KR20160006163A - 레이저빔으로 매연센서를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 매연센서의 제조방법과 이런 방법으로 생산된 매연센서에 관한 것으로, 이 방법은 절연 기판(1,20,60)에 연속적인 금속층(68)을 붙이는 단계; 금속층(68)의 일부분을 레이저빔으로 증발시켜 금속층(68)을 가공하는 단계;를 포함하고, 금속층(68)을 가공할 때, 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전 구조들(2,3,42,43,52,53)이 생기며, 이런 도전 구조들(2,3,42,43,52,53)은 레이저빔으로 서로 공간적으로 분리되고 전기적으로 졀연되며 총길이에 걸쳐 서로 이웃하고 뻗는다.
Description
본 발명은 매연센서의 제조방법과 이런 방법으로 생산된 매연센서에 관한 것이다.
매연센서는 디젤인진과 오일히터의 연소과정을 제어하거나 규제하는데 사용되는 것으로, 매연입자의 양에 따라 매연입자들이 적게 생기고 연소가 좀더 효율적으로 이루어지도록 연소를 조절할 수 있다.
DE 10 2007 038 680 A1에 소개된 매연센서에서는 매끄러운 Al2O3 표면에 도전경로 구조를 부착하여 매연입자들의 흡착을 단순화한다. WO2011/106625A1에 소개된 매연센서는 기판 표면에 가열요소와 센서요소를 배치한다. 매연센서의 표면에 매연입자가 붙으면 가열요소와 센서요소 사이의 전기저항이 변해, 표면과 배가스내의 매연입자 농도를 결정할 수 있다. 가열요소는 표면을 태워버리기에 충분한 고온으로 가열된다.
연소과정을 제어하는데 람다탐침이나 온도센서와 같은 다른 센서를 사용할 수도 있다. 매연배출을 줄이고자하는 필요성이 지속적으로 증가하여 디젤엔진을 제어하는 매연센서가 필요하다. 예컨대, EU6 가이드라인에 의하면 디젤엔진 자동차는 매연량이 아주 낮아야 한다. 이렇게 매연배출량이 낮으면 매연입자수가 적어 배가스내의 매연입자 농도가 아주 낮아 기존의 매연센서를 이용해 감지하기가 아주 어렵다.
기존의 매연센서의 단점은 점점더 엄격해지는 매연배출 조건을 충족하기에 충분한 감도로 반응하지 못한다는데 있다. 다른 단점은 배가스류에 많은 수의 센서들을 설치해야 해서 많은 수의 연결단자가 필요하다는데 있다. 그러면서도, 가능한한 간단하고 저렴하게 엔진이나 연소장치를 생산해야 하는 욕구는 항상 있어왔다. 센서 자체도 가능한한 저렴해야 하면서도 배기장치에 설치했을 때 오차가 없고 튼튼해야 한다.
본 발명의 목적은 종래의 단점들을 극복하는데 있고, 특히 소량의 매연도 충분히 감지할 수 있는 감도로 반응하면서 기존의 센서에 비해 단순한 센서를 제공하는데 있다. 이 센서는 설치하기에 컴팩트하고 튼튼하면서도 저렴하게 생산되어야 한다. 전술한 종래의 다른 단점들은 본 발명에 의해 쉽게 극복될 수 있다.
본 발명의 목적은 아래 단계들을 포함하는 매연센서의 제조방법에 의해 해결된다:
절연 기판에 연속적인 금속층을 붙이는 단계;
금속층의 일부분을 레이저빔으로 증발시켜 금속층을 가공하고, 이때 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전 구조들이 생기며, 이런 도전 구조들은 레이저빔으로 서로 공간적으로 분리되고 전기적으로 졀연되며 총길이에 걸쳐 서로 이웃하고 뻗도록 하는 단계.
여기서, "적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전구조들"이란 서로 분리되어 있으면서도 각각이 연속적이고 전도성을 가지며 특히 금속으로 이루어지며 대부분에 걸쳐 서로 근접해 뻗는 2개 이상의 층을 의미한다.
"서로 꼬인"은 적어도 2개의 구조들이 서로 나란하거나 직교하거나 각도를 이루도록 배열된 것을 의미하거나, 한쪽 구조가 다른 구조에 대해 자유 형태로, 예컨대 곡선형, 타원형 등으로 배열될 수도 있다. 각 구조의 일부나 전체 구역이 이렇게 배열될 수 있다. 또, 동일평면이나 3차원 입체로 서로 배열될 수도 있다. 예컨대, 2개의 구조가 동일 평면에서 서로 꼬이도록 배열되어, 기어휠에서처럼 서로 떨어진채 꼬일 수 있는데, 특히 그 간격이 50㎛ 미만이거나 더 바람직하게는 30㎛ 미만일 수 있다.
연속적인 금속층을 후막공정을 이용해 절연 기판에 붙이는 것이 바람직한데, 특히 백금과 같은 희귀 금속 후막을 붙이는 것이 좋다.
도전 구조들 사이의 간격은 50㎛ 미만인 것이 좋지만, 10~30㎛ 정도이면 더 좋다. 따라서, "서로 근접"이란 80㎛ 미만, 바람직하게는 50㎛ 미만을 의미한다.
본 발명에 의하면 금속층을 미리 가공하여 절연 기판에 붙일 수도 있다. 도전구조들의 전기연결을 위해 광폭 도전층들을 미리 가공할 수도 있다. 이때 도전구조들을 형성하도록 모든 리드들을 미리 가공하는 것이 바람직할 수 있다.
도전구조들 사이의 좁은 분리 구역들만을 레이저빔으로 증발시키고 거친 구조들은 인쇄 등의 방법으로 직접 생성하면 매연센서의 제조가 간단해진다.
본 발명에 의하면, 도전구조들 사이에 형성할 간격을 따라 구불구불한 선으로 금속층 위로 레이저빔을 움직여 금속층을 증발시키며, 최종적으로 형성된 도전구조들 사이의 간격이 레이저빔의 초점의 유효 단면의 직경과 일치하도록 한다.
