KR20080040670A

KR20080040670A - 다층 세라믹 ＮＯｘ 가스 센서 장치

Info

Publication number: KR20080040670A
Application number: KR1020087000844A
Authority: KR
Inventors: 발락리쉬난 나이르; 제세 나쉬라스
Original assignee: 세라마테크, 인코오포레이티드
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US8414752B2; CA2611568A1; EP1902309A2; JP2009501906A; EP1902309A4; US20100096264A1; WO2007011713A3; WO2007011713A2; US20070012566A1; WO2007011713A9; US7611612B2

Abstract

가스 스트림 내의 총 NO_X 농도를 측정하기 위한 혼합 포텐셜 NO_X 센서 장치가 개시된다. NO_X 센싱 장치(10)는 전극(34)으로 산소 및 NO_X 가스 양자 모두를 센싱하기 위해 다층 세라믹 구조(30, 40, 50, 60, 70, 80)을 포함하고, 최적 성능을 위해 적절한 온도까지 세라믹 센싱 요소(32, 82)를 가열하는 역할을 하는 스크린 인쇄 금속화 패턴을 포함한다. 이 설계는 잠재적으로 더 빠른 라이트 오프 횟수를 제공하도록 센싱 요소를 소형화함으로써 불필요한 배기 가스 방출을 감소시키므로 현재의 기술에 장점을 제공할 수도 있다. 열원(52, 54)을 세라믹 센싱 구조 내에 병합함으로써, 작동 온도에 도달하는 시간이 단축되고, 열 변화율 및 응력이 최소화된다. 이 개선사항은 증가된 센서 성능, 안정성 및 수명을 제공할 수도 있다.

ＮＯｘ 센싱 장치, 전극, 다층 세라믹 구조, 히터 요소, 온도 구역

Description

다층 세라믹 ＮＯｘ 가스 센서 장치{MULTILAYER CERAMIC ＮＯｘ GAS SENSOR DEVICE}

본 발명은 일반적으로 탄화수소의 연소로 생성되는 배출 스트림 내의 NO_X 가스의 측정에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 가솔린 및/또는 디젤 연료의 연소에 의해 생성되는 배기 가스 스트림 내의 NO_X 가스의 측정에 관한 것이다.

탄화수소 연료의 연소에 의해 생성되는 배기 가스의 조성은 산화 가스의 복합 혼합물(NO_X, SO_X, CO₂, CO, H₂O)과 연소되지 않은 탄화수소 가스 및 산소이다. 배기 가스의 이들 개별 구성물의 농도의 실시간 측정은 개선된 연소 효율을 생성하고 오염 가스 방출을 낮출 수 있다. 몇몇의 경우, 하나의 가스 농도가 제2 가스의 농도에 영향을 미치거나 제어할 수도 있다. 이런 경우, 제2 가스의 농도 또는 제3 가스의 농도까지도 정확하게 측정하기 위해 제1 가스의 농도를 파악하는 것이 요구될 수도 있다. 다양한 장치가 배출 스트림 내의 두 개 이상의 가스의 가스 농도를 측정할 수 있는 배기 가스 센서로서 작동하도록 제안되어 왔다.

본 기술분야에 공지된 하나의 NO_X 센서는 두 개 이상의 챔버를 포함하도록 설계된 편평판 다층 세라믹 패키지로 구성된다. 제1 챔버는 센서로 진입하는 가스 의 유동으로부터 산소를 제거하기 위한 산소 펌프를 형성하도록 산소 이온 전도성 전해질 멤브레인에 부착되는 전극을 갖는다. 제1 챔버는 NO₂를 NO 및 1/2 0₂로 분해하는 것을 또한 촉진시킨다. 제1 챔버의 산소 펌프는 이 공정에 의해 형성된 산소를 또한 제거한다. 따라서, 이론적으로 제2 챔버로 진입하는 산소 함유 가스는 NO뿐이다. 제2 챔버는 제2 산소 펌프를 사용하여 NO로부터 산소를 제거하는 NO 분해 요소를 포함한다. 제2 챔버의 NO 분해로부터 산소 수송에 의해 생성된 전류는 NO의 농도와 상호관련된다.

