KR20000016275A - 센서소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서소자를 제조하는 제조방법에 관한 것으로서, 특히 내연기관의 배기가스에서 산소함유량을 결정하기 위하여, 필름형태로 형성된 하나 이상의 세라믹 페이스트(ceramic paste; 그린 필름)과 결합하여 센서소자에 소결되며, 센서소자의 열충격도를 상승시키기 위해 센서소자의 모서리는 날카롭게 절단된다.

이를 위하여 센서소자(10)의 모서리(36)는 소결 전에 절단된다.

Description

센서소자 제조방법

이 센서소자들은 필름형태로 겹쳐 배치된 각각의 층들의 결합으로 구성된, 예를 들어 소위 평면형의 센서소자로 제작된다. 이렇게 결합된 각각의 필름들은 규정된 방식으로 겹쳐지며, 이로 인하여 상이한 기능을 하는 층들이 형성된다. 이 결합형태의 각각의 필름들은 예를 들어 스크린날염법에 의하여 주물형태로 소위 그린 필름(green film)들로서 겹쳐진다. 일반적으로 센서소자들은 고형전극필름, 전해필름, 열전도필름, 절연필름, 보호필름을 갖는다. 또한 공지된 센서소자들은 날염된 전극층을 구비한 기판용 필름과 반도체센서(Tio₂, SrTio₃)를 구비한 산화알루미늄재 기판용 필름을 갖는다. 또한 그린 필름들을 겹치는 것 대신에 각각의 날염층을 통하여 제조될 수도 있다. 이러한 겹칩을 통하여 상이한 필름들이 필름결합을 형성하며, 이후 소결에 의하여 센서소자가 제조된다.

소결된 센서소자들을 시험하는 동안이나 이 센서소자들을 용도에 따라 설치하는 동안에, 센서소자들의 각각의 층들은 상이한 온도에 놓여진다. 이러한 갑작스런 그리고 상이한 정도로 발생하는 온도변화에 기초하여 센서소자는 표면에서, 특히 센서소자의 모서리에서 기계적 인장을 일으키는 열충격을 받게된다. 센서소자의 열충격도를 상승시키기 위하여, 예를 들어 US-PS 5,144,249에 공지된 바와 같이, 센서소자의 모서리를 절단하며, 다시 말하면 모서리를 모따기한다. 센서소자의 소결 후에 그리고 센서소자의 분리 후에 모따기를 실시한다. 이에 관하여, 이미 조립된 센서소자들은 상대적으로 고가이면서 센서소자를 훼손시킬 수도 있는 기계가공을 실시해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 특히 청구항 제 1 항에 기재된 특징을 갖는 내연기관의 배기가스에서 산소함유량을 결정하기 위한 센서소자를 제조하는 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 센서소자를 도시한 단면도.

도 2는 복수의 센서소자를 도시한 단면도.

도 3은 레이저를 기하학적으로 도시한 도면.

도 4는 레이저를 본 발명에 따라 사용하는 경우를 도시한 도면.

도 5와 도 6은 주조작업을 본 발명에 따라 사용하는 경우를 도시한 도면.

청구한 제 1 항에 언급한 특징을 갖는 본 발명에 따른 방법은 센서소자를 훼손하지 않고도 센서소자의 모서리를 간단한 방법으로 절단할 수 있는 장점을 갖는다. 센서소자의 모서리는 소결 전에 절단되기 때문에, 단순하면서 절삭작업이 필요 없는 방법에 의하여 임의의 구조로 모서리를 절단할 수 있다. 특히, 평면으로부터 벗어난 형태로 모서리를 절단하므로써, 예를 들어 오목 또는 볼록하게 절단하므로써, 열충격에 기인한 기계적 인장이 이 절단된 모서리에 발생하여 균열을 방지할 수 있다.

