KR20160145246A

KR20160145246A - 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템

Info

Publication number: KR20160145246A
Application number: KR1020150081404A
Authority: KR
Inventors: 정연수; 오수민; 김은지; 홍성진
Original assignee: 주식회사 아모텍
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2016-12-20
Also published as: KR101694840B1

Abstract

입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 절연기판; 상기 절연기판 일측에 형성되는 제1 내지 제 3전기접속단자; 상기 절연기판 타측 상부면 상에 노출되도록 형성되며, 일단이 상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 전극; 및 상기 절연기판 내에 형성되며, 양단 각각이 상기 제2 및 제3전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 2 전극;을 포함하며, 상기 제2 및 제3전기접속단자에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전용량에 따라 변화되는 상기 제 2 전극의 저항값에 따른 상기 제 2 전극의 온도가 검출된다.

Description

입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템{Particular matter sensor and exhaust gas purification system using the same}

본 발명은 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대한 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있다.

구체적으로, 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.

이에, 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화 촉매, 질소 산화물 촉매, 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.

상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매, 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.

배기가스 저감장치의 고장 여부를 진단하기 위해서는 DPF필터 후단에 입자상 물질 센서(PM센서)가 장착되며, 이러한 입자상 물질 센서(PM)는 저항방식과 정전용량 방식이 있다.

여기서, 저항방식 입자상 물질 센서(PM센서)는 표면 상에 배치되는 복수 개의 외부전극이 나란하게 배치되며, 외부전극 사이에 입자상 물질이 침전되고, 침전된 입자상 물질(PM)에 의해 외부전극 사이에 전류가 형성되어 센서의 전기전도도 변화를 측정함으로써, 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있다.

아울러, 정전용량 방식은 표면 상에 나란하게 배치되는 복수 개의 외부전극과, 복수 개의 외부전극과 상/하 방향으로 배치되는 복수 개의 내부 전극으로 구성되며, 외부전극들 사이에 퇴적하는 입자상 물질의 면적 및 외부전극과 내부 전극 사이의 거리를 이용하여 외부전극과 내부 전극 사이의 정전용량을 측정함으로써, 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있다.

상술한 바와 같은 입자상 물질 센서들은 센서 표면에 쌓인 입자상 물질을 제거하기 위하여 히터를 내장하는데, 이와 같은 히터를 제어하기 위하여 추가적으로 온도 센서를 구비하였다.

이와 같이 종래기술에 따른 입자상 물질 센서는 센싱 방법이 간단하다는 장점을 가지고 있기는 하지만 히터와 온도 센서가 같이 입자상 물질 센서 내에 내장되므로 구조가 복잡해지고, 단가가 올라가는 문제점이 있었다.

일본공개특허 2009-85959(공개일 2009년 4월 23일)

본 발명은 별도의 온도 센서를 내부에 내장하지 않고도 입자상 물질 센서 내부의 온도를 측정할 수 있는 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기가스 정화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 입자상 물질 센서 내부의 제 2 전극을 이용하여 온도를 측정할 수 있는 입자상 물질 센서 및 그를 이용한 배기 가스 정화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면 절연기판; 상기 절연기판 일측에 형성되는 제1 내지 제 3전기접속단자; 상기 절연기판 타측 상부면 상에 노출되도록 형성되며, 일단이 상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 전극; 및 상기 절연기판 내에 형성되며, 양단 각각이 상기 제2 및 제3전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 포함하며, 상기 제2 및 제3전기접속단자에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전용량에 따라 변화되는 상기 제 2 전극의 저항값에 따른 상기 제 2 전극의 온도가 검출되는 입자상 물질 센서가 제공된다.

이 때, 상기 제 2 전극은 선형으로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 제 2 전극은 절연기판 내에 복수 개로 형성되는 제 2 접지 전극을 포함하며, 상기 복수 개의 제 2 접지 전극은 상기 절연기판의 길이방향으로 서로 나란하게 동일 간격으로 이격 배열되되, 상기 복수개의 제 2 접지 전극 각각의 양 단부에 형성되는 제1절곡부 및 제2절곡부에 의해 서로 이웃하는 제 2 접지 전극이 지그재그 형태로 서로 연결될 수 있다.

이 때, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 서로 대응되도록 배치되며, 상기 제 2 전극의 면적이 상기 제 1 전극의 면적에 대응되게 형성될 수 있다.

이 때, 상기 제 1 내지 제 3 전기 접속 단자는 상기 절연기판의 상부면 일측에 노출되도록 형성될 수 있다.

