KR20140052720A - 입자상물질 센서유닛 - Google Patents

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KR20140052720A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛은 배기가스가 지나는 배기라인, 및 상기 배기라인의 일측에 설치되어, 상기 배기가스에 포함된 전하를 띤 입자상물질이 근처를 지날 때, 상기 입자상물질에 의해서 전하가 발생되는 정전유도방식의 센서를 포함하고, 상기 센서에는, 상기 입자상물질과 인접한 전면에 형성되는 전극부가 형성된다. 상기 전극부는, 배기가스가 흐르는 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 고랑타입일 수 있다.
따라서,

Description

입자상물질 센서유닛{PARTICULATE MATTERS SENSOR UNIT}
본 발명은 배기가스에 포함된 입자상물질(매연)을 필터링하는 매연필터의 파손을 정밀하고 효과적으로 감지하고, 이러한 신호를 제어부로 송신하는 입자상물질 센서유닛에 관한 것이다.
디젤자동차에는 매연을 감소시키기 위한 디젤매연필터(DPF: diesel particulate filter)가 적용되고 있으며, 이러한 디젤매연필터에 포집되는 매연의 양을 감지하기 위해서 차압센서가 적용된다.
앞으로, 배기가스규제에 따라서 기존의 차압센서를 이용하여 상기 디젤매연필터에 포집되는 입자상물질의 감지 정밀도가 떨어질 수 있고, 상기 디젤매연필터의 파손도 감지하기 쉽지 않다.
본 발명의 목적은 매연필터의 후단으로 슬립되는 매연의 양을 정밀하게 감지하고, 이를 이용하여 매연필터에 포집되는 매연양과 파손여부를 정밀하게 감지하는 입자상물질 센서유닛을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛은 배기가스가 지나는 배기라인, 및 상기 배기라인의 일측에 설치되어, 상기 배기가스에 포함된 전하를 띤 입자상물질이 근처를 지날 때, 상기 입자상물질에 의해서 전하가 발생되는 정전유도방식의 센서를 포함하고, 상기 센서에는, 상기 입자상물질과 인접한 전면에 형성되는 전극부가 형성된다.
상기 전극부는, 배기가스가 흐르는 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 고랑타입일 수 있다.
상기 전극부는 배기가스가 흐르는 방향과 수직하게 형성될 수 있다.
상기 전극부의 폭은 20nm이고, 상기 홈의 폭은 20 내지 120nm의 범위에 포함되는 하나의 값이고, 높이는 20nm 내지 수백 nm일 수 있다.
상기 전극부의 선단면에서 상기 홈 방향으로 경사진 경사면이 형성될 수 있다.
상기 경사면은 상기 전면과 50도 내지 60도를 형성할 수 있다.
상기 경사면에 의해서 상기 전극부의 단면은 사다리꼴일 수 있다.
상기 경사면에 의해서 상기 전극부의 단면은 삼각형꼴일 수 있다.
상기 전극부는, 상기 전면에서 기둥형태로 돌출되는 기둥타입일 수 있다.
상기 돌출부의 측면에는 그 폭이 선단부에서 상기 전면 방향으로 넓어지는 경사면이 형성될 수 있다.
상기 전극부의 단면은 사다리꼴일 수 있다.
상기 전극부는 기둥형태로 움푹 파인 홈에 의해서 형성될 수 있다.
상기 홈은 직육면체 형태일 수 있다.
상기 홈은 선단면에서 상기 전면으로 그 폭이 좁아지는 사다리꼴일 수 있다.
상기 전극부는, 기둥형태로 돌출되어 그 외경은 10nm 이하의 나노와이어 타입일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 입자상 센서 유닛은, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따라서, 디젤매연필터(DPF)의 매연(soot)과 같은 입자상물질의 포집량이나 배기가스에 포함된 입자상물질의 양을 정밀하게 판단함으로써 강화되는 배기가스 규제에 효과적으로 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차압에 따른 디젤매연필터에 포집된 입자상물질의 양을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서가 배기라인에 배치된 상태를 보여주는 개략적인 내부 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서와 입자상물질과의 거리변화에 따라서 센서유닛에서 발생되는 전하량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 전면을 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 후면을 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면과 그 주위 배기가스 흐름을 보여주는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면의 일부 상세 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면형태를 보여주는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 홈과 돌기의 폭 사이의 비율에 따른 등전위면선을 보여주는 그래프이다.
