD(On Board Diagnosis) 규제는 강화된 배기가스 규제뿐만 아니라 배기가스 관련 부품의 고장, 열화 정도까지 감지하도록 하는 진단 능력의 향상과 개선, 그리고 A/S 시장에서의 표준화와 관련된 여러 가지 규정을 만족하도록 요구하고 있다.
디젤 유로-6 배기가스 규제의 법규 대응을 위해 입자상 물질 센서(PM 센서)는 디젤 입자 필터(DPF)에서 필터링되지 못하고 배출되는 입자상 물질의 수준을 측정하는데 이용될 수 있다.
또한, 전자제어유닛(ECU)이 입자상 물질 센서의 측정값을 통해 디젤 입자 필터의 고장 여부를 진단하고, 고장 여부를 운전자에게 알려 차량 정비를 받도록 유도한다.
입자상 물질 센서(PM)는 크게 누적 방식과 실시간 방식으로 나눌 수 있고, 누적 방식의 입자상 물질 센서는 전압이 인가된 2개의 전극에 입자상 물질이 쌓임에 따라 전극 사이의 전류 변화를 감지하는 방식이다.
이러한 누적 방식으로는 배기가스 중에 포함된 입자상 물질이 감지부에 누적되어 발생하는 저항 또는 정전용량의 변화를 검출하는 방식, 즉 저항 방식과 전정용량 방식이 알려져 있다.
정전용량 방식은 표면상에 나란히 배치되는 복수 개의 제1 전극과, 제1 전극과 간격을 두고 배치되는 복수 개의 제2 전극을 포함하고, 제1 전극들 사이에 퇴적하는 입자상 물질의 면적 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 거리를 이용하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 정전용량을 측정함으로써 디젤 입자 필터에서 필터링되지 못하고 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있다.
저항 방식의 경우, 두 전극 사이에 바이어스 전압이 인가된 상태에서 입자상 물질이 누적되면, 입자상 물질의 누적량에 의해 두 전극 사이의 신호 변화(저항 감소)가 발생하는데, 이때의 측정값과 설정값을 비교하여(입자상 물질 발생량 비교) 디젤 입자 필터의 고장 여부를 진단한다.
이러한 입자상 물질 센서에서는 정상 판단시 히터를 구동하여 입자상 물질을 제거하고(sensor regeneration), 이후 다시 전극 사이에 누적되는 입자상 물질의 양에 상응하는 전류 변화(즉 저항 변화)를 측정한다(재생 및 측정의 사이클을 반복함).
한편, 선행기술문헌으로서, 미국공개특허 US 2013/0298640는 매연 센서를 작동시키는 방법을 개시하고 있으며, 이에 개시된 입자상 물질 센서의 경우 기판 한쪽 면에만 전극이 형성되어 감도가 낮고, 센서 장착 방향에 따라 감도가 영향을 받는 문제점을 가지고 있다.
또한, 미국공개특허 US 2012/0324982와 미국공개특허 US 2009/0051376에서는 감도 향상을 위해 두 전극 사이의 간격을 줄이기 위해 마스크 공정 및 레이저 전극 패터닝 공정을 적용한 예를 개시하고 있다.
그러나, 마스크 공정의 경우 전극의 간격을 축소하는데 한계가 있고, 소결 후 두 전극 사이의 단락이 발생할 수 있다.
또한, 레이저 전극 패터닝 공정의 경우 전극의 간격을 상대적으로 축소할 수 있으나, 원가 상승 및 양산성 저하의 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 측정 정확도 및 신뢰도 향상, 감도 향상이 가능해지도록 두 전극 사이의 간격 축소, 측정 전극의 면적 증가를 달성할 수 있고, 센서 장착 방향에 따른 감도 영향을 최소화할 수 있는 개선된 구조의 입자상 물질 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 외부에서 유입된 배기가스가 내부공간을 통과한 뒤 배출될 수 있도록 배기가스가 유입되는 유입구와 배기가스가 배출되는 배출구를 갖는 하우징; 및 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 배기가스를 통과시키는 감지부를 포함하고, 상기 감지부는, 전기절연 기판, 상기 전기절연 기판의 일면에 구비되는 제1 전극, 상기 전기절연 기판의 타면에 구비되는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 중 하나에 적층되고 배기가스를 통과시킬 수 있는 구조의 다공성 레이어로 구성된 적층체를 포함하며, 상기 적층체가 베이스부를 중심으로 나선형으로 감겨 있는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서를 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 입자상 물질 센서에 의하면, 베이스부를 감싸도록 전극과 다공성 레이어를 베이스부에 나선형으로 감아서 감지부를 구성함으로써 전극 사이의 간격을 축소할 수 있고, 측정 전극의 면적을 증가시킬 수 있으며, 이로써 측정 정확도 및 신뢰도 향상, 감도 향상이 가능해진다.
