KR20150081362A - 온도 탐침 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20150081362A
KR20150081362A KR1020157015323A KR20157015323A KR20150081362A KR 20150081362 A KR20150081362 A KR 20150081362A KR 1020157015323 A KR1020157015323 A KR 1020157015323A KR 20157015323 A KR20157015323 A KR 20157015323A KR 20150081362 A KR20150081362 A KR 20150081362A
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잔 이흘
제랄드 클로이버
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에프코스 아게
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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring 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
    • G01K7/22—Measuring 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 non-linear resistance, e.g. thermistor

Abstract

적어도 2개의 제1 세라믹 판들(11, 12), 제1 세라믹 판들(11, 12) 사이에 배치되는 적어도 하나의 제2 세라믹 판(21), 및 2개의 제3 세라믹 판들(31, 32)을 포함하는 온도 탐침(1)이 제공된다. 2개의 제1 세라믹 판들(11, 12)은 각각 하나의 리세스(110, 220)를 구비하고, 이러한 리세스에는 각각 하나의 NTC-센서 부재(51, 52)가 배치된다. 제2 세라믹 판(21)과 2개의 제1 세라믹 판들(11, 12) 사이에 각각 하나의 전극(211, 212)가 배치되고, 전극은 각각 NTC-센서 부재(51, 52) 중 하나의 NTC-센서 부재와 전기적으로 접촉한다. 제1 세라믹 판들 및 제2 세라믹 판(11, 12, 21)은 2개의 제3 세라믹 판들(31, 32) 사이에 배치된다. 또한, 제3 세라믹 판들(31, 32)과 제1 세라믹 판들(11, 12) 사이에 각각 하나의 전극(311, 321)이 배치되며, 전극은 각각 NTC-센서 부재(51, 52) 중 하나의 NTC-센서 부재와 전기적으로 접촉한다. NTC-센서 부재들(51, 52)은 각각 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32)에 의해 완전히 둘러싸이며, 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32) 및 NTC-센서 부재들(51, 52)은 소결되어 세라믹 몸체(6)를 이룬다. 또한, 온도 탐침(1)의 제조 방법이 제공된다.

Description

온도 탐침 및 그 제조 방법{TEMPERATURE PROBE AND METHOD FOR PRODUCING A TEMPERATURE PROBE}
온도 탐침 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
매우 다양한 응용 분야에서 모니터링 및 제어를 목적으로 온도를 측정하는 것은 예컨대 세라믹 열 도체-서미스터 소자(NTC thermistor, "부 온도 계수 서미스터"), 규소-온도 센서(예컨대 소위 KTY-온도 센서), 백금 온도 센서(PRTD, "백금 저항 온도 검출기") 또는 열 소자(TC, "열전대(thermocouple)")에 의해 이루어진다. 충분한 기계적 안정성 및 외부 영향으로부터의 보호, 그리고 공격적 매질(aggressive medium)에 의한 부식을 방지하고 NTC-물질 내에서 또는 전극 내에서 가스 분위기에 의한 온도 조건적 물질 변화를 막기 위해 세라믹 센서 부재는 일반적으로 중합체 또는 유리로 구성된 코팅을 구비한다. 그러한 센서 부재의 최대 사용 온도는 중합체 피복의 경우 약 200℃에 제한되고, 유리 피복의 경우 약 500℃ 내지 700℃에 제한된다.
그러나 설명된 센서 부재들은 매우 높은 온도에서 측정을 위해 바로 사용될 수 없고/사용될 수 없거나 매우 공격적인 매질에서 지속적으로 사용될 수 없다. 그럼에도 불구하고 공격적 매질에서 사용할 수 있기 위해, 센서 부재는 종종 플라스틱 하우징 또는 고급강 하우징 내에 설치된다. 부재에 대한 열 접촉을 구현하기 위해, 부가적으로 주조 물질(casting material)이 사용되는 경우가 매우 빈번하다. 이와 같은 구조의 시스템은, 사용되는 물질에 있어 부가적인 구성 조건적 열 전달 및 낮은 열 전도로 인하여 응답 시간 지연이 존재한다는 것이 또 다른 단점이다.
센서 부재의 가급적 낮은 저항 허용 공차(resistance tolerance)를 달성하기 위해, 센서 부재의 제조 시에, 센서 부재의 피복 전에 저항은 기계적 가공에 의해, 예컨대 트리밍에 의해, 연마에 의해 또는 유리 피복된 센서 부재의 경우 열처리에 의해 재조정될 수 있다. 그러나 이미 피복된 센서의 저항을 재조정하는 것은 오로지 제한적으로만 가능하다.
적어도 일부 실시 형태들에 따른 해결 과제는 높은 견고성 및 짧은 응답 시간을 포함하는 온도 탐침을 제공하는 것이다. 적어도 일부 실시 형태들의 다른 과제는 온도 탐침의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 독립 청구항들에 따른 대상물 및 방법에 의하여 해결된다. 대상물의 유리한 실시 형태들 및 발전예들은 종속 청구항들, 이하의 상세한 설명 및 도면들로부터 도출된다.
