KR20020060693A - 가스 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 센서와 이의 제조 방법에 관한 것이다. 전기화학적 가스 센서는 일반적으로 전해질용 저장소로서 작용하는 외측 하우징, 전해질과 젖은 상태로 유지되는 심지, 그리고 전극과 전기적 접촉하는 외부 전기 터미널을 포함한다. 통상적으로, 가스 투과성/미공성 막은 가스 센서를 밀봉하기 위해 사용되어, 전해질의 누출을 방지한다. 기존 센서의 문제점은 전기적 커넥터가 지나가는 영역 주위에서 전해질이 막을 통해 누출될 수 있는 위험성을 가지고 있다는 것이다. 본 발명은 제어된 열과 압력의 조건하에서 전도성 폴리머를 막을 통해 밀어 넣어, 막이 손상되지 않도록 막의 완전성을 보장하고 이와 동시에 이를 통해 전기적/전도적 통로를 형성하는 방법을 제공하여 이런 문제점을 극복한다.

Description

가스 센서 및 이의 제조 방법{GAS SENSOR AND ITS METHOD OF MANUFACTURE}

일산화탄소와 같은 산화 또는 환원 가능한 가스를 감지하기 위한 전기화학적 가스 센서는 일반적으로 감지전극(sensing electrode), 상대전극(counter electrode), 그리고 확산장벽(diffusion barrier)을 포함한다. 확산장벽은 가스가 감지되고 감지전극으로 통과하는 것을 허용한다. 본 출원인에 의해 출원되고 계류중인 국제특허출원 제 WO-A1-9614576호에 설명된 바와 같은 가스 센서의 한 형태에서, 감지전극과 상대전극은 가스 투과막 상에 위치하며 전해질과 접촉하고 있다.

물리적 구조에 있어서, 전기화학적 가스 센서는 전해질의 저장소로서 사용되는 외측 하우징, 전극과 전해질의 접촉을 유지하기 위한 심지(wick), 그리고 전극과 전기적 접촉을 하는 외부 전기 터미널을 일반적으로 포함한다.

전술한 가스 센서가 작동하는 동안, 감지될 가스에 의해 전기화학 반응이 감지전극에서 발생하고, 또한 산소에 의한 반응이 상대전극에서 발생한다. 전류는 상기 반응들에서 생성된 이온에 의해 전해질을 거쳐 전해지며, 전류량은 감지될 가스의 농도를 나타낸다. 추가 전극(기준 전극)이 감지전극과 전해질 사이에서의 일정한 전위차를 유지하기 위해 전위회로와 함께 사용될 수 있다. 이는 가스 센서 작동의 신뢰성을 증가시킨다. 전극은 전기 터미널을 통해 외부 전류 센서와 연결되어 있다.

외부 전류 터미널은 통상적으로 황동 또는 구리 핀으로 형성된다. 황동 및 구리는 산화전해질과 반응하기 때문에, 가스 센서는 이런 핀이 전해질과 접촉하지 않도록 특별히 설계된다. 백금은 산성과 반응하지 않기 때문에, 백금 스트립이 전극과 외부 센서 및/또는 외부 전기 공급원 사이에서 전기적 경로를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 하지만, 백금 스트립은 하우징과 가스 투과막 사이의 밀봉 영역에 일반적으로 배치되고, 전해질은 이런 영역으로부터 누출될 수 있다. 또한, 백금은 고가이기 때문에, 백금 터미널을 구비한 가스 센서를 제조하는데 많은 비용이 소비된다.

가스 센서의 다른 실시예는 미국특허 제 US-A-5314605호(Dragerwerk)에 설명되어 있다. 전술한 미국 특허에는 이를 통해 구멍이 형성된 가스 투과 영역이 설명되어 있다. 전극은 이런 구멍을 통과한다. 각 구멍의 둘레와 전극 사이에 영역이 아무리 조심스럽게 밀봉된다 할지라도, 이런 밀봉부를 통해 전해질이 누출될 위험성은 존재한다.

본 발명은 가스 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이에 제한되지는 않지만 특히, 일산화탄소(CO) 가스를 감지하기 위한 전기화학적 가스 센서에 관한 것이다.

도 1은 제 1 가스 센서의 단면도;

도 2는 제 2 가스 센서의 단면도; 그리고

도 3은 다른 가스 센서의 단면도이다.

본 발명의 목적은 기존의 가스 센서보다 제조 가격이 저렴한 가스 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 기존의 가스 센서보다 누출의 위험성이 적은 가스 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 양상에 따라, 전해질을 수용하기 위해 사용되는 저장소를 포함하는 하우징을 갖춘 가스 센서를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 가스 다공성 막에 전도성 재료를 함침하여, 상기 전도성 재료가 이런 막의 제 1 표면의 전기적 접점과 이런 막의 제 2 표면의 전기적 접점 사이에 전기적 경로를 형성하는 단계, 그리고 저장소를 밀봉하기 위하여 가스 다공성 막을 처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제 1 양상에 따라서, 가스 센서의 밀봉된 저장소 내에 위치한 하나 이상의 전극을 센서 바깥쪽에 있는 전기적 경로와 연결하기 위해 간단하면서도 신뢰성이 있는 수단이 제공되며, 값비싼 백금 터미널의 사용을 배제하고 누출의 위험성이 낮은 가스 센서를 생산하는 방법이 제공된다.