바람직한 형태의 본 발명에서는 모서리는 주변에, 특히 기저상태에 배치된 필름결합물의 주조작업을 통하여 절단된다. 이 때문에 간단한 주조공구로 소결 전에 형성된 묽은 농도의 그린 필름들의 결합을 쉽게 변형시킬 수 있다. 상응하는 주조공구의 형태를 통하여 모서리를 임의의 형태로 형성할 수도 있다. 특히 이미 배치된 주조공구에 주형판들이 삽입될 때, 센서소자의 모서리영역의 주변에서만 변화가 실시되며, 다른 영역, 특히 센서소자의 평면영역은 변화되지 않는다. 센서소자의 그린 필름들의 결합물이 주조공구에 붙는 것을 방지하기 위하여 주형틀은 비접착성 덧칠, 특히 테프론을 갖는 것이 매우 바람직하다.

바람직한 형태의 본 발명에서는 모서리를 레이저 가공으로 절단한다. 바람직하게는 기저상태에서 센서소자의 모서리를 접촉하지 않고 절단할 수 있으므로 그린 필름의 결합물을 기계가공하지 않아도 된다. 센서소자의 모서리를, 특히 레이저 가공용으로서 차폐물를 구비한 엑시머-레이저를 사용하여 모따기하는 것이 매우 바람직하다.

모서리의 절단은 주로 결합된 그린 필름의 분리 전에 레이저 가공에 의하여 실시되어 모서리의 분리는 매우 효과적으로 형성될 수 있다. 이 때문에 하나의 센서소자를 갖는 웨이퍼의 절단면은 동시에 형성된다.

또한 레이저 가공에 의하여 모서리의 절단과 그린 필름들의 결합의 분리를 동시에 실시하는 것이 특히 바람직하다. 레이저 출력의 조절과 레이저빔의 형태를 통하여 모서리의 절단과 분리를 한번의 작업으로 실시할 수 있다.

레이저 가공은 그린 필름들의 결합으로 형성된 센서소자의 분리 전에 모서리를 절단하기 위해 웨이퍼(wafer)로서 실시되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 바람직한 형태는 종속항에 언급한 추가의 특징들로 이루어진다.

이하에서, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 실시예로써 설명한다.

도 1은 예를 들어 차량의 내연기관이나 연소실의 배기가스에서 산소함유량을 결정하기 위해 사용할 수 있는 센서소자(10)를 도시한 단면도이다. 여기서 이와 같은 센서소자(10)의 구조와 기능은 일반적으로 공지되어 있으며, 이하에서 본 발명의 설명을 위하여 주요 구조만을 설명한다. 센서소자는 세로로 연장된 평판형상의 구조를 가지며, 이 구조는 서로 다른 기능을 하는 각각의 장치로 구성된다. 도 1에 도시한 단면도에서 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 센서소자(10)는 전기화학 측정부(12)와 발열부(14)를 포함하다. 이 측정부(12)는 제 1 고형전해필름(16)과 제 2 고형전해필름(18)으로 구성되며, 이들은 일체형 표준가스채널(20)을 갖는다. 전해필름(16)의 측정가스 옆의 상부면에는 측정전극(22)이 장착되며 표준가스채널(20)에 장착된 상부면에는 표준전극(24)이 장착된다. 측정전극(22) 위에는 투과성 보호필름(26)이 배치된다.

발열부(14)는 절연필름(28, 30) 내에 매설된 열도체(32)를 갖는다. 절연필름(30)에는 보조 보호필름(34)이 연결된다.

고형전해필름(16, 18)들과 보호필름(34)은 예를 들어 산화지르코늄(ZrO₂)으로 구성된다. 전극(22, 24)들과 열도체(32)는 예를 들어 백금-세라믹으로 구성된다. 절연필름(28, 30)들은 예를 들어 산화알루미늄(Al₂O₃)과 유리 성분의 혼합물로 구성된다.

각 층들의 전체적인 결합은 단면도에서 볼 수 있는 바와 같은 거의 직육면체형상의 구조를 가지며, 여기서 센서소자의 세로방향으로 연장된 모서리(36)는 하나 이상의 모따기(38)를 갖는다.

