KR20180097583A - 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 센서 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스 내의 가스 성분의 비율 또는 측정 가스의 온도를 검출하기 위한 센서 소자(10)에 관한 것이다. 센서 소자(10)는 적어도 하나의 전기 화학 셀을 갖는 세라믹 층 구조(12)를 포함하고, 상기 전기 화학 셀은 적어도 하나의 제 1 전극(16), 하나의 제 2 전극(18), 및 상기 제 1 전극(l6)과 상기 제 2 전극(18)을 연결하는 적어도 하나의 고체 전해질(14)을 포함한다. 상기 층 구조(12) 내에 전극 공동(24)이 형성된다. 제 2 전극(18)은 전극 공동(24)을 향하도록 층 구조(12) 내에 배치된다. 제 2 전극(18)은 전극 공동(24)의 제 1 외경(60)보다 큰 적어도 하나의 제 1 외경(58)을 갖는다.
Description
본 발명은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 센서 소자에 관한 것이다.
측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 다수의 센서 소자 및 방법이 종래 기술로부터 알려져 있다. 상기 특성은 원칙적으로 측정 가스의 임의의 물리적 및/또는 화학적 특성일 수 있으며, 하나 이상의 특성이 검출될 수 있다. 본 발명은 이하에서 측정 가스의 가스 성분의 비율의 정성적 및/또는 정량적 검출과 관련하여, 특히 측정 가스 일부 중의 산소 함량의 검출과 관련하여 설명될 것이다. 산소 함량은 예를 들어 분압의 형태로 및/또는 백분율의 형태로 검출될 수 있다. 그러나 대안으로서 또는 추가로, 온도와 같은 측정 가스의 다른 특성도 검출 가능하다.
이러한 센서 소자는 예를 들어 Konrad Reif(출판): Sensoren im Kraftfahrzeug(자동차의 센서), 제 1 판 2010, 160-165 페이지에 개시된 바와 같이, 소위 람다 프로브로서 형성될 수 있다. 광대역 람다 프로브, 특히 평평한 광대역 람다 프로브로, 예를 들어 넓은 범위에 걸친 배기 가스 중의 산소 농도가 결정될 수 있으므로, 연소실 내의 공연비가 추론될 수 있다. 공기비 λ는 상기 공연비를 나타낸다.
특히, 특정 고체의 전해 특성의 사용, 즉 이들 고체의 이온 전도 특성에 기초한 세라믹 센서 소자들이 종래 기술로부터 알려져 있다. 특히, 상기 고체들은 적은 양의 산화알루미늄(Al2O3) 첨가제 및/또는 산화실리콘(SiO2) 첨가제를 포함할 수 있는, 예를 들어 이산화지르코늄(ZrO2), 특히 이트륨 안정화된 이산화지르코늄(YSZ) 및 스칸듐 도핑된 이산화지르코늄(ScSZ)과 같은 세라믹 고체 전해질일 수 있다.
종래 기술로부터 알려진 센서 소자의 장점들에도, 이들은 여전히 개선의 여지가 있다. 세라믹 배기 가스 센서들은 자동차 배기 가스 중의 산소 및/또는 질소의 농도를 측정하기 위해 사용된다. 세라믹 센서들은 통합된 히터로 엔진 시동 후 몇 초 내에 약 700℃ 내지 800℃의 작동 온도로 가열된다. 작동 온도에 도달할 때까지 소요되는 시간, 소위 패스트-라이트-오프(Fast-Light-Off) 시간은 히터의 가열 출력에 크게 의존한다. 또한, 네른스트(Nernst) 전극 근처에서 가열 에너지가 더 국부적으로 도입될수록 상기 패스트-라이트-오프 시간이 줄어드는데, 그 이유는 여기서 온도 측정이 내부 저항 측정을 통해 이루어지기 때문이다. 히터에 도입될 수 있는 최대 가열 출력은 특히 엔진 제어 장치의 출력단의 최대 전류 세기, 재료 손상 없이 히터 미앤더(meander) 내의 최대 허용 온도, 및 균열 형성 및 균열 성장 없이 세라믹 내의 온도 차로 인한 최대 열 기계적 응력에 의해 제한된다. 이러한 센서 소자의 기능은 내부 전극 공동을 필요로 한다. 상기 공동은 가열 요소와 외부 펌프 전극 사이의 열 전도를 억제하는 히트 배리어이다. 가열 요소를 향하는 공동 측은 가열 요소로부터 떨어져 있는 측보다 가열 동안 더 빨리 가열된다. 그 결과, 특히 외부 공동 에지에서 열 기계적 응력이 생기고, 이는 공동 에지의 노치 효과에 의해 더 증가한다.
