KR20180132537A - 감지 소자를 위한 알루미나 확산 배리어 - Google Patents

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니콜라이 케이. 니콜로프
댈레 버니 반
피터 틸만스
크리스티안 베어츠
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Abstract

백금 미앤더가 적용된 베이스를 포함하는 온도 센서용 감지 소자가 개시된다. 알루미나 확산 배리어(ADB)는 오염에 대한 보호 및 구조적 안정화를 제공하기 위해 미앤더를 덮으며, 알루미나 확산 배리어는, 네트워크 다공성이 실질적으로 없도록 알루미나 및 약 1 중량%의 루틸 첨가제로 제조된 연속적인 다결정 층이다. 연속적인 다결정 층은 전형적인 결정립 크기가 0.5㎛ 내지 3㎛의 범위인 결정립을 포함한다. 알루미나 확산 배리어를 제조하기 위한 방법은, 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말을 조합하여 제제를 생성하는 단계; 이 제제를 백금 미앤더에 도포하여 층을 형성하는 단계; 상기 층을 소결시켜 백금 미앤더를 덮는 연속적인 다결정 층을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

감지 소자를 위한 알루미나 확산 배리어{ALUMINA DIFFUSION BARRIER FOR SENSING ELEMENTS}
본 개시는 높은 열 충격 및/또는 화학적으로 어그레시브(aggressive)한 환경의 영향을 받는 감지 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자동차 배기 가스 측정 용례를 위한 온도 감지 소자에 관한 것이다.
배출물(emission) 규제는 보다 청정하게 작동하는 엔진의 개발에 있어서 혁신을 주도하는 중요한 원천이다. 자동차 산업은 배출물을 개선하기 위해 엔진 설계, 엔진 제어, 연료 분사 등에서 많은 발전을 이루어왔다. 배기 시스템은 규제를 충족하고 능가하는 데 특히 중요하다. 배기 시스템 및 엔진 전체의 적절한 기능을 보증하기 위해, 다양한 센서가 엔진 제어부에 정보를 제공한다. 전형적인 센서는 온도 센서, 압력 센서 및 산소 센서(람다 센서라고도 알려짐)를 포함한다.
배기 시스템은 내부에 센서를 배치하기에 특히 어려운 환경이다. 전형적인 작동 온도는 시동 시의 매우 저온의 주변 온도로부터 배기의 고온 지점에서의 작동 중 750℃ 내지 1000℃까지의 범위이다. 열 충격은 0.75㎜의 열전대(thermocouple)에 의해 측정된 1100Ks-1 정도일 수 있다. 또한, 배기 시스템은 종종 상당한 부식성을 가질 수 있는 부식성 가스를 갖는다. 이러한 급격한 온도 변화 및 화학적으로 적대적인 환경과 함께, 상당한 진동은 드문 일이 아니다. 결과적으로, 센서 수명이 종종 제한되고, 고장이 일어날 수 있다. 또한, 센서의 안정성은 열 소킹(thermal soak) 및 열 충격에 의해 영향을 받는다. 이러한 소위 드리프트(drift)는 센서가 공칭 응답에 대한 오프셋(offset), 통상적으로 양(+)의 오프셋을 판독하게 한다.
많은 유형의 온도 센서가 있다. 예를 들면, 1998년 11월 3일자로 비나트(Wienard) 등에게 허여된 미국 특허 제5,831,512호('512 특허)는 저항 온도계를 개시하고 있다. '512 특허는 사행 패턴(serpentine pattern)의 백금 미앤더(platinum meander) 또는 와이어를 사용하여 온도를 결정한다. 세라믹 소판(ceramic platelet)은 보호를 위해 백금 미앤더에 적용된다. 2012년 12월 18일자로 카메노프(Kamenov) 등에게 허여된 미국 특허 제8,333,506호는 조립체를 보호하기 위한 컨포멀 코팅(conformal coating)을 개시하고 있다. 2003년 9월 9일자로 지츠만(Zitzmann)에게 허여된 미국 특허 제6,617,956호는, 보호성 유약이 도포된 보호성 중간 층을 개시하고 있다. 2002년 3월 5일자로 디트만(Dietmann) 등에게 허여된 미국 특허 제6,353,381호는 중간 층으로서 확산 배리어를 갖는 저항 층, 및 주위로부터의 대기 중독(atmospheric poisoning)에 대해 저항 층을 보호하는 부동태화 층(passivation layer)을 개시하고 있다.