적어도 일 실시 형태에 따른 온도 탐침은 적어도 2개의 제1 세라믹 판들을 포함하고, 이러한 세라믹 판들은 각각 하나의 리세스를 구비한다. 리세스들 내에는 바람직하게는 각각 하나의 NTC-센서 부재가 배치되어 있다. 리세스들은 예컨대 세라믹 판들의 표면으로부터 이에 대향된 세라믹 판들의 표면까지 달하는 캐비티일 수 있다. 리세스들은 각각 측방향에서, 즉 제1 세라믹 판들의 주요 연장 방향에 대해 평행한 방향에서 각각의 제1 세라믹 판들의 물질에 의해 둘러싸여 있어서, 각각의 NTC-센서 부재는 측방향에서 각각의 제1 세라믹 판의 물질에 의해 둘러싸여 있다. 또한, 온도 탐침은 적어도 하나의 제2 세라믹 판을 포함하고, 제2 세라믹 판은 제1 세라믹 판들 사이에 배치되어 있다. 제2 세라믹 판은 바람직하게는 직접적으로 2개의 제1 세라믹 판들 사이에 배치되며, 즉 2개의 제1 세라믹 판들 중 일 세라믹 판과 제2 세라믹 판 사이, 그리고 2개의 제1 세라믹 판들 중 타 세라믹 판과 제2 세라믹 판 사이에 어떠한 다른 세라믹 판이 배치되지 않음을 의미한다. 제2 세라믹 판과 2개의 제1 세라믹 판들 사이에는 각각 하나의 전극이 배치되며, 이러한 전극들은 각각 NTC-센서 부재들 중 하나와 각각 전기적으로 접촉하고 있다.
온도 탐침은 2개의 제3 세라믹 판들을 더 포함한다. 제1 세라믹 판들 및 제2 세라믹 판은 2개의 제3 세라믹 판들 사이에 배치되어 있다. 바람직하게는, 제1 세라믹 판들과 제3 세라믹 판들 사이에는 다른 세라믹 판들이 배치되지 않는다. 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들은 바람직하게는 하나의 층 스택(stack of layers)을 형성한다. 제3 세라믹 판들과 제1 세라믹 판들 사이에는 각각 하나의 전극이 배치되고, 이러한 전극은 각각 NTC-센서 부재 중 하나와 전기적으로 접촉하고 있다. 제2 세라믹 판과 제1 세라믹 판들 사이에, 그리고 제1 세라믹 판들과 제3 세라믹 판들 사이에 배치되는 전극들은 예컨대 Cu, Ag, Au, Pt, Mo, W로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 또한, 전극들은 예컨대 AgPd와 같은 금속 합금을 포함하거나 금속 합금으로 구성될 수 있다. 예컨대, 전극들은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 제공될 수 있다.
NTC-센서 부재는 바람직하게는 각각 세라믹 판들에 의해 완전히 둘러싸여 있다. 특히, NTC-센서 부재는 각각 복수의 측면들을 포함할 수 있고, 이러한 측면들은 각각 모두가 세라믹 판들에 의해 둘러싸여 있다. 따라서 NTC-센서 부재들은 세라믹 판들 내에 매립되어 있을 수 있다. 또한, 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들 및 NTC 센서 부재가 소결되어 하나의 세라믹 몸체가 된다. 바람직하게는, 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들, 그리고 NTC-센서 부재는 공통의 소결 공정에서 소결되어 세라믹 몸체가 되고, 이때 세라믹 판들 및 NTC-센서 부재들은 이러한 공통적 소결 공정 전에는 아직 소결되지 않은 물질로서 존재하고, 예컨대 세라믹 판들의 경우 아직 소결되지 않은 세라믹 테이프(ceramic tape)로서 또는 NTC-센서 부재의 경우 아직 소결되지 않은 세라믹 센서 물질로서 존재한다.
NTC-센서 부재들을 사용함으로써, 유리하게는, 온도 탐침의 제조 비용은 적게 유지될 수 있다. 예컨대 열 소자 또는 예컨대 Pt-소자와 같은 금속 저항 소자에 비해 NTC-센서 부재의 다른 이점은 부 저항 온도 특성이 우수하다는 것이다.
다른 실시 형태에 따르면, 온도 탐침은 적어도 3개인 복수의 제1 세라믹 판들 및 복수의 제2 세라믹 판들을 포함한다. 적어도 3개의 제1 세라믹 판들은 각각 리세스를 포함하고, 리세스 내에서 NTC-센서 부재가 배치되어 있다. 제1 및 제2 세라믹 판들은 교번적으로 서로 포개어, 제3 세라믹 판들 사이에 배치된다. 이때 각각의 제2 세라믹 판은 직접적으로 2개의 제1 세라믹 판들 사이에 배치되어 있다. 또한, 제1 및 제2 세라믹 판들 사이에 각각 하나의 전극은 각각의 NTC-센서 부재의 접촉을 위해 배치되어 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 온도 탐침은 적어도 2개의 제4 세라믹 판들을 포함하고, 이때 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들은 적어도 2개의 제4 세라믹 판들 사이에 배치된다. 바람직하게는, 2개의 제4 세라믹 판들은 각각 제1 세라믹 판들로부터 멀어지는 방향의 제3 세라믹 판들의 측면들과 직접 접촉하여 배치된다. 예컨대, 제4 세라믹 판들은 제3 세라믹 판들과 동일한 형태 및 크기를 가지고, 제3 세라믹 판들과 전면적으로 결합되며, 이때 서로 접촉하는 제3 및 제4 세라믹 판들 사이에는 다른 부재가 배치되지 않는다. 바람직하게는, 제4 세라믹 판들은 그 사이에 배치되는 세라믹 판들, 및 NTC-센서 부재와 함께 소결되어 세라믹 몸체를 형성한다. 온도 탐침은 또한 다른 제4 세라믹 판들을 포함할 수 있고, 이때 제1, 제2 또는 제2, 제3 및 제4 세라믹 판들은 이러한 다른 제4 세라믹 판들 사이에 배치된다. 이러한 다른 제4 세라믹 판들은 바람직하게는 마찬가지로, 그 사이에 배치되는 세라믹 판들 및 NTC-센서 부재와 함께 소결된다. 제4 세라믹 판들을 이용하여 온도 탐침의 안정성 및 견고성이 증대될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, NTC-센서 부재들은 원소들 Y, Ca, Cr, Al, O를 함유하는 페로브스카이트 구조(perovskite structure)를 포함한다. 또한 페로브스카이트계 NTC-센서 부재들은 원소 Sn을 포함할 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, NTC-센서 부재들은 각각, 일반 화학식 ABO3의 페로브스카이트 구조를 갖는 세라믹 물질을 포함한다. 특히 높은 응용 온도에 적합해야 하는 내온도성이 높은 온도 탐침을 위해, 이와 같은 세라믹 물질을 포함하는 NTC-센서 부재가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, NTC-센서 부재는 (Y1-xCax)(Cr1-yAly)O3의 조성을 포함하며, 이때 x = 0.03 내지 0.05이고, y = 0.85이다.
