KR20080102510A - 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법 Download PDF

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    • G01K7/18Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer

Abstract

본 발명은 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자에 관한 것으로서, 상하면에서 길이방향 내측으로 통공에 의해 서로 연결된 제1 공간부와 제2공간부를 구비한 원통형 외부보호관; 상기 제 1 및 제 2 공간부 및 통공을 통해 상기 외부보호관내에 내장설치된 박막형 온도센서; 상기 외부보호관의 제1 및 제 2 공간부내에 충전시켜 상기 박막형 온도센서를 상기 제1 및 제 2 공간부내에 일체로 고정시키는 충진재;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막형 온도센서를 구비한 온도측정소자에 의하면, 외부보호관의 공간부에 박막형 온도센서가 충전된 충전물 혹은 세라믹 페이스트로 처리되어 센서리드 및 와이어 연결부위가 안정하게 고정되는 효과가 있고, 하부 공간에 위치된 외부연결용 금속와이어도 충전물에 의해 안정하게 고정되므로 외부의 기계적인 충격요소가 하부의 외부연결용 금속 리드와이어를 통해 박막형 온도센서로 전달되는 것이 방지된다.
박막형 온도센서, 외부보호관, 충진재

Description

박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법{Temperature Measuring Device By Means Of A Thin Film Type Temperature Sensor and A Manufacturing Method Thereof}
도 1은 종래기술에 따른 일반적 박막형 온도센서를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 세라믹 튜브에 장착한 박막형 온도센서를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 최종 박막형 온도센서를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 종래기술에 따른 스풀형 온도센서를 나타낸 도면들이다.
도 6 및 도 7은 박막형 온도센서의 센서 리드와이어와 외부 출력용 금속 리드와이어의 용접공정을 나타낸 도면들이다.
도 8 은 본 발명에 따른 세라믹 보호관의 측단면도 및 평면도를 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자를나타낸 도면들이다.
도 11 은 본 발명에 따른 박막형 온도센서의 제작과정을 나타낸 공정순서도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100,100-1: 박막형 온도센서
110: 백금박막온도센서몸체
112: (센서)리드와이어
212: 금속리드와이어(외부연결용)
200,200-1: 온도측정소자
300: 은 스폿용접부
400: 아크스폿용접부
본 발명은 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부보호관의 공간부에 박막형 온도센서가 충전된 충전물 혹은 세라믹 페이스트로 처리되어 센서리드 및 와이어 연결부위가 안정적으로 고정되며, 하부 공간부에 위치된 외부연결용 금속와이어도 충전물에 의해 안정하게 고정되도록 하여 기계적 내충격성을 가지도록 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래기술에 따른 박막형 온도센서를 살펴본다.
도 1은 종래기술에 따른 일반적 박막형 온도센서를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 길이 10mm 내외, 두께 1mm 이하의 얇은 세라믹 기판위에 금속 물질을 박막으로 형성하고 패턴화하여 박막형 온도센서(1)를 제작한다.
참조부호 2의 얇은 박막형온도센서 몸체(2)의 일측에 한 쌍의 리드와이어(3)가 전극(2a)을 매개로 연결되어있다.
그러나, 이러한 얇은 박막형 온도센서는 외부의 물리적 충격이나 진동에 약한 문제점이 있다.
도 2는 종래기술에 따른 세라믹 튜브에 장착한 박막형 온도센서를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 도 1의 일반적 박막형 온도센서(1)의 문제점을 극복하기 위하여 일부환경에서는 이와 같이, 세라믹 튜브관(4)에 박막센서(1)를 삽입하여 충전물(4)를 충전시켜 박막형 온도센서(10)를 제조하였다.
그러나, 이와 같은 구조의 박막형 온도센서(10)에서는 센서의 충격 안전성은 일반적인 박막형 온도센서(1)에 비해 상대적으로 개선되었지만 여전히 충격 안정성에 취약하며 특히, 온도센서(1)의 외부 연결와이어 부분은 일반적인 박막형 온도센서의 센서 리드와이어(2)(지름 약 0.25mm)가 동일하게 사용되므로, 직접 시스템에 체결시에 기계적인 충격이나 진동에 상당히 취약한 구조를 가지는 문제점이 있다.
