KR20100115099A

KR20100115099A - Gas sensor

Info

Publication number: KR20100115099A
Application number: KR1020090033644A
Authority: KR
Inventors: 전석택; 김태형; 김용욱; 신현호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-10-27

Abstract

PURPOSE: A gas sensor which can prevent the degrading of measurement precision is provided to measure nitric oxide gas of low concentration. CONSTITUTION: A gas sensor comprises a sensor body, a sensitive member(104) and an electrode(105). The sensor body comprises a gas inlet(101), a gas pumping area and a gas passage. The sensitive member is arranged in the gas passage. The electrode is connected to the sensitive member. The gas pumping area discharges gas to outside. The sensitive member is formed in a cross section of the gas passage.

Description

Gas sensor

본 발명은 가스 센서에 관한 것으로서, 특히, 저 농도의 산화 질소 가스를 빠른 시간 안에 높은 정밀도로 측정할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to gas sensors, and more particularly to gas sensors capable of measuring low concentrations of nitric oxide gas with high precision in a short time.

자동차 배기 가스 등에 포함된 특정 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서의 경우, 측정 대상 가스의 농도에 따라 전기 저항, 전위, 전류 등과 같은 전기적 검출 신호를 생성시키며, 이렇게 생성된 전기적 신호를 측정하는 방식을 주로 사용한다.In the case of a gas sensor for measuring the concentration of a specific gas contained in the vehicle exhaust gas, etc., an electric detection signal such as electric resistance, electric potential, current, etc. is generated according to the concentration of the gas to be measured, and the method of measuring the generated electric signal Mainly used.

자동차 배기 가스 측정의 경우, 측정 환경의 혹독함으로 인해 높은 내구성과 빠른 측정 시간이 요구된다. 또한, 자동차 배기 가스에서 주로 측정되는 산화 질소(NOx) 가스의 경우, 그 배출 양이 일정하지 않을 뿐만 아니라 미량인 관계로 정밀한 측정이 어렵다. 따라서, 당 기술 분야에서는 측정 대상 가스에 대한 감응성이 높아 정밀한 측정이 가능함과 더불어 내구성 및 신속성을 갖는 가스 센서가 요구된다.In the case of automotive exhaust measurement, the durability of the measurement environment requires high durability and fast measurement time. In addition, in the case of nitrogen oxide (NOx) gas mainly measured in automobile exhaust gas, precise measurement is difficult due to not only a constant amount of the exhaust gas but also a small amount. Accordingly, there is a need in the art for a gas sensor having high sensitivity and high durability, high durability, and rapidity.

본 발명의 일 목적은 저 농도의 산화 질소 가스를 빠른 시간 안에 높은 정밀도로 측정할 수 있는 가스 센서 및 가스 농도 측정 방법을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a gas sensor and a gas concentration measuring method capable of measuring a low concentration of nitric oxide gas with high precision in a short time.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention,

가스 유입구 및 가스 펌핑부와 그 사이의 가스 통로를 구비하는 센서바디와, 상기 가스 통로에 배치되며, 상기 가스 유입구를 통하여 유입된 측정 대상 가스와 화학적으로 결합하여 이를 흡수하되 이러한 흡수에 의해 전기적 특성이 변화하는 물질을 구비하는 감응체 및 상기 감응체의 전기적 특성을 측정하기 위해 상기 감응체와 연결된 한 쌍의 전극을 포함하며, 상기 가스 펌핑부는 외부로 가스를 배출하며, 이러한 가스 배출에 따라 낮아진 가스 압력에 의해 상기 가스 유입구로부터 상기 가스 펌핑부로의 가스 흐름이 발생되는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 제공한다.A sensor body having a gas inlet and a gas pumping part and a gas passage therebetween, and disposed in the gas passage, chemically combining with and absorbing the gas to be measured introduced through the gas inlet, thereby absorbing electrical characteristics. And a pair of electrodes connected to the sensitizer for measuring the electrical characteristics of the sensitizer, and the gas pump part discharges gas to the outside, and is lowered according to the gas discharge. The gas sensor provides a gas flow from the gas inlet to the gas pumping part by the gas pressure.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 감응체는 상기 가스 통로의 일 단면 전체에 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sensitizer may be formed in one cross section of the gas passage.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 감응체는 복수 개 구비되며, 상기 측정 대상 가스의 경로 상에 서로 이격되어 배치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a plurality of the sensitizer is provided, it may be spaced apart from each other on the path of the measurement target gas.

이 경우, 상기 복수 개의 감응체는 서로 직렬로 배열되는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the said plurality of sensitive bodies are arranged in series with each other.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 감응체는 상기 측정 대상 가스를 흡수함으로써 상이 변환되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sensitizer may be a phase is converted by absorbing the gas to be measured.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스를 흡수함으로써 변화하는 상기 측정 대상 가스의 전기적 특성은 전기 용량 및 전기 저항 중 적어도 하나일 수 있다.In an embodiment of the present disclosure, the electrical characteristic of the measurement target gas that is changed by absorbing the measurement target gas may be at least one of an electric capacity and an electric resistance.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 가스 유입구 외에 내부에 가스가 유입될 수 있는 다른 경로를 구비하지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the gas inlet may not have any other path through which gas may be introduced therein.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the measurement target gas may be nitrogen oxide gas.