센서소자(10)는 동시에 지지체의 역할을 하는 보호필름(34) 상의 각 필름층을 코팅하므로써 제조된다. 층들은 층을 각각 합성하는 페이스트 재료의 스크린날염법으로 결정된다. 이러한 코팅처리가 종료한 후에, 상대적으로 묽은 농도로 이루어진 각각의 층, 소위 그린 필름들이 결합한다. 그 후에 공지된 바와 같이, 소결이 형성되며, 이때 온도의 영향하에서 그리고 경우에 따라서는 압력의 영향하에서 센서소자(10)이 제작된다.

본 발명에 따라서 이제부터 소결 전에 모서리(36)에 모따기(38)를 형성하는 것을 설명한다. 이하에서, 모따기(38)를 얻기 위한 각각의 가능성에 관하여 주목한다.

도 2는 소위 기저상태에 제공된 복수의 센서소자(10)를 단편적으로 도시한다. 여기서 센서소자(10)의 각 층들은 다수의 센서소자(10)들로써 동시에 코팅처리되며, 이어서 센서소자(10)용 그린 필름들의 결합이 분리된다. 도 2에서는 단편적으로 3개의 센서소자(10)를 도시한다. 도 1과 동일한 부분은 동일 도면부호로 표기하며 발명의 상세한 설명을 위하여 기본적인 부분은 재차 설명하지는 않는다. 코팅처리 이후에 단면 모서리(40)가 규정되며, 이로써 센서소자(10)들이 분리된다. 이 센서소자(10)들이 분리되기 전에, 단면 모서리(40)는 규정된 상부오목부(42)로서 절개될 수 있다. 이 상부오목부(42)는 예를 들어 두 개의 차폐물을 갖는 엑시머-레이저(44; eximer-laser)에 의하여 형성될 수 있다. 다음 도면에 따르면, 엑시머-레이저(44)는 삼각형 차폐물을 포함하며, 그 결과 상부오목부(42)는 이 오목부와 동일한 삼각형이 된다. 도 3의 오른쪽에 도시한 실시예에 따르면, 차폐물은 오목부가 형성된 경계면을 가질 수도 있다. 그 외에 서로 다른 각도로 뻗어있는 면 및/또는 오목 및/또는 볼록 경계면을 갖는 혼합형과 같은 다른 실시예를 생각할 수 있다.

도 4는 엑시머-레이저(44)가 그린 필름의 결합물의 상부면을 따라서 이동하는 모습을 도시한다. 이러한 이동을 위하여 엑시머-레이저(44)가 이동하거나 엑시머-레이저(44)에 근접하여 그린 필름이 이동된다. 엑시머-레이저(44)의 출력에 따라서 상부면(44)은 깊이와 전진운동을 구축한다.

상부오목부(42)를 형성하므로써 모따기(38)를 갖는 절단된 모서리(36)가 형성된다. 단면 모서리(40)에 따라서 복수의 센서소자(10)들이 연결되어 형성되며, 그 후에 소결과정이 진행된다. 도 1에 도시한 단면도로 표시한 센서소자(10)는 연결되어 있다. 센서소자(10)의 필름의 기저상태에서 엑시머-레이저(44)로 접촉하지 않고 모따기(38)를 형성하므로써, 센서소자(10)는 기계작업을 덜 필요로 하게 되며, 이 결과 실질적으로 훼손이 줄어든다.

동일한 차폐물을 갖는 엑시머-레이저를 달리 사용하므로써 센서소자들을 분리할 수 있다. 또한 차폐물의 선택과 엑시머-레이저(44)의 작업을 통하여 상부오목부 형성작업과 분리작업은 하나의 공정에서 이루어진다.

