KR102380365B1 - 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하기 위한 센서 소자(110)에 관한 것이다. 센서 소자(110)는 적어도 하나의 캐리어(114)를 포함하고, 적어도 제 1 전극 장치(116) 및 적어도 제 2 전극 장치(118)가 캐리어(114) 상에 부착된다. 제 1 전극 장치(116) 및 제 2 전극 장치(118)는 각각 적어도 하나의 전극 핑거(112)를 포함한다. 전극 핑거(112)는 적어도 하나의 제 1 금속층(122) 및 적어도 하나의 제 2 금속층(124)을 포함하는 층 구조(120)를 갖는다.
Description
본 발명은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자 및 상기 센서 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
종래 기술에는 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 다수의 센서 소자가 공지되어 있다. 예를 들어, 측정 가스는 내연 기관의 배기 가스일 수 있다. 특히, 그 입자는 그을음(soot) 또는 먼지 입자일 수 있다. 본 발명은 이하에서 특히 그을음 입자를 검출하는 센서 소자와 관련하여 설명되지만, 다른 실시예 및 응용도 가능하다.
2 개 또는 다수의 금속 전극이 전기 절연 캐리어 상에 장착될 수 있다. 전압의 작용 하에서 축적된 입자, 특히 그을음 입자는 센서 소자의 포집 단계에서 예를 들어 빗 모양으로 서로 맞물리는 인터디지털 전극으로서 형성된 전극들 사이에 도전 브릿지들을 형성함으로써 이들을 단락시킨다. 재생 단계에서, 전극은 일반적으로 통합된 가열 소자에 의해 버닝된다. 일반적으로, 입자 센서는 입자 축적으로 인해 변화된, 전극 구조의 전기 특성을 평가한다. 예를 들어, 일정한 인가 전압에서 감소하는 저항 또는 증가하는 전류가 측정될 수 있다.
이러한 원리에 따라 동작하는 센서 소자는 일반적으로 저항성 센서라고 하고, 다양한 실시예로, 예를 들어, DE 103 19 664 A1, DE 10 2004 0468 82A1, DE 10 2006 042 362 A1, DE 103 53 860 A1, DE 101 49 333 A1 및 WO 2003/006976 A2들에 개시되어 있다. 그을음 센서로서 형성된 센서 소자는 일반적으로 디젤 미립자 필터의 모니터링에 사용된다. 내연 기관의 배기관에서, 기술된 유형의 입자 센서는 일반적으로 보호 튜브 내로 수용되고, 상기 보호 튜브는 예를 들어 배기 가스가 입자 센서를 통해 유동하는 것을 허용한다.
종래 기술에 알려진, 입자를 검출하는 센서 소자들의 장점에도 불구하고, 이들 센서 소자들은 여전히 개선의 여지가 있다. 일반적으로, 전극 구조는 저 질량의 얇은 귀금속 층으로서 형성된다. 예를 들면 연소에 인해 나타날 수 있는 소량의 금속 손실은 센서 소자의 기능 변경 및/또는 고장을 초래할 수 있다. 특히, 입자 센서의 인터디지털 전극은 포집 및 재생 단계 동안 상이한 표면 반응에 의해 부하를 받고, 예를 들어 람다 센서의 외부 전극의 경우 통상적인 바와 같이, 다공성 세라믹 보호층에 의해 보호될 수 없다. 예를 들어, DE 10 2008 042 770 A1 및 DE 103 19 664 A1은 입자 센서 또는 다른 장치의 외부 전극의 번-오프 내성(burn-off resistance)을 증가시킬 수 있는 물질 및 보호층을 개시한다. 그러나 전술했듯이, 검출될 입자, 특히 그을음 및/또는 먼지 입자에 대한 센서 소자의 감도가 높으면서도 동시에, 예를 들어 내연 기관의 배기 가스관에서 발생할 수 있는, 예를 들어 고온 및 환원 및/또는 산화 조건에 대한 외부 전극의 강성에 관해서 상당한 개선 가능성이 여전히 존재한다.
본 발명의 과제는 종래 기술에 비해 개선된 특성을 가진 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자 및 상기 센서 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명의 독립 청구항에 따른 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자 및 독립 청구항에 따른 센서 소자의 제조 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 범주에서 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자가 제안된다. 본 발명의 범주에서 센서 소자는 입자를 정성적 및/또는 정량적으로 검출하는데 적합하고, 예를 들어 전압 및 전류와 같은, 검출된 입자에 따라 전기적 측정 신호를 생성할 수 있는 임의의 장치이다.