또한, 다공성 레이어의 두께를 조절하거나 감지부의 축방향 길이(원통 길이), 감지부의 직경 등을 조절하여 감도를 쉽게 조절할 수 있고, 원가 절감 및 양산성 향상의 이점이 있게 된다.
또한, 감지부가 베이스부를 중심으로 원통형을 이루도록 제조함으로써 센서 장착 방향이 감도에 영향을 미치는 것을 제거할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부의 구성 및 배기 유동 경로를 나타낸 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부의 특정 부위를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 감지부에서 전극의 여러 형상을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 감지부를 제조하는 과정을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부에 히터 및 온도센서를 추가하여 제조하는 방법을 예시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 측정 정확도 및 신뢰도 향상, 감도 향상이 가능해지도록 두 전극 사이의 간격 축소, 측정 전극의 면적 증가를 달성할 수 있고, 센서 장착 방향에 따른 감도 영향을 최소화할 수 있는 개선된 구조의 입자상 물질 센서를 제공하고자 하는 것이다.
이를 위해 전극을 포함하는 감지부의 구성을 개선한 입자상 물질 센서가 개시된다.
본 발명에 따른 입자상 물질 센서는 감지부에 기술적 특징이 있는 것으로, 감지부를 포함하는 정전용량 방식 또는 저항 방식의 입자상 물질 센서가 될 수 있다.
즉, 후술하는 감지부에 더하여 감지부의 전극에 접속되는 공지의 회로 구성을 추가함으로써 정전용량 방식의 입자상 물질을 구성하거나 저항 방식의 입자상 물질 센서를 구성할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부의 구성 및 배기 유동의 경로를 나타낸 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부의 횡단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서에서 감지부의 특정 부위를 확대하여 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서(100)는 내부공간에 배기가스가 통과하도록 유입구(113)와 배출구(114)를 갖는 하우징(110)과, 상기 하우징(110) 내에 설치되어 배기가스를 통과시키는 원통형의 감지부(120)를 포함한다.
여기서, 하우징(110)은 원통의 용기 형상으로 제작될 수 있으며, 하우징(110)의 일측에 배기가스가 유입되는 유입구(113)가 형성되고, 하우징(110)의 타측에 배기가스가 배출되는 배출구(114)가 형성된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 상기 유입구(113)는 하우징(110)에서 상측에 위치하도록 형성될 수 있고, 상기 배출구(114)는 하우징(110)에서 하측에 위치하도록 형성될 수 있다.
상기 감지부(120)는 하우징(110) 내에서 유입구(113)와 배출구(114) 사이에 위치되고, 유입구(113)를 통해 들어온 배기가스가 감지부(120)를 통과한 뒤 배출구(114)를 통해 외부로 배출되도록 되어 있다.
보다 상세히는, 배기가스가 상측의 유입구(113)를 통해 하우징(110) 내부로 들어온 뒤, 도 2에 나타낸 바와 같이, 하우징(110) 내에서 후술하는 감지부(120)의 다공성 레이어(124)를 하측 방향으로 통과하고, 이어 다공성 레이어(124)를 통과한 배기가스가 하측의 배출구(114)를 통해 하우징(110) 외부로 배출될 수 있다(도 2 참조).
본 발명에서 감지부(120)의 다공성 레이어(124)는 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에 적층 개재되며, 이 다공성 레이어(124)에는 배기가스가 통과하는 동안 배기가스 중 입자상 물질이 포집 및 누적된다.