도 5에서 다른 구조의 모따기(38)를 설명한다. 센서소자(10)는 그린 필름들의 결합을 분리한 후에 주조장치(45)로 진입한다. 이 주조장치(45)는 모따기(38)를 갖는 모서리의 주변과 같은 형상의 틀(45)을 포함한다. 모따기(38)는 주조에 의하여 틀(46)의 형태와 상응하는 다른 틀, 예를 들면 평면 및/또는 오목 및/또는 볼록층을 가질 수 있다. 주조장치의 틀(46)은 상응하는 주조장치(45)의 제조나 주형판(48)의 삽입을 통하여 주조장치(45) 내에 형성된다. 이 주형판(48)은 주로 비접착성 덧칠, 예를 들면, 테프론, 질화티타늄으로 코팅된다. 이 때문에 주변에서 상대적으로 묽은 농도의 그린 필름에 있어서, 모따기(38)의 주조는 센서소자(10)의 대량생산을 감소시키지 않고도 센서소자(10)를 간단한 방법으로 얻을 수 있다.

도 6에 센서소자(10)들을 결합상태로 주조할 수 있는 다른 실시예를 도시한다. 이에 덧붙여 주조장치(45)는 상부오목부(42)와 상응하는 돌출부(52)를 갖는 주형틀(50)을 포함한다. 주형틀(50)은 비접착성 덧칠로 다시 한번 코팅될 수 있다. 도 6에 도시한 실시예에 있어서는 주형틀에 의하여 간단하게 복수의 센서소자(10)를 대량으로 주조하며, 이때 단면 모서리(40)를 따라서 다음과 같이 분리된다.

매우 바람직하게는 주조장치(45)는 하나의 상부금형과 하나의 하부금형(56) 가질 수 있으며, 그 결과 상기의 방법에 따라 센서소자(10)의 상부층과 하부층이 주조된다. 아직 소결되지 않은 센서소자(10)의 상대적으로 묽은 농도를 통하여 상부오목부(42)를 적은 노력으로 주조할 수 있으며, 그 결과 센서소자(10)들의 손상은 발생할 수 없다.

물론 엑시머-레이저(44)에 의하여 모따기(38)를 형성할 때 뿐만 아니라 센서소자(10)의 양쪽면을 가공할 때도 주조장치(45)가 사용된다. 이를 위해서, 양쪽면을 동시에 작업하는 장치가 제공될 수 있거나 센서소자(10)의 그린 필름을 회전시킬 수도 있다.

실현 가능한 간단한 방법으로서, 센서소자(10)의 열충격도를 상승시키기 위해 필요한 모따기(38)의 구조는 다른 틀로 형성할 수 있다는 것은 명백하다. 필수적으로 소비되는 공구의 비용은 저렴하며, 실질적으로 마모가 적기 때문에 긴 수명을 갖는다. 예를 들어 본 기술분야에 있어서 작은 센서소자(10)의 연마와 같은 소비재의 추가 비용은 완전히 필요 없다.

Claims (12)

1. 필름형태로 이루어진 하나 이상의 세라믹 페이스트(그린 필름)와 결합하여 소결되고, 열충격도를 상승시키기 위해 모서리가 날카롭게 절단된 센서소자, 특히 내연기관의 배기가스에서 산소함유량을 결정하기 위한 센서소자를 제조하기 위한 제조방법에 있어서,

   상기 센서소자(10)의 모서리(36)는 소결 전에 절단되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모서리(36)는 외주 부분에서 절단되어 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 모서리(36)는 주조작업에 의해 절단되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서소자(10)에서 미소결된 필름을 필름결합하도록 미리 압착하기 위해 주조장치(45) 내에 요철부(46)가 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 요철부(46)는 주조장치(45) 내에 돌출된 주형판(48)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 주형판(48)은 비접착성 덧칠로 코팅되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 모서리(36)는 레이저 가공에 의해 절단되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 레이저 가공용으로서 차폐물을 구비한 엑시머-레이저(44)가 사용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 가공은 분리된 그린 필름들의 결합으로 형성된 센서소자(10)에 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 가공은 그린 필름들의 결합으로 형성된 센서소자(10)의 분리 전에 모서리(36)를 절단하기 위해 웨이퍼(wafer)로서 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 가공은 그린 필름들의 결합으로 형성된 각각의 센서소자(10)의 분리와 동시에 웨이퍼로서 그리고 모서리(36)를 절단하기 위해서 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모서리(36)의 모따기(38)는 오목이나 볼록 또는 평면을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.