KR102138987B1 - 상이한 가스들을 측정하기 위한 가스 센서 및 해당 제조 방법 - Google Patents

상이한 가스들을 측정하기 위한 가스 센서 및 해당 제조 방법 Download PDF

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칼 하인츠 울리히
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헤라우스 넥센소스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 가스의 농도, 특히 산소의 농도 및 적어도 추가 가스의 농도, 바람직하게는 추가 가스의 형태인 1 이상의 산화성 배기 가스 성분의 농도를 측정하기 위한 가스 센서(1)에 관한 것이며, 여기서 가스 센서(1)는 고형체 전해질(4), 3 이상의 전극(5a, 5b, 6), 및 닫힌 챔버(7)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 도핑된 백금은 50 중량% 이상의 백금을 포함하고 나머지가 고형체 전해질의 군으로부터의 1 이상의 추가 성분을 포함하며, 특히 도핑된 백금이 0.5 중량% ∼ 15 중량%의 ZrO2를 포함하고 나머지가 백금이거나, 또는 순수한 백금이 100 중량%의 백금을 포함하며, 금 합금은 50 중량% 이상의 금 및 50 중량% 이하의 백금을 포함하고, 특히 금 합금이 대략 85 중량%의 금 및 대략 15 중량%의 백금을 포함하거나, 또는 금 합금이 적어도 금 및 백금을 85% 금 대 15% 백금의 비율로 포함하고, 바람직하게는 금 합금이 금 및 백금을 85% 금 대 15% 백금의 비율로 포함하며, 또한 적어도 0.5 중량% ∼ 15 중량%의 고형체 전해질, 특히 ZrO2를 포함한다.
또한, 본 발명은 가스 센서를 제조하기 위한 장치, 가스 센서를 제조하는 방법, 가스의 농도를 측정하는 방법, 가스 센서 장치, 및 가스 센서의 용도에 관한 것이다.

Description

상이한 가스들을 측정하기 위한 가스 센서 및 해당 제조 방법{GAS SENSOR FOR MEASURING DIFFERENT GASES, AND CORRESPONDING PRODUCTION METHOD}
본 발명은, 가스의 농도, 특히 산소 및 1 이상의 추가 가스의 농도, 바람직하게는 추가 가스의 형태인 1 이상의 산화성(oxidisable) 배기 가스 성분의 농도를 측정하기 위한 가스 센서로서, 1 이상의 고형체(solid body) 전해질, 특히 적어도 ZrO2로 이루어진, 바람직하게는 90 중량% 이상이 ZrO2로 이루어지고 나머지가 산화이트륨 및/또는 산화하프늄으로 구성되는 군으로부터의 1 이상의 추가 성분으로 이루어진 고형체 전해질을 포함하고, 추가로, 적어도 3개의 전극을 포함하며, 바람직하게는 적어도 도핑된 백금 또는 적어도 순수한 백금으로 이루어진 2개의 전극과 금 합금으로 이루어진 1개의 전극을 포함하고, 이에 따라 2개의 전극, 바람직하게는 도핑된 백금 또는 순수한 백금으로 이루어진 1개의 전극과 금 합금으로 이루어진 1개의 전극이 고형체 전해질의 정상면 상에 배치되며, 1개의 전극, 바람직하게는 도핑된 백금 또는 순수한 백금으로 이루어진 다른 하나의 전극이 정상면의 맞은쪽에 위치하는 고형체 전해질의 바닥면 상에 배치되고, 추가로, 1 이상의 닫힌 챔버를 포함하며, 이에 따라 고형체 전해질의 바닥면이 챔버의 일부를 형성하는 것인 가스 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 가스 센서를 제조하기 위한 장치, 가스 센서를 제조하는 방법, 가스의 농도를 측정하는 방법, 가스 센서 장치, 및 가스 센서의 용도에 관한 것이다.
DE 제196 51 328 B4호에는, 산소 펌프가, 2개의 전극 사이의 이산화지르코늄(ZrO2)의 전기화학 반응에 기반한 것임이 공지되어 있다. 산소 펌프에서 산소는, 캐소드 상에서 산소가 산소 이온으로 환원되는 것, 그 후 이산화지르코늄 중 산소 이온이 이온 이동하는 것, 및 마지막으로 애노드 상에서 산소 이온이 산소로 산화되는 것에 의해, 이산화지르코늄 벽의 한 측으로부터 다른 측으로 이송 및/또는 펌핑된다. 이 효과로 인해, 산소 펌프의 양측 상의 분압 차이가 발생할 수 있다.
