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JP2003517146A - Gas sensor design and how to use it - Google Patents

Gas sensor design and how to use it

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Publication number
JP2003517146A
JP2003517146A JP2001530563A JP2001530563A JP2003517146A JP 2003517146 A JP2003517146 A JP 2003517146A JP 2001530563 A JP2001530563 A JP 2001530563A JP 2001530563 A JP2001530563 A JP 2001530563A JP 2003517146 A JP2003517146 A JP 2003517146A
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JP
Japan
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gas
gas sensor
sensor according
electrode
chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001530563A
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Japanese (ja)
Inventor
ワン,ダ・ユー
チャドウィック,ウェイン・エム
キクチ,ポール・キャセイ
グドウィン,ウィリアム・ラッセル
タイ,ロン−ウレン・エフ
デトワイラー,エリック・ジェイ
ケンナード,フレデリック・リンカン,ザ・サード
コーア,ジェフリー・ティー
Original Assignee
デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド filed Critical デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド
Publication of JP2003517146A publication Critical patent/JP2003517146A/en
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

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Abstract

(57)【要約】 ガス・センサは、(例えば、排気ガスがリッチかリーンかを決定するために)酸素のポンピングと排気ガスの検出とを同時または順次に行うことを可能にする基準ガスチャンネルを用いている。本方法は、間に電解質が配置され、互いにイオン連絡する第1電極および基準電極と前記基準電極およびセンサ外部と流体連絡する基準ガスチャンネルとを備えるガス・センサを用いるステップと、排気ガスを第1電極に導入するステップと、基準電極に電圧を印加すること、第1電極で酸素をイオン化するステップと、イオン化された酸素を電解質を通して基準電極へ移動させるステップと、基準電極で分子状酸素を形成すること、分子状酸素を基準電極上でイオン化するステップと、イオン化された酸素を電解質を通して第1電極へ移動させて電圧を発生させるステップと、および電圧を測定するステップとを含む。 A gas sensor is a reference gas channel that allows simultaneous or sequential pumping of oxygen and detection of exhaust gas (eg, to determine whether the exhaust gas is rich or lean). Is used. The method includes using a gas sensor having a first electrode and a reference electrode in ion communication with each other and a reference gas channel in fluid communication with the reference electrode and the exterior of the sensor. Introducing a voltage to one electrode, applying a voltage to the reference electrode, ionizing oxygen at the first electrode, transferring ionized oxygen to the reference electrode through the electrolyte, and removing molecular oxygen at the reference electrode. Forming, ionizing molecular oxygen on the reference electrode, transferring the ionized oxygen through the electrolyte to the first electrode to generate a voltage, and measuring the voltage.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 関連出願の相互参照 本願は、仮出願である1999年10月15日出願米国仮特許出願第60/1
59,837号の出願日の特典を主張し、これを参照によりその全体を組み込む
。 【0002】 技術分野 本発明はガス・センサ、より詳細には酸素センサに関する。 【0003】 発明の背景 酸素センサは、ガスの定性および定量分析が要求される様々な用途で用いられ
ている。自動車応用分野では、排気ガス中の酸素濃度とエンジンに供給される燃
料混合物の空気対燃料比との間に直接的な関係があるために、酸素センサで酸素
濃度測定を行うことで、最適な燃焼条件の決定、燃費の最大化、排気ガス放出の
管理を行うことができる。 【0004】 従来の化学量酸素センサは一般に、イオン伝導性固体電解質材料、排気ガスに
さらされる電解質外表面上で多孔質保護オーバーコートを有する多孔質電極、既
知の酸素分圧にさらされるセンサ内表面上の電極を備える。自動車応用分野で典
型的に使用されるセンサは、イットリア安定化ジルコニアをベースにした電気化
学的ガルヴァーニ電池とプラチナ電極とを用いている。これは電位差モードで動
作して、自動車エンジンの排気ガス中に存在する酸素の相対量を検出する。この
ガルヴァーニ電池の対向する面が異なる酸素分圧にさらされると、起電力がジル
コニア壁の対向する面上にある電極間に生じる。これは以下のネルンストの式に
基づく。 【0005】 【数5】 【0006】 ただし、 E=起電力 R=気体定数 F=ファラディ定数 T=ガスの絶対温度 Pref O2=基準ガスの酸素分圧 PO2=排気ガスの酸素分圧 【0007】 燃料リッチな排気状態と燃料リーンな排気状態の間における酸素分圧の大きな
差により、起電力が化学量点で鋭く変化し、これらのセンサの特徴的なスイッチ
ング動作を引き起こす。したがって、これらの化学量酸素センサは、エンジンが
燃料リッチで動作しているか燃料リーンかを定性的に示し、実際の排気混合物の
空気対燃料比を定量化しない。 【0008】 例えば、固体酸化物電解質たとえばジルコニアをベースにした酸素センサは、
未知のガスと既知の基準ガスとの間の酸素活量差を測定する。通常、既知のガス
は大気空気であり、未知のガスには酸素が、決定すべき平衡レベルで含まれてい
る。典型的に、センサはエアーチャンネルの構造を有し、これが基準電極を周囲
空気に連絡する。基準電極が未知のガスによって汚染されることを避けるために
、センサは、通常十分なガスシールを参照空気と未知のガスとの間にもたらすた
めに複雑な特徴を有する高価なセンサ・パッケージを必要とする。歴史的に、こ
のようなガスシール型センサ・パッケージは、現場での耐久性が不十分であるこ
とが明らかとなっている。この問題は、原位置に電気化学的酸素ポンピングを用
いることで回避することができる。この方法では、空気基準電極チャンバは、シ
ールされた基準電極と取り替えられ、酸素を排気ガスから電気化学的に汲み上げ
る。この方法によって、排気ガス汚染の問題は解消されるが、その固有の欠点が
生じる。すなわち、高価な電子回路が電気化学的酸素ポンピングを行うために必
要であり、また酸素ポンプ電流によって増大された過剰な酸素ガス圧が、センサ
のセラミックボデイを破る可能性がある。 【0009】 当該技術分野で必要とされているのは、酸素の電気化学的ポンピングを用いる
単純なガス・センサである。 【0010】 発明の簡単な概要 ガス・センサとその使用方法。ガス・センサの一実施形態は、その間に電解質
が配置され、互いにイオン連絡する第1電極および基準電極と、前記基準電極お
よびセンサ外部と流体連絡する基準ガスチャンネルとを備え、基準ガスチャンバ
が拡散制限器を有する。 【0011】 本方法の一実施形態は、その間に電解質が配置され、互いにイオン連絡する第
1電極および基準電極と前記基準電極およびセンサ外部と流体連絡する基準ガス
チャンネルとを備えるガス・センサを用いるステップと、排気ガスを第1電極に
導入すること、基準電極に電圧を印加するステップと、第1電極で酸素をイオン
化するステップと、イオン化された酸素を電解質を通して基準電極へ移動させる
ステップと、基準電極で分子状酸素を形成すること、分子状酸素を基準電極上で
イオン化するステップと、イオン化された酸素を電解質を通して第1電極へ移動
させて電圧を発生させるステップと、および電圧を測定するステップとを含む。 【0012】 本発明の上述および他の特徴ならびに利点については、当業者なら以下の詳細
な説明、図面、および添付の特許請求の範囲から、正しく認識し理解するであろ
う。 【0013】 発明の詳細な説明 装置および方法について、添付の図面を参照しながら例として説明する。図面
は例示とし、限定するものではない。 【0014】 ガス・センサは、1つまたは複数の電気化学的セル(すなわち排気ガス側電極
と基準電極2つの電極の間に配置される電解質)、外部電極に隣接して配置され
た多孔質保護層、基準電極との間で流体連絡する基準ガスチャンバ、電気化学的
セルとの間で熱連絡するヒータとを備える。基準ガスチャンバはさらに、ガス・