센서 소자는 특히 자동차에 사용하기 위해 설계될 수 있다. 특히, 측정 가스는 자동차의 배기 가스일 수 있다. 원칙적으로 다른 가스 및 가스 혼합물도 가능하다. 원칙적으로, 측정 가스 챔버는 측정 가스를 수용하고 및/또는 측정 가스가 통과하는 임의의 개방 또는 폐쇄 공간일 수 있다. 예를 들어, 측정 가스 챔버는 내연 기관, 예컨대 내연 기관 엔진의 배기 가스관일 수 있다.
센서 소자는 적어도 하나의 캐리어를 포함하고, 캐리어 상에 적어도 하나의 제 1 전극 장치 및 적어도 하나의 제 2 전극 장치가 부착된다. 제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치는 각각 적어도 하나의 전극 핑거를 포함한다. 상기 전극 핑거들은 층 구조를 가지며, 층 구조는 적어도 제 1 금속층 및 적어도 하나의 제 2 금속층을 포함한다.
본 발명의 범주에서, 캐리어는 기본적으로 제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치를 지지하기에 적합하고 및/또는 제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치가 부착될 수 있는 임의의 기판이다.
본 발명의 범주에서, 전극 장치는 기본적으로 전류 측정 및/또는 전압 측정에 적합하고 및/또는 전극 장치와 접촉하는 적어도 하나의 소자에 전압 및/또는 전류를 가하는 임의의 전기 도체이다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거는 기본적으로 하나의 차원에서의 치수가 적어도 하나의 다른 차원에서의 치수를, 예를 들어 적어도 팩터 2만큼, 바람직하게는 팩터 3만큼, 특히 바람직하게는 팩터 5만큼 현저히 초과하는 전극 장치의 임의의 형상이다. 본 발명의 범주에서, 층 구조는 기본적으로 상이한 재료의 적어도 2 개의 층을 가지는 임의의 구조이다. 본 발명의 범주에서, 금속은 구조가 순수 금속 또는 합금 또는 금속-세라믹 복합 재료로 제조된 것이고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 금속은 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는다.
센서 소자는 적어도 하나의 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 특히, 캐리어가 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 센서 소자는 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 특히, 캐리어가 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 캐리어는 표면을 가질 수 있다. 본 발명의 범주에서, 캐리어 표면은 기본적으로 캐리어를 그 주위로부터 한정하고 센서 소자의 제 1 및 제 2 전극 장치가 부착되는 임의의 층이다.
제 1 전극 장치 및 제 2 전극 장치는 각각 적어도 2 개의 전극 핑거들을 포함할 수 있다. 제 1 전극 장치의 적어도 2 개의 전극 핑거들과 제 2 전극 장치의 적어도 2 개의 전극 핑거들은 서로 맞물릴 수 있다. 특히, 제 1 전극 장치의 전극 핑거들과 제 2 전극 장치의 전극 핑거들은 빗 모양으로 서로 맞물릴 수 있다. 또한, 제 1 전극 장치는 상기 제 2 전극 장치와 함께 헤링본 구조, 지그재그 구조 및 권선 구조로 이루어진 군으로부터 선택된 구조를 가질 수 있다.
전극 핑거의 제 2 금속층이 전극 핑거의 제 1 금속층을 완전히 덮을 수 있다. 특히, 제 2 금속층은 전극 핑거의 제 1 금속층의 윗면 및 측면을 완전히 덮을 수 있다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거의 제 1 금속층의 윗면은 기본적으로 전극 핑거의 제 1 금속층의 표면의 영역이고, 상기 표면의 영역은 캐리어 표면에 대해 평행하게 연장된다. 본 발명의 범주에서, 표면은 기본적으로 대상물을 그 주위로부터 한정하는 임의의 층이다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거의 제 1 금속층의 측면은 전극 핑거의 제 1 금속층의 윗면과 캐리어 표면의 연결 표면이다.