바람직하게, 전도성 재료는 전도성 폴리머를 포함하며, 열과 압력의 조건하에서 미공성 막의 소공으로 유입된다.

상기 방법은 하나 이상의 전극에 심지 수단을 부착하는 단계를 또한 포함한다. 심지 수단은 각 전극이 일단 설치되면 센서의 방향과 무관하게 전해질과의 접촉을 유지하는 것을 보장한다. 심지 수단은 300℃ 내지 370℃, 보다 바람직하게는 320℃ 내지 370℃ 사이의 온도에서 전극 또는 각 전극에 프레싱되거나 소결될 수 있다. 정확한 온도는 심지 수단의 특성, 전극 재료, 그리고 기판에 달려있다. 심지 수단의 부착은 임의의 용융된 전도성 폴리머가 유입되기 전에 수행될 수 있고, 이런 경우 심지 수단은 용융된 폴리머가 전극으로 통과할 수 있는 하나 이상의 개구를 구비할 수 있다.

본 발명의 제 2 양상에 따라서, 제 1 및 제 2 주요 표면을 갖춘 미공성 막을 가로지르는 전기적 경로를 형성하는 방법이 제공된다. 상기 막은 사용시 액체에 대해 불투과성을 띠며 가스에 대해선 투과성을 띤다. 상기 방법은 전도성 재료를 용융하기 위한 충분한 열을 유지하는 단계, 표면간의 압력차를 설정함으로써 제 1 표면에서 막의 소공을 통해 상기 용융된 전도성 재료를 밀어넣는 단계, 상기 전도성 재료가 제 2 표면으로 빠져나올 때까지 열과 압력차를 제어하는 단계, 그리고 상기 재료를 냉각하여 제 1 표면으로부터 제 2 표면으로의 연속적인 전기적 경로를 형성함과 동시에, 막에 대한 액체 불투과성과 가스 투과성이란 특성을 유지하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 이렇게 형성된 미공성 막이 가스 센서에 결합될 수 있는 전기화학적 셀로 결합된다.

전도성 재료는 심지 수단, 전극, 기판, 또는 이들의 조합을 통해 기판 내로 삽입될 수 있다.

전도성 재료는 전도성 폴리머를 포함하는 것이 바람직하다. 전도성 재료의 냉각과 고체화에 따라, 전기적 경로는 전극과 전기적 접점 또는 외부 연결 수단 사이에 형성된다. 사용시 감지전극에서 발생된 전류는 전도성 폴리머에 의해 미공성 막을 거쳐 외부 연결 수단으로 전달될 수 있고, 그 다음 감지전극에서 발생된 전류량이 측정될 수 있는 적절한 전자장치(테스트 가스 발생기의 경우에는 전류원)로 전달될 수 있다.

제 1 및 제 2 전극은 PTFE 또는 이와 유사한 중합 바인더(polymeric binder)를 포함하는 다공성 전기 전도성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 전극은 촉매입자를 포함할 수도 있고, 선택적으로, 전도성을 향상시키기 위한 재료 및 추가 촉매 지지 재료를 포함할 수도 있다.

전극은 예를 들면, 스크린 프린팅, 또는 분사식 코팅, 잉크제트 프린팅, 소결, 또는 고체 재료의 패턴된 증착을 형성하기 위한 임의의 적절한 다른 방법에 의해 기판 상에 배치된 부유물(suspension)로부터 선택된 영역을 필터링함으로써 기판 상에 형성될 수 있다. 기판의 두께를 통과하는 전극 재료의 특성을 변경하기 위해 하나의 재료 또는 하나 이상의 재료로 층을 이루며 증착될 수 있다.

바람직하게, 제 1 및 제 2 전극은 외부 전기 접점 수단에 대해 기판의 대향면상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 제 1 및 제 2 전극과 외부 전기 접점 수단은 기판의 동일면상에 제공될 수도 있다.

기판은 접착제를 이용하여 하우징에 결합될 수 있다. 대안적으로, 스냅-링크(snap-link)와 같은 기계적 수단이 사용될 수도 있다. 하지만, 기판과 하우징을 결합하기 위해 열 및/또는 압력을 사용하는 것이 바람직하다. 하우징은 기판보다 낮은 용융점을 가진 합성 플라스틱 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 기판과 하우징이 열 및/또는 압력을 이용하여 함께 고착되면, 하우징 재료는 기판으로 스며들게 되고, 이에 따라 전극에 대해 불투과성인 강한 기계적 결합을 이룬다.

