KR20150124078A - 온도 센서 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도 센서 소자에 관한 것으로서, 상기 온도 센서 소자는 온도 센서용 세라믹 소자, 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 제1 면에 위치하고 있는 제1 전극, 상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 제2 면에 위치하고 있는 제2 전극, 상기 제1 전극과 연결되어 있는 제1 리드선, 그리고 상기 제2 전극과 연결되어 있는 제2 리드선을 포함하는 온도 센서부, 그리고 상기 온도 센서부를 에워싸고 있는 보호부를 포함하고, 상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선은 각각 서로 다른 물질로 이루어진 제1 층과 제2 층을 포함한다. 이때, 전극과 연결되어 있는 리드선 전체를 백금계 물질로 형성하는 대신 백금계 물질보다 저렴한 도전성 물질로 제1 층을 형성하고 제2 층에 고온에서의 산화막 형성을 방지하는 제2 층을 형성함에 따라 리드선의 제조 비용이 감소한다.
Description
본 발명은 온도 센서 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
온도 센서 소자는 공기나 물과 같은 유체나 벽면 등의 온도에 따라 저항값이 변하여 정해진 저항값에 해당하는 전류 등과 같은 전기 신호를 출력하는 소자이다.
이러한 온도 센서 소자의 한 종류로서는 부 온도 계수(NTC, negative temperature coefficient) 특성을 갖고 있는 서미스터(thermistor)가 존재한다.
다음, 도 1에 종래의 CIG(chip-in glass)형태의 온도 센서 소자의 구조를 도시한다.
도 1에 도시한 것처럼, 종래의 온도 센서 소자는 온도 센서용 세라믹 소자(10), 온도 센서용 세라믹 소자(10)의 상부면과 하부면에 각각 위치하고 있는 제1 및 제2 전극(21, 22), 제1 및 제2 전극(21, 22)에 각각 연결되어 있는 제1 및 제2 리드선(lead line)(31, 32), 그리고 온도 센서용 세라믹 소자(10), 제1 및 제2 전극(21, 22)과 및 제1 및 제2 리드선(31, 32)를 에워싸고 있는 유리질 보호부(40)를 구비한다.
이때, 온도 센서용 세라믹 소자(10)는 반도성 세라믹 재료를 소결하여 형성되며, 감지된 온도에 따라 저항값이 변한다.
제1 및 제2 전극(21, 22)은 주로 은(Ag), 금(Au), 은-팔라듐 합금(AgPd)계 물질과 같이 양호한 전도성 특성을 갖는 도전성 물질로 이루어져 있고, 온도 센서용 세라믹 소자(10)와의 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성하여 온도 센서용 세라믹 소자(10)와 제1 및 제2 리드선(31, 32)과의 전기적인 접촉성을 향상시킨다.
제1 및 제2 리드선(31, 32)은 제1 및 제2 전극(21, 22)에 각각 연결되어 있고, 외부로부터 해당 크기의 전기 신호를 제1 및 제2 전극(21, 21)에 입력하거나 제1 및 제2 전극(21, 22)으로부터의 전기 신호를 출력하는 단자로 기능한다.
이러한 리드선(31, 32) 역시 제1 및 제2 전극(21, 22)과의 전기적인 연결을 위해 도전성 물질로 이루어지고, 예를 들어, 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au), 또는 니켈-구리(Ni-Cu)합금계 물질을 사용할 수 있다.
유리질 보호부(40)는 투명하고 절연성을 갖는 유리로 이루어져 있고, 온도 센서용 세라믹 소자(10)를 보호하고 온도 센서용 세라믹 소자(10)에 부착되어 있는 제1 및 제2 리드선(31, 32)의 위치를 고정한다.
온도 센서 소자를 이용하여 온도를 측정할 때, 현재 주로 사용하는 듀밋(DUMET)이라는 재질은 제1 및 제2 리드선(31, 33)의 취약한 고온 내산화성으로 인해 최대 측정 가능한 온도는 최대 500℃ 정도가 된다.
따라서, 도 1에 도시한 온도 센서 소자로는 1000℃와 같은 고온의 온도를 측정할 수 없다.
최대 측정 온도가 1000℃인 온도 센서 소자를 제작하기 위해서는 1000℃이상인 고온의 열처리 공정을 거쳐야 하므로, 고온에서도 리드선(31, 32) 표면의 산화 현상을 방지하기 위한 내산화성이 우수한 물질로 제1 및 제2 리드선(31, 32)를 제조해야 하며, 이러한 물질로는 백금이나 백금계 합금과 같은 백금계 물질이 있다.
