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KR101724499B1 - 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

입자상 물질 센서 및 이를 이용한 측정방법 Download PDF

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KR101724499B1
KR101724499B1 KR1020150177466A KR20150177466A KR101724499B1 KR 101724499 B1 KR101724499 B1 KR 101724499B1 KR 1020150177466 A KR1020150177466 A KR 1020150177466A KR 20150177466 A KR20150177466 A KR 20150177466A KR 101724499 B1 KR101724499 B1 KR 101724499B1
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main electrode
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양상혁
김동구
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현대자동차 주식회사
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Abstract

입자상 물질 센서가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서는 배기계통의 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 센싱하는 입자상 물질 센서에 있어서, 제1기판 내지 제3기판이 하부에서부터 차례로 적층되어 일단부에는 감지부가 형성되고, 타단부에는 신호처리부가 형성되며, 상기 감지부는 상기 제1기판의 일면에 형성되어 일정한 정전용량값을 가지는 기준전극; 상기 제2기판의 일면에 형성되어 온도를 감지하는 온도센서 및 상기 온도센서와 인접하게 형성되는 히터전극; 및 상기 제3기판의 일면에 형성되어 입자상 물질에 의해 정전용량값이 가변되는 메인전극을 포함한다.

Description

입자상 물질 센서 및 이를 이용한 측정방법{PARTICULATE MATTER SENSOR AND MEASUREMENT METHOD THEREOF}
본 발명은 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것으로서, 일정하게 유지되는 기준전극의 정전용량값과, 입자상 물질에 의해 가변되는 메인전극의 정전용량값을 비교함으로써, 외부잡음 및 환경변화에 강건하게 대응할 수 있는 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
최근 차량의 배기가스 규제가 한층 강화됨에 따라 배기가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 디젤 엔진 차량은 가변량의 입자상 물질(Particulate Matter: PM)을 포함하는 배기류(exhaust flow)를 생성함으로써, 대기 오염의 주요 원인으로 알려져 있어, 이에 대한 규제가 더욱 엄격하다.
이러한 디젤 차량의 입자상 물질을 감소시키기 위해 배기가스에는 디젤 입자상 필터(Disel Particulate Filter: DPF)가 적용되며, 상기 디젤 입자상 필터에 포집되는 매연의 양을 감지위해 입자상 물질 센서가 적용된다.
상기 입자상 물질 센서는 배기 중에 포함된 입자상 물질이 상기 센서에 누적되어 발생하는 저항 또는 정전용량 변화를 검출하는 장치이며, 배기계통에서 디젤 입장상 필터의 후단에 설치된다.
이러한 입자상 물질 센서는 크게 누적 방식과 실시간 방식으로 나눌 수 있다.
상기 누적 방식의 입자상 물질 센서는 대부분의 자동차 부품에 사용하는 것으로, 전압이 걸린 2개의 디지털 전극에 입자상 물질이 쌓임에 따라, 전류 흐름의 변화를 감지하는 방식이다.
이러한 누적 방식의 입자상 물질 센서는 구조가 간단하여 신뢰성이 높고 제작단가가 낮아 자동차에 사용하기 적합하다.
하지만, 상기 누적 방식의 입자상 물질 센서는 전류 흐름의 변화 신호가 발생하기까지 초기 누적시간이 필요하다.
한편, 상기 실시간 방식의 입자상 물질 센서는 입자상 물질의 이온화 반응을 검출하여 실시간으로 입자상 물질의 양을 모니터링 할 수 있는 장점이 있다.
상기 실시간 방식의 입자상 물질 센서 또한, 정확도가 떨어지며, 그 크기가 다소 커서 소형화하기가 어렵다는 문제점이 있다.