확산장벽을 갖춘 캡 부재가 제공될 수도 있다. 기판은 캡 부재와 하우징 사이에 배치된다. 그 다음, 열 및/또는 압력(또는 다른 적절한 방법)이 센서 조립체를 밀봉하기 위해 사용된다. 캡 부재가 사용되지 않는다면, 기판 중 한 곳 이상의 영역의 투과성이 전극에 도달하는 가스량을 제어하기 위해 변형될 수 있다. 이는 필요한 소공을 가진 재료를 사용하거나, 또는 왁스, 폴리머, 또는 왁스/폴리머 혼합물로 상기 영역을 스며들게 하거나 상기 영역을 압축함으로써 소공을 감소시켜 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따라서, 가스 센서가 제공되며, 가스 센서는 평판의 기판 상에 형성된 적어도 제 1 및 제 2 전극, 사용시 제 1 및 제 2 전극을 접촉하도로 하기 위한 액체성 전해질을 포함하는 저장소를 갖춘 하우징, 그리고 전극과 외부 전기 접점 사이에 배열된 전도성 재료를 포함하며, 적어도 전극의 일부와 기판의 일부에는 실질적으로 전도성 재료가 스며들게 되고, 이에 따라 상기 재료는 막을 통해 전기적 경로를 형성하고, 이는 적어도 전극을 외부 전기 접점과 연결시킨다.

전극은 다공성 평판 요소가 바람직하다. 제 1 전극은 전해질과 감지될 가스 사이에서 소정의 전기화학 반응을 발생시키기 위한 가스 센서(작업 전극)가 바람직하다. 제 2 전극은 산소에 의한 상대적 전기화학 반응을 수행하는 상대전극이 바람직하다. 가스 센서는 기준 전극 및/또는 테스트 가스 발생 전극과 같은 추가 전극을 포함할 수 있다.

전도성 재료는 전극과 외부 연결 수단 사이에 전기적 경로를 형성하기 위한 플러그, 핀, 또는 다른 형상의 구성요소일 수 있다.

외부 전기 접점 또는 연결 수단은 전극의 형성과 동일한 방식으로 기판 상에형성될 수 있는 다공성 평판 요소가 바람직하다. 대안적으로, 외부 연결 수단은 전도성 재료와 동일하거나 유사한 재료로 형성될 수 있다. 외부 연결 수단은 기판에 부착되는 와이어 또는 금속 스트립일 수도 있다.

센서는 캡을 구비할 수 있으며, 이에 따라 기판은 이런 캡과 하우징 사이에 배치된다. 이러한 특정 구조에서, 기판은 가스에 대한 높은 투과성을 띠는 것이 바람직하며, 이를 통한 가스의 확산에 대한 장애를 거의 또는 완전히 일으키지 않는다. 이런 실시예에서, 감지전극으로의 가스 확산은 캡에 위치한 확산장벽에 의해 제한되는 것이 바람직하다.

대안적으로, 센서는 캡을 구비하지 않을 수 있으며, 이에 따라 기판 자체가 확산장벽으로서 작용하고 하우징의 상측부를 형성한다. 이런 경우, 기판의 일부 영역에서의 다공성은 감지전극 및/또는 상대전극으로 전달되는 가스량을 제한하기 위해 감소되는 것이 바람직하다. 기판은 가요성을 띠거나, 반강성 또는 강성을 띨 수 있다.

전극은 황산 또는 다른 적절한 전해질이 바람직하다.

본 발명의 실시예는 실례와 첨부된 도면을 참조로 하여 설명될 것이다.

도 1을 참조하면, 직원기둥형상의 전기화학적 가스 센서(10a)의 단면을 도시하고 있으며, 센서는 두 부분의 하우징(12a, 12b), 감지전극(sensing electrode; 14), 상대전극(counter electrode; 16), 전체적으로 원형 막(18)상에 형성된 외부 접점 트랙(external contact track; 28a, 28b)을 포함한다. 전극(14, 16)은 PTFE 바인더 내 전기 전도성 촉매 입자의 혼합물로 이루어지고, 도면에 도시된 바와 같이, 세그먼트 형상으로 막(18) 표면상에 증착된 필터이거나 프린팅된 스크린이다. 외부 접점(28a, 28b)은 막(18)을 통해 전도성 비-촉매 입자가 적재될 수 있는 전도성 폴리머를 밀어 넣음으로써 형성된다.

하우징부(12b)는 액체 전해질(30)을 포함할 수 있는 전해질 저장소(20)를 형성하는 중공의 내측부를 갖춘 원통 형상으로 이루어져 있다. 전해질(30)은 심지(21)에 의해 전극(14, 16)과 접촉된 상태로 유지된다. 전해질 저장소(20)는 기저부에서 기저부재(32)에 의해 밀폐되며, 상기 기저부재는 다공성 막에 의해 밀폐된 압력 안전 벤트(pressure relief vent)를 갖추고 있다. 하우징부(12a)는 분위기 가스가 리세스된 다기관 영역(24)으로 확산되어 감지전극(14)으로 전달되는 것을 가능하게 하는 개구(22)를 구비한 디스크형상의 캡 부재이다. 하우징부는 합성 플라스틱 재료를 포함한다. 개구(22)는 감지전극에 도달하는 가스량을 제어하기 위한 확산장벽의 형태일 수 있다.

