KR20110115621A - 가스 혼합물의 분석 장치 - Google Patents
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Abstract
본원에는 화학적 센서 및 화학적 센서 어레이 를 사용하여 다성분 가스계에서 NOx, 알루미나, 탄화수소, 일산화탄소 및 산소를 비롯한 각종 가스를 감지하고(거나) 그들의 존재 및 농도와 관련된 정보를 측정하는 장치가 개시되어 있다. 상기 센서 및 센서 어레이는 화학/전기 활성 물질을 사용하여 가스의 존재를 분석하고(거나) 검출한다.
Description
본 출원은 2003년 3월 26일에 출원된 미국 가출원 제457,745호 및 2003년 3월 26일에 출원된 미국 가출원 제457,761호의 이점을 청구하며, 상기 각각의 출원은 모든 목적상 그의 전문이 본원의 일부분으로서 포함된다.
본 발명은 화학적 센서 및 화학적 센서 어레이를 사용하여 다성분 가스계에서 NOx, 탄화수소, 일산화탄소 및 산소를 비롯한 각종 가스를 감지하고 분석하는 장치에 관한 것이다. 상기 센서 및 센서 어레이는 화학/전기 활성 물질을 사용하여 다성분 가스계내의 개별 가스의 존재를 검출하고(거나) 개별 가스의 농도를 계산한다.
특정 가스를 검출하기 위해서 화학적 감지 장치를 사용하는 것은 공지되어 있다. 특정 가스에 대한 선택성 및 민감성을 갖는 물질을 찾기 위한 수많은 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제4,535,316호에는 산소를 측정하기 위한 저항성 센서가 개시되어 있다 (추가로 문헌 [H. Meixner et al., Sensors and Actuators, B 33 (1996) 198-202] 참조). 검출되는 각각의 가스에 대하여 상이한 물질이 사용되어야 한다는 것은 명백하다. 그러나, 가스가 다성분 계의 일부분인 경우, 혼합물의 다양한 성분 가스에 대한 물질의 교차-민감성으로 인하여 1종의 물질을 사용하여 특정 가스를 검출하는 것은 어렵다.
다성분 가스계의 한가지 예는 산소, 일산화탄소, 질소 산화물, 탄화수소, CO2, H2S, 이산화황, 수소, 수증기, 할로겐 및 암모니아를 포함할 수 있는 연소 가스 배출물이다 (문헌 [H. Meixner et al., Fresenius' J. Anal . Chem., 348 (1994) 536-541] 참조). 다수의 연소 공정에서는, 가스 배출물이 연방 및 주정부의 공기 품질 법규에 의해서 확립된 요건을 충족시키는지 여부를 측정할 필요가 있다. 이러한 필요성에 맞는 다양한 유형의 가스 센서가 개발되었다. 예를 들어, 전기화학적 산소 센서가 개시되어 있는 미국 특허 제5,630,920호; 산소 및 질소 산화물을 검출하기 위한 센서가 개시되어 있는 미국 특허 제4,770,760호; 및 산소를 측정하기 위한 저항성 센서가 개시되어 있는 미국 특허 제4,535,316호를 참조한다. 연소 가스 배출물과 같은 혼합물의 2종 이상의 성분을 동시에 분석하여 예를 들어, 혼합물 중의 임의의 가스를 분리할 필요 없이 가스와 센서의 직접적인 접촉에 의해서 생성된 데이타만으로 농도를 계산할 수 있는 것이 유리할 것이다. 선행 기술의 방법들은 일반적으로 이러한 필요성을 충족시키지 못한다.
또한 식품 및 다른 비교적 저온 적용 분야로부터 발생되는 가스를 검출하는 다수의 센서들이 개시되어 있다 (문헌 [K. Albert et al., Chem . Rev ., 200 (2000) 2595-2626] 참조). 또한, 450℃ 이하에서 다양한 연소 가스를 검출하는 데 사용하기 위한 몇개의 비도핑 및 도핑된 산화주석 센서의 어레이가 개시되어 있으며 (문헌 [C. Di Natale et al., Sensors and Actuators, B20 (1994) 217-224]; 및 [J. Getino et al., Sensors and Actuators, B33 (1996) 128-133] 참조), 산화주석 기재 센서 어레이의 반응에 대한 작동 온도의 영향이 450℃ 이하에서 연구되었다 (문헌 [C. Di Natale et al., Sensors and Actuators B23 (1995) 187-191] 참조). 그러나, 화학적 센서를 사용하여 연소 가스를 모니터링하는 고온 및 고 부식성 환경하에서는, 저온 용도로 개발된 센서 어레이의 성능을 변경시키거나 손상시킬 수 있다. 따라서, 고온 환경은 본 기술 분야에서 이미 공지된 것 이외에 그러한 까다로운 조건에서 화학 및 열적으로 모두 안정하며 목적하는 가스에 대하여 측정가능한 반응을 유지시키는 물질을 필요로 한다.
이러한 필요성을 충족시키면, 화학적 센서를 사용하여 자동차 배기물과 같은 연소 배출물을 측정하고, 이들 배출물이 기능상 및 지정된 요건에 부합하는지 여부를 측정할 수 있게 된다. 또한, 놀랍게도 자동차 배기 가스와 같은 고온 가스를 분석하는데 유용한 본 발명의 장치는 저온 가스를 분석할 때와 동등한 효과로 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명은 (i) 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이를 포함하는 화학적 센서를 다성분 가스계에 노출시켜 반응을 검출하고, 각각의 화학/전기 활성 물질의 반응을 직접 측정하는 단계를 포함하는, 다성분 가스계에서 가스 성분을 직접 감지하는 방법을 제공한다. 바람직하게는, 화학/전기 활성 물질은 반도체성 물질이며, 다성분 가스계는 연소 공정 배출물이다. 측정되는 반응은 전기용량, 전압, 전류, AC 임피던스 또는 DC 저항의 측정일 수 있다.
또한, 본 발명은 기판, 상기 기판 상의 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이 및 다성분 가스계내의 분석물 (analyte) 가스 성분(들)에 노출될 때 상기 화학/전기 활성 물질로부터의 반응을 검출하는 수단을 포함하는, 다성분 가스계에서 가스 성분의 존재를 직접 감지하기 위한 화학적 센서를 제공한다. 바람직하게는, 화학/전기 활성 물질은 반도체성 물질이며, 다성분 가스계는 연소 공정 배출물이다. 검출되는 반응은 전기용량, 전압, 전류, AC 임피던스 또는 DC 저항과 같은 전기적 특성일 수 있다. 장치는 추가로 하우징, 검출되는 반응을 측정하는 수단 및 분석물 가스 성분(들)의 존재 및(또는) 농도를 확인하기 위해 측정된 반응의 결과를 분석하는 수단을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 침착된 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이, 다성분 가스 성분(들)에 노출될 때 상기 화학/전기 활성 물질의 전기적 특성 변화를 검출하는 수단, 상기 가스 성분(들)의 존재 및(또는) 농도를 확인하기 위해서 검출된 전기적 특성 변화의 결과를 분석하는 수단 및 하우징을 포함하는, 다성분 가스계내의 가스 성분(들)의 존재 및(또는) 농도를 직접 감지하는 화학적 센서 장치를 제공한다. 화학/전기 활성 물질은 반도체성 물질일 수 있다.
본 발명의 또다른 실시양태는 (a) 각각의 화학/전기 활성 물질이 가스 혼합물에 노출될 때 다른 화학/전기 활성 물질 각각과는 상이한 전기적 반응 특성을 나타내는 3종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이, (b) 상기 어레이가 가스 혼합물에 노출될 때 각각의 화학/전기 활성 물질의 전기적 반응을 측정하는 수단 및 (c) i) 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 제1 군의 반응으로부터 혼합물내의 가스의 부분군 (subgroup)의 존재를 검출하고, (ii) 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 제2 군의 반응으로부터 혼합물내의 개별 성분 가스의 존재를 검출하는 수단을 포함하는, 다성분 가스 혼합물의 분석 장치이다.
본 발명의 또다른 실시양태는
(a) 각각의 화학/전기 활성 물질이 소정의 온도에서 가스 혼합물에 노출될 때 다른 화학/전기 활성 물질 각각과는 상이한 전기적 반응 특성을 나타내는 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이 및
(b) 상기 어레이가 가스 혼합물에 노출될 때 각각의 화학/전기 활성 물질의 전기적 반응을 측정하기 위한 수단을 포함하며,
상기 화학/전기 활성 물질은
(i) M1Ox를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
(ii) M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
(iii) M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택되고,
여기서, M1은 Al, Ce, Cr, Cu, Fe, Ga, Mn, Nb, Nd, Ni, Pr, Sb, Sn, Ta, Ti, W 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M2 및 M3은 각각 독립적으로 Ga, La, Mn, Ni, Sn, Sr, Ti, W, Y, Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M1 aM2 bOx에서의 M1 및 M2는 각각 상이하고, M1 aM2 bM3 cOx에서의 M1, M2 및 M3은 각각 상이하고,
a, b 및 c는 각각 독립적으로 약 0.0005 내지 약 1이고,
x는 존재하는 산소가 화학/전기 활성 물질에서의 다른 원소의 전하와 균형을 맞추기에 충분한 수인, 다성분 가스 혼합물의 분석 장치이다.
다양한 특정 실시양태에서, 상기 장치는 원할 경우,
화학/전기 활성 물질을 약 500℃의 최소 온도 또는 그 이상으로 연속적으로 유지시키기 위한 가열기 및
화학/전기 활성 물질의 개별적인 전기적 반응이외에는, 가스 혼합물에 관한 어떠한 정보 없이, 가스 혼합물 중의 성분의 존재 또는 농도에 관한 측정치를 얻기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 가스 혼합물 중의 1종 이상의 성분의 존재 또는 상대 농도에 관한 정보를 측정하는 것과 같은 가스의 분석 방법, 또는 본 발명의 장치를 제공하고(거나) 사용함으로써 공정 또는 장치의 작동을 제어하는 방법을 제공한다.
도 1은 화학/전기 활성 물질의 어레이를 도시한 것이다.
도 2는 화학/전기 활성 물질의 어레이에서 16개의 블랭크 웰 (blank well)을 형성하는 유전체 오버층 (dielectric overlayer)으로 피복된 서로 맞물린 전극의 패턴의 개략도이다.
도 3은 화학/전기 활성 물질의 어레이에서 전극 패턴, 유전체 패턴 및 센서 물질 패턴을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 장치에 의해 NOx의 농도를 측정하는 시험 가동 결과의 플롯이다.
도 2는 화학/전기 활성 물질의 어레이에서 16개의 블랭크 웰 (blank well)을 형성하는 유전체 오버층 (dielectric overlayer)으로 피복된 서로 맞물린 전극의 패턴의 개략도이다.
도 3은 화학/전기 활성 물질의 어레이에서 전극 패턴, 유전체 패턴 및 센서 물질 패턴을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 장치에 의해 NOx의 농도를 측정하는 시험 가동 결과의 플롯이다.
