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Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor, der eine Festelektrolytschicht umfasst.
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Bei elektrochemischen Gassensoren handelt es sich um weitverbreitete Einrichtungen zur Erfassung von Gasen. Typische elektrochemische Gassensoren sind Brennstoffzellen, die einen Flüssigelektrolyten umfassen. Der Flüssigelektrolyt erfordert ein gewisses Volumen, was dazu führt, dass der elektrochemische Gassensor relativ groß bemessen ist. Da elektrochemische Gassensoren wünschenswert sind, die kleiner bemessen sind als üblicherweise verwendete elektrochemische Gassensoren, besteht ein Bedarf nach neuen elektrochemischen Gassensoren.
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Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten elektrochemischen Gassensor bereit, der so konzipiert ist, dass er kleiner bemessen ist als üblicherweise verwendete elektrochemische Gassensoren.
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Ein elektrochemischer Gassensor ist in Anspruch 1 angegeben. Weitere Ausführungsformen des elektrochemischen Gassensors sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen elektrochemischen Gassensor bereit, der eine Grundplatte umfasst, die eine Grundplattenhauptfläche aufweist, wobei auf die Grundplattenhauptfläche eine katalytische Schicht abgeschieden ist, welche die chemische Reaktivität von Gasen erhöht, wobei auf die katalytische Schicht eine Festelektrolytschicht abgeschieden ist, wobei die Festelektrolytschicht ein piezoelektrisches keramisches Material umfasst und wobei die katalytische Schicht und die Festelektrolytschicht durch Kontakte elektrisch kontaktiert sind.
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Die Grundplatte umfasst mindestens ein Substrat, das eine Substrathauptfläche umfasst. Es ist auch möglich, dass die Grundplatte das Substrat und eine oder mehrere zusätzliche Schichten umfasst, die auf die Substrathauptfläche abgeschieden sind. Falls auf die Substrathauptfläche zusätzliche Schichten aufgebracht wurden, handelt es sich bei der Grundplattenhauptfläche um die Hauptfläche der obersten zusätzlichen Schicht. Falls keine zusätzlichen Schichten auf die Substrathauptfläche aufgebracht wurden, stellt die Substrathauptfläche die Grundplattenhauptfläche dar.
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Die Verwendung eines Festelektrolyten anstelle eines Flüssigelektrolyten hat den Vorteil, dass der Elektrolyt als eine Dünnschicht gebildet werden kann. Dies verringert die Gesamtgröße des elektrochemischen Gassensors.
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Darüber hinaus hat die Verwendung eines keramischen Materials als eine Hauptkomponente der Festelektrolytschicht den Vorteil, dass das Gas, das erfasst werden muss, aufgrund der Porosität des keramischen Materials die katalytische Schicht leicht erreichen kann.
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Hier und im Weiteren handelt es sich bei einer katalytischen Schicht um eine Schicht, welche die Reaktivität von Gasen erhöht. Insbesondere fördert die katalytische Schicht die Aufspaltung von Gasmolekülen in elektrisch geladene Spezies wie etwa Ionen. Diese elektrisch geladenen Spezies werden über den Festelektrolyten zu den Kontakten des elektrochemischen Gassensors transportiert, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Da die Stärke des erzeugten elektrischen Stroms typisch für das Gas ist, das an der katalytischen Schicht reagiert hat, kann die spezifische Art des Gases bestimmt werden.
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Darüber hinaus kann der elektrochemische Gassensor eine gasempfindliche Schicht umfassen, die zwischen der Grundplattenhauptfläche und der katalytischen Schicht angeordnet ist. Die gasempfindliche Schicht liegt mit anderen Worten zwischen der Grundplattenhauptfläche und der katalytischen Schicht.
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Bei der gasempfindlichen Schicht handelt es sich um eine Schicht, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die durch mit der gasempfindlichen Schicht in Kontakt befindliche Gasmoleküle beeinflusst werden kann. Somit ist es möglich, ein bestimmtes Gas durch die Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit zu erfassen, die durch dieses bestimmte Gas verursacht werden.
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Die gasempfindliche Schicht kann eine Thermistorkeramik oder ein Metalloxid umfassen, das ausgewählt ist aus einer Gruppe von Metalloxiden, die Zinnoxid, Zinkoxid und Kupferoxid umfasst.
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Aufgrund der Kombination der katalytischen Schicht und der gasempfindlichen Schicht mit der Festelektrolytschicht kann es möglich sein, mindestens zwei verschiedene Gase gleichzeitig zu erfassen. Mit anderen Worten, die katalytische Schicht kann geeignet sein, ein erstes Gas zu erfassen, während die gasempfindliche Schicht geeignet sein kann, ein zweites Gas zu erfassen, das sich von dem ersten Gas unterscheidet. Entsprechend sind zum Erfassen zweier verschiedener Gase nicht länger zwei verschiedene Gassensoren erforderlich. Dies führt zu einer Verkleinerung des gesamten Gassensors.