하지만, 백금계 물질의 경우 가격이 고가이므로, 이를 이용하여 제1 및 제2 리드선(31, 32)을 제조할 경우 온도 센서 소자의 제조 비용이 크게 증가하는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온 내산화성을 유지하면서 백금선을 대체하여 1000℃급 고온용 온도 센서 소자의 온도 센서 소자의 제조 비용을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 온도 센서 소자는 온도 센서용 세라믹 소자, 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 제1 면에 위치하고 있는 제1 전극, 상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 제2 면에 위치하고 있는 제2 전극, 상기 제1 전극과 연결되어 있는 제1 리드선, 그리고 상기 제2 전극과 연결되어 있는 제2 리드선을 포함하는 온도 센서부, 그리고 상기 온도 센서부를 에워싸고 있는 보호부를 포함하고, 상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선은 각각 서로 다른 물질로 이루어진 제1 층과 제2 층을 포함한다.
상기 제1 층은 니켈, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈-크롬 합금, 니켈-철 합금, 철-니켈-코발트 합금, 니켈-몰리브덴-크롬-텅스텐 합금, 또는 니켈-크롬-철 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 층은 백금, 백금계 합금 또는 세라믹으로 이루어져 있는 것이 좋다.
상기 제2 층이 상기 백금 또는 상기 백금계 합금으로 이루어질 때, 상기 제2 층은 0.5㎛~5㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 제2 층이 상기 세라믹으로 이루어질 때, 상기 제2 층은 5㎛~30㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 특징에 따른 온도 센서 소자는 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 중간층을 더 포함할 수 있다.
상기 중간층은 0.01㎛~2㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 중간층은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 성분을 하나 이상 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 보호부는 1100℃ 내지 1900℃의 봉지 온도를 갖는 것이 좋다.
상기 보호부는 납 유리, 붕규산계 유리, 소다 라임 규산염계 유리 또는 소듐 포타슘 바륨 규산염계 유리로 이루어질 수 있다.
상기 온도 센서는 -50℃~1100℃의 온도를 감지할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 온도 센서 소자의 제조 방법은 온도 센서용 세라믹 소자의 제1 면과 제2 면에 각각 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 단계, 제1 예비 리드선과 제2 예비 리드선에 각각 제1 예비 리드선과 제2 예비 리드선을 에워싸고 있는 제2 층을 형성하여, 제1 예비 리드선과 제2 예비 리드선으로 이루어진 제1 층과 상기 제2 층을 구비한 제1 리드선과 제2 리드선을 형성하는 단계, 상기 제1 리드선의 일측 단부와 상기 제2 예비 리드선의 일측 단부에 각각 도전성 페이스트를 묻히는 단계, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 위에 각각 상기 도전성 페이스트가 묻은 상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선을 위치시키는 단계, 상기 제1 리드선의 상기 도전성 페이스트와 상기 제2 리드선의 상기 도전성 페이스트를 열처리 접착하여 상기 제1 리드선을 상기 제1 전극과 접합시키고 상기 제2 리드선을 상기 제2 전극과 접합시키는 단계, 상기 온도 센서용 세라믹 소자, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 리드선을 구비한 온도 센서부에 보호 튜브를 씌우는 단계, 그리고 상기 보호 튜브를 열처리하여 상기 보호 튜브의 점도를 감소시켜 상기 온도 센서부를 밀봉하는 보호부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 형성 단계는, 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 상기 제1 면과 상기 제2 면에 각각 도전성 페이스트를 인쇄하는 단계, 그리고 상기 도전성 페이스트를 열처리하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 완성하는 단계를 포함하고, 상기 도전성 페이스트는 800℃ 내지 1400℃에서 열처리될 수 있다.
상기 보호 튜브는 각각 납 유리, 붕규산계 유리, 소다 라임 규산염계 유리 또는 소듐 포타슘 바륨 규산염계 유리로 이루어질 수 있다.
상기 보호 튜브는 1100℃ 내지 1900℃로 열처리되는 것이 좋다.
이러한 특징에 따르면, 전극과 연결되어 있는 리드선 전체를 백금계 물질로 형성하는 대신 백금계 물질보다 저렴한 도전성 물질로 제1 층을 형성하고 제2 층에 고온에서의 산화막 형성을 방지하는 제2 층을 형성함에 따라 리드선의 제조 비용이 감소한다.
이로 인해, 온도 센서 소자의 제조 비용이 감소한다.
도 1은 종래의 온도 센서 소자에 대한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 온도 센서 소자를 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 온도 센서 소자를 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접속되어" 있다거나 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 접속되어 있거나 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 접속되어" 있다거나 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시한 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자는 온도 센서용 세라믹 소자(110), 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 상부면(예, 제1 면)에 위치한 제1 전극(121), 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 하부면(예, 제2 면)에 위치한 제2 전극(121), 제1 전극(121)과 연결되어 있는 제1 리드선(131), 제2 전극(122)과 연결되어 있는 제2 리드선(132), 제1 리드선(131)과 제1 전극(121) 사이 그리고 제2 리드선132)과 제2 전극(122) 사이에 위치한 접합부(311a), 그리고 온도 센서용 세라믹 소자(110), 제1 및 제2 전극(121, 122), 제1 및 제2 리드선(131, 132) 및 접합부(311a)을 구비하고 있는 온도 센서부(100)를 에워싸고 있는 보호부(140)를 구비한다.