センサの周囲の雰囲気(すなわち空気および排気ガス)との間で流体連絡する。
参照チャンバを排気ガスから気密にシールする必要はない。このガス・センサで
は、基準電極へ酸素をポンピングして取り入れることによって、基準ガスチャン
バを気密にシールする必要が回避されている。そのため参照チャンバでは、チャ
ンバ内に圧力勾配が生じている。任意選択で、1つまたは複数のガス拡散制限器
を参照チャンバ内で用いてもよい。 【0015】 図1を参照すると、ネルンストの酸素センサを以下の基本的な特徴(構成要素
)とともに示す。排気ガス側電極1、基準電極2、ヒータ・リード3および4、
多孔質保護層5、固体電解質層6、絶縁アルミナ層7および8、エアーチャンネ
ル9、ヒータ12。図1において、排気ガス電極1は、多孔質保護層5を通過す
る排気ガスにさらされる。基準電極2は、排気ガス電極1から、高密度の固体電
解質層6によって分離されており、開口するチャンネル9(周囲の雰囲気にセン
サのテール13で開口する)にさらされる。ヒータ・リード3および4は、ヒー
タ電極14の正極および負極に、それぞれ接続されている。任意選択で、センサ
の正のヒータ・リード3を基準電極リード17に抵抗器Rを介して接続すること
ができ、負のヒータリード4を排気ガス側リード19に接続することができる。
この実施形態においては、リード3と17との間に配置される抵抗器Rがあるた
め、それによって接続および抵抗器を任意にセンサ・セラミック・ボディ内部に
配置することができる。 【0016】 使用中、排気ガスは保護コーティング層5を通過して電極1まで移動し、起電
力が排気ガス電極1と基準電極2との間に発生する。基準電極2を一定の酸素活
量に維持するために、酸素フラックスは電極2内へポンピングされる。これは、
基準電極2を正の極性に維持して、ヒータ・リード3から供給される電力によっ
て行われる。基準電極2で生じた酸素は、基準ガスチャンネル9から開口端13
を通過して周囲雰囲気中(例えば排気ガスまたは空気中)へ拡散する。 【0017】 基準ガスチャンバ9/9’(図1および4を参照)から外への拡散速度は、基
準電極(約1気圧以上)と周囲雰囲気(atm.)(約0.21気圧以下)間の
酸素圧差に線形に比例する。この実施形態では、ガス拡散制限プロセスを全く用
いていないため、基準ガスチャンネル内の酸素圧が、セラミック・センサ・ボデ
ィに損傷を与えるようなレベルにまで増大することは決してない。一方で、空気
および/または排気ガスによる基準ガスチャンバ内への拡散速度は、基準電極(
燃料濃度は、ポンプ電流によって生じた酸素によってゼロに維持される)と周囲
雰囲気(典型的に約21%以下)間の燃料濃度の差に線形に比例する。燃料濃度
の差は21%を超えないため、排気フラックスは制限される。排気フラックスは
下式(I)によって表すことができる。 【0018】 【数6】 Fexh=DCA/L (1) ただし、Fexhは排気ガス・フラックス(すなわち、チャンネルを通る排気ガス
の移動速度) Dは排気ガス定数の拡散定数 Cは基準ガスチャンネルの開口端での周囲雰囲気排気ガス濃度 Aはガスチャンネルの平均断面積 Lはガスチャンネルの長さ 【0019】 燃料濃度を基準電極においてゼロ付近に維持するためには、酸素フラックスを
燃料の限界フラックスよりも大きくしなければならない。酸素フラックスの量は
、図1のRの抵抗値とヒータ電圧とによって調整可能である。燃料の限界フラッ
クスの量は、ガスチャンネルの断面積と長さとによって決定される。 【0020】 ガス・センサの構成要素は、すなわち保護層5、電極1、2、3、4(および
そのリード)、ヒータ12、誘電体層7および8、ヒータ電源14である。また
これらの従来の構成要素に加えて、追加の従来の構成要素を用いてもよい。例え
ば(これらに限定されないが)、追加の保護コーティング(例えば、スピネル、
アルミナ、マグネシウムアルミネートなど、および少なくとも1種の前記のコー
ティングを含む組合せ)、鉛ゲッタリング層、接地平面、サポート層、追加の電
気化学的セルなどである。 【0021】 誘電体層7および8ならびにどんなサポート層も典型的に、電気的な連絡を禁
止して物理的保護を与えることができるアルミナまたは同様の材料を含む。好ま
しくは、層7、8および追加のサポート層は、効果的にガス・センサの様々な部
分を保護することができ、構造完全性を与え、様々な構成要素を分離し、ヒータ
12をセンサ回路から電気的に絶縁し、基準電極2、ヒータ12、および/また
はリードを覆い、磨耗に対する物理的保護をもたらし、および/またはガス・セ
ンサの構成要素をパッケージから電気的に絶縁することが好ましい。好ましくは
、ガス・センサの製造で使用する様々な材料は、実質的に同様の熱膨張係数、収
縮特性、および化学的適合性を備えることによって、層剥離その他の加工上の問
題を、解消しないとしても、最小限に抑える。 【0022】 誘電体層およびサポート層はそれぞれ、約200μm以下の厚さであり得るが
、厚みは約50かミクロンから約200ミクロン好ましい。これらの層は、セラ
ミックテープ・キャスティング方法またはその他の方法、たとえばプラズマ・ス
プレイ・デポジション技術、スクリーン印刷、ステンシル、および当該技術分野
で従来使用されているその他のものを用いて形成することができる。 【0023】 層のうちの2つ、例えば7と8との間に、ヒータ12が配置され、グランド平
面(図示せず)が、2つのサポート層(図示せず)の間に任意選択で配置される
。ヒータ12は、センサ端(すなわち開口端13と反対側の端)を十分な温度に
維持して、そこでの様々な電気化学反応を促進できるのであれば、従来のどんな
ヒータであってもよい。ヒータ12(プラチナ、アルミナ、パラジウム等、なら
びに少なくとも1種の前記の金属を含む混合物および合金である)、またはその
他のどんな従来のヒータも一般に、基板上に約5ミクロンから約50ミクロンの
厚さまでスクリーン印刷される。 【0024】 リード17および19が様々な誘電体層の両側に配置されており、ガス・セン
サの外部配線を電極1、2に電気的に接続している。リードは典型的には、それ
らが電気的に連絡している電極と同じ層の上に形成され、電極からガス・センサ
の端子端まで延びている。端子端では、リードは対応するバイア(図示されてい
ない)と電気的に連絡している。ヒータ12も、バイアと電気的に連絡するリー
ド3および4を有している。 【0025】 リードと電気的に連絡しているのは、電解質との間でイオン連結する電極であ
る。電解質層6、6’、6”は、好ましくは層の全部または一部を構成すること
ができる固体電解質であり(図1、および5から7を参照)、電解質層は、排気
ガスの物理的な通過を禁止しながら酸素イオンの電気化学的な移動を可能にでき
る如何なる材料でも良く、イオン/全体の導電率の比が約1であり、ガス・セン
サを用いる環境(例えば約1000℃まで)どんな材料であってもよい。また、
この電解質は、多くの従来プロセスによって形成することができる。例えば(こ
れらに限定されないが)、ダイプレス、ロール圧縮、ステンシルおよびスクリー
ン印刷、テープ・キャスティング技術などが挙げられる。可能性のある固体電解
質材料には、従来センサ電解質として用いられているどんな材料も含まれ得る。
例えば(これらに限定されないが)、ジルコニアであって、これを任意選択で、
カルシウム、バリウム、イットリウム、マグネシウム、アルミニウム、ランタン
、セシウム、ガドリニウム等、および少なくとも1種の前記の材料を含む組合せ
で安定化していてもよい。例えば、電解質はアルミナおよびイットリウム安定化
ジルコニアであり得る。典型的には、固体電解質は、厚みが約500ミクロンま
でであり、好ましくは約25ミクロンから約500ミクロンの厚さであり、特に
好ましくは約50ミクロンから約200ミクロンの厚さである。 【0026】 ある実施形態では、多孔質電解質を用いてもよいことに注意されたい。多孔質
電解質は、排気ガスの物理的運動と酸素イオンの電気化学的運動とを可能にでき
るものでなければならなく、またガス・センサを用いる環境と共存できるもので
なくてはならない。典型的に、多孔質電解質は、多孔度が約20%までであって
中央孔隙径が約0.5ミクロンであり、またはその代わりに、1つまたは複数の
孔、スリット、開口部を有する固体電解質を含むことによって、排気ガスの物理
的通過を可能にする。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,762,73
7号(Bloink等)(本明細書において全体として参照により取り入れられ
ている)では、本出願で有用であり得る多孔質電解質がさらに説明されている。
可能性のある多孔質電解質としては、固体電解質に対してすでに列挙したものが
挙げられる。 【0027】 電解質6、6’、6”および保護材料5は、層の全部または何れか一部を構成
することができる。例えば、電解質および保護材料は、層を形成してもよいし、
層(誘電体材料に隣接する保護材料/電解質)に取付られてもよく、または開口
部を層内に配置してもよい(保護材料/電解質が挿入物であり得る)。最後の配
置は、過剰に電解質および保護材料を使用することをなくし、また層を省くこと
によってガス・センサのサイズを小さくする。どんな形状も電解質および保護材
料に対して用いることができる。様々な挿入物、従って対応する開口部のサイズ
および幾何形状は、隣接する電極の所望のサイズおよび幾何形状に依存する。開
口部、挿入物、および電極は、実質的に同様な幾何形状であることが好ましい。 【0028】 複数の電極1、2、10、11が、電解質6、6’、6”(図1および図5か
ら7を参照)および多孔質電解質と接触して配置されているが、これらの電極は
酸素をイオン化できるどんな触媒も含むことができる。例えば(これらに限定さ
れないが)、金属たとえばプラチナ、パラジウム、オスミウム、ロジウム、イリ
ジウム、金、ルテニウム;金属酸化物たとえばジルコニア、イットリア、セリア
、カルシア、アルミナなど;その他の材料たとえばシリコンなど;少なくとも1
種の前記の触媒を含む混合物および合金が挙げられる。 【0029】 電極1、2、10、11は、従来技術たとえばスパッタリング、化学気相成長
法、スクリーン印刷、ステンシルを用いて形成することができる。中でも電極を
適切なテープ上にスクリーン印刷することが好ましく、その理由は、簡便性、経
済性、その後の焼成プロセスとの互換性によるからである。例えば、基準電極2
を、誘電体層7上または固体電解質6上へスクリーン印刷することができ、排気
ガス電極1を固体電解質6上または保護層5上へスクリーン印刷することができ
る。電極リードおよび誘電体内のバイアおよび/または電解質層(図示せず)は
典型的に、電極と同時に形成する。 【0030】 基準電極2と流体連絡するように配置されているのは基準ガスチャンネル9、