도 10의 (a), (b), 및 (c)은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 그루브 타입의 홈을 보여주는 사시도이다.
도 11의 (a), (b), 및 (c)은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 홈을 다른 형태를 보여주는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 홈의 형태에 따른 신호를 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 센서가 구비되는 배기시스템의 개략적인 구성도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 여러 가지 표면 형태를 보여주는 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차압에 따른 디젤매연필터에 포집된 입자상물질의 양을 나타내는 그래프이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서가 배기라인에 배치된 상태를 보여주는 개략적인 내부 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서와 입자상물질과의 거리변화에 따라서 센서에서 발생되는 전하량을 나타내는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 전면을 보여주는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 가로축은 차압의 크기를 나타내고, 세로축은 포집효율을 나타내는 것이다.
가운데의 제1영역(140)은 점차 강화되는 센서유닛의 차압영역이고, 제2영역(12)는 일반적인 차압센서가 감지할 수 있는 디젤매연필터의 포집효율이 50% 이하인 영역이다. 아울러, 제3영역(10)은 디젤매연필터가 파손되어 포집효율이 0에 가까운 영역이다.
도시한 바와 같이, 기존의 차압센서는 포집효율과 차압측면에서 민감도가 떨어지고, 감지영역이 한정되어 새로운 타입의 차압센서 또는 입자상물질 센서가 필요하다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 배기라인(100)의 내부에 배기가스가 흐르고, 배기가스 안에는 입자상물질(110)이 포함되어 있다.
상기 입자상물질(110)은 센서(120)(PM: particulate matters sensor)를 인접해서 지나게 되고, 상기 입자상물질(110)이 지나감에 따라서 상기 센서(120)는 신호를 발생시킨다.
상기 센서(120)에서 신호가 발생되는 요인은 대전된 입자상물질이 지날 때 상기 센서(120)에 유도되는 전하에 의해서 발생되는 것이다.
일반적으로 대전된 입자에 의해 생성되는 전기장은 다음의 식과 같이 나타난다.
Figure pat00001
■대전 입자에 의해 생성되는 전기장
Q는 대전입자가 가진 전하량이며, r은 대전 입자로부터 떨어진 거리이다. 또한
Figure pat00002
는 진공 중에서의 유전율이다.
센서 전극 계면에서 대전 입자상물질에 의한 전기장 값과 동일한 크기의 표면전하가 센서 전극에 발생하게 된다. 이 유도된 전하는 라플라스 방정식으로 풀 수 있다. 직교좌표계에서 z가 0인 평면에 놓인 도체 평판에 대해서 Q값의 전하량을 갖는 대전 점전하가 (0,0,d)에 놓여있을 때, 점전하에 의해 생성되는 전위 및 유도되는 표면전하밀도는 다음의 식과 같다.
Figure pat00003
■ 점전하에 의해 생성되는 전위
Figure pat00004
■ 점전하에 의해 생성되는 전기장
Figure pat00005
■ 유도되는 표면전하밀도
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
는 각각 직교 좌표계에서 x축, y축, z축 방향의 단위벡터를 나타낸다.
거리 x에 대해서 대전 입자에 의해 센싱 전극에 유도되는 유도 전하량을 그래프로 표현해 보면, 대전 입자와 전극간의 거리변화에 따라 아래 그림과 같이 펄스 형태의 신호가 발생하게 된다.
도 3을 참조하면, 센서와 입자상물질의 거리 x에 따른 유도된 전하신호 그래프를 보여준다.
도 4를 참조하면, 상기 센서(120)는 실리콘전극층(330) 및 절연층(340)으로 형성된다.
상기 실리콘전극층(330)은 가운데 설정된 두께로 형성되고, 상기 실리콘전극층(330)의 전면(300)와 후면(310)에 상기 절연층(340)이 얇게 형성되는 구조이다.
