KR20020060718A

KR20020060718A - 전기화학적 가스 센서

Info

Publication number: KR20020060718A
Application number: KR1020027005289A
Authority: KR
Inventors: 말콤 트래이톤 오스텐; 존 로버트 독슨
Original assignee: 데이비드 지. 훌션; 센트랄 리서치 라보레토리스 리미티드
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-07-18
Also published as: CN1384919A; JP2003513241A; GB9925187D0; EP1226429A1; US7077938B1; KR100739918B1; AU1042401A; CA2387899C; WO2001031327A1; CA2387899A1

Abstract

본 발명은 제 1 전극 조립체를 형성하는 하나 이상의 평면 전극(14)이 위에 형성된 제 1 평면 기판(18)과, 그리고 사용 중에 상기 전극(들)과 접촉하는 전해액을 포함하는 저장기(20)를 형성하는 하우징(12)을 포함하는 전기화학적 가스 센서를 개시하는데, 상기 하우징은 상기 제 1 전극 조립체가 밀봉되는 제 1 밀봉면(36)을 구비하고, 상기 밀봉면은 전기적으로 서로 절연된 전도성 부분(40,42,44,46,48)을 포함하며, 상기 하나 이상의 평면 전극(14)의 일부분은 각각의 상기 전도성 부분(40,42,44,46,48)과 접촉하여 상기 전극(들)과 외부 전기 접속의 수단을 제공하고, 그리고 상기 하우징의 상기 전도성 부분(40,42,44,46,48) 및 비전도성 부분(50)이 공동 몰딩되어 있다. 이러한 센서는 비교적 적은 수의 부품을 가지며 값이 저렴하고 제조가 용이하다. 또한, 이러한 센서는 전극들에 대한 외부 전기 접속을 형성하기 위한 저렴하면서 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다.

Description

전기화학적 가스 센서{ELECTROCHEMICAL GAS SENSOR}

대기 중의 산화가스 또는 희석가스(예컨대, 일산화탄소)를 감지하기 위한 전기화학적 가스 센서는 대개 감지 또는 작용 전극, 상대 전극, 및 감지 전극에 대기가 침투하게 하는 입구(대개 확산 배리어)를 포함한다. 감지되는 가스와 감지 전극에서 전기화학적 반응을 발생시키기 위해, 그리고 대기, 전해액 또는 다른 가스 공급원 중의 산소와 상대 전극에서 전기화학적 반응을 발생시키기 위해, 양 전극들이 전해액과 접촉해 있다. 이러한 전기화학적 반응에서 발생된 이온에 의해, 그리고 외부 회로를 통과하는 전자에 의해 전해액을 통해 전류가 통하며, 회로 내의 전류는 가스 농도를 나타낸다.

전해액을 보유하는 전기화학적 센서들은 전해액과 접촉 상태에 있는 전극들과 외부 환경 사이에 전기적 접촉이 이루어지는 것을 필요로 하는 한편, 동시에 전해액의 누설을 방지하기 위해 센서를 밀봉시키는 것을 필요로 한다. 이것은 대부분 종종 시일(seal)을 통해 돌출하는 금속 도선을 이용함으로써 달성된다. 이러한기술은 몇 가지 단점을 가진다. 첫째로, 금속 도선 둘레의 시일은 셀의 수명 기간이 지나서 전해액의 누설을 피하도록 주의해야만 한다. 또한, 금속 와이어와 전극들 사이의 접촉의 강도는 종종 센서의 부재들이 압축되는 정도에 좌우된다. 부품들이 풀리거나 가스 센서가 외부력을 받게 된다면, 이들 부재들의 압축은 완화된다. 금속 접촉부를 가지는 가스 센서의 조립체는 취급이 어려우며, 따라서 가격이 고가이다. 또한, 전해액은 종종 부식성을 가지므로 플래티늄과 같은 귀금속 접촉부가 이용되어야 한다. 이것은 가스 센서의 제조 비용을 증가시킨다.