다수의 문제점이 공지된 NO_X 센서의 상업적 적용에 영향을 미친다. 예를 들어, 검출된 NO_X 농도가 낮을 때, 잔여 산소는 상당한 간섭을 발생시킬 수 있다. 상기에 추가하여, 센서에 의해 생성된 신호 전류가 매우 작아서, 자동차에 통상적으로 발견되는 전자 소음에 간섭받기 쉽게 된다. 또한, 이러한 센서에 의해 모니터링된 배기 가스의 유동은 엔진 실린더 점화에 의해 적어도 부분적으로 발생되는 유속의 파동을 통상적으로 갖는다. 이것은 모든 유리 산소를 효율적으로 제거하는 산소 펌프의 기능을 악화시키고, 측정 오차를 야기할 수도 있다. 이 장치는 가스의 측정 챔버로의 통로를 제한하는데 사용되는 작은 확산 구멍을 또한 내장할 수도 있다. 이 구조는 사용시 막히기 쉽다는 것이 증명되었다.

다른 공지된 NO_X 센서는 유사한 편평판 다층 세라믹 패키지 설계를 이용한다. 이 센서에 대한 작동 원리에 있어 다소의 상당한 차이점이 있는데, 즉 센서는 전류 측정형이기 보다 혼합 포텐셜형이고, 제1 챔버는 NO를 NO₂로 전환하거나 그 반대의 경우에 사용된다. 혼합 포텐셜 NO_X 센서에서는, 가스 종류(NO, NO₂)로부터 생성된 전압 신호가 대향 신호임이 잘 입증되어 있다. 결과적으로, 양자 모두의 가스가 존재할 때 상쇄가 발생할 수도 있기 때문에 의미있는 전압 신호를 구별하기 어렵다.

소정의 센서 설계는 센서에 붙박이로 만들어진 두 개의 분리 챔버를 갖는 편평판 다층 패키지 설계를 이용함으로써 이러한 문제를 해결하려고 시도해왔다. 모든 가스를 NO₂로 전환하도록 시도하기 위해 산소를 제1 챔버로 펌핑하는 전기화학 산소 펌프를 사용함으로써 모든 NO_X 가스 종류를 단일 종류로 전환하도록 또한 시도되어왔다. 역으로, 챔버로부터 산소를 제거하여 모든 NO₂를 NO로 감소시키는 다른 노력이 시도된다. 이 "제어된" 가스는 혼합 포텐셜형 센서로부터 생성된 전압 신호에 의해 NO_X 농도가 측정되는 제2 챔버로 그 후 통과한다.

이 구성의 상업화를 방해하는, 이 접근 방법에 대한 다수의 제한 사항이 있다. 하나의 심각한 문제점은 가스 농도 상태가 변하는 조건 하에서 모든 NO_X 가스를 단일 종류로 완전히 전환하는 전환 시스템의 재생력이다. 또한, 산소 펌프 전환 셀은 시간이 지남에 따라 저하되기 쉬워, 재생력 문제에 더 기여한다. 이들 문제점에 대한 영향이 낮은 농도 범위에서 커지기 때문에, 이런 측정 접근법은 낮은 농도의 NO_X 가스를 검출하는데 적당하지 않다.

상술된 양자 모두의 센서 기구에 통상적인 추가의 단점은 편평판 세라믹 다층 시스템의 기본적인 설계를 방해한다는 점이다. 응답 시간은 먼저 확산 포트를 통해 진입하고 제1 챔버에서 제어되어 제2 챔버로 확산되는 가스를 필요로 하는 장치의 복잡성 때문에 느려지기 쉽다. 엔진 배기의 동적인 환경을 유지할 수 있는 빠른 가스 교환을 달성하는 것이 이러한 구성으로는 어렵다. 또한, 가스 자체의 부식성과 가스가 미세 미립자를 지니는 사실은 확산 제어 포트를 막히게 할 수도 있고, 또는 적어도 시간이 지남에 따라 가스 유동 역학관계를 바꿀 수도 있다. 결국, 실린더 점화에 기인한 가스 유속의 파동 및 자동차의 통상의 전기 소음은 이들 장치에 관련된 전류 회로 및 낮은 전류를 제어 및 모니터링하기 어렵게 만든다.

따라서, 이들 및 다른 고려 사항들을 해결하도록 설계된 NO_X 센서 시스템에 사용가능한 NO_X 센싱 요소에 대한 대안적인 구성을 제공하는 것이 본 기술분야의 개선사항일 것이다. 이러한 장치가 본 명세서에 제공된다.