실시예에서, 하우징(110)의 측면 부분(즉 원통 형상 부분)에 배기가스가 유입되는 유입구(113)가 형성될 수 있고, 상기 유입구(113)는 하우징(110)의 측면 부분(원통 형상 부분)에 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되도록 복수 개의 홀을 형성하여서 구성될 수 있다(도 1 참조).
또한, 하우징(110)에서 원통 형상 부분(111)의 축방향 일측에는 직경이 점차 축소되는 콘(cone) 형상의 축소관부(112)가 일체로 형성되고, 상기 콘 형상인 축소관부(112)의 선단부에 배기가스가 배출되는 배출구(114)가 관통 형성된다.
그리고, 하우징(110) 내에서 축소관부(112)의 상류측에 위치하도록 감지부(120)가 배치되는데, 유입구(113)를 통해 유입된 배기가스가 감지부(120)를 통과한 뒤 축소관부(112)의 배출구(114)를 통해 배출되도록 되어 있다.
본 발명에서 감지부(120)는 전기절연 기판(122), 상기 전기절연 기판(122)의 일면에 구비되는 제1 전극(121), 상기 전기절연 기판(122)의 타면에 구비되는 제2 전극(123), 상기 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 중 하나에 적층되고 배기가스를 통과시킬 수 있는 구조의 다공성 레이어(124)로 구성된 적층체를 포함한다.
여기서, 상기 감지부(120)의 적층체는 베이스부(130)를 중심으로 나선형으로 감겨 있는 구조로 되어 있다.
이러한 감지부의 구성에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 감지부(120)는 간격을 두고 배치되는 두 개의 전극(121,123)과, 상기 두 전극(121,123) 사이에 배치되고 배기가스가 통과할 수 있는 다공성 구조로 형성된 다공성 레이어(124)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서(100)의 감지부(120)에서는, 도 2 및 도 3에 알 수 있듯이, 제1 전극(121)의 일면과 제2 전극(123)의 일면 사이에 전기절연 기판(122)이 배치되고, 제2 전극(123)의 반대쪽 타면과 제1 전극의 반대쪽 타면 사이에 다공성 레이어(124)가 배치된다.
즉, 일종의 나선형 적층체인 감지부(120)는 베이스부(130)를 중심으로 그 바깥쪽으로 가면서 제1 전극(121), 기판(122), 제2 전극(123), 다공성 레이어(124), 그리고 다시 제1 전극(121), 기판(122), 제2 전극(123), 다공성 레이어(124)의 순서로 이들 요소들이 반복 적층된 구성을 갖는다.
실시예에서, 감지부(120)는 하우징(110)의 원통 형상 부분(111) 내측에 수용되어 위치될 수 있도록 원형의 단면 형상을 가지며(중앙의 베이스부를 제외하면 원통 형상임), 외주면이 하우징(110)의 원통 형상 부분(111)의 내주면에 밀착되도록 설치될 수 있다.
또한, 감지부(120)는 하우징(110) 내에서 유입구(113) 하류측에, 그리고 배출구(114) 상류측에 위치하도록 설치되고, 이로써 유입구(113)를 통해 유입된 배기가스가 감지부(120)의 다공성 레이어(124)를 통과한 뒤 배출구(114)를 통해 배출된다.
결국, 배기가스가 다공성 레이어(124)를 통과하는 동안 배기가스 중에 포함된 입자상 물질(PM)이 다공성 레이어(124)에 누적되고, 다공성 레이어(124)에 누적된 입자상 물질의 양에 따른 전기적 신호를 전극(121,123)을 통해 읽어들임으로써 측정이 이루어질 수 있다.
상기 감지부(120)는 하우징(110) 내에서 베이스부(130)의 단부에 결합된 상태로 위치되는데, 베이스부(130)는 원형 단면을 갖는 긴 봉 형상의 부재로 구비될 수 있고, 하우징(110) 내에 축방향을 따라서 길게 배치되도록 설치될 수 있다.
이때, 베이스부(130)는 하우징(110) 내에 설치된 별도의 지지체(131)에 의해 고정 및 지지될 수 있다.