폴리머가 수화물을 유지하도록 흡습성 전해질이 대개 셀 내에 포함되므로, 상술한 문제들은 고체 폴리머 전해질이 이용되는 경우에도 발생할 수 있다. USP 제 5,914,019호에 개시된 바와 같이, 이들 문제들은 전극들과 접촉부를 밀봉하기 위해 전도성 폴리머를 이용함으로써 대체로 해결되어 왔다. 이러한 방식으로 제조된 가스 센서들은 신뢰할 수 있고 제조가 용이함이 증명되었다. 그러나, 보다 작은 센서에 대한 방법은 공간을 절약하도록 전기 접촉부의 재구성이 유리하다는 것을 의미했었다.

USP 제 5,173,166호(토만츠거(Tomantschger) 등에게 허여)는 절연 프레임 부재에 의해 분리된 전도성 폴리머 프레임 부재 내에 전극이 장착되는 센서를 개시하는데, 상기 부재는 밀봉 하우징을 형성하도록 서로 접합되어 있다. 이러한 배열체는 접촉핀의 필요성을 없앤다. 그러나, 프레임 부재들이 매우 커서, 전극과 외부 접촉부 사이의 거리가 매우 크다. 이것은 폴리머가 전도도를 유지하도록 높은 레벨의 탄소를 포함해야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 높은 레벨의 탄소를 포함함으로써 폴리머를 처리하고 이용하는 것이 어렵게 된다. 생성된 가스 센서 셀은 이후 구조적으로 약하고 조립하기에 시간이 걸린다 - 전형적으로 165℃의 온도에서 조립체를 접합하는데 10분이 걸린다. 탄소가 적하된 폴리머는 세밀한 형상으로 몰딩될 수 없다. 예컨대, 가스 센서가 조립된 후, (전해액이 센서 안으로 인도되는) 충진 구멍이 드릴링되어야 한다.

USP 제 5,173,166호에 개시된 가스 센서와 유사한 구성의 가스 센서가 EP-A2-0902281에 개시되어 있다. 여기서, 가스 센서 하우징은 비전도성 프레임 부재에 의해 분리되는 한 스택(stack)의 전도성 폴리머 프레임 부재들을 포함한다. 전극들은 열을 이용하여 전도성 폴리머 부재들에 접합된다. 조인트 모두가 밀봉되어야 한다는 점에서, 가스 센서는 USP 제 5,173,166호(토만츠거에게 허여)에 개시된 가스 센서와 동일한 문제점들을 가지게 된다. 가스 센서는 또한 비교적 다수의 부품을 가지며, 센서의 조립체는 따라서 느리고 처리 비용이 많이 든다. 대체로, 가스 센서의 프레임형 부품에 대한 전도성 폴리머의 이용은 불리하다.

본 발명은 전기화학적 가스 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 배타적이지는 않지만, 일산화탄소 가스를 감지하기 위한 전기화학적 가스 센서에 관한 것이다.

도 1a는 제 1 가스 센서의 단면도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 가스 센서의 평면도이다.

도 2a는 제 2 가스 센서의 단면도이다.

도 2b는 도 2a의 가스 센서의 평면도이다.

도 2c 및 도 2d는 도 2a의 가스 센서의 일부분을 도시한다.

도 3a는 다른 가스 센서의 단면도이다.

도 3b는 또 다른 가스 센서의 단면도이다.

도 4는 다른 가스 센서의 단면도이다.

도 5는 다른 가스 센서의 단면도이다.

도 6은 또 다른 가스 센서의 단면도이다.

본 발명의 목적은 비교적 적은 수의 부품을 가지며, 따라서 가격이 저렴하고 제조가 용이한 가스 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 가스 센서에 대한 외부 전기 접속부를 형성하기 위한 저렴하고 신뢰할 만한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라서 청구범위 제 1 항 내지 제 8 항에 기재된 바와 같은 전기화학적 가스 센서를 제공하는 것이다.

이제, 첨부 도면을 참조하여 실례만을 통해 본 발명의 실시예를 설명할 것이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도 1a를 참조하면, 3 부분의 하우징(12) 즉, 전해액 저장기를 형성하는 중공 내부(hollow interior)에 의해 원통형인 바디 부재(12b), 디스크형 캡 부재(12a) 및 디스크형 리드(lid; 12c)를 포함하는 대체로 원통형 전기화학적 가스 센서(10a)가 도시되어 있다. 바디 부재(12b)와 캡 부재(12a) 사이에는 디스크 형태인 다공질의 가요성 박막(18)이 배치되어 있다. 이러한 하우징(12)은 내부에 홈(groove)이 형성될 수 있으며, 이러한 홈은 가요성 박막 기판(18)을 보유할 정도의 치수를 가진다.