이상의 관점에서, 큰 온도 변동 및 높은 열 충격을 견디기에 충분히 견고한 감지 소자에 대한 필요성이 존재한다.
본 기술의 일 실시예는, 알루미나(Al2O3) 또는 마그네슘 티타나이트(MgTiO3)일 수 있는 베이스 또는 기판; 기판에 적용된 백금 트레이스(platinum trace) 또는 백금 미앤더(platinum meander); 백금 미앤더에 전기적으로 접속된 칩 패드를 갖는 리드 와이어(lead wire); 오염에 대한 보호 및 구조적 안정화를 제공하기 위해 백금 미앤더를 덮는 알루미나 확산 배리어(ADB)를 포함하는 온도 센서용 감지 소자로서, 알루미나 확산 배리어는 네트워크 다공성(network porosity)이 실질적으로 없도록 알루미나 및 약 1 중량%의 루틸(rutile) 첨가제 또는 아나타제(anatase) 첨가제로 제조된 연속적인 다결정 층인 것인 온도 센서용 감지 소자이다. 감지 소자는, ADB 상에 적용된 유리 층; 유리 층에 적용된 제2 알루미나 확산 배리어; 제2 알루미나 확산 배리어에 적용된 제2 유리 층; 제2 유리 층에 적용된 커버 플레이트; 커버 플레이트에 적용된 고정 유리; 베이스, 백금 트레이스, 리드 와이어, 유리 층, 알루미나 확산 배리어, 커버 플레이트 및 고정 유리를 밀폐시키는 케이스를 추가로 포함할 수 있다. 루틸 첨가제 및/또는 아나타제 첨가제는 나노-TiO2의 높은 반응성 형태일 수 있다.
본 기술의 다른 실시예는, 백금 미앤더를 갖는 온도 감지 소자를 위한 알루미나 확산 배리어를 제조하기 위한 방법이며, 상기 방법은, 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말을 조합하여 제제(formulation)를 생성하는 단계; 제제를 백금 미앤더에 도포하여 층을 형성하는 단계; 상기 층을 소결시켜 백금 미앤더를 덮는 연속적인 다결정 층을 생성하는 단계를 포함한다. 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말은 실질적으로 바람직하게는 전형적으로 크기가 150㎚ 미만인 입자로 이루어진다. 다시 말해서, 분말의 B50은 전형적으로 150㎚보다 작거나 동일하다. 또한, 상기 방법은 소결 촉진제, 마이너 프릿 유리(minor fritted glass) 및 산화마그네슘(MgO) 중 적어도 하나를 제제와 조합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 루틸 대 산화마그네슘의 비율은 2:1일 수 있다. 상기 제제는 높은 전단율의 유성형 볼 밀 프로세스에 의해 준비될 수 있고 및/또는 성막 프로세스를 사용하여 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 층은 두께가 약 35㎛이다. 상기 소결은 전형적으로 1250℃ 내지 1350℃에서 행해진다.
본 기술의 또 다른 실시예는 백금 미앤더를 갖는 감지 소자를 위한 확산 배리어이며, 이 확산 배리어는 네트워크 다공성이 실질적으로 없도록 알루미나 및 약 1 중량%의 루틸 첨가제로 제조된 연속적인 다결정 층으로 이루어진다. 연속적인 다결정 층은 전형적인 결정립(grain) 크기가 0.5㎛ 내지 3㎛의 범위인 결정립을 포함할 수 있다. 전형적으로, 상기 연속적인 다결정 층은 두께가 적어도 2㎛이다.
본 기술은 현재 알려지거나 추후에 개발되는 용례를 위한 프로세스, 장치, 시스템, 디바이스, 방법을 제한 없이 포함하는 수많은 방식으로 구현되고 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본원에 개시된 시스템의 이들 특징 및 다른 특유한 특징은 이하의 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이다.
개시된 기술이 속하는 기술분야의 당업자가 그 제조 방법 및 사용 방법을 보다 쉽게 이해하도록, 이하의 도면이 참조될 수 있다.
도 1은 본 기술에 따른 엔진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 기술에 따른 센서 조립체의 사시도이다.