이 때, 상기 제 2 전극의 양단 각각은 상기 절연기판의 상기 제 2 전극 및 상기 상부면 사이에 배치되는 절연층에 형성되는 제1 및 제2비아홀을 통하여 상기 제2 및 제3전기접속단자에 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 상기 제 1 전극은 상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 접지 전극 및 상기 제 1 접지 전극과 전기적으로 연결되지 않는 복수 개의 이격 전극을 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제 1 접지 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 복수 개의 이격 전극 사이 공간에 배치되는 복수개의 제 1 연장부를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제 1 접지 전극은 상기 복수 개의 제 1 연장부를 서로 연결하기 위하여 상기 절연기판의 폭 방향으로 연장된 제 2 연장부를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제 1 접지 전극은 상기 복수 개의 이격 전극을 둘러싸도록 형성될 수 있다.

이 때, 상기 복수 개의 이격 전극 각각은 상기 복수의 제 1 연장부 사이에 각각 배치되며 제 1 면적을 갖는 감지부 및 상기 감지부와 연결되되 상기 제 1 면적보다 넓은 제 2 면적을 갖는 용량부를 포함할 수 있다.

한편, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치되는 유전층을 포함할 수 있다.

한편, 상기 절연기판 내에 형성되며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 가열하는 히터부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 배기 매니폴드; 상기 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스 내 포함되는 미립자들을 제거하는 배기가스 미립자 필터; 상기 배기가스 미립자 필터에 연결되는 유출측 배기관에 설치되어, 상기 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출하는 입자상 물질 센서를 포함하며, 상기 입자상 물질 센서는 절연기판; 상기 절연기판 일측에 형성되는 제1 내지 제 3전기접속단자; 상기 절연기판 타측 상부면 상에 노출되도록 형성되며, 일단이 상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 전극; 및 상기 절연기판 내에 형성되며, 양단 각각이 상기 제2 및 제3전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 포함하며, 상기 제2 및 제3전기접속단자에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전용량에 따라 변화되는 상기 제 2 전극의 저항값에 따른 상기 제 2 전극의 온도가 검출되는, 배기가스 정화 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 절연 기판 내부의 제 2 전극의 양단이 제2 및 제3전기접속단자와 연결되어 제 2 전극 양단의 저항변화에 따른 온도를 검출할 수 있기 때문에, 온도센서를 따로 형성할 필요 없이 제 2 전극이 입자상 물질 센서의 온도센서 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 제 2 전극이 온도센서의 역할을 하므로 입자상 물질 센서의 구조가 간단해지며, 이에 따라 입자상 물질 센서 제작 공정이 단순화될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 입자상 물질 센서의 구조가 간단해지므로, 입자상 물질 센서의 제작 단가를 절감할 수 있다.

도 1은 차량용 디젤 엔진의 배기가스 정화 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 입자상 물질 센서의 분해 사시도이다.
도 4 a는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 제 1 전극의 일 실시예이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 제 1 전극의 다른 예를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3의 제 2 전극을 도시한 평면도이다.
도 6은 도 2의 A-A' 방향에서 본 단면도이다.
도 7은 도 2의 B-B' 방향에서 본 단면도이다.
도 8은 도 3의 제 2 전극을 이용한 온도 측정 개념을 도시한 설명하기 위한 제 2 전극의 저항 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명의 도 1에 따른 배기가스 정화 시스템(100)은 엔진(110)의 배기 매니폴드(120)에는 터빈(130)이 설치될 수 있으며, 터빈(130)과 연동하는 터보차저(140)가 회전하면, 압축된 공기가 쿨러(150)를 통과해 흡기 매니폴드(미도시)로 보내질 수 있고, 배기 매니폴드(120)로부터 배출되는 연소 배기의 일부는 밸브(160) 및 쿨러를 통하여 흡기 매니폴드(미도시)로 환류될 수 있다.

배기 매니폴드(120)에 접속하는 배기관(180)에는 디젤 산화 촉매(미도시) 및 배기가스 미립자 필터(170)가 설치되어 연소 배기가스를 처리할 수 있다. 즉, 배기관(180)에 배출된 연소 배기가스는 상류측의 디젤 산화 촉매(미도시)를 통과하는 동안에, 미연소의 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 일산화질소(NO)가 산화될 수 있으며, 하류측의 배기가스 미립자 필터(170)를 통과하는 동안에, 그을음 입자(Soot), 가용성 유기 성분(SOF) 및 무기 성분으로 이루어진 입자상 물질(PM)이 포집될 수 있다.