그러나 제 2 금속층이 제 1 금속층을 부분적으로만 덮을 수도 있다. 특히, 제 2 금속층은 전극 핑거의 제 1 금속층이 측정 가스에 노출 가능한 적어도 하나의 자유 표면을 갖도록 제 1 금속층을 부분적으로만 덮을 수 있다. 특히, 제 2 금속층은 전극 핑거의 제 1 금속층의 윗면 또는 측면만을 덮을 수 있다.
전극 핑거의 횡단면 프로파일은 직사각형 또는 사다리꼴일 수 있다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거의 횡단면 프로파일은 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직인 전극 핑거의 윤곽이다. 예를 들어, 횡단면 프로파일은 전극 핑거의 연장 방향에 대해 수직이고 캐리어의 표면에 대해 수직으로 배치되는 단면에서의 프로파일일 수 있다.
제 1 금속층은 순수 금속, 특히 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 순수 금속; 합금, 특히 백금 및 팔라듐 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 금속, 특히 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는다. 제 2 금속층은 순수 금속, 특히 로듐, 이리듐 또는 레늄; 합금, 특히 로듐, 이리듐 및 레늄 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 금속, 특히 로듐, 이리듐 및 레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는다.
전극 핑거의 제 1 금속층의 폭(b)은 5㎛ 내지 150 ㎛, 바람직하게는 25㎛ 내지 125 ㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거가 직사각형 횡단면 프로파일을 가진 경우, 전극 핑거의 제 1 금속층의 폭(b)은 캐리어 표면에 대해 평행하고 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직인 공간 차원으로의 전극 핑거의 제 1 금속층의 길이이다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거가 사다리꼴 횡단면 프로파일을 가진 경우, 전극 핑거의 제 1 금속층의 폭(b)은 두 치수 e와 g의 합이다. 여기에서, e는 캐리어 표면에 대해 평행하고 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직하는 공간 차원으로의 전극 핑거의 제 1 금속층의 윗면의 길이이다. g는 두 치수 f와 e의 차의 절반이다. 여기에서 f는 캐리어 표면에 대해 평행하고 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직인 공간 차원으로의 전극 핑거의 제 1 금속층의 층 접촉 면의 길이이다. 본 발명의 범주에서, 층 접촉 면은 기본적으로 캐리어 표면에 접촉하는 전극 핑거의 제 1 금속층의 표면의 영역이다. 특히, 전극 핑거가 사다리꼴 횡단면 프로파일을 갖는 경우, 치수 f는 치수 e를 초과할 수 있다. 예를 들어, 폭(b)은 일반적으로 절반 높이에서의 제 1 금속층의 폭, 예를 들어 소위 FWHM일 수 있다. 독일어로도 사용되는 약어 FWHF는 영어 표현 "full width at half maximum" 즉, 반값 전폭을 나타낸다.
전극 핑거의 폭(B)은 5㎛ 내지 150㎛, 바람직하게는 25㎛ 내지 125㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 110㎛일 수 있다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거가 직사각형 횡단면 프로파일을 갖는 경우, 전극 핑거의 폭(B)은 캐리어 표면에 대해 평행하고 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직인 공간 차원으로의 전극 핑거의 길이이다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거가 사다리꼴 횡단면 프로파일을 갖는 경우, 전극 핑거의 폭(B)은 두 치수 h와 i의 합이다. 여기에서 h는 캐리어 표면에 대해 평행하고 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직인 공간 차원으로의 전극 핑거의 윗면의 길이이다. i는 두 치수 k와 h의 차의 절반이다. 여기에서, k는 캐리어 표면에 대해 평행하고 전극 핑거의 주요 연장 방향에 대해 수직인 공간 차원으로의 전극 핑거의 전극 핑거 접촉 면의 길이이다. 본 발명의 범주에서, 전극 핑거 접촉 면은 기본적으로 캐리어 표면에 접촉하는 전극 핑거의 제 1 금속층의 표면의 영역이다. 전극 핑거의 제 2 금속층의 표면의 영역도 캐리어 표면과 접촉하면, 전극 핑거 접촉 면은 또한 전극 핑거의 제 2 금속층 상기 영역을 포함한다. 특히, 전극 핑거가 사다리꼴 횡단면 프로파일을 갖는 경우, 치수 k는 치수 h를 초과할 수 있다. 예를 들어, 폭(B)은 일반적으로 절반 높이에서의 전극 핑거의 폭, 예를 들어, 소위 FWHM 일 수 있다.