온도 센서용 세라믹 소자(110)는 직사각형이나 정사각형과 같은 사각형의 평면 형상을 갖고 있고, 직육면체 형상이나 정육면체 형상을 갖고 있고, 반도체 세라믹 재료로 이루어져 있다.
온도 센서용 세라믹 소자(110)를 구성하는 재료의 한 예는 NiO, Cr2O3, Mn3O4, Al2O3, Fe2O3, Y2O3, CaO, Yb2O3, Lu2O3, SiO2, TiO2, SrO 등일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이러한 온도 센서용 세라믹 소자(110)는 최대 측정 온도가 1100℃인 온도 센서용 세라믹 소자(110)일 수 있다. 한 예로서, 본 예에 따른 온도 센서용 세라믹 소자(110)는 -50~500℃미만의 저온 대역뿐만 아니라 500oC~1100℃의 고온 대역의 온도를 감지할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
제1 전극(121)은 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 상부면 위에 바로 위치하고 있고, 제2 전극(122)은 상부면의 반대편에 위치하여 상부면과 마주보고 있는 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 하부면 위에 바로 위치하고 있다.
이러한 제1 및 제2 전극(121, 122)은 동일한 재료로 이루어져 있고 백금(Pt)과 같은 도전성 물질로 이루어져 있다.
이러한 제1 및 제2 전극(121, 122)은 온도 센서용 세라믹 소자(110)과 오믹 콘택(ohmic contact)을 형성한다.
제1 리드선(131)은 제1 전극(121)과 직접 연결되어 있고, 제2 리드선(132)은 제2 전극(122)과 직접 연결되어 있다.
제1 리드선(131)과 제1 전극(121)과의 연결 및 제2 리드선(132)과 제2 전극(121)과의 연결은 접합부(311a)에 의해 각각 행해진다.
이러한 접합부(311a)는 백금 페이스트와 같은 도전성 페이스트로 이루어져 있다.
제1 리드선(131)과 제2 리드선(133) 사이의 간격은 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 두께와 제1 및 제2 전극(121, 122)의 두께에 따라 정해진다.
이러한 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)은 서로 동일한 형태로 이루어져있고, 해당 방향으로 길게 뻗어 있는 원통형 또는 육면체형 등 여러 모양의 바(bar) 형태로 이루어 질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이러한 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 직경과 길이는 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 크기에 따라 정해진다.
이러한 제1 및 제2 리드선(131, 132)은 각각 도 3에 도시한 것처럼 제1 층(311, 321)과 제1 층(311, 321)을 도포하고 있는 제2 층(312, 322), 그리고 제1 층(311, 321)과 제2 층(312, 322) 사이에 위치하는 중간층(313, 323)을 구비한다.
이때, 제1 층(311, 321)과 제2 층(312, 322)은 서로 다른 물질로 이루어져 있고, 제2 층(312, 322)은 전기 도금법이나 코팅법(coating method)에 의해 제1 층(311, 321) 위에 도금되거나 코팅된다.
제1 층(311, 321)은 금속과 같은 도전성 물질로 이루어져 있고 백금 또는 백금계 합금과 같은 백금계 물질과의 밀착성이 좋으며 열팽창 계수가 보호부(140)와 동일하거나 유사한 도전성 물질로 이루어져 있다.
제2 층(312, 322)은 1000℃ 이상에서 표면 산화가 발생하지 않는 내산화성이 양호한 금속 물질 또는 비금속 물질로 이루어진다.
또한, 제2 층(312, 322)은 5gf~20gf의 휨 강도(flexural rigidity)를 갖고 있다. 이러한 제2 층(312, 322)의 휨 강도로 인해, 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 휨 동작을 용이하고 양호하게 실시하여 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 부러짐 없이 온도 센서 소자의 장착 동작이 용이하게 행해진다.
제1 층(311, 321) 위에 제2 층(312, 322)이 형성됨에 따라 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 전기적 저항값은 제2 층(312, 322)을 형성하기 전과 동일해야 한다.
이처럼, 제2 층(312, 322)의 형성으로 인해 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 전기적 저항값이 변하지 않고 그대로 유지되므로 안정적인 신호 전송이 행해진다.
이때, 제1 층(311, 321)을 이루는 물질의 열팽창 계수는 제2 층(312, 322)을 이루는 백금계 물질과 동일하거나 유사하고, 제2 층(321, 322)을 이루는 백금계 물질의 내산화성은 매우 우수한다.
예를 들어, 각 리드선(131, 132)의 제1 층(311, 321)은 니켈, 티타늄, 탄탈늄, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈-크롬 합금, 니켈-철 합금, 철-니켈-코발트 합금, 니켈-몰리브덴-크롬-텅스텐 합금, 또는 니켈-크롬-철 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 층(312, 322)은 예를 들어 백금, 백금계 합금 또는 세라믹 (ceramic)으로 이루어질 수 있다.