도 3은 도 2의 센서 조립체의 부분 단면도이다.
도 4는 도 2의 센서 조립체의 감지 소자의 사시도이다.
도 5a는 도 2의 센서 조립체의 감지 소자의 분해도이다.
도 5b는 도 2의 센서 조립체의 감지 소자의 단면도이다.
도 6은 본 기술에 따른 알루미나 확산 배리어를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 기술에 따른 알루미나 확산 배리어의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 8은 종래 기술의 알루미나 확산 배리어의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 다양한 온도 센서의 드리프트의 그래프이다.
도 10은 다양한 시험 온도에서의 다양한 온도 센서의 동적 견고성(dynamic robustness)의 그래프이다.
도 11은 다양한 양의 다양한 소결 촉진제에 대한 경도의 그래프를 도시한다.
본 기술은 센서 조립체와 연관된 많은 종래 기술의 문제점을 극복하고, 특히 감지 소자의 견고성을 향상시킨다. 본원에 개시된 기술의 이점 및 다른 특징은 본 기술의 대표적인 실시예를 기재하는 도면과 연계하여 취해진 특정의 바람직한 실시예에 관한 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 쉽게 명백해질 것이며, 여기서, 유사한 참조 부호는 유사한 구조 요소를 나타낸다. 상향, 하향, 우측, 좌측 등과 같은 방향 표시는 도면과 관련하여 사용되며, 제한하려는 방식으로 의도되지는 않는다.
간단히 말하면, 본 기술은 임의의 엔진 용례에 대한 광범위한 적용성을 갖지만, 가장 흥미롭고 가장 인기있는 용례에 대한 특정 적용성을 가질 수 있다. 이하의 예는 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)에 대한 것이지만, 이것은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 많은 가능한 용례 중 하나일 뿐이다.
도 1을 참조하면, 배기 가스 재순환을 갖춘 엔진 시스템(10)의 개략도가 도시되어 있다. EGR은 배기 배출물[예를 들면, 미관(tailpipe)으로부터의 가스]을 낮추는 잘 알려진 접근법이 되었다. EGR은 배기 배출물을 흡기 매니폴드(14)로 다시 되돌림으로써 엔진(12)으로부터 나오는 가스의 일부를 재순환시키며, 여기서 엔진(12)은 배출물을 다시 연소시켜 배출물을 감소시킬 수 있다. EGR은 디젤 엔진으로부터의 NOx 배출물을 제어하는 데 특히 효과적인 전략이다. EGR은 연소실 내의 산소 농도를 낮추는 것을 통해서 뿐만 아니라 열 흡수를 통해 NOx를 감소시킨다.
배기 시스템(16)은 도 1에 단순화된 방식으로 도시된 배관 및 피팅부(fitting)를 포함하는 많은 구성요소를 갖는다. 배기 시스템(16)은 후속 처리를 위해 배기 매니폴드(18)로부터의 고온 엔진 배출물을 수집한다. 배기 시스템(16)은 배출물을 가변 터빈 구조(variable turbine geometry; VTG)(22)로 선택적으로 보낸다. VTG(22)는 저압 EGR 섹션(24)에 공급하기 위한 공기 흡입구를 갖는다. 흡기 매니폴드(14)에 공급하는 고압 EGR 섹션에는, 고압 EGR 냉각기(28)가 또한 존재한다. EGR 냉각기(28)는 엔진 냉각제를 사용하여 엔진의 흡기 매니폴드(14)를 통해 배기 가스를 재순환시키기 전에 배기 가스 온도를 하강시킨다. 엔진 연소 온도를 하강시키는 것은 질소 산화물(NOx) 오염물의 형성을 방지하는 것을 돕는다.
그러나, 배출물의 대부분은 여전히 배기 시스템(16)을 빠져나간다. 배출되기 전에, 배출물은 3개의 촉매 컨버터(30a 내지 30c)를 통과한다. 촉매 컨버터(30a 내지 30c)는, 배기 가스를 산화시키고 배기 매연(soot) 입자를 제거하여 유해한 가스 배출물을 감소시키기 위한 산화 촉매 컨버터(DOC), 미립자 산화물 정화기(POC), 디젤 미립자 필터(DPF), NOC, NSC, SCRF, SCR, NST, DOC-DPF, NH3 등과 같은 임의의 유형 및 개수의 장치일 수 있다. 바람직하게는, VTG(22)에 공기를 추가로 공급하기 위한 제2의 저압 EGR 냉각기(32)가 또한 존재한다.