본 발명은 가변적 온도 조건하에서 다성분 가스계내의 1종 이상의 분석물 가스를 직접 감지하는 방법 및 장치에 관한 것이다. "직접 감지"는 가스-감지 물질의 어레이가 유동 가스의 스트림과 같은 다성분 가스계를 구성하는 가스의 혼합물에 노출되는 것을 의미한다. 어레이는 원할 경우 가스 혼합물내에, 보다 구체적으로 가스 혼합물의 공급원내에 배치될 수 있다. 별법으로, 어레이는 다른 위치에 있는 가스 혼합물의 공급원으로부터 가스 혼합물이 향하게 되는 챔버내에 존재할 수 있다. 가스가 어레이가 위치한 챔버로 향하게 되는 경우, 가스 혼합물은 배관, 도관 또는 임의의 다른 적합한 가스 송달 장비에 의해서 챔버내에 도입되고, 챔버로부터 제거될 수 있다.
반응은 가스-감지 물질이 다성분 가스 혼합물에 노출될 때 수득될 수 있으며, 반응은 가스 혼합물 중의 1종 이상의 분석물 가스 그 자체의 농도의 함수일 것이다. 센서 물질은 분석물 가스의 각각에 동시에 (또는 실질적으로 동시에) 노출될 것이며, 혼합물 및(또는) 그의 1종 이상의 분석물 성분을 분석할 수 있도록 하기 위해서 분석물 기체를 다성분 가스 혼합물로부터 물리적으로 분리할 필요는 없다. 본 발명은 예를 들어, 가변적 온도에서 자동차 배기 가스와 같은 가스 혼합물 중의 산소, 일산화탄소, 질소 산화물, 부탄과 같은 탄화수소, CO2, H2S, 이산화황, 할로겐, 수소, 수증기, 유기-인 가스 및 암모니아와 같은 연소 가스에 대한 반응을 얻어서, 이들의 농도를 검출하고(거나) 측정하기 위해서 사용될 수 있다.
본 발명은 예를 들어, 계내의 1종 이상의 개별 분석물 가스 성분의 존재를 검출하고(거나) 농도를 계산하기 위한 반응을 얻기 위해서, 가스 혼합물 및(또는) 그의 성분을 분석하는 감지 물질의 어레이를 이용한다. "어레이"는 예를 들어 도 1에 나타낸 바와 같이 공간적으로 분리된 2종 이상의 상이한 물질을 의미한다. 어레이는, 예를 들어 3, 4, 5, 6, 8, 10 또는 12종, 또는 원하는대로 이보다 크거나 작은 다른 갯수의 가스-감지 물질을 함유할 수 있다. 분석할 혼합물 중의 개별 가스 또는 가스 부분군의 각각에 대해서 1종 이상의 센서 물질이 제공되는 것이 바람직하다. 그러나, 혼합물 중의 개별 가스 성분 및(또는) 특정 가스 부분군에 반응성인 1종 초과의 센서 물질이 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 또는 12종 이상의 센서 군이 혼합물 중의 1종 이상의 개별 성분 가스 및(또는) 1종 이상의 가스 부분군의 존재를 검출하고(거나), 농도를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 구성원을 가지거나 갖지 않을 수 있는 센서의 군을 사용하여 혼합물 중의 개별 가스 성분 또는 가스의 부분군인 분석물에 대한 반응을 얻을 수 있다. 부분군으로서의 분석물인 가스 부분군은 그 자체가 또한 분석물인 개별 가스를 구성원으로서 함유하거나 함유하지 않을 수 있다.
본 발명은 가스 스트림내에 존재하는 것으로 예상되는 가스를 검출하는데 유용하다. 예를 들어, 연소 공정에서 존재할 것으로 예상되는 가스에는 산소, 질소 산화물 (예를 들어, NO, NO2, N2O 또는 N2O4), 일산화탄소, 탄화수소 (예를 들어, CnH2n +2, 이는 포화 또는 불포화일 수 있거나, 임의로 헤테로 원자로 치환될 수 있음; 및 그의 고리 및 방향족 유사체), 암모니아 또는 황화수소, 이산화황, CO2 또는 메탄올이 포함된다. 다른 목적하는 가스에는 알코올 증기, 용매 증기, 수소, 수증기, 및 포화 및 불포화 탄화수소, 에테르, 케톤, 알데히드, 카르보닐, 생물 분자 및 미생물로부터 유도된 것이 포함될 수 있다. 목적하는 분석물인 다성분 가스 혼합물의 성분은 일산화탄소와 같은 개별 가스일 수 있거나, 질소 산화물 (NOx) 또는 탄화수소와 같은 혼합물에 함유되는 가스의 전부는 아닌 일부의 부분군일 수 있거나, 또는 1종 이상의 개별 가스 및 1종 이상의 부분군의 조합일 수 있다. 가스 부분군이 분석물인 경우, 화학/전기 활성 물질은 부분군의 구성원의 다성분 가스 혼합물내의 전체 농도에 대해 함께 반응할 것이다.
화학/전기 활성 물질이 노출되는 혼합물내에 함유되어 있는 분석물 가스(들)는 단일 가스, 가스들의 부분군, 또는 질소와 같은 불활성 가스와 혼합된 1종 이상의 가스 또는 부분군일 수 있다. 목적하는 특정 가스는 공여체 및 수용체 가스이다. 이들은 일산화탄소, H2S 및 탄화수소와 같이 반도체성 물질에 전자를 공여하거나, O2, 질소 산화물 (통상적으로는 NOx로 표시됨) 및 할로겐과 같이 반도체성 물질로부터 전자를 수용하는 가스이다. 공여체 가스에 노출될 경우, n-형 반도체성 물질은 전기 저항이 감소되어 전류가 증가될 것이며, 따라서 I2R 가열에 기인한 온도의 상승을 나타낼 것이다. 수용체 가스에 노출될 경우, n-형 반도체성 물질은 전기 저항이 증가되어 전류가 감소될 것이며, 따라서 I2R 가열에 기인한 온도의 감소를 나타낼 것이다. p-형 반도체성 물질에 대해서는 각각의 경우에 반대 현상이 일어난다.
가스 농도의 측정과 같은, 이들 센서 물질을 사용한 가스 혼합물의 조성물 함량에 관한 정보는 1종 이상의 분석물 가스를 함유하는 혼합물에 센서 물질이 노출될 때 이 물질의 1종 이상의, 바람직하게는 각각 및 모두의 AC 임피던스와 같은 전기적 특성 변화를 기초로 얻을 수 있다. 또한 전기용량, 전압, 전류, 또는 AC 또는 DC 저항과 같은 센서 물질의 다른 전기적 특성 변화도의 관점에서 가스 혼합물의 분석이 수행될 수도 있다. DC 저항 변화는 예를 들어, 일정 압력에서 온도 변화를 측정함으로써 측정될 수 있다. 센서 물질의 이들 예시적 특성 중 하나의 변화는 가스 혼합물내의 분석물 가스의 부분압의 함수이며, 이것은 이후에 분석물 가스의 분자가 센서 물질의 표면 상에 흡착되어 그 물질의 전기적 반응 특성에 영향을 미치는 농도를 결정한다. 화학/전기 활성 물질의 어레이를 이용함으로써, 물질을 1종 이상의 분석물 가스를 함유하는 혼합물에 노출시킬 때 나타나는 각 반응의 패턴을 사용하여 동시에 직접적으로 다성분 가스계내의 1종 이상의 가스의 존재를 검출하고(거나) 농도를 측정할 수 있다. 또한 본 발명을 사용하여 가스계의 조성을 결정할 수 있다. 이 개념이 도 1에 개략적으로 예시되어 있으며, 하기에서 예시한다.
예시하기 위해, 센서 물질이 분석물 가스를 함유하는 혼합물에 노출되는 하기 이론적 예를 고려한다. 반응이 수득된 경우, 양성 (+)으로 표시되고, 반응이 수득되지 않는 경우, 음성 (-)으로 표시된다. 물질 1은 가스 1 및 가스 2에 대해서 반응하지만 가스 3에 대해서는 반응을 나타내지 않는다. 물질 2는 가스 1 및 가스 3에 대해서는 반응하지만 가스 2에 대해서는 반응을 나타내지 않으며, 물질 3은 가스 2 및 가스 3에 대해서는 반응하지만 가스 1에 대해서는 반응을 나타내지 않는다.
| 물질 1 | 물질 2 | 물질 3 | |
| 가스 1 | + | + | - |
| 가스 2 | + | - | + |
| 가스 3 | - | + | + |
따라서, 물질 1, 2 및 3으로 이루어지는 어레이가 미지의 가스에 대하여 하기의 반응을 나타내는 경우, 미지의 가스는 가스 2로 확인될 것이다.
| 물질 1 | 물질 2 | 물질 3 | |
| 미지의 가스 | + | - | + |
각각의 센서 물질의 반응은 분석물 가스의 혼합물내에서의 부분압, 및 따라서 분석물 가스의 농도 또는 분석물 가스의 부분군의 전체 농도의 함수일 것이며, 반응은 수치와 같은 처리될 수 있는 수치로서 정량화되고 기록될 수 있다. 이러한 경우, 하나 이상의 반응값을 사용하여 1종 이상의 분석물 가스의 혼합물내에서의 존재에 관한 정량적 정보를 생성할 수 있다. 다성분 가스계에서, 케모메트릭스 (chemometrics), 뉴랄 네트워크 (neural network) 또는 다른 패턴 인식 기술을 사용하여 상기 계의 혼합물 중의 1종 이상의 분석물 가스의 농도를 계산할 수 있다.
사용되는 감지 물질은 화학/전기 활성 물질이다. "화학/전기 활성 물질"은 혼합물내에서 1종 이상의 개별 가스에 대한 전기적 반응을 갖는 물질이다. 일부 금속 산화물 반도체성 물질, 이들의 혼합물, 또는 금속 산화물 반도체와 다른 무기 화합물과의 혼합물은 화학/전기-활성이며, 본 발명에서 특히 유용하다. 본원에서 사용되는 다양한 화학/전기 활성 물질 각각은 바람직하게는 혼합물 및(또는) 분석물 가스에 노출될 때 다른 화학/전기 활성 물질 각각과는 상이한 종류 및(또는) 정도의 전기적으로-검출가능한 반응을 나타낸다. 결과적으로, 적절하게 선택된 화학/전기 활성 물질의 어레이를 사용하여, 예를 들어 분석물 가스와 상호작용하거나, 분석물 가스를 감지하거나, 목적하지 않는 간섭 가스의 존재에도 불구하고 혼합물내에서 1종 이상의 분석물 가스 또는 부분군의 존재 및(또는) 농도를 측정함으로써 다성분 가스 혼합물을 분석할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 가스 감지 물질의 주성분의 몰％는 기타 성분들 각각의 몰％와 상이하다.