다른 실시 형태에 따르면, NTC-센서 부재들은 원소들 Ni, Co, Mn, O를 함유하는 스피넬 구조(spinel structure)를 포함한다. 스피넬계 NTC-센서 부재들은 Al, Fe, Cu, Zn, Ca, Zr, Ti, Mg 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, NTC-센서 부재는 일반 화학식 AB2O4 또는 B(A, B)O4의 스피넬 구조를 갖는 세라믹 물질을 포함한다. 이와 같은 세라믹 물질을 포함하는 NTC-센서 부재는 특히 응용 온도를 포함한 온도 탐침에서 바람직하다. 더욱 바람직한 실시 형태에 따르면, NTC-센서 부재는 Co3-(x+y)NixMnyO4 조성을 포함하고, 이때 x = 1.32, y = 1.32이다.
특히 센서 부재들은 모두 동일한 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 적어도 2개의 센서 부재들은 상이한 물질들을 포함하는 경우를 고려할 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면 세라믹 판들은 높은 열전도도를 갖는 세라믹을 포함하거나 높은 열 전도도를 갖는 세라믹으로 구성된다. 예컨대, 세라믹 판들은 "HTCC"(HTCC: "고온 동시 소성 세라믹") 유형의 세라믹을 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 매우 바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹 파들은 알루미늄 옥사이드를 포함하거나 알루미늄 옥사이드로 구성된다. 유리하게는, 이러한 알루미늄 옥사이드의 순도는 적어도 95% 내지 99.9% 또는 그 이상이다. 유리하게는, 순도가 더 높으면 기계적 강도 및 화학적 내구성과 관련하여 온도 탐침의 견고성이 증가한다. 특히, NTC-센서 부재가 페로브스카이트 구조의 세라믹을 포함하는 경우, 세라믹 판들은 "HTCC"유형의 세라믹, 특히 알루미늄 옥사이드를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 스피넬 구조의 "HTCC" 유형의 세라믹을 사용하는 것도 가능하다.
다른 실시 형태에 따르면, 세라믹 판들은 유리 세라믹을 포함하거나 유리 세라믹으로 구성된다. 예컨대 세라믹 판들은 LTCC-유리 세라믹 (LTCC: "저온 동시소성 세라믹"), 예컨대 LTCC-GBC (GBC: "유리 본딩 세라믹")을 포함하거나 그것으로 구성될 수 있다. 유리 세라믹을 포함하는 세라믹 판들은 특히 스피넬 구조의 NTC-센서 부재에서 바람직하다. 바람직하게는, 유리 세라믹은 그 소결 온도와 관련하여 NTC-센서 부재의 소결 온도에 정합되어 있다.
유리하게는, 본원에 설명되는 온도 탐침은 NTC-센서 부재의 완전 세라믹 봉지에 의해 공격적인 매질에서도 1200℃까지 달하는 온도에서 매우 장시간 안정적이다.
또한, 완전 세라믹 봉지, 및 이러한 봉지의 기초가 되는 NTC-센서 부재와의 물질 결합으로 인하여 응답 시간은 매우 짧고, 예컨대 세라믹 판들의 개수, 두께 및 물질에 따라 3초 미만일 수 있으며 유리하게는 1초 미만일 수 있다. 세라믹 판들의 두께가 매우 얇고/얇거나 제4 세라믹 판들의 수가 적으면, 온도 탐침의 응답 시간은 더욱이 수 밀리초에 불과할 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 세라믹 판들의 두께는 10 ㎛와 100 ㎛사이이다. 매우 바람직한 실시 형태에 따르면, 세라믹 판들의 두께는 15 ㎛와 30 ㎛사이이다. 이를 통해 유리하게는 온도 탐침의 매우 짧은 응답 시간이 달성될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, NTC-센서 부재들은 각각, 온도 탐침의 모든 표면에 대해 적어도 0.2 mm의 간격을 가진다. 이를 통해 온도 탐침의 충분한 견고성이 달성될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 온도 탐침은 세라믹 몸체 상에 제공된 2개의 연결 캡을 포함한다. 연결 캡들은 바람직하게는 각각 적어도, 2개의 전극들과 전기 전도적으로 연결되어 있다. 연결 캡들은 예컨대 온도 탐침의 일 말단에 제공될 수 있고, 각각 온도 탐침의 4개의 측면을 부분적으로 덮을 수 있다. 연결 캡들은 온도 탐침의 외부 전기적 접촉을 위해 기능한다. 예컨대 연결 캡들은 금속화 페이스트 내에서의 침지 공정을 이용하여, 스퍼터링을 이용하여, 화염 용사(flame spraying)를 이용하여 또는 플라즈마 용사를 이용하여 제조될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 온도 탐침의 저항은 연결 캡들 중 적어도 하나의 연결 캡의 기계적 가공에 의해 조절 가능하다. 기계적 가공은 예컨대 트리밍 공정 또는 연마 공정일 수 있다. 저항 허용 공차의 조절을 위해 예컨대 온도 탐침의 저항의 공칭 온도(nominal temperature)가 측정되고, 동시에 또는 그 후에 연결 캡들 중 적어도 하나가 연마되되, 저항이 원하는 공차 범위 내에 있을 때까지 연마된다. 이때 하나 이상의 전극들에 대한 하나 이상의 전기적 연결부들은 기계적으로 분리된다. 유리하게는, 온도 탐침은 매우 좁은 저향 허용 공차로 제조될 수 있다. 예컨대 허용 공차는 1%미만, 유리하게는 0.1%에 달할 수 있다.
