KR20100060741A - 반도체 가스센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서는, 기판과; 상기 기판에 형성된 제1가스감지부와; 상기 기판에 형성된 제2가스감지부와; 상기 제1가스감지부 및 제2가스감지부의 감지값 변화의 기준값을 감지하는 기준값 감지부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 히터의 구동효율을 향상시키고 설계공간을 절약할 수 있는 반도체 가스센서를 제공할 수 있다.

가스센서, 질소, 암모니아

Description

반도체 가스센서{semiconductor gas sensor}

실시예는 반도체 가스센서에 관한 것이다.

질소산화물(NOx)은 연소 공기 및 연료 중에 포함된 질소 성분이 고온에서 산소와 결합하여 생성되거나 연소 배기 가스 중에 포함되어 배출되는 대기 오염 물질로서, 아황산 가스와는 달리 원천 감소가 불가능하고 자동차의 증가로 매년 그 오염도가 상승하고 있다.

이에, 자동차의 배기시스템은 질소산화물의 제거를 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, SCR)기술을 사용하고 있다. SCR은 촉매를 사용하여 질소산화물을 환원하는 대표적인 배연탄질 기술이다. 환원제로는 암모니아(NH₃)가 사용하며, 반응 결과 질소산화물은 질소와 수증기로 환원된다.

그런데, 암모니아 또한 유독 가스로 미반응된 암모니아가 대기로 방출되는 경우, 대기를 오염시킬 수 있다. 따라서, 배기시스템은 질소산화물의 양에 따라 암모니아의 양을 조절하여 미반응 암모니아로 인한 대기오염을 방지하여야 한다.

한편, 종래의 가스센서의 경우 감지하고자 하는 가스의 종류에 따라 그에 적절한 가스센서를 구비하여야 한다. 이에, 질소산화물 및 암모니아를 감지하기 위해 서는 두 개의 가스센서를 사용하여야 함으로 설계 및 생간 공정이 복잡해 짐은 물론, 생산비용 또한 증가하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 단일 소자를 이용하여 이종가스를 감지할 수 있도록 하는 반도체 가스센서를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의한 반도체 가스센서는, 기판과; 상기 기판에 형성된 제1가스감지부와; 상기 기판에 형성된 제2가스감지부와; 상기 제1가스감지부 및 제2가스감지부의 감지값 변화의 기준값을 감지하는 기준값 감지부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 단일 소자를 이용하여 이종가스를 감지할 수 있도록 하는 반도체 가스센서를 제공한다

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서에 대해서 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서가 적용된 배기장치의 제어블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서(500)가 적용된 배기장치는, 질소산화물 감지부(100)와, 암모니아 감지부(200)와, 기준값 감지부를 포함하는 반도체 가스센서(500)와, 반도체 가스센서(500)의 감지값에 기초하여 공급될 암모니아의 양을 판단하는 배기시스템(600)과, 배기시스템(600)의 제어에 따라 암모니아 가스를 공급하는 암모니아 공급부(700)를 포함한다.

반도체 가스센서(500)는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 양을 감지하는 질소산화물 감지부(100)와, 연소 공기 중에 포함된 암모니아의 양을 감지하는 암모니아 감지부(200)와, 질소산화물 감지부(100) 및 암모니아 감지부(200)의 감지값을 비교할 수 있도록 기준 감지값을 제공하는 레퍼런스 감지부(300)를 포함한다.

배기시스템(600)은 반도체 가스센서(500)가 제공하는 감지값을 이용하여, 배기가스에 포함된 질소산화물량과 암모니아 량을 산출한다. 배기시스템(600)은 질소산화물량이 기준값을 초과하는 경우 환원제인 암모니아의 공급량이 증가하도록 암모니아 공급부(700)를 제어하고, 암모니아 량이 기준값을 초과하는 경우 암모니아의 공급량이 감소하도록 암모니아 공급부(700)를 제어한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서(500)의 전면부의 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서(500)는, 기판(50)의 일 면에 질소산화물 감지부(100), 암모니아 감지부(200), 레퍼런스 감지부(300)가 각각 형성된다.

질소산화물 감지부(100)는, 제1센서전극(120)과, 제1센서전극(120) 위에 형성되는 질소산화물 감지막(110)과, 질소산화물 감지막(110)을 통해 감지된 감지신호를 배기시스템(600) 측에 공급하는 제1감지단자(130)를 포함한다.

암모니아 감지부(200)는, 제2센서전극(220)과, 제2센서전극(220) 위에 형성되는 암모니아 감지막(210)과, 암모니아 감지막(210)에서 감지된 감지신호를 배기시스템(600) 측에 공급하는 제2감지단자(230)를 포함한다.

레퍼런스 감지부(300)는, 제3센서전극(320) 및 제3감지단(330)을 포함한다. 이에, 제3감지단(330)은 감지막이 실장되어 있지 아니할 경우의 감지값을 배기시스템(600) 측에 출력함으로써, 질소산화물 감지값 및 암모니아 감지값의 변화를 판단하는 기준 감지값을 공급한다.

기판(50)은 고온에서도 양호한 특성을 갖는, Al2O3, ZrO2 등의 세라믹 기판(50)을 적용할 수 있다.

제1센서전극(120), 제2센서전극(220), 제3센서전극(320)은, 감지막(110, 210)의 전기 저항 변화를 측정하기 위한 것으로서, Pt, Cu, Ag, Au 등의 금속을 건식 식각하여 형성할 수 있다. 센서전극(120, 220, 320)은 빗살무늬 형태의 인터디지탈변환기(IDT; Inter Digital Transducer) 패턴으로 형성된다.