도 3은 종래기술에 따른 최종 박막형 온도센서를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 선박분야 및 일부 응용분야에서 도 1의 박막형 온도센서(1)나 도 2의 세라믹 튜브(4)에 설치된 형태의 박막형 온도센서(10)를 적용하기 위해, 리드와이어(3)들을 굵은(1mm 이상) 금속 와이어(5)(혹은 케이블, 지름 lmm이상)에 연결한 후 금속 보호관(8)에 삽입하고 봉입하여 이루어진 박막형 온도센서(20)를 이용하기도 한다. 이러한 박막형 온도센서(20)에서는 기존 박막형 온도센서(1 또는 10) 자체가 갖는 문제점들이 해결되고 신호 출력용으로 굵은 금속와이어(5)를 연결하여 이용하므로 기계적으로 안정적이며 체결이 용이한 점이 있다.
그러나, 위와 같은 종래 박막형 온도센서는 굵은 금속와이어를 통한 외부의 기계적인 충격이나 진동이 박막온도센서몸체(2)나 와이어 연결부에 전달되어 연결부에서 접촉불량이 발생되거나 혹은 와이어 연결부가 파괴되어 박막형 온도센서 자체가 센서기능을 할 수 없게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 박막형 온도센서의 제작/조립시 작업별 단계가 많아져서 작업성이 떨어지는 단점이 있는 것이었다.
도 4 및 도 5 는 종래기술에 따른 스풀형 온도센서를 나타낸 도면들이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 박막형 온도센서의 구형 모델인 백금와이어(31)(지름 0.04~0.05mm)를 세라믹/유리 스풀(32)에 감아 제작된 스풀형 온도센서(30)가 도시되었다. 세라믹/유리 스풀(32)의 일측에는 금속리드와이어(33)(지름 1mm)가 연결된다.
도 5는, 현재 대부분의 선박에 사용되는 선박용 온도센서(40)를 나타내며 금속보호관(34)에 의해 스풀형 온도센서(30)가 삽입된 형태이다. 이러한 스풀형 온도센서(30)는 기계적인 충격이나 진동에 열악하고 모든 공정이 수공정으로 이루어 져야하며 제품에 이용되는 부품 및 자재 단가가 고가이므로 생산단가 자체가 워낙 고가여서 현재 상품으로 그 경쟁력을 잃어가고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술에서의 문제점을 해결하고자 제 안된 것으로서, 박막형 온도센서의 기계적 충격특성을 개선하고 내열특성이 우수한 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 박막형 온도센서의 기계적 충격특성을 개선하고 내열특성이 우수한 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자는, 상하면에서 길이방향 내측으로 통공에 의해 서로 연결된 제1 공간부와 제2공간부를 구비한 원통형 외부보호관; 상기 제 1 및 제 2 공간부 및 통공을 통해 상기 외부보호관내에 내장설치된 박막형 온도센서; 상기 외부보호관의 제1 및 제 2 공간부내에 충전시켜 상기 박막형 온도센서를 상기 제1 및 제 2 공간부내에 일체로 고정시키는 충진재;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법은, 박막형 온도센서를 준비하는 제 1 단계와; 상기 박막형 온도센서의 리드와 외부연결용 리드 금속리드와이어를 용접하는 제 2 단계와; 상기 박막형 온도센서를 보호하기 위한 외부보호관을 준비하는 제 3 단계와; 상기 박막형 온도센서를 제 1 및 제 2 공간부와 통공을 통해 상기 외부보호관내에 삽입설치하는 제 4 단계와; 상기 외부보호관의 상하에 위치한 제1 및 제 2 공간부에 충진재를 충전시켜 상기 외부보호관내에 삽입설치된 박막형 온도센서를 일체로 고정시키는 제 5 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6 및 도 7은 박막형 온도센서의 센서 리드와이어와 외부 출력용 금속 리드와이어의 용접공정을 나타낸 도면들이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6은 백금박막온도센서(100)에서, 박막형온도센서몸체(110)의 박막형 센서 리드 와이어(112)와 금속 리드 와이어(212)의 용접부(겹치는 부분)에 은(Ag)을 녹여 붙이는 공정(일명 은 스폿 용접(Ag spot welding)이라 함)을 나타내며(은 스폿용접부(300)형성), 도 7은 백금박막온도센서(100-1)에서, 박막형온도센서몸체(110)의 박막형 센서 리드 와이어(112)와 금속 리드 와이어(212)의 용접부(겹치는 부분)를 전기 아크(Arc)를 이용하여 중간 매개체 없이 두 개의 리드와이어들(112,212)를 녹여서 붙이는 공정을 나타낸다(일명 전기 아크 스폿용접(electric arc spot welding)이라 함, 전기아크용접부(400) 형성).
도 8 은 본 발명에 따른 세라믹 보호관의 측단면도 및 평면도를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 박막형 온도센서(100,100-1)의 외부 보호관(120)을 나타내며, 외부보호관(120)의 재질은 세라믹(알루미나, Al2O3)이다.