상기 베이스부(130)는 하우징(110) 내에서 감지부(120)의 중앙을 관통하는 형태가 되도록 설치될 수 있고, 감지부(120)가 베이스부(130)의 단부 외주면에 결합되어 있는 구조가 된다.
이로써, 도 3에 나타낸 바와 같이, 횡단면상에서 볼 때, 감지부(120)는 베이스부(130)의 주변으로 배치되는 동시에, 베이스부(130)가 감지부(120)의 중앙에 위치되고, 베이스부(130)와 감지부(120)가 서로 결합된 상태에서 원형의 횡단면 형상을 나타낸다.
물론, 베이스부(130)를 제외한 감지부(120) 자체의 전체 형상은 중앙에 베이스부(130)가 넣어져 통과할 수 있는 중공을 가지는 원통 형상으로 되어 있다.
구성을 살펴보면, 상기 감지부(120)는 절연 재질의 기판(122), 상기 기판(122)의 양면에 적층된 제1 및 제2 전극(121,123), 상기 제2 전극(123)에 적층된 다공성 레이어(124)를 포함하여 구성된다.
이때, 감지부(120)는, 전술한 바와 같이, 다공성 레이어(124)의 일면에 제1 전극(121)이 적층되고, 다공성 레이어(124)의 반대쪽 타면에 제2 전극(123)이 적층되며, 제1 전극(121), 기판(122), 제2 전극(123), 다공성 레이어(124)가 베이스부(130)를 중심으로 하여 나선형으로 감겨있는 구조로 되어 있다.
이하의 설명에서는 제1 전극(121), 기판(122), 제2 전극(123) 및 다공성 레이어(124)가 순차적으로 적층된 구성을 적층체라 칭하기로 한다.
결국, 본 발명에서는 제1 전극(121)이 베이스부(130)의 외주면 위에 접합되는 안쪽 중심의 가장 아래층이 되도록 하여 상기의 적층체를 베이스부(130)의 외주면 위에 나선형으로 감아줌으로써 감지부(120)가 구성될 수 있다.
상기 적층체는 기판(122)의 양면에 제1 전극(121)과 제2 전극(123)이 위치한 구조, 및 제2 전극(123)에 다공성 레이어(124)가 적층된 구조를 가지며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1전극이 베이스부(130)의 외주면을 감싸면서 접합되도록 하여 베이스부(130)를 중심으로 상기 적층체를 나선형으로 말아주었을 때, 다공성 레이어(124)의 일면은 제2 전극(123)에, 다공성 레이어(124)의 반대쪽 타면은 제1 전극(121)에 적층 및 접합된 상태가 된다.
즉, 도 3에서 알 수 있듯이, 다공성 레이어(124)의 일면이 제2 전극(123)에 적층되어 있는 상태로 다공성 레이어(124)의 반대쪽 타면에 제1 전극(121)이 적층되도록 적층체를 반복해서 감아줄 경우, 다공성 레이어(124)의 양면에 제1 전극(121)과 제2 전극(123)이 배치되는 구조가 되고, 이는 곧 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에 다공성 레이어(124)가 개재되는 구조가 됨을 의미한다.
상기 다공성 레이어(124)에서 제2 전극(123)이 적층 및 접합되어 있는 다공성 레이어(124)의 면은 도 3의 횡단면상에서 볼 때 안쪽 면이라 할 수 있다.
또한, 상기 적층체가 베이스부(130)를 중심으로 나선형으로 계속해서 감겨지는 동안, 다공성 레이어(124)의 면 위로 제1 전극(121)이 새로이 적층 및 접합되고, 이렇게 제1 전극(121)이 연속해서 적층 및 접합되는 다공성 레이어(124)의 면은 도 3의 횡단면상에서 볼 때 바깥쪽 면이라 할 수 있다.