이 경우, 상기 감응체는 가스 축적부는 일산화질소를 이산화질소로 변환하는 제1 물질과 이산화질소와 화학적으로 결합한 후 소정 온도 이상에서 결합된 이산화질소를 방출시키는 제2 물질을 구비하는 것이 바람직하다.In this case, the sensitizer preferably includes a gas accumulator having a first material for converting nitrogen monoxide to nitrogen dioxide and a second material for chemically bonding with nitrogen dioxide and then releasing the bound nitrogen dioxide at a predetermined temperature or more.

또한, 상기 제1 물질은 Pt, Au 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로 선택된 하나로 이루어질 수 있다.In addition, the first material may be one selected from the group consisting of Pt, Au, and alloys thereof.

또한, 상기 제2 물질은 산화바륨, 산화칼륨 및 페롭스카이트 구조의 산화물로 구성된 그룹으로 선택된 하나로 이루어질 수 있다.In addition, the second material may be one selected from the group consisting of barium oxide, potassium oxide, and oxide of perovskite structure.

또한, 상기 감응체는 상기 제1 및 제2 물질이 표면에 형성되며, 상기 표면에 다수의 돌기가 형성된 구조를 갖는 몸체부를 더 구비할 수 있다.The sensitizer may further include a body portion having the first and second materials formed on a surface thereof and having a structure in which a plurality of protrusions are formed on the surface.

또한, 상기 감응체는 상기 제1 및 제2 물질이 표면에 형성되며, 다공성 세라 믹 재질인 몸체부를 더 구비할 수 있다.In addition, the sensitizer may be further provided with a body portion formed on the surface of the first and second materials, porous ceramic material.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 가스 유입구와 상기 감응체 사이의 상기 측정 대상 가스의 경로 상에 형성된 산소 펌핑부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it may further include an oxygen pumping portion formed on the path of the gas to be measured between the gas inlet and the sensitive body.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 가스 펌핑부는 산소 가스를 외부로 방출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the gas pumping unit may discharge the oxygen gas to the outside.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 센서바디는 고체 전해질로 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sensor body may be made of a solid electrolyte.

이 경우, 상기 가스 펌핑부는 상기 센서바디의 상기 가스 통로를 향하는 면 및 외부 면에 각각 형성된 내부전극 및 외부전극을 구비하는 것이 바람직하다.In this case, the gas pumping unit preferably includes an inner electrode and an outer electrode formed on a surface and an outer surface of the sensor body facing the gas passage.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 감응체는 상기 측정 대상 가스를 흡수한 후 환원 분위기에서 상기 흡수된 측정 대상 가스를 방출시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sensitizer may release the absorbed measurement target gas in a reducing atmosphere after absorbing the measurement target gas.

이 경우, 상기 환원 분위기는 자동차의 연료 분사 또는 수소 가스에 의해 얻어질 수 있다.In this case, the reducing atmosphere can be obtained by fuel injection or hydrogen gas of an automobile.

또한, 상기 감응체를 환원 분위기로 조성할 수 있도록 환원 가스 유입구를 더 포함할 수 있다.In addition, the reducing gas may further include a reducing gas inlet to form a reducing atmosphere.

본 발명에서 제안하는 가스 센서를 이용하여 저 농도의 산화 질소 가스를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 특히, 복수 개의 감응체를 가스 통로에 직렬로 배치함으로써 감응체의 흡수 효율 저하에 따라 측정 정밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.By using the gas sensor proposed in the present invention, it is possible to measure nitrogen oxide gas at low concentration with high accuracy. In particular, by arranging a plurality of sensitizers in series in the gas passage, it is possible to prevent the measurement accuracy from being lowered as the absorption efficiency of the sensitizer is lowered.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 2는 도 1의 가스 센서에서 감응체가 위치한 영역을 상부에서 바라본 개략적인 평단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 가스 센서(100)는 자동차 배기 가스 등에서 배출된 가스를 유입하여 이 중 특정 가스를 검출할 수 있는 장치로서, 상부바디(106) 및 하부바디(107)를 구비하는 센서바디의 내부에 가스 통로가 형성된 구조이다. 이 경우, 상기 가스 통로는 일 방향으로만 오픈된 구조, 즉, 하나의 가스 유입구(101) 만을 구비하며, 가스 유입구(101)의 맞은 편은 닫혀있는 구조이다. 상기 가스 통로에는 감응체(104)가 배치되어 있으며, 측정 대상 가스를 흡수하여 그 양을 측정할 수 있다. 1 is a schematic cross-sectional view showing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of the gas sensor of FIG. 1 viewed from above. FIG. Referring to FIGS. 1 and 2, the gas sensor 100 according to the present embodiment is a device capable of detecting a specific gas among the gas discharged from an automobile exhaust gas and the like, and the upper body 106 and the lower body. The gas passage is formed inside the sensor body provided with 107. In this case, the gas passage has a structure opened only in one direction, that is, only one gas inlet 101, and the opposite side of the gas inlet 101 is closed. A sensitizer 104 is disposed in the gas passage, and the amount of the gas to be measured can be absorbed and measured.