이 방법에 의하면, 도전구조들 사이의 간격이 가능한한 좁게 형성됨과 동시에, 레이저빔이나 그 초점이 금속층 위로 아주 신속하고 효과적으로 움직이면서 금속층을 2개의 도전구조들로 분리할 수 있다. 이때문에 제조가 간단해지고 제조비가 낮아진다.
또, 도전구조들을 총길이의 적어도 90%에서, 바람직하게는 적어도 98%에서 서로 인접해 뻗도록 할 수 있다.
이 경우, 도전구조들이 인접한다는 것은 서로 50㎛ 미만의 간격으로 떨어져 있음을 의미한다.
도전구조들이 나란한 부분이 길수록 매연센서는 2개의 도전구조들 사이의 저항 측정이나 용량 측정이나 절연손실 측정을 통해 배가스내 매연입자 농도를 결정하는데 있어 더 민감해진다.
절연 기판은 금속산화물 기판, 유리기판, 세라믹 Al2O3 기판 또는 유리나 유리세라믹이나 Al2O3 층일 수 있다.
이런 재료들은 배가스의 고온 화학적 유해 환경에 사용할 매연센서를 제조하기에 특히 적절하다. 또, 층들 위에 부착된 금속층들을 레이저빔을 이용해 손상 없이 태워버릴 수 있다. 또, 금속코팅이나 매연센서 반대쪽의 절연기판 표면이나 절연기판 위의 도전구조들에 인접해 온도센서를 배치할 수 있다.
매연센서를 다른 센서와 결합하기 때문에, 배기장치에 설치했을 때 양쪽 센서에 하나의 연결단자만 필요하다. 또, 온도센서는 도전구조들이 위치한 쪽의 온도를 측정한다. 따라서, 매연센서를 태워 비우는 동안 및 측정하는 동안 매연ㅅ네서의 상태를 좀더 정확히 결정할 수 있다. 또, 배가스의 온도와 매연입자의 농도들을 개별적으로는 물론 동시에 결정할 수 있다.
또, 도전구조들을 가공한 뒤, 도전구조들의 리드들 전체를 코팅하고, 도전구조들의 일정 부분들을 금속산화물이나 유리나 유리세라믹으로 된 절연층으로 코팅하며, 유리땜납으로 절연층 위에 온도센서를 결합할 수 있다.
보호층으로서 절연층을 붙이면, 매연센서의 금속부분이 배가스의 유해환경에 노출되지 않아 보호된다. 이 층은 다른 온도센서를 체결하여 결합하는데에도 사용할 수 있다.
또, 박막기술을 이용해 세라믹 기판 위에 온도센서를 먼저 형성한 다음, 온도센서 위에 절연 기판을 붙이고, 이어서 절연 기판 위에 연속적인 금속층을 붙여 도전구조들을 형성하는데, 이때 온도센서 위에 절연 기판으로서 Al2O3나 유리나 유리세라믹 층을 붙일 수 있다.
이 방법에 의하면, 온도센서가 달린 매연센서가 형성되고, 이때 온도센서의 요소, 바람직하게는 금속이나 금속합금으로 된 요소들이 세라믹 기판과 절연기판에 의해 샌드위치 방식으로 주변에 대해 보호된다. 따라서, 박막법으로 온도센서를 제조하는데 사용된 금속들을 센서의 안정성을 해치지 않고 붙일 수 있다.
또, 층 구조를 연결단자에 결합하고, 도전구조들과 온도센서를 연결단자의 접촉요소에 연결할 수 있다. 연결단자와 그 연결 때문에, 매연센서를 설치하기 쉽다.
또, 도전구조들로서 서로 꼬인 나선형 열선들이나 전극들을 형성할 수 있다.
본 발명에 의해 해결되는 문제들은 이 방법을 이용해 생산된 매연센서로도 해결되는데, 이 매연센서는 하나의 절연 기판과 적어도 2개의 연속적인 도전구조들을 포함하고, 적어도 2개의 연속적인 도전구조들은 가공된 금속층으로서 서로 분리된채 꼬여져 있으며, 도전구조들 사이의 간격이 레이저로 태워져 비워지며, 이 간격은 어떤 부분에서는 50㎛보다 더 좁고, 도전구조들은 광폭 도전층에 연결된다.
이런 광폭 도전층은 절연층으로 덮이고, 바람직하게는 도전구조들 중에 광폭 도전층에 인접한 부분들이 절연층으로 덮일 수 있다.
보호층으로서 절연층을 붙이면, 매연센서의 금속부분이 배가스의 유해환경에 노출되지 않아 보호된다. 이 층은 다른 온도센서를 체결하여 결합하는데에도 사용할 수 있다.
또, 매연센서가 연결단자와 온도센서를 갖고, 도전구조들은 가공된 금속층으로서 절연 기판 위에 배치되는 한편 적어도 일부분이 절연층으로 덮이며, 온도센서가 가공된 금속층으로서 절연층 위에 배치되거나, 도전구조들과 온도센서가 동일한 절연 기판 위에 배치되고, 온도센서와 도전구조들이 연결단자에 전기적으로 및 기계적으로 연결될 수 있다.
이렇게 디자인된 매연센서나 결합센서는 본 발명의 방법에 대해 전술한 것과 같은 장점들을 갖는다.
또, 절연 기판이 Al2O3, 산화마그네슘, 산화지르코늄, 산화이트륨 및/또는 SiO2를 함유한 세라믹 금속산화물 기판이고, 바람직하게는 세라믹 Al2O3 기판일 수 있다.
이런 재료들은 절연효과 때문에 열적으로나 기계적으로 안정하고 본 발명의 매연센서를 형성하기에 적합하다.