엔진 제어 시스템(도시되지 않음)은 이들 구성요소와 상호작용하고, 복수의 센서를 사용하여 다양한 파라미터를 모니터링한다. 이하의 설명은 온도 센서에 관한 것이지만, 본 기술은 압력 센서, 조합식 온도 및 압력 센서, 및 산소 센서를 제한 없이 포함하는 임의의 유형의 센서에 적용 가능한 것으로 이해된다. 배기 시스템(16)은, 상호교환 가능할 수 있거나 가능하지 않을 수 있는 복수의 온도 센서(100a 내지 100j)를 갖는다. 추가적으로, 엔진 시스템(10)은, 개장된 본 기술에 따른 온도 센서를 내부에 갖는 기존의 엔진 시스템일 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 기술에 따른 센서 조립체(200)의 사시도가 도시되어 있다. 센서 조립체(200)는 배기 시스템(16) 또는 원하는 다른 위치에 연결하기 위한 부분(104)을 갖는 실드(shield)/하우징 조립체(102)를 갖는다. 케이블(106)은 실드/하우징 조립체(102)로부터 연장되고 전기 커넥터(108)에서 종단된다. 전형적으로, 전기 커넥터(108)는 2개의 핀(도시되지 않음)을 가질 것이다.
도 3에는, 센서 조립체(100)의 원위 부분(110)의 부분 단면도가 도시되어 있다. 하우징(102)의 원위 부분(110)은 도 4에서 별도의 사시도로 도시된 감지 소자(130)를 밀폐하고 있다. 감지 소자(130)는 케이스(132)를 가지며, 이 케이스로부터 리드(134)가 연장된다. 리드(134)는 근위 전기 커넥터(108)까지 완전히 연장될 수 있거나, 추가적인 길이를 위해 와이어에 결합될 수 있다. 원위 단부(110)는 절연 재료(112)로 충전된다. 바람직하게는, 연결 부분(104)은 배기 시스템(16) 내에서의 밀봉식 결합을 용이하게 하도록 나사 결합된다.
이제 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 센서 조립체(100)의 감지 소자(130)의 분해도 및 단면도가 도시되어 있다. 감지 소자(130)는 알루미나(Al2O3) 또는 마그네슘 티타나이트(MgTiO3)일 수 있는 베이스 또는 기판(136)을 갖는다. 백금 트레이스 또는 백금 미앤더(138)는 스퍼터링, 기상 성막 또는 인쇄에 의해 기판(136)에 적용된다. 백금 미앤더(138)는 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있지만, 사행 패턴이 바람직하다. 일 실시예에서, 칩 패드(도시되지 않음)는 백금 미앤더(138)를 리드 와이어(134)에 전기적으로 접속시킨다.
백금 미앤더(138)는 비교적 민감하고 촉매 활성이기 때문에 보호가 필요하다. 알루미나 확산 배리어(ADB)(140)는 오염에 대한 보호 및 구조적 안정화를 제공하기 위해 백금 미앤더(138)를 덮는다. 커버 플레이트(148)는 ADB(140)에 적용된다. 다음에, 고정 유리(150)는 커버 플레이트(148)에 적용되고, 이때 전체 적층체는 케이스(132) 내에 밀폐된다(도 4 참조). 다른 실시예에서, 추가의 유리 층, 알루미나 배리어 등이 적용될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 본 기술에 따른 알루미나 확산 배리어를 제조하기 위한 방법의 흐름도(200)가 도시되어 있다. 일 실시예에서, ADB는 고순도 나노-알루미나 분말에 더하여 1 중량%의 루틸 첨가제를 포함하는 후막 스크린-인쇄 가능한 페이스트 제제이다. 전형적인 필름 두께는 35㎛이고 5㎛의 공차를 갖는다. 바람직하게는, 루틸 첨가제 또는 아나타제 첨가제는 나노-TiO2의 높은 반응성 형태이다. 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말은 전형적으로 크기가 150㎚ 미만인 입자로 실질적으로 이루어진다. 일 실시예에서, 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말은 전형적으로 크기가 50㎚ 미만인 입자로 실질적으로 이루어진다. 루틸 첨가제는 순수한 나노-알루미나보다 실질적으로 낮은 온도에서의 소결을 촉진시킨다. 결과적으로, ADB는 높은 열역학적 성능의 세라믹-풍부 복합재이다.