본 발명은 본 명세서에 참고문헌으로 합체된 2005년 5월 25일자로 출원된 특허출원 제11/137,693호에 이전에 개시된 NO_X 센서 시스템의 NO_X 센싱 요소를 구성하기 위한 방법 및 설계에 관한 것이다. NO_X 센싱 요소는 산소와 NO_X 가스 양자 모두의 농도를 센싱하기 위한 전극을 갖는 다층 세라믹 구조를 포함하고, 최적의 성능을 위해 적절한 온도까지 세라믹 센싱 요소를 가열하는 구조 스크린 인쇄 금속화 패턴 내에 포함된다. 이 설계는 센싱 요소를 소형화함으로써 더 빠른 센서 라이트 오프 횟수(light off times)를 생성하여 불필요한 배기가스 배출을 감소시키는 장점을 현 기술 전반에 제공한다. 세라믹 센싱 구조 내에 열원을 병합함으로써, 작동 온도에 도달하는 시간이 단축되고, 열 변화율 및 응력이 최소화되고, 따라서 개선된 센서 성능과 안정성 및 수명을 얻는다.

본 발명의 다른 장점 및 태양은 본 발명의 상세한 설명과 도면의 이하의 설명을 읽음에 따라 명백해질 것이다. 본 발명의 이들 및 다른 특징은 이하의 도면, 상세한 설명 및 후속의 청구범위로부터 더 완전히 명백해질 것이고, 이후에 설명되는 바와 같이 본 발명의 실시예에 의해 습득될 수도 있다.

상술된 방식으로, 달성될 본 발명의 다른 특징 및 장점이 쉽게 이해될 것이고, 간략히 상술된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 후속의 도면에 도시된 그 특정 실시예를 참조로 될 것이다. 이들 도면은 본 발명의 통상의 실시예만을 도시하므로, 그 범주를 제한하도록 고려되지 않음이 이해될 것이고, 본 발명은 후속의 도면의 사용을 통해 추가의 특수성 및 상세 설명과 함께 서술 및 설명될 것이다.

도1A는 본 발명의 평면 다층 세라믹 센싱 조립체의 실시예의 개략도이다.

도1B는 최외층은 A, 다음의 내측은 B, 그 다음은 C, 그 이후는 D, 그 다음은 E, 그리고 최저층은 F인 본 발명의 평면 센싱 조립체의 개별 층 각각을 도시한다.

도2는 본 발명의 평면 센싱 조립체의 층을 생성하는데 사용되는 그린 세라믹 테이프의 개별 세그먼트를 도시하고, 적절한 세그먼트는 장치에 사용되는 히터 패턴 및 전극을 도시한다.

도3은 쌓아올려지고, 적층되고, 소결을 위한 준비를 위해 그 최종 형상으로 절단되는, 도2에 도시된 층을 포함하는 본 발명의 한 쌍의 조립된 다층 NO_X 센서를 도시한다.

도4A는 본 발명에 따른 소결된 다층 NO_X 센서의 평면도이다.

도4B는 본 발명에 따른 소결된 다층 NO_X 센서의 하부도이다.

도5는 공유 공기 기준 전극과 함께 두 개의 히터와, 산소 센서와, NO_X 센서를 병합하는 관형 형태를 갖는 본 발명의 다층 NO_X 센서의 다른 실시예의 평면도이다.

도6은 관형 센서 본체를 구성하는데 사용하기 위해 소결되지 않은 지르코니아 테이프 상의 스크린 인쇄 히터용으로 사용되는 패턴을 도시한다.

도7은 도6에 도시된 테이프로부터 구성되는 소결된 지르코니아 관형 NO_X 센서의 사시도이다.

도8은 도7의 관형 NO_X 센서의 히터의 성능을 특성 기술하기 위한 시험 표본을 도시한다.

도9는 본 발명의 다층 평면 센싱 조립체의 다른 실시예의 개별 층을 도시하고, 선택적인 제1 층은 A로 도시되고, 그 다음 내측은 B로 도시되고, 그 다음은 C, 그 다음은 D, 마지막은 E로 도시되고, 마지막 층은 두 번 도시되고, E는 그 내향면을 도시하고, E'는 그 외부면을 도시한다.

본 발명의 현재 양호한 실시예가 전반적으로 유사한 부품을 유사한 도면부호로 나타낸 도면을 참조로 잘 이해될 것이다. 본 명세서의 도면에 일반적으로 설명 및 도시된 바와 같이, 본 발명의 부품은 폭넓게 다양한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다. 따라서, 도1A 내지 도9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다층 세라믹 NO_X 가스 센서 장치의 실시예의 이하의 상세한 설명은 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않지만, 청구된 바와 같이 드물게는 본 발명의 현재의 양호한 실시예를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예는 NO_X 센싱 요소로서 사용될 다층 세라믹 구조를 제작하기 위한 방법이다. 완성된 NO_X 센싱 장치는 본 명세서에 그 전체 내용이 참조로 병합되는, 2005년 5월 25일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/137,693호에 개시된다. 상기 출원에 개시된 장치는 센서 요소를 포함한다. 참조된 NO_X 센서 장치의 특징 중 하나는 두 개의 구별된 온도 구역을 생성할 수 있는 능력이다. 이들 온도 구역 중 하나는 가스 제어 촉매 및 산소 센서와 관련된다. 이들 온도 구역 중 제2 구역은 혼합 포텐셜 NO_X 센싱 요소와 관련된다. 본 발명은 이러한 센싱 장치에 사용하기 위한 신규한 센서 요소를 제공한다.