9’である。これらは、カーボンをベースにした材料、すなわち不堅牢材料たと
えばカーボンブラックを基準電極2と層7との間に沈積して、加工と同時にカー
ボンが燃え尽きてボイドが残るようにすることで形成される(図1および4を参
照)。図4から明らかなように、基準チャンバの幾何形状は、特定の用途に適合
するように変更することができる。この特定の実施形態においては、基準ガスチ
ャンネル9’は、2つの拡散経路21および23と、2つのチャンバ23および
25とを備える。基準ガスチャンネル9’の各種のコンパートメント(21、2
3、25、および27)の長さおよび断面積は、上式(I)および排気ガス・フ
ラックスに基づいて決定される。この実施形態においては、2つのチャンバと2
つの拡散経路とを用いることで、ヒータ電圧の周期的な繰り返しに対応している
。基本的に、電圧が全くヒータに印加されなければ、基準ガスチャンネル内への
ポンピングを誘導する電圧は全く電極に印加されない。周囲雰囲気が基準電極に
近づくことを禁止するために、多段拡散チャンネルを用いる。ポンピングに用い
る電圧が周期的でない場合には、単一のチャンバとチャンネルとを用いることが
できる。ここでは、チャンネルとチャンバとは同じサイズであっても異なるサイ
ズであっても良く、式Iと使用すべき電圧とに基づく。 【0031】 酸素ポンプ電流は、電解質を通して基準ガスチャンネル内へ酸素を移動させる
ために、燃料限界電流よりも大きくなければならない。しかし電流が大きすぎる
と、電流による新たな分極が電解質(オーミック降下)および電極(電極分極)
で発生し、起電力測定に対する誤差信号が、特にセンサ動作のライトオフ時間の
間に発生する可能性がある。結果として、排気ガス電極面積の約30ミリアンペ
ア/平方センチメートル(mA/cm2)以下のポンプ電流を用いることができ
、好ましくは約20mA/cm2以下、特に好ましくは約20mA/cm2以下で
ある。この必要条件は例えば、Rの正しい抵抗値を(図1を参照)、ヒータの使
用電圧に依存して選択することで実現できる。抵抗器は、カーボンまたは金属酸
化物タイプの抵抗器であってもよいし、厚膜タイプ(センサ・セラミック・ボデ
ィにスクリーン印刷することができる)であってもよい。ヒータに交流(ac)
電源を用いる場合には、ダイオードを回路に任意選択で付加することができる(
Rと直列に。図1を参照)。 【0032】 燃料限界電流があるため、基準ガスチャンネルの物理的な寸法は、限界排気ガ
ス・フラックスとして、電極面積の約30ミリアンペア/平方センチメートル(
mA/cm2)以下、好ましくは約20mA/cm2以下、特に好ましくは約10
mA/cm2以下が得られるものでなくてはならない。様々なパラメータが相互
に関係するため、センサの特定のデザインに依存して様々な量を用いることがで
きる。デザインは、上式Iと下式IIとの組合せに基づかなければならない。 【0033】 【数7】 Ip=(Vhemf)/R (II) ただし、Ipはポンプ電流 Vhはヒータ電圧 Vemfはセンサ起電力 Rは抵抗器の抵抗 【0034】 一般に、電圧が約10から約21ボルト(V)の場合、チャンネル長さ(L)
は約35mmから約65mm、幅(W)は約0.50mm以下、高さ(H)は約
0.05mm以下、好ましくは長さが約35mmから約50mm、幅が約0.3
0mm以下、高さが約0.025mm以下、特に好ましくは長さが約40mmか
ら約48mm、幅が約0.13mm以下、高さが約0.015mm以下であり得
る。断面積(すなわち幅×高さ)の下限は、所望する拡散速度に基づくことに注
意されたい。幅および高さの両方の下限は約0.005mmであるが、利用でき
る製造装置の限界によって実際的な下限は実質的により高い。例えば、公称のV h が約13.5ボルト、Rが約2メガオーム(MQ)、Ipが約7マイクロアンペ
ア(μA)の場合、チャンネルの寸法は約43m(L)×0.2mm(W)×0
.02mm(H)である。 【0035】 基準ガスチャンネルの製造は、機械的切り込みダック(duck)、一時的な
材料(たとえば高温で燃え尽き得るカーボン)のスクリーン印刷、多孔度が制御
されたコーティング層の形成、孔のレーザ・ドリリングなどによって行うことが
できる。例えば、チャンネルは、周囲の排気ガスに対してガス・センサの先端部
(図1の符号13)で直接開口して、チャンネル寸法が約10ミリメートル(m
m)の長さ(L)×0.007mmの幅(W)×0.01mmの高さ(H)であ
り得る。 【0036】 ヒータまたはその他のどんなパワー・デバイスも、酸素ポンピングの電源にな
り得る。ヒータが電源であって周期的モードで動作している場合、酸素ポンピン
グが全く起こらない時間帯が存在する。このような時間帯が非常に長く続くと、
基準電極で酸素が欠乏する可能性がある。バッファ・ゾーンをガスチャンネルデ
ザイン内に加えて、このような障害を避けることができる(図4から6を参照)
。これらの図において、基準電極は小チャンバ25に隣接して位置し、大チャン
バ27はバッファ・ゾーンとして機能しており、短い拡散制限経路21が小チャ
ンバに接続し、長い拡散経路23がガス・センサのテールに接続している。ポン
ピングによって取り入れられた酸素はバッファ・ゾーンに貯蔵されて、基準電極
を、酸素が全く供給されない時間帯の間維持する。このようなガスチャンネルは
、一時的な材料(焼結工程の間に燃え尽き得るグラファイトまたはカーボンなど
)を用いたスクリーン印刷によって作製することができる。また酸素貯蔵材料を
随意に、基準ガスチャンネルの全部または一部に(例えば、チャンネル全体に、
1つまたは複数の拡散経路に、1つまたは複数のチャンバに、またはこれらのチ
ャンネル部分の何らかの組合せに)加えて、その機能の有効性を増大させること
もできる。このような材料としては、金属たとえばプラチナ、ロジウム、パラジ
ウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムなど;金属酸化物たとえば酸化セリ
ウムおよび酸化ビスマスなど;およびその他の従来の酸素貯蔵材料、ならびに少
なくとも1種の前記の材料を含む混合物および合金が挙げられる。本発明の譲受
人に譲渡された特許出願、代理人整理番号DP300023、米国特許出願第0
9/476,834号(Detwiler、2000年1月3日に出願)(本明
細書において全体として取り入れられている)では、本出願で有用であり得る酸
素貯蔵材料がさらに説明されている。 【0037】 代替的な実施形態においては、ヒータと起電力部材との間の電気絶縁を、酸素
ポンピングを行うための追加の絶縁された1組の電極を用いることで行うことが
できる。そうするための可能な方法を図5および6に示す。図5に対称的なデザ
インを示す。センサは、殆ど同一の2つのセンサ・レイアウトを有している。こ
れらは、図1に示したものと同様であるが、セラミックヒータの反対側に設けら
れている。これらのセンサの一方は、開口された基準ガスチャンネルを有し、セ
ンサのリード3および4がヒータに接続されている。他方のセンサは、ヒータ・
セラミックの中を通るガスチャンネルを有し、その電極の一方(2)が、ポンプ
電極10および11によって生じる酸素にさらされて、起電力を電極1および2
によって測定する。電極1および2は、電極10および11から電気絶縁されて
いるため、このセンサ・デザインは信号接地絶縁の特徴を有する。また電極1お
よび2は、電極10および11から分離されているため、最大酸素ポンプ電流は
30mA/cm2に制限されない。セラミックヒータの中を通る孔は、グリーン
・テープ(green tapes)を、熱ラミネーションの前に、機械穿孔し
、孔を開けることによって作製できる。 【0038】 図6に、同じ信号絶縁を実現することができる他の可能なデザインを示す。今
度は、起電力検出電極1および2ならびに酸素ポンプ電極10および11は、ヒ
ータの同じ側に設けられている。電気絶縁層(例えば誘電体層)たとえばアルミ
ナが、電極間に被覆された2つの固体電解質の間に設けられている。絶縁された
2つの電解質は、ボタンまたはストリップの形態であり得る。開口する基準ガス
チャンネルによって、電極2および4の両方が連絡している。2組の電極は、並
んでいてもよいし、交互になっていてもよい。 【0039】 信号雑音分離を改善するためのさらに他の方法がある。電極1と4との間の接
続を、センサ部材位置(図1を参照)から取り外して、制御盤位置で再接続する
(図7に示す)。抵抗器R2を付加して、実質的な接地絶縁の特徴を与える。図
4(a)および4(b)に示した方法と比べて、この方法はより簡単である。 【0040】 使用中、排気ガス電極1、電解質6、および基準電極2によって、ポンピング
・セルと参照セルの両方が形成される。両者は、同時にさえ動作することができ
る。排気ガス中の酸素は、保護層5を通過して、ポンピング・セルに入る。ポン
ピング・セルでは、電極1および2に印加される電圧によって、電極1上の酸素
がイオン化されて基準電極2へポンピングされる。こうして、排気ガス電極での
排気ガスが、燃料リッチ(A/Fが、ガスエンジンの場合に約14.7未満)で
あるか、燃料リーン(A/Fが、ガスエンジンの場合に約14.7を超える)で
あるかを決定するために基準ガスを供給することに、酸素を利用できる。 【0041】 以下の実施例は、単に本発明の実施形態をさらに説明するためのものであり、
本発明の範囲を何ら限定するものではない。 【0042】 例 アルミナおよびイットリアがドープされたジルコニアを、バインダ、可塑剤、
および溶媒と混合した後、従来と同様にロール練りしてスラリにした。次にスラ
リを型に入れてテープにした。これはドクター・ブレード・テープ・キャスティ
ング法を用いて行った。 【0043】 プラチナ・インクとカーボン・インクとを、テープ上にスクリーン印刷して図
1に示す構造にした(電極1、4はプラチナであり、基準ガスチャンネル9はカ
ーボンであった)。カーボンチャンネル9の印刷物は、基本的な物理寸法が49
mm L×0.86mm W×0.015mm Hであった。Wを、ここで示し
た値の13%、20%、25%、50%、および100%と変化させた。基準ガ
スチャンネルは、ガス・センサのテールに開口部を有していた。 【0044】 テープを熱によりラミネートして、切断した後、1500℃で数時間焼成し、
その後、最終テスト用にパッケージした。センサは新しくて気密シールされてい
たため、様々なサイズのリーク孔をセンサ・パッケージ内に作製して、排気ガス
がセンサのテール内にリークできるようにした。 【0045】 次にセンサを、ホット・リッチ・エンジン動作状態(例えば、5.7リットル
(L)、8バルブ(V8)エンジンで2700回転/分(rpm)、70キロパ
スカル(kPa)の排気ガスパイプ背圧、化学量点(すなわちA/Fが約13.