막(18)은 디스크형상이고 하측 하우징부(12b)와 거의 동일한 직경으로 이루어진다. 막은 상측 하우징부(12a)와 하측 하우징부(12b)사이에 배치된다. 상측 하우징부(12a)가 하측 하우징부(12b)보다 직경이 작기 때문에, 외부 접점트랙(28a, 28b)은 상측 하우징부(12a)의 테두리를 지나 연장하고, 이에 따라 외부 전기적 접점 또는 연결부로서 사용될 수 있다. 외부 전기적 접점은 핀, 스프링 클립, 또는 와이어(도시 안됨)에 의해 전원 및 인쇄회로기판에 연결될 수 있다. 고형의 폴리머(26)는 가열되고 압력을 받아, 막을 통과하여 접점(28)을 형성한다. 이것이 어떻게 달성되는 가는 이하 설명된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예(10b)의 단면을 도시하고 있으며, 도 1의 실시예와 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 나타내고 있다. 본 발명의 실시예에서, 상측 캡 부재(12a)는 존재하지 않는다. 막(18)은 가스를 유입하기 위한 확산장벽을 형성하기 위해 가스에 대한 낮은 투과성을 가진다. 따라서, 가스의 유입률에 대한 정확한 제어를 제공한다. 막(18)의 투과성은 막의 전체영역에 걸쳐 균일할 수 있고, 또는 투과성은 막의 일부 영역을 프레싱하거나 함침함으로써 특정영역에서 감소될 수 있다.

가스 센서(10b)에서, 전극(14, 16)과 막(18)의 영역에 전도성 폴리머(26)가 함침되고, 이에 따라 전도성 폴리머(26)는 막(18)을 통해 돌출하여 외부 접점(28a, 28b)을 형성한다. 게다가, 외부 전기적 접점 수단이 그 다음 제공될 수 있다.

기존의 가스 센서와 비교하여 본 발명에 따른 가스 센서의 한 장점은, 센서(10a, 10b)의 전극이 하우징과 막(18) 사이에서 연장하지 않는다. 이는 통상적으로 가스 센서 조립체에서 가장 약한 부분이다. 따라서, 가스 센서(10a, 10b)에서, 하우징과 막 사이에 강한 밀봉이 형성되고, 전해질은 센서로부터 누출되지 않게 된다.

가스 센서(10a, 10b)가 작동하는 동안, 주위 분위기로부터의 가스는 (센서(10a)의 개구(22)를 거쳐) 막(18)을 통해 감지전극(14)으로 확산한다. 이런 가스가 예를 들어 일산화탄소를 포함하면, 전기화학 반응이 감지전극(14)에서 일어나고, 산소에 의한 전기화학 반응이 상대전극(16)에서 일어난다. 이에 따라, 전류는 이런 반응에 의해 생성된 이온에 의해 전해질을 거쳐 전달된다. 전류의 크기는 일산화탄소의 농도를 나타낸다.

기준 전극(도시 안됨)이 전위회로(도시 안됨)와 함께 감지전극(14)과 전해질 사이의 전위차를 유지하기 위해 사용될 수 있고, 이는 센서(10a)의 안정성을 증가시킨다.

센서 조립체(10a)에 대하여 설명될 것이다. 전극(14, 16)은 막(18)의 하측 표면에 형성된다. 외부 접점 트랙(28a, 28b)은 이런 막의 상측 표면에 형성된다. 그 다음, 심지(21)는 전극(14, 16)에 소결된다. 용융된 전도성 폴리머(26)는 심지(21) 내 구멍을 통해 또는 외부 접점 트랙(28a, 28b)의 상측면으로부터 폴리머가 막을 통과하도록 열 및 압력을 가함으로써 막(18)의 요구 영역으로 삽입되고, 이에 따라 접점이 외부 접점(28a, 28b)과 전극(14, 16) 사이에 만들어 진다. 폴리머(26)가 고체화됨에 따라, 전기적 경로가 전해질 저장소(20)에 포함된 전해질(30)과 외부 접점 트랙(28a, 28b) 사이에 형성된다.

그 다음, 막은 상측 하우징(12a)과 하측 하우징(12b) 사이에 위치하게 되고, 열 및 압력이 프레싱 툴에 의해 가해져서, 하우징부에 대해 막과 외부 접점을 압착함에 따라 조립체가 함께 결합된다. 대안적으로, 하우징부(12a, 12b) 중 하나 또는 양 하우징부가 접착제를 이용하여 막(18)에 결합될 수도 있다.