본 발명의 센서 요소는 세라믹 센싱 요소를 소형화하고, 소형화된 세라믹 요소 내에 다중 특징부를 포함함으로써 전반적인 시스템의 성능을 개선시킬 수도 있 다. 본 발명의 세라믹 센서 요소는 NO_X 가스 센서와 같은 단일 센싱 전기화학 셀을 포함할 수도 있고, 또는 산소 및 NO_X 가스 센서와 같이 적어도 두 개의 센싱 전기화학 셀을 포함할 수도 있다. 본 발명의 센서 요소는 전압 및 전류가 금속화 패턴의 접촉점에 인가될 때 전체 세라믹 구조를 가열하도록 "히터 요소"로서의 기능을 하는 적어도 하나의, 그리고 대개 두 개의 금속화 패턴을 추가로 포함한다.

센서 요소의 세라믹 구조로 이들 히터 요소를 병합함으로써, 센싱 전극으로의 열 전달율이 증가된다. 이것은 센서 요소의 센서 구성품에 대해 더 빠른 라이트 오프 횟수를 제공한다. 상기에 추가하여, 온도의 빠른 변화에 기인하여 열 응력은 히터 설계 패턴 및 다층 세라믹 패키지의 구성의 최적화에 의해 최소화된다. 이들 특징은 센서 장치의 개선된 수명 성능 및 안정성을 생성할 수도 있다.

본 발명의 특정 실시예의 구성, 사용 및 시험을 설명하는 몇몇의 예가 이후에 제공된다. 이들 실시예는 그 성격이 예시적인 것이고, 본 발명의 범주를 임의의 방식으로 제한하도록 구성되지 않아야 한다.

예1

도1A를 참조하면, 다층 가스 센서 요소(10)의 기본 특징부가 도시된다. 보다 구체적으로, 가스 센서 요소(10)는 센서 본체(12)를 구성하는데 사용되는 개별 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)의 특징부가 완성된 센서 요소(10)에 있는 것으로 중첩되게 도시되도록 개략적으로 도시된다. 이 도면은 센서 요소(10)의 특징부들 사이의 관계를 도시한다.

센서 요소(10)에서, 산소 센서(32)는 요소(10)의 외부면 위가 아닌 히터 요소(52) 근처에 공간적으로 위치설정된다. 기준 전극(34)은 실질적으로 유사한 위치에 산소 센서층(30)의 내면에 위치설정된다. 결과적으로, 도1A에 도시된 바와 같이 관찰될 때, 산소 센서(32) 및 기준 전극(34)은 중첩된다. 유사하게, NO_X 센서(82)는 요소(10)의 외부면 상의 히터 요소(52) 근처에 공간적으로 위치설정된다. 기준 전극(84)은 실질적으로 유사한 위치의 NO_X 센서(80)의 내부면 상에 위치설정된다. 결과적으로, 도1A에 도시된 바와 같이 관찰될 때, NO_X 센서(82) 및 기준 전극(84)은 중첩된다. 본 발명의 센서 요소의 소정의 실시예에서, 산소에 둔감한 NO_X 센서와 같은 가스 센서가 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 산소 전극은 생략될 수도 있다. 탄화수소 센서 및/또는 CO 센서와 같은 다른 센서가 본 명세서에 개시된 센서의 자리에 대신될 수도 있다.

히터(52)는 제1 온도 구역(51)을 생성하도록 약 500˚C에서 약 900˚C까지, 그리고 더 양호하게는 약 650˚C에서 약 750˚C의 온도까지 산소 센서(32)를 가열하도록 구성된다. 본 발명의 소정의 특정 실시예에서, 히터(52)는 센서(32)를 포함하는 제1 온도 구역(51)을 약 700˚C의 온도까지 가열한다. 히터(54)는 제2 온도 구역(53)을 생성하도록 약 400˚C에서 약 600˚C까지, 그리고 더 양호하게는 약 450˚C에서 약 550˚C의 온도까지 NO_X 센서를 가열하도록 구성된다. 본 발명의 소정의 특정 실시예에서, 히터(54)는 센서(82)를 포함하는 제2 온도 구역(53)을 약 500˚C의 온도까지 가열한다. 미국 특허 출원 제11/137,693호에 개시된 바와 같은 센싱 장치에 설치될 때 이들 가열 요소(52, 54)는 촉매에 열을 추가로 제공할 수도 있으므로, 따라서 전체적으로 장치의 기능이 더 개선됨을 알 수 있다.