배기 가스 성분을 측정할 수 있는 가스 센서는 DE 제10 2007 048 049 A1호에 공지되어 있다. 가스 센서는 전기 절연성 표면을 갖는 기판, 예를 들어 Al2O3로 이루어진 본체를 포함한다. 상기 문헌에서, 그 본체는 이온 전도체로 이루어진 리드를 갖는 발열 저항체로 피복되며, DE 제10 2007 048 049 A1호에 따르면 이것은 이산화지르코늄으로 제조된 이온 전도체일 수 있고, 기판 표면은 중공 공간을 형성한다. 금속 전도성 전극들은 이온 전도체의 위아래에 배치되며, 이들 중 둘은 백금 전극으로서 제공된다. 또한, 이온 전도체 상의 가스 센서는 혼성 전위 전극으로서 제공되는 추가의 전극을 포함하고, 금 및 백금으로 이루어진 귀금속 합금을 포함한다. 이 맥락에서의 전극은 산소에 대해 투과성이도록 다공성이다. 바람직하게는, 이들은 스크린 인쇄에 의해 적용된다.
DE 제197 57 112 A1호에는 산소 및/또는 공연비 람다 및 1 이상의 추가 기체 성분, 예컨대 탄화수소 또는 질소 산화물을, 기체 혼합물에서, 일정한 산소 분압을 나타내는 기준 전극, 산소 이온 함유 고체 전해질, 및 2 이상의 측정 전극에 의해 측정하는 가스 센서가 개시되어 있으며, 여기서 측정 전극 및 기준 전극은 고체 전해질 상에 직접 배치되어 있고, 접속 및 전기 측정 신호의 검출을 위한 전기 리드를 갖는다. DE 제197 57 112 A1호에 따르면, 고체 전해질은 임의의 기하학적 형상으로 제공되고, 측정되는 가스를 대면하는 측 및 측정되는 가스로부터 분리된 측을 가지며, 이에 의해 기준 가스 측 상의 기준 전극 및 측정되는 가스 측 상의 2 이상의 측정 전극을 갖는 전극 배열은, 동일하거나 상이한 측정 원리에 기초하고 상이한 기체 성분에 기초하는 2 이상의 측정 신호를 동시에 낸다. 센서는, 예를 들어 자동차의 모터 제어에 사용된다.
현재 알려진 바로는, 가스 농도, 예를 들어 배기 가스 중의 가스 농도를 검출하는 정확하고 신속한 측정은 어렵고, 시간 소모적이며, 매우 수고스럽다는 것이 선행 기술의 단점이다.
따라서 본 발명의 목적은, 상이한 가스들의 농도 및/또는 변화하는 가스 조성의 정확하고 용이하며 신속한 측정에 대한 선택권을 제공하는 것이다. 이 목적은, 도핑된 백금이 50 중량% 이상의 백금을 포함하고 나머지가 고형체 전해질의 군으로부터의 1 이상의 추가 성분을 포함하는 것, 특히 도핑된 백금이 0.5 중량% ∼ 15 중량%의 ZrO2를 포함하고 나머지는 백금인 것, 또는 순수한 백금이 100 중량%의 백금을 포함하는 것, 그리고 금 합금이 50 중량% 이상의 금 및 50 중량% 이하의 백금을 포함하는 것, 특히 금 합금이 대략 85 중량%의 금 및 대략 15 중량% 백금을 포함하는 것, 또는 금 합금이 금 및 백금을 85% 금 대 15% 백금의 비율로 포함하는 것, 바람직하게는 금 합금이 적어도 금 및 백금을 85% 금 대 15% 백금의 비율로 포함하고, 또한 적어도 0.5 중량% ∼ 15 중량%의 고형체 전해질, 특히 ZrO2를 포함하는 것에서 충족된다.
또한, 상기 목적은 청구범위 제1항 내지 제12항의 특징적 부분에 의해 해결된다.