또한, 온도 탐침의 제조 방법이 제공된다. 이를 통해 제조될 수 있거나 이를 통해 제조되는 온도 탐침은 전술한 실시 형태들의 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다. 전술한 실시 형태들 및 이하에 설명되는 실시 형태들은 온도 탐침 뿐만 아니라 온도 탐침의 제조 방법에 대해서도 균등하게 적용된다.
다른 실시 형태에 따르면, 적어도 2개의 제1 세라믹 테이프(ceramic tapes), 적어도 하나의 제2 세라믹 테이프, 및 적어도 2개의 제3 세라믹 테이프가 준비된다. 예컨대 세라믹 테이프는 테이프 주조(tape casting) 공정을 이용하거나 테이프 연신(tape drawing) 공정을 이용하여, 바람직하게는 유기 결합제를 이용하여 제조된다. 다른 방법 단계에서, 제1 세라믹 테이프들 내에 각각 하나의 리세스가 펀칭된다. 리세스들은 바람직하게는, 각각 제1 세라믹 테이프의 표면으로부터 이에 대향된 제1 세라믹 테이프의 표면까지 연장되는 캐비티들이다.
다른 실시 형태에 따르면, 다른 방법 단계에서 제3 세라믹 테이프들 중에 하나의 제3 세라믹 테이프 위에 전극이 예컨대 스크린 인쇄 공정을 이용하여 제공된다. 이어서, 2개의 제1 세라믹 테이프들 중 하나는 직접적으로 상기 하나의 제3 세라믹 테이프 상에 배치되고, 이때 이러한 하나의 제3 세라믹 테이프 상에 제공되는 전극은 적어도 부분적으로 상기 하나의 제1 세라믹 테이프의 리세스 내에 배치되어 있다. 이후, 세라믹 센서 물질은 제1 테이프의 리세스 내에 제공됨으로써, 세라믹 센서 물질은 적어도 부분적으로 상기 하나의 제3 세라믹 테이프의 전극을 덮는다. 바람직하게는, 세라믹 센서 물질은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 제공된다. 이후의 방법 단계에서, 다른 전극은 상기 하나의 제1 세라믹 테이프 상에 스크린 인쇄 공정을 이용하여 제공됨으로써, 이러한 다른 전극은 세라믹 센서 물질과 닿는다. 이어서, 제2 세라믹 테이프는 제1 세라믹 테이프 상에 제공된다.
다른 실시 형태에 따르면, 이후의 방법 단계에서, 전극은 제2 세라믹 테이프상에, 바람직하게는 스크린 인쇄 공정을 이용하여 제공된다. 이후의 방법 단계에서, 상기 다른 제1 세라믹 테이프는 이러한 제2 세라믹 테이프 상에 제공되되, 제2 세라믹 테이프상에 제공된 전극이 이러한 다른 제1 세라믹 테이프의 리세스 내에 배치되는 방식으로 제공된다. 이어서, 다시 세라믹 센서 물질은 이러한 리세스 내에 제공됨으로써, 세라믹 센서 물질은 그 아래 위치한 전극과 접촉한다. 다른 방법 단계에서, 제3 세라믹 테이프들 중 두번째 세라믹 테이프는 제1 세라믹 테이프 상에 제공된다. 설명된 방법 단계들을 통하여, 포개어 적층되는 세라믹 테이프들 및 매립된 센서 물질들로 이루어진 결합체가 생성된다. 일 세라믹 테이프가 타 세라믹 테이프 상에 배치되는 것은 예컨대 라미네이팅을 이용하여 수행될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 포개어 적층되는 세라믹 테이프들 및 매립된 센서 물질로 이루어지는 이러한 제조된 결합체는 압축된다. 이를 통해 유리하게는 양호한 물질 결합이 보장될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 포개어 적층되는 세라믹 테이프들 및 매립되는 센서 물질들로 이루어지는 결합물은 열에 의한 탈지 공정을 이용하여 유기 성분이 제거된다.
다른 실시예들에 따르면, 세라믹 테이프들 및 센서 물질로 이루어진 결합물은 함께 소결된다. 이때 세라믹 테이프들은 전술한 바와 같이 서로 결합되는 세라믹 판들이 되도록 소결된다. 소결은 바람직하게는 1600℃와 1700℃사이의 온도에서 이루어지고, 특히, 소결 이후에 NTC-센서 부재들을 형성하는 세라믹 센서 물질들이 예컨대 페로브스카이트 구조 또는 스피넬 구조를 갖는 "HTCC" 유형의 세라믹을 포함할 때 그러하다. 대안적으로, 소결은 1200℃와 1250℃사이의 온도에서 이루어지며, 특히 세라믹 센서 물질 또는 NTC-센서 부재가 예컨대 스피넬 구조를 갖는 "LTCC" 유형의 세라믹을 포함할 때 그러하다.