도1B는 본 발명의 센서 요소(10)의 각각의 개별 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)의 상부도를 제공한다. 각각의 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)은 바인더, 용매 및 가소제와 혼합된 지르코니아 분말을 사용하여 테이프를 그린 세라믹 테이프로부터 캐스팅에 적절한 슬러리로 초기 제조된다. 본 기술분야의 당업자가 이해하는 바와 같이, 다양한 이온 전도성 세라믹 재료가 본 기술분야에 공지되어 있고, 본 발명의 센서 요소(10)의 센서 본체(12)의 전도부를 구성하기에 적절할 것이다. 소정의 실시예에서, 장치에 비전도성 또는 절연 구역을 추가하는 것이 바람직할 수도 있다. 본 기술분야의 당업자에게 이해되는 바와 같이, 다양한 절연 세라믹 재료가 본 기술분야에 또한 공지되어 있고, 본 발명의 센서 요소의 센서 본체(12)를 구성하는데 사용될 수 있다. 지르코니아 슬러리의 제조 이후에, 슬러리는 마지막 센서 요소를 제조하는데 사용되는 추가의 제작 단계 이전에 테이프 캐스트 및 건조된다. 건조된 테이프의 세그먼트는 본 기술분야에 통상적인 기술을 사용하여 대략의 형상으로 절단된다.

도1B에 도시된 바와 같이, 산소 센서층(30)은 산소 센서 전극(도시 생략) 및 기준 전극(34)의 배치를 위해 제공된다. 산소 센서 전극(32)은 일반적으로 백금으로 구성되지만, 도1A의 다층 센서(10)가 조립되고 소결된 이후까지 산소 센서층(30) 상에 인쇄되지 않는다(이후 상세히 설명됨). 산소 센서(32)가 소정의 상황 에서 소결하기 전에 층(30)에 인쇄될 수도 있지만, 센서(32)의 소결은 그 세공율, 그리고 그에 따라서 그 감도 및 유효성을 감소시킬 수도 있다.

도1B에 도시된 바와 같이, 제1 채널층(40)이 다음으로 제공된다. 이 층(40)은 통상적으로 공기인 기준 가스의 진입을 허용하도록 센서(10)로 연장하는 채널(42)을 포함하도록 절단된다. 채널(42)의 길이 및 기하학적 형상은 본 발명의 범주내에서 폭넓게 변경될 수도 있다. 센서(10)로 연장하는 채널(72)을 포함하는 제2 채널층(70)이 또한 도1B에 도시된다. 채널(42, 72)은 산소 센서층(30)과 NO_X 센서층(80)의 내부면에 각각 배치된 기준 전극(34, 84)에 도달하도록 공기를 센서(10)로 진입하게 한다. 제1 채널층(40)에 제공된 채널(42)을 구비함으로써, 제2 채널층(70)의 채널(72)은 본 발명의 범주 내에서 크기 및 기하학적 형상이 변경될 수도 있다.

도1B는 제1 및 제2 온도 구역(51, 53)을 생성하는 가열 요소(52, 54)를 포함하도록 구성된 히터층(50)을 또한 도시한다. 구별된 동력원을 갖는 이들 히터(52, 54)는 독립적으로 제어되도록, 또는 동일한 동력원으로 제어되도록 구성되어 개별 히터(52, 54)의 저항을 변경함으로써 제1 및 제2 온도 구역(51, 53)을 생성할 수 있도록 구성될 수도 있다. 저항은 히터(52, 54)의 길이를 증가시키는 것을 포함하여, 본 기술분야의 당업자들에 의해 이해될 수 있는 많은 방식으로 변경될 수도 있다. 히터(52, 54)는 조립될 때 센서(10)를 구성하는 센서 본체(12)의 대향측 상의 산소 및 NO_X 센서(32, 72) 근처에 있도록 위치설정된다. 히터(52, 54)를 위해 제공 되는 전극은 센서(10)의 조립 이전에 스크린 인쇄되고, 2시간 동안 80˚C 오븐에서 건조된다. 개별 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)은 도2의 각각의 층 상에 전극을 두는데 사용되는 스크린 인쇄 공정(층(30, 50, 80)의 경우)을 용이하게 하고, 층(40, 70)의 채널(42, 72)의 절삭을 용이하게 하는데 사용되는 패턴으로 오버레이된 것으로 도시되었다.

