KR20020060713A

KR20020060713A - 가스센서로 산소를 펌핑하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20020060713A
Application number: KR1020027004816A
Authority: KR
Inventors: 듀스리차드더블유; 키쿠치파울씨; 차드윅웨인엠; 데트윌러에릭제이; 코하제프리티; 발데스카로스에이; 산포트스코트티; 쿠이셀리차드씨
Original assignee: 덴턴 마이클; 델피 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2002-07-18
Also published as: EP1234172A2; WO2001029546A3; JP2003516521A; WO2001029546A2

Abstract

가스 센서는 연소 가스 전극과 기준 전극 사이에서 배열되는 고체 전해질층을 갖는 전기화학적인 셀을 포함하도록 구성된다. 저항체는 히터 및 기준 전극과 전기적인 연결을 이루도록 배열된다. 저항체는 가스 센서의 일측에 배열될 수 있고, 또한 가스 센서의 일측에서 상기 저항체가 비아 홀을 통해 전기적으로 연결되며, 또한 가스 센서의 적어도 두개의 측면의 적어도 일부분을 덮도록 배열되며, 또는 적어도 히터로부터 펌프 전극까지 뻗는 공극 내에 배열되어, 상기 공극이 적어도 가스 센서의 표면까지 뻗게 되며, 상기 가스 센서를 통해 적어도 부분적으로 뻗고, 또는 가스 센서를 통해 완전히 뻗어있게 된다. 이러한 가스 센서를 사용하는 방법은 가스 센서 내에 전압을 인가하는 것에 의한다. 전류는 저항체를 통해 상기 기준 전극으로 향하여 기준 전극 내로 산소를 펌핑하도록 한다.

Description

가스 센서로 산소를 펌핑하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PUMPING OXYGEN INTO A GAS SENSOR}

자동차 산업에서 연소가스, 즉 산소의 복합물을 감지하기 위하여 자동차 내에 연소가스 센서가 수년동안 사용되어 왔다. 예를 들면, 센서는 연소가스 내용물이 연소를 위한 공기대 연료의 비율의 변경과 최적화를 결정하기 위하여 사용되고 있다.

센서의 한 형태는 다공성의 전극들 사이에서 이온 전도 고체 전해질을 사용한다. 산소에서, 고체 전해질 센서는 미지의 가스 샘플과 알려진 가스 셈플 사이의 산소 활동성 차이를 측정하기 위해사용된다. 자동차 연소를 위한 센서의 사용에서, 상기 미지의 가스는 연소가스이고, 알려진 가스(즉, 기준 가스)는 일반적으로 대기인데, 이는 공기중의 산소 내용물이 상대적으로 균일하고 쉽게 접할 수 있기 때문이다. 이러한 타입의 센서는 자동차 엔진의 연소에서 현존하는 산소의 상대적인 양을 감지하기 위한 전위차 모드에서 전기화학적 갈바닉(galvanic) 셀 작동에 기초하고 있다. 상기의 갈바닉 셀의 반대표면이 다른 산소 분압에 노출될 때, 기전력(electromotive force, 'emf')이 너른스트 방정식(Nernst equation)에 의해 전극 사이에서 발생하게 된다.

상기와 같은 너른스트 원칙에서, 화학 에너지가 기전력으로 변환하게 된다. 상기와 같은 원칙에 기초한 가스 센서는 통상적으로 이온 전도 고체 전해질, 연소 가스에 노출되는 다공성의 보호 오버코트(overcoat)를 갖는 다공성의 전극("연소 가스 전극"), 및 알려진 가스 부분압에 노출되는 다공성의 전극("기준 전극")을 포함하게 된다. 통상적으로 자동차에 사용되는 센서들은 자동차 엔진의 연소에서 현존하는, 예를들면 산소와 같은 특정가스의 상대적인 총량을 감지하기 위해, 다공성의 백금전극을 가진 전기화학적인 갈바닉 셀산화이트륨 안정 지르코니아(yttria stabilized zirconia)를 사용하고, 전위차 모드에서 작동하게 된다. 또한, 통상적인 센서는 센서의 이온 전도성을 유지하는 것을 돕기 위해 부착되는 세라믹 히터를 갖는다. 갈바닉 셀의 반대 표면이 다른 산소 분압에 노출될 때, 기전력은 지르코니아 벽의 반대표면에, 너른스트 방정식에 따라서 발생하게 된다. 즉,

여기서, E = 기전력

R = 유니버셜 가스 상수

F = 패러데이 상수

T = 가스의 절대 온도

= 기준 가스의 산소 분압

= 연소 가스의 산소 분압

연료의 과다 연소와 과소 연소 상태 사이에서 산소의 분압의 차이는 커지게 되므로, 기전력(emf)은 화학양론적 포인트(stoichiometric point)에서 급격하게 변화하고, 이와 같은 센서의 특징적인 스위칭 동작을 불러 일으키게 된다. 결과적으로, 이러한 전위차 산소 센서들은 엔진이 연료-과다(fuel-rich) 또는 연료-과소(fuel-lean) 상태로 작동되는지를, 연소 혼합물의 실제적인 공연비를 정하지 않은 상태로 질적으로 판단하게 된다.