상기 외부보호관(120)의 구조는 측단면을 통해보면, 제 1 및 제 2 공간부(122,124)가 상기 외부보호관(120)의 길이방향 중심축과 동일한 중심축을 가지며 동심원 형태로 각각 상기 외부보호관(120)의 상면 및 하면에서 길이방향 내측으로 일정한 깊이를 가지도록 원통형으로 파여져서(recessd) 원통형 공간부(삽입홈 형태)를 이루고 있으며, 제 1 및 제 2 공간부(122,124)는 각각 상면 및 하면이 개방된 개구부 형태이며, 제 1 및 제2 공간부의 저면끼리는 두 개의 통공(125)으로 연통되며, 이 통공(125)으로 금속 리드와이어(212)가 통과하게 된다.
상기 외부보호관(120) 하단부의 공간, 즉 제 2 공간부(124)는 취급 또는 사용상에 발생하는 진동, 충격 및 인장(땅김 및 밀어냄) 등의 물리적인 변화요소들이 금속 리드와이어(212)를 통해 박막형 온도센서(100,100-1)로 전달되는 것을 방지한다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자를 나타낸 도면들이다.
도 9를 참조하면, 외부보호관(120)의 제 1 공간부(122)는 마그네시아(MgO) 또는 알루미나(Al2O3) 분말(130)로 충전되며, 제 2 공간부(124) 및 상기 제 1 공간부(122)의 상면 일부가 유기물 접착제, 즉 에폭시(epoxy)(140)에 의해 충전되어, 외부보호관(120)내에 장착된 박막형 온도센서(100)를 이용한 온도측정소자(200)가 제조된다.
도 10을 참조하면, 외부보호관(120)의 제 1 공간부(122)는 마그네시아(MgO) 또는 알루미나(Al2O3) 분말(130)로 완전히 충전되며, 제 2 공간부(124)는 또 다른 충전물인 세라믹 페이스트(150)(지르코니아(ZrO2) 또는 알루미나)로 충전되어, 외부보호관(120)내에 장착된 박막형 온도센서(100-1)를 이용한 온도측정소자(200-1) 가 제조된다.
즉, 외부보호관(120)의 제 1 공간부(122)에서 박막온도센서몸체(110)는 안정되게 고정되며, 또한 제 2 공간부(124)에서도 금속와이어(212)가 안정되게 고정된다. 상기 제 1 공간부(122)와 제 2 공간부(124)에 세라믹 페이스트 혹은 에폭시가 채워진후에 열처리가 진행된다. 따라서, 외부의 기계적인 충격요소가 상기 금속 리드와이어(212)를 통해 박막형 온도센서몸체로 전달되는 것을 방지된다. 이때, 사용되는 몰딩 물질은 고온시(200℃ 이상)에는 세라믹 페이스트(지르코니아, 알루미나 등)를 저온시(200℃ 이하)에서는 에폭시를 사용한다.
도 11 은 본 발명에 따른 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제작과정을 나타낸 공정순서도이다.
도 11을 참조하면, 먼저 단계 ST-2에서, 박막형 온도센서(100,100-1)를 준비한다.
이후 단계 ST-4에서, 상기 박막형 온도센서(100 혹은 100-1)의 리드(112)와 외부연결용 리드 금속리드와이어(212)를 용접한다. 이때 용접은 은 스폿 용접 혹은 전기 아크용접이 행해진다.
이후 단계 ST-6에서, 상기 박막형 온도센서(100 혹은 100-1)를 보호하기 위한 외부보호관(120)이 준비된다.
이후 단계 ST-8에서, 상기 외부보호관(120)내에 박막형 온도센서(100 혹은 100-1)를 삽입설치한다. 삽입시에 박막형 온도센서(100,100-1)를 상기 외부보호 관(120)의 상면에 위치한 후 상면에 위치된 제1 공간부(122)에 상기 박막형 온도센서(100,100-1)를 삽입설치하되, 상기 박막형 온도센서(100,100-1)의 외부 연결용 금속 리드와이어(212)를 통공(125)에 통과시키면서 상기 박막형 온도센서몸체(110)의 은 스폿 용접부(300)(혹은 전기 아크 용접부(400))단부가 상기 제 1 공간부(122)의 저면에 위치될 때 까지 삽입설치한다.
이후 단계 ST-10에서, 상기 외부보호관(120)의 상하에 위치한 제1 및 제 2 공간부(122,124)에 세라믹 페이스트 혹은 기타 충전물을 충전시켜 상기 제 1 및 제 2 공간부(122,124)를 일부 혹은 전부 채운다.
이후 단계 ST-12에서, 상기 외부보호관(120)내에 충전된 세라믹 페이스트 혹은 충전물이 열처리된다. 이로인해, 상기 외부보호관(120)내에 상기 박막형 온도센서(100 혹은 100-1)가 경화된 충전물로 인해 단단히 고정되어 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자(200 혹은 200-1)이 제조된다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자 및 그의 제조방법에 의하면, 외부보호관의 공간부에 박막형 온도센서가 충전된 충전물 혹은 세라믹 페이스트로 처리되어 센서리드 및 와이어 연결부위가 안정하게 고정되는 효과가 있고, 하부 공간에 위치된 외부연결용 금속와이어도 충전물에 의해 안정하게 고정되므로 외부의 기계적인 충격요소가 하부의 외부연결용 금속 리드와이어를 통해 박막형 온도센서로 전달되는 것이 방지된다.