다른 실시 형태에 따르면, 소결 후에 적어도 2개의 연결 캡들이 세라믹 몸체 상에 제공된다. 이를 위해 세라믹 몸체는 금속화 페이스트 내에 침지되고, 제공되는 금속화 페이스트는 이어서 소성된다. 다른 실시 형태에 따르면, 연결 캡들은 스퍼터링을 이용하여, 화염 용사를 이용하여 또는 플라즈마 용사를 이용하여 제공된다. 각각의 연결 캡들은 바람직하게는 적어도 2개의 전극들과 접촉한다. 이러한 2개의 연결 캡들을 이용하여 NTC-센서 부재들은 나란히 연결된다. 연결 캡들은 NTC-센서 부재들의 외부 전기 접촉을 위해 기능한다.
다른 실시 형태에 따르면, 제1, 제2 및 제3 세라믹 테이프들 외에 적어도 2개의 제4 세라믹 테이프들이 더 준비된다. 하나의 제3 세라믹 테이프 상에 제1 세라믹 테이프의 배치 단계 전에 수행되는 방법 단계에서, 제3 세라믹 테이프는 직접적으로 제4 세라믹 테이프들 중 하나의 제4 세라믹 테이프 상에 배치된다. 또한, 다른 제1 세라믹 테이프 상에 다른 제3 세라믹 테이프가 배치되는 단계가 수행된 후의 방법 단계에서, 제4 테이프들 중 다른 제4 테이프는 직접적으로 상기 다른 제3 테이프 상에 배치된다. 이어서, 제1, 제2, 제3 및 제4 세라믹 테이프들로 이루어진 결합물이 전술한 세라믹 판들을 형성하면서 서로함께 소결된다. 제4 세라믹 테이프들은 저부- 및 상부 테이프로서 기능하며 유리하게는 온도 탐침을 안정화한다.
제3 세라믹 테이프들 사이에 또한 적어도 3개인 복수의 제1 세라믹 테이프들 및 적어도 2개인 복수의 제2 세라믹 테이프들이 앞의 설명에 따라 서로 교번적으로 제공되어 적어도 3개의 센서 부재들이 포개어 배치될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 바람직하게는 공칭 온도에서 온도 탐침의 저항이 측정된다. 이어서, 연결 캡들 중 적어도 하나의 연결 캡이 기계적으로 가공됨으로써 온도 탐침의 저항이 조절될 수 있다. 이러한 적어도 하나의 연결 캡은 기계적으로 가공되되, 온도 탐침의 저항이 허용 공차 값 내에 있을 때까지 가공될 수 있다. 연결 캡의 기계적 가공은 예컨대 연마 또는 트리밍에 의해 수행될 수 있다.
본원에 설명된 세라믹 다층 기술을 이용하여 온도 탐침을 제조함으로써, 유리하게는 높은 기계적 강도를 가진 온도 탐침이 매우 작은 구조로 제조될 수 있다. 또한, 특히 NTC-센서 부재들의 안정적 피복이 달성됨에 따라 양호한 장시간 매질 저항성 및 온도 탐침의 견고성이 짧은 응답 시간과 연계하여 달성된다. 예컨대 본원에 설명된 온도 센서는 NTC-센서 부재들의 완전 세라믹 봉지에 의해 약 1100℃까지 또한 매우 공격적인 매질이나 가스에서도 사용될 수 있다. 또한, 유리하게는 매우 좁은 저항 허용 공차를 갖는 온도 탐침이 제조될 수 있고, 이러한 저항 허용 공차는 연결 캡에 의해 조절될 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 복수의 온도 탐침들이 제조되되, 제1 세라믹 테이프들 내에 각각 복수의 리세스들이 펀칭되고, 제1 세라믹 테이프가 제3 세라믹 테이프 상에 배치된 후에 각각 세라믹 센서 물질이 이러한 복수의 리세스들 내에 유입되면서 제조된다. 소결 공정 및/또는 탈지 공정 전에, 세라믹 테이프들로 이루어진 결합물은 절단 공정에 의해 개별 부재들로 개별화된다.
온도 탐침의 다른 이점들 및 유리한 실시 형태들은 이하 도 1a 내지 도 6과 연관하여 설명된 실시 형태들로부터 도출된다.
도 1a 내지 1j는 일 실시예에 따른 온도 탐침의 제조 방법을 나타낸 도면들이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 온도 탐침의 제조 방법을 위한 다른 방법 단계를 도시한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 온도 탐침의 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 온도 탐침의 개략도이다.
도 5는 도 4의 온도 탐침을 절단한 형태로 도시한 개략도이다.
도 6은 도 5의 온도 탐침의 절단된 일부를 확대한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 온도 탐침의 등가 회로도이다.
실시예들 및 도면들에서 동일하거나 동일한 효과를 가진 구성요소는 각각 동일한 참조 번호를 구비할 수 있다. 도시된 요소들 및 이들의 크기비는 기본적으로 축척에 맞지 않는 것으로 간주된다. 오히려, 개별 요소들 예컨대 층들, 부품들, 영역들은 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위해 과장되어 두껍거나 큰 치수로 도시되어 있을 수 있다.