이에 따라, 배기계통의 배기가스에 포함된 입자상 물질을 정확하고, 빠르게 측정하는 입자상 물질 센서의 연구개발이 필요하다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 일정하게 유지되는 기준전극의 정전용량값과, 입자상 물질에 의해 가변되는 메인전극의 정전용량값을 비교함으로써, 가혹한 외부환경에서도 입자상 물질을 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 배기계통의 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 센싱하는 입자상 물질 센서에 있어서, 제1기판, 제2기판 및 제3기판이 하부에서부터 차례로 적층되어 일단부에는 감지부가 형성되고, 타단부에는 신호처리부가 형성되며, 상기 감지부는 상기 제1기판의 일면에 형성되어 일정한 정전용량값을 가지는 기준전극; 상기 제2기판의 일면에 형성되어 온도를 감지하는 온도센서 및 상기 온도센서와 인접하게 형성되는 히터전극; 및 상기 제3기판의 일면에 형성되어 입자상 물질에 의해 정전용량값이 가변되는 메인전극을 포함하는 입자상 물질 센서를 제공할 수 있다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 기준전극의 일정한 정전용량값과, 메인전극의 가변되는 정전용량값의 차이를 출력할 수 있다.
또한, 상기 메인전극은 상부를 감싸는 절연층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도센서는 상기 히터전극의 외면을 감싸도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 온도센서 및 히터전극이 상기 기준전극과 메인전극 사이에서 상기 히터전극 및 메인전극과의 거리가 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 히터전극은 상기 메인전극 상에 형성된 절연층의 상부에 누적된 입자상 물질을 태워 제거할 수 있다.
또한, 상기 제1기판은 상기 제2기판 및 제3기판의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1기판 내지 제3기판은 세라믹기판 및 실리콘기판 중, 어느 하나의 기판으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예는 정전용량값이 일정하게 유지되는 기준전극을 적용함으로써, 센싱 감도를 향상시키는 효과가 있다.
즉, 일정하게 유지되는 기준전극의 정전용량값과, 입자상 물질에 의해 가변되는 메인전극의 정전용량값에 의해 생성되는 각각의 출력전압의 차이를 이용함으로써, 가혹한 환경에서도 강건히 센싱할 수 있다.
이외에, 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서 일단부의 결합 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서의 측정방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 상세한 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 실시 예들 중에서 바람직한 하나의 실시 예에 관한 것이다. 따라서, 본 발명이 하기의 도면과 설명에만 한정되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서의 분해 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서 일단부의 결합 단면도이다.
차량의 배기라인의 내부에 배기가스가 흐르고, 배기가스 안에는 입자상 물질이 포함되어 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서는 상기 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 측정한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 입자상 물질 센서(1)는 복수개의 기판이 적층되어 이루어지며, 상기 기판의 일단부에는 감지부(A)가 형성되고, 타단부에는 신호처리부(B)가 형성된다.
여기서, 상기 복수개의 기판은 제1기판(10), 제2기판(20) 및 제3기판(30)을 포함하며, 세라믹기판 및 실리콘 기판 중, 어느 하나로 이루어진다.
먼저, 상기 감지부(A)는 기준전극(11), 온도센서(21), 히터전극(23) 및 메인전극(31)으로 구성된다.
상기 기준전극(11)은 제1기판(10)의 일면에 형성되어 일정한 정전용량값을 가진다.
이때, 상기 제1기판(10)은 상기 제1기판(10)의 타면에 입자상 물질(PM)이 적층되어 상기 기준전극(11)에 영향을 미치지 않을 정도의 두께로 두껍게 형성된다.
즉, 상기 제1기판(10)은 제1기판10)의 타면에 입자상 물질(PM)이 적층되어 상기 기준전극(11)의 정전용량값에 영향을 끼치는 것을 방지하기 위해 두껍게 형성되는 것이다.
이러한 제1기판(10)은 제2기판(20) 및 제3기판(30) 보다 더 두껍게 형성되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 제1기판(10), 제2기판(20) 및 제3기판(30)의 두께는 변경될 수 있다.