감응체(104)의 전기적 특성을 측정하여 감응체(104)에 흡수된 측정 대상 가스의 양을 산출할 수 있도록 한 쌍의 전극(105)이 감응체(104)와 연결된다. 상기 센서바디에는 감응체(104)에 열을 가하여 온도를 증가시킬 수 있는 가열수단(108)이 배치되며, 이는 후술할 바와 같이, 감응체(104)에 흡수된 측정 대상 가스를 방출하기 위한 것이다. 자동차의 배기 가스에는 산화 질소 가스(NO, NO₂) 외에도 CO, CO₂, O₂, N₂, H₂, HC 등의 다양한 가스가 함유되어 있으며, 주로 산화 질소 가스가 측정 대상이 된다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 가스 유입구(101)를 통하여 유입되는 전체 가스를 배기 가스로, 농도를 알고자 하는 가스를 측정 대상 가스로 칭한다.A pair of electrodes 105 are connected to the sensitive body 104 to measure the electrical properties of the sensitive body 104 to calculate the amount of gas to be absorbed by the sensitive body 104. The sensor body is provided with a heating means 108 that can increase the temperature by applying heat to the sensitive body 104, which is to discharge the gas to be measured absorbed in the sensitive body 104, as will be described later . In addition to nitrogen oxide gas (NO, NO ₂ ), the exhaust gas of automobiles contains various gases such as CO, CO ₂ , O ₂ , N ₂ , H ₂ , HC, and nitrogen oxide gas is mainly measured. Hereinafter, for convenience of explanation, the entire gas flowing through the gas inlet 101 is referred to as the exhaust gas, and the gas for which the concentration is to be known as the measurement target gas.

상술한 바와 같이, 상기 센서바디는 가스 유입구(101)를 통하여 유입된 배기 가스가 일 방향으로 전달될 수 있는 가스 통로가 형성된 구조이며, 나아가, 가스 유입구(101) 외에 내부에 가스가 유입될 수 있는 다른 경로를 구비하지 않는 것이 바람직하다. 이는 후술할 바와 같이, 전체 가스의 유입량과 감응체(104)에 흡수된 측정 대상 가스의 흡수량을 토대로 가스 농도를 계산하기 때문이다. As described above, the sensor body has a structure in which a gas passage through which the exhaust gas introduced through the gas inlet 101 is transferred in one direction is formed, and furthermore, the gas may be introduced into the gas inlet 101. It is desirable not to have any other route. This is because, as will be described later, the gas concentration is calculated based on the inflow amount of the entire gas and the absorption amount of the measurement target gas absorbed in the sensitive body 104.

본 실시 형태의 경우, 가스 통로 내부의 가스 흐름을 발생시키기 위하여 가스 펌핑부가 가스 유입구(101)의 맞은 편에 배치되며, 상기 가스 펌핑부는 센서바 디에 형성된 내부전극(112) 및 외부전극(113)을 구비한다. 내부전극(112) 및 외부전극(113)에 인가된 전압에 의하여 감응체(104)를 거친 배기 가스의 적어도 일부는 외부로 방출될 수 있으며, 이에 의해 낮아진 가스 압력에 의해 가스 유입구(101)로부터의 가스 흐름이 발생되는 것이다. 예컨대, 배기 가스 중 산소 가스는 지르코니아와 같은 고체 전해질로 이루어진 센서바디를 이온 형태로 투과할 수 있으며, 외부전극(113)을 통하여 배출될 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 산소 펌핑을 수행하기 위하여 가열수단(108)이 상기 가스 펌핑부까지 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 센서바디는 세라믹 시트를 복수 적층한 후 소성하여 얻어질 수 있으며, 상기 감응체(104)와 같이 소성할 수도 있을 것이다.In the present embodiment, in order to generate a gas flow inside the gas passage, a gas pumping unit is disposed opposite the gas inlet 101, and the gas pumping unit is formed of an internal electrode 112 and an external electrode 113 formed on the sensor body. ). At least a part of the exhaust gas passing through the sensitive body 104 may be discharged to the outside by the voltages applied to the internal electrode 112 and the external electrode 113, thereby reducing the gas pressure from the gas inlet 101. Gas flow is generated. For example, oxygen gas in the exhaust gas may pass through the sensor body made of a solid electrolyte such as zirconia in the form of ions, and may be discharged through the external electrode 113. In this case, as shown in FIG. 1, the heating means 108 may be formed to extend to the gas pumping part to perform oxygen pumping. In addition, the sensor body may be obtained by laminating a plurality of ceramic sheets and firing them, or may fire the same as the sensitive body 104.

다만, 가스 펌핑부를 통한 방법 외에도 가스 통로의 단면을 적절히 조절하여 가스 흐름을 부가적으로 발생시킬 수 있다. 이 경우, 단면이라함은 가스 통로에서 가스가 흐르는 방향에 수직인 면에 해당한다. 가스 통로의 단면적에 따라 가스 유속이 변화되므로, 배기 가스의 유입 속도와 유량에 따라 센서 성능이 최대한 발휘되도록 가스 통로의 단면적을 조절한다. 하나의 예를 제시하면, 도 1 및 도 2에서 볼 수 있듯이, 가스 유입구(101)에 인접하여 가스 경로 상에 유량 제어부(102)를 형성하되, 유량 제어부(102)의 단면적은 가스 유입구(101)의 단면적보다 작도록 한다. However, in addition to the method through the gas pumping unit, the gas flow may be additionally generated by appropriately adjusting the cross section of the gas passage. In this case, the cross section corresponds to a surface perpendicular to the direction in which gas flows in the gas passage. Since the gas flow rate changes according to the cross-sectional area of the gas passage, the cross-sectional area of the gas passage is adjusted to maximize the sensor performance according to the inflow rate and the flow rate of the exhaust gas. As an example, as shown in FIGS. 1 and 2, the flow controller 102 is formed on the gas path adjacent to the gas inlet 101, but the cross-sectional area of the flow controller 102 is the gas inlet 101. It is less than the cross-sectional area of).