예를 들면, 지르코니아와 같은 고체 산화 전해질을 사용하는, 산소 센서는 미지의 가스와 알려진 기준 가스 사이의 산소 활동 차이를 측정하게 된다. 통상적으로, 알려진 기준 가스는 대기이며, 반면에 미지의 가스는 결정될 레벨과 동등한 레벨의 산소를 함유한다. 통상적으로 센서는 주위 공기에 기준 전극을 연결하는 기준 가스 채널 내에 장착된다. 기즌 가스가 미지의 가스에 의해 오염되는 것을 방지하기 위하여, 센서는 기준 가스와 미지의 가스 사이에서 충분한 가스 실링을 제공하는 복잡한 형상의 비싼 센서 패키지를 요구하게 된다. 지금까지, 이러한 가스 밀봉 센서 패키지는 불충분한 내구성을 나타내어 왔다. 이러한 문제는 제자리의 전기화학적인 산소 펌핑을 사용하는 것에 의해 방지할 수 있게 된다. 이러한 방법에서, 상기 공기 기준 전극 챔버(chamber)는 연소가스로부터 전기화학적으로 펌프된 산소를 가진 밀봉된 기준 전극에 의해 대체될 수 있다. 이러한 방법은 연소 가스 오염의 문제를 제거하지만 그 자체의 문제점을 드러낸다. 즉, 값비싼 전기 회로가 상기 전기화학적인 산소 펌핑을 실행하기 위해 요구된다는 것이다.

본 기술분야에서 요구되는 것은 산소의 전기화학적인 펌핑을 사용하는 간단한 가스 센서이다.

본 발명은 미국 특허 60/160,734(1999년 10월 20 출원)의 출원의 이익을 주장한다.

본 발명은 연소 가스 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 산소 센서에 관한 것이다.

본 발명은 이하에서 도면을 참고로 예들 드는 방법으로 설명될 것이며, 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하게 된다.

도 1은 가스 센서 구조와 그와 관련된 전기구조의 펼쳐진 측면도이다.

도 2는 가스 센서 구조와 그와 관련된 전기구조의 펼쳐진 측면도이다.

도 3은 가스 센서 구조와 그와 관련된 전기구조의 펼쳐진 측면도이다.

도 4는 저항체와 센서 요소의 평면도이다.

도 5는 도 4의 센서 요소의 확대된 측면도이다.

도 6은 저항체와 센서 요소의 다른 평면도이다.

도 7은 저항체와 센서 요소의 또 다른 평면도이다.

도 8은 도 7의 센서 요소의 확대된 측면도이다.

도 9는 공극과 센서요소의 확대된 측면도이다.

도 10은 저항 잉크로 채워진 도 9의 공극을 도시한 것이다.

상술한 선행기술의 문제점은 가스 센서 및 그 제조방법에 의해 극복되거나 제거된다.

본 발명에 의한 가스 센서의 일 실시예에서, 상기 센서는 연소가스 전극과 기준 전극 사이에 배열된 고체 전해질층을 갖는 전기화학적 셀을 포함한다. 적어도 하나의 보호층이 상기 연소 가스 전극과 접촉하도록 배열되며, 적어도 하나의 비아 홀이 상기 보호층을 통해 배열되고, 적어도 하나의 기준 가스 통로가 상기 기준 전극과 연결되어 유체흐름을 이루도록 배열된다. 상기 전기화학적 셀과 연결되어 열을 전달하도록 배열되는 것은 히터이며, 저항체는 상기 히터와 제 1 펌프 전극과 전기적으로 연결되도록 배열된다.

본 발명에 의한 가스 센서를 사용하는 방법의 일 실시예에서, 상기 방법은 연소 가스 전극과 기준 가스 전극 사이에 고체 전해질층을 갖는 전기화학적 셀을 배열하는 단계를 포함한다. 상기 연소가스 전극과 접촉하는 적어도 하나의 보호층을 배열하고, 그리고 상기 보호층을 통해 적어도 하나의 비아 홀을 배열하며, 상기기준 전극과 연결되어 유체흐름을 이루도록 적어도 하나의 기준 가스 통로를 배열하게 된다. 히터는 상기 전기화학적 셀과 연결되어 열전달을 이루도록 위치하게 되며, 저항체는 상기 히터 및 펌프 전극과 전기적으로 연결되도록 배열되며, 상기 센서에 전압을 인가하게 된다.