화학/전기 활성 물질은 임의의 유형일 수 있으나, 특히 유용한 것은 SnO2, TiO2, WO3 및 ZnO와 같은 반도체성 금속 산화물이다. 이들 특정의 물질은 그들의 화학 및 열적 안정성으로 인하여 유리하다. 화학/전기 활성 물질은 2종 이상의 반도체성 물질의 혼합물 또는 반도체성 물질과 무기 물질의 혼합물, 또는 이들의 조합물일 수 있다. 목적하는 반도체성 물질은 알루미나 또는 실리카와 같은 (그러나 이에 제한되지 않음) 절연체이며 다성분 가스 혼합물의 조건하에서 안정한 적합한 고체 기판 상에 침착될 수 있다. 이어서, 어레이는 기판 상에 침착된 센서 물질의 형태를 취한다. 다른 적합한 센서 물질에는 벌크 또는 박막 유형의 단결정 또는 다결정성 반도체, 무정형 반도체성 물질, 및 금속 산화물로 이루어지지 않은 반도체성 물질이 포함된다. 바람직한 실시양태에서, 기판은 지르코니아가 아니다.
다양한 실시양태에서, 기판은 Al2O3, AlN 및 소부분은 BeO 및 SiC로부터 제조된 고온 다층 세라믹일 수 있다. 그러나, Al2O3인 알루미나 함량이 조성물의 약 92 내지 96 중량％로 우세하다. 구조물은 층간 금속화된 세라믹의 다수개의 층 및 전기적 접촉을 위한 층을 관통하는 천공으로 이루어져 있다. 세라믹의 다수개의 층을 갖는 대형 모듈의 널리 공지된 용도는 IBM의 초창기 제품인 1983년의 메인프레임 컴퓨터용 "열 전도 모듈 (Thermal Conduction Module)" (TCM)이다. 상기 모듈은 33개의 층을 가지며, 133개의 실리콘 칩이 플립 칩 땜납에 의해 장착되었다.
이러한 유형의 비소결된 유연성 세라믹은 알루미나 분말, 유기 결합제 및 용매로 이루어진다. 물질은 하부의 운반 캐리어 상에 용기로부터 아래로 스프레딩된다. 세라믹 "테이프" ("그린 시트")는 정밀하게 제어된 거리에서 "닥터 블레이드 (doctor blade)" 아래를 통과시킴으로써 운반 캐리어 상에서 적절한 두께를 갖는다. 상기 테이프는 정확한 크기로 절단되고, 정공 및 성분 공동은 특정 생성물의 높은 생성 부피를 위해 수치 제어 천공기로 또는 영구적인 생성물 특이적 천공기로 천공된다. 천공의 금속화 및 전도체의 제조는 텅스텐 (또는 몰리브덴)의 스크린 프린팅에 의해 수행된다. 이것이 후속 소결 공정 동안 높은 공정 온도를 견딜 수 있는 유일한 금속이다. 모든 층은 결합제 및 용매를 증발시키기 위해 승온 (500 내지 600℃) 및 정수압 (또는 단축압)하에 함께 적층된다. 그 후, 전체 구조물은 1370 내지 1650℃에서 30 내지 50시간 동안 수소 대기하에 소결된다.
소형 회로의 경우에는, 수개의 모듈을 하나의 기판 상에 제조하고, 공정 말엽에 기판을 절단하여 개별 회로를 나눌 수 있다. 그 후, 기판에 대한 외부 접촉부를 납땜하고, 마지막으로 텅스텐의 상부에 확산 배리어로서 니켈을 갖는 표면을 도금할 수 있다. 도금은 전도체 패턴의 모든 부분에 대한 전기적 접촉이 이루어질 수 있다면, 충분한 두께 및 양호한 전도성을 얻기 위하여 전해질에서 수행되는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우, 화학적 도금을 사용한다.
공정 동안, 세라믹은 약 18％ 선형 수축된다. 이것은 회로 설계 동안 사이드웨이 및 두께에 있어서 고려되어야 하는 점이며, 특징적인 임피던스에 영향을 미친다. 수축이 물질 및 공정에 의존하기 때문에, 완성된 회로는 전형적으로 0.5 내지 1％의 선형 치수 공차를 갖는다. 이러한 세라믹 기판은 낮은 TCE, Si 및 GaAs 뿐만 아니라, 무연 SMD 성분에 대한 양호한 열 조화, 특징적인 임피던스에 대한 양호한 제어 및 양호한 고주파 특성을 갖는다. 각각의 층이 적층 전에 점검될 수 있고, 결점이 있는 층은 제거될 수 있기 때문에, 다층은 높은 제조 수율을 가질 수 있다. 단점으로는 내부층에서의 낮은 전기 전도성 (시트 저항성 약 15 mohm/sq) 및 지체를 유발시키는 고 유전 상수, 불량한 펄스 상승 시간 및 전력 손실 증가 및 매우 높은 주파수에서의 누화 (cross talk)가 있다.
1종 이상의 금속을 함유하는 화학/전기 활성 물질은 화합물 또는 고체 용액일 필요는 없지만, 개별 금속 및(또는) 금속 산화물의 다상 물리적 혼합물일 수 있다. 화학/전기 활성 물질이 형성되는 전구체 물질에 의한 고상 확산의 정도는 변할 수 있기 때문에, 최종 물질은 조성 구배를 나타낼 수 있고, 결정성이거나 무정형일 수 있다. 적합한 금속 산화물은 i) 약 400℃ 이상의 온도에서 약 1 내지 약 106 옴-㎝, 바람직하게는 약 1 내지 약 105 옴-㎝, 보다 바람직하게는 약 10 내지 약 104 옴-㎝의 저항을 가지며, ii) 목적하는 1종 이상의 가스에 대해 화학/전기적 반응을 나타내고, iii) 안정하며, 기계적 일체성을 갖는, 즉 기판에 부착할 수 있으며 작동 온도에서 분해되지 않는 것이다. 또한, 금속 산화물은 전구체 물질내에 존재하는 소량 또는 미량의 수화물 및 원소를 함유할 수 있다.
센서 물질은 기판에 대한 부착을 증진시키거나, 센서 물질의 전도성, 저항성 또는 선택성을 변화시키는 1종 이상의 첨가제를 임의로 함유할 수 있다. 센서 물질의 전도성, 저항성 또는 선택성을 변경시키는 첨가제의 예로는 Ag, Au 또는 Pt 뿐만 아니라, 프릿을 들 수 있다. 접착력을 증진시키는 첨가제의 예로는 가열시 유리 또는 에나멜로 변환되는 미분된 무기 광물질인 프릿, 또는 고체 상태에서 그의 무정형성을 유지하는 급속하게 켄칭된 유리를 들 수 있다. 프릿 전구체 화합물은 고온에서 용융되고, 보통 용융물을 물과 같은 유체에 급속하게 붓거나 회전 금속 롤러를 통해 부어서 켄칭시킨다. 전구체 화합물은 보통 산화물, 질산염 또는 탄산염과 같은 고체 화합물의 기계적 혼합물이거나, 용액으로부터 공침되거나 겔화될 수 있다. 프릿에 적합한 전구체 물질로는 알칼리 및 알칼리 토류 알루미노 실리케이트 및 알루미노-보로-실리케이트, 구리, 납, 인, 티타늄, 아연 및 지르코늄을 들 수 있다. 첨가제로서 프릿은 센서가 제조되는 화학/전기 활성 물질의 총부피의 30 부피％ 이하, 바람직하게는 10 부피％ 이하의 양으로 사용될 수 있다.
원할 경우, 또한 센서 물질은, 예를 들어 목적하는 가스의 산화를 촉매화시키거나, 특정 분석물 가스에 대한 선택성을 증진시키는 첨가제, 또는 n 반도체를 p 반도체로 전환시키거나 그 반대로 전환되는 1종 이상의 도판트 (dopant)를 함유할 수 있다. 이들 첨가제는 센서 물질로 제조되는 화학/전기 활성 물질의 30 중량％ 이하, 바람직하게는 10 중량％ 이하의 양으로 사용될 수 있다.
사용되는 임의의 프릿 또는 다른 첨가제들은 제조된 센서 물질을 통해서 균일하게 또는 균질하게 분포될 필요는 없고, 목적에 따라서 그의 특정 표면 상에 또는 표면에 근접하여 편재될 수 있다. 원할 경우, 각각의 화학/전기 활성 물질은 다공성 유전체 오버층으로 피복될 수 있다.
본 발명에서 센서 물질로서 사용되는 화학/전기 활성 물질은, 예를 들어 화학식 M1Ox, M1 aM2 bOx 또는 M1 aM2 bM3 cOx의 금속 산화물 또는 이들의 혼합물일 수 있으며,
여기서, M1, M2 및 M3은 500℃ 초과의 온도에서 산소의 존재하에 연소될 경우 안정한 산화물을 형성하는 금속이고,
M1은 주기율표 2 내지 15족 및 란탄족으로부터 선택되고,
M2 및 M3은 각각 독립적으로 주기율표 1 내지 15족 및 란탄족으로부터 선택되고,
M1 aM2 bOx에서의 M1 및 M2는 동일하지 않고, M1 aM2 bM3 cOx에서의 M1, M2 및 M3은 동일하지 않고,
a, b 및 c는 각각 독립적으로 약 0.0005 내지 약 1 범위내에 있고,
x는 존재하는 산소가 화학/전기 활성 물질에 존재하는 다른 원소의 전하와 균형을 맞추기에 충분한 수이다.
특정 바람직한 실시양태에서, 금속 산화물 물질은
M1이 Ce, Co, Cu, Fe, Ga, Nb, Nd, Ni, Pr, Ru, Sn, Ti, Tm, W, Yb, Zn 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고(거나);
M2 및 M3이 각각 독립적으로 Al, Ba, Bi, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, K, La, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Ni, Pb, Pr, Rb, Ru, Sb, Sc, Si, Sn, Sr, Ta, Ti, Tm, V, W, Y, Yb, Zn 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 것이되;
M1 aM2 bOx에서의 M1 및 M2는 동일하지 않고, M1 aM2 bM3 cOx에서의 M1, M2 및 M3은 동일하지 않은 것을 포함할 수 있다.