그리고 상기 온도센서(21)는 제2기판(20)의 일면에 형성되어 주변의 온도를 감지한다.
또한, 상기 히터전극(23)은 제2기판(20)의 일면에서 상기 온도센서(21)와 인접하게 패터닝되며, 금속물질로 이루어진다.
이때, 상기 금속물질은 Pt, Mo, W 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
이러한 히터전극(23)은 이하에서 설명할 메인전극(31) 상부의 절연층(33)에 누적된 입자상 물질(PM)을 태워 제거하는 역할을 한다.
또한, 상기 온도센서(21)는 히터전극(23)의 외면을 감싸는 형태로 형성되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상기 온도센서(21)와 히터전극(23)의 형상은 달라질 수도 있다.
상기와 같은 구성의 온도센서(21) 및 히터전극(23)은 동일 층에 형성되어 상기 기준전극(11)과 메인전극(31) 사이에서 상기 기준전극(11) 및 메인전극(31)과의 거리가 동일하게 형성된다.
즉, 상기 온도센서(21) 및 히터전극(23)이 형성된 제2기판(20)과, 상기 온도센서(21) 및 히터전극(23)의 상부에 위치한 메인전극(31)이 형성된 제3기판(30)의 두께가 동일하게 형성되는 것이다.
이는, 상기 히터전극의 동작 시, 상기 기준전극(11)과 메인전극(31)과 동일한 거리에 위치하여, 상기 기준전극(11) 및 메인전극(31)에 동일한 온도 조건을 가하기 위함이다.
본 발명의 실시 예에 따른 온도센서(21) 및 힌터전극(23)은 하나의 기판에서 동일층에 형성되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 온도센서(21)는 히터전극(23)과 다른 기판에 형성될 수도 있다.
그리고 메인전극(31)은 제3기판(30)의 일면에 형성되어 입자상 물질(PM)에 의해 정전용량값이 가변된다.
또한, 상기 메인전극(31)의 상부에는 얇은 막의 절연층(33)이 형성된다.
이때, 상기 절연층(33)은 메인전극(31)을 커버하여 상기 메인전극(31)의 상호 인접한 +극과 -극 사이를 절연시킨다.
상기 절연층(33) 상에는 입자상 물질(PM)이 적층되며, 상기 입자상 물질(PM)은 상기 히터전극(23)에서 발생되는 열에 의하여 용이하게 제거된다.
그리고 신호처리부(B)는 일반적인 입자상 물질 센서의 신호처리회로를 사용할 수 있다.
이러한 신호처리부(B)는 상기 기준전극(11), 온도센서(21), 히터전극(23) 및 메인전극(31) 각각과 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 상기 신호처리부(B)는 상기 기준전극(11), 온도센서(21), 히터전극(23) 및 메인전극(31) 각각과 배선을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 신호처리부(B)는 상기 기준전극(11)의 일정한 정전용량값과 메인전극(31)의 가변되는 정전용량값의 차이를 출력한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서의 측정방법을 도시한 순서도이다.
차량의 배기계통에서 발생되는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)은 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서(1)를 지나면서, 메인전극(31) 상의 절연층(33)에 누적되게 된다.
이에 따라, 상기 입자상 물질(PM)이 누적되어 상기 메인전극(31)에 유도되는 전하에 의해 정전용량값이 변하게된다.
도 3을 참조하면, 먼저, 상기 기준전극(11)이 제1정전용량값을 측정하는 단계(S1)를 진행한다.
이때, 상기 제1정전용량값은 기준전극(11)의 정전용량 변화량을 나타내는 값이며, 상기 기준전극(11)의 정전용량 변화량은 극히 작기 때문에 0에 근사한 값이다.
다음으로, 메인전극(31)은 제2정전용량값을 측정하는 단계(S2)를 진행한다.