본 발명의 과제는 공지된 센서 소자의 단점들을 적어도 상당히 피할 수 있으며, 특히 더 우수한 가열 거동이 주어지는, 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 센서 소자를 제공하는 것이다.
측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스 내의 가스 성분의 비율 또는 측정 가스의 온도를 검출하기 위한 본 발명에 따른 센서 소자는 적어도 하나의 전기 화학 셀을 구비한 세라믹 층 구조를 포함한다. 전기 화학 셀은 적어도 하나의 제 1 전극, 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 연결하는 적어도 하나의 고체 전해질을 포함한다. 층 구조 내에, 전극 공동이 형성된다. 제 2 전극은 전극 공동을 향하거나 전극 공동에 노출되도록 층 구조 내에 배치된다. 제 2 전극은 전극 공동의 제 1 외경보다 큰, 적어도 하나의 제 1 외경을 갖는다.
공동의 형상을 변경함으로써, 전극 공동을 둘러싸는 밀봉 프레임이 전극 공동의 크기까지 확대될 수 있다. 밀봉 프레임의 확대로 인해, 센서 소자의 주어진 전체 폭에서 열 전달 면이 상당히 증가한다. 이는 공동의 하부 면과 상부 면 사이의 온도 차이를 감소시키고 따라서 열 기계적 응력을 감소시킨다. 열 기계적 응력의 감소는 더 높은 가열 전압으로 더 빠른 가열을 가능하게 한다. 제 2 전극의 외경이 전극 공동의 외경보다 크므로, 외부 공동 에지에 백금을 채우는 것이 달성되고, 이는 이 영역에서의 노치 응력을 감소시키며 세라믹 균열 전에 소성 변형을 허용한다.
전극 공동은 환형으로 형성될 수 있다. 환형은 반드시 원형일 필요는 없는 폐쇄된 윤곽을 의미한다. 전극 공동은 적어도 2개의 원형 전극 공동 섹션을 포함하고, 상기 원형 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 전극 공동의 중심점을 두고 마주 놓인다. 전극 공동의 제 1 외경은 2개의 원형 전극 공동 섹션에 의해 한정된다. 제 2 전극도 환형으로 형성될 수 있고, 적어도 2개의 원형 전극 공동 섹션을 포함하며, 상기 원형 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 제 2 전극의 중심점을 두고 마주 놓인다. 제 2 전극의 제 1 외경은 2개의 원형 전극 섹션에 의해 한정될 수 있다. 2개의 원형 전극 공동 섹션 및 2개의 원형 전극 섹션은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 각각의 섹션은 서로 평행하게 배치된다. 2개의 원형 전극 공동 섹션은 동일한 반경을 가질 수 있다. 2개의 원형 전극 섹션은 동일한 반경을 가질 수 있다. 전극 공동은 적어도 2개의 직선 전극 공동 섹션을 포함할 수 있고, 상기 직선 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 전극 공동의 중심점을 두고 서로 마주 놓인다. 전극 공동의 제 2 외경은 2개의 직선 전극 공동 섹션에 의해 한정될 수 있다. 제 2 전극은 적어도 2개의 직선 전극 섹션을 포함할 수 있고, 상기 직선 전극 섹션들은 그들 사이에 제 2 전극의 중심점을 두고 마주 놓인다. 제 2 전극의 제 2 외경은 2개의 직선 전극 섹션에 의해 한정될 수 있다. 제 2 전극의 제 2 외경은 전극 공동의 제 2 외경보다 클 수 있다. 2개의 직선 전극 공동 섹션 및 2개의 직선 전극 섹션은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 층 구조는 연결 면, 전방 면, 상부 면, 하부 면 및 2 개의 측면을 가질 수 있으며, 상기 측면들은 상기 상부 면과 상기 하부 면을 연결한다. 2개의 직선 전극 공동 섹션 및 2개의 직선 전극 섹션은 측면들에 대해 평행하게 배치될 수 있다. 2개의 원형 전극 공동 섹션은 상이한 반경을 가질 수 있다. 2개의 원형 전극 섹션은 상이한 반경을 가질 수 있다. 