청구범위의 종속항들은 본 발명에 따른 바람직한 구체예를 포함한다.
본 발명에 따른 분획, 즉, 도핑된 백금의 분획 또는 순수한 백금의 분획 및 금 합금의 분획은, 가스 농도의 신속하고 간단하며 정확한 측정을 실현시킨다는 점이 이롭다.
명세서 후반에 설명한다.
환원성 가스, 예컨대 일산화탄소, 예를 들어 가열 플랜트의 배기관 내의 배기 가스 중 환원성 가스를, 계절에 관계없이, 이에 따라 외부 온도 및 배기 가스의 가스 조성에 관계없이 측정하는 것이 가능하다. 결과적으로, 예를 들어 상이한 가스 조성의 배기 가스, 예컨대 스칸디나비아 가스 및 러시아 가스에 존재하는 배기 가스는 본 발명에 따른 가스 센서에 의해, 따라서 또한 본 발명에 따른 가스 센서 장치에 의해 측정될 수 있다.
도핑된 백금 또는 순수한 백금으로 이루어진 전극으로서, 바람직하게는 고형체 전해질 아래에 배치되며, 이에 의해 산소 이온 전도체의 역할을 하는 고형체 전해질이 고형체 전해질로서의 자신을 통해 산소 이온을 이송하는 것인 전극은 기준 전극의 역할을 하며, 기준 전극은, 본 발명에 따라 가스 센서 중 닫힌 챔버에 배치된다.
본 발명에 따르면, 닫힌 챔버는, 도핑된 백금 또는 순수한 백금으로 이루어지고 고형체 전해질 아래에 배치되는 전극이 그로부터 거리를 두고 맞은쪽에 배치된 대향 전기 절연층, 예를 들어 ZrO2 또는 Al2O3로 이루어진 작은 평판 또는 본체를 갖는 것으로 형성된다. 또한, 전기 절연층은 챔버 영역에 유리 패시베이션을 포함할 수 있다.
챔버의 밀봉은, 각각의 면 또는 측벽 상의 거리로 인하여, 예를 들어 각각 면 또는 측벽 상에 배치되는 유리 시일 및/또는 백금 페이스트에 의해 실시된다. 챔버는 특히 바람직하게는 챔버의 각각의 면 또는 측벽 상에 유리 시일, 및 또한 백금 페이스트 모두를 포함한다. 중공 공간이라는 용어로도 알려진 닫힌 챔버는, 예를 들어 DE 제10 2007 048 049 A1호에 공지되어 있다.
바람직한 구체예에서, 금 합금으로 이루어진 전극은 0.1 ㎛ ∼ 50 ㎛, 바람직하게는 대략 5 ㎛의 층 두께를 갖는다.
추가의 유리한 구체예에서, 고형체 전해질의 정상면 상의 전극들 사이의 거리는 100 ㎛ ∼ 500 ㎛, 바람직하게는 대략 300 ㎛이다.
추가의 유리한 구체예에서, 전극은 스크린 인쇄 또는 디스펜싱(dispensing)에 의해 고형체 전해질에 적용될 수 있다.
추가의 유리한 구체예에서, 가스 센서는 산화성 배기 가스 성분, 예컨대 수소 화합물, 질소 화합물, 특히 질소 산화물, 암모니아 화합물, 탄소 화합물, 특히 일산화탄소 및/또는 탄화수소 등에서 측정이 가능하다.
전술한 구체예들에 따르면 산소의 농도를 구할 수 있는데, 여기서 상기 농도는 순수한 백금 또는 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극과 고형체 전해질의 형태인 산소 펌프에 의해 구한다. 다른 한편으로, 산화성 화합물은 고형체 전해질 상에, 즉 그의 표면에 배열되는, 순수한 백금 또는 도핑된 백금으로 이루어진 전극과 혼성 전위 전극에 의해 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 가스 센서로 단일 산화성 기체 화합물을 측정하는 것, 또는 본 발명에 따른 가스 센서로 기체 흐름 중 다중 산화성 가스의 다중 화합물을 측정하는 것이 가능하다.
순수한 산소 이외의 기체의 농도를 측정하기 위한 혼성 전위 전극은, 금 합금을 포함하는 전극으로부터 가스 센서에 형성된다.