이때, 상기 제2정전용량값은 메인기판(31) 상부의 절연층(33)에 입자상 물질(PM)이 누적됨에 따라 가변되는 값이다.
다음으로, 신호처리부(B)가 상기 제1정전용량값과 제2정전용량값을 입력받는 단계를 진행한다.
이어서, 상기 신호처리부(B)가 입력받은 제1정전용량값과 제2정전용량값을 이용하여 최종출력전압을 생서하는 단계(S3)를 진행한다.
더불어, 상기 신호처리부(B)는 주변환경, 즉, 기계적, 전기적 및 온도 등에 의해 변화하는 정전용량값을 입력받는다.
즉, 상기 신호처리부(B)가 주변환경의 잡음에 의해 변화되는 정전용량값을 입력받는 것이다.
또한, 상기 신호처리부(B)는 최종출력전압 생성을 위하여 고정된 정전용량값이 미리 설정된다.
이때, 상기 최종출력전압을 생성하는 단계(S3)는 상기 신호처리부(B)가 제1정전용량값에 의해 제1출력전압을 생성하는 단계를 진행한다.
이때, 상기 제1출력전압은 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015121825425-pat00001
여기서, VO1은 제1출력전압을 나타내며, VI는 인가전압을 나타내고, CIN1은 제1정전용량변화값이며, CT는 주변환경에 의해 변화하는 값, 즉, 잡음에 의한 정전용량값을 나타내는 값이고, C0는 신호처리부에 미리 입력되어 최종출력전압 생성을 위한 고정된 정전용량값일 수 있다.
이때, 상기 인가전압은 입자상 물질 센서(1)에 인가되는 인가전압일 수 있다.
한편, 상기 제1출력전압을 생성하는 단계 이후에, 상기 신호처리부(B)가 제2정전용량값에 의해 제2출력전압을 생성하는 단계를 진행한다.
이때, 상기 제2출력전압은 [수학식 2]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015121825425-pat00002
여기서, VO2은 제2출력전압을 나타내며, VI는 인가전압을 나타내고, CIN2은 제2정전용량변화값이며, CT는 주변환경에 의해 변화하는 값, 즉, 잡음에 의한 정전용량값을 나타내는 값이고, C0는 신호처리부에 미리 입력되어 최종출력전압 생성을 위한 고정된 정전용량값일 수 있다.
이때, 상기 인가전압은 입자상 물질 센서(1)에 인가되는 인가전압일 수 있다.
이어서, 상기 신호처리부(B)가 상기 제1출력전압과 제2출력전압의 차이에 따른 최종출력전압을 생성하는 단계를 진행한다.
이때, 상기 최종출력전압은 [수학식 3]에 의해 산출 될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015121825425-pat00003
여기서, VF는 최종출력전압을 나타내고, VO1 및 VO2는 제1출력전압 및 제2출력전압을 각각 나타내고, VI는 인가전압을 나타내며, CIN2 및 CIN2는 제1정전용량변화값 및 제2정전용량변화값을 각각 나타내고, C0는 신호처리부에 미리 입력되어 최종출력전압 생성을 위한 고정된 정전용량값일 수 있다.
이에 따라, 상기 최종출력전압은 CT, 즉, 주변환경인 기계적, 전기적 잡음 및 온도 변화에 의해 추가된 공통잡음이 제거되어 산출된다.
이때, 상기 기준전극(11)의 제1정전용량변화값을 나타내는 CIN1의 크기는 미미하기 때문에, 근사화하면, 메인전극(31)의 제2정전용량변화값을 나타내는 CIN2값만 남게 되어 출력된다.
마지막으로, 상기 기준전극(11) 및 메인전극(31) 사이에 위치한 히터전극(23)이 상기 메인전극(31) 상부의 절연층(33)에 누적된 입자상 물질(PM)을 태워 제거하는 단계를 진행한다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 입자상 물질 센서(1) 및 이를 이용한 측정방법은 일정하게 유지되는 기준전극(11)의 제1정전용량값과, 입자상 물질(PM)에 의해 가변되는 메인전극(31)의 제2정전용량값을 비교하여 차이값을 출력함으로써, 외부잡음 및 환경변화에 강건하게 대응할 수 있다.