그 다음, 전해질이 개구(32)를 통해 전해질 저장소(20) 내로 유입된다. 그 다음, 개구는 (가스가 투과할 수 있는) 산-기밀 플러그(acid-tight plug)를 이용하여 막은 다음, 초음파 접착에 의해서 제 위치에 밀봉된다. 이는 전해질(30)이 센서 셀(10a)로부터 누출되지 않도록 한다.

센서 조립체(10b)는 센서 조립체(10a)와 유사하다. 전극(14, 16)은 막(18)의 하측면상에 형성된다. 필요하다면, 막 영역의 가스 투과성은 앞서 설명된 바와 같이 감소될 수 있다. 그 다음, 심지(21)는 전극(14, 16)에 소결된다. 용융된 전도성 폴리머(26)는 열 및 압력을 가하여 막을 통과하도록 재료에 압력을 가함으로써 막(18)의 상측면으로부터 막(18)의 요구되는 영역으로 삽입되고, 이에 따라 전도성 폴리머가 고체화되면, 고체화된 전도성 폴리머는 막(18)을 통해 돌출하여, 다공성 막에 걸쳐 전도성 폴리머의 완전성에 대한 변경없이 막(28a, 28b)을 통과하는 전기적 경로를 제공하는 기계적 외부 접점을 형성한다. 고체화된 전도성 폴리머에 의해 제 위치에 유지된 다른 외부 접점 수단이 제공될 수 있다.

그 다음, 막은 하측 하우징부(12b)상에 위치하게 되고, 프레싱 툴에 의해 열 및 압력이 가해져 하우징부 상에 막이 압착되고, 이에 따라 조립체가 함께 결합된다. 대안적으로, 하측 하우징부(12b)는 접착제에 의해 막(18)에 결합될 수도 있다. 그 다음, 전해질이 앞서 설명된 바와 같이 전해질 저장소(20) 내로 유입된다.

도 3을 참조하면, 전도성 접점 또는 비아(via; 28)는 액체 형태의 전도성 재료를 다공성 막 또는 기판(18)에 함침하는 과정을 통해 형성된다. 바람직한 방법에서, 기판(18)은 오픈 소공을 가진 중합성 재료이고, 전도성 입자가 적재된 함침된 재료는 기판 재료보다 낮은 용융점을 가진 폴리머이다. 압력하에서 액체 형태인 함침 재료(26)는 기판(18)의 소공으로 밀려들어가고, 이에 따라 소공 내에 기판의 한 측면으로부터 다른 측면으로 연장하는 전도성 매스(26)를 형성한다. 전도성 입자의 평균 크기는 기판 내의 소공보다 작거나 비슷하고, 또는 클 수도 있다. 이런 경우 함침 과정과 기판 재료는 열, 압력 또는 이 두 모두에 의해 기판 내의 소공에 대해 충분한 변형이 가능하도록, 그리고 전도성 입자가 기판 재료를 충분히 통과하여 전도성 경로를 형성하도록 선택된다.

전도성 재료는 툴(도시 안됨)에 의해 주형 제작된 표면 중 어느 한 면 또는 양 면상에 재료의 일부를 남기는 툴에 의해 유입되거나, 후속 과정에서 소정의 형상으로, 이를테면 셀 바깥쪽으로 통과하도록 의도된 추가 연결 수단 또는 추가 기판 상에 있는 이와 유사한 다른 전도성 조립체에 전기적 접점(28)으로 형성될 수 있다. 기판(16)은 전극 또는 기판과 연관된 커넥터 트랙, 바람직하게는 기판과 일체형으로 기판 상에 스크린-프린팅 또는 흡입 증착에 의해 형성된 트랙을 가질 수 있다.

바람직한 방법에 있어서, 기판 재료는 다공성 플루오르폴리머 막, 예를 들면 다공성 PTFE이고, 주입 재료는 탄소 입자가 적재된 폴리프로필렌이다. 적재된 폴리프로필렌의 용융점은 200℃보다 낮으며, PTFE(약 300℃의 연화점)의 용융점보다 상당히 낮고, 이는 폴리프로필렌이 PTFE의 소공을 통해 통상적으로 200 내지 240℃의 툴 온도에 의해 용이하게 밀려들어가는 것을 허용한다.

실례: 뮤포르(Mupor; 상표 등록됨) 형태와 같은 PTFE 시트(131; MUPOR Ltd., Alness, UK)에 있어, 상기 시트의 두께는 0.2mm이고 소공의 평균 직경은 2㎛이며, 대략 200nm의 평균 집적 치수의 40중량% 탄소 블랙 입자가 적재된 폴리프로필렌 함침 재료는 200 내지 240℃의 고압 기술과 10초당 대략 200N/cm²의 압력을 이용하여 막에 대한 양호한 전도성을 달성하였다. 이는 막의 소공 크기와 유사한 소공 크기를 가진 다공성이고 막의 대향측면에 장착된 Pt/PTFE 가스 확산 전극에 대한 막의 낮은 접촉저항을 형성하였다. 이런 전극과 접점은 일산화탄소를 탐지하기 위해 실시예에서 설명되고 도시된 바와 같은 가스 센서에 사용될 수 있었다.