또, 도전구조들이 레이저로 가공된 정밀한 금속층이고 바람직하게는 백금 금속층이며, 도전구조들의 전기저항이 1~10Ω일 수 있다.
이런 후막과 전기저항은 매연센서를 가열하거나 매연입자들을 태워버리고 도전구조들 사이의 전기저항을 측정하기에 적절하다.
또, 도전구조들이 서로 꼬인 나선형 열선이나 전극일 수 있다.
본 발명의 매연센서는 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전구조들을 갖도록 설계된다. 도전구조들 사이의 간격을 레이저를 사용해 절단하기 때문에, 이 간격을 ㅇ아주 좁게 하여 매연센서의 감도를 높일 수 있다.
또, 본 발명의 센서는 적어도 하나의 제2 온도센서 및/또는 적어도 하나의 제2 매연센서를 포함하고, 이들 센서를 연결단자, 특히 접촉요소들에 연결할 수 있다.
온도센서를 포함한 매연센서에 있어서, 본 발명에 의하면, 연결단자가 체결수단, 특히 나사 쓰레드 및/또는 플랜지를 갖고, 세라믹 기판을 기계적으로 고정되게 체결수단에 연결하되, 바람직하게는 유리를 통해 연결하며, 연결단자는 전기적 접촉수단, 특히 접촉핀 및/소켓이 3개 이상 또는 5개나 6개인 플러그를 갖는데, 이때 온도센서와 매연센서는 접촉수단에 전기적으로 연결된다.
연결단자에 고정되기 때문에, 매연센서를 배기장치에 쉽게 삽입할 수 있다.
본 발명에 의하면, 절연 기판을 제2 기판을 통해 연결단자에 고정 연결할 수도 있다. 따라서, 절연 기판 자체가 연결단자에 고정되거나 제2 기판이 연결단자에 고정되고, 이때 제2 기판은 절연 기판에 체결된다. 이 경우, 절연 기판이 제2 기판을 통해 연결단자에 단단히 연결된다.
또, 온도센서가 백금을 함유하거나 백금으로 이루어진 박막이나 후막이다. 본 발명에 의하면 온도센서의 전기저항은 0℃에서 50오옴 내지 2000오옴일 수 있다.
이때문에 꾸불꾸불한 저항기 형태로 온도센서를 안정화시킬 수 있다. 이때문에 온도센서가 상대적으로 정확하다.
또, 적어도 일부분에서 온도센서나 매연센서를 덮는 절연층이 금속산화물이나 유리나 유리세라믹으로 이루어질 수 있다.
이런 절연층들은 기계적으로나 화학적으로 특히 안정되어, 본 발명의 매연센서를 제조하기에 적절하다. 매연센서의 화학적 안정성이 디젤엔진과 같은 연소기관의 배가스의 화학적 유해환경 때문에 유리하다.
또, 온도센서가 달린 매연센서는, 온도센서가 도전구조들보다 높은 저항성을 갖는다는 점을 특징으로 하는데, 바람직하게는 온도센서의 전기저항은 도전구조들의 전기저항보다 5배 정도, 바람직하게는 40 내지 80배 정도 더 높다.
이런 저항율에서, 온도센서는 아주 정확하게 측정을 할 수 있고, 도전구조들이 달린 매연센서를 잘 태워질 수 있다.
본 발명에 의하면, 온도센서를 열전쌍으로 할 수 있고, 이 dufwjsTKd은 2jrdj도 2개의 서로 연결된 금속이나 합금으로 이루어진 가공된 금속층으로 설계되어, 세라믹 기판에 부착된다.
열전쌍은 매연센서의 도전구조들과 무관하게 아주 정확하게 온도를 결정할 수 있다. 놀랍게도, 열전쌍 와이어들을 세라믹 기판이나 절연층 위에 박막이나 후막으로 붙일 수 있고 온도 측정에 사용할 수 있음이 밝혀졌다.
또, 절연층 위에 매연센서를 가공된 금속층으로 배치하고, 세라믹 기판위에 배치된 온도센서를 일부나 전체를 덮을 수 있으며, 매연센서의 도전구조들은 온도센서를 덮지 않고 온도센서를 직접 덮지 않는 절연층 부분 위에만 배치하며, 온도센서가 절연층만큼 어긋난 평면에서 도전구조들을 형성할 수 있다.
또, 본 발명의 매연센서에서, 도전구조들을 세라믹 기판 위에 배치하고, 절연 코팅을 갖는 제2 금속 기판 위에 온도센서를 붙일 수 있으며, 이때 온도센서는 (제2 금속기판의) 절연 코팅 위에 배치되거나 제2 기판이 세라믹이나 산화물 절연기판이며, 그 위에 온도센서를 직접 배치할 수 있다.
이런 다층 구조의 디자인은 좀더 컴팩트하게 설계될 수 있다. 그와 동시에, 내부에 위치한 온도센서가 배가스의 화학적 유해환경에서 좀더 잘 보호된다.
본 발명에 의해 해결되는 문제들은 이런 매연센서를 갖춘 디젤엔진과 같은 엔진에 의해서도 해결되는데, 매연센서는 개비관 입구에 연결단자에 체결된다.
본 발명에 따라 온도센서를 갖춘 매연센서의 제조 방법은 아래 단계들로 이루어지는데:
가공된 금속층을 온도센서로서 세라믹 기판 위에 붙이는 단계;
유리나 유리세라믹 층인 절연층으로 온도센서를 덮는 단계;
절연층의 일부분 위에 정확한 금속 후막인 금속코팅을 붙이는 단계; 및
레이저빔을 이용해 금속코팅을 가공해 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전구조들을 형성해 매연센서를 형성하는 단계.
한편, 아래의 단계들을 포함한 다른 방법을 구현할 수도 있다:
가공된 금속층을 온도센서로서 세라믹 기판의 제1 표면에 붙이는 단계;
금속코팅을 세라믹 기판의 제2 표면에 붙이는 단계; 및
레이저빔으로 금속코팅을 가공해 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전구조들을 형성해 매연센서를 형성하는 단계.