이와 같이 베이스부(130)를 중심으로 하여 적층체가 나선형을 이루면서 베이스부(130)로부터 바깥쪽으로 가면서 제1 전극(121), 기판(122), 제2 전극(123), 다공성 레이어(124), 다시 제1 전극(121)의 순으로 구성요소들이 반복적으로 적층된 구조를 이루고 있는바, 이러한 감지부(120)의 구성에서는 중간의 다공성 레이어(124)의 두께를 조절함으로써 두 전극(121,123) 사이의 간격 또한 조절할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에 개재된 다공성 레이어(124)의 두께가 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이의 간격이 됨을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 센서 감도와 관련이 있는 두 전극(121,123) 사이의 간격은 감지부(120)의 모든 위치에서 동일하도록 하고, 이때 다공성 레이어(124)의 두께에 의해 두 전극(121,123) 사이의 간격이 결정된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에 개재된 다공성 레이어(124)의 두께, 즉 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이의 간격은 20 ~ 50 ㎛로 하는 것이 바람직하다.
상기 두 전극(121,122)의 간격이 20㎛ 미만일 경우 다공성 레이어(124)의 두께 재현성 측면에 있어 문제가 있게 되고, 50㎛를 초과할 경우 제1 전극(121)과 제2 전극(128) 사이의 간격이 너무 멀어져 감도가 센서에서의 요구 수준보다 낮아지는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.
그리고, 상기 다공성 레이어(124)의 두께뿐만 아니라 감지부(120)의 축방향 길이(원통 길이) 및 감지부(120)의 직경 등도 감도와 관련이 있다.
다공성 레이어(124)의 두께가 얇고 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이의 간격이 작을수록 감도가 높아지며, 감지부(120)의 축방향 길이 및 직경이 클수록 감도가 높아질 수 있다.
종래기술에서는 레이저를 이용한 전극 패터닝 등의 복잡하고 고가인 공정을 이용하여 전극 간격을 20㎛로 형성하는 것이 가능하였으나, 이는 원가 상승 및 양산성 저하의 문제점을 가지고 있다.
반면, 상기와 같이 적층체를 베이스부(130)를 중심으로 나선형으로 감아준 형태의 감지부(120)를 구성하는 경우, 두 전극 사이의 간격을 용이하게 축소할 수 있고, 입자상 물질이 누적되는 부분과 전극의 접촉 면적을 크게 늘릴 수 있다.
또한, 제조 공정이 단순해지고, 간단한 장비를 이용하여 넓은 전극 면적을 가지는 감지부의 제조가 가능하므로 원가 절감 및 양산성 향상의 이점이 있게 된다.
또한, 적층된 구성의 감지부(120)가 베이스부(130)를 중심으로 원통형을 이루도록 제조함으로써 센서 장착 방향이 감도에 영향을 미치는 것을 제거할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에서, 양면에 제1 전극(121)과 제2 전극(123)이 적층되는 기판(122)은 전기절연 재질로 제작되고, 예를 들어 정해진 두께의 세라믹 시트가 사용될 수 있다.
이때, 기판(122)의 두께는 100 ~ 200 ㎛를 갖도록 할 수 있다.
상기 전극은 전기전도성의 도체를 재질로 할 수 있으며, 당 업계에서 공지된 통상의 전극 재료로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서(100)에서 감지부(120)에 적용 가능한 전극의 다양한 형상을 예시한 것으로, 도시된 바와 같이, 정해진 두께의 얇은 판으로 제작된 플레이트형 전극이 사용될 수 있으나, 전극 재료의 사용량 감소를 위해 정해진 패턴 형상을 가지는 패터닝된 전극이 제작되어 사용될 수 있다.
이와 같이 패터닝된 전극이 사용될 경우 제1 전극(121)과 제2 전극(123)이 동일한 형상으로 제작되어서 사용된다.
또한, 다공성 레이어(124)는 개방된 기공 구조를 통해 배기가스를 통과시키면서 배기가스 중에 포함된 입자상 물질이 내부 표면에 포집 및 누적될 수 있도록 되어 있다.
이러한 다공성 레이어(124)에 입자상 물질이 포집 및 누적된 상태에서 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이의 신호 변화가 발생하고, 그 신호 변화를 공지의 외부 회로가 읽어들임으로써 측정이 이루어지게 된다(정전용량 방식 또는 저항 방식).