상기 절연층(340)은 상기 실리콘전극층(330) 위에 형성되는 산화물층(342)(Oxide) 및 상기 산화물층(342) 위에 형성되는 질화물층(344)(Nitride) 을 포함한다.
상기 센서(120)의 전면(300)에는 사각형으로 돌출된 전극부(320)가 형성되고, 상기 전극부(320)는 폭방향으로 제1거리(D1)를 두고 형성되고, 길이방향으로 제2거리(D2)를 두고 형성된다.
상기 제1거리(D1)와 상기 제2거리(D2)는 설계사양에 따라서 다양하게 가변될 수 있다. 아울러, 상기 돌출부(320)가 돌출된 높이도 설계사양에 따라서 다양하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전극부(320)는 상기 센서의 전면에서 돌출되어 형성됨으로써, 그 형상은 직육면체, 정육면체, 구형, 삼각뿔, 사각뿔, 및 원뿔 중 어느 하나의 일부분의 형태를 가지도록 형성될 수 있고,
상기 센서(120)의 후면(310)에 대해서는 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 후면을 보여주는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 센서(120)의 후면의 한쪽에는 상기 절연층(340)이 형성되고, 나머지 다른 쪽에는 상기 절연층(340)이 형성되지 않는다.
상기 절연층(340) 위에 히터전극(400)이 형성되고, 도시한 바와 같이, 상기 히터전극(400)은 지그제그모양으로 'ㄹ'자 형태를 가지는 부분을 포함한다.
상기 절연층(340)이 형성되지 않은 부분에는 상기 실리콘전극층과(330) 직접적으로 전기적으로 연결되는 센싱전극패드(410)가 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 실리콘전극층(330)은 실리콘웨이퍼와 유사한 재질로 Si성분을 포함하고, 상기 히터전극(400)과 상기 센싱전극패드(410)는 전기가 잘 통하고 내구성이 높은 백금(Pt) 성분으로 형성된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면과 그 주위 배기가스 흐름을 보여주는 측면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 센서(120)에는 배기가스의 흐름방향으로 설정된 간격을 두고 전면(300)에서 돌출되어 전극부(320)가 형성되고, 상기 전극부(320)와 상기 전극부(320) 사이에 홈의 형태를 따라서 등전위선(면)이 형성된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면의 일부 상세 측단면도이다. 도 7을 참조하면, 고랑 형태의 전극부의 단면을 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면형태를 보여주는 사시도이다. 도 8을 참조하면, 상기 센서(120)에는 길이방향과 수직한 방향으로 그루브(800)가 형성되고, 상기 그루브(800)는 길이방향으로 설정된 간격을 두고 배열된다. 그리고, 상기 그루브(800) 사이에 전극부(320)가 돌출되어 형성된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 홈과 돌기의 폭 사이의 비율에 따른 등전위면선을 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 가로축은 상기 전극부(320)의 폭(W)과 홈의 폭(S) 사이의 비(ratio)를 나타내고, 세로축은 등전위면적(area of equipotential)의 크기를 나타낸다.
도 10의 (a), (b), 및 (c)은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서유닛의 표면에 형성된 그루브 타입의 홈을 보여주는 사시도이다.
도 10의 (a), (b), (c)를 참조하면, 상기 센서(120)의 전면에는 배기가스의 흐름방향과 수직한 돌출형태의 전극부(320)가 형성되고, 상기 전극부(320) 사이에 그루브(800)(groove)가 형성된다.
아울러, 상기 전극부(320)의 폭과 높이는 모두 20 ㎛이고, 상기 전극부(320) 사이의 폭은 (a)에서 20 ㎛, (b)에서 40 ㎛, (c)에서 60 ㎛이다. 즉, 상기 그루브(800)의 폭은 (a)에서 20 ㎛, (b)에서 40 ㎛, (c)에서 60 ㎛이다.
도 11의 (a), (b), 및 (c)은 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 홈을 다른 형태를 보여주는 사시도이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 설정된 폭(w), 거리(s), 및 높이(h)를 갖는 전극부(320)를보여준다.