아래의 단계들을 포함한 다른 방법을 구현할 수도 있다:
금속코팅을 세라믹 기판 위에 붙이는 단계;
레이저빔으로 금속코팅을 가공해 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전구조들을 형성해 매연센서를 형성하는 단계; 및
가공된 제2 금속층을 온도센서로서 도전구조들에 인접하게나 그 둘레에 세라믹 기판 위에 붙이는 단계.
아래의 단계들을 포함한 또다른 방법을 구현할 수도 있다:
금속코팅을 세라믹 기판 위에 붙이는 단계;
레이저빔으로 금속코팅을 가공해 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전구조들을 형성해 매연센서를 형성하는 단계;
가공된 제2 금속층을 온도센서로서 제2 기판 위에 붙이는 단계; 및
제2 기판을 세라믹 기판 위에 체결하거나 접착하는 단계.
또, 세라믹 단자에 층 구조를 체결하는 것을 위의 방법들에서 다른 단계로 할 수도 있는데, 온도센서와 매연센서는 연결단자의 접촉요소들에 전기적으로 연결된다.
본 발명은 레이저빔으로 연속적인 금속층에서 매연센서를 제조하여, 배가스내의 매연입자들의 밀도를 결정하는데 특히 민감한 매연센서를 제공할 수 있고, 이 센서는 특히 디젤엔진내의 연소과정을 제어하거나 규제하는데 사용할 수 있다. 도전구조들 사이의 간격을 좁게 하고 이 간격을 레이저빔을 사용해 신속저렴하게 만들 수 있으며, 도전구조들 영역내의 매연센서의 표면에 흡착된 매연입자들 때문에 저항이나 유전율에 큰 변화가 생겨, 이 센서는 아주 민감하게 반응한다. 층 구조의 온도센서와 결합해 다른 별도의 센서가 불필요하다. 또, 같은 기판, 심지어는 도전구조의 일부분만을 이용해 매연센서를 제조할 수 있다. 그 결과, 온도센서가 달린 매연센서를 2개의 센서를 각각 제조하는 것보다 저렴하게 제조할 수 있다.
매연센서를 온도센서 위의 보호층 위에 만들면, 온도센서도 좀더 민감한 박막으로 구성할 수 있는데, 이는 온도센서가 다른 보호조치 없이도 배가스의 유해환경에서 보호되기 때문이다. 도전구조들을 레이저로 형성하기 때문에, 매연센서와 온도센서가 서로 위아래로 직접 배치되지 않아 레이저빔이 도전구조를 형성할 때 보호층을 절단하지 않아, 온도센서의 박막이나 후막을 해치지 않을 수 있다.
도전구조와 온도센서가 도전구조의 일부를 공유할 때, 연결단자의 핀이나 소켓이나 접촉요소의 하나를 생략할 수 있다. 또, 리드의 재료가 절감된다. 2개의 센서로 측정을 할 때나 매연센서를 태울 때, 2개의 센서들의 올바른 연결단자만 사용하면 되어, 전압을 원하는 연결단자에 걸어주고 측정할 수 있다.
기본적으로, 온도센서와 도전구조들이 세라믹 기판의 동일한 표면에 배치되지 않을 때 세라믹 기판 위의 도전구조의 공통 부분을 사용할 수 있다. 이때 통공 판을 사용하여, 기판 제1 표면의 도전구조를 기판 제2 표면의 도전구조의 공통 부분에 연결한다.
접착성과 내부식성이 극히 높은 백금 후막들은 아주 좁은 간격으로 스크린인쇄할 수 없다.
레이저를 사용하면 매연센서의 도전구조들 사이의 간격을 아주 좁게 할 수 있다. 이런 좁은 간격 때문에, 매연입자들이 별로 없을 때에도 매연센서의 dc 저항이나 유전율 변화를 측정할 수 있어 매연센서가 아주 민감하다. 레이저를 이용해 도전구조들의 간격이 아주 좁은 매연센서를 종래의 매연센서보다 감도가 높다.
또, 적어도 하나의 액체를 조사하는 분야에서 본 발명의 센서를 이용할 수 있다. 이를 위해, 센서를 임피던스 센서로도 알려진 유전 센서로 디자인하는데, 이때 액체의 품질이나 액체내 이물질 함량을 이 센서로 측정할 수 있다. 오일, 그리이스와 같은 액체들이 이에 해당한다. 오일이나 그리이스는 튀김용이나 자동차에 사용된다. 이런 조사분야에 사용되는 본 발명의 센서는 제1항과 그 종속항에 따라 제조할 수 있다. 또, 적어도 하나의 액체를 조사하는 분야에 사용되는 본 발명의 센서는 제11항과 관련 종속항에 따른 특징을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 온도센서를 갖춘 매연센서의 평면도;
도 2는 연결단자를 갖춘 다른 매연센서의 평면도;
도 3은 도 2의 매연센서의 측면도;
도 4는 본 발명에 따른 또다른 매연센서의 측단면도;
도 5는 본 발명에 따른 매연센서의 평면도;
도 6은 본 발명에 따른 온도센서가 달린 매연센서의 평면도;
도 7은 본 발명의 방법을 구현하기 위한 전개사시도.
도 2는 연결단자를 갖춘 다른 매연센서의 평면도;
도 3은 도 2의 매연센서의 측면도;
도 4는 본 발명에 따른 또다른 매연센서의 측단면도;
도 5는 본 발명에 따른 매연센서의 평면도;
도 6은 본 발명에 따른 온도센서가 달린 매연센서의 평면도;
도 7은 본 발명의 방법을 구현하기 위한 전개사시도.