전극 핑거의 두께는 0.1㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 30㎛, 특히 바람직하게는 2㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 본 발명의 범주에서, 대상물의 두께는 기본적으로 캐리어 표면에 대해 수직으로 연장되는 대상물의 치수이다. 제 1 금속층의 두께는 0.1㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 25㎛, 특히 바람직하게는 1.5㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 제 2 금속층의 두께는 0.01㎛ 내지 15㎛, 바람직하게는 0.05㎛ 내지 10㎛, 특히 바람직하게는 0.5㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 전극 핑거의 두께와 전극 핑거의 폭(B)의 비는 0.03 내지 0.6, 바람직하게는 0.05 내지 0.5, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.4 일 수 있다.
아래에는, 제 1 금속층 및 제 2 금속층의 재료, 및 제 1 금속층 및 제 2 금속층의 두께에 관한 본 발명에 따른 센서 소자의 몇몇 바람직한 실시예가 기술된다. 그러나 기본적으로, 제 1 금속층과 제 2 금속층의 임의의 다른 조합도 가능하며, 제 1 금속층 및 제 2 금속층 각각은 제 1 금속층에 대해 그리고 제 2 금속층에 대해 상기에 정의된 재료의 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 바람직한 실시예에서 센서 소자의 제 1 금속층은 백금-세라믹 복합 재료를 포함할 수 있고, 제 2 금속층은 이리듐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 이리듐을 함유하는 제 2 층은 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 센서 소자의 제 1 금속층은 백금-세라믹 복합 재료를 포함할 수 있고, 제 2 금속층은 로듐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 로듐을 함유하는 제 2 층은 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 두께를 가질 수 있다. 특히, 제 2 금속층은 균일한 두께를 가질 수 있다. 또한, 센서 소자의 제 1 금속층은 백금-세라믹 복합 재료를 포함할 수 있고, 센서 소자의 제 2 금속층은 레늄을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 레늄을함유하는 제 2 층은 0.1㎛ 내지 0.9㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 소자의 제 1 금속층은 순수 백금을 포함할 수 있고, 센서 소자의 제 2 금속층은 이리듐을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 실시 예에서, 백금을 함유하는 제 1 층은 0.5㎛ 내지 3.0㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 제 1 금속층은 팔라듐을 포함할 수 있고 제 2 금속층은 로듐을 포함할 수 있다.
센서 소자는 특히 그을음 입자 센서로서 형성될 수 있다. 또한, 센서 소자는 적어도 하나의 보호 튜브 내에 수용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자의 제조 방법이 제안되고, 이는 아래 단계들을 포함하며, 제시된 순서대로 진행되는 것이 바람직하다. 기본적으로 다른 순서도 가능하다. 또한, 하나 또는 다수의, 또는 모든 방법 단계가 반복적으로도 실시될 수 있다. 또한, 2 개 또는 다수의 방법 단계는 전체적으로 또는 부분적으로 시간 중첩되게 또는 동시에 실시될 수 있다. 상기 방법은 전술한 방법 단계들에 추가해서 다른 방법 단계들도 포함할 수 있다.
상기 방법은
a) 적어도 하나의 캐리어를 제공하는 단계; 및
b) 적어도 하나의 캐리어 상으로 적어도 하나의 제 1 전극 장치 및 적어도 하나의 제 2 전극 장치를 부착하는 단계로서, 상기 제 1 전극 장치 및 상기 제 2 전극 장치 각각은 적어도 하나의 전극 핑거를 포함하며, 상기 전극 핑거는 층 구조를 가지며, 층 구조는 적어도 하나의 제 1 금속층 및 적어도 하나의 제 2 금속층을 포함하는, 상기 부착하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 특히 본 발명에 따른, 즉 전술된 실시예들 중 하나에 따른 또는 하기에 더 기술되는 실시예들 중 하나에 따른 센서 소자를 제조하는데 사용될 수 있다. 따라서, 정의 및 선택적 형성에 대해 센서 소자의 설명들이 주로 참조될 수 있다. 그러나, 기본적으로 다른 실시예들도 가능하다.
특히, 본 방법의 단계 b)는
b1) 제 1 금속층을 부착하는 하위 단계; 및
b2) 제 1 금속층 상으로 제 2 금속층을 부착하는 하위 단계를 포함한다.