전극을 스크린 인쇄한 후, 그린 세라믹 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)은 용매 접합, 가열 적층과 같은 기술 또는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 다른 기술을 사용하여 함께 적층될 수도 있다. 가열 적층을 사용하는 방법에서, 개별 층은 적층 프레스를 사용하여 함께 가압된다. 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)의 적층 후, 센서 요소(10)는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 기술을 사용하여 최종 형상으로 절단되고, 그 후 소결될 준비를 한다. 두 개의 적층 및 절단된, 소결을 위해 준비된 다층 세라믹 센서 패키지(10)가 도3에 도시된다.

그린 적층된 세라믹 테이프 센서 패키지(10)는 도4A 및 도4B에 도시된 센서 요소를 생성하도록 1475˚C에서 두 시간 동안 그 후 소결된다. 소결에 이어, 세라믹 센서 요소 구조(10)는 도1A 및 도1B에 개략적으로 도시된 바와 같이, 산소 센서층(30)에 대응하는 측 상에 산소 센서(32)를 위한 백금 전극으로 도포된다. 원래의 NO_X 센서층(80)에 대응하는 세라믹 구조(10)의 대향 측은 NO_X 센서(82)를 구성하도록 WO₃/ZrO₂의 복합 전극으로 또한 도포된다. NO_X 센서 전극(82)은 그린 테이프의 지르코니아와의 고온 화학 반응을 방지하도록 소결 이후 센서 요소(10) 상에 양 호하게 배치된다. 전극의 배치 후, 센서 요소(10)는 센서 본체(12)의 외부에 산소 센서(32) 및 NO_X 센서(82)를 잘 부착하게 하도록 약 800˚C 내지 약 1000˚C 그리고 소정의 예에서는 약 850˚C 내지 950˚C 범위의 고온에서 점화된다.

본 발명의 센서(10)의 소정의 실시예에서, 센서(32, 82)는 반 전도성 산화물 재료를 사용하여 구성된 포텐셜 센서로 혼합될 수도 있다. 소정의 특정 실시예에서, 반 전도성 산화물 재료는 WO₃, Cr₂O₃, Mn₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, 및 Co₃O₄ 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 그 밖에, 다중 성분 산화물 재료가 사용될 수도 있다. 다중 성분 산화물 재료는 예를 들어, 스피넬(spinel) 또는 페로브스카이트(Perovskite)일 수도 있다. 소정의 특정 실시예에서, 다중 성분 산화물 재료는 NiCr₂O₄, ZnFeO₄, CrMn₂O₄, LaSrMnO₃, LaSrCrO₃ 및 LaSrFeO₃ 중 적어도 하나일 수도 있다.

본 기술분야의 당업자는 가스 센서 요소(10)를 구성하도록 사용된 층(30, 40, 50, 60, 70, 80)의 개수 및 구성이 본 발명의 범주 내에서 폭넓게 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 센서(32, 82) 또는 히터(52, 54)는 센서 본체(12)를 생성하는데 사용되는 층의 개수를 감소시키도록 단일 층의 대향 표면 위를 포함하여 다양한 위치에 배치될 수 있다. 또한, 채널(42, 72)은 완전히 절단되는 것 대신에, 층으로부터 엠보싱되거나 부분적으로 에칭될 수 있다. 전극 재료, 형상 그리고 소정의 예에서는 배치의 변경을 포함하는 다양한 변경이 본 기술분야의 당업자에 의해 본 발명의 범주 내에서 만들어질 수 있다.

상기 예1에 설명된 평면 다층 센서 요소(10)에 많은 장점이 있지만, 도5에 도시된 바와 같이 관형 센서 본체(112)의 형태로 다층 센서 요소(110)를 제조하기 위한 유사한 처리 기술을 이용하는 것이 또한 이로울 수도 있다. 도5는 도1A 내지 도4B의 센서 요소(10)와 같이 산소 센싱 전극(132)과 NO_X 센싱 전극(182) 양자 모두와 함께 두 개의 다른 가열 구역(151, 153)을 병합하는 다층 관형 센서 요소(110)의 개념적인 개략도를 도시한다. 양자 모두의 센서(132, 182)는 동일한 공기 기준 전극(134)을 공유한다. 도5에 도시된 제1 및 제2 가열 구역(151, 153)은 실시 개별 구역에 있는 것이 아니라, 중간 온도의 연속체에 의해 대신 분리된 구체적인 경계가 없는 온도 구역임을 알 수 있다.