도 1은 본 발명의 매연센서의 평면도로서, 백금이나 백금합금으로 이루어진 금속 구조물이 알루미늄 산화물이나 다른 금속산화물로 이루어진 절연 기판(1)에 형성된다. 금속구조물로서의 2개의 나선형 열선(2,3)이 서로 꼬여서 절연기판(1)에 증착되는데, 이들 열선(2,3)은 리드(4,5)에 전기적으로 연결되고, 이런 열선(2,3)과 리드(4,5)는 절연기판(1)상에 매연센서를 형성한다.
리드(5)와 리드(6)는 기판(1)의 온도센서(7)를 이루는 사형 구조체의 전기접점을 형성한다. 따라서, 리드(5)는 열선(3) 중의 하나와 온도센서(7)에 대한 공통의 리드이다. 온도센서(7)는 열선(2,3)에 비해 저항이 (10배 내지 100배) 높은 백금저항이다.
열선(2,3)과 온도센서(7)로 이루어진 복합센서가 적당한 결합선이 달린 배기관(도시 안됨) 입구에 쓰레드(10)로 체결되는데, 경우에 따라서는 결합선이 달린 홀더로 체결될 수도 있다. 온도센서(7)와 열선(2,3)은 설치된 상태에서 배기관의 내부를 향한다. 5개의 플러그(12)는 외부를 향하는데, 이들 플러그는 리드(4,5,6)에 전기적으로 연결된다.
모든 리드(4~6)는 폭이 넓은(광폭) 도전층(14)에 연결되고, 이들 도전층은 리드(4~6)와 플러그(12) 사이에 위치한다. 폭이 넓어지기 때문에, 온도센서(7)와 열선(2,3)에 의해 주로 전기저항이 생기며, 이때문에 온도센서(7)와 열선(2,3)에서 전압이 크게 강하한다. 절연기판(1)과 광폭 도전층(14)의 길이, 즉 도 1에서 보아 상단에서 하단까지의 길이는 플러그(12)와 쓰레드(10)을 포함한 연결단자(16)를 향해 매연센서를 단열하기 위한 것이다.
열선(2,3), 온도센서(7)의 리드(4~6), 및 열선(3)과 온도센서의 리드로 사용되는 공통 부분(8) 모두 도 1에 하나의 선으로 표시되었다. 이들 선의 폭은 실제 폭과는 다르다. 열선(2,3) 사이의 간격은 실제로는 도 1에 도시된 것보다 훨씬 더 좁다.
플러그(12)는 연결단자(16)를 통과하여 광폭 도전층(14)에 연결되는데, 이때 용접이나 납땜으로 연결된다. 연결단자(16)는 플러그(12)를 광폭 도전층(14)에 연결하기 위해 배선용 통공들이 뚫려있거나 배선으로 둘러싸인 세라믹 플러그일 수 있고, SiO2계 유리(도시 안됨)를 끼우거나 기계적으로 고정되거나 해서 절연기판(1)에 연결된다. 유리는 연결단자(16)를 절연기판(1)에 연결하면서도 플러그(12)와 광폭 도전층(14) 사이의 연결배선을 고정하고 보호하는 역할을 하는 외에, 플러그(12) 방향의 외부로부터 연결단자(16)를 밀봉하는 역할도 한다.
측정시 1단계로 열선(2,3) 사이의 DC 저항을 측정해야 한다. 매연입자들이 절연기판(1)의 열선(2,3) 사이의 표면에 붙으면, 열선 사이의 전기저항이 변한다. 일정 시간이 지나거나 소정의 저항 변화가 있은 뒤, 열선(2,3)을 전류로 600℃~700℃까지 가열하여 열선 사이의 절연기판 표면의 매연입자들을 태워 없앤다. 이어서, 전기저항과 그 변화율을 결정해, 배가스내의 매연입자 농도와 그 변화율을 결정한다. 그 사이사이에 또는 이런 측정과 동시에, 배가스의 온도를 온도센서(7)로 결정할 수 있다.
열선(2,3)과 온도센서(7)는 절연기판(1)에 백금이나 백금합금 층을 두툼하게 붙인 다음, 레이저빔으로 도 1의 열선 사이를 아무것도 없게 증발시켜 생성되는데, 이때 필요하다면 온도센서(7) 및/또는 리드(4~6)의 도체들 사이도 증발시킨다. 도시된 구조물은 적당한 인쇄법으로 미리 형성될 수도 있는데, 이때는 두꺼운 층을 붙이고 열선(2,3) 사이의 좁은 간격을 레이저로 태워야 한다. 레이저를 이용해 매연센서의 열선(2,3) 사이의 간격을 아주 좁게 하여, 매연센서의 감도를 높일 수 있다.
도 2는 연결단자를 포함한 다른 매연센서의 평면도이고, 도 3은 연결단자(16)를 개략적으로 표시한 동일한 매연센서의 측면도이다. 즉, 도 2는 도 1에 자세히 도시된 연결단자(16)를 단순하게 표현한 것이다.
도 2~3의 세라믹 기판(1)에 2개의 매연센서가 있는데, 매연센서 각각 2개의 열선(2,3)을 갖고, 이들 열선은 서로 인접 배치되고 연속적인 금속 도체로 이루어진다. 열선(2,3) 사이의 간격은 레이저에 의해 생성되는바, 연속적인 금속층을 레이저를 이용해 2개의 열선(2,3)으로 분리한다.
열선(2,3)은 금속으로 이루어진 저저항 광폭 도전층(14)에 연결된다. 광폭 도전층(14)과 열선(2,3) 영역을 절연층(21)으로 덮는데, 절연층으로는 유리, 유리세라믹, 알루미늄산화물 등을 사용할 수 있다. 매연센서의 열선(2,3)을 덮기 때문에, 나머지 노출부는 연소시키기에 충분한 온도에 다다를 수 있다.