또한, 상기 방법의 단계 b)는
b3) 제 2 금속층을 베이킹하는 하위 단계를 포함한다.
또한, 단계 b1) 및 단계 b2)에서, 상이한 코팅 방법들이 제 1 및 제 2 금속층을 부착하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 단계 b1)에서, 제 1 금속층의 부착은 스크린 인쇄 방법을 포함할 수 있다. 또한, 스크린 인쇄 방법을 포함할 수 있는 단계 b1)에는 소결 공정이 뒤따를 수 있다.
또한, 단계 b2)에서, 제 2 금속층의 부착은 전기 화학적 증착 또는 전착 및 무전해 증착으로 구성된 군으로부터 선택된 방법에 의해 실시될 수 있다. 또한, 단계 b1)에서, 제 1 금속층의 부착은 스퍼터링 또는 진공 증착에 의해 평탄한 층으로서 이루어질 수 있다. 특히, 제 1 금속층의 부착은 스퍼터링 또는 진공 증착에 의해 평탄한 층으로서 이루어질 수 있으며, 제 1 금속층은 순수 백금 및/또는 순수 팔라듐을 포함한다. 또한, 단계 b2)에서, 전술된 방법들 중 하나 또는 다수에 대한 대안으로 또는 그에 추가해서, 제 2 금속층의 부착은 스퍼터링 또는 진공 증착에 의해 평탄한 층으로서 이루어질 수 있다. 특히, 제 2 금속층의 부착은 스퍼터링 또는 진공 증착에 의해 평탄한 층으로서 이루어질 수 있으며, 제 2 금속층은 이리듐 및/또는 레늄을 포함한다. 본 발명의 범주에서, 평탄한 층은 제 1 및 제 2 전극 장치의 전극 핑거가 부착된 캐리어 표면의 적어도 한 영역을 덮는 층이다.
제 1 및/또는 제 2 전극 장치에 대한 제 1 금속층 및/또는 제 2 금속층의 구조화는 예를 들어, 증착 전, 증착 동안 또는 증착 후에 이루어진다. 예를 들어, 후속 구조화는 레이저 구조화 방법에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 단계 b1) 후에, 제 1 금속층의 포토리소그래피 구조화가 이루어질 수 있다. 특히, 평탄하게 부착된 팔라듐 함유 제 1 금속층은 포토리소그래피 공정, 예를 들어 포토리소그래피 삭감에 의해 구조화될 수 있다. 특히, 팔라듐 시딩(seeding)은 팔라듐 전구체 화합물의 노출에 의해, 특히 마스크 하에서의 노출에 의해 생성될 수 있다. 포토리소그래피 방식으로 구조화된 제 1 금속층, 예를 들어 포토리소그래피 방식으로 구조화된, 팔라듐 함유 제 1 금속층은 전착에 의해 보강될 수 있다. 단계 b2)에서, 제 2 금속층이 예를 들어 전착 및/또는 무전해 증착에 의해 부착될 수 있다. 특히, 포토리소그래피 방식으로 구조화된 전착에 의해 보강된, 팔라듐 함유 제 1 금속층 상에, 단계 b2)에서 전착 및/또는 무전해 증착에 의해 제 2 금속층, 예를 들어 로듐 함유 제 2 금속층이 부착될 수 있다.
단계 a)에서 캐리어는 캐리어 박막으로서 제공될 수 있다. 캐리어 박막은 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
제안된 장치 및 제안된 방법은 알려진 장치 및 방법에 비해 수많은 이점을 갖는다. 특히, 센서 소자의 전극 장치의 높은 견고성, 특히 외부 전극의 높은 견고성은 고품질 센서 소자, 특히 입자 센서, 예를 들어 그을림 입자 센서의 필수 핵심 특징이다. 본 발명의 범주에서, 전극 장치는 층 구조, 특히 다층 인터디지털 전극으로서 설계되므로, 제 1 금속층, 특히 도전성 구조가 제 2 금속층, 특히 견고하고 번-오프(burn-off) 내성의 커버 층에 의해 보호될 수 있다.
