KR20170049733A - 백금 온도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백금 온도센서에 관한 것으로서, 절연기판 상에 백금 접촉패드를 갖는 백금 저항막 패턴과, 상기 백금 접촉패드 양단과 접촉하는 금속 단자와, 상기 금속 단자와 연결하는 리드선, 및 상기 백금 저항막 패턴을 보호하는 제2 보호막으로 구성된 백금 온도소자와; 상기 백금 온도소자를 글라스 튜브에 삽입한 후 열처리하여 밀봉시킨 글라스 절연층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

백금 온도센서 및 그 제조방법{Platinum Temperature Sensor and Method for Manufacturing Thereof}
본 발명은 백금 온도센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 백금 온도소자를 글라스 절연층으로 밀봉시킨 백금 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
온도 센서는 온도변화에 의해서 내부 저항값이나, 전압 혹은 전류가 변하는 것을 감지하여 온도를 측정하기 위한 센서로서 온도에 따라 내부 저항값이 작아지는 부성 특성을 이용한 서미스터, 온도에 따라 백금소자의 비례저항이 커지는 것을 이용한 백금 온도센서, 서로 다른 물체에 온도를 가하면 기전력이 발생하는 원리를 이용한 열전대 온도센서 등이 있다.
그 중에서 백금소자를 이용한 백금 온도센서는 엔진 온도, 변압기 절연유 온도, 기어박스 온도, 가스 온도, 기기의 동작환경 온도 등을 측정하는 용도 이외에 전기로, 제련, 용광로 등 공업용으로 높은 온도의 감지 및 제어에 활용된다.
일반적으로 백금 온도센서는 한국공개특허 제2009-0033131호의 도 1과 같이, 사파이어 기판(1) 상에 백금 접촉패드(4)를 갖는 사행(Meander) 형태의 백금 저항막 패턴(3)을 형성하고, 백금 저항막 패턴(3)을 보호하기 위하여 산화 알루미늄(Al2O3)으로 보호층(7)을 형성한다. 보호층(7)은 그 부분에 대해 유리 세라믹으로 이루어진 패시베이션층(10)을 형성한다. 백금접촉 패턴(4) 양단에는 단자(5)가 접촉되고, 단자(5)에는 리드선(6a, 6b)을 연결하며 리드선(6a, 6b)의 응력 경감을 위해 보호층(9)을 형성한다.
그러나, 종래의 백금 온도센서는 리드선(6a, 6b)과 단자(5)를 접착시 열충격에 의하여 크랙이 발생하여 리드선(6a, 6b)이 전극으로부터 떨어지거나 끊어질 수 있고, 700℃ 이상 높은 온도 및 진동 환경에서 오랜 시간 사용하는 경우 리드선(6a, 6b)과 단자(5) 접합부에 형성한 보호층(9)이 진동이나 충격 등에 의하여 떨어지는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 리드선과 단자 접합부를 포함하는 백금 온도소자를 글라스 절연층으로 밀봉하여 기계적 충격에도 결함이 발생하지 않는 백금 온도센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 백금 온도센서는, 절연기판 상에 백금 접촉패드를 갖는 백금 저항막 패턴과, 상기 백금 접촉패드 양단과 접촉하는 금속 단자와, 상기 금속 단자와 연결하는 리드선, 및 상기 백금 저항막 패턴을 보호하는 제2 보호막으로 구성된 백금 온도소자와; 상기 백금 온도소자를 글라스 튜브에 삽입한 후 열처리하여 밀봉시킨 글라스 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연기판과 백금 저항막 패턴 사이에 제1 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 절연기판은 알루미나 또는 사파이어인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 보호막은 산화 알루미늄(Al2O3) 재질인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 글라스 튜브는 열팽창계수가 7.5~8.810-6/℃인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 글라스 튜브는 Al2O3와 SiO2 주성분에 B2O3, BaO, SrO, CaO, MgO, SnO2, Y2O3, La2O3 성분 중 어느 두 개 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 글라스 튜브는 SrO가 4~21몰%, La2O3가 1~8몰%, Al2O3가 1~18몰%, B2O3가 1~ 18몰%, SiO2가 29~65몰%, BaO가 1~32몰%, CaO가 7~46몰%로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 백금 온도센서 절연기판 상에 백금 접촉패드를 갖는 백금 저항막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 백금 접촉패드 양단과 접촉하는 금속 단자를 형성하는 단계와, 상기 금속 단자를 금속 페이스트를 통해 리드선을 연결하는 단계와, 상기 백금 저항막 패턴을 보호하는 제2 보호막을 형성하는 단계로 백금 온도소자를 제조하는 단계와; 상기 백금 온도소자를 글라스 튜브 안에 삽입한 후 열처리하여 글라스 절연층으로 밀봉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 절연기판과 백금 저항막 패턴 사이에 제1 보호막을 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 절연기판은 알루미나 또는 사파이어를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 보호막은 산화 알루미늄(Al2O3) 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 글라스 튜브는 Al2O3와 SiO2 주성분에 B2O3, BaO, SrO, CaO, MgO, SnO2, Y2O3, La2O3 성분 중 어느 두 개 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 글라스 튜브는 SrO가 4~21몰%, La2O3가 1~8몰%, Al2O3가 1~18몰%, B2O3가 1~ 18몰%, SiO2가 29~65몰%, BaO가 1~32몰%, CaO가 7~46몰%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 리드선과 단자 접합부를 포함하는 백금 온도소자를 글라스 절연층으로 실링하므로 센서 제조가 용이하고 리드선 접착이 안정하여 제품의 신뢰성이 향상된다.