온도센서는 유리땜질로 절연층(21)에 결합되고, 온도센서의 칩은 제2 기판(22)으로서의 Al2O3 기판에 증착되고 리드(6)에 연결될 수 있다. 리드(6)와 온도센서의 연결부는 세라믹유리 플러그와 같은 절연 스트레인 릴리프(24)로 덮인다. 온도센서는 제2 기판 위에 있는 구불구불한 저항이지만, 열전쌍 형태를 취할 수도 있다. 이런 스트레인 릴리프(24)는 플러그(12)와 광폭 도전층(14)을 연결할 경우에도 제공된다.
Al2O3 기판 대신에 유리판이나 유리층을 갖춘 금속판을 제2 기판(22)으로 사용할 수도 있다. 제2 기판(22)의 재료와 무관하게 제2 기판(22)과 온도센서는 유리땜질로 절연층(21) 위에 결합된다.
도 2에 자세히 보이는 연결단자(16)는 플러그(12)는 물론, 플러그 관통공들이 뚤린 원통형 세라믹 블록(26)을 포함한다. 세라믹 블록(26)의 길이는 10~20 mm 정도이고, 관통공들은 가느다란 모세관 튜브 형태이다. 플러그(12)는 관통공에 억지끼워맞춤되고, 틈새 부분은 유리로 채워진다. 세라믹 블록(26)은 가장자리가 돌출된 원통형 스틸 슬리브(28) 안에 결합된고, 스틸 슬리브(28)는 스틸 파이프(30)에 용접된다. 스틸파이프(30)는 숫나사(10)와 단턱부를 가져, 숫나사(10)를 대응 나사산을 갖는 배기관(도시 안됨)의 구멍에 나사결합할 수 있다.
한편, 암나사가 달린 캡너트를 체결수단으로 사용할 수도 있는데, 이때 암나사는 배기장치의 관 연결부의 숫나사에 조여진다.
연결단자(16)를 세라믹 기판(1)에 고정하고 밀봉하는데 사용되는 유리(32)는 세라믹 블록(26), 스틸슬리브(28), 플러그(12), 리드(6)를 온도센서와 세라믹 기판(1) 또는 스트레인 릴리프(24)에 단단히 연결한다.
도 4는 본 발명의 또다른 매연센서의 측단면도이다. 세라믹 기판(1)에 온도센서(7)를 박막으로 붙인다. 이 온도센서(7)는 꾸불꾸불한 백금선 형태의 저항형 온도센서이거나 2가지 금속이나 합금으로 된 열전쌍일 수 있다. 온도센서(7)는 저저항 광폭 도전층(14)에 연결되고, 도전층을 통해 온도센서(7)가 플러그(12)에 연결된다.
온도센서(7)와 도전층(14) 위에 절연 알루미늄산화물 층(20)을 붙이고, 이 층(20) 위에 두툼한 백금층을 붙이거나 인쇄한 다음, 레이저로 백금층을 성형하여 2개의 열선(42)이나 2개의 전극(43)이 서로 꼬여져 있는 매연센서를 형성한다. 레이저로 알루미늄산화물 층(20)을 가공하는 동안 온도센서(7)나 리드(14)를 손상시키지 않도록, 온도센서(7)와 리드(14)를 매연센서(2)에 대해 높이차가 있도록 배치하여 매연센서의 열선(42)이나 전극(43)이 온도센서(7) 바로 위에 있지 않도록 한다.
열선(42)이나 전극(43)은 플러그(12)를 통해 전기적으로 연결되고, 플러그(12)는 온도센서(7)와 열선(42)이나 전극(43)을 연결하기 위한 것으로 공통의 연결단자(16)를 관통하며, 이 연결단자에 의해 매연센서가 배기장치에 연결될 수 있다.
플러그(12)와 세라믹 기판(1)은 실제로는 온도센서(7)나 열선(42)이나 전극(43)보다 상당히 두껍지만, 도 4에는 그렇게 도시되지 않았다. 도 4의 목적은 층상 구조의 배치만 보여주는데 있고, 각 층의 두께는 보여주지 않는다.
도 5는 본 발명의 매연센서의 평면도로서, 금속산화물이나 금속산화물 세라믹으로 이루어진 기판(1) 위에 백금층으로 이루어진 2개의 열선(2,3)이 서로 꼬여서 구불구불하게 배치된다. 열선(2,3)은 백금층을 레이저로 절삭하여 형성되는 것으로, 짧은 리드(4)를 통해 광폭 도전층(14)에 연결된다. 리드는 폭이 상대적으로 좁아 열선(2,3)과 광폭 도전층(14)에서 저항이 일차로 강하한다.
기판(1)은 유리 땜납이나 온도안정성 접착제(도시 안됨)에 의해 원통형 연결단자(16)에 체결된다. 매연센서를 배기장치에 체결하기 위한 외부 쓰레드(10)는 연결단자(16)의 원통형 재킷에 배치된다. 광폭 도전층(14)은 플러그(12)에 연결되고, 이런 플러그를 통해 열선(2,3)이 전압에 작동할 수 있다. 레이저를 이용해 2개의 열선(2,3) 사이이 간격을 10~30㎛로 아주 좁게 형성하면, 간격이 80~100㎛ 정도인 기존의 매연센서에 비해 감도를 높일 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 매연센서의 평면도로서, 백금이나 백금합금으로 된 금속 구조물을 금속산화물이나 알루미늄산화물로 된 절연 기판(1) 위에 붙인다. 금속인 2개의 전극(52,53)을 절연 기판(1) 위에 서로 꼬인 빗 모양으로 증착하되, 각각의 전극은 자체적으로 연속적이다. 이들 전극(52,53)은 리드(4,5)에 연결되고, 전극(52,53)과 리드(4,5)가 절연 기판(1) 상의 매연센서를 형성한다.
(도 6에 보이지 않는) 꾸불꾸불한 구조가 기판(1)의 배면에도 형성되어 온도센서를 이루고, 이 온도센서는 백금저항 구조가 바람직하다.