감지 전극(14), 기준 전극(15)(도시 안됨), 상대 전극(16) 및 선택적 시험 가스 발생 전극(도시 안됨)은 모두 PTFE(또는 유사한 폴리머) 바인더 내의 전기 전도성 촉매 입자들로부터 형성되며, 전극 조립체를 형성하도록 기판(18)의 하부면 상에 형성된다. 이러한 전극들은 기판 상에 스크린 인쇄, 필터 증착 또는 소결(sintering)(혼합물의 세그먼트를 발생시키기에 적합한 다른 방법)될 수 있다. 촉매 입자들의 혼합물에 대한 대안으로서, 단일 물질이 기판(18) 상에 증착될 수 있고, 다른 물질들이 연속해서 증착된다. 이것은 그 두께를 통해 전극 물질의 특성을 변경시키거나, 가스 반응의 주요 위치가 되는 층 위 또는 아래에 증가된 전기 전도도(conductivity)의 제 2 층을 부가하는데 이용될 수 있다.

캡 부재(12a)에는 오목한 매니폴드 영역(24)으로 인도되는 관통공(through-hole; 22)이 내부에 형성되어 있는데, 이러한 오목한 매니폴드 영역(24)은 관통공(22)을 통해, 매니폴드 영역(24)을 경유하여 기판(18)을 거쳐 감지 전극(14)으로 대기 가스가 확산되도록 한다. 캡 부재(12a)는 기준 전극(15)(및 선택적으로 상대 전극(16))으로의 대기 가스의 접근을 차단하도록 형상화되어 있다. 불필요한 가스 및/또는 입자들을 제거하기 위해 필터(58)가 제공된다. 캡 부재(12a)는 감지 전극(14)에 도달하는 가스의 양을 제한하도록 확산 배리어(diffusion barrier)(도시 안함)를 포함할 수도 있다.

전해액 저장기(20) 내부의 전해액(30)은 위크(wick; 54)에 의해 전극과 접촉한 채 유지된다. 저장기(20)는 다공성 박막에 의해 폐쇄된 압력 강하 구멍(pressure relief aperture)을 포함하는 기부(base member; 32)를 구비하는 리드(12c)에 의해 기부에서 폐쇄되어 있다.

이하에서, 전극 박막(18) 및 그 위에 형성된 전극들이 부착되는 하우징(12b)의 표면은 '밀봉면(sealing surface)'으로서 기재된다.

이제 도 1b를 참조하면, 하우징 바디 부재(12b)는 비전도성 폴리머(50)와 전도성 폴리머(40,42,44,46,48) 부분들을 교대로 포함한다. 전도성 폴리머(40,42,44,46,48)의 각각의 부분은 전극(14,16,15,17,19)과 인접하여 위치하며, 센서(10a)에 대한 외부 전기 접속부를 위해 이용될 수도 있는 하우징 상의 전도 영역을 형성하도록 밀봉면(36)을 관통하여 거기에서 밀봉되어 있다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 전극의 일부분은 전도성 부분과 인접하게 위치하는 하우징의 비전도성 부분(50)에 밀봉될 수 있다. 이러한 구성으로서, 전도성 영역보다 비전도성 영역에 보다 양호한 밀봉이 생성되는 경우에, 전극과 하우징 사이의 밀봉부를 통해 전해액이 누설될 염려가 없다.

전도성 폴리머 부분(40,42,44,46,48)은 하우징의 바디 부재(12b)의 내부면으로부터 하우징의 바디 부재의 외부면으로 연장된다. 하우징의 전도성 영역 및 비전도성 영역은 동일한 폴리머로 이루어질 수 있으며, 전도성 영역은 전도성 입자들에 의해 부하가 걸리게 된다. 위치설정 노치(positioning notch; 60)가 바디 부재(12b) 및 박막(18) 내에 형성되어, 전극(14,16,15,17,19) 및 전도성 부분(40,42,44,46,48)의 정렬이 달성된다. 하우징의 전도성 영역은 전극, 특히 상대 전극으로서 기능할 수도 있다. 이것은 감지 전극의 영역을 증가하게 하거나, 보다 작은 센서를 가능하게 한다.