배기 가스가 감응체(104)에 도달하기 전의 가스 경로에는 캐비티 형상의 댐 핑부(103)가 형성되며, 유량 제어부(102)의 단면적은 댐핑부(103)의 단면적보다 작도록 한다. 이 경우, 댐핑부(103)는 감응체(104)를 거친 측정 대상 가스의 경로에도 배치될 수 있다. 다만, 위에서 설명한 단면적의 예는 실시 형태에 따라 조금씩 변화될 수 있으며, 가스 펌핑부를 통한 가스 흐름이 발생되는 만큼 가스 통로의 단면을 모두 동일하게 형성할 수도 있을 것이다.Cavity damping part 103 is formed in the gas path before exhaust gas reaches the sensitive body 104, and the cross-sectional area of the flow control part 102 is made smaller than the cross-sectional area of the damping part 103. In this case, the damping unit 103 may also be disposed in the path of the measurement target gas that has passed through the sensitive body 104. However, the example of the cross-sectional area described above may be changed little by little according to the embodiment, and all the cross-sections of the gas passages may be identically formed as gas flows through the gas pumping unit.

한편, 감응체(104)는 배기 가스 중 측정 대상 가스를 흡수하여 이를 축적시키며, 이러한 흡수에 따라 전기적 특성이 변화하는 물질을 구비한다. 상기 측정 대상 가스는 자동차 배기 가스 등에 포함된 산화 질소 가스(이하, NOx와 병행하여 표기함)일 수 있으며, 그 농도가 상대적으로 낮아 측정 결과가 주위 환경, 예컨대, NH₃ 등의 다른 가스의 양에 많은 영향을 받는다. 따라서, 감응체(104)를 외부에 노출시켜 평형 상태에서 산화 질소 가스를 검출하는 경우에는 실시간으로 농도의 변화를 알 수는 있으나, 주위 환경의 영향으로 정밀도가 크게 떨어진다. 본 실시 형태의 경우, 산화 질소 가스를 축적하여 고 농도 상태로 이를 감지할 수 있는 감응체(104)를 사용함으로써 정밀도를 향상시키고자 하였다.On the other hand, the sensitizer 104 absorbs and accumulates the gas to be measured in the exhaust gas, and includes a material whose electrical characteristics change according to the absorption. The measurement target gas may be nitrogen oxide gas (hereinafter, referred to in parallel with NOx) included in an automobile exhaust gas, and the concentration thereof is relatively low, so that the measurement result is an amount of other gas such as NH ₃ . Is affected a lot. Therefore, when the sensitizer 104 is exposed to the outside and the nitrogen oxide gas is detected in an equilibrium state, the change in concentration can be known in real time, but the precision is greatly degraded due to the influence of the surrounding environment. In the case of this embodiment, the precision was improved by using the sensitizer 104 which can accumulate nitrogen oxide gas and detect it in a high concentration state.

이를 위해, 감응체(104)를 이루는 물질로서 산화 질소 가스를 흡수하여 전기용량이나 전기저항 등의 전기적 특성이 변화하는 물질을 사용할 수 있으며, 전기적 특성의 변화는 한 쌍의 전극(105)를 통하여 알아낼 수 있다. 즉, 산화 질소 가스의 흡수량에 따라 감응체(104)의 전기적 특성이 변화하므로, 변화된 전기적 신호를 통하여 흡수량을 산출할 수 있으며, 배기 가스의 유입량과 비교하여 산화 질소 가스의 농도를 얻을 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는 감응체(104)에 일정 시간 동안 흡수된 산화 질소 가스의 양을 측정하며, 감응체(104)의 전기적 특성을 실시간으로 측정하는 방식에 비하여 주위 환경에 덜 민감한 성능을 보일 수 있다. 이를 고려하였을 때, 유입된 배기 가스는 모두 감응체(104)를 거치도록 설계될 필요가 있다. 따라서, 도 1에 도시된 것과 같이, 감응체(104)는 가스 통로의 일 단면 전체를 덮도록 형성하는 것이 바람직하다.To this end, a material that forms the sensitizer 104 may be a material that absorbs nitrogen oxide gas and changes electrical characteristics such as capacitance or electrical resistance, and changes in electrical characteristics may be performed through a pair of electrodes 105. I can figure it out. That is, since the electrical characteristics of the sensitizer 104 change according to the absorption amount of the nitric oxide gas, the absorption amount can be calculated through the changed electrical signal, and the concentration of the nitric oxide gas can be obtained compared with the inflow amount of the exhaust gas. As such, in the present embodiment, the amount of the nitrogen oxide gas absorbed by the sensitizer 104 for a predetermined time is measured, and the performance that is less sensitive to the surrounding environment is compared with the method of measuring the electrical characteristics of the sensitizer 104 in real time. Can be seen. In consideration of this, all of the introduced exhaust gas needs to be designed to pass through the sensitive body 104. Therefore, as illustrated in FIG. 1, the sensitive body 104 is preferably formed to cover the entire one end face of the gas passage.