디젤 산화 촉매(미도시)는 배기가스 미립자 필터(170)의 강제 재생시에, 공급되는 연료의 산화 연소에 의해 배기 온도를 상승시키고, 혹은 입자상 물질 중의 SOF 성분을 산화 제거할 수 있다. 또한, NO의 산화에 의해 생성하는 NO2는 후단의 배기가스 미립자 필터(170)에 퇴적한 입자상 물질의 산화제로서 사용되어 연속적인 산화를 가능하게 할 수 있다.

배기가스 미립자 필터(170)는 가스 유로를 구획하는 셀벽을 관통하여 다수의 가는 구멍이 형성될 수 있으며, 배기가스 미립자 필터(170)에 도입되는 배출 가스 중의 입자상 물질을 포획할 수 있다. 디젤 산화 촉매와 배기가스 미립자 필터(170)를 일체화한 연속 재생식 디젤 파티큘레이트 필터로서 구성할 수도 있다.

배기관(180)에는 디젤 입자상 필터(170)에 퇴적한 입자상 물질의 양을 감시하기 위해서, 차압 센서(190)가 설치될 수 있다. 차압 센서(190)는 배기가스 미립자 필터(170)의 상류측 및 하류측과 접속되어 있어 그 전후 차압에 따른 신호를 출력할 수 있다.

또한, 디젤 산화 촉매의 상류 및 배기가스 미립자 필터(170)의 상하류에는, 온도 센서(미도시)가 설치되어, 각각의 배기 온도를 감시할 수 있다.

제어 회로(미도시)는 이들 출력에 기초하여 디젤 산화 촉매의 촉매 활성 상태나 디젤 입자상 필터(170)의 입자상 물질 포집 상태를 감시하여, 입자상 물질 포집량이 허용량을 넘으면, 강제 재생을 실시해 입자상 물질을 연소 제거하는 재생 제어를 실시할 수 있다.

입자상 물질 센서(200)는 배기가스 미립자 필터(170)의 타측에 연결되는 유출측 배기관(182)에 설치되어, 배기가스 미립자 필터(170)를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출할 수 있다.

도 2및 도 3을 참조하면, 본 발명의 입자상 물질 센서(200)는 절연기판(210), 제 1 전극(220), 제 2 전극(230), 및 히터부(240)를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 절연기판(210)은 제1 내지 제4 절연층(212, 214, 216, 218)이 서로 나란하게 적층되어 형성될 수 있으며, 글라스 소재, 세라믹 소재, 알루미나, 스피넬, 또는 이산화티타늄 등의 내열성의 절연체로 이루어질 수 있다.

이 때, 절연기판(210)의 제 1 절연층(212)의 상부면 상에는 제1 내지 제 3전기접속단자(252, 254, 256)가 노출되도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제 1 내지 제 3 전기 접속 단자(252, 254, 256)가 제 1 절연층 상부면 상에 노출된 구성을 예시하였으나, 제 1 내지 제 3 전기 접속 단자(252, 254, 256)의 위치가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

이때, 제1전기접속단자(252)는 절연기판 상부면 상의 제 1 전극(220)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 및 제3전기접속단자(254, 256)는 절연 기판 내부의 제 2 전극(230)과 전기적으로 연결될 수 있다.

제 1 전극과 제 2 전극의 구체적인 구성에 대해서 이하 자세히 설명하도록 한다.

제 1 전극(220)은 절연기판(210)의 상부면에서 노출되도록 배치될 수 있다.

이 때, 도 4a를 참조하면, 제 1 전극(220)은 제 1 접지 전극(222) 및 이격 전극(224)을 포함할 수 있다.

제 1 접지 전극(222)은 복수개의 제 1 연장부(222a), 제 2 연장부(222b) 및 제 3 연장부(222c)를 포함할 수 있다.

복수개의 제 1 연장부(222a)는 절연기판(210)의 상면 일측에 절연 기판(210)의 폭 방향으로 서로 나란하게 이격되어 배치될 수 있으며, 절연 기판(210)의 길이 방향으로 연장된 직사각 형상으로 이루어질 수 있다.

이 때, 복수개의 제 1 연장부(222a)은 제 2 연장부(222b)에 의해 서로 연결될 수 있다.