이제 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 유사한 제 2 가스 센서 셀(10b)이 도시되어 있는데, 전도성 폴리머 부분(40,42,44,46,48)의 측면들은 비전도성 하우징 물질에 의해 둘러싸여 있다. 이러한 경우에, 센서(10b)의 기부에서 접근가능한 전도성 폴리머 부분(40,42,44,46,48)에 외부 전기 접속부가 생성된다.

도 2c에는, 센서의 기부를 통해 전도성 폴리머 부분(40,42,44,46,48) 각각에 삽입되는 접촉 핀(34)에 의해 외부 전기 접속부가 생성되는 센서(10b)의 일부분이 도시되어 있다. 도 2d에는, 기부에 위치한 립(lip; 64)과 갈고리형 접촉 핀(35)을 구비하는 바디 부재(12b)의 전도성 폴리머 부분(42)이 도시되어 있다. 이러한 갈고리형 접촉 핀(35)이 립(64) 위에 결합되어, 꼭지쇠의 돌기(bayonet) 보유 형태를 형성하고, 밀기(push) 및 비틀림 작동이 센서 셀을 제위치에 고정시킨다.

도 3a는 전도성 및 비전도성 영역을 구비하는 대체로 원형의 3개의 부재의 하우징(12a,12b,12c), 위에 전극이 형성된 디스크형 박막(18), 전해액을 보유하는 전해액 저장기(20) 및 위크(도시 안됨)를 포함하는 다른 가스 센서(10c)를 도시한다. 이러한 경우에, 바디 부재(12b)는 일체형 조립체 밀봉의 밀봉을 양호하게 하고 전도성 접촉을 생성시키는 박막(18) 둘레에 몰딩된다. 적층식 전극 조립체(본 출원인의 공동 계류중인 국제특허출원 제 PCT/GB98/03363호에 개시된 바와 같이)를 포함하는 센서가 바디 부재(12b) 안으로 몰딩될 수도 있다. 가스 센서를 구성하는이러한 방법은 전극 박막(18)을 하우징(12b) 안으로 인서트 몰딩(insert moulding)함으로써 달성될 수도 있다.

상술한 센서에서와 같이, 센서(10b)에 대한 외부 전기 접속부는 전도성 폴리머 부분들(40,42)을 통해 이루어지는데, 이러한 전도성 폴리머 부분들(40,42)은 바디 부재(12b)의 내부로부터 외부로 연장될 수도 있고, 또는 전도성 부분이 바디 부재(12b)의 특정 영역에만 접근가능하도록 전도성 부분이 비전도성 폴리머(50)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있을 수도 있다.

도 3a에 도시된 것과 유사한 가스 센서가 도 3b에 도시되어 있다. 이러한 가스 센서는 하우징(12b) 안으로 전극 조립체(즉, 전극 박막(18) 상에 형성된 전극(14))의 인서트 몰딩에 의해 형성될 수 있다. 주형 내부의 적절한 위치 안으로 전극 조립체를 위치시키고, 하우징을 형성하도록 전극 조립체 둘레에 용융된 폴리머를 유동시킴으로써 인서트 몰딩이 실행된다. 이와 동시에, 또는 동일한 몰딩 과정의 연속하는 단계에서, 추가의 물질이 부가되어 전극 조립체의 영역 위에 격벽이 생성되거나, 제 1 물질 위 또는 둘레에 제 2의 물질이 적층된다.

도 3b에 도시된 센서에서, 제 1 전극 조립체(14,18)는 전도성 폴리머(40)의 일부분 안으로 몰딩된다. 이러한 제 1 전극 조립체와 평행하게 배치된 제 2 전극 조립체(15,16,62)는 전도성 폴리머(42)의 다른 부분 안으로 유사하게 인서트 몰딩된다. 비전도성 물질(50)의 다른 일부분에 대해 2개의 하우징 부분들을 밀봉시킴으로써 하우징(12)의 제조가 완성된다.