추가의 유리한 구체예에서, 가스 센서는 1 이상의 발열체(heating conductor)를 포함한다. 정확하고 신속하며 간단한 측정이 특히 저온에서 가능하도록 가스 센서의 작동 온도를 적절히 조정하는 것이, 발열체에 의해 실현 가능하다. 이는, 발열체가 가스 센서를 가열함으로써, 고형체 전해질을 통한 산소의 이송이 가능해지기 때문에 그러하다.
다른 이로운 구체예에서, 청구범위 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 1 이상의 가스 센서는 세라믹 기판, 바람직하게는 ZrO2 또는 Al2O3 상에 배치된다. 세라믹 기판은 절연 기능을 갖는다.
가스 센서는 배기 가스 민감성 칩으로 불리울 수 있으며, 이 경우에 칩은 바람직하게는 다음의 성분, 즉 고형체 전해질, 바람직하게는 ZrO2로 이루어진 고형체 전해질 및 적어도 3개의 전극, 바람직하게는 적어도 도핑된 백금 또는 순수한 백금으로 이루어진 2개의 전극과 금 합금으로 이루어진 1개의 전극을 포함하는 전극을 포함한다.
가스 센서를 제조하기 위한 본 발명의 장치에 있어서, 이 장치는 바람직하게는 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서를 제조에 적합한 수단을 포함한다.
가스 센서를 제조하는 본 발명의 방법에서, 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서는 바람직하게는 제8항에 따른, 가스 센서를 제조하기 위한 장치에 의해 제조된다.
가스의 농도, 특히 산소 및 1 이상의 추가 가스, 바람직하게는 추가 가스의 형태인 1 이상의 산화성 배기 가스 성분의 농도를 측정하는 본 발명의 방법에서, 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서를 측정에 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 가스의 농도, 특히 산소 및 1 이상의 추가 가스, 바람직하게는 추가 가스 형태인 1 이상의 산화성 배기 가스 성분의 농도를 측정하기 위한 가스 센서 장치에 관한 것이며, 상기 가스 센서 장치는, 유리한 구체예에서, 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서를 포함한다.
본 발명의 범위는, 연소 기관에서, 발전소, 바람직하게는 화력 발전소에서, 난방 시스템, 바람직하게는 가스 또는 석유 난방 시스템에서, 베이킹 오븐(baking oven)에서, 자동차, 바람직하게는 자동차의 배기 가스 시스템에서, 배기 가스관에서, 또는 컨테이너, 바람직하게는 과일 컨테이너에서의, 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서의 용도를 포함한다.
고형체 전해질로서 ZrO2 대신에 CeO2로 이루어진 고형체 전해질을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, ZrO2 또는 CeO2로 이루어진 상기 고형체 전해질은 일부 또는 전부 안정화될 수 있다.
도핑된 백금 또는 순수한 백금으로 이루어진 전극은 Pt 전극(백금 전극)으로도 일컬어진다. 금 합금 또는 도핑된 금 합금으로 이루어진 전극은 Au 전극(금-전극)으로도 일컬어진다. 도핑된 금 합금은, 본 발명에 따른 85% 대 15%의 금 및 백금 분획 이외에, 적어도 고형체 전해질의 보충 분획을 포함하는 것이 명백하다.
본 발명에 따르면, 고형체 전해질은 그의 정상면 상에, 요컨대 순수한 백금, 금 합금 및/또는 도핑된 백금으로 이루어진 2개 초과의 전극을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른, 고형체 전해질도 또한 그의 바닥면에, 요컨대 순수한 백금 및/또는 도핑된 백금으로 이루어진 1개 초과의 전극을 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이들은 상이한 조성물들을 또한 포함할 수 있다.
가스 센서에 의한 산화성 가스의 가스 농도 측정은 혼성 전위 전극 상에서의 비평형 전압(이른바, 비-네른스트 전압), 및 순수한 백금 또는 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극 상에서의 평형 전압(순수한 백금 또는 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극 사이의 전위에 기인하는, 이른바 네른스트 전압)을 이용하여 실시되며, 상기 전압들은, 기체 혼합물 중 일정량의 산화성 가스가 가스 센서를 통과하여 흐르게 하며, 이로써 그의 가스 농도를 측정한다. 바람직하게는, 산화성 가스는 3개의 전극의 존재 하에 측정한다.