빗모양 전극(52,53)과 온도센서(7)로 이루어진 센서가 쓰레드(10)에 의해 배기관(도시 안됨) 입구에 결합되는데, 이때 배기관이 대응 결합 쓰레드나 홀더를 이용한다. 온도센서와 전극(52,53)은 설치된 상태에서 배기관의 내부를 향한다. 전극의 리드(4,5)과 온도센서의 리드에 연결된 3개의 플러그(12)는 외부를 향한다. 세라믹 기판(1)의 통공을 통해 리드(5)에 연결된 플러그(12)는 온도센서의 일단부의 접점으로 사용되기도 한다.
리드(4,5)는 광폭 도전층(14)에 연결되고, 이 도전층은 리드(4~6)와 플러그(12) 사이에 위치한다. 폭이 넓어지기 때문에 온도센서와 전극(52,53)에 의해 전기저항이 일어나고, 이에 따라 온도센서와 전극(52,53)에서 전압이 크게 강하한다. 절연 기판(1)과 광폭 도전층(14)의 (도 6의 상단에서 하단까지의) 길이는 매연센서를 플러그(12)와 쓰레드(10)를 포함한 연결단자(16)를 향해 단열하기 위한 것이다. 플러그(12)가 배가스의 열로 손상되지 않을 정도로 매연센서의 길이를 선택할 수도 있다.
플러그(12)는 광폭 도전층(14)에 용접이나 납땜으로 연결된다. 연결단자(16)는 배선용 통공들이 뚫린 세라믹 플러그이거나, 광폭 도전층(14)에 플러그(12)를 연결하기 위한 배선들을 갖는 세라믹 플러그일 수 있고, SiO2 유리에 의해서나 기계적으로 절연 세라믹 기판(1)에 연결된다. 이 유리는 연결단자를 절연 기판에 연결하는데는 물론, 플러그(12)와 광폭 도전층(14) 사이의 연결배선을 고정 및 보호하고 연결단자를 플러그(12)를 향한 외부에 대해 밀봉하는 역할도 한다.
도 6에서의 전극(52,53) 사이의 간격은 확대해 보인 것이고, 실제로는 30~50㎛ 정도이다. 이들 전극(52,53)은 레이저로 분리되는데, 레이저의 초점 폭이 전극들 사이의 간격을 결정한다. 전극(52,53)과 리드(4,5)의 도전경로가 도 1과는 대조적으로 도 6에는 하나의 표면으로 표시되었다. 이들 표면의 폭은 도전경로의 실제 폭과는 다르고, 특히 전극(52,53)의 간격은 실제로는 도면보다 훨씬 더 미세하다.
전극(52,53) 사이의 DC 저항과 커패시턴스를 측정한다. 커패시턴스는 LC 발진회로로 측정할 수 있다. 절연기판(1)의 전극(52,53) 사이의 표면에 매연입자가 붙으면, 전극 사이의 전기저항이나 유전율이 변하고, 이런 변화는 용량측정에서 알 수 있다.
세라믹 기판(1) 위에 배치할 수 있는 별도의 히터(도시 안됨)로 세라믹 기판을 600~700℃의 온도로 가열할 수 있고, 그 결과 세라믹 기판(1) 위의 전극(52,53) 사이의 표면의 매연입자들을 태울 수 있다. 전극(52,53) 사이의 전기저항 및 커패시턴스와 그 변화율을 결정하여, 배가스내에서의 매연입자의 농도와 그 변화율도 결정할 수 있다. 그 사이사이에 또는 측정과정중에 배가스의 온도를 온도센서(7)로 결정할 수 있다.
전극(52,53)과 온도센서(7)는 세라믹 기판(1)에 백금이나 백금합금 층을 두툼하게 붙인 다음, 레이저빔으로 도 6의 전극(52,53) 사이를 아무것도 없게 증발시켜 생성된다. 이를 위해, 레이저빔을 백금층이나 백금합금층 표면에 초점을 맞춘다. 도시된 구조물들을 인쇄법으로 미리 형성할 수도 있는데, 이때는 두꺼운 층을 붙이고 전극(52,53) 사이의 좁은 간격을 레이저로 태워야 한다. 레이저를 이용해 매연센서의 전극들 사이의 간격을 아주 좁게 하여, 매연센서의 감도를 높일 수 있다.
도 7은 qs 발명에 따른 방법을 보여주는 전개사시도이다. 2개의 접촉패드(64)가 달린 히터(62)를 Al2O3로 된 기판(60) 밑면에 붙인다. 히터(62)를 후막 기술을 이용해 금속층에 인쇄할 수도 있다.
히터(62)의 나선형 열선들을 패시베이션(66)으로 덮어 히터(62)의 양면을 기판(60)과 패시베이션(66) 양쪽으로 샌드위치 방식으로 보호한다. 예컨대 패시베이션(66)으로 세라믹 판을 접착할 수 있다.
백금 후막(68)을 기판(60) 윗면에 붙인 다음, 백금 후막(68)을 레이저빔으로 2 부분으로 분리하되, 2 부분은 서로 전기적으로 절연되는데, 이때 레이저빔은 백금 후막(68) 위의 연속적인 선을 따라 안내된다. 그 결과, 레이저로 성형된 백금 후막(70)이 형성되고, 이곳에는 서로 꼬인 빗모양의 전극(52,53)이 형성된다. 이렇게 레이저를 이용해 전극(52,53) 사이의 간격을 50㎛보다 좁게 형성할 수 있다. 이렇게 하여, 아주 많은 수의 빗살을 갖는 빗모양 전극(52,53)을 기판(60) 표면에 형성하여 전극 표면적이 넓은 구조체(70)를 만들 수 있다. 전극(52,53) 사이의 간격은 보다 좁고 전극 표면은 넓기 때문에, 전극(52,53) 사이의 절연성은 감소하고 매연센서의 감도는 증가한다.
이렇게 형성된 매연센서에 매연입자들이 흡착되면, 이런 매연입자들이 레이저로 태워져 아무것도 없이 비워지거나 증발된 전극(52,53) 사이의 간격에도 부착된다. 레이저로 형성된 전극(52,53) 사이의 선이 길수록 전극 사이에 매연입자들이 부착될 통계적 확률도 커진다.