본 발명의 상술한 그리고 이와 다른 특징들과 장점들이 이하의 상세한 설명과 도면에 의해 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에 의해 이해될 것이다.

정상적인 센서의 작동과 깨끗한 기준 공기가 작동중에 기준 전극으로 산소를 펌핑하는 것에 의해 유지된다. 센서 요소는 기준 전극으로부터 연소 가스 전극으로 산소를 펌핑하기 위한 동력 공급원을 필요로 한다. 산소를 펌핑하기 위해 사용되는 전류는 히터 공급원으로부터 전달된다. 상기 전류는 먼저, 전류를 상기 기준 전극에 닿기에 앞서 받아들일 수 있는 레벨로 감소시키는 전류 제한 저항체를 통하여 이동하게 된다. 상기 전류의 적용과 함께, 산소는 전해질이 산화 이온으로 이온적으로 전도될 수 있기 때문에, 상기 연소 가스 전극으로부터 기준 전극까지 고체 전해질층을 통과하여 펌핑된다.

도 1에 센서 요소(10)가 도시되어 있다. 연소 가스 전극(20)(또는 바깥 전극)과 기준 가스 전극(22)(또는 내부전극)은 전기화학적 셀(20/30/22)을 형성하는 고체 전극층(30)의 대응하는 측면들에, 또한 그와 인접하면서 배열된다. 고체 전해질(30)에 대응하여 연소 가스 전극(20)의 측면에서, 조밀부(44) 및 상기 연소가스 전극(20)과 연소 가스 사이에서 유체흐름을 가능하게 하도록 연결되는 다공부(42)를 갖는 다공성보호 단열층(40)이 놓여진다. 한편, 기준 전극(22) 및 부가적으로 주위 공기 및/또는 연소 가스와 유체흐름이 가능하도록 연결되는 기준 가스 통로(60)는 고체 전해질(30)에 대응하여 기준 전극(22)의 측면에 배열된다. 예정된 작동 온도에 센서 요소(10)를 유지하기 위한 히터(62)는 기준 전극(22)에 대응하여 기준 가스 통로(60)의 측면에 배열된다. 통상적으로 하나 또는 그 이상의단열층(50,52)이 상기 기준 가스 통로(60)에 대응하여 히터의 측면에 뿐만아니라, 상기 기준 가스 통로(60) 및 히터(62) 사이에 배열된다. 마지막으로, 접촉 패드(70,72,74,75,76)가 센서의 외부 표면에 배열된다.

이에 더하여, 전기적인 연결을 제공하도록, 다수개의 리드가 사용된다. 리드(11)는 연소 가스 전극(20)과 전기적으로 연결되어 있다. 리드(12)는 기준 전극(22), 히터(62) 및 동력 공급원(66)과 전기적으로 연결되어 있다. 리드(11,12)들은 또한 볼트계(68)와 전기적으로 연결되어 있으며, 반면에 다른 리드(13,14)들이 히터(62) 및 동력 공급원(66)과 전기적으로 연결되어 있다. 전기적으로 연결되는 리드(12,13)들 사이에는 전류 제한 저항체(64)가 배열된다.

도 2에 센서 요소(100)이 도시되어 있다. 센서 요소(100)는 이하의 변화와 함께, 앞서본 센서 요소(10)과 유사하게 도시되어 있다. 전해질층(34)은 전해질부분(30') 및 단열부(32)로 구성된다. 펌프 전극(24,26)은 전해질층(38)의 대응하는 측면에 배열되고, 산소 펌프 셀을 형성하는 전해질부분(37)과 단열부분(39)을 갖는다. 펌프 전극(24)은 바람직하게는 기준 가스 통로(60)에 인접해서 배열되거나 또는 적어도 그에 연결되어 유체흐름을 이루도록 배열된다. 단열층(52)은 기준 가스 통로(24)와 기준 전극(22) 사이에서 연결되어 유체흐름을 제공하도록 통로(호,구멍 등, 54)를 갖는다. 히터(62)는 기준 전극(22)과 열적인 연결을 이루며 단열층(52) 상에 제공된다. 한편, 다른 보호 단열층(46)은, 다공성의 부분(47) 및 조밀부(49)를 갖고, 펌프 전극(26)에 인접하게 제공된다.