다른 특정 바람직한 실시양태에서, 금속 산화물 물질은
M1Ox가 CeOx, CoOx, CuOx, FeOx, GaOx, NbOx, NiOx, PrOx, RuOx, SnOx, TaOx, TiOx, TmOx, WOx, YbOx, ZnOx, ZrOx, Ag 첨가제를 갖는 SnOx, Ag 첨가제를 갖는 ZnOx, Pt 첨가제를 갖는 TiOx, 프릿 첨가제를 갖는 ZnOx, 프릿 첨가제를 갖는 NiOx, 프릿 첨가제를 갖는 SnOx 또는 프릿 첨가제를 갖는 WOx이고(거나);
M1 aM2 bOx가 AlaCrbOx, AlaFebOx, AlaMgbOx, AlaNibOx, AlaTibOx, AlaVbOx, BaaCubOx, BaaSnbOx, BaaZnbOx, BiaRubOx, BiaSnbOx, BiaZnbOx, CaaSnbOx, CaaZnbOx, CdaSnbOx, CdaZnbOx, CeaFebOx, CeaNbbOx, CeaTibOx, CeaVbOx, CoaCubOx, CoaGebOx, CoaLabOx, CoaMgbOx, CoaNbbOx, CoaPbbOx, CoaSnbOx, CoaVbOx, CoaWbOx, CoaZnbOx, CraCubOx, CraLabOx, CraMnbOx, CraNibOx, CraSibOx, CraTibOx, CraYbOx, CraZnbOx, CuaFebOx, CuaGabOx, CuaLabOx, CuaNabOx, CuaNibOx, CuaPbbOx, CuaSnbOx, CuaSrbOx, CuaTibOx, CuaZnbOx, CuaZrbOx, FeaGabOx, FeaLabOx, FeaMobOx, FeaNbbOx, FeaNibOx, FeaSnbOx, FeaTibOx, FeaWbOx, FeaZnbOx, FeaZrbOx, GaaLabOx, GaaSnbOx, GeaNbbOx, GeaTibOx, InaSnbOx, KaNbbOx, MnaNbbOx, MnaSnbOx, MnaTibOx, MnaYbOx, MnaZnbOx, MoaPbbOx, MoaRbbOx, MoaSnbOx, MoaTibOx, MoaZnbOx, NbaNibOx, NbaNibOx, NbaSrbOx, NbaTibOx, NbaWbOx, NbaZrbOx, NiaSibOx, NiaSnbOx, NiaYbOx, NiaZnbOx, NiaZrbOx, PbaSnbOx, PbaZnbOx, RbaWbOx, RuaSnbOx, RuaWbOx, RuaZnbOx, SbaSnbOx, SbaZnbOx, ScaZrbOx, SiaSnbOx, SiaTibOx, SiaWbOx, SiaZnbOx, SnaTabOx, SnaTibOx, SnaWbOx, SnaZnbOx, SnaZrbOx, SraTibOx, TaaTibOx, TaaZnbOx, TaaZrbOx, TiaVbOx, TiaWbOx, TiaZnbOx, TiaZrbOx, VaZnbOx, VaZrbOx, WaZnbOx, WaZrbOx, YaZrbOx, ZnaZrbOx, 프릿 첨가제를 갖는 AlaNibOx, 프릿 첨가제를 갖는 CraTibOx, 프릿 첨가제를 갖는 FeaLabOx, 프릿 첨가제를 갖는 FeaNibOx, 프릿 첨가제를 갖는 FeaTibOx, 프릿 첨가제를 갖는 NbaTibOx, 프릿 첨가제를 갖는 NbaWbOx, 프릿 첨가제를 갖는 NiaZnbOx, 프릿 첨가제를 갖는 NiaZrbOx, 프릿 첨가제를 갖는 SbaSnbOx, 프릿 첨가제를 갖는 TaaTibOx 또는 프릿 첨가제를 갖는 TiaZnbOx이고(거나);
M1 aM2 bM3 cOx가 AlaMgbZncOx, AlaSibVcOx, BaaCubTicOx, CaaCebZrcOx, CoaNibTicOx, CoaNibZrcOx, CoaPbbSncOx, CoaPbbZncOx, CraSrbTicOx, CuaFebMncOx, CuaLabSrcOx, FeaNbbTicOx, FeaPbbZncOx, FeaSrbTicOx, FeaTabTicOx, FeaWbZrcOx, GaaTibZncOx, LaaMnbNacOx, LaaMnbSrcOx, MnaSrbTicOx, MoaPbbZncOx, NbaSrbTicOx, NbaSrbWcOx, NbaTibZncOx, NiaSrbTicOx, SnaWbZncOx, SraTibVcOx, SraTibZncOx 또는 TiaWbZrcOx인 것을 포함할 수 있다.
다른 특정 바람직한 실시양태에서, 금속 산화물 물질은 제1 및 제2 화학/전기 활성 물질의 어레이에 있는 것을 포함할 수 있으며,
상기 화학/전기 활성 물질은
(i) 제1 물질이 M1Ox이고, 제2 물질이 M1 aM2 bOx이며,
(ii) 제1 물질이 M1Ox이고, 제2 물질이 M1 aM2 bM3 cOx이며,
(iii) 제1 물질이 M1 aM2 bOx이고, 제2 물질이 M1 aM2 bM3 cOx이며,
(iv) 제1 물질이 제1 M1Ox이고, 제2 물질이 제2 M1Ox이며,
(v) 제1 물질이 제1 M1 aM2 bOx이고, 제2 물질이 제2 M1 aM2 bOx이며,
(vi) 제1 물질이 제1 M1 aM2 bM3 cOx이고, 제2 물질은 제2 M1 aM2 bM3 cOx인 것으로 이루어진 군에서 한 쌍으로 선택되며,
여기서, M1은 Ce, Co, Cu, Fe, Ga, Nb, Ni, Pr, Ru, Sn, Ti, Tm, W, Yb, Zn 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M2 및 M3은 각각 독립적으로 Al, Ba, Bi, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, K, La, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Ni, Pb, Pr, Rb, Ru, Sb, Sc, Si, Sn, Sr, Ta, Ti, Tm, V, W, Y, Yb, Zn 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되되,
M1 aM2 bOx에서의 M1 및 M2는 동일하지 않고, M1 aM2 bM3 cOx에서의 M1, M2 및 M3은 동일하지 않고,
a, b 및 c는 각각 독립적으로 약 0.0005 내지 약 1이며,
x는 존재하는 산소가 화학/전기 활성 물질에 존재하는 다른 원소의 전하와 균형을 맞추기에 충분한 수이다.
다른 특정 바람직한 실시양태에서, 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이는 (i) M1Ox를 포함하는 화학/전기 활성 물질, (ii) M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및 (iii) M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며,
여기서 M1은 Al, Ce, Cr, Cu, Fe, Ga, Mn, Nb, Nd, Ni, Pr, Sb, Sn, Ta, Ti, W 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M2 및 M3은 각각 독립적으로 Ga, La, Mn, Ni, Sn, Sr, Ti, W, Y, Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
M1 aM2 bOx에서의 M1 및 M2는 각각 상이하고, M1 aM2 bM3 cOx에서의 M1, M2 및 M3은 각각 상이하고,
a, b 및 c는 각각 독립적으로 약 0.0005 내지 약 1이고,
x는 존재하는 산소가 화학/전기 활성 물질에서의 다른 원소의 전하와 균형을 맞추기에 충분한 수이다.
예를 들어, M1은 Al, Cr, Fe, Ga, Mn, Nb, Nd, Ni, Sb, Sn, Ta, Ti 및 Zn으로 이루어진 군 또는 Ga, Nb, Ni, Sb, Sn, Ta, Ti 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. M2, M3 또는 M2 및 M3은 La, Ni, Sn, Ti 및 Zn으로 이루어진 군 또는 Sn, Ti 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
어레이는 다른 갯수, 예컨대 4, 5, 6, 7 또는 8종의 화학/전기 활성 물질을 함유할 수 있으며, 각각의 화학/전기 활성 물질은 예를 들어 상기 기재된 바와 같은 M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질일 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, 어레이는 다음과 같은 다른 종류의 물질의 군을 가질 수 있다:
(a) 어레이가 4, 5, 6, 7 또는 8종 이상의 화학/전기 활성 물질을 함유할 경우, 화학/전기 활성 물질은 (i) M1Ox를 포함하는 1종 이상의 화학/전기 활성 물질 및 (ii) 각각 M1 aM2 bOx를 포함하는 3, 4, 5, 6 또는 7종 이상의 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고;
(b) 어레이가 4, 5, 6, 7 또는 8종 이상의 화학/전기 활성 물질을 함유할 경우, 화학/전기 활성 물질은 (i) 각각 M1Ox를 포함하는 2종 이상의 화학/전기 활성 물질 및 (ii) 각각 M1 aM2 bOx를 포함하는 2, 3, 4, 5 또는 6종 이상의 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고;
(c) 어레이가 4, 5, 6, 7 또는 8종 이상의 화학/전기 활성 물질을 함유할 경우, 화학/전기 활성 물질은 (i) M1Ox를 포함하는 1종 이상의 화학/전기 활성 물질, (ii) 각각 M1 aM2 bOx를 포함하는 2, 3, 4, 5 또는 6종 이상의 화학/전기 활성 물질 및 (iii) M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 1종 이상의 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고;
(d) 어레이가 4, 5, 6, 7 또는 8종 이상의 화학/전기 활성 물질을 함유할 경우, 화학/전기 활성 물질은 (i) M1Ox를 포함하는 2종 이상의 화학/전기 활성 물질, (ii) 각각 M1 aM2 bOx를 포함하는 1, 2, 3, 4 또는 5종 이상의 화학/전기 활성 물질 및 (iii) M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 1종 이상의 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있거나;
(e) 어레이가 4, 5, 6, 7 또는 8종 이상의 화학/전기 활성 물질을 함유할 경우, 화학/전기 활성 물질은 (i) 각각 M1 aM2 bOx를 포함하는 3종 이상의 화학/전기 활성 물질 및 (ii) M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 1, 2, 3, 4 또는 5종 이상의 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 장치에 유용한 화학/전기 활성 물질은
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CeO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuO를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaWbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiO를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
WO3을 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상의 구성원으로부터 선택될 수 있으며,
여기서, a, b 및 c는 각각 독립적으로 약 0.0005 내지 약 1이고, x는 존재하는 산소가 화학/전기 활성 물질에서의 다른 원소의 전하와 균형을 맞추기에 충분한 수이다.
다음의 물질에 대하여, a, b 및 c에 대한 바람직한 범위는 대략 다음과 같다:
AlaNibOx에 대해, a = 0.005 내지 0.25 및 b = 0.75 내지 0.995;
CraMnbOx에 대해, a = 0.4 내지 0.6 및 b = 0.4 내지 0.6;
CraTibOx에 대해, a = 0.985 내지 0.9925 및 b = 0.0075 내지 0.025, 또는 a = 0.025 내지 0.075 및 b = 0.925 내지 0.975;
CraYaOx에 대해, a = 0.4 내지 0.6 및 b = 0.4 내지 0.6;
CuaGabOx에 대해, a = 0.4 내지 0.6 및 b = 0.4 내지 0.6;
CuaLabOx에 대해, a = 0.15 내지 0.45 및 b = 0.55 내지 0.85;
FeaLabOx에 대해, a = 0.965 내지 0.995 및 b = 0.005 내지 0.035;
FeaNibOx에 대해, a = 0.55 내지 0.85 및 b = 0.15 내지 0.45;
FeaTibOx에 대해, a = 0.4 내지 0.6 및 b = 0.4 내지 0.6;
GaaTibZncOx에 대해, a = 0.005 내지 0.015, b = 0.1 내지 0.3 및 c = 0.65 내지 0.95;
MnaTibOx에 대해, a = 0.4 내지 0.6 및 b = 0.4 내지 0.6;
NdaSrbOx에 대해, a = 0.925 내지 0.975 및 b = 0.025 내지 0.075;
NbaTibOx에 대해, a = 0.005 내지 0.15 및 b = 0.85 내지 0.995;
NbaTibZncOx에 대해, a = 0.005 내지 0.015, b = 0.1 내지 0.3 및 c = 0.65 내지 0.95;
NbaWbOx에 대해, a = 0.925 내지 0.975 및 b = 0.025 내지 0.075;
NiaZnbOx에 대해, a = 0.4 내지 0.97 및 b = 0.03 내지 0.6;
SbaSnbOx에 대해, a = 0.025 내지 0.075 및 b = 0.925 내지 0.975;
TaaTibOx에 대해, a = 0.005 내지 0.15 및 b = 0.85 내지 0.995; 및
TiaZnbOx에 대해, a = 0.085 내지 0.175 및 b = 0.825 내지 0.915.