단계(202)에서, 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말이 조합된다. 예를 들면, 나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말이 혼합되어 페이스트를 형성한다.
단계(204)에서, 추가의 첨가제가 용례에 따라 원하는 대로 첨가될 수 있다. 추가의 첨가제는 소결 촉진제, 마이너 프릿 유리, 산화마그네슘(MgO), 마그네슘 티타나이트(MgTiO3) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 루틸 대 산화마그네슘의 비율은 2:1이다. 상기 제제는 양호한 콜로이드 분산 및 습윤성을 갖는 유전체 페이스트일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제제는 높은 전단율의 유성형 볼 밀 프로세스에 의해 준비된다.
단계(206)에서, 원하는 제제는 백금 미앤더, 유리 층 또는 원하는 다른 위치에 도포된다. 바람직하게는, 상기 제제는 펄스 레이저 성막 또는 이온 빔 보조 성막과 같은 성막 프로세스를 이용하여 도포된다. 상기 제제는 또한 스크린 인쇄에 의해 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 성막된 층(들)은 두께가 35㎛이다. 층은 1㎛ 미만의 두께 또는 50㎛ 초과의 두께와 같은 임의의 두께일 수 있는 것으로 구상된다. 전형적으로, 상기 층은 두께가 7㎛ 내지 35㎛이다. 두께를 감소시킴으로써, 감지 소자에 가해지는 응력, 특히 민감한 백금 미앤더에 가해지는 응력이 최소화된다.
단계(208)에서, 도포된 제제는 소결되어 연속적인 다결정 층을 생성한다. 일 실시예에서, 소결은 1250℃ 내지 1350℃에서 행해진다. 다른 실시예에서, 상기 층은 1050℃에서 소결된다. 전형적인 입자 크기는 400㎚ 내지 1㎛이다.
이제 도 7을 참조하면, 본 기술에 따른 ADB의 주사 전자 현미경(SEM) 사진(300)이 도시되어 있다. 사진(300)은, 네트워크 다공성이 없거나 실질적으로 없는 연속적인 다결정 층의 사진이다. 접착력 및 응집력은 종래 기술의 보호성 층에 비해 현저히 증가된다. 따라서, 도 7의 ADB는 개선된 확산 배리어 및 구조적 안정성, 및 그 결과로서 감지 소자의 개선된 안정성을 산출한다.
도 7의 ADB는 전형적인 결정립 크기가 0.5㎛ 내지 3㎛의 범위인 일부 결정립을 갖는다. 결정립(302a, 302b)은 크기가 3㎛보다 큰 일부의 보다 큰 입자(302a)와 크기가 1㎛보다 작은 많은 보다 작은 입자(302b) 사이에 상당히 균등하게 분포된다. 결정립(302a, 302b)은 매우 얇은 층조차도, 만약 있더라도, 제한된 다공성을 갖도록 조밀하게 충진된다.