이 맥락에서, 순수한 백금 또는 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극 상의 평형 전압은, 고형체 전해질의 정상면 상에 위치하는 Pt 전극에 접속된 (전기) 저항기에 의해 측정된다. (전기) 저항기는 바람직하게는, 가스 센서를 역시 포함하는 가스 센서 장치에 배치된다.
DE 제196 51 328 B4호에 제시된 설명에 따라 산소 이온을 안팎으로 연속 펌핑함으로써, 발생한 평형 전압으로 인해, 앞선 설명들에 따른 배기 가스 흐름 중에서 기체 혼합물 중 산소 가스 농도를 연속적으로 측정할 수 있게 된다.
또한, 가스 농도, 예를 들어 일산화탄소의 농도는, 전술한 가스 센서에 의해 측정될 수 있다.
백금 전극, 즉 순수한 백금 또는 도핑된 백금으로 이루어진 전극 상에서의 평형 전압, 및 금 합금으로 이루어진 전극 상에서의 비평형 전압 각각의 측정에서 구한 값은, 예를 들어 데이터 처리 시설에 의해 전환되어, 가스의 퍼센트 중량 분율이 확인 및 표시될 수 있다.
가스 센서의 배치, 및 또한 가스 센서의 측정법에 관해서는, DE 제10 2007 048 049 A1호, DE 제197 57 112 A1호, 및 DE 제196 51 328 B4호의 문헌들을 참조할 수 있다.
도면은 본 발명의 바람직한 구체예를 보다 상세히 예시한다.
도면 중에서,
도 1은 가스 농도를 측정하기 위한 가스 센서(1)의 상세 사항을 도시하고,
도 2는 가스 센서(1)의 다른 디자인의 상세 사항을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 Au 전극의 주사 전자 현미경 사진을 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 Pt 전극의 주사 전자 현미경 사진을 도시한다.
예시적 구체예에서 가스의 농도, 특히 산소 및 1 이상의 추가 가스, 즉, 일산화탄소의 농도를 측정하기 위한 도 1에 도시된 가스 센서(1)는, 도 1에 도시된 가스 센서 장치(2)의 일부분이다. 도면에 도시된 대로, 가스 센서 장치(2)는 측정 동안에 가스 센서(1)에 의해 전달된 데이터가 분석될 수 있도록, 전기 커넥터, 제어 또는 조절 유닛 등을 포함한다.
예를 들어 가스 또는 석유 난방 시스템의 배기 가스관 중 가스 농도의 측정에 가스 센서(1)를 사용함으로써, 산소 농도(O2 농도) 및 일산화탄소 농도(CO 농도)를 가스 센서(1)에 의해, 따라서 또한 가스 센서 장치(2)에 의해, 예를 들어 배기 가스 흐름 중에서 측정할 수 있다.
가스 센서(1)는 세라믹 기판, 즉, 예시적 구체예에서 절연성인 ZrO2로 이루어진 기판(3) 상에 배치된다.
가스 센서(1)는 추가로 고형체 전해질, 즉, 예시적 구체예에서 1 ∼ 10 중량%의 산화이트륨 또는 1 ∼ 10 중량%의 산화하프늄으로 도핑된 90 중량%의 ZrO2로 이루어진 고형체 전해질(4)을 포함한다.
또한, 가스 센서(1)는 3개의 전극(5a, 5b, 6)을 포함한다. 예시적 구체예에서, 2개의 전극은 각각 도핑된 백금으로 이루어진 전극(5a, 5b)이고, 세 번째 전극은 금 합금으로 이루어진 전극(6)이다.
도핑된 백금으로 이루어진 한 전극(5a)은 고형체 전해질(4)의 정상면(4a) 상에 배치되고, 금 합금으로 이루어진 전극(6)도 고형체 전해질(4)의 정상면(4a) 상에 배치된다. 도 1에 따르면, 도핑된 백금으로 이루어진 추가의 전극(5b)은 고형체 전해질(4)의 바닥면(4b) 상에 배치된다.