상기 실시예에서와 같이, 전기적 연결은 다양한 전극들에 둘러싸여, 또한 다수개의 리드를 통한 히터에 의해 성립된다. 리드(11)는 연소 가스 전극(20)과 함께 전기적으로 연결되며, 다른 리드(12)는 기준 전극(22)과 전기적으로 연결되고, 또 다른 리드(13, 14)는 히터(62)와 전기적으로 연결되며, 리드(15)는 펌프 전극(24)과 전기적으로 연결되고, 리드(16)는 펌프 전극(26)과 전기적으로 연결된다. 전류 제한 저항체(64)는 리드(15)와 히터 양의 리드(13) 사이에 위치하게 된다. 각각의 전극 및 히터에 연결되는 것에 부가하여, 리드(11,12)는 볼트계(68)와 전기적으로 연결되고, 다른 리드(13,14)(즉, 양 및 음의 리드 각각)는 동력 공급원(66)과 연결되며, 리드(14)는 리드(16)과 전기적인 연결을 이룬다.

도 3에는 다른 실시예가 도시되어 있다. 센서 요소(200)은 아래의 변화와 함께, 상술한 센서 요소(10,100)들과 유사하게 도시되어 있다. 펌프 전극(26)은 연소 가스 전극(20) 및 전해질층(34')에 인접하게 배열되어 있다. 상기 전해질층(34')은 세개의 단열부분(32',35,36) 사이에 배열되는 두개의 전해질 부분(30'', 33)으로 구성된다. 기준 전극(22)과 펌프 전극(24) 모두는 전해질층(34') 및 단열층(52) 사이에서 상기 기준 가스 통로(60)과 연결되어 유체흐름을 이루도록 배열된다. 히터(62)는 전기화학적 셀(20/34'/22)과 열적으로 연결되며 단열층(52) 상에 제공된다. 상술한 바와 같이, 리드(11,12)들은 전극(20,22) 각각과, 또한 볼트계(68)와 전기적으로 연결되며, 리드(15,16)은 전극(24,26) 각각과 전기적으로 연결된다. 리드(13,14)는 히터(62) 및 동력 공급원(66)과 전기적으로 연결된다. 리드(13,14)는 리드(15,16)와 각각 추가적으로 전기적으로 연결되며, 리드(15)와 양의 리드(13) 사이의 전기적인 연결은 저항체(64)를 통하게 된다.

가스 센서 요소, 즉 보호층(40,46), 전극(20,22,24,26)(또한 그에대한 리드들), 히터(62) 및 단열층(50,52)는 가스 센서 내의 통상적인 요소가 된다. 추가적으로, 이러한 통상적인 요소에 더하여, 부가적인 통상적인 요소가 사용될 수 있는데, 부가적인 보호 코팅(즉, 스피넬, 알루미나, 마그네슘 알루미네이트 등과 더불어 상술한 코딩의 적어도 하나와의 복합), 리드 게터링(gettering)층(들), 그라운드 플레인(들), 지지층(들), 부가적인 전기화학적 셀(들), 등을 포함하고, 또한 이에 제한되지는 않는다. 히터 및 전극에 전류를 공급하는 상기 리드들은 통상적으로 히터/전극과 같이 같은 층으로 형성돠어, 리드들이 전기적으로 연결되며, 히터/전극으로부터 가스 센서의 단자 끝단까지 뻗게 되고, 리드들이 그에 일치하는 비아(도시하지 않음) 및 적절한 접촉 패드(70,72,74,75,76,79)와 전기적으로 연결된다.

단열층(50,52) 및 임의의 지지층은 통상적으로, 구조적인 일체성(즉, 가스 센서의 다양한 부분을 부식, 진동 등으로부터 효과적으로 방어하고, 또한 센서에 물리적인 강도를 제공하는)을 제공하고, 또한 다양한 구성요소들을 물리적으로 분리시키며 전기적으로 절연시킨다. 세라믹 테입 코팅 방법 또는 플라즈마 스프레이 증착 기법, 스크린 프린팅, 스텐실링(stenciling) 및 당기술분야에서 통상적으로 사용되는 다른 기법들과 같은 다른 방법을 사용하여 형성될 수 있는, 단열층(들)은 각각 약 200 미크론(micron)의 두께까지 될 수 있으며, 바람직하게는 약 50 미크론에서 약 200 미크론까지의 두께가 가능하다. 통상적으로 이러한 단열층은 알루미나 등과 같은 유전체재료로 구성된다. 가스센서의 제작에 사용되는 재료들은 바람직하게는 실질적으로 유사한 계수의 열팽창, 수축 특성, 및 화학적 적합성을 이루어서갈라지거나 다른 공정상의 문제를 최소화(만약 제거되지 않으면)하기 때문에, 단열층을 위하여 선택되는 특정한 재료, 합금, 또는 그 합성물은 사용되는 특정한 전해질에 의존하게 된다.