도 8은 종래 기술의 알루미나 확산 배리어의 주사 전자 현미경 사진(400)이다. 종래 기술의 확산 배리어는 알루미나, 유리 및 다른 산화물을 통한 접근법일 수 있다. 사진 내의 결정립(402)은 전형적으로 1㎛보다 작으며, 훨씬 작고 느슨하게 충진되어 상당한 다공성이 생성된다. 다시 말해서, 배리어 층을 관통하는 상당한 개방부(404)가 존재한다. 결과적으로, 아래에 놓인 백금 미앤더가 오염을 겪게 되어 감지 소자의 드리프트를 야기할 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 다양한 온도 센서의 드리프트의 그래프(500)가 도시되어 있다. 데이터를 수집하기 위해, 900℃에서 120시간 동안 시험 장치를 시효(aging)시킨 후에, 400℃에서 드리프트 시험이 실행되었다. 수직축은 섭씨 온도에서의 온도 드리프트이다. 드리프트는, 보통 특정 양의 시간 후에, 감지 소자가 원래의 판독값으로부터 얼마나 많이 벗어나는지를 나타내는 안정성의 표현이다. 제1의 종래 기술 감지 소자는 제1 표시(502)에 의해 나타낸 바와 같이 약 3℃ 내지 4℃의 드리프트를 갖는다. 제2의 종래 기술 감지 소자는 제2 표시(504)에 의해 나타낸 바와 같이 약 1.5℃ 내지 3.3℃ 이상의 드리프트를 갖는다. 대조적으로, 본 기술에 따른 감지 소자는 제3 표시(506)에 의해 나타낸 바와 같이 2℃ 미만에서 최대 약 1.75℃의 드리프트를 갖는다. 이러한 개선은 본 기술이 얼마나 현저한 발전인지를 실증한다. 예를 들면, 규격이 3.7℃ 미만의 드리프트이면, 본 기술은 규격에 잘 맞는다. 상기 규격은 특정 용례 및 요구조건에 따라 달라질 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 다양한 온도 센서의 동적 견고성의 그래프(600)가 도시되어 있다. 그래프(600)는 4개의 페인(pane)(602a 내지 602d)에서의 사이클 수(수평축)에 대한 유니티 드리프트(unity drift; 수직축, ℃)를 도표로 표시하고 있다. 페인(602a)에서, 데이터는 0℃의 시험 온도와 관련된다. 페인(602b 내지 602d)은 각각 100℃, 400℃ 및 800℃의 시험 온도와 관련된 데이터를 갖는다. 동적 견고성은 유니티 드리프트로 표현된다. 도 10에서의 동적 견고성은 시효 시험, 즉 열-기계적 사이클링의 유형이다. 드리프트는 열-기계적 사이클 시험에 있어서 사이클의 함수로서 몇 개의 온도에서 측정된다. 드리프트는, 기준 그룹과 비교하여, 본 기술에 따른 알루미나 확산 배리어를 갖는 신규 그룹에서 더 낮다. 범례(604)는, 원으로 표시되는 기준 그룹 또는 종래 그룹에 비해 신규 그룹 데이터 점이 사각형으로 표시된다는 것을 나타낸다.
추가의 센서 데이터가 고온 시효 시험을 사용하여 획득되었다. 이러한 시험은 5볼트의 인가된 전기장과 조합된 열 소킹에 의한 24시간 시효를 포함했다. 본 기술에 따른 센서는 기준의 종래 기술 센서와 비교하여 한 자리수만큼 개선되었다.
다른 실시예에서, ADB는 마이너 프릿 유리, 산화마그네슘(MgO)에 의해 보충된 소결 촉진제의 조합을 갖는다. 또한, 이산화티탄(TiO2)과 같은 다른 성분도 첨가될 수 있다. 이산화티탄 대 산화마그네슘의 바람직한 비율은 2:1이다.
이제 도 11을 참조하면, 다양한 양의 다양한 소결 촉진제에 대한 경도의 그래프(900)가 도시되어 있다. 경도는 수평축 상의 티타니아 함량에 대해 수직축 상에 제시된다. 산화마그네슘에 대한 이산화티탄의 비율을 변화시킨 5개의 상이한 제제가 시도되었다. 전술한 바와 같이, 이산화티탄 대 산화마그네슘의 2:1 비율이 그래프(900) 상에 마크(902)로 표시된 바와 같이 선호된다. 다른 4개의 제제에 대한 추가의 마크(904, 906, 908, 910)가 도시되어 있다.
본 기술에 따른 온도 센서는 임의의 기존 시스템에 개장될 수 있을 뿐만 아니라, 새로운 시스템으로도 설계될 수 있는 것으로 구상된다. 또한, 다른 센서 설계도 본원의 교시로부터 이익을 얻을 수 있다. 예를 들면, 단일의 알루미나 확산 배리어만이 필요할 수 있다. 또한, 본 기술이 온도 센서 분야와 관련하여 설명되었지만, 본 기술은 압력 센서를 포함하는 임의의 종류의 센서와 같은 다른 분야 및 용례에 동등하게 적용 가능한 것으로 구상된다.