예시적 구체예에서 고형체 전해질(4) 상의 전극(5a, 5b) 각각은 동일한 도핑된 백금으로 구성되며, 도핑된 백금은 예시적 구체예에서 0.5 중량% ∼ 15 중량%의 ZrO2 및 나머지가 순수한 백금인 조성을 포함한다. 도핑된 백금으로 이루어진 전극(5a, 5b)은 바람직하게는, 이들이 산소 이온을 통과시키도록 다공성으로 제공된다.
상기 설명에 따른 금 합금으로서 제공된 전극(6)은, 예시적 구체예에서 대략 85 중량%의 금 및 대략 15 중량% 백금의 합금 조성을 포함한다. 따라서, 예시적 구체예에서 비율은 85% 금 대 15% 백금이며, 이에 따라 고형체 전해질이 혼합되지 않는다.
다르게는, 금 합금을 85% 금 대 15% 백금으로 포함하는 전극(6)에 ZrO2 분획을 첨가할 수 있다. 이 유형의 ZrO2-도핑된 금 합금은 도핑된 금 합금으로도 공지되어 있다.
금 합금 및 도핑된 백금이 불순물을 포함하는 것 또한 가능하지만, 그 불순물은 기술적 관점에서 미량이며, 제조시에 생성된 것이다. 그의 분획은 가스 농도 측정에 있어서 무시된다.
예시적 구체예에서, 금 합금으로 이루어진 전극(6)은 대략 5 ㎛의 층 두께를 갖는다.
예시적 구체예에서, 고형체 전해질(4)의 정상면(4a) 상의 전극(5a, 6) 간의 거리(A)는 바람직하게는 대략 300 ㎛이다.
예시적 구체예에서, 전극(5a, 5b, 6)은 스크린 인쇄에 의해 고형체 전해질(4)의 벽에, 즉 해당 정상면(4a) 및 바닥면(4b) 상에 견고하게 적용되어 있다.
추가로 가스 센서(1)는 닫힌 챔버(7)를 포함하는데, 도 1에 따르면, 고형체 전해질(4)의 바닥면(4b)과 도핑된 백금으로 이루어진 전극(5b)이 함께 챔버(7)의 일부분을 형성한다. 따라서, 도 1에 따르면, 도핑된 백금으로 이루어진 전극(5b)과 고형체 전해질(4)은 챔버(7)의 벽을 형성한다.
챔버(7)의 다른 벽은 ZrO2로 이루어진 기판(3)에 의해 형성된다. 다른 벽은 고형체 전해질(4)의 바닥면(4b)과 전극(5b)에 있어서의 거리의 형태인 간격을 포함한다.
또한, 도 1에 따른 거리(A)의 형태인 간격은 챔버(7)에 측벽을 형성시키며, 따라서 측벽이 닫히면 닫힌 챔버가 형성된다. 예시적 구체예에서, 측벽은 절연 유리 시일(8)에 의해 닫힌다. 이 맥락에서, 측벽은 측면 영역에서 챔버(7)의 에지 및/또는 에지들을 형성한다. 또한, 백금 페이스트(9)는 가스 센서(1)의 측벽들 각각의 영역에 위치하며, 도 1에 따르면 각각의 백금 페이스트(9)는 챔버(7)의 바로 내부에 위치한다.
전극(5a)은 산소를 챔버(7)의 안팎으로 펌핑하는 목적의 것이다.
도 1에는, 유입하는 기체 흐름의 산소 가스 농도를 가스 센서(1)에 의해 측정할 수 있게 하는 저항기가 도시되어 있지 않다.
또한, 도 1에는, ZrO2로 이루어진 고형체 전해질(4)에서의 최적 이온 이동, 즉, 이온 이동이 고온에서 보다 쉽게 보다 잘 진행되는 것이 가능하도록, 예를 들어 아직 최적 온도에 있지 않은 배기 가스에 가스 센서(1)를 사용하기 위한 열 전도체 유형의 발열체가 도시되어 있지 않다.
도 1에 따른 가스 센서(1)에 의해, 예를 들어 배기 가스관에서, 산소 농도 이외에 산화성 배기 가스 성분, 예컨대 일산화탄소가 측정될 수 있다. 예시적 구체예에서, 산화성 가스 형태의 단일 배기 가스 성분, 즉 일산화탄소가 측정된다.