전극 공동은 적어도 2개의 직선 전극 공동 섹션을 포함할 수 있으며, 상기 직선 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 전극 공동의 중심점을 두고 마주 놓인다. 전극 공동의 제 2 외경은 2개의 직선 전극 공동 섹션에 의해 한정될 수 있다. 제 2 전극은 적어도 2개의 직선 전극 섹션을 포함할 수 있으며, 상기 직선 전극 섹션들은 그들 사이에 제 2 전극의 중심점을 두고 마주 놓인다. 2개의 직선 전극 공동 섹션 및 2개의 직선 전극 섹션은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제 2 전극의 제 2 외경은 2개의 직선 전극 섹션에 의해 한정될 수 있다. 제 2 전극의 제 2 외경은 전극 공동의 제 2 외경보다 클 수 있다. 층 구조는 연결 면, 전방 면, 상부 면, 하부 면 및 2개의 측면을 포함할 수 있으며, 상기 측면들은 상기 상부 면과 상기 하부 면을 연결한다. 제 1 원형 전극 공동 섹션은 전방 면을 향할 수 있고, 제 2 원형 전극 공동 섹션은 연결 면을 향할 수 있다. 제 1 원형 전극 공동 섹션은 제 2 전극 공동 섹션보다 큰 반경을 가질 수 있다. 제 1 원형 전극 섹션은 전방 면을 향할 수 있고, 제 2 원형 전극 섹션은 연결 면을 향할 수 있다. 제 1 원형 전극 섹션은 제 2 전극 섹션보다 큰 반경을 가질 수 있다.
본 발명의 범위에서, 층 구조는 일반적으로 적어도 2개의 적층된 층 및/또는 층 평면을 포함하는 요소를 의미한다. 층들은 층 구조의 제조에 의해 조건부로 구별 가능하게 및/또는 상이한 재료 및/또는 출발 물질로 제조될 수 있다. 특히, 층 구조는 완전히 또는 부분적으로 세라믹 층 구조로서 설계될 수 있다.
본 발명의 범위에서, 고체 전해질 층은 전해 특성, 즉 이온 전도 특성을 갖는 몸체 또는 물품을 의미한다. 특히, 세라믹 고체 전해질일 수 있다. 이것은 또한 고체 전해질의 원료를 포함하므로, 소결 후에야 고체 전해질이 되는, 소위 그린 바디(green body)로서의 형성을 포함한다. 특히, 고체 전해질은 고체 전해질 층으로서 또는 다수의 고체 전해질 층으로 형성될 수 있다. 본 발명의 범위에서, 층은 다른 요소들의 위, 아래 또는 사이에 있는, 특정 높이의 평면 연장된 균일한 덩어리를 의미한다.
본 발명의 범위에서, 전극은 일반적으로 고체 전해질 및 전극에 의해 전류가 유지될 수 있는 방식으로 고체 전해질과 접촉할 수 있는 요소를 의미한다. 따라서, 전극은 이온이 고체 전해질 내로 들어갈 수 있고 및/또는 고체 전해질로부터 빠져나올 수 있는 요소를 포함할 수 있다. 전형적으로 전극들은 예를 들어, 금속-세라믹 전극으로서 고체 전해질에 부착될 수 있거나 또는 다른 방식으로 고체 전해질과 연결될 수 있는 귀금속 전극을 포함한다. 전형적인 전극 재료는 백금-서멧 전극이다. 그러나 금 또는 팔라듐과 같은 다른 귀금속도 원칙적으로 사용 가능하다.
본 발명의 범위에서, 가열 요소는 고체 전해질 및 전극을 적어도 그들의 기능 온도 및 바람직하게는 그들의 작동 온도로 가열하는 역할을 하는 요소를 의미한다. 기능 온도는 고체 전해질이 이온 전도성을 갖게 되는 대략 350℃인 온도이다. 상기 기능 온도에 따라 작동 온도가 달라질 수 있는데, 상기 작동 온도는 센서 소자가 통상적으로 작동되는 온도이며 기능 온도보다 더 높다. 작동 온도는 예를 들어 700 ℃ 내지 950 ℃일 수 있다. 가열 요소는 하나의 가열 영역 및 적어도 하나의 공급 트랙을 포함할 수 있다. 본 발명의 범위에서, 가열 영역은 층 구조에서 센서 소자의 표면에 대해 수직인 방향을 따라 전극과 겹치는 가열 요소의 영역을 의미한다. 일반적으로 작동 중에 가열 영역은 공급 트랙보다 더 강하게 가열되므로 이들이 구별될 수 있다. 상이한 가열은 예를 들어, 가열 영역이 공급 트랙보다 더 높은 전기 저항을 가짐으로써 구현될 수 있다. 가열 영역 및/또는 공급 트랙은 예를 들어 전기 저항 경로로서 형성되고, 전압의 인가에 의해 가열된다. 가열 요소는 예를 들어 백금-서멧으로 제조될 수 있다.