중간층(313, 323)은 제1 층(311, 321)과 제2 층(312, 322)의 열팽창 계수 차이를 보완하고 두 층(311, 321 및 312, 322) 간의 분리를 방지시켜 결합력을 향상시키고, 2층 형상을 용이하게 함으로써 산소의 침투를 차단한다.
이러한 중간층(313, 323)은 열팽창계수 등 전체 구성 소재에 영향을 주지 않기 위해 0.01㎛~2㎛ 두께를 갖고 있고, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 성분을 하나 이상 포함하는 재질로 이루어져 있지만, 이에 한정되지 않는다.
하지만, 대안적인 예에서, 이러한 중간층(313, 323)은 생략될 수 있다.
제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 직경(D11)은 0.05㎜~0.5㎜일 수 있고, 제2 층(312, 322)이 전기 도금법으로 형성될 때 제2 층(312, 322)의 두께(즉, 도금 두께)는 0.5㎛~5㎛일 수 있고, 세라믹 코팅으로 형성될 때 제2 층(312, 322)의 두께(즉, 코팅 두께)는 수 ㎛ 내지 수십 ㎛(예, 5㎛ 내지 30㎛) 일 수 있다.
제2 층(312, 322)의 도금 두께가 2㎛~5㎛ 이면 산화막 형성이 안정적으로 억제되어 해당 리드선(131, 132)의 전기적인 저항 특성에 악영향을 미치지 않는다.
반면, 제2 층(312, 322)의 두께가 2㎛ 이하이면 산소가 제2 층(312, 322)을 뚫고 제1 층(311, 321)의 표면까지 침투하여 산화막을 형성하게 되고, 제2 층(312, 322)의 두께가 5㎛ 이상이면 제1 층(311, 321)과의 열팽창계수 차이로 인한 내부 응력이 발생해 제2 층(312, 322)의 균열 발생을 유발한다.
이와 같이, 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132) 각각이 백금계 물질로 모두 이루어져 있는 대신 백금계 물질보다 가격이 저렴한 금속 물질로 형성된 제1 층(311, 321)과 제1 층(311, 321) 위에 고온에서의 제1 층(311, 321)의 산화막 발생을 억제하는 물질로 제1 층(311, 321)을 도금하거나 코팅하여 형성된 제2 층(321, 322)을 구비한 다층 구조를 갖고 있다.
이로 인해, 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132) 전체를 백금계 물질로 형성하는 것에 비해 리드선(131, 132)의 제조 비용이 크게 감소하며, 제2 층(312, 322)에 의해 고온에서도 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)에 산화막 발생이 억제되므로 산화막으로 인한 해당 리드선(131, 132)의 저항 증가로 인한 신호 전도도 저하 문제가 발생하지 않는다.
보호부(140)는 납 유리(lead glass), 붕규산계 유리(borosilicate glass), 소다 라임 규산염계 유리(soda lime silicate glass) 또는 소듐 포타슘 바륨 규산염계 유리(sodium potassium barium silicate glass) 등의 유리로 이루어질 수 있거나, 온도 센서 소자의 용도에 따라 다른 계열의 유리로 이루어 질 수도 있다.
이러한 보호부(140)는 이미 설명한 것처럼 온도 센서부(100)를 에워싸고 있어 온도 센서부(100)를 외부 충격이나 외부 환경으로부터 보호한다.
이때 보호부(140)는 온도 센서용 세라믹 소자(110)와 제1 및 제2 전극(121, 122)을 완전히 에워싸고 있지만 제1 및 제2 전극(121, 122)에 부착된 제1 및 제2 리드선(131, 132)은 각각 일부만을 에워싸고 있다.
보호부(140)는 자신이 에워싸여져 있는 온도 센서부(100)와 접해 있어 보호부(140)의 외부면과 온도 센서부(100) 사이에는 보호부(140)로 채워져 있다.
따라서, 도 2에 도시한 것처럼, 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)은 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 위에 위치한 부분과 온도 센서용 세라믹 소자(110)에 인접한 부분만을 에워싸고 있고 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 나머지 부분은 보호부(140)에 의해 에워싸여지지 않고 보호부(140) 외부로 노출되어 있다. 이로 인해, 외부로 노출된 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 부분이 원하는 장치의 해당 위치에 납땝 동작 등을 통해 설치되는 단자로서 기능한다.
이미 설명한 것처럼, 보호부(140)에 에워싸여져 있는 온도 센서부(100)가 보호부(140)에 의해 접하게 감싸져 있으므로 보호부(140) 내부에 위치한 온도 센서부(100)는 흔들림 없이 정해진 위치에 안정적으로 고정된다.
또한, 보호부(140)의 평균 두께는 0.3mm~0.6mm이나, 이에 한정되지 않는다.
본 예에서, 보호부(140)의 봉지 온도(sealing temperature)는 1150℃이상일수 있고, 예를 들어, 1100℃ 내지 1900℃일 수 있다.