매연입자들이 전극(52,53) 사이의 간격에 부착되면, 저항 변화를 일으키고, 매연입자수가 충분하거나 간격의 표면적이 매연입자로 충분히 덮이면, 전기절연 손실 형태의 측정가능한 신호를 생성할 수 있다. 전극(52,53) 사이의 간격이 좁고 길이가 길기 때문에 매연센서의 감도가 더 커진다.
도 7은 본 발명에 따른 센서의 전개도이되, 성형전의 백금층(68)만 없으면 도 7은 본 발명의 완전한 매연센서의 전개도이다.
Claims (17)
- 절연 기판(1,20,60)에 연속적인 금속층(68)을 붙이는 단계;
상기 금속층(68)의 일부분을 레이저빔으로 증발시켜 금속층(68)을 가공하는 단계;를 포함하고,
금속층(68)을 가공할 때, 적어도 2개의 서로 꼬인 연속적인 도전 구조들(2,3,42,43,52,53)이 생기며, 이런 도전 구조들(2,3,42,43,52,53)은 레이저빔으로 서로 공간적으로 분리되고 전기적으로 졀연되며 총길이에 걸쳐 서로 이웃하고 뻗는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 금속층(68)을 미리 가공해 절연 기판(1,20)에 붙이고, 도전 구조들(2,3,42,43,52,53)의 전기적 연결을 위해 광폭 도전층(14)을 미리 가공하며, 특히 도전 구조들(2,3,42,43,52,53)을 형성하도록 모든 리드(4,5,14)를 미리 가공하는 저것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 도전구조들(2,3,42,43,52,53) 사이에 형성할 간격을 따라 구불구불한 선으로 금속층(68) 위로 레이저빔을 움직여, 상기 선을 따라 금속층(68)을 증발시키며, 최종적으로 형성된 도전구조들(2,3,42,43,52,53) 사이의 간격이 레이저빔의 초점의 유효 단면의 직경과 일치하는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)이 총길이의 적어도 90%에서, 바람직하게는 적어도 98%에서 서로 인접해 뻗는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 절연 기판(1,20,60)이 금속산화물 기판(1,20,60), 유리기판(20), 세라믹 Al2O3 기판(60), 또는 유리나 유리세라믹이나 Al2O3 층인 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 금속층(68)이나 매연센서 반대쪽의 절연 기판(1) 표면에 또는 도전구조들(2,3,42,43,52,53)에 인접하게 온도센서(7)가 배치되는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)을 가공한 뒤, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)의 리드들(4,5,14) 전체를 코팅하고, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)의 일정 부분들을 금속산화물이나 유리나 유리세라믹으로 된 절연층(21)으로 코팅하며, 유리땜납으로 절연층(21) 위에 온도센서(7)를 결합하는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, 박막기술을 이용해 세라믹 기판(1) 위에 온도센서(7)를 먼저 형성한 다음, 온도센서(7) 위에 절연 기판(20)을 붙이고, 이어서 절연 기판(20) 위에 연속적인 금속층(68)을 붙여 도전구조들(2,3,42,43,52,53)을 형성하는데, 이때 온도센서(7) 위에 절연 기판(20)으로서 Al2O3나 유리나 유리세라믹 층을 붙이는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 층 구조를 연결단자(16)에 결합하고, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)과 온도센서(7)를 연결단자(16)의 접촉요소(12)에 연결하는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)로서 서로 꼬인 나선형 열선(2,3,42)이나 전극(43,52,53)이 형성되는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, 매연센서가 하나의 절연 기판(1,20,60)과 적어도 2개의 연속적인 도전구조들(2,3,42,43,52,53)을 포함하고, 적어도 2개의 연속적인 도전구조들은 가공된 금속층으로서 서로 분리된채 꼬여져 있으며, 도전구조들(2,3,42,43,52,53) 사이의 간격이 레이저로 태워져 비워지며, 이 간격은 어떤 부분에서는 50㎛보다 더 좁고, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)이 광폭 도전층(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 광폭 도전층(14)이 절연층(21)으로 덮이고, 바람직하게는 도전구조들(2,3,42,43,52,53) 중에 광폭 도전층(14)에 인접한 부분들이 절연층(21)으로 덮이는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 매연센서가 연결단자(16)와 온도센서(7)를 갖고, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)은 가공된 금속층으로서 절연 기판(1,20,60) 위에 배치되는 한편 적어도 일부분이 절연층(21)으로 덮이며, 온도센서(7)가 가공된 금속층으로서 절연층(21) 위에 배치되거나, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)과 온도센서(7)가 동일한 절연 기판(1,60) 위에 배치되고, 온도센서(7)와 도전구조들(2,3,42,43,52,53)이 연결단자(16)에 전기적으로 및 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제11항 내지 제13항 중의 어느 하나에 있어서, 절연 기판(1,20,60)이 Al2O3, 산화마그네슘, 산화지르코늄, 산화이트륨 및/또는 SiO2를 함유한 세라믹 금속산화물 기판(60)이고, 바람직하게는 세라믹 Al2O3 기판(60)인 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제11항 내지 제14항 중의 어느 하나에 있어서, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)이 레이저로 가공된 정밀한 금속층(68)이고 바람직하게는 백금 금속층(68)이며, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)의 전기저항이 1~10Ω인 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제11항 내지 제15항 중의 어느 하나에 있어서, 도전구조들(2,3,42,43,52,53)이 서로 꼬인 나선형 열선(2,3,42)이나 전극(43,52,53)인 것을 특징으로 하는 매연센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제16항 중의 어느 하나에 따른 매연센서를 포함하는 디젤엔진으로서, 매연센서가 연결단자에 의해 배기관의 입구에 결합되어 엔진의 배가스 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진.
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