도 1은 종래의 백금 온도센서의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 백금 온도소자의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 백금 온도소자의 조립한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 글라스 튜브에 끼워진 백금 온도센서의 사시도 및 타원형 글라스 보호층이 덮여진 백금 온도센서의 사시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하에 도면을 참조로 하여 본 발명의 일실시예에 따른 백금 온도센서 및 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 백금 온도소자의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 백금 온도소자의 조립 사시도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 글라스 튜브에 끼워진 백금 온도센서의 사시도 및 타원형 글라스 절연층이 덮여진 백금 온도센서의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 백금 온도소자(1)는 절연기판(2)인 알루미나 또는 사파이어를 준비한다. 여기서, 상기 절연기판(2)은 두께가 0.15~1.0㎜, 폭이 1~5㎜ 및 길이가 2~30㎜이고, 용도에 따라 여러 가지 조합의 치수를 가질 수 있다.
이어서, 상기 절연기판(2)과 동일한 면적이면서 두께가 5~50㎛인 산화 알루미늄(Al2O3) 필름으로 백금의 특성을 해치는 이온들, 실리콘 및 다른 물질의 진입을 방지하는 제1 보호막(미도시)을 형성할 수도 있다.
이어서, 상기 절연기판(2)에 0.5~5㎛ 두께의 백금을 스퍼터링 방식의 물리적 기상증착(PVD) 방법으로 형성한다.
이어서, 상기 증착된 백금을 통상적인 포토리소그래피 방법으로 백금 접촉패드(5a, 5b)를 갖는 백금 저항막 패턴(4)을 형성한다.
이어서, 상기 백금 저항막 패턴(4) 양단의 백금 접촉패드(5a, 5b)에 쉐도우 마스크(shadow mask) 방법으로 금속 단자(6)를 형성한다. 여기서 상기 금속 단자(6)는 Al, Cu, Au 중 어느 하나의 도전성 금속으로 0.2~10㎛ 두께로 형성한다.
이어서, 상기 금속 단자(6)와 리드선(8)을 Ag 등의 금속 페이스트(7)를 통해 접촉시킨 후 열처리하여 연결한다.
이어서, 상기 백금 저항막 패턴(4)에 0.2~0.4㎛의 두께를 갖는 제2 보호막(9)으로 백금 저항막 패턴(4)을 덮어 백금 온도소자(1)를 제조한다. 여기서, 상기 제2 보호막(9)은 산화 알루미늄(Al2O3) 재질로서 외부환경으로부터 확산되어 오는 금속 이온들이 백금 저항막 패턴(4)에 스며드는 것을 차단하는 역할을 한다.
또한, 상기 제2 보호막(9)은 절연기판(2)과 동일한 소재를 사용할 수 있고, 상기 제2 보호막(9) 위에 추가로 보호막을 형성할 수도 있다.
이어서, 도 4a 및 4b를 참조하면, 상기 백금 온도소자(1)를 글라스 튜브(10a) 안에 위치하도록 배치한 후 700~800℃에서 30분간 열처리하여 밀봉시켜 타원체 형태의 글라스 절연층(10b)으로 실링하여 백금 온도센서(11)를 제조한다. 여기서, 상기 실린더 튜브(10a)는 실린더 형태이거나 직육면체 등 용도에 따라 다양한 형태가 가능할 수 있다.
상기 글라스 튜브(10a)는 열팽창계수가 알루미나 또는 사파이어 기판의 열팽창계수보다 -15% 이내인 글라스 또는 글라스 세라믹을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 글라스 튜브(10a)는 전이온도가 650℃~720℃이고, 열팽창계수가 7.5~8.810-6/℃인 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 글라스 튜브(10a)는 Al2O3와 SiO2 주성분에 B2O3, BaO, SrO, CaO, MgO, SnO2, Y2O3, La2O3 성분 중 어느 두 개 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 상기 글라스 튜브(10a)는 스트론튬산화물(SrO) 4~21몰%, 란탄늄산화물(La2O3) 1~8몰%, 알루미늄산화물(Al2O3) 1~18몰%, 보론산화물(B2O3) 1~18몰%, 실리카산화물(SiO2) 29~65몰%, 바륨산화물(BaO) 1~32몰%, 칼슘산화물(CaO) 7~46몰%로 이루어지는 것이 바람직하다.