이와 같이, 유리로 이루어진 보호부(140) 속에 온도 센서부(100)가 내장되어 보호되어 있고 이미 설명한 것처럼 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 측정 온도가 -50℃~1100℃인 온도 센서일 수 있으므로, 본 예에 따른 온도 센서 소자는 CIG(chip in glass) 타입을 갖고 있고 -50℃~1100℃의 측정 온도를 갖는 1000℃급 고온용 온도 센서 소자일 수 있다.
본 예의 고온용 온도 센서 소자는 감지 온도가 증가할수록 저항값이 감소하는 부 온도 계수 특성을 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이와 같이, 온도를 감지하여 해당 상태의 전기 신호를 제1 및 제2 리드선(131, 132)을 통해 출력하는 온도 센서부(100)가 고온, 예를 들어, 1150℃ 이상의 봉지 온도를 갖는 보호부(140)에 의해 보호되어 있으므로 온도 센서용 세라믹 소자(110)는 안정적으로 최대 1000℃까지의 고온의 온도를 감지할 수 있다.
다음, 도 4a 내지 도 4f를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 센서 소자의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 4a를 참고로 하면, 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 상부면과 하부면 위에 각각 스크린 인쇄법(screen printing)을 이용하여 백금 페이스트(Pt paste)과 같은 도전성 페이스트를 인쇄한 후 열처리하여 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 상부면과 하부면 위에 바로 제1 전극(121)과 제2 전극(122)을 형성한다.
이때, 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 크기의 한 예는 0.57㎜의 폭(W), 0.57㎜의 길이(l) 그리고 0.3㎜의 두께(t)를 가질 수 있다.
제1 및 제2 전극(121, 122)을 형성하기 위한 열처리 온도는 800℃ 내지 1400℃일 수 있고 열처리 온도는 1분 내지 30분일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다음, 도 4b에 도시한 것처럼, 니켈(Ni)이나 니켈 합금[예, 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 합금(NiCr 합금), 니켈과 철(Fe)의 합금(NiFe 합금), 니켈과 코발트(Co)의 합금(NiCo 합금), 니켈-코발트-철-크롬 합금(NiCoFeCr 함금) 등], 티타늄(Ti)이나 티타늄 합금, 탄탈늄(Ta)이나 탄탈늄 합금, 몰리브덴(Mo)나 몰리브덴 합금, 또는 텅스턴(W)이나 텅스턴 합금으로 이루어진 제1 예비 리드선(311, 321)과 제2 예비 리드선(311, 321)에 각각 전기 도금 또는 세라믹 코팅을 실시하여 제1 층(311, 321) 및 제2 층(312, 322)으로 이루어진 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)을 형성한다.
이때, 제1 층(311, 321)은 각각 예비 리드선(311, 321)과 동일하다.
전기 도금법으로 제1 층(311, 321)에 제2 층(312, 322)을 형성하기 위한 방법의 한 예는 다음과 같다.
즉, 실란 커플링제(silane coupling agent)를 사용하여 제1 및 제2 예비 리드선(301, 302)을 전처리 한 후 60℃ 내지 120℃로 10분 내지 60분 간 가열 건조하고, 백금 이온 함유액에 표면 전처리된 제1 및 제2 예비 리드선(311, 321)을 침지한다.
그런 다음, 탈이온수를 이용하여 제1 및 제2 예비 리드선(311, 321)을 수세한 후 건조하여 제1 및 제2 예비 리드선(311, 321)의 활성화 처리를 행한다.
다음, 활성화 처리된 제1 및 제2 예비 리드선(311, 321)을 백금 전해 도금액에 침지시켜 0.5㎛ 내지 5㎛ 두께의 백금 도금층을 형성하여 제2 층(321, 322)을 제1 및 제2 예비 리드선(311, 321) 위, 즉 제1 층(311, 321) 위에 형성하여, 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)을 완성한다.
이때, 제1 층(311, 321)과 제2 층(321, 322)과의 밀착성과 도금층의 두께 균일성을 높이기 위해, 백금 도금층인 제2 층(321, 322)을 형성할 때 황산욕을 실시할 수 있다.
황산욕을 실시한 백금 도금 용액 조건의 한 예는 다음의 [표 1]과 같다.
| 황산 (96%) (ml/l) | Pt 함유 5g/l (Pt 금속으로서) 250ml/l (Pt 용액으로서) |
| 액온 (oC) | 20~50 |
| 음극 전류 밀도(A/dm2) | 0.5~2.5 |
| 비고 | 교반 |
다음, 도 4c에 도시한 것처럼, 제1 층(311, 321)과 제2 층(312, 322)으로 이루어진 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 각 일측 단부를 도전성 물질(예, 백금)을 함유한 도전성 페이스트(예, 백금 페이스트)(311)가 담긴 용기 내에 담가 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)의 각 일측 단부에 도전성 페이스트(311)를 도포하여 묻힌다.