Claims (13)

  1. 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자에 있어서,
    상하면에서 길이방향 내측으로 통공에 의해 서로 연결된 제1 공간부와 제2공간부를 구비한 원통형 외부보호관;
    상기 제 1 및 제 2 공간부 및 통공을 통해 상기 외부보호관내에 내장설치된 박막형 온도센서;
    상기 외부보호관의 제1 및 제 2 공간부내에 충전시켜 상기 박막형 온도센서를 상기 제1 및 제 2 공간부내에 일체로 고정시키는 충진재;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부보호관의 제1 공간부와 제 2 공간부는 각각 상면 및 하면에 개방된 원통형태의 삽입홈이며, 제1 공간부와 제 2 공간부의 대향하는 저면들은 각각 통공에 의해 서로 연통된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막형 센서는 박막온도센서몸체와;
    상기 박막온도센서몸체 일측면에 접촉형성된 한 쌍의 리드와이어와;
    상기 리드와이어와 전기적으로 연결된 한 쌍의 금속 리드와이어;로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 리드와이어와 금속리드와이어는 서로 은을 매개로 한 은 스폿 용접에 의해 용접된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 리드와이어와 금속리드와이어는 서로 전기 아크 용접에 의해 용접된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 상기 외부보호관의 제 1 공간부에는 마그네시아(MgO) 또는 알루미나(Al2O3) 분말로 완전히 혹은 일부 충전되며, 제 2 공간부는 세라믹 페이스(지르코니아(지르코니아(ZrO2) 또는 알루미나)로 충전된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 상기 외부보호관의 제 1 공간부의 일부에는 마그네시아(MgO) 또는 알루미나(Al2O3) 분말로 완전히 혹은 일부 충전되며, 상기 제 1 공간부의 나머지 상면 일부 및 제 2 공간부는 에폭시(epoxy)로 충전된 것을 특징으로 하는 박 막형 온도센서를 이용한 온도측정소자.
  8. 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법에 있어서,
    박막형 온도센서를 준비하는 제 1 단계와;
    상기 박막형 온도센서의 리드와 외부연결용 리드 금속리드와이어를 용접하는 제 2 단계와;
    상기 박막형 온도센서를 보호하기 위한 외부보호관을 준비하는 제 3 단계와;
    상기 박막형 온도센서를 제 1 및 제 2 공간부와 통공을 통해 상기 외부보호관내에 삽입설치하는 제 4 단계와;
    상기 외부보호관의 상하에 위치한 제1 및 제 2 공간부에 충진재를 충전시켜 상기 외부보호관내에 삽입설치된 박막형 온도센서를 일체로 고정시키는 제 5 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 5 단계이후에 상기 외부보호관내에 충전된 충진재를 열처리 경화시키는 제 6 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 리드와이어와 금속리드와이어는 서로 은을 매개로 한 은 스폿 용접에 의해 용접된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 리드와이어와 금속리드와이어는 서로 전기 아크 용접에 의해 용접된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 5 단계에서 충진재는 상기 외부보호관의 제 1 공간부에는 마그네시아(MgO) 또는 알루미나(Al2O3) 분말로 완전히 혹은 일부 충전되며, 제 2 공간부는 세라믹 페이스(지르코니아(지르코니아(ZrO2) 또는 알루미나)로 충전된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 5 단계에서 충진재는 상기 외부보호관의 제 1 공간부의 일부에는 마그네시아(MgO) 또는 알루미나(Al2O3) 분말로 완전히 혹은 일부 충전되며, 상기 제 1 공간부의 나머지 상면 일부 및 제 2 공간부는 에폭시(epoxy)로 충전된 것을 특징으로 하는 박막형 온도센서를 이용한 온도측정소자의 제조방법.
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