요구되는 작동 온도에서 센서 요소를 유지하도록 사용되는 히터(62)는 통상적으로 두개의 단열 보호층(즉, 50,52) 사이에 배열되는, 기준 전극에 대응하는 기준 가스 통로(60)의 일측에 놓인다. 히터(62)는 센서의 끝단을 충분한 온도에서 유지할 수 있도록 하여, 구 안에서 다양한 전기화학적 반응을 촉진하는 임의의 통상적인 히터가 될 수 있다. 백금, 알루미나, 팔라디움 등과 또한 상기 재료의 적어도 하나 이상의 혼합 및 합금으로된, 히터(62) 또는 통상적인 히터는 일반적으로 약 5 미크론에서 약 50 미크론의 두께가 되도록 기판에 스크린 프린트된다.

히터는 전기화학적인 셀(전극(20,22) 및 전해질(30))을 요구되는 작동온도에서 유지할 수 있도록 한다. 전해질층(30,30',30'',33,37)은 바람직하게는 그 전체층 또는 일부(도 1내지3 참조)를 포함할 수 있는 고체 전해질이 될 수 있으며, 연소 가스의 물리적인 통과를 금지시키는 반면에, 산소 이온의 전기화학적인 전달을 허용할 수 있는 임의의 재료가 될 수 있으며, 대략적으로 균일한 이온/전체 전도율을 갖고, 가스 센서가 사용될 수 있는(즉, 약 1,000℃까지의) 환경 내에서 양립할 수 있다. 가능한 고체 전해재료는 칼슘, 바륨, 이트륨, 마그네슘, 알루미늄,란탄, 세슘, 가돌리늄 등과 그의 적어도 하나이상의 조합물과 함께 부가적으로 안정화될 수 있는 지르코니아를 센서 전해질로 통상적으로 사용한다. 예를 들어, 상기 전해질은 알루미늄과 이트륨 안정화 지르코니아가 될 수 있다. 통상적으로, 많은 통상적인 공정들(예들 들어, 다이 프레싱, 롤 압축, 스텐실링 및 스크린 프린팅, 테잎 캐스팅 기법 등)을 통해 형성될 수 있는, 상기 고체 전해질은 약 500 미크론까지의 두께를 갖고, 바람직하게는 약 25 미크론에서 500미그론의 두께가 되며, 더욱 바람직하게는 약 50 미크론에서 약 200 미크론까지의 두께가 된다.

실시예에서, 다공성 전해질이 또한 사용될 수 있음을 주의해야한다. 다공성의 전해질은 연소가스의 물리적인 이동을 허용할 수 있고 또한 산소 이온의 전기화학적인 움직임을 허용할 수 있으며, 가스 센서가 사용되는 환경과 양립할 수 있다. 통상적으로, 다공성의 전해질은 중간치의 구멍 크기로 약 0.5 미크론까지의 크기와 약 20%까지의 공극률을 갖거나, 또는, 이와 상대적으로, 하나 또는 그 이상의 구멍, 홈 등을 가져서 연소가스의 물리적인 통과를 허용하도록 할 수 있다. 일반적으로 여기에서 그 전체가 참고자료로 쓰이는 미국 특허 5,762,737(브로잉크 등)은 즉시 적용하는데 유용한 다공성의 전해질을 추가적으로 기술하고 있다. 가능한 다공성 전해질로는 고체 전해질로 상기와 같이 열거된 것들이 포함된다.

보호층(40,46)과 더불어 전해질층(30,30',30'',33,37)은 그의 전체층 또는 일부를 포함하고, 예를 들면 그들은 층을 형성할 수 있고, 상기 층에 부착될 수 있고(유전재료와 인접한 보호 재료/전극), 또는 상기 층내에 개구부를 배열할 수 있다(보호 재료/전극은 유전 재료층 내의 개구부에 삽입될 수 있다). 후자의 배열은 과도한 전해질과 보호재료의 사용을 없애며, 층들을 제거함에 의해 가스 센서의 크기를 감소시킨다. 전해질 및 보호 재료를 위하여 임의의 형상이 사용될 수 있으며, 다양한 삽입부의 상기 크기 및 형상과 그에 상응하는 개구부는 인접한 전극의 요구되는 크기 및 형상에 좌우된다. 통로, 삽입구, 및 전극은 실질적으로 유사한 형상을 갖는것이 바람직하다.