그런 다음, 도전성 페이스트(311)가 묻은 제1 및 제2 리드선(131, 132)을 각각 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 위에 위치시킨 후 도전성 페이스트(311)가 도포되어 있는 제1 및 제2 리드선(131, 132)의 단부에 열(예, 1150℃에서 10분)을 가하여 제1 및 제2 리드선(131, 132)을 각각 제1 및 제2 전극(121, 122)에 소부시켜 접합시킨다(도 4d).
도 4d에 도시한 것처럼, 도전성 페이스트(311)는 제1 및 제2 예비 리드선(301, 302)과 각 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이 그리고 제1 및 제2 예비 리드선(301, 302) 위에 위치하며, 접합부(311a)를 형성한다.
이로 인해, 제1 리드선(131)과 제2 리드선(132)은 각각 제1 및 제2 전극(121, 122)과 각각 전기적 및 물리적으로 연결된다.
따라서, 온도 센서용 세라믹 소자(110), 제1 및 제2 전극(121, 122), 제1 및 제2 리드선(131, 132) 및 접합부(311a)를 구비한 온도 센서부(100)가 완성된다.
다음, 도 4e를 참고로 하면, 온도 센서부(100)에 보호 튜브(141)를 삽입한다.
보호 튜브(141)는 가운데가 비어 있고 서로 마주보고 있는 양 면(S11, S12) 역시 개방되어 있어 가운데 부분에 관통구가 형성된 원기둥 형상을 갖고 있다.
이러한 보호 튜브(141)는 납 유리, 붕규산계 유리, 소다 라임 규산염계 유리 또는 소듐 포타슘 바륨 규산염계 유리 등과 같은 유리로 이루어질 수 있거나 다른 조성계의 유리로도 이루어 질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이미 설명한 것처럼 온도 센서부(100)는 보호 튜브(141)의 빈 공간 내에 삽입되어야 하므로, 보호 튜브(141)의 내부 직경(φ11)은 온도 센서부(100)의 최대 두께(TM1)보다 크며, 보호 튜브(141)의 길이(L1)는 온도 센서부(100)의 최장 길이(LM1)보다 짧을 수 있다.
보호 튜브(141)의 평균 두께는 사용되는 보호 튜브(141)의 종류, 재질 및 온도 센서부(100)의 크기 및 온도 센서 소자의 용도 중 적어도 하나에 따라 정해진다. 한 예로, 보호 튜브(141)의 평균 두께는 0.3㎜~0.6㎜일 수 있다.
또한, 보호 튜브(141)는 제1 및 제2 리드선(131, 132)의 일부를 에워싸지 않고 개방된 한 면(예, S12)을 통과시켜 외부로 노출시킨다.
다음, 도 4f에 도시한 것처럼, 벨트 타입의 로(belt-type furnace)에서 보호 튜브(141)가 씌워진 온도 센서부(100)를 열처리한 후 냉각하여 보호 튜브(141)로 온도 센서부(100)를 밀봉한다.
이때, 이미 설명한 것처럼, 보호 튜브(141) 외부로 제1 리드선(131)의 일부와 제2 리드선(132)의 일부가 노출되므로, 보호 튜브(141)의 밀봉 동작에 의해서도 제1 리드선(131)의 일부와 제2 리드선(132)의 일부는 보호 튜브(141) 외부로 노출된다.
이때, 열처리 온도는 고체의 보호 튜브(141)를 저 점도(104dPa·s) 상태로 변경하기 위한 온도로서, 이 온도는 보호 튜브(141)를 저 점도화시켜 보호 튜브(141)로 온도 센서부(100)를 완전히 밀봉하기 위한 온도인 봉지 온도라 한다.
이러한 보호 튜브(141)의 봉지 온도는 보호 튜브(141)의 녹는점보다 낮은 온도, 예를 들어, 녹는점보다 300℃ 내지 500℃ 낮은 온도이고, 보호 튜브(141)의 봉지 온도는 1100℃ 이상, 예를 들어, 1100℃ 내지 1900℃일 수 있고, 밀봉하기 위한 열처리 시간은 봉지 온도에 따라 달라지며 예를 들어 3분 내지 5분일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이러한 열처리 동작에 의해 보호 튜브(141)가 저 점도(104dPa·s) 상태로 바뀜에 따라 보호 튜브(141)와 온도 센서부(100) 사이의 빈 공간(K1)은 보호 튜브(141)의 유리질로 메워져, 보호 튜브(141)의 유리질로 에워싸여진 온도 센서부(100)는 보호 튜브(141)의 유리질 속에 매립되고 서로 마주보고 있는 개방된 보호 튜브(141)의 양쪽 면(S11, S12) 역시 각각 막히게 된다.
이로 인해, 보호부(140) 속에 매립된 온도 센서부(100)는 보호부(140)에 의해 위치가 안정적으로 고정된다.