2)から10%リッチ、排気ガス温度が850℃)で動作させた。電流に基づい
て測定される限界排気ガス・フラックスを、リーク・レート(空気に対して室温
において真空ポンプを用いて測定した)の関数として測定した。 【0046】 図2に、エアーチャンネルの排気ガス・フラックスに対する拡散制限効果を示
す結果を示す。図2では、燃料限界電流を、センサ・パッケージの対数リーク・
レート(立方センチメートル/秒(cm3/sec))に対してプロットしてい
る。観測された限界電流の平坦部分は、5マイクロアンペア(mA)である。こ
れは、基準ガスチャンネル内に拡散する排気ガス・フラックスが、周囲雰囲気を
汚染する排気ガスの量に拘らず、限界値を有することを示している。 【0047】 酸素を参照チャンバ内にポンピングした(すなわち、1.5ボルト(V)まで
排気ガス電極と基準電極との間に直接印加した)場合には、基準ガスチャンネル
は破壊しない。言い換えれば、シールされた基準ガスチャンネルとは対照的に、
電流基準ガスチャンネルは、約1.5V以下およびそれを上回りさえする電圧で
ポンピングして取り入れた酸素に耐えることができ、内部酸素圧力の過剰な増大
による破裂を起こさない。このことによって、基準ガスチャンネルが実際は一方
向にガス拡散を制限する特徴を有することが分かる。その結果、排気ガス・フラ
ックスは制限されるが酸素フローは制限されないため、酸素圧力が基準電極にお
いて破裂点まで増大する。 【0048】 次に燃料限界フラックスを、参照チャンネル幅の関数として測定した。図3に
結果をプロットする。図3では、限界排気ガス・フラックスを、参照チャンネル
幅のパーセント変化に対してプロットしている。この図において見られるように
、限界排気ガス・フラックスは、基準ガスチャンネルの線寸法に直線的に比例す
る。 【0049】 ガス・センサおよび特に基準ガスチャンネルのデザインによって、排気ガスま
たは汚染空気の基準電極へ向かう拡散が抑制されている。このことは、電気化学
的ポンプ方法と合わせて、気密シールされたセンサ・パッケージに対する要求を
なくし、酸素圧力増大の問題を解消し、また高価な電源および回路を不要にする
。本センサのさらなる利点は、焼成の実施形態を用いた場合、基準ガスチャンネ
ルを形成する際に一時的な材料を使用できるため、製造が簡単になることである
。 【0050】 好ましい実施形態を示して説明してきたが、様々な変更および置換を、本発明
の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができる。例えば、本明細書で
教示された幾何形状を、他の従来のセンサにおいて用いることが挙げられる。し
たがって、装置および方法は実例としてのみ説明されており、本明細書で開示さ
れたこのような実例および実施形態は、特許請求の範囲を限定するものとして解
釈してはならないことを理解されたい。 【図面の簡単な説明】 【図1】 ガス・センサ・デザインの拡大図である。 【図2】 センサ・パッケージのリーク・レートに対する、ガス拡散制限エ
アーチャンネルから測定された排気ガス・フラックスを示す図である。データの
平坦部分が排気ガス・フラックスの限界値を示す。 【図3】 エアーチャンネルの幅分布(パーセント(%))に対する限界排
気ガス・フラックス値を示す図である。 【図4】 ヒータの周期的動作(ヒータのオン−オフ動作)に関係する酸素
ポンプの問題を打開するために、ガス制限器とともにガス・バッファリング(貯
蔵)スペースを有する1つのエアーチャンネルデザインの角度を付けた上面図で
ある。 【図5】 電気絶縁(ヒータとセンサ起電力との間の接地絶縁)を有するガ
ス・センサの代替的なデザインの拡大図であり、起電力要素と酸素ポンプ要素と
はヒータの反対側にある。 【図6】 電気絶縁(ヒータとセンサ起電力との間の接地絶縁)を有するガ
ス・センサの代替的なデザインの拡大図であり、起電力センサと酸素ポンプ・セ
ンサとはヒータの同じ側にある。 【図7】 代替的なガス・センサ・デザインの拡大図であり、起電力電極リ
ードとヒータ・リードとの間の絶縁の問題をさらに扱うために、起電力リードと
ヒータ・リードとの接続がセンサ部材位置の外側にある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION       [0001] Cross-reference of related applications   This application filed a provisional application, US Provisional Patent Application No. 60/1, filed October 15, 1999.
Claims the filing date benefit of 59,837, which is incorporated by reference in its entirety.
.       [0002] Technical field   The present invention relates to gas sensors, and more particularly to oxygen sensors.       [0003] Background of the Invention   Oxygen sensors are used in various applications where qualitative and quantitative analysis of gas is required.
ing. In automotive applications, the oxygen concentration in the exhaust gas and the fuel supplied to the engine
The oxygen sensor has a direct relationship with the air-to-fuel ratio of the
By performing concentration measurement, it is possible to determine optimal combustion conditions, maximize fuel efficiency, and reduce exhaust gas emissions.
Can manage.       [0004]   Conventional stoichiometric oxygen sensors are generally used for ion-conducting solid electrolyte materials and exhaust gases.
A porous electrode having a porous protective overcoat on the exposed outer surface of the electrolyte;
An electrode on the sensor inner surface is exposed to a known oxygen partial pressure. In the field of automotive applications
The type of sensor used is an electrification based on yttria-stabilized zirconia.
Galvanic cells and platinum electrodes. It operates in the potential difference mode.
To detect the relative amount of oxygen present in the exhaust gas of the car engine. this
When opposing surfaces of a galvanic cell are exposed to different oxygen partial pressures,
Occurs between electrodes on opposing faces of the konia wall. This is given by the following Nernst equation:
Based.       [0005] (Equation 5)      [0006] However,   E = electromotive force   R = gas constant   F = Faraday constant   T = absolute temperature of gas   Pref O2= Oxygen partial pressure of reference gas   PO2= Oxygen partial pressure of exhaust gas       [0007]   High oxygen partial pressure between fuel-rich and fuel-lean exhaust conditions
The difference causes the electromotive force to change sharply at the stoichiometric point, a characteristic switch for these sensors.
Triggering operation. Therefore, these stoichiometric oxygen sensors are
Qualitatively indicates whether it is operating fuel-rich or fuel-lean,
Do not quantify the air to fuel ratio.       [0008]   For example, an oxygen sensor based on a solid oxide electrolyte, such as zirconia,
The difference in oxygen activity between the unknown gas and the known reference gas is measured. Usually a known gas
Is atmospheric air, and the unknown gas contains oxygen at the equilibrium level to be determined.
You. Typically, sensors have the structure of an air channel, which surrounds a reference electrode.
Contact air. To avoid contamination of the reference electrode by unknown gases
, The sensor usually provides a sufficient gas seal between the reference air and the unknown gas
Requires expensive sensor packages with complex features. Historically, this
Gas-sealed sensor packages such as
It is clear. The problem is to use electrochemical oxygen pumping in situ.
That can be avoided. In this method, the air reference electrode chamber is
Is replaced with a cooled reference electrode and oxygen is electrochemically pumped from the exhaust gas.
You. While this solution eliminates the problem of exhaust gas pollution, its inherent disadvantages are:
Occurs. That is, expensive electronic circuits are required for electrochemical oxygen pumping.
It is important to note that the excess oxygen gas pressure
May break ceramic body.       [0009]   What is needed in the art is to use electrochemical pumping of oxygen
It is a simple gas sensor.       [0010] BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION   Gas sensors and how to use them. One embodiment of a gas sensor has an electrolyte
And a first electrode and a reference electrode in ionic communication with each other, and the reference electrode and the reference electrode.
And a reference gas channel in fluid communication with the outside of the sensor.
Have a diffusion limiter.       [0011]   One embodiment of the method comprises the steps of placing an electrolyte therebetween and in ionic communication with each other.
One electrode and a reference electrode and a reference gas in fluid communication with the reference electrode and the outside of the sensor
Using a gas sensor with a channel and exhaust gas to a first electrode.
Introducing, applying a voltage to the reference electrode, and ionizing oxygen at the first electrode.
And transferring the ionized oxygen to the reference electrode through the electrolyte
Forming molecular oxygen at the step and the reference electrode;
Ionizing and transferring the ionized oxygen through the electrolyte to the first electrode
And generating a voltage, and measuring the voltage.       [0012]   For the above and other features and advantages of the present invention, those skilled in the art will perceive the following details.
From the detailed description, drawings, and appended claims.
U.       [0013] Detailed description of the invention   The apparatus and method will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Drawing
Is illustrative and not limiting.       [0014]   The gas sensor comprises one or more electrochemical cells (ie, exhaust gas side electrodes).
And an electrolyte disposed between the two reference electrodes), disposed adjacent to the external electrode
Porous protective layer, reference gas chamber in fluid communication with reference electrode, electrochemical
A heater in thermal communication with the cell. The reference gas chamber also
Fluid communication between the atmosphere surrounding the sensor (ie, air and exhaust gas).
It is not necessary to hermetically seal the reference chamber from the exhaust gas. With this gas sensor
Pumps oxygen into the reference electrode to create a reference gas chamber.
The need to hermetically seal the bus is avoided. Therefore, the reference chamber
A pressure gradient is created in the chamber. Optionally, one or more gas diffusion restrictors
May be used in the reference chamber.       [0015]   Referring to FIG. 1, the Nernst oxygen sensor has the following basic features (components:
). Exhaust gas side electrode 1, reference electrode 2, heater leads 3 and 4,
Porous protective layer 5, solid electrolyte layer 6, insulating alumina layers 7 and 8, air channel
9 and heater 12. In FIG. 1, an exhaust gas electrode 1 passes through a porous protective layer 5.
Exposed to exhaust gases. The reference electrode 2 is separated from the exhaust gas electrode 1 by a high-density solid-state electrode.
The channel 9 (opened to the surrounding atmosphere) is separated by the
(Opens at the tail 13). Heater leads 3 and 4 are
The positive electrode and the negative electrode of the data electrode 14 are respectively connected. Optionally, sensors
The positive heater lead 3 is connected to the reference electrode lead 17 via a resistor R.