제 2 연장부(222b)는 복수개의 제 1 연장부(222a)를 서로 전기적으로 연결시키기 위하여 절연기판(210)의 폭 방향으로 연장 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 폭 방향으로 연장 형성된 제 2 연장부(222b)의 양단에는 한 쌍의 제 3 연장부(222c)가 절연기판(210)의 길이방향 둘레를 따라 연장 형성된다.

이 때, 한 쌍의 제 3 연장부(222c)는 제 1전극 리드(222d)와 연결되도록 절곡 형성될 수 있다.

이때, 제 1 접지 전극(222)의 제 2 연장부(222b) 및 제 3 연장부(222c)는 후술되는 이격 전극(224)의 외측에 배치될 수 있으며, 이에 따라 이격 전극은 제 1 접지 전극에 의하여 둘러싸일 수 있다.

이격 전극(224)은 제 1 접지 전극(222)과 전기적으로 연결되지 않은 전극으로서, 절연기판(210)의 길이 방향으로 나란하게 배열된다. 이 때, 도 4a를 참조하면, 복수 개의 이격 전극(224) 사이에 제 1 연장부(222a)들이 배치된다.

이때, 복수개의 이격 전극(224)은 서로 전기적으로 연결되지 않으며, 이격 전극(224)과 제 1 연장부(222a) 사이에 형성되는 공간(226)에 입자가 퇴적됨으로써 이격 전극(224)들이 제 1 연장부(222a)와 전기적으로 연결될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수개의 이격 전극(224) 각각은 감지부(224a) 및 용량부(224b)를 포함할 수 있다.

감지부(224a)는 제 1 연장부(222a)에 이웃하여 배치되며 제 1 면적을 갖는 직사각 형상으로 이루어진다. 이 때, 감지부(224a)는 제 1 연장부(222a)의 연장 방향 길이와 대응하는 길이를 갖도록 제 1 연장부(222a)와 평행하게 배치될 수 있다.

감지부(224a)는 제 1 연장부(222a)와 소정 간격 이격 배치되며, 입자상 물질이 쌓이는 공간(226)이 제 1 연장부(222a)과 감지부(224a) 사이에 형성될 수 있다.

이에 따라, 공간(226)에 입자가 퇴적됨으로써 전기적으로 연결되지 않은 감지부(224a)와 제 1 연장부(222a)가 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 용량부(224b)는 감지부(224a)와 전기적으로 연결되며 감지부(224a)의 연장 방향 단부로부터 연장된다. 도 4a를 참조하면, 용량부(224b) 사이에는 제 1 연장부(222a)가 위치되지 않도록 형성될 수 있다. 용량부(224b)는 절연 기판(210)의 길이 방향으로 연장된 직사각 형상으로 형성될 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이격 전극(224)과 제 2 전극(230) 사이의 정전용량을 증가시키기 위해서 용량부(224b)의 면적은 감지부(224a)보다 대면적으로 설계될 수 있다.

보다 상세히, 용량부(224b)의 면적은 감지부(224a)의 면적보다 넓게 형성될 수 있는데, 특히, 용량부(224b)의 면적은 감지부(224a)의 면적에 2배 이상을 갖도록 형성될 수 있다.

이 때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 용량부(224b)의 면적을 감지부(224a)의 면적보다 넓게 하기 위하여 용량부(224b)의 폭을 감지부(224a)의 폭보다 넓게 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 제 1 전극(220)은 전술한 구조 이외의 구조를 가질 수도 있다.

도 4b를 참조하면, 제 1 전극의 변형예로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 전극(320)은 제 1 접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제 1 전극(320)은, 전술한 도 4a의 제 1 전극과 달리 제 1 접지 전극(320a)이 복수 개의 이격 전극(320b)을 둘러싸지 않고 복수 개의 이격 전극(320b) 중 양 단부에 위치하는 2개의 이격 전극의 외측부에 나란하게 한 쌍으로 배치된다.

도 4b를 참조하면, 제 1 접지 전극(320a)은 절연 기판(210)의 길이 방향으로 연장된 직사각 형상으로 이루어질 수 있으며, 일단부가 제 1 전극 리드(324)에 의하여 제 1 전기 접속 단자와 전기적으로 연결된다.

한편, 복수개의 이격 전극(320b)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 접지 전극(320a)과 전기적으로 연결되지 않고 절연 기판(210)의 폭 방향으로 나란하게 서로 평행하게 이격 배치된다. 이 때, 복수 개의 이격 전극(320b)들도 서로 전기적으로 연결되지 않는다. 도 4b에서는 이격 전극을 6개 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 이격 전극의 수는 이격 전극의 폭, 감응부의 면적 및 제 1 전극의 전체 면적 등을 고려하여 달라질 수 있다.