다양한 전극(20,22,24,26)들은 임의의 다공성의 전해질과 더불어 전해질 층(30,30',30'',33,37)(도 1 내지 3 참조)과의 이온 접촉부의 대응측면에 배열된다. 이러한 전극들은 백금, 팔라듐, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 금, 및 류테늄과 같은 금속과, 지르코니아, 이트륨, 세리아, 칼시아(calcia), 알루미나 등과 같은 금속산화물과, 실리콘 등과 같은 다른 재료들 및 상기 촉매들의 적어도 하나 이상으로 구성되는 혼합물과 합금을 포함하는, 그러나 이에 제한되지는 않는, 임의의 촉매로 산소를 이온화시킬 수 있다. 상기 전해질과 더불어, 전극(20,22)은 통상적인 기법을 사용하여 형성될 수 있다. 몇몇 가능한 기법은 스퍼터링, 화학적 진공 증착, 스크린 프린팅, 스텐실링을 포함한다. 동시 점화 공정이 센서의 형성을 위하여 사용된다면, 전극을 적절한 테입에 스크린 프린팅하는 것은 간단함, 경제적임, 및 동시 점화 공정과의 양립가능성 때문에 바람직하게 된다. 예를 들면, 기준 전극(22)은 단열층(50) 또는 고체 전해질(30)에 스크린 프린트되고, 반면에 연소 전극(20)은 고체 전해질(30) 또는 보호층(40)에 스크린 프린트 될 수 있다. 단열 및/또는 전해질층(도시하지 않음) 내의 전극 리드(14) 및 비아들(도시되지 않음)은 통상적으로 전극들과 동시에 형성된다.

퍼지티브(fugitive) 재료, 예를 들어 카본 블랙과 같은 카본을 기본으로 한 재료를 증착하는 것에 의해 형성되는 기준 가스 통로(60)은 상기 기준 전극(22)과 연결되어 유체흐름을 이루도록 배열되고, 공정중에서 상기 재료가 타버리고 공극을남기게 된다. 이러한 퍼지티브 재료는 단독으로 또는 산소 저장 재료와 함께 사용될 수 있다. 가능한 산소 저장 재료는 고가의 금속, 알카라인 재료 등과 상기의 산소 저장 재료의 적어도 하나이상을 포함하는 복합물 및 합금을 포함한다.

상술한 요소를 구성하는 센서는 바람직하게는 다양한 요소의 동시 점화 공정과 함께, 임의의 통상적인 형태로 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 저항성 잉크의 전 소결법(post-sintering)은 저항체를 상기 센서 요소를 향해, 또는 센서요소 위에 일체화시키는데 사용될 수 있다. 센서 요소를 향해 또는 센서 요소 위의 저항성 잉크를 증착하는데 사용될 수 있는 상기 공정들은 스크린 프린팅, 패드 프린팅, 스텐실 프린팅, 스퍼터링, 블레이터 필링(filling) 등을 포함한다. 잉크 적용전에, 센서요소는 통상적으로 용제, 유기물, 바인더, 및 가소제(plasticizer)를 제거하고, 또한 바람직하게는 잉크에 사용되는 납 베이스 유리(lead-based glass)를 녹이기 위해 충분한 온도에서 점화된다. 통상적으로, 온도가 약 850℃까지이고, 약 10분에서 약 1시간 까지의 시간이 충분하다. 특정한 점화 온도 및 지속시간은 사용되는 저항성 잉크에 따르게 된다. 상기 저항성 잉크는 통상적으로 바람직한 저항성을 갖는 금속 산화물의 용액 또는 슬러리(slurry)를 포함하게 된다. 가능한 금속 산화물은 루테늄 산화물, 틴 산화물, 징크 산화물, 및 인듐 산화물과 상기 금속 산화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 복합물 및 합금을 포함한다. 란타늄 붕화물(lanthanum boride)와 같은 금속 베이스 질화물 잉크 도는 붕화물(boride) 잉크들이 또한 사용될 수 있다. 그러나, 요구 저항을 만족하는 저항성 잉크 재료가 또한 사용될 수 있다.

도 1 내지 3에서 제공되는 배열에서, 저항체와 전기화학적 셀 사이에서 전압의 분할이 발생된다. 전압의 작은 양은 기준 전극에 인가되고 이 결과로 전해질층을 통해 기준 전극으로 산소의 전기화학적인 펌핑을 하게 된다. 산소가 기준 전극을 향해 흐르는 것을 보장하기 위하여, 기준 전극이 양극으로 극화되어야 한다. 전해질층은 산소 이온에 이온적으로 전도성이 있으며, 그러므로 연소가스 전극으로부터 기준 전극으로 산소를 펌핑하여 깨끗한 공기 기준을 유지하게 한다. 작은 편향 전압은 이온화 산소로부터 생성되는 전류로부터 전기화학적인 셀을 가로질러 기준 전극으로 흐르게 된다. 발생되는 전류의 총합은 약 1 마이크로암페어(㎂)에서 약 100 마이크로 암페어(㎂)가 된다. 센서 요소 내의, 또는 센서 외부에의 통상적인 접지가 상기 센서 회로 및 히터 회로 사이에서 제공되어야 한다.