본 발명의 실시예에서 감지부(120)의 다공성 레이어(124)는 DPF와 유사한 다공성 구조를 가질 수 있으며, 바이어스 전압의 인가 없이 입자상 물질이 포집될 수 있는 다공성 구조를 가지도록 함이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서(100)의 감지부(120)를 제조하는 방법을 설명하기 위한 예시도로서, 도시된 바와 같이, 소정 두께의 세라믹 시트가 기판(122)으로 사용될 수 있고, 기판(122)이 되는 세라믹 시트의 일면과 타면에 제1 전극(121)과 제2 전극(123)을 스크린 프린팅의 방법으로 적층 형성한다.
이어 제2 전극(123)의 위에 바인더를 포함하는 다공성 레이어(124)를 스크린 프린팅의 방법으로 적층 형성한 뒤, 제1 전극(121), 기판(122), 제2 전극(123) 및 다공성 레이어(124)가 순차적으로 적층된 적층체를 베이스부(130)에 감싸서 나선형으로 적층하는 방식으로 원통형의 감지부(120)를 형성한다.
이때, 베이스부(130)의 외주면에 제1 전극(121)이 접합될 수 있도록 하여 적층체를 나선형으로 감아주며, 이후 정해진 온도 조건에서 소결 과정을 거치게 되면 입자상 물질 센서(100)의 감지부(120)가 완성될 수 있다.
위에서 다공성 레이어(124)를 제2 전극(123)의 위에 스크린 프린팅의 방법으로 적층 형성하는 것에 대해 설명하였는바, 다공성의 구조를 갖는 레이어를 특정의 표면 위에 스크린 프린팅 공정으로 적층 형성하는 것이 산업적으로 적용되고 있는 공지의 기술 사항이므로, 상기와 같이 스크린 프린팅의 공정으로 다공성 레이어를 적층 형성하는 것에 대해 본 명세서에 상세히 설명하지는 않는다.
본 발명에서 다공성 레이어(124)는 세라믹 재료로 만들어질 수 있고, 이것은 기판(122)의 재료와 유사하거나 동일한 재료일 수 있으며, 세라믹 재질의 다공성 레이어(124)가 스크린 프린팅의 공정에 의해 제2 전극(123)의 위에 적층 형성될 수 있다.
그리고, 다공성 레이어(124)의 공극률은 기공 형성제를 추가함으로써 조절될 수 있는데, 구체적으로는 먼저 알루미나(Al2O3) 분말과 바인더(예, 염화비닐, 염화 비닐리덴(vinylidenechloride), 메틸메타아크릴, 메틸메타아크릴레이트(methylmethacrylate) 등)를 혼합하여 세라믹 슬러리를 제작한다.
이어 스크린 프린팅의 공정에서 제2 전극(124) 위에 세라믹 슬러리를 도포하고, 성형 및 소성을 위해 소정 압력(예, 15MPa)으로 가압한 상태에서 정해진 온도(예, 200℃)까지 승온하여 바인더를 변형시킨 다음, 고온(예, 1,000℃)에서 1시간 동안 소결하여 다공성 레이어를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서(100)는, 감지부(120)의 다공성 레이어(124)를 가열하여 입자상 물질을 제거하고 다공성 레이어(124)를 재생하기 위한 히터와, 감지부(120)의 온도를 검출하기 위한 온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 입자상 물질 센서(100)에서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 히터 및 온도센서(126)를 베이스부(130)에 직접 형성 내지 구성할 수 있으며, 이때 히터 및 온도센서(126)를 베이스부(130)에 형성하는 방법에 있어서는, 통상의 입자상 물질 센서(100)에서 특정 부위에 히터 및 온도센서를 형성할 수 있는 공지의 방법이 적용 가능하다.
또는 상기와 같이 베이스부(130)에 직접 히터 및 온도센서(126)를 구성하는 것이 아닌, 베이스부(130)와 적층체 사이에 히터 및 온도센서(126)가 적층 개재되도록 할 수 있다.
상기 히터 및 온도센서(126) 또한 베이스부(130)에 감겨서 적층되어 있도록 구비될 수 있는 것이다.