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Der elektrochemische Gassensor kann eine Elektrodenschicht umfassen, die auf die Festelektrolytschicht abgeschieden ist. Diese Elektrolytschicht erzeugt ein homogenes elektrisches Feld innerhalb der Festelektrolytschicht, das den Transport der elektrisch geladenen Spezies unterstützt, die aufgrund der Reaktion von Gasen an der katalytischen Schicht gebildet wurden. Entsprechend wird die Effizienz des elektrochemischen Gassensors erhöht.
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Darüber hinaus kann die Festelektrolytschicht des elektrochemischen Gassensors ein keramisches Material umfassen, das ionenleitend und/oder elektrisch leitend ist. Diese Leitfähigkeit verbessert den Transport der elektrisch geladenen Spezies zu den Kontakten.
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Des Weiteren umfasst die Festelektrolytschicht des elektrochemischen Gassensors ein keramisches Material, bei dem es sich um ein piezoelektrisches keramisches Material handelt. Ein piezoelektrisches keramisches Material ist in der Lage, seine Kristallstruktur zu verändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Diese Änderung in der Kristallstruktur beeinflusst die Ionenleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit des Materials. Mit anderen Worten, es ist möglich, das piezoelektrische keramische Material nur durch Anlegen eines elektrischen Felds von einem Zustand hoher Leitfähigkeit in einen Zustand niedriger Leitfähigkeit zu überführen und umgekehrt. Dies führt zu einem schaltbaren elektrochemischen Gassensor.
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Des Weiteren kann die katalytische Schicht des elektrochemischen Gassensors mindestens ein Metall oder ein Oxid davon umfassen, wobei das Metall aus einer Gruppe von Metallen ausgewählt ist, die Platin, Palladium, Silber, Gold und Kupfer umfasst. Diese Metalle werden typischerweise verwendet, um die Reaktivität von Gasen zu erhöhen.
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Darüber hinaus können die gasempfindliche Schicht, die katalytische Schicht, die Festelektrolytschicht und/oder die Elektrodenschicht eine Vielzahl von Löchern aufweisen, die beispielsweise durch Laserbohren hergestellt worden sein können. Diese Löcher erhöhen die Porosität jeder Schicht und erhöhen damit die Flächengröße jeder Schicht. Eine erhöhte Porosität führt zu einer erhöhten Durchlässigkeit jeder Schicht für Gase. Dies macht es dem Gas leichter, jede Schicht des elektrochemischen Gassensors zu erreichen. Darüber hinaus erhöht eine große Flächengröße die zugängliche Flächengröße für das Gas in jeder Schicht. Aufgrund dieser zwei Effekte der Vielzahl von Löchern kann die Effizienz des elektrochemischen Gassensors erhöht werden.
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Die Verwendung von Laserbohren als Verfahren zum Bilden der Löcher ermöglicht es, im Vergleich zu anderen Bohrverfahren relativ kleine Löcher zu erzeugen, wodurch im Vergleich zu anderen Bohrverfahren höhere Porositäten und größere Flächengrößen möglich werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des elektrochemischen Gassensors kann die Grundplatte eine Heizeinrichtung umfassen, um die Leistung des elektrochemischen Gassensors zu verbessern. Die Heizeinrichtung liefert dem elektrochemischen Gassensorstapel zusätzliche terminale Energie, was die Reaktivität der mit dem Gassensorstapel in Kontakt befindlichen Gase erhöht.
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Hier und im Folgenden handelt es sich bei einem Gassensorstapel um eine Anordnung aus den verschiedenen Schichten des elektrochemischen Gassensors wie vorstehend beschrieben. Der Gassensorstapel kann lediglich die katalytische Schicht und die Festelektrolytschicht oder aber die katalytische Schicht, die Festelektrolytschicht und die gasempfindliche Schicht oder aber die gasempfindliche Schicht, die katalytische Schicht, die Festelektrolytschicht und die Elektrodenschicht umfassen.
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Des Weiteren können mindestens zwei elektrochemische Gassensoren kombiniert werden, um eine elektrochemische Gassensoranordnung zu bilden.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen eines elektrochemischen Gassensors mithilfe von Zeichnungen näher erläutert. Komponenten ähnlicher Zeichnungen weisen die gleichen Bezugszeichen auf.
- 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektrochemischen Gassensors;
- 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrochemischen Gassensors;
- 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrochemischen Gassensors; 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrochemischen Gassensors und
- 5 zeigt eine Draufsicht auf einen elektrochemischen Gassensor.