도 1a 내지 1j는 일 실시예에 따른 온도 탐침(1)의 제조 방법을 도시한다. 이때 우선 각각 하나의 리세스(110, 120)를 구비하는 2개의 제1 세라믹 테이프들(15, 16), 1개의 제2 세라믹 테이프(25) 및 2개의 제3 세라믹 테이프들(35, 35), 그리고 세라믹 센서 물질(50)이 준비된다. 세라믹 테이프들(15, 16, 25, 35, 36)은 알루미늄 옥사이드를 포함한다. 대안적으로 세라믹 테이프들(15, 16, 25, 35, 36)은 다른 세라믹 물질, 바람직하게는 열 전도도가 양호한 세라믹 물질 또는 유리 세라믹을 포함할 수 있다. 세라믹 테이프들(15, 16, 25, 35, 36)은 예컨대 테이프 주조 공정을 이용하거나 테이프 연신 공정을 이용하여 제조될 수 있고, 그 두께는 10 ㎛와 100 ㎛사이, 바람직하게는 15 ㎛와 30 ㎛사이일 수 있다.
세라믹 센서 물질(50)은 원소들 Y, Ca, Cr, Al, O를 함유한 페로브스카이트 구조를 포함한다. 특히 세라믹 센서 물질(50)은 (Y1-xCax)(Cr1-yAly)O3의 조성을 포함하며, 이때 x = 0.03 내지 0.05이고, y = 0.85이다. 대안적으로, 세라믹 센서 물질(50)은 원소들 Ni, Co, Mn, O를 함유하는 스피넬 구조를 포함한다. 이와 같은 세라믹 센서 물질(50)은 예컨대 Co3-(x+y)NixMnyO4 조성을 포함하고, 이때 x = 1.32, y = 1.32이다.
도 1a에 도시된 제1 방법 단계에서, 전극(311)은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 제3 세라믹 테이프들 중에 하나의 제3 세라믹 테이프(35) 상에 제공된다. 이후, 도 1b에 도시된 방법 단계에서, 제1 세라믹 테이프들 중 하나의 제1 세라믹 테이프(15)는 이러한 제3 세라믹 테이프(35) 상에 제공되되, 전극(311)이 적어도 부분적으로 이러한 제1 세라믹 테이프(15)의 리세스(110) 내에 배치되도록 제공된다. 도 1c에 도시된 다른 방법 단계에서, 세라믹 센서 물질(50)은 리세스(110) 내에 반입됨으로써, 세라믹 센서 물질(50)은 전극(311)과 닿는다. 이어서, 도 1d 에 도시된 방법 단계에서, 다시 전극(211)은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 이러한 제1 세라믹 테이프(15) 상에 제공됨으로써, 전극(211)은 세라믹 센서 물질(50)에 닿는다. 이어서, 도 1e에 따른 방법 단계에서, 제2 세라믹 테이프(25)는 이러한 제1 세라믹 테이프(15) 상에 배치된다. 도 1f에 도시되는 이후의 방법 단계에서, 전극(212)은 제2 세라믹 테이프(25)상에 제공된다. 이어서, 리세스(120)를 구비한 다른 제1 세라믹 테이프(16)가 도 1g에 도시된 방법 단계에서 제2 세라믹 테이프(25) 상에 제공됨으로써, 전극(212)은 적어도 부분적으로 리세스(120) 내에 배치된다. 도 1h에 도시된 방법 단계에서, 다시 센서 물질(50)은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 리세스(120) 내에 반입된다. 도 1i에 도시된 다른 방법 단계에서, 다른 제3 테이프(36)는 다른 제1 세라믹 테이프(16) 상에 제공된다. 이어서, 도 1j에 도시된 방법 단계에서 세라믹 테이프들로 이루어진 결합물은 소결되어 세라믹 몸체(6)가 되고, 이때 제1, 제2, 및 제3 세라믹 테이프들(15, 16, 25, 35, 36)은 서로 결합되는 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32)이 되면서 소결된다. 세라믹 센서 물질(50)은 소결 시 NTC-센서 부재들(51, 52)이 된다.
도 1d, 1e와 연관하여 도시된 방법 단계에 대해 대안적으로, 또한, 이미 전극(211)이 인쇄된 제2 세라믹 테이프(25)가 세라믹 센서 물질(50)을 포함한 제1 세라믹 테이프(15) 상에 배치될 수도 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 제4 세라믹 테이프들(45, 46)이 준비되고, 제3 세라믹 테이프(35)는 도 1a에 도시된 방법 단계 전에 수행되는 방법 단계에서 제4 세라믹 테이프들 중 하나의 제4 세라믹 테이프(45) 상에 제공될 수 있다. 이어서, 이미 도 1a 내지 1i와 연관하여 설명된 방법 단계들이 후속하되, 세라믹 테이프들로 이루어진 결합물이 함께 소결되기 전에 수행되는 다른 방법 단계에서 다른 제4 세라믹 테이프(46)가 다른 제3 세라믹 테이프(36) 상에 제공되기 전에 그러하다. 제4 세라믹 테이프들(45, 46)은 세라믹 테이프들로 이루어진 결합물의 저부 테이프 및 상부 테이프를 형성한다. 이어서, 세라믹 테이프들(15, 16, 22, 35, 36, 45, 46) 및 세라믹 테이프들(15, 16, 22, 35, 36, 45, 46) 내에 매립된 센서 물질(50)은 함께 하나의 세라믹 몸체(6)가 되면서 소결된다.
소결은 세라믹 물질의 선택에 따라, "LTCC"유형의 세라믹의 경우 예컨대 1100℃와 1300℃사이의 온도에서, 가령 1200℃와 1250℃사이의 온도에서 수행된다. 대안적으로, 소결은 "HTCC" 유형의 세라믹의 경우에 1600℃와 1700℃ 사이의 온도에서 수행될 수 있다.