저항체는 전기적 연결이 양의 히터 리드와 기준 전극 사이에서 얻어질 수 있도록 위치되어야 한다. 도 4 및 5는 전류 제한 저항체의 센서 요소의 모서리 또는 측면을 따른 배열 또는 위치를 도시한 것이다. 도 4는 전류 제한 저항체(64)가 접촉 패드(72)에 근접하여 센서 요소(10)의 외부 측면을 따라 인쇄된 것을 도시한 평면도이다. 센서 요소(10)의 표면 위의 접촉 패드(70)가 또한 도시된다. 도 5는 접촉 패드(72,74) 근처의 센서 요소(10)의 외부측면을 따라서 인쇄된 전류 제한 저항체(64)의 측면도를 도시한다.

도 6은 접촉 패드(72,76)에 인접하게 인쇄된, 센서 요소(10)의 외측 표면(또는 측면)을 따른, 전류 제한 저항체(64)를 배열하거나 위치시키는 것을 도시한다. 이러한 실시예에서, 히터와의 전기전인 연결은 센서 요소(10)를 통하여 접촉패드(76) 하부에 위치하는 비아 홀에 의해 "터널링(tunneling)"되는 것에 의해 얻어진다.

도 7 및 8은 전류 제한 저항체(64)를 센서 요소(10)의 외부 표면(또는 측면)을 따라서 배열하거나 위치시킨 것을 도시한다. 도 7은 접촉 패드(72,76)에 인접하게 인쇄되는 전류 제한 저항체(64)를 도시한다. 센서 요소(10)의 표면 위의 접촉 패드(70)가 또한 도시된다. 도 8은 접촉 패드(72,76)에 인접하여 인쇄되는 전류 제한 저항체(64)를 도시한다. 이러한 실시예에서, 히터로의 전기적 연결은 접촉 패드(76)로부터 다른 접촉패드(74)로 접촉패드(79) 주위로 배열되거나 또는 둘려싸는 것에 의해 얻어지며, 따라서 저항체(64)가 센서 요소(10)의 두 측면과 접촉하게 된다.

도 9는 전류 제한 저항체의 최종 위치를 위한 센서 요소(10)의 내부를 향해 개구부, 구멍, 공동, 또는 공극(90)을 형성, 또는 구멍뚫은 것 등을 도시한다. 형성되는 공극(90)은 센서 요소를 통해 완전히 또는 부분적으로 뻗어있을 수 있다. 공극(90)은 소결에 앞서 센서 요소(10)를 통해 생성된다. 접촉 패드(72,74)가 또한 도시되어 있다. 공극(90)은 임계 기능(즉, 공기 기준챔버의 무결성, 전극 동작)들이 강한 영향을 주지 않도록 위치한다.

도 10은 도 9에서 형성된 센서 요소(10)의 내부에 저항성 잉크(82)를 배열한 것을 도시한다. 상기 저항성 잉크(82)는 완전히 또는 부분적으로 공극(90)을 채우게 된다. 플라티넘과 같은 전도성 재료(78)는 접촉패드와의 전기적인 연결을 제공하도록 저항성 잉크에 의해 사용되지 않은 나머지 공간을 채우도록 사용된다. 상기센서 요소는 그리고나서 전류 제한 저항체를 형성하도록 다시 점화된다.

가스 센서의 설계에서, 전기는 연소 가스 전극에서 기준 전극으로 산소를 전기화학적으로 펌프하는데 사용된다. 상기 기준 전극으로 산소를 펌핑하는것에 의하여, 깨끗한 공기 기준이 유지된다. 히터는 전류 제한 저항체를 통하여 필요한 동력을 공급하고, 부가적인 동력 공급원과 전기회로의 필요성을 제거하게 된다.

상기에서 바람직한 실시예가 서술되었으나, 본 발명의 정신이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 수많은 다양한 변화와 개조가 가능할 것이며, 다른 통상적인 센서에서 개시되는 형상들의 사용도 가능할 것이다. 따라서, 상기 장치 및 방법은 예시하는 형식으로 기술되었으며, 이러한 예시 및 실시예들은 이하의 청구범위를 제한하도록 해석되지는 않는다.