제 1 전극 박막(18) 및 제 2 전극 박막(62) 상에 형성된 전극들은 위크(54)및 위크(56)와 각각 접촉해 있다. 이러한 위크들(54,56)은 압축가능한 흡수성 물질(55)의 체적에 의해 제위치에 유지된다. 전해액 저장기(20)는 하우징의 측면을 통해 연장되는 채널(38)을 통해 전해액으로 충진되며, 필터 플러그(39)에 의해 밀봉된다. 필터 플러그(39) 내부에는 압력 강하의 이용을 위한 공기 구멍(breather) 수단(66)이 형성되어 있다. 대안으로, 공기 구멍 수단(66)은 하우징(12) 내의 어느 곳에라도 위치될 수 있다.

상술한 센서에서와 같이, 제 1 전극 조립체(14,18)에 가스가 근접하게 하고 그리고 가스를 제어하도록 캡 부재(12a)가 제공된다. 또한, 제 2 전극 박막(62) 상에 형성된 기준 전극(15) 및 상대 전극(16)에 가스가 도달하는 것을 방지하도록 리드(12c)가 제공된다.

도 3에 도시된 센서의 장점은, 하우징과 함께 전극 조립체(또는 조립체들)를 몰딩함으로써 제조 단계의 수가 감소된다는 것이다. 또한, 센서를 제조하는 이러한 방법은 하나만의 유체 밀봉이 요구될 때 쉽게 누설되지 않는 보다 견고한 센서가 되게 한다.

도 4에는 또 다른 가스 센서(10d)가 도시되어 있다. 이러한 센서는 적층식 전극 배열을 가지며, 전도성 부분들 및 비전도성 부분들로 이루어진 중공 바디(hollow body)를 포함하는 대개 원형의 3 부분의 하우징을 포함한다. 제 1 디스크형 박막(18)의 하부면 상에는 감지 전극(14)이 형성되며, 이러한 박막(18)의 직경은 캡 부재(12a) 및 바디 부재(12b)와 동일하다(또는 유사하다). 전극(14)은 위크(54)와 접촉해 있는데, 이러한 위크(54)의 하부면은 차례로 제 2 디스크형 박막(62)의 상부면과 접촉한다. 제 2 박막(62)의 하부면 상에는 상대 전극(16) 및/또는 기준 전극(15)이 형성되어 있고, 이러한 상대 전극(16) 및/또는 기준 전극(15)은 제 2 위크(56)와 접촉한다. 제 2 박막(62)의 내부에는 구멍이 형성되어 있어서, 제 2 위크(56)가 제 1 위크(54)의 일부분과 접촉한다. 이러한 센서에서, 이들 위크(54,56)의 압축은 이들 사이의 접촉을 유지시키는데 이용된다. 위크(56)와 바디 부재(12b)의 내벽 사이에 공간을 남겨두어 전해액 저장기(66)가 제공된다.

도 5는 다른 센서(10e)의 단면도를 도시한다. 이러한 센서는 적층식 전극 배열을 사용하며, 이전 실시예와 공통의 부품에 대해서는 동일한 도면 부호를 가진다. 이러한 하우징 바디 부재(12b)는 적층된 조립체에 전도성 부분(40,42)과 비전도성 부분(50)으로 형성되며, 비전도성 부분(50)은 전도성 부분(40,42) 사이에 배치된다. 전극(14)은 제 1 전극 박막(18) 상에 장착되며, 하우징(12b)의 상부 전도성 부분(40)에 밀봉되어, 거기에서 전기 접속부를 형성한다. 전극(15,16)은 제 2 전극 박막(62) 상에 장착되며, 이들 전극의 외부 부분은 하우징 바디 부재(12b)의 하부 전도성 부분(42)에 밀봉된다. 평면도에서, 센서(10e)는 센서(10e)의 전극들 모두가 동일 평면에 있지 않다는 것을 제외하고, 도 1b에 도시된 센서(10a)와 유사하게 보인다.

제 1 위크(54)는 감지 전극(14)과 접촉하여 위치하며, 제 2 위크(56)는 제 2 전극 박막(62) 상의 전극들(15,16)과 접촉해 있다. 위크(54,56)는 위크 보유 수단(55)에 의해 유지되는데, 이러한 위크 보유 수단(55)은, 예컨대 가볍게 압축된체적의 플라스틱 폼(plastic foam)일 수도 있다.