질소산화물 감지막(110)은 제1센서전극(120) 상에 인쇄 공법 및 박막 공법을 이용하여 형성한다. 질소산화물 감지막(110)은 루타일(rutile) 구조를 갖는 TiO2와 WO3(1~15 wt.%)로 구성될 수 있다. 이에, TiO2 나노파우더와 WO3 나노파우더의 혼합물에 소정의 결합제와 용매를 넣어 인쇄 가능한 페이스트를 구성한 뒤, 제1센서전극(120) 위에 인쇄한다. 인쇄된 페이스트를 1100℃ 이상의 온도에서 1시간~1시간 30분 가량 소결하면 질소산화물 감지막(110)이 형성된다. 질소산화물 감지막(110)은 질소산화물이 접촉한 경우 저항이 변화한다. 이에, 질소산화물 감지막(110)의 저항 변화에 따라 제1센서전극(120)에 여기되는 전류의 양이 변화하여 제1감지단(130)으로 질소산화물 감지값이 출력된다.

암모니아 감지막(210)은 제2센서전극(220) 상에 인쇄 공법 및 박막 공법을 이용하여 형성한다. 암모니아 감지막(210)은 원료분말(SnO2)에 첨가물질(WO3)을 혼합 및 분쇄한 후 유기 바인더와 섞어 페이스트를 구성한 뒤, 제2센서전극(220) 위에 인쇄하여 형성할 수 있다. 암모니아 감지막(210) 또한, 암모니아 가스에 반응하여 저항이 변화되며, 이에, 제2감지단(230)을 통해 암모니아 감지값이 출력된다.

이러한 구성에 따라, 배기시스템(600) 측에서는, 레퍼런스 감지부(300)에서 출력된 레퍼런스 감지값을 기준으로 하여, 질소산화물 및 암모니아의 변화량을 모니터링 함으로써, 질소산화물 환원을 위한 암모니아 공급량을 산출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서(500)의 후면의 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 감지부(100, 200, 300)가 형성된 기판(50)의 반대 면에는 히터부(400)와 온도센서(410)가 형성된다.

히터부(400) 및 온도센서(410)는 Pt, Cu, Ag, Au 등의 금속층을 건식 식각하여 형성할 수 있으며, 특히, 백금층을 이용할 경우 양호한 성능을 얻을 수 있다.

히터부(400)는 기판(50)의 중앙 영역에 다수회 절곡된 미앤더(meander) 형태로 패터닝하여, 기판(50)의 전반적인 영역을 골고루 가열할 수 있도록 한다.

온도센서(410)는 히터부(400)의 외각을 둘러싸는 미앤더 형상으로 패터닝하여 히터부(400)의 온도 및 기판(50)의 온도를 측정할 수 있도록 한다. 온도센 서(410)는 기판(50) 및 주변의 온도가 변함에 따라 그 저항이 변한다. 이에, 온도센서(410)의 저항을 측정하여 기판(50)의 온도를 측정하고 히터부(400)의 동작을 확인할 수 있다.

감지부(100, 200, 300)의 가스 감지 성능을 보장하기 위해서는 주변 온도가 일정하게 유지되도록 해야 한다. 이에, 온도센서(410)를 통해 기판(50)의 온도를 측정하여 온도의 변화에 따라 히터의 출력을 제어함으로써, 반도체 가스센서(500)의 온도가 일정 수준으로 유지되도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서(500)는, 하나의 기판에 질소산화물 감지부(100) 및 암모니아 감지부(200)와 레퍼런스 감지부(300)를 함께 실장하여 하나의 반도체 가스센서(500)를 이용하여 이종가스를 감지할 수 있도록 하는 반도체 가스센서(500)를 제공한다. 또한, 기판(50)의 후면에는 히터부(400) 및 온도센서(410)를 형성하여 가스센서의 동작온도를 최적의 상태로 유지할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서가 적용된 배기장치의 제어블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서의 전면부의 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스센서의 후면부의 사시도.

Claims (6)

1. 기판과;

   상기 기판에 형성된 제1가스감지부와;

   상기 기판에 형성된 제2가스감지부와;

   상기 제1가스감지부 및 제2가스감지부의 감지값 변화의 기준값을 감지하는 기준값 감지부를 포함하는 반도체 가스센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1가스감지부 및 제2가스감지부는,

   인터디지탈변환기(IDT; Inter Digital Transducer) 패턴으로 형성된 센서전극과;

   상기 센서전극 위에 형성되는 감지막과;

   상기 감지막의 저항 변화에 따른 상기 센서전극의 감지신호를 출력하는 감지단자를 포함하는 반도체 가스센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1가스감지부는 질소산화물(NOx)과 접촉하는 경우 저항이 변화하는 반도체 가스센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2가스감지부는 상기 질소산화물(NOx)의 환원을 위한 기체와 접촉하는 경우 저항이 변화하는 반도체 가스센서.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제3가스감지부는,

   인터디지탈변환기(IDT; Inter Digital Transducer) 패턴으로 형성된 센서전극과;

   상기 센서전극의 감지신호를 출력하는 감지단자를 포함하는 반도체 가스센서.
6. 제1항에 있어서,

   상기 감지막이 형성된 상기 기판면의 반대면에 형성된 히터부와;

   상기 히터부와 동일면에 형성되어 온도를 측정하는 온도센서를 포함하는 반도체 가스센서.

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