Claims

연소가스 전극과 기준 전극 사이에 배열된 고체 전해질층을 갖는 전기화학적 셀;

상기 연소 가스 전극과 접촉하도록 배열된 적어도 하나의 보호층;

상기 보호층을 통해 배열되는 적어도 하나의 비아 홀;

상기 기준 전극과 연결되어 유체흐름을 이루도록 배열되는 적어도 하나의 기준 가스 통로;

상기 전기화학적 셀과 연결되어 열을 전달하도록 배열되는 히터; 및

상기 히터와 제 1 펌프 전극과 전기적으로 연결되도록 배열되는 저항체를 포함하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 저항체는 상기 가스 센서의 일측면에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 저항체는 상기 가스 센서의 일측면에 배열되고, 상기 저항체는 상기 비아 홀을 통해 상기 히터와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 저항체의 적어도 하나의 부분은 상기 가스 센서의 적어도 두개의 측면 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 적어도 상기 히터로부터 상기 제 1 펌프 전극까지 뻗어있는 공극을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 5항에 있어서, 상기 공극은 적어도 상기 가스 센서의 표면까지 뻗어있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 5항에 있어서, 상기 공극은 상기 가스 센서의 제 1 표면으로부터 상기 가스 센서의 제 2 표면까지 뻗어있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 고체 전해질층은 지르코니아(zirconia)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 가스 센서는 제 2 펌프 전극을 추가적으로 포함하고, 상기 제 1 펌프 전극과 상기 제 2 펌프 전극은 상기 고체 전해질의 대응하는 측면들에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 가스 센서는 제 2 펌프 전극과 제 2 전해질을 포함하고, 상기 제 1 펌프 전극과 제 2 펌프 전극은 상기 제 2 전해질의 대응하는 측면들에 배열되어 펌프 셀을 형성하고, 상기 펌프 셀은 상기 기준 전극에 대응하여 상기 기준 가스 챔버의 일측에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 펌프 전극은 상기 기준 전극인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 11항에 있어서, 상기 저항체는 상기 가스 센서의 일측에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 11항에 있어서, 상기 저항체는 상기 가스 센서의 일측에 배열되고, 상기 저항체는 비아 홀을 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 11항에 있어서, 상기 저항체의 적어도 하나의 부분은 상기 가스 센서의 적어도 두개의 측면 위에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 11항에 있어서, 적어도 상기 히터로부터 상기 기준 전극까지 뻗어있는 공극을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 15항에 있어서, 상기 공극은 상기 가스센서의 적어도 하나의 표면까지 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
제 15항에 있어서, 상기 공극은 상기 가스 센서의 제 1 표면으로부터 상기 가스 센서의 제 2 표면까지 뻗어있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
연소 가스 전극과 기준 가스 전극 사이에 고체 전해질층을 갖는 전기화학적 셀을 배열하는 단계;

상기 연소가스 전극과 접촉하는 적어도 하나의 보호층을 배열하는 단계;

상기 보호층을 통해 적어도 하나의 비아 홀을 배열하는 단계;

상기 기준 전극과 연결되어 유체흐름을 이루도록 적어도 하나의 기준 가스 통로를 배열하는 단계;

상기 전기화학적 셀과 연결되어 열전달을 이루도록 하는 히터를 배열하는 단계;

상기 히터 및 펌프 전극과 전기적으로 연결되는 저항체를 배열하는 단계; 및

전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 18항에 있어서, 상기 가스 센서의 일측에 상기 저항체를 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 18항에 있어서, 상기 가스 센서의 일측에 상기 저항체를 배열하는 단계를추가적으로 포함하고, 상기 저항체는 상기 비아 홀을 통해 상기 히터와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 18항에 있어서, 상기 저항체의 적어도 하나의 부분을 상기 가스 센서의 적어도 두개의 측면 위에 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 18항에 있어서, 적어도 상기 히터로부터 상기 펌프 전극까지 뻗어있는 공극을 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 22항에 있어서, 상기 가스 센서의 적어도 하나의 표면에 상기 공극을 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 23항에 있어서, 상기 센서의 제 1 표면으로부터 상기 센서의 제 2 표면까지 공극을 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 18항에 있어서, 상기 펌프 전극은 상기 기준 전극인 것을 특징으로 하는가스 센서를 사용하는 방법.
제 25항에 있어서, 상기 저항체를 상기 가스 센서의 일측면 위에 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 25항에 있어서, 상기 저항체를 상기 가스센서의 일측면 위에 배열하는 단계를 추가적으로 포함하고, 상기 저항체는 상기 히터와 상기 비아 홀을 통하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 25항에 있어서, 상기 저항체의 적어도 하나의 부분을 상기 가스 센서의 적어도 두개의 측면 위에 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 25항에 있어서, 적어도 상기 히터로부터 상기 펌프 전극까지 뻗어있는 공극을 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 29항에 있어서, 상기 공극을 상기 가스 센서의 적어도 하나의 표면에 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.
제 30항에 있어서, 상기 공극을 상기 센서의 제 1 표면으로부터 상기 센서의 제 2 표면까지 배열하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 사용하는 방법.