또한, 층 구조, 특히 층 개념은 바람직하게는 제 1 금속층에 최적화된 부착 방법 및 제 1 금속층에 최적화된 재료 선택을 제 2 금속층에 최적화된 부착 방법 및 제 2 금속층에 최적화된 재료 선택과 조합할 수 있다. 특히, 본 발명에 의해 전극 장치들의 특성, 특히 제 1 및/또는 제 2 전극 장치의 특성에 대한 반대 요구 조건이 충족될 수 있다.
따라서, 예를 들면, 특히 센서 소자의 높은 검출 감도 및/또는 높은 정확성을 가질 수 있는 가능한 한 미세한 전극 구조는 가능한 한 높은 견고성, 특히 배기 가스 적합성 및/또는 번-오프 내성 및/또는 내노화성과 조합될 수 있다.
또한, 제 1 금속층은 캐리어 상의, 특히 세라믹 캐리어 상의 미세 구조화와 관련해서 예를 들어 금속 선택에 의해 및/또는 부착 방법에 의해 최적화될 수 있고 및/또는 제 2 금속층은 번-오프 내성, 특히 최대 1250 ℃의 온도의 산화 및/또는 환원 배기 가스 중에서 번-오프 내성과 관련해서 최적화될 수 있다. 또한, 제 1 금속층은 특히 세라믹 캐리어 상에서 가능한 양호한 접착성을 갖도록 선택될 수 있다. 또한, 제 2 금속층은 적절한 촉매 성질, 특히 재생 중 그을음 산화에 대한 적절한 촉매 성질을 갖도록 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 선택적인 세부 사항들 및 특징들은 도면들에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예의 하기 설명에 제시된다.
도 1은 본 발명의 센서 소자의 실시예로서, 센서 소자의 평면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 센서 소자의 2가지 제조 방법의 방법 단계들로서, 다양한 전극 핑거들 및 다양한 중간 생성물들의 횡단면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 센서 소자의 2가지 제조 방법의 방법 단계들로서, 다양한 전극 핑거들 및 다양한 중간 생성물들의 횡단면도이다.
도 1에는 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자들을 검출하는 본 발명에 따른 센서 소자(110)의 실시예가 횡단면도로 도시된다. 또한, 도 2 내지 도 7에는 센서 소자(110)를 제조하는, 본 발명에 따른 2가지 방법들의 방법 단계들이 도시된다. 도 3 및 도 4에는 직사각형 횡단면 프로파일을 가진 전극 핑거(112)의 2 개의 상이한 실시예들의 횡단면도들이 도시된다. 도 6 및 도 7은 사다리꼴 횡단면 프로파일을 가진 전극 핑거(112)의 2 개의 상이한 실시예들의 횡단면도들을 도시한다. 도 2 및 도 5에는 2 개의 중간 생성물들이 횡단면도로 도시된다. 이 도면들은 아래에서 함께 설명될 것이다.
센서 소자(110)는 특히 자동차에 사용하기 위해 설계될 수 있다. 특히, 측정 가스는 자동차의 배기 가스일 수 있다. 센서 소자(110)는 예를 들어 전술한 종래 기술에 나타나듯이, 특히, 전극들, 전극 리드들 및 접점들, 다중 층들, 가열 소자들, 전기 화학 전지들 또는 다른 소자들과 같은 도면에 도시되지 않은 하나 또는 다수의 다른 기능 소자들을 포함할 수 있다. 또한, 센서 소자(110)는 예를 들어 도시되지 않은 보호 튜브 내에 수용될 수 있다.
센서 소자(110)는 적어도 하나의 캐리어(114)를 포함하고, 상기 캐리어 상으로 적어도 하나의 제 1 전극 장치(116) 및 적어도 하나의 제 2 전극 장치(118)가 부착된다. 제 1 전극 장치(116) 및 제 2 전극 장치(118)는 각각 적어도 하나의 전극 핑거(112)를 포함한다. 전극 핑거들(112)은 층 구조(120)를 갖고, 상기 층 구조(120)는 적어도 제 1 금속층(122) 및 적어도 하나의 제 2 금속층(124)을 포함한다.
도 1에는 본 발명에 따른 센서 소자(110)가 도시된다. 센서 소자(110)는 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 특히, 캐리어(114)가 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 또한, 캐리어(114)가 적어도 하나의 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 캐리어(114)가 표면(126)을 가질 수 있다.