도4b를 참조하면, 제 1 접지 전극(320a)은 2개로 이루어지며, 2개의 제 1 접지 전극(320a)은 절연 기판(210)의 폭 방향으로 복수 개의 이격 전극(320b) 중 양 단부에 위치하는 2개의 이격 전극(320b) 외측부에 배치될 수 있다.

이 때, 제 1 접지 전극(320a) 및 제 1 접지 전극(320a)과 이웃하는 이격 전극(320b), 및 복수개의 이격 전극(320b)들 중 서로 이웃하는 이격 전극(320b) 사이에 입자상 물질이 퇴적되는 공간(326)이 형성된다.

이때, 제1접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b) 각각은 도 4b에 도시된 바와 같이 소정의 폭(W1) 및 길이(L1)를 갖는 직사각 형태로 이루어질 수 있다.

이 때, 제 1 접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b)들의 폭(W1)은 서로 이웃하는 제 1 접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b) 사이 및 서로 이웃하는 이격 전극(320b) 사이 거리(W2)보다 넓게, 예를 들어 2배 이상으로 형성될 수 있다.

이 때, 감응부(310)의 전체 면적을 제 1 면적이라 하고, 2개의 제 1 접지 전극(320a) 및 복수 개의 이격 전극(320b)을 포함하는 제1전극(320)의 총 면적을 제 3 면적이라 할 때, 상기 감응부의 제 1 면적에서 상기 제 3 면적을 제외한 제 2 면적보다 제 1 전극이 차지하는 제 3 면적이, 보다 넓게, 예를 들어 2배 이상으로 형성될 수 있다.

이상과 같은 제 1 전극의 다른 예에 따르면, 서로 이웃하는 제1접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b) 사이 및 서로 이웃하는 이격 전극(320b) 사이에 형성되는 공간(326)에 입자들이 퇴적됨으로써 인접한 제1접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b), 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(320b)들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

제1전극(320)을 구성하는 제1접지 전극(320a)과 제1접지 전극(320a)에 이웃한 이격 전극(320b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(320b) 사이에 퇴적되는 입자상 물질에 의해 제1접지 전극(320a)과 상기 제1접지 전극(320a)에 이웃한 이격 전극(320b), 및 서로 이웃하는 이격 전극(320b)이 전기적으로 연결되면, 전기가 통하는 제1전극(320)의 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 절연 기판 상부면 상의 제1전극(320)과 절연기판 내부의 제2전극(230) 사이의 정전용량이 변하게 된다.

이 때, 제 1 전극의 다른 예에 따르면, 제1전극(320)의 면적이 서로 이웃하는 제1 접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(320b) 사이의 공간(326)을 포함하는 면적보다 넓기 때문에 제1전극(320)과 제2전극(230) 사이의 정전용량 변화량의 한계값이 커질 수 있다.

또한, 제1전극(320)의 면적이 서로 이웃하는 제1 접지 전극(320a) 및 1 이격 전극(320b) 사이, 그리고 서로 이웃하는 이격 전극(320b) 사이의 공간을 포함하는 감응부의 나머지의 면적보다 넓기 때문에 제 1 전극(320)과 제2전극(230) 사이의 정전용량의 검출 민감도가 증가될 수 있다.

다시, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 제 2 전극(230)은 절연기판(210) 내에서 제 1 전극(220)과 나란하게 이격 배치되어 형성될 수 있다.

구체적으로, 제 2 전극(230)은 복수개의 제 2 접지 전극(232)을 포함할 수 있다.

이 때, 복수 개의 제 2 접지 전극(232)은 제 1 전극(220)의 복수 개의 이격 전극(224)(본 발명의 다른 실시예에 대하여는 제 1 접지 전극(320a) 및 이격 전극(320b))에 대응되도록 절연기판 내에 형성될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에서, 복수 개의 제 2 접지 전극(232)은 도 5에서와 같이 서로 연결되어 단일의 선형으로 수 있다.

이때, 복수개의 제 2 접지 전극(232)은 서로 일체로 연결되어 절연기판(210)의 내부에서 구불구불하게 지그재그 형태로 형성될 수 있다.

보다 상세히, 제 2 접지 전극(232)은 절연기판(210)의 길이방향을 따라 나란하게 이격되어 배치될 수 있으며, 이때, 서로 이웃하는 제 2 접지 전극(232)은 내부 전극 각각의 단부에 형성된 제1 및 제2절곡부(232a, 232b)에 의해 연결될 수 있다.