The negative heater lead 4 can be connected to the exhaust gas side lead 19.
In this embodiment, there is a resistor R located between leads 3 and 17.
Connection and resistors, optionally inside the sensor ceramic body
Can be arranged.       [0016]   During use, the exhaust gas passes through the protective coating layer 5 and moves to the electrode 1 to generate an electromotive force.
A force is generated between the exhaust gas electrode 1 and the reference electrode 2. The reference electrode 2 has a constant oxygen activity
To maintain the volume, the oxygen flux is pumped into the electrode 2. this is,
By maintaining the reference electrode 2 at a positive polarity, the power supplied from the heater lead 3
Done. Oxygen generated at the reference electrode 2 flows from the reference gas channel 9 to the open end 13.
And diffuses into the surrounding atmosphere (eg, exhaust gas or air).       [0017]   The rate of diffusion out of the reference gas chamber 9/9 '(see FIGS. 1 and 4)
Between the quasi-electrode (about 1 atm or more) and the ambient atmosphere (atm.) (About 0.21 atm or less)
It is linearly proportional to the oxygen pressure difference. In this embodiment, a gas diffusion limiting process is used entirely.
The oxygen pressure in the reference gas channel is lower than the ceramic sensor body
It will never increase to a level that could damage the device. On the other hand, air
And / or the rate of diffusion of the exhaust gas into the reference gas chamber is determined by the reference electrode (
Fuel concentration is maintained at zero by oxygen generated by pump current) and ambient
It is linearly proportional to the difference in fuel concentration between atmospheres (typically less than about 21%). Fuel concentration
The exhaust flux is limited because the difference does not exceed 21%. Exhaust flux is
It can be represented by the following formula (I).       [0018] (Equation 6)         Fexh= DCA / L (1) Where FexhIs the exhaust gas flux (ie the exhaust gas passing through the channel
Travel speed)   D is the diffusion constant of the exhaust gas constant   C is the ambient atmosphere exhaust gas concentration at the open end of the reference gas channel   A is the average cross section of the gas channel   L is the length of the gas channel       [0019]   To keep the fuel concentration near zero at the reference electrode, the oxygen flux
Must be greater than the fuel's critical flux. The amount of oxygen flux
, Can be adjusted by the resistance value of R in FIG. 1 and the heater voltage. Fuel limit flash
The amount of gas is determined by the cross-sectional area and length of the gas channel.       [0020]   The components of the gas sensor are: the protective layer 5, the electrodes 1, 2, 3, 4 (and
(Lead), heater 12, dielectric layers 7 and 8, and heater power supply 14. Also
In addition to these conventional components, additional conventional components may be used. example
(But not limited to) additional protective coatings (eg, spinel,
Alumina, magnesium aluminate and the like, and at least one of the above-mentioned coats.
Combinations including contacting, lead gettering layers, ground planes, support layers, additional
Such as a chemochemical cell.       [0021]   Dielectric layers 7 and 8 and any support layers typically prohibit electrical communication
Includes alumina or similar materials that can be stopped to provide physical protection. Like
Alternatively, the layers 7, 8 and the additional support layer can effectively be used in various parts of the gas sensor.
Can protect the minute, give structural integrity, separate the various components, heater
12 is electrically insulated from the sensor circuit, and the reference electrode 2, the heater 12, and / or
May cover the leads, provide physical protection against wear, and / or
Preferably, the components of the sensor are electrically insulated from the package. Preferably
The various materials used in the manufacture of gas sensors have substantially similar coefficients of thermal expansion and yield.
By providing shrink properties and chemical compatibility, delamination and other processing issues
Minimize, if not eliminate, the problem.       [0022]   Each of the dielectric layer and the support layer may be less than about 200 μm thick,
Preferably, the thickness is from about 50 microns to about 200 microns. These layers are
Mick tape casting method or other methods, such as plasma scanning
Play deposition technology, screen printing, stencils, and the art
Can be formed using other materials conventionally used.       [0023]   Between two of the layers, for example 7 and 8, a heater 12 is arranged and
A surface (not shown) is optionally arranged between two support layers (not shown)
. The heater 12 heats the sensor end (that is, the end opposite to the opening end 13) to a sufficient temperature.
Can maintain and promote various electrochemical reactions there.
It may be a heater. Heater 12 (Platinum, alumina, palladium, etc.
Mixtures and alloys containing at least one of the foregoing metals), or
Any other conventional heater typically has about 5 microns to about 50 microns on the substrate.
Screen printed to thickness.       [0024]   Leads 17 and 19 are located on either side of the various dielectric layers and provide gas sensing.
The external wiring of the electrode is electrically connected to the electrodes 1 and 2. The lead is typically
Are formed on the same layer as the electrodes with which they are in electrical communication.
Terminal end. At the terminal end, the leads are connected to the corresponding vias (not shown).
Not). The heater 12 also has a lead in electrical communication with the via.
3 and 4.       [0025]   Electrically in communication with the leads are electrodes that are in ionic connection with the electrolyte.
You. The electrolyte layers 6, 6 ', 6 "preferably constitute all or part of the layers
(See FIG. 1, and 5 to 7), and the electrolyte layer is provided with an exhaust gas.
Enables electrochemical transfer of oxygen ions while prohibiting physical passage of gas
Any material having an ion / total conductivity ratio of about 1 and a gas
Any material (eg, up to about 1000 ° C.) in which the material is used. Also,
This electrolyte can be formed by many conventional processes. For example (this
But not limited to) die press, roll compaction, stencil and screen
Printing and tape casting technology. Potential solid electrolysis
The quality material may include any material conventionally used as a sensor electrolyte.
For example (but not limited to) zirconia, which is optionally
Calcium, barium, yttrium, magnesium, aluminum, lanthanum
, Cesium, gadolinium, etc., and combinations comprising at least one of the foregoing materials
May be stabilized. For example, the electrolyte is alumina and yttrium stabilized
It can be zirconia. Typically, solid electrolytes have a thickness of about 500 microns.
And is preferably about 25 microns to about 500 microns thick, especially
Preferably, it is about 50 microns to about 200 microns thick.       [0026]   Note that in some embodiments, a porous electrolyte may be used. Porous
The electrolyte can allow physical movement of the exhaust gas and electrochemical movement of oxygen ions.
Must be compatible with the environment in which the gas sensor is used.
Must-have. Typically, the porous electrolyte has a porosity of up to about 20%
The central pore size is about 0.5 microns, or alternatively, one or more
Exhaust gas physics by including solid electrolyte with holes, slits and openings
To allow the target to pass. US Pat. No. 5,762,73 assigned to the assignee of the present invention.
No. 7 (Bloink et al.), Incorporated herein by reference in its entirety.
Describes further porous electrolytes that may be useful in the present application.
Possible porous electrolytes include those already listed for solid electrolytes.
No.       [0027]   The electrolytes 6, 6 ', 6 "and the protective material 5 constitute all or any part of the layer.
can do. For example, the electrolyte and the protective material may form a layer,
May be attached to the layer (protective material / electrolyte next to the dielectric material) or
The parts may be arranged in layers (the protective material / electrolyte can be an insert). Last arrangement
Eliminates excessive use of electrolytes and protective materials and eliminates layers
Reduces the size of the gas sensor. Electrolyte and protective material in any shape
Can be used for the fee. Various inserts and therefore corresponding opening sizes
And the geometry depends on the desired size and geometry of the adjacent electrodes. Open
The mouth, insert, and electrodes are preferably of substantially similar geometry.       [0028]   A plurality of electrodes 1, 2, 10, 11 are provided with electrolytes 6, 6 ', 6 "(see FIGS. 1 and 5).
7) and a porous electrolyte in contact with these electrodes.
Any catalyst capable of ionizing oxygen can be included. For example (limited to these
Metal) such as platinum, palladium, osmium, rhodium, iri
Didium, gold, ruthenium; metal oxides such as zirconia, yttria, ceria
, Calcia, alumina, etc .; other materials such as silicon; at least one
Mixtures and alloys containing the above mentioned catalysts are included.       [0029]   The electrodes 1, 2, 10, 11 are made by conventional techniques such as sputtering, chemical vapor deposition
It can be formed using a method, screen printing, or a stencil. Among them, electrodes
Screen printing on a suitable tape is preferred because of its simplicity,
This is because it depends on cost and compatibility with the subsequent firing process. For example, reference electrode 2
Can be screen printed on the dielectric layer 7 or on the solid electrolyte 6,
The gas electrode 1 can be screen-printed on the solid electrolyte 6 or the protective layer 5
You. Vias and / or electrolyte layers (not shown) in the electrode leads and dielectric
Typically, it is formed simultaneously with the electrodes.       [0030]   Arranged in fluid communication with the reference electrode 2 is a reference gas channel 9,
9 '. These are carbon-based materials, i.e. non-rigid materials
For example, carbon black is deposited between the reference electrode 2 and the layer 7,
Bones are formed by burning out the voids (see FIGS. 1 and 4).
See). As can be seen from FIG. 4, the geometry of the reference chamber is adapted to the specific application
Can be changed to In this particular embodiment, the reference gas cylinder
The channel 9 'comprises two diffusion paths 21 and 23, two chambers 23 and
25. The various compartments (21, 2) of the reference gas channel 9 '
3, 25, and 27) are given by the above equation (I) and the exhaust gas flow rate.
Determined based on the lux. In this embodiment, two chambers and two
By using two diffusion paths, it is possible to respond to the periodic repetition of the heater voltage
. Basically, if no voltage is applied to the heater, the reference gas channel
No voltage that induces pumping is applied to the electrodes. Ambient atmosphere becomes reference electrode
A multistage spreading channel is used to prohibit approaching. Used for pumping
If the voltage is not periodic, a single chamber and channel may be used.
it can. Here, the channels and chambers have the same size but different sizes.