본 발명의 범위에서, 부품 또는 요소의 두께는 층 구조의 방향으로의 치수를 의미하고, 따라서 층 구조의 개별 층 평면에 대해 수직인 치수를 의미한다.
본 발명의 범위에서, 전기 화학 셀은 펌프 셀 및 네른스트(Nernst) 셀로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 요소를 의미한다.
본 발명의 범위에서, 전극 및 전극 공동의 외경은 가스 유입구의 연장 방향에 대해 수직인 전극 및 전극 공동의 외부 치수를 의미한다. 따라서, 이 치수는 층 구조의 층들에 대해 평행하게 측정된다.
본 발명의 기본 사상은 종래의 센서 소자에 비해 전극 공동의 축소이므로, 밀봉 프레임 영역이 커질 수 있다. 밀봉 프레임의 확대에 의해, 센서 소자의 주어진 전체 폭에서 열 전달 면이 커진다. 이는 전극 공동의 하부 면과 상부 면 사이의 온도차를 감소시키고, 따라서 열 기계적 응력을 감소시킨다. 열 기계적 응력의 감소는 더 높은 가열 전압으로 더 빠른 가열을 가능하게 한다.
본 발명의 추가의 선택적인 세부 사항들 및 특징들은 도면들에 개략적으로 도시된 바람직한 실시 예들의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 센서 소자의 분해도.
도 2는 제 1 실시 예에 따른 본 발명의 센서 소자의 종단면도.
도 3은 제 2 실시 예에 따른 본 발명의 센서 소자의 종단면도.
도 2는 제 1 실시 예에 따른 본 발명의 센서 소자의 종단면도.
도 3은 제 2 실시 예에 따른 본 발명의 센서 소자의 종단면도.
도 1에 도시된 센서 소자(10)는 측정 가스의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위해 사용될 수 있고, 하나 이상의 특성이 검출될 수 있다. 본 발명은 측정 가스의 가스 성분의 정성적 및/또는 정량적 검출과 관련하여, 특히 측정 가스 내의 산소 함량의 검출과 관련하여 하기에 설명된다. 산소 함량은 예를 들어 분압 형태로 및/또는 백분율 형태로 검출될 수 있다. 그러나 원칙적으로 다른 유형의 가스 성분, 예를 들어 산화질소, 탄화수소 및/또는 수소가 검출될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 측정 가스의 다른 특성들이 검출될 수 있다. 본 발명은 특히 자동차 기술 분야에서 사용될 수 있으므로, 측정 가스 챔버는 특히 내연 기관의 배기관일 수 있으며, 측정 가스는 특히 배기 가스이다.
센서 소자(10)는 고체 전해질(14) 및 적어도 2개의 전극(16, 18)을 포함하는 세라믹 층 구조(12)를 갖는다. 고체 전해질(14)은 고체 전해질 층들의 형태로 다수의 세라믹 층으로 구성될 수 있거나 다수의 고체 전해질 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체 전해질(14)은 차례로 쌓여 또는 겹쳐서 배치된, 펌핑 막 또는 펌핑 층(14a), 중간 막 또는 중간층(14b) 및 가열 막 또는 가열 층(14c)을 포함하며, 하기에서 더 상세히 설명된다. 전극들(16, 18)은 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)이라 하지만, 그 의미의 가중을 나타내는 것이 아니라 단지 개념적으로 구별하기 위한 것이다. 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18)은 고체 전해질(14) 및 특히 펌핑 층(14a)에 의해 서로 연결되며, 특히 전기적으로 연결된다.