하우징의 바디 부재(12b)를 통해 전해액 저장기(20) 안으로 연장되는 전해액 충진 채널(도시 안됨)이 제공될 수도 있으며, 이러한 채널은 공기 구멍 수단(도시 안됨)을 포함하는 플러그에 의해 폐쇄되어 있다.

캡 부재(12a), 하우징 바디 부재(12b)의 3개의 분리된 전도성 부분(40,42) 및 비전도성 부분(50), 그리고 리드(12c)를 열 및 압력을 사용하여 함께 밀봉시킴으로써, 또는 초음파 접합과 같은 방법을 사용함으로써 하우징이 조립될 수 있다. 그러나, 전극 박막(18) 및 그 위에 형성된 전극(14)은 몰딩 시에 바디 부재 내에 결합될 수 있다. 즉, 바디 부재는 사출 성형을 이용하여 전극 조립체(14,18) 둘레에 몰딩될 수 있다.

도 6에는 다른 가스 센서(10f)가 도시되어 있다. 이러한 가스 센서는 2개 부분의 하우징 즉, 전해액 저장기(20)를 형성하는 바디 부재와, 캡 부재(12a)를 구비한다. 이러한 경우에, 캡 부재(12a)는 비전도성 영역(50)에 의해 분리되는 2개의 전도성 영역(40,42)을 구비한다. 캡 부재(12a)는 공동 몰딩되어, 전도성 물질 및 비전도성 물질로 형성되는 일체형 유닛이 된다. 상술한 바와 같이, 전극들이 전극 박막(18) 상에 형성된다.

캡 부재(12a)는 예컨대 열 및 압력 또는 초음파 밀봉을 이용하여 전극 박막(18)에 밀봉되는 밀봉면(36)을 구비한다. 이러한 캡 부재(12a)는 예컨대 열, 초음파, 접착제 또는 스냅-결합(snap-fit)을 이용하여 하우징 바디 부재(12b)에 밀봉되어, 도면에 도시된 영역(208) 내에 "유체-밀봉"이 형성된다. 전도성 폴리머영역(40,42)의 구성은 하우징에 대한 전극 박막(18)의 밀봉 과정 동안 전도성 폴리머 물질이 박막을 통해 박막 위에 형성된 전극(들) 안으로 촉진되도록 한다. 전도성 폴리머 영역(40,42)으로의 전기적 접촉은, 이들 영역 상부면에 대한 가압 접촉, 또는 예컨대 전도성 폴리머(도시 안됨) 안으로 삽입된 접촉 핀들의 이용 중 어느 하나에 의해 생성된다.

센서(10)가 작동하는 동안, 구멍(22)을 통해 매니폴드 영역(24) 안으로 대기 가스가 유입된다. 이러한 구멍(22)은 확산 배리어로서 기능하며 가스 유입량을 제어한다. 가스는 기판을 통해 감지 전극(14)과 접촉하여 유동한다. 감지되는 가스가 대기에 존재하면, 가스는 전해액(30) 내에 이온을 생성시키는 감지 전극(14)에서 반응한다. 상대 전극(16)에서, 전해액(30) 내의 산소는 감지 전극에 의해 해제된 이온들과 반응하여 전기적 회로를 완성하며, 생성된 전류는 존재하는 가스의 농도를 나타낸다.

본 발명의 모든 실시예를 참조하면, 하우징(12)의 전도성 부분에 대한 외부 접촉은 1) 하우징의 외부면 상에 장착되거나, 또는 2) 전도성 폴리머에 대해 가압하는 하우징 외부 접촉의 관련된 전도성 부분들 안으로 돌출하는 핀(pins)에 의해서, 또는 전도성 부분들 그 자체가 접촉 수단으로서 작용하도록 형상화되는 것에 의한 것일 수 있다.