또한, 상기 입자상 물질 센서(1)는 상기 온도센서(21)와 히터전극(23)를 하나의 기판에 함께 패터닝함으로써, 공정을 단순화할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 ... 입자상 물질 센서
10 ... 제1기판
11 ... 기준전극
20 ... 제2기판
21 ... 온도센서
23 ... 히터전극
30 ... 제3기판
31 ... 메인전극
33 ... 절연층
A ... 감지부
B ... 신호처리부

Claims (12)

  1. 배기계통의 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 센싱하는 입자상 물질 센서에 있어서,
    제1기판, 제2기판 및 제3기판이 하부에서부터 차례로 적층되어 일단부에는 감지부가 형성되고, 타단부에는 신호처리부가 형성되며,
    상기 감지부는
    상기 제1기판의 일면에 형성되어 일정한 정전용량값을 가지는 기준전극;
    상기 제2기판의 일면에 형성되어 온도를 감지하는 온도센서 및 상기 온도센서와 인접하게 형성되는 히터전극; 및
    상기 제3기판의 일면에 형성되어 입자상 물질에 의해 정전용량값이 가변되는 메인전극;
    을 포함하는 입자상 물질 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리부는
    상기 기준전극의 일정한 정전용량값과, 메인전극의 가변되는 정전용량값의 차이를 출력하는 입자상 물질 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인전극은
    상부를 감싸는 절연층을 더 포함하는 입자상 물질 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도센서는
    상기 히터전극의 외면을 감싸도록 형성되는 입자상 물질 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온도센서 및 히터전극이 상기 기준전극과 메인전극 사이에서 상기 히터전극 및 메인전극과의 거리가 동일하게 형성되는 입자상 물질 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히터전극은
    상기 메인전극 상에 형성된 절연층의 상부에 누적된 입자상 물질을 태워 제거하는 입자상 물질 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판은
    상기 제2기판 및 제3기판의 두께보다 더 두껍게 형성되는 입자상 물질 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판 내지 제3기판은
    세라믹기판 및 실리콘기판 중, 어느 하나의 기판으로 이루어지는 입자상 물질 센서.
  9. 기준전극이 제1정전용량값을 측정하는 단계;
    메인전극이 제2정전용량값을 측정하는 단계;
    신호처리부가 상기 제1정전용량값과 제2정전용량값을 입력받는 단계;
    상기 신호처리부가 입력받은 제1정전용량값과 제2정전용량값을 이용하여 최종출력전압을 생성하는 단계; 및
    상기 기준전극 및 메인전극 사이에 위치한 히터전극이 상기 메인전극 상부의 절연층에 누적된 입자상 물질을 태우는 단계;
    를 포함하는 입자상 물질 센서의 측정방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 메인전극이 제2정전용량값을 측정하는 단계는
    상기 메인전극의 상부에 형성된 절연층에 누적되는 입자상 물질에 의해 가변되는 제2정전용량값을 측정하는 단계인 입자상 물질 센서의 측정방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 최종출력전압을 생성하는 단계는
    상기 제1정전용량값에 의한 제1정전용량변화값, 잡음에 의한 정전용량값, 인가전압 중, 적어도 하나를 이용하여 제1출력전압을 생성하는 단계;
    상기 제2정전용량값에 의한 제2정전용량변화값, 잡음에 의한 정전용량값, 인가전압 중, 적어도 하나를 이용하여 제2출력전압을 생성하는 단계; 및
    상기 제1출력전압과 제2출력전압의 차이에 따른 최종출력전압을 생성하는 단계;
    를 포함하는 입자상 물질 센서의 측정방법.
  12. 삭제
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