And may be based on Equation I and the voltage to be used.       [0031]   Oxygen pump current moves oxygen through electrolyte into reference gas channel
Therefore, it must be larger than the fuel limit current. But the current is too large
And a new polarization due to the current is caused by the electrolyte (ohmic drop) and the electrode (electrode polarization)
And the error signal for the electromotive force measurement is
Can occur in between. As a result, about 30 milliamps of exhaust gas electrode area
A / square centimeter (mA / cmTwo) The following pump currents can be used
, Preferably about 20 mA / cmTwoOr less, particularly preferably about 20 mA / cmTwoBelow
is there. This requirement includes, for example, the correct resistance value of R (see FIG. 1),
It can be realized by making a selection depending on the application voltage. Resistor can be carbon or metal acid
Resistor or a thick film type (sensor, ceramic,
Can be screen-printed). AC to heater (ac)
If a power supply is used, a diode can optionally be added to the circuit (
In series with R. See FIG. 1).       [0032]   Due to the fuel limit current, the physical dimensions of the reference gas channel are
About 30 milliamps / square centimeter of electrode area
mA / cmTwo) Or less, preferably about 20 mA / cmTwoBelow, particularly preferably about 10
mA / cmTwoThe following must be obtained: Various parameters interact
Can vary, depending on the specific design of the sensor.
Wear. The design must be based on a combination of upper formula I and lower formula II.       [0033] (Equation 7)         Ip= (VhVemf) / R (II) Where IpIs the pump current   VhIs the heater voltage   VemfIs the sensor electromotive force   R is the resistance of the resistor       [0034]   In general, for voltages from about 10 to about 21 volts (V), the channel length (L)
Is about 35 mm to about 65 mm, width (W) is about 0.50 mm or less, and height (H) is about
0.05 mm or less, preferably about 35 mm to about 50 mm in length and about 0.3 mm in width
0 mm or less, height of about 0.025 mm or less, particularly preferably about 40 mm in length.
From about 48 mm, less than about 0.13 mm in width and less than about 0.015 mm in height
You. Note that the lower limit for the cross-sectional area (ie, width x height) is based on the desired diffusion rate.
I want to be reminded. The lower limit for both width and height is about 0.005 mm, but
The practical lower limit is substantially higher due to the limitations of manufacturing equipment. For example, the nominal V h Is about 13.5 volts, R is about 2 megaohms (MQ), IpIs about 7 microamps
In the case of a (μA), the dimension of the channel is about 43 m (L) × 0.2 mm (W) × 0
. 02 mm (H).       [0035]   The production of the reference gas channel is performed by mechanical notch duck, temporary
Screen printing of materials (eg, carbon that can burn out at high temperatures), controlled porosity
Can be performed by forming a coated coating layer, laser drilling of holes, etc.
it can. For example, the channel is the tip of the gas sensor for the surrounding exhaust gas.
(Reference numeral 13 in FIG. 1), the channel dimension is about 10 millimeters (m
m) Length (L) x width of 0.007 mm (W) x height of 0.01 mm (H)
You can.       [0036]   A heater or any other power device can provide power for oxygen pumping.
You can. If the heater is a power supply and is operating in periodic mode, the oxygen pump
There is a time zone in which no logging occurs. If these hours last for a very long time,
Oxygen may be depleted at the reference electrode. Buffer channel in gas channel
In addition to within the Zain, such obstacles can be avoided (see FIGS. 4 to 6)
. In these figures, the reference electrode is located adjacent to the small chamber 25 and
The buffer 27 functions as a buffer zone, and the short diffusion limiting path 21
A long diffusion path 23 connects to the tail of the gas sensor. Pong
The oxygen introduced by the ping is stored in the buffer zone and
Is maintained during times when no oxygen is supplied. Such gas channels
, Temporary materials (such as graphite or carbon, which can burn out during the sintering process)
) Can be produced by screen printing. And oxygen storage materials
Optionally, all or part of the reference gas channel (eg, the entire channel,
To one or more diffusion paths, to one or more chambers, or to these channels.
Increase the effectiveness of the function in addition to any combination of channel parts)
You can also. Such materials include metals such as platinum, rhodium, and palladium.
, Ruthenium, iridium, osmium, etc .; metal oxides such as seridium oxide
And other conventional oxygen storage materials, and
Mixtures and alloys containing at least one of the aforementioned materials are included. Assignment of the present invention
Patent application assigned to another person, agent reference number DP300023, US patent application No. 0
No. 9 / 476,834 (Detwiller, filed on January 3, 2000)
Incorporated in its entirety in the text), the acids that may be useful in the present application
Element storage materials are further described.       [0037]   In an alternative embodiment, the electrical insulation between the heater and the electromotive member is
This can be done by using an additional insulated set of electrodes for pumping.
it can. A possible way to do so is shown in FIGS. Figure 5 shows a symmetric design
In The sensors have two identical sensor layouts. This
These are similar to those shown in FIG. 1, but provided on the opposite side of the ceramic heater.
Have been. One of these sensors has an open reference gas channel and
Sensor leads 3 and 4 are connected to the heater. The other sensor is a heater
Having a gas channel through the ceramic, one of its electrodes (2)
Exposure to oxygen generated by electrodes 10 and 11 causes an electromotive force to be applied to electrodes 1 and 2
Measured by Electrodes 1 and 2 are electrically insulated from electrodes 10 and 11
Therefore, this sensor design has the characteristic of signal ground isolation. In addition, electrode 1
And 2 are separated from electrodes 10 and 11, so that the maximum oxygen pump current is
30mA / cmTwoNot limited to The hole passing through the ceramic heater is green
Machine piercing of green tapes prior to thermal lamination
, By making a hole.       [0038]   FIG. 6 shows another possible design that can achieve the same signal isolation. now
The electromotive force detection electrodes 1 and 2 and the oxygen pump electrodes 10 and 11
On the same side of the data. Electrical insulation layer (eg dielectric layer) eg aluminum
An electrode is provided between the two solid electrolytes coated between the electrodes. Insulated
The two electrolytes can be in the form of a button or a strip. Reference gas to open
The channels connect both electrodes 2 and 4. Two sets of electrodes
And may be alternated.       [0039]   There are still other ways to improve signal noise separation. Contact between electrodes 1 and 4
Disconnect from the sensor member position (see FIG. 1) and reconnect at the control panel position
(Shown in FIG. 7). The addition of resistor R2 provides a substantial ground isolation feature. Figure
This method is simpler than the method shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).       [0040]   In use, pumping by exhaust gas electrode 1, electrolyte 6, and reference electrode 2
-Both cells and reference cells are formed. Both can work even at the same time
You. Oxygen in the exhaust gas passes through the protective layer 5 and enters the pumping cell. Pong
In the ping cell, the voltage applied to electrodes 1 and 2 causes the oxygen on electrode 1
Are ionized and pumped to the reference electrode 2. Thus, at the exhaust gas electrode
If the exhaust gas is fuel rich (A / F is less than about 14.7 for a gas engine)
Or fuel-lean (A / F exceeds about 14.7 for a gas engine)
Oxygen can be used to supply the reference gas to determine if any.       [0041]   The following examples are merely to further illustrate embodiments of the present invention,
It does not limit the scope of the invention in any way.       [0042]   An example   Zirconia doped with alumina and yttria, a binder, a plasticizer,
After mixing with a solvent, the mixture was roll-kneaded in the same manner as in the prior art to form a slurry. Next
Ri was put into a mold and taped. This is Doctor Blade Tape Casty
This was performed using the aging method.       [0043]   Screen printing of platinum ink and carbon ink on tape
1 (electrodes 1 and 4 are platinum and reference gas channel 9 is
Bonn). The printed material of the carbon channel 9 has a basic physical dimension of 49.
mm L x 0.86 mm W x 0.015 mm H. W is shown here
13%, 20%, 25%, 50%, and 100% of the calculated values. Reference
The schannel had an opening in the tail of the gas sensor.       [0044]   The tape is laminated by heat, cut, and baked at 1500 ° C for several hours.
Then packaged for final testing. The sensor is new and hermetically sealed
Therefore, leak holes of various sizes are created in the sensor package to
Can leak into the tail of the sensor.       [0045]   The sensor is then moved to a hot rich engine operating condition (eg, 5.7 liters).
(L), 2700 revolutions / minute (rpm) with an 8-valve (V8) engine, 70 kPa
Skull (kPa) exhaust gas pipe back pressure, stoichiometric point (that is, A / F is about 13.
2) 10% rich, and the exhaust gas temperature was 850 ° C.). Based on current
The critical exhaust gas flux measured by the
(Measured with a vacuum pump at).       [0046]   Fig. 2 shows the diffusion limiting effect on the exhaust gas and flux of the air channel.
The results are shown below. In FIG. 2, the fuel limiting current is measured by the logarithmic leakage of the sensor package.
Rate (cubic centimeter / second (cmThree/ Sec))
You. The flat portion of the observed limiting current is 5 microamps (mA). This
This is because the exhaust gas flux that diffuses into the reference gas channel
This indicates that the gas has a limit value regardless of the amount of polluting exhaust gas.       [0047]   Oxygen was pumped into the reference chamber (ie up to 1.5 volts (V))
(Directly applied between the exhaust gas electrode and the reference electrode).
Does not destroy. In other words, in contrast to a sealed reference gas channel,
The current reference gas channel has a voltage of about 1.5V or less and even higher.
Excessive increase in internal oxygen pressure, able to withstand pumped up oxygen
Do not cause rupture. This allows the reference gas channel to be
It can be seen that it has the characteristic of restricting gas diffusion in the opposite direction. As a result, exhaust gas
Oxygen pressure is applied to the reference
And increases to the rupture point.       [0048]   Next, the fuel limit flux was measured as a function of the reference channel width. In FIG.
Plot the result. In FIG. 3, the limit exhaust gas flux is shown in the reference channel.
Plotted against percent change in width. As seen in this figure
, The critical exhaust gas flux is linearly proportional to the linear dimension of the reference gas channel.