본 발명에 유용한 화학/전기 활성 물질은 또한 상기 목록에 기재된 전체군으로부터 임의의 하나 이상의 구성원을 제거함으로써 형성된 상기 군의 부분군으로부터 선택될 수 있다. 결론적으로, 화학/전기 활성 물질은 이 경우, 상기 목록에 기재된 전체군으로부터 형성될 수 있는 임의의 크기의 임의의 부분군으로부터 선택된 임의의 하나 이상의 구성원(들)일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 부분군은 상기 전체군으로부터 제거된 구성원을 제외시켜 부분군을 형성할 수 있다. 상기 목록에서 전체군으로부터 다양한 구성원을 제거하여 형성된 부분군은 또한 부분군을 형성하기 위해 제외된 전체군의 구성원이 부분군에 존재하지 않도록 전체군 중의 임의의 갯수의 구성원을 함유할 수 있다. 대표적인 부분군을 하기에 기재한다.
M10x를 포함하는 화학/전기 활성 물질은 예를 들어,
Ce02를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuO를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiO를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
Pr6011을 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
W03을 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 화학/전기 활성 물질 중에서, 원할 경우, M1Ox를 포함하는 다른 물질 또한 프릿 첨가제를 함유할 수 있지만,
Ce02를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상의 구성원이 프릿 첨가제를 함유할 수 있다.
M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 또는 M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질은
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaWbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 화학/전기 활성 물질 중에서, 원할 경우, M1 aM2 bOx를 포함하거나 M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 다른 물질 또한 프릿 첨가제를 함유할 수 있지만,
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaWbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상의 구성원이 프릿 첨가제를 함유할 수 있다.
본 발명의 장치에서, M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질은
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
FeaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 장치에서, M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 또는 M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질은
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NbaWbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraYbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaGabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuaLabOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
FeaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NbaWbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 장치에서, M1Ox를 포함하는 화학/전기 활성 물질, M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 또는 M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질은
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
GaaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
MnaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NbaTibZncOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 장치에서, M1Ox를 포함하는 화학/전기 활성 물질 또는 M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질은
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
SnO2를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NbaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
SbaSnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TaaTibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
TiaZnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
ZnO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
CuO를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuO를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
CuO를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
WO3을 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원, 또는
AlaNibOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CraMnbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
CuO를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
NdaSrbOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질,
Pr6O11을 포함하는 화학/전기 활성 물질 및
WO3을 포함하는 화학/전기 활성 물질로 이루어진 군 중 하나 이상 또는 모든 구성원으로부터 선택될 수 있다.
M1 aM2 bOx 또는 M1 aM2 bM3 cOx인 화학/전기 활성 물질을 형성하기 위하여, 성분 금속 산화물을 분말 형태로 n-프로판올과 혼합하고, 미세한 메쉬로 체질하고, 볼 (ball) 분쇄하거나, 롤 분쇄하거나, 뮐러 (Mueller) 유리 플레이트 믹서를 사용하여 페이스트로서 제조할 수 있다. 기판에 대해 화학/전기 활성 물질을 침착시키는 모든 방법이 적합하다. 침착을 위해서 사용되는 하나의 기술은 전극이 스크린 프린팅된 알루미나 기판 상에 반도체성 물질을 도포하는 것이다. 반도체성 물질은 기판에 대한 반도체성 물질의 핸드 페인팅, 물질의 웰내로의 피펫팅 (pipetting), 박막 침착 또는 후막 프린팅 기술에 의해서 전극의 상부에 침착될 수 있다. 대부분의 기술은, 이후에 850 내지 1050℃에서 소성 및 최종 연소를 수행하여 반도체성 물질을 소결시킨다.
기판을 전극 및 화학/전기 활성 물질로 스크린-프린팅하는 기술은 도 2 내지 3에 예시되어 있다. 도 2는 유전성 물질로 피복된 서로 맞물린 전극을 사용하여 화학/전기 활성 물질이 침착될 수 있는 블랭크 웰 (blank well)을 형성하는 방법을 도시하고 있다. 도 3은 기판의 양면 상에 프린팅되어 12-물질 어레이 칩을 제공하는 6종의 물질의 어레이에 대한 전극 스크린 패턴을 도시하고 있다. 2개의 전극은 평행으로 되어 있어서 이것은 단지 6종의 독특한 물질만을 보유한다. 도 3에 나타낸 어레이의 상부에서 하부로 고려하면, 상부 2종의 물질만이 접촉을 공유하는 스플릿 (split) 전극에 의해 동시에 입력될 수 있다. 그 아래의 것은 유전물질에 대한 스크린 패턴이며, 이것은 기판의 양면 상 전극의 상부에 스크린 프린팅되어, 가스에 대한 센서 물질의 민감성을 감소시키거나 단락을 야기시킬 수 있는 매진의 침착과 같이 가스 혼합물과의 접촉에 의한 물질의 오염을 방지한다. 그 아래의 것은 실제 센서 물질에 대한 스크린 패턴이다. 이것은 전극의 상부에 있는 유전체내의 정공내에서 프린팅된다. 1종 이상의 물질이 어레이에 사용되는 경우, 개별 물질은 한번에 하나씩 프린팅된다.
센서 물질의 두께와 같은 특성을 비롯한 어레이에서 제조되는 센서 물질의 기하 구조, 센서용 화합물 또는 조성물의 선택 및 어레이를 가로질러 적용되는 전압은 요구되는 민감도에 따라 달라질 수 있다. 원할 경우, 장치는 그의 사용 요건에 따라, 직경이 약 150 mm 이하 또는 약 100 mm 이하 또는 약 50 mm 이하 또는 약 25 mm 이하 또는 약 18 mm 이하인 원 크기의 개구부를 통해 통과될 수 있는 크기로 제조될 수 있다. 센서 물질은 바람직하게는 회로내에서 평행하게 연결되고, 이 회로에는 센서 물질을 가로질러 약 1 내지 약 20 볼트, 바람직하게는 약 1 내지 약 12 볼트의 전압이 적용된다.
언급한 바와 같이, 측정될 수 있는 전기적 반응 특성의 유형에는 AC 임피던스 또는 저항, 전기용량, 전압, 전류 또는 DC 저항이 포함된다. 측정되는 센서 물질의 전기적 반응 특성으로서 저항을 사용하여 가스 혼합물 및(또는) 그의 성분의 분석을 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 적합한 센서 물질은 약 400℃ 이상의 온도에서 약 1 옴-㎝ 이상, 바람직하게는 약 10 옴-㎝ 이상, 그러나 약 106 옴-㎝ 이하, 바람직하게는 약 105 옴-㎝ 이하, 보다 바람직하게는 약 104 옴-㎝ 이하의 저항을 갖는 것일 수 있다. 또한, 이러한 센서 물질은 바람직하게는 약 400℃ 이상의 온도에서 가스 혼합물에 노출될 때, 노출되지 않을 때의 전기 저항에 비해 약 0.1 ％ 이상, 바람직하게는 약 1 ％ 이상의 저항 변화를 나타내는 특징을 가질 수 있다.
목적하는 혼합물 및(또는) 가스 성분을 분석할 목적으로 측정되는 반응 특성의 유형과는 무관하게, 반응 특성의 정량화된 수치가 장기간에 걸쳐 안정한 센서 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 센서 물질이 분석물을 함유하는 혼합물에 노출될 경우, 분석물의 농도는 이 분석물이 함유된 특정 가스 혼합물의 조성의 함수이고, 센서 물질의 반응값은 일정한 온도에서 장기간에 걸쳐 혼합물에 노출되는 동안 바람직하게는 일정하게 유지되거나 또는 단지 작은 범위로만 변할 것이다. 예를 들어, 반응 수치는 변한다 하더라도 약 1 분 이상의 기간, 바람직하게는 약 1 시간 이상, 바람직하게는 약 10 시간 이상, 보다 바람직하게는 약 100 시간 이상, 가장 바람직하게는 약 1000 시간 이상과 같은 수 시간의 기간에 걸쳐서 약 20％ 이하, 바람직하게는 약 10％ 이하, 보다 바람직하게는 약 5％ 이하, 가장 바람직하게는 약 1％ 이하로 변할 것이다. 상기 기재된 센서 물질의 유형의 장점 중의 하나는 이들이 이러한 정도의 반응 안정성을 특징으로 한다는 점이다.
어레이가 가스 혼합물에 노출될 때 각각의 화학/전기 활성 물질에 대한 전기적 반응이 측정되고, 반응을 측정하는 수단은 센서 물질을 상호연결하는 전도체를 포함한다. 전도체는 전기 신호 형태로 센서 물질에 의해 나타나는 반응을 측정하고 기록하는데 적합한 데이타 획득 및 조작 장치를 비롯한 전기 입력 및 출력 회로에 교대로 연결되어 있다. 저항과 관련한 측정과 같은 반응값은 신호 크기로 표시될 수 있다. 분석물이 1종 이상의 개별 가스 및(또는) 1종 이상의 가스 부분군인지에 관계없이 혼합물내의 각각의 분석물 성분에 대해 하나 이상의 신호가 센서 어레이에 의해 생성될 수 있다.
전기적 반응은 다른 화학/전기 활성 물질의 각각의 것과 별도로 개별 화학/전기 활성 물질에 대해 측정된다. 이는, 멀티플렉서 (multiplexer)를 사용하여 전류를 순차적으로 각각의 화학/전기 활성 물질에 접근시켜, 예를 들어 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 한 물질과 다른 물질을 구별하는 신호를 제공함으로써 수행될 수 있다. 결론적으로 어떠한 화학/전기 활성 물질도 임의의 다른 물질과 직렬 회로로 접합되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 전류를 화학/전기 활성 물질로 보내는 전극은 1종 이상의 물질과 접촉되도록 배치될 수 있다. 전극은 어레이내의 화학/전기 활성 물질의 모두 또는 일부와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 어레이가 12종의 화학/전기 활성 물질을 가질 경우, 전극은 화학/전기 활성 물질의 2, 3, 4, 5 또는 6종 (또는, 임의로 각각의 경우에서 그 이상)의 군의 각각의 구성원과 접촉할 수 있다. 전극은 전류가 순차적으로 이러한 화학/전기 활성 물질의 군의 각각의 구성원을 통과하도록 배치되는 것이 바람직할 것이다.