도5에 도시된 관형 센서 요소(110)를 제작하기 위해, 제1 단계는 전극(132, 182)과 관련된 두 개의 다른 온도 구역(151, 153)을 제조하도록 두 개의 분리 히터(152, 154)가 내장된 세라믹 관형 다층 구조를 제조하는 것이다. 세라믹 구조를 제조하기 위해, 지르코니아 분말이 바인더, 용매 및 가소제와 혼합되어 테이프 캐스팅하기에 적절한 슬러리로 된다. 슬러리는 대략 0.381mm(0.015")의 두께를 갖는 그린 세라믹 테이프(114)를 생성하도록 테이프 캐스트되고, 건조된다. 도6은 길이로 절단되고 히터 요소(152, 154)를 형성하도록 백금 잉크로 스크린 인쇄되는 그린 테이프(114)를 도시한다. 이들 히터 요소(152, 154)에는 두 개의 다른 온도 구역을 생성하도록 구별된 패턴(156A, 156B)이 제공된다. 도6에 도시된 패턴(156A, 156B)은 예시만을 위한 것이고, 본 발명의 범주 내에서 폭넓게 변경될 수도 있다. 특히, 히터 요소(152, 154)의 크기 및 길이는 달리 가열된 구역을 제공하도록 폭넓게 변경될 수도 있다. 일 예에서, 산소 센서(132)를 위한 온도 구역(151)을 생성하도록 구성된 히터 요소(152)는 증가된 열을 제공하도록 더 길고 더 굽어진다.

간략히 상술된 바와 같이, 도6은 히터(152, 154)를 생성하도록 백금 잉크로 스크린 인쇄되는 그린 지르코니아 테이프(114)의 사진을 제공한다. 백금 잉크가 적절히 건조된 후, 그린 테이프(114)는 관형 센서 본체(112)의 감겨진 층이 맨드릴을 중심으로 감겨짐에 따라 함께 접합하도록 테르피네올(terpineol)을 사용하여 관형 맨드릴 상에 감겨진다. 테이프(114)가 맨드릴을 중심으로 완전히 감겨지면, 그 후 2시간 동안 1475˚C에서 점화되어 건조된다. 도7은 센서 본체(112)의 내부면 상의 백금 가열 패턴(156A)을 도시하는 소결된 지르코니아 튜브 센서 본체(112)의 형태로 센서 요소(110)를 도시한다. 소결된 세라믹 센서 요소(110)는 그 후 히터 요소(152, 154)의 성능을 테스트할 준비를 한다.

센서 요소(110)의 히터 요소(152, 154)의 성능은 히터(152, 154)의 접촉점에 리드 와이어를 먼저 부착하고 그 후 두 개의 히터(152, 154)의 각각에 DC 전원을 부착함으로써 테스트된다. 히터 요소(152, 154)는 필요에 따라 500˚C 및 700˚C 온도 구역을 생성을 수행한다. 히터 요소(152, 154)는 500 시간동안 테스트된다. 도8은 가열율 및 온도 프로파일에 대해 테스트되는 히터(152, 154)를 도시한다. 본 예에 도시된 바와 같이 히터(152, 154) 상에 각각 사용된 히터 패턴(156A, 156B)은 센서 요소(110)의 촉매/산소 센서(132) 및 NO_X(182) 센서를 위해 요구되는 두 개의 다른 온도 구역(151, 153)을 성공적으로 생성하였다.

본 발명의 다층 센서의 다른 실시예가 도9에 개략적으로 도시된다. 도9는 도1B에 도시된 바와 같이 배열된 본 발명의 다층 평면 센싱 조립체(210)의 다른 실시예의 개별층을 도시한다. 이 실시예는 더 자세히 상술된 도1A 내지 도4를 참조로 설명된 것과 유사하게 조립될 수도 있다. 센서(210)는 선택적인 제1층(230)을 우선 포함할 수도 있다. 이 층(230)은 히터 층(240)의 히터(252, 254)로 더 쉽게 접근하도록 관통 구멍(232)을 포함할 수도 있다. 히터층(240)은 중간층(250)에 의해 채널층(260)으로부터 이격될 수도 있다. 채널층(260)은 E로 도시된 센서층(270)의 내부면(274) 상에 있는 공기 기준 전극(272)에 채널링(channel)되는 공기의 진입을 허용하도록 채널(262)을 포함할 수도 있다. 산소 센싱 및 NO_X 센싱 전극(274, 276)은, E'로 도시된 센싱층(270)의 외부면 상의 도1A 내지 도4의 실시예를 참조로 상기 교시된 바와 같이 각각 배치된다.