제 1 전극 장치(116) 및 제 2 전극 장치(118)는 각각 2 개 또는 도 1에 도시되듯이 각각 2개보다 많은 전극 핑거들(112)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시되듯이, 제 1 전극 장치(116)의 전극 핑거들(112)과 제 2 전극 장치(118)의 전극 핑거들(112)은 서로 맞물릴 수 있다. 그러나 제 1 전극 장치(116)는 제 2 전극 장치(118)와 함께 다른 구조를 가질 수도 있다. 특히, 제 1 전극 장치(116)는 제 2 전극 장치(118)와 함께, 빗 구조, 헤링본 구조, 지그재그 구조 및 권선 구조로 이루어진 군으로부터 선택된 구조를 가질 수 있다.
도 2 및 도 5에는 전극 핑거(112)의 제 1 금속층(122)의 2 개의 상이한 실시예들이 횡단면도로 도시된다. 또한, 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7에는 전극 핑거(112)의 층 구조(120)가 횡단면도로 도시된다. 전극 핑거(112)의 횡단면 프로파일은 도 3 및 도 4에 도시되듯이 직사각형일 수 있다. 그러나 도 6 및 도 7에 도시되듯이 사다리꼴일 수도 있다. 층 구조(120)는 적어도 하나의 제 1 금속층(122) 및 적어도 하나의 제 2 금속층(124)을 포함한다. 도 3 및 도 6에 도시되듯이, 전극 핑거(112)의 제 2 금속층(124)은 전극 핑거(112)의 제 1 금속층(122)을 완전히 덮을 수 있다. 특히, 도 3 및 도 6에 도시되듯이, 전극 핑거(112)의 제 2 금속층(124)은 전극 핑거(112)의 제 1 금속층(122)의 윗면(128) 및 측면(130)을 덮을 수 있다. 그러나 전극 핑거(112)의 제 2 금속층(124)은 전극 핑거(112)의 제 1 금속층(122)을 부분적으로만 덮을 수도 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 7에서의 실시예들에 도시되듯이 제 2 금속층(124)은 전극 핑거(112)의 제 1 금속층(116)의 윗면(128)만을 덮을 수 있다.
제 1 금속층(122)은 순수 금속, 특히 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 특히 순수 금속; 합금, 특히 백금 및/또는 팔라듐 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 금속, 특히 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 상기 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는다. 제 2 금속층(124)은 순수 금속, 특히 로듐, 이리듐 또는 레늄; 합금, 특히 로듐, 이리듐 또는 레늄 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 금속, 특히 로듐, 이리듐 및 레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 상기 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는다.
전극 핑거의 폭(B)은 5㎛ 내지 150㎛, 바람직하게는 25㎛ 내지 125㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 110㎛일 수 있다. 전극 핑거(112)의 제 1 금속층(122)의 폭(b)은 5㎛ 내지 150㎛, 바람직하게는 25㎛ 내지 125㎛, 특히 바람직하게는 50㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 전극 핑거(112)의 두께는 0.1㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 30㎛, 특히 바람직하게는 2㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 제 1 금속층(122)의 두께(d)는 0.1㎛ 내지 50㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 25㎛, 특히 바람직하게는 1.5㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 제 2 금속층(124)의 두께는 0.01㎛ 내지 15㎛, 바람직하게는 0.05㎛ 내지 10㎛, 특히 바람직하게는 0.5㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 전극 핑거(112)의 두께와 전극 핑거(112)의 폭(B)의 비는 0.03 내지 0.6, 바람직하게는 0.05 내지 0.5, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.4 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110)의 제조 방법이 제안된다. 도 2 및 도 5에는 제 1 금속층(122)의 2 가지 실시예의 형태로 센서 소자(110)를 제조하는 방법의 중간 생성물들이 도시된다. 상기 방법은 제 1 금속층(122)을 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 제 1 금속층(122) 상으로 제 2 금속층(124)을 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 특히 제 1 금속층(122)을 부착하는 그리고 제 2 금속층(124)을 부착하는 상이한 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속층(122)의 부착은 스크린 인쇄 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 금속층(124)의 부착은 전착 및 무전해 증착으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 이루어질 수 있다.