이하, 감응체(104)의 상세한 구성 및 감응체(104)에서 가스를 흡수하고 방출하는 원리를 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명에서 채용될 수 있는 감응체의 구성을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 4 및 도 5는 감응체에서 가스가 각각 흡수 및 방출되는 원리를 나타낸다. 우선, 도 3을 참조하면, 감응체(104)는 검출하고자하는 산화 질소 가스를 흡수한 후 이와 동일하거나 다른 종류의 산화 질소 가스, 예컨대, 일산화질소(NO) 가스로 방출할 수 있다. 다만, 온도와 분위기에 따라 이산화질소(NO₂) 가스로 방출될 수도 있다. Hereinafter, the detailed configuration of the sensitizer 104 and the principle of absorbing and releasing gas from the sensitizer 104 will be described in detail. Figure 3 schematically shows the configuration of the sensitizer that can be employed in the present invention, Figures 4 and 5 show the principle that the gas is absorbed and released in the sensitizer, respectively. First, referring to FIG. 3, the sensitizer 104 may absorb nitrogen oxide gas to be detected and release the same or another type of nitrogen oxide gas, for example, nitrogen monoxide (NO) gas. However, depending on the temperature and the atmosphere may be emitted as nitrogen dioxide (NO ₂ ) gas.

이러한 가스 축적 기능을 수행하기 위하여, 감응체(104)는 일산화질소를 이산화질소로 변환하는 제1 물질(122) 및 이산화질소와 화학적으로 결합하되 소정 온 도 이상에서 결합된 이산화질소를 방출시키는 제2 물질(123)을 구비하며, 제1 및 제2 물질(122, 123)은 몸체부(121)의 표면에 형성된다. 몸체부(121)는, 예컨대, 알루미나(Al₂O₃)와 같은 세라믹이나 지르코니아와 같은 고체 전해질로 이루어질 수 있으며, 가스와의 접촉 면적이 최대한으로 확보되도록 도 3에 도시된 것과 같이, 그 표면에 형성된 다수의 돌출부를 가질 수 있다. 이와 다른 예로서, 몸체부(121)를 다공성 세라믹 재질로 형성할 수도 있다. In order to perform this gas accumulation function, the sensitizer 104 has a first material 122 for converting nitrogen monoxide into nitrogen dioxide and a second material for chemically bonding with nitrogen dioxide and releasing the combined nitrogen dioxide at a predetermined temperature or more ( 123, and the first and second materials 122 and 123 are formed on the surface of the body portion 121. The body portion 121 may be made of, for example, a ceramic such as alumina (Al ₂ O ₃ ) or a solid electrolyte such as zirconia, and the surface thereof, as shown in FIG. 3, to maximize the contact area with the gas. It can have multiple protrusions formed in it. As another example, the body 121 may be formed of a porous ceramic material.

제1 물질(122)은 도 4에서 볼 수 있듯이, 일산화질소를 이산화질소로 변환하도록 Pt, Au 등과 같은 귀금속 물질이나 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 제1 물질(122)에 의해 형성된 이산화질소는 제2 물질(123)에 흡수되며, 제1 물질(122)을 거치지 않고 본래부터 존재하던 이산화질소 역시 제2 물질(123)에 흡수될 수 있다. 제2 물질(123)은 소정 온도보다 낮은 조건에서는 이산화질소를 흡수하며, 이보다 높은 온도 조건에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 흡수된 산화 질소 물질을 일산화질소 가스 형태로 방출시킬 수 있다. As shown in FIG. 4, the first material 122 may be made of a noble metal material such as Pt, Au, or an alloy thereof to convert nitrogen monoxide to nitrogen dioxide. Nitrogen dioxide formed by the first material 122 is absorbed by the second material 123, and nitrogen dioxide, which was originally present without passing through the first material 122, may also be absorbed by the second material 123. The second material 123 absorbs nitrogen dioxide at a condition lower than a predetermined temperature, and may release the absorbed nitrogen oxide material in the form of nitrogen monoxide gas at a higher temperature condition as shown in FIG. 5.

따라서, 이러한 감응체(104)의 성질을 이용한다면 산화 질소 가스의 흡수가 포화된 상태의 감응체(104)의 온도를 조절하여 산화 질소 가스를 방출시킴으로써 감응체(104)는 다시 검출 기능을 수행할 수 있을 것이다. 즉, 일정 시간 동안 산화 질소 가스를 감응체(104)에 흡수시켜 이에 대한 농도를 얻고 감응체(104)에 흡수된 산화 질소 가스를 방출시킨 후 다음의 일정 시간 동안의 농도를 얻는 방식이다.Therefore, if the nature of the sensitizer 104 is used, the sensitizer 104 performs a detection function by releasing nitrogen oxide gas by adjusting the temperature of the sensitizer 104 in a state in which the absorption of the nitric oxide gas is saturated. You can do it. In other words, the nitrogen oxide gas is absorbed into the sensitizer 104 for a predetermined time to obtain a concentration thereof, and the nitrogen oxide gas absorbed in the sensitizer 104 is discharged to obtain a concentration for the next predetermined time.