프린팅된 회로와 같은 전도체를 사용하여 전압 공급원을 센서 물질에 연결시킬 수 있고, 전압이 센서 물질을 가로질러 적용될 경우, 상응하는 전류는 물질을 통해 생성된다. 전압이 AC 또는 DC일 수 있지만, 전압의 크기는 전형적으로 일정하게 유지될 것이다. 생성된 전류는 센서 물질의 적용 전압 및 저항 모두에 비례한다. 물질의 반응은 전류, 전압 또는 저항 형태로 측정될 수 있고, 이를 실행하기 위한 수단으로는 정밀 저항기, 필터링 축전기 및 연산 증폭기 (예를 들어, OPA4340)와 같은 상업용 아날로그 회로 성분이 있다. 전압, 전류 및 저항 각각이 나머지 2가지의 전기적 특성에 대해 알고 있는 함수일 때, 하나의 특성에 대한 양은 다른 것으로 용이하게 전환될 수 있다.
저항은, 예를 들어 전기적 반응의 디지탈화와 관련하여 측정될 수 있다. 전기적 반응을 디지탈화하기 위한 수단으로는 당업계에 공지된 바와 같은 아날로그 대 디지탈 (A/D) 컨버터가 있고, 예를 들어 콤퍼레이터의 작동과 관련된 전기적 성분 및 회로를 포함할 수 있다. 센서 물질을 가로질러 전압을 적용하는 결과로서 상기 기재된 바와 같이 유래된, 전압 신호 형태의 전기적 반응이 콤퍼레이터 섹션 (예를 들어, LM339)으로의 입력 데이타로서 사용된다. 콤퍼레이터로의 다른 입력 데이타는 연산 증폭기 (예를 들어, LT1014) 및 외부 트랜지스터 (예를 들어, PN2007a)로부터 형성된 일정한 전류 공급원을 사용하여 축전기를 충전함으로써 생성된 선형 경사 (ramp)에 의해 유도된다. 경사는 마이크로컴퓨터 (예를 들어, T89C51CC01)에 의해 제어 및 모니터링된다. 또한, 제2 콤퍼레이터 섹션은 경사 전압에 의해 작동되지만, 정확한 기준 전압과 비교된다. 마이크로컴퓨터는 경사의 시작에서 콤퍼레이터의 활성까지 경과된 시간을 포착하여 계산된 시간을 기준으로 신호를 생성한다.
그 후, 센서 물질의 저항은 공지된 참조 (look-up) 전압 및 궁극적으로 참조 전압의 함수인 저항에 상응하는 시간 신호에 대한 물질의 전압 출력으로부터 유도된 시간 신호의 비로부터 마이크로컴퓨터에 의해 계산되거나, 수치로서 정량화된다. T89C51CC01과 같은 마이크로프로세서 칩은 이러한 기능을 위해 사용될 수 있다. 또한, 마이크로프로세서 칩은 상기에서 측정된 저항을, 사전에 측정된 저항값과 비교함으로써 센서 물질의 저항 변화를 측정하는 수단으로서 사용될 수 있다.
임피던스 또는 전기용량과 같은 전기적 특성은, 예를 들어 임피던스 계량기, 전기용량 계량기 또는 인덕턴스 계량기와 같은 회로 성분의 사용에 의해 측정될 수 있다.
화학/전기 활성 물질의 어레이의 온도를 디지탈화하는 수단에는, 예를 들어 온도 측정 장치의 물리적 특성, 상태 또는 조건의 대표적인 신호를 계산된 시간을 기준으로 신호로 전환시키는, 상기 기재된 바와 같은 성분들이 포함된다.
일 실시양태에서, 다성분 가스 혼합물의 분석은 상기 기술한 방식에서 저항과 같은 전기적 반응의 발생시 완결된다. 센서 물질이 가스 혼합물에 노출될 때 나타내는 저항의 측정이 1종 이상의 성분 가스의 혼합물내 부분압의 함수이므로, 측정된 저항은 가스 혼합물의 조성에 대한 유용한 정보를 제공한다. 예를 들어, 정보는 특정 가스 또는 가스 부분군의 혼합물내에서의 존재 또는 부재를 나타낼 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서 1종 이상의 특정 성분 가스 또는 가스 부분군의 혼합물내의 농도에 관한 정보를 수득하거나, 1종 이상의 성분 가스 또는 부분군의 혼합물내의 실제 농도를 계산하는 데 필요한 방식으로 전기적 반응을 조작하거나, 추가로 조작하는 것이 바람직할 수 있다.
1종 이상의 개별 성분 가스 및(또는) 1종 이상의 가스 부분군의 혼합물내의 상대적인 농도에 관한 정보를 수득하거나, 혼합물내에서 1종 이상의 개별 성분 가스 및(또는) 부분군의 존재를 검출하거나, 실제 농도를 계산하는 수단은 PLS (잠재 시스템으로의 투영; Projection onto Latent Systems) 모델, 역-전파 (back-propagation) 뉴랄 네트워크 모델 또는 이들 둘의 조합을 혼입한 모델링 알고리즘을 신호 전-처리 및 출력 후-처리와 함께 포함할 수 있다. 신호 전-처리는 주성분 분석, 단순한 선형 변환 및 크기조정, 대수 및 자연 대수 변환, 원 신호 수치의 차 (예를 들어, 저항) 및 대수값의 차를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 알고리즘은 매개변수가 사전에 측정되고, 전-처리된 입력 신호 및 목적하는 종의 가스 농도와 관련된 정보 사이의 관계를 경험적으로 모델링하는 모델을 함유한다. 출력 후-처리는 상기 기재된 모든 작업은 물론 그의 역작업을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
모델은 상수, 계수 또는 다른 인자들이 분석할 혼합물 중의 성분으로서 존재할 것으로 예상되는 특정 개별 가스 또는 부분군에 대한 개별 센서 물질의 정확하게 측정된 전기적 반응 특성의 미리 측정된 수치로부터 유도되는 수학식을 사용하여 설계된다. 수학식은 가스 혼합물에 센서 물질이 노출될 때 나타내는 전기적 반응과 구별되는 별개의 수치로서 온도를 고려하는 임의의 방식으로 작성될 수 있다. 어레이내의 각각의 개별 센서 물질은 혼합물 중의 성분 가스 또는 부분군 중 1종 이상에 대한 그의 반응에 있어서 다른 센서들 각각과는 상이하며, 센서 각각의 이러한 상이한 반응을 측정하고 사용하여 모델에 사용되는 수학식을 작성한다.
어레이내에서의 온도 변화는 센서 물질의 전기적 반응 특성, 예를 들어 저항의 정량화된 수치 변화로 나타날 수 있다. 목적하는 가스의 혼합물 중에서의 일정한 부분압에서, 센서 물질의 전기적 반응 특성의 수치는 어레이의 온도 및 이에 따른 물질의 온도 변화에 따라서 달라질 수 있다. 전기적 반응 특성의 수치의 이러한 변화는 온도의 변화 및 이에 따른 온도에 대한 수치의 변화의 정도를 결정하거나 측정하기 위한 목적으로 측정될 수 있다. 이러한 온도의 측정은 가스 혼합물의 조성 함량과 관련된 정보와 무관하게 이루어지는 것이 바람직하다. 이것은 온도를 결정하는 추가의 목적에 대한 조성 정보를 제공하는 센서를 사용하지 않고, 임의로 온도 측정 장치를 직렬보다는 병렬 회로로 센서 물질과 연결시킴으로써 수행될 수 있다. 온도를 측정하는 수단에는 열전쌍 또는 센서의 어레이와 통합된 고온계가 포함된다. 온도 결정 장치가 전형적으로 분석물 가스에 대해 반응하지 않는 물질인 서미스터인 경우, 서미스터는 임의의 가스 센서가 제조되는 물질과는 상이한 물질로부터 제조되는 것이 바람직하다. 온도 또는 온도의 변화가 측정되는 방법과는 무관하게, 어레이의 온도값 또는 온도의 정량화된 변화는 바람직하게는 디지탈화된 형태의 바람직한 입력이며, 이것으로부터 가스의 혼합물 및(또는) 그의 성분의 분석이 수행될 수 있다.
다양한 선행 기술과는 달리, 본 발명의 방법 및 장치에서는 분석을 수행할 목적으로, 예를 들어 막 또는 전해 전지에 의해 혼합물의 성분 가스를 분리시킬 필요가 없다. 또한, 본 발명을 이용하여 분석을 수행하는 경우, 예를 들어 반응 또는 분석 결과를 기준선 수치로 복귀시키거나, 반응 또는 분석 결과를 표준 상태와 관련하여 조정할 목적으로 표준 가스 (reference gas)를 사용할 필요가 없다. 각각의 개별 분석물 가스에 대한 각각의 개별 센서 물질의 노출에 대해서 지정된 표준화된 반응값을 측정하는 예비시험을 제외하고는, 센서 물질은 분석물 가스 및(또는) 부분군이 함유되는 혼합물에 대해서만 노출된다. 센서 물질은 분석물을 함유하는 혼합물로의 노출로부터 수득된 반응값과의 비교를 위한 반응값을 수득하기 위해서 임의의 다른 가스에 노출되지는 않는다. 따라서, 혼합물의 분석은 분석물을 함유하는 혼합물에 화학/전기 활성 물질이 노출될 때 수득되는 전기적 반응으로부터로만 연속 방식으로 수행된다. 분석물 가스 및(또는) 부분군에 대한 정보는 혼합물내에 함유된 분석물 그 자체 이외의 임의의 가스에 대한 센서 물질의 노출에 의해서는 추론되지 않는다. 따라서, 가스 혼합물 중의 성분의 존재 또는 농도와 관련된 측정치는 어레이 중의 화학/전기 활성 물질의 개별적인 전기적 반응이외에는, 가스 혼합물에 관한 어떠한 정보 없이 수득될 수 있다.
따라서, 본 발명은 전형적으로 약 400℃ 내지 약 1000℃의 범위인 자동차 배기계에서 발견되는 고온에서 유용하다. 그러나, 가솔린 및 디젤 내부 연소 엔진 이외에, 화학 제조, 발전, 폐기물 소각 및 공기 가열로부터 생성되는 것과 같은 모든 종류의 굴뚝 또는 버너 배출물을 비롯한, 다양한 다른 연소 공정에도 본 발명이 적용될 수 있다. 이들 적용 분야는 전형적으로 고부식 환경에서, ppm 내지 퍼센트 수준의 질소 산화물, 암모니아, 일산화탄소, 탄화수소 및 산소와 같은 가스의 검출을 필요로 한다.
다성분 가스 혼합물이 질소 산화물, 탄화수소, 암모니아 중 임의의 것 또는 모두, 또는 본원에 기재된 그 밖의 가스 중 임의의 것을 포함할 경우, 장치를 사용하여 다성분 가스 혼합물 중의 질소 산화물, 암모니아 및(또는) 탄화수소의 존재 및(또는) 농도를 측정할 수 있다. 또한 장치를 사용하여 다성분 가스 혼합물에 존재할 수 있는 본원에서 언급된 그 밖의 가스 중 임의의 1종 이상의 존재 및(또는) 농도를 측정할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명의 장치에서 M1Ox를 포함하는 화학/전기 활성 물질, M1 aM2 bOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 및 M1 aM2 bM3 cOx를 포함하는 화학/전기 활성 물질 중 1종 이상의 전기적 반응은 가스 혼합물내의 질소 산화물의 존재, 가스 혼합물내의 암모니아의 존재, 가스 혼합물내의 탄화수소의 존재, 가스 혼합물내의 모든 질소 산화물의 전체 농도, 가스 혼합물내의 암모니아의 농도 및(또는) 가스 혼합물내의 탄화수소의 농도 중 하나 이상과 관련될 수 있다. 본 발명의 장치에서 화학/전기 활성 물질 중 1종 이상의 전기적 반응은 또한 질소 산화물 및 암모니아의 존재 및(또는) 농도를 구별할 수 있으며, 연소 배출물 중 공기/연료 비인 람다를 측정하기 위해 사용될 수 있거나, 별도의 람다 센서와 조합될 수 있다.