이 때, 제1 리드선(131) 및 제2 리드선(132)의 제1층(311, 321)의 열 팽창계수가 보호부(140)의 열팽창계수와 동일하거나 유사하므로, 밀봉 동작을 위한 보호 튜브(141)의 열처리 시 열팽창 계수 차이로 인해 보호부(140)가 손상되는 문제가 발생하지 않아 온도 센서 소자의 불량율이 감소한다.
이러한 보호 튜브(141)의 밀봉 동작에 의해 보호부(140)에 의해 온도 센서부(100)가 밀폐되어 있는 CIG 타입의 온도 센서 소자가 완성된다(도 2 및 도 3 참조).
보호 튜브(141)의 밀봉 동작이 완료된 보호부(140)의 외관은 구(sphere)의 형태 또는 타원구(elliptical sphere)의 형태를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
다음, [표 2]을 참고로 하여, 본 예에 따라 제작된 온도 센서 소자의 전기 저항값을 살펴본다.
[표 2]에서 비교예에 사용된 복수의 샘플(샘플1 내지 샘플 10)은 0.57㎜(w)×0.57㎜(l)×0.3㎜(t) 크기의 온도 센서용 세라믹 소자(110)의 상부면과 하부면에 백금(Pt)으로 이루어진 제1 및 제2 전극(121, 122)을 1150℃에서 20분간 열처리하여 형성하고, 백금으로만 이루어진 리드선(직경: 0.3φ, 길이: 10㎜)(131, 132)을 제1 및 제2 전극(121, 122) 위에 열 용접하여 접합한 후, 붕규산계 보호 튜브(외경2.35φ×내경1.49φ×길이5㎜)를 온도 센서부(100)에 씌운 후에 1150℃의 봉지 온도에서 4분 30초 동안 보호 튜브에 열처리한 후 냉각시켜 온도 센서부(100)의 밀봉 동작을 실시하여 제작하였다.
반면, 실시예 1에 따른 복수의 샘플(샘플1 내지 샘플 10)은 비교예와 달리 니켈 크롬 합금(NiCr77:23)으로 이루어진 제1 층과 제1 층 위에 백금으로 전기 도금된 제2 층을 구비한 제1 및 제2 리드선을 제1 및 제2 전극(121, 122) 위에 접합한 것을 제외하면 비교예와 동일하다.
[표 2]는 비교예와 실시예 1에 따른 온도 센서 소자(샘플 1 내지 샘플 10)를 이용하여 25℃에서 온도 센서 소자의 전기 저항값을 측정하여 기재하였다.
[표 2]에 도시한 것처럼 제1 리드선과 제2 리드선이 모두 백금으로만 이루어지는 비교예에 비해 실시예 1의 저항 증가율은 2.04%였으므로, 제1 및 제2 리드선을 순수한 백금으로 사용하지 않아도 저항 증가율이 5%미만이므로 안정적인 리드선의 동작이 실시됨을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 온도 센서 소자들의 샘플들(샘플 1 내지 샘플 10)간의 평균 상온 저항 편차도 -1.8%~1.44%으로 매우 작아 리드선과 온도 센서용 세라믹 소자간의 접합 용접 및 밀봉 공정 시 가해지는 1000℃ 이상에서도 제2 층이 변성되지 않고 매우 안정적으로 유지됨을 알 수 있었다.
다음 [표 3]을 이용하여 제1 층 위에 세라믹 코팅법을 이용하여 제2 층을 형성할 때 온도 센서 소자의 전기 저항값을 살펴본다.
비교예의 샘플(샘플 1 내지 샘플 10)은 [표 2]에 도시한 비교예와 동일하게 제작된 온도 센서 소자이고, 실시예 2의 샘플(샘플 1 내지 샘플 10)은 실시예 1와 비교할 때, 제1 층은 니켈(Ni)로 형성되고, 제2 층은 세라믹 코팅법을 이용하여 제1 층에 형성된 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 제작된 온도 센서 소자이다.
[표 3] 역시 25℃에서 온도 센서 소자의 전기 저항값을 측정하여 기재하였다.