당업자라면, 대안적인 실시예에서 몇 개의 요소의 기능이 보다 적은 요소 또는 단일 요소에 의해 실행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 일부 실시예에서, 임의의 기능적 요소는, 도시된 실시예와 관련하여 설명된 것보다 적거나 상이한 작동을 수행할 수 있다. 또한, 예시의 목적으로 구별되는 것으로 나타낸 기능적 요소(예를 들면, 층, 하우징, 케이싱, 플레이트 등)는 특정 구현예에서 다른 기능적 요소 내에 합체될 수도 있다.
본원에 개시된 모든 특허, 특허 출원 및 다른 참고 문헌은 그 전체가 본원에 참조로 명확히 포함된다. 본 기술이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자라면 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어남이 없이 본 기술에 대한 다양한 변경 및/또는 변형이 이루어질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 각각의 청구항은, 원래 청구되지 않은 경우라도, 다수의 종속 방식으로 임의의 청구항 또는 모든 청구항을 인용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 온도 센서용 감지 소자로서,
    기판;
    상기 기판에 적용된 백금 트레이스(platinum trace) 또는 백금 미앤더(platinum meander);
    상기 백금 미앤더에 전기적으로 접속된 칩 패드를 갖는 리드 와이어(lead wire);
    오염에 대한 보호 및 구조적 안정화를 제공하기 위해 상기 백금 미앤더를 덮는 알루미나 확산 배리어(ADB)
    를 포함하며, 상기 알루미나 확산 배리어는, 네트워크 다공성(network porosity)이 실질적으로 없도록 알루미나 및 약 1 중량%의 루틸 첨가제로 제조된 연속적인 다결정 층인 것인 감지 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ADB 상에 적용된 유리 층;
    상기 유리 층에 적용된 제2 알루미나 확산 배리어;
    상기 제2 알루미나 확산 배리어에 적용된 제2 유리 층;
    상기 제2 유리 층에 적용된 커버 플레이트;
    상기 커버 플레이트에 적용된 고정 유리;
    베이스(base), 상기 백금 트레이스, 상기 리드 와이어, 상기 유리 층, 상기 알루미나 확산 배리어, 상기 커버 플레이트 및 상기 고정 유리를 밀폐시키는 케이스
    를 추가로 포함하는 감지 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    루틸 첨가제 또는 아나타제 첨가제는 나노-TiO2의 고도로 반응성인 형태인 것인 감지 소자.
  4. 기판 상에 백금 미앤더를 갖는 온도 감지 소자를 위한 알루미나 확산 배리어를 제조하기 위한 방법으로서,
    나노-알루미나 분말 및 나노-루틸 분말을 조합하여 제제(formulation)를 생성하는 단계;
    상기 제제를 상기 백금 미앤더에 도포하여 층을 형성하는 단계;
    상기 층을 소결시켜, 상기 기판 상의 상기 백금 미앤더를 덮는 연속적인 다결정 층을 생성하는 단계
    를 포함하는 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 나노-알루미나 분말 및 상기 나노-루틸 분말은 전형적으로 크기가 150㎚ 미만인 입자로 실질적으로 이루어지는 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    소결 촉진제, 마이너 프릿 유리(minor fritted glass) 및 산화마그네슘(MgO) 중 적어도 하나를 상기 제제와 조합하는 단계
    를 추가로 포함하는 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    루틸 대 산화마그네슘의 비율이 2:1인 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제제는 높은 전단율의 유성형 볼 밀 프로세스에 의해 준비되는 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제제는 성막 프로세스를 사용하여 도포되는 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 층은 두께가 약 2㎛인 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 소결은 1250℃ 내지 1350℃에서 행해지는 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 기판은 알루미나(Al2O3) 및 마그네슘 티타나이트(MgTiO3)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 알루미나 확산 배리어 제조 방법.
  13. 백금 미앤더를 갖는 감지 소자를 위한 확산 배리어로서,
    상기 확산 배리어는, 네트워크 다공성이 실질적으로 없도록 알루미나 및 약 1 중량%의 루틸 첨가제로 제조된 연속적인 다결정 층으로 이루어지는 것인 확산 배리어.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연속적인 다결정 층은 전형적인 결정립 크기가 0.5㎛ 내지 3㎛의 범위인 결정립을 포함하는 것인 확산 배리어.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 연속적인 다결정 층은 두께가 적어도 2㎛인 것인 확산 배리어.
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