본 발명은 또한 의료, 농업 또는 식음료 산업 또는 건물 또는 운송 수단의 환기계에서와 같이 냄새 검출이 중요하고(거나) 저온인 계와 같은 다른 계에서 가스를 검출 및 측정하는 데 유용하다. 화학/전기 활성 물질의 어레이는, 예를 들어 가스 크로마토그래피의 결과를 보충하거나, 보정하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 다성분 가스 스트림 중의 분석물 가스 또는 가스의 부분군을 검출하기 위해 선택된 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이를 포함하는, 다성분 가스계 중의 1종 이상의 가스의 존재 및(또는) 농도를 직접 감지하는 방법 및 장치를 제공한다. 다성분 가스계는 본질적으로, 센서 물질이 분해되거나, 그렇지 않으면 센서 장치가 고장나게 하는 너무 낮거나 너무 높은 온도가 아닌 임의의 온도일 수 있다. 일 실시양태에서, 가스계는 실온 (약 25℃) 또는 약 0℃ 내지 약 100℃ 미만의 범위와 같은 저온일 수 있는 반면, 다른 실시양태에서 가스 혼합물은 약 400℃ 내지 약 1000℃ 이상의 범위와 같은 고온일 수 있다. 따라서 가스 혼합물은 약 0℃ 이상, 약 100℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 300℃ 이상, 약 400℃ 이상, 약 500℃ 이상, 약 600℃ 이상, 약 700℃ 이상 또는 약 800℃ 이상이나, 약 1000℃ 미만, 약 900℃ 미만, 약 800℃ 미만, 약 700℃ 미만, 약 600℃ 미만, 약 500℃ 미만, 약 400℃ 미만, 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만 또는 약 100℃ 미만인 온도일 수 있다.
가스 혼합물이 약 400℃를 초과하는 적용 분야에서, 센서 물질 및 어레이의 온도는 실질적으로 가스 분석물이 함유된 가스 혼합물의 온도에 의해서만 결정될 수 있으며, 바람직하게는 단지 이 온도에 의해서만 결정된다. 이것은 전형적으로 가변적 온도이다. 고온 가스가 분석되는 경우, 센서 물질이 신속히 최소 온도로 유도되도록 어레이에 가열기를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 일단 분석이 시작되면 가열기 (사용되는 경우)는 전형적으로 스위치가 꺼지며, 센서 물질을 예비선택된 온도로 유지시키는 방법이 제공되지 못한다. 따라서, 센서 물질의 온도는 주위 환경의 온도에 따라서 상승하거나 하강한다. 주위 환경의 온도 및 이에 따른 센서 및 어레이의 온도는 실질적으로 어레이가 노출되는 가스 혼합물의 온도에 의해서만 결정된다.
가스 혼합물이 약 400℃ 미만인 적용 분야에서, 센서 물질과 어레이를 약 200℃ 이상, 바람직하게는 400℃ 이상의 예비선택된 온도로 유지시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 예비선택된 온도는 실질적으로 일정할 수 있거나, 바람직하게는 일정하다. 또한, 예비선택된 온도는 약 500℃ 이상, 약 600℃ 이상, 약 700℃ 이상, 약 800℃ 이상, 약 900℃ 이상 또는 약 1000℃ 이상일 수 있다. 이것은 당업계에 공지되어 있는 방식으로 어레이와 통합된 가열기를 사용하여 용이하게 수행될 수 있다. 원할 경우, 각각의 개별 화학/전기 활성 물질에 대해 별도의 마이크로 가열기 수단을 공급하고, 상기 물질 중 임의의 1종 이상을 동일하거나 상이한 온도로 가열할 수 있다. 이 경우, 가스 혼합물의 온도는 또한 약 300℃ 미만, 약 200℃ 미만, 약 100℃ 미만 또는 약 50℃ 미만일 수 있다. 이러한 저온 적용 분야에서, 화학/전기 활성 물질을 가열하는 수단은 약 10-3 내지 약 10-6 볼트 범위의 전압을 갖는 전압 공급원일 수 있다. 물질이 위치하는 기판은 저항성 도판트를 함유하는 규소, 탄화규소, 질화규소 및 알루미나로 이루어진 군 중 1종 이상으로부터 선택된 물질로 제조될 수 있다. 이러한 저온 적용 분야에서 사용되는 장치는 종종 인간의 손에 수용될 수 있을 정도로 충분히 작다.
그러나, 이러한 가열 기술은 고온 가스의 분석에도 적용될 수 있다. 가스 혼합물의 온도가 약 400℃ 초과일 경우, 센서 물질은 대안적인 실시양태에서 가스 혼합물의 온도보다 높을 수 있는 예비선택된 최소 온도에서 가열기로 연속적으로 유지될 수 있다. 이러한 예비선택된 온도는 약 500℃ 이상, 약 600℃ 이상, 약 700℃ 이상, 약 800℃ 이상, 약 900℃ 이상 또는 약 1000℃ 이상일 수 있다. 특정 경우에, 가스의 온도는 상기 예비선택된 온도보다 높을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 가열기를, 필요할 경우 센서 물질을 예비선택된 온도의 최소 온도에서 연속적으로 유지시키기 위해 순환에 사용할 수 있다.
분석할 가스 혼합물은 공정에 의해 방출될 수 있거나, 장치에 전달되는 화학적 반응의 생성물일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 장치는 공정 또는 장치를 제어하기 위한 목적을 위하여, 어레이의 전기적 반응 및 임의로 온도 측정을 이용하는 수단을 추가로 포함할 수 있다.
공정 및 장치를 제어하기 위한, 센서 물질의 전기적 반응 및 임의로 온도 측정을 이용하는 수단은, 예를 들어 내부 연소 엔진에서 일어나는 연소의 화학적 반응 제어에 대한 의사 결정 경로 또는 엔진 자체 또는 그와 관련된 성분 또는 장치의 제어에 대한 의사 결정 경로를 포함한다.
연소는 탄화수소 연료의 산화의 화학적 반응이 엔진의 실린더내에서 일어나는 과정이다. 엔진은 화학적 반응의 결과가 전달되는 장치이며. 결과는 실린더내에서 피스톤을 움직이게 하는 데 필요한 연소 반응에 의해 생성되는 힘이다. 가스의 다성분 혼합물을 방출하는 공정의 다른 예는 연료 셀내에서 일어나는 화학적 반응이고, 화학적 반응의 생성물이 전달되는 장치의 다른 예는 화로에 사용되거나 동력 발생을 위한 보일러, 또는 폐가스가 오염 감소 처리를 위해 전달되는 굴뚝내의 집진기이다.
엔진의 경우, 연소 공정 또는 엔진 자체의 작동을 제어하기 위해, 마이크로컴퓨터 (예: T89C51CC01)는 연소 공정의 다양한 매개변수 또는 엔진의 작동 특징에 대한 다수의 의사 결정 경로를 실행한다. 마이크로컴퓨터는 배기물의 스트림에 노출된 화학/전기 활성 물질의 어레이의 반응을 수득하고, 임의로 온도 측정을 수득함으로써 엔진 배기물의 조성 함량에 대한 정보를 수집한다. 정보는 램 (random access memory)에 임시적으로 저장된 후, 마이크로컴퓨터가 하나 이상의 의사 결정 경로를 정보에 적용한다.
의사 결정 경로는 하나 이상의 알고리즘 및(또는) 획득된 정보를 조작하는 수학적 연산을 이용하여 공정의 특정 매개변수 또는 장치의 작동 특징에 의해 보유되어야 하는 목적하는 상태 또는 조건에 상응하는 수치의 형태로 의사를 생성한다. 의사 결정 경로의 결과를 기초로, 공정의 매개변수 또는 장치의 작동 특징의 상태 또는 조건을 조정하는 마이크로컴퓨터에 의해 지시가 부여되거나 제어된다. 연소의 화학적 반응에 의해 구체화된 공정의 경우, 공정은 반응에 공급되는 반응물의 상대적인 양과 같은 반응의 매개변수를 조정하여 제어할 수 있다. 연료 또는 공기의 실린더로의 흐름은, 예를 들어 증가되거나 또는 감소될 수 있다. 연소 반응의 결과가 전달되는 장치인 엔진 자체의 경우, 제어는 토크 또는 엔진 속도와 같은 엔진의 작동 특징을 조정함으로써 달성할 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치에 의해 제어되는 내부 연소 엔진 및 관련 성분 및 장비는, 예를 들어 자동차, 트럭, 버스, 기관차, 항공기, 우주선, 보트, 제트 스키, 모든 분야의 운송 수단 또는 설상차와 같은 임의의 유형의 운송 또는 개조 수단; 또는 펌프, 기중기, 호이스트 (hoist), 크레인, 발전기, 또는 폭파, 땅 고르기 (earth moving), 파기, 구멍 뚫기, 채광 또는 구장 관리 (groundskeeping)용 장비와 같은 건설, 정비 또는 산업 작업용 장비를 비롯한, 수많은 다양한 목적을 위해 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명은 어레이에 존재하는 각각의 화학/전기 활성 물질이 가스 혼합물에 노출될 때 나타내는 반응을 결정, 측정 및 기록하는 수단을 제공한다는 것을 알 수 있다. 전기적 특성의 변화를 결정, 측정 및 지록할 수 있는 임의의 수단, 예컨대 그의 표면에 흡착된 가스 분자의 농도에 대한 반응으로 물질의 AC 임피던스의 변화를 측정할 수 있는 장치를 사용할 수 있다. 전기적 특성을 검츨하는 다른 수단은, 예를 들어 전기용량, 전압, 전류 또는 DC 저항을 측정하는 데 적합한 장치이다. 대안적으로, 감지 물질의 온도 변화를 측정하고 기록할 수 있다. 화학적 감지 방법 및 장치는 추가로 가스의 존재를 확인하고(거나) 그의 농도를 측정하는, 혼합물 및(또는) 검출된 가스를 측정 또는 분석하는 수단을 제공할 수 있다. 이러한 수단은, 예를 들어 케모메트릭스, 뉴랄 네트워크 또는 다른 패턴 인식 기술을 수행할 수 있는 기기 또는 장비를 포함할 수 있다. 화학적 센서 장치는 추가로 화학/전기 활성 물질의 어레이를 위한 하우징, 검출 수단 및 분석 수단을 포함할 것이다.