[표 3에 도시한 것처럼 제1 리드선과 제2 리드선이 모두 백금으로만 이루어지는 비교예에 비해 실시예 2의 저항 증가율은 4.6%였으므로, 제1 및 제2 리드선을 순수한 백금으로 사용하지 않아도 저항 증가율이 5%미만이므로 안정적인 리드선의 동작이 실시됨을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 온도 센서 소자들의 샘플들(샘플 1 내지 샘플 10)간의 평균 상온 저항 편차도 -1.59%~1.13%으로 매우 작아 리드선과 온도 센서용 세라믹 소자간의 접합 용접 및 밀봉 공정 시 가해지는 1000℃ 이상에서도 제2 층이 변성되지 않고 매우 안정적으로 유지됨을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 온도 센서부
110: 온도 센서용 세라믹 소자
121, 122: 전극 131, 132: 리드선
140: 보호부 141: 보호 튜브
301, 302: 예비 리드선 311, 321: 제1 층
312, 322: 제2 층 K1: 공간
121, 122: 전극 131, 132: 리드선
140: 보호부 141: 보호 튜브
301, 302: 예비 리드선 311, 321: 제1 층
312, 322: 제2 층 K1: 공간
Claims (15)
- 온도 센서용 세라믹 소자, 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 제1 면에 위치하고 있는 제1 전극, 상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 온도 센서용 세라믹 소자의 제2 면에 위치하고 있는 제2 전극, 상기 제1 전극과 연결되어 있는 제1 리드선, 그리고 상기 제2 전극과 연결되어 있는 제2 리드선을 포함하는 온도 센서부, 그리고
상기 온도 센서부를 에워싸고 있는 보호부
를 포함하고,
상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선은 각각 서로 다른 물질로 이루어진 제1 층과 제2 층을 포함하는
온도 센서 소자. - 제1항에서,
상기 제1 층은 니켈, 티타늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈-크롬 합금, 니켈-철 합금, 철-니켈-코발트 합금, 니켈-몰리브덴-크롬-텅스텐 합금, 또는 니켈-크롬-철 합금으로 이루어져 있는 온도 센서 소자. - 제1항 또는 제2항에서,
상기 제2 층은 백금, 백금계 합금 또는 세라믹으로 이루어져 있는 온도 센서 소자. - 제3항에서,
상기 제2 층이 상기 백금 또는 상기 백금계 합금으로 이루어질 때, 상기 제2 층은 0.5㎛~5㎛의 두께를 갖는 온도 센서 소자. - 제3항에서,
상기 제2 층이 상기 세라믹으로 이루어질 때, 상기 제2 층은 5㎛~30㎛의 두께를 갖는 온도 센서 소자. - 제3항에서,
상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 중간층을 더 포함하는 온도 센서 소자. - 제6항에서,
상기 중간층은 0.01㎛~2㎛의 두께를 갖는 온도 센서 소자. - 제6항 또는 제7항에서,
상기 중간층은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 성분을 하나 이상 포함하는 재질로 이루어져 있는 온도 센서 소자. - 제1항에서,
상기 보호부는 1100℃ 내지 1900℃의 봉지 온도를 갖는 온도 센서 소자. - 제1항에서,
상기 보호부는 납 유리, 붕규산계 유리, 소다 라임 규산염계 유리 또는 소듐 포타슘 바륨 규산염계 유리로 이루어져 있는 온도 센서 소자. - 제1항에서,
상기 온도 센서 소자는 -50℃~1100℃의 온도를 감지하는 온도 센서 소자. - 온도 센서용 세라믹 소자의 제1 면과 제2 면에 각각 제1 전극과 제2 전극을 형성하는 단계,
제1 예비 리드선과 제2 예비 리드선에 각각 제1 예비 리드선과 제2 예비 리드선을 에워싸고 있는 제2 층을 형성하여, 제1 예비 리드선과 제2 예비 리드선으로 이루어진 제1 층과 상기 제2 층을 구비한 제1 리드선과 제2 리드선을 형성하는 단계,
상기 제1 리드선의 일측 단부와 상기 제2 예비 리드선의 일측 단부에 각각 도전성 페이스트를 묻히는 단계,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 위에 각각 상기 도전성 페이스트가 묻은 상기 제1 리드선과 상기 제2 리드선을 위치시키는 단계,
상기 제1 리드선의 상기 도전성 페이스트와 상기 제2 리드선의 상기 도전성 페이스트를 열처리 접착하여 상기 제1 리드선을 상기 제1 전극과 접합시키고 상기 제2 리드선을 상기 제2 전극과 접합시키는 단계,
상기 온도 센서용 세라믹 소자, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 리드선을 구비한 온도 센서부에 보호 튜브를 씌우는 단계, 그리고
상기 보호 튜브를 열처리하여 상기 보호 튜브의 점도를 감소시켜 상기 온도 센서부를 밀봉하는 보호부를 형성하는 단계
를 포함하는 온도 센서 소자의 제조 방법. - 제12항에서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 형성 단계는,
상기 온도 센서용 세라믹 소자의 상기 제1 면과 상기 제2 면에 각각 도전성 페이스트를 인쇄하는 단계, 그리고
상기 도전성 페이스트를 열처리하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 완성하는 단계
를 포함하고,
상기 도전성 페이스트는 800℃ 내지 1400℃에서 열처리되는
온도 센서 소자의 제조 방법. - 제12항에서,
상기 보호 튜브는 각각 납 유리, 붕규산계 유리, 소다 라임 규산염계 유리 또는 소듐 포타슘 바륨 규산염계 유리로 이루어져 있는 온도 센서 소자의 제조 방법. - 제12항에서,
상기 보호 튜브는 1100℃ 내지 1900℃로 열처리되는 온도 센서 소자의 제조 방법.
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