여기서, 센서(120)의 전면에 형성되는 상기 전극부(320)는 배기가스의 흐름방향과 수직한 방향으로 연속적으로 형성되어 고랑(groove, 그루브)타입이다. 여기서, 폭(W)과 높이(h)는 20㎛로 설정되고, 거리(s)는 20, 40, 60 ㎛ 등으로 변형되어 제작될 수 있다.
도 11의 (b)를 참조하면, 설정된 폭(w), 거리(s), 및 높이(h)를 갖는 전극부(320)를보여준다.
여기서, 상기 센서(120)의 전면에 형성되는 상기 전극부(320)는 기둥타입(pillar type)이다. 여기서, 폭(W)과 높이(h)는 20㎛로 설정되고, 거리(s)는 20, 40, 60 ㎛ 등으로 변형되어 제작될 수 있다.
도 11의 (c)를 참조하면, 설정된 폭(w), 거리(s), 및 높이(h)를 갖는 전극부(320)를보여준다.
여기서, 상기 센서(120)의 전면에 형성되는 상기 전극부(320)는 홈(102)이 기둥형태(pillar type)로 파인 포어타입(pore type)이다.
폭(W)과 높이(h)는 20㎛로 설정되고, 거리(s)는 20, 40, 60 ㎛ 등으로 변형되어 제작될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 표면에 형성된 홈의 형태에 따른 신호를 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 가로축은 입자상물질의 밀도(mg/m3)를 나타내고, 세로축은 센서의 타입에 따른 발생되는 신호의 크기를 나타낸다.
여기서, 센서(120)의 타입은 도 11에서 설명된 고랑타입, 기둥타입, 및 포어타입을 포함한다. 도시한 바와 같이, 고랑타입에서 센서신호가 크고 의미가 있다.
아울러, 폭(W) 및 거리(s)은 10㎛로 설정되고, 높이(h)는 40 ㎛ 로 설정될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 센서가 구비되는 배기시스템의 개략적인 구성도이다.
도 13의 (a) 및 (b)를 참조하면, 배기시스템은 엔진(130), 배기라인(100), 디젤매연필터(132), 센서(120), 및 가스분석기(134)를 포함한다.
도 13의 (a) 에서, 상기 디젤매연필터(132)를 지나기 전의 배기가스는 동시에 상기 센서(120)와 상기 가스분석기(134)로 공급된다. 따라서, 상기 디젤매연필터(132)를 지나기 전의 배기가스의 특성을 상기 센서(120)와 상기 가스분석기(134)로 감지하여 상기 센서(120)의 신호특성을 분석할 수 있다.
도 13의 (b) 에서, 상기 디젤매연필터(132)를 지난 배기가스는 동시에 상기 센서(120)와 상기 가스분석기(134)로 공급된다. 따라서, 상기 디젤매연필터(132)를 지난 배기가스의 특성을 상기 센서(120)와 상기 가스분석기(134)로 감지하여 상기 센서(120)의 신호특성을 분석할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 입자상물질 센서의 여러 가지 표면 형태를 보여주는 사시도이다.
도 14의 (a)는 기둥타입의 전극부(320)를 갖는 센서를 보여주고 있으며, 상기 기둥타입의 전극부(320)의 측면에는 경사면(142)이 형성된다. 상기 경사면(142)은 선단면으로 갈수록 상기 전극부(320)의 폭이 넓어지도록 형성된다.
도 14의 (b)는 나노와이어 타입의 전극부(320)를 갖는 센서(120)를 보여주고 있으며, 상기 나노와이어 타입의 전극부(320)는 직경(d), 높이(h)를 가지며, 이들 사이에 거리(s)가 형성된다.
도 14의 (c)는 고랑타입의 전극부(320)를 갖는 센서를 보여주고 있으며, 상기 고랑타입의 전극부(320)에는 측면에 경사면(142)이 형성된다. 상기 경사면(142)에 의해서 상기 전극부(320)의 단면은 사다리꼴 형태를 갖는다.
도 14의 (d)는 고랑타입의 전극부(320)를 갖는 센서를 보여주고 있으며, 상기 고랑타입의 전극부(320)에는 측면에 경사면(142)이 형성된다. 상기 경사면(142)에 의해서 상기 전극부(320)의 단면은 삼각형 형태를 갖는다.