장치는 기판, 다성분 가스 스트림 중의 1종 이상의 미리결정된 가스를 검출하기 위해 선택된 2종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이 및 존재하는 각각의 화학/전기 활성 물질이 가스계에 노출될 때 전기적 특성의 변화를 검출하는 수단을 포함한다. 센서 물질의 어레이는 다성분 혼합물의 몇가지 다른 성분의 존재에 의해 야기되는 경쟁 반응에도 불구하고, 목적하는 분석물을 검출할 수 있어야 한다. 이러한 목적을 위하여, 본 발명은 각각 검출될 혼합물의 1종 이상의 가스 성분에 대해 상이한 민감성을 갖는, 본원에 기재된 바와 같은 센서 물질의 어레이 또는 다수의 센서 물질을 사용한다. 필요한 민감성을 갖고, 상기 기재된 유형의 분석 수치 및 결과를 생성하도록 작동될 수 있는 센서는, 센서가 제조되는 물질의 적절한 조성의 선택에 의해 수득된다. 이러한 목적에 적합한 다양한 유형의 물질이 상기에 기재되어 있다. 어레이 중 센서의 갯수는 전형적으로 혼합물 중의 분석될 개별 가스 성분의 갯수를 초과하거나 그것과 동일하다.
본 발명의 장치, 상기 장치의 용도 및 상기 장치의 사용 방법에 관한 추가의 기재는 2002년 4월 5일에 출원된 미국 가출원 제60/370,445호 및 2002년 4월 5일에 출원된 미국 출원 제10/117,472호에서 찾을 수 있으며, 상기 출원 각각은 그의 전문이 모든 목적상 본원의 일부분으로서 포함된다.
본 발명의 장치 또는 방법이 특정 성분 또는 단계를 포함하거나 (comprising, including), 함유하거나 (containing), 갖는 (having) 것으로 기술 또는 기재될 경우, 상기 기술 또는 기재가 명백하게 그렇지 않다고 제공되지 않는다면, 명백하게 진술되거나 기재된 것 이외에, 하나 이상의 성분 또는 단계가 상기 장치 또는 방법에 존재할 수 있다는 것을 이해한다. 그러나, 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 장치 또는 방법은 본질적으로 특정 성분 또는 단계로 이루어지는 것으로 기술되거나 기재될 수 있고, 이러한 실시양태에서 상기 장치 또는 방법의 작동 원리 또는 독특한 특징을 실질적으로 변경시킬 수 있는 성분 또는 단계는 존재하지 않는다. 또다른 대안적인 실시양태에서, 본 발명의 장치 또는 방법은 특정 성분 또는 단계로 이루어지는 것으로 기술되거나 기재될 수 있고, 이러한 실시양태에서 언급된 것이외의 성분 또는 단계는 존재하지 않는다.
부정 관사 "a" 또는 "an"이 본 발명의 장치 중의 성분 또는 방법 중의 단계의 존재의 기술 또는 기재에 관하여 사용될 경우, 상기 기술 또는 기재가 명백하게 그렇지 않다고 제공되지 않는다면, 이러한 부정 관사의 사용이 장치 중의 성분 또는 방법 중의 단계의 존재를 수적으로 하나로 제한하지 않는다는 것을 이해한다.
본 발명의 유리한 효과는 하기에 기재된 실시예에 의해 증명된다. 이러한 실시예와 관련된 본 발명의 실시양태는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
[실시예]
가스 혼합물의 분석 장치에 사용하기 위한 어레이의 구성원 선정을 위해 다양한 화학/전기 활성 물질을 테스트하여 이들 중 양호한 후보자가 되는 성능 특성들을 나타내는 것들을 결정하였다. 제1 선발 평가에서, 물질을 프로판 버너로부터의 배기 가스에 노출시키고, 각각의 물질과 연결된 회로의 저항에 대해 얻어진 변화를 기록하였다. 물질이 배기 가스의 스트림에 노출될 때 각각의 물질의 시간에 따른 저항의 증가 또는 감소를 기록하고, 알고리즘을 사용하여 프로판 버너에서의 연소로부터 배기 가스로서 발생된 가스 혼합물 중의 각종 성분 가스의 존재 및(또는) 농도의 예상치를 저항 판독치로부터 유도하였다. 배기 가스 스트림의 성분을, 예상 가스 조성과 측정된 가스 조성의 직접 비교가 가능한 저속 화학발광 장치 ("CLD")로 동시에 측정하였다. 이러한 모든 데이타를 주성분 분석하고, 각각의 물질의 AC 임피던스를 관찰하여 물질이 가스 혼합물에 노출될 경우 안정한 주파수형에 의해 특성화 될 수 있다는 것을 증명하였다.
제2 선발 평가에서, 알루미나 기판에 잘 접착하지 않는 화학/전기 활성 물질을 프릿과 혼합하였다. 그 후, 프릿과 혼합된 것 및 혼합되지 않은 것을 비롯한 모든 물질을 파이프 반응기에서 합성 가스 혼합물에 노출시켰다. 상기 혼합물이 제조된 합성 가스는 NO2, C3H8, O2 및 CO였다. 다양한 가스 혼합물에 노출되어 유발된 각각의 물질과 연결된 회로의 저항 변화를 기록하였다. 물질이 가스 혼합물에 노출될 때 각각의 물질의 시간에 따른 저항의 증가 또는 감소를 기록하고, 알고리즘을 사용하여 가스 혼합물 중의 각종 성분 가스의 존재 및(또는) 농도의 예상치를 저항 판독치로부터 유도하였다. 가스 혼합물의 성분을 예상 가스 조성과 측정된 가스 조성의 직접 비교가 가능한 저속 CLD로 동시에 측정하였다. 이러한 데이타 모두를 주성분 분석하고, 테스트된 물질을 또한 물질의 안정성 및 접착력의 화학적 고찰의 관점에서 재고하였다.
이러한 2가지 선발 평가로 본 발명의 가스 분석 장치 중 어레이의 구성원으로서의 선정을 위한 양호한 후보자로 나타난 물질의 목록을 작성하였다. 물질은 금속 산화물 또는 금속 산화물의 혼합물로서 기재될 수 있으며, 하기 목록에 기재되어 있다.
상기 열거된 물질을 370℃ 및 430℃의 온도의 프로판 버너에서 테스트하여 49개의 상태로 평가하였다. 물질이 테스트되는 49개의 상태는 합성 가스 (예를 들어, NO2, C3H8, O2 및 CO)의 여러가지 혼합물을 프로판 버너의 배기 가스에 첨가하여 총 49개의 상이한 가스 혼합물을 생성함으로써 생성되었다. 이러한 테스트를 위하여 혼합물에 도입되는 개별 금속 산화물 또는 성분 금속 산화물은 알드리치 (Aldrich), 존슨 맛세이 (Johnson Matthey), 피셔 (Fisher) 또는 알파 (Alfa)와 같은 공급처로부터 구입하였다. 물질의 각각의 혼합물은 지시된 몰비로 성분 금속 산화물로부터 형성되었다. 금속 산화물의 혼합물이 사용될 경우, 혼합물로부터 형성된 물질이 단일 상을 갖거나 다중 상을 갖는지에 대한 결정은 시도하지 않았다. 상기 목록에서 언급된 경우, 프릿을 10 부피％로 특정 물질에 첨가하였다.
혼합물을 형성하기 위해, 성분 금속 산화물을 분말 형태로 n-프로판올과 혼합하였다. 각각의 물질은 개별 금속 산화물이건 혼합물이건, 그리고 프릿을 함유하건 함유하지 않건 소형 배치 (약 20 g)에서의 테스트용으로 제조되고, 약 325 메쉬로 체질하고, 볼 분쇄한 후, 1050℃에서 소성 및 연소시켰다. 대부분의 물질은 뮐러 유리 플레이트 믹서를 사용하여 페이스트로서 제조되었지만, 2종은 하기 목록에서 문자 "RM"으로 나타낸 바와 같이 롤 분쇄하였다.
49개의 상태 평가에서 물질을 합성 가스와 함께 프로판 버너로부터의 배기 가스에 노출시키고, 각각의 물질과 연결된 회로의 저항에서 얻어진 변화를 기록하였다. 물질이 배기 가스의 스트림에 노출될 때 각각의 물질의 시간에 따른 저항의 증가 또는 감소를 기록하고, 알고리즘을 사용하여 프로판 버너에서의 연소로부터 배기 가스로서 생성된 가스 혼합물 중의 각종 성분 가스의 존재 및(또는) 농도의 예상치를 저항 판독치로부터 유도하였다. 배기 가스 스트림의 성분을 예상 가스 조성과 측정된 가스 조성의 직접 비교가 가능한 저속 CLD로 동시에 측정하였다. 이러한 데이타 모두를 주성분 분석하고, 상기 분석으로부터 추가의 테스트를 위한 하기의 부분군을 선정하였다.
49개의 상태 평가로부터 선정된 상기에 열거된 물질을 가솔린 직접 주입 엔진계에서 테스트되는 모의 작용 평가 (simulated service evaluation)를 하였다. 물질은 엔진의 배기 가스에 노출되는 장치에서 사용되었다. 물질은 배치 크기가 100 g으로 증가된 것을 제외하고는, 49개의 상태 평가에서 테스트된 방법과 본질적으로 동일한 방법으로 엔진 테스트를 위해 제조되었다. 엔진 평가에서, 물질을 NOx 저장 촉매를 갖는 린 번 엔진 (lean burn engine)의 배기 가스에 노출시켰다. 테스트는 일정한 RPM 및 부하의 5개의 상이한 상태에서 엔진을 작동하는 것으로 이루어졌다. 물질이 위치하는 기판을 약 480℃ 이상의 온도로 가열하였다. 엔진의 배기 가스에 노출되어 유발된 각각의 물질과 연결된 회로의 저항 변화를 기록하였다. 물질이 배기 가스에 노출될 때 각각의 물질의 시간에 따른 저항의 증가 또는 감소를 기록하고, 잠재 시스템으로의 투영 ("PLS") 모델을 포함하는 알고리즘을 사용하여 배기 가스의 스트림 중의 NOx의 농도의 예상치를 저항 판독치로부터 유도하였다. 배기 가스를 예상 NOx 농도와 측정된 NOx 농도의 직접 비교가 가능한 고속 CLD로 동시에 측정하였다. PLS 모델에 의해 측정된 NOx의 양과 CLD에 의해 측정된 양의 제곱근 오차는 19.5 ppm이었다. NOx 농도의 각각의 예상 측정 양을 CLD 측정의 양에 대하여 동시에 플롯팅하였다. 모든 측정치의 플롯이 도 4에 도시되어 있으며, 이로부터 화학/전기 활성 물질의 어레이를 사용하여 가스 혼합물 중의 성분의 존재 또는 농도를 허용되는 오차 한계내에서 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
Claims (1)
- (a) 각각의 화학/전기 활성 물질이 소정의 온도에서 가스 혼합물에 노출될 때 다른 화학/전기 활성 물질 각각과는 상이한 전기적 반응 특성을 나타내는 3종 이상의 화학/전기 활성 물질의 어레이 및
(b) 상기 어레이가 가스 혼합물에 노출될 때 각각의 화학/전기 활성 물질의 개별적인 전기적 반응을 측정하기 위한 수단을 포함하는, 다성분 가스 혼합물의 분석 장치.
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