센서 소자(10)는 또한 가스 유입 경로(20)를 포함한다. 가스 유입 경로(20)는 고체 전해질(14)의 표면(23)으로부터 층 구조(12)의 내부로 연장되는 가스 유입구(22)를 갖는다. 가스 유입구(22)를 예를 들어 환형 또는 직사각형으로 둘러싸는 전극 공동(24)은 고체 전해질(14) 내에 제공될 수 있다. 전극 공동(24)은 가스 유입 경로(22)의 부분이고, 가스 유입구(22)를 통해 측정 가스 챔버와 연결될 수 있다. 예를 들어 가스 유입구(22)는 원통형 블라인드 홀(blind hole)로서 고체 전해질(14)의 표면(23)에 대해 수직으로 층 구조(12)의 내부로 연장된다. 특히, 전극 공동(24)은 실질적으로 환형으로 또는 직사각형으로 형성되고, 고체 전해질(14)의 3개의 측면에 의해 한정된다. 가스 유입구(22)와 전극 공동(24) 사이에는 마찬가지로 가스 유입 경로(20)의 구성 요소인 채널(26)이 배치된다. 측정 가스 챔버로부터 전극 공동(24) 내로 가스의 흐름을 줄이거나 방지하고 확산만을 허용하는 확산 배리어(28)가 상기 채널(26) 내에 배치된다. 전극 공동(24)은 고체 전해질(14) 및 밀봉 프레임(29)에 의해 한정된다. 밀봉 프레임(29)은 원칙적으로 고체 전해질(14)과 동일한 재료로 제조될 수 있다.
층 구조(12)는 펌핑 셀(30) 형태의 전기 화학 셀을 더 포함한다. 펌핑 셀(30)의 한계 전류는 상기 확산 배리어(28)를 통해 조절될 수 있다. 펌핑 셀(30)은 고체 전해질(14)의 표면(23)에 배치된 제 1 전극(16)을 포함하고, 상기 제 1 전극(16)은 가스 유입구(22)를 환형으로 둘러쌀 수 있고 측정 가스 챔버로부터 예컨대 가스 투과 보호층(32)에 의해 분리될 수 있다. 또한, 펌핑 셀(30)은 전극 공동(24) 내에 배치된 제 2 전극(18)을 포함한다. 제 2 전극(18)은 환형으로 설계될 수 있고 가스 유입구(22)를 중심으로 회전 대칭으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18)은 가스 유입구(22)에 대해 동축으로 배치된다. 따라서, 상기 한계 전류는 고체 전해질(14)을 통한 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 전류 흐름을 나타낸다. 가스 유입구의 연장 방향의 연장선에서, 가열 요소(34)가 층 구조(12) 내에 배치된다. 가열 요소(34)는 가열 영역(36) 및 전기 공급 트랙(38)을 포함한다. 가열 영역(36)은 예를 들어 곡류(meander) 형태로 형성된다. 가열 요소(34)는 중간층(14b)과 가열 층(14c) 사이에 배치된다. 가열 요소(34)는 산화알루미늄과 같은 전기 절연 재료로 이루어진 얇은 층에 의해 양 측면에서 둘러싸인 것이 명확히 언급되지만, 이는 도면에 상세히 도시되지 않는다. 즉, 중간층(14b)과 가열 요소(34) 사이에 그리고 가열 요소(34)와 가열 층(14c) 사이에, 전기 절연 재료로 이루어진 얇은 층이 배치된다. 이러한 층은 예를 들어 전술한 종래 기술에 공지되어 있기 때문에, 상세한 설명은 생략된다. 전기 절연 재료로 이루어진 층에 관한 다른 세부 사항에 대해서는, 전술한 종래 기술이 참조되며, 전기 재료로 이루어진 층에 관련한, 상기 종래 기술의 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
또한, 층 구조(12)는 제 3 전극(40), 제 4 전극(42) 및 기준 가스 채널(44)을 포함할 수 있다. 기준 가스 채널(44)은 가스 유입구(22)의 연장 방향에 대해 수직으로 고체 전해질(14)의 내부로 연장될 수 있다. 전술한 바와 같이, 가스 유입구(22)가 원통형으로 형성되므로, 가스 유입구(22)의 연장 방향은 가스 유입구(22)의 실린더 축에 대해 평행하다. 이 경우, 기준 가스 채널(44)은 가스 유입구(22)의 실린더 축에 대해 수직으로 연장된다. 기준 가스 채널(44)은 예를 들어 채널(26)에 대해 평행하게 연장될 수 있다. 기준 가스 채널(44)이 가스 유입구(22)의 가상 연장선에 그리고 그에 따라 고체 전해질(14)의 내부에 배치될 수 있는 것이 명확히 언급된다. 기준 가스 채널(44)은 거시적 기준 가스 채널(44)로서 형성될 필요가 없다. 기준 가스 채널(44)은 예를 들어 소위 펌핑된 레퍼런스로서, 즉 인위적인 레퍼런스로서 구현될 수 있다.