You.       [0049]   Depending on the design of the gas sensor and especially the reference gas channel, exhaust gas
Alternatively, the diffusion of the contaminated air toward the reference electrode is suppressed. This means that
Requirements for hermetically sealed sensor packages in conjunction with a dynamic pumping method
Eliminates the problem of increased oxygen pressure and eliminates expensive power supplies and circuits
. A further advantage of this sensor is that when using the firing embodiment, the reference gas channel
Manufacturing can be simplified because temporary materials can be used when forming the
.       [0050]   While the preferred embodiment has been shown and described, various changes and substitutions may be made in the present invention.
Without departing from the spirit and scope of the invention. For example, in this specification
Use of the taught geometry in other conventional sensors. I
Accordingly, the devices and methods have been described by way of illustration only and are not disclosed herein.
Such examples and embodiments described are to be interpreted as limiting the scope of the claims.
Please understand that you must not deny. [Brief description of the drawings]     FIG. 1 is an enlarged view of a gas sensor design.     Fig. 2 Gas diffusion limiting effect on sensor package leak rate.
It is a figure showing exhaust gas flux measured from an arc channel. Data
The flat part indicates the limit value of the exhaust gas flux.     Fig. 3 Limit discharge for air channel width distribution (percent (%))
It is a figure which shows a gas-gas flux value.     FIG. 4 shows oxygen related to the periodic operation of the heater (on / off operation of the heater).
Gas buffering (storage) with gas restrictors to overcome pump problems
Kura) Single air channel design with space. Angled top view.
is there.     FIG. 5 is a view showing a gas having electric insulation (ground insulation between a heater and a sensor electromotive force).
FIG. 4 is an enlarged view of an alternative design of the sensor, showing the electromotive force element and the oxygen pump element.
Is on the opposite side of the heater.     FIG. 6 shows a gas having electrical insulation (ground insulation between a heater and a sensor electromotive force).
Enlarged view of an alternative design of the sensor, with an electromotive force sensor and an oxygen pump
The sensor is on the same side of the heater.     FIG. 7 is an enlarged view of an alternative gas sensor design, showing an electromotive electrode
To further address the issue of insulation between the leads and heater leads,
The connection to the heater lead is outside the sensor member location.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キクチ,ポール・キャセイ アメリカ合衆国ミシガン州48430,グラン ド・ブランク,クライド・ロード 12824 (72)発明者 グドウィン,ウィリアム・ラッセル アメリカ合衆国ミシガン州48439,グラン ド・ブランク,ジョージタウン 5169 (72)発明者 タイ,ロン−ウレン・エフ アメリカ合衆国ミシガン州48309,ロチェ スター・ヒルズ,シルヴァーヴェイル・ド ライブ 380 (72)発明者 デトワイラー,エリック・ジェイ アメリカ合衆国ミシガン州48423,ダヴィ ソン,コリーン・レイン 1518 (72)発明者 ケンナード,フレデリック・リンカン, ザ・サード アメリカ合衆国ミシガン州48442,ホリー, イースト・ホリー・ロード 5499 (72)発明者 コーア,ジェフリー・ティー アメリカ合衆国ミシガン州48507,フリン ト,メイプル・パーク・ドライブ 5483────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Kikuchi, Paul Cathay             Gran, 48430, Michigan, United States             De Blank, Clyde Road 12824 (72) Inventors Goodwin, William Russell             48439, Gran, Michigan, United States             De Blanc, Georgetown 5169 (72) Inventor Ron-Uren F             48309, Roche, Michigan, United States             Star Hills, Silvervale de             Live 380 (72) Inventor Detweiler, Eric Jay             Davi, 48423, Michigan, United States             Son, Colleen Lane 1518 (72) Inventors Kennard, Frederick Lincoln,             The Third             Holly, 48442, Michigan, USA             East Holly Road 5499 (72) Inventor Kore, Jeffrey Tee             48507, Flynn, Michigan, United States             G, Maple Park Drive 5483

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 電極間に電解質が配置され、互いにイオン連絡する第1電極
および基準電極と、 前記基準電極およびセンサ外部と流体連絡し、拡散制限器を有する基準ガスチ
ャンネルと、 を備えたガス・センサ。 【請求項2】 前記基準ガスチャンネルは、基準電極面積の約30mA/c
2以下である限界排気フラックスを有する、請求項1に記載のガス・センサ。 【請求項3】 前記基準ガスチャンネルは、基準電極面積の約20mA/c
2以下である限界排気フラックスを有する、請求項2に記載のガス・センサ。 【請求項4】 前記基準ガスチャンネルは、基準電極面積の約10mA/c
2以下である限界排気フラックスを有する、請求項3に記載のガス・センサ。 【請求項5】 前記基準ガスチャンネルは、サイズが式(I) 【数1】 Fexh=(DCA)/L (I) によって決定され、ここで、Fexhは排気ガス・フラックス(すなわち、チャン
ネルを通る排気ガス移動の速度)、Dは排気ガスの拡散定数、Cは基準ガスチャ
ンネルの開口端での周囲大気燃料濃度、Aはガスチャンネルの平均断面積、Lは
ガスチャンネルの長さである、請求項3に記載のガス・センサ。 【請求項6】 前記基準ガスチャンネルのデザインがさらに式(II) 【数2】 Ip=(Vhemf)/R (II) に基づく、ここで、Ipはポンプ電流、Vhはヒータ電圧、Vemfはセンサ起電力
、Rは抵抗器の抵抗である、請求項5に記載のガス・センサ。 【請求項7】 前記基準ガスチャンネルは、長さ約35mmから約65mm
、幅約0.50mm以下、高さ約0.05mm以下である、請求項1に記載のガ
ス・センサ。 【請求項8】 前記長さは約35mmから約50mm、前記幅は約0.30
mm以下、前記高さは約0.025mm以下である、請求項7に記載のガス・セ
ンサ。 【請求項9】 前記長さは約40mmから約48mm、前記幅は約0.13
mm以下、前記高さは約0.015mm以下である、請求項8に記載のガス・セ
ンサ。 【請求項10】 前記基準ガスチャンネルは、酸素貯蔵材料をさらに含む、
請求項1に記載のガス・センサ。 【請求項11】 前記酸素貯蔵材料は、プラチナ、ロジウム、パラジウム、
ルテニウム、イリジウム、オスミウム、酸化セリウム、酸化ビスマス、および少
なくとも1つの前記材料を含む合金および混合物からなる群から選択される、請
求項10に記載のガス・センサ。 【請求項12】 前記基準ガスチャンネルは、基準電極に隣接する第1チャ
ンバをさらに備え、第1チャンバの断面積は拡散制限器の断面積よりも大きい、
請求項1に記載のガス・センサ。 【請求項13】 前記基準ガスチャンネルは第2チャンバと第2拡散経路と
をさらに備え、前記第2チャンバが第1チャンバと流体連絡するように配置され
、第1拡散経路が第2チャンバと第1チャンバ間に配置され、第2拡散経路は第
1拡散経路と流体連絡するように配置され、第2チャンバが第2拡散経路と第1
拡散経路間に配置され、第2チャンバの断面積は第1チャンバの断面積よりも大
きく、第2拡散経路の断面積は第1チャンバの断面積よりも小さい、請求項12
に記載のガス・センサ。 【請求項14】 前記センサはヒータと抵抗器とをさらに備え、抵抗器はヒ
ータの正リードと基準電極とに接続されている、請求項1に記載のガス・センサ
。 【請求項15】 センサを焼成することをさらに含む、請求項1に記載のガ
ス・センサ。 【請求項16】 電極間に電解質が配置され、互いにイオン連絡する第1電
極および基準電極と、前記基準電極およびセンサ外部と流体連絡する基準ガスチ
ャンネルとを備えるガス・センサを用いるステップと、 排気ガスを第1電極に導入するステップと、 基準電極に電圧を印加するステップと、 第1電極で酸素をイオン化するステップと、 イオン化された電解質を通して基準電極へ酸素を移動させるステップと、 基準電極で分子状酸素を形成するステップと、 分子状酸素を基準電極上でイオン化するステップと、 電解質を通してイオン化された酸素を第1電極へ移動させて電圧を発生させる
ステップと、および 電圧を測定するステップとを含む、ガス・センサを動作させるための方法。 【請求項17】 前記基準ガスチャンネルは拡散制限器をさらに備える、請
求項16に記載のガス・センサを動作させるための方法。 【請求項18】 基準ガスチャンネルは基準電極面積の約30mA/cm2
以下である限界排気ガス・フラックスを有する、請求項16に記載のガス・セン
サを動作させるための方法。 【請求項19】 基準ガスチャンネルは基準電極面積の約20mA/cm2
以下である限界排気ガス・フラックスを有する、請求項18に記載のガス・セン
サを動作させるための方法。 【請求項20】 基準ガスチャンネルは基準電極面積の約10mA/cm2
以下である限界排気ガス・フラックスを有する、請求項19に記載のガス・セン
サを動作させるための方法。 【請求項21】 前記基準ガスチャンネルは、サイズが式(I) 【数3】 Fexh=(DCA)/L (I) によって決定され、ここで、Fexhは排気ガス・フラックス(すなわち、チャン
ネルを通る排気ガス移動の速度)、Dは排気ガスの拡散定数、Cは基準ガスチャ
ンネルの開口端での周囲大気燃料濃度、Aはガスチャンネルの平均断面積、Lは
ガスチャンネルの長さである、請求項16に記載のガス・センサを動作させるた
めの方法。 【請求項22】 基準ガスチャンネルのデザインがさらに式(II) 【数4】 Ip=(Vhemf)/R (II) に基づく、ここで、Ipはポンプ電流、Vhはヒータ電圧、Vemfはセンサ起電力
、Rは抵抗器の抵抗である、請求項21に記載のガス・センサを動作させるため
の方法。 【請求項23】 前記基準ガスチャンネルは長さ約35mmから約65mm
、幅約0.50mm以下、高さ約0.05mm以下である、請求項22に記載の
ガス・センサを動作させるための方法。 【請求項24】 前記長さは約35mmから約50mm、前記幅は約0.3
0mm以下、前記高さは約0.025mm以下である、請求項23に記載のガス
・センサを動作させるための方法。 【請求項25】 前記長さは約40mmから約48mm、前記幅は約0.1
3mm以下、前記高さは約0.015mm以下である、請求項24に記載のガス
・センサを動作させるための方法。 【請求項26】 前記基準ガスチャンネルは酸素貯蔵材料をさらに備える、
請求項16に記載のガス・センサを動作させるための方法。 【請求項27】 前記酸素貯蔵材料は、プラチナ、ロジウム、パラジウム、
ルテニウム、イリジウム、オスミウム、酸化セリウム、酸化ビスマス、および少
なくとも1つの前記材料を含む合金および混合物からなる群から選択される、請
求項26に記載のガス・センサを動作させるための方法。 【請求項28】 前記基準ガスチャンネルは基準電極に隣接する第1チャン
バをさらに備え、第1チャンバの断面積は拡散制限器の断面積よりも大きい、請
求項16に記載のガス・センサを動作させるための方法。 【請求項29】 前記基準ガスチャンネルは第2チャンバと第2拡散経路と
をさらに備え、第2チャンバは第1チャンバと流体連絡するように配置され、第
1拡散経路が第2チャンバと第1チャンバ間に配置され、第2拡散経路は第1拡
散経路と流体連絡するように配置され、第2チャンバが第2拡散経路と第1拡散
経路間に配置され、第2チャンバの断面積は第1チャンバの断面積よりも大きく
、第2拡散経路の断面積は第1チャンバの断面積よりも小さい、請求項29に記
載のガス・センサを動作させるための方法。 【請求項30】 前記基準電極に電気的に接続されたヒータをさらに備え、
電圧が周期的にヒータに印加される、請求項29に記載のガス・センサを動作さ
せるための方法。 【請求項32】 前記第1電極において酸素をイオン化し、電解質を通して
イオン化された酸素を基準電極へ移動させ、基準電極において分子状酸素を形成
する動作は、分子状酸素を基準電極上においてイオン化し、電解質を通してイオ
ン化された酸素を第1電極へ移動させて電圧を発生させる動作と実質的に同時に
起こる、請求項16に記載のガス・センサを動作させるための方法。 【請求項33】 前記ガス・センサはヒータをさらに備え、前記センサは焼
成されている、請求項16に記載のガス・センサを動作させるための方法。
Claims: 1. A reference gas channel having an electrolyte disposed between electrodes and in ionic communication with each other, a first electrode and a reference electrode, and in fluid communication with the reference electrode and the exterior of the sensor, the reference gas channel having a diffusion limiter. And a gas sensor comprising: 2. The reference gas channel has a reference electrode area of about 30 mA / c.