이 경우, 산화 질소 가스가 방출될 수 있는 온도는 제1 및 제2 물질(122, 123)의 특성과 흡수하고자 하는 가스의 특성 등에 따라 결정되며, 자동차 배기구 주변의 통상적인 온도인 200 ~ 400℃ 정도의 범위가 상기 소정 온도보다 낮은 조건이라 할 수 있다. 이보다 높은 온도 조건은 산화 질소 가스의 방출이 필요할 경우, 감응체(104)를 가열함으로써 얻어질 수 있다. 온도에 따라 선택적으로 산화 질소 가스를 흡수 또는 방출할 수 있는 제2 물질(123)로서 산화 바륨을 들 수 있다. BaO는 NO₂와 결합하여 변환된 상을 갖는 BaNO₃를 형성하며, 소정 온도 이상에서 NO 형태로 산화 질소 가스를 방출시킬 수 있는 물질이다. 이와 유사한 기능을 할 수 있는 물질로서 산화 칼륨, 페롭스카이트(Perovskite) 계열의 산화물, 예컨대, BaTiO₃, SrTiO₃, SrZrO₂ 등이 있다.In this case, the temperature at which the nitric oxide gas can be released is determined according to the characteristics of the first and second materials 122 and 123 and the characteristics of the gas to be absorbed, and is 200 to 400 ° C., which is a typical temperature around an automobile exhaust port. It can be said that the range of the degree is lower than the predetermined temperature. Higher temperature conditions can be obtained by heating the sensitizer 104 when the release of nitrogen oxide gas is required. Barium oxide may be used as the second material 123 capable of selectively absorbing or releasing nitrogen oxide gas depending on the temperature. BaO combines with NO ₂ to form BaNO ₃ having a converted phase and is a substance capable of releasing nitrogen oxide gas in the form of NO above a predetermined temperature. As a material capable of a similar function, the potassium, perovskite (Perovskite) oxide oxidation of streams, e.g., BaTiO _3, SrTiO _3, SrZrO ₂ and the like.

한편, 감응체(104)에 흡수된 산화 질소 가스는 온도 조건을 조절하는 것 외에 적절한 환원 분위기를 형성하는 것에 의해서도 방출될 수 있다. 도 6 및 도 7은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 가스 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다. 우선, 도 6의 실시 형태에 따른 가스 센서(200)는 도 1의 구조에서 환원 가스 유입구를 더 구비하며, 나머지 동일한 번호로 표시한 요소는 도 1의 설명이 그대로 적용될 수 있다. 감응체(104)를 가열하지 않더라도 환원성 가스 분위기, 예 컨대, 수소 가스 분위기를 조성함으로써 흡수된 산화 질소는 감응체(104)로부터 방출될 수 있으며, 이러한 환원 분위기는 수소 가스 외에 자동차 연료를 주입하는 경우에도 얻어질 수 있다. On the other hand, the nitrogen oxide gas absorbed in the sensitive body 104 may be released by controlling the temperature conditions and forming an appropriate reducing atmosphere. 6 and 7 are schematic cross-sectional views showing a gas sensor according to an embodiment modified from the embodiment of FIG. 1. First, the gas sensor 200 according to the embodiment of FIG. 6 further includes a reducing gas inlet in the structure of FIG. 1, and elements described with the same number may be applied to the description of FIG. 1 as it is. Nitrogen oxides absorbed by creating a reducing gas atmosphere, for example, a hydrogen gas atmosphere, can be released from the sensitive body 104 even without heating the sensitive body 104, and this reducing atmosphere is used to inject automobile fuel in addition to the hydrogen gas. Can also be obtained.

따라서, 본 실시 형태에서는 가열수단(108) 중 감응체(104)를 가열하는 부분이 생략될 수 있으며, 이와 달리, 생략되지 않고 환원 가스와 가열 수단을 함께 이용할 수도 있다. 도 7의 실시 형태에 따른 가스 센서(300)는 도 1의 구조에서 산소 펌핑부를 더 구비하며, 나머지 동일한 번호로 표시한 요소는 도 1의 설명이 그대로 적용될 수 있다. 상기 산소 펌핑부는 상기 가스 펌핑부와 유사하게 내부전극(110) 및 외부전극(111)을 구비하는 구조로 채용할 수 있으며, 감응체(104) 주변의 배기 가스 중 산소 가스를 외부로 배출시킴으로써 환원 분위기를 조성할 수 있다. 도 6 및 도 7에서 설명한 환원 분위기 조성 방법은 독립적으로 채용되거나 함께 채용될 수 있을 것이다.Therefore, in this embodiment, the part which heats the sensitive body 104 of the heating means 108 can be omitted, and, alternatively, it can also use together a reducing gas and a heating means without being omitted. The gas sensor 300 according to the embodiment of FIG. 7 further includes an oxygen pumping unit in the structure of FIG. 1, and the elements of the same number may be applied to the description of FIG. 1. The oxygen pumping unit may have a structure having an internal electrode 110 and an external electrode 111 similar to the gas pumping unit, and is reduced by discharging oxygen gas in the exhaust gas around the sensitive body 104 to the outside. The atmosphere can be created. 6 and 7 may be employed independently or together.

도 8은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 가스 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 가스 센서(400)는 도 1의 구조에서 감응체(104)의 개수가 하나 더 늘어난 구조이며, 나머지 동일한 번호로 표시한 요소는 도 1의 설명이 그대로 적용될 수 있다. 물론, 추가된 감응체(104)에도 한 쌍의 전극(105)이 연결되어 전기적 특성을 측정할 수 있으며, 감응체(104)의 개수는 3개 이상이 될 수도 있다. 본 실시 형태에서, 감응체(104)는 2개로서, 서로 이격되 어 직렬 배치된다. 여기서, 직렬 배치는 도 8에서 볼 수 있듯이, 가스 통로 내부에서 가스 경로 상에 연속적으로 배치된 구조로 볼 수 있다. 복수 개의 감응체(104)를 직렬 배치함으로써 측정 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 도 9 내지 11을 참조하여 이를 설명한다.8 is a schematic cross-sectional view showing a gas sensor according to an embodiment modified from the embodiment of FIG. 1. The gas sensor 400 according to the present embodiment has a structure in which the number of the sensing bodies 104 is increased by one more in the structure of FIG. 1, and the description of FIG. 1 may be applied to the elements indicated by the same number. Of course, a pair of electrodes 105 may also be connected to the added sensitive body 104 to measure electrical characteristics, and the number of the sensitive bodies 104 may be three or more. In this embodiment, the sensitizers 104 are two, arranged in series, spaced apart from each other. Here, the serial arrangement can be seen as a structure arranged continuously on the gas path inside the gas passage as shown in FIG. By arranging the plurality of sensitive bodies 104 in series, measurement accuracy can be further improved, which will be described with reference to FIGS. 9 to 11.