또 다른 예로서는, 상기 글라스 튜브(10a)는 전체 중량에 대하여 SiO2 30~60중량%, Al2O3 1~20중량%, B2O3 1~10중량%, MgO 1~10중량%, CaO 1~15중량%, BaO 1~60중량%, SrO 1~50중량%, ZrO2 또는 Y2O3가 소량 첨가된 ZrO 1~40중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 외부의 기계적 강도를 높이기 위하여 알루미나 재질의 실린더와 백금 온도소자(1) 사이에 글라스 또는 글라스 세라믹 소재를 1종 이상 충진시켜 밀봉하여 백금 온도센서를 제작할 수 있다.
일반적으로 사용 온도가 높은 온도 센서를 제작하려면 센서의 제조 온도도 높아야 한다. 그러나 센서의 제조 온도가 높아질수록 고온에서 온도 센서가 안정한 형태를 유지하면서 제조공정을 거쳐야 하므로 어려움이 가중된다.
그러나 본 발명에서는 간단한 공정으로 비교적 낮은 온도에서 백금 전극을 리드선과 약하게 연결한 후에 글라스 튜브를 씌워 고온에서 열처리함으로써 글라스의 액상 거동에 의해 자연스럽게 전극 단자를 비롯한 모든 재료들이 강력하게 접착되는 장점을 갖고 있어 고온용 온도 센서 제품을 제조하기에 유리하고, 온도 소자 표면의 두께가 충분하여 단자 접착부에 기계적 충격이 가해져도 결함으로 발전하지 않는 장점이 있다.
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.
1 : 백금 온도소자 2 : 절연기판
4 : 백금 저항막 패턴 5a, 5b : 백금 접촉패드
6 : 금속 단자 7 : 금속 페이스트
8 : 리드선 9: 보호막
10a : 글라스 튜브 10b : 글라스 절연층
11 : 백금 온도센서

Claims (13)

  1. 절연기판 상에 백금 접촉패드를 갖는 백금 저항막 패턴과, 상기 백금 접촉패드 양단과 접촉하는 금속 단자와, 상기 금속 단자와 연결하는 리드선, 및 상기 백금 저항막 패턴을 보호하는 제2 보호막으로 구성된 백금 온도소자와;
    상기 백금 온도소자를 글라스 튜브에 삽입한 후 열처리하여 밀봉시킨 글라스 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연기판과 백금 저항막 패턴 사이에 제1 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연기판은 알루미나 또는 사파이어인 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보호막은 산화 알루미늄(Al2O3) 재질인 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 글라스 튜브는 열팽창계수가 7.5~8.810-6/℃인 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 글라스 튜브는 Al2O3와 SiO2 주성분에 B2O3, BaO, SrO, CaO, MgO, SnO2, Y2O3, La2O3 성분 중 어느 두 개 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 글라스 튜브는 SrO가 4~21몰%, La2O3가 1~8몰%, Al2O3가 1~18몰%, B2O3가 1~ 18몰%, SiO2가 29~65몰%, BaO가 1~32몰%, CaO가 7~46몰%로 이루어진 것을 특징으로 하는 백금 온도센서.
  8. 절연기판 상에 백금 접촉패드를 갖는 백금 저항막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 백금 접촉패드 양단과 접촉하는 금속 단자를 형성하는 단계와, 상기 금속 단자를 금속 페이스트를 통해 리드선을 연결하는 단계와, 상기 백금 저항막 패턴을 보호하는 제2 보호막을 형성하는 단계로 백금 온도소자를 제조하는 단계와;
    상기 백금 온도소자를 글라스 튜브 안에 삽입한 후 열처리하여 글라스 절연층으로 밀봉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연기판과 백금 저항막 패턴 사이에 제1 보호막을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 절연기판은 알루미나 또는 사파이어를 사용하는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보호막은 산화 알루미늄(Al2O3) 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 글라스 튜브는 Al2O3와 SiO2 주성분에 B2O3, BaO, SrO, CaO, MgO, SnO2, Y2O3, La2O3 성분 중 어느 두 개 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 글라스 튜브는 SrO가 4~21몰%, La2O3가 1~8몰%, Al2O3가 1~18몰%, B2O3가 1~ 18몰%, SiO2가 29~65몰%, BaO가 1~32몰%, CaO가 7~46몰%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백금 온도센서 제조방법.
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