제 3 전극은 전극 공동(24) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(40)은 제 2 전극(18)에 마주 놓인다. 제 4 전극(42)은 기준 가스 채널(44) 내에 배치될 수 있다. 제 3 전극(40), 제 4 전극(42), 및 상기 제 3 전극(40)과 상기 제 4 전극(42) 사이의 고체 전해질(14)의 부분은 전기 화학 셀, 예를 들어 네른스트 셀(46)을 형성한다. 펌핑 셀(30)을 통한 펌핑 전류는 펌핑 셀(30)에 의해, 전극 공동(24) 내에 조건 λ = 1 또는 다른 공지된 조성이 주어지도록 조절될 수 있다. 상기 조성은 네른스트 셀에 의해, 제 3 전극과 제 4 전극 사이의 네른스트 전압이 측정됨으로써 검출된다. 기준 가스 채널(44) 내에 공지된 가스 조성이 주어지거나 또는 이것이 초과량의 산소에 노출되기 때문에, 측정된 전압을 기초로 전극 공동(24) 내의 조성이 추론될 수 있다.
이렇게 형성된 층 구조는 연결 면(48), 전방 면(50), 상부 면(52), 하부 면(54), 및 상기 상부 면(52)과 상기 하부 면(54)을 연결하는 2개의 측면(56)을 포함한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 센서 소자(10)의 종단면도를 도시한다. 가열 요소(34), 전극 공동(24), 제 2 전극(18) 및 제 4 전극(42)의 위치가 표시되어 있다. 제 2 전극(18)은 전극 공동(24)의 제 1 외경(60)보다 큰 적어도 하나의 제 1 외경(58)을 갖는다. 전극 공동(24)은 환형으로 형성되고 적어도 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)을 포함하며, 상기 원형 전극 공동 섹션들은 이하에서 제 1 원형 전극 공동 섹션(62) 및 제 2 원형 전극 공동 섹션(64)이라 한다. 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)은 그들 사이에 전극 공동(24)의 중심점(66)을 두고 마주 놓인다. 전극 공동(24)의 제 1 외경(60)은 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)에 의해 한정된다. 제 2 전극(18)은 마찬가지로 환형으로 형성되고 적어도 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)을 포함한다. 상기 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 이하에서 제 1 원형 전극 섹션(68) 및 제 2 원형 전극 섹션(70)이라 한다. 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 그들 사이에 제 2 전극(18)의 중심점(72)을 두고 마주 놓인다. 제 2 전극(18)의 제 1 외경(58)은 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)에 의해 한정된다. 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64) 및 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 평면도로 볼 때 서로 평행하게 배치된다. 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)과 2개의 제 1 원형 전극 섹션(68, 70)은 각각 동일한 반경을 갖는다. 제 2 전극(18)의 제 1 외경(58)은 예를 들면 4000 ㎛이고, 전극 공동(24)의 제 1 외경(60)은 예를 들면 3800 ㎛이다. 이로 인해, 전극 공동(24)이 전극 공동 및 그 안에 배치된 전극들의 환형 구조를 갖는 종래의 센서 소자에서보다 작게 구현되는 것이 명확해진다. 종래의 센서 소자(10)에서의 전극 공동의 외경은 일반적으로 4000 ㎛이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극 공동(24)은 적어도 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)을 포함하고, 상기 직선 전극 공동 섹션들(74, 76)은 그들 사이에 전극 공동(24)의 중심점(66)을 두고 마주 놓인다. 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)은 전극 공동(24)의 제 2 외경(78)을 한정한다. 제 2 전극(18)은 또한 적어도 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)을 포함하고, 상기 직선 전극 섹션들은 제 2 전극(18)의 중심점(72)을 두고 마주 놓인다. 2개의 직선 전극 공동 섹션(80, 82)은 제 2 전극(18)의 제 2 외경(84)을 한정한다. 제 2 전극(18)의 제 2 외경(84)은 전극 공동(24)의 제 2 외경(78)보다 크다. 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76) 및 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)은 서로 평행하게 배치된다. 특히, 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76) 및 직선 전극 섹션(80, 82)은 측면(56)에 대해 평행하게 배치된다. 본 발명에 따른 센서 소자(10)에서 전극 공동(24)을 축소하고 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)을 측면(56)에 대해 평행하게 제공함으로써, 밀봉 프레임(29)의 폭이 커질 수 있다. 