대안적으로 또는 추가로, 다른 가스 농도, 예컨대 수소 농도, 질소 농도 등을, 가스 센서(1)에 의해, 그리고 가스 센서 장치(2)에 의해 측정할 수 있다.
측정을 위해, 기체 혼합물은 고형체 전해질(4)의 정상면(4a) 부근에서 유동한다. 가스 센서(1)에 의한 산화성 가스의 가스 농도 측정은 혼성 전위 전극[현재의 경우에서는, 금 합금으로 이루어진 전극(6)] 상에서의 비평형 전압, 및 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극(5a, 5b) 상에서의 평형 전압에 의해 실시되며, 상기 전압들은 가스 센서(1)를 관통하는 기체 혼합물 중 산소의 양뿐만 아니라, 산화성 가스[현재의 경우에서는, 단지 일산화탄소]의 양, 및 따라서 그의 가스 농도를 측정할 수 있게 한다.
이 맥락에서, 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극(5a, 5b) 상에서의 평형 전압은, 고형체 전해질의 정상면에 위치한 Pt 전극(5a)에 접속된 (전기) 저항기에 의해 측정된다. (전기) 저항기는 바람직하게는, 가스 센서(1)를 역시 포함하는 가스 센서 장치(2)에 배치된다. 저항기는 도 1에 도시되어 있지 않다.
측정 및 전환은 DE 제197 57 112 A1호 및 DE 제10 2007 048 049 A1호에 공지되어 있다.
도 1에 도시된 가스 센서(1)는 가스 센서(1)를 제조하기 위한 장치에 의해 제조될 수 있다. 상기 장치는 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서(1)의 제조에 적합한 수단을 포함한다.
도 1에 도시된 가스 센서(1)는 가스 센서(1)를 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 상기 방법에서 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서(1)는 제8항에 따른 가스 센서(1)를 제조하기 위한 장치에 의해 제조된다.
예시적 구체예에서, 청구범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 가스 센서(1)는, 가스, 특히 산소 및 1 이상의 추가 가스, 바람직하게는 1 이상의 산화성 배기 가스 성분의 농도를 측정하기 위한 방법에 의한 측정에 사용된다.
예를 들어, 가스 센서(1)는 난방 시스템의 배기 가스관에 배치될 수 있으며, 이때 난방 시스템에서 연소된 가스 또는 석유 혼합물의 배기 가스는 가스 센서(1)에 의해 측정될 수 있는 기체 혼합물을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 배기 가스관에서, 가스 센서(1)에 의해 배기 가스의 산소 농도 및 일산화탄소 농도를 연속적으로 측정할 수 있다.
게다가, 또한, 배기 가스의 가스 조성이 가스 센서(1)에 의해 연속적으로 확인된다면, 난방 시스템에 의해 배기 가스 중 가스 농도를 최적의 값으로 연속적으로 조절함으로써, 난방 시스템에 공급되는 가스 또는 석유 혼합물의 효율의 최적 활용이 가능해질 수 있다.
다르게는, 전술한 가스 센서(1)를 발전소에서, 베이킹 오븐에서, 자동차에서, 또는 컨테이너에서 사용하는 것 또한 가능하다.
가스 센서(1)의 사용, 예를 들어 컨테이너에서의 사용은, 예를 들어 비행기 또는 선박의 경로로 이송되는 유형의 컨테이너에서 과일 등의 보관에 있어 최적의 모니터링 및 조절을 제공한다.
도 2에 도시된 가스 센서(1)에 대해서는, 도 1에서 벗어난 특징만을 설명한다.
도 2에서 가스 센서(1)의 동일한 구성요소는 동일한 도면 부호로 표기되어 있으며, 도 2에서 상이한 구성요소는 새로운 도면 부호로 표기되어 있다.
가스 센서 장치(2)의 일부분인, 도 2에 도시된 가스 센서(1)는, 발열체 형태의 백금 가열기(11)를 포함한다. 이 맥락에서, 백금 가열기(11)는 도 2에 따르면 가스 센서(1)의 기판(3) 아래에 위치한다. 이 맥락에서, 백금 가열기(11)는 기판(3)에 결합된다. 또한, 가스 센서(1)는 도 2에 따르면 가스 센서(1)의 기판(3)의 정상면 상에 2층 유리 패시베이션(10)을 포함하며, 이에 의해 상기 유리 패시베이션(10)은, 도 2에 따르면 챔버(7)의 벽에 일부분을 형성한다.