110: 센서 소자
112: 전극 핑거
114: 캐리어
116: 제 1 전극 장치
118: 제 2 전극 장치
120: 층 구조
122: 제 1 금속층
124: 제 2 금속층
112: 전극 핑거
114: 캐리어
116: 제 1 전극 장치
118: 제 2 전극 장치
120: 층 구조
122: 제 1 금속층
124: 제 2 금속층
Claims (11)
- 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110)로서,
상기 센서 소자(110)는 적어도 하나의 캐리어(114)를 포함하고, 상기 캐리어(114) 상에 적어도 하나의 제 1 전극 장치(116) 및 적어도 하나의 제 2 전극 장치(118)가 부착되고, 상기 제 1 전극 장치(116) 및 상기 제 2 전극 장치(118)는 각각 적어도 하나의 전극 핑거(112)를 포함하고, 상기 전극 핑거들(112)은 층 구조(120)를 포함하는, 상기 센서 소자(110)에 있어서,
상기 층 구조(120)는 적어도 하나의 제 1 금속층(122)을 포함하고, 상기 제 1 금속층(122)은 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 순수 금속; 백금, 또는 팔라듐, 또는 백금 및 팔라듐 모두 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 상기 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖고,
상기 층 구조(120)는 상기 제 1 금속층(122)을 완전히 또는 부분적으로 커버하는 적어도 하나의 제 2 금속층(124)을 포함하고, 상기 제 2 금속층(124)은 로듐, 이리듐 또는 레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 순수 금속; 로듐, 이리듐 또는 레늄 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 로듐, 이리듐 및 레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 상기 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110). - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 장치(116) 및 상기 제 2 전극 장치(118)는 각각 적어도 2 개의 전극 핑거들(112)을 포함하는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110).
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 금속층(122)의 두께가 0.1㎛ 내지 50㎛의 범위에 있는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 금속층(124)의 두께가 0.01㎛ 내지 15㎛의 범위에 있는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전극 핑거(112)의 두께와 상기 전극 핑거(112)의 폭의 비는 0.03 내지 0.6의 범위에 있는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110).
- 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자(110)의 제조 방법으로서,
a) 적어도 하나의 캐리어(114)를 제공하는 단계; 및
b) 상기 적어도 하나의 캐리어(114) 상에 적어도 하나의 제 1 전극 장치(116) 및 적어도 하나의 제 2 전극 장치(118)를 부착하는 단계로서, 상기 제 1 전극 장치(116) 및 상기 제 2 전극 장치(118)는 각각 적어도 하나의 전극 핑거(112)를 포함하고, 상기 전극 핑거들(112)은 층 구조(120)를 가지며, 상기 층 구조(120)는 적어도 하나의 제 1 금속층(122) 및 적어도 하나의 제 2 금속층(124)을 포함하는, 상기 부착하는 단계를 포함하는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자의 제조 방법에 있어서,
상기 층 구조(120)는 적어도 하나의 제 1 금속층(122)을 포함하고, 상기 제 1 금속층(122)은 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 순수 금속; 백금, 또는 팔라듐, 또는 백금 및 팔라듐 모두 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 상기 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖고,
상기 층 구조(120)는 상기 제 1 금속층(122)을 완전히 또는 부분적으로 커버하는 적어도 하나의 제 2 금속층(124)을 포함하고, 상기 제 2 금속층(124)은 로듐, 이리듐 또는 레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 순수 금속; 로듐, 이리듐 또는 레늄 금속 중 적어도 하나를 포함하는 합금; 및 금속-세라믹 복합 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하고, 상기 금속-세라믹 복합 재료에서 로듐, 이리듐 및 레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속은 상기 금속-세라믹 복합 재료의 50%를 초과하는 질량 분율을 갖는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 단계 b)는
b1) 제 1 금속층(122)을 부착하는 하위 단계; 및
b2) 상기 제 1 금속층(122) 상에 제 2 금속층(124)을 부착하는 하위 단계를 포함하는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자의 제조 방법. - 제 9 항에 있어서, 상기 단계 b)는
b3) 상기 제 2 금속층(124)을 베이킹하는 하위 단계를 추가로 포함하는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자의 제조 방법. - 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 단계 b1) 및 상기 단계 b2)에서 상기 제 1 금속층(122) 및 상기 제 2 금속층(124)을 부착하는 상이한 코팅 방법들이 사용되는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서 소자의 제조 방법.
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