이를 위해, 베이스부(130) 위로 적층되는 제1 전극(121)의 표면에 별도의 전기절연 시트(125), 예컨대 세라믹 시트를 적층한 뒤, 이 세라믹 시트에 히터 및 온도센서(126)를 적층하여 구성하고, 이후 히터 및 온도센서(126)가 베이스부(130)에 접합되도록 하여 적층체를 베이스부(130)에 나선형으로 감아준다.
이와 같이 히터 및 온도센서(126)를 구성한 뒤, 이들을 작동시키기 위한 부속 회로(도시하지 않음)와의 접속을 위해 히터 및 온도센서(126)의 정해진 특정 부위에 터미널(도시하지 않음)을 설치하고, 상기 터미널에 감지부(120) 외측의 부속 회로를 와이어링으로 연결하여 전기 접속할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(121)과 제2 전극(123)에도 정해진 특정 부위에 터미널을 설치하고, 상기 전극에 전기 접속된 터미널에 신호를 읽어들이기 위한 회로를 와이어링을 통해 연결한다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 입자상 물질 센서 110 : 하우징
111 : 원통 형상 부분 112 : 축소관부
113 : 유입구 114 : 배출구
120 : 감지부 121 : 제1 전극
122 : 기판 123 : 제2 전극
124 : 다공성 레이어 125 : 전기절연 시트
126 : 히터 및 온도센서 130 : 베이스부
131 : 지지체

Claims (9)

  1. 외부에서 유입된 배기가스가 내부공간을 통과한 뒤 배출될 수 있도록 배기가스가 유입되는 유입구와 배기가스가 배출되는 배출구를 갖는 하우징; 및
    상기 하우징의 내부공간에 설치되어 배기가스를 통과시키는 감지부를 포함하고,
    상기 감지부는,
    전기절연 기판, 상기 전기절연 기판의 일면에 구비되는 제1 전극, 상기 전기절연 기판의 타면에 구비되는 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 중 하나에 적층되고 배기가스를 통과시킬 수 있는 구조의 다공성 레이어로 구성된 적층체를 포함하며, 상기 적층체가 베이스부를 중심으로 나선형으로 감겨 있는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스부는 하우징의 내부공간에 축방향을 따라 길게 설치되는 봉 형상의 부재이고, 상기 배기가스가 통과하는 다공성 레이어에 입자상 물질이 포집 및 누적되도록 상기 감지부가 상기 유입구와 배출구 사이의 위치에서 상기 베이스부에 결합된 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 감지부가 내부공간에 설치되는 원통 형상 부분; 및
    상기 원통 형상 부분의 축방향 일측에 직경이 점차 축소되는 형상으로 형성된 축소관부를 포함하고,
    상기 원통 형상 부분에 상기 유입구가 형성되며, 상기 축소관부에 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유입구는 원통 형상 부분에 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되도록 복수 개의 홀을 형성하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 축소관부는 콘 형상을 가지면서, 상기 콘 형상인 축소관부의 선단부에 상기 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지부는 제1 전극이 베이스부의 외주면에 접합되어 안쪽에 위치되도록 하여 바깥쪽으로 가면서 제1 전극, 전기절연 기판, 제2 전극, 다공성 레이어, 그리고 다시 제1 전극, 전기절연 기판, 제2 전극, 다공성 레이어의 순서로 반복 적층된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격이 되는 다공성 레이어의 두께는 20 ~ 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 레이어를 포함하는 감지부를 가열하여 입자상 물질을 제거하고 다공성 레이어를 재생하기 위한 히터; 및
    상기 감지부의 온도를 검출하기 위한 온도센서를 더 포함하고,
    상기 히터 및 온도센서가 상기 베이스부에 구비된 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 레이어를 포함하는 감지부를 가열하여 입자상 물질을 제거하고 다공성 레이어를 재생하기 위한 히터; 및
    상기 감지부의 온도를 검출하기 위한 온도센서를 더 포함하고,
    상기 히터 및 온도센서가 상기 베이스부상에 상기 적층체와 함께 감겨서 적층되어 구비된 것을 특징으로 하는 입자상 물질 센서.
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