본 발명의 특정 실시예가 도시 및 설명되었지만, 본 발명의 사상으로부터 현저히 멀어짐 없이 다양한 수정이 이루어질 수 있고, 보호 범주는 후속의 청구범위의 범주에 의해서만 제한된다.

Claims

배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소이며,

측정되는 제1 가스 구성물의 농도의 함수인 전압 신호를 발생시키는 제1 센싱 전극을 포함하는 센서 본체와,

세라믹 본체로 통합되는 제1 히터 요소와,

세라믹 본체로 통합되는 제2 히터 요소를 포함하고,

제1 및 제2 히터 요소는 제1 및 제2 온도 구역을 생성하도록 배치되고 구성되는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 히터 요소는 공통의 접지 포텐셜 전기 리드를 공유할 수도 있는 분리 전기 회로인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 히터 요소는 독립적으로 제어되는 전기 회로인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 제1 온도 구역은 약 500˚C 내지 약 900˚C인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제4항에 있어서, 제1 온도 구역은 약 650˚C 내지 약 750˚C인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제5항에 있어서, 제1 온도 구역은 약 700˚C인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 제2 온도 구역은 약 400˚C 내지 약 600˚C인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제7항에 있어서, 제2 온도 구역은 약 450˚C 내지 약 550˚C인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제8항에 있어서, 제2 온도 구역은 약 500˚C인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 제1 센싱 전극은 본체의 외부 상에 배치되는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 약 20.9% 산소를 포함하는 대기 공기에 노출되는 금속 공기 기준 전극을 더 포함하는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제11항에 있어서, 금속 공기 기준 전극은 백금, 은, 금, 로듐 또는 그 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 금속으로 구성되는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 밀봉된 금속/금속 산화물 기준 전극을 더 포함하는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제13항에 있어서, 밀봉된 금속/금속 산화물 기준 전극은 Ni/NiO 전극인, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 제1 전극은 NO_X 센싱 전극, 산소 센싱 전극, 탄화수소 센싱 전극, SO₂ 센싱 전극 및 CO 센싱 전극으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 센서 본체는 일반적으로 평면 구성을 갖는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제1항에 있어서, 센서 본체는 일반적으로 관형 구성을 갖는, 배기 가스의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소이며,

본체의 외부 표면에 배치되고, 측정된 제1 가스 구성물의 농도의 함수인 전압 신호를 생성하는 제1 센싱 전극과, 본체의 외부 표면 상에 배치되고, 측정된 제2 가스 구성물의 농도의 함수인 전압 신호를 생성하는 제2 센싱 전극을 포함하는 다층 세라믹 센서 본체와,

금속 공유 공기 기준 전극과,

세라믹 본체로 병합되는 제1 히터 요소와,

세라믹 본체로 병합되는 제2 히터 요소를 포함하고,

제1 및 제2 히터 요소는 제1 및 제2 센싱 전극 각각에 관련된 제1 및 제2 온도 구역을 생성하도록 배치되고 구성되는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 제1 및 제2 히터 요소는 공통의 접지 포텐셜 전기 리드를 공유할 수도 있는 분리 전기 회로인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 제1 및 제2 히터 요소는 독립적으로 제어되는 전기 회로인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 제1 온도 구역은 약 500˚C 내지 약 900˚C, 또는 약 650˚C 내지 약 750˚C인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제21항에 있어서, 제1 온도 구역은 약 700˚C인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 제2 온도 구역은 약 400˚C 내지 약 600˚C, 또는 약 450˚C 내지 약 550˚C인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제23항에 있어서, 제2 온도 구역은 약 500˚C인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 금속 공유 공기 기준 전극은 약 20.9% 산소를 포함하는 대기 공기에 노출되는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위 한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 금속 공유 공기 기준 전극은 백금, 은, 금, 로듐 또는 그 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 금속으로 구성되는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 금속 공유 공기 기준 전극은 밀봉되고, 산소의 분압은 Ni/NiO와 같은 금속/금속 산화물 평형에 의해 성립되는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 제1 전극은 NO_X 센싱 전극, 산소 센싱 전극, 탄화수소 센싱 전극, SO₂ 센싱 전극 및 CO 센싱 전극으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 제2 전극은 배기 가스 속에 있는 산소 농도의 대수에 비례하는 전압 신호를 발생시키는 산소 센싱 전극인, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 센서 본체는 일반적으로 평면 구성을 갖는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.
제18항에 있어서, 센서 본체는 일반적으로 관형 구성을 갖는, 배기 가스의 두 개 이상의 가스 구성물의 농도를 검출하기 위한 가스 센서 요소.