도 9 내지 11은 측정 시간에 따른 센서바디 내부의 특정 영역에서 산화 질소 가스의 농도 및 감응체에 흡수된 산화 질소 가스의 양을 나타내는 그래프이다. 우선, 도 9를 참조하면, 가스 유입구를 통하여 유입된 산화 질소 가스는 감응체에 도달하기 전까지 일정한 농도(C)를 갖는다. 이 경우, 배기 가스의 상태에 따라 산화 질소 가스의 농도는 변화하지만 설명의 편의를 위하여 배가 가스 내에서 산화 질소 가스가 일정한 농도를 갖는 것으로 가정하였다. 도 10a를 참조하면, 배기 가스가 첫번째 감응체에 도달하는 시간 t1부터 산화 질소 가스의 흡수 반응이 일어나며, 흡수 한계량(A)에 도달하는 시간 t2까지 흡수 반응은 계속된다. 이러한 흡수량은 앞서 설명한 바와 같이, 감응체의 전기용량 등을 측정하여 간접적으로 얻어질 수 있다. 9 to 11 are graphs showing the concentration of nitric oxide gas and the amount of nitric oxide gas absorbed in the sensitive body in a specific region inside the sensor body according to the measurement time. First, referring to FIG. 9, the nitrogen oxide gas introduced through the gas inlet has a constant concentration C until it reaches the sensitive body. In this case, the concentration of the nitric oxide gas changes depending on the state of the exhaust gas, but for convenience of explanation, it is assumed that the nitric oxide gas has a constant concentration in the double gas. Referring to FIG. 10A, the absorption reaction of nitrogen oxide gas occurs from time t1 when the exhaust gas reaches the first sensitive body, and the absorption reaction continues until time t2 when the absorption limit amount A is reached. This amount of absorption can be obtained indirectly by measuring the capacitance of the sensitizer and the like as described above.

도 10b는 첫번째 감응체를 통과한 직후의 배기 가스 내에서 산화 질소 가스의 농도를 나타낸다. 도 10b의 그래프를 살펴보면, 첫번째 감응체에서 흡수가 포화되는 시간 t2 이전에 산화 질소 가스 중 일부는 첫번째 감응체를 통과하는 것을 볼 수 있다. 이는 감응체에서의 흡수 반응이 포화에 가까워질수록 흡수가 가능한 영 역, 즉, 산화 질소 가스가 아직 흡수되지 않은 영역의 비율은 낮아지며, 이에 따라, 산화 질소 가스의 흡수 효율이 낮아지기 때문이다. 이와 같이, 감응체에 흡수되지 못하고 통과하는 산화 질소 가스가 있다면 본래의 농도보다 측정값이 낮아질 수 있으며, 이러한 문제를 해소하기 위해 두번째 감응체를 채용하였다. 따라서, 2개의 감응체 각각에서 전기용량 등에 관한 측정치를 수집하고, 얻어진 2개의 측정치를 종합적으로 해석함으로써 보다 정확하게 가스 농도를 측정할 수 있다.10B shows the concentration of nitrogen oxide gas in the exhaust gas immediately after passing through the first sensitive body. Looking at the graph of Figure 10b, it can be seen that some of the nitric oxide gas passes through the first sensitizer before time t2 when the absorption in the first sensitizer is saturated. This is because the closer the absorption reaction is to the saturation in the sensitizer, the lower the ratio of the region where absorption is possible, that is, the region in which the nitrogen oxide gas has not yet been absorbed, and thus the absorption efficiency of the nitrogen oxide gas is lowered. As such, if there is nitrogen oxide gas that passes through the absorber without being absorbed, the measured value may be lower than the original concentration, and the second inductor is employed to solve this problem. Therefore, the gas concentration can be measured more accurately by collecting the measurement value regarding the capacitance etc. in each of the two sensitive bodies, and comprehensively analyzing the two measurement values obtained.

도 11a의 그래프는 두번째 감응체에서의 산화 질소 가스 흡수량을 보이고 있으며, t3는 두번째 감응체에서 흡수가 포화되는 시점을 나타낸다. 첫번째 감응체를 통과한 산화 질소 가스는 두번째 감응체에 흡수되며, 특히, 첫번째 감응체가 포화되기 전에 통과된 산화 질소 가스가 흡수되도록하여 측정 정밀도를 높일 수 있다. 이 경우, 도 11b의 그래프를 보면, 두번째 감응체에도 흡수되지 못하는 산화 질소 가스가 존재할 수 있으므로, 정밀도 향상을 위해서 감응체를 더 배치할 수도 있을 것이다.The graph of FIG. 11A shows the amount of nitrogen oxide gas absorption in the second sensitizer, and t3 represents the time point at which the absorption is saturated in the second sensitizer. The nitric oxide gas that has passed through the first sensitive body is absorbed by the second sensitive body, and in particular, the measurement accuracy can be improved by allowing the nitric oxide gas passed through before the first sensitive body is saturated. In this case, referring to the graph of FIG. 11B, since there may be nitrogen oxide gas that cannot be absorbed in the second sensitive member, the sensitive member may be further disposed to improve the accuracy.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited only by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 2는 도 1의 가스 센서에서 감응체가 위치한 영역을 상부에서 바라본 개략적인 평단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of the gas sensor of FIG. 1 viewed from above. FIG.