밀봉 프레임(29)의 폭은 측면(56)에 대해 수직인 치수이다. 제 2 전극(18)은 외경의 확대로 인해 부분적으로 밀봉 프레임(29) 상에 또는 상기 밀봉 프레임(29)에 배치된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 센서 소자(10)의 종단면도를 도시한다. 이하, 전술한 실시 예와의 차이점만이 설명되고, 동일한 부품은 동일한 도면 부호로 표시될 것이다. 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)은 상이한 반경을 갖는다. 유사하게, 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 상이한 반경을 갖는다. 따라서, 전방 면(50)을 향하는 제 1 원형 전극 공동 섹션(62)은 연결 면(48)을 향하는 제 2 원형 전극 섹션(64)보다 더 큰 반경을 갖는다. 예를 들어, 제 1 원형 전극 공동 섹션(62)은 1900 ㎛의 반경을 갖고, 제 2 원형 전극 공동 섹션(64)은 1600 ㎛의 반경을 갖는다. 유사하게, 전방 면(50)을 향하는 제 1 원형 전극 섹션(68)은 연결 면(48)을 향하는 제 2 원형 전극 섹션(70)보다 큰 반경을 갖는다. 예를 들어, 제 1 원형 전극 섹션(68)은 2000 ㎛의 반경을 갖고, 제 2 원형 전극 섹션(70)은 1700 ㎛의 반경을 갖는다. 직선 전극 공동 섹션(74, 76)은 서로 평행하지 않다. 유사하게, 직선 전극 섹션(80, 82)은 서로 평행하지 않다. 그러나 직선 전극 공동 섹션들(74, 76)과 직선 전극 섹션들(80, 82)은 서로 평행하다. 즉, 직선 전극 공동 섹션(74)과 직선 전극 섹션(80)은 서로 평행하다. 또한, 직선 전극 공동 섹션(76)과 직선 전극 섹션(82)은 서로 평행하다. 여기서도, 제 2 전극(18)의 제 2 외경(84)은 전극 공동(24)의 제 2 외경(78)보다 크다. 제 2 외경(78, 84)은 각각 직선 전극 공동 섹션(74, 76) 또는 직선 전극 섹션(80, 82)의 길이에 대해 평균화된, 측면(56)에 대해 수직인 외경일 수 있다.
10
센서 소자
12 층 구조
14 고체 전해질
16 제 1 전극
18 제 2 전극
24 전극 공동
48 연결 면
50 전방 면
56 측면
58 제 1 외경
60 제 1 외경
62, 64 전극 공동 섹션
66 전극 공동
68, 70 전극 섹션
74, 76 전극 공동 섹션
80, 82 전극 섹션
84 제 2 외경
12 층 구조
14 고체 전해질
16 제 1 전극
18 제 2 전극
24 전극 공동
48 연결 면
50 전방 면
56 측면
58 제 1 외경
60 제 1 외경
62, 64 전극 공동 섹션
66 전극 공동
68, 70 전극 섹션
74, 76 전극 공동 섹션
80, 82 전극 섹션
84 제 2 외경
Claims (10)
- 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스 내의 가스 성분의 비율 또는 측정 가스의 온도를 검출하기 위한 센서 소자(10)로서, 상기 센서 소자(10)는 적어도 하나의 전기 화학 셀을 갖는 세라믹 층 구조(12)를 포함하고, 상기 전기 화학 셀은 적어도 하나의 제 1 전극(16), 하나의 제 2 전극(18), 및 상기 제 1 전극(l6)과 상기 제 2 전극(18)을 연결하는 적어도 하나의 고체 전해질(14)을 포함하며, 상기 층 구조(12) 내에 전극 공동(24)이 형성되고, 상기 제 2 전극(18)은 상기 전극 공동(24)을 향하도록 상기 층 구조(12) 내에 배치되며, 상기 제 2 전극(18)은 상기 전극 공동(24)의 제 1 외경(60)보다 큰 적어도 하나의 제 1 외경(58)을 갖는, 센서 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 공동(24)은 환형으로 형성되고 적어도 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)을 포함하며, 상기 원형 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 상기 전극 공동(66)의 중심점을 두고 마주 놓이고, 상기 전극 공동(60)의 상기 제 1 외경은 상기 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)에 의해 한정되며, 상기 제 2 전극(18)은 환형으로 형성되고 적어도 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)을 포함하며, 상기 원형 전극 섹션들은 그들 사이에 상기 제 2 전극(72)의 중심점을 두고 마주 놓이고, 상기 제 2 전극(18)의 상기 제 1 외경(58)은 상기 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)에 의해 한정되는, 센서 소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64) 및 상기 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 서로 평행하게 배치되는, 센서 소자.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)은 동일한 반경을 갖고, 상기 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 동일한 반경을 갖는, 센서 소자.