도 3은 액체성 전해질용 저장소(104)를 갖춘 하우징(102)을 포함하는 가스 센서(100)를 도시하고 있다. 저장소(104)는 이에 연결된 구성요소를 위한 강성 또는 반강성 지지체를 제공하기 위해 자신의 상측 단부에 하우징에 장착되거나 부착된 지지부재(108)를 가지고 있다. 하우징(102)에는 주형 제작된 전도성 폴리머(112, 116, 120)와 양호한 전기적 접촉을 이루는 접촉핀(110, 114, 118)이 장착된다. 촉매층(124)과 함께 막(122)을 이루는 제 1 전극 조립체는 지지부재(108)를 오버레이한다. 촉매층은 전극과 함께 소결되어 강한 전극 조립체를 형성하는 것이 바람직하다. 촉매층은 기판이 하우징 내로 삽입되기 전에 예를 들어 스크린-프린팅, 흡입 증착 등과 같은 방법에 의해 기판 상에 형성된다. 촉매층(124)은 Pt 또는 RuO₂와 같은 촉매 재료로 형성되고 종래기술에 공지된 바와 같은 PTFE 바인더를 이용하여 기판(122)과 함께 결합되는 다공성 층일 수 있다. 대안적으로, 촉매층은 촉매 활성도를 증가시키도록 처리된 금속 필름과 같은 무공성 재료일 수 있다. 기판(122)은 다공성이며 전도성 폴리머(120) 및 하우징(102)의 재료보다 높은 용융점을 가진 재료일 수 있다.

전극 조립체는 예를 들면 열과 압력 또는 초음파 용접을 이용하여 도시된 바와 같이 맨 위쪽의 촉매층(124)과 함께 하우징 내에 밀봉될 수 있다. 하우징 재료는 부분적으로 용융되고 다공성 기판(122)내로 밀려들어가서, 영역(126)에서 강한 결합을 형성한다. 이와 동시에, 하우징의 높이 위로 초기 돌출된 전도성 폴리머는 용융되고 기판(122)을 통해 밀려들어가서, 전극(124)과 접촉하게 된다. 그 다음, 촉매가 다공성이고 전도성 폴리머가 이런 촉매층으로 바람직하게 밀려들어감으로써, 조립체의 물리적 견고성과 전기적 접촉이 개선된다.

심지 조립체(130)는 제 1 전극(124)을 오버레이한다. 심지 조립체는 압축성을 띠며 전해질 저장소의 아래쪽으로 이르는 연장체(132; 점선으로 도시됨)를 가진다. 제 2 다공성 기판(134)에 있는 하나 이상의 전극으로 이루어진 제 2 전극 조립체(도 3에서는 두 개(136, 138)가 도시됨)는 맞은편의 심지와 접촉한다. 제 2 전극 조립체(136)는 적어도 공기 및 전해질의 존재 하에서 신호 가스와 반응할 수 있는 다공성 촉매층으로 이루어진다.

제 2 전극 조립체는 열과 압력, 초음파 용접 또는 유사한 방식에 의해 가장 아래쪽에 있는 촉매층과 함께 하우징에 밀봉된다. 하우징 재료는 기판(134)으로 밀려들어가서 영역(140)에 결합을 형성하고 전도성 폴리머는 용융되어 실시예에 따른 공동 기판 상에 제공된 전극(136)과 임의의 다른 전극으로 함침되어, 이들과 전기적 접촉을 이룬다. 밀봉 및 접촉의 이런 제 2 과정은 미국 특허 제 5,914,019호에 설명된 내용과 실질적으로 동일하다. 마지막으로, 하우징 캡(144)이 열밀봉, 초음파 용접 또는 이와 유사한 방법에 의해서 하우징(102)상에 장착된다. 캡(144)은 외부로부터 다공성 기판(134)과 가스 분배 공간(148)을 거쳐 전극(136)으로의 가스 접근을 제공하며, 모세관 형태로 도시된 확산장벽(146)에 의해 접근이 제한된다. 저장소에는 하우징 내의 충전 플러그(도시 안됨)를 통해 부분적으로 전해질(통상적으로 황산)이 충전된다.

사용시, 외부로부터 접근한 가스에 의해 제 2 전극(136)은 감지전극으로서 작용하고, 제 1 전극(124)은 기준 전극 또는 두 개의 전극 셀에서 상대전극으로서 작용한다. 제 3 전극(138)이 제공되면, 이는 상대전극으로서 작용한다.

다른 변형이 있을 수 있는데, 예를 들면 제 1 기판(122)이 전극과의 접촉을 위하여 제 2 전도 폴리머 및 핀 접점과 함께 자체 상에 두 개의 전극을 가질 수 있으며, 이런 전극은 상대 전극 및 기준 전극으로서 기능하고, 제 2 기판(134)은 단 하나만 가질 수 있다.