이때, 제1 및 제2절곡부(232a, 232b)는 제 2 접지 전극의 양단부에 교대로 반복되어, 제1절곡부(232a)가 절연기판(210)의 일측에서 서로 이웃하는 제 2 접지 전극(232)을 서로 연결시키며, 제2절곡부(232b)가 절연기판(210)의 타측에서 서로 이웃하는 제 2 접지 전극(232)을 연결시키도록 형성된다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서의 제 2 전극(23-)은 제 2 전극(230)을 형성하는 복수개의 제 2 접지 전극(232)이 서로 연결되어 하나의 선처럼 형성되고, 양단이 제2 및 제3전기접속단자(254, 256)와 연결된다.

여기서, 복수 개의 이격 전극(224)과 복수개의 제 2 접지 전극(232)은 서로 평행하게 중첩될 수 있고, 절연기판(210)에 길이방향으로 나란하게 배열될 수 있으며, 절연기판(210)의 폭 방향으로 서로 대응되게 배열될 수 있다.

이때, 복수개의 제 2 접지 전극(232)의 폭은 이격 전극(224) 중 용량부(224b)의 폭과 동일하게 형성될 수 있다.

한편, 절연 기판(210)의 상부 타측에 형성된 제2 및 제3전기접속단자(254, 256)와 제 2 전극(230)의 양단을 전기적으로 연결하기 위하여 제2전기접속단자(254, 256)와 제 2 전극(230) 사이의 절연기판(210)의 제 1 절연층 및 제 2 절연층에는 각각 한 쌍의 제 1 비아홀(212a, 212b) 및 한 쌍의 제2 비아홀(214a, 214b)이 형성될 수 있다.

한편, 제 1 전극(220) 및 제 2 전극(230) 사이에는 유전율을 갖는 유전층(219)이 배치될 수 있다. 보다 상세히, 유전층(219)은 제 1 전극(220)과 제 2 전극(230) 사이의 원활한 정전용량의 특성을 구현할 수 있도록 제 1 전극(220)와 제 2 전극(230) 사이에 형성될 수 있고, 세라믹 소재로 이루어질 수 있다.

히터부(240)는 제 1 전극(220) 및 제 2 전극(230), 유전층(219)을 가열하기 위한 것으로, 절연기판(210)의 내부, 예를 들어, 절연 기판의 제 3 절연층(216)과 제 4 절연층(218) 사이에 위치될 수 있다.

보다 상세히, 히터부(250)는 제 1 전극(230) 및 제2전극(240)과 나란하게 이격 배치되도록 절연기판(210)의 내측 하부에 위치될 수 있다.

이때, 히터부(250)의 양단은 절연기판(210)의 제 4 절연층(218) 상부의 제4 전기 접속 단자(258) 및 제5접속 단자(259)에 전기적으로 접속될 수 있다.

히터부(240)는 제 1 전극(220)을 가열하여, 제 1 전극(220) 상에 퇴적된 입자상 물질들을 제거할 수 있다.

이 때, 배기가스 미립자 필터(도 1의 170) 후단 배기 환경은 대략 300 ℃ 이상의 고온이고, 히터 가열시 대략 650 ℃ 이상이 되기 때문에 일반 금속은 히터부로 사용 시 산화가 될 가능성이 높기 때문에, 히터부(240)는 고온에서 산화가 잘 되지 않는 물질로 형성될 수 있다.

이하 도면을 달리하여 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 센서의 정전용량 측정 방법 및 온도 측정 방법을 설명한다.

도 1, 도 6및 도7를 참조하면, 배기가스 미립자 필터(도 1의 170)를 통하여 유출측 배기관(182)으로 유동한 입자상 물질(P1)은 유출측 배기관(182)의 일측에 구비되는 입자상 물질 센서(200)를 인접하여 지나게 되며, 이때, 도 6에서와 같이 입자상 물질(P1)은 이격 전극(224)의 감지부(224a)와 제1 접지 전극(222) 사이에 형성된 공간들(226) 상에 퇴적될 수 있다.