The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor has a critical exhaust flux that is less than or equal to m 2 . 3. The reference gas channel has a reference electrode area of about 20 mA / c.
3. The gas sensor according to claim 2, wherein the gas sensor has a critical exhaust flux that is less than or equal to m2. 4. The reference gas channel has a reference electrode area of about 10 mA / c.
m 2 has a at which limit exhaust flux less, the gas sensor according to claim 3. 5. The reference gas channel has a size determined by the formula (I): F exh = (DCA) / L (I), where F exh is the exhaust gas flux (ie, channel , D is the diffusion constant of the exhaust gas, C is the ambient atmospheric fuel concentration at the open end of the reference gas channel, A is the average cross-sectional area of the gas channel, and L is the length of the gas channel. The gas sensor according to claim 3. 6. The design of the reference gas channel is further based on the formula (II): I p = (V h V emf ) / R (II), where I p is the pump current and V h is The gas sensor according to claim 5, wherein the heater voltage, V emf is the sensor electromotive force, and R is the resistance of the resistor. 7. The reference gas channel has a length of about 35 mm to about 65 mm.
The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor has a width of about 0.50 mm or less and a height of about 0.05 mm or less. 8. The length is about 35 mm to about 50 mm, and the width is about 0.30.
The gas sensor according to claim 7, wherein the height is less than or equal to about 0.025 mm. 9. The length is about 40 mm to about 48 mm, and the width is about 0.13.
9. The gas sensor according to claim 8, wherein the height is no greater than about 0.015 mm. 10. The reference gas channel further includes an oxygen storage material.
The gas sensor according to claim 1. 11. The oxygen storage material is platinum, rhodium, palladium,
11. The gas sensor according to claim 10, wherein the gas sensor is selected from the group consisting of ruthenium, iridium, osmium, cerium oxide, bismuth oxide, and alloys and mixtures containing at least one of the above materials. 12. The reference gas channel further comprises a first chamber adjacent to a reference electrode, wherein a cross-sectional area of the first chamber is larger than a cross-sectional area of the diffusion restrictor.
The gas sensor according to claim 1. 13. The reference gas channel further includes a second chamber and a second diffusion path, wherein the second chamber is disposed in fluid communication with the first chamber, wherein the first diffusion path is in communication with the second chamber. A second diffusion path disposed in fluid communication with the first diffusion path, the second chamber being disposed in fluid communication with the first diffusion path;
13. The cross-sectional area of the second chamber is greater than the cross-sectional area of the first chamber and the cross-sectional area of the second diffusion path is smaller than the cross-sectional area of the first chamber.
A gas sensor according to claim 1. 14. The gas sensor according to claim 1, wherein the sensor further comprises a heater and a resistor, wherein the resistor is connected to a positive lead of the heater and a reference electrode. 15. The gas sensor according to claim 1, further comprising firing the sensor. 16. Using a gas sensor having an electrolyte disposed between the electrodes and having a first electrode and a reference electrode in ionic communication with each other, and a reference gas channel in fluid communication with the reference electrode and the exterior of the sensor. Introducing a gas to the first electrode; applying a voltage to the reference electrode; ionizing oxygen at the first electrode; transferring oxygen to the reference electrode through the ionized electrolyte; Forming molecular oxygen; ionizing molecular oxygen on a reference electrode; transferring ionized oxygen to a first electrode through an electrolyte to generate a voltage; and measuring the voltage. A method for operating a gas sensor, comprising: 17. The method for operating a gas sensor according to claim 16, wherein the reference gas channel further comprises a diffusion limiter. 18. The reference gas channel has a reference electrode area of about 30 mA / cm 2.
17. The method for operating a gas sensor according to claim 16, having a limiting exhaust gas flux that is: 19. The reference gas channel has a reference electrode area of about 20 mA / cm 2.
19. The method for operating a gas sensor according to claim 18, wherein the method has a critical exhaust gas flux that is: 20. The reference gas channel has a reference electrode area of about 10 mA / cm 2.
20. A method for operating a gas sensor according to claim 19, having a limiting exhaust gas flux that is: 21. The reference gas channel has a size determined by the formula (I): F exh = (DCA) / L (I), where F exh is the exhaust gas flux (ie, channel , D is the diffusion constant of the exhaust gas, C is the ambient atmospheric fuel concentration at the open end of the reference gas channel, A is the average cross-sectional area of the gas channel, and L is the length of the gas channel. 17. A method for operating a gas sensor according to claim 16. 22. The design of the reference gas channel is further based on the formula (II): I p = (V h V emf ) / R (II), where I p is the pump current and V h is the heater 22. The method for operating a gas sensor according to claim 21, wherein the voltage, V emf is the sensor electromotive force, and R is the resistance of the resistor. 23. The reference gas channel has a length of about 35mm to about 65mm.
23. The method for operating a gas sensor according to claim 22, wherein the width is about 0.50 mm or less and the height is about 0.05 mm or less. 24. The length is about 35 mm to about 50 mm, and the width is about 0.3 mm.
24. The method for operating a gas sensor according to claim 23, wherein the height is 0 mm or less, and the height is about 0.025 mm or less. 25. The length is between about 40 mm and about 48 mm, and the width is about 0.1 mm.
25. The method for operating a gas sensor according to claim 24, wherein the height is 3 mm or less, and the height is about 0.015 mm or less. 26. The reference gas channel further comprises an oxygen storage material.
A method for operating a gas sensor according to claim 16. 27. The oxygen storage material is platinum, rhodium, palladium,
27. The method for operating a gas sensor according to claim 26, wherein the method is selected from the group consisting of ruthenium, iridium, osmium, cerium oxide, bismuth oxide, and alloys and mixtures containing at least one of the above materials. 28. The gas sensor of claim 16, wherein the reference gas channel further comprises a first chamber adjacent to a reference electrode, wherein a cross-sectional area of the first chamber is greater than a cross-sectional area of the diffusion limiter. Way to let. 29. The reference gas channel further comprises a second chamber and a second diffusion path, wherein the second chamber is disposed in fluid communication with the first chamber, wherein the first diffusion path is connected to the second chamber and the first diffusion path. A second diffusion path is disposed between the chambers, the second diffusion path is disposed in fluid communication with the first diffusion path, a second chamber is disposed between the second diffusion path and the first diffusion path, and a cross-sectional area of the second chamber is the first diffusion path. 30. The method for operating a gas sensor according to claim 29, wherein the cross-sectional area of the second diffusion path is larger than the cross-sectional area of the first chamber, the cross-sectional area being larger than one of the chambers. 30. The apparatus further comprising a heater electrically connected to the reference electrode,
30. The method for operating a gas sensor according to claim 29, wherein the voltage is applied to the heater periodically. 32. The operation of ionizing oxygen at the first electrode, moving the ionized oxygen through an electrolyte to a reference electrode, and forming molecular oxygen at the reference electrode, comprises ionizing molecular oxygen on the reference electrode. 17. The method for operating a gas sensor of claim 16, wherein the operation occurs substantially simultaneously with the operation of transferring ionized oxygen through the electrolyte to the first electrode to generate a voltage. 33. The method for operating a gas sensor according to claim 16, wherein the gas sensor further comprises a heater, wherein the sensor is fired.
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