이어서, 적어도 2개의 연결 캡들(71, 72)은 침지 공정을 이용하여, 금속화 페이스트 내에 침지됨으로써 세라믹 몸체(6) 상에 제공되어, 연결 캡들(71, 72)은 각각 전극들(211, 212, 311, 321) 중 적어도 2개의 전극과 전기 전도적으로 연결된다. 대안적으로, 연결 캡들(71, 72)은 스퍼터링을 이용하여, 화염 용사를 이용하여 또는 플라즈마 용사를 이용하여 제공될 수 있다.
이어서, 이와 같이 제조된 온도 탐침(1)의 저항은 공칭 온도에서 측정될 수 있다. 이후, 연결 캡들(71, 72) 중 적어도 하나의 연결 캡을 기계적으로 가공함으로써 온도 탐침(1)의 저항이 조절되되, 온도 탐침(1)의 저항이 소정의 허용 공차 값 내에 있을 때까지 조절된다. 연결 캡들(71, 72) 중 적어도 하나의 연결 캡을 기계적 가공하는 것은 예컨대 연마를 이용하거나 트리밍을 이용할 수 있다. 연결 캡들(71, 72) 중 적어도 하나의 연결 캡을 기계적으로 가공할 때, 전극들(211, 212, 311, 321)에 대한 하나 이상의 연결부들이 기계적으로 분리된다. 따라서, 허용 공차는 1%미만, 유리하게는 0.1%까지 조절될 수 있다.
도 3에는 일 실시예에 따른 온도 탐침(1)의 단면도가 도시되어 있고, 온도 탐침(1)은 예컨대 도 1a 내지 1j와 연관하여 설명된 방법에 의해 제조될 수 있다. 온도 탐침(1)은 3개의 제1 세라믹 판들(11, 12, 13)을 포함하고, 이러한 제1 세라믹 판들은 각각 측방향으로 NTC-센서 부재(51, 52, 53)를 둘러싼다. 제1 세라믹 판들(11, 12, 13) 사이에 각각 하나의 제2 세라믹 판(21, 22)이 배치되어 있다.
도 4는 예컨대 도 1a 내지 1j 및 도 2와 연관하여 설명된 방법에 의해 제조될 수 있는 온도 탐침(1)을 도시한다. 온도 탐침(1)은 세라믹 몸체(6)가 되기 위해 소결되는 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32) 및 세라믹 몸체(6) 내에 매립되는 NTC-센서 부재들(51, 52), 그리고 세라믹 몸체 상에 제공되는 2개의 연결 캡들(71, 72)을 포함한다. 온도 탐침(1)의 외부 치수는 10 mm x 1 mm x 0.45 mm (길이 x 폭 x 높이)이고, NTC-센서 부재들(51, 52)은 각각 세라믹 몸체(6)의 표면에 대해 적어도 0.2 mm의 간격을 가진다.
도 5에는 도 4의 온도 탐침(1)이 부분적으로 절단된 형태로 도시되어 있다. 이 도면에서, 복수의 전극들(211, 212, 311, 321) 각각은 2개의 연결 캡들(71, 72) 중 하나와 전기 전도적으로 연결되어 있음을 인식할 수 있다.
도 6은 도 5의 온도 탐침(1)의 확대된 세부 단면으로, 이 도면에서, 온도 탐침(1)이 부가적으로 복수의 제4 세라믹 판들(41, 42)을 더 포함하고, 이러한 제4 세라믹 판들이 제1 세라믹 판들(11, 12), 제2 세라믹 판(21) 및 2개의 제3 세라믹 판들(31, 32)을 둘러싸고 있음을 인식할 수 있다. 이를 통해, 온도 탐침(1)의 매우 높은 안정성 및 견고성이 보장될 수 있다.
온도 탐침(1)은 NTC-센서 부재들(51, 52)의 완전 세라믹 봉지에 의해 매우 작은 구조와 함께 매우 높은 기계적 강도를 달성한다. 완전 세라믹 봉지는 세라믹 다층 기술을 이용하여 이루어진다. 또한, 온도 탐침(1)은 매우 짧은 응답 시간, 그리고 연결 캡들(71, 72)의 기계적 가공에 의해 저항 허용 공차 조절 가능성을 특징으로 한다.
도 7에는 NTC1, ... NTCN으로 표시되는 N개의 NTC-센서 부재들을 일부 포함하는 온도 탐침(1)의 등가 회로도가 도시되어 있다. 연결 캡들(71, 72) 중 적어도 하나의 연결 캡의 전술한 기계적 가공에 의하여, 개별적 NTC-센서 부재들(51, 52, 53)은 저항의 조절을 위해 "차단"될 수 있다.
도시된 실시예들에 설명된 특징들은 다른 실시예들에 따라 서로 조합될 수 있고 그러한 조합이 명백하게 도면들에 도시되어 있지 않더라도 그러하다. 대안적 또는 부가적으로, 도면들에 도시된 실시예들은 일반 설명부분에 기재된 실시 형태들에 따른 다른 특징들을 포함할 수 있다.
본 발명은 실시예들에 의거한 설명에 의하여 이러한 실시예들에 한정되지 않으며, 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합을 포함한다. 이는 특히, 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명시적으로 특허 청구범위 또는 실시예들에 제공되지 않더라고 특허 청구범위에서의 특징들의 각 조합을 포괄한다.