구체적으로, 감지부(224a)와 제 1 접지 전극(222)의 제 1 연장부(222a) 내지 제 3 연장부(222c) 사이 공간(226)에 퇴적되는 입자상 물질에 의해 감지부(224a)와 제 1 접지 전극(222)이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

이 때, 입자상 물질이 감지부(224a)와 제 1 접지 전극(222)의 제 1 연장부(222a) 내지 제 3 연장부(222c) 사이 공간(226)에 퇴적되어 전기가 통하는 이격 전극의 감지부(224a)의 수가 많아지게 되며, 이격 전극의 감지부(224a)와 일체로 형성되는 용량부(224b)도 전기적으로 연결될 수 있다.

이에 따라, 전기가 통하는 이격 전극(224)을 포함하는 제 1 전극(230)과 제 2 전극(230) 사이의 정전용량이 변하게 된다.

구체적으로, 도 7에서와 같이 용량부(224b)와 제 2 전극(232)사이의 정전용량은 하기 식 1에 의하여 측정될 수 있다.

C=εW/t (식 1)

상기 식 1에서 W는 전기적으로 제 1 접지 전극에 연결된 이격 전극의 용량부(224b)의 면적이며, t는 용량부(224b)와 제 2 전극(232)까지의 거리이므로, 제 1 전극(220)와 제 2 전극(230) 사이의 정전용량을 측정할 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 하나의 감지부가 전기적으로 제 1 접지 전극에 연결될 때 증가되는 정전 용량 측정 가능한 면적이, 감지부의 면적뿐만 아니라 용량부의 면적까지 확장될 수 있다. 따라서, 이격 전극(224)에서 감지부(224a)가 전기적으로 제 1 접지 전극(222)에 연결되는 것만으로도 이격 전극(224)과 제 2 전극(232) 사이의 정전용량이 커질 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 제 2 접지 전극(232)과의 사이에서 정전용량을 변화시키는 이격 전극(224)의 용량부(224b)의 면적이 감지부(224a)의 면적보다 크기 때문에 이격 전극(224)들과 제 2 접지 전극(232) 사이의 정전용량이 변화하는데 걸리는 응답시간을 단축할 수 있으며, 이에 따른 정전용량의 변화를 크게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는 이격 전극의 감지부(224a)의 면적이 용량부(224b)의 면적보다 작고, 감지부(224a)들 사이에 제 1 접지 전극(222)의 제 1 연장부(222a)들이 배치됨으로써, 입자상 물질에 의해 연결되는 감지부(224a)와 제 1 접지 전극(222)의 접점이 많아지기 때문에, 이격 전극(224)과 제 2 접지 전극(232) 사이의 정전용량이 변화하는데 걸리는 응답시간을 단축할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상 물질 센서는, 제 2 접지 전극(232)과 전기적으로 연결되는 제2 및 제3전기접속단자(254, 256)에서 제 2 전극의 저항값에 따른 온도를 측정할 수 있다. 이와 같이 제 2 전극의 저항값에 대한 온도를 측정함으로써 제 2 전극(230)은 입자상 물질 센서 내부의 온도센서로서의 역할을 할 수 있다.

도 8은 제 2 전극을 이용한 온도 측정 개념을 도시한 설명하기 위한 제 2 전극의 저항 구성도이다.

도 8을 참조하면, 제1전기접속단자(252)와 연결되는 제 1 전극(210) 및 제2전기접속단자(254)와 연결되는 제 2 전극(230) 사이에서는 정전용량을 측정할 수 있다.

이 때, 제 2 전극(230)의 저항이 제2 및 제3전기접속단자(254, 256)에서 측정될 수 있다. 이와 같이 제 2 전극의 저항을 측정함으로써 제 2 전극(230)의 저항값에 따른 온도를 검출할 수 있다.

이에 따라, 제 2 전극(230)의 양단에 연결되는 제2 및 제3전기접속단자(254, 256)에서 측정된 온도와 차량에 설치되는 온도센서(미도시)에서 측정된 온도의 측정값을 비교하여 제 1 전극(220) 및 제 2 전극(230)을 가열하는 히터부(240)를 제어할 수 있다.

따라서, 입자상 물질 센서는 제 2 전극의 양단이 제2 및 제3전기접속단자와 연결되어 제 1 전극와 제 2 전극 사이의 정전용량에 따른 온도를 검출할 수 있기 때문에, 온도센서를 따로 설치할 필요 없이 제 2 전극이 입자상 물질 센서의 온도센서 역할을 할 수 있다.

이와 같이, 제 2 전극이 온도센서의 역할을 하여 입자상 물질 센서의 구조가 간단해짐으로써, 공정이 단순화될 수 있다.