- 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 공동(24)은 적어도 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)을 포함하고, 상기 직선 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 상기 전극 공동(66)의 중심점을 두고 마주 놓이며, 상기 전극 공동(24)의 제 2 외경(78)은 상기 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)에 의해 한정되고, 상기 제 2 전극(18)은 적어도 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)을 포함하며, 상기 직선 전극 섹션들은 그들 사이에 상기 제 2 전극(72)의 중심점을 두고 마주 놓이고, 상기 제 2 전극(18)의 제 2 외경(84)은 상기 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)에 의해 한정되며, 상기 제 2 전극(18)의 상기 제 2 외경(84)은 상기 전극 공동(24)의 상기 제 2 외경(78)보다 큰, 센서 소자.
- 제 5 항에 있어서, 상기 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76) 및 상기 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)은 서로 평행하게 배치되는, 센서 소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 층 구조(12)는 연결 면(48), 전방 면(50), 상부 면(52), 하부 면(54) 및 2개의 측면(56)을 포함하고, 상기 측면들(56)은 상기 상부 면(52)과 상기 하부 면(54)을 연결하며, 상기 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76) 및 상기 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)은 상기 측면들(56)에 대해 평행하게 배치되는, 센서 소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 2개의 원형 전극 공동 섹션(62, 64)은 상이한 반경을 갖고, 상기 2개의 원형 전극 섹션(68, 70)은 상이한 반경을 갖는, 센서 소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 전극 공동(24)은 적어도 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)을 포함하고, 상기 직선 전극 공동 섹션들은 그들 사이에 상기 전극 공동(66)의 중심점을 두고 마주 놓이며, 상기 전극 공동(78)의 제 2 외경은 상기 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76)에 의해 한정되고, 상기 제 2 전극(18)은 적어도 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)을 포함하며, 상기 직선 전극 섹션들은 그들 사이에 상기 제 2 전극(72)의 중심점을 두고 마주 놓이고, 상기 2개의 직선 전극 공동 섹션(74, 76) 및 상기 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)은 서로 평행하게 배치되며, 상기 제 2 전극(18)의 제 2 외경(84)은 상기 2개의 직선 전극 섹션(80, 82)에 의해 한정되고, 상기 제 2 전극(18)의 상기 제 2 외경(84)은 상기 전극 공동(78)의 제 2 외경보다 더 큰, 센서 소자.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 층 구조(12)는 연결 면(48), 전방 면(50), 상부 면(52), 하부 면(54) 및 2개의 측면(56)을 포함하고, 상기 측면들(56)은 상기 상부 면(52)과 상기 하부 면(54)을 연결하며, 제 1 원형 전극 공동 섹션(62)은 상기 전방 면(50)을 향하고, 제 2 원형 전극 공동 섹션(64)은 상기 연결 면(48)을 향하며, 상기 제 1 원형 전극 공동 섹션(62)은 상기 제 2 전극 공동 섹션(64)보다 큰 반경을 갖고, 제 1 원형 전극 섹션(68)은 상기 전방 면(50)을 향하며, 제 2 원형 전극 섹션(70)은 상기 연결 면(48)을 향하고, 상기 제 1 원형 전극 섹션(68)은 상기 제 2 전극 섹션(70)보다 큰 반경을 갖는, 센서 소자.
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