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1 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht einen elektrochemischen Gassensor, der eine Grundplatte 1, eine katalytische Schicht 2 und eine Festelektrolytschicht 3 umfasst. Die katalytische Schicht 2 ist auf eine Grundplattenhauptfläche 1a abgeschieden. Die Festelektrolytschicht 3 ist auf die katalytische Schicht 2 abgeschieden. Die katalytische Schicht 2 und die Festelektrolytschicht 3 sind durch Kontakte 4 elektrisch kontaktiert. Die katalytische Schicht 2 umfasst ein Metall, das aus einer Gruppe von Metallen ausgewählt ist, die Platin, Silber, Gold und Kupfer umfasst. Die Festelektrolytschicht 3 umfasst ein keramisches Material, das ionenleitend und/oder elektrisch leitend ist. Bei dem keramischen Material handelt es sich um ein piezoelektrisches keramisches Material. Beide Schichten weisen eine Vielzahl von Löchern auf, die durch Laserbohren hergestellt wurden (nicht abgebildet). Das zu erfassende Gas erreicht den elektrochemischen Gassensor auf der der Grundplatte 1 entgegengesetzten Seite. Aufgrund der Porosität der Festelektrolytschicht 3 kann das Gas leicht mit der katalytischen Schicht 2 in Kontakt kommen. An der katalytischen Schicht 2 werden die Gasmoleküle des zu erfassenden Gases in elektrisch geladene Spezies aufgespalten, welche durch die Festelektrolytschicht 3 zu den Kontakten 4 transportiert werden. Dies erzeugt einen elektrischen Strom, der spezifisch für das zu erfassende Gas ist. Entsprechend kann das zu erfassende Gas identifiziert werden.
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2 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht einen elektrochemischen Gassensor ähnlich dem in 1 gezeigten, wobei zwischen der Grundplattenhauptfläche 1a und der katalytischen Schicht 2 eine gasempfindliche Schicht 5 angeordnet ist. Des Weiteren ist auf die Festelektrolytschicht 3 eine Elektrodenschicht 6 abgeschieden. Das Einbeziehen der gasempfindlichen Schicht 5 ermöglicht es, ein weiteres Messprinzip in den elektrochemischen Gassensor einzubeziehen. Entsprechend ist es möglich, mit dem elektrochemischen Gassensor mindestens zwei verschiedene Gase gleichzeitig zu erfassen. Aufgrund der Elektrodenschicht 6 ist es möglich, ein homogenes elektrisches Feld in der Festelektrolytschicht 3 zu erzeugen, was die Fähigkeit der Festelektrolytschicht 3 erhöht, die elektrisch geladenen Spezies, die an der katalytischen Schicht 2 erzeugt wurden, durch die Festelektrolytschicht 3 in Richtung der Kontakte 4 zu transportieren. Dies verbessert die Leistung des elektrochemischen Gassensors.
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3 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht einen elektrochemischen Gassensor, der dem in 2 gezeigten ähnelt, wobei die Grundplatte 1 eine Heizeinrichtung 7 umfasst. Die Heizeinrichtung 7 ist in solcher Weise in die Grundplatte 1 eingearbeitet, dass eine Membran 1b auf einer Substrathauptfläche 1d eines Substrats 1e angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 7 ist auf der Membran 1b angeordnet. Darüber hinaus ist auf der Heizeinrichtung 7 eine Isolierschicht 1c angeordnet. Die Isolierschicht 1c verhindert einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem elektrochemischen Gassensorstapel 2356 und der Heizeinrichtung 7. Die Heizeinrichtung 7 liefert dem elektrochemischen Gassensorstapel 2356 zusätzliche thermische Energie, was die Reaktivität der den elektrochemischen Gassensorstapel 2356 erreichenden Gase erhöht. Entsprechend kann die Leistung des gesamten elektrochemischen Gassensors verbessert werden.
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4 veranschaulicht in einer Querschnittsansicht einen elektrochemischen Gassensor, wobei das Substrat 1e und die Membran 1b teilweise abgeätzt wurden.
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5 veranschaulicht eine Draufsicht auf einen elektrochemischen Gassensor, der dem in 4 gezeigten ähnelt. Es ist erkennbar, dass ein erheblicher Teil der Grundplatte 1 nicht mehr vorhanden ist. Von der Membran 1b sind nur zwei Balken übrig, die kreuzförmig angeordnet sind. Die Bereiche A zeigen leeren Raum an. Der elektrochemische Gassensorstapel 2356 ist in der Mitte des Kreuzes angeordnet. Diese Ausführungsform des elektrochemischen Gassensors weist den Vorteil auf, dass der Zugang des zu erfassenden Gases zu dem elektrochemischen Gassensorstapel 2356 verbessert ist. Dies verbessert die Leistung des gesamten Gassensors.
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Der elektrochemische Gassensor ist nicht auf die in den Figuren angegebenen Ausführungsformen eingeschränkt. Insbesondere kann die Anordnung der einzelnen Komponenten des elektrochemischen Gassensors variieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundplatte
- 1a
- Grundplattenhauptfläche
- 1b
- Membran
- 1c
- Isolierschicht
- 1d
- Substrathauptfläche
- 1e
- Substrat
- 2
- katalytische Schicht
- 3
- Festelektrolytschicht
- 4
- Kontakte
- 5
- gasempfindliche Schicht
- 6
- Elektrodenschicht
- 7
- Heizeinrichtung
- 8
- Kontakte zur Heizeinrichtung
- 2356
- elektrochemischer Gassensorstapel
- A
- leeren Raum anzeigender Bereich