또하, 입자상 물질 센서의 구조가 간단해짐으로써, 입자상 물질 센서의 단가를 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

100 : 배기가스 정화 시스템 110 : 엔진
120 : 배기 매니폴드 130 : 터빈
140 : 터보차저 150 : 쿨러
160 : 밸브 170 : 배기가스 미립자 필터
180 : 배기관 182 : 유출측 배기관
190 : 차압 센서 200 : 입자상 물질 센서
210 : 절연기판 220 : 제 1 전극
222 : 제 1 접지 전극 222a : 제2전극
222b : 연장부 222c : 제1전극리드
224 : 제1전극 224a : 감지부
224b : 용량부 226 : 공간
230 : 제 2 전극 232 : 제 2 접지 전극
240 : 히터부
252, 254, 256 : 제 1 내지 제3전기접속단자

Claims

절연기판;
상기 절연기판 일측에 형성되는 제1 내지 제 3전기접속단자;
상기 절연기판 타측 상부면 상에 노출되도록 형성되며, 일단이 상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 전극; 및
상기 절연기판 내에 형성되며, 양단 각각이 상기 제2 및 제3전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 2 전극;을 포함하며,
상기 제2 및 제3전기접속단자에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전용량에 따라 변화되는 상기 제 2 전극의 저항값에 따른 상기 제 2 전극의 온도가 검출되는 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 선형으로 이루어지는 입자상 물질센서.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 절연기판 내에 복수 개로 형성되는 제 2 접지 전극을 포함하며,
상기 복수 개의 제 2 접지 전극은 상기 절연기판의 길이방향으로 서로 나란하게 동일 간격으로 이격 배열되되, 상기 복수개의 제 2 접지 전극 각각의 양 단부에 형성되는 제1절곡부 및 제2절곡부에 의해 서로 이웃하는 제 2 접지 전극이 지그재그 형태로 서로 연결되는 입자상 물질센서.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 서로 대응되도록 배치되며, 상기 제 2 전극의 면적이 상기 제 1 전극의 면적에 대응되게 형성되는 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 전기 접속 단자는 상기 절연기판의 상부면 일측에 노출되도록 형성되는, 입자상 물질센서.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 전극의 양단 각각은 상기 절연기판의 상기 제 2 전극 및 상기 상부면 사이에 배치되는 절연층에 형성되는 제1 및 제2비아홀을 통하여 상기 제2 및 제3전기접속단자에 전기적으로 연결되는 입자상 물질센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은
상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 접지 전극;
상기 제 1 접지 전극과 전기적으로 연결되지 않는 복수 개의 이격 전극을 포함하는, 입자상 물질센서.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 접지 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 복수 개의 이격 전극 사이 공간에 배치되는 복수개의 제 1 연장부를 포함하는 입자상 물질센서.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 접지 전극은 상기 복수 개의 제 1 연장부를 서로 연결하기 위하여 상기 절연기판의 폭 방향으로 연장된 제 2 연장부를 포함하는 입자상 물질 센서.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 접지 전극은 상기 복수 개의 이격 전극을 둘러싸도록 형성되는 입자상 물질 센서.
제 10 항에 있어서,
상기 복수 개의 이격 전극 각각은
상기 복수의 제 1 연장부 사이에 각각 배치되며 제 1 면적을 갖는 감지부; 및
상기 감지부와 연결되되 상기 제 1 면적보다 넓은 제 2 면적을 갖는 용량부;를 포함하는, 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치되는 유전층을 더 포함하는 입자상 물질 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 절연기판 내에 형성되며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 가열하는 히터부를 포함하는 입자상 물질 센서.
배기 매니폴드;
상기 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스 내 포함되는 미립자들을 제거하는 배기가스 미립자 필터;
상기 배기가스 미립자 필터에 연결되는 유출측 배기관에 설치되어, 상기 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출하는 입자상 물질 센서;를 포함하며,
상기 입자상 물질 센서는
절연기판;
상기 절연기판 일측에 형성되는 제1 내지 제 3전기접속단자;
상기 절연기판 타측 상부면 상에 노출되도록 형성되며, 일단이 상기 제1전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 1 전극; 및
상기 절연기판 내에 형성되며, 양단 각각이 상기 제2 및 제3전기접속단자와 전기적으로 연결되는 제 2 전극;을 포함하며,
상기 제2 및 제3전기접속단자에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 정전용량에 따라 변화되는 상기 제 2 전극의 저항값에 따른 상기 제 2 전극의 온도가 검출되는, 배기가스 정화 시스템.