도 14의 (e)는 포어타입의 전극부(320)를 갖는 센서(120)을 보여주고 있으며, 상기 포어타입의 홈(102)에는 내측면에 경사면(142)이 형성된다. 상기 경사면(142)에 의해서 상기 홈(102)의 단면은 사다리꼴 형태를 갖는다.
여기서, 상기 나노와이어 타입의 전극부(320)의 직경(d)는 10 nm이하로 나노와이어이다. 그리고, 폭(w)는 20 ㎛, 높이(h)는 20 ㎛ 이상, 거리(s)는 20 내지 120 ㎛ 로 설정될 수 있다. 아울러, 상기 경사면(142)의 경사는 약 50내지 60도 (54.7도)의 하나의 값으로 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 센서는 상기 디젤매연필터의 후단부에 설치되고, 상기 센서는 상기 디젤매연필터의 후단으로 빠져나오는 입자상물질에 의해서 전하신호를 발생시키고, 발생되는 전하신호의 크기와 빈도에 따라서 상기 디젤매연필터의 파손을 판단하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 배기라인 120: 센서
110: 입자상물질 300: 전면
310: 후면 320: 전극부
330: 실린콘전극층 340: 절연층
342: 산화물층 344: 질화물층
400: 히터전극 410: 센싱전극패드
800: 그루브 102: 홈
130: 엔진 132: 디젤매연필터
134: 가스분석기 142: 경사면

Claims (17)

  1. 배기가스가 지나는 배기라인; 및
    상기 배기라인의 일측에 설치되어, 상기 배기가스에 포함된 전하를 띤 입자상물질이 근처를 지날 때, 상기 입자상물질에 의해서 전하가 발생되는 정전유도방식의 센서; 를 포함하고,
    상기 센서에는,
    상기 입자상물질과 인접한 전면에 전극부가 형성되는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  2. 제1항에서,
    상기 전극부는,
    배기가스가 흐르는 방향과 교차하는 방향으로 돌출되는 고랑타입인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  3. 제2항에서,
    상기 전극부는 배기가스가 흐르는 방향과 수직하게 형성되는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  4. 제2항에서,
    상기 전극부의 폭은 20nm이고, 상기 홈의 폭은 20 내지 120nm의 범위에 포함되는 하나의 값이고, 높이는 20nm 내지 수백 nm인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  5. 제2항에서,
    상기 전극부의 선단면에서 상기 홈 방향으로 경사진 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  6. 제2항에서,
    상기 경사면은 상기 전면과 50도 내지 60도를 형성하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센세유닛.
  7. 제5항에서,
    상기 경사면에 의해서 상기 전극부의 단면은 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  8. 제5항에서,
    상기 경사면에 의해서 상기 전극부의 단면은 삼각형꼴인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  9. 제1항에서,
    상기 전극부는,
    상기 전면에서 기둥형태로 돌출되는 기둥타입인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  10. 제9에서,
    상기 돌출부의 측면에는 그 폭이 선단부에서 상기 전면 방향으로 넓어지는 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  11. 제10에서,
    상기 전극부의 단면은 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  12. 제10에서,
    상기 전극부의 단면은 삼각형인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  13. 제1항에서,
    상기 전극부는
    기둥형태로 움푹 파인 홈에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  14. 제13항에서,
    상기 홈은 직육면체 형태인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  15. 제13항에서,
    상기 홈은 선단면에서 상기 전면으로 그 폭이 좁아지는 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  16. 제1항에서,
    상기 전극부는,
    기둥형태로 돌출되어 그 외경은 10nm 이하의 나노와이어 타입인 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
  17. 제1항에서,
    상기 센서의 상류측에 디젤매연필터(DPF)가 설치되고, 상기 센서는 상기 디젤매연필터에서 배출되는 입자상물질에 따라서 전하신호를 발생시키고, 그 발생된 전하신호에 따라서 상기 디젤매연필터의 파손을 판단하는 제어부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 센서유닛.
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