접점 구조(114, 116 및 118, 120)가 셀의 테두리로부터 상이한 간격을 이루는 것처럼 도시되어 있지만, 이런 구조는 밀봉과정과 툴링에 적합하게 임의의 실용적인 구조, 예를 들면 이들이 테두리에 대해 일렬로 배치될 수 있다. 또한, 밀봉 표면(126, 140)이 셀 내에서 다른 높이에 놓인 것처럼 도시되어 있고, 밀봉과정이 두 단계로 나뉘어 수행되는 것으로 설명되어 있으나, 특별히 매우 얇은 구성요소가 사용된다면, 이런 표면들은 밀봉이 동시에 일어나도록 선택적으로 촉진될 상기 구성요소의 탄성과 가요성에 의해 동일한 높이에 놓일 수 있다.

접점이 전도성 폴리머 매스에 의해 전극에 결합된 접점 핀으로 구성된 것처럼 도시되어 있다. 그러나, 핀이 생략되고 전도성 폴리머 자체가 하우징의 부분으로서 공동 주형 제작된 전도성 폴리머에 의해 또는 주형작업 후에 각각의 구성요소가 하우징에 결합됨에 따라 셀의 바깥쪽으로 인도될 수 있다.

상기 실시예의 다른 변형이 지지부재(108)로서 도시된 지지 수단의 설계에 있다. 지지부재 대신에 저장소의 기저부와 막(122)의 하측면 사이에 압축된 탄성적인 구성요소가 포함될 수 있고, 선택적으로 구성요소를 지지하기 위한 추가의 시트 구성요소가 포함될 수 있다.

본 발명에서 사용된 적층 구조는 사용되는 일반적인 기판의 영역을 감소시켜 셀의 "밑넓이"를 감소시킨다. 둘째, 미국 특허 5,914,019호에 설명된 평판 설계는 신호 가스가 기준 전극에 전달되는 것을 방지하기 위해 사용되어야 한다. 이는 가스 분배 공간(148)의 테두리와 기준 전극 사이의 밀봉 형태의 한 종류를 의미한다. 이런 밀봉은 불신의 근원이며, 이는 이런 불신의 필요성을 배제하기 위해 가장 바람직하다. 감지전극으로부터 심지의 다른 측면에 놓인 기준 전극의 위치는, (i)가스가 심지를 통해 신속하게 확산할 수 없고, (ⅱ) 대부분의 모든 신호 가스가 감지전극으로 도달하지 않기 때문에, 신호 가스가 기준 전극으로 전달되는 것을 방지한다.

전술한 실시예에서 본 발명의 범위에 벗어남 없이 변형이 있을 수 있다. 예를 들면, 상세한 설명에 설명된 센서에서, 세 개 이상의 전극이 막 상에 형성될 수있다. 이런 추가 전극은 센서가 자체-테스트 능력을 가지도록 테스트 가스를 발생시킬 수 있다.

Claims (31)

1. 사용시 전해질을 수용하기 위한 저장소를 포함하는 하우징을 갖춘 가스 센서를 제조하는 방법으로서,

   가스 다공성 막에 전도성 재료를 함침하여, 상기 전도성 재료가 상기 막의 제 1 표면상의 전기적 접점과 상기 막의 제 2 표면상의 전극 사이에 전기적 경로를 형성하는 단계와, 상기 저장소를 밀봉하도록 상기 막을 배열하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전극(14, 16)에 심지 수단(wicking mean; 21)을 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 심지 수단(21)을 전극(14, 16)에 프레싱하거나 소결하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 심지 수단(21)을 300℃ 내지 370℃의 온도로 상기 전극(14, 16)에 소결하는 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 심지 수단(21)을 320℃ 내지 370℃의 온도로 상기 전극(14, 16)에 소결하는 방법.
6. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 심지 수단(21)을 통해 상기 전도성 재료(26)를 기판(18)으로 유입하는 방법.
7. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(14, 16)을 통해 상기 전도성 재료(26)를 상기 기판(18)으로 유입하는 방법.
8. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 외부 연결 수단(external connection mean; 28a, 28b)을 통해 상기 전도성 재료(26)를 상기 기판(18)으로 유입하는 방법.
9. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(18)을 통해 상기 전도성 재료(26)를 상기 기판(18)으로 유입하는 방법.
10. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 용융된 상태의 전도성 부재(26)를 상기 기판(18)으로 유입하는 방법.
11. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(14, 16) 및/또는 외부 연결 수단(28a, 28b)을 (a) 스크린 프린팅, (b) 상기 기판 상에 위치하는 부유물로부터 선택된 영역의 필터링, (c) 분사식 도포, 또는 (d) 소결에 의하여 상기 기판(18) 상에 형성하는 방법.
12. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(14, 16)을 상기 외부 연결 수단(28a, 28b)에 대해 상기 기판(18)의 대향면 상에 형성하는 방법.
13. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(14, 16)을 상기 외부 연결 수단(28a, 28b)과 같이 상기 기판(18)의 동일면 상에 형성하는 방법.
14. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(18)과 상기 하우징(12a, 12b)을 접착제를 이용하여 함께 결합하는 방법.
15. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(18)과 상기 하우징(12a, 12b)을 열 및/또는 압력을 이용하여 결합하여, 상기 하우징을 형성하는 재료가 상기 기판을 녹이고 함침함으로써, 상기 기판과 상기 하우징 사이에 강한 결합을 형성하는 방법.
16. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 전극으로 전달되는 가스량을 제한하기 위해 상기 기판(18) 중 한 곳 이상의 영역의 가스 투과성을 감소시키는 방법.
17. 제 16항에 있어서, 상기 기판(18) 중 한 곳 이상의 영역의 가스 투과성을(a) 상기 영역을 압축하는 단계, (b) 왁스로 상기 영역을 함침하는 단계, (c) 폴리머로 상기 영역을 함침하는 단계, 또는 (a) 내지 (c)의 조합 단계에 의해 감소시키는 방법.
18. 가스 센서로서,