도 3은 본 발명에서 채용될 수 있는 감응체의 구성을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 4 및 도 5는 감응체에서 가스가 각각 흡수 및 방출되는 원리를 나타낸다.Figure 3 schematically shows the configuration of the sensitizer that can be employed in the present invention, Figures 4 and 5 show the principle that the gas is absorbed and released in the sensitizer, respectively.

도 6 및 도 7은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 가스 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다.6 and 7 are schematic cross-sectional views showing a gas sensor according to an embodiment modified from the embodiment of FIG. 1.

도 8은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 가스 센서를 나타내는 개략적인 단면도이다.8 is a schematic cross-sectional view showing a gas sensor according to an embodiment modified from the embodiment of FIG. 1.

도 9 내지 11은 측정 시간에 따른 센서바디 내부의 특정 영역에서 산화 질소 가스의 농도 및 감응체에 흡수된 산화 질소 가스의 양을 나타내는 그래프이다.9 to 11 are graphs showing the concentration of nitric oxide gas and the amount of nitric oxide gas absorbed in the sensitive body in a specific region inside the sensor body according to the measurement time.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

101: 가스 유입구 102: 유량 제어부101: gas inlet 102: flow control unit

103: 댐핑부 104: 감응체103: damping unit 104: induction body

105: 전극 106: 상부바디105: electrode 106: upper body

107: 하부바디 108: 가열수단107: lower body 108: heating means

110, 112: 내부전극 111, 113: 외부전극110, 112: internal electrode 111, 113: external electrode

114, 환원 가스 유입구 121: 몸체부114, reducing gas inlet 121: body portion

122, 123: 제1 및 제2 물질122, 123: first and second materials

Claims

A sensor body having a gas inlet and a gas pumping portion and a gas passage therebetween;

A sensitizer disposed in the gas passage and chemically coupled to and absorbed by the gas to be measured introduced through the gas inlet, and having a material whose electrical characteristics change by such absorption; And

And a pair of electrodes connected to the sensitizer for measuring electrical characteristics of the sensitizer,

And the gas pumping part discharges gas to the outside, and a gas flow from the gas inlet to the gas pumping part is generated by the gas pressure lowered according to the gas discharge.

The method of claim 1,

The gas sensor is characterized in that formed on the entire cross-section of the gas passage.

The method of claim 1,

A plurality of the sensitizer is provided, characterized in that the gas sensor characterized in that spaced apart from each other on the path of the measurement target gas.

The method of claim 3,

And said plurality of sensitive bodies are arranged in series with each other.

The method of claim 1,

The gas sensor is characterized in that the phase is changed by absorbing the gas to be measured.

The method of claim 1,

The gas sensor characterized in that the electrical characteristic of the measurement target gas that is changed by absorbing the measurement target gas is at least one of capacitance and electrical resistance.

The method of claim 1,

Gas sensor, characterized in that it does not have any other path through which gas can be introduced therein other than the gas inlet.

The method of claim 1,

The gas sensor is characterized in that the nitrogen oxide gas.

The method of claim 8,

The gas sensor comprises a gas accumulator having a first material for converting nitrogen monoxide to nitrogen dioxide and a second material for chemically bonding to nitrogen dioxide and then releasing the combined nitrogen dioxide at a predetermined temperature or more.

10. The method of claim 9,

Wherein said first material is one selected from the group consisting of Pt, Au, and alloys thereof.

10. The method of claim 9,

And the second material is one selected from the group consisting of barium oxide, potassium oxide, and oxide of perovskite structure.

10. The method of claim 9,

The sensitizer is a gas sensor, characterized in that the first and the second material is formed on the surface, further comprising a body portion having a structure in which a plurality of protrusions formed on the surface.

10. The method of claim 9,

The sensitizer is a gas sensor, characterized in that the first and the second material is formed on the surface, further comprising a body portion made of a porous ceramic material.

The method of claim 1,

And an oxygen pumping part formed on a path of the gas to be measured between the gas inlet and the sensitive body.

The method of claim 1,

The gas pump is a gas sensor, characterized in that for discharging oxygen gas to the outside.

The method of claim 1,

The sensor body is a gas sensor, characterized in that consisting of a solid electrolyte.

The method of claim 16,

The gas pumping unit has an inner electrode and an outer electrode formed on the surface and the outer surface facing the gas passage of the sensor body, respectively.

The method of claim 1,

And the sensitizer absorbs the gas to be measured and releases the absorbed gas to be measured in a reducing atmosphere.

The method of claim 18,

And said reducing atmosphere is obtained by fuel injection or hydrogen gas of an automobile.

The method of claim 18,

A gas sensor further comprises a reducing gas inlet so as to form the sensitive body in a reducing atmosphere.