본 발명의 장점은 하우징 전도성 폴리머 영역 및 비전도성 폴리머 영역이 공동 몰딩된다는 것이다. 즉, 2개의 폴리머들이 동일한 주형 내에 몰딩될 수 있다는 것이다. 공동 몰딩은 하우징이 쉽게 누설되지 않게 한다. 또한, 서로 연속적으로결합되는 다수의 개별 부재들을 제조하는 것이 매우 어렵기 때문에, 이러한 공동 몰딩은 하우징의 전도성 영역 및 비전도성 영역의 보다 복잡한 구조가 생성되는 것을 가능하게 한다. 하나 이상의 전극이 단일 전극 박막에 형성될 수 있고 하우징의 전도성 영역에 대해 각각의 전극을 밀봉시키는 것도 가능하므로, 보다 복잡한 하우징 구조는 또한 보다 소형화된 센서가 생성될 수 있게 한다. 여기에 참조된 센코 특허출원에서, 이러한 센서가 보다 많은 전극을 구비할 수록 보다 많은 전도성 층이 필요하고 센서가 대형화될 것이다.

여기에 개시된 센서들을 제조하는데 이용될 수 있는 공동 몰딩의 2가지 실용 방법은 1) 코어 백(core back) 및 2) 회전 바꿈(rotation exchange)이다. 코어 백 방법에서, 하우징의 부피는 2개 이상 부분을 가지는 주형 도구에 의해 형성된 공동(cavity) 안으로 용융 플라스틱/폴리머를 주입시킴으로써 생성된다. 주형 도구의 부분(코어)은 이후 주형 도구와 제 1 플라스틱 몰딩에 의해 나뉘어 형성되는 다른 공동을 출발하도록 귀환 이동한다. 이후 새로운 공동 안으로 제 2 물질(여기서는 전도성 폴리머)이 주입된다. 몰딩에 이용되는 재료, 몰딩의 타이밍 및 형상을 신중하게 선택함으로써, 하우징의 부재들이 영구적으로 결합되어 단일 부품을 형성한다.

회전 바꿈 방법에서, 하우징 바디의 부피는 제 1 주형 도구를 이용하여 몰딩된다. 이후, 도구가 분리되고, 몰딩을 포함하는 부재가 다른 주형 도구와 정렬되도록 회전되어 제 2 부품의 형상이 되는 새로운 공간을 형성한다. 이후, 이러한 공간 내에 제 2 물질이 주입되어 내부에 제 1 몰딩을 형성하며 제 1 몰딩과 결합된다. 코어 백 방법에서와 같이, 몰딩의 물질, 몰딩의 타이밍 및 형상을 신중한 선택함으로써 몰딩이 단일 부품을 생성하도록 영구적으로 결합되게 한다.

이들 방법에서, 제 1 몰딩 및 제 2 몰딩에 대해 사용되는 물질은 동일한 몰딩 기기에서 몰딩될 수 있는 특성을 가지는 것이 필요하고, 단일 결합식 부품을 형성하는 것이 필요하다. 물질의 적합한 조합은 제 1 몰딩에 대해 예컨대, 20% 탤크-충진(talc-filled) 폴리프로필렌이며, 제 2 몰딩에 대해 탄소와 혼합된 폴리프로필렌이다. 2가지의 물질이 동일 등급의 폴리프로필렌으로부터 생성된다면, 이것이 공동 몰딩 과정을 도울 것이다. 제 2 물질에 대한 적합한 탄소 부하비는 10% 내지 40%의 범위에 있다. 보다 높은 탄소 함유량 보다 높은 전도성을 부여하지만, 물질이 몰딩되기가 어렵다. 반면에 보다 낮은 탄소 함유량은 보다 낮은 전도성을 부여하지만, 이 물질은 보다 용이하게 몰딩된다.

여기에 기재된 바와 같은 가스 센서를 공동 몰딩하는 다른 방법은 1) 하우징의 비전도성 부분을 몰딩하고, 2) 하우징의 이러한 부분에 대해 전극 조립체를 밀봉시키며, 그리고 3) 하우징의 잔존하는 전도성 부분들을 몰딩하는 것, 또는 이와 반대이다.

본 발명의 다른 장점은 2개 이상의 전극이 함께 단락될 수도 있어서, 운송된 후 가스 센서가 설치되면, 전극들이 전기 화학적 평형에 근접하게 된다. 이러한 전극들의 단락은 예컨대, 전도성 영역들과 접촉하는 접착성 라벨(label)과 같은, 단지 전도성 부재를 이용하는 것에 의해 달성된다. 이후, 이러한 라벨은 센서가 설치되기 전에 제거될 수 있다. 접촉 핀들이 존재한다면 전극들을 단락시키는 것이 보다 어려울 것으로 알려져 있다.