    평판 기판 상에 형성된 적어도 제 1 및 제 2 전극;

    사용시, 상기 제 1 및 제 2 전극을 접촉하도록 하기 위한 액체성 전해질을 포함하는 저장소를 포함하는 하우징;

    상기 가스 센서로부터 외부 전기 연결을 위한 전기적 접점; 그리고

    상기 외부 전기 연결부와 전극 사이에 배열되는 전도성 재료를 포함하며,

    상기 전극의 적어도 일부와 여기에 실질적으로 인접하는 상기 기판의 일부가 상기 전도성 재료에 의해 함침되고, 상기 전도성 재료는 적어도 전극과 상기 외부 전기 연결부를 연결하는 상기 막을 통해 전기적 경로를 형성하는 가스 센서.
19. 제 18항에 있어서, 상기 전극(14, 16) 및/또는 외부 연결 수단(28a, 28b)은 촉매 재료를 포함하는 다공성 전기 전도 재료로 형성되는 가스 센서.
20. 제 18항 및 제 19항에 있어서, 상기 제 1 전극(14)은 상기 전해질(30)과 감지될 상기 가스 사이에서 소정의 전기화학 반응을 발생하도록 하기 위한 감지전극인 감지 센서.
21. 제 18항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전극(16)은 산소에 의한 전기화학 반응을 수행하는 상대전극인 감지 센서.
22. 제 18항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 전극(reference electrode)을 더 포함하는 감지 센서.
23. 제 18항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 발생 전극을 더 포함하는 감지 센서.
24. 제 18항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 매스(26)는 폴리머 전극을 포함하는 감지 센서.
25. 제 24항에 있어서, 상기 전도성 매스(26)는 상기 전극(14, 16)과 상기 외부 연결 수단(28a, 28b) 사이에 전기적 경로를 형성하기에 적절한 플러그, 핀, 또는 다른 형상의 구성요소인 감지 센서.
26. 제 18항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 연결 수단(28a, 28b)은 폴리머 전극을 포함하는 감지 센서.
27. 제 18항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 연결 수단(28a, 28b)은 상기 기판(18)에 부착되는 와이어 또는 금속 스트립인 감지 센서.
28. 제 18항 내지 제 27항 중 어느 한 항에 있어서, 심지 수단(21)을 더 포함하며, 상기 심지 수단은 사용시 상기 전해질(30)과 상기 전극(14, 16)이 접촉하여, 전해질에 의해 상기 전극이 젖도록 배열되는 감지 센서.
29. 제 18항 내지 제 28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 심지 수단(21)은 폴리머 전극(26)이 삽입될 수 있는 하나 이상의 개구를 가지는 감지 센서.
30. 첨부된 도면을 참조로 하여 상세한 설명에서 실질적으로 설명된 바와 같은 감지 센서.
31. 사용시 액체에 대해선 불투과성을 띠고 가스에 대해선 투과성을 띠며, 제 1 및 제 2 주요 표면을 갖춘 미공성 막을 가로지르는 전기적 경로를 형성하는 방법으로서,

    전도성 재료를 용융하기 위한 충분한 온도를 유지하는 단계, 표면간에 압력차를 설정함으로써 상기 용융된 전도성 재료를 상기 막의 제 1 표면의 소공을 통해 밀어넣는 단계, 상기 전도성 재료가 상기 제 2 표면으로 빠져나갈 때까지 열과 압력차를 제어하는 단계, 그리고 상기 재료가 냉각되어 상기 제 1 표면으로부터 제 2표면으로 연속적 전기 전도 경로를 형성함과 동시에 상기 막에 대한 액체 불투과성과 가스 투과성의 특성을 유지하는 단계를 포함하는 방법.