1 온도 탐침 11, 12, 13 제1 세라믹 판
15, 16 제1 세라믹 테이프 110, 120, 130 리세스
21, 22 제2 세라믹 판 25, 26 제2 세라믹 테이프
211, 212, 311, 321 전극 31, 32 제3 세라믹 판
35, 36 제3 세라믹 테이프 41, 42 제4 세라믹 판
45, 46 제4 세라믹 테이프 51, 52, 53 NTC-센서 부재
50 세라믹 센서 물질 6 세라믹 몸체
71, 72 연결 캡

Claims (15)

  1. 각각 하나의 리세스(110, 120)를 구비하고, 상기 리세스 내에 각각 하나의 NTC-센서 부재(51, 52)가 배치되는 적어도 2개의 제1 세라믹 판들(11, 12);
    상기 제1 세라믹 판들(11, 12) 사이에 배치되는 적어도 하나의 제2 세라믹 판(21)으로서, 상기 제2 세라믹 판(21)과 상기 2개의 제1 세라믹 판들(11, 12) 사이에 각각 하나의 전극(211, 212)이 배치되며, 상기 전극이 각각 상기 NTC-센서 부재들(51, 52) 중 하나의 센서 부재와 전기적으로 접촉하는 것인, 적어도 하나의 제2 세라믹 판(21); 및
    2개의 제3 세라믹 판들(31, 32)로서, 상기 제1 세라믹 판들 및 제2 세라믹 판(11, 12, 21)은 상기 2개의 제3 세라믹 판들(31, 32) 사이에 배치되고, 상기 제3 세라믹 판들(31, 32)과 상기 제1 세라믹 판들(11, 12) 사이에 각각 하나의 전극(311, 321)이 배치되며, 상기 전극은 각각 상기 NTC-센서 부재들(51, 52) 중 하나의 센서 부재와 전기적으로 접촉하는 것인, 2개의 제3 세라믹 판들(31, 32);을 포함하고,
    상기 NTC-센서 부재들(51, 52)은 각각 완전하게 상기 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32)에 의해 둘러싸이고, 그리고
    상기 제1, 제2, 및 제3 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32) 및 상기 NTC-센서 부재들(51, 52)은 소결되어 하나의 세라믹 몸체(6)를 이루는 것을 특징으로 하는 온도 탐침(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 3개인, 복수의 제1 세라믹 판들(11, 12, 13)로서, 각각 하나의 리세스(110, 120, 130)를 구비하고, 상기 리세스 내에 NTC-센서 부재(51, 52, 53)가 배치되는 것인, 복수의 제1 세라믹 판들(11, 12, 13); 및
    복수의 제2 세라믹 판들(21, 22);을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 세라믹 판들(11, 12, 13, 21, 22)은 교번적으로 서로 포개어져 제3 세라믹 판들(31, 32) 사이에 배치되고,
    상기 제2 세라믹 판(21, 22) 각각은 직접적으로 상기 2개의 제1 세라믹 판들(11, 12, 13) 사이에 배치되며, 그리고
    상기 제1 및 제2 세라믹 판들(11, 12, 13, 21, 22) 사이에 각각 하나의 전극(211, 212)은 상기 NTC-센서 부재들(51, 52, 53)의 접촉을 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    적어도 2개의 제4 세라믹 판들(41, 42);을 더 포함하고,
    상기 제1, 제2 및 제3 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32)은 상기 적어도 2개의 제4 세라믹 판들(41, 42) 사이에 배치되고, 그리고 상기 적어도 2개의 제4 세라믹 판들(41, 42)은 상기 제1, 제2, 및 제3 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32) 및 상기 NTC-센서 부재들(51, 52)과 함께 소결되어 세라믹 몸체(6)를 이루는 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 NTC-센서 부재들(51, 52)은 원소들 Y, Ca, Cr, Al, O를 함유하는 페로브스카이트 구조 또는 원소들 Ni, Co, Mn, O를 함유하는 스피넬 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 NTC-센서 부재들(51, 52)은 식 (Y1-xCax)(Cr1-yAly)O3의 페로브스카이트 구조를 포함하며, 이때 x = 0.03 내지 0.05이고, y = 0.85인 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 NTC-센서 부재들(51, 52)은 식 Co3-(x+y)NixMnyO4의 스피넬 구조를 포함하고, 이때 x = 1.32, y = 1.32인 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32, 41, 42)은 알루미늄 옥사이드 또는 유리 세라믹을 포함하거나, 알루미늄 옥사이드 또는 유리 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 몸체(6) 상에 제공되는 2개의 연결 캡들(71, 72);을 포함하고, 상기 연결 캡들은 각각 적어도 2개의 전극들(211, 212, 311, 321)과 전기 전도적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32, 41, 42)의 두께는 10 ㎛와 100 ㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 온도 탐침.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 온도 탐침(1)의 제조 방법에 있어서,
    상기 세라믹 판들(11, 12, 21, 31, 32)은 세라믹 테이프들(15, 16, 25, 35, 36)의 공통적 소결에 의해 세라믹 몸체(6)가 되도록 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 소결 후에 적어도 2개의 연결 캡들(71, 72)은 상기 세라믹 몸체(6)상에 제공되고, 상기 연결 캡들을 이용하여 상기 NTC-센서 부재들(51, 52)이 나란히 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 연결 캡들(71, 72)은 상기 세라믹 몸체(6)를 금속화 페이스트 내에 적어도 부분적으로 침지시키거나, 스프터링을 이용하거나, 화염 용사를 이용하여 또는 플라즈마 용사를 이용하여 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 연결 캡들(71, 72) 중 적어도 하나의 연결 캡을 기계적으로 가공함으로써 상기 온도 탐침(1)의 저항이 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 연결 캡들(71, 72)의 기계적 가공은 연마 또는 트리밍에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 10 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 테이프들(15, 16, 25, 35, 36)은 테이프 주조 공정 또는 테이프 연신 공정을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
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