본 발명을 벗어나지 않고 상술한 실시예에 대한 변경이 가능하다. 예컨대, 바디 부재(12b)안으로 리드가 일체화되어 2가지 부분만의 하우징이 필요할 수도 있다. 대안으로, 리드는 위에 전극들이 형성된 박막으로 대체될 수도 있으며, 이들 전극들은 하우징의 전도성 부분들에 접합되어 있다. 감지 전극과 셀 전해액 사이의 전위차를 유지하기 위해, 기준 전극이 일정 전위기 회로(potentiostat circuit)와 결합되어 사용될 수 있다. 이것은 가스 센서의 작동의 안정성을 향상시킨다. 이러한 가스 센서는 자가 시험 설비를 갖춘 가스 센서를 제공하도록 시험 가스 발생 셀을 포함할 수도 있다.

Claims

하나 이상의 평면 전극(14,15,16)이 위에 형성됨으로써, 전극 조립체를 형성하는 하나 이상의 평면 기판(18)과, 그리고

사용 중에 상기 전극(들)과 접촉하는 전해액을 포함하는 저장기(20)를 형성하는 하우징(12)을 포함하며,

상기 하우징이 전도성 부분(40,42,44,46,48) 및 비전도성 부분(50)을 포함하고, 상기 하우징(12)의 일부분이 적어도 제 1 전극 조립체 둘레에 몰딩되는 전기화학적 가스 센서.
하나 이상의 평면 전극(14,15,16)이 위에 형성됨으로써, 전극 조립체를 형성하는 하나 이상의 평면 기판(18)과, 그리고

사용 중에 상기 전극(들)과 접촉하는 전해액을 포함하는 저장기(20)를 형성하는 하우징(12)을 포함하며,

상기 하우징은 공동 몰딩된 전도성 부분(40,42,44,46,48) 및 비전도성 부분(50)을 포함하고, 상기 전극들(14,15,16) 중 하나 이상의 일부분은 각각의 전도성 부분과 접촉하여 상기 전극(들)에 외부 전기 접속의 수단을 제공하는 전기화학적 가스 센서.
하나 이상의 평면 전극(14)이 위에 형성됨으로써, 제 1 전극 조립체를 형성하는 제 1 평면 기판(18)과, 그리고

사용 중에 상기 전극(들)과 접촉하는 전해액을 포함하는 저장기(20)를 형성하는 하우징(12)을 포함하며,

상기 하우징은 상기 제 1 전극 조립체가 밀봉되는 제 1 밀봉면(36)을 구비하고, 상기 밀봉면은 전기적으로 서로 절연된 전도성 부분(40,42,44,46,48)을 포함하며, 상기 하나 이상의 평면 전극(14)의 일부분은 각각의 전도성 부분(40,42,44,46,48)과 접촉하여 상기 전극(들)에 외부 전기 접속의 수단을 제공하고, 그리고 상기 하우징(12b)의 상기 전도성 부분(40,42,44,46,48) 및 비전도성 부분(50)이 공동 몰딩되어 있는 전기화학적 가스 센서.
제 2 항 및 제 3 항에 있어서, 상기 하우징(12)의 일부분이 하나 이상의 제 1 전극 조립체 둘레에 몰딩되어 있는 전기화학적 가스 센서.
제 1 항 내지 제 4 항에 있어서, 상기 하우징(12)이 바디 부재(12b) 및 캡 부재(12a)를 포함하는 전기화학적 가스 센서.
제 4 항 및 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 기판과 실질적으로 평행하게 배치된 제 2 평면 기판(62)을 더 포함하며, 상기 제 2 기판 상에는 제 2 전극 조립체를 형성하는 하나 이상의 전극(17,19)이 형성되어 있는 전기화학적 가스 센서.
제 6 항에 있어서, 상기 하우징(12)은 상기 제 2 전극 조립체가 밀봉되는 제 2 밀봉면(37)을 포함하는 전기화학적 가스 센서.
전항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 상기 전도성 부분(40,42,44,46,48)이 전극으로서 기능하는 전기화학적 가스 센서.