백금 가열기(11)에 의해 가스 센서(1)의 작동 온도를 적절히 조절할 수 있어, 배기 가스 조성의 정확하고 신속하며 간단한 측정이, 특히 저온에서 가능해진다. 이는, 최적의 신속한 측정에 있어서 온도가 너무 낮을 경우에 발열체가 가스 센서(1)를 가열하기 때문에 그러하다.
도 3은 1,500배 확대율에서의 주사 전자 현미경 사진을 도시한다. 사진은 청구범위 제1항에 따른 본 발명의 조성을 포함하는 전극(6)을 도시한다. 따라서, 금 합금은 적어도 금 및 백금을 85% 금 대 15% 백금의 비율로 포함한다. 도 3에 따르면, 상기 전극(6)의 다공도는 매우 낮다.
도 4는 3,000배 확대율에서의 다른 주사 전자 현미경 사진을 도시한다. 이 맥락에서, 도 4는 청구범위 제1항에 따른 본 발명의 조성을 포함하는 전극(5a)의 사진을 도시한다. 도 4에 따르면, 상기 전극(5a)의 다공도는 매우 높다.
도 3 및 도 4는 실제 비율로 도시된 것이다.

Claims (12)

  1. 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서(1)로서,
    1 이상의 고형체(solid body) 전해질(4)을 포함하고,
    추가로, 도핑된 백금으로 이루어진 2개의 전극(5a, 5b)과 금 합금으로 이루어진 1개의 전극(6)을 포함하고, 이에 따라 도핑된 백금으로 이루어진 1개의 전극(5a)과 금 합금으로 이루어진 1개의 전극(6)이 고형체 전해질(4)의 정상면(4a) 상에 배치되며, 도핑된 백금으로 이루어진 다른 하나의 전극(5b)이 정상면의 맞은쪽에 위치하는 고형체 전해질(4)의 바닥면(4b) 상에 배치되고,
    추가로, 1 이상의 닫힌 챔버(7)를 포함하며, 가스 센서(1)는 세라믹 기판(3) 상에 배치되고 발열체(heating conductor)가 기판(3) 아래에 위치하고, 이에 따라 고형체 전해질(4)의 바닥면(4b)과 기판(3)의 정상면 상의 2층 유리 패시베이션(10)은 챔버의 일부를 형성하고,
    상기 도핑된 백금은 0.5 중량% ∼ 15 중량%의 ZrO2 및 나머지 순수한 백금을 포함하고,
    상기 금 합금은 50 중량% 이상의 금 및 50 중량% 이하의 백금을 포함하거나, 또는 금 합금이 금 및 백금을 85 중량% 금 대 15 중량% 백금의 비율로 포함하고,
    상기 발열체를 오직 한개만 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서(1).
  2. 제1항에 있어서, 금 합금으로 이루어진 전극(6)이 0.1 ㎛ ∼ 50 ㎛의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 센서(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고형체 전해질(4)의 정상면(4a) 상의 전극들(5a, 6) 간의 거리(A)가 100 ㎛ ∼ 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 가스 센서(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전극(5a, 5b, 6)이 스크린 인쇄에 의해, 또는 디스펜싱(dispensing)에 의해 고형체 전해질(4)에 적용될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 센서(1)가 산화성 배기 가스 성분을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서(1).
  6. 제1항 또는 제2항에 따른 가스 센서(1)를 제조하기 위한 장치.
  7. 가스 센서(1)를 제조하는 방법으로서, 제1항 또는 제2항에 따른 가스 센서(1)가, 제1항 또는 제2항에 따른 가스 센서(1)를 제조하는 장치에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 가스의 농도를 측정하는 방법으로서, 제1항 또는 제2항에 따른 가스 센서(1)가 측정에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서 장치로서, 가스 센서 장치가 제1항 또는 제2항에 따른 가스 센서(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 센서(1)가 연소 기관에서, 발전소에서, 난방 시스템에서, 베이킹 오븐(baking oven)에서, 자동차에서, 배기 가스관에서, 또는 컨테이너에서 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 센